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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vibrationswellenantriebsvorrichtung,
die eine Antriebskraft von Vibrationswellen, wie etwa Ultraschallwellen,
erhält.
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Stand der Technik
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Eine
Vibrationswellenantriebsvorrichtung, die eine Antriebskraft in drei
Freiheitsgraden (3D-Richtung) durch Verwendung von Vibrationswellen,
wie etwa Ultraschallwellen, erhält,
wurde vorgeschlagen. Die offengelegte
japanische Patentanmeldung Nr. 11-220891 offenbart
eine Vibrationswellenantriebsvorrichtung, die in einem langevinartigen
Vibrationsbauelement in der gleichen Ebene liegende Expansions-
und Kontraktionsvibrationen, die in einer longitudinalen Richtung
verschieben und zwei unterschiedliche Arten von aus einer Ebene
ausgegebenen Biegeschwingungen anregen kann, die in einer zu der
longitudinalen Richtung senkrechten Richtung verschieben. Wenn zumindest
zwei von diesen drei Vibrationsarten angeregt und synthetisiert werden,
kann das angetriebene Bauelement in einer beliebigen Richtung verschoben
oder gedreht werden.
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Obwohl
Vibrationswellenantriebsvorrichtungen in ihrer Größe reduziert
und in ihrer Funktionalität verbessert
werden müssen,
unterliegt die in der offengelegten
japanischen
Patentanmeldung Nr. 11-220891 offenbarte Vibrationswellenantriebsvorrichtung
Beschränkungen
hinsichtlich einer Größenverkleinerung
in der longitudinalen Richtung, weil in der gleichen Ebene liegende
Expansions- und Kontraktionsvibrationen, die in der longitudinalen
Richtung des Vibrationsbauelements verschieben, erzeugt werden müssen. Da
sich die Größe in der
longitudinalen Richtung verkleinert, erhöht sich die Frequenz von in
der gleichen Ebene liegenden Expansions- und Kontraktionsvibrationen. Aus diesem
Grund muss, um diese Frequenz auf eine praktische Frequenz zu verkleinern,
eine bestimmte Größe in der longitudinalen
Richtung sichergestellt werden.
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Eine
Vibrationswellenantriebsvorrichtung, deren Größe in der longitudinalen Richtung
reduziert wird, wird in der
US-Patentschrift
Nr. 5,917,268 offenbart. Diese Vorrichtung wird erstellt,
um eine Antriebskraft in zwei Freiheitsgraden durch ein Anregen von
zwei in der gleichen Ebene liegenden Expansions- und Kontraktionsbewegungen
und natürliche Moden
von zwei ebenenverschobenen Biegeschwingungsarten in einem planarartigen
Vibrationsbauelement zu erzeugen. Insbesondere wird das angetriebene
Bauelement durch ein Synthetisieren einer ersten in der gleichen
Ebene liegenden Expansions- und Kontraktionsbewegung und einer dritten
ebenenverschobenen Biegeschwingung in die erste Richtung verschoben
oder angetrieben. Das angetriebene Bauelement wird durch ein Synthetisieren
einer zweiten in der gleichen Ebene liegenden Expansions- und Kontraktionsbewegung
und einer vierten ebenenverschobenen Vibration in die zweite Richtung
verschoben oder angetrieben.
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Diese
Vibrationswellenantriebsvorrichtung wird jedoch erstellt, um eine
Antriebskraft in zwei Freiheitsgraden zu erzeugen, aber es gibt
keinen Vorschlag über
eine Anordnung zum Erzeugen einer Antriebskraft in drei Freiheitsgraden.
Da zwei in der gleichen Ebene liegende Expansions- und Kontraktionsbewegungen
erzeugt werden müssen,
unterliegt diese Vorrichtung zusätzlich
Beschränkungen
hinsichtlich einer Größenverkleinerung
in der longitudinalen Richtung der Platte, um die Frequenz der Vibrationen
zu unterdrücken.
Deshalb unterscheidet sich die technische Idee dieser Vorrichtung
von der der vorliegenden Erfindung, z. B. in einem Erhalten einer
Antriebskraft in drei Freiheitsgraden und einer Verkleinerung der
Größe in der
longitudinalen Richtung.
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Die
US-Patentbeschreibung Nr.
US-A-5872417 offenbart
einen eine Vielzahl von Freiheitsgraden aufweisenden Vibrationsaktor,
der eine Bewegung um mehrere Achsen ermöglicht. Der Vibrationsaktor
weist ein Vibrationsbauelement, das Antriebskraftausgabebauelemente
hat, und ein sich relativ bewegendes Bauelement auf, das eine gekrümmte Oberfläche hat.
Die gekrümmte
Oberfläche kontaktiert
das Antriebskraftausgabebauelement, um eine relative Bewegung des
sich relativ bewegenden Bauelements hinsichtlich des Vibrationsbauelements zu
erzeugen. Das Vibrationsbauelement weist ein rahmenförmiges elastisches
Bauelement auf, an dem die Antriebskraftausgabebauelemente angebracht
sind und das das elastische Bauelement kontaktierende elektromechanische
Umwandlungselemente hat. Wenn die elektromechanischen Umwandlungselemente
durch eine Antriebsspannung angeregt werden, werden in dem elastischen
Bauelement Vibrationen erzeugt, um eine Antriebskraft zu produzieren,
die zu dem relativ bewegenden Bauelement über die Antriebskraftausgabebauelemente übertragen
wird. Das Vibrationsbauelement kann gesteuert werden, um eine relative
Bewegung in verschiedenen Achsenrichtungen durch ein selektives
Steuern der elektromechanischen Umwandlungselemente zu erzeugen,
die durch eine Antriebsspannung angeregt werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird eine Vibrationsantriebsvorrichtung, wie in Anspruch
1 dargelegt, bereitgestellt.
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Diese
Vibrationswellenantriebsvorrichtung kann das angetriebene Bauelement
in einer beliebigen Richtung in drei Dimensionen durch ein selektives
Anregen von zwei der drei Arten von Biegeschwingungen antreiben.
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Da
drei Arten von Biegeschwingungen, die in dieselbe Richtung verschieben,
angeregt werden, kann das Vibrationsbauelement eine plattenartige Form
haben und kann dünn
geformt sein. Da alle durch die elektromechanischen Energieumwandlungselemente
angeregten Vibrationen Biegeschwingungen sind, kann die natürliche Vibrationsfrequenz zusätzlich gering
unterdrückt
werden, wie mit Expansions- und Kontraktionsvibrationen verglichen.
Dies macht es möglich,
die Größe der Vibrationswellenantriebsvorrichtung
zu reduzieren.
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Es
sei angemerkt, dass zwei der drei unterschiedlichen Arten von Biegeschwingungen
dasselbe Vibrationsmuster haben und in derselben Ebene um 90° phasenverschoben
sind.
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Die
elektromechanischen Energieumwandlungselemente, die in der Lage
sind, die drei Arten von Biegeschwingungen anzuregen, sind vorzugsweise
in derselben Ebene angeordnet.
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Andere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der
folgenden Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen,
in denen Referenzzeichen dieselben oder ähnliche Bereiche überall in
den Figuren davon kennzeichnen, offensichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
begleitenden Zeichnungen, die in der Beschreibung enthalten sind
und einen Teil der Beschreibung bilden, stellen Ausführungsbeispiele
der Erfindung dar und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu,
die Prinzipien der Erfindung zu erklären.
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1 ist
eine perspektivische Ansicht, die ein Vibrationsbauelement gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ist
eine schematische Ansicht, die die durch das Vibrationsbauelement
aus 1 angeregten natürlichen Vibrationsmoden zeigt;
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3 ist
eine Ansicht, die die Anordnung der piezoelektrischen Bauelemente
des Vibrationsbauelements aus 1 und einen
verbundenen Zustand zeigt;
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4A, 4B und 4C sind
Ansichten, die die Verhaltensweisen der Antriebspunkte des Vibrationsbauelements
aus 1 zeigen;
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5 ist
eine Ansicht, die eine Vibrationswellen-Antriebsvorrichtung zeigt, die das Vibrationsbauelement
aus 1 und ein sphärisch
angetriebenes Bauelement verwendet;
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6A und 6B sind
perspektivische Ansichten, die eine Vibrationswellen-Antriebsvorrichtung
zeigen, die das Vibrationsbauelement aus 1 und ein
plattenartiges angetriebenes Bauelement oder ein elliptisch angetriebenes
Bauelement verwendet;
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7A, 7B und 7C sind
Ansichten, die eine Modifikation des Vibrationsbauelements aus 1 zeigen;
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8A und 8B sind
Ansichten, die eine andere Modifikation des Vibrationsbauelements
aus 1 zeigen;
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9 ist
eine schematische Ansicht, die andere natürliche Vibrationsmoden zeigt,
die in dem Vibrationsbauelement aus 1 angeregt
werden können;
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10 ist
eine perspektivische Ansicht, die ein Vibrationsbauelement gemäß einem
anderen Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt;
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11 ist
eine schematische Ansicht, die die durch das Vibrationsbauelement
aus 10 angeregten natürlichen Vibrationsmoden zeigt;
und
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12 ist
eine Ansicht, die die Anordnung des piezoelektrischen Bauelements
des Vibrationsbauelements aus 10 und
einen verbundenen Zustand zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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1 ist
eine perspektivische Ansicht eines Vibrationsbauelements 1 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. 2 ist eine
schematische Ansicht, die die durch das Vibrationsbauelement 1 gemäß diesem
Ausführungsbeispiel
angeregten natürlichen
Vibrationsmoden zeigt. Die Pfeile in 2 zeigen
die relativen positionellen Verschiebungen der jeweiligen natürlichen
Moden.
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Das
Vibrationsbauelement 1 besteht aus einem derart geformten
Vibrationsbauelement 2, dass eine Vielzahl von Vorsprüngen auf
einer Oberfläche einer
im Wesentlichen quadratischen Platte geformt ist, die aus einem
Metall, wie etwa Phosphor-Bronze und piezoelektrischen Bauelementen 3 gemacht
ist, die an das Vibrationsbauelement 2 befestigt und fixiert
sind und als elektromechanische Energieumwandlungselemente dienen.
Die Kontaktvorsprünge PC1
bis PC4 (werden später
beschrieben) werden im Wesentlichen an vier Mittelpositionen auf
den Außenseiten
des Vibrationsbauelements 1 geformt. Die Kontaktvorsprünge PC1
bis PC4 ragen in die Z-Achsen-Richtung,
um in Kontakt mit einem angetriebenen Bauelement (nicht gezeigt)
zu kommen, um eine Antriebskraft an das angetriebene Bauelement
zu übertragen.
Diese Kontaktvorsprünge
PC1 bis PC4 haben jeweils Antriebspunkte C1 bis C4 auf ihren Endoberseiten,
die dazu dienen, eine Antriebskraft an das angetriebene Bauelement
zu übertragen. Haltbare
Bauelemente, die aus SUS oder dergleichen gemacht sind und einem
Oberflächenoxidationsprozess
unterzogen wurden, sind ganzheitlich an die Antriebspunkte C1 bis
C4 mit einem Haftmittel oder dergleichen angefügt. Die Vorsprünge PE1
bis PE4 sind im Wesentlichen an vier Eckpositionen des Vibrationsbauelements 1 geformt.
Ein Vorsprung PG ist im Wesentlichen in einem zentralen Bereich
des Vibrationsbauelements 1 geformt. Ein Druckmagnet 5 zum
Anziehen oder unter Druck setzen des angetriebenen Bauelements (nicht
gezeigt) ist in dem zentralen Bereich des Vibrationsbauelements 2 angeordnet.
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Es
sei angenommen, dass zwei Achsen, die im Wesentlichen parallel zu
der quadratischen plattenartigen Oberfläche des Vibrationsbauelements 1 und
senkrecht zueinander sind, die X- und Y-Achsen sind, und eine Achse,
die sowohl zu der X- als auch zu der Y-Achse senkrecht ist, die
Z-Achse ist. Das Vibrationsbauelement 1 ist derart geformt,
um eine liniensymmetrische Form mit Bezug auf die X-Z-Ebene und
Y-Z-Ebene als Zentrum aufzuweisen.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
sind, wie in 2 gezeigt, die Vibrationsmoden
Mode_α, Mode_βx und Mode_βy natürliche Vibrationsmoden, die
eine ebenenverschobene Deformation in der X-Y-Ebene (Vibrationsverschiebungen
in der Z-Achsen-Richtung) des Vibrationsbauelements 1 verursachen.
Mode_α,
Mode_βx
und Mode_βy,
Mode_βx und
Mode_βy,
die dasselbe Wellenformmuster aufweisen, werden als Gleiche-Grundmodenvibrationen bezeichnet.
Mode_βx
und Mode_βy
haben dasselbe Wellenformmuster und überlappen einander in der X-Y-Ebene
mit einer Phasenverschiebung von 90°.
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Mode_βx in 2 hat
drei Schwingungsbäuche
(zwei Knoten) in der Y-Achsen-Richtung und zwei Schwingungsbäuche (ein
Knoten) in der X-Achsen-Richtung. Wenn Mode_βx und Mode_βy einander mit einer Phasenverschiebung
von 90° überlappen, überlappen
die Knoten von Mode_βx
die Schwingungsbäuche
von Mode_βy
in einigen Bereichen, und die Schwingungsbäuche von Mode_βx überlappen
die Knoten von Mode_βy
in einigen Bereichen. Die Kontaktvorsprünge PC1 bis PC4 sind in diesen
Bereichen geformt.
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Es
sei angenommen, dass Antriebsströme, die
dieselbe Wellenform aufweisen, den piezoelektrischen Bauelementen 3 jeweils
der Mode_βx
und Mode_βy
entsprechend zugeführt
werden, um die Mode_βx
und Mode_βy
anzuregen. Sogar in diesem Fall werden die Vibrationsmuster durch
die Form des Vibrationsbauelements 1 beeinflusst, um in
einer Verschiebung zu resultieren, falls die Form des Vibrationsbauelements 1 selbst
nicht gleichmäßig ist.
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Das
Vibrationsbauelement 1 ist deshalb vorzugsweise derart
geformt, um liniensymmetrisch mit Bezug auf die X-Z-Ebene und Y-Z-Ebene
zu sein, die senkrecht zueinander sind, um eine Verschiebung zwischen
den jeweiligen Vibrationsmustern wegen der Form des Vibrationsbauelements 1 zu
verhindern, wenn Antriebsströme
den piezoelektrischen Bauelementen 3 zugeführt werden,
um Vibrationen desselben Musters zu erzeugen.
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In
Mode_βx
und Mode_βy
aus 2 sind die piezoelektrischen Bauelemente zum Anregen
von Vibrationen in demselben Vibrationsmuster mit einer Phasenverschiebung
von 90° angeordnet.
Falls die Form des Vibrationsbauelements 1 liniensymmetrisch
mit Bezug auf die X-Z-Ebene und Y-Z-Ebene als Zentrum ist und gleich
in der Größe in der
X-Achsen-Richtung und Y-Achsen-Richtung ist, stimmen die resultierenden
natürlichen
Vibrationsfrequenzen miteinander überein. Es sei angemerkt, dass
in diesem Ausführungsbeispiel
Mode_βx
und Mode_βy durch
die herkömmlichen
piezoelektrischen Bauelemente angeregt werden.
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Mode_α aus 2 ist ähnlich zu
Mode_βx und
Mode_βy
hinsichtlich ebenenverschobenen Vibrationen, aber unterscheidet
sich von ihnen in ihren Vibrationsmustern. In den meisten Fällen unterscheidet
sich deshalb die natürliche
Vibrationsfrequenz von Mode_α von
der von Mode_βx
und Mode_βy.
Es ist deshalb notwendig, die natürliche Vibrationsfrequenz von
Mode_α mit
der von Mode_βx
und Mode_βy
abzustimmen. Wie aus 2 offensichtlich, sind in diesem
Ausführungsbeispiel
die Wellenlängen
der ebenenverschobenen Vibrationen in Mode_βx und Mode_βy kürzer als diese in Mode_α und daher
ist die natürliche
Vibrationsfrequenz von Mode_βx
und Mode_βy
größer als
die von Mode_α. Aus
diesem Grund sind die Vorsprünge
PE1 bis PE4 im Wesentlichen an den vier Eckpositionen geformt, an
denen die Vibrationsamplitude von Mode_βx und Mode_βy relativ groß ist, um
die Masse zu erhöhen, dabei
die natürliche
Vibrationsfrequenz von Mode_βx und
Mode_βy
unterdrückt
und sie mit der natürlichen Vibrationsfrequenz
von Mode_α abstimmt.
Durch Formen dieser Vorsprünge
PE1 bis PE4 können
die Vibrationsverschiebungen der Antriebspunkte C1 bis C4 erhöht werden.
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3 zeigt
die Anordnung der piezoelektrischen Bauelemente 3-1 bis 3-8,
die auf der rückseitigen
Oberfläche
des Vibrationsbauelements 2 angeordnet sind, um die natürlichen
Vibrationsmoden Mode_α,
Mode_βx
und Mode_βy
in dem Vibrationsbauelement 1 anzuregen. In dem in 1 gezeigten Vibrationsbauelement 1 sind
die piezoelektrischen Bauelemente 3 in derselben Ebene
angeordnet, ohne sich zu überlappen.
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Hinsichtlich 3 zeigen
(+) und (–)
die Polarisationsrichtungen der jeweiligen piezoelektrischen Bauelemente 3-1 bis 3-8 an.
Die Endgeräte
A, B und C und die Leitungen, die sie mit den jeweiligen piezoelektrischen
Bauelementen 3 verbinden, zeigen schematisch Anwendungsendgeräte zum Antreiben von
Vibrationen und einen verbundenen Zustand. „G" verbunden mit dem Vibrationsbauelement 2 zeigt
ein herkömmliches
Potential an. Wenn ein alternierendes Signal dem Endgerät A zugeführt wird,
wird die Mode_α angeregt.
Wenn alternierende Signale mit entgegengesetzten Phasen den Endgeräten B und
C zugeführt
werden, wird die Mode_βx
angeregt. Wenn alternierende, in Phase liegende Signale den Endgeräten B und
C zugeführt
werden, wird die Mode_βy angeregt.
Mode_βx
und Mode_βy,
die Gleich-Grundmodenvibrationen
sind, werden auf den herkömmlichen
piezoelektrischen Bauelementen angeregt.
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4A bis 4C zeigen
Vibrationsverschiebungszustände
an den Antriebspunkten C1 bis C4.
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4A zeigt
einen Vibrationsverschiebungszustand, in dem eine Drehbewegung um
die Y-Achse (Ry in 1) oder eine Verschiebebewegung
in der X-Achsen-Richtung als eine relative Bewegung des Vibrationsbauelements 1 und
eines angetriebenen Bauelements erzeugt wird. Antriebssignale werden
derart zugeführt,
dass die Phase von Mode_βx
gegenüber
der von Mode_α als
Bezugsphase um π/2
verzögert
ist. Die Vibrationsverschiebungen an den jeweiligen Antriebspunkten
C1 bis C4 wiederholen zeitliche Änderungen
wie durch „t1 → t2 → t3 → t4 → t1" angezeigt, um eine
zirkulare oder elliptische Bewegung in der X-Y-Ebene hervorzurufen. Mit dieser zirkularen
oder elliptischen Bewegung kann eine relative Bewegung des angetriebenen Bauelements,
das mit den Antriebspunkten C1 bis C4 durch Druck in Kontakt gebracht
wird, und des Vibrationsbauelements 1 erzeugt werden. Wenn
das Vibrationsbauelement 1 in der Y-Achsen-Richtung von der
Seite des Antriebspunkts C4 in 1 betrachtet wird,
drehen alle Antriebspunkte C1 bis C4 gegen den Uhrzeigersinn, wobei
die Punkte C1 und C3 dieselbe drehende Bewegung durchmachen und
die Punkte C2 und C4 dieselbe drehende Bewegung durchmachen. Die
Drehung der Punkte C1 und C3 ist verglichen mit der Drehung der
Punkte C2 und C4 um λ/2
phasenverschoben. Die Punkte C1 und C3 und die Punkte C2 und C4
kommen alternierend mit dem angetriebenen Bauelement in Kontakt.
Wenn Antriebssignale derart zugeführt werden, dass die Phase
von Mode_βx
zeitweise gegenüber
der von Mode_α als
Bezugsphase um π/2
vorgeht, drehen die Antriebspunkte offensichtlich im Uhrzeigersinn.
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Falls
z. B. ein sphärisch
angetriebenes Bauelement 4S wie in 5 gezeigt
ausgewählt
wird und das Vibrationsbauelement 1 fixiert und unterstützt ist, dreht
das angetriebene Bauelement 4S um die Y-Achse (Ry). Falls
ein flaches plattenartiges angetriebenes Bauelement 4P wie
in 6A gezeigt ausgewählt wird und das Vibrationsbauelement 1 fixiert und
unterstützt
ist, verschiebt das angetriebene Bauelement 4P in die X-Achsen-Richtung.
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4B zeigt
einen Vibrationsverschiebungszustand, in dem eine um die X-Achse
drehende Bewegung (Rx) oder eine in die Y-Achsen-Richtung verschiebende
Bewegung als eine relative Bewegung des Vibrationsbauelements 1 und
eines angetriebenen Bauelements erzeugt wird. Antriebssignale werden
derart zugeführt,
dass die Phase von Mode_βy
gegenüber
der von Mode_α als
Bezugsphase um π/2
verzögert
ist. Wie im Fall von Mode_α und
Mode_βx
werden elliptische Bewegungen an den Antriebspunkten C1 bis C4 in
der Y-Z-Ebene erzeugt. Wenn das Vibrationsbauelement 1 in
der X-Achsen-Richtung von der Seite des Antriebspunkts C1 aus 1 betrachtet
wird, drehen alle Antriebspunkte C1 bis C4 gegen den Uhrzeigersinn,
wobei die Punkte C1 und C3 dieselbe drehende Bewegung durchmachen
und die Punkte C2 und C4 dieselbe drehende Bewegung durchmachen.
Die Drehung der Punkte C1 und C3 ist gegenüber der Drehung der Punkte
C2 und C4 um λ/2
phasenverschoben. Die Punkte C1 und C3 und die Punkte C2 und C4
kommen alternierend mit dem angetriebenen Bauelement in Kontakt.
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Falls
das sphärisch
angetriebene Bauelement 4S wie in 5 gezeigt
ausgewählt
wird und das Vibrationsbauelement 1 fixiert und unterstützt wird,
dreht das angetriebene Bauelement 4S um die X-Achse (Rx).
Falls das flache angetriebene Bauelement 4P wie in 6A gezeigt
ausgewählt
wird und das Vibrationsbauelement 1 fixiert und unterstützt wird,
verschiebt das angetriebene Bauelement 4P in die Y-Achsen-Richtung.
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4C zeigt
einen Vibrationsverschiebungszustand, in dem eine um die Z-Achse
drehende Bewegung (Rz) als eine relative Bewegung des Vibrationsbauelements 1 und
eines angetriebenen Bauelements erzeugt wird. Antriebssignale werden
derart zugeführt,
dass die Phase von Mode_βy
gegenüber
der von Mode_βx
als Bezugsphase um π/2
verzögert
ist. Die elliptischen Bewegungen werden an den Antriebspunkten C1
bis C4 in der X-Y-Ebene erzeugt. Die 4A und 4B zeigen
die Vibrationsverschiebungen an den jeweiligen Antriebspunkten in
derselben Ebene. Im Gegensatz dazu zeigt 4C die
Vibrationsverschiebungen an den Antriebspunkten C1 und C3 in der
Y-Z-Ebene und die Vibrationsverschiebungen an den Antriebspunkten C2
und C4 in der X-Z-Ebene. Wenn das Vibrationsbauelement 1 in
der X-Achsen-Richtung von der Seite des Antriebspunkts C1 aus 1 betrachtet
wird, dreht der Antriebspunkt C1 im Uhrzeigersinn. Wenn das Vibrationsbauelement 1 in
der Y-Achsen-Richtung
von der Seite des Antriebspunkts C2 betrachtet wird, dreht der Antriebspunkt
C2 im Uhrzeigersinn. Wenn das Vibrationsbauelement 1 in
der X-Achsen-Richtung
von der Seite des Antriebspunkts C3 betrachtet wird, dreht der Antriebspunkt
C3 im Uhrzeigersinn. Wenn das Vibrationsbauelement 1 in
der Y-Achsen-Richtung
von der Seite des Antriebspunkts C4 betrachtet wird, dreht der Antriebspunkt
C4 im Uhrzeigersinn. Da die drehenden Bewegungen der Antriebspunkte
C1 bis C4 um λ/4
voneinander phasenverschoben sind, kommt das angetriebene Bauelement
der Reihe nach mit den Antriebspunkten C1 bis C4 in Kontakt.
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Falls
deshalb das sphärisch
angetriebene Bauelement 4S, wie in 5 gezeigt,
ausgewählt wird
und das Vibrationsbauelement 1 fixiert und unterstützt wird,
dreht das angetriebene Bauelement 4S um die Z-Achse (Rz).
Falls das flache angetriebene Bauelement 4P wie in 6A gezeigt
ausgewählt wird
und das Vibrationsbauelement 1 fixiert und unterstützt wird,
kann eine relative Drehbewegung um die Z-Achse (Rz) zwischen dem
angetriebenen Bauelement 4P und dem Vibrationsbauelement 1 erzeugt werden.
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Obwohl
die Bewegungen in den jeweiligen Achsenrichtungen und um die jeweiligen
Achsen vorstehend getrennt voneinander beschrieben wurden, können die
Antriebskräfte
in beliebigen Richtungen durch ein Kombinieren der jeweiligen natürlichen
Vibrationsmoden erzeugt werden. Wenn ein elliptisch angetriebenes
Bauelement 4E wie in 6B gezeigt ausgewählt wird
und das Vibrationsbauelement 1 fixiert und unterstützt wird,
können
die Antriebskräfte in
dem angetriebenen Bauelement derart erzeugt werden, um es um die
X-Achse (Rx) und Y-Achse (Ry)
zu drehen oder eine Kombination dieser Kräfte kann erzeugt werden, um
es in einer beliebigen Richtung zu bewegen. Falls ein angetriebenes
Bauelement verwendet wird, dass eine gekrümmte Oberfläche aufweist, kann das Bauelement
um eine beliebige Achse angetrieben werden.
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Das
sphärisch
angetriebene Bauelement 4S aus 5 ist eine
CCD-Kamera. D. h., 5 zeigt ein Beispiel, wie die
Vibrationswellen-Antriebsvorrichtung gemäß diesem Ausführungsbeispiel
auf einen Positionierungsmechanismus für die CCD-Kamera angewendet
wird. Eine CCD-Kamera E ist in dem sphärisch angetriebenen Bauelement 4S einbezogen.
Die CCD-Kamera E kann in einer beliebigen Richtung durch die Antriebskraft,
die durch das Vibrationsbauelement 1 erzeugt wird, angeordnet
werden.
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Die 7A bis 7C zeigen
eine andere Anordnung eines Vibrationsbauelements 11 gemäß diesem
Ausführungsbeispiel. 7A ist
eine Draufsicht. 7B ist eine Schnittansicht,
die entlang einer Linie 7B-7B in 7A gemacht
wird. 7C ist eine Schnittansicht,
die entlang einer Linie 7C-7C in 7A gemacht
wird.
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Ein
Vibrationsbauelement 12 als ein Teil des Vibrationsbauelements 11 wird
durch Drücken
unter Verwendung eines auf Eisen basierenden Plattenbauelements
geformt. Das Vibrationsbauelement 11 ist aus dem Vibrationsbauelement 12 und
piezoelektrischen Bauelementen 13 wie im Falle des Vibrationsbauelements 1 aus 1 zusammengesetzt. Die
Formen der in dem Vibrationsbauelement 11 angeregten natürlichen
Vibrationsmoden sind auch dieselben wie die in 2.
Die Kontaktvorsprünge
PC11 bis PC14 haben Antriebspunkte C11 bis C14 an ihren Distalenden.
Die Kontaktvorsprünge
PC11 bis PC14 ragen in die Z-Achsen-Richtung und ragen auch aus der
X-Y-Ebene. Diese Anordnung macht es möglich, die Verschiebungen der
Antriebspunkte C11 bis C14 zu verbessern. In ähnlicher Weise ragen die Vorsprünge PE11
bis PE14 in die Z-Achsen-Richtung und ragen auch aus der X-Y-Ebene
und dienen dazu, die Masse im Wesentlichen an vier Eckpositionen
zu erhöhen,
an denen die Vibrationsamplituden von Mode_βx und Mode_βy relativ groß sind,
wobei dadurch die natürlichen
Vibrationsfrequenzen von Mode_α,
Mode_βx
und Mode_βy
untereinander abgestimmt werden.
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Die
Form des Vibrationsbauelements 1 ist nicht auf dieses begrenzt.
Da andere Formen die Effekte der vorliegenden Erfindung erhalten,
können
z. B. die Formen der in den 8A und 8B gezeigten
Vibrationsbauelemente 21 und 31 verwendet werden.
Die durch das Vibrationsbauelement 21 angeregten natürlichen
Vibrationsmoden sind nicht auf die vorstehenden Moden begrenzt.
Z. B. kann dieselbe Antriebsoperation wie die vorstehend beschriebene
durch ein Verwenden der in 9 gezeigten
natürlichen
Vibrationsmoden durchgeführt
werden.
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10 ist
eine perspektivische Ansicht, die ein Vibrationsbauelement 41 gemäß einem
weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung zeigt. 11 ist
eine schematische Ansicht, die die durch das Vibrationsbauelement 41 angeregten
natürlichen Vibrationsmoden
zeigt. Die Pfeile in 11 zeigen die relativen Verschiebungen
der jeweiligen natürlichen
Vibrationsmoden an.
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Dieses
Vibrationsbauelement unterscheidet sich von dem einen in 1 gezeigten
dadurch, dass die Kontaktvorsprünge
PC41 bis PC44 im Wesentlichen an vier Eckpositionen des Vibrationsbauelements 41 geformt
werden und die Vorsprünge
PE41 bis PE44 im Wesentlichen an den Mittelpositionen an den Außenseiten
des Vibrationsbauelements 41 geformt werden. In diesem
Ausführungsbeispiel
ist das Vibrationsbauelement in eine Form geformt, die diese natürlichen
Vibrationsmoden effizient anregen kann, weil natürliche Vibrationsmoden erzeugt
werden, die Vibrationen mit den in 11 gezeigten Mustern
aufweisen. Insbesondere ist das Vibrationsbauelement 41 derart
geformt, um liniensymmetrisch in Bezug auf die X-Z-Ebene und Y-Z-Ebene als Zentrum
zu sein. Um die natürliche
Frequenz von Mode_βx
und Mode_βy
zu unterdrücken,
um sie mit der natürlichen
Frequenz von Mode_α abzustimmen, sind
die Vorsprünge
PE41 bis PE44 im Wesentlichen an den vier Mittelpositionen auf den
Außenseiten
geformt, an denen die Vibrationsamplitude von Mode_βx und Mode_βy relativ
groß ist,
um die Masse zu erhöhen.
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12 zeigt
die Anordnung der piezoelektrischen Bauelemente 43-1 bis 43-8,
die auf der Rückoberfläche eines
Vibrationsbauelements 42 angeordnet sind, um die natürlichen
Vibrationsmoden Mode_α,
Mode_βx
und Mode_βy
in dem Vibrationsbauelement 41 anzuregen.
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Hinsichtlich 12 zeigen
(+) und (–)
die Polarisationsrichtungen der jeweiligen piezoelektrischen Bauelemente 43 an.
Die Endgeräte
A, B und C und die sie verbindenden Leitungen und die jeweiligen
piezoelektrischen Bauelemente 43 zeigen schematisch Anwendungsendgeräte zum Antreiben
von Vibrationen und einen Verbindungszustand. „G" verbunden mit dem Vibrationsbauelement 42 zeigt
ein herkömmliches
Potential an. Wenn ein alternierendes Signal dem Endgerät A zugeführt wird,
wird eine Vibration, die die Mode_α aufweist, angeregt. Wenn alternierende
Signale mit entgegengesetzten Phasen den Endgeräten B und C zugeführt werden,
wird eine Vibration, die die Mode_βx aufweist, angeregt. Wenn alternierende
Signale in Phase den Endgeräten
B und C zugeführt
werden, wird eine Vibration, die die Mode_βy aufweist, angeregt. In diesem
Ausführungsbeispiel
werden auch Mode_βx
und Mode_βy, die
Gleich-Grundmodenvibrationen sind, durch die herkömmlichen
piezoelektrischen Bauelemente angeregt. Andere Anordnungen sind
dieselben, wie diese des Vibrationsbauelements aus 1.
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Das
in 10 gezeigte Vibrationsbauelement unterscheidet
sich von dem einen in 1 gezeigten nur in den Vibrationsmustern
der natürlichen Vibrationsmoden,
aber basiert auf demselben Antriebsprinzip.
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Wenn
Antriebssignale derart zugeführt
werden, dass die Phase von Mode_βx
gegenüber
der von Mode_α als
Bezugsphase um π/2
verzögert
ist, wird eine Drehbewegung um die Y-Achse (Ry) oder eine Verschiebebewegung
in der X-Achsen-Richtung als eine relative Bewegung des Vibrationsbauelements 1 und
eines angetriebenen Bauelements erzeugt. Wenn Antriebssignale derart
zugeführt
werden, dass die Phase von Mode_βy
gegenüber
der von Mode_α als
Bezugsphase um π/2
verzögert
ist, wird eine Drehung um die X-Achse (Rx) oder eine Verschiebebewegung
in der Y-Achsen-Richtung als eine relative Bewegung des Vibrationsbauelements 1 und
eines angetriebenen Bauelements erzeugt. Wenn Antriebssignale derart
zugeführt
werden, dass die Phase von Mode_βy
gegenüber
der von Mode_βx
als Bezugsphase um π/2
verzögert
ist, wird eine Drehbewegung um die Z-Achse (Rz) als eine relative
Bewegung des Vibrationsbauelements 1 und eines angetriebenen
Bauelements erzeugt.