JP7313799B2

JP7313799B2 - 振動伝達装置

Info

Publication number: JP7313799B2
Application number: JP2018089175A
Authority: JP
Inventors: 佳成大場; 亮介小林; 明洋三谷; 信隆八幡; 哲山中
Original assignee: NJ Components Co Ltd
Current assignee: NJ Components Co Ltd
Priority date: 2018-05-07
Filing date: 2018-05-07
Publication date: 2023-07-25
Anticipated expiration: 2038-05-07
Also published as: JP2019197248A; WO2019216111A1

Description

この発明は、利用者によるタッチ入力に応動して振動を出力する振動伝達装置に関する。

振動伝達装置は、例えば、利用者がタッチパネルに表示されているボタンを模した図案に触れたとき、ボタンを押し込んだことを振動によって利用者に認知させる。周知のごとく、振動伝達装置は、タッチパネルやガラス基板などの平板状の振動板を、圧電素子や偏心モータを用いて振動させる。また、その振動の周波数や振幅を変えることで、物の形状や表面の手触りなどの「触感」を発生させる振動伝達装置もある。なお、以下の特許文献１には、触感を出力する装置の原理などについて記載されている。また、特許文献２や３には、振動板の振幅を増幅させるための技術について記載されている。

特開２００７－１２２５０１号公報特開２００７－３００４２６号公報国際公開第２０１７／１６３９１７号

振動伝達装置では、利用者がタッチパネルに表示されているボタンなどの図案、あるいは実際のプッシュボタンなどの「ある物」に触れた瞬間に、その「ある物」に触れたことを利用者に認知させたり、その「ある物」の立体感や手触りなどの触感を出力したりすることが要求される。すなわち、入力信号に対して速い応答速度が必要となる。また、振動伝達装置では、利用者に、振動や触感をより明瞭に伝えるために、振動板をより大きな振幅で振動させることも必要となる。

上記の高速応答性については振動の発生源（以下、振動源）を適切に選ぶ必要がある。振動源としては圧電素子や偏心モータがあるが、偏心モータは応答速度が遅いため、触感に大きな違和感が生じる。したがって、振動源としては、圧電素子を用いることが現実的である。しかし、圧電素子は、偏心モータと比較するとそれ単体では大きな振幅が得られない。そこで、上記特許文献２や３に記載の共振構造とともに使用することで振幅を大きくすることが考えられる。

ところで、タッチパネルなどを振動板として用いる振動伝達装置では、利用者によって振動板が押圧されるなどして荷重がかかっている状態で、その振動板を振動させることになる。そのため、荷重がかかっていない状態では、共振構造を用いて大きな振動を発生させることができても、実際に利用者に大きな振動を伝達することが難しい。もちろん、荷重がかかっていても、より大きな振動を発生させれば振動が利用者に伝達される。しかし、その大きな振動を発生させるためには、圧電素子をより高い電圧で駆動したり、より大型の共振構造を採用したりする必要がある。

そこで本発明は、圧電素子の駆動電圧を大きくしたり、大きな共振構造を設けたりすることなく、明瞭な振動を利用者に伝達できる振動伝達装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するための本発明の一態様は、平板状の振動板に振動を発生させる振動伝達装置であって、
前記振動板の厚さ方向を上下方向とし、当該上下方向と直交する面を水平面として、
前記振動板の下方に配置されたアクチュエーターと、
前記アクチュエーターと前記振動板との間に介在して、前記アクチュエーターの振動を前記振動板に伝達する振動伝達部と、
を備え、
前記アクチュエーターは、水平面と平行な平板部と、当該平板部の周縁の複数箇所に、下方に向けて延長する脚部と、前記平板部の少なくとも上下一方の面に貼着される圧電体と、を備え、
前記平板部は、矩形平面形状を有し、
前記平板部の長辺方向を前後方向として、前記脚部は、前記平板部の前後の短辺側に形成され、
前後の前記脚部は、互いに非対称となる形状に形成され、
前記平板部と前記脚部とは一体的な板状の導体からなり、
前記圧電体は、表裏一方の面に電極が形成され、表裏他方の面が前記平板部に貼着され、
当該圧電体と前記平板部とによって圧電素子が構成され、
前記圧電素子は、前記圧電体が水平面内で伸縮することで、前記平板部を撓み振動させ、
前記平板部に上下方向の荷重がかかると、前記脚部が変形し、前記平板部の撓み運動が水平面と平行な揺動運動に変換される、
ことを特徴とする振動伝達装置としている。

平板状の振動板に振動を発生させる振動伝達装置であって、
前記振動板の厚さ方向を上下方向とし、当該上下方向と直交する面を水平面として、
前記振動板の下方に配置されたアクチュエーターと、
前記アクチュエーターと前記振動板との間に介在して、前記アクチュエーターの振動を前記振動板に伝達する振動伝達部と、
を備え、
前記アクチュエーターは、水平面と平行な平板部と、当該平板部の周縁の複数箇所に、下方に向けて延長する脚部と、前記平板部の少なくとも上下一方の面に貼着される圧電体と、を備え、
前記平板部は矩形平面を有し、
前記平板部の長辺方向を前後方向として、前記脚部は、前記平板部の前後の短辺側に形成され、
前記平板部と前記脚部とは一体的な板状の導体からなり、
前記圧電体は、表裏一方の面に電極が形成され、表裏他方の面が前記平板部に貼着され、
当該圧電体と前記平板部とによって圧電素子が構成され、
前記圧電素子は、前記圧電体が水平面内で伸縮することで、前記平板部を撓み振動させ、
前記平板部に上下方向の荷重がかかると、前記脚部が変形し、前記平板部の撓み運動が水平面と平行な揺動運動に変換され、
前記圧電体は、間隙を有して、前記平板部の前方と後方とに二つに分割された状態で貼着されている、
ことを特徴とする振動伝達装置とすることもできる。さらに、前記脚部が、前後非対称となる形状に形成されている振動伝達装置とすれば好ましい。

平板状の振動板に振動を発生させる振動伝達装置であって、
前記振動板の厚さ方向を上下方向とし、当該上下方向と直交する面を水平面として、
前記振動板の下方に配置されたアクチュエーターと、
前記アクチュエーターと前記振動板との間に介在して、前記アクチュエーターの振動を前記振動板に伝達する振動伝達部と、
を備え、
前記アクチュエーターは、水平面と平行な平板部と、当該平板部の周縁の複数箇所に、下方に向けて延長する脚部と、前記平板部の少なくとも上下一方の面に貼着される圧電体と、を備え、
前記平板部は矩形平面を有し、
前記平板部の短辺方向を左右方向として、前記脚部は、前記平板部の前後の短辺側に形成されているとともに、前記平板部から下方に向かって左右方向に斜めに延長して形成され、
前記平板部と前記脚部とは一体的な板状の導体からなり、
前記圧電体は、表裏一方の面に電極が形成され、表裏他方の面が前記平板部に貼着され、
当該圧電体と前記平板部とによって圧電素子が構成され、
前記圧電素子は、前記圧電体が水平面内で伸縮することで、前記平板部を撓み振動させ、
前記平板部に上下方向の荷重がかかると、前記脚部が変形し、前記平板部の撓み運動が水平面と平行な揺動運動に変換される、
ことを特徴とする振動伝達装置であってもよい。

平板状の振動板に振動を発生させる振動伝達装置であって、
前記振動板の厚さ方向を上下方向とし、当該上下方向と直交する面を水平面として、
前記振動板の下方に配置されたアクチュエーターと、
前記アクチュエーターと前記振動板との間に介在して、前記アクチュエーターの振動を前記振動板に伝達する振動伝達部と、
前記アクチュエーターは、水平面と平行な平板部と、当該平板部の周縁の複数箇所に、下方に向けて延長する脚部と、前記平板部の少なくとも上下一方の面に貼着される圧電体と、を備え、
前記平板部は円形の平面を有し、
前記脚部は、前記平板部の周縁に等角度間隔で三箇所以上に形成され、
複数の前記脚部は、下方に向かって当該平板部の円周に沿う同方向に斜めに延長して形成され、
前記平板部と前記脚部とは一体的な板状の導体からなり、
前記圧電体は、表裏一方の面に電極が形成され、表裏他方の面が前記平板部に貼着され、
当該圧電体と前記平板部とによって圧電素子が構成され、
前記圧電素子は、前記圧電体が水平面内で伸縮することで、前記平板部を撓み振動させ、
前記平板部に上下方向の荷重がかかると、前記脚部が変形し、前記平板部の撓み運動が、当該平板部の円周に沿って回転する揺動運動に変換される、
ことを特徴とする振動伝達装置とすることもできる。

本発明によれば、圧電素子の駆動電圧を大きくしたり、大きな共振構造を設けたりすることなく、明瞭な振動を利用者に伝達できる振動伝達装置が提供される。

本発明の実施例に係る振動伝達装置の構造を示す図である。上記実施例に係る振動伝達装置をばねに置き換えたときの図である。上記実施例に係る振動伝達装置の振動状態を示す図である。実施例に係る振動伝達層が備える振動伝達部の効果を確認するための振動伝達装置（比較装置）を示す図である。実施例に係る振動伝達層が備える振動伝達部の効果を確認するための振動伝達装置（評価装置）を示す図である。上記比較装置と評価装置における振動特性の測定点を示す図である。実施例に係る振動伝達装置が備える脚部の効果を確認するためのアクチュエーターを示す図である。図７に示したアクチュエーターの振動特性を示す図である。本発明の実施例に係る振動伝達装置が備えるアクチュエーターの変形例を示す図である。その他の実施例に係る振動伝達装置が備える圧電素子のシミュレーション用モデルを示す図である。上記シミュレーションの結果を示す図である。本発明のその他の実施例に係る振動伝達装置が備えるアクチュエーターを示す図である。

本発明の実施例について、以下に添付図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明に用いた図面において、同一または類似の部分に同一の符号を付して重複する説明を省略することがある。図面によっては説明に際して不要な符号を省略することもある。

＝＝＝本発明の実施例＝＝＝
本発明の実施例に係る振動伝達装置では、振幅を大きくするために、圧電素子を振動源としたアクチュエーターの振動をガラス板などの振動板に伝達する。また、振動板が押圧されるなどして、振動板に荷重がかかっている状態であっても、アクチュエーターがその荷重方向に対して交差する方向に振動し、振動板を自身の法線方向以外にも振動させることができるようになっている。

図１に、本発明の実施例に係る振動伝達装置１の基本構造を示した。図１（Ａ）は、振動伝達装置１の構造を示す斜視図であり、図１（Ｂ）は、振動伝達装置の側面図であり、図１（Ａ）において、図中白抜き矢印の方向から見たときの図に対応している。また、図１（Ｃ）は、実施例に係る振動伝達装置１が備えるアクチュエーター２を示す平面図であり、図１（Ａ）において、図中、黒塗り矢印の方向から見たときの図に対応している。

実施例に係る振動伝達装置１は、図１（Ａ）に示したように、ガラス板などからなる平板状の振動板と、振動を発生させるアクチュエーター２と、アクチュエーター２の振動を振動板３に伝達する振動伝達部と、アクチュエーター２が固定される台座５とから構成されている。ここで、平板状の振動板３の厚さ方向を上下方向とするとともに、利用者が振動板３の上面３１を触れることで振動や触感を認識することとして、上下の各方向を規定すると、図１（Ｂ）に示したように、アクチュエーター２は、振動板３の下方に配置され、上下方向を法線方向とする面を有する平板部２１の少なくとも上下一方の面に圧電体２２が貼着されてなる圧電素子２３と、平板部２１の周縁の複数箇所に下方に延長する脚部２４とから構成されている。

平板部２１と脚部２４とは一体的に形成されており、本実施例では、矩形平板状のステンレス板において互いに対向する二つの縁辺側を下方に屈曲することで脚部２４が形成されている。ここで、脚部２４が、平板部２１の前縁辺および後縁辺に接続していることとして、前後方向を規定し、上下および前後の各方向と直交する方向を左右方向とすると、前方および後方の脚部２４の下端は、平板部２１と平行となるように、後方および前方に向かって屈曲し、その屈曲した先端部分２５は、平板部２１と平行になっている。そして、その先端部分２５の下面が台座５の上面に接着などの方法で固定されている。

また、本実施例では、電極付きの圧電体２２が平板部２１の上面と下面とにエポキシ系接着剤によって接着され、平板部２１と圧電体２２とによってバイモルフ型の圧電素子２３が形成されている。アクチュエーター２の平板部２１と振動板３との間には、振動伝達部４が介在している。振動伝達部４は、柱状の部材で、上面と下面が、それぞれ、振動板２の下面と圧電素子２３の上面とに接着されている。それによって、アクチュエーター２にて発生させた振動が振動板３に伝達される。振動伝達部４の素材としては、ある程度の剛性を有する樹脂が考えられる。高い弾性を有する素材では、アクチュエーター２の振動が吸収されてしまう。本実施例では、ポリプロピレン製の振動伝達部４を用いている。

図１（Ｃ）は圧電素子２３の具体的な構造を示しており、図１（Ｃ）に示したように、圧電体２２は、表裏一方の面に、銀ペーストを焼き付けてなる薄膜状の電極１２２を備え、表裏他方の面が平板部２１に貼着されている。圧電体２２は、平板部２１と脚部２４とを構成するステンレス板と電極１２２との間に電圧が印加されると、前後方向に伸縮する。それによって、圧電素子２３が、前端と後端を節として撓み運動をする。

そして、上記構成を備えた実施例に係る振動伝達装置１では、圧電素子２３が発生させた振動が振動伝達部４によって増幅されて振動板３に伝達されるようになっている。また、振動伝達装置１は、脚部２４により、振動板３が利用者によって押圧されるなどして振動板３に荷重がかかっている状態でも、振動の減衰を抑制し、振動板３を確実に振動させる減衰抑制機能を備えている。さらに、脚部２４が板バネとして機能するため、図２に示したように、アクチュエーター２が、平板部２１によるばね１０１と脚部２４によるばね１０２とを合成した直列ばね１００として作用し、より現実感のある触感を再現するための複雑な振動を発生させることが可能となる。

図３に、実施例に係る減衰抑制機能の概略を示した。図３（Ａ）と図３（Ｂ）に示したように、振動板３に荷重がかかっていない状態では、圧電素子２３は面内方向に伸縮し、それに伴ってアクチュエーター２の平板部２１は撓み運動をする。それによって、振動板３は、振動伝達部４を介して上下方向に振動する。一方、振動板２が押圧されるなどして、振動板３における上下方向の振動が抑制されると、図３（Ｃ）に示したように、アクチュエーター２の脚部２４において、台座５に固定されている下端部分の基部１２４を支点にして前後に揺動する。それによって、圧電素子２３により平板部２１に発生した撓み運動が、前後方向の振動に変換される。すなわち、平板部２１における撓み運動が、上下方向と直交する水平面内の振動成分を含む運動に変換される。

＝＝＝特性評価＝＝＝
実施例に係る振動伝達装置１では、振動伝達部４が、主に上下方向の振幅を増幅させ、脚部２４が、振動板３に荷重がかかっている状態での振幅の減衰を抑制させる。そこで、次に、振動伝達部４による振動特性と、脚部２４による振動特性とを個別に評価することとした。

＜振動伝達部による振幅増幅作用＞
まず、振動伝達部４による振幅の増幅作用を確認するために、振動板３に直接圧電体２２を貼着した振動伝達装置（以下、比較装置）と、振動伝達部４を介して振動板３を振動させるように構成した振動伝達装置（以下、評価装置）とを作製した。図４に比較装置（１ａ、１ｂ）の構造を示した。図４では、図１～図３と同様に、振動板３の厚さ方向を上下方向とし、振動板３の上面３１に触れる利用者の手指などに振動を伝達することとしている。そして、図４（Ａ）と図４（Ｂ）は、比較装置（１ａ、１ｂ）を上下方向から見たときの図であり、図４（Ｃ）は、比較装置（１ａ、１ｂ）を上下方向と直交する方向から見たときの側面図である。そして、図４（Ｄ）は、比較装置（１ａ、１ｂ）に用いられている圧電素子の構造を示している。

図４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）を参照すると、比較装置（１ａ、１ｂ）は、長さＬ１＝１４０ｍｍ、幅Ｗ１＝２３ｍｍ、厚さ１ｍｍの矩形平面形状を有するガラス板を振動板３としている。振動板３の四隅には、直径２．１ｍｍのピン６が挿通された状態で固定されている。振動板３の長辺方向を前後方向とし、短辺方向を左右方向とすると、比較装置（１ａ、１ｂ）は、振動板３の前端側と後端側とに、前後に長い帯状の圧電素子（２３ａ、２３ｂ）が左右方向に並んで貼着された構造を有している。そして、図４（Ｃ）に示したように、圧電素子（２３ａ、２３ｂ）は、振動板３の上面にエポキシ系の接着剤などを用いて接着されている。また、ピン６の下端が台座５に固定されている。

図４（Ａ）と図４（Ｂ）とに示した比較装置（１ａ、１ｂ）の違いは、圧電素子（２３ａ、２３ｂ）の数であり、図４（Ａ）に示した比較装置（以下、第１比較装置１ａとも言う）の圧電素子２３ａは、長さＬ２＝２７ｍｍ、幅Ｗ２＝４ｍｍ、厚さ０．１５ｍｍの圧電体の表面に選択的に薄膜状の電極が形成された構造を有している。そして、その圧電素子２３ａが、振動板３の上下両面の前後両端側に、それぞれ２個ずつエポキシ系接着剤により貼着されて、合計８個の圧電素子２３ａを備えている。

また、図４（Ｂ）に示した比較装置（以下、第２比較装置１ｂとも言う）は、振動板３の上下両面の前後両端側に、それぞれ３個の圧電素子２３ｂが貼着され、合計１２個の圧電素子２３ｂを備えている。そして、第２比較装置１ｂの圧電素子２３ｂは、第１比較装置１ａは、圧電素子２３ａと同じ長さＬ２＝２７ｍｍを有しているが、左右両側の圧電素子２３ｂの左右幅Ｗ３が第１比較装置１ａのＷ２＝４ｍｍに対して、Ｗ３＝３ｍｍとなっている。なお、左右中央の圧電素子２３ｂは、第１比較装置１ａの圧電素子２３ａと同じ左右幅Ｗ２＝４ｍｍを有している。

第１比較装置１ａおよび第２比較装置１ｂが備える圧電素子２３ａは、図４（Ｄ）に示したように、厚さｔ＝０．１５ｍｍのＰＺＴからなる圧電体２２の表裏両面（２２１，２２３）に銀ペーストを焼き付けてなる電極（１２３、１２４）が形成された構造であり、図４（Ｄ）では、電極（１２３、１２４）を斜線のハッチングで示している。また、以下では、圧電素子（２３ａ、２３ｂ）における電極（１２３、１２４）の厚さを無視することとする。

圧電体２２の表裏一方の面２２１の全面に形成されている電極１２４は、圧電体２２の前後一方の端面２２２を介して表裏他方の面２２３にまで連続し、その表裏他方の面２２３の前後一方の端部側の一部を覆っている。この例では、前後一方の端部からＤ１＝３ｍｍの位置まで覆っている。そして、圧電体２２の表裏一方の面２２１には、この面２２１から他方の面２２３まで連続する電極１２４の端部と間隙１２５を介して前後他方の縁辺にまで電極１２４が形成されている。この例では、間隙１２５の幅Ｄ２＝１．５ｍｍであり、この間隙１２５を介して前後他方の縁端まで前後長Ｄ３＝２２．５ｍｍの領域に渡って電極１２４が形成されている。そして、圧電素子（２３ａ、２３ｂ）は、全面に電極１２３が形成されている面２２１が振動板３に貼着されている。そして、圧電体２２の表裏他方の面２２３に形成されている二つの電極１２３と１２４間に電圧を印加すると、圧電体２２は、上下両面で電極（１２３、１２４）が対面する領域に上下方向の電圧が印加され、前後方向に伸縮するように振動する。それによって、振動板３の前後両端側が撓み、振動板３は、上下方向を振幅方向として波状に振動する。なお、第１比較装置１ａにおける圧電素子２３ａの実質的な総面積は、
８個×２２．５ｍｍ×４ｍｍ＝７２０ｍｍ^２
となる。また、第２比較装置における圧電素子の実質的な総面積は、
８個×２２．５ｍｍ×３ｍｍ＋４個×２２．５ｍｍ×４ｍｍ＝９００ｍｍ^２
となる。

次に、評価装置の構造について説明する。図５に評価装置１ｃの構造を示した。図５（Ａ）は、評価装置を情報から見たときの平面図であり、図５（Ｂ）は、評価装置を左右方向から見たときの側面図である。そして図５（Ｃ）は、評価装置に用いられている圧電素子を示す平面図である。図５（Ａ）、（Ｂ）に示したように、評価装置１ｃは、比較装置（１ａ、１ｂ）と同様に、長さＬ１＝１４０ｍｍ、幅Ｗ１＝２３ｍｍ、厚さ１ｍｍの矩形平面形状を有するガラス板を振動板３としている。また、振動板３の四隅に直径２．１ｍｍのピン６が挿通された状態で固定され、そのピン６の下端が台座に固定されている点も比較装置（１ａ、１ｂ）と同様である。

しかし、評価装置１ｃでは、振動板３の前端側と後端側の下方に、それぞれ、矩形平面形状を有する圧電素子２３ｃが配置されており、その圧電素子２３ｃの上面と振動板３の下面との間にポリプロピレンからなる柱状の振動伝達部４が介在している。なお、振動伝達部４は、圧電素子２３ｃの上面と振動板３の下面とに接着されている。また、圧電素子２３ｃは、矩形平面形状を有し、下面の前端と後端側がアクリル樹脂製の台７の上に載置された状態で固定されている。そして、その台７が台座５に固定されている。

評価装置１ｃには、ユニモルフ型の圧電素子２３ｃを備えたものと、バイモルフ型の圧電素子２３ｃを備えたものとを用意した。圧電素子２３ｃは、図５（Ｃ）に示したように、前後方向を長辺方向とした矩形平面形状を有するステンレス板１２１の上面あるいは上下両面に、矩形平面形状を有する圧電体が貼着されてなる。圧電体２２の表裏一方の面には、図中斜線のハッチングで示した領域に電極１２６が形成され、電極１２６が形成されていない表裏他方の面がステンレス板１２１に貼着されている。圧電体２２は、ステンレス板１２１と電極１２６との間に電圧が印加されると、前後方向に伸縮する。それによって、圧電素子２３ｃが、前端と後端を節として撓み運動をする。なお、ステンレス板１２１は、前後長Ｌ３＝２７ｍｍ、左右幅Ｗ３＝１３ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍであり、圧電体２２は、ステンレス板１２１と同じ左右幅Ｗ３を有するとともに、前後長Ｌ４＝２１ｍｍ、厚さ＝０．１５ｍｍで、ステンレス板１２１の前後中央に配置されている。電極１２６は、ステンレス板１２１と接触しないように、圧電体２２の周縁が外方に露出するように圧電体２２の平面形状に沿う矩形状に形成されている。したがって、評価装置１ｃが備える圧電素子２３ｃの実質的な面積は、電極１２６の面積となる。そして、その面積は、ユニモルフ型の圧電素子２３ｃを備えた評価装置１ｃでは、第１比較装置１ａにおける圧電素子２３ａの８個分の面積と同じであり、バイモルフ型の圧電素子２３ｃを備えた評価装置１ｃでは、第２比較装置１ｂにおける圧電素子２３ｂの１２個分の面積と同じである。

そして、上述した構造を有する、比較装置（１ａ、１ｂ）および評価装置１ｃをサンプルとして、各サンプルの振動特性を評価した。ここでは、比較装置（１ａ、１ｂ）については、圧電素子（２３ａ、２３ｂ）に、最大電圧と最小電圧との差（以下、電圧とも言う）が２００Ｖ_ｐｐ、周波数が２００Ｈｚの正弦波を印加して振動板３を振動させ、評価装置１ｃについては、圧電素子２３ｃに、電圧１００Ｖ_ｐｐ、周波数２００Ｈｚの正弦波を印加して振動板３を振動させた。そして、振動板３の上面の複数箇所の測定点における振幅を、レーザードップラー計を用いて測定した。図６に、振動板３の上面における上記測定点を示した。図６に示したように、上方から見たときに、測定点Ａ～Ｆを、振動板３を左右に二等分する線１１０上に設けた。具体的には、前後一方の縁端から１５ｍｍの距離ｄ１にある測定点Ａ、当該測定点Ａから１５ｍｍの距離ｄ２にある測定点Ｂ、および測定点Ｂから前後他方に向けて１０ｍｍ間隔で前後中央の測定点Ｆまで、測定点Ｃ、Ｄを設けた。

以下の表１に各サンプルにおける各測定点での振幅を示した。

表１において、サンプル１は第１比較装置１ａであり、サンプル２は第２比較装置１ｂである。サンプル３はユニモルフ型の圧電素子２３ｃを備えた評価装置１ｃであり、サンプル４はバイモルフ型の圧電素子２３ｃを備えた評価装置１ｃである。表１に示したように、サンプル１とサンプル２は、圧電素子（２３ａ、２３ｂ）の総面積が、それぞれ、サンプル３とサンプル４と同じであり、また、駆動電圧が、サンプル３とサンプル４の１／２であるが、全ての測定点Ａ～Ｆにおいて評価装置１ｃのサンプルの方が、振幅が大きかった。サンプル２の圧電素子２３の総面積と駆動電圧は、それぞれ、サンプル３の圧電素子２３ｃの面積と駆動電圧の２倍であるが、それでも評価装置１ｃであるサンプル３の方が大きな振幅が得られた。そして、バイモルフ型の圧電素子２３ｃを備えた評価装置１ｃであるサンプル４は、振動板３の中心位置である測定点Ｆで、サンプル２の振幅の１０倍以上の１４１μｍの振幅が得られた。以上により、振動伝達部４による振動増幅作用が確認できた。

＜脚部による減衰抑制機能＞
次に、脚部２４による減衰抑制機能による効果（減衰抑制効果）を確認するために、脚部２４の有無や脚部２４の形状が異なる各種アクチュエーターを作製し、各アクチュエーターの振動特性を調べた。図７に、減衰抑制効果を確認するためのアクチュエーター（２ａ～２ｃ）を示した。図７（Ａ）に示したアクチュエーター２ｃは、図５に示した評価装置１ｃから、振動板３と振動伝達部４とを省略した構成と同様であり、圧電素子２３ｃはバイモルフ型となっている。また、圧電素子２３ｃのサイズは、図５に示した評価装置１ｃのものと同じである。

図７（Ｂ）に示したアクチュエーター２ａは、図１に示した振動伝達装置１が備えるアクチュエーター２と同様の構造を有している。そして、図７（Ｃ）に示したアクチュエーター２ｂは、図７（Ｂ）に示したアクチュエーター２ａに対し、前後一方の脚部２４ｂの左右幅が他方の脚部２４の左右幅の１／２となっている。それによって、前後方向に振動し易いように構成されている。なお、図７（Ｂ）、（Ｃ）に示したアクチュエーター（２、２ｂ）において、平板部２１と圧電体２２とによって構成される圧電素子２３のサイズは、図７（Ａ）に示したアクチュエーター２ｃの圧電素子２３ｃと同様である。また、脚部２４は、高さＨ１＝０．２ｍｍであり、脚部２４の下端において台座５に固定されているＬ字型の先端部分２５の前後長Ｌ５はＬ５＝０．５ｍｍである。

そして、図７（Ａ）、（Ｂ）、および（Ｃ）に示したアクチュエーター（２ｃ、２ａ、２ｂ）について、ステンレス板１２１や平板部２１の上面に貼着されている圧電素子（２３ｃ、２３）に錘を乗せて荷重をかけた。次いで、荷重がかかった状態で、圧電素子（２３ｃ、２３）を振動させ、平板部の平面領域の中央部分における上下方向および前後方向の振幅を測定した。

表２に、アクチュエーターの構造による、荷重と振動特性との関係を示した。

表２において、サンプル５、６、および７は、それぞれ、図７（Ａ）、（Ｂ）、および（Ｃ）に示したアクチュエーター（２ａ、２ｂ、２ｃ）に対応している。そして、表２に示したように、全てのサンプルにおいて、荷重が増えるのに従って、上下方向の振幅が小さくなっていく。振動板を備えた実際の振動伝達装置では、利用者が振動板を指で押さえることになり、その指で押されたときの荷重では、振動板は、上下方向の振幅が極めて小さくなると考えられる。そして、表２に示したように脚部２４がないサンプル５では、荷重が０ｇｆのときでは、前後方向の振幅がなく、１００ｇｆの荷重をかけたときにも、２．３μｍの振幅しか得られなかった。一方、同じ左右幅の脚部２４を前後に設けたサンプル６では、荷重が１００ｇｆのときの前後方向の振幅が、荷重が０ｇｆのときに対して、７．６μｍ増加した。そして、前後一方の脚部２４ｂの左右幅を細くしたサンプル７では、荷重が１００ｇｆのときの前後方向の振幅が、荷重が０ｇｆのときに対して、１１．３μｍも増加した。

図８に、各サンプルにおける荷重と振幅との関係をグラフにして示した。図８（Ａ）は、荷重と上下方向の振幅との関係を示しており、図８（Ｂ）は、荷重と前後方向の振幅との関係を示している。図８（Ａ）に示すように、上下方向の振幅は、サンプル５、６、７の順で、荷重に対する振幅の減衰傾向が緩やかになっており、図中点線で示したように、各サンプルとも、１３０ｇｆ程度の荷重で上下方向の振幅がなくなると予想される。一方、図８（Ｂ）に示したように、前後方向の振幅は、脚部２４を設けたサンプル６、７では、荷重に対する振幅に明らかな増加傾向が確認でき、上下方向に振動しなくなる１３０ｇｆの荷重がかかった状態でも１０μｍ以上の振幅が見込まれる。しかし、脚部２４のないサンプル５では、１００ｇｆの荷重がかかった状態では、前後方向の振幅が２μｍ程度と極めて小さい。そして、前後一方の脚部２４ｂが細く、より前後方向に振動し易いサンプル７では、１００ｇｆの荷重がかかった状態で、前後方向に１５μｍ以上の振幅が得られた。

以上より、実施例に係る振動伝達装置１では、上述した振動伝達部４による振幅増幅効果と脚部２４による減衰抑制効果とにより、利用者によって振動板３が押圧された状態でも、効果的に上下方向の振動が前後方向の振動に変換されて、利用者に振動を明確に伝達することが可能となる。

＝＝＝その他の実施例＝＝＝
上記実施例に係る振動伝達装置１では、脚部２４を備えたアクチュエーター２が平板部２１を大きく撓ませる。また、利用者によって振動板３が下方に押圧されると、平板部２１が下方に大きく撓む。そして、平板部２１が大きく撓むと、その平板部２１に貼着されている圧電体２２には大きな応力がかかり、圧電体２２が破損する可能性がある。そこで、上記実施例に係る振動伝達装置１のアクチュエーター２の変形例として、平板部２１が大きく撓んでも圧電体２２の破損を確実に防止できるアクチュエーターを挙げる。

図９に、変形例に係るアクチュエーター２ｄを示した。図９（Ａ）は、アクチュエーター２ｄを上方から見たときの平面図であり、図９（Ｂ）はアクチュエーター２ｄを左右方向から見たときの側面図である。図９（Ａ）、（Ｂ）に示したように、アクチュエーター２ｄは、平板部２１の表面に貼着されている圧電体２２が、前後に二分割されている。具体的には、矩形平面形状を有する平板部２１の前方と後方に、同じ平面形状を有する二つの圧電体２２が貼着されている。そして、二つの圧電体２２は、間隙２６を介して平板部２１に対して前後対称となるように配置されている。なお、ここに示した圧電素子２３ｄは、図９（Ｂ）に示したように、平板部２１の上面と下面とに、それぞれ二つの圧電体２２が貼着されて、合計四個の圧電体２２からなるバイモルフを構成している。この圧電素子２３ｄを駆動すると、圧電体２２が前後方向に伸縮し、平板部２１は、前後中央の間隙のある位置を腹として撓み運動をする。そして、平板部２１の前後中央の位置には圧電体２２がないため、圧電体２２に大きな応力がかからず、圧電体２２の破損を防止することができる。

次に、図９に示したアクチュエーター２ｄにおける圧電体２２の耐久性をシミュレーションを用いて調べた。図１０は、シミュレーションに用いたモデルを示している。図１０（Ａ）は、シミュレーションに用いた圧電素子２３ｅの平面図であり、図１０（Ｂ）は、その圧電素子２３ｅの側面図である。また、図１０（Ｃ）は、シミュレーションによって求めた圧電素子２３ｅの特性を説明するための図である。シミュレーションには、圧電素子２３ｅの特性解析として周知の有限要素法を用いた。そして、図１０（Ａ）、（Ｂ）に示したように、シミュレーションでは、前後長Ｌ６＝２５ｍｍ、左右幅Ｗ４＝５ｍｍ、厚さ０．２ｍｍのステンレス板１２１の上面と下面のそれぞれに、ステンレス板１２１と同じ幅と厚さの二つの圧電体２２が、間隙２６を介して、前方と後方とに貼着されて、合計四個の圧電体２２を備えたバイモルフで構成される圧電素子２３ｅの特性を調べた。なお、圧電素子２３ｅの厚さｔ２は、ｔ２＝０．６ｍｍとし、電極の厚さは無視している。そして、間隙２６の幅Ｄ４が異なる圧電素子２３ｅを３０Ｖ_ｐｐの電圧で駆動したときの特性をシミュレーションにより求めた。なお、シミュレーションでは、図１０（Ｃ）に示したように、上下方向の変位δと、図中点線の楕円で示した、圧電体２２における間隙２６側の端部２７の応力σとを求めた。

図１１に上記シミュレーションの結果を示した。図１１（Ａ）は、間隙２６の幅Ｄ４（ｍｍ）と応力σ（ＭＰａ）との関係を示す図であり、図１１（Ｂ）は、間隙２６の幅Ｄ４（ｍｍ）と変位δ（ｍｍ）との関係を示す図である。また、図１１（Ｃ）は、ステンレス板１２１の前後長Ｌ６に対する間隙２６の幅Ｄ４の割合Ｄ４／Ｌ６と、変位δおよび応力σの減少率との関係を示している。図１１（Ａ）、（Ｂ）に示したように、間隙２６の幅Ｄ４が大きくなるほど変位δと応力σがともに小さくなっていく。そして図１１（Ｃ）に示したように、間隙２６の割合Ｄ４／Ｌ６と変位δの減少率との関係がほぼ比例しているのに対し、間隙２６の割合Ｄ４／Ｌ６と応力σとの関係は、圧電素子２３ｅが間隙２６のない（Ｄ４＝０）、一体的な圧電体２２で構成されている場合に対し、間隙２６の割合Ｄ４／Ｌ６が５％以下のときは、応力が大きく減少する傾向がある。そして、間隙２６の割合Ｄ４／Ｌ６が５％を超えると、間隙２６の割合Ｄ４／Ｌ６に対する、応力σの減少率および変位δの減少率を示す二つの曲線がほぼ平行となる。したがって、僅かでも間隙２６を設ければ、変位δを大きく減少させることなく、応力σを効果的に減少させることができる。

次に、荷重に対する圧電体の強度について調べた。ここでは、図１０に示した、シミュレーションに用いた圧電素子２３ｅと同じ外寸を有し、間隙２６がなく（Ｄ４＝０）、ステンレス板１２１の上面と下面とに当該ステンレス板１２１と同じ形状の一つの圧電体２２が貼着されてなる圧電素子２３ｅと、間隙２６の幅Ｄ４＝０．２ｍｍとした圧電素子２３ｅとをサンプルとして作製し、各サンプルの上面に荷重をかけて圧電体２２の破損状態を目視により調べた。

以下の表３に、各サンプルにおける荷重と圧電体２２の破損状態の関係を示した。

表３では、サンプルの上面に荷重をかけたときの変位δと破損状態との関係が示されている。間隙がないサンプル８では、変位δ＝１ｍｍで圧電体の前後中央部に割れが発生した。一方、間隙Ｄ４＝０．２ｍｍのサンプル９では、変位δ＝３ｍｍでも割れが発生せず、高い耐久性を示した。以上より、圧電素子は、最小限の間隙を設けるだけで、荷重に対する耐久性が向上することが分かった。また間隙が最小限であるため、図１０（Ｃ）に示した特性から、圧電素子を駆動させた際の変位も大きく減少しないことが確認された。

＜脚部の変形例＞
上記実施例に係る振動伝達装置１では、脚部２４の左右幅を異ならせることで、前後方向への振動を増幅させることができる。もちろん、左右幅を同じにしても、一方の脚部に孔を設けたり、一方の脚部の厚さを薄くしたりするようにしても、同様に前後方向への振動が増幅される。いずれにしても、前後の脚部を非対称な形状にすることで、減衰抑制効果をより高めることができる。前後の脚部２４を下方に向かって左右方向に傾斜するよう形成してもよい。それによって、前後方向に加え、左右方向にも振動し易くなる。

＜圧電素子の変形例＞
各種電子機器が備えるプッシュボタンに振動伝達装置を組み込む場合、ボタンの形状に合わせて振動板や圧電素子の平面形状を円形としてもよい。図１２に、円形の圧電素子２３ｆを備えたアクチュエーター（２ｆ、２ｇ）の例を示した。図１２（Ａ）に示したように、円形の圧電素子２３ｆを用いたアクチュエーター２ｆは、円形の平板部２１の少なくとも上下一方の面に圧電体２２が貼着され、円形の平板部２１の直径の両端側に脚部２４が形成された構造とすることができる。また、図１２（Ａ）に示したアクチュエーター２ｆを作製し、そのアクチュエーター２ｆの振動特性を調べてみた。作製したアクチュエーター２ｆは、平板部２１や脚部２４を構成するステンレス板の厚さ、脚部２４の長さや幅、台座に固定される部分２５の長さ、および圧電体２２の厚さが、図７（Ｂ）に示したアクチュエーター２ｂと同様であるとともに、圧電素子２３ｆはバイモルフ型であり、圧電体２２の直径は１８．５ｍｍである。また、圧電体２２は、上下方向に電界が印加されると放射方向に伸縮する。そして、このアクチュエーター２ｆの平板部２１の上面に１００ｇｆの荷重をかけて１００Ｖ_ｐｐの電圧で駆動したところ、上下方向の振幅が４．７μｍとなり、直径方向の振幅が９．９μｍとなった。すなわち、圧電素子の形状を円形にしても、上下方向に荷重がかかった際に上下方向の振動が水平方向の振動に変換されることが確認できた。

なお、円形の圧電体の直径の両端に脚部２４を設けると、アクチュエーター２ｆの上方に荷重がかかった際、その直径方向を軸として圧電素子２３ｆが傾く可能性がある。このような可能性に対しては、例えば、図１２（Ｂ）に示したアクチュエーター２ｇのように、円形の平板部２１の周囲に等角度間隔に脚部２４を設ければよい。そして、各脚部２４を鉛直下方に対して同方向に斜めに延長させるように形成すればよい。それによって、振動板が押圧されるなどして、平板部２１の上面側に荷重がかかった際、円形の平板部２１の撓み運動が、円周に沿って回転する揺動運動に変換される。もちろん、一部の脚部２４を他の脚部に対して細くするなどして、水平面内での振動が容易になるようにしてもよい。

図１に示した実施例に係る振動伝達装置１は、一つの振動板３を一つのアクチュエーター２によって振動させていたが、図５に評価装置１ｃとして示した振動伝達装置のように、矩形の振動板３の両端の下方にアクチュエーター２を配置してもよい。もちろん、矩形の振動板３の四隅の下方にアクチュエーター２を配置してもよい。また、実施例に係る振動伝達装置は、図４に示した比較装置（１ａ、１ｂ）や図５に示した評価装置１ｃのように、振動板３の四隅がピンなどで固定されていたり、一般的なタッチパネルのように、振動板３の周囲が枠で固定されたりしていてもよい。

１，１ａ～１ｃ振動伝達装置、２，２ａ～２ｄ，２ｆ，２ｇアクチュエーター、３振動板、４振動伝達部、５台座、２１平板部、２２圧電体、
２３，２３，２３ａ～２３ｆ圧電素子、２４，２４ａ脚部、２６間隙、
１２１ステンレス板、１２２，１２３，１２４電極

Claims

平板状の振動板に振動を発生させる振動伝達装置であって、
前記振動板の厚さ方向を上下方向とし、当該上下方向と直交する面を水平面として、
前記振動板の下方に配置されたアクチュエーターと、
前記アクチュエーターと前記振動板との間に介在して、前記アクチュエーターの振動を前記振動板に伝達する振動伝達部と、
を備え、
前記アクチュエーターは、水平面と平行な平板部と、当該平板部の周縁の複数箇所に、下方に向けて延長する脚部と、前記平板部の少なくとも上下一方の面に貼着される圧電体と、を備え、
前記平板部は、矩形平面形状を有し、
前記平板部の長辺方向を前後方向として、前記脚部は、前記平板部の前後の短辺側に形成され、
前後の前記脚部は、互いに非対称となる形状に形成され、
前記平板部と前記脚部とは一体的な板状の導体からなり、
前記圧電体は、表裏一方の面に電極が形成され、表裏他方の面が前記平板部に貼着され、
当該圧電体と前記平板部とによって圧電素子が構成され、
前記圧電素子は、前記圧電体が水平面内で伸縮することで、前記平板部を撓み振動させ、
前記平板部に上下方向の荷重がかかると、前記脚部が変形し、前記平板部の撓み運動が水平面と平行な揺動運動に変換される、
ことを特徴とする振動伝達装置。
平板状の振動板に振動を発生させる振動伝達装置であって、
前記振動板の厚さ方向を上下方向とし、当該上下方向と直交する面を水平面として、
前記振動板の下方に配置されたアクチュエーターと、
前記アクチュエーターと前記振動板との間に介在して、前記アクチュエーターの振動を前記振動板に伝達する振動伝達部と、
を備え、
前記アクチュエーターは、水平面と平行な平板部と、当該平板部の周縁の複数箇所に、下方に向けて延長する脚部と、前記平板部の少なくとも上下一方の面に貼着される圧電体と、を備え、
前記平板部は矩形平面を有し、
前記平板部の長辺方向を前後方向として、前記脚部は、前記平板部の前後の短辺側に形成され、
前記平板部と前記脚部とは一体的な板状の導体からなり、
前記圧電体は、表裏一方の面に電極が形成され、表裏他方の面が前記平板部に貼着され、
当該圧電体と前記平板部とによって圧電素子が構成され、
前記圧電素子は、前記圧電体が水平面内で伸縮することで、前記平板部を撓み振動させ、
前記平板部に上下方向の荷重がかかると、前記脚部が変形し、前記平板部の撓み運動が水平面と平行な揺動運動に変換され、
前記圧電体は、間隙を有して、前記平板部の前方と後方とに二つに分割された状態で貼着されている、
ことを特徴とする振動伝達装置。
請求項２に記載の振動伝達装置であって、前記脚部は、前後非対称となる形状に形成されていることを特徴とする振動伝達装置。
平板状の振動板に振動を発生させる振動伝達装置であって、
前記振動板の厚さ方向を上下方向とし、当該上下方向と直交する面を水平面として、
前記振動板の下方に配置されたアクチュエーターと、
前記アクチュエーターと前記振動板との間に介在して、前記アクチュエーターの振動を前記振動板に伝達する振動伝達部と、
を備え、
前記アクチュエーターは、水平面と平行な平板部と、当該平板部の周縁の複数箇所に、下方に向けて延長する脚部と、前記平板部の少なくとも上下一方の面に貼着される圧電体と、を備え、
前記平板部は矩形平面を有し、
前記平板部の短辺方向を左右方向として、前記脚部は、前記平板部の前後の短辺側に形成されているとともに、前記平板部から下方に向かって左右方向に斜めに延長して形成され、
前記平板部と前記脚部とは一体的な板状の導体からなり、
前記圧電体は、表裏一方の面に電極が形成され、表裏他方の面が前記平板部に貼着され、
当該圧電体と前記平板部とによって圧電素子が構成され、
前記圧電素子は、前記圧電体が水平面内で伸縮することで、前記平板部を撓み振動させ、
前記平板部に上下方向の荷重がかかると、前記脚部が変形し、前記平板部の撓み運動が水平面と平行な揺動運動に変換される、
ことを特徴とする振動伝達装置。
平板状の振動板に振動を発生させる振動伝達装置であって、
前記振動板の厚さ方向を上下方向とし、当該上下方向と直交する面を水平面として、
前記振動板の下方に配置されたアクチュエーターと、
前記アクチュエーターと前記振動板との間に介在して、前記アクチュエーターの振動を前記振動板に伝達する振動伝達部と、
前記アクチュエーターは、水平面と平行な平板部と、当該平板部の周縁の複数箇所に、下方に向けて延長する脚部と、前記平板部の少なくとも上下一方の面に貼着される圧電体と、を備え、
前記平板部は円形の平面を有し、
前記脚部は、前記平板部の周縁に等角度間隔で三箇所以上に形成され、
複数の前記脚部は、下方に向かって当該平板部の円周に沿う同方向に斜めに延長して形成され、
前記平板部と前記脚部とは一体的な板状の導体からなり、
前記圧電体は、表裏一方の面に電極が形成され、表裏他方の面が前記平板部に貼着され、
当該圧電体と前記平板部とによって圧電素子が構成され、
前記圧電素子は、前記圧電体が水平面内で伸縮することで、前記平板部を撓み振動させ、
前記平板部に上下方向の荷重がかかると、前記脚部が変形し、前記平板部の撓み運動が、当該平板部の円周に沿って回転する揺動運動に変換される、
ことを特徴とする振動伝達装置。