JP2022069470A - 超音波モータ、駆動制御システム、光学機器および振動子 - Google Patents
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Abstract
Description
円環状の振動子と該振動子に対して加圧接触するように配設された円環状の移動体とを備えた超音波モータであって、
前記振動子は、円環状の振動板と、該振動板の第一の面上に設けられた円環状の圧電素子よりなり、前記振動板は前記第一の面とは反対側の第二の面で前記移動体と接触し、
前記圧電素子は、円環状の一片の圧電セラミックスと、該圧電セラミックスの前記振動板と対向する面上に該圧電セラミックスと該振動板との間に挟まれるように設けられた共通電極と、該圧電セラミックスの前記共通電極が設けられた面とは反対側の面上に設けられた複数の電極とを有しており、
前記圧電セラミックスは鉛の含有量が1000ppm未満であり、前記複数の電極は、2つの駆動相電極と1つ以上の非駆動相電極と1つ以上の検知相電極よりなり、
前記円環状の振動板の第二の面は、放射状に伸びる溝部をX箇所に有し、
該円環状の振動板の外径を2R(単位mm)としたとき、前記Xは2R/0.85-5≦X≦2R/0.85+15を満たす自然数であり、前記2Rは57mm以上であり、
隣接する前記溝部同士を隔てる隔壁部の外径側の円周方向の長さの平均値Ltopと前記溝部の外径側の円周方向の長さの平均値Lbtmの比は2.00≦Ltop/Lbtm≦2.86の範囲にあり、
前記X箇所の溝部の中心深さを円周方向に順にD1~DXとしたとき、D1~Dxは1つ以上の正弦波を重ね合せた曲線に沿うように変化しており、
当該中心深さの変化における極大となる溝部と極小となる溝部とがそれぞれ12箇所以上あり、
該極大となる溝部と極小となる溝部とは互いに隣接しないことを特徴とする。
前記圧電セラミックスは、鉛の含有量が1000ppm未満であり、
前記複数の電極は、2つの駆動相電極と1つ以上の非駆動相電極と1つ以上の検知相電極よりなり、
前記円環状の振動板の第二の面は、放射状に伸びる溝部をX箇所に有し、
該円環状の振動板の外径を2R(単位mm)としたとき、前記Xは2R/0.85-5≦X≦2R/0.85+15を満たす自然数であり、前記2Rは57mm以上であり、
隣接する前記溝部同士を隔てる隔壁部の外径側の円周方向の長さの平均値Ltopと前記溝部の外径側の円周方向の長さの平均値Lbtmの比は2.00≦Ltop/Lbtm≦2.86の範囲にあり、
前記X箇所の溝部の中心深さを円周方向に順にD1~Dxとしたとき、D1~Dxは1つ以上の正弦波を重ね合せた曲線に沿うように変化しており、
当該中心深さの変化における極大となる溝部と極小となる溝部とがそれぞれ12箇所以上あり、
該極大となる溝部と極小となる溝部とは互いに隣接しないことを特徴とする。
本発明の超音波モータは、円環状の振動子と、その振動子に対して加圧接触するように配設された円環状の移動体とを備えている。前記振動子は、円環状の振動板と、その振動板の第一の面(一方の面)上に設けられた円環状の圧電素子よりなり、その振動板の第二の面(第一の面とは反対側の面)が前記移動体と接触する。前記圧電素子は、円環状の一片の(一体として継ぎ目なく形成されている)圧電セラミックスと、その圧電セラミックス一方の(振動板と対向する面側の)面上に設けられた共通電極と、その圧電セラミックスの他方の(共通電極が設けられた面とは反対側の)面上に設けられた複数の電極とを有している。前記圧電セラミックスは、鉛の含有量が1000ppm未満である。前記複数の電極は、2つの駆動相電極と1つ以上の非駆動相電極と1つ以上の検知相電極よりなる。前記円環状の振動板の第二の面は放射状に伸びる溝部をX箇所に有する。このとき、前記Xは2R/0.85-5≦X≦2R/0.85+15(2Rは振動板の外径で単位はmm)を満たす自然数であり、2Rは57mm以上であり、隣接する前記溝部同士を隔てる隔壁部の外径側の円周方向の長さの平均値Ltopと前記溝部の外径側の円周方向の長さの平均値Lbtmの比は2.00≦Ltop/Lbtm≦2.86の範囲にあり、前記X箇所の溝部の中心深さを円周方向に順にD1~Dxとしたとき、D1~Dxは1つ以上の正弦波を重ね合せた曲線に沿うように変化しており、当該中心深さの変化における極大となる溝部と極小となる溝部はそれぞれ12箇所以上あり、極大となる溝部と極小となる溝部とは互いに隣接しないことを特徴とする。
本発明の超音波モータは円環状の振動子1と前記振動子1に接して設けられた円環状の移動体2とを備えている。
本発明において、円環状とは、初めに述べたように、模式的に、所定の厚みをもった円板が同心状に円形の貫通孔を有するもの、とみなし得る形状をいう。その円板および貫通孔の外周形状は、理想的には真円形であるが、模式的に円環とみなし得る限り、楕円形、長円形なども含む。円形が真円形でない場合の半径や直径は同面積の真円を仮定して決定する。円環の一部が欠けた形状、円環の一部が切れた形状、または円環の一部が突出した形状のような略円環状も、実質的に円環状とみなし得る限り、本発明では円環状に含める。従って、製造上のばらつきにより、僅かに変形した略円環状も、やはり実質的に円環状とみなし得る限り、本発明では円環状に含める。略円環状の場合の半径や直径は、その欠陥部や異常部を補った真円を仮定して決定する。
円環状の移動体2は同じく円環状の振動子1に加圧接触させられ、振動子1との接触面に発生する振動がもたらす駆動力によって回転する。移動体2の振動子1との接触面は平面状(平坦)であることが好ましい。移動体2の材質は弾性体であることが好ましく、その素材は金属であることが好ましい。例えば、アルミニウムが移動体2の素材として好適に用いられる。アルミニウム表面をアルマイト(陽極酸化)処理しても良い。
振動子1は、図1(a)に示すように、円環状の振動板101と、振動板101の第一の面上に設けられた円環状の圧電素子102よりなり、該振動板101の第二の面で移動体2と接触している。
振動板101は圧電素子102と一体となって曲げ振動の進行波を形成し、移動体2に振動を伝達するという目的から、弾性体であることが好ましい。また、振動板101は弾性体としての性質および加工性の観点から金属よりなることが好ましい。振動板101に使用可能な金属としては、アルミ、真鍮、Fe-Ni36%合金、ステンレス鋼を例示できる。このうち、本発明で用いることが好ましい室温におけるヤング率が80GPa以上125GPa以下の圧電セラミックス1021と組み合わせて、高い回転速度を得られるのはステンレス鋼である。ここでいうステンレス鋼とは、鋼を50質量%以上、クロムを10.5質量%以上含有する合金を指している。ステンレス鋼の中でも、マルテンサイト系ステンレス鋼が好ましく、SUS420J2が振動板101の材質として最も好ましい。
円環状の圧電素子102は、図1(a)に示すように、円環状の一片の圧電セラミックス1021と、圧電セラミックス1021の振動板101と対向する側の面上に設けられた共通電極1022と、共通電極1022が設けられた面とは反対側の面上に設けられた複数の電極1023を有している。
{Mh(NajLikK1-j-k)1-h}1-m{(Ti1-u-vZruHfv)h(Nb1-wTaw)1-h}O3 (1)
(式中、Mは(Bi0.5K0.5)、(Bi0.5Na0.5)、(Bi0.5Li0.5)、Ba、Sr及びCaから選ばれる少なくとも一種であり、0.06<h≦0.3、0≦j≦1、0≦k≦0.3、0≦j+k≦1、0<u≦1、0≦v≦0.75、0≦w≦0.2、0<u+v≦1、-0.06≦m≦0.06)
一般式(2)
(Ba1-sCas)α(Ti1-tZrt)O3 (2)
(式中、0.986≦α≦1.100、0.02≦s≦0.30、0.020≦t≦0.095)
前記一般式(1)、(2)において、Bサイトの元素とO元素のモル比はいずれも1対3であるが、元素量の比が若干ずれた場合(例えば、1.00対2.94から1.00対3.06)でも、前記金属酸化物がペロブスカイト型構造を主相としていれば、本発明の範囲に含まれる。前記金属酸化物がペロブスカイト型構造であることは、例えば、X線回折や電子線回折による構造解析から判断することができる。
本発明において、主成分とは圧電セラミックス1021の全重量に対して、前記一般式(1)、(2)のいずれかで表わされるペロブスカイト型金属酸化物を90質量%以上含むことを意味している。より好ましくは95質量%以上である。さらに好ましくは99質量%以上である。
一般式(1)は、ニオブ酸カリウムナトリウム(KNN)をベース材料として、特性調整のためにLi、(Bi0.5K0.5)、(Bi0.5Na0.5)、(Bi0.5Li0.5)、Ba、Sr、Ca、Ti、Zr、Hf、Taを最大でも30原子%以下でサイト置換した圧電性のペロブスカイト型金属酸化物である。
一般式(2)は、ペロブスカイト構造を有するチタン酸バリウムのBaの一部をCaで置換し、Tiの一部をZrで置換したチタン酸ジルコン酸バリウムカルシウム(BCTZ)を表している。CaとZrを同時置換すると、圧電セラミックス1021の脱分極温度を低下させずに圧電定数を大きく向上させることができる。一般式(2)で表されるペロブスカイト型金属酸化物の結晶系は室温で正方晶構造であると、良好な機械的品質係数を得られるため好ましい。
すなわち、6つの分極用電極102311(2つの駆動相電極10231で合計すると12箇所の分極用電極102311)は、円周方向に互いに同等な長さを有することが好ましい。また、各分極部と各分極用電極102311は、投影面積で考えて差が2%未満であることが好ましい。
図2に示すように、移動体2と接触する振動板101の第二の面は、放射状に伸びる断面U字形の溝部1012を複数本有する。ここでいう「断面U字形」とは、当該振動板の第二の面に対して、実質的に垂直な両壁面と実質的に水平な底面を有する断面形状をいう。ただし、底面と各壁面とが丸く滑らかに接続している所謂U字形のみならず、底面と各壁面とが直角をなして接続している所謂矩形状や、それらの中間的形状、あるいはそれらからの多少の変形など、所謂U字形に準ずる形状であって「断面U字形」とみなし得るものを広く含む。図6(b)、(c)、(d)は、そのような本発明に含まれる断面U字形の溝部の断面形状の例を示したものである。
より好ましくは、2.00≦Ltop/Lbtm≦2.40である。
X箇所の溝部1012において、その中心深さが極大となる溝部と極小となる溝部は隣接せず、1つ以上の溝部を間に挟むように設けられる。この構成によって、本発明の超音波モータおよび振動子1を駆動させた時の移動体2の回転動作が安定する。
次に、本発明の駆動制御システムを説明する。図8は、本発明の駆動制御システムの一実施形態を示す模式図である。
次に、本発明の光学機器について説明する。本発明の光学機器は、本発明の駆動制御システムと前記駆動制御システムに含まれる超音波モータと力学的に接続した光学部材とを少なくとも有することを特徴とする。
次に、実施例を挙げて本発明の振動子、超音波モータ、駆動制御システムおよび光学機器を具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例により限定されるものではない。なお、実施例は、図面に基づいて、図面中の符号を用いて説明する。
鉛の含有量が1000ppm未満であり、かつ、室温におけるヤング率が80GPa以上125GPa以下である円環状の一片の圧電セラミックスを以下のように製造した。ヤング率については、圧電素子から切り出した試験片を用いて測定した。
前記一般式(1)において、金属MがBa0.75(Bi0.5Na0.5)0.25であり、h=0.08、j=0.49、k=0.02、u=0.75、v=0.05、w=0.10、m=0の組成に相当する[{Ba0.75(Bi0.5Na0.5)0.25}0.08(Na0.49Li0.02K0.49)0.92]1.00{(Ti0.20Zr0.75Hf0.05)0.08(Nb0.90Ta0.10)0.92}O3へのCuの添加を意図して、相当する原料粉を以下のように秤量した。
前記一般式(2)において、s=0.16、t=0.06、α=1.006の組成に相当する(Ba0.84Ca0.16)1.006(Ti0.94Zr0.06)O3へのMnとBiの添加を意図して、相当する原料粉を以下のように秤量した。
図11(a)、(b)は、本発明の超音波モータおよび振動子に用いられる円環状の振動板の製造方法の一例を示す概略工程図である。
中心深さが二番目に大きい溝部はD18=D63=2.164であり、これらの間に位置する溝部の数Iは最少で11箇所であった。
振動板V1と同様の原材料と製造方法によって、振動板V2を作製した。ただし、Ltop/Lbtm=2.40となるように作製した。
中心深さが二番目に大きい溝部はD18=D63=2.169mmであり、これらの間に位置する溝部の数Iは最少で9箇所であった。
振動板V1と同様の原材料と製造方法によって、振動板V3を作製した。ただし、Tdia=6.0mm、Dave=1.65mm、Ltop/Lbtm=2.40となるように作製した。
中心深さが二番目に大きい溝部はD18=D63=1.963mmであり、これらの間に位置する溝部の数Iは最少で11箇所であった。
振動板V1と同様の原材料と製造方法によって、振動板V4を作製した。ただし、Ltop/Lbtm=2.86となるように作製した。
中心深さが二番目に大きい溝部はD40=D85=2.177mmであり、これらの間に位置する溝部の数Iは最少で9箇所であった。
本発明との比較のために、振動板V1と同様の原材料と製造方法によって、振動板V5を作製した。ただし、振動板V5の90箇所の溝部の中心深さD1からD90は、全て1.85mmとし、Ltop/Lbtm=1.24となるように作製した。
ここで、振動板V1、V2、V3、V4、V5およびV6の特徴を表5にまとめる。
図12(a)~(e)は、本発明の振動子および超音波モータの製造方法の一例を示す概略工程図である。
上記の製造実施例で得た本発明の振動子1の共振周波数を測定することで、発生する曲げ振動波の波数を特定し、比較用の振動子との差異を評価した。
本発明の超音波モータおよび比較用の超音波モータに用いるために、移動体2を作製した。
移動体の形状は、円環状であり、かつ、外径が77.0mm、内径が67.1mm、厚み5mmとした。移動体の材質にはアルミニウム金属を用いて、ブロック削り出しによって形状を整えた後、表面をアルマイト処理した。
図1(a)および図2に示すように、本発明の振動子1の第二の面に振動板101のサイズに合わせた移動体2を加圧接触させて本発明の超音波モータを作製した。同様に、比較用の超音波モータを作製した。
フレキシブルプリント基板3のコネクタ部を利用して、本発明の超音波モータにおける駆動相電極10231、共通電極1022と短絡している非駆動相電極10232および検知相電極10233と外部の駆動回路を電気的に接続し、図8のような構成の本発明の駆動制御システムを作製した。外部の駆動回路は、超音波モータを駆動するための制御機構および制御機構の指示によって7次の曲げ振動波を発生させるための交番電圧を出力する信号発生機構を有している。
同様に、比較用の駆動制御システムを作製した。
本発明の駆動制御システム(駆動制御システム1~8)および比較用の駆動制御システム(駆動制御システム9~12)のを用いて、超音波モータの最高回転速度の評価を実施した。
他方、比較用の駆動制御システムにおいては、回転駆動時に異音が発生した。
本発明の駆動制御システムを用いて、図9および10に示される光学機器を作製し、交番電圧の印加に応じたオートフォーカス動作を確認した。そのフォーカス速度は、比較例の光学機器と比較して高負荷においても十分に速いものであった。
101 振動板
101a 金属板
1011 隔壁部(突起部)
1012 溝部
102 圧電素子
1021 圧電セラミックス
1022 共通電極
1023 複数の電極
10231 駆動相電極
102311 分極用電極
102312 つなぎ電極
10232 非駆動相電極
10233 検知相電極
2 移動体
3 フレキシブルプリント基板
301 電気配線
302 絶縁体(ベースフィルム)
701 前群レンズ
702 後群レンズ(フォーカスレンズ)
711 着脱マウント
712 固定筒
713 直進案内筒
714 前群鏡筒
715 カム環
716 後群鏡筒
717a カムローラ
717b カムローラ
718 軸ビス
719 ローラ
720 回転伝達環
722 コロ
724 マニュアルフォーカス環
725 超音波モータ
726 波ワッシャ
727 ボールレース
728 フォーカスキー
729 接合部材
732 ワッシャ
733 低摩擦シート
Claims (20)
- 円環状の振動子と該振動子に対して加圧接触するように配設された円環状の移動体とを備えた超音波モータであって、
前記振動子は、円環状の振動板と、該振動板の第一の面上に設けられた円環状の圧電素子よりなり、前記振動板は前記第一の面とは反対側の第二の面で前記移動体と接触し、
前記圧電素子は、円環状の一片の圧電セラミックスと、該圧電セラミックスの前記振動板と対向する面上に該圧電セラミックスと該振動板との間に挟まれるように設けられた共通電極と、該圧電セラミックスの前記共通電極が設けられた面とは反対側の面上に設けられた複数の電極とを有しており、
前記圧電セラミックスは、鉛の含有量が1000ppm未満であり、
前記複数の電極は、2つの駆動相電極と1つ以上の非駆動相電極と1つ以上の検知相電極よりなり、
前記円環状の振動板の第二の面は、放射状に伸びる溝部をX箇所に有し、該円環状の振動板の外径を2R(単位mm)としたとき、
前記Xは2R/0.85-5≦X≦2R/0.85+15を満たす自然数であり、前記2Rは57mm以上であり、
隣接する前記溝部同士を隔てる隔壁部の外径側の円周方向の長さの平均値Ltopと前記溝部の外径側の円周方向の長さの平均値Lbtmの比は2.00≦Ltop/Lbtm≦2.86の範囲にあり、
前記X箇所の溝部の中心深さを円周方向に順にD1~DXとしたとき、D1~Dxは1つ以上の正弦波を重ね合せた曲線に沿うように変化しており、
当該中心深さの変化における極大となる溝部と極小となる溝部とがそれぞれ12箇所以上あり、
該極大となる溝部と極小となる溝部とは互いに隣接しないことを特徴とする超音波モータ。 - 前記圧電セラミックスの室温におけるヤング率が80GPa以上125GPa以下である請求項1に記載の超音波モータ。
- 前記D1~DXの最大値と最小値との差分が前記振動板の最大厚みTdiaに対して5%以上25%以下である請求項1または2に記載の超音波モータ。
- 前記D1~DXの平均値Daveが前記振動板の最大厚みTdiaに対して25%以上50%以下である請求項1乃至3のいずれか一項に記載の超音波モータ。
- 前記円環状の圧電素子の面上の任意の位置を通る、当該円環と中心を共にする円の円周を7等分した1つの円弧の長さをλとして円周長を7λで表したとき、前記2つの駆動相電極の円周方向の長さはそれぞれ3λであり、それらは円周方向にλ/4および3λ/4の長さを有する2つの間隔部により互いに円周方向に離隔され、各駆動相電極と接する部分の圧電セラミックスは円周方向に交互に極性が反転する6つの分極部からなり、前記1つ以上の非駆動相電極および前記1つ以上の検知相電極は前記2つの間隔部に設けられている請求項1乃至4のいずれか一項に記載の超音波モータ。
- 前記振動板の外径2Rが90mm以下であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の超音波モータ。
- 前記振動板の内径2Rin(単位mm)が、2R-16≦2Rin≦2R-6の関係を満たすことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載の超音波モータ。
- 前記円環状の一片の圧電セラミックスの外径が、前記振動板の外径より小さく、かつ、前記円環状の一片の圧電セラミックスの内径が、前記振動板の内径より大きいことを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項に記載の超音波モータ。
- 前記振動板の最大厚みTdiaが、4mm以上6mm以下であることを特徴とする請求項1乃至8のいずれか一項に記載の超音波モータ。
- 前記振動板が、鋼を50質量%以上、クロムを10.5質量%以上含有する合金よりなることを特徴とする請求項1乃至9のいずれか一項に記載の超音波モータ。
- 前記Xが偶数であり、前記D1~Dxのうち、D1~Dx/2の深さ変動とDx/2+1~Dxの深さ変動とがそれぞれ一致することを特徴とする請求項1乃至10のいずれか一項に記載の超音波モータ。
- 前記検知相電極に最も近接する溝部の中心深さをDsen(senはX≧senである自然数)としたときに、(Dsen+1-Dsen-1)/Dsenが5%以下であることを特徴とする請求項1乃至11のいずれか一項に記載の超音波モータ。
- 前記極大となる溝部のうち、その中心深さが前記D1~Dxの平均値Daveの1.15倍以上1.30倍以下である溝部が8箇所以上であることを特徴とする請求項1乃至12のいずれか一項に記載の超音波モータ。
- 前記極大となる溝部のうち、中心深さが最も大きい溝部と二番目に大きい溝部の間に位置する溝部の数Iが、I≧X/18の関係を満たすことを特徴とする請求項1乃至13のいずれか一項に記載の超音波モータ。
- 前記溝部の中心深さが極大となる溝部が12箇所乃至16箇所であることを特徴とする請求項1乃至14のいずれか一項に記載の超音波モータ。
- 前記圧電セラミックスが下記一般式(1)
{Mh(NajLikK1-j-k)1-h}1-m{(Ti1-u-vZruHfv)h(Nb1-wTaw)1-h}O3 (1)
(式中、Mは(Bi0.5K0.5)、(Bi0.5Na0.5)、(Bi0.5Li0.5)、Ba、Sr及びCaから選ばれる少なくとも一種であり、0.06<h≦0.3、0≦j≦1、0≦k≦0.3、0≦j+k≦1、0<u≦1、0≦v≦0.75、0≦w≦0.2、0<u+v≦1、-0.06≦m≦0.06)または、下記一般式(2)
(Ba1-sCas)α(Ti1-tZrt)O3 (2)
(式中、0.986≦α≦1.100、0.02≦s≦0.30、0.020≦t≦0.095)
で表わされるペロブスカイト型金属酸化物を主成分とし、前記圧電セラミックスに含まれる主成分以外の金属成分の含有量が前記金属酸化物100重量部に対して金属換算で1重量部以下であることを特徴とする請求項1乃至15のいずれか一項に記載の超音波モータ。 - 請求項1乃至16のいずれか一項に記載の超音波モータと、該超音波モータと電気的に接続される駆動回路を少なくとも有することを特徴とする駆動制御システム。
- 前記駆動回路が前記振動子に7次の曲げ振動波を発生させる信号発生機構を有することを特徴とする請求項17に記載の駆動制御システム。
- 請求項18に記載の駆動制御システムと前記超音波モータに力学的に接続した光学部材とを少なくとも有することを特徴とする光学機器。
- 円環状の振動子であって、
円環状の振動板と、該振動板の第一の面上に設けられた円環状の圧電素子よりなり、
前記圧電素子は、円環状の一片の圧電セラミックスと、該圧電セラミックスの前記振動板と対向する面上に該圧電セラミックスと該振動板との間に挟まれるように設けられた共通電極と、該圧電セラミックスの前記共通電極が設けられた面と反対側の面上に設けられた複数の電極とを有しており、
前記圧電セラミックスは、鉛の含有量が1000ppm未満であり、 前記複数の電極は、2つの駆動相電極と1つ以上の非駆動相電極と1つ以上の検知相電極よりなり、
前記円環状の振動板の第二の面は、放射状に伸びる溝部をX箇所に有し、該円環状の振動板の外径を2R(単位mm)としたときに、
前記Xは2R/0.85-5≦X≦2R/0.85+15を満たす自然数であり、前記2Rは57mm以上であり、
隣接する前記溝部同士を隔てる隔壁部の外径側の円周方向の長さの平均値Ltopと前記溝部の外径側の円周方向の長さの平均値Lbtmの比は 2.00≦Ltop/Lbtm≦2.86であり、
前記X箇所の溝部の中心深さを円周方向に順にD1~Dxとしたとき、D1~Dxは1つ以上の正弦波を重ね合せた曲線に沿うように変化しており、
当該中心深さの変化における極大となる溝部と極小となる溝部とがそれぞれ12箇所以上あり、
該極大となる溝部と極小となる溝部とは互いに隣接しないことを特徴とする振動子。
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