JP7336556B2 - 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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Description
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、振動板101の第二の面で移動体2と接触している。移動体2は、適当な外力によって振動板101の第二の面に押し付けられていると、振動子1から移動体2への駆動力の伝達が良好となるため、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。
(K,Na,Li)+(Nb,Ta)5+O3系、
(Ba,Ca)2+(Ti,Zr,Sn)4+O3系、
(Bi0.5((K,Na,Li)0.5)2+(Ti,Zr,Sn)4+O3系、
(K,Na,Li)+(Nb,Ta)5+O3-(Ba,Ca)2+(Ti,Zr,Sn)4+O3固溶系、
(K,Na,Li)+(Nb,Ta)5+O3-Bi0.5((K,Na,Li)0.5)2+(Ti,Zr,Sn)4+O3固溶系
などは、鉛の含有量が1000ppm未満である圧電セラミックス1021の素材として用いることができる。
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。
圧電セラミックス1021の組成は、鉛の含有量が1000ppm未満(すなわち非鉛系)であって、かつ、より好ましくは、室温におけるヤング率が80GPa以上145GPa以下であれば、特に限定されない。例えば、チタン酸バリウム、チタン酸バリウムカルシウム、チタン酸ジルコン酸バリウムカルシウム、チタン酸ビスマスナトリウム、ニオブ酸カリウムナトリウム、ニオブ酸チタン酸ナトリウムバリウム、鉄酸ビスマスなどの組成の圧電セラミックスや、これらの組成を主成分とした圧電セラミックスを本発明の超音波モータおよび振動子1に用いることができる。
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≦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≦t≦0.095)
一般式(3)
(NaqBa1-r)(NbrTi1-r)O3 (3)
(式中、0.80≦q≦0.95、0.85≦r≦0.95)
前記一般式(1)、(2)、(3)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)、(3)のいずれか、または組み合わせ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圧電性のチタン酸バリウムのBaの一部をCaで置換したチタン酸バリウムカルシウム(BCT)、または、更に圧電定数を向上させるために前記BCTの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。
一般式(3)は、ニオブ酸ナトリウム(NaNbO3)にチタン酸バリウム(BaTiO3)を固溶させた圧電性のペロブスカイト型金属酸化物(NN-BT)を表している。一般式(3)で表わされる金属酸化物は、Aサイトに位置する金属元素がNaとBa、Bサイトに位置する金属元素がTiとNbであることを意味する。ただし、一部のNaとBaがBサイトに位置してもよい。同様に、一部のTiとNbがAサイトに位置してもよい。
次に、本発明の駆動制御システムを説明する。図11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。本発明の駆動制御システムは、本発明の超音波モータと、前記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。駆動回路は、本発明の超音波モータに7次の曲げ振動波を発生させ、回転駆動させるための電気信号を発する信号発生機構を内蔵する。
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。本明細書において「力学的な接続」とは一方の部材の座標変動、体積変化、形状変化によって生じた力が他方の部材に伝わるように直接的に接触している状態、または、第三の部材を介して接触している状態を指している。
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145GPa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。
([{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
の組成で表すことができるペロブスカイト型金属酸化物を主成分とし、前記主成分100重量部に対してMnを0.25重量部含有した組成であることが分かった。
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。
(Ba0.84Ca0.16)1.006(Ti0.94Zr0.06)O3
の組成で表すことができるペロブスカイト型金属酸化物を主成分とし、前記主成分100重量部に対してMnを0.18重量部、Biを0.26重量部含有した組成であることが分かった。
前記一般式(2)において、s=0.10、t=0、α=1.000の組成に相当する
(Ba0.90Ca0.10)1.000TiO3
へのMn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。
(Ba0.90Ca0.10)1.000TiO3
の組成になるように秤量した。AサイトとBサイトのモル比を示すαを調整するために炭酸バリウムおよび酸化チタンを用いた。前記組成
(Ba0.90Ca0.10)1.000TiO3
の100重量部に対して、Mnの含有量が金属換算で0.24重量部となるように炭酸マンガンを加えた。
前記一般式(3)において、q=0.85、r=0.88の組成に相当する
(Na0.85Ba0.12)(Nb0.88Ti0.12)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。
(Na0.88Ba0.12)(Nb0.88Ti0.12)O3
の組成になるように秤量した。焼結工程中にNa成分の揮発が見込まれるので、Naの仕込み量を過剰とした。前記組成
(Na0.88Ba0.12)(Nb0.88Ti0.12)O3
の100重量部に対して、Cuの含有量が金属換算で0.10重量部となるように酸化銅(Cu(II)O)を加えた。
図14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。
振動板V1Aと同様の原材料と製造方法によって、振動板V1Bを作製した。
突起部と溝部の配置が均等である他は振動板V1AおよびV1Bと同様の原材料と製造方法によって、2R=62.2mm、2Rin=54.0mm、Tdia=5.0mm、X=63、Ltop/Lbtm=2.10、突起部および溝部についてのLmax/Lmin=1.00の振動板V2を作製した。
振動板V2と同様の原材料と製造方法によって、2R=88.0mm、2Rin=78.0mm、Tdia=6.0mm、X=90、Ltop/Lbtm=1.45、突起部および溝部についてのLmax/Lmin=1.00の振動板V3を作製した。
本発明との比較のために、振動板V2と同様の原材料と製造方法によって、2R=62.2mm、2Rin=54.0mm、Tdia=5.0mm、X=63、Ltop/Lbtm=2.10、突起部および溝部についてのLmax/Lmin=1.00の振動板V1Rを作製した。ただし、振動板V1Rの63箇所の溝部の中心深さD1からD63は、全て1.85mmとした。
本発明の振動子および超音波モータに用いる振動板V1A、V1B、V2、V3および比較用の振動板V1R、V3Rについて、各溝部の中心深さを計測した。これらの中心深さの値の列を高速フーリエ変換して、振動体の1周を1サイクルとする空間周波数を変数とする関数に換算した。計算結果を図15に示す。
図16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、円環状の移動体2を作製した。
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11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波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。
本発明の駆動制御システムを用いて、図12および13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。
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
717 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 (19)
- 円環状の振動子と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、前記移動体と接する円環状の振動板と、室温におけるヤング率が80GPa以上145GPa以下である圧電セラミックスを有する圧電素子を備え、
前記圧電セラミックスは、下記一般式(1)~(3):
{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≦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);
(Ba1-sCas)α(Ti1-tZrt)O3 (2)
(式中、0.986≦α≦1.100、0.02≦s≦0.30、0≦t≦0.095);
(NaqBa1-r)(NbrTi1-r)O3 (3)
(式中、0.80≦q≦0.95、0.85≦r≦0.95)
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主成分とし、該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重量部以下であり、
前記円環状の振動板は、面上に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(Rは該円環状の振動板の半径を表す実数、単位mm)とし内径を2Rin(Rinは該円環状の振動板の円形中空部の半径を表す実数、単位mm)としたとき、前記Xは2R-10≦X≦2R+5を満たす自然数であり、前記2Rは56mmから90mmの範囲であり、前記2Rinは2R-16≦2Rin≦2R-6の関係を満たし、
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1.45≦Ltop/Lbtm≦2.10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、該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動しており、
前記D 1 ~D X の最大値と最小値との差分が前記振動板の最大厚みT dia に対して5%以上25%以下であり、
当該中心深さの変動における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D1~DX は4つの正弦波を重ね合せた曲線に沿うように変動している請求項1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または2に記載の超音波モータ。
- 前記圧電素子は円環状であって、円環状に配置された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、該複数の電極は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、前記圧電セラミックスの各駆動相電極と接する部分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1~3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は円環状の一片の圧電セラミックスであり、該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、該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1~4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1~5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1~6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の深さ変動とが一致することを特徴とする請求項1~7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1≦sen≦Xを満たす自然数)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4に記載の超音波モータ。
- 前記Xが、50≦X≦70の関係を満たすことを特徴とする請求項1~9のいずれか一項に記載の超音波モータ。
- 前記隔壁部の少なくとも一つにおいて、当該隔壁部の頂面の円周方向端部の角が落とされていることを特徴とする請求項1~10のいずれか一項に記載の超音波モータ。
- 前記X箇所の溝部または該溝部同士を互いに隔てる隔壁部の少なくとも一方の外径側の円周方向の長さの最大値をLmaxとし最小値をLminとしたときに1<Lmax/Lmin≦2の関係が満たされることを特徴とする請求項1~11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は鉛の含有量が1000ppm未満であることを特徴とする請求項1~12のいずれか一項に記載の超音波モータ。
- 前記D1~Dx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16箇所以下であることを特徴とする請求項1~13のいずれか一項に記載の超音波モータ。
- 請求項1~14のいずれか一項に記載の超音波モータと、該超音波モータに電気的に接続される駆動回路と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15に記載の駆動制御システム。
- 請求項15または16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、室温におけるヤング率が80GPa以上145GPa以下である圧電セラミックスを有する圧電素子を備え、
前記圧電セラミックスは、下記一般式(1)~(3):
{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≦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);
(Ba1-sCas)α(Ti1-tZrt)O3 (2)
(式中、0.986≦α≦1.100、0.02≦s≦0.30、0≦t≦0.095);
(NaqBa1-r)(NbrTi1-r)O3 (3)
(式中、0.80≦q≦0.95、0.85≦r≦0.95)
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主成分とし、該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重量部以下であり、
前記円環状の振動板は、面上に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(Rは該円環状の振動板の半径を表す実数、単位mm)とし内径を2Rin(Rinは該円環状の振動板の円形中空部の半径を表す実数、単位mm)としたとき、前記Xは2R-10≦X≦2R+5を満たす自然数であり、前記2Rは56mmから90mmの範囲であり、前記2Rinは2R-16≦2Rin≦2R-6の関係を満たし、
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1.45≦Ltop/Lbtm≦2.10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、該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動しており、
前記D 1 ~D X の最大値と最小値との差分が前記振動板の最大厚みT dia に対して5%以上25%以下であり、
当該中心深さの変動における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。 - 前記D 1 ~D X は4つの正弦波を重ね合せた曲線に沿うように変動している請求項18に記載の振動子。
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