JP2002262586A - 圧電アクチュエータ、時計および携帯機器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型・薄型の構成でありながら、高効率かつ
安定した駆動を行うことができる圧電アクチュエータを
提供する。 【解決手段】 振動板１０は、圧電素子３０，３１と補
強板３２とを具備する。補強板３２は、支持部材１１が
一体に形成される固定部３２ａと、この固定部３２ａの
両側から振動板１０の長手方向に向けて湾曲しつつ延び
る一対のアーム部３２ｂと、これらのアーム部３２ｂの
先端に形成され、前記長手方向に対してほぼ直交する方
向に延びる可動部３２ｃとを具備して構成される。この
ため、補強板３２は、圧電素子３０，３１とほぼ同形の
長方形状として形成した場合に比べて、振動板１０の長
手方向に対する縦振動および屈曲振動を発生し易くす
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電素子を有する
圧電アクチュエータ、この圧電アクチュエータを備えた
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】圧電素子の変位は供給される駆動信号の電
圧値にもよるが微小であり、サブミクロン程度であるの
が通常である。このため、何らかの増幅機構によって変
位を増幅して駆動対象に変位を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、エネルギー効率が低下
するといった問題があると共に、装置のサイズが大きく
なってしまうといった問題がある。また、増幅機構を介
する場合、駆動対象に対して安定した駆動力を伝達する
ことが困難となることもある。

【０００４】また、腕時計のような小型の携帯機器は電
池によって駆動されるため、消費電力や駆動信号の電圧
値を低く抑える必要がある。このような携帯機器に圧電
アクチュエータを組み込む場合、そのエネルギー効率が
高く、駆動信号の電圧値を低くしたものが要求される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、時計などで
は、日や曜日等を表示するカレンダ表示機構が備えられ
ている。このカレンダ表示機構は、電磁式のステップモ
ータの回転駆動力を運針用の輪列を介して日車などにも
間欠的に伝達し、日車を送り駆動するのが一般的であ
る。一方、腕時計は手首にベルトを巻き付けて携帯する
ものであるから、携帯に便利なように薄型化の要求が古
くからある。薄型化を追求するには、カレンダ表示機構
の厚さを薄くすることも必要な条件となる。しかし、ス
テップモータはコイルやロータといった部品を面外方向
に組み込んで構成されるため、その厚さを薄くするには
限界がある。このため、ステップモータを用いた従来の
カレンダ表示機構は、薄型化を必要とする腕時計には適
していないという問題があった。

【０００６】特に、カレンダ表示機構を備えた時計と、
係る機構を備えていない時計との間で運針を行う機械系
（所謂、ムーブメント）を共通化するためには、カレン
ダ表示機構を文字板側に配置する必要がある。しかし、
カレンダ表示機構の駆動源に電磁式のステップモータを
用いた場合には、文字板側に配置できる程の薄型化が困
難である。このため、従来の腕時計は、カレンダ表示機
構の有無によって運針を行う機械系を別々に設計して製
造する必要があり、生産性を向上させる際の問題となっ
ていた。

【０００７】そこで、高効率でありながら、小型機器へ
の搭載を可能とするアクチュエータとして、薄板矩形状
の圧電素子等から構成される振動板に駆動信号を印加す
ることにより圧電素子を長手方向に伸縮させて縦振動を
励振し、当該縦振動によって機械的に屈曲振動を誘発さ
せる圧電アクチュエータが提案されている。このような
圧電アクチュエータでは、振動板に縦振動および屈曲振
動の両者を生じさせることにより、圧電アクチュエータ
において駆動対象と接触する部位を楕円軌道で移動させ
る。これにより、この圧電アクチュエータは、小型薄型
の構成でありながら、高効率の駆動を実現している。

【０００８】しかし、上述した如く、振動板に対して、
縦振動を電気的に励振させ、この該縦振動によって屈曲
振動を機械的に誘発させる圧電アクチュエータでは、駆
動信号を印加することにより圧電素子の伸縮によって生
じる縦振動は、駆動信号の電圧値を制御することにより
比較的容易に制御することができるものの、振動板の機
械的な特性に応じて誘発される屈曲振動は容易かつ正確
に制御することは困難である。このため、振動板の加工
精度のばらつき等に起因して誘発される屈曲振動もばら
ついてしまうといった、製品としての安定度が欠落する
ことも考えられる。

【０００９】また、振動板の形状などによって決まる機
械的な特性によって屈曲振動等が決まってしまい、決め
られた形状などの機械的条件の下では、さらに大きな振
幅となる屈曲振動を得ることはできない。即ち、振動板
は、圧電素子とこの圧電素子を補強する補強板との積層
構造になっている。この補強板の目的は、圧電素子の厚
さ方向への変位を抑制することである。このため、補強
板は有る程度硬い材料によって形成され、現行の圧電ア
クチュエータに用いられる補強板は、その材料に、例え
ばＳＵＳ３０１ＥＨが用いられており、この補強板のヤ
ング率は約１７５００ｋｇ／ｍｍ²となっている。しか
し、この補強板を用いた圧電アクチュエータでは、圧電
素子のヤング率（７０００ｋｇ／ｍｍ²）に比べ、補強
板のヤング率がかなり大きくなっている。このため、振
動板に発生する縦振動および屈曲振動を補強板が妨げて
しまう。これにより、大きな振幅を有する屈曲振動が得
られない誘因の一つとして補強板の剛性がある。

【００１０】本発明は、上記の事情を考慮してなされた
ものであり、小型・薄型化が可能な構成でありながら、
高効率かつ安定した駆動を行うことのできる圧電アクチ
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。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明に係る圧電アクチュエータは、板状の圧電素
子と補強板とが積層された振動板と、前記振動板の長手
方向の中央部付近に位置し、前記補強板に取り付けられ
る支持部材と、前記振動板の長手方向の一端側に設けら
れ、駆動対象に当接される当接部と、を具備しており、
前記圧電素子に駆動信号を供給することにより、前記圧
電素子を伸縮させて前記振動板に前記長手方向に伸縮す
る縦振動および前記長手方向に直交する幅方向に揺動す
る屈曲振動を生じさせ、この振動に伴う前記当接部の変
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、前記補強板は、この補強板の有する剛性の強
さを前記圧電素子の有する剛性の強さより強くし、前記
圧電素子の有する剛性の強さに近づけることを特徴とし
ている。

【００１２】この構成によれば、供給される駆動信号に
よって圧電素子が伸縮し、振動板に長手方向に沿った縦
振動が励振され、この縦振動に伴って屈曲振動が誘発さ
れる。また、補強板は、その剛性の強さを前記圧電素子
の有する剛性の強さに近づけることにより、補強板によ
って、縦振動および屈曲振動を妨げ難くする。この結
果、屈曲振動の振幅が大きくなる。また、この構成で
は、厚み方向に各種部材を積層する構造を採る必要がな
いため、小型薄型化も容易である。

【００１３】また、上記構成において、前記補強板は、
前記支持部材が取り付けられ、前記縦振動の節となる部
分に位置した固定部と、前記固定部から前記振動板の長
手方向に延びる一対のアーム部と、前記一対のアーム部
の先端に形成され、前記長手方向に対してほぼ直交する
方向に延びる可動部とを備えてもよい。

【００１４】また、上記構成において、前記補強板は、
前記支持部材が取り付けられ、前記縦振動の節となる部
分に位置した固定部と、前記固定部から前記振動板の長
手方向に湾曲しつつ延びる一対のアーム部と、前記一対
のアーム部の先端に形成され、前記長手方向に対してほ
ぼ直交する方向に延びる可動部とを備えてもよい。

【００１５】また、上記構成において、前記固定部に
は、起端がこの固定部に形成され、先端が前記屈曲部側
に向けて延びる補強部を形成してもよい。

【００１６】また、上記構成において、前記補強板のう
ち、前記固定部、アーム部および可動部と、前記圧電素
子とを接着固定してもよく、前記補強板のうち、前記固
定部および可動部と、前記圧電素子とを接着固定しても
よい。

【００１７】また、上記構成において、前記補強板は、
前記圧電素子の有するヤング率より大きな値であって、
前記圧電素子の有するヤング率の値に近い値のヤング率
を有する材料によって形成されてもよい。

【００１８】また、上記構成において、前記当接部は、
前記補強板に一体に形成されてもよい。

【００１９】また、上記構成において、前記当接部は硬
化部材によって形成され、前記補強板に設けられてもよ
い。

【００２０】また、上記構成において、前記当接部は、
硬化処理が施され、前記補強板に一体に形成されてもよ
い。

【００２１】また、本発明に係る時計は、上記構成の圧
電アクチュエータと、前記圧電素子に前記駆動信号を供
給する駆動回路と、前記圧電アクチュエータによって駆
動されるカレンダ表示車と、を具備することを特徴とし
ている。

【００２２】また、本発明に係る携帯機器は、上記構成
の圧電アクチュエータと、前記圧電素子に前記駆動信号
を供給する駆動回路と、前記駆動回路に電力を供給する
電源と、を具備することを特徴としている。

【００２３】

【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に、本実施形態では、本発明に
よる圧電アクチュエータによって駆動されるカレンダ表
示機構を備えた腕時計を例示する。 Ａ．全体構成 まず、図１は、本発明の一実施形態に係る腕時計におい
て、圧電アクチュエータを組み込んだカレンダ表示機構
の主要構成を示す平面図である。同図に示すように、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を備えている。また、駆
動対象となるロータ１００は地板（支持体）１０３に回
転自在に支持され、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。

【００２４】次に、カレンダ表示機構は、ロータ１００
を介して圧電アクチュエータＡに連結されており、ロー
タ１００の駆動力によって駆動される。カレンダ表示機
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と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。

【００２５】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１
００が時計回りに回転させられる。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。このように、振動板１０からロータ１００、ロ
ータ１００から減速輪列、減速輪列から日車５０への力
の伝達は、いずれも面内方向で行われる。このため、カ
レンダ表示機構を薄型化することができる。

【００２６】図２は本発明の一実施形態に係る時計の断
面図である。図において、網目部分に、上述した圧電ア
クチュエータＡを備えたカレンダ表示機構が組み込ま
れ、時計全体を薄型にするために、カレンダ表示機構が
組み込まれる厚さＤも極めて薄くなる。カレンダ表示機
構の上側には、円盤状の文字板７０が設けられている。
この文字板７０の外周部の一部には日付を表示するため
の窓部７１が設けられており、窓部７１から日車５０の
日付が覗けるようになっている。また、文字板７０の下
側には、針７２を駆動するムーブメント７３、および後
述する駆動回路（図示せず）が設けられている。

【００２７】以上の構成において、圧電アクチュエータ
Ａは、従来のステップモータのようにコイルやロータを
厚さ方向に積み重ねるのではなく、同一平面内に振動板
１０およびロータ１００を配置した構成となっている。
このため、構造は、ステップモータ等に比べて薄型に形
成される。このように、カレンダ表示機構を薄型化する
ことにより、時計全体の厚さを薄くすることができる。
例えば、昨今発電機能を備えた腕時計が種々提案されて
いるが、このような腕時計においては、発電機構と運針
駆動用のモータ機構といった少なくとも２つの大きな構
成要素を搭載しなくてはならず、このようにカレンダ表
示機構を薄型化できることのメリットは大きいと言え
る。さらに、カレンダ表示機構のある時計と、カレンダ
表示機構のない時計との間でムーブメント７３を共通化
することができ、設備の共通化や設計工数の削減等によ
り、これらの時計の生産性を高めることが可能となる。

【００２８】Ｂ．カレンダ表示機構の構成 次に、カレンダ表示機構の構成を、図１およびその断面
図である図３を参照しつつ説明する。図において、地板
１０３は、各部品を配置するための第１の底板であり、
底板１０３´は、底板１０３に対して部分的に段差を持
った第２の底板である。

【００２９】圧電アクチュエータＡによって回転駆動さ
れるロータ１００の上方には、ロータ１００と同軸で、
かつロータ１００によって回転させられる歯車１００ｃ
が設けられている。日回し中間車４０は、大径部４ｂと
これと同心を成すように固着され大径部４ｂよりも若干
小径に形成された小径部４ａとから構成されており、ロ
ータ１００に伴う歯車１００ｃの回転に伴って、歯車１
００ｃと歯合する大径部４ｂが回転させられて中間車４
０が回転させられるようになっている。小径部４ａの周
面は略正方形状に切り欠かれ、切欠部４ｃが形成されて
いる。

【００３０】また、底板１０３´には日回し中間車４０
のシャフト４１が形成されており、日回し中間車４０の
内部にはシャフト４１と連結する軸受（図示せず）が形
成されている。従って、日回し中間車４０は、底板１０
３´に対して回転自在に設けられている。なお、ロータ
１００も内部に軸受（図示せず）を有しており地板１０
３に対して回転自在に軸支されている。

【００３１】次に、日車５０は、リング状の形状をして
おり、その内周面に内歯車５ａが形成されている。日回
し車６０は五歯の歯車を有しており、内歯車５ａに噛合
している。また、日回し車６０の中心にはシャフト６１
が設けられており、日回し車６０を回転自在に軸支して
いる。シャフト６１は、底板１０３´に形成された貫通
孔６２に遊挿されている。貫通孔６２は日車５０の周回
方向に沿って長く形成されている。

【００３２】次に、板バネ６３は、その一端は底板１０
３´に固定され、他端はシャフト６１を図１の右上方向
に弾圧している。これにより、板バネ６３は、シャフト
６１および日回し車６０を付勢する。また、この板バネ
６３の付勢作用によって日車５０のがたつきを無くし、
日付表示のずれが防止される。

【００３３】次に、板バネ６４は、一端が底板１０３´
にねじ止めされており、その他端には略Ｖ字状に折り曲
げられた先端部６４ａが形成されている。また、接触子
６５は、日回し中間車４０が回転し先端部６４ａが切欠
部４ｃに入り込んだときに板バネ６４と接触するように
配置されている。板バネ６４には所定の電圧が印加され
ており、接触子６５に接触すると、その電圧が接触子６
５にも印加される。従って、接触子６５の電圧を検出す
ることによって、日送り状態を検出することができる。
なお、内歯車５ａに噛合する手動駆動車を設け、ユーザ
が竜頭（図示せず）に対して所定の操作を行うと、日車
５０を駆動するようにしてもよい。

【００３４】Ｃ．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Ａについて
説明する。図４に示すように、圧電アクチュエータＡ
は、図の左右方向に長く形成された長板状の振動板１０
と、この振動板１０を地板１０３（図１および図３参
照）に支持する支持部材１１とを備えている。

【００３５】振動板１０の長手方向の一方の端部３５に
は、突起部３６がロータ１００側に向けて突設されてお
り、後述するバネ部材３００等によってこの突起部３６
がロータ１００の外周面に押圧した状態で接触させられ
ている。このように、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。また、突起
部３６としては、導体または非導体のものを用いること
ができるが、非導体から形成するようにすれば、一般的
に金属から形成されるロータ１００と接触しても圧電素
子３０，３１が短絡しないようにすることができる。

【００３６】また、図示のように本実施形態では、突起
部３６は、図面の紙面に垂直な方向から見てロータ１０
０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、寸法
ばらつき等によりばらついた場合であっても、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ようにしている。従って、ロ
ータ１００と突起部３６の接触を安定した状態で維持さ
せている。

【００３７】振動板１０の長手方向の中央部付近には、
略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は一端部３７から振動板１０の長手
方向にほぼ直交する方向からロータ１００側に屈曲して
おり、この屈曲している支持部材１１の他端部３８は、
軸部３９により地板１０３（図１参照）に回動自在に支
持されている。即ち、支持部材１１は軸部３９を中心と
して回動自由となっているため、バネ部材３００によっ
て振動板１０をロータ１００に対して所望の押圧力で押
し当てることが可能となる。また、支持部材１１は振動
板１０を構成する後述の補強板３２と一体に形成されて
いる。

【００３８】支持部材１１における振動板１０の長手方
向と略平行に延在する部位１１ａには、バネ部材３００
の一端部３００ａが係合されている。バネ部材３００は
そのピン３００ｂによって地板１０３（図１および図３
参照）に回動自在に支持されている。また、他端部３０
０ｃが地板１０３に係合しているが、この他端部３００
ｃの位置によって支持部材１１に付与する押圧力を変動
させることができる。具体的には、他端部３００ｃをピ
ン３００ｂを中心として図中時計回りに変位させれば、
バネ部材３００の一端部３００ａが支持部材１１の部位
１１ａを上方側に押圧する力が増加し、他端部３００ｃ
を反時計回りに変位させればその押圧力が減少するよう
になっている。ここで、他端部３００ｃの位置を調整す
ることにより、突起部３６がロータ１００に付与する押
圧力を調整することができ、これにより圧電アクチュエ
ータＡの駆動特性の調整等を可能とする。

【００３９】図５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、圧電素子３０，
３１よりも肉厚の薄いステンレス鋼などの補強板３２を
接着剤によって全面接着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の過振幅や落下などによる
外部からの衝撃力に起因する振動板１０の損傷を低減
し、耐久性を向上させている。また、補強板３２として
は、圧電素子３０，３１よりも肉厚の薄いものを用いる
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。また、支持部材１１は、当該補強板３
２に一体に形成されているため、製造工程を簡略化する
ことができる。

【００４０】ここで、補強板３２の形状について、図６
および図７を参照しつつ説明する。図６は補強板３２の
平面図であり、図７は図６の補強板に圧電素子３０，３
１を積層した側面図である。補強板３２は、支持部材１
１が一体に形成される固定部３２ａと、この固定部３２
ａの両側から振動板１０の長手方向に向けて傾斜しつつ
湾曲して延びる一対のアーム部３２ｂと、これらのアー
ム部３２ｂの先端に形成され、前記長手方向に対してほ
ぼ直交する方向に延びる可動部３２ｃとを具備して構成
されている。そして、一方の可動部３２ｃの先端部には
突起部３６が形成され、他方の可動部３２ｃの先端部に
はバランス部１８が形成される。また、固定部３２ａに
は支持部材１１が一体に形成されているため、この固定
部３２ａが後述する縦振動の節となる。

【００４１】また、この形状における補強板３２は、ヤ
ング率が約１７５００ｋｇ／ｍｍ²を有するＳＵＳ３０
１ＥＨが用いられている場合であっても、固定部３２
ａ、アーム部３２ｂおよび可動部３２ｃを残して長方形
から肉削ぎした分だけ弾性率が下がる。この補強板３２
の弾性率は、肉削ぎを行っていない長方形の補強板に比
べ下がると共に、圧電素子３０，３１の弾性率以下にな
らない範囲に近づけられる。補強板３２は、固定部３２
ａを中心として対称形となるアーム部３２ｂおよび可動
部３２ｃを有している。このため、補強板３２は、圧電
素子３０，３１とほぼ同形の長方形状とした場合に比べ
て、振動板１０の長手方向に対する縦振動および屈曲振
動が発生し易くなっている。

【００４２】振動板１０の上下に配置された圧電素子３
０，３１の面上には、図８に示すように、圧電素子３
０，３１のほぼ全面を覆うように電極３３がそれぞれ配
置されている。そして、これらの電極３３を介して圧電
素子３０，３１に、駆動回路５００から駆動信号が供給
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、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。ここで、亜鉛ニオブ酸鉛の組
成式は、［Ｐｂ（Ｚｎ_1/3−Ｎｂ_2/3）Ｏ₃ ）_1-X （Ｐ
ｂＴｉＯ₃）_X］、（但しXは組成により異なり、X=0.09
程度）となり、スカンジウムニオブ酸鉛の組成式は、
［｛Ｐｂ（（Ｓｃ_1/2−Ｎｂ_1/2）_1-X Ｔｉ_X）Ｏ₃］、
（但しXは組成により異なり、X=0.09程度）となる。

【００４３】圧電素子３０，３１の分極方向が逆の場合
には、例えば図９に示すように、上面、中央、下面の電
位が各々＋Ｖ、０、＋Ｖ（もしくは−Ｖ、０、−Ｖ）と
なるように駆動回路５００から駆動信号を印加すれば、
板状の圧電素子が伸び縮みするように変位することにな
る。そこで、本実施形態ではこのような伸縮による変位
を振動に利用している。なお、圧電素子３０，３１の分
極方向を同一となるようにした場合、上面、中央、下面
の電位が各々＋Ｖ、０、−Ｖ（もしくは−Ｖ、０、＋
Ｖ）となるように電圧を印加すればよい。

【００４４】このように構成される振動板１０は、駆動
回路５００から電極３３，３３を介して圧電素子３０，
３１に交流の駆動信号が印加されると、圧電素子３０，
３１には、長手方向に伸縮する振動が発生する。その
際、図１０に示すように、圧電素子３０，３１が長手方
向に伸縮することにより、振動板１０が長手方向に伸縮
する縦振動で振動するようになっており、これにより振
動板１０は図４中矢印で示す方向に振動することにな
る。このように圧電素子３０，３１への駆動信号の印加
によって振動板１０が電気的に縦振動で励振すると、振
動板１０の重量および剛性のアンバランスさによって振
動板１０の重心を中心とした回転モーメントが発生す
る。図１１に示すように、この回転モーメントによって
振動板１０が幅方向（図４の上下方向）に揺動する屈曲
振動が誘発されるようになっている。本実施形態では、
より大きな屈曲振動を誘発させるために、振動板１０の
突起部３６が設けられた側と反対側の端部１６にバラン
ス部１８を設けることにより、より大きな回転モーメン
トを発生させるようにしている。

【００４５】さらに、本実施形態における圧電アクチュ
エータＡでは、振動板１０を構成する補強板３２の形状
を、固定部３２ａ、アーム部３２ｂおよび可動部３２ｃ
によって構成しているため、補強板３２が圧電素子３
０，３１とほぼ同形の長方形である場合に比べ、その弾
性率を圧電素子３０，３１の弾性率に近づけることがで
きる。これにより、振動板１０に発生する縦振動および
この縦振動によって誘発される屈曲振動の振幅を大きく
することができる。

【００４６】このように、振動板１０に縦振動と屈曲振
動とを生じさせ、両者が結合されることにより、振動板
１０の突起部３６におけるロータ１００との接触部分
は、図１２に示すように、楕円軌道に沿って移動するこ
とになる。そして、突起部３６が楕円軌道を描くことに
より、突起部３６がロータ１００側に膨らんだ位置にあ
るときに、突起部３６がロータ１００に対して押圧接触
し、一方突起部３６がロータ１００側から待避した位置
に膨らんだ位置にあるときには、突起部３６がロータ１
００から離間（或いは、接触していても押圧力が小さく
なる）する。従って、圧電アクチュエータＡは、両者の
押圧力の大きい間、つまり突起部３６がロータ１００側
に膨らんだ位置にある時、突起部３６の変位方向にロー
タ１００を回動駆動させるのである。

【００４７】Ｄ．圧電アクチュエータの駆動動作 次に、カレンダ表示機構に組み込まれた圧電アクチュエ
ータＡの圧電素子３０，３１に駆動信号を印加して圧電
アクチュエータＡを駆動する構成について説明するが、
当該駆動構成の特徴をより明確にするために、まず振動
板１０のような機械的構造物が有するインピーダンス特
性について説明する。

【００４８】振動板１０等の機械的な構造物に対して力
を一定にして、加振周波数を徐々に大きくしていくと、
特定の周波数で構造物の振幅は最大値（即ち、インピー
ダンスが極小値）となり、その後極小値（インピーダン
スの極大値）となるといった応答を繰り返す。即ち、振
幅が極大値をとる加振周波数は複数存在し、そのような
各加振周波数を共振周波数という。そして、共振周波数
は縦振動および屈曲振動の各々に存在し、振動板１０の
ような矩形状の構造物では、縦・横・厚み寸法を所定の
比に設定することにより、図１３に例示するようなイン
ピーダンスと周波数の関係を有する。

【００４９】各振動の共振周波数は、各々の振動の振幅
が最も大きくなす周波数であり、必要な駆動特性を得る
ために、どのような周波数の駆動信号を圧電素子３０，
３１に印加するかを決める設計事項において重要な値と
なる。本実施形態では、図１５に示すように、縦振動の
共振周波数と屈曲振動の共振周波数の間のある値ｆｓの
周波数を駆動信号の周波数として採用し、当該周波数の
駆動信号を圧電素子３０，３１に供給するといった駆動
を行う。

【００５０】以下、図１４を参照しながら圧電アクチュ
エータＡの駆動構成について説明する。同図に示すよう
に、駆動回路５００は、午前０時検出手段５０１と、制
御回路５０３と、日送り検出手段５０２と発振回路５０
４とを備えている。午前０時検出手段５０１は、ムーブ
メント７３（図２参照）に組み込まれた機械的なスイッ
チであり、午前０時になると、制御信号を出制御回路５
０３に出力する。また、日送り検出手段５０２は、上述
した板バネ６４と接触子６５（図１参照）を主要部とす
るものであり、板バネ６４と接触子６５が接触する、即
ち日送り終了を検出すると制御信号を制御回路５０３に
出力する。

【００５１】制御回路５０３は、午前０時検出手段５０
１から供給される制御信号と日送り検出手段５０２から
供給される制御信号とに基づいて、発振制御信号を発振
回路５０４に出力する。ここで、発振制御信号は午前０
時検出手段５０１によって午前０時が検出された時点で
ローレベルからハイレベルに立ち上がり、この後日送り
検出手段５０２によって日送り終了が検出されるとハイ
レベルからローレベルに立ち下がる。

【００５２】発振回路５０４は、発振周波数が図１５に
例示する振動板１０の縦振動の共振周波数と屈曲振動の
共振周波数の間の設計された値ｆｓとなるように構成さ
れている。なお、発振回路５０４は、例えば、コルピッ
ツ型の形式で構成すればよい。また、この発振回路５０
４への給電は発振制御信号によって制御されるようにな
っており、発振制御信号がハイレベルのとき給電され、
ローレベルのとき給電が停止されるようになっている。

【００５３】上述したように日回し中間車４０は１日に
１回転するが、その期間は午前０時から開始する限られ
た時間である。従って、発振回路５０４は当該期間のみ
発振していれば足りる。この例の駆動回路５００にあっ
ては、発振回路５０４への給電を発振制御信号によって
制御することにより、日回し中間車４０を回動させる必
要のない期間は、発振回路５０４の動作を完全に停止さ
せている。従って、発振回路５０４の消費電力を削減す
ることができる。

【００５４】上述したように発振回路５０４によって発
振された周波数（縦振動の共振周波数と屈曲振動の周波
数の間の周波数）の駆動信号が電極３３，３３を介して
圧電素子３０，３１に供給される。

【００５５】Ｅ．カレンダ表示機構の動作 次に、上記構成の圧電アクチュエータＡを備えたカレン
ダ表示機構の自動更新動作について図１、図３、図４お
よび図１４を参照しつつ説明する。各日において午前０
時になると、午前０時検出手段５０１によって午前０時
になったことが検出され、制御回路５０３から発振制御
信号が発振回路５０４に出力される。これにより、駆動
周波数ｆｓ（図１３参照）の駆動信号が電極３３，３３
を介して圧電素子３０，３１に供給される。

【００５６】駆動回路５００からの駆動信号が電極３
３，３３に印加されると、圧電素子３０，３１が伸縮に
よって撓み振動し、振動板１０が縦振動する。この際、
上述したように圧電素子３０，３１の分極方向を同一と
なるようにした場合には、上面、中央、下面の電位が各
々＋Ｖ、０、−Ｖ（もしくは−Ｖ、０、＋Ｖ）となるよ
うに電圧を印加する。また、圧電素子３０，３１の分極
方向が逆の場合には、上面、中央、下面の電位が各々＋
Ｖ、０、＋Ｖ（もしくは−Ｖ、０、−Ｖ）となるように
電圧を印加する（図９参照）。そして、振動板１０がそ
の長手方向に電気的に励振（縦振動）されると、振動板
１０の重量および剛性のアンバランスさによって機械的
に屈曲振動が誘発される。そして、縦振動と屈曲振動が
合わさることにより、突起部３６が楕円軌道に沿って変
位し、ロータ１００を駆動する。

【００５７】このように駆動回路５００によって圧電ア
クチュエータＡが駆動されることにより、ロータ１００
が図４中時計回り方向に回転し、これに伴って日回し中
間車４０が反時計回り方向に回転を開始する。

【００５８】ここで、駆動回路５００は、図１に示す板
バネ６４と接触子６５が接触した時に駆動信号の供給を
停止するように構成されている。板バネ６４と接触子６
５とが接触する状態では先端部６４ａが切欠部４ｃに入
り込んでいる。従って、日回し中間車４０は、そのよう
な状態から回転を開始する。

【００５９】日回し車６０は板バネ６３によって時計回
り方向に付勢されているため、小径部４ａは日回し車６
０の歯６ａ，６ｂに摺動しつつ回転することになる。そ
の途中で切欠部４ｃが日回し車６０の歯６ａの位置に達
すると、歯６ａが切欠部４ｃと噛合する。

【００６０】次に、日回し中間車４０が引き続き反時計
回り方向に回動すると、日回し車６０は日回し中間車４
０に連動して１歯分、即ち「１／５」周だけ時計回り方
向に回動する。さらに、これに連動して、日車５０が時
計回り方向に１歯分（１日分の日付範囲に相当する）だ
け回動される。なお、月内の日数が「３１」に満たない
月の最終日においては、上記動作が複数回繰返され、暦
に基づく正しい日が日車５０によって表示されることに
なる。

【００６１】そして、日回し中間車４０が引き続き反時
計回り方向に回動して、切欠部４ｃが板バネ６４の先端
部６４ａの位置に達すると、先端部６４ａが切欠部４ｃ
に入り込む。すると、板バネ６４と接触子６５とが接触
して、駆動信号の供給が終了し、日回し中間車４０の回
転が停止する。従って、日回し中間車４０は、１日に１
回転することになる。

【００６２】Ｆ．本実施形態の効果 以上説明したように、本実施形態では、腕時計といった
限られたスペースに設置可能な薄型の圧電アクチュエー
タＡを用いて高効率でカレンダ表示機構を駆動すること
ができる。また、圧電アクチュエータＡの振動板１０を
構成する補強板３２は、圧電素子３０，３１の有する弾
性率に近づけるために、支持部材１１に取り付けられる
固定部３２ａに対して対称形となるアーム部３２ｂおよ
び可動部３２ｃを具備している。このため、補強板３２
は、振動板１０に発生する縦振動および屈曲振動を妨げ
難くして、その振幅を大きくすることができる。この結
果、エネルギーの伝達を効率良く行う圧電アクチュエー
タＡを実現することが可能となり、圧電アクチュエータ
Ａは、安定した駆動制御を行うことができる。

【００６３】Ｇ．変形例 なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではな
く、以下に例示するような種々の変形が可能である。

【００６４】（変形例１）上述した実施形態において
は、振動板１０の補強板３２を図６に示すように形成し
たが、本発明をこれに限らず、次のような種々の形状に
形成してもよい。 １−、図１５に示す例は、アーム部３２ｂを湾曲状で
なく、固定部３２ａから斜めに延びるアーム部３２ｂ´
としたものである。 １−、図１６に示す例は、各アーム部３２ｂの起端側
から振動板１０の長手方向に延びる補強部３２ｄを形成
したものである。 １−、図１７に示す例は、変形例１−において、各
アーム部３２ｂ´の起端側からアーム部３２ｂ´の反対
方向に延びる補強板３２ｅを形成したものである。 １−、図１８に示す例は、変形例１−において、各
アーム部３２ｂ´の起端側からアーム部３２ｂ´の反対
方向に延びる補強板３２ｅと、アーム部３２ｂ´と同じ
方向に延びる補強板３２ｆを形成したものである。 １−、図１９に示す例は、各アーム部３２ｂの先端を
可動部３２ｃ´の途中で繋ぎ、アーム部３２ｂの先端を
略「Ｔ」字状に形成したものである。 なお、１−〜１−における補強部は、長方形の補強
部に比べ、振動板１０の厚さ方向の強度が低下した分を
補うために形成されたもので、振動板１０の厚さ方向へ
の変位を補強するものである。また、補強板３２の形状
は上記のものに限らず、補強板３２の有する剛性の強さ
を圧電素子３０，３１の有する剛性の強さ以上で、この
剛性の強さに近づける形状であればよい。

【００６５】（変形例２）上述した実施形態による振動
板１０は、補強板３２に対して圧電素子３０，３１を接
着剤によって全面接着した積層構造としているが、本発
明はこれに限らず、以下のような接着状態であってもよ
い。 ２−、図２０に示す例は、１−（図１６）に示した
補強板３２において、接着剤が貼付される部分を、補強
部３２ｄを除いた固定部３２ａ、アーム部３２ｂおよび
可動部３２ｃとしたものである。しかも、補強部３２ｄ
は、図２２（図２０中の矢印ａ−ａから見た拡大断面
図）に示すように、圧電素子３０，３１との間に、接着
剤による接着層ｓの厚さ分だけ隙間が形成される。ま
た、補強部３２ｄは、プレスによって薄く形成してもよ
い。これにより、補強部３２ｄは、振動板１０の縦振動
および屈曲振動の妨げとならずに、圧電素子３０，３１
が厚さ方向に変位するのを防止することができる。 ２−、図２３に示す例は、１−（図１６）に示した
補強板３２において、接着剤が貼付される部分を、補強
部３２ｄおよびアーム部３２ｂを除いた固定部３２ａお
よび可動部３２ｃとしたものである。このように、圧電
素子３０，３１と補強板３２とが接着される面積を少な
くすることにより、振動板１０の縦振動および屈曲振動
の妨げを抑制する。また、圧電素子３０，３１の両端に
位置した可動部３２ｃのみを圧電素子３０，３１に接着
するようにしてもよい。

【００６６】（変形例３）前述した実施形態および変形
例１，２においては、補強板３２の有する弾性率を圧電
素子３０，３１の有する弾性率以上で、この弾性率に近
づけるようにするために、補強板３２の形状を長方形か
ら切り取った形状としたが、本発明はこれに限らず、図
２４に示すように、補強板３２´の材料をステンレス材
から超々ジュラルミン（７０７５等）としてもよい。こ
の材料は、ヤング率が７５００ｋｇ／ｍｍ²であり、圧
電素子３０，３１のヤング率７０００ｋｇ／ｍｍ²にち
かくなるため、軟らかく摩耗し易い反面、振動板１０を
伸縮し易くすることが可能となる。また、補強板３２´
の材料を軟らかくしたため、突起部３６´は、同部材で
形成することは圧電アクチュエータＡの耐寿命の上から
好ましくないため、この突起部３６´は、硬度の比較的
高いルビーやセラミックによって形成すればよい。さら
に、突起部３６´は、硬度の高い材料で形成するのみで
なく、硬化処理を施すことによって形成してもよい。具
体的には、硬化処理としては、無電界ニッケルメッキ後
にメッキ硬化処理（例えば２８０℃で１時間アニーリン
グする等の処理）、アルマイト処理、窒化処理等がある
が、超々ジュラルミンの場合には、無電界ニッケルメッ
キ後＋メッキ硬化処理が最良である。

【００６７】（変形例４）また、上述した実施形態で
は、縦振動の共振周波数が屈曲振動の共振周波数よりも
若干小さいといった特性を有する振動板１０を用いた場
合について説明したが、振動板１０の寸法によっては縦
振動の共振周波数が屈曲振動の共振周波数よりも若干大
きくなる場合もある。このような特性を有する振動板１
０を採用した場合、振動板１０の変位による突起部３６
の楕円軌道が逆方向となり、ロータ１００を駆動する方
向が図４中反時計回り（上記実施形態とは逆方向）とな
る。このため、このような特性の振動板１０を採用する
場合には、ロータ１００と振動板１０の位置関係を必要
な駆動方向に応じて上記実施形態から変更する必要があ
る。

【００６８】（変形例５）また、上述した実施形態で
は、矩形状の振動板１０を用いるようにしていたが、振
動板１０の形状は矩形状に限るものではなく、長手方向
を有する形状であればよく、例えば台形状、平行四辺形
状、ひし形状、三角形状等の様々な形状のものを用いる
ことができる。

【００６９】（変形例６）また、上述した実施形態で
は、圧電アクチュエータＡを腕時計に搭載されるカレン
ダ表示機構の駆動源として採用した場合を例に挙げて説
明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他
の種類の機器、例えば玩具などのアミューズメント機器
の駆動機構や小型送風機の駆動機構に適用することが可
能である。また、上述したように圧電アクチュエータＡ
は、薄型化、小型化が可能であり、かつ高効率での駆動
が可能であるため、電池駆動される携帯機器等に搭載す
るアクチュエータとして好適である。

【００７０】（変形例７）また、上述した実施形態で
は、振動板１０が振動することにより、突起部３６に当
接しているロータ１００を回転駆動する場合を例示した
が、これに限らず、駆動対象を直線状に駆動するリニア
アクチュエータに本発明を適用することも可能である。

【００７１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
小型・薄型化が可能な構成でありながら、高効率かつ安
定した駆動を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態に係る腕時計におけるカ
レンダ表示機構の主要部の構成を示す平面図である。

【図２】 前記腕時計の概略構成を示す側断面図であ
る。

【図３】 前記カレンダ表示機構の主要部を示す断面図
である。

【図４】 前記カレンダ表示機構の構成要素である圧電
アクチュエータの構成を示す平面図である。

【図５】 前記圧電アクチュエータの構成要素である振
動板を示す断面図である。

【図６】 前記振動板の補強板を示す平面図である。

【図７】 図６の補強板に圧電素子を積層した状態を側
面から示す図である。

【図８】 前記振動板の圧電素子の面上に形成される電
極部を示した図である。

【図９】 前記振動板の圧電素子に電圧を印加する際の
概略の駆動構成を示す図である。

【図１０】 前記振動板が縦振動する様子を模式的に示
す図である。

【図１１】 前記振動板が屈曲振動する様子を模式的に
示す図である。

【図１２】 前記振動板の振動時における突起部の軌道
を説明するための図である。

【図１３】 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１４】 圧電アクチュエータに駆動信号を供給する
駆動回路の構成を示す図である。

【図１５】 変形例１−による補強板を示す平面図で
ある。

【図１６】 変形例１−による補強板を示す平面図で
ある。

【図１７】 変形例１−による補強板を示す平面図で
ある。

【図１８】 変形例１−による補強板を示す平面図で
ある。

【図１９】 変形例１−による補強板を示す平面図で
ある。

【図２０】 変形例２−による補強板を示す平面図で
ある。

【図２１】 図２０の補強板に圧電素子を積層した状態
を側面から示す図である。

【図２２】 図２０中の矢印ａ−ａから見た拡大断面図
である。

【図２３】 変形例２−による補強板を示す平面図で
ある。

【図２４】 変形例３による補強板を示す平面図であ
る。

【符号の説明】

１０・・・振動板 １１・・・支持部材 ３０，３１・・・圧電素子 ３２、３２´・・・補強板 ３２ａ・・・固定部 ３２ｂ、３２ｂ´・・・アーム部 ３２ｃ、３２ｃ´・・・可動部 ３２ｄ、３２ｅ、３２ｆ・・・補強部 ３３・・・電極 ３６、３６´・・・突起部 ５０・・・振動補助部 １００・・・ロータ １０３・・・地板 ５００・・・駆動回路 Ａ……圧電アクチュエータ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 41/08 Ｕ (72)発明者 古畑 誠 長野県諏訪市大和３丁目３番５号 セイコ ーエプソン株式会社内 (72)発明者 土屋 和博 長野県諏訪市大和３丁目３番５号 セイコ ーエプソン株式会社内 Ｆターム(参考） 2F082 AA00 BB02 DD01 DD10 EE02 EE03 EE05 EE06 FF01 HH00 5H680 AA06 AA19 BB16 BC02 DD01 DD15 DD23 DD53 DD55 DD73 DD82 DD92 EE01 GG02 GG27

Claims (12)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 板状の圧電素子と補強板とが積層された
   振動板と、 前記振動板の長手方向の中央部付近に位置し、前記補強
   板に取り付けられる支持部材と、 前記振動板の長手方向の一端側に設けられ、駆動対象に
   当接される当接部と、を具備しており、 前記圧電素子に駆動信号を供給することにより、前記圧
   電素子を伸縮させて前記振動板に前記長手方向に伸縮す
   る縦振動および前記長手方向に直交する幅方向に揺動す
   る屈曲振動を生じさせ、この振動に伴う前記当接部の変
   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、 前記補強板は、この補強板の有する剛性の強さを前記圧
   電素子の有する剛性の強さより強くし、前記圧電素子の
   有する剛性の強さに近づけることを特徴とする圧電アク
   チュエータ。
2. 【請求項２】 請求項１記載の圧電アクチュエータにお
   いて、 前記補強板は、前記支持部材が取り付けられ、前記縦振
   動の節となる部分に位置した固定部と、前記固定部から
   前記振動板の長手方向に延びる一対のアーム部と、前記
   一対のアーム部の先端に形成され、前記長手方向に対し
   てほぼ直交する方向に延びる可動部とを備えたことを特
   徴とする圧電アクチュエータ。
3. 【請求項３】 請求項１記載の圧電アクチュエータにお
   いて、 前記補強板は、前記支持部材が取り付けられ、前記縦振
   動の節となる部分に位置した固定部と、前記固定部から
   前記振動板の長手方向に湾曲しつつ延びる一対のアーム
   部と、前記一対のアーム部の先端に形成され、前記長手
   方向に対してほぼ直交する方向に延びる可動部とを備え
   たことを特徴とする圧電アクチュエータ。
4. 【請求項４】 請求項２または３記載の圧電アクチュエ
   ータにおいて、 前記固定部には、起端がこの固定部に形成され、先端が
   前記屈曲部側に向けて延びる補強部を形成したことを特
   徴とする圧電アクチュエータ。
5. 【請求項５】 請求項４記載の圧電アクチュエータにお
   いて、 前記補強板のうち、前記固定部、アーム部および可動部
   と、前記圧電素子とを接着固定したことを特徴とする圧
   電アクチュエータ。
6. 【請求項６】 請求項４記載の圧電アクチュエータにお
   いて、 前記補強板のうち、前記固定部および可動部と、前記圧
   電素子とを接着固定したことを特徴とする圧電アクチュ
   エータ。
7. 【請求項７】 請求項１記載の圧電アクチュエータにお
   いて、 前記補強板は、前記圧電素子の有するヤング率より大き
   な値であって、前記圧電素子の有するヤング率の値に近
   い値のヤング率を有する材料によって形成されたことを
   特徴とする圧電アクチュエータ。
8. 【請求項８】 請求項１ないし７記載の圧電アクチュエ
   ータにおいて、 前記当接部は、前記補強板に一体に形成されたことを特
   徴とする圧電アクチュエータ。
9. 【請求項９】 請求項１ないし７記載の圧電アクチュエ
   ータにおいて、 前記当接部は硬化部材によって形成され、前記補強板に
   設けられたことを特徴とする圧電アクチュエータ。
10. 【請求項１０】 請求項１ないし７記載の圧電アクチュ
    エータにおいて、 前記当接部は、硬化処理が施され、前記補強板に一体に
    形成されたことを特徴とする圧電アクチュエータ。
11. 【請求項１１】 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、 前記圧電素子に前記駆動信号を供給する駆動回路と、 前記圧電アクチュエータによって駆動されるカレンダ表
    示車と、を具備することを特徴とする時計。
12. 【請求項１２】 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、 前記圧電素子に前記駆動信号を供給する駆動回路と、 前記駆動回路に電力を供給する電源と、を具備すること
    を特徴とする携帯機器。