JP2018107437A - 振動子、振動波駆動装置、振動波モータおよび電子機器 - Google Patents
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Abstract
Description
直方体状の圧電セラミックスと電極を備えた圧電素子と、
弾性体を有し、
前記圧電セラミックスに含まれるPb成分が1000ppm未満であり、
前記弾性体に生じる、互いに交差しない2本の節線を生じる前記振動モードAの節線と、互いに交差しない3本の節線を生じる前記振動モードBの節線は、交差するよう構成されており、前記振動モードAの共振周波数fAと、
前記振動モードBの共振周波数fBとが、|fB−fA|>2(kHz)であることを特徴とする振動子である。
直方体状の圧電セラミックスと電極を備えた圧電素子と、
弾性体を有している。そして、前記圧電セラミックスに含まれるPb成分が1000ppm未満である。さらに前記弾性体に生じる、互いに交差しない2本の節線を生じる前記振動モードAの節線と、互いに交差しない3本の節線を生じる前記振動モードBの節線は、交差するよう構成されている。加えて、前記振動モードAの共振周波数fAと、
前記振動モードBの共振周波数fBとが、
|fB−fA|>2(kHz)であることを特徴とする。
本発明に係る振動子は、圧電素子と弾性体を有する振動子である。
弾性体は、圧電素子101と一体となって曲げ振動を形成するという目的、および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。弾性体に使用可能な金属としては、アルミ、真鍮、ステンレス鋼、Fe−Ni36%合金を例示できる。中でも、接着剤(図示を省略)を介した圧電素子101との密着強度を確保するという観点においては、ステンレス鋼が好ましい。ここで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す。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が最も好ましい。弾性体のヤング率は特に限定されないが、弾性体の室温における好ましいヤング率の範囲は100GPa以上、230GPa以下である。ヤング率が100GPaより小さいと、振動子の駆動時に発生する駆動力が不十分となるおそれがある。また、弾性体のヤング率が大きすぎると、振動子の曲げ振動の中立面が弾性体側から圧電セラミックス3側にシフトしていくので、振動子の振動変位量が低下するおそれがある。
圧電素子は直方体状の圧電セラミックスと電極を有している。
圧電セラミックス3は、高い寸法精度で作製できるという観点で、直方体状である。一般に、形状が複雑であればあるほど、対称性が低ければ低いほど、いろいろな振動モードが現れるため、所望の振動モード(後述の振動モードA及び振動モードB)以外の不要な振動が発生し、所望の振動モードの変位量を減少させてしまうおそれがある。
直方体状とは、直方体だけでなく、直方体の各辺が面取りされているような形状も含む。
圧電素子は、複数の電極を有するため、前記圧電セラミックス3に電界を印加することができる。複数の電極は、圧電セラミックス3に電界を印加することができる構成であればよく、少なくとも2つ以上からなる。
圧電セラミックス3は繋ぎ目のない一片の圧電セラミックスよりなることが好ましい。
図4(c)は、モードAとモードBを重ね合わせて、圧電素子側からみたときの節線と腹線の位置関係を表している。節線は一点鎖線で、腹線は破線で示した。
図6(b)は、図6(a)を突起部側上方からみた図である。
非鉛系の圧電セラミックス3の寸法は特に限定されないが、弾性体を構成する振動板からはみでない大きさとすることで、非鉛系の圧電セラミックス3の振動を弾性体に効率よく伝えることができるため、低消費電力で駆動できる。弾性体からはみでると、はみ出た部分は弾性体に振動を伝えることが出来ないため、その分効率が悪くなり、消費電力が大きくなる。
圧電セラミックス3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、室温におけるヤング率が100GPa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等のチタン酸バリウム系の圧電材料を使ってもよい。また、チタン酸ビスマスナトリウム系の圧電材料や、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などのニオブ酸系の圧電材料、鉄酸ビスマス系の材料などの組成の圧電セラミックスを用いてもよい。さらには、これらの組成を主成分としてあるいは複合して含有する圧電セラミックスを本発明の振動子1011に用いることができる。
(Ba1−xCax)α(Ti1−yZry)O3 (1)
ただし、
0.986≦α≦1.100、
0.02≦x≦0.30、
0.00≦y≦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、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がより好ましい。
本発明の振動子における弾性体は、振動板5と支持部6を有し、より好ましくは振動板5と支持部6が一体に形成されることが好ましい。図6(b)は本発明の振動子の一実施形態を示した概略図であり、振動板5の面外に接続された同素材の支持部6を有する態様である。このような構成を採ることにより、該振動子から発生した振動を阻害することなく、後述する振動波モータ等の圧電デバイスに適用することが容易となる。また、図6(b)のように支持部に穴を設け、その穴に固定部を嵌合させると、圧電デバイスの構造設計に多様性をもたせることができる。支持部6の形状は特に限定されないが、弾性体よりは小さい方が良い。また、支持することによって振動子の振動をできるだけ減衰させないように、支持部6の少なくとも一部は、振動板5よりも薄いもしくは振動板5よりも細い形状を有することが好ましい。
本発明の振動波駆動装置は、前述した振動子と、振動子に給電する給電部材7とを有する振動波駆動装置であることを特徴とする。
本発明の振動波モータは、振動波駆動装置と、弾性体に接した移動体とを有することを特徴とする。このような構成をとることにより移動体を精度よく移動できる振動波モータを提供できる。図8は、本発明の振動波モータの一実施形態を示した概略図である。図8のように移動体(スライダ)8は突起部51を介して弾性体上に設ける。2つの突起部51は、弾性体の中心を通るXZ平面又はYZ平面に対して対称に配置させることが好ましい。振動子1011が突起部51において移動体(スライダ)8から受ける反力に偏りがなくなるためである。ここで突起部51の先端は移動体(スライダ)8が加圧接触されていることが好ましい。そうすることにより、移動体(スライダ)8は突起部51の楕円運動によって矢印方向に移動することが可能になる。ここでは、振動波駆動装置を固定して移動体を移動させる構成を説明したが、移動体を固定して振動波駆動装置を移動させる構成でも良い。
本発明の光学機器は、前述した振動波モータと、前記振動波モータによって移動可能に設けられた光学部材を有することを特徴とする。光学部材と移動体とは力学的に接続されている。本発明において「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す。前述した振動波モータと、移動体と光学部材とを力学的に接続することにより、光学部材を精度よく移動させることができる。
弾性体の製造方法は特に限定されないが、弾性体(例えばSUS420J2)の矩形状の板を用意して、切削、研磨、レーザー加工などにより所望の形状に加工すればよい。
本発明の振動子の製造方法は特に限定されないが、以下に代表的な製造方法を説明する。
振動子に用いる圧電素子は、一片の直方体状の圧電セラミックスに複数の電極を設けることによって得られる。ここで、一片の直方体状の圧電セラミックスは、例えば、所望の金属元素を有する原料粉末を焼成して、その焼結体を所望の形状に加工することによって得られる。また、複数の電極は、例えば、スパッタリングや金属ペーストを塗布、乾燥または焼き付けることによって設けることができる。低コストかつ十分な導電性を有するという観点においては、銀ペーストが好ましい。
本発明の振動波駆動装置の製造方法は、特に限定されないが、図8のように移動体(スライダ)8は突起部51を介して弾性体上に設けられる。2つの突起部51は、弾性体の中心を通るXZ平面又はYZ平面に対して対称に配置させることが好ましい。振動子1011が突起部51において移動体(スライダ)8から受ける反力に偏りがなくなるためである。ここで突起部51の先端は移動体(スライダ)8が加圧接触されていることが好ましい。そうすることにより、移動体(スライダ)8は突起部51の楕円軌道の振動によって矢印方向に移動することができる。
まず、金属酸化物粉末を焼成して圧電セラミックスを得た。圧電セラミックスの組成を蛍光X線分析(XRF)で測定したところ、100重量部の(Ba0.86Ca0.14)0.989(Ti0.93Zr0.07)O3に対してMnが金属換算で0.16重量部含まれており、Biが金属換算で0.28重量部含まれていた。また、鉛の含有量は200ppm未満であった。続いて、圧電セラミックスの結晶構造をX線回折測定(XRD)で解析したところ、ペロブスカイト構造であることが分かった。すなわち圧電セラミックスは、非鉛系のペロブスカイト型金属酸化物を含有していた。また、アルキメデス法を用いて密度を測定したところ、5.7×103kg/m3であった。
圧電セラミックスの形状を、表1に示す厚さtc、短辺の長さ、長辺Icに研削及び研磨、加工した点以外は、実施例1と同様の工程で振動子F〜Mを得た。
実施例10においては、原料粉としてニオブ酸ナトリウム、チタン酸バリウム、四酸化三マンガンを用いて、Na、Ba、Nb、Ti、Mnが(Na0.88Ba0.12)(Nb0.88Ti0.12)O3に対してMnが0.032重量部の組成になるように混合し、1150℃の最高温度で5時間焼成した。
実施例11においては、実施例1とは異なる組成の金属酸化物粉末を焼成して圧電セラミックスを得た。圧電セラミックスの組成を蛍光X線分析(XRF)で測定したところ、100重量部の(Ba0.90Ca0.10)TiO3に対してMnが金属換算で0.12重量部含まれており、鉛の含有量は200ppm未満であった。続いて、圧電セラミックスの結晶構造をX線回折測定(XRD)で解析したところ、ペロブスカイト構造であることが分かった。すなわち圧電セラミックスは、チタン酸バリウム置換体よりなるペロブスカイト型金属酸化物を含有していた。また、アルキメデス法を用いて密度を測定したところ、5.6×103kg/m3であった。
次に、本発明との比較のために、以下の手順によって、圧電セラミックスを作製した。
比較例2においては、圧電セラミックスの形状を、厚さ0.4mm、長辺8.8mmに研削及び研磨、加工した点以外は、比較例1と同様の工程で振動子Qを得た。
また、V1とV2の位相差を0°としたときの振動モードAの2本の節線と、V1とV2の位相差を180°としたときの振動モードBの3本の節線を重ねてみると、交差していた。
次に、実施例1から11で作製した振動子Eから振動子Oの弾性体を移動体(スライダ)に接するように設け、図8のような振動波モータを作製した。
比較例1、2で作製した振動子P、Qを用いて、同様の工程で図8のような振動波モータを作製、駆動、評価した。そのときに、最高速度と消費電力を評価した結果を表2に示す。
(実施例12および比較例3)
実施例1で作製した振動波駆動装置を光学部材と力学的に接続し、図9のような光学機器を作製した。また、比較例1で作製した振動波駆動装置を光学部材と力学的に接続し、図9のような光学機器を作製した。どちらの光学機器も交番電圧の印加に応じたオートフォーカス動作を確認できたが、実施例12のフォーカス動作は比較例3のフォーカス動作に比べて、フォーカス時間が短かった。
電子部品とともに前述した振動子を搭載したところ、良好な振動特性が得られた。
また、電子部品とともに振動波駆動装置を搭載したところ、この電子機器は良好な駆動特性を示した。
2 第二の電極
3 圧電セラミックス
5 振動板
6 支持部
Claims (13)
- 直方体状の圧電セラミックスと電極を備えた圧電素子と、
弾性体を有し、
前記圧電セラミックスに含まれるPb成分が1000ppm未満であり、
前記弾性体に生じる、互いに交差しない2本の節線を生じる前記振動モードAの節線と、互いに交差しない3本の節線を生じる前記振動モードBの節線は、交差するよう構成されており、前記振動モードAの共振周波数fAと、
前記振動モードBの共振周波数fBとが、|fB−fA|>2(kHz)であることを特徴とする振動子。 - 前記圧電セラミックスの室温におけるヤング率が100GPa以上145GPa以下である請求項1に記載の振動子。
- 前記弾性体は振動板と支持部を備えており、前記圧電セラミックスの長辺lCが前記振動板の長辺lPの92%から96%の範囲である請求項1または2に記載の振動子。
- 前記圧電セラミックスの厚さtCと前記lCが、0.250(mm)≦tC≦−0.25×lC+2.475(mm)の関係を満たす請求項1乃至3のいずれか一項に記載の振動子。
- 前記圧電セラミックスは、チタン酸バリウム系、チタン酸ビスマスナトリウム系、ニオブ酸系、鉄酸ビスマス系を主成分としてあるいは複合して含有する圧電セラミックスである請求項1乃至4のいずれか一項に記載の振動子。
- 前記圧電セラミックスは、Ba,CaおよびTiを含有する酸化物を主成分とし、
Ba,Caのモル数の和に対するCaのモル比であるxが0.02≦x≦0.30である請求項1乃至5のいずれか一項に記載の振動子。 - 前記圧電セラミックスはBa,Ti、およびZrを含み、
Ti、Zrのモル数の和に対するZrのモル比であるzが、0.01≦y≦0.095であり、請求項1乃至6のいずれか一項に記載の振動子。 - 前記圧電セラミックスが下記一般式(1)で表わされるペロブスカイト型酸化物を主成分とし、かつ該圧電セラミックスに含まれる主成分以外の成分の含有量が前記酸化物100重量部に対して金属換算で1重量部以下である請求項1乃至7のいずれか一項に記載の振動子。
(Ba1−xCax)α(Ti1−yZry)O3 (1)
0.986≦α≦1.100、0.02≦x≦0.30、0≦y≦0.095 - 前記振動板と支持部とは一体に形成されている請求項1乃至8のいずれか一項に記載の振動子。
- 請求項1乃至9のいずれか一項に記載の振動子と、給電部材を有することを特徴とする振動波駆動装置。
- 請求項10に記載の振動波駆動装置と、前記振動波駆動装置を構成する振動子における弾性体に接して設けられた移動体を備えた振動波モータ。
- 振動波モータと、前記振動波モータによって移動可能に設けられた光学部材を有する光学機器。
- 電子部品と請求項1乃至9に記載の振動子、あるいは請求項10に記載の振動波駆動装置を備えた電子機器。
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