JP2009219258A - Piezoelectric vibrator, piezoelectric actuator and electronic equipment - Google Patents

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勝利 古畑
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric vibrator having a driving efficiency higher than conventional devices. <P>SOLUTION: The piezoelectric vibrator 70A has piezoelectric elements 21 and a reinforcing plate 30 laminating the piezoelectric elements 21 and reinforcing the piezoelectric elements 21. The reinforcing plate 30 is formed mainly of titanium (Ti), and the elastic modulus of the reinforcing plate 30 is a value from 30 GPa to 100 GPa. Accordingly, since the elastic modulus of the reinforcing plate 30 is smaller than that of conventional stainless steel, super-invar or the like, the disturbance of vibrations of the piezoelectric elements 21 by the reinforcing plate 30 is reduced largely, and the major-axis length A of the elliptical locus R1 of the piezoelectric vibrator 70A is expanded. Consequently, a force propelling the driving of a body to be driven is increased, the body to be driven with a larger load can be driven at high speed even by the same power and the driving efficiency can be improved. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、圧電素子と、この圧電素子が積層されて当該圧電素子を補強する補強板とを備えている圧電振動体、圧電アクチュエータ、および電子機器に関する。   The present invention relates to a piezoelectric vibrating body, a piezoelectric actuator, and an electronic apparatus that include a piezoelectric element and a reinforcing plate that is laminated with the piezoelectric element to reinforce the piezoelectric element.

近年、電子機器の小型化、薄型化を図るため、その駆動源として、圧電アクチュエータが利用されている。そして、より負荷の高い駆動対象物を駆動でき、駆動対象物を連続して駆動でき、駆動対象物の駆動速度を高速化できる圧電アクチュエータが一層求められている。
圧電アクチュエータは、圧電振動体と被駆動体(例えばロータ等)とを有し、圧電振動体の振動により被駆動体が駆動されるようになっている。圧電振動体は、補強板と、この補強板に対して積層される板状の圧電素子とを有する。この補強板には、従来、ステンレス鋼(SUS)が広く使用されてきた。
In recent years, a piezoelectric actuator has been used as a drive source in order to reduce the size and thickness of electronic devices. Further, there is a further need for a piezoelectric actuator that can drive a driving object with a higher load, continuously drive the driving object, and increase the driving speed of the driving object.
The piezoelectric actuator has a piezoelectric vibrating body and a driven body (for example, a rotor), and the driven body is driven by the vibration of the piezoelectric vibrating body. The piezoelectric vibrating body includes a reinforcing plate and a plate-like piezoelectric element laminated on the reinforcing plate. Conventionally, stainless steel (SUS) has been widely used for this reinforcing plate.

このような圧電アクチュエータの駆動効率を高めるためには、圧電振動体の振幅を拡大する必要がある。
圧電振動体の補強板は、圧電素子を支持するとともに圧電振動体に必要な強度を確保するために設けられているが、逆に言えば、圧電素子の振動の妨げにもなっている。従って、圧電振動体の振幅を拡大するには、必要な強度を有し、かつ、従来よりも剛性の小さい材質で形成された補強板を使用することが考えられる。例えば、従来のSUSよりも低弾性率(低ヤング率)であり低熱膨張材であるスーパーインバー(32Ni−5Co−Fe)による補強板(特許文献1)や、このスーパーインバーと同様に低熱膨張材である42アロイ(42Ni−Cr−Ti−Fe)による補強板が提案されている。以下に、SUS、スーパーインバーおよび42アロイの物性値を示す。
In order to increase the driving efficiency of such a piezoelectric actuator, it is necessary to increase the amplitude of the piezoelectric vibrating body.
The reinforcing plate of the piezoelectric vibrating body is provided to support the piezoelectric element and secure the necessary strength of the piezoelectric vibrating body. Conversely, it also prevents the piezoelectric element from vibrating. Therefore, in order to increase the amplitude of the piezoelectric vibrating body, it is conceivable to use a reinforcing plate that has a necessary strength and is made of a material that is less rigid than the conventional one. For example, a reinforcing plate (Patent Document 1) made of Super Invar (32Ni-5Co-Fe), which has a lower elastic modulus (Low Young's modulus) than conventional SUS and is a low thermal expansion material, and a low thermal expansion material like this Super Invar. A reinforcing plate made of 42 alloy (42Ni—Cr—Ti—Fe) has been proposed. The physical property values of SUS, Super Invar, and 42 alloy are shown below.

Figure 2009219258
Figure 2009219258

国際公開第96/14687号International Publication No. 96/14687

しかし、スーパーインバーおよび42アロイであっても、まだ補強板の剛性が圧電素子の振動を妨げる抵抗として作用してしまい、圧電振動体の駆動効率を十分に高めることができないという第1の課題があった。
一般に、補強板に接合される圧電素子には、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT(登録商標))等が用いられるが、一般にPZTの熱膨張係数は金属よりもはるかに低い値(約2.3×10-6/℃)を示す。そのため、補強板に弾性率の十分小さいものを用いたとしても、補強板と圧電素子との各熱膨張係数の差が大きいと、周辺の温度変化による熱応力によって、反りや剥離等が生じてしまうという第2の課題があった。
また、補強板に弾性率の十分小さいものを用いたとしても、補強板の硬度が低い場合には被駆動体との接触等によって補強板が摩耗や破損し易くなってしまうという第3の課題があった。
However, even with Super Invar and 42 alloy, the rigidity of the reinforcing plate still acts as a resistance that hinders the vibration of the piezoelectric element, and the first problem is that the driving efficiency of the piezoelectric vibrating body cannot be sufficiently increased. there were.
In general, lead zirconate titanate (PZT (registered trademark)) or the like is used for the piezoelectric element bonded to the reinforcing plate. Generally, the thermal expansion coefficient of PZT is much lower than that of metal (about 2.3). × 10 -6 / ° C). For this reason, even if a reinforcing plate having a sufficiently low elastic modulus is used, if the difference in coefficient of thermal expansion between the reinforcing plate and the piezoelectric element is large, warping or peeling may occur due to thermal stress due to changes in the surrounding temperature. There was a second problem.
Further, even if a reinforcing plate having a sufficiently low elastic modulus is used, if the hardness of the reinforcing plate is low, the reinforcing plate is likely to be worn or damaged due to contact with the driven body or the like. was there.

本発明の第1の目的は、従来よりもさらに高い駆動効率が得られる圧電振動体、圧電アクチュエータ、および電子機器を提供することである。
第2の目的は、熱応力による反りや剥離等が生じにくい圧電振動体、圧電アクチュエータ、および電子機器を提供することである。
第3の目的は、補強板が摩耗や破損しにくく、耐久性に優れた圧電振動体、圧電アクチュエータ、および電子機器を提供することである。
A first object of the present invention is to provide a piezoelectric vibrating body, a piezoelectric actuator, and an electronic device that can obtain higher driving efficiency than conventional ones.
A second object is to provide a piezoelectric vibrator, a piezoelectric actuator, and an electronic device that are unlikely to be warped or peeled off due to thermal stress.
A third object is to provide a piezoelectric vibrating body, a piezoelectric actuator, and an electronic device that are resistant to wear and breakage and have excellent durability.

本発明の圧電振動体は、圧電素子と、この圧電素子が積層されて当該圧電素子を補強する補強板とを備える圧電振動体であって、前記補強板はチタン(Ti)を主成分として形成され、前記補強板の弾性率は30GPa以上、100GPa以下であることを特徴とする。
ここで、圧電振動体は、互いに接触する被駆動体をこの圧電振動体の振動によって駆動させる、いわゆる圧電アクチュエータに利用されるものである。
この構成によれば、補強板の弾性率(ヤング率)が、従来のステンレス鋼やスーパーインバー等の弾性率よりも小さいので、補強板による圧電素子の振動の妨げが大幅に軽減され、圧電振動体の振幅が拡大される。
The piezoelectric vibrating body of the present invention is a piezoelectric vibrating body including a piezoelectric element and a reinforcing plate that is laminated with the piezoelectric element to reinforce the piezoelectric element, and the reinforcing plate is made of titanium (Ti) as a main component. The elastic modulus of the reinforcing plate is 30 GPa or more and 100 GPa or less.
Here, the piezoelectric vibrating body is used for a so-called piezoelectric actuator that drives driven bodies that are in contact with each other by the vibration of the piezoelectric vibrating body.
According to this configuration, since the elastic modulus (Young's modulus) of the reinforcing plate is smaller than that of conventional stainless steel, super invar, etc., the obstruction of the piezoelectric element due to the reinforcing plate is greatly reduced, and the piezoelectric vibration The body amplitude is enlarged.

図6は、本発明に係る圧電振動体のうちで主として屈曲振動を励振する圧電振動体による振動軌跡の態様の一例を示す模式図である。この図のように、圧電振動体の屈曲振動によって、補強板に形成された当接部(突起部33)の振動軌跡は楕円軌跡R1を示す。ここで当接部とは、ロータ等の被駆動体と当接する部分であり、被駆動体との間に摩擦力が生じてその摩擦力により被駆動体を駆動させる部分である。
また、発明者は、弾性率の異なる補強板を用いて複数の圧電振動体を製作し、各圧電振動体の楕円軌跡の長軸長さを測定した。図7のグラフは、補強板の弾性率と、楕円軌跡の長軸長さとの関係を示す。ここで長軸長さは、図6に示す楕円軌跡の代表長さ(図中の矢印Aで示す長さ)であって、圧電振動体の歪の大きさを示す。長軸長さは、レーザドップラー変位計で測定されたもので、レーザドップラー変位計からレーザーを当接部に対して長軸長さ方向に平行に照射して当接部の変位が測定され、この変位から算出されたものである。
図7に示すように、弾性率が30〜100GPaの範囲では、長軸長さが約0.85〜0.9μmであるのに対し、弾性率が100GPaを超えると、補強板が圧電素子の振動を妨げてしまい、長軸長さが小さくなる。一方、弾性率が30GPaを下回ると、圧電アクチュエータのQ値の低下(振動の減衰)により、長軸長さが小さくなる。
このように、弾性率が30GPa以上、100GPa以下である補強板を使用することで、効率よく圧電振動体の振幅の拡大を図ることができる。
FIG. 6 is a schematic diagram showing an example of a vibration locus of a piezoelectric vibrating body that mainly excites bending vibration among the piezoelectric vibrating bodies according to the present invention. As shown in this figure, the vibration locus of the contact portion (protrusion portion 33) formed on the reinforcing plate by the bending vibration of the piezoelectric vibrating body shows an elliptic locus R1. Here, the contact portion is a portion that contacts a driven body such as a rotor, and is a portion that generates a frictional force between the driven body and drives the driven body by the frictional force.
The inventor manufactured a plurality of piezoelectric vibrators using reinforcing plates having different elastic moduli, and measured the major axis length of the elliptical locus of each piezoelectric vibrator. The graph in FIG. 7 shows the relationship between the elastic modulus of the reinforcing plate and the major axis length of the elliptical locus. Here, the major axis length is the representative length of the elliptical locus shown in FIG. 6 (the length indicated by the arrow A in the figure) and indicates the magnitude of the distortion of the piezoelectric vibrator. The major axis length was measured with a laser Doppler displacement meter, the laser was irradiated from the laser Doppler displacement meter parallel to the major axis length direction with respect to the contact portion, and the displacement of the contact portion was measured. It is calculated from this displacement.
As shown in FIG. 7, when the elastic modulus is in the range of 30 to 100 GPa, the major axis length is about 0.85 to 0.9 μm, whereas when the elastic modulus exceeds 100 GPa, the reinforcing plate is made of the piezoelectric element. Vibration is hindered and the long axis length is reduced. On the other hand, when the elastic modulus is less than 30 GPa, the long axis length becomes small due to a decrease in Q value (vibration attenuation) of the piezoelectric actuator.
As described above, by using the reinforcing plate having an elastic modulus of 30 GPa or more and 100 GPa or less, the amplitude of the piezoelectric vibrator can be efficiently increased.

図8のグラフは、本発明のTiを主成分とする材料として、例えば、ゴムメタル(登録商標)を使用した場合の駆動周波数と楕円軌跡の長軸長さとの関係を示す。また、同図中に、従来のSUSを使用した場合の楕円軌跡の長軸長さを比較のために示す。なお、ゴムメタルの弾性率は60GPaで、SUSの弾性率は170GPaであり、駆動周波数とは、圧電アクチュエータに印加させる駆動電圧の周波数を示す。
図8に示すように、ゴムメタルの長軸長さ(振幅)は、すべての駆動周波数においてSUSの長軸長さより大きくなった。また、駆動周波数は、圧電アクチュエータの消費電流と相関関係がある。実際の圧電アクチュエータでは、消費電流をできるだけ抑えるため、駆動周波数は、おおよそ554kHz〜560kHzの範囲内で設定されている。この駆動周波数の範囲(図8中のfwで示す範囲)において、ゴムメタルでの最大振幅(グラフ中のL1)は、SUSでの最大振幅(グラフ中のL2)の約2倍となることが分かった。
The graph of FIG. 8 shows the relationship between the drive frequency and the major axis length of the elliptical locus when, for example, rubber metal (registered trademark) is used as the material mainly composed of Ti of the present invention. In addition, in the same figure, the major axis length of the elliptical locus when the conventional SUS is used is shown for comparison. The elastic modulus of rubber metal is 60 GPa, the elastic modulus of SUS is 170 GPa, and the driving frequency indicates the frequency of the driving voltage applied to the piezoelectric actuator.
As shown in FIG. 8, the major axis length (amplitude) of rubber metal was larger than the major axis length of SUS at all driving frequencies. The driving frequency has a correlation with the consumption current of the piezoelectric actuator. In an actual piezoelectric actuator, in order to suppress current consumption as much as possible, the drive frequency is set within a range of approximately 554 kHz to 560 kHz. In this driving frequency range (range indicated by fw in FIG. 8), the maximum amplitude in rubber metal (L1 in the graph) is about twice the maximum amplitude in SUS (L2 in the graph). It was.

以上のことから、本発明の圧電振動体をアクチュエータとして使用する場合、圧電振動体の振幅が拡大されることによって、被駆動体の駆動を推進する力が増大する。従って、同じ投入電力でもより負荷の大きい被駆動体をより高速に駆動することができ、駆動効率を向上させることが可能となり、第1の目的を達成できる。他方、投入電力を減らしても所定の負荷の被駆動体を駆動可能となるため、電池等の電源の電気容量を小さくすることができ、圧電振動体が搭載される各種機器等の小型化および薄型化も促進できる。
なお、被駆動体の移動方向(ロータの場合は回転方向)は一方向とは限らず、例えば右方向への回転と左方向への回転との両方向にロータが駆動されていてもよい。
また、被駆動体はロータに限らず、直線的に駆動されるものであってもよい。
なお、圧電アクチュエータは、例えば、時計の日車や指針等の駆動装置や、カメラのレンズモジュールにおけるズーム機構やオートフォーカス機構、プリンタのインクジェットヘッドや紙送り機構、圧電ブザー、可動玩具における駆動装置などに使用できる。
From the above, when the piezoelectric vibrating body of the present invention is used as an actuator, the force for driving the driven body is increased by increasing the amplitude of the piezoelectric vibrating body. Therefore, a driven body having a larger load can be driven at a higher speed even with the same input power, so that the driving efficiency can be improved and the first object can be achieved. On the other hand, since it becomes possible to drive a driven body with a predetermined load even if the input power is reduced, it is possible to reduce the electric capacity of a power source such as a battery, and to reduce the size of various devices on which a piezoelectric vibrator is mounted and Thinning can also be promoted.
In addition, the moving direction of the driven body (rotation direction in the case of a rotor) is not limited to one direction, and the rotor may be driven in both the rightward rotation and the leftward rotation, for example.
Further, the driven body is not limited to the rotor, and may be driven linearly.
The piezoelectric actuator is, for example, a driving device such as a date dial or a pointer of a watch, a zoom mechanism or an autofocus mechanism in a lens module of a camera, an inkjet head or paper feeding mechanism of a printer, a piezoelectric buzzer, a driving device in a movable toy, Can be used for

本発明の圧電振動体では、前記補強板の熱膨張係数が0×10-6/℃以上、10×10-6/℃以下であることが好ましい。
ここで、補強板に接合される圧電素子には、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT(登録商標))等が用いられるが、一般にPZTの熱膨張係数は金属よりもはるかに低い値(約2.3×10-6/℃)を示す。そのため、補強板と圧電素子との各熱膨張係数の差が大きいと、周辺の温度変化による熱応力によって、反りや剥離等が生じてしまう。本発明によれば、補強板の熱膨張係数が0×10-6/℃以上、10×10-6/℃以下であるので、従来のSUS(熱膨張係数;17×10-6/℃)に比べて、熱応力による反りや剥離等の発生を抑制することができ、第2の目的を達成できる。
なお、従来のスーパーインバーは、表1に示すように比較的小さい熱膨張係数を示すが、本発明の補強板は低熱膨張率に加えて弾性率も低いので、駆動効率を向上できるという点で従来の低熱膨張材よりも優れている。
In the piezoelectric vibrating body of the present invention, it is preferable that a thermal expansion coefficient of the reinforcing plate is 0 × 10 −6 / ° C. or more and 10 × 10 −6 / ° C. or less.
Here, lead zirconate titanate (PZT (registered trademark)) or the like is used for the piezoelectric element bonded to the reinforcing plate. Generally, the thermal expansion coefficient of PZT is much lower than that of metal (about 2. 3 × 10 −6 / ° C.). For this reason, if the difference in coefficient of thermal expansion between the reinforcing plate and the piezoelectric element is large, warpage, peeling, and the like may occur due to thermal stress due to changes in the surrounding temperature. According to the present invention, since the thermal expansion coefficient of the reinforcing plate is 0 × 10 −6 / ° C. or more and 10 × 10 −6 / ° C. or less, conventional SUS (thermal expansion coefficient: 17 × 10 −6 / ° C.) In comparison with the above, it is possible to suppress the occurrence of warpage or peeling due to thermal stress, thereby achieving the second object.
The conventional super invar shows a relatively small coefficient of thermal expansion as shown in Table 1, but the reinforcing plate of the present invention has a low elastic modulus in addition to a low coefficient of thermal expansion, so that the driving efficiency can be improved. It is superior to conventional low thermal expansion materials.

ここで、圧電振動体は、電気機械結合係数(k値)が大きいほど、同じ投入電力で得られる推進力が大きく、電気的エネルギから機械的エネルギへの変換能力が高いという特性を持つ。k値は、次の式(1)および式(2)によって算出される。振動モードが同じ場合、共振周波数(fr)と反共振周波数(fa)との間隔(Δf)が大きいほど、k値は大きくなり、圧電アクチュエータとしての変換能力が高くなる。すなわち、Δfが大きいほど、ロータ等の被駆動体を駆動させる出力効率が良くなる。   Here, the piezoelectric vibrator has a characteristic that, as the electromechanical coupling coefficient (k value) is larger, the propulsive force obtained with the same input power is larger and the conversion capability from electrical energy to mechanical energy is higher. The k value is calculated by the following equations (1) and (2). When the vibration mode is the same, the k value increases as the distance (Δf) between the resonance frequency (fr) and the anti-resonance frequency (fa) increases, and the conversion capability as a piezoelectric actuator increases. That is, as Δf is larger, output efficiency for driving a driven body such as a rotor is improved.

Figure 2009219258
Figure 2009219258

ただし、fs:圧電振動体の直列共振周波数
Δf:共振周波数と反共振周波数の間隔
fa:反共振周波数
fr:共振周波数
a,b:圧電振動体の振動モードに対応する係数
Where fs: series resonance frequency of the piezoelectric vibrator
Δf: interval between resonance frequency and anti-resonance frequency
fa: Anti-resonance frequency
fr: resonance frequency
a, b: coefficients corresponding to vibration modes of the piezoelectric vibrator

図9は、本発明に係る圧電振動体のうちで補強板にゴムメタルを使用した一例において、圧電振動体のインピーダンスの温度特性を周波数別に示したグラフである。横軸に駆動周波数を示し、縦軸にインピーダンスを示す。図10は、比較例としての補強板に従来のSUSを使用した場合のインピーダンスの温度特性を図9と同様に周波数別に示したグラフである。
これらの図にて、駆動周波数に対するインピーダンスが極小である共振点が二点現れ、インピーダンスが極大である反共振点が二点現れる。共振点のうち周波数の低い方が縦振動の共振点であり、周波数の高い方が屈曲振動の共振点である。反共振点のうち周波数の低い方が屈曲振動の反共振点であり、周波数の高い方が縦振動の反共振点である。ここで、Δf(図中の矢印の範囲)は、縦振動の共振点における駆動周波数と、縦振動の反共振点における駆動周波数との差を示している。
発明者は、高温(60℃)、常温(24℃)、低温(−10℃)の温度毎にインピーダンスを測定し、図9と図10の結果を得た。その結果、図9では温度によるΔfの変化はほとんど認められなかったが、図10ではΔfは、常温に比べて高温では大きくなり、低温では小さくなった。なお、実際の測定では、温度を変化させると、インピーダンス特性の発生する位置(周波数)が変化するので、各温度特性の縦振動の共振点等は一致しない。しかし、図9,10のグラフは、各温度のΔfを比較しやすくするために、各温度特性について縦振動の共振点を一致させた状態でグラフ化したものである。
FIG. 9 is a graph showing the temperature characteristics of the impedance of the piezoelectric vibrator by frequency in an example in which rubber metal is used for the reinforcing plate among the piezoelectric vibrators according to the present invention. The horizontal axis indicates the drive frequency, and the vertical axis indicates the impedance. FIG. 10 is a graph showing the temperature characteristics of the impedance when the conventional SUS is used for the reinforcing plate as a comparative example for each frequency as in FIG.
In these figures, two resonance points where the impedance with respect to the driving frequency is minimum appear, and two anti-resonance points where the impedance is maximum appear. Of the resonance points, the lower frequency is the resonance point of longitudinal vibration, and the higher frequency is the resonance point of bending vibration. Of the anti-resonance points, the lower frequency is the anti-resonance point of bending vibration, and the higher frequency is the anti-resonance point of longitudinal vibration. Here, Δf (the range of the arrow in the figure) indicates the difference between the drive frequency at the resonance point of longitudinal vibration and the drive frequency at the anti-resonance point of longitudinal vibration.
The inventor measured the impedance for each temperature of high temperature (60 ° C.), normal temperature (24 ° C.), and low temperature (−10 ° C.), and obtained the results shown in FIGS. As a result, almost no change in Δf due to temperature was observed in FIG. 9, but in FIG. 10, Δf was larger at a higher temperature than at normal temperature and decreased at a lower temperature. In actual measurement, when the temperature is changed, the position (frequency) at which the impedance characteristic is generated changes, so that the resonance point of the longitudinal vibration of each temperature characteristic does not match. However, the graphs of FIGS. 9 and 10 are graphs in which the resonance points of the longitudinal vibration are made to coincide for each temperature characteristic in order to make it easy to compare Δf of each temperature.

式(1)、式(2)の関係より、圧電振動体は温度が高くなると駆動性能が向上するが、温度が低くなると駆動性能が低下する。すなわち温度条件によって圧電振動体の駆動性能に変化が生じてしまう。圧電振動体としては、温度変化に関係なく安定した駆動性能が得られるものが望ましいため、常温に対するΔfのシフト量ができる限り小さいものが望ましい。本態様により、従来のSUSよりもゴムメタルの方がΔfのシフト量が小さいことが分かる。
そこで、発明者は、熱膨張係数の異なる補強板を用いて複数の圧電振動体を製作し、常温(24℃)に対する低温(−10℃)におけるΔfのシフト量を測定し、図11の結果を得た。図11のグラフは、熱膨張係数とΔfのシフト量との関係を示す。横軸は、補強板の熱膨張係数(以降、αと示す)を示し、縦軸はΔfのシフト量を示す。
図11に示すように、αが10×10-6/℃以下の場合、Δfのシフト量は約0.22kHz〜約0.26kHzの間に入っているのに対し、αが10×10-6/℃を越えると、αの増分に対するΔfのシフト量が急増し、圧電振動体の駆動性能の差が増大することが分かった。すなわち、常温(24℃)におけるΔfに対し低温(−10℃)のΔfが著しく低下するものである。これによりαは、10×10-6/℃以下であることが望ましいことが分かる。
この構成によれば、補強板のαが10×10-6/℃以下であるので、図11に示すようにΔfのシフト量が比較的小さく、さらに式(1)、式(2)で得られるk値の変化が小さくなるので、温度変化に対する駆動性能の差、つまり振動のばらつきが小さくなり、被駆動体の位置決め精度が向上される。なお、熱膨張係数は0×10-6/℃以上、6×10-6/℃以下であることがより好ましい。
From the relationship of the formula (1) and the formula (2), the driving performance of the piezoelectric vibrating body is improved when the temperature is increased, but the driving performance is decreased when the temperature is decreased. That is, the driving performance of the piezoelectric vibrating body changes depending on the temperature condition. As the piezoelectric vibrator, it is desirable that a stable driving performance can be obtained regardless of a temperature change. Therefore, it is desirable that the amount of shift of Δf with respect to normal temperature is as small as possible. According to this aspect, it can be seen that the shift amount of Δf is smaller in rubber metal than in conventional SUS.
Therefore, the inventor manufactured a plurality of piezoelectric vibrators using reinforcing plates having different thermal expansion coefficients, measured the shift amount of Δf at a low temperature (−10 ° C.) with respect to the normal temperature (24 ° C.), and the result of FIG. Got. The graph in FIG. 11 shows the relationship between the thermal expansion coefficient and the shift amount of Δf. The horizontal axis represents the thermal expansion coefficient of the reinforcing plate (hereinafter referred to as α), and the vertical axis represents the shift amount of Δf.
As shown in FIG. 11, when α is 10 × 10 −6 / ° C. or less, the shift amount of Δf is between about 0.22 kHz and about 0.26 kHz, whereas α is 10 × 10 It has been found that when the temperature exceeds 6 / ° C., the shift amount of Δf with respect to α increases rapidly, and the difference in driving performance of the piezoelectric vibrator increases. That is, Δf at a low temperature (−10 ° C.) is remarkably lowered with respect to Δf at normal temperature (24 ° C.). This shows that α is desirably 10 × 10 −6 / ° C. or less.
According to this configuration, since α of the reinforcing plate is 10 × 10 −6 / ° C. or less, the shift amount of Δf is relatively small as shown in FIG. 11, and further obtained by Equations (1) and (2). Since the change in the k value is small, the difference in driving performance with respect to the temperature change, that is, the variation in vibration is reduced, and the positioning accuracy of the driven body is improved. The thermal expansion coefficient is more preferably 0 × 10 −6 / ° C. or more and 6 × 10 −6 / ° C. or less.

本発明の圧電振動体では、前記補強板の硬度が200Hv以上であることが好ましい。
なお、補強板の硬度が300Hv以上であることがより好ましい。
ここで、例えば、図12(A),(B)に示すように、被駆動体がロータ9Aである場合、ロータ側面の全周に圧電振動体9Bが接触するため、補強板の当接部9Cの同一箇所が常に接触部分となり、摩耗が進行しやすい。この摩耗により、ロータ9Aとの接触部分は、当初、線接触であったもの(図12(A))が、摩耗の進行によって面接触となり(図12(B))、圧電振動体9Bの駆動性能が低下してしまう。
発明者は、硬度の異なる補強板を用いて複数の圧電振動体(実験材)を製作し、各圧電振動体の当接部の摩耗体積を測定した。
図13のグラフは、補強板の硬度と、当接部の摩耗体積との関係を示す。横軸は補強板の当接部の硬度を示し、縦軸はロータを所定の回転数まで駆動させた後の当接部の摩耗体積を示す。ここで、初期状態の当接部9C(図12(A)の斜線部)を投影機でスケッチして面積を求め、それに補強板の厚みを掛け合わせることにより、初期の体積を求める。また、所定の回転数まで駆動させた後の当接部9C(図12(B)の斜線部)について初期の体積と同様に摩耗後の体積を求める。これらの体積の差を摩耗体積とした。
図13に示すように、補強板の硬度が200Hvを下回ると、当接部の摩耗体積が急激に増加することが分かった。このことより、補強板の硬度は200Hv以上であることが望ましい。
この構成によれば、補強板の硬度が200Hv以上であるので、当該圧電振動体をアクチュエータとして使用する場合、補強板の当接部を被駆動体(例えばロータ)に押し当て、その接触部分に生じる摩擦力により被駆動体を駆動させることから、被駆動体との接触部分における摩耗を少なくでき、長時間の連続駆動等の使用条件下であっても駆動効率を維持でき、品質を安定させることが可能となる。従って、耐久性に優れた圧電振動体を得ることができ、第3の目的を達成できる。
In the piezoelectric vibrating body of the present invention, it is preferable that the reinforcing plate has a hardness of 200 Hv or more.
The hardness of the reinforcing plate is more preferably 300 Hv or more.
Here, for example, as shown in FIGS. 12A and 12B, when the driven body is the rotor 9 </ b> A, the piezoelectric vibrating body 9 </ b> B contacts the entire circumference of the side surface of the rotor. The same portion of 9C always becomes a contact portion, and wear tends to proceed. As a result of this wear, the contact portion with the rotor 9A that was initially in line contact (FIG. 12A) becomes surface contact with the progress of wear (FIG. 12B), and the piezoelectric vibrator 9B is driven. Performance will be degraded.
The inventor manufactured a plurality of piezoelectric vibrating bodies (experimental materials) using reinforcing plates having different hardnesses, and measured the wear volume of the contact portion of each piezoelectric vibrating body.
The graph of FIG. 13 shows the relationship between the hardness of the reinforcing plate and the wear volume of the contact portion. The horizontal axis indicates the hardness of the contact portion of the reinforcing plate, and the vertical axis indicates the wear volume of the contact portion after the rotor is driven to a predetermined rotational speed. Here, the contact portion 9C in the initial state (shaded portion in FIG. 12A) is sketched with a projector to determine the area, and the initial volume is determined by multiplying the area by the thickness of the reinforcing plate. Moreover, the volume after abrasion is calculated | required similarly to the initial volume about the contact part 9C (shaded part of FIG.12 (B)) after driving to a predetermined rotation speed. The difference between these volumes was defined as the wear volume.
As shown in FIG. 13, it was found that when the hardness of the reinforcing plate is less than 200 Hv, the wear volume of the contact portion increases rapidly. Accordingly, it is desirable that the hardness of the reinforcing plate is 200 Hv or more.
According to this configuration, since the hardness of the reinforcing plate is 200 Hv or more, when the piezoelectric vibrating body is used as an actuator, the contact portion of the reinforcing plate is pressed against a driven body (for example, a rotor), and the contact portion is pressed. Since the driven body is driven by the generated frictional force, wear at the contact portion with the driven body can be reduced, driving efficiency can be maintained even under long-term continuous driving conditions, and the quality is stabilized. It becomes possible. Therefore, a piezoelectric vibrator having excellent durability can be obtained, and the third object can be achieved.

本発明の圧電振動体では、前記補強板の硬度が、前記圧電振動体の振動によって駆動される被駆動体の硬度以下であることが好ましい。
ここで、補強板の硬度が被駆動体の硬度よりも大きい場合、被駆動体側の接触部分が摩耗してしまう可能性があった。例えば、被駆動体がロータであって、ロータ側面の回転軸に沿った幅寸法よりも、補強板の当接部の幅寸法が小さい場合、ロータ側面が「轍」のように摩耗してしまう。
図14は、ロータ9Aの側面に当接部9Cによる轍状の摩耗(図中の2点鎖線で示す部分)が生じることを説明する模式図である。このような轍状の摩耗が生じると、圧電振動体の振動のばらつきや圧電振動体の支持方法による当接部位置のばらつき等により、当接部が、摩耗によって生じた轍の内側面と不必要に接触してしまい、圧電アクチュエータの駆動性能が低下してしまう可能性がある。
これに対して、本発明の構成によれば、補強板の硬度が被駆動体の硬度より小さいので、被駆動体の摩耗が抑制され、圧電アクチュエータの駆動性能が維持される。すなわち、圧電振動体の振動のばらつきや圧電振動体の支持方法による当接部位置のばらつき等があっても、被駆動体の摩耗が抑制されるので、前述のような不必要な接触が生じず、圧電アクチュエータの駆動性能を維持することができる。
In the piezoelectric vibrating body of the present invention, it is preferable that the hardness of the reinforcing plate is equal to or lower than the hardness of the driven body driven by the vibration of the piezoelectric vibrating body.
Here, when the hardness of the reinforcing plate is larger than the hardness of the driven body, the contact portion on the driven body side may be worn. For example, when the driven body is a rotor and the width dimension of the contact portion of the reinforcing plate is smaller than the width dimension along the rotation axis of the rotor side surface, the side surface of the rotor will be worn like a heel. .
FIG. 14 is a schematic diagram for explaining that wrinkle-like wear (portion indicated by a two-dot chain line in the figure) occurs on the side surface of the rotor 9A due to the contact portion 9C. When such wrinkle-like wear occurs, the contact portion may become inconsistent with the inner surface of the wrinkle caused by the wear due to variations in the vibration of the piezoelectric vibration member and variations in the position of the contact portion depending on the support method of the piezoelectric vibration member. There is a possibility that the drive performance of the piezoelectric actuator will deteriorate due to contact with necessity.
On the other hand, according to the configuration of the present invention, since the hardness of the reinforcing plate is smaller than the hardness of the driven body, the wear of the driven body is suppressed and the driving performance of the piezoelectric actuator is maintained. In other words, even if there are variations in the vibration of the piezoelectric vibrating body or in the contact portion position due to the support method of the piezoelectric vibrating body, the wear of the driven body is suppressed, so the above unnecessary contact occurs. Therefore, the driving performance of the piezoelectric actuator can be maintained.

本発明の圧電振動体では、前記補強板は、ジルコニウム(Zr)およびニオブ(Nb)を含んで形成され、例えば、Tiを58〜59質量%、Nbを36〜37質量%、Taを2〜3質量%、Zrを2〜3質量%、Oを0.1〜1質量%含有するチタン合金、または、Tiを64〜66at%、Zrを16〜18at%、Nbを17〜19at%含有するチタン合金で形成されることが好ましい。
この構成によれば、補強板が、Tiを主成分としZrおよびNbを含む材料で形成されており、例えば、ゴムメタル(豊通マテリアル株式会社の登録商標)、バイオソフトチタン(ユニックス株式会社の商標)等で形成される。ゴムメタルの成分は、Ti58.5−Nb36.3−Ta2.03−Zr2.88−O0.31(質量%)であり、バイオソフトチタン(以降BS-Tiと示す)の成分は、Ti65−Zr17−Nb18(at%)である。従って、これらの材料を使用して、圧電振動体の駆動性能を向上させることができる。
In the piezoelectric vibrating body of the present invention, the reinforcing plate is formed to contain zirconium (Zr) and niobium (Nb). For example, 58 to 59% by mass of Ti, 36 to 37% by mass of Nb, and 2 to 2 of Ta. 3% by mass, titanium alloy containing 2-3% by mass of Zr and 0.1-1% by mass of O, or 64 to 66 at% of Ti, 16 to 18 at% of Zr, and 17 to 19 at% of Nb It is preferably formed of a titanium alloy.
According to this configuration, the reinforcing plate is made of a material mainly containing Ti and containing Zr and Nb. For example, rubber metal (registered trademark of Toyotsu Material Co., Ltd.), biosoft titanium (trademark of Unix Co., Ltd.) ) Etc. The component of rubber metal is Ti58.5-Nb36.3-Ta2.03-Zr2.88-O0.31 (mass%), and the component of biosoft titanium (hereinafter referred to as BS-Ti) is Ti65-Zr17- Nb18 (at%). Therefore, the drive performance of the piezoelectric vibrator can be improved by using these materials.

本発明の圧電振動体では、前記補強板は、200℃以上、450℃以下の熱処理により形成されることが好ましい。
ここで、図15のグラフは、本発明に係るTiを主成分とする材料として、例えばバイオソフトチタン(BS-Ti)およびゴムメタルを使用した場合の熱処理による硬度変化を示す。なお、熱処理条件は、N2雰囲気下、400℃、10時間であるが、熱処理温度が200℃以上、450℃以下であれば、他の熱処理条件は、本態様に限られるものではない。
図15に示すように、BS-Tiおよびゴムメタルはともに、熱処理により硬度が上昇した。
前述の図13のグラフ中に、熱処理前後のゴムメタルを用いて、当接部の摩耗体積を測定した結果を示す。図13に示すように、熱処理前のゴムメタルの摩耗体積は、約10×10-4mm3となり、熱処理後のゴムメタルの摩耗体積は、約5×10-4mm3となり、熱処理前に対して略半減した。
なお、BS-Tiの熱処理温度をパラメータとして、熱処理後の硬度を測定したところ、200〜450℃の熱処理温度の範囲において、300Hvを上回る硬度が得られ、300℃にて硬度が最大となった。200℃〜450℃では硬度の変化が少なく、200℃を下回るか450℃を上回ると急激に硬度が低下した。同様に、熱処理後の弾性率(ヤング率)を測定したところ、200℃〜450℃の熱処理温度の範囲において、約55GPa〜65GPaの弾性率が得られることが分かった。200℃〜450℃においては弾性率の変化は比較的少なく、200℃を下回るか450℃を上回ると急激に弾性率が低下し温度による弾性率の変化具合が大きくなった。したがって、熱処理温度は、200℃以上、400℃以下が好ましい。
この構成によれば、補強板が200℃以上、400℃以下の熱処理により形成されるので、補強板の硬度が上昇して、より摩耗を低減させることができる。
In the piezoelectric vibrating body of the present invention, it is preferable that the reinforcing plate is formed by heat treatment at 200 ° C. or higher and 450 ° C. or lower.
Here, the graph of FIG. 15 shows a change in hardness due to heat treatment when, for example, biosoft titanium (BS-Ti) and rubber metal are used as the material mainly containing Ti according to the present invention. The heat treatment conditions are 400 ° C. and 10 hours in an N 2 atmosphere. However, other heat treatment conditions are not limited to this embodiment as long as the heat treatment temperature is 200 ° C. or higher and 450 ° C. or lower.
As shown in FIG. 15, the hardness of both BS-Ti and rubber metal increased by heat treatment.
In the graph of FIG. 13 described above, the result of measuring the wear volume of the contact portion using rubber metal before and after heat treatment is shown. As shown in FIG. 13, the wear volume of the rubber metal before the heat treatment is about 10 × 10 −4 mm 3 , and the wear volume of the rubber metal after the heat treatment is about 5 × 10 −4 mm 3 . Almost reduced to half.
When the hardness after heat treatment was measured using the heat treatment temperature of BS-Ti as a parameter, a hardness exceeding 300 Hv was obtained in the range of the heat treatment temperature of 200 to 450 ° C., and the hardness was maximum at 300 ° C. . There was little change in hardness between 200 ° C. and 450 ° C., and when the temperature was below 200 ° C. or above 450 ° C., the hardness decreased rapidly. Similarly, when the elastic modulus (Young's modulus) after heat treatment was measured, it was found that an elastic modulus of about 55 GPa to 65 GPa was obtained in the range of the heat treatment temperature of 200 ° C to 450 ° C. At 200 ° C. to 450 ° C., the change in elastic modulus was relatively small. When the temperature was lower than 200 ° C. or higher than 450 ° C., the elastic modulus decreased rapidly and the degree of change in elastic modulus due to temperature increased. Therefore, the heat treatment temperature is preferably 200 ° C. or higher and 400 ° C. or lower.
According to this configuration, since the reinforcing plate is formed by heat treatment at 200 ° C. or higher and 400 ° C. or lower, the hardness of the reinforcing plate is increased and wear can be further reduced.

本発明の圧電アクチュエータは、前記圧電振動体と前記圧電振動体から振動が伝達されることによって駆動される被駆動体と、を備えることを特徴とする。
この構成によれば、前述した圧電振動体を備えるため、前述した作用および効果を享受できる。
The piezoelectric actuator according to the present invention includes the piezoelectric vibrator and a driven body that is driven by vibration transmitted from the piezoelectric vibrator.
According to this configuration, since the above-described piezoelectric vibrator is provided, the above-described functions and effects can be enjoyed.

本発明の電子機器は、前記圧電アクチュエータを備えることを特徴とする。
この構成によれば、前述した圧電振動体を備えるため、前述した作用および効果を享受できる。
ここで、電子機器としては、例えば、腕時計、懐中時計、ディジタルカメラ、ディジタルビデオ、携帯型プリンタ、携帯情報機器、携帯電話などが挙げられる。
The electronic apparatus of the present invention includes the piezoelectric actuator.
According to this configuration, since the above-described piezoelectric vibrator is provided, the above-described functions and effects can be enjoyed.
Here, examples of the electronic device include a wristwatch, a pocket watch, a digital camera, a digital video, a portable printer, a portable information device, and a cellular phone.

本発明の電子機器では、計時部とこの計時部で計時された情報を表示する計時情報表示部とを備え、前記被駆動体により前記計時情報表示部が駆動される時計であることが好ましい。
この構成によれば、前述の圧電振動体をアクチュエータとして歯車などを駆動し、時刻や暦などの計時情報を表示することが可能となる。前述の圧電振動体によれば、振幅が大幅に拡大されているので、負荷の大きい重厚な部材の駆動も可能となり、また、駆動速度が速い秒針などの連続駆動や、指針の迅速な帰零なども可能となる。また、振幅が拡大され同じ投入電力での駆動効率が向上されているため、印加電圧を低くでき、電池容量が小さい小型・薄型の電池を使用できるので時計の一層の小型化、薄型化が可能となる。
加えて、圧電アクチュエータにおける利点、すなわち、磁気の影響を受けない、応答性が高い、などを実現できる。
The electronic device of the present invention is preferably a timepiece including a timekeeping unit and a time information display unit that displays information timed by the timekeeping unit, and the timed information display unit is driven by the driven body.
According to this configuration, it is possible to display time information such as time and calendar by driving a gear or the like using the piezoelectric vibrator as an actuator. According to the piezoelectric vibrator described above, the amplitude is greatly enlarged, so that a heavy member with a large load can be driven, and continuous driving such as a second hand having a high driving speed, and quick return of a pointer are possible. Etc. are also possible. In addition, since the amplitude is increased and the drive efficiency with the same input power is improved, the applied voltage can be lowered and a small and thin battery with a small battery capacity can be used, so the watch can be further reduced in size and thickness. It becomes.
In addition, advantages of the piezoelectric actuator, that is, not affected by magnetism, high responsiveness, etc. can be realized.

前述のように本発明によれば、高い駆動効率が得られる圧電振動体、圧電アクチュエータ、および電子機器をもたらすことが出来る。   As described above, according to the present invention, it is possible to provide a piezoelectric vibrating body, a piezoelectric actuator, and an electronic device that can obtain high driving efficiency.

〔第1実施形態〕
[1.全体構成]
図1は、本実施形態における電子機器としての時計の平面図である。
本実施形態の時計は、計時部としてのムーブメント2と、計時情報表示部としての文字板3、時針4、分針5、秒針6とを備えたアナログ表示式の腕時計(ウォッチ)である。
文字板3の3時位置には、略矩形状の窓部3Aが設けられ、この窓部3Aからは、文字板3の裏側に設けられた日車74の回転により、日車74に印字された日が順次表示される。
[First Embodiment]
[1. overall structure]
FIG. 1 is a plan view of a timepiece as an electronic apparatus in the present embodiment.
The timepiece of the present embodiment is an analog display type wristwatch (watch) provided with a movement 2 as a timekeeping portion and a dial plate 3, hour hand 4, minute hand 5 and second hand 6 as a timekeeping information display portion.
A substantially rectangular window portion 3A is provided at the 3 o'clock position of the dial plate 3, and printing is performed on the date wheel 74 by rotation of the date wheel 74 provided on the back side of the dial plate 3 from the window portion 3A. The days are displayed sequentially.

なお、時計は電子時計(クォーツ時計)として構成されており、時針4、分針5、秒針6の駆動機構として、図示を省略するが、水晶振動体が組み込まれた回路基板と、コイル、ステータ、ロータを有するステッピングモータと、駆動輪列とがムーブメント2にそれぞれ組み込まれている。   The timepiece is configured as an electronic timepiece (quartz timepiece), and a driving mechanism for the hour hand 4, the minute hand 5, and the second hand 6 is omitted from illustration, but a circuit board incorporating a quartz vibrator, a coil, a stator, A stepping motor having a rotor and a driving wheel train are respectively incorporated in the movement 2.

[2.日表示装置の構造]
図2は、図1のムーブメント2を文字板3が設けられる側から見た平面図であり、図3は、図2における圧電振動体70Aの拡大斜視図である。ムーブメント2には、窓部3A(図1)から日を表示する日表示装置7が組み込まれている。
日表示装置7は、圧電振動体70Aおよびロータ78を有する圧電アクチュエータ70を駆動源として、その駆動力を減速しつつ伝達する日回し中間車71,72および日回し車73と、日回し車73により回転する日車74とを有して構成されている。
これらの圧電アクチュエータ70、日回し中間車71,72、および日回し車73、日車74は、地板75の表側(文字板3側)にそれぞれ設けられる。
一方、地板75の裏側には、時針4、分針5、秒針6などを駆動する駆動輪列や、電池などが設けられている。
[2. Structure of date display device]
2 is a plan view of the movement 2 of FIG. 1 as viewed from the side on which the dial 3 is provided, and FIG. 3 is an enlarged perspective view of the piezoelectric vibrating body 70A in FIG. The movement 2 incorporates a date display device 7 for displaying the date from the window 3A (FIG. 1).
The date display device 7 uses a piezoelectric actuator 70 having a piezoelectric vibrating body 70A and a rotor 78 as a drive source, and transmits date driving intermediate wheels 71 and 72 and a date driving wheel 73 that transmit the driving force while decelerating, and a date driving wheel 73. And a date wheel 74 that rotates.
The piezoelectric actuator 70, the date driving intermediate wheels 71 and 72, the date driving wheel 73, and the date dial 74 are provided on the front side (the dial 3 side) of the main plate 75, respectively.
On the other hand, on the back side of the base plate 75, a driving wheel train for driving the hour hand 4, the minute hand 5, the second hand 6, and the like, a battery, and the like are provided.

日回し中間車71には、ロータ78上部のロータかな78Aが噛合しており、日回し中間車71は、ロータ78の回転に連動して回転する。
日回し中間車72は、大径部721と小径部722とから構成されている。大径部721には、日回し中間車71が噛合している。また、小径部722は、大径部721よりも若干小径の円板状であり、大径部721に対し、同心をなすように固着されている。この小径部722の外周面には1つの切欠部722Aが形成されている。
The intermediate date wheel 71 is engaged with a rotor pinion 78A above the rotor 78, and the intermediate date wheel 71 rotates in conjunction with the rotation of the rotor 78.
The intermediate date wheel 72 is composed of a large diameter part 721 and a small diameter part 722. The intermediate wheel 71 is meshed with the large diameter portion 721. The small diameter portion 722 has a disk shape slightly smaller in diameter than the large diameter portion 721 and is fixed to the large diameter portion 721 so as to be concentric. A single notch 722A is formed on the outer peripheral surface of the small diameter portion 722.

日回し車73は、歯数が5つの歯車であり、その回転軸731は、地板75に形成された孔75Aに遊挿されている。孔75Aは、日車74の周回方向に沿って長孔状に形成されている。回転軸731は、地板75に固定された板ばね732によって図2における右上方向、すなわち日回し中間車72側に付勢されている。そして、日回し中間車72の1回転に伴い、日回し車73の歯が日回し中間車72の切欠部722Aに嵌まり込んで1歯分回転することで、日回し車73は1歯送られ、窓部3A(図1)から表示される日が変更される。
なお、日回し車73は日車74の内歯741に噛合しており、板ばね732の付勢作用によって日車74の揺動も防止される。
The date driving wheel 73 is a gear having five teeth, and the rotation shaft 731 is loosely inserted into a hole 75 </ b> A formed in the base plate 75. The hole 75 </ b> A is formed in a long hole shape along the circumferential direction of the date indicator 74. The rotary shaft 731 is urged toward the upper right in FIG. 2, that is, toward the date driving intermediate wheel 72 by a leaf spring 732 fixed to the main plate 75. Then, as the intermediate date wheel 72 rotates once, the teeth of the intermediate date wheel 73 fit into the notch 722A of the intermediate date wheel 72 and rotates by one tooth, so that the date driving wheel 73 is fed by one tooth. The date displayed from the window 3A (FIG. 1) is changed.
The date indicator driving wheel 73 meshes with the internal teeth 741 of the date indicator 74, and the urging action of the leaf spring 732 prevents the date indicator 74 from swinging.

日車74は、周上に「1」〜「31」までの数字が印字されたリング状の歯車であり、ムーブメント2の外周部に配置されている。
このような日表示装置7では、日の変わり目(24時)に圧電アクチュエータ70が動作し、ロータ78、日回し中間車71,72が順次回転し、日回し車73が切欠部722Aと係合して回転することにより、日車74が1日分回転する。
The date wheel 74 is a ring-shaped gear having numbers “1” to “31” printed on the circumference thereof, and is arranged on the outer peripheral portion of the movement 2.
In such a date display device 7, the piezoelectric actuator 70 operates at the change of day (24:00), the rotor 78, the date turning intermediate wheels 71 and 72 are sequentially rotated, and the date turning wheel 73 is engaged with the notch 722A. Thus, the date wheel 74 rotates for one day.

[3.圧電アクチュエータの構造]
(ロータの構成)
圧電アクチュエータ70を構成するロータ78は、ステンレス鋼(SUS301)等で形成されるとともに、ロータ支持体780に回転自在に保持されている。ロータ78の表面硬度は略500Hvである。ロータ支持体780は、ロータ78の表裏を挟む断面コ字状に形成されるとともに、ピン781を中心に地板75に軸支されている。また、ロータ支持体780は、別のピン782を備えており、このピン782に地板75の軸75Bに巻回された押圧手段としての押圧ばね783が当接することによって、図2中、反時計回りに(圧電振動体70A側に)押圧されている。
[3. Structure of piezoelectric actuator]
(Configuration of rotor)
The rotor 78 constituting the piezoelectric actuator 70 is made of stainless steel (SUS301) or the like and is rotatably held by the rotor support 780. The surface hardness of the rotor 78 is approximately 500 Hv. The rotor support 780 is formed in a U-shaped cross section sandwiching the front and back of the rotor 78, and is pivotally supported by the ground plane 75 around the pin 781. Further, the rotor support 780 is provided with another pin 782, and when a pressing spring 783 as a pressing means wound around the shaft 75B of the ground plate 75 comes into contact with the pin 782, the counterclockwise in FIG. It is pressed around (to the piezoelectric vibrating body 70A side).

(圧電振動体の構成)
図3は、圧電アクチュエータ70を構成する圧電振動体70Aを示し、圧電振動体70Aは、全体形状が略矩形板状に形成されている。
圧電振動体70Aは、矩形板状の2つの圧電素子21,21と、圧電素子21,21を補強する補強板30とを備えている。補強板30の表面および裏面のそれぞれに圧電素子21,21が積層され接合されることにより、圧電振動体70Aが構成されている。
補強板30は、前述したゴムメタル、またはBS-Tiを用いている。
(Configuration of piezoelectric vibrator)
FIG. 3 shows a piezoelectric vibrating body 70A constituting the piezoelectric actuator 70, and the piezoelectric vibrating body 70A is formed in a substantially rectangular plate shape as a whole.
The piezoelectric vibrating body 70 </ b> A includes two rectangular plate-shaped piezoelectric elements 21 and 21 and a reinforcing plate 30 that reinforces the piezoelectric elements 21 and 21. The piezoelectric elements 70 and 21 are laminated and bonded to the front surface and the back surface of the reinforcing plate 30, respectively, so that the piezoelectric vibrating body 70A is configured.
The reinforcing plate 30 uses the aforementioned rubber metal or BS-Ti.

[4−1.圧電素子の構成]
圧電素子21,21には、本実施形態ではチタン酸ジルコン酸鉛(PZT(登録商標))が使用されているが、このほか、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なども使用できる。
各圧電素子21の表面には、めっき、スパッタ、蒸着等によって形成された電極面が形成されている。この電極面がエッチング等による溝230で分割されることにより、各圧電素子21の表面には5つの電極231〜235が形成されている。これらの電極231〜235は、各圧電素子21において同様に配置されており、例えば、図3中の表側圧電素子21における表側の体表面に配置された電極235の裏側には、裏側圧電素子21における裏側の体表面において電極235が配置されている。すなわち、表側圧電素子21と裏側圧電素子21との各々の電極は、平面視で一致している。
一方、表側と裏側の各圧電素子21において各々電極231〜235が形成された面とは反対側の面は、補強板30と接触導通されている。すなわち、補強板30は各々の圧電素子21の電極としても機能する。
なお、圧電素子21,21の補強板30と積層される側の面に全面に亘って電極が形成されていてもよく、この場合、この電極と補強板30とが導通される。
[4-1. Configuration of piezoelectric element]
In this embodiment, lead zirconate titanate (PZT (registered trademark)) is used for the piezoelectric elements 21 and 21. In addition, quartz, lithium niobate, barium titanate, lead titanate, and metaniobic acid are used. Lead, polyvinylidene fluoride, lead zinc niobate, lead scandium niobate, and the like can also be used.
An electrode surface formed by plating, sputtering, vapor deposition, or the like is formed on the surface of each piezoelectric element 21. This electrode surface is divided by grooves 230 formed by etching or the like, so that five electrodes 231 to 235 are formed on the surface of each piezoelectric element 21. These electrodes 231 to 235 are similarly arranged in each piezoelectric element 21. For example, on the back side of the electrode 235 arranged on the front body surface in the front side piezoelectric element 21 in FIG. An electrode 235 is arranged on the body surface on the back side. That is, the respective electrodes of the front side piezoelectric element 21 and the back side piezoelectric element 21 coincide with each other in plan view.
On the other hand, the surface opposite to the surface on which the electrodes 231 to 235 are formed in each of the piezoelectric elements 21 on the front side and the back side is in contact with the reinforcing plate 30. That is, the reinforcing plate 30 also functions as an electrode for each piezoelectric element 21.
An electrode may be formed over the entire surface of the piezoelectric elements 21 and 21 on the side where the reinforcing plate 30 is laminated. In this case, the electrode and the reinforcing plate 30 are electrically connected.

[4−2.補強板の構成]
図3に示すように補強板30は、表面および裏面のそれぞれに圧電素子21,21が積層される矩形状の補強板本体31と、この補強板本体31の長辺側の両側面に連設される一対の支持部32,32と、補強板本体31の短辺側に連設される当接部である突起部33と、この突起部33に対して振動バランスを確保するための突起部34とを有し、これらは一体に形成されている。
本実施形態の補強板30は、Tiを主成分として弾性率が60GPaであるゴムメタルで形成されている。ゴムメタルは、熱膨張係数(α)が0であり、硬度が略330Hvである。なお、補強板30の硬度は、前述のロータ78の硬度(略500Hv)以下となっている。
ここで、補強板の材料としてはこれに限らず、少なくともTiを主成分として弾性率が30GPa以上、100GPa以下である材料であればよい。補強板に使用される材料としては、例えば、弾性率が60GPaで熱膨張係数が5.8×10-6/℃であるバイオソフトチタン(BS-Ti)でもよい。以下に、ゴムメタルおよびBS-Tiの物性値を示す。また、比較用としてSUS301の物性値を合わせて示す。
[4-2. Reinforcement plate configuration]
As shown in FIG. 3, the reinforcing plate 30 includes a rectangular reinforcing plate body 31 in which the piezoelectric elements 21 and 21 are laminated on the front surface and the back surface, and both side surfaces on the long side of the reinforcing plate body 31. A pair of support portions 32, 32, a projecting portion 33 which is a contact portion provided continuously on the short side of the reinforcing plate body 31, and a projecting portion for ensuring a vibration balance with respect to the projecting portion 33. 34, which are integrally formed.
The reinforcing plate 30 of the present embodiment is made of rubber metal having Ti as a main component and an elastic modulus of 60 GPa. Rubber metal has a coefficient of thermal expansion (α) of 0 and a hardness of approximately 330 Hv. The hardness of the reinforcing plate 30 is not more than the hardness of the rotor 78 described above (approximately 500 Hv).
Here, the material of the reinforcing plate is not limited to this, and any material having at least Ti as a main component and an elastic modulus of 30 GPa or more and 100 GPa or less may be used. The material used for the reinforcing plate may be, for example, biosoft titanium (BS-Ti) having an elastic modulus of 60 GPa and a thermal expansion coefficient of 5.8 × 10 −6 / ° C. The physical properties of rubber metal and BS-Ti are shown below. In addition, physical properties of SUS301 are also shown for comparison.

Figure 2009219258
Figure 2009219258

このように、ゴムメタルおよびBS-Tiは、弾性率が従来のSUSやスーパーインバーに比べてさらに小さく、スーパーインバーと同程度の熱膨張係数を有している。また、硬度については、SUSよりは小さいが、スーパーインバーより高い値を示す。
図13のグラフは、半径r=0.3mm、厚みt=0.1mmの突起部33を有する圧電振動体70Aによって、直径φ=4mmのロータ78を回転させて10000mに相当する距離分を駆動させた場合の突起部33の摩耗体積を測定した実験結果である。ロータ78は、前述と同じSUS製で硬度が略500Hvのものを用いた。この実験では、ロータ78に対して突起部33を1gf(9.8mN)〜50gf(490mN)の範囲で加圧させている。このような加圧の範囲であれば、時計の駆動源として十分使用することが可能であり、耐久性に問題がない。
Thus, rubber metal and BS-Ti have a smaller elastic modulus than conventional SUS and Super Invar, and have the same thermal expansion coefficient as Super Invar. Further, the hardness is smaller than SUS but higher than Super Invar.
The graph of FIG. 13 shows that a piezoelectric vibrator 70A having a projection 33 having a radius r = 0.3 mm and a thickness t = 0.1 mm rotates a rotor 78 having a diameter φ = 4 mm to drive a distance corresponding to 10000 m. It is the experimental result which measured the wear volume of the projection part 33 at the time of making it. The rotor 78 was made of the same SUS as described above and had a hardness of about 500 Hv. In this experiment, the protrusion 33 is pressed against the rotor 78 in the range of 1 gf (9.8 mN) to 50 gf (490 mN). Within such a pressure range, it can be sufficiently used as a watch driving source, and there is no problem in durability.

補強板本体31の長さおよび幅はそれぞれ、圧電素子21の長さおよび幅と同様とされている。補強板本体31には、圧電素子21,21がエポキシ系の接着剤で接合されている。
各支持部32は、補強板本体31に連設される連結部321と、ねじ15(図2)で地板75に固定される固定部322とを有し、圧電素子21とは積層されずに圧電素子21の外縁部から突出した状態で圧電素子21を支持している。固定部322には、ねじ15が挿通される固定孔322Aと、位置決め孔322Bとが形成されている。
なお、連結部321は、補強板本体31にバネ力を付与するように幅狭く形成しても良い。そのバネ力により突起部33がロータ78に弾圧し、圧電振動体70Aが励振する振動によりロータ78が回転駆動されるようになる。なお、上記バネ力の付与構造は、上記に限定されるものではなく、どのようなものであってもよい。
The length and width of the reinforcing plate body 31 are the same as the length and width of the piezoelectric element 21, respectively. Piezoelectric elements 21 and 21 are joined to the reinforcing plate body 31 with an epoxy adhesive.
Each support portion 32 has a connecting portion 321 provided continuously to the reinforcing plate body 31 and a fixing portion 322 fixed to the ground plate 75 with screws 15 (FIG. 2), and is not laminated with the piezoelectric element 21. The piezoelectric element 21 is supported in a state of protruding from the outer edge portion of the piezoelectric element 21. A fixing hole 322A through which the screw 15 is inserted and a positioning hole 322B are formed in the fixing portion 322.
The connecting portion 321 may be formed narrow so as to apply a spring force to the reinforcing plate body 31. The projection 33 is elastically pressed against the rotor 78 by the spring force, and the rotor 78 is rotationally driven by the vibration excited by the piezoelectric vibrating body 70A. The structure for applying the spring force is not limited to the above, and any structure may be used.

突起部33は、ロータ78(図2)の外周面に対して所定の力で当接するように、ロータ78との相対位置が設定されており、この突起部33とロータ78側面との間に適切な摩擦力が発生することで、圧電振動体70Aの振動がロータ78に伝達されるようになっている。
なお、本実施形態ではロータ78と当接されない側にも、突起部33と同じ形状および質量でカウンタとしての突起部34が設けられている。
The protrusion 33 is set in a relative position with the rotor 78 so as to come into contact with the outer peripheral surface of the rotor 78 (FIG. 2) with a predetermined force, and between the protrusion 33 and the side surface of the rotor 78. By generating an appropriate frictional force, the vibration of the piezoelectric vibrating body 70 </ b> A is transmitted to the rotor 78.
In the present embodiment, a protrusion 34 as a counter is provided on the side not in contact with the rotor 78 with the same shape and mass as the protrusion 33.

[5.圧電振動体の電気的構成]
図4は、圧電振動体70Aの電気的接続を示す。圧電振動体70Aには、図示しないリード基板が設けられており、圧電素子21に設けられた各電極231〜235と補強板30とは、このリード基板を介して駆動回路28に接続されている。
補強板30は各圧電素子21,21共通の電極としてGNDに接続され、駆動回路28により、一方の圧電素子21の各電極231〜235と補強板30との間、および他方の圧電素子21の各電極231〜235と補強板30との間のそれぞれに交流電圧が印加される。なお、各電極231〜235は後述するように選択的に用いられるが、各圧電素子21にそれぞれ設けられた同じ電極同士、すなわち電極231,231、電極232,232、電極233,233、電極234,234、電極235,235にはそれぞれ、同時に同電位が印加される。
[5. Electrical configuration of piezoelectric vibrator]
FIG. 4 shows the electrical connection of the piezoelectric vibrating body 70A. The piezoelectric vibrator 70A is provided with a lead substrate (not shown), and the electrodes 231 to 235 and the reinforcing plate 30 provided on the piezoelectric element 21 are connected to the drive circuit 28 via the lead substrate. .
The reinforcing plate 30 is connected to the GND as a common electrode for each of the piezoelectric elements 21 and 21, and is connected between the electrodes 231 to 235 of one piezoelectric element 21 and the reinforcing plate 30 by the drive circuit 28, and of the other piezoelectric element 21. An AC voltage is applied between each of the electrodes 231 to 235 and the reinforcing plate 30. The electrodes 231 to 235 are selectively used as will be described later. However, the same electrodes provided in the piezoelectric elements 21, that is, the electrodes 231 and 231, the electrodes 232 and 232, the electrodes 233 and 233, and the electrode 234, respectively. , 234 and electrodes 235 and 235 are simultaneously applied with the same potential.

圧電振動体70Aには、駆動回路28によって単相の駆動電圧が印加される。
ここで、駆動電圧の周波数(駆動周波数)については、圧電振動体70Aにおける縦振動の共振点と屈曲振動の共振点などを考慮して決められる。
図5に、圧電振動体70Aにおける駆動周波数とインピーダンスとの関係を示した。図5に示すように、駆動周波数に対してインピーダンスが極小であって振幅が最大となる共振点が二点現れ、これらのうち周波数の低い方が縦振動の共振点、高い方が屈曲振動の共振点である。
すなわち、縦振動の縦共振周波数fr1と屈曲振動の屈曲共振周波数fr2との間で圧電振動体70Aを駆動すると、縦振動および屈曲振動双方の振幅が確保され、圧電アクチュエータ20は高効率で駆動する。なお、縦共振周波数fr1と屈曲共振周波数fr2とを互いに近接させることで、縦振動の振幅と屈曲振動の振幅との双方がより大きくなる駆動周波数を設定することができる。
A single-phase drive voltage is applied to the piezoelectric vibrating body 70A by the drive circuit 28.
Here, the frequency of the drive voltage (drive frequency) is determined in consideration of the resonance point of longitudinal vibration and the resonance point of bending vibration in the piezoelectric vibrating body 70A.
FIG. 5 shows the relationship between the drive frequency and the impedance in the piezoelectric vibrating body 70A. As shown in FIG. 5, there are two resonance points where the impedance is minimum and the amplitude is maximum with respect to the drive frequency. Of these, the lower one is the resonance point of longitudinal vibration and the higher one is bending vibration. Resonance point.
That is, when the piezoelectric vibrating body 70A is driven between the longitudinal resonance frequency fr1 of the longitudinal vibration and the bending resonance frequency fr2 of the bending vibration, the amplitudes of both the longitudinal vibration and the bending vibration are secured, and the piezoelectric actuator 20 is driven with high efficiency. . Note that, by making the longitudinal resonance frequency fr1 and the bending resonance frequency fr2 close to each other, it is possible to set a driving frequency at which both the amplitude of the longitudinal vibration and the amplitude of the bending vibration become larger.

[6.圧電振動体の作用]
図6は、圧電振動体70Aの振動挙動を示す。本実施形態では、圧電素子21に設けられた各電極231,233,235と補強板30とに電位を印加することで、縦振動および屈曲振動が合成された混合モードで振動し、突起部33は楕円軌跡R1を描いてロータ78(図2)を所定の方向に駆動する。この際、電位印加されない電極232,234は振動状態の検出電極として使用される。
このようなロータ78の回転により、ロータ78と一体のロータかな78Aも回転し、ロータかな78Aの回転に伴い日回し中間車71が回転し、前述の日表示装置7の日車74が駆動される。
[6. Action of piezoelectric vibrator]
FIG. 6 shows the vibration behavior of the piezoelectric vibrating body 70A. In the present embodiment, by applying a potential to each of the electrodes 231, 233, 235 and the reinforcing plate 30 provided in the piezoelectric element 21, it vibrates in a mixed mode in which longitudinal vibration and bending vibration are combined, and the protrusion 33 Draws an elliptical trajectory R1 and drives the rotor 78 (FIG. 2) in a predetermined direction. At this time, the electrodes 232 and 234 to which no potential is applied are used as vibration detection electrodes.
By such rotation of the rotor 78, the rotor pinion 78A integral with the rotor 78 is also rotated, the date indicator intermediate wheel 71 is rotated along with the rotation of the rotor pinion 78A, and the date indicator 74 of the date display device 7 is driven. The

[7.圧電素子と補強板との接合方法]
まず圧電素子21と補強板30との間に接着剤を均一塗布する。次に、接着剤を固化させるため、加温槽を80℃にして、圧電素子21および補強板30を加圧状態で2時間加熱する。この際、圧電素子21および補強板30はそれぞれの熱膨張係数に応じて膨張する。そして、膨張した状態で接着剤が硬化し、圧電素子21および補強板30が固持される。
[7. Method of joining piezoelectric element and reinforcing plate]
First, an adhesive is uniformly applied between the piezoelectric element 21 and the reinforcing plate 30. Next, in order to solidify the adhesive, the heating tank is set to 80 ° C., and the piezoelectric element 21 and the reinforcing plate 30 are heated under pressure for 2 hours. At this time, the piezoelectric element 21 and the reinforcing plate 30 expand according to their respective thermal expansion coefficients. Then, the adhesive is cured in the expanded state, and the piezoelectric element 21 and the reinforcing plate 30 are held firmly.

[本実施形態による効果]
本実施形態によれば、次のような効果を奏することができる。
(1)補強板30の弾性率が、従来のSUSやスーパーインバーの弾性率よりも小さく60GPaであるので、補強板30による圧電素子の振動の妨げが軽減され、圧電素子21の伸縮により発生し得る最大の振動エネルギによる振幅拡大が可能となる。従って、ロータ78の駆動を推進する力が増大することから、投入電力を減らしても所定の負荷のロータ78を駆動可能となるため、電池等の電源の電気容量を小さくすることができ、圧電振動体が搭載される各種機器等の小型化および薄型化を促進できる。なお、従来よりも負荷の大きいロータの場合には、従来と同じ投入電力で駆動することができ、駆動効率を向上させることが可能となる。
[Effects of this embodiment]
According to this embodiment, the following effects can be achieved.
(1) Since the elastic modulus of the reinforcing plate 30 is smaller than the elastic modulus of conventional SUS and Super Invar and is 60 GPa, the obstruction of the vibration of the piezoelectric element by the reinforcing plate 30 is alleviated and is generated by the expansion and contraction of the piezoelectric element 21. The amplitude can be expanded by the maximum vibration energy to be obtained. Accordingly, since the driving force for driving the rotor 78 increases, the rotor 78 having a predetermined load can be driven even if the input power is reduced. It is possible to promote downsizing and thinning of various devices on which the vibrator is mounted. In the case of a rotor having a larger load than the conventional one, it can be driven with the same input power as the conventional one, and the driving efficiency can be improved.

(2)補強板30の熱膨張係数αが0であるので、金属よりもはるかに低い熱膨張係数(約2.3×10-6/℃)を示すPZTが補強板30に接合されていても、従来のSUS(熱膨張係数;17×10-6/℃)に比べて、熱応力による反りや剥離等の発生を抑制することができる。 (2) Since the thermal expansion coefficient α of the reinforcing plate 30 is 0, PZT showing a thermal expansion coefficient (about 2.3 × 10 −6 / ° C.) much lower than that of the metal is bonded to the reinforcing plate 30. However, compared with the conventional SUS (thermal expansion coefficient: 17 × 10 −6 / ° C.), it is possible to suppress the occurrence of warpage or peeling due to thermal stress.

(3)補強板30の熱膨張係数αが0、5.8(×10-6/℃)であるので、前述の図11に示すように共振周波数と反共振周波数の間隔Δfのシフト量(温度変化によるもの)が比較的小さく、さらにk値の変化が小さくなる。従って、温度変化に対する振動のばらつきが小さくなり、被駆動体の位置決め精度が向上される。 (3) Since the thermal expansion coefficient α of the reinforcing plate 30 is 0, 5.8 (× 10 −6 / ° C.), the shift amount of the interval Δf between the resonance frequency and the antiresonance frequency (as shown in FIG. 11 described above) (Due to temperature change) is relatively small, and the change in k value is small. Therefore, the variation in vibration with respect to the temperature change is reduced, and the positioning accuracy of the driven body is improved.

(4)補強板30の硬度が330Hvであるので、ロータ78との接触部分である補強板30の突起部33の摩耗を少なくでき、長時間の連続駆動等の使用条件下であっても駆動効率を維持でき、品質を安定させることが可能となる。 (4) Since the hardness of the reinforcing plate 30 is 330 Hv, wear of the protrusions 33 of the reinforcing plate 30 that are in contact with the rotor 78 can be reduced, and the drive is performed even under long-term continuous driving conditions. Efficiency can be maintained and quality can be stabilized.

(5)補強板30の硬度がロータ78の硬度以下となっているので、圧電振動体70Aの振動のばらつきや圧電振動体70Aの支持方法による突起部33位置のばらつき等があっても、ロータ78の摩耗が抑制されるので、不必要な接触が生じず、圧電アクチュエータ70の駆動性能を維持することができる。 (5) Since the hardness of the reinforcing plate 30 is equal to or less than the hardness of the rotor 78, even if there is a variation in vibration of the piezoelectric vibrating body 70A, a variation in the position of the projection 33 due to the support method of the piezoelectric vibrating body 70A, etc. Since wear of 78 is suppressed, unnecessary contact does not occur, and the driving performance of the piezoelectric actuator 70 can be maintained.

(6)接着剤を固化させるため、圧電素子21および補強板30を80℃にて加熱するので、実際に使用する際(例えば、常温下)、従来は、SUS製の補強板に内部応力が発生し、圧電素子21の振動特性を低下させていた。
図16のグラフは、圧電素子(PZT)、BS-Ti、SUSの温度と寸法変化との関係を示す。
図16に示すように、80℃にて従来のSUS製の補強板と圧電素子との寸法差は、グラフ中のLaで示す大きさとなる。一方、BS-Ti製の補強板では、熱膨張係数がSUSより低いため、寸法差はLbで示す大きさとなり、圧電素子への振動特性の影響を低減することができる。また、乾燥温度を150℃とした場合、乾燥時間は10分程度となり生産性を向上させることが可能となる。この場合でも寸法差はLcで示す大きさであり、SUS製の補強板の寸法差Laより小さいため、PZTへの振動特性への影響を少なくすることができる。
(6) Since the piezoelectric element 21 and the reinforcing plate 30 are heated at 80 ° C. in order to solidify the adhesive, the internal stress is conventionally applied to the reinforcing plate made of SUS when actually used (for example, at room temperature). The vibration characteristics of the piezoelectric element 21 are deteriorated.
The graph of FIG. 16 shows the relationship between the temperature and the dimensional change of the piezoelectric element (PZT), BS-Ti, and SUS.
As shown in FIG. 16, the dimensional difference between the conventional SUS reinforcing plate and the piezoelectric element at 80 ° C. is the size indicated by La in the graph. On the other hand, the BS-Ti reinforcing plate has a thermal expansion coefficient lower than that of SUS, so that the dimensional difference becomes the size indicated by Lb, and the influence of vibration characteristics on the piezoelectric element can be reduced. Further, when the drying temperature is set to 150 ° C., the drying time is about 10 minutes, and the productivity can be improved. Even in this case, the dimensional difference is the size indicated by Lc, and is smaller than the dimensional difference La of the SUS reinforcing plate, so that the influence on the vibration characteristics on the PZT can be reduced.

〔第2実施形態〕
次に、本発明の第2実施形態を説明する。本実施形態では、補強部材に熱処理を施すことで所定の弾性率を維持させつつ、耐久性を向上させることが可能な構成を示す。
本実施形態では、圧電振動体の補強板に熱処理を施す構成のみが第1実施形態とは異なり、その他の構成は第1実施形態と同様に構成されている。
すなわち、ゴムメタルまたはBS-Tiで形成された補強板は、N2雰囲気下、400℃、10時間の熱処理により形成されている。以下に、熱処理前後の物性値を示す。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, a configuration is shown in which durability can be improved while maintaining a predetermined elastic modulus by applying heat treatment to the reinforcing member.
In the present embodiment, only the configuration in which heat treatment is performed on the reinforcing plate of the piezoelectric vibrator is different from the first embodiment, and other configurations are configured in the same manner as in the first embodiment.
That is, the reinforcing plate made of rubber metal or BS-Ti is formed by heat treatment at 400 ° C. for 10 hours in an N 2 atmosphere. The physical property values before and after the heat treatment are shown below.

Figure 2009219258
Figure 2009219258

このような本実施形態によれば、前記(1)〜(6)の効果と略同様の効果に加えて以下の効果を奏することができる。
(7)補強板を熱処理することで、補強板の硬度が処理前の330Hvから550Hv、または340Hvから450Hvまで上昇して、より突起部33の摩耗を低減させることができる。また、熱処理によって弾性率が幾分上昇するが、図7のグラフにて説明したように、弾性率が100GPa以下であるので、圧電振動体70Aの振幅が保持される。
According to this embodiment, in addition to the effects substantially the same as the effects (1) to (6), the following effects can be achieved.
(7) By heat-treating the reinforcing plate, the hardness of the reinforcing plate increases from 330 Hv before processing to 550 Hv, or from 340 Hv to 450 Hv, and the wear of the protrusion 33 can be further reduced. Further, although the elastic modulus is somewhat increased by the heat treatment, as described in the graph of FIG. 7, since the elastic modulus is 100 GPa or less, the amplitude of the piezoelectric vibrating body 70A is maintained.

[本発明の変形例]
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。
前記各実施形態にて説明した補強板の材質の熱膨張係数に限定されるものではなく、補強板の材質の熱膨張係数としては、0×10-6/℃以上、10×10-6/℃以下であれば、本発明の効果が得られる。
また、前記各実施形態にて説明した補強板の材質の硬度に限定されるものではなく、補強板の材質の硬度としては、200Hv以上であれば、本発明の効果が得られる。なお、硬度の上限としては、ロータの硬度以下であることが好ましく、例えば、ロータがSUS301製(硬度500Hv)であれば、補強板の硬度を500Hv以下としてもよい。
また、前記第2実施形態にて説明した補強板の熱処理条件に限定されるものではなく、補強板の熱処理条件としては、少なくとも、200℃以上、450℃以下の熱処理であれば、本発明の効果が得られる。
[Modification of the present invention]
It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and modifications, improvements, and the like within the scope that can achieve the object of the present invention are included in the present invention.
The coefficient of thermal expansion of the material of the reinforcing plate described in the above embodiments is not limited, and the coefficient of thermal expansion of the material of the reinforcing plate is 0 × 10 −6 / ° C. or more and 10 × 10 −6 / If it is below ℃, the effect of the present invention will be obtained.
Further, the hardness of the material of the reinforcing plate described in the above embodiments is not limited, and the effect of the present invention can be obtained if the hardness of the material of the reinforcing plate is 200 Hv or more. The upper limit of the hardness is preferably not more than the hardness of the rotor. For example, if the rotor is made of SUS301 (hardness 500 Hv), the hardness of the reinforcing plate may be 500 Hv or less.
Further, the heat treatment conditions for the reinforcing plate described in the second embodiment are not limited, and the heat treatment conditions for the reinforcing plate are at least 200 ° C. or higher and 450 ° C. or lower. An effect is obtained.

前記各実施形態では、平面視矩形状の圧電振動体を示したが、圧電振動体の形状としては、これに限らず、台形や、平行四辺形、ひし形等、縦振動または屈曲振動を励振する各種形状を採用しうる。
また、前記各実施形態における圧電振動体は、補強板の表裏に圧電素子が1枚ずつ積層されていたが、これに限らず、圧電素子が補強板の表裏のそれぞれに複数積層されていたり、補強板の片面のみに圧電素子が積層されていてもよい。
なお、圧電素子を駆動するための電極配置およびその形状は、前述したものに限定されることなく、状況によって適宜選択できるものである。たとえば、第1実施形態などでは圧電素子に形成される電極が5分割されていたが、これに限らず、矩形状の圧電素子において、縦横に四分割された電極が形成されていてもよい。なお、圧電素子に形成される電極の数は任意であり、3つ以下、4つ、5つ、6つ以上であってもよい。また補強板の表面と裏面とにそれぞれ圧電素子が積層される場合、表面側圧電素子に形成される電極数や形状と、裏面側圧電素子に形成される電極数や形状とは、同じであっても異なっていても良い。
In each of the embodiments described above, the piezoelectric vibrating body having a rectangular shape in plan view is shown. However, the shape of the piezoelectric vibrating body is not limited to this, and a longitudinal vibration or a bending vibration such as a trapezoid, a parallelogram, and a rhombus is excited. Various shapes can be employed.
Further, in the piezoelectric vibrating body in each of the embodiments, the piezoelectric elements are laminated one by one on the front and back of the reinforcing plate, but not limited to this, a plurality of piezoelectric elements are laminated on each of the front and back of the reinforcing plate, Piezoelectric elements may be laminated only on one side of the reinforcing plate.
The electrode arrangement for driving the piezoelectric element and the shape thereof are not limited to those described above, and can be appropriately selected depending on the situation. For example, in the first embodiment and the like, the electrode formed on the piezoelectric element is divided into five parts. However, the present invention is not limited to this, and a rectangular piezoelectric element may be formed with four electrodes vertically and horizontally. The number of electrodes formed on the piezoelectric element is arbitrary, and may be three or less, four, five, six or more. When piezoelectric elements are stacked on the front and back surfaces of the reinforcing plate, the number and shape of electrodes formed on the front-side piezoelectric element are the same as the number and shape of electrodes formed on the back-side piezoelectric element. Or different.

そして、前記各実施形態では、圧電振動体の振動をロータに伝達することによって被駆動体を駆動していたが、これに限らず、圧電振動体の振動が伝達されるのは、例えば、直線駆動する駆動体であってもよい。その直線駆動する駆動体は、例えば、スライダに設けられたり、複数のローラによりガイドされていればよい。   In each of the above embodiments, the driven body is driven by transmitting the vibration of the piezoelectric vibrating body to the rotor. However, the present invention is not limited to this. For example, the vibration of the piezoelectric vibrating body is transmitted in a straight line. The drive body to drive may be sufficient. For example, the linearly driven drive body may be provided on a slider or guided by a plurality of rollers.

なお、前記各実施形態では、圧電振動体の適用例として腕時計を例示したが、これに限定されず、本発明は、懐中時計、置時計、掛け時計などにも適用できる。これらの各種時計において、例えばからくり人形などを駆動する機構としても利用できる。
さらに、時計以外にカメラのズームやオートフォーカス機構、フィルムの巻き上げ機構、プリンタの紙送り機構や、乗り物並びに人形などの玩具類を駆動する機構などにも、本発明の圧電振動体を適宜利用できる。本発明の圧電振動体は、時計、カメラやプリンタ、玩具などをはじめとして、携帯情報端末、電話機などの各種電子機器に広く利用できる。
In each of the above embodiments, a wristwatch is illustrated as an application example of a piezoelectric vibrator, but the present invention is not limited to this, and the present invention can also be applied to a pocket watch, a table clock, a wall clock, and the like. In these various timepieces, for example, it can be used as a mechanism for driving a mechanism doll or the like.
In addition to the watch, the piezoelectric vibrator of the present invention can be used as appropriate for a camera zoom and autofocus mechanism, a film winding mechanism, a printer paper feed mechanism, and a mechanism for driving toys such as vehicles and dolls. . The piezoelectric vibrating body of the present invention can be widely used in various electronic devices such as a timepiece, a camera, a printer, a toy, and a portable information terminal and a telephone.

以上、本発明を実施するための最良の構成について具体的に説明したが、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および改良を加えることができるものである。
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。
Although the best configuration for carrying out the present invention has been specifically described above, the present invention is not limited to this. That is, the invention has been illustrated and described primarily with respect to particular embodiments, but may be configured for the above-described embodiments without departing from the scope and spirit of the invention. Various modifications and improvements can be made by those skilled in the art in terms of materials, quantity, and other detailed configurations.
The description limiting the shape, material, etc. disclosed above is an example for easy understanding of the present invention, and does not limit the present invention. The description by the name of the member which removes a part or all of the limitation is included in the present invention.

本発明の第1実施形態における腕時計の外観図。1 is an external view of a wristwatch according to a first embodiment of the present invention. 前記実施形態における日表示装置の平面図。The top view of the date display apparatus in the said embodiment. 前記実施形態における圧電振動体の斜視図。The perspective view of the piezoelectric vibrating body in the said embodiment. 前記実施形態における圧電振動体の電気的接続を示す図。The figure which shows the electrical connection of the piezoelectric vibrating body in the said embodiment. 前記実施形態における圧電振動体における駆動周波数とインピーダンスとの関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the drive frequency and impedance in the piezoelectric vibrating body in the said embodiment. 前記実施形態における圧電振動体の動作を示す図。The figure which shows operation | movement of the piezoelectric vibrating body in the said embodiment. 本発明の前記圧電振動体の弾性率と楕円軌跡の長軸長さとの関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the elastic modulus of the said piezoelectric vibrating body of this invention, and the long-axis length of an elliptical locus. 前記圧電振動体の駆動周波数と楕円軌跡の長軸長さとの関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the drive frequency of the said piezoelectric vibrating body, and the major axis length of an elliptical locus. 前記圧電振動体のインピーダンスの温度特性を示すグラフ。The graph which shows the temperature characteristic of the impedance of the said piezoelectric vibrating body. 従来の圧電振動体のインピーダンスの温度特性を示すグラフ。The graph which shows the temperature characteristic of the impedance of the conventional piezoelectric vibrating body. 圧電振動体の熱膨張係数とΔfのシフト量の関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the thermal expansion coefficient of a piezoelectric vibrating body, and the shift amount of (DELTA) f. 前記圧電振動体の接触部分の摩耗の状態を示す図。The figure which shows the state of abrasion of the contact part of the said piezoelectric vibrating body. 前記圧電振動体の補強板の硬度と摩耗体積との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the hardness of the reinforcement board of the said piezoelectric vibrating body, and a wear volume. 従来の被振動体の接触部分の摩耗の状態を示す図。The figure which shows the state of abrasion of the contact part of the conventional to-be-vibrated body. 前記圧電振動体の熱処理による硬度変化を示すグラフ。The graph which shows the hardness change by the heat processing of the said piezoelectric vibrating body. 前記圧電振動体の温度と寸法変化との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the temperature of the said piezoelectric vibrating body, and a dimensional change.

符号の説明Explanation of symbols

21…圧電素子、30…補強板、33…突起部(当接部)、70…圧電アクチュエータ、70A…圧電振動体、78…ロータ(被駆動体)。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 21 ... Piezoelectric element, 30 ... Reinforcing plate, 33 ... Protruding part (contact part), 70 ... Piezoelectric actuator, 70A ... Piezoelectric vibrator, 78 ... Rotor (driven body).

Claims (10)

圧電素子と、この圧電素子が積層されて当該圧電素子を補強する補強板とを備える圧電振動体であって、
前記補強板はチタン(Ti)を主成分として形成され、
前記補強板の弾性率は30GPa以上、100GPa以下である
ことを特徴とする圧電振動体。
A piezoelectric vibrator comprising a piezoelectric element and a reinforcing plate that is laminated with the piezoelectric element to reinforce the piezoelectric element,
The reinforcing plate is formed mainly of titanium (Ti),
The elastic modulus of the reinforcing plate is 30 GPa or more and 100 GPa or less.
請求項1に記載の圧電振動体において、
前記補強板の熱膨張係数が0×10-6/℃以上、10×10-6/℃以下である
ことを特徴とする圧電振動体。
The piezoelectric vibrating body according to claim 1,
The piezoelectric vibration member, wherein the reinforcing plate has a thermal expansion coefficient of 0 × 10 −6 / ° C. or more and 10 × 10 −6 / ° C. or less.
請求項1または請求項2に記載の圧電振動体において、
前記補強板の硬度が200Hv以上である
ことを特徴とする圧電振動体。
In the piezoelectric vibrating body according to claim 1 or 2,
The piezoelectric vibrating body, wherein the reinforcing plate has a hardness of 200 Hv or more.
請求項3に記載の圧電振動体において、
前記補強板の硬度が、前記圧電振動体の振動によって駆動される被駆動体の硬度以下であることを特徴とする圧電振動体。
The piezoelectric vibrating body according to claim 3,
A piezoelectric vibrator having a hardness of the reinforcing plate equal to or less than a hardness of a driven body driven by vibration of the piezoelectric vibrator.
請求項1から請求項4のいずれかに記載の圧電振動体において、
前記補強板は、ジルコニウム(Zr)およびニオブ(Nb)を含んで形成される
ことを特徴とする圧電振動体。
In the piezoelectric vibrating body according to any one of claims 1 to 4,
The reinforcing plate is formed by containing zirconium (Zr) and niobium (Nb).
請求項5に記載の圧電振動体において、
前記補強板は、Tiを58〜59質量%、Nbを36〜37質量%、Taを2〜3質量%、Zrを2〜3質量%、Oを0.1〜1質量%含有するチタン合金、または、Tiを64〜66at%、Zrを16〜18at%、Nbを17〜19at%含有するチタン合金で形成されることを特徴とする圧電振動体。
The piezoelectric vibrating body according to claim 5,
The reinforcing plate is a titanium alloy containing 58 to 59% by mass of Ti, 36 to 37% by mass of Nb, 2 to 3% by mass of Ta, 2 to 3% by mass of Zr, and 0.1 to 1% by mass of O. Or a piezoelectric vibrator formed of a titanium alloy containing 64 to 66 at% Ti, 16 to 18 at% Zr, and 17 to 19 at% Nb.
請求項5または請求項6に記載の圧電振動体において、
前記補強板は、200℃以上、450℃以下の熱処理により形成される
ことを特徴とする圧電振動体。
In the piezoelectric vibrating body according to claim 5 or 6,
The reinforcing plate is formed by heat treatment at 200 ° C. or higher and 450 ° C. or lower.
請求項1から請求項7のいずれかに記載の圧電振動体と、
前記圧電振動体から振動が伝達されることによって駆動される被駆動体と、を備える
ことを特徴とする圧電アクチュエータ。
The piezoelectric vibrating body according to any one of claims 1 to 7,
And a driven body that is driven when vibration is transmitted from the piezoelectric vibrating body.
請求項8に記載の圧電アクチュエータを備えることを特徴とする電子機器。   An electronic apparatus comprising the piezoelectric actuator according to claim 8. 請求項9に記載の電子機器は、計時部とこの計時部で計時された情報を表示する計時情報表示部とを備え、前記被駆動体により前記計時情報表示部が駆動される時計である
ことを特徴とする電子機器。
The electronic device according to claim 9 is a timepiece including a timekeeping portion and a timekeeping information display portion that displays information timed by the timekeeping portion, and the timekeeping information display portion is driven by the driven body. Electronic equipment characterized by
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2014202518A (en) * 2013-04-02 2014-10-27 富士フイルム株式会社 Angular velocity sensor and method for manufacturing the same
JP2015111966A (en) * 2013-12-06 2015-06-18 セイコーエプソン株式会社 Piezoelectric motor, robot hand, robot, finger assist device, electronic component transport device, electronic component inspection device, liquid feed pump, printer, electronic clock, projection apparatus
JP2015532378A (en) * 2012-09-26 2015-11-09 フレデリック ガルビン ジョージ piston

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