TW200830686A - Vibration actuator - Google Patents

Description

200830686 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於振動致動器，尤其是關於在定子產生超 音波振動而使球體狀之轉子旋轉的振動致動器。 【先前技術】 近年來，提出一種利用超音波振動以使轉子旋轉的振 動致動器，並已實際應用。此種振動致動器係使用壓電元 件，在定子之表面產生橢圓運動或進行波，以使轉子加壓 接觸於定子上，藉以透過兩者間的摩擦力而使轉子移動。 例如，在專利文獻1揭示有一種振動致動器，其係由 複數個彈性體間隔著軸承而對球體狀轉子施加預壓，藉以 使轉子加壓接觸於定子上，並在此狀態下對相重疊之複數 個壓電元件板施加驅動電壓而於定子上產生超音波振動， 以使轉子旋轉。在此，預壓係指在至少未對壓電元件通電 之狀態下將轉子壓抵於定子上的壓力。 [專利文獻1]日本國專利特開2004-3 1 28 1 0號公報 【發明內容】 (發明所欲解決之課題） 然而，專利文獻1之振動致動器，係以軸承來支撐作 爲轉子之輸出軸的旋轉軸且可使軸承繞此軸旋轉，以使裝 設於旋轉軸之前端的重物作旋轉者，在旋轉軸倒下傾斜 時，轉子雖可在此倒下傾斜角之範圍內移動，但轉子之可 動範圍極狹小。 例如，將轉子抵接於環狀之預壓部而施加預壓，雖可 200830686 將轉子之輸出軸通過預壓部之環的內側延伸至外部’但在 此情況時，亦因環狀之預壓部而受到限制’使得難以增大 轉子之可動範圍。又’當爲了擴大可動範圍而將預壓部之 環設定爲更大時，恐會有環狀預壓部因應預壓力而嵌入球 體狀之轉子內之虞。 另外，當與定子分開而以其他之機構來構成預壓部 時，雖可增大轉子之可動範圍，但又會產生整體之尺寸增 大的課題。 本發明係爲了解決此種問題而完成者，其目的在於， 提供一種振動致動器，可抑制預壓機構部造成之大型化， 不會產生預壓部對轉子之嵌入，可確保寬闊之可動範圍。 (解決課題用之手段） 本發明之振動致動器，其具備：定子；略球體狀之轉 子，係載置於定子之上；預壓手段，係將轉子壓接於定子 上；及振動手段，係藉由在定子產生超音波振動而使轉子 旋轉，以使轉子之輸出軸移動，轉子係具有功能零件，預 壓手段係具有抵接於轉子之頂點部分而賦予預壓力之預壓 部，轉子之功能零件係將預壓部與定子之間作爲可動範圍 進行移動。 預壓手段之預壓部係藉由抵接於轉子之頂點部分而施 加預壓力至轉子上，將預壓部與定子之間作爲可動範圍而 使轉子之輸出軸移動。在此，轉子之頂點部分係指在轉子 從定子所受到之垂直抗力的作用線上與定子相反側的表面 部位’亦即、包含離與定子相抵接之部分最遠之轉子的部 200830686 位之指定範圍的部分。 (發明效果） 根據本發明，不僅可抑制預壓機構部造成之大型化， 亦不會產生預壓部對轉子之嵌入，可確保寬闊之可動範圍。 【實施方式】 以下，參照圖面說明本發明之實施形態。 <第1實施形態> 第1圖顯示本發明之第1實施形態之振動致動器。在 基部塊體1與定子2之間挾持著構成振動手段之振子3，藉 由該等構件以形成具有大致圓柱狀之外形的本體部4。在 定子2上，在與接觸於振子3之面的相反側形成有凹部5， 在此凹部5內收容有略球體狀轉子6的大致下半部。 在定子2之上部配置有支撐構件7。此支撐構件7係具 有固定於定子2的上面之上的環狀部8、及從環狀部8朝上 方延伸之倒L字形的角鋼部（懸臂部）9，預壓部1〇係支撐 於角鋼部9的前端。預壓部1 0係具有可繞多軸旋轉之球狀 構件1 1，此球狀構件1 1係配置成抵接於轉子6之頂點部 分。另外，在轉子6上連接有作爲功能零件而將預壓部1 〇 與定子2之間作爲可動範圍的輸出軸12。 在此，爲了便於說明，將從基部塊體1朝向定子2之 本體部4的中心軸規定爲Z軸，並在垂直於Z軸之方向延 伸一 X軸，而在垂直於Z軸及X軸之方向延伸一 γ軸。 預壓部10之球狀構件1 1係接觸於作爲轉子6之正Z 軸方向的最高點之頂點部分。支撐構件7之角鋼部9具有 200830686 彈性，藉此，球狀構件1 1係被壓接於轉子6上，· Z軸方向之預壓至轉子6上。又，就算不是正確 之頂點，只要是在包含轉子6之頂點的指定範圍 狀構件1 1接觸於轉子6的表面而施加預壓即可。 如第2圖所示，基部塊體1與定子2係藉由通 內之連接螺栓而相互連接。 定子2之凹部5係由具有比轉子6之直徑更 之小徑部1 4、及具有比轉子6之直徑更大的內徑 1 5所構成，在該等之小徑部1 4及大徑部1 5之境 有位於XY平面上之環狀的階梯部1 6。轉子6係 此凹部5內之階梯部1 6的狀態之下而被支撐成可 又，基部塊體1及定子2係分別由例如超強 所形成，轉子6係使用鋼球。 振子3係在定子2產生超音波振動而使轉子 X、Y、Z之3軸作旋轉用者，分別具有位於XY 相互重疊之平板狀的第1至第3壓電元件部31〜 第1至第3壓電元件部3 1〜3 3係分別電性連接於 17 ° 具體而言，如第3圖所示，第1壓電元件部 依序重疊分別具有圓板形狀之電極板 3 1 a、壓 3 1 b、電極板3 1 c、壓電元件板3 1 d及電極板3 1 e 同樣，第2壓電元件部32係具有依序重疊分別具 狀之電極板32a、壓電元件板32b、電極板32c、 板32d及電極板32e之構造，第3壓電元件部33 而施加負 的轉子6 內，將球 過振子 3 小的內徑 之大徑部 界部形成 在抵接於 旋轉。 度鋁合金 6分別繞 平面上且 33。該等 驅動電路 3 1係具有 電元件板 之構造。 有圓板形 壓電元件 係具有依 200830686 序重疊分別具有圓板形狀之電極板33a、壓電元件板33b、 電極板33c、壓電元件板33d及電極板33e之構造。該等之 壓電元件部31〜33係隔著絕緣片34〜37而自定子2及基 部塊體1以相互絕緣之狀態所配置。 如第4圖所示，第1壓電元件部3 1之一對壓電元件板 31b及31d，其於Y軸方向一分爲二的部分係具有互爲相反 之極性，並分別被分極而於Z軸方向（厚度方向）進行膨脹 及收縮之相反的變形舉動，壓電元件板3 1 b及壓電元件板 3 1 d係配置成相互背對背。 第2壓電元件部32之一對壓電元件板32b及32(1並未 被一分爲二，是整體被分極而於Z軸方向（厚度方向）進行 膨脹或收縮之相反的變形舉動，壓電元件板32b及壓電元 件板32d係配置成相互背對背。 第3壓電元件部33之一對壓電元件板33b及33d，其 於X軸方向一分爲二的部分係具有互爲相反之極性，並分 別被分極而於Z軸方向（厚度方向）進行膨脹及收縮之相反 的變形舉動，壓電元件板33b及壓電元件板33d係配置成 相互背對背。 配置於第1壓電元件部3 1之兩面部分的電極板3 1 a及 電極板31e、配置於第2壓電元件部32之兩面部分的電極 板3 2a及電極板32e、以及配置於第3壓電元件部33之兩 面部分的電極板33a及電極板33e，係分別電性接地。另外， 配置於第1壓電元件部31之一對壓電元件板31b及31d之 間的電極板3 1 c、配置於第2壓電元件部3 2之一對壓電元 200830686 件板32b及3 2d之間的電極板32c、以及配置於第3壓電元 件部33之一對壓電元件板33b及33d之間的電極板33c， 係分別電性連接於驅動電路17。 其次，說明本第1實施形態之振動致動器的動作。 首先，有關振子3，當對第1壓電元件部31之電極板 3 1 c施加接近於定子2之固有振動數之頻率的交流電壓 時，第1壓電元件部31之一對壓電元件板31b及31d的一 分爲二的部分，係於Z軸方向交互地重複進行膨脹及收 ® 縮，於定子2產生Y軸方向之扭曲振動。同樣，當對第2 壓電元件部32之電極板32c施加交流電壓時，第2壓電元 件部32之一對壓電元件板32b及3 2d，係於Z軸方向重複 進行膨脹及收縮，於定子2產生Z軸方向之縱振動。又， 當對第3壓電元件部33之電極板33c施加交流電壓時，第 3壓電元件部33之一對壓電元件板33b及33d的一分爲二 的部分，係於Z軸方向交互地重複進行膨脹及收縮，於定 _ 子2產生X軸方向之扭曲振動。 在此，例如，當從驅動電路17對第2壓電元件部32 之電極板32c及第3壓電元件部33之電極板33c雙方分別 r 施加使相位偏移90度之交流電壓時，X軸方向之扭曲振動 與Z軸方向之縱振動被組合，而在與轉子6接觸之定子2 的階梯部1 6產生XZ面內之橢圓振動，並藉由摩擦力以使 轉子6繞Y軸旋轉。此時，預壓部10之球狀構件1 1亦追 隨轉子6之旋轉運動而繞Y軸旋轉。 同樣，當從驅動電路17對第1壓電元件部31之電極 -10-

200830686 板31c及第2壓電元件部32之電極板32c雙方 相位偏移90度之交流電壓時，Y軸方向之扭曲 方向之縱振動被組合，而在與轉子6接觸之定 部16產生YZ面內之橢圓振動，並藉由摩擦丈 繞X軸旋轉。此時，預壓部10之球狀構件1 1 6之旋轉運動而繞X軸旋轉。 又，當從驅動電路17對第1壓電元件部 31c及第3壓電元件部33之電極板33c的雙方 相位偏移90度之交流電壓時，X軸方向之扭曲 方向之扭曲振動被組合，而在與轉子6接觸之 梯部16產生XY面內之橢圓振動，並藉由摩擦 6繞Z軸旋轉。此時，預壓部10之球狀構件 子6之旋轉運動而繞Z軸旋轉。 如此，藉由驅動振子3分別使轉子6繞X 個軸旋轉，輸出軸1 2亦伴隨此而作移動，但医 10預壓轉子6之頂點部分，所以，輸出軸12 1 〇與支撐構件7之環狀部8之間作爲可動範圍 另外，因爲隔著預壓部10之球狀構件11 供給於轉子6之頂點部分，所以，即使將預腫 大，預壓部10仍不會嵌入轉子6內。因此，可j 以實現高轉矩之旋轉。 預壓部1 0之球狀構件1 1係配設成可繞 以可減低伴隨轉子6之旋轉引起的摩擦損失 成藉由驅動振子3，並與定子2相同地亦隔 分別施加使 振動與Z軸 子2的階梯 丨以使轉子6 亦追隨轉子 3 1之電極板 分別施加使 振動與Y軸 定子2的階 力以使轉子 1 1亦追隨轉 :、Y、Z 之 3 1爲由預壓部 可將預壓部 而自由移動。 而將預壓力 !力設定爲較 魯大預壓力， 卜軸旋轉，所 但是若建構 f支撐構件7 -11- 200830686 而於預壓部1 0之球狀構件1 1產生橢圓振動的話，可更爲 減低預壓所需之摩擦損失。 另外，若藉由使預壓部10之球狀構件1 1以與定子2 相同之振動模式進行振動，在球狀構件1 1產生與定子2相 同方向的驅動力的話，可從定子2及預壓部1 0雙方將旋轉 力傳遞至轉子6，而能以高轉矩進行旋轉。 <第2實施形態> 第5圖顯示本發明之第2實施形態之振動致動器。第 ^ 2實施形態係構成爲在第1圖所示之第1實施形態的振動致 動器中，取代由支撐構件7來支撐預壓部10，而改由支撐 構件18來支撐3個預壓部l〇a、10b及10c。支撐構件18 係具有固定於定子2上面之上的環狀部1 9、及橫跨於轉子 6上而一體形成於環狀部19上之拱部20，在此拱部20之 大致中央支撐3個預壓部l〇a、l〇b及10c。該等之預壓部 10a、1 Ob及10c，係分別具有抵接於轉子6之頂點部分、 且可繞多軸旋轉之球狀構件1 la、1 lb及1 lc。支撐構件18 之拱部20係具有彈性，藉此，球狀構件lla、lib及11c 分別被壓接於轉子6，而對轉子6施加負Z軸方向之預壓。 此種構成中，亦可與第1實施形態相同，將預壓部10a、 10b及10c與支撐構件18之環狀部19之間作爲可動範圍， 而使轉子6之輸出軸12自由移動。 <第3實施形態> 第6圖顯示本發明之第3實施形態之振動致動器。第 3實施形態係構成爲在第1圖所示之第1實施形態的振動致 -12- 200830686 動器中，取代由支撐構件7來支撐預懕部1〇，而改由支撐 構件2 1來支撐預壓部22。支撐構件2 1係具有固定於定子 2上靣之上的環狀部23、及從環狀部23朝上方延伸之倒L 字形的角鋼部24，預壓部22係支撐於角鋼部24的前端。 如第7圖所示，預壓部22係具有凹狀圓錐面形狀之預壓面 25，此預壓面25係接觸於轉子6之頂點部分。 支撐構件21之角鋼部24係具有彈性，藉此，預壓部 22之預壓面25被壓接於轉子6，而對轉子6施加負Z軸方 向之預壓。 藉由使用此種凹狀圓錐面形狀之預壓面25，可容易接 觸於大致球體狀之轉子6的頂點部分。 此時，如第8圖所示，在凹狀圓錐面形狀之預壓面25 相對於中心線具有小於45度之角度Θ的情況，當藉由預壓 面25以預壓力F按壓轉子6時，轉子6與預壓部22均變 形（斜線部分），若該些之變形可視作均等時，則其接觸截 面成爲圓形，預壓部22產生傳遞至轉子6的力F1及F2。 該等之力F1及F2係在某程度地保持變形之期間持續存 在。力F 1及F2係成爲將轉子6朝與接觸面相反側之面按 壓之力。例如，伴隨著力F1，轉子6被以力F1而朝相反 側之面按壓。對應於此力F1之垂直分力F1 v，在轉子6與 預壓面25之間作用摩擦力Flvf。另外，沿力F1之圓錐面 A之水平分力Flh，成爲使轉子6欲從預壓面25脫出的力。 又’與轉子6及預壓部22之變形無關，起因於預壓力f， 而於轉子6與預壓面25之間作用摩擦力pf。 200830686 在此，在欲脫出之力Flh比該等之摩擦力（Flvf+Ff) 更小時，轉子6無法從預壓面25脫出而成爲嵌入之狀態。 另一方面，在凹狀圓錐面形狀之預壓面25相對於中心 線具有45度之角度0的情況，如第9圖所示，從預壓部22 傳遞至轉子6的力F1，具有沿與接觸面相反側之面的方 向，所以，其垂直分力成爲0，而不會產生如上述之變形 引起的摩擦力Flvf。同樣在凹狀圓錐面形狀之預壓面25 相對於中心線之角度0超過45度之情況，亦不會產生摩擦 ® 力Flvf。因此，不會產生因轉子6與預壓部22之變形引起 的轉子6之嵌入。 亦即，以預壓部22之凹狀圓錐面形狀之預壓面25相 對於中心線具有4 5度以上之角度0爲較佳。 <第4實施形態> , 第1 0圖顯示本發明之第4實施形態之振動致動器。第 4實施形態係構成爲在第6圖所示之第3實施形態的振動致 0 動器中，取代支撐構件2 1，而改由支撐構件26來支撐預壓 部22。支撐構件26係具有固定於定子2上面之上的環狀部 27、及一體形成於.環狀部27上之拱部28，並在此拱部28 支撐預壓部22。 此種構成中，亦可與第3實施形態相同，將預壓部22 與支撐構件26之環狀部27之間作爲可動範圍，而使轉子6 之輸出軸1 2自由移動。 <第5實施形態> 第1 1圖顯示本發明之第5實施形態之振動致動器。第 -14- 200830686 5實施形態係在第1圖所示之第丨實施形態的振動致動器 中，將基部塊體1、定子2及振子3收容於圓筒狀之殼體 29內’並於殼體29 —體形成朝上方延伸之倒L字形的角 鋼部（懸臂部）30，預壓部10係支撐於角鋼部30的前端。 亦即，第5實施形態係將預壓部1 〇支撐於從由基部塊 體1、定子2及振子3所構成之振動系獨立的殼體29上。 此種構成，亦可將預壓部1 〇與定子2之間作爲可動範 圍，而使轉子6之輸出軸12自由移動。 同樣，如第12圖所示，亦可在收容基部塊體1、定子 2及振子3之圓筒狀的殻體29，——體形成橫跨於轉子6的 拱部40，並在此拱部40之大致中央配置預壓部1〇。 又’亦可將本第5實施形態分別應用於第2至第4實 施形態，將預壓部l〇a、1 Ob及10c或22支撐於從振動系 獨立之殻體29上。 <第6實施形態> 第1 3圖顯示本發明之第6實施形態之振動致動器。第 6實施形態係在第1圖所示之第1實施形態的振動致動器 中’取代輸出軸1 2，而改爲將內建照相機42裝備於轉子6 上來作爲功能零件。藉由轉子6之移動，可在預壓部1 〇與 定子12之間使內建照相機42之透鏡部自由移動並攝影。 同樣’亦可將本第6實施形態分別應用於第2至第5 實施形態，而構成爲可使內建照相機4 2移動。 又，除輸出軸12、內建照相機42以外，亦可在轉子6 內具備各種之功能零件。 200830686 又，在上述第1至第6實施形態之中，亦可由特氟綸（登 錄商標）等之低摩擦材，分別構成接觸於轉子6之頂點部分 的預壓部10之球狀構件11、預壓部10a，10b及10c之球狀 構件11a，11b及11c、預壓部22之預壓面25，以減低預壓 所需要之摩擦損失。 【圖式簡單說明】 第1圖爲顯示本發明之第1實施形態之振動致動器的 立體圖。 ^ 第2圖爲顯示第1實施形態之振動致動器的剖視圖。 第3圖爲顯示在第丨實施形態所使用之振子的構成之 局部剖視圖。 第4圖爲顯示在第1實施形態所使用之振子的3對壓 電元件板之分極方向之立體圖。 第5圖爲顯示第2實施形態之振動致動器的立體圖。 第6圖爲顯示第3實施形態之振動致動器的立體圖。 第7圖爲顯示第3實施形態之振動致動器的剖視圖。 第8圖爲顯示第3實施形態之預壓部之預壓面與轉子 之關係的剖視圖。 第9圖爲顯示第3實施形態之預壓部之預壓面與轉子 之關係的剖視圖。 第1 〇圖爲顯示第4實施形態之振動致動器的立體圖。 第1 1圖爲顯示第5實施形態之振動致動器的剖視圖。 第1 2圖爲顯示第5實施形態之變化例的振動致動器的 剖視圖。 -16- 200830686 施形態之振動致動器的剖視圖。 第1 3圖爲顯示第6 【主要元件符號說明】

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 14 15 16 3 1 〜33 17 31a，31c，31e 31b 3 Id 32a，32c，32e 基部塊體 定子 振子 本體部 凹部 轉子 支撐構件 環狀部 角鋼部 預壓部 球狀構件 輸出軸 小徑部 大徑部 階梯部 第1至第3 驅動電 電極板 壓電元件板 壓電元件板 電極板 壓電元件部 32b 壓電元件板 -17- 200830686 3 2d 壓電元件板 33a，33c，33e 電極板 33b，33d 壓電元件板

Claims (1)

1. 200830686 十、申請專利範圍： 1.一種振動致動器，其特徵爲 具備：定子； 略球體狀之轉子，係載置於該定子之上； 預壓手段，係將該轉子壓接於該定子；及 振動手段，係藉由在該定子產生超音波振動而使該轉 子旋轉， 該轉子係具有功能零件，該預壓手段係具有抵接於該 轉子之頂點部分而賦予預壓力之預壓部，該轉子之該功 能零件係將該預壓部與該定子之間作爲可動範圍進行移 動。 2 ·如申請專利範圍第1項之振動致動器，其中該預壓部係 具有至少一個可繞多軸旋轉且接觸於該轉子之表面的球 狀構件。 3 .如申請專利範圍第2項之振動致動器，其中該預壓部係 具有複數個該球狀構件。 4.如申請專利範圍第1項之振動致動器，其中該預壓部係 具有接觸於該轉子之表面的凹狀圓錐面形狀的預壓面。 5 ·如申請專利範圍第1項之振動致動器，其中該預壓手段 係包含對該定子支撐該預壓部的支撐構件。 6. 如申請專利範圍第5項之振動致動器，其中該振動手段 係在該預壓部亦產生超音波振動。 7. 如申請專利範圍第5項之振動致動器，其中該支撐構件 係具有懸臂部，並在此懸臂部之前端配置該預壓部。 -19- 200830686 8.如申請專利範圍第5項之振動致動器，其中該支撐構件 係具有橫跨該轉子之拱部，並於此拱部之大致中央配置 該預壓部。 9·如申請專利範圍第〗項之振動致動器，其中該預壓手段 係包含從該定子獨立並支撐該預壓部的支撐構件。 1 〇·如申請專利範圍第9項之振動致動器，其中該支撐構件 係具有懸臂部，並在此懸臂部之前端配置該預壓部。 1 1.如申請專利範圍第9項之振動致動器，其中該支撐構件 ^ 係具有橫跨該轉子之拱部，並於此拱部之大致中央配置 該預壓部。 1 2 ·如申請專利範圍第1項之振動致動器，其中該功能零件 係固定於該轉子上之輸出軸。 1 3 .如申請專利範圍第〗項之振動致動器，其中該功能零件 係內建於該轉子上之照相機。

   -20-