专利名称：振动发生器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在一个弹性组件中产生多个振动而产生一个驱动力的振动发生器。
图18是一种利用纵向和扭转振动的现有振动发生器的透视图。
在这个振动发生器中，一个定子101包括两个圆柱形的振动元件102，103，一个夹在两个振动元件之间，用于扭转振动的压电元件104，和一个位于振动元件103上方，用于纵向振动的压电元件105。用于扭转振动的压电元件104沿环绕的方向被极化，而用于纵向振动的压电元件105是以相反的方向极化的。一个用于进行相对于定子101运动的相对运动元件(转子)106位于纵向振动压电元件105的上方。
由振动元件102，103和压电元件104，105构成的定子101通过拧在轴107上的螺纹部分固定在轴107上。转子106利用中央的滚珠轴承108可旋转地安装在轴107上。在轴107的端部拧有一个螺母110，以便通过弹簧109使转子106与定子101保持压力接触。
用于纵向振动的压电元件105从发生器111接收到一个驱动信号，于此同时用于扭转振动的压电元件104接收到一个来自发生器111的输出，经过相移装置112相移的驱动信号。结果提供给压电元件104的驱动信号和提供给压电元件105的驱动信号的频率是相同的，但相位不同。
用于扭转振动的压电元件104为旋转转子106提供了机械位移，而用于纵向振动的压电元件105则与压电元件104产生的扭转振动的周期同步地周期性地改变定子101和转子106之间的摩擦力，从而将振动转变为在一个方向上的运动。
图19是一个现有振动发生器的定子的分解透视图。
由于用于扭转振动的压电元件104必须以环绕的方向极化，因此如图19所示的那样压电材料被分割为六至八个扇形的部件，它们被分别地极化，然后再组装成环形。其上提供有一个电极104a。
但是，在图18和19所示的现有的振动发生器中，在将用于扭转振动的压电元件组装成环形时，很难获得足够精确的形状。由于这种原因，妨碍了压电元件104和振动元件103之间或压电元件104之间的彼此接触。结果压电元件104，105的振动不能充分地传递给振动元件102，103，因此损害了振动发生器的工作特性。
此外，由粘结扇形部件组装而成的扭转振动压电元件104还需要有至少数毫米的厚度，以便取得足够的粘结强度。由于这个原因使得压电元件104的电极之间的距离较大，因此需要较高的电压以便为压电元件104提供驱动所必须的电场。
另一方面，用于扭转振动的压电元件104的面积和用于纵向振动的压电元件105的面积近似地等于或小于振动元件102或103的横截面。此外，为了穿过轴107必须在用于扭转振动的压电元件104和用于纵向振动的压电元件105的中心穿一个孔。结果用于扭转振动的压电元件104和用于纵向振动的压电元件105各自的面积变得更小，这使得难于在振动发生器中获得较大的扭矩和较高的转速。
此外在这种现有的振动发生器中，是利用调节振动元件102，103的长度和材料以及转子106的压力使得扭转和纵向振动的共振频率选定为近似相等，以改善它的操作特性的，但是在实际操作中这种调节是相当困难的。例如，利用改变振动元件102，103的长度或材料的调节将不仅导致扭转振动的共振频率的改变，还将导致纵向振动的共振频率的改变。在利用转子106的压力的调节的情况中，共振也会被改变，例如利用改变转子106的负载或利用加压弹簧的疲劳。
考虑到上述的问题，本发明的目的是提供一种振动发生器，它能够以高的转矩和高的转速驱动，它可以容易地制造，并能容易地使它的纵向和扭转振动的共振频率彼此相同。
根据本发明的一个实施例，提供了一种振动发生器，其带有一个包括多个棒状弹性组件的棒形振动元件，和一个位于彼此相邻的弹性组件之间的，并且适于接收一个驱动信号因此而在弹性组件中产生相互不同的多个振动的机电转换元件，以及一个与振动元件的一个端面保持接触的，并且适于致使一个相对于振动元件的运动的相对运动元件，其中适当地成形振动元件，使其垂直于轴线的横截面沿轴线改变。
上述多个振动可以是一个绕振动元件的轴线的扭转振动和一个沿振动元件的轴线的纵向振动，并且可以使产生于振动元件中的扭转振动和纵向振动的共振频率彼此近似相等。
振动元件也可以呈现为在至少一个位置包括一个较小直径部分的圆柱形。
也可以采用一个第一级纵向振动和一个第二级扭转振动，并且在对应于纵向振动的一个波节和扭转振动的两个波节的总共三个位置上提供较小直径部分的形式。
也可以采用一个第一级纵向振动和一个第二级扭转振动，并且在对应于纵向振动的一个波节的一个位置上提供较小直径部分的形式。
也可以采用一个第一级纵向振动和一个第二级扭转振动，并且在对应于扭转振动的两个波节的两个位置上提供较小直径的形式。
还可以采用一个第二级纵向振动和一个第三级扭转振动，并且在对应于纵向振动的两个波节和扭转振动的三个波节的总共五个位置上提供较小直径部分的形式。
也可以这样构造振动元件，使得一个垂直于轴线的横截面是最大的位置与纵向振动的波节不同。
振动元件还可以这样构造，使得一个垂直于轴线的横截面是最大的位置与扭转振动的波节不同。
多个振动中的至少一个也可以是一个在弹性组件中产生多个波腹和至少一个波节的第一振动，和弹性组件可以这样构造，使得在由第一振动的紧密接邻的波腹和波节分割的多个部分中，一个包括与相对运动组件接触的端面的部分具有比其余部分的平均惯性质量小的惯性质量。在这种情况中，弹性组件可以带有一个沿振动元件的轴线的垂直方向，在比第一振动的波节更靠近上述端面的位置形成的槽。
弹性组件中构成包括上述端面的部分的弹性材料和构成其余部分的弹性材料也可以具有不同的比重。
弹性组件还可以采取其中惯性质量组件连接于包括上述端面的部分或连接于其余部分的结构形式。
上述惯性质量组件也可以是一个安装在弹性组件上的螺栓组件和/或拧在上述螺栓组件上的一个螺母。
根据本发明，由于弹性元件的形状是其垂直于轴线的横截面沿轴线改变的，因此可以改变在弹性元件中产生的振动的刚性。因而获得改变每个振动的共振频率，和使在振动元件中产生的多个振动具有近似相同的共振频率的可能。此外，也获得了提供一种大扭矩和高转速振动发生器的可能。
通过选择多个振动中的至少一个作为在弹性组件中产生多个波腹和至少一个波节的第一振动，和适当地构造弹性组件使得在由紧密邻接的第一振动的波腹和波节分割的多个部分中，包括与相对运动组件连接的端面的部分具有比其余部分的平均惯性质量较小的惯性质量，这可以增加振动元件的驱动面处的弹性位移，从而一种具有更高转速和更大扭矩的振动发生器。
图1是显示本发明的振动发生器的第一实施例的剖面图；图2A和2B是第一实施例的振动元件的透视图；图3A是第一实施例的振动元件的侧视图；图3B，3C和3D是分别沿图3A中的3B—3B，3C—3C和3D—3D线的剖视图；图4A是显示在第一实施例的超声发生器中采用的，用于扭转振动的压电元件的极化方向和电极排列的示意图；图4B是显示在第一实施例的超声发生器中采用的，用于扭转振动的压电元件在电压作用下的变形的示意图；图5A是显示在第一实施例的超声发生器中采用的，用于纵向振动的压电元件的极化方向和电极排列的示意图；图5B是显示在第一实施例的超声发生器中采用的，用于纵向振动的压电元件在电压作用下的变形的示意图；图6是显示通过在第一实施例的振动元件中产生的纵向和扭转振动的组合，在振动元件端部的驱动面上随时间的推移产生的椭圆运动的示意图；图7是用于第一实施例的超声发生器的驱动电路的方框图；图8显示了在第一实施例的振动元件中产生的纵向和扭转振动的振动模式的一个例子；图9显示了本发明的振动发生器的第二实施例；图10显示了本发明的振动发生器的第三实施例；图11显示了本发明的振动发生器的第四实施例；图12显示了本发明的振动发生器的第五实施例；图13A和13B显示了在本发明的第六实施例中的振动元件的构造，其中图13A是沿通过中心线的平面的剖面侧视图，图13B提供了与驱动信号施加状态结合的分别沿图13A中的A—A，B—B和C—C线的剖视图；图14是显示图13A和13B中的振动元件的构造的平面图；图15是显示第六实施例的振动元件的另一种构造的平面图；图16是显示振动元件的没有较小直径部分的简化外形的平面图；图17是一个与第一实施例中的振动元件相同的振动元件的侧视图；图18是一个现有的利用纵向-扭转振动的振动发生器的透视图；图19是一个现有振动发生器的定子的分解透视图。
(第一实施例)以下通过参考附图中所示的实施例对本发明进行详细的说明。在以下实施例中说明的振动发生器是利用超声范围振动的超声发生器。
图1是本发明的这种超声发生器的第一实施例的剖视图。
通过在振动元件1中产生纵向和扭转振动本发明的超声发生器10得到驱动力。超声发生器10具有一个固定轴7，一个由轴7支撑的圆柱形振动元件1，和一个构成相对运动组件的转子6。振动元件1和转子6在彼此压紧的状态中保持相互接触。
在本实施例中，轴7是一个圆柱形部件，在垂直于轴线的方向上具有一个圆形的横截面。轴7在其一端带有一个螺纹部分7a，其另一端以适当的方法固定在一个固定平面上。轴7还具有螺栓孔7b至7e，垂直于轴7的纵方向，用于穿过以后将加以说明的螺栓13a至13d。
在本实施例中，振动元件1包括弹性组件2，3，构成第一机电转换元件、以夹持状态支撑在弹性组件2，3之间的压电元件4，和一个构成第二机电转换元件的压电元件5。
弹性组件2，3具有纵向切割一个中空圆柱形弹性组件而获得的形状，并且最好是由低振动衰减的金属材料构成的，例如不锈钢，因钢或铝合金，但也可以是由树脂材料构成的。
弹性组件2，3在其曲面的外圆周上有三个槽，在组装状态时，它们在圆柱形振动元件1中构成了较小直径部分，或收缩部分1a，1b和1c，如图1，2A和2B所示。结果，振动元件1有三个较小直径部分1a，1b和1c，以及被这三个较小直径部分分开的四个较大直径部分1A，1B，1C和1D。上述的槽位于对应于以后将进行说明的扭转和纵向振动的波节的位置。在本实施例中，较小直径部分1b位于振动元件1的轴向的中央，较小直径部分1a，1c分别位于较小直径部分1b的对称的两侧。可以利用例如磨削等机加工方法容易和可靠地将构成较小直径部分1a至1c的槽形成于弹性组件2，3上。
尽管在本实施例中较小直径部分1a至1c是以梯级收缩形式形成的，本发明的超声发生器的振动元件1并不局限于这样一种形式，而是可以采取只要是垂直于轴线的横截面沿振动元件的轴线改变的任何形式。
较大直径部分1A至1D分别带有垂直于振动元件1的中心轴方向的螺栓孔1A′至1D′。
弹性组件2，3以下述的方式固定。首先保持弹性组件2，3使得压电元件4，5夹持在平面之间，并把轴7嵌入中心孔。然后将轴7上的螺栓孔7b至7e与螺栓孔1A′至1D′对正，并把螺栓13a至13d插入其中。接下来把螺母14a至14d拧在对应的螺栓13a至13d上，固定住弹性组件2，3。在把螺栓13a至13d与螺母14a至14d拧紧之前，在弹性组件2，3和压电元件4，5之间施加粘结材料可以获得更为牢固的固定。
在振动元件1(弹性组件2，3)和轴7之间有形成的缝隙，以便轴7不会妨碍振动元件1中产生的振动。在螺栓13a至13d与轴7之间也形成有缝隙，缝隙的形成方式使得与振动元件1一同振动的螺栓13a至13d不与轴7相接触。
振动元件1由在较小直径部分1b中形成的销钉孔1E中穿过的销钉12固定和支撑。
构成相对运动组件的转子6包括一个厚壁圆筒形的转子体6a，和一个粘结在转子体6a的，面对振动元件1的一个端面上的环形滑动组件6b。转子体6a最好是由例如铝合金或不锈钢这样的材料构成的，或是由树脂材料构成的。滑动组件6b是用来减少转子6和振动元件1之间的滑动阻力的。滑动组件6b可以是由含有PPS(聚苯硫)或PTFE(聚四氟乙烯)的树脂材料构成的。在本实施例中滑动组件6b构成了转子6的一部分，但是它也可以粘结在接触转子6的振动元件1的端面上。
转子体6a在其与振动元件1相反的端面的内圆周上有一个环形的槽6c，轴7通过一个安装在槽6c内的轴承8支撑转子6。
转子6在与其滑动面相反的端面上，还有一个加压组件11和belleville弹簧9安装在轴7上，并由一个拧在轴7的螺纹部分7a的螺母7f压紧，因此把转子6压紧在振动元件1上。通过调节螺母7f的松紧可以改变转子6和振动元件1之间的接触压力。belleville弹簧可以用具有弹簧特性的其它组件替代，例如螺旋弹簧或片簧。
图2A和2B是用于本实施例的超声发生器的振动元件1的透视图。在这些图中，为了简捷起见省略了固定半圆形组件2，3的螺栓孔1A′至1D′。
在本实施例中，如图2A和2B所示，在振动元件1的轴向方向上分成三组的十二个片状压电元件4以夹持状态支撑在构成振动元件1的弹性组件2，3之间。在每个组中，压电元件两层迭加在一起。
构成第一机电转换元件的压电元件4具有一个压电常数d15，并在振动元件1中产生扭转振动。构成第二机电转换元件的压电元件5具有压电常数d31，并在振动元件1中产生纵向振动。总共有八个压电元件4，其中四个分成两层的两组位于振动元件1的上部，其余的四个以同样的方式位于振动元件1的下部，而四个压电元件5被分为两层的两组放置在振动元件1的中部。
在压电元件4中，电极4a，4b，4c，4d位于迭加的各层之间。在压电元件5中，电极5a，5b也位于迭加的各层之间。这些电极4a，4b，4c，4d，5a，5b是由不锈钢，铜或磷青铜一类的金属片形成的，并用粘结于压电元件4，5或用螺栓13a至13d和14a至14d紧固固定在位置上。半圆形组件2，3接地。
图3A是用于本实施例的超声发生器的振动元件的侧视图，图3B至3D分别是沿图3A中的3B—3B，3C—3C和3D—3D线的剖视图，显示了压电元件在本实施例的超声发生器中的排列。如同图2A和2B一样，在图3A中也省略了螺栓孔1A′至1D′。
图3B，3C和3D显示了用于扭转振动的压电元件4和用于纵向振动的压电元件5的极化方向。用于扭转振动的压电元件4以振动元件1的轴向方向极化，而用于纵向振动的压电元件5是以压电元件的横向方向极化的。
图4A，4B，5A和5B是显示在本实施例的超声发生器中，在用于扭转振动的压电元件4和用于纵向振动的压电元件5中极化的方向，电极的排列和在电压的作用下变形的示意图。
如图4A中所示，用于扭转振动的压电元件4是在片状元件的纵向方向和沿振动元件1的纵向极化的。图4A所示的电极施加的电压在压电元件4的横方向产生一个电场，因此如图4B所示产生一个纵向的剪切变形。在图3B中的横截面3B—3B中的两组压电元件4和图3D中的横截面3D—3D中的两组压电元件4的排列使得相邻的压电元件有彼此相反的极化方向。也参考图3A至3D，压电元件的排列使得右面的组左面的组有彼此相反方向的剪切变形。此外，它们的排列使得产生于横截面3B—3B和3D—3D中的扭转有彼此相反的方向。在如上述方式排列的压电元件中的剪切变形在振动元件1中产生一个带有两个波节第二级扭转位移，并且可以利用这种扭转位移在振动元件1中产生一个第二级扭转振动(T2模式)。
另一方面，用于纵向振动的压电元件5如图5A中所示在横的方向上极化。也如图3B所示，用于纵向振动的压电元件5的排列使得相邻的元件有彼此相反的极化方向。图5A所示的电极5a施加的电压在压电元件5的横方向产生一个电场，因此如图5B所示产生一个伸长的变形。压电元件5的排列方式使得伸长变形的方向平行于振动元件1的轴向方向。图3C中的横截面3C—3C中的两组压电元件5的排列方式使得它们在施加某种电压的情况下在相同的方向上显示出伸长或缩短的变形。压电元件5的这种伸长或缩短变形可以被用于在振动元件1中产生一个第一级纵向振动(L1模式)。
图7是本实施例的超声发生器的驱动电路的方框图。
驱动信号发生器31产生一个预定频率的驱动信号，首先将其经过一个相移装置32使相位超前(或延迟)90°提供给一个放大器33，也直接将其提供给一个放大器34。
连接于电极4a至4d的放大器33放大进入的驱动信号，并将其送到压电元件4。连接于电极5a和5b的放大器34放大进入的驱动信号，并将其送至压电元件5。通过将相移装置32中相移的量选择为一个最佳值可以改善超声发生器10的扭矩，转速和效率。
通过这种驱动电路向压电元件4施加一个正弦曲线电压驱动信号在振动元件1中产生一个第二级扭转振动。也通过这种驱动电路向压电元件5施加一个正弦曲线电压驱动信号在振动元件1中产生一个第一级纵向振动。由于提供给压电元件4的驱动信号的相位与提供给压电元件5的驱动信号的相位相差90°(1/4周期)，在振动元件1的驱动面S产生一个椭圆形位移。
图6显示了超声发生器的驱动原理的示意图，通过组合振动元件1中产生的第一级纵向振动和第二级扭转振动超声发生器随时间推移产生一个驱动面S的椭圆运动。为了简化的目的，在图6中省略了与驱动面S保持压力接触的转子6。
假设驱动频率f相当于角频率ω＝(2πf)。在时间t＝(6/4)·(π/ω)，扭转振动T的位移达到左面的最大距离，此时纵向振动L的位移是零。在这个状态中，可运动组件通过未示出的加压组件与振动元件1的驱动面S保持压力接触。
此后，在t＝(7/4)·(π/ω)经过t＝0至t＝(2/4)·(π/ω)周期中，扭转振动T从左面的最大距离变化为右面的最大距离，此时纵向振动L从零变为顶部的最大距离并返回至零。结果振动元件1的驱动面S上的一个固定点旋转到右面，同时推动未示出的转子6，于是驱动了转子6。
接着在t＝(2/4)·(π/ω)至t＝(6/4)·(π/ω)周期中，扭转振动T从右面最大距离转变为左面最大距离，此时纵向振动L从零变化为底侧的最大距离并又返回零。结果振动元件1的驱动面S上的固定点旋转到左面，同时与转子分离，于是不驱动转子。因为转子与振动元件的固有频率之间的显著差异，所以尽管转子被压力组件紧压着，它并不随着振动元件1收缩。
图8显示了在本实施例的超声发生器的振动元件1中产生的纵向和扭转振动的振动模式的例子。
在本实施中，通过在振动元件1中产生一个第二级扭转振动(T2模式)和一个第一级纵向振动(L1模式)而获得驱动力。因此，为了有效地驱动超声发生器，最好是采用使扭转和纵向振动具有近似相等的共振频率这样的设计，以便增加旋转位移和轴向位移的幅度。为了获得这种近似相等的共振频率，本实施例的振动元件1具有较小直径部分(缩小的部分)1a至1c。
总共在三个位置上提供了这种较小直径部分(缩小的部分)1a至1c，这三个位置对应于振动元件1中产生的扭转振动波节(在靠近振动元件1的纵向的端点的两个位置)和纵向振动的波节(在振动元件1的纵向的近似中点的位置)。在第一级纵向振动中降低振动组件1的刚性，例如用加大提供在这种纵向振动的波节处的较小直径部分1b的深度的方法，或是用增加其宽度的方法，可以降低这种第一级纵向振动的共振频率。位于第二级扭转振动的波腹位置的较小直径部分1b不会显著影响它的共振频率。同样地可以用改变位于这种扭转振动的波节处的较小直径部分1a，1c的形状的方法来使第二级扭转振动的共振频率发生变化。
如上所述，本实施例可以用改变较小直径部分1b的形状的方法来改变纵向振动的共振频率。结果用调节较小直径部分1b形状的方法可以使纵向振动和扭转振动有近似相等的共振频率，和用有限的输入就可以在纵向和扭转振动中获得大的振幅。
第一级纵向振动振幅的增大可以增大转子6的压力，因而增大了超声发生器10的扭矩。第二级扭转振动振幅的增大也可以增大转子6的转速。结果改善了包括扭矩，转速和效率在内的超声发生器10的操作特性。
较小直径部分1b，1a，1c的存在也降低了纵向和扭转振动的波节的刚性，从而增大了这种纵向和扭转振动的振幅，并因此改善了超声发生器10的操作特性。
此外，以最佳的方式选择振动组件1和转子6的材料和形状，以及滑动组件15的材料，形状和压力可以进一步改善超声发生器10的操作特性。
如上所述，利用产生扭转和纵向振动的片状压电元件4，5，本实施例的超声发生器10可以改善这种压电元件4，5形状的精确度，从而能够向振动元件1可靠地传输压电元件4，5的振动。结果可以改善超声发生器10的操作特性，和可以便利它的制造。
本实施例利用薄的压电元件4产生扭转振动也可以降低获得预定电场所需的电压。
在本实施例中，在振动元件1上的较小直径部分1a至1c也在纵向振动和扭转振动中降低了振动元件1的刚性，从而加大了振动位移。结果超声发生器10可以提供较高的扭矩和较高的转速。
在本实施例中，在纵向振动和扭转振动中降低振动元件1的刚性也可以降低这种纵向和扭转振动的共振频率，从而改善了超声发生器10的效率。
此外，在本实施例中，由于振动元件1上的较小直径部分1a至1c独立地位于纵向振动的波节和扭转振动的波节上，因此可以通过调节这种较小直径部分1a至1c的直径为这些振动提供近似相等的共振频率。
由于较小直径部分1a至1c存在于振动元件1上，可以使纵向和扭转振动具有近似相等的共振频率和增加它们的振幅，本实施例可以实现一种高扭矩和高转速的超声发生器。
现有振动发生器存在着由于介电损耗或振动内摩擦在驱动过程中机电转换元件或弹性组件产生热量的缺陷，因此造成了振动元件的共振特性的改变。在本实施例中，较小直径部分的存在增加了振动元件的表面积，从而改善了散热和抑制了温度的升高。可以通过把较小直径部分安排在邻近倾向于产生热量的波节或机电转换元件的位置来增强这种效果。
此外，本实施例的超声发生器可以使得在发生器组装之后能够容易地对纵向和扭转振动的共振频率进行细调谐。
更详细地讲，适当地设计本实施例的超声发生器10的较小直径部分的位置，使得在组装后纵向和扭转振动有近似相等的共振频率，但是例如由于制造时机加工的公差使得这种共振频率可能不是完全彼此相同。在这种情况下，通过下述的方法可以把纵向和扭转振动的共振频率调节为相等或接近相等的值1)把螺栓13a至13d换为另外的不同头长度或不同材料(因此具有不同的重量)的螺栓13a′至13d′。最好是调换内螺栓13b，13c以便保持振动元件的强度；2)为螺栓13a至13d垫上垫圈；3)不仅改变振动元件1的较小直径部分1a至1c的直径，而且改变其较大直径部分1A至1D的直径和它的轴向长度，例如用磨削的方法。
由于第一级纵向振动的共振频率的变化率与第二级扭转振动的不同，因此可以用上述的方法把纵向和扭转振动的共振频率调节为相等或近似相等。考虑到这种调谐工作的量，用这种调谐对共振频率调节的余量最好限制为例如10Hz。
(第二实施例)图9是本发明的超声发生器的第二实施例的示意图。在以下的说明中仅对其不同于第一实施例的部分进行解释，与第一实施例相同的那些部分用相同的标号表示，并且不再进一步加以说明。
在第一实施例中已经说明了利用有三个较小直径部分1a至1c的振动元件1的超声发生器10，但是较小直径部分的数量并不限制于三个，而可以是一个或两个或更多。
例如，如图9所示，振动元件1在其产生的第一级纵向振动的波节处仅有一个较小直径部分1b，以此改变这种振动的共振频率。用这种方法可以赋予第一级纵向振动和第二级扭转振动近似相等的共振频率。(第三实施例)图10显示本发明的超声发生器第三实施例的示意图，其中如图10所示振动元件1在第二级扭转振动的波节处有两个较小直径部分1a，1c，以此改变它的共振频率。用这种方法可以赋予第一级纵向振动和第二级扭转振动近似相等的共振频率。(第四实施例)第一实施例提供了一种利用第一级纵向振动和第二级扭转振动的复合振动的超声发生器，但是通过组合其它的振动模式也可以得到同样的效果。
图11显示了利用第二级纵向振动和第三级扭转振动的复合振动的振动元件1的振动模式，和在振动元件1上形成的较小直径部分的位置之间的关系。
在本实施例中，总共提供了五个较小直径部分，包括在第二级纵向振动的波节处的两个较小直径部分1d，1e和在第三级扭转振动的波节处的三个较小直径部分1f，1g，1h。
在图11中，提供了电极4a-1，4a-2，4b-1，4b-2，4c-1，4c-2，4d-1，4d-2，5a-1和5a-2。
在本实施例中，通过改变五个较小直径部分1d至1h的形状也可以使纵向和扭转振动的共振频率近似相等。(第五实施例)在第一至第四实施例中，较小直径部分是在振动元件1的外表面上形成梯级形状，但这种梯级形状不是必须的。通过利用，例如象图12所示的，具有连续变化的横截面形状的较小直径部分1i至1k也可以使纵向和扭转振动的共振频率近似相等。(第六实施例)图13A和13B显示了超声发生器的第六实施例中的振动元件51的结构。与驱动信号的施加状态一起，图13A显示了左半部剖面侧视图，图13B显示了沿图13A中A—A，B—B和C—C线的剖面图。图14是图13A所示的振动元件51的平面图。
在图13A所示的超声发生器10的振动元件51中，较小直径部分1a，1c与第一实施例的振动元件1中的那些较小直径部分相比较分别向振动元件51的两端移动了大约为其总长度的3％的距离。因此，较大直径部分1A，1D的轴向尺寸小于较大直径部分1B，1C的轴向尺寸。
图15是用于第六实施例的另一个超声发生器的振动元件52的平面图。除了较小直径部分1a，1c与第一实施例的振动元件1中的那些较小直径部分相比较分别向振动元件51的两端移动了大约为其总长度的6％的距离以外，振动元件52与图14中所示的振动元件51相同。图14所示的振动元件51和图15所示的振动元件52仅在较小直径部分的位置上与第一实施例的振动元件不同。因此仅在不同之处对本实施例进行说明，那些与第一实施例相同的组件用相同的标号表示，并不再进一步地加以说明。
图16是显示振动元件53的没有较小直径部分的简单外部形状的平面图，图17是基本上与第一实施例有相同构造的振动元件54的平面图。
以下根据本实施例的振动元件51，52和图16和17中所示的振动元件53，54的比较进行说明。
图16也显示了在简单的圆柱形的弹性组件37中产生的第二级扭转振动(T2模式)的振幅。在图16中，弹性组件37的左端面A构成了驱动面S，通过它把驱动力传输给相对运动组件(转子)。在图16中显示了在左端面(驱动面)A的振幅，在产生于左端面A，中部B和右端面C的三个波腹中，取中部B的波腹的振幅为“1”。
在图16所示的振动元件53中，由于弹性组件37是一个没有较小直径部分的简单圆柱，其中产生的第二级扭转振动呈现简单的正弦形状。因此，在图16所示的情况中，在左端面A或右端面C的波腹的振幅与中部C的波腹的振幅的比等于1。
在图17所示的振动元件54中，在弹性组件的外表面上图17所示的第二级扭转振动的两个波节位置D，E有较小直径部分1a，1c，用于使其共振频率与第一级纵向振动的共振频率相匹配。也就是说如图16所示在假设第二级扭转振动呈现简单正弦形状时，较小直径部分1a，1c位于第二级扭转振动的波节处。在这种情况下，在左端面A或右端面C处的波腹的振幅与中部B的振幅比大约为1.137。
如上所述，在基本上与第一实施例有相同结构的振动元件54中，与图16所示的没有较小直径部分振动元件53的扭转振动的振幅相比，通过在扭转振动的波节位置形成这种较小直径部分，扭转振动的振幅增加了大约14％。
在图14所示的本实施例的振动元件51中，较小直径部分1a，1c的位置与图17所示的振动元件54的相比，分别向振动元件51的端面移动了大约为振动元件总长度的3％的距离。如图14所示，在这种振动元件51中，左端面A的波腹的振幅与中部B的振幅的比率大约为1.258。因此，与图16所示的振动元件53的振幅相比，扭转振动的振幅增加了大约26％，与图17所示的振动元件54的振幅相比，增加了大约11％。
在图15所示的振动元件52中，与图17所示的振动元件54的较小直径部分的位置相比，其较小直径部分1a，1c的位置H，I向振动元件52的端面移动了大约为整个振动元件长度的6％的距离。在这种振动元件52中，如图15所示，在左端面A的波腹的振幅与在中部B的振幅的比率大约为1.367。因此与图16所示的振动元件53的振幅相比，扭转振动的振幅增加了大约37％，与图17所示的振动元件54的振幅相比，增加了大约20％。
这种与图16或17所示的振动元件53或54相比，图14或15所示的振动元件51或52中的振幅的增大基于以下的原理。
假如将波腹替换为一个惯性质量组件，和把波节替换为一个弹簧，而使振动元件51，52，53或1转变为一个简单的弹簧—质量模型，根据在第二级扭转振动中的位移的分配，较小直径部分1a，1c分别向端面的移动等价于在端面的惯性质量的减少，和在中部的惯性质量的增加。
因此，带有这种减少的质量的左和右端面A，C，由于降低的惯性效应，而显示处在振动速度上的增加，与此同时，带有增大的惯性效应的中部B则显示出在振动速度上的降低。由于总质量在整个振动元件中变化很小，因此共振频率仅有很小的改变。结果是振动速度的增大或减小直接反映为振幅的增大或减小。
因此，本实施例使得控制在左端面A和中部B的振幅的平衡成为可能，并使可以从振动元件的驱动面S获得和影响驱动特征的振动位移增大成为可能。
如上所述，在本实施例中，在被产生于弹性组件中的两个振动中的一个或两个的波节所分割的多个部分中，包含一个位于端面的波腹的第一部分(较大直径部分38A)的惯性质量可以用把较小直径部分1C的位置向振动元件的端面(驱动面)移动的方法变得小于另一个第二部分的惯性质量。
因此，在利用本实施例的振动元件51或52的超声发生器中，可以控制和修改产生于振动元件中的振动的形状，使得在驱动面S的波腹振幅大于另一个波腹的振幅。结果可以使在振动的一个周期中从驱动面S获得的位移大于其它非驱动位置中的位移，因此超声发生器能够提供较大的转矩和较高的转速。
在上述第六实施例中，把较小直径部分1c的位置向端面(驱动面)移动，以便改进代表弹性组件的弹簧—质量模型中的质量的平衡，因而与另外的波腹的振幅相比，在驱动面S处产生的波腹的振幅增大。但是，本发明的超声发生器并不仅限于这种形式。
更详细地讲，如图14和15所示利用螺栓13a至13d或螺母14a至14d也可以获得同样的效果。例如为了降低与螺栓13b，13c相比的惯性效应，可以用一种较低比重的材料制造螺栓13a，13d或是把螺栓头做得短一些，从而与另外位置中的波腹的振幅相比，在驱动面S产生的波腹的振幅变大。
也可以根据多个振动的波节位置把弹性组件分割为多个部分，并用较轻的材料(例如铝合金)制造包含驱动面S的第一部分，用例如不锈钢制造其它部分。
此外，尽管一直是用在振动元件中产生一个第二级扭转振动和一个第一级纵向振动的情况解释本实施例的，但是本发明并不局限于这种情况，其它利用在振动元件中产生一个第m—级扭转振动和一个第n—级纵向振动的(m，n是自然数)不同退化振动模式的超声发生器是同样可用的。
本实施例也是在振动元件包括一个第二级扭转振动和一个第一级纵向振动的情况下，调节第二级扭转振动的惯性质量说明的，但本发明并不局限于这种情况，调节第一级纵向振动也同样可行。在这种情况中，第一级纵向振动的振幅的增大导致超声发生器产生的扭矩的增大。
在上述的第一至第六实施例中，假设弹性组件被一个包含中心轴的平面分割成两部分，但本发明在把弹性组件分割成三个或更多部分的情况下也同样可行。
在上述的第一至第六实施例中，假设弹性组件有一个圆柱外形，但本发明也是并不限于这种一种情况，可以使用例如象正方形横截面一类的多边形横截面的弹性组件。
在上述的第一至第六实施例中，利用压电元件作为机电转换元件，但本发明同样不局限于这样一种情况，可以使用任何其它的能够把电能转换为机械位移的元件，例如一种电致伸缩元件或一种磁致伸缩元件。
权利要求
1.一种振动发生器包括一个带有多个棒形弹性组件和一个安装在彼此相邻的所述弹性组件之间并适于通过接收驱动信号而产生彼此不同的多个振动的机电转换元件的棒形振动元件；和一个与所述振动元件的端面接触和适于产生一个相对于所述振动元件的运动的相对运动元件；其中适当成形所述振动元件，使其垂直于其轴线的横截面沿所述轴线变化。
2.一种如权利要求1所述的振动发生器，其中所述多个振动是一个绕所述振动元件的轴线的扭转振动，和一个沿所述振动元件的轴线的纵向振动，产生于所述振动元件中的扭转振动的共振频率与产生于所述振动元件中的纵向振动的共振频率近似相等。
3.一种如权利要求2所述的振动发生器，其中所述振动元件的形状是一种在其至少一个部分具有较小直径部分的圆柱形。
4.一种如权利要求3所述的振动发生器，其中所述纵向振动是一个第一级振动，而所述扭转振动是一个第二级振动，和总共在三个位置具有较小直径部分，这三个位置对应于所述纵向振动的一个波节位置和所述扭转振动的两个波节位置。
5.一种如权利要求3所述的振动发生器，其中所述纵向振动是一个第一级振动，而所述扭转振动是一个第二级振动，并且一个较小直径部分位于对应于所述纵向振动的一个波节位置。
6.一种如权利要求3所述的振动发生器，其中所述纵向振动是一个第一级振动，而所述扭转振动是一个第二级振动，并且较小直径部分位于对应于所述扭转振动的两个波节的位置。
7.一种如权利要求3所述的振动发生器，其中所述的纵向振动是一个第二级振动，而所述扭转振动是一个第三级振动，并且总共在五个位置有较小直径部分，这五个位置对应于所述纵向振动的两个波节位置和所述扭转振动的三个波节位置。
8.一种如权利要求2所述的振动发生器，其中适当成形所述振动元件，使其垂直于轴线的最大横截面的位置与所述纵向振动的波节位置不同。
9.一种如权利要求2所述的振动发生器，其中适当成形所述振动元件，使其垂直于轴线的最大横截面的位置与所述扭转振动的波节位置不同。
10.一种如权利要求1所述的振动发生器，其中所述多个振动中的至少一个是一个在所述弹性组件中产生多个波腹和至少一个波节的第一振动；和适当地成形所述弹性组件，使得在被所述第一振动的彼此相邻的波腹和波节分割的多个部分中，一个包含与所述相对运动组件接触的端面的部分的惯性质量小于其余部分的平均惯性质量。
11.一种如权利要求10所述的振动发生器，其中所述弹性组件在与所述弹性组件的轴线垂直的方向，沿所述第一振动的至少一个波节位置的圆周有一个槽。
12.一种如权利要求10所述的振动发生器，其中适当成形所述弹性组件，使得构成包含所述端面的部分的弹性材料和构成其它部分的弹性材料有彼此不同的比重。
13.一种如权利要求10所述的振动发生器，其中适当成形所述弹性组件，使得一个惯性质量组件安装在包含所述端面的部分或安装在其它部分。
14.一种如权利要求13所述的振动发生器，其中所述惯性质量组件是一个安装在所述弹性组件上的螺栓组件和/或一个拧在所述螺栓组件上的螺母组件。
全文摘要
一种振动发生器包括一个带有多个棒形弹性组件和一个安装在彼此相邻的弹性组件之间并适于通过接收驱动信号而产生彼此不同的多个振动的机电转换元件的棒形振动元件，和一个与振动元件的端面接触和适于产生一个相对于振动元件的运动的相对运动元件，其中适当地成型振动元件使得其垂直于其轴线的横截面沿轴线变化。
文档编号H02N2/10GK1157916SQ9611285
公开日1997年8月27日 申请日期1996年9月19日 优先权日1995年9月20日
发明者冈崎光宏, 菅谷功, 芦泽隆利 申请人:株式会社尼康