JP2019146294A - 振動アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】限られた長さの圧電素子などの伸縮素子を用いて、操作パネルなどの板状パネルの広範囲に所定の振幅の振動を発生させる振動アクチュエータを提供する。【解決手段】伸縮素子Ａに連結部材Ｃを一体に連結した振動ユニット２の両端２ａ、２ｃを板状パネルＢの背面又は表面に固着し、伸縮素子Ａの伸縮によって湾曲する板状パネルＢの長手方向幅を拡大させ、長手方向に直交する湾曲方向の振幅ｗを拡大させる。【選択図】図１

Description

本発明は、電界や磁界を加えて伸縮する伸縮素子を板状パネルに固着し、板状パネルを伸縮素子の伸縮方向に対して直交する方向に振動させる振動アクチュエータに関する。

チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電材料に電界を加えて逆圧電効果で伸縮する圧電素子や、鉄ガリウム合金等の磁歪材料に磁界を加えて磁歪効果で伸縮する磁歪素子が振動発生源となる振動アクチュエータに用いられている。これらの振動素子の例えば圧電素子は、変位を拘束しながら電界を加えると、数１００Ｎの力が発生する一方で、伸縮変位自体はわずかであるので、小型であっても、より大きな振動を発生させて感知可能とするように、変位を拡大させた振動アクチュエータ１００が特許文献１、特許文献２等で開示されている。

この振動アクチュエータ１００は、図１２に示すように、一対の圧電素子１０１、１０２の向かい合う各一端１０１ａ、１０２ａを転がりジョイント若しくは回転自在に繋いで出力節点１０３とするとともに、各他端１０１ｂ、１０２ｂを通常の圧電素子１０１、１０２の長さの和より短い間隔の構造体１１０に回転自在にヒンジ結合している。圧電素子１０１、１０２が伸張するように図示しない電極に電圧を印加すると、伸張方向に拘束された圧電素子１０１、１０２の座屈現象によって、個々の圧電素子１０１、１０２の変位に対して出力節点１０３に拡大した変位を発生させることができる。

また、伸縮素子を用いた振動アクチュエータは、入力操作が検出されたことを、操作パネルの振動により操作パネルに接触する指へ伝えるいわゆるフォースフィードバック型タッチパネル１２０にも用いられている（特許文献３）。フォースフィードバック型タッチパネル１２０の震動源として用いられる振動アクチュエータは、図１３に示すように、表面と背面に一組の駆動電極１２１ａ、１２１ｂが貼り付けられた細長帯状の圧電基板１２１で構成され、表面の全体がタッチパネル１２０の操作パネル１２３の背面に固着されている。

タッチパネル１２０が操作パネル１２３への入力操作を検出すると、一組の駆動電極１２１ａ、１２１ｂへ交流の駆動電圧を印加し、圧電基板１２１を圧電素子の逆圧電効果で伸縮させる。これにより、圧電基板１２１の歪みが圧電基板１２１と一体の操作パネル１２３に伝達され、操作パネル１２３が圧電基板１２１の伸縮方向に対して直交する方向に振動し、その振動でタッチパネル１２０の操作者は入力操作が行われたことを確認する。

圧電基板１２１は、細長帯状に形成することにより、少ない材料でより大きな振幅の振動が得られ、また、細長帯状とした一対の圧電基板１２１を、それぞれ長方形の操作パネル１２３の長手方向に沿った辺に沿って固着することにより、操作パネル１２３の全体を大きな振幅で振動させることができる。

この圧電基板から構成される振動アクチュエータ１２１によれば、細長帯状の圧電基板を固着するだけなので、装置全体が複雑大型化することなく、また、振動の伝達によるエネルギーロスや伝達時間の遅れがなく、操作パネル１２３を感知可能な振幅で振動させることができる。

しかしながら、タッチパネル１２０には、大型の入力操作面の操作パネル１２３が望まれる一方で、圧電基板１２１は高価であるので、大型化して辺の長さが長くなる操作パネル１２３に合わせた長さの圧電基板１２１を得ることができなかった。そこで本願出願人は、限られた長さの一対の圧電基板を操作パネルの対角位置の長辺に沿って固着することにより、大型の操作パネルであっても、できる限り広い入力操作面の領域を大きな振幅で振動させるタッチパネルを開発した（特許文献４）。

特表２０１３−５１１２５４号公報 特開２０１５−１９８４９０号公報 特許３７９８２８７号公報 特開２００３−１２２５０７号公報

振動アクチュエータ１００は、一対の圧電素子１０１、１０２の向かい合う各一端１０１ａ、１０２ａを出力節点１０３で回転自在に結合するとともに、各他端１０１ｂ、１０２ｂを構造体１１０にヒンジ結合する複雑な構造であり、板状パネルを振動させるには、出力節点１０３と各他端１０１ｂ、１０２ｂを板状パネルに回転自在に固定する必要があるので、振動させる機構全体が複雑、大型化する。

また、板状パネルを振動させる他端１０１ｂ、１０２ｂ間の間隔に応じた長さの圧電素子１０１、１０２を用いる必要があるので、大型化した板状パネルの全体を振動させるには、装置全体が極めて高価なものとなる。

フォースフィードバック型タッチパネル１２０に用いられる圧電基板から構成される振動アクチュエータ１２１についても、振動させる操作パネル１２３が大型化すると、限られた長さの圧電基板では、操作パネル１２３の全ての入力操作領域で感知できるほどの振動を発生させることができず、全ての入力操作領域で振動させるには、少なくとも操作パネル１２３の長手方向の長さの圧電基板を用いる必要があり、極めて高価なものとなり、実用に適さない。

本発明は、このような従来の問題点を考慮してなされたものであり、限られた長さの圧電素子などの伸縮素子を用いて、操作パネルなどの板状パネルの広範囲に所定の振幅の振動を発生させる振動アクチュエータを提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、請求項１の振動アクチュエータは、細長に形成され、長手方向に伸縮する伸縮素子と、伸縮素子の長手方向の少なくとも一方に連結する連結部材とを備え、長手方向に沿って連結された伸縮素子と連結部材とから全体が細長に一体に形成された振動ユニットの長手方向の一端と他端を、板状パネルの表面もしくは背面に固着し、伸縮素子を伸縮させて、板状パネルを長手方向と直交する方向に振動させることを特徴とする。

伸縮素子を伸縮させた際に、振動ユニットの両端で板状パネルに発生する力は、伸縮素子の両端を固着させた場合に板状パネルに発生する力にほぼ等しく、両者の板状パネルはほぼ同一の曲率で湾曲する。一方、振動ユニットの両端を弦とする矢高は、伸縮素子の両端を弦とする矢高に対して長いので、同一長さの伸縮素子を用いても、板状パネルの振動の振幅が拡大する。

請求項２の振動アクチュエータは、伸縮素子が、細長板状の圧電素子であり、圧電素子は、圧電逆効果によって長手方向に伸縮することを特徴とする。

細長板状の圧電素子にその長手方向に沿って連結部材を連結した振動ユニットの両端を板状パネルに固着するだけで、板状パネルに拡大させた振幅の振動が発生する。

また、請求項３の振動アクチュエータは、圧電素子Ａの長手方向に直交する縦断面積をＳ_Ａ、長手方向の長さをＬ_１、ヤング率をＥ_Ａ、長手方向の伸縮力をＰ、板状パネルＢの長手方向に直交する縦断面積をＳ_Ｂ、振動ユニットとの積層方向の板状パネルＢの厚さをｔ_Ｂ、ヤング率をＥ_Ｂ、連結部材Ｃの長手方向に直交する縦断面積をＳ_Ｃ、長手方向の長さをＬ_２、ヤング率をＥ_Ｃとして、
圧電素子Ａの長手方向の一端と他端を、板状パネルＢの表面もしくは背面に固着し、圧電素子Ａの長手方向に伸縮力Ｐを発生させた際に湾曲する板状パネルＢの

から算出される曲率半径ｒ_０と、
圧電素子Ａと連結部材Ｃが連結された振動ユニットの長手方向の一端と他端を、板状パネルＢの表面もしくは背面に固着し、圧電素子Ａの長手方向に伸縮力Ｐを発生させた際に湾曲する板状パネルＢの

から算出される曲率半径ｒ_１が、

を満たすことを特徴とする。

圧電素子Ａの長手方向の一端と他端を、板状パネルＢの表面もしくは背面に固着し、圧電素子Ａの長手方向に伸縮力Ｐを発生させた際に、圧電素子Ａの一端と他端が固着する板状パネルＢの部位に発生する力Ｐ_Ｂ０は、

であり、その間の板状パネルＢには、

で算出される曲げモーメントＭ_０が均一に働く。
板状パネルＢの中立軸に関する断面二次モーメントをＩ_Ｂとして、曲げモーメントＭ_０を受けて湾曲する板状パネルＢの曲率半径ｒ_０は、

であり、高さｔ_Ｂ、縦断面積Ｓ_Ｂの長方形断面の板状パネルＢの中立軸に関する断面二次モーメントＩ_Ｂは、Ｓ_Ｂｔ_Ｂ ^２／１２であるので、板状パネルＢの曲率半径ｒ_０は、

から算出される。
この板状パネルＢは、圧電素子Ａの一端と他端が固着する部位の間を弦として曲率半径ｒ_０で湾曲し、弦の長さは、圧電素子Ａの長手方向の長さＬ_１であるので、湾曲する板状パネルＢの最大振幅ｗ_０は、曲率半径ｒ_０で湾曲する円弧の弦の長さＬ_１上の矢高に等しく、

で表される。

一方、圧電素子Ａと連結部材Ｃが連結された振動ユニットの長手方向の一端と他端を、板状パネルＢの表面もしくは背面に固着し、圧電素子Ａの長手方向に伸縮力Ｐを発生させた際に、振動ユニットの一端と他端が固着する板状パネルＢの部位に発生する力Ｐ_Ｂ１は、

であり、その間の板状パネルＢには、

で算出される曲げモーメントＭ_１が均一に働く。
長方形断面の板状パネルＢの中立軸に関する断面二次モーメントＩ_Ｂは、Ｓ_Ｂｔ_Ｂ ^２／１２であり、曲げモーメントＭ１を受けて湾曲する板状パネルＢの曲率半径ｒ_１は、

であるので、板状パネルＢの曲率半径ｒ_１は、

から算出される。
この板状パネルＢは、振動ユニットの一端と他端が固着する部位の間を弦として曲率半径ｒ_１で湾曲し、弦の長さは振動ユニットの長手方向の長さ（Ｌ_１＋Ｌ_２）であるので、湾曲する板状パネルＢの最大振幅ｗ_１は、曲率半径ｒ_０で湾曲する円弧の弦の長さ（Ｌ_１＋Ｌ_２）上の矢高に等しく、

で表される。

従って、圧電素子Ａと板状パネルＢと連結部材Ｃの長手方向の伸縮を考慮し、

を満たす場合に、圧電素子Ａに連結部材Ｃを連結した振動ユニットの両端を板状パネルＢに固着して、板状パネルＢに振幅を拡大した振動を発生させることができる。

また、請求項４の振動アクチュエータは、伸縮素子が、細長板状の磁歪素子であり、磁歪素子は、磁歪効果によって長手方向に伸縮することを特徴とする。

細長板状の磁歪素子にその長手方向に沿って連結部材を連結した振動ユニットの両端を板状パネルに固着するだけで、板状パネルに拡大させた振幅の振動が発生する。

また、請求項５の振動アクチュエータは、板状パネルが、タッチパネルの操作パネルであり、振動ユニットの長手方向の一端と他端が操作パネルの背面に固着することを特徴とする。

振動素子の両端を操作パネルへ固着する場合に比べ、振動素子に連結部材を連結する簡単な構造の振動ユニットの両端を操作パネルへ固着するだけで、タッチパネルの操作パネルに操作者が確実に感知できる拡大した振幅の振動を発生させることができる。

請求項１の発明によれば、長手方向に沿って伸縮素子に連結部材を連結した振動ユニットの一端と他端を、板状パネルに固着するだけで、板状パネルに振幅を拡大させた振動を発生させることができる。

また、請求項２の発明によれば、細長板状の圧電素子と連結部材とからなる薄型で簡易構造の振動ユニットを震動源として板状パネルに拡大させた振幅の振動を発生させることができる。

請求項３の発明によれば、圧電素子Ａと板状パネルＢと連結部材Ｃの長手方向の伸縮を考慮して、圧電素子Ａに連結部材Ｃを連結した振動ユニットの両端を板状パネルＢに固着して、板状パネルＢに確実に振幅を拡大した振動を発生させることができる。

請求項４の発明によれば、細長板状の磁歪素子と連結部材とからなる薄型で簡易構造の振動ユニットを震動源として、板状パネルに拡大させた振幅の振動を発生させることができる。

請求項５の発明によれば、タッチパネルの入力操作領域を拡大させた大型の操作パネルであっても、長さが短く安価な振動素子を用いて、操作パネルの全体で感知可能な振幅の大きい振動を発生させることができる。

タッチパネル１０の操作パネルＢ１に固着した本発明の第１実施の形態に係る振動アクチュエータ１を示す底面図である。 振動アクチュエータ１が取り付けられたタッチパネル１０の縦断面図である。 圧電基板Ａを駆動する駆動回路１２の構成を示すブロック図である。 歪みを無視して、圧電基板Ａの両端２ａ、２ｂを操作パネルＢに固着した場合の（ａ）は、圧電基板Ａと操作パネルＢに働く力Ｐ_Ａ０、Ｐ_Ｂ０をそれぞれ示す説明図、（ｂ）は、操作パネルＢに発生する曲げモーメントＭ_０を示す曲げモーメント図（ＢＭＤ）、（ｃ）は、操作パネルＢの変位を示す変位図、である。 歪みを無視して、振動ユニット２の両端２ａ、２ｃを操作パネルＢに固着した場合の（ａ）は、圧電基板Ａと操作パネルＢと連結板Ｃに働く力Ｐ_Ａ１、Ｐ_Ｂ１をそれぞれ示す説明図、（ｂ）は、操作パネルＢに発生する曲げモーメントＭ_１を示す曲げモーメント図（ＢＭＤ）、（ｃ）は、操作パネルＢの変位を示す変位図、である。 圧電基板Ａに収縮力Ｐが発生した場合の（ａ）は、圧電基板Ａの両端２ａ、２ｂを操作パネルＢに固着した参考例の（ｂ）は、振動ユニット２の両端２ａ、２ｃを操作パネルＢに固着した発明例のそれぞれ操作パネルＢに発生する力Ｐ_Ｂ０、Ｐ_Ｂ１を説明する説明図である。 圧電基板Ａの両端ａ１、ａ２を操作パネルＢに固着した場合の（ａ）は、圧電基板Ａと操作パネルＢに働く力Ｐ_Ａ０、Ｐ_Ｂ０をそれぞれ示す説明図、（ｂ）は、操作パネルＢに発生する曲げモーメントＭ_０を示す曲げモーメント図（ＢＭＤ）、（ｃ）は、操作パネルＢの変位を示す変位図、である。 振動ユニット２の両端ａ１、ａ３を操作パネルＢに固着した場合の（ａ）は、圧電基板Ａと操作パネルＢと連結板Ｃに働く力Ｐ_Ａ１、Ｐ_Ｂ１をそれぞれ示す説明図、（ｂ）は、操作パネルＢに発生する曲げモーメントＭ_１を示す曲げモーメント図（ＢＭＤ）、（ｃ）は、操作パネルＢの変位を示す変位図、である。 タッチパネル１０の操作パネルＢに固着した本発明の第２実施の形態に係る振動アクチュエータ５を示す底面図である。 タッチパネル１０の操作パネルＢに固着した本発明の第３実施の形態に係る振動アクチュエータ７を示す底面図である。 比較例の実測した操作パネルＢの変位ｗ_０と実施例の実測した操作パネルＢの変位ｗ_１を示すグラフである。 従来の振動アクチュエータ１００を示す側面図である。 タッチパネル１２０の操作パネル１２３に固着した従来の振動アクチュエータ１２１を示す分解斜視図である。

以下、本発明の第１実施の形態に係る振動アクチュエータ１を、図１乃至図８を用いて説明する。本実施の形態に係る振動アクチュエータ１は、静電容量の変化から入力操作位置を検出する静電容量式タッチパネル１０の震動源として用いられ、入力操作を検出したことを操作パネルＢ１の振動で操作者へ伝達するために、図１、図２に示すように、操作者が入力操作を行う操作パネルＢ１の背面に固着して取り付けられる。

静電容量式タッチパネル１０は、図２に示すように、板状パネルである操作パネルＢ１の上に静電容量方式で入力操作位置を検出するための多数の電極が形成されたスイッチシート１１が積層配置され、操作パネルＢ１の長手方向（図中左右方向）の端部は、筐体１５の窓孔１６の縁１５ａと、ＬＣＤパネル１３の上方に取り付けられた合成ゴムなどからなる弾性スペーサ１４、１４との間に挟持され、回転自在に筐体１５内に取り付けられている。スイッチシート１１は、隣り合う電極間若しくは指などの入力操作体と電極間の静電容量の変化から窓孔１６内の操作パネルＢ１に接近する入力操作や入力操作位置を検出するもので、従って、操作パネルＢ１は、スイッチシート１１を支持する支持基板をかねているが、図１０に示すように、振動アクチュエータ７が入力操作領域からはずれた操作パネルＢ３の側辺に沿って配置される場合には、スイッチシート１１を振動アクチュエータ７と同一面となる操作パネルＢ３の背面に配置し、誘電体である操作パネルＢ３を介して静電容量方式で操作パネルＢ３への入力操作を検出するものであってもよい。

操作パネルＢ１は、合成樹脂、ここでは長方形板状のアクリル板で形成されている。操作パネルＢ１の材質としては、振動アクチュエータ１の振動を伝達可能に湾曲するある程度の剛性を有するものであれば、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＥＳ（ポリエーテルスルホン）、ＰＩ（ポリイミド）、ガラスなどの任意の材質を用いることができ、また、その下方に入力操作の指標となる表示を表示するＬＣＤパネル１３等の表示素子が配置される場合には、透明材料で形成される。

振動アクチュエータ１は、細長に形成され、電圧を変化させることによってその長手方向に伸縮する圧電基板Ａ１と、圧電基板Ａ１の長手方向の一端に固着して一体に連続する矩形板状の連結板Ｃ１とからなる振動ユニット２で構成される。

圧電基板Ａ１は、圧電単結晶、ＰＺＴ（チタンジルコン酸鉛）磁器に代表される圧電セラミック、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の圧電材料で形成したここでは単層の基板で、機械的な耐久性があり、最も広く利用されているＰＺＴ系の圧電磁器材料からなる圧電セラミックス板を用いて、図示するように、細長帯状の薄板としている。圧電基板Ａ１をこのように細長帯状の薄板とし、その表裏両面に焼成して形成した図示しない一組の駆動電極に駆動電圧を印加することにより、低い駆動電圧でよりその長手方向に沿って大きな歪みを発生させている。

圧電基板Ａ１の一組の駆動電極間に駆動電圧を印加するため、一組の駆動電極は、それぞれ引き出し線１２ａ、１２ｂを介して駆動回路１２に電気接続している。駆動回路１２は、例えば図３に示す簡単な回路で、コイルで構成された変圧回路１８の出力側の引き出し線１２ａ、１２ｂを介して圧電基板Ａ１の一組の駆動電極に接続する。操作パネルＢ１への入力操作を検出すると、５乃至１０ｍｓｅｃ幅の振動トリガー信号が変圧回路１８に入力され、この間、瞬間的に数ボルトの直流電圧が変圧回路１８が印加されるようになっている。これにより、変圧回路１８には、コイルによる誘導電圧が発生し、＋１５０Ｖ程度の駆動電圧が圧電基板Ａ１の一組の駆動電極間に印加される。なお、この駆動電圧値は一例であって、圧電基板Ａ１の仕様等に基づいて変動し得る。駆動回路１２、圧電基板Ａ１へ適切な駆動電圧を供給できるように構成される。

圧電基板Ａ１に、弾性コンプライアンス（ヤング率の逆数）が３１＊１０^−１２ｍ^２／Ｎの値を有するＰＺＴ系圧電材料を用いて、その歪みをクランプした状態で、一組の駆動電極間に＋１５０Ｖ程度の駆動電圧を印加すると、例えば、２０ｋｇｆという大きな力が生じる。本実施の形態では、この圧電素子の圧電逆効果を利用して操作パネルＢ１に振動を発生させるものであり、圧電基板Ａ１を有する振動ユニット２の長手方向の両端２ａ、２ｃを直接操作パネルＢ１に固着して、振動ユニット２の歪みを拘束した状態で、圧電基板Ａ１の一組の駆動電極間に＋１５０Ｖ程度の駆動電圧を印加する。

その結果、操作パネルＢ１の背面の振動ユニット２の両端２ａ、２ｃが固着する位置に、振動ユニット２の伸縮方向の引っ張り若しくは圧縮力Ｐ_Ｂが発生し、操作パネルＢ１には、その厚みｔ_Ｂの中間に中立軸があるとして、［ｔ_Ｂ／２］Ｐ_Ｂの曲げモーメントＭが発生する。この曲げモーメントＭによって、操作パネルＢ１は、振動ユニット２の長手方向と直交する図中上下方向に湾曲する。交流の駆動電圧の極性や大きさが変化する毎に、操作パネルＢ１の背面の位置に作用する力Ｐ_Ｂの大きさや方向が変化し、曲げモーメントＭの極性や大きさも変化するので、操作パネルＢ１は、曲げモーメントＭの変化に応じて湾曲方向や振幅の大きさを変えて振動する。

以下、本発明の各実施の形態において共通する圧電基板、板状パネルである操作パネル、及び連結板を、それぞれ圧電基板Ａ、操作パネルＢ、連結板Ｃと記載する。本発明によれば、圧電基板Ａと連結板Ｃを一体に連続させた振動ユニット２の長手方向の両端２ａ、２ｃを操作パネルＢに固着するので、圧電基板Ａの長手方向の両端２ａ、２ｂを操作パネルＢに固着した場合に比べて、同一の圧電基板Ａを用いて同一の駆動電圧を印加しても、操作パネルＢに大きな振幅ｗの振動を発生させることができる。

始めに、この操作パネルＢに発生する振幅ｗの相違を、説明を容易にするために、圧電基板Ａ、操作パネルＢ及び連結板Ｃについて、それぞれ長手方向に歪みが生じていないものとして、圧電基板Ａの両端２ａ、２ｂを操作パネルＢに固着した場合（以下、参考例という）の図４と、振動ユニット２の長手方向の両端２ａ、２ｃを操作パネルＢに固着した場合（以下、発明例という）の図５を用いて説明する。

収縮が拘束された圧電基板Ａに発生する最大圧縮力をＰとして、参考例では、図４（ａ）に示す力の釣り合いから、固着位置２ａ、２ｂで操作パネルＢに働く圧縮力Ｐ_Ｂ０と圧電基板Ａに働く圧縮力Ｐ_Ａ０は等しく、その和がＰであるので、圧縮力Ｐ_Ｂ０は、Ｐ／２となる。また、同様に発明例では、図５（ａ）に示す力の釣り合いから、固着位置２ａ、２ｃで操作パネルＢに働く圧縮力Ｐ_Ｂ１と振動ユニット２に働く圧縮力Ｐ_Ａ１は等しく、その和がＰであるので、圧縮力Ｐ_Ｂ１は、Ｐ／２となり、圧縮力Ｐ_Ｂ０に等しい。

その結果、参考例では、厚さｔ_Ｂの操作パネルＢの固着位置２ａ、２ｂに作用する圧縮力Ｐ_Ｂ０によって、図４（ｂ）に示すように、操作パネルＢの固着位置２ａ、２ｂ間に、［ｔ_Ｂ／２］Ｐ_Ｂ０の曲げモーメントＭ_０が均一に発生し、図４（ｃ）に示すように、固着位置２ａ、２ｂ間の操作パネルＢは、曲げモーメントＭ_０に反比例する曲率半径ｒ_０で湾曲する。

また、発明例では、厚さｔ_Ｂの操作パネルＢの固着位置２ａ、２ｃに作用する圧縮力Ｐ_Ｂ１によって、図５（ｂ）に示すように、操作パネルＢの固着位置２ａ、２ｃ間に、［ｔ_Ｂ／２］Ｐ_Ｂ１の曲げモーメントＭ_１が均一に発生し、図５（ｃ）に示すように、固着位置２ａ、２ｃ間の操作パネルＢは、曲げモーメントＭ_１に反比例する曲率半径ｒ_１で湾曲する。ここで図４と図５の操作パネルＢは同一であるので、曲げモーメントＭと曲率半径ｒの比例定数は同一であり、Ｐ_Ｂ０＝Ｐ_Ｂ１から曲げモーメントＭ_０と曲げモーメントＭ_１は同一であるので、図４（ｃ）と図５（ｃ）に示す操作パネルＢは、同一の曲率半径ｒ_０、ｒ_１で湾曲する。

同一の曲率半径ｒ_０、ｒ_１をｒとし、圧電基板Ａの長手方向の長さをＬ１、連結板Ｃの長手方向の長さをＬ２とすれば、参考例の図４（ｃ）に示す操作パネルＢの最大撓みｗ_０は、

で表され、
また、発明例の図５（ｃ）に示す操作パネルＢの最大撓みｗ_１は、

で表されるので、常にｗ_１＞ｗ_０となる。

以上の関係は、歪みが拘束された圧電基板Ａに最大の引っ張り力Ｐが発生した場合にも、各力が働く方向が逆転し、操作パネルＢの湾曲方向が逆になるだけで、同一であるので、単に圧電基板Ａの長手方向の両端２ａ、２ｂを操作パネルＢに固着した場合に比べて、圧電基板Ａに連結板Ｃを一体に連続させた振動ユニット２の長手方向の両端２ａ、２ｃを操作パネルＢに固着することにより、操作パネルＢにより大きな振幅ｗの振動を発生させることができる。

次に、歪みが拘束された圧電基板Ａに発生する最大圧縮力Ｐによって、圧電基板Ａ、操作パネルＢ及び連結板Ｃが伸縮する変位を考慮して、参考例と発明例の操作パネルＢに発生する振幅ｗ_０、ｗ_１の相違を、図６乃至図８を用いて説明する。

圧電基板Ａの長手方向（図中左右方向）に直交する縦断面積をＳ_Ａ、長手方向の長さをＬ_１、ヤング率をＥ_Ａ、長手方向の最大圧縮力をＰ、操作パネルＢの長手方向（図中左右方向）に直交する縦断面積をＳ_Ｂ、振動ユニット２との積層方向の板状パネルＢの厚さをｔ_Ｂ、ヤング率をＥ_Ｂ、連結板Ｃの長手方向（図中左右方向）に直交する縦断面積をＳ_Ｃ、長手方向の長さをＬ_２、ヤング率をＥ_Ｃとして、
参考例では、図６（ａ）に示すように、固着位置２ａ、２ｂに働く圧縮力Ｐ_Ｂ０による操作パネルＢの縮み量δ_Ｂ０は、

であり、
固着位置２ａ、２ｂに働く圧縮力Ｐ_Ａ０による圧電基板Ａの縮み量δ_Ａ０は、

であり、両者のδ_Ｂ０、δ_Ａ０が等しく、

の関係から、

となる。

従って、図７（ａ）に示す厚さｔ_Ｂの操作パネルＢの固着位置２ａ、２ｂに作用する圧縮力Ｐ_Ｂ０により、操作パネルＢの固着位置２ａ、２ｂ間には、図７（ｂ）に示すように、

の曲げモーメントＭ_０が均一に発生する。
曲げモーメントＭ_０が作用する区間で湾曲する操作パネルＢの曲率半径ｒ_０は、操作パネルＢの中立軸に関する断面二次モーメントをＩ_Ｂとして、

で表され、

であるので、

となる。

図７（ｃ）に示す湾曲する操作パネルＢの最大振幅ｗ_０は、曲率半径ｒ_０で湾曲する円弧の弦長がＬ_１の矢高であるので、

となる。

また、発明例では、図６（ｂ）に示すように、操作パネルＢの固着位置２ａ、２ｃ間に圧縮力Ｐ_Ｂ１が、圧電基板Ａの両端２ａ、２ｂ間に圧縮力Ｐ_Ａ１が、連結板Ｃの両端２ｂ、２間に引っ張り力Ｐ_Ｂ１がそれぞれ作用し、操作パネルＢと振動ユニット２の固着位置２ａ、２ｃ間の伸縮量は同一であるので操作パネルＢの縮み量δ_Ｂ１は、圧電基板Ａの縮み量δ_Ａ１から連結板Ｃの伸び量δ_Ｃ１を減じたものとなる。
ここで、

であるので、

と、

とから、

となる。

従って、図８に示す厚さｔ_Ｂの操作パネルＢの固着位置２ａ、２ｃに作用する圧縮力Ｐ_Ｂ１により、操作パネルＢの固着位置２ａ、２ｃ間には、図８（ｂ）に示すように、

で算出される曲げモーメントＭ_１が均一に発生する。

曲げモーメントＭ_１が作用する区間で湾曲する操作パネルＢの曲率半径ｒ_１は、操作パネルＢの中立軸に関する断面二次モーメントをＩ_Ｂとして、

で表され、

であるので、

となる。

図８（ｃ）に示す湾曲する操作パネルＢの最大振幅ｗ_１は、曲率半径ｒ_１で湾曲する円弧の弦長が（Ｌ_１＋Ｌ_２）の矢高であるので、

となる。

以上の関係は、歪みが拘束された圧電基板Ａに最大の引っ張り力Ｐが発生した場合にも、各力が働く方向が逆転し、操作パネルＢの湾曲方向が逆になるだけであり、（１）式から算定する曲率半径ｒ_０と、（２）式から算定する曲率半径ｒ_１が、

を満たすことを条件にｗ_１＞ｗ_０となる。従って、上記条件の下に、単に圧電基板Ａの長手方向の両端２ａ、２ｂを操作パネルＢに固着した場合に比べて、圧電基板Ａに連結板Ｃを一体に連続させた振動ユニット２の長手方向の両端２ａ、２ｃを操作パネルＢに固着することにより、操作パネルＢにより大きな振幅ｗの振動を発生させることができる。

上記ｗ_１＞ｗ_０とする条件の（２）式と（３）式には、連結板Ｃについて、長手方向に直交する縦断面積Ｓ_Ｃ、長手方向の長さＬ_２、ヤング率Ｅ_Ｃが含まれているが、（２）式と（３）式を満たす範囲内で、連結板Ｃの形状、材質、個数は任意に選択できる。

図９は、本発明の第２実施の形態の振動アクチュエータ５を示し、この振動アクチュエータ５の振動ユニット６は、圧電基板Ａ２と圧電基板Ａ２の長手方向の両端に固着して一体に連結する一対の連結板Ｃ２１、Ｃ２２とから構成されている。一対の連結板Ｃ２１、Ｃ２２は、圧電基板Ａ２について長手方向で対称なＴ字状に形成され、圧電基板Ａ２との連結位置の他側の長手方向に直交する端部を振動ユニット６の両端６ａ、６ａ、６ｃ、６ｃとして操作パネルＢ２に固着している。

この振動アクチュエータ５によれば、比較的短い圧電基板Ａ２であっても振動ユニット６が固着する両端６ａ、６ｃ間の距離を長くとることができ、操作パネルＢ２により大きな振幅ｗの振動を発生させることができる。また、操作パネルＢ２を振動させる震動源を圧電基板Ａ２の長手方向に対して直交する方向に分散させるので、操作パネルＢ２の全体をむらなく振動させることができる。

図１０は、本発明の第３実施の形態の振動アクチュエータ７を示し、この振動アクチュエータ７は、一対の振動ユニット８、８を、操作パネルＢ３の長手方向に沿った両辺に沿って配置している。各振動ユニット８は、細長板状の圧電基板Ａ３と圧電基板Ａ３の長手方向の一端に固着して一体に連結する連結板Ｃ３とからなり、一対の振動ユニット８、８を長手方向で互いに逆向きとして、長手方向の両端８ａ、８ｃを操作パネルＢ３の背面に固着している。

この振動アクチュエータ７によれば、操作パネルＢ３の長手方向に沿った両辺のそれぞれ離れた位置を振動ユニット８、８の固着位置８ａ、８ｃとするので、操作パネルＢ３の両辺の固着位置８ａ、８ｃを震動源として、操作パネルＢ３の全体をむらなく大きな振幅ｗで振動させることができる。

また、一対の振動ユニット８、８は、操作パネルＢ３の入力操作領域から外れた操作パネルＢ３の長手方向に沿った両辺に沿って配置するので、入力操作を検出するスイッチシート１１の電極と重なることがなく、振動アクチュエータ７とスイッチシート１１を操作パネルＢ３の表面若しくは背面の同一面に配置できるので、スイッチシート１１の電極を透明電極で形成し、その背面側にＬＣＤパネル１３等を配置し、ＬＣＤパネル１３の表示を見ながら入力操作を行うことができる。

以下、第１実施の形態の振動アクチュエータ１について、圧電基板Ａ１の横幅を３ｍｍ、厚さを２ｍｍ、従って、圧電基板Ａ１の長手方向に直交する縦断面積Ｓ_Ａを６・１０^−６ｍ^２、長手方向の長さＬ_１を４０ｍｍ、圧電基板Ａ１を構成する圧電セラミックのヤング率Ｅ_Ａを３．３・１０^９ｋｇｆ／ｍ^２、長手方向の最大伸縮力Ｐを２０ｋｇｆ、操作パネルＢ１の横幅を７１．５ｍｍ、厚さを２ｍｍ、従って操作パネルＢ１の長手方向に直交する縦断面積Ｓ_Ｂを１４３・１０^−６ｍ^２、操作パネルＢ１を構成するアクリル板のヤング率Ｅ_Ｂを３．２・１０^８ｋｇｆ／ｍ^２、連結板Ｃ１の横幅を４８ｍｍ、厚さを３ｍｍ、従って、連結板Ｃ１の長手方向に直交する縦断面積Ｓ_Ｃを１４４・１０^−６ｍ^２、長手方向の長さＬ_２を９１ｍｍ、連結板Ｃ１を構成するアクリル板のヤング率Ｅ_Ｃを３．２・１０^８ｋｇｆ／ｍ^２として、圧電基板Ａ１の両端２ａ、２ｂを操作パネルＢ１に固着した場合（以下、比較例という）の操作パネルＢ１の最大振幅ｗ_０と、振動ユニット２の長手方向の両端２ａ、２ｃを操作パネルＢ１に固着した場合（以下、実施例という）の操作パネルＢの最大振幅ｗ_１を、（１）式、（２）式、（７）式、（１１）式から算定し、図１１に示す実測値と比較した。

図１１は、圧電基板Ａ１に駆動電圧信号を印加した際に、比較例の圧電基板Ａの両端２ａ、２ｂが固着する操作パネルＢの中央位置で実測した鉛直方向の振幅ｗ_０を波線で、実施例の振動ユニット２の両端２ａ、２ｃが固着する操作パネルＢの中央位置で実測した鉛直方向の振幅ｗ_１を実線で表したグラフである。

比較例において湾曲する操作パネルＢの曲率半径ｒ_０は、

に、上記各数値を代入して、
ｒ_０＝１０９２．６ｍｍとなり、操作パネルＢの最大振幅ｗ_０は、

に、ｒ_０＝１０９２．６ｍｍを代入して、
ｗ_０＝１８３μｍとなる。

これに対して、比較例について操作パネルＢの振幅ｗ_０を実測した図１１の波線で表される最大振幅ｗ_０は、約１６０μｍであり、算定値にほぼ一致している。

また、実施例において湾曲する操作パネルＢの曲率半径ｒ_１は、

に、上記各数値を代入して、
ｒ_１＝２５８８．３ｍｍとなり、操作パネルＢの最大振幅ｗ_１は、

に、ｒ_１＝２５８８．３ｍｍを代入して、
ｗ_１＝８２９μｍとなる。

この実施例の算定値に対して、実施例の操作パネルＢの振幅ｗ_１を実測した図１１の実線で表される最大振幅ｗ_１は、約５２０μｍであった。算定値との誤差は、圧電基板Ａ１と連結板Ｃ１との固着部に接着剤を用い、その接着剤の歪みによるものと考えられるが、少なくとも、実測値と算定値ともに、実施例では比較例の操作パネルＢの最大振幅ｗ_０の数倍の振幅ｗ_１で操作パネルＢが振動する。

上述の実施の形態において、圧電基板Ａと連結板Ｃとの固着、振動ユニットの両端と操作パネルＢとの固着は、接着剤による接着、超音波溶着、一体成形等固着する両者の材質に応じて種々の固着方法を採用できる。

また、上述の実施の形態は、いわゆる静電容量方式で入力操作位置を検出するタッチパネル１０の操作パネルＢを振動させる震動源として本発明の振動アクチュエータを用いる例で説明したが、振動ユニットを固着させた板状パネルを振動させるものであれば、種々の用途の震動源として用いることができる。

また、振動アクチュエータの振動ユニットに備えられる伸縮素子は、圧電素子に限らず、磁界を加えて磁歪効果で長手方向に伸縮する磁歪素子であってもよい。

本発明は、短い伸縮素子を板状パネルに固着させて、板状パネルに大きな振幅の振動を発生させる振動アクチュエータに適している。

１ 振動アクチュエータ（第１実施の形態）
２ 振動ユニット
２ａ、２ｃ 振動ユニットの固着位置
５ 振動アクチュエータ（第２実施の形態）
６ 振動ユニット
６ａ、６ｃ 振動ユニットの固着位置
７ 振動アクチュエータ（第３実施の形態）
８ 振動ユニット
８ａ、８ｃ 振動ユニットの固着位置
Ａ 圧電基板（伸縮素子）
Ｂ 操作パネル（板状パネル）
Ｃ 連結板（連結部材）

Claims (5)

1. 細長に形成され、長手方向に伸縮する伸縮素子と、
   伸縮素子の前記長手方向の少なくとも一方に連結する連結部材とを備え、
   前記長手方向に沿って連結された伸縮素子と連結部材とから全体が細長に一体に形成された振動ユニットの前記長手方向の一端と他端を、板状パネルの表面もしくは背面に固着し、
   伸縮素子を伸縮させて、板状パネルを前記長手方向と直交する方向に振動させることを特徴とする振動アクチュエータ。
2. 伸縮素子は、細長板状の圧電素子であり、圧電素子は、圧電逆効果によって前記長手方向に伸縮することを特徴とする請求項１に記載の振動アクチュエータ。
3. 圧電素子Ａの前記長手方向に直交する縦断面積をＳ_Ａ、前記長手方向の長さをＬ_１、ヤング率をＥ_Ａ、前記長手方向の伸縮力をＰ、板状パネルＢの前記長手方向に直交する縦断面積をＳ_Ｂ、振動ユニットとの積層方向の板状パネルＢの厚さをｔ_Ｂ、ヤング率をＥ_Ｂ、連結部材Ｃの前記長手方向に直交する縦断面積をＳ_Ｃ、前記長手方向の長さをＬ_２、ヤング率をＥ_Ｃとして、
   圧電素子Ａの長手方向の一端と他端を、板状パネルＢの表面もしくは背面に固着し、圧電素子Ａの長手方向に伸縮力Ｐを発生させた際に湾曲する板状パネルＢの
   

   

   から算出される曲率半径ｒ_０と、
   圧電素子Ａと連結部材Ｃが連結された振動ユニットの長手方向の一端と他端を、板状パネルＢの表面もしくは背面に固着し、圧電素子Ａの長手方向に伸縮力Ｐを発生させた際に湾曲する板状パネルＢの
   

   

   から算出される曲率半径ｒ_１が、
   

   

   を満たすことを特徴とする請求項２に記載の振動アクチュエータ。
4. 伸縮素子は、細長板状の磁歪素子であり、磁歪素子は、磁歪効果によって前記長手方向に伸縮することを特徴とする請求項１に記載の振動アクチュエータ。
5. 板状パネルは、タッチパネルの操作パネルであり、振動ユニットの前記長手方向の一端と他端が操作パネルの背面に固着することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の振動アクチュエータ。

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