【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電素子を用いて被駆動体を駆動する圧電アクチュエータ、これを備えた動力伝達装置、液体吐出装置、および時計に関する。より詳しくは、圧電素子の変形振動によって被駆動体を駆動する圧電アクチュエータ、この圧電アクチュエータを備えた動力伝達装置、液体吐出装置および時計に関する。
【０００２】
【背景技術】
近年、圧電素子を用いて駆動する圧電アクチュエータが知られている。これは、圧電素子を備えた振動板に交流電圧を印加して振動板を変形振動させ、この振動によって例えば回転運動を得たい場合であれば、振動でロータを回転させるものである。このような圧電アクチュエータにおいては、振動板の振動をロータに伝達する際には、振動板をロータに押し付けて、振動板とロータとの摩擦力によって回転させる。そのため、振動板とロータとの摩擦力を適切に保持できるように、振動板には押圧ばねが一体的に形成されている。この押圧ばねの付勢力によって振動板をロータに押し付けて、必要な摩擦力を発生させている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような圧電アクチュエータでは、摩擦力によってロータを駆動しているため、比較的高い摩擦力を必要とする。そのため、例えば両者の摩擦係数が高くなるような材料を選択したり（例えば特許文献１）、ロータの外周の表面粗さを調節して摩擦係数を高めるなどの工夫がなされている。しかしながら、いずれにしてもロータを振動板との摩擦力によって回転させているため、両者の摩耗が発生してしまう。よって、このような圧電アクチュエータの長寿命化が図れず、耐久性の向上が望まれている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−３５４３８５号公報（第３頁）
【０００５】
本発明の目的は、振動の動力を伝達する際の摩擦力を軽減し、耐久性の向上を図ることができる圧電アクチュエータ、この圧電アクチュエータを備えた動力伝達装置、液体吐出装置および時計を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の圧電アクチュエータは、圧電素子の変形で振動する振動体と、振動体の振動によって駆動される被駆動体とを備えた圧電アクチュエータであって、振動体には、被駆動体側に向かって突出した突起が設けられ、被駆動体には、突起に向かって凹凸部が設けられ、突起が、凹凸部に係合して被駆動体を駆動させることを特徴とする。
【０００７】
この発明によれば、振動体には突起が設けられ、また、被駆動体には凹凸部が形成されているので、突起が振動する際には、突起が被駆動体の凹凸部に係合して、この凹凸部を被駆動体の移動方向に押すようにして動力を伝達する。したがって、突起を被駆動体に押し付けて高い摩擦力を得る必要がないので、突起と被駆動体との間の摩擦力が低減される。また、これにより摩耗が軽減され、圧電アクチュエータの耐久性が向上する。
【０００８】
本発明では、被駆動体の凹凸部は、ショットピーニングにより形成されたくぼみで構成されていることが望ましい。
この発明によれば、被駆動体の凹凸部をショットピーニングにより形成するので、凹凸部の形成が簡単かつ安価に実現される。また、ショットピーニングを施されることにより凹凸部の硬度が増すので、より一層耐久性が向上する。
【０００９】
本発明では、被駆動体の凹凸部は、突起の略振動振幅の間隔で等間隔に形成された歯形状部で構成されていることが望ましい。
この発明によれば、被駆動体の凹凸部が突起の振動振幅程度の間隔の歯形状部となっているので、突起が振動するごとに歯形状部に確実に係合する。よって、突起と被駆動体とのすべりがほとんど生じず、動力の伝達効率が良好となる。これは、位置決め精度が要求される機器に搭載する場合に特に有用である。また、この際には、突起の振動の周波数がわかれば、凹凸部の間隔、歯形状部の数などから突起の一回の振動における被駆動体の移動量が決定される。よって、被駆動体の移動量を検出したい場合でも、移動量検出手段を別途設ける必要がなく、構造が簡単になる。
【００１０】
本発明では、振動体の突起は、複数設けられて凹凸部を形成しており、振動体および被駆動体のそれぞれの凹凸部は、突起の略振動振幅の間隔で等間隔に形成された歯形状部で構成されていることが望ましい。
この発明によれば、振動体および被駆動体の両方に突起の振動振幅程度の間隔の歯形状部を形成しているので、振動体および被駆動体は複数の歯形状部において噛合するように係合する。したがって、例えば歯車同士の噛合でいうところの噛合率が１以上の噛合の場合と同様に、振動体からの駆動力が複数の歯形状部に分散されて伝達され、一歯当たりの歯面に働く応力が低減される。また、振動体および被駆動体のそれぞれの凹凸部が等間隔の歯形状部で構成されているので、一方が他方に確実に噛合し、すべりがほとんど生じないので、動力伝達効率が良好となる。
【００１１】
本発明では、振動体の突起および被駆動体の凹凸部の少なくとも互いの係合部分は、インボリュート曲線からなることが望ましい。
この発明によれば、突起および被駆動体の凹凸部の係合部分がインボリュート曲線からなるので、動力伝達の際力の働く方向が一定になり、動力が効率よく伝達される。また、互いの係合部分がインボリュート曲線からなるので、振動体や被駆動体の取り付け位置の誤差の影響を受けにくく、動力が良好に伝達される。
【００１２】
本発明では、突起および被駆動体の少なくとも凹凸部が形成されている一方は、カーボンナノチューブを含んだ樹脂で構成されていることが望ましい。
この発明によれば、凹凸部がカーボンナノチューブを含んで構成されているので、高強度に構成され、耐久性が向上する。また、例えば集束イオンビーム（ＦＩＢ）などのナノテクノロジーを用いれば、高精度な凹凸部が容易に形成される。したがって、突起の振動振幅程度の間隔で精度よく凹凸部を形成することも容易である。
【００１３】
本発明では、突起および被駆動体の少なくとも凹凸部が形成されている一方は、シリコンウェハで構成されていることが望ましい。
この発明によれば、凹凸部がシリコンウェハで構成されているので、当該部分が高硬度となり、圧電アクチュエータの耐久性が向上する。また、例えば凹凸部をエッチングなどによって加工すれば凹凸部の形状加工が容易かつ高精度に可能となる。
【００１４】
本発明では、突起および被駆動体の少なくとも凹凸部が形成されている一方は、シリコンウェハが複数枚積層されて構成されていることが望ましい。
この発明によれば、少なくとも一方がシリコンウェハを複数枚積層して形成しているので、例えば突起および被駆動体を異なる厚さで構成することが可能となる。これにより、被駆動体が移動方向に直交する方向にずれた時にも係合が外れることなく良好に係合する。よって、圧電アクチュエータ自体の形状公差を緩和でき、構造の自由度が増す。また、突起および被駆動体の少なくとも一方を同じ厚さのシリコンウェハから製造しても、複数枚積層すれば所望の厚さを得ることが可能となる。この場合には、二つの部品を一つのマスクに設計して、一枚のシリコンウェハから同時に製造すればよいので、製造工程が簡略化される。
【００１５】
本発明では、突起および被駆動体の少なくとも凹凸部が形成されている一方は、エッチングにより形成されたステンレス鋼で構成されていることが望ましい。この発明によれば、少なくとも凹凸部が形成されている部材がエッチングによって形成されているので、高精度な加工が可能となる。また、その部材がステンレス鋼で構成されているので、防錆においても優れている。特に、ＳＵＳ４２０Ｊ２などのマルテンサイト系ステンレス鋼では、熱処理による硬度調節で高い強度を得ることが可能なので、耐久性に優れている。
【００１６】
本発明では、突起および被駆動体の少なくとも凹凸部が形成されている一方は、転造によって製造されていることが望ましい。
この発明によれば、少なくとも凹凸部が形成されている部材が転造によって形成されているので、金属や樹脂などの様々な材料が使用可能となり、適用範囲が広がる。また、集束イオンビーム（ＦＩＢ）などを利用すれば高精度な転造型の作成が可能なので、高精度な凹凸部を有する突起や被駆動体が量産可能となる。
【００１７】
本発明では、突起と被駆動体との係合部分には潤滑剤が介装されていることが望ましい。
従来の圧電アクチュエータでは、摩擦力によって突起の振動を被駆動体に伝達していた。このため、油などの潤滑剤を使用すると摩擦力が低減してしまうので、塗布する潤滑剤が限られていた。この発明によれば、突起が被駆動体の凹凸部に係合することにより動力を伝達するため、使用できる潤滑剤が限定されず、潤滑剤の選択範囲が広がる。
【００１８】
本発明では、潤滑剤は油および固体潤滑剤のいずれかであることが望ましい。この発明によれば、例えば潤滑剤として油を使用する場合では、応力や摺動速度などの使用条件に適した油が選択可能である。また、注油量の調節が容易である。
一方、潤滑剤として固体潤滑剤を使用する場合には、油のようにゴミや毛羽が突起および被駆動体に付着することがない。よって、油の劣化を防いで突起と被駆動対とが良好に係合する。ここで、固体潤滑剤としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などが採用できる。
【００１９】
本発明では、振動体は、略矩形板状の圧電素子と、この圧電素子に接合されるとともに突起が形成された振動板とを備え、圧電素子の長辺の長さを１とすると短辺の長さは０．２７４以上であり、かつ、圧電素子の長手方向に伸縮する縦振動と、圧電素子の平面中心に対して点対称に、縦振動に直交する方向に屈曲する屈曲振動とにおいて、縦振動の共振周波数に対する屈曲振動の共振周波数の比が１．００より大きく１．０３以下となるように設定されていることが望ましい。この発明によれば、縦振動および屈曲振動の共振周波数が互いに近接しているので、これらの共振周波数近傍で圧電素子を振動させると、縦振動および屈曲振動が同時に現れ、圧電アクチュエータの突起は圧電素子のほぼ平面内で楕円軌道を描いて振動する。この楕円軌道によって突起は被駆動体を押圧して駆動することが可能となる。この時、圧電素子は、縦振動および屈曲振動のそれぞれの共振点付近で励振されるので、それぞれの振動振幅が大きくなる。従って、突起の楕円軌道の振幅も大きくなり、被駆動体が高効率で駆動される。
【００２０】
ここで、突起が設けられた圧電アクチュエータの短辺が０．２７４よりも小さい場合には、縦振動の共振周波数が屈曲振動の共振周波数よりも大きくなり、突起が良好な楕円軌道を描くことができない。この時、縦振動の共振周波数に対する屈曲振動の共振周波数の比は、１．００以下となる。また、縦振動の共振周波数に対する屈曲振動の共振周波数の比が１．０３より大きい場合には、縦振動の共振点と屈曲振動の共振点とが離れてしまい、両振動の振幅を同時に良好にすることができない。
【００２１】
本発明の動力伝達装置は、以上のいずれかの圧電アクチュエータを備えることを特徴とする。
この発明によれば、以上のような圧電アクチュエータで動力伝達装置を構成すするので、前述のような効果を奏し、高トルクに対しても対応可能である。反対に、同じトルクを獲得するための電圧を小さくすることが可能となるので、高効率化につながる。また、このような動力伝達装置は駆動トルクが比較的大きいので、減速機構の減速比を減らした小さな構造で所望の回転速度を得ることが容易である。
【００２２】
本発明の液体吐出装置は、以上のいずれかの圧電アクチュエータを備えていることを特徴とする。
この発明によれば、前述の圧電アクチュエータは高トルクにも対応可能で、高効率化が促進されるので、液体を吐出するために比較的高いトルクを必要とする液体吐出装置に適用するのに好適である。
【００２３】
本発明の時計は、以上のいずれかの圧電アクチュエータを備えていることを特徴とする。
本発明では、圧電アクチュエータが前述のような効果を奏するので、小型化、薄型化が要求される時計に適用するのに最適である。
【００２４】
本発明では、前述の圧電アクチュエータは時計の日付表示機構に適用されることが望ましい。
この発明によれば、特に、突起や被駆動体に等間隔の凹凸部が形成されている場合では、被駆動体は突起の振動の周波数に比例した量だけ移動するので、日付表示機構が正確に機能する。この際にも、被駆動体の移動量を検出する検出手段を設ける必要がないので、部品点数が減少し、構造が簡単になる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の各実施形態を図面に基づいて説明する。なお、後述する第二実施形態以降において、以下に説明する第一実施形態での構成部品と同じ部品および同様な機能を有する部品には同一符号を付し、説明を簡単にあるいは省略する。
【００２６】
〔第一実施形態〕
第一実施形態では、本発明の圧電アクチュエータを液体吐出装置に適用した場合について説明する。
図１は本発明の第一実施形態に係る液体吐出装置１を示す平面図、図２は図１における断面図である。また、以下の説明では、図２中の上側を液体吐出装置１における上側を「上側」、下側を「下側」と言う。
【００２７】
図１に示す液体吐出装置１は、チューブ６が設置される基部２と、基部２に対し回転可能に設置され、ボール７の回転軌跡を規定するリテーナ３（図２）と、リテーナ３の上部に設けられ、ボール７をチューブ６に押圧するためのロータ（被駆動体）４と、ロータ４を回転駆動する振動体５とを有している。
【００２８】
基部２には、平面円形状の溝９が設けられ、また、この溝９に連通して基部２の外部に通じる直線状の溝１０が二本並行に形成されている。なお、溝１０は、溝９のリテーナ３の回転軸を挟んだ位置（１８０度間隔で対向する位置）に連通されている。
溝９の溝１０側でない半円部分および溝１０に沿って、チューブ６が略Ｕ字形に装着されている。すなわち、溝９の溝１０側でない円弧部分と、溝１０とでチューブガイド溝１１が構成されている。チューブガイド溝１１のうちチューブ６に当接する当接面の断面形状はボール７と同心円の円弧形状に形成されている。また、溝９のうちチューブガイド溝１１でない円弧部分は、チューブ６は配置されておらず、ボール７を案内するためのボール案内溝１２となっている。ここで、チューブ６は弾性を有する材料で構成され、例えば、シリコーンゴム等を採用できる。
【００２９】
図２に示されるように、基部２には、溝９の円形中心部分にリテーナ３およびロータ４を支持する軸部１３が嵌めこまれている。リテーナ３およびロータ４は、ボールベアリング１４を介して軸部１３に固定され、これによりリテーナ３およびロータ４は、軸部１３つまり基部２に対して回転可能に支持されている。ボールベアリング１４は、ねじによって軸部１３に固定され、これにより軸方向のずれが防止されている。
なお、図示しないが、基部２の上部には、リテーナ３やロータ４等を覆うカバーが設けられており、基部２とカバーとでリテーナ３やロータ４等を収納するための空間が形成されている。
【００３０】
リテーナ３には、ボール取付孔８が形成されており、チューブ６を上方から圧閉するボール７が３個転動可能に取り付けられている。それぞれのボール７の軸部１３からの距離は等しく、隣り合うボール７間の距離は等間隔（１２０度間隔）となっている。このボール７はチューブ６を圧閉しながらチューブ６上を転動するものである。
【００３１】
ロータ４は、例えば硬度８５０ＨＶのＳＵＳ４４０などのステンレス鋼、焼き入れ鋼、窒化したステンレス鋼、浸炭した炭素鋼、アルミニウム、その他の材料で構成され、円盤状に形成されている。ロータ４の外周面は、振動体５と係合する凹凸部１５となっている。凹凸部１５は、周方向に沿って断面円弧状に形成され、図３に示されるように、表面には微細なディンプル状の凹凸が形成されている。この凹凸は、ショットピーニングによって形成され、例えば直径３０μｍのガラスビーズを１気圧で２０秒間、凹凸部１５に吹き付ける等の条件下で形成される。これにより、凹凸部１５にはロータ４の外周面と垂直な成分を有する凹凸がランダムに形成されるが、全体として凹凸の間隔は所定の間隔になるように設定されている。
【００３２】
図２に戻って、ロータ４の下面にはボール７の上面が当接しており、ボール７はチューブ６の弾性力で上方（ロータ４側）に付勢されながらロータ４で支持されている。つまり、ボール７はロータ４によってチューブ６を押圧している。ここで、ボール７とチューブガイド溝１１の当接面との間隔寸法は、液体吐出量の精度を確保できるようにチューブ６が完全につぶされ、かつチューブ６に過剰な力がかからないように、適宜決定されている。
【００３３】
振動体５は、図１および図２に示されるように、略矩形平板状に形成された補強板１６と、この補強板１６の表裏両面に設けられた略矩形板状の圧電素子１７と、補強板１６を基部２に固定するためのねじ孔が形成された腕部１８とを備える。なお、振動体５およびロータ４を備えて本発明の圧電アクチュエータが構成されている。
【００３４】
補強板１６は、硬度５００ＨＶのＳＵＳ３０１などのステンレス鋼、その他の材料から構成され、略矩形状の長辺と短辺とがほぼ７対２の比で形成されている。補強板１６の対角線上の長さ方向両端には、凸部２０が一体的に形成されている。
凸部２０のうち凹凸部１５側の一方は、先端に円錐状の突起２１を備えており、この突起２１が凹凸部１５に当接されている。この時、突起２１は凹凸部１５に形成された断面円弧状のへこみに係合され、これによりロータ４および突起２１の上下のずれが防止されている。突起２１は先端が半径１μｍ程度の円弧状に形成され、補強板１６の凸部２０にタガネなどにより打ち込まれて固定されている。
ここで、突起２１の材料は、硬度の高い材料であればよく、例えば、ダイヤモンドや、タングステン、焼き入れ鋼、窒化したステンレス鋼、浸炭した炭素鋼、あるいはアルミナ等のセラミックスなどが採用できる。なお、突起２１の材料の硬度は、ロータ４の材料の硬度よりも大きい方が望ましい。
【００３５】
圧電素子１７は、補強板１６の両面の略矩形状部分に接着されている。圧電素子１７の材料は、特に限定されず、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ（登録商標））、水晶、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、メタニオブ酸鉛、ポリフッ化ビニリデン、亜鉛ニオブ酸鉛、スカンジウムニオブ酸鉛等の各種のものを用いることができる。
また、圧電素子１７の両面には、ニッケルおよび金などによる電極１９がめっき、スパッタ、蒸着等の方法で形成されている。これらの電極１９のうち、補強板１６に対向する面の電極１９は補強板１６に導通している。圧電素子１７の補強板１６に対向しない面の電極１９と、補強板１６とは、リード線などによって圧電素子１７に所定電圧を印加する印加装置（図示せず）に接続されている。
【００３６】
圧電素子１７の寸法や厚さなどは、圧電素子１７に繰り返し電圧が印加された時に、圧電素子１７が長手方向に伸縮する、いわゆる縦振動と、縦振動に直交する方向で圧電素子１７の平面中心に対して点対称に屈曲する、いわゆる屈曲振動とが同時に現れるように適宜設定される。この時、縦振動の共振周波数と、屈曲振動の共振周波数は互いに近接するように設定されていることが望ましく、縦振動の共振周波数に対する屈曲振動の共振周波数の比は、１．００より大きく１．０３以下であることが望ましい。また、圧電素子１７の長辺と短辺との長さの比は、長辺の長さを１とすると、短辺の長さが０．２７４以上であることが望ましい。
さらに、圧電素子１７に印加される電圧の周波数は、縦振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数との間、より好ましくは、反共振周波数と屈曲振動の共振周波数との間に設定されている。なお、振動体５に印加される電圧の波形は特に限定されず、例えばサイン波、矩形波、台形波等を採用できる。
【００３７】
腕部１８は、振動体５の長手方向略中央に一体的に形成され、振動体５を片持ちに支持しており、この腕部１８の端部はねじによって基部２に固定されている。この腕部１８は、突起２１と凹凸部１５の係合がはずれない程度の力で、突起２１を凹凸部１５に押し付けている。なお、この押付力は、従来の摩擦によってロータを回転させるものと比べると、はるかに小さいものである。
また、突起２１とロータ４の凹凸部１５との間には、潤滑剤が介装されている。潤滑剤としては、特に限定されず、例えば粘性２．７，油膜強度６１０ｋｇ／ｍｍ２の時計用油ＳＹＮＴＡ−ＶＩＳＣＯ−ＬＵＢＥ（メービス社）などが採用できる。
【００３８】
ここで、凹凸部１５の凹凸の間隔は、振動体５の略振動振幅の間隔に設定されている。振動体５の振動振幅は、圧電素子１７に印加される電圧や周波数によって異なるので、印加電圧や周波数は、ロータ４の寸法や、回転数、トルクの設定などを勘案して良好な振動が得られるように適宜設定される。
【００３９】
このような液体吐出装置１は、次のように動作する。
図４には振動体５の動作を示す模式図が示されており、図４（Ａ）には、振動体５の縦振動が、図４（Ｂ）には屈曲振動が、図４（Ｃ）には突起２１の振動軌跡が示されている。
突起２１が凹凸部１５に当接した状態で、図示しない印加装置により振動体５の圧電素子１７表面の電極１９と補強板１６との間に電圧を繰り返し印加して振動体５を振動させる。すると、圧電素子１７は図４（Ａ）に示されるように、長手方向に伸縮する縦振動を励振する。この時、補強板１６には対角線上両端に凸部２０が形成されているので、振動体５の重量バランスが長手方向に沿った中心線に対して非対称となる。この重量アンバランスにより、圧電素子１７を平面内にねじる力が働き、圧電素子１７は図４（Ｂ）に示されるように、縦振動に直交する方向に、圧電素子１７の平面中心に対して点対称に屈曲する屈曲振動を励振する。
【００４０】
これらの縦振動および屈曲振動が同時に現れることにより、振動体５の突起２１は図４（Ｃ）に示されるように、縦振動と屈曲振動とが組み合わさった楕円軌道を描いて振動する。
図５には、突起２１およびロータ４の拡大図が示されている。この図５に示されるように、突起２１は、楕円軌道の一部で凹凸部１５の凹凸に係合し、凹凸部１５をロータ４の周方向に押すようにしてロータ４を矢印Ｅ方向に間欠回転させる。ここで、突起２１はロータ４の半径方向に対して傾斜して配置されているので、ロータ４を間欠回転させた後、凹凸部１５との係合がはずれる。そして、突起２１は、楕円軌道を描きながら凹凸部１５の次の凹凸に係合する。これにより、突起２１はつねに一方向（Ｅ方向）にのみロータ４を回転させる。突起２１の振動により、繰り返しロータ４を間欠回転させることにより、ロータ４を所定の回転数で回転させる。
【００４１】
図６には、振動体５の振動特性が示されている。この図６において、線図は、駆動周波数に対する圧電素子１７のインピーダンスを示している。この図６に示されるように、本実施形態の振動体５では、圧電素子１７に印加する電圧の周波数に対して、インピーダンスが極小となる点が二点現れる。これらのうち周波数の低い方の一点は、縦振動の振動振幅が最大となる共振点で、この共振点における周波数が縦振動の共振周波数ｆ１となる。一方、周波数の高い方の一点は、屈曲振動の振動振幅が最大となる共振点で、この共振点における周波数が屈曲振動の共振周波数ｆ３となる。また、共振周波数ｆ１，ｆ３の間には、反共振周波数ｆ２が現れる。
この図６からもわかるように、圧電素子１７を縦振動の共振周波数ｆ１と屈曲振動の共振周波数ｆ３との間の周波数で駆動すると、縦振動および屈曲振動の両方の振幅を大きく得られ、ロータ４を高効率で駆動できる。
【００４２】
ここで、圧電素子１７の寸法を、長辺の長さを１とした時に短辺の長さを０．２７４より小さくすると、縦振動の共振周波数ｆ１が屈曲振動の共振周波数ｆ３より大きくなり、突起２１において良好な楕円軌道を得ることができない。この時、縦振動の共振周波数ｆ１に対する屈曲振動の共振周波数ｆ３の比は、１．００以下である。また、両振動の共振周波数ｆ１，ｆ３の比が１．０３よりも大きいと、縦振動の共振点と屈曲振動の共振点とが離れてしまい、両振動の振幅が同時に大きくなる振動周波数を設定することができない。
【００４３】
振動体５の振動によってロータ４が回転すると、ロータ４の回転に伴ってボール７は転がりながら移動する。このボール７の移動に伴いリテーナ３も回転する。ボール７は、ロータ４の回転に伴い、チューブ６上を転動し、チューブ６の圧閉位置を順次移動させる。これにより、チューブ６内の液体は各ボール７で圧閉された部分で区画されながら、その圧閉位置の移動に伴いチューブ６内を移動する。これにより、２つのボール７で圧閉された空間部分つまり所定の容積内に液体が閉じこめられ、液体は容積計量されることになる。
そして、ロータ４の回転方向前方の１つ目のボール７がチューブ６上から外れてチューブ６の圧閉を解除すると、２つのボール７間に閉じこめられていた液体が溝１０に配置されたチューブ６を通して吐出される。
以上の動作の繰り返しにより、チューブ６を通して液体が順次押出される。
【００４４】
なお、単位時間当たりの液体の吐出量は、チューブ６の直径、ボール７やチューブ６円弧部の半径（長さ）、ロータ４の回転速度等により設定される。特に、ロータ４の回転速度は、振動体５の圧電素子１７への周波数や電圧、その他の設定を適宜調整することにより容易に変更可能であるため、ある程度の範囲での吐出量の調整は、振動体５の振動速度つまりロータ４の回転速度で調整すればよい。
【００４５】
このような第一実施形態によれば、次のような効果が得られる。
（１） ロータ４の凹凸部１５には、凹凸が形成されており、また、振動体５の凸部２０には突起２１が設けられている。ロータ４を回転させる時には、突起２１が凹凸部１５の凹凸に係合して回転する。よって、突起２１を凹凸部１５に押し付けて高い摩擦力を保持する必要がないので、突起２１および凹凸部１５の摩耗を低減できる。したがって、耐久性を向上させることができる。
また、従来の方法では、突起２１と凹凸部１５との滑りによって突起２１の振動がロータ４に伝達されないことがあった。本実施形態によれば、突起２１が凹凸部１５の凹凸に係合するので、振動体５の振動をロータ４に確実に伝達でき、動力の伝達効率を良好にできる。
【００４６】
（２） 凹凸部１５の凹凸は、ショットピーニングによって形成されているので、短時間で簡単に形成することができ、容易かつ安価に量産できる。
また、ショットピーニングにより凹凸部１５の表面硬度を向上できるので、これによっても耐久性を向上させることができる。
【００４７】
（３） 凹凸部１５の凹凸は突起２１の略振動振幅の間隔で形成されているので、突起２１の凹凸部１５に対する係合を良好にでき、ロータ４への動力伝達効率を良好にできる。
【００４８】
（４） 従来では、振動体５とロータ４との摩擦力によって動力を伝達していたので、ロータ４および振動体５の間には摩擦係数を低減させるような潤滑剤を使用することができなかった。本実施形態では、突起２１が凹凸部１５に形成された凹凸に係合してロータ４を回転させるので、使用できる潤滑剤が限定されない。したがって、入手が容易な油等も使用することができ、潤滑剤の選択の自由度を大きくすることができる。また、油を使用することができるので、注油量を容易に調節することができ、取扱性を良好にできる。
【００４９】
（５） 凹凸部１５には凹凸が形成されているので、凹凸に油を保持することができ、潤滑剤切れを防止できる。
【００５０】
（６） 圧電素子１７が適切な寸法に、つまり長辺の長さを１とした時短辺の長さが０．２７４以上で、かつ縦振動の共振周波数に対する屈曲振動の共振周波数の比が１．００より大きく１．０３以下になるように設定されているので、縦振動および屈曲振動を同時に得ることができ、突起２１が良好な楕円軌道を描いてロータ４を回転駆動できる。この時、縦振動および屈曲振動の共振点が互いに近接しているので、両振動の振幅が共振点近傍の大きな振幅となり、ロータ４を高効率で駆動できる。
【００５１】
ここで、第一実施形態の具体的な実施例を挙げる。
圧電素子１７の材料をＰＺＴとし、寸法を短辺１．９８ｍｍ、長辺７．００ｍｍ、厚み０．１５ｍｍとする。補強板１６の材料はステンレス鋼（ＳＵＳ３０１）で、厚みが０．１ｍｍとなっている。ロータ４に当接される側の凸部２０は、平面形状が幅０．５ｍｍ、突出長さが０．４５ｍｍの略半円形状で、質量が約０．１６ｍｇである。また、腕部１８は、幅０．４ｍｍで長さが０．５ｍｍである。
このような振動体５では、突起２１をロータ４に当接せずにロータ４から反力を受けない状態で圧電素子１７に電圧を印加した時、縦振動の共振周波数ｆ１が約２７９ｋＨｚ、屈曲振動の共振周波数ｆ３が約２８５ｋＨｚ、反共振周波数ｆ２が約２８３ｋＨｚであった。従って、縦振動の共振周波数ｆ１に対する屈曲振動の共振周波数ｆ３の比は、約１．０１５となる。この振動体５に共振周波数ｆ１と共振周波数ｆ３との間の周波数で、またより望ましくは反共振周波数ｆ２と共振周波数ｆ３との間の周波数で電圧を印加すると、縦振動および屈曲振動がそれぞれ共振点付近で励振されて大きな振動振幅が得られ、突起２１が良好な楕円軌道を描くことがわかる。
【００５２】
〔第二実施形態〕
次に、本発明の第二実施形態について説明する。第二実施形態は、本発明の圧電アクチュエータを時計の日付表示機構に適用したものである。
図７には、第二実施形態にかかる日付表示機構３０の平面図が、また図８には日付表示機構３０の側断面図が示されている。これらの図７および図８に示されるように、日付表示機構３０は、日付を表示する日車３１と、駆動力を伝達して日車３１を回転させる動力伝達機構３２と、駆動力を動力伝達機構３２に与える振動体５とを備える。
なお、図示はしないが、この日付表示機構３０は、時計のケースに収納され、日車３１の一部がケースに形成された窓から視認可能となっている。
また、振動体５および動力伝達機構３２を備えて、本発明の動力伝達装置が構成されている。
【００５３】
日車３１は、リング状の平板部材で、表面に日付表示３１Ａが印刷やその他の方法により形成されている。また、日車３１の内周側には日車３１を回転させるための日送り歯３３が形成されている。日送り歯３３は、一つの歯の間隔（ピッチ）が日付表示３１Ａの一日分になっており、つまり日送り歯３３を一つ送ると日付表示３１Ａが一つ送られて、日付が変わるように設定されている。
【００５４】
動力伝達機構３２は、日送り歯３３に噛合する日回し車３６と、日回し車３６に噛合する日回し中間車３５と、日回し中間車３５に噛合して被駆動体としてのロータ３７を一体的に備える伝え車３４とを備える。
日回し車３６は、周囲に複数のつめ部４２（本実施形態では５つ）を有し、そのピッチが日送り歯３３と噛合するように設定されている。日回し車３６の回転軸は、基板４４に設けられた長孔４４Ａに回転可能に支持されている。また、基板４４には、一端が固定された押さえ板４３が取り付けられており、この押さえ板４３の他端は日回し車３６の回転軸に当接されている。この押さえ板４３により、日回し車３６は、日回し中間車３５側に付勢されている。
【００５５】
日回し中間車３５は、日回し車３６のつめ部４２が当接される円盤状の日送り部４０と、日送り部４０と一体的に形成された歯車３９とを備えている。日送り部４０には、周囲に一箇所凹部４１が設けられている。
伝え車３４は、歯車３９と噛合するロータかな３８と、このロータかな３８に一体的に形成されるロータ３７とを備えている。ロータ３７の外周には、図９に示されるように、例えば圧力角２０°のインボリュート曲線からなる歯形状部が等間隔に配置された凹凸部３７Ａが形成されている。ロータ３７は、シリコンウェハで構成され、エッチング加工によって形成されている。また、ロータ３７およびロータかな３８は接着やろう付けなどによって結合されている。
ここで、ロータ３７の外径形状をエッチング加工によって形成する場合には、まず、ロータ３７の形状のマスクを作成しておく。ポジ型のフォトレジストを用いたフォトリソグラフィによって、シリコンウェハ上にマスクの形状のマスクパターンを形成する。その後、マスクパターンの形成されたシリコンウェハにドライエッチング加工を施し、ロータ３７の外形形状を正確に形成する。
なお、ロータ３７および振動体５を備えて、本発明の圧電アクチュエータが構成されている。
【００５６】
振動体５は、第一実施形態と同様に凸部２０に突起２１を有する。第二実施形態では、補強板１６および突起２１は一体的に形成され、シリコンウェハで構成されている。
図９には、ロータ３７および突起２１の拡大図が示されている。この図９において、突起２１の先端は、ロータ３７の凹凸部３７Ａと同様に例えば圧力角２０°のインボリュート曲線で形成されている。補強板１６および突起２１は、ロータ３７と同様に、フォトリソグラフィおよびエッチング加工によって形成される。ロータ３７と補強板１６とを製造する場合には、両方の形状を一枚のマスクに作成し、一枚のシリコンウェハから両方同時に製造すればよい。なお、図８では理解を容易にするために、凸部２０およびロータ３７の厚さを変えて表示してある。
突起２１は、ロータ３７の半径方向に対して傾斜するように設置されている。そして、突起２１がロータ３７の凹凸部３７Ａに係合するように配置されている。また、突起２１は、ロータ３７との係合が外れない程度の押付力で腕部１８によって支持されている。なお、この押付力は従来の摩擦によってロータを回転させるものと比べるとはるかに小さいものである。
【００５７】
ここで、ロータ３７に形成された凹凸部３７Ａの間隔Ａは、振動体５の振動振幅である楕円軌道の長径ａ以下に設定されていればよく、本実施形態ではほぼ同じ、つまり突起２１の略振動振幅の間隔に設定されている。また、凹凸部３７Ａの深さＢは、振動体５の楕円軌道の短径ｂ以下に設定されていればよい。振動体５の振動振幅は、振動体５に印加される電圧によって異なるので、ロータ３７の必要トルクや回転数などを勘案して適宜決定される。本実施形態では、印加される電圧は２０Ｖ、凹凸部３７Ａの間隔は２．６μｍに設定されている。
また、動力伝達機構３２の各部材の寸法や、形成される歯数、または振動体５の振動周波数などを調整することにより日回し中間車３５が、２４時間で一回転するように設定されている。
【００５８】
このような日付表示機構３０は、以下のように動作する。
振動体５に電圧が繰り返し印加されると、振動体５は、第一実施形態と同様に楕円軌道を描いて振動する。振動体５が伸長した時に楕円軌道の一部において、突起２１がロータ３７の凹凸部３７Ａに噛合し、ロータ３７を間欠回転させる。これを繰り返すことによりロータ３７を所定の回転数で回転させる。
日回し中間車３５は、２４時間で一周するように設定されているので、２４時間経過ごとに日送り部４０の凹部４１が日回し車３６との当接部に位置する。日回し車３６の回転軸は押さえ板４３によって付勢されているので、つめ部４２が凹部４１に係合する。この時につめ部４２が日送り歯３３を図７中の矢印Ｃ方向に押すことにより日車３１を回転させる。これにより、日車３１の日付表示３１Ａが一日分送られて時計の外部からは日付が変更されて表示されることとなる。
【００５９】
以上のような第二実施形態によれば、第一実施形態における（１）、（３）、（４）、（５）および（６）の効果と同様な効果が得られる他、次のような効果が得られる。
（７） ロータ３７の凹凸部３７Ａに形成された凹凸が、突起２１の略振動振幅の等間隔で配置されているので、突起２１の一回の振動振幅によってロータ３７が凹凸一つ分だけ送られる。よって、確実に突起２１とロータ３７とが係合するので、滑りが生じず、動力の伝達効率を良好にできる。また、これにより、凹凸部３７Ａに形成された凹凸の数や振動体５の周波数などからロータ３７の回転速度や回転角度を決定することができるから、日送りが正確にできる。
従来の日送り機構では、日送りをしたことを検知するために、凹部４１に係合するような他の腕を設けて、この腕部が凹部４１にはまった時に日送りを検知していた。本実施形態によれば、従来のような検知機構が不要となるので、部品点数も少なくでき、機構を簡単にできる。
【００６０】
（８） ロータ３７の凹凸部３７Ａおよび突起２１の先端の形状がインボリュート曲線からなるので、両者が良好に噛合でき、噛合した際に一定方向に力がかかるため、確実かつ効率よく動力を伝達できる。また、噛合部の曲率が比較的大きいため、噛合した際の側圧が小さくなり、摩擦力を低減できる。さらに、これらの形状がインボリュート曲線からなるので、製造する際に精度確保と精度測定が容易にでき、また、ロータ３７や突起２１の取り付け位置が多少ずれても比較的正確に噛合することができる。
【００６１】
（９） ロータ３７および補強板１６がエッチングによって形成されたシリコンウェハで構成されているので、外形形状を高精度に形成でき、凹凸部３７Ａと突起２１とが確実に噛合できる。また、エッチングで加工することにより、凹凸部３７Ａを鏡面とすることができるので、保油性および耐久性を向上させることができる。
【００６２】
（１０） ロータ３７および補強板１６が一枚のシリコンウェハから同時に形成されているので、製造工程を簡単にできる。
【００６３】
（１１） 振動体５とロータ３７を含む動力伝達機構３２とで動力伝達装置を構成しているので、凹凸部３７Ａに突起２１が係合して動力を伝達する。よって、動力伝達効率を良好にでき、高トルクにも対応できる。また、反対に、日車３１を駆動するのに必要なトルクを得るための電力を小さくできるので、高効率化を促進できる。
【００６４】
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
例えば、第二実施形態では、突起２１の先端およびロータ３７の凹凸部３７Ａはインボリュート曲線からなる形状であったが、少なくとも両者が係合する部分の面がインボリュート曲線からなる形状であれば、両者は良好に係合することができる。
また、第二実施形態では、突起２１の先端形状がインボリュート曲線からなる形状であったが、これに限らず、第一実施形態と同様の円錐状の突起２１であってもよい。ロータ３７の凹凸部３７Ａの形状も、インボリュート曲線に限らず、サイン波、矩形波、台形波など、突起２１が係合できる凹凸を有する形状の係合溝となっていればよい。また、凹凸の間隔は、突起２１の略振動振幅としていたが、これに限らず、その整数倍でもよく、突起２１と凹凸部１５，３７Ａとが良好に係合するように適宜設定されてよい。
さらに、突起２１は凸部２０の先端に一つ形成されていたが、これに限らず例えば図１０に示されるように複数個形成されていてもよい。この場合には、凹凸部１５，３７Ａと複数の面で係合し、歯車の噛合でいうところの噛合率が１以上の状態となる。突起２１からの駆動力が複数の凹凸部１５，３７Ａに分散されて伝達されるので、一歯当たりの歯面に働く応力を低減できる。
【００６５】
第二実施形態において、補強板１６とロータ３７とは同じシリコンウェハから形成されていたが、これに限らず図１１に示されるように、ロータ３７または補強板１６（図１１ではロータ３７）のシリコンウェハを他方よりも厚いシリコンウェハで形成してもよい。この場合には、ロータ３７の回転軸方向のずれによって突起２１との係合が外れることがなく、長期的使用に耐えうる。また、これにより、圧電アクチュエータ自体の形状公差を緩和でき、構造の自由度を向上させることができる。
あるいは、補強板１６およびロータ３７を同じシリコンウェハで形成しておき、一方を複数枚重ねて形成してもよい。この場合は、同じシリコンウェハから両方を形成できるので、同じマスクに補強板１６およびロータ３７を形成でき、製造工程を簡単にでき、経済的である。
【００６６】
突起２１やロータ４，３７の形成方法は、第二実施形態ではエッチングによってシリコンウェハを加工するものであったが、これに限らず、他の方法によって加工してもよい。また、例えば突起２１やロータ４，３７の材料が金属、樹脂などの場合には、エッチングに限らず、転造によって形成してもよい。この場合は、集束イオンビーム（ＦＩＢ）等のナノテクノロジーを用いれば転造型を高精度に製造できる。したがって、凹凸部１５，３７Ａを歯形状に形成する場合でも、高精度な外形形状の突起２１やロータ４，３７を量産することができる。また、これにより、金属や樹脂など、様々な材料で高精度な突起２１やロータ４，３７を製造できるので、材料の選択範囲を広げることができる。
【００６７】
突起２１やロータ４，３７の材料は、前述のものに限らない。例えば、第二実施形態では突起２１およびロータ３７はシリコンウェハで構成されていたが、これに限らず、ステンレス鋼をエッチング加工することによって形成してもよい。ステンレス鋼は、防錆にも優れているので、長期間の使用に耐えうる。また、特にＳＵＳ４２０Ｊ２などのマルテンサイト系ステンレス鋼は熱処理で硬度を調節することができるので、所望の硬度を実現できる。
その他、突起２１やロータ４，３７の材料は、アルミニウム、鉄、カーボンナノチューブを含んだ樹脂やなどでもよい。カーボンナノチューブを含んだ樹脂で構成する場合には、樹脂を使用するので外形形状を容易に形成できる。また、カーボンナノチューブを含んでいるので、強度を高くすることができ、これによって圧電アクチュエータの耐久性をさらに向上させることができる。なお、母材となる樹脂は、例えばポリスチレンやポリカーボネイトなどが採用できる。この際には、集中イオンビーム（ＦＩＢ）などのナノテクノロジーを用いれば、外形形状を高精度に形成することができる。
【００６８】
潤滑剤は、各実施形態において時計用油であったが、これに限らず、任意の油を採用できる。また、油に限らずポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの固体潤滑剤を用いてもよい。固体潤滑剤を使用する場合は、凹凸部１５，３７Ａの形状を有するリング状の部材を形成しておき、圧入などによりロータ４，３７の外周に固定してもよい。この場合には、潤滑剤が固体なので、油に比べて突起２１と凹凸部１５，３７Ａとの間のゴミや毛羽がたまりにくく、両者の係合を長期間良好に保つことができる。あるいは、潤滑剤としてトラクションオイルを使用すれば、より一層動力伝達効率を向上させることができる。
【００６９】
被駆動体は、各実施形態において回転駆動されるロータ４，３７であったが、これに限らず、直線駆動されるものであってもよい。この場合には、被駆動体を棒状部材で構成し、その一面に凹凸部を形成する。そして、この凹凸部に係合するように突起２１を設ければよい。
【００７０】
圧電アクチュエータは、液体吐出装置１および時計の日付表示機構３０に適用されたが、これに限らない。ロータが突起との係合によって駆動されるので、高トルクに対しても対応可能であるから、回転駆動されるファンや直線駆動されるピンアクチュエータなどに適用できる。また、被駆動体の凹凸部に等間隔な歯形状の凹凸部を設ける場合では、被駆動体の移動量を検出することができるので、位置決め精度を必要とする機器などに使用できる。さらに、本発明の圧電アクチュエータに減速輪列や増速輪列を付加して、動力伝達装置を構成してもよい。高トルクに対しても対応可能なので、減速輪列の段数を最小限に押さえることができ、動力伝達装置を小さく構成することができる。
【００７１】
本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
したがって、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。
【００７２】
【発明の効果】
このような本発明によれば、圧電素子を有する振動体に突起が設けられ、被駆動体に凹凸部が形成されているので、振動体が被駆動体を駆動させる時には、突起が被駆動体の凹凸部に係合することによって被駆動体を駆動させる。よって、振動体および被駆動体の間の摩擦力を低減でき、摩耗が軽減するので、耐久性を向上させることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態にかかる液体吐出装置を示す平面図。
【図２】本発明の第一実施形態にかかる液体吐出装置を示す断面図。
【図３】本発明の第一実施形態にかかる振動体およびロータの係合部を示す図。
【図４】本発明の第一実施形態にかかる振動体の動作を示す模式図。
【図５】本発明の第一実施形態にかかる突起およびロータを示す拡大図。
【図６】本発明の第一実施形態にかかる振動体の振動特性を示す図。
【図７】本発明の第二実施形態にかかる日付表示機構の平面図。
【図８】本発明の第二実施形態にかかる日付表示機構の断面図。
【図９】本発明の第二実施形態にかかる突起およびロータの拡大図。
【図１０】本発明の突起およびロータの変形例を示す図。
【図１１】本発明の突起およびロータの別の変形例を示す図。
【符号の説明】
１…液体吐出装置
４…ロータ（被駆動体）
５…振動体
６…チューブ
７…ボール
１５…凹凸部
１６…補強板
１７…圧電素子
２０…凸部
２１…突起
３０…日付表示機構
３１…日車
３２…動力伝達機構
３４…伝え車
３５…日回し中間車
３６…日回し車
３７…ロータ（被駆動体）
３７Ａ…凹凸部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a piezoelectric actuator that drives a driven body using a piezoelectric element, a power transmission device including the same, a liquid ejection device, and a timepiece. More specifically, the present invention relates to a piezoelectric actuator that drives a driven body by deformation vibration of a piezoelectric element, a power transmission device including the piezoelectric actuator, a liquid ejection device, and a timepiece.
[0002]
[Background Art]
In recent years, a piezoelectric actuator driven by using a piezoelectric element has been known. In this method, an AC voltage is applied to a vibration plate provided with a piezoelectric element to deform and vibrate the vibration plate. If it is desired to obtain a rotational motion by the vibration, for example, the rotor is rotated by the vibration. In such a piezoelectric actuator, when transmitting the vibration of the diaphragm to the rotor, the diaphragm is pressed against the rotor and rotated by the frictional force between the diaphragm and the rotor. Therefore, a pressing spring is formed integrally with the diaphragm so that the frictional force between the diaphragm and the rotor can be appropriately maintained. The diaphragm is pressed against the rotor by the urging force of the pressing spring to generate a necessary frictional force.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, such a piezoelectric actuator requires a relatively high frictional force because the rotor is driven by the frictional force. For this reason, for example, a material has been devised such that a friction coefficient between the two is increased (for example, Patent Document 1), or a friction coefficient is increased by adjusting the surface roughness of the outer periphery of the rotor. However, in any case, since the rotor is rotated by the frictional force with the diaphragm, both are worn. Therefore, the life of such a piezoelectric actuator cannot be extended, and an improvement in durability is desired.
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-2000-354385 (page 3)
[0005]
An object of the present invention is to provide a piezoelectric actuator capable of reducing frictional force when transmitting power of vibration and improving durability, a power transmission device including the piezoelectric actuator, a liquid ejection device, and a timepiece. It is in.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
The piezoelectric actuator of the present invention is a piezoelectric actuator including a vibrating body that vibrates due to deformation of a piezoelectric element and a driven body that is driven by the vibration of the vibrating body. A projection is provided, and the driven body is provided with an uneven portion facing the projection, and the projection is engaged with the uneven portion to drive the driven body.
[0007]
According to the present invention, the projection is provided on the vibrating body, and the unevenness is formed on the driven body. Therefore, when the projection vibrates, the projection engages with the unevenness on the driven body. Then, power is transmitted by pushing the uneven portion in the moving direction of the driven body. Therefore, there is no need to obtain a high frictional force by pressing the projection against the driven body, so that the frictional force between the projection and the driven body is reduced. This also reduces wear and improves the durability of the piezoelectric actuator.
[0008]
In the present invention, it is preferable that the uneven portion of the driven body is formed of a depression formed by shot peening.
According to the present invention, since the uneven portion of the driven body is formed by shot peening, the formation of the uneven portion can be realized easily and at low cost. Further, since the hardness of the uneven portion is increased by performing the shot peening, the durability is further improved.
[0009]
In the present invention, it is preferable that the concave-convex portion of the driven body is formed of tooth-shaped portions formed at regular intervals at intervals of substantially the vibration amplitude of the projection.
According to the present invention, since the projections and depressions of the driven body are tooth-shaped portions having an interval of about the vibration amplitude of the projection, the projection is reliably engaged with the tooth-shaped portion every time the projection vibrates. Therefore, there is almost no slippage between the projection and the driven body, and the power transmission efficiency is improved. This is particularly useful when mounted on equipment that requires positioning accuracy. In this case, if the frequency of the vibration of the projection is known, the moving amount of the driven body in one vibration of the projection is determined from the interval between the concave and convex portions, the number of the tooth-shaped portions, and the like. Therefore, even when it is desired to detect the movement amount of the driven body, there is no need to separately provide a movement amount detection unit, and the structure is simplified.
[0010]
In the present invention, a plurality of projections of the vibrating body are provided to form an uneven portion, and each of the uneven portions of the vibrating body and the driven body has teeth formed at equal intervals at substantially the vibration amplitude of the projection. It is desirable to be constituted by a shape part.
According to the present invention, since the tooth-shaped portions are formed on both the vibrating body and the driven body at intervals of about the vibration amplitude of the protrusion, the vibrating body and the driven body are engaged with each other at the plurality of tooth-shaped portions. Engage. Therefore, for example, similarly to the case where the meshing ratio in terms of meshing of the gears is 1 or more, the driving force from the vibrating body is dispersed and transmitted to the plurality of tooth-shaped portions, and the tooth surface per tooth is Working stress is reduced. In addition, since each of the concavo-convex portions of the vibrating body and the driven body is formed of equally-spaced tooth-shaped portions, one is securely meshed with the other, and almost no slippage occurs, so that power transmission efficiency is improved. .
[0011]
In the present invention, it is desirable that at least the engagement portions between the projections of the vibrating body and the concave and convex portions of the driven body are formed of involute curves.
According to the present invention, since the engagement portion between the projection and the concave and convex portion of the driven body is formed of an involute curve, the direction in which the force acts upon power transmission is constant, and the power is transmitted efficiently. Further, since the engagement portions are formed by involute curves, the power is transmitted satisfactorily due to the influence of errors in the mounting positions of the vibrating body and the driven body.
[0012]
In the present invention, it is desirable that at least one of the protrusions and the driven body at which the uneven portion is formed is made of a resin containing carbon nanotubes.
According to the present invention, since the uneven portion is configured to include the carbon nanotube, it is configured with high strength, and the durability is improved. In addition, if nanotechnology such as a focused ion beam (FIB) is used, a highly accurate uneven portion can be easily formed. Therefore, it is easy to form the concave and convex portions with high precision at intervals of about the vibration amplitude of the projections.
[0013]
In the present invention, it is desirable that at least one of the projection and the driven body at which the uneven portion is formed is formed of a silicon wafer.
According to the present invention, since the uneven portion is made of the silicon wafer, the portion has high hardness, and the durability of the piezoelectric actuator is improved. Further, for example, if the uneven portion is processed by etching or the like, the shape processing of the uneven portion can be easily and accurately performed.
[0014]
In the present invention, it is preferable that at least one of the protrusions and the driven body on which the uneven portions are formed is formed by stacking a plurality of silicon wafers.
According to the present invention, since at least one of the silicon wafers is formed by laminating a plurality of silicon wafers, for example, the protrusions and the driven body can be formed with different thicknesses. Thereby, even when the driven body is displaced in the direction orthogonal to the moving direction, the driven body can be satisfactorily engaged without being disengaged. Therefore, the shape tolerance of the piezoelectric actuator itself can be reduced, and the degree of freedom of the structure increases. Further, even when at least one of the projection and the driven body is manufactured from a silicon wafer having the same thickness, a desired thickness can be obtained by laminating a plurality of pieces. In this case, it is only necessary to design two parts on one mask and manufacture them simultaneously from one silicon wafer, so that the manufacturing process is simplified.
[0015]
In the present invention, it is preferable that at least one of the projection and the driven body on which the uneven portion is formed is made of stainless steel formed by etching. According to the present invention, since at least the member having the concave and convex portions is formed by etching, high-precision processing can be performed. Also, since the member is made of stainless steel, it is excellent in rust prevention. In particular, martensitic stainless steel such as SUS420J2 is excellent in durability because high strength can be obtained by adjusting hardness by heat treatment.
[0016]
In the present invention, it is desirable that at least one of the projections and the driven body on which the uneven portions are formed is manufactured by rolling.
According to the present invention, since at least the member having the uneven portion is formed by rolling, various materials such as metal and resin can be used, and the applicable range is widened. In addition, if a focused ion beam (FIB) or the like is used, a highly accurate rolling die can be created, so that a projection or a driven body having a highly accurate uneven portion can be mass-produced.
[0017]
In the present invention, it is desirable that a lubricant is interposed in an engagement portion between the projection and the driven body.
In a conventional piezoelectric actuator, the vibration of a projection is transmitted to a driven body by a frictional force. For this reason, when a lubricant such as oil is used, the frictional force is reduced, so that the lubricant to be applied has been limited. According to the present invention, since the power is transmitted by the projections engaging with the concave and convex portions of the driven body, the usable lubricant is not limited, and the selection range of the lubricant is widened.
[0018]
In the present invention, the lubricant is desirably either an oil or a solid lubricant. According to the present invention, for example, when oil is used as a lubricant, an oil suitable for use conditions such as stress and sliding speed can be selected. In addition, it is easy to adjust the amount of lubrication.
On the other hand, when a solid lubricant is used as the lubricant, dust and fluff do not adhere to the projections and the driven body unlike oil. Therefore, the projection and the driven pair are satisfactorily engaged with each other while preventing deterioration of the oil. Here, polytetrafluoroethylene (PTFE) or the like can be used as the solid lubricant.
[0019]
According to the present invention, the vibrating body includes a substantially rectangular plate-shaped piezoelectric element and a vibrating plate joined to the piezoelectric element and having a projection formed thereon. Is greater than or equal to 0.274, and in longitudinal vibration that expands and contracts in the longitudinal direction of the piezoelectric element, and in bending vibration that bends in a direction orthogonal to the longitudinal vibration in a point symmetry with respect to the plane center of the piezoelectric element. It is preferable that the ratio of the resonance frequency of the bending vibration to the resonance frequency of the longitudinal vibration is set to be larger than 1.00 and equal to or smaller than 1.03. According to the present invention, since the resonance frequencies of the longitudinal vibration and the bending vibration are close to each other, when the piezoelectric element is vibrated near these resonance frequencies, the longitudinal vibration and the bending vibration appear simultaneously, and the protrusion of the piezoelectric actuator is The element oscillates in an elliptical orbit in a substantially plane. This elliptical orbit enables the projection to press and drive the driven body. At this time, since the piezoelectric element is excited near the respective resonance points of the longitudinal vibration and the bending vibration, the respective vibration amplitudes become large. Therefore, the amplitude of the elliptical trajectory of the projection also increases, and the driven body is driven with high efficiency.
[0020]
Here, when the short side of the piezoelectric actuator provided with the protrusion is smaller than 0.274, the resonance frequency of the longitudinal vibration becomes higher than the resonance frequency of the bending vibration, and the protrusion may draw a good elliptical orbit. Can not. At this time, the ratio of the resonance frequency of the bending vibration to the resonance frequency of the longitudinal vibration is 1.00 or less. Further, when the ratio of the resonance frequency of the bending vibration to the resonance frequency of the longitudinal vibration is larger than 1.03, the resonance point of the longitudinal vibration and the resonance point of the bending vibration are separated from each other, and the amplitudes of both vibrations are simultaneously improved. Can not do it.
[0021]
A power transmission device of the present invention includes any one of the above piezoelectric actuators.
According to the present invention, since the power transmission device is configured by the piezoelectric actuator as described above, the above-described effects are exhibited, and it is possible to cope with high torque. Conversely, it is possible to reduce the voltage for obtaining the same torque, which leads to higher efficiency. In addition, since such a power transmission device has a relatively large driving torque, it is easy to obtain a desired rotation speed with a small structure in which the reduction ratio of the reduction mechanism is reduced.
[0022]
A liquid ejection apparatus according to the present invention includes any one of the above piezoelectric actuators.
According to the present invention, the above-described piezoelectric actuator can cope with a high torque, and the efficiency is promoted. Therefore, the piezoelectric actuator is applied to a liquid ejection device that requires a relatively high torque to eject a liquid. It is suitable.
[0023]
A timepiece according to the invention includes any one of the above piezoelectric actuators.
According to the present invention, since the piezoelectric actuator has the above-described effects, it is most suitable to be applied to a timepiece that needs to be reduced in size and thickness.
[0024]
In the present invention, the above-described piezoelectric actuator is desirably applied to a date display mechanism of a timepiece.
According to the present invention, in particular, when the projections and the driven body are formed with uneven portions at regular intervals, the driven body moves by an amount proportional to the frequency of the vibration of the projection, so that the date display mechanism is accurate. To work. Also in this case, there is no need to provide a detecting means for detecting the moving amount of the driven body, so that the number of components is reduced and the structure is simplified.
[0025]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that, in the second embodiment and the subsequent embodiments to be described later, the same components as those in the first embodiment described below and components having similar functions are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be simplified or omitted.
[0026]
(First embodiment)
In the first embodiment, a case where the piezoelectric actuator of the present invention is applied to a liquid ejection device will be described.
FIG. 1 is a plan view showing a liquid ejection apparatus 1 according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a sectional view in FIG. Further, in the following description, the upper side in FIG. 2 is referred to as “upper side”, and the lower side is referred to as “lower side” in the liquid ejection apparatus 1.
[0027]
The liquid ejecting apparatus 1 shown in FIG. 1 includes a base 2 on which a tube 6 is installed, a retainer 3 (FIG. 2) which is rotatably installed with respect to the base 2, and defines a rotation locus of a ball 7, and an upper part of the retainer 3. And a rotor (driven body) 4 for pressing the ball 7 against the tube 6 and a vibrating body 5 for driving the rotor 4 to rotate.
[0028]
A flat circular groove 9 is provided in the base 2, and two linear grooves 10 communicating with the groove 9 and leading to the outside of the base 2 are formed in parallel. The groove 10 is communicated with a position (a position facing at an interval of 180 degrees) between the groove 9 and the rotation axis of the retainer 3.
The tube 6 is mounted in a substantially U-shape along the semicircular portion of the groove 9 not on the groove 10 side and along the groove 10. That is, the tube guide groove 11 is constituted by the circular arc portion of the groove 9 which is not on the groove 10 side and the groove 10. The cross-sectional shape of the contact surface of the tube guide groove 11 that contacts the tube 6 is formed in an arc shape concentric with the ball 7. Further, the arc portion other than the tube guide groove 11 in the groove 9 has no tube 6 and serves as a ball guide groove 12 for guiding the ball 7. Here, the tube 6 is made of an elastic material, and for example, silicone rubber or the like can be adopted.
[0029]
As shown in FIG. 2, the shaft portion 13 that supports the retainer 3 and the rotor 4 is fitted in the base 2 at the circular center of the groove 9. The retainer 3 and the rotor 4 are fixed to the shaft 13 via a ball bearing 14, whereby the retainer 3 and the rotor 4 are rotatably supported on the shaft 13, that is, the base 2. The ball bearing 14 is fixed to the shaft portion 13 by screws, thereby preventing axial displacement.
Although not shown, a cover for covering the retainer 3, the rotor 4, and the like is provided on the upper portion of the base 2, and the base 2 and the cover form a space for accommodating the retainer 3, the rotor 4, and the like. I have.
[0030]
A ball mounting hole 8 is formed in the retainer 3, and three balls 7 for closing the tube 6 from above are rollably mounted. The distance between each ball 7 and the shaft portion 13 is equal, and the distance between adjacent balls 7 is equal (120 degrees). The ball 7 rolls on the tube 6 while closing the tube 6 under pressure.
[0031]
The rotor 4 is made of, for example, stainless steel such as SUS440 having a hardness of 850 HV, hardened steel, nitrided stainless steel, carburized carbon steel, aluminum, and other materials, and is formed in a disk shape. The outer peripheral surface of the rotor 4 is an uneven portion 15 that engages with the vibrator 5. The uneven portion 15 is formed in an arc shape in cross section along the circumferential direction. As shown in FIG. 3, fine dimple-shaped unevenness is formed on the surface. The irregularities are formed by shot peening, for example, under conditions such as spraying glass beads having a diameter of 30 μm onto the irregularities 15 at 1 atm for 20 seconds. As a result, irregularities having a component perpendicular to the outer peripheral surface of the rotor 4 are randomly formed in the irregularities 15, but the intervals between the irregularities are set to be a predetermined interval as a whole.
[0032]
Returning to FIG. 2, the upper surface of the ball 7 is in contact with the lower surface of the rotor 4, and the ball 7 is supported by the rotor 4 while being urged upward (toward the rotor 4) by the elastic force of the tube 6. That is, the ball 7 presses the tube 6 by the rotor 4. Here, the distance between the ball 7 and the contact surface of the tube guide groove 11 is set so that the tube 6 is completely crushed so as to ensure the accuracy of the liquid discharge amount, and that excessive force is not applied to the tube 6. It is determined as appropriate.
[0033]
As shown in FIGS. 1 and 2, the vibrating body 5 includes a reinforcing plate 16 formed in a substantially rectangular flat plate shape, and a substantially rectangular plate-shaped piezoelectric element 17 provided on both front and back surfaces of the reinforcing plate 16. And an arm 18 having a screw hole for fixing the reinforcing plate 16 to the base 2. Note that the piezoelectric actuator of the present invention includes the vibrating body 5 and the rotor 4.
[0034]
The reinforcing plate 16 is made of stainless steel such as SUS301 having a hardness of 500 HV and other materials, and has a substantially rectangular long side and short side formed at a ratio of approximately 7: 2. Protrusions 20 are integrally formed at both ends in the diagonal length direction of the reinforcing plate 16.
One of the protruding portions 20 on the side of the concavo-convex portion 15 has a conical protrusion 21 at the tip, and the protruding portion 21 is in contact with the concavo-convex portion 15. At this time, the projections 21 are engaged with the dents having an arcuate cross-section formed in the concave-convex portions 15, thereby preventing the rotor 4 and the projections 21 from shifting up and down. The projection 21 has a tip formed in an arc shape with a radius of about 1 μm, and is fixed to the projection 20 of the reinforcing plate 16 by being driven into the projection 20 or the like.
Here, the material of the protrusion 21 may be a material having a high hardness, for example, diamond, tungsten, hardened steel, nitrided stainless steel, carburized carbon steel, ceramics such as alumina, or the like can be used. It is preferable that the hardness of the material of the protrusion 21 is larger than the hardness of the material of the rotor 4.
[0035]
The piezoelectric elements 17 are bonded to substantially rectangular portions on both sides of the reinforcing plate 16. The material of the piezoelectric element 17 is not particularly limited. Lead zirconate titanate (PZT (registered trademark)), quartz, lithium niobate, barium titanate, lead titanate, lead metaniobate, polyvinylidene fluoride, zinc niobate Various materials such as lead and lead scandium niobate can be used.
Electrodes 19 made of nickel, gold, or the like are formed on both surfaces of the piezoelectric element 17 by a method such as plating, sputtering, or vapor deposition. Of these electrodes 19, the electrode 19 on the surface facing the reinforcing plate 16 is electrically connected to the reinforcing plate 16. The electrode 19 on the surface of the piezoelectric element 17 not facing the reinforcing plate 16 and the reinforcing plate 16 are connected to an application device (not shown) for applying a predetermined voltage to the piezoelectric element 17 by a lead wire or the like.
[0036]
The dimensions and the thickness of the piezoelectric element 17 are determined by the so-called longitudinal vibration that the piezoelectric element 17 expands and contracts in the longitudinal direction when a voltage is repeatedly applied to the piezoelectric element 17, and the plane of the piezoelectric element 17 in a direction orthogonal to the longitudinal vibration. It is appropriately set so that bending vibration that is point-symmetric with respect to the center, that is, bending vibration, appears at the same time. At this time, it is desirable that the resonance frequency of the longitudinal vibration and the resonance frequency of the bending vibration are set to be close to each other, and the ratio of the resonance frequency of the bending vibration to the resonance frequency of the longitudinal vibration is larger than 1.00 and 1 0.03 or less. The ratio of the length of the long side to the length of the short side of the piezoelectric element 17 is desirably 0.274 or more, where the length of the long side is 1.
Further, the frequency of the voltage applied to the piezoelectric element 17 is set between the resonance frequency of the longitudinal vibration and the resonance frequency of the bending vibration, more preferably, between the anti-resonance frequency and the resonance frequency of the bending vibration. . The waveform of the voltage applied to the vibrating body 5 is not particularly limited, and may be, for example, a sine wave, a rectangular wave, a trapezoidal wave, or the like.
[0037]
The arm 18 is integrally formed at substantially the center of the vibrating body 5 in the longitudinal direction, supports the vibrating body 5 in a cantilever manner, and an end of the arm 18 is fixed to the base 2 by a screw. The arm 18 presses the protrusion 21 against the uneven portion 15 with such a force that the engagement between the protrusion 21 and the uneven portion 15 is not released. Note that this pressing force is much smaller than the conventional one that rotates the rotor by friction.
Further, a lubricant is interposed between the protrusion 21 and the uneven portion 15 of the rotor 4. The lubricant is not particularly limited, and for example, has a viscosity of 2.7 and an oil film strength of 610 kg / mm. 2 Watch oil SYNTA-VISCO-LUBE (Mavis) can be used.
[0038]
Here, the interval between the irregularities of the uneven portion 15 is set to the interval of substantially the vibration amplitude of the vibrating body 5. Since the vibration amplitude of the vibrating body 5 varies depending on the voltage and frequency applied to the piezoelectric element 17, a good vibration can be obtained in consideration of the dimensions of the rotor 4, the number of rotations, the setting of the torque, and the like. It is set appropriately so that
[0039]
Such a liquid ejection device 1 operates as follows.
FIG. 4 is a schematic diagram showing the operation of the vibrating body 5, FIG. 4A shows a longitudinal vibration of the vibrating body 5, FIG. 4B shows a bending vibration, and FIG. The vibration locus of the protrusion 21 is shown in ().
With the protrusion 21 in contact with the uneven portion 15, a voltage is repeatedly applied between the electrode 19 on the surface of the piezoelectric element 17 of the vibrating body 5 and the reinforcing plate 16 by an application device (not shown) to vibrate the vibrating body 5. Then, as shown in FIG. 4A, the piezoelectric element 17 excites longitudinal vibration that expands and contracts in the longitudinal direction. At this time, since the protrusions 20 are formed on the reinforcing plate 16 at diagonally opposite ends, the weight balance of the vibrating body 5 is asymmetric with respect to the center line along the longitudinal direction. Due to this weight imbalance, a force for twisting the piezoelectric element 17 in a plane is exerted, and the piezoelectric element 17 moves in a direction perpendicular to the longitudinal vibration with respect to the center of the plane of the piezoelectric element 17 as shown in FIG. Excites bending vibration that bends point-symmetrically.
[0040]
When these longitudinal vibrations and bending vibrations appear simultaneously, the protrusions 21 of the vibrating body 5 vibrate in an elliptical orbit in which the longitudinal vibrations and the bending vibrations are combined, as shown in FIG. 4C.
FIG. 5 is an enlarged view of the protrusion 21 and the rotor 4. As shown in FIG. 5, the projection 21 engages with the unevenness of the uneven portion 15 at a part of the elliptical orbit, and pushes the uneven portion 15 in the circumferential direction of the rotor 4 to move the rotor 4 in the arrow E direction. Rotate intermittently. Here, since the protrusions 21 are arranged to be inclined with respect to the radial direction of the rotor 4, the engagement with the concave and convex portions 15 is released after the rotor 4 is intermittently rotated. Then, the projection 21 engages with the next unevenness of the uneven portion 15 while drawing an elliptical orbit. Thus, the protrusion 21 always rotates the rotor 4 only in one direction (E direction). The rotor 4 is rotated at a predetermined rotation number by repeatedly rotating the rotor 4 intermittently by the vibration of the projection 21.
[0041]
FIG. 6 shows the vibration characteristics of the vibrating body 5. In FIG. 6, the diagram shows the impedance of the piezoelectric element 17 with respect to the drive frequency. As shown in FIG. 6, in the vibrating body 5 of the present embodiment, two points at which the impedance becomes minimum with respect to the frequency of the voltage applied to the piezoelectric element 17 appear. One of the lower frequency points is a resonance point at which the vibration amplitude of the longitudinal vibration becomes maximum, and the frequency at this resonance point is the resonance frequency f1 of the longitudinal vibration. On the other hand, one point having a higher frequency is a resonance point at which the vibration amplitude of the bending vibration becomes maximum, and the frequency at this resonance point is the resonance frequency f3 of the bending vibration. An anti-resonance frequency f2 appears between the resonance frequencies f1 and f3.
As can be seen from FIG. 6, when the piezoelectric element 17 is driven at a frequency between the resonance frequency f1 of the longitudinal vibration and the resonance frequency f3 of the bending vibration, the amplitudes of both the longitudinal vibration and the bending vibration can be increased. 4 can be driven with high efficiency.
[0042]
Here, when the dimension of the piezoelectric element 17 is set such that the length of the short side is smaller than 0.274 when the length of the long side is 1, the resonance frequency f1 of the longitudinal vibration becomes larger than the resonance frequency f3 of the bending vibration, A good elliptical orbit cannot be obtained at the projection 21. At this time, the ratio of the resonance frequency f3 of the bending vibration to the resonance frequency f1 of the longitudinal vibration is 1.00 or less. If the ratio of the resonance frequencies f1 and f3 of both vibrations is larger than 1.03, the resonance point of the longitudinal vibration and the resonance point of the bending vibration are separated from each other, and the vibration frequency at which the amplitudes of both vibrations increase simultaneously is set. Can not do it.
[0043]
When the rotor 4 rotates due to the vibration of the vibrating body 5, the ball 7 moves while rolling with the rotation of the rotor 4. With the movement of the ball 7, the retainer 3 also rotates. The ball 7 rolls on the tube 6 with the rotation of the rotor 4 and sequentially moves the closed position of the tube 6. Thereby, the liquid in the tube 6 moves in the tube 6 with the movement of the closed position while being partitioned by the portion closed by each ball 7. As a result, the liquid is confined in a space closed by the two balls 7, that is, in a predetermined volume, and the volume of the liquid is measured.
Then, when the first ball 7 in the rotation direction front of the rotor 4 comes off from the tube 6 to release the pressure closing of the tube 6, the liquid trapped between the two balls 7 becomes the tube disposed in the groove 10. 6 is discharged.
The liquid is sequentially extruded through the tube 6 by repeating the above operation.
[0044]
The discharge amount of the liquid per unit time is set based on the diameter of the tube 6, the radius (length) of the ball 7 or the arc portion of the tube 6, the rotation speed of the rotor 4, and the like. In particular, since the rotation speed of the rotor 4 can be easily changed by appropriately adjusting the frequency, voltage, and other settings of the piezoelectric element 17 of the vibrating body 5, the adjustment of the discharge amount in a certain range can be performed. What is necessary is just to adjust by the vibration speed of the vibrating body 5, ie, the rotation speed of the rotor 4.
[0045]
According to the first embodiment, the following effects can be obtained.
(1) The unevenness 15 is formed on the uneven portion 15 of the rotor 4, and the protrusion 21 is provided on the convex portion 20 of the vibrator 5. When the rotor 4 is rotated, the protrusions 21 engage with the unevenness of the uneven portion 15 and rotate. Therefore, there is no need to press the protrusion 21 against the uneven portion 15 to maintain a high frictional force, so that abrasion of the protrusion 21 and the uneven portion 15 can be reduced. Therefore, durability can be improved.
Further, in the conventional method, the vibration of the projection 21 may not be transmitted to the rotor 4 due to the slip between the projection 21 and the uneven portion 15. According to the present embodiment, since the protrusion 21 engages with the unevenness of the uneven portion 15, the vibration of the vibrating body 5 can be reliably transmitted to the rotor 4, and the power transmission efficiency can be improved.
[0046]
(2) Since the unevenness of the uneven portion 15 is formed by shot peening, it can be easily formed in a short time, and can be mass-produced easily and inexpensively.
In addition, since the surface hardness of the uneven portion 15 can be improved by shot peening, the durability can also be improved.
[0047]
(3) Since the projections and depressions of the projections and depressions 15 are formed at intervals of substantially the vibration amplitude of the projections 21, the engagement of the projections 21 with the projections and depressions 15 can be improved, and the efficiency of power transmission to the rotor 4 can be improved.
[0048]
(4) Conventionally, power has been transmitted by the frictional force between the vibrating body 5 and the rotor 4. Therefore, a lubricant that reduces the friction coefficient can be used between the rotor 4 and the vibrating body 5. Did not. In the present embodiment, since the protrusion 21 engages with the unevenness formed on the uneven portion 15 to rotate the rotor 4, the usable lubricant is not limited. Accordingly, easily available oils and the like can be used, and the degree of freedom in selecting a lubricant can be increased. In addition, since oil can be used, the amount of lubrication can be easily adjusted, and the handleability can be improved.
[0049]
(5) Since the unevenness is formed in the uneven portion 15, oil can be retained in the unevenness, and running out of lubricant can be prevented.
[0050]
(6) The piezoelectric element 17 has an appropriate size, that is, the length of the short side is 0.274 or more when the length of the long side is 1, and the ratio of the resonance frequency of the bending vibration to the resonance frequency of the longitudinal vibration is 1 Since it is set to be larger than 0.000 and 1.03 or less, longitudinal vibration and bending vibration can be simultaneously obtained, and the rotor 21 can be rotationally driven by the projection 21 drawing a good elliptical orbit. At this time, since the resonance points of the longitudinal vibration and the bending vibration are close to each other, the amplitude of both vibrations becomes large near the resonance point, and the rotor 4 can be driven with high efficiency.
[0051]
Here, a specific example of the first embodiment will be described.
The material of the piezoelectric element 17 is PZT, and the dimensions are 1.98 mm on the short side, 7.00 mm on the long side, and 0.15 mm in thickness. The reinforcing plate 16 is made of stainless steel (SUS301) and has a thickness of 0.1 mm. The protruding portion 20 on the side that comes into contact with the rotor 4 has a substantially semicircular shape having a planar shape of 0.5 mm in width and a protruding length of 0.45 mm, and has a mass of about 0.16 mg. The arm 18 has a width of 0.4 mm and a length of 0.5 mm.
In such a vibrating body 5, when a voltage is applied to the piezoelectric element 17 in a state where the protrusion 21 does not come into contact with the rotor 4 and receives no reaction force from the rotor 4, the resonance frequency f1 of the longitudinal vibration is about 279 kHz, The resonance frequency f3 of the vibration was about 285 kHz, and the anti-resonance frequency f2 was about 283 kHz. Therefore, the ratio of the resonance frequency f3 of the bending vibration to the resonance frequency f1 of the longitudinal vibration is about 1.015. When a voltage is applied to the vibrating body 5 at a frequency between the resonance frequency f1 and the resonance frequency f3, and more preferably at a frequency between the antiresonance frequency f2 and the resonance frequency f3, the longitudinal vibration and the bending vibration resonate, respectively. It can be seen that a large vibration amplitude is obtained by excitation near the point, and the projection 21 draws a good elliptical orbit.
[0052]
(Second embodiment)
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the second embodiment, the piezoelectric actuator of the present invention is applied to a date display mechanism of a timepiece.
FIG. 7 is a plan view of the date display mechanism 30 according to the second embodiment, and FIG. 8 is a side sectional view of the date display mechanism 30. As shown in FIGS. 7 and 8, date display mechanism 30 includes a date indicator 31 that displays a date, a power transmission mechanism 32 that transmits driving force to rotate date indicator 31, And a vibrating body 5 provided to the transmission mechanism 32.
Although not shown, the date display mechanism 30 is housed in a case of a timepiece, and a part of the date wheel 31 is visible through a window formed in the case.
The power transmission device of the present invention includes the vibration body 5 and the power transmission mechanism 32.
[0053]
The date indicator 31 is a ring-shaped flat plate member, and a date display 31A is formed on the surface thereof by printing or other methods. A date feed tooth 33 for rotating the date wheel 31 is formed on the inner peripheral side of the date wheel 31. In the date feed tooth 33, the interval (pitch) of one tooth is equivalent to one day of the date display 31A. That is, when one date feed tooth 33 is sent, one date display 31A is sent and the date changes. It is set as follows.
[0054]
The power transmission mechanism 32 includes a date wheel 36 that meshes with the date feed tooth 33, a date wheel intermediate wheel 35 that meshes with the date wheel 36, and a rotor 37 that meshes with the date wheel intermediate wheel 35 and that is a driven body. And a transmission wheel 34 provided integrally.
The date wheel 36 has a plurality of pawl portions 42 (five in the present embodiment) around its periphery, and the pitch thereof is set so as to mesh with the date feed tooth 33. The rotating shaft of the date wheel 36 is rotatably supported by a long hole 44 </ b> A provided in the substrate 44. A holding plate 43 having one end fixed thereto is attached to the substrate 44, and the other end of the holding plate 43 is in contact with the rotating shaft of the date indicator wheel 36. The date wheel 36 is urged toward the intermediate date wheel 35 by the pressing plate 43.
[0055]
The date turning intermediate wheel 35 includes a disk-shaped date feeding portion 40 with which the pawl portion 42 of the date driving wheel 36 abuts, and a gear 39 formed integrally with the date feeding portion 40. The date feeding portion 40 is provided with a single concave portion 41 around the periphery.
The transmission wheel 34 includes a rotor pinion 38 that meshes with the gear 39, and a rotor 37 formed integrally with the rotor pinion 38. On the outer periphery of the rotor 37, as shown in FIG. 9, for example, uneven portions 37A in which tooth-shaped portions each having an involute curve with a pressure angle of 20 ° are arranged at equal intervals are formed. The rotor 37 is made of a silicon wafer and is formed by etching. Further, the rotor 37 and the rotor pinion 38 are joined by bonding, brazing, or the like.
Here, when the outer diameter shape of the rotor 37 is formed by etching, first, a mask having the shape of the rotor 37 is prepared. A mask pattern having a mask shape is formed on a silicon wafer by photolithography using a positive photoresist. Thereafter, dry etching is performed on the silicon wafer on which the mask pattern has been formed, and the outer shape of the rotor 37 is accurately formed.
The piezoelectric actuator of the present invention includes the rotor 37 and the vibrating body 5.
[0056]
The vibrating body 5 has a projection 21 on the projection 20 as in the first embodiment. In the second embodiment, the reinforcing plate 16 and the projection 21 are integrally formed, and are configured by a silicon wafer.
FIG. 9 shows an enlarged view of the rotor 37 and the protrusion 21. In FIG. 9, the tip of the projection 21 is formed as an involute curve with a pressure angle of 20 °, for example, similarly to the uneven portion 37A of the rotor 37. The reinforcing plate 16 and the projections 21 are formed by photolithography and etching as in the case of the rotor 37. When the rotor 37 and the reinforcing plate 16 are manufactured, both shapes may be formed on one mask, and both may be manufactured simultaneously from one silicon wafer. In FIG. 8, the thickness of the protrusion 20 and the thickness of the rotor 37 are changed to facilitate understanding.
The protrusion 21 is installed so as to be inclined with respect to the radial direction of the rotor 37. The protrusion 21 is disposed so as to engage with the uneven portion 37A of the rotor 37. The projection 21 is supported by the arm 18 with a pressing force that does not cause the engagement with the rotor 37 to be released. Note that this pressing force is much smaller than the conventional one that rotates the rotor by friction.
[0057]
Here, the interval A between the concavo-convex portions 37A formed on the rotor 37 may be set to be equal to or less than the major axis a of the elliptical orbit, which is the vibration amplitude of the vibrating body 5, and is substantially the same in this embodiment, that is, The interval is set to substantially the vibration amplitude. The depth B of the uneven portion 37A may be set to be equal to or smaller than the minor diameter b of the elliptical orbit of the vibrating body 5. Since the vibration amplitude of the vibrating body 5 varies depending on the voltage applied to the vibrating body 5, it is appropriately determined in consideration of the required torque and the number of revolutions of the rotor 37, and the like. In the present embodiment, the applied voltage is set to 20 V, and the interval between the uneven portions 37A is set to 2.6 μm.
In addition, by adjusting the size of each member of the power transmission mechanism 32, the number of teeth to be formed, or the vibration frequency of the vibrating body 5, the intermediate date wheel 35 is set to make one rotation in 24 hours. I have.
[0058]
Such a date display mechanism 30 operates as follows.
When a voltage is repeatedly applied to the vibrating body 5, the vibrating body 5 vibrates in an elliptical orbit similarly to the first embodiment. When the vibrating body 5 extends, in a part of the elliptical trajectory, the protrusion 21 meshes with the uneven portion 37A of the rotor 37 to rotate the rotor 37 intermittently. By repeating this, the rotor 37 is rotated at a predetermined rotation speed.
Since the date turning intermediate wheel 35 is set to make one round in 24 hours, the concave portion 41 of the date feeding section 40 is located at a contact portion with the date driving wheel 36 every 24 hours. Since the rotating shaft of the date wheel 36 is urged by the pressing plate 43, the pawl portion 42 is engaged with the concave portion 41. At this time, the pawl portion 42 rotates the date dial 31 by pushing the date feed tooth 33 in the direction of arrow C in FIG. As a result, the date display 31A of the date indicator 31 is sent for one day, and the date is changed and displayed from outside the watch.
[0059]
According to the second embodiment described above, the same effects as (1), (3), (4), (5), and (6) in the first embodiment can be obtained. Effects can be obtained.
(7) Since the unevenness formed on the uneven portion 37A of the rotor 37 is arranged at regular intervals of substantially the amplitude of the vibration of the projection 21, the rotor 37 sends only one unevenness by one oscillation amplitude of the projection 21. Can be Therefore, since the projection 21 and the rotor 37 are securely engaged with each other, no slippage occurs, and the power transmission efficiency can be improved. In addition, since the rotation speed and the rotation angle of the rotor 37 can be determined from the number of irregularities formed on the irregularity portion 37A and the frequency of the vibrator 5, the date can be accurately shifted.
In the conventional date feeding mechanism, another arm which engages with the concave portion 41 is provided in order to detect that the date has been fed, and the date feeding is detected when the arm portion is fitted into the concave portion 41. . According to the present embodiment, since a conventional detection mechanism is not required, the number of components can be reduced, and the mechanism can be simplified.
[0060]
(8) Since the shapes of the projections and depressions 37A of the rotor 37 and the tip of the projection 21 are involute curves, they can be meshed well, and when meshed, a force is applied in a certain direction, so that power can be transmitted reliably and efficiently. . Further, since the curvature of the meshing portion is relatively large, the side pressure at the time of meshing is reduced, and the frictional force can be reduced. Furthermore, since these shapes are composed of involute curves, it is possible to easily secure accuracy and measure accuracy during manufacturing, and to relatively accurately mesh even if the mounting positions of the rotor 37 and the protrusion 21 are slightly shifted. .
[0061]
(9) Since the rotor 37 and the reinforcing plate 16 are made of a silicon wafer formed by etching, the outer shape can be formed with high accuracy, and the projections and depressions 37A can be reliably engaged. In addition, by processing by etching, the uneven portion 37A can be made a mirror surface, so that oil retention and durability can be improved.
[0062]
(10) Since the rotor 37 and the reinforcing plate 16 are formed simultaneously from one silicon wafer, the manufacturing process can be simplified.
[0063]
(11) Since the power transmission device is constituted by the vibration body 5 and the power transmission mechanism 32 including the rotor 37, the projection 21 is engaged with the uneven portion 37A to transmit power. Therefore, the power transmission efficiency can be improved, and high torque can be handled. Conversely, the power required to obtain the torque required to drive the date wheel 31 can be reduced, so that higher efficiency can be promoted.
[0064]
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment, but includes modifications and improvements as long as the object of the present invention can be achieved.
For example, in the second embodiment, the tip of the projection 21 and the uneven portion 37A of the rotor 37 have a shape composed of an involute curve. Can be engaged well.
Further, in the second embodiment, the tip shape of the projection 21 is a shape composed of an involute curve. However, the shape is not limited to this, and may be a conical projection 21 similar to the first embodiment. The shape of the concavo-convex portion 37A of the rotor 37 is not limited to the involute curve, and may be an engagement groove having a concavo-convex shape, such as a sine wave, a rectangular wave, or a trapezoidal wave, with which the protrusion 21 can engage. In addition, the interval between the protrusions and recesses is set to substantially the vibration amplitude of the protrusion 21, but is not limited thereto, and may be an integer multiple thereof, and may be appropriately set so that the protrusion 21 and the protrusions 15 and 37 </ b> A are satisfactorily engaged. .
Further, although one protrusion 21 is formed at the tip of the convex portion 20, the present invention is not limited to this, and a plurality of protrusions may be formed as shown in FIG. 10, for example. In this case, the gears are engaged with the concave and convex portions 15 and 37A on a plurality of surfaces, so that the meshing ratio of gear meshing is 1 or more. Since the driving force from the projection 21 is dispersed and transmitted to the plurality of uneven portions 15, 37A, the stress acting on the tooth surface per tooth can be reduced.
[0065]
In the second embodiment, the reinforcing plate 16 and the rotor 37 are formed from the same silicon wafer. However, the present invention is not limited to this, and as shown in FIG. 11, the rotor 37 or the reinforcing plate 16 (the rotor 37 in FIG. 11) may be used. The silicon wafer may be formed of a silicon wafer thicker than the other. In this case, the engagement with the projection 21 does not come off due to the displacement of the rotor 37 in the rotation axis direction, so that it can withstand long-term use. Further, thereby, the shape tolerance of the piezoelectric actuator itself can be relaxed, and the degree of freedom of the structure can be improved.
Alternatively, the reinforcing plate 16 and the rotor 37 may be formed of the same silicon wafer, and one of the reinforcing plates 16 and the rotor 37 may be stacked. In this case, since both can be formed from the same silicon wafer, the reinforcing plate 16 and the rotor 37 can be formed on the same mask, which simplifies the manufacturing process and is economical.
[0066]
In the second embodiment, the method of forming the projections 21 and the rotors 4 and 37 is to process the silicon wafer by etching. However, the present invention is not limited to this, and another method may be used. Further, for example, when the material of the projections 21 and the rotors 4 and 37 is a metal, a resin, or the like, the material may be formed by rolling, instead of etching. In this case, if nanotechnology such as a focused ion beam (FIB) is used, a rolling die can be manufactured with high accuracy. Therefore, even when the concave and convex portions 15 and 37A are formed in a tooth shape, the protrusions 21 and the rotors 4 and 37 having a highly accurate external shape can be mass-produced. In addition, since the high-precision protrusion 21 and the rotors 4 and 37 can be manufactured from various materials such as a metal and a resin, the selection range of the materials can be expanded.
[0067]
The material of the protrusions 21 and the rotors 4 and 37 is not limited to those described above. For example, in the second embodiment, the projections 21 and the rotor 37 are made of a silicon wafer. However, the present invention is not limited to this, and they may be formed by etching stainless steel. Stainless steel is also excellent in rust prevention and can withstand long-term use. In addition, since the hardness of martensitic stainless steel such as SUS420J2 can be adjusted by heat treatment, a desired hardness can be realized.
In addition, the material of the protrusion 21 and the rotors 4 and 37 may be aluminum, iron, a resin containing carbon nanotubes, or the like. When using a resin containing carbon nanotubes, the outer shape can be easily formed because the resin is used. In addition, since carbon nanotubes are included, the strength can be increased, and the durability of the piezoelectric actuator can be further improved. In addition, the resin used as a base material can employ | adopt polystyrene, polycarbonate, etc., for example. In this case, the outer shape can be formed with high accuracy by using nanotechnology such as a focused ion beam (FIB).
[0068]
The lubricant is a watch oil in each embodiment, but is not limited thereto, and any oil can be adopted. Further, not only oil but also a solid lubricant such as polytetrafluoroethylene (PTFE) may be used. When a solid lubricant is used, a ring-shaped member having the shape of the concave and convex portions 15 and 37A may be formed and fixed to the outer periphery of the rotors 4 and 37 by press fitting or the like. In this case, since the lubricant is solid, dust and fluff between the projections 21 and the uneven portions 15 and 37A are less likely to collect than oil, and the engagement between the two can be kept good for a long time. Alternatively, if traction oil is used as the lubricant, the power transmission efficiency can be further improved.
[0069]
The driven body is the rotor 4 or 37 that is rotationally driven in each embodiment, but is not limited thereto, and may be a linearly driven one. In this case, the driven body is formed of a rod-shaped member, and an uneven portion is formed on one surface thereof. Then, the protrusion 21 may be provided so as to engage with the uneven portion.
[0070]
The piezoelectric actuator is applied to the liquid ejection device 1 and the date display mechanism 30 of the timepiece, but is not limited thereto. Since the rotor is driven by engagement with the projection, it can cope with a high torque, so that the present invention can be applied to a rotationally driven fan or a linearly driven pin actuator. Further, in the case where the uneven portions of the driven body are provided with equally-spaced tooth-shaped uneven portions, the amount of movement of the driven body can be detected, so that the present invention can be used for equipment requiring positioning accuracy. Further, a power transmission device may be configured by adding a reduction gear train or a speed increasing gear train to the piezoelectric actuator of the present invention. Since it is possible to cope with high torque, the number of stages of the reduction gear train can be minimized, and the power transmission device can be made small.
[0071]
The best configuration and method for carrying out the present invention have been disclosed in the above description, but the present invention is not limited to this. That is, the present invention has been particularly shown and described with particular reference to particular embodiments, but may be modified in form and form without departing from the spirit and scope of the invention. Those skilled in the art can make various modifications in terms of material, quantity, and other detailed configurations.
Therefore, the description of the shapes, materials, and the like disclosed above is merely an example for facilitating the understanding of the present invention, and does not limit the present invention. The description by the name of the member excluding some or all of the limitations such as is included in the present invention.
[0072]
【The invention's effect】
According to the present invention, the projection is provided on the vibrating body having the piezoelectric element, and the unevenness is formed on the driven body. Therefore, when the vibrating body drives the driven body, the projection is formed on the driven body. The driven body is driven by engaging with the concave and convex portions of. Therefore, the frictional force between the vibrating body and the driven body can be reduced, and wear is reduced, so that there is an effect that durability can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view showing a liquid ejection apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a sectional view showing the liquid ejection device according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a vibrating body and an engagement portion of a rotor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic view showing the operation of the vibrating body according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an enlarged view showing a protrusion and a rotor according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a view showing vibration characteristics of the vibrating body according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a plan view of a date display mechanism according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a sectional view of a date display mechanism according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is an enlarged view of a protrusion and a rotor according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a view showing a modified example of the protrusion and the rotor of the present invention.
FIG. 11 is a view showing another modification of the protrusion and the rotor of the present invention.
[Explanation of symbols]
1. Liquid ejection device
4 ... rotor (driven body)
5 ... vibrator
6 ... Tube
7 ... ball
15: Uneven part
16 ... reinforcement plate
17 Piezoelectric element
20 ... convex part
21 ... projection
30 ... Date display mechanism
31 ... Nissha
32 ... Power transmission mechanism
34 ... Car
35 ... Daily rotating intermediate car
36 ... Day driving car
37 ... Rotor (driven body)
37A: Uneven part
