JP3632562B2

JP3632562B2 - 圧電アクチュエータ、時計および携帯機器

Info

Publication number: JP3632562B2
Application number: JP2000143647A
Authority: JP
Inventors: 司舩坂; 修宮澤; 泰治橋本; 誠古畑
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2000-05-16
Filing date: 2000-05-16
Publication date: 2005-03-23
Anticipated expiration: 2020-05-16
Also published as: JP2001327181A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電アクチュエータ、これを備えた時計および携帯機器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
圧電素子は、電気エネルギーから機械エネルギーへの変換効率や、応答性に優れていることから、近年、圧電素子の圧電効果を利用した各種の圧電アクチュエータが開発されている。この圧電アクチュエータは、圧電ブザー、プリンタのインクジェットヘッド、あるいは超音波モータなどの分野に応用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、圧電素子の変位は印加電圧にもよるが微小であり、サブミクロン程度であるのが通常であり、上述した共振周波数で振動させる場合でも同様である。このため、なんらかの増幅機構によって変位を増幅してロータに伝達することが行われている。しかし、増幅機構を用いた場合、それ自身を動かすためにエネルギーが消費され、効率が低下するといった問題があるとともに、装置のサイズが大きくなってしまうといった問題もある。また、圧電アクチュエータを腕時計などの携帯機器に搭載する場合には、電池駆動されることとなり、低電力で動作することが要求される。
【０００４】
本発明は、上記の事情を考慮してなされたものであり、簡易な構成でありながら、低電力での動作が可能な圧電アクチュエータ、これを備えた時計および携帯機器を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の請求項１に記載の圧電アクチュエータは、支持体と、
ほぼ四角形板状の圧電素子と補強部とが積層された振動板と、
前記振動板を前記支持体に対して振動可能に支持する支持部材とを備える圧電アクチュエータであって、
前記支持部材は、前記振動板をその角部で支持するとともに、当該角部と隣り合ういずれか一方の角部が駆動対象と当接するように支持し、
前記圧電素子に電力を供給して伸縮させ、この伸縮により前記振動板を振動させて前記駆動対象と当接する駆動角部が楕円軌道に沿って移動するようにしたことを特徴としている。
【０００６】
また、請求項２に記載の圧電アクチュエータは、請求項１に記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記支持部材は、前記振動板の対向する角部の両者で前記振動板を支持しており、
前記支持部材により支持される２つの前記角部を結ぶ線が前記振動板の重心を通ることを特徴としている。
【０００７】
また、請求項３に記載の圧電アクチュエータは、請求項２に記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記振動板は、当該振動板の重心位置を中心として回転対称の形状であることを特徴としている。
【０００８】
また、請求項４に記載の圧電アクチュエータは、請求項２または３に記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記駆動角部は、２つの前記角部を結ぶ線に対して前記振動板の面内方向において直交する線上と異なる位置にあることを特徴としている。
【０００９】
また、請求項５に記載の圧電アクチュエータは、請求項２ないし４のいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記振動板における２つの前記角部を支持する前記支持部材の各支持部分は、それぞれ異なる形状であることを特徴としている。
【００１０】
また、請求項６に記載の圧電アクチュエータは、請求項２ないし４のいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記振動板における２つの前記角部を支持する前記支持部材の各支持部分は、それぞれ異なる弾性率を有するものであることを特徴としている。
【００１１】
また、請求項７に記載の圧電アクチュエータは、請求項１ないし６のいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記振動板は、ほぼ平行四辺形状であることを特徴としている。
【００１２】
また、請求項８に記載の時計は、請求項１ないし７のいずれかに記載の圧電アクチュエータと、
前記圧電アクチュエータによって回転駆動されるリング状のカレンダー表示車とを具備することを特徴としている。
【００１３】
また、請求項９に記載の携帯機器は、請求項１ないし８のいずれかに記載の圧電アクチュエータと、
前記圧電アクチュエータに電力を供給する電池とを具備することを特徴としている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
Ａ．全体構成
まず、図１は、本発明の一実施形態に係る圧電アクチュエータを組み込んだ腕時計のカレンダー表示機構の主要構成を示す平面図である。圧電アクチュエータＡ１は、面内方向（図の紙面と平行な方向）に伸縮振動する振動板１０およびロータ１００から大略構成されている。ロータ１００は地板１０３に回転自在に支持されるとともに、振動板１０の角部と当接する位置に配置されており、振動板１０に生じる振動によってその外周面が叩かれると、図中矢印で示す方向に回転駆動されるようになっている。
【００１５】
次に、カレンダー表示機構は、圧電アクチュエータＡ１と連結しており、その駆動力によって駆動される。カレンダー表示機構の主要部は、ロータ１００の回転を減速する減速輪列とリング状の日車５０から大略構成されている。また、減速輪列は日回し中間車４０と日回し車６０とを備えている。
【００１６】
ここで、上述したように振動板１０が面内方向に振動すると、振動板１０と当接しているロータ１００が時計回り方向に回転させられる。ロータ１００の回転は、日回し中間車４０を介して日回し車６０に伝達され、この日回し車６０が日車５０を時計回り方向に回転させる。
【００１７】
Ｂ．圧電アクチュエータの構成
次に、本実施形態に係る圧電アクチュエータＡ１について説明する。図２に示すように、圧電アクチュエータＡ１は、２組の対辺の長さが異なるほぼ平行四辺形状の振動板１０と、この振動板１０を地板１０３（図１参照）に支持する支持部材１１とを備えている。
【００１８】
振動板１０のロータ１００側の角部３５は、ロータ１００側に向けて突設されたステンレス鋼等からなる突起部３６を有しており、この突起部３６がロータ１００の外周面に接触している。このような突起部３６を設けることにより、ロータ１００との接触面の状態等を維持するために突起部３６に対してのみ研磨等の作業を行えばよいので、ロータ１００との接触部の管理が容易となる。
【００１９】
また、図示のように本実施形態では、突起部３６は、平面的に視てロータ１００側に突出した曲面形状になされている。このようにロータ１００と当接する突起部３６を曲面形状にすることにより、ロータ１００と振動板１０の位置関係がばらついた（寸法ばらつきなどによる）場合にも、曲面であるロータ１００の外周面と曲面形状の突起部３６との接触状態がさほど変化しない。従って、安定したロータ１００と突起部３６の接触状態を維持することができる。
【００２０】
振動板１０のロータ１００側の角部３５と隣り合う角部１３５，１３６には、それぞれ支持部材１１の一端部３７が取り付けられている。各支持部材１１の他端部３８は、ネジ３９により地板１０３（図１参照）に支持されている。この構成の下、各支持部材１１は、その弾性力によって振動板１０をロータ１００側に付勢した状態で支持しており、これにより振動板１０に設けられた突起部３６はロータ１００の側面に当接させられている。ここで、振動板１０は平行四辺形状であるため、支持部材１１に支持される角部１３５，１３６を結ぶ線Ｓは、振動板１０の重心Ｇを通るようになっている。そして、突起部３６が設けられた角部３５は、この線Ｓと振動板１０の面内方向において直交する直交線Ｔ上からずれた位置になるように振動板１０が支持されている。
【００２１】
また、図示のように、いずれか一方（図の上方）の支持部材１１の地板１０３への固定位置、つまりネジ３９が端部３８を止める位置は図の左右方向に調整できるようになされている。これにより、振動板１０の支持位置の調整等を行えるようになっており、突起部３６がロータ１００を押圧する力等を調整することができる。
【００２２】
図３に示すように、振動板１０は、２つの平行四辺形状の圧電素子３０，３１の間に、これらの圧電素子３０，３１とほぼ同形状であり、かつ圧電素子３０，３１よりも肉厚の小さいステンレス鋼などの補強板（補強部）３２を配置した積層構造となっている。このように圧電素子３０，３１の間に補強板３２を配置することにより、振動板１０の過振幅や外力に起因する振動板１０の損傷を低減することができる。また、補強板３２としては、圧電素子３０，３１よりも肉厚の小さいものを用いることにより、圧電素子３０，３１の振動を極力妨げないようにしている。
【００２３】
上下に配置された圧電素子３０，３１の面上には、それぞれ電極３３が配置されている。この電極３３を介して圧電素子３０，３１に電圧が供給されるようになっている。ここで、圧電素子３０，３１としては、チタン酸ジルコニウム酸鉛（ＰＺＴ（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（（Ｐｂ（Ｚｎ１／３−Ｎｂ２／３）０３１−ｘ−ＰｂＴｉ０３ｘ）ｘは組成により異なる。ｘ＝０．０９程度）、スカンジウムニオブ酸鉛（（Ｐｂ（（Ｓｃ１／２Ｎｂ１／２）１−ｘＴｉｘ））０３）ｘは組成により異なる。ｘ＝０．０９程度）等の各種のものを用いることができる。
【００２４】
Ｃ．圧電アクチュエータの動作
次に、上記構成の圧電アクチュエータＡ１の動作について説明する。まず、図示せぬ駆動回路から振動板１０に電圧が印加されると、圧電素子３０，３１が伸縮することによって振動板１０が振動させられる。その際、図４に示すように、振動板１０が伸縮するように振動させられるようになっており、これにより振動板１０は図２中矢印で示す方向に縦振動することになる。このように圧電素子３０，３１に交流電圧を印加して縦振動を励振すると、振動板１０の重量バランスのアンバランスさやロータ１００から受ける反力等によって振動板１０は幅方向の屈曲振動が誘発されることになる。重量バランスにより誘発される屈曲振動について具体的に説明すると、振動板１０が縦振動をした場合、その支点（無負荷時には重心）を中心とした回転モーメントが作用し、振動板１０の長手方向と直交する幅方向に揺動することになり、上記のように突起部３６が直交線Ｔからずれた位置にある場合には、上記回転モーメントが作用して屈曲振動が誘発されるようになっている。このような縦振動と屈曲振動とが生じると、振動板１０の突起部３６におけるロータ１００の外周面との接触部分は、図５に示すように楕円軌道に沿って移動させられる。
【００２５】
このような突起部３６の移動に伴ってロータ１００が回転駆動されるようになっている。ロータ１００が回転させられることにより、中間車１０１を介して日車１０２が回転させられ（図１参照）、表示される日や曜が切り換わるようになっている。
【００２６】
以上のように上記圧電アクチュエータＡ１では、縦振動と屈曲振動とが結合した振動を振動板１０に生じさせることにより、突起部３６を楕円軌道に沿って移動させてロータ１００をより多く駆動することができる。つまり、高効率の駆動が可能となる。
【００２７】
ところで、上述したような平行四辺形状の振動板１０を用いず、矩形状の振動板を用いた場合にも、その設置条件や寸法の縦横比等を適宜調整すれば、突起部３６を楕円軌道に沿って移動させることも可能であるが、以下、本実施形態において平行四辺形状の振動板１０を採用した理由について説明する。
【００２８】
まず、図６に示すように、矩形状の振動板６０を採用し、その長辺の中央付近で支持する構造の場合（圧電素子と補強板との積層構造等は振動板１０と同一とする）、幅方向の中心線Ｃからずれた位置にロータ（図示略）と接触する突起部３６を設けるとともに、振動板６０の突起部３６が設けられた端部と反対側の端部に重量部６１を設けることにより、振動板の重量バランスにアンバランスさを持たせ、縦振動によって屈曲振動を誘発させることができる。ここで、矩形状の振動板１０の寸法の縦横比を適宜調整すれば、図７中破線で示すようなインピーダンス特性を有する矩形状の振動板を作製することができる。そして、インピーダンスの極小値である縦振動の共振周波数もしくは屈曲振動の共振周波数近傍の周波数で圧電素子を駆動すれば、より大きな振幅の縦振動および屈曲振動が生じ、突起部３６がより大きな楕円軌道に沿って移動することになる。さらには、屈曲振動の共振周波数で駆動すれば、より大きな楕円軌道に沿って突起部３６が移動し、高効率での駆動が可能であることが本出願人が行った実験等によって確認されている。
【００２９】
このように矩形状の振動板６０であっても、その寸法の縦横比や突起部３６等の配設位置を適宜調整すれば、突起部３６が大きな楕円軌道の沿って移動し、高効率での駆動が可能となる。これに対し、本実施形態のように平行四辺形状の振動板１０を用いた場合、その寸法等を適宜調整すれば、図７中実線で示すようなインピーダンス特性を有する振動板を作製することができる。矩形状の振動板６０のインピーダンス特性と、平行四辺形状の振動板１０のインピーダンス特性とを比較すると、振動板１０の屈曲振動の共振点におけるインピーダンスの極小値が、振動板６０のインピーダンスの極小値よりも小さくなっていることが分かる。そして、上述したように最も高効率が得られると考えられる屈曲振動の共振周波数近傍の駆動周波数の電圧で駆動した場合には、よりインピーダンス値の小さい振動板１０が大きな振幅の屈曲振動を生じることになる。実験的にも、図８に示すように、平行四辺形状の振動板１０を用いた場合、矩形状の振動板６０よりも大きな楕円軌道に沿って突起部３６が移動することが確認された。言い換えれば、振動板１０では矩形状の振動板６０よりも低い電圧で駆動した場合にも、同じ振幅の屈曲振動を誘発させることができる。従って、圧電アクチュエータＡ１では、矩形状の振動板を有するアクチュエータと比較し、同じ能力を発揮させる場合には、より低電力での動作が可能となるのである。
【００３０】
また、上記のように振動板１０は角部１３５，１３６が支持されるとともに、角部３５がロータ１００と当接する突起部３６を有している。すなわち、振動板１０の支持部分における幅方向（図２の略上下方向）の長さよりも突起部３６が設けられた角部３５の幅方向の長さが小さい、つまり振動板１０は支持部分から駆動部である突起部３６側に移動するにつれて細くなる形状である。従って、支持部分から離れた細い角部３５近傍がより大きく変位することになり、この部分に設けられた突起部３６をより大きな楕円軌道に沿って移動させることができる。言い換えれば、同じ変位を得る場合には、矩形状の振動板よりも振動板の平面的な面積を縮小、つまり圧電素子の面積を縮小することができ、これにより低電力化が可能となる。
【００３１】
さらに、上記のような平行四辺形状の振動板１０は、重心Ｇを中心軸として１８０度回転させた場合に重なる形状、つまり回転対称の形状である。従って、圧電素子の伸縮により励起される振動板１０の一次の縦振動の節が角部１３５，１３６を結ぶ線Ｓとほぼ一致する。このように振動板１０をその振動の節の位置で支持することにより、支持部材１１が振動板１０の振動の妨げとなることを低減し、より大きな振幅の振動を得る、つまりより大きな楕円軌道に沿って突起部３６を移動させることができる。
【００３２】
また、振動板１０の振動の節を境界とし、両側（角部３５側とその反対側）になるにつれてほぼ同じように細くなる形状であるため、いずれか一方側の形状が大きく異なっている場合（例えば、図９参照）と比較して安定した振動が得られると考えられる。
【００３３】
また、矩形状および平行四辺形状以外の形状の振動板を用いた場合にも、高効率化や低電力化が可能となる形状も考えられうるが、本実施形態のように平行四辺形状の振動板は、ダイシング等による切断作業が容易である。また、低電力化や高効率での駆動を可能とするために、何らかの構成部品を付加したりする必要もなく、形状を平行四辺形状にするといった簡易な方法で実現することができる。
【００３４】
以上のように駆動効率のさらなる向上する点、低電流での動作を可能とする点、駆動を安定させる点、製造が容易になる点といった４つの点を考慮し、本出願人は、上記のような平行四辺形状の振動板１０を採用しているのである。
【００３５】
Ｄ．変形例
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、以下のような種々の変形が可能である。
【００３６】
（変形例１）
上述した実施形態においては、２組の対辺の長さが異なる平行四辺形状の振動板１０を用いるようにしていたが、これに限らず、図１０に示すように、ひし形状（２組の対辺の長さが同一）の振動板１１０を用いるようにしてもよい。ここで、振動板１１０は、その平面形状以外の圧電素子と補強板の積層構造等といった点では、上記実施形態の振動板１０と同様である。
【００３７】
ひし形状の振動板１１０の場合に図示のように角部１１１，１１２で支持した場合、重量バランスのアンバランスさがほとんどなく、振動板１１０に縦振動のみが生じ、屈曲振動がほとんど誘発されない。そこで、屈曲振動を誘発するために、本変形例においては、図示のように角部１１１，１１２を支持する支持部材１１の幅の大きさ（図示の場合、ｔ１＜ｔ２）を変え、支持構造のアンバランスさを利用して屈曲振動を誘発している。
【００３８】
この構成の下、上述した実施形態と同様に振動板１１０の圧電素子に駆動電圧を印加すると、圧電素子の伸縮により縦振動が励起されるとともに、支持構造のアンバランスさにより屈曲振動が誘発される。従って、上述した実施形態と同様に突起部３６が楕円軌道に沿って移動し、ロータ１００を高効率かつ低電力で駆動することが可能となる。
【００３９】
なお、この変形例においては、支持部材１１の端部３７の幅を変えることにより、支持構造をアンバランスとして振動板１１０に屈曲振動が誘発されるようにしていたが、同じ形状ではあるが弾性率の異なる支持部材１１を用いて支持構造をアンバランスにして屈曲振動を誘発させるようしてもよい。また、上記変形例においては、支持部材１１の幅全体を変えるようにしていたが、支持部材１１の端部３７近傍の幅を変えるだけでもよい。
【００４０】
（変形例２）
また、上述した実施形態では、平行四辺形状の振動板１０を用いるようにしていたが、これに限らず、ほぼ四角形状の振動板を角部で支持するとともに、支持した角部と隣り合う角部がロータ１００と当接するような構造であればよい。例えば、図１１に示すような形状の振動板１２０を用いるようにしてもよい。このような形状の振動板１２０を用いた場合にも、振動の節近傍で振動板１２０を支持できるとともに、その支持位置から両側（図の左右側）が細くなる形状であるため、上述した実施形態と同様に低電力で高効率の駆動が可能となる。
【００４１】
（変形例３）
また、上述した実施形態では、ロータ１００を回転駆動する構成となっていたが、これに限らず、駆動対象を直線駆動する構成であってもよい。
【００４２】
（変形例４）
また、上述した実施形態では、この圧電アクチュエータＡ１を腕時計のカレンダー機構に搭載した場合について説明したが、この圧電アクチュエータＡ１は低電力で高効率の駆動が可能であるため、これ以外にも電池駆動される携帯機器などに搭載するようにしてもよい。
【００４３】
（変形例５）
また、図１２に示すような形状の振動板４２０を用いるようにしてもよい。同図に示すように、この振動板４２０は、上記実施形態における振動板１０と比較して、ロータ１００側の角部３５とその反対側の角部３５ａがカットされた形状となっている。この角部３５，３５ａには、それぞれ突起部３６，３６ａが設けられており、全体としてほぼ平行四辺形状になされている。そして、この突起部３６の変位により上記実施形態と同様にロータ１００を回転駆動している。このように角部３５，３５ａがカットされた形状の振動板４２０は、振動板１０と比較して角部３５の先端幅が太くなるため、振幅は振動板１０よりも小さくなるが、剛性は振動板１０よりも向上することになる。従って、振動板１０よりも高トルクでのロータ１００の駆動が可能となる。従って、低速高トルク駆動を行う場合には、本変形例のような形状の振動板４２０を用いればよい。一方、高速駆動を行う場合には、上述した実施形態における振動板１０を用いるようにすればよい。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、簡易な構成でありながら、低電力での動作が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る圧電アクチュエータを備えた時計のカレンダー表示機構の主要構成を示す平面図である。
【図２】前記圧電アクチュエータの全体構成を示す平面図である。
【図３】前記圧電アクチュエータの構成要素である振動板を示す側断面図である。
【図４】前記振動板が縦振動する様子を示す図である。
【図５】前記振動板の振動時における前記振動板の角部に設けられた突起部の軌道を説明するための図である。
【図６】前記圧電アクチュエータによる作用効果を説明するために比較する形状が矩形状の振動板を示す平面図である。
【図７】本実施形態に係る前記圧電アクチュエータの前記振動板の振動周波数とインピーダンスとの関係と、前記矩形状の振動板の振動周波数とインピーダンスとの関係を示すグラフである。
【図８】本実施形態に係る前記圧電アクチュエータの前記振動板に設けられた前記突起部の軌道と、前記矩形状の振動板に設けられた突起部の軌道とを示す図である。
【図９】前記圧電アクチュエータによる作用効果を説明するために比較する振動板を示す平面図である。
【図１０】前記圧電アクチュエータの変形例の全体構成を示す平面図である。
【図１１】前記圧電アクチュエータの他の変形例の全体構成を示す平面図である。
【図１２】前記圧電アクチュエータのその他の変形例の全体構成を示す平面図である。
【符号の説明】
１０……振動板、１１……支持部材、３０……圧電素子、３１……圧電素子、３２……補強板、３３……電極、３５……角部、３６……突起部、３７……端部、１００……ロータ、１１０……振動板、１２０……振動板、１３５……角部、１３６……角部、Ａ１……圧電アクチュエータ

Claims

支持体と、
ほぼ四角形板状の圧電素子と補強部とが積層された振動板と、
前記振動板を前記支持体に対して振動可能に支持する支持部材とを備える圧電アクチュエータであって、
前記支持部材は、前記振動板をその角部で支持するとともに、当該角部と隣り合ういずれか一方の角部が駆動対象と当接するように支持し、
前記圧電素子に電力を供給して伸縮させ、この伸縮により前記振動板を振動させて前記駆動対象と当接する駆動角部が楕円軌道に沿って移動するようにした
ことを特徴とする圧電アクチュエータ。
前記支持部材は、前記振動板の対向する角部の両者で前記振動板を支持しており、
前記支持部材により支持される２つの前記角部を結ぶ線が前記振動板の重心を通る
ことを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
前記振動板は、当該振動板の重心位置を中心として回転対称の形状である
ことを特徴とする請求項２に記載の圧電アクチュエータ。
前記駆動角部は、２つの前記角部を結ぶ線に対して前記振動板の面内方向において直交する線上と異なる位置にある
ことを特徴とする請求項２または３に記載の圧電アクチュエータ。
前記振動板における２つの前記角部を支持する前記支持部材の各支持部分は、それぞれ異なる形状である
ことを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
前記振動板における２つの前記角部を支持する前記支持部材の各支持部分は、それぞれ異なる弾性率を有するものである
ことを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
前記振動板は、ほぼ平行四辺形状である
ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
請求項１ないし７のいずれかに記載の圧電アクチュエータと、
前記圧電アクチュエータによって回転駆動されるリング状のカレンダー表示車と
を具備することを特徴とする時計。
請求項１ないし８のいずれかに記載の圧電アクチュエータと、
前記圧電アクチュエータに電力を供給する電池と
を具備することを特徴とする携帯機器。