振动致动器及其调节方法 日本专利申请第8-345479号的全部公开内容，包括说明书，权利要求书，附图和总结，在此一并作为参考。
本发明涉及一个振动致动器，该振动致动器包含产生拉伸、收缩振动(纵向)和弯曲振动的振动单元，在振动单元和相对运动单元之间产生相对运动，该相对运动单元以一定的压力与振动单元相接触。
一个振动致动器应具有诸如高扭矩、良好可控制性、高制动力(防止运动单元外移的力)和高刚度等特点。作为振动致动器，环形和直线振动致动器已为人们熟知。环形振动致动器用在例如照相机中的自动对焦马达等方面。另一方面，已为人们熟知的直线振动致动器有如下结构。
自推进振动致动器的一个熟知的例子是刊载于“第五届电磁力动力专题讨论会记录汇编，393-398页”的“用于运动光拾取器的222压电直线马达”一文中所描述的“纵向L1-弯曲B4模式平板马达”。
图5A至5C为纵向L1-弯曲B4模式平板马达1的示意图，其中图5A为前视图，图5B为侧视图，图5C为平面图。
弹性部件2包括一个矩形平板支承部件2a和两个在支承部件2a的一个平面上形成的凸出的驱动力输出部件2b和2c。压电部件3和4粘结在支承部件2a地另一个平面上。压电部件3和4是电-机转换单元，根据施加的电压使弹性部件2产生纵向振动L1模式和弯曲振动B4模式。
驱动力输出部件2b和2c位于弹性部件2的一个平面的对应于弯曲振动B4模式的波腹位置的部分上，并以一定的压力P挤压相对运动单元5。
如图5A至5C的振动致动器的设计使得在弹性部件中产生的一阶纵向振动(L1模式)和四阶(或2n阶，n为整数)弯曲振动(B4模式)有非常相近的固有频率。频率相近于两个固有频率的第一交变电压(驱动电压)加在压电部件3上，相对于第一交变电压有90°或-90°相移的第二交变电压加在压电部件4上。因此，两个振动一致，从而使弹性部件2产生椭圆运动。由此产生的椭圆运动经由驱动力输出部件2b和2c输出作为推力，从而在振动单元和相对运动单元之间产生相对运动。为了使相对运动反向，只须将第一和第二交变电压的相差改变至90°或-90°。
弹性部件2中产生的一阶纵向振动和四阶弯曲振动的共振频率由下面方程(1)和方程(2)给出。
一阶纵向振动共振频率fL1＝1/2ξ(E/ρ)1/2 …(1)
四阶弯曲振动共振频率fB4＝(λ4ξ)2t/(2πξ2)·(E/12ρ)1/2
…(2)其中E：杨氏模量，ρ：密度，ξ：弹性部件的长度，t：弹性部件的厚度。
如图5A至5C所示，将振动致动器设计为对称的形状。因此，当组成单元按设计尺寸进行加工和装配时，即使将输出给压电部件3和4的两相交变电压的相差改变至90°或-90°，使得振动致动器1向相反方向运动，振动致动器1的左右方向的速度也不会产生差别。
然而事实上，振动致动器1不可避免地要有诸如在弹性部件2按预定形状加工时产生的制造误差，粘结在弹性部件2上的压电部件3和4特性的不同以及粘结在弹性部件2上的压电部件3和4位置的差别。因此，弹性部件2上产生的振动形状在两相交变电压的相差为90°和相差为-90°时有时不同。所以，振动致动器1左右方向的速度不总是相同的。
如果左右方向的速度差别的不一致性和不对称性程度超过了允许的范围，则振动致动器1的生产产量将降低，而生产成本将增高。本发明的目的在于解决这个问题。
本发明意在通过将一质体加至振动单元的弹性部件的适当位置或从弹性部件的适当位置除去一质体，来消除或减少振动致动器在仅经过装配的情况下左右方向速度的差别。
本发明的一个实施例提供了一种振动致动器，该振动致动器包括一个具有一个电-机转换单元，可产生纵向振动和弯曲振动的振动单元；一个以一定压力和振动单元相接触的相对运动单元，由于振动单元的振动，相对运动单元在至少两个方向相对于振动单元运动；以及一个弯曲振动的振幅调节部分，它至少位于振动单元弯曲振动的多个波腹的一部分，可以部分地改变振动单元的刚度，从而减少或消除相对运动的不对称性。
振动单元的形状可呈长方形平行管状，振幅调节部分可以至少通过向振动单元平面的一部分加一质体或从振动单元平面的一部分除去一质体来形成。也可能在振动单元的一个平面安装一电-机转换装置而在振动单元的另一平面形成振幅调节部分和驱动力输出部分，并且允许振动单元借助于驱动输出部分而以一定的压力和相对运动单元接触。
另外，相对运动可以是往复式的运动，电-机转换单元可以沿着相对运动的方向来安排第一电-机转换部分和第二电-机转换部分。每个电-机转换部分在相对运动方向产生的振动驱动力可以根据相对运动的方向改变。在这种情况下，在第一和第二电-机转换部分中，振动单元相对运动方向后面的电-机转换部分对于相对运动方向上的驱动力作用更大。
而且，振动致动器也可产生往复式的运动作为相对运动，并且电-机转换单元可以具有在振动单元相对运动方向围绕中心线按轴对称方式安装的第一、第二、第三和第四电-机转换单元。其中被安装在后面和在振动单元的相对运动方向与中心线距离最近的电-机转换单元产生的振动在相对运动方向所形成的驱动力最大。
当弹性部件拉伸和收缩方向和相对运动方向大致平行时产生纵向振动，当弹性部件在与纵向振动大致垂直的方向进行弯曲时产生弯曲振动。
本发明的另一实施例提供了一种振动致动器调节方法，包括以下步骤：向安装于振动单元上的电-机转换装置发送一驱动信号，使振动单元产生纵向和弯曲振动；在相对运动单元和振动单元之间产生至少两个方向的相对运动，该相对运动单元以一定的压力与振动单元相接触；通过处理振动单元，部分地改变它的刚度，在弯曲振动的波腹位置上分别地调整振幅，从而减少或消除两个方向相对运动的不对称性。这种处理可以至少是向振动单元的某部分添加一质体或从振动单元的某部分除去一质体来实现。
图1A、1B、1C和1D是第一个实施例中超声致动器的结构示意图，其中图1A为振动单元的透视图，1B为振动单元装配情况下的侧视图，1C为本实施例振动单元的侧视图，其中一块金属板被安装在弹性部件上，该图还显示了弹性部件产生的弯曲振动的情况，图1D是振动单元的底视图。
图2为第一个实施例中超声致动器驱动电路的框图。
图3A和3B为第二个实施例中超声致动器的结构示意图，其中图3A为振动单元装配情况下的侧视图，图3B为本实施例中振动单元的侧视图，其中在弹性部件上形成一个槽作为弯曲振幅调节部分，该图还显示了弹性部件中所产生的弯曲振动情况；
图4为第三个实施例超声致动器振动单元的示意图，其中(A)说明了振动单元中产生的振动模式，图B为振动单元的结构示意平面图。
图5A、5B和5C为传统的纵向L1-弯曲B4模式平板马达(振动致动器)1的示意图，其中图5A为前视图，图5B为侧视图，图5C为平面图。
参考附图，下面将对根据本发明的超声致动器的实施例进行详细说明。每一个实施例都将以使用超声振动频段的超声致动器作为振动致动器的例子进行说明。
图1A至1D为第一个实施例中超声振动器10的结构示意图。图1A为振动单元11的透视图。图1B为振动单元在装配后的侧视图。图1C为本实施例中振动单元的侧视图，其中金属板15被安装在弹性部件12上，该图还显示了弹性部件12中产生弯曲振动的情况。图1D为振动单元11的底视图。注意图1B和1C中箭头指示了振动单元和相对运动装置之间在箭头所指方向相对速度的幅值。
本实施例的振动单元11和先前参照图5A至5C说明的传统的振动致动器有着大致相同的结构，因此下面简要地介绍一下其结构。
本实施例所采用的振动单元包括弹性部件12和在弹性部件部件的平面12a上所安装的压电部件13。
弹性部件12是采用金属材料或诸如塑性材料等弹性材料制成的一长方形平板。弹性部件12的尺寸依据它产生的纵向和弯曲振动模式来适当确定。有着半圆区域的凹槽12c和12d形成于弹性部件12侧面纵向方向的中心部分，并沿着弹性部件12的厚度方向延伸。支承部件(图中未示)的支承销子装在凹槽12c和12d中以支承振动单元11。这些支承销子允许振动单元11在图1A中所示的压力P方向运动。
在本实施例中，压电部件13包括振动产生压电部件13a和13b以及振动检测压电部件13p和13p′。压电部件13a、13b、13p和13p′均用PZT(锆钛酸铅)制成薄板状。
在本实施例中，压电部件13粘结在弹性部件的平面12a上。并且，如图1C所示，压电部件13如此粘结，以至它们在弹性部件纵向方向的中心位置与弹性部件12中产生的四阶弯曲振动的波腹位置P1、P2、P3和P4大体上一致。
如图1C和1D所示，驱动力输出部件14a、14b、14c和14d在弹性部件12的另一平面12b上形成。这些驱动力输出部件14a至14d是在总共四个位置形成的，这些位置与产生的四阶弯曲振动波腹位置P3和P4大体一致，即每两个位置分别对应着波腹位置P3和P4。驱动力输出部件14可以用树脂如工程塑料制成。
另外，在本实施例的振动单元11中，用作弯曲振幅调节部分的金属板15位于弹性部件12的另一平面12b上，其位置大体与四阶弯曲振动的波腹位置P1相一致。金属板15被用作一质体，并不局限于某种特殊的材料。
本实施例中所使用的超声致动器的振动单元11按上述说明的进行安装。
图2是本实施例超声致动器10驱动电路20的示意框图。如图2所示，从振动器21中产生的输出驱动信号(交变电压)的其中一个(下文称为第一驱动信号)被放大器22放大，并且被输入至振动产生压电部件13b中。另外一个驱动信号被输入至移相器23，而将该驱动信号(在下文中称第二驱动信号)转换为与第一驱动信号相差90°(或-90°)，并且被输入至放大器24中。第二驱动信号被放大器24放大且被输入至振动产生压电部件13a中。
分别输入第一和第二驱动信号的振动产生压电部件13b和13a激励弹性部件12从而谐振产生纵向振动和弯曲振动。
弹性部件12产生的纵向和弯曲振动使粘结于弹性部件12上的振动检测压电部件13p和13p′产生电能。产生的电能作为电信号输入控制电路25。
控制电路25检查检测信号是否正确，并且根据检查结果向振动器21输出一反馈信号。因此，从振动器21中输出的输出驱动信号是经过优化的。注意弹性部件12要和地电位相连。
在具有上述结构的本实施例的超声致动器10中，当驱动电路20将第一驱动信号输出给振动产生压电部件13b，将第二驱动信号输出给振动产生压电部件13a时，弹性部件12将谐振产生纵向和弯曲振动。因此，在弹性部件12的驱动力输出部件14a至14d的底面将产生椭圆运动。既然驱动力输出部件14a至14b的底面和相对运动单元18以一定压力相接触，例如轨道和滚轴，在振动单元11和相对运动单元18之间将产生相对运动，并输出驱动力。即，当振动单元11固定时，相对运动单元18运动，而当相对运动单元18固定时振动单元11运动。
尽管驱动力输出部件14a至14d可以制成和弹性部件12一体的凸出物，平面部件也可以通过将诸如工程塑料等滑动部件粘结了相应位置来形成以代替凸出物。即使使用平面部件，在这些平面部件的位置上也将产生椭圆运动，从而使得平面部件和以一定压力与平面部件相接触的相对运动单元之间产生相对运动。
下面将说明本实施例中消除或限制振动单元11产生的左右向相对运动的差别的原因。
如图1B所示，假定振动单元11在装配以后，向右的相对速度大小VR和向左的相对速度大小VL不等，即相对速度VR＞VL。
当振动单元11在本实施例的超声致动器中如图1B向右运动时，和振动产生压电部件13b产生的振动相比，振动产生压电部件13a产生的振动对振动单元11的运动有直接的影响。相反地，当振动单元11如图1B向左运动时，振动产生压电部件13b是驱动力的主要来源。即，在超声致动器10中，沿驱动方向处于后面的驱动力输出部件将产生绝大部分的驱动力，反之，沿驱动方向处于前面位置的驱动力输出部件几乎没用。
因比，当振动单元11的相对速度如图1B所示满足相对速度VR＞相对速度VL的关系时，意味着振动产生压电部件13a产生的振动要大于振动产生压电部件13b产生的振动。正如先前所述，振动产生压电部件13a和13b之间的这个差别是由诸如振动产生压电部件13a和13b的压电特性的不同，粘结于弹性部件12上的振动产生压电部件13a和13b位置的偏差和偏移，以及弹性部件12的不对称性等原因造成的。
所以，在本实施例中，作为弯曲振动调节单元，质体例如金属板15被加在另一平面12b离振动产生压电部件13a下表面最近一个位置(对应四阶弯曲振动的波腹位置P1)。此质体减少了振动产生压电部件13b所产生的振动的振幅。这样，振动产生压电部件13a和13b所产生的振动的振幅大体上相等，从而消除了振动单元11左右向相对速度的差别。当弯曲振动振幅调节单元接近弹性部件12所产生的四阶弯曲振动的波腹位置时，它的效果最大。
和图1B对比，当装配后振动单元11中的相对速度VR＜相对速度VL时，只需将金属板15作为弯曲振幅调节部分安装在关于超声致动器10的对称轴(图1C中的直线A-A)与上述实施例中的位置相反的与波腹位置P2接近的地方即可。
本发明的第二个实施例将在下面说明。在该实施例中，将只说明与第一个实施例不同之处。即，与第一实施例中相同的参考数字意味着与本实施例中相同的部分，与此有关的具体阐述将省略。
图3A和3B是第二个实施例超声致动10-1结构示意图。图3A是装配的振动单元11-1的侧视图。图3B是本实施例中振动单元11-1的侧视图，其中在弹性部件12上挖了一槽作为振幅调节部分，该图还显示了弹性部件12-1中产生的弯曲振动的情况。注意图3A和3B中的箭头指示了振动单元和相对运动单元之间在箭头方向上的相对速度的大小。
在第一个实施例中，质体被安装在弹性部件的某部分来调节弯曲振动振幅。在本实施例中，通过适当的处理去掉一块质体，例如将弹性部件去除一部分而形成一个槽16来达到同样的效果。
在本实施例中，上面所述的槽16，在弹性部件12-1的另一平面12b上，对应于弹性部件12-1所产生的四阶弯曲振动的波腹位置P2。
正如第一个实施例，槽16的构成位置不需要和波腹位置完全一致，即可以和波腹位置略微有些偏差。然而，希望其位置和四阶弯曲振动的波腹位置一致，因为在这个位置弯曲振动的振幅调节效果最好。
当振动单元11-1的左向和右向的相对速度差与图3A所示相反时，仅须将弯曲振幅调节单元16的位置放在波腹位置P1处，该位置关于超声致动器10-1的对称轴(图3B中直线A-A)与本实施例的位置相反。
本实施例中，振动单元11-1的左向和右向的相对速度差的调节过程参照如下的说明。
当左向和右向的相对速度差如图3A所示时，正如前所述，这意味着振动产生压电部件13a产生的振动要强于振动产生压电部件13b产生的振动。
因此，通过去除在振动产生压电器件13b正下方的振动单元11-1的另一平面12b的一部分(四阶弯曲振动的波腹位置P2)，振动产生压电部件13b产生的振动增强了。结果，振动产生压电部件13a和13b产生的振动大体上相等。采用这种方式，左向和右向相对速度的差异消除了。
图4中(A)和(B)为第三实施例的超声致动器的振动单元与该振动单元产生的振动模式的关系示意图。图4中(A)是阐述振动单元的振动模式示意图。图4中(B)是振动单元的结构平面示意图。本实施例中，只对图4中(A)和(B)所示的超声致动器10-2与第一和第二实施例的差异加以阐述。即，本实施例中与第一和第二实施例中相同的参考数字指示相同的部分，与此有关的具体阐述将省略。
本超声振动致动器10-2的振动单元11-2包括弹性部件12-2和紧贴于弹性部件12-2的平面12a的压电部件42。压电部件为薄板状，在其上表面具有电极42a，42b，42c，42d，42p和42p′。电极42a至42d是用于接收驱动信号的振动产生电极。电极42p和42p′是用于检测弹性部件12-1的振动状态的振动检测电极。
图4中(A)给出了振动单元11-1的不同位置的四阶弯曲振动的幅度AP和这些位置的一阶纵向振动的应变ST。节点B4a，B4b，B4c，B4d和B4e的弯曲振幅为零，波腹B4f和B4g的弯曲振幅最大。
如图4中(A)和(B)所示，振动产生电极42a至42d的长度设置为使这些电极大体位于弹性单元12-2产生的四阶弯曲振动的振幅节点间。例如，振动产生电极42a纵向长度大体上等于四阶弯曲振动节点B4a和B4b间的距离，即，弯曲振动的半波长。
振动检测电极42p和42p′为半圆形，所处区域通过局部刻蚀邻近弹性单元12-2长边的振动产生电极42a至42d而形成的，并与弹性部件12-2的弯曲振动的节点B4b和B4d的位置相对应。振动检测电极42p在弹性部件12-2的一个长边上对称设置在节点B4b旁。振动检测电极42p′在弹性部件12-2的另一个长边上对称设置在节点B4d旁。因此，电极42a至42d，42p和42p′大体上以振动部件11-2的中心对称设置。
如上述设置的超声致动器10-2，图2中驱动电路20的放大器22发出的一个第一驱动信号输入振动产生电极42a和42c。图2中驱动电路20的放大器22发出的一个第二驱动信号输入振动产生电极42b和42d。结果，压电部件42激励弹性部件12-2同时产生纵向振动和弯曲振动，因而产生椭圆形运动。这使得振动单元11-2和相对运动单元(图中未示)间产生了相对运动。由于弹性部件12-2产生的纵向振动和弯曲振动，振动检测电极42p和42p′产生的电能取决于压电部件42。如第一实施例，这些产生的电能以电信号输入控制电路25，并作为驱动信号的反馈控制。
当本实施例的超声致动器10-2的振动单元11-2在图4的(A)和(B)中向右运动时，与振动产生电极42a，42c和42d所处区域的压电部件42产生的振动对于振动单元11-2的运动的影响相比较，振动产生电极42b所处区域的压电部件42产生的振动对于振动单元11-2的运动有着直接的影响。相反，振动单元11-2在图4的(A)和(B)中向左运动时，振动产生电极42c所处区域的压电部件42是驱动力的主要来源。如第一和第二实施例，左向和右向相对速度的差别可以通过形成弯曲振幅调节部分来调节。
本实施例中，压电部件42粘结在弹性部件12-2上，电极形成于压电部件42的表面。这导致的优点在于，其结构比第一和第二实施例更易制造。另外，由于产生振动的压电部件42的面积可以增大，所以超声致动器的输出可以增大。再则，由于振动产生电极间的边界大体上与弯曲振动的节点相符合，弯曲振动比第一和第二实施例能更有效地实现。结果，也改善了超声致动器的效率。
以上的每个实施例均给出了采用超声振动频段的超声致动器作为振动致动器的例子。然而，根据本发明的振动致动器并不仅局限于这些实施例。即，本发明同样适用于采用其它振动频段的振动致动器。
而且，以上各实施例中的振动致动器采用了一阶的纵向振动和四阶的弯曲振动。然而，根据本发明的振动致动器并不仅局限于这些实施例。即，采用一阶或更高阶的纵向振动和一阶或更高阶弯曲振动的振动致动器的相对速度的各向异性可以采用这些实施例中相同的装置加以调节。
以上各实施例中，压电部件作为电-机转换单元。然而，根据本发明的振动致动器并不仅局限于这些实施例。即，可以采用任何能够将电能转换为机械位移的单元。例如，电伸缩单元可以取代压电部件。
以上各实施例中，弯曲振动振幅调节部件的中心位置与振动单元所产生的弯曲振动的波腹位置相重合。然而，根据本发明的振动致动器，这两个位置并不必如实施例中完全重合。即，即使在振动单元纵向上的弯曲振幅调节部件的中心偏离了弯曲振动的波腹位置，仍可以调节弯曲振动的幅度。然而，作为弯曲振幅调节单元的质体的中心线最好是安装在与弯曲振动的波腹位置相重合的位置上，这是因为该位置由质体调节的弯曲振幅的量增大。
以上各实施例中，弯曲振幅调节单元位于振动单元的另一平面。然而，弯曲振幅调节单元也可以位于压电部件13所处的平面上。如果是这样的情况，弯曲振幅调节单元所处的位置就不会与压电部件13的位置相冲突。例如，弯曲振幅调节单元可以倾斜地位于平面和侧面相交的位置。
以上各实施例中形成了长方形平行管状弯曲振幅调节部件。然而，根据本发明的振动致动器并不仅局限于这些实施例。即，有可能采用能够部分地改变弹性单元的当量厚度的任何形状。例如，柱状或金字塔形状可以取代长方形平行管状。
另外，尽管第一和第二驱动信号间的电压相位差设置为90°或-90°，但相位差也不仅局限于这些取值。例如，有可能设置的相位差使得效率最大，并能控制该状态的驱动频率。
再则，第一实施例添加了质体，第二实施例移去了质体。然而，这两种实施例也可以合并。