(57)【要約】【課題】従来よりも高い駆動効率を示す圧電振動体を提供すること。【解決手段】圧電振動体７０Ａは、圧電素子２１と、この圧電素子２１が積層されて当該圧電素子２１を補強する補強板３０とを備える。補強板３０はチタン(Ｔｉ)を主成分として形成され、補強板３０の弾性率は３０GPa以上、１００GPa以下となっている。従って、補強板３０の弾性率が、従来のステンレス鋼やスーパーインバー等の弾性率よりも小さいので、補強板３０による圧電素子２１の振動の妨げが大幅に軽減され、圧電振動体７０Ａの楕円軌跡Ｒ１の長軸長さＡが拡大される。よって、被駆動体の駆動を推進する力が増大して、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できる。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子と、この圧電素子が積層されて当該圧電素子を補強する補強板とを備える圧電振動体であって、
前記補強板はチタン(Ｔｉ)を主成分として形成され、
前記補強板の弾性率は３０GPa以上、１００GPa以下である
ことを特徴とする圧電振動体。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電振動体において、
前記補強板の熱膨張係数が０×１０-6/℃以上、１０×１０-6/℃以下である
ことを特徴とする圧電振動体。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の圧電振動体において、
前記補強板の硬度が２００Hv以上である
ことを特徴とする圧電振動体。
【請求項４】
請求項３に記載の圧電振動体において、
前記補強板の硬度が、前記圧電振動体の振動によって駆動される被駆動体の硬度以下であることを特徴とする圧電振動体。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載の圧電振動体において、
前記補強板は、ジルコニウム(Ｚｒ)およびニオブ(Ｎｂ)を含んで形成される
ことを特徴とする圧電振動体。
【請求項６】
請求項５に記載の圧電振動体において、
前記補強板は、Ｔｉを５８〜５９質量％、Ｎｂを３６〜３７質量％、Ｔａを２〜３質量％、Ｚｒを２〜３質量％、Ｏを０．１〜１質量％含有するチタン合金、または、Ｔｉを６４〜６６at％、Ｚｒを１６〜１８at％、Ｎｂを１７〜１９at％含有するチタン合金で形成されることを特徴とする圧電振動体。
【請求項７】
請求項５または請求項６に記載の圧電振動体において、
前記補強板は、２００℃以上、４５０℃以下の熱処理により形成される
ことを特徴とする圧電振動体。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれかに記載の圧電振動体と、
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
ことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項９】
請求項８に記載の圧電アクチュエータを備えることを特徴とする電子機器。
【請求項１０】
請求項９に記載の電子機器は、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
ことを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子と、この圧電素子が積層されて当該圧電素子を補強する補強板とを備えている圧電振動体、圧電アクチュエータ、および電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器の小型化、薄型化を図るため、その駆動源として、圧電アクチュエータが利用されている。そして、より負荷の高い駆動対象物を駆動でき、駆動対象物を連続して駆動でき、駆動対象物の駆動速度を高速化できる圧電アクチュエータが一層求められている。
圧電アクチュエータは、圧電振動体と被駆動体（例えばロータ等）とを有し、圧電振動体の振動により被駆動体が駆動されるようになっている。圧電振動体は、補強板と、この補強板に対して積層される板状の圧電素子とを有する。この補強板には、従来、ステンレス鋼（ＳＵＳ）が広く使用されてきた。
【０００３】
このような圧電アクチュエータの駆動効率を高めるためには、圧電振動体の振幅を拡大する必要がある。
圧電振動体の補強板は、圧電素子を支持するとともに圧電振動体に必要な強度を確保するために設けられているが、逆に言えば、圧電素子の振動の妨げにもなっている。従って、圧電振動体の振幅を拡大するには、必要な強度を有し、かつ、従来よりも剛性の小さい材質で形成された補強板を使用することが考えられる。例えば、従来のＳＵＳよりも低弾性率（低ヤング率）であり低熱膨張材であるスーパーインバー（３２Ｎｉ−５Ｃｏ−Ｆｅ）による補強板（特許文献１）や、このスーパーインバーと同様に低熱膨張材である４２アロイ（４２Ｎｉ−Ｃｒ−Ｔｉ−Ｆｅ）による補強板が提案されている。以下に、ＳＵＳ、スーパーインバーおよび４２アロイの物性値を示す。
【０００４】
【表１】
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【０００５】
【特許文献１】国際公開第９６／１４６８７号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、スーパーインバーおよび４２アロイであっても、まだ補強板の剛性が圧電素子の振動を妨げる抵抗として作用してしまい、圧電振動体の駆動効率を十分に高めることができないという第１の課題があった。
一般に、補強板に接合される圧電素子には、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ（登録商標））等が用いられるが、一般にＰＺＴの熱膨張係数は金属よりもはるかに低い値（約２．３×１０-6/℃）を示す。そのため、補強板に弾性率の十分小さいものを用いたとしても、補強板と圧電素子との各熱膨張係数の差が大きいと、周辺の温度変化による熱応力によって、反りや剥離等が生じてしまうという第２の課題があった。
また、補強板に弾性率の十分小さいものを用いたとしても、補強板の硬度が低い場合には被駆動体との接触等によって補強板が摩耗や破損し易くなってしまうという第３の課題があった。
【０００７】
本発明の第１の目的は、従来よりもさらに高い駆動効率が得られる圧電振動体、圧電アクチュエータ、および電子機器を提供することである。
第２の目的は、熱応力による反りや剥離等が生じにくい圧電振動体、圧電アクチュエータ、および電子機器を提供することである。
第３の目的は、補強板が摩耗や破損しにくく、耐久性に優れた圧電振動体、圧電アクチュエータ、および電子機器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の圧電振動体は、圧電素子と、この圧電素子が積層されて当該圧電素子を補強する補強板とを備える圧電振動体であって、前記補強板はチタン(Ｔｉ)を主成分として形成され、前記補強板の弾性率は３０GPa以上、１００GPa以下であることを特徴とする。
ここで、圧電振動体は、互いに接触する被駆動体をこの圧電振動体の振動によって駆動させる、いわゆる圧電アクチュエータに利用されるものである。
この構成によれば、補強板の弾性率（ヤング率）が、従来のステンレス鋼やスーパーインバー等の弾性率よりも小さいので、補強板による圧電素子の振動の妨げが大幅に軽減され、圧電振動体の振幅が拡大される。
【０００９】
図６は、本発明に係る圧電振動体のうちで主として屈曲振動を励振する圧電振動体による振動軌跡の態様の一例を示す模式図である。この図のように、圧電振動体の屈曲振動によって、補強板に形成された当接部（突起部３３）の振動軌跡は楕円軌跡Ｒ１を示す。ここで当接部とは、ロータ等の被駆動体と当接する部分であり、被駆動体との間に摩擦力が生じてその摩擦力により被駆動体を駆動させる部分である。
また、発明者は、弾性率の異なる補強板を用いて複数の圧電振動体を製作し、各圧電振動体の楕円軌跡の長軸長さを測定した。図７のグラフは、補強板の弾性率と、楕円軌跡の長軸長さとの関係を示す。ここで長軸長さは、図６に示す楕円軌跡の代表長さ（図中の矢印Ａで示す長さ）であって、圧電振動体の歪の大きさを示す。長軸長さは、レーザドップラー変位計で測定されたもので、レーザドップラー変位計からレーザーを当接部に対して長軸長さ方向に平行に照射して当接部の変位が測定され、この変位から算出されたものである。
図７に示すように、弾性率が３０〜１００GPaの範囲では、長軸長さが約０．８５〜０．９μmであるのに対し、弾性率が１００GPaを超えると、補強板が圧電素子の振動を妨げてしまい、長軸長さが小さくなる。一方、弾性率が３０GPaを下回ると、圧電アクチュエータのＱ値の低下（振動の減衰）により、長軸長さが小さくなる。
このように、弾性率が３０GPa以上、１００GPa以下である補強板を使用することで、効率よく圧電振動体の振幅の拡大を図ることができる。
【００１０】
図８のグラフは、本発明のＴｉを主成分とする材料として、例えば、ゴムメタル（登録商標）を使用した場合の駆動周波数と楕円軌跡の長軸長さとの関係を示す。また、同図中に、従来のＳＵＳを使用した場合の楕円軌跡の長軸長さを比較のために示す。なお、ゴムメタルの弾性率は６０GPaで、ＳＵＳの弾性率は１７０GPaであり、駆動周波数とは、圧電アクチュエータに印加させる駆動電圧の周波数を示す。
図８に示すように、ゴムメタルの長軸長さ（振幅）は、すべての駆動周波数においてＳＵＳの長軸長さより大きくなった。また、駆動周波数は、圧電アクチュエータの消費電流と相関関係がある。実際の圧電アクチュエータでは、消費電流をできるだけ抑えるため、駆動周波数は、おおよそ５５４kHz〜５６０kHzの範囲内で設定されている。この駆動周波数の範囲（図８中のｆｗで示す範囲）において、ゴムメタルでの最大振幅（グラフ中のＬ１）は、ＳＵＳでの最大振幅（グラフ中のＬ２）の約２倍となることが分かった。
【００１１】
以上のことから、本発明の圧電振動体をアクチュエータとして使用する場合、圧電振動体の振幅が拡大されることによって、被駆動体の駆動を推進する力が増大する。従って、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り、第１の目的を達成できる。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。
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。
【００１２】
本発明の圧電振動体では、前記補強板の熱膨張係数が０×１０-6/℃以上、１０×１０-6/℃以下であることが好ましい。
ここで、補強板に接合される圧電素子には、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ（登録商標））等が用いられるが、一般にＰＺＴの熱膨張係数は金属よりもはるかに低い値（約２．３×１０-6/℃）を示す。そのため、補強板と圧電素子との各熱膨張係数の差が大きいと、周辺の温度変化による熱応力によって、反りや剥離等が生じてしまう。本発明によれば、補強板の熱膨張係数が０×１０-6/℃以上、１０×１０-6/℃以下であるので、従来のＳＵＳ（熱膨張係数；１７×１０-6/℃）に比べて、熱応力による反りや剥離等の発生を抑制することができ、第２の目的を達成できる。
なお、従来のスーパーインバーは、表１に示すように比較的小さい熱膨張係数を示すが、本発明の補強板は低熱膨張率に加えて弾性率も低いので、駆動効率を向上できるという点で従来の低熱膨張材よりも優れている。
【００１３】
ここで、圧電振動体は、電気機械結合係数（ｋ値）が大きいほど、同じ投入電力で得られる推進力が大きく、電気的エネルギから機械的エネルギへの変換能力が高いという特性を持つ。ｋ値は、次の式（１）および式（２）によって算出される。振動モードが同じ場合、共振周波数（ｆｒ）と反共振周波数（ｆａ）との間隔（Δｆ）が大きいほど、ｋ値は大きくなり、圧電アクチュエータとしての変換能力が高くなる。すなわち、Δｆが大きいほど、ロータ等の被駆動体を駆動させる出力効率が良くなる。
【００１４】
【数１】
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【００１５】
ただし、ｆｓ：圧電振動体の直列共振周波数
Δｆ：共振周波数と反共振周波数の間隔
ｆａ：反共振周波数
ｆｒ：共振周波数
ａ，ｂ：圧電振動体の振動モードに対応する係数
【００１６】
図９は、本発明に係る圧電振動体のうちで補強板にゴムメタルを使用した一例において、圧電振動体のインピーダンスの温度特性を周波数別に示したグラフである。横軸に駆動周波数を示し、縦軸にインピーダンスを示す。図１０は、比較例としての補強板に従来のＳＵＳを使用した場合のインピーダンスの温度特性を図９と同様に周波数別に示したグラフである。
これらの図にて、駆動周波数に対するインピーダンスが極小である共振点が二点現れ、インピーダンスが極大である反共振点が二点現れる。共振点のうち周波数の低い方が縦振動の共振点であり、周波数の高い方が屈曲振動の共振点である。反共振点のうち周波数の低い方が屈曲振動の反共振点であり、周波数の高い方が縦振動の反共振点である。ここで、Δｆ（図中の矢印の範囲）は、縦振動の共振点における駆動周波数と、縦振動の反共振点における駆動周波数との差を示している。
発明者は、高温（６０℃）、常温（２４℃）、低温（−１０℃）の温度毎にインピーダンスを測定し、図９と図１０の結果を得た。その結果、図９では温度によるΔｆの変化はほとんど認められなかったが、図１０ではΔｆは、常温に比べて高温では大きくなり、低温では小さくなった。なお、実際の測定では、温度を変化させると、インピーダンス特性の発生する位置（周波数）が変化するので、各温度特性の縦振動の共振点等は一致しない。しかし、図９，１０のグラフは、各温度のΔｆを比較しやすくするために、各温度特性について縦振動の共振点を一致させた状態でグラフ化したものである。
【００１７】
式（１）、式（２）の関係より、圧電振動体は温度が高くなると駆動性能が向上するが、温度が低くなると駆動性能が低下する。すなわち温度条件によって圧電振動体の駆動性能に変化が生じてしまう。圧電振動体としては、温度変化に関係なく安定した駆動性能が得られるものが望ましいため、常温に対するΔｆのシフト量ができる限り小さいものが望ましい。本態様により、従来のＳＵＳよりもゴムメタルの方がΔｆのシフト量が小さいことが分かる。
そこで、発明者は、熱膨張係数の異なる補強板を用いて複数の圧電振動体を製作し、常温（２４℃）に対する低温（−１０℃）におけるΔｆのシフト量を測定し、図１１の結果を得た。図１１のグラフは、熱膨張係数とΔｆのシフト量との関係を示す。横軸は、補強板の熱膨張係数（以降、αと示す）を示し、縦軸はΔｆのシフト量を示す。
図１１に示すように、αが１０×１０-6/℃以下の場合、Δｆのシフト量は約０．２２kHz〜約０．２６kHzの間に入っているのに対し、αが１０×１０-6/℃を越えると、αの増分に対するΔｆのシフト量が急増し、圧電振動体の駆動性能の差が増大することが分かった。すなわち、常温（２４℃）におけるΔｆに対し低温（−１０℃）のΔｆが著しく低下するものである。これによりαは、１０×１０-6/℃以下であることが望ましいことが分かる。
この構成によれば、補強板のαが１０×１０-6/℃以下であるので、図１１に示すようにΔｆのシフト量が比較的小さく、さらに式（１）、式（２）で得られるｋ値の変化が小さくなるので、温度変化に対する駆動性能の差、つまり振動のばらつきが小さくなり、被駆動体の位置決め精度が向上される。なお、熱膨張係数は０×１０-6/℃以上、６×１０-6/℃以下であることがより好ましい。
【００１８】
本発明の圧電振動体では、前記補強板の硬度が２００Hv以上であることが好ましい。
なお、補強板の硬度が３００Hv以上であることがより好ましい。
ここで、例えば、図１２（Ａ），（Ｂ）に示すように、被駆動体がロータ９Ａである場合、ロータ側面の全周に圧電振動体９Ｂが接触するため、補強板の当接部９Ｃの同一箇所が常に接触部分となり、摩耗が進行しやすい。この摩耗により、ロータ９Ａとの接触部分は、当初、線接触であったもの（図１２（Ａ））が、摩耗の進行によって面接触となり（図１２（Ｂ））、圧電振動体９Ｂの駆動性能が低下してしまう。
発明者は、硬度の異なる補強板を用いて複数の圧電振動体（実験材）を製作し、各圧電振動体の当接部の摩耗体積を測定した。
図１３のグラフは、補強板の硬度と、当接部の摩耗体積との関係を示す。横軸は補強板の当接部の硬度を示し、縦軸はロータを所定の回転数まで駆動させた後の当接部の摩耗体積を示す。ここで、初期状態の当接部９Ｃ（図１２（Ａ）の斜線部）を投影機でスケッチして面積を求め、それに補強板の厚みを掛け合わせることにより、初期の体積を求める。また、所定の回転数まで駆動させた後の当接部９Ｃ（図１２（Ｂ）の斜線部）について初期の体積と同様に摩耗後の体積を求める。これらの体積の差を摩耗体積とした。
図１３に示すように、補強板の硬度が２００Hvを下回ると、当接部の摩耗体積が急激に増加することが分かった。このことより、補強板の硬度は２００Hv以上であることが望ましい。
この構成によれば、補強板の硬度が２００Hv以上であるので、当該圧電振動体をアクチュエータとして使用する場合、補強板の当接部を被駆動体（例えばロータ）に押し当て、その接触部分に生じる摩擦力により被駆動体を駆動させることから、被駆動体との接触部分における摩耗を少なくでき、長時間の連続駆動等の使用条件下であっても駆動効率を維持でき、品質を安定させることが可能となる。従って、耐久性に優れた圧電振動体を得ることができ、第３の目的を達成できる。
【００１９】
本発明の圧電振動体では、前記補強板の硬度が、前記圧電振動体の振動によって駆動される被駆動体の硬度以下であることが好ましい。
ここで、補強板の硬度が被駆動体の硬度よりも大きい場合、被駆動体側の接触部分が摩耗してしまう可能性があった。例えば、被駆動体がロータであって、ロータ側面の回転軸に沿った幅寸法よりも、補強板の当接部の幅寸法が小さい場合、ロータ側面が「轍」のように摩耗してしまう。
図１４は、ロータ９Ａの側面に当接部９Ｃによる轍状の摩耗（図中の２点鎖線で示す部分）が生じることを説明する模式図である。このような轍状の摩耗が生じると、圧電振動体の振動のばらつきや圧電振動体の支持方法による当接部位置のばらつき等により、当接部が、摩耗によって生じた轍の内側面と不必要に接触してしまい、圧電アクチュエータの駆動性能が低下してしまう可能性がある。
これに対して、本発明の構成によれば、補強板の硬度が被駆動体の硬度より小さいので、被駆動体の摩耗が抑制され、圧電アクチュエータの駆動性能が維持される。すなわち、圧電振動体の振動のばらつきや圧電振動体の支持方法による当接部位置のばらつき等があっても、被駆動体の摩耗が抑制されるので、前述のような不必要な接触が生じず、圧電アクチュエータの駆動性能を維持することができる。
【００２０】
本発明の圧電振動体では、前記補強板は、ジルコニウム(Ｚｒ)およびニオブ(Ｎｂ)を含んで形成され、例えば、Ｔｉを５８〜５９質量％、Ｎｂを３６〜３７質量％、Ｔａを２〜３質量％、Ｚｒを２〜３質量％、Ｏを０．１〜１質量％含有するチタン合金、または、Ｔｉを６４〜６６at％、Ｚｒを１６〜１８at％、Ｎｂを１７〜１９at％含有するチタン合金で形成されることが好ましい。
この構成によれば、補強板が、Ｔｉを主成分としＺｒおよびＮｂを含む材料で形成されており、例えば、ゴムメタル（豊通マテリアル株式会社の登録商標）、バイオソフトチタン（ユニックス株式会社の商標）等で形成される。ゴムメタルの成分は、Ｔｉ５８．５−Ｎｂ３６．３−Ｔａ２．０３−Ｚｒ２．８８−Ｏ０．３１（質量％）であり、バイオソフトチタン（以降ＢＳ-Ｔｉと示す）の成分は、Ｔｉ６５−Ｚｒ１７−Ｎｂ１８（at％）である。従って、これらの材料を使用して、圧電振動体の駆動性能を向上させることができる。
【００２１】
本発明の圧電振動体では、前記補強板は、２００℃以上、４５０℃以下の熱処理により形成されることが好ましい。
ここで、図１５のグラフは、本発明に係るＴｉを主成分とする材料として、例えばバイオソフトチタン（ＢＳ-Ｔｉ）およびゴムメタルを使用した場合の熱処理による硬度変化を示す。なお、熱処理条件は、Ｎ2雰囲気下、４００℃、１０時間であるが、熱処理温度が２００℃以上、４５０℃以下であれば、他の熱処理条件は、本態様に限られるものではない。
図１５に示すように、ＢＳ-Ｔｉおよびゴムメタルはともに、熱処理により硬度が上昇した。
前述の図１３のグラフ中に、熱処理前後のゴムメタルを用いて、当接部の摩耗体積を測定した結果を示す。図１３に示すように、熱処理前のゴムメタルの摩耗体積は、約１０×１０-4mm3となり、熱処理後のゴムメタルの摩耗体積は、約５×１０-4mm3となり、熱処理前に対して略半減した。
なお、ＢＳ-Ｔｉの熱処理温度をパラメータとして、熱処理後の硬度を測定したところ、２００〜４５０℃の熱処理温度の範囲において、３００Hvを上回る硬度が得られ、３００℃にて硬度が最大となった。２００℃〜４５０℃では硬度の変化が少なく、２００℃を下回るか４５０℃を上回ると急激に硬度が低下した。同様に、熱処理後の弾性率（ヤング率）を測定したところ、２００℃〜４５０℃の熱処理温度の範囲において、約５５GPa〜６５GPaの弾性率が得られることが分かった。２００℃〜４５０℃においては弾性率の変化は比較的少なく、２００℃を下回るか４５０℃を上回ると急激に弾性率が低下し温度による弾性率の変化具合が大きくなった。したがって、熱処理温度は、２００℃以上、４００℃以下が好ましい。
この構成によれば、補強板が２００℃以上、４００℃以下の熱処理により形成されるので、補強板の硬度が上昇して、より摩耗を低減させることができる。
【００２２】
本発明の圧電アクチュエータは、前記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。
この構成によれば、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。
【００２３】
本発明の電子機器は、前記圧電アクチュエータを備えることを特徴とする。
この構成によれば、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、電子機器としては、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。
【００２４】
本発明の電子機器では、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。
この構成によれば、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。
【発明の効果】
【００２５】
前述のように本発明によれば、高い駆動効率が得られる圧電振動体、圧電アクチュエータ、および電子機器をもたらすことが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
〔第１実施形態〕
［１．全体構成］
図１は、本実施形態における電子機器としての時計の平面図である。
本実施形態の時計は、計時部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。
【００２７】
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、水晶振動体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。
【００２８】
［２．日表示装置の構造］
図２は、図１のムーブメント２を文字板３が設けられる側から見た平面図であり、図３は、図２における圧電振動体７０Ａの拡大斜視図である。ムーブメント２には、窓部３Ａ（図１）から日を表示する日表示装置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。
【００２９】
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。
【００３０】
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２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１）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。
【００３１】
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。
【００３２】
［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、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０１）等で形成されるとともに、ロータ支持体７８０に回転自在に保持されている。ロータ７８の表面硬度は略５００Hvである。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に巻回された押圧手段としての押圧ばね７８３が当接することによって、図２中、反時計回りに（圧電振動体７０Ａ側に）押圧されている。
【００３３】
（圧電振動体の構成）
図３は、圧電アクチュエータ７０を構成する圧電振動体７０Ａを示し、圧電振動体７０Ａは、全体形状が略矩形板状に形成されている。
圧電振動体７０Ａは、矩形板状の２つの圧電素子２１，２１と、圧電素子２１，２１を補強する補強板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７０Ａが構成されている。
補強板３０は、前述したゴムメタル、またはＢＳ-Ｔｉを用いている。
【００３４】
［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。
【００３５】
［４−２．補強板の構成］
図３に示すように補強板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部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、Ｔｉを主成分として弾性率が６０GPaであるゴムメタルで形成されている。ゴムメタルは、熱膨張係数（α）が０であり、硬度が略３３０Hvである。なお、補強板３０の硬度は、前述のロータ７８の硬度（略５００Hv）以下となっている。
ここで、補強板の材料としてはこれに限らず、少なくともＴｉを主成分として弾性率が３０GPa以上、１００GPa以下である材料であればよい。補強板に使用される材料としては、例えば、弾性率が６０GPaで熱膨張係数が５．８×１０-6/℃であるバイオソフトチタン（ＢＳ-Ｔｉ）でもよい。以下に、ゴムメタルおよびＢＳ-Ｔｉの物性値を示す。また、比較用としてＳＵＳ３０１の物性値を合わせて示す。
【００３６】
【表２】
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【００３７】
このように、ゴムメタルおよびＢＳ-Ｔｉは、弾性率が従来のＳＵＳやスーパーインバーに比べてさらに小さく、スーパーインバーと同程度の熱膨張係数を有している。また、硬度については、ＳＵＳよりは小さいが、スーパーインバーより高い値を示す。
図１３のグラフは、半径ｒ＝０．３mm、厚みｔ＝０．１mmの突起部３３を有する圧電振動体７０Ａによって、直径φ＝４mmのロータ７８を回転させて10000mに相当する距離分を駆動させた場合の突起部３３の摩耗体積を測定した実験結果である。ロータ７８は、前述と同じＳＵＳ製で硬度が略５００Hvのものを用いた。この実験では、ロータ７８に対して突起部３３を１gf(９．８mN)〜５０gf(４９０mN)の範囲で加圧させている。このような加圧の範囲であれば、時計の駆動源として十分使用することが可能であり、耐久性に問題がない。
【００３８】
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ている。補強板本体３１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。
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）で地板７５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、補強板本体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７８に弾圧し、圧電振動体７０Ａが励振する振動によりロータ７８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。
【００３９】
突起部３３は、ロータ７８（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７８との相対位置が設定されており、この突起部３３とロータ７８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７０Ａの振動がロータ７８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７８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。
【００４０】
［５．圧電振動体の電気的構成］
図４は、圧電振動体７０Ａの電気的接続を示す。圧電振動体７０Ａ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。
【００４１】
圧電振動体７０Ａ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７０Ａ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５に、圧電振動体７０Ａ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５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７０Ａ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。
【００４２】
［６．圧電振動体の作用］
図６は、圧電振動体７０Ａ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２３１，２３３，２３５と補強板３０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２）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。
このようなロータ７８の回転により、ロータ７８と一体のロータかな７８Ａも回転し、ロータかな７８Ａの回転に伴い日回し中間車７１が回転し、前述の日表示装置７の日車７４が駆動される。
【００４３】
［７．圧電素子と補強板との接合方法］
まず圧電素子２１と補強板３０との間に接着剤を均一塗布する。次に、接着剤を固化させるため、加温槽を８０℃にして、圧電素子２１および補強板３０を加圧状態で２時間加熱する。この際、圧電素子２１および補強板３０はそれぞれの熱膨張係数に応じて膨張する。そして、膨張した状態で接着剤が硬化し、圧電素子２１および補強板３０が固持される。
【００４４】
［本実施形態による効果］
本実施形態によれば、次のような効果を奏することができる。
（１）補強板３０の弾性率が、従来のＳＵＳやスーパーインバーの弾性率よりも小さく６０GPaであるので、補強板３０による圧電素子の振動の妨げが軽減され、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。従って、ロータ７８の駆動を推進する力が増大することから、投入電力を減らしても所定の負荷のロータ７８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を促進できる。なお、従来よりも負荷の大きいロータの場合には、従来と同じ投入電力で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。
【００４５】
（２）補強板３０の熱膨張係数αが０であるので、金属よりもはるかに低い熱膨張係数（約２．３×１０-6/℃）を示すＰＺＴが補強板３０に接合されていても、従来のＳＵＳ（熱膨張係数；１７×１０-6/℃）に比べて、熱応力による反りや剥離等の発生を抑制することができる。
【００４６】
（３）補強板３０の熱膨張係数αが０、５.８（×１０-6/℃）であるので、前述の図１１に示すように共振周波数と反共振周波数の間隔Δｆのシフト量（温度変化によるもの）が比較的小さく、さらにｋ値の変化が小さくなる。従って、温度変化に対する振動のばらつきが小さくなり、被駆動体の位置決め精度が向上される。
【００４７】
（４）補強板３０の硬度が３３０Hvであるので、ロータ７８との接触部分である補強板３０の突起部３３の摩耗を少なくでき、長時間の連続駆動等の使用条件下であっても駆動効率を維持でき、品質を安定させることが可能となる。
【００４８】
（５）補強板３０の硬度がロータ７８の硬度以下となっているので、圧電振動体７０Ａの振動のばらつきや圧電振動体７０Ａの支持方法による突起部３３位置のばらつき等があっても、ロータ７８の摩耗が抑制されるので、不必要な接触が生じず、圧電アクチュエータ７０の駆動性能を維持することができる。
【００４９】
（６）接着剤を固化させるため、圧電素子２１および補強板３０を８０℃にて加熱するので、実際に使用する際（例えば、常温下）、従来は、ＳＵＳ製の補強板に内部応力が発生し、圧電素子２１の振動特性を低下させていた。
図１６のグラフは、圧電素子（ＰＺＴ）、ＢＳ-Ｔｉ、ＳＵＳの温度と寸法変化との関係を示す。
図１６に示すように、８０℃にて従来のＳＵＳ製の補強板と圧電素子との寸法差は、グラフ中のＬａで示す大きさとなる。一方、ＢＳ-Ｔｉ製の補強板では、熱膨張係数がＳＵＳより低いため、寸法差はＬｂで示す大きさとなり、圧電素子への振動特性の影響を低減することができる。また、乾燥温度を１５０℃とした場合、乾燥時間は１０分程度となり生産性を向上させることが可能となる。この場合でも寸法差はＬｃで示す大きさであり、ＳＵＳ製の補強板の寸法差Ｌａより小さいため、ＰＺＴへの振動特性への影響を少なくすることができる。
【００５０】
〔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、補強部材に熱処理を施すことで所定の弾性率を維持させつつ、耐久性を向上させることが可能な構成を示す。
本実施形態では、圧電振動体の補強板に熱処理を施す構成のみが第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。
すなわち、ゴムメタルまたはＢＳ-Ｔｉで形成された補強板は、Ｎ2雰囲気下、４００℃、１０時間の熱処理により形成されている。以下に、熱処理前後の物性値を示す。
【００５１】
【表３】
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【００５２】
このような本実施形態によれば、前記（１）〜（６）の効果と略同様の効果に加えて以下の効果を奏することができる。
（７）補強板を熱処理することで、補強板の硬度が処理前の３３０Hvから５５０Hv、または３４０Hvから４５０Hvまで上昇して、より突起部３３の摩耗を低減させることができる。また、熱処理によって弾性率が幾分上昇するが、図７のグラフにて説明したように、弾性率が１００GPa以下であるので、圧電振動体７０Ａの振幅が保持される。
【００５３】
［本発明の変形例］
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
前記各実施形態にて説明した補強板の材質の熱膨張係数に限定されるものではなく、補強板の材質の熱膨張係数としては、０×１０-6/℃以上、１０×１０-6/℃以下であれば、本発明の効果が得られる。
また、前記各実施形態にて説明した補強板の材質の硬度に限定されるものではなく、補強板の材質の硬度としては、２００Hv以上であれば、本発明の効果が得られる。なお、硬度の上限としては、ロータの硬度以下であることが好ましく、例えば、ロータがＳＵＳ３０１製（硬度５００Hv）であれば、補強板の硬度を５００Hv以下としてもよい。
また、前記第２実施形態にて説明した補強板の熱処理条件に限定されるものではなく、補強板の熱処理条件としては、少なくとも、２００℃以上、４５０℃以下の熱処理であれば、本発明の効果が得られる。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の第１実施形態における腕時計の外観図。
【図２】前記実施形態における日表示装置の平面図。
【図３】前記実施形態における圧電振動体の斜視図。
【図４】前記実施形態における圧電振動体の電気的接続を示す図。
【図５】前記実施形態における圧電振動体における駆動周波数とインピーダンスとの関係を示すグラフ。
【図６】前記実施形態における圧電振動体の動作を示す図。
【図７】本発明の前記圧電振動体の弾性率と楕円軌跡の長軸長さとの関係を示すグラフ。
【図８】前記圧電振動体の駆動周波数と楕円軌跡の長軸長さとの関係を示すグラフ。
【図９】前記圧電振動体のインピーダンスの温度特性を示すグラフ。
【図１０】従来の圧電振動体のインピーダンスの温度特性を示すグラフ。
【図１１】圧電振動体の熱膨張係数とΔｆのシフト量の関係を示すグラフ。
【図１２】前記圧電振動体の接触部分の摩耗の状態を示す図。
【図１３】前記圧電振動体の補強板の硬度と摩耗体積との関係を示すグラフ。
【図１４】従来の被振動体の接触部分の摩耗の状態を示す図。
【図１５】前記圧電振動体の熱処理による硬度変化を示すグラフ。
【図１６】前記圧電振動体の温度と寸法変化との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００５９】
２１…圧電素子、３０…補強板、３３…突起部（当接部）、７０…圧電アクチュエータ、７０Ａ…圧電振動体、７８…ロータ（被駆動体）。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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