[发明专利]电－机械转换元件以及振动致动器及其制造方法

说明书

本发明涉及一种用于将电能转换成机械位移或把机械位移转换成电能的电—机械转换元件、用于制造该电—机械转换元件的方法、采用该电—机械转换元件的振动致动器、以及制作该振动致动器的方法。

日本专利申请第8-317871的全部公开—包括说明书、权利要求书、附图和摘要—在此都被引作参考文献。

图13是立体图，显示了纵向—扭转振动型振动致动器的一种传统结构。

传统上，在这种类型的振动致动器的静止部件(定子)101中，一个扭转振动压电元件104被插在两个圆筒形振动元件102和103之间。在振动元件103上设置有一个纵向压电元件105。扭转振动压电元件104沿着其圆周方向得到极化。另一方面，纵向压电元件105沿着其厚度方向得到极化。另外，在纵向压电元件105上设置了一个运动部件(转子)106。

构成定子101的振动元件102和103和压电元件104和105得到固定，并与一个转轴107的一个螺杆部分相螺线啮合。转子106经过一个滚珠轴承108而被可转动地设置在转轴107上。一个螺帽110通过一个弹簧109而与转轴107相螺线啮合。借助这种结构，转子106以预定的压力F与定子101相接触。

扭转和纵向压电元件104和105由相位控制电压驱动，该电压具有由采用移相器112的一个振荡器111振荡的相同的频率。

扭转振动压电元件104产生出用于转动转子106的机械位移。另一方面，纵向压电元件105与压电元件104产生的扭转振动的周期同步地周期性地改变作用在定子101和转子106之间的摩擦力。借助这种结构，这些压电元件起着把振动转换成沿着一个方向的运动的联动器的作用。

图14是传统的振动致动器的定子101的分解立体图。

扭转振动压电元件104必须沿着其圆周方向被极化成多个部分。因此，一种压电材料被暂时地分成约六至八个扇形小部分，这些部分在每一个部分都沿着圆周方向被极化之后又重新被组装成环形，如图13所示。注意图14中的标号104a表示用于把驱动电压加到扭转振动压电元件104上的电极。

然而，在上述传统振动致动器中，当扭转振动压电元件104的极化小部分被组装成环形时，难于获得高的形状精度。

纵向和扭转振动压电元件105和104的每一个的面积，几乎等于或小于转子106的横截面图积。在纵向和扭转振动压电元件105和104的中心部分上必须形成孔，以接收转轴107。因此，纵向和扭转振动压电元件105和104的面积被进一步减小，且难于实现高力矩、高速度的振动致动器。

为了解决这些问题，本发明人通过日本专利申请公开第8-103089号而已经提出了一种振动致动器，它采用了不同形式的简并模式，并能够以高力矩和高速度得到驱动，并具有简单的结构和制造过程。这种振动致动器采用了利用不同的简并模式的振动元件，该元件产生一级纵向和扭转振动。

另外，通过日本专利申请公开第8-140377号，本发明人还提出了一种振动致动器，它能够以这样的方式构成，即通过在构成振动元件的一个圆筒形弹性部件的外圆周表面上形成两个大直径部分和一个小直径部分，一个振动元件能够同时产生一级纵向振动和二级扭转振动。

图15是说明图，显示了在这些提出的振动致动器中通过合成由振动元件1产生的纵向和扭转振动而在振动元件1的驱动表面D上产生椭圆运动的过程和相应的时间。

振动元件1是由弹性部件2和压电元件3构成的，而弹性部件2由两个半圆弹性部件(在图15中没有显示且将结合图16而描述详细描述)组成，而压电元件3(在图15没有显示且将结合图16得到详细描述)被作为由弹性部件2保持的电—机械转换元件并将电能转换成机械位移。压电元件3由利用压电常数d₁₅的扭转振动压电元件3a和利用压电常数d₃₁的纵向压电元件3b构成。

其间具有相位差π/2的两相交流电压分别从一个驱动电压发生器(未显示)被加到这两个不同类型的压电元件3a和3b上。响应于这些电压，这两个不同类型的压电元件3a和3b得到激励。在得到激励时，压电元件3a和3b产生出相对于轴向方向的扭转振动和沿着弹性部件2的轴向方向的纵向振动。当这些纵向和扭转振动的谐振频率基本上彼此相匹配时，在弹性部件2中同时产生出纵向和扭转振动(在此这种状态将被称为“简并”状态)。在这种简并状态下，在作为振动元件1的一个端面的驱动表面D上将产生出椭圆运动且该椭圆运动被作为一个驱动力而得到输出。