TWI330929B - Vibration actuator - Google Patents

Description

1330929 » · 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，尤其是關於利用振動機構 使定子振動，藉以讓與定子接觸之轉子被旋轉驅動的振動 致動器。 【先前技術】 • 例如，在專利文獻1揭示有利用超音波振動而使轉子 • 旋轉之振動致動器。該振動致動器係具有由相互重疊之複 數個壓電元件板構成的複合振動元件而作爲振動機構，並 藉由配設於複合振動元件之一方的端部之定子來接觸支撐 一個轉子。藉由對複合振動元件之複數個壓電元件板供給 驅動電壓，而產生方向彼此相異之複數個振動，同時形成 由此等振動組合成的複合振動而使定子振動，以旋轉驅動 轉子。 專利文獻1 :日本特開平1 1 -220892號公報 【發明内容】 (發明所欲解決之課題） 然而，在專利文獻1之振動致動器中，係藉由一個複 合振動元件而使一個轉子旋轉，所以，在欲使複數個轉子 分別旋轉時’不僅需要分別在各轉子設置專用的複合振動 元件’而且需要彼此獨立地驅動控制分別對應於複數個轉 子之複數個複合振動元件，因此有裝置變得複雜化之問題 點。 本發明係爲了消除此種問題點而提出者，其目的在提 供一種可藉由一個振動機構來驅動複數個轉子之振動致動 1330.929 器。 (解決課題之手段） 本發明之振動致動器，係具備：2個定子；2個轉子， 係分別與該2個定子對應地接觸配置；及1個振動機構， 係配設於2個定子之間，同時產生由複數個彼此方向相異 之振動組合成的複合振動而使該2個定子振動，藉以同時 旋轉驅動該2個轉子。 (發明效果） 根據本發明時，可獲得能藉由一個振動機構來驅動複 數個轉子之振動致動器。 【實施方式】 以下，將參照隨附圖面來說明本發明之實施形態。 (實施形態1) 第1圖顯示本發明之實施形態1的振動致動器。此振 動致動器係利用超音波振動而使轉子旋轉之超音波致動 器，致動器本體1具有旋轉驅動此致動器本體1用的二個 轉子A及B。致動器本體1具有一個圓筒狀的複合振動元 件2、及分別配置於該複合振動元件2之兩端部的第1定子 3及第2定子4。此等之第1定子3及第2定子4係於相互 之間夾持著複合振動元件2,同時介由通過複合振動元件2 之連結螺栓5而彼此連結，構成大致具有圓柱狀之外形的 致動器本體1。在此，爲便於說明，將自第2定子4朝向第 1定子3之的致動器本體1之中心軸規定爲Z軸，在與Z 軸垂直之方向上延長有X軸，而Y軸係分別與Z軸及X軸 垂直而延長。 1330929 複合振動元件2具有分別位於χγ平面上且相互重疊 之平板狀的第1壓電元件部31及第2壓電元件部32。此等 之壓電元件部31及32，係介由絕緣片33〜35而配置成與 第1定子3及第2定子4互相絕緣之狀態。另外，該振動 致動器具有對第1壓電元件部31及第2壓電元件部32供 給驅動電壓而驅動各個用之驅動電路36。 •在第1定子3及第2定子4,在與複合振動元件2接觸 之面的相反側分別形成有凹部6及7,在各凹部6及7之開 口端周緣部形成有位於ΧΥ平面上的環狀之角部8及9。在 此，第1轉子Α係具有與第1定子3之凹部6對向且具有 比凹部6之內徑更大的直徑之半球形狀的凸部1〇，該凸部 10係抵接於第1定子3之角部8而被支撐爲可自由旋轉。 同樣，第2轉子B係具有與第2定子4之凹部7對向且具 有比凹部7之內徑更大的直徑之半球形狀的凸部11，該凸 部11係抵接於第2定子4之角部9而被支撐爲可自由旋 轉。另外，此等轉子A及B係分別由彈簧12及13加壓並 和對應之定子3及4接觸。 如第2圖所示，複合振動元件2之第1壓電元件部31 係具有：分別具有圓板形狀之電極板31a、壓電元件板31b、 電極板31c、壓電元件板31d及電極板31e依序重疊之構 造。同樣，第2壓電元件部32係具有：分別具有圓板形狀 之電極板32a、壓電元件板32b、電極板32c、壓電元件板 32d及電極板32e依序重疊之構造。 配置於第1壓電元件部31之兩面部分的電極板31a及 1330929 電極板31e、與配置於第2壓電元件部32之兩面部分的電 極板32a及電極板32e，係被分別地電性接地。另外，自配 置於第1壓電元件部31之一對壓電元件板31b及壓電元件 板31d之間的電極板31c、與配置於第2壓電元件部32之 —對壓電元件板32b及壓電元件板32d之間的電極板32c， 分別引出端子而連接於驅動電路36。 如第3圖所示，第1壓電；件部31之一對壓電元件板 31b及31d，在Y軸方向被二分割之部分相互具有相反極 性，並被分極而分別能於Z軸方向（厚度方向）進行膨脹及 收縮之相反的變形動作，而壓電元件板31b及壓電元件板 3 1 d係相互翻轉地配置》 第2壓電元件部32之一對壓電元件板32b及32d，則 未被二分割，且全體被分極而能於Z軸方向（厚度方向）進 行膨脹或收縮之變形動作，而壓電元件板32b及壓電元件 板32d係相互翻轉地配置》 其次，說明該實施形態1之振動致動器的動作。當自 驅動電路36對第1壓電元件部31之電極板31c供給交流 電壓，而於第1壓電元件部31產生Y軸方向之一次模式的 撓性振動時，第1壓電元件部31之一對壓電元件板31b及 31d的被二分割之部分，在Z軸方向交互地反覆進行膨脹 > 及收縮，如第4a圖所示，致動器本體1進行振動。在此， 第4b圖顯示第4a圖中之致動器本體1的各部分之γ軸方 向的位移。從第4b圖可知，致動器本體1之兩端部、即第 1定子3之角部8及第2定子4的角部9，相互以同相位進 1330929 行振動。 另外，當自驅動電路36對第2壓電元件部32之電極 板3 2c供給交流電壓，而於第2壓電元件部32產生Z軸方 向之一次模式的縱振動時，第2壓電元件部32之一對壓電 元件板32b及32d，於Z軸方向反覆進行膨脹及收縮，如第 5a圖所示，致動器本體1進行振動。在此，第5b圖顯示將 第5a圖中之致動器本體1的各部分之Z軸方向的位移變換 於Y軸方向者。從第5b圖可知，致動器本體1之兩端部、 即第1定子3之角部8及第2定子4的角部9,彼此以相反 相位進行振動。 在此，當對第1壓電元件部31之電極板31c及第2壓 電元件部32之電極板32c分別供給使相位偏移90度之交 流電壓，而藉由複合振動元件2產生由Y軸方向之一次模 式的撓性振動及Z軸方向之一次模式的縱振動組合成的複 合振動時，第1定子3之角部8及第2定子4的角部9,藉 由Y軸方向之一次模式的撓性振動而於Y軸方向彼此以同 相位進行位移，同時藉由Z軸方向之一次模式的縱振動而 於Z軸方向彼此以相反相位進行位移，所以，如第6圖所 示，在此等之第1定子3之角部8及第2定子4的角部9, 分別產生在YZ面內彼此相反方向的橢圓運動。因此，被加 壓而與第1定子3之角部8接觸的第1轉子A及被加壓而 與第2定子4的角部9接觸的第2轉子B，係相互繞X軸 且同時朝相反方向旋轉驅動。 另外，第7圖顯示第1壓電元件部31產生二次模式之 1330.929 Y軸方向的撓性振動時之致動器本體1的各部分之Y軸方 向的位移。從第7圖可知，致動器本體1之兩端部、即第 1定子3之角部8及第2定子4的角部9,彼此以相反相位 進行振動。 當對第1壓電元件部31之電極板31c及第2壓電元件 部32之電極板32c分別供給使相位偏移90度之交流電壓， 而藉由複合振動元件2產生Y軸方向之二次模式的撓性振 動及Z軸方向之一次模式的縱振動組合成的複合振動時， 第1定子3之角部8及第2定子4的角部9，藉由Y軸方 向之二次模式的撓性振動而於Y軸方向彼此以相反相位進 行位移，同時藉由Z軸方向之一次模式的縱振動而於Z軸 方向彼此以相反相位進行位移，所以，如第8所示，在此 等之第1定子3之角部8及第2定子4的角部9,分別產生 在YZ面內彼此爲相同方向的橢圓運動。因此，被加壓而與 第1定子3之角部8接觸的第1轉子A及被加壓而與第2 定子4的角部9接觸的第2轉子B，係繞X軸且相互同時 朝相同方向被旋轉驅動。 如上述，藉由一個複合振動元件2產生複合振動而在 與各定子3及4之各個對應的轉子A及B的接觸部分形成 橢圓運動，可同時旋轉驅動2個轉子A及B。因此，若使 用本發明之振動致動器，可藉由單純之構成來實現具有旋 轉驅動用的複數個關節部之關節機構等，可達成小型化及 輕量化。 另外，藉由選擇Z軸方向之縱振動的振動模式及γ軸 -10- 1330929 < · 方向之撓性振動的振動模式的組合，可將第i轉子A及第 2轉子B分別旋轉驅動於彼此相同方向或相反方向。 該振動致動器係利用超音波振動之超音波致動器，所 以，具有高轉矩同時能不使用齒輪進行驅動。 另外’若爲將連接彈簧13及13或壓電元件部31及32 與驅動電路36之配線等收容於致動器本體1及轉子八及B 的內部之構成的話，可將整體作成更小型化。 又，第9圖顯示將在第2壓電元件部32產生Z軸方向 之二次模式的縱振動時之致動器本體1的各部分之Z軸方 向的位移轉換於Y軸方向者。從第9圖可知，致動器本體 1之兩端部、即第1定子3之角部8及第2定子4的角部9, 彼此以同相位進行振動》 因此’當產生由Y軸方向之一次模式的撓性振動及Z 軸方向之二次模式的縱振動組合成的複合振動時，係與產 生由Y軸方向之二次模式的撓性振動及Z軸方向之一次模 式的縱振動組合成的複合振動時相同，可繞X軸且互朝相 同方向旋轉驅動2個轉子A及B。 另外，此振動致動器係可將致動器本體1固定於固定 物上以使用，或是可將第1轉子A及第2轉子B中之一方 固定於固定物上加以使用。 例如’在將第2轉子B固定於固定物上加以使用之情 況，當藉由複合振動元件2產生由Z軸方向之一次模式的 縱振動及Y軸方向之一次模式的撓性振動組合成的複合振 動時，如第10圖所示，致動器本體1相對於第2轉子B作 1330929 相對移動並旋轉，同時第1轉子A相對於致動器本體1朝 與致動器本體1之旋轉方向相同之方向旋轉。 另外，當藉由複合振動元件2產生例如由Z軸方向之 一次模式的縱振動及Y軸方向之二次模式的撓性振動組合 成的複合振動時，如第11圖所示，致動器本體1相對於第 2轉子B作相對移動並旋轉，同時第1轉子A相對於致動 器本體1朝與致動器本體1之旋轉方向相反之方向旋轉。 另外，亦可取代產生Y軸方向之撓性振動的第1壓電 元件部31或產生Z軸方向之縱振動的第2壓電元件部32, 而使用產生X軸方向之撓性振動的壓電元件部。亦即，藉 由產生X軸方向之撓性振動及Z軸方向之縱振動組合成的 複合振動、或是、X軸方向之撓性振動及Y軸方向之撓性 振動組合成的複合振動，可使2個轉子A及B同時繞Y軸 或Z軸旋轉。另外，在任一之情況，透過選擇用以構成複 合振動之2個振動的振動模式之組合，可使2個轉子A及 B分別朝相同方向或相反方向旋轉驅動。 (實施形態2) 其次’參照第12圖說明本發明之實施形態2的振動致 動器。本實施形態2係在實施形態1中，其複合振動元件 2具有產生Y軸方向之撓性振動的第1壓電元件部31及產 生Z軸方向之縱振動的第2壓電元件部32，亦具有產生X 軸方向之撓性振動的第3壓電元件部41。第3壓電元件部 41具有第13圖所不之一對壓電元件板41b及41d。此等之 —對壓電元件板41b及41d，在X軸方向被二分割之部分 -12- 1330.929 相互具有相反極性，並被分極而分別能於z軸方向（厚度方 向）進行膨脹及收縮之相反的變形動作，而壓電元件板41b 及壓電元件板41d係相互翻轉地配置。 又，第3壓電元件部41除具有一對壓電元件板41b及 41d以外，亦具有與第1壓電元件部31或第2壓電元件部 32相同之構造，並與此等之第1壓電元件部31或第2壓電 元件部32相互重疊。配置於第3壓電元件部41之兩面部 分的一對電極板，係被分別地電性接地，同時配置於一對 壓電元件板41b及41d之間的電極板，係連接於驅動電路 36。另外，此等之3個壓電元件部31、32、41係介由絕緣 片33〜35、42而配置成與2個定子3及4互爲絕緣之狀態。 當自驅動電路36對第3壓電元件部41之電極板供給 交流電壓而驅動第3壓電元件部41時，第3壓電元件部41 之一對壓電元件板41b及41d之被二分割的部分，於Z軸 方向交互且反覆進行膨脹及收縮，而於第1定子3及第2 定子4產生X軸方向之撓性振動。 在此，藉由驅動複合振動元件2，產生由第1壓電元 件部31之Y軸方向之撓性振動 '第2壓電元件部32之Z 軸方向之縱振動、及第3壓電元件部41之X軸方向之撓性 振動3個當中的2個或全部所組合成的複合振動，而在第 1定子3之角部8及第2定子4的角部9分別形成橢圓運 動，可將第1轉子A及第2轉子B同時於三維方向自由地 旋轉驅動。在該情況時，亦可藉由選擇振動模式之組合， 而將2個轉子A及B朝相同方向或相反方向旋轉驅動。 -13- 1330.929 (實施形態3) 其次，參照第14圖說明本發明之實施形態3的振動致 動器。本實施形態3係在實施形態1中，取代彈簧12及13, 而使用可自由伸縮之橡膠罩體51，藉以使2個轉子A及B 分別被加壓而與對應之定子3及4接觸。橡膠罩體51係具 有圓筒形且包覆致動器本體1之外周部全體，同時以朝向 中心軸方向伸長的狀態，使其兩端部分別固定於第1轉子 A及第2轉子B之外周部。藉由該橡膠罩體51之彈性壓迫 力’以使2個轉子A及B分別被加壓而與對應之定子3及 4的角部8及9接觸。因此，與實施形態1相同，可藉由一 個複合振動元件2旋轉驅動2個轉子A及B。 又，對於實施形態2之振動致動器，亦可藉由使用橡 膠罩體51來取代彈簧12及13,而可使2個轉子A及B分 別被加壓而與對應之定子3及4接觸。 (實施形態4) 其次，參照第15圖說明本發明之實施形態4的振動致 動器。本實施形態4係在實施形態1中，係將定子3及4 之凹部與轉子A及B的凸部之關係互相反轉者。亦即，定 子3及4係在與複合振動元件2接觸之面的相反側分別具 有半球形狀的凸部61及62,同時在轉子A及B，在與對應 之定子3及4對向之面分別形成有凹部63及64。在轉子A 及B之凹部63及64之開口端周緣部分別形成有環狀之角 部’各轉子A及B之角部係抵接於對應之定子3及4的凸 部61及62而被支撐爲可自由旋轉。 -14- 1330.929 又，轉子A及B係與實施形態1相同’分別藉由彈簧 12及13加壓而與對應之定子3及4接觸。 作成上述構成，亦可藉由複合振動元件2產生複合振 動，而在定子3及4之各個與對應的轉子A及B之接觸部 分形成橢圓運動，可分別旋轉驅動2個轉子A及B，同時 藉由選擇用以構成複合振動之2個振動的振動模式之組 合，而能將2個轉子A及B朝相同方向或相反方向旋轉驅 動。藉此，可獲得與實施形態1相同之效果。 另外，在第2及實施形態3之振動致動器中，亦可分 別於定子3及4形成凸部，而於轉子A及B形成凹部。 (實施形態5) 其次，參照第16圖說明本發明之實施形態5的振動致 動器。本實施形態5係在實施形態1中，第2定子4保持 原樣，而第1定子係使用形成爲越是朝向與轉子A接觸的 接觸部分越會漸漸縮徑之定子71。因此，在驅動複合振動 元件2時’在第1定子71的與轉子A之接觸部分產生之橢 圓運動’係具有比在第2定子4的與轉子b之接觸部分產 生的橢圓運動還更大之振幅，使得產生於第1轉子A之轉 矩比產生於第2轉子B之轉矩更大。如此，藉由將第1定 子71及第2定子4之各個與對應之轉子a及B的接觸部 分’形成爲相異之形狀，即可在2個轉子a及B產生大小 相異之轉矩。 又’在第2及實施形態3中’亦可藉由將2個定子之 各個與對應之轉子A及B的接觸部分，形成爲相異之形 -15- 1330.929 狀，而在2個轉子A及B產生大小相異之轉矩。 另外，在實施形態4中，例如，亦可如第1 7圖所示， 使用具有半徑大小相異的半球形狀之凸部81及82的一對 定子83及84，或是，如第18圖所示，使用分別具有隨越 是朝向前端而漸漸縮徑之圓錐台狀的凸部91及圓柱狀凸 部92的一對定子93及94。在任一之情況，均可產生相對 於2個轉子A及B而大小相異之轉矩。 又，不只是定子，2個轉子之各個與對應之定子的接 觸部分形成爲相異之形狀或大小亦可。 另外，在上述各實施形態中，雖分別在不同壓電元件 部產生X軸方向之撓性振動、Y軸方向之撓性振動、Z軸 方向之縱振動，並將振動合成而產生複合振動，但亦可將 一個壓電元件部作多個分極，而個別地控制供給於各分極 電極之電壓。即，亦可將合成相位、振幅等不同之交流電 壓後之電壓供給各分極電極，而以一個壓電電元件部產生 複合振動。 ， 另外，在上述各實施形態中，雖在定子與轉子之接觸 部分產生橢圓運動，但亦可利用控制各軸方向之振動而產 生圓運動。 【圖式簡單說明】 第1圖爲顯示本發明之實施形態1的振動致動器之剖 視圖。 第2圖爲顯示實施形態1中使用之複合振動元件的構 成之部分剖視圖。 -16- 1330929 第3圖爲顯示實施形態1中使用之複合振動元件的二 對壓電元件板的分極方向之立體圖。 第4a圖爲致動器本體以Y軸方向之一次模式的撓性振 動進行振動之模樣的示意圖。 第4b圖爲第4a圖中之致動器本體的各部分之Y軸方 向的位移的示意圖。 第5a圖爲致動器本體以Z軸方向之一次模式的縱振動 進行振動之模樣的示意圖。 第5b圖爲使第5a圖中之致動器本體的各部分之Z軸 方向的位移變換於Y軸方向的示意圖》 第6圖爲朝相反之方向旋轉驅動實施形態1之2個轉 子之模樣的示意圖。 第7圖爲以Y軸方向之二次模式的撓性振動進行振動 之致動器本體的各部分之Y軸方向的位移的示意圖。 第8圖爲朝彼此相同之方向旋轉驅動實施形態1之2 個轉子之模樣的示意圖。 第9圖爲使以Z軸方向之二次模式的縱振動進行振動 之致動器本體的各部分之Z軸方向的位移變換於γ軸方向 的示意圖。 第10圖爲一方之轉子被固定於固定物時，致動器本體 與另一方之轉子朝彼此相同之方向旋轉之模樣的示意圖。 第11圖爲一方之轉子被固定於固定物時，致動器本體 與另一方之轉子朝彼此相反之方向旋轉之模樣的示意圖。 第12圖爲顯示本發明之實施形態2的振動致動器之剖 視圖。 -17- I33Q929 第13圖爲顯示實施形態2中使用之複合振動元件的三 對壓電元件板的分極方向之立體圖。 第1 4圖爲顯示本發明之實施形態3的振動致動器之剖 視圖。 第15圖爲顯示本發明之實施形態4的振動致動器之剖 視圖。 第16圖爲顯示本發明之實施形態5的振動致動器之剖 視圖。 第17圖爲顯示本發明之實施形態5的振動致動器之側 視圖。 第18圖爲顯示本發明之實施形態5的另一變化例之振 動致動器的側視圖。 【主要元件符號說明】

A 1 致動器本體 A、B 轉子 2 複合振動元件 3 第1定子 4 第2定子 5 連結螺栓 6 ' 7 凹部 8 ' 9 角部 10 凸部 11 凸部 12、13 彈簧 31 第1壓電元件部 -18- 1330.929 3 1a 電極板 31b 壓電元件板 3 1c 電極板 31d 壓電元件板 3 le 電極板 32 2壓電元件部 32a 電極板 32b 壓電元件板 32c 電極板 32d 壓電元件板 32e 電極板 33-35 絕緣片 36 驅動電路 41 第3壓電元件部 41b 、 41d 壓電元件板 5 1 橡膠罩體 61、62 凸部 63、64 凹部 7 1 定子 81、82 凸部 83、84 定子 91 凸部 92 凸部 -19-

Claims (1)

1330929 第96108111號「振動致動器」專利案 (2010年6月30日修正） 十、申請專利範圍： 1. 一種振動致動器，其特徵爲具備： 具有凹部或凸部的2倜定子； 2個轉子，係在凸部與該定子的凹部對向的狀態或在凹 部與該定子的凸部對向的狀態，分別與該2個定子對應 地接觸配置；及 1個振動機構，係配設於該2個定子之間，同時產生由 複數個彼此方向相異之振動組合成的複合振動而使該2 個定子振動，藉以同時旋轉驅動該2個轉子。 2. 如申請專利範圍第1項之振動致動器，其中更具備驅動 該振動機構用之驅動電路， 藉由該驅動電路，並透過選擇複數個振動之振動模式 的組合，而將該2個轉子朝彼此相同之方向旋轉驅動， 該振動機構所產生之該複合振動係由複數個振動所構 成。 3. 如申請專利範圍第1項之振動致動器，其中更具備驅動 該振動機構用之驅動電路， 藉由該驅動電路，並透過選擇複數個振動之振動模式 的組合，而將該2個轉子朝彼此相反之方向旋轉驅動， 該振動機構所產生之該複合振動係由複數個振動所構 成。 4. 如申請專利範圍第1項之振動致動器，其中該振動機構 1330929 具有由相互積層之複數個壓電元件板所構成之複合振動 元件，該2個定子分別配置在該壓電元件板之積層方向 的兩端部。 5. 如申請專利範圍第4項之振動致動器，其中該複數個壓 電元件板中之相鄰接的壓電元件板係產生複數個相異方 向之振動。 6. 如申請專利範圍第1項之振動致動器，其中該2個定子 之與分別對應的轉子之接觸部分，係形成彼此相異之形 狀。 7. 如申請專利範圍第1項之振動致動器，其中該2個定子 之與分別對應的轉子之接觸部分，係形成相異之大小。 8. 如申請專利範圍第7項之振動致動器，其中該2個定子 之與分別對應的轉子之接觸部分，係形成爲具有相異之 半徑的球面。 9. 如申請專利範圍第7項之振動致動器，其中該2個定子 之與分別對應的轉子之接觸部分，係形成爲具有相異之 半徑的圓周面。 10. 如申請專利範圍第1項之振動致動器，其中該振動機構 係產生該複合振動，在各個定子之與對應的轉子之接觸 部分形成橢圓運動，藉以同時旋轉驅動該2個轉子。 11·如申請專利範圍第1項之振動致動器，其中該振動機構 係產生該複合振動，在各個定子之與對應的轉子之接觸 部分形成圓運動，藉以同時旋轉驅動該2個轉子。 1330929 # _ 七、指定代表圖： (一） 本案指定代表圖為：第（1 )圖。 (二) 本代表圖之元件符號簡單說明： 八、本案若有化學式時，請揭示最能顯示發明特徵的化學式： 1 致 動 器 本 體 A、B 轉 子 2 複 合 振 動 元 件 3 第 1 定 子 4 第 2 定 子 5 連 結 螺 栓 6、7 凹 部 8、9 角 部 10 凸 部 11 凸 部 12、13 彈 簧 31 第 1 壓 電 元 件 部 32 第 2 壓 電 元 件 部 33 〜35 絕 緣 片 36 驅 動 電 路