JP5245358B2 - Piezoelectric vibrator, piezoelectric actuator, and portable device - Google Patents
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Description
本発明は、圧電振動体、圧電アクチュエータ、および携帯機器に関する。 The present invention relates to a piezoelectric vibrator, a piezoelectric actuator, and a portable device.
従来、腕時計のような小型で携帯される電子機器においては、搭載される部品の小型化、薄型化とともに、電池寿命を延ばすため低消費電力化が要望されている。そこで、時計に組み込まれる駆動装置として、ステップモータに代わり、小型・薄型で電気エネルギーから機械エネルギーへの変換効率に優れる圧電アクチュエータが使用されるようになってきている(例えば、特許文献1〜5)。
このような携帯機器に組み込まれる圧電アクチュエータは、特許文献1にも示されるように、矩形状の圧電素子に補強板が積層され全体形状が略矩形板状の圧電振動体を備えており、圧電素子の厚み方向に電界を印加した際の圧電横効果により、印加した電界の方向とは直交する面に沿った方向(面内方向)に振動する圧電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。
ここで、本明細書中、圧電素子に印加される電界の方向とは直交する平面方向のことを「面内方向」という。この面内方向は、圧電素子に印加される電界の方向と直交する複数の方向の集合である。本願発明における圧電振動体は、この面内方向に沿って振動する。そして、本明細書中、前記面内方向に交差する方向(前記面内方向から外れる方向)のことを「面外方向」という。
2. Description of the Related Art Conventionally, electronic devices that are small and portable, such as wristwatches, have been demanded to reduce power consumption in order to extend battery life as well as to reduce the size and thickness of mounted components. Therefore, a piezoelectric actuator that is small and thin and has excellent conversion efficiency from electrical energy to mechanical energy is used instead of a step motor as a drive device incorporated in a timepiece (for example,
As shown in
Here, in this specification, the plane direction orthogonal to the direction of the electric field applied to the piezoelectric element is referred to as “in-plane direction”. This in-plane direction is a set of a plurality of directions orthogonal to the direction of the electric field applied to the piezoelectric element. The piezoelectric vibrating body in the present invention vibrates along this in-plane direction. In the present specification, a direction intersecting the in-plane direction (a direction deviating from the in-plane direction) is referred to as an “out-of-plane direction”.
ここで、特許文献1における圧電振動体では、圧電素子に積層される補強板の形状が、圧電素子の平面中心の近傍に設けられ機器側の支持部材等に固定される固定部と、圧電素子の各短辺にそれぞれ沿って設けられる一対の可動部と、固定部を各可動部にそれぞれ連結する一対のアーム部と、を有する形状となっている。なお、各可動部にはそれぞれ突起部が連設され、これらの突起部の一方がロータ(被駆動体)に当接されている。補強板をこのような形状とする理由は、特許文献1に記載されているように、制御が困難な屈曲振動の安定化や振幅拡大にある。特許文献1では、機器への固定に必要な部位と被駆動体への当接に必要な部位とを残しつつ補強板の面積を圧電素子の面積よりも小さくし、かつ補強板の剛性を低くしている。
Here, in the piezoelectric vibrating body in
一方、特許文献2では、曲がり易いように補強板に開口を形成したり、補強板の厚みを所々で薄くすることによって補強板の剛性を低くしており、特許文献3では、矩形状の補強板において、幅方向の曲げ剛性が長手方向の曲げ剛性よりも高くなるようにスリットを形成することにより、補強板の剛性を低くしている。同様に、特許文献4では、補強板を圧電素子の一部分のみに接触するように小さく形成することにより、補強板の剛性を低くしている。
なお、特許文献5では、補強板を曲げ性の良い材質で形成することによって補強板の剛性を低くしている。
On the other hand, in
In
近年、電子機器のより一層の小型化、薄型化が求められており、また、圧電アクチュエータの利用拡大により、より負荷の高い被駆動体を駆動したり、被駆動体を連続して駆動したり、駆動速度を高速化したりすることなども求められている。このため、圧電振動体の振幅を拡大して駆動効率をより一層高めることが要求されている。ここで、機器の小型化・薄型化と、圧電振動体の振幅拡大とは本来相反する要求であり、電源(電池)を小型化すると印加電圧が小さくなるため振幅も小さくなって所望の駆動特性の実現が難しくなり、他方、印加電圧を大きくして振幅を拡大する場合には電源の大型化を招いてしまう。なお、電源を小型化して印加電圧を小さくするほど、圧電素子の変位量が小さくなって投入電力に対する駆動効率は低下し、被駆動体が駆動不能となる場合すら生じ得る。これらのことから、駆動効率を大幅に向上させる必要がある。 In recent years, there has been a demand for further downsizing and thinning of electronic devices. Further, by expanding the use of piezoelectric actuators, a driven body with a higher load can be driven or a driven body can be driven continuously. There is also a need to increase the driving speed. For this reason, it is required to further increase the driving efficiency by increasing the amplitude of the piezoelectric vibrating body. Here, the downsizing / thinning of the device and the increase in the amplitude of the piezoelectric vibrating body are inherently contradictory requirements. When the power source (battery) is downsized, the applied voltage becomes smaller and the amplitude becomes smaller, resulting in desired drive characteristics. On the other hand, when the applied voltage is increased to increase the amplitude, the power supply is increased in size. In addition, as the power source is reduced in size and the applied voltage is decreased, the displacement amount of the piezoelectric element is decreased, the driving efficiency with respect to the input power is reduced, and even the driven body cannot be driven. For these reasons, it is necessary to greatly improve the driving efficiency.
特許文献1〜4のように、補強板の面積が圧電素子よりも小さい面積となるようにして補強板の剛性を低くする、または、特許文献5のように補強板の材質自体を曲げ性の良い材質として剛性を低くしただけでは、確実に振幅を拡大させることができるとは言えず、要求される駆動効率の実現には遠かった。なぜなら、補強板の剛性と、所定の振動モードおける圧電振動体の各部位における振動エネルギ密度との関係は考察されていないからである。剛性を低くした各種形態の補強板のそれぞれの意義を明らかにしない限り、所定の振動モードにおいて確実に振幅を拡大させ、高い駆動効率を獲得することはできない。
As in
特許文献1〜4では補強板の形状を変えて補強板の剛性を低くしている。そして特許文献1〜4における振動の節、腹それぞれにおける圧電素子と補強版との接触状態は、表1のとおりである。
In
特許文献1〜4では縦振動の歪が最も大きくなる縦振動の節において補強板と圧電素子とが接触しているため、圧電振動体の振動が妨げられて振動効率が低くなる。また、特許文献2,3では屈曲振動の歪が大きくなる屈曲振動の腹において補強板と圧電素子とが接触しているため、圧電振動体の振動が妨げられて振動効率が低くなる。なお、特許文献2では補強板なるものが存在しないため、電極が補強板の役割を有しているものとして説明した。また特許文献4では、縦振動の節における幅方向中心部分において補強板が存在し、この部分で補強板と圧電素子とが接触している。
In
また、特許文献1、4では補強板と圧電素子とが屈曲振動の腹において接触しないが、矩形の圧電素子の幅方向略中央部を長手方向にほぼ沿って延びる補強板の部分(この部分を特許文献1ではアーム部と称している)の形状が特に考察されていないうえ、当該部分の幅が細いため、圧電素子に印加した電界の方向とは直交する面に沿った方向(面内方向)以外への変位を補強板で規制できないおそれがある。これにより、かえって振幅拡大の効果が得られないおそれがある。すなわち、単に補強板の剛性を低くしただけでは圧電素子に印加した電界の方向とは直交する面に沿った方向(面内方向)以外の方向(面外方向)への変位が生じるため、電界の方向とは直交する面に沿った方向(面内方向)への振動の振幅が減殺されてしまう。
In
ここで、特許文献1、4における補強板と略同様に、圧電素子の面積よりもかなり小さい面積の補強板(図32)を有する圧電振動体100(図33)において、前記面内方向以外の方向(面外方向)への変位の傾向を解析したものを図34および図35に示す。
ここで用いる補強板101は、図32のように矩形状の外形(二点鎖線)を有し、この補強板101における縦横四等分した領域はそれぞれ大きくくり貫かれている(くり貫き部101A)。図33の圧電振動体100は、この補強板101と、この補強板101の表裏両面にそれぞれ接合される圧電素子102とを有している。ここで、補強板101にくり貫き部101A(図32)が形成された領域には補強板101と圧電素子102とが接触していない非接触部103が形成されており、この非接触部103は、くり貫き部101Aにそれぞれ対応する位置に形成されている。
圧電素子102には、図3のように5分割された電極231〜235と同様の5つの電極が形成されている。図34は、圧電振動体100の各圧電素子102における図3の電極232,233,234に相当する電極に電圧を印加し、図3の電極231,235に相当する電極には電圧を印加せずに圧電振動体100を振動させた状態を示す。このように圧電素子102における電極の一部に電圧を印加しないことで圧電素子102の長手方向に沿った方向への伸縮状態がアンバランスとなり、これによって圧電素子102の長手方向に直交する方向への屈曲振動が誘発される。なお、図34は、圧電振動体100にロータなどを当接させることなく、圧電振動体100を無負荷で振動させた状態を示している。
Here, in substantially the same manner as the reinforcing plates in
The reinforcing
In the
図34は、図33の圧電振動体の振動状態をソフトウェアでシミュレーションした結果を示している。図35は、図34において、振動時の圧電振動体100における圧電素子102のみを表示した図である。これらの図34および図35では、圧電素子102や補強板101の変位を実際よりも誇張して示しているが、これらの図34および図35から、補強板101と圧電素子102とが接触していない非接触部103(図34)におけるZ軸方向への振動は、補強板101と圧電素子102とが接触している部分に比べて大きいことが分かる。このように、むやみにくり抜き部を大きくすると、面内方向以外の方向(面外方向)への変位が生じることとなる。
FIG. 34 shows the result of simulation of the vibration state of the piezoelectric vibrating body of FIG. 33 by software. FIG. 35 is a diagram showing only the
以上に鑑みて、本発明の目的は、補強板の形状と補強板の各部位における振動エネルギ密度とに関して種々の観点から検討を加えることにより、駆動効率を大きく向上できる圧電振動体、圧電アクチュエータ、および携帯機器を提供することにある。 In view of the above, an object of the present invention is to provide a piezoelectric vibrating body, a piezoelectric actuator, and a piezoelectric actuator that can greatly improve driving efficiency by examining the shape of the reinforcing plate and the vibration energy density at each part of the reinforcing plate from various viewpoints. And to provide a portable device.
本発明の圧電振動体は、圧電素子と、この圧電素子が積層固定された補強板とを備え、縦振動に屈曲振動が加えられた混合振動モードが励振される圧電振動体であって、前記補強板には、前記縦振動によって生じる前記圧電振動体または前記補強板あるいは前記圧電素子の歪が最大となる箇所の中心部を含んで開口する第1くり貫き部と、前記屈曲振動によって生じる前記圧電振動体または前記補強板あるいは前記圧電素子の歪が最大となる箇所を含んでくり貫かれた第2くり貫き部とが形成されており、前記補強板と前記圧電素子との接触面積は、前記第1くり貫き部の形成により前記圧電素子の面積よりも小さいことを特徴とする。
上記縦振動によって生じる歪というのは、圧電振動体(あるいは圧電素子または補強板、以下同)において所定単位長さに対する変位量の割合を意味している。
ここで、縦振動の節が、縦振動によって引き起こされる圧電振動体の歪が最大となる部分であるものとみなす。一方、縦振動の腹は、上記歪が最小になる部分である。
なお、上記節は圧電振動体において振幅がほぼゼロになる箇所であり、上記腹は圧電振動体において振幅が最大となって最も揺れ動く部分である。
本明細書に記載された各発明に関し、「縦振動によって生じる歪が最大となる箇所」とは、縦振動の節に相当する。縦振動の節は、縦振動の振動方向における圧電振動体の寸法を二等分する線上の位置であり、上記中心部は、この縦振動の節における縦振動の振動方向とは直交する方向での中央位置部分を指す。すなわち、例えば長方形の板状の圧電振動体の場合、当該圧電振動体の長さを二等分する線上の位置が縦振動の節であり、上記中心部は、この縦振動の節における圧電振動体の幅方向での中央位置部分である。
Pressure electrostatic vibrator of the present invention includes a piezoelectric element, and a reinforcing plate which the piezoelectric element is stacked and fixed, mixed vibration mode bending vibration in longitudinal vibration is applied is a piezoelectric vibrator is excited, The reinforcing plate is generated by the bending vibration and a first cutout portion including a central portion of the piezoelectric vibrator or the reinforcing plate or the piezoelectric element generated by the longitudinal vibration and including a central portion where the strain is maximum. The piezoelectric vibrator, the reinforcing plate, or a second punched-out portion including a portion where the strain of the piezoelectric element is maximum is formed, and the contact area between the reinforcing plate and the piezoelectric element is , characterized in that the formation of the first void part is smaller than the area of the piezoelectric element.
The strain caused by the longitudinal vibration means a ratio of a displacement amount to a predetermined unit length in a piezoelectric vibrator (or a piezoelectric element or a reinforcing plate, hereinafter the same).
Here, it is assumed that the node of the longitudinal vibration is a portion where the distortion of the piezoelectric vibrating body caused by the longitudinal vibration is maximized. On the other hand, the antinodes of longitudinal vibration are the parts where the distortion is minimized.
The node is a portion where the amplitude is almost zero in the piezoelectric vibrating body, and the antinode is the portion that swings most at the amplitude in the piezoelectric vibrating body.
With respect to each invention described in this specification, the “location where the distortion caused by the longitudinal vibration is maximized” corresponds to a longitudinal vibration node. The longitudinal vibration node is a position on a line that bisects the size of the piezoelectric vibrating body in the vibration direction of the longitudinal vibration, and the central portion is in a direction orthogonal to the vibration direction of the longitudinal vibration in the longitudinal vibration node. Refers to the central position of. That is, for example, in the case of a rectangular plate-like piezoelectric vibrating body, the position on the line that bisects the length of the piezoelectric vibrating body is a longitudinal vibration node, and the central portion is the piezoelectric vibration in the longitudinal vibration node. It is a central position portion in the width direction of the body.
この発明によれば、縦振動モードにおいて圧電振動体の歪が最大となる箇所の中心部を含んで補強板に第1くり貫き部が形成されているため、この第1くり貫き部の部分では補強板が圧電素子に接触せず、補強板が圧電素子の伸縮に抗力を持ち振動を妨げることを抑制できる。
ここで、図36のグラフは、縦振動による圧電振動体の歪の大きさを示す。この図36における横軸は、図37に示したy軸に対応している。つまり図36の横軸は、矩形状とされた圧電振動体(図37)の長手方向中心(点O)からy軸における任意の箇所までの距離を示している。図36では、圧電振動体の長手方向中心(点O)から短辺までの長さを100としている(図37参照)。一方、図36の縦軸は縦振動によって生じる圧電振動体の歪の大きさを示す(最大値を100とする)。この図36や、後述する図40および図41では、補強板にくり貫かれた部分が形成されていない圧電振動体のデータを示している。
According to the present invention, the first cut-through portion is formed in the reinforcing plate including the central portion of the portion where the distortion of the piezoelectric vibrating body is maximum in the longitudinal vibration mode. The reinforcing plate does not come into contact with the piezoelectric element, and the reinforcing plate has resistance to expansion and contraction of the piezoelectric element and can suppress the vibration.
Here, the graph of FIG. 36 shows the magnitude of distortion of the piezoelectric vibrating body due to longitudinal vibration. The horizontal axis in FIG. 36 corresponds to the y axis shown in FIG. That is, the horizontal axis of FIG. 36 indicates the distance from the longitudinal center (point O) of the rectangular piezoelectric vibrator (FIG. 37) to an arbitrary position on the y axis. In FIG. 36, the length from the center in the longitudinal direction (point O) to the short side of the piezoelectric vibrating body is 100 (see FIG. 37). On the other hand, the vertical axis in FIG. 36 indicates the magnitude of distortion of the piezoelectric vibrating body caused by longitudinal vibration (the maximum value is 100). FIG. 36 and FIGS. 40 and 41 to be described later show data of the piezoelectric vibrating body in which a portion cut through the reinforcing plate is not formed.
図36のグラフは次の式(1)によって算出されている。 The graph of FIG. 36 is calculated by the following equation (1).
上記の式(1)における各パラメータについて図37を参照して説明する。
εd : y軸上の任意の箇所における圧電振動体の歪の大きさ
l : 圧電振動体の長手方向中心(点O)から短辺までの長さ
ρ : 圧電振動体の密度
a : 圧電振動体が伸びにより移動するときの加速度
E : 圧電振動体のヤング率
y : 圧電振動体の長手方向中心(点O)からy軸上の任意の箇所までの距離
Each parameter in said Formula (1) is demonstrated with reference to FIG.
εd: magnitude of strain of the piezoelectric vibrator at an arbitrary position on the y-axis l: length from the longitudinal center (point O) to the short side of the piezoelectric vibrator ρ: density of the piezoelectric vibrator a: piezoelectric vibrator Acceleration when moving due to elongation E: Young's modulus of the piezoelectric vibrator y: Distance from the longitudinal center (point O) of the piezoelectric vibrator to any point on the y-axis
そして、図36のグラフに示したデータの正しさを圧電素子に設けた検出電極からの検出信号に基づいて検証した。具体的に、くり貫き部を有していない矩形状の補強板の表裏に貼り合わせられた圧電素子の表面に、図38のように駆動電極104とは絶縁された検出電極105を形成し、この検出電極105から出力された検出信号の大きさを測定する。検出信号の大きさは歪の大きさをほぼ表すため、検出信号を測定することによって歪の大きさを測定することが可能となる。なお、駆動電極104は、圧電素子の全表面における検出電極105を除いた部分に形成されている。この駆動電極104に駆動信号(縦共振周波数近傍の交流信号)を印加(電圧印加)することにより、駆動電極104が設けられた部分は能動的に歪む。この能動的な歪により、検出電極が設けられた部分は受動的に歪み、検出電極から圧電振動体の振動状態を示す電圧信号が出力される。
ここで、圧電振動体の長手方向に沿った中心線C1に沿って検出電極105を形成する箇所を変更し(図38)、それぞれの箇所における歪の大きさを検出信号の大きさに基づいて測定した結果、その結果データは上記式(1)に近い傾向を示した。従って、圧電振動体の長手方向中心から短辺までの、y軸上の任意の位置y(図37)と縦振動によって生じる歪の大きさとの関係は、一般的には図36のようになると言える。
The correctness of the data shown in the graph of FIG. 36 was verified based on the detection signal from the detection electrode provided on the piezoelectric element. Specifically, the
Here, the location where the
ところで、圧電振動体における縦振動の節は、圧電振動体の幅方向に沿った中心線C2(図38)上の位置となるが、図36から、縦振動モードにおいて歪が最大となる箇所は、前記中心線C2上の位置であることがわかる。このような圧電振動体における振動エネルギ密度についての検証に基づき、縦振動によって生じる歪が最大となる箇所の少なくとも中心部が前記第1くり貫き部により開口されたことで、補強板の面内方向に沿って伸縮する縦振動の振幅を確実に拡大できる。このように振幅拡大を図りつつ、補強板の第1くり貫き部が空いていない部分によって面外方向への圧電素子の変位を規制できるので、縦振動の振幅が減殺されずに確実に拡大される。
このように振幅拡大が図られることで、当該圧電振動体をアクチュエータとして使用する場合は、同じ投入電力でもより負荷の大きい被駆動体をより高速に駆動することができ、駆動効率を向上させることが可能となる。他方、投入電力を減らしても所定の負荷の被駆動体を駆動可能となるため、電池等の電源の電気容量を小さくすることができ、圧電振動体が搭載される各種機器等の小型化および薄型化も促進できる。
By the way, the node of the longitudinal vibration in the piezoelectric vibrating body is a position on the center line C2 (FIG. 38) along the width direction of the piezoelectric vibrating body. It can be seen that the position is on the center line C2. Based on the verification of the vibration energy density in such a piezoelectric vibrating body, at least the central portion of the portion where the strain caused by the longitudinal vibration is maximized is opened by the first cutout portion, so that the in-plane direction of the reinforcing plate The amplitude of the longitudinal vibration that expands and contracts along can be reliably increased. In this way, the amplitude of the longitudinal vibration can be reliably increased without being reduced since the displacement of the piezoelectric element in the out-of-plane direction can be regulated by the portion where the first cut-out portion of the reinforcing plate is not vacant while the amplitude is increased. The
As the amplitude is expanded in this way, when the piezoelectric vibrator is used as an actuator, a driven body with a larger load can be driven at a higher speed even with the same input power, thereby improving driving efficiency. Is possible. On the other hand, since it becomes possible to drive a driven body with a predetermined load even if the input power is reduced, it is possible to reduce the electric capacity of a power source such as a battery, and to reduce the size of various devices on which a piezoelectric vibrator is mounted and Thinning can also be promoted.
図39に、本発明に係る主として縦振動を励振する圧電振動体により被駆動体を駆動する態様の一例を示しておく。この図に示すように、圧電振動体91は、ロータ92との接線Lにほぼ沿うように配置され、圧電振動体91に設けられた当接部としての突起部911の運動により、ロータ92は接線Lの方向に押圧され駆動される。この図39のように圧電振動体91が配置される場合、縦振動の振幅が拡大されることによって突起部911の振動サイクル毎の押圧によるロータの駆動距離が大きくなり、その結果、駆動速度を向上させることが可能となるとともに、トルクが大となって負荷の大きい被駆動体を駆動できるようになる。
なお、被駆動体の移動方向(ロータの場合は回転方向)は一方向とは限らず、例えば右方向への回転と左方向への回転との両方向にロータが駆動されていてもよい。
また、被駆動体はロータに限らず、直線的に駆動されるものであってもよい。
なお、圧電アクチュエータは、例えば、時計の日車や指針等の駆動装置や、カメラのレンズモジュールにおけるズーム機構や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、可動玩具における駆動装置などに使用できる。
FIG. 39 shows an example of a mode in which a driven body is driven by a piezoelectric vibrating body that mainly excites longitudinal vibration according to the present invention. As shown in this figure, the piezoelectric vibrating
In addition, the moving direction of the driven body (rotation direction in the case of a rotor) is not limited to one direction, and the rotor may be driven in both the rightward rotation and the leftward rotation, for example.
Further, the driven body is not limited to the rotor, and may be driven linearly.
The piezoelectric actuator is, for example, a driving device such as a date dial or a pointer of a watch, a zoom mechanism or an autofocus mechanism in a lens module of a camera, an inkjet head or paper feeding mechanism of a printer, a piezoelectric buzzer, a driving device in a movable toy, etc. Can be used for
また、本発明の圧電振動体では、前記縦振動に屈曲振動が加えられた混合振動モードが励振される。 Further, in pressure electrostatic vibrator of the present invention, mixed vibration mode bending vibration to the longitudinal vibration is applied is Ru is excited.
前述のように補強板に形成された第1くり貫き部によって縦振動の振幅が拡大されることで、例えば、縦振動により誘発される二次振動としての屈曲振動の振幅も拡大されることになる。なお、縦振動により屈曲振動が誘発される構成に限らず、縦振動と屈曲振動とがそれぞれ能動的に励振される構成でもよい。本発明に係る縦振動と屈曲振動との混合モードでは、圧電振動体において被駆動体を高効率で駆動できる楕円運動を生じさせることができるうえ、縦振動の振幅拡大と屈曲振動の振幅拡大との相乗により、振動効率をより大きく向上させることができる。 As described above, the amplitude of the longitudinal vibration is increased by the first cut-out portion formed in the reinforcing plate, for example, the amplitude of the bending vibration as the secondary vibration induced by the longitudinal vibration is also increased. Become. The configuration is not limited to the configuration in which the bending vibration is induced by the longitudinal vibration, and the configuration in which the longitudinal vibration and the bending vibration are each actively excited may be used. In the mixed mode of the longitudinal vibration and the bending vibration according to the present invention, an elliptical motion that can drive the driven body with high efficiency can be generated in the piezoelectric vibrator, and the amplitude of the longitudinal vibration and the amplitude of the bending vibration can be increased. Through the synergy, vibration efficiency can be greatly improved.
また、前記混合振動モードが励振される本発明の圧電振動体では、補強板には、屈曲振動によって生じる圧電振動体または補強板あるいは圧電素子の歪が最大となる箇所を含んでくり貫かれた第2くり貫き部が形成されている。 Further, in the above pressure electrostatic vibrator of the present invention that mixed vibration mode is excited is the reinforcing plate, the distortion of the piezoelectric transducer or the reinforcing plate or the piezoelectric element produced by sinusoidal vibration is hollowed include portions of maximum and second void portion that is formed.
上記屈曲振動によって生じる歪は、圧電振動体(あるいは圧電素子または補強板、以下同)において所定単位長さに対する変位量の割合を意味している。
この発明によれば、補強板がくり貫かれることで、屈曲振動によって生じる歪が最大となる箇所が開口されるので、前記第2くり貫き部では補強板が圧電素子に接触せず、補強板が振動を妨げることを抑制できる。
ここで、図40のグラフは、図37におけるx軸(中心Oを通り長辺に直交する方向の軸で、y軸に直交する軸で、幅方向の軸)上の屈曲振動による圧電振動体の歪の大きさを示す。この図40における横軸は、図37に示したx軸に対応している。つまり図40の横軸は、矩形状とされた圧電振動体(図37)の幅方向中心(点O)からx軸における任意の箇所までの距離(幅方向の距離、長辺方向への距離)を示している。図40では、圧電振動体の幅方向中心(点O)から長辺までの長さを100としている(図37参照)。一方、図40の縦軸は図37におけるx軸上の屈曲振動によって生じる歪の大きさを示す(最大値を100とする)。このような図40から、屈曲振動モードによる歪は、幅方向中心(点O)からx軸に沿って圧電振動体の長辺側の外縁部に向かうに従って、次第に大きくなることがわかる。なお、図40における縦軸の屈曲振動によって生じる歪の絶対値の大きさは、y軸上(図37)の位置によって異なっている。図37においては、上記中心点Oから短辺までの距離を100として中心点Oから37離れた位置での上記歪の絶対値が最大となり、上記37の位置から上記中心点Oに向かうに従い上記歪は小さくなり、そして上記37から74離れた位置に向かうに従い上記歪は小さくなる。上記歪の上記傾向は、中心点Oに対して図37における上側と下側との双方において言えることである。
このため、補強板によって圧電素子の伸縮が妨げられることを回避して振幅拡大を図るには、圧電振動体の長辺側の外縁部には補強板を設けないことが考えられる。ただし、前述した図32のように補強板の外縁部を広い範囲にわたってくり貫くと、図34に示すように、本来意図しないZ軸方向への振動が大きくなってしまう。
The distortion caused by the bending vibration means a ratio of a displacement amount to a predetermined unit length in a piezoelectric vibrating body (or a piezoelectric element or a reinforcing plate, hereinafter the same).
According to the present invention, since the portion where the distortion caused by the bending vibration is maximized is opened when the reinforcing plate is cut through, the reinforcing plate does not come into contact with the piezoelectric element at the second cut-through portion. Can prevent the vibration from being disturbed.
Here, the graph of FIG. 40 shows a piezoelectric vibrating body due to bending vibration on the x-axis in FIG. 37 (the axis in the direction perpendicular to the long side passing through the center O, the axis perpendicular to the y-axis and the axis in the width direction). Indicates the magnitude of distortion. The horizontal axis in FIG. 40 corresponds to the x-axis shown in FIG. That is, the horizontal axis of FIG. 40 is the distance from the center (point O) in the width direction of the rectangular piezoelectric vibrator (FIG. 37) to any point on the x-axis (distance in the width direction, distance in the long side direction). ). In FIG. 40, the length from the center in the width direction (point O) to the long side of the piezoelectric vibrating body is 100 (see FIG. 37). On the other hand, the vertical axis in FIG. 40 indicates the magnitude of distortion caused by the bending vibration on the x-axis in FIG. 37 (the maximum value is 100). As can be seen from FIG. 40, the strain due to the bending vibration mode gradually increases from the center in the width direction (point O) toward the outer edge portion on the long side of the piezoelectric vibrating body along the x axis. Note that the magnitude of the absolute value of the strain caused by the bending vibration on the vertical axis in FIG. 40 differs depending on the position on the y-axis (FIG. 37). In FIG. 37, the absolute value of the distortion at the position 37 away from the center point O is maximized with the distance from the center point O to the short side being 100, and the distance from the position 37 toward the center point O is as described above. The distortion becomes smaller, and the distortion becomes smaller toward the position away from the 37 to 74. The above-mentioned tendency of the strain is true on both the upper side and the lower side in FIG.
For this reason, in order to avoid the hindrance of expansion and contraction of the piezoelectric element by the reinforcing plate, it is conceivable that the reinforcing plate is not provided on the outer edge portion on the long side of the piezoelectric vibrating body. However, if the outer edge portion of the reinforcing plate is pierced over a wide range as shown in FIG. 32 described above, the vibration in the Z-axis direction that is not originally intended increases as shown in FIG.
図40のグラフは次の式(2)によって算出されている。 The graph of FIG. 40 is calculated by the following equation (2).
上記の式(2)における各パラメータについて図37を参照して説明する。
My : 点Oからy軸に沿って任意の距離yだけ離れた箇所が、屈曲振動によって受ける曲げモーメント
E : 圧電振動体のヤング率
b : 圧電振動体の厚さ
h : 圧電振動体の幅
x : 圧電振動体の幅方向中心(点O)から、x軸上の任意の箇所までの距離
Each parameter in the above equation (2) will be described with reference to FIG.
M y : Bending moment received by bending vibration at a location separated by an arbitrary distance y from the point O along the y-axis E: Young's modulus b of the piezoelectric vibrator b: Thickness h of the piezoelectric vibrator h: Width of the piezoelectric vibrator x: Distance from the center in the width direction (point O) of the piezoelectric vibrator to any point on the x-axis
そして、図40のグラフに示したデータの正しさを圧電素子に設けた検出電極からの検出信号に基づいて検証した。
ここで、圧電振動体の幅方向に沿った中心線C2の平行線に沿って検出電極105を形成する箇所を変更し(図38)、それぞれの箇所における歪の大きさを検出信号の大きさに基づいて測定した結果、その結果データは上記式(2)に近い傾向を示した。なお、駆動電極には、屈曲共振周波数近傍の交流信号を印加した。以上から、圧電振動体の幅方向中心から幅方向であるx軸上の任意の箇所までの距離xと、x軸上の屈曲振動によって生じる歪の大きさとの関係は、一般的には図40のようになると言える。
The correctness of the data shown in the graph of FIG. 40 was verified based on the detection signal from the detection electrode provided on the piezoelectric element.
Here, the location where the
図41は、矩形状の圧電振動体の長手方向に沿った中心線(図38のC1参照)における二次の屈曲振動の振動挙動を抽出したものである。図41の縦軸は、圧電振動体の幅方向の変位量(振幅)を示していて、この縦軸の最大値は100とした。一方、図41の横軸は、圧電振動体(図37参照)の長手方向中心(点O)から長さ方向であるy軸上の任意の箇所までの距離を示していて、この横軸の最大値は100とした。図41の例における矩形状の圧電振動体の長さは3.5mm、幅は1.0mm(図36〜図38、図40においてもこれと同じ縦横寸法の補強板および圧電素子を使用)である。図41に示すように、この圧電振動体の長手方向中心(点O)から短辺までの長さを100%としたときの約37%の距離に圧電振動体幅方向の変位量が極大となる点Pがある。この点Pをとる位置は、屈曲振動の腹である。そして図40に示したように、圧電振動体の幅方向における内側(中心側)の部分より外縁部の方の歪が大きくなることから、圧電振動体において、平面中心位置から短辺方向に37%離れた上記点P位置での圧電振動体幅方向に沿った直線と上記外縁部(長辺)との交点位置において、屈曲振動によって生じる歪が最大となる。すなわち、上記交点の箇所が、圧電振動体において屈曲振動によって生じる歪が最大(屈曲振動のエネルギ密度が最大)となる箇所である。
このような圧電振動体における振動エネルギ密度についての検証に基づき、屈曲振動によって生じる歪の大きさが最大となる箇所が前記第2くり貫き部として開口してあり、この開口により、屈曲振動の振幅を確実に拡大できる。このように振幅拡大を図りつつ、補強板のくり貫かれていない部分により面外方向への圧電素子の変位を規制できるので、補強板の面内方向における屈曲振動の振幅が減殺されずに確実に拡大される。
FIG. 41 shows the vibration behavior of the secondary bending vibration in the center line (see C1 in FIG. 38) along the longitudinal direction of the rectangular piezoelectric vibrator. The vertical axis in FIG. 41 indicates the amount of displacement (amplitude) in the width direction of the piezoelectric vibrator, and the maximum value of this vertical axis is 100. On the other hand, the horizontal axis of FIG. 41 shows the distance from the longitudinal center (point O) of the piezoelectric vibrator (see FIG. 37) to an arbitrary position on the y axis in the length direction. The maximum value was 100. The length of the rectangular piezoelectric vibrator in the example of FIG. 41 is 3.5 mm, and the width is 1.0 mm (the same reinforcing plate and piezoelectric element are used in FIGS. 36 to 38 and 40 as well). is there. As shown in FIG. 41, the displacement in the width direction of the piezoelectric vibrator is a maximum at a distance of about 37% when the length from the longitudinal center (point O) to the short side of the piezoelectric vibrator is 100%. There is a point P. The position taking this point P is the antinode of bending vibration. As shown in FIG. 40, since the distortion at the outer edge portion is larger than the inner (center side) portion in the width direction of the piezoelectric vibrating body, the piezoelectric vibrating body has 37 in the short side direction from the plane center position. The distortion caused by flexural vibration is maximized at the position of the intersection of the straight line along the width direction of the piezoelectric vibrator at the point P and the outer edge (long side) at the point P separated by%. That is, the intersection point is a portion where the distortion caused by the bending vibration in the piezoelectric vibrating body is maximized (the energy density of the bending vibration is maximized).
Based on the verification of the vibration energy density in such a piezoelectric vibrating body, a portion where the magnitude of strain caused by bending vibration is maximized is opened as the second cut-out portion, and this opening allows the amplitude of the bending vibration. Can be expanded reliably. In this way, the amplitude of the flexural vibration in the in-plane direction of the reinforcing plate can be reliably prevented from being reduced since the displacement of the piezoelectric element in the out-of-plane direction can be regulated by the portion of the reinforcing plate that is not penetrated while the amplitude is expanded. Expanded to
すなわち、本発明によれば、縦振動と屈曲振動との混合モードにおいて、縦振動によって生じる歪が最大となる箇所を含んで第1くり貫き部が形成されていることに加えて、屈曲振動によって生じる歪が最大となる箇所を含んで補強板がくり貫かれていることにより、縦振動および屈曲振動の双方の振幅を拡大でき、楕円運動の軌跡をも拡大できる。これによって一層振動効率が向上し、当該圧電振動体がアクチュエータとして使用される場合は、駆動効率の向上、小型化をより一層促進できる。 That is, according to the present invention, in the mixed mode of longitudinal vibration and bending vibration, in addition to the formation of the first cutout portion including the portion where the distortion caused by the longitudinal vibration is maximum, the bending vibration causes By reinforcing the reinforcing plate including the portion where the generated strain is maximum, the amplitudes of both the longitudinal vibration and the bending vibration can be expanded, and the locus of the elliptical motion can be expanded. As a result, the vibration efficiency is further improved, and when the piezoelectric vibrator is used as an actuator, the drive efficiency can be further improved and the size can be further reduced.
前記混合振動モードが励振される本発明の圧電振動体では、前記補強板は、前記第1くり貫き部が形成された中央部と、前記縦振動の振動方向における前記圧電素子の一端部から他端部までの間で前記中央部を介して延びる幹線部と、前記幹線部の一端部と前記中央部との間、および前記幹線部の他端部と前記中央部との間のそれぞれにおいて、前記幹線部に交差するように1つ以上形成される枝部と、を有し、前記幹線部と前記枝部とに隣り合う領域には、前記補強板の外縁部から前記幹線部に向かってくり貫かれた前記第2くり貫き部が形成されていることが好ましい。 Wherein the pressure conductive vibrator of the present invention that mixed vibration mode is excited, the reinforcing plate includes a first void part is a central part which is formed from one end of the piezoelectric element in the vibration direction of the longitudinal vibration In the trunk line part extending through the central part to the other end part, between one end part of the trunk line part and the central part, and between the other end part of the trunk line part and the central part, respectively. One or more branch portions formed so as to intersect the main line portion, and in a region adjacent to the main line portion and the branch portion, the outer edge portion of the reinforcing plate faces the main line portion. It is preferable that the second cut-through portion that is cut through is formed.
この発明によれば、幹線部が支柱となり、幹線部、中央部、および枝部によって骨格が
形成されるので、この骨格により、圧電素子の面外方向への変位を良好に規制できる。これによって振動効率をより向上させることが可能となる。
なお、枝部の数が多い場合の補強板の形状は、魚の骨に似た形状となる。
また、幹線部は、圧電素子または補強板の一端部から他端部に延びていれば、直線的に形成されていなくてもよく、例えばS字状に延びていてもよい。
なお、上記屈曲振動によって生じる歪は、圧電振動体(あるいは圧電素子または補強板、以下同)に屈曲振動が生じた際の所定単位長さに対する変位量の割合を意味している。したがって、屈曲振動によって引き起こされる圧電振動体の歪が最大となる箇所は、屈曲振動の腹に相当して且つ補強板あるいは圧電素子の外縁部に相当する箇所である。なお、上記節は圧電振動体において振幅がほぼゼロになる箇所であり、上記腹は圧電振動体において振幅が極大(図41の点P位置参照)となって最も揺れ動く部分である。
According to the present invention, the trunk portion becomes the support column, and the skeleton is formed by the trunk portion, the center portion, and the branch portion. Therefore, the displacement of the piezoelectric element in the out-of-plane direction can be well regulated by this skeleton. As a result, the vibration efficiency can be further improved.
The shape of the reinforcing plate when the number of branches is large is similar to a fish bone.
Further, the main line portion may not be formed linearly as long as it extends from one end portion of the piezoelectric element or the reinforcing plate to the other end portion, and may extend in an S shape, for example.
The strain generated by the bending vibration means the ratio of the displacement amount to the predetermined unit length when the bending vibration is generated in the piezoelectric vibrating body (or piezoelectric element or reinforcing plate, hereinafter the same). Therefore, the portion where the distortion of the piezoelectric vibrating body caused by the bending vibration becomes maximum corresponds to the antinode of the bending vibration and the portion corresponding to the outer edge portion of the reinforcing plate or the piezoelectric element. The node is a portion where the amplitude is almost zero in the piezoelectric vibrating body, and the antinode is the portion where the amplitude is maximum (see the position of point P in FIG. 41) in the piezoelectric vibrating body.
図42に、本発明の参考技術として、主として屈曲振動を励振する圧電振動体により被駆動体を駆動する態様の一例を示しておく。この図に示すように、圧電振動体93は、ロータ92との接線Lの法線方向に沿って配置され、圧電振動体93に設けられた当接部としての突起部931の運動により、ロータ92が接線Lの方向に押圧され駆動される。この図42のように圧電振動体93が配置される場合、屈曲振動の振幅が拡大されることによって突起部931の振動サイクル毎の押圧によるロータの駆動距離が大きくなり、その結果、駆動速度を向上させることが可能となり、また、トルクが大となって負荷の大きい被駆動体を駆動できるようになる。
なお、被駆動体はロータに限らず、直線的に駆動されるものであってもよい。
FIG. 42 shows an example of a mode in which a driven body is driven by a piezoelectric vibrating body that mainly excites bending vibration as a reference technique of the present invention. As shown in this figure, the piezoelectric vibrating
The driven body is not limited to the rotor and may be driven linearly.
そして、本発明の圧電振動体では、通常は振動を行う補強板の弾性率(たとえば、ヤング率)が圧電素子の弾性率よりも高いものであり、その場合には、補強板の振動特性を向上させるために、前記補強板と前記圧電素子とが接触する面積は、前記補強板に第1くり貫き部または第2くり貫き部が設けられた状態において、前記圧電素子の面積よりも小さいことが好ましい。本発明では、補強板の剛性と圧電素子の剛性とが互いに近づくようにすることができる。
また、補強板の本体と支持部とは、平面的に重ならないように形成されることが好ましい。これにより、第1くり貫き部が支持部と重なって配置されることがないので、補強板の本体の動きが妨げられることはない。
なお、補強板の外形を輪郭部として残す場合は、圧電素子の形状(例えば矩形)は、補強板のくり貫かれていない状態での外形(例えば矩形)と一致することが好ましい。これにより、くり貫き部が形成された補強板と圧電素子とを貼り合わせる際に、補強板と圧電素子との相対位置を容易にかつ正確に位置決め可能となるので、圧電振動体の振動特性のばらつきが抑制される。
Then, the pressure electrostatic vibrator of the present invention, the elastic modulus of the reinforcing plate performing oscillation is usually (for example, Young's modulus) is at higher than the elastic modulus of the piezoelectric element, in which case the vibration characteristics of the reinforcement plate In order to improve the area, the area where the reinforcing plate and the piezoelectric element are in contact is smaller than the area of the piezoelectric element when the reinforcing plate is provided with the first cutout portion or the second cutout portion. It is preferable. In the present invention, the rigidity of the reinforcing plate and the rigidity of the piezoelectric element can be made closer to each other.
Moreover, it is preferable that the main body and the support portion of the reinforcing plate are formed so as not to overlap in plan view. Thereby, since a 1st cut-through part does not overlap with a support part and the movement of the main body of a reinforcement board is not prevented.
When the outer shape of the reinforcing plate is left as a contour portion, the shape (for example, a rectangle) of the piezoelectric element preferably matches the outer shape (for example, a rectangular shape) of the reinforcing plate that is not hollowed out. This makes it possible to easily and accurately position the relative position between the reinforcing plate and the piezoelectric element when the reinforcing plate formed with the cut-through portion is bonded to the piezoelectric element. Variation is suppressed.
本発明の圧電振動体では、前記補強板は、くり貫かれていない状態における平面視の外形形状が略矩形状とされ、前記くり貫き部の少なくとも一つは、前記補強板の幅を二等分する中心線について線対称に形成されていることが好ましい。 The pressure electrostatic vibrator of the present invention, the reinforcing plate is outer shape in plan view in a state that is not hollowed is a substantially rectangular, at least one of the void part, the double the width of the reinforcing plate It is preferable that the center line is equally symmetrical with respect to the equally dividing center line.
この発明によれば、圧電素子の面外方向変位に対する補強板の規制力を中心線の両側で線対称に発揮させることができる。このため、圧電振動体の振動挙動を前記中心線に線対称に切り換えた際に、その振動特性を中心線の両側で同等にできる。これにより、圧電振動体の振動を伝達して被駆動体を一の方向とこれと反対方向とにそれぞれ駆動した際の駆動特性を同等にすることができる。
なお、「くり貫き部」とは、第1くり貫き部、第2くり貫き部、および第3くり貫き部のすべてを総称したものをいう。以降の説明においても同様である。
According to this invention, the regulating force of the reinforcing plate against the displacement in the out-of-plane direction of the piezoelectric element can be exhibited symmetrically on both sides of the center line. For this reason, when the vibration behavior of the piezoelectric vibrating body is switched line-symmetrically to the center line, the vibration characteristics can be made equal on both sides of the center line. Thereby, it is possible to equalize the driving characteristics when the vibration of the piezoelectric vibrating body is transmitted and the driven body is driven in one direction and the opposite direction.
The “drilled through part” is a generic term for all of the first cutout part, the second cutout part, and the third cutout part. The same applies to the following description.
本発明の圧電振動体では、前記くり貫き部の少なくとも一つには、前記補強板の材料よりも弾性率が小さい材料で形成された部材が配置されていることが好ましい。 The pressure electrostatic vibrator of the present invention, at least one of the void part, it is preferable that the member formed elastic modulus at small material are arranged than the material of the reinforcing plate.
この発明によれば、弾性率が小さい部材が第1くり貫き部や第2くり貫き部や第3くり貫き部に補強板とは別部材で配置されることにより、補強板の強度を確保しつつ、圧電素子の面内方向への変位を妨げずに振幅を大きく拡大できる。
なお、補強板よりも弾性率が小さい(例えばヤング率が小さい)部材は、たとえば、補強板が鋼材等の金属である場合には、樹脂や、はんだ等によって形成することができる。
According to this invention, the strength of the reinforcing plate is ensured by disposing the member having a low elastic modulus in the first cutout portion, the second cutout portion, or the third cutout portion as a separate member from the reinforcing plate. However, the amplitude can be greatly increased without hindering the displacement of the piezoelectric element in the in-plane direction.
In addition, the member whose elastic modulus is smaller than the reinforcing plate (for example, Young's modulus is small) can be formed of resin, solder, or the like when the reinforcing plate is a metal such as steel.
本発明の圧電振動体では、前記補強板は、前記被駆動体に当接されて当該被駆動体を駆動する当接部を有し、前記第1くり貫き部は、当該圧電振動体が前記被駆動体の反力を受けている状態で前記縦振動によって生じる歪が最大または略最大となる箇所を含むように形成されていることが好ましい。
また本発明の圧電振動体では、前記補強板は、被駆動体に当接されて当該被駆動体を駆動する当接部を有し、前記第2くり貫き部は、当該圧電振動体が前記被駆動体の反力を受けている状態で前記屈曲振動によって生じる前記歪が最大または略最大となる箇所を含むように形成されていることが好ましい。
The pressure electrostatic vibrator of the present invention, the reinforcing plate, the abuts on the driven member has an abutting portion for driving the driven body, the first void part is the piezoelectric vibrators It is preferable to include a portion where the strain generated by the longitudinal vibration is maximum or substantially maximum in a state where the reaction force of the driven body is received.
In pressure electrostatic vibrator of the present invention is also the reinforcing plate has a contact portion for driving the driven member abuts on the driven member, the second void part is the piezoelectric vibrators It is preferable to include a portion where the strain generated by the bending vibration is maximized or substantially maximized while receiving the reaction force of the driven body.
これらの発明では、圧電振動体は被駆動体を駆動するアクチュエータとして使用される。ここで、被駆動体による反力を受けて圧電振動体が振動する場合の、縦振動によって生じる歪が最大または略最大となる箇所を含むように第1くり貫き部が形成され、屈曲振動によって生じる歪が最大または略最大となる箇所を含むように第2くり貫き部が形成されることによって、圧電振動体をアクチュエータとして使用する際に即した圧電素子の振動挙動に対応できる。すなわち、圧電アクチュエータの動作時、被駆動体の反力の影響により、圧電振動体の振動特性が圧電振動体単体で振動させた際の振動特性とは多少ずれても、補強板により圧電素子の面外方向への変位を規制しつつ、振幅を確実に拡大して良好な振動特性を実現できる。
なお、当接部は補強板と一体でも別体でもよい。
In these inventions, the piezoelectric vibrating body is used as an actuator for driving the driven body. Here, when the piezoelectric vibrating body vibrates in response to the reaction force from the driven body , the first cut-out portion is formed so as to include a portion where the strain caused by the longitudinal vibration is maximum or substantially maximum, and the bending vibration causes By forming the second cut-out portion so as to include a portion where the generated strain is maximum or substantially maximum, it is possible to cope with the vibration behavior of the piezoelectric element in conformity with the use of the piezoelectric vibrating body as an actuator. That is, during the operation of the piezoelectric actuator, even if the vibration characteristics of the piezoelectric vibrating body slightly deviate from the vibration characteristics when the piezoelectric vibrating body is vibrated alone due to the reaction force of the driven body, While restricting the displacement in the out-of-plane direction, it is possible to reliably increase the amplitude and realize good vibration characteristics.
The contact portion may be integrated with the reinforcing plate or may be separate.
本発明の圧電アクチュエータは、前述の圧電振動体と、前記圧電振動体から振動が伝達されることによって駆動される被駆動体とを備えることを特徴とする。
この発明によれば、前述した圧電振動体を備えるため、前述した作用および効果を享受できる。
A piezoelectric actuator according to the present invention includes the above-described piezoelectric vibrating body and a driven body that is driven by vibration transmitted from the piezoelectric vibrating body.
According to the present invention, since the piezoelectric vibrator described above is provided, the above-described functions and effects can be enjoyed.
本発明の携帯機器は、前述の圧電アクチュエータを備えることを特徴とする。
この発明によれば、前述した圧電振動体を備えるため、前述した作用および効果を享受できる。
ここで、携帯機器としては、例えば、腕時計、懐中時計、ディジタルカメラ、ディジタルビデオ、携帯型プリンタ、携帯情報機器、携帯電話などが挙げられる。
A portable device according to the present invention includes the above-described piezoelectric actuator.
According to the present invention, since the piezoelectric vibrator described above is provided, the above-described functions and effects can be enjoyed.
Here, examples of the portable device include a wristwatch, a pocket watch, a digital camera, a digital video, a portable printer, a portable information device, a cellular phone, and the like.
本発明の携帯機器は、計時部とこの計時部で計時された情報を表示する計時情報表示部とを備え、前記被駆動体により前記計時情報表示部が駆動される時計であることが好ましい。
この発明によれば、前述の圧電振動体をアクチュエータとして歯車などを駆動し、時刻や暦などの計時情報を表示することが可能となる。前述の圧電振動体によれば、振幅が大幅に拡大されているので、負荷の大きい重厚な部材の駆動も可能となり、また、駆動速度が速い秒針などの連続駆動や、指針の迅速な帰零なども可能となる。また、振幅が拡大され同じ投入電力での駆動効率が向上されているため、印加電圧を低くでき、電池容量が小さい小型・薄型の電池を使用できるので時計の一層の小型化、薄型化が可能となる。
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、応答性が高い、などを実現できる。
The portable device according to the present invention is preferably a timepiece including a timekeeping unit and a time information display unit that displays information timed by the timekeeping unit, and the timed information display unit is driven by the driven body.
According to the present invention, it is possible to display time information such as time and calendar by driving a gear or the like using the piezoelectric vibrator as an actuator. According to the piezoelectric vibrator described above, the amplitude is greatly enlarged, so that a heavy member with a large load can be driven, and continuous driving such as a second hand having a high driving speed, and quick return of a pointer are possible. Etc. are also possible. In addition, since the amplitude is increased and the drive efficiency with the same input power is improved, the applied voltage can be lowered and a small and thin battery with a small battery capacity can be used, so the watch can be further reduced in size and thickness. It becomes.
In addition, advantages of the piezoelectric actuator, that is, not affected by magnetism, high responsiveness, and the like can be realized.
以上の本発明によって駆動効率を大きく向上させることができる。 The drive efficiency can be greatly improved by the present invention described above.
以下、本発明の各実施形態について図面を参照して説明する。
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。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
In the description of the second and subsequent embodiments, the same components as those of the first embodiment described below are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted or simplified.
〔第1実施形態〕
本実施形態では、携帯機器としてクロノグラフを装備した腕時計を示す。また、本実施形態では、縦振動の振幅拡大が可能であり、これによって屈曲振動の振幅も拡大することが可能な構成を示す。
[First Embodiment]
In this embodiment, a wristwatch equipped with a chronograph is shown as a portable device. Further, in the present embodiment, a configuration is shown in which the amplitude of longitudinal vibration can be increased, and thereby the amplitude of bending vibration can also be increased.
[1.全体構成]
図1は、本実施形態の時計1を示す平面図である。時計1は、ムーブメント2と、時刻を表示するための文字板3、時針4、分針5、および秒針6のほか、クロノグラフ時間を示すクロノグラフ秒針7Aおよびクロノグラフ分針7Bを備えている。
時針4、分針5、秒針6は、通常のアナログクォーツと同様のものであって、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プモータと、駆動輪列と、電池とによって駆動される。
[1. overall structure]
FIG. 1 is a plan view showing a
The hour hand 4, the
[2.クロノグラフ秒針の駆動機構]
クロノグラフ秒針7Aを駆動する駆動機構は、圧電振動体20Aと、この圧電振動体20Aによって回転駆動される被駆動体としてのロータ25と、ロータ25の回転を減速しつつ伝達する減速輪列26とを備えて構成されている。これらの圧電振動体20Aとロータ25とにより、圧電アクチュエータ20が構成されている。
減速輪列26は、ロータ25と同軸に配置されてロータ25と一体的に回転する歯車261と、この歯車261に噛合し、かつクロノグラフ秒針7Aの回転軸に固定された歯車262とで構成されている。
なお、圧電アクチュエータ20、ロータ25、および歯車261は、図2に示すように、圧電アクチュエータユニット10としてユニット化されている。
[2. Chronograph second hand drive mechanism]
The driving mechanism for driving the chronograph
The
The
[3.圧電アクチュエータユニットの構成]
図2に示す圧電アクチュエータユニット10は、時計1の地板などにネジ等の固定部材11によって固定される支持プレート12と、支持プレート12に固定された圧電振動体20Aと、支持プレート12に回転自在に取り付けられたロータ25および歯車261とを備えて構成されている。ここで、本実施形態の圧電アクチュエータ20は圧電振動体20Aとロータ25とを有して構成されている。なお、歯車261の上方に配置された回転センサ13により、歯車261の回転量(回転位置)が検出される。
支持プレート12には、圧電アクチュエータ20が取り付けられるベース部材14が固定されている。
[3. Configuration of piezoelectric actuator unit]
A
A
[4.圧電アクチュエータの構成]
図3は、圧電アクチュエータ20を構成する圧電振動体20Aを示し、圧電振動体20Aは、全体形状が略矩形板状に形成されている。
圧電振動体20Aは、矩形板状の2つの圧電素子21,21と、ステンレス鋼などで形成された補強板30とを備えている。補強板30の表面および裏面のそれぞれに圧電素子21,21が積層され接合されることにより、圧電振動体20Aが構成されている。
[4. Configuration of piezoelectric actuator]
FIG. 3 shows a piezoelectric vibrating
The piezoelectric vibrating
[4−1.圧電素子の構成]
圧電素子21,21には、本実施形態ではチタン酸ジルコン酸鉛(PZT(登録商標))が使用されているが、このほか、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なども使用できる。
各圧電素子21の表面には、めっき、スパッタ、蒸着等によって形成された電極面が形成されている。この電極面がエッチング等による溝230で分割されることにより、各圧電素子21の表面には5つの電極231〜235が形成されている。これらの電極231〜235は、各圧電素子21において同様に配置されており、例えば、図3中の表側圧電素子21における表側の体表面に配置された電極235の裏側には、裏側圧電素子21における裏側の体表面において電極235が配置されている。すなわち、表側圧電素子21と裏側圧電素子21との各々の電極は、平面視で一致している。
一方、表側と裏側の各圧電素子21において各々電極231〜235が形成された面とは反対側の面は、補強板30と接触導通されている。すなわち、補強板30は各々の圧電素子21の電極としても機能する。
なお、圧電素子21,21の補強板30と積層される側の面に全面に亘って電極が形成されていてもよく、この場合、この電極と補強板30とが導通される。
ここで、圧電素子21の寸法は、幅と長さの比が2:7に決められており、本実施形態では、幅1mm、長さ3.5mmとされている。
[4-1. Configuration of piezoelectric element]
In this embodiment, lead zirconate titanate (PZT (registered trademark)) is used for the
An electrode surface formed by plating, sputtering, vapor deposition, or the like is formed on the surface of each
On the other hand, the surface opposite to the surface on which the
An electrode may be formed over the entire surface of the
Here, the dimensions of the
[4−2.補強板の構成]
図4は、圧電振動体20Aにおける補強板30の形状を示す平面図である。補強板30は、表面および裏面のそれぞれに圧電素子21,21が積層される矩形状の補強板本体31と、この補強板本体31の長辺側の両側面に連設される一対の支持部32,32と、補強板本体31の短辺側に連設される当接部である突起部33と、この突起部33に対して振動バランスを確保するための突起34とを有し、これらは一体に形成されている。
本実施形態の補強板30は、導電性が有り非磁性体であるステンレス鋼で形成されているが、補強板の材料はこれに限らない。補強板に使用される非磁性の材料としては、例えば、オーステナイト系のステンレス鋼、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金などの金属材料や、ポリイミドなどの樹脂材料、あるいはセラミック材料などがある。ここで、各種金属材料などの導電性を有する材料が補強板に使用される場合には、補強板を圧電素子の電極として利用できるため、補強板に積層される圧電素子に別途電極を形成する必要が無いという利点がある。また、非磁性の材料が補強板に使用される場合には、時計外部の磁界や、時計に組み込まれたステップモータによる磁界が圧電アクチュエータ20の動作に影響を及ぼさないという利点がある。なお、圧電アクチュエータはステップモータと比較して磁界の影響を受け難い構造であるが、非磁性体を補強板に使用することによって磁界の影響をより一層受け難くなる。なお、補強板には、磁性材を用いても良い。
補強板本体31の長さおよび幅はそれぞれ、圧電素子21の長さおよび幅と同様とされ、補強板本体31の平面中心部分には、第1くり貫き部としての貫通孔310が形成されている。つまり、圧電素子21の振動に追従して振動する部分である補強板本体31と圧電素子21との接触面積が圧電素子21の面積よりも小さくなっており、これによって圧電振動体20Aの振動特性を向上させることができる。
ここで、補強板本体31と支持部32,32とは、平面的に重ならないように形成されている。よって、貫通孔310には支持部32,32が設けられることがないので、支持部32,32によって補強板本体31の動きが妨げられることはない。
補強板本体31における貫通孔310以外の部分には、圧電素子21,21がエポキシ系の接着剤で接合されている。
貫通孔310は、圧電素子21の幅を二等分する中心線Yについて線対称に形成されている。
[4-2. Reinforcement plate configuration]
FIG. 4 is a plan view showing the shape of the reinforcing
The reinforcing
The length and width of the reinforcing
Here, the reinforcing plate
The through-
各支持部32は、補強板本体31に連設される連結部321と、ねじ15(図2)でベース部材14に固定される固定部322とを有し、圧電素子21とは積層されずに圧電素子21の外縁部から突出した状態で圧電素子21を支持している。固定部322には、ねじ15が挿通される固定孔322Aと、位置決め孔322Bとが形成されている。
なお、連結部321は、被駆動本体31にバネ力を付与するように幅狭く形成しても良い。そのバネ力により突起部33がロータ25に弾圧し、圧電振動体20の励振によりロータ25が回転駆動されるようになる。なお、上記バネ力の付与構造は、上記に限定されるものではなく、どのようなものであってもよい。
各支持部32における連結部321はそれぞれ、圧電振動体20Aが励振する縦振動の節(線分A)を通る直線X−Xに沿って、圧電素子21の幅方向両側にそれぞれ設けられている。なお、線分Aは、圧電素子21の平面中心を通り、かつ圧電素子21の長手方向と直交する方向に沿った、圧電素子21の外縁部21Aを両端とする線分である。
Each
The connecting
The connecting
突起部33は、ロータ25(図2)の外周面に対して所定の力で当接するように、ロータ25との相対位置が設定されており、この突起部33とロータ25側面との間に適切な摩擦力が発生することで、圧電振動体20Aの振動がロータ25に伝達されるようになっている。
なお、本実施形態ではロータ25と当接されない側にも、突起部33と同じ形状および質量でカウンタとしての突起部34が設けられている。
The
In the present embodiment, a
[5.圧電振動体の電気的構成]
図5は、圧電振動体20Aの電気的接続を示す。圧電振動体20Aには、図示しないリード基板が設けられており、圧電素子21に設けられた各電極231〜235と補強板30とは、このリード基板を介して駆動回路28に接続されている。
補強板30は各圧電素子21,21共通の電極としてGNDに接続され、駆動回路28により、一方の圧電素子21の各電極231〜235と補強板30との間、および他方の圧電素子21の各電極231〜235と補強板30との間のそれぞれに交流電圧が印加される。なお、各電極231〜235は後述するように選択的に用いられるが、各圧電素子21にそれぞれ設けられた同じ電極同士、すなわち電極231,231、電極232,232、電極233,233、電極234,234、電極235,235にはそれぞれ、同時に同電位が印加される。
[5. Electrical configuration of piezoelectric vibrator]
FIG. 5 shows electrical connection of the piezoelectric vibrating
The reinforcing
圧電振動体20Aには、駆動回路28によって単相の駆動電圧が印加される。
ここで、駆動電圧の周波数(駆動周波数)については、圧電振動体20A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6に、圧電振動体20Aにおける駆動周波数とインピーダンスとの関係を示した。図6に示すように、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である。
すなわち、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との間で圧電振動体20A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、圧電アクチュエータ20は高効率で駆動する。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、縦振動の振幅と屈曲振動の振幅との双方がより大きくなる駆動周波数を設定することができる。
A single-phase drive voltage is applied to the piezoelectric vibrating
Here, the frequency of the drive voltage (drive frequency) is determined in consideration of the resonance point of longitudinal vibration and the resonance point of bending vibration in the piezoelectric vibrating
FIG. 6 shows the relationship between the driving frequency and the impedance in the piezoelectric vibrating
That is, when the piezoelectric vibrating
[6.圧電振動体の作用]
図7は、圧電振動体20Aの振動挙動を示す。本実施形態では、圧電素子21に設けられた各電極231〜235に選択的に電位が印加される。
まず、圧電素子21の平面中央部に長手方向に沿って設けられた電極233と、圧電素子21の平面中心に点対称に配置された電極231,235とに電位が印加された際には、これら電極231,233,235が設けられた部分への電圧印加に伴う圧電素子21の伸縮により、圧電振動体20Aは長手方向に沿って縦一次振動を励振するとともに、圧電素子21における伸縮部位のアンバランスで生じたモーメントにより、圧電素子21の幅方向に屈曲二次振動を誘発する。これにより、圧電振動体20Aは縦振動および屈曲振動が合成された混合モードで振動し、これら縦振動および屈曲振動は、圧電素子21に積層された補強板本体31によって圧電素子21が保持されることにより、補強板30の面内方向に沿ったものとなる。
[6. Action of piezoelectric vibrator]
FIG. 7 shows the vibration behavior of the piezoelectric vibrating
First, when a potential is applied to the
ここで、図36のグラフに既に示したように、縦振動の節(図7にAで図示)は圧電振動体20Aにおいて縦振動によって生じる歪が最大(縦振動の振動エネルギ密度が最大)となる箇所と同様であって、この縦振動の節の中心部(本実施形態では圧電振動体20Aにおける平面中心部分)を含んで補強板本体31に貫通孔310が形成されている。すなわち、貫通孔310の内側には、縦振動によって生じる歪が最大となる箇所の中心部が含まれている。
この縦振動により最大の歪が生じる線分Aの一部を含む貫通孔310において、補強板本体31と圧電素子21とが接触しておらず、圧電素子21がフリーで伸縮するので、圧電素子21の伸縮により発生し得る最大の振動エネルギによる振幅拡大が可能となる。
これに加えて、貫通孔310以外では圧電素子21が補強板本体31の表面に保持されており、これによって圧電素子21の面外方向への変位が規制されるため、圧電振動体20Aの振幅が減殺されることなく、圧電振動体20Aにおける縦振動の振幅を略最大にできる。なお、縦振動の振幅は圧電振動体20Aの短辺部において最大となる。
そして、このように縦振動の振幅が拡大されることで、縦振動により誘発する屈曲振動の振幅も拡大されることとなる。
Here, as already shown in the graph of FIG. 36, the longitudinal vibration node (shown by A in FIG. 7) has the maximum distortion (the vibration energy density of the longitudinal vibration is maximum) in the piezoelectric vibrating
In the through
In addition to this, the
And the amplitude of a longitudinal vibration induced by a longitudinal vibration will also be expanded by expanding the amplitude of a longitudinal vibration in this way.
ここで、貫通孔310は、縦振動によって生じる歪が最大となる線分A上の位置から、圧電素子21の長手方向に沿って圧電素子21の長さの1/20(または5%)以上離間する位置まで開口しているので、突起部33が当接したロータ25(図2)の反力を受けて、圧電振動体20Aの振動エネルギ密度分布が圧電振動体20A単体の場合よりもロータ25と離間する側に変位したような場合であっても、貫通孔310には依然、縦振動によって生じる歪が最大となる箇所の一部が含まれる。
Here, the through-
このような縦振動と、二次振動である屈曲振動との所定の位相差により、圧電振動体20Aは楕円振動を励振する。これにより、圧電振動体20Aの突起部33は圧電素子21の長手方向の中心線Yに対して傾斜した楕円軌跡R1を描く。この突起部33の楕円運動により、ロータ25(図2)は突起部33との接線方向に押圧されて+方向に回転する。
他方、中央の電極233と、点対称の電極232,234とに電位を印加した際には、上述の場合における圧電素子21の電圧印加領域とは線対称となる領域に電圧が印加されるため、突起部33の軌跡もR1とは線対称の楕円軌跡R2となり、ロータ25(図2)は−方向に回転する。
このようなロータ25の回転により、ロータ25と一体の歯車261も回転し、歯車2
61の回転に伴い歯車262が回転し、クロノグラフ秒針7A(図1)が正方向または逆方向に駆動される。
Due to the predetermined phase difference between the longitudinal vibration and the bending vibration that is the secondary vibration, the piezoelectric vibrating
On the other hand, when a potential is applied to the
By such rotation of the
As the
なお、圧電振動体20Aの振動を検出して駆動制御を行ってもよく、この場合、ロータ25の+方向への駆動時には、駆動電圧が印加されない電極232,234を介して圧電振動体20Aの振動状態を示す電圧信号を検出し、ロータ25の−方向への駆動時には、駆動電圧が印加されない電極231,235を介して圧電振動体20Aの振動状態を示す電圧信号を検出する。そして、検出した電圧信号に基づいて駆動周波数や駆動パルス幅などを制御すればよい。
The drive control may be performed by detecting the vibration of the piezoelectric vibrating
[7.本実施形態による効果]
(1)時計1に搭載され電池を電源として動作する圧電アクチュエータ20において、図36に示したような圧電振動体20Aにおける振動エネルギ密度についての検証に基づき、縦振動によって生じる歪が最大となる線分Aの一部を含む貫通孔310が補強板本体31に形成されている。このような貫通孔310において、圧電素子21における最大の振動エネルギを発揮させて振幅拡大を図りつつ、補強板本体31における貫通孔310以外の部分により圧電素子21の面外方向への変位を規制するので、縦振動の振幅が確実に拡大される。
これにより、同じ投入電力でもより負荷の大きい被駆動体(ロータ25や歯車261,262、およびクロノグラフ秒針7A)の駆動や、被駆動体を高速に駆動してクロノグラフ秒針7Aのような比較的高速に駆動される秒針の駆動を実現できる。
他方、投入電力を減らしても所定の負荷の被駆動体を駆動可能となるため、電池容量を小さくすることができ、時計1の小型化および薄型化も促進できる。
[7. Effects of this embodiment]
(1) In the
As a result, the driven body (the
On the other hand, even if the input power is reduced, the driven body with a predetermined load can be driven, so that the battery capacity can be reduced and the
(2)(1)の如く縦振動の振幅が拡大されることによって、縦振動により誘発する屈曲振動の振幅も拡大されるので、縦振動と屈曲振動との混合モードにおける圧電振動体20Aの楕円振動の軌跡をより大きくでき、振動効率をより向上させることができる。これにより、より負荷の高い被駆動体の駆動や、被駆動体をより高速に駆動することが可能となる。
(2) As the longitudinal vibration amplitude is increased as in (1), the amplitude of the bending vibration induced by the longitudinal vibration is also expanded, so that the elliptical shape of the piezoelectric vibrating
(3)補強板本体31に形成された貫通孔310は、圧電素子21の長手方向に沿った中心線Yについて線対称に形成されているため、圧電素子21の面外方向変位に対する補強板本体31の規制力を中心線Yの両側で線対称に発揮させることができる。これにより、突起部33が楕円軌跡R1を描く際の振動特性と、楕円軌跡R2を描く際の振動特性とが同等となり、ロータ25を+方向と−方向とにそれぞれ駆動した際の駆動特性を同等にすることができる。
(3) Since the through-
(4)補強板本体31における貫通孔310は、ロータ25への突起部33の当接によるロータ25の反力を加味した寸法、位置および形状に形成されているため、圧電アクチュエータ20の動作時における圧電素子21の変位挙動に対応できる。すなわち、圧電アクチュエータ20の動作時、ロータ25の反力の影響により、圧電振動体20Aの振動特性が圧電振動体20A単体で振動させた際の振動特性とは多少ずれても、補強板本体31によって圧電素子21の面外方向への変位を規制しつつ、振幅を確実に拡大して良好な振動特性を実現できる。
(4) Since the through-
〔第1実施形態の変形例〕
図8は、補強板本体31の貫通孔310の内側空間に、補強板30よりも弾性率の小さい部材35を配置固定(接合などによる)した例を示す。部材35は、例えば樹脂やはんだで形成された部材であり、弾性率が小さいため圧電素子21が伸縮する際の抗力をほとんど持たず、貫通孔310の内部が空間とされた前記第1実施形態(図4)による効果と同様の効果を奏する。
また、このように貫通孔310に補強板本体とは別部材35が配置されることにより、補強板本体31の強度をより十分に確保することができる。
なお、図9のように部材35が貫通孔310の一部にのみ設けられ、補強板本体31に部材35で囲まれた貫通孔350が形成されていてもよく、これによって振幅の拡大により寄与できる。
また、前記第1実施形態(図4)において、圧電素子21と補強板本体31とを接合する接着剤が貫通孔310の内部に流入した場合でも、この接着剤は補強板30よりも弾性率が小さいため、本変形例と同様の効果を奏する。
[Modification of First Embodiment]
FIG. 8 shows an example in which a
In addition, by arranging the
As shown in FIG. 9, the
Further, in the first embodiment (FIG. 4), even when an adhesive that joins the
〔第2実施形態〕
次に、本発明の第2実施形態を説明する。本実施形態では、縦振動および屈曲振動の振幅を拡大することが可能な構成を示す。
図10は、本実施形態の圧電振動体40Aを示す。本実施形態では、圧電素子21に積層される補強板本体41の形状のみが第1実施形態とは異なり、その他の構成は第1実施形態と同様に構成されている。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, a configuration capable of expanding the amplitudes of longitudinal vibration and bending vibration is shown.
FIG. 10 shows a piezoelectric vibrating
本実施形態の補強板本体41は、前記第1実施形態と略同様の貫通孔310を有するとともに、補強板本体41の幅方向両側でそれぞれ、圧電素子21の長手方向に沿った外縁部21Aに対応する補強板本体41の端縁から圧電素子21の幅方向内側にくり貫かれて形成されたくり貫き孔411〜414を有している。これらのくり貫き孔411〜414は、中心線Yについて線対称に形成されており、かつ、圧電振動体40Aの振動時、図40により導き出される様に屈曲振動によって生じる歪が最大となる点(箇所)B1,B2(屈曲振動の腹)に相当する位置にそれぞれ形成されている。
The reinforcing
ここで、本実施形態の圧電振動体40Aの長手方向に沿った中心線Yにおける屈曲振動の振動挙動を検出すると、前記した図41と略同様となり、圧電振動体40Aの平面中心位置から短辺までの距離を100%としたとき約37%の距離に圧電振動体幅方向の変位量(振幅)が極大となる点Pがある。そして図40に示したように、圧電振動体40Aの幅方向における内側(中心側)の部分より外縁部の方の歪が大きくなることから、圧電振動体40Aにおいて、平面中心位置から短辺方向に37%離れた上記点P位置での圧電振動体幅方向に沿った直線と上記外縁部(長辺)との交点位置であるB1、B2において、屈曲振動によって生じる歪が最大となる。すなわち、上記点(箇所)B1,B2(点Pをとる)位置が、圧電振動体40Aにおいて屈曲振動によって生じる歪が最大(屈曲振動のエネルギ密度が最大)となる箇所である。以上のように、図40と図41に基づいて、屈曲振動の歪が最大となる箇所は、B1、B2に相当することがわかる。
したがってこれら点B1,B2をそれぞれ含むようにくり貫き孔411〜414が形成されている。よって、くり貫き孔411〜414が第2くり貫き部となる。これらのくり貫き孔411〜414において、圧電素子21がフリーで伸縮するので、圧電素子21の屈曲振動により発生し得る最大の振動エネルギによる振幅拡大が可能となる。
なお、くり貫き孔411〜414および貫通孔310以外で圧電素子21が補強板本体41の表面に保持されることにより、圧電素子21の面外方向への変位が規制されるため、圧電振動体20Aにおける縦振動および屈曲振動の振幅を略最大にできる。
Here, when the vibration behavior of the bending vibration at the center line Y along the longitudinal direction of the piezoelectric vibrating
Accordingly, through
Since the
ここで、くり貫き孔411〜414は、屈曲振動によって生じる歪が最大となる屈曲振動の点B1,B2それぞれの近傍部まで含んで開口しているので、突起部33が当接するロータ25(図2)の反力を受けて振動エネルギ密度分布が圧電振動体20A単体における振動エネルギ密度分布から変化した場合であっても、くり貫き孔411〜414には屈曲振動によって生じる歪が最大となる箇所が含まれている。
Here, since the through
本実施形態の圧電振動体40Aは、前記第1実施形態と同様、縦振動および屈曲振動の混合モードによる楕円振動を励振するが、前述のように貫通孔310により縦振動の振幅および屈曲振動の振幅が拡大されるうえ、くり貫き孔411〜414によって屈曲振動の振幅が拡大されるため、振動効率がより一層向上する。
そのほか、本実施形態によっても第1実施形態と略同様の効果を奏する。
The piezoelectric vibrating
In addition, the present embodiment also provides substantially the same effect as the first embodiment.
〔第2実施形態の変形例〕
図11は、補強板本体41の貫通孔310およびくり貫き孔411〜414の内側空間にそれぞれ、樹脂やはんだで形成された部材35を配置固定した例を示す。部材35は、補強板30よりも弾性率が小さいため、貫通孔310およびくり貫き孔411〜414の内部が空間とされた前記第2実施形態(図10)による効果と同様の効果を奏し、また、このように貫通孔310およびくり貫き孔411〜414に部材35が配置されることにより、補強板本体41の強度をより十分に確保することができる。
なお、この部材35は、貫通孔310の一部や各くり貫き孔411〜414のそれぞれの一部にのみ設けられていてもよい。例えば、屈曲振動によって生じる歪が最大となる箇所(点B1,B2)には部材35を設けずに開口させてもよく、これにより振幅拡大を図ることができる。
また、前記第2実施形態(図10)において、圧電素子21と補強板本体41とを接合する接着剤が貫通孔310やくり貫き孔411〜414の内部に流入した場合でも、この接着剤は補強板30よりも弾性率が小さいため、本変形例と同様の効果を奏する。
[Modification of Second Embodiment]
FIG. 11 shows an example in which
In addition, this
Further, in the second embodiment (FIG. 10), even when the adhesive that joins the
〔第3実施形態〕
次に、本発明の第3実施形態を説明する。本実施形態では、縦振動および屈曲振動の振幅を拡大することが可能な構成を示す。
図12は、本実施形態の圧電振動体45Aを示す。本実施形態では、圧電素子21に積層される補強板本体46の形状のみが前記各実施形態とは異なり、その他の構成は前記各実施形態と同様に構成されている。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, a configuration capable of expanding the amplitudes of longitudinal vibration and bending vibration is shown.
FIG. 12 shows a piezoelectric vibrating
補強板本体46は、圧電素子21の平面中心部に積層されかつ貫通孔310が形成された中央部461と、圧電素子21の長手方向における一端部から他端部までの間で中央部461を経由して延びる幹線部462と、幹線部462に交差するように形成される複数の枝部463とを有して魚の骨に似た形状とされている。
枝部463は、幹線部462の一端462Aと中央部461との間、および幹線部462の他端462Bと中央部461との間のそれぞれに3つずつ、合計6つ設けられている。
The reinforcing
A total of six
このような補強板本体46では、幹線部462の一端462A、他端462B、各枝部463、および中央部461における隣り合う2つの間がいずれも、圧電素子21の長手方向に沿った外縁部21Aに対応する位置から幹線部462に向かってくり貫かれており、これによってくり貫き孔471〜482がそれぞれ形成されている。これらのくり貫き孔471〜482は中心線Yについて線対称に形成されている。
また、くり貫き孔472,478は、屈曲振動によって生じる歪が最大となる点(箇所)B1(上述したように補強板本体46におけるP点位置での長辺部位置)を含んで形成され、一方、くり貫き孔475,481は、屈曲振動によって生じる歪が最大となる点(箇所)B2(上述したように補強板本体46におけるP点位置での長辺部位置)を含んで形成されている。したがってくり貫き孔472,478、475、481が第2くり貫き部となる。
さらに、くり貫き孔471〜482の長さL1は、圧電素子21の長さの7%以下(好ましくは3%以上)の長さとされ、かつくり貫き孔471〜482の幅W1は、圧電素子21の幅の39%以下(好ましくは10%以上)の幅とされている。くり貫き孔471〜482が上記範囲に配置されていると、補強板の強度が確保されるとともに、振動時にZ軸方向の振動成分が減少し、振動効率が向上するものである。
In such a reinforcing plate
Further, the through-
Further, the length L1 of the bore holes 471 to 482 is 7% or less (preferably 3% or more) of the length of the
なお、くり貫き孔471〜482のそれぞれは、突起部33が当接するロータ25(図2)の反力を受けて振動エネルギ密度分布が変化した場合を加味してその形状、位置および寸法が決められている。
これらのくり貫き孔471〜482において、圧電素子21がフリーで伸縮するため、圧電素子21の屈曲振動により発生し得る最大の振動エネルギによる振幅拡大が可能となる。
Each of the bore holes 471 to 482 has a shape, a position, and a dimension determined in consideration of a case where the vibration energy density distribution changes due to the reaction force of the rotor 25 (FIG. 2) with which the
In these through-
図13〜図16を参照し、本実施形態の圧電振動体45Aの振動挙動について説明する。図13は、圧電振動体45Aが備える補強板を示し、図14は、圧電振動体45Aの斜視図である。ここで、補強板の補強板本体46にくり貫き孔471〜482が形成された部分には、補強板本体46と圧電素子21とが接触していない非接触部49が形成されている。この非接触部49は、くり貫き孔471〜482にそれぞれ対応する位置に形成されている。
図15は、圧電振動体45Aの各圧電素子21における電極232,233,234(図3)に電圧を印加し、電極231,235(図3)には電圧を印加せずに圧電振動体45Aを振動させた状態を示す。なお、図15は、圧電振動体45Aにロータなどを当接させることなく、圧電振動体45Aを無負荷で振動させた状態を示している。
With reference to FIGS. 13 to 16, the vibration behavior of the piezoelectric vibrating
FIG. 15 shows that a voltage is applied to the
図15は、圧電振動体45Aの振動状態をソフトウェアでシミュレーションした結果を示している。図16は、振動時の圧電振動体45Aにおける圧電素子21のみを表示した図である。これらの図15および図16から、圧電振動体45Aは、非接触部49のみならず圧電素子21と補強板本体46とが接触している部分も含めて全体的に面内方向に振動し、面外方向(当該方向にはZ方向が含まれる)への振動(面外振動)が殆ど無いことがわかる。前述した大きなくり貫き部が形成された補強板に係る図34および図35では、非接触部103における面外振動が大きく、かつ非接触部103以外では補強板101と圧電素子102との接触によって振動が妨げられるために面内方向の振動効率が低かった。このように、図34の圧電振動体の挙動と本実施形態の圧電振動体45Aの挙動とは顕著に相違する。
本実施形態ではくり貫き孔471〜482のそれぞれにおける補強板本体46の開口領域の長さL1が圧電素子21の長さの7%以下(好ましくは3%以上)に留まり、かつくり貫き孔471〜482のそれぞれにおける補強板本体46の開口領域の幅W1が圧電素子21の幅の39%以下(好ましくは10%以上)に留まることにより、くり貫き孔471〜482や貫通孔310以外の補強板本体46の部分において圧電素子21が保持される。その結果、面外振動を規制しつつ、振動を妨げずに振動効率を向上させることが可能となる。このくり貫き効果は、くり貫き孔による開口領域の長さL1が上記3%以上、かつくり貫き孔による開口領域の幅W1が上記10%以上である場合に発揮される。一方、長さL1が上記7%を上回るあるいは幅W1が上記39%を上回る場合には補強板の強度が弱くなるため面外振動の規制力が低下し、その分、振幅が減殺される。
FIG. 15 shows the result of simulation of the vibration state of the piezoelectric vibrating
In the present embodiment, the length L1 of the opening region of the reinforcing plate
図17のグラフは、本実施形態の圧電振動体45Aの振動振幅(実線)と、補強板にくり貫き部が形成されていない圧電振動体の振動振幅(破線)とをそれぞれ示す。振動振幅を破線で示した圧電振動体は、補強板にくり貫き部が形成されていない点を除いて本実施形態の圧電振動体と同様に形成されている。図17のグラフの横軸は圧電素子に印加する駆動電圧の周波数である。縦振動の共振点に対応する縦共振周波数fr1と、屈曲振動の共振点に対応する屈曲共振周波数fr2との間の適宜な周波数の駆動電圧を印加することにより、縦振動の振幅と屈曲振動の振幅との両方を大きくでき、これによって振動効率が向上する。図17における上側の表は、図17のグラフにおける駆動周波数の各目盛に対応する圧電振動体45Aの振動振幅を示し、図17における下側の表は、くり貫き部が形成されていない圧電振動体の振動振幅を示す。
ここで、図17に示したように、実線で示した圧電振動体45Aの振動振幅は、くり貫き部が形成されていない圧電振動体の振動振幅よりも大きい。すなわち、上述のように面外振動が規制され、振動が妨げられないことによって振動振幅が大きくなるので、圧電振動体45Aの突起部33が描く楕円軌跡も大きくなり、これによってロータ25は高効率で駆動される。
以上のように本実施形態の圧電振動体45Aは振動効率が高く、圧電振動体45Aとロータ25とを有して構成される圧電アクチュエータの停止トルクはくり貫き孔を開けない補強板を用いた圧電振動体の場合に対して15%〜20%程度向上する。
The graph of FIG. 17 shows the vibration amplitude (solid line) of the piezoelectric vibrating
Here, as illustrated in FIG. 17, the vibration amplitude of the piezoelectric vibrating body 45 </ b> A indicated by the solid line is larger than the vibration amplitude of the piezoelectric vibrating body in which no cut-through portion is formed. That is, since the out-of-plane vibration is restricted as described above and the vibration amplitude is increased because the vibration is not hindered, the elliptical locus drawn by the
As described above, the piezoelectric vibrating
本実施形態の圧電振動体45Aは、前記第2実施形態とほぼ同様に、縦振動によって生じる歪が最大となる線分Aの一部と、屈曲振動によって生じる歪が最大となる点B1,B2とを含んで補強板本体46が開口されているので、第2実施形態と略同様の効果を奏する。加えて、本実施形態によれば、次のような効果を奏する。
(5)補強板本体46がくり貫かれる寸法が圧電素子21の長さの7%以下、かつ幅の39%以下とされることで、補強板本体46によって圧電素子21の面外方向への変位を確実に規制しつつ、振動を妨げずに振動効率を向上させることが可能となる。
In the piezoelectric vibrating
(5) The dimension through which the reinforcing
〔第4実施形態〕
次に、本発明の第4実施形態を説明する。本実施形態では、縦振動および屈曲振動の振幅を拡大することが可能な構成を示す。
図18は、本実施形態の圧電振動体50Aを示す。本実施形態では、圧電素子21に積層される補強板本体51の形状のみが前記各実施形態とは異なり、その他の構成は前記各実施形態と同様に構成されている。
[Fourth Embodiment]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, a configuration capable of expanding the amplitudes of longitudinal vibration and bending vibration is shown.
FIG. 18 shows a piezoelectric vibrating
本実施形態の補強板本体51は、圧電素子21の平面視における外周部全周に沿った略矩形枠状の輪郭部511を有している。補強板本体51はこの輪郭部511を残してくり貫かれ、輪郭部511の内側には1つの開口51Aが形成されている。
この開口51Aは、突起部33が当接するロータ25(図2)の反力を受けて振動エネルギ密度分布が圧電振動体50A単体における振動エネルギ密度分布から変化した場合でも、縦振動によって生じる歪が最大となる線分Aの一部と、屈曲振動によって生じる歪が最大となる点B1,B2の近傍の箇所(屈曲振動によって生じる歪が略最大となる点B1´,B2´)を含むように形成されている。つまり、開口51Aは、第1くり貫き部と第3くり貫き部とを兼ねている。この開口51Aにおいて、圧電素子21がフリーで伸縮するので、圧電素子21の縦振動および屈曲振動により発生し得る最大の振動エネルギによる振幅拡大が可能となる。
なお、屈曲振動によって生じる歪が最大となる点(箇所)B1,B2は、輪郭部511上にある。また、開口51Aは、中心線Yについて線対称に形成されている。
ここで、開口51Aの幅は、好ましくは補強板本体51の幅の40%から78%、より好ましくは50%から60%であり、また、開口51Aの長さは、好ましくは補強板本体51の長さの40%から80%、より好ましくは50%から60%である。
The reinforcing plate
Even if the vibration energy density distribution is changed from the vibration energy density distribution in the
Note that the points (locations) B1 and B2 at which the distortion caused by the bending vibration is maximum are on the
Here, the width of the
本実施形態の圧電振動体50Aは、前記第2実施形態とほぼ同様に、縦振動によって生じる歪が最大となる線分Aの一部と、屈曲振動によって生じる歪が略最大となる点B1´,B2´とを含んで補強板本体51が開口されているので、第2実施形態と略同様の効果を奏する。加えて、本実施形態によれば、次のような効果を奏する。
(6)輪郭部511が形成されていることにより、補強板本体51の部材強度が向上し、面内方向に対するねじり強度を大きくできる。
In the piezoelectric vibrating
(6) Since the
(7)また、圧電素子21の外周部に沿った輪郭部511を有することで、圧電振動体50Aの製造工程において、圧電素子21と補強板5Aとを積層する際に補強板5Aの位置と圧電素子21の位置とを揃えることが容易となる。すなわち、圧電振動体50Aの生産性を向上させ、特性のばらつきも抑えることができる。
(7) Further, by having the
(8)前記のような貫通孔とくり貫き孔とが連通した1つの開口51Aが形成され、この開口51Aの部分が大きく開放されるので、圧電素子21の変位が妨げられることを極力防止できる。
(8) One
〔第4実施形態の変形例〕
図19は、補強板本体51の輪郭部511´内側に形成された開口51A´の内側空間にそれぞれ、樹脂やはんだで形成された部材35を配置固定した例を示す。部材35は、補強板5Aよりも弾性率が小さいため、開口51Aの内部が空間とされた前記構成(図18)による効果と同様の効果を奏し、また、このように開口51A´が大きく形成されていても、部材35が配置されることにより、補強板本体51の強度をより十分に確保することができる。このため、開口51A´の長さは図18の開口51Aの長さよりも長くなっており、この広い開口51A´において圧電素子21はフリーで伸縮することができる
から、振動効率を良好にできる。
なお、この部材35は、縦振動の節と屈曲振動の節とが重なり一致する箇所(圧電素子21の平面中心)に相当する部分が開口されていてもよい。
また、前記第4実施形態では、輪郭部511が圧電素子21の外周全周に沿って設けられていたが、輪郭部511の一部が分断されている場合も前記骨格が構成されるため、このような構成でもよい。
[Modification of Fourth Embodiment]
FIG. 19 shows an example in which
The
Moreover, in the said 4th Embodiment, although the
〔第5実施形態〕
次に、本発明の第5実施形態を説明する。本実施形態では、縦振動および屈曲振動の振幅を拡大することが可能な構成を示す。
図20は、本実施形態の圧電振動体55Aを示す。本実施形態では、圧電素子21に積層される補強板本体56の形状のみが前記各実施形態とは異なり、その他の構成は前記各実施形態と同様に構成されている。
[Fifth Embodiment]
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, a configuration capable of expanding the amplitudes of longitudinal vibration and bending vibration is shown.
FIG. 20 shows a piezoelectric vibrating
本実施形態の補強板本体56は、略矩形状の輪郭部511と、輪郭部511の各長辺部511A,511Bの間を圧電素子21の幅方向に沿って連結するように形成される複数の連結部561〜564とを有して略はしご状に形成されている。連結部561〜564は、圧電素子21の長さを二等分する直線X−Xの両側それぞれで2つずつ設けられている。
このような補強板本体56において、輪郭部511と各連結部561〜564とに囲まれた貫通孔56Aおよびくり貫き孔56B〜56Eのそれぞれが中心線Yについて線対称に形成されている。貫通孔56Aは、縦振動によって生じる歪が最大となる箇所を含んで形成されており、第1くり貫き部として機能する。
また、くり貫き孔56C,56Dは、屈曲振動によって生じる歪が略最大となる点(箇所)B1´,B2´を含んで形成されており、第3くり貫き部として機能する。
The reinforcing plate
In such a reinforcing plate
Further, the bore holes 56C and 56D are formed to include points (locations) B1 ′ and B2 ′ at which the strain generated by the bending vibration is substantially maximized, and function as third cutout portions.
なお、貫通孔56A、くり貫き孔56B〜56Eのそれぞれは、突起部33が当接するロータ25(図2)の反力を受けて振動エネルギ密度分布が圧電振動体55A単体における振動エネルギ密度分布から変化した場合を加味してその形状、位置および寸法が決められている。
また、くり貫き孔56B〜56Eおよび貫通孔56Aのそれぞれの長さL2は、圧電素子21の長さの15%以下(好ましくは5%以上)の長さとされ、かつくり貫き孔56B〜56Eおよび貫通孔56Aのそれぞれの幅W2は、圧電素子21の幅の78%以下(好ましくは40%以上)の幅とされている。
これらの貫通孔56A、くり貫き孔56B〜56Eにおいて、圧電素子21がフリーで伸縮するので、圧電素子21の縦振動および屈曲振動により発生し得る最大の振動エネルギによる振幅拡大が可能となる。
Note that each of the through
The length L2 of each of the through
In these through
本実施形態の圧電振動体55Aは、前記第4実施形態とほぼ同様に、縦振動によって生じる歪が最大となる線分Aの一部と、屈曲振動によって生じる歪が略最大となる点B1´,B2´とを含んで形成されているので、第3実施形態と略同様の効果を奏する。
(9)加えて、輪郭部511の両長辺部511A,511Bが支柱となり、これら長辺部511A,511Bと連結部561〜564とによって骨格が形成されるので、この骨格により、圧電素子21の面外方向への変位を良好に規制できる。これによって振幅を確実に拡大して振動効率をより向上させることが可能となる。
In the piezoelectric vibrating
(9) In addition, the
(10)くり貫き孔56B〜56Eおよび貫通孔56Aのそれぞれの寸法が圧電素子21の寸法に対して長さ15%以下(好ましくは5%以上)、幅78%以下(好ましくは40%以上)となっているので、補強板本体56による圧電素子21の面外方向への変位を確実に規制することができる。
(10) Each of the bore holes 56B to 56E and the through
なお、本実施形態の変形例として、貫通孔56Aおよびくり貫き孔56B〜56Eのすべてに、或いはいずれかに補強板30とは別部材を配置してもよい。
As a modification of the present embodiment, a member other than the reinforcing
〔第6実施形態〕
次に、本発明の第6実施形態について説明する。
本実施形態における圧電振動体は、被駆動体に当接される突起部の形状が前記各実施形態とは相違する。なお、本実施形態では、縦振動および屈曲振動の振幅を拡大できる構成を示す。
図21は、日表示装置8に組み込まれた圧電アクチュエータ80を示す。圧電アクチュエータ80では、補強板810の表裏の各圧電素子21のいずれにも、分割されていない単一の電極230が形成されており、この電極230と補強板810との間で電圧が印加される。
図22は、圧電振動体80Aにおける補強板810の形状を示す。補強板810は、第2実施形態(図10)と略同様の補強板本体81と、補強板本体81の長辺側の側面部に連設される支持部82と、補強板本体81の短辺部にそれぞれ設けられる突起部83,84とを有している。図22の貫通孔310およびくり貫き孔411〜414のそれぞれの形状位置は、図10の貫通孔310およびくり貫き孔411〜414のそれぞれの形状位置と同様である。上記くり貫き孔411〜414が第2くり貫き部となる。
ここで、突起部83,84は、中心線Yから互いに反対方向に離間した位置に配置されており、この突起部83,84の位置による重量アンバランスで生じたモーメントによって屈曲振動が誘起する。これによって圧電振動体80Aは縦振動および屈曲振動を励振する。そして、突起部83が描く楕円軌跡R1により、ロータ78(図21)は所定方向に駆動される。
以上の本実施形態によれば、第2実施形態と略同様の効果を奏する。
[Sixth Embodiment]
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described.
The piezoelectric vibrating body in the present embodiment is different from the above embodiments in the shape of the protrusions that are in contact with the driven body. In the present embodiment, a configuration in which the amplitudes of longitudinal vibration and bending vibration can be enlarged is shown.
FIG. 21 shows the
FIG. 22 shows the shape of the reinforcing
Here, the
According to the above-described embodiment, there are substantially the same effects as in the second embodiment.
〔第7実施形態〕
次に、本発明の第7実施形態を説明する。本実施形態では、主として屈曲振動の振幅を拡大することが可能な構成を示す。
図23は、本実施形態の圧電振動体60Aを示す。本実施形態では、圧電素子21に積層される補強板本体61の形状のみが前記各実施形態とは異なり、その他の構成は前記各実施形態と同様に構成されている。
[Seventh Embodiment]
Next, a seventh embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, a configuration capable of mainly expanding the amplitude of bending vibration is shown.
FIG. 23 shows a piezoelectric vibrating
補強板本体61は、圧電素子21の平面中心部に積層されかつ支持部32と連設された中央部611と、圧電素子21の長手方向における一端部から他端部まで中央部611を介して延びる幹線部612と、幹線部612に交差するように形成される各枝部613とを有している。
枝部613は、幹線部612の一端612Aと中央部611との間、および幹線部612の他端612Bと中央部611との間のそれぞれに1つずつ、合計2つ設けられ、各枝部613の圧電素子21の外縁部21Aと重なる先端部は、略T字状とされて圧電素子21の長手方向に肉付けされている。
The reinforcing
A total of two
このような補強板本体61では、幹線部612の一端612A、他端612B、各枝部613、および中央部611における隣り合う2つの間がいずれも、圧電素子21の長手方向に沿った外縁部21Aに対応する位置から幹線部612に向かってくり貫かれており、くり貫き孔621〜628がそれぞれ形成されている。これらのくり貫き孔621〜628は中心線Yについて線対称に形成されている。
また、くり貫き孔622,623,626,627は、上述した屈曲振動によって生じる歪が最大となる点B1またはB2を含んで形成されている。したがって、上記くり貫き孔622、623、626、627が第2くり貫き部となる。
In such a reinforcing plate
Further, the through
なお、くり貫き孔621〜628のそれぞれは、突起部33が当接するロータ25(図2)の反力を受けて振動エネルギ密度分布が圧電振動体60A単体における振動エネルギ密度分布から変化した場合を加味してその形状、位置および寸法が決められている。
これらのくり貫き孔621〜628において、圧電素子21がフリーで伸縮するので、圧電素子21の屈曲振動により発生し得る最大の振動エネルギによる振幅拡大が可能となる。なお、本実施形態の圧電振動体60Aは、縦振動によって生じる歪が最大となる線分Aの一部に開口を有していないが、くり貫き孔621〜628において圧電素子21がフリーで伸縮するため、縦振動の振幅拡大にも寄与できる。
Each of the through
In these through-
本実施形態の圧電振動体60Aは、屈曲振動によって生じる歪が略最大となる点B1,B2を含んで形成されており、前記(3)、(4)の効果に加えて、次のような効果を奏する。
(1´)時計1に搭載され電池を電源として動作する圧電アクチュエータ20において、図40、図41に示したような圧電振動体20Aにおける振動エネルギ密度についての考察に基づき、屈曲振動によって生じる歪が最大となる点B1,B2を含むくり貫き孔621〜628が補強板本体31に形成されている。このようなくり貫き孔621〜628において、圧電素子21における最大の振動エネルギを発揮させて振幅拡大を図りつつ、補強板本体31におけるくり貫き孔621〜628以外の部分により圧電素子21の面外方向への変位を規制するので、屈曲振動の振幅が確実に拡大される。
これにより、同じ投入電力でもより負荷の大きい被駆動体(ロータ25や歯車261,262、およびクロノグラフ秒針7A)の駆動や、被駆動体を高速に駆動してクロノグラフ秒針7Aのような比較的高速に駆動される秒針の駆動を実現できる。
他方、投入電力を減らしても所定の負荷の被駆動体を駆動可能となるため、電池容量を小さくすることができ、時計1の小型化および薄型化も促進できる。
The piezoelectric vibrating
(1 ′) In the
As a result, the driven body (the
On the other hand, even if the input power is reduced, the driven body with a predetermined load can be driven, so that the battery capacity can be reduced and the
(11)幹線部612が支柱となり、幹線部612、中央部611、および枝部613によって骨格が形成されるので、この骨格により、圧電素子21の面外方向への変位を良好に規制できる。これによって振動効率をより向上させることが可能となる。
(11) Since the
〔第7実施形態の変形例〕
図24は、補強板本体61におけるくり貫き孔621´〜628´にそれぞれ、樹脂やはんだで形成された部材35を配置固定した例を示す。部材35は、補強板本体61よりも弾性率が小さいため、各くり貫き孔621´〜628´が空間とされた前記構成(図23)による効果と同様の効果を奏し、また、このようにくり貫き孔621´〜628´が形成され補強板本体61におけるくり貫き面積が広くても、部材35が配置されることにより、補強板本体61の強度をより十分に確保することができる。このため、各枝部613´の先端部は、T字状とはされていない。
[Modification of the seventh embodiment]
FIG. 24 shows an example in which the
〔第8実施形態〕
次に、本発明の第8実施形態を説明する。本実施形態は、第7実施形態における枝部の数を増やした態様を示し、主として屈曲振動の振幅を拡大することが可能な構成を示す。
図25は、本実施形態の圧電振動体65Aを示す。本実施形態では、圧電素子21に積層される補強板本体66の形状のみが前記各実施形態とは異なり、その他の構成は前記各実施形態と同様に構成されている。
[Eighth Embodiment]
Next, an eighth embodiment of the present invention will be described. This embodiment shows an aspect in which the number of branch portions in the seventh embodiment is increased, and mainly shows a configuration capable of expanding the amplitude of bending vibration.
FIG. 25 shows a piezoelectric vibrating
補強板本体66は、第7実施形態(図23)と略同様に、中央部611と、幹線部612と、幹線部612に交差するように形成される各枝部663とを有している。
ここで、枝部663は、幹線部612の一端612Aと中央部611との間、および幹線部612の他端612Bと中央部611との間のそれぞれに3つずつ、合計6つ設けられている。
The reinforcing plate
Here, a total of six
このような補強板本体66では、幹線部612の一端612A、他端612B、各枝部663、および中央部611における隣り合う2つの間がいずれも、圧電素子21の長手方向に沿った外縁部21Aに対応する位置から幹線部612に向かってくり貫かれており、これによってくり貫き孔671〜682がそれぞれ形成されている。これらのくり貫き孔671〜682は中心線Yについて線対称に形成されている。
また、くり貫き孔672,678は、屈曲振動によって生じる歪が最大となる点B1を含んで形成され、くり貫き孔675,681は、屈曲振動によって生じる歪が最大となる点B2を含んで形成されている。したがって、上記くり貫き孔672,678、675,681は、第2くり貫き部である。
In such a reinforcing plate
Further, the through-
なお、くり貫き孔671〜682のそれぞれは、突起部33が当接するロータ25(図2)の反力を受けて振動エネルギ密度分布が圧電振動体65A単体における振動エネルギ密度分布から変化した場合を加味してその形状、位置および寸法が決められている。
ここで、くり貫き孔671〜682の長さL1は、圧電素子21の長さの7%以下(好ましくは3%以上)の長さとされ、かつくり貫き孔671〜682の幅W1は、圧電素子21の幅の39%以下(好ましくは10%以上)の幅とされている。
これらのくり貫き孔671〜682において、圧電素子21がフリーで伸縮するので、圧電素子21の屈曲振動により発生し得る最大の振動エネルギによる振幅拡大が可能となる。なお、本実施形態の圧電振動体65Aは、縦振動によって生じる歪が最大となる線分Aの一部に開口を有していないが、くり貫き孔671〜682において圧電素子21がフリーで伸縮するため、縦振動の振幅拡大にも寄与できる。
Each of the through
Here, the length L1 of the bore holes 671 to 682 is 7% or less (preferably 3% or more) of the length of the
In these
本実施形態によれば、第7実施形態で述べた効果に加えて、次のような効果を奏する。(12)補強板本体66がくり貫かれる寸法が前記の比率以下とされることで、補強板本
体66によって圧電素子21の面外方向への変位を確実に規制することができる。
According to the present embodiment, in addition to the effects described in the seventh embodiment, the following effects can be obtained. (12) Since the dimension through which the reinforcing
〔第9実施形態〕
次に、本発明の第9実施形態について説明する。前記各実施形態における圧電振動体は、線対称に形成されていたが、線対称でない圧電振動体の例を本実施形態で示す。なお、本実施形態では、主として屈曲振動の振幅を拡大できる構成を示す。
[1.全体構成]
図26は、本実施形態における携帯機器としての時計の平面図である。
本実施形態の時計は、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74の回転により、日車74に印字された日が順次表示される。
[Ninth Embodiment]
Next, a ninth embodiment of the present invention will be described. Although the piezoelectric vibrating body in each of the embodiments described above is formed line-symmetrically, an example of a piezoelectric vibrating body that is not line-symmetrical will be described in the present embodiment. In the present embodiment, a configuration that can mainly increase the amplitude of bending vibration is shown.
[1. overall structure]
FIG. 26 is a plan view of a watch as a portable device in the present embodiment.
The timepiece of the present embodiment is an analog display type wristwatch (watch) provided with a
A substantially
なお、時計は電子時計(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。
Note that the timepiece is configured as an electronic timepiece (quartz timepiece), and a driving mechanism for the hour hand 4, the
[2.日表示装置の構造]
図27は、ムーブメント2を文字板3が設けられる側から見た平面図であり、図28は、図27の部分拡大図である。ムーブメント2には、窓部3A(図26)から日を表示する日表示装置7が組み込まれている。
日表示装置7は、圧電振動体70Aおよびロータ78を有する圧電アクチュエータ70を駆動源として、その駆動力を減速しつつ伝達する日回し中間車71,72および日回し車73と、日回し車73により回転する日車74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70、日回し中間車71,72、および日回し車73、日車74は、地板75の表側(文字板3側)にそれぞれ設けられる。
一方、地板75の裏側には、時針4、分針5、秒針6などを駆動する駆動輪列や、電池などが設けられている。
[2. Structure of date display device]
27 is a plan view of the
The
The
On the other hand, on the back side of the
日回し中間車71には、ロータ78上部のロータかな78Aが噛合しており、日回し中間車71は、ロータ78の回転に連動して回転する。
日回し中間車72は、大径部721と小径部722とから構成されている。大径部721には、日回し中間車71が噛合している。また、小径部722は、大径部721よりも若干小径の円板状であり、大径部721に対し、同心をなすように固着されている。この小径部722の外周面には1つの切欠部722Aが形成されている。
The
The
日回し車73は、歯数が5つの歯車であり、その回転軸731は、地板75に形成された孔75Aに遊挿されている。孔75Aは、日車74の周回方向に沿って長孔状に形成されている。回転軸731は、地板75に固定された板ばね732によって図27における右上方向、すなわち日回し中間車72側に付勢されている。そして、日回し中間車72の1回転に伴い、日回し車73の歯が日回し中間車72の切欠部722Aに嵌まり込んで1歯分回転することで、日回し車73は1歯送られ、窓部3A(図26)から表示される日が変更される。
なお、日回し車73は日車74の内歯741に噛合しており、板ばね732の付勢作用によって日車74の揺動も防止される。
The
The date
日車74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7では、日の変わり目(24時)に圧電アクチュエータ70が動作し、ロータ78、日回し中間車71,72が順次回転し、日回し車73が切欠部722Aと係合して回転することにより、日車74が1日分回転する。
The
In such a
[3.圧電アクチュエータの構造]
(ロータの構成)
圧電アクチュエータ70を構成するロータ78は、ロータ支持体780に回転自在に保持されている。ロータ支持体780は、ロータ78の表裏を挟む断面コ字状に形成されるとともに、ピン781を中心に地板75に軸支されている。また、ロータ支持体780は、別のピン782を備えており、このピン782に地板75の軸75Bに巻回された付勢手段としての押圧ばね783が当接することによって、図28中、反時計回りに(圧電振動体70A側に)付勢されている。
[3. Structure of piezoelectric actuator]
(Configuration of rotor)
A
(圧電振動体の構成)
図28に示すように、圧電振動体70Aは、前記各実施形態と同様の圧電素子21を備えるが、図29に示すように、補強板79の形状が前記各実施形態とは相違する。
図29に示すように、補強板本体790は、圧電素子21の平面中心部に積層されかつ支持部32と連設された中央部611と、中央部611の両側にそれぞれ延びる幹線部791,792と、幹線部791,792にそれぞれ交差するように形成される各枝部793,794とを有している。
各幹線部791,792は、圧電素子21の平面中心に対し点対称に設けられ、各枝部793,794において圧電素子21の外縁部21Aと重なる先端部は、略T字状とされて圧電素子21の長手方向に肉付けされている。
(Configuration of piezoelectric vibrator)
As shown in FIG. 28, the piezoelectric vibrating
As shown in FIG. 29, the reinforcing plate
The
このような補強板本体790には、圧電素子21の長手方向に沿った外縁部21Aに対応する位置から幹線部791,792に向かってくり貫かれたくり貫き孔79A〜79Hがそれぞれ形成されている。これらのくり貫き孔79A〜79Hは圧電素子21の平面中心について点対称に形成されている。
また、くり貫き孔79B,79Fは、上述した屈曲振動によって生じる歪が最大となる点B1を含んで形成され、くり貫き孔79C,79Gは、上述した屈曲振動によって生じる歪が最大となる点B2を含んで形成されている。したがって、くり貫き孔79B,79F、79C,79Gが、第2くり貫き部となる。
In such a reinforcing plate
Further, the bore holes 79B and 79F are formed including the point B1 where the strain generated by the bending vibration is maximized, and the bore holes 79C and 79G are the points B2 where the strain caused by the bending vibration is maximized. It is formed including. Therefore, the
なお、くり貫き孔79A〜79Hのそれぞれは、突起部33が当接するロータ25(図2)の反力を受けて振動エネルギ密度分布が圧電振動体70A単体における振動エネルギ密度分布から変化した場合を加味してその形状、位置および寸法が決められている。
Each of the through-
[4.圧電振動体の作用]
本実施形態の圧電振動体70Aでは、電極231,233,235(図28)と補強板79とに電位を印加することで、縦振動および屈曲振動が合成された混合モードで振動し、突起部33は楕円軌跡R1を描いてロータ78(図28)を所定の方向に駆動する。この際、電位印加されない電極232,234は振動状態の検出電極として使用される。
ここで、くり貫き孔79A〜79Hにおいて、圧電素子21がフリーで伸縮するので、圧電素子21の屈曲振動により発生し得る最大の振動エネルギによる振幅拡大が可能となる。なお、本実施形態の圧電振動体60Aは、縦振動によって生じる歪が最大となる線分Aの一部に開口を有していないが、くり貫き孔79A〜79Hにおいて圧電素子21がフリーで伸縮するため、縦振動の振幅拡大にも寄与できる。
[4. Action of piezoelectric vibrator]
In the piezoelectric vibrating
Here, since the
本実施形態によれば、第7実施形態(図23)と略同様の効果を奏する。
なお、本実施形態において、線分Aの一部を含む貫通孔を中央部611に形成してもよい。
この場合、第3実施形態(図12)と略同様の効果を奏する。
According to this embodiment, there are substantially the same effects as those of the seventh embodiment (FIG. 23).
In the present embodiment, a through hole including a part of the line segment A may be formed in the
In this case, there are substantially the same effects as in the third embodiment (FIG. 12).
〔本発明の変形例〕
なお、本発明は前記各実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で任意に構成の改良および変形が可能である。
例えば、前記図20に示した構成を改変して図30のようにしてもよい。図30の構成においても、縦振動によって生じる歪が最大となる線分Aの一部と、屈曲振動によって生じる歪が略最大となる点B1´,B2´とが開口されているから、図20に示した第5実施形態と略同様の効果を奏する。
また、図19に示した構成に連結部を付加して図31のようにしてもよい。この連結部561,564により、補強板本体51のねじり強度がより向上する。
さらに、図18に示した構成では、縦振動によって生じる歪が最大となる線分Aの一部、および屈曲振動によって生じる歪が略最大となる点B1´,B2´のいずれも、1つの開口51Aに含まれていたが、これに限らず、例えば図30のように、これらの線分Aの一部,B1´,B2´が別々に開口されていてもよい。
さらに、前記各実施形態における補強板の支持部は、圧電振動体の長辺の中央部付近に形成されていたが、支持部の形成箇所は、前記実施形態に限定されるものではない。たとえば、補強板における支持部の形成箇所は、圧電振動体の長辺の中央部から多少短辺側に移動した位置でもよく、あるいは圧電振動体の短辺の中央付近でもよい。また、前記各実施形態における補強板の支持部は、圧電振動体の幅方向両側にそれぞれ設けられていても、片側のみに設けられていてもいずれでもよい。なお、圧電振動体の一方の短辺部に支持部が形成されていてもよい。
このように、補強板における支持部の数、形成箇所は前記実施形態には限定されず、支持部の数、形成箇所に応じて縦振動の節、腹、屈曲振動の節、腹のそれぞれの位置が前述の説明とは異なる場合がある。このような場合においても、図36、図40、および図41などを参照して説明した内容と同様にして、縦振動によって生じる歪が最大となる箇所や、屈曲振動によって生じる歪が最大となる箇所を特定することができる。例えば、屈曲振動では、圧電素子や補強板の平面形状、縦横寸法比、駆動周波数、電極形成個数や電極の配置などによって、図37の圧電振動体の中心点Oから短辺までにおいて図41の点P(屈曲振動における圧電振動体幅方向の変位量が極大となる箇所)に相当する位置が複数箇所有る場合がある。その場合において、屈曲振動によって生じる歪が最大となる箇所(上記P位置と最大歪部(図40参照)を共に満足する箇所)に対応した補強板位置に前述の第2くり貫き部あるいは第3くり貫き部を形成することも本発明に含まれるものである。その場合も前述した圧電振動体の振動効率を向上することができるという本発明の作用効果を発揮することができる。そして、これら縦振動によって生じる歪が最大となる箇所や、屈曲振動によって生じる歪が最大となる箇所に基づいて、第1くり貫き部、第2くり貫き部、および第3くり貫き部が形成される。
[Modification of the present invention]
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be arbitrarily improved and modified without departing from the gist of the present invention.
For example, the configuration shown in FIG. 20 may be modified as shown in FIG. In the configuration of FIG. 30 as well, a part of the line segment A where the distortion caused by the longitudinal vibration becomes maximum and the points B1 ′ and B2 ′ where the distortion caused by the bending vibration becomes substantially maximum are opened. The same effects as those of the fifth embodiment shown in FIG.
Further, a connecting portion may be added to the configuration shown in FIG. By the connecting
Further, in the configuration shown in FIG. 18, both of a part of the line segment A where the distortion caused by the longitudinal vibration becomes maximum and the points B1 ′ and B2 ′ where the distortion caused by the bending vibration become substantially maximum are one opening. Although it was included in 51A, it is not restricted to this, For example, like FIG. 30, some of these line segments A, B1 ', and B2' may be opened separately.
Furthermore, although the support part of the reinforcement board in each said embodiment was formed in the central part vicinity of the long side of a piezoelectric vibrating body, the formation location of a support part is not limited to the said embodiment. For example, the support plate on the reinforcing plate may be formed at a position slightly moved to the short side from the center of the long side of the piezoelectric vibrator, or near the center of the short side of the piezoelectric vibrator. Moreover, the support part of the reinforcement board in each said embodiment may be provided in the width direction both sides of a piezoelectric vibrating body, respectively, or may be provided only in one side. A support portion may be formed on one short side portion of the piezoelectric vibrating body.
As described above, the number of support portions and the formation locations in the reinforcing plate are not limited to the above-described embodiment, and depending on the number of support portions and the formation locations, the longitudinal vibration nodes, the antinodes, the flexural vibration nodes, and the antinodes, respectively. The position may be different from that described above. Even in such a case, in the same manner as described with reference to FIG. 36, FIG. 40, FIG. 41, etc., the portion where the distortion caused by the longitudinal vibration becomes maximum or the distortion caused by the bending vibration becomes maximum. The location can be specified. For example, in flexural vibration, the piezoelectric element or reinforcing plate has a planar shape, vertical / horizontal dimension ratio, driving frequency, number of electrodes formed, electrode arrangement, and the like, from the central point O to the short side of FIG. There may be a plurality of positions corresponding to the point P (a place where the amount of displacement in the piezoelectric vibration body width direction in the bending vibration becomes maximum). In that case, the second punched-out portion or the third punched-out portion is provided at the reinforcing plate position corresponding to the location where the strain caused by the bending vibration is maximized (the location satisfying both the P position and the maximum strained portion (see FIG. 40)). Forming a cut-through portion is also included in the present invention. Also in this case, the effect of the present invention that the vibration efficiency of the piezoelectric vibrator described above can be improved can be exhibited. Then, based on the location where the distortion caused by the longitudinal vibration is maximized or the location where the distortion caused by the bending vibration is maximized, the first cutout portion, the second cutout portion, and the third cutout portion are formed. The
前記各構成において、縦振動によって生じる歪が最大となる箇所や、屈曲振動によって生じる歪が最大となる箇所は、補強板と圧電素子との積層体である圧電振動体の全体の振幅(変位量)や歪に基づいて特定されており、このように特定された歪が最大となる箇所に対応する補強板の位置にくり貫き部が形成されていた。ただし、圧電振動体全体の振幅や歪に限らず、圧電素子単体や補強板単体の振幅や歪に基づいて、縦振動によって生じる歪が最大となる箇所や屈曲振動によって生じる歪が最大となる箇所が特定されていてもよい。圧電素子単体や補強板単体の振幅や歪は、ソフトウェアでシミュレーションすることなどによって検出することができ、その検出データは、図36、図40、および図41などにおけるデータに類似する。すなわち、圧電素子単体の歪や振幅、および補強板単体の歪や振幅は、図36、図40、および図41と同じ傾向を示す。
ここで、前記各実施形態では、くり貫かれていない状態の基本形状が矩形である補強板に、同じく矩形の圧電素子が積層されており、圧電素子の幅および長さと、補強板の基本形状の幅および長さとが略一致し、圧電素子の四辺と補強板の基本形状の四辺とのそれぞれの位置が略一致していた。このような構成以外に、本発明には、圧電素子の形状と補強板の基本形状とが相違する構成や、圧電素子の縦横寸法と補強板の基準形状の縦横寸法とが相違する構成も含まれる。
すなわち、本発明には、矩形の圧電素子の幅寸法と基本形状が矩形である補強板の幅寸法とが相違しており、圧電素子の長辺に沿った外縁部の位置と、補強板の基本形状の長辺に沿った外縁部の位置とが一致しない構成も含まれる。このような構成においても、前述と同様に、圧電振動体全体の振幅・歪または圧電素子単体の振幅・歪に基づいて、縦振動によって生じる歪が最大となる箇所や屈曲振動によって生じる歪が最大となる箇所が特定されるから、このように特定された歪が最大となる箇所に対応する補強板の位置にくり貫き部が形成されていればよい。
例えば、補強板の基本形状の幅が圧電素子の幅よりも狭く、圧電振動体の屈曲振動によって生じる歪が最大となる箇所が補強板の外縁部のさらに外側に位置する場合には、第2くり貫き部または第3くり貫き部は、屈曲振動によって生じる歪が最大となる前記箇所から幅方向内側に離間して位置する補強板の外縁部から幅方向内側に向かってくり貫かれていればよい。また、補強板の基本形状の幅が圧電素子の幅よりも広く、かつ圧電素子単体の振幅や歪に基づいてくり貫き部の形成箇所を特定する場合であって、圧電素子単体の屈曲振動によって生じる歪が最大となる箇所が補強板の外縁部の内側に位置する場合には、第2くり貫き部または第3くり貫き部は、屈曲振動によって生じる歪が最大となる前記箇所から幅方向外側に離間して位置する補強板の外縁部から幅方向内側に向かってくり貫かれていればよい。
In each of the above-described configurations, the portion where the strain caused by the longitudinal vibration is maximum or the portion where the strain caused by the bending vibration is maximum is the entire amplitude (displacement amount) of the piezoelectric vibrator that is a laminate of the reinforcing plate and the piezoelectric element. ) And strain, and a cut-through portion is formed at the position of the reinforcing plate corresponding to the location where the strain thus identified is maximum. However, not only the amplitude and strain of the entire piezoelectric vibrator, but also the location where the strain caused by longitudinal vibration is maximum or the strain caused by bending vibration is based on the amplitude or strain of the piezoelectric element alone or the reinforcing plate alone May be specified. The amplitude and strain of the piezoelectric element alone and the reinforcing plate alone can be detected by simulating with software, and the detection data is similar to the data in FIG. 36, FIG. 40, FIG. That is, the distortion and amplitude of the piezoelectric element alone and the distortion and amplitude of the reinforcing plate alone show the same tendency as in FIGS. 36, 40, and 41.
Here, in each of the above embodiments, a rectangular piezoelectric element is laminated on the reinforcing plate whose basic shape is not hollowed out, and the width and length of the piezoelectric element and the basic shape of the reinforcing plate are stacked. The widths and lengths of the piezoelectric elements were substantially the same, and the positions of the four sides of the piezoelectric element and the four sides of the basic shape of the reinforcing plate were substantially the same. In addition to such a configuration, the present invention also includes a configuration in which the shape of the piezoelectric element is different from the basic shape of the reinforcing plate, and a configuration in which the vertical and horizontal dimensions of the piezoelectric element are different from the vertical and horizontal dimensions of the reference shape of the reinforcing plate. It is.
That is, according to the present invention, the width dimension of the rectangular piezoelectric element is different from the width dimension of the reinforcing plate whose basic shape is rectangular, the position of the outer edge along the long side of the piezoelectric element, A configuration in which the position of the outer edge portion along the long side of the basic shape does not match is also included. Even in such a configuration, as described above, based on the amplitude / strain of the entire piezoelectric vibrator or the amplitude / strain of the piezoelectric element alone, the location where the strain caused by the longitudinal vibration is maximum or the strain caused by the flexural vibration is the maximum. Therefore, it is only necessary that a cut-through portion is formed at the position of the reinforcing plate corresponding to the location where the strain specified in this way is maximum.
For example, when the width of the basic shape of the reinforcing plate is narrower than the width of the piezoelectric element and the portion where the distortion caused by the bending vibration of the piezoelectric vibrating body is maximum is located further outside the outer edge portion of the reinforcing plate, the second If the cut-through portion or the third cut-through portion is cut inward from the outer edge portion of the reinforcing plate positioned inward in the width direction from the location where the distortion caused by bending vibration is maximum, the inner side in the width direction. Good. Further, the basic shape of the reinforcing plate is wider than the width of the piezoelectric element, and the formation portion of the cut-through portion is specified based on the amplitude and strain of the piezoelectric element alone, and the bending vibration of the piezoelectric element alone is When the portion where the generated strain is maximum is located inside the outer edge of the reinforcing plate, the second cut-out portion or the third cut-out portion is located outside in the width direction from the portion where the strain generated by bending vibration is maximum. It suffices if the reinforcing plate is spaced from the outer edge of the reinforcing plate so as to penetrate inward in the width direction.
前記各実施形態では、平面視矩形状の圧電振動体を示したが、圧電振動体の形状としては、これに限らず、台形や、平行四辺形、ひし形等、縦振動または屈曲振動を励振する各種形状を採用しうる。
また、前記各実施形態における圧電振動体は、補強板の表裏に圧電素子が1枚ずつ積層されていたが、これに限らず、圧電素子が補強板の表裏のそれぞれに複数積層されていたり、補強板の片面のみに圧電素子が積層されていてもよい。
なお、圧電素子を駆動するための電極配置およびその形状は、前述したものに限定されることなく、状況によって適宜選択できるものである。たとえば、第1実施形態などでは圧電素子に形成される電極が5分割されていたが、これに限らず、矩形状の圧電素子において、縦横に四分割された電極が形成されていてもよい。なお、圧電素子に形成される電極の数は任意であり、3つ以下、4つ、5つ、6つ以上であってもよい。また補強板の表面と裏面とにそれぞれ圧電素子が積層される場合、表面側圧電素子に形成される電極数や形状と、裏面側圧電素子に形成される電極数や形状とは、同じであっても異なっていても良い。
また図23〜図25、図29にそれぞれ示した圧電振動体は、主として屈曲振動を励振させるものであり、これらの圧電振動体の圧電素子に形成される電極の態様(位置、形状、数)や駆動信号(印加電圧)の周波数などは、屈曲振動の振幅を拡大させるように適宜決められている。
In each of the embodiments described above, the piezoelectric vibrating body having a rectangular shape in plan view is shown. However, the shape of the piezoelectric vibrating body is not limited to this, and a longitudinal vibration or a bending vibration such as a trapezoid, a parallelogram, and a rhombus is excited. Various shapes can be employed.
Further, in the piezoelectric vibrating body in each of the embodiments, the piezoelectric elements are laminated one by one on the front and back of the reinforcing plate, but not limited to this, a plurality of piezoelectric elements are laminated on each of the front and back of the reinforcing plate, Piezoelectric elements may be laminated only on one side of the reinforcing plate.
The electrode arrangement for driving the piezoelectric element and the shape thereof are not limited to those described above, and can be appropriately selected depending on the situation. For example, in the first embodiment and the like, the electrode formed on the piezoelectric element is divided into five parts. However, the present invention is not limited to this, and a rectangular piezoelectric element may be formed with four electrodes vertically and horizontally. The number of electrodes formed on the piezoelectric element is arbitrary, and may be three or less, four, five, six or more. When piezoelectric elements are stacked on the front and back surfaces of the reinforcing plate, the number and shape of electrodes formed on the front-side piezoelectric element are the same as the number and shape of electrodes formed on the back-side piezoelectric element. Or different.
The piezoelectric vibrators shown in FIG. 23 to FIG. 25 and FIG. 29 mainly excite bending vibration, and the mode (position, shape, number) of electrodes formed on the piezoelectric elements of these piezoelectric vibrators. The frequency of the driving signal (applied voltage) and the like are appropriately determined so as to increase the amplitude of the bending vibration.
そして、前記各実施形態では、圧電振動体の振動をロータに伝達することによって被駆動体を駆動していたが、これに限らず、圧電振動体の振動が伝達されるのは、例えば、直線駆動する駆動体であってもよい。その直線駆動する駆動体は、例えば、スライダに設けられたり、複数のローラによりガイドされていればよい。 In each of the above embodiments, the driven body is driven by transmitting the vibration of the piezoelectric vibrating body to the rotor. However, the present invention is not limited to this. For example, the vibration of the piezoelectric vibrating body is transmitted in a straight line. The drive body to drive may be sufficient. For example, the linearly driven drive body may be provided on a slider or guided by a plurality of rollers.
なお、前記各実施形態では、圧電振動体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。
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、本発明の圧電振動体を適宜利用できる。本発明の圧電振動体は、時計、カメラやプリンタ、玩具などをはじめとして、携帯情報端末、電話機などの各種電子機器に広く利用できる。
In each of the above-described embodiments, a wristwatch is illustrated as an example of application of the piezoelectric vibrator. In these various timepieces, for example, it can be used as a mechanism for driving a Karakuri doll or the like.
In addition to the watch, the piezoelectric vibrator of the present invention is also used as appropriate for camera zoom and autofocus mechanisms, film winding mechanisms, printer paper feed mechanisms, and mechanisms for driving vehicles and toys such as dolls. it can. The piezoelectric vibrating body of the present invention can be widely used in various electronic devices such as a timepiece, a camera, a printer, a toy, and a portable information terminal and a telephone.
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。
Although the best configuration for carrying out the present invention has been specifically described above, the present invention is not limited to this. That is, the invention has been illustrated and described primarily with respect to particular embodiments, but may be configured for the above-described embodiments without departing from the scope and spirit of the invention. Various modifications and improvements can be made by those skilled in the art in terms of materials, quantity, and other detailed configurations.
The description limiting the shape, material, etc. disclosed above is an example for easy understanding of the present invention, and does not limit the present invention. The description by the name of the member which removes a part or all of the limitation is included in the present invention.
1・・・時計(携帯機器)、20・・・圧電アクチュエータ、20A・・・圧電振動体、21・・・圧電素子、21A・・・外縁部、25・・・ロータ(被駆動体)、30・・・補強板、31・・・補強板本体、32・・・支持部、33,34,911,931・・・突起部(当接部)、35・・・部材(弾性率が小さい部材)、40A・・・圧電振動体、41・・・補強板本体、45A・・・圧電振動体、46・・・補強板本体、50A・・・圧電振動体、5A・・・補強板、51・・・補強板本体、51A・・・開口(第1くり貫き部および前記第3くり貫き部を兼ねる)、55A・・・圧電振動体、56・・・補強板本体、56A・・・貫通孔(第1くり貫き部)、56C,56D・・・くり貫き孔(第3くり貫き部)、60A・・・圧電振動体、61・・・補強板本体、65A・・・圧電振動体、66・・・補強板本体、70・・・圧電アクチュエータ、70A・・・圧電振動体、79A〜79H・・・くり貫き孔、79・・・補強板、80・・・圧電アクチュエータ、80A・・・圧電振動体、81・・・補強板本体、82・・・支持部、83,84・・・突起部、91・・・圧電振動体、92・・・ロータ(被駆動体)、93・・・圧電振動体、310・・・貫通孔(第1くり貫き部)、350・・・貫通孔、411〜414・・・くり貫き孔(第2くり貫き部)、461・・・中央部、462・・・幹線部、462A・・・一端、462B・・・他端、463・・・枝部、471〜482・・・くり貫き孔、511A,511B・・・長辺部、511・・・輪郭部、561〜564・・・連結部、611・・・中央部、612・・・幹線部、612A・・・一端、612B・・・他端、613・・・枝部、621〜628・・・くり貫き孔、663・・・枝部、671〜682・・・くり貫き孔、790・・・補強板本体、791,792・・・幹線部、793,794・・・枝部、810・・・補強板、A・・・縦振動によって生じる歪が最大となる線分(箇所)、B1,B2・・・屈曲振動によって生じる歪が最大となる点(箇所)、B1´,B2´・・・屈曲振動によって生じる歪が略最大となる点(箇所)、L1,L2・・・長さ、W1,W2・・・幅、Y・・・中心線。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記補強板には、
前記縦振動によって生じる前記圧電振動体または前記補強板あるいは前記圧電素子の歪が最大となる箇所の中心部を含んで開口する第1くり貫き部と、
前記屈曲振動によって生じる前記圧電振動体または前記補強板あるいは前記圧電素子の歪が最大となる箇所を含んでくり貫かれた第2くり貫き部とが形成されており、
前記補強板と前記圧電素子との接触面積は、前記第1くり貫き部の形成により前記圧電素子の面積よりも小さい
ことを特徴とする圧電振動体。 A piezoelectric vibrating body comprising a piezoelectric element and a reinforcing plate on which the piezoelectric element is laminated and fixed, wherein a mixed vibration mode in which bending vibration is added to longitudinal vibration is excited,
In the reinforcing plate,
A first cut-out portion that opens including a center portion of the piezoelectric vibrator or the reinforcing plate generated by the longitudinal vibration or a portion where the distortion of the piezoelectric element is maximized ;
The piezoelectric vibrator or the reinforcing plate generated by the flexural vibration or the second punched-out portion is formed so as to include a portion where the distortion of the piezoelectric element is maximized ;
The contact area between the reinforcing plate and said piezoelectric element, a piezoelectric vibrator, characterized in that less than the area of the piezoelectric element by the formation of the first void part.
前記補強板は、前記第1くり貫き部が形成された中央部と、前記縦振動の振動方向における前記圧電素子の一端部から他端部までの間で前記中央部を介して延びる幹線部と、前記幹線部の一端部と前記中央部との間、および前記幹線部の他端部と前記中央部との間のそれぞれにおいて1つ以上、前記幹線部に交差するように形成される枝部と、を有し、
前記幹線部と前記枝部とに隣り合う領域には、前記補強板の外縁部から前記幹線部に向かってくり貫かれた前記第2くり貫き部が形成されている
ことを特徴とする圧電振動体。 The piezoelectric vibrating body according to claim 1 ,
The reinforcing plate includes a central portion in which the first cut-out portion is formed, and a trunk portion extending through the central portion between one end portion and the other end portion of the piezoelectric element in the vibration direction of the longitudinal vibration. One or more branch portions formed so as to intersect the main line portion between one end portion of the main line portion and the central portion and between the other end portion of the main line portion and the central portion. And having
In the region adjacent to the main line part and the branch part, the second cut-out part cut from the outer edge part of the reinforcing plate toward the main line part is formed. body.
前記補強板は、くり貫かれていない状態における平面視の外形形状が略矩形状とされ、
前記くり貫き部の少なくとも一つは、前記補強板の幅を二等分する中心線について線対称に形成されている
ことを特徴とする圧電振動体。 In the piezoelectric vibrating body according to claim 1 or 2 ,
The reinforcing plate has a substantially rectangular outer shape in plan view when not hollowed out,
At least one of the cut-through portions is formed in line symmetry with respect to a center line that bisects the width of the reinforcing plate.
前記くり貫き部の少なくとも一つには、前記補強板の材料よりも弾性率が小さい材料で形成された部材が配置されている
ことを特徴とする圧電振動体。 In the piezoelectric vibrating body according to any one of claims 1 to 3 ,
A member made of a material having a smaller elastic modulus than the material of the reinforcing plate is disposed in at least one of the cut-through portions.
前記補強板は、被駆動体に当接されて当該被駆動体を駆動する当接部を有し、
前記第1くり貫き部は、当該圧電振動体が前記被駆動体の反力を受けている状態で前記縦振動によって生じる前記歪が最大または略最大となる箇所を含むように形成されている
ことを特徴とする圧電振動体。 In the piezoelectric vibrating body according to any one of claims 1 to 4 ,
The reinforcing plate has an abutting portion that abuts on the driven body and drives the driven body,
The first cut-out portion is formed so as to include a portion where the distortion generated by the longitudinal vibration is maximum or substantially maximum in a state where the piezoelectric vibration body receives a reaction force of the driven body. A piezoelectric vibrator characterized by the above.
前記補強板は、被駆動体に当接されて当該被駆動体を駆動する当接部を有し、
前記第2くり貫き部は、当該圧電振動体が前記被駆動体の反力を受けている状態で前記屈曲振動によって生じる前記歪が最大または略最大となる箇所を含むように形成されている
ことを特徴とする圧電振動体。 In the piezoelectric vibrating body according to any one of claims 1 to 5 ,
The reinforcing plate has an abutting portion that abuts on the driven body and drives the driven body,
The second cut-out portion is formed so as to include a portion where the distortion generated by the bending vibration is maximum or substantially maximum in a state where the piezoelectric vibration body receives a reaction force of the driven body. A piezoelectric vibrator characterized by the above.
前記圧電振動体から振動が伝達されることによって駆動される被駆動体とを備える
ことを特徴とする圧電アクチュエータ。 The piezoelectric vibrating body according to any one of claims 1 to 6 ,
A piezoelectric actuator, comprising: a driven body that is driven by vibration transmitted from the piezoelectric vibrating body.
ことを特徴とする携帯機器。 A portable device comprising the piezoelectric actuator according to claim 7 .
ことを特徴とする携帯機器。 The portable device according to claim 8 is a timepiece including a timing unit and a timing information display unit that displays information measured by the timing unit, and the timing information display unit is driven by the driven body. A portable device characterized by
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