JPH09327655A - バイブレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 落下等の衝撃に対する耐性に優れ、しかも十
分な発生力が得られるバイブレータを提供すること。 【解決手段】 ２枚の矩形の変位素子１，１が貼り合わ
せてあり、長さ方向の一端側は保持部材４にて保持され
ている。変位素子１，１の他端側先端部の両面には略直
方体状の錘２，２が夫々接着されている。錘２は、変位
素子１に対向する面において長さ方向の中央部に段差を
有し２段の厚みを有する。これにより錘２の保持部材４
側の半部と変位素子１との間には間隙３が設けられてい
る。またこれら変位素子１，錘２及び保持部材４は、角
筒状の被覆体６にて被覆され保護されている。さらに変
位素子１，１は、保持部材４側の端部において交流電源
５と接続されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電素子を利用し
たバイブレータに関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば携帯電話，ページャの呼び出し用
の内蔵バイブレータとしては、従来より小型モータの回
転軸上に偏心させた荷重を設けた構造が使用されてお
り、このモータを回転させることにより振動を得てい
る。しかしながら電磁モータを使用した場合は、構造が
複雑であるために小型化が困難であり、消費電力の低減
にも限界がある。

【０００３】そこで小型化，低消費電力化を目的として
圧電材料を使用したものが考案されているが、未だ開発
途上にある。圧電材料を使用したアクチュエータとして
は、以下のようなアクチュエータが提案されている。

【０００４】特開昭62−204885号公報には、圧電バイモ
ルフを研磨機構に適用した振動型アクチュエータが開示
されている（図８）。圧電振動子81は、電圧を印加した
ときに互いに変位方向が異なる２枚の圧電膜82，82を貼
り合わせ、その貼り合わせ面及び両外側面に電極膜83，
84，84を形成してなる積層型である。圧電振動子81の一
端側は支持部85にて支持されており、他端側には作動子
86を脱着自在に取り付けるための作動子取り付け部87を
備える。電極膜83にはリード線88が接続されており、電
極膜84，84にはリード線89が接続されている。

【０００５】そしてリード線88，89を介して両電極膜8
3, 84間に交流電圧を印加すると、圧電膜82，82の屈曲
変位によって圧電振動子81が振動し、これにより作動子
86が揺動する。

【０００６】また特開平３−9581号公報には、変位素子
の初期位置を一定レベルとする機能を備えたアクチュエ
ータが開示されている。このアクチュエータの変位素子
21は、図９に示す如く、２枚の圧電セラミックス22, 22
の間に金属製弾性板23を挟んで重ね合わせ、さらに圧電
セラミックス22, 22の両外側面に金属製弾性板24，24を
備えた構成をなす。そして変位素子21の一端は固定部材
25にて固定されており、他端は自由端となしてあり静的
荷重である分銅26が取り付けられている。また金属製弾
性板23，24，24は固定側端部において電源に接続されて
いる。

【０００７】変位素子21に所定の電圧を印加すると、自
由端が白抜矢符で示す方向へ変位する。その後、印加電
圧を０Ｖとしたとき、変位素子21の自由端は、自己の変
位復帰力と分銅26の荷重とによって初期位置へ復帰す
る。従ってこのアクチュエータでは高精度の変位量が得
られる。ここで分銅26の重量，大きさ及び形状は変位素
子21の変位力，屈曲強度、又は変位素子21と基材との位
置関係を勘案して設定する。

【０００８】このようにバイモルフアクチュエータは、
発生力は弱いが簡単な構造で大きな変位量が得られるこ
とが知られており、直流電界を印加すると一方向への変
位が得られ、交流電界を印加すると両方向への変位によ
って発生した力が固定端に反力として伝達され振動を得
ることができる。なおバイモルフアクチュエータは２枚
の圧電板を使用するが、１枚の圧電板を使用したユニモ
ルフアクチュエータであっても振動効果は得られる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】バイモルフアクチュエ
ータをバイブレータに適用する場合、振動により発生す
る力を利用するが、この力はバイモルフの質量と振動の
加速度との積で表され、自由端の先端部で最大となる。
しかしながら従来のバイモルフアクチュエータで発生し
得る力は、バイブレータとしては不十分であるという問
題がある。またバイブレータが携帯機器に使用される場
合は、落下等の衝撃に対する十分な耐性が要求される。

【００１０】本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたも
のであり、圧電素子の自由端に取り付けられた錘の、駆
動時の移動領域を被覆する被覆体を備えることにより、
落下等の衝撃に対する耐性に優れ、しかも十分な発生力
が得られるバイブレータを提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】一般に実用的なバイブレ
ータとしての機能を発揮させるには、先端に荷重を付加
した構成が考えられ、バイモルフ自身の質量の、最大で
数十倍の荷重を付加する必要がある。しかしながら先端
に荷重を付加した場合は、落下等の衝撃が加わると、圧
電素子の自由端に取り付けられた錘が大きく揺動するた
め、圧電素子が大きく変位して破壊する可能性がある。

【００１２】そこで請求項１記載の発明は、一端を保持
部材に保持された圧電素子に交流電界を印加して振動を
得るバイブレータにおいて、前記圧電素子の自由端に付
加された錘と、駆動時に前記錘が存在する領域を被覆す
る、前記保持部材に固定された被覆体とを備えることを
特徴とする。

【００１３】例えば落下等の大きな衝撃が加わった場
合、圧電素子が通常の振動時より大きく変位し、この変
位量は先端に荷重を付加していることによってより大き
くなっているが、被覆体を備えることにより、このとき
の変位量を制限することができる。これにより圧電素子
の破損，又は耐久性の低下を回避することができる。

【００１４】請求項２記載の発明は、請求項１におい
て、前記被覆体の内面に緩衝層が形成されていることを
特徴とする。

【００１５】大きな衝撃が加わって圧電素子が通常の振
動時より大きく変位すると、被覆体の大きさによっては
錘が被覆体に衝突して圧電素子に衝撃が加わることがあ
る。しかしながら緩衝層がこのときの衝撃を吸収するの
で、圧電素子が受ける衝撃を緩和することができ、耐衝
撃性が向上する。

【００１６】請求項３記載の発明は、請求項１又は２に
おいて、前記被覆体は、駆動時における錘の移動領域よ
りも大きい領域を被覆することが可能な大きさであるこ
とを特徴とする。

【００１７】通常の振動時に錘が被覆体に接触すること
で起きる衝撃によって、圧電素子が破壊したり、錘が脱
落したりすることを回避することができる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明をその実施の形態を
示す図面に基づき具体的に説明する。図１は本発明に係
るバイブレータを示す縦断面図である。２枚の矩形の変
位素子１，１が貼り合わせてあり、長さ方向の一端側は
保持部材４にて保持されている。変位素子１，１の他端
側先端部の両面には略直方体状の錘２，２が夫々接着さ
れている。錘２は、変位素子１に対向する面において長
さ方向の中央部に段差を有し２段の厚みを有する。これ
により錘２の保持部材４側の半部と変位素子１との間に
は間隙３が設けられている。またこれら変位素子１，錘
２及び保持部材４は、角筒状の被覆体６にて被覆され保
護されている。さらに変位素子１，１は、保持部材４側
の端部において交流電源５と接続されている。図２は被
覆体６を除去した状態を示す斜視図である。

【００１９】図３は変位素子１，１の貼り合わせ部Ａを
示す拡大断面図である。変位素子１は、圧電セラミック
11の両面に、電極12，12が形成されたものであり、２枚
の変位素子１，１は、間に金属板13を介して貼り合わさ
れている。

【００２０】

【実施例】本発明に係るバイブレータは以下のようにし
て作製することができる。 ［実施例１］チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電
材料を焼成し、幅10mm，長さ20mm，厚み 200μm に薄板
加工（圧電セラミック11）し、両面に金メッキを施して
厚み10μm の電極12, 12を形成し分極した変位素子１を
２枚作製する。この２枚の変位素子１を幅10mm，長さ25
mm，厚み50μm の真鍮製の金属板13の両面に、長さ５mm
を残して、互いに分極方向が同一となるように接着剤を
用いて貼り合わせる。そして圧電セラミック11の露出し
た電極12を夫々交流電源５と電気的に接続し、また真鍮
からなる金属板13との間に駆動電力を供給することがで
きるようにしてバイモルフを作製する。金属板13の露出
した端部は、保持部材４にて両面側から挟持する。

【００２１】一方、錘２を作成するために、幅10mm，長
さ10mm，厚み 1.5mmの鉛の直方体を２個用意し、いずれ
も一面側の長さ方向の半部を、厚みが 1.0mmとなるよう
に切削加工する。そして厚みが 1.5mmである半部の前記
一面側に接着剤を塗布し、保持部材４にて保持されてい
ない、バイモルフの自由端側に、薄厚部が保持部材４側
となるように接着固定する。

【００２２】次に、幅12mm，長さ30mm，高さ６mmの角筒
状をなすステンレス鋼製の被覆体６を作成し、一方の開
口部の内側に接着剤を用いて、バイモルフの保持部材４
を接着固定する。なおバイモルフにはチタン酸ジルコン
酸鉛等の圧電材料が一般的であるが、これに限定される
ものではない。また錘２については、体積を小さくする
ために比重が大きい材料が適当である。さらにバイモル
フと錘２との固定は、ネジ止めにより行ってもよいが、
機械加工が不要な接着によることが好ましい。

【００２３】［実施例２］図４は、実施例２のバイブレ
ータを示す縦断面図である。実施例２のバイブレータ
は、次のようにして作製されている。即ち、実施例１と
同様のバイモルフに錘２を取り付け、保持部材４で保持
する。一方、被覆体６の内面において、錘２の周囲に相
当する位置に、厚みが 0.5mmのポリウレタン樹脂をコー
ティングして緩衝層７を形成し、この被覆体６の開口部
内面に、バイモルフの保持部材４を接着固定する。なお
緩衝層６の材料はポリウレタン樹脂に限定されるもので
はない。

【００２４】このような実施例１，２におけるバイブレ
ータの耐衝撃性及び持久性を評価するために落下試験及
び連続駆動試験を行って、比較例１，２における結果と
比較した。２種の落下試験及び連続駆動試験のために、
実施例１，２，比較例１，２のバイブレータを各３個準
備した。

【００２５】落下試験は、予め発生力を測定した後のバ
イブレータを、その長手方向，幅方向及び厚み方向に２
回ずつ２Ｍ，４Ｍの高さからコンクリートの床面に落下
させた後、再度発生力を測定した。そして分解してセラ
ミックスからなる変位素子１（圧電セラミック11）の亀
裂の有無を調査した。連続駆動試験は、予め発生力を測
定した後のバイブレータに、20℃の雰囲気において 100
Ｖの交流電界を印加し、10時間連続駆動させ、その後、
再度発生力を測定して出力変化を調査した。また分解し
てセラミックスからなる変位素子１（圧電セラミック1
1）の亀裂の有無を調査した。なお発生力は以下のよう
にして求めた。即ち、バネ秤の上に測定用錘 100ｇとバ
イモルフとを設置して共振系を形成し、バイモルフに最
大 100Ｖの交流電界を印加して共振させ、秤上に設置し
た加速度計により最大加速度を測定し、この測定結果と
測定用荷重との積から求めた。

【００２６】比較例１のバイブレータは、図５に示す如
く、実施例１，２と同様のバイモルフを使用し、被覆体
６を取り付けていない。そして測定時には、秤上に、固
定端部分のみに金属製の保持部材を介して置くことによ
り、３mm浮かせて設置した。比較例２のバイブレータ
は、図６に示す如く、実施例１，２と同様のバイモルフ
を、幅12mm，長さ30mm，高さ４mmのステンレス鋼製の被
覆体８の内側に接着固定したものである。被覆体８の内
面には、実施例２と同様、緩衝層７が形成されている。

【００２７】実施例１，２では駆動時に錘２の先端が被
覆体６，緩衝層７に接触することはなかったが、比較例
２では錘２の先端が被覆体８の内面に形成された緩衝層
７に接触していた。図７は錘２が被覆体に接触した状態
を示す縦断面図である。

【００２８】

【表１】

【００２９】表１は以上の実施例１，２，比較例１，２
における２Ｍ落下試験の結果を示す。表１より明らかな
如く、２Ｍ落下試験による破損は実施例１，２及び比較
例２では確認されなかったが、比較例１では被覆体で保
護されていないために固定端で横断亀裂が確認された。
これは落下時に固定端付近に荷重が集中したためである
と考えられる。試験後の発生力は、実施例１，２及び比
較例２では試験前とほとんど変わらなかったが、比較例
１では破損により大幅に低下した。また比較例２では試
験の前後で出力が大きいが、これは駆動時に錘２が被覆
体８に衝突したためであると考えられる。

【００３０】

【表２】

【００３１】表２は４Ｍ落下試験の結果を示す。表２よ
り明らかな如く、４Ｍ落下試験の結果、実施例１，比較
例１では固定端で横断亀裂が確認され、比較例２では中
央部で横断亀裂が確認されたが、実施例２では破損は確
認されなかった。これは落下時の衝撃が緩衝層７により
緩和されたためであると考えられる。試験後の発生力
は、破損が認められた実施例１，比較例１，２では大幅
に低下したが、破損が認められなかった実施例２ではほ
とんど変化がなかった。

【００３２】

【表３】

【００３３】表３は連続駆動試験の結果を示す。連続駆
動試験の結果、実施例１，２，比較例１では破損は確認
されなかったが、比較例２では固定端で横断亀裂が発生
した。これは錘２が被覆体８と接触したときの衝撃がセ
ラミックスからなる変位素子１（圧電セラミック11）に
も伝搬し、この反復により破壊に至ったものと考えられ
る。従って比較例２では連続駆動後の出力が大幅に低下
した。

【００３４】本発明に係るバイブレータがページャ等、
携帯機器に適用される場合は、人間の伸長から考慮して
２Ｍ落下試験に耐え得る構造で十分に実用が可能であ
る。

【００３５】なお本発明は、２枚の圧電セラミックを使
用したバイモルフに限るものではなく、例えばユニモル
フを使用してもよい。但しバイモルフを使用した場合の
方が大きな発生力が得られることはいうまでもない。

【００３６】

【発明の効果】以上のように本発明に係るバイブレータ
は、圧電素子の自由端に付加された錘の周囲に被覆体を
備えるので、落下等の衝撃に対する耐性が良好である。
被覆体の内面に緩衝層が形成されている場合は、例えば
落下時に加わる圧電素子への衝撃が緩和されるので、耐
衝撃性がさらに向上する。被覆体が駆動時における錘の
移動領域よりも大きい領域を被覆することが可能な大き
さである場合は、持久性の低下を回避することができる
等、本発明は優れた効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るバイブレータを示す縦断面図であ
る。

【図２】被覆体を除去した状態のバイブレータを示す斜
視図である。

【図３】図１の２枚の変位素子の貼り合わせ部を示す拡
大断面図である。

【図４】本発明に係る他のバイブレータを示す縦断面図
である。

【図５】比較例１のバイブレータを示す縦断面図であ
る。

【図６】比較例２のバイブレータを示す縦断面図であ
る。

【図７】錘が被覆体に接触した状態を示す縦断面図であ
る。

【図８】バイモルフを使用した従来例（研磨機用アクチ
ュエータ）を示す断面図である。

【図９】バイモルフを使用した他の従来例（アクチュエ
ータ）を示す側面図である。

【符号の説明】

１ 変位素子 ２ 錘 ４ 保持部材 ５ 交流電源 ６ 被覆体 ７ 緩衝層 11 圧電セラミック

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一端を保持部材に保持された圧電素子に
   交流電界を印加して振動を得るバイブレータにおいて、
   前記圧電素子の自由端に付加された錘と、駆動時に前記
   錘が存在する領域を被覆する、前記保持部材に固定され
   た被覆体とを備えることを特徴とするバイブレータ。
2. 【請求項２】 前記被覆体の内面に緩衝層が形成されて
   いることを特徴とする請求項１記載のバイブレータ。
3. 【請求項３】 前記被覆体は、駆動時における錘の移動
   領域よりも大きい領域を被覆することが可能な大きさで
   あることを特徴とする請求項１又は２記載のバイブレー
   タ。