圧電駆動装置、圧電駆動方法および電子機器
【課題】圧電アクチュエーターの起動時の効率を大幅に向上することができる圧電駆動装置、圧電駆動方法および電子機器を提供する。
【解決手段】圧電駆動装置は、圧電アクチュエーターと、駆動制御手段とを備える。駆動制御手段は、圧電アクチュエーターの起動初期に行う初期駆動制御と、初期駆動制御後に行う定常駆動制御Ｓ５とを実行する。初期駆動制御では、圧電素子に初期駆動信号を印加する初期駆動信号印加制御Ｓ１を実行後、圧電素子に駆動信号を印加しない非印加制御Ｓ２を実行する。初期駆動信号印加制御から非印加制御に切り替えるタイミングは、初期駆動信号の印加による被駆動体の動作が開始されるまでに設定し、初期駆動制御から定常駆動制御に切り替えるタイミングは、初期駆動信号の印加による被駆動体の動作開始時以降でかつ被駆動体の動作停止時および／または前記圧電素子の放電完了時までに設定する。
【解決手段】圧電駆動装置は、圧電アクチュエーターと、駆動制御手段とを備える。駆動制御手段は、圧電アクチュエーターの起動初期に行う初期駆動制御と、初期駆動制御後に行う定常駆動制御Ｓ５とを実行する。初期駆動制御では、圧電素子に初期駆動信号を印加する初期駆動信号印加制御Ｓ１を実行後、圧電素子に駆動信号を印加しない非印加制御Ｓ２を実行する。初期駆動信号印加制御から非印加制御に切り替えるタイミングは、初期駆動信号の印加による被駆動体の動作が開始されるまでに設定し、初期駆動制御から定常駆動制御に切り替えるタイミングは、初期駆動信号の印加による被駆動体の動作開始時以降でかつ被駆動体の動作停止時および／または前記圧電素子の放電完了時までに設定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電駆動装置、圧電駆動方法および電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子は、電気エネルギーから機械エネルギーへの変換効率や、応答性に優れている。このため、近年、圧電素子の圧電効果を利用した各種の圧電アクチュエーターが開発されている。
この圧電アクチュエーター（超音波モーター）は、起動時の電力投入量が多くなることなどにより、起動時の効率が悪いという特徴を有している。
そこで、この起動時の効率を改善するための装置が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００３】
特許文献１には、振動型モーターの起動時（電圧印加時）に圧電素子に急激な電荷の充電が開始されることにより、急激な電流が流れ、大きな電力の消耗が行われることを抑える目的で、圧電素子に印加する駆動用交番信号のパルス幅を徐々に広くする方法（請求項１，２，５、実施例１）、起動時の入力パルスのパルス電圧を徐々に上げる方法（請求項１，２，６、実施例２）、起動時の駆動周波数を高くする方法（請求項３、実施例３）が開示されている。
【０００４】
特許文献２には、発振回路において、安定した状態で発振成長を開始し、起動時間を有効に短縮するために、振動体の起動初期には低い電圧、その後高い電圧を印加する方法が開示されている。低い電圧の印加時間の規定としては、検出により振幅が安定するまでと、タイマーにより時間を決める方法などが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２１５８６１号公報
【特許文献２】特開２００８−９９２５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１は、駆動用交番信号のパルス幅を徐々に広くしているため、駆動用交番信号の入力は継続されており、被駆動体の動作まで考慮した最良の圧電駆動方法とはいえない。
【０００７】
特許文献２は、駆動開始時には低い電圧の第１の電圧信号を印加し、その後、高い電圧の第２の電圧信号を印加しており、電圧信号の入力は駆動開始時から継続されているため、やはり、被駆動体の動作まで考慮した最良の圧電駆動方法とはいえない。
【０００８】
このように、従来の技術では圧電アクチュエーターの起動時の効率改善が十分ではないという問題点があった。
【０００９】
本発明の目的は、圧電アクチュエーターの起動時の効率を大幅に向上することができる圧電駆動装置、圧電駆動方法および電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の圧電駆動装置は、圧電素子を有しこの圧電素子への駆動信号の印加により振動する振動体を備えて前記振動体の振動を被駆動体に伝達する圧電アクチュエーターと、前記圧電アクチュエーターへの駆動信号の印加を制御する駆動制御手段とを備え、前記駆動制御手段は、前記圧電アクチュエーターの起動初期に行う初期駆動制御と、初期駆動制御後に行う定常駆動制御とを実行可能に構成され、前記初期駆動制御では、前記圧電素子に初期駆動信号を印加する初期駆動信号印加制御と、初期駆動信号印加制御を実行後、前記圧電素子に駆動信号を印加しない非印加制御とを実行し、前記初期駆動信号印加制御から非印加制御に切り替えるタイミングは、前記初期駆動信号の印加による前記被駆動体の動作が開始されるまでに設定され、前記初期駆動制御から前記定常駆動制御に切り替えるタイミングは、前記初期駆動信号の印加による前記被駆動体の動作開始時以降で、かつ、前記初期駆動信号の印加によって駆動される前記被駆動体の動作停止時および／または前記初期駆動信号の印加により充電された前記圧電素子の放電完了時までに設定されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明者が鋭意研究した結果、圧電アクチュエーターで被駆動体を駆動する際に、起動初期は、振動体の振動が安定するまで被駆動体が駆動しない期間があり、この期間は、駆動信号の印加時間や電流量に関係なく、ほぼ一定であることが判明した。
また、上記起動初期（起動信号を最初に印加した直後）は、圧電素子が放電された状態であるため、駆動信号を印加すると大電流が流れ、消費電力も増大することが判明した。
本発明者は、起動初期には、急激に大きな電流が流れて消費電力が増大する一方で、被駆動体が殆ど動作しない期間が存在するという知見に基づき、本発明に想到したものである。
【００１２】
本発明では、前記初期駆動制御において、前記圧電素子に初期駆動信号を印加する初期駆動信号印加制御が実行されるため、初期駆動信号の印加によって圧電素子を充電することができるとともに、振動体を振動させることができる。
この際、前記初期駆動信号印加制御から非印加制御に切り替えるタイミングを、前記初期駆動信号の印加による前記被駆動体の動作が開始されるまでに設定し、前記初期駆動制御において、前記初期駆動信号印加制御を実行後、前記圧電素子に駆動信号を印加しない非印加制御を実行している。このため、圧電アクチュエーターの起動初期における電流量の多い期間における電力の消費を大幅に削減することができる。非印加制御に切り替え後は、圧電アクチュエーターへの駆動信号の印加は終了するが、振動体はすぐに停止するのではなく、減衰振動が継続し、徐々に被駆動体の駆動に適した振動状態に近づくため、被駆動体の駆動が開始される。
そして、本発明では、前記初期駆動信号の印加による前記被駆動体の駆動開始後で、かつ、前記初期駆動信号の印加によって駆動される前記被駆動体の動作停止時および／または前記初期駆動信号の印加により充電された前記圧電素子の放電完了時までに、初期駆動制御から定常駆動制御に切り替わるため、振動体の減衰振動を利用しつつ、被駆動体が動いている状態、すなわち振動体の振動の軌跡が被駆動体の駆動に適した形となっている状態で、定常駆動制御による圧電アクチュエーターへの駆動信号の印加を行うことができる。このため、当該駆動信号の印加後すぐに被駆動体を加速させることができる。これにより立ち上がりの印加時間が短縮され、電力消費を抑えることができる。
前記被駆動体の動作停止時および／または前記圧電素子の放電完了時までとは、１）前記被駆動体の動作停止時まで、２）前記圧電素子の放電完了時まで、３）前記被駆動体の動作停止時まで、かつ、前記圧電素子の放電完了時まで、の３パターンをいう。
【００１３】
以上のように、本発明は、初期駆動制御によって振動体の振動を開始しながら、振動体が実際に被駆動体を駆動できる状態になるまでにはタイムラグがある点、および、このタイムラグ期間は被駆動体を駆動できない一方で大電流が流れやすく消費電力も増大する点を考慮し、このような期間は駆動信号を印加しない非印加期間とすることで、消費電力を抑制し、電力の消耗を低減させることができる。
振動体は、非印加期間で駆動信号を印加していない間も減衰振動が行われるため、ある一定期間以内に定常駆動制御を開始すれば、つまり被駆動体の駆動が停止する前に定常駆動制御を開始すれば、被駆動体の駆動状態において定常駆動制御における駆動信号を印加することができ、被駆動体の立ち上がり時間を短縮でき、消費電力も低減できる。
すなわち、前記定常駆動制御に切り替えるタイミングを、被駆動体の駆動が停止する前、特に振動体が停止する前に設定すれば、振動体が振動している状態で定常駆動用の信号を印加でき、定常駆動制御開始後における被駆動体の立ち上がりに要する時間を短縮できる。このため、駆動信号の非印加期間を設けたにもかかわらず、非印加期間を設けなかった場合と同程度の時間で被駆動体を立ち上げることができ、駆動信号の印加時間も短縮できるため、電力の消耗を低減させることができる。
また、前記定常駆動制御に切り替えるタイミングを、前記初期駆動信号の印加により充電された前記圧電素子の放電完了時までに設定すれば、定常駆動制御による圧電アクチュエーターへの駆動信号の印加の際に、起動時のような急激な電流が流れるのを抑えることができ、電力を低減することができる。
【００１４】
前記定常駆動制御への切り替えのタイミングを、前記被駆動体の動作停止時までであり、かつ、前記初期駆動信号の印加により充電された前記圧電素子の放電完了時までに設定すれば、前述した被駆動体が動いている状態での駆動信号の印加による被駆動体が動き出すまでの時間の短縮と、起動時のような急激な電流が流れることを防止することによる電力の低減の両方を実現することができる。
これらのことから、本発明の圧電駆動装置によれば、圧電アクチュエーターの起動時の効率を向上させることができる。
【００１５】
本発明において、前記定常駆動制御への切り替えのタイミングは、前記初期駆動信号の印加による前記被駆動体の動作速度が所定値以上となるタイミングに設定されていることが好ましい。
これにより、初期駆動信号の印加による被駆動体の動作速度がほぼ所定値以上の状態から駆動信号の印加による加速が開始されるため、被駆動体の移動量が所定距離に到達するまでの定常駆動制御の時間が短縮され、電力消費を抑えることができる。
なお、本発明の切替タイミングの具体的な設定は、初期駆動信号を印加した際の被駆動体の動作速度を予め実験等で測定しておき、その実験結果に基づいて設定すればよい。
ここで、定常駆動制御中の駆動信号は、駆動に適する周波数の交番信号であり、この信号は固定周波数でも良いし、位相差制御等の制御により常に最適な周波数に制御されていても良い。駆動に適する周波数とは、駆動させたい振動モードが励振される周波数であり、例えば、縦共振および屈曲共振を利用して駆動する圧電アクチュエーターの駆動を制御する場合には、縦振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数の間の周波数となる。
【００１６】
本発明において、前記初期駆動信号の印加制御期間は、前記初期駆動信号の印加に伴って圧電素子に流れる電流が所定値以下となるように設定されていることが好ましい。
これにより、初期駆動信号を印加する際に流れる電流値を所定値以下に抑えることができ、そのため電力消耗を制限することができ、消費電力を減らすことができる。また、大電流が流れることを防止できるため、電源の負荷を低減できる。
なお、本発明の切替タイミングの具体的な設定は、初期駆動信号を印加した際の電流値の変化を予め実験等で測定しておき、その実験結果に基づいて設定すればよい。
ここで、初期駆動制御中の駆動信号は、駆動に適する周波数の交番信号であり、この信号は固定周波数でも良いし、前回の定常駆動制御で位相差制御等の制御により最適となった周波数に制御されていてもよい。
【００１７】
本発明において、前記初期駆動信号は、デューティー比が５０％の交番信号で構成されていることが好ましい。
一般に圧電アクチュエーターは電圧制御発振回路（ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator））を使ってドライバーをオン、オフすることで駆動しており、電圧制御発振回路はデューティー比が５０％の信号を扱う構成とされていることが多い。初期駆動信号のデューティー比と電圧制御発信回路の対応するデューティー比とが異なる場合には、デューティー比の変換が必要となるが、デューティー比を変えるためには、電圧制御発振回路の信号を変換回路に入力して出力する必要がある。この場合、このデューティー比を変換する回路のために、駆動信号の周波数よりも更に速いクロックが必要となり、余分な構成が増える。電圧制御発振回路の内部においてアナログ回路でデューティー比を変更する回路を構成したとしても、アナログ回路は回路規模が大きくなり、余分な構成が増えることになる。
一方、初期駆動信号をデューティー比が５０％の交番信号とすれば、回路に余分な構成を増やすことなく初期駆動信号を生成することができる。
【００１８】
なお、本発明において、前記初期駆動信号の出力を制御するパルスは、パルスを１発入力するだけのものでもよいし、パルスを複数発（例えば２〜３発）入力するものでもよい。
これにより、初期駆動信号印加制御を行う初期駆動期間の長さを、例えば消費電流などに基づいて短く設定（例えば０．２msec等）する必要があるような場合であっても、パルス数を増やすことによって対処することができる。
【００１９】
本発明において、前記定常駆動制御への切り替えのタイミングを、前記振動体に設けた検出電極から得られる検出信号に基づき決定することが好ましい。
振動体表面の電極に検出電極を設けておくと、圧電素子の伸縮に応じて検出信号が出力される。検出信号は振動の減衰中も発生するので、検出信号の電圧が所定値を下回ると振動が極めて小さくなったと判断できる。振動体の動作にばらつきがあり、被駆動体の動作開始時もばらつく可能性が高いが、検出によって定常駆動制御への切り替えのタイミングを決めることにより、安定して被駆動体を起動することができ、消費電力も低減できる。
【００２０】
本発明の圧電駆動方法は、圧電素子を有しこの圧電素子への駆動信号の印加により振動する振動体を備えて前記振動体の振動を被駆動体に伝達する圧電アクチュエーターを駆動する圧電駆動方法であって、前記圧電アクチュエーターの起動初期に行う初期駆動制御と、初期駆動制御後に行う定常駆動制御とを実行し、前記初期駆動制御では、前記圧電素子に初期駆動信号を印加する初期駆動信号印加制御と、初期駆動信号印加制御を実行後、前記圧電素子に駆動信号を印加しない非印加制御とを実行し、前記初期駆動信号印加制御から非印加制御に切り替えるタイミングを、前記初期駆動信号の印加による前記被駆動体の動作が開始されるまでに設定し、前記初期駆動制御から前記定常駆動制御に切り替えるタイミングを、前記初期駆動信号の印加による前記被駆動体の動作開始時以降で、かつ、前記初期駆動信号の印加によって駆動される前記被駆動体の動作停止時および／または前記初期駆動信号の印加により充電された前記圧電素子の放電完了時までに設定することを特徴とする。
【００２１】
本発明の電子機器は、圧電素子を有する振動体を備えた圧電アクチュエーターと、前記本発明のいずれかの圧電駆動装置と、を備えたことを特徴とする。
【００２２】
これらの圧電駆動方法や電子機器においても、前述した圧電駆動装置と同様の作用効果を奏することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、圧電アクチュエーターの起動時の効率を大幅に向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態に係る電子時計の概略構成を示す図である。
【図２】前記電子時計における日付表示機構の詳細な構成を示す平面図である。
【図３】駆動制御装置の構成を示すブロック図である。
【図４】駆動信号の印加時間別の被駆動体の速度変化を示す図である。
【図５】駆動信号の印加時間別の電力変化を示す図である。
【図６】駆動制御方法の制御の流れを示すフローチャートである。
【図７】被駆動体の動作距離が所定値に達するまでの時間を示す図である。
【図８】被駆動体の動作距離が所定値に達するまでの定常駆動制御での駆動信号の印加時間を示す図である。
【図９】被駆動体の動作速度の変化を示す図である。
【図１０】動作速度の最大時に駆動信号を印加した場合における説明図である。
【図１１】駆動信号の波形を示す拡大図である。
【図１２】定常駆動制御への切替タイミングを放電完了前とした場合の説明図である。
【図１３】変形例による初期パルスを用いた場合における説明図である。
【図１４】変形例における駆動信号の波形を示す拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔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電子時計１の概略構成を示す図である。図２は、電子時計１における日付表示機構１０の詳細な構成を示す平面図である。
図１に示すように、電子時計１は、時刻を表示する指針２と、この指針２を駆動するステッピングモーター３とを備えた腕時計である。ステッピングモーター３の駆動は、発振回路４、分周回路５、および駆動回路６により制御される。発振回路４は、水晶振動体からなる基準発振源を有し、基準パルスを出力するものである。分周回路５は、発振回路４から出力された基準パルスを入力し、この基準パルスに基づいて基準信号（例えば１Ｈｚの信号）を生成する。駆動回路６は、分周回路５から出力された基準信号に基づいて、ステッピングモーター３を駆動するモーター駆動パルスを発生する。
電子時計１の日付表示機構１０は、圧電アクチュエーターＡと、この圧電アクチュエーターＡを駆動制御する駆動制御装置１００とを備えている。この駆動制御装置１００は、電子時計１の時刻（例えば、２４時）を検出して開閉するスイッチ８をトリガーとして作動し、日付表示機構１０を駆動するようになっている。本実施形態では、スイッチ８は、２４時を検出すると検出信号を駆動制御装置１００に出力する。駆動制御装置１００は、この検出信号によって圧電アクチュエーターＡの駆動制御を開始する。この駆動制御の開始によって圧電アクチュエーターＡの駆動が開始される。
【００２６】
図２に示すように、日付表示機構１０の主要部は、圧電アクチュエーターＡと、この圧電アクチュエーターＡによって回転駆動される駆動対象（被駆動体）としてのローター２０と、ローター２０の回転を減速しつつ伝達する減速輪列と、減速輪列を介して伝達される駆動力により回転する日車５０とから大略構成されている。減速輪列は、日回し中間車３０と日回し車４０とを備えている。これらの圧電アクチュエーターＡ、ローター２０、日回し中間車３０、および日回し車４０は、底板１１に支持されている。圧電アクチュエーターＡは、扁平な短冊状の振動体１２を有しており、この振動体１２は、その先端部がローター２０の外周面と当接するように配置されている。日付表示機構１０の上方には、図１に示すように、円盤状の文字板７が設けられており、この文字板７の外周部の一部には日付を表示するための窓部７Ａが設けられ、窓部７Ａから日車５０の日付を覗けるようになっている。また、底板１１の下方（裏側）には、ステッピングモーター３に接続されて指針２を駆動するムーブメント等が設けられている。
【００２７】
日回し中間車３０は、大径部３１と小径部３２とから構成されている。小径部３２は、大径部３１よりも若干小径の円筒形であり、その外周面には、略正方形状の切欠部３３が形成されている。この小径部３２は、大径部３１に対し、同心をなすように固着されている。大径部３１には、ローター２０の上部の歯車２１が噛合している。したがって、大径部３１と小径部３２とからなる日回し中間車３０は、ローター２０の回転に連動して回転する。
日回し中間車３０の側方の底板１１には、板バネ３４が設けられており、この板バネ３４の基端部が底板１１に固定され、先端部３４Ａが略Ｖ字状に折り曲げられて形成されている。板バネ３４の先端部３４Ａは、日回し中間車３０の切欠部３３に出入可能に設けられている。板バネ３４に近接した位置には、接触子３５が配置されており、この接触子３５は、日回し中間車３０が回転し、板バネ３４の先端部３４Ａが切欠部３３に入り込んだときに、板バネ３４と接触するようになっている。そして、板バネ３４には、所定の電圧が印加されており、接触子３５に接触すると、その電圧が接触子３５にも印加される。したがって、接触子３５の電圧を検出することによって、日送り状態を検出でき、日車５０の１日分の回転量が検出できる。
なお、日車５０の回転量は、板バネ３４や接触子３５を用いたものに限らず、ローター２０や日回し中間車３０の回転状態を検出して所定のパルス信号を出力するものなどが利用でき、具体的には、公知のフォトリフレクター、フォトインタラプター、ＭＲセンサー等の各種の回転エンコーダー等が利用できる。
【００２８】
日車５０は、リング状の形状をしており、その内周面に内歯車５１が形成されている。日回し車４０は、五歯の歯車を有しており、日車５０の内歯車５１に噛合している。また、日回し車４０の中心には、シャフト４１が設けられており、このシャフト４１は、底板１１に形成された貫通孔４２に遊挿されている。貫通孔４２は、日車５０の周回方向に沿って長く形成されている。そして、日回し車４０およびシャフト４１は、底板１１に固定された板バネ４３によって図２の右上方向に付勢されている。この板バネ４３の付勢作用によって日車５０の揺動も防止される。
【００２９】
圧電アクチュエーターＡの振動体１２は、二長辺と二短辺（例えば長辺長さと短辺長さの比をほぼ７対２とした長辺と短辺）とにより囲まれた長方形状の板である。その長方形を例示すれば、長辺×短辺が、７ｍｍ×２ｍｍから３．３ｍｍ×１ｍｍまでの間の寸法である。また、振動体１２は、２枚の長方形かつ板状の圧電素子の間に、これらの圧電素子と略同形状であり、かつ圧電素子よりも肉厚の薄いステンレス鋼等の補強板を挟んだ積層構造を有している。圧電素子としては、チタン酸ジルコニウム酸鉛（ＰＺＴ（商標））、水晶、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、メタニオブ酸鉛、ポリフッ化ビニリデン、亜鉛ニオブ酸鉛、スカンジウムニオブ酸鉛等の各種のものを用いることができる。
振動体１２は、一短辺の幅方向略端部に当接部１３を有している。この当接部１３は、補強板を切断成形する等の方法により得られたものであり、緩やかな曲面を持った先端部分を圧電素子から突出させている。振動体１２は、前記当接部１３が幅方向の一方の端部側に配置され、幅方向に重量アンバランスが生じるように構成されている。振動体１２は、この当接部１３の先端をローター２０の外周面に当接させる姿勢を保っている。振動体１２にこのような姿勢を維持させるために、支持部材１４と付勢部材１５とが圧電アクチュエーターＡに設けられている。なお、当接部１３が形成された短辺でない他方の短辺にも当接部１３と同様の大きさのバランス用突起部１３Ａが形成されている。このバランス用突起部１３Ａは、振動体１２の平面形状の中心点に対して点対称位置に設けられている。
【００３０】
圧電アクチュエーターＡの支持部材１４は、補強板の切断成形等の方法により補強板と一体形成されたものである。この支持部材１４は、Ｌ字状の部材であり、振動体１２の一長辺の略中央から垂直に突出した垂直部と、この垂直部の先端から長辺に対して平行にローター２０側に向けて延びた水平部とからなる。垂直部とは反対側の水平部の端部には、底板１１から突出したピンが貫通しており、このピンを回転軸として支持部材１４およびこれに固定された振動体１２が回転可能である。支持部材１４の水平部の略中央には、付勢部材１５の一端が係合されている。付勢部材１５は、その略中央部分を底板１１から突出したピンが貫通しており、このピンを回転軸として回動可能である。また、支持部材１４と反対側の付勢部材１５の端部は、底板１１に係合されており、この端部の位置を変えることにより振動体１２の当接部１３をローター２０の外周面に押し当てる圧力が調整可能になっている。
【００３１】
以上の構成において、圧電アクチュエーターＡの振動体１２は、駆動制御装置１００から所定の周波数の駆動信号が圧電素子に印加されることで第１の振動モード（主振動モード）である縦振動が励振し、前記当接部１３と前記バランス用突起部１３Ａとによって重量アンバランスが生じているため、縦振動に誘発されて第２の振動モード（副振動モード）である屈曲振動が励振し、これらの振動が混合されて、その板面を含む平面内において当接部１３が楕円軌道を描いて運動する。ローター２０は、この振動体１２の当接部１３によってその外周面が叩かれ、図２中矢印で示すように、時計回りに回転駆動される。このローター２０の回転は、日回し中間車３０を介して日回し車４０に伝達され、この日回し車４０が日車５０を時計回り方向に回転させる。このような振動体１２からローター２０、ローター２０から減速輪列（日回し中間車３０および日回し車４０）、減速輪列から日車５０への力の伝達は、いずれも振動体１２の底板１１面に平行な方向の力の伝達である。このため、ステップモーターのようにコイルやローターを厚さ方向に積み重ねるのではなく、同一平面内に振動体１２およびローター２０を配置し、日付表示機構１０を薄型化できる。そして、日付表示機構１０を薄型にできるため、電子時計１全体を薄型にできる。
【００３２】
〔２．圧電アクチュエーターの駆動制御装置の構成〕
次に、本実施形態の駆動制御装置１００について、図３のブロック図に基づいて説明する。
図３に示すように、圧電アクチュエーターＡを駆動制御する駆動制御装置１００は、圧電素子１７へ出力する駆動信号と圧電素子１７で検出される検出信号との位相差を検出し、位相差に相当する電圧値の位相差電圧信号を出力する位相差−電圧変換回路１０１と、位相差を比較するための基準電圧と振幅信号を検出するための基準電圧とをそれぞれ出力する定電圧回路１０２と、この定電圧回路１０２で出力される位相比較用基準電圧と位相差−電圧変換回路１０１から出力される位相差電圧とを比較して比較結果信号を出力する比較回路１０３と、比較結果信号を受けて出力電圧を制御する電圧調整回路１０４と、圧電素子１７に対して駆動信号を出力する駆動回路（ドライバー）１０５と、この電圧調整回路１０４で出力された電圧に対応して駆動回路１０５に出力する周波数を調整する電圧制御発振器（ＶＣＯ）１０６と、定電圧回路１０２で出力される振幅検出用基準電圧と圧電素子１７の振幅信号とを比較して振幅信号を検出する振幅検出回路１０７と、を備えている。
【００３３】
電圧調整回路１０４は、比較回路１０３から出力された信号に基づいて、電圧制御発振器１０６に印加する電圧レベルを制御する電圧制御機能と、振幅検出回路１０７で出力された信号に基づいて所定時間当たりの電圧制御量を調整する制御速度調整機能とを有する。
駆動回路１０５は、電圧調整回路１０４および電圧制御発振器１０６で制御された周波数の駆動信号を圧電素子１７に出力する。これら構成によって駆動制御装置１００は、駆動信号と検出信号との位相差を常に検出（スキャン）して基準位相差と比較し、検出位相差が基準位相差に近づくように最適駆動周波数の制御を行う。この最適駆動周波数は、縦振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数との間に存在するものである。
また、駆動回路１０５は、圧電アクチュエーターＡの駆動開始時から所定時間後の所定のタイミングにおいて圧電素子１７への駆動信号の出力を切り替える出力制御機能を有する。例えば、この所定のタイミングは、タイマー回路などを用いてスイッチ８から検出信号が入力されてからの時間を計測することによって検出できる。このように、圧電素子１７への駆動信号の印加・非印加は、この出力制御機能によって制御される。出力制御機能は、設定に応じた所定タイミングにおいて制御パルスを生成して、生成した制御パルスに基づき電圧制御発振器１０６への出力のオン・オフの切り替えを行う。例えば、電圧制御発振器１０６からの出力と、生成した制御パルスとを、ＡＮＤゲートに入力し、出力信号を圧電素子１７に出力することによって、生成した制御パルスのタイミングにおいて、駆動信号の印加・非印加が制御される。なお、この印加・非印加の制御は、電圧調整回路１０４、電圧制御発振器１０６の内部において行ってもよい。
【００３４】
〔３．圧電アクチュエーターの駆動制御方法〕
このような本実施形態では、２４時検出手段（スイッチ）８によって電子時計１の時刻が２４時になったことを検出すると、上記検出信号が、駆動制御装置１００の電源電池をオン・オフするスイッチ（図示せず）をオンする。このため駆動制御装置１００が上記のように動作することによって圧電アクチュエーターＡが作動されて、日車５０の日送り動作が行われる。
ここで、圧電アクチュエーターＡの起動時の動作について説明する。駆動信号の印加開始時には、圧電アクチュエーターＡには、縦振動のみが生じて直線運動だけとなるが、徐々に屈曲振動が生じる。すると、縦振動と屈曲振動の相乗作用により楕円振動が起こり、徐々に楕円が大きくなっていく。ある程度の大きさの楕円運動に達すると、当接部１３がローター２０を駆動することができるようになる。また、前記駆動信号の印加開始時直後には、当接部１３とローター２０との摩擦により、当接部１３が多少運動してもローター２０が駆動されにくくなっている。従って、駆動信号の印加開始時直後には、振動体１２が振動しても、ローター２０が動作しない期間が存在する。
【００３５】
図４は、駆動信号の印加時間別のローター２０の速度変化を示している。図４において横軸は圧電アクチュエーターＡの起動開始時（圧電アクチュエーターＡへの駆動信号の印加開始時）からの時間［msec］であり、縦軸はローター２０の速度［mm/sec］である。駆動信号の印加時間としては、０．０６〜４msecにおける７条件について示している。図示するように、いずれの条件でもローター２０が動き出すまでの時間は、起動開始時（駆動信号の印加開始時）から０．５msec程度経過後でありほぼ一定である。すなわち、駆動信号を０．５msec以上印加し続けた場合でも、０．５msec未満しか印加しない場合でも、ローター２０が動き出すのは起動開始後０．５msec程度経過した時点である。この現象は、駆動信号として印加する電圧を変えた場合でもほとんど変化しない。
【００３６】
前述したように、振動体１２は、駆動信号を印加すると２つ以上の混合モードで動作（振動）し、ローター２０との当接部１３が楕円の軌跡を描くように振動する。起動初期の振動の様子を細かく見ると、振動体１２の長手方向（縦方向）の振動から徐々に幅方向に傾きが変化し、ある所定の角度で安定する。この所定の角度は振動体１２の縦共振周波数と屈曲共振周波数の間隔、および駆動する周波数によって決まる。この間隔は主に振動体１２の縦寸法と横寸法によって決まる。
【００３７】
共振振動を利用した振動体１２では、駆動信号を印加した後、徐々に振幅が増大し、一定の振幅となる。振動体１２は、駆動信号の印加後、縦振動による振幅が徐々に増大する。縦振動が励振されると、それに追従して屈曲振動も徐々に増大するが、遅れがあるため、縦方向から徐々に屈曲振動の方向に傾きが変化し、一定時間後に安定する。
この安定までの時間は振幅が小さいことと、接触する際の傾きが駆動に適さないために、振動体１２は振動していてもローター２０が動き出さないという現象が生じる。よって、このローター２０の動き出しまでの期間は駆動信号を入力して無駄な時間といえる。なお、この期間を過ぎるとローター２０の動作が加速する期間となるが、ローター２０が動き出した直後は振動体１２の当接部１３のスピードが速く、ローター２０との速度差が大きいため、力の伝達率が低く、加速は遅くなる。
【００３８】
また、圧電素子１７への駆動信号入力が開始される駆動初期は、圧電素子１７が放電されている状態で駆動信号が入力されるため、圧電素子１７に流れる電流量が多くなり、消費電力も増大する。
図５は、駆動信号の印加時間別の電力変化を示している。図５において横軸は圧電アクチュエーターＡの起動開始時（圧電アクチュエーターＡへの駆動信号の印加開始時）からの時間［msec］であり、縦軸は、駆動信号の印加による消費電力［ｍＷ］である。駆動信号の印加時間としては、図４の場合と同様、０．０６〜４msecにおける７条件について示している。図示するように、いずれの条件の場合も、駆動信号の印加直後は電力が高く、０．２msecあたりで電力のピークが生じ、しばらく変動が続き、１msec程度経過すると安定する。
【００３９】
以上を踏まえ、本実施形態の駆動制御装置１００は、圧電アクチュエーターＡの起動初期に行う初期駆動制御と、初期駆動制御後に行う定常駆動制御とを実行する。初期駆動制御では、圧電素子１７に初期駆動信号を印加する初期駆動信号印加制御を実行後、圧電素子１７に駆動信号を印加しない非印加制御を実行する。
初期駆動信号印加制御から非印加制御に切り替えるタイミングは、初期駆動信号の印加によるローター２０の動作が開始されるまで、つまりローター２０の動作が開始されるより短い時間に設定する。初期駆動制御から定常駆動制御に切り替えるタイミングは、ローター２０の動作開始時以降で、かつ、ローター２０の動作停止時および初期駆動信号の印加により充電された圧電素子１７の放電完了時までに設定している。圧電素子１７の充電とは、圧電素子１７に電荷が充電されることをいい、圧電素子１７の放電とは、圧電素子１７の電荷が放電されることをいう。
【００４０】
図６は、本実施形態による駆動制御方法の制御の流れを示す。圧電アクチュエーターＡが起動すると、駆動制御装置１００によって、先ず、初期駆動信号印加制御が行われ、駆動回路１０５から圧電素子１７に初期駆動信号が印加される（ステップＳ１）。初期駆動信号は、電圧調整回路１０４および電圧制御発振器１０６が駆動回路１０５を制御することによって圧電素子１７に印加される。
【００４１】
ステップＳ１において初期駆動信号の印加開始後、非印加制御への切替タイミングであるか否かが判定される（ステップＳ２）。この判定は、起動時から予め設定してある所定期間が経過したか否かによって行われる。この所定期間の経過は、前記のようにタイマー回路などによって検出することができる。所定期間が経過していない場合には切替タイミングでないと判定され、所定期間が経過した場合には切替タイミングであると判定される。
【００４２】
ステップＳ２における判定が「Ｎｏ」、すなわち非印加制御への切替タイミングでないと判定された場合には初期駆動信号印加制御によって初期駆動信号の印加が継続される。ステップＳ２における判定が「Ｙｅｓ」、すなわち非印加制御への切替タイミングであると判定された場合には非印加制御が開始され、初期駆動信号の印加が停止される（ステップＳ３）。
【００４３】
非印加制御の開始後、定常駆動制御への切替タイミングであるか否かが判定される（ステップＳ４）。この判定も、起動時から予め設定してある所定期間が経過したか否かによって行われる。この所定期間の経過も、前記のようにタイマー回路などによって検出することができる。所定期間が経過していない場合には切替タイミングでないと判定され、所定期間が経過した場合には切替タイミングであると判定される。ステップＳ４における判定が「Ｎｏ」、すなわち定常駆動制御への切替タイミングでないと判定された場合には非印加制御（非印加状態）が継続される。ステップＳ４における判定が「Ｙｅｓ」、すなわち定常駆動制御への切替タイミングであると判定された場合には定常駆動制御が開始され、定常駆動信号の印加が開始される（ステップＳ５）。
定常駆動制御の開始後は、通常の駆動制御状態となる。すなわち、図３に示すように、駆動信号および検出信号の位相差に基づいて駆動信号の周波数が制御される。その後、接触子３５の電圧検出に基づき定常駆動信号の印加が停止され、圧電アクチュエーターＡの駆動が停止されて日送りが終了する。
【００４４】
［初期駆動信号の印加期間］
本実施形態において、ステップＳ２で判定される初期駆動信号の印加期間（非印加制御への切替タイミング）は、具体的には次のように設定している。
すなわち、図４に示すような特性の圧電アクチュエーターＡの場合、前述した電力の観点および所定時間との関係から、初期駆動信号の印加期間つまり非印加制御への切替タイミングは、ローター２０の動作開始時までの０．５msec以内に設定される。初期駆動信号の印加時間が０．５msec以内であってもローター２０が０．５msec後において動作するのは、定常駆動信号の印加をした場合と同様の原理で、減衰中もその縦振動によって屈曲振動が励振され、傾きが屈曲方向に変化し、ふくらみが増して駆動に適する形になるためである。
本実施形態では、図５に示すように、約０．２msecあたりで電力がピークになる点を考慮し、初期駆動信号の印加開始から０．２msec以内に非印加制御に切り替えるように設定している。従って、起動時から所定期間（例えば０．２msec）経過すると、ステップＳ２で「Ｙｅｓ」と判定される。この所定期間の経過も、前記のようにタイマー回路などによって検出することができる。
【００４５】
［初期駆動制御期間］
本実施形態において、ステップＳ４で判定される初期駆動制御期間（定常駆動制御への切替タイミング）は、ローター２０の動作開始時から初期駆動信号の印加終了に伴う動作停止時かつ初期駆動信号の印加により充電された圧電素子１７の放電完了時までの期間内に設定される。
例えば、図４に示す例の場合、駆動信号の印加時間が０．２msecである場合には、ローター２０の動作開始は初期駆動制御の開始から約０．５msec経過時であり、ローター２０の動作停止は約２．７５msec経過時となる。従って、この範囲（０．５〜２．７５msec）の中で予め定常駆動制御への切替タイミングを設定しておけばよい。
【００４６】
なお、定常駆動制御への切替タイミングは、振動体１２の振動状態を検出して設定することもできる。この振動体１２の振動状態は、圧電素子１７の検出信号を振幅検出回路１０７で検出することで判断できる。すなわち、振動体１２の振動が小さくなった場合には検出信号も小さくなるため、この検出信号に基づき、振動体１２の振動状態を判断し、前記検出信号の電圧が所定値以下になったら定常駆動制御に切り替えるように制御することもできる。
このように振動状態を検出して切替タイミングを調整すれば、振動体１２の動作にばらつきがあり、ローター２０の動作開始時や停止時もばらつく可能性がある場合でも、安定して定常駆動制御に切り替えることができ、電力を削減でき、ローター２０も確実に起動することができる。
【００４７】
ここで、定常駆動制御への切替タイミングの設定について図面を参照して詳細に説明する。
図７は、ローター２０の動作距離が所定距離に達するまでの時間（駆動終了時間）を示している。図７において横軸は圧電アクチュエーターＡの初期駆動信号印加時からの定常駆動信号印加開始時間［msec］であり、縦軸はローター２０の移動距離が０．４５ｍｍに達するまでの駆動終了時間［msec］である。初期駆動信号の印加時間としては、０．０６msec、０．１msec、０．２msecの３条件について示している。
【００４８】
例えば、初期駆動信号の印加時間を０．２msecとし、定常駆動信号の印加を１．５msecから行った場合、駆動終了時間は４．８msec程度である。初期駆動制御を行わず、起動開始時から定常駆動信号のみの印加により駆動した場合、駆動終了時間は４．４msec程度であるため、定常駆動信号のみと比較すると０．３msec程度駆動終了時間が遅くなることになる。しかし、同じように初期駆動信号の印加時間が０．２msecの場合であっても、定常駆動信号の印加を１msec以内から行った場合においては、起動終了時間がほとんど変わらないことがわかる。これによって、ローター２０の動作距離を所定値まで早く達成するようにするには、ローター２０が動作を開始した後、定常駆動信号を早い段階で印加するのがよいことがわかる。つまり、定常駆動制御への切替タイミングをローター２０の動作開始後すぐに設定することによって、ローター２０が所定角度回転するまでの時間を駆動信号を入力し続けた場合と同程度に短縮できる。
【００４９】
図８は、ローター２０の動作距離が所定位置に到達するまでの定常駆動信号の印加時間［msec］を示している。また、図９は、定常駆動信号の印加時における初期駆動信号の印加によるローター２０の動作速度の変化を示している。図８および図９において横軸は圧電アクチュエーターＡの初期駆動信号の印加時からの定常駆動信号印加開始時間［msec］である。図８において縦軸はローター２０の移動距離が０．４５ｍｍに到達するまでの定常駆動信号の印加時間［msec］である。また、図９において縦軸はローター２０の定常駆動信号印加開始時速度[ｍｍ／ｓ]である。初期駆動信号の印加時間としては、図７の場合と同様、ともに０．０６msec、０．１msec、０．２msecの３条件について示している。
【００５０】
例えば、初期駆動信号の印加を０．２msecとし、定常駆動信号の印加を、ローター２０の最大速度付近（図９参照）である１．４msecから行った場合、印加時間は３．５５msec程度である。初期駆動信号を使用せず、起動開始時から定常駆動信号のみの印加により駆動した場合、印加時間は４．４msec程度であるため、定常駆動信号のみの場合と比較すると、０．８５msec程度印加時間が短縮されている。消費電力は印加時間にほぼ比例するため、印加時間が短い場合、電力を削減することができる。この電力削減の効果は、一回に移動させる距離が短い使い方ほど、効果が大きくなる。
一方、定常駆動信号の印加を０．５msec程度から行った場合は、定常駆動信号のみの場合との印加時間の差は小さくなり、その分、電力削減効果も減少する。これにより電力を抑えるためには、初期駆動信号を印加したことによるローター２０の動作速度の最大値付近において定常駆動信号の印加を開始するとよいことがわかる。
すなわち、定常駆動信号の印加開始が初期駆動信号の減衰中であっても、すでに屈曲が励振されているので、初期駆動信号の入力時のように傾きや膨らみが適する形になるまでの０．５msec程度の時間は必要なく、定常駆動信号の印加後すぐに振動が立ち上がると考えられる。従って、振動体１２の軌跡が駆動に適する形であれば定常駆動信号の印加直後からローター２０も加速する。このときの加速は、初期駆動信号の印加により定常駆動信号の印加時点までに達していた速度から加速していくと考えられる。このため、ローター２０の動作速度が最大となる付近において定常駆動信号を印加すれば、所定の動作速度または動作位置までの印加時間が最も効率よく短縮され、電力を抑えることができる。
【００５１】
また、定常駆動信号の印加時期は圧電素子１７の放電完了時までとしているのは、圧電素子１７が放電しきってしまうと、定常駆動信号の印加時には、起動時の充電と同様に急激な電流が流れることになるためである。放電完了時前に定常駆動信号を印加することによって、定常駆動信号の印加の際に起動開始時と同様の電力消費となることを防止することができ、起動の際の効率を上げることができる。
【００５２】
図１０は、初期駆動信号の印加による被駆動体（ローター２０）の動作速度が最大のときに定常駆動信号を印加した場合の被駆動体の速度変化、電力変化および振動体１２の振動の一例を示している。図１１は、駆動信号の波形を示す拡大図である。
図１０、１１において、駆動信号の印加タイミングは、制御パルスによって制御されている。制御パルスにおける初期パルスは、初期駆動制御により圧電素子１７に印加される初期駆動信号を出力するために駆動回路１０５で生成されるパルスであり、初期パルスが出力されている間（オン状態の間）、初期駆動信号が出力される。また、他の制御パルスである定常駆動パルスは、定常駆動制御により圧電素子１７へ印加される定常駆動信号を出力するために駆動回路１０５で生成されるパルスであり、定常駆動パルスが出力されている間、定常駆動信号が出力される。
図中、ａ点は初期駆動信号印加制御から非印加制御への切替タイミングであり、ｂ点はローター２０の動作開始時であり、ｃ点は定常駆動制御への切替タイミング、すなわちローター２０の動作速度の最大点である。また、ｃ点は、初期駆動制御（非印加制御）から定常駆動制御に切り替えるタイミングであり、このタイミングは圧電素子１７の充電電荷が放電しきる前、および当然のことながら振動体１２の振動が停止する前である。
例えば、図１０において例示すれば、初期駆動信号印加制御（初期駆動信号の印加）の開始からａ点（初期駆動信号の印加停止時）までは０．１msec、初期駆動信号印加制御の開始からｂ点（被駆動体の動作開始時）までは０．５msec、初期駆動信号印加制御の開始からｃ点（定常駆動制御の開始時）までは１．５msecである。
【００５３】
本例では、初期駆動信号印加制御において一つの初期パルスによって初期駆動信号を印加しており、初期駆動信号として、定常駆動信号と同様の駆動信号を所定時間印加している。定常駆動信号と同様の駆動信号を印加することによって、初期駆動信号を生成するための回路を別途設ける必要がなくなる。例えば、定常駆動制御では、定常駆動信号として、５００ｋＨｚ〜４００ｋＨｚの周波数を有した駆動信号が印加され続けられ、これに合わせて初期駆動制御においても初期駆動信号として同様の駆動信号が印加される。
定常駆動信号は、圧電アクチュエーターＡの駆動に最適となる周波数に設定されている。駆動に最適となる周波数は前述したように、駆動信号および検出信号の位相差に基づいて設定される。これにより、ローター２０の起動後は、すぐに効率の良い通常の駆動に移行することができる。なお、初期駆動信号、定常駆動信号の波形は、特に限定されるものではなく、正弦波、矩形波、三角波、のこぎり波など種々の波形で構成することができる。
【００５４】
「被駆動体の速度変化」に示すように、初期駆動信号の印加による動作速度の最大点から定常駆動信号を印加した場合、印加直後（ｃ点経過直後）の速度変化は、図４の場合よりも大きいことがわかる。また、「電力変化」に示すように、図５に示した電力の高い起動初期のほとんどを初期駆動信号の非印加期間としていることにより、大幅に電力を削減できることがわかる。なお、このように定常駆動信号は、被駆動体の動作速度の最大時で印加することが望ましいが、図８、図９に示すように、被駆動体の動作速度が所定値以上（例えば被駆動体の特性にもよるが動作速度が最大速度の９割以上）において印加しても最大時と同様の作用効果を奏することはいうまでもない。また、「振動体の振動」に示すように、振動体１２の振動は、初期駆動信号の印加終了後も継続されることがわかる。
なお、初期駆動信号の印加により充電された圧電素子１７からの放電の変化は、図１０の「振動体の振動」の変化波形に類似しており、特に初期駆動信号の印加からｃ点までの変化波形により類似している。
【００５５】
〔４．本実施形態の作用効果〕
本実施形態では、初期駆動制御において、圧電素子１７に初期駆動信号を印加する初期駆動信号印加制御が実行した後、初期駆動信号印加制御から非印加制御に切り替えるタイミングを、初期駆動信号の印加によるローター２０の動作が開始されるまでに設定し、初期駆動制御において、初期駆動信号印加制御を実行後、圧電素子１７に駆動信号を印加しない非印加制御を実行するため、圧電アクチュエーターＡの起動初期における電流量の多い期間における電力の消費を大幅に削減することができる。
また、非印加制御に切り替え後は、圧電アクチュエーターＡへの初期駆動信号の印加は終了するが、この切り替え後もローター２０は加速し、振動体１２の振動も続くことになるため、定常駆動制御に切り替えるタイミングを適切に設定すれば、ローター２０を所定距離移動させるための時間を、非印加期間があっても、駆動信号を入力し続けた場合と同程度に設定できる。このため、非印加期間を設けることで電流量が多くなる期間の駆動を避けることができ、かつ、定常駆動制御を適切なタイミングで開始することで、ローター２０を所定距離移動するまでの時間も短くなり、駆動信号を入力し続ける場合に比べて消費電力を大幅に低減できる。
【００５６】
定常駆動制御に切り替えるタイミングを、ローター２０の動作開始時から動作停止前までに設定することによって、振動体１２の減衰振動を利用しつつ、ローター２０が動いている状態、すなわち振動体１２の振動の軌跡がローター２０の駆動に適した形となっている状態で、定常駆動信号の印加を行うことができ、定常駆動信号の印加後すぐにローター２０を加速させることができる。これにより立ち上がりの印加時間が短縮され、電力消費を抑えることができる。
【００５７】
定常駆動制御に切り替えるタイミングを、ローター２０の動作開始直後に設定した場合には、ローター２０の動作距離を所定値まで早く到達させることができる。これにより所定値までの印加時間を短縮でき、電力の消耗を低減させることができる。
定常駆動制御に切り替えるタイミングを、初期駆動信号の印加により充電された圧電素子１７の放電完了時までに設定することによって、定常駆動信号を印加の際に、起動時のような急激な電流が流れるのを抑えることができ、電力を低減することができる。
これらのことから、本実施形態によれば、圧電アクチュエーターＡの起動時の効率を向上させることができる。また、本実施形態を実現するための回路を、印加と非印加のタイミングを決めるロジック回路で構成できるため、定電圧回路を設けるような場合と比較して回路サイズを小さくすることができる。
【００５８】
また、定常駆動制御への切り替えのタイミングを、初期駆動信号の印加によるローター２０の動作速度が所定値以上のタイミングとすれば、初期駆動信号の印加によるローター２０の動作速度が所定値以上の状態から定常駆動信号の印加による加速が開始されるため、ローター２０の所定速度までの印加時間が短縮され、電力消費を抑えることができる。
また、定常駆動制御への切り替えのタイミングを、振動体１２に設けた検出電極から得られる検出信号に基づき決定した場合には、より安定して被駆動体を起動することができる。
【００５９】
〔変形例〕
なお、本発明は、前記実施形態に限ったものではない。
例えば、定常駆動制御への切替タイミングは、タイマー回路などを用いて計測することに限ったものではなく、被駆動体であるローター２０の動作状態で判定（例えば、ローター２０に対して発光素子と受光素子を用いてローター２０の移動位置検出を光学的に行う光学的位置検出手段による判定）したり、圧電素子１７の放電状態で判定（例えば、電流計などによる圧電素子１７の電流を測定する電流測定手段による判定）したりしてもよい。また、この切替タイミングは、ローター２０の動作停止時まで、または初期駆動信号の印加により充電された圧電素子１７の放電完了時までに設定してもよい。
【００６０】
さらに、初期駆動信号の印加期間は、圧電素子１７に流れる電流を電流計などで検出し、その電流値が所定値に達するまでに設定してもよい。これにより、初期駆動信号を印加する際における圧電アクチュエーターＡの起動時の急激な電流増加を抑えることができ、消費電力も減らすことができる。
【００６１】
図１２は、定常駆動信号の印加を振動体１２の振動が停止する前、および圧電素子１７の放電完了前とし、さらに初期駆動信号の印加による電流値が所定値αを基準として、非印加制御に切り替えた場合における被駆動体（ローター２０）の速度変化、電流変化および振動体の振動の一例を示す。
図中、ａ点は初期駆動信号の印加・非印加の切替時であり、ｃ点は定常駆動信号の印加開始時（圧電素子１７の放電完了前）である。初期駆動信号の印加期間は、初期駆動信号の印加による電流が所定値αを超えない時間に設定されている。
【００６２】
図１０の場合と同様、「被駆動体の速度変化」に示すように、被駆動体の動作時に定常駆動信号を印加しているため、印加直後（ｃ点経過直後）の速度変化は、図４の場合よりも大きいことがわかる。また、「電力変化」に示すように、図５に示した電力の高い起動初期のほとんどを初期駆動信号の非印加期間としているため、大幅に電力を削減できることがわかる。また、「振動体の振動」に示すように、振動体１２の振動は、初期駆動信号の印加終了後も継続されることがわかる。
さらに、「電力変化」に示すように、圧電素子１７がある程度充電された状態で定常駆動信号を印加しているため、定常時の電流よりも大幅に高い電流が流れることがなく、電力を削減でき、電池への負担を少なくすることができる。
なお、初期駆動信号の印加により充電された圧電素子からの放電の変化は、図１２の「振動体の振動」の変化波形に類似しており、特に特に初期駆動信号の印加からｃ点までの変化波形により類似している。
【００６３】
また、前記実施形態では、初期駆動信号の出力を制御する初期パルスを１パルスで構成したが、これに限ったものではなく、初期パルスの構成は初期駆動信号の印加によってローター２０を駆動できるものであればよい。例えば、初期パルスを、複数パルスで構成することも可能である。
図１３は、初期パルスが複数パルスで構成される場合における被駆動体の速度変化、電力変化および振動体１２の振動の一例を示している。図１４は、図１３に示した変形例における駆動信号の波形を示す拡大図である。図中、ａ点は初期駆動信号印加制御から非印加制御への切替タイミングであり、ｂ点はローター２０の動作開始時であり、ｃ点は定常駆動制御への切替タイミング、すなわち振動体１２の振動が停止する前、および圧電素子１７の放電完了前の時点である。
【００６４】
図１３の初期駆動信号印加制御において、複数（この例では２つ）の初期パルスの各々のパルス幅は、例示すれば０．０５msec程度である。初期パルスは、前記実施形態のように別途生成してもよいし、他の回路で使用しているものを流用してもよい。ａ点までの複数の初期駆動信号の印加によって圧電アクチュエーターＡを充電し、放電しきる前のｃ点において通常駆動信号が印加されるため、「電力変化」に示すように、電力が少なくてもよく、ローター２０の駆動を早期に所定速度に達するようにすることができる。
初期駆動信号の印加により充電された圧電素子からの放電の変化は、図１３の「振動体の振動」の変化波形に類似しており、特に特に初期駆動信号の印加からｃ点までの変化波形により類似している。
【００６５】
なお、図１０、図１２、図１３において、定常駆動信号の印加（開始時）ｃ点は、初期駆動信号の印加によるローター２０（被駆動体）の動作速度が最大となる点であったが、それに限定されるものではなく、ローター２０が動作している間であればよい。すなわち、上記各図において、初期駆動信号の印加によるローター２０（被駆動体）の動作開始時ｂ点からその動作が停止するまでの間であればよい。その場合は、ローター２０（被駆動体）が動作中に定常駆動信号が印加されるので、ローター２０の動作が容易に促進され、早期に所定位置まで駆動される。
【００６６】
また、図１０、図１２、図１３において、定常駆動信号の印加（開始時）ｃ点は、初期駆動信号の印加によるローター２０（被駆動体）が駆動されるｂ点以降であって、圧電素子１７が放電完了前であれば、初期駆動信号の印加によるローター２０（被駆動体）が停止していてもよく、あるいは初期駆動信号の印加によるローター２０（被駆動体）の動作が停止する前であれば、圧電素子１７が放電完了していてもよい。
その場合、上記ｃ点において、ローター２０（被駆動体）が停止していても圧電素子１７が放電完了前であれば、定常駆動信号の印加により圧電素子への充電完了が早まり、振動体１２の振動が早期に促進される。また圧電素子１７が放電完了していても、ローター２０（被駆動体）の動作が継続中であれば、定常駆動信号の印加により振動体１２の振動に伴うローター２０（被駆動体）の動作が早期に促進される。
【００６７】
さらに、図１０、図１２、図１３において、定常駆動信号の印加（開始時）ｃ点は、初期駆動信号の印加によるローター２０（被駆動体）が駆動されるｂ点以降で、振動体１２の振動が停止する前、且つ圧電素子１７が放電完了する前に設定されていたが、それに限定されるものではない。
すなわち、図１０、図１２、図１３において、定常駆動信号の印加（開始時）ｃ点は、初期駆動信号の印加によるローター２０（被駆動体）が駆動されるｂ点以降ならば、圧電素子１７が放電完了前であれば、初期駆動信号の印加による振動体１２の振動が停止していてもよく、あるいは初期駆動信号の印加による振動体１２の振動が停止する前であれば、圧電素子１７が放電完了後であってもよい。
その場合、上記ｃ点において、振動体１２の振動が停止していても圧電素子１７が放電完了する前に定常駆動信号を印加すれば圧電素子への充電完了が早まり、振動体１２の振動を早期に促進させることができる。同様に、上記ｃ点において、圧電素子１７が放電完了後であっても振動体１２の振動が停止する前に定常駆動信号を印加すれば振動体１２の振動を即座に促進させることができる。
【００６８】
さらに、図１０〜図１４において、初期駆動信号印加制御の期間（初期パルスの期間）は、非印加制御の期間より短く設定されている。しかし、それに限定されることはない。状況によって、初期駆動信号印加制御の期間（初期パルスの期間）は、非印加制御の期間と同等でも、あるいは非印加制御の期間より長く設定されてもよい。
【００６９】
また図１０〜図１４において、初期パルス（単発、複数発を含む）の期間は、圧電素子に充電された電荷が放電するまでにローター２０（被駆動体）を駆動開始させる程度を必要とし、例えば０．０５ｍｓｅｃ程度以上である。
【００７０】
また、例えば、圧電素子１７の種類は、前述した振動動作が可能であれば特に前記実施形態で説明したものに限定されるものではない。例えば、長手方向と幅方向において駆動電極が２等分された構成により４つの駆動電極を備える圧電素子や、幅方向において３等分され、その３等分された電極の外側の２つがさらに長手方向において２等分された構成により５つの駆動電極を備える圧電素子であってもよい。これらを用いた場合には、対角方向の駆動電極（後者の場合は３分割したうち中心の駆動電極を含む。）に駆動信号を印加することによって、幅方向の中心部に設けられた振動体の突起部を振動させてローター２０を前記実施形態と同様に駆動することができる。この場合、駆動信号が印加される電極を他の対角方向の電極に変えることで、ローター２０に当接される突起部の振動による楕円状の回転の方向を変えることができる。すなわち、ローター２０の回転方向を変えることができる。
また、本発明の圧電アクチュエーターは、日車５０を駆動するものに限らず、指針２を駆動するものに利用してもよい。さらに、本発明は、電子時計における駆動機構として用いられるものに限らず、カメラのレンズ機構の駆動など、各種電子機器の駆動源としても利用できる。すなわち、本発明の圧電駆動装置を有する電子機器としては、例えば、表示針を圧電駆動装置で駆動する各種計器類や、ターンテーブルのように被駆動体を駆動させる電子機器などでもよい。特に、本発明の圧電駆動装置は、ステッピングモーターなどに比べて耐磁性能に優れているため、耐磁性が要求される駆動源として広く利用できる。
【符号の説明】
【００７１】
１…電子時計、８…２４時検出手段、９…電源、１０…日付表示機構、１２…振動体、１７…圧電素子、２０…ローター、３０…日回し中間車、４０…日回し車、５０…日車、１００…駆動制御装置、１０１…位相差−電圧変換回路、１０２…定電圧回路、１０３…比較回路、１０４…電圧調整回路、１０５…駆動回路、１０６…電圧制御発振器、１０７…振幅検出回路、Ａ…圧電アクチュエーター。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電駆動装置、圧電駆動方法および電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子は、電気エネルギーから機械エネルギーへの変換効率や、応答性に優れている。このため、近年、圧電素子の圧電効果を利用した各種の圧電アクチュエーターが開発されている。
この圧電アクチュエーター（超音波モーター）は、起動時の電力投入量が多くなることなどにより、起動時の効率が悪いという特徴を有している。
そこで、この起動時の効率を改善するための装置が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００３】
特許文献１には、振動型モーターの起動時（電圧印加時）に圧電素子に急激な電荷の充電が開始されることにより、急激な電流が流れ、大きな電力の消耗が行われることを抑える目的で、圧電素子に印加する駆動用交番信号のパルス幅を徐々に広くする方法（請求項１，２，５、実施例１）、起動時の入力パルスのパルス電圧を徐々に上げる方法（請求項１，２，６、実施例２）、起動時の駆動周波数を高くする方法（請求項３、実施例３）が開示されている。
【０００４】
特許文献２には、発振回路において、安定した状態で発振成長を開始し、起動時間を有効に短縮するために、振動体の起動初期には低い電圧、その後高い電圧を印加する方法が開示されている。低い電圧の印加時間の規定としては、検出により振幅が安定するまでと、タイマーにより時間を決める方法などが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−２１５８６１号公報
【特許文献２】特開２００８−９９２５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１は、駆動用交番信号のパルス幅を徐々に広くしているため、駆動用交番信号の入力は継続されており、被駆動体の動作まで考慮した最良の圧電駆動方法とはいえない。
【０００７】
特許文献２は、駆動開始時には低い電圧の第１の電圧信号を印加し、その後、高い電圧の第２の電圧信号を印加しており、電圧信号の入力は駆動開始時から継続されているため、やはり、被駆動体の動作まで考慮した最良の圧電駆動方法とはいえない。
【０００８】
このように、従来の技術では圧電アクチュエーターの起動時の効率改善が十分ではないという問題点があった。
【０００９】
本発明の目的は、圧電アクチュエーターの起動時の効率を大幅に向上することができる圧電駆動装置、圧電駆動方法および電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の圧電駆動装置は、圧電素子を有しこの圧電素子への駆動信号の印加により振動する振動体を備えて前記振動体の振動を被駆動体に伝達する圧電アクチュエーターと、前記圧電アクチュエーターへの駆動信号の印加を制御する駆動制御手段とを備え、前記駆動制御手段は、前記圧電アクチュエーターの起動初期に行う初期駆動制御と、初期駆動制御後に行う定常駆動制御とを実行可能に構成され、前記初期駆動制御では、前記圧電素子に初期駆動信号を印加する初期駆動信号印加制御と、初期駆動信号印加制御を実行後、前記圧電素子に駆動信号を印加しない非印加制御とを実行し、前記初期駆動信号印加制御から非印加制御に切り替えるタイミングは、前記初期駆動信号の印加による前記被駆動体の動作が開始されるまでに設定され、前記初期駆動制御から前記定常駆動制御に切り替えるタイミングは、前記初期駆動信号の印加による前記被駆動体の動作開始時以降で、かつ、前記初期駆動信号の印加によって駆動される前記被駆動体の動作停止時および／または前記初期駆動信号の印加により充電された前記圧電素子の放電完了時までに設定されていることを特徴とする。
【００１１】
本発明者が鋭意研究した結果、圧電アクチュエーターで被駆動体を駆動する際に、起動初期は、振動体の振動が安定するまで被駆動体が駆動しない期間があり、この期間は、駆動信号の印加時間や電流量に関係なく、ほぼ一定であることが判明した。
また、上記起動初期（起動信号を最初に印加した直後）は、圧電素子が放電された状態であるため、駆動信号を印加すると大電流が流れ、消費電力も増大することが判明した。
本発明者は、起動初期には、急激に大きな電流が流れて消費電力が増大する一方で、被駆動体が殆ど動作しない期間が存在するという知見に基づき、本発明に想到したものである。
【００１２】
本発明では、前記初期駆動制御において、前記圧電素子に初期駆動信号を印加する初期駆動信号印加制御が実行されるため、初期駆動信号の印加によって圧電素子を充電することができるとともに、振動体を振動させることができる。
この際、前記初期駆動信号印加制御から非印加制御に切り替えるタイミングを、前記初期駆動信号の印加による前記被駆動体の動作が開始されるまでに設定し、前記初期駆動制御において、前記初期駆動信号印加制御を実行後、前記圧電素子に駆動信号を印加しない非印加制御を実行している。このため、圧電アクチュエーターの起動初期における電流量の多い期間における電力の消費を大幅に削減することができる。非印加制御に切り替え後は、圧電アクチュエーターへの駆動信号の印加は終了するが、振動体はすぐに停止するのではなく、減衰振動が継続し、徐々に被駆動体の駆動に適した振動状態に近づくため、被駆動体の駆動が開始される。
そして、本発明では、前記初期駆動信号の印加による前記被駆動体の駆動開始後で、かつ、前記初期駆動信号の印加によって駆動される前記被駆動体の動作停止時および／または前記初期駆動信号の印加により充電された前記圧電素子の放電完了時までに、初期駆動制御から定常駆動制御に切り替わるため、振動体の減衰振動を利用しつつ、被駆動体が動いている状態、すなわち振動体の振動の軌跡が被駆動体の駆動に適した形となっている状態で、定常駆動制御による圧電アクチュエーターへの駆動信号の印加を行うことができる。このため、当該駆動信号の印加後すぐに被駆動体を加速させることができる。これにより立ち上がりの印加時間が短縮され、電力消費を抑えることができる。
前記被駆動体の動作停止時および／または前記圧電素子の放電完了時までとは、１）前記被駆動体の動作停止時まで、２）前記圧電素子の放電完了時まで、３）前記被駆動体の動作停止時まで、かつ、前記圧電素子の放電完了時まで、の３パターンをいう。
【００１３】
以上のように、本発明は、初期駆動制御によって振動体の振動を開始しながら、振動体が実際に被駆動体を駆動できる状態になるまでにはタイムラグがある点、および、このタイムラグ期間は被駆動体を駆動できない一方で大電流が流れやすく消費電力も増大する点を考慮し、このような期間は駆動信号を印加しない非印加期間とすることで、消費電力を抑制し、電力の消耗を低減させることができる。
振動体は、非印加期間で駆動信号を印加していない間も減衰振動が行われるため、ある一定期間以内に定常駆動制御を開始すれば、つまり被駆動体の駆動が停止する前に定常駆動制御を開始すれば、被駆動体の駆動状態において定常駆動制御における駆動信号を印加することができ、被駆動体の立ち上がり時間を短縮でき、消費電力も低減できる。
すなわち、前記定常駆動制御に切り替えるタイミングを、被駆動体の駆動が停止する前、特に振動体が停止する前に設定すれば、振動体が振動している状態で定常駆動用の信号を印加でき、定常駆動制御開始後における被駆動体の立ち上がりに要する時間を短縮できる。このため、駆動信号の非印加期間を設けたにもかかわらず、非印加期間を設けなかった場合と同程度の時間で被駆動体を立ち上げることができ、駆動信号の印加時間も短縮できるため、電力の消耗を低減させることができる。
また、前記定常駆動制御に切り替えるタイミングを、前記初期駆動信号の印加により充電された前記圧電素子の放電完了時までに設定すれば、定常駆動制御による圧電アクチュエーターへの駆動信号の印加の際に、起動時のような急激な電流が流れるのを抑えることができ、電力を低減することができる。
【００１４】
前記定常駆動制御への切り替えのタイミングを、前記被駆動体の動作停止時までであり、かつ、前記初期駆動信号の印加により充電された前記圧電素子の放電完了時までに設定すれば、前述した被駆動体が動いている状態での駆動信号の印加による被駆動体が動き出すまでの時間の短縮と、起動時のような急激な電流が流れることを防止することによる電力の低減の両方を実現することができる。
これらのことから、本発明の圧電駆動装置によれば、圧電アクチュエーターの起動時の効率を向上させることができる。
【００１５】
本発明において、前記定常駆動制御への切り替えのタイミングは、前記初期駆動信号の印加による前記被駆動体の動作速度が所定値以上となるタイミングに設定されていることが好ましい。
これにより、初期駆動信号の印加による被駆動体の動作速度がほぼ所定値以上の状態から駆動信号の印加による加速が開始されるため、被駆動体の移動量が所定距離に到達するまでの定常駆動制御の時間が短縮され、電力消費を抑えることができる。
なお、本発明の切替タイミングの具体的な設定は、初期駆動信号を印加した際の被駆動体の動作速度を予め実験等で測定しておき、その実験結果に基づいて設定すればよい。
ここで、定常駆動制御中の駆動信号は、駆動に適する周波数の交番信号であり、この信号は固定周波数でも良いし、位相差制御等の制御により常に最適な周波数に制御されていても良い。駆動に適する周波数とは、駆動させたい振動モードが励振される周波数であり、例えば、縦共振および屈曲共振を利用して駆動する圧電アクチュエーターの駆動を制御する場合には、縦振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数の間の周波数となる。
【００１６】
本発明において、前記初期駆動信号の印加制御期間は、前記初期駆動信号の印加に伴って圧電素子に流れる電流が所定値以下となるように設定されていることが好ましい。
これにより、初期駆動信号を印加する際に流れる電流値を所定値以下に抑えることができ、そのため電力消耗を制限することができ、消費電力を減らすことができる。また、大電流が流れることを防止できるため、電源の負荷を低減できる。
なお、本発明の切替タイミングの具体的な設定は、初期駆動信号を印加した際の電流値の変化を予め実験等で測定しておき、その実験結果に基づいて設定すればよい。
ここで、初期駆動制御中の駆動信号は、駆動に適する周波数の交番信号であり、この信号は固定周波数でも良いし、前回の定常駆動制御で位相差制御等の制御により最適となった周波数に制御されていてもよい。
【００１７】
本発明において、前記初期駆動信号は、デューティー比が５０％の交番信号で構成されていることが好ましい。
一般に圧電アクチュエーターは電圧制御発振回路（ＶＣＯ（Voltage Controlled Oscillator））を使ってドライバーをオン、オフすることで駆動しており、電圧制御発振回路はデューティー比が５０％の信号を扱う構成とされていることが多い。初期駆動信号のデューティー比と電圧制御発信回路の対応するデューティー比とが異なる場合には、デューティー比の変換が必要となるが、デューティー比を変えるためには、電圧制御発振回路の信号を変換回路に入力して出力する必要がある。この場合、このデューティー比を変換する回路のために、駆動信号の周波数よりも更に速いクロックが必要となり、余分な構成が増える。電圧制御発振回路の内部においてアナログ回路でデューティー比を変更する回路を構成したとしても、アナログ回路は回路規模が大きくなり、余分な構成が増えることになる。
一方、初期駆動信号をデューティー比が５０％の交番信号とすれば、回路に余分な構成を増やすことなく初期駆動信号を生成することができる。
【００１８】
なお、本発明において、前記初期駆動信号の出力を制御するパルスは、パルスを１発入力するだけのものでもよいし、パルスを複数発（例えば２〜３発）入力するものでもよい。
これにより、初期駆動信号印加制御を行う初期駆動期間の長さを、例えば消費電流などに基づいて短く設定（例えば０．２msec等）する必要があるような場合であっても、パルス数を増やすことによって対処することができる。
【００１９】
本発明において、前記定常駆動制御への切り替えのタイミングを、前記振動体に設けた検出電極から得られる検出信号に基づき決定することが好ましい。
振動体表面の電極に検出電極を設けておくと、圧電素子の伸縮に応じて検出信号が出力される。検出信号は振動の減衰中も発生するので、検出信号の電圧が所定値を下回ると振動が極めて小さくなったと判断できる。振動体の動作にばらつきがあり、被駆動体の動作開始時もばらつく可能性が高いが、検出によって定常駆動制御への切り替えのタイミングを決めることにより、安定して被駆動体を起動することができ、消費電力も低減できる。
【００２０】
本発明の圧電駆動方法は、圧電素子を有しこの圧電素子への駆動信号の印加により振動する振動体を備えて前記振動体の振動を被駆動体に伝達する圧電アクチュエーターを駆動する圧電駆動方法であって、前記圧電アクチュエーターの起動初期に行う初期駆動制御と、初期駆動制御後に行う定常駆動制御とを実行し、前記初期駆動制御では、前記圧電素子に初期駆動信号を印加する初期駆動信号印加制御と、初期駆動信号印加制御を実行後、前記圧電素子に駆動信号を印加しない非印加制御とを実行し、前記初期駆動信号印加制御から非印加制御に切り替えるタイミングを、前記初期駆動信号の印加による前記被駆動体の動作が開始されるまでに設定し、前記初期駆動制御から前記定常駆動制御に切り替えるタイミングを、前記初期駆動信号の印加による前記被駆動体の動作開始時以降で、かつ、前記初期駆動信号の印加によって駆動される前記被駆動体の動作停止時および／または前記初期駆動信号の印加により充電された前記圧電素子の放電完了時までに設定することを特徴とする。
【００２１】
本発明の電子機器は、圧電素子を有する振動体を備えた圧電アクチュエーターと、前記本発明のいずれかの圧電駆動装置と、を備えたことを特徴とする。
【００２２】
これらの圧電駆動方法や電子機器においても、前述した圧電駆動装置と同様の作用効果を奏することができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、圧電アクチュエーターの起動時の効率を大幅に向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施形態に係る電子時計の概略構成を示す図である。
【図２】前記電子時計における日付表示機構の詳細な構成を示す平面図である。
【図３】駆動制御装置の構成を示すブロック図である。
【図４】駆動信号の印加時間別の被駆動体の速度変化を示す図である。
【図５】駆動信号の印加時間別の電力変化を示す図である。
【図６】駆動制御方法の制御の流れを示すフローチャートである。
【図７】被駆動体の動作距離が所定値に達するまでの時間を示す図である。
【図８】被駆動体の動作距離が所定値に達するまでの定常駆動制御での駆動信号の印加時間を示す図である。
【図９】被駆動体の動作速度の変化を示す図である。
【図１０】動作速度の最大時に駆動信号を印加した場合における説明図である。
【図１１】駆動信号の波形を示す拡大図である。
【図１２】定常駆動制御への切替タイミングを放電完了前とした場合の説明図である。
【図１３】変形例による初期パルスを用いた場合における説明図である。
【図１４】変形例における駆動信号の波形を示す拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
〔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電子時計１の概略構成を示す図である。図２は、電子時計１における日付表示機構１０の詳細な構成を示す平面図である。
図１に示すように、電子時計１は、時刻を表示する指針２と、この指針２を駆動するステッピングモーター３とを備えた腕時計である。ステッピングモーター３の駆動は、発振回路４、分周回路５、および駆動回路６により制御される。発振回路４は、水晶振動体からなる基準発振源を有し、基準パルスを出力するものである。分周回路５は、発振回路４から出力された基準パルスを入力し、この基準パルスに基づいて基準信号（例えば１Ｈｚの信号）を生成する。駆動回路６は、分周回路５から出力された基準信号に基づいて、ステッピングモーター３を駆動するモーター駆動パルスを発生する。
電子時計１の日付表示機構１０は、圧電アクチュエーターＡと、この圧電アクチュエーターＡを駆動制御する駆動制御装置１００とを備えている。この駆動制御装置１００は、電子時計１の時刻（例えば、２４時）を検出して開閉するスイッチ８をトリガーとして作動し、日付表示機構１０を駆動するようになっている。本実施形態では、スイッチ８は、２４時を検出すると検出信号を駆動制御装置１００に出力する。駆動制御装置１００は、この検出信号によって圧電アクチュエーターＡの駆動制御を開始する。この駆動制御の開始によって圧電アクチュエーターＡの駆動が開始される。
【００２６】
図２に示すように、日付表示機構１０の主要部は、圧電アクチュエーターＡと、この圧電アクチュエーターＡによって回転駆動される駆動対象（被駆動体）としてのローター２０と、ローター２０の回転を減速しつつ伝達する減速輪列と、減速輪列を介して伝達される駆動力により回転する日車５０とから大略構成されている。減速輪列は、日回し中間車３０と日回し車４０とを備えている。これらの圧電アクチュエーターＡ、ローター２０、日回し中間車３０、および日回し車４０は、底板１１に支持されている。圧電アクチュエーターＡは、扁平な短冊状の振動体１２を有しており、この振動体１２は、その先端部がローター２０の外周面と当接するように配置されている。日付表示機構１０の上方には、図１に示すように、円盤状の文字板７が設けられており、この文字板７の外周部の一部には日付を表示するための窓部７Ａが設けられ、窓部７Ａから日車５０の日付を覗けるようになっている。また、底板１１の下方（裏側）には、ステッピングモーター３に接続されて指針２を駆動するムーブメント等が設けられている。
【００２７】
日回し中間車３０は、大径部３１と小径部３２とから構成されている。小径部３２は、大径部３１よりも若干小径の円筒形であり、その外周面には、略正方形状の切欠部３３が形成されている。この小径部３２は、大径部３１に対し、同心をなすように固着されている。大径部３１には、ローター２０の上部の歯車２１が噛合している。したがって、大径部３１と小径部３２とからなる日回し中間車３０は、ローター２０の回転に連動して回転する。
日回し中間車３０の側方の底板１１には、板バネ３４が設けられており、この板バネ３４の基端部が底板１１に固定され、先端部３４Ａが略Ｖ字状に折り曲げられて形成されている。板バネ３４の先端部３４Ａは、日回し中間車３０の切欠部３３に出入可能に設けられている。板バネ３４に近接した位置には、接触子３５が配置されており、この接触子３５は、日回し中間車３０が回転し、板バネ３４の先端部３４Ａが切欠部３３に入り込んだときに、板バネ３４と接触するようになっている。そして、板バネ３４には、所定の電圧が印加されており、接触子３５に接触すると、その電圧が接触子３５にも印加される。したがって、接触子３５の電圧を検出することによって、日送り状態を検出でき、日車５０の１日分の回転量が検出できる。
なお、日車５０の回転量は、板バネ３４や接触子３５を用いたものに限らず、ローター２０や日回し中間車３０の回転状態を検出して所定のパルス信号を出力するものなどが利用でき、具体的には、公知のフォトリフレクター、フォトインタラプター、ＭＲセンサー等の各種の回転エンコーダー等が利用できる。
【００２８】
日車５０は、リング状の形状をしており、その内周面に内歯車５１が形成されている。日回し車４０は、五歯の歯車を有しており、日車５０の内歯車５１に噛合している。また、日回し車４０の中心には、シャフト４１が設けられており、このシャフト４１は、底板１１に形成された貫通孔４２に遊挿されている。貫通孔４２は、日車５０の周回方向に沿って長く形成されている。そして、日回し車４０およびシャフト４１は、底板１１に固定された板バネ４３によって図２の右上方向に付勢されている。この板バネ４３の付勢作用によって日車５０の揺動も防止される。
【００２９】
圧電アクチュエーターＡの振動体１２は、二長辺と二短辺（例えば長辺長さと短辺長さの比をほぼ７対２とした長辺と短辺）とにより囲まれた長方形状の板である。その長方形を例示すれば、長辺×短辺が、７ｍｍ×２ｍｍから３．３ｍｍ×１ｍｍまでの間の寸法である。また、振動体１２は、２枚の長方形かつ板状の圧電素子の間に、これらの圧電素子と略同形状であり、かつ圧電素子よりも肉厚の薄いステンレス鋼等の補強板を挟んだ積層構造を有している。圧電素子としては、チタン酸ジルコニウム酸鉛（ＰＺＴ（商標））、水晶、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、メタニオブ酸鉛、ポリフッ化ビニリデン、亜鉛ニオブ酸鉛、スカンジウムニオブ酸鉛等の各種のものを用いることができる。
振動体１２は、一短辺の幅方向略端部に当接部１３を有している。この当接部１３は、補強板を切断成形する等の方法により得られたものであり、緩やかな曲面を持った先端部分を圧電素子から突出させている。振動体１２は、前記当接部１３が幅方向の一方の端部側に配置され、幅方向に重量アンバランスが生じるように構成されている。振動体１２は、この当接部１３の先端をローター２０の外周面に当接させる姿勢を保っている。振動体１２にこのような姿勢を維持させるために、支持部材１４と付勢部材１５とが圧電アクチュエーターＡに設けられている。なお、当接部１３が形成された短辺でない他方の短辺にも当接部１３と同様の大きさのバランス用突起部１３Ａが形成されている。このバランス用突起部１３Ａは、振動体１２の平面形状の中心点に対して点対称位置に設けられている。
【００３０】
圧電アクチュエーターＡの支持部材１４は、補強板の切断成形等の方法により補強板と一体形成されたものである。この支持部材１４は、Ｌ字状の部材であり、振動体１２の一長辺の略中央から垂直に突出した垂直部と、この垂直部の先端から長辺に対して平行にローター２０側に向けて延びた水平部とからなる。垂直部とは反対側の水平部の端部には、底板１１から突出したピンが貫通しており、このピンを回転軸として支持部材１４およびこれに固定された振動体１２が回転可能である。支持部材１４の水平部の略中央には、付勢部材１５の一端が係合されている。付勢部材１５は、その略中央部分を底板１１から突出したピンが貫通しており、このピンを回転軸として回動可能である。また、支持部材１４と反対側の付勢部材１５の端部は、底板１１に係合されており、この端部の位置を変えることにより振動体１２の当接部１３をローター２０の外周面に押し当てる圧力が調整可能になっている。
【００３１】
以上の構成において、圧電アクチュエーターＡの振動体１２は、駆動制御装置１００から所定の周波数の駆動信号が圧電素子に印加されることで第１の振動モード（主振動モード）である縦振動が励振し、前記当接部１３と前記バランス用突起部１３Ａとによって重量アンバランスが生じているため、縦振動に誘発されて第２の振動モード（副振動モード）である屈曲振動が励振し、これらの振動が混合されて、その板面を含む平面内において当接部１３が楕円軌道を描いて運動する。ローター２０は、この振動体１２の当接部１３によってその外周面が叩かれ、図２中矢印で示すように、時計回りに回転駆動される。このローター２０の回転は、日回し中間車３０を介して日回し車４０に伝達され、この日回し車４０が日車５０を時計回り方向に回転させる。このような振動体１２からローター２０、ローター２０から減速輪列（日回し中間車３０および日回し車４０）、減速輪列から日車５０への力の伝達は、いずれも振動体１２の底板１１面に平行な方向の力の伝達である。このため、ステップモーターのようにコイルやローターを厚さ方向に積み重ねるのではなく、同一平面内に振動体１２およびローター２０を配置し、日付表示機構１０を薄型化できる。そして、日付表示機構１０を薄型にできるため、電子時計１全体を薄型にできる。
【００３２】
〔２．圧電アクチュエーターの駆動制御装置の構成〕
次に、本実施形態の駆動制御装置１００について、図３のブロック図に基づいて説明する。
図３に示すように、圧電アクチュエーターＡを駆動制御する駆動制御装置１００は、圧電素子１７へ出力する駆動信号と圧電素子１７で検出される検出信号との位相差を検出し、位相差に相当する電圧値の位相差電圧信号を出力する位相差−電圧変換回路１０１と、位相差を比較するための基準電圧と振幅信号を検出するための基準電圧とをそれぞれ出力する定電圧回路１０２と、この定電圧回路１０２で出力される位相比較用基準電圧と位相差−電圧変換回路１０１から出力される位相差電圧とを比較して比較結果信号を出力する比較回路１０３と、比較結果信号を受けて出力電圧を制御する電圧調整回路１０４と、圧電素子１７に対して駆動信号を出力する駆動回路（ドライバー）１０５と、この電圧調整回路１０４で出力された電圧に対応して駆動回路１０５に出力する周波数を調整する電圧制御発振器（ＶＣＯ）１０６と、定電圧回路１０２で出力される振幅検出用基準電圧と圧電素子１７の振幅信号とを比較して振幅信号を検出する振幅検出回路１０７と、を備えている。
【００３３】
電圧調整回路１０４は、比較回路１０３から出力された信号に基づいて、電圧制御発振器１０６に印加する電圧レベルを制御する電圧制御機能と、振幅検出回路１０７で出力された信号に基づいて所定時間当たりの電圧制御量を調整する制御速度調整機能とを有する。
駆動回路１０５は、電圧調整回路１０４および電圧制御発振器１０６で制御された周波数の駆動信号を圧電素子１７に出力する。これら構成によって駆動制御装置１００は、駆動信号と検出信号との位相差を常に検出（スキャン）して基準位相差と比較し、検出位相差が基準位相差に近づくように最適駆動周波数の制御を行う。この最適駆動周波数は、縦振動の共振周波数と屈曲振動の共振周波数との間に存在するものである。
また、駆動回路１０５は、圧電アクチュエーターＡの駆動開始時から所定時間後の所定のタイミングにおいて圧電素子１７への駆動信号の出力を切り替える出力制御機能を有する。例えば、この所定のタイミングは、タイマー回路などを用いてスイッチ８から検出信号が入力されてからの時間を計測することによって検出できる。このように、圧電素子１７への駆動信号の印加・非印加は、この出力制御機能によって制御される。出力制御機能は、設定に応じた所定タイミングにおいて制御パルスを生成して、生成した制御パルスに基づき電圧制御発振器１０６への出力のオン・オフの切り替えを行う。例えば、電圧制御発振器１０６からの出力と、生成した制御パルスとを、ＡＮＤゲートに入力し、出力信号を圧電素子１７に出力することによって、生成した制御パルスのタイミングにおいて、駆動信号の印加・非印加が制御される。なお、この印加・非印加の制御は、電圧調整回路１０４、電圧制御発振器１０６の内部において行ってもよい。
【００３４】
〔３．圧電アクチュエーターの駆動制御方法〕
このような本実施形態では、２４時検出手段（スイッチ）８によって電子時計１の時刻が２４時になったことを検出すると、上記検出信号が、駆動制御装置１００の電源電池をオン・オフするスイッチ（図示せず）をオンする。このため駆動制御装置１００が上記のように動作することによって圧電アクチュエーターＡが作動されて、日車５０の日送り動作が行われる。
ここで、圧電アクチュエーターＡの起動時の動作について説明する。駆動信号の印加開始時には、圧電アクチュエーターＡには、縦振動のみが生じて直線運動だけとなるが、徐々に屈曲振動が生じる。すると、縦振動と屈曲振動の相乗作用により楕円振動が起こり、徐々に楕円が大きくなっていく。ある程度の大きさの楕円運動に達すると、当接部１３がローター２０を駆動することができるようになる。また、前記駆動信号の印加開始時直後には、当接部１３とローター２０との摩擦により、当接部１３が多少運動してもローター２０が駆動されにくくなっている。従って、駆動信号の印加開始時直後には、振動体１２が振動しても、ローター２０が動作しない期間が存在する。
【００３５】
図４は、駆動信号の印加時間別のローター２０の速度変化を示している。図４において横軸は圧電アクチュエーターＡの起動開始時（圧電アクチュエーターＡへの駆動信号の印加開始時）からの時間［msec］であり、縦軸はローター２０の速度［mm/sec］である。駆動信号の印加時間としては、０．０６〜４msecにおける７条件について示している。図示するように、いずれの条件でもローター２０が動き出すまでの時間は、起動開始時（駆動信号の印加開始時）から０．５msec程度経過後でありほぼ一定である。すなわち、駆動信号を０．５msec以上印加し続けた場合でも、０．５msec未満しか印加しない場合でも、ローター２０が動き出すのは起動開始後０．５msec程度経過した時点である。この現象は、駆動信号として印加する電圧を変えた場合でもほとんど変化しない。
【００３６】
前述したように、振動体１２は、駆動信号を印加すると２つ以上の混合モードで動作（振動）し、ローター２０との当接部１３が楕円の軌跡を描くように振動する。起動初期の振動の様子を細かく見ると、振動体１２の長手方向（縦方向）の振動から徐々に幅方向に傾きが変化し、ある所定の角度で安定する。この所定の角度は振動体１２の縦共振周波数と屈曲共振周波数の間隔、および駆動する周波数によって決まる。この間隔は主に振動体１２の縦寸法と横寸法によって決まる。
【００３７】
共振振動を利用した振動体１２では、駆動信号を印加した後、徐々に振幅が増大し、一定の振幅となる。振動体１２は、駆動信号の印加後、縦振動による振幅が徐々に増大する。縦振動が励振されると、それに追従して屈曲振動も徐々に増大するが、遅れがあるため、縦方向から徐々に屈曲振動の方向に傾きが変化し、一定時間後に安定する。
この安定までの時間は振幅が小さいことと、接触する際の傾きが駆動に適さないために、振動体１２は振動していてもローター２０が動き出さないという現象が生じる。よって、このローター２０の動き出しまでの期間は駆動信号を入力して無駄な時間といえる。なお、この期間を過ぎるとローター２０の動作が加速する期間となるが、ローター２０が動き出した直後は振動体１２の当接部１３のスピードが速く、ローター２０との速度差が大きいため、力の伝達率が低く、加速は遅くなる。
【００３８】
また、圧電素子１７への駆動信号入力が開始される駆動初期は、圧電素子１７が放電されている状態で駆動信号が入力されるため、圧電素子１７に流れる電流量が多くなり、消費電力も増大する。
図５は、駆動信号の印加時間別の電力変化を示している。図５において横軸は圧電アクチュエーターＡの起動開始時（圧電アクチュエーターＡへの駆動信号の印加開始時）からの時間［msec］であり、縦軸は、駆動信号の印加による消費電力［ｍＷ］である。駆動信号の印加時間としては、図４の場合と同様、０．０６〜４msecにおける７条件について示している。図示するように、いずれの条件の場合も、駆動信号の印加直後は電力が高く、０．２msecあたりで電力のピークが生じ、しばらく変動が続き、１msec程度経過すると安定する。
【００３９】
以上を踏まえ、本実施形態の駆動制御装置１００は、圧電アクチュエーターＡの起動初期に行う初期駆動制御と、初期駆動制御後に行う定常駆動制御とを実行する。初期駆動制御では、圧電素子１７に初期駆動信号を印加する初期駆動信号印加制御を実行後、圧電素子１７に駆動信号を印加しない非印加制御を実行する。
初期駆動信号印加制御から非印加制御に切り替えるタイミングは、初期駆動信号の印加によるローター２０の動作が開始されるまで、つまりローター２０の動作が開始されるより短い時間に設定する。初期駆動制御から定常駆動制御に切り替えるタイミングは、ローター２０の動作開始時以降で、かつ、ローター２０の動作停止時および初期駆動信号の印加により充電された圧電素子１７の放電完了時までに設定している。圧電素子１７の充電とは、圧電素子１７に電荷が充電されることをいい、圧電素子１７の放電とは、圧電素子１７の電荷が放電されることをいう。
【００４０】
図６は、本実施形態による駆動制御方法の制御の流れを示す。圧電アクチュエーターＡが起動すると、駆動制御装置１００によって、先ず、初期駆動信号印加制御が行われ、駆動回路１０５から圧電素子１７に初期駆動信号が印加される（ステップＳ１）。初期駆動信号は、電圧調整回路１０４および電圧制御発振器１０６が駆動回路１０５を制御することによって圧電素子１７に印加される。
【００４１】
ステップＳ１において初期駆動信号の印加開始後、非印加制御への切替タイミングであるか否かが判定される（ステップＳ２）。この判定は、起動時から予め設定してある所定期間が経過したか否かによって行われる。この所定期間の経過は、前記のようにタイマー回路などによって検出することができる。所定期間が経過していない場合には切替タイミングでないと判定され、所定期間が経過した場合には切替タイミングであると判定される。
【００４２】
ステップＳ２における判定が「Ｎｏ」、すなわち非印加制御への切替タイミングでないと判定された場合には初期駆動信号印加制御によって初期駆動信号の印加が継続される。ステップＳ２における判定が「Ｙｅｓ」、すなわち非印加制御への切替タイミングであると判定された場合には非印加制御が開始され、初期駆動信号の印加が停止される（ステップＳ３）。
【００４３】
非印加制御の開始後、定常駆動制御への切替タイミングであるか否かが判定される（ステップＳ４）。この判定も、起動時から予め設定してある所定期間が経過したか否かによって行われる。この所定期間の経過も、前記のようにタイマー回路などによって検出することができる。所定期間が経過していない場合には切替タイミングでないと判定され、所定期間が経過した場合には切替タイミングであると判定される。ステップＳ４における判定が「Ｎｏ」、すなわち定常駆動制御への切替タイミングでないと判定された場合には非印加制御（非印加状態）が継続される。ステップＳ４における判定が「Ｙｅｓ」、すなわち定常駆動制御への切替タイミングであると判定された場合には定常駆動制御が開始され、定常駆動信号の印加が開始される（ステップＳ５）。
定常駆動制御の開始後は、通常の駆動制御状態となる。すなわち、図３に示すように、駆動信号および検出信号の位相差に基づいて駆動信号の周波数が制御される。その後、接触子３５の電圧検出に基づき定常駆動信号の印加が停止され、圧電アクチュエーターＡの駆動が停止されて日送りが終了する。
【００４４】
［初期駆動信号の印加期間］
本実施形態において、ステップＳ２で判定される初期駆動信号の印加期間（非印加制御への切替タイミング）は、具体的には次のように設定している。
すなわち、図４に示すような特性の圧電アクチュエーターＡの場合、前述した電力の観点および所定時間との関係から、初期駆動信号の印加期間つまり非印加制御への切替タイミングは、ローター２０の動作開始時までの０．５msec以内に設定される。初期駆動信号の印加時間が０．５msec以内であってもローター２０が０．５msec後において動作するのは、定常駆動信号の印加をした場合と同様の原理で、減衰中もその縦振動によって屈曲振動が励振され、傾きが屈曲方向に変化し、ふくらみが増して駆動に適する形になるためである。
本実施形態では、図５に示すように、約０．２msecあたりで電力がピークになる点を考慮し、初期駆動信号の印加開始から０．２msec以内に非印加制御に切り替えるように設定している。従って、起動時から所定期間（例えば０．２msec）経過すると、ステップＳ２で「Ｙｅｓ」と判定される。この所定期間の経過も、前記のようにタイマー回路などによって検出することができる。
【００４５】
［初期駆動制御期間］
本実施形態において、ステップＳ４で判定される初期駆動制御期間（定常駆動制御への切替タイミング）は、ローター２０の動作開始時から初期駆動信号の印加終了に伴う動作停止時かつ初期駆動信号の印加により充電された圧電素子１７の放電完了時までの期間内に設定される。
例えば、図４に示す例の場合、駆動信号の印加時間が０．２msecである場合には、ローター２０の動作開始は初期駆動制御の開始から約０．５msec経過時であり、ローター２０の動作停止は約２．７５msec経過時となる。従って、この範囲（０．５〜２．７５msec）の中で予め定常駆動制御への切替タイミングを設定しておけばよい。
【００４６】
なお、定常駆動制御への切替タイミングは、振動体１２の振動状態を検出して設定することもできる。この振動体１２の振動状態は、圧電素子１７の検出信号を振幅検出回路１０７で検出することで判断できる。すなわち、振動体１２の振動が小さくなった場合には検出信号も小さくなるため、この検出信号に基づき、振動体１２の振動状態を判断し、前記検出信号の電圧が所定値以下になったら定常駆動制御に切り替えるように制御することもできる。
このように振動状態を検出して切替タイミングを調整すれば、振動体１２の動作にばらつきがあり、ローター２０の動作開始時や停止時もばらつく可能性がある場合でも、安定して定常駆動制御に切り替えることができ、電力を削減でき、ローター２０も確実に起動することができる。
【００４７】
ここで、定常駆動制御への切替タイミングの設定について図面を参照して詳細に説明する。
図７は、ローター２０の動作距離が所定距離に達するまでの時間（駆動終了時間）を示している。図７において横軸は圧電アクチュエーターＡの初期駆動信号印加時からの定常駆動信号印加開始時間［msec］であり、縦軸はローター２０の移動距離が０．４５ｍｍに達するまでの駆動終了時間［msec］である。初期駆動信号の印加時間としては、０．０６msec、０．１msec、０．２msecの３条件について示している。
【００４８】
例えば、初期駆動信号の印加時間を０．２msecとし、定常駆動信号の印加を１．５msecから行った場合、駆動終了時間は４．８msec程度である。初期駆動制御を行わず、起動開始時から定常駆動信号のみの印加により駆動した場合、駆動終了時間は４．４msec程度であるため、定常駆動信号のみと比較すると０．３msec程度駆動終了時間が遅くなることになる。しかし、同じように初期駆動信号の印加時間が０．２msecの場合であっても、定常駆動信号の印加を１msec以内から行った場合においては、起動終了時間がほとんど変わらないことがわかる。これによって、ローター２０の動作距離を所定値まで早く達成するようにするには、ローター２０が動作を開始した後、定常駆動信号を早い段階で印加するのがよいことがわかる。つまり、定常駆動制御への切替タイミングをローター２０の動作開始後すぐに設定することによって、ローター２０が所定角度回転するまでの時間を駆動信号を入力し続けた場合と同程度に短縮できる。
【００４９】
図８は、ローター２０の動作距離が所定位置に到達するまでの定常駆動信号の印加時間［msec］を示している。また、図９は、定常駆動信号の印加時における初期駆動信号の印加によるローター２０の動作速度の変化を示している。図８および図９において横軸は圧電アクチュエーターＡの初期駆動信号の印加時からの定常駆動信号印加開始時間［msec］である。図８において縦軸はローター２０の移動距離が０．４５ｍｍに到達するまでの定常駆動信号の印加時間［msec］である。また、図９において縦軸はローター２０の定常駆動信号印加開始時速度[ｍｍ／ｓ]である。初期駆動信号の印加時間としては、図７の場合と同様、ともに０．０６msec、０．１msec、０．２msecの３条件について示している。
【００５０】
例えば、初期駆動信号の印加を０．２msecとし、定常駆動信号の印加を、ローター２０の最大速度付近（図９参照）である１．４msecから行った場合、印加時間は３．５５msec程度である。初期駆動信号を使用せず、起動開始時から定常駆動信号のみの印加により駆動した場合、印加時間は４．４msec程度であるため、定常駆動信号のみの場合と比較すると、０．８５msec程度印加時間が短縮されている。消費電力は印加時間にほぼ比例するため、印加時間が短い場合、電力を削減することができる。この電力削減の効果は、一回に移動させる距離が短い使い方ほど、効果が大きくなる。
一方、定常駆動信号の印加を０．５msec程度から行った場合は、定常駆動信号のみの場合との印加時間の差は小さくなり、その分、電力削減効果も減少する。これにより電力を抑えるためには、初期駆動信号を印加したことによるローター２０の動作速度の最大値付近において定常駆動信号の印加を開始するとよいことがわかる。
すなわち、定常駆動信号の印加開始が初期駆動信号の減衰中であっても、すでに屈曲が励振されているので、初期駆動信号の入力時のように傾きや膨らみが適する形になるまでの０．５msec程度の時間は必要なく、定常駆動信号の印加後すぐに振動が立ち上がると考えられる。従って、振動体１２の軌跡が駆動に適する形であれば定常駆動信号の印加直後からローター２０も加速する。このときの加速は、初期駆動信号の印加により定常駆動信号の印加時点までに達していた速度から加速していくと考えられる。このため、ローター２０の動作速度が最大となる付近において定常駆動信号を印加すれば、所定の動作速度または動作位置までの印加時間が最も効率よく短縮され、電力を抑えることができる。
【００５１】
また、定常駆動信号の印加時期は圧電素子１７の放電完了時までとしているのは、圧電素子１７が放電しきってしまうと、定常駆動信号の印加時には、起動時の充電と同様に急激な電流が流れることになるためである。放電完了時前に定常駆動信号を印加することによって、定常駆動信号の印加の際に起動開始時と同様の電力消費となることを防止することができ、起動の際の効率を上げることができる。
【００５２】
図１０は、初期駆動信号の印加による被駆動体（ローター２０）の動作速度が最大のときに定常駆動信号を印加した場合の被駆動体の速度変化、電力変化および振動体１２の振動の一例を示している。図１１は、駆動信号の波形を示す拡大図である。
図１０、１１において、駆動信号の印加タイミングは、制御パルスによって制御されている。制御パルスにおける初期パルスは、初期駆動制御により圧電素子１７に印加される初期駆動信号を出力するために駆動回路１０５で生成されるパルスであり、初期パルスが出力されている間（オン状態の間）、初期駆動信号が出力される。また、他の制御パルスである定常駆動パルスは、定常駆動制御により圧電素子１７へ印加される定常駆動信号を出力するために駆動回路１０５で生成されるパルスであり、定常駆動パルスが出力されている間、定常駆動信号が出力される。
図中、ａ点は初期駆動信号印加制御から非印加制御への切替タイミングであり、ｂ点はローター２０の動作開始時であり、ｃ点は定常駆動制御への切替タイミング、すなわちローター２０の動作速度の最大点である。また、ｃ点は、初期駆動制御（非印加制御）から定常駆動制御に切り替えるタイミングであり、このタイミングは圧電素子１７の充電電荷が放電しきる前、および当然のことながら振動体１２の振動が停止する前である。
例えば、図１０において例示すれば、初期駆動信号印加制御（初期駆動信号の印加）の開始からａ点（初期駆動信号の印加停止時）までは０．１msec、初期駆動信号印加制御の開始からｂ点（被駆動体の動作開始時）までは０．５msec、初期駆動信号印加制御の開始からｃ点（定常駆動制御の開始時）までは１．５msecである。
【００５３】
本例では、初期駆動信号印加制御において一つの初期パルスによって初期駆動信号を印加しており、初期駆動信号として、定常駆動信号と同様の駆動信号を所定時間印加している。定常駆動信号と同様の駆動信号を印加することによって、初期駆動信号を生成するための回路を別途設ける必要がなくなる。例えば、定常駆動制御では、定常駆動信号として、５００ｋＨｚ〜４００ｋＨｚの周波数を有した駆動信号が印加され続けられ、これに合わせて初期駆動制御においても初期駆動信号として同様の駆動信号が印加される。
定常駆動信号は、圧電アクチュエーターＡの駆動に最適となる周波数に設定されている。駆動に最適となる周波数は前述したように、駆動信号および検出信号の位相差に基づいて設定される。これにより、ローター２０の起動後は、すぐに効率の良い通常の駆動に移行することができる。なお、初期駆動信号、定常駆動信号の波形は、特に限定されるものではなく、正弦波、矩形波、三角波、のこぎり波など種々の波形で構成することができる。
【００５４】
「被駆動体の速度変化」に示すように、初期駆動信号の印加による動作速度の最大点から定常駆動信号を印加した場合、印加直後（ｃ点経過直後）の速度変化は、図４の場合よりも大きいことがわかる。また、「電力変化」に示すように、図５に示した電力の高い起動初期のほとんどを初期駆動信号の非印加期間としていることにより、大幅に電力を削減できることがわかる。なお、このように定常駆動信号は、被駆動体の動作速度の最大時で印加することが望ましいが、図８、図９に示すように、被駆動体の動作速度が所定値以上（例えば被駆動体の特性にもよるが動作速度が最大速度の９割以上）において印加しても最大時と同様の作用効果を奏することはいうまでもない。また、「振動体の振動」に示すように、振動体１２の振動は、初期駆動信号の印加終了後も継続されることがわかる。
なお、初期駆動信号の印加により充電された圧電素子１７からの放電の変化は、図１０の「振動体の振動」の変化波形に類似しており、特に初期駆動信号の印加からｃ点までの変化波形により類似している。
【００５５】
〔４．本実施形態の作用効果〕
本実施形態では、初期駆動制御において、圧電素子１７に初期駆動信号を印加する初期駆動信号印加制御が実行した後、初期駆動信号印加制御から非印加制御に切り替えるタイミングを、初期駆動信号の印加によるローター２０の動作が開始されるまでに設定し、初期駆動制御において、初期駆動信号印加制御を実行後、圧電素子１７に駆動信号を印加しない非印加制御を実行するため、圧電アクチュエーターＡの起動初期における電流量の多い期間における電力の消費を大幅に削減することができる。
また、非印加制御に切り替え後は、圧電アクチュエーターＡへの初期駆動信号の印加は終了するが、この切り替え後もローター２０は加速し、振動体１２の振動も続くことになるため、定常駆動制御に切り替えるタイミングを適切に設定すれば、ローター２０を所定距離移動させるための時間を、非印加期間があっても、駆動信号を入力し続けた場合と同程度に設定できる。このため、非印加期間を設けることで電流量が多くなる期間の駆動を避けることができ、かつ、定常駆動制御を適切なタイミングで開始することで、ローター２０を所定距離移動するまでの時間も短くなり、駆動信号を入力し続ける場合に比べて消費電力を大幅に低減できる。
【００５６】
定常駆動制御に切り替えるタイミングを、ローター２０の動作開始時から動作停止前までに設定することによって、振動体１２の減衰振動を利用しつつ、ローター２０が動いている状態、すなわち振動体１２の振動の軌跡がローター２０の駆動に適した形となっている状態で、定常駆動信号の印加を行うことができ、定常駆動信号の印加後すぐにローター２０を加速させることができる。これにより立ち上がりの印加時間が短縮され、電力消費を抑えることができる。
【００５７】
定常駆動制御に切り替えるタイミングを、ローター２０の動作開始直後に設定した場合には、ローター２０の動作距離を所定値まで早く到達させることができる。これにより所定値までの印加時間を短縮でき、電力の消耗を低減させることができる。
定常駆動制御に切り替えるタイミングを、初期駆動信号の印加により充電された圧電素子１７の放電完了時までに設定することによって、定常駆動信号を印加の際に、起動時のような急激な電流が流れるのを抑えることができ、電力を低減することができる。
これらのことから、本実施形態によれば、圧電アクチュエーターＡの起動時の効率を向上させることができる。また、本実施形態を実現するための回路を、印加と非印加のタイミングを決めるロジック回路で構成できるため、定電圧回路を設けるような場合と比較して回路サイズを小さくすることができる。
【００５８】
また、定常駆動制御への切り替えのタイミングを、初期駆動信号の印加によるローター２０の動作速度が所定値以上のタイミングとすれば、初期駆動信号の印加によるローター２０の動作速度が所定値以上の状態から定常駆動信号の印加による加速が開始されるため、ローター２０の所定速度までの印加時間が短縮され、電力消費を抑えることができる。
また、定常駆動制御への切り替えのタイミングを、振動体１２に設けた検出電極から得られる検出信号に基づき決定した場合には、より安定して被駆動体を起動することができる。
【００５９】
〔変形例〕
なお、本発明は、前記実施形態に限ったものではない。
例えば、定常駆動制御への切替タイミングは、タイマー回路などを用いて計測することに限ったものではなく、被駆動体であるローター２０の動作状態で判定（例えば、ローター２０に対して発光素子と受光素子を用いてローター２０の移動位置検出を光学的に行う光学的位置検出手段による判定）したり、圧電素子１７の放電状態で判定（例えば、電流計などによる圧電素子１７の電流を測定する電流測定手段による判定）したりしてもよい。また、この切替タイミングは、ローター２０の動作停止時まで、または初期駆動信号の印加により充電された圧電素子１７の放電完了時までに設定してもよい。
【００６０】
さらに、初期駆動信号の印加期間は、圧電素子１７に流れる電流を電流計などで検出し、その電流値が所定値に達するまでに設定してもよい。これにより、初期駆動信号を印加する際における圧電アクチュエーターＡの起動時の急激な電流増加を抑えることができ、消費電力も減らすことができる。
【００６１】
図１２は、定常駆動信号の印加を振動体１２の振動が停止する前、および圧電素子１７の放電完了前とし、さらに初期駆動信号の印加による電流値が所定値αを基準として、非印加制御に切り替えた場合における被駆動体（ローター２０）の速度変化、電流変化および振動体の振動の一例を示す。
図中、ａ点は初期駆動信号の印加・非印加の切替時であり、ｃ点は定常駆動信号の印加開始時（圧電素子１７の放電完了前）である。初期駆動信号の印加期間は、初期駆動信号の印加による電流が所定値αを超えない時間に設定されている。
【００６２】
図１０の場合と同様、「被駆動体の速度変化」に示すように、被駆動体の動作時に定常駆動信号を印加しているため、印加直後（ｃ点経過直後）の速度変化は、図４の場合よりも大きいことがわかる。また、「電力変化」に示すように、図５に示した電力の高い起動初期のほとんどを初期駆動信号の非印加期間としているため、大幅に電力を削減できることがわかる。また、「振動体の振動」に示すように、振動体１２の振動は、初期駆動信号の印加終了後も継続されることがわかる。
さらに、「電力変化」に示すように、圧電素子１７がある程度充電された状態で定常駆動信号を印加しているため、定常時の電流よりも大幅に高い電流が流れることがなく、電力を削減でき、電池への負担を少なくすることができる。
なお、初期駆動信号の印加により充電された圧電素子からの放電の変化は、図１２の「振動体の振動」の変化波形に類似しており、特に特に初期駆動信号の印加からｃ点までの変化波形により類似している。
【００６３】
また、前記実施形態では、初期駆動信号の出力を制御する初期パルスを１パルスで構成したが、これに限ったものではなく、初期パルスの構成は初期駆動信号の印加によってローター２０を駆動できるものであればよい。例えば、初期パルスを、複数パルスで構成することも可能である。
図１３は、初期パルスが複数パルスで構成される場合における被駆動体の速度変化、電力変化および振動体１２の振動の一例を示している。図１４は、図１３に示した変形例における駆動信号の波形を示す拡大図である。図中、ａ点は初期駆動信号印加制御から非印加制御への切替タイミングであり、ｂ点はローター２０の動作開始時であり、ｃ点は定常駆動制御への切替タイミング、すなわち振動体１２の振動が停止する前、および圧電素子１７の放電完了前の時点である。
【００６４】
図１３の初期駆動信号印加制御において、複数（この例では２つ）の初期パルスの各々のパルス幅は、例示すれば０．０５msec程度である。初期パルスは、前記実施形態のように別途生成してもよいし、他の回路で使用しているものを流用してもよい。ａ点までの複数の初期駆動信号の印加によって圧電アクチュエーターＡを充電し、放電しきる前のｃ点において通常駆動信号が印加されるため、「電力変化」に示すように、電力が少なくてもよく、ローター２０の駆動を早期に所定速度に達するようにすることができる。
初期駆動信号の印加により充電された圧電素子からの放電の変化は、図１３の「振動体の振動」の変化波形に類似しており、特に特に初期駆動信号の印加からｃ点までの変化波形により類似している。
【００６５】
なお、図１０、図１２、図１３において、定常駆動信号の印加（開始時）ｃ点は、初期駆動信号の印加によるローター２０（被駆動体）の動作速度が最大となる点であったが、それに限定されるものではなく、ローター２０が動作している間であればよい。すなわち、上記各図において、初期駆動信号の印加によるローター２０（被駆動体）の動作開始時ｂ点からその動作が停止するまでの間であればよい。その場合は、ローター２０（被駆動体）が動作中に定常駆動信号が印加されるので、ローター２０の動作が容易に促進され、早期に所定位置まで駆動される。
【００６６】
また、図１０、図１２、図１３において、定常駆動信号の印加（開始時）ｃ点は、初期駆動信号の印加によるローター２０（被駆動体）が駆動されるｂ点以降であって、圧電素子１７が放電完了前であれば、初期駆動信号の印加によるローター２０（被駆動体）が停止していてもよく、あるいは初期駆動信号の印加によるローター２０（被駆動体）の動作が停止する前であれば、圧電素子１７が放電完了していてもよい。
その場合、上記ｃ点において、ローター２０（被駆動体）が停止していても圧電素子１７が放電完了前であれば、定常駆動信号の印加により圧電素子への充電完了が早まり、振動体１２の振動が早期に促進される。また圧電素子１７が放電完了していても、ローター２０（被駆動体）の動作が継続中であれば、定常駆動信号の印加により振動体１２の振動に伴うローター２０（被駆動体）の動作が早期に促進される。
【００６７】
さらに、図１０、図１２、図１３において、定常駆動信号の印加（開始時）ｃ点は、初期駆動信号の印加によるローター２０（被駆動体）が駆動されるｂ点以降で、振動体１２の振動が停止する前、且つ圧電素子１７が放電完了する前に設定されていたが、それに限定されるものではない。
すなわち、図１０、図１２、図１３において、定常駆動信号の印加（開始時）ｃ点は、初期駆動信号の印加によるローター２０（被駆動体）が駆動されるｂ点以降ならば、圧電素子１７が放電完了前であれば、初期駆動信号の印加による振動体１２の振動が停止していてもよく、あるいは初期駆動信号の印加による振動体１２の振動が停止する前であれば、圧電素子１７が放電完了後であってもよい。
その場合、上記ｃ点において、振動体１２の振動が停止していても圧電素子１７が放電完了する前に定常駆動信号を印加すれば圧電素子への充電完了が早まり、振動体１２の振動を早期に促進させることができる。同様に、上記ｃ点において、圧電素子１７が放電完了後であっても振動体１２の振動が停止する前に定常駆動信号を印加すれば振動体１２の振動を即座に促進させることができる。
【００６８】
さらに、図１０〜図１４において、初期駆動信号印加制御の期間（初期パルスの期間）は、非印加制御の期間より短く設定されている。しかし、それに限定されることはない。状況によって、初期駆動信号印加制御の期間（初期パルスの期間）は、非印加制御の期間と同等でも、あるいは非印加制御の期間より長く設定されてもよい。
【００６９】
また図１０〜図１４において、初期パルス（単発、複数発を含む）の期間は、圧電素子に充電された電荷が放電するまでにローター２０（被駆動体）を駆動開始させる程度を必要とし、例えば０．０５ｍｓｅｃ程度以上である。
【００７０】
また、例えば、圧電素子１７の種類は、前述した振動動作が可能であれば特に前記実施形態で説明したものに限定されるものではない。例えば、長手方向と幅方向において駆動電極が２等分された構成により４つの駆動電極を備える圧電素子や、幅方向において３等分され、その３等分された電極の外側の２つがさらに長手方向において２等分された構成により５つの駆動電極を備える圧電素子であってもよい。これらを用いた場合には、対角方向の駆動電極（後者の場合は３分割したうち中心の駆動電極を含む。）に駆動信号を印加することによって、幅方向の中心部に設けられた振動体の突起部を振動させてローター２０を前記実施形態と同様に駆動することができる。この場合、駆動信号が印加される電極を他の対角方向の電極に変えることで、ローター２０に当接される突起部の振動による楕円状の回転の方向を変えることができる。すなわち、ローター２０の回転方向を変えることができる。
また、本発明の圧電アクチュエーターは、日車５０を駆動するものに限らず、指針２を駆動するものに利用してもよい。さらに、本発明は、電子時計における駆動機構として用いられるものに限らず、カメラのレンズ機構の駆動など、各種電子機器の駆動源としても利用できる。すなわち、本発明の圧電駆動装置を有する電子機器としては、例えば、表示針を圧電駆動装置で駆動する各種計器類や、ターンテーブルのように被駆動体を駆動させる電子機器などでもよい。特に、本発明の圧電駆動装置は、ステッピングモーターなどに比べて耐磁性能に優れているため、耐磁性が要求される駆動源として広く利用できる。
【符号の説明】
【００７１】
１…電子時計、８…２４時検出手段、９…電源、１０…日付表示機構、１２…振動体、１７…圧電素子、２０…ローター、３０…日回し中間車、４０…日回し車、５０…日車、１００…駆動制御装置、１０１…位相差−電圧変換回路、１０２…定電圧回路、１０３…比較回路、１０４…電圧調整回路、１０５…駆動回路、１０６…電圧制御発振器、１０７…振幅検出回路、Ａ…圧電アクチュエーター。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子を有しこの圧電素子への駆動信号の印加により振動する振動体を備えて前記振動体の振動を被駆動体に伝達する圧電アクチュエーターと、
前記圧電アクチュエーターへの駆動信号の印加を制御する駆動制御手段とを備え、
前記駆動制御手段は、
前記圧電アクチュエーターの起動初期に行う初期駆動制御と、初期駆動制御後に行う定常駆動制御とを実行可能に構成され、
前記初期駆動制御では、前記圧電素子に初期駆動信号を印加する初期駆動信号印加制御と、初期駆動信号印加制御を実行後、前記圧電素子に駆動信号を印加しない非印加制御とを実行し、
前記初期駆動信号印加制御から非印加制御に切り替えるタイミングは、前記初期駆動信号の印加による前記被駆動体の動作が開始されるまでに設定され、
前記初期駆動制御から前記定常駆動制御に切り替えるタイミングは、前記初期駆動信号の印加による前記被駆動体の動作開始時以降で、かつ、前記初期駆動信号の印加によって駆動される前記被駆動体の動作停止時および／または前記初期駆動信号の印加により充電された前記圧電素子の放電完了時までに設定されている
ことを特徴とする圧電駆動装置。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電駆動装置において、
前記定常駆動制御への切り替えのタイミングは、前記初期駆動信号の印加による前記被駆動体の動作速度が所定値以上となるとなるタイミングに設定されていることを特徴とする圧電駆動装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の圧電駆動装置において、
前記初期駆動信号の印加期間は、前記初期駆動信号の電流が所定値以下となるように設定されていることを特徴とする圧電駆動装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の圧電駆動装置において、
前記初期駆動信号は、デューティー比が５０％の交番信号で構成されていることを特徴とする圧電駆動装置。
【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駆動装置において、
前記定常駆動制御への切り替えのタイミングを、前記振動体に設けた検出電極から得られる検出信号に基づき決定することを特徴とする圧電駆動装置。
【請求項６】
圧電素子を有しこの圧電素子への駆動信号の印加により振動する振動体を備えて前記振動体の振動を被駆動体に伝達する圧電アクチュエーターを駆動する圧電駆動方法であって、
前記圧電アクチュエーターの起動初期に行う初期駆動制御と、初期駆動制御後に行う定常駆動制御とを実行し、
前記初期駆動制御では、前記圧電素子に初期駆動信号を印加する初期駆動信号印加制御と、初期駆動信号印加制御を実行後、前記圧電素子に駆動信号を印加しない非印加制御とを実行し、
前記初期駆動信号印加制御から非印加制御に切り替えるタイミングを、前記初期駆動信号の印加による前記被駆動体の動作が開始されるまでに設定し、
前記初期駆動制御から前記定常駆動制御に切り替えるタイミングを、前記初期駆動信号の印加による前記被駆動体の動作開始時以降で、かつ、前記初期駆動信号の印加によって駆動される前記被駆動体の動作停止時および／または前記初期駆動信号の印加により充電された前記圧電素子の放電完了時までに設定する
ことを特徴とする圧電駆動方法。
【請求項７】
圧電素子を有する振動体を備えた圧電アクチュエーターと、請求項１から請求項５のいずれかに記載の圧電駆動装置と、を備えたことを特徴とする電子機器。
【請求項１】
圧電素子を有しこの圧電素子への駆動信号の印加により振動する振動体を備えて前記振動体の振動を被駆動体に伝達する圧電アクチュエーターと、
前記圧電アクチュエーターへの駆動信号の印加を制御する駆動制御手段とを備え、
前記駆動制御手段は、
前記圧電アクチュエーターの起動初期に行う初期駆動制御と、初期駆動制御後に行う定常駆動制御とを実行可能に構成され、
前記初期駆動制御では、前記圧電素子に初期駆動信号を印加する初期駆動信号印加制御と、初期駆動信号印加制御を実行後、前記圧電素子に駆動信号を印加しない非印加制御とを実行し、
前記初期駆動信号印加制御から非印加制御に切り替えるタイミングは、前記初期駆動信号の印加による前記被駆動体の動作が開始されるまでに設定され、
前記初期駆動制御から前記定常駆動制御に切り替えるタイミングは、前記初期駆動信号の印加による前記被駆動体の動作開始時以降で、かつ、前記初期駆動信号の印加によって駆動される前記被駆動体の動作停止時および／または前記初期駆動信号の印加により充電された前記圧電素子の放電完了時までに設定されている
ことを特徴とする圧電駆動装置。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電駆動装置において、
前記定常駆動制御への切り替えのタイミングは、前記初期駆動信号の印加による前記被駆動体の動作速度が所定値以上となるとなるタイミングに設定されていることを特徴とする圧電駆動装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の圧電駆動装置において、
前記初期駆動信号の印加期間は、前記初期駆動信号の電流が所定値以下となるように設定されていることを特徴とする圧電駆動装置。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載の圧電駆動装置において、
前記初期駆動信号は、デューティー比が５０％の交番信号で構成されていることを特徴とする圧電駆動装置。
【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駆動装置において、
前記定常駆動制御への切り替えのタイミングを、前記振動体に設けた検出電極から得られる検出信号に基づき決定することを特徴とする圧電駆動装置。
【請求項６】
圧電素子を有しこの圧電素子への駆動信号の印加により振動する振動体を備えて前記振動体の振動を被駆動体に伝達する圧電アクチュエーターを駆動する圧電駆動方法であって、
前記圧電アクチュエーターの起動初期に行う初期駆動制御と、初期駆動制御後に行う定常駆動制御とを実行し、
前記初期駆動制御では、前記圧電素子に初期駆動信号を印加する初期駆動信号印加制御と、初期駆動信号印加制御を実行後、前記圧電素子に駆動信号を印加しない非印加制御とを実行し、
前記初期駆動信号印加制御から非印加制御に切り替えるタイミングを、前記初期駆動信号の印加による前記被駆動体の動作が開始されるまでに設定し、
前記初期駆動制御から前記定常駆動制御に切り替えるタイミングを、前記初期駆動信号の印加による前記被駆動体の動作開始時以降で、かつ、前記初期駆動信号の印加によって駆動される前記被駆動体の動作停止時および／または前記初期駆動信号の印加により充電された前記圧電素子の放電完了時までに設定する
ことを特徴とする圧電駆動方法。
【請求項７】
圧電素子を有する振動体を備えた圧電アクチュエーターと、請求項１から請求項５のいずれかに記載の圧電駆動装置と、を備えたことを特徴とする電子機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１０−２２０２９７（Ｐ２０１０−２２０２９７Ａ）
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−６１２２５（Ｐ２００９−６１２２５）
【出願日】平成２１年３月１３日（２００９．３．１３）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１３日（２００９．３．１３）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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