JP2021191197A - 振動体および振動波モータ - Google Patents

Abstract

【課題】駆動性能の向上を図ること。【解決手段】振動体１０は、ニオブ酸ナトリウム・カリウム金属酸化物からなる圧電セラミックスで、−４０℃から１７０℃の温度範囲で比誘電率の温度特性が絶対値で５００［ｐｐｍ／℃］以下である電気機械変換素子１１を有し、電気機械変換素子の励振により振動波が生じる。振動波モータ１は、この振動体と、振動体の駆動面１２ａに加圧接触される摺動面を有し、振動波によって相対運動される相対運動部材２０と、を有する。【選択図】図１

Description

振動体および振動波モータに関する。

振動波モータは、下記特許文献１のように、圧電体の伸縮を利用して弾性体の駆動面に進行性振動波（以降、進行波と略する）を発生させ、この進行波によって駆動面には楕円運動が生じ、楕円運動の波頭に加圧接触した移動子は駆動される。しかしながら、特許文献１では、圧電体の材料に起因する駆動性能の低下については考慮されていない。

特公平１−１７３５４号公報

第１開示技術の振動体は、ニオブ酸ナトリウム・カリウム金属酸化物からなる圧電セラミックスで、−４０℃から１７０℃の温度範囲で比誘電率の温度特性が絶対値で５００［ｐｐｍ／℃］以下である電気機械変換素子を有し、前記電気機械変換素子の励振により振動波が生じる。

第２開示技術の振動体は、ニオブ酸ナトリウム・カリウム金属酸化物からなる圧電セラミックスで、０℃から６０℃の温度範囲で比誘電率の温度特性が絶対値で３９０［ｐｐｍ／℃］以下である電気機械変換素子を有し、前記電気機械変換素子の励振により振動波が生じる。

第３開示技術の振動波モータは、第１開示技術または第２開示技術の振動体と、前記振動体の駆動面に加圧接触される摺動面を有し、前記振動波によって相対運動される相対運動部材と、を有する。

図１は、実施形態１にかかる振動波モータを示す断面図である。 図２は、振動体および移動子の一部を切り欠いた斜視図である。 図３は、実施形態１にかかる振動波モータの駆動装置を示すブロック図である。 図４は、実施形態１にかかる圧電体を示す説明図である。 図５は、実施形態１にかかる振動体を示す説明図である。 図６は、材料α〜γの各々における化学式（１）の定数（Ａ〜Ｅ）と、電気機械結合係数、比誘電率、圧電定数、比誘電率の温度特性（−４０〜１７０℃、０〜６０℃）を示す表である。 図７は、比誘電率の温度特性図である。 図８Ａは、実施形態１にかかる圧電体の材料α，βの静電容量の温度特性を示すグラフである。 図８Ｂは、実施形態１にかかる圧電体の材料γの静電容量の温度特性を示すグラフである。 図９Ａは、材料α，βを用いた場合の振動体の静電容量の温度特性を示すグラフである。 図９Ｂは、材料γを用いた場合の振動体の静電容量の温度特性を示すグラフである。 図１０は、実施形態１にかかる振動波モータとＰＺＴ搭載品の振動波モータとについて、各温度の消費電流を測定したグラフである。 図１１は、振動波モータの振動体の等価回路を示す説明図である。 図１２は、実施形態１にかかる振動波モータの駆動可能な駆動信号の最低電圧を示す表である。 図１３は、振動波モータを搭載したレンズ鏡筒を示す断面図である。 図１４は、実施形態２にかかる円環型の振動波モータをレンズ鏡筒に搭載したレンズ鏡筒を示す断面図である。 図１５は、実施形態３にかかる振動体を示す説明図である。 図１６は、実施形態３にかかる振動体の駆動原理を示す説明図である。 図１７は、実施形態４にかかる防塵装置の一例を示す説明図である。 図１８は、振動波モータ用として製作した圧電体の材料であるＰＺＴ（富士セラミックス製）の静電容量の温度特性例を示すグラフである。 図１９は、図１８のＰＺＴを圧電体材料とした場合の振動波モータの振動体の静電容量の温度特性例を示すグラフである。 図２０は、ＰＺＴ搭載品の振動波モータについて、各温度時の入力される電流を測定したグラフである。

振動波モータは、圧電体の伸縮を利用して弾性体の駆動面に進行波を発生させ、この進行波によって駆動面には楕円運動が生じ、楕円運動の波頭に加圧接触した移動子は駆動される。振動波モ−タは、低回転でも高トルクを有すると行った特徴があり、駆動装置に搭載した場合に、駆動装置のギアを省略することができる。したがって、ギア騒音をなくすことで静寂化を達成したり、位置決め精度が向上したりできる。

このような振動波モータの振動体は、一般的には、電気機械変換素子（以降、圧電体と称する）と、弾性体とから構成される。圧電体は、一般的には通称ＰＺＴと呼ばれるチタン酸ジルコン酸鉛といった材料から構成されている。

図１８は、振動波モータ用として製作した圧電体の材料であるＰＺＴ（富士セラミックス製）の静電容量の温度特性例を示すグラフである。温度に対して約４．４［ｐＦ／℃］（≒２７５０［ｐｐｍ／℃］）程度の傾斜を持っていることがわかる。

図１９は、図１８のＰＺＴを圧電体材料とした場合の振動波モータの振動体の静電容量の温度特性の例を示すグラフである。温度に対して約６．２［ｐＦ／℃］（≒４４３０［ｐｐｍ／℃］）程度の傾斜を持っていることがわかる。この傾斜は、たとえば、低温になるほど圧電体の静電容量が下がり、高温になるほど圧電体の静電容量が増加することを示している。

図２０は、ＰＺＴ搭載品の振動波モータについて、各温度時の入力される電流を測定したグラフである。各測定とも駆動電圧は７０［Ｖｒｍｓ］と設定して、所定の回転速度にて駆動した時の振動波モータへ入力される電流を測定した。常温時の電流に対して、低温になるほど入力電流は低下するが、高温になるほど入力電流は増加する現象がみられる。この現象は、図１９に示した振動体の静電容量の値の温度特性と一致する。

低温になるほど振動体の静電容量が低下するためインピーダンスが上がる故に入力電流は低下するが、高温になるほど振動体の静電容量が増加するためにインピーダンスが下がってしまい、入力電流がその分増加してしまう。したがって、高温になるほど振動体の静電容量が増加するため、振動波モータは効率的な駆動ができない。

振動波モータは、駆動装置から供給される駆動信号により駆動力が生じ、ある駆動信号の条件、たとえば、適正電圧値の時に所望の駆動性能が得られるが、その駆動信号の電圧は、圧電体の静電容量により変化する。

圧電モータを駆動する駆動回路のインピーダンスと圧電モータのインピーダンスとの整合（マッチング）をとるための整合回路を備えた駆動装置もある。図１８に示したように、ＰＺＴは大きな温度特性を持つため、このような駆動装置において常温時で適正電圧に調整しても、低温時の駆動電圧および高温時の駆動電圧が大きく異なってしまう。したがって、振動波モータの駆動性能（駆動効率や駆動力）を十分に発揮できない。

本実施形態では、環境問題に対応すべく、圧電体に鉛フリーの材料を適用することにより、振動波モータの駆動性能の向上を図る。以下、本実施形態の振動体および振動波モータを、実施形態１〜実施形態４で説明する。

［実施形態１］
＜振動波モータ＞
図１は、実施形態１にかかる振動波モータを示す断面図である。図２は、振動体１０および移動子２０の一部を切り欠いた斜視図である。実施形態１では、振動体１０側を固定とし、相対運動部材の一例である移動子２０を駆動するように構成される。移動子２０は、アルミニウム等の軽金属により構成される。移動子２０の摺動面２０ａには耐摩耗性向上のための表面処理が成されている。

振動体１０は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換する圧電素子や電歪素子等を例とした電気機械変換素子（以下、圧電体と称する）１１と、圧電体１１が接合された弾性体１２と、から構成され、振動体１０には進行性振動波が発生する。

弾性体１２は、共振先鋭度が大きな金属材料から成り、形状は円環形状である。弾性体１２の一面（接合面１２ｆ）には圧電体１１が接合され、その接合面１２ｆと反対側には、溝１２ｂが切られている。そして、突起部分（溝１２ｂがない箇所）１２ｃの先端は駆動面１２ａとなって移動子２０の摺動面２０ａに加圧接触される。駆動面１２ａには潤滑性の表面処理がなされている。

弾性体１２の溝１２ｂが切られていない部分はベース部１２ｄであり、ベース部１２ｄから内径側にフランジ１２ｅが伸延されている。フランジ１２ｅの最内径部は、固定部材１３に固定されている。弾性体１２の突起部分１２ｃには、全体を覆うようにして塗装膜や潤滑メッキ等の摺動部材が施されている。

圧電体１１は、後に詳述するが、鉛フリーの材料である主成分ニオブ酸ナトリウムカリウムの材料から構成されている。圧電体１１の弾性体１２との接合面１２ｆの反対側の面（反接合面）には、駆動信号を伝達するためにフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）１４が接合されていて、回路基板に伸びている。反接合面には、電極が配置され、それは円周方向に沿って２つの相（Ａ相、Ｂ相）に分かれた２群構造となっている。各相においては、１／２波長毎に交互に分極され、Ａ相とＢ相との間には１／４波長分間隔があくように電極が配置されている。

出力軸２１は、ゴム部材２２と出力軸２１のＤカットにはまるように挿入されたストッパー部材２３を介して移動子２０に結合されている。そして、出力軸２１とストッパー部材２３はＥクリップ２４により固定され、移動子２０と一体に回転するようにされている。

ストッパー部材２３と移動子２０との間のゴム部材２２は、ゴムによる粘着性で移動子２０とストッパー部材２３と結合する機能があり、かつ、移動子２０からの振動を出力軸２１へ伝えないための振動吸収との機能があるブチルゴム等が好適である。加圧部材２５は、出力軸２１の出力ギア４１とベアリング２７との間に設けられている。このような構造により、移動子２０は弾性体１２の駆動面１２ａに加圧接触する。

＜振動波モータの駆動装置＞
図３は、実施形態１にかかる振動波モータ１の駆動装置３００を示すブロック図である。駆動装置３００は、制御部３０１と、発振部３０２と、移相部３０３と、増幅部３０４と、振動波モータ１と、検出部３０５と、を有する。制御部３０１は、レンズ鏡筒１１０（図１３を参照）内またはカメラ本体のＣＰＵ３１０と電気的に接続される。

制御部３０１は、レンズ鏡筒１１０内またはカメラ本体のＣＰＵ３１０からの駆動指令を基に振動波モータ１の駆動を制御する。制御部３０１は、検出部３０５からの検出信号を受け、その値を基に、位置情報と速度情報とを得て、目標位置に位置決めされるように発振部３０２の周波数を制御する。

発振部３０２は、制御部３０１の指令により所望の周波数の駆動信号を発生する。移相部３０３は、発振部３０２で発生した駆動信号を位相の異なる２つの駆動信号に分ける。増幅部３０４は、移相部３０３によって分けられた２つの駆動信号をそれぞれ所望の電圧に昇圧する。増幅部３０４からの駆動信号は、振動波モータ１に伝達され、この駆動信号の印加により振動体１０に進行波が発生し、移動子２０が駆動される。

検出部３０５は、光学式エンコーダや磁気エンコーダ等により構成され、移動子２０の駆動によって駆動された駆動物の位置や速度を検出し、検出値を電気信号として制御部３０１に伝達する。

次に、振動波モータ１の動作を説明する。制御部３０１から駆動指令が発令されると、発振部３０２は駆動信号を発生させる。その駆動信号は移相部３０３により９０度位相の異なる２つの駆動信号に分割され、増幅部３０４により所望の電圧に増幅される。増幅された駆動信号は、振動波モータ１の圧電体１１に印加され、圧電体１１は励振（振動）される。その圧電体１１の励振によって、弾性体１２には４次の曲げ振動が発生する。圧電体１１はＡ相とＢ相とに分けられており、駆動信号はそれぞれＡ相とＢ相に印加される。

Ａ相から発生する４次曲げ振動とＢ相から発生する４次曲げ振動とは位置的な位相が１／４波長ずれるようになっている。また、Ａ相駆動信号とＢ相駆動信号とは９０度位相がずれているため、２つの曲げ振動は合成され、４波の進行波となる。

進行波の波頭には楕円運動が生じる。したがって、駆動面１２ａに加圧接触された移動子２０は、この楕円運動によって摩擦的に駆動される。移動子２０の駆動により駆動された駆動体には、検出部３０５としての光学式エンコーダが配置されていて、光学式エンコーダから電気パルスが発生し、制御部３０１に伝達される。制御部３０１は、この電気パルスの信号を基に、現在の位置と現在の速度を得ることが可能となる。

＜圧電体１１＞
図４は、実施形態１にかかる圧電体１１を示す説明図である。図４の（ａ）は、圧電体１１の表面１１Ａを示した図であり、図４の（ｂ）は、圧電体１１の裏面１１Ｂを示した図である。図５は、実施形態１にかかる振動体１０を示す説明図である。図５の（ａ）は、振動体１０の側面を示した図であり、図５の（ｂ）は、圧電体１１の表面１１Ａ側から見た振動体１０を示した図である。

表面１１Ａにおいて、電極１６は円周方向に沿って２つの相（Ａ相、Ｂ相）に分かれている。各相においては、１／２波長毎に交互に分極され、Ａ相とＢ相との間には１／４波長分間隔が空くように、銀ペーストにより電極１６が圧電体１１の素地１８に印刷されている。電極１６は、ＮｉＰや金等の金属メッキでもよい。圧電体１１の素地１８は、主成分をニオブ酸ナトリウムカリウムである鉛フリー材料から構成されている。

裏面１１Ｂは、電極１６のような電極パターンではない電極１９が銀ペーストにより印刷され、外周側と内周側とに圧電体１１の素地１８が見えた形状となっている。電極１９は、ＮｉＰや金等の金属メッキでもよい。裏面１１Ｂは、常温硬化性の接着剤により弾性体１２と接合する。

また、表面１１Ａには、駆動装置３００からの駆動信号を伝達するためにＦＰＣ１４が接合されていて、駆動装置３００に接続される。ＦＰＣ１４のＧＮＤ線は、１／４波長の電極１６に接合されているが、１／４波長の電極１６と弾性体１２の金属部とは不図示の導電塗料を用いて跨ぐように接合されていて、弾性体１２の金属部に接地されるようになっている。

ここで、圧電体１１の材料について説明する。圧電体１１の材料は、ニオブ酸ナトリウム・カリウム金属酸化物からなる圧電セラミックスで、たとえば、下記の材料および製造方法が使用される。圧電体１１の材料は、以下の化学式（１）の通りである。

_{（１−Ｃ−Ｅ）}（Ｌｉ_Ａ（Ｎａ_ＢＫ_{（１−Ｂ）}）_{（１―Ａ）}ＮｂＯ_３＋_ＣＢａ（Ｚｒ_ＤＴｉ_{（１―Ｄ）}）Ｏ_３＋_ＥＢｉＦｅＯ_３
ただし、
０＜Ａ＜０.２、０.４≦Ｂ≦０.６、０＜Ｃ≦０.１、０＜Ｄ＜１.００、０＜Ｅ＜０.０２
・・・（１）

この圧電体１１の材料においては、比誘電率の温度特性が極めて小さい。具体的には、−４０℃から１７０℃の範囲で比誘電率の変化率が絶対値で５００［ｐｐｍ／℃］以下、すなわち−５００〜＋５００［ｐｐｍ／℃］の範囲となっている。そのため圧電体１１の静電容量の温度特性が極めて小さくできる。

原料に炭酸ナトリウムと炭酸カリウムを使用すると、混合時と粉砕時のスラリーのｐＨが強アルカリ性になる。このため、本実施形態では、原料に、水熱合成法で作製したナノサイズの粒径のニオブ酸ナトリウムとニオブ酸カリウムを使用する。これにより、ｐＨを弱アルカリにすることが可能になる。

また、ニオブ酸ナトリウムとニオブ酸カリウムのナトリウムとニオブおよびカリウムとニオブの組成比（ｘ）が１．００≦ｘ≦１．０１の範囲のものを使用してもよい。以下に示す製造方法では、（ｘ）が１．００の場合と１．０１の場合との違いを確認すべく、（ｘ）の範囲を変化させた。

以下、製造方法について具体的に説明する。ニオブ系非鉛圧電セラミック材料の組成として、化学式_{（１−Ｃ−Ｅ）}（Ｌｉ_Ａ（Ｎａ_ＢＫ_{（１−Ｂ）}）_{（１−Ａ）}ＮｂＯ_３を基準にして、ＡおよびＢを下記の範囲でそれぞれ変化させ実施した。

０．０５５≦Ａ≦０．１
０.４≦Ｂ≦０．６

これに、チタン酸ジルコン酸バリウムおよびビスマスフェライトを添加した組成とした。

_{（１−Ｃ−Ｅ）}（Ｌｉ_Ａ（Ｎａ_ＢＫ_{（１−Ｂ）}）_{（１−Ａ）}ＮｂＯ_３＋_ＣＢa（Ｚｒ_ＤＴ_{ｉ（１−Ｄ）}）Ｏ_３＋_ＥＢ_ｉＦ_ｅＯ_３
（０．０５５≦Ａ≦０．１、０．４≦Ｂ≦０．６、０．０５≦Ｃ≦０．１、
０．１７≦Ｄ≦０．８３、０．００５≦Ｅ≦０．０１）

本実施形態の配合方法は、炭酸リチウムを０．０５５ｍｏｌから０．１ｍｏｌ、炭酸バリウムを０．０５ｍｏｌから０．１ｍｏｌ、酸化ジルコニウムを０．０５ｍｏｌから０．１ｍｏｌ、酸化チタンを０．０５ｍｏｌから０．１ｍｏｌ、酸化ビスマスを０．００５ｍｏｌから０．０１ｍｏｌおよび酸化鉄を０．００５ｍｏｌから０．０１ｍｏｌの割合で配合した。

また、代表例として全体の配合量が１００ｇスケールになるように配合した図６の材料αの組成の配合量およびその作製方法を説明する。

図６は、材料の各々における化学式（１）の定数（Ａ〜Ｅ）と、電気機械結合係数、比誘電率、圧電定数、比誘電率の温度特性（変化率）を示す表である。比誘電率の温度特性については、２つの温度範囲（−４０〜１７０℃、０〜６０℃）について測定した。電気機械結合係数は大きいほど、効率よく電気エネルギーを機械エネルギーに変換される。材料γには、本成分の以外にも０．１ｗｔ％のＣｕが添加されている。これにより、機械的品質係数（図１１で後述）が向上する。

図６の材料αの組成の配合量およびその作製方法では、炭酸リチウムを０．０５７ｍｏｌ、炭酸バリウムを０．０５ｍｏｌ、酸化ジルコニウムを０．０４１５ｍｏｌ、酸化チタンを０．００８５ｍｏｌ、酸化ビスマスを０．００５ｍｏｌ、酸化鉄を０．００５ｍｏｌの割合で配合し、ボールミルにより３００ｍｌの水中で２４時間混合粉砕し、一次混合粉砕液を作製した。また、図６の材料αの組成の配合量に対し、他のＮｏ．おけるＡ〜Ｅの組成の配合量はそれぞれ、材料αに対する相違する比率案分で決定される。

その一次混合粉砕液に１５０℃〜３００℃で１〜１２時間ソルボサーマル反応させた水熱合成法で作製したニオブ酸ナトリウムを０．４４４ｍｏｌとニオブ酸カリウムを０．４４４ｍｏｌの割合で配合し、混合物を作製した。その混合物を室温下で再度ボールミルにより３００ｍｌの水中で２４時間混合粉砕して二次混合粉砕液を作製した。その後、その二次混合粉砕液はｐＨ１０以下のｐＨ８．９〜ｐＨ９．８の弱アルカリを示した状態で、８５℃で４８時間乾燥し、乾燥物を作製した。

ついで、この乾燥物７００℃から８００℃の範囲で２回仮焼結を実施した。１回目の仮焼結は電気炉を用いて８００℃で２時間行い、その後、その仮焼粉をボールミルにより３００ｍｌ水中にて２４時間粉砕させ、恒温槽を用いて８５℃で４８時間乾燥し、一次仮焼粉砕乾燥粉を作製した後に再度、仮焼結を実施した。

２回目の仮焼結温度範囲は、一度目の仮焼結と同一の温度条件の８００℃、時間は２時間で行った。但し、一度目の仮焼結と二度目の仮焼結は、焼成温度が異なる条件で実施しても良い。焼結雰囲気の条件として、本実施形態では大気雰囲気中で行ったが、大気以外の雰囲気として実施も可能である。たとえば、酸素雰囲気中により製造できる。

仮焼粉の粉砕方法については、ボールミル、ビーズミルなどの方法で、二次仮焼粉砕乾燥粉の粒径が１μｍ以下になるように、２回目の仮焼粉をボールミルにより３００ｍｌの水中にて２４時間粉砕させ、恒温槽を用いて８５℃で４８時間乾燥し、二次仮焼粉砕乾燥粉を作製した。

その後、二次仮焼粉砕乾燥粉と１０ｗｔ％のバインダーを混合し、＃４０メッシュの篩を通過させ、恒温槽を用いて１１０℃で１時間乾燥し、顆粒状の整粒粉を作製した。

整粒後に、φ１５ｍｍの金型に整粒粉を投入し、油圧プレス機（２００ｔｏｎプレス）を用いて圧力を加えて成型密度（ρ）が約２．３ｇ／ｃｍ^３から２．６ｇ／ｃｍ^３で成型体の厚みが１．５ｍｍになるように成型した。圧力を加える時間は１から１０秒とした。なお、成型密度（ρ）が約２．３から２．６ｇ／ｃｍ^３で成型は、上限２．６ｇ／ｃｍ^３、下限２．３ｇ／ｃｍ^３のなかで、変化させ実施した。その結果は、２．５ｇ／ｃｍ^３が最適であった。

成型した後、電気炉を用いて温度範囲が７００℃から８００℃で脱脂を行うが、実施形態では７００℃で４時間保持し、その後、焼成温度範囲１１００℃から１２５０℃で焼成することがよい。実施形態では１２００℃で実施した。焼成時の雰囲気は大気等で実施した。

焼成後、焼成体をＴ＝０．５ｍｍの厚さまで研磨機（６ＢＮ、ＨＡＭＡＩ、＃８００番手研磨剤）を用いて加工し、その後、加工した素子の表面に銀ペースト（ＳＲ−２０９９、ナミックス株式会社製）をスクリーン印刷法で塗布し、電気炉を用いて８００℃で銀電極を設ける。その銀電極付きの素子を５０℃の絶縁オイル（シリコンオイル）中で４．０ｋＶ／ｍｍの電圧を１０分間印加して分極してニオブ系非鉛圧電セラミックスを製造した。

また、ニオブ系非鉛圧電セラミック材料の測定方法は、分極処理後に２４時間放置し、インピーダンスアナライザー（Ａｇｉｌｅｎｔ社製 装置４２９４Ａ）を用いて共振−反共振法により測定した。また、等価圧電定数の測定にはｄ_３３メータ（ＺＪ−４３、中国科学院声字研究所）を用いて測定した。

本実施形態のニオブ系非鉛圧電セラミックスはこの製造方法で得られた。得られたニオブ系非鉛圧電セラミックスを下記の方法により、電気機械結合係数、比誘電率、圧電定数、比誘電率の温度特性、キュリー点の温度特性を測定した。

＜測定装置、測定方法＞
本実施形態の製造方法で作製したニオブ系非鉛圧電セラミック材料の比誘電率の温度特性の測定方法について説明する。

ここで得られた直径φ１０×Ｔ０．５ｍｍの形状の圧電体１１について、２４時間放置した後、小型超低温恒温器（ＭＣ−８１１，ｅｓｐｅｃ）を使用して、−４０℃から１７０℃までと、１７０℃から−４０℃までの１０℃ごとにインピーダンスアナライザー（Ａｇｉｌｅｎｔ社製 装置４２９４Ａ）を用いて、周波数１ｋＨｚ、電圧０．５Ｖの時の静電容量を測定して比誘電率を算出した。その結果を図７に示す。

図７は、比誘電率の温度特性図である。図７では、その測定を−４０℃から１７０℃の温度範囲に昇温、逆に１７０℃から−４０℃へと降温させたときの比誘電率の変化を示した。本実施形態では比誘電率の値が、−４０℃の低温側から測定した昇温時と、１７０℃の高温側から測定した降温時の値の差が最大３８と小さく、かつ、相転移前後の比誘電率のヒステリシス値が３２から３８の範囲内であった。

一般的に、水晶のような材料では、−４０℃から１７０℃の温度範囲で比誘電率が殆ど変化しないことが知られている。本実施形態にあっても、図７から見られるようにこの範囲内で十分な実用性を持つ素材が提供できたことが認められる。

＜圧電体１１の静電容量の温度特性＞
図８Ａは、実施形態１にかかる圧電体１１の材料α，βの静電容量の温度特性を示すグラフである。図８Ｂは、実施形態１にかかる圧電体１１の材料γの静電容量の温度特性を示すグラフである。図８Ａおよび図８Ｂでは、たとえば、−２０℃より大きく０℃以下を低温範囲、０℃より大きく２５℃以下を常温範囲、２５℃より大きく６０℃以下を高温範囲とする。低温時から高温時までの材料α，β，γの静電容量の変化は、６０℃を基準とした場合に、材料αについては、０℃では約２％、−２０℃でも約１０％の変動となっている。材料βについては、０℃では約４％、−２０℃時でも約１１％の変動となっている。材料γについては、０℃では約１％、−２０℃時でも約５％の変動となっている。

＜振動体１０の静電容量の温度特性＞
図９Ａは、材料α，βを用いた場合の振動体１０の静電容量の温度特性を示すグラフである。図９Ｂは、材料γを用いた場合の実施形態１にかかる振動体１０の静電容量の温度特性を示すグラフである。低温時から高温時までの振動体１０の静電容量の変化は、６０℃を基準とした場合に、材料αについては、０℃では約８％、−２０℃でも約１８％の変動となっている。材料βについては、０℃では約１０％、−２０℃時でも約２０％。材料γについては、０℃では約６％、−２０℃時でも約１６％の変動となっている。これは、ＰＺＴ搭載時の変化割合である０℃時で２５％、−２０℃時で３１〜３３％よりもかなり小さくなっている。

＜消費電流測定＞
図１０は、実施形態１にかかる振動波モータ１とＰＺＴ搭載品の振動波モータとについて、各温度の消費電流を測定したグラフである。各測定とも駆動電圧は７０［Ｖｒｍｓ］と設定して、所定の回転速度にて駆動した時の振動波モータへ入力される電流を測定した。材料α，β，γを搭載した振動波モータ１は、入力される電流の温度特性がほとんどないことが分かる。図１９に示したＰＺＴ搭載品の入力電流の温度特性と比較すると、特に高温時にはＰＺＴ搭載品よりも効率的に駆動できていることがわかる。この現象は、前記したように振動体１０の静電容量の温度特性に起因している。この現象について図１１を用いて説明する。

図１１は、振動波モータ１の振動体１０の等価回路を示す説明図である。振動体１０の等価回路１１００は、圧電体１１の静電容量Ｃと、等価インダクタンスＬと、等価容量Ｃと、共振抵抗Ｒと、から構成される。振動体１０の電流Ｉａは、圧電体１１の静電容量Ｃ成分への電流Ｉｂ（下記式（２））とＬＣＲ直列側への電流Ｉｃ（下記式（３））との和となる。

一般的に、振動波モータは、等価回路９００のインピーダンスが極小になる共振周波数や、等価回路９００のインピーダンスが極大になる反共振周波数よりもやや高周波側に離れた駆動周波数にて駆動する。この駆動周波数の条件においては、電流Ｉｂの分母である１／ωＣｄの値は、電流Ｉｃの分母であるＲ＋（ωＬ−１／ωＣ）値よりも非常に小さい値となるため、振動体１０に入力される電流Ｉａは、ほぼ電流Ｉｂと同じ値になる。すなわち、振動体１０の消費電流は、圧電体１１の静電容量Ｃの値の大小にほぼ依存されることになる。

したがって、振動体１０の静電容量が温度により変化すると、インピーダンスも変化してしまい、入力される電流の変化が生じる。材料α，β，γの搭載品は、高温になっても静電容量の増加がほとんどないため、入力される電流の増加もほとんどない。

また、一般的な振動波モータは、駆動装置のインピーダンスと振動波モータのインピーダンスとの整合（マッチング）をとるように設計されている。それ故に圧電体１１の静電容量Ｃｄの値が変わってしまうと、駆動信号の電圧（駆動電圧Ｅ）が変わってしまう。そのため、圧電体１１の静電容量Ｃｄが環境温度により変動すると、駆動信号の電圧も変動することになる。

ＰＺＴを搭載した振動波モータは、常温時で適正電圧に調整しても低温時の駆動電圧および、高温時の駆動電圧が大きく異なってしまう。具体的には、常温時の電圧に対して、低温時は大きくなり、高温時は小さくなる現象が生じる。低温時には本来必要な駆動電圧よりも大きく設定されてしまい、電圧が高い故に駆動回路自体の駆動効率が損なわれていた。実施形態１にかかる振動波モータ１は、ＰＺＴ搭載品に比べて低温時と高温時の静電容量の変化が少ないため、駆動電圧の変動をかなり少なくすることができ、駆動装置３００自体の駆動効率が改善される。

下記式（４）のＱは、機械的品質係数である。等価インダクタンスＬや等価容量Ｃの値は、振動体１０の共振特性に影響する。機械的品質係数Ｑは、共振特性を示す尺度で、機械的品質係数Ｑの値が大きいほど共振特性が良いことを示す。機械的品質係数Ｑは、Ｌｍ値が大きいほど大きくなる。図６に示した材料γは材料βに比べて、機械的品質係数Ｑが大きくなり、共振特性が向上する。

また、実施形態１にかかる振動波モータ１は、駆動可能電圧の温度特性が小さいことも分かった。

図１２は、実施形態１にかかる振動波モータ１の駆動可能な駆動信号の最低電圧（以下、駆動可能電圧と称す。）を示す表である。駆動可能電圧の値よりも低い駆動電圧Ｅでは振動波モータ１は駆動できない。材料α，β，γとも、静電容量がほとんど変わらない温度０〜５０℃の範囲では、駆動可能電圧はほとんど変わっていないことがわかる。−２０℃ではやや駆動可能電圧が大きくなっているが、ＰＺＴ搭載した場合よりも変動量はかなり小さい。

本発明者の実験で、駆動可能電圧は振動体１０の静電容量と相関があることが分かっている。その理由を説明する。振動体１０の電気機械結合係数Ｋｖｎは、振動体１０に蓄えられる電気的エネルギーＵｉから振動の歪エネルギーである機械エネルギーＵｔへの変換される量として下記式（５）で示される。

Ｋｖｎ＝（Ｕｔ／Ｕｉ）^0.5・・・（５）

振動体１０に蓄えられる電気的エネルギーＵｉは、ほとんどが圧電体１１に蓄えられることになる。一方、圧電体１１に蓄えられるエネルギーＰｆは下記式（６）に示した通りとなる。

Ｐｆ＝Ｅ×ω×Ｃｄｖ・・・（６）

Ｅは駆動電圧、ωは角振動数、Ｃｄｖは振動体１０の静電容量である。振動波モータ１が駆動可能となる状態は、ある閾値以上の歪エネルギーとなった状態と考えられる。電気機械結合係数Ｋｖｎとωを一定値とすると、ある閾値の歪エネルギーは振動体１０の静電容量Ｃｄｖの値と印加する電圧値に依存することになる。しかし、ＰＺＴ搭載品は振動体１０の静電容量Ｃｄｖが温度により変動してしまうため、それに伴い駆動可能電圧が変化してしまうと考えられる。

一定電圧の駆動信号で駆動する場合、ＰＺＴ搭載品は駆動可能電圧が大きくなる−２０℃の駆動可能電圧を基準に設定して駆動電圧Ｅが設定される。しかし、常温時や高温時の駆動電圧Ｅと駆動可能電圧との差が大きくなるため、本来必要な電流よりも余計な電流が入力されることになる。一方、実施形態１にかかる振動波モータ１は、駆動可能電圧の温度特性が小さく、各温度での駆動電圧と駆動可能電圧との差があまり変わらないため、各温度にてほぼ必要な電流が入力されるようになる。

＜レンズ鏡筒＞
図１３は、振動波モータ１を搭載したレンズ鏡筒１１０を示す断面図である。レンズ鏡筒１１０は、外側固定筒３１と、内側固定筒３２と、振動波モータ１と、を有する。外側固定筒３１は、たとえば、円筒形状であり、レンズ鏡筒１１０の外周部を覆う。外側固定筒３１は、その内周面から光軸ＯＡに向かって突出する突出片３１ａを有する。突出片３１ａは、内側固定筒３２を支持する。内側固定筒３２は、たとえば、円筒形状であり、外側固定筒３１よりも内周側に設けられる。振動波モータ１は、外側固定筒３１と内側固定筒３２との間に設けられる。

内側固定筒３２には、被写体側から第１レンズ群Ｌ１、第２レンズ群Ｌ２、第３レンズ群Ｌ３、第４レンズ群Ｌ４が同一の光軸ＯＡ上に配置されている。第３レンズ群Ｌ３は、円環状のＡＦ（Ａｕｔｏ Ｆｏｃｕｓ）環１１９に保持されたＡＦレンズである。第１レンズ群Ｌ１、第２レンズ群Ｌ２および第４レンズ群Ｌ４は、内側固定筒３２に固定されている。第３レンズ群Ｌ３は、ＡＦ環１１９が移動することにより内側固定筒３２に対して光軸ＯＡの方向（以下、光軸方向）に移動可能に構成される。

振動波モータ１は、ギアユニットモジュール１１３に取り付けられている。ギアユニットモジュール１１３は、レンズ鏡筒１１０の内側固定筒３２に取り付けられている。振動波モータ１の出力ギア４１は、ギアユニットモジュール１１３の減速ギア１１５を介して、カム環１１６に回転運動が伝達され、カム環１１６は回転駆動する。

カム環１１６には、周方向に対して斜めにキー溝１１７が切られている。ＡＦ環１１９は、固定ピン１１８を有する。固定ピン１１８は、キー溝１１７に挿入される。ＡＦ環１１９は、固定ピン１１８がキー溝１１７に挿入された状態でカム環１１６が回転駆動することにより、光軸ＯＡ方向に直進方向に駆動され、所望の位置に停止できるようにされている。図２に示した駆動装置３００は、レンズ鏡筒１１０の外側固定筒３１と内側固定筒３２との間に設けられ、上述した振動波モータ１の駆動、制御、回転数の検出等を行う。

このように、実施形態１にかかる振動波モータ１によれば、ＰＺＴ搭載品と比較して消費電流の温度特性を小さくすることができる。また、ＰＺＴ搭載品と比較して低温時と高温時の振動体１０の静電容量Ｃｄｖの変化が少ないため、駆動電圧Ｅの変動をかなり少なくすることができ、駆動装置３００自体の駆動効率が改善される。さらに、ＰＺＴ搭載品と比較して振動体１０の静電容量Ｃｄｖが環境温度により変動しにくいため、振動波モータ２１０の駆動可能電圧の温度変化も小さくすることができる。

［実施形態２］
実施形態２は、実施形態１の振動波モータ１を円環型の振動波モータとした例である。実施形態１と同一構成には同一符号を付し、その説明を省略する。

図１４は、実施形態２にかかる円環型の振動波モータをレンズ鏡筒に搭載したレンズ鏡筒を示す断面図である。レンズ鏡筒２００には外側固定筒３１および内側固定筒３２が有り、外側固定筒３１および内側固定筒３２に円環型の振動波モータ２１０を有するモータユニットを固定する機構となっている。駆動装置３００は、レンズ鏡筒２００の外側固定筒３１と内側固定筒３２の間に設けられ、振動波モータ２１０の駆動、制御、回転数の検出等を行う。駆動装置３００は、駆動装置３００のインピーダンスと振動波モータのインピーダンスとの整合（マッチング）とるようにしてある。

つぎに、振動波モータ２１０の構成を説明する。振動体２１１は、実施形態１と同じニオブ酸ナトリウム・カリウム金属酸化物からなる圧電体１１と、圧電体１１を接合した弾性体２１４と、から構成されている。振動体２１１には進行波が発生するようにされているが、実施形態２では一例として９波の進行波として説明する。

弾性体２１４は、共振先鋭度が大きな金属材料から成る。弾性体２１４の形状は、円環形状である。圧電体１１が接合される弾性体２１４の反対面には溝が切ってある。溝を切る理由は、進行波の中立面にできる限り圧電体１１側に近づけ、これにより駆動面２１６ａの進行波の振幅を増幅させるためである。溝が設けられていない部分の面が駆動面２１６ａとなり、移動子２２０に加圧接触される。弾性体２１４の駆動面２１６ａの表面には、駆動性能確保および耐久性向上のために潤滑塗装膜が施されている。

圧電体１１は、実施形態１と同様、円周方向に沿って２つの相（Ａ相、Ｂ相）に分かれており、各相においては、１／２波長毎に分極が交互となった要素が並べられていて、Ａ相とＢ相との間には１／４波長分間隔が空くようにしてある。圧電体１１の材料は、実施形態１と同じで、比誘電率の温度特性が極めて小さい材料で、すなわち、静電容量Ｃの温度特性が小さい材料から構成されている。

圧電体１１の下には、不織布２５２、加圧部材２５０が配置されている。不織布２５２は、フェルトを例としたものであり、圧電体１１の下に配置され、振動体２１１の振動を加圧部材２５０に伝えないようにしてある。

加圧部材２５０は、加圧板（図示せず）の下に配置されていて、加圧力を発生させる。実施形態２では、加圧部材２５０を皿バネとする。皿バネでなくともコイルバネやウェーブバネでもよい。加圧部材２５０は、押さえ環２５１が固定部材２２３に固定されることで、保持される。

移動子２２０は、アルミニウムといった軽金属からなり、摺動面の表面には耐摩耗性向上のための摺動材料が設けられている。移動子２２０の上には、移動子２２０の縦方向の振動を吸収するために、ゴムのような振動吸収部材２４３が配置され、その上には出力伝達部材２４２が配置されている。

出力伝達部材２４２は、固定部材２２３に設けられたベアリング２５３により、加圧方向と径方向とを規制し、これにより移動子２２０の加圧方向と径方向とが規制されるようにされている。出力伝達部材２４２は、突起部２４１があり、そこからカム環３１５に接続されたフォークがかん合しており、出力伝達部材２４２の回転とともに、カム環３１５が回転される。

カム環３１５には、周方向に対してキー溝３１７が斜めに切られており、ＡＦ環３１９に設けられた固定ピン３１８が、キー溝３１７にかん合していて、カム環３１５が回転駆動することにより、光軸方向に直進方向にＡＦ環３１９が駆動され、所望の位置に停止できるようにされている。

固定部材２２３は、押さえ環２５１がネジにより取り付けられ、これを取り付けることで、出力伝達部材２４２から移動子２２０、振動体２１１、加圧部材２５０までを一つのモータユニットとして構成できるようになる。

実施形態２にかかる振動体２１１を用いた振動波モータ２１０も、ＰＺＴ搭載品と比較して消費電流の温度特性がかなり小さいことは実施形態１と同じである。また、駆動装置３００のインピーダンスと振動波モータ２１０のインピーダンスとの整合（マッチング）とるようにしてある。実施形態２にかかる振動波モータ２１０でも、ＰＺＴ搭載品に比べて低温時と高温時の振動体１０の静電容量Ｃｄｖの変化が少ないため、駆動電圧Ｅの変動をかなり少なくすることができ、駆動装置３００自体の駆動効率が改善される。さらに、振動体１０の静電容量Ｃｄｖが環境温度により変動しにくいため、振動波モータ２１０の駆動可能電圧の温度変化も小さいという点は実施形態１と同じである。

［実施形態３］
実施形態３の振動波モータは、振動体が圧電体１１のみから構成され、相対運動部材である駆動レールが直進駆動するタイプである。実施形態１および実施形態２と同一構成には同一符号を付し、その説明を省略する。

図１５は、実施形態３にかかる振動体を示す説明図である。図１５の（Ａ）は、振動体１５００の正面図および背面図であり、図１５の（Ｂ）は、振動体１５００の概略斜視図であり、図１５の（Ｃ）は、振動体１５００の実装例を示す説明図である。

実施形態３にかかる振動波モータ１は、振動体１５００が圧電体１１のみから構成され、相対運動部材である駆動レール１５５０が直進駆動するタイプである。振動体１５００は、実施形態１と同じニオブ酸ナトリウム・カリウム金属酸化物からなる圧電体１１と、端部に設置された摺動部材１５６０と、から構成されている。

振動体１５００は加圧バネ１５２５により駆動レール１５５０に加圧されている。固定部材１５１３と駆動レール１５５０との間にはリニアガイド１５２７が設けられており、リニアガイド固定部１５２７ａが固定部材１５１３に固定され、可動部１５２７ｂが駆動レール１５５０に結合されており、駆動レール１５５０が図面の左右方向のみ可動出来るようになっている。振動体１５００の摺動部材１５６０の位置には楕円運動を生じさせ、駆動レール１５５０は直進駆動される。

振動体１５００は二層構造となっており、一層目は一つの電極１５１０が第一面１５０１に設けられ、反対側の第二面１５０２にも同じ形状の一つの電極１５２０が設けられている。Ａ相駆動信号が第一面１５０１側の電極１５１０に入力され、第二面１５０２の電極１５２０はＧＮＤとなっている。Ａ相駆動信号の入力により振動体１５００には縦１次モード振動の定在波が発生する。

二層目の第三面１５０３には４分割された電極１５３１〜１５３４が設けられており、４つの電極１５３１〜１５３４の分極方向はそれぞれ交互となっている。反対側の第四面１５０４にも第一層目と同じ形状の一つの電極１５４０が設けられている。Ｂ相駆動信号が第三面１５０３側の電極１５３１〜１５３４に入力され、第四面１５０４側の電極１５４０はＧＮＤとなっている。Ｂ相駆動信号の入力により振動体１５００には屈曲二次モード振動の定在波が発生する。

一層目と二層目とは、一層目のＧＮＤである第二面１５０２と、二層目のＧＮＤである第四面１５０４とが接合され、共通ＧＮＤとなっている。振動体１５００の中央部には、溝部１５０５が設けられており、加圧バネ１５２５がこの溝に嵌ることで、加圧位置のずれ防止ととともに、駆動レール１５５０の長手方向への支持もできるようにされている。

摺動部材１５６０は、耐摩耗性の良いエンジニアプラスチック材料から構成され、縦１次モード振動の定在波の振幅が最大になり、かつ屈曲２次モード振動の定在波の振幅が最大になる位置である図の場所に設けられている。

＜振動体１５００の動作原理＞
図１６は、実施形態３にかかる振動体１５００の駆動原理を示す説明図である。以下、図１６の（ａ）〜（ｅ）の順に時系列に説明する。図１６の（ａ）〜（ｅ）の左端のグラフにおいて、ｔは時刻であり、縦軸は電圧であり、横軸は時間である。

ｔ＝１： Ａ相の電圧は０で、Ｂ相の電圧はマイナスになる。このとき、縦１次振動の変位はゼロ、Ｃ点がマイナス方向で、Ｄ点がプラス方向に変位する屈曲２次振動が発生する。

ｔ＝２： Ａ相の電圧がプラスで、Ｂ相の電圧が０になる。このとき、プラス方向に変位となる縦１次振動が発生し、屈曲２次振動の変位はゼロになる。

ｔ＝３： Ａ相の電圧が０で、Ｂ相の電圧がプラスになる。このとき、縦１次振動の変位はゼロ、Ｃ点がプラス方向で、Ｄ点がマイナス方向に変位する屈曲２次振動が発生する。

ｔ＝４： Ａ相の電圧がプラスで、Ｂ相の電圧が０になる。このとき、マイナス方向に変位となる縦１次振動が発生し、屈曲２次振動の変位はゼロになる。

ｔ＝５： ｔ＝１の場合に戻る。このように振動を発生させた場合、摺動部材１５６０が貼られたＣ点、Ｄ点では、図１６の右端のように楕円運動が発生する。この摺動部材１５６０に移動子を加圧接触されると、移動子は楕円運動により摩擦力を受け、駆動される。実施形態３では、圧電体１１を実施形態１と同じ材料にしたことで、実施形態１と同様な効果が得られる。

［実施形態４］
実施形態４は、カメラに備えられた防塵装置に振動波モータ１を適用する例を示す。実施形態１と同一構成には同一符号を付し、その説明を省略する。

図１７は、実施形態４にかかる防塵装置の一例を示す説明図である。防塵装置１７００は、撮像素子１７０１付近に設置され、圧電体１１の振動により光学フィルター１７０２を振動させて、光学フィルター１７０２に付着した粉塵を除去する。実施形態４にかかる防塵装置１７００も圧電体１１と駆動装置３００とから構成される。圧電体１１の静電容量Ｃｄの値により駆動装置３００からの駆動振動の電圧が変動してしまうという課題は振動波モータ１の振動体１０と同じである。実施形態４では、圧電体１１を実施形態１と同じ材料にしたことで、実施形態１と同様な効果が得られる。

なお、上述した実施形態は上記の内容に限定されるものではなく、これらを任意に組み合わせたものであってもよい。また、上述した実施形態の技術的思想の範囲で考えられるその他の態様もこれらの範囲に含まれる。

１ 振動波モータ、１０ 振動体、１１ 圧電体、１２ 弾性体、１２ａ 駆動面、１２ｆ 接合面、２０ 移動子、２０ａ 摺動面、３０ 駆動装置、１１０ レンズ鏡筒、２００ レンズ鏡筒、２１０ 振動波モータ、２１１ 振動体、２１４ 弾性体、２１６ａ 駆動面、２２０ 移動子、１４００ 振動体、１７００ 防塵装置

Claims (11)

1. ニオブ酸ナトリウム・カリウム金属酸化物からなる圧電セラミックスで、−４０℃から１７０℃の温度範囲で比誘電率の温度特性が絶対値で５００［ｐｐｍ／℃］以下である電気機械変換素子を有し、
   前記電気機械変換素子の励振により振動波が生じる、
   振動体。
2. ニオブ酸ナトリウム・カリウム金属酸化物からなる圧電セラミックスで、０℃から６０℃の温度範囲で比誘電率の温度特性が絶対値で３９０［ｐｐｍ／℃］以下である電気機械変換素子を有し、
   前記電気機械変換素子の励振により振動波が生じる、
   振動体。
3. 請求項１または２に記載の振動体であって、
   前記電気機械変換素子は、下記の物質の化学式からなる、
   振動体。
   _{（１−Ｃ−Ｅ）}（Ｌｉ_Ａ（Ｎａ_ＢＫ_{（１−Ｂ）}）_{（１―Ａ）}ＮｂＯ_３＋_ＣＢａ（Ｚｒ_ＤＴｉ_{（１―Ｄ）}）Ｏ_３＋_ＥＢｉＦｅＯ_３
   ただし、
   ０＜Ａ＜０.２、０.４≦Ｂ≦０.６、０＜Ｃ≦０.１、０＜Ｄ＜１.００、０＜Ｅ＜０.０２
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の振動体であって、
   前記電気機械変換素子には、銅が添加されている、
   振動体。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の振動体であって、
   前記振動体に接合される前の前記電気機械変換素子は、−２０℃から６０℃までの温度範囲において、前記電気機械変換素子の静電容量の６０℃の時に対する−２０℃の時の変化割合が４〜１２％の範囲である、
   振動体。
6. 請求項１から４のいずれか一項に記載の振動体であって、
   前記振動体に接合される前の前記電気機械変換素子は、０℃から６０℃までの温度範囲において、前記電気機械変換素子の静電容量の６０℃の時に対する０℃の時の変化割合が０．５〜３．９％の範囲である、
   振動体。
7. 請求項１から４のいずれか一項に記載の振動体であって、
   前記振動体に接合される前の前記電気機械変換素子は、０℃から２５℃までの温度範囲において、前記電気機械変換素子の静電容量の２５℃の時に対する０℃の時の変化割合が−０．２〜０．７％の範囲である、
   振動体。
8. 請求項１から４のいずれか一項に記載の振動体であって、
   前記振動体に接合された前記電気機械変換素子は、−２０℃から６０℃までの温度範囲において、前記振動体の静電容量の６０℃の時に対する−２０℃の時の変化割合が１５〜２２％の範囲である、
   振動体。
9. 請求項１から４のいずれか一項に記載の振動体であって、
   前記振動体に接合された前記電気機械変換素子は、０℃から６０℃までの温度範囲において、前記振動体の静電容量の６０℃の時に対する０℃の時の変化割合が６〜１１％の範囲である、
   振動体。
10. 請求項１から４のいずれか一項に記載の振動体であって、
    前記振動体に接合された前記電気機械変換素子は、０℃から２５℃までの温度範囲において、前記振動体の静電容量の２５℃の時に対する０℃の時の変化割合が３〜７％の範囲である、
    振動体。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の振動体と、
    前記振動体の駆動面に加圧接触される摺動面を有し、前記振動波によって相対運動される相対運動部材と、
    を有する振動波モ−タ。

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