JP2013150442A

JP2013150442A - 圧電アクチュエーター及びこれを備える電子機器

Info

Publication number: JP2013150442A
Application number: JP2012008708A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Momose; 嘉彦百瀬
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2012-01-19
Filing date: 2012-01-19
Publication date: 2013-08-01
Anticipated expiration: 2032-01-19
Also published as: JP5874406B2

Abstract

【課題】振動体の破壊を防止する効果を有する圧電アクチュエーターを提供する。
【解決手段】圧電アクチュエーターは、圧電素子２２を有する板状の振動体２１と、振動体２１の振動によって移動する移動体５１と、移動体５１を保持する保持部材５６と、保持部材５６に取り付けられた移動体軸５２と、移動体軸５２と保持部材５６とを固定する１軸側に可動可能な可動軸受け５５と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子を有する板状の振動体と、この振動体の振動によって移動する移動体とを備える圧電アクチュエーター、及びこの圧電アクチュエーターを備える電子機器に関する。

従来、例えば、特許文献１に記載されているように、圧電アクチュエーターは、圧電素子を有する振動体と、この振動体に当接される移動体とを備えて構成され、逆圧電効果による振動を伝えて移動体を移動されることにより、駆動力を得ている。このような圧電アクチュエーターでは、振動体を移動体に付勢、又は、移動体を振動体に付勢して必要な駆動力を得ている。付勢手段は、コイルばね、板ばね等の押圧力を発生させる手段と振動体又は移動体自体を移動させる手段が配置されている。

特開平７−１８４３８２号公報

特許文献１に記載の圧電アクチュエーターは、衝撃が加わった場合、振動体と移動体が当節されているため、当節部分に過大な力が加わり圧電素子を破壊することがあった。特に携帯用電子機器に用いた場合、誤って落下させることは良くあるが、振動体と振動体を移動させる手段全体の重さが移動体に加わる。
落下による衝撃はビニールタイルでの１ｍ落下で、衝突時間をｔ＝０．０００１ｓｅｃとすると衝撃力Ｆは、
Ｆ＝ｍ√（２ｇｈ）／ｔ
ｍ：質量、ｈ：落下高さ、ｇ：重力加速度
となり、重量１ｇfで４．５２ｋｇｆの力が加わることになる。
そこで、本発明は、圧電アクチュエーターの振動体の落下の衝撃による破壊を防止することを課題とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例に係る圧電アクチュエーターは、圧電素子を有する板状の振動体と、前記振動体の振動によって移動する移動体と、前記移動体を保持する保持部材と、前記保持部材に取り付けられた移動体軸と、前記移動体軸と前記保持部材とを固定する１軸側に可動可能な可動軸受けと、を有することを特徴とする。

本適用例によれば、落下時の衝撃により前記１軸側に可動可能な可動軸受けが移動することにより衝撃を緩和することになり、これにより振動体の破壊を防止する効果を有する。

［適用例２］上記適用例に記載の圧電アクチュエーターにおいて、前記可動軸受けには、バネが取り付けられ、通常はバネ力により軸受けが片側に固定されていることを特徴とする。

本適用例によれば、通常はバネ力により軸受けが片側に固定されていることになり、これによって移動体を移動させることができる。

［適用例３］上記適用例に記載の圧電アクチュエーターにおいて、前記可動軸受けは、前記振動体との距離が離れる方向に移動することを特徴とする。

本適用例によれば、上記可動軸受けが、振動体との距離が離れる方向に移動するため、落下による衝撃で、振動体からの力が加わった場合、力を逃がすことになる。これによって落下による破壊を防ぐことができる。

［適用例４］上記適用例に記載の圧電アクチュエーターにおいて、前記可動軸受けは、前記移動体軸の反対側の軸受けと同軸上になることを特徴とする。

本適用例によれば、前記可動軸受けは移動体軸の反対側の軸受けと同軸上であるため、移動体軸での回転を妨げることが無くなり、これによって回転することができる。

［適用例５］上記適用例に記載の圧電アクチュエーターにおいて、前記反対側の軸受けには、オリフィスが用いられていることを特徴とする。

本適用例によれば、前記可動軸受けはバネにより可動体軸受けが移動し、移動体軸が動いた場合、前記反対側の軸受けはストレート軸受けの場合、軸がこじてしまうが、オリフィスを用いることにより軸が傾いてもこじることを無くすことができる。

［適用例６］上記適用例に記載の圧電アクチュエーターにおいて、前記可動軸受けは、衝撃が加わると可動体軸が動くことを特徴とする。

本適用例によれば、前記可動軸受けは衝撃が加わると可動体軸が動くため、通常では定位置に固定されたままとなり、これによって、移動体軸が負荷無く回転することができる。

［適用例７］本適用例に係る電子機器は、上記記載の圧電アクチュエーターを備えることを特徴とする。

本適用例によれば、上記記載の圧電アクチュエーターと同様の効果を奏することができ、これにより、動作信頼性の高い電子機器を構成及び製造することができる。このような電子機器として、腕時計等の時計や、カメラ等を例示することができる。

実施形態１に係る圧電アクチュエーターを示す平面図。実施形態１に係る圧電アクチュエーターを示す断面図。実施形態１に係る可動軸受けを示す通常位置図。実施形態１に係る衝撃による可動軸受け移動時を示す断面図。実施形態１に係る可動軸受けを示す衝撃位置図。実施形態２に係る圧電アクチュエーターを示す平面図表。実施形態２に係る圧電アクチュエーターを示す平面図裏。実施形態３に係る電子機器を示す平面図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の各図においては、各層や各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各層や各部材の尺度を実際とは異ならせしめている。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る圧電アクチュエーターを示す平面図である。図２は、圧電アクチュエーターを示す断面図である。
まず、実施形態１に係る圧電アクチュエーターの概略構成について説明する。

圧電アクチュエーター１００は、圧電素子を有する板状の振動体２１と、この振動体２１の振動によって移動する移動体５１と、移動体５１を保持する保持部材５６と、移動体軸５２と保持部材５６とを固定する１軸側に可動可能な可動軸受け５５とを設けている。

移動体５１は、環状に形成されており、セラミック、ステンレス鋼、鉄、アルミニウム、その他の材料で構成されている。この移動体５１の内周側には環状の移動体軸５２が圧入されている。この移動体軸５２は、保持部材５６に固定された穴石５３に回転可能に嵌合されている。移動体軸５２にはピニオンが形成されていても良く、減速、増速輪列を構成することができる。

駆動機構２０は、圧電素子２２によって全体が振動する振動体２１と、この振動体２１に設けられた腕部２５が取り付けられるスライダー２６と、スライダー２６が装着される取付部材１０とで構成されている。また、駆動機構２０は、振動体２１の圧電素子２２に駆動回路（図示せず）により所定周波数の電圧を印加することにより振動する、いわゆる圧電アクチュエーターである。

振動体２１は、略矩形平板状に形成された補強板２３と、この補強板２３の表裏両面に設けられた平板状の圧電素子２２、とを備えている。補強板２３はステンレス鋼、その他の材料で構成され、略矩形平板状に形成されている。

支え部材２８は、伸縮可能な２本のばね２９を備え、１本のねじ３０によって取付部材１０に取り付けられている。このばね２９はスライダー２６の背面に当接され、振動体２１の凸部２４を移動体５１の側面５７に押圧付勢させている。ここで、圧電素子２２の材料は、特に限定されず、チタン酸ジルコニウム酸鉛（ＰＺＴ）、水晶、ニオブ酸リチウム等の各種のものを用いることができる。また、圧電素子２２の両面には複数の電極（本実施形態では片面に５箇所）２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃが形成されている。これらの電極２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃは駆動回路と電気的に接続されている。

圧電素子２２に所定周波数の電圧を印加すると、圧電素子２２での励振により振動体２１全体が振動する。この振動は振動体２１の長手方向に沿って伸縮する縦振動と振動体２１の面内で屈曲する屈曲振動とが組み合わされた状態で生じ、補強板２３に形成された凸部２４が楕円軌道を描くように振動する。そして、凸部２４に発生した振動が移動体５１の側面５７と当接された部分に伝達され、移動体５１が回転する。

また、図１において、圧電素子２２の電極２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃに電圧を印加する時、印加電極を適宜選択することで移動体５１の回転方向を任意に選択できる。つまり、圧電素子２２の中央の電極２２Ａに加えて、一方の対角線上にある一対の電極２２Ｂを選択した場合と、他方の対角線上にある一対の電極２２Ｃを選択した場合とでは、移動体５１の回転方向が逆になる。

前記移動体５１を保持する保持部材５６に固定された穴石５３により、移動体軸５２を保持させている。移動体軸５２を固定する１軸側にバネ部材５４に固定された穴石５３を持つ可動軸受け５５を設け、もう１軸側には穴石５３が固定されている。
図２のように可動軸受け５５は、衝撃の加わらない通常時には２つの穴石は同軸上にある。

図３は、実施形態１に係る可動軸受け５５を示す通常位置図である。具体的には、衝撃が加わらない、可動軸受け５５を示す通常位置図である。図４は、実施形態１に係る衝撃による可動軸受け５５移動時を示す断面図である。図５は、実施形態１に係る可動軸受け５５を示す衝撃位置図である。衝撃時、可動軸受け５５が動くことにより衝撃を逃がす。また、衝撃により軸がずれるが、穴石５３のオリフィスにより軸が傾いてもこじることが無いことを示す。

以上述べたように、本実施形態に係る圧電アクチュエーター１００によれば、以下の効果を得ることができる。
ビニールタイルなどへの落下で衝撃がかかった場合、スライダー２６と圧電素子２２等の重量が移動体５１にかかることによる、圧電素子２２、移動体５１の破壊が防止されることになる。

（実施形態２）
図６は、実施形態２に係る圧電アクチュエーター１００を示す平面図表である。図７は、圧電アクチュエーター１００を示す平面図裏である。
なお、実施形態１と同一の構成部位については、同一の番号を使用し、重複する説明は省略する。
まず、実施形態２に係る圧電アクチュエーターの概略構成について説明する。

保持部材５６は、回転軸８０を中心に回転可能に形成されている。回転軸８０は取付部材１０にベアリング等の軸受けで案内され自由に回転することができる。

駆動機構２０は、圧電素子２２によって全体が振動する振動体２１と、この振動体２１に設けられた腕部２５が取り付けられる固定ベース８１と、固定ベース８１が装着される取付部材１０とを備えた、いわゆる圧電アクチュエーターである。また、駆動機構２０は、振動体２１の圧電素子２２に所定周波数の電圧を印加することにより振動体２１を振動させる駆動回路（図示せず）を備えている。

振動体２１は、略矩形平板状に形成された補強板２３と、この補強板２３の表裏両面に設けられた平板状の前記圧電素子２２、とを備えている。補強板２３はステンレス鋼、その他の材料で構成され、略矩形平板状に形成されている。また、補強板２３の長さ方向の一端部には凸部２４が形成され、凸部２４は移動体５１の側面５７と当接されている。この振動体２１は、ねじ２７にて固定ベース８１に固定されている。固定ベース８１は、取付部材１０に装着されている。

保持部材５６と固定ベース８１には、伸縮可能なばね２９を備え、２本のばね固定ピン８２によって取り付けられている。このばね２９は保持部材５６と固定ベース８１の間に引っ張り力を与え、振動体２１の凸部２４を移動体５１の側面５７に押圧付勢させている。ここで、圧電素子２２の材料は、特に限定されず、チタン酸ジルコニウム酸鉛（ＰＺＴ）、水晶、ニオブ酸リチウム等の各種のものを用いることができる。

振動体２１は、略矩形板状に形成され、前記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、一次の縦振動と二次の屈曲振動との振動比は、前記一次の縦振動の共振振動数に対する前記二次の屈曲振動の共振周波数の比が１．００よりも大きく１．０３よりも小さくなるように設定されていることが望ましい。

一次の縦振動及び二次の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２２に所定周波数の電圧を印加すると、一次の縦振動及び二次の屈曲振動が同時に現れ易くなり、圧電素子２２での励振により振動体２１全体が振動する。この振動は振動体２１の長手方向に沿って伸縮する縦振動と振動体２１の面内で屈曲する屈曲振動とが組み合わされた状態で生じ、補強板２３に形成された凸部２４が楕円軌道を描くように振動する。そして、凸部２４に発生した振動が移動体５１の側面５７と当接された部分に伝達され、移動体５１が回転する。

前記移動体５１を保持する保持部材５６に固定された穴石５３により、移動体軸５２を保持させている。移動体軸５２を固定する１軸側にバネ部材５４に固定された穴石５３を持つ可動軸受け５５を設け、もう１軸側には穴石５３が固定されている。

実施形態２では、実機形態１と同様、可動軸受け５５は、図２のように、衝撃の加わらない通常時には２つの穴石は同軸上にある。
また、図３〜５に示すように、衝撃時、可動軸受け５５が動くことにより衝撃を逃がす。また、衝撃により軸がずれるが、穴石５３のオリフィスにより軸が傾いてもこじることが無いことを示す。図５は、実施形態２に係る可動軸受けを示す衝撃位置図である。

以上述べたように、本実施形態に係る圧電アクチュエーター１００によれば、以下の効果を得ることができる。
ビニールタイルなどへの落下で衝撃がかかった場合、圧電素子２２等の重量が移動体５１にかかることによる、圧電素子２２、移動体５１の破壊が防止されることになる。

（実施形態３）
図８は、実施形態３に係る電子機器（時計）を示す平面図である。
まず、実施形態３に係る電子機器の概略構成について説明する。

電子機器２００は、圧電素子を有する板状の振動体２１と、この振動体２１の振動によって移動する移動体５１と、移動体５１を保持する保持部材５６と、移動体軸５２と保持部材５６とを固定する１軸側に可動可能な可動軸受け５５とを設けている。

移動体５１は、環状に形成されており、セラミック、ステンレス鋼、鉄、アルミニウム、その他の材料で構成されている。この移動体５１の内周側には環状の移動体軸５２が圧入されている。この移動体軸５２は、保持部材５６に固定された穴石５３に回転可能に嵌合されている。移動体軸５２にはピニオンが形成され、４番車１１０の歯車と組み合わされている。４番車１１０のピニオンは、３番車１１１の歯車と組み合わされている。３番車１１１のピニオンは、４番車１１０と同軸上にある２番車１１２の歯車と組み合わされ、減速輪列を構成している。

４番車１１０の先端には秒針が、２番車１１２の先端には時針が取り付けられ、時計を構成する。

支え部材２８は、伸縮可能な１本のばね２９を備え、取付部材１０に直接取り付けられている。このばね２９はスライダー２６の背面に当接され、振動体２１の凸部２４を移動体５１の側面５７に押圧付勢させている。

圧電素子２２に所定周波数の電圧を印加すると、圧電素子２２での励振により振動体２１全体が振動する。この振動は振動体２１の長手方向に沿って伸縮する縦振動と振動体２１の面内で屈曲する屈曲振動とが組み合わされた状態で生じ、補強板２３に形成された凸部２４が楕円軌道を描くように振動する。そして、凸部２４に発生した振動が移動体５１の側面５７と当接された部分に伝達され、移動体５１が回転し、時計輪列が回転する。

以上述べたように、本実施形態に係る電子機器２００によれば、以下の効果を得ることができる。
ビニールタイルなどへの落下で衝撃がかかった場合、スライダー２６と圧電素子２２等の重量が移動体５１にかかることによる、圧電素子２２、移動体５１の破壊が防止されることになり、時計の故障が防止される。

１０…取付部材２０…駆動機構２１…振動体２２…圧電素子２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ…電極２３…補強板２４…凸部２５…腕部２６…スライダー２７…ねじ２８…支え部材２９…ばね５１…移動体５２…移動体軸５３…穴石５４…バネ部材５５…可動軸受け５６…保持部材５７…側面８０…回転軸８１…固定ベース８２…ばね固定ピン１００…圧電アクチュエーター１１０…４番車１１１…３番車１１２…２番車２００…電子機器。

Claims

圧電素子を有する板状の振動体と、
前記振動体の振動によって移動する移動体と、
前記移動体を保持する保持部材と、
前記保持部材に取り付けられた移動体軸と、
前記移動体軸と前記保持部材とを固定する１軸側に可動可能な可動軸受けと、
を有することを特徴とする圧電アクチュエーター。
請求項１に記載の圧電アクチュエーターにおいて、
前記可動軸受けには、バネが取り付けられ、通常はバネ力により軸受けが片側に固定されていることを特徴とする圧電アクチュエーター。
請求項１又は２に記載の圧電アクチュエーターにおいて、
前記可動軸受けは、前記振動体との距離が離れる方向に移動することを特徴とする圧電アクチュエーター。
請求項１〜３のいずれか一項に記載の圧電アクチュエーターにおいて、
前記可動軸受けは、前記移動体軸の反対側の軸受けと同軸上になることを特徴とする圧電アクチュエーター。
請求項４に記載の圧電アクチュエーターにおいて、
前記反対側の軸受けには、オリフィスが用いられていることを特徴とする圧電アクチュエーター。
請求項１〜５のいずれか一項に記載の圧電アクチュエーターにおいて、
前記可動軸受けは、衝撃が加わると前記移動体軸が動くことを特徴とする圧電アクチュエーター。
請求項１〜６のいずれか一項に記載の圧電アクチュエーターを備えることを特徴とする電子機器。