JP6626755B2 - アクチュエータ及び触感呈示装置 - Google Patents

Description

本発明は、アクチュエータ及び触感呈示装置に関する。

従来、振動を発生させるアクチュエータが配設されたタッチセンサ等が知られている（例えば、特許文献１参照）。かかるタッチセンサ等では、アクチュエータが、タッチセンサ等の振動対象を振動させることにより、振動対象にタッチするユーザに対して触感が呈示される。

特許第５４５２７２９号公報

触感を呈示する装置は、アクチュエータの振動を大きくすることにより、ユーザに対してより効率的に触感を呈示できる。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、発生する振動を大きくできるアクチュエータ及び触感呈示装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の一実施形態に係るアクチュエータは、圧電素子と、前記圧電素子が接合され、前記圧電素子の伸縮変位に応じて屈曲振動する振動板と、前記振動板を屈曲振動可能に基部に支持するための支持部と、前記振動板に振動対象を保持するための保持部と、前記支持部に結合され、前記支持部を前記基部に固定するための第１の固定部と、前記保持部に結合され、前記振動対象を前記保持部に固定するための第２の固定部と、を備える。前記第１の固定部及び前記第２の固定部は、前記圧電素子の伸縮方向に直交する方向であって、前記振動板の屈曲振動の方向に直交する方向に変位可能である。

また、上記目的を達成する本発明の一実施形態に係る触感呈示装置は、基部と、振動対象と、アクチュエータとを備える。アクチュエータは、圧電素子と、前記圧電素子が接合され、前記圧電素子の伸縮変位に応じて屈曲振動する振動板と、前記振動板を屈曲振動可能に前記基部に支持するための支持部と、前記振動板に前記振動対象を保持するための保持部と、前記支持部に結合され、前記支持部を前記基部に固定するための第１の固定部と、前記保持部に結合され、前記振動対象を前記保持部に固定するための第２の固定部と、を備える。前記第１の固定部及び前記第２の固定部は、前記圧電素子の伸縮方向に直交する方向であって、前記振動板の屈曲振動の方向に直交する方向に変位可能である。

本発明の一実施形態に係るアクチュエータ及び触感呈示装置によれば、発生する振動を大きくできる。

第１実施形態に係る触感呈示装置の構成例を示す要部断面図である。 図１に示すアクチュエータの構成例を示す斜視図である。 固定部を介したアクチュエータの固定方法の例を示す図である。 図１の触感呈示装置の概略構成例を示す機能ブロック図である。 図１のアクチュエータのフレームの断面形状の例である。 比較例に係るアクチュエータのフレームの断面形状である。 筐体及び振動対象に固定されたアクチュエータの動作を説明する図である。 図１に示すアクチュエータを端末装置に搭載した例を示す端末装置の断面図である。 第２実施形態に係るアクチュエータのフレームの断面形状の例である。 振動板と支持部との接合部の断面形状の例である。 リブを備える支持部の例である。 連結部を内側に曲げて両側の連結部を接続したフレームの例である。 アクチュエータの駆動時の各部の寸法の一例を示す図である。

以下、本発明の実施形態に係るアクチュエータ及び触感呈示装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１実施形態）
第１実施形態に係る触感呈示装置は、種々の機器に用いられうる。本実施形態に係る触感呈示装置は、カーナビゲーションシステム、又は、ステアリング若しくはパワーウィンドウのスイッチ等の車載機器とすることができる。触感呈示装置は、携帯電話、スマートフォン、タブレット型ＰＣ（Personal Computer）、ノートＰＣ等とすることができる。触感呈示装置はこれらに限定されるものではなく、デスクトップＰＣ、家電製品、産業用機器（ＦＡ（Factory Automation）機器）、専用端末等、種々の電子機器とすることもできる。以下の説明で用いられる図は模式的なものであり、図面上の寸法比率等は現実のものとは必ずしも一致していない。

［触感呈示装置の構成例］
図１は、第１実施形態に係る触感呈示装置１の構成例を示す要部断面図である。図１に示されるように、本実施形態に係る触感呈示装置１は、アクチュエータ１０と、筐体（基部）２０と、振動対象３０とを備える。

アクチュエータ１０は、圧電素子１１と、振動板１２と、支持部１３と、連結部１４と、保持部１５と、第１の固定部１７ａと、第２の固定部１７ｂとを備える。本実施形態において、アクチュエータ１０は、第１の固定部１７ａを２つ備える。アクチュエータ１０は、連結部１４に結合された第１の固定部１７ａを介して筐体２０に接合される。また、アクチュエータ１０は、保持部１５に結合された第２の固定部１７ｂを介して振動対象３０に接合される。

図２は、アクチュエータ１０の構成例を示す斜視図である。図２（ａ）は、筐体２０に接合される側から見た斜視図である。図２（ｂ）は、振動対象３０が接合される側から見た斜視図である。図１及び図２を参照して、アクチュエータ１０の各部について説明していく。

圧電素子１１は、例えば長方形状である。圧電素子１１は、印加される電圧信号に応じて長手方向に種々のパターンで伸縮変位する。圧電素子１１は、圧電フィルムであってもよいし、圧電セラミックであってもよい。圧電セラミックは、圧電フィルムよりも、より大きい振動エネルギーを有する振動を発生させることができる。

また、圧電素子１１は、外部からの圧力により変形すると、圧電素子１１に対する押圧に係る荷重（力）の大きさ、又は荷重（力）の大きさが変化する速さ（加速度）に応じた、電気的な特性である電圧の大きさ（電圧値）の電圧信号を出力する。圧電素子１１から出力される電圧信号は、例えばアクチュエータ１０が用いられる機器の制御部（コントローラ）に送信される。機器の制御部は、取得した電圧信号に応じて、機器の制御を行うことができる。

振動板１２は、所定の厚みを有する長方形の板状の部材である。振動板１２は、例えば、弾性を有する薄板である。振動板１２は、金属、樹脂、又は、金属及び樹脂等の複合材料等を含んで構成される。振動板１２は、金属薄板（シム板ともいう）であってもよい。以下、振動板１２において筐体２０の側に対向する面を第１の面１２ａという。また、振動板１２において振動対象３０の側に対向する面を第２の面１２ｂという。

振動板１２の第１の面１２ａには、圧電素子１１が設けられる。圧電素子１１は、圧電素子１１の長手方向が振動板１２の長手方向と一致するように設けられる。振動板１２の第２の面１２ｂには、保持部１５が設けられる。圧電素子１１及び保持部１５はそれぞれ、接着等の方法で振動板１２に接合される。

振動板１２の第１の面１２ａに圧電素子１１が設けられる構造は、いわゆるモノモルフである。モノモルフにおいては、圧電素子１１の伸縮変位が、振動板１２の屈曲振動を引き起こす。振動板１２の一方の端部のみが筐体２０に支持されている場合には、振動板１２の他方の端部における第１の面１２ａの法線方向の振幅が最大になるように振動する。振動板１２の両端が筐体２０に支持されている場合には、振動板１２の中央付近における第１の面１２ａの法線方向の振幅が最大になるように振動する。

振動板１２の長手方向の両端にはそれぞれ、支持部１３が設けられる。支持部１３は、圧電素子１１の変位に応じて振動板１２が振動しても筐体２０に衝突しないように圧電素子１１と筐体２０との間のクリアランスを保つ。支持部１３は、振動板１２と同様に、例えば弾性を有する薄板である。支持部１３は、振動板１２と同一の材料により構成される。ただし、支持部１３は、振動板１２とは異なる材料により構成されていてもよい。上述の通り、振動板１２の両端が支持されている場合、圧電素子１１の変位に応じて、振動板１２の中央付近における振幅が最大になるように振動する。

支持部１３の一方の端部は、振動板１２に接続される。支持部１３の他方の端部は、連結部１４に接続される。連結部１４は、支持部１３と第１の固定部１７ａとを連結する。支持部１３と第１の固定部１７ａとを直接連結できる場合には、アクチュエータ１０は、連結部１４を有していなくてもよい。連結部１４は、例えば振動板１２と同様に、弾性を有する薄板である。連結部１４は、振動板１２と同一の材料により構成されていてもよいし、異なる材料により構成されていてもよい。

保持部１５は、第２の固定部１７ｂを介して振動対象３０に接続される。保持部１５は、例えば、図１に示すように、断面がＴ字形状である。保持部１５は、例えば金属により構成される。保持部１５は、金属の他、ゴム材料等の他の材料により構成されていてもよい。保持部１５は、振動板１２の第２の面１２ｂに設けられる。保持部１５は、例えば接着等の方法を用いて振動板１２に接合される。保持部１５は、第２の面１２ｂの中央付近に設けられる。ただし、保持部１５が設けられる位置は中央付近に限られない。保持部１５は、振動板１２の最大の振幅となる部分に設けられてもよい。保持部１５には、例えば接着等の方法を用いて振動対象３０が接合される。

保持部１５は、ゴム材料により構成される場合、振動板１２の振動が振動対象３０に効率よく伝達されるように、振動板１２の振動方向、つまり第１の面１２ａの法線方向に大きい弾性係数を有していてもよい。一方で保持部１５は、振動板１２の第１の面１２ａに平行な方向に小さい弾性係数を有していてもよい。このようにすることで、外力による触感呈示装置１の破損の可能性を低減できる。弾性係数は、部材にかかる外力と部材の変位量との関係を示す定数であり、変位量と弾性係数との積が外力となる。つまり同じ外力に対する変位量は、弾性係数が小さいほど大きくなる。

本実施形態において、保持部１５は、振動板１２と同一の材料により構成されている。ただし、保持部１５は、振動板１２とは異なる材料により構成されていてもよい。

本実施形態において、振動板１２と支持部１３と連結部１４と保持部１５とは、一体成型されている。以下、振動板１２と支持部１３と連結部１４と保持部１５とが一体成型された部材を、アクチュエータ１０のフレーム１０ａともいう。本実施形態に係るフレーム１０ａは、同一の材料からなる。フレーム１０ａは、例えば、一枚の金属の薄板を板金加工により折り曲げることにより一体成型されてもよい。フレーム１０ａは、振動板１２と支持部１３と連結部１４と保持部１５とがそれぞれ溶接されて一体に成型されてもよい。フレーム１０ａは、樹脂の一体成型によって作られてもよい。

第１の固定部１７ａは、フレーム１０ａを筐体２０に固定する。第２の固定部１７ｂは、フレーム１０ａを振動対象３０に固定する。第１の固定部１７ａ及び第２の固定部１７ｂは、例えば金属、樹脂、又は、金属及び樹脂等の複合材料等を含んで構成される。第１の固定部１７ａ及び第２の固定部１７ｂは、例えばフレーム１０ａと同一の材料により構成されていてもよい。

第１の固定部１７ａ及び第２の固定部１７ｂは、例えば平板状の部材である。第１の固定部１７ａ及び第２の固定部１７ｂは、それぞれ圧電素子１１の伸縮方向に交差する方向に変位可能である。本実施形態では、第１の固定部１７ａ及び第２の固定部１７ｂは、その平面が、圧電素子１１の伸縮方向に直交する方向であって、振動板１２の屈曲振動の方向に直交する方向に変位可能に、フレーム１０ａに接続される。

第１の固定部１７ａ及び第２の固定部１７ｂは、フレーム１０ａをそれぞれ筐体２０及び振動対象３０に固定するためのねじ止め用の穴１７ｃを有する。なお、フレーム１０ａと、筐体２０及び振動対象３０との固定方法は、ねじ止めに限られない。フレーム１０ａは、例えば接着等により筐体２０及び振動対象３０に固定されてもよい。この場合、第１の固定部１７ａ及び第２の固定部１７ｂは、穴１７ｃを有していなくてもよい。第１の固定部１７ａ及び第２の固定部１７ｂは、それぞれアクチュエータ１０の筐体２０及び振動対象３０への固定状態において、少なくとも一部が筐体２０及び振動対象３０から露出する。すなわち、第１の固定部１７ａ及び第２の固定部１７ｂの少なくとも一部は、フレーム１０ａと、それぞれ筐体２０及び振動対象３０とのクリアランスを保つように、筐体２０及び振動対象３０に固定される。

図３は、第１の固定部１７ａ及び第２の固定部１７ｂを介したアクチュエータ１０の固定方法の例を示す図であり、アクチュエータ１０を一方の側面（一方の支持部１３側）から見た図である。図３では、説明のため、第１の固定部１７ａ及び第２の固定部１７ｂのうち、それぞれ筐体２０及び振動対象３０の内部に挿入された部分についても示している。

例えば図３（ａ）に示すように、筐体２０及び振動対象３０に形成された溝にそれぞれ第１の固定部１７ａ及び第２の固定部１７ｂを挿入して接着剤等で固定することにより、アクチュエータ１０を筐体２０及び振動対象３０に固定できる。この場合、第１の固定部１７ａ及び第２の固定部１７ｂは、穴１７ｃを有していなくてもよい。

また、例えば図３（ｂ）に示すように、筐体２０及び振動対象３０に形成された溝にそれぞれ第１の固定部１７ａ及び第２の固定部１７ｂを挿入し、穴１７ｃを介して第１の固定部１７ａ及び第２の固定部１７ｂをねじ止めすることにより、アクチュエータ１０を筐体２０及び振動対象３０に固定できる。

また、例えば第１の固定部１７ａ及び第２の固定部１７ｂを側面視においてＬ字型に形成し、図３（ｃ）に示すように、筐体２０及び振動対象３０の表面でそれぞれ第１の固定部１７ａ及び第２の固定部１７ｂをねじ止めすることにより、アクチュエータ１０を筐体２０及び振動対象３０に固定できる。図３（ｃ）に示すように、筐体２０及び振動対象３０の表面で第１の固定部１７ａ及び第２の固定部１７ｂをねじ止めする場合には、筐体２０及び振動対象３０に、それぞれ第１の固定部１７ａ及び第２の固定部１７ｂを挿入するための溝を形成する必要がない。

図１及び図３に示すように、筐体２０には、連結部１４に接続された第１の固定部１７ａにおいてアクチュエータ１０が接合される。筐体２０は、アクチュエータ１０と比較して質量が大きく、剛性も高い。よって本実施形態において、筐体２０は剛体とみなされる。

振動対象３０は、例えば機器に備えられるタッチセンサ５０（図３参照）又はスイッチ等であってよい。振動対象３０には、保持部１５に接続された第２の固定部１７ｂにおいてアクチュエータ１０が接合される。上述のように、筐体２０が剛体とみなされる場合、アクチュエータ１０が発生する振動は、主に振動対象３０に伝達される。よって振動対象３０は、タッチしたユーザに触感を呈示することができる。

［触感呈示装置の動作例］
図４は、本実施形態に係る触感呈示装置１の機能ブロックの一例である。図４に示されるように、触感呈示装置１は、上述したアクチュエータ１０と、コントローラ４０とを備える。コントローラ４０は、アプリケーションソフトウェアを実行可能なプロセッサ又はマイクロコンピュータ等により構成することができる。コントローラ４０は、必要に応じて各種情報を記憶することができるメモリ等によって構成される記憶部等も適宜含みうる。

図４に示されるように、コントローラ４０は、アクチュエータ１０に接続される。コントローラ４０は、アクチュエータ１０に駆動信号を出力する。駆動信号は、アクチュエータ１０の圧電素子１１に対して印加される電圧信号である。

圧電素子１１は、コントローラ４０から取得した駆動信号に応じて、長手方向に伸縮変位する。図１及び図２に例示されるアクチュエータ１０の振動板１２は、圧電素子１１の変位に応じて屈曲する。つまり、圧電素子１１が振動板１２の長手方向に縮む方向に変位した場合、振動板１２は第２の面１２ｂが凸になるように屈曲する。また、圧電素子１１が振動板１２の長手方向に伸びる方向に変位した場合、振動板１２は第１の面１２ａが凸になるように屈曲する。このように、圧電素子１１の変位が、振動板１２の第１の面１２ａの法線方向の振動に変換される。

本実施形態においては、圧電素子１１は、電圧信号の印加に応じて縮む方向にのみ変位する。この場合、振動板１２は、第２の面１２ｂが凸になるように屈曲した状態と、屈曲していない平坦な状態とを繰り返して振動する。圧電素子１１の変位は、電圧信号の印加に応じて縮む方向に限られるものではない。圧電素子１１は、電圧信号の印加に応じて伸びる方向に変位するように構成されてもよいし、伸びる方向及び縮む方向のいずれにも変位するように構成されてもよい。

このようにして、コントローラ４０は、アクチュエータ１０を駆動し、振動板１２を振動させる。振動板１２の振動は、保持部１５を介して振動対象３０に伝達される。そして、振動対象３０にタッチしたユーザに対して触感が呈示される。

コントローラ４０は、例えば図４に示されるように、タッチセンサ５０に接続されてもよい。この場合、コントローラ４０は、タッチセンサ５０から取得した信号に応じて、アクチュエータ１０に駆動信号を出力してもよい。タッチセンサ５０は、触感呈示装置１の振動対象３０であってもよい。この場合、ユーザが振動対象３０にタッチしていることがタッチセンサ５０により検出される。コントローラ４０は、ユーザが振動対象３０にタッチしているときに振動対象３０を振動させる。このようにすることで、触感呈示装置１は、振動対象３０にタッチしたユーザに対して触感を呈示することができる。タッチセンサ５０は、触感呈示装置１の振動対象３０とは別個の構成として設けられてもよい。

［フレームの形状］
図５は、本実施形態に係るアクチュエータ１０のフレーム１０ａの断面形状の例である。アクチュエータ１０のフレーム１０ａは、アクチュエータ１０の駆動に応じて弾性変形する。図５（ａ）には、アクチュエータ１０が駆動されていない場合のフレーム１０ａの形状が示されている。また図５（ｂ）には、アクチュエータ１０が駆動されている場合のフレーム１０ａの形状が示されている。図５（ｂ）において振動板１２は、アクチュエータ１０の駆動に応じて第２の面１２ｂが凸となるように屈曲している。

図５（ａ）に示されるように、アクチュエータ１０が駆動されていない場合、支持部１３は、振動板１２に接続される側の端部が連結部１４に接続される側の端部よりも外側になるように設けられている。このように設けられた支持部１３の状態のことを、支持部１３が外側に傾いている状態ともいう。この場合、振動板１２と支持部１３とがなす角度は鋭角になっている。

支持部１３は、振動板１２の法線方向と支持部１３とがなす角度がαとなるように設けられている。以下、角度（α）のことを与角（α）ともいう。与角（α）は、振動板１２の法線方向に対して支持部１３が外側に傾いている状態の場合に正の値をとるものと定義される。与角（α）の単位はラジアンである。以降の説明に用いられる角度の単位も、特に言及がない限りラジアンである。支持部１３が設けられる方向を一意に表すために、与角（α）は、−π≦α＜πであるものとする。

支持部１３の長さはＨである。この場合、振動板１２の端部と連結部１４との距離は、Ｈｃｏｓαである。振動板１２の端部と連結部１４との距離は、振動板１２の端部から連結部１４を含む面に下ろした垂線の長さとして定義される。

図５（ｂ）に示されるように、アクチュエータ１０が駆動されている場合、振動板１２は屈曲している。振動板１２の両端部に対する中央部の変位は、第１の面１２ａ側から第２の面１２ｂ側へ向かう変位が正の値になるものとして、Δｘ（＞０）である。振動板１２の屈曲に応じて、支持部１３の上端（振動板１２に接続される側の端部）は、振動板１２により、振動板１２の中央部側に引っ張られる。振動板１２により引っ張られた支持部１３は、振動板１２の法線方向と支持部１３とがなす角度がβとなる。以下、角度（β）のことを変位角（β）ともいう。変位角（β）は、支持部１３が外側に傾いている状態の場合に正の値をとるものと定義される。与角（α）の範囲と同様に、変位角（β）は、−π≦β＜πであるものとする。アクチュエータ１０の駆動状態において、支持部１３の上端は、振動板１２の中央部側に引っ張られるため、αとβとは、α＞βを満たす。支持部１３の長さは、図５（ａ）と同様にＨである。この場合、振動板１２の端部と連結部１４との距離は、Ｈｃｏｓβである。

図５（ａ）と図５（ｂ）とを比較して、アクチュエータ１０の駆動による振動板１２の端部と連結部１４との距離の変化（Δｙ）は、以下の式（１）により算出される。
Δｙ＝Ｈ（ｃｏｓβ−ｃｏｓα） （１）
ここで、α＞β＞０、Ｈ＞０であるから、Δｙ＞０である。

振動対象３０に対して伝達されるアクチュエータ１０の変位は、振動板１２の中央部の変位（Δｘ）と、振動板１２の端部と連結部１４との距離の変化（Δｙ）との和である。Δｙ＞０であるから、支持部１３と振動板１２の法線方向とがなす角度が変化しない場合（Δｙ＝０）と比較して、振動対象３０に対して伝達されるアクチュエータ１０の変位を大きくすることができる。

＜比較例＞
図６は、比較例に係るアクチュエータ１０のフレーム１０ｂの断面形状である。フレーム１０ｂは、図１等に示されるフレーム１０ａと同様に、一体成型された振動板１２、支持部１３及び連結部１４と、保持部１５とにより構成される部材である。フレーム１０ｂは、フレーム１０ａとは異なる断面形状を有する。図６（ａ）には、アクチュエータ１０が駆動されていない場合のフレーム１０ｂの形状が示されている。図６（ｂ）には、アクチュエータ１０が駆動されている場合のフレーム１０ｂの形状が示されている。図６（ｂ）において振動板１２は、アクチュエータ１０の駆動に応じて第２の面１２ｂが凸となるように屈曲している。

図６（ａ）に示されるように、アクチュエータ１０が駆動されていない場合、フレーム１０ｂの支持部１３は、振動板１２の法線方向に沿うように位置している。つまり図６（ａ）において、支持部１３は振動板１２に直交している。支持部１３の長さはＨである。この場合、振動板１２の端部と連結部１４との距離は、支持部１３の長さと同じ（Ｈ）である。

図６（ｂ）は、アクチュエータ１０が駆動されている場合を示しており、この場合に、振動板１２は、両端部に対して中央部が第２の面１２ｂ側にΔｘだけ変位するように屈曲しているとする。図５の場合と同様に、第１の面１２ａ側から第２の面１２ｂ側へ向かう変位を正の値として、Δｘ＞０とする。振動板１２の屈曲に応じて、支持部１３の上端（振動板１２に接続される側の端部）は、振動板１２により、振動板１２の中央部側に引っ張られる。このとき、支持部１３の変位角は、β（上述の定義によればβ＜０）となっている。支持部１３の長さは、図５（ａ）と同様にＨである。この場合、振動板１２の端部と連結部１４との距離は、Ｈｃｏｓβである。

図６（ａ）と図６（ｂ）とを比較して、アクチュエータ１０の駆動による振動板１２の端部と連結部１４との距離の変化（Δｙ）は、以下の式（２）により算出される。
Δｙ＝Ｈ（ｃｏｓβ−１） （２）
ここで、ｃｏｓβ＜１、Ｈ＞０であるから、Δｙ＜０である。

振動対象３０に対して伝達されるアクチュエータ１０の変位は、振動板１２の中央部の変位（Δｘ）と、振動板１２の端部と連結部１４との距離の変化（Δｙ）との和である。Δｙ＜０であるから、上述の本実施形態に係るフレーム１０ａの断面形状の例（Δｙ＞０）と比較して、振動対象３０に対して伝達されるアクチュエータ１０の変位は小さくなっている。また、支持部１３と振動板１２の法線方向とがなす角度が変化しない場合（Δｙ＝０）と比較しても、振動対象３０に対して伝達されるアクチュエータ１０の変位は小さくなっている。

このように、本実施形態に係るフレーム１０ａの断面形状は、支持部１３が与角（α）を有している。言い換えると、振動板１２と支持部１３とがなす角度が鋭角である。比較例に係るフレーム１０ｂの断面形状のように、振動板１２と支持部１３とがなす角度が直角である場合、振動対象３０に対して伝達されるアクチュエータ１０の変位が大きくならない。また説明は省略するが、振動板１２と支持部１３とがなす角度が鈍角である場合も、振動対象３０に対して伝達されるアクチュエータ１０の変位が大きくならないことは明らかである。そのため、本実施形態に係るフレーム１０ａによれば、振動対象３０に対して伝達されるアクチュエータ１０の変位をより大きくできる。

次に、筐体２０及び振動対象３０に固定されたアクチュエータ１０の動作について、図７を参照しながら説明する。図７は、アクチュエータ１０を一方の側面（一方の支持部１３側）から見た図である。本実施形態に係るアクチュエータ１０は、例えば図３（ａ）に示したように、第１の固定部１７ａ及び第２の固定部１７ｂの一部がそれぞれ筐体２０及び振動対象３０に挿入された状態で固定される。この状態で、例えば圧電素子１１が駆動されると、アクチュエータ１０の振動により、振動対象３０が図７（ａ）の上下方向に振動する。

図７（ｂ）は、アクチュエータ１０に対してせん断応力がかかっている場合の状態を示す図である。図７（ｂ）に示すように、筐体２０と振動対象３０とが図７（ａ）に示した状態から、左右のそれぞれ反対方向にずれた場合、アクチュエータ１０にせん断応力がかかる。この場合、第１の固定部１７ａ及び第２の固定部１７ｂにおいてそれぞれ筐体２０及び振動対象３０から露出した部分が、せん断方向の応力に対応して、第１の固定部１７ａ及び第２の固定部１７ｂの弾性により変形する。この状態で圧電素子１１が駆動されると、振動板１２での振動の方向が、変形した第１の固定部１７ａ及び第２の固定部１７ｂにより、筐体２０及び振動対象３０に対する垂直な方向の振動に変換される。このようにして、振動対象３０が図７（ｂ）の上下方向に振動する。このように、本実施形態によれば、アクチュエータ１０は、第１の固定部１７ａ及び第２の固定部１７ｂにより、せん断応力に対して対応可能である。

次に、本実施形態に係るアクチュエータ１０を所定の機器に搭載した場合のアクチュエータ１０の動作の一例について説明する。ここでは、一例として、アクチュエータ１０を、スマートフォン等の端末装置に搭載した場合の例について説明する。

図８は、図１に示すアクチュエータ１０を端末装置に搭載した例を示す端末装置の断面図である。端末装置６０は、本体６１と、本体６１の上面側に配置されるパネル６２とを備える。

本体６１は、例えば金属又は硬質プラスチック等で形成される。本体６１は、例えば外観形状が概略直方体形状であり、パネル６２が配置されるための凹部を有する。本体６１は、図１で示した筐体２０に対応する。

パネル６２は、接触を検出するタッチパネル、又は端末装置６０が備える表示部を保護するカバーパネル等であり、例えばガラス又はアクリル等の合成樹脂により形成される。パネル６２は、例えば略直方体形状である。パネル６２は、平板であってもよいし、表面が滑らかに傾斜する曲面パネルであってもよい。パネル６２は、図１に示した振動対象３０に対応する。

本体６１は、凹部の底部に、略直角三角形状の突起６１ａを有する。また、パネル６２は、本体６１に配置された状態における下面側に、略直角三角形状の突起６２ａを有する。図８に示すように、本体６１とパネル６２とは、それぞれ突起６１ａ及び突起６２ａが形成する傾斜面において、支持部材６３を介して結合される。支持部材６３は、例えばゴム等の弾性材料により形成される。

また、本体６１とパネル６２との間には、アクチュエータ１０が連結されている。図８に示す例では、本体６１の凹部により形成される側面と、本体６１に配置された状態におけるパネル６２の側面とに、それぞれ第１の固定部１７ａ及び第２の固定部１７ｂが挿入されることにより、アクチュエータ１０が本体６１とパネル６２との間に連結されている。

ここで、圧電素子１１が駆動されると、アクチュエータ１０の振動がパネル６２に伝達され、パネル６２が振動する。ここで説明している例では、図８（ｂ）の矢印で示すように、パネル６２は、突起６１ａ及び６２ａの傾斜面に沿って、左下から右上という斜め方向に振動する。このとき、例えば、ユーザの指がパネル６２を押圧すると、アクチュエータ１０の第１の固定部１７ａ及び第２の固定部１７ｂが、押圧により発生するせん断応力に対して変形する。そのため、せん断応力がかかった場合であっても、アクチュエータ１０は、所望の振動をパネル６２に発生させやすい。このように、アクチュエータ１０によれば、第１の固定部１７ａ及び第２の固定部１７ｂにより、せん断応力に対して対応可能である。

なお、図８では、パネル６２が突起６１ａ及び６２ａの傾斜面に沿って斜め方向に振動する場合について説明したが、パネル６２の振動方向は、この方向に限られない。例えば、本体６１及びパネル６２がそれぞれ突起６１ａ及び６２ａを有さず、パネル６２が支持部材６３を介して本体６１の凹部の底部に結合されている場合、パネル６２は、パネル６２の面に沿った方向（図８における横方向）に振動する。また例えば、パネル６２の下面と、本体６１の凹部の底部とが、アクチュエータ１０により結合されている場合、アクチュエータ１０の振動により、パネル６２は、パネル６２の面に垂直な方向（図８における縦方向）に振動する。パネル６２が横方向又は縦方向に振動する場合においても、例えばユーザがパネル６２の周縁付近をタッチすることにより、アクチュエータ１０にせん断応力がかかる場合がある。しかしながら、この場合でも、アクチュエータ１０は第１の固定部１７ａ及び第２の固定部１７ｂが変形することにより、せん断応力に対して対応可能である。

仮に、端末装置６０において、例えば図７（ｃ）に示したような、第１の固定部１７ａ及び第２の固定部１７ｂを有さないアクチュエータ１００を用いた場合、本体６１とパネル６２との位置関係に基づくせん断応力が発生すると、アクチュエータ１００は、所望の振動をパネル６２に与えられなくなりうる。

このように、本実施形態に係るアクチュエータ１０では、アクチュエータ１０にせん断応力が発生した場合に、第１の固定部１７ａ及び第２の固定部１７ｂが変形する。これにより、アクチュエータ１０は、せん断応力が発生した場合であっても、所望の振動を振動対象３０に与えやすい。

（第２実施形態）
第１実施形態では、振動板１２と支持部１３と連結部１４と保持部１５とが同一の材料で一体として成型されていた。第２実施形態では、振動板１２、連結部１４及び保持部１５の材料と支持部１３の材料とが異なる構成について説明する。図９は、第２実施形態に係る触感呈示装置１の構成例を示す要部断面図である。以下、第１実施形態と同一の点については、適宜説明を省略し、主に異なる点について説明する。

本実施形態において、振動板１２、連結部１４及び保持部１５は、第１実施形態と同様に、例えば弾性を有する薄板等である。振動板１２の材料と連結部１４の材料と保持部１５の材料とは同一であってもよいし、異なってもよい。一方で、支持部１３は、例えば硬化型樹脂等により構成されるピラーであり、振動板１２の法線方向の弾性係数が大きい部材である。支持部１３は、金属等の他の材料により構成されてもよい。支持部１３は、振動板１２との接合部及び連結部１４との接合部において、弾性変形するように構成される。よって支持部１３は、傾斜するように動くことができる。

本実施形態において、振動板１２と支持部１３とは異なる材料間で一体成型される。例えば、振動板１２と支持部１３とは溶接して一体に成型されてもよい。あるいは、金属の振動板１２の周りに支持部１３となる樹脂を成型することにより、振動板１２と支持部１３とが一体成型されてもよい。あるいは、金属の振動板１２に嵌合部を設け、樹脂により構成される支持部１３と嵌合することにより、振動板１２と支持部１３とが一体成型されてもよい。あるいは、金属の振動板１２の表面にプライマーを塗布した接合面を設け、当該接合面に樹脂を成型することにより、振動板１２と支持部１３とが一体成型されてもよい。あるいは、金属の振動板１２の表面に微細加工を施した接合面を設け、当該接合面に樹脂を成型することにより、振動板１２と支持部１３とが一体成型されてもよい。

本実施形態に係るアクチュエータ１０によれば、材料が互いに異なる振動板１２と支持部１３とが一体成型される。この場合、振動板１２と支持部１３とが別個の部品として構成される場合と比較して、圧電素子１１の変位に応じて発生する振動板１２の振動の減衰が支持部１３によって低減されつつ、部品点数及び組み立て工数が削減される。本実施形態に係るアクチュエータ１０によれば、振動板１２と支持部１３との間に接着剤を用いないことにより、平均故障間隔（MTBF）が延びたり、組み立て時の歩留まりが向上したりする。

第２実施形態に係るアクチュエータ１０は、第１実施形態と同様に、振動板１２と支持部１３とがなす角度が鋭角である。そのため、本実施形態に係るアクチュエータ１０によれば、振動板１２と支持部１３とがなす角度が鋭角でない場合と比較して、振動対象３０に対して伝達されるアクチュエータ１０の変位をより大きくできる。

（他の実施形態）
図１０は、振動板１２と支持部１３との接合部の断面形状の例である。図１０（ａ）は、接合部の内側（振動板１２の第１の面１２ａに連結する側）において切込み１６が設けられている断面形状の例を示す。図１０（ｂ）は、接合部の外側（振動板１２の第２の面１２ｂに連結する側）において切込み１６が設けられている断面形状の例である。図１０（ｃ）は、内側にも外側にも切込み１６が設けられていない比較例である。

図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示される振動板１２と支持部１３との接合部は、図１０（ｃ）に示される例と比較して、切込み１６が設けられているために屈曲しやすい。よって、支持部１３の上部が振動板１２の中央部側に引っ張られやすくなり、アクチュエータ１０の駆動時の振動板１２の屈曲が妨げられにくくなる。

図１０（ａ）及び図１０（ｂ）に示される切込み１６は、支持部１３と連結部１４との接合部に設けられてもよい。このようにすることで、支持部１３の与角（α）と変位角（β）との差がより大きくなりうる。

図１１は、リブ１３ａを備える支持部１３の例である。図１１（ａ）は、アクチュエータ１０のフレーム１０ａの断面形状の例を示す。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。支持部１３が図１１（ｂ）に示されるようなリブ１３ａを有することにより、振動板１２の法線方向に対する支持部１３の剛性が高められる。つまり、アクチュエータ１０が振動対象３０に加える力の反力として支持部１３に加わる力による支持部１３の変形量を抑制できる。このようにすることで、アクチュエータ１０が発生する振動は、支持部１３に吸収されにくくなる。よってアクチュエータ１０が発生する振動は、振動対象３０に対してより効率よく伝達される。

また、支持部１３は、振動板１２の端部が圧電素子１１の伸縮変位に応じて振動板１２の法線方向よりも長手方向に大きく変位するように、構成されてもよい。このように、振動板１２の端部の振動板１２の法線方向への変位が小さくなるように支持部１３が構成される場合、振動板１２の振動が振動対象３０に効率よく伝達される。振動板１２の端部の振動板１２の長手方向への変位が大きくなるように支持部１３が構成される場合、振動板１２の振動の減衰が低減される。

図１２は、連結部１４を内側に曲げて両側の連結部１４を接続したフレーム１０ａの例である。図１２（ａ）は、フレーム１０ａの断面形状を示している。図１２（ｂ）は、フレーム１０ａの平面図である。図１２（ａ）によれば、連結部１４が接続されることにより、フレーム１０ａの断面形状が台形の枠の形状となる。このようにすることで、連結部１４が分離して形成される場合と比較して、フレーム１０ａの強度が増す。また図１２（ｂ）によれば、連結部１４の横にねじ止め用の穴１４ａが設けられており、連結部１４の筐体２０へのねじ止めが容易になっている。

（変位の算出例）
図１３は、アクチュエータ１０の駆動時の各部の寸法の一例を示す図である。ここで、図１３を用いて、アクチュエータ１０の駆動時における振動板１２の中央部の変位の算出例について説明する。なお、図１３では、保持部１５の記載を省略している。

図１３（ａ）は、アクチュエータ１０が駆動されていない場合の各部の寸法の一例である。圧電素子１１の長手方向の寸法はＬである。圧電素子１１は、振動板１２の両端からそれぞれ寸法（Ｍ）をあけて設けられている。振動板１２の長手方向の寸法は、Ｌ＋２Ｍである。支持部１３の長さはＨである。支持部１３と振動板１２の法線方向とがなす角（与角）はαである。支持部１３の、連結部１４に連結する側の端部は、連結部１４により固定される。支持部１３は、当該端部を中心として揺動可能である。

図１３（ｂ）は、アクチュエータ１０の駆動時の各部の寸法の一例である。圧電素子１１が縮むことにより、振動板１２は、第２の面１２ｂ（図１参照）が凸になるように屈曲している。図１３（ｂ）において、アクチュエータ１０が駆動されていない場合の振動板１２及び支持部１３の形状は、二点鎖線で示されている。振動板１２の端部（支持部１３との接合部）に対する中央部の変位（Δｘ）は、以下の式（３）により算出される。
Δｘ＝Ｍｓｉｎθ＋ρ（１−ｃｏｓθ） （３）
ここでρは、振動板１２が屈曲する際の曲率半径である。θは、振動板１２の端部において、屈曲していない状態と屈曲した状態との間の角度の差である。振動板１２の屈曲部分の内角、つまり、屈曲部分を円弧とする扇形の内角は、２θと表される。曲率半径（ρ）及び内角（２θ）は、圧電素子１１の変位量、又は、圧電素子１１と振動板１２との厚みの比等によって定められる値である。

曲率半径（ρ）又は屈曲部分の内角（２θ）が既知である場合、支持部１３の変位角（β）は、以下の式（４）を用いて算出されうる。
β＝α−Ｍ（１−ｃｏｓθ）／Ｈ （４）
ここで、式（４）では、α、β、θが微小量であるとみなして、三角関数のテイラー展開に基づく近似を用いている。つまり、ｓｉｎα≒α、ｓｉｎβ≒β、及びｓｉｎθ≒θとしている。また、ｓｉｎθ≒Ｌ／２ρとしている。

支持部１３が振動板１２の法線方向に平行になる場合、曲率半径（ρ）及び内角（２θ）に応じた支持部１３の変位角（β）が０となる。式（４）においてβ＝０の場合、与角（α）は、以下の式（５）の関係を満たす。
α＝Ｍ（１−ｃｏｓθ）／Ｈ （５）

図１３（ｂ）において、支持部１３は、振動板１２の屈曲に応じて、アクチュエータ１０が駆動されていない場合の振動板１２の法線方向に平行になっている。この場合、振動板１２の端部と連結部１４との距離の変化（Δｙ）は、以下の式（６）により算出される。
Δｙ＝Ｈ（１−ｃｏｓθ） （６）

振動板１２の中央部の変位（Δｚ）は、ΔｘとΔｙとの和である。よって図１３（ｂ）に示される振動板１２の中央部の変位（Δｚ）は、式（３）及び式（６）に基づく以下の式（７）を用いて算出される。
Δｚ＝Ｍｓｉｎθ＋ρ（１−ｃｏｓθ）＋Ｈ（１−ｃｏｓθ） （７）

上述の式（１）によれば、与角（α）と変位角（β）とがｃｏｓα＜ｃｏｓβを満たす場合、Δｙ＞０となる。ここで、実施形態１等に係るアクチュエータ１０においては、α＞βとなる。よって、β≧０であれば、Δｙ＞０である。以上のことから、Δｙ＞０となるための与角（α）に係る十分条件は、以下の式（８）により表される。
α≧Ｍ（１−ｃｏｓθ）／Ｈ （８）

したがって式（８）を満たすように、支持部１３の与角（α）を適宜設定すれば、振動板１２の中央部の振幅を大きくすることができる。

本発明に係る実施形態について諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。

１ 触感呈示装置
１０、１００ アクチュエータ
１０ａ、１０ｂ フレーム
１１ 圧電素子
１２ 振動板
１２ａ 第１の面
１２ｂ 第２の面
１３ 支持部
１３ａ リブ
１４ 連結部
１４ａ、１７ｃ 穴
１５ 保持部
１６ 切込み
１７ａ 第１の固定部
１７ｂ 第２の固定部
２０ 筐体（基部）
３０ 振動対象
４０ コントローラ
５０ タッチセンサ
６０ 端末装置
６１ 本体
６１ａ、６２ａ 突起
６２ パネル
６３ 支持部材

Claims (7)

1. 圧電素子と、
   前記圧電素子が接合され、前記圧電素子の伸縮変位に応じて屈曲振動する振動板と、
   前記振動板を屈曲振動可能に基部に支持するための支持部と、
   前記振動板に振動対象を保持するための保持部と、
   前記支持部に結合され、前記支持部を前記基部に固定するための第１の固定部と、
   前記保持部に結合され、前記振動対象を前記保持部に固定するための第２の固定部と、
   を備え、
   前記第１の固定部及び前記第２の固定部は、前記圧電素子の伸縮方向に直交する方向であって、前記振動板の屈曲振動の方向に直交する方向に変位可能である、アクチュエータ。
2. 前記第１の固定部及び第２の固定部は平板形状を有し、該平板形状の平面が前記圧電素子の伸縮方向と交差する方向に変位可能である、請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記振動板と前記支持部と前記保持部とが一体成型されている、請求項１又は２に記載のアクチュエータ。
4. 前記支持部は、前記圧電素子の前記伸縮変位に応じて、前記振動板の端部が前記振動板の法線方向よりも前記圧電素子の前記伸縮変位の方向に大きく変位するように構成される、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
5. 基部と、
   振動対象と、
   圧電素子と、前記圧電素子が接合され、前記圧電素子の伸縮変位に応じて屈曲振動する振動板と、前記振動板を屈曲振動可能に前記基部に支持するための支持部と、前記振動板に前記振動対象を保持するための保持部と、前記支持部に結合され、前記支持部を前記基部に固定するための第１の固定部と、前記保持部に結合され、前記振動対象を前記保持部に固定するための第２の固定部と、を備えるアクチュエータと、
   を備え、
   前記第１の固定部及び前記第２の固定部は、前記圧電素子の伸縮方向に直交する方向であって、前記振動板の屈曲振動の方向に直交する方向に変位可能である、触感呈示装置。
6. 圧電素子と、
   前記圧電素子が接合され、前記圧電素子の伸縮変位に応じて屈曲振動する振動板と、
   前記振動板を屈曲振動可能に基部に支持するための支持部と、
   前記振動板に振動対象を保持するための保持部と、
   前記支持部に結合され、前記支持部を前記基部に固定するための第１の固定部と、
   前記保持部に結合され、前記振動対象を前記保持部に固定するための第２の固定部と、
   を備え、
   前記第１の固定部及び第２の固定部は平板形状を有し、該平板形状の平面がそれぞれ前記圧電素子の伸縮方向と交差する方向に変位可能である、アクチュエータ。
7. 基部と、
   振動対象と、
   圧電素子と、前記圧電素子が接合され、前記圧電素子の伸縮変位に応じて屈曲振動する振動板と、前記振動板を屈曲振動可能に前記基部に支持するための支持部と、前記振動板に前記振動対象を保持するための保持部と、前記支持部に結合され、前記支持部を前記基部に固定するための第１の固定部と、前記保持部に結合され、前記振動対象を前記保持部に固定するための第２の固定部と、を備えるアクチュエータと、
   を備え、
   前記第１の固定部及び前記第２の固定部は平板形状を有し、該平板形状の平面がそれぞれ前記圧電素子の伸縮方向と交差する方向に変位可能である、触感呈示装置。

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