JPWO2018016630A1 - 圧電振動発生デバイス及び圧電振動発生デバイスを備えた機器 - Google Patents

Abstract

従来よりも製造時間が短くてすみ且つ寿命の長い、円板状の振動板及び圧電振動素子を用いた圧電振動発生デバイス及び該圧電振動発生デバイスを備えた機器を提供する。振動軸１７を、頭部１７Ｃが第２ケース半部９側に位置し先端のネジ部１７Ｄが第１ケース半部７の外部に延び出るように振動板４に設けた第３貫通孔４、圧電振動素子１５の第２貫通孔１３及び第１ケース半部７の第１貫通孔５を貫通するように配置される金属製のネジ部材から構成する。ネジ部１７Ｄに金属製のナット部材１９が嵌合されている。

Description

本発明は、圧電振動発生デバイス及び圧電振動発生デバイスを備えた機器に関するものである。

特開２００１−１７９１７号公報（特許文献１）には、スマートフォンや携帯電話等の携帯端末やタブレット端末の機器等に用いられて、表示画面を触ったときに表示画面を振動させるための圧電振動発生デバイスの一例が開示されている。特許文献１の図１及び図２に示された圧電振動発生デバイスは、円板状の振動板（１）と、中央に第１貫通孔を有し電気絶縁材料からなる第１ケース半部（５ａ）及び第１ケース半部との間で振動板の外周部を挟む電気絶縁材料からなる第２ケース半部（５ｂ）が組み合わされて構成された絶縁ケース（５）と、振動板（１）の片面または両面に接合されて中央に第２貫通孔を有する１以上の円板状の圧電振動素子（２）と、一端が振動板の中央部に連結され、圧電振動素子の第２貫通孔及び第１ケース半部の第１貫通孔を貫通して他端が第１ケース半部の外部に延び出る振動軸（４）とを備えている。

特開２００１−１７９１７号公報 図１及び図２

特許文献１に記載の圧電振動発生デバイスでは、振動板及び圧電振動素子が円板状または円環状を呈しているため、矩形状の振動板及び矩形状の圧電振動素子を用いた圧電振動発生デバイスよりも大きな振動を得ることができる。

特許文献１には具体的に記載されていないが、特許文献１の図１及び２及びそれらの説明に基づいて推測すると、振動軸は振動板の中央に接着されているものと考えられる。

しかしながら接着により振動軸と振動板を接合した場合には、長期間にわたって使用すると、接着部で剥離が生じる可能性が高い。特に、振動軸を介して、例えば、自動車の操作パネルや各種機械の操作パネル等のように重量のある被固定物に振動を与えようとすると、接着部の強度が十分でないために、接着部が破壊されて短い期間で寿命に至る問題が生じる。

本発明の目的は、機械的な強度が高く、寿命が長い、円板状の振動板及び圧電振動素子を用いた圧電振動発生デバイス及び該圧電振動発生デバイスを備えた機器を提供することにある。

本発明は、金属製の円板状の振動板と、中央に第１貫通孔を有し電気絶縁材料からなる第１ケース半部及び第１ケース半部との間で振動板の外周部を挟む電気絶縁材料からなる第２ケース半部が組み合わされて構成された絶縁ケースと、振動板の片面または両面に接合されて中央に第２貫通孔を有する１以上の円板状の圧電振動素子と、一端が振動板の中央部に連結され、圧電振動素子の第２貫通孔及び第１ケース半部の第１貫通孔を貫通して他端が第１ケース半部の外部に延び出る振動軸とを備えた圧電振動発生デバイスを改良の対象とする。本発明の圧電振動発生デバイスでは、振動板の中央部に第３貫通孔が形成されている。そして振動軸は、頭部が第２ケース半部側に位置し先端のネジ部が第１ケース半部の外部に延び出るように第３貫通孔、第２貫通孔及び第１貫通孔を貫通するように配置されたネジ部材からなる。その上で、ネジ部にナット部材が螺合されているかまたは抜け止めワッシャが嵌合されている。なお本願明細書においてナット部材は、一般的なナットの他、振動を伝える被駆動部材に形成された雌ネジ部を備えた機器の部品を含むものである。

本発明のように、ネジ部材とナット部材または抜け止めワッシャを用いて、振動板に振動軸を取り付けると、両者の結合作業に時間を要しない上、接着により両者を接合した場合と比べて、高い結合強度を得ることができる。また圧電振動発生デバイスの振動軸を、振動対象の機器の部品にネジ結合により連結できるので、装着が容易で、しかも高い結合強度を得ることができる。

第２ケース半部には、ネジ部材の頭部に対応して頭部が通過できる大きさの第４貫通孔が形成されているのが好ましい。第４の貫通孔を設けると、振動板の振幅が大きくなった場合でも。第４貫通孔がネジ部材の頭部の逃げ空間となるため、厚みを大きくすることなく、大きな振幅で振動板を振動させることができる。

機械的な強度の点からは、ナット部材または抜け止めワッシャは金属製であるのが好ましい。この場合、短絡の問題が発生するので、抜け止めワッシャまたはナット部材と振動板との間及び該振動板とネジ部材の頭部との間には、それぞれ電気絶縁材料からなる絶縁ワッシャを配置すればよい。なおナット部材または抜け止めワッシャは、金属以外の材料によって形成されていてもよい。

また絶縁ワッシャは、樹脂ワッシャであるのが好ましい。樹脂ワッシャは、金属ワッシャよりも柔軟性があるため、振動板の振動を必要以上に拘束して、振動の著しい低下を招くことがない。なお絶縁ワッシャが、セラミック等の他の絶縁材料によって形成されていてもよいのは勿論である。さらに絶縁ワッシャを金属製のワッシャに置き換えてもよいのは勿論である。

振動板には、振動板を厚み方向に貫通しており且つ圧電振動素子の周囲を囲むように周方向に間隔をあけて配置された複数のスリットが形成されているのが好ましい。このような複数のスリットを設けると、振動板の機械的強度を大幅に低下させることなく、振動板の可撓性を所望の範囲のものとすることができる。したがって振動板の振幅を大きくすることが可能になる。

振動板には、さらに振動板を厚み方向に貫通しており且つ圧電振動素子と第２貫通孔との間に位置して第２貫通孔の周囲を囲むように周方向に間隔をあけて配置された複数のスリットが形成されているのが好ましい。このような複数のスリットも、振動板の可撓性を所望の範囲のものとすることに寄与するので、振動板の振幅をさらに大きくする場合に役立つ。

振動板の外周部には、第１ケース半部または前記第２ケース半部側に立ち上がる起立壁部が一体に設けられていてもよい。このような起立壁部を設けると、起立壁部が第１ケース半部及び第２ケース半部と接触した状態になって振動板が第１ケース半部または第２ケース半部との間に挟持されることになるため、振動板の実質直径を最も大きくすることができ、振動板の振動をより大きなものとすることができる。

圧電振動素子は、ユニモルフ型の圧電振動素子でもよいが、より強い振動を得るためには、バイモルフ圧電振動素子を用いても良いのは勿論である。

本発明の圧電振動発生デバイスを、携帯端末や自動車等の操作パネル等の機器に用いる場合には、圧電振動発生デバイスの振動軸または絶縁ケースを、機器の被固定部に対して固定すればよい。また圧電振動発生デバイスの振動軸と絶縁ケースの両方を、機器の対向する一対の被固定部に対してそれぞれ固定するようにしても良いのは勿論である。

本発明のユニモルフ圧電振動素子を用いた圧電振動発生デバイスの一例の断面図である。 図１の圧電振動発生デバイスの半部断面斜視図である。 本発明の圧電振動発生デバイスの第２の実施の形態の圧電振動発生デバイスの断面図である。 図３の圧電振動発生デバイスの半部断面斜視図である。 （Ａ）は第３の実施の形態で用いる振動板の平面図であり、（Ｂ）は図５（Ａ）のＢ−Ｂ線切断半部断面斜視図である。 本発明の圧電振動発生デバイスの第４の実施の形態の圧電振動発生デバイスの断面図である。 図６の圧電振動発生デバイスの半部断面斜視図である。 本発明の圧電振動発生デバイスの第５の実施の形態の圧電振動発生デバイスを携帯端末のケースに固定する場合の他の例を示す断面図である。 本発明の圧電振動発生デバイスの第６の実施の形態の圧電振動発生デバイスの一例の断面図である。 図９の圧電振動発生デバイスの半部断面斜視図である。 本発明の圧電振動発生デバイスの第７の実施の形態の圧電振動発生デバイスの一例の断面図である。

以下図面を参照して本発明の圧電振動発生デバイスの実施の形態について説明をする。

（実施形態１）
図１は、本発明のユニモルフ圧電振動素子を用いた圧電振動発生デバイス１の一例の断面図であり、図２は、図１の圧電振動発生デバイス１の半部断面斜視図である。

図１及び図２において、圧電振動発生デバイス１は、金属製（本実施の形態では真鍮）の円板状または円環状の振動板３と、中央に第１貫通孔５を有し電気絶縁材料からなる第１ケース半部７及び第１ケース半部７との間で振動板３の外周部を挟む電気絶縁材料からなる第２ケース半部９が組み合わされて構成された絶縁ケース１１と、振動板３の片面に接合されて中央に第２貫通孔１３を有する円板状または円環状の圧電振動素子１５と、一端１７Ａが振動板３の中央部に連結され、圧電振動素子１５の第２貫通孔１３及び第１ケース半部７の第１貫通孔５を貫通して他端１７Ｂが第１ケース半部７の外部に延び出る振動軸１７とを備えている。第１ケース半部７及び第２ケース半部９は、それぞれ絶縁樹脂材料によって一体に成形されており、間に振動板３を挟んだ状態で絶縁ケース１１を構成している。第２ケース半部９には、振動軸１７を構成するネジ部材の頭部１７Ｃに対応して頭部１７Ｃが通過できる大きさの第４貫通孔１０が形成されている。第４の貫通孔１０を設けると、振動板３の振幅が大きくなった場合でも、第４貫通孔１０がネジ部材（１７）の頭部１７Ｃの逃げ空間となるため、厚みを大きくすることなく、大きな振幅で振動板を振動させることができる。

本実施の形態では、絶縁ケース１１は、中央に円柱状の嵌合孔１２Ａを備えた絶縁樹脂製の取付フレーム１２の嵌合孔１２Ａ内に嵌合され接着剤を用いて取付フレーム１２に固定されている。本実施の形態では、なお取付フレーム１２は、円筒状の筒体１２Ｂとフランジ部１２Ｃとから構成されている。なお本実施の形態では、取付フレーム１２が携帯端末のケース（被固定部）や、自動車等の機器の操作パネル等に固定されて使用される。取付は取付フレーム１２に設けた取付孔１２Ｄに取付ネジを挿入して行う。

本実施の形態の圧電振動発生デバイス１では、振動板３の中央部に第３貫通孔４が形成されている。そして本実施の形態では、振動軸１７が、頭部（他端）１７Ｃが第２ケース半部９側に位置し先端（一端１７Ａ）のネジ部１７Ｄが第１ケース半部７の外部に延び出るように第３貫通孔４、第２貫通孔１３及び第１貫通孔５を貫通するように配置された金属製（ステンレス製）のネジ部材から構成されている。そしてネジ部１７Ｄに金属製（ステンレス製）のナット部材１９が嵌合されている。

本発明のように、ネジ部材（１７）とナット部材１９を用いて、振動板３に振動軸１７を取り付けると、両者の結合作業に時間を要しない上、接着により両者を接合した場合と比べて、高い結合強度を得ることができる。

ユニモルフ圧電振動素子１５は、円環状を呈している。圧電振動素子１５は、その両主面に電極が設置されるとともに、厚さ方向に分極されている。圧電振動素子１５への電力供給は、図示しないリード線を用いて、圧電振動素子１５の厚さ方向の２つの主面上に設置された電極に電気的に接続することにより行う。また、圧電振動素子１５の一方の主面に形成された電極のうち、金属製の振動板３側の電極には、例えば金属製の振動板３の材質を金属等の導電体で構成し、導電性の接着剤で金属製の振動板３と圧電振動素子１５とを接着すれば、電気的に接続することができる。このとき、接着に用いる接着剤が導電性でない場合でも、金属製の振動板３と圧電振動素子１５の互いの表面粗さで部分的に接触するように接着を行えば、電気的接続を確保することができる。

本実施の形態では、機械的な強度の点からは、ナット部材１９は金属製を用いているが、短絡の問題が発生するので、本実施の形態では、ナット部材１９と振動板３との間及び振動板３とネジ部材（１７）の頭部１７Ｃとの間には、それぞれ電気絶縁材料からなる絶縁ワッシャ２０Ａ及び２０Ｂを配置してある。

以上のような構成を有する本発明の実施の形態による圧電振動発生デバイスについて、その動作を説明する。振動板３の撓み振動の共振周波数を有する交流電圧を、圧電振動素子１５の厚さ方向に印加すると、圧電振動素子１５は励振し、振動板３はその中心近傍、すなわち圧電振動素子１５中心近傍の変位が最も大きくなるよう、厚さ方向に撓み振動する。さらに、振動板３においては、圧電振動素子１５から生じた撓み振動は金属製の振動板３全体に伝播する。振動板３の振動は、振動軸１７にそのまま伝わり、この振動軸１７の振動は、駆動力として圧電振動発生デバイス１の外部へ取り出すことができる。図１においては、振動軸１７の一端のネジ部１７Ｄが被振動体２１に固定されており、この被振動体２１が振動する。

上記実施の形態では、ユニモルフ圧電振動素子を用いているが、ユニモルフ圧電振動素子に代えてバイモルフ圧電振動素子を用いてもよい。

また上記実施の形態では、ナット部材１９によりネジ部材（１７）の抜け止めを図っているが、ナット部材１９に代えて抜け止めワッシャを振動軸を構成するネジ部材（１７）のネジ部１７Ｄに嵌合させるようにしてもよいのは勿論である。抜け止めワッシャは、円環状のワッシャ本体の内側に径方向内側に突出し、周方向に所定の間隔を開けて設けられた複数の爪部を備えた公知の構造のワッシャである。複数の爪部が、ネジ部材（１７）のネジ部１７Ｄのネジ谷に嵌合して抜け止めが実現される。

（実施形態２）
図３は、本発明の圧電振動発生デバイスの第２の実施の形態の圧電振動発生デバイス１の一例の断面図であり、図４は、図３の圧電振動発生デバイス１の半部断面斜視図である。図３及び図４には、図１及び図２に示した第１の実施の形態と同じ部分には、図１及び図２に付した符号と同じ符号を付してある。第１の実施の形態では、振動板３の片面に圧電振動素子１５を取り付けているが、第２の実施の形態では、振動板３の両面にそれぞれ圧電振動素子１５Ａ及び１５Ｂをそれぞれ設けている点で第１の実施の形態と相違する。その他の点は、第１の実施の形態と構成は同じである。

（実施形態３）
図５（Ａ）は、第３の実施の形態で用いる振動板３の平面図であり、図５（Ｂ）は図５（Ａ）のＢ−Ｂ線切断半部断面斜視図である。この振動板３には、振動板３を厚み方向に貫通しており且つ圧電振動素子１５Ａ及び１５Ｂの周囲を囲むように周方向に間隔をあけて配置された複数のスリット１４が形成されている。このような複数のスリット１４を設けると、振動板３の機械的強度を大幅に低下させることなく、振動板３の可撓性を所望の範囲のものとすることができる。したがって振動板の振幅を大きくすることが可能になる。

また図５（Ａ）に破線で示すように、振動板３には、さらに振動板３を厚み方向に貫通しており且つ圧電振動素子１５Ａ及び１５Ｂと第２貫通孔１３との間に位置して第２貫通孔１３の周囲を囲むように周方向に間隔をあけて配置された複数のスリット１４´が形成されていてもよい。このような複数のスリット１４´も、振動板３の可撓性を所望の範囲のものとすることに寄与するので、振動板の振幅をさらに大きくする場合に役立つ。

（実施形態４）
図６は、本発明の圧電振動発生デバイスの第４の実施の形態の圧電振動発生デバイス１の一例の断面図であり、図７は、図６の圧電振動発生デバイス１の半部断面斜視図である。図６及び図７には、図１乃至図４に示した第１の実施の形態及び第２の実施の形態と同じ部分には、図１乃至図４に付した符号と同じ符号を付してある。第１の実施の形態及び第２の実施の形態では、振動板３として平坦なものを用いているが、第４の実施の形態では、振動板３０の外周部に、第１ケース半部７´側に立ち上がる起立壁部３０Ａが一体に設けられている。このような起立壁部３０Ａを設けると、起立壁部３０Ａが第１ケース半部７´及び第２ケース半部９と接触した状態になって振動板３０が第１ケース半部７´と第２ケース半部９との間に挟持されることになるため、振動板３０の実質直径を最も大きくすることができ、振動板３０の振動をより大きなものとすることができる。本実施の形態では、起立壁部３０Ａは第１ケース半部７´側に立ち上がっているが、起立壁部３０Ａは第２ケース半部９側に立ち上がっていてもよいのは勿論である。

（実施形態５）
図８は、本発明の圧電振動発生デバイスの第５の実施の形態の圧電振動発生デバイス１を携帯端末のケース２３（被固定部）に固定する場合の他の例を示す断面図である。図８には、図１乃至図４に示した第１の実施の形態及び第２の実施の形態と同じ部分には、図１乃至図４に付した符号と同じ符号を付してある。本実施の形態では、振動軸１７のネジ部１７Ｄをケース２３にネジ止めしている。この例では、取付フレーム１２が重錘の機能を果たしている。本実施の形態では、振動軸１７を構成するネジ部材の頭部１７Ｃに設けた図示しないドライバスロットにドライバを挿入し、振動軸１７のネジ部１７Ｄをケース２３に設けた雌ネジ部に螺合させることにより、圧電振動発生デバイス１の取付が完了する。

（実施形態６）
図９は、本発明の圧電振動発生デバイスの第６の実施の形態の圧電振動発生デバイス１の一例の断面図であり、図１０は、図９の圧電振動発生デバイス１の半部断面斜視図である。図９及び図１０には、図１乃至図４に示した第１の実施の形態及び第２の実施の形態と同じ部分には、図１乃至図４に付した符号と同じ符号を付してある。第１の実施の形態及び第２の実施の形態では、取付フレーム１２が、円筒状の筒体１２Ｂとフランジ部１２Ｃとから構成されているが、本実施の形態では、取付フレーム１２と第１ケース半部７とが一体に形成されている。その他の点は、第１及び第２の実施の形態と同様である。このような一体構造を採用すると、部品点数を減らすことができる。なお第１乃至第５の実施の形態においても、取付フレーム１２と第１ケース半部７とを一体に形成する構造を採用してもよいのは勿論である。

（実施形態７）
図１１は、本発明の圧電振動発生デバイスの第７の実施の形態の圧電振動発生デバイス１の一例の断面図であり，図１０には図１及び図２に示した第１の実施の形態と同じ部分には、図１及び図２に付した符号と同じ符号を付してある。本実施の形態では、振動軸１７の長さが長くなっており、第１のケース半部７にストッパ１８が固定されている点で、第１の実施の形態と相違する。ストッパ１８は、振動する被振動体２１と接触して振動軸１７のネジ部１７Ｄに固定された被振動体２１の径方向への振動範囲を規制する。ストッパ１８は、振動軸１７を中心とする円筒形状でもよいし、周方向に間隔をあけて環状に並ぶ突起であってもよい。

本発明によれば、ネジ部材とナット部材または抜け止めワッシャを用いて、振動板に振動軸を取り付けると、両者の結合作業に時間を要しない上、接着により両者を接合した場合と比べて、高い結合強度を得ることができる。また圧電振動発生デバイスの振動軸を、振動対象の機器の部品にネジ結合により連結できるので、装着が容易で、しかも高い結合強度を得ることができる。

１ 圧電振動発生デバイス
３ 振動板
４ 第３貫通孔
５ 第１貫通孔
７ 第１ケース半部
９ 第２ケース半部
１０ 第４貫通孔
１１ 絶縁ケース
１２ 取付フレーム
１３ 第２貫通孔
１５ 圧電振動素子
１７ 振動軸
１８ ストッパ
１９ 抜け止めワッシャ
２１ 被振動体
２３ ケース

Claims (10)

1. 金属製の円板状の振動板と、
   中央に第１貫通孔を有し電気絶縁材料からなる第１ケース半部及び前記第１ケース半部との間で前記振動板の外周部を挟む電気絶縁材料からなる第２ケース半部が組み合わされて構成された絶縁ケースと、
   前記振動板の片面または両面に接合されて中央に第２貫通孔を有する１以上の円板状の圧電振動素子と、
   一端が前記振動板の中央部に連結され、前記圧電振動素子の前記第２貫通孔及び前記第１ケース半部の前記第１貫通孔を貫通して他端が前記第１ケース半部の外部に延び出る振動軸とを備えた圧電振動発生デバイスであって、
   前記振動板の中央部に第３貫通孔が形成され、
   前記振動軸は、頭部が前記第２ケース半部側に位置し先端のネジ部が前記第１ケース半部の外部に延び出るように前記第３貫通孔、前記第２貫通孔及び前記第１貫通孔を貫通するように配置されたネジ部材からなり、
   前記ネジ部材にナット部材が螺合されているかまたは抜け止めワッシャが嵌合されていることを特徴とする圧電振動発生デバイス。
2. 前記第２ケース半部には、前記ネジ部材の前記頭部に対応して前記頭部が通過できる大きさの第４貫通孔が形成されている請求項１に記載の圧電振動発生デバイス。
3. 前記ナット部材または前記抜け止めワッシャは金属製であり、
   前記ナット部材または前記抜け止めワッシャと前記振動板との間及び該振動板と前記ネジ部材の頭部との間には、それぞれ電気絶縁材料からなる絶縁ワッシャが配置されている請求項１または２に記載の圧電振動発生デバイス。
4. 前記絶縁ワッシャが、樹脂ワッシャである請求項３に記載の圧電振動発生デバイス。
5. 前記振動板には、前記振動板を厚み方向に貫通しており且つ前記圧電振動素子の周囲を囲むように周方向に間隔をあけて配置された複数のスリットが形成されている請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧電振動発生デバイス。
6. 前記振動板には、前記振動板を厚み方向に貫通しており且つ前記圧電振動素子と前記第２貫通孔との間に位置して前記第２貫通孔の周囲を囲むように周方向に間隔をあけて配置された複数のスリットが形成されている請求項５に記載の圧電振動発生デバイス。
7. 前記振動板の外周部には、前記第１ケース半部または前記第２ケース半部側に立ち上がる起立壁部が一体に設けられている請求項６に記載の圧電振動発生デバイス。
8. 前記圧電振動素子は、バイモルフ圧電振動素子である請求項１乃至７のいずれか１項に記載の圧電振動発生デバイス。
9. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の圧電振動発生デバイスの前記振動軸または前記絶縁ケースが、被固定部に対して固定されていることを特徴とする機器。
10. 請求項１乃至８のいずれか１項に記載の圧電振動発生デバイスの前記振動軸と前記絶縁ケースが、対向する一対の被固定部に対してそれぞれ固定されていることを特徴とする機器。