PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE602005000585T2 22.11.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001617490
Titel Piezoelektrischer Aktor und Bauelement
Anmelder Seiko Epson Corp., Tokyo, JP
Erfinder Nagahama, Reiko, Suwa-shi Nagano-ken 392-8502, JP
Vertreter HOFFMANN & EITLE, 81925 München
DE-Aktenzeichen 602005000585
Vertragsstaaten CH, DE, FR, GB, LI
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 11.07.2005
EP-Aktenzeichen 050149897
EP-Offenlegungsdatum 18.01.2006
EP date of grant 21.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.11.2007
IPC-Hauptklasse H01L 41/09(2006.01)A, F, I, 20060131, B, H, EP
IPC-Nebenklasse H01L 41/047(2006.01)A, L, I, 20060131, B, H, EP   

Beschreibung[de]
[Technisches Gebiet]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen piezoelektrischen Aktor zum Antreiben eines angetriebenen Elements durch die Schwingung eines piezoelektrischen Elements, und auf eine diesen piezoelektrischen Aktor enthaltende Vorrichtung.

[Hintergrundtechnologie]

Piezoelektrische Aktoren, welche die Schwingung von piezoelektrischen Elemente nutzen, besitzen wenige Bauteile, können in ihren Abmessungen vermindert werden, um zur Mikrobearbeitung geeignet sein, und werden als Antriebsquellen für Miniaturlinsenantriebsmechanismen, Datendisplayantriebsmechanismen und andere solche Kleingeräte verwendet.

Piezoelektrische Aktoren treiben Rotoren oder andere angetriebene Elemente an, mit denen ein piezoelektrisches Element in Kontakt als Ergebnis einer Schwingung kommt. Beispielsweise bei einem piezoelektrischen Aktor, der sowohl einen Längsschwindungsmodus als auch einen Biegeschwingungsmodus nutzt, wird ein Kontaktabschnitt elliptisch bewegt, um einen Rotor anzutreiben. Wenn dabei der Kontaktabschnitt elliptisch mit dem Längsschwindungsmodus als Primärschwingungsmodus bewegt wird, erreichen die Drehzahl und das Drehmoment des Rotors ihre Maximalpunkte.

Der Längsschwingungsmodus und der Biegeschwindungsmodus besitzen unterschiedliche Resonanzfrequenzen (Frequenzen bei denen die Verschiebung maximal ist); daher kann der Kontaktabschnitt veranlasst werden, sich in dem optimalen elliptischen Muster zu bewegen, indem das piezoelektrische Element bei der optimalen Antriebsfrequenz zwischen den Resonanzfrequenzen geschwungen wird.

Allerdings besitzen piezoelektrische Aktoren unterschiedliche individuelle optimale Antriebsfrequenzen infolge von Ungleichmäßigkeiten ihrer Formen. Daher muss die Antriebsfrequenz jedes piezoelektrischen Aktors gesteuert werden, um zuverlässig den piezoelektrischen Aktor auf stabile Weise anzutreiben. Die Optimalantriebsfrequenzen variieren ebenso in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur und anderen solchen Faktoren.

Bekannte Verfahren in der herkömmlichen Praxis umfassen ein Verfahren, bei welchem eine Erfassungselektrode in der Position des piezoelektrischen Elements vorgesehen ist, in welcher die Dehnung mit höchster Wahrscheinlichkeit durch die Kraft von dem Rotor erzeugt wird, der das angetriebene Element ist, und die Antriebsfrequenz wird durch Nutzen der Tatsache gesteuert, dass die Frequenz, mit welcher die an dieser Position erfasste Spannung ihren Maximalwert erreicht, und die Frequenz, bei welcher die Drehzahl ihren Maximalpunkt erreicht, im wesentlichen miteinander übereinstimmen; und ein Verfahren, bei welchem die Phasendifferenz zwischen dem Antriebssignal und dem Erfassungssignal bestimmt wird und die Antriebsfrequenz gesteuert wird (siehe beispielsweise Stand der Technik 1).

Auch kann eine Erfassungselektrode in der Position vorgesehen sein, in welcher die Erfassungsspannung des Längsschwingungsmodus und die Erfassungsspannung des Biegeschwingungsmodus beide ansteigen, und es werden beide Erfassungsspannungen bestimmt. Bei einem anderen bekannten Verfahren wird die Antriebsfrequenz des piezoelektrischen Aktors unter Einsatz einer Ähnlichkeit zwischen der Frequenz, bei welcher der multiplizierte Wert der Erfassungsspannungen (Wurzel-Mittel-Quadrat-Wert) sein Maximalwert erreicht, und der Frequenz, bei welcher die Drehzahl des Rotors ihren Maximalwert erreicht, gesteuert wird (siehe beispielsweise Stand der Technik 2).

  • [Stand der Technik 1] japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2002-291264 (Seiten 9-10, 15)
  • [Stand der Technik 2] japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. 2003-304693 (Seiten 6-8, 12)

[Darstellung der Erfindung] [Durch die Erfindung zu lösende Probleme]

Allerdings besitzt das Verfahren zum Steuern der Antriebsfrequenz auf der Basis des Erfassungsspannungswerts Probleme dahingehend, dass dieser Spannungswert in Abhängigkeit davon fluktuiert, ob die Kraft von dem Rotor auf den piezoelektrischen Aktor wirkt, und ebenso empfindlich gegenüber Geräusch ist.

Ebenso offenbart Stand der Technik 1 ein Verfahren zum Nutzen der Phasendifferenz zwischen einem Erfassungssignal und einem Antriebssignal, jedoch besitzen bei den Frequenzeigenschaften der Phasendifferenz zwischen dem Antriebssignal und dem Erfassungssignal in der Position der im Stand der Technik 1 gezeigten Erfassungselektrode die Phasendifferenz, welche in dem Längsschwingungsmodus entsteht, und die Phasendifferenz, die in dem Biegeschwingungsmodus entsteht, dasselbe Vorzeichen (entweder positiv oder negativ) und im wesentlichen dieselbe Größenordnung.

Beispielsweise zeigt 15 die Phasendifferenzeigenschaften des piezoelektrischen Aktors den Stand der Technik 1 in Bezug auf die Antriebsfrequenz. Der piezoelektrische Aktor besitzt einen Längsschwingungsmodus, der sich in der Längsrichtung des piezoelektrischen Elements erstreckt, und einem Biegeschwingungsmodus, in welchem ein Biegen in der Richtung im wesentlichen orthogonal zu der Schwingungsrichtung des Längsschwingungsmodus auftritt, und die Phasendifferenz nimmt nahe der Resonanzfrequenzen f1 und f2 der Schwingung in dem jeweiligen Schwingungsmodus zu, wie in 15 gezeigt. Daher besteht eine Mehrzahl von Antriebsfrequenzen (drei Antriebsfrequenzen fb1, fb2 und fb3 in 15) in Bezug auf die zu steuernde Phasendifferenz &thgr;0.

In solchen Fällen wird die Antriebsfrequenz derart gesteuert, dass die Phasendifferenz auf einen spezifischen Wert &thgr;0 gebracht wird, jedoch ist es manchmal unmöglich, die Antriebsfrequenz auf einen einzelnen Wert einzustellen, und das angemessene Schwingungskomponentenverhältnis der Schwingungsmodi kann nicht erhalten werden, was die Zuverlässigkeit der Antriebsleistung des piezoelektrischen Aktors beeinträchtigt.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen piezoelektrischen Aktor bereitzustellen, bei welchem die Zuverlässigkeit der Antriebsleistung verbessert werden kann, und eine Vorrichtung bereitzustellen, die diesen piezoelektrischen Aktor aufweist.

[Zum Lösen der oben genannten Probleme verwendete Mittel]

Der piezoelektrische Aktor gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein piezoelektrischer Aktor zum Antreiben eines angetriebenen Elements durch die Schwingung eines piezoelektrischen Elements, das einen Primärschwingungsmodus und einen Biegeschwingungsmodus aufweist, umfassend eine Antriebselektrode zum Schwingen des piezoelektrischen Elements durch Anlegen eines Antriebssignals an das piezoelektrische Element, eine Erfassungselektrode zum Erfassen des Schwingungsverhaltens des piezoelektrischen Elements, und eine Steuereinrichtung zum Steuern des Antriebssignals auf der Basis der Phasendifferenz zwischen dem Antriebssignal und einem durch die Erfassungselektrode erfassten Erfassungssignal, wobei die Erfassungselektrode in einer Position gebildet ist, in welcher die Phasendifferenz, die in dem Biegeschwingungsmodus entsteht, und die Phasendifferenz, die in dem Primärschwingungsmodus entsteht, ein unterschiedliches Vorzeichen besitzen.

Bei dieser Erfindung ist die Erfassungselektrode in einer Position gebildet, in welcher die Phasendifferenz, die in dem Biegeschwingungsmodus entsteht, und die Phasendifferenz, die in dem Primärschwingungsmodus entsteht, ein umgekehrtes Vorzeichen besitzen. Dabei ist die Phasendifferenz, die in dem Biegeschwingungsmodus entsteht, die Phasendifferenz, die in Hochpunkt- oder Tiefpunkt-Form in der Nähe der Biegeresonanzfrequenz ausgedrückt ist, und die Phasendifferenz, die in dem Primärschwingungsmodus entsteht, ist die Phasendifferenz, die nahe der Resonanzfrequenz des Primärschwingungsmodus variiert.

Daher tritt in den Phasendifferenzeigenschaften gegenüber der Antriebsfrequenz kein Maximalpunkt in der Phasendifferenz auf, die in dem Biegeschwingungsmodus entsteht, mit demselben Vorzeichen wie die Phasendifferenz bei der Antriebsfrequenz nahe der Resonanzfrequenz des Primärschwingungsmodus. In anderen Worten wird eine einzelne Antriebsfrequenz für die Phasendifferenz bestimmt, falls die Phasendifferenz mit einem optimalen Schwingungskomponentenverhältnis zwischen dem Primärschwingungsmodus und dem Biegeschwingungsmodus als ein spezifischer Wert eingestellt ist, und die Steuervorrichtung wird daher in der Lage sein, optimal das Antriebssignal durch Steuern des Antriebssignals auf der Basis der Phasendifferenz einzustellen. Daher können die Schwingungskomponenten geeignet eingestellt werden, und die Zuverlässigkeit der Antriebsleistung kann verbessert werden.

Bei dem piezoelektrischen Aktor gemäß der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass das piezoelektrische Element eine im wesentlichen rechteckige Form besitzt und simultan eine Schwingung in einem Längsschwingungsmodus, welcher der Primärschwingungsmodus ist, der sich entlang der Längsrichtung des piezoelektrischen Elements erstreckt, und eine Schwingung in dem Biegeschwingungsmodus, bei welchem ein Verbiegen in der Richtung im wesentlichen senkrecht zu der Schwingungsrichtung in dem Längsschwingungsmodus auftritt, anregt; und dass die Erfassungselektrode in einer Position gebildet ist, die eine Schwingungsantinode des Biegeschwingungsmodus umfasst, näher zu dem Mechanismus zum Anregen des Biegeschwingungsmodus als zu der Mittellinie durch die Breitenrichtung des piezoelektrischen Elements.

Gemäß der Erfindung umfassen die Schwingungsmodi des piezoelektrischen Elements einen Längsschwingungsmodus und einen Biegeschwingungsmodus. Da im allgemeinen der Längsschwingungsmodus eine größere Antriebskraft besitzt als der Biegeschwingungsmodus, wird eine größere Antriebskraft durcch Einstellen des Längsschwingungsmodus als primär verwendeter Schwingungsmodus erhalten. Da die Erfassungselektrode in einer Position gebildet ist, die eine Schwingungsantinode des Biegeschwingungsmodus umfasst, erreicht die Biegedehnung ihr Maximum, und die Wirkungen der Phasendifferenz des Längsschwingungsmodus neigen dazu, aufgehoben zu werden. Auch wird als Ergebnis des Bildens der Erfassungselektrode auf einer bestimmten Seite des Mechanismus zum Anregen des Biegeschwingungsmodus eine Phasendifferenz in dem Biegeschwingungsmodus erzeugt, der ein entgegen gesetztes Vorzeichen zu dem Längsschwingungsmodus besitzt, eine Klassifikation kann leicht basierend auf der Phasendifferenz zwischen der Frequenz, bei welcher der Längsschwingungsmodus dominant ist, und der Frequenz, bei welcher der Biegeschwingungsmodus dominant ist, vorgenommen werden, und eine genaue Steuerung basierend auf dem Schwingungsverhalten bei jeder Frequenz wird ermöglicht. Eine zufrieden stellende Antriebskraft basierend auf der Schwingung im Längsschwingungsmodus kann dabei sichergestellt werden.

Bei dem piezoelektrischen Aktor gemäß der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass die Erfassungselektrode derart gebildet ist, um in Kontakt mit dem äußeren Rand des piezoelektrischen Elements in der Längsrichtung zu kommen.

Da gemäß der vorliegenden Erfindung die Erfassungselektrode in einer Position in Kontakt mit dem äußeren Rand in der Längsrichtung des im wesentlichen rechteckigen piezoelektrischen Elements gebildet ist, in welchem die Dehnung in einer Antinode des Biegeschwingungsmodus maximal ist, gibt es einen Anstieg der Phasendifferenz des Biegeschwingungsmodus, der ein entgegen gesetztes Vorzeichen zu dem Längsschwingungsmodus besitzt, und eine Klassifikation kann leicht basierend auf der Phasendifferenz zwischen der Frequenz, bei welcher der Längsschwingungsmodus dominant ist, und der Frequenz, bei welcher der Biegeschwingungsmodus dominant ist, vorgenommen werden. Dementsprechend wird eine genaue Steuerung basierend auf einem angemesseneren Schwingungsverhalten ermöglicht.

Bei dem piezoelektrischen Aktor gemäß der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass der Aktor dazu ausgelegt ist, zu ermöglichen, dass die Schwingrichtung des Biegeschwingungsmodus in einer hin- und herbewegenden Weise variiert wird.

Da gemäß der vorliegenden Erfindung der Aktor dazu ausgelegt ist, zu ermöglichen, dass die Schwingrichtung des Biegeschwingungsmodus in hin- und herbewegender Weise variiert wird, kann die Schwingungstrajektorie ebenso in hin- und herbewegender Weise variiert werden, und das angetriebene Element kann hin- und herbewegend in zwei Richtungen angetrieben werden. Der Betriebsbereich, in welchem das angetriebene Element angetrieben werden kann, wird hierdurch erweitert. Da in diesem Falle die Erfassungselektrode in einer Position auf der Seite des Mechanismus zum Anregen des Biegeschwingungsmodus gebildet ist, und zwar einschließlich einer Position in einer Antinode des Biegeschwingungsmodus, ist es leicht, zwischen dem Längsschwingungsmodus und dem Biegeschwingungsmodus zu unterscheiden, selbst wenn die Schwingungsrichtung des Biegeschwingungsmodus in hin- und herbewegender Weise variiert wird.

Bei dem piezoelektrischen Aktor gemäß der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass die Oberfläche der Erfassungselektrode 1/30 oder mehr und 1/7 oder weniger der Oberfläche der Antriebselektrode ist.

Da gemäß der vorliegenden Erfindung die Oberfläche der Erfassungselektrode geeignet eingestellt ist, wird die zum Erfassen der Schwingung erforderliche Oberfläche sichergestellt, und die Oberfläche der Antriebselektrode wird nicht übermäßig klein gemacht, wodurch ermöglicht wird, die Antriebskraft für den piezoelektrischen Aktor auf einem angemessenen Niveau aufrechtzuerhalten.

Falls die Oberfläche der Erfassungselektrode weniger als 1/30 der Oberfläche der Antriebselektrode ist, kann die Schwingung des piezoelektrischen Elements nicht zufrieden stellend erfasst werden, da die Oberfläche der Erfassungselektrode selbst zu gering ist. Falls ebenso die Oberfläche der Erfassungselektrode größer ist als 1/7 der Oberfläche der Antriebselektrode, ist es schwierig, die erforderliche Antriebskraft sicherzustellen, da die Oberfläche der Antriebselektrode relativ klein ist.

Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung erfasst den oben beschriebenen piezoelektrischen Aktor.

Gemäß der vorliegenden Erfindung können dieselben Effekte wie diejenigen des piezoelektrischen Aktors erhalten werden, da die Vorrichtung den oben beschriebenen piezoelektrischen Aktor enthält. Anders ausgedrückt, da das Antriebssignal auf einen einzelnen Wert für die Phasendifferenz zwischen dem Antriebssignal und dem Erfassungssignal eingestellt ist, können der Primärschwingungsmodus und der Biegeschwingungsmodus beide angemessen als Ergebnis dessen gesteuert werden, dass die Steuervorrichtung das Antriebssignal auf einen geeigneten Wert auf der Basis der Phasendifferenz einstellt, und die Zuverlässigkeit der Antriebseigenschaften wird verbessert. Der Betrieb der Vorrichtung wird hierdurch stabilisiert.

Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Linse und eine Antriebseinheit zum Antreiben der Linse durch die Schwingung des piezoelektrischen Aktors.

Da gemäß der vorliegenden Erfindung die Vorrichtung die Antriebseinheit aufweist, ist das Antreiben der Linse zuverlässig. Diese Anordnung ist besonders nützlich, falls beispielsweise die Vorrichtung eine tragbare Vorrichtung oder eine andere solch kompakte Vorrichtung ist, da der piezoelektrische Aktor eine relativ große Antriebskraft mit kleinen Abmessungen trotz der Tatsache liefert, dass die Linse kleinere Abmessungen besitzt.

Die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Uhr, die durch die Schwingung des piezoelektrischen Aktors angetrieben wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist die Vorrichtung eine Uhr, und diese Uhr wird durch die Schwingung des oben beschriebenen piezoelektrischen Aktors angetrieben, wodurch ermöglicht wird, dass dieselben Effekte wie diejenigen des piezoelektrischen Aktors erhalten werden, dass in der Mehrzahl von Schwingungsmodi angemessen gesteuert wird, und dass die Zuverlässigkeit der Antriebseigenschaften der Uhr verbessert werden. Diese Anordnung ist besonders nützlich, falls die Uhr beispielsweise eine Armbanduhr oder eine andere solch kompakte Vorrichtung ist, da der piezoelektrische Aktor eine relativ große Antriebskraft mit kleinen Abmessungen liefert.

[Wirkungen der Erfindung]

Wenn bei dem piezoelektrischen Aktor und der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung das Antriebssignal basierend auf der Phasendifferenz zwischen dem Antriebssignal und dem Erfassungssignal gesteuert wird, ist die Erfassungselektrode in einer Position gebildet, in welcher die Phasendifferenz, die in dem Primärschwingungsmodus entsteht, und die Phasendifferenz, die in dem Biegeschwingungsmodus entsteht, mit entgegen gesetzten Vorzeichen ausgedrückt werden, und das Antriebssignal ist daher auf einen einzelnen Wert für die geeignete Phasendifferenz eingestellt. Dementsprechend kann die Steuervorrichtung das Antriebssignal angemessen und zuverlässig steuern, was zu einem Vorteil führt, bei welchem die Zuverlässigkeit der Antriebseigenschaften verbessert ist.

[Kurze Beschreibung der Zeichnungen]

1 ist eine Perspektivansicht, welche die Linseneinheit gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;

2 ist eine Perspektivansicht, welche die Linseneinheit gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;

3 ist ein Betriebsdiagramm des Nockenelements gemäß der ersten Ausführungsform;

4 ist ein Betriebsdiagramm des Nockenelements gemäß der ersten Ausführungsform;

5 ist eine vergrößerte Perspektivansicht des piezoelektrischen Aktors gemäß der ersten Ausführungsform;

6 ist ein strukturelles Blockdiagramm der Spannungsanlegvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform;

7 ist ein Diagramm, das die Phasendifferenz zwischen dem Abtriebssignal und dem Erfassungssignal der ersten Ausführungsform zeigt;

8 ist ein Diagramm, das die Beziehung der Phasendifferenz und der Antriebsgeschwindigkeit zu der Antriebsfrequenz gemäß der ersten Ausführungsform zeigt;

9 ist ein Diagramm, das die Uhr gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt,

10 ist eine vergrößerte Ansicht, welche den piezoelektrischen Aktor gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt;

11 ist ein Diagramm, das eine Modifikation der Erfassungselektroden des piezoelektrischen Aktors zeigt;

12 ist ein Diagramm, das den piezoelektrischen Aktor gemäß dem Vergleichsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;

13 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse des Arbeitsbeispiels zeigt;

14 ist ein Diagramm, das die Ergebnisse des Vergleichsbeispiels zeigt; und

15 ist ein Diagramm, das die Phasendifferenzeigenschaften in Bezug zu der Antriebsfrequenz eines herkömmlichen piezoelektrischen Aktors zeigt.

[Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen]

Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. In der zweiten und den nachfolgenden Ausführungsformen sind identische Bauteile und Bauteile mit ähnlichen Funktionen wie die strukturellen Bauteile in der ersten Ausführungsform, die nachfolgend beschrieben wird, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, und eine Beschreibung derselben wird vereinfacht oder weggelassen.

[Erste Ausführungsform]

Eine Linseneinhit 10 wird nachfolgend als eine Linsenantriebseinheit gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die Linseneinheit 10 ist in einer Kamera als eine Vorrichtung montiert, und wird integral mit der Kamera hergestellt und verwendet.

Zusätzlich zu der Linseneinheit 10 umfasst die Kamera ebenso ein Aufzeichnungsmedium zum Aufzeichnen von durch Linsen 30, 40 und 50, welche die Linseneinheit bilden, bereitgestellten Bildern; eine Antriebsvorrichtung 1 zum Antreiben der Linsen 30, 40 und 50; und ein Gehäuse, in welchem diese enthalten sind. Allerdings werden die Kamera, das Speichermedium und das Gehäuse von den Darstellungen weggelassen.

1 ist eine Perspektivansicht der Linseneinheit 10, betrachtet von oben rechts, und 2 ist eine Perspektivansicht der Linseneinheit 10, betrachtet von oben links. 3(A) und 3(B) sind Betriebsdiagramme eines Nockenelements 60, und 4(A) und 4(B) sind Betriebsdiagramme eines Nockenelements 70. 5 ist eine vergrößerte Ansicht eines Schwingelements 66 zum Antreiben des Nockenelements 60.

In 1 bis 5 umfasst die Linseneinheit 10 ein Gehäuse 20 mit einer im wesentlichen zylindrischen Gesamtform; eine erste Linse 30, eine zweite Linse 40 und eine dritte Linse 50 als angetriebene Elemente; ein Nockenelement 60 zum Antreiben der zweiten Linse 40 und dritten Linse 50 derart, dass die Linsen vor- und zurückgeschoben werden; ein Nockenelement 70 zum Antreiben der ersten Linse 30 derart, dass die Linse vor- und zurückgeschoben wird; ein Schwingelement 66 als piezoelektrischen Aktor zum drehenden Antreiben des Nockenelements 60; und ein Schwingelement 76 als piezoelektrischer Aktor zum drehenden Antreiben des Nockenelements 70. Von diesen Elementen ist die Antriebsvorrichtung 1 zum Antreiben der Linsen 30, 40 und 50 aus den Nockenelementen 60 und 70 und den Schwingelementen 66 und 76 aufgebaut. Diese Aufbauten werden später im Details beschrieben.

Zwei stabförmige Führungswellen 21 sind parallel zueinander in dem Gehäuse 20 eingesetzt, verlaufen von der vorderen Oberfläche zu der hinteren Oberfläche. Diese Führungswellen 21 sind Elemente zum Führen der Linsen 30, 40 und 50, die derart anzutreiben sind, dass sie vor- und zurückgeschoben werden, und die Wellen verlaufen vollständig in der Richtung, in welcher die Linsen 30, 40 und 50 vor- und zurückgeschoben werden (Richtung der optischen Achse). Auch erfüllen die Führungswellen 21 die Rolle zum Verhindern, dass die Linsen 30, 40 und 50 vorne oder hinten herausfallen.

Ovale, lochförmige Öffnungen 23A, 23B und 23C sind auf der Seite 22 des Gehäuses 20 vorgesehen, und diese Öffnungen 23A, 23B und 23C sind mit Abmessungen ausgeformt, die ermöglichen, dass sich die zu den Linsen 30, 40, 50 vorgesehenen Nockenwellen 31, 41 und 51 ausreichend bewegen können.

Die erste Linse 30 ist auf der Innenseite des Gehäuses 20 vorgesehen und umfasst eine Nockenwelle 31, die innerhalb der Öffnung 23C des Gehäuses 20 positioniert ist. Die zweite Linse 40 ist auf der Innenseite des Gehäuses 20 vorgesehen und umfasst eine Nockenwelle 41, die innerhalb der Öffnung 23B des Gehäuses 20 vorgesehen ist. Die dritte Linse 50 ist auf der Innenseite des Gehäuses 20 vorgesehen und umfasst eine Nockenwelle 51, die innerhalb der Öffnung 23A des Gehäuses 20 vorgesehen ist.

Bei der ersten bis dritten Linse 30, 40 und 50 sind Kondensatoren 32 und 42 und der Kondensator der dritten Linse 50 (nicht gezeigt) integral aus einem Linsenmaterial zusammen mit den umschließenden Rahmenträgern 33 und 43 und dem Rahmenträger der dritten Linse 50 (nicht gezeigt), gebildet. Die Linsen besitzen ebenso Halterahmen 34, 44 und 54 zum Halten dieser Elemente. Die genannten Nockenwellen 31, 41 und 51 sind an diesen Halterahmen 34, 44 und 54 vorgesehen.

Die erste Linse 30 ist eine Fokuslinse, und die zweite Linse 40 und die dritte Linse 50 sind Zoomlinsen. Die dritte Linse 50 ist nicht auf eine Zoomlinse beschränkt und kann ebenso eine Fokuslinse sein. In diesem Falle kann die Linseneinheit 10 als eine Einheit für eine Fokuslinse durch geeignetes Entwerfen des Aufbaus der Linsen 30, 40 und 50 und der optischen Eigenschaften der Linsen 30, 40 und 50 verwendet werden.

Die zweite Linse 40 ist durch Kombinieren einer konkaven Linse und einer konvexen Linse aufgebaut, jedoch können die Strukturen und dergleichen jeder Linse 30, 40 und 50 beliebig im Hinblick auf ihren vorgesehenen Gebrauch bestimmt werden. Ferner sind bei den Linsen 30, 40 und 50 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Kondensatoren 32 und 42 und der Kondensator der dritten Linse 50 integral aus einem Linsenmaterial zusammen mit den Rahmenträgern 33 und 43 und dem Rahmenträger der dritten Linse 50 gebildet, jedoch besteht eine weitere Möglichkeit darin, nur die Kondensatoren 32 und 42 und den Kondensator der dritten Linse 50 aus einem Linsenmaterial zu bilden, und die Rahmenträger 33 und 43 und den Rahmenträger der dritten Linse 50 integral mit den Halterahmen 34, 44 und 54 aus einem anderen Material zu bilden. Auch können die Kondensatoren 32 und 42, der Kondensator der dritten Linse 50, der Rahmenträger 33 und 43 und der Rahmenträger der dritten Linse 50 und die Halterahmen 34, 44 und 54 alle aus einem integralen Linsenmaterial aufgebaut sein.

Die Nockenelemente 60 und 70 sind zwischen den äußeren Oberflächen 25A und 25B, die auf beiden Seiten des Gehäuses 20 gelegen sind, und einem Abdeckelement 100, das auf der Außenseite dieser äußeren Oberflächen 25A und 25B durch drei Füße 26 befestigt ist, vorgesehen.

Das Nockenelement 60 besitzt im wesentlichen eine Flügelform mit einer Drehwelle 61, und ist an der äußeren Oberfläche 25A des Gehäuses 20 gelagert, während es in der Lage ist, um die Drehwelle 61 zu rotieren. Ebenso sind zwei Nockennuten 62A und 62B als Antriebsführungseinheiten in dem ebenen Abschnitt des Nockenelements 60 gebildet. Diese Nockennuten 62A und 62B sind mit einer gebogenen oder gekrümmten, ovalen Form gebildet, die Nockenwelle 41 der zweiten Linse 40 kämmt mit der Nockennut 62B, die Nockenwelle 51 der dritten Linse 50 kämmt mit der Nockenwelle 62A, und wenn das Nockenelement 60 hierbei rotiert wird, werden die Nockenwellen 51 und 41 durch die Nockennuten 62A und 62B geleitet, um sich mit einer Geschwindigkeit und innerhalb eines Bewegungsbereichs zu bewegen, der durch der Form der Nockennuten 62A und 62B bestimmt wird, und die zweite Linse 40 und die dritte Linse 50 werden veranlasst, sich vor- und zurückzubewegen.

Das Nockenelement 70 besitzt im wesentlichen eine Hebelform mit einer Drehwelle 71 und ist an der anderen äußeren Oberfläche 25B des Gehäuses 20 gelagert, während es in der Lage ist, um die Drehwelle 71 zu rotieren. Ebenso ist eine Nockennut 62C als eine Antriebsführungseinheit in dem ebenen Abschnitt des Nockenelements 70 gebildet. Diese Nockennut 62C besitzt eine gradlinige, ovale Form, die Nockenwelle 31 der ersten Linse 30 kämmt mit der Nockennut 62C, und wenn das Nockenelement 60 hierdurch rotiert wird, wird die Nockenwelle 31 durch die Nockennut 62C geleitet, um sich mit einer Geschwindigkeit und innerhalb eines Bewegungsbereichs zu bewegen, der durch die Form der Nockennut 62C bestimmt ist, und die erste Linse 30 wird veranlasst, sich vor- und zurückzubewegen.

Bei diesen Nockenelementen 60 und 70 kommen Schwingelemente 66 und 76, die innerhalb einer Ebene im wesentlichen orthogonal zu den Drehwellen 61 und 71 schwingen, in Kontakt mit den äußeren Umfangsflächen der Drehwellen 61 und 71. Dabei ist die Richtung, in welcher die Schwingelemente 66 und 76 in Kontakt mit den Drehwellen 61 und 71 kommen, nicht besonders beschränkt, und es kann eine Richtung sein, in welcher die Drehwellen 61 und 71 rotiert werden können.

Dabei sind die Schwingelemente 66 und 76 zwischen dem Abdeckelement 100 und den ebenen Abschnitten der Nockenelemente 60 und 70 positioniert und sind an dem Abdeckelement 100 gelagert. Zusätzlich können Öffnungen in den ebenen Abschnitten der Nockenelemente 60 und 70 vorgesehen sein, die Schwingelemente 66 und 76 können innerhalb dieser Öffnungen positioniert sein, und die Schwingelemente 66 und 76 können in Kontakt mit den äußeren Umfangsflächen der Drehwellen 61 und 71 kommen. In diesem Falle sollten die Abmessungen der Öffnung ausreichend sein, damit die Nockenelemente 60 und 70 rotieren, ohne in Kontakt mit den Schwingelementen 66 und 76 zu kommen. Die Schwingelemente 66 und 76 können in diesem Falle entweder an den äußeren Oberflächen 25A und 25B des Gehäuses 20 oder an dem Abdeckelement 100 gelagert sein.

Ebenso sind in den äußeren Umfangsflächen der Drehwellen 61 und 71 die Kontaktabschnitte der Schwingelemente 66 und 76 insbesondere ohne jegliche Unregelmäßigkeiten ausgelegt, um einen Abrieb zu verhindern. Die Außendurchmesser der Kontaktabschnitte der Schwingelemente 66 und 76 sind bevorzugt groß ausgeführt, um zu ermöglichen, dass die Linsen 30, 40 und 50 genauer angetrieben werden, und zwar aufgrund des verminderten Drehwinkels in Bezug auf die Schwingfrequenz. Die äußere radiale Form der Drehwellen 61 und 71 ist ein Kreisbogen allein in den Kontaktpositionen, und die anderen Oberflächen müssen nicht unbedingt eine Kreisbogenform besitzen.

Das Schwingelement 66 besitzt eine Verstärkungsplatte 81, die mit einer im wesentlichen rechteckigen, ebenen Plattenform gebildet ist, und piezoelektrische Elemente 82 mit einer im wesentlichen rechteckigen, flachen Plattenform, die sowohl an der vorderen als auch an der hinteren Oberfläche der Verstärkungsplatte 81 vorgesehen sind, wie in 5 gezeigt.

Die Verstärkungsplatte 81 besitzt Konkavitäten 811, die nahe der Mitte der schmalen Seite auf den beiden Enden in der Längsrichtung (nur eine ist in dem Diagramm gezeigt) gebildet sind, und konvexe Elemente 81A mit einer im wesentliche elliptischen Form sind an diesen Konkavitäten 811 vorgesehen. Diese konvexen Elemente 81A sind aus Keramik oder einem anderen sehr steifen Material gebildet, wobei etwa eine Hälfte innerhalb der Konkavitäten 811 der Verstärkungsplatte 81 vorgesehen ist, und die andere Hälfte ist von der schmalen Seite der Verstärkungsplatte 81 hervorstehend vorgesehen. Die Spitze eines dieser konvexen Elemente 81A kommt in Kontakt mit der Umfangsfläche der rotierenden Kontaktwelle 61.

Armeinheiten 81B sind integral nahe der Mitte der langen Seiten der Verstärkungsplatte 81 vorgesehen, um nach außen in der Breitenrichtung hervorzustehen. Die Armeinheiten 81B stehen unter annähernd rechten Winkeln von der Verstärkungsplatte 81 hervor, und die Enden hiervon sind an dem Abdeckelement 100 durch Schrauben (nicht gezeigt) befestigt. Diese Verstärkungsplatte 81 ist aus rostfreiem Stahl oder einem anderen solchen Material gebildet.

Die piezoelektrischen Elemente 82, die an den im wesentlichen rechteckigen Abschnitten auf beiden Seiten der Verstärkungsplatte 81 angehaftet sind, sind aus Materialien gebildet, die geeignet aus folgenden ausgewählt sind: Bleizirkontitanat (PZT), Quarz, Lithiumniob, Bariumtitanat, Bleititanat, Bleimetaniobat, Polyvenylfluorid, Zinkbleiniobat, Skandiumniobat und anderen solchen Materialien.

Ebenso sind Elektroden auf beiden Oberflächen der piezoelektrischen Elemente 82 durch Bilden einer Nickelbeschichtungslage und einer Goldbeschichtungslage gebildet. Diese Elektroden sind derart ausgelegt, dass eine Mehrzahl von Elektroden, die elektrisch voneinander durch Ausschnittnuten isoliert sind, linear symmetrisch, um eine Mittellinie gebildet sind, die sich in der Längsrichtung erstreckt. Genauer gesagt ist eine Antriebselektrode 82A in der Längsrichtung mittels von zwei Nuten 83A gebildet, die sich in der Längsrichtung erstrecken. Ebenso sind Antriebselektroden 82B und 82C, die in der Längsrichtung durch zwei Nuten 83B aufgeteilt sind, die sich von beiden äußeren Rändern in der Mitte der Längsrichtung vollständig zu den Nuten 83A erstrecken, als insgesamt vier Elektroden auf beiden Seiten der Antriebselektrode 82A gebildet. Die zwei Antriebselektroden 82B sind in gegenüberliegenden Ecken positioniert, und die zwei Antriebselektroden 82C sind in den anderen gegenüberliegenden Ecken positioniert. Ebenso sind rechteckige Erfassungselektroden 82D und 82E zum Erfassen des Schwingungsverhaltens durch eine U-förmige Nut 83C derart gebildet, um in den Bereich der Antriebselektroden 82B und 82C auf der Seite der Drehwelle 61 positioniert zu sein und in Kontakt mit den äußeren Rändern der Antriebselektroden 82B und 82C nahe der Mitte in der Längsrichtung zu kommen.

In der vorliegenden Ausführungsform sind die piezoelektrischen Elemente 82 mit rechteckigen Formen mit einer Breite von etwa 2 mm und einer Länge von etwa 7 mm gebildet. Ebenso sind die Oberflächen beider Erfassungselektroden 82D und 82E auf etwa 1/30 oder mehr und 1/7 oder weniger, und bevorzugt sind die Oberflächen auf 1/15 oder mehr und 1/10 oder weniger, der Gesamtheit der Oberflächen der Antriebselektroden 82A und 82B oder der Oberflächen der Antriebselektroden 82A und 82C, das heißt der Gesamtheit der Oberfläche der Antriebselektrode 82A und der Oberfläche eines Paars von Antriebselektroden in den gegenüberliegenden Ecken eingestellt.

Die Antriebselektrode 82A und das Paar der Antriebselektroden 82B und 82C sind miteinander durch Leitungsdrähte (nicht gezeigt) verbunden, und diese Leitungsdrähte sind mit einer Spannungsanlegvorrichtung 84 (siehe 6) als eine Steuervorrichtung zum Steuern des Schwingungsverhaltens der Schwingelemente 66 verbunden. Ebenso sind die Erfassungselektroden 82D und 82E mit der Spannungsanlegvorrichtung 84 als Steuervorrichtung durch Leitungsdrähte (nicht gezeigt) verbunden, und die Verstärkungsplatte 81 ist mit einem Erdungsdraht durch einen Leitungsdraht (nicht gezeigt) verbunden.

Diese Elektroden 82A, 82B, 82C, 82D und 82E sind alle ähnlich für die piezoelektrischen Elemente 82 auf der vorderen und hinteren Seite der Verstärkungsplatte 81 vorgesehen; beispielsweise ist die Elektrode 82A auf der Rückseite der Verstärkungsplatte 81 gebildet.

Die so gebildeten piezoelektrischen Elemente 82 können das Schwingelement 66 zwischen einem Längsschwingungsmodus als Primärschwingungsmodus, der eine Hin- und Herschwingung entlang der Längsrichtung des Schwingelements 66 ist, und einem Biegeschwingungsmodus zum Erzeugen einer Biegeschwingung in der Breitenrichtung (Transversalrichtung) des Schwingelements 66 anregen, und zwar durch Auswählen einer spezifischen Elektrode aus den Antriebselektroden 82A, 82B und 82C auf der vorderen Oberfläche und durch Anlegen einer Spannung von der Spannungsanlegvorrichtung 84. Anders ausgedrückt, wenn beispielsweise eine Spannung nur an die Antriebselektrode 82A angelegt wird, wird eine Schwingung in dem Längsschwingungsmodus als Ergebnis der Tatsache induziert, dass der Abschnitt des piezoelektrischen Elements 82, an welchem die Antriebselektrode 82A gebildet ist, sich in einer Richtung innerhalb einer plattenförmigen Oberfläche ausdehnt und zusammenzieht.

In dem Biegeschwingungsmodus regen die Antriebselektroden 82B den Biegeschwingungsmodus an, wenn eine Spannung an das Paar der Antriebselektroden 82B in gegenüberliegenden Ecken angelegt wird, und die Antriebselektroden 82C dienen ebenso als Antriebselektroden zum Anregen des Biegeschwingungsmodus, wenn eine Spannung an die Antriebselektroden 82C angelegt wird. Anders ausgedrückt dienen diese Antriebselektroden als en Mechanismus zum Anregen des Biegeschwingungsmodus.

Als Ergebnis des Erzeugens des Längsschwingungsmodus und des Biegeschwingungsmodus, wie sie oben beschrieben wurden, schwingen die konvexen Elemente 81A des Schwingelements 66 entlang eines im wesentlichen elliptischen Pfades, der die Schwingung des Längsschwingungsmodus und die Schwingung des Biegeschwingungsmodus kombiniert. In einem Teil dieses im wesentlichen elliptischen Pfades drehen die konvexen Elemente 81A die Drehwelle 61 in der Richtung der Tangentenlinie.

Die Erfassungselektroden 82D und 82E sind in den Antriebselektroden 82B und 82C in Positionen in einer Schwingungsantinode des Biegeschwingungsmodus gebildet, in welchem die Dehnung ein Maximum erreicht. Die Erfassungselektrode 82D wird verwendet, wenn der Biegeschwingungsmodus durch die Antriebselektroden 82B induziert wird, und die Erfassungselektrode 82E wird verwendet, wenn der Biegeschwingungsmodus durch die Antriebselektroden 82C induziert wird.

Auch kann die Rotationsrichtung der Drehwelle 61 auf eine Vorwärtsrotation oder Rückwärtsrotation eingestellt werden, wenn das Schwingelement 66 geschwungen wird, und zwar durch geeignetes Umschalten der Elektrode, durch welche die Spannung an die piezoelektrischen Elemente 82 angelegt wird, zwischen den Antriebselektroden 82B und 82C. Dabei wird die Spannung in jedem Falle an die Antriebselektrode 82A angelegt.

Falls beispielsweise die Rotationsrichtung, wenn die Spannung an die Antriebselektroden 82B angelegt wird, auf Vorwärtsrotation eingestellt ist, wird die Schwingungsrichtung in dem Biegeschwingungsmodus umgekehrt, wenn die Spannung an die Antriebselektroden 82C angelegt wird, und die Rotationsrichtung der Drehwelle 61 wird umgekehrt.

Die Frequenz der Antriebsspannung (Antriebssignal), die an die piezoelektrischen Elemente 82 angelegt wird, ist auf ein Niveau eingestellt, bei welchem der Resonanzpunkt der Schwingung in dem Biegeschwingungsmodus ebenso nahe dem Resonanzpunkt der Schwingung in dem Biegungsschwingungsmodus ebenso nahe dem Resonanzpunkt der Schwingung in dem Längsschwingungsmodus auftritt, wenn das Schwingungselement 66 schwingt, und die konvexen Elemente 81A beschreiben einen geeigneten, im wesentlichen elliptischen Pfades.

Ferner wird eine Dehnung durch die Schwingung des gesamten Schwingelements 66 in den piezoelektrischen Elementen 82 in den Abschnitten induziert, in denen die Erfassungselektroden 82D und 82E gebildet sind, und ein Erfassungssignal entsprechend der Schwingung des Schwingungselements 66 wird daher von den Erfassungselektroden 82D und 82E infolge dieser Dehnung erfasst.

Die Abmessungen, die Dicke, das Material und das Abmessungsverhältnis der piezoelektrischen Elemente 82, die aufgeteilte Form der Elektroden und dergleichen werden geeignet derart bestimmt, dass die konvexen Elemente 81A sich leicht in einem geeigneten, im wesentlichen elliptischen Pfad bewegen können, wenn eine Spannung an die piezoelektrischen Elemente 82 angelegt wird.

Die Wellenform der an das Schwingelement 66 angelegten Wechselspannung ist nicht besonders beschränkt, und beispielsweise kann eine Sinuswelle, eine Rechteckwelle, eine Trapezwelle, oder dergleichen eingesetzt werden.

Ebenso besitzt das Schwingelement 76 einen ähnlichen Aufbau zu dem Schwingelement 66, eine Beschreibung dessen hier weggelassen wird, da sie an der Beschreibung des Schwingelements 66 verstanden werden kann.

6 ist ein Blockdiagramm des Aufbaus der Spannungsanlegvorrichtung 84. In 6 umfasst die Spannungsanlegvorrichtung 84 eine Phasendifferenz/Spannungswandelschaltung 841, eine Konstantspannungsschaltung 842, eine Vergleichsschaltung 843, eine Spannungseinstellschaltung 844, eine Spannungssteuerschwingschaltung 845, eine Treiberschaltung 846 und eine Rücksetzschaltung 847.

Die Phasendifferenz-/Spannungswandelschaltung 841 erfasst die Phasendifferenz zwischen der Phase des Erfassungssignals Va, das durch die Erfassungselektroden 82C und 82D erfasst ist, und der Phase des Antriebssignals Vh, das zu den Antriebselektroden 82A, 82B und 82C gesandt ist, und gibt der Vergleichsschaltung 843 ein Phasendifferenzspannungssignal Vj, dessen Spannungswert der durchschnittlichen Phasendifferenz entspricht.

7 ist ein Diagramm, das die Phasendifferenz &thgr; zwischen dem Antriebssignal Vh und dem Erfassungssignal Va zeigt. Wie in 7 gezeigt, wird die Phasendifferenz &thgr; als positiv (+) erfasst, wenn sie nicht synchron zu der Richtung ist, in welcher das Erfassungssignal Va fortschreitet, wobei das Antriebssignal Vh als Referenz dient.

Die Phasendifferenz-/Spannungswandelschaltung 841 umfasst eine Phasendifferenzerfassungseinheit 841A und eine Durchschnittsspannungswandeleinheit 841B. Wenn das Erfassungssignal Va und das Antriebssignal Vh eingegeben werden, erzeugt die Phasendifferenzerfassungseinheit 841A ein Phasendifferenzsignal Vpd, dessen Pulsbreite äquivalent zu der Phasendifferenz beider Signale ist, und gibt dieses Signal zu der Durchschnittsspannungswandeleinheit 841B aus. Die Durchschnittsspannungswandeleinheit 841B erzeugt ein Phasendifferenzspannungssignal Vj, dessen durchschnittlicher Spannungswert Vav1 äquivalent zu der Pulsbreite des Phasendifferenzsignals Vpd ist, und zwar mittels einer integrierten Schaltung, und gibt dieses Signal zu der Vergleichsschaltung 843 aus.

Die Konstantspannungsschaltung 842 gibt ein spezifisches Referenzphasendifferenzsignal Vk vor, dessen Spannungswert äquivalent zu der optimalen Phasendifferenz zwischen der Phase des Erfassungssignals Va und der Phase des Antriebssignals Vh ist und gibt dieses Signal zu der Vergleichsschaltung 843 aus.

Dabei ist das Referenzphasendifferenzsignal Vk bevorzugt auf eine Phasendifferenz eingestellt, welche der Antriebsfrequenz entspricht, bei welcher das Schwingelement 66 mit maximaler Effizienz schwingt, und bei welcher das Schwingkomponentenverhältnis zwischen dem Längsschwingungsmodus und dem Biegeschwingungsmodus optimal ist. Ebenso ermöglichen ein Speichern des Ausgleichswerts, welcher der Temperatur induzierten Phasendifferenz entspricht und ein Messen der Temperatur, ein Referenzphasendifferenzsignal Vk auszugeben, das einzelnen Temperaturen entspricht.

8 zeigt schematisch die Verhaltenseigenschaften des Schwingelements 66 in Bezug auf die Antriebsfrequenz. 8(A) zeigt die theoretischen Werte der jeweiligen Phasendifferenz &thgr; zwischen dem Längsschwingungsmodus und dem Biegeschwingungsmodus in Bezug auf die Antriebsfrequenz. Ebenso zeigt 8(B) die erfassten Werte der Phasendifferenz &thgr; in Bezug auf die Antriebsfrequenz. Der hier verwendete Begriff „Phasendifferenzen, die im Längsschwingungsmodus entstehen" bezieht sich auf die Phasendifferenzeigenschaften &thgr;1 und &thgr;1r, die nahe der Resonanzfrequenz f1 des Längsschwingungsmodus variieren, und der Begriff „Phasendifferenzen, die in dem Biegeschwingungsmodus entstehen" bezieht sich auf Phasendifferenzen &thgr;2a, &thgr;2b oder &thgr;r, die in Hochpunkt- oder Tiefpunktform nahe der Biegeresonanzfrequenz f2 gezeigt sind.

8(C) zeigt die Beziehung der Antriebs-(Dreh-) Geschwindigkeit der Drehwelle 61 zu der Antriebsfrequenz. Die Antriebselektroden 82A und 82B werden zum Antreiben des Schwingelements 66 verwendet, und die Erfassungselektrode 82D wird zum Erfassen des Schwingungsverhaltens verwendet. Wie durch die durchgezogene Linie in 8(B) gezeigt, ist es klar, dass wenn die Antriebsfrequenz des Schwingelements 66 von niedrig bis hoch variiert, die Phasendifferenz &thgr; einen großen positiven Wert nahe der Resonanzfrequenz f1 der Schwingung in dem Längsschwingungsmodus besitzt und dann graduell abnimmt, und die Phasendifferenz &thgr; nahe der Resonanzfrequenz f2 der Schwingung in dem Biegeschwingungsmodus nimmt in der negativen Richtung zu, die ein entgegen gesetztes Vorzeichen besitzt, und erreicht ihren Hochpunkt bei &thgr;2. Das Verhalten der Phasendifferenz &thgr;, das durch die doppelt gestrichelte Linie angegeben ist, zeigt zu Vergleichszwecken die Verwendung einer Erfassungselektrode 82E auf der gegenüberliegenden Seite zu der Position, in welcher der Biegeschwingungsmodus induziert wird.

Anders ausgedrückt wird die an den Antriebselektroden 82B zum Anregen des Biegeschwingungsmodus positionierte Erfassungselektrode 82D verwendet, um die Phasendifferenz &thgr; zu erhalten, die in dem Biegeschwingungsmodus entsteht, welche ein entgegen gesetztes Vorzeichen zu der Phasendifferenz &thgr; besitzt, die in dem Längsschwingungsmodus entsteht.

Ebenso ist es, wie in 8(C) gezeigt, klar, dass wenn die Antriebsfrequenz des Schwingelements 66 variiert wird, die angetriebene Geschwindigkeit der Drehwelle 61 zwischen der Resonanzfrequenz f1 der Schwingung in dem Längsschwingungsmodus und der Resonanzfrequenz f2 der Schwingung in dem Biegeschwingungsmodus ansteigt, und insbesondere ein Maximum bei der Antriebsfrequenz fk nahe der Resonanzfrequenz f1 der Schwingung in dem Längsschwingungsmodus erreicht. Dies kommt daher, dass die Schwingung des Längsschwingungsmodus normalerweise leichter das Antriebsdrehmoment des Schwingelements 66 sicherstellt als die Schwingung in dem Biegeschwindungsmodus, was bedeutet, dass es bevorzugt ist, die Antriebsfrequenz fk auf eine Frequenz nahe der Resonanzfrequenz f1 der Schwingung in dem Längsschwingungsmodus zwischen der Resonanzfrequenz f1 der Schwingung in dem Längsschwingungsmodus und der Resonanzfrequenz f2 der Schwingung in dem Biegeschwingungsmodus einzustellen.

Daher wird in der vorliegenden Ausführungsform die Frequenz fk, bei welcher die angetriebene Geschwindigkeit der Drehwelle 61 ein Maximum erreicht, als Antriebsfrequenz ausgewählt, und das Referenzphasendifferenzsignal Vk wird auf ein Niveau eingestellt, dessen Spannungswert der Phasendifferenz &thgr; bei dieser Frequenz entspricht. Da, wie am besten aus 8(C) ersichtlich ist, die Phasendifferenz &thgr; monoton von f1 bis f2 abnimmt, wenn die Erfassungselektrode verwendet wird, ist die Antriebsfrequenz entsprechend der Phasendifferenz &thgr;k stets auf einen einzelnen Wert eingestellt. Im Gegensatz hierzu führt das Verwenden der Erfassungselektrode 82E zu einem Verhalten der Phasendifferenz &thgr; in der positiven Richtung, wie durch die doppelt gestrichelte Linie gezeigt, und es gibt daher drei Antriebsfrequenzen, welche der Phasendifferenz &thgr;k entsprechen. Wie zu vor beschrieben, ist die Antriebsfrequenz manchmal nicht auf einen einzelnen Wert in einem solchen Falle eingestellt, und ein geeignetes Schwingungskomponentenverhältnis für die Schwingungsmodi kann nicht erhalten werden, selbst falls die Antriebsfrequenz derart gesteuert wird, dass die Phasendifferenz einen spezifischen Wert &thgr;k besitzt, und die Zuverlässigkeit der Antriebseigenschaften des piezoelektrischen Aktor wird beeinträchtigt.

Die Vergleichsschaltung 843 gibt das Phasendifferenzspannungssignal Vj von der Phasendifferenz/Spannungswandelschaltung 841 und das Referenzphasendifferenzsignal Vk von der Konstantspannungsschaltung 842 ein und vergleicht diese Signale. Anders ausgedrückt, wenn die Bedingung „Phasendifferenzspannungssignal V j≥ Referenzphasendifferenzsignal Vk" erfüllt ist, gibt die Vergleichsschaltung 843 ein Vergleichsergebnissignal Ve auf einem „H" Niveau zu der Spannungseinstellschaltung 844 aus, und wenn die Bedingung „Phasendifferenzspannungssignal Vj Referenzphasendifferenzsignal Vk" erfüllt ist, gibt die Vergleichsschaltung 843 ein Vergleichsergebnissignal Ve mit „L" Niveau zu der Spannungseinstellschaltung 844 aus.

Die Spannungseinstellschaltung 844 gibt das Vergleichsergebnissignal Ve von der Vergleichsschaltung 841 ein und variiert den Spannungswert des Einstellsignals Vf, das von der Spannungssteuerschwingungsschaltung 845 ausgegeben wird, in Einheiten eines spezifischen Spannungswerts Vf0. Genauer gesagt, wenn das Vergleichsergebnissignal Ve mit „H" Niveau eingegeben wird, erhöht die Spannungseinstellschaltung 844 den Spannungswert des Einstellsignals Vf um einen spezifischen Spannungswert Vf0, und wenn das Vergleichsergebnissignal Ve mit „L" Niveau eingegeben wird, vermindert die Spannungseinstellschaltung 844 den Spannungswert des Einstellsignals Vf um einen spezifischen Spannungswert Vf0. Ebenso wird ein Anfangswert Vf1, der das anfängliche Einstellsignal ist, in der Spannungseinstellschaltung 844 gespeichert, und wenn die Spannungsanlegvorrichtung 84 gestartet wird, wird das Einstellsignal Vf, dessen Spannungswert der Initialwert Vf1 ist, zu der Spannungssteuerschwingschaltung 845 ausgegeben. Der Anfangswert Vf1 ist die obere Grenze des Einstellbereichs einer voreingestellten Antriebsfrequenz, und in der vorliegenden Ausführungsform wird der Einstellbereich der Antriebsfrequenz von einer Frequenz, die niedriger als die Resonanzfrequenz f1 der Schwingung in dem Längsschwingungsmodus ist, auf eine Frequenz eingestellt, die höher ist als die Resonanzfrequenz f2 der Schwingung in dem Biegeschwingungsmodus, und der Anfangswert Vf1 wird auf eine Frequenz eingestellt, die höher ist als die Resonanzfrequenz f2 der Schwingung in dem Biegeschwingungsmodus.

Die Spannungssteuerschwingschaltung 845 gibt das Einstellsignal Vf von der Spannungseinstellschaltung 44 ein und stellt die Frequenz des Referenzsignals Vg ein, das zu der Antriebsschaltung 846 ausgegeben wird. Genauer gesagt, wenn der Spannungswert des Einstellsignals Vf höher ist als der Spannungswert des vorhergehenden Einstellsignals Vf, wird die Spannungssteuerschwingschaltung 845 derart eingestellt, um die Frequenz des Referenzsignals Vg um einen spezifischen Wert f0 zu erhöhen, und wenn der Spannungswert des Einstellsignals Vf niedriger ist als der Spannungswert des vorhergehenden Einstellsignals Vf, vermindert die Spannungssteuerschwingschaltung 845 die Frequenzsignals Vg um einen spezifischen Wert f0. Wenn ebenso das Einstellsignal Vf mit dem Anfangswert Vf1 eingegeben wird, wenn die Spannungsanlegschaltung 84 gestartet wird, gibt die Spannungssteuerschaltung 845 ein Referenzsignal Vg mit einer voreingestellten Frequenz aus.

Die Treiberschaltung 846 empfängt das Referenzsignal Vg von der Spannungssteuerschwingschaltung 845 und gibt das Antriebssignal Vh, das einen konstanten Spannungswert besitzt, mit der Frequenz dieses Referenzsignals zu den Antriebselektroden 82A, 82B und 82C des Schwingelements 66 aus.

Wenn die Frequenz des Antriebssignals Vh von der Treiberschaltung 846 kleiner oder gleich einem spezifischen Wert ist, versorgt die Rücksetzschaltung 847 die Spannungseinstellschaltung 844 mit einem Rücksetzsignal, welches die Frequenz des Referenzsignals Vg auf die Frequenz des Anfangswerts Vf1 verändert. Der spezifische Wert der Frequenz, bei welcher das Rücksetzsignal ausgegeben wird, ist auf die untere Grenze des Einstellbereichs der Antriebsfrequenz eingestellt, und ist auf eine Frequenz eingestellt, die niedriger ist als die Resonanzschwingfrequenz f1 des Längsschwingungsmodus in der vorliegenden Ausführungsform. Die Spannungseinstellschaltung 844 gibt das Einstellsignal Vf aus, dessen Spannungswert der Anfangswert Vf1 ist, und zwar zu der Spannungssteuerschwingschaltung 845, wenn das Rücksetzsignal von der Rücksetzschaltung 847 eingegeben wird.

Das Schwingelement 76 ist mit einer Spannungsanlegvorrichtung (nicht gezeigt) versehen, die einen ähnlichen Aufbau besitzt.

Daher sendet die Spannungsanlegvorrichtung 84 das Antriebssignal Vh zu dem Schwingelement 66 auf der Basis des Referenzsignals Vg mit einer Frequenz entsprechend dem Spannungswert des Anfangswerts Vf1. Da dabei der Anfangswert Vf1 auf die obere Grenze des Einstellbereichs der Antriebsfrequenz eingestellt ist, ist das Phasendifferenzspannungssignal Vj, das aus der Phasendifferenz &thgr; zwischen dem Antriebssignal Vh und dem Erfassungssignal Va auf dem normalen Anfangsniveau resultiert, geringer als das Referenzphasendifferenzsignal Vk von der Konstantspannungsschaltung 842. Daher wird ein Vergleichsergebnissignal Ve mit einem „L" Niveau durch die Vergleichsschaltung 843 ausgegeben, und die Spannungseinstellschaltung 844 vermindert den Spannungswert des Einstellsignals Vf von einem spezifischen Spannungswert Vf0 auf der Basis dieses Vergleichsergebnissignals Ve, wobei die Frequenz des Referenzsignals Vg von der Spannungssteuerschwingschaltung 845 um einen spezifischen Wert f0 vermindert wird.

Als Ergebnis des Wiederholens dieses Vorgangs wird die Frequenz des Antriebssignals Vh, das zu dem Schwingelement 66 gesandt wird, vermindert, und wenn die Bedingung „Phasendifferenzspannungssignal Vj ≥ Referenzphasendifferenzsignal Vk" erfüllt ist, nimmt die Frequenz des Antriebssignals Vh umgekehrt zu, mit dem Ergebnis, dass das Phasendifferenzspannungssignal Vj entsprechend der Phasendifferenz &thgr; zwischen dem Antriebssignal Vh und dem Erfassungssignal Va gesteuert und nahe des Referenzphasendifferenzsignals Vk gehalten wird.

Wenn ebenso die Frequenz des Antriebssignals Vh abnimmt und unterhalb den spezifischen Wert der Rücksetzschaltung 847 als Ergebnis irgendeins Einflusses fällt, wird das Einstellsignal Vf der Spannungseinstellschaltung 844 auf einen Wert entsprechend dem Anfangswert Vf1 zurückgesetzt und die Antriebsfrequenz wird erneut von der oberen Grenze des Einstellbereichs der Antriebsfrequenz gesteuert.

Als nächstes wird der Betrieb der Linseneinheit 10 unter Bezugnahme auf 3 beschrieben.

Zunächst schwingt das Schwingelement 66 in Kontakt mit dem äußeren Umfang der Drehwelle 61, wodurch die Drehwelle 61 um einen spezifischen Winkel rotiert. Das Nockenelement 60, das mit der Drehwelle 61 integriert ist, rotiert ebenso um einen spezifischen Winkel infolge dieser Rotation, woraufhin die Nockennuten 62A und 62B, die in dem Nockenelement 60 gebildet sind, ebenso rotiere, und die mit den Nockennuten 62A und 62B in Eingriff befindlichen, äußeren Umfangsflächen der Nockenwellen 51 und 41 bewegen sich innerhalb der Öffnungen 23A und 23B, während sie durch die inneren Umfangsflächen der Nockennuten 62A und 62B geführt werden.

Wenn beispielsweise die Drehwelle 61 von der Position in 3(A) in der Richtung (R1) entgegen des Uhrzeigersinns rotiert wird, bewegen sich die zweiten Linse 40 und die dritten Linse 50, welche die Nockenwellen 41 und 51 besitzen, voneinander weg, und der Raum zwischen der zweiten Linse 40 und der dritten Linse 50 erweitert sich, wie in 3(B) gezeigt.

Wenn umgekehrt die Antriebselektroden 82B und die Antriebselektroden 82C, an welche die Spannung angelegt wird, umgeschaltet werden und die Drehwelle 61 von der Position in 3(B) in der Richtung (R2) im Uhrzeigersinn bewegt wird, bewegen sich die zweiten Linse 40 und die dritten Linse 50 aufeinander zu und kehren in ihre Ausgangspositionen in 3(A) zurück. Die zweite Linse 40 und die dritte Linse 50 können dabei als Zoomlinsen arbeiten.

In ähnlicher Weise schwingt in 4 das Schwingelement 76 in Kontakt mit dem äußeren Umfang der Drehwelle 71, wodurch die Drehwelle 71 um einen spezifischen Winkel rotiert. Das Nockenelement 70, das mit der Drehwelle 71 integriert ist, rotiert ebenso um einen spezifischen Winkel infolge dieser Rotation, woraufhin die in dem Nockenelement 70 gebildete Nockennut 62C rotiert, und die äußere Umfangsfläche der mit der Nockennut 62C in Eingriff befindliche Nockenwelle 31 bewegt sich innerhalb der Öffnungen 23C, während sie durch die innere Umfangsfläche der Nockennut 62C geführt wird.

Wenn beispielsweise die Drehwelle 71 von der Position in 4(A) in der Richtung (R1) entgegen des Uhrzeigersinns rotiert wird, bewegt sich die mit der Nockenwelle 51 verbundene erste Linse 30 nach außen von der Mittenrichtung des Gehäuses 20 und zieht zu dem Ende des Gehäuses 20, wie in 4(B) gezeigt.

Wenn umgekehrt die Drehwelle 71 in der Richtung (R2) im Uhrzeigersinn von der Position in 4(B) rotiert wird, bewegt sich die erste Linse 30 zu der Mitte. des Gehäuses 20 und kehrt in ihre Ausgangsposition in 4(A) zurück.

Die erste Linse 30 kann dabei als eine Fokuslinse arbeiten.

Eine direkte Schwingung wird auf die Drehwellen 61 und 71 der Nockenelemente 60 und 70 aufgebracht, während die Antriebselektroden 82B und Antriebselektroden 82C mit der an die piezoelektrischen Elemente 82 angelegten Spannung wie oben beschrieben geeignet umgeschaltet werden, wodurch die erste Linse 30 die zweite Linse 40 und die dritte Linse 50 derart angetrieben werden, um wie in 3 und 4 gezeigt vorgeschoben und zurückgezogen zu werden.

Dabei werden die Positionen der Linsen 30, 40 und 50 durch einen Lesesensor (nicht gezeigt) eingelesen und werden zu der Steuerschaltung zur Antriebssteuerung zurückgeführt, wodurch die Linsen 30, 40 und 50 in beliebigen Positionen gestoppt werden können.

Gemäß der oben beschriebenen ersten Ausführungsform werden die folgenden Wirkungen erhalten.

  • (1) Wenn das Antriebssignal Vh basierend auf der Phasendifferenz zwischen dem Antriebssignal Vh und dem Erfassungssignal Va gesteuert wird, kann ein einzelne Phasendifferenz der jeweiligen Antriebsfrequenz in dem Schwingungsverhalten zugeordnet werden, welches durch die Erfassungselektroden 82D und 82E erfasst wird, wie in 8 gezeigt, da die Erfassungselektroden 82D und 82E um Positionen zu Erzeugen einer Phasendifferenz in dem Biegeschwingungsmodus gebildet sind, welche ein umgekehrtes Vorzeichen zu der Phasendifferenz besitzt, die in dem Längsschwingungsmodus entsteht, welcher der Primärschwingungsmodus ist. Anders ausgedrückt, falls die Phasendifferenz &thgr;k, die in einem geeigneten Schwingungskomponentenverhältnis zwischen dem Längsschwingungsmodus und dem Biegeschwingungsmodus entsteht, auf einen spezifischen Wert eingestellt ist, ist die Antriebsfrequenz fk, welche der Phasendifferenz &thgr;k entspricht, auf einen einzelnen Wert eingestellt, und die Steuervorrichtung kann dabei optimal das Abtriebssignal Vk durch Steuern des Antriebssignals Vk auf der Basis dieser Phasendifferenz einstellen. Daher können die Schwingungskomponenten geeignet eingestellt werden, und die Zuverlässigkeit der Antriebsleistung kann verbessert werden.
  • (2) Die Schwingungsmodi umfassen den Längsschwingungsmodus und den Biegeschwingungsmodus. Im allgemeinen besitzt der Längsschwingungsmodus eine größere Antriebskraft als der Biegeschwingungsmodus, und es kann daher eine größere Antriebskraft erhalten werden, indem der Längsschwingungsmodus als primär verwendeter Schwingungsmodus eingestellt wird. In diesem Falle sind die Erfassungselektroden 82D und 82E in Positionen gebildet, die eine Schwingungsantinode des Biegeschwingungsmodus umfassen. Daher erreicht die Biegedehnung ihr Maximum, und die Wirkungen der Phasendifferenz in dem Längsschwingungsmodus können aufgehoben werden. Da ebenso eine Phasendifferenz in dem Biegeschwingungsmodus mit entgegen gesetztem Vorzeichen zu dem Längsschwingungsmodus als Ergebnis des Bildens der Erfassungselektroden in den Positionen der Antriebselektroden 82B und 82C auf der Seite, welche den Biegeschwingungsmodus induziert, erzeugt wird, kann leicht eine Klassifikation basierend auf der Phasendifferenz zwischen der Frequenz, bei welcher der Längsschwingungsmodus dominant ist, und der Frequenz bei welcher der Biegeschwingungsmodus dominant ist, und eine Steuerung kann genauer basierend auf dem Schwingungsverhalten bei diesen Frequenzen ausgeführt werden. Eine zufrieden stellende Antriebskraft, die auf der Schwingung in dem Längsschwingungsmodus resultiert, kann dabei zuverlässig sichergestellt werden.

    Dementsprechend wird bei einem herkömmlichen piezoelektrischen Aktor wie einem in 5 gezeigten die Antriebsfrequenz entsprechend der Phasendifferenz nicht auf einen einzelnen Wert eingestellt werden, und es ist daher unmöglich, stets die Frequenz des Antriebssignals Vh auf optimale Weise zu steuern.
  • (3) Da die Erfassungselektroden 82D und 82E in Positionen in Kontakt mit dem äußeren Rand in der Längsrichtung des im wesentlichen rechteckigen Schwingelements 66 mit maximaler Dehnung in der Mittenposition in dem Biegeschwingungsmodus gebildet sind, nimmt die Phasendifferenz in dem Biegeschwingungsmodus mit entgegen gesetzten Vorzeichen von dem Längsschwingungsmodus zu, wodurch eine Klassifikation leicht basierend auf der Phasendifferenz zwischen der Frequenz, bei welcher der Längsschwingungsmodus dominant ist und der Frequenz, bei welcher der Biegeschwingungsmodus dominant ist, vorgenommen werden kann. Die Steuerung kann dabei genauer basierend auf dem besseren Schwingungsverhalten ausgeführt werden.
  • (4) Die Oberflächenbereiche der beiden Erfassungselektroden 82D und 82E sind auf 1/30 oder mehr und 1/7 oder weniger, und besonders bevorzugt auf 1/15 oder mehr und 1/10 oder weniger der Gesamtheit der Oberflächenbereiche der Antriebselektroden 82A und 82B oder 82C eingestellt. Daher kann die Schwingung zuverlässig durch die Erfassungselektroden 82D und 82E erfasst werden, und die erforderliche Antriebskraft der Antreiben der Drehwellen 61 und 71 kann durch Aufrechterhalten der gewünschten Gesamtoberflächenbereiche der Antriebselektroden 82A und 82B oder 82C sichergestellt werden.
  • (5) Die Phasendifferenz &thgr; zwischen dem Antriebssignal Vh und dem Erfassungssignal Va wird als Gegenstand der Steuerung für das Antriebssignal Vh verwendet. Wenn daher diese Anordnung beispielsweise mit dem Falle verglichen wird, in welchem die Spannung oder der elektrische Strom des Erfassungssignals überwacht wird, wird der Wert der Phasendifferenz auf 0 ± 180 eingestellt, und ein stabiler Steuergegenstand (eine stabile Steuergröße) kann ohne signifikante Variation des Referenzwerts erhalten werden, selbst wenn das System durch die Reaktion von den Drehwellen 61 und 71 beeinflusst wird. Die Wirkung von Geräusch wird hierdurch vermindert, und das Antriebssignal Vh kann zuverlässig gesteuert werden.
  • (6) Da die Schwingelemente 66 und 76 mit einer Plattenform gebildet sind, ist es möglich, dass die Antriebsvorrichtung 1 in ihrer Dicke verkleinert wird, und daher dass die Linseneinheit 10 in ihren Abmessungen verkleinert wird. Da ebenso die konvexen Elemente 81A in Kontakt mit den 81A in Kontakt mit den Drehwellen 61 und 71 kommen, können die Drehwinkel der Drehwellen 61 und 71 durch Reibung zwischen den konvexen Elementen 81A und den äußeren Umfängen der Drehwellen 61 und 71 aufrecht erhalten, wenn das Antreiben der Schwingelemente 66 und 76 gestoppt wird.

[Zweite Ausführungsform]

Als nächstes wird eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. In der zweiten Ausführungsform wird der piezoelektrische Aktor gemäß der vorliegenden Erfindung auf eine Uhr als Vorrichtung angewendet.

9 ist eine Draufsicht, die den Datumsanzeigemechanismus 90 einer Uhr 9 gemäß der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. In 9 ist der Hauptabschnitt des Datumsanzeigemechanismus 90 im wesentlichen durch einen piezoelektrischen Aktor 91, einen Rotor 92 als angetriebenes Element, das drehbar durch den piezoelektrischen Aktor 91 angetrieben wird, einen Untersetzungsgetriebezug zum Verlangsamen und Übertragen der Rotation des Rotors 92 und ein Datumsrad 93, das durch die über den Untersetzungsgetriebezug übertragene Antriebskraft rotiert wird, gebildet. Der Untersetzungsgetriebezug umfasst ein Datumszwischendrehrad 94 und ein Datumsdrehrad 95. Der piezoelektrische Aktor 91, der Rotor 92, das Datumsdrehzwischenrad 94 und das Datumsdrehrad 95 sind auf einer Bodenplatte 9A gelagert.

Ein scheibenförmiges Zifferblatt (nicht gezeigt) ist auf der Oberseite des Datumsanzeigemechanismus 90 vorgesehen, und ein Teil der äußeren Umfangsfläche des Zifferblatts ist mit einem Fenster zum Anzeigen des Datums versehen und ist derart ausgelegt, dass das Datum auf dem Datumsrad 93 durch das Fenster sichtbar ist. Ebenso sind ein Zeigerbewegungsgetriebezug (nicht gezeigt), der mit dem Schrittmotor zum Anzeigen der Zeiger verbunden ist, und eine Sekundärbatterie 9B als Stromquelle auf dem Boden (Rückseite) der Bodenseite 9A vorgesehen. Die Sekundärbatterie 9B führt Strom zu den Schaltungen des Schrittmotors, des piezoelektrischen Aktors und einer Spannungsanlegvorrichtung (nicht gezeigt) zu. Die Struktur kann ebenso derart sein, dass ein Stromgenerator, der Strom durch Nutzung von Solarenergie oder die Rotation eines schwingenden Gewichts erzeugt, mit der Sekundärbatterie 9B verbunden ist, und der durch diesen Stromgenerator erzeugte Strom wird zu der Sekundärbatterie 9B geladen. Ebenso ist die Stromquelle nicht auf eine Sekundärbatterie 9B beschränkt, die durch einen Stromgenerator geladen wird, und kann eine gemeinsame Primärbatterie sein (beispielsweise eine Litzium-Ionenbatterie).

Das Datumsdrehzwischenrad 94 ist durch ein großes Rad 941 und ein kleines Rad 942 gebildet. Das kleine Rad 941 besitzt eine zylindrische Form, die etwas kleiner ist als bei dem großen Rad 941, und eine Kerbe 943 mit einer im wesentlichen quadratischen Form ist in der äußeren Umfangsfläche hiervon gebildet. Das kleine Rad 942 ist derart befestigt, um dasselbe Zentrum wie das große Rad 941 zu besitzen. Ein Zahnrad 921 auf der Oberseite des Rotors 92 kämmt mit dem großen Rad 941. Daher rotiert das Datumsdrehzwischenrad 94, das durch das große Rad 941 und das kleine Rad 942 aufgebaut ist, in Verknüpfung mit der Rotation des Rotors 92.

Eine Blattfeder 944 ist an der Bodenplatte 9A auf der Seite des Datumsdrehzwischenrades 94 vorgesehen, das proximale Ende der Blattfeder 944 ist an der Bodenplatte 9A befestigt, und das distale Ende ist in eine grobe V-Form gebogen. Das distale Ende der Plattenfeder 944 ist vorgesehen, um in der Lage zu sein, in die Kerbe 943 des Datumsdrehzwischenrades 94 hinein und aus dieser heraus zu gehen. Ein Kontaktelement 945 ist in einer Position nahe zu der Plattenfeder 944 vorgesehen, und dieses Kontaktelement 945 ist dazu ausgelegt, in Kontakt mit der Plattenfeder 944 zu kommen, wenn das Datumsdrehzwischenrad 94 rotiert und das distale Ende der Plattenfeder 944 in die Kerbe 943 geht. Eine spezifische Spannung wird an die Plattenfeder 944 angelegt, und wenn die Plattenfeder 944 in Kontakt mit dem Kontaktelement 945 kommt, wird diese Spannung auch an das Kontaktelement 945 angelegt. Daher kann der Zustand, in welchem das Datumsrad gedreht wird, durch Bestimmen der Spannung des Kontaktelements 945 bestimmt werden, und der Betrag, um welchen das Datumsrad 93 an einem Tag rotiert, kann bestimmt werden.

Ein Bestimmen des Betrages, um welchen das Datumsrad 93 rotiert, ist nicht auf ein Verwenden der Plattenfeder 944 oder des Kontaktelements 945 beschränkt, und es ist möglich, Vorrichtungen zu verwenden, bei denen der Drehzustand des Rotors 92 oder des Datumsdrehzwischenrades 94 bestimmt und ein spezifisches Impulssignal ausgegeben wird. Genauer gesagt ist es möglich, einen herkömmlichen Fotoreflektor, Fotounterbrecher, MR-Sensor oder einen anderen solchen Drehencoder oder dergleichen zu verwenden.

Das Datumsrad 93 besitzt eine Ringform, und ein inneres Zahnrad 931 ist an einer inneren Umfangsfläche hiervon gebildet. Das Datumsdrehrad 95 besitzt ein Zahnrad mit fünf Zähnen und kämmt mit dem inneren Zahnrad 931 des Datumsrades 93. Ebenso ist eine Welle 951 in der Mitte des Datumsdrehrades 95 vorgesehen, und diese Welle 951 ist in ein Durchgangsloch 9C eingefügt, das in der Bodenplatte 9A gebildet ist. Das Durchgangsloch 9C ist derart gebildet, dass es sich entlang der Umfangsrichtung des Datumsrades 93 erstreckt. Das Datumsdrehrad 95 und die Welle 951 sind nach oben und nach rechts in 1 durch eine Plattenfeder 952 beaufschlagt, die an der Bodenplatte 9A befestigt ist. Das Datumsrad 93 wird durch die Beaufschlagungswirkung der Plattenfeder 952 ebenso an einem Schwingen gehindert.

10 zeigt eine vergrößerte Ansicht des piezoelektrischen Aktors 91 und des Rotors 92. Wie in 10 gezeigt, besitzt der piezoelektrische Aktor 91 eine im wesentlichen rechteckige Verstärkungsplatte 911 und ein auf beiden Seiten der Verstärkungsplatte 911 angehaftetes piezoelektrisches Element 912.

Armabschnitte 913, die von beiden Seiten hervorstehen, sind nahe der Mitte der Verstärkungsplatte 911 in der Längsrichtung gebildet, und einer dieser Armabschnitte 913 ist an der Bodenplatte 9A durch Schrauben oder dergleichen befestigt. Der andere Armabschnitt 913 ist nicht an der Bodenplatte 9A befestigt, sondern verbleibt in einem freien Zustand und bildet ein Gewicht, das einen Schwingungsausgleich bereitstellt, wenn der piezoelektrische Aktor 91 schwingt.

Im wesentlichen halbkugelförmige Konvexitäten 914, die entlang der Längsrichtung der Verstärkungsplatte 911 hervorstehen, sind an beiden Enden der Diagonale der Verstärkungsplatte 911 gebildet. Eine dieser Konvexitäten 914 kommt in Kontakt mit der Seite des Rotors 92.

Das piezoelektrische Element 912 ist mit einem im wesentlichen rechteckigen Form gebildet und ist an den im wesentlichen rechteckigen Abschnitten auf beiden Seiten der Verstärkungsplatte 911 angehaftet. Elektroden sind von einer Beschichtungslage auf beiden Seiten des piezoelektrischen Elements 912 gebildet. Eine im wesentlichen rechteckige Bestimmungselektrode 912B ist in der Oberfläche des piezoelektrischen Elements 912 durch Isolieren der Beschichtungslage mit einer Nut gebildet. Diese Bestimmungselektrode 912B ist näher zu dem Rotor 92 als das Längszentrum des piezoelektrischen Elements 912 und näher zu den Konvexitäten 914 als zu dem Querzentrum des piezoelektrischen Elements 912 gebildet. Der Bereich außer der Bestimmungselektrode 912B bildet eine Antriebselektrode 912A. Der Oberflächenbereich der Bestimmungselektrode 912B ist auf 1/30 oder mehr und auf 1/7 oder weniger des Oberflächenbereichs der Antriebselektrode 912A eingestellt, und ist besonders bevorzugt auf 1/15 oder mehr und 1/10 oder weniger eingestellt.

Die Antriebselektrode 912A, die Bestimmungselektrode 912B und die Verstärkungsplatte 911 sind alle mit einer Spannungsanlegvorrichtung (nicht gezeigt) durch einen Leitungsdraht oder dergleichen verbunden. Die Spannungsanlegvorrichtung steuert das Antriebssignal derart, dass die Phasendifferenz zwischen dem Antriebssignal und dem Erfassungssignal einen geeigneten Wert erreicht, ähnlich zu der Spannungsanlegvorrichtung 84 in der ersten Ausführungsform.

Wenn eine Spannung mit einer spezifischen Frequenz zwischen der Antriebselektrode 912A und der Verstärkungsplatte 911 des piezoelektrischen Aktors 91 angelegt wird, wird eine Schwingung in dem Längsschwingungsmodus induziert, wobei das piezoelektrische Element 912 sich in der Längsrichtung ausdehnt und zusammenzieht. Dabei ist der piezoelektrische Aktor 91 als Ganzes in seinem Gewicht unausgeglichen in Bezug auf die Mittellinie in der Längsrichtung, da die Konvexitäten 914 an beiden Enden der Diagonale des piezoelektrischen Aktors 91 vorgesehen sind. Als Ergebnis dieses Unausgleichsgewichts wird eine Schwingung in einem Biegeschwingungsmodus angeregt, in welchem der piezoelektrische Aktor 91 sich in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zu der Längsrichtung verbiegt (die Konvexitäten 914 wirken als ein Anregungsmechanismus). Daher regt der piezoelektrische Aktor 91 eine Schwingung an, die einen Längsschwingungsmodus und einen Biegeschwingungsmodus kombiniert, und die Konvexitäten 914 beschreiben einen etwa elliptischen Bogen. Dabei wird der Biegeschwingungsmodus induziert, da der piezoelektrische Aktor 91 an nur einem der Armabschnitte 913 befestigt ist und die Konvexitäten 914 an den Enden der Diagonale vorgesehen sind und die Reaktionskraft von dem Rotor 92 tragen. Anders ausgedrückt, die Position, in welcher die Bestimmungselektrode 912Bgebildet ist, die näher zu dem Rotor 92 ist als die Längsmitte des piezoelektrischen Elements 912 und näher zu den Konvexitäten 914 ist als die Quermitte des piezoelektrischen Elements 912, ist in einer Antinode des Biegeschwingungsmodus in der Position des Mechanismus zum Anregen des Biegeschwingungsmodus gelegen.

Eine Blattfeder 922 ist an dem Rotor 92 montiert, und der Rotor 92 wird zu dem piezoelektrischen Aktor 91 beaufschlagt. Eine angemessene Reibungskraft wird hierdurch zwischen den Konvexitäten 914 und der Seite des Rotors 92 erzeugt, was zu einer wirksamen Übertragung der Antriebskraft auf den piezoelektrischen Aktor 91 führt.

Bei einer solchen Uhr 9 steuert die Spannungsanlegvorrichtung das Antriebssignal für den piezoelektrischen Aktor 91 auf dieselbe Weise wie in der ersten Ausführungsform, wobei der piezoelektrische Aktor 91 eine Schwingung anregt, welche einen Längsschwingungsmodus und einen Biegeschwingungsmodus wie zuvor beschrieben anregt, wenn ein Antriebssignal mit einer spezifischen Frequenz angelegt wird. Die Konvexitäten 914 schwingen, während sie einen etwa elliptischen Bogen beschreiben, der diese Schwingungsmodi kombiniert, und der Rotor 92 wird entlang eines Teils dieses Schwingungsbogens einem Druck unterworfen, wodurch der Rotor 92 drehend angetrieben wird.

Die Rotationsbewegung des Rotors 92 wird auf das Datumsdrehzwischenrad 94 übertragen, und wenn die Zähne des Datumsdrehrades 95 mit der Kerbe 943 kämmen, wird das Datumsdrehrad 95 durch das Datumsdrehzwischenrad 94 rotiert, welches das Datumsrad 93 rotiert. Das durch das Datumsrad 93 angezeigte Datum wird als Ergebnis dieser Rotation verändert.

Gemäß der zweiten Ausführungsform werden die folgenden Wirkungen zusätzlich zu denselben Wirkungen wie (1) bis (5) der ersten Ausführungsform erzielt.

  • (7) Da die Konvexitäten 914 an den gegenüberliegenden Ecken des piezoelektrischen Aktors 91 vorgesehen sind, kann ein Sekundärbiegeschwingungsmodus zusätzlich zu dem Primärlinksschwingungsmodus infolge des Gewichtsungleichsgewichts lediglich durch Vorsehen einer einzelnen Antriebselektrode 82A induziert werden. Daher kann der Aufbau der Elektroden in dem piezoelektrischen Element 912 vereinfacht werden. Dementsprechend kann das Verfahren zum Steuern des Antriebssignals mit der Spannungsanlegvorrichtung ebenso vereinfacht werden. Diese Anordnung ist besonders vorteilhaft, wenn beispielsweise der piezoelektrische Aktor 91 kompakt ist, da es schwierig ist, Elektroden mit komplizierten Formen unter Einsatz von Nuten in einem kleinen piezoelektrischen Element 912 zu bilden.
  • (8) Da der piezoelektrische Aktor 91 in dem Datumsanzeigemechanismus 90 der Uhr 9 verwendet wird, wird die angetriebene Effizienz des piezoelektrischen Aktors 91 stets optimal gesteuert. Daher kann die Zuverlässigkeit des Antreibens des Datumsanzeigemechanismus 90 verbessert werden, und das Datum kann genau angezeigt werden. Auch kann die Uhr 9 kompakt ausgeführt werden, indem die Abmessungen des piezoelektrischen Aktors 91 vermindert werden.

Die Form, die Anordnung und dergleichen der Erfassungselektroden können beispielsweise wie die in 11(B) und 11(C) gezeigten sein.

11(A) zeigt zu Zwecken des Vergleichs eine Draufsicht des piezoelektrischen Aktors 66, der in der ersten Ausführungsform verwendet wird. Die gestrichelte Linie in dem Diagramm zeigt die Amplitude des Biegeschwingungsmodus in der Breitenrichtung an. Wie zuvor beschrieben, sind die Erfassungselektroden 82D und 82E in einer Position vorgesehen, in welcher die Dehnung in dem Biegeschwingungsmodus maximal ist, das hießt in einer Position a in einer Antinode des Biegeschwingungsmodus (die Antinodenposition ist durch b gezeigt) in Kontakt mit den äußeren Rändern der Antriebselektroden 82B und 82C in der Längsrichtung auf der Seite des Rotors 61 nahe der Längsmitte dieser Elektroden. Wenn die Antriebselektrode 82A und Antriebselektroden 82B zum Antreiben verwendet werden, wird 82B als Erfassungselektrode verwendet, und wenn die Antriebselektrode 82A und die Antriebeselektroden 82C zum Antreiben verwendet werden, wird die Erfassungselektrode 82E verwendet, was es ermöglicht, die Erfassungselektroden in den Positionen der Antriebselektroden zum Anregen des Biegeschwingungsmodus zu verwenden.

In dem in 11(B) gezeigten piezoelektrischen Aktor 102 sind Erfassungselektroden 102D und 102E in Positionen etwas weiter innen als die Positionen der Erfassungselektroden, die in 11(A) gezeigten, gebildet. In diesem Falle ist der Ausgang des Erfassungssignals etwas geringer als wenn die Erfassungselektrode 102A und die Erfassungselektrode 102B oder 102C in 11(A) verwendet werden, jedoch kann die Antriebskraft weiter erhöht werden.

In dem in 11(C) gezeigten piezoelektrischen Aktor 103 sind Erfassungselektroden 103D und 103E auf der gegenüberliegenden Seite der Erfassungselektroden 82D und 82E in der ersten Ausführungsform (A) vorgesehen (der gegenüberliegenden Seite des Rotors). Daher können die Elektroden in den Position der Antriebselektroden zum Anregen des Biegeschwingungsmodus vorgesehen werden, das heißt in Positionen, in denen die Dehnung des Biegeschwingungsmodus maximal ist und welche einer Antinode des Biegeschwingungsmodus entsprechen, anstelle neben dem Rotor.

Auch kann die Form der Erfassungselektroden eine im wesentlichen quadratische, eine polygonale, oder dergleichen, oder ein Kreis, eine Ellipse, eine unregelmäßige Form, oder eine andere solche beliebige Form sein.

Der Primärschwingungsmodus ist nicht auf dem Längsschwingungsmodus beschränkt, und ein anderer beliebiger Modus, wie ein Breitenschwingungsmodus oder dergleichen kann eingesetzt werden. Ebenso ist der piezoelektrische Aktor nicht darauf beschränkt, zwei Schwingungsmodi zu besitzen, und kann ebenso drei oder mehr Schwingungsmodi besitzen.

Der Anfangswert Vf1 wurde auf die obere Grenze eines voreingestellten Einstellbereichs für die Antriebsfrequenz eingestellt, ist jedoch nicht hierauf beschränkt und kann beispielsweise auf die untere Grenze des Einstellbereichs der Antriebsfrequenz eingestellt werden. Da die Antriebsfrequenz entsprechend der Phasendifferenz auf einen einzelnen Wert auch in diesem Falle eingestellt ist, kann die an den piezoelektrischen Aktor angelegte Antriebsfrequenz optimal gesteuert werden, falls die Phasendifferenz auf einen spezifischen Wert gesteuert wird.

[Arbeitsbeispiel 1]

Die folgenden Experimente wurden ausgeführt, um die Wirkungen der vorliegenden Erfindung zu bestätigen.

[Arbeitsbeispiel]

Es wurde eine Simulation unter Einsatz des piezoelektrischen Aktors gemäß der ersten Ausführungsform ausgeführt. Die Antriebsfrequenz des Antriebssignals wurde variiert, und die Beziehung zwischen der Erfassungsspannung und der Phasendifferenz zwischen dem Antriebssignal und dem Erfassungssignal wurde für jede Antriebsfrequenz bestimmt.

[Vergleichsbeispiel]

Es wurde eine Simulation unter Verwendung des in 12 gezeigten piezoelektrischen Aktors 110B ausgeführt. Fünf Antriebselektroden 112B, 113B und 114B waren an der Oberfläche des piezoelektrischen Elements 111B des piezoelektrischen Aktors 110B auf dieselbe Weise bei dem piezoelektrischen Aktor 66 des Arbeitsbeispiels gebildet. Von den zwei Antriebselektroden 113B wurde die von der Konvexität 116B weiter entfernte als Erfassungselektrode verwendet, wenn ein Antriebssignal zu den Antriebselektroden 112B eingegeben wurde. Von den zwei Antriebselektroden 112B wurde die von der Konvexität 116B weiter entfernte als Erfassungselektrode verwendet, wenn ein Antriebssignal zu den Antriebselektroden 113B eingegeben wurde.

Alle anderen Bedingungen waren ähnlich zu denjenigen des Arbeitsbeispiels.

[Ergebnisse des Arbeitsbeispiels und des Vergleichsbeispiels]

13 zeigt die Ergebnisse des Arbeitsbeispiels. Wie in 13 gezeigt, nimmt die Phasendifferenz graduell mit ansteigender Antriebsfrequenz ab, und das Vorzeichen wird in dem Phasendifferenzabschnitt umgekehrt, welches in den Biegeschwingungsmodus entsteht. Wenn daher der piezoelektrische Aktor nahe des Längsschwingungsmodus angetrieben wird, kann das Antreiben leicht gesteuert werden, was die Antriebsfrequenz von einer Position hoher Frequenz zu niedrigen Frequenzen hin überwacht wird. In diesem Falle ist es klar, dass die Antriebsfrequenz gegenüber der Phasendifferenz auf einen einzelnen Wert eingestellt ist.

14 zeigt in ähnlicher Weise die Ergebnisse des Vergleichsbeispiels. Genauer gesagt besitzt ein einzelne Phasendifferenz drei Antriebsfrequenzen, selbst falls die Phasendifferenz steuerbar auf einen spezifischen Wert beispielsweise zwischen 70° und 80° eingestellt ist. Daher wird die Antriebsfrequenz auf irgendeine dieser drei Antriebsfrequenzen eingestellt, was manchmal eine Antriebsfrequenz erzeugt, bei welcher eine zufrieden stellende Drehzahl für den Rotor sichergestellt werden kann, jedoch kann die Drehzahl des Rotors nicht zufrieden stellend bei anderen Antriebsfrequenzen aufrechterhalten werden, und die Zuverlässigkeit der Drehantriebsleistung des Rotors wird beeinträchtigt.

Wie oben beschrieben wurden die Wirkungen der vorliegenden Erfindung bestätigt, wobei die Antriebsfrequenz auf einen einzelnen Wert in Bezug auf die Phasendifferenz eingestellt werden konnte, und der piezoelektrische Aktor konnte stets mit der optimalen Antriebsfrequenz durch Steuern der Phasendifferenz zwischen dem Antriebssignal und dem Erfassungssignal auf einen spezifischen Wert geschwungen werden.

[Legende]

  • 1: Antriebsvorrichtung (Antriebseinheit), 9: Uhr (Vorrichtung), 10: Linseneinheit, 20, 40, 50: Linse (angetriebenes Element), 66, 76: Schwingelement (piezoelektrischer Aktor), 82, 112, 11B: piezoelektrisches Element, 82A, 82B, 82C, 912A, 102A, 102B, 102C, 103A, 103B, 103C, 112B, 113B, 114B: Antriebselektroden, 82D, 82E, 912B, 102D, 102E, 103D, 103E: Erfassungselektroden, 84: Spannungsanlegvorrichtung (Steuervorrichtung), 66, 91, 102, 103, 110B: piezoelektrischer Aktor, 61, 92: Rotor (angetriebenes Element).


Anspruch[de]
Piezoelektrischer Aktor zum Antreiben eines angetriebenen Elements durch die Schwingung eines piezoelektrischen Elements, das einen Primärschwingungsmodus und einen Biegeschwingungsmodus enthält, umfassend:

eine Antriebselektrode zum Schwingen des piezoelektrischen Elements durch Anlegen eines Antriebssignals an das piezoelektrische Element;

eine Erfassungselektrode zum Erfassen des Schwingverhaltens des piezoelektrischen Elements; und

eine Steuereinrichtung zum Steuern des Antriebssignals auf der Basis der Phasendifferenz zwischen dem Antriebssignal und einem durch die Erfassungselektrode erfassten Erfassungssignal, dadurch gekennzeichnet, dass

die Erfassungselektrode in einer Position gebildet ist, in welcher die Phasendifferenz, welche in dem Biegeschwingungsmodus entsteht, und die Phasendifferenz, welche in dem Primärschwingungsmodus entsteht, ein entgegen gesetztes Vorzeichen besitzen.
Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1, bei welchem

das piezoelektrische Element eine im wesentlichen rechteckige Form besitzt und simultan eine Schwingung in einem Längsschwingungsmodus, der der Primärschwingungsmodus ist, welcher sich entlang der Längsrichtung des piezoelektrischen Elements erstreckt, und eine Schwingung in dem Biegeschwingungsmodus, in welchem ein Biegen in der Richtung im wesentlichen senkrecht zu der Schwingungsrichtung des Längsschwingungsmodus auftritt, anregt; und

die Erfassungselektrode ist in einer Position gebildet, die einen Schwingungsbauch des Biegeschwingungsmodus umfasst, näher zu dem Mechanismus zum Anregen des Biegeschwingungsmodus als zu der Mittellinie durch die Breitenrichtung des piezoelektrischen Elements.
Piezoelektrischer Aktor nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Erfassungselektrode derart gebildet ist, um in Kontakt mit dem äußeren Rand des piezoelektrischen Elements in der Längsrichtung zu kommen. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem der Aktor derart aufgebaut ist, um zu ermöglichen, dass die Schwingungsrichtung des Biegeschwingungsmodus in einer Hin- und Herweise variiert werden kann. Piezoelektrischer Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem die Fläche der Erfassungselektrode 1/30 oder mehr und 1/7 oder weniger der Fläche der Antriebseleketrode ist. Gerät mit dem piezoelektrischen Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 5. Gerät nach Anspruch 6, umfassen:

eine Linse; und

eine Antriebseinheit zum Antreiben der Linse durch die Schwingung des piezoelektrischen Aktors.
Gerät nach Anspruch 6 oder 7, bei welchem das Gerät eine Uhr ist, die durch die Schwingung des piezoelektrischen Aktors angetrieben ist.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com