專利名稱：電－機械轉換元件以及振動致動器及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種用于將電能轉換成機械位移或把機械位移轉換成電能的電—機械轉換元件、用于制造該電—機械轉換元件的方法、采用該電—機械轉換元件的振動致動器、以及制作該振動致動器的方法。
日本專利申請第8-317871的全部公開—包括說明書、權利要求書、附圖和摘要—在此都被引作參考文獻。
圖13是立體圖，顯示了縱向—扭轉振動型振動致動器的一種傳統結構。
傳統上，在這種類型的振動致動器的靜止部件(定子)101中，一個扭轉振動壓電元件104被插在兩個圓筒形振動元件102和103之間。在振動元件103上設置有一個縱向壓電元件105。扭轉振動壓電元件104沿著其圓周方向得到極化。另一方面，縱向壓電元件105沿著其厚度方向得到極化。另外，在縱向壓電元件105上設置了一個運動部件(轉子)106。
構成定子101的振動元件102和103和壓電元件104和105得到固定，并與一個轉軸107的一個螺桿部分相螺線嚙合。轉子106經過一個滾珠軸承108而被可轉動地設置在轉軸107上。一個螺帽110通過一個彈簧109而與轉軸107相螺線嚙合。借助這種結構，轉子106以預定的壓力F與定子101相接觸。
扭轉和縱向壓電元件104和105由相位控制電壓驅動，該電壓具有由采用移相器112的一個振蕩器111振蕩的相同的頻率。
扭轉振動壓電元件104產生出用于轉動轉子106的機械位移。另一方面，縱向壓電元件105與壓電元件104產生的扭轉振動的周期同步地周期性地改變作用在定子101和轉子106之間的摩擦力。借助這種結構，這些壓電元件起著把振動轉換成沿著一個方向的運動的聯動器的作用。
圖14是傳統的振動致動器的定子101的分解立體圖。
扭轉振動壓電元件104必須沿著其圓周方向被極化成多個部分。因此，一種壓電材料被暫時地分成約六至八個扇形小部分，這些部分在每一個部分都沿著圓周方向被極化之后又重新被組裝成環形，如圖13所示。注意圖14中的標號104a表示用于把驅動電壓加到扭轉振動壓電元件104上的電極。
然而，在上述傳統振動致動器中，當扭轉振動壓電元件104的極化小部分被組裝成環形時，難于獲得高的形狀精度。
縱向和扭轉振動壓電元件105和104的每一個的面積，幾乎等于或小于轉子106的橫截面圖積。在縱向和扭轉振動壓電元件105和104的中心部分上必須形成孔，以接收轉軸107。因此，縱向和扭轉振動壓電元件105和104的面積被進一步減小，且難于實現高力矩、高速度的振動致動器。
為了解決這些問題，本發明人通過日本專利申請公開第8-103089號而已經提出了一種振動致動器，它采用了不同形式的簡并模式，并能夠以高力矩和高速度得到驅動，并具有簡單的結構和制造過程。這種振動致動器采用了利用不同的簡并模式的振動元件，該元件產生一級縱向和扭轉振動。
另外，通過日本專利申請公開第8-140377號，本發明人還提出了一種振動致動器，它能夠以這樣的方式構成，即通過在構成振動元件的一個圓筒形彈性部件的外圓周表面上形成兩個大直徑部分和一個小直徑部分，一個振動元件能夠同時產生一級縱向振動和二級扭轉振動。
圖15是說明圖，顯示了在這些提出的振動致動器中通過合成由振動元件1產生的縱向和扭轉振動而在振動元件1的驅動表面D上產生橢圓運動的過程和相應的時間。
振動元件1是由彈性部件2和壓電元件3構成的，而彈性部件2由兩個半圓彈性部件(在圖15中沒有顯示且將結合圖16而描述詳細描述)組成，而壓電元件3(在圖15沒有顯示且將結合圖16得到詳細描述)被作為由彈性部件2保持的電—機械轉換元件并將電能轉換成機械位移。壓電元件3由利用壓電常數d15的扭轉振動壓電元件3a和利用壓電常數d31的縱向壓電元件3b構成。
其間具有相位差π/2的兩相交流電壓分別從一個驅動電壓發生器(未顯示)被加到這兩個不同類型的壓電元件3a和3b上。響應于這些電壓，這兩個不同類型的壓電元件3a和3b得到激勵。在得到激勵時，壓電元件3a和3b產生出相對于軸向方向的扭轉振動和沿著彈性部件2的軸向方向的縱向振動。當這些縱向和扭轉振動的諧振頻率基本上彼此相匹配時，在彈性部件2中同時產生出縱向和扭轉振動(在此這種狀態將被稱為“簡并”狀態)。在這種簡并狀態下，在作為振動元件1的一個端面的驅動表面D上將產生出橢圓運動且該橢圓運動被作為一個驅動力而得到輸出。
圖16和17是說明圖，顯示了與該彈性部件2接合的兩個不同類型的壓電元件3a和3b的設置。圖16是振動元件1的頂視圖，且圖17是振動元件1的側視圖。
如圖16和17所示，在所示的振動致動器中，彈性部件2是通過把兩個半個彈性部件2a和2b重新組裝成幾乎圓筒形而獲得的。這些半個彈性部件2a和2b是通過把一個空心且幾乎為圓筒形的體沿著幾乎包括其中心軸的一個平面分成兩部分而獲得的。
扭轉和縱向振動壓電元件3a和3b和電極板4被疊置并設置在兩個半個彈性部件2a和2b的兩個分開的表面上。壓電元件3a和3b的兩個層—即總共四個層—被設置在這兩個分開的表面上。
在這四個層中，壓電元件3a的兩個層包括采用壓電常數d15的層，另一方面，壓電元件3a的其余兩個層包括采用壓電常數d31的層。采用壓電常數d15的前一壓電元件3a產生相對于彈性部件2的軸向方向的剪切位移。
當驅動電壓被加到采用壓電常數d15的扭轉振動壓電元件3a上時，產生出相對于彈性部件2的軸向方向的扭轉位移。另一方面，當驅動電壓被加到采用壓電常數d31的壓電元件3a上時，在彈性部件2中產生出沿著軸向方向的縱向位移。
因此，當一個正弦波電壓被輸入到扭轉振動壓電元件3a上時，在彈性部件2中相應地產生出扭轉運動。另一方面，當正弦波電壓被輸入到縱向壓電元件3b上時，相應地在彈性部件2中產生出擴展運動。
當扭轉和縱向振動壓電元件3a和3b被連接到彈性部件2以產生振動時，扭轉振動壓電元件3a被設置在彈性部件2中產生的扭轉振動的節點位置處。另一方面，縱向壓電元件3b被設置在彈性部件2產生的縱向振動的節點位置處。通過把各種振動的壓電元件設置在相應振動的節點位置上，能夠最有效地產生出相應的扭轉和縱向振動。
相反地，即使當扭轉和縱向振動壓電元件3a和3b被設置在相應振動的反節點位置處時，它們對扭轉和縱向振動的產生沒有貢獻。因此，設置在反節點位置處的壓電元件的功率輸入被浪費了，且振動致動器的驅動效率下降。
即，在具有圖15至17所示的上述結構的振動致動器中，扭轉和縱向振動壓電元件3a和3b被保持在受到夾持的狀態，同時它們與彈性部件2的整個分割表面相接合。因此，這些壓電元件不僅與相應振動的節點位置相連接，而且還與它們的反節點位置相連接，因而驅動效率不可避免地被降低了。
特別地，在通過日本專利申請公開第8-140377而提出的振動致動器中，扭轉振動具有兩個節點，它們它們是在二級模式下產生的。在一個節點位置，扭轉振動壓電元件3a，沿著與將要在振動元件1中激勵的振動相同的方向，產生出扭轉振動。相反地，在另一節點位置，壓電元件3a沿著相反的方向產生扭轉振動位移。因此，當要利用扭轉和縱向振動壓電元件3a和3b產生兩個不同的振動位移時，輸入的能量不能以驅動力的形式得到有效的輸出，且振動幅度不能被增大到一定的限度之外。
考慮到這些問題，本發明在日本專利申請公開第9-84367中提出了一種新穎的振動致動器，它采用了產生n級(n是自然數)的縱向振動和m級(m是自然數)的扭轉振動的振動元件，且其中設置了n組縱向壓電元件并使它們的中心位置與縱向振動的節點位置相匹配，并設置了m組扭轉振動壓電元件并使它們的中心位置與扭轉振動的節點位置相匹配。
更具體地說，在此振動致動器中，縱向和扭轉振動壓電元件相對于軸向方向被獨立地設置在相應的振動的節點位置及其附近。因此，沒有振動壓電元件被設置在相應振動的反節點位置，且輸入的能量能夠得到減小且不減小振動的幅度。
另外，根據該申請的振動致動器，即使當所要采用的振動具有多個節點位置時，將要由扭轉振動壓電元件激勵的扭轉振動位移能夠大體上與在實際上將要被激發的彈性元件中的扭轉振動位移大上匹配。因此，振幅能夠得到增大，且振動能量損耗能夠被減小到最小。
圖18A至18C是說明圖，顯示了構成振動元件11的壓電元件13至彈性部件2的連接狀態。圖18A和18B分別是振動元件11的頂視圖和側視圖，且圖18C顯示了振動元件11中產生的縱向和扭轉振動的一個例子。
通過把空心、筒形的半個彈性部件12a和12b重新組裝成圓筒形，獲得了一個空心的圓筒形彈性部件12。這些半個彈性部件12a和12b，是通過把一個厚的空心圓筒形彈性部件沿著縱向并沿著幾乎包括其中心軸的一個平面分割成兩個部分，而獲得的。在這種彈性部件12的外圓周表面上，形成了通過形成兩個槽部分而限定的兩個小直徑部分14a和14b，以及通過形成小直徑部分14a和14b而限定的三個大直徑部分14A、14B和14C。兩層壓電元件13a至13c以及電極15a至15c被連接并夾持在空心、圓筒形的半個彈性部件12a和12b的兩個分割表面之間。
小直徑部分14a和14b的形成一與彈性部件12中產生的扭轉振動的兩個節點位置相匹配。如圖18B所示，扭轉振動壓電元件13a和13c被設置在包括扭轉振動的兩個節點位置的位置處。另外，縱向壓電元件13b被設置在包括縱向振動的一個節點位置的一個位置處。
當驅動電壓被加到扭轉振動壓電元件13a和13c上時，這些元件根據所加的電壓的方向而產生處剪切變形，從而產生出扭轉振動。
更具體地說，第一扭轉振動壓電元件13a是由位于圖18B的前側的兩個扭轉振動壓電元件13a-1和位于圖18B中的后側的兩個扭轉振動壓電元件13a-2構成的。
扭轉振動壓電元件13a-1和13a-2的剪切變形，是在加上了沿著相同方向的驅動電壓時沿著相反的方向產生的。因此，在彈性部件12中產生出相對于軸向方向的扭轉位移。例如，如圖18B中的箭頭所示，當扭轉振動壓電元件13a-1和13a-2分別產生剪切變形時，一個驅動表面D沿著圖18A中的箭頭方向扭轉。另一方面，當驅動電壓沿著相反的方向被加上時，由于沿著相反的方向產生出了剪切變形，驅動表面D沿著與圖18A中的箭頭表示的方向相反的方向扭轉。
第二扭轉振動壓電元件13c由位于圖18B中的前側的兩個扭轉振動壓電元件13c-1和位于圖18B中的后側的兩個扭轉振動壓電元件13c-2構成。當加上了沿著相同的方向的驅動電壓時，沿著相反的方向產生出扭轉振動壓電元件13c-1和13c-2的剪切變形。因此，在彈性部件12中產生出相對于軸向方向的扭轉位移。
設置了第一和第二扭轉振動壓電元件13a-1和13c-1，以在施加了沿著相同方向的驅動電壓時產生沿著不同方向的剪切變形。另外，設置了第一和第二扭轉振動壓電元件13a-2和13c-2，以在施加了沿著相同的方向的驅動電壓時產生沿著不同的方向的剪切變形。
例如，如圖18B所示，當兩個第二扭轉振動壓電元件13c-1和13c-2都產生剪切變形時，驅動表面D沿著與圖18A中的箭頭表示的方向相反的方向扭轉。
借助扭轉振動壓電元件13a和13c的這種設置，當相同的驅動電壓被加到第一和第二扭轉振動壓電元件13a和13c上時，在第一和第二節點位置處產生了沿著相反的振動方向的扭轉振動，且能夠容易地激勵出二級的扭轉振動。
縱向壓電元件13b在施加了驅動電壓時沿著振動元件的軸向方向產生伸展變形，從而產生彈性部件12中的縱向振動。
縱向壓電元件13b由位于圖18B中的前側的兩個縱向壓電元件13b-1和位于圖18B中的后側的兩個縱向壓電元件13b-2構成。縱向壓電元件13b被適當地設置，以在施加了沿著相同方向的驅動電壓時產生沿著相同方向的縱向變形。借助縱向壓電元件13b的這種設置，當相同的驅動電壓被加到縱向壓電元件13b上時，能夠方便地激勵一級縱向振動模式。
在包括具有上述設置的振動元件11的振動致動器中，當具有1/4λ(λ為波長)的相位差的兩個驅動信號被輸入到縱向壓電元件13b和扭轉振動壓電元件13a和13c，所產生的縱向和扭轉振動具有90°的相位差，且在驅動表面D上產生了通過合成縱向和扭轉振動所獲得的橢圓運動。
在驅動表面上產生的橢圓運動被傳遞到借助一個壓力裝置(未顯示)而與驅動表面D相壓力接觸的轉子(未顯示)。由于該轉子受到一個支撐裝置(未顯示)的轉動支撐，它沿著一個方向受到連續的驅動。
如上所述，各種已經提出的振動致動器中的每一種都把通過結合在彈性部件12上產生的縱向和扭轉振動而在驅動表面D上產生的橢圓運動傳遞到轉子。因此，至少用于產生縱向振動的壓電元件13b和用于產生扭轉振動的壓電元件13a和13c必須與彈性部件12相連。
另外，扭轉振動壓電元件13a和13c以及縱向壓電元件13b必須受到沿著不同方向的成極極化(poling)(永久極化)。
圖19A和19B是立體圖，顯示了壓電元件的極化方向。圖19A顯示了縱向壓電元件13b的極化方向，且圖19B顯示了扭轉振動壓電元件13a或13c的極化方向。
由于縱向壓電元件13b和扭轉振動壓電元件13a和13c具有不同的極化方向，這些壓電元件13a至13c是在不同的制造過程中制成的。因此，為了形成圖18A和18B所示的振動元件，至少四個縱向壓電元件13b和八個扭轉振動壓電元件13a和13c必須分別與彈性部件12相連。
如上所述，為了組裝圖18A和18B顯示的振動致動器，必須把至少總共12個壓電元件13a至13c一個一個地準確地連接到彈性部件12上的預定位置上。因此，壓電元件13a至13c至彈性部件12的連接要求大量的處理，且難于把它們連接到預定的位置。因此，把振動致動器的性能保持在所希望的目標值是不容易的。
而且，為了高效率地驅動圖18A和18B顯示的振動致動器，作為振動元件11的組成元件的所有壓電元件13a至13c必須把縱向和扭轉振動有效地傳遞到彈性部件12。因此，所有的壓電元件13a至13c必須與彈性部件12和電極15a至15c相緊密接觸，而不能有任何間隙。
然而，在圖18A和18B顯示的振動致動器中，由于所要連接的壓電元件13a至13c的數目很大，難于獲得均勻的厚度，且它們是在非常不同的制造過程中制成的。因此，難于使所有的壓電元件13a至13c與彈性部件12和電極15a至15c進行沒有任何間隙的緊密接觸。因此，振動致動器的驅動效率和性能的降低是不能避免的。
本發明的一個目的，是提供一種電—機械轉換元件，它能夠減少振動致動器的制造過程的數目。
本發明的另一目的，是提供一種振動致動器，它能夠把其性能方便地保持在設計目標值。
為了實現上述目的，根據本發明的第一個方面，提供了一種用于把電能轉換成機械位移或把機械位移轉換成電能的電—機械轉換元件，其中該電—機械轉換元件的主體具有多個用于產生不同的壓電效應的電—機械轉換部分，且這多個電—機械轉換部分可以沿著不同的方向同時進行位移。
該主體利用這多個電—機械轉換部分而同時產生不同的振動模式。該主體能夠利用多個電—機械轉換部分，同時且獨立地將主體中同時產生的不同振動模式轉換成電能。另外，主體同時產生不同的振動模式，并能夠利用多個電—機械轉換部分而同時且獨立地把在主體中同時產生的不同振動模式轉換成電能。
該多個電—機械轉換部分包括用于產生壓電橫切效應的第一電—機械轉換部分以及用于產生壓電剪切效應的第二電—機械轉換部分。在此情況下，扭轉振動是由壓電剪切效應產生的，且縱向振動是由壓電橫切效應產生的。
形成了與第二電—機械轉換部分等價的、彼此分離的兩個第二電—機械轉換部分，且在這兩個第二電—機械轉換部分之間形成了與第一電—機械轉換部分等價的一個第一電—機械轉換部分。在第一和第二電—機械轉換部分的每一個都與另一個相鄰地形成在主體上。另外，彼此相鄰地設置的第一和第二電—機械轉換部分是用于把電能轉換成機械位移的部分，且用于把機械位移轉換成電能的部分被形成在主體沿著第一和第二電一機械轉換部分的設置方向的至少一個端部側上。
彼此相鄰地設置的第一和第二電—機械轉換部分是用于把電能轉換成機械位移的部分，且用于把機械位移轉換成電能的部分被形成在主體沿著第一和第二電—機械轉換部分的設置方向的至少一個端部側上。
主體被制成平面形，且第一和第二電—機械轉換部分的厚度處于基本相等的范圍中。
根據本發明的第二個方面，提供了用于制造一種電機械轉換元件的一種方法，它包括形成多個電機械轉換部分的步驟，通過對電—機械轉換元件的基座部件進行沿著多個方向的極化，這些電—機械轉換部分在一個基座部件中產生不同的壓電效應且可沿著不同的方向同時發生位移，以把電能轉換成機械位移或把機械位移轉換成電能。
根據本發明的第三個方面，提供了用于制造一種電—機械轉換元件的一種方法，包括通過對一種電—機械轉換元件的基座部件進行第一成極極化而形成用于把電能轉換成機械位移的第二電—機械轉換部分，并通過對包括第二電—機械轉換部分的一個部分的一個部分進行第二成極極化而形成用于產生與第二電—機械轉換部分的壓電效應不同的壓電效應的第一電—機械轉換部分。
該第一電—機械轉換部分產生出一種壓電橫切效應，且第二電—機械轉換部分產生出一種壓電剪切效應。
在該方法中，電—機械轉換元件的基座部件被形成平面形，且在基座部件的兩個表面上沿著基座部件的平面方向以預定的間隔形成了多對電極，第一成極極化是通過把一個電場加到多對電極中的至少相鄰的對上而進行的，且第二成極極化是通過把電場加到構成多對電極的至少一對的電極上而進行的。在第一成極極化和第二成極極化之后，進行使第一和第二電—機械轉換部分的厚度均勻的處理。
該均勻化處理包括以下步驟在第二電—機械轉換部分的表面上形成一個電極，從而使第二電—機械轉換部分的厚度等于第一電—機械轉換部分的厚度；以及，除去形成在第一和第二電—機械轉換部分的表面上的電極部分，從而使第一和第二電—機械轉換部分在該電極被形成在第二電—機械轉換部分的表面上之后具有相等的厚度；或者，除去形成在第一電—機械轉換部分和電—機械轉換元件的一部分上的電極，以使電—機械轉換元件的厚度均勻，并在第一和第二電—機械轉換部分的表面上形成電極。當在均勻化處理的過程中在電—機械轉換元件上形成了電極時，采用了一種形成方法，該方法不包括至使得第一和第二電—機械轉換部分的電—機械轉換功能損失的溫度范圍的任何加熱。該形成方法是諸如濺射、淀積等或無電鍍法的薄膜形成方法。
根據本發明的第四方面，提供了一種振動致動器，它包括一個振動元件，該振動元件具有一個電—機械轉換元件并借助該電—機械轉換元件而產生多種不同的振動，該振動致動器產生振動元件與同該振動元件相接觸的一個相對運動部件之間的相對運動，其中電—機械轉換元件的一個主體具有用于產生不同的壓電效應的多個電—機械轉換部分，且該多個電—機械轉換部分能夠沿著不同的方向同時自由地發生位移。
這多個電—機械轉換部分包括用于產生一種壓電橫切效應的第一電—機械轉換部分以及用于產生一種壓電剪切效應的第二電—機械轉換部分。該振動元件通過結合多個彈性部件而具有圓筒形的形狀，該電—機械轉換元件與多個彈性部件中的至少一個相連，且這多種不同的振動包括與振動元件的軸向方向相聯系的扭轉振動和沿著振動元件的振動元件的軸向方向振動的縱向振動。電—機械轉換元件的第一電—機械轉換部分位于這樣的一個位置 即該位置包括了與振動元件中產生的縱向振動的至少一個節點相對應的位置，且電—機械轉換元件的第二電—機械轉換部分位于這樣的位置—即該位置包括了與振動元件中產生的扭轉振動的至少一個節點相對應的位置。
根據本發明的第五個方面，提供了制成一種振動致動器的一種方法，在該振動致動器中用于產生多個不同的振動的一個電—機械轉換元件被設置在多個彈性部件之間，其中該電—機械轉換元件把電能轉換成機械位移或把機械位移轉換成電能，電—機械轉換元件的一個主體具有用于產生不同的壓電效應的多個電—機械轉換部分，且這多個電—機械轉換部分能夠沿著不同的方向同時自由地發生位移。
該電—機械轉換元件被適當地設置，以使第一電—機械轉換部分處于這樣的位置—即該位置包括了與振動元件中產生的縱向振動的節點相對應的位置，且第二電—機械轉換部分位于這樣的位置—即該位置包括了與振動元件中產生的扭轉振動的一個節點相對應的位置。
通過以下結合附圖所進行的描述，本發明的上述和其他目的、特征和優點將能夠得到更好的理解。
圖1是立體圖，顯示了作為構成根據本發明的超聲致動器的振動元件的一個元件的壓電元件；圖2A、2B、2C和2D是說明圖，顯示了第一實施例中使用的壓電元件的制造方法中的過程。
圖3是縱向剖視圖，顯示了第一實施例的超聲致動器的設置；圖4A、4B和4C是說明圖，顯示了壓電元件與第一實施例中的振動元件的連接狀態，其中圖4A和4B分別是振動元件的頂視圖和側視圖，且圖4C顯示了所產生的縱向和扭轉振動的；圖5是說明圖，顯示了通過結合第一實施例的振動元件中產生的縱向和扭轉振動而在驅動表面上產生橢圓運動的時間過程；圖6是立體圖，顯示了根據本發明的第二實施例的超聲致動器中采用的壓電元件的設置；圖7A、7B、7C、7D和7E是說明圖，顯示了第二實施例的壓電元件的制造方法中的過程；圖8是立體圖，顯示了第二實施例的壓電元件的一種修正；圖9A、9B、9、9D和9E是說明圖，顯示了在第二實施例的壓電元件的制造方法的修正中的過程；圖10是剖視圖，顯示了第二實施例的超聲致動器；圖11是說明圖，顯示了第二實施例中的振動元件中的壓電元件的設置；圖12A、12B、12C和12D是說明圖，顯示了第二實施例的壓電元件的制造方法的修正的過程；圖13是立體圖，顯示了傳統的縱向—扭轉振動型振動致動器的結構；圖14是傳統振動致動器的定子的分解立體圖；圖15是說明圖，顯示了其中振動致動器通過合成振動元件產生的縱向和扭轉振動而在振動元件的驅動表面上產生橢圓運動的時間過程；圖16是振動元件的頂視圖，顯示了與一個彈性部件接合的壓電元件的設置；圖17是振動元件的側視圖，顯示了與一個彈性部件相接合的壓電元件的設置；圖18A、18B和18C是說明圖，顯示了壓電元件與構成在前面提出的振動致動器中的一個振動元件的彈性部件的連接狀態，其中圖18A和18B分別是振動元件的頂視圖和側視圖，且圖18C顯示了所產生的縱向和扭轉振動模式；圖19A和19B是立體圖，顯示了壓電元件的極化方向，其中圖19A顯示了縱向壓電元件的極化方向，且圖19B顯示了扭轉振動壓電元件的極化方向。
(第一實施例)以下結合附圖詳細描述本發明的最佳實施例。以下對各個實施例的描述將以采用超聲振動范圍的超聲致動器作為振動致動器的例子。另外，以下對各個實施例的描述將以壓電元件作為把電能轉換成機械位移或把機械位移轉換成電能的電—機械轉換元件的例子。
圖1是立體圖，顯示了壓電元件24的設置，壓電元件24是構成第一實施例的超聲致動器21(見圖3)的振動元件22的一個元件。
這種壓電元件24具有由PZT(titanivm lead zirconate)(鋯酸鉛鈦)制成的矩形、小橫截面的平面主體。該主體被分成具有不同功能的五個電—機械轉換部分。在此實施例中，該主體被分成五個電—機械轉換部分。然而，本發明不僅限于這種情況，且主體不一定被分成多個部分。例如，主體可以被分成兩或三個部分。
這五個電—機械轉換部分分別包括一個縱向振動拾取電—機械轉換部分24a、用作根據本發明的第二電—機械轉換部分的扭轉振動激勵電—機械轉換部分24b、用作根據本發明的第一電—機械轉換部分的一個縱向振動激勵電—機械轉換部分24c、用作根據本發明的第二電—機械轉換部分的一個扭轉振動激勵電—機械轉換部分24d、以及一個扭轉振動拾取電—機械轉換部分24e。壓電元件24沿著圖1中的箭頭表示的方向得到極化，且在單個的壓電元件24中形成了總共四個極化區—即沿著厚度和平面方向各有兩個。
在第一電—機械轉換部分中，在加上了電壓時產生出壓電橫切效應。換言之，第一電—機械轉換部分起著采用壓電常數d31的壓電元件的作用。另一方面，在第二電—機械轉換部分中，在施加電壓時產生出壓電剪切效應。換言之，第二電—機械轉換部分起著采用壓電常數d15的壓電元件的作用。
另外，縱向振動拾取電—機械轉換部分24a起著采用壓電常數d31的作用，且扭轉振動拾取電—機械轉換部分24e起著利用壓電常數d15的壓電元件的作用。
在此實施例中，縱向振動激勵電—機械轉換部分24c是通過沿著壓電元件24的主體的厚度方向進行成極極化而形成的。另一方面，扭轉振動激勵電—機械轉換部分24b和24d是通過沿著壓電元件24的平面方向進行成極極化而形成的。
如圖1所示，兩個扭轉振動激勵電—機械轉換部分24b和24d是沿著主體的平面方向彼此相隔地形成的，且縱向振動激勵電—機械轉換部分24c被形成在扭轉振動激勵電—機械轉換部分24b和24d之間。
在此實施例中，用于檢測振動并把振動轉換成電信號的拾取電—機械轉換部分，被形成在壓電元件24的主體的縱向相對端部上。用于把沿著主體的厚度方向的機械位移轉換成電能的縱向振動拾取電—機械轉換部分24a，被形成在與扭轉振動激勵電—機械轉換部分24b相鄰的端部。另外，用于把沿著主體的平面方向的機械位移轉換成電能的扭轉振動拾取電—機械轉換部分24e，被形成在與扭轉振動激勵電—機械轉換部分24d相鄰的端部上。
用于把電能(驅動電壓)加到扭轉振動激勵電—機械轉換部分24b上的電極27b，被形成在該電—機械轉換部分24b的兩個表面上。用于把電能(一個驅動電壓)加到縱向振動激勵電—機械轉換部分24c上的電極27c，被形成在該電—機械轉換部分24c的兩個表面上。用于把電能(一個驅動電壓)加到扭轉振動激勵電—機械轉換部分24d上的電極27d，被形成在該電—機械轉換部分24d的兩個表面上。
另外，用于從縱向振動拾取電—機械轉換部分24a取得電能(一個電壓)的電極27a，被形成在該電—機械轉換部分24a的兩個表面上。用于從扭轉振動拾取電—機械轉換部分24e取得電能(一個電壓)的一個電極27e，被形成在該電—機械轉換部分24e的兩個表面上。電極27a、27b、27c、27d和27e是彼此相隔地形成的，以防止相鄰的電極之間發生導電。
另外，在此實施例的壓電元件24中，縱向振動拾取電—機械轉換部分24a、扭轉振動激勵電—機械轉換部分24b、縱向振動激勵電—機械轉換部分24c、扭轉振動激勵電—機械轉換部分24d、以及扭轉振動拾取電—機械轉換部分24e的厚度，都被設定為彼此相等—包括電極27a至27e的厚度。
該實施例的壓電元件24具有上述的設置。
以下參見附圖，以過程為單位來詳細描述壓電元件24的制造方法。
圖2A至2D顯示了本實施例中采用的壓電元件24的制造方法的過程。簡要地說，通過進行兩次的成極極化，而在此壓電元件24中形成了四個極化區。
(第一過程)如圖2A所示，在成極極化之前，在矩形平面壓電元件基座部件25的兩個表面上沿著與第一方向相同的平面方向，形成了彼此相隔的三個成極極化電極26a、26b和26c。
在形成成極極化電極26a至26c時，由于壓電元件基座部件25還沒有受到成極極化，在加熱時沒有發生對極化狀態的任何破壞。因此，成極極化電極26a至26c可通過把包含銀合金、鎳合金等的糊加熱到預定的溫度范圍而形成。
成極極化電極26a的形成位置對應于一個范圍—該范圍當壓電元件24被連接到超聲致動器時被用作縱向振動拾取區。另一方面，成極極化電極26b的形成位置對應一個范圍—該范圍被用作縱向振動激勵區。另外，成極極化電極26c只需要被形成在壓電元件24的端部，即在不影響隨后的成極極化的范圍中。
(第二過程)成極極化是通過如圖2B所示地在成極極化電極26a與26b和成極極化電極26b與26c之間施加強電場，而沿著圖2B顯示的平面方向(第一方向)，在如上所述地形成有成極極化電極26a至26c的壓電元件基座部件25上進行的。即，通過沿著壓電元件基座部件25的平面內縱向方向進行成極極化，沿著平面方向(第一方向)形成了兩個極化區。
以此方式，形成了兩個用于激勵扭轉振動的電—機械轉換部分(扭轉振動激勵電—機械轉換部分24b和24d)，以及用于拾取扭轉振動的一個電—機械轉換部分(扭轉振動拾取電機械轉換部分24e)。注意扭轉振動激勵電—機械轉換部分24d和扭轉振動拾取電—機械轉換部分24e是一起形成的。
(第三過程)利用相對的一對成極極化電極26a和26b，沿著壓電元件基座部件25的厚度方向施加強電場，如圖2C所示，從而實現了沿著壓電元件24的厚度方向的極化。作為這種極化的結果，形成了用于激勵縱向振動的部分(縱向振動激勵電—機械轉換部分24c)和用于拾取縱向振動的部分(縱向振動拾取電—機械轉換部分24a)。如圖2C所示，進一步地形成了沿著壓電元件基座部件25的厚度方向的兩個極化區。
在第二過程中的成極極化中，成極極化中采用的電極不是沿著與成極極化方向垂直的方向形成的。因此，成極極化在成極極化電極26a至26c附近不是準確地沿著平面方向進行的，且在端部附近極化的方向是呈現為弧形彎曲的。然而，由于在第三過程中的成極極化是包括這種彎曲部分的，在第二過程中的彎曲極化部分能夠得到準確的成極極化，且成極極化電極26a至26c附近的弧形彎曲的部分(成極極化方向的不準確部分)不會造成任何問題。
(第四過程)具有如上形成的四個極化區的壓電元件24的厚度被均勻化。在此實施例中，通過對形成在壓電元件24的兩個表面上的成極極化電極26a至26c進行拋光，使完成的壓電元件24具有預定的厚度。
一般地，在成極極化時壓電元件沿著電場施加的方向膨脹并沿著與所加電場垂直的方向收縮。即，當沿著壓電元件的厚度方向進行成極極化時，厚度增大；當成極極化是沿著壓電元件的平面方向進行時，厚度減小。因此，在本實施例的壓電元件24中，作為成極極化的結果，交替地形成了厚的部分(縱向振動拾取電—機械轉換部分24a、縱向振動激勵電—機械轉換部分24c)和薄的部分(扭轉振動激勵電—機械轉換部分24b、扭轉振動激勵電—機械轉換部分24d、扭轉振動拾取電—機械轉換部分24e)。因此，不能經常地保持壓電元件24所需的恒定厚度。
考慮到這種問題，在此實施例中，壓電元件24的兩個表面都得到拋光，以使壓電元件24的主體的厚度保持恒定。
在此實施例中，成極極化之后壓電元件24的厚度，通過對形成在壓電元件24上的成極極化電極26a至26c和壓電元件24的一部分進行拋光，而得到均勻化。然而，根據本發明的電—機械轉換元件制造方法不僅限于這種具體實施例。例如，可以通過以下的方法而使壓電元件24的主體的厚度保持恒定(I)借助適當裝置在扭轉振動激勵電—機械轉換部分24b和24d(第一電—機械轉換部分)的表面上形成電極—它具有與縱向振動激勵電—機械轉換部分24c(第二電—機械轉換部分)相同的厚度。
(II)在扭轉振動激勵電—機械轉換部分24b和24d(第一電—機械轉換部分)的表面上形成了電極之后，借助適當的裝置部分地除去形成在扭轉振動激勵電—機械轉換部分24b和24d的表面上的電極，從而使縱向振動激勵電—機械轉換部分24c和扭轉振動激勵電—機械轉換部分24b和24d具有相同的厚度。
在此實施例中，如圖2D所示，在拋光之后，在具有均勻厚度的壓電元件24的兩個表面上的預定位置處，形成了用于輸入/輸出電能的電極27a至27e，從而使它們彼此相電絕緣。
以此方式，形成了縱向振動拾取電—機械轉換部分24a、扭轉振動激勵電—機械轉換部分24b、縱向振動激勵電—機械轉換部分24c、扭轉振動激勵電—機械轉換部分24d、和扭轉振動拾取電—機械轉換部分24e。
在形成用于輸入/輸出電能的電極27a至27e時，較好地是采用諸如濺射、淀積等的膜形成方法或諸如無電鍍等的形成方法，從而不破壞形成在壓電元件24上的極化區。
如上所述，在此實施例中，使夾在構成彈性部件23(圖3和4A)的兩個半個彈性部件23a和23b之間的壓電元件24的厚度保持恒定，且在彈性部件23的整個部分上產生的縱向和扭轉位移能夠有效地傳遞到半個彈性部件23a和23b。
換言之，在把壓電元件24設置在彈性部件23上時，在傳統方法中，由于在獨立的制造過程中制造而具有不均勻厚度的壓電元件必須被一個一個地連接。然而，在本發明中，直至集成壓電元件24的厚度的處理都能夠方便而可靠地進行，且能夠使壓電元件24的整個部分具有均勻的厚度。
因此，能夠防止由于壓電元件的厚度變化而形成的多個壓電元件與半個彈性部件之間的間隙所造成的半個彈性部件的連接誤差，且至彈性部件23的能量傳送損耗能夠被減至最小。
圖3是縱向剖視圖，顯示了第一實施例的超聲致動器21的設置。
振動元件22包括本實施例的壓電元件24(在圖3中沒有顯示，將結合圖4A至4C進行描述)—壓電元件24具有如圖1所示的結構，以及壓電元件24所接合到的彈性部件23-它在通過激勵壓電元件24而產生一級縱向振動和二級扭轉振動時在其驅動表面D上產生出驅動力。
構成振動元件22的彈性部件23，是通過把半個彈性部件23a和23b重新組裝成圓筒形，而構成的。這些半個彈性部件23a和23b，是通過把空心的厚圓筒形彈性部件23沿著大體包括其中心軸線的一個平面分成兩件，而獲得的。彈性部件23具有通過在其外圓周表面上形成兩個槽部分而限定的兩個小直徑部分28a和28b，以及通過形成這些小直徑部分28a和28b而限定的三個大直徑部分28A、28B、28C。
上述壓電元件24的兩個層分別連接到彈性部件23的兩對被分割的表面上。小直徑部分28a和28b被形成在彈性部件23的外圓周表面上與彈性部件23中產生的扭轉振動的兩個節點位置相匹配的位置上。
另一方面，各個壓電元件24的扭轉振動激勵電—機械轉換部分24b和24d被設置在扭轉振動的節點位置處，且縱向振動激勵電—機械轉換部分24c被形成在縱向振動的節點位置處。
通孔29a和29b分別被形成在半個彈性部件23a和23b中沿著它們的高度方向大體位于中心位置處，以沿著與壓電元件24的疊置方向相平行的方向延伸(圖3中的左右方向)。螺釘30a和30b被插入這些通孔29a和29b并借助螺線而固定到縱向插入到彈性部件23的軸向中心部分中的一個靜止轉軸31上，從而使半個彈性部件23a和23b把壓電元件24的兩個層保持在它們的兩對分割表面之間，并被固定在靜止轉軸31上。
作為相對運動部件的一個轉子32，由空心厚圓筒形轉子基座部件32a和加到轉子基座部件32a在振動元件22側的端面上的一個滑動部件32b組成，并與振動元件22的驅動表面D相接觸。轉子32借助一個軸承而相對于靜止轉軸31以樞軸的方式得到定位，而該軸承被安裝在轉子32的內圓周部分中并起著定位部件的作用。
在轉子基座部件32a的外圓周表面的上端部上，形成了用于拾取輸出的齒輪34。該齒輪34與所驅動的物體(未顯示)的一個齒輪相嚙合，從而把轉動傳遞到所要驅動的物體。
在此實施例中，轉子基座部件32a借助作為壓力部件的一個伯力維勒(belleville)彈簧35(或螺旋彈簧、片簧等)，而與振動元件22的驅動表面D相壓力接觸。
靜止轉軸31通過形成在彈性部件23上的一個空心部分而延伸，并固定并保持振動元件22。另外，靜止轉軸31以樞軸的方式使轉子32沿著其徑向方向得到定位。在靜止轉軸31的一端上形成了一個螺桿部分31a，且作為伯力維勒彈簧35的壓力調節部件的一個螺帽36借助螺線而與該螺桿部分31a相嚙合。通過相對于靜止轉軸31而調節螺帽36的嚙合位置，伯力維勒彈簧35的壓力得到調節。靜止轉軸31的另一端借助一個適當的裝置而被固定在一個靜止部分(未顯示)上。
圖4A至4C是說明圖，顯示了壓電元件24至振動元件22的連接狀態。圖4A和4B分別是振動元件22的頂視圖和側視圖，且圖4C顯示了所產生的縱向和扭轉振動模式。注意圖4B的側視圖是從與圖3所示的縱向剖視圖相差90°的方向看的。
各個壓電元件24的兩個層被夾在半個彈性部件23a和23b的兩對分割表面之間。
在壓電元件24的兩個層之間，設置有一個電極板(未顯示)，用于把來自驅動電路(未顯示)的電能輸入到壓電元件24，或用于把電能從壓電元件24輸出到該驅動電路。在該電極板上設置有接觸部分—它們將要與形成在縱向振動拾取電—機械轉換部分24a、扭轉振動激勵電—機械轉換部分24b、縱向振動激勵電—機械轉換部分24c、扭轉振動激勵電—機械轉換部分24d、和扭轉振動拾取電—機械轉換部分24e上的電極中的相應電極相接觸。各個接觸部分將要與形成在壓電元件24上的相應電極相接觸的接觸區的周邊處是電絕緣的。其結果，電能的輸入和輸出只發生在各個接觸部分與相應的一個所希望的電—機械轉換部分之間。這樣，半個彈性部件23a和23b被電接地。
小直徑部分28a和28b被形成在彈性部件23的外圓周表面上，以與彈性部件23中產生的扭轉振動的節點位置相匹配。各個壓電元件24的扭轉振動激勵電—機械轉換部分24b和24d被設置在包括在彈性部件23中產生的扭轉振動的節點位置的位置處。另一方面，縱向振動激勵電—機械轉換部分24c被設置在包括在彈性部件23中產生的縱向振動的節點位置的位置處。
在施加了驅動電壓時，扭轉振動激勵電—機械轉換部分24b和24d產生出與驅動電壓的方向相應的剪切變形，從而在彈性部件23中產生出二級扭轉振動。
扭轉振動激勵電—機械轉換部分24b和24d分別包括位于圖4B的前側的扭轉振動激勵電—機械轉換部分24b-1和24d-1，以及位于圖4B中的后側的扭轉振動激勵電—機械轉換部分24b-2和24d-2。當這些電—機械轉換部分得到適當設置，從而使得在沿著相同方向施加驅動電壓的情況下扭轉振動激勵電—機械轉換部分24b-1和24d-1所產生的剪切變形的方向與扭轉振動激勵電—機械轉換部分24b-2和24d-2所產生的剪切變形的方向相反時，在振動元件22中產生出與中心軸線相聯系的扭轉振動。
例如，如圖4B中所示，當扭轉振動激勵電—機械轉換部分24b-1和24d-1以及24b-2和24d-2產生剪切變形時，驅動表面D沿著圖4A中箭頭所示的方向扭轉。另一方面，當與圖4B中的電壓相反的電壓被加到壓電元件24上時，由于產生了沿著相反方向的剪切變形，驅動表面D沿著與圖4A中箭頭所示的方向相反的方向扭轉。
當壓電元件24如上所述地與彈性部件23相連時，相同的驅動電壓被加到扭轉振動激勵電—機械轉換部分24b-1和24d-1以及24b-2和24d-2上，圖4B中的彈性部件23中產生的扭轉振動的第一和第二節點E和F具有相反的振動方向，且能夠容易地激勵出二級扭轉振動模式。
各個壓電元件24的縱向振動激勵電—機械轉換部分24c，在施加驅動電壓時，沿著彈性部件的軸向方向產生伸展變形，從而在彈性部件23中產生縱向振動。
縱向振動激勵電機械轉換部分24c包括位于圖4B中的前側的兩個縱向振動激勵電—機械轉換部分24c-1，以及位于圖4B中的后側的兩個縱向振動激勵電—機械轉換部分24c-2。縱向振動激勵電—機械轉換部分24c-1和24c-2得到適當設置，以在施加了沿著相同的方向的電壓時沿著相同的方向產生縱向變形。
當壓電元件24以此方式被連接到彈性部件23上且相同的驅動電壓被加到縱向振動激勵電—機械轉換部分24c-1和24c-2上時，很容易激勵出一級縱向振動模式。
本實施例的超聲致動器21具有上述的設置。當具有1/4λ的相位差的驅動信號被輸入在該超聲致動器21中采用的壓電元件24中形成的扭轉振動激勵電—機械轉換部分24b和24d和縱向振動激勵電—機械轉換部分24c時，在彈性部件23中產生的縱向和扭轉振動具有90°的相位差，且通過合成這些振動而產生了橢圓運動。
圖5是說明圖，顯示了通過結合振動元件22產生的縱向和扭轉振動而在驅動表面D上產生橢圓運動的時間過程。應該注意的是，為了簡化，圖5既沒有顯示與振動元件22的驅動表面D相壓力接觸的轉子32，也沒有顯示用于把轉子32壓在振動元件22上的壓力裝置。
即，當彈性部件23中產生的扭轉和縱向運動的周期被設定為具有1/4λ(λ是波長)的相位差時，在驅動表面D上的一個固定點處產生了橢圓運動。
更具體地說，設f是驅動頻率，且ω(＝2πf)是此時的角頻率。在圖5中，當t＝(6/4)·(π/ω)時，扭轉振動經歷了至左最大點的位移，同時縱向振動的位移為零。在此狀態下，轉子32借助壓力裝置而與振動部件22的驅動表面D相接觸。
在從此狀態至t＝(7/4)·(π/ω)至0至(2/4)·(π/ω)的范圍中，扭轉振動從左最大點位移到了右最大點。另一方面，縱向振動從零位移到了上最大點，并返回到了零點。因此，振動元件22的驅動表面D的固定點在壓轉子32的同時轉動到了右邊，從而驅動了轉子32。
在t＝(2/4)(π/ω)至(6/4)·(π/ω)的范圍中，扭轉振動從右最大點位移到了左最大點。另—方面，縱向振動從零位移到了下最大點，并返回到了零。因此，由于振動元件22的驅動表面D的固定點離開轉子32而轉向左邊，轉子32沒有被驅動。此時，雖然轉子32被壓力部件所壓，由于壓力部件的自然頻率遠低于超聲振動范圍，轉子32不跟隨振動元件22的收縮。
在此實施例中，由于設置了與二級扭轉振動相應的兩組扭轉振動激勵電—機械轉換部分24b-1和24d-1以及24b-2和24d-2，且設置了與一級縱向振動相應的一組縱向振動激勵電—機械轉換部分24c-1和24c-2，因而能夠防止扭轉振動激勵電—機械轉換部分24b-1和24d-1以及24b-2和24d-2處于扭轉振動的反節點位置，且還能夠防止縱向振動激勵電—機械轉換部分24c-1和24c-2處于縱向振動的反節點位置。因此，各個壓電元件24的電容能夠得到減小。
注意至這種超聲致動器21的電流輸入是通過以下近似而獲得的輸入電流I＝V/((R2+(ωL)2)1/2/ωC) ……(1)其中C是超聲致動器21的電容分量(主要是壓電元件的電容)V是所加的電壓R是超聲致動器21的電阻分量ω是驅動電壓的角頻率L是超聲致動器21的電感分量如從公式(1)可見，由于壓電元件24的電容C通過消除在振動的反節點位置處的振動激勵部分—它對振動激勵的貢獻很小—而得到減小，至超聲致動器21的輸入電流可得到減小。因此，超聲致動器21的驅動效率能夠得到改善。
另外，在此實施例中，由于設置了與二級扭轉振動相對應的兩組扭轉振動激勵電—機械轉換部分24b-1和24d-1以及24b-2和24d-2，并設置了與一級縱向振動相對應的一組縱向振動激勵電—機械轉換部分24c-1和24c-2，壓電元件24所激勵的扭轉振動位移基本上與彈性部件23中實際產生的位移相匹配。因此，扭轉和縱向振動很容易激勵，且能夠保證這些振動有大的振動幅度，從而改善了超聲致動器21的驅動力和驅動效率。
在此實施例中，扭轉振動激勵電—機械轉換部分24b-1和24d-1得到適當的設置，從而使它們的中心部分與彈性部件23中產生的扭轉振動的第一節點位置相匹配。另外，扭轉振動激勵電—機械轉換部分24b-2和24d-2得到適當的設置，從而使得它們的中心部分與彈性部件23中產生的扭轉振動的第二節點位置相匹配。
由于扭轉振動激勵電機械轉換部分24b-1和24d-1以及24b-2和24d-2是以這樣方式設置的，在彈性部件23中容易激勵起自然的扭轉振動，從而保證了更大的扭轉振動幅度。
另一方面，縱向振動激勵電—機械轉換部分24c-1和24c-2得到適當設置，從而使它們的中心部分與在彈性部件23中產生的縱向振動的節點部分相匹配。由于縱向振動激勵電—機械轉換部分24c-1和24c-2是以這樣方式設置的，在該彈性部件中容易激勵出自然的縱向振動，從而保證了更大的縱向振動幅度。
如上所述，由于壓電元件24得到適當設計和設置從而使扭轉振動激勵電—機械轉換部分24b-1和24d-1以及24b-2和24d-2和縱向振動激勵電—機械轉換部分24c-1和24c-2的中心部分與在彈性部件23中產生的振動的節點部分相匹配，所以能夠保證大的縱向和扭轉振動幅度，從而改善了超聲致動器21的驅動效率和驅動力。
總之，簡要地說，本實施例的超聲致動器21采用了集成的壓電元件24來代替對準扭轉和縱向壓電元件來作為將要被夾在彈性部件23之間的分離部件。
因此，根據本實施例的超聲致動器21，壓電元件24的部件的數目可大大減少。因此，超聲致動器21的產量能夠得到顯著的提高。
由于能夠非常容易地獲得厚度均勻的壓電元件24，作為分離部件的大量壓電元件24的厚度變化可以被完善地消除，且至彈性部件23的能量傳送損耗能夠被減小至最小。
由于縱向振動激勵電—機械轉換部分24c的中心部分大體上與縱向振動的節點位置相匹配，且扭轉振動激勵電—機械轉換部分24b和24d的中心部分大體上與扭轉振動的節點位置相匹配，振動的產生變得非常有效。
另外，即使當彈性部件23中產生的振動具有多個節點位置時，也能夠防止給定振動周期的振動激勵部分被設置在其反節點位置處，因而輸入能量可得到減小。以此方式，超聲致動器21的驅動效率能夠得到改善。
(第二實施例)如上在第一實施例中已經詳細描述的，本發明的特征，在于在超聲致動器中排列成行的大量壓電元件得到集成并被單個的壓電元件板所代替。
圖6是立體圖，顯示了第二實施例的超聲致動器60(圖10)中采用的壓電元件41的設置。
壓電元件41由四個不同功能的部分分別構成，這四個部分分別對應于縱向振動拾取壓電元件41a、縱向振動激勵壓電元件41b、扭轉振動激勵壓電元件41c、以及扭轉振動拾取壓電元件41d。這種壓電元件41的極化狀態具有由圖6中的箭頭表示的極化方向，且單個的壓電元件41大體包括兩個不同的極化狀態(41a、41b和41c、41d)。
以下描述該壓電元件41的制造方法。圖7A至7E是說明圖，用于說明制造方法中的過程。
如圖7A所示，在成極極化之前在壓電元件板42的一個端面和相對端面的附近的兩個表面上形成了成極極化電極43a和43b。形成成極極化電極43a和43b的裝置不限于特定的裝置。這是由于不用害怕破壞成極極化處理區，因為壓電元件板42還沒有受到成極極化。因此，成極極化電極43a和43b可以用銀、鎳等的糊—它需要加熱—來形成。
如圖7B所示，通過在成極極化電極43a和43b上施加強電場，沿著壓電元件板42的平面內縱向方向進行成極極化。借助這種成極極化，形成了扭轉振動激勵部分41c和扭轉振動拾取部分41d。另外，借助這種成極極化，獲得了圖7B顯示的極化狀態。
如圖7C所示，通過利用形成在壓電元件板42的兩個表面上的成極極化電極43b而沿著壓電元件板42的厚度方向施加強電場，沿著壓電元件板42的厚度方向進行了成極極化。借助這種成極極化，形成了縱向振動激勵部分41b和縱向振動拾取部分41a。另外，借助這種成極極化，形成了圖7C所示的極化狀態。
隨后，如圖7D所示，通過對具有如上形成的兩個極化區(41a、41b和41c、41d)的壓電元件板42的兩4表面進行拋光，使壓電元件板42具有預定的厚度。
最后，如圖7E所示，在極化區41a至41d的兩個表面上形成了電能輸入/輸出電極44a至44d。
在本實施例的壓電元件板42中，包括電極44a至44d的極化區41a至41d分別包括四種功能，即縱向振動拾取部分、縱向振動激勵部分、扭轉振動激勵部分、和扭轉振動拾取部分。
在圖7E中，電極44a至44d較好地是盡可能不用對壓電元件板42進行任何加熱而形成的，以避免極化區41a至41d受到影響。為此，電極44a至44d較好地是借助諸如濺射、淀積等的膜形成方法或諸如無電鍍等的方法而形成的。
如上所述，一般地，壓電元件在成極極化時沿著施加的電場的方向膨脹并沿著與所加的電場方向垂直的方向收縮。因此，在此實施例中，壓電元件板42的厚度也是在極化區41a和41b中增大，而在極化區41c和41d中減小。其結果，壓電元件板42可具有非均勻的厚度。
所以，通過借助圖7D中的拋光而使極化區41a和41b以及41c和41d的厚度均勻，在整個結構上都能夠使振動被有效地傳遞到彈性部件(將要在后面描述)。
換言之，在獨立的過程中制成的大量的壓電元件被以傳統的方式并置和設置在預定的位置，同時根據本實施例，加工過程可以采用集成的壓電元件板42來進行。因此，壓電元件板42沿著縱向和寬度方向的厚度都能夠得到均勻化。
其結果，如圖11所示(將要在后面描述)，當壓電元件板42以被夾在相對的彈性部件之間的方式得到設置時，能夠防止在壓電元件板42與兩個彈性部件之間產生任何間隙，從而使從壓電元件至彈性部件的能量傳送損耗被減小至最小。
在圖7A至7E中顯示的制造方法中，極化區41a至41d是通過進行兩次成極極化而形成的，但也可以通過單個的成極極化而形成。以下結合圖12A至12D來描述在此情況下壓電元件41的制造方法。
在以與圖7A中的方式相同的方式進行成極極化之前，在平面壓電元件主體42的一個端面上形成一個成極極化電極。另外，在與這一個端面相對的端面的附近的一個表面上形成一個成極極化電極43b，且在另一表面上形成一個成極極化電極43b’(見圖12A)。
如圖12B所示，強電場同時被施加在成極極化電極43b和43a之間以及成極極化電極43b和43b’之間。通過在成極極化電極43b與43a之間申請強電場，形成了扭轉振動激勵部分41c和扭轉振動拾取部分41d。通過利用成極極化電極43b和43b’而沿著壓電元件42的厚度方向施加強電場，形成了一個縱向振動激勵部分41b和一個縱向振動拾取部分41a。以此方式，通過一次成極極化而形成了圖12B中的極化區。
隨后，如圖12C所示，壓電元件42具有兩個極化區(41a、41b和41c、41d)的兩個表面得到拋光。借助這種拋光，壓電元件42具有了預定的厚度。
最后，如圖12D中所示，在極化區41a至41d的兩個表面上形成了電能輸入/輸出電極44a至44d。
在圖12A至12D顯示的方法中，壓電元件42的制造過程只要求一次成極極化，且過程的數目能夠得到減少，因而改善了生產率。這種制造方法，在壓電元件42具有小的厚度時，是有效的。注意，在沿著厚度和縱向方向在壓電元件42的極化區之間的邊界部分處，成極極化方向的精度經常低于圖7A至7E所示的方法。因此，可在除了這種邊界部分以外的地方形成電極。
在圖6和圖7A至7E所示的例子中，形成了一個縱向振動激勵部分41b。然而，本發明不限于這種具體的例子。
圖8顯示了一個壓電元件51，作為圖6所示的壓電元件41的一種修正。
圖8顯示的壓電元件51在功能上被分成五個部分，分別對應于縱向振動拾取壓電元件51a、縱向振動激勵壓電元件51b-1、縱向振動激勵壓電元件51b-2、縱向振動激勵壓電元件51c、和扭轉振動拾取壓電元件51d。
當象圖8中顯示的壓電元件51中那樣形成兩個縱向振動激勵壓電元件時，輸入區能夠相應于所要產生的縱向位移的幅度而得到大大的改變。借助這種結構，超聲致動器控制的自由度增大了。
更具體地說，由于相對于縱向振動設置了一組縱向振動激勵壓電元件，雖然位移的幅度與其中設置兩組縱向振動激勵壓電元件的情況相比有所減小，至振動激勵部分的輸入能量能夠減小一半，因而改善了驅動效率。
圖9A至9E是說明圖，顯示了圖8顯示的壓電元件51的制造方法中的過程。由于圖9A至9E顯示的制造方法基本上與圖7A至7E所示的相同，所以下面只描述它們之間的不同，且對與圖7A至7E顯示的方法共同的部分的重復描述，通過把它們的標號改變為從50開始的標號，而得到了省略。
在圖9E中，在形成在壓電元件板52上的極化區51a、51b-1、51b-2、51c、和51d上的兩個表面上，形成了電能輸入/輸出電極54a、54b-1、54b-2、54c和54d。以此方式，形成了圖8顯示的壓電元件51。
圖10是剖視圖，顯示了本實施例的超聲致動器。
一個振動元件61包括本實施例的壓電元件41，作為由一個驅動信號激勵的電—機械轉換元件，以及壓電元件41所接合到的一個彈性部件62，且它彈性部件62在通過激勵壓電元件41而產生一級縱向振動和二級扭轉振動時在其驅動表面71上產生出驅動力。
彈性部件62是通過把半個彈性部件61a和61b重新組裝成圓筒形而獲得的。半個彈性部件61a和61b是通過把一個空心厚彈性部件縱向分割成兩件而獲得的，該厚彈性部件具有在其側表面上形成槽形的三個小直徑部分62a、62b和62c，以及通過形成小直徑部分62a、62b和62c而形成的四個大直徑部分62A、62B、62C和62D。
壓電元件41與將要夾在它們之間的彈性部件61a和61b的分割表面相連。小直徑部分62a和62c位于振動元件61中產生的二級扭轉振動的兩個節點位置處。另一方面，小直徑部分62b位于振動元件61中產生的一級縱向振動的節點位置處。
形成在壓電元件41上的扭轉振動激勵部分41c處于包括二級扭轉振動的一個節點部分的一個位置，且縱向振動激勵壓電元件41b被設置在包括縱向振動的一個節點部分和扭轉振動的另一節點部分的一個位置。
在彈性部件62中，通孔63a至63d，分別被形成在沿著與壓電元件41的厚度方向平行的方向大體位于大直徑部分62A至62D的中心的位置。半個彈性部件61a和61b，通過把螺栓64a至64d固定在這些通孔63a至63d中并把螺帽65a至65d擰在這些螺栓上，而得到固定。以此方式，彈性部件62使壓電元件41保持在牢固夾持的狀態。
在彈性部件沿著縱向方向大體位于中心部分處，形成了用于一個設定銷66的通孔。當設定銷66通過彈性部件62和沿著軸向通過彈性部件62延伸的靜止轉軸67而延伸時，彈性部件62能夠被固定在靜止轉軸67上并被靜止轉軸67所保持。設定銷66較好地是被設置在小直徑部分62a的位置處，因為它能夠防止扭轉振動受到抑制。
一個轉子68用厚環形轉子基座部件68a制成，且一個滑動部件68b—它附著在一個滑動器上從振動元件61側上的基座部件68a的端面以環形形狀伸出。作為定位部件的一個軸承69被裝在位于與振動元件相對的一側上的轉子基座部件6的端面的內圓周部分中，從而使轉子相對于靜止轉軸67得到定位。
在轉子基座部件68a的外圓周表面上，形成有一個驅動力拾取齒輪(未顯示)，且該齒輪與將要驅動的物體(未顯示)的一個齒輪嚙合，從而把驅動力輸出到外部。
轉子68借助作為壓力部件的一個belleville彈簧70(或線圈彈簧、片彈簧等)，通過一個壓力傳遞部件71，而與振動元件61的驅動表面62c相壓力接觸。
靜止轉軸67通過在彈性部件62中沿著軸向形成的空心部分而延伸，并固定振動元件61。另外，轉軸67沿著徑向定位轉子68。在靜止轉軸67的一個遠端部上形成有一個螺桿部分67a，且作為調節belleville彈簧70的壓力的壓力調節部件的一個螺帽72與螺桿部分67a相螺線嚙合。通過改變螺帽72的嚙合位置，bellevil1e彈簧70的彈簧力得到改變，從而相對于振動元件61而調節了轉子68的壓力。
圖11是說明圖，顯示了振動元件中壓電元件的設置。在圖11的描述中，將主要說明壓電元件的設置，且與圖10共同的部分的重復描述，通過用相同的標號來表示它們，而得到了省略。
壓電元件41中的扭轉振動激勵部分41c，在施加了驅動電壓時，產生出與所加電壓的方向相應的剪切變形，從而在振動元件61中產生出扭轉振動。
一個扭轉振動激勵部分包括在圖11的前側的兩個扭轉振動激勵部分41c，且在圖11的后側的兩個扭轉振動激勵部分41c。在前和后側的扭轉振動激勵部分41c，在施加了沿著相同的方向的電壓時，產生出沿著相反方向的剪切變形，從而在振動元件61中沿著一個方向產生扭轉位移。
例如，當如圖11所示地設置了扭轉振動激勵部分41c時，振動元件61的驅動表面62c，由于在前側的兩個扭轉振動激勵部分和在后側的兩個所產生的剪切變形，而沿著空心箭頭所表示的方向扭轉。當電壓被沿著相反的方向施加時，由于剪切變形是沿著相反的方向產生的，驅動表面62c沿著與圖11顯示的方向相反的方向扭轉。
壓電元件41中的縱向振動激勵部分41b，在加上驅動電壓時，產生出伸展變形，從而產生振動元件61中的縱向振動。
一個縱向振動激勵部分組包括在圖11中的前側的兩個縱向振動激勵部分41b和在圖11中的后側的兩個縱向振動激勵部分41b。這些縱向振動激勵部分41b被適當地設置，以在施加沿著相同方向的電壓時產生沿著相同方向的縱向變形。借助壓電元件的縱向振動激勵部分41b的上述設置，當相同的驅動電壓被加到所有的縱向振動激勵部分41b上時，能夠容易地激勵出一級縱向振動模式。
當具有1/4λ的相位差的驅動信號被輸入到具有上述設置的超聲致動器60的縱向振動激勵部分41b和扭轉振動激勵部分41c時，縱向和扭轉振動的相位相差90°，且在驅動表面62c獲得了通過合成這些振動而獲得的橢圓運動。
由于振動的產生原理與第一實施例中的超聲致動器21(見圖5)的相同，因而省略了對其的詳細描述。
如上所述，根據本實施例，由于大量的壓電元件部分被以集成的方式形成在單個的壓電元件板上，壓電元件的部分的數目能夠大大地減小。借助這種結構，由于使壓電元件連接到超聲致動器所需的過程的數目能夠大大地減少，生產率得到了顯著的改善。另外，由于能夠消除在大量的壓電元件中不可避免的厚度變化，從壓電元件至彈性部件的能量傳送損耗能夠被減小至最小。
(變形)以上的實施例以振動致動器的形式顯示了利用超聲振動范圍的超聲致動器的例子。然而，根據本發明的振動致動器不僅限于這種具體的致動器，并能夠應用于采用其他振動范圍的振動致動器。
在第一實施例中，彈性部件是用兩個半個彈性部件制成的。然而，本發明不限于這種具體的結構。例如，彈性部件可以是由三或更多的彈性部件構成的圓筒形的。在第一實施例中，作為電—機械轉換元件的壓電元件被夾持在彈性部件的分割表面之間。然而，本發明不限于這種具體的結構。例如，壓電元件可以與采用諸如粘合等適當手段的彈性部件的外圓周表面相連。
在上述實施例的每一個中，都采用了包括產生一級縱向振動和二級扭轉振動的振動元件的振動致動器。然而，根據本發明的振動致動器不限于這種具體的致動器。更具體地說，在包括產生n級(n是自然數)縱向振動和m級(m是自然數)扭轉振動的振動元件振動致動器中，在節點部分設置了n組縱向振動激勵部分，且在節點部分設置了m組扭轉振動激勵部分，從而獲得了與上述實施例中相同的效果。
在上述實施例的每一個中，壓電元件被用作電—機械轉換元件。然而，根據本發明的振動致動器不限于這種具體元件。例如可以用電致伸縮元件來代替壓電元件。
在第一實施例中，形成了與壓電元件主體的厚度方向相聯系的兩個第二電—機械轉換部分，且形成了與壓電元件主體的平面方向相聯系的一個第一電—機械轉換部分。然而，根據本發明的振動致動器不限于這種具體設置。例如，如在第二實施例中描述的，可以沿著壓電元件主體的平面方向彼此相鄰地形成一個第一和一個第二電—機械轉換部分。
在第一實施例中，用作用于把沿著平面方向的機械位移轉換成電能的機械—電轉換部分的縱向振動拾取電—機械轉換部分24a與所形成的第一電—機械轉換部分24b相鄰地設置，且被用作用于把沿著厚度方向的機械位移轉換成電能的機械—電轉換部分的扭轉振動拾取電—機械轉換部分24e與所形成的第一電—機械轉換部分24d相鄰地設置。
然而，根據本發明的振動致動器不限于這種具體的結構。更具體地說，可以只采用一個縱向和扭轉振動拾取電—機械轉換部分24a和24e，或者把兩者都省去。
因此，本發明不僅限于在此描述的最佳實施例，且本發明包括屬于所附權利要求書范圍內的所有實施例。
權利要求
1.一種電—機械轉換元件，用于把電能轉換成機械位移或把機械位移轉換成電能，其中所述電—機械轉換元件的一個主體具有用于產生不同的壓電效應的多個電—機械轉換部分，且所述多個能夠同時沿著不同的方向自由位移。
2.根據權利要求1的元件，其中所述主體利用所述多個電—機械轉換部分同時產生不同的振動模式。
3.根據權利要求1的元件，其中所述主體能夠利用所述多個電—機械轉換部分同時且獨立地把所述主體中同時產生的不同振動模式轉換成電能。
4.根據權利要求1的元件，其中所述主體主體利用所述多個電—機械轉換部分同時產生不同的振動模式并能夠同時且獨立地把所述主體中同時產生的不同振動模式轉換成電能。
5.根據權利要求1的元件，其中所述多個電—機械轉換部分包括一個用于產生壓電橫切效應的第一電—機械轉換部分，以及用于產生壓電剪切效應的一個第二電—機械轉換部分。
6.根據權利要求5的元件，其中借助壓電剪切效應產生了扭轉振動，且借助該壓電橫切效應產生了縱向振動。
7.根據權利要求5的元件，其中形成了彼此分隔的、與所述第二電—機械轉換部分等價的兩個第二電機械轉換部分，且在所述兩個第二電—機械轉換部分之間形成了與所述第一電—機械轉換部分等價的一個第一電—機械轉換部分。
8.根據權利要求5的元件，其中所述第一和第二電—機械轉換部分中的一個與另一相鄰地形成在所述主體上。
9.根據權利要求7的元件，其中彼此相鄰地設置的所述第一和第二電—機械轉換部分用于把電能轉換成機械位移，且用于把機械位移轉換成電能的部分被形成在所述主體的沿著所述第一和第二電—機械轉換部分的設置方向的至少一個端部側上。
10.根據權利要求8的元件，其中彼此相鄰地設置的所述第一和第二電—機械轉換部分是用于把電能轉換成機械位移的部分，且用于把機械位移轉換成電能的部分被形成在所述主體的沿著所述第一和第二電—機械轉換部分的設置方向的至少一個端部側上。
11.根據權利要求5的元件，其中所述主體被形成平面形狀，且所述第一和第二電—機械轉換部分的厚度處于大體相等的范圍內。
12.一種電—機械轉換元件的制造方法，包括以下步驟通過沿著多個方向對一個用于把電能轉換成機械位移或把機械位移轉換成電能的電—機械轉換元件的一個基座部件進行成極極化，而形成多個電—機械轉換部分—這些電—機械轉換部分在所述基座部件中產生不同的壓電效應并且能夠同時沿著不同的方向進行位移。
13.一種電—機械轉換元件的制造方法，包括以下步驟通過對用于把電能轉換成機械位移的一種電機械轉換元件的一個基座部件進行第一成極極化而形成一個第二電—機械轉換部分，并通過對包括所述第二電—機械轉換部分的一部分的一個部分進行第二成極極化而形成一個第一電—機械轉換部分，該第一電—機械轉換部分用于產生與所述第二電—機械轉換部分的壓電效應不同的一種壓電效應。
14.根據權利要求13的方法，其中所述第一電—機械轉換部分產生一種壓電橫切效應，且所述第二電—機械轉換部分產生一種壓電剪切效應。
15.根據權利要求13的方法，其中所述電—機械轉換元件的所述基座部件被形成為平面形狀，且在所述基座部件的兩個表面上沿著所述基座部件的平面方向以預定的間隔形成了多對電極，通過把一個電場加到所述多對電極中的至少相鄰的對上，而進行第一成極極化，且通過把電場加到構成所述多對電極中的至少一對的電極上，進行第二成極極化。
16.根據權利要求15的方法，其中在第一成極極化和第二成極極化之后進行用于使所述第一和第二電—機械轉換部分的厚度均勻的處理。
17.根據權利要求16的方法，其中該均勻處理包括以下步驟在所述第二電—機械轉換部分的表面上形成一個電極，從而使所述第二電—機械轉換部分的厚度變得等于所述第一電—機械轉換部分的厚度；以及在所述第二電—機械轉換部分的表面上形成了電極之后，除去形成在所述第一和第二電—機械轉換部分的表面上的電極的部分，從而使所述第一和第二電—機械轉換部分具有相等的厚度；或者除去形成在所述第一電—機械轉換部分上的電極和所述電—機械轉換元件的一個部分以使所述電—機械轉換元件的厚度均勻，并在所述第一和第二電—機械轉換部分的表面上形成這些電極。
18.根據權利要求17的方法，其中當在均勻處理過程期間在所述電—機械轉換元件上形成電極時，采用了一種形成方法—該形成方法不包括至使得所述第一和第二電—機械轉換部分的電—機械轉換功能受到破壞的溫度范圍的加熱。
19.根據權利要求18的方法，其中該形成方法是諸如濺射、淀積等等的膜形成方法或無電鍍方法。
20.包括一種振動元件的振動致動器，該振動元件具有一個電—機械轉換元件并借助所述電—機械轉換元件產生出多個不同的振動，該振動致動器在所述振動元件與同該振動元件相接觸的一個相對運動部件之間產生出相對運動，其中所述電—機械轉換元件的一個主體具有用于產生不同的壓電效應的多個電—機械轉換部分，且所述多個電—機械轉換部分可沿著不同的方向同時發生位移。
21.根據權利要求20的致動器，其中所述多個電—機械轉換部分包括用于產生壓電橫切效應的第一電—機械轉換部分和用于產生一種壓電剪切效應的第二電—機械轉換部分。
22.根據權利要求21的致動器，其中所述振動元件通過結合多個彈性部件而被形成為圓筒形，所述電—機械轉換元件與所述多個彈性部件的至少一個相連，且多個不同的振動包括與所述振動元件的軸向方向相聯系的扭轉振動和沿著所述振動元件的縱向振動。
23.根據權利要求22的致動器，其中所述電—機械轉換元件的第一電—機械轉換部分位于這樣一個位置—即該位置包括與所述振動元件中產生的縱向振動的至少一個節點相對應的一個位置，且所述電—機械轉換元件的所述第二電—機械轉換部分位于這樣一個位置—即該位置包括與所述振動元件中產生的扭轉振動的至少一個節點相對應的一個位置。
24.一種振動致動器的制造方法，在該振動致動器中用于產生多種不同的振動的一個電—機械轉換元件被設置在多個彈性部件之間，其中所述電—機械轉換元件把電能轉換成機械位移或者把機械位移轉換成電能，所述電—機械轉換元件的一個主體具有用于產生不同的壓電效應的多個電—機械轉換部分，且所述多個電—機械轉換部分可沿著不同的方向同時發生位移。
25.根據權利要求24的方法，其中所述主體利用所述多個電—機械轉換部分同時產生不同的振動模式。
26.根據權利要求24的方法，其中所述主體能夠利用所述多個電—機械轉換部分而把在所述主體中同時產生的不同振動模式同時且獨立地轉換成電能。
27.根據權利要求24的方法，其中所述主體能夠利用多個電—機械轉換部分同時產生不同的振動模式并同時且獨立地把所述主體中同時產生的不同振動模式轉換成電能。
28.根據權利要求24的方法，其中所述多個電—機械轉換部分包括用于產生一種壓電橫切效應的第一電—機械轉換部分和用于產生一種壓電剪切效應的第二電—機械轉換部分。
29.根據權利要求28的方法，其中扭轉振動是借助壓電剪切效應產生的，且縱向振動是借助壓電橫切效應產生的。
30.根據權利要求28的方法，其中彼此分離地形成了與所述第二電—機械轉換部分等價的兩個第二電—機械轉換部分，并在所述兩個第二電—機械轉換部分之間形成了與所述第一電—機械轉換部分等價的一個第一電—機械轉換部分。
31.根據權利要求24的方法，其中所述電—機械轉換元件被這樣地設置—即使得所述第一電—機械轉換部分位于包括與所述振動元件中產生的縱向振動的一個節點相對應的一個位置的位置，且所述第二電—機械轉換部分位于這樣的一個位置—該位置包括與所述振動元件中產生的扭轉振動的一個節點相對應的一個位置。
全文摘要
用于把電能轉換成機械位移或把機械位移轉移成電能的一種電－機械轉換元件的特征在于其主體具有用于產生不同的壓電效應的多個電—機械轉換部分,且這些電—機械轉換部分可沿著不同的方向同時發生位移。
文檔編號H02N2/02GK1184373SQ9711411
公開日1998年6月10日 申請日期1997年11月28日 優先權日1996年11月28日
發明者村松研一 申請人:株式會社尼康