WO2023013290A1

WO2023013290A1 - 振動構造体、振動装置および触覚提示装置

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Publication number: WO2023013290A1
Application number: PCT/JP2022/025297
Authority: WO
Inventors: 順一橋本
Original assignee: 株式会社村田製作所
Priority date: 2021-08-06
Filing date: 2022-06-24
Publication date: 2023-02-09
Also published as: CN117794652A

Abstract

振動構造体（３０１）は、板状の振動部（１４）と、第１端部（１２１）および第２端部（１２２）を備える板状の圧電部材（１２）と、振動部（１４）および圧電部材（１２）をこれらから離隔して一括して取り囲む枠部材（１０）と、振動部（１４）と枠部材（１０）とを結ぶ振動部支持部（１５）と、第１端部（１２１）に接続された第１固定部（１３１）と、第２端部（１２２）に接続された第２固定部（１３２）と、第１～４連結部（１６１～１６４）とを備える。第１連結部（１６１）および第２連結部（１６２）を合わせたものを第１接続部材（１７１）とし、第３連結部（１６３）および第４連結部（１６４）を合わせたものを第２接続部材（１７２）とすると、第１接続部材（１７１）および第２接続部材（１７２）の各々は、面方向および厚み方向に関する弾性変形のしやすさが局所的に増している弾性変形部を備える。

Description

振動構造体、振動装置および触覚提示装置

　本発明は、振動構造体、振動装置および触覚提示装置に関するものである。

　近年、タッチパネルにおいて、ユーザがタッチパネルを押した際に、ユーザに振動を与えることで触覚フィードバックを伝え、タッチパネルを押したと感じさせる触覚提示装置が提案されている。たとえば、国際公開ＷＯ２０１９／０１３１６４Ａ１（特許文献１）には、振動構造を備える触覚提示装置が開示されている。この振動構造は、開口部を有する枠状部材と、この開口部内の中に配置された振動部と、圧電フィルムとを備える。圧電フィルムの一方の端は枠状部材に固定され、他方の端は振動部に固定されている。圧電フィルムに電圧が印加されると、圧電フィルムは伸縮する。圧電フィルムの伸縮によって、振動板は振動させられる。

　一方、圧電フィルムに代えて、圧電セラミックスの板状部材が用いられる場合がある。圧電セラミックスは割れやすい材料である。

国際公開ＷＯ２０１９／０１３１６４Ａ１

　圧電セラミックスで形成された圧電部材が採用される場合にも、圧電部材の一方の端は枠状部材に、他方の端は振動部に固定される。この状態で、触覚提示装置の厚み方向に衝撃が加わると、圧電部材の一方の端と他方の端とが厚み方向に異なる高さに変位する。その結果、圧電部材が破断するおそれがある。

　そこで、本発明は、厚み方向の衝撃が加わったとしても、圧電部材が破損しにくい振動構造体、振動装置および触覚提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ため、本発明に基づく振動構造体は、板状の振動部と、互いに逆の位置にある第１端部および第２端部を備え、上記振動部から上記振動部の面に平行な方向に離隔して配置される板状の圧電部材と、上記振動部および上記圧電部材を、上記振動部および上記圧電部材のいずれからも離隔して一括して取り囲む枠部材と、上記振動部と上記枠部材とを結ぶ振動部支持部と、上記第１端部に接続された第１固定部と、上記第２端部に接続された第２固定部と、上記第１固定部と上記枠部材とを結ぶ第１連結部と、上記第１固定部と上記振動部とを結ぶ第２連結部と、上記第２固定部と上記枠部材とを結ぶ第３連結部と、上記第２固定部と上記振動部とを結ぶ第４連結部とを備える。上記第１連結部および上記第２連結部を合わせたものを第１接続部材とし、上記第３連結部および上記第４連結部を合わせたものを第２接続部材とすると、上記第１接続部材および上記第２接続部材の各々は、面方向および厚み方向に関する弾性変形のしやすさが局所的に増している弾性変形部を備える。

　本発明によれば、厚み方向の衝撃が加わったとしても、圧電部材が破損しにくい振動構造体を実現することができる。

本発明に基づく実施の形態１における振動構造体の斜視図である。本発明に基づく実施の形態１における振動構造体に含まれる圧電部材の斜視図である。本発明に基づく実施の形態１における振動構造体に含まれる圧電部材が変形する様子の説明図である。図１における圧電部材およびその近傍の拡大平面図である。本発明に基づく実施の形態１における振動構造体に含まれる圧電部材と第２固定部との接続箇所およびその近傍の拡大斜視図である。本発明に基づく実施の形態１における振動構造体の説明図である。本発明に基づく実施の形態１における振動構造体で生じる変形の様子の第１の説明図である。本発明に基づく実施の形態１における振動構造体で生じる変形の様子の第２の説明図である。本発明に基づく実施の形態１における振動装置の概念図である。本発明に基づく実施の形態１における触覚提示装置の概念図である。本発明に基づく実施の形態１における触覚提示装置の分解図である。本発明に基づく実施の形態１における触覚提示装置に衝撃が加わった状態の説明図である。本発明に基づく実施の形態１における触覚提示装置に衝撃が加わったことによって変形した振動構造体の斜視図である。本発明に基づく実施の形態１における触覚提示装置に衝撃が加わったことによって変形した振動構造体の中心線から奥側を見た断面図である。本発明に基づく実施の形態２における振動構造体の斜視図である。本発明に基づく実施の形態２における振動構造体に含まれる圧電部材の斜視図である。本発明に基づく実施の形態２における振動構造体から圧電部材を取り外した残りの部分の斜視図である。図１７における第２接続部材およびその近傍の拡大斜視図である。本発明に基づく実施の形態２における振動構造体の第１連結部およびその近傍の拡大説明図である。本発明に基づく実施の形態２における振動構造体で生じる変形の様子の第１の説明図である。本発明に基づく実施の形態２における振動構造体で生じる変形の様子の第２の説明図である。本発明に基づく実施の形態２における触覚提示装置の概念図である。本発明に基づく実施の形態２における触覚提示装置の分解図である。本発明に基づく実施の形態２における触覚提示装置に衝撃が加わったことによって変形した振動構造体の斜視図である。本発明に基づく実施の形態２における触覚提示装置に衝撃が加わったことによって変形した振動構造体の中心線から奥側を見た断面図である。本発明に基づく実施の形態２における振動装置で、駆動部から第１の共振周波数の信号を送り出したときに得られる振動部の変位を示すグラフである。本発明に基づく実施の形態２における振動装置で、駆動部から第２の共振周波数の信号を送り出したときに得られる振動部の変位を示すグラフである。本発明に基づく実施の形態２における振動装置で、駆動部から合成した信号を送り出したときに得られる振動部の変位を示すグラフである。本発明に基づく実施の形態３における振動装置の概念図である。本発明に基づく実施の形態３における振動構造体に含まれる圧電部材の斜視図である。図２９におけるＸＸＸＩ－ＸＸＸＩ線に関する矢視断面図である。図２９において第１連結部、第１固定部、第２連結部を通るように切ったときの断面図である。図２９において第３連結部、第２固定部、第４連結部を通るように切ったときの断面図である。本発明に基づく実施の形態３における振動構造体に含まれる第１板材だけを取り出したところの斜視図である。本発明に基づく実施の形態３における振動構造体に含まれる第２板材だけを取り出したところの斜視図である。本発明に基づく実施の形態３における振動構造体に含まれる第２板材に圧電部材を設置した状態の斜視図である。本発明に基づく実施の形態３における振動構造体に含まれるスペーサの斜視図である。本発明に基づく実施の形態３における振動構造体で生じる変形の様子の第１の説明図である。本発明に基づく実施の形態３における振動構造体で生じる変形の様子の第２の説明図である。本発明に基づく実施の形態３における触覚提示装置に衝撃が加わったことによって変形した振動構造体の斜視図である。本発明に基づく実施の形態３における触覚提示装置に衝撃が加わったことによって変形した振動構造体の中心線から奥側を見た断面図である。

　図面において示す寸法比は、必ずしも忠実に現実のとおりを表しているとは限らず、説明の便宜のために寸法比を誇張して示している場合がある。以下の説明において、上または下の概念に言及する際には、絶対的な上または下を意味するとは限らず、図示された姿勢の中での相対的な上または下を意味する場合がある。

　（実施の形態１）
　図１～図６を参照して、本発明に基づく実施の形態１における振動構造体について説明する。本実施の形態における振動構造体３０１を図１に示す。振動構造体３０１は、板状の振動部１４と、圧電部材１２とを備える。圧電部材１２は、互いに逆の位置にある第１端部１２１および第２端部１２２を備える。圧電部材１２は、振動部１４から振動部１４の面に平行な方向に離隔して配置されている。圧電部材１２は、板状である。圧電部材１２の長手方向と、振動部１４の長手方向とは、平行である。圧電部材１２を単独で取り出したところを図２に示す。圧電部材１２は、導電性薄層１２ａ１，１２ａ２，１２ｂ１，１２ｂ２と、圧電材料層１２ｃとを備える。圧電材料層１２ｃの一方の面に導電性薄層１２ａ１，１２ａ２が配置され、他方の面に導電性薄層１２ｂ１，１２ｂ２が配置されている。圧電材料層１２ｃの第１の部分は、導電性薄層１２ａ１と導電性薄層１２ｂ１とによって挟まれている。圧電材料層１２ｃの第２の部分は、導電性薄層１２ａ２と導電性薄層１２ｂ２とによって挟まれている。導電性薄層１２ａ１と導電性薄層１２ｂ１との間にある種の電圧が印加され、これと逆の電圧が、導電性薄層１２ａ２と導電性薄層１２ｂ２との間に印加された場合、圧電部材１２は図３に示すように変形する。すなわち、第１の部分は、矢印８９に示すように縮み、第２の部分は、矢印９０に示すように伸びる。電圧を逆にすれば逆向きに変形する。そこで、第１の部分にサイン波電圧を印加し、第２の部分にこれと逆位相のサイン波電圧を印加することとすれば、圧電部材１２は、面内方向で左右に振れるように繰り返し変形する。サイン波電圧に限らず、正負が交互に入れ替わるような電圧を印加した場合、圧電部材１２は、面内方向で左右にたわむように繰り返し変形する。

　図１に示すように、振動構造体３０１は、枠部材１０を備える。枠部材１０は、振動部１４および圧電部材１２を、振動部１４および圧電部材１２のいずれからも離隔して一括して取り囲む。振動構造体３０１は、振動部１４と枠部材１０とを結ぶ振動部支持部１５を備える。ここで示す例では、４本の振動部支持部１５が設けられている。各々の振動部支持部１５は、他の部分に比べて十分に細く、弾性変形しやすい。各々の振動部支持部１５は、平面的に見てＶ字形状を有している。振動部１４は平面的に見て長方形となっている。振動部１４の一方の短辺に２本の振動部支持部１５が接続されており、他方の短辺に他の２本の振動部支持部１５が接続されている。振動部支持部１５は、振動部１４の各短辺の両端に配置されている。

　図１に示すように、振動構造体３０１は、第１固定部１３１と第２固定部１３２とを備える。第１固定部１３１は、第１端部１２１に接続されている。第２固定部１３２は、第２端部１２２に接続されている。振動構造体３０１は、第１連結部１６１と、第２連結部１６２と、第３連結部１６３と、第４連結部１６４とを備える。第１連結部１６１は、第１固定部１３１と枠部材１０とを結ぶ。第２連結部１６２は、第１固定部１３１と振動部１４とを結ぶ。第３連結部１６３は、第２固定部１３２と枠部材１０とを結ぶ。第４連結部１６４は、第２固定部１３２と振動部１４とを結ぶ。図１における圧電部材１２およびその近傍の拡大平面図を図４に示す。第１連結部１６１は、直線部と、屈曲部とを含む。屈曲部は、ジグザグ状である。屈曲部は、第１連結部１６１の中間に配置されている。第４連結部１６４も、第１連結部１６１と同様の構造である。第２連結部１６２は、一定幅の略長方形の部分を中間に備え、その前後はより細い一定幅の線状となっている。第３連結部１６３は、広い一定幅を有する直線的な部分である。

　第１連結部１６１および第２連結部１６２を合わせたものを、第１接続部材１７１とする。第３連結部１６３および第４連結部１６４を合わせたものを、第２接続部材１７２とする。第１接続部材１７１および第２接続部材１７２の各々は、面方向および厚み方向に関する弾性変形のしやすさが局所的に増している弾性変形部を備える。図１に示した例では、第１接続部材１７１が備える弾性変形部は、第１連結部１６１の中間に設けられた屈曲部である。第２接続部材１７２が備える弾性変形部は、第４連結部１６４の中間に設けられた屈曲部である。

　圧電部材１２と第２固定部１３２との接続箇所およびその近傍を拡大したところを図５に示す。この図では、図１では示されていなかった駆動部３０も表示されている。駆動部３０からは、配線３１ａ１，３１ａ２，３１ｂ１，３１ｂ２が延在している。配線３１ａ１，３１ａ２は、導電性薄層１２ａ１，１２ａ２にそれぞれ接続されている。配線３１ｂ１，３１ｂ２が、導電性薄層１２ｂ１，１２ｂ２（図５では見えていない）にそれぞれ接続されている。配線においては、不要な短絡が生じないように、接続部以外では絶縁コーティングがなされている。ここで示した配線は、あくまで一例であって、圧電部材１２に外部から電圧を印加することができる構造であれば、他の構造を採用してもよい。

　さらに好ましいことに、振動構造体３０１においては、図６に示すように、第１固定部１３１から枠部材１０までの距離Ｄ１と、第２固定部１３２から枠部材１０までの距離Ｄ２とが等しい。さらに、第１固定部１３１から振動部１４までの距離Ｅ１と、第２固定部１３２から振動部１４までの距離Ｅ２とが等しい。ここでいう「等しい」とは、ほぼ等しい状態も含むものとする。第１固定部１３１はある程度の幅を有しているが、第１固定部１３１からの距離という場合は、第１固定部１３１の中心からの距離のことをいうものとする。すなわち、圧電部材１２の中心線からの距離となる。第２固定部１３２からの距離に関しても同様の考え方が適用される。距離Ｄ１と距離Ｅ１とは異なっていてもよい。距離Ｄ２と距離Ｅ２とは異なっていてもよい。

　圧電部材１２に、正負が交互に入れ替わる電圧が印加されたとき、振動構造体３０１は、図７に示す状態と図８に示す状態とが交互に現れるように繰り返し変形する。図７に示した状態では、圧電部材１２の第１端部１２１が図中左に向かって変位するので、振動部１４には、矢印９１に示す力が作用し、振動部１４は時計回りに若干回転しつつ図中左に向かって変位する。図８に示した状態では、圧電部材１２の第１端部１２１が図中右に向かって変位するので、振動部１４には、矢印９２に示す力が作用し、振動部１４は反時計回りに若干回転しつつ図中右に向かって変位する。

　図９を参照して、本実施の形態における振動装置４０１について説明する。振動装置４０１は、振動構造体３０１と駆動部３０とを含む。振動構造体３０１の詳細は、これまでに説明したとおりである。振動構造体３０１と駆動部３０とは、配線で電気的に接続されている。

　図１０～図１１を参照して、本実施の形態における触覚提示装置５０１について説明する。図１０に示すように、触覚提示装置５０１は、筐体４０と、振動装置４０１と、動作板４２とを備える。振動装置４０１の振動構造体３０１は、筐体４０の上に載せられている。動作板４２は、振動構造体３０１より上方に配置されている。動作板４２は、振動構造体３０１から離隔して配置されている。

　触覚提示装置５０１を分解したところを図１１に示す。図１１においては、動作板４２を取り外した状態が示されている。筐体４０は、枠状の部材であり、振動構造体３０１の枠部材１０と、筐体４０とは、平面的に見て、ほぼ同じ形状である。振動構造体３０１の振動部１４の上側にスペーサ４１が載せられている。動作板４２は、スペーサ４１の上面に載るように配置される。スペーサ４１の厚みは、圧電部材１２の厚みより大きい。したがって、動作板４２がスペーサ４１の上面に載せられたとき、動作板４２は、圧電部材１２に接触しない。動作板４２は、枠部材１０に接触しない。動作板４２の上面には外部スイッチが配置されていてよい。外部スイッチは、駆動部３０に対して配線を介して接続されている。ユーザが外部スイッチに接触することにより、外部スイッチがＯＮになったとき、駆動部３０の働きによって、圧電部材１２に正負が交互に入れ替わる電圧が印加される。これにより、圧電部材１２が繰り返し変形する。これによって振動部１４が振動する。振動部１４の振動はスペーサ４１を通じて動作板４２に伝わる。その結果、動作板４２に接触しているユーザに振動が伝わる。こうして、触覚提示装置５０１としての機能を発揮することができる。

　図１２に示すように、触覚提示装置５０１の動作板４２に矢印９３の向きに衝撃が加わった場合、触覚提示装置５０１に含まれる振動構造体３０１は、図１３に示すように変形する。図１３では、振動構造体３０１だけを取り出して表示している。振動部１４および圧電部材１２が下方に変位している。この状態で振動構造体３０１の中心線から奥側を見た断面図を図１４に示す。第１連結部１６１の長さと第３連結部１６３の長さとはほぼ同じであって、第２連結部１６２の長さと第４連結部１６４の長さとはほぼ同じである場合には、たとえ振動部１４が大きく下方に変位したとしても、図１３に示すように、圧電部材１２の手前の端部と奥の端部は、それぞれ同程度だけ下方に変位するに過ぎないので、圧電部材１２の中間部分にはさほど大きな負荷はかからず、その結果、圧電部材１２が破断することを避けることができる。

　本実施の形態では、以上のように、厚み方向の衝撃が加わったとしても、圧電部材が破損しにくい振動構造体、振動装置および触覚提示装置を実現することができる。

　なお、圧電部材１２の材質としては、たとえばニオブ系圧電セラミックスなどの無鉛圧電セラミックスを用いることができる。さらに、圧電部材１２として、ポリフッ化ビニリデンなどの圧電フィルム、ポリスチレンなどの圧電繊維、電歪ポリマーを用いることもできる。形状記憶合金なども疑似的に圧電部材１２として用いることができる。特に、チタン酸ジルコン酸鉛のような大きな逆圧電効果を示す圧電セラミックス材料を用いることが好ましい。この場合、振動部の振動を大きくすることができる。圧電部材１２は、圧電材料のみからなる部材とは限らず、イオン伝導材料を含む複合部材であってもよい。また、圧電部材１２自体がイオン伝導性を有する部材であってもよい。たとえば圧電性を有し、かつ、イオン伝導性を有する材料が存在する場合には、圧電部材１２は、そのような材料で形成されていてもよい。

　なお、振動部１４の材質としては、たとえばアクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ガラスエポキシ複合材料などの繊維強化プラスチック材料、金属、ガラスなどを用いることができる。振動部１４の材質として金属を用いる場合には、ステンレス鋼、タングステン合金、チタン合金などを用いることが好ましい。振動部１４を実現するために、回路配線用の基板材料を用いてもよい。この場合、電気配線のための部品を簡略化することができる。

　（実施の形態２）
　図１５～図１９を参照して、本発明に基づく実施の形態２における振動構造体について説明する。本実施の形態における振動構造体３０２を図１５に示す。振動構造体３０２の基本的な構成は、実施の形態１で説明したものと同様である。本実施の形態では、振動部支持部１５の各々は直線状となっている。圧電部材１２を単独で取り出したところを図１６に示す。圧電部材１２は、導電性薄層１２ａ，１２ｂと、圧電材料層１２ｃとを備える。圧電材料層１２ｃは、導電性薄層１２ａと導電性薄層１２ｂとによって挟まれている。導電性薄層１２ａと導電性薄層１２ｂとの間にある種の電圧が印加された場合、圧電部材１２は、長辺方向に伸びる。また、正負逆の電圧が印加された場合には、圧電部材１２は、長辺方向に縮む。

　振動構造体３０２から圧電部材１２を取り外した残りの部分を図１７に示す。図１７における第２接続部材１７２およびその近傍を拡大したところを図１８に示す。第２接続部材１７２は、第３連結部１６３および第４連結部１６４を含む。第３連結部１６３は、第２固定部１３２と枠部材１０とを結ぶ。第４連結部１６４は、第２固定部１３２と振動部１４とを結ぶ。第２接続部材１７２は、くびれ部１８を有する。

　第１接続部材１７１および第２接続部材１７２の各々は、面方向および厚み方向に関する弾性変形のしやすさが局所的に増している弾性変形部を備える。弾性変形部は、局所的に断面積が小さくなっているくびれ部１８を含む。

　第１連結部１６１およびその近傍を拡大したところを図１９に示す。この図では、図１５では示されていなかった駆動部３０も表示されている。駆動部３０からは、配線３１ａ，３１ｂが延在している。配線３１ａ，３１ｂは、第１連結部１６１を経由して圧電部材１２に接続されている。配線３１ａは、導電性薄層１２ａに接続されており、配線３１ｂは、導電性薄層１２ｂに接続されている。

　圧電部材１２に、正負が交互に入れ替わる電圧が印加されたとき、振動構造体３０２は、図２０に示す状態と図２１に示す状態とが交互に現れるように繰り返し変形する。図２０に示した状態では、圧電部材１２が矢印９４に示すように伸びるので、角度Ａが小さくなり、振動部１４は矢印９４ａの向きに押しやられる。振動部支持部１５は、十分に細いので、振動部１４の矢印９４ａの向きの変位を許容する。図２１に示した状態では、圧電部材１２が矢印９５に示すように縮むので、角度Ａが大きくなり振動部１４は矢印９５ａの向きに引き寄せられる。図２０に示す状態と図２１に示す状態とが交互に現れることにより、振動部１４は、矢印９４ａに表される変位と矢印９５ａに表される変位とを交互に繰り返し、結果的に振動する。

　図２２～図２３を参照して、本実施の形態における触覚提示装置５０２について説明する。図２２に示すように、触覚提示装置５０２は、筐体４０と、振動装置４０２と、動作板４２とを備える。振動装置４０２の振動構造体３０２は、筐体４０の上に載せられている。動作板４２は、振動構造体３０２より上方に配置されている。動作板４２は、振動構造体３０２から離隔して配置されている。

　触覚提示装置５０２を分解したところを図２３に示す。図２３においては、動作板４２を取り外した状態が示されている。筐体４０は、枠状の部材であり、振動構造体３０２の枠部材１０と、筐体４０とは、平面的に見て、ほぼ同じ形状である。振動構造体３０２の振動部１４の上側にスペーサ４１が載せられている。その他の構成は、実施の形態１において触覚提示装置５０１について説明したものと同様であるので、説明を繰り返さない。

　触覚提示装置５０２に衝撃が加わった際には、触覚提示装置５０２に含まれる振動構造体３０２は、図２４に示すように変形する。図２４では、振動構造体３０２だけを取り出して表示している。振動部１４および圧電部材１２が下方に変位している。この状態で振動構造体３０２の中心線から奥側を見た断面図を図２５に示す。その他の事情は、実施の形態１において触覚提示装置５０１について説明したものと同様であるので、説明を繰り返さない。

　本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、厚み方向の衝撃が加わったとしても、圧電部材が破損しにくい振動構造体、振動装置および触覚提示装置を提供することを実現することができる。

　なお、本実施の形態における長方形の薄板状の圧電部材１２は、長辺方向の広がりモードの共振周波数と、短辺方向の広がりモードの共振周波数とを有する。この圧電部材１２を搭載した振動構造体３０２は、圧電部材１２の長辺方向の広がりモードに起因して定まる第１の共振周波数と、圧電部材１２の短辺方向の広がりモードに起因して定まる第２の共振周波数とを有する。圧電部材１２の長辺および短辺の寸法は、たとえば第２の共振周波数が第１の共振周波数の２倍となるように設定することが可能である。

　設定する共振モードは、圧電部材１２の主面方向への広がりモードであれば長辺方向および短辺方向以外の共振であってもよく、その共振を制御するために調整する寸法は、圧電部材１２の長辺および短辺のいずれかとは限らない。他の部分の寸法を調整することによって、所望の共振周波数を実現してもよい。

　振動装置４０２は、振動構造体３０２と、２以上の周波数成分を含む交流電圧によって振動構造体３０２を駆動する駆動部３０とを含む、振動装置であって、振動構造体４０２は、圧電部材１２の面に平行な方向の共振モードに起因する２以上の共振帯域を有しており、前記２以上の共振帯域の各々が、前記２以上の周波数成分のいずれか一方を含むことが好ましい。

　たとえば圧電部材１２の長辺および短辺の寸法を、第２の共振周波数が第１の共振周波数の２倍となるように設定した場合には、実施の形態１で述べた効果が得られる他に、往路と復路とで速度が異なる共振振動をさせることが可能となる。この効果について、図２６～図２８を参照して説明する。図２６～図２８の各々では、横軸は時間を表し、縦軸は振動部１４の変位を表す。変位は、振動部１４が圧電部材１２に近づく側を正とする。

　駆動部３０から第１の共振周波数の信号（以下「第１信号」という。）を送り出したときに得られる振動部１４の変位の様子を図２６に示す。駆動部３０から第２の共振周波数でなおかつ第１信号に比べて振幅が２５％となる信号（以下「第２信号」という。）を送り出したときに得られる振動部１４の変位の様子を図２７に示す。駆動部３０から第１信号と第２信号とを合成した信号（以下「第３信号」という。）を送り出すことによって、振動装置４０２を駆動した場合、得られる振動部１４の変位の様子は図２８に示すようになる。すなわち、振動部１４はノコギリ歯状の振動をする。

　図２８では、振動部１４の変位の変化を表す曲線は、増加するときと減少するときとで傾きが異なる。これは、振動の往路と復路とで速度が異なるということを意味する。駆動信号としての第３信号は、第１信号および第２信号という２つの成分を含み、第１信号および第２信号は、それぞれ振動振幅が極大になる共振周波数であるので、どちらかの成分が非共振帯域である場合の合成信号を以て駆動する場合に比べると、非常に大きなノコギリ波の振動を得ることができる。

　本実施の形態における触覚提示装置５０２は、上述した振動装置４０２と、圧電部材１２および枠部材１０に接触しないように振動部１４に接続された動作板４２とを備える。この構成を採用することにより、厚み方向の衝撃が加わったとしても、圧電部材が破損しにくい触覚提示装置を実現することができる。

　図２２に示した触覚提示装置５０２において、第３信号を以て図２８に示したように連続駆動し、動作板４２の上面に液滴を落とすと、振動の往路および復路のうち速度の速い方に液滴は移動していく。この現象を利用して、触覚提示装置５０２は、雨滴、粉塵などの搬送装置または除去装置として使用することができる。ここでは、ノコギリ波が生じる１例を示したが、形成すべき振動は、往路と復路との速度が異なる振動であれば、ノコギリ波に限るものではない。駆動信号を得るために合成する駆動信号の数、振幅比、位相のずれについても、ここで挙げたものに限るものではない。

　（実施の形態３）
　図２９～図３７を参照して、本発明に基づく実施の形態３における振動装置について説明する。本実施の形態における振動装置４０３を図２９に示す。振動装置４０３は、振動構造体３０３と、駆動部３０とを含む。振動構造体３０３は、第１板材１と第２板材２とを含む。第１板材１および第２板材２の詳細については、後述する。振動構造体３０３の基本的な構成は、実施の形態１で説明したものと同様である。圧電部材１２を単独で取り出したところを図３０に示す。圧電部材１２の構造は、実施の形態２で述べたものと同様である。圧電部材１２は、第１面１２５と第２面１２６とを有する。図２９におけるＸＸＸＩ－ＸＸＸＩ線に関する矢視断面図を図３１に示す。

　図２９において第１連結部１６１、第１固定部１３１、第２連結部１６２を通るように切ったときの断面図を図３２に示す。これらは本来一直線上にあるわけではないが、説明の便宜のために、折れ線状に連なるこれらを、図３２では１つの断面図で示している。同様に、図２９において第３連結部１６３、第２固定部１３２、第４連結部１６４を通るように切ったときの断面図を図３３に示す。

　本実施の形態における振動構造体３０３においては、圧電部材１２は、互いに逆の面である第１面１２５および第２面１２６を有する。第１固定部１３１は、第１面１２５に接続された第１面第１固定部１３１１と、第２面１２６に接続された第２面第１固定部１３１２とを含む。第２固定部１３２は、第１面１２５に接続された第１面第２固定部１３２１と、第２面１２６に接続された第２面第２固定部１３２２とを含む。第１連結部１６１は、第１面第１固定部１３１１と枠部材１０とを結ぶ第１面第１連結部１６１１と、第２面第１固定部１３１２と枠部材１０とを結ぶ第２面第１連結部１６１２とを含む。第２連結部１６２は、第１面第１固定部１３１１と振動部１４とを結ぶ第１面第２連結部１６２１と、第２面第１固定部１３１２と振動部１４とを結ぶ第２面第２連結部１６２２とを含む。第３連結部１６３は、第１面第２固定部１３２１と枠部材１０とを結ぶ第１面第３連結部１６３１と、第２面第２固定部１３２２と枠部材１０とを結ぶ第２面第３連結部１６３２とを含む。第４連結部１６４は、第１面第２固定部１３２１と振動部１４とを結ぶ第１面第４連結部１６４１と、第２面第２固定部１３２２と振動部１４とを結ぶ第２面第４連結部１６４２とを含む。

　図２９に示した振動構造体３０３に含まれる第１板材１だけを取り出したところを図３４に示す。第１板材１は、第１面第１連結部１６１１と、第１面第１固定部１３１１と、第１面第２連結部１６２１と、第１面第３連結部１６３１と、第１面第２固定部１３２１と、第１面第４連結部１６４１とを含む。

　図２９に示した振動構造体３０３に含まれる第２板材２だけを取り出したところを図３５に示す。第２板材２は、第２面第１連結部１６１２と、第２面第１固定部１３１２と、第２面第２連結部１６２２と、第２面第３連結部１６３２と、第２面第２固定部１３２２と、第２面第４連結部１６４２とを含む。

　第２板材２に圧電部材１２を設置した状態を図３６に示す。圧電部材１２の第１端部１２１は、第２面第１固定部１３１２に載せた状態で固定される。圧電部材１２の第２端部１２２は、第２面第２固定部１３２２に載せた状態で固定される。さらに、図３７に示すようなスペーサ４３が用意される。スペーサ４３は、枠部材スペーサ４３ａと振動部スペーサ４３ｂとを含む。図３６に示した構造物に、スペーサ４３が積み重ねられる。枠部材スペーサ４３ａは、第２板材２の外縁部に設けられた枠状部分に載せられる。振動部スペーサ４３ｂは、第２板材２のうち振動部１４の一部を構成する板状部分に載せられる。さらに、この構造物の上側に第１板材１を載せて固定することによって、図２９に示した振動構造体３０３が得られる。さらに、振動構造体３０３に配線３１ａ，３１ｂを介して駆動部３０を接続することによって、振動装置４０３が得られる。

　圧電部材１２に、正負が交互に入れ替わる電圧が印加されたとき、振動構造体３０３は、図３８に示す状態と図３９に示す状態とが交互に現れるように繰り返し変形する。図３８に示した状態では、圧電部材１２は、矢印９６で示すように長手方向に縮むように変形する。このとき、角度Ｂは小さくなるので、振動部１４は図中左に移動し、枠部材１０に接近する。図３９に示した状態では、圧電部材１２は、矢印９７で示すように長手方向に伸びるように変形する。このとき、角度Ｂは大きくなるので、振動部１４は図中右に移動し、枠部材１０から遠ざかる。図３８に示す状態と図３９に示す状態とが交互に現れるので、その結果として、振動部１４は長手方向とは垂直な方向に振動する。

　衝撃が加わった際には、振動構造体３０３は、図４０に示すように変形する。図４０では、振動構造体３０３だけを取り出して表示している。振動部１４および圧電部材１２が下方に変位している。この状態で振動構造体３０３の中心線から奥側を見た断面図を図４１に示す。その他の事情は、実施の形態１，２において説明したものと同様であるので、説明を繰り返さない。

　本実施の形態では、圧電部材１２の上面および下面の両方が固定部によって固定されているが、たとえばもし圧電部材１２の下面側のみが固定部に固定されている場合には、以下のようになる可能性がある。

　圧電部材１２が伸びようとしたとき、圧電部材１２の下面側に比べて上面側の方が伸びやすいので、圧電部材１２がたわみ変形を起こす。圧電部材１２がたわみ変形を起こすと、第１固定部１３１と第２固定部１３２との間の距離が本来より短くなるので、圧電部材１２から振動部１４への振動の伝達率が低下する。圧電部材１２の上面と下面との伸びやすさの不均衡を解消するには、固定部を圧電部材１２の端面に固定する構成も考えられるが、圧電部材１２が薄いことを考慮すれば、端面に固定すると衝撃への耐久性が低下してしまうので、現実的ではない。

　これに対して、本実施の形態で説明したように、圧電部材１２の上下両面から挟み込むようにして固定部に固定されていれば、圧電部材１２の上面と下面とにおける伸びやすさは均等となり、圧電部材１２のたわみ変形は起こりにくくなる。したがって、圧電部材１２から振動部１４への振動の伝達率の低下を回避することができる。

　なお、上記各実施の形態では、振動部材１２が平面的に見て長方形である例を挙げて説明したが、振動部材１２の形状は、長方形以外であってもよい。上記各実施の形態では、振動部１４が平面的に見て長方形である例を挙げて説明したが、振動部１４の形状は、長方形以外であってもよい。上記各実施の形態では、１つの振動部１４につながる振動部支持部１５の数が４である例を挙げて説明したが、振動部支持部１５の数は４以外であってもよい。

　なお、上記実施の形態のうち複数を適宜組み合わせて採用してもよい。
　なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

　１　第１板材、２　第２板材、１０　枠部材、１２　圧電部材、１２ａ，１２ｂ，１２ａ１，１２ａ２，１２ｂ１，１２ｂ２　導電性薄層、１２ｃ　圧電材料層、１４　振動部、１５　振動部支持部、１８　くびれ部、３０　駆動部、３１ａ，３１ｂ，３１ａ１，３１ａ２，３１ｂ１，３１ｂ２，３１ｃ　配線、４０　筐体、４１，４３　スペーサ、４３ａ　枠部材スペーサ、４３ｂ　振動部スペーサ、４２　動作板、８９，９０，９１，９２，９３，９４，９５，９４ａ，９５ａ，９６，９６ａ，９７，９７ａ　矢印、１２１　（圧電部材の）第１端部、１２２　（圧電部材の）第２端部、１２５　（圧電部材の）第１面、１２６　（圧電部材の）第２面、１３１　第１固定部、１３２　第２固定部、１６１　第１連結部、１６２　第２連結部、１６３　第３連結部、１６４　第４連結部、１７１　第１接続部材、１７２　第２接続部材、３０１，３０２，３０３　振動構造体、４０１，４０２，４０３　振動装置、５０１，５０２　触覚提示装置、１３１１　第１面第１固定部、１３１２　第２面第１固定部、１３２１　第１面第２固定部、１３２２　第２面第２固定部、１６１１　第１面第１連結部、１６１２　第２面第１連結部、１６２１　第１面第２連結部、１６２２　第２面第２連結部、１６３１　第１面第３連結部、１６３２　第２面第３連結部、１６４１　第１面第４連結部、１６４２　第２面第４連結部。

Claims

　板状の振動部と、
　互いに逆の位置にある第１端部および第２端部を備え、前記振動部から前記振動部の面に平行な方向に離隔して配置される板状の圧電部材と、
　前記振動部および前記圧電部材を、前記振動部および前記圧電部材のいずれからも離隔して一括して取り囲む枠部材と、
　前記振動部と前記枠部材とを結ぶ振動部支持部と、
　前記第１端部に接続された第１固定部と、
　前記第２端部に接続された第２固定部と、
　前記第１固定部と前記枠部材とを結ぶ第１連結部と、
　前記第１固定部と前記振動部とを結ぶ第２連結部と、
　前記第２固定部と前記枠部材とを結ぶ第３連結部と、
　前記第２固定部と前記振動部とを結ぶ第４連結部とを備え、
　前記第１連結部および前記第２連結部を合わせたものを第１接続部材とし、
　前記第３連結部および前記第４連結部を合わせたものを第２接続部材とすると、
　前記第１接続部材および前記第２接続部材の各々は、面方向および厚み方向に関する弾性変形のしやすさが局所的に増している弾性変形部を備える、振動構造体。
　前記第１固定部から前記枠部材までの距離と、前記第２固定部から前記枠部材までの距離とが等しく、
　前記第１固定部から前記振動部までの距離と、前記第２固定部から前記振動部までの距離とが等しい、請求項１に記載の振動構造体。
　前記圧電部材は、互いに逆の面である第１面および第２面を有し、
　前記第１固定部は、前記第１面に接続された第１面第１固定部と、前記第２面に接続された第２面第１固定部とを含み、
　前記第２固定部は、前記第１面に接続された第１面第２固定部と、前記第２面に接続された第２面第２固定部とを含み、
　前記第１連結部は、前記第１面第１固定部と前記枠部材とを結ぶ第１面第１連結部と、前記第２面第１固定部と前記枠部材とを結ぶ第２面第１連結部とを含み、
　前記第２連結部は、前記第１面第１固定部と前記振動部とを結ぶ第１面第２連結部と、前記第２面第１固定部と前記振動部とを結ぶ第２面第２連結部とを含み、
　前記第３連結部は、前記第１面第２固定部と前記枠部材とを結ぶ第１面第３連結部と、前記第２面第２固定部と前記枠部材とを結ぶ第２面第３連結部とを含み、
　前記第４連結部は、前記第１面第２固定部と前記振動部とを結ぶ第１面第４連結部と、前記第２面第２固定部と前記振動部とを結ぶ第２面第４連結部とを含む、請求項１または２に記載の振動構造体。
　前記弾性変形部は、局所的に断面積が小さくなっているくびれ部を含む、請求項１から３のいずれか１項に記載の振動構造体。
　請求項１から４のいずれか１項に記載の振動構造体と、
　２以上の周波数成分を含む交流電圧によって前記振動構造体を駆動する駆動部とを含む、振動装置であって、
　前記振動構造体は、前記圧電部材の面に平行な方向の共振モードに起因する２以上の共振帯域を有しており、前記２以上の共振帯域の各々が、前記２以上の周波数成分のいずれか一方を含む、振動装置。
　請求項５に記載の振動装置と、
　前記圧電部材および前記枠部材に接触しないように前記振動部に接続された動作板とを備える、触覚提示装置。