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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der
Erfindung
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf ein vibrierendes Vibrationselement und eine Vibrationswellenantriebsanordnung,
die das Vibrationselement hat.
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Nächstliegender
Stand der Technik
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Herkömmlich ist als ein Vibrationselement, das
in einem Ultraschallmotor als eine Vibrationswellenantriebsanordnung
verwendet wird, ein kreisförmiges
oder bahnförmiges
Vibrationselement bekannt. Ebenso sind, wie beispielsweise aus der
Patentdruckschrift
US 4 831 305 bekannt
ist, eine Vielzahl von Vorsprüngen
auf einem derartigen Vibrationselement ausgebildet, um die Vibrationsauslenkung
zu vergrößern.
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Die Vielzahl von Vorsprüngen werden
durch Einschneiden oder Schleifen ausgebildet, was viel Zeit und
hohe Kosten erfordert.
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Als ein Verfahren zum Erzielen einer
Kostenverringerung eines Ultraschallmotors schlugen die gegenwärtigen Erfinder
ein Verfahren zum Herstellen eines elastischen Elements, das das
Vibrationselement bildet, durch Pressverformen vor.
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Ein elastisches Element eines herkömmlichen
Ultraschallmotors wird durch Einschneiden oder Schmieden hergestellt.
Da jedoch das elastische Element bei dem Pressverformen aus einem Plattenmaterial
hergestellt wird, ist es unmöglich, eine
herkömmliche
Form zu erhalten.
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11 ist
eine Perspektivansicht, die einen Rotor und ein Vibrationselement
eines kreisförmig geformten
Ultraschallmotors zeigt, der durch ein bekanntes Einschneiden oder
Schmieden hergestellt wird.
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Ein Vibrationselement 1' wird durch
Anhaften einer piezoelektrischen Keramik 1a' an einem metallischen elastischen
Element 1b' und
einem Bodenflächenabschnitt 1d' ausgebildet.
Ein Rotor 2' hat
einen Kontaktabschnitt 2a.
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Wie aus 11 ersichtlich ist, ist diese Form nicht
geeignet für
ein Pressverformen, das durch Biegen einer dünnen Platte erreicht wird.
Daher ist ein Einschneiden oder Schmieden erforderlich, was zu hohen
Bearbeitungskosten führt.
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Bei dem Pressverformen, bei dem eine
dünne Platte
eingesetzt wird, als ein günstiges
Bearbeitungsverfahren, wird ein Abschnitt mit schwacher Biegesteifigkeit
ausgebildet, da das Element aus der dünnen Platte hergestellt wird,
und kann eine Funktion des Vibrationselements des Ultraschallmotors
stören.
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Des Weiteren beschreibt die EP-A-0
537 446 einen piezoelektrischen Motor, dessen Rotor mit einem dünnen Plattenelement
versehen ist, das Zungen hat, die sich zu einem Stator erstrecken
und elastisch den letzteren berühren.
Der Stator ist mit einer piezo-elektrischen Vibrationserzeugungseinrichtung
versehen, um ein kreisförmiges
Vibrationselement auszubilden, das eine geeignete Vibrationswelle
erzeugt, die den Rotor dreht. Die Zungen sind aus teilweise ausgeschnittenen
Abschnitten des dünnen Plattenelements
ausgebildet, die von der Hauptebene des Rotors entlang einer Biegelinie
weg gebogen sind, die sich in die radiale Richtung des Rotors erstreckt.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung,
ein Vibrationselement für
eine Vibrationswellenantriebsanordnung zu schaffen, die leicht herzustellen
ist und eine verbesserte Leistung der Vibrationswellenantriebsanordnung
bewirkt.
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Diese Aufgabe wird mit einem Vibrationselement
gelöst,
das die Merkmale von Anspruch 1 hat.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine perspektivische Explosionsansicht eines Ultraschallmotors gemäß einem
nicht beanspruchten Beispiel;
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2 ist
eine vergrößerte Perspektivansicht eines
prinzipiellen Teils eines Vibrationselements, das in 1 gezeigt ist;
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3 ist
eine vergrößerte Schnittansicht
eines beweglichen Elements, das in 1 gezeigt
ist;
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4A und 4B sind erläuternde
Ansichten, die ein Reibungselement in dem Vibrationselement, das
in 1 gezeigt ist, vor
und nach einem Pressverformen zeigen;
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5 ist
eine Draufsicht eines Reibungselements eines Vibrationselements
gemäß einem
zweiten nicht beanspruchten Beispiel;
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6 ist
eine perspektivische Explosionsansicht eines Ultraschallmotors gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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7 ist
eine erläuternde
Ansicht, die ein Reibungselement eines Vibrationselements, das in 6 gezeigt ist, vor einem
Pressverformen zeigt;
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8 ist
eine Schnittansicht, die einen prinzipiellen Teil von 6 zeigt;
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9A bis 9C sind Ansichten, die einen
Ultraschallmotor gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigen;
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10 ist
eine Ansicht, die ein elastisches Element vor einem Pressverformen
zeigt;
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11 ist
eine Perspektivansicht, die einen herkömmlichen Ultraschallmotor zeigt;
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12 ist
eine Draufsicht, die ein Vibrationselement gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung zeigt;
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13 ist
eine Schnittansicht eines Ultraschallmotors gemäß einer Modifikation des dritten Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung;
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14 ist
eine Schnittansicht eines Ultraschallmotors gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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15 ist
eine Schnittansicht, die ein Vibrationselement gemäß einem
fünften
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt; und
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16 ist
eine Schnittansicht, die ein Beispiel zeigt, in dem ein Objektivtubus
als ein vibrationswellenangetriebenes Gerät verwendet wird.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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1 zeigt
einen kreisförmig
geformten Ultraschallmotor als eine Vibrationswellenantriebsanordnung
gemäß einem
ersten nicht beanspruchten Beispiel. Der Ultraschallmotor ist grob
in ein Vibrationselement 1 und ein bewegliches Element 5 als
ein Kontaktelement aufgegliedert. Das Vibrationselement 1 hat
ein ringförmiges
Metallelement 2 und ein elektromechanisches Energiewandlerelement 3 sowie
ein Reibungselement 4, das eine Vielzahl von Vorsprüngen hat,
die an das Element 2 angehaftet sind. Das Reibungselement 4 ist
durch Pressverformen einer dünnen
Platte aus Eisen, einer Eisenlegierung oder einer Aluminiumlegierung
hergestellt, um eine Vielzahl von Vorsprüngen auszubilden, wie in 1 gezeigt ist.
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Andererseits wird das bewegliche
Element 5 durch Befestigen eines Reibungselements 5a an
einem Hauptkörperabschnitt
ausgebildet, wie in 1 und 3 gezeigt ist.
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Wie in 2 gezeigt
ist, sind eine Vielzahl von Vorsprüngen 4a und Nuten 4b durch
das Pressverformen auf dem Reibungselement 4 ausgebildet. Die
Vorsprünge 4a sind
in direktem Reibungskontakt mit dem Reibungselement 5a des
beweglichen Elements, wobei die Nuten 4b im Wesentlichen
an den Mittelabschnitten der Vorsprünge 4a angeordnet sind.
Daher können
die Vorsprünge 4a eine
verbesserte Vibrationsauslenkung haben, die weiter durch Vorhandensein
der Nuten 4b vergrößert wird.
In diesem Beispiel ist das Reibungselement 4 an das ringförmige Metallelement
als eine Basis geschweißt oder
angeklebt. Alternativ kann das Metallelement 2 weggelassen
werden und das Wandlerelement 3 kann direkt an das Reibungselement 4 angehaftet werden.
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Es ist bevorzugt, dass eine Vibration,
die auf das Reibungselement 5a wirkt, nicht leicht auf
das bewegliche Element 5 selber übertragen wird. Aus diesem
Grund besteht das bewegliche Element 5 bevorzugt aus einem
Messingwerkstoff mit einer verhältnismäßig großen spezifischen
Dichte.
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4A und 4B zeigen eine Änderung
der Form bei Ausbilden des Reibungselements 4 mit den Vorsprüngen 4a dieses
Ausführungsbeispiels
durch Pressverformen eines Pressrohlings 4'.
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5 zeigt
ein scheibenförmiges
Reibungselement 14 gemäß dem zweiten
nicht beanspruchten Beispiel. Bei diesem Pressverformen werden eine Vielzahl
von Vorsprüngen 14a,
Schraubenlöchern 14b,
die mit einem externen Vibrationssystem zu koppeln sind, einem Loch 14c,
dass eine Motorwelle aufnimmt oder durch das die Motorwelle passt,
und einem Lückenabschnitt 14d,
der hinsichtlich der Steifigkeit weich ist, um Vibrationen zu isolieren,
gleichzeitig ausgebildet.
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6 zeigt
einen Ultraschallmotor gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Ein Reibungselement 24 in einem
scheibenförmigen
Vibrationselement ist mit einer Vielzahl von Vorsprüngen 24a durch
Biegen eines Plattenmaterials in die radiale Richtung unter Verwendung
eines Pressverformens ausgebildet. Es wird angemerkt, dass ein Loch 24b zum
Aufnehmen einer Motorwelle ebenso durch das Pressverformen ausgebildet
wird.
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Ein bewegliches Element 25 hat
ein Reibungselement 25a, das an seinem äußeren Umfang befestigt ist,
und ein Loch 25b, in das die Motorwelle an ihrer Mitte
zu passen ist. Es wird angemerkt, dass 7 einen Plattenrohling 24b vor
dem Pressverformen zeigt und die Vorsprünge 24a durch Biegen
von Abschnitten, die durch gestrichelte Linien in 7 gekennzeichnet sind, in die radiale
Richtung ausgebildet werden.
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8 ist
eine Schnittansicht des Ultraschallmotors, der in 6 gezeigt ist. Obwohl in 6 nicht gezeigt, ist ein elektromechanisches
Energiewandlerelement 23 direkt an die untere Fläche des Reibungselements 24 angehaftet,
um ein Vibrationselement 20 auszubilden.
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Da die Vorsprünge 24a eine niedrige
Steifigkeit in die radiale Richtung und eine hohe Steifigkeit in
die tangentiale Richtung haben, sind sie in eine Richtung flexibel,
die erforderlich ist, um als eine Kontaktfeder zu dienen, und hat
ebenso die Funktion des Vergrößerns der
Auslenkung.
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Da das Reibungselement 25a des
beweglichen Elements 25 in die axiale Richtung flexibel
ist und die Funktion einer Kontaktfeder hat, kann die Vibrationsauslenkung
der Vorsprünge 24a wirksam übertragen
werden, wodurch der Antriebswirkungsgrad verbessert wird.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist der äußere Durchmesser
des Wandlerelements 23 verringert.
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In dem vorstehend genannten Ausführungsbeispiel
können,
da eine Vielzahl von Vorsprüngen auf
dem Vibrationselement durch Pressverformen ausgebildet sind, die
Herstellzeit und Kosten verglichen mit dem herkömmlichen Ausschneiden oder Schleifen
erheblich verringert werden.
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Da die Vielzahl von Vorsprüngen durch
ihr Biegen in die radiale Richtung ausgebildet werden, kann die
Vibrationsauslenkung weiter vergrößert werden.
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9A bis 9C zeigen das zweite Ausführungsbeispiel.
In diesem Ausführungsbeispiel
wird ein Vibrationselement 31 durch ein elastisches Element 31b,
das durch Pressverformen einer dünnen Metallplatte
hergestellt wird, und einer piezoelektrischen Keramik 31a ausgebildet,
die als ein elektromechanisches Energiewandlerelement dient.
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Das elastische Element 31b mit
dem vorstehenden Aufbau ist wie nachstehend ausgebildet.
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Das elastische Element 31b hat
einen gebogenen Abschnitt 31b2, der durch Pressverformen von
einem Bodenflächenabschnitt 31d nach
oben gebogen ist, der an die piezo-elektrische Keramik 31a angehaftet
ist, wodurch eine Verringerung der statischen Steifigkeit und dynamischen
Steifigkeit als Mängel
eines kreisförmig
geformten elastischen Elements, das eine dünne Platte verwendet, kompensiert
wird.
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Der gebogene Abschnitt 31b2 ist
in eine Vielzahl von Abschnitten in die Umfangs- oder umlaufende
Richtung untergliedert, um eine Vielzahl von Vorsprüngen 31b1 auszubilden,
wodurch Auslenkungsbestandteile, in die Umfangsrichtung einer Biegevibration,
vergrößert werden.
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In diesem Fall ist es wichtig, die
Breite b und die Höhe
h eines jeden Vorsprungs 31b1 und die Dicke t der dünnen Platte
geeignet einzustellen.
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Ursprünglich muss jeder Vorsprung 31b1 eine
ausreichend hohe dynamische Steifigkeit haben und muss der Frequenz
der Antriebswellen ausreichend folgen, die in dem Vibrationselement
erzeugt werden. Wenn das elastische Element durch das Pressverformen
hergestellt wird, hat die Endform eine höhere Präzision, da die Platte dünner ist.
Die Verwendung der dünnen
Platte führt
jedoch zu einer Verringerung einer dynamischen Steifigkeit in die Richtung
der Dicke des Vorsprungs 31b1, das heißt einer Verringerung einer
Eigenfrequenz des Biegevibrationsmodus.
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Angesichts dieses Problems, um eine
Vibration auf das Kontaktelement 32 zu übertragen, da eine Antriebskraft
eine Auslenkung in die Umfangsrichtung an den distalen Enden der
Vorsprünge 31b1 durch
eine Biegevibration des Bodenflächenabschnitts 31d verwendet,
die durch Ausdehnung/Zusammenziehung der piezo-elektrischen Keramik 31a angeregt
wird, was durch Anlegen einer Wechselspannung erzeugt wird, müssen die
nachstehenden Bedingungen erfüllt
werden.
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Die Steifigkeit jedes Vorsprungs 31b1 hat eine
Steifigkeitskomponente in die Bewegungsrichtung, das heißt die Umfangsrichtung,
des Kontaktelements 32 und eine Steifigkeitskomponente
in eine Richtung senkrecht dazu, das heißt in die radiale Richtung.
Die erstere Steifigkeit ist erforderlich, um die Auslenkungskomponente
reibend in die Umfangsrichtung eines Flächenmassenpunkts des distalen
Endes jedes Vorsprungs durch Antrieb der Antriebswellen zu übertragen.
Die letztere Steifigkeit jedoch, das heißt die Steifigkeit in die radiale
Richtung, trägt
nicht zu der Motorantriebskraft bei. Eher biegen die Vorsprünge bevorzugt,
um eine Gleitbewegung in die radiale Richtung zu eliminieren.
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Daher ist bevorzugt b > t gehalten, um die Steifigkeit
in die Umfangsrichtung höher
einzustellen als in die radiale Richtung, wie in 9A bis 9C gezeigt
ist. Bei dem Pressverformen ist die Richtung der Dicke dieser Platte
so eingestellt, dass sie mit der radialen Richtung des elastischen
Elements übereinstimmt.
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Hinsichtlich der Höhe h des
Vorsprungs ist die Eigenfrequenz niedrigster Ortung eines Biegevibrationsmodus
in die Umfangsrichtung höher
eingestellt als die Antriebsfrequenz der piezo-elektrischen Keramik 31a,
um eine ausreichende Biegesteifigkeit in die Umfangsrichtung sicher
zu stellen.
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Andererseits kann ausreichende Steifigkeit in
die radiale Richtung sichergestellt werden, da die Druckplatte eine
kleine Dicke hat. Wie vorstehend beschrieben ist, sogar wenn die
Eigenfrequenz in diese Richtung niedriger als die Antriebsfrequenz
ist, verschlechtert es jedoch nicht die Motorleistung.
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Vibrationselementträgerabschnitte 31c sind integral
mit dem elastischen Element durch Pressverformen ausgebildet. In
diesem Fall ist die Biegesteifigkeit in die axiale Richtung durch
Stanzen von vier Abschnitten in die Umfangsrichtung verringert, um
Vibrationsstörung
auf Antriebswellen durch Beschränkung
und Fixierung des Vibrationselements durch Schraubenlöcher 31e zu
eliminieren. Es wird angemerkt, dass das Kontaktelement 32 einen
Kontaktabschnitt 32a hat, der die Vorsprünge 31b1 berührt.
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10 ist
eine Explosionsansicht der dünnen
Platte bevor sie durch das Presserformen gebogen wird.
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In dem zweiten Ausführungsbeispiel,
das in 9A bis 10 gezeigt ist, wenn das
Vibrationselement 31 an Stelle fixiert ist, bewegt sich
das Kontaktelement 32; wenn das Kontaktelement 32 an
Stelle fixiert ist, bewegt sich das Vibrationselement 31.
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12 zeigt
das dritte Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung. In diesem Ausführungsbeispiel ist nur ein
Trägeraufbau
zu dem zweiten Ausführungsbeispiel
unterschiedlich. Das heißt,
dass die Vibrationselementträgerabschnitte 31c mit
den Bodenflächenabschnitten 31d an
sechs Stellen verbunden sind. Mit dieser Anordnung kann die Biegesteifigkeit
in die Umfangsrichtung erhöht
werden, während niedrige
Biegesteifigkeit in die axiale Richtung beibehalten wird, die die
vorstehend genannte Vibrationsstörung
bestimmt.
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Der Grund, warum die Biegesteifigkeit
in die Umfangsrichtung erhöht
ist, ist, um Änderungen
im Verhalten des Vibrationselements bei Aufgabe eines Lastmoments
auf das Kontaktelement 32 als ein bewegliches Element zu
eliminieren und um die Positionierungspräzision des Kontaktelements 32 zu
verbessern.
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13 zeigt
eine Kombination des elastischen Elements, das in 9A bis 9C gezeigt
ist, und ein weiteres Kontaktelement. Der Kontaktabschnitt 32a dient
als eine Feder und ist mit dem Kontaktelement 32 verbunden.
Es ist anzumerken, dass der Kontaktabschnitt 32a nur in
die axiale Richtung flexibel ist, aber nicht zur Flexibilität in die
radiale Richtung ungleich dem herkömmlichen Aufbau, der in 11 gezeigt ist, beiträgt. Wie vorstehend
beschrieben ist, da die Vorsprünge 31b1 des
elastischen Elements eine Flexibilität in die radiale Richtung haben,
kann die Ausbildung der Vorsprünge eine
unnötige
Gleitbewegung in die radiale Richtung verhindern, was nicht zum
Motorantrieb beiträgt.
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14 zeigt
das vierte Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung. Die Vorsprünge des elastischen Elements 31b des
Vibrationselements 31 sind an der inneren Umfangsseite
verglichen mit dem Ausführungsbeispiel
angeordnet, das in 9A bis 9C gezeigt ist. Dieser Aufbau
ist geeignet für
Drehungserfassung, da ein Drehelement, das heißt das Kontaktelement 32,
zu der äußeren Umfangsfläche exponiert
ist.
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15 zeigt
das fünfte
Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung. Zusätzlich
zu den Vorsprüngen 31b1 zum
Vergrößern der
Vibrationsauslenkung in die Umfangsrichtung sind kleine Vorsprünge 31b3 zum
Verhindern von Gleitbewegung ausgebildet. Da die Wirkung der kleinen
Vorsprünge 31b2 im
Detail in der Anmeldung US Nr. 167 144 und der europäischen Veröffentlichung
Nr. 602 648 beschrieben ist, ist ihre detaillierte Beschreibung
weggelassen. Gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
kann ein Vibrationselement mit einer derartigen Form mit niedrigen
Kosten hergestellt werden.
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16 ist
eine Schnittansicht eines Objektivtubus als ein Beispiel eines Systems,
das durch den Ultraschallmotor dieses Ausführungsbeispiels angetrieben
wird. Ein Gummielement 33 wird zum Steuern der Vibration
des Kontaktelements 32 und zum Übertagen der Antriebskraft
auf einen Metallring 34 verändert. Die Verschiebungsbewegung
der Welle der Rollen 35 treibt einen Schraubenzylinder
an. Ein Vibration absorbierendes Element 36 hat eine Funktion
des Isolierens der Vibration von einem Metallring 37, die
in dem Vibrationselement 31 erzeugt wird. Eine Scheibe 38 wird
zum Bestimmen der Position verwendet.
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In den vorstehenden Ausführungsbeispielen, da
die dynamische Steifigkeit in die relative Bewegungsrichtung der
Vorsprünge
des Vibrationselements höher
eingestellt ist, als in eine Richtung senkrecht dazu, können die
Vorsprünge
der Vibration folgen, die in dem Vibrationselement erzeugt wird,
wodurch die Motorleistung (zum Beispiel das Moment) verbessert wird.
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Ebenso ist, da die Eigenfrequenz
niedrigster ordnung eines Biegevibrationsmodus in die jeweilige Bewegungsrichtung
der Vorsprünge
höher eingestellt ist
als die in eine Richtung senkrecht dazu, kann eine ausreichende
dynamische Steifigkeit in die relative Bewegungsrichtung sichergestellt
werden, wodurch die Leistung verbessert wird (zum Beispiel das Moment).
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Des Weiteren ist, da die Eigenfrequenz
niedrigster Ordnung eines Biegevibrationsmodus in die relative Bewegungsrichtung
des Vorsprünge
höher eingestellt
ist als die Antriebsfrequenz des elektromechanischen Energiewandlerelements,
und die Eigenfrequenz niedrigster Ordnung eines Biegevibrationsmodus
in eine Richtung senkrecht dazu niedriger eingestellt ist als die
Antriebsfrequenz des Wandlerelements, kann ausreichende dynamische
Steifigkeit in die relative Bewegungsrichtung sichergestellt werden,
wodurch die Motorleistung verbessert wird (zum Beispiel das Moment).
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Darüber hinaus kann, da die Federsteifigkeit in
eine Richtung senkrecht zu der jeweiligen Bewegungsrichtung des
Kontaktabschnitts des Kontaktelements höher eingestellt ist als die
Biegesteifigkeit in die Richtung der Vorsprünge, unnötige Gleitbewegung in diese
Richtung eliminiert werden, wodurch die Motorleistung verbessert
wird (zum Beispiel das Moment).