JP4218666B2 - 圧電アクチュエータ、および電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、圧電アクチュエータ、および電子機器に関する。

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、応答性などに優れているため、近年、圧電素子を有する振動体を備え、この振動体の振動をロータなどの被駆動体に伝達して駆動する圧電アクチュエータが開発されている。今後は、カメラ、プリンタ、電子時計、玩具などの各種の電子機器において、圧電アクチュエータの利用が拡大される見通しである。
この圧電アクチュエータの振動体は、電極が設けられた平面略矩形の板状の圧電素子に補強板等が積層されて構成されている。そして、補強板等に形成した突起がロータに当接され、圧電素子の電極への電圧印加により、所定の固有振動数で突起が繰り返し被駆動体を押圧することにより、ロータが回転駆動する（特許文献１〜３）。なお、特許文献１〜３において、ロータに当接される突起は、圧電素子の短辺側略中央に設けられている。

ここで、振動体に設けられた電極は、特許文献１〜３にも示されるように、圧電素子の長手方向および幅方向に沿って複数に適宜分割されており、圧電素子の平面四隅に配置される各電極を含んで構成されている。
これら複数の電極のうち、圧電素子における一方の対角線上に配置される各電極を電圧印加の対象とし、他方の対角線上に配置された各電極を電圧印加の対象とはしないとき、各電極に対応する圧電素子の各部分の伸縮に伴って、振動体は、圧電素子の長手方向と交差する方向に屈曲振動を誘起する。すると、これらの縦振動（伸縮運動）および屈曲振動（屈曲運動）の組み合わせにより、突起は円（楕円を含む）に近似した軌跡を描き、ロータを所定の方向に押し出して回転させる。そして、圧電素子における一方の対角線上に配置された各電極と他方の対角線上に配置された各電極との間で、電圧印加の対象を切り替えることにより、ロータを先程とは反対方向に押し出して逆回転させることが可能となる。
なお、これと同じ構成において、ロータを正回転、逆回転させる代わりに、電圧が印加されない電極から圧電素子の振動状態を検出することも可能である。

また、このように複数の電極を使い分ける他の例として、一方の対角線上に配置された各電極と他方の対角線上に配置された各電極とで印加電圧の位相を反転させておき、圧電素子の幅方向中央で長手方向に沿って延びる電極への印加電圧の位相を、いずれかの対角線上に配置された各電極の印加電圧の位相と一致させることによって振動体の屈曲振動の方向を切り替え、ロータを正回転、逆回転させる構成が提案されている（特許文献４）。

特開２００４−１５９４０３号公報 特開２００４−１６６４７８号公報 特開２００４−２９７９４９号公報 特開平２−４１６７３号公報

しかしながら、前述した特許文献１〜４のように圧電素子に設けられた複数の電極を選択的に用いることによって、ロータの回転方向の切り替えや、圧電素子の振動状態の検出が可能となるが、特許文献１〜３における構成では、駆動時に電圧が印加されない電極があるため、振動体の振幅が制限され、駆動効率には改善の余地がある。
また、ロータを高効率で駆動するには、振動体の突起など、被駆動体に当接される部分の軌跡を略円形とすることが有効と考えられており、この突起などの略円形運動を確実に実現するためには、振動体の縦振動と屈曲振動とに所定の位相差を持たせなくてはならない。しかし、このような縦振動と屈曲振動との位相差に関して、特許文献１〜３には記載がない。また、特許文献４では、ロータの回転方向に応じて位相が逆転した電圧が複数の電極に印加され、振動体の端部が楕円運動することが記載されているものの、肝心の、縦振動と屈曲振動との位相差の設定に関しては何ら記載されていない。すなわち、これらの特許文献１〜４に基いて縦振動および屈曲振動の位相差を設定し、被駆動体を高効率で駆動可能な、突起の理想的な略円形運動を実現することは困難である。

このような問題に鑑み、本発明の目的は、縦振動および屈曲振動の位相差を容易に設定可能であるとともに、振幅を拡大することによって、駆動効率を大幅に向上させることができる圧電アクチュエータ、およびこの圧電アクチュエータを備えた電子機器を提供することにある。

本発明の圧電アクチュエータは、平面略矩形の板状の圧電素子を有して前記圧電素子への電圧印加により振動する振動体を備え、この振動体の振動により被駆動体を所定方向に駆動する圧電アクチュエータであって、前記振動体は、前記圧電素子の平面中心を通り長手方向に沿った中心線から前記長手方向に直交する幅方向に偏って設けられ、かつ前記圧電素子の長手方向の一方の端部側に突出して形成され前記被駆動体に当接して駆動する駆動用突起と、前記幅方向では前記中心線に対して前記駆動用突起の反対側に配置され、かつ前記長手方向では前記平面中心を中心に前記駆動用突起とは反対側の端部側に突出して形成された突起と、当該圧電素子の平面に設けられ、電圧が印加されることにより前記長手方向に沿った縦振動を生じさせ、かつ前記縦振動に基づいて前記駆動用突起および前記突起の慣性質量により前記幅方向に振動する屈曲振動を誘起させる駆動電極と、当該圧電素子の平面に設けられ、前記圧電素子の平面が縦横にそれぞれ二等分された４つの領域を仮定すると前記圧電素子の対角線上の当該２領域内にそれぞれ配置され、かつ前記駆動電極の隣にそれぞれ配置される一対の部分電極とを備え、前記駆動用突起は、前記中心線に対し前記駆動用突起が配置された前記幅方向の側であって、前記圧電素子の長手方向において前記駆動電極を挟んで前記部分電極とは反対側の位置に配置されており、前記突起は、前記中心線に対し前記突起が配置された前記幅方向の側であって、前記圧電素子の長手方向において前記駆動電極を挟んで前記部分電極とは反対側の位置に配置されており、前記駆動電極に印加される電圧と前記一対の部分電極に印加される電圧は、前記駆動電極が配置された圧電素子部分が伸長する際には前記一対の部分電極が配置された圧電素子部分が収縮し、逆に前記駆動電極が配置された圧電素子部分が収縮する際には前記部分電極が配置された圧電素子部分が伸長するように、互いの位相が逆転して印加されており、前記縦振動と前記屈曲振動とにより前記駆動用突起は略円形運動を行うことを特徴とする。

この発明によれば、駆動電極への電圧印加による逆圧電効果によって圧電素子が伸縮し、振動体は圧電素子の長手方向に沿った縦一次振動を励振するところ、振動体の長手方向に沿った中心線に対して偏心した位置に突起が設けられているため、振動体の幅方向における重量バランスがアンバランスとなり、縦一次振動に続いて、圧電素子の長手方向と直交する幅方向に屈曲二次振動が誘起する。この際、突起の慣性質量により、これら屈曲振動および縦振動の間で位相差を生じさせることが可能となり、突起は円（楕円も含む）に近似する軌跡で運動する。つまり、突起の慣性質量により、縦振動と屈曲振動との位相差を容易に設定でき、この位相差の設定により、突起の略円形運動を実現できる。ここで、突起の形状や寸法、材質等に応じて、突起の慣性質量を調節可能である。
このように、縦振動および屈曲振動の位相差を設定可能となるため、位相を制御する位相器は不要であり、駆動回路を簡略に構成できるから、低コスト化に繋げることができる。
なお、突起は、圧電素子の両端側にそれぞれ一対設けられていてもよく、この場合、これらの突起は、圧電素子の長手方向に沿った中心線上から互いに反対方向に偏心した位置に設けられる。

さらに、駆動電極に隣接して、駆動電極とは印加電圧の位相が逆である部分電極が圧電素子の平面中心に対して点対称に設けられ、圧電素子において、駆動電極の部分が伸長する際には部分電極の部分が収縮し、反対に、駆動電極の部分が収縮する際には部分電極の部分が伸長する。このように、圧電素子の伸長に対し、この伸長する部分に隣接する部分が収縮して追従することから、駆動電極のみに電圧を印加した場合よりも、縦振動および屈曲振動の振幅を共に大きくできる。このことと、前述した突起の偏心配置とが相乗するため、駆動電極のみに電圧を印加した場合よりも大きな駆動力が得られ、また、低電力で被駆動体を駆動することも可能となる。すなわち、本発明の圧電アクチュエータによれば、駆動効率を大幅に向上させることができる。

なお、駆動電極の形状、個数などは任意に構成できる。例えば、圧電素子の平面全体に形成された電極を圧電素子の長手方向および幅方向に沿って二等分、あるいは三等分など適宜分割して複数のパターンを形成し、これらのパターンのうち圧電素子の対角部分に配置された各パターンを部分電極とし、残りのパターンをすべて駆動電極とするなどの構成が考えられる。

ここで、部分電極の長さ、幅、面積などは、適宜決めることができるが、例えば、部分電極の面積に対する駆動電極の面積の比率が高いほど、縦振動の振幅が拡大されて、突起の軌跡は圧電素子の長手方向に長い略楕円形となる。この反対に、部分電極の面積に対する駆動電極の面積の比率が低いほど、屈曲振動の振幅が拡大されて、突起の軌跡は圧電素子の長手方向に長い略楕円形となる。
すなわち、部分電極の長さ、幅、面積などは、所望の突起の軌跡に応じて、適宜決められる。

なお、部分電極の位置に関して、振動体の平面中心にある屈曲振動の節の位置近傍にこれらの部分電極を配置することにより、その屈曲振動の節近傍の位置から振動体を屈曲させることが可能となるので、部分電極を振動体の端部側に設けた場合よりも、屈曲振動の振幅を拡大できる。このため、屈曲振動の所定の振幅を得るための部分電極の面積を小さくできる。そして、部分電極の面積を小さくしたことで空いた圧電素子の平面部分に、駆動電極を配置してもよい。圧電素子における駆動電極の面積を増やすことで、縦振動の振幅を大きくでき、これを受けて、屈曲振動の振幅もまた、大きくできる。

本発明の圧電アクチュエータでは、前記駆動電極は、前記圧電素子の平面において前記部分電極が配置された部分を除いた残りの領域に１つ、設けられることが好ましい。

この発明によれば、圧電素子において、１つの駆動電極、および各部分電極の計３つの電極を設けるだけでよいため、構成が簡略となって、各電極への配線の手間も掛からない。これにより、一層低コスト化できる。

本発明の圧電アクチュエータでは、前記各部分電極は、略矩形状であって、その長辺が前記圧電素子の長辺に略沿うように配置され、前記圧電素子の幅方向における前記駆動電極の寸法は、前記圧電素子の幅方向における前記部分電極１つの寸法の５倍〜５０倍であることが好ましい。

この発明によれば、圧電素子の幅方向における駆動電極および部分電極の幅寸法に関して、振動体の縦運動および屈曲振動の振幅を共に大きくすることが可能な最適な比率を得ることができる。
ここで、駆動電極の幅寸法が部分電極の幅寸法の５倍に満たない程、部分電極の幅寸法が大きい場合には、屈曲振動の振幅が縦振動の振幅と比べて大きくなり過ぎ、突起を略円形の軌跡で運動させることが難しい。また、縦振動の励振が制限されてしまい、出力される駆動力が小さくなってしまう。
一方、駆動電極の幅寸法が部分電極の幅寸法の５０倍を超える程、部分電極の幅寸法が小さい場合には、圧電素子において、駆動電極が設けられた部分の伸縮に対する追従が殆んど生じないので、縦振動および屈曲振動の振幅を拡大することが困難となる。
なお、ここで示した駆動電極および部分電極の幅寸法の比率設定、および突起の慣性質量設定により、縦振動と屈曲振動との振幅及び位相差を所望の設定にすることができ、これらの縦振動と屈曲振動とが組み合わさった軌跡（リサージュ図形）を突起において所望の楕円形状または略円形状とすることができる。この軌跡の一部が被駆動体の駆動方向に略沿うように振動体を配置し、突起の押圧により、被駆動体を適切な摩擦力で駆動方向に送り出すことが可能となるため、駆動効率を良好にできる。

本発明の電子機器は、前述の圧電アクチュエータを備えたことを特徴とする。
この発明によれば、前述の圧電アクチュエータを備えたことにより、前述と同様の作用および効果を享受することができる。
ここで、前述した本発明の圧電アクチュエータは駆動効率に優れ、高出力や低電力などの要求に応えることができるため、各種の電子機器における駆動機構などに広く利用することが可能である。
例えば、カメラのズーム機構および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、可動玩具を駆動する超音波モータなどに、本発明の圧電アクチュエータを使用できる。

本発明の電子機器は、計時手段と、この計時手段で計時された情報を表示する計時情報表示部とを備えた時計であることが好ましい。
この発明によれば、前述の圧電アクチュエータで計時手段や計時情報表示部を構成する歯車などを駆動することが可能となる。本発明の圧電アクチュエータにより、高負荷となる厚みがある指針や回転板なども被駆動体として使用でき、重厚感のある時計デザインとすることができる。
また、年月日および曜などの暦表示に係る指示部材や、連続的に運針される時分秒などの指針や、ストップウォッチの操作時などに駆動される指針などを低電力で駆動することも可能となる。
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、応答性が高く微小送りが可能、小型薄型化に有利、高トルクなどを実現できる。

本発明によれば、縦振動および屈曲振動の位相差を容易に設定可能であるため、突起の略円形運動を実現できる。また、縦振動および屈曲振動の振幅を効率良く拡大することができるので、駆動効率を大幅に向上させることができる。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態を図面に基いて説明する。
なお、第２実施形態以降の説明において、以下に説明する第１実施形態と同様の構成については、同一符号を付して、説明を省略もしくは簡略化する。

（１．時計の概略構成）
図１は、本実施形態における電子機器としての時計１の平面図である。
時計１は、計時手段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、これらがケース７に収容され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２５の回転により、日車２５に印字された日が順次表示される。

なお、時計１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、水晶振動子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。

（２．日表示装置の構造）
図２は、ムーブメント２を文字板３の表側から見た平面図であり、図３は、図２の部分拡大図である。
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２０が組み込まれている。
日表示装置２０は、振動体３０Ａを有する圧電アクチュエータ３０と、この圧電アクチュエータ３０によって２４時になる度、間欠的に駆動される被駆動体としてのロータ２１と、ロータ２１に伝達された駆動力を減速しつつ伝達する日回し中間車２２，２３および日回し車２４と、日回し車２４により回転される日車２５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３０、ロータ２１、日回し中間車２２，２３、および日回し車２４、日車２５は、地板２６の表側（文字板３側）にそれぞれ設けられている。
一方、地板２６の裏側には、秒針６などに駆動力を伝達するステッピングモータや、圧電アクチュエータ３０に導通された電圧印加装置などに電力を供給する電池が設けられるほか、ステッピングモータの駆動力を伝達して時針４、分針５、秒針６などを駆動する駆動輪列が設けられている。

ロータ２１は、円板状の回転体であって、ロータ支持体２７に回転自在に保持されている。
ロータ支持体２７は、ロータ２１の表裏を囲う断面コ字状に形成されるとともに、ピン２７Ａを中心に地板２６に軸支されている。また、ロータ支持体２７は、別のピン２７Ｂを備えており、このピン２７Ｂに地板２６の軸２６Ｂに巻回された付勢手段としての押圧ばね２７Ｃが当接することによって、図３中、反時計回りに（振動体３０Ａ側に）付勢されている。これにより、ロータ支持体２７に軸支されたロータ２１は振動体３０Ａに所定の接触圧で当接され、圧電アクチュエータ３０による駆動力の伝達効率が良好となっている。

日回し中間車２２には、ロータ２１上部のロータかな２１Ａが噛合しており、日回し中間車２２は、ロータ２１の回転に連動して回転する。
日回し中間車２３は、大径部２３１と小径部２３２とから構成されている。大径部２３１には、日回し中間車２２が噛合している。また、小径部２３２は、大径部２３１に対し、同心をなすように固着されている。この小径部２３２の外周面には１つの切欠部２３２Ａが形成されている。

日回し車２４は、歯数が５つの歯車であり、その回転軸２４１は、地板２６に形成された孔２６Ａに遊挿されている。孔２６Ａは、日車２５の周回方向に沿って長孔状に形成されている。そして、回転軸２４１は、地板２６に固定された板ばね２４２によって図２において右上方向、すなわち日回し中間車２３側に付勢されている。そして、日回し中間車２３の１回転に伴い、日回し車２４の歯が日回し中間車２３の切欠部２３２Ａに嵌まり込んで１歯分回転することで、日回し車２４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２４は日車２５の内歯２５１に噛合しており、板ばね２４２の付勢作用によって日車２５の揺動も防止される。

日車２５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２０では、日の変わり目（２４時）に圧電アクチュエータ３０が動作し、ロータ２１、日回し中間車２２，２３が順次回転し、日回し車２４が切欠部２３２Ａと係合して回転することにより、日車２５が１日分回転する。なお、時針４が取り付けられる筒車に各種の回転エンコーダなどを設けることによって、２４時を検出可能である。

（３．圧電アクチュエータの構成）
次に、圧電アクチュエータ３０の構造について説明する。
図４は、圧電アクチュエータ３０が有する振動体３０Ａの斜視図である。
振動体３０Ａは、平面矩形の板状である２つの圧電素子３１と、これらの圧電素子３１が表裏両面に積層された平面略矩形状の補強板３２とを備えている。

圧電素子３１は、補強板３２の両面に、エポキシ系樹脂等の接着剤を用いて強固に接着されている。圧電素子３１の材料は、特に限定されず、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ（登録商標））、水晶、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、メタニオブ酸鉛、ポリフッ化ビニリデン、亜鉛ニオブ酸鉛、スカンジウムニオブ酸鉛等の各種のものを用いることができる。
この圧電素子３１の表裏両面には、ニッケルおよび金などによる電極がめっき、スパッタ、蒸着等の方法で形成され、裏面に形成された電極（図示せず）が補強板３２と重ねられ導通されている。

圧電素子３１の表面に形成された電極４０では、一方の対角部分がエッチング等で形成された溝４５によってそれぞれ略矩形状に区画され、駆動信号の電圧が印加される駆動電極４１、および一対の部分電極４２がそれぞれ形成されている。
すなわち、溝４５により区画された部分には、矩形状の部分電極４２が圧電素子３１の平面中心Ｏに対して互いに点対称に配置され、電極４０の残りの領域は駆動電極４１とされている。これら駆動電極４１と部分電極４２とは、互いに隣接して配置されている。部分電極４２は、詳しくは、圧電素子３１の角隅部から長辺に沿って、圧電素子３１の長手方向において約半分の位置まで延びている。

これらの駆動電極４１および部分電極４２は、図示を省略するが、リード線によって交流電圧の印加装置に導通されており、部分電極４２には、駆動電極４１に印加する電圧の位相と逆転した位相の電圧が印加される。
なお、駆動電極４１および部分電極４２は、補強板３２の両面側の電極４０において同様に形成され、例えば、図４に示された部分電極４２の背面側となる位置に裏面側の部分電極４２が設けられている。

補強板３２は、ステンレス鋼、その他の導電性の金属材料から形成され、圧電素子３１が接着される矩形状の本体３２Ａと、本体３２Ａの短辺側両側面から本体３２Ａの長手方向に沿って平面矩形状に突出する一対の突起３２１，３２２とを一体に有する。そして、一方の突起である駆動用突起３２１がロータ２１の側面外周に当接される（図３）。

このような振動体３０Ａの平面略中心には、地板２６から突出するピン２６１が挿通される孔３５が形成され、この孔３５は、圧電素子３１および補強板３２を貫通するように形成されている。この孔３５にピン２６１を挿通すると、振動体３０Ａはピン２６１の基端側に形成された拡径部に支持される。そして、ピン２６１の先端部に図示しない押さえ板を取り付けることにより、振動体３０Ａは地板２６に固定される。なお、ピン２６１は導電性材料で形成されており、このピン２６１を通じて、補強板３２および圧電素子３１裏面側の電極に対する導通が取られている。

（４．振動体における電極および突起の配置態様）
図５は、振動体３０Ａの平面図である。
本実施形態の圧電アクチュエータ３０は、振動体３０Ａの圧電素子３１に設けられた駆動電極４１および部分電極の配置や、補強板３２に形成された突起３２１，３２２の配置に関して特徴を有する。

突起３２１，３２２は、圧電素子３１の平面中心Ｏを通り長手方向に沿って延びる中心線Ｃ１上から互いに反対方向に偏心した位置に配置されている。
一方、圧電素子３１の長手方向に沿って延びる中心線Ｃ１および幅方向に沿って延びる中心線Ｃ２によって、圧電素子３１の平面が縦横にそれぞれ二等分された４つの矩形状の領域Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４を仮定すると、部分電極４２は、圧電素子３１の対角線上に配置された領域Ｓ１，Ｓ３内に配置されている。
ここで、圧電素子３１の幅方向における駆動電極４１の幅寸法Ｗ１と、同じく圧電素子３１の幅方向における部分電極４２の幅寸法Ｗ２との比率に関し、駆動電極４１の幅寸法Ｗ１は、部分電極４２の幅寸法Ｗ１の５倍となっている。すなわち、本実施形態では、（駆動電極の幅寸法Ｗ１）：（部分電極の幅寸法Ｗ２）＝５：１である。

そして、これらの突起３２１，３２２と部分電極４２との配置関係については、圧電素子３１の長手方向において、突起３２１，３２２はそれぞれ、駆動電極４１を挟んで部分電極４２と反対側の位置に配置されている。
つまり、図５中、中心線Ｃ１よりも上側では、右から左に向かって、突起３２１、駆動電極４１、部分電極４２がこの順序で配置され、中心線Ｃ１よりも下側では、左から右に向かって、突起３２２、駆動電極４１、部分電極４２がこの順序で配置されている。

（５．圧電アクチュエータ３０の動作）
以上説明した圧電アクチュエータ３０の動作について説明する。
圧電アクチュエータ３０の駆動にあたり、補強板３２の表裏に設けられた圧電素子３１に対して、図示しない電圧印加装置を通じて交流電圧をそれぞれ印加する。
すなわち、駆動電極４１と補強板３２との間、そして、部分電極４２と補強板３２との間で、交流電圧をそれぞれ印加する。
この際、部分電極４２に対しては、駆動電極４１に印加される電圧の位相とは逆転した位相で電圧を印加する。

図６は、電圧印加による振動体３０Ａの振動状態を示す。
振動体３０Ａは、主として駆動電極４１への電圧印加により、先ず、振動体３０Ａの長手方向に沿って縦一次振動を励振する。
そして、中心線Ｃ１から偏心した位置に突起３２１，３２２が設けられて振動体３０Ａの形状が幅方向において非対称であり、振動体３０Ａの幅方向における重量バランスがアンバランスであることにより、縦一次振動に伴って、振動体３０Ａの幅方向に屈曲二次振動が誘発する。
振動体３０Ａがこのような縦振動および屈曲振動を励振する際、突起３２１，３２２の慣性質量により、振動体３０Ａの縦振動と屈曲振動とには位相差が生じる。この位相差によって突起３２１は楕円に近似した軌跡Ｒを描き、この軌跡Ｒの一部において、突起３２１がロータ２１の側面を繰り返し押圧することにより、ロータ２１は所定の方向に回転駆動される。なお、ロータ２１とは反対側に配置された突起３２２も軌跡Ｒを描く。

ここで、駆動電極４１および部分電極４２における印加電圧の位相が逆であることにより、圧電素子３１において、駆動電極４１の部分の伸張時、部分電極４２の部分は収縮し、反対に、駆動電極４１の部分の収縮時、部分電極４２の部分は伸張する。これら駆動電極４１および部分電極４２における伸縮状態について、図６に矢印で図示した（駆動電極４１が伸張した状態）。
このような駆動電極４１および部分電極４２の伸縮状態により、駆動電極４１の部分の伸張に対し、この伸張する部分に隣接する部分電極４２の部分が収縮して追従することとなるから、振動体３０Ａの伸縮状態および屈曲状態が共に良好となり、振動体３０Ａの縦振動および屈曲振動双方の振幅を大きいものとできる。これにより、突起３２１の軌跡Ｒの径も大きくできる。
なお、振動体３０Ａは、平面中心Ｏにある屈曲振動の節の位置近傍を基点に屈曲するので、平面中心Ｏから突起３２１が設けられた振動体３０Ａの端部までの距離において屈曲振幅が拡大される。

図７に参考までに、部分電極４２に電圧を印加しない状態の振動体３０Ａを示した。このように、駆動電極４１のみに電圧を印加することによっても、中心線Ｃ１の両側でそれぞれ、伸縮する領域（駆動電極４１が設けられた部分）と伸縮しない領域があるため縦振動および屈曲振動が生じるが、この場合の縦振動および屈曲振動の振幅は、図６に示した状態と比べて小さいことがわかる。

ところで、駆動電極４１および部分電極４２に印加される電圧の周波数（駆動周波数）については、振動体３０Ａ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８（Ａ）に、振動体３０Ａにおける駆動周波数とインピーダンスとの関係を示し、図８（Ｂ）には、振動体３０Ａにおける駆動周波数と縦振動の振幅および屈曲振動の振幅との関係を示した。
図８（Ａ）に示すように、本実施形態においては、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となる様に、振動体３０Ａの形状及び寸法が設定されている。
ここで、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との間で振動体３０Ａ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、突起３２１は略楕円の軌跡Ｒを描くこととなる。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、縦振動および屈曲振動の振幅がより大きくなる駆動周波数を設定することができる。
また、縦共振周波数ｆｒ１から屈曲共振周波数ｆｒ２に向かって駆動周波数を変化させると、縦振動の振幅よりも屈曲振動の振幅の方が次第に大きくなり、突起３２１が描く軌跡Ｒの軸の向きおよび長さが変わる。これに基き、所望の軌跡Ｒに応じて駆動周波数を適宜選択すればよい。

他方、前述のように、駆動電極４１の幅寸法Ｗ１および部分電極４２の幅寸法Ｗ２の比率は、Ｗ１：Ｗ２が５：１で設定されているため、突起３２１の楕円軌跡Ｒを実現できるとともに、振動体３０Ａにおける縦振動および屈曲振動の振幅を共に拡大できる。
このＷ１：Ｗ２の比率は、５：１〜５０：１の範囲で設定可能である。
仮に、駆動電極４１の幅寸法Ｗ１が部分電極４２の幅寸法Ｗ２の５倍に満たない程、部分電極４２の幅寸法Ｗ２が大きい場合には、屈曲振動の振幅が縦振動の振幅と比べて大きくなり過ぎ、縦振動の励振が制限されてしまう。このため、出力される駆動力の低下を招くとともに、突起３２１を所望の楕円軌跡で運動させることが難しくなる。
一方、駆動電極４１の幅寸法Ｗ１が部分電極４２の幅寸法Ｗ２の５０倍を超える程、部分電極４２の幅寸法が小さい場合には、圧電素子３１において、駆動電極４１が設けられた部分の伸縮に対する追従がほとんど生じないので、縦振動および屈曲振動の振幅を拡大することができず、突起３２１の理想的な軌跡Ｒをやはり実現できないのである。
すなわち、駆動電極４１の幅寸法Ｗ１および部分電極４２の幅寸法Ｗ２の比率（Ｗ１：Ｗ２）は、５：１〜５０：１の範囲で、所望の軌跡Ｒの態様に応じて決めることができる。

（６．本実施形態による効果）
以上説明した本実施形態によれば、次のような効果を奏する。
（１）圧電アクチュエータ３０の振動体３０Ａに形成された突起３２１，３２２により、振動体３０Ａの幅方向における重量バランスがアンバランスとなるため、縦振動に続いて、振動体３０Ａの幅方向に屈曲振動が誘起するとともに、これらの突起３２１，３２２の慣性質量により、振動体３０Ａにおける縦振動と屈曲振動との間に位相差を生じさせることが可能となる。すなわち、突起３２１，３２２の慣性質量により、突起３２１，３２２の略楕円運動を実現するために必要な、縦振動と屈曲振動との位相差を容易に設定できる。
このように、突起３２１，３２２の形成によって縦振動および屈曲振動の位相差が設定可能となるため、位相を制御する位相器は不要であり、駆動回路を簡略に構成できる。これにより、低コスト化を図ることができる。

（２）さらに、振動体３０Ａの圧電素子３１には、駆動電極４１に隣接して、駆動電極４１とは印加電圧の位相が逆である部分電極４２が圧電素子３１の平面中心に対して点対称に設けられ、圧電素子３１の伸びに対し、この伸びる部分に隣接する部分が縮んで追従することから、駆動電極４１のみに電圧を印加した場合よりも、縦振動および屈曲振動の振幅を共に大きくできる。このことと、振動体３０Ａにおける突起３２１，３２２の偏心配置とが相乗するため、大きな駆動力が得られるとともに、低電力でロータ２１を駆動することも可能となる。すなわち、圧電アクチュエータ３０の駆動効率を大幅に向上させることができる。

（３）圧電素子３１における電極４０は、駆動電極４１が１つ、部分電極４２が２つの計３つのパターンのみで簡略に構成されるため、各電極４１，４２への配線が煩雑とならない。これにより、一層低コスト化できる。

（４）圧電素子３１における駆動電極４１の幅寸法Ｗ１および部分電極４２の幅寸法Ｗ２の比率（Ｗ１：Ｗ２）は５：１〜５０：１の範囲で規定され、このことから、振動体３０Ａの縦運動および屈曲振動の振幅を共に大きくすることが可能な最適な比率が得られるので、突起３２１，３２２の理想的な軌跡Ｒを実現できる。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図９は、本実施形態における圧電アクチュエータ３０の振動体３０Ｂの平面図である。
振動体３０Ｂでは、圧電素子３１に設けられる電極５０のレイアウトが第１実施形態の電極４０とは相違する。その他の構成については、本実施形態の振動体３０Ｂは第１実施形態の振動体３０Ａと略同様である。

電極５０は、駆動信号の電圧がそれぞれ印加される駆動電極５１と、この駆動電極５１と隣接配置される矩形状の部分電極５２とを有して構成されている。
部分電極５２の長さ寸法Ｌは、第１実施形態の部分電極４２（図６）の長さに対して１／３程度であり、その分、部分電極５２の面積は小さくなっている。部分電極５２は、中心線Ｃ２にその短辺側を寄せて配置されている。
駆動電極５１は、部分電極５２の面積が小さくなった分、第１実施形態の駆動電極４１（図６）よりも面積が大きいものとなっている。

このような振動体３０Ｂは、駆動電極５１および部分電極５２への電圧印加により、次のように振動する。
図１０は、振動体３０Ｂの振動状態を示す図である。
ここで仮に、部分電極５２が振動体３０Ｂの端部に設けられている場合は、部分電極５２による屈曲の効果はその端部に留まり、縦振動および屈曲振動の小さな振幅しか得られない。これに対して、本実施形態の振動体３０Ｂでは、部分電極５２が設けられた位置が平面中心Ｏにある屈曲振動の節の近傍であるため、振動体３０Ｂを平面中心Ｏ近傍から屈曲させることが可能となる。これにより、圧電素子３１の平面における部分電極５２の面積が第１実施形態における部分電極４２の面積よりも小さいにも関わらず、縦振動および屈曲振動の振幅を共に大きくでき、突起３２１における所望の軌跡Ｒを実現できる。

〔本発明の変形例〕
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。

圧電素子における駆動電極および部分電極の配置態様は、前記各実施形態の態様には限定されない。これらの駆動電極および部分電極の幅、長さ、面積の比率などは、所望の突起の軌跡に応じて、適宜決められる。
例えば、図５などで図示した、圧電素子３１平面上の領域Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４において、圧電素子３１平面における対角線上に配置された領域Ｓ１，Ｓ３に納まる範囲内で、適宜、部分電極４２の大きさ、位置、形状などを決めてよい。

また、駆動電極および部分電極に対して電圧印加装置などから印加される駆動信号の振幅、波形などについては特に限定されない。すなわち、駆動信号の振幅は同じでなくてもよい。また、駆動電極の波形は、サイン波、矩形波、三角波などの任意の波形であってよい。
ここで、駆動電極への印加電圧の位相と部分電極への印加電圧の位相とは前述のように逆転関係にあるが、この「逆転」に関しては、丁度１８０°逆転している場合に限らず、ある程度（例えば５％）の誤差が許容され、このような誤差を有する場合でも、前述と同様の作用効果を得ることができる。

また、本発明における部分電極は、圧電素子の圧電効果によって振動体３０の振動状態を電気的に検出するための検出電極（センサ電極）として利用することも可能である。すなわち、必要に応じて、電圧が印加されて駆動に用いられる電極として、あるいは振動状態の検出電極として、部分電極を使い分けることができる。

一方、振動体の突起に関して、前記各実施形態では平面矩形状に形成されていたが、これに限らず、平面円弧形状や台形状など任意の形状であってよい。
ここで、突起の個数、形状、位置、材質、大きさなどについては、振動体の駆動時における突起の慣性質量に基いて適宜決められる。
例えば、振動体の端部から突出する突起の長さを幅に対して大きくすることによって、振動体の駆動時に突起に作用する慣性モーメントをより大きくできるので、屈曲振動の振幅を拡大できる。
なお、前記各実施形態における突起３２１，３２２は、補強板３２に一体形成されていたが、これに限らず、補強板３２に別部材で取り付けられていてもよい。あるいは、圧電素子の端部に突起を形成することも検討できる。

被駆動体の駆動方向は特に限定されず、前記各実施形態におけるロータ２１の回転方向も限定されるものではない。第１実施形態において、圧電素子３１における駆動電極４１および部分電極４２の配置、および突起３２１，３２２の位置を中心線Ｃ１に対して線対称に反転させれば、ロータ２１が逆方向に回転する。

前記各実施形態では、圧電アクチュエータ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。
また、このように時計の駆動機構を駆動するための圧電アクチュエータに限らず、回転駆動用の一般モータとして構成しても勿論良い。
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、本発明の圧電アクチュエータを適宜使用できる。そのほか、携帯情報端末、電話機などの各種電子機器について、本発明の圧電アクチュエータを広く利用できる。

本発明の第１実施形態における時計の外観図。 前記実施形態におけるムーブメントの平面図。 前記実施形態における圧電アクチュエータの平面図。 前記実施形態における振動体の斜視図。 前記実施形態における振動体の平面図。 前記実施形態における振動体の振動状態を示す図。 図６と比較するために、部分電極に電圧が印加されていない状態を示す図。 前記実施形態における振動体について、（Ａ）は、駆動周波数とインピーダンスとの関係を示すグラフ、（Ｂ）は、駆動周波数と縦振動および屈曲振動の振幅との関係を示すグラフ。 本発明の第２実施形態における振動体の平面図。 前記実施形態における振動体の振動状態を示す図。

符号の説明

１・・・時計、２・・・ムーブメント（計時手段）、３・・・文字板（計時情報表示部）、４・・・時針（計時情報表示部）、５・・・分針（計時情報表示部）、６・・・秒針（計時情報表示部）、２１・・・ロータ（被駆動体）、３０・・・圧電アクチュエータ、３０Ａ・・・振動体、３０Ｂ・・・振動体、３１・・・圧電素子、４０・・・電極、４１・・・駆動電極、４２・・・部分電極、５０・・・電極、５１・・・駆動電極、５２・・・部分電極、３２１，３２２・・・突起、Ｃ１・・・中心線、Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４・・・領域、Ｗ１・・・幅寸法、Ｗ２・・・幅寸法。

Claims (7)

1. 平面略矩形の板状の圧電素子を有して前記圧電素子への電圧印加により振動する振動体を備え、この振動体の振動により被駆動体を所定方向に駆動する圧電アクチュエータであって、
   前記振動体は、
   前記圧電素子の平面中心を通り長手方向に沿った中心線から前記長手方向に直交する幅方向に偏って設けられ、かつ前記圧電素子の長手方向の一方の端部側に突出して形成され前記被駆動体に当接して駆動する駆動用突起と、
   前記幅方向では前記中心線に対して前記駆動用突起の反対側に配置され、かつ前記長手方向では前記平面中心を中心に前記駆動用突起とは反対側の端部側に突出して形成された突起と、
   当該圧電素子の平面に設けられ、電圧が印加されることにより前記長手方向に沿った縦振動を生じさせ、かつ前記縦振動に基づいて前記駆動用突起および前記突起の慣性質量により前記幅方向に振動する屈曲振動を誘起させる駆動電極と、
   当該圧電素子の平面に設けられ、前記圧電素子の平面が縦横にそれぞれ二等分された４つの領域を仮定すると前記圧電素子の対角線上の当該２領域内にそれぞれ配置され、かつ前記駆動電極の隣にそれぞれ配置される一対の部分電極とを備え、
   前記駆動用突起は、前記中心線に対し前記駆動用突起が配置された前記幅方向の側であって、前記圧電素子の長手方向において前記駆動電極を挟んで前記部分電極とは反対側の位置に配置されており、
   前記突起は、前記中心線に対し前記突起が配置された前記幅方向の側であって、前記圧電素子の長手方向において前記駆動電極を挟んで前記部分電極とは反対側の位置に配置されており、
   前記駆動電極に印加される電圧と前記一対の部分電極に印加される電圧は、前記駆動電極が配置された圧電素子部分が伸長する際には前記一対の部分電極が配置された圧電素子部分が収縮し、逆に前記駆動電極が配置された圧電素子部分が収縮する際には前記部分電極が配置された圧電素子部分が伸長するように、互いの位相が逆転して印加されており、
   前記縦振動と前記屈曲振動とにより前記駆動用突起は略円形運動を行う
   ことを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 請求項１に記載の圧電アクチュエータにおいて、
   前記一対の部分電極は、前記振動体の平面中心にある前記屈曲振動の節の近傍位置に配置されている
   ことを特徴とする圧電アクチュエータ。
3. 請求項１または２に記載の圧電アクチュエータにおいて、
   前記駆動電極に印加される電圧と前記一対の部分電極に印加される電圧の周波数は、前記縦振動の縦共振周波数と前記屈曲振動の屈曲共振周波数との間の周波数である
   ことを特徴とする圧電アクチュエータ。
4. 請求項１から３のいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、
   前記駆動電極は、前記圧電素子の平面において前記部分電極が配置された部分を除いた残りの領域に１つ、設けられている
   ことを特徴とする圧電アクチュエータ。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の圧電アクチュエータにおいて、
   前記各部分電極は、略矩形状であって、その長辺が前記圧電素子の長辺に略沿うように配置され、
   前記圧電素子の幅方向における前記駆動電極の寸法は、前記圧電素子の幅方向における前記部分電極１つの寸法の５倍〜５０倍である
   ことを特徴とする圧電アクチュエータ。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の圧電アクチュエータを備えた
   ことを特徴とする電子機器。
7. 請求項６に記載の電子機器は、計時手段と、この計時手段で計時された情報を表示する計時情報表示部とを備えた時計である
   ことを特徴とする電子機器。

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