JP3861563B2 - 圧電アクチュエータ、時計および携帯機器 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高効率の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、構成の複雑化に伴って装置サイズが大きくなってしまうといった問題もある。
【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、高効率の駆動が可能な圧電アクチュエータ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、
板状の圧電素子と補強部とが積層され、板面形状がほぼ台形状である振動板と、
前記振動板の短い方の底辺部が駆動対象に当接するように前記振動板を前記支持体に振動可能に支持する支持部材とを備え、
前記振動板は、前記圧電素子の伸縮により、前記台形の高さ方向に伸縮する縦振動、および前記高さ方向と直交する幅方向に揺動する屈曲振動とが組合わさった振動が生じるようになっており、当該振動による前記底辺部の変位によって前記駆動対象を駆動する圧電アクチュエータであって、
前記支持部材は、前記振動板の脚辺部のうち、前記振動板に生じる前記屈曲振動の節と前記縦振動の節との間の部位に取り付けられている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、
前記縦振動の節または前記屈曲振動の節が複数存在する場合には、前記支持部材は、隣り合う前記縦振動の節と前記屈曲振動の節の間の距離が最も短い前記縦振動の節と前記屈曲振動の節の間の部位に取り付けられてい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、支持体と、
板状の圧電素子と補強部とが積層され、板面形状がほぼ台形状である振動板と、
前記振動板の短い方の底辺部が駆動対象に当接するように前記振動板を前記支持体に振動可能に支持する支持部材とを備え、
前記圧電素子の伸縮によって前記振動板を振動させ、当該振動による前記底辺部の変位によって前記駆動対象を駆動する圧電アクチュエータであって、
前記支持部材は、前記振動板の脚辺部のうち、前記振動板に生じる振動の節上の部位に取り付けられる取付部を有しており、当該取付部は、前記振動板の属する平面方向であって、当該取付部が取り付けられる前記脚辺部とほぼ直交する方向に延在していることを特徴としている。
【０００９】
また、請求項４に記載の圧電アクチュエータは、請求項３に記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記支持部材は、前記台形の高さ方向に延在し、その一端が前記支持体に固定される支持基部を有しており、
前記取付部は、前記振動板に取り付けられる部分と反対側の部分が前記支持基部の延在方向に対してほぼ直交する方向に連なるように湾曲していることを特徴としている。
【００１０】
また、請求項５に記載の圧電アクチュエータは、支持体と、
板状の圧電素子と補強部とが積層され、板面形状がほぼ台形状である振動板と、
前記振動板の短い方の底辺部が駆動対象に当接するように前記振動板を前記支持体に振動可能に支持する支持部材とを備え、
前記圧電素子の伸縮によって前記振動板を振動させ、当該振動による前記底辺部の変位によって前記駆動対象を駆動する圧電アクチュエータであって、
前記支持部材は、前記振動板の重心位置を支持することを特徴としている。
【００１２】
また、請求項６に記載の圧電アクチュエータは、支持体と、
長手方向を有するほぼ矩形板状の圧電素子と補強部とが積層された振動板と、前記振動板の長手方向の一端部が駆動対象に当接するように前記振動板を前記支持体に振動可能に支持する支持部材とを備え、
電力供給による前記圧電素子の伸縮によって前記振動板を振動させ、当該振動による前記一端部の変位によって前記駆動対象を駆動する圧電アクチュエータであって、
前記圧電素子の面上に設けられ、当該圧電素子に電力を供給するための電極部を備え、
前記電極部の前記長手方向と直交する幅方向の大きさは、前記駆動対象に当接する一端部側が前記長手方向の他端部側よりも小さくなっていることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項７に記載の圧電アクチュエータは、請求項６に記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記電極部は、前記一端部側が短い方の底辺となる平面台形状に設けられていることを特徴としている。
【００１４】
また、請求項８に記載の圧電アクチュエータは、請求項６に記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記電極部は、複数の矩形状の矩形電極部によって構成されていることを特徴としている。
また、請求項９に記載の圧電アクチュエータは、支持体と、
板状の圧電素子と、長手方向を有するほぼ矩形板状の補強部とが積層された振動板と、
前記振動板の長手方向の一端部が駆動対象に当接するように前記振動板を前記支持体に振動可能に支持する支持部材とを備え、
電力供給による前記圧電素子の伸縮によって前記振動板を振動させ、当該振動による前記一端部の変位によって前記駆動対象を駆動する圧電アクチュエータであって、
前記圧電素子の前記長手方向と直交する幅方向の大きさは、前記駆動対象に当接する一端部側が前記長手方向の他端部側よりも小さくなっていることを特徴としている。
【００１５】
また、請求項１０に記載の圧電アクチュエータは、請求項９に記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記圧電素子は、前記一端部側が短い方の底辺となる平面台形状に設けられていることを特徴としている。
【００１６】
また、請求項１１に記載の時計は、請求項１ないし１０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。
【００１７】
また、請求項１２に記載の携帯機器は、請求項１ないし１０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。
【００１８】
【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、本発明の様々な実施形態に係る圧電アクチュエータを説明するに先立ち、これらの圧電アクチュエータが組み込まれる腕時計のカレンダー表示機構の主要構成について説明する。図１に示すように、圧電アクチュエータＡ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。
【００１９】
次に、カレンダー表示機構は、圧電アクチュエータＡ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。
【００２０】
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。
【００２１】
Ｂ．第１実施形態
Ｂ−１．構成
次に、本発明の第１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、図の左右方向に長く形成された平面形状がほぼ台形状の振動板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。振動板１０は、図の左右方向である台形の高さ方向（以下、高さ方向とする）が長い方の底辺部１３５ａよりも長く、つまり図の左右方向に延びる台形状である。
【００２２】
台形状の振動板１０の短い方の底辺部３５には、ステンレス鋼等の金属等から形成される突起部（接触部分）３６がロータ１００側に向けて突設されており、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。
【００２３】
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。
【００２４】
台形状の振動板１０の長手方向の辺部である脚辺部１３５には、Ｌ字状の支持部材１１の一端部３７が取り付けられている。支持部材１１は、振動板１０が取り付けられる端部３７を有する取付部１３７と、取付部１３７から屈曲して延在する支持基部１３８とから構成されており、支持基部１３８の端部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、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の突起部３６はロータ１００の側面に当接させられている。なお、本実施形態に係る圧電アクチュエータＡ１は、支持部材１１と振動板１０の取付位置に特徴を有しているが、これについては後述する。
【００２５】
図３に示すように、振動板１０は、２つの長方形状の圧電素子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。
【００２６】
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)03 1-x-Pb Ti 03 x)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-x Tix)) 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。
【００２７】
このような構成の振動板１０は、駆動回路から電極３３を介して圧電素子３０，３１に交流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するようになっている。その際、図４に示すように、振動板１０が図２の左右方向である高さ方向に伸縮する縦振動で振動するようになっている。このように圧電素子３０，３１に交流電圧を印加して高さ方向の振動である縦振動を励振すると、図５に示すように、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る底辺部３５近傍の弾性変形等によって、振動板１０には幅方向の屈曲振動が誘発されることになる。
【００２８】
重量バランスによる屈曲振動の原理について説明すると、図示のような台形状の振動板１０を用いた時に振動板１０が高さ方向に縦振動をした場合、重量バランスのアンバランスさによりその支点（無負荷時には振動板１０の重心）を中心とした回転モーメントが作用し、振動板１０に図示のような屈曲振動が誘発されるようになっている。
【００２９】
また、本実施形態では、台形状の振動板１０の短い方の底辺部３５側をロータ１００と当接させている。このように幅が細くなる側、つまり剛性が低い側の辺部をロータ１００に当接させることにより、振動時にロータ１００から受ける反力により振動板１０の底辺部３５側の部位の弾性変形を積極的に促し、これにより上記アンバランスさに起因する振動に加え、幅方向の振動である屈曲振動を大きくしている。つまり、本実施形態のように、短い方の底辺部３５が駆動端として設定される台形状の振動板１０を採用することにより、より大きな屈曲振動を誘発することができるのである。
【００３０】
このような縦振動と屈曲振動とが生じ、両者が結合されると、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６に示すように楕円軌道に沿って移動することになる。つまり、突起部３６におけるロータ１００との接触部分が大きく変位することになる。従って、突起部３６の移動に伴って回転駆動されるロータ１００の駆動量を多くすることができ、より効率の高い駆動が可能となる。
【００３１】
次に、以上のような縦振動と屈曲振動が結合した振動が生じる振動板１０の振動を極力妨げないように支持する支持部材１１の振動板１０への取付位置について図７を参照しながら説明する。
【００３２】
図７に示す例では、圧電素子３０，３１の伸縮により生じる縦振動が一次の振動モードであり、この縦振動により誘発される屈曲振動が二次の振動モードである場合について説明する。この場合、図示のように、一次の縦振動の振動の節（node）は、振動板１０の重心Ｇを通り底辺部１３５ａ側に突出する湾曲線ＳＴとなることが実測された。また、二次の屈曲振動の節は、３つ存在することになるが、その節のうち上記縦振動の節に最も近い節ＫＰは、図示のような位置となる。ここで、支持部材１１の端部３７は、振動板１０の脚辺部１３５における上記湾曲線ＳＴと、屈曲振動の節ＫＰを通る幅方向（図の上下方向）線ＳＫとの間の部位１３５ｈに取り付けられている。つまり、振動板１０は、縦振動と屈曲振動の節の間の部位である部位１３５ｈにおいて支持部材１１によって振動可能に支持されている。
【００３３】
このような位置で振動板１０を支持することにより、振動板１０に生じる縦振動および屈曲振動の振動エネルギーの損失を抑制し、より高効率での駆動を可能とすることができる。つまり、振動板１０の縦振動および屈曲振動の静止点である節の間、つまり両方の節により近い位置を支持、つまり固定することにより縦振動と屈曲振動の振動エネルギーの損失を抑制しているのである。
【００３４】
なお、本実施形態では、一次の縦振動と二次の屈曲振動が励振される場合について説明したが、これに限らず、ｎ次の縦振動（ｎは自然数）とｍ次の屈曲振動（ｍは自然数）が結合した振動を生じさせる場合に、両振動の節の位置が異なる場合には、上述したように最も近い両振動の節の間で振動板１０を支持するようにすれば、振動エネルギーの損失を抑制することができ、より高効率の駆動が可能となる。もちろん、縦振動と屈曲振動の節の位置が一致する場合には、その節の位置で振動板１０を支持するようにすればよい。また、図８に示すように、脚辺部１３５における縦振動の節である湾曲線ＳＴとの交点部分で振動板１０を支持するようにしてもよい。この場合にも、突起部３６の変位に大きく影響する縦縦振動のエネルギー損失を抑制し、効率のよい駆動が可能となる。また、脚辺部１３５における屈曲振動の節ＫＰを通る幅方向線ＳＫとの交点部分を支持するようにしてもよい。
【００３５】
Ｂ−２．動作
次に、上記第１実施形態に係る圧電アクチュエータＡ１が組み込まれた腕時計のカレンダー表示機構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の伸縮によって撓み振動し、上述したように突起部３６がロータ１００と当接した状態で振動板１０が楕円軌道に沿って移動する。このような突起部３６の変位に伴ってロータ１００が図中矢印方向に回転させられる。ロータ１００が回転させられることにより、日回し中間車４０を介して日車５０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。
【００３６】
上記のように突起部３６を楕円軌道に沿って移動させる場合、台形状の振動板１０の各寸法等は、図９に示すようなインピーダンス特性を有するような寸法等に設定することが好ましい。図９に示すインピーダンスの変化特性は、屈曲振動の共振周波数が縦振動の共振周波数よりも若干大きくなるようになっている。このように縦振動の共振周波数よりも屈曲振動の共振周波数を若干大きくなるような寸法等を有する振動板１０を用い、両者の共振周波数の間の周波数で振動板１０を駆動すれば、振動板１０に生じる縦振動と屈曲振動の両者を大きくすることができ、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。
【００３７】
本実施形態では、上述したように台形状の振動板１０を採用することにより、縦振動と屈曲振動が結合した大きな振動を生じさせて、駆動部である突起部３６をより大きな楕円軌道に沿って移動させている。これにより、より高効率での駆動を可能としている。また、このように大きな振動を生じさせる振動板１０を採用するとともに、上述したような部位１３５ｈで振動板１０を支持することにより、支持構造による振動エネルギーの損失を抑制し、さらに高効率での駆動を可能としている。また、このような高効率での駆動を可能とするために、増幅機構などを設けたりする必要がないため、構成が簡易である。
【００３８】
Ｂ−３．変形例
なお、上述した第１実施形態における支持部材１１に代えて、図１０に示すような形状の支持部材９０を用いるようにしてもよい。同図に示すように、この支持部材９０は、その端部３７が振動板１０の部位１３５ｈに取り付けられている点では、上記支持部材１１と同様であるが、取付部９７が脚辺部１３５と面内において直交する方向に延在している点で上記支持部材１１と異なっている。このような支持部材９０を用いれば、振動板１０に生じる縦振動および屈曲振動のエネルギー損失をさらに抑制することが可能となり、さらに高効率での駆動が可能となる。
【００３９】
また、図１１に示すような形状の支持部材１１０を用いるようにしてもよい。同図に示すように、この支持部材１１０は、その端部３７が振動板１０の部位１３５ｈに取り付けられる点では支持部材１１と同様であるが、取付部１１７は、その端部３７側の部分であり、脚辺部１３５と直交する方向に延在する直交延在部１１７ａと、支持基部１３８側の部分であり、直交延在部１１７ａと連なって形成されるとともに支持基部１３８に垂直方向に連なるように湾曲する湾曲部１１７ｂとから構成されている。このような支持部材１１０を用いれば、上述した支持部材９０と同様に振動エネルギーの損失をさらに抑制することができると共に、湾曲部１１７ｂによって、図１０に示す支持基部１３８よりも図の左右方向である振動板１０の高さ方向に長い支持基部１３８を用いることができる。
【００４０】
ここで、支持基部１３８のネジ３９により固定される位置と取付部と連結される位置との間の長さＬは、長くすると支持部材としての弾性率が低くなり、振動板１０の振動を大きく許容するようになる。つまり、振動板１０の振幅を大きくしてより高速なロータ１００の回転駆動を可能とすることができる。一方、支持基部１３８の長さＬを短くすれば、支持部材の弾性率が高くなり、これにより突起部３６をより大きな力でロータ１００に当接させることができ、高トルク駆動が可能となる。すなわち、支持基部１３８の長さＬは、圧電アクチュエータＡ１の駆動特性を決める１つの要素であり、高速駆動を要求する場合には、上述したように長さＬを長くすることが好ましい。設置スペース等の設計条件により、ネジ３９による支持基部１３８の固定位置が決められてしまうこともあるが、この場合、上記のように湾曲部１１７ｂを用いることで、限られたスペースの中でもより長い支持基部１３８を用いることが可能となる。一方、高トルクでの駆動を要求する場合には、図１０に示すような直線状の支持部材９０を用い、支持基部１３８の長さＬを短くするようにすればよい。
【００４１】
また、上述した実施形態においては、いずれか一方（図の下側）の脚辺部１３５に支持部材１１を取り付けるようにしていたが、反対側の脚辺部の同様の位置に支持部材１１を取り付けるようにしてもよい。
【００４２】
Ｃ．第２実施形態
次に、本発明の第２実施形態に係る圧電アクチュエータについて図１２および図１３を参照しながら説明する。なお、第２実施形態において、第１実施形態と共通する構成要素には、同一の符号を付けて、その説明を省略する。
【００４３】
図１２および図１３に示すように、この圧電アクチュエータＡ２における振動板１０は、その重心Ｇにおいて支持ネジ１２０によって地板１０３に支持されている。具体的には、支持ネジ１２０は、振動板１０の重心位置を厚さ方向（図１２の紙面垂直方向、図１３の上下方向）に貫通するとともに、その先端部が地板１０３にネジ止めされている。これにより、振動板１０は、重心Ｇを支点として支持ネジ１２０に支持されている。
【００４４】
振動板１０の縦振動の節は、重心Ｇを通る湾曲線上に位置することは上述した通りである。従って、本実施形態のように重心Ｇの位置で振動板１０を支持するようにすれば、振動板１０に生じる縦振動の振動エネルギーの損失を抑制することができる。
【００４５】
また、上述した第１実施形態では２次の振動モードとなっていた屈曲振動を１，３，５といった奇数次の振動モードで振動させるようにすれば、重心Ｇを通る縦振動の節と屈曲振動の節が一致する、つまり屈曲振動の節が重心Ｇとなる。従って、奇数次の振動モードの屈曲振動を誘発させるようにすれば、本実施形態のように重心Ｇで振動板１０を支持することより、屈曲振動のエネルギー損失を抑制することができる。
【００４６】
また、振動板１０の脚辺部１３５ではなく、重心Ｇで振動板１０を支持するようにしているので、上記第１実施形態と比較してエネルギー損失をさらに抑制することができる。従って、圧電アクチュエータＡ２は、より高効率での動作が可能となる。
【００４７】
なお、第２実施形態における圧電アクチュエータＡ２では、平面形状が台形状の振動板１０を用いるようにしていたが、これに限らず、矩形状や他の形状のものを用いるようにしてもよく、採用した形状の振動板の重心位置で当該振動板を支持するようにすればよい。
【００４８】
Ｄ．第３実施形態
次に、本発明の第３実施形態に係る圧電アクチュエータについて図１４および図１５を参照しながら説明する。なお、第３実施形態において、第１および第２実施形態と共通する構成要素には、同一の符号を付けて、その説明を省略する。図１４および図１５に示すように、第３実施形態に係る圧電アクチュエータＡ３では、上記第１実施形態の振動板１０の代わりに、矩形状の補強板１４０の両面に圧電素子１４１が積層された構造の振動板１４２を備えている。これらの補強板１４０および圧電素子１４１は、上述した第１実施形態における補強板３２および圧電素子３０，３１と平面形状が異なる以外は、同様の構成である。
【００４９】
このような補強板１４０と圧電素子１４１との積層構造の振動板１４２は、矩形状の圧電素子１４１の面上に台形状の電極１４３が形成されている。図１４に示すように、電極１４３は、ロータ１００と当接する突起部３６が設けられた側が短い方の底辺となる台形状であり、この電極１４３を介して圧電素子１４１に駆動電圧が供給されるようになっている。
【００５０】
この構成の下、電極１４３を介して圧電素子１４１に駆動電圧が印加されると、振動板１４２が縦振動する。この縦振動による突起部３６の変位に伴うロータ１００からの反力等によって振動板１４２には屈曲振動が生じ、上述した第１実施形態と同様に縦振動と屈曲振動が組合わさった振動が励起される。つまり、振動板１４２は、駆動電圧印加によって機械エネルギーに変換された振動（縦振動）以外にもロータ１００からの反力によって屈曲振動が励起されており、この屈曲振動の機械エネルギーの一部が圧電素子１４１によって電気エネルギーに変換されてしまう。このような機械エネルギーから電気エネルギーの変換が生じると、屈曲振動の振動エネルギーが若干（実験では約１０％程度）少なくなってしまう。
【００５１】
本実施形態は、上記のような圧電素子１４１によるエネルギー変換に起因する振動エネルギーの損失を抑制することを考慮し、上記のような台形状の電極１４３を形成している。すなわち、電極１４３が設けられていない部分では、ロータ１００からの反力等により誘発される屈曲振動による機械エネルギーは、電気エネルギーに変換されないため、振動板１４２のロータ１００側の部分でエネルギー変化による振動エネルギーの損失を抑制することができる。つまり、台形状の電極１４３を採用することにより、駆動効率の大きく影響のある振動板１４２の突起部３６側での振動エネルギーの損失を減少させて、高効率での駆動を可能としているのである。また、圧電素子１４１および補強板１４０は、矩形状であるため、振動板１４２の強度が大きく減少することもない。従って、本実施形態に係る圧電アクチュエータＡ３では、機械的強度の低下を招くことなく、高効率での駆動を可能としているのである。
【００５２】
また、振動板１４２では、台形状の電極１４３の短い方の底辺部分に対応する部分から延びるように駆動端となる突起部３６が設けられている。このため振動板１４２における突起部３６が設けられた部位では、駆動電圧印加による振動板１４２の振動である縦振動による変位が減少しない。従って、圧電アクチュエータＡ３では、縦振動の変位の減少を招くことなく、上記のように屈曲振動のエネルギー損失を抑制することが可能となる。
【００５３】
なお、電極１４３の形状は、図１４に示すような形状に限らず、圧電素子１４１の面上において、ロータ１００側に形成される電極の幅方向（図１４の上下方向）の大きさが、他端側に形成される電極よりも小さくなるような形状であればよい。例えば、図１６に示すような形状の電極１４３を圧電素子１４１の面上に形成するようにしてもよい。
【００５４】
また、図１７に示すように、矩形状の電極部１４３ａを複数配置することにより、ロータ１００側に形成される電極の面積を小さくするようにしてもよい。このよう矩形状の電極部１４３ａを配置するようにすれば、台形状の電極を形成する場合と比較して電極形成工程が簡易となる。
【００５５】
また、上述した第３実施形態では、電極１４３の形状を台形状等にするようにしていたが、これに限らず、図１８に示すように、補強板１４０のみを矩形状とし、この補強板１４０に台形状の圧電素子１４１および電極１４３を積層するようにしてもよい。
【００５６】
また、上述した第３実施形態においても、支持部材１１が上記第１実施形態と同様の位置で振動板１４２を支持するようにしてもよい。この場合、２つの支持部材を用いて両側（図１４の上下側）で振動板１４２を支持するようにしてもよい。
【００５７】
Ｅ．変形例
なお、本発明は、上述した様々な実施形態における圧電アクチュエータを腕時計のカレンダー表示機構に適用される以外にも、電池駆動される時計以外の携帯機器に搭載して用いることも可能である。
【００５８】
また、上述した各実施形態においては、振動板は、補強板３２（１４０）の上下に圧電素子３０，３１（１４１）を積層した構造となっていたが、いずれか一方のみに圧電素子を積層する構造であってもよいし、複数の補強板を設け、これらの上下に圧電素子を積層した多重積層構造であってもよい。
【００５９】
また、上述した各実施形態では、突起部３６をロータ１００に当接させるようにしていたが、突起部３６を設けずに振動板の一端部（底辺部３５など）をロータ１００に当接させるようにしてもよい。
【００６０】
【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、高効率での駆動が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１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】 前記振動板が縦振動することにより誘発される屈曲振動を説明するための図である。
【図６】 前記振動板の振動時における前記振動板の一端側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７】 前記振動板の支持構造を説明するための図である。
【図８】 前記振動板の支持構造の変形例を説明するための図である。
【図９】 前記振動板の振動周波数とインピーダンスとの関係の一例を示すグラフである。
【図１０】 第１実施形態に係る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】 第１実施形態に係る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】 本発明の第２実施形態に係る圧電アクチュエータの全体構成を示す平面図である。
【図１３】 第２実施形態に係る前記圧電アクチュエータを示す側断面図である。
【図１４】 本発明の第３実施形態に係る圧電アクチュエータの全体構成を示す平面図である。
【図１５】 第３実施形態に係る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斜視図である。
【図１６】 第３実施形態に係る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１７】 第３実施形態に係る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１８】 第３実施形態に係る圧電アクチュエータのさらに他の変形例の構成要素である振動板を示す斜視図である。
【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……底辺部、３６……突起部、３７……端部、９０……支持部材、９７……取付部、１００……ロータ、１０３……地板、１２０……支持ネジ、１３５……脚辺部、１３７……取付部、１３８……支持基部、１４０……補強板、１４１……圧電素子、１４２……振動板、１４３……電極、Ａ１，Ａ２，Ａ３……圧電アクチュエータ
【発明の属する技術分野】
本発明は、高効率の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、構成の複雑化に伴って装置サイズが大きくなってしまうといった問題もある。
【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、高効率の駆動が可能な圧電アクチュエータ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、
板状の圧電素子と補強部とが積層され、板面形状がほぼ台形状である振動板と、
前記振動板の短い方の底辺部が駆動対象に当接するように前記振動板を前記支持体に振動可能に支持する支持部材とを備え、
前記振動板は、前記圧電素子の伸縮により、前記台形の高さ方向に伸縮する縦振動、および前記高さ方向と直交する幅方向に揺動する屈曲振動とが組合わさった振動が生じるようになっており、当該振動による前記底辺部の変位によって前記駆動対象を駆動する圧電アクチュエータであって、
前記支持部材は、前記振動板の脚辺部のうち、前記振動板に生じる前記屈曲振動の節と前記縦振動の節との間の部位に取り付けられている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、
前記縦振動の節または前記屈曲振動の節が複数存在する場合には、前記支持部材は、隣り合う前記縦振動の節と前記屈曲振動の節の間の距離が最も短い前記縦振動の節と前記屈曲振動の節の間の部位に取り付けられてい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、支持体と、
板状の圧電素子と補強部とが積層され、板面形状がほぼ台形状である振動板と、
前記振動板の短い方の底辺部が駆動対象に当接するように前記振動板を前記支持体に振動可能に支持する支持部材とを備え、
前記圧電素子の伸縮によって前記振動板を振動させ、当該振動による前記底辺部の変位によって前記駆動対象を駆動する圧電アクチュエータであって、
前記支持部材は、前記振動板の脚辺部のうち、前記振動板に生じる振動の節上の部位に取り付けられる取付部を有しており、当該取付部は、前記振動板の属する平面方向であって、当該取付部が取り付けられる前記脚辺部とほぼ直交する方向に延在していることを特徴としている。
【０００９】
また、請求項４に記載の圧電アクチュエータは、請求項３に記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記支持部材は、前記台形の高さ方向に延在し、その一端が前記支持体に固定される支持基部を有しており、
前記取付部は、前記振動板に取り付けられる部分と反対側の部分が前記支持基部の延在方向に対してほぼ直交する方向に連なるように湾曲していることを特徴としている。
【００１０】
また、請求項５に記載の圧電アクチュエータは、支持体と、
板状の圧電素子と補強部とが積層され、板面形状がほぼ台形状である振動板と、
前記振動板の短い方の底辺部が駆動対象に当接するように前記振動板を前記支持体に振動可能に支持する支持部材とを備え、
前記圧電素子の伸縮によって前記振動板を振動させ、当該振動による前記底辺部の変位によって前記駆動対象を駆動する圧電アクチュエータであって、
前記支持部材は、前記振動板の重心位置を支持することを特徴としている。
【００１２】
また、請求項６に記載の圧電アクチュエータは、支持体と、
長手方向を有するほぼ矩形板状の圧電素子と補強部とが積層された振動板と、前記振動板の長手方向の一端部が駆動対象に当接するように前記振動板を前記支持体に振動可能に支持する支持部材とを備え、
電力供給による前記圧電素子の伸縮によって前記振動板を振動させ、当該振動による前記一端部の変位によって前記駆動対象を駆動する圧電アクチュエータであって、
前記圧電素子の面上に設けられ、当該圧電素子に電力を供給するための電極部を備え、
前記電極部の前記長手方向と直交する幅方向の大きさは、前記駆動対象に当接する一端部側が前記長手方向の他端部側よりも小さくなっていることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項７に記載の圧電アクチュエータは、請求項６に記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記電極部は、前記一端部側が短い方の底辺となる平面台形状に設けられていることを特徴としている。
【００１４】
また、請求項８に記載の圧電アクチュエータは、請求項６に記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記電極部は、複数の矩形状の矩形電極部によって構成されていることを特徴としている。
また、請求項９に記載の圧電アクチュエータは、支持体と、
板状の圧電素子と、長手方向を有するほぼ矩形板状の補強部とが積層された振動板と、
前記振動板の長手方向の一端部が駆動対象に当接するように前記振動板を前記支持体に振動可能に支持する支持部材とを備え、
電力供給による前記圧電素子の伸縮によって前記振動板を振動させ、当該振動による前記一端部の変位によって前記駆動対象を駆動する圧電アクチュエータであって、
前記圧電素子の前記長手方向と直交する幅方向の大きさは、前記駆動対象に当接する一端部側が前記長手方向の他端部側よりも小さくなっていることを特徴としている。
【００１５】
また、請求項１０に記載の圧電アクチュエータは、請求項９に記載の圧電アクチュエータにおいて、
前記圧電素子は、前記一端部側が短い方の底辺となる平面台形状に設けられていることを特徴としている。
【００１６】
また、請求項１１に記載の時計は、請求項１ないし１０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。
【００１７】
また、請求項１２に記載の携帯機器は、請求項１ないし１０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。
【００１８】
【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、本発明の様々な実施形態に係る圧電アクチュエータを説明するに先立ち、これらの圧電アクチュエータが組み込まれる腕時計のカレンダー表示機構の主要構成について説明する。図１に示すように、圧電アクチュエータＡ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。
【００１９】
次に、カレンダー表示機構は、圧電アクチュエータＡ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。
【００２０】
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。
【００２１】
Ｂ．第１実施形態
Ｂ−１．構成
次に、本発明の第１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、図の左右方向に長く形成された平面形状がほぼ台形状の振動板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。振動板１０は、図の左右方向である台形の高さ方向（以下、高さ方向とする）が長い方の底辺部１３５ａよりも長く、つまり図の左右方向に延びる台形状である。
【００２２】
台形状の振動板１０の短い方の底辺部３５には、ステンレス鋼等の金属等から形成される突起部（接触部分）３６がロータ１００側に向けて突設されており、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。
【００２３】
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。
【００２４】
台形状の振動板１０の長手方向の辺部である脚辺部１３５には、Ｌ字状の支持部材１１の一端部３７が取り付けられている。支持部材１１は、振動板１０が取り付けられる端部３７を有する取付部１３７と、取付部１３７から屈曲して延在する支持基部１３８とから構成されており、支持基部１３８の端部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、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の突起部３６はロータ１００の側面に当接させられている。なお、本実施形態に係る圧電アクチュエータＡ１は、支持部材１１と振動板１０の取付位置に特徴を有しているが、これについては後述する。
【００２５】
図３に示すように、振動板１０は、２つの長方形状の圧電素子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。
【００２６】
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)03 1-x-Pb Ti 03 x)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-x Tix)) 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。
【００２７】
このような構成の振動板１０は、駆動回路から電極３３を介して圧電素子３０，３１に交流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するようになっている。その際、図４に示すように、振動板１０が図２の左右方向である高さ方向に伸縮する縦振動で振動するようになっている。このように圧電素子３０，３１に交流電圧を印加して高さ方向の振動である縦振動を励振すると、図５に示すように、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る底辺部３５近傍の弾性変形等によって、振動板１０には幅方向の屈曲振動が誘発されることになる。
【００２８】
重量バランスによる屈曲振動の原理について説明すると、図示のような台形状の振動板１０を用いた時に振動板１０が高さ方向に縦振動をした場合、重量バランスのアンバランスさによりその支点（無負荷時には振動板１０の重心）を中心とした回転モーメントが作用し、振動板１０に図示のような屈曲振動が誘発されるようになっている。
【００２９】
また、本実施形態では、台形状の振動板１０の短い方の底辺部３５側をロータ１００と当接させている。このように幅が細くなる側、つまり剛性が低い側の辺部をロータ１００に当接させることにより、振動時にロータ１００から受ける反力により振動板１０の底辺部３５側の部位の弾性変形を積極的に促し、これにより上記アンバランスさに起因する振動に加え、幅方向の振動である屈曲振動を大きくしている。つまり、本実施形態のように、短い方の底辺部３５が駆動端として設定される台形状の振動板１０を採用することにより、より大きな屈曲振動を誘発することができるのである。
【００３０】
このような縦振動と屈曲振動とが生じ、両者が結合されると、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６に示すように楕円軌道に沿って移動することになる。つまり、突起部３６におけるロータ１００との接触部分が大きく変位することになる。従って、突起部３６の移動に伴って回転駆動されるロータ１００の駆動量を多くすることができ、より効率の高い駆動が可能となる。
【００３１】
次に、以上のような縦振動と屈曲振動が結合した振動が生じる振動板１０の振動を極力妨げないように支持する支持部材１１の振動板１０への取付位置について図７を参照しながら説明する。
【００３２】
図７に示す例では、圧電素子３０，３１の伸縮により生じる縦振動が一次の振動モードであり、この縦振動により誘発される屈曲振動が二次の振動モードである場合について説明する。この場合、図示のように、一次の縦振動の振動の節（node）は、振動板１０の重心Ｇを通り底辺部１３５ａ側に突出する湾曲線ＳＴとなることが実測された。また、二次の屈曲振動の節は、３つ存在することになるが、その節のうち上記縦振動の節に最も近い節ＫＰは、図示のような位置となる。ここで、支持部材１１の端部３７は、振動板１０の脚辺部１３５における上記湾曲線ＳＴと、屈曲振動の節ＫＰを通る幅方向（図の上下方向）線ＳＫとの間の部位１３５ｈに取り付けられている。つまり、振動板１０は、縦振動と屈曲振動の節の間の部位である部位１３５ｈにおいて支持部材１１によって振動可能に支持されている。
【００３３】
このような位置で振動板１０を支持することにより、振動板１０に生じる縦振動および屈曲振動の振動エネルギーの損失を抑制し、より高効率での駆動を可能とすることができる。つまり、振動板１０の縦振動および屈曲振動の静止点である節の間、つまり両方の節により近い位置を支持、つまり固定することにより縦振動と屈曲振動の振動エネルギーの損失を抑制しているのである。
【００３４】
なお、本実施形態では、一次の縦振動と二次の屈曲振動が励振される場合について説明したが、これに限らず、ｎ次の縦振動（ｎは自然数）とｍ次の屈曲振動（ｍは自然数）が結合した振動を生じさせる場合に、両振動の節の位置が異なる場合には、上述したように最も近い両振動の節の間で振動板１０を支持するようにすれば、振動エネルギーの損失を抑制することができ、より高効率の駆動が可能となる。もちろん、縦振動と屈曲振動の節の位置が一致する場合には、その節の位置で振動板１０を支持するようにすればよい。また、図８に示すように、脚辺部１３５における縦振動の節である湾曲線ＳＴとの交点部分で振動板１０を支持するようにしてもよい。この場合にも、突起部３６の変位に大きく影響する縦縦振動のエネルギー損失を抑制し、効率のよい駆動が可能となる。また、脚辺部１３５における屈曲振動の節ＫＰを通る幅方向線ＳＫとの交点部分を支持するようにしてもよい。
【００３５】
Ｂ−２．動作
次に、上記第１実施形態に係る圧電アクチュエータＡ１が組み込まれた腕時計のカレンダー表示機構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の伸縮によって撓み振動し、上述したように突起部３６がロータ１００と当接した状態で振動板１０が楕円軌道に沿って移動する。このような突起部３６の変位に伴ってロータ１００が図中矢印方向に回転させられる。ロータ１００が回転させられることにより、日回し中間車４０を介して日車５０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。
【００３６】
上記のように突起部３６を楕円軌道に沿って移動させる場合、台形状の振動板１０の各寸法等は、図９に示すようなインピーダンス特性を有するような寸法等に設定することが好ましい。図９に示すインピーダンスの変化特性は、屈曲振動の共振周波数が縦振動の共振周波数よりも若干大きくなるようになっている。このように縦振動の共振周波数よりも屈曲振動の共振周波数を若干大きくなるような寸法等を有する振動板１０を用い、両者の共振周波数の間の周波数で振動板１０を駆動すれば、振動板１０に生じる縦振動と屈曲振動の両者を大きくすることができ、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。
【００３７】
本実施形態では、上述したように台形状の振動板１０を採用することにより、縦振動と屈曲振動が結合した大きな振動を生じさせて、駆動部である突起部３６をより大きな楕円軌道に沿って移動させている。これにより、より高効率での駆動を可能としている。また、このように大きな振動を生じさせる振動板１０を採用するとともに、上述したような部位１３５ｈで振動板１０を支持することにより、支持構造による振動エネルギーの損失を抑制し、さらに高効率での駆動を可能としている。また、このような高効率での駆動を可能とするために、増幅機構などを設けたりする必要がないため、構成が簡易である。
【００３８】
Ｂ−３．変形例
なお、上述した第１実施形態における支持部材１１に代えて、図１０に示すような形状の支持部材９０を用いるようにしてもよい。同図に示すように、この支持部材９０は、その端部３７が振動板１０の部位１３５ｈに取り付けられている点では、上記支持部材１１と同様であるが、取付部９７が脚辺部１３５と面内において直交する方向に延在している点で上記支持部材１１と異なっている。このような支持部材９０を用いれば、振動板１０に生じる縦振動および屈曲振動のエネルギー損失をさらに抑制することが可能となり、さらに高効率での駆動が可能となる。
【００３９】
また、図１１に示すような形状の支持部材１１０を用いるようにしてもよい。同図に示すように、この支持部材１１０は、その端部３７が振動板１０の部位１３５ｈに取り付けられる点では支持部材１１と同様であるが、取付部１１７は、その端部３７側の部分であり、脚辺部１３５と直交する方向に延在する直交延在部１１７ａと、支持基部１３８側の部分であり、直交延在部１１７ａと連なって形成されるとともに支持基部１３８に垂直方向に連なるように湾曲する湾曲部１１７ｂとから構成されている。このような支持部材１１０を用いれば、上述した支持部材９０と同様に振動エネルギーの損失をさらに抑制することができると共に、湾曲部１１７ｂによって、図１０に示す支持基部１３８よりも図の左右方向である振動板１０の高さ方向に長い支持基部１３８を用いることができる。
【００４０】
ここで、支持基部１３８のネジ３９により固定される位置と取付部と連結される位置との間の長さＬは、長くすると支持部材としての弾性率が低くなり、振動板１０の振動を大きく許容するようになる。つまり、振動板１０の振幅を大きくしてより高速なロータ１００の回転駆動を可能とすることができる。一方、支持基部１３８の長さＬを短くすれば、支持部材の弾性率が高くなり、これにより突起部３６をより大きな力でロータ１００に当接させることができ、高トルク駆動が可能となる。すなわち、支持基部１３８の長さＬは、圧電アクチュエータＡ１の駆動特性を決める１つの要素であり、高速駆動を要求する場合には、上述したように長さＬを長くすることが好ましい。設置スペース等の設計条件により、ネジ３９による支持基部１３８の固定位置が決められてしまうこともあるが、この場合、上記のように湾曲部１１７ｂを用いることで、限られたスペースの中でもより長い支持基部１３８を用いることが可能となる。一方、高トルクでの駆動を要求する場合には、図１０に示すような直線状の支持部材９０を用い、支持基部１３８の長さＬを短くするようにすればよい。
【００４１】
また、上述した実施形態においては、いずれか一方（図の下側）の脚辺部１３５に支持部材１１を取り付けるようにしていたが、反対側の脚辺部の同様の位置に支持部材１１を取り付けるようにしてもよい。
【００４２】
Ｃ．第２実施形態
次に、本発明の第２実施形態に係る圧電アクチュエータについて図１２および図１３を参照しながら説明する。なお、第２実施形態において、第１実施形態と共通する構成要素には、同一の符号を付けて、その説明を省略する。
【００４３】
図１２および図１３に示すように、この圧電アクチュエータＡ２における振動板１０は、その重心Ｇにおいて支持ネジ１２０によって地板１０３に支持されている。具体的には、支持ネジ１２０は、振動板１０の重心位置を厚さ方向（図１２の紙面垂直方向、図１３の上下方向）に貫通するとともに、その先端部が地板１０３にネジ止めされている。これにより、振動板１０は、重心Ｇを支点として支持ネジ１２０に支持されている。
【００４４】
振動板１０の縦振動の節は、重心Ｇを通る湾曲線上に位置することは上述した通りである。従って、本実施形態のように重心Ｇの位置で振動板１０を支持するようにすれば、振動板１０に生じる縦振動の振動エネルギーの損失を抑制することができる。
【００４５】
また、上述した第１実施形態では２次の振動モードとなっていた屈曲振動を１，３，５といった奇数次の振動モードで振動させるようにすれば、重心Ｇを通る縦振動の節と屈曲振動の節が一致する、つまり屈曲振動の節が重心Ｇとなる。従って、奇数次の振動モードの屈曲振動を誘発させるようにすれば、本実施形態のように重心Ｇで振動板１０を支持することより、屈曲振動のエネルギー損失を抑制することができる。
【００４６】
また、振動板１０の脚辺部１３５ではなく、重心Ｇで振動板１０を支持するようにしているので、上記第１実施形態と比較してエネルギー損失をさらに抑制することができる。従って、圧電アクチュエータＡ２は、より高効率での動作が可能となる。
【００４７】
なお、第２実施形態における圧電アクチュエータＡ２では、平面形状が台形状の振動板１０を用いるようにしていたが、これに限らず、矩形状や他の形状のものを用いるようにしてもよく、採用した形状の振動板の重心位置で当該振動板を支持するようにすればよい。
【００４８】
Ｄ．第３実施形態
次に、本発明の第３実施形態に係る圧電アクチュエータについて図１４および図１５を参照しながら説明する。なお、第３実施形態において、第１および第２実施形態と共通する構成要素には、同一の符号を付けて、その説明を省略する。図１４および図１５に示すように、第３実施形態に係る圧電アクチュエータＡ３では、上記第１実施形態の振動板１０の代わりに、矩形状の補強板１４０の両面に圧電素子１４１が積層された構造の振動板１４２を備えている。これらの補強板１４０および圧電素子１４１は、上述した第１実施形態における補強板３２および圧電素子３０，３１と平面形状が異なる以外は、同様の構成である。
【００４９】
このような補強板１４０と圧電素子１４１との積層構造の振動板１４２は、矩形状の圧電素子１４１の面上に台形状の電極１４３が形成されている。図１４に示すように、電極１４３は、ロータ１００と当接する突起部３６が設けられた側が短い方の底辺となる台形状であり、この電極１４３を介して圧電素子１４１に駆動電圧が供給されるようになっている。
【００５０】
この構成の下、電極１４３を介して圧電素子１４１に駆動電圧が印加されると、振動板１４２が縦振動する。この縦振動による突起部３６の変位に伴うロータ１００からの反力等によって振動板１４２には屈曲振動が生じ、上述した第１実施形態と同様に縦振動と屈曲振動が組合わさった振動が励起される。つまり、振動板１４２は、駆動電圧印加によって機械エネルギーに変換された振動（縦振動）以外にもロータ１００からの反力によって屈曲振動が励起されており、この屈曲振動の機械エネルギーの一部が圧電素子１４１によって電気エネルギーに変換されてしまう。このような機械エネルギーから電気エネルギーの変換が生じると、屈曲振動の振動エネルギーが若干（実験では約１０％程度）少なくなってしまう。
【００５１】
本実施形態は、上記のような圧電素子１４１によるエネルギー変換に起因する振動エネルギーの損失を抑制することを考慮し、上記のような台形状の電極１４３を形成している。すなわち、電極１４３が設けられていない部分では、ロータ１００からの反力等により誘発される屈曲振動による機械エネルギーは、電気エネルギーに変換されないため、振動板１４２のロータ１００側の部分でエネルギー変化による振動エネルギーの損失を抑制することができる。つまり、台形状の電極１４３を採用することにより、駆動効率の大きく影響のある振動板１４２の突起部３６側での振動エネルギーの損失を減少させて、高効率での駆動を可能としているのである。また、圧電素子１４１および補強板１４０は、矩形状であるため、振動板１４２の強度が大きく減少することもない。従って、本実施形態に係る圧電アクチュエータＡ３では、機械的強度の低下を招くことなく、高効率での駆動を可能としているのである。
【００５２】
また、振動板１４２では、台形状の電極１４３の短い方の底辺部分に対応する部分から延びるように駆動端となる突起部３６が設けられている。このため振動板１４２における突起部３６が設けられた部位では、駆動電圧印加による振動板１４２の振動である縦振動による変位が減少しない。従って、圧電アクチュエータＡ３では、縦振動の変位の減少を招くことなく、上記のように屈曲振動のエネルギー損失を抑制することが可能となる。
【００５３】
なお、電極１４３の形状は、図１４に示すような形状に限らず、圧電素子１４１の面上において、ロータ１００側に形成される電極の幅方向（図１４の上下方向）の大きさが、他端側に形成される電極よりも小さくなるような形状であればよい。例えば、図１６に示すような形状の電極１４３を圧電素子１４１の面上に形成するようにしてもよい。
【００５４】
また、図１７に示すように、矩形状の電極部１４３ａを複数配置することにより、ロータ１００側に形成される電極の面積を小さくするようにしてもよい。このよう矩形状の電極部１４３ａを配置するようにすれば、台形状の電極を形成する場合と比較して電極形成工程が簡易となる。
【００５５】
また、上述した第３実施形態では、電極１４３の形状を台形状等にするようにしていたが、これに限らず、図１８に示すように、補強板１４０のみを矩形状とし、この補強板１４０に台形状の圧電素子１４１および電極１４３を積層するようにしてもよい。
【００５６】
また、上述した第３実施形態においても、支持部材１１が上記第１実施形態と同様の位置で振動板１４２を支持するようにしてもよい。この場合、２つの支持部材を用いて両側（図１４の上下側）で振動板１４２を支持するようにしてもよい。
【００５７】
Ｅ．変形例
なお、本発明は、上述した様々な実施形態における圧電アクチュエータを腕時計のカレンダー表示機構に適用される以外にも、電池駆動される時計以外の携帯機器に搭載して用いることも可能である。
【００５８】
また、上述した各実施形態においては、振動板は、補強板３２（１４０）の上下に圧電素子３０，３１（１４１）を積層した構造となっていたが、いずれか一方のみに圧電素子を積層する構造であってもよいし、複数の補強板を設け、これらの上下に圧電素子を積層した多重積層構造であってもよい。
【００５９】
また、上述した各実施形態では、突起部３６をロータ１００に当接させるようにしていたが、突起部３６を設けずに振動板の一端部（底辺部３５など）をロータ１００に当接させるようにしてもよい。
【００６０】
【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、高効率での駆動が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１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】 前記振動板が縦振動することにより誘発される屈曲振動を説明するための図である。
【図６】 前記振動板の振動時における前記振動板の一端側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７】 前記振動板の支持構造を説明するための図である。
【図８】 前記振動板の支持構造の変形例を説明するための図である。
【図９】 前記振動板の振動周波数とインピーダンスとの関係の一例を示すグラフである。
【図１０】 第１実施形態に係る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】 第１実施形態に係る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】 本発明の第２実施形態に係る圧電アクチュエータの全体構成を示す平面図である。
【図１３】 第２実施形態に係る前記圧電アクチュエータを示す側断面図である。
【図１４】 本発明の第３実施形態に係る圧電アクチュエータの全体構成を示す平面図である。
【図１５】 第３実施形態に係る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斜視図である。
【図１６】 第３実施形態に係る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１７】 第３実施形態に係る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１８】 第３実施形態に係る圧電アクチュエータのさらに他の変形例の構成要素である振動板を示す斜視図である。
【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……底辺部、３６……突起部、３７……端部、９０……支持部材、９７……取付部、１００……ロータ、１０３……地板、１２０……支持ネジ、１３５……脚辺部、１３７……取付部、１３８……支持基部、１４０……補強板、１４１……圧電素子、１４２……振動板、１４３……電極、Ａ１，Ａ２，Ａ３……圧電アクチュエータ
Claims (12)
- 支持体と、
板状の圧電素子と補強部とが積層され、板面形状がほぼ台形状である振動板と、
前記振動板の短い方の底辺部が駆動対象に当接するように前記振動板を前記支持体に振動可能に支持する支持部材とを備え、
前記振動板は、前記圧電素子の伸縮により、前記台形の高さ方向に伸縮する縦振動、および前記高さ方向と直交する幅方向に揺動する屈曲振動とが組合わさった振動が生じるようになっており、当該振動による前記底辺部の変位によって前記駆動対象を駆動する圧電アクチュエータであって、
前記支持部材は、前記振動板の脚辺部のうち、前記振動板に生じる前記屈曲振動の節と前記縦振動の節との間の部位に取り付けられている
ことを特徴とする圧電アクチュエータ。 - 前記縦振動の節または前記屈曲振動の節が複数存在する場合には、前記支持部材は、隣り合う前記縦振動の節と前記屈曲振動の節の間の距離が最も短い前記縦振動の節と前記屈曲振動の節の間の部位に取り付けられている
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。 - 支持体と、
板状の圧電素子と補強部とが積層され、板面形状がほぼ台形状である振動板と、
前記振動板の短い方の底辺部が駆動対象に当接するように前記振動板を前記支持体に振動可能に支持する支持部材とを備え、
前記圧電素子の伸縮によって前記振動板を振動させ、当該振動による前記底辺部の変位によって前記駆動対象を駆動する圧電アクチュエータであって、
前記支持部材は、前記振動板の脚辺部のうち、前記振動板に生じる振動の節上の部位に取り付けられる取付部を有しており、当該取付部は、前記振動板の属する平面方向であって、当該取付部が取り付けられる前記脚辺部とほぼ直交する方向に延在している
ことを特徴とする圧電アクチュエータ。 - 前記支持部材は、前記台形の高さ方向に延在し、その一端が前記支持体に固定される支持基部を有しており、
前記取付部は、前記振動板に取り付けられる部分と反対側の部分が前記支持基部の延在方向に対してほぼ直交する方向に連なるように湾曲している
ことを特徴とする請求項３に記載の圧電アクチュエータ。 - 支持体と、
板状の圧電素子と補強部とが積層され、板面形状がほぼ台形状である振動板と、
前記振動板の短い方の底辺部が駆動対象に当接するように前記振動板を前記支持体に振動可能に支持する支持部材とを備え、
前記圧電素子の伸縮によって前記振動板を振動させ、当該振動による前記底辺部の変位によって前記駆動対象を駆動する圧電アクチュエータであって、
前記支持部材は、前記振動板の重心位置を支持する
ことを特徴とする圧電アクチュエータ。 - 支持体と、
長手方向を有するほぼ矩形板状の圧電素子と補強部とが積層された振動板と、
前記振動板の長手方向の一端部が駆動対象に当接するように前記振動板を前記支持体に振動可能に支持する支持部材とを備え、
電力供給による前記圧電素子の伸縮によって前記振動板を振動させ、当該振動による前記一端部の変位によって前記駆動対象を駆動する圧電アクチュエータであって、
前記圧電素子の面上に設けられ、当該圧電素子に電力を供給するための電極部を備え、
前記電極部の前記長手方向と直交する幅方向の大きさは、前記駆動対象に当接する一端部側が前記長手方向の他端部側よりも小さくなっている
ことを特徴とする圧電アクチュエータ。 - 前記電極部は、前記一端部側が短い方の底辺となる平面台形状に設けられている
ことを特徴とする請求項６に記載の圧電アクチュエータ。 - 前記電極部は、複数の矩形状の矩形電極部によって構成されている
ことを特徴とする請求項６に記載の圧電アクチュエータ。 - 支持体と、
板状の圧電素子と、長手方向を有するほぼ矩形板状の補強部とが積層された振動板と、
前記振動板の長手方向の一端部が駆動対象に当接するように前記振動板を前記支持体に振動可能に支持する支持部材とを備え、
電力供給による前記圧電素子の伸縮によって前記振動板を振動させ、当該振動による前記一端部の変位によって前記駆動対象を駆動する圧電アクチュエータであって、
前記圧電素子の前記長手方向と直交する幅方向の大きさは、前記駆動対象に当接する一端部側が前記長手方向の他端部側よりも小さくなっている
ことを特徴とする圧電アクチュエータ。 - 前記圧電素子は、前記一端部側が短い方の底辺となる平面台形状に設けられている
ことを特徴とする請求項９に記載の圧電アクチュエータ。 - 請求項１ないし１０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１０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。
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