JP7504974B2 - 特に腕時計製作のための回転圧電モータ - Google Patents

Description

本発明は、回転圧電モータの技術分野に関する。本発明はまた、上述のような回転圧電モータを備えた時計の技術分野にも関する。

腕時計製作で一般に使用される電気モータは、Ｌａｖｅｔ型回転モータであり、これは電磁物理の原理に基づいて動作する。一般にこのようなモータは、コイルを備えるステータと、コイルの位相シフトによる作動によって回転する、磁性を帯びたロータとを含む。

しかしながらこれらのモータは、強い磁場に対する耐性が限定的である。所与の磁場値から、モータは動かなくなり始める。一般にモータは、２ｍＴを超える磁場の影響下で動かなくなる。

よって、この問題を回避するために、他の物理的原理に基づいて動作するモータを設計する必要がある。

例えば、特許文献１に記載されているような、コームを備える静電モータが存在する。ただし、コームは相当なスペースを占有し、またＬａｖｅｔ型モータに比べて多くのエネルギを消費する。

例えば特許文献２の、圧電モータをベースとしたモータも開発されている。ただしこれは、日付の作動に限定されている。その高い消費、及び早期摩耗のリスクから、一般的に最も多くのエネルギを必要とする秒針を駆動することはできない。

スイス特許第７０９５１２号 欧州特許第０５８７０３１号

本発明は、強い電磁場に耐えることができ、かつエネルギ消費及び体積が適切なまま保たれた、回転圧電モータを提供することを目的とする。

この目的のために、本発明は、特に時計用の回転圧電モータに関し、上記モータは：
‐機械式デバイスを回転させて作動させることができるように構成された、ロータ、
‐上記ロータを回転させるよう構成された、ステータであって、上記ステータは、振動運動を実施するように配設された共振器を備える圧電アクチュエータを備える、ステータ
を備える。

本発明は、上記ステータが固定要素を備え、上記共振器が、上記固定要素からある距離に配設されかつ上記固定要素に接続された可動要素を備える点で、注目に値するものであり、上記圧電アクチュエータは、上記可動要素を上記ロータに対して移動させることによって上記ロータを回転させるよう構成され、上記可動要素の移動によって、上記ロータが第１の方向に回転する。

このような構成を有するステータにより、圧電アクチュエータによって回転運動を上記ロータに容易に伝達できる。実際には、上記可動要素は、上記ロータと接触して第１の方向に運動を伝達するように、移動させることができる。よって、上記共振器が振動すると、上記可動要素は、上記ロータに接触して上記ロータに力を伝達することにより、上記ロータを第１の方向に回転させる。

本発明のある特定の実施形態によると、上記共振器は、少なくとも１つの可撓性アーム、好ましくは２つの可撓性アーム、場合によっては３つ又は４つの可撓性アームを備え、上記可撓性アームは、１つの端部によって上記ステータの上記固定要素に、別の端部によって上記ステータの上記可動要素に接続され、好ましくは上記可動要素の周りに角度的に分散されている。

本発明のある特定の実施形態によると、上記可動要素は、上記ロータに接触すると、上記第１の方向の反対の第２の方向に、軌道運動を実施する。

本発明のある特定の実施形態によると、上記モータの動作中、上記可動要素は常に上記ロータに接触している。

本発明のある特定の実施形態によると、上記可動要素の上記移動により、上記ロータは連続的に回転する。

本発明のある特定の実施形態によると、上記可動要素は、それ自体では回転運動できない。

本発明のある特定の実施形態によると、上記可動要素はリングのような形状を有し、上記ロータは上記リングの内側に配設される。

本発明のある特定の実施形態によると、上記可動要素と上記可動ロータとの間の接点は、上記リングの内側である。

本発明のある特定の実施形態によると、上記ロータは歯車を備え、上記リングは、上記歯車の外側歯部と協働する内側歯部を含む。

本発明のある特定の実施形態によると、上記アームは、半径方向の前後運動を実施することにより、上記可動要素を振動させて移動させる。

本発明のある特定の実施形態によると、上記可動要素は上記ロータの周りに配設される。

本発明のある特定の実施形態によると、上記アームは、２つの連続する上記アーム間で２π／Ｎだけ位相シフトさせた信号によって作動させられ、ここでＮは上記アームの個数である。

本発明のある特定の実施形態によると、上記共振器は、その固有周波数に対応する周波数で振動する。

本発明のある特定の実施形態によると、上記モータは、直流オフセット電圧によって、又は交流電圧の振幅の変更によって、各上記アームの機械的張力を常に又は一時的に調整する手段を含む。

本発明のある特定の実施形態によると、上記ロータ及び／又は上記ステータは、例えばシリコン又は金属から、微小機械加工によって得られる。

本発明のある特定の実施形態によると、上記ロータは、衝撃を受けたときに上記可動要素との噛合を保持するための、可撓性ブレードを備える。

本発明はまた、少なくとも１つの針を回転させるよう構成された歯車伝動装置を備える時計ムーブメントを含み、上記歯車伝動装置を作動させるために配設された圧電モータを備える、時計に関する。

他の特徴及び利点は、限定ではなく例示を目的として、添付の図面を参照して行われる、以下の説明から明らかになるであろう。

図１は、本発明による回転圧電モータの第１の実施形態の、停止時の上面概略図を示し、ロータとステータとは接触していない。 図２は、本発明による回転圧電モータの第１の実施形態の、動作中の上面概略図を示し、ロータとステータとは６時位置で接触している。 図３は、本発明による回転圧電モータの第１の実施形態の、動作中の上面概略図を示し、ロータとステータとは９時位置で接触している。 図４は、本発明による回転圧電モータの第１の実施形態の、動作中の上面概略図を示し、ロータとステータとは１２時位置で接触している。 図５は、本発明による回転圧電モータの第１の実施形態の、動作中の上面概略図を示し、ロータとステータとは３時位置で接触している。 図６は、本発明による回転圧電モータの第１の実施形態の、停止時の底面概略図を示す。 図７は、本発明の第１の実施形態による回転圧電モータの側面断面概略図を示す。 図８は、本発明による回転圧電モータの第２の実施形態の、停止時の上面概略図を示し、ロータとステータとは接触していない。 図９は、本発明による回転圧電モータの第２の実施形態の底面概略図を示す。 図１０は、本発明による回転圧電モータの第３の実施形態の、動作中の上面概略図を示し、上記モータは衝撃を受けている。 図１１は、圧電モータへの、そして歯車の運動への衝撃による加速を表すグラフである。

図１～７は、回転圧電モータ１の第１の実施形態を示す。特に上記モータは、時計において、文字盤上に配設された針のような表示デバイスを作動させるために使用できる。圧電モータ１は略平面内に延在する。

圧電モータ１はロータ３を備え、このロータ３はそれ自体で回転移動でき、特に表示デバイス用である機械式歯車伝動装置を回転及び作動させることができるように構成される。圧電モータ１は、ロータ３を作動させて回転させるように構成された、ステータ２を備える。

ロータ３は、圧電モータ１の中央に配設された歯車９を備える。例えば歯車９は、各端部にピボット１５を備えた軸１３上に設置され、これらのピボットは軸受１６に設置され、軸１３の回転を可能にする。歯車９は、外側リング２８と、中心のハブ２７とを含み、ハブ２７は剛性スパイク１９によってリング２８に接続される。軸１３は、歯車９に対して平行なピニオン２１を含み、これは、歯車９によって受け止められた運動を、歯車伝動装置１７へと、例えば時計のムーブメントへと伝達するよう配設される。歯車９はリング２８上に外周歯部１０を備え、これによって歯車９の作動が可能になる。

好ましくは、ロータ３及び／又はステータ２は、好ましくは全体が、シリコンで構成される。あるいは、ステータ２がシリコン製である場合には、ロータ３は摩耗及び摩擦を制限するために金属製であり、その逆も同様である。

更に代替例として、微小機械加工によって、ロータ３及び／又はステータ２は、好ましくは全体が、石英、ニッケル（金属の電着若しくはＬＩＧＡタイプのプロセスによって得られる）、又はダイヤモンド（ＡＬＤタイプの堆積によって得られる）等の材料で構成される。

ステータ２は、移動不可能な固定要素４と、ロータ３の歯車９を作動させるよう構成された可動要素５とを備える。可動要素５は、固定要素４からある距離に配設される。可動要素５は、ロータ３の周りに配設されたリングのような形状を有し、ロータ３は上記リングの内側に配設される。可動要素５は、上記リング上に内側歯部１２を備え、この内側歯部１２は歯車９の外周歯部１０と協働して、歯車９を回転させる。上記リングは、ロータ３を挿入できるように、ロータ３より大きい。

固定要素４は、円形の内部空間を描く形状を有し、上記内部空間内に、可動要素５及びロータ３が配設される。

ステータ２は更に、可動要素５において軌道運動を生成するために振動運動を実施するよう配設された共振器と一体化された、圧電アクチュエータ２５を備える。上記共振器は可動要素５を備え、固定要素４に接続される。

共振器は３つの可撓性アーム６、７、８を備え、これらは、一方の端部によってステータ２の固定要素４に接続され、他方の端部によってステータ２の可動要素５に接続される。可撓性アーム６、７、８は、可動要素５の周りに角度的に分散される。従って、３つのアーム６、７、８の場合、２つの連続するアームが間に１２０°の角度を有して配設される。

あるいは他の実施形態によると、上記圧電アクチュエータは、２つのアーム、場合によっては４つのアームを有する共振器を備える。２つのアームの場合は上記角度は１８０°であり、４つのアームの場合は上記角度は９０°である。

上記圧電アクチュエータは、可動要素５をロータ３に対して移動させることによって、ロータ３を回転させるよう構成される。アーム６、７、８は、半径方向の前後運動を実施することにより、可動要素５を略水平な平面内で交互に振動させる。

好ましくは、アーム６、７、８は、結晶性又は多結晶性材料、例えばシリコンで形成され、アーム６、７、８は変形可能な厚さを有する。上記アームは圧電材料層を含み、これにより電気的に活性化できる。各アーム６、７、８は、横方向に並置された２つの圧電材料層２３、２４を備え、各層２３、２４は互いに反対の極性に関連付けられる。各層２３、２４は固定要素４上で接触面によって終端し、上記接触面によって、図示されていない電気経路を介して層２３、２４に電圧が供給される。

従って、圧電材料層２３、２４を電気的に活性化することによって、アーム６、７、８は、中心方向と外向きとに、横方向に交互に変形する。上記活性化は交流電圧によって生成される。

好ましくは、モータ１は、特にロータ３の周りでの上記軌道運動をセンタリングできるように、又はモータ１の固有周波数をわずかに変化させるために、各アーム６、７、８の機械的張力を調整するための手段を備える。例えば、上記調整手段は、オフセット電圧によって常に動作する。あるいは上記調整手段は、交流電圧の振幅の変更によって一時的に動作する。

各アーム６、７、８は、固定要素４の内縁部から可動要素５の外縁部まで、略円弧を描く。上記円弧の角度は１８０°を超え、場合によっては２５０°を超える。従って各アームは、可動要素５の一部分を取り囲む。２つの連続するアーム６、７、８は、部分的に重なっている。アーム６、７、８の長さは、可動要素５がカバーするべき距離に応じて選択される。

アーム６、７、８は、正弦曲線、方形、又は台形の形状を有する交流信号によって作動させられる。アーム６、７、８に送信される信号は、２つの連続する上記アーム間で２π／Ｎだけ位相シフトされ、ここでＮは上記アームの個数である。

従って３つのアーム６、７、８は、２つの連続するアーム６、７、８の間で１２０°の位相シフトを有する信号によって、同時に起動される。２つのアームを備える実施形態では、上記位相シフトは１８０°であり、４つのアームの場合は上記位相シフトは９０°であり、以下同様である。

圧電層の変形によってアームが変形する。アーム６、７、８を作動させることにより、これらは、モータの中心、即ちロータ３に対して近づいたり離れたりすることによって、交互の半径方向の前後運動を実施する。固定要素４に接続された端部は移動しないものの、可動要素５に接続された端部は最も大きく移動する。これにより、可動要素５は、アーム６、７、８の変形の影響下で移動する。

アーム６、７、８の間の位相シフトにより、可動要素５の、好ましくは円運動である軌道運動が引き起こされる。可動要素５は円運動を実施するが、それ自体は回転運動できないままである。従ってこの円運動は、図２に示されているように、ロータ３へと一方向に伝達される。

好ましくは、可動要素５の運動は連続的なものであり、これによりロータ３は連続的に回転する。この目的のために、可動要素５は、モータの動作中は常にロータ３に接触する。可動要素５とロータ３との間の接点は、リングの内側で可動である。

図２～５は、ロータ３とリングとの間の接点Ｐがリングの内側を移動する、異なる複数の連続した時点を示す。ロータ３より大きな内部空間を有するリングの軌道運動は、リングとロータ３との間の可動接点Ｐを生成する。各時点で、リングの内側歯部１２の異なる部分が、歯車９の外周歯部１０と噛合する。これによってロータ３自体が回転駆動される。

図２では、可動要素５が持ち上げられることにより、接点Ｐが歯車９の下側、即ち６時の位置となっている。図３では、可動要素５が右側へと動かされることにより、接点Ｐが歯車９の左側、即ち９時の位置となっている。次に、図４に示されているように、可動要素５が引き下げられることにより、接点Ｐは歯車９の上側、即ち１２時の位置となる。最後に図５では、可動要素５が左側へと動かされることにより、接点Ｐが歯車９の右側、即ち３時の位置となっている。ある図から次の図までに、可動要素５は軌道運動を１／４だけ実施した。

図１に示されているように、可動要素５が反対方向に回転すると、可動要素５はロータ３から離れ、ロータ３に接触しなくなる。よって、回転運動は他の方向においてはロータ３に伝達されず、ロータ３は一方向にのみ回転する。

例えばロータ３の歯部１０は５６個の歯を備え、可動要素５の歯部１２は６０個の歯を備える。よって、接点の速度とロータの速度との間の減速係数ｒは：

によって与えられ、ここでZｍは可動要素５の歯の個数を表し、Ｚｒはロータ３の歯の個数を表す。よって本発明者らによる例では、

である。この減速はモータに直接組み込まれ、それによって例えば針の駆動に必要な更なる減速歯車列の個数が削減されるため、有利である。

好ましくは、ロータ３の歯部１０の少なくとも１つの歯は、可動要素５の歯部１２に接触して運動を伝達する。よって、ロータ３が動かなくなるリスクが回避される。歯部１０の歯が１つだけローラ３の歯部１２に接触するように、可動要素５及びロータ３のサイズを設定できる。

好ましくは、直流電圧は各アーム６、７、８に別個に印加され、これによって可動要素５の振動の中心の移動が引き起こされ、これにより、自然に発生し得る中心ずれが補償されて、モータ１の効率が向上する。

好ましくは、可動要素５を振動させることができる、アーム６、７、８に印加される交流電圧の振幅は、可動要素５の振動が完全に円形となるように可変であり、これにより、自然に発生し得る軌跡の楕円化が補償されて、これによってもモータ１の効率が向上する。

ロータ３を他の方向に回転させることが望ましい場合は、共振器に印加される電圧の極性を反転させるだけでよい。これにより、アーム６、７、８の運動は、他の方向でのステータ２の可動要素５の回転を引き起こす。アナログ式ディスプレイの作動の場合、これによって針の位置を両方向に設定できる。

腕時計の場合、モータ１の共振周波数又は固有周波数を、ムーブメントの速度を調節するために使用される石英の周波数に適合させる。一般に３２，７６４Ｈｚである石英の周波数の約数に相当する励起周波数を選択する。例えば１２８Ｈｚの周波数を選択する。好ましくは、その振動振幅が最大振幅の９０～９５％を下回らないように、モータ１の周波数を調整して上記励起周波数に同調させる。

周波数は、可動要素５の質量及び／又はアーム６、７、８の剛性を変更することによって適合される。例えば、リング１８を可動要素５の下に組み付けることによって、可動要素５の重量を増大させ、その振動周波数を低下させることができる。例えばリング１８は、好ましくは全体が、洋銀で構成される。

周波数を増大させるためには、例えばレーザを用いて又はフライス加工によって材料を除去することにより、可動要素５を軽量化できる。これらのプロセスは極めて精密な調整が可能であるため、石英を備えたモータの微調整のための使用に好ましいものである。

負荷に結合されたモータの共振ピークは、十分に高く、即ち石英の共振ピークよりもはるかに高くなるように設定される。これによって、例えば衝撃又は他の何らかの外乱に続く速度損失を補償するために、モータの速度を、振幅をあまり失うことなく、その励起周波数の変更によってわずかに変化させることができ、これによって石英のタイムベースと針の位置とを再整列させることができる。

図８、９は、第１の実施形態と同様の圧電モータ３０の第２の実施形態を示す。違いは、ロータ３に減衰手段が設けられている点である。ロータ３の歯車９は、外側歯部４０を支承するリング３８とハブ３７とを接続する、可撓性ブレード４９を備える。この実施形態では、ロータ３は、ロータの歯車内で角度的に分散された３つの可撓性ブレード４９を備える。これらはそれぞれ、螺旋状の円弧の一部分を描く。

従って、可撓性ブレード４９はその変形によって、モータ３０が激しく振り動かされた場合にロータ３に加えられる衝撃を吸収する。歯車３９は、上記衝撃が軸に伝達されるのを回避できるように、軟質である。軸の軸受もまた、第１の実施形態と同様に、追加の減衰手段を含んでよい。

図１０は、第２の実施形態と同様の圧電モータ５０の第３の実施形態を示し、これについては、圧電モータ５０の動作中にステータ２の固定要素４に衝撃が印加される。上記衝撃は、矢印で示されている方向に、加速：

を生成し、これによって可動要素５はＸ_ｍだけ矢印の反対の方向に移動して、ロータ３から係合解除される。しかしながら、ロータ３の可撓性ブレード４９の変形により、ロータ３も可動要素５と同じ方向にＸ_ｒだけ移動する。これによってロータ３は可動要素５と接触したままとなり、衝撃にもかかわらず噛合した状態となる。ロータ３の質量、及び可撓性ブレード４９の弾性によって、ロータ３は可動要素５と同一の軌跡をたどることができる。従って、可動要素５の噛合及び軌道運動は保持される。

図１１のグラフでは、加速：

は、左から右に水平に印加された衝撃によって、加速：

を表す衝撃曲線又は衝撃波線をたどる。可動要素５の移動Ｘ_ｍ、及びロータ３の移動Ｘ_ｒは、上記曲線に追従する減衰曲線をたどる。

有利には、ロータ３及び可動要素５の質量、並びに衝撃の方向におけるロータ３の可撓性ブレード４９の剛性、及び可動要素５の可撓性アーム６、７、８の剛性は、軌跡Ｘ_ｍと軌跡Ｘ_ｒとが一致するように選択される。

この実施形態では、衝突は軸Ｘに沿って印加される。しかしながら当然、衝撃は、ロータ３及び可動要素５の噛合を保持したまま、平面Ｘ、Ｙのいずれの方向に印加される可能性がある。

有利には、ロータ３及び可動要素５の質量、並びに衝撃の方向におけるロータ３の可撓性ブレード４９の剛性、及び可動要素５の可撓性アーム６、７、８の剛性は、ロータ３と可動要素５との間の噛合接触を、衝撃の方向及び強度にかかわらず保持できるように、選択される。

上述の全ての実施形態と同様の、圧電モータの図示されていない第４の実施形態では、衝撃は、アーム６、７、８内で誘導される圧電電圧を用いて電気的に検出される。例えばモータ１、３０の動作中、アーム６、７、８のうちの１つを、検出手段のトランジスタによって、アクチュエータモードから検出器モードへと一時的に切り替えることができる。これにより、検出手段は、噛合点の回転の持続時間の１／３の間に衝撃が存在するかどうかを、周期的に検出する。必要に応じて、上記検出手段は、例えば印加される交流電圧の振幅を一時的に増大させて、衝撃中及び衝撃後の接触を強制することにより、次の励起信号の補正を実施してよい。

添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく、当業者には明らかな様々な修正及び／又は改善及び／又は組み合わせを、上で開示されている本発明の様々な実施形態に対して行うことができることを理解されたい。

１、３０、５０ 回転圧電モータ、モータ、圧電モータ
２ ステータ
３、３３ ロータ
４ 固定要素
５ 可動要素
６、７、８ アーム、可撓性アーム
９、３９ 歯車
１０ 内側歯部
１２ 外側歯部
２９ 共振器
４９ 可撓性ブレード

Claims (17)

1. 時計用の圧電モータ（１、３０、５０）であって、前記圧電モータ（１、３０、５０）は：
   ‐機械式デバイスを回転させて作動させることができるように構成された、ロータ（３、３３）、
   ‐前記ロータ（３、３３）を回転させるよう構成された、ステータ（２）であって、前記ステータ（２）は、振動運動を実施するように配設された共振器（２９）を備える圧電アクチュエータを備える、ステータ（２）
   を備え、
   前記ステータ（２）は固定要素（４）を備え、前記共振器は、前記固定要素（４）からある距離に配設されかつ前記固定要素（４）に接続された可動要素（５）を備え、前記圧電アクチュエータは、前記可動要素（５）を前記ロータ（３）に対して移動させることによって前記ロータ（３）を回転させるよう構成され、前記可動要素（５）の前記移動によって、前記ロータ（３）が第１の方向に回転することを特徴とする、圧電モータ（１、３０、５０）。
2. 前記共振器（２９）は、少なくとも１つの可撓性アーム（６、７、８）を備え、前記可撓性アーム（６、７、８）は、１つの端部によって前記ステータ（２）の前記固定要素（４）に、別の端部によって前記ステータ（２）の前記可動要素（５）に接続され、前記可動要素（５）の周りに角度的に分散されている、請求項１に記載の圧電モータ（１、３０、５０）。
3. 前記可動要素（５）は、前記第１の方向の反対の第２の方向に、軌道運動を実施する、請求項１に記載の圧電モータ（１、３０、５０）。
4. 前記圧電モータの動作中、前記可動要素（５）は常に前記ロータ（３、３３）に接触している、請求項１に記載の圧電モータ（１、３０、５０）。
5. 前記可動要素（５）の前記移動により、前記ロータ（３、３３）は連続的に回転する、請求項３に記載の圧電モータ（１、３０、５０）。
6. 前記可動要素（５）はリングのような形状を有し、前記ロータ（３、３３）は前記リングの内側に配設される、請求項１に記載の圧電モータ（１、３０、５０）。
7. 前記可動要素（５）と前記ロータ（３、３３）との間の接点は、前記リングの内側である、請求項６に記載の圧電モータ（１、３０、５０）。
8. 前記ロータ（３、３３）は歯車（９、３９）を備え、前記リングは、前記歯車（８、３９）の外側歯部（１２）と協働する内側歯部（１０）を含む、請求項６に記載の圧電モータ（１、３０、５０）。
9. 前記可動要素（５）は、それ自体では回転運動できない、請求項１に記載の圧電モータ（１、３０、５０）。
10. 前記可撓性アーム（６、７、８）は、半径方向の前後運動を実施することにより、前記可動要素を振動させて移動させる、請求項２に記載の圧電モータ（１、３０、５０）。
11. 前記可動要素（５）は前記ロータ（３、３３）の周りに配設される、請求項１に記載の圧電モータ（１、３０、５０）。
12. 前記ロータ（３、３３）及び／又は前記ステータ（２）は、シリコン又は金属から、微小機械加工によって得られる、請求項１に記載の圧電モータ（１、３０、５０）。
13. 直流オフセット電圧によって、又は交流電圧の振幅の変更によって、各前記可撓性アーム（６、７、８）の機械的張力を常に又は一時的に調整する手段を含む、請求項２に記載の圧電モータ（１、３０、５０）。
14. 前記可撓性アーム（６、７、８）は、２つの連続する前記可撓性アーム間で２π／Ｎだけ位相シフトさせた信号によって作動させられ、ここでＮは前記可撓性アームの個数である、請求項２に記載の圧電モータ（１、３０、５０）。
15. 前記共振器（２９）は、前記共振器（２９）の固有周波数に対応する周波数で振動する、請求項１に記載の圧電モータ（１、３０、５０）。
16. 前記ロータ（３３）は、衝撃を受けたときに前記可動要素（５）との噛合を保持するための、可撓性ブレード（４９）を備える、請求項１に記載の圧電モータ（３０、５０）。
17. 少なくとも１つの針を回転させるよう構成された歯車伝動装置を備える時計ムーブメントを含む、時計であって、
    前記時計は、請求項１に記載の圧電モータ（１、３０、５０）を備え、前記圧電モータ（１、３０、５０）は前記歯車伝動装置を作動させるために配設されることを特徴とする、時計。

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