DE69522027T2

DE69522027T2 - Antriebsgerät unter Verwendung eines Wandlers

Info

Publication number: DE69522027T2
Application number: DE69522027T
Authority: DE
Inventors: Minoru Kuwana; Yasuhiro Okamoto; Ryuichi Yoshida
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 1994-03-29
Filing date: 1995-03-21
Publication date: 2002-05-29
Anticipated expiration: 2015-03-22
Also published as: DE69522027D1; EP0675589A1; EP0675589B1; US6111336A; US5589723A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Treibervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Treibervorrichtung ist vorzugsweise zum Treiben von Linsen und anderen Teilen unter Verwendung eines Wandlers, eines elektromechanischen Wandlers, vorgesehen. Genauer gesagt betrifft die Erfindung vorzugsweise eine Treibervorrichtung, die solche Linsen eines optischen Systems wie fotographische Linsen von Kameras, Projektionslinsen von Overheadprojektoren, binokulare Linsen und Kopiererlinsen antreibt, wobei die Vorrichtung auch bei mit einem Treiber ausgestatteten Vorrichtungen einsetzbar ist, wie beispielsweise bei Druckern und X-Y-Antriebstischen.
2. Beschreibung des zugehörigen Standes der Technik
Eine Treibervorrichtung von dem hierin oben angegebenen Typ ist in EP-A-0 464 764 und dem entsprechenden offengelegten japanischen Patent HEI 4-69070 offenbart.
Eine weitere Linearumsetzungsvorrichtung unter Verwendung einer piezoelektrisch induzierten Rechenstabbewegung ist in US Journal "Review of Scientific Instruments", Vol. 61, No. 3, März 1990, Seiten 965-967 beschrieben. Ein durch Expansions/Kontraktions-Signale gesteuertes lineares Stellglied ist aus US-A-5 097 161 bekannt.
Im folgenden wird die in der vorgenannten EP-A-0 464 764 und dem entsprechenden offengelegten japanischen Patent Hei 4-69070 offenbarte Treibervorrichtung detaillierter unter Bezugnahme auf die Fig. 50 und 51 beschrieben. Die Vorrichtung ist eine Treibervorrichtung vom (Zusammen)Stoßtyp unter Verwendung eines elektromechanischen Wandlers mit einem piezoelektrischen Element zum Antreiben von Komponententeilen in Kameras und anderem Präzisionsgerät. Die in Fig. 50 gezeigten mechanischen Teile können auch beim Implementieren der Treibervorrichtung der Erfindung verwendet werden.
Fig. 50 stellt eine Linsen-Treibervorrichtung dar, wobei ein Bezugszeichen 201 eine Linsenhalterungstrommel ist und 203 ein Führungsstab ist, der die Trommel 201 in der optischen Achsenrichtung stützt und führt. Der Führungsstab 203, der die Trommel 201 stützt und führt, durchdringt eine Gabel 201f, die auf einem Stützelement 201e ausgebildet ist, das sich von der Trommel 201 aus erstreckt.
Ein Bezugszeichen 217 ist ein Treiberelement, das sich als ein Trommelhalterungselement verdoppelt. Das Element 217 stützt die Trommel 201 in Kooperation mit dem Stützelement 201e, während es die Trommel 201 in axialer Richtung treibt. Das Treiberelement 217 durchdringt Lagerungslöcher 213b und 213d, die jeweils auf Lagern 213a und 213c ausgebildet sind. Die Lager 213a und 213c sind auf einem Stützelement 213 ausgebildet. So angeordnet, wie es gezeigt ist, ist das Treiberelement 217 in axialer Richtung bewegbar. Das Treiberelement 217 durchdringt weiterhin Löcher 201b und 201d, die jeweils an zwei Enden 201a und 201c einer Klammer 201k ausgebildet sind. Die Klammer 201k erstreckt sich von der Trommel 201 in der entgegengesetzten Richtung zum Stützelement 201e. Das hintere Ende des Treiberelements 217 ist am vorderen Ende eines piezoelektrischen Elements 212 befestigt. Das hintere Ende des piezoelektrischen Elements 212 ist an einer weiteren Endplatte 213e des Stützelements 213 fixiert.
In Fig. 50 ist eine Plattenfeder 214 mit Schrauben 215 und 216 an den zwei Enden 201a und 201c einer Klammer 201k von unten angebracht. Die Plattenfeder 214 ist derart positioniert, daß sie parallel zum Treiberelement 217 ist. In der ungefähren Mitte der Plattenfeder 214 ist ein Reibungsteil 214c, der nach oben vorsteht. Wenn er mit dem Treiberelement 217 in Kontakt gelangt, erzeugt der Reibungsteil 214c eine Reibkraft zwischen der Trommel 201 (deren kontaktierender Teil die Klammer 201k ist) und dem Treiberelement 217. Die Reibkraft treibt die Trommel 201, die reibmäßig gekoppelt ist. Die Reibkraft leitet sich von der Federkraft der Plattenfeder 214 ab und variiert mit dieser.
Eine Treiberschaltung 205 versorgt das piezoelektrische Element 212 mit einer Spannung. Das piezoelektrische Element 212 wird gemäß der zugeführten Spannung expandiert oder zusammengezogen. Eine Positionserfassungsschaltung 208 erfaßt die Position der Trommel 201. Wenn die Trommel 201 angetrieben wird, und von ihr erfaßt wird, daß sie ihre Ziel- bzw. Sollposition erreicht hat, befiehlt die Erfassungsschaltung 208 der Treiberschaltung 205, zu stoppen. Dies beendet die Zufuhr der Spannung zum piezoelektrischen Element 212.
Wenn das piezoelektrische Element durch die zugeführte Spannung expandiert oder zusammengezogen wird, um das Treiberelement 217 in seiner Längsrichtung zu aktivieren, bewegt die resultierende Reibkraft die reibungsmäßig gekoppelte Trommel 201 entsprechend. Wenn die Trommel 201 ihre Sollposition erreicht, endet die Expansion oder das Zusammenziehen des piezoelektrischen Elements 212 und die Antriebshandlung kommt zu einem Ende.
Es soll angenommen sein, daß beim horizontal positionierten Treiberelement 217 N für das vertikale Ziehen des Treiberelements 217 gegenüber dem Druck von der Plattenfeder 214 steht, u für den Koeffizienten einer statischen Reibung zwischen dem Treiberelement 217 und der Trommel 201 und Mm für die beteiligte Bewegungselementenmasse. In diesem Fall ist der maximale Koeffizient einer statischen Reibung Fs zwischen dem Treiberelement 217 und der Trommel 201 gegeben als:
Fs = u(Mm·g + N)
Wenn der Koeffizient einer dynamischen Reibung derart angenommen ist, daß er durch u' dargestellt ist, ist die dynamische Reibkraft Fd dieses Beispiels gegeben als:
Fd = u'(Mm·g + N)
Wenn das Treiberelement 217 bewegt wird, bewegt die resultierende Reibkraft die Trommel 201 entsprechend. Wenn die Beschleunigung des Treiberelements 217 ausreichend klein ist, kann die Trommel 201 sich ohne ein Gleiten über das Treiberelement 217 bewegen. Wenn sie einmal über einem kritischen Wert ist, veranlaßt die Beschleunigung, daß die Trommel 201 über das Treiberelement 217 gleitet. Der kritische Wert Al für die Beschleunigung ist gegeben als:
Al = Fs/Mm
Bei herkömmlichen Treibervorrichtungen der obigen Art wird dann, wenn das Treiberelement in der Sollrichtung bewegt wird, die Beschleunigung des Treiberelements (d. h. der Trommel) unterhalb des kritischen Werts Al eingestellt, um das Bewegungselement nicht über das Treiberelement gleiten zu lassen; wenn das Treiberelement entgegengesetzt zur Sollrichtung bewegt wird, wird die Beschleunigung des Treiberelements über den kritischen Wert Al eingestellt, um das Bewegungselement über das Treiberelemnt gleiten zu lassen.
Unter Bezugnahme auf Fig. 50 soll angenommen werden, daß die Trommel 201 (d. h. das Bewegungselement) in der Richtung des Teils a (in der Richtung, in welcher die Linse bewegt wird) durch das piezoelektrische Element 212 angetrieben wird. Bei diesem Beispiel sind die an das piezoelektrische Element 212 angelegte Spannung, Versätze, Geschwindigkeiten und eine Beschleunigung in den Fig. 51 bis 54 gezeigt. In den Fig. 52 bis 54 stellen durchgezogene Linien (a) die Kennlinien des Treiberelements 217 dar und bezeichnen gestrichelte Linien (b) diejenigen des Bewegungselements (der Trommel) 201.
Fig. 51 zeigt eine typische Wellenform von Impulsen, die an das piezoelektrische Element 212 angelegt werden. Bei jedem Impuls wird die Spannung langsam erhöht und dann schnell abgeschaltet. Dies hält die Beschleunigung vor einem Überschreiten des kritischen Werts ab, während die Spannung gerade an das piezoelektrische Element 212 angelegt ist. Mit der unter dem kritischen Wert gehaltenen Beschleunigung bewegt sich das Bewegungselement zusammen mit dem Treiberelement. Wenn die Spannung abgeschaltet wird, übersteigt die Beschleunigung den kritischen Wert Al, so daß das Bewegungselement im wesentlichen stationär (oder unter Umständen etwas zurückgezogen) bleibt, wohingegen das Treiberelement allein zu seiner Anfangsposition zurückkehrt. Ein Wiederholen dieser Handlung setzt die Hin- und Herbewegung des Treiberelements in eine unidirektionale Bewegung des Bewegungselements um. Fig. 52 zeigt, wie die herkömmlichen Treiber- und Bewegungselemente im Verlaufe der Zeit versetzt werden.
Fig. 53 zeigt typische Geschwindigkeiten, mit welchen das Treiberelement und das Bewegungselement bewegt werden, und
Fig. 54 stellt dar, wie das Treiberelement und das Bewegungselement im Verlaufe der Zeit typischerweise beschleunigt werden. Wie es gezeigt ist, ist die Geschwindigkeit des Bewegungselements um so höher, je höher die Frequenz der zugeführten Spannung (d. h. die Treiberfrequenz) ist.
Das Treiberelement und das Bewegungselement (d. h. die Trommel 201) können auch reibungsmäßig gekoppelt sein, wie es in Fig. 55 gezeigt ist. In Fig. 55 ist eine Linsentrommel 221 (ein Bewegungselement) peripher mit gekerbten Hülsen 222 und einer Nut 223 ausgestattet. Eine Treiberwelle 225 (ein Treiberelement) durchdringt die Hülsen 222, und eine Stützwelle 226 ist in Eingriff mit der Nut 223. Federn 227, die in Eingriff mit den Nuten der Hülsen 222 sind, werden gegen die Treiberwelle 225 gedrückt. Dies erzeugt eine geeignete Reibkraft zwischen den kontaktierenden Teilen.
Beim Erlangen ihrer Treiberkraft verwenden die oben beschriebenen Treibervorrichtungen unter Verwendung des elektromechanischen Wandlers die Reibkopplungskraft zwischen dem Bewegungselement und dem Antriebselement, das am Wandler angebracht ist. Die so erhaltene Treiberkraft ist dort nicht ausreichend, wo die Reibkopplungskraft zwischen dem Treiberelement und dem Bewegungselement nicht ausreichend ist, z. B. bei einem Aufbau, bei welchem Schmiermittel zwischen dem Treiberelement und dem Bewegungselement eingeführt ist, oder in einem Fall, in welchem die Kontaktfläche des Bewegungselements in bezug auf die anderen beteiligten Teile verspiegelt sein muß.
Wenn Treibervorrichtungen dieser Art in Kameras oder anderen tragbaren Vorrichtungen verwendet werden, variiert die positionsmäßige Beziehung zwischen dem Treiberelement und dem Bewegungselement mit der Höhe, in welcher die tragbare Vorrichtung betrieben wird. Dies führt dazu, daß die Reibkopplungskraft zwischen dem Antriebselement und dem Bewegungselement schwankt, was es schwierig macht, eine stabile Treiberkraft sicherzustellen.
Bei den Beispielen der Fig. 50 bis 55 könnten Versuche durchgeführt werden, um die Rückspulkraft der Plattenfeder zu erhöhen, um eine ausreichende Reibkopplungskraft zwischen dem Bewegungselement und dem Treiberelement, das mit der Plattenfeder ausgestattet ist, zu erzeugen. In solchen Fällen bilden die kontaktierenden Teile einen Punkt oder eine Linie. Dies kann in einer anomal erhöhten Kontaktdruckkonzentration resultieren, was das Erlangen einer stetigen bzw. ruhigen Treiberkraft schwierig macht.
Die oben beschriebenen Treibervorrichtungen unter Verwendung des elektromechanischen Wandlers, wie beispielsweise des piezoelektrischen Elements, verwenden die Expansion und Kontraktion dieses Wandlers für die Aktivierungsbewegung. Der Geschwindigkeit des Bewegungselements ist die Frequenz von Treiberimpulsen zugeordnet, die an den elektromechanischen Wandler angelegt werden, und der Versatzbetrag des Wandlers, dem solche Treiberimpulse zugeführt werden. Unter dieser Bedingung kann solange wie der Versatz des elektromechanischen Wandlers mehr oder weniger proportional abhängig von den daran angelegten Treiberimpulsen variiert, die Geschwindigkeit des Bewegungselements durch Erhöhen der Frequenz der Treiberimpulse erhöht werden.
Wenn das Geschwindigkeitsverhältnis von Expansion zu Kontraktion des elektromechanischen Wandlers (d. h. expandierende Geschwindigkeit/zusammenziehende Geschwindigkeit) ausreichend hoch ist (2, 3 oder höher, wie es sich aus Experimenten der Erfinder ergibt), ist der Bewegungsbetrag des Bewegungselements nahe dem Betrag des elektromechanischen Wandlers, der durch einen jeweiligen Treiberimpuls aktiviert wird, der an diesen angelegt wird.
Jedoch haben elektromechanische Wandler eine physikalische Eigenschaft, die ein verzögertes Ansprechverhalten genannt wird. Das verzögerte Ansprechverhalten bzw. Ansprechen ist ein Phänomen, bei welchem der elektromechanische Wandler einen Versatz auf ein Verstreichen einer bestimmten Zeitperiode nach der Zufuhr eines Treiberimpulses hin erzeugt. Aufgrund dieser Eigenschaft ist es wahrscheinlicher, daß höhere Frequenzen der an den elektromechanischen Wandler angelegten Treiberimpulse veranlassen, daß sich expandierende und zusammenziehende Versätze überlagern. Das Phänomen reduziert möglicherweise das Geschwindigkeitsverhältnis von Expansion zu Kontraktion des elektromechanischen Wandlers. Weiterhin variiert die verzögerte Ansprechzeit mit der Masse des Treiberelements und des Bewegungselements sowie mit deren Elastizitätsmodul.
Wenn dem elektromechanischen Wandler Sägezahn-Treiberimpulse zugeführt werden, wie beispielsweise diejenigen, die bei den obigen Beispielen verwendet werden, erzeugt der Wandler eine Vibration bzw. Schwingung, die gedämpfte Schwingung genannt wird. Somit fügt der elektromechanische Wandler eine gedämpfte Schwingung zu dem Versatz hinzu, den er erzeugt. Wenn dem Versatz des elektromechanischen Wandlers die gedämpfte Schwingung hinzugefügt wird, schwingt gleichzeitig das mit dem Wandler gekoppelte Treiberelement. Dies reduziert die Geschwindigkeit des Bewegungselements bei einer Bewegung.
Es ist eine bekannte Tatsache, daß die gedämpfte Schwingung dadurch vermieden wird, daß man die Anstiegszeit jedes Treiberimpulses zu einem ganzzahligen Vielfachen der Resonanzfrequenz des Treibersystems im Einsatz macht. Jedoch wird das Bewegungselement nur bewegt, wenn die Anstiegszeit jedes Treiberimpulses kürzer als seine Abfallzeit gemacht wird. Dies bedeutet, daß die Anstiegszeit des Treiberimpulses kleiner als die Hälfte oder in der Praxis viel kleiner als jede Treiberperiode sein muß. Wo die Treiberperiode im wesentlichen kurz ist, kann das Verfahren, die Impulsanstiegszeit zu einem ganzzahligen Vielfachen der Resonanzfrequenz zu machen, nicht praktiziert werden.
Beim herkömmlichen Aufbau der Fig. 50 veranlaßt eine schnelle Expansion oder Kontraktion des piezoelektrischen Elements 212, daß die dynamische Reibkraft zwischen der Trommel 201 und dem Treiberelement 217 die Trommel 201 mehr oder weniger zusammen mit dem Treiberelement 217 verschiebt. Dies kann die Trommel 201 entgegengesetzt zu der erwünschten Richtung bewegen, was Verluste in bezug auf ihren Versatz verursacht. Je größer die Reibkraft ist, um so größer sind die Treiberverluste. Jedoch kann es gegensätzlich zu dem, was daraus erwartet werden könnte, sein, daß ein Reduzieren der Reibkraft in der Praxis nicht vorzuziehen ist, und zwar aus den folgenden Gründen:
Je größer die Trägheit des Treibersystems ist, um so größer muß die Reibkraft des Systems für seine Aktivierungsbewegung sein. Wenn die Masse des zu treibenden Elements größer wird, muß die Reibkraft entsprechend erhöht werden, um dem entgegenzuwirken. Es kann gut sein, daß die in Frage stehende praktizierte Anwendung nicht funktionieren wird, bis irgendwie eine im wesentlichen große Reibkraft erzeugt wird.
Weiterhin sind in der Praxis deshalb, weil niedrigere Frequenzen von Treiberimpulsen, die zum piezoelektrischen Element 212 zugeführt werden, das Schwingungsrauschen zu einem störenden hörbaren Pegel erhöhen können, relativ hohe Treiberfrequenzen bevorzugt. Dies bedeutet jedoch, daß sogar eine langsame Expansion und Kontraktion des piezoelektrischen Elements 212 in einer sehr hohen Geschwindigkeit eines Versatzes resultieren können. Für die Trommel 201 (das Bewegungselement), das durch das Treiberelement 217 zu treiben ist, ist dann eine im Wesentlichen große Reibkraft erforderlich.
Es soll angenommen werden, daß ein Aufbau vorgesehen ist, bei welchem eine Plattenfeder direkt gegen das Treiberelement gedrückt wird, um die nötige Reibkraft in den kontaktierenden Teilen zu erzeugen. Bei diesem Aufbau wird angenommen, daß sich das Treiberelement mit variierenden Geschwindigkeiten in den Vorwärts- und Rückwärtsrichtungen in bezug auf die axiale Richtung hin- und herbewegt. In einem solchen Fall deformiert die Plattenfeder sich in ihrer Bewegungsrichtung elastisch. Insbesondere wird derjenige Teil der Plattenfeder, der das Treiberelement kontaktiert, relativ zum Bewegungselement deformiert. Dies bedeutet, daß der durch die Hin- und Herbewegung des Treiberelements verursachte Versatz nicht genau zum Bewegungselement übertragen werden kann. Als Ergebnis kann das Bewegungselement, wie beispielsweise die Linsentrommel, nicht wie erwünscht bewegt werden.
Bei der oben angegebenen Treibervorrichtung vom Stoßtyp, die den elektromechanischen Wandler verwendet, versetzt der Wandler, dem Treiberimpulse einer gegebenen Frequenz zugeführt werden, das Treibersystem mechanisch in eine Schwingung, das aus dem Treiberelement und aus dem Bewegungselement, das reibmäßig mit dem Treiberelement gekoppelt ist, zusammengesetzt ist. Dies veranlaßt unvermeidbar, daß das Treibersystem ein Schwingungsrauschen entsprechend der Frequenz der zugeführten Treiberimpulse erzeugt.
Die Treibervorrichtung vom Stoßtyp nimmt allgemein Treiberimpulse mit Frequenzen im Bereich von etwa 100 bis 500 Hz an. Wenn eine solche Treibervorrichtung aktiviert wird, ist das Schwingungsrauschen für das menschliche Ohr hörbar. Herkömmlicherweise sind wenig Maßnahmen spezifisch unternommen worden, um ein solches Rauschen zu verhindern. Der relativ niedrige Pegel des erzeugten Rauschens förderte nicht die Anstrengung, es zu unterdrücken.
Wenn eine Treibervorrichtung der obigen Art in eine tragbare Ausrüstung eingebaut ist, die unter ruhigen Umständen bzw. Umgebungsbedingungen verwendet wird, wird das Schwingungsrauschen von der Treibervorrichtung bei einer Bewegung auffällig. Insbesondere dann, wenn die Ausrüstung, in die die Treibervorrichtung eingebaut ist, eine Kamera ist, die beispielsweise in einer Konzerthalle betätigt wird, kann das Rauschen von der aktivierten Vorrichtung nicht ignoriert werden.
Beim herkömmlichen Aufbau der Fig. 50 können Teile der Treibervorrichtung nicht ersetzt bzw. ausgetauscht werden, bis nicht der gesamte Aufbau auseinandergenommen ist. Dies ist so, weil das Treiberelement 217 direkt mit der Trommel 201 gekoppelt ist. Wo der elektromechanische Wandler, wie beispielsweise ein piezoelektrisches Element, für die Treiberhandlung bzw. -aktion verwendet wird, findet die Hin- und Herbewegung schnell statt. Dies führt dazu, daß der elektromechanische Wandler, das Treiberelement und das Bewegungselement in der obigen Vorrichtung öfter an einem Zerbrechen aufgrund eines Stoßes und an einem durch einen Stoß induzierten Abschälen von verbundenen Teilen leiden als bei anderen Arten von Treibervorrichtungen. Es ist schwierig, mit solchen Unregelmäßigkeiten fertig zu werden, wenn sie beim obigen Typ von Treibervorrichtung entwickelt werden bzw. auftauchen.
Der gesamte Aufbau der Treibervorrichtung muß herkömmlicherweise auch zerlegt werden, wenn es gewünscht wird, die angetriebenen Teile (beim obigen Beispiel die Trommel und die Linse) zu reparieren und/oder zu reinigen.
Ebenso ist es beim Aufbau der Fig. 50 unmöglich, die Treibervorrichtung allein zu entfernen, ohne den gesamten Aufbau zu zerlegen. Dies bedeutet, daß die Treibervorrichtung allein nicht unabhängig auf ihre Leistungsfähigkeit getestet werden kann; sie muß in die Soll- bzw. Zielausrüstung eingebaut werden, auf Leistungsfähigkeit getestet werden, und, wenn es nötig ist, wiederum von der Zielausrüstung für eine weitere Einstellung demontiert werden. Die Prozedur fügt dem Verfahren zum Herstellen des Zielprodukts redundante Schritte hinzu und führt somit zu Kostenerhöhungen.
Weiterhin müssen die Bedingungen zum effizienten Aktivieren von Treibervorrichtungen unter Verwendung des oben angegebenen Stellglieds vom Stoßtyp noch vollständig geklärt werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Treibervorrichtung zu schaffen, die einen Wandler für allgemeine Zwecke verwendet, wobei die Vorrichtung das Soll- bzw. Ziel-Bewegungselement mit höheren Geschwindigkeiten als jemals zuvor antreibt.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Treibervorrichtung unter Verwendung eines Wandlers zu schaffen, wobei die Vorrichtung eine ausreichende Reibkopplungskraft zwischen dem Treiberelement und dem Bewegungselement im Einsatz zur Verfügung stellt.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Treibervorrichtung unter Verwendung eines Wandlers zu schaffen, wobei die Vorrichtung das Ziel-Bewegungselement mit einem Treiberelement mit höheren Geschwindigkeiten als zuvor antreibt, indem das verzögerte Ansprechverhalten des Wandlers minimiert wird, der dieses Treiberelement enthält.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Treibervorrichtung unter Verwendung eines Wandlers zu schaffen, wobei die Vorrichtung das Soll-Bewegungselement mit höheren Geschwindigkeiten als zuvor antreibt, indem ein geeignet ausgewähltes Material verwendet wird, aus welchem das Treiberelement des Wandlers herzustellen ist, wobei das Treiberelement des ausgewählten Materials das verzögerte Ansprechverhalten des Wandlers minimiert. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Treibervorrichtung unter Verwendung eines Wandlers zu schaffen, wobei die Vorrichtung das Soll-Bewegungselement mit höheren Geschwindigkeiten als zuvor antreibt, indem die durch den Wandler erzeugte gedämpfte Schwingung unterdrückt wird.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Treibervorrichtung unter Verwendung eines Wandlers zu schaffen, wobei die Vorrichtung bei einer Bewegung verhindert, daß ihr Schwingungsrauschen einen akustischen Pegel erreicht, der für das menschliche Ohr hörbar ist.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Treibervorrichtung unter Verwendung eines Wandlers zu schaffen, wobei die Vorrichtung Verluste bei der Treiberaktion verhindert, während sie praktisch effektiv bleibt, wenn sie bei der in Frage stehenden Sollanwendung verwendet wird.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Treibervorrichtung unter Verwendung eines Wandlers zu schaffen, die effizient arbeitet, indem Treiberimpulse eines optimalen Frequenzbereichs verwendet werden.
Die Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch Schaffen einer Treibervorrichtung gemäß Anspruch 1 erreicht. Weitere Verbesserungen sind in Unteransprüchen spezifiziert, die vom Anspruch 1 abhängen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihre Aufgaben, Merkmale und Vorteile werden aus der folgenden Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen klar werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Treibervorrichtung unter Verwendung eines elektromechanischen Wandlers, die als erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung praktiziert wird;
Fig. 2 ist eine perspektivische Ansicht einer ersten Variation des ersten Ausführungsbeispiels, welche Ansicht die reibmäßig gekoppelten Teile davon zeigt;
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht einer zweiten Variation des ersten Ausführungsbeispiels, welche Ansicht die reibmäßig gekoppelten Teile davon darstellt;
Fig. 4(a) und Fig. 4(b) sind Diagramme, die typische Wellenformen von Treiberimpulsen zeigen, die im Verlaufe der Zeit an ein piezoelektrisches Element angelegt werden;
Fig. 5 ist ein Ersatzschaltbild des piezoelektrischen Elements;
Fig. 6(a) ist ein Diagramm einer typischen Wellenform von Treiberimpulsen, die im Verlaufe der Zeit zu einem piezoelektrischen Element zugeführt werden;
Fig. 6(b) ist ein Diagramm von typischen Versätzen, die durch das piezoelektrische Element erzeugt werden, dem im Verlaufe der Zeit die Impulse der Fig. 6(a) zugeführt werden;
Fig. 7 ist ein Schaltungsdiagramm eines ersten Beispiels der Treiberschaltung, die durch das piezoelektrischen Element verwendet wird, gemäß der Erfindung;
Fig. 8(a) ist ein Diagramm, das die Stromausgabe über der Zeit durch die Treiberschaltung der Fig. 7 darstellt;
Fig. 8(b) ist eine Ansicht typischer Versätze, die im Verlaufe der Zeit durch das piezoelektrische Element erzeugt werden;
Fig. 9 ist eine Ansicht, die eine typische Beziehung zwischen der Frequenz von Treiberimpulsen, die zu einem elektromechanischen Wandler zugeführt werden, und der Geschwindigkeit eines Bewegungselements, das durch den Wandler angetrieben wird, darstellt;
Fig. 10(a) und Fig. 10(b) sind Diagramme, die zeigen, wie elektromechanische Wandler mit unterschiedlichen Antriebswellen unterschiedliche verzögerte Ansprechverhalten erzeugen;
Fig. 11 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer Treibervorrichtung, die zum Antreiben der Fokussierlinsen eines optischen Systems verwendet wird und die als zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung praktiziert wird;
Fig. 12 ist eine perspektivische Ansicht, die zeigt, wie die Treibervorrichtung der Fig. 11 zusammengebaut wird;
Fig. 13 ist eine perspektivische Ansicht des zweiten Ausführungsbeispiels, wie es zum Antreiben der Fokussierlinse des optischen Systems verwendet wird;
Fig. 14(a) und Fig. 14(b) sind Diagramme, die typische Wellenformen von Spannungen darstellen, die an einen elektromechanischen Wandler angelegt werden;
Fig. 15(a) bis Fig. 15(e) sind Ansichten, die Variationen des Montageteils der Treibervorrichtung der Fig. 11 und 12 zeigen;
Fig. 16(a) und Fig. 16(b) sind Ansichten, die eine Variation eines Endes der Treibervorrichtung beschreiben, die in Fig. 11 und in Fig. 12 gezeigt ist;
Fig. 17 ist eine perspektivische Explosionsansicht der Treibervorrichtung der Fig. 11, wie sie auf die Linsentrommel einer Kamera angewendet wird;
Fig. 18 ist eine Querschnittsansicht, die auf eine vergrößerte Weise die kontaktierenden Teile zwischen der Antriebswelle und dem Schieber darstellt, die zu der Treibervorrichtung gehören, die in den Fig. 11 bis 13 gezeigt ist;
Fig. 19 ist ein Diagramm, das Beziehungen zwischen den Bewegungsgeschwindigkeiten und den Elastizitätsmodulen von einigen typischen Materialien zeigt, aus welchen Schieber und Reibelemente herzustellen sind;
Fig. 20 ist eine perspektivische Ansicht, die eine erste Variation einer Schieber- und -Reibelement- Kombination zeigt;
Fig. 21 ist eine perspektivische Ansicht, die eine zweite Variation der Schieber- und -Reibelement- Kombination zeigt;
Fig. 22 ist ein Blockdiagramm eines zweiten Beispiels der durch das piezoelektrische Element verwendeten Treiberschaltung gemäß der Erfindung;
Fig. 23 ist ein Ersatzschaltbild mit einem piezoelektrischen Element, einer Antriebswelle und einem Schieber, welches illustrativ zeigt, wie eine Reibkraft zwischen der Antriebswelle und dem Schieber erzeugt wird;
Fig. 24 ist ein Schaltungsdiagramm einer Stromlade- und Stromentladeschaltung;
Fig. 25 ist ein Zeitdiagramm, das typische Zeitgaben eines Treibermechanismus bei seiner Expandieraktion zeigt;
Fig. 26 ist ein Zeitdiagramm, das typische Zeitgaben des Treibermechanismus bei seiner Kontraktionsaktion zeigt;
Fig. 27(a) ist ein Diagramm, das eine typische Wellenform der Spannung darstellt, die an ein piezoelektrisches Element angelegt wird;
Fig. 27(b) ist ein Diagramm, das Versätze einer in Antwort auf die angelegte Spannung, deren Wellenform in Fig. 27(a) gezeigt ist, aktivierten Antriebswelle darstellt, wobei das Diagramm auch den Bewegungsbetrag eines Schiebers zeigt, der reibmäßig mit der Antriebswelle gekoppelt ist;
Fig. 28 ist ein Diagramm, das Antriebsgeschwindigkeiten eines Treiberelements und Bewegungsgeschwindigkeiten eines Bewegungselements darstellt;
Fig. 29 ist ein Diagramm, das eine Treiberbeschleunigung eines Treiberelements und eine Bewegungsbeschleunigung eines Bewegungselements zeigt;
Fig. 30(a) und Fig. 30(b) sind Diagramme, die zeigen, wie die Treiberfrequenz für ein Treiberelement bei unterschiedlichen Resonanzfrequenzen typischerweise auf Änderungen in bezug auf die Geschwindigkeit eines Bewegungselements bezogen ist, das durch das Treiberelement in horizontaler Richtung bewegt wird;
Fig. 31(a) und Fig. 31(b) sind Diagramme, die zeigen, wie bei einem bei unterschiedlichen maximalen Spannungen angetriebenen piezoelektrischen Element die Treiberfrequenz für das Treiberelement des Elements typischerweise auf Änderungen in bezug auf die Geschwindigkeit eines Bewegungselements bezogen ist, das durch das Treiberelement in horizontaler Richtung bewegt wird;
Fig. 32(a) und Fig. 32(b) sind Diagramme, die zeigen, wie bei einem durch Spannungen unterschiedlicher Wellenformen angetriebenen piezoelektrischen Element die Treiberfrequenz für das Treiberelement des Elements typischerweise auf Änderungen in bezug auf die Geschwindigkeit eines Bewegungselements bezogen ist, das durch das Treiberelement in horizontaler Richtung bewegt wird;
Fig. 33(a) und Fig. 33(b) sind Diagramme, die zeigen, wie bei Bewegungselementen mit unterschiedlichen Massen die Treiberfrequenz für ein Treiberelement typischerweise auf Änderungen in bezug auf die Geschwindigkeit jedes Bewegungselements bezogen ist, das durch das Treiberelement in horizontaler Richtung bewegt wird;
Fig. 34(a) und Fig. 34(b) sind Diagramme, die zeigen, wie bei gegebenen unterschiedlichen Reibkräften zwischen einem Treiberelement und einem Bewegungselement die Treiberfrequenz für das Treiberelement typischerweise auf Änderungen in bezug auf die Geschwindigkeit des Bewegungselements bezogen ist, das durch das Treiberelement in horizontaler Richtung bewegt wird;
Fig. 35 ist ein Diagramm, das typische Charakteristiken der Erfindung mit demjenigen des Standes der Technik vergleicht, und zwar praktisch dann, wenn Niederfrequenz-Treiberimpulse verwendet werden;
Fig. 36 ist ein Diagramm, das typische Charakteristiken der Erfindung mit denjenigen des Standes der Technik vergleicht, und zwar praktisch dann, wenn Hochfrequenz-Treiberimpulse verwendet werden;
Fig. 37 ist ein Diagramm, das typische Charakteristiken der Erfindung mit denjenigen des Standes der Technik vergleicht, und zwar praktisch bei variierenden Treiberfrequenzen;
Fig. 38 ist ein Diagramm, das eine typische Spannung zeigt, die an ein piezoelektrisches Element angelegt wird;
Fig. 39 ist ein Diagramm, das verzögerte Ansprechverhalten eines piezoelektrischen Elements zeigt;
Fig. 40 ist ein Diagramm, das typische Versätze zeigt, die durch eine Anordnung nach dem Stand der Technik erzeugt werden, die bei einer niedrigen Frequenz arbeitet;
Fig. 41 ist ein Diagramm, das typische Versätze zeigt, die durch die Anordnung nach dem Stand der Technik erzeugt werden, die bei einer hohen Frequenz arbeitet;
Fig. 42 ist ein Diagramm, das typische Versätze zeigt, die gemäß der Erfindung bei einer niedrigen Frequenz erzeugt werden;
Fig. 43 ist ein Diagramm, das typische Versätze zeigt, die gemäß der Erfindung bei einer hohen Frequenz erzeugt werden;
Fig. 44 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer Treibervorrichtung, die entworfen ist, um die Reibkraft zwischen dem Treiberelement und dem Bewegungselement im Einsatz zu variieren, und die als drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung praktiziert ist;
Fig. 45(a) ist eine Draufsicht, die Schlüsselkomponenten des dritten Ausführungsbeispiels der Fig. 44 zeigt;
Fig. 45(b) ist eine Querschnittsansicht, die auch Schlüsselkomponenten des dritten Ausführungsbeispiels der Fig. 44 zeigt;
Fig. 46 ist eine Ansicht, die zeigt, wie das dritte Ausführungsbeispiel der Fig. 44 in einer Richtung arbeitet;
Fig. 47(a) und Fig. 47(b) sind Diagramme, die variierende Spannungen zeigen, die an ein piezoelektrisches Element angelegt werden;
Fig. 48 ist eine Ansicht, die zeigt, wie das dritte Ausführungsbeispiel der Fig. 44 in der anderen Richtung arbeitet;
Fig. 49(a) und Fig. 49(b) sind Diagramme, die variierende Spannungen zeigen, die an ein piezoelektrisches Element angelegt werden;
Fig. 50 ist eine perspektivische Ansicht einer herkömmlichen Treibervorrichtung unter Verwendung eines elektromechanischen Wandlers;
Fig. 51 ist ein Diagramm, das eine typische Wellenform von Treiberimpulsen zeigt, die an den elektromechanischen Wandler angelegt werden;
Fig. 52 ist ein Diagramm, das illustrativ zeigt, wie die Treiber- und Bewegungselemente der herkömmlichen Treibervorrichtung versetzt werden;
Fig. 53 ist ein Diagramm, das typische Geschwindigkeiten zeigt, bei welchen die Treiber- und Bewegungselemente der herkömmlichen Treibervorrichtung bewegt werden;
Fig. 54 ist ein Diagramm, das illustrativ zeigt, wie die Treiber- und Bewegungselemente der herkömmlichen Treibervorrichtung beschleunigt werden; und
Fig. 55 ist eine perspektivische Ansicht eines alternativen Aufbaus der herkömmlichen Treibervorrichtung unter Verwendung des elektromechanischen Wandlers.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Nun werden bevorzugte Ausführungsbeispiele dieser Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Fig. 1 zeigt eine Treibervorrichtung, die als das erste Ausführungsbeispiel der Erfindung praktiziert wird, wobei das Ausführungsbeispiel auf den Treibermechanismus einer Zoomlinse angewendet ist.
In Fig. 1 ist ein Bezugszeichen 11 eine Zoomlinsentrommel, die durch die Vorrichtung angetrieben wird; 12 ist eine Reibplatte; 13 ist eine Antriebswelle; und 14 ist eine Druckkontaktfeder. Die Druckkontaktfeder 14 ist an der Zoomlinsentrommel 11 mit kleinen Schrauben 14a befestigt. Die Druckkontaktfeder 14 ist auf eine derartige Weise gesichert, daß ein gekrümmter Teil 14b in der Mitte der Feder die Reibplatte 12 nach unten stößt. Halteplatten 15 und 16 sind vorgesehen, um zu verhindern, daß die Reibplatte 12 aus der axialen Richtung der Antriebswelle 13 entfernt wird. Die Halteplatten 15 und 16 sind mit kleinen Schrauben 15a an den rechtsseitigen und linksseitigen Enden der Zoomlinsentrommel 11 befestigt.
Die Antriebswelle 13 durchdringt die Zoomlinsentrommel 11 und die Reibplatte 12. Die Druckkontaktfeder 14 stößt die Reibplatte 12 auf eine Weise, daß sie die Antriebswelle 13 mit der Zoomlinsentrommel 11 in Eingriff bringt. Somit gelangt die Antriebswelle 13 in Oberfläche-zu-Oberfläche- Kontakt mit sowohl der Zoomlinsentrommel 11 als auch der Reibplatte 12, was eine geeignete Reibkraft über den kontaktierenden Oberflächen erzeugt. Die periphere Oberfläche der Antriebswelle 13 dient als Führungsoberfläche zum Führen der Zoomlinsentrommel 11 und der Reibplatte 12 bei ihrer Bewegung.
Es kann erwünscht sein, daß die Zoomlinsentrommel 11 nicht um die Antriebswelle 13 gedreht wird. In diesem Fall kann eine Stützwelle (nicht gezeigt) parallel zu der Antriebswelle 13 vorgesehen sein, wie in dem Fall des herkömmlichen Aufbaus der Fig. 50. Das bedeutet, daß die Zoomlinsentrommel 11 sowohl durch die Antriebswelle 13 als auch durch die Stützwelle gestützt bzw. gelagert werden wird.
Ein Bezugszeichen 21 in Fig. 1 stellt ein Gestell bzw. einen Rahmen dar, und 22 sowie 23 bezeichnen Stützplatten, die am Rahmen 21 vorgesehen sind und die Antriebswelle 13 auf eine in axialer Richtung bewegbare Weise stützen. Ein Bezugszeichen 18 ist ein piezoelektrisches Element, das in der Richtung seiner Dicke versetzt wird. Ein Ende des piezoelektrischen Elements 18 ist an einem Ende der Antriebswelle 13 befestigt; das andere Ende des Elements ist an einer Stützplatte 24 gesichert, die am Rahmen 21 vorgesehen ist. Die Elektrode des piezoelektrischen Elements 18 ist mit einer Leistungseinheit 19 verbunden, die später beschrieben wird.
Ein Bezugszeichen 19 in Fig. 1 stellt eine Leistungseinheit dar, die Treiberimpulse von einer oder von zwei Sägezahnwellenformen erzeugt. Die Treiberimpulse einer Wellenform sind jeweils aus einer langsam ansteigenden voreilenden Flanke, der eine schnell abfallende nacheilende Flanke folgt, zusammengesetzt, wie es in Fig. 4(a) gezeigt ist. Die Antriebsimpulse der anderen Wellenform sind jeweils aus einer schnell ansteigenden voreilenden Flanke aufgebaut, der eine langsam abfallende nacheilende Flanke folgt, wie es in Fig. 4(b) gezeigt ist. Ein Betätigen eines Schalters 19a veranlaßt, daß die Leistungseinheit 19 Treiberimpulse der einen oder der anderen Wellenform in Abhängigkeit von der Antriebsrichtung der Vorrichtung selektiv erzeugt. Die so durch die Leistungseinheit 19 erzeugten Treiberimpulse haben eine Frequenz, die höher als die Audiofrequenz (etwa 18 kHz) ist. Die Schaltung zum Erzeugen der obigen Pulse ist eine bekannte Schaltung und wird hierin nicht beschrieben werden.
Die Treibervorrichtung, wie sie oben verkörpert ist, arbeitet wie folgt: wenn erwünscht ist, daß die Zoomlinsentrommel 11 sich in der Richtung mit dem Pfeil a bewegt, wird der Schalter 19a der Leistungseinheit 19 betätigt, um Treiberimpulse der Wellenform in Fig. 4(a) auszuwählen, d. h. wobei jeder Impuls aus einer langsam ansteigenden voreilenden Flanke gefolgt durch eine schnell abfallende nacheilende Flanke zusammengesetzt ist. Die ausgewählten Treiberimpulse werden zum piezoelektrischen Element 18 zugeführt. Bei der langsam ansteigenden voreilenden Flanke jedes Treiberimpulses wird das piezoelektrische Element 18 in der Richtung seiner Dicke langsam expandiert. Die Antriebsachse 13 bewegt sich in einer Achsenrichtung mit dem Pfeil a auf eine entsprechend langsame Weise.
An dieser Stelle bewegt sich die Zoomlinsentrommel 11 auf eine im wesentlichen gleichzeitige Weise mit der Antriebswelle 13. Die Bewegung wird bewirkt, weil die Reibplatte 12 durch die Kontaktdruckfeder 14 so gedrückt wird, daß die Antriebswelle 13 in einem Kontakt von Oberfläche zu Oberfläche mit der Zoomlinsentrommel 11 und der Reibplatte 12 ist, wobei die Komponenten durch die an ihren kontaktierenden Oberflächen erzeugte Reibkraft gekoppelt sind.
Bei der schnell abfallenden nacheilenden Flanke des Antriebsimpulses wird das piezoelektrische Element 18 in der Richtung seiner Dicke schnell zusammengezogen. Dies veranlaßt, daß sich die Antriebswelle schnell und in axialer Richtung entgegengesetzt zur Richtung mit dem Pfeil a bewegt. An dieser Stelle überwindet die Trägheitskraft der Zoomlinsentrommel 11 und der Reibplatte 12 die Reibkraft zwischen der Antriebswelle 13 einerseits und der Trommel 11 und der Reibplatte 12 andererseits. Somit bleiben die Zoomlinsentrommel 11 und die Reibplatte 12 im wesentlichen stationär, wo sie sind.
Der stationäre Zustand der Zoomlinsentrommel 11 und der Reibplatte 12, welcher als "substantiell" qualifiziert ist, enthält den folgenden Fall: ungeachtet der Bewegungsrichtung folgen die Zoomlinsentrommel 11 und die Reibplatte 12 der Antriebswelle 13 bei einer Bewegung, während sie über sie gleitet, wodurch sie sich als Ganzes in der Richtung mit dem Pfeil a in Abhängigkeit vom Zeitintervall zwischen den Impulsen bewegen. Wie sich die Zoomlinsentrommel 11 und die Reibplatte 12 bewegen, wird durch die Reibbedingungen in der Praxis bestimmt.
Die Treiberimpulse der ausgewählten Wellenform werden kontinuierlich zum piezoelektrischen Element 18 zugeführt.
Dies veranlaßt, daß sich die Zoomlinsentrommel 11 kontinuierlich in der Richtung mit dem Pfeil a bewegt.
Wenn gewünscht wird, daß die Zoomlinsentrommel 11 entgegengesetzt zur Richtung mit dem Pfeil a bewegt wird, wird der Schalter 19a der Leistungseinheit 19 betätigt, um die Treiberimpulse der Wellenform in Fig. 4(b) auszuwählen, d. h. wobei jeder Impuls aus einer schnell ansteigenden voreilenden Flanke gefolgt durch eine langsam abfallende nacheilende Flanke zusammengesetzt ist. Die ausgewählten Treiberimpulse werden zum piezoelektrischen Element 18 zugeführt, welches daraufhin veranlaßt, daß sich die Zoomlinsentrommel 11 in der erwünschten Richtung bewegt.
Die Treiberimpulse von der einen oder der anderen Wellenform, die durch die Leistungseinheit 19 erzeugt wird, haben eine Frequenz, die über der Audiofrequenz (etwa 18 kHz) ist. Dies bedeutet, daß das Schwingungsrauschen das menschliche Ohr nicht erreichen wird, wenn der Treibermechanismus, der aus der Antriebswelle 13 und der Zoomlinsentrommel 11 aufgebaut ist, beim Schritthalten mit der Expansion und der Kontraktion des piezoelektrischen Elements 18 bei der Frequenz der Treiberimpulse schwingt.
Fig. 2 zeigt die reibmäßig gekoppelten Teile bei der ersten Variation des ersten Ausführungsbeispiels. Beim obigen ersten Ausführungsbeispiel wird die Druckkontaktfeder 14 zum Stoßen der Reibplatte 12 gegen die Antriebswelle 13 verwendet, so daß die Reibkraft zwischen der Antriebswelle 13 einerseits und der Zoomlinsentrommel 11 und der Reibplatte 12 andererseits erzeugt wird. Bei der ersten Variation des ersten Ausführungsbeispiels ist gegensätzlich dazu die Reibplatte 32 aus einem Permanentmagneten aufgebaut und ist die Zoomlinsentrommel 11 aus einer magnetischen Substanz zusammengesetzt. Dann entwickelt sich ein magnetischer Pfad zwischen der Reibplatte 32 und der Zoomlinsentrommel 11. Die resultierende Anziehung wird zum Stoßen der Reibplatte 32 gegen die Antriebswelle 13 ausgenutzt, wodurch die Reibkraft über den kontaktierenden Oberflächen erzeugt wird.
Bei der ersten Variation der Fig. 2 ist die Reibplatte aus einem Permanentmagneten ohne Verwendung einer Federplatte ausgebildet. Die so aufgebaute erste Variation trägt zum Reduzieren der Anzahl von Komponententeilen sowie der Anzahl von Zusammenbauschritten bei.
Der Aufbau der ersten Variation in Fig. 2 wird nun detaillierter beschrieben werden. In Fig. 2 sind diejenigen Komponententeile, die ihre funktionell äquivalenten Gegenstücke beim ersten Ausführungsbeispiel der Fig. 1 haben, durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet. Diejenigen Komponententeile ohne Gegenstücke beim ersten Ausführungsbeispiel werden spezifisch beschrieben, und wiederholende Beschreibungen von irgendwelchen Teilen sind weggelassen, wo es geeignet ist.
In Fig. 2 hat eine Reibplatte 32 einen N-Pol und einen S-Pol, die quer über der Antriebswelle 13 ausgebildet sind. Die Antriebswelle 13 ist am oberen Ende der Zoomlinsentrommel 11 angeordnet, die aus einer magnetischen Substanz ausgebildet ist. Ein Magnetpfad entwickelt sich zwischen der Reibplatte 32 und der Zoomlinsentrommel 11. Die Zoomlinsentrommel 11 zieht die Reibplatte 32 an, die die Antriebswelle 13 stößt. Somit gelangt die Antriebswelle 13 in einen Kontakt von Oberfläche zu Oberfläche mit der Zoomlinsentrommel 11 und der Reibplatte 32, wodurch eine Reibkraft über den kontaktierenden Oberflächen erzeugt wird.
Die Halteplatten 15 und 16 sind an den linksseitigen und rechtsseitigen Enden der Zoomlinsentrommel 11 mit kleinen Schrauben 15a befestigt. Diese Platten 15 und 16 verhindern, daß die Reibplatte 32 entlang der Antriebswelle 13 in axialer Richtung versetzt wird. Ein elastisches Kissenelement 33, das aus Gummi oder synthetischem Harz hergestellt ist, ist zwischen der Reibplatte 32 und der Zoomlinsentrommel 11 angeordnet. Das Kissenelement 33, das zum Einstellen der Anziehung des Magneten vorgesehen ist, kann dort weggelassen werden, wo die Umstände es zulassen.
Obwohl die erste Variation des ersten Ausführungsbeispiels die Zoomlinsentrommel 11 aufweist, die aus der magnetischen Substanz hergestellt ist, kann die Trommel 11 alternativ dazu aus einer nichtmagnetischen Substanz ausgebildet sein. In diesem Fall wird eine Magnetplatte an der Oberfläche befestigt, die der Reibplatte 32 gegenüberliegt.
Fig. 3 stellt die zweite Variation des ersten Ausführungsbeispiels dar, welche insbesondere seine reibmäßig gekoppelten Teile zeigt. In Fig. 3 ist ein Bezugszeichen 41 eine Linsentrommel, ein Bewegungselement, das eine Linse 40 stützt. Die Linsentrommel 41 ist peripher mit einer Hülse 42 mit einer Kerbe 42a versehen. Eine Antriebswelle 44 durchdringt die Hülse 42. Die Kerbe 42a der Hülse 42 ist in Eingriff mit einer Reibplatte 42b, die zum Passen in die Kerbenkontur geformt ist. Eine Druckkontaktfeder 43 ist mit kleinen Schrauben 43a an der Hülse 42 befestigt. Die Feder 43 ist auf eine derartige Weise befestigt, daß ein gekrümmter Teil 43b in der Mitte der Feder die Reibplatte 42b stößt.
Die Antriebswelle 44 durchdringt die Hülse 42 und die Reibplatte 42b. Mit der Druckkontaktfeder 43, die veranlaßt, daß die Reibplatte 42b die Antriebswelle 44 in die Hülse 42 stößt, gelangt die Antriebswelle 44 in einen Kontakt von Oberfläche zu Oberfläche mit der Hülse 42 und der Reibplatte 42b, wodurch sich eine geeignete Reibkraft über den kontaktierenden Oberflächen entwickelt.
Die Antriebswelle 44 wird auf eine in axialer Richtung bewegbare Weise durch einen Rahmen gestützt, der nicht gezeigt ist, der aber ähnlich demjenigen des ersten Ausführungsbeispiels ist. Ein Ende der Antriebswelle 44 ist fest an einem Ende des piezoelektrischen Elements angebracht, das in der Richtung seiner Dicke versetzt wird. Das andere Ende des piezoelektrischen Elements ist am Rahmen angebracht.
Ein Bezugszeichen 45 in Fig. 3 ist ein Nut, die an der Peripherie der Linsentrommel 41 vorgesehen ist, und 46 ist ein Stützstab, der in Eingriff mit der Nut 45 ist. Der Stützstab 46 stützt die Linsentrommel 41 bewegbar in der optischen Achsenrichtung was verhindert, daß sich die Trommel 41 um ihre optische Achse dreht.
Bei dem Aufbau der zweiten Variation, die oben beschrieben ist, kann eine Leistungseinheit, die nicht gezeigt ist, das piezoelektrische Element mit Treiberimpulsen der Wellenform in Fig. 4(a) versorgen, wobei jeder Impuls aus einer langsam ansteigenden voreilenden Flanke gefolgt durch eine schnell abfallende nacheilende Flanke zusammengesetzt ist. Bei der langsam ansteigenden voreilenden Flanke jedes Treiberimpulses wird das piezoelektrische Element in der Richtung seiner Dicke langsam expandiert. Die Antriebsachse 44 bewegt sich in der axialen Richtung mit dem Pfeil a auf eine entsprechend langsame Weise.
An dieser Stelle bewegt sich die Hülse 11 auf eine im wesentlichen gleichzeitige Weise mit der Antriebswelle 44. Die Bewegung wird bewirkt, weil die Reibplatte 42b durch die Kontaktdruckfeder 43 gedrückt wird, so daß die Antriebswelle 44 in Kontakt von Oberfläche zu Oberfläche mit der Hülse 42 und der Reibplatte 42b ist, wobei die Komponenten durch die Reibkraft gekoppelt sind, die an ihren kontaktierenden Oberflächen erzeugt wird.
Bei der schnell abfallenden nacheilenden Flanke des Treiberimpulses wird das piezoelektrische Element in der Richtung seiner Dicke schnell zusammengezogen. Dies veranlaßt, daß sich die Antriebswelle 44 schnell und in axialer Richtung entgegengesetzt zu der Richtung mit dem Pfeil a bewegt. An dieser Stelle überwindet die Trägheitskraft der Linsentrommel 41, der Hülse 42 und der Reibplatte 42b die Reibkraft zwischen der Antriebswelle 44 einerseits und der Hülse 42 und der Reibplatte 42b andererseits. Somit bleiben die Linsentrommel 41, die Hülse 42 und die Reibplatte 42b im wesentlichen stationär, wo sie sind.
Die Treiberimpulse der obigen Wellenform werden kontinuierlich zum piezoelektrischen Element zugeführt. Dies veranlaßt, daß sich die Linsentrommel 41 kontinuierlich in der Richtung mit dem Pfeil a bewegt.
Wenn erwünscht ist, daß die Linsentrommel 41 entgegengesetzt zu der Richtung mit dem Pfeil a bewegt wird, wird die Leistungseinheit geschaltet, um die Treiberimpulse der Wellenform in Fig. 4(b) auszuwählen und zu erzeugen, wobei jeder Impuls aus einer schnell ansteigenden führenden Flanke, gefolgt durch eine langsam abfallende nacheilende Flanke, zusammengesetzt ist. Die ausgewählten Treiberimpulse werden zum piezoelektrischen Element zugeführt, welches daraufhin veranlaßt, daß sich die Linsentrommel 41 in der erwünschten Richtung bewegt.
Bei der zweiten Variation des ersten Ausführungsbeispiels in Fig. 3 kann die Reibplatte 42b auch aus einem Permanentmagneten ohne Verwendung einer Federplatte aufgebaut sein. Dieser Aufbau trägt gleichermaßen zum Reduzieren der Anzahl von Komponententeilen sowie der Anzahl von Zusammenbauschritten bei.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen wird das piezoelektrische Element als die jeweilige Treiberquelle verwendet. Alternativ dazu kann die Treiberquelle irgendeiner von anderen elektromechanischen Wandlern, einschließlich magnetostriktiver Vibratoren sein.
Bei jedem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele ist das Treiberelement in einem Kontakt von Oberfläche zu Oberfläche mit dem Bewegungselement. Dies macht es möglich, ständig eine ausreichende Reibkopplungskraft über den kontaktierenden Oberflächen sicherzustellen, ohne den Kontaktdruck auf diesen Oberflächen merklich zu erhöhen, und zwar unter irgendeinem der folgenden Umstände: wo die Struktur der Hauptvorrichtung, die die Treibervorrichtung enthält ein Einführen von Schmiermittel zwischen dem Antriebselement bzw. Treiberelement und dem Bewegungselement erfordert; wo die kontaktierenden Oberflächen verspiegelt sind; oder wo die positionsmäßige Beziehung zwischen dem Treiberelement und dem Bewegungselement relativ zur Schwerkraftrichtung gemäß der Höhe variiert wird, in welcher die Hauptvorrichtung (z. B. eine Kamera), die die Treibervorrichtung enthält, betrieben wird. Diese Eigenschaft ermöglicht, daß die erfinderische Treibervorrichtung eine Abnutzung an den kontaktierenden Oberflächen des Treiberelements und des Bewegungselements minimiert, während eine stabile Antriebskraft mit hoher Geschwindigkeit zur Verfügung gestellt wird.
Was folgt ist eine Beschreibung davon, wie das piezoelektrische Element typischerweise arbeitet. Fig. 5 ist ein Ersatzschaltbild des piezoelektrischen Elements. In Fig. 5 entspricht die Ladungsmenge in einem Kondensator Cp dem Versatzbetrag, der durch das piezoelektrische Element bewirkt wird. Traditionell wird das Treiben des piezoelektrischen Elements durch die Spannung von Treiberimpulsen gesteuert, die ihm zugeführt werden. Insbesondere wird die Ladungsmenge im Kondensator Cp beim Ersatzschaltbild durch Variieren der Änderung in bezug auf die Spannung der Treiberimpulse gesteuert.
Es soll angenommen werden, daß dem piezoelektrischen Element · Treiberimpulse (eine Spannung) zugeführt werden, deren Wellenform diejenige der Fig. 6(a) ist, wobei jeder Impuls aus einer schnell ansteigenden voreilenden Flanke, gefolgt durch eine langsam abfallende nacheilende Flanke, zusammengesetzt ist. Wenn ihm solche Treiberimpulse zugeführt werden, erzeugt das piezoelektrische Element Versätze einer schnellen Expansion und einer langsamen Kontraktion.
In einem solchen Fall erzeugt das piezoelektrische Element eine Schwingung kurzer Periode durch exzessives Antworten bzw. Ansprechen auf die Änderungen der eingegebenen Treiberimpulse. Die Schwingung wird "gedämpfte Schwingung" genannt. Mit der zu seinen innewohnenden Versätzen hinzugefügten gedämpften Schwingung erzeugt das piezoelektrische Element im Verlaufe der Zeit die in Fig. 6(b) dargestellten Versätze.
Es ist wohlbekannt, daß die gedämpfte Schwingung dadurch einem Offset unterzogen wird, damit man die Anstiegszeit jedes Treiberimpulses zu einem ganzzahligen Vielfachen der Resonanzfrequenz des Treibersystems im Einsatz macht. Es ist auch bekannt, daß das Bewegungselement nur dann bewegt wird, wenn die Anstiegszeit jedes Treiberimpulses kürzer als seine Abfallzeit gemacht wird. Dies bedeutet, daß die Anstiegszeit des Treiberimpulses weniger als die Hälfte oder in der Praxis viel kleiner als jede Treiberperiode sein muß.
Was die Erfinder fanden, war das folgende: da die Ladungsmenge im Kondensator Cp im Ersatzschaltbild der Fig. 5 dem Betrag eines Versatzes entspricht, der durch das piezoelektrische Element bewirkt wird, wird ein schneller Versatz des Elements durch ein schnelles Laden des Kondensators Cp unter Verwendung eines großen Stroms erhalten; ein langsamer Versatz des piezoelektrischen Elements wird durch langsames Laden des Kondensators Cp unter Verwendung eines konstanten Stroms erlangt. Weil erwünschte Versätze des piezoelektrischen Elements auf diese Weise ebenso effektiv erzeugt werden, entwickelten die Erfinder ein neues Treiberverfahren zum Steuern des Stroms eines Treibersignals, das das piezoelektrische Element treibt bzw. antreibt.
Fig. 7 ist ein Schaltungsdiagramm des ersten Beispiels der durch das piezoelektrische Element verwendeten Treiberschaltung gemäß der Erfindung. Bei diesem Diagramm enthält eine Konstantstromschaltung RC einen Operationsverstärker Am und Transistoren Tr1 und Tr2. Die Eingangsseite der Konstantstromschaltung RC ist mit einer Leistungsquelle V2 verbunden. Die Ausgangsseite der Schaltung RC ist mit einem piezoelektrischen Element 18 verbunden. Die Source-Elektrode eines Feldeffekttransistors FET ist mit einer Leistungsquelle V1 verbunden. Die Drain-Elektrode des Transistors FET ist mit dem piezoelektrischen Element 18 mittels der Ausgangsseite der Konstantstromschaltung RC verbunden. Die Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors FET ist mit einer Steuerimpulsquelle verbunden.
Die Treiberschaltung der Fig. 7 arbeitet wie folgt: wenn ein Steuerimpuls zur Gate-Elektrode des Feldeffekttransistors FET eingegeben wird, sind die Source- und die Drain-Elektrode leitend. Dies verbindet das piezoelektrische Element 18 mit der Leistungsquelle V1, von welcher ein großer Strom zum Element fließt. Wenn kein Steuerimpuls in die Gate-Elektrode eintritt, sind die Source- und die Drain-Elektrode des Feldeffekttransistors FET nicht leitend. Dies läßt zu, daß die Konstantstromschaltung RC einen konstanten Strom zum piezoelektrischen Element 18 zuführt.
Fig. 8(a) stellt Änderungen in bezug auf den Strom dar, der durch die Treiberschaltung der Fig. 7 zum piezoelektrischen Element zugeführt wird, und Fig. 8(b) zeigt typische Versätze, die durch das piezoelektrische Element erzeugt werden. Wenn ein großer Strom (in Vorwärtsrichtung) und ein konstanter Strom (in Rückwärtsrichtung) abwechselnd durch das piezoelektrische Element fließen, wie es in Fig. 8(a) gezeigt ist, erzeugt das piezoelektrische Element abwechselnd einen schnellen Versatz (eine Expansion) und einen langsamen Versatz (eine Kontraktion) jeweils entsprechend dem großen Strom (vorwärts) und dem konstanten Strom (rückwärts), wie es in Fig. 8(b) gezeigt ist.
Wo das Bewegungselement auf eine im wesentlichen gleichzeitige Weise mit dem Treiberelement zu bewegen ist, das langsam versetzt wird, wird der vorbestimmte konstante Strom als das Treibersignal zum elektromechanischen Wandler (z. B. zum piezoelektrischen Element) zugeführt. Wo das Bewegungselement gegenüber seiner Reibkopplung mit dem Treiberelement im wesentlichen stationär bleiben soll, wird der vorbestimmte große Strom als das Treibersignal zum elektromechanischen Wandler zugeführt. Diese zwei Betriebsarten werden durch ein geeignetes Steuern des Treibersignalstroms geschaltet. Diese Anordnung unterdrückt die gedämpfte Schwingung, die bei herkömmlichen Treibervorrichtungen vorherrschend ist, wodurch das Bewegungselement mit signifikant höheren Geschwindigkeiten als zuvor angetrieben werden kann.
Der elektromechanische Wandler hat eine physikalische Eigenschaft, die verzögertes Ansprechverhalten genannt wird. Dies bedeutet, daß der elektromechanische Wandler auf ein Verstreichen einer bestimmten Zeitperiode nach der Zufuhr eines Treiberimpulses hin einen Versatz bewirkt. Aufgrund dieser Eigenschaft ist es wahrscheinlicher, daß höhere Frequenzen der an den elektromechanischen Wandler angelegten Treiberimpulse veranlassen, daß die expandierenden und zusammenziehenden Versätze überlagern. Das Phänomen verlangsamt und erniedrigt möglicherweise das Geschwindigkeitsverhältnis von Expansion zu Kontraktion des elektromechanischen Wandlers. Fig. 9 zeigt eine typische Beziehung zwischen der Frequenz von zu einem elektromechanischen Wandler zugeführten Treiberimpulsen einerseits und der Bewegungsgeschwindigkeit eines durch den Wandler angetriebenen Bewegungselements andererseits. Wenn die Frequenz der zugeführten Treiberimpulse erhöht wird, wird die Geschwindigkeit des Bewegungselements nach und nach und entsprechend erhöht. Über einer bestimmten Frequenz beginnt jedoch die Geschwindigkeit des Bewegungselements abzufallen. Wenn das Geschwindigkeitsverhältnis von Expansion zu Kontraktion des elektromechanischen Wandlers 1 erreicht, wird der Bewegungsbetrag des Bewegungselements während jeder Periode des Treiberimpulses auf 0 reduziert; die Treiberaktion ist nun nicht mehr verfügbar.
Das verzögerte Ansprechverhalten, eine physikalische Eigenschaft des elektromechanischen Wandlers, wird signifikant durch das Gewicht des an den Wandler angebrachten Treiberelements beeinflußt, wie es in Fig. 10(a) und in Fig. 10(b) gezeigt ist. Fig. 10(a) zeigt das verzögerte Ansprechverhalten im Fall eines Treiberelements mit geringem Gewicht und Fig. 10(b) zeigt das verzögerte Ansprechverhalten in einem Fall eines Treiberelements mit schwerem Gewicht. Je schwere das Treiberelement ist, um so größer ist das verzögerte Ansprechverhalten. Es ist somit wichtig, ein geeignetes Material auszuwählen, aus welchem das Treiberelement herzustellen ist. Nachfolgend ist die Beziehung zwischen den Arten von Treiberelement-Materialien und der Geschwindigkeit des aus diesen Materialien hergestellten Bewegungselements beschrieben.
Tabelle 1 listet als Materialkandidaten rostfreien Stahl SUS304 (nach dem JIS), ABS-Harz und eine faserverstärkte synthetische Harzzusammensetzung (ein faserverstärktes Epoxydharz, das 50 Vol.-% einer Kohlenstoffaser in diesem Fall enthält) auf. Die Tabelle zeigt auch die Ergebnisse aus den Tests, die durch die Erfinder in bezug auf diese Materialien für physikalische Eigenschaften, Gewichte und axiale Elastizitäten durchgeführt sind, zusammen mit den Bewegungsgeschwindigkeiten der Teststücke, die aus diesen Materialien hergestellt sind. TABELLE 1
* Enthält 50 Vol.-% einer Kohlenstoffaser
** Durchmesser 2 mm x Länge 40 mm
Bei den Tests war es unmöglich, das Bewegungselement anzutreiben, wenn das Treiberelement aus dem rostfreien Stahl SUS304 der JIS-Vereinbarung oder aus dem ABS-Harz zusammengesetzt war. Vermutlich war das aus dem rostfreien Stahl SUS304 hergestellte Treiberelement so schwer, daß das piezoelektrische Element ein signifikant verzögertes Ansprechverhalten in bezug auf seine Versätze hatte. Das aus dem ABS-Harz zusammengesetzte Treiberelement hatte vermutlich ein Elastizitätsmodul, das so niedrig war, daß das Treiberelement ein merklich verzögertes Ansprechverhalten in bezug auf seine Bewegung entwickelte und somit unfähig dazu war, das Bewegungselement anzuhalten.
Das durch das faserverstärkte Epoxydharz aufgebaute Treiberelement hatte ein leichtes Gewicht und hatte ein relativ hohes Elastizitätsmodul. Diese Eigenschaften hielten das piezoelektrische Element oder das Treiberelement von einem Entwickeln eines signifikant verzögerten Ansprechverhaltens bei Versätzen oder bei einer Bewegung ab. Da das faserverstärkte Epoxydharz eine selbstschmierende Eigenschaft hatte, trat kein hörbares Rauschen auf, das einer Reiboszillation zwischen den kontaktierenden Oberflächen des Treiberelements und des Bewegungselements zuzuteilen war. Schließlich stellt sich als optimales Material, aus dem das Treiberelement herzustellen ist, das faserverstärkte Epoxydharz, das 50 Vol.-% einer Kohlenstoffaser enthält, heraus.
Zusätzlich zum Epoxydharz kann die faserverstärkte synthetische Harzzusammensetzung irgendein ungesättigtes Polyesterharz, ein Polyimid, ein Bismaleimid, ein Polyamidimid-Harz, ein Polyether-imid-Harz, ein Polyether-etherketon, ein Polyethersulfon, ein aromatisches Polyimid und Polycarbonat enthalten. Zusätzlich zur Kohlenstoffaser kann die Verstärkungsfaser eine Glasfaser sein, Kohlenstoff- Whisker oder Kalium-titanat-whisker.
Was folgt, ist eine Beschreibung des zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung, implementiert als die Treibervorrichtung zum Treiben der Fokussierlinse eines optischen Systems vom Zusammenbautyp. Fig. 11 ist eine perspektivische Explosionsansicht dieser Treibervorrichtung, die zum Treiben bzw. Antreiben der Fokussierlinse verwendet wird. Fig. 12 ist eine perspektivische Ansicht, die zeigt, wie die Treibervorrichtung 60 der Fig. 11 zusammengebaut wird. Die Treibervorrichtung 60 weist ein stationäres Element 61, ein piezoelektrisches Element 62, eine Antriebswelle 63 und einen Schieber bzw. eine Gleiteinheit 64 auf.
Das stationäre Element 61 ist im wesentlichen zylindrisch. Ein Ende 61a des stationären Elements 61 ist ein Montageteil, der an das Hauptsystem anzubringen ist, das nicht gezeigt ist. Das stationäre Element 61 hat ein Loch 61b, in welchem das piezoelektrische Element 62 unterzubringen ist, und ein Loch 61c, in welchem der Schieber 64 unterzubringen ist. Zwischen den Löchern 61b und 61c ist eine Trennwand 61g. Eine Endplatte 61h ist vorgesehen, um das Loch 61c am Ende des stationären Elements 61 abzuschließen.
Das piezoelektrische Element 62 hat dann, wenn es im Loch 61c des stationären Elements 61 angeordnet ist, eines seiner Enden an einer Wand 61f des Lochs 61c fest angebracht; das andere Ende des piezoelektrischen Elements 62 ist an einem Ende 63a der Antriebswelle 63 befestigt.
Die Antriebswelle 63 ist auf eine in axialer Richtung bewegbare Weise durch ein Lagerungsloch 61d an der Trennwand 61g des stationären Elements 61 sowie durch ein Lagerungsloch 61e an der Endplatte 61h gelagert bzw. gestützt. Wenn sich das piezoelektrische Element 62 in der Richtung seiner Dicke expandiert und zusammenzieht, bewegt sich die Antriebswelle 63 in axialer Richtung entsprechend hin und her.
Eine Plattenfeder 67 ist mit Schrauben 69 an der Endplatte 61h des stationären Elements 61 auf eine derartige Weise befestigt, daß die Antriebswelle 63, die etwas aus dem Lagerungsloch 61e vorsteht, in der axialen Richtung nach innen gestoßen werden wird. So befestigt stößt die Plattenfeder 67 die Antriebswelle 63 mit einer vorbestimmten Kraft gegen das piezoelektrische Element 62. Die Stoßkraft kann durch Festziehen oder Lösen der Schrauben 69 eingestellt werden.
Der Schieber 64 (d. h. das Bewegungselement) ist innerhalb des Lochs 61c untergebracht. Die rechtsseitigen und linksseitigen Wände, die das Loch 61c in seiner Längsrichtung flankieren, dienen als Drehstopper, mit der Doppelwirkung als Führungen zum Zulassen, daß sich der Schieber 64 entlang dem stationären Element 61 in axialer Richtung bewegt.
Der Schieber 64 weist einen Schieberkörper 64a auf, der die Antriebswelle 63 reibmäßig kontaktiert, und einen Montageteil 64e, an welchem das Bewegungselement, wie beispielsweise der Linsenrahmen, angebracht ist. Der Schieberkörper 64a hat eine Kerbe 64b, die in seiner Mitte ausgebildet ist. Die rechtsseitigen und linksseitigen Wände, die die Kerbe 64b flankieren, haben Durchgangslöcher 64d, die durch die Antriebswelle 63 durchstoßen werden. Die Kerbe 64b hat eine Nut 64c, die ausgebildet ist, um näherungsweise die untere halbe Oberfläche der Antriebswelle 63 zu kontaktieren, wobei die Nut einen halbkreisförmigen Querschnitt hat. Der Montageteil 64e hat seinen unteren Teil mit Schraubenlöchern 64f versehen, durch welche Schrauben eingebracht sind, um das Soll-Bewegungselement (z. B. den Linsenrahmen) zu montieren.
Die Kerbe 64b hat ein Reibelement 65, das darin in Eingriff ist. Das Reibelement 65 kontaktiert von oben die Antriebswelle 63, die die Löcher 64b durchdringt. Unter dem Reibelement 65 ist eine Nut 65a ausgebildet, die einen halbkreisförmigen Querschnitt hat. So ausgebildet kontaktiert die Nut 65a näherungsweise die obere halbe Oberfläche der Antriebswelle 63. Das Reibelement 65 ist so strukturiert, daß es mit den rechtsseitigen und linksseitigen Wänden der Kerbe 64b eng anliegend in Eingriff ist.
Das Reibelement 65 wird durch die Plattenfeder 66 gegen die Antriebswelle 63 für einen reibmäßigen Kontakt mit ihr gestoßen. Die Plattenfeder 66 ist mit Schrauben 68 am Körper 64a des Schiebers 64 befestigt. Die Stoßkraft der Plattenfeder 66 kann durch Festziehen oder Lösen der Schrauben 68 eingestellt werden.
Was in Fig. 12 gezeigt ist, ist die Treibervorrichtung 60, die zusammengebaut ist, wie es oben beschrieben ist. Die Vorrichtung 60 ist im gezeigten Zustand eine unabhängige Einheit.
Nun wird unter Bezugnahme auf Fig. 13 beschrieben, wie das obige zweite Ausführungsbeispiel mit dem Soll- Bewegungselement ausgestattet und am optischen System montiert ist. Dieses optische System hat seine Linse zum Zulassen verschiedener Tests in Bewegung. Details des optischen Systems werden weggelassen werden, und nur diejenigen Aspekte des Systems, die für die Erfindung relevant sind, werden beschrieben werden.
In Fig. 13 ist ein Bezugszeichen 70 ein Linsengestell; 71 ist eine Basis; und 73 ist eine an der Basis 71 mit einer Schraube 72 befestigte Stütze bzw. Säule. Ein Bezugszeichen 74 stellt einen Anfangsarm dar, der an der Stütze 73 mit einer Schraube 75 befestigt ist. Die Treibervorrichtung 60 hat ein Ende 61a von ihrem stationären Element 61 am Anfangsarm 74 angebracht und daran mit einer Schraube 76 befestigt.
Der Montageteil des Schiebers 64 ist mit einer Linsenelement 77 ausgestattet, die als das Bewegungselement wirkt. Die Linsenelement 77 ist mit Schrauben 78 am Schieber 64 befestigt. Die Schrauben, die in die Schraubenlöcher 64f des Montageteils 64e mit T-förmigem Überhang eingeschraubt sind, können von oben entfernt werden. Somit ist die Linseneinheit 77 zur Reparatur, zur Reinigung, zur Einstellung oder zu anderen Servicezwecken auf einfache Weise zu demontieren.
Das stationäre Element 61 ist am Anfangsarm 74 der Stütze 70 angebracht, die zum optischen System gehört. Wenn das stationäre Element 61 anzubringen ist, wird zuerst ein Ende 61a des stationären Elements 61 in eine Öffnung des Anfangsarms 74 eingefügt, und die Schraube 76 wird von oben festgezogen. Ein Lösen der Schraube 76 läßt zu, daß die Treibervorrichtung ohne weiteres vom optischen System demontiert wird. Wenn das piezoelektrische Element 62, der Schieber 64 oder irgendein anderer Teil in der Treibervorrichtung 60 Störungen entwickelt, die repariert werden müssen, oder wenn die Treibervorrichtung 60 allein getestet werden muß, ist es einfach, die Treibervorrichtung 60 vom optischen System zu entfernen. Vor einem anfänglichen Zusammenbau kann die Treibervorrichtung 60 in dem in Fig. 12 gezeigten Zustand unabhängig getestet werden. Wenn die Testergebnisse als normal befunden werden, kann die Treibervorrichtung 60 in das optische System eingebaut werden.
Beispielhaft läßt dort, wo die Linseneinheit 77 nur mit der Treibervorrichtung gekoppelt ist, ein Lösen der Schraube 76 zu, daß die Treibervorrichtung und die Linseneinheit zusammen demontiert werden. Dort, wo die Linseneinheit 77 mit anderen Elementen des optischen Elements integral gekoppelt ist und nicht davon getrennt werden kann, kann die Treibervorrichtung 60 allein noch demontiert werden, wenn es nötig ist, indem die Schrauben 76 und 78 entfernt werden.
Die Treibervorrichtung 60 ist unabhängig von der Struktur und der Größe des optischen Systems vorgesehen. Es folgt, daß die Treibervorrichtung 60 in Kombination mit irgendeinem anderen System verwendet werden kann, solange das letztere geeignet strukturiert ist, um den Montageteil 61a unterzubringen und zu befestigen und das Soll-Bewegungselement in Eingriff mit dem Schieber 64 treten zu lassen. Es ist für dieselbe Treibervorrichtung sogar möglich, daß sie von einem optischen System zu einem anderen zur Verwendung mit diesem umgeschaltet bzw. umgestellt wird: die fotographische Linse einer Kamera, die Projektionslinse eines Overheadprojektors und andere. Zusätzlich zu den optischen Systemen kann die Treibervorrichtung auch bei anderen Arten von Vorrichtungen verwendet werden, die mit einem Bewegungselement ausgestattet sind, wie beispielsweise bei X-Y-Tischen und Druckern. Die erfinderische Treibervorrichtung wird somit in einem weiten Bereich von Anwendungen allgemeinen Zwecks verwendet.
Die obige Treibervorrichtung liefert eine lineare Antriebsbewegung ohne die Verwendung von Wandlern, wie beispielsweise Getriebezügen. Wenn sie anstelle herkömmlicher Motoren verwendet wird, kann die Treibervorrichtung die Struktur der Hauptvorrichtung drastisch vereinfachen. Wenn sie als unabhängige Einheit erzeugt und vermarktet wird, kann die Treibervorrichtung ihren Weg in eine Vielfalt von Anwendungen finden.
Während eines Zusammenbauens kann die Treibervorrichtung vereinzelt werden, ihren elektromechanischen Wandler (d. h. das piezoelektrische Element) mit dem Treiberelement und mit dem stationären Element verbunden zu haben. So von anderen Komponenten bzw. Bauteilen getrennt, kann die Treibervorrichtung solchen schweren Bedingungen ausgesetzt werden, wie einer Langzeit-Härtungsbehandlung und einer Hochtemperaturbehandlung. Das Ergebnis ist ein Vorrichtungsaufbau hoher Festigkeit. Weil solche Treibervorrichtung auf einer Stapelbasis behandelt werden können, kann eine große Menge von ihnen gleichzeitig bondiert werden.
Die in Fig. 50 gezeigte herkömmliche Treibervorrichtung hat nur ein Ende ihres piezoelektrischen Elements 212 durch das Treiberelementlager 213 gelagert bzw. gestützt. (Das andere Ende des mit dem Treiberelement 217 verbundenen piezoelektrischen Elements 212 ist ein freies Ende.) Diese Struktur ist anfällig für die Auswirkung einer Schwingung und kann die expandierenden und zusammenziehenden Versätze des piezoelektrischen Elements 212 nicht genau zum Treiberelement 217 übertragen.
Gegensätzlich dazu hat das piezoelektrische Element 62 beim zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung eines seiner Enden an einer Wand 61f bondiert, die das Loch 61b bildet; das andere Ende des piezoelektrischen Elements 62 wird durch die Druckkraft von der Plattenfeder 62 über die Antriebswelle 63 gestützt. Mit beiden seiner Enden so gestützt ist es viel unwahrscheinlicher, daß das piezoelektrische Element 62 eine Schwingung in dem Teil entwickelt, der am stationären Element 61 befestigt ist. Dies macht es möglich, die Expansion und die Kontraktion des piezoelektrischen Elements 62 so zur Antriebswelle 63 zu übertragen, daß man darauf vertrauen kann. Weiterhin wird deshalb, weil die Oberfläche des piezoelektrischen Elements 62, das am stationären Element 61 bondiert ist, über Kreuz an beiden Enden gestützt ist, die Schwingung viel weniger betont. Dies stellt eine ruhige bzw. stetige bzw. permanente Übertragung der erzeugten Versätze zur Antriebswelle 63 sicher.
Das stationäre Element 61 ist entworfen, um das piezoelektrische Element 62 und den Schieber 64 zu schützen, um die Antriebswelle 63 zu führen, um den Schieber 64 und die Linseneinheit 77 von einer Drehung abzuhalten, und um die Treibervorrichtung selbst zu befestigen. Der Entwurf hat die Anzahl von Komponententeilen reduziert, die verwendet werden, und hat die Vorrichtung kleiner werden lassen. Der Schieber 64 und die Linseneinheit 67 können alternativ dazu durch eine andere Einrichtung vom Drehen abgehalten werden, einschließlich der Verwendung einer Antriebswelle mit einem rechteckigen Querschnitt.
Wenn die Aktivierungskraft der Plattenfeder 67 einen geeigneten Druck an das piezoelektrische Element 62 anlegt, werden der Abstand und die Kraft einer Expansion und einer Kontraktion des Elements 62 erhöht, wie es erwünscht wird. Es gibt eine signifikant reduzierte Möglichkeit, daß das bondierte piezoelektrische Element 62 vom stationären Element 61 oder von der Antriebswelle 63 getrennt wird. Sollte eine solche Trennung auftreten, überträgt die Aktivierungskraft der Plattenfeder 67 noch einen beachtlichen Teil der Expansion und der Kontraktion des piezoelektrischen Elements 62 zur Antriebswelle 63. Somit kann die Leistungsfähigkeit der Treibervorrichtung bis zu einigem Ausmaß bewahrt werden.
Der Schieber 64 und das Reibelement 65 können jeweils aus einem Permanentmagnet aufgebaut sein, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. In diesem Fall wird die Plattenfeder 66 unnötig. Dies macht es möglich, die Anzahl von Komponententeilen weiter zu reduzieren, wodurch die Treibervorrichtung in bezug auf die Größe kleiner gemacht wird.
Bei der herkömmlichen Treibervorrichtung der Fig. 50 wird ein Reibkontakt zwischen dem Treiberelement 217 und der Trommel 201 bei einer Stelle oder entlang einer Linie durch eine Aktivierung der Feder 214 erreicht. Dieser Art von Kontakt fehlt oft die Stabilität und Dauerhaftigkeit über den kontaktierenden Oberflächen der beteiligten Teile. Beim obigen Ausführungsbeispiel haben gegensätzlich dazu das Reibelement und der Schieber jeweils eine Nut, die derart geformt ist, daß sie an die Außenfläche der Antriebswelle angepaßt ist. Mit dem Reibelement und dem Schieber, die die Antriebswelle in Sandwichbauweise umgeben, bleiben diese Teile in einem Kontakt von Oberfläche zu Oberfläche dazwischen. Diese Struktur erhöht die Stabilität der Reibkraft und die Dauerhaftigkeit der kontaktierenden Oberflächen zwischen den so in Eingriff stehenden Teilen. Die Verbesserungen führen in Folge zu einer besseren Leistung und einer höheren Zuverlässigkeit der Treibervorrichtung. Alternativ dazu können die Nuten jeweils eine V-Nut sein, so daß die Antriebswelle in linearem Kontakt mit den Nuten entlang von vier geraden Linien ist. Die alternative Struktur erhöht weiter die Leistung und Zuverlässigkeit der Treibervorrichtung. Eine weitere Alternative besteht darin, daß eine Nut einen halbkreisförmigen Querschnitt haben kann, und die andere Nut einen V-förmigen Querschnitt.
Der Montageteil 61a der Treibervorrichtung muß nicht zylindrisch sein. Er kann irgendeine der in den Fig. 15(a) bis 15(e) gezeigten Variationen sein. Wie es dargestellt ist, kann der Montageteil 61a mit einer Außengewindeschraube 61p oder einer Innengewindeschraube 61q versehen sein. Ein solcher mit Gewinde versehener Teil läßt dann, wenn er vorgesehen ist, zu, daß die Treibervorrichtung mit diversen Arten von Hauptvorrichtungen kombiniert wird. Gleichzeitig verstärkt der mit Gewinde versehene Teil die Montagefestigkeit der Komponenten, die so in Eingriff stehen. Ein flacher Ausschnitt 61r, der am Montageteil 61a ausgebildet ist, verhindert, daß sich die Treibervorrichtung dreht, und sorgt für die genaue Montage der letzteren. Ein Durchgangsloch 61s, das am Montageteil 61a in seiner radialen Richtung ausgebildet ist, läßt zu, daß ein Teil 61a mit einer Schraube befestigt wird. Dies verstärkt die Montagefestigkeit der in Eingriff stehenden Teile.
Fig. 16(a) zeigt eine Variation der in den Fig. 11 und 12 gezeigten Treibervorrichtung, und Fig. 16(b) zeigt dieselbe Struktur wie diejenige der Fig. 12 zum Vergleich. Bei der Variation der Fig. 16(a) ist eine Endplatte 61h mit dem Lagerungsloch 61e als diskrete Einheit ausgebildet, die vom stationären Element 61 entfernt werden kann. Im zusammengebauten Zustand ist die Endplatte 61h mit Schrauben 61s am stationären Element 61 befestigt. Die Struktur läßt zu, daß der Schieber allein demontiert wird, während das stationäre Element 61 an seiner Stelle bleibt. Dieses Merkmal verringert die Kosten dafür, Komponententeile der Treibervorrichtung austauschen zu müssen, während der Freiheitsgrad erhöht wird, mit welchem die Treibervorrichtung zusammengebaut wird.
Das oben beschriebene zweite Ausführungsbeispiel arbeitet auf demselben Betriebsprinzip wie dasjenige des Standes der Technik. Im Betrieb wird dem piezoelektrischen Element 62 eine von zwei Arten von Spannungen zugeführt, deren Wellenformen in Fig. 14(a) und Fig. 14(b) gezeigt sind. Bei einer Wellenform ist jeder Impuls aus einer langsam ansteigenden voreilenden Flanke, gefolgt durch eine schnell abfallende nacheilende Flanke, zusammengesetzt; bei der anderen Wellenform ist jeder Impuls aus einer schnell ansteigenden voreilenden Flanke, gefolgt durch eine langsam abfallende nacheilende Flanke, zusammengesetzt. Ein kontinuierliches Zuführen solcher Treiberimpulse veranlaßt, daß sich das piezoelektrische Element 62 entweder langsam oder schnell expandiert und zusammenzieht. Wenn sich das piezoelektrische Element 62 langsam expandiert bzw. ausdehnt und zusammenzieht, bewegt sich die Linseneinheit 77 gleichzeitig mit der Antriebswelle 63; wenn sich das piezoelektrische Element 62 schnell expandiert bzw. ausdehnt und zusammenzieht, bleibt die Linseneinheit 77 bewegungslos.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf Fig. 17 die oben beschriebene Treibervorrichtung beschrieben, wie sie auf die Linsentrommel einer Kamera angewendet wird. In Fig. 17 zeigt ein Bezugszeichen 86 ein piezoelektrisches Element. Ein Montageteil 63 ist an einem Ende des piezoelektrischen Elements 86 bondiert. Eine Antriebswelle 88 ist am entgegengesetzten Ende des piezoelektrischen Elements 86 bondiert.
Ein Bezugszeichen 84 stellt einen Schieber bzw. eine Gleiteinheit dar. Die Antriebswelle 88 durchdringt ein Loch und eine Nut, die am Schieber 84 ausgebildet sind. Ein Reibelement 89 mit einer Nut daran ist am Schieber 84 so angebracht, daß die Antriebswelle 88 zwischen den Nuten des Reibelements 89 und des Schiebers 84 in Sandwichbauweise angeordnet ist. Das Reibelement 89 wird durch eine mit Schrauben 91 befestigte Plattenfeder 90 an einer Stelle gehalten. Die Plattenfeder 90 hat einen konvexen Teil, der gegen das Reibelement 89 stößt. Der konvexe Teil der Feder erzeugt eine Reibkraft zwischen dem Reibelement 89, der Antriebswelle 88 und dem Schieber 84. Der Montageteil 83, das piezoelektrische Element 86, die Antriebswelle 88, der Schieber 84, das Reibelement 89 und die Plattenfeder 90 bilden eine integrierte unabhängige Einheit.
Ein Bezugszeichen 81 steht für eine fixierte Linsentrommel. Innerhalb der fixierten Linsentrommel 81 ist ein Linsenrahmen 82, der eine Linse L hält. Der Linsenrahmen 82 bewegt sich innerhalb der fixierten Linsentrommel 81 in der optischen Achsenrichtung (d. h. in der vertikalen Richtung, wie es in Fig. 17 zu sehen ist). Wie beim zweiten Ausführungsbeispiel ist der Linsenrahmen 82 mit Schrauben 85 am Schieber 84 angebracht. Das piezoelektrische Element 86 ist zusammen mit dem Montageteil 83 am Inneren der fixierten Linsentrommel 81 angebracht.
In diesem zusammengebauten Zustand werden die Spannungen, deren Wellenformen in den Fig. 14(a) und 14(b) gezeigt sind, zum piezoelektrischen Element 86 zugeführt. Dies veranlaßt, daß sich der Linsenrahmen 82 in der optischen Achsenrichtung bewegt. Somit kann die Fokussierlinse oder eine Veränderungslinse innerhalb der Trommel auf eine direkt lineare Weise angetrieben werden.
Bevor sie in das Hauptsystem eingebaut wird, kann die Treibervorrichtung allein auf Leistungsfähigkeit getestet werden. Zur Wartung, wie beispielsweise eine Reparatur, kann die Treibervorrichtung entfernt bzw. gelöst und nur für sich selbst einer Servicehandlung unterzogen werden.
Fig. 18 ist eine Querschnittsansicht, die auf eine vergrößerte Weise die Kontaktierungsteile zwischen der Treiberwelle 63 und dem Schieber 64 darstellen, die zu der in den Fig. 11 bis 13 gezeigten Treibervorrichtung gehören. Ein Reibelement 65 ist zwischen der Antriebswelle 63 und dem Schieber 64 angeordnet, um eine Reibkraft zwischen ihnen zu erzeugen. Das Reibelement 65 wird für einen Reibkontakt mit ihr durch die mit Schrauben 68 am Körper 64a des Schiebers 64 befestigte Plattenfeder 66 gegen die Antriebswelle 63 gestoßen. Die rechte Seite und die linke Seite des Reibelements 65 stehen in engem Eingriff mit der Fläche 64b des Schieberkörpers 64a, so daß sich das Reibelement 65 relativ zum Schieber 64 nicht deformieren wird. Die Aktivierungskraft der Plattenfeder 66 wird über das nicht deformierende Reibelement 65 zur Antriebswelle 63 übertragen. Somit wird selbst dann, wenn die Antriebswelle 63 durch das piezoelektrische Element 62 mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in den Vorwärts- und Rückwärtsrichtungen hin- und herbewegt wird, die Plattenfeder 66 in der Bewegungsrichtung der Antriebswelle 63 nicht elastisch deformiert werden.
Was folgt, ist eine Beschreibung typischer Beziehungen zwischen den Bewegungsgeschwindigkeiten und den Elastizitätsmodulen einiger typischer Materialien, aus welchen Schieber und Reibelemente herzustellen sind. Fig. 19 listet die durch die Erfinder ausgewählten Materialien auf, die in die nötigen Komponenten auszubilden sind, zusammen mit den Ergebnissen daraus, daß man diese Komponenten auf ihre Bewegungsgeschwindigkeit unter Verwendung von Treiberimpulsen einer Frequenz von 25 kHz getestet hat, die zum angeschlossenen piezoelektrischen Element zugeführt werden. Die aufgelisteten Materialien mit unterschiedlichen Elastizitätsmodulen sind folgende: rostfreier Stahl (SUS), Phosphorbronze, Zink (Zn), Aluminium (Al), eine hochpolymere faserverstärkte Zusammensetzung PPS (die 40 Vol.-% einer Glasfaser (GF) enthält), eine hochpolymere faserverstärkte Zusammensetzung PC (die 20 Vol.-% einer Glasfaser (GF) enthält), Polycarbonat (PC) und Polyethylen (PE).
Die in Fig. 19 angegebenen Testergebnisse offenbaren, daß es wahrscheinlicher ist, daß sich die Materialien des Schiebers und des Reibelements mit niedrigeren Elastizitätsmodulen in der Bewegungsrichtung der Antriebswelle elastisch deformieren, wodurch die Geschwindigkeit einer Bewegung reduziert wird. Demgemäß sollten der Schieber und das Reibelement vorzugsweise aus den Materialien mit einem Elastizitätsmodul von wenigstens 500 kgf/mm² hergestellt werden.
Bei einigen der Experimente der Erfinder wurden der Schieber, das Reibelement und die Antriebswelle jeweils aus einem Metall oder einer metallischen Zusammensetzung hergestellt. In solchen Fällen entwickelten die kontaktierenden Oberflächen der beteiligten Teile ein Greifen bzw. Eingreifen (wobei die Antriebswelle, der Schieber und das Reibelement verklebt waren). Ein Greifen bzw. Fressen trat dort nicht auf, wo der Schieber und das Reibelement jeweils aus einem Metall oder einer metallischen Verbindung zusammengesetzt waren und die Antriebswelle aus einer hochpolymeren faserverstärkten Zusammensetzung hergestellt war. Wo dieser Komponentenzusammensetzungsaufbau umgekehrt war, d. h. wo der Schieber und das Reibelement jeweils aus einer hochpolymeren faserverstärkten Zusammensetzung zusammengesetzt waren und die Antriebswelle aus einem Metall oder einer metallischen Verbindung hergestellt war, wurde die Antriebswelle schwerer als dann, wenn sie aus der hochpolymeren faserverstärkten Zusammensetzung ausgebildet wurde. In diesem Fall fiel die Resonanzfrequenz des Treibersystems ab und wurde die Geschwindigkeit einer Bewegung entsprechend reduziert.
Die Ergebnisse der Experimente zeigen, daß es bevorzugt ist, die Antriebswelle aus einer hochpolymeren faserverstärkten Zusammensetzung zusammengesetzt zu haben und den Schieber und das Reibelement jeweils aus einem Metall oder einer metallischen Verbindung ausgebildet zu haben.
Einige Aspekte in bezug auf die Formen des Schiebers und des Reibelements werden nun beschrieben werden. Wenn der Treibermechanismus dieser Erfindung für ausgedehnte Zeitperioden betrieben wird, verursacht die Reibung zwischen der Antriebswelle, dem Schieber und dem Reibelement, daß sich ihre kontaktierenden Oberflächen abnutzen. Wenn sie ungeprüft gelassen würden, würden sich die Partikel von der Abnutzung an den kontaktierenden Oberflächen anhäufen und die Leistungsfähigkeit verschlechtern. Eine vorgeschlagene Lösung für diesen potentiellen Engpaß ist folgende: am Schieber 64 ist die Nut der Kerbe 64b, die im wesentlichen die untere halbe Oberfläche der Antriebswelle 63 kontaktiert, derart angeordnet, daß sie einen V-förmigen Querschnitt anstelle des halbkreisförmigen Querschnitts 64c, der in Fig. 11 gezeigt ist, hat; gleichermaßen ist die Nut unter dem Reibelement 65, die im wesentlichen die obere halbe Oberfläche der Antriebswelle 63 kontaktiert, mit einem V-förmigen Querschnitt anstelle des halbkreisförmigen Querschnitts 75a in Fig. 11 ausgestattet, wie es in der Fig. 20 und der Fig. 21 gezeigt ist.
Genauer gesagt enthält die Variation der Fig. 20, das die Nut 64c der Kerbe 64b am Schieber und die Nut 65a unter dem Reibelement 65 (Fig. 11) jeweils durch die Nuten 64 m und 65 m mit jeweils dem V-förmigen Querschnitt ersetzt sind. Die Partikel von der Abnutzung über den kontaktierenden Oberflächen der Antriebswelle, des Schiebers und des Reibelements werden auf die unteren Teile der V-Nuten 64 m und 65 m (ohne Kontakt zur Antriebswelle) ausgestoßen, um nach außen evakuiert zu werden.
Die Variation der Fig. 21 enthält, daß die Mitte des Schieberkörpers 64a mit einer Kerbe 64n mit einer V-Nut entlang der Antriebswelle 63 ausgestattet ist. Eine weitere V-Nut 65n ist unter dem Reibelement 65 ausgebildet. So ausgebildet steht das Reibelement 65 von oben mit der Kerbe 64n des Schieberkörpers 64a in Eingriff. Auf der rechtsseitigen und der linksseitigen Seite der Kerbe 64n im Schieberkörper 64a sind vorstehende Teile 64p, die die Randperipherien des Reibteils 65 kontaktieren. Die hervorstehenden Teile 64p sollen verhindern, daß der Reibteil 65 der Aktion der Antriebswelle folgt und sich somit in axialer Richtung weg vom Schieberkörper 64a bewegt. Diese Struktur läßt zu, daß der Schiebermechanismus nach oben geöffnet wird, wenn das Reibelement 65 entfernt wird, wodurch der Schieber in einer Richtung montiert und demontiert werden kann, die eine andere als die axiale Richtung der Antriebswelle ist.
Obwohl es in Fig. 20 oder 21 nicht gezeigt ist, haben die oben beschriebenen zwei Variationen jeweils das Reibelement durch eine Plattenfeder gegen die Antriebswelle für einen Reibkontakt damit gestoßen, wobei die Plattenfeder mit Schrauben am Schieberkörper befestigt ist. Wie beim zweiten Ausführungsbeispiel in Fig. 11 kann die Aktivierungskraft der Plattenfeder durch Festziehen oder Lösen der Schrauben eingestellt werden, die sie befestigen bzw. sichern.
Wie es beschrieben ist, weist die Treibervorrichtung unter Verwendung eines elektromechanischen Wandlers eine Einrichtung zum Erzeugen einer Reibkraft zwischen dem Treiberelement und dem Bewegungselement auf. Die Reibkraft- Erzeugungseinrichtung ist aus einem elastischen Element aufgebaut, das am Bewegungselement zum Erzeugen einer Aktivierungskraft befestigt ist und aus einem Reibelement zum Übertragen der Aktivierungskraft, die durch das elastische Element erzeugt ist, zum Treiberelement. Das Reibelement steht eng anliegend in Eingriff mit dem Bewegungselement in der Bewegungsrichtung des Treiberelements. Der Eingriff hält das Reibelement in bezug auf das Bewegungselement ohne Versatz.
Die Struktur der Treibervorrichtung läßt zu, daß die Aktivierungskraft des elastischen Elements über das Reibelement zum Treiberelement übertragen wird, das in bezug auf das Bewegungselement bewegungslos bleibt. Wenn das Treiberelement mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten in den Vorwärts- und Rückwärtsrichtungen in axialer Richtung hin- und herbewegt wird, wird das elastische Element in der Bewegungsrichtung des Treiberelements nicht elastisch deformiert. Somit wird das Bewegungselement bei hoher Geschwindigkeit stabil angetrieben.
Das Bewegungselement und das Reibelement sind jeweils aus einem Material mit einem Elastizitätsmodul von wenigstens 500 kgf/mm² aufgebaut. Wenn das Bewegungselement und das Reibelement aus solchen Materialien hergestellt sind, werden sie keine elastische Deformation in der Bewegungsrichtung der Antriebswelle entwickeln.
Das Treiberelement ist aus einer hochpolymeren faserverstärkten Zusammensetzung aufgebaut und das Bewegungselement und das Reibelement sind jeweils aus einem Metall oder einer metallischen Verbindung ausgebildet. Dieser Elementenzusammensetzungsaufbau verhindert ein Fressen bzw. Greifen über den kontaktierenden Oberflächen der in Eingriff stehenden Teile und stellt eine ruhige Treiberaktion sicher.
Vorzugsweise können das Treiberelement, das Bewegungselement und das Reibelement eine V-Nut haben, die an jeder ihrer kontaktierenden Oberflächen ausgebildet ist. Die V- Nutenstruktur erleichtert eine Evakuierung der Partikel von der Abnutzung an den kontaktierenden Oberflächen, um dadurch ein stabiles Antreiben über lange Zeitperioden hinweg sicherzustellen, während die Leistungsfähigkeit der Treibervorrichtung beibehalten wird.
Wie das piezoelektrische Element arbeitet, wird nun in Verbindung mit dem zweiten Ausführungsbeispiel beschrieben, daß durch dieses Element angetrieben wird und in den Fig. 11 bis 13 gezeigt ist. Fig. 22 ist ein Blockdiagramm einer typischen Treiberschaltung 100, die durch das piezoelektrische Element gemäß der Erfindung verwendet wird. In Fig. 22 treibt die Treiberschaltung 100 das piezoelektrische Element 62 durch Laden und Entladen von ihm unter Verwendung von zwei unterschiedlichen Strömen a und b (Strom a > Strom b) an. Wenn es mit den zwei Strömen unterschiedlicher Amplituden selektiv angetrieben wird, führt das piezoelektrische Element 18 eine Expansion und eine Kontraktion mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch.
Fig. 23 ist ein elektrisches Ersatzschaltbild mit einem piezoelektrischen Element, einer Antriebswelle und einem Schieber (d. h. einem Bewegungselement), welches Bild zeigt, wie eine Reibkraft illustrativ zwischen der Antriebswelle und dem Schieber erzeugt wird.
In Fig. 23 gelten folgende Bezeichnungen:
Cd: Kapazität des piezoelektrischen Elements (dielektrischer Teil)
Cp: Kapazität des piezoelektrischen Elements (Teil des piezoelektrischen Effekts)
Rp: Widerstand des piezoelektrischen Elements (Teil des piezoelektrischen Effekts)
Lp: Induktanz des piezoelektrischen Elements (Teil des piezoelektrischen Effekts)
Lr: Induktanz, die äquivalent zum Treiberelement ist
Lm: Induktanz, die äquivalent zum Bewegungselement ist
Df: Triggerdiode, die äquivalent zur Reibkraft ist
Gemäß Fig. 22 weist die Treiberschaltung 100 eine Steuerschaltung 101, eine Eingabevorrichtung 102 zum Eingeben der Sollposition, in Richtung zu welcher der Schieber 64 zu bewegen ist, eine Ladeschaltung 103 für den Strom a, eine Entladeschaltung 104 für den Strom a, eine Ladeschaltung 105 für den Strom b, eine Entladeschaltung 106 für den Strom b und einen Positionsdetektor 107 zum Erfassen der gegenwärtigen Position des Schiebers 64 auf. Fig. 24 ist ein Schaltungsdiagramm, das Beispiele der Ladeschaltung 103 für den Strom a, der Entladeschaltung 104 für den Strom a, der Ladeschaltung 105 für den Strom b und der Entladeschaltung 106 für den Strom b zeigt.
Die Eingabevorrichtung 102 kann illustrativ ein Rotationswinkeldetektor sein, der an einem Zoombetätigungsring angebracht ist, und zwar für Anwendungen, bei welchen die Linse L bei einer Zoomaktion bewegt wird. Der Positionsdetektor 107 zum Erfassen der Position des Schiebers 64 kann illustrativ von einem bekannten Typ sein, der magnetisierte Stäbe und ein magnetisches Reluktanzelement zum Erfassen von irgendeinem dieser Stäbe aufweist. Die magnetisierten Stäbe können gleich beabstandet und parallel zur Antriebswelle 63 positioniert sein. Das magnetische Reluktanzelement kann am Schieber 64 angebracht sein, nahe zu den magnetischen Stäben zur Erfassung der letzteren angeordnet.
Die Ladeschaltung 103 für den Strom a lädt das piezoelektrische Element 62 unter Verwendung eines großen Stroms schnell. Wenn die Ladeschaltung 103 für den Strom a aktiviert wird, erzeugt das piezoelektrische Element 62 einen Versatz einer schnellen Expansion. Die Entladeschaltung 104 für den Strom a entlädt das piezoelektrische Element 62 unter Verwendung des großen Stroms schnell. Ein Aktivieren der Entladeschaltung 104 für den Strom a veranlaßt, daß das piezoelektrische Element 62 einen Versatz einer schnellen Kontraktion erzeugt.
Die Ladeschaltung 105 für den Strom b ist eine Konstantstrom- Ladeschaltung, die das piezoelektrische Element 62 unter Verwendung eines Konstantstroms, der kleiner als derjenige der Ladeschaltung 103 für den Strom a ist, langsam lädt. Bei aktivierter Ladeschaltung 105 für den Strom b erzeugt das piezoelektrische Element 62 einen Versatz einer langsamen Expansion. Die Entladeschaltung 106 für den Strom b ist eine Konstantstrom-Entladeschaltung, die das piezoelektrische Element 62 unter Verwendung eines konstanten Stroms, der kleiner als derjenige der Entladeschaltung 104 für den Strom a ist, langsam entlädt. Ein Aktivieren der Entladeschaltung 106 für den Strom b veranlaßt, daß das piezoelektrische Element 62 einen Versatz einer langsamen Kontraktion erzeugt. Die Ladeschaltung 105 für den Strom b und die Entladeschaltung 106 für den Strom b sind derart aufgebaut, daß sie jeweils eine Konstantstrom-Ladeschaltung und eine Konstantstrom-Entladeschaltung sind. Dies ist so, weil, wie es aus dem Betriebsprinzip klar wird, das piezoelektrische Element 62, das sich langsam ausdehnt und zusammenzieht, das Bewegungselement am effizientesten antreiben wird, wenn es mit der Geschwindigkeit versetzt wird, die so konstant wie möglich ist.
Wenn das piezoelektrische Element 62 Versätze einer langsamen Expansion und Kontraktion erzeugt, wird die Antriebswelle 63 langsam in der axialen Richtung bewegt. Die Aktion bewegt den Schieber 64 effektiv, der reibmäßig mit der Antriebswelle 63 gekoppelt ist. Wenn sich das piezoelektrische Element 62 schnell ausdehnt und zusammenzieht, bewegt sich die Antriebswelle 63 schnell in der axialen Richtung. Axt dieser Stelle überwindet die Trägheitskraft des Schiebers 64, der reibmäßig mit der Antriebswelle 63 gekoppelt ist, die Reibkopplungskraft zwischen ihnen, was zuläßt, daß der Schieber 64 im wesentlichen bewegungslos bleibt, wo er ist.
Der obige bewegungslose Zustand, der als "substantiell" qualifiziert ist, enthält den folgenden Fall: ungeachtet der Bewegungsrichtung folgt der Schieber 64 der Antriebswelle 63 bei einer Bewegung, während über sie gleitet, wodurch er sich als Ganzes in der Richtung mit dem Pfeil a in Abhängigkeit vom Zeitintervall zwischen den Impulsen bewegt.
Die durch die oben beschriebene Treiberschaltung 100 bewirkte Antriebsoperation wird nun unter Bezugnahme auf Fig. 13 und die Fig. 25 und 26, die die Zeitgaben der Antriebsoperation zeigen, beschrieben werden.
Zuerst wird beschrieben werden, wie die Linse L in der Richtung mit dem Pfeil a bewegt wird (Fig. 13). Die Bewegung wird dadurch erreicht, daß man sich das piezoelektrische Element 62 langsam in der Richtung mit dem Pfeil a expandieren bzw. ausdehnen läßt und entgegengesetzt zur Richtung des Pfeils a schnell zusammenziehen läßt. Dies erfordert ein selektives Aktivieren der Ladeschaltung 105 für den Strom b und der Entladeschaltung 104 für den Strom a, um das piezoelektrische Element 62 langsam zu laden und es dann schnell zu entladen. Dem piezoelektrischen Element 62 werden Treiberimpulse der Wellenform (a) in Fig. 25 zugeführt, wobei jeder Impuls aus einer langsam ansteigenden voreilenden Flanke, gefolgt durch eine schnell abfallende nacheilende Flanke, zusammengesetzt ist. Dies erzeugt einen Impulsstrom (b) in Fig. 25, wobei jeder Impuls aus einem positiven Konstantstromteil, gefolgt durch einen abrupt abfallenden negativen Stromteil, aufgebaut ist. Der Strom veranlaßt, daß das piezoelektrische Element 62 Versätze einer langsamen Expansion in der Richtung des Pfeils a und einer schnellen Kontraktion entgegengesetzt zur Richtung des Pfeils a erzeugt. Die wiederum veranlaßt, daß die Antriebswelle 63 und der Schieber 64 die Linse L in der Richtung des Pfeils a bewegen.
Wie die Linse L entgegengesetzt zur Richtung des Pfeils a bewegt wird (Fig. 13), wird nun beschrieben werden. Die Bewegung wird dadurch erreicht, daß man sich das piezoelektrische Element 62 schnell in der Richtung des Pfeils a expandieren läßt und langsam entgegengesetzt zur Richtung des Pfeils a zusammenziehen läßt. Dies erfordert ein selektives Aktivieren der Ladeschaltung 103 für den Strom a und der Entladeschaltung 106 für den Strom b, um das piezoelektrische Element 62 schnell zu laden und es dann langsam zu entladen. Dem piezoelektrischen Element 62 werden Treiberimpulse der Wellenform (a) in Fig. 26 zugeführt, wobei jeder Impuls aus einer schnell ansteigenden führenden Flanke, gefolgt durch eine langsam abfallende nacheilende Flanke, zusammengesetzt ist. Dies erzeugt einen Impulsstrom (b) in Fig. 26, wobei jeder Impuls aus einer steilen positiven Stromspitze, gefolgt durch einen konstanten negativen Stromteil, aufgebaut ist. Der Strom veranlaßt, daß das piezoelektrische Element 62 Versätze einer schnellen Expansion in der Richtung des Pfeils a und einer langsamen Kontraktion entgegengesetzt zur Richtung des Pfeils a erzeugt. Dies wiederum veranlaßt, daß die Antriebswelle 63 und der Schieber 64 die Linse L entgegengesetzt zur Richtung des Pfeils a bewegen.
Fig. 27(a) stellt eine typische Wellenform der Spannung dar, die an das piezoelektrische Element 62 angelegt wird. Fig. 27(b) zeigt Versätze der Antriebswelle 63, die in Antwort auf die angelegte Spannung aktiviert wird, deren Wellenform in Fig. 27(a) durch eine durchgezogene Linie (a) gezeigt ist, wobei die Ansicht auch den Betrag einer Bewegung des Schiebers 64, der reibmäßig mit der Antriebswelle 63 gekoppelt ist, durch eine gestrichelte Linie (b) zeigt.
Nachfolgend ist beschrieben, wie der Schieber 64 (einschließlich des Linsenrahmens 77 und der Linse L), der mit der Antriebswelle 63 reibmäßig gekoppelt ist, bewegt wird. In der Beschreibung, die folgt, wird die Antriebswelle 63 das Treiberelement genannt werden, und der Schieber 64 (einschließlich des Rahmens 77 und der Linse L) das Bewegungselement. Das mit dem Treiberelement reibmäßig gekoppelte Bewegungselement wird durch das piezoelektrische Element 62 bewegt, das Versätze einer Expansion und einer Kontraktion erzeugt. In solchen Fällen wird dann, wenn die Beschleunigung des Treiberelements unter einem kritischen Wert ist, das Bewegungselement, das reibmäßig damit gekoppelt ist, ohne Schlupf bewegt. Wenn die Beschleunigung des Treiberelements den kritischen Wert übersteigt, beginnen die reibmäßig gekoppelten Oberflächen ein Schlupfen übereinander.
Wo das Treiberelement in horizontaler Richtung positioniert ist, wird angenommen, daß Fb für die Aktivierungskraft der Feder 66 steht, die eine zusätzliche Reibkraft zwischen dem Treiberelement und dem Bewegungselement ausübt, u für den Koeffizienten einer statischen Reibung, und Mm für die Masse des Bewegungselements. Bei diesen Annahmen ist der maximale Koeffizient einer statischen Reibung zwischen dem Treiberelement und dem Bewegungselement gegeben als:
Fs = u(Mm·g + 2Fb)
Wenn angenommen ist, daß ud den Koeffizienten einer dynamischen Reibung darstellt, ist die dynamische Reibungskraft Fd gegeben als:
Fd = ud (Mm·g + 2Fb)
Wenn das Treiberelement aktiviert wird, wird das reibmäßig damit gekoppelte Bewegungselement entsprechend bewegt. An dieser Stelle wird dann, wenn die Beschleunigung des Treiberelements unter dem kritischen Wert ist, das reibmäßig gekoppelte Bewegungselement dadurch ohne Schlupf bewegt; wenn die Beschleunigung des Treiberelements den kritischen Wert übersteigt, beginnen die reibmäßig gekoppelten Oberflächen ein Schlupfen übereinander. Wie es früher angegeben ist, ist der kritische Wert Al der Beschleunigung gegeben als:
Al = Fs/Mm
Gemäß dieser Erfindung wird die Geschwindigkeit des Treiberelements, das das Bewegungselement in der gegebenen Sollrichtung antreibt, durch die Geschwindigkeit des Treiberelements überschritten, das das Bewegungselement in der entgegengesetzten Richtung antreibt. Gleichgültig, ob das Bewegungselement in der einen Richtung oder der anderen Richtung zu bewegen ist, ist die Beschleunigung des Treiberelements derart eingerichtet, daß sie den kritischen Wert Al übersteigt.
Dies bedeutet, daß, gleichgültig ob das Treiberelement sich in einer Richtung oder der anderen bewegt, das Treiberelement über das damit reibmäßig gekoppelte Bewegungselement schlupft. Während ein solcher Schlupf erfolgt, wird das Bewegungselement der dynamischen Reibkraft Fd unterzogen, um die Diskrepanz in bezug auf die Geschwindigkeit relativ zum Treiberelement zu reduzieren.
In einem solchen Fall ist die Zeit t1, in welcher das Bewegungselement die dynamische Reibkraft Fd in der Sollrichtung empfängt, aufgrund der Diskrepanz in bezug auf die Geschwindigkeit relativ zum Treiberelement länger als die Zeit t2, in welcher das Bewegungselement die dynamische Reibkraft Fd entgegengesetzt zur Sollrichtung empfängt. Das Ergebnis ist die Geschwindigkeitsänderung dv pro Zyklus, in welchem das Bewegungselement in einer Richtung oder in der anderen angetrieben wird, gegeben als:
dv = Fd(t1-t2)/Mm
Fig. 28 zeigt Geschwindigkeiten des Treiberelements (in einer durchgezogenen Linie (a)) und Geschwindigkeiten des Bewegungselements (in einer gestrichelten Linie (b)). Wie es dargestellt ist, wird die Bewegungsgeschwindigkeit des Bewegungselements nach und nach größer, wenn das Bewegungselement wiederholt in einer Richtung und in der anderen getrieben wird. Eine stetige Geschwindigkeit wird erreicht, wenn Zeit t1 = Zeit t2 gilt (siehe Fig. 28), und das Bewegungselement in der Sollrichtung bewegt wird.
Fig. 29 zeigt die Beschleunigung des Treiberelements (in einer durchgezogenen Linie (a)) und die Bewegungsbeschleunigung des Bewegungselements (in einer gestrichelten Linie (b)) in Zusammenhang mit der obigen Bewegung.
Nachfolgend wird betrachtet, wie die Treiberfrequenz für das Treiberelement typischerweise auf Änderungen in bezug auf die Geschwindigkeit des Bewegungselements bezogen ist, das durch das Treiberelement in horizontaler Richtung bewegt wird.
Fig. 30(a) bis Fig. 34(b) zeigen die Ergebnisse einiger der Experimente der Erfindung, welche zeigen, wie die Treiberfrequenz für das Treiberelement typischerweise auf Änderungen in bezug auf die Geschwindigkeit des Bewegungselements bezogen ist, das in horizontaler Richtung bewegt wird, unter Bedingungen 1 und 2 mit diversen Parametern: Dimensionen, Masse und Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Elements; Materialtyp und Masse des Treiberelements; Resonanzfrequenz und Treiberspannung des Komponentensystem; Masse mm des Bewegungselements; Aktivierungskraft Fb der Feder; und die statische Reibkraft Fs.
Fig. 30(a) zeigt, wie das Komponentensystem durch unterschiedliche Resonanzfrequenzen beeinflußt wird.
Insbesondere zeigt Fig. 30(a), wie unter den in Fig. 30(b) aufgelisteten Bedingungen 1 und 2 die Treiberfrequenz für das Treiberelement typischerweise auf Änderungen in bezug auf die Geschwindigkeit des Bewegungselements bezogen ist, das in horizontaler Richtung bewegt wird. Die Bedingungen 1 und 2 sind jeweils Resonanzfrequenzen von 45 kHz und 25 kHz des Komponentensystems.
Fig. 31(a) zeigt, wie das piezoelektrische Element durch maximale Treiberspannungen beeinflußt wird. Insbesondere zeigt Fig. 31(a), wie bei dem piezoelektrischen Element, das unter den Bedingungen 1 und 2 angetrieben wird, die in Fig. 31(b) aufgelistet sind, die Treiberfrequenz für das Treiberelement des Elements typischerweise auf Änderungen in bezug auf die Geschwindigkeit des Bewegungselements bezogen ist, das in horizontaler Richtung bewegt wird. Die Bedingungen 1 und 2 sind jeweils maximale Treiberspannungen von 30 V und 20 V für das piezoelektrische Element. Die anderen Parameter bleiben unverändert.
Fig. 32(a) zeigt, wie das piezoelektrische Element durch die Wellenform eines angelegten Treiberimpulses beeinflußt wird. Insbesondere stellt Fig. 32(a) dar, wie bei dem piezoelektrischen Element, das unter den Bedingungen 1 und 2 angetrieben wird, die in Fig. 32(b) aufgelistet sind, die Treiberfrequenz für das Treiberelement des Elements typischerweise auf Änderungen in bezug auf die Geschwindigkeit des Bewegungselements bezogen ist, das in horizontaler Richtung bewegt wird. Die Bedingung 1 steht für das piezoelektrische Element, das mit einem Treiberimpuls versehen wird, der eine optimale Wellenform hat, und die Bedingung 2 stellt den Treiberimpuls einer Sägezahnwellenform dar. Die anderen Parameter bleiben unverändert.
Fig. 33(a) zeigt, wie das Bewegungselement durch seine Masse beeinflußt wird. Insbesondere zeigt Fig. 33(a), wie unter den Bedingungen 1 und 2, die in fig. 33(b) aufgelistet sind, die Treiberfrequenz für das Treiberelement typischerweise auf Änderungen in bezug auf die Geschwindigkeit jedes Bewegungselements bezogen ist, das in horizontaler Richtung bewegt wird. Die Bedingungen 1 und 2 stellen jeweils Massen von 20 G und 40 G des Bewegungselements dar. Die anderen Parameter bleiben unverändert.
Fig. 34(a) zeigt, wie das Treiberelement und das Bewegungselement durch die Reibarbeitskraft zwischen ihnen beeinflußt werden. Insbesondere zeigt Fig. 34(a), wie unter den Bedingungen 1 und 2, die in Fig. 34(b) aufgelistet sind, die Treiberfrequenz für das Treiberelement typischerweise auf Änderungen in bezug auf die Geschwindigkeit des Bewegungselements bezogen ist, das in horizontaler Richtung bewegt wird. Die Bedingung 1 bezeichnet eine Aktivierungskraft von 500 gf der Feder, die eine Reibkraft von 200 gf erzeugt. (Die Reibkraft wird durch Einstellen der Aktivierungskraft der Feder bestimmt. Unter der Bedingung 1 wird die Reibkraft von 200 gf durch Einstellen der Aktivierungskraft von 500 gf der Feder geliefert.) Die Bedingung 2 stellt eine Aktivierungskraft von 1000 gf der Feder dar, was in einer Reibkraft von 400 gf resultiert. Die anderen Parameter bleiben unverändert.
Die oben beschriebenen Ergebnisse der Experimente der Erfindung offenbaren das folgende: daß die Treiberfrequenz, mit welcher das Bewegungselement am schnellsten bewegt wird, signifikant durch die Resonanzfrequenz des Komponentensystems mit dem Treiberelement und dem piezoelektrischen Element beeinflußt wird (siehe Fig. 30(a)); und daß die anderen Parameter, während sie die maximale Bewegungsgeschwindigkeit des Bewegungselements etwas beeinflussen, nur vernachlässigbare Effekte in bezug auf die Treiberfrequenz haben, die gegenwärtig in Wirkung ist. Zusätzliche Experimente zeigten, daß die obigen Ergebnisse für andere piezoelektrische Elemente mit variierenden Dimensionen und Volumen galten.
Die Gründe für die Effekte, die durch die Resonanzfrequenz des Komponentensystems ausgeübt werden, werden theoretisch wie folgt vermutet: die Treibervorrichtung treibt das Bewegungselement unter Verwendung verschiedener Geschwindigkeiten des piezoelektrischen Elements in seiner Zusammenziehbewegung an. Jedoch dann, wenn das Bewegungselement durch das piezoelektrische Element unter Verwendung von Treiberimpulsen einer Frequenz angetrieben wird, die die Resonanzfrequenz des Komponentensystems übersteigt, das aus dem Treiberelement und dem piezoelektrischen Element aufgebaut ist, ist es unmöglich, unterschiedliche Geschwindigkeiten des piezoelektrischen Elements in seiner Zusammenziehbewegung zu verwenden. Dies ist theoretisch aufgrund des verzögerten Ansprechverhaltens des piezoelektrischen Elements unvermeidbar. In diesem Fall kann das Bewegungselement selbst dann nicht bewegt werden, wenn die Treiberfrequenz über die Resonanzfrequenz des Komponentensystems angehoben wird. Herkömmliche theoretische Studien schlugen bislang fehl, zu sagen, wie nahe die Treiberfrequenz an die Resonanzfrequenz des Komponentensystems eingestellt werden kann.
Die oben beschriebenen Experimente der Erfinder zeigen, daß die Geschwindigkeit des Bewegungselements in seiner horizontalen Bewegung ihren maximalen Pegel Vmax erreicht, wenn die Treiberfrequenz etwa die Hälfte der Resonanzfrequenz Faksimile des Komponentensystems ist (siehe Fig. 30(a)). Wenn angenommen wird, daß f die Treiberfrequenz darstellt, die in den folgenden Bereich fällt:
1/3 f1 ≤ f ≤ 2/3 f1
dann fällt die horizontale Bewegungsgeschwindigkeit v des Bewegungselements in den folgenden Bereich:
v ≥ Vmax/2
Das bedeutet, daß das Bewegungselement mit einer Geschwindigkeit effizient angetrieben werden kann, die praktisch hoch genug ist.
Gegensätzlich dazu ist dort, wo die Treiberfrequenz f vorbestimmt ist, die Resonanzfrequenz f1 des Komponentensystems derart eingerichtet, daß sie in den folgenden Bereich fällt:
f1 ≥ 3f/2
Dies verbessert die Bewegungsgeschwindigkeit v.
Dort, wo es gewünscht wird, das Bewegungselement mit hoher Geschwindigkeit unter Verwendung einer Treiberfrequenz von 20 kHz oder darüber stabil anzutreiben, sollte die Resonanzfrequenz f1 des Komponentensystems auf 30 kHz oder darüber eingestellt werden.
Es soll angenommen daß, daß f0 für die Resonanzfrequenz in Wirkung steht, wenn das piezoelektrische Element beide seiner Enden freigelassen hat und keiner Belastung ausgesetzt ist, Mp für die Masse des piezoelektrischen Elements und Mr für die Masse des Treiberelements. Unter diesen Annahmen ist die Resonanzfrequenz f1 des Komponentensystems durch den folgenden Ausdruck gegeben:
Unten sind die Ergebnisse von durch die Erfinder durchgeführten Vergleichsexperimenten beschrieben, die unter variierenden Bedingungen die Geschwindigkeit des Bewegungselements, das durch die erfinderischer Treibervorrichtung bewegt wird, mit der Geschwindigkeit des Bewegungselements, das durch eine herkömmliche Treibervorrichtung bewegt wird, vergleichen.

Experimente

Die Vergleichsexperimente, die oben angegeben sind, wurden unter den folgenden Bedingungen ausgeführt:
- Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Elements fr = 138 kHz
- Masse des piezoelektrischen Elements Mp = 0,29 g
- Masse des Treiberelements Mr = 0,20 g
- Masse des gesamten Bewegungselements Mm = 50 g
- An das piezoelektrische Element angelegte Spannung V = 30 (Versatz von 1,5 um im statischen Zustand ohne Belastung)
Die Aktivierungskraft der Feder wurde derart eingestellt, daß sie die folgenden Reibkräfte erzeugt:
- Dynamische Reibkraft von 200 gf zwischen dem Treiberelement und dem Bewegungselement gemäß der Erfindung
- Dynamische Reibkraft von 2000 gf zwischen dem Treiberelement und dem Bewegungselement gemäß dem Stand der Technik
- Berechnetes verzögertes Ansprechverhalten t1 140 usek. in der Praxis, wenn das Treiberelement in der Sollrichtung bewegt wird
- Berechnetes verzögertes Ansprechverhalten t2 10 usek. in der Praxis, wenn das Treiberelement entgegengesetzt zur Sollrichtung bewegt wird.
Die folgenden Ergebnisse wurden erhalten:

Vergleich des Standes der Technik mit der Erfindung in bezug auf die Eigenschaften bzw. Charakteristiken

Fig. 35 ist ein Diagramm, das typische Charakteristiken der Erfindung bei einer Linie (b) mit denjenigen des Standes der Technik bei einer Linie (a) vergleicht, wobei die Charakteristiken in die Praxis umgesetzt sind, wenn Niederfrequenz-Treiberimpulse verwendet werden. Fig. 36 vergleicht typische Charakteristiken der Erfindung bei einer Linie (b) mit denjenigen des Standes der Technik (es erscheint keine Linie (a)), wobei die Charakteristiken in die Praxis umgesetzt sind, wenn Hochfrequenz-Treiberimpulse verwendet werden (d. h. Frequenzen, bei denen die maximale Geschwindigkeit erreicht wird). In jeder dieser Figuren stellen durchgezogene Linien (a) Charakteristiken des Standes der Technik dar, und gestrichelte Linien (b) diejenigen der Erfindung.
In den Fig. 35 und 36 steht die Abszissenachse für Belastungen und die Ordinatenachse für die aktuelle Geschwindigkeit des Bewegungselements. Die Belastungen werden durch Ändern der Masse des Bewegungselements eingestellt, und dadurch, daß es nach oben bewegt wird. Die Null-Belastung ist in die Praxis umgesetzt, wenn das Bewegungselement in horizontaler Richtung angetrieben wird. Die Geschwindigkeit ist eine, welche in die Praxis umgesetzt ist, wenn das Bewegungselement in einem sich ruhig bzw. stetig bewegenden Zustand befindet.
Bei niedrigen Treiberfrequenzen wurde herausgefunden, daß Kompromisse in bezug auf die Leistungsfähigkeit zwischen der Erfindung und dem Stand der Technik existieren. Andererseits ist die erfinderische Treibervorrichtung der herkömmlichen Vorrichtung darin überlegen, daß sie eine geringere Verkleinerung der Geschwindigkeit des Bewegungselements hat, wenn sich das Treiberelement entgegengesetzt zur Sollrichtung bewegt. Dies läßt zu, daß die erfinderische Treibervorrichtung ihre Geschwindigkeit im eingeschwungenen Zustand erhöht. Wie es in Fig. 28 gezeigt ist, kann die Geschwindigkeit in einen geschwungenen Zustand nahe zu der Geschwindigkeit erhöht werden, mit welcher sich das Treiberelement in der Sollrichtung bewegt. Die ideale maximale Geschwindigkeit des Bewegungselements ist durch die folgende Formel gegeben:
Geschwindigkeit des Bewegungselements = Treibergeschwindigkeit · Aktueller Versatz des piezoelektrischen Elements · 2
Andererseits wird nicht erwartet, daß die erfinderische Treibervorrichtung, die bei niedrigen Treiberfrequenzen arbeitet, schwere Belastungen antreibt.
Weiterhin hat die erfinderische Treibervorrichtung eine langsamere Aufbaugeschwindigkeit als die herkömmliche Treibervorrichtung. Während die herkömmliche Treibervorrichtung ihre Geschwindigkeit im eingeschwungenen Zustand beginnend ab der ersten Periode erreicht, benötigt die erfinderische Treibervorrichtung drei Perioden zum Erreichen ihrer Geschwindigkeit im eingeschwungenen Zustand, wie es in Fig. 27(a), Fig. 27(b), Fig. 28 und Fig. 29 (insbesondere in Fig. 28) gezeigt ist. Unter der Voraussetzung dieser Vorteile und Nachteile ist die erfinderische Treibervorrichtung, die bei niedrigen Treiberfrequenzen arbeitet, zum Bewegen eines Sollobjekts mit niedriger Belastung mit hoher Geschwindigkeit geeignet (z. B. zum Bewegen eines Objekts in horizontaler Richtung).
Bislang ist der Vergleich zwischen der erfinderischen und der herkömmlichen Treibervorrichtung, die bei niedrigen Treiberfrequenzen arbeitet, beschrieben worden. Jedoch erfordert die Treibervorrichtung, wie beispielsweise diejenige, die durch die Erfindung vorgeschlagen ist, zum Arbeiten mit hoher Geschwindigkeit, daß die Treiberfrequenz so hoch wie möglich ist. Fig. 36 vergleicht typische Charakteristiken der Erfindung mit denjenigen des Standes der Technik, wobei die Charakteristiken in die Praxis umgesetzt sind, wenn die Treiberfrequenz so erhöht wird, daß das Bewegungselement mit maximaler Geschwindigkeit angetrieben wird. Mit der so erhöhten Treiberfrequenz ist die herkömmliche Treibervorrichtung unfähig dazu, das Bewegungselement anzutreiben.
Die Unbeweglichkeit der herkömmlichen Treibervorrichtung ist einem Unterschied zwischen der Erfindung und dem Stand der Technik in bezug auf treibbare Frequenzbereiche zuzuschreiben. Fig. 37 vergleicht typische Charakteristiken der Erfindung mit denjenigen des Standes der Technik in der Praxis bei variierenden Treiberfrequenzen. Die durchgezogene Linie steht für den Stand der Technik und die gestrichelte Linie für die Erfindung.
In Fig. 37 stellt die Abszissenachse Treiberfrequenzen dar und bezeichnet die Ordinatenachse Geschwindigkeiten des Bewegungselements. Die Geschwindigkeiten sind in der Praxis diejenigen, wenn jedes Bewegungselement stetig bewegt wird. Wie es aus der Figur gesehen werden kann, wird die Geschwindigkeit des Bewegungselements im wesentlichen proportional dazu erhöht, daß die Treiberfrequenz erhöht wird. Die Geschwindigkeit gelangt bei einer bestimmten Frequenz zu einer Spitze und fällt dann ab. Die Geschwindigkeit des Bewegungselements beim erfinderischen Aufbau hat eine Spitze bei einer höheren Treiberfrequenz als die Geschwindigkeit beim herkömmlichen Aufbau. Dies bietet für die erfinderische Treibervorrichtung die Fähigkeit, höhere Bewegungsgeschwindigkeiten zu liefern.
Ein Erhöhen der Treiberfrequenz erhöht nicht nur die Geschwindigkeit des Bewegungselements, sondern bietet auch Vorteile, die die offensichtlichen Nachteile der Erfindung bei niedrigen Treiberfrequenzen verglichen mit dem Stand der Technik ausgleichen. Solche Vorteile enthalten: eine höhere Startgeschwindigkeit durch den verkürzten Treiberzyklus des Bewegungselements gewonnen wird; ein erhöhter kritischer Wert Al der Beschleunigung, die aus der erhöhten Beschleunigung des Treiberelements abgeleitet wird, um zuzulassen, daß schwerere Lasten angetrieben werden; und einen reduzierten Rauschpegel des Betriebs, was aufgrund dessen möglich gemacht wird, daß die Vorrichtung bei 20 kHz oder darüber angetrieben werden kann, was außerhalb der Audiofrequenz für das menschliche Ohr ist.
ein verzögertes Ansprechverhalten, wie es in Fig. 40 gezeigt ist. Wenn der Treiberzyklus kürzer als die Summe der zwei Verzögerungszeiten (t1 + t2) ist, beginnt das piezoelektrische Element ein Zusammenziehen, bevor es sich vollständig expandiert, wie es in Fig. 41 dargestellt ist. Demgemäß wird der durch das piezoelektrische Element bewirkte Versatzbetrag reduziert. Dies erniedrigt in Folge die Geschwindigkeit des Bewegungselements. Als Ergebnis erreicht die Geschwindigkeit des Bewegungselements, daß durch die herkömmliche Treibervorrichtung angetrieben wird, eine Spitze in einem Treiberzyklus, der nahe der Dauer von (t1 + t2) ist, und bei einer Treiberfrequenz von 1/(t1 + t2).
In den Fig. 40 und 41 stellen dicke durchgezogene gerade Linien (a) die Spannungen dar, und Kurven in gestrichelten und durchgezogenen Linien (b) bezeichnen Versätze des piezoelektrischen Elements, und somit des Treiberelements. In den Teilen mit gestrichelter Linie schlupft das Bewegungselement nicht. Das Bewegungselement schlupft in den Teilen mit durchgezogener Linie. In Fig. 41 zeigt die horizontale Linie (c) parallel zur Abszissenachse den Versatzpegel, bis zu welchem sich das piezoelektrische Element normalerweise expandieren bzw. ausdehnen sollte, wenn es mit der in dieser Figur gezeigten Spannung versorgt wird. Die Kurven mit gestrichelter Linie (d) stellen die ungefähren Positionen dar, bis zu welchen das piezoelektrische Element expandiert, wenn das Bewegungselement damit fortfährt, zu schlupfen.
Die Verzögerung bei dem Ansprechverhalten eines gegebenen Systems beläuft sich allgemein auf die Hälfte seiner Resonanzfrequenz. Die Resonanzperiode ist die reziproke Zahl der Resonanzfrequenz. Die Resonanzfrequenz f1 eines Systems ohne schlupfendes Element ist gleich der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Elements des Systems, wobei ein Ende dieses Elements befestigt ist und wobei das andere freie Ende fest an einer integralen Anordnung des Treiberelements und des Bewegungselements angebracht ist. Die Resonanzfrequenz f2 eines Systems mit einem Schlupf-Bewegungselement ist gleich der Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Elements des Systems, wobei ein Ende dieses Elements befestigt ist und wobei das andere freie Ende fest am Treiberelement angebracht ist.
Es soll angenommen sein, daß f0 für die Resonanzfrequenz in der Praxis steht, wenn das piezoelektrische Element seine beiden Enden freigelassen hat und keiner Belastung ausgesetzt ist, Mp für die Masse des piezoelektrischen Elements und Mr für die Masse des Treiberelements. Unter dieses Annahmen sind die Resonanzfreguenzen f1 und f2 des Komponentensystems gegeben als:
Unter Verwendung der Resonanzfrequenzen f1 und f2, die so erhalten werden, findet man die Treiberfrequenz fp1, bei welcher die Treibergeschwindigkeit der herkömmlichen Treibervorrichtung eine Spitze hat, wie folgt:
fp1 1/(t1 + t2), t1 = 1/(2·f1), t2 = 1/(2·f2)
Daher gilt folgendes:
Ein Erhöhen der Treiberfrequenz auf höher als ihre Spitze schlägt dabei fehl, die Geschwindigkeit des Bewegungselements zu erhöhen. Beim Stand der Technik kann das Bewegungselement nicht mit irgendeiner höheren Geschwindigkeit angetrieben werden.
Gemäß der Erfindung ist angenommen, daß das piezoelektrische Element einen Schlupf zwischen dem Treiberelement und dem Bewegungselement sowohl beim Expandieren als auch beim Zusammenziehen verursacht. Es wird ebenso angenommen, daß f1 die Resonanzfrequenz eines solchen piezoelektrischen Elements mit einem Ende davon gesichert bzw. befestigt und dem anderen Ende davon fest an das Antriebselement und das Bewegungselement angebracht darstellt. Es ist weiterhin angenommen, daß f2 die Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Elements mit einem Ende davon befestigt bzw. gesichert und dem anderen Ende davon fest am Treiberelement angebracht bezeichnet. Unter diesen Annahmen ist die Erfindung so angeordnet, daß die Treiberfrequenz des piezoelektrischen Elements in den folgenden Bereich fällt:
Die zum piezoelektrischen Element zugeführten Spannungen, und die Versätze, Geschwindigkeiten und die Beschleunigung des Bewegungselements beim erfinderischen Treiberaufbau sind, wie es in Fig. 27(a), Fig. 27(b), Fig. 28 und Fig. 29 dargestellt ist.
Gemäß der Erfindung tritt, gleichgültig, ob sich das Treiberelement in der Sollrichtung oder entgegengesetzt zur Sollrichtung bewegt, ein Schlupf zwischen dem Treiberelement und dem Bewegungselement auf. Dies bedeutet, daß die Verzögerungszeit 2 t2 über die gesamten Treiberperioden ist. Weil die Verzögerung in bezug auf das Ansprechverhalten viel kleiner bei der Erfindung als beim Stand der Technik ist (da t1 > > t2), lassen Hochfrequenz-Treiberimpulse, wie beispielsweise diejenigen, die in den Fig. 42 und 43 gezeigt sind, noch zu, daß das piezoelektrische Element vollständig versetzt wird. Auf diese Weise wird die Treiberfrequenz höher als jemals zuvor gemacht.
Die Treiberfrequenz fp2, mit welcher die Geschwindigkeit des erfinderischen Stellglieds eine Spitze erreicht, ist im Bereich von:
fp2 < f2
weil
fp2 < 1/2·t2, t2 < 1/2·f2
Wo die Reibkraft zwischen dem Treiberelement und dem Bewegungselement der Treibervorrichtung variabel gemacht ist, ist eine praktisch optimale Reibkraft verfügbar. Ein solcher Aufbau kann diejenigen Verluste der Treiberenergie verhindern, die unnötig ausgeübter zu großer Reibkräfte zuzuschreiben sind.
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Fig. 44 bis 49 das dritte Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Dieses Ausführungsbeispiel ist so aufgebaut, daß die Reibkraft zwischen dem Treiberelement und dem Bewegungselement geändert werden kann, wie es nötig ist. Das dritte Ausführungsbeispiel ist in bezug auf den Aufbau gleich dem zweiten Ausführungsbeispiel der Fig. 11, mit der Ausnahme des Schiebermechanismus. Beim Beschreiben des dritten Ausführungsbeispiels sind Teilen, die ihre funktionell äquivalenten Gegenstücke beim zweiten Ausführungsbeispiel der Fig. 11 haben, gleiche Bezugszeichen zugeteilt, und irgendwelche wiederholenden Beschreibungen dieser Teile sind weggelassen. Der Aufbau des Schiebermechanismus wird speziell beschrieben.
Fig. 44 ist eine perspektivische Explosionsansicht des dritten Ausführungsbeispiels. In Fig. 44 hat ein Reibelement 65, das am oberen Ende des Schiebers 64 angeordnet ist, eine Nut 65a, die unterhalb mit einem halbkreisförmigen Querschnitt ausgebildet ist. Die Nut 65a steht in Eingriff mit einer Antriebswelle 63 von oben in eine Kerbe 64b des Schiebers 64. Eine Plattenfeder 66 stößt von oben die Anordnung des Reibelements 65 und der Antriebswelle 63. Vier Schrauben 68 sichern die Plattenfeder 66 an einem Rand des Schiebers 64. Die Aktivierungskraft der Plattenfeder 66 wird zur Antriebswelle über das Reibelement 65 übertragen.
Ein Ende eines zweiten piezoelektrischen Elements 150 ist mit Klebemittel oder ähnlichem am oberen Ende des Reibelements 65 angebracht. Ein Trägheitselement 151 ist auch mit Klebemittel oder ähnlichem am oberen Ende des zweiten piezoelektrischen Elements 150 angebracht. Das zweite piezoelektrische Element 150 durchdringt ein Durchgangsloch 66a in der Nitte der Plattenfeder 66. Somit ist das Trägheitselement 151 über der Plattenfeder 66 angeordnet.
Fig. 45(a) ist eine Draufsicht, die das dritte Ausführungsbeispiel zeigt, wie es zusammengebaut ist, und
Fig. 45(b) ist eine Querschnittsansicht an einer Ebene entlang der Antriebswelle 63, die auch das dritte Ausführungsbeispiel zeigt, wie es zusammengebaut ist.
Nun wird unter Bezugnahme auf die Fig. 46 bis 49 beschrieben, wie die piezoelektrischen Elemente 62 und 150 arbeiten. Fig. 46, Fig. 47(a) und Fig. 47(b) zeigen das dritte Ausführungsbeispiel, wobei sein Schieber 64 nach rechts bewegt wird. Genauer gesagt zeigt Fig. 46, wie die Schlüsselkomponenten des dritten Ausführungsbeispiels während der Bewegung nach rechts des Schiebers arbeiten, und stellt Fig. 47(a) die während der Bewegung in Fig. 46 an die piezoelektrischen Elemente angelegten Treiberspannungen dar. Fig. 48, Fig. 49(a) und Fig. 49(b) zeigen das dritte Ausführungsbeispiel, wobei sein Schieber 64 nach links bewegt wird. Genauer gesagt zeigt Fig. 48, wie die Schlüsselkomponenten des dritten Ausführungsbeispiels während der Bewegung des Schiebers nach links arbeiten, und zeigt Fig. 49(a) die während der Bewegung in Fig. 48 an die piezoelektrischen Elemente angelegten Treiberspannungen. Da sich der Schieber 64 gleichzeitig mit dem Reibelement 65 bewegt, ist in den Fig. 46 und 48 aus Platzgründen nur das Reibelement 65 gezeigt; die Bewegung des Schiebers 64 und diejenige des Reibelements 65 sind dieselben.
In Fig. 46 und in Fig. 47(a) ist der Empfangszustand durch ein Bezugszeichen A dargestellt. Beim Anfangszustand wird beiden piezoelektrischen Elementen 62 und 150 keine Spannung zugeführt. Das bedeutet, daß jedes piezoelektrische Element in seinem am meisten zusammengezogenen Zustand ist.
Beginnend vom Anfangszustand aus werden beiden piezoelektrischen Elementen 62 und 150 jeweils Spannungen in einer Sinuswellenkurve zugeführt, wie sie in Fig. 47(a) von A bis C gezeigt sind. Dies veranlaßt, daß die piezoelektrischen Elemente 62 und 150 beginnen, langsam zu expandieren, wie es im Zustand B der Fig. 46 gezeigt ist. Wenn sich das piezoelektrische Element 62 ausdehnt bzw. expandiert, tut dies auch das piezoelektrische Element 150. Dies veranlaßt, daß das Trägheitselement 151 eine aufwärts gerichtete Kraft empfängt und das Reibelement 65 eine abwärts gerichtete Kraft. Die auf das Reibelement 65 ausgeübte Kraft erhöht die Reibkraft zwischen dem Reibelement 65 und der Antriebswelle 63. Dies veranlaßt, daß das Reibelement 65 und der Schieber 64 der Antriebswelle 63 bei der Bewegung der letzteren Nachricht folgen. Das Reibelement 65 und der Schieber 64 halten ein Bewegen bei, bis die Antriebswelle 63 ihre Position am weitesten rechts erreicht, wie es im Zustand C der Fig. 46 gezeigt ist.
Danach werden die zugeführten Spannungen unter Beibehaltung der Spannungskurve, die von C bis E in Fig. 47(a) reicht, entfernt. Dies veranlaßt, daß sich beide piezoelektrische Elemente 62 und 150 zusammenziehen. Wenn sich das piezoelektrische Element 62 zusammenzieht, bewegt sich die Antriebswelle 63 nach links. Das Reibelement 65 und der Schieber 64 sind damit beschäftigt, der Linksbewegung der Antriebswelle 63 zu folgen. An dieser Stelle zieht sich jedoch das piezoelektrische Element 150 zusammen, um eine nach unten gerichtete Kraft auf das Trägheitselement 151 auszuüben, während das Reibelement 65 nach oben gezogen wird. Dies reduziert die Reibkraft zwischen dem Reibelement 65 und der Antriebswelle 63, was einen Schlupf zwischen ihnen verursacht. Als Ergebnis bleiben das Reibelement 65 und der Schieber 64 stationär wo sie sind, wie es in den Zuständen C bis E in Fig. 46 gezeigt ist. Ein Wiederholen der obigen Zustände A bis E veranlaßt, daß sich der Schieber 64 nach rechts bewegt, bis die Sollposition erreicht ist.
Nimmt man nun Bezug auf Fig. 48 und Fig. 49(a), wird dem piezoelektrischen Element 150 zuerst eine maximale Spannung zugeführt, wie es im Zustand A der Fig. 49(a) gezeigt ist. Dies veranlaßt, daß sich das piezoelektrische Element 150 ausdehnt, wie es im Zustand A der Fig. 48 gezeigt ist. An dieser Stelle wird dem Trägheitselement 151 eine nach oben gerichtete Kraft zugeteilt, und dem Reibelement 65 eine nach unten gerichtete Kraft, wodurch das Reibelement 65 in Kontakt mit der Antriebswelle 63 gestoßen wird.
Danach wird dem piezoelektrischen Element 62 eine Spannung zugeführt, während dem piezoelektrischen Element 150 seine zugeführte Spannung genommen wird, wie es im Zustand B der Fig. 49(a) gezeigt ist. Dann dehnt sich das piezoelektrische Element 62 aus, was die Antriebswelle 63 nach rechts bewegt, wie es in Fig. 48 zu sehen ist. An dieser Stelle zieht sich das piezoelektrische Element 150 zusammen, um das Reibelement 65 nach oben zu ziehen, wodurch die Reibkraft zwischen dem Reibelement 65 und der Antriebswelle 63 reduziert wird. Dies läßt zu, daß das Reibelement 65 und der Schieber 64 bewegungslos bleiben, wo sie sind.
Mit dem piezoelektrischen Element 62 in seinem ausgedehntesten Zustand von C in Fig. 49(a), wird dem piezoelektrischen Element 150 die Spannung zugeführt, während dem piezoelektrischen Element 62 seine zugeführte Spannung genommen wird. Dies veranlaßt, daß sich das piezoelektrische Element 62 zusammenzieht, was die Antriebswelle 63 nach links bewegt. An dieser Stelle stößt das piezoelektrische Element 150 bei seiner Ausdehnungsbewegung das Reibelement 65 nach unten. Dies läßt zu, daß das Reibelement 65 und der Schieber 64 der Bewegung der Antriebswelle 63 folgen, bis der Zustand E der Fig. 48 erreicht ist, in welchem sich das piezoelektrische Element 62 am meisten zusammenzieht.
Ein Wiederholen der obigen Zustände A bis E veranlaßt, daß sich der Schieber 64 nach links bewegt, bis die Sollposition erreicht ist. Nachdem die Sollposition erreicht worden ist, beginnt das piezoelektrische Element 150, dem die maximale Spannung zugeführt wird, ein Absetzen von ihr.
Die Besonderheiten der vorangehenden Beschreibung sind für die Erfindung nicht beschränkend. Beispielsweise können den piezoelektrischen Elementen alternativ die Spannungen einer Chopper- bzw. Zerhackerwellenform zugeführt werden, wie sie in Fig. 47(b) oder Fig. 49(b) gezeigt ist, anstelle der Spannungen der Sinuskurvenwellenform in Fig. 47(a) oder in Fig. 49(a). Das bedeutet, daß den piezoelektrischen Elementen 62 und 150 dort, wo der Schieber 64 (zusammen mit dem Reibelement 65) nach rechts zu bewegen ist, Spannungen nach und nach zugeführt werden, wie es in Fig. 47(b) gezeigt ist. Wenn die piezoelektrischen Elemente 62 und 150 sich am weitesten ausgedehnt haben, werden die zugeführten Spannungen schnell entfernt. Ein Wiederholen dieser Operationen bewegt den Schieber 64 nach rechts.
Wo der Schieber 64 (und das Reibelement 65) nach links zu bewegen ist, wird dem piezoelektrischen Element 150, dem die Spannung zugeführt wird, diese zuerst schnell entnommen bzw. entzogen, während dem piezoelektrischen Element 62 schnell die Spannung zugeführt wird, wie es in Fig. 49(b) gezeigt ist. Wenn sich das piezoelektrische Element 62 am weitesten ausgedehnt hat, wird die ihm zugeführte Spannung nach und nach reduziert, während dem piezoelektrischen Element 150 nach und nach seine Spannung zugeführt wird. Ein Wiederholen dieser Operationen veranlaßt, daß sich der Schieber 64 nach links bewegt.
Wo den piezoelektrischen Elementen Spannungen zugeführt werden, deren Anstiegs- und Abfallcharakteristiken linear gemacht sind, wie es oben aufgezeigt ist, ist die resultierende Reibkraft optimaler verfügbar als dann, wenn diese Elemente durch Sinuswellenspannungen angetrieben werden. Ein weiterer Vorteil der Verwendung von Zerhackerwellenspannungen besteht darin, daß die Effizienz der Treiberoperation erhöht wird. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß eine Positioniersteuerung einfacher gemacht wird. Die letzte Eigenschaft ist insbesondere dort angenehm, wo eine Feinpositionierung erforderlich ist.
Zwischenzeitlich bietet das Treiben bzw. Antreiben der piezoelektrischen Elemente mit Sinuswellenspannungen verschiedene Vorteile. Ein Vorteil besteht darin, daß der Schaltungsaufbau der Treibervorrichtung einfach und effizient ist, verglichen mit dem Aufbau, der Spannungen verwendet, deren Anstiegs- und Abfallcharakteristiken linear sind. Ein weiterer Vorteil ist die Einfachheit, mit welcher das Sollelement unter Verwendung von Hochfrequenz-Treiberimpulsen anzutreiben ist.
Wie es beschrieben ist, hat die Treibervorrichtung gemäß der Erfindung eine Einrichtung zum Variieren der Reibkraft zwischen dem Treiberelement und dem Bewegungselement. Dieser erfinderische Aufbau läßt nicht nur zu, daß eine praktisch optimale Reibkraft erzeugt wird, sondern verhindert auch diejenigen Verluste in bezug auf den Bewegungsbetrag, der sich von der erhöhten Reibkraft ableitet. Als solches ist die erfinderische Treibervorrichtung, die den elektromechanischen Wandler verwendet, bei ihrem Einsatz praktisch und vielseitig.
Obwohl die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele, Variationen und Beispiele der Erfindung meistens die Struktur zum Treiben der Linsenanordnung des Fokussiersystems in Bildkameras, Videokameras und ähnlichem behandeln, kann die Erfindung viele andere Treiber- und Aktivierungsvorrichtungen angewendet werden. Beispielsweise können Tische, die eine Probe tragen, Positioniervorrichtungen, Manipulatoren und eine andere Präzisionseinrichtung, die eine Steuerung über eine feine Bewegung des Zielobjekts erfordert, einen Vorteil aus der Treibervorrichtung gemäß der Erfindung ziehen.
Die oben diskutierten Ausführungsbeispiele verwenden piezoelektrische Elemente als ihre Wandler. Bekannte Materialien zum Herstellen des piezoelektrischen Elements enthalten beispielsweise PZT (Blei-zirkonat-titanat), BaTiO (Bariumtitanat) und LiNbO&sub3; (Lithiumniobat). Diese Erfindung wendet diese und andere ähnliche Materialien an.
Zusätzlich zu piezoelektrischen Elementen sind elektrostriktive Elemente und Magnetostriktoren dafür bekannt, daß sie als Wandler verwendet werden, und diese fallen somit in den Schutzumfang dieser Erfindung. Der Magnetostriktor empfängt elektrische Energie nicht direkt; er erzeugt eine elektrische Wirkung intern unter dem Einfluß von Magnetismus und wandelt das, was erzeugt ist, in eine mechanische Wirkung um.
Weiterhin fallen auch optisch-striktive Elemente in den Schutzumfang dieser Erfindung. Bekannte Materialien zum Aufbauen des optisch-striktiven Elements enthalten PLZT und PVDF (Polyvinyliden-fluorid). Einige der optisch-striktiven Elemente erzeugen eine elektrische Handlung innerhalb, wenn sie eine optische Eingabe empfangen; andere erzeugen keine solche Handlung. Diese Erfindung gehört zu beiden Typen dieser optisch-striktiven Elemente.

Claims

1. Treibervorrichtung, die folgendes aufweist:

einen Wandler (18) zum Erzeugen eines Versatzes in einer vorbestimmten Richtung;

ein Treiberelement (13), das mit dem Wandler für einen gleichzeitigen Versatz mit ihm gekoppelt ist und eine Führungsfläche hat, die in der Richtung eines Versatzes des Wandlers ausgebildet ist;

ein Bewegungselement (11) mit einem Reibungsteil (12) in Kontakt mit der Führungsfläche des Treiberelements, wobei das Bewegungselement entlang der Führungsfläche bewegbar ist; und

eine Treiberschaltung (19) zum Treibendes Wandlers, um das Bewegungselement zu bewegen;

dadurch gekennzeichnet, daß das Treiberelement (13) aus einer hochpolymerfaserverstärkten Zusammensetzung hergestellt ist.

2. Treibervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberschaltung (19) den Wandler (18) mit Treiberimpulsen versorgt, so daß die Beschleunigung des Treiberelements (13) wenigstens F/M sein wird, wobei F den maximalen Koeffizienten einer statischen Reibung darstellt, die zwischen der Führungsfläche und dem Reibungsteil erzeugt wird, und M die Masse des Bewegungselements (11) bezeichnet.

3. Treibervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberschaltung (19) den Wandler (18) mit Treiberimpulsen versorgt, die eine Frequenz f haben, die innerhalb des Bereichs von

(2·f1·f2)/(f1 + f2) < f < f2

fallen, wobei f1 die Resonanzfrequenz bezeichnet, die wirkt, wenn ein Ende des Wandlers (18) gesichert ist und sein anderes Ende fest am Treiberelement (13) und am Bewegungselement (11) angebracht ist, und f2 die Resonanzfrequenz bezeichnet, die wirkt, wenn ein Ende des Wandlers (18) gesichert ist und sein anderes Ende fest am Treiberelement (13) angebracht ist.

4. Treibervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberschaltung (19) den Wandler (18) mit Treiberimpulsen versorgt, die eine Frequenz f haben, die innerhalb des Bereichs von

1/3·f2 < f < 2/3·f2

fällt, wobei f2 die Resonanzfrequenz bezeichnet, die wirkt, wenn ein Ende des Wandlers (18) gesichert ist und sein anderes Ende fest am Treiberelement (13) angebracht ist.

5. Treibervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch

gekennzeichnet, daß

der Reibungsteil (12) ein Reibungselement bildet, das unabhängig vom Bewegungselement (11) ausgebildet ist, und

das Bewegungselement (11) ein Stoßelement (14) zum Stoßen des Reibungselements gegen die Führungsfläche hat.

6. Treibervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Reibungselement (12) relativ zum Bewegungselement (11) bewegbar ist, wobei das Reibungselement von einem relativen Bewegen in der Richtung eines Versatzes des Wandlers (18) abgehalten wird.

7. Treibervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Reibungselement (12) ein Elastizitätsmodul von wenigstens 500 kgf/mm² hat.

8. Treibervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Reibungselement (12) aus einem Metall zusammengesetzt ist.

9. Treibervorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Reibungselement (12) aus einer Metallverbindung zusammengesetzt ist.

10. Treibervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberschaltung (19) den Wandler mit Treiberimpulsen einer Frequenz versorgt, die höher als die Audiofrequenz für das menschliche Ohr ist, wobei die Treiberimpulse zugeführt werden, um den Wandler (18) in seinen sich ausdehnenden und zusammenziehenden Richtungen mit unterschiedlichen Versatzgeschwindigkeiten zu versetzen.

11. Treibervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Treiberelement (13) aus einer faserverstärkten Epoxyplastik, die darin Kohlenstoffasern enthält, hergestellt ist.

12. Treibervorrichtung, die folgendes aufweist:

einen Wandler (18; 62; 86) zum Erzeugen eines Versatzes in einer vorbestimmten Richtung;

ein Treiberelement (13; 44; 63; 88), das mit dem Wandler für einen gleichzeitigen Versatz mit ihm gekoppelt ist und eine Führungsfläche hat, die in der Richtung eines Versatzes des Wandlers ausgebildet ist;

ein Reibungselement (12; 42b; 65; 89), das in Reibkontakt mit der Führungsfläche des Treiberelements ist; und

eine Treiberschaltung (19; 101-106) zum Treiben des Wandlers, um eine Bewegung zwischen dem Treiberelement und dem Reibelement zu veranlassen;

dadurch gekennzeichnet, daß

das Treiberelement (13; 44; 63; 88) aus einer hochpolymer-faserverstärkten Zusammensetzung hergestellt ist.

13. Treibervorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberschaltung (19; 101-106) den Wandler (18; 62; 86) mit Treiberimpulsen versorgt, so daß die Beschleunigung des Treiberelements (13; 44; 63; 88) wenigstens F/M sein wird, wobei F den maximalen Koeffizienten einer statischen Reibung darstellt, die zwischen der Führungsfläche und dem Reibelement erzeugt wird, und M die Masse des Reibelements bezeichnet:

14. Treibervorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberschaltung (19; 101-106) den Wandler (18; 62; 86) mit Treiberimpulsen mit einer Frequenz f versorgt, die innerhalb des Bereichs von

(2·f1·f2)/(f1 + f2) < f < f2

fällt, wobei f1 die Resonanzfrequenz bezeichnet, die wirkt, wenn ein Ende des Wandlers (18; 62; 86) gesichert ist und sein anderes Ende fest am Treiberelement (13; 44; 63; 88) angebracht ist, und f2 die Resonanzfrequenz bezeichnet, die wirkt, wenn ein Ende des Wandlers (18; 62; 86) gesichert ist und sein anderes Ende fest am Treiberelement (13; 44; 63; 88) angebracht ist.

15. Treibervorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberschaltung (19; 101-106) den Wandler (18; 62; 88) mit Treiberimpulsen versorgt, die eine Frequenz f haben, die innerhalb des Bereichs von

1/3·f2 < f < 2/3·f2

fällt, wobei f2 die Resonanzfrequenz bezeichnet, die wirkt, wenn ein Ende des Wandlers (18; 62; 86) gesichert ist und sein anderes Ende fest am Treiberelement (13; 44; 63; 88) angebracht ist.

16. Treibervorrichtung nach Anspruch 12, dadurch

gekennzeichnet, daß

das Reibelement (12; 42b; 65; 89) unabhängig von einem Hauptkörper (11; 42; 64; 82) ausgebildet ist, an welchem das Reibelement gesichert ist; und

ein Stoßelement (14; 43; 66; 90) zum Stoßen des Reibelements gegen die Führungsfläche vorgesehen ist.

17. Treibervorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Reibelement (12; 42b; 65; 89) am Hauptkörper gesichert ist und von einem Bewegen relativ zum Hauptkörper in der Richtung eines Versatzes des Wandlers (18; 62; 86) abgehalten wird.

18. Treibervorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Reibelement (12; 42b; 65; 89) ein Elastizitätsmodul von wenigstens 500 kgf/mm² hat.

19. Treibervorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Reibelement (12; 42b; 65; 89) aus einem Metall zusammengesetzt ist.

20. Treibervorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Reibelement (12; 42b; 65; 89) aus einer Metallverbindung zusammengesetzt ist.

21. Treibervorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Treiberschaltung (19; 101-106) den Wandler mit Treiberimpulsen einer Frequenz versorgt, die höher als die Audiofrequenz für das menschliche Ohr ist, wobei die Treiberimpulse zugeführt werden, um den Wandler (18; 62; 86) in seinen sich ausdehnenden und zusammenziehenden Richtungen mit unterschiedlichen Versatzgeschwindigkeiten zu versetzen.

22. Treibervorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Treiberelement (13; 44; 63; 88) aus einer faserverstärkten Epoxyplastik, die darin Kohlenstofffasern enthält, hergestellt ist.