DE60209266T2

DE60209266T2 - Vibrationselement und Vibrationswellenantrieb

Info

Publication number: DE60209266T2
Application number: DE60209266T
Authority: DE
Inventors: Takayuki C/O Canon Kabushiki Kaisha Tsukimoto; Yutaka C/O Canon Kabushiki Kaisha Maruyama; Kiyoshi c/o Canon Kabushiki Kaisha Nitto
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2001-01-22
Filing date: 2002-01-21
Publication date: 2006-11-23
Anticipated expiration: 2022-01-22
Also published as: KR100523109B1; US20020101134A1; KR20020062592A; EP1225681B1; EP1531500A3; EP1225681A3; CN1367047A; US20050040732A1; CN1186825C; US20050212385A1; US6930436B2; US7215063B2; EP1531500B1; DE60209266D1; US6989624B2; EP1225681A2; EP1531500A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf ein Schwingungswellenantriebsgerät und genauer gesagt auf einen Aufbau eines Schwingungselements, das in einem stangenförmigen Schwingungswellenantriebs-gerät verwendet wird.
STAND DER TECHNIK
Ein stangenförmiges Schwingungswellenantriebsgerät hat, als eine grundlegende Struktur, ein Schwingungselement, das aus elastischen Elementen, die aus Metall oder dergleichen gemacht sind, und einem piezoelektrischem Element als ein elektromechanisches Energieumwandlungselement besteht. Das stangenförmige Schwingungswellenantriebsgerät erzeugt eine antreibende Schwingung, wie eine sich ausbreitende Welle oder dergleichen, durch Anwendung einer Wechselspannung als ein wechselndes Signal mit verschiedenen Phasen auf das piezoelektrische Element.
Ein Kontaktelement ist mit einem antreibenden Teil des elastischen Elements durch eine unter Druck setzende Einrichtung in Druckkontakt gebracht, und das Kontaktelement wird durch Reibung durch die antreibende Schwingung angetrieben, die in dem antreibenden Teil des elastischen Elements erzeugt wird, um zu ermöglichen, dass das Schwingungselement und das Kontaktelement relativ zueinander bewegt werden.
Als ein Beispiel von solch einem Schwingungswellenantriebsgerät gibt es einen Schwingungswellenmotor, in dem ein Schwingungselement als ein Stator und ein Kontaktelement als ein Rotor verwendet wird.
Beispiele des Schwingungselements und des Schwingungswellenmotors beinhalten solche, die einen Aufbau haben, in dem eine ringförmige, piezoelektrische Elementplatte an einer Fläche eines ringförmigen oder scheibenförmigen elastischen Elements befestigt ist, und solche der Art, in denen die Rotation des Rotors durch eine Ausgabewelle ausgegeben wird, oder der Art, in denen die Rotation des Rotors direkt ausgegeben wird.
Solch ein Schwingungswellenmotor wurde auf Produkte angewendet, die für das Antreiben einer Kameralinse und der gleichen verwendet werden. Es gibt kreisförmige Typen und stangenförmige Typen von Schwingungswellenmotoren.
11A ist eine strukturelle Ansicht von einem stangenförmigen Schwingungselement eines stangenförmigen Schwingungswellenmotors, der für ein Antreiben einer Kameralinse verwendet wird. 11B zeigt eine Schwingungsform (wobei die z-Achse der Axialrichtung zugeordnet und die r-Achse der Radialrichtung zugeordnet ist) in einem Achsenteil des stangenförmigen Schwingungselements.
Bezugszeichen 101 bezeichnet ein erstes elastisches Element; Bezugszeichen 102 ein zweites elastisches Element; und Bezugszeichen 103 ein piezoelektrisches Element. Bezugszeichen 106 bezeichnet ein Wellenelement, das durch das erste elastische Element 101, das piezoelektrische Element 103 und das zweite elastische Element 102 hindurchgeht. Ein Ende des Wellenelements 106, das an der Seite eines Rotors 108 gelegen ist, ist an einem Passelement 107 befestigt, um an einem Produkt befestigt zu werden, und das andere Ende ist an einer Mutter 115 befestigt. Ein Gewindeabschnitt ist in dem anderen Ende des Wellenelements 106 ausgebildet. Wenn die Mutter 115 festgezogen wird, werden das erste elastische Element 101, das piezoelektrische Element 103 und das zweite elastische Element 102, die zwischen einem Flanschabschnitt angeordnet sind, der für das Wellenelement 106 und die Mutter 115 vorgesehen ist, sandwichartig zwischen diesen angeordnet und zwischen diesen fixiert. Bezugszeichen 108 bezeichnet den Rotor wie vorstehend beschrieben, und Bezugszeichen 116 bezeichnet ein Reibungselement, das an dem ersten elastischen Element 101 befestigt ist, um in Kontakt mit dem Rotor zu sein.
Wenn ein antreibendes Signal auf das piezoelektrische Element 103 aufgebracht wird, wird eine Biegeschwingung, wie in 11B gezeigt ist, in dem stangenförmigen Schwingungselement hervorgerufen und dadurch macht das stangeförmige Schwingungselement eine Schwingungsbewegung im Wesentlichen um die z-Achse. Demzufolge macht das Reibungselement 116 eine Kreisbewegung um die z-Achse.
Es scheint, dass das Schwingungselement von solch einem stangenförmigen Schwingungswellenantriebsgerät in seiner radialen Richtung in der Größe reduziert wurde, aber es gibt immer noch Raum für eine Reduzierung der Größe in seiner Druckrichtung, das heißt in der Länge seiner Achse.
Wenn das Schwingungselement jedoch einfach verkürzt wird, gibt es die Probleme, dass sich die Resonanzfrequenz erhöht und dass die Schwingungsverschiebung verringert wird, was zu der Verschlechterung der Wirksamkeit des Reibungsantriebs führt, der Erhöhung des Preises eines Treiberkreiselements aufgrund der hohen Frequenz oder der Erhöhung des Verlusts im Inneren des Elements.
Daher offenbart die japanische Patentanmeldung Offenlegungsschrift Nr. 4-91668 ein Schwingungswellenabtriebsgerät, in dem ein Schwingungselement einem kleineren Durchmesserabschnitt vorgesehen ist mit, um die Resonanzfrequenz zu verringern. Gemäß diesem Vorschlag werden jedoch, wenn das Schwingungselement einfach dünner gemacht wird, um die Resonanzfrequenz zu verringern, die Durchmesser eines piezoelektrischen Elements und einer Reibungsfläche auch verringert, und dadurch wird eine erzeugende Kraft des piezoelektrischen Elements und das Reibungsmoment auch verringert.
Als eine Technik für ein Verkürzen der Achse eines stangenförmigen Schwingungswellenantriebsgeräts, zum Lösen solcher Schwierigkeiten, gibt es ein Schwingungswellenantriebsgerät, das in der japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 2001-145376 offenbart ist, das in 12 gezeigt ist.
Ein Schwingungsgerät in diesem Dokument ist identisch zu einem herkömmlichen Produkt dadurch, dass ein piezoelektrisches Element 203 sandwichartig zwischen einem ersten elastischen Element 201 und einem zweiten elastischen Element 202 gelegen und fixiert ist. Jedoch ist das Gerät verschieden von dem herkömmlichen Produkt dadurch, dass das erste elastische Element 201 mit einer Reibungsfläche in zwei Bereiche unterteilt ist, die einen Innenumfangsabschnitt und einen Außenumfangsabschnitt umfassen, die miteinander durch einen dünnen Verbindungsteil 210 verbunden sind.
Gemäß diesem Aufbau, sogar wenn die Achse des stangenförmigen elastischen Elements verkürzt wird, kann eine niedrige Resonanzfrequenz erhalten werden, da das erste elastische Element eine ausreichend hohe Masse hat.
Gemäß dieser Technik wird jedoch, wenn der Verbindungsteil 210 dünner gemacht wird, um zu ermöglichen, dass die Resonanzfrequenz verringert wird, und dadurch seine Steifigkeit verschlechtert wird, die Verschiebung, die in dem piezoelektrischen Element erzeugt wird, durch eine elastische bzw. weiche Feder des Verbindungsteils 210 absorbiert. Demzufolge ist es schwierig die antreibenden Kraft effizient auf einen Rotor zu übertragen. Wenn der Verbindungsteil 210 dick gemacht wird, kann andererseits die Resonanzfrequenz nicht wirksam verringert werden. Somit scheint es, dass es noch immer Raum für weitere Verbesserungen gibt.
Dokument US-A 6018213 offenbart einen Schwingungswellenantrieb mit drei axial aufgestapelten elastischen Elementen. Der Rotor berührt die Reibungsfläche des oberen elastischen Elements. Der Antrieb wird bei seiner Resonanzfrequenz und bei Schwingungen höherer Ordnung betrieben.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung sieht ein Schwingungswellenantriebsgerät gemäß Anspruch 1 vor. Gemäß diesem Aufbau kann die Länge in der Axialrichtung des Schwingungswellenantriebsgeräts verringert werden und der interne Verlust von Schwingungsenergie kann unterdrückt werden, um klein zu sein.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A ist eine Querschnittsansicht eines Schwingungswellenmotors, die eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und 1B und 1C zeigen jeweils eine Schwingungsform von seinem Schwingungselement;
2A ist eine Querschnittsansicht eines Schwingungselements, die eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und 2B und 2C zeigen jeweils eine Schwingungsform des Schwingungselements;
3 ist eine Querschnittsansicht eines Schwingungselements gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine Querschnittsansicht eines Schwingungswellenmotors gemäß einer vierten Ausführungsform des vorliegenden Erfindung;
5 ist eine Querschnittsansicht eines Schwingungselements eines Schwingungswellenmotors gemäß einer fünften Ausführungsform des vorliegenden Erfindung;
6 ist eine Draufsicht eines flanschförmigen elastischen Elements, das in 5 dargestellt ist;
7 ist eine Querschnittsansicht eines Schwingungselements eines Schwingungswellenmotors gemäß einer sechsten Ausführungsform des vorliegenden Erfindung;
8 ist eine Querschnittsansicht eines Schwingungselements eines Schwingungswellenmotors, das für ein Erklären der "Verwindung" dargestellt ist;
9 ist ein Graph der Kurven zeigt, die Verwindungen des Schwingungselements anzeigen, das in 8 gezeigt ist;
10 ist eine Querschnittsansicht eines Schwingungswellenmotors gemäß einer siebten Ausführungsform des vorliegenden Erfindung;
11A ist eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen Schwingungswellenmotors und 11B zeigt eine Schwingungsform von seinem Schwingungselement;
12 ist eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen Schwingungswellenmotors; und
13 ist eine Zeichnung, die ein Schwingungselement zeigt, dessen oberer und unterer Abschnitt im Wesentlichen symmetrisch zueinander sind bezüglich einem flanschförmigen elastischen Element, das zwischen ihnen angeordnet ist.
DETAILIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Erste Ausführungsform
Das Problem der Erfindung, das in der Japanischen Patentanmeldung Offenlegungsschrift Nr. 2001-145376 beschrieben ist, wird verursacht, weil das Massenelement, das an einem Ende einer elastischen Feder (Verbindungsteil 210) befestigt ist, als eine Reibungsfläche dient. Daher ist es vorstellbar, dass dieses Problem durch eine Trennung von einem funktionalen Element für ein Absenken der Resonanzfrequenz und einem funktionalen Element für ein Ausgeben der Antriebskraft voneinander gelöst werden kann.
1A bis 1C zeigen eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 1A ist Querschnittsansicht eines Schwingungswellenmotors und 1B und 1C zeigen Biegeschwingungsformen von seinem Schwingungselement.
Bezugszeichen 1 bezeichnet ein erstes elastisches Element mit einer hohlen, zylindrischen Form, das aus einem Material mit einem niedrigen Schwingungsdämpfungsverlust gemacht ist, wie Messing. Bezugszeichen 2 bezeichnet ein zweites elastisches Element mit einer zylindrischen Form, das auch aus einem Material mit einem niedrigen Schwingungsdämpfungsverlust gemacht ist, wie in dem Fall des ersten elastischen Elements 1. Bezugszeichen 5 bezeichnet ein flanschförmiges (scheibenförmiges) elastisches Element, das sich in die Richtung senkrecht zu er Axialrichtung des Schwingungselements erstreckt. Das erste elastische Element 1, das zweite elastische Element 2 und das flanschförmige elastische Element 5 werden zusammen durch eine Welle 6 befestigt, die Gewindeabschnitte 6a und 6b hat. Dieses flanschförmige elastische Element 5, das aus einem Material mit einer hohen Abriebsfestigkeit ausgebildet ist, ist in Kontakt mit einem Rotor 8 durch einen Abschnitt in der Umgebung von seinem Außenumfang seiner einen Fläche, und dreht sich und treibt den Rotor 8 an. Wie es offensichtlich von 1A ist, ist eine Reibungsfläche des flanschförmigen elastischen Elements 5, die mit dem Rotor 8 in Kontakt ist, an der Außenseite bezüglich den Außenumfängen des ersten elastischen Elements 1 und des piezoelektrischen Elements 3 gelegen, die benachbart sind zu dem flanschförmigen elastischen Element 5. Die Welle 6 ist an einem Massenelement 7 befestigt, um an einer nichtdargestellten Vorrichtung befestigt zu werden, durch ihren einen Endabschnitt und funktioniert als ein Stützstift für ein Abstützen des Schwingungselements. Der Abschnitt der Welle, der nicht im Inneren des zweiten elastischen Elements 2, des piezoelektrischen Elements 3 und des flanschförmigen elastischen Elements 5 gelegen ist, ist ausgebildet um ausreichend dünn zu sein. Somit ist die Welle 6 aufgebaut, um die Schwingungen zu absorbieren, die durch das Schwingungselement erzeugt werden, um eine Übertragung der Schwingungen auf eine Vorrichtung, die angetrieben werden soll, oder der gleichen zu verhindern.
Bezugszeichen 8 bezeichnet den Rotor, der vorstehend beschrieben ist. Der Rotor 8 wird einer Druckkraft unterzogen, die durch eine Spiralfeder 4 produziert wird, und ist dadurch in Druckkontakt mit der Umgebung des Außenumfangsabschnitts des flanschförmigen elastischen Elements 5. Dieser Rotor 8 kann an dem Außenumfang des elastischen Elements 1 angeordnet sein, und ist deshalb vorteilhaft für ein Verringern der Wellenlänge und der Größe des Motors. Bezugszeichen 9 bezeichnet ein Ausgabezahnrad, dass sich zusammen mit dem Rotor dreht und eine Ausgabe zu der Vorrichtung überträgt, die angetrieben werden soll, und Bezugszeichen 10 bezeichnet ein Kugellager für ein Abstützen des Ausgabezahnrads.
Der Einfachheit halber wird in der Beschreibung der ersten Ausführungsform und der zweiten bis zehnten Ausführungsformen, die später beschrieben werden, die Seite, an der der Rotor und das erste elastische Element gelegen sind, und die Seite, an der das zweite elastische Element gelegen ist, in der Axialrichtung des Schwingungselements als eine "obere Seite" bzw. eine "untere Seite" bezeichnet, wobei das flanschförmige elastische Element als eine Grenze zwischen diesen genommen wird.
In der vorliegenden Ausführungsform, mit dem flanschförmigen elastischen Element 5 als eine Grenze zwischen der oberen und der untern Seite, hat das erste elastische Element 1, das an der oberen Seite gelegen ist, einen kleineren Durchmesser, und das piezoelektrische Element 3 und das zweite elastische Element 2, die an der unteren Seite gelegen sind, haben größere Durchmesser. Somit ist das Schwingungselement so aufgebaut, dass mit dem flanschförmigen elastischen Element als eine Grenze zwischen der oberen und der unteren Seite, die Steifigkeit gegen Schwingung von einem Abschnitt (einem unteren Abschnitt) des Schwingungselements, der mit dem zweiten elastischen Element 2 versehen ist, das an der unteren Seite angeordnet ist, höher ist als die eines Abschnitts (ein oberer Abschnitt) des Schwingungselements, der mit dem ersten elastischen Element 1 versehen ist, das an der oberen Seite gelegen ist, und dadurch sind der obere und untere Abschnitt, die mit dem flanschförmigen elastischen Element 5 als eine Grenze zwischen sich angeordnet sind, beträchtlich verschieden voneinander in einer dynamischen Steifigkeit.
Wie vorstehend beschrieben ist, wenn das Schwingungselement ausgebildet ist, um asymmetrisch bezüglich dem flanschförmigen elastischen Element 5 mit dem oberen und unteren Abschnitt zu sein, die in der Axialrichtung angeordnet sind, durch Vorsehen von einander unterschiedlichen Außendurchmessern, können zwei Arten von ersten Biegeschwingungsformen erhalten werden, zum Beispiel an einer Ebene, die parallel zu der Papierfläche ist, wie in den Schwingungsformdiagrammen angezeigt ist (die eine Verteilung von radialen Verschiebungen in dem Achsenteil zeigen), die in 1B und 1C gezeigt sind. Speziell mit dem flanschförmigen elastischen Element 5, das zwischen dem oberen und unteren Abschnitt des Schwingungselements angeordnet ist, wird der untere Abschnitt in beträchtlich großer Weise verschoben in dem Fall der Schwingungsform, die in 1B gezeigt ist, während der obere Abschnitt in beträchtlich großer Weise verschoben wird in dem Fall der Schwingungsform, die in 1C gezeigt ist. In anderen Worten gesagt ist, sogar wenn die Biegeschwingungen in der gleichen Verschiebungsrichtung erzeugt werden, es möglich, zwei Schwingungsformen zu erzeugen, die völlig unterschiedlich sind im relativen Verhältnis zwischen Verschiebungen der jeweiligen Enden des Schwingungselements.
Der Wert der Eigenfrequenz der Schwingungsform, die in 1C gezeigt ist, ist kleiner als der der Schwingungsform, die in 1B gezeigt ist, und die Eigenfrequenzen der Schwingungsformen, die in 1B und 1C gezeigt sind, unterscheiden sich beträchtlich voneinander. Dies ist so, weil die Schwingungsform, die in 1B gezeigt ist, hauptsächlich für das zweite elastische Element 2 eingestellt ist, das einen größeren Außendurchmesser hat, während die Schwingungsform, die in 1C gezeigt ist, hauptsächlich für das erste elastische Element 1 eingestellt ist, das einen kleineren Außendurchmesser hat.
Die Erhöhung des Außendurchmessers des zweiten elastischen Elements 2 ermöglicht das eine ausreichend hohe Masse sichergestellt wird, sogar wenn das zweite elastische Element 2 in der Axialrichtung wird. In anderen Worten gesagt, ermöglicht die Erhöhung des Außendurchmessers des zweiten elastischen Elements 2, dass das zweite elastische Element 2 in der Axialrichtung verkürzt werden kann, und dadurch kann ein Schwingungselement mit einer niedrigen Eigenfrequenz aufgebaut werden.
Wie von 1B gesehen werden kann, wenn der obere und der untere Abschnitt, die in der Axialrichtung mit dem flanschförmigen elastischen Element zwischen sich angeordnet sind, beträchtlich verschieden in der dynamischen Steifigkeit voneinander gemacht sind, ist die Verschiebung, die durch Biegeschwingungen verursacht wird, die in der Umgebung des flanschförmigen elastischen Elements 5 erzeugt werden, gering. Wenn das piezoelektrische Element 3 in der Umgebung des flanschförmigen elastischen Elements angeordnet ist, kann deshalb die Verwindung des piezoelektrischen Elements 3 auf ein niedriges Maß unterdrückt werden, und somit kann ein stangenförmiges Schwingungselement vorgesehen werden, das einen geringen internen Verlust hat und einen hohen Wirkungsgrad hat.
Das stangenförmige Schwingungselement, das zum Beispiel in 11A oder 12 gezeigt ist, das nicht mit dem flanschförmigen elastischen Element 5 versehen ist, das einen größeren Außendurchmesser hat als diejenigen Elemente, die an ihm benachbart gelegen sind, produziert keine zwei verschiedenen Biegeschwingungsformen. Des Weiteren, wie in 13 gezeigt ist, sogar mit dem Aufbau, der das flanschförmige elastische Element 305 hat, wenn ein Abschnitt, der an der oberen Seite gelegen ist, der ein erstes elastisches Element 301 hat, und ein Abschnitt ausgebildet sind, der an der unteren Seite gelegen ist, der ein zweites elastisches Element 302 und ein piezoelektrisches Element 303 hat, die mit dem flanschförmigen elastischen Element 305 zwischen sich liegend angeordnet sind, um identisch oder gleich in der Form zueinander zu sein, ist es nicht möglich zwei Schwingungsformen zu erzeugen, die völlig unterschiedlich im relativen Verhältnis zwischen Verschiebungen der jeweiligen Enden des Schwingungselements sind.
Das stangeförmige Schwingungselement, das in 13 gezeigt ist, kann den selben Effekt vorsehen, wie der, der durch das stangeförmige Schwingungselement erhalten wird, das in 1A gezeigt ist, in dem Punkt, dass ein Rotor 308 an dem Außenumfang des elastischen Elements 301 angeordnet werden kann. Das stangenförmige Schwingungselement, das in 13 gezeigt ist, erzeugt jedoch lediglich nur eine Biegeschwingungsform oder zwei Biegeschwingungsformen, die sich bezüglich einander wenig unterscheiden, und produziert somit eine Biegeschwingungsform, die eine starke Änderung der Verschiebung der Umgebung des piezoelektrischen Elements 303 und des flanschförmigen elastischen Elements 305 hervorruft. Als eine Folge wird eine übermäßige Verwindung in dem piezoelektrischen Element 303 hervorgerufen, und dadurch kann der interne Verlust in dem piezoelektrischen Element 303 nicht unterdrückt werden. Somit ergibt sich ein Schwingungselement mit einem hohen Wirkungsgrad.
In dem Fall des Schwingungselements gemäß der vorliegenden Ausführungsform, das in 1A gezeigt ist, ist andererseits die Größe des Schwingungsantriebsgeräts mit dem Rotor 8 verringert, der um das erste elastische Element 1 herum angeordnet ist, und ein Schwingungselement kann vorgesehen werden, das eine hohe Antriebseffizienz hat und ein Energieverlust im Inneren von ihm wird unterdrückt, um klein zu sein.
Wenn das hervorstehende, flanschförmige elastische Element 5 aus einem Metall ausgebildet ist, sogar in dem Fall, wo eine Verwindung sich an dem vorstehenden flanschförmigen elastischen Element 5 konzentriert, bleibt des Weiteren die Erhöhung des internen Verlusts innerhalb einem minimalen Bereich, da eine Dämpfungscharakteristik des metallischen Materials besser ist als die des piezoelektrischen Elements, und somit kann ein kurzes Schwingungselement mit hoher Wirksamkeit erhalten werden.
Wenn das Schwingungselement aufgebaut ist, um eine größere Größe zu haben, ist es möglich die Schwingungsverschiebung zu verstärken. In diesem Fall kann deshalb ein Drehmoment, das für ein Antreiben erforderlich ist, relativ leicht produziert werden, obwohl der Verlust von Schwingungsenergie im Inneren des Schwingungselements ein wenig größer sein kann. Wenn das Schwingungselement aufgebaut ist, um eine kleinere Größe zu haben, kann die Schwingungsverschiebung jedoch nicht viel verstärkt werden. Demzufolge ist es wichtig ein ausreichend hohes Antriebsmoment sicher zu stellen, so dass der Verlust von Schwingungsenergie im Inneren des Schwingungselements unterdrückt wird, um klein zu sein.
Es ist möglich die Schwingungsformen, die in 1B und 1C angezeigt sind, wahlweise zu produzieren durch wahlweises Aufbringen eines wechselnden Signals, das im Wesentlichen den Eigenfrequenzen der Schwingungsformen entspricht, die in 1B bzw. 1C angezeigt sind, auf das piezoelektrische Element. Wenn das erste elastische Element 1, das an der oberen Seite des flanschförmigen elastischen Elements gelegen ist, aus einem Metall, was eine geringe interne Dämpfung bewirkt, oder dergleichen geformt ist, kann ein hocheffizientes Schwingungselement erhalten werden, das weniger Schwingungsdämpfung verursacht, wenn die Schwingungsform, die in 1C angezeigt ist, produziert wird, in der die Schwingungsverschiebung des ersten elastischen Elements 1 größer ist.
Zusätzlich wird die Eigenfrequenz der Schwingungsform, die in 1 angezeigt ist, durch die dynamische Steifigkeit des ersten elastischen Elements 1 in beträchtlicher Weise beeinflusst. Wenn das erste elastische Element 1 ausgebildet ist, um in beträchtlicher Weise dünn zu sein, kann daher die Antriebsfrequenz verringert werden, und sie wird nicht erhöht, sogar wenn die Wellenlänge verringert wird.
Wenn der Außendurchmesser des flanschförmigen elastischen Elements, das heißt der Durchmesser von seiner Fläche, die in Kontakt mit dem Rotor ist, erhöht wird in Übereinstimmung mit einer Antriebskraft, die durch das piezoelektrische Element 3 erzeugt werden kann, das an der unteren Seite des flanschförmigen elastischen Elements angeordnet ist, dann kann darüber hinaus das Antriebsmoment erhöht werden, sogar wenn die Wellenlänge des Schwingungselements verringert wird.
In der vorliegenden Ausführungsform sind das erste und zweite elastische Element 1 und 2 in einem Außendurchmesser voneinander verschieden, so dass das Schwingungselement erhalten wird mit seinem oberen und unteren Abschnitt, die mit dem flanschförmigen elastischen Element 5 zwischen sich liegend angeordnet sind, wobei sie in der dynamischen Steifigkeit voneinander verschieden sind. Das Schwingungselement kann jedoch mit dem ersten und zweiten elastischen Element 1 und 2 aufgebaut sein, die aus verschiedenen Materialien ausgebildet sind. Wenn das zweite elastische Element 2 aus einem Material mit einer höheren Steifigkeit ausgebildet ist als das des ersten elastischen Elements 1, können gleiche Schwingungsformen wie diejenigen erhalten werden, die in 1B und 1C angezeigt sind.
Zweite Ausführungsform
2A bis 2C zeigen eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; 2A ist eine Querschnittsansicht eines Schwingungselements und 2B und 2C zeigen Biegeschwingungsformen von diesem Schwingungselement.
Die folgende Beschreibung konzentriert sich auf die Beziehungen, die verschieden sind zu dem Schwingungselement, das in 1A dargestellt ist.
Bezugszeichen 11 bezeichnet ein erstes elastisches Element, das einstückig mit einem flanschförmigen (scheibenförmigen) elastischen Element 15 ausgebildet ist, das sich in der Richtung senkrecht zu der Axialrichtung des Schwingungselements erstreckt. Bezugszeichen 12 bezeichnet ein zweites elastisches Element, das durch die Mittenabschnitte eines piezoelektrischen Elements 13 und des ersten elastischen Elements 11 hindurch geht, und auch als ein Wellenelement für ein Abstützen des Schwingungselements dient. Der Endabschnitt des zweiten elastischen Elements 12, der an der oberen Seite gelegen ist, ist an einem Massenelement 17 befestigt, und ein Gewindeabschnitt 12b, der in dem Wellenteil vorgesehen ist, ist mit dem ersten elastischen Element 11 zusammengeschraubt. Somit ist das piezoelektrische Element 13 sandwichartig zwischen dem ersten elastischen Element 11 und dem zweiten elastischen Element 12 gelegen und fixiert.
In dem Schwingungselement, das in 2A gezeigt ist, sind die Außendurchmesser eines oberen Endabschnitts des ersten elastischen Elements 11 und eines unteren Endabschnitts 12a des zweiten elastischen Elements 12 vergrößert, und dadurch ist eine Masse der freien Enden mit höheren Biegeschwingungsverschiebungen erhöht, und somit ist die Eigenfrequenz des Schwingungselements verringert. Da die Eigenfrequenz verringert werden kann, kann ein Schwingungselement vorgesehen werden, das eine geringe Größe hat, wenn man Eigenfrequenz hat, die gleich zu dem des Schwingungselements ist.
In der vorliegenden Ausführungsform ist der Außendurchmesser des Abschnitts des zweiten elastischen Elements 12, der unterhalb dem flanschförmigen elastischen Abschnitt 15 gelegen ist, ebenso eingestellt, um größer zu sein als der des Abschnitts des ersten elastischen Elements 11, der oberhalb des flanschförmigen elastischen Abschnitts 15 gelegen ist, und dadurch sind die zuvor erwähnten Abschnitte in einer dynamischen Steifigkeit voneinander verschieden gemacht, so dass zwei verschiedene Biegungsschwingungsformen erzeugt werden können.
Ein Rotor ist an der Außenumfangsseite des ersten elastischen Elements 11 angeordnet, obwohl er nicht in der Figur dargestellt ist. In der vorliegenden Ausführungsform ist ein Reibungselement 51 mit einer Abriebsfestigkeit an der Fläche des scheibenförmigen elastischen Abschnitts 15 angeordnet, die mit dem Rotor in Kontakt kommt. In dem Schwingungselement, das in 1A gezeigt ist, da das flanschförmige elastische Element 5 mit dem Rotor 8 in Kontakt kommt, ist es erforderlich, dass die Fläche des flanschförmigen elastischen Elements 5 einer Oberflächenbearbeitung unterzogen wird, wobei ein Läppwerkzeug oder dergleichen verwendet wird. In der vorliegenden Ausführungsform, da das Reibungselement 51 vorgesehen ist, ist es jedoch nicht länger notwendig die Oberflächenbearbeitung bezüglich der Oberfläche des scheibenförmigen elastischen Abschnitts 15 auszuführen.
Dritte Ausführungsform
3 ist eine Querschnittsansicht eines Schwingungselements eines Schwingungswellenmotors, die eine dritte Ausführungsform zeigt.
In der vorliegenden Ausführungsform ist die Beschreibung ebenso auf Punkte konzentriert, die von dem Schwingungselement abweichen, das in 1A gezeigt ist.
Bezugszeichen 21 bezeichnet ein erstes elastisches Element, Bezugszeichen 22 ein zweites elastisches Element, Bezugszeichen 23 ein piezoelektrisches Element, und Bezugszeichen 25 ein flanschförmiges (scheibenförmiges) elastisches Element, das sich in der Richtung erstreckt, die senkrecht zu der Axialrichtung des Schwingungselements ist. Das erste elastische Element 21 hat einen Wellenabschnitt, der durch das zweite elastische Element 22, das piezoelektrische Element 23 und das flanschförmige elastische Element 25 hindurchgeht. Das Ende des Wellenabschnitts ist an einem Masseelement 27 unterhalb dem zweiten elastischen Element 22 befestigt. Somit stützt das erste elastische Element 21 das gesamte Schwingungselement. Dieser Wellenabschnitt hat einen Gewindeabschnitt 21b und einen Flanschabschnitt 21c. Das zweite elastische Element 22 ist mit dem Gewindeabschnitt 21b zusammengeschraubt, und dadurch sind das flanschförmige elastische Element 25 und das piezoelektrische Element 23 sandwichartig zwischen dem zweiten elastischen Element 22 und dem Flanschabschnitt 21c angeordnet und fixiert.
Ein Rotor ist an der Außenumfangsseite eines Endabschnitts 21a und des Flanschabschnitts 21c des ersten elastischen Elements 21 angeordnet, obwohl er nicht in der Figur gezeigt ist.
In der vorliegenden Ausführungsform ist das elastische Element 21, das an der oberen Seite des flanschförmigen elastischen Elements 25 gelegen ist, ebenso mit einem Abschnitt versehen, der einen geringeren Außendurchmesser hat als der des zweiten elastischen Elements 22, das an der unteren Seite des flanschförmigen elastischen Elements 25 gelegen ist, und dadurch sind die zwei elastischen Element, die das flanschförmige elastische Element 25 zwischen sich sandwichartig umgeben, in einer dynamischen Steifigkeit verschieden gemacht. Somit können zwei verschiedene Biegungsschwingungsformen erzeugt werden, wie in den Schwingungselementen, die in den 1A und 2A gezeigt sind, obwohl sie nicht in der Figur gezeigt sind.
Das erste elastische Element 21 hat den Endabschnitt 21a mit einem vergrößerten Außendurchmesser, wie in dem Schwingungselement, das in 2A gezeigt ist, und dadurch kann die Eigenfrequenz des Schwingungselements verringert werden.
Das flanschförmige elastische Element 25 ist ausgebildet, wobei ein Material verwendet wird, das eine hohe Abriebsfestigkeit und einen niedrigen Schwingungsdämpfungsverlust hat, der durch interne Verwindung hervorgerufen wird, wie zum Beispiel Keramik oder gehärteter rostfreier Stahl. In dem flanschförmigen elastischen Element 25 sind eine Reibungsfläche 25a, die mit dem Rotor in Kontakt kommt, und Flächen 25b und 25c ausgebildet, durch die das flanschförmige elastische Element 25 sandwichartig umgeben ist, um leicht hervorzustehen, um eine Zeitspanne zu verkürzen, die für die Oberflächenbearbeitung unter Verwendung eines Läppwerkzeugs erforderlich ist. Die Reibungsfläche 25a und die Fläche 25c für ein sandwichartiges Anordnen sind in der selben Ebene vorhanden, um gleichzeitig mit einem Läppwerkzeug bearbeitet zu werden.
Vierte Ausführungsform
4 ist eine Querschnittsansicht eines Schwingungswellenmotors, die eine vierte Ausführungsform zeigt.
Bezugszeichen 31 bezeichnet ein erstes elastisches Element, Bezugszeichen 32 ein zweites elastisches Element, Bezugszeichen 33 ein piezoelektrisches Element und Bezugszeichen 35 ein flanschförmiges elastisches Element, dass sich in der Richtung erstreckt, die senkrecht zu der Axialrichtung eines Schwingungselements ist.
Bezugszeichen 36 bezeichnet eine Welle, die eine Schraube 36a für ein sandwichartiges Anordnen und ein Abstützen des Schwingungselements, die in ihrem unteren Abschnitt vorgesehen ist, und eine Verbindungsschraube 36c hat, um mit einem Masseelement 37 verbunden zu werden, die in ihrem oberen Abschnitt vorgesehen ist. Eine Kontaktfeder 38a ist an dem Außenumfang eines Rotors 38 durch Ankleben oder dergleichen befestigt, und ein Federgehäuse 38b ist mit seinem Innenumfang verbunden. Bezugszeichen 39 bezeichnet ein Ausgabezahnrad, das mit dem Federgehäuse 38b so im Eingriff und verbunden ist, dass verhindert wird, dass es bezüglich dem Federgehäuse 38b in der Radialrichtung verschoben wird. Bezugszeichen 34 bezeichnet eine Spiralfeder für ein Aufbringen einer Druckkraft. Ein Verbindungsteil 40, bei dem das Massenelement 37 und das Zahnrad 39 miteinander verbunden sind, ist konstruiert, um ein Gleitlager zu sein. Bezugszeichen 44 bezeichnet ein flexibles Substrat für ein Zuführen von Elektrizität zu dem piezoelektrischen Element 33.
Die Spiralfeder 34 für ein Aufbringen einer Druckkraft ist zwischen dem unteren Ende des Federgehäuses 38b und dem Ausgabezahnrads 39 angeordnet, und durch die Federkraft dieser Feder 34 ist das Federende der Kontaktfeder 38a, die an dem Außenumfangsabschnitt des Rotors 38 befestigt ist, in Druckkontakt mit der oberen Fläche des scheibenförmigen elastischen Elements 35. Das Masseelement 37 verhindert, dass Schwingungen zu der Außenseite von der Welle 36 entweichen.
Das erste elastische Element 31 ist ausgebildet, um einen geringeren Außendurchmesser zu haben als der des zweiten elastischen Elements 32. In der vorliegenden Ausführungsform ist es ebenso möglich zwei verschiedene Biegeschwingungsformen zu erzeugen, wie in den Schwingungselementen, die in 1A und 2A gezeigt sind.
Ein Antriebssignal wird zu dem flexiblen Substrat 44 von einem Antriebsschaltkreis zugeführt, der in der Figur nicht dargestellt ist. Dieser Antriebsschaltkreis wählt eine Antriebsschwingung für ein Erzeugen von einer von den zwei verschiedenen Biegeschwingungsformen aus, um sie dem flexiblen Substrat 44 zuzuführen.
In der vorliegenden Ausführungsform ist das Schwingungselement fixiert und der Rotor als ein Kontaktelement, dass in Druckkontakt mit dem Schwingungselement ist, ist bewegbar vorgesehen. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf dies beschränkt. Das Kontaktelement kann fixiert sein und das Schwingungselement kann bewegbar vorgesehen sein, und das Schwingungselement und das Kontaktelement können bezüglich einander durch Reibung durch die Antriebsschwingung angetrieben werden, die in dem scheibenförmigen elastischen Element erzeugt wird, das in einer Flanschform von dem Schwingungselement hervorsteht.
Fünfte Ausführungsform
5 ist eine Querschnittsansicht eines Schwingungselements eines Schwingungswellenantriebsmotors, die eine fünfte Ausführungsform zeigt.
Bezugszeichen 61 bezeichnet ein erstes elastisches Element mit einer hohlen, zylindrischen Form, das aus einem Material mit einem niedrigen Schwingungsdämpfungsverlust gemacht ist, wie Messing. Bezugszeichen 62 bezeichnet ein zweites elastisches Element mit einer zylindrischen Form, das auch aus einem Material mit einem niedrigen Schwingungsdämpfungsverlust gemacht ist, wie in dem Fall des ersten elastischen Elements 61. Bezugszeichen 65 bezeichnet ein flanschförmiges (scheibenförmiges) elastisches Element, das sich in der Richtung erstreckt, die senkrecht zu der Axialrichtung des Schwingungselements ist, und Bezugszeichen 66 bezeichnet eine Welle. Die Welle 66 ist mit einem Gewindeabschnitt an ihrem einen Ende versehen. Das zweite elastische Element ist mit dem Gewindeabschnitt der Welle 66 zusammengeschraubt, und dadurch sind das erste elastische Element 61, das flanschförmige elastische Element 65 und ein gestapeltes piezoelektrisches Element 63 sandwichartig zwischen einem Flanschabschnitt der Welle 66 und dem zweiten elastischen Element 62 angeordnet und fixiert. Dieses flanschförmige elastische Element 65 ist aus einem Material ausgebildet, das eine Abriebsfestigkeit hat, und kommt mit einem nichtgezeigten Rotor durch seine Fläche in der Umgebung seines Außenumfangs in Kontakt, um den Rotor zu drehen und anzutreiben. Die Reibungsfläche des flanschförmigen elastischen Elements 65, die mit dem Rotor in Kontakt kommt, ist an der Außenseite bezüglich den Außenumfängen des ersten elastischen Elements 61 und des piezoelektrischen Elements 63 gelegen, die zu dem flanschförmigen elastischen Element 65 benachbart sind.
In der vorliegenden Ausführungsform, mit dem flanschförmigen elastischen Element 65 als eine Grenze zwischen der oberen und der unteren Seite, ist das erste elastische Element 61, das an der oberen Seite gelegen ist, ausgebildet, um einen kleineren Durchmesser zu haben, und das piezoelektrische Element 63 und das zweite elastische Element 62, die an der unteren Seite gelegen sind, sind ausgebildet, um größere Durchmesser zu haben. Somit ist das Schwingungselement so aufgebaut, dass mit dem flanschförmigen elastischen Element 65 als eine Grenze zwischen der oberen und der unteren Seite, die Steifigkeit gegen eine Biegeschwingung des Abschnitts (oberer Abschnitt) des Schwingungselements, der an der oberen Seite gelegen ist, höher ist als die des Abschnitts (unterer Abschnitt) des Schwingungselements, der an der unteren Seite gelegen ist, und dadurch sind der obere und untere Abschnitt in beträchtlicher Weise unterschiedlich in einer dynamischen Steifigkeit. Sogar wenn die Biegeschwingungen in der selben Verschiebungsrichtung erzeugt werden, ist es daher möglich zwei Schwingungsformen zu erzeugen, die völlig unterschiedlich in dem Verhältnis der relativen Verschiebung zwischen den beiden Enden des Schwingungselements sind.
In dem Schwingungselement der vorliegenden Ausführungsform sind der obere und der untere Abschnitt, die in der Axialrichtung mit dem flanschförmigen elastischen Element zwischen sich angeordnet sind, daher beträchtlich verschieden voneinander in einer dynamischen Steifigkeit, und dadurch wird die Verschiebung verringert, die durch Biegeschwingungen hervorgerufen wird, und die in der Umgebung des flanschförmigen elastischen Elements 65 erzeugt wird. Wenn das piezoelektrische Element 63 in der Umgebung des flanschförmigen elastischen Elements angeordnet ist, kann daher die Verwindung piezoelektrischen Elements 63 auf ein geringes Level unterdrückt werden, und somit kann ein stangenförmiges Schwingungselement vorgesehen werden, das einen geringen internen Verlust und einen hohen Wirkungsgrad hat.
Des Weiteren kann die Größe eines Schwingungsantriebsgeräts, das das Schwingungselement der vorliegenden Ausführungsform hat, mit einem Rotor verringert werden, der um das erste elastische Element 61 herum angeordnet ist. Wenn das erste elastische Element 61 aus einem Metall ausgebildet ist, sogar in dem Fall, wo die Verwindung sich an dem vorstehenden, flanschförmigen elastischen Element 65 konzentriert, bleibt die Erhöhung des internen Verlusts innerhalb einem minimalen Bereich, da die Dämpfungscharakteristik eines metallischen Materials besser ist als die des piezoelektrischen Elements, und somit kann ein kurzes Schwingungselement mit einem hohen Wirkungsgrad erhalten werden.
Das Schwingungselement in der vorliegenden Ausführungsform ist mit konkaven Nuten 65a für ein Vergrößern der Schwingungsverschiebung an der Reibungsfläche des flanschförmigen elastischen Elements 65, die mit dem Rotor in Kontakt kommt, und an der der Reibungsfläche gegenüberliegenden Fläche versehen, um das Antriebsdrehmoment weiter zu erhöhen. Die konkave Nut 65a, die an der Reibungsflächenseite vorgesehen ist, ist an der Innenumfangsseite vorgesehen bezüglich dem Reibungsabschnitt, der mit dem Rotor in Kontakt kommt. In der vorliegenden Ausführungsform sind die identischen Nuten 65a an beiden Flächen des flanschförmigen elastischen Elements 65 vorgesehen.
6 ist eine Ansicht des flanschförmige elastischen Elements 65, das in 5 gezeigt ist, das von oben gesehen ist. In 6 ist die Nut 65a in einer kreisförmigen Form konzentrisch mit dem flanschförmigen elastischen Element vorgesehen. Die konkave Nut 65a vergrößert eine Verschiebung aus der Ebene heraus, die durch die Schwingungen verursacht wird, die in dem Außenumfangsabschnitt des flanschförmigen elastischen Elements 65 erzeugt werden. Die Nut 65a, die in 6 gezeigt ist, hat eine kreisförmige Form. Jedoch ist die Form der Nut nicht auf diese beschränkt und kann mit Berücksichtigung auf die Festlegung der Eigenfrequenz des Schwingungselements festgelegt sein.
Des Weiteren ist es notwendig eine Oberflächenbearbeitung durch einen Läpp-Prozess oder dergleichen bezüglich der Reibungsfläche des Schwingungselements durchzuführen, an der der Rotor durch Reibung gleitet. Mit der Nut 65a, die für die Reibungsfläche des flanschförmigen elastischen Elements 65 vorgesehen ist, kann jedoch der Bereich, der dem Läpp-Prozess unterzogen werden soll, verringert werden und die Lappprozesszeitspanne kann demzufolge verringert werden.
Sechste Ausführungsform
7 ist eine Querschnittsansicht eines Schwingungselements eines Schwingungswellenantriebsmotors, die eine sechste Ausführungsform zeigt.
Bezugszeichen 71 bezeichnet ein erstes elastisches Element, Bezugszeichen 72 ein zweites elastisches Element, Bezugszeichen 73 ein gestapeltes piezoelektrisches Element, und Bezugszeichen 75 ein flanschförmiges elastisches Element. In diesem flanschförmigen elastischen Element 25 sind kreisförmige Nuten 75a eingraviert bzw. eingeschnitten.
Das Schwingungselement ist ausgebildet, um asymmetrisch bezüglich dem flanschförmigen elastischen Element 75 zu sein. Daher sind die Verteilungen von absoluten Werten von Verwindungen, die an den jeweiligen Flächen bewirkt werden, die in der Dickenrichtung des flanschförmigen elastischen Elements 75 gelegen sind, asymmetrisch zueinander, wenn ein Antriebssignal auf das Schwingungselement aufgebracht wird.
Um die Verschiebung aus der Ebene heraus bei dem Außenumfangsabschnitt des flanschförmigen elastischen Elements 75 maximal zu vergrößern, sind die Nuten 75a bei den Stellen vorgesehen, wo beträchtliche Verwindungen auftreten, wenn die Schwingungsform erzeugt wird, die für Antreiben verwendet wird. In dem Schwingungselement gemäß der vorliegenden Ausführungsform, da die Verwindungen, die auftreten, wenn die Schwingungsform erzeugt wird, die für ein Antreiben verwendet wird, bei seiner oberen und unteren Fläche bewirkt werden, die asymmetrisch zueinander sind, sind die Nuten 75a auch an der oberen und unteren Fläche des flanschförmigen elastischen Elements 75 asymmetrisch zueinander ausgebildet.
Diese kreisförmigen Nuten 75a dienen auch für ein Vergrößern der Verschiebung aus der Ebene heraus des Außenumfangsabschnitts des flanschförmigen elastischen Elements 75, und können die Zeit für einen Läpp-Prozess verkürzen, der bezüglich dem flanschförmigen elastischen Element 75 ausgeführt wird.
Ein Schwingungselement, das in 8 gezeigt ist, ist im Wesentlichen identisch zu dem Schwingungselement, das in 5 gezeigt ist, aber es ist von dem, das in 5 gezeigt ist, dadurch verschieden, dass ein flanschförmiges elastisches Element 85 mit keiner Nut für ein Vergrößern der Verschiebung aus der Ebene heraus versehen ist. 9 zeigt Verteilungen von absoluten Werten von Verwindungen des flanschförmigen elastischen Elements 85, die bewirkt werden, wenn eine Schwingungsform, die für ein Antreiben verwendet wird, in dem Schwingungselement erzeugt wird, das in 8 gezeigt ist.
Die Verteilungen von absoluten Werten von Verwindungen, die in 9 gezeigt sind, sind diejenigen zwischen Punkten A und B an der oberen Fläche und zwischen Punkten C und D an der unteren Fläche des flanschförmigen elastischen Elements 85. Wie es von 9 ersichtlich ist, sind in dem Schwingungselement, das ausgebildet ist, um einen oberen und einen unteren Abschnitt zu haben, die in der Axialrichtung so angeordnet sind, dass sie asymmetrisch zueinander sind mit dem flanschförmigen elastischen Element 85 als eine Grenze zwischen sich, die Stellen, wo die maximale Verwindung auftritt bei der oberen und der unteren Fläche des flanschförmigen elastischen Elements 85 voneinander verschieden. Die Verteilungen der absoluten Werte der Verwindungen variiert in Abhängigkeit der Form des Schwingungselements. Um somit die Schwingungsverschiebung der Reibungsfläche des flanschförmigen elastischen Elements maximal zu vergrößern, ist es wünschenswert in geeigneter Weise Nuten bei Stellen vorzusehen, wo die maximale Verwindung, an einem flanschförmigen elastischen Element von jedem Schwingungselement auftritt.
Siebte Ausführungsform
10 ist eine strukturelle Ansicht eines Schwingungswellenmotors gemäß einer siebten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bezugszeichen 91 bezeichnet ein erstes elastisches Element, Bezugszeichen 92 ein zweites elastisches Element, Bezugszeichen 93 ein piezoelektrisches Element und Bezugszeichen 95 ein flanschförmiges elastisches Element, das sich in der Richtung erstreckt, die senkrecht zu der Axialrichtung eines Schwingungselements ist.
Bezugszeichen 96 bezeichnet eine Welle. Das erste elastische Element 91, das flanschförmige elastische Element 95 und das piezoelektrische Element 93 sind sandwichartig zwischen dem zweiten elastischen Element 92 und einem Flanschabschnitt, der in dem mittleren Teil der Welle 96 vorgesehen ist, angeordnet und fixiert. Bezugszeichen 98 bezeichnet einen Rotor, der einen Außenumfang hat, an dem eine Kontaktfeder 98a durch Ankleben oder dergleichen befestigt ist, und einen Innenumfang, mit dem ein Federgehäuse 98b verbunden ist. Bezugszeichen 99 bezeichnet ein Ausgabezahnrad, das im Eingriff mit dem Federgehäuse 98b und mit diesem verbunden ist, um zu verhindern, dass es bezüglich dem Federgehäuse 98b in der Radialrichtung verschoben wird. Bezugszeichen 94 bezeichnet eine Spiralfeder für ein Aufbringen einer Druckkraft. Die Feder 94 für ein Aufbringen einer Druckkraft ist zwischen dem Ausgabezahnrad 99 und dem unteren Ende des Federgehäuses 98b angeordnet. Mit der Federkraft der Feder 94 ist das Federende der Kontaktfeder 98a, die an dem Außenumfangsabschnitt des Rotors 98 befestigt ist, in Druckkontakt mit der oberen Fläche des scheibenförmigen elastischen Elements 95. Bezugszeichen 100 bezeichnet einen Flansch für ein Befestigen eines Motors, der sandwichartig zwischen einem Bolzen gelegen ist und mit dem Bolzen fixiert ist, der mit der Welle 96 und einem Flanschabschnitt der Welle 96 zusammengeschraubt ist. Ein Verbindungsteil, bei dem das Zahnrad 99 und der Flansch 100 für ein fixieren eines Motors miteinander verbunden sind, ist aufgebaut, um ein Gleitlager zu sein. Bezugszeichen 97 bezeichnet ein flexibles Substrat für ein Zuführen von Elektrizität zu dem piezoelektrischen Element 93.
Das erste elastische Element 91 ist ausgebildet, um einen kleineren Außendurchmesser zu haben als der des zweiten elastischen Elements 92. In der vorliegenden Ausführungsform können ebenso zwei verschiedene Biegeschwingungsformen erzeugt werden, wie in den Schwingungselementen, die in 1A und 2A gezeigt sind. Kreisförmige Nuten 95a sind jeweils für eine obere und eine untere Fläche des flanschförmigen elastischen Elements 95 vorgesehen und vergrößern die Schwingungsverschiebung, die in der Umgebung des Außenumfangs des flanschförmigen elastischen Elements 95 bewirkt wird.
Ein nichtgezeigter Antriebsschaltkreis ist mit dem flexiblen Substrat 97 verbunden. Wenn eine Wechselspannung, die eine Phasenverschiebung von π/2 hat, auf das piezoelektrische Element 93 von dem Antriebsschaltkreis aufgebracht wird, erzeugt das Schwingungselement zwei Arten von Biegeschwingungen in zwei Richtungen, die senkrecht zueinander sind. Die Zusammensetzung der Schwingungen ermöglicht eine kreisförmige Bewegung, um zu der oberen Fläche des Außenumfangsabschnitts des flanschförmigen elastischen Elements 95 gegeben zu werden, mit der der Rotor in Kontakt ist, und dadurch wird der Rotor 98, der durch das flanschförmige elastische Element 95 gepresst wird, das eine Abriebsfestigkeit hat, durch Reibung angetrieben.
Wie vorstehend beschrieben ist, ist es gemäß der vorliegenden Ausführungsform möglich, ein Schwingungselement zu konstruieren, das eine kürzere Länge in der Axialrichtung und einen niedrigen Schwingungsenergieverlust im Inneren hat, und somit kann ein kleines Schwingungswellenantriebsgerät mit einem niedrigen Energieverlust vorgesehen werden.
Da ein Durchmesser der Abschnittsseite, wo das Schwingungselement und der Rotor miteinander in Kontakt sind, größer eingestellt werden kann, können die Ausgabeeigenschaften eines Niedriggeschwindigkeits-Hochdrehmoments-Schwingungswellenantriebs leicht hervorgebracht werden. Da das piezoelektrische Element, das unter den Komponenten relativ teuer ist, keine großen Ausmaße haben muss, können die Kosten zusätzlich verringert werden.
Da der Rotor an dem Außenumfang des hervorstehenden elastischen Elements angeordnet werden kann, kann des Weiteren auch die Gesamtlänge des Schwingungswellenantriebsgeräts verringert werden.
Wenn die Nuten für beide Flächen des flanschförmigen elastischen Elements vorgesehen sind und wenn die Verschiebung aus der Ebene heraus in der Umgebung des Außenumfangs des flanschförmigen elastischen Elements vergrößert wird, dann kann außerdem die Ausgabe des Schwingungswellenmotors, dessen Größe in der Axialrichtung verringert ist, erhöht werden. Insbesondere mit konkaven Nuten, die bei den Stellen vorgesehen sind, wo eine beträchtliche Verwindung durch die Schwingungsform bewirkt wird, die für ein Antreiben verwendet wird, kann es möglich sein, die Ausgabe wirksam zu erhöhen.
Die Ausführungsformen die in dieser Anmeldung offenbart sind, sind in allen Belangen als beispielhaft und nicht als beschränkend zu betrachten. Der Umfang der Erfindung wird eher durch die angehängten Ansprüche als durch die vorangegangene Beschreibung angezeigt, und alle Änderungen, die in die Bedeutung und den Bereich der Ansprüche fallen, sind in diesen umfasst.

Claims

Schwingungswellenantriebsgerät mit: einem Schwingungselement, das ein elektromechanisches Energieumwandlungselement (3) hat, das zwischen einem ersten elastischen Element (1) und einem zweiten elastischen Element (2) angeordnet ist, und einem Rotor (8), der mit einer Reibungsfläche des Schwingungselements in Kontakt gebracht ist, wobei das Schwingungselement ein drittes elastisches Element (5) hat, das zwischen dem ersten elastischen Element (1) und dem elektromechanischen Energieumwandlungselement (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte elastische Element (5) einen Außendurchmesser hat, der größer ist als der des elektromechanischen Energieumwandlungselements (3), und mit der Reibungsfläche versehen ist, wobei das Schwingungselement zwei Abschnitte mit unterschiedlicher dynamischer Steifigkeit hat, wobei die zwei Abschnitte in der Axialrichtung mit dem dritten elastischen Element (5) als eine Grenze zwischen sich so angeordnet sind, dass das Schwingungselement eine Vielzahl von Schwingungsformen hat, deren Schwingungen sich im relativen Verhältnis zwischen Verschiebungen von jeweiligen Enden des Schwingungselements unterscheiden.
Schwingungswellenantriebsgerät gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Schwingungselement einen Abschnitt hat, der an einer Seite der Reibungsfläche gelegen ist, und einen Abschnitt hat, der an einer Seite gelegen ist, an der die Reibungsfläche nicht vorgesehen ist, wobei das dritte elastische Element (3) als eine Grenze zwischen diesen genommen ist, und wobei der Abschnitt, der an der Seite der Reibungsfläche gelegen ist, eine dynamische Steifigkeit hat, die geringer ist als die des Abschnitts, der an der Seite gelegen ist, an dem die Reibungsfläche nicht vorgesehen ist.
Schwingungswellenantriebsgerät gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erste elastische Element (1) an einer Seite der Reibungsfläche des dritten elastischen Elements (5) angeordnet ist, das zweite elastische Element (2) an einer Seite des dritten elastischen Elements (5) angeordnet ist, an dem die Reibungsfläche nicht vorgesehen ist, und das erste elastische Element (1) einen Abschnitt mit einem Außendurchmesser hat, der geringer ist als der des zweiten elastischen Elements (2).
Schwingungswellenantriebsgerät gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibungsfläche des dritten elastischen Elements (5) an einer Außenseite in Bezug auf einen Außenumfang des elektromechanischen Energieumwandlungselements (3) vorgesehen ist.
Schwingungswellenantriebsgerät gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Endabschnitt in der Axialrichtung des Schwingungselements einen vergrößerten Außendurchmesser hat.
Schwingungswellenantriebsgerät gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte elastische Element (5) aus einem Material ausgebildet ist, das einen Abriebswiderstand hat.
Schwingungswellenantriebsgerät gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reibungsfläche des dritten elastischen Elements (5) mit einem Element (51) versehen ist, das einen Abriebswiderstand hat.
Schwingungswellenantriebsgerät gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das dritte elastische Element (5) Nuten (75a) hat, die in der Axialrichtung des Schwingungselements angeordnet sind, für ein Vergrößern der Schwingungsverschiebung, die jeweils an seinen beiden Flächen ausgebildet ist.
Schwingungswellenantriebsgerät gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten an einer Innenumfangsseite bezüglich der Reibungsfläche des dritten elastischen Elements (5) vorgesehen sind.
Schwingungswellenantriebsgerät gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei Formen von den beiden Flächen des dritten elastischen Elements (5) in der Axialrichtung des Schwingungselements zueinander asymmetrisch sind.
Schwingungswellenantriebsgerät gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es des Weiteren einen Antriebsschaltkreis hat für ein Auswählen eines Antriebssignals für ein Hervorrufen von einer Schwingung mit einer von der Vielzahl von Schwingungsformen und für ein Aufbringen des Antriebssignals auf das elektromechanische Energieumwandlungselement (3).
Schwingungswellenantriebsgerät gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es des Weiteren einen Antriebsschaltkreis hat für ein Aufbringen eines Antriebssignals auf das elektromechanische Energieumwandlungselement (3), wobei das gewählte Antriebssignal eine Schwingungsform erzeugt, die die jeweiligen Enden des Schwingungselements so biegt, dass eine Verschiebung des elektromechanischen Energieumwandlungselements (3) gering ist.