JP2019058848A - 振動ユニット - Google Patents

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Abstract

【課題】 制御回路の簡略化が図られた振動ユニットを提供する。【解決手段】 振動ユニット１０では、制御部６０のセンサ回路６１は、第１極６２が第１の圧電素子３２Ａの第１の外部電極３８ａと電気的に接続され、第２極６３が第１の圧電素子３２Ａの第２の外部電極３８ｂと電気的に接続されており、駆動回路６４は、第１極６５が第２の圧電素子３２Ｂの第１の外部電極３８ａと電気的に接続され、第２極６６が第２の圧電素子３２Ｂの第２の外部電極３８ｂと電気的に接続されている。センサ回路６１には、第１の圧電素子３２Ａの撓みに起因して生じる起電力に伴う比較的小さな電圧のみが付加される。また、駆動回路６４には、第２の圧電素子３２Ｂに対して印加される比較的大きな駆動電圧のみが付加される。そのため、制御部６０に、スイッチング回路等を別途に設ける必要がなく、制御部６０を簡略な制御回路で構成し得る。【選択図】 図６

Description

本発明は、振動ユニットに関する。
従来より、圧電素子を繰り返し伸縮させて、その伸縮を振動に変換する技術が知られている。下記引用文献１には、オーバーレイを指で押下した際の圧力を検知するとともに、オーバーレイに触知可能な振動を生じさせるシート状の圧電素子を備えた振動ユニットが開示されている。
特表２０１５−５２７７２４号公報 欧州特許出願公開第３０１８８２５号明細書
上述した従来技術に係る振動ユニットにおいては、上記の機能を実現するためには、圧電素子の撓みに起因して生じる起電力を検出するセンサ回路と、圧電素子に対して所定の駆動電圧を印加する駆動回路とが必要である。
ただし、センサ回路における起電力の電圧値（たとえば数ボルト）に比べて、駆動回路において印加される駆動電圧の電圧値（たとえば数十〜数百ボルト）が大きく、駆動回路の高電圧の電流がセンサ回路へ流れ込む事態を回避する必要がある。そのためには、図８に示すように、センサ回路と駆動回路とを切り替えるスイッチング回路を別途設けたり、その他の保護回路を別途設けたりする必要があり、この場合には振動ユニットを制御する制御回路が複雑化する一因となり得る。
本発明は、制御回路の簡略化が図られた振動ユニットを提供することを目的とする。
本発明の一形態に係る振動ユニットは、シート状の第１の圧電素子と、該第１の圧電素子に対して平行に延在するシート状の第２の圧電素子と、一方の主面に第１の圧電素子が配置されるとともに他方の主面に第２の圧電素子が配置される振動板とを有する振動デバイスと、第１の圧電素子に生じた起電力を検出するセンサ回路と、該センサ回路において起電力を検出したときに第２の圧電素子に対して駆動電圧を印加する駆動回路とを有する制御部とを備え、第１の圧電素子および第２の圧電素子のそれぞれが、振動板の厚さ方向において第１の外部電極と第２の外部電極とで圧電体を挟んだ構成を有しており、センサ回路は、第１極が第１の圧電素子の第１の外部電極と電気的に接続され、第２極が第１の圧電素子の第２の外部電極と電気的に接続されており、駆動回路は、第１極が第２の圧電素子の第１の外部電極と電気的に接続され、第２極が第２の圧電素子の第２の外部電極と電気的に接続されている。
上記振動ユニットにおいては、センサ回路には、第１の圧電素子の撓みに起因して生じる起電力に伴う比較的小さな電圧のみ付加され、駆動回路には、第２の圧電素子に対して印加される比較的大きな駆動電圧のみが付加される。そのため、振動ユニットを制御する制御部に、スイッチング回路等を別途に設ける必要がなく、制御部を簡略な制御回路で構成することができる。
他の形態に係る振動ユニットは、振動板が導電性を有する材料で構成されており、振動板側に位置する第１の圧電素子の第２の外部電極および第２の圧電素子の第２の外部電極が、振動板と電気的に接続されており、センサ回路の第２極および駆動回路の第２極が、振動板に接続されている。この場合、センサ回路の第２極および駆動回路の第２極の接続箇所に関し、設計自由度が向上する。
他の形態に係る振動ユニットは、振動板に対して平行に延在する板状の第１ケース部と、該第１ケース部に対して平行に延在する板状の第２ケース部とをさらに備え、振動デバイスが、第１ケース部の第２ケース部側に配置されるとともに、第２ケース部により支持されており、第１の圧電素子の第１の外部電極が、第１ケース部の第２ケース部側の主面に接している。この場合、第１ケース部に対する接触を第１の圧電素子とセンサ回路とで検出したときに、駆動回路により第２の圧電素子を伸縮させて振動板に振動を生じさせることができる。
他の形態に係る振動ユニットは、振動板の厚さ方向から見て、第２の圧電素子の外形が、第１の圧電素子の外形よりも大きい。この場合、第２の圧電素子の外形が第１の圧電素子の外形と等しい場合に比べて、駆動回路により駆動電圧が印加された際の第２の圧電素子の伸縮量が大きくなり、第２の圧電素子の伸縮に伴う振動板の振動の振幅をより高めることができる。
本発明によれば、制御回路の簡略化が図られた振動ユニットが提供される。
図１は、実施形態に係る振動ユニットの裏面を示した概略斜視図である。 図２は、図１に示した振動ユニットの分解斜視図である。 図３は、図１の示した振動ユニットの表面を示した概略斜視図である。 図４は、図３の振動ユニットのＩＶ−ＩＶ線断面図である。 図５は、図３の振動ユニットのＶ−Ｖ線断面図である。 図６は、振動デバイスの具体的構成および振動デバイスと制御部との電気的接続を示した図である。 図７は、図５の要部拡大図である。 図８は、従来技術に係る振動ユニットの回路構成を示した図である。
以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、同一又は同等の要素については同一の符号を付し、説明が重複する場合にはその説明を省略する。
まず、実施形態に係る振動ユニット１０の全体構成について、図１〜３を参照しつつ説明する。
振動ユニット１０は、板状の第１ケース部材（第１ケース部）２０を備えている。第１ケース部材２０は、一方の主面２０ａがたとえば人間の指等で接触可能な状態で構成されている。第１ケース部材２０の一方の主面２０ａには、図３に示すように、複数の接触領域２２が設けられている。本実施形態では、第１ケース部材２０の主面２０ａに、正方形状の９つの接触領域２２がマトリクス状に配置されている。第１ケース部材２０は、接触領域２２に接触したときに十分な撓み変形が生じる程度に、比較的低い弾性係数を有している。第１ケース部材２０は、たとえばポリカーボネート等の樹脂材料で構成することができる。
以下、説明の便宜上、第１ケース部材２０の主面２０ａの接触領域２２の並び方向のうちの一方をＸ方向、他方をＹ方向と称し、第１ケース部材２０の厚さ方向をＺ方向と称す。
振動ユニット１０は、板状の第２ケース部材（第２ケース部）４０を備えている。第２ケース部材４０は、第１ケース部材２０と所定距離だけ離間して、第１ケース部材２０に対して平行に延在している。第２ケース部材４０には、第１ケース部材２０の各接触領域２２に対応する領域が開口されており、開口された部分が貫通孔４２となっている。すなわち、各貫通孔４２は、接触領域２２同様、Ｚ方向から見て正方形状を呈する。第２ケース部材４０は、たとえばアクリル等の樹脂材料で構成することができる。
図４、５にしめすように、第１ケース部材２０と第２ケース部材４０との間において、第１ケース部材２０の他方の主面２０ｂには、複数の振動デバイス３６が配置されている。本実施形態では、上記接触領域２２および貫通孔４２に対応する位置に、９つの振動デバイス３６が配置されている。各振動デバイス３６は、一対の圧電素子３２Ａ、３２Ｂと振動板３４とで構成されている。
振動板３４は、長辺および短辺を有する長方形の板状部材である。振動板３４は、導電性を有する材料で構成されており、たとえばニッケル合金やステンレス鋼で構成することができる。振動板３４は、単層または複数層で構成することができる。複数の振動板３４は、図２に示すように、いずれも長辺方向が同一方向、すなわちＸ方向を向くように配置されている。各振動板３４は、図４に示すように、その短辺長さｄ１が貫通孔４２の正方形の一辺の長さＬより短くなるように設計されており、かつ、図５に示すように、その長辺長さｄ２が貫通孔４２の正方形の一辺の長さＬより長くなるように設計されている。各振動板３４は、振動板３４の両方の短辺部分のみにおいて貫通孔４２の縁部４２ａと対面する。
一対の圧電素子３２Ａ、３２Ｂはいずれもシート状であり、振動板３４を挟むように配置されている。具体的には、一方の圧電素子（以下、第１の圧電素子とも称す。）３２Ａが振動板３４の一方の主面３４ａに配置されており、他方の圧電素子（以下、第２の圧電素子とも称す。）３２Ｂが振動板３４の他方の主面３４ｂに配置されている。一対の圧電素子３２Ａ、３２はいずれも、振動板３４の中央位置、すなわち振動板３４の長辺方向および短辺方向において中間の位置に配置されている。
各圧電素子３２Ａ、３２Ｂは、図６に示すように、振動板３４の厚さ方向（Ｚ方向）において板状の圧電体３７を第１の外部電極３８ａと第２の外部電極３８ｂとで挟んだ構成を有している。圧電体３７は、圧電体層の単層構造とすることができ、圧電体層と内部電極層とがＺ方向において交互に積層された複数層構造とすることもできる。圧電素子３２Ａ、３２Ｂの第２の外部電極３８ｂそれぞれは、振動板３４側に位置しており、導電層３９を介して振動板３４と電気的かつ物理的に接続されている。第１の圧電素子３２Ａの第１の外部電極３８ａは、全面に第１ケース部材２０の第２ケース部材側の主面２０ｂに直接接している。
第１の圧電素子３２Ａは、制御部６０に含まれるセンサ回路６１と電気的に接続されている。具体的には、センサ回路６１の第１極６２が第１の圧電素子３２Ａの第１の外部電極３８ａと電気的に接続されており、センサ回路６１の第２極６３は、振動板３４と接続され、振動板３４を介して第１の圧電素子３２Ａの第２の外部電極３８ｂと電気的に接続されている。第１の圧電素子３２Ａでは、圧電体３７に屈曲等の変位が生じたときの起電力に伴って一対の外部電極３８ａ、３８ｂ間に電位差が生じる。制御部６０のセンサ回路６１は、上述した第１の圧電素子３２Ａの起電力に起因して外部電極３８ａ、３８ｂ間に生じる電位差を検出できるように構成されている。
第２の圧電素子３２Ｂは、制御部６０に含まれる駆動回路６４と電気的に接続されている。具体的には、駆動回路６４の第１極６５が第２の圧電素子３２Ｂの第１の外部電極３８ａと電気的に接続されており、駆動回路６４の第２極６６は、振動板３４と接続され、振動板３４を介して第２の圧電素子３２Ｂの第２の外部電極３８ｂと電気的に接続されている。
第２の圧電素子３２Ｂは、一対の外部電極３８ａ、３８ｂ間に所定の電圧を印加したときに面方向（Ｘ−Ｙ面に平行な方向）に伸縮する。制御部６０の駆動回路６４は、センサ回路６１において上記起電力を検出したときに、第２の圧電素子３２Ｂの外部電極３８ａ、３８ｂ間に駆動電圧を印加して第２の圧電素子３２Ｂを伸縮させることができるように構成されている。第２の圧電素子３２ＢがＸ−Ｙ平面に平行な方向に伸縮すると、第２の圧電素子３２Ｂに接着された振動板３４がＺ方向に屈曲する。本実施形態では、振動板３４が長方形状であり、短辺長さｄ１よりも長辺長さｄ２が長いため、振動板３４には短辺よりも長辺が大きく曲がるような屈曲が生じる。
駆動回路６４が、第２の圧電素子３２Ｂの外部電極３８ａ、３８ｂ間に周期的に電圧を印加すると、第２の圧電素子３２Ｂの圧電体３７におけるＸ−Ｙ平面に平行な方向の伸縮が繰り返され、それに伴って振動板３４がＺ方向に繰り返し屈曲され、その結果、振動デバイス３６にＺ方向の振動が生じる。本実施形態では、振動板３４が長方形状であり、短辺長さｄ１よりも長辺長さｄ２が長いため、長辺方向（Ｘ方向）において大きな振幅が得られる振動が生じる。
なお、制御部６０は、ＣＰＵや各種電気素子を含む回路で構成することができる。
また、第１ケース部材２０と第２ケース部材４０は、所定距離だけ離間されて、接着部５０により接着されている。接着部５０は、たとえば両面テープや、紫外線硬化型接着剤等の接着材料で構成されている。接着部５０は、たとえば貫通孔４２周りに形成され得る。接着部５０は、振動デバイス３６の振動板３４の振動を阻害しないように、振動板３４とは離間して形成される。
続いて、上述した振動ユニット１０の動作について説明する。
図７に示すように、振動ユニット１０の第１ケース部材２０のいずれかの接触領域２２が、たとえば指で押下される等して第２ケース部材４０側に撓むと、その撓みに応じて第１ケース部材２０の主面２０ｂに接する第１の圧電素子３２Ａが撓む。それにより、第１の圧電素子３２Ａの圧電体３７に起電力が生じて、一対の外部電極３８ａ、３８ｂ間に電位差が生じる。制御部６０のセンサ回路６１は、第１の圧電素子３２Ａの一対の外部電極間３８ａ、３８ｂに生じた電位差を検知することで、特定の接触領域２２が接触されたことを検出する。
制御部６０は、センサ回路６１が接触領域２２における接触を検出すると、駆動回路６４を用いて、接触された接触領域２２に対応する振動デバイス３６を駆動させる。具体的には、駆動回路６４から振動デバイス３６に対して周期的な駆動電圧（たとえば矩形波や三角波等の波形の駆動電圧）を印加する。すると、上述したように振動デバイス３６の振動板３４にＺ方向の振動が生じ、それに伴って振動する振動デバイス３６に対応する第１ケース部材２０の接触領域２２もＺ方向に振動する。すなわち、撓みが生じた接触領域２２のみが選択的に振動する。このとき、接触領域２２には指等で触知され得る程度の振動が生じる。
なお、制御部６０は、駆動回路６４が第２の圧電素子３２Ｂを駆動したときの振動板３４の振動を、第１の圧電素子３２Ａとセンサ回路６１とにより検出してもよい。この場合、制御部６０は、駆動回路６４が第２の圧電素子３２Ｂを駆動したときに、振動板３４が実際に振動しているかどうかを確認（セルフチェック）することができる。このようなセルフチェックにより、駆動回路６４および第２の圧電素子３２Ｂの故障や動作不良を検出することができる。
第１ケース部材２０は、接触領域２２において十分な撓み量が生じるように、また、振動デバイス３６の振動が効率良く伝播されるように、比較的低い弾性係数を有するように設計され得る。一方、第２ケース部材４０は、振動デバイス３６を支持するために、比較的高い弾性係数を有するように設計され得る。本実施形態では、第１ケース部材２０の弾性係数が、第２ケース部材４０の弾性係数よりも低くなるように設計されている。
上述したとおり、振動ユニット１０においては、第１の圧電素子３２Ａおよび第２の圧電素子３２Ｂのそれぞれが、Ｚ方向において第１の外部電極３８ａと第２の外部電極３８ｂとで圧電体３７を挟んだ構成を有しており、制御部６０のセンサ回路６１は、第１極６２が第１の圧電素子３２Ａの第１の外部電極３８ａと電気的に接続され、第２極６３が第１の圧電素子３２Ａの第２の外部電極３８ｂと振動板３４を介して電気的に接続されており、駆動回路６４は、第１極６５が第２の圧電素子３２Ｂの第１の外部電極３８ａと電気的に接続され、第２極６６が第２の圧電素子３２Ｂの第２の外部電極３８ｂと振動板３４を介して電気的に接続されている。
したがって、振動ユニット１０では、センサ回路６１に、第１の圧電素子３２Ａの撓みに起因して生じる起電力に伴う比較的小さな電圧のみが付加される。また、駆動回路６４に、第２の圧電素子３２Ｂに対して印加される比較的大きな駆動電圧のみが付加される。そのため、振動ユニット１０を制御する制御部６０に、スイッチング回路等を別途に設ける必要がなく、制御部６０を簡略な制御回路で構成することができる。
センサ回路６１の第２極６３および駆動回路６４の第２極６６は、第１の圧電素子３２Ａの第２の外部電極３８ｂおよび第２の圧電素子３２Ｂの第２の外部電極３８ｂに接続してもよい。ただし、図６に示すように、第２の外部電極３８ｂの露出面積が小さい場合には接続が困難である場合があり得る。その場合、比較的大きな露出面積が確保され得る振動板３４を接続箇所として利用することが考えられる。すなわち、振動板３４を導電性を有する材料で構成するとともに、振動板３４と第２の外部電極３８ｂとの導通を図ることで、振動板３４を第２極６３、６６との接続箇所として利用することができ、この場合には接続箇所の設計自由度が向上する。
なお、振動ユニット１０は、Ｚ方向から見て、第２の圧電素子３２Ｂの外形が、第１の圧電素子３２Ａの外形よりも大きくなるように設計することができる。この場合、第２の圧電素子３２Ｂの外形が第１の圧電素子３２Ａの外形と等しい場合に比べて、駆動回路６４により駆動電圧が印加された際の第２の圧電素子３２Ｂの伸縮量が大きくなる。この場合、第２の圧電素子３２Ｂの伸縮に伴う振動板３４の振動の振幅をより高めることができる。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他に適用してもよい。
上述した実施形態では、第１ケース部材と第２ケース部材とが別体で構成された態様を示しているが、第１ケース部材と第２ケース部材とが一体的に構成された態様であってもよい。
また、第２ケース部材に設けられた貫通孔は、振動板の屈曲を許容する空間が確保される構成であれば、振動板から離れる側に窪んだ窪み部であってもよい。
１０…振動ユニット、２０…第１ケース部材、３２Ａ…第１の圧電素子、３２Ｂ…第２の圧電素子、３７…圧電体、３８ａ…第１の外部電極、３８ｂ…第２の外部電極、３４…振動板、３６…振動デバイス、４０…第２ケース部材、６０…制御部、６１…センサ回路、６４…駆動回路。

Claims (4)

  1. シート状の第１の圧電素子と、該第１の圧電素子に対して平行に延在するシート状の第２の圧電素子と、一方の主面に前記第１の圧電素子が配置されるとともに他方の主面に前記第２の圧電素子が配置される振動板とを有する振動デバイスと、
    前記第１の圧電素子に生じた起電力を検出するセンサ回路と、該センサ回路において前記起電力を検出したときに前記第２の圧電素子に対して駆動電圧を印加する駆動回路とを有する制御部と
    を備え、
    前記第１の圧電素子および前記第２の圧電素子のそれぞれが、前記振動板の厚さ方向において第１の外部電極と第２の外部電極とで圧電体を挟んだ構成を有しており、
    前記センサ回路は、第１極が前記第１の圧電素子の前記第１の外部電極と電気的に接続され、第２極が前記第１の圧電素子の前記第２の外部電極と電気的に接続されており、
    前記駆動回路は、第１極が前記第２の圧電素子の前記第１の外部電極と電気的に接続され、第２極が前記第２の圧電素子の前記第２の外部電極と電気的に接続されている、振動ユニット。
  2. 前記振動板が導電性を有する材料で構成されており、
    前記振動板側に位置する前記第１の圧電素子の前記第２の外部電極および前記第２の圧電素子の前記第２の外部電極が、前記振動板と電気的に接続されており、
    前記センサ回路の前記第２極および前記駆動回路の前記第２極が、前記振動板に接続されている、請求項１に記載の振動ユニット。
  3. 前記振動板に対して平行に延在する板状の第１ケース部と、該第１ケース部に対して平行に延在する板状の第２ケース部とをさらに備え、
    前記振動デバイスが、前記第１ケース部の第２ケース部側に配置されるとともに、前記第２ケース部により支持されており、
    前記第１の圧電素子の前記第１の外部電極が、前記第１ケース部の前記第２ケース部側の主面に接している、請求項１または２に記載の振動ユニット。
  4. 前記振動板の厚さ方向から見て、前記第２の圧電素子の外形が、前記第１の圧電素子の外形よりも大きい、請求項３に記載の振動ユニット。
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