JP2022059294A - 振動発生装置及び電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】エネルギーの大きい振動を発生させることが可能な振動発生装置及び電子機器を提供すること。【解決手段】本発明に係る振動発生装置は、振動板と、第１圧電素子と、第２圧電素子とを具備する。上記振動板は、板状であり、第１主面と、上記第１主面とは反対側の第２主面を有し、長手方向における中央部と、上記長手方向における一端と上記中央部の間の第１支持部と、上記長手方向における他端と上記中央部の間の第２支持部とを有し、上記中央部は上記第１主面と上記第２主面が平坦であり、上記第１支持部及び上記第２支持部は、上記長手方向に垂直な方向に沿って屈曲された屈曲構造を有する。上記第１圧電素子は、上記中央部の上記第１主面に接合されている。上記第２圧電素子は、上記中央部の上記第２主面に接合されている。【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子を用いる振動発生装置及び電子機器に関する。

振動によりユーザに触感を提示する触覚機能デバイスには様々なアクチュエータが用いられている。例えば、通知機能には偏心モータやリニア共振アクチュータ等の電磁式アクチュエータが用いられている。また、フォースフィードバック機能にはこれらの電磁式アクチュエータに加え、圧電式アクチュエータも用いられている。

さらに近年では、触感技術は高度化され、ザラザラ感やツルツル感といった人間の触感表現も再現できる技術が開発されている。このような技術は振動体に圧電素子を接合した圧電アクチュエータによって実現することができる。例えば、特許文献１には、金属板に圧電板を貼り合わせた圧電振動板を備える圧電振動発音装置が開示されている。また、特許文献２には、板バネに圧電体を固定した圧電バイブレータが記載されている。

特開平８－３１４４６７号公報 特開平１１－２４４７８３号公報

従来、通知機能に用いられる圧電アクチュエータは、圧電素子を振動体に接合し、圧電素子の面内方向での伸縮により振動体に屈曲振動を生じさせるユニモルフ構造が一般的である。しかしながらユニモルフ構造では、圧電アクチュエータを実装する部材の材質影響が生じる上、圧電アクチュエータのエネルギーは圧電素子に依存し、実装個数を増加させるための実装スペースが必要となる。さらに、圧電素子の面内方向での伸縮を屈曲振動として伝達するため、振動伝達のロスが発生する。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、エネルギーの大きい振動を発生させることが可能な振動発生装置及び電子機器を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る振動発生装置は、振動板と、第１圧電素子と、第２圧電素子とを具備する。
上記振動板は、板状であり、第１主面と、上記第１主面とは反対側の第２主面を有し、長手方向における中央部と、上記長手方向における一端と上記中央部の間の第１支持部と、上記長手方向における他端と上記中央部の間の第２支持部とを有し、上記中央部は上記第１主面と上記第２主面が平坦であり、上記第１支持部及び上記第２支持部は、上記長手方向に垂直な方向に沿って屈曲された屈曲構造を有する。
上記第１圧電素子は、上記中央部の上記第１主面に接合されている。
上記第２圧電素子は、上記中央部の上記第２主面に接合されている。

上記のように、第１支持部及び第２支持部に屈曲構造を設けることにより、振動板の屈曲振動を増強すると共に変位を均一化し、歪みの少ない安定した振動を発生させることができ、振動発生装置はエネルギーの大きい振動を発生させることが可能である。

上記第１支持部及び上記第２支持部はそれぞれ、上記第１主面に設けられた凸部と、上記第２主面のうち上記凸部の反対側に設けられた凹部からなる第１屈曲部と、上記第２主面に設けられた凸部と、上記第１主面のうち上記凸部の反対側に設けられた凹部からなる第２屈曲部を有してもよい。

上記第１支持部及び上記第２支持部はそれぞれ、１つの上記第２屈曲部と上記第２屈曲部を挟む２つの上記第１屈曲部とを有してもよい。

上記振動発生装置は、上記支持部に着脱可能なウエイトをさらに具備してもよい。

上記支持部は、上記中央部からの距離が異なる複数の孔を有し、
上記ウエイトは、上記孔に嵌合することによって上記支持部に装着されてもよい。

上記ウエイトは、上記支持部のうち上記第１屈曲部及び上記第２屈曲部の凸部のいずれか１つ以上に装着されてもよい。

上記振動発生装置では、
上記両端に装着され、上記支持部の上記第２主面に当接する台座と、
上記両端に装着され、上記支持部の上記第1主面に当接し、上記第１圧電素子と対向し、上記第１圧電素子と離間する変位拡大部材と
をさらに具備してもよい。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る電子機器は、振動派生装置と、部材とを具備する。
上記振動発生装置は、板状であり、第１主面と、上記第１主面とは反対側の第２主面を有し、長手方向における中央部と、上記長手方向における一端と上記中央部の間の第１支持部と、上記長手方向における他端と上記中央部の間の第２支持部とを有し、上記中央部は上記第１主面と上記第２主面が平坦であり、上記第１支持部及び上記第２支持部は、上記長手方向に垂直な方向に沿って屈曲された屈曲構造を有する振動板と、上記中央部の上記第１主面に接合された第１圧電素子と、上記中央部の上記第２主面に接合された第２圧電素子とを備える。
上記部材は、上記振動発生装置が装着されている。

以上のように本発明によれば、エネルギーの大きい振動を発生させることが可能な振動発生装置及び電子機器を提供することが可能である。

本発明の実施形態に係る振動発生装置の斜視図である。 上記振動発生装置の分解斜視図である。 上記振動発生装置の断面図である。 上記振動発生装置が備える振動板の平面図である。 上記振動発生装置が備える振動板の平面図である。 上記振動発生装置が備える振動板の断面図である。 上記振動発生装置が備える圧電素子の断面図である。 上記振動発生装置が備える圧電素子の動作を示す模式図である。 上記振動発生装置が備える振動板の断面図である。 本発明の実施形態に係る、ウエイトを備える振動発生装置の模式図である。 本発明の実施形態に係る、変位拡大機構を備える振動発生装置の模式図である。 上記振動発生装置の断面図である。 上記振動発生装置が備える変位拡大機構の断面図である。 上記振動発生装置の動作を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る振動発生装置の、振動板の他の形状を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る振動発生装置の、振動板の他の形状を示す断面図である。 本発明の実施形態に係る振動発生装置の、振動板の他の形状を示す断面図である。

本発明の実施形態に係る振動発生装置について説明する。

［振動発生装置の構成］
図１は本実施形態に係る振動発生装置１００の斜視図であり、図２は振動発生装置１０の分解斜視図である。図３は、振動発生装置１００の断面図である。以下の各図において相互に直行する３方向をＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向とする。

これらの図に示すように、振動発生装置１００は、振動板１０１、第１圧電素子１０２、第２圧電素子１０３及び台座１０４を備える。

振動板１０１は、第１圧電素子１０２及び第２圧電素子１０３によって振動を生じる。図４及び図５は振動板１０１の平面図であり、図６は振動板１０１の断面図である。図６は図４及び図５のＡ－Ａ線での断面図である。図４乃至図６に示すように、振動板１０１は一方向に延伸する板状形状を有する。これらの図に示すように振動板１０１の長手方向をＸ方向とし、短手方向をＹ方向、振動板１０１の厚み方向をＺ方向とする。

図６に示すように、振動板１０１の主面の一方を第１主面１０１ａとし、第１主面１０１ａの反対側の主面を第２主面１０１ｂとする。図４は第１主面１０１ａを示し、図５は第２主面１０１ｂを示す。また、振動板１０１の長手方向（Ｘ方向）の一端を端１０１ｃとし、長手方向（Ｘ方向）の他端を端１０１ｄとする。

図４乃至図６に示すように、振動板１０１は、中央部１１１、第１支持部１１２及び第２支持部１１３を有する。中央部１１１は振動板１０１の長手方向（Ｘ方向）における中央に位置し、端１０１ｃ及び端１０１ｄとは離間する。中央部１１１は平板状であり、中央部１１１における第１主面１０１ａ及び第２主面１０１ｂは平坦である。

第１支持部１１２は中央部１１１と端１０１ｃの間に設けられ、後述する屈曲構造を有する。第２支持部１１３は中央部１１１と端１０１ｄの間に設けられ、後述する屈曲構造を有する。図４及び図５に示すように、第１支持部１１２及び第２支持部１１３には、中央部１１１からの距離が異なる複数の孔１１４が設けられている。孔１１４は、後述するウエイトの装着に用いられる。また、第１支持部１１２及び第２支持部１１３のうち端１０１ｃ及び端１０１ｄの近傍には、台座１０４との固定用の孔１１５が設けられている。

振動板１０１は１枚の板状部材であり、平板状の部材の一部を屈曲させることによって中央部１１１、第１支持部１１２及び第２支持部１１３を形成させたものとすることができる。振動板１０１は弾性変形を生じる材料からなり、例えばステンレス等の金属材料からなるものとすることができる。

第１圧電素子１０２及び第２圧電素子１０３は、振動板１０１に接合され、振動を発生させる。図７は、第１圧電素子１０２及び第２圧電素子１０３として用いることが可能な圧電素子１２０の断面図である。同図に示すように圧電素子１２０は、圧電体１２１、第１電極１２２及び第２電極１２３を備える。圧電体１２１はＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電材料からなる。圧電体１２１の一面を表面１２１ａとし、表面１２１ａの反対側の面を裏面１２１ｂとする。また、表面１２１ａと裏面１２１ｂの間の一面を側面１２１ｃとし、側面１２１ｃと反対側の面を側面１２１ｄとする。

第１電極１２２は、第１内部電極１２４及び第１外部電極１２５を備える。第１内部電極１２４は導電性材料からなり、圧電体１２１中に複数層が設けられ、側面１２１ｃに面する。第１外部電極１２５は導電性材料からなり、表面１２１ａ、裏面１２１ｂ及び側面１２１ｃ上に形成され、第１内部電極１２４と接続されている。

第２電極１２３は、第２内部電極１２６及び第２外部電極１２７を備える。第２内部電極１２６は導電性材料からなり、圧電体１２１中に複数層が設けられ、側面１２１ｄに面する。第２外部電極１２７は導電性材料からなり、表面１２１ａ及び側面１２１ｄ上に形成され、第２内部電極１２６と接続されている。

図７に示すように、第１内部電極１２４と第２内部電極１２６は交互に配置され、圧電体１２１を介して対向する。第１外部電極１２５及び第２外部電極１２７は表面１２１ａにおいて離間して設けられている。なお、第１内部電極１２４及び第２内部電極１２６の層数は３層ずつに限られない。

圧電素子１２０では、第１電極１２２と第２電極１２３の間に電圧を印加すると、逆圧電効果により圧電体１２１に変形が生じ、振動が発生する。圧電素子１２０は図７に示すように、第１電極１２２と第２電極１２３を、圧電体１２１を介して交互に積層した積層構造を有するものであってもよく、他の構造を有するものであってもよい。

第１圧電素子１０２及び第２圧電素子１０３は以上のような圧電素子１２０の構成を有するものとすることができる。図８は、振動板１０１、第１圧電素子１０２及び第２圧電素子１０３を示す模式図である。同図に示すように、第１圧電素子１０２は裏面１２１ｂが樹脂等によって中央部１１１の第１主面１０１ａに接合され、第２圧電素子１０２は裏面１２１ｂが樹脂等によって中央部１１１の第２主面１０１ｂに接合される。

第１圧電素子１０２は、第１電極１２２がグランド、第２電極１２３がプラス端子に接続され、第２圧電素子１０３は、第１電極１２２がプラス端子、第２電極１２３がグランドに接続されるものとすることができる。これにより、第１圧電素子１０２と第２圧電素子１０３は交流駆動における伸縮方向が逆転する。なお、このような圧電素子の駆動方法はバイモルフ駆動と呼ばれる。

図８では、第１圧電素子１０２及び第２圧電素子１０３の伸縮方向の例を矢印で示す。このように第１圧電素子１０２及び第２圧電素子１０３の伸縮方向を逆転させることにより、振動板１０１の屈曲振動を増強させることができる。

台座１０４は、端１０１ｃ及び端１０１ｄにそれぞれ１つずつが設けられ、第２主面１０１ｂに当接し、振動板１０１及び第２圧電素子１０３を実装対象物から離間させた状態で支持する。図３に示すように、台座１０４は、Ｌ字型形状を有するものとすることができ、孔１１５に挿通する突起等を用いて振動板１０１と固定される。台座１０４はステンレスやポリカーボネート等のヤング率が高い材料からなり、必要に応じて絶縁性シート等により実装対象物から絶縁される。

［支持部の構造について］
第１支持部１１２及び第２支持部１１３には、上述のように屈曲構造が設けられている。図９は第１支持部１１２及び第２支持部１１３の屈曲構造を示す断面図である。この屈曲構造は、振動板１０１の長手方向（Ｘ方向）に垂直な方向（Ｙ方向）に沿って振動板１０１を屈曲させて形成されており、第１支持部１１２及び第２支持部１１３は、第１屈曲部１１６及び第２屈曲部１１７を有する。

第１屈曲部１１６は、第１主面１０１ａに設けられた凸部１１６ａと、第２主面１０１ｂのうち凸部１１６ａの反対側に設けられた凹部１１６ｂからなる。また、第２屈曲部１１７は、第２主面１０１ｂに設けられた凸部１１７ａと、第１主面１０１ａのうち凸部１１７ａの反対側に設けられた凹部１１７ｂからなる。

第１支持部１１２及び第２支持部１１３は、それぞれ２つの第１屈曲部１１６と、１つの第２屈曲部１１７を有する。これらは、第１支持部１１２及び第２支持部１１３において交互に配置されている。即ち、第１屈曲部１１６及び第２屈曲部１１７は中央部１１１に近接した側から第１屈曲部１１６、第２屈曲部１１７、第１屈曲部１１６の順で配置され、第２屈曲部１１７は２つの第１屈曲部１１６に挟まれている。

なお、第１屈曲部１１６及び第２屈曲部１１７の数はここに示すものに限られず、第１支持部１１２及び第２支持部１１３はより多数の、交互に配置された第１屈曲部１１６及び第２屈曲部１１７を有するものであってもよい。

［振動発生装置の動作］
振動発生装置１００の動作について説明する。振動発生装置１００では、上述のように第１圧電素子１０２及び第２圧電素子１０３を交流駆動すると、図８に示すように第１圧電素子１０２及び第２圧電素子１０３が逆方向に伸縮し、振動板１０１の屈曲振動が生じる。

ここで、第１支持部１１２及び第２支持部１１３に上述のような屈曲構造を設けることにより、屈曲振動を増強すると共に変位を均一化し、歪みの少ない安定した振動を発生させることができ、エネルギーの大きい振動を発生させることが可能である。

［ウエイトについて］
振動発生装置１００は、さらにウエイトを備えるものとすることが可能である。図１０は、ウエイト１３１を備える振動発生装置１００の模式図である。ウエイト１３１は所定の重量を有し、図１０に示すように第１支持部１１２及び第２支持部１１３に着脱可能に構成されている。

具体的には、ウエイト１３１は、孔１１４に篏合可能に構成されている。上記のように第１支持部１１２及び第２支持部１１３には中央部１１１からの距離が異なる複数の孔１１４が設けられているため、ウエイト１３１を嵌合させる孔１１４を選択することにより、ウエイト１３１と中央部１１１の距離を調整することができる。

ウエイト１３１は図１０に示すように、第１支持部１１２と第２支持部１１３に一つずつを装着してもよく、複数ずつを装着してもよい。また、第１支持部１１２と第２支持部１１３のいずれか一方にのみ一つ又は複数を装着してもよい。さらに、重量の異なる複数種のウエイトを用いることも可能である。

ウエイト１３１を装着することにより次のような効果が得られる。即ち、ウエイト１３１による質量要素が増え、振動発生装置１００においてより高い振動エネルギーを発生させることができる。また、ウエイト１３１の装着位置を変化させることで振動板１０１の共振周波数を制御し、振動発生装置１００は発生可能な触感の幅を広げることができる。さらにウエイト１３１の装着位置は第１圧電素子１０２及び第２圧電素子１０３と離間しているため、これらの素子に対する機械的ストレスが少なく、信頼性向上が期待できる。

ウエイト１３１の装着位置は、第１支持部１１２及び第２支持部１１３におけるピーク位置、即ち第１屈曲部１１６の凸部１１６ａ及び第２屈曲部１１７の凸部１１７ａ上が好適である。これにより、ウエイト１３１は中央部１１１の第１主面１０１ａ及び第２主面１０１ｂから最も離間した位置に装着され、ウエイト１３１による効果を最大化することが可能である。

［変位拡大機構について］
振動発生装置１００は、さらに変位拡大機構を備えるものとすることが可能である。図１１は、変位拡大機構１３２を備える振動発生装置１００の模式図であり、図１２はこの振動発生装置１００の断面図である。図１３は、変位拡大機構１３２の断面図である。

図１３に示すように、変位拡大機構１３２は、２つの当接部１３２ａとカバー部１３２ｂを有する。当接部１３２ａはそれぞれ、図１２に示すように、第１支持部１１２及び第２支持部１１３において第１主面１０１ａに当接し、変位拡大機構１３２を振動板１０１に固定する。カバー部１３２ｂは、２つの当接部１３２ａの間を接続して第１圧電素子１０２と対向し、かつ第１圧電素子１０２と離間する。

図１４は、変位拡大機構１３２による効果を示す模式図である。同図に黒矢印で示すように第１圧電素子１０２及び第２圧電素子１０３において伸縮が生じている場合、振動板１０１の屈曲振動は白矢印で示すように台座１０４によって実装対象物に伝達される。さらに、変位拡大機構１３２により屈曲振動がカバー部１３２ｂを介して伝達され、振動板１０１の変位が拡大する。これにより、振動発生装置１００は、さらにエネルギーの大きい振動を発生させることが可能となる。なお、変位拡大機構１３２はさらに、第２主面１０１ｂ側にも装着し、２つの変位拡大機構１３２によって振動板１０１を挟持してもよい。

［支持部のその他の形状］
第１支持部１１２及び第２支持部１１３の形状は上述のものに限られない。図１５乃至図１７は、第１支持部１１２及び第２支持部１１３がその他の形状を有する振動板１０１の断面図である。図１５乃至図１７に示す断面図の断面位置は、図４及び図５におけるＡ－Ａ線で示す断面位置と同一である。

図１５に示すように、第１屈曲部１１６及び第２屈曲部１１７は振動板１０１の長手方向に垂直な方向（Ｙ方向）から見て半円形状であってもよい。また、図１６に示すように、第１屈曲部１１６及び第２屈曲部１１７は同方向（Ｙ方向）から見て三角形状であってもよい。さらに、図１７に示すように、第１屈曲部１１６及び第２屈曲部１１７は同方向（Ｙ方向）から見て台形形状であってもよい。

この他にも第１屈曲部１１６及び第２屈曲部１１７は各種形状とすることが可能である。なお、一つの振動板１０１が備える第１屈曲部１１６及び第２屈曲部１１７は互いに同一形状でなくてもよく、振動板１０１は異なる形状の第1屈曲部１１６及び第２屈曲部１１７を備えてもよい。

［電子機器について］
振動発生装置１００の用途は特に限定されないが、例えば、スマートフォンやタブレット等の電子機器において、ディスプレイパネルの裏面や筐体等に実装し、振動により触感を提示する触感提示装置として利用することが可能である。

１００…振動発生装置
１０１…振動板
１０２…第１圧電素子
１０３…第２圧電素子
１０４…台座
１１１…中央部
１１２…第１支持部
１１３…第２支持部
１１４…孔
１１５…孔
１１６…第１屈曲部
１１７…第２屈曲部
１２０…圧電素子
１３１…ウエイト
１３２…変位拡大機構

Claims (8)

1. 板状であり、第１主面と、前記第１主面とは反対側の第２主面を有し、長手方向における中央部と、前記長手方向における一端と前記中央部の間の第１支持部と、前記長手方向における他端と前記中央部の間の第２支持部とを有し、前記中央部は前記第１主面と前記第２主面が平坦であり、前記第１支持部及び前記第２支持部は、前記長手方向に垂直な方向に沿って屈曲された屈曲構造を有する振動板と、
   前記中央部の前記第１主面に接合された第１圧電素子と、
   前記中央部の前記第２主面に接合された第２圧電素子と
   を具備する振動発生装置。
2. 請求項１に記載の振動発生装置であって、
   前記第１支持部及び前記第２支持部はそれぞれ、前記第１主面に設けられた凸部と、前記第２主面のうち前記凸部の反対側に設けられた凹部からなる第１屈曲部と、前記第２主面に設けられた凸部と、前記第１主面のうち前記凸部の反対側に設けられた凹部からなる第２屈曲部を有する
   振動発生装置。
3. 請求項２に記載の振動発生装置であって、
   前記第１支持部及び前記第２支持部はそれぞれ、１つの前記第２屈曲部と前記第２屈曲部を挟む２つの前記第１屈曲部とを有する
   振動発生装置。
4. 請求項３に記載の振動発生装置であって、
   前記支持部に着脱可能なウエイト
   をさらに具備する振動発生装置。
5. 請求項４に記載の振動発生装置であって、
   前記支持部は、前記中央部からの距離が異なる複数の孔を有し、
   前記ウエイトは、前記孔に嵌合することによって前記支持部に装着される
   振動発生装置。
6. 請求項５に記載の振動発生装置であって、
   前記ウエイトは、前記支持部のうち前記第１屈曲部及び前記第２屈曲部の凸部のいずれか１つ以上に装着される
   振動発生装置。
7. 請求項１から６のうちいずれか１項に記載の振動発生装置であって、
   前記両端に装着され、前記支持部の前記第２主面に当接する台座と、
   前記両端に装着され、前記支持部の前記第1主面に当接し、前記第１圧電素子と対向し、前記第１圧電素子と離間する変位拡大部材と
   をさらに具備する振動発生装置。
8. 板状であり、第１主面と、前記第１主面とは反対側の第２主面を有し、長手方向における中央部と、前記長手方向における一端と前記中央部の間の第１支持部と、前記長手方向における他端と前記中央部の間の第２支持部とを有し、前記中央部は前記第１主面と前記第２主面が平坦であり、前記第１支持部及び前記第２支持部は、前記長手方向に垂直な方向に沿って屈曲された屈曲構造を有する振動板と、前記中央部の前記第１主面に接合された第１圧電素子と、前記中央部の前記第２主面に接合された第２圧電素子とを備える振動発生装置と、
   前記振動発生装置が装着された部材と
   を具備する電子機器。

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