JPWO2008146678A1 - 圧電アクチュエータ及び電子機器 - Google Patents
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Abstract
本発明は、携帯電子機器に搭載可能な小型薄型でかつ低消費電力で動作する圧電アクチュエータと、これを用いて手のひらに振動伝達することにより、使用者に3次元的に動作する触感を与える機能を兼ね備えた電子機器を提供することを目的とする。圧電アクチュエータ1は、シム材6の少なくとも片面に貼着された薄板状圧電セラミックス5を有する圧電セラミックス振動子と、シム材6を保持する少なくとも一つのホルダ7と、さらにシート状弾性体2とを含み、圧電セラミックス振動子から発生した振動をホルダ7とシート状弾性体2を介して電子機器の筐体3に伝達させることを特徴とする(図1)。
Description
(関連出願についての記載)
本願は、先の日本特許出願2007−136987号(2007年5月23日出願)の優先権を主張するものであり、前記先の出願の全記載内容は、本書に引用をもって繰込み記載されているものとみなされる。
本発明は、圧電アクチュエータ及び圧電アクチュエータを備えた携帯型電子機器に関する。
本願は、先の日本特許出願2007−136987号(2007年5月23日出願)の優先権を主張するものであり、前記先の出願の全記載内容は、本書に引用をもって繰込み記載されているものとみなされる。
本発明は、圧電アクチュエータ及び圧電アクチュエータを備えた携帯型電子機器に関する。
昨今、携帯電話機、ノート型パーソナルコンピュータ、個人情報端末(PDA)などの小型携帯機器が盛んに利用されるようになった。これらの機器は、ネットワークシステムやソフトウエアの進展とともに、その応用に広がりを見せ、利用者の利便性が高まっている。これにより場所を選ばず、振動や音波を利用し情報伝達を正確に行う高機能デバイスの要求が高まっており、バイブレータ、振動センサ、タッチセンサなどの振動部品や、スピーカー、マイクロホン、レシーバーなどの音響部品の品質向上が期待されている。さらに、バイブレータに着目すると、小型軽量・低消費化といった特性面の改善とともに、その使用用途の拡大がある。
バイブレータを小型化、省電力化する取り組みとしては、従来の電磁型アクチュエータに代わる駆動源の開発が進められている。すなわち、永久磁石とボイスコイルから構成される電磁型アクチュエータにおいては、動作時にボイスコイルへ多くの電流を流すため省電力性に乏しく、また、構造上の問題点として小型薄型化も困難であるため、携帯電話など携帯電子機器への搭載は不向きである。このため、小型軽量、低消費電力の特徴を有する圧電型アクチュエータを駆動源に用いたバイブレータの開発が進められている。
一方、バイブレータの用途については、電話の着信と連動した振動により、ユーザに着信を報知させるといった従来の使用方法に加えて、振動により、皮膚や手のひらに機械的な刺激をあたえ、触感によりユーザに立体感や親近感をもった情報を伝達する手段として期待されている。
ところで、従来の携帯電話や個人情報端末、ゲーム機器などの携帯用電子機器(以下携帯機器と称する)においては、ユーザに情報を伝達する手段として、ディスプレイによる視覚を通した方法や、スピーカーなどの音響部品による聴覚を通した方法、またバイブレータ(アクチュエータ)による触感を通した方法が使用されてきている。特に、触感を通した情報伝達方法については、視覚や聴覚を相互に作用させた手法が開発されている。その例として、画面表示に連動させてアクチュエータから振動を発生させる使い方があり、触感と視覚の融合により、親近感や立体感を高める効果があることが知られている。また、画面上に現れる人物、動物、乗り物など対象物の動作に合わせて振動が発生する、臨場感を高めたゲーム機器などが実用化されている。
このように、触感による情報伝達を適用した電子機器開発例として、特許文献1には、ビデオゲーム等で画面に表示される動作に対応して、プレーヤーに触感を伝えることができる触感発生器が開示されている。また、振動部品に圧電アクチュエータを利用した開発例として、特許文献2には、電子機器筐体に複数個の圧電アクチュエータを配置して、これらアクチュエータから発生させた筐体振動により、情報を利用者に伝達する技術が開示されている。また、特許文献3には、ポケットベル等に圧電セラミックス振動子を内蔵して、聴感と触感により、ユーザに着信を報知させる振動型報知装置が開示されている。
以上の特許文献1〜3の開示事項は、本書に引用をもって繰り込み記載されているものとする。以下に本発明による関連技術の分析を与える。
特許文献1の触感発生器では、可撓性パッド上に複数個のアクチュエータを並列に配置した構造であるため、上下方向を加えた三次元的に触感を表現するまでには至っていない。また、騒音の防止や、小型化、薄型化、電池駆動による低消費電力などの技術について考慮されていない。また、振動伝達ブロックが可撓性パッドから飛び出した構造であるが、携帯用の電子機器でこのように筐体表面からいくつも突起の出た構造を付与することは、機器を保持する際にユーザに違和感をあたえ、ひいてはデザイン性を損なわせる。
特許文献1の触感発生器では、可撓性パッド上に複数個のアクチュエータを並列に配置した構造であるため、上下方向を加えた三次元的に触感を表現するまでには至っていない。また、騒音の防止や、小型化、薄型化、電池駆動による低消費電力などの技術について考慮されていない。また、振動伝達ブロックが可撓性パッドから飛び出した構造であるが、携帯用の電子機器でこのように筐体表面からいくつも突起の出た構造を付与することは、機器を保持する際にユーザに違和感をあたえ、ひいてはデザイン性を損なわせる。
特許文献2は、電子機器筐体内部、もしくはタッチパット内に配置した複数の圧電アクチュエータを各々独立して駆動させることで、筐体面内、もしくはタッチパット面内での振動の強弱を利用して局所化させた効果を利用するものである。この構成のように、複数のアクチュエータを携帯機器のような狭い筐体に配置して駆動する場合、一つのアクチュエータから発生した振動が、所望以外の部位に伝播する現象、すなわちクロストークが発生する。しかしながら、特許文献2では、振動のクロストークを防ぐ構造に関する記載がなされていない。
また、特許文献3では、シム材で拘束された圧電セラミック素子を筐体内部に配置することで、筐体に大きな振動を発生させることを目的にしている。しかしながら、この技術を電子機器に組み込んで使用する際に解決すべき課題である、アクチュエータ動作時の異音や、耐落下衝撃安定性に関する記載がない。特に、耐落下衝撃安定性については、脆性材料であるセラミックを用いているため、携帯電子機器へ搭載する場合は、特に考慮する必要がある。
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、その目的の1つは、振動を効果的に相互伝達させる圧電アクチュエータを提供することである。また、手のひらに振動伝達することにより、ユーザに三次元的に動作する触感を与える機能を兼ね備えた電子機器を提供することである。
本発明の第1の視点によれば、シム材と、シム材の少なくとも片面に貼着された薄板状圧電セラミックスからなる少なくとも一つの圧電セラミックス振動子と、該シム材を保持する少なくとも一つのホルダとを有する圧電アクチュエータが提供され、ホルダと接合されるシート状弾性体をさらに含み、圧電セラミックス振動子の振動をホルダとシート状弾性体を介して電子機器の筐体に伝達させることを特徴とする。
本発明の第2の視点によれば、前記ホルダから離れた位置で、前記圧電セラミックス振動子と前記シート状弾性体との間に接合される少なくとも一つの補助ホルダをさらに含み、前記圧電セラミックス振動子の振動を前記ホルダと該補助ホルダと前記シート状弾性体を介して前記筐体に伝達させることが好ましい。
本発明の第3の視点によれば、前記ホルダから離れた位置で、前記シム材と前記シート状弾性体との間に接合される少なくとも一つの補助ホルダをさらに含み、前記圧電セラミックス振動子の振動を前記ホルダと該補助ホルダと前記シート状弾性体を介して前記筐体に伝達させることが好ましい。
本発明の第4の視点によれば、複数の前記圧電セラミックス振動子を含む前記シム材の、隣り合う前記圧電セラミックス振動子の間に、くびれ部が形成されていることが好ましい。
本発明の第5の視点によれば、複数の前記圧電セラミックス振動子が前記ホルダ及び前記補助ホルダを介して前記シート状弾性体に接合されており、隣り合う前記圧電セラミックス振動子の間の前記シート状弾性体の部分には溝が設けられていることが好ましい。
本発明の第6の視点によれば、複数の前記圧電セラミックス振動子が前記ホルダ、前記補助ホルダ及び前記シート状弾性体を介して前記筐体に接合されており、前記圧電セラミックス振動子が接合された前記筐体の外側表面部分が互いに溝で区切られていることが好ましい。
本発明の第7の視点によれば、前記圧電セラミックス振動子と前記筐体との間を、シート状弾性体を介し、屈曲した部分を少なくとも1箇所有するメタルヒンジで接合することが好ましい。屈曲した部分を設けることにより、振動伝達を高めることができる。U字形状の屈曲部が特に効果的である。
本発明の第8の視点によれば、前記圧電セラミックス振動子が接合される部分の前記筐体に貫通孔を設け、該貫通孔を弾性体で充填することが好ましい。
本発明の第9の視点によれば、前記圧電セラミックス振動子は、100Hz〜1kHzの周波数で、パルス状又は正弦波状の交流電界を印加して駆動することが好ましい。
本発明の第10の視点によれば、上記各視点の圧電アクチュエータを複数の振動源として搭載し、筐体を複数の立体的パターンで振動させることにより、使用者に種々の情報を伝達する機能を有することを特徴とする電子機器である。
本発明の第11の視点によれば、上記各視点の圧電アクチュエータを複数の振動源として搭載し、筐体を立体的に振動させることを特徴とする電子機器である。
本発明の第12の視点によれば、前記筐体に、溝又は厚みの異なる部分を持つことが好ましい。
本発明の第13の視点によれば、上記各視点の圧電アクチュエータを搭載し、筐体に生じる振動を該圧電アクチュエータにより電圧に変換する機能を有することを特徴とする電子機器である。
本発明に係る圧電アクチュエータは、振動源に剛性が高いことで知られている圧電セラミックスを用いることで、剛性の高い携帯電子機器の筐体を振動させることを可能とし、筐体振動を通じてユーザに情報を伝達することを実現できる。さらに各圧電セラミックス振動子の振動を効果的に分離することができるので、複数の圧電アクチュエータを異なる周波数や強さで振動させることにより、立体的な振動を効果的に伝達できる。また逆に、筐体の振動を効率的に圧電セラミックス振動子に伝達し、電圧を発生させる、タッチパネルや振動センサとしての利用が可能となる。
1 圧電アクチュエータ
2 シート状弾性体
2a 筐体表面の弾性体
2b 貫通孔内の弾性体
3 筐体
4 電子部品
5 薄板状圧電セラミックス
6 シム材
7 ホルダ
8 補助ホルダ
9 くびれ(切り欠き)
10 溝
11 メタルヒンジ
12 振動拡大構造
2 シート状弾性体
2a 筐体表面の弾性体
2b 貫通孔内の弾性体
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5 薄板状圧電セラミックス
6 シム材
7 ホルダ
8 補助ホルダ
9 くびれ(切り欠き)
10 溝
11 メタルヒンジ
12 振動拡大構造
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下に、説明する各実施形態の構成において、同一の構造部については同一の符号を付して示し、重複する説明は省略する。
(実施形態1)
図1(b)は、本発明の実施形態1に係る圧電アクチュエータ1の構成を示す斜視図である。本実施形態1の圧電アクチュエータ1は、シム材6をはさんで2枚の薄板状圧電セラミックス5を貼り付けた圧電セラミックス振動子2個と、シム材6を両端から保持する2つのホルダ7と、圧電セラミックス振動子とシート状弾性体との間に配置される補助ホルダ8を有した構成となっている。図1(a)は、このように構成された圧電アクチュエータ1を2個、電子機器の筐体3に、シート状弾性体2を介して取り付けた場合の斜視図である。
図1(b)は、本発明の実施形態1に係る圧電アクチュエータ1の構成を示す斜視図である。本実施形態1の圧電アクチュエータ1は、シム材6をはさんで2枚の薄板状圧電セラミックス5を貼り付けた圧電セラミックス振動子2個と、シム材6を両端から保持する2つのホルダ7と、圧電セラミックス振動子とシート状弾性体との間に配置される補助ホルダ8を有した構成となっている。図1(a)は、このように構成された圧電アクチュエータ1を2個、電子機器の筐体3に、シート状弾性体2を介して取り付けた場合の斜視図である。
図2は、図1(b)の圧電アクチュエータ1をシート状弾性体2を介して電子機器の筐体3に取り付けた場合の断面図を示している。
図2において、圧電セラミックス振動子は、板状のシム材6の両面に2枚の薄板状圧電セラミックス5が貼り付けられたバイモルフ構造となっている。さらに、2個の独立して振動させることのできる圧電セラミックス振動子が、共通のシム材6の互いに離れた位置に構成されている。すなわち、シム材6の両端部分および中央部分を残すようにして2枚ずつの薄板状圧電セラミックス5を貼り付けて、2個の圧電セラミックス振動子を構成している。ホルダ7には溝が設けられており、この溝にシム材6が挿入され固定されるようになっている。なお、圧電セラミックス振動子としては、シム材6の片面のみに薄板状圧電セラミックス5を貼り付けたユニモルフ構造でもよい。
薄板状圧電セラミックス5には、PZT系圧電セラミックスや、チタン酸バリウムに代表される非鉛系圧電セラミックス等を用いることが可能であり、圧電特性の観点からPZT系セラミックスの使用が望ましい。また、圧電セラミックス振動子の共振周波数及びアクチュエータ全体のサイズ、部材コストの観点からは0.03mmから0.2mm程度のセラミックス単板が好ましい。ただしこれに限定するものではなく、例えば積層型圧電セラミックスを用いてもよい。
補助ホルダ8は、シート状弾性体2と圧電セラミックス振動子の双方に接する大きさに形成されており、その厚みは薄板状圧電セラミックス5、シム材6及びホルダ7の形状・寸法によって決定される。補助ホルダ8は圧電セラミックス振動子およびシート状弾性体2それぞれに固定されており、この固定には例えばエポキシ系接着剤を利用できる。この補助ホルダ8が設けられていることにより、シート状弾性体2への振動伝達経路が増加するため、効率よく振動伝達を行うことができる。
補助ホルダ8の材質は、特に限定されるものではないが、ABSやシリコンゴム、PET、ポリカーボネート樹脂など弾性を有する有機材料から選択できる。
補助ホルダ8は、ホルダ7から離れた位置に配置されている。距離を離すことなく補助ホルダ8をホルダ7に密着させて配置させた場合、圧電セラミックス振動子がその根本部分で十分撓まないこととなり、その結果得られる振動量も小さくなる。これに対して本実施形態のように隙間が確保されている場合、隙間において圧電セラミックス振動子が良好に撓むことができ振動量も十分なものになる。なお、補助ホルダ8とホルダ7との距離は特に限定されるものではない。
シム材6は、両端部がホルダ7で固定されており、さらに上下面二つずつの薄板状圧電セラミックス5が中央部を残して貼り付けられているが、この中央部が細いくびれ(切り欠き)9(図1では不図示)を有する構造となっていることが望ましい。このようにくびれた構造とすることで、くびれ9の箇所で機械インピーダンスが急激に変化することとなる。このため、二つの圧電セラミックス振動子を個別に駆動させる際に、片方の圧電セラミックス振動子による振動がもう一方の圧電セラミックス振動子に伝わりにくく、不要な振動の伝達を防ぐことができる。
シム材6の材質は、特に限定されるものではないが、リン青銅、42アロイ、SUSなどの剛性の高い金属材料から選択することが可能である。薄板状圧電セラミックス5が厚い場合は、共振周波数を調整するために、表面に金属膜を形成した樹脂フィルムなどを用いることもできる。
本実施形態1の圧電アクチュエータ1を接合する筐体3は、図6(b)に示すように、圧電セラミックス振動子が配置される場所に相当する筐体表面部分を区切る溝10(又は厚さの異なる部分)が形成された構造を有することが好ましい。このように圧電セラミックス振動子を区切るように溝10を形成することで、他の領域への不要な振動の伝達を減少させ、圧電セラミックス振動子がシート状弾性体2を介して接合される筐体3表面の溝10で囲まれた範囲を主に振動させることができる。なお、筐体3に形成する溝10の幅と深さは特に限定されるものではないが、幅は0.1mmから2mm程度が望ましく、また溝10の深さは筐体3の厚みの10%から90%程度が望ましい。
図1(a)では例として2個の圧電アクチュエータ1がシート状弾性体2を介して筐体3に接合されているが、限定するものではなく、2個以上の圧電アクチュエータ1が筐体3の複数個所に配置されていてもよく、使用者の手のひらや指が当たる場所に配置されていることが望ましい。
図1(a)に示すように、圧電セラミックス振動子が接合するシート状弾性体2は、圧電セラミックス振動子の間の部分に溝10が入った構造とすることが好ましい。これは、圧電セラミックス振動子で発生した振動が他の圧電セラミックス振動子や電子部品に不要な振動として伝達されるのを防止するためである。なお、シート状弾性体2に形成する溝10の幅と厚みは特に限定されるものではないが、幅は0.1mmから2mm程度が望ましく、溝10の深さはシート状弾性体2の厚みの10%から90%が望ましい。また、シート状弾性体2の材質は特に限定されるものではないが、シリコンゴムやブチルゴムなどの有機材料などを選択することができる。
圧電アクチュエータ1はシート状弾性体2を介して筐体3に接合されているが、回路基板やLSIなどの他の電子部品とは接触しないように配置される。これは、圧電アクチュエータ1により発生した振動が電子部品に直接伝わってしまうと誤動作や異音、騒音の原因となるからである。圧電アクチュエータ1の筐体3への接合は、例えば接着剤が使用可能である。
次に、上記のように構成された本実施形態1の圧電アクチュエータ1の動作について、図2を参照して説明する。本実施形態1の構成では、圧電セラミックス振動子の振動がホルダ7および補助ホルダ8を介してシート状弾性体2に伝達され、さらに筐体3に伝達される(振動の伝達を矢印で図示)。補助ホルダ8を用いずに圧電アクチュエータ1を構成することも可能であるが、ホルダ7および補助ホルダ8両方を加振点とすることで振動の伝達経路が増加し、振動の伝達効率が向上するため補助ホルダ8の使用が望ましい。また、圧電アクチュエータ1は、電子機器(携帯電話)を手で持ったときに手のひらや指が接する箇所に配置することが好ましい。特に限定するものではないが、図12(a)および図12(b)に示す配置が好ましい。
また本実施形態1の圧電アクチュエータ1は、前述したように1枚のシム材6に2個の圧電セラミックス振動子が組み込まれている。これは、圧電セラミックス振動子1個では作り出すことのできない振動を作り出すことが可能となるからである。例えば、2個の圧電セラミックス振動子を同位相で振動させるほかに、位相が互いに反転した逆相での振動や、任意の位相だけずれた振動を組み合わせることで、従来課題であった立体的な表現力が向上する。さらに、図1(a)のように2個以上の圧電セラミックス振動子を電子機器に適用した場合、圧電セラミックス振動子の駆動電圧、駆動波形、位相、周波数を様々に組み合わせることで、より立体感のある三次元的な複数の振動を実現でき、これにより電子機器の使用者に種々の情報伝達をすることが可能になる。
圧電セラミックス振動子の駆動電源としては特に限定されないが、周波数100Hz〜1KHz、実効電圧10vのパルス状又は正弦波状の交流電界が考えられる。
本発明は、実施形態1の構成に限らず、他にも種々変更可能である。以下、これについて幾つかの実施形態を例に挙げて説明する。また、当然ながら、各実施形態に示す、圧電セラミックス振動子の構造、筐体の溝の有無、シート状弾性体の溝の有無など、種々の構造を適宜組み合わせることも可能である。
(実施形態2)
補助ホルダ8の配置は上記に説明したものに限らず、図3(a)に示すような配置であってもよい。図3(a)は、本発明の実施形態2に係る圧電アクチュエータ1を2個配置した場合の斜視図である。本実施形態2の補助ホルダ8は、薄板状圧電セラミックス5とシート状弾性体2との間ではなく、薄板状圧電セラミックス5が貼り付けられていないシム材6の中央部付近に配置されている。このような構成とした場合、2個の圧電セラミックス振動子の振動を、シム材6の中央部をシート状弾性体2への加振点として効率よく伝達することができる。なお、補助ホルダ8を圧電セラミックス振動子2個につき1つとしたことにより、シート状弾性体2及び筐体3の溝10は、図1(a)と異なり各補助ホルダ8の間にのみ配置されている。図3(b)は、図3(a)を筐体側から見た斜視図である。
補助ホルダ8の配置は上記に説明したものに限らず、図3(a)に示すような配置であってもよい。図3(a)は、本発明の実施形態2に係る圧電アクチュエータ1を2個配置した場合の斜視図である。本実施形態2の補助ホルダ8は、薄板状圧電セラミックス5とシート状弾性体2との間ではなく、薄板状圧電セラミックス5が貼り付けられていないシム材6の中央部付近に配置されている。このような構成とした場合、2個の圧電セラミックス振動子の振動を、シム材6の中央部をシート状弾性体2への加振点として効率よく伝達することができる。なお、補助ホルダ8を圧電セラミックス振動子2個につき1つとしたことにより、シート状弾性体2及び筐体3の溝10は、図1(a)と異なり各補助ホルダ8の間にのみ配置されている。図3(b)は、図3(a)を筐体側から見た斜視図である。
立体感のある3次元的な振動の表現は、実施形態2の圧電アクチュエータ1個では困難であるが、この圧電アクチュエータを2個以上組み合わせることで実施形態1と同様の効果を得ることができる。
(実施形態3)
図4(a)は、本発明の実施形態3に係る圧電アクチュエータ1の斜視図である。図4(b)はその断面図である。図4(b)に示すように、2枚の薄板状圧電セラミックス5をシム材6の一方の端部を残して接合し、シム材6の一方の端部をホルダ7で固定した片持ち梁構造の圧電セラミックス振動子としている。この場合も加振力向上のために、圧電セラミックス振動子に補助ホルダ8を設けることが好ましい。補助ホルダ8の位置は圧電セラミックス振動子の端部でも良いし、中央部でも良い。本実施形態3の圧電アクチュエータを用いることで、実施形態1で得られる圧電セラミックス振動子1個あたりの振動量を保ちながら、圧電アクチュエータ1個当たりの実装面積を減らすことができる。複雑な立体感のある振動の表現は、実施形態2と同様、2個以上の圧電アクチュエータの振動を組み合わせることで表現可能である。
図4(a)は、本発明の実施形態3に係る圧電アクチュエータ1の斜視図である。図4(b)はその断面図である。図4(b)に示すように、2枚の薄板状圧電セラミックス5をシム材6の一方の端部を残して接合し、シム材6の一方の端部をホルダ7で固定した片持ち梁構造の圧電セラミックス振動子としている。この場合も加振力向上のために、圧電セラミックス振動子に補助ホルダ8を設けることが好ましい。補助ホルダ8の位置は圧電セラミックス振動子の端部でも良いし、中央部でも良い。本実施形態3の圧電アクチュエータを用いることで、実施形態1で得られる圧電セラミックス振動子1個あたりの振動量を保ちながら、圧電アクチュエータ1個当たりの実装面積を減らすことができる。複雑な立体感のある振動の表現は、実施形態2と同様、2個以上の圧電アクチュエータの振動を組み合わせることで表現可能である。
(実施形態4)
図5は、本発明の実施形態4に係る電子機器の断面図である。図5に示すように、電子機器の筐体3は、圧電セラミックス振動子の上部に貫通孔を形成し、貫通孔内部を弾性体2bで充填し、さらに筐体表面が弾性体2aで覆われた構造である。このような構造にすることで、圧電セラミックス振動子で発生する振動をより直接に使用者に伝達することができる。また筐体の一部または全体を弾性体で包む構造とすることで、実施形態1と比較して耐落下衝撃性や、耐湿性が損なわれることはない。
図5は、本発明の実施形態4に係る電子機器の断面図である。図5に示すように、電子機器の筐体3は、圧電セラミックス振動子の上部に貫通孔を形成し、貫通孔内部を弾性体2bで充填し、さらに筐体表面が弾性体2aで覆われた構造である。このような構造にすることで、圧電セラミックス振動子で発生する振動をより直接に使用者に伝達することができる。また筐体の一部または全体を弾性体で包む構造とすることで、実施形態1と比較して耐落下衝撃性や、耐湿性が損なわれることはない。
(実施形態5)
図11は、本発明の実施形態5に係る圧電アクチュエータ1と筐体3の断面図である。図11(a)で示すように、薄板状圧電セラミックス5の片側に、屈曲したメタルヒンジ11を接合し、これをシート状弾性体2を介して筐体3に接合する。メタルヒンジ11を屈曲させることにより、振動を増幅し、効果的に伝達することができる。なお、メタルヒンジ11はシム材6とは別に付加しても良いし、シム材6を兼ねて用いても良い。使用する部品の数が少なく、小型化・薄型化が要求される電子機器筐体内に配置することができる。さらに図11(b)に示すように、メタルヒンジ11を一部U字状に屈曲させた振動拡大構造12を有することによって、さらに大きな振動量を伝達することができる。図11ではシム材を保持するホルダは図示していない。
図11は、本発明の実施形態5に係る圧電アクチュエータ1と筐体3の断面図である。図11(a)で示すように、薄板状圧電セラミックス5の片側に、屈曲したメタルヒンジ11を接合し、これをシート状弾性体2を介して筐体3に接合する。メタルヒンジ11を屈曲させることにより、振動を増幅し、効果的に伝達することができる。なお、メタルヒンジ11はシム材6とは別に付加しても良いし、シム材6を兼ねて用いても良い。使用する部品の数が少なく、小型化・薄型化が要求される電子機器筐体内に配置することができる。さらに図11(b)に示すように、メタルヒンジ11を一部U字状に屈曲させた振動拡大構造12を有することによって、さらに大きな振動量を伝達することができる。図11ではシム材を保持するホルダは図示していない。
(実施形態6)
上記実施形態は電気機械変換機能を持つ圧電セラミックス振動子に電圧を印加して振動を発生させるものであるが、逆に手のひらや指による振動を電圧に変換することができる。つまり、筐体3に与えられる応力はシート状弾性体2、補助ホルダ8を介して圧電セラミックス振動子に伝えられ、電気信号に変換される。この機能を利用してタッチパネルとしての使用も可能である。また、電子機器の振動センサとしても使用が可能である。
上記実施形態は電気機械変換機能を持つ圧電セラミックス振動子に電圧を印加して振動を発生させるものであるが、逆に手のひらや指による振動を電圧に変換することができる。つまり、筐体3に与えられる応力はシート状弾性体2、補助ホルダ8を介して圧電セラミックス振動子に伝えられ、電気信号に変換される。この機能を利用してタッチパネルとしての使用も可能である。また、電子機器の振動センサとしても使用が可能である。
(実施例1)
実施例1として、図1(b)に示す圧電アクチュエータ1を試作した。薄板状圧電セラミックス5として、長さ10mm、幅4mm、厚さ0.2mmの圧電セラミックス板を用意し、両主面にAg電極を形成して分極処理を施した。シム材6として、長さ32mm、幅4mm、厚さ0.2mmの形状で、中央部の10mmほどが幅2mmに細くくびれた形状を持つリン青銅を使用した(くびれは図1(b)では図示せず)。4枚の上記薄板状圧電セラミックス5を、エポキシ樹脂で上記シム材6の両主面の両端部に2mm程度残して接着すると共に、所定の電気配線を形成して圧電セラミックス振動子を作成した。
実施例1として、図1(b)に示す圧電アクチュエータ1を試作した。薄板状圧電セラミックス5として、長さ10mm、幅4mm、厚さ0.2mmの圧電セラミックス板を用意し、両主面にAg電極を形成して分極処理を施した。シム材6として、長さ32mm、幅4mm、厚さ0.2mmの形状で、中央部の10mmほどが幅2mmに細くくびれた形状を持つリン青銅を使用した(くびれは図1(b)では図示せず)。4枚の上記薄板状圧電セラミックス5を、エポキシ樹脂で上記シム材6の両主面の両端部に2mm程度残して接着すると共に、所定の電気配線を形成して圧電セラミックス振動子を作成した。
ホルダ7としては、ABS樹脂により作製した幅4mm、長さ4mm、高さ2mmの樹脂部材を用意し、シム材6を挿入するための深さ0.2mmの溝を高さ1mmの位置に形成した。シム材6とホルダ7との接着には、エポキシ樹脂を用いた。
補助ホルダ8には幅4mm、長さ4mm、高さ1.7mmの形状であるシリコンゴムを二つ使用した。また、圧電セラミックス振動子と補助ホルダ8との接着には、エポキシ樹脂を用いた。
図6(a)に示すように、シート状弾性体2には、長さ42mm、幅16mm、厚み0.5mmの溝を形成していないシリコンゴムを使用した。このシート状弾性体2の上に、圧電セラミックス振動子、ホルダ7、補助ホルダ8からなる圧電アクチュエータ1を2個、4mm離してエポキシ樹脂を用いて貼り付け、本発明の圧電アクチュエータを作製した(図6(a))。
このようにして構成した圧電アクチュエータを、図12に示すような電子機器(携帯電話端末)に粘着材料を用いて搭載した。この携帯電話端末の構成自体は従来一般的なものであり、筐体3のひとつの面にディスプレイおよび入力キーが設けられており、また液晶ディスプレイ側の端面にアンテナが配置されている。圧電アクチュエータの搭載位置はディスプレイと電子回路基板の間であって、図12の筐体3の内部表面とした。
また筐体3には、厚み1mmのABS樹脂を用い、図6(b)に示すように、圧電セラミックス振動子が配置された位置に相当する筐体外側表面を区切るように幅0.5mm、深さ0.5mmの溝10を形成した。
本発明の効果を検証するため、独立して駆動させることのできる2個のうちの1個(図6(b)の観測点Aの内側にある圧電セラミックス振動子)に、200Hz、実効値10Vの交流電界を印加して、筐体3の表面の振動をレーザー型振動速度計測装置により測定した。観測点は、筐体3の外側表面の、筐体3に形成された溝10で区切られた領域4箇所(図6(b)のA、B、C及びD)とした。
筐体3に形成した溝10の効果を検証するために、筐体3に溝10を形成しない装置も同様のプロセスで作製した。またさらに、シム材6に形成したくびれ9の効果を検証するために、シム材6にくびれ9を形成しない圧電セラミックス振動子も同様のプロセスで作製した。
3種類のアクチュエータを用いて計測した4箇所の振動速度を、溝10及びくびれ9がある場合の観測点Aでの振動速度を基準として1.0に規格化した速度として表1に示した。(以下の表において同様に相対値を示す。)
表1からわかるように、A点の振動は筐体3の溝10、及びシム材6のくびれ9がないことにより振動量が70%減少した。さらに、筐体3に溝10がない場合は、駆動した振動子以外の三箇所の振動速度に違いが見られず、振動位置の分離が悪くなる。シム材6にくびれ9がない場合、A点とB点、C点とD点の振動速度はほぼ同じであった。
以上より、本発明による振動位置の分離及び振動速度差が明らかである。すなわち、溝10がない場合、筐体3の振動が全体に伝達されてA点の振動量は減少し、くびれ9がない場合は、圧電セラミックス振動子間の振動絶縁がなく中央部が優先的に振動し、A点の振動量は減少する。
さらに、表1には示していないが、A点及びB点の裏側に配置されている2個の振動子を同時に同相で駆動した場合、A点及びB点において、A点の裏側にある圧電セラミックス振動子のみを駆動させた場合の2倍の振動量が得られた。
(実施例2)
実施例2では、図7(a)に示したように、圧電セラミックス振動子に配置する補助ホルダ8の位置が実施例1とは異なる圧電アクチュエータ1を作製した。比較のために補助ホルダ8を配置しないものも作製し、図7(b)に示す観測点Aにおける振動速度を測定した。薄板状圧電セラミックス5、シム材6、ホルダ7の形状は実施例1と同じであり、補助ホルダ8の寸法は、長さ4mm、幅4mm、高さ1.9mmである。
実施例2では、図7(a)に示したように、圧電セラミックス振動子に配置する補助ホルダ8の位置が実施例1とは異なる圧電アクチュエータ1を作製した。比較のために補助ホルダ8を配置しないものも作製し、図7(b)に示す観測点Aにおける振動速度を測定した。薄板状圧電セラミックス5、シム材6、ホルダ7の形状は実施例1と同じであり、補助ホルダ8の寸法は、長さ4mm、幅4mm、高さ1.9mmである。
電界を印加する振動子として、4個の圧電セラミックス振動子から1個を選択した。観測点Aは、電界を印加した圧電セラミックス振動子がある圧電アクチュエータ1の補助ホルダ8の外側の筐体3表面である。補助ホルダ8がある場合とない場合の結果を表2に示す。
表2に示すように、中心部に配置した補助ホルダ8によって観測点Aの補助ホルダ8がない場合と比較して振動は3倍以上増加した。本発明による補助ホルダ8の効果は明らかである。
(実施例3)
実施例3では、図8に示したように、圧電セラミックス振動子1個を持つアクチュエータ1を2個作製し、筐体3に配置した。薄板状圧電セラミックス5、ホルダ7、補助ホルダ8の形状は実施例1と同じである。シム材6の形状は、長さ12mm、幅4mm、厚み0.2mmとした。また、シート状弾性体2及び筐体3には溝10を設けている。
実施例3では、図8に示したように、圧電セラミックス振動子1個を持つアクチュエータ1を2個作製し、筐体3に配置した。薄板状圧電セラミックス5、ホルダ7、補助ホルダ8の形状は実施例1と同じである。シム材6の形状は、長さ12mm、幅4mm、厚み0.2mmとした。また、シート状弾性体2及び筐体3には溝10を設けている。
作製したアクチュエータ1を図8に示すように、筐体3に配置し、観測点Aの裏側の圧電セラミックス振動子aを駆動させた場合と、両方の圧電セラミックス振動子a、bを駆動させた場合の、観測点A、Bにおける振動速度を表3に示した。
表3から明らかなように、隣り合う振動子部分への振動伝達は20%に抑えられた。また2個の振動子を同時に駆動した場合、それぞれの振動量が単独で駆動させた場合と比較して20%増加した。筐体3に形成した溝10の効果と、圧電セラミックス振動子を1個にしたサイズ低減の効果が得られた。
(実施例4)
実施例4では、図9に示したように、圧電セラミックス振動子の薄板状圧電セラミックス5が配置される直上位置の筐体部分に貫通孔を開け、貫通孔内部を弾性体2bで充填し、筐体外部表面を弾性体2aで覆ったものを作製した。実施例1で作成した携帯端末筐体に圧電アクチュエータを組み込んだものと、A点における振動速度及び耐落下衝撃性を比較した。駆動する圧電セラミックス振動子はA点の裏側にあるものである(図9)。
実施例4では、図9に示したように、圧電セラミックス振動子の薄板状圧電セラミックス5が配置される直上位置の筐体部分に貫通孔を開け、貫通孔内部を弾性体2bで充填し、筐体外部表面を弾性体2aで覆ったものを作製した。実施例1で作成した携帯端末筐体に圧電アクチュエータを組み込んだものと、A点における振動速度及び耐落下衝撃性を比較した。駆動する圧電セラミックス振動子はA点の裏側にあるものである(図9)。
筐体3に形成する貫通孔は、長さ2mm、幅2mm、深さ1mm(筐体厚み)とした。
筐体3を覆う弾性体2aとして、厚みを0.5mmのシリコンゴムを用いた。
筐体3を覆う弾性体2aとして、厚みを0.5mmのシリコンゴムを用いた。
実施例1の結果と比較した結果を表4に示す。
表4によれば、本実施例4の構造の場合、観測点Aでの振動速度は実施例1と比較して約2倍に増加した。また耐落下衝撃性も、実施例1と比較して劣るものの、実用上問題ないレベルを維持することができた。本実施例の効果は明らかである。
(実施例5)
実施例1におけるシート状弾性体2を、図10(a)に示すように、シート中央で交差する幅2mm、深さ0.3mmの溝10を有するシリコンゴムに置き換えたものを作成した。圧電セラミックス振動子はシム材6にくびれのないものを使用し、薄板状圧電セラミックス5、ホルダ7、補助ホルダ8、筐体3は実施例1の構成と同一である。実施例1と同様に図10(b)のA点の裏側に配置されている圧電セラミックス振動子を駆動した際の筐体表面C点の振動速度計測を行い、実施例1の結果と比較してシート状弾性体の溝の効果を評価した(表5)。シート状弾性体の溝によってA点からC点への振動伝達が20%減少した。
実施例1におけるシート状弾性体2を、図10(a)に示すように、シート中央で交差する幅2mm、深さ0.3mmの溝10を有するシリコンゴムに置き換えたものを作成した。圧電セラミックス振動子はシム材6にくびれのないものを使用し、薄板状圧電セラミックス5、ホルダ7、補助ホルダ8、筐体3は実施例1の構成と同一である。実施例1と同様に図10(b)のA点の裏側に配置されている圧電セラミックス振動子を駆動した際の筐体表面C点の振動速度計測を行い、実施例1の結果と比較してシート状弾性体の溝の効果を評価した(表5)。シート状弾性体の溝によってA点からC点への振動伝達が20%減少した。
(実施例6)
実施例6では、図11(a)に示すように、1枚の長さ10mm、幅4mm、厚み0.2mmの薄板状圧電セラミックス5に厚み0.2mmのシム材(メタルヒンジ11)を貼着し、中央部に2mm角、厚み0.2mmのシート状弾性体2(シリコンゴム)を配置して筐体3に接合した圧電アクチュエータを作成した。シム材中央部の薄板状圧電セラミックス5とメタルヒンジ11との間隙を0.2mmとした。筐体3、シート状弾性体2及びメタルヒンジ11それぞれの接着にはエポキシ樹脂を用いた。またさらに、メタルヒンジ11にU字状に屈曲させた振動拡大構造12を組み込んだアクチュエータを同様に作成した(図11(b))。実効値10V、200Hzの駆動条件で圧電アクチュエータを駆動した際の筐体振動量を測定した(表6)。薄板状圧電セラミックス5の枚数が1枚であることから振動量が大きく低下するが、振動拡大構造12をもつアクチュエータでは、振動量低下が20%に抑えられ、アクチュエータの小型化・薄型化の効果は明らかである。
実施例6では、図11(a)に示すように、1枚の長さ10mm、幅4mm、厚み0.2mmの薄板状圧電セラミックス5に厚み0.2mmのシム材(メタルヒンジ11)を貼着し、中央部に2mm角、厚み0.2mmのシート状弾性体2(シリコンゴム)を配置して筐体3に接合した圧電アクチュエータを作成した。シム材中央部の薄板状圧電セラミックス5とメタルヒンジ11との間隙を0.2mmとした。筐体3、シート状弾性体2及びメタルヒンジ11それぞれの接着にはエポキシ樹脂を用いた。またさらに、メタルヒンジ11にU字状に屈曲させた振動拡大構造12を組み込んだアクチュエータを同様に作成した(図11(b))。実効値10V、200Hzの駆動条件で圧電アクチュエータを駆動した際の筐体振動量を測定した(表6)。薄板状圧電セラミックス5の枚数が1枚であることから振動量が大きく低下するが、振動拡大構造12をもつアクチュエータでは、振動量低下が20%に抑えられ、アクチュエータの小型化・薄型化の効果は明らかである。
以上本発明を上記実施例に即して説明したが、本発明は、上記実施例にのみ限定されるものではなく、本願特許請求の範囲の各請求項の発明の範囲内で当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。
本発明の全開示(請求の範囲を含む)の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素の多様な組み合わせないし選択が可能である。
本発明の全開示(請求の範囲を含む)の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態ないし実施例の変更・調整が可能である。また、本発明の請求の範囲の枠内において種々の開示要素の多様な組み合わせないし選択が可能である。
Claims (13)
- シム材と、該シム材の少なくとも片面に貼着された薄板状圧電セラミックスからなる少なくとも一つの圧電セラミックス振動子と、該シム材を保持する少なくとも一つのホルダとを有する圧電アクチュエータであって、
該ホルダと接合されるシート状弾性体をさらに含み、該圧電セラミックス振動子の振動を該ホルダと該シート状弾性体を介して電子機器の筐体に伝達させることを特徴とする、圧電アクチュエータ。 - 前記ホルダから離れた位置で、前記圧電セラミックス振動子と前記シート状弾性体との間に接合される少なくとも一つの補助ホルダをさらに含み、前記圧電セラミックス振動子の振動を前記ホルダと該補助ホルダと前記シート状弾性体を介して前記筐体に伝達させることを特徴とする、請求項1に記載の圧電アクチュエータ。
- 前記ホルダから離れた位置で、前記シム材と前記シート状弾性体との間に接合される少なくとも一つの補助ホルダをさらに含み、前記圧電セラミックス振動子の振動を前記ホルダと該補助ホルダと前記シート状弾性体を介して前記筐体に伝達させることを特徴とする、請求項1に記載の圧電アクチュエータ。
- 複数の前記圧電セラミックス振動子を含む前記シム材の、隣り合う前記圧電セラミックス振動子の間に、くびれ部が形成されていることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
- 複数の前記圧電セラミックス振動子が前記ホルダ及び前記補助ホルダを介して前記シート状弾性体に接合されており、隣り合う前記圧電セラミックス振動子の間の前記シート状弾性体の部分には溝が設けられていることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
- 複数の前記圧電セラミックス振動子が前記ホルダ、前記補助ホルダ及び前記シート状弾性体を介して前記筐体に接合されており、前記圧電セラミックス振動子が接合された前記筐体の外側表面部分が互いに溝で区切られていることを特徴とする、請求項1〜3のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
- 前記圧電セラミックス振動子と前記筐体との間を、シート状弾性体を介し、屈曲した部分を少なくとも1箇所有するメタルヒンジで接合したことを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
- 前記圧電セラミックス振動子が接合される部分の前記筐体に貫通孔を設け、該貫通孔を弾性体で充填したことを特徴とする、請求項1〜7のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
- 前記圧電セラミックス振動子は、100Hz〜1kHzの周波数で、パルス状又は正弦波状の交流電界を印加して駆動することを特徴とする、請求項1〜8のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
- 請求項1〜9のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータを複数の振動源として搭載し、筐体を複数の立体的パターンで振動させることにより、使用者に種々の情報を伝達する機能を有することを特徴とする電子機器。
- 請求項1〜9のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータを複数の振動源として搭載し、筐体を立体的に振動させることを特徴とする電子機器。
- 前記筐体に、溝又は厚みの異なる部分を持つことを特徴とする、請求項11に記載の電子機器。
- 請求項1〜9のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータを搭載し、筐体に生じる振動を該圧電アクチュエータにより電圧に変換する機能を有することを特徴とする電子機器。
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