JP2021079357A - 振動デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】振動形態の調整の容易化が図られた振動デバイスを提供する。【解決手段】 振動デバイス１０においては、付勢力Ｆが直交成分ｆを含む弾性支持部４０Ａ〜４０Ｄの向きを調整することで、振動板２０の振動形態を容易に調整することができる。換言すると、振動デバイス１０、１０Ａにおいては、所望の振動形態が得られるように弾性支持部４０Ａ〜４０Ｄの向きを設定することで、その振動形態を容易に実現することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、振動デバイスに関する。

下記特許文献１には、基体上に設けられた弾性部材が、圧電素子によって振動される振動板を支持する構成の振動デバイスが開示されている。

特開２０１４−１０２８０４号公報

上述した従来技術に係る振動デバイスでは、弾性部材が取り付けられた箇所において振動板の変位が制限されるため、所望の振動形態を実現することが困難であった。

発明者らは、振動板の支持態様と振動形態との関係について研究を重ね、振動形態を容易に調整することができる技術を新たに見出した。

本発明は、振動形態の調整の容易化が図られた振動デバイスを提供することを目的とする。

本発明の一側面に係る振動デバイスは、所定の設置面に対して対向する主面を有する平板状の第１弾性部と、第１弾性部の主面の中央領域に設けられ、第１弾性部の主面と設置面との対向方向に第１弾性部を振動させる振動部と、第１弾性部の主面における振動部の周囲に位置する被支持領域に設けられ、設置面側から第１弾性部を支持する第２弾性部とを備え、第１弾性部の主面と設置面との対向方向に対して平行な断面において、第２弾性部による第１弾性部の支持が平衡状態のときの第１弾性部の被支持領域と非平衡状態のときの第１弾性部の被支持領域とが互いに傾いている。

上記振動デバイスにおいては、第１弾性部の主面と設置面との対向方向に対して平行な断面において、第１弾性部の被支持領域が平衡状態のときと非平衡状態のときとで互いに傾くため、第２弾性部の付勢力は、上記対向方向に対して直交する直交成分を有する。第２弾性部の付勢力の直交成分に起因する応力の向きにより第１弾性部の振動形態が変わるため、上記振動デバイスによれば、振動形態を容易に調整することができる。

他の側面に係る振動デバイスは、第１弾性部の主面と設置面との対向方向から見て、平衡状態のときの第１弾性部の被支持領域に対して、非平衡状態のときの第１弾性部の被支持領域が傾く方向が、第２弾性部から振動部に向かう方向である。

他の側面に係る振動デバイスは、第１弾性部と第２弾性部とが一体的に構成されている。

他の側面に係る振動デバイスは、第１弾性部と第２弾性部とが別体である。

他の側面に係る振動デバイスは、第２弾性部が板バネであり、第２弾性部が、第１弾性部の主面に固着される第１固着部と、設置面に固着される第２固着部と、第１固着部と第２固着部とを接続する接続部とを有する。

本発明によれば、振動形態の調整の容易化が図られた振動デバイスが提供される。

図１は、実施形態に係る振動デバイスの概略平面図である。 図２は、図１に示す振動デバイスのＩＩ−ＩＩ線断面図である。 図３は、（ａ）平衡状態のときの弾性支持部、および、（ｂ）非平衡状態のときの弾性支持部の様子を示した図である。 図４は、異なる態様の振動デバイスを示した平面図である。 図５は、実施例１に係るシミュレーション結果を示した図である。 図６は、実施例２に係るシミュレーション結果を示した図である。 図７は、実施例３に係るシミュレーション結果を示した図である。 図８は、実施例４に係るシミュレーション結果を示した図である。 図９は、異なる態様の振動デバイスを示した平面図である。 図１０は、異なる態様の振動デバイスを示した平面図である。 図１１は、図１０に示す振動デバイスのＸ１−ＸＩ線断面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には、同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

まず、図１、２を参照しつつ、実施形態に係る振動デバイス１０の構成を説明する。

振動デバイス１０は、１枚の振動板２０（第１弾性部）と、１つの圧電素子３０（振動部）と、４つの弾性支持部４０Ａ〜４０Ｄ（第２弾性部）とを備えて構成されている。振動デバイス１０は、所定の設置面１２に設置される。

振動板２０は、均一厚さを有する長方形平板状の外形を有する。振動板２０の寸法は、一例として、長辺長さ１１０ｍｍ、短辺長さ８０ｍｍ、厚さ１ｍｍである。振動板２０は、後述する圧電素子３０によって撓む程度の弾性係数を有する弾性材料で構成され、たとえば、Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｎｉ、黄銅、ステンレス、ガラス等で構成され得る。本実施形態では、振動板２０はガラスで構成されている。なお、振動板２０は、長方形状に限らず、正方形状や多角形状、円形状、楕円形状等であってもよい。

振動板２０は、図２に示した状態（後述する平衡状態）において、その下面２０ａ（主面）が設置面１２に対向しており、設置面１２に対して平行に延在している。

圧電素子３０は、振動板２０の下面２０ａの中央領域Ｒ１に設けられている。圧電素子３０は、振動板２０側から順に、第１電極層３１、圧電体層３２、および、第２電極層３３が積層された構成を有する。圧電素子３０は、図示しない配線により第１電極層３１と第２電極層３３との間に電圧信号が入力されると、第１電極層３１と第２電極層３３とに挟まれた圧電体層３２が面方向（厚さ方向に直交する方向）に伸縮する。圧電体層３２が伸縮すると、その伸縮に伴って、振動板２０が厚さ方向（設置面１２と対向する方向）に屈曲して湾曲振動する。圧電体層３２は、圧電体の単層構造とすることができ、圧電体と内部電極とが交互に積層された複数層構造とすることもできる。

各弾性支持部４０Ａ〜４０Ｄは、振動板２０の下面２０ａに設けられている。各弾性支持部４０Ａ〜４０Ｄは、下面２０ａに設けられた圧電素子３０の周囲に位置しており、より詳しくは振動板２０の周縁領域Ｒ２に位置している。本実施形態では、４つの弾性支持部４０Ａ〜４０Ｄは、振動板２０の四隅にそれぞれ位置している。振動板２０は、弾性支持部４０Ａ〜４０Ｄが設けられた被支持領域２１において、弾性支持部４０Ａ〜４０Ｄによって支持されている。なお、弾性支持部４０Ａ〜４０Ｄは、振動板２０の四隅に限らず、圧電素子３０の周囲であれば任意の位置に配置することができる。

各弾性支持部４０Ａ〜４０Ｄは、略Ｕ字状に屈曲された板バネであり、振動板２０とは別体である。各弾性支持部４０Ａ〜４０Ｄは、金属等の弾性材料の板材で構成されており、本実施形態ではステンレス板で構成されている。弾性支持部４０Ａ〜４０Ｄはいずれも同一の構成を有するため、以下では弾性支持部４０Ａの構成についてのみ説明する。図３に示すように、弾性支持部４０Ａは、振動板２０の下面２０ａに固着される第１固着部４１と、設置面１２に固着される第２固着部４２と、第１固着部４１と第２固着部４２とを接続する接続部４３とを有する。接続部４３は、振動デバイス１０の内側に位置している。また、接続部４３は、第２固着部４２に対して所定の角度θ１だけ傾いている。

弾性支持部４０Ａは、図２および図３（ａ）に示すように、平衡状態においては振動板２０が設置面１２に対して平行となるように支持する。本実施形態において弾性支持部４０Ａの平衡状態とは、圧電素子３０に電圧信号が入力されておらず、振動デバイス１０が設置面１２に設置されて静止している状態（すなわち、力の釣り合いがとれている状態）である。このとき、振動板２０の被支持領域２１は、設置面１２、並びに、弾性支持部４０Ａの第１固着部４１および第２固着部４２と平行である。

弾性支持部４０Ａは、図３（ｂ）に示すように、圧電素子３０に電圧信号が入力されて振動板２０が湾曲振動する非平衡状態（すなわち、力の釣り合いがとれていない状態）では、接続部４３および第１固着部４１が変位する。より詳しくは、接続部４３と第２固着部４２とのなす角θ１が変わるとともに、第１固着部４１が平衡状態の第１固着部４１に対して所定の傾斜角θ２だけ傾く。その結果、振動板２０の被支持領域２１も、平衡状態の被支持領域２１に対して傾斜角θ２だけ傾く。このとき、振動板２０の被支持領域２１が傾く方向は、接続部４３が位置する方向であり、振動板２０の長辺方向に沿う方向である。図３（ｂ）では、振動板２０の被支持領域２１が振動デバイス１０の内側に傾いた状態を示している。なお、接続部４３と第２固着部４２とのなす角θ１および傾斜角θ２は、非平衡状態における弾性支持部４０Ａの伸縮（高さ変化）に応じて経時的に変化する。

図３に示した断面（振動板２０の下面２０ａと設置面１２との対向方向に対して平行な断面）において、振動板２０の被支持領域２１が平衡状態のときと非平衡状態のときとで互いに傾くため、弾性支持部４０Ａの付勢力Ｆは、振動板２０の下面２０ａと設置面１２との対向方向に対して直交する直交成分ｆを含む。振動デバイス１０において、各弾性支持部４０Ａ〜４０Ｄの付勢力Ｆが直交成分ｆは、図１に示すとおり、振動板２０の長辺方向に沿う。第１固着部４１の形状を、直交成分ｆに沿って長く延びる形状（たとえば、長方形状や楕円形状）とすることで、第１固着部４１をガイドとして機能させることができる。

図４は、図１に示した振動デバイス１０とは、弾性支持部４０Ａ〜４０Ｄの向きのみ異なり、その他の構成は振動デバイス１０と同じである振動デバイス１０Ａを示している。振動デバイス１０Ａでは、各弾性支持部４０Ａ〜４０Ｄは、振動板２０の対角線方向に沿って中央領域Ｒ１に設けられた圧電素子３０に向けられており、それぞれの接続部４３が圧電素子３０側に位置している。振動デバイス１０Ａにおいて、各弾性支持部４０Ａ〜４０Ｄの付勢力Ｆの直交成分ｆは、振動板２０の対角線方向に沿う。

発明者らは、弾性支持部４０Ａ〜４０Ｄの付勢力Ｆが直交成分ｆを含む場合に、その直交成分ｆに起因する応力に応じて振動板２０の振動形態が変わるとの知見を得た。そこで、以下に示す実施例により、弾性支持部４０Ａ〜４０Ｄの付勢力Ｆの直交成分ｆが振動板２０の振動形態に及ぼす影響を確認した。

（実施例１）
図１、２に示した構成と同じ構成を有する振動デバイスを、３Ｄスキャニング振動計（Ｐｏｌｙｔｅｃ社製、ＰＳＶ−５００）を用いて振動数２００Ｈｚで振動させて、その挙動を確認した。その結果は、図５に示すとおりであった。図５（ａ）は、メッシュ区分けされた振動板の各領域の最大変位量をマッピングしたものであり、図５（ｂ）は振動板全体が最大限に上側に凸となったときの振動板の形態を示したものであり、図５（ｃ）は振動板全体が最大限に下側に凸となったときの振動板の形態を示したものである。図５において、白黒グラデーションは、暗くなるほど変位量が小さい（または位置が低い）ことを示し、明るくなるほど変位量が大きい（または位置が高い）ことを示している。

（実施例２）
図１、２に示した構成を有する振動デバイスにおいて、各弾性支持部の向きを逆にした（すなわち、振動デバイスの外側に向けた）点のみ異なる振動デバイスの挙動を、実施例１と同様にして確認した。その結果は、図６に示すとおりであった。図６（ａ）〜（ｃ）は、図５（ａ）〜（ｃ）のそれぞれに対応している。

（実施例３）
図４に示した構成と同じ構成を有する振動デバイスの挙動を、実施例１と同様にして確認した。その結果は、図７に示すとおりであった。図７（ａ）〜（ｃ）は、図５（ａ）〜（ｃ）のそれぞれに対応している。

（実施例４）
図４に示した構成を有する振動デバイスにおいて、各弾性支持部の向きを逆にした（すなわち、圧電素子側とは反対の側に向けた）点のみ異なる振動デバイスの挙動を、実施例１と同様にして確認した。その結果は、図８に示すとおりであった。図８（ａ）〜（ｃ）は、図５（ａ）〜（ｃ）のそれぞれに対応している。

実施例１〜４の結果から、振動板の各領域における最大変位量、および、振動板の振動時の形態は、各弾性支持部の向きに応じて変わることがわかった。これは、弾性支持部４０Ａ〜４０Ｄの付勢力Ｆの直交成分ｆが、振動板２０の面内方向の内部応力として作用し、その応力の向きが振動板２０の振動形態に影響を及ぼしたためであると考えられる。

したがって、上述した振動デバイス１０、１０Ａにおいては、付勢力Ｆが直交成分ｆを含む弾性支持部４０Ａ〜４０Ｄの向きを調整することで、振動板２０の振動形態を容易に調整することができる。換言すると、振動デバイス１０、１０Ａにおいては、所望の振動形態が得られるように弾性支持部４０Ａ〜４０Ｄの向きを設定することで、その振動形態を容易に実現することができる。

なお、弾性支持部の数は、４つに限らず、適宜増減することができる。たとえば、図９に示した振動デバイス１０Ｂは、２つの弾性支持部４０Ａ、４０Ｂを備える。弾性支持部４０Ａ、４０Ｂは、振動板２０の下面２０ａの周縁領域Ｒ２に位置しており、具体的には短辺領域に位置している。弾性支持部４０Ａ、４０Ｂは、長辺方向において圧電素子３０を挟むように位置している。振動デバイス１０Ｂでは、各弾性支持部４０Ａ、４０Ｂは、振動板２０の長辺方向に沿って中央領域Ｒ１に設けられた圧電素子３０に向けられており、それぞれの接続部４３が圧電素子３０側に位置している。振動デバイス１０Ｂにおいて、各弾性支持部４０Ａ、４０Ｂの付勢力Ｆの直交成分ｆは、振動板２０の長辺方向に沿う。

また、弾性支持部は、振動板と別体であってもよく、振動板と一体であってもよい。たとえば、図１０、１１に示した振動デバイス１０Ｃは、４つの弾性支持部５０Ａ〜５０Ｄを備える。振動デバイス１０Ｃの各弾性支持部５０Ａ〜５０Ｄは、振動板２０の一部をＺ状に屈曲成形して設けられる。各弾性支持部５０Ａ〜５０Ｄは、上述した弾性支持部４０Ａ〜４０Ｄと同様の態様で振動板２０を支持する。各弾性支持部５０Ａ〜５０Ｄは、設置面１２に固着される固着部５１と、固着部５１と振動板２０とを接続する接続部５２とを有し、接続部５２は圧電素子３０側に位置している。そのため、各弾性支持部５０Ａ〜５０Ｄは、非平衡状態のときに接続部５２が変位し、振動板２０の被支持領域２１が、平衡状態の被支持領域２１に対して傾く。すなわち、弾性支持部５０Ａ〜５０Ｄにおいても、弾性支持部４０Ａ〜４０Ｄ同様、その付勢力Ｆが直交成分ｆを含む。したがって、振動デバイス１０Ｃにおいても、付勢力Ｆが直交成分ｆを含む弾性支持部５０Ａ〜５０Ｄの向きを調整することで、振動板２０の振動形態を容易に調整することができる。

１０、１０Ａ〜１０Ｃ…振動デバイス、２０…振動板、２１…被支持領域、３０…圧電素子、４０Ａ〜４０Ｄ、５０Ａ〜５０Ｄ…弾性支持部、４１…第１固着部、４２…第２固着部、４３…接続部。

Claims (5)

1. 所定の設置面に対して対向する主面を有する平板状の第１弾性部と、
   前記第１弾性部の主面の中央領域に設けられ、前記第１弾性部の主面と前記設置面との対向方向に前記第１弾性部を振動させる振動部と、
   前記第１弾性部の主面における前記振動部の周囲に位置する被支持領域に設けられ、前記設置面側から前記第１弾性部を支持する第２弾性部と
   を備え、
   前記第１弾性部の主面と前記設置面との対向方向に対して平行な断面において、前記第２弾性部による前記第１弾性部の支持が平衡状態のときの前記第１弾性部の前記被支持領域と非平衡状態のときの前記第１弾性部の前記被支持領域とが互いに傾いている、振動デバイス。
2. 前記第１弾性部の主面と前記設置面との対向方向から見て、前記平衡状態のときの前記第１弾性部の前記被支持領域に対して、前記非平衡状態のときの前記第１弾性部の前記被支持領域が傾く方向が、前記第２弾性部から前記振動部に向かう方向である、請求項１に記載の振動デバイス。
3. 前記第１弾性部と前記第２弾性部とが一体的に構成されている、請求項１または２に記載の振動デバイス。
4. 前記第１弾性部と前記第２弾性部とが別体である、請求項１または２に記載の振動デバイス。
5. 前記第２弾性部が、板バネであり、かつ、前記第１弾性部の主面に固着される第１固着部と、前記設置面に固着される第２固着部と、前記第１固着部と前記第２固着部とを接続する接続部とを有する、請求項４に記載の振動デバイス。
   
   

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