DE69129718T2

DE69129718T2 - Vibrationsgetriebener Antrieb

Info

Publication number: DE69129718T2
Application number: DE69129718T
Authority: DE
Inventors: Takashi Ohta-Ku Tokyo Maeno; Takayuki Ohta-Ku Tokyo Tsukimoto
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1990-08-03
Filing date: 1991-07-31
Publication date: 1998-12-17
Anticipated expiration: 2011-08-01
Also published as: US5436522A; JPH0491671A; CA2048399C; CA2048399A1; EP0469881B1; DE69129718D1; JP2879955B2; EP0469881A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallmotor oder einen vibrationsgetriebenen Motor, bei dem eine Vibrationseinrichtung der Stiftbauart, die die beiden Seiten eines elektromechanischen Energiewandlerelementes, wie beispielsweise eines piezoelektrischen Elementes, in der Dickenrichtung hält, gekrümmt und in Vibration versetzt wird, indem es eine Energie an das elektromechanische Energiewandlerelement liefert, um eine Drehbewegung, wie beispielsweise eine kreisförmige oder elliptische Bewegung, eines Massenpunktes zu bewirken, so daß ein an die Vibrationseinrichtung gedrückter beweglicher Körper per Kraftschluß angetrieben wird.
Bei einem Ultraschallmotor nach dem Stand der Technik wird eine Wanderkrümmungsvibration in einem ringförmigen metallischen elastischen Vibrationselement bewirkt, um einen beweglichen Körper durch Reibungskraft anzutreiben. Diese Art des Ultraschallmotors wurde bei einem Mechanismus mit einer selbsttätigen Einstellung einer Kamera verwendet.
Da jedoch bei dieser Art des Ultraschallmotors das in Vibration versetzte elastische Element eine Ringform hat, sind die Kosten einer einen Drückmechanismus zum Erzeugen einer Reibungskraft umfassenden Einheit hoch und er ist im Vergleich zu einer Anwendung, die keine Höhlung (Ringform) erfordert, mit Nachteilen behaftet.
Als ein Ultraschallmotor einer Stabart, wie beispielsweise einer Stiftart, der einen einfachen Drückmechanismus hat, wurde ein in den Fig. 9 und 10 gezeigter Motor vorgeschlagen.
In den Fig. 9 und 10 ist mit dem Bezugszeichen A eine Vibrationseinrichtung eines Ultraschallmotors der Stiftbauart oder eines Vibrationswellenmotors bezeichnet. Sie weist ein vorderes elastisches Vibrationselement 1 der Stiftbauart, ein zylindrisches hinteres elastischen Vibrationselement 2, ringförmige piezoelektrische Platten 3 und 4 als elektromechanische Energiewandlerelemente, die zwischen dem vorderen elastischen Vibrationselement 1 und dem hinteren elastischen Vibrationselement 2 vorgesehen sind, und (nicht gezeigte) Elektrodenplatten zum Anlegen einer Wechseispannung an den piezoelektrischen Platten 3 und 4, die zwischen den piezoelektrischen Platten 3 und 4 vorgesehen sind. Die piezoelektrischen Platten 3 und 4 und die Elektrodenplatten werden durch Schrauben 6 zwischen dem vorderen elastischen Vibrationselement 1 und dem hinteren elastischen Vibrationselement 2 gehalten und gesichert.
Die piezoelektrischen Platten 3 und 4 sind mit verschiedenen Polaritäten symmetrisch um einen Querschnitt polarisiert, der durch eine Achse tritt, und die Platten 3 und 4 werden um 90 Grad entlang einer Richtung θ verschoben.
Wenn die Wechselspannungen V&sub1; und V&sub2; mit Frequenzen, die nahe der spezifischen Krümmungsvibrationsfrequenz der Vibrationseinrichtung sind, an den piezoelektrischen Platten 3 und 4 angelegt werden, dehnen sich die piezoelektrischen Platten in der Dickenrichtung aus oder sie schrumpfen in der Dickenrichtung, um die Krümmungsvibration in der Vibrationseinrichtung zu bewirken. Wenn die Wechselspannungen V&sub1; und V&sub2; die gleiche Amplitude und die gleiche Frequenz und eine Phasenverschiebung von 90 Grad zwischen ihnen haben, führt die Vibrationseinrichtung A eine kreisförmige Bewegung wie ein Seil bei einem Seilspringen (die danach auch als Seilspringvibration bezeichnet wird) um die axiale Mitte der Vibrationseinrichtung aus. Anders ausgedrückt wird eine Drehbewegung in den Teilchen des elastischen Elementes bewirkt, wenn eine Vielzahl von Vibrationen des Krümmungsmodus mit einem vorbestimmten Phasenunterschied zwischen ihnen durch die piezoelektrischen Elemente 3 und 4 in einer Vielzahl von Ebenen des stabförmigen elastischen Elementes bewirkt werden. Durch ein Umkehren der Phasen der Wechselspannungen V&sub1; und V&sub2; werden die nach vorn und nach hinten gerichteten Drehungen der kreisförmigen Bewegung erreicht.
Mit dem Bezugszeichen R ist ein Rotor bezeichnet, der koaxial an der axialen Mitte l der Vibrationseinrichtung A eingepaßt ist. Ein Einpaßende von ihm ist an einen Gleitbereich B der Vibrationseinrichtung durch eine Federkraft einer Feder 5 gedrückt und dieses wird durch den Reibungsantrieb durch die von der Vibrationseinrichtung A bewirkten Vibration gedreht. Die Feder 5 wird zwischen einem Endstückende der Schraube 6 und einer Federstütze 8 elastisch gespannt, die an einem Axiallager 7 mit einem Flansch eingepaßt ist.
Als ein Verfahren zum Stützen der Vibrationseinrichtung A wurde vorgeschlagen, einen Flansch an einer Seitenwand der Vibrationseinrichtung A vorzusehen und den Flansch durch ein Material mit einem geringen Reibungskoeffizient zu stützen. Bei diesem Verfahren muß ein feststehender Bereich gleiten, um die Vibrationseinrichtung ohne ein Einschränken der Vibration der Vibrationseinrichtung zu stützen. Als eine Folge davon wird ein Energieverlust durch die Reibung erzeugt.
Die Druckschrift EP-A-0 406 843, die den Stand der Technik auf der Grundlage des Artikels 54(3) EPÜ darstellt, und die Druckschrift EP-A-0 289 734 offenbaren ein vibrationsgetriebenes Betätigungsglied mit: einem Kontaktelement mit einer Drehmitte; einem Vibrationselement, das mit dem Kontaktelement zum Antreiben des Kontaktelementes in Kontakt steht und sich entlang einer Achse erstreckt;
einem elektromechanischen Energiewandlerelement, das in dem Vibrationselement vorgesehen ist und eingerichtet ist, um eine Vielzahl von Vibrationen mit einem vorbestimmten
Phasenunterschied im Ansprechen auf ein aufgebrachtes elektrisches Signal zu bewirken, wodurch eine kombinierte Vibration in dem Vibrationselement erzeugt wird;
einem Stützelement, das an einem Grundelement befestigt ist, um das Vibrationselement an einer vorbestimmten Position relativ zu dem Grundelement zu stützen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vibrationsgetriebenes Betätigungsglied zu schaffen, das eine gestützte Vibrationseinrichtung hat, die mit einem geringen Reibungsenergieverlust die Vibrationseinrichtung in Vibration versetzen kann, so daß der Wirkungsgrad des Motors verbessert wird.
Es ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Betätigungsglied zu schaffen, das eine geringere Vibration auf ein System überträgt, an dem das Betatigungsglied montiert ist.
Die vorliegende Erfindung schafft ein vibrationsgetriebenes Betätigungsglied mit:
einem Kontaktelement mit einer Drehmitte;
einem Vibrationselement, das mit dem Kontaktelement zum Antreiben des Kontaktelementes in Kontakt steht und sich entlang einer Achse erstreckt;
einem elektromechanischen Energiewandlerelement, das in dem Vibrationselement vorgesehen ist und eingerichtet ist, um eine Vielzahl von Vibrationen mit einem vorbestimmten zeitlichen Phasenunterschied zwischen ihnen in dem Vibrationselement im Ansprechen auf ein aufgebrachtes elektrisches Signal zu bewirken, wodurch eine kombinierte Vibration in dem Vibrationselement erzeugt wird;
einem Stützelement, das an einem Grundelement befestigt ist, um das Vibrationselement an einer vorbestimmten Position relativ zu dem Grundelement zu stützen; dadurch gekennzeichnet, daß
sich das Stützelement entlang der Achse erstreckt und an dem Vibrationselement derart gesichert ist, daß das Vibrationselement, das Kontaktelement und das Stützelement koaxial liegen.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 zeigt eine Ansicht im Längsschnitt auf ein Ausführungsbeispiel eines vibrationsgetriebenen Motors der vorliegenden Erfindung.
Die Fig. 2A und 2B zeigen eine Seitenansicht beziehungsweise eine Draufsicht auf ein anderes Ausführungsbeispiels
Die Fig. 3A und 3B zeigen eine Seitenansicht beziehungsweise eine Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel, das einen Stützstab mit einer viereckigen Achse verwendet.
Die Fig. 4A und 4B zeigen ein Ausführungsbeispiel, das eine zusätzliche Masse und einen Vibrationsmodus von dieser verwendet.
Die Fig. 5 und 6 zeigen Vibrationsmodi eines Ausführungsbeispiels, das keine zusätzliche Masse verwendet.
Die Fig. 7, 8 und 11 zeigen einen Drückmechanismus bei einem Ausführungsbeispiel, das einen Stützstab an der Seite des Rotors hat.
Die Fig. 9 und 10 zeigen eine perspektivische Ansicht beziehungsweise eine Ansicht im Längsschnitt von einem Ultraschallmotor nach dem Stand der Technik.
Fig. 12 zeigt eine Schnittansicht eines Gerätes, das einen vibrationsgetriebenen Motor verwendet.
Fig. 1 zeigt eine Ansicht im Längsschnitt auf ein Ausführungsbeispiel eines vibrationsgetriebenen Motors der vorliegenden Erfindung. In der nachstehenden Beschreibung sind diejenigen Elemente, die den Elementen des in den Fig. 9 und 10 gezeigten Motors gleich sind, mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und deren Erläuterung wird weggelassen.
Bei der vorliegenden Erfindung ist ein Ende eines Stützstabes 20, der sich entlang einer axialen Mitte der Vibrationseinrichtung A erstreckt, an einem Boden der Schraube 6 gesichert und das andere Ende ist an einem feststehenden Element 21 gesichert.
Ein Ende des Stützstabes 20 ist an einem Boden 6aa eines axialen Loches 6a gesichert, das an dem Boden der Schraube 6 ausgebildet ist. Der Außendurchmesser des Stützstabes 20 ist kleiner als der Innendurchmesser des axialen Loches 6a, so daß ein Spalt zwischen dem Stützstab 20 und dem axialen Loch 6a ausgebildet ist.
Das an dem Boden der Schraube ausgebildete axiale Loch 6a erstreckt sich zu einer Position eines Vibrationsknotens der Vibrationseinrichtung A, an der der Stützstab 20 gesichert ist. Wegen des Spaltes gelangen die Vibrationseinrichtung A und der Stützstab 20 nicht miteinander in Kontakt, selbst wenn die Vibrationsverschiebungen der Vibrationseinrichtung A und des Stützstabes 20 verschieden sind.
Durch den vorstehend beschriebenen Aufbau kann die Vibrationseinrichtung A mit einem geringen Energieverlust gesichert werden.
Da nämlich der Stützstab 20 an dem Vibrationsknotenpunkt gesichert ist, das heißt an einer Position mit einer Nullverschiebung in der Richtung 7, ist eine an dem Stützstab erzeugte Verschiebung gering und der Verlust in dem Stützstab ist gering.
Da des weiteren der Stützstab in die Vibrationseinrichtung eingefugt ist, wird die Gesamtlänge des Motors verringert.
Der Stützstab 20 kann an jeder Seite der Vibrationseinrichtung A, wie dies in den Fig. 2A und 2B gezeigt ist, anstatt nur an einer Seite der Vibrationseinrichtung A vorgesehen sein. Da in diesem Fall die gesamte Motorbaugruppe gesichert ist, ist es leichter, eine Motorabgabeleistung von dem beweglichen Körper (Rotor) abzunehmen. Bei dem einseitigen Stützsystem durch den Stützstab 20 wird eine kompakte Gestaltung der gesamten Motorbaugruppe erreicht.
Der Stützstab 20 hat einen kreisförmigen Querschnitt oder einen viereckigen Querschnitt, wie dies in den Fig. 28 und 38 gezeigt ist.
Da bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zwei stehende Wellen mit dem gleichen Krümmungsmodus mit einer Umfangsverschiebung von 90 Grad zwischen ihnen als Antriebsvibration verwendet werden, ist es notwendig, ein Verschieben der Vibrationsfrequenzen der stehenden Wellen aufgrund des Verlustes der axialen Symmetrie des den Stützstab 20 umfassenden Vibrationssystems zu verhindern. Aus diesem Grund wird der kreisformige oder viereckige Querschnitt des Stützstabes 20 verwendet.
Wenn die spezifischen Vibrationsfrequenzen voneinander verschieden sind, sind die Amplituden der stehenden Wellen, die beim Anlegen der gleichen Eingangsspannung erzeugt werden, verschieden und ein Punkt an einer Oberfläche der Vibrationseinrichtung folgt nicht einer wirklichen Kreisbahn und ein Kontakt mit dem beweglichen Element ist in bezug auf die Zeit ungleichmäßig. Als eine Folge wird ein unnötiger Schlupfverlust bewirkt.
Durch ein Anordnen des Stützstabes 20 im wesentlichen koaxial zu der Vibrationseinrichtung A und durch ein Verwenden des Stützstabes mit dem kreisförmigen Querschnitt oder dem Querschnitt eines regelmäßigen Vieleckes mit n Seiten (wobei n eine ganze Zahl ist), sind die spezifischen Vibrationsfrequenzen des gleichen Krümmungsmodus mit der Umfangsverschiebung von 90 Grad gleich.
Beim Ausführen der vorliegenden Erfindung ist das Verfahren zum Sichern des Stützstabes ein bedeutender Faktor. Eine Lösung dafür ist in den Fig. 4A und 4B gezeigt.
Wie dies in Fig. 4A gezeigt ist, wird eine zusätzliche Masse 22 an einem Ende des Stützstabes 20 angebracht. Fig. 4B zeigt einen Vibrationsmodus des Vibrationssystems, das den Stützstab 20 und die zusätzliche Masse 22 umfaßt, wenn sie angetrieben werden. Die zusätzliche Masse 22 ist überhaupt nicht gesichert.
Durch ein Anbringen der kleinen zusätzlichen Masse 22 werden das Ende des Stützstabes und die zusätzliche Masse 22 im wesentlichen statisch gestaltet.
Demgemäß ist durch das Anbringen der zusätzlichen Masse 22 die nach außen übertragene Vibration sehr gering. Dies ist bei der Montage des Motors an einem Erzeugnis, das keine Vibration verträgt, wirkungsvoll.
Die Fig. 5 und 6 zeigen Vibrationsmodi des Vibrationssystems, das den Stützstab 20 umfaßt, wenn das Ende des Stützstabes gesichert ist, ohne die zusätzliche Masse 22.
Ein Unterschied zwischen den Fig. 5 und 6 liegt in der Länge des Stützstabes 20. Der Stützstab von Fig. 5 ist länger als der Stützstab von Fig. 6.
In Fig. 5 vibriert der Stützstab 20 außerordentlich und der Verlust in dem Stützstab steigt an. Eine hohe Spannung wird auf den feststehenden Abschnitt 21 aufgebracht und die Vibration, die von dem feststehenden Abschnitt 21 zu der Außenseite des Motors austritt, ist hoch.
Wenn somit die zusätzliche Masse 22 nicht an dem Motor angebracht ist, ist die Bewegung des in Fig. 6 gezeigten Stützstabes erwünscht.
Dies wird durch eine Beziehung zwischen der spezifischen Vibrationsfrequenz des Stützstabes 20 und der Antriebsvibrationsfrequenz der Vibrationseinrichtung A bestimmt. Die spezifische Vibrationsfrequenz unter einer vorbestimmten Randbedingung des Stützstabes 20 (Stützung an einem Ende und Sicherung an einem Ende in den Fig. 5 und 6) soll von der spezifischen Vibrationsfrequenz der Vibrationseinrichtung A verschieden sein.
Ein Drückmechanismus beim koaxialen Anordnen des Stützstabes 20 an der Vibrationseinrichtung A ist in den Fig. 7 und 8 gezeigt.
Bei dem in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel sind ein Rotor R und ein Drückelement 72 um den Stützstab 20 durch ein Lagerelement 71 vorgesehen und eine Tellerfeder 73 ist zwischen der Rolle R und dem Drückelement 72 elastisch gespannt.
Bei dem in Fig. 8 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Stützstab 20 mit der Vibrationseinrichtung A einstückig ausgebildet, sind der Stützstab 20 und das Drückelement 72 durch ein Lager 7 verbunden und sind das Drückelement 72 und der Rotor R durch eine Blattfeder 74 verbunden.
Bei dem in Fig. 11 gezeigten Ausführungsbeispiel sind das Drückelement 72 und der Rotor R durch das Lager 7 verbunden und werden zu der Vibrationseinrichtung A durch eine vorgespannte Schraubenfeder 75 gedrückt.
Der Boden des Drückelementes 72 gleitet an dem Stützstab 20 zum Positionieren in der Richtung 7. Da der Kupplungspunkt des Stützstabes 20 und der Vibrationseinrichtung 20 in der Nähe des Vibrationsknotenpunktes ist, wie dies vorstehend beschrieben ist, ist die Verschiebung in der Richtung 7 gering und der Gleitverlust ist gering.
In den Fig. 8 und 11 sind die piezoelektrischen Elemente 3 und 4 weggelassen worden.
Fig. 12 zeigt einen Aufbau zum Antreiben einer Körperröhre einer optischen Linse unter Verwendung des Motors der vorliegenden Erfindung.
Mit dem Bezugszeichen 12 ist ein Zahnrad bezeichnet, das mit dem beweglichen Körper R koaxial verbunden ist, um eine Drehabgabekraft zu einem Zahnrad 13 zu übertragen, so daß eine Körperröhre 14 mit einem Zahnrad, das mit dem Zahnrad 13 in Eingriff steht, gedreht wird.
Eine Schlitzplatte 15 zum optischen Kodieren ist an dem Zahnrad 13 koaxial angeordnet, um die Drehpositionen und die Drehzahlen des beweglichen Körpers R und der Körperröhre 14 zu erfassen, die durch eine lichtgekoppelte Einrichtung 16 erfaßt werden.
Da in übereinstimmung mit den Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung das Stützelement der Vibrationsverschiebung der Vibrationseinrichtung folgt, wird kein Reibungsverlust erzeugt und demgemäß wird der Wirkungsgrad des Motors verbessert.
Wenn des weiteren die zusätzliche Masse an dem Stützelement vorgesehen ist, wird das übertragen der Vibration zu der Außenseite minimiert.

Claims

1. Vibrationsgetriebenes Betätigungsglied mit:

einem Kontaktelement (R) mit einer Drehmitte;

einem Vibrationselement (1,2), das mit dem Kontaktelement (R) zum Antreiben des Kontaktelementes (R) in Kontakt steht und sich entlang einer Achse erstreckt;

einem elektromechanischen Energiewandlerelement (3, 4), das in dem Vibrationselement (1,2) vorgesehen ist und eingerichtet ist, um eine Vielzahl von Vibrationen mit einem vorbestimmten zeitlichen Phasenunterschied zwischen ihnen in dem Vibrationselement im Ansprechen auf ein aufgebrachtes elektrisches Signal zu bewirken, wodurch eine kombinierte Vibration in dem Vibrationselement (1,2) erzeugt wird;

einem Stützelement (20), das an einem Grundelement (21) befestigt ist, um das Vibrationselement (1,2) an einer vorbestimmten Position relativ zu dem Grundelement (21) zu stützen;

dadurch gekennzeichnet, daß

sich das Stützelement (20) entlang der Achse erstreckt und an dem Vibrationselement (1, 2) derart gesichert ist, daß das Vibrationselement (1, 2), das Kontaktelement (R) und das Stützelement (20) koaxial liegen.

2. Vibrationsgetriebenes Betätigungsglied nach Anspruch 1, wobei

der Querschnitt des Stützelementes (20) ein regelmäßiges Polygon mit n Seiten ist, wobei n eine ganze Zahl ist.

3. Vibrationsgetriebenes Betätigungsglied nach Anspruch 1 oder 2, wobei

das Vibrationselement (1,2) und das Stützelement (20) so angeordnet sind, daß eine spezifische Vibrationsfrequenz des Stützelementes (20) und eine spezifische Vibrationsfrequenz des Vibrationselementes (1,2) voneinander verschieden sind.

4. Vibrationsgetriebenes Betätigungsglied nach Anspruch 1,2 oder 3, wobei

das Vibrationselement (1,2) und die Wandlerelemente (3, 4) so angeordnet sind, daß die Vielzahl von Vibrationen Krümmungsmodusvibrationen sind.

5. Vibrationsgetriebenes Betätigungsglied nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei

das Vibrationselement (1,2) eine Stabform hat.

6. Vibrationsgetriebenes Betätigungsglied nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei

das Vibrationselement (1,2) ein erstes Vibrationselement (1), ein zweites Vibrationselement (2) und ein Schraubenelement (6) aufweist,

das Wandlerelement (3,4) zwischen dem ersten Vibrationselement (1) und dem zweiten Vibrationselement (2) koaxial angeordnet ist, und

das Schraubenelement sich axial durch das zweite Vibrationseleent (2) und das Wandlerelement (3, 4) in das erste Vibrationselement (1) erstreckt, um das erste Vibrationselement (1), das Wandlerelement (3, 4) und das zweite Vibrationselement (2) zusammen zu halten.

7. Vibrationsgetriebenes Betätigungsglied nach Anspruch 6, wobei

das Schraubenelement (6) eine axiale Vertiefung (6a) hat, und

das Stützelement (20) so angeordnet ist, daß es sich in die axiale Vertiefung (6a) erstreckt und mit dem Schraubenelement (6) an einer Grundseite der Vertiefung in Kontakt steht.

8. Vibrationsgetriebenes Betätigungsglied nach Anspruch 7, wobei

der Durchmesser der axialen Vertiefung (6a) größer als der Durchmesser des Stützelementes (20) ist.

9. Vibrationsgetriebenes Betätigungsglied nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei

das Grundelement (21) ein erstes Grundelement an einem Ende des Vibrationselementes (1, 2) und ein zweites Grundelement an dem anderen Ende des Vibrationselementes (1, 2) aufweist,

das Stützelement (20) ein erstes Stützelement, das an dem einen Ende des Vibrationselementes (1, 2) vorgesehen ist und mit einem Ende an dem einen Ende des Vibrationselementes (1,2) gesichert ist und mit dem anderen Ende an dem ersten Grundelement gesichert ist, und ein zweites Stützelement, das an dem anderen Ende des Vibrationselementes (1, 2) vorgesehen ist und mit einem Ende an dem einen Ende des Vibrationselementes (1,2) gesichert ist und mit dem anderen Ende an dem zweiten Grundelement gesichert ist, aufweist.