DE60223309T2 - Vibrationswellen-Antriebsvorrichtung - Google Patents

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Yuuji Shimomaruko Ohta-ku Ohno
Kenjiro Ohta-ku Takemura
Takashi Ohta-ku Maeno
Nobuyuki Ohta-ku Kojima
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H02N2/0005Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing non-specific motion; Details common to machines covered by H02N2/02 - H02N2/16
    • H02N2/001Driving devices, e.g. vibrators
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Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vibrationswellenantriebsvorrichtung, die eine Antriebskraft von Vibrationswellen, wie etwa Ultraschallwellen, erhält.
  • Stand der Technik
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Vibrationsantriebsvorrichtung, wie in Anspruch 1 dargelegt, bereitgestellt.
  • 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.
  • 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.
  • Es sei angemerkt, dass zwei der drei unterschiedlichen Arten von Biegeschwingungen dasselbe Vibrationsmuster haben und in derselben Ebene um 90° phasenverschoben sind.
  • Die elektromechanischen Energieumwandlungselemente, die in der Lage sind, die drei Arten von Biegeschwingungen anzuregen, sind vorzugsweise in derselben Ebene angeordnet.
  • 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.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 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.
  • 1 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Vibrationsbauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 2 ist eine schematische Ansicht, die die durch das Vibrationsbauelement aus 1 angeregten natürlichen Vibrationsmoden zeigt;
  • 3 ist eine Ansicht, die die Anordnung der piezoelektrischen Bauelemente des Vibrationsbauelements aus 1 und einen verbundenen Zustand zeigt;
  • 4A, 4B und 4C sind Ansichten, die die Verhaltensweisen der Antriebspunkte des Vibrationsbauelements aus 1 zeigen;
  • 5 ist eine Ansicht, die eine Vibrationswellen-Antriebsvorrichtung zeigt, die das Vibrationsbauelement aus 1 und ein sphärisch angetriebenes Bauelement verwendet;
  • 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;
  • 7A, 7B und 7C sind Ansichten, die eine Modifikation des Vibrationsbauelements aus 1 zeigen;
  • 8A und 8B sind Ansichten, die eine andere Modifikation des Vibrationsbauelements aus 1 zeigen;
  • 9 ist eine schematische Ansicht, die andere natürliche Vibrationsmoden zeigt, die in dem Vibrationsbauelement aus 1 angeregt werden können;
  • 10 ist eine perspektivische Ansicht, die ein Vibrationsbauelement gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
  • 11 ist eine schematische Ansicht, die die durch das Vibrationsbauelement aus 10 angeregten natürlichen Vibrationsmoden zeigt; und
  • 12 ist eine Ansicht, die die Anordnung des piezoelektrischen Bauelements des Vibrationsbauelements aus 10 und einen verbundenen Zustand zeigt.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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°.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 4A bis 4C zeigen Vibrationsverschiebungszustände an den Antriebspunkten C1 bis C4.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (12)

  1. Vibrationswellenvorrichtung mit einem elektromechanische Energieumwandlungselemente (3) aufweisenden Vibrationsbauelement (2), und einem angetriebenen Bauelement, das beim Betrieb mit dem Vibrationsbauelement in Kontakt gebracht wird, um durch in dem Vibrationsbauelement angeregte Vibrationen angetrieben zu werden, wobei die Form des Vibrationsbauelements liniensymmetrisch hinsichtlich zweier orthogonaler Ebenen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die elektromechanischen Energieumwandlungselemente zum Antreiben des angetriebenen Bauelements solchermaßen angepasst sind, um drei unterschiedliche Arten von Biegeschwingungen in dem Vibrationsbauelement anzuregen, wobei die Biegeschwingungen Verschiebung in der Richtung einer den beiden Ebenen gemeinsamen Achse bewirken, und um zwei oder alle drei der unterschiedlichen Arten von Biegeschwingungen gleichzeitig anzuregen, um das angetriebene Bauelement anzutreiben.
  2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei die elektromechanischen Energieumwandlungselemente in derselben Ebene angeordnet sind.
  3. Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Energieumwandlungselemente angepasst sind, um zwei der drei Arten von Biegeschwingungen so zu erzeugen, dass sie dasselbe Vibrationsmuster haben und in derselben Ebene um 90° zueinander phasenverschoben sind.
  4. Vorrichtung gemäß Anspruch 3, wobei die Energieumwandlungselemente angepasst sind, um eine der zwei Arten von Biegeschwingungen mit einem Knoten zu erzeugen, an dem ein Schwingungsbauch der anderen von den zwei Biegeschwingungen angeordnet ist.
  5. Vorrichtung gemäß Anspruch 3 oder 4, wobei die Energieumwandlungselemente angepasst sind, um die zwei Arten von Biegeschwingungen so zu erzeugen, dass sie sich in einem Vibrationsmuster von der übrigen Art von Biegeschwingungen unterscheiden.
  6. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die zwei Arten von Biegeschwingungen durch dieselben elektromechanischen Energieumwandlungselemente angeregt werden.
  7. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die drei Arten von Biegeschwingungen dieselbe natürliche Vibrationsfrequenz haben.
  8. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Masse des Vibrationsbauelements an einer Position größer ist, die einem Schwingungsbauch von einer der drei unterschiedlichen Arten von Biegeschwingungen entspricht, die eine kurze Wellenlänge hat.
  9. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, in Kombination mit einem eine gekrümmte Oberfläche aufweisenden angetriebenen Bauelement, das angepasst ist, um beim Betrieb mit Antriebsbereichen des Vibrationsbauelements in Kontakt zu kommen.
  10. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Vibrationsbauelement eine quadratische Außenform hat.
  11. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei das Vibrationsbauelement Vorsprünge hat, die im Wesentlichen in Mittelbereichen an den jeweiligen Seiten der quadratischen Außenform angeordnet sind.
  12. Vorrichtung gemäß Anspruch 10, wobei das Vibrationsbauelement Vorsprünge hat, die in Eckbereichen der quadratischen Außenform angeordnet sind.
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