驱动振动致动器的方法、振动驱动装置及机械设备与流程

本发明涉及一种驱动振动致动器的方法、振动驱动装置以及配备有该振动驱动装置的机械设备，更具体地，涉及用于增加振动致动器的滑动效率从而提高振动致动器的耐久性的技术。

背景技术：

振动致动器具有这样的特征，即，使得振动致动器能够产生大的低速扭矩并且在驱动之后通过摩擦力保持其状态，其中，振动致动器使得振动元件与被驱动元件彼此压力接触并且激发振动元件的振动，从而使得振动元件与被驱动元件相对于彼此运动。通过关注这种特征，例如，在诸如单透镜反射相机的摄像设备中，振动致动器已经作为用于执行自动聚焦操作的透镜驱动马达而投入实际使用。另外，近年来，振动致动器被预期应用于其他用途。例如，振动致动器被预期应用于机器人臂的关节的驱动、机器人手的旋转驱动、成像设备的感光鼓的旋转驱动、X-Y平台在平面内的驱动等。

为了将振动致动器应用于这些其他用途，要求振动致动器产生更大的扭矩并且实现更高的输出，并且另外，还强烈要求振动致动器的滑动效率提高并且耐久性提高，以抑制驱动特性随时间的降低。为了满足这些要求，必须抑制形成接触的振动元件与被驱动元件的相应接触部分之间出现不必要的滑动，从而提高滑动效率。因此，例如，对于使用弯曲振动(导致在与被驱动元件接触的驱动元件的一部分垂直的方向上位移的振动)和伸缩振动(导致在驱动被驱动元件的方向上位移的振动)作为驱动振动的振动致动器，已经提出了用于通过产生作为n阶振动和3n阶振动的合成振动的伸缩振动来减小在被驱动元件与振动元件之间出现滑动的技术(见日本专利特开No.2007-202227)。

然而，很难说通过在日本专利特开No.2007-202227中描述的技术能够得到充足的滑动效率，并且因此，需要进一步的改进。另外，日本专利特开No.2007-202227中描述的技术中使用的n阶振动和3n阶振动在振动的各个固有频率之间存在较大的区别，这就导致下述问题，即，振动致动器的机械设计(结构设计)存在显著限制(小的自由度)。

技术实现要素：

本发明提供一种驱动振动致动器的方法，该方法使得能够增大振动元件在被驱动元件上的滑动效率，从而提高耐久性，并且使得能够减少振动致动器的机械设计上的限制。

在本发明的第一方面，提供了一种驱动振动致动器的方法，所述振动致动器包括：振动元件，所述振动元件包括机电能量转换元件和接合至所述机电能量转换元件的弹性体；以及被驱动元件，所述被驱动元件与所述弹性体形成压力接触，所述方法包括通过将驱动信号施加到机电能量转换元件而在振动元件中激励驱动振动，从而使振动元件与被驱动元件相对于彼此运动，其中，驱动振动是至少n阶振动与2n阶振动的合成振动，其中，n为自然数。

在本发明的第二方面，提供一种振动驱动装置，包括：振动致动器和用于驱动所述振动致动器的驱动电路，其中，所述振动致动器包括：机电能量转换元件；振动元件，所述振动元件包括接合至机电能量转换元件的弹性体；以及被驱动元件，所述被驱动元件与弹性体形成压力接触，其中，驱动电路向机电能量转换元件施加驱动信号，以用于在振动元件中激励至少n阶振动与2n阶振动所合成的驱动振动，并且通过所述驱动振动使振动元件与被驱动元件相对于彼此运动，其中，n为自然数。

在本发明的第三方面，提供一种机械设备，包括振动驱动装置，所述振动驱动装置包括：振动致动器，和用于驱动振动致动器的驱动电路，其中，振动致动器包括：机电能量转换元件；振动元件，所述振动元件包括接合至机电能量转换元件的弹性体；以及被驱动元件，所述被驱动元件与弹性体形成压力接触，其中，驱动电路向机电能量转换元件施加驱动信号，以用于在振动元件中激励至少n阶振动与2n阶振动所合成的驱动振动，并且通过所述驱动振动使振动元件与被驱动元件相对于彼此运动，其中n为自然数，并且其中，包括在振动驱动装置中的振动致动器用作驱动源。

根据本发明，能够抑制在形成接触的振动元件与被驱动元件的相应接触部分之间出现不必要的滑动，并且因此能够在很大程度上提高振动元件在被驱动元件上的滑动效率，并且提高耐久性。另外，根据本发明，能够减少在机械设计上的限制，这使得容易根据使用来做出振动致动器的设计。

从示例性实施例的下述描述中，本发明的其他特征将变得明显(参照附图)。

附图说明

图1是根据本发明第一实施例的振动驱动装置的示意性纵向截面图。

图2是作为图1示出的振动致动器的部件的振动元件的透视图。

图3A是用于说明振动元件如何通过在图2所示的振动元件中激励的n阶振动变形的图解。

图3B是用于说明振动元件如何通过在图2所示的振动元件中激励的2n阶振动变形的图解。

图4是用于说明在对比示例1和示例1至3中的每一驱动振动的振动位移的图解，所述驱动振动在图2所示的振动元件中激励。

图5是用于说明由图4所示的对比示例1和示例1至3中的每一驱动振动所导致的振动元件的接触部分的进给速度的图解。

图6是示出了图2中所示的振动元件的接触部分的进给速度与被驱动元件的运动速度之间的关系的第一示例的图解。

图7示出了图2中所示的振动元件的接触部分的进给速度与被驱动元件的运动速度之间的关系的第二示例的图解。

图8是示出了图1中出现的振动致动器的驱动相关联的固有频率与多种频率之间的关系的图解。

图9是示出了用于说明在图1中出现的振动致动器的固有频率与滑动效率之间的关系的测试结果的图解。

图10A是作为根据本发明第二实施例的振动致动器的部件的振动元件的示意性透视图。

图10B是用于说明振动元件如何通过在图10A所示的振动元件中激励的n阶振动变形的图解。

图10C是用于说明振动元件如何通过在图10A所示的振动元件中激励的2n阶振动变形的图解。

图11A是作为根据本发明第三实施例的振动致动器的部件的振动元件的示意性透视图。

图11B是用于说明振动元件如何通过在图11A所示的振动元件中激励的n阶振动变形的图解。

图11C是用于说明振动元件如何通过在图11A所示的振动元件中激励的2n阶振动变形的图解。

图12A是作为根据本发明第四实施例的振动致动器的部件的振动元件的示意性透视图。

图12B是用于说明振动元件如何通过在图12A所示的振动元件中激励的第一振动模式中的n阶振动变形的图解。

图12C是用于说明振动元件如何通过在图12A所示的振动元件中激励的第一振动模式中的2n阶振动变形的图解。

图12D是用于说明振动元件如何通过在图12A所示的振动元件中激励的第二振动模式中的振动变形的图解。

图13是配备有根据本发明实施例的振动致动器的机器人的示意性透视图。

图14是配备有根据本发明实施例的振动致动器的彩色成像设备的内部构造的侧截面图。

图15A是作为图14所示的彩色成像设备的部件的感光鼓的示意性透视图，该彩色成像设备配备有作为驱动马达的振动致动器。

图15B是作为图14所示的彩色成像设备的部件的传送带的示意性局部透视图。

图16A是使用图12A至图12D所示的振动元件的摄像设备的示意性俯视图。

图16B是使用图12A至图12D所示的振动元件的摄像设备的示意性方框图。

图17是作为使用图12A至图12D所示的振动元件的载置台设备的示例的显微镜的外观的透视图。

具体实施方式

现在将参照示出了本发明的实施例的附图详细描述本发明。

图1是根据本发明第一实施例的振动驱动装置的示意性纵向截面图。振动驱动装置包括振动致动器10和驱动该振动致动器10的驱动电路15。振动致动器10包括振动元件20、被驱动元件30以及加压机构40，振动元件20、被驱动元件30以及加压机构40中的每个均形成为环形形状。另外，振动致动器10包括轴51、壳体52以及轴承53和54。

振动元件20包括压电元件22和弹性体21，所述压电元件22是机电能量转换元件，所述压电元件22接合至所述弹性体21。加压机构40包括隔振橡胶41、压力弹簧接收部件42、压力弹簧接收橡胶43、压力弹簧44以及压力弹簧固定部件45。通过加压机构40使得振动元件20和被驱动元件30在轴51的轴向(推力)方向上形成彼此压力接触(摩擦接触)，并且如下文所述那样，来自被驱动元件30的旋转输出经由轴51被带出至外部。被驱动元件30由诸如不锈钢的铁质材料制成并且包括本体30a和接触弹簧部分30b。接触弹簧部分30b形成为具有弹簧性质的厚度，以接收来自压力弹簧44的压力，并且在施加压力的方向上弯曲。这使得能够保持被驱动元件30与振动元件20稳定接触。

图2是作为振动致动器10的部件的振动元件20的透视图。作为振动元件20的部件的弹性体21由已经经过氮化处理的诸如不锈钢的铁质材料制成，并且该弹性体21包括基部21a、多个突起21b以及支撑部分21c。压电元件22接合到基部21a的一个表面(平行于径向方向的表面)。用于增大振动位移的多个突起21b以从基部21a在基部的厚度方向上突出的方式、在相同圆周上以基本上等距间隔形成在基部21a的另一表面上，所述另一表面与接合至压电元件22的所述一个表面相反。每个突起21b的末端表面形成与接触弹簧部分30b形成压力接触的接触部分25。弹性体21通过从基部21a径向向内延伸的支撑部分21c固定至包括轴承53和54的壳体52。

图3A是用于说明振动元件如何通过在振动元件中激励的n阶振动(n是不小于1的整数)变形的图解，图3B是用于说明振动元件如何通过在振动元件中激励的2n阶振动变形的图解。应注意，在图3A和图3B中，为了使得容易识别在振动元件20中产生的振动位移，振动元件20的变形(位移)通过增大(夸大)实际变形来示出。另外，尽管图3A和图3B均示出了在n＝7的情况下产生的振动位移，但n的值可以设置为任意数值，只要该数值是不小于1的自然数。

驱动电路15将驱动信号(交流电压)施加到压电元件22，从而在振动元件20中激励作为行波的驱动振动，在该驱动振动中，提前设置的n阶振动和2n阶振动被合成。n阶振动和2n阶振动指的是弯曲振动，该弯曲振动的沿着基部21a的周向的波的数量分别是n和2n。通过在振动元件20中激励的驱动振动使得振动元件20的接触部分25进行椭圆运动，由此，被驱动元件30被接触部分25摩擦地驱动。驱动被驱动元件30的方向是构造为具有环形形状的振动元件20的周向方向，来自被驱动元件30的旋转输出经由加压机构40和轴51输出到外部。

图4是用于说明对比示例1和示例1至3中的每一驱动振动的振动位移的图解，所述驱动振动在振动元件20中激励。图4所示的曲线图的水平轴线表示时间，竖直轴线表示Z-位移(作为出平面外方向上的驱动振动的弯曲变形的位移)。在所示的示例中，相位彼此偏移90度的n阶振动和2n阶振动合成的振动被作为振动元件20中激励的驱动振动。这里提到的相位指的是n阶振动和2n阶振动的合成振动的振幅Z：Z＝A_nsin(ω_nt+θ_n)+A_2nsin(2ω_nt+θ_2n)中的值θ_n和θ_2n中的每个值，并且“相位彼此偏移90度”指的是θ_n-θ_2n＝90，其中，A_n表示n阶振动分量的振幅，θ_n表示其相位，ω_n表示其频率，A_2n表示2n阶振动分量的振幅，并且θ_2n表示其相位。

参照图4，由虚线表示的“n阶(对比示例1)”代表根据现有技术的正弦波状驱动振动的振动位移。另一方面，均由实线表示的“n阶+2n阶(示例1、2和3)”代表在本实施例中的驱动振动的振动位移，并且在示例1、2和3中，n阶振动的位移与2n阶振动的位移之间的比(振幅比)分别为大约30:1、大约16:1以及大约8:1。在示例1、2和3中，驱动振动均在振动位移(Z位移)上在正(+)侧与负(-)侧之间不对称，并且均使得在正侧上的振动位移的绝对值小于在负侧上的振动位移的绝对值。

图5是用于说明由对比示例1和示例1至3中的每一驱动振动所导致的振动元件的接触部分25的进给速度的图解。进给速度是在每个接触部分25处产生的椭圆运动的速度，该进给速度在接触部分25在与驱动被驱动元件30的方向相同方向上进行椭圆运动的情况下取正(+)值，并且该进给速度在接触部分25在与驱动被驱动元件30的方向相反方向上进行椭圆运动的情况下取负(-)值。

由虚线表示的对比示例1中的“n阶”进给速度对应于图4中出现的对比示例1中的驱动振动。另外，由实线表示的示例1、2和3中的“n阶+2n阶”进给速度对应于图4中出现的示例1、2和3中的驱动振动。在示例1、2和3中，在相应进给速度下的n阶振动与2n阶振动之间的分量比为大约8:1、大约4:1以及大约2:1。在示例1、2和3中，进给速度在正侧与负侧之间是不对称的，并且在正侧上的进给速度的绝对值的最大值小于在负侧上的进给速度的绝对值的最大值。

接下来，将给出通过在振动元件20中激励的示例1至3中的驱动振动所驱动的被驱动元件30的驱动模式的描述。如上所述，使得被驱动元件30经由被驱动元件30的接触弹簧部分30b在图4所示的振动位移的正侧上与接触部分25(突起21b的上表面)形成压力接触。因此，接触弹簧部分30b以跟随振动元件20的弯曲变形的方式变形，并且在振动位移的正侧上具有相对于振动元件20有限的接触区域。

图6是示出了每个接触部分25的进给速度与被驱动元件30的运动速度(旋转速度)之间的关系的第一示例的图解。由虚线表示的对比示例1中的“n阶”进给速度对应于图5中出现的对比示例1，并且由实线表示的示例2中的“n阶+2n阶”进给速度对应于图5中出现的示例2。在示例2中的进给速度下的n阶振动与2n阶振动之间的分量比为大约4:1。被驱动元件30相对于振动元件20的接触区域不被限制，但是下述描述在假设该接触区域设置为驱动振动的一个波长的1/4的情况下给出的。由双点划线表示的“被驱动元件的运动速度”代表被驱动元件30的运动速度。

在对比示例1的情况下，每个接触部分25的进给速度具有正弦波状分布，并且因此，在振动元件20与被驱动元件30之间的接触区域中，在不同于被驱动元件30的运动速度(图6中的双点划线)的速度范围内，在振动元件20与被驱动元件30之间出现滑动。这种不必要的滑动降低了振动致动器10的滑动效率，另外由于摩擦滑动表面的磨损而降低了耐久性。另外，存在下述担心，即，该不必要的滑动使得被驱动元件30的旋转驱动不稳定、产生异常的噪音或者导致类似的其他问题。

在示例2的情况下，每个接触部分25的进给速度在正侧在波头处以及波头附近具有大致均匀的分布。另外，在接触区域中，被驱动元件30的运动速度基本上等于接触部分25的进给速度。因此，在示例2的情况下，抑制了在振动元件20与被驱动元件30之间的接触区域中出现不必要的滑动。这使得能够降低滑动损失，并且增加振动致动器10的滑动效率，从而提高耐久性。另外，能够使被驱动元件的旋转驱动稳定，并且另外，能够抑制出现异常的噪音。

应注意，如图5所示，示例1不像示例2那样在波头和波头附近处在接触部分25的进给速度方面那么均匀，但是比对比示例1在均匀性上更高。因此，示例1能够提供与对比示例1相比而言更多的抑制出现不必要的滑动的效果，尽管该效果小于由示例2提供的效果。

图7是示出了每个接触部分25的进给速度与被驱动元件30的运动速度(旋转速度)之间的关系的第二示例的图解。由虚线表示的对比示例1中的“n阶”进给速度对应于图5中出现的对比示例1，并且对比示例2中的“n阶+3n阶”进给速度为现有技术的另一示例。由实线表示的示例3中的“n阶+2n阶”进给速度对应于图5中出现的示例3。由双点划线表示的“被驱动元件的运动速度”代表被驱动元件30的运动速度。在对比示例2中的进给速度下的n阶振动与3n阶振动之间的分量比为大约3:1。如参照图5描述的，在示例3中的进给速度下的n阶振动与2n阶振动之间的分量比为大约2:1。被驱动元件30相对于振动元件20的接触区域不被限制，但是下述描述是在假设该接触区域设置为驱动振动的一个波长的1/2的情况下给出的。

在对比示例1和2中，在振动元件20与被驱动元件30之间的接触区域中，在不同于被驱动元件30的运动速度的速度范围内，振动元件20与被驱动元件30之间出现滑动。这种不必要的滑动降低了振动致动器10的滑动效率，并且由于摩擦滑动表面的磨损而降低了耐久性。另外，存在下述担心，即，该不必要的滑动使得被驱动元件30的旋转驱动不稳定、产生了异常的噪音或者导致类似的其他问题。

另一方面，在示例3中，每个接触部分25的进给速度在正侧上在波头附近具有比对比示例1和2中更小的进给速度的分布宽度。因此，在示例3中，与对比示例1和2相比较而言，抑制了在振动元件20与被驱动元件30之间的接触区域中出现不必要的滑动。这使得能够减小滑动损失，并且增加振动致动器10的滑动效率，从而提高耐久性。另外，能够使得被驱动元件30的旋转驱动稳定，并且另外，能够抑制出现异常的噪音。

如上所述，在该实施例中，振动元件20的每个接触部分25在与驱动被驱动元件30的方向相同的方向上的进给速度的最大值的绝对值小于每个接触部分25在与驱动被驱动元件30的方向相反的方向上的进给速度的最大值的绝对值。当满足这个条件时，能够抑制在振动元件20与被驱动元件30之间的接触区域中出现不必要的滑动。应注意，当在进给速度下的n阶振动与2n阶振动之间的分量比为大约4:1时，能够获得最大滑动效率。

接下来，将描述在振动元件20中激励上面描述的示例1至3的驱动振动的方法。由驱动电路15施加到压电元件22的驱动信号的频率(驱动频率)主要具有f_OP[kHz]的分量，并且n阶振动通过这个驱动信号在振动元件20中激励。此时，2n阶振动通过来自被驱动元件30的反作用力而在振动元件20中激励。然后，通过在提前设置的驱动频率范围(最小值f_min[kHz]，最大值f_max[kHz])内改变驱动频率f_op，能够改变被驱动元件30的运动速度。

图8是示出了与振动致动器10的驱动相关联的固有频率和各个频率之间的关系的图解。假设图3A所示的n阶振动的固有频率为f_n[kHz]，并且图3B所示的2n阶振动的固有频率为f_2n[kHz]，发现f_2n大致等于f_n的两倍(2f_n)。在这种情况下，与使用n阶振动和3n阶振动的现有技术相比而言，固有频率之间的差较小，并且因此，存在下述优点，即，减少了对振动致动器10的机械设计(结构设计)的限制(机械设计的自由度增加)。

当驱动频率f_op从f_max朝向低频率侧变化至f_min时，由于n阶振动的固有频率和2n阶振动的固有频率，在振动位移和进给速度中，n阶振动和2n阶振动的分量都增加，由此，被驱动元件30的运动速度增加。最大值f_max为f_n的大约1.1倍至1.2倍，并且最小值f_min为f_n与f_max之间的值。应注意，要求f_2n不大于f_n的大约2.2至2.4倍。

能够抑制在振动元件20与被驱动元件30之间出现不必要的滑动的构造不局限于上述构造。例如，驱动振动为n阶振动和2n阶振动的合成振动的状态不需要在所有驱动频率范围中产生，而是仅仅需要在驱动频率范围的一部分中产生。另外，不需要使得在接触部分25的进给速度下n阶振动和2n阶振动二者的分量都随着驱动频率f_op减小而增加的状态在所有驱动频率范围内出现，而是仅需要使得上述状态在驱动频率范围的一部分中出现。另外，不需要使得上述示例1至3中的每个示例中的振动元件20与被驱动元件30之间的接触状态在所有驱动频率范围内出现，而是仅仅需要使得上述状态在驱动频率范围的一部分中出现。

尽管在该实施例中，描述了具有90度的相位差的n阶振动和2n阶振动合成的驱动振动，这并不是限制性的。例如，n阶振动与2n阶振动之间的相位差不被特别地限制，只要驱动振动可以被合成为，其中，每个接触部分25的在与驱动被驱动元件30的方向相同的方向上的进给速度的最大值的绝对值小于接触部分25的在与驱动被驱动元件30的方向相反方向上的进给速度的最大值的绝对值。

为了在较宽的驱动频率范围内获得由本发明提供的有益效果，期望固有频率f_2n大致等于固有频率f_n的两倍。图9是示出了用于说明振动致动器10的滑动效率与固有频率f_2n和f_n之间的关系的测试结果的图解。振动元件20的固有频率f_n和f_2n的测量在振动元件20不与被驱动元件30压力接触的状态下执行。在该测试中，使用振动致动器10，并且基于振动致动器10的驱动稳定性估算滑动效率。应注意，振动致动器10的驱动稳定性指的是振动致动器10没有异常，该异常包括振动致动器10的启动故障、被驱动元件30的旋转效率的降低、出现不正常的噪音以及出现振动元件20与被驱动元件30的摩擦滑动表面的异常磨损。

当固有频率f_2n大致等于固有频率f_n的2.00倍至2.15倍时，得到最佳结果(由图9中的圆表示，无异常)，当固有频率f_2n大致等于固有频率f_n的1.85倍至2.30倍时，得到相对良好的结果(由图9中的三角形表示)。然而，当固有频率f_2n在固有频率f_n的1.85倍至2.30倍的范围外时，明显地出现至少一种异常(由图9中的叉号表示)。然而，滑动效率随着振动致动器10的n阶振动和2n阶振动的响应性、压力的振幅以及振动元件20与被驱动元件30之间的接触状态等而变化。因此，f_2n/f_n的值在1.85至2.30范围内是用于获得由本发明提供的有益效果的指南，但是并不严格限于在该范围内的值。

为了控制在振动元件20的每个接触部分25中产生的进给速度下的n阶振动与2n阶振动之间的分量比，驱动信号的二次谐波分量的振幅可以被控制。另外，尽管使用n阶固有频率和2n阶固有频率在振动元件20中激励驱动振动，这并不是限制性的，而是可以仅仅使用n阶固有频率而不使用2n阶固有频率。也就是，可以使用驱动信号的二次谐波分量激励作为强迫振动的2n阶振动。

接下来，将描述本发明的第二实施例。图10A是作为根据第二实施例的盘状振动致动器的部件的振动元件60的示意性透视图。振动元件60等同于日本专利No.3001956中公开的作为盘状超声波马达的部件的振动元件。

振动元件60包括由盘状基部61a和形成在基部61a的上表面上的多个突起61b形成的弹性体61。多个突起61b在同一周向上以基本上等距间隔布置，并且未示出的压电元件利用粘合剂或类似物接合至基部61a的下表面，该下表面与形成有突起61b的上表面相反。

通过将来自具有与第一实施例中描述的驱动电路15的构造等同的构造的驱动电路的驱动信号施加至压电元件，驱动振动(行波)在振动元件60中激励，在所述驱动振动中，提前设置的n阶振动和2n阶振动被合成。图10B是用于说明振动元件60如何由振动元件60中激励的n阶振动变形的图解，并且图10C是用于说明振动元件60如何由振动元件60中激励的2n阶振动变形的图解。应注意，在图10B和图10C中，为了使得容易识别在振动元件60中产生的振动位移，振动元件60的变形(位移)通过增大(夸大)实际变形而示出。另外，尽管图10B和图10C均示出了在n＝3的情况下所产生的振动位移，n的值可以设置为任意数值，只要n为不小于1的自然数。

n阶振动和2n阶振动是弯曲振动，该n阶振动和2n阶振动的沿着基部61a的周向的波的数量分别为2和2n。在振动元件60中激励的驱动振动具有在振动元件60的径向方向上的波节，并且n阶振动和2n阶振动在径向方向上的波的数量相等。在振动元件60中激励的驱动振动(在该驱动振动中，n阶振动和2n阶振动被合成)导致突起61b的上表面上的每个接触部分25进行椭圆运动。未示出的被驱动元件(其具有例如环状形状或者盘状形状)在突起61b突出的方向上与振动元件60的接触部分65压力接触，并且通过由接触部分65摩擦驱动而在与振动元件60的周向方向相同的方向上旋转。

与第一实施例相似，在本实施例中，通过利用n阶振动与2n阶振动合成的驱动振动，能够抑制在振动元件60与被驱动元件之间出现不必要的滑动。这使得能够减小滑动损失，增加振动致动器的滑动效率并且提高耐久性。另外，能够使得被驱动元件的旋转驱动稳定，另外，能够抑制出现异常噪音。

接下来，将描述本发明的第三实施例。图11A是作为根据第三实施例的杆状振动致动器的部件的振动元件70的示意性透视图。振动元件70等同于日本专利No.4829495中公开的作为振动波驱动装置的部件的振动元件。

振动元件70包括第一弹性体71d、盘状弹性体71a、压电元件72以及第二弹性体73，上述部件中的每个具有环状形状。第一弹性体71d配合在未示出的轴的外周上，并且定位在轴的轴向(推力)方向上。另外，轴延伸穿过盘状弹性体71a和压电元件72的内侧，并且第二弹性体73螺接至轴的一端。通过这种构造，未示出的柔性电路板(其将驱动信号供给至压电元件72)、压电元件72以及盘状弹性体71a在第一弹性体71d的轴向(推力)方向上被夹持并保持在第一弹性体71d与第二弹性体73之间。

通过将来自具有与第一实施例中描述的驱动电路15的构造相同的构造的驱动电路的驱动信号施加至压电元件72，提前设置的n阶振动和2n阶振动所合成的驱动振动(行波)被在振动元件70中激励。

图11B是用于说明振动元件70如何由振动元件70中激励的n阶振动变形的图解，并且图11C是用于说明振动元件70如何由振动元件70中激励的2n阶振动变形的图解。应注意，在图11B和图11C中，为了使得容易识别在振动元件70中产生的振动位移，振动元件70的变形(位移)通过增大(夸大)实际变形而示出。另外，尽管图11B和图11C均示出了在n＝1的情况下所产生的振动位移，n的值可以设置为任意数值，只要n为不小于1的自然数。

n阶振动和2n阶振动是弯曲振动，该n阶振动和2n阶振动的沿着盘状弹性体71a的周向的波的数量分别为2和2n。在振动元件70中激励的第一阶(n＝1)振动使得盘状弹性体71a变形，使得在周向方向上不形成波节，并且整个盘状弹性体71a陷落。在振动元件70中激励的n阶振动与2n阶振动合成的驱动振动导致接触部分75进行椭圆运动，所述接触部分75是盘状弹性体71a的上表面的外周部分。未示出的被驱动元件(其具有例如环状形状或者盘状形状)以围绕轴的方式旋转地围绕轴布置并且与振动元件70的接触部分75压力接触。因此，被驱动元件通过由接触部分75摩擦驱动而在与振动元件70的周向方向相同的方向上旋转(围绕轴旋转)。

与第一实施例相似，在本实施例中，通过利用n阶振动与2n阶振动合成的驱动振动，能够抑制在振动元件70与被驱动元件之间出现不必要的滑动。这使得能够减小滑动损失，增加振动致动器的滑动效率并且提高耐久性。另外，能够使得被驱动元件的旋转驱动稳定，另外，能够抑制出现异常噪音。

接下来，将描述本发明的第四实施例。图12A是作为根据第四实施例的振动致动器的部件的振动元件80的示意性透视图。振动元件80等同于日本专利No.4261964中公开的作为振动驱动装置的部件的振动元件。

振动元件80包括板状弹性体81a、以预定间距形成在弹性体81a的一个表面上的两个突起81b以及压电元件82，该压电元件82接合至弹性体81a的与形成有突起81b的一个表面相反的另一表面。被驱动元件(未示出)在突起81b突出的方向上与作为突起81b的末端表面的接触部分85压力接触。

通过将来自具有与第一实施例中描述的驱动电路15的构造等同的构造的驱动电路的驱动信号施加至压电元件82，提前设置的n阶振动和2n阶振动所合成的驱动振动(行波)在振动元件80中激励。图12B是用于说明振动元件80如何由振动元件80中激励的第一振动模式的n阶振动变形的图解，图12C是用于说明振动元件80如何由振动元件80中激励的第一振动模式的2n阶振动变形的图解。图12D是用于说明振动元件80如何由振动元件80中激励的第二振动模式中的振动变形的图解。图应注意，在图12B-图12D中，为了使得容易识别在振动元件90中产生的振动位移，振动元件80的变形(位移)通过增大(夸大)实际变形而示出。另外，尽管图12B和图12C均示出了在n＝2的情况下所产生的振动位移，n的值可以设置为任意数值，只要n为不小于1的自然数。

在第一振动模式中的n阶振动和2n阶振动是弯曲振动，所述弯曲振动在弹性体81a中在连接两个突起81b的方向上分别形成n个振动波腹和2n个振动波腹。通过将驱动信号施加到接合至弹性体81a的压电元件82，提前设置的第一振动模式中的n阶振动和2n阶振动与第二振动模式的振动相合成的振动驻波作为驱动振动在振动元件80中激励。该驱动振动导致接触部分85在包括连接两个突起81b的方向和突起81b突出的方向的平面内进行椭圆运动。被驱动元件(未示出)与振动元件80的接触部分85压力接触，并且因此，被驱动元件由接触部分85摩擦驱动并且在连接两个突起81b的方向上被线性驱动。

应注意，多个振动元件80布置在环状基材上，从而使得连接一个振动元件80的两个突起81b的线形成在同一圆周上的切线。然后，使得环状(或盘状)被驱动元件与接触部分85形成压力接触，从而使得被驱动元件与基材同轴，由此，能够使得被驱动元件与基材相对于彼此在周向方向上旋转地运动。

与第一实施例相似，在本实施例中，通过利用n阶振动与2n阶振动合成的驱动振动，能够抑制在振动元件80与被驱动元件之间出现不必要的滑动。这使得能够减小滑动损失，增加振动致动器的滑动效率并且提高耐久性。另外，能够使得被驱动元件的线性驱动或旋转驱动稳定，另外，抑制出现异常噪音。.

接下来，将描述本发明的第五至第八实施例。在第五至第八实施例中，上面描述的振动致动器中的一个振动致动器作为驱动源分别应用到机器人、成像设备、摄像设备或者自动载置台。

第五实施例是第一实施例中描述的振动致动器10应用到机器人的示例。图13是配备有振动致动器10的机器人(由附图标记100表示)的示意性透视图，并且通过示例的方式示出了水平多关节机器人，该水平多关节机器人是一种工业机器人。

机器人100包括设置在机器人的远端上的手部段112、多个臂120以及臂关节部段111，所述臂关节部段111中的每个均连接在相关联的一些臂120之间或者设置在相关联的一个臂120的端部上。振动致动器10设置在每个臂关节部段111中，用于改变两个臂120彼此相交的角度或者使得每个臂120围绕其推力轴线旋转。手部段112包括臂120、设置在臂120的远端处的保持部段121以及连接臂120与保持部段121的手关节部段122。振动致动器10设置在手关节部段122中，以用于驱动保持部段121旋转。应注意，振动致动器10由驱动电路15驱动，并且驱动振动致动器10的方法已经在第一实施例中描述，并且因此省略其描述。

第六实施例是第一实施例中描述的振动致动器10应用于成像设备的示例。图14是作为配备有振动致动器的成像设备的示例的彩色成像设备200的示意性侧截面图。

彩色成像设备200包括四个成像单元Pa、Pb、Pc和Pd，但是成像单元的数量不局限于四个。成像单元Pa至Pd均具有基本上相同的构造并且分别包括感光鼓201a、201b、201c和201d，所述感光鼓是被驱动以旋转的图像承载部件。用于给感光鼓201a、201b、201c和201d均匀充电的充电器202a、202b、202c和202d、显影器203a、203b、203c和203d、充电器204a、204b、204c和204d以及清洁器205a、205b、205c和205d分别在感光鼓201a至201d的旋转方向上围绕感光鼓201a至201d顺序地布置。显影器203a至203d各自对形成在感光鼓201a至201d中的相关联的一个感光鼓的鼓表面上的静电潜像进行显影。充电器204a至204d各自用于将显影的调色剂图像转印到转印材料230上。清洁器205a至205d分别移除残留在感光鼓201a至201d上的调色剂。曝光装置206a、206b、206c和206d分别布置在感光鼓201a至201d上方。

以与感光鼓201a至201d形成接触的方式布置的传送带225在其上承载通过进给单元210输送的转印材料230，并且所述传送带由驱动辊223驱动以在图14中的箭头A表示的方向上旋转。传送带225和驱动辊223形成传送单元，该传送单元构造为将转印材料230顺序地传送至成像单元Pa至Pd。振动致动器10用作用于使感光鼓201a至201d旋转的驱动马达，并且还用作用于使驱动辊223旋转以驱动传送带225的驱动马达。应注意，驱动振动致动器10的方法已经在第一实施例中描述，并且因此省略其描述。

图15A是作为图14所示的彩色成像设备的部件的感光鼓的示意性透视图，该感光鼓配备有作为驱动马达的振动致动器10。例如，振动致动器10可以直接连接至由附图标记250表示的感光鼓(其对应于感光鼓201a至201d中的各个感光鼓)的驱动轴255。这省却了对使用通常需要使用的减速单元(诸如齿轮)的需要并且这能够减小色彩偏移并且从而提高打印质量。

图15B是作为图14所示的彩色成像设备的部件的传送带的示意性局部透视图。例如，振动致动器10可以直接连接至驱动辊260(其对应于驱动辊223)的驱动轴255，所述驱动辊用于由附图标记265表示的传送带(其对应于传送带225)。通过如上所述那样驱动传送带265，能够得到与当感光鼓由振动致动器10驱动时所得到的相同的有益效果。

第七实施例是第四实施例中描述的振动元件80应用于摄像设备的示例。

图16A是使用图12A至图12D所示的振动元件的摄像设备(其由附图标记700表示)的示意性俯视图。摄像设备700包括配备有摄像装置710和电源按钮720的相机本体730。另外，摄像设备700配备有透镜镜筒740，该透镜镜筒740包括第一透镜组(未示出)、第二透镜组320、第三透镜组(未示出)、第四透镜组340以及振动致动器620和640。作为可互换式透镜的透镜镜筒740可以被另外的透镜镜筒更换，并且适合于待拍摄的对象的透镜镜筒740可以安装在相机本体730上。在摄像设备700中，第二透镜组320和第四透镜组340分别由两个振动致动器装置620和640驱动。

振动致动器装置620包括第一实施例中描述的振动元件80、环状被驱动元件以及用于将驱动电压施加到每个振动元件80的压电元件82的驱动电路。被驱动元件以使得该被驱动元件的径向方向基本上正交于光轴方式设置在透镜镜筒740内。处于设置在透镜镜筒740中的状态中的被驱动元件具有基本上正交于光轴的滑动表面。例如数量为三个的振动元件80在围绕光轴的圆周上以等距间隔固定至环状基部，从而使得接触部分85与被驱动元件的滑动表面形成压力接触，从而在围绕光轴的圆的切线方向上向被驱动元件施加推力。应注意，已经在第四实施例中描述了驱动振动元件80的方法，因此，省略其描述。通过这种构造，在振动致动器装置620中，被驱动元件围绕光轴旋转，并且被驱动元件的旋转输出例如经由齿轮转换为在光轴方向上的线性运动，由此，能够使第二透镜组320在光轴方向上运动。振动致动器装置640具有与振动致动器装置620相同的构造，并且由此使第四透镜组340在光轴方向上运动。

图16B是使用图12A至图12D所示的振动元件的摄像设备700的示意性方框图。由附图标记310表示的第一透镜组、第二透镜组320、由附图标记330表示的第三透镜组、第四透镜组340以及光量调节单元350在光轴上的相应预定位置处布置在透镜镜筒740内。已经通过第一透镜组310至第四透镜组340以及光量调节单元350的光在摄像装置710上形成图像。摄像装置710将光学图像转换为电信号，并且输出发送到相机处理电路750的该电信号。

相机处理电路750对从摄像装置710输出的信号执行放大、伽玛校正等。相机处理电路750经由AE门755连接至CPU 790并且经由AF门760和AF信号处理电路765连接至CPU 790。通过相机处理电路750受到预定处理的视频信号经由AE门755以及经由AF门760和AF信号处理电路765发送至CPU 790。应注意，AF信号处理电路765从视频信号提取高频分量，从而产生用于自动对焦(AF)的估计值信号并且将产生的估计值信号提供至CPU 790。

CPU 790是控制摄像设备700的总体操作的控制电路并且基于得到的视频信号来产生用于曝光确定和对焦调节的控制信号。CPU 790控制振动致动器装置620和640以及计量器(meter)630的驱动，从而在光轴方向上调节第二透镜组320、第四透镜组340以及光量调节单元350的位置，以得到确定的曝光和合适的对焦状态。在CPU 790的控制下，振动致动器装置620使第二透镜组320在光轴方向上运动，并且振动致动器装置640使第四透镜组340在光轴方向上运动，同时，计量器630控制光量调节单元350的驱动。

第一线性编码器770检测由振动致动器装置620驱动的第二透镜组320在光轴方向上的位置，并且检测结果被报告至CPU 790，由此，检测结果被反馈至振动致动器装置620的驱动。相似地，第二线性编码器775检测由振动致动器装置640驱动的第四透镜组340在光轴方向上的位置，并且检测结果被报告至CPU 790，由此，检测结果被反馈至振动致动器装置640的驱动。隔膜编码器780检测光量调节单元350在光轴方向上的位置，并且检测结果被报告至CPU 790，由此，检测结果被反馈至计量器630的驱动。

在振动致动器或类似物用于使得预定的透镜组在光轴方向上运动的情况下，即使在透镜组停止的状态下，也能维持大的保持力。这使得即使在外力作用在摄像设备的透镜镜筒或本体时也能够防止透镜组位移。

尽管在该示例中，描述了透镜组利用分别包括环状被驱动元件的振动致动器装置620和640而在光轴方向上运动的示例，但是用于利用振动致动器(振动元件)使透镜组在光轴方向上运动的构造不限于此。例如，如第一实施例中描述的那样，振动元件80能够在连接突起81b的方向上驱动被驱动元件。因此，通过将保持透镜的保持部件安装在被驱动元件上并且使透镜的光轴方向与驱动被驱动元件的方向基本上彼此平行的构造，能够使得透镜组在光轴方向上运动。另外，通过第一实施例中描述的来自振动致动器10的旋转输出利用齿轮或类似物转换为在光轴方向上的线性运动的构造，也能够使得透镜组在光轴方向上运动。

应注意，在相机抖动校正透镜包含在透镜镜筒中的情况下，振动元件280可以用于相机抖动校正单元，所述相机抖动校正单元使得相机抖动校正透镜在基本上正交于光轴的平面内在期望的方向上运动。在这种情况下，为了使得透镜保持部件能够在基本上正交于光轴的平面内在正交于彼此的两个方向上运动，用于驱动透镜保持部件的一个或多个振动元件280被布置。代替用于驱动相机抖动校正透镜的构造，相机抖动校正单元可以具有这样的构造，在所述构造中，包含在摄像设备主单元中的摄像装置710在基本上正交于光轴的平面内在期望的方向上运动。

第八实施例是第四实施例中描述的振动元件80应用于包括X-Y载置台的显微镜的示例，并且设置有至少两个或更多振动元件80。

图17是作为使用图12A至图12D所示的振动元件的载置台设备的示例的由附图标记400表示的显微镜的外观的透视图。显微镜400包括摄像部段410和设置在基部上的自动载置台430，所述摄像部段410包括摄像装置和光学系统，所述自动载置台430是包括通过振动元件80在X-Y平面内运动的载置台420的载置台装置的示例。至少一个振动元件80用于在X方向上驱动载置台，并且所述至少一个振动元件80设置为使得连接振动元件80的两个突起81b的方向与载置台420的X方向匹配。另外，至少一个振动元件80用于在Y方向上驱动载置台，并且所述至少一个振动元件80被设置为使得连接振动元件80的两个突起81b的方向与载置台420的Y方向匹配。应注意，已经在第四实施例中描述了驱动振动元件80的方法，并且因此，省略其描述。

待观察的物体放置在载置台420的上表面上，并且由摄像部段410拍摄放大的图像。在观察范围较宽的情况下，自动载置台430被驱动以使得载置台420在平面内在X方向和Y方向上运动，从而移动待观察的物体，由此获取多个拍摄图像。通过由计算机(未示出)合成拍摄图像，能够获取具有高的分辨率的一个宽范围的图像。

尽管已经参照示例性实施例描述了本发明，应理解，本发明不局限于公开的示例性实施例。所附权利要求书的范围应被赋予最宽的解释，以便包含所有的这种修改以及等同结构和功能。例如，在第一实施例中，用于使得振动元件20与被驱动元件30之间的接触状态稳定的接触弹簧31b设置在被驱动元件30上。然而，这是非限制性的，而是接触弹簧可以在一位置处设置在振动元件20和被驱动元件30中的一者上，在所述位置处，振动元件20和被驱动元件30中的所述一者与另一者形成接触，更具体地，接触弹簧31b可以设置在振动元件20上。

本申请要求2015年12月4日提交的日本专利申请No.2015-237395的权益，其通过引用全部并入本文。