WO2024057679A1 - 振動発生装置および触覚生成装置 - Google Patents

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WO2024057679A1
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piezoelectric element
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wave
frequency
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石井茂雄
福島岳行
後藤隆幸
佐藤由香里
清水寛之
濤川雄一
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Taiyo Yuden Co Ltd
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Taiyo Yuden Co Ltd
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/04—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with electromagnetism
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; ELECTRIC HEARING AIDS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers
    • H04R17/10—Resonant transducers, i.e. adapted to produce maximum output at a predetermined frequency

Definitions

  • the present invention relates to a vibration generating device and a tactile sensation generating device.
  • piezoelectric elements in vibration generators, such as transducers that convert electrical signals into sound waves. It is known to use a Langevin type vibrator having a diaphragm to generate ultrasonic waves.
  • the output will decrease if the diaphragm is made smaller.
  • a structure without a diaphragm allows for miniaturization, but it is difficult to achieve high output. As described above, it has been difficult to achieve both miniaturization and high output of the vibration generator.
  • a tactile sensation generation device is required to express a soft tactile sensation on a hard material.
  • the present invention was made in view of the above problems, and aims to reduce the size and increase the output, or to express a soft tactile sensation.
  • the present invention includes a piezoelectric layer, and a first electrode and a second electrode sandwiching the piezoelectric layer, and by applying a voltage between the first electrode and the second electrode, the first electrode and a piezoelectric element in which the second electrode expands and contracts in a direction sandwiching the piezoelectric layer, and a first member and a second member sandwiching the piezoelectric element in the direction, the first member and the second member being the
  • the vibration generator includes a casing that presses a piezoelectric element in the direction, and the first member outputs a sound wave corresponding to expansion and contraction of the piezoelectric element in the direction.
  • the first member and the second member are configured to press the piezoelectric element by fitting together a thread provided on the first member and a thread provided on the second member. It can be done.
  • a third member is provided to which the first member and the second member are joined, and a thread provided on the first member and a thread provided on the third member are fitted, and The first member and the second member are configured to press the piezoelectric element by fitting together a thread provided on the second member and a thread provided on the third member. Can be done.
  • a fourth member is provided between the first member and the piezoelectric element and has a Young's modulus larger than the Young's modulus of the first member and the Young's modulus of the piezoelectric layer;
  • the fifth member may be provided between the piezoelectric element and have a Young's modulus larger than the Young's modulus of the second member and the Young's modulus of the piezoelectric layer.
  • the pressure with which the first member and the second member press the piezoelectric element may be 5 ⁇ 10 5 Pa or more.
  • a plurality of the piezoelectric layers, a plurality of the first electrodes, and a plurality of the second electrodes are provided, the plurality of first electrodes and the second electrodes are provided alternately in the direction, and the plurality of piezoelectric layers
  • One of the electrodes may be sandwiched in the direction between one of the plurality of first electrodes and one of the plurality of second electrodes.
  • the first member outputs the sound wave to the space in the direction, and applies a frequency of 0.86 times or more and 1.14 times or less of the resonant frequency of the casing to the piezoelectric element as the voltage.
  • the modulated wave may be supplied by amplitude modulating a carrier wave with a signal wave having a frequency lower than the frequency of the carrier wave.
  • the frequency of the signal wave may be 70 Hz or more and 1000 Hz or less.
  • the first member outputs the sound wave to the space in the direction, and applies the voltage to the piezoelectric element at a frequency of 0.86 or more and 1.14 times or less of the resonant frequency of the casing.
  • a first carrier wave having a frequency of 50 Hz or more and 300 Hz or less is amplitude-modulated with a first modulated wave having a frequency of 1 Hz or more and 60 Hz or less; It can be configured to supply a modulated wave.
  • the surface of the first member on the space side may have a center portion recessed toward the piezoelectric element.
  • the piezoelectric element may be provided with a drive device that supplies the modulated wave as the voltage.
  • the voltage is supplied to the piezoelectric element so that when the surface of the first member in the direction is pressed against the pressed member, a sound wave is generated from the pressed member. Can be done.
  • a pressing member that presses the surface of the first member against the pressed member, and a drive device that supplies the voltage to the piezoelectric element;
  • the configuration may include the following.
  • the present invention provides a vibrator and a carrier wave having a frequency of 0.86 times or more and 1.14 times or less of the resonant frequency of the vibrator, and a rectangular wave having a frequency of 1 Hz or more and 60 Hz or less lower than the frequency of the carrier wave.
  • a tactile sensation generating device includes: a drive device that generates a modulated wave whose amplitude is modulated by a signal wave having a degree of modulation of 50% or more and less than 100%, and supplies the modulated wave to the vibrator.
  • the vibrator includes a piezoelectric layer, and a first electrode and a second electrode sandwiching the piezoelectric layer, and applies a voltage between the first electrode and the second electrode.
  • the first electrode and the second electrode include a piezoelectric element that expands and contracts in a direction sandwiching the piezoelectric layer, and a first member and a second member that sandwich the piezoelectric element in the direction, and the first member and the second electrode
  • the two members may include a casing that presses the piezoelectric element in the direction and outputs vibrations corresponding to expansion and contraction of the piezoelectric element.
  • the first member and the second member may be configured to press the piezoelectric element by fitting screws together.
  • a third member is provided between the first member and the piezoelectric element and has a Young's modulus larger than the Young's modulus of the first member and the Young's modulus of the piezoelectric layer;
  • the fourth member may be provided between the piezoelectric element and have a Young's modulus larger than the Young's modulus of the second member and the Young's modulus of the piezoelectric layer.
  • the pressure with which the first member and the second member press the piezoelectric element may be 5 ⁇ 10 5 Pa or more.
  • a plurality of the piezoelectric layers, a plurality of the first electrodes, and a plurality of the second electrodes are provided, the plurality of first electrodes and the second electrodes are provided alternately in the direction, and the plurality of piezoelectric layers
  • One of the electrodes may be sandwiched in the direction between one of the plurality of first electrodes and one of the plurality of second electrodes.
  • the structure may include a member that contacts at least a portion of the housing, transmits vibrations from the at least one portion, and is softer than the at least one portion.
  • the modulation degree may be 98% or less.
  • the frequency of the signal wave is 3 Hz or more and 50 Hz or less.
  • FIG. 1(a) is a plan view of the vibration generating element according to Example 1
  • FIG. 1(b) is a sectional view taken along line AA in FIG. 1(a).
  • 2(a) is a plan view of the second member in Example 1
  • FIG. 2(b) is a sectional view taken along line AA in FIG. 2(a)
  • FIG. 2(c) is a sectional view of the first member.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the piezoelectric element in Example 1.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of the vibration generator according to the second embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram showing a modulated wave that the drive device supplies to the piezoelectric element in Example 2.
  • FIG. 6(a) and 6(b) are cross-sectional views of the second member in Experiment 1.
  • FIG. 7 is a diagram showing a modulated wave that the drive device supplies to the piezoelectric element in the first modification of the second embodiment.
  • FIG. 8 is a schematic diagram of a vibration generator according to a second modification of the second embodiment.
  • FIG. 9 is a schematic diagram of a vibration generator according to Example 3.
  • FIG. 10(a) is a plan view of the pressing member in Example 3
  • FIG. 10(b) is a sectional view taken along line AA in FIG. 10(a).
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of a vibration generating element according to Example 4.
  • FIG. 12 is a schematic diagram of a vibration generator according to Modification 1 of Example 4.
  • FIG. 13 shows Experiment 2.
  • FIG. 3 is a diagram showing amplitude versus Vp-p.
  • FIG. 14 is a schematic diagram of a vibration generator according to a third modification of the fourth embodiment.
  • FIG. 15 is a schematic diagram of a tactile sensation generation device according to Example 5.
  • FIG. 16(a) is a plan view of the vibrator in Example 5
  • FIG. 16(b) is a sectional view taken along line AA in FIG. 16(a).
  • 17(a) is a plan view of the second member of the vibrator in Example 6
  • FIG. 17(b) is a sectional view taken along line AA in FIG. 17(a)
  • FIG. 17(c) is a plan view of the second member of the vibrator in Example 6.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view of a piezoelectric element in Example 5.
  • FIG. 19 is a diagram showing a modulated wave that the drive device supplies to the piezoelectric element in Example 5.
  • 20(a) and 20(b) are cross-sectional views showing another example of the second member in Example 5.
  • FIG. FIG. 21 is a schematic diagram of a tactile sensation generating device according to Modification 1 of Example 5.
  • 22(a) is a sectional view of the first member of the vibrator in Example 6, and
  • FIG. 22(b) is a sectional view of the second member of the vibrator in Example 6.
  • FIG. 23 is a schematic diagram of a tactile sensation generating device in Example 7.
  • FIG. 24(a) is a plan view of the tactile sensation generating device in Example 8, and
  • FIG. 24(b) is a sectional view taken along line AA in FIG. 24(a).
  • FIG. 25 is a cross-sectional view of a vibrator in the eighth embodiment.
  • Example 1 a vibration generator that can improve the Q value of mechanical vibration of a housing will be described.
  • FIG. 1(a) is a plan view of the vibration generating element according to Example 1
  • FIG. 1(b) is a sectional view taken along line AA in FIG. 1(a).
  • 2(a) is a plan view of the second member in Example 1
  • FIG. 2(b) is a sectional view taken along line AA in FIG. 2(a)
  • FIG. 2(c) is a sectional view of the first member. It is.
  • the housing 25 includes a first member 30 and a second member 20.
  • the first member 30 and the second member 20 are joined.
  • a recess 28 is provided on the surface of the second member 20 in the +Z direction.
  • the recess 28 has a first portion 22 provided on the +Z side and a second portion 24 provided on the ⁇ Z side.
  • the first portion 22 has a substantially circular planar shape
  • the second portion 24 has a substantially rectangular planar shape.
  • a thread 26 serving as a female thread is formed on the side surface of the first portion 22 . No threads are formed on the side surface of the second portion 24.
  • the support member 12a, the piezoelectric elements 10a and 10b, and the support member 12b are inserted into the recess 28 in this order from the ⁇ Z side.
  • the support member 12a, the piezoelectric elements 10a and 10b, and the support member 12b are not joined to the second member 20 and are free to move.
  • the first member 30 includes a head 32 provided on the +Z side and a threaded portion 34 provided on the -Z side.
  • the planar shape of the head 32 is approximately circular.
  • the +Z side surface of the head 32 has a central portion recessed in an inverted conical shape in the ⁇ Z direction relative to the peripheral portion in plan view.
  • a thread 36 serving as a male thread is formed on the side surface of the threaded portion 34 .
  • the threaded portion 34 of the first member 30 is joined to the first portion 22 of the recess 28 of the second member 20 by fitting the threads 26 and 36 together. By tightening the screw, the second member 20 presses the piezoelectric element 10a in the +Z direction as indicated by the arrow 50a via the support member 12a.
  • the first member 30 presses the piezoelectric element 10b in the -Z direction as indicated by an arrow 50b via the support member 12b.
  • the stress that presses the piezoelectric elements 10a and 10b is, for example, 5 ⁇ 10 6 Pa or more.
  • the material of the first member 30 and the second member 20 is, for example, metal or resin.
  • the material of the supporting members 12a and 12b has a larger Young's modulus than the first member 30, the second member 20, and the piezoelectric elements 10a and 10b, and is, for example, stainless steel or aluminum.
  • the width of the head 32 of the first member 30 in the X direction and the Y direction is, for example, 10 mm, and the height of the head 32 in the Z direction is, for example, 2.5 mm.
  • the amount of recess is, for example, 1.5 mm
  • the width of the threaded portion 34 in the X direction and the Y direction is, for example, 6 mm
  • the height of the threaded portion 34 in the Z direction is, for example, 5 mm.
  • the width of the second member 20 in the X direction and the Y direction is, for example, 8 mm
  • the height is, for example, 15 mm
  • the depth of the recess 28 in the Z direction is, for example, 14 mm
  • the depth of the first portion 22 in the Z direction is, for example,
  • the width of the second portion 24 in the X direction and the Y direction is, for example, 4.5 mm.
  • the materials, shapes, and dimensions of the first member 30, the second member 20, and the support members 12a and 12b can be designed as appropriate.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the piezoelectric element in Example 1.
  • the piezoelectric elements 10a and 10b include a piezoelectric body 40 made up of a plurality of piezoelectric layers 41, a plurality of first electrodes 42, and a plurality of second electrodes 44.
  • the plurality of piezoelectric layers 41 are stacked in the Z direction.
  • the piezoelectric layer 41, the first electrode 42, and the second electrode 44 have a flat plate shape extending in the XY plane.
  • the plurality of first electrodes 42 and the plurality of second electrodes 44 are provided alternately in the Z direction.
  • One piezoelectric layer 41 is sandwiched between one first electrode 42 and one second electrode 44 in the Z direction.
  • a first external electrode 43 is provided on the side surface of the piezoelectric body 40 on the ⁇ X side, and a second external electrode 45 is provided on the side surface of the piezoelectric body 40 on the +X side.
  • the plurality of first electrodes 42 are electrically connected to the first external electrode 43.
  • the plurality of second electrodes 44 are electrically connected to the second external electrode 45 .
  • the piezoelectric body 40 includes a first region 46, a second region 47, and a third region 48.
  • the first regions 46 and the second regions 47 are provided alternately in the Z direction.
  • the third region 48 is provided outside the outermost first region 46 in the Z direction.
  • the first region 46 is a region in which first electrodes 42 and second electrodes 44 are alternately provided at regular intervals in the Z direction.
  • the number of stacked piezoelectric layers 41 in the first region 46 is, for example, 50 layers.
  • the second region 47 and the third region 48 are regions where the first electrode 42 and the second electrode 44 are not provided.
  • the second region 47 may not be provided. Providing the second region 47 may improve reliability in some cases.
  • Examples of the material of the piezoelectric layer 41 include lead zirconate titanate (PZT:Pb(Zr,Ti)O 3 ), barium titanate material (BaTiO 3 , Ba may be Ca, Ti may be Zr), A bismuth titanate material (BiTiO 3 , in which part of Bi may be Na) or an alkali niobate material (NaNbO 3 , in which Na may be Li or K) can be used.
  • metals such as Ag, Pd, Pt, Cu, Ni, and Au can be used, for example.
  • the piezoelectric elements 10a and 10b are chips made of sintered bodies formed by laminating and sintering piezoelectric sheets each having a first electrode 42 and a second electrode 44 formed on their surfaces.
  • the piezoelectric elements 10a and 10b are, for example, rectangular parallelepipeds, and the widths of the piezoelectric elements 10a and 10b in the X and Y directions are, for example, 3.5 mm, and the heights in the Z direction are, for example, 3 mm.
  • d33 is a constant related to the piezoelectric constant
  • the piezoelectric elements 10a and 10b can be stacked in the Z direction within the housing 25. Thereby, the total amount of displacement of piezoelectric elements 10a and 10b can be increased.
  • the number of piezoelectric elements 10a and 10b stacked in the Z direction may be one or three or more.
  • the Q value is improved compared to the case where the housing 25 does not press the piezoelectric elements 10a and 10b.
  • Such a phenomenon cannot be obtained when transverse displacement mode piezoelectric elements are used as the piezoelectric elements 10a and 10b, and is a phenomenon discovered for the first time by the inventors.
  • the lateral displacement mode is a mode in which the vibration direction of the piezoelectric elements 10a and 10b is orthogonal to the lamination direction of the first electrode 42 and the second electrode 44.
  • the resonance frequency does not change much depending on whether or not the piezoelectric elements 10a and 10b are pressed. This is thought to be due to the provision of the support member 12a.
  • the first electrode 42 and the second electrode 44 sandwich the piezoelectric layer 41 in the Z direction, and a voltage is applied between the first electrode 42 and the second electrode 44.
  • piezoelectric elements 10a and 10b that expand and contract in the Z direction are used.
  • the first member 30 and the second member 20 press the piezoelectric element 10a in the Z direction, and the first member 30 emits sound waves corresponding to the expansion and contraction of the piezoelectric elements 10a and 10b in the Z direction. Output.
  • the housing 25 presses the vertical displacement piezoelectric elements 10a and 10b, thereby improving the Q value of the mechanical vibration of the housing 25. Therefore, high output is possible even in a small vibration generator that does not have a diaphragm.
  • the first member 30 and the second member 20 press the piezoelectric elements 10a and 10b by fitting the screw threads 26 and 36 together. Thereby, the piezoelectric elements 10a and 10b can be stably pressed with a large force. Furthermore, variations in the pressure applied to the piezoelectric elements 10a and 10b can be suppressed. Therefore, variations in resonance frequency, etc. can be suppressed. As an example, when a plurality of structures were manufactured, the variation in resonance frequency was 600 Hz or less.
  • the mechanism for pressing the piezoelectric elements 10a and 10b may be other than screw fitting.
  • Example 1 when the nominal diameter d (maximum diameter) of the thread 36 of the first member 30 was 6 mm, the tightening torque T of the first member 30 was measured using a torque wrench and was approximately 0.1 N ⁇ m. .
  • the area of the piezoelectric elements 10a and 10b in the XY plane is 3.5 mm x 3.5 mm. Therefore, the pressure with which the first member 30 presses the piezoelectric element 10b is 6.8 ⁇ 10 6 Pa.
  • the pressure with which the first member 30 and the second member 20 press the piezoelectric elements 10a and 10b is preferably 5 ⁇ 10 5 Pa or more, more preferably 1 ⁇ 10 6 Pa or more, and even more preferably 2 ⁇ 10 6 Pa or more. preferable.
  • the pressure with which the first member 30 and the second member 20 press against the piezoelectric elements 10a and 10b is set to be less than or equal to the pressure at which the piezoelectric elements 10a and 10b are destroyed.
  • a support member 12b (fourth member) is provided between the first member 30 and the piezoelectric element 10b, and a support member 12a (fifth member) is provided between the second member 20 and the piezoelectric element 10a. At least one of support members 12a and 12b may be provided.
  • the Young's modulus of PZT is approximately 60 GPa.
  • resin is used as the housing 25, the Young's modulus of the resin is 10 GPa or less.
  • the Young's modulus of stainless steel is about 120 GPa.
  • the Young's modulus of aluminum is approximately 70 GPa.
  • the Young's modulus of the supporting member 12b is greater than the Young's modulus of the piezoelectric body 40 and the Young's modulus of the first member 30, and the Young's modulus of the supporting member 12b is greater than the Young's modulus of the piezoelectric body 40 and the Young's modulus of the second member 20. greater than the rate.
  • the Young's modulus of the supporting members 12b and 12a is preferably 1.2 times or more, more preferably 1.5 times or more, the Young's modulus of the piezoelectric body 40 and the Young's modulus of the first member 30 and the second member 20, respectively.
  • the plurality of first electrodes 42 and the plurality of second electrodes 44 are provided alternately in the Z direction, and one of the plurality of piezoelectric layers 41 is It is sandwiched between one of the electrodes 42 and one of the plurality of second electrodes 44 in the Z direction.
  • the amount of displacement in the Z direction can be increased, and the characteristics of the vibration generator can be further improved.
  • Example 2 is an example in which the vibration generating element 100 of Example 1 is used in a vibration generator for spatial tactile sensation.
  • FIG. 4 is a schematic diagram of the vibration generator according to the second embodiment.
  • the housing 25 of the vibration generating element 100 of the first embodiment is fixed on the pedestal 60.
  • the pedestal 60 has rigidity like a metal plate.
  • the drive device 62 supplies a voltage between the first external electrode 43 and the second external electrode 45 of the piezoelectric elements 10a and 10b inside the housing 25.
  • Sound waves 54 are emitted from the first member 30 in the Z direction.
  • a part of the human body for example, a finger or a palm
  • a tactile sensation is obtained by the sound waves 54.
  • FIG. 5 is a diagram showing a modulated wave that the drive device supplies to the piezoelectric element in Example 2.
  • the horizontal axis in FIG. 5 shows time, and the vertical axis shows voltage.
  • the signal with period T1 (frequency f1) is a carrier wave 64.
  • An envelope 65 of the modulated wave 66 corresponds to a signal wave.
  • the signal wave has a period T2 (frequency f2).
  • a sine wave is used as the carrier wave 64
  • a triangular wave is shown as the carrier wave 64 for simplicity of illustration.
  • the period T1 is much smaller than the period T2, the period T1 is illustrated in a larger size in FIG. 5 for ease of understanding.
  • the carrier wave 64 is amplitude-modulated by a signal wave.
  • both the carrier wave 64 and the signal wave are sine waves.
  • the signal wave may be a rectangular wave, a triangular wave, a sawtooth wave, etc. other than a sine wave.
  • the frequency f1 of the carrier wave 64 is, for example, the resonance frequency of the housing 25.
  • the resonant frequency may be a fundamental wave or a harmonic.
  • the frequency f2 of the signal wave is a frequency to which Pacinian corpuscles, which are receptors in the human skin, are sensitive. Such a frequency is, for example, 70 Hz or more and 1000 Hz or less.
  • the frequency to which Pacinian corpuscles and the like are sensitive is 250 Hz.
  • the modulation degree M of the modulated wave 66 is, for example, 50% or more and 100% or less, and 80% or more and 100% or less.
  • FIG. 2(c) The second member in FIG. 2(c) was designated as member A.
  • 6(a) and 6(b) are cross-sectional views of the second member in Experiment 1. As shown in FIG. 6(a), in member B, the +Z side surface of the head 32 is flat. As shown in FIG. 6(b), in the member C, the peripheral edge of the +Z side surface of the head 32 is inclined in the ⁇ Z direction.
  • the materials of the first member 30, the second member 20, the supporting members 12a and 12b, and the configurations of the piezoelectric elements 10a and 10b were the same as in Experiment 1.
  • the width of the head 32 of the first member 30 in the X and Y directions is 10 mm
  • the height of the head 32 in the Z direction is 2.5 mm
  • the amount of concavity at the apex of the inverted cone on the +Z surface of the head 32 is 1.
  • the width of the threaded portion 34 in the X and Y directions is 6mm
  • the height of the threaded portion 34 in the Z direction is 5mm.
  • the width of the second member 20 in the X direction and the Y direction is 8 mm, the height is 15 mm, the depth of the recess 28 in the Z direction is 14 mm, the depth of the first part 22 in the Z direction is 6 mm, and the depth of the second part 24 is 15 mm.
  • the width in the direction and Y direction is 4.5 mm.
  • Table 1 is a table showing the experimental conditions and results of Samples A to C in Experiment 1.
  • samples A to C are samples in which members A to C are used as the first member 30.
  • Vp-p corresponds to the amplitude A1 in FIG.
  • Carrier wave is the frequency of the carrier wave 64, which is the resonant frequency (second harmonic) of the housing 25.
  • Signal wave is the frequency of the signal wave.
  • the modulation degree M is 100% in all samples.
  • D1 in FIG. 4 is the distance D1 in the +Z direction from the first member 30 at which the sound pressure level is 85 dB.
  • “Tactile sensation” is the result of examining whether a tactile sensation can be obtained when a hand is placed over the first member 30 in the +Z direction. "1” indicates that a tactile sensation was obtained, “2” indicates that a tactile sensation was obtained to some extent, and “3” indicates that a tactile sensation was not obtained much.
  • Vp-p is almost the same and the frequency of the carrier wave is almost the same.
  • the frequency of the signal wave is the frequency to which Pacinian corpuscles are most sensitive.
  • sample A had the largest distance D1 and provided the most tactile sensation.
  • Samples B and C have approximately the same distance D1, but sample C has a greater tactile sensation. As described above, it was found that sample A provided the most tactile sensation. It was also found that an aerial tactile sensation was obtained in all of Samples A to C.
  • Table 2 is a table showing experimental conditions and results using commercially available piezoelectric elements.
  • Samples D and E use a commercially available transverse displacement mode piezoelectric element and a disc-shaped vibrating plate, and the piezoelectric element is provided with a member that emits sound waves like member A.
  • the planar shape of the piezoelectric elements in Samples D and E is circular, and the diameters are 10 mm and 15 mm, respectively. Thus, samples D and E have large piezoelectric elements.
  • “D1" is the distance D1 when the sound pressure level is 80 dB.
  • the sound pressure levels to be determined for samples D and E are lower than those in Table 1, so a strict comparison cannot be made; however, the distance D1 between samples D and E is comparable to that of sample A.
  • the planar area of the piezoelectric elements of Samples D and E is five times or more that of Sample A. In this way, sample A can obtain the same level of aerial tactile sensation as samples D and E, using piezoelectric elements 10a and 10b smaller than samples D and E, without using a diaphragm. In this way, sample A can be made smaller and have higher output.
  • the vibration generator of the first embodiment is used, and the first member 30 has a structure in which the first member 30 outputs sound waves to the space in the Z direction.
  • the piezoelectric elements 10a and 10b are supplied with a modulated wave 66 in which a carrier wave 64 having a frequency equal to the resonant frequency of the housing 25 is amplitude-modulated by a signal wave having a frequency lower than the frequency of the carrier wave 64 as a voltage. be done.
  • high-output sound waves can be outputted into the space using the vibration generating element 100, which can be miniaturized since no diaphragm is used, so that the aerial tactile sensation can be increased.
  • the frequency of the carrier wave 64 is set to a range of 0.86 times or more and 1.14 times or less of the resonance frequency, an aerial tactile sensation can be obtained.
  • the frequency of the carrier wave 64 is more preferably 0.9 times or more and 1.1 times or less of the resonance frequency.
  • the resonant frequency may be the resonant frequency of the fundamental mode or the resonant frequency of the harmonic mode.
  • the frequency of the carrier wave 64 is, for example, 20 kHz or more and 110 kHz or less, and 30 kHz or more and 90 kHz or less.
  • the frequency of the signal wave is preferably 70 Hz or more and 1000 Hz or less, more preferably 110 Hz or more and 300 Hz or less, since it is felt by Pacinian corpuscles.
  • the modulation degree M is preferably 50% or more, more preferably 80% or more.
  • the space side (+Z side) surface of the first member 30 is recessed in the center toward the piezoelectric element 10b.
  • the cross-sectional shape of the recess of the first member 30 may be a triangle with the apex at the center, as in sample A, or a curved line, such as a parabola, with the apex at the center.
  • the maximum amount of depression on the +Z plane of the head 32 is preferably 1/10 or more and 1/2 or less of the width of the head 32.
  • FIG. 7 is a diagram showing a modulated wave that the drive device supplies to the piezoelectric element in the first modification of the second embodiment.
  • the horizontal axis in FIG. 7 shows time, and the vertical axis shows voltage.
  • a second carrier wave having a period T2 (frequency f2) is amplitude-modulated by a signal wave having a period T3 (frequency f3) to generate a first modulated wave.
  • the first carrier wave having a period T1 (frequency f1) is amplitude-modulated by the amplitude-modulated first modulated wave to obtain a second modulated wave 66.
  • the envelope 65a has a waveform in which the signal wave and the second carrier wave are superimposed.
  • the frequency f1 of the first carrier wave 64 is the resonant frequency of the housing 25 (for example, 0.86 times or more and 1.14 times or less of the resonant frequency), and is, for example, 20 kHz to 110 kHz.
  • the frequency f2 of the second carrier wave is a frequency sensitive to Pacinian corpuscles, and is, for example, 50 Hz to 300 Hz.
  • the frequency f3 of the signal wave is a frequency sensitive to Meissner corpuscles, which are receptors in the human skin, and is, for example, 1 Hz to 60 Hz.
  • the rest of the configuration is the same as in the second embodiment, and the explanation will be omitted.
  • a signal having a frequency sensitive to Pacinian corpuscles is used as the second carrier wave
  • a signal having a frequency sensitive to Meissner corpuscles is used as the signal wave.
  • different aerial tactile sensations can be obtained.
  • the frequency f2 is 3 Hz
  • a tactile sensation such as crackling is obtained
  • the frequency f2 is 30 Hz
  • a tactile sensation such as a zing is obtained.
  • Modification 2 of Embodiment 2 is an example in which a plurality of vibration generating elements 100 of Embodiment 1 are provided.
  • FIG. 8 is a schematic diagram of a vibration generator according to a second modification of the second embodiment. As shown in FIG. 8, in the vibration generating device 102 of the second modification of the second embodiment, a plurality of vibration generating elements 100 of the first embodiment are fixed on a pedestal 60. As shown in FIG. The drive device 62 outputs modulated waves to the plurality of vibration generating elements 100. The plurality of vibration generating elements 100 emit sound waves 54 from the first member 30 in the Z direction.
  • the drive device 62 may output modulated waves with the same waveform to the plurality of vibration generating elements 100, or may output modulated waves with different waveforms to the plurality of vibration generating elements 100.
  • the number of vibration generating elements 100 can be set as appropriate.
  • the other configurations are the same as those in the second embodiment, and their explanation will be omitted.
  • Example 3 is an example in which the vibration generating element 100 of Example 1 is used in a vibration generating device such as a speaker.
  • FIG. 9 is a schematic diagram of a vibration generator according to Example 3. In FIG. 9, the +Z direction in FIG. 1(b) is the vertical direction.
  • the vibration generating element 100 of the first embodiment is arranged such that the first member 30 is at the bottom and the second member 20 is at the top. 72.
  • a pressing member 70 is provided on the second member 20.
  • the pressing member 70 is a weight with a large load, and presses the second member 20 against the pressed member 72 as indicated by an arrow 56.
  • the drive device 62 supplies the vibration generating element 100 with a voltage having a waveform corresponding to the sound emitted by the pressed member 72 .
  • FIG. 10(a) is a plan view of the pressing member in Example 3 viewed from the +Z direction
  • FIG. 10(b) is a sectional view taken along line AA in FIG. 10(a).
  • the pressing member 70 is donut-shaped with an opening 75 in the center, and has three recesses 74 on the +Z side surface.
  • the three recesses 74 are provided rotationally symmetrically with respect to the center of the planar shape of the pressing member 70.
  • the second member 20 of the vibration generating element 100 in FIG. 9 is inserted into the recess 74. It is sufficient that the second member 20 of the vibration generating element 100 is inserted into at least one of the recesses 74 .
  • the pressing member 70 is, for example, a metal such as aluminum or stainless steel, or an insulator.
  • the pressing member 70 is preferably hard and heavy. The shape of the pressing member 70 can be set arbitrarily.
  • the vibration generating element 100 may be the same as the vibration generating element 100 of Example 1, it is preferable that the first member 30 has a material and shape that easily transmits vibrations to the pressed member 72. For this reason, it is preferable to use a hard (high Young's modulus) material for the first member 30. Further, it is preferable that the first member 30 has a flat +Z surface like member B in FIG. 6(a), and the width of the head 32 in the It is preferably larger than the width in the direction.
  • the pressed member 72 is made of a hard material such as glass or metal, and is, for example, a table top.
  • the pressing member 70 includes the vibration generating element 100 so that a sound wave is generated from the pressed member 72 by pressing the surface of the first member 30 in the +Z direction against the pressed member 72.
  • a voltage is supplied to the piezoelectric element 10a.
  • vibrations are propagated from the first member 30 to the pressed member 72, and sound is emitted from the pressed member 72. Since the vibration generating element 100 of Example 1 has a high Q value of mechanical vibration, the sound emitted from the pressed member 72 is sharp and of good quality.
  • any member that presses the first member 30 of the vibration generating element 100 against the pressed member 72 may be used.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view of the vibration generating element according to Example 4.
  • the housing 25a includes a first member 30a, a second member 30b, and a third member 20a to which the first member 30a and the second member 30b are joined. have.
  • a through hole 28a passes through the third member 20a in the Z direction.
  • the center portion of the through hole 28a in the Z direction is a third portion 24a
  • the ⁇ Z side of the portion 24a of the through hole 28a is a portion 22a
  • the +Z side of the portion 24a is a portion 22b.
  • a female screw thread is provided on the side surface of the portions 22a and 22b.
  • the first member 30a and the second member 30b have a head portion 32 and a threaded portion 34.
  • a male thread is provided on the side surface of the threaded portion 34.
  • the support member 12a, the piezoelectric elements 10a and 10b, and the support member 12b are inserted in order from the -Z side into the through hole 28a.
  • the threaded portion 34 of the first member 30a is joined to the first portion 22a of the through hole 28a of the third member 20a by fitting a thread thereinto.
  • the threaded portion 34 of the second member 30b is joined to the second portion 22b of the through hole 28a of the third member 20a by fitting a thread therebetween.
  • the first member 30a presses the piezoelectric element 10a in the +Z direction as shown by the arrow 50a via the support member 12a
  • the second member 30b presses the piezoelectric element 10b in the - direction as shown by the arrow 50b via the support member 12b.
  • the first member 30a and the third member 20a are fitted with screws
  • the second member 30b and the third member 20a are fitted with screws, so that the first member 30a and the second member 30b are , the piezoelectric elements 10a and 10b are pressed from both sides in the Z direction.
  • the vibration of the piezoelectric elements 10a and 10b in the Z direction can be further enhanced and transmitted.
  • the material of the first member 30a and the second member 30b is preferably a material with a high Young's modulus, such as stainless steel, in order to improve vibration transmission characteristics.
  • the Young's modulus of the first member 30a and the second member 30b is preferably higher than the Young's modulus of the piezoelectric body 40, preferably 1.2 times or more, and more preferably 1.5 times or more the Young's modulus of the piezoelectric body 40.
  • the direction in which the screws of the first member 30a are tightened and the direction in which the screws of the second member 30b are tightened are symmetrical (for example, right-handed and left-handed screws). Thereby, loosening of the first member 30a and the second member 30b can be suppressed.
  • the other configurations are the same as those in Example 1, and their explanation will be omitted.
  • Modification 1 of Example 4 is an example in which the vibration generating element 104 of Example 4 is used in a vibration generating device such as a speaker.
  • FIG. 12 is a schematic diagram of a vibration generator according to Modification 1 of Example 4.
  • the second member 30b of the vibration generating element 104 of the fourth embodiment is in contact with the pressed member 72, and the first member 30a is in contact with the pressed member 72. It is in contact with the member 70.
  • the pressing member 70 is a weight with a large load, and presses the second member 30b against the pressed member 72 as indicated by the arrow 56.
  • the drive device 62 supplies the vibration generating element 104 with a voltage having a waveform corresponding to the sound emitted by the pressed member 72 .
  • Example 2 The amplitude of vibration was measured at a location at a certain distance from the vibration generating element on the upper surface of the pressed member 72.
  • Condition F The vibration generating element 100 of Example 1 and the pressing member 70 are not provided
  • Condition G The vibration generating element 104 of Example 4 and the pressing member 70 are not provided
  • Condition H The vibration generating element 104 of Example 4, Providing the pressing member 70
  • the first member 30a and the second member 30b have the shape of member B in FIG. 6(a), and are made of stainless steel (SUS401: Young's modulus is about 200 GPa).
  • the material of the pressed member 72 and the pressing member 70 is stainless steel.
  • the weight of the pressing member 70 is approximately 200 g.
  • the materials and dimensions of other members are the same as in Example 1.
  • the voltage that the drive device 62 supplies to the piezoelectric elements 10a and 10b is a sine wave with a frequency of 250 Hz.
  • FIG. 13 is a diagram showing the amplitude versus Vp-p in Experiment 2.
  • Vp-p on the horizontal axis corresponds to the amplitude of a 250 Hz signal, and the amplitude indicates the amplitude of vibration on the upper surface of the pressed member 72.
  • the amplitude increases as Vp-p increases.
  • condition G the amplitude at the same Vp-p is larger than under condition F.
  • condition H the amplitude at the same Vp-p is larger than under condition G.
  • Vp-p is approximately 22V
  • the amplitude under condition H is approximately 2.5 ⁇ m.
  • the vibration generating element 104 can generate higher output than the vibration generating element 100. Further, by providing the pressing member 70, it is possible to increase the output.
  • Example 4 The vibration generating element 104 of Example 4 was used instead of the vibration generating element 100 of Example 3 shown in FIG.
  • the pressing member 70 of b) was used.
  • the weight of the pressing member 70 is approximately 1 kg.
  • the low and middle ranges were reproduced using a commercially available electromagnetic speaker, and the vibration generator of Modification 2 of Example 4 was used to reproduce the high range.
  • the sound system was able to reproduce bird songs and saxophone music in all playback bands, and was able to reproduce clear sound.
  • FIG. 14 is a schematic diagram of a vibration generator according to a third modification of the fourth embodiment.
  • a through hole 76a is provided in the plate member 76, and the vibration generating element 104 of the fourth example is embedded in the through hole 76a.
  • the first member 30a protrudes from one surface of the plate 76, and the second member 30b protrudes from the other surface of the plate 76.
  • the drive device 62 supplies a voltage as shown in FIG. 5 to the vibration generating element 104. This makes it possible to emit sound waves in both directions of the plate 76, as shown by arrows 54a and 54b.
  • the vibration generating element 104 By using the vibration generating element 104, the aerial tactile sensation can be increased. Also, sound waves can be emitted in two directions.
  • the material of the first members 30, 30a and the second member 30b is preferably a light material such as acrylic resin (for example, resin) in a vibration generator that generates ultrasonic waves.
  • a vibration generator that generates audio in the audible range a heavy material (for example, metal) such as stainless steel is preferable.
  • FIG. 15 is a schematic diagram of a tactile sensation generation device according to Example 5.
  • the normal direction of the upper surface of the pedestal 160 is the Z direction, and the directions orthogonal to the Z direction are the X direction and the Y direction.
  • a vibrator 115 is provided on a pedestal 160.
  • the vibrator 115 mainly vibrates in the Z direction.
  • the vibrator 115 includes a housing 125 in which a first member 130 and a second member 120 are joined.
  • the drive device 162 vibrates the vibrator 115 by applying a voltage to the vibrator 115.
  • FIG. 16(a) is a plan view of the vibrator in Example 5, and FIG. 16(b) is a sectional view taken along line AA in FIG. 16(a).
  • 17(a) is a plan view of the second member of the vibrator in Example 6
  • FIG. 17(b) is a sectional view taken along line AA in FIG. 17(a)
  • FIG. 17(c) is a plan view of the second member of the vibrator in Example 6.
  • the direction in which the first member 130 and the second member 120 sandwich the piezoelectric elements 110a and 110b is the Z direction, which is orthogonal to the Z direction, and the extending directions of the sides of the piezoelectric elements 110a and 110b in plan view are the X direction and the Y direction.
  • the housing 125 includes a first member 130 and a second member 120.
  • the first member 130 and the second member 120 are joined.
  • a recess 128 is provided on the surface of the second member 120 in the +Z direction.
  • the recess 128 has a first portion 122 provided on the +Z side and a second portion 124 provided on the ⁇ Z side.
  • the planar shape of the first portion 122 is approximately circular, and the planar shape of the second portion 124 is approximately rectangular.
  • a thread 126 serving as a female thread is formed on the side surface of the first portion 122. No threads are formed on the side surface of the second portion 124.
  • the support member 112a, the piezoelectric elements 110a and 110b, and the support member 112b are inserted into the recess 128 in this order from the ⁇ Z side.
  • the support member 112a, the piezoelectric elements 110a, 110b, and the support member 112b are not joined to the second member 120 and are free to move.
  • the first member 130 includes a head 132 provided on the +Z side and a threaded portion 134 provided on the -Z side.
  • the planar shape of the head 132 is approximately circular.
  • the +Z side surface of the head 132 has a center portion recessed in an inverted conical shape in the ⁇ Z direction with respect to the peripheral portion in plan view.
  • a thread 136 which is a male thread, is formed on the side surface of the threaded portion 134.
  • the threaded portion 134 of the first member 130 is joined to the first portion 122 of the recess 128 of the second member 120 by fitting the threads 126 and 136 together.
  • the second member 120 presses the piezoelectric element 110a in the +Z direction as indicated by an arrow 150a via the support member 112a.
  • the first member 130 presses the piezoelectric element 110b in the -Z direction as indicated by an arrow 150b via the support member 112b.
  • the stress that presses the piezoelectric elements 110a and 110b is, for example, 5 ⁇ 10 6 Pa or more.
  • the material of the first member 130 and the second member 120 is, for example, metal or resin.
  • the material of the supporting members 112a and 112b has a larger Young's modulus than the first member 130, the second member 120, and the piezoelectric elements 110a and 110b, and is, for example, stainless steel.
  • the width of the head 132 of the first member 130 in the X direction and the Y direction is, for example, 10 mm, and the height of the head 132 in the Z direction is, for example, 2.5 mm.
  • the amount of recess is, for example, 1.5 mm
  • the width of the threaded portion 134 in the X direction and the Y direction is, for example, 6 mm
  • the height of the threaded portion 134 in the Z direction is, for example, 5 mm.
  • the width of the second member 120 in the X direction and the Y direction is, for example, 8 mm
  • the height is, for example, 15 mm
  • the depth of the recess 128 in the Z direction is, for example, 14 mm
  • the depth of the first portion 122 in the Z direction is, for example,
  • the width of the second portion 124 in the X direction and the Y direction is, for example, 4.5 mm.
  • the materials, shapes, and dimensions of the first member 130, the second member 120, and the support members 112a and 112b can be designed as appropriate.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view of the piezoelectric element in Example 5.
  • the piezoelectric elements 110a and 110b include a piezoelectric body 140 made up of a plurality of piezoelectric layers 141, a plurality of first electrodes 142, and a plurality of second electrodes 144.
  • the plurality of piezoelectric layers 141 are stacked in the Z direction.
  • the piezoelectric layer 141, the first electrode 142, and the second electrode 144 have a flat plate shape extending in the XY plane.
  • the plurality of first electrodes 142 and the plurality of second electrodes 144 are provided alternately in the Z direction.
  • One piezoelectric layer 141 is sandwiched between one first electrode 142 and one second electrode 144 in the Z direction.
  • a first external electrode 143 is provided on the side surface of the piezoelectric body 140 on the -X side, and a second external electrode 145 is provided on the side surface of the piezoelectric body 140 on the +X side.
  • the plurality of first electrodes 142 are electrically connected to the first external electrode 143.
  • the plurality of second electrodes 144 are electrically connected to the second external electrode 145.
  • the piezoelectric body 140 includes a first region 146, a second region 147, and a third region 148.
  • the first regions 146 and the second regions 147 are provided alternately in the Z direction.
  • the third region 148 is provided outside the outermost first region 146 in the Z direction.
  • the first region 146 is a region in which first electrodes 142 and second electrodes 144 are alternately provided at regular intervals in the Z direction.
  • the number of stacked piezoelectric layers 141 in the first region 146 is, for example, 50 layers.
  • the second region 147 and the third region 148 are regions where the first electrode 142 and the second electrode 144 are not provided.
  • the second region 147 may not be provided. Reliability may be improved by providing the second region 147 in some cases.
  • Examples of the material of the piezoelectric layer 141 include lead zirconate titanate (PZT:Pb(Zr,Ti)O 3 ), barium titanate-based material (BaTiO 3 , Ba may be Ca, Ti may be Zr), A bismuth titanate material (BiTiO 3 , in which part of Bi may be Na) or an alkali niobate material (NaNbO 3 , in which Na may be Li or K) can be used.
  • metals such as Ag, Pd, Pt, Cu, Ni, and Au can be used, for example.
  • the piezoelectric elements 110a and 110b are chips made of sintered bodies formed by laminating and sintering piezoelectric sheets each having a first electrode 142 and a second electrode 144 formed on their surfaces.
  • the piezoelectric elements 110a and 110b are, for example, rectangular parallelepipeds, and the widths of the piezoelectric elements 110a and 110b in the X and Y directions are, for example, 3.5 mm, and the heights in the Z direction are, for example, 3 mm.
  • the amount of displacement ⁇ Z in the Z direction on the surface of the ⁇ Z side of the piezoelectric elements 110a and 110b, the number of laminated piezoelectric layers 141 is N, the voltage applied between the first electrode 142 and the second electrode 144 is V, and the reverse If d33 is a constant related to the piezoelectric constant, ⁇ Z d33 ⁇ V ⁇ N. Therefore, by increasing the number N of stacked piezoelectric layers 141, the displacement amount ⁇ Z increases. However, due to manufacturing constraints or the like, it may not be possible to increase the number N of layers in one piezoelectric element 110a or 110b. In such a case, the piezoelectric elements 110a and 110b can be stacked in the Z direction within the housing 125. Thereby, the total amount of displacement of piezoelectric elements 110a and 110b can be increased.
  • the number of piezoelectric elements 110a and 110b stacked in the Z direction may be one or three or more.
  • FIG. 19 is a diagram showing a modulated wave that the drive device supplies to the piezoelectric element in Example 5.
  • the horizontal axis in FIG. 19 shows time, and the vertical axis shows voltage.
  • a signal with a carrier wave period T1 (frequency f1) is a carrier wave 164.
  • An envelope 165 of the modulated wave 166 corresponds to a signal wave.
  • the signal wave has a period T2 (frequency f2).
  • a sine wave is used as the carrier wave 164, a triangular wave is shown as the carrier wave 164 for simplicity of illustration.
  • the period T1 is much smaller than the period T2, the period T1 is illustrated in a larger size in FIG. 19 for easier understanding.
  • the carrier wave 164 is amplitude-modulated by a signal wave.
  • the carrier wave 164 is a sine wave
  • the signal wave is a rectangular wave.
  • the frequency f1 of the carrier wave 164 is, for example, the resonance frequency of the housing 125.
  • the resonant frequency may be a fundamental wave or a harmonic.
  • the frequency f2 of the signal wave is a frequency to which Meissner corpuscles, which are receptors in the human skin, are sensitive. Such a frequency is, for example, 1 Hz or more and 60 Hz or less.
  • the modulation degree M of the modulated wave 166 is, for example, 50% or more and less than 100%.
  • the rectangular wave is a waveform whose rise time and fall time are sufficiently smaller than the period T2.
  • the rise time and fall time of the rectangular wave are, for example, 1/25 times or less and 1/100 times or less of the period T2.
  • the Japanese Industrial Standard JIS C 161-02-05 applies mutatis mutandis to the definitions of the rise time and fall time.
  • the rise time and fall time are the time when the voltage of the envelope 165 is 10% of the voltage and the time when the voltage is 90% for the difference between the voltages when the voltage of the envelope 165 is amplitude A1 and amplitude A2. This is the difference.
  • the width of the head 132 of the first member 130 in the X and Y directions is 10 mm, the height of the head 132 in the Z direction is 2.5 mm, and the concave amount of the inverted conical apex of the +Z plane of the head 132 is 1.
  • the width of the threaded portion 134 in the X and Y directions is 6mm, and the height of the threaded portion 134 in the Z direction is 5mm.
  • the width of the second member 120 in the X and Y directions is 8 mm, the height is 15 mm, the depth of the recess 128 in the Z direction is 14 mm, the depth of the first portion 122 in the Z direction is 6 mm, and the The width in the direction and Y direction is 4.5 mm.
  • Table 3 is a table showing the experimental conditions and results in Experiment 3.
  • conditions A to I are conditions for a modulated wave that the driving device 162 supplies as a voltage between the first electrode 142 and the second electrode 144 of the piezoelectric elements 110a and 110b.
  • “Waveform” is the waveform of the signal wave
  • “rectangular wave” indicates that the waveform of the signal wave is a rectangular wave as shown in Figure 19
  • “sine wave” indicates that the waveform of the signal wave is a sine wave.
  • sawtooth wave indicates that the wavelength of the signal wave is a sawtooth wave (also referred to as a downward ramp wave) in which the wavelength of the signal wave has a steep fall and a gradual fall.
  • “Carrier wave” is the frequency of carrier wave 164, which is 66 kHz in all conditions.
  • the resonant frequency (second harmonic) of the housing 125 is 63.5 kHz.
  • Signal wave is the frequency of the signal wave.
  • modulation degree is the modulation degree M described with reference to FIG. 19, and all samples are 88%.
  • Teactile sensation is the result of examining the softness of the tactile sensation when the first member 130 is touched.
  • "1", “2", “3” and “4" represent the degree of soft tactile sensation, and the degree of soft tactile sensation decreases from “1” to "4".
  • “1” provides the softest tactile sensation, and "4" provides no soft tactile sensation. When it is “1", it feels like touching a balloon.
  • conditions A to G use a rectangular wave as the signal wave and change the frequency of the signal wave.
  • the signal wave frequencies are 31 Hz and 3 Hz, a soft tactile sensation cannot be obtained.
  • the frequency of the signal wave is 25Hz and 8Hz, a somewhat soft tactile sensation is obtained, when the frequency of the signal wave is 19Hz and 13Hz, a softer tactile sensation is obtained, and when the frequency of the signal wave is 16Hz, a soft tactile sensation is obtained most. It will be done.
  • Condition H indicates the frequency (28 Hz) at which the softest tactile sensation was obtained by changing the frequency of the sine wave signal wave.
  • Condition I indicates the frequency (21 Hz) at which the softest tactile sensation was obtained by changing the frequency of the sawtooth signal wave.
  • the tactile sensation of the first member 130 was investigated while changing the frequency of the carrier wave 164 under condition D other than the frequency of the carrier wave 164.
  • the soft tactile sensation remains almost unchanged.
  • the frequency of the carrier wave 164 deviates from the range of ⁇ 14% of the resonant frequency, the soft tactile sensation is attenuated.
  • the soft tactile sensation is attenuated as the frequency of the carrier wave 164 becomes further away from the resonant frequency.
  • the tactile sensation of the first member 130 was investigated by changing the modulation degree M of the modulated wave 166 with the conditions other than the modulation degree being the same as condition D.
  • the modulation degree M 100%, a soft tactile sensation cannot be obtained.
  • the modulation degree M decreases, the soft tactile sensation becomes larger, and when the modulation degree M is 88%, the soft tactile sensation is the largest, and is a balloon-like tactile sensation.
  • the modulation degree M is 70%
  • the tactile sensation is almost the same as when the modulation degree M is 88%, but the tension of the balloon is slightly reduced.
  • the modulation degree M is 50%, the soft tactile sensation decreases, giving the sensation of deflating a balloon.
  • the modulation degree M 20%, a soft tactile sensation cannot be obtained.
  • the driving device 162 transmits the carrier wave 164 having a frequency equal to the resonant frequency of the vibrator 115 by a signal wave that is a rectangular wave and has a frequency that is lower than the frequency of the carrier wave 164 and is felt by the Meissner corpuscles.
  • Amplitude modulation is performed to generate a modulated wave 166 with a modulation degree M smaller than 100%, and the modulated wave 166 is supplied to the vibrator 115.
  • the hard first member 130 is touched, it provides a soft tactile sensation.
  • the frequency of the carrier wave 164 is preferably 0.86 times or more and 1.14 times or less than the resonant frequency of the vibrator 115 (i.e., the housing 125), and preferably 0.9 times or more and 1.14 times or less than the resonant frequency of the vibrator 115 (i.e., the housing 125). It is more preferably 1.1 times or less, and even more preferably 0.95 times or more and 1.05 times or less of the resonance frequency.
  • the frequency of the signal wave is a frequency to which Meissner corpuscles are sensitive, and is preferably 1 Hz or more and 60 Hz or less, more preferably 3 Hz or more and 50 Hz or less, and even more preferably 13 Hz or more and 28 Hz or less.
  • the modulation degree M of the modulated wave 166 is preferably 50% or more and 98% or less, more preferably 70% or more and 90% or less.
  • the duty ratio (period/period T2 of amplitude A1) of the modulated wave 166 is preferably around 50%. The duty ratio may be 20% or more and 80% or less, 30% or more and 70% or less, or 40% or more and 60% or less.
  • the vibrator 115 used in Example 5 uses piezoelectric elements 110a and 110b whose vibration mode is mainly a longitudinal displacement mode, and the housing 125 presses the piezoelectric elements 110a and 110b.
  • the Q value is improved compared to when the housing 125 does not press the piezoelectric elements 110a and 110b.
  • Such a phenomenon cannot be obtained when transverse displacement mode piezoelectric elements are used as the piezoelectric elements 110a and 110b, and is a phenomenon discovered for the first time by the inventors.
  • the lateral displacement mode is a mode in which the vibration direction of the piezoelectric elements 110a and 110b is perpendicular to the lamination direction of the first electrode 142 and the second electrode 144.
  • the resonance frequency does not vary much depending on whether or not the piezoelectric elements 110a and 110b are pressed. This is thought to be due to the provision of the support member 112a.
  • the first electrode 142 and the second electrode 144 sandwich the piezoelectric layer 141 in the Z direction, and a voltage is applied between the first electrode 142 and the second electrode 144. Therefore, piezoelectric elements 110a and 110b that expand and contract in the Z direction are used.
  • the first member 130 and the second member 120 press the piezoelectric element 110a in the Z direction, and the first member 130 generates vibrations corresponding to the expansion and contraction of the piezoelectric elements 110a and 110b in the Z direction. Output.
  • the housing 125 presses the vertical displacement piezoelectric elements 110a and 110b, thereby improving the Q value of the mechanical vibration of the housing 125. Therefore, the characteristics of the tactile sensation generating device can be improved.
  • the first member 130 and the second member 120 press the piezoelectric elements 110a and 110b by fitting screws together.
  • piezoelectric elements 110a and 110b can be stably pressed with a large force.
  • variations in the pressure applied to the piezoelectric elements 110a and 110b can be suppressed. Therefore, variations in resonance frequency, etc. can be suppressed.
  • the variation in resonance frequency was 600 Hz or less.
  • the mechanism for pressing the piezoelectric elements 110a and 110b may be other than screw fitting.
  • Example 5 when the nominal diameter d (maximum diameter) of the thread 136 of the first member 130 was 6 mm, the tightening torque T of the first member 130 was measured using a torque wrench and was approximately 0.1 N ⁇ m. .
  • the area of the piezoelectric elements 110a and 110b in the XY plane is 3.5 mm x 3.5 mm. Therefore, the pressure with which the first member 130 presses the piezoelectric element 110b is 6.8 ⁇ 10 6 Pa.
  • the pressure with which the first member 130 and the second member 120 press the piezoelectric elements 110a and 110b is preferably 5 ⁇ 10 5 Pa or more, more preferably 1 ⁇ 10 6 Pa or more, and even more preferably 2 ⁇ 10 6 Pa or more. preferable.
  • a support member 112b (third member) is provided between the first member 130 and the piezoelectric element 110b, and a support member 112a (fourth member) is provided between the second member 120 and the piezoelectric element 110a. At least one of support members 112a and 112b may be provided.
  • the Young's modulus of PZT is approximately 60 GPa.
  • resin is used as the housing 125, the Young's modulus of the resin is 10 GPa or less.
  • stainless steel is used as the support members 112a and 112b
  • the Young's modulus of stainless steel is about 120 GPa.
  • the Young's modulus of aluminum is approximately 70 GPa.
  • the Young's modulus of the supporting member 112b is greater than the Young's modulus of the piezoelectric body 140 and the Young's modulus of the first member 130, and the Young's modulus of the supporting member 112b is greater than the Young's modulus of the piezoelectric body 140 and the Young's modulus of the second member 120. greater than the rate.
  • the support members 112a and 112b By providing the support members 112a and 112b, a load is applied to the piezoelectric elements 110a and 110b, and vibration transmission can be strengthened. Therefore, variation in the resonance frequency of the housing 125 due to pressure is suppressed, and the Q value is further improved. At least one of support members 112a and 112b may be provided.
  • the Young's modulus of the supporting members 112b and 112a is preferably 1.2 times or more, more preferably 1.5 times or more, the Young's modulus of the piezoelectric body 140 and the Young's modulus of the first member 130 and the second member 120, respectively.
  • the plurality of first electrodes 142 and the plurality of second electrodes 144 are provided alternately in the Z direction, and one of the plurality of piezoelectric layers 141 is It is sandwiched between one of the electrodes 142 and one of the plurality of second electrodes 144 in the Z direction.
  • the amount of displacement in the Z direction can be increased, and the characteristics of the tactile sensation generating device can be further improved.
  • FIG. 20(a) and 20(b) are cross-sectional views showing another example of the second member in Example 5.
  • the +Z side surface of the head 132 of the first member 130 is flat.
  • the peripheral portion of the +Z side surface of the head 132 of the first member 130 is inclined in the -Z direction.
  • a different tactile sensation can be obtained.
  • FIG. 20(a) and FIG. 20(b) by using a first member 130 in which the +Z side surface is flat or expands in the +Z direction, it is possible to obtain the tactile sensation of a soft balloon such as bubble wrap.
  • FIG. 21 is a schematic diagram of a tactile sensation generating device according to Modification 1 of Example 5.
  • the vibrator 115 is shown in a side view, and the member 170 is shown in a cross section.
  • the second member 120 of the vibrator 115 is fitted into the member 170, and the first member 130 is surrounded by the member 170.
  • Member 170 is not in contact with first member 130.
  • the member 170 is made of resin that is softer than the first member 130. Vibration of the second member 120 is transmitted to the member 170 by the member 170 coming into contact with the second member 120 . This allows the member 170 to have a soft tactile sensation.
  • FIG. 22(a) is a sectional view of the first member of the vibrator in Example 6, and FIG. 22(b) is a sectional view of the second member of the vibrator in Example 6.
  • the first member 130 of the vibrator 115 in Example 6 is provided with a groove 133 on the +Z side surface.
  • the other configurations are the same as the first member of Example 5.
  • the second member 120 of the vibrator 115 in the sixth embodiment is larger than the second member in the fifth embodiment.
  • a hole 127b passing through the second member 120 in the Y direction is provided in the -Z direction of the recess 128.
  • the cross-sectional shape of the hole 127b is circular.
  • a screw hole 127a for screwing to the pedestal is provided on the -Z side surface of the second member 120.
  • the other configurations are the same as the first member of Example 5.
  • the shape and material of the casing 125 of the vibrator 115 can be selected as appropriate.
  • FIG. 23 is a schematic diagram of a tactile sensation generation device in Example 7. A portion of the haptic sensation generating device 204 is illustrated in cross section.
  • a joint member 172 is fixed to the base 160.
  • the joint member 172 has a cylindrical shape that is elongated in the vertical direction.
  • a screw hole 172a is provided on the upper surface of the joint member 172.
  • the member 174 has a cylindrical shape that is long in the vertical direction. Threaded portions 174a are provided on the upper and lower surfaces of the member 174.
  • the member 174 is fixed to the joint member 172 by screwing the threaded portion 174a into the screw hole 172a.
  • a hole 174b extending in the horizontal direction is formed in the member 174.
  • the vibrator 115 of the fifth embodiment is embedded and fixed in the hole 174b.
  • the drive device 162 supplies a modulated wave 166 between the first electrode 142 and the second electrode 144 of the piezoelectric elements 110a and 110b of the vibrator 115, as shown in FIG.
  • a soft tactile sensation can be obtained from the member 174 by gripping the member 174 in a horizontal direction.
  • the other configurations are the same as those of the fifth embodiment, and the explanation will be omitted.
  • member 170 or 174 is in contact with at least a portion of casing 125 (for example, second member 120 in Modified Example 1 of Embodiment 5), and the member 170 or 174 is in contact with at least a portion of casing 125.
  • Softer That is, the Young's modulus of the member 170 or 174 is smaller than the Young's modulus of the housing 125. As a result, vibrations are transmitted to the member 170 or 174 from the portion in contact with the housing 125. Touching member 170 or 174 provides a soft tactile sensation.
  • FIG. 24(a) is a plan view of the tactile sensation generating device in Example 7, and FIG. 24(b) is a sectional view taken along line AA in FIG. 24(a).
  • the extending directions of the long side and short side of the vibrator 115a in a plan view are respectively the X direction and the Y direction, and the normal direction of the top surface of the vibrator 115a is the Z direction.
  • the vibrator 115a has a rectangular planar shape (a rectangular shape in which the long side is much longer than the short side).
  • a member 176 covers and contacts the vibrator 115a.
  • the planar shape of the member 176 is also a rectangular shape.
  • Member 176 is softer than vibrator 115a.
  • the drive device 162 supplies a modulated wave 166 as shown in FIG. 19 to the vibrator 115a. As a result, vibration corresponding to the modulated wave 166 is generated in the vibrator 115a.
  • the vibration of the vibrator 115 is in the X direction as indicated by an arrow 156.
  • FIG. 25 is a cross-sectional view of the vibrator in Example 8.
  • the vibrator 115a is a piezoelectric element 110.
  • the piezoelectric element 110 includes a piezoelectric body 140 made up of a plurality of piezoelectric layers 141, a plurality of first electrodes 142, and a plurality of second electrodes 144.
  • the plurality of first electrodes 142 and the plurality of second electrodes 144 are provided alternately in the Z direction.
  • One piezoelectric layer 141 is sandwiched between one first electrode 142 and one second electrode 144 in the Z direction.
  • a first external electrode 143 to which the first electrode 142 is electrically connected is provided on the side surface of the piezoelectric body 140 on the ⁇ X side.
  • a second external electrode 145 is provided on the +X side side surface of the piezoelectric body 140 to which the second electrode 144 is electrically connected.
  • the planar shape of the piezoelectric element 110 is a long strip in the X direction
  • the piezoelectric element 140 moves as shown by the arrow 156. It expands and contracts in the X direction.
  • the vibration mode that expands and contracts in the plane direction by applying a voltage to the first electrode 142 and the second electrode 144 in this way is called a lateral displacement mode or d31 mode.
  • the vibrator 115a may be a piezoelectric element 110 that mainly vibrates in a lateral displacement mode. Further, the vibrator 115a may not include the housing 125 and the piezoelectric element 110 may be in direct contact with the member 176. A piezoelectric element that mainly vibrates in a longitudinal displacement mode may be in direct contact with the member 176. Further, the vibrator may be vibrated by a mechanism other than the piezoelectric element. These tactile sensation generating devices can also generate a soft tactile sensation.

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Abstract

振動発生装置は、圧電体層と、圧電体層を挟む第１電極および第２電極と、を備え、第１電極と第２電極との間に電圧を印加することで第１電極および第２電極が圧電体層を挟む方向に伸縮する圧電素子１０ａ、１０ｂと、圧電素子を前記方向において挟む第１部材３０および第２部材２０を備え、第１部材と第２部材とは圧電素子を前記方向に押圧し、第１部材は前記方向に圧電素子の伸縮に対応する音波を出力する筐体２５と、を備える。

Description

振動発生装置および触覚生成装置
　本発明は、振動発生装置および触覚生成装置に関する。
　電気信号を音波に変換するトランスデューサのように振動発生装置に圧電素子を用いることが知られている。超音波の生成に振動板を有するランジュバン型振動子を用いることが知られている。
　また、振動器の振動により触覚を生成する触覚生成装置の振動器において、振動器を矩形波により変調された変調波の振動を生成させることが知られている（例えば特許文献１）。
特開平８－３１４３６９号公報
　振動発生装置が振動板を有する場合、振動板を小さくすると出力が低下する。振動板を有さない構造では、小型化が可能となるが高出力化が難しい。このように、振動発生装置の小型化と高出力化を両立することが難しかった。
　または、触覚生成装置には、硬質な材料に柔らかい触覚を表現することが求められている。
　本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、小型化かつ高出力化すること、または、柔らかい触覚を表現することを目的とする。
　本発明は、圧電体層と、前記圧電体層を挟む第１電極および第２電極と、を備え、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加することで前記第１電極および前記第２電極が前記圧電体層を挟む方向に伸縮する圧電素子と、前記圧電素子を前記方向において挟む第１部材および第２部材を備え、前記第１部材と前記第２部材とは前記圧電素子を前記方向に押圧し、前記第１部材は前記方向に前記圧電素子の伸縮に対応する音波を出力する筐体と、を備える振動発生装置である。
　上記構成において、前記第１部材と前記第２部材とは、前記第１部材に設けられたねじ山と前記第２部材に設けられたねじ山とを嵌め合わせることにより前記圧電素子を押圧する構成とすることができる。
　上記構成において、前記第１部材と前記第２部材とが接合する第３部材を備え、前記第１部材に設けられたねじ山と前記第３部材に設けられたねじ山とを嵌め合わせ、かつ前記第２部材に設けられたねじ山と前記第３部材に設けられたねじ山とを嵌め合わせることにより、前記第１部材と前記第２部材とは、前記圧電素子を押圧する構成とすることができる。
　上記構成において、前記第１部材と前記圧電素子との間に設けられ、前記第１部材のヤング率および前記圧電体層のヤング率より大きなヤング率を有する第４部材と、前記第２部材と前記圧電素子との間に設けられ、前記第２部材のヤング率および前記圧電体層のヤング率より大きなヤング率を有する第５部材と、の少なくとも一方の部材を備える構成とすることができる。
　上記構成において、前記第１部材および前記第２部材が前記圧電素子を押圧する圧力は、５×１０５Ｐａ以上である構成とすることができる。
　上記構成において、前記圧電体層、前記第１電極および前記第２電極は各々複数設けられ、前記複数の第１電極および前記第２電極は前記方向において互い違いに設けられ、前記複数の圧電体層の１つは、前記複数の第１電極のうち１つと前記複数の第２電極のうち１つに前記方向において挟まれる構成とすることができる。
　上記構成において、前記第１部材は、前記方向の空間に前記音波を出力し、前記圧電素子に、前記電圧として前記筐体の共振周波数の０．８６倍以上かつ１．１４倍以下の周波数を有する搬送波を前記搬送波の周波数より低い周波数を有する信号波により振幅変調させた変調波が供給される構成とすることができる。
　上記構成において、前記信号波の周波数は７０Ｈｚ以上かつ１０００Ｈｚ以下である構成とすることができる。
　上記構成において、前記第１部材は、前記方向の空間に前記音波を出力し、前記圧電素子に、前記電圧として、前記筐体の共振周波数の０．８６倍以上かつ１．１４倍以下の周波数を有する第１搬送波を、５０Ｈｚ以上かつ３００Ｈｚ以下である周波数を有する第２搬送波を１Ｈｚ以上かつ６０Ｈｚ以下である周波数を有する信号波で振幅変調された第１変調波で、振幅変調された第２変調波を供給する構成とすることができる。
　上記構成において、前記第１部材の前記空間側の面は、中央部が前記圧電素子の方に凹む構成とすることができる。
　上記構成において、前記圧電素子に、前記電圧として前記変調波を供給する駆動装置を備える構成とすることができる。
　上記構成において、前記第１部材の前記方向における表面を被押当部材に押当てることで前記被押当部材から音波が発生するように、前記圧電素子に前記電圧が供給される構成とすることができる。
　上記構成において、前記第１部材の前記表面を前記被押当部材に押当てる押当部材と、前記圧電素子に前記電圧を供給する駆動装置と、
を備える構成とすることができる。
　本発明は、振動器と、前記振動器の共振周波数の０．８６倍以上かつ１．１４倍以下の周波数を有する搬送波を前記搬送波の周波数より低く１Ｈｚ以上かつ６０Ｈｚ以下の周波数を有し矩形波である信号波により振幅変調させ、変調度が５０％以上かつ１００％より小さい変調波を生成して、前記振動器に前記変調波を供給する駆動装置と、を備える触覚生成装置である。
　上記構成において、前記振動器は、圧電体層と、前記圧電体層を挟む第１電極および第２電極と、を備え、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加することで前記第１電極および前記第２電極が前記圧電体層を挟む方向に伸縮する圧電素子と、前記圧電素子を前記方向において挟む第１部材および第２部材を備え、前記第１部材と前記第２部材とは前記圧電素子を前記方向に押圧し、前記圧電素子の伸縮に対応する振動を出力する筐体と、を備える構成とすることができる。
　上記構成において、前記第１部材と前記第２部材とは、ねじを嵌め合わせることにより前記圧電素子を押圧する構成とすることができる。
　上記構成において、前記第１部材と前記圧電素子との間に設けられ、前記第１部材のヤング率および前記圧電体層のヤング率より大きなヤング率を有する第３部材と、前記第２部材と前記圧電素子との間に設けられ、前記第２部材のヤング率および前記圧電体層のヤング率より大きなヤング率を有する第４部材と、の少なくとも一方の部材を備える構成とすることができる。
　上記構成において、前記第１部材および前記第２部材が前記圧電素子を押圧する圧力は、５×１０５Ｐａ以上である構成とすることができる。
　上記構成において、前記圧電体層、前記第１電極および前記第２電極は各々複数設けられ、前記複数の第１電極および前記第２電極は前記方向において互い違いに設けられ、前記複数の圧電体層の１つは、前記複数の第１電極のうち１つと前記複数の第２電極のうち１つに前記方向において挟まれる構成とすることができる。
　上記構成において、前記筐体の少なくとも一部分に接し、前記少なくとも一部分から振動が伝達し、前記少なくとも一部分より柔らかい部材を備える構成とすることができる。
　上記構成において、前記変調度は９８％以下である構成とすることができる。
　上記構成において、前記信号波の周波数は３Ｈｚ以上かつ５０Ｈｚ以下である。
　本発明によれば、小型化かつ高出力化すること、または、柔らかい触覚を表現することができる。
図１（ａ）は、実施例１に係る振動発生素子の平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ－Ａ断面図である。 図２（ａ）は、実施例１における第２部材の平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ－Ａ断面図、図２（ｃ）は、第１部材の断面図である。 図３は、実施例１における圧電素子の断面図である。 図４は、実施例２に係る振動発生装置の模式図である。 図５は、実施例２において駆動装置が圧電素子に供給する変調波を示す図である。 図６（ａ）および図６（ｂ）は、実験１における第２部材の断面図である。 図７は、実施例２の変形例１において駆動装置が圧電素子に供給する変調波を示す図である。 図８は、実施例２の変形例２に係る振動発生装置の模式図である。 図９は、実施例３に係る振動発生装置の模式図である。 図１０（ａ）は、実施例３における押当部材の平面図、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のＡ－Ａ断面図である。 図１１は、実施例４に係る振動発生素子の断面図である。 図１２は、実施例４の変形例１に係る振動発生装置の模式図である。 図１３は、実験２における。Ｖｐ－ｐに対する振幅を示す図である。 図１４は、実施例４の変形例３に係る振動発生装置の模式図である。 図１５は、実施例５に係る触覚生成装置の模式図である。 図１６（ａ）は、実施例５における振動器の平面図、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）のＡ－Ａ断面図である。 図１７（ａ）は、実施例６における振動器の第２部材の平面図、図１７（ｂ）は、図１７（ａ）のＡ－Ａ断面図、図１７（ｃ）は、第１部材の断面図である。 図１８は、実施例５における圧電素子の断面図である。 図１９は、実施例５において駆動装置が圧電素子に供給する変調波を示す図である。 図２０（ａ）および図２０（ｂ）は、実施例５における第２部材の別の例を示す断面図である。 図２１は、実施例５の変形例１の触覚生成装置の模式図である。 図２２（ａ）は、実施例６における振動器の第１部材の断面図、図２２（ｂ）は、実施例６における振動器の第２部材の断面図である。 図２３は、実施例７における触覚生成装置の模式図である。 図２４（ａ）は、実施例８における触覚生成装置の平面図、図２４（ｂ）は、図２４（ａ）のＡ－Ａ断面図である。 図２５は、実施例８における振動器の断面図である。
　以下、図面を参照し実施例について説明する。
　振動子の機械振動のＱ値（Quality Factor）特性を向上させることにより、振動板を用いなくても振動発生装置の高出力化が可能となる。実施例１では、筐体の機械振動のＱ値を向上させることが可能な振動発生装置について説明する。
　図１（ａ）は、実施例１に係る振動発生素子の平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ－Ａ断面図である。図２（ａ）は、実施例１における第２部材の平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ－Ａ断面図、図２（ｃ）は、第１部材の断面図である。第１部材３０と第２部材２０が圧電素子１０ａおよび１０ｂを挟む方向をＺ方向、Ｚ方向に直交し、圧電素子１０ａおよび１０ｂの平面視における辺の延伸方向をＸ方向およびＹ方向とする。
　図１（ａ）から図２（ｃ）に示すように、実施例１の振動発生素子１００では、筐体２５は、第１部材３０および第２部材２０を備えている。第１部材３０と第２部材２０は接合されている。第２部材２０の＋Ｚ方向における面には、凹部２８が設けられている。凹部２８は、＋Ｚ側に設けられた第１部分２２と－Ｚ側に設けられた第２部分２４とを有する。第１部分２２の平面形状は略円形状であり、第２部分２４の平面形状は略矩形状である。第１部分２２の側面には、雌ねじとなるねじ山２６が形成されている。第２部分２４の側面には、ねじ山は形成されていない。凹部２８内には、－Ｚ側から支持部材１２ａ、圧電素子１０ａ、１０ｂおよび支持部材１２ｂが順に挿入されている。支持部材１２ａ、圧電素子１０ａ、１０ｂおよび支持部材１２ｂは第２部材２０には接合されておらず、移動自由である。
　第１部材３０は、＋Ｚ側に設けられた頭部３２と、－Ｚ側に設けられたねじ部３４を備えている。頭部３２の平面形状は略円形である。頭部３２の＋Ｚ側の面は、平面視における中央部が周縁部に対し－Ｚ方向に逆円錐状に凹む。ねじ部３４の側面には、雄ねじとなるねじ山３６が形成されている。第１部材３０のねじ部３４は、第２部材２０の凹部２８の第１部分２２に、ねじ山２６と３６とを嵌め合わせることにより接合される。ねじを締めることで、第２部材２０は、支持部材１２ａを介し圧電素子１０ａを矢印５０ａのように＋Ｚ方向に押圧する。第１部材３０は、支持部材１２ｂを介し圧電素子１０ｂを矢印５０ｂのように－Ｚ方向に押圧する。圧電素子１０ａおよび１０ｂを押圧する応力は例えば５×１０６Ｐａ以上である。
　第１部材３０および第２部材２０の材料は、例えば金属または樹脂である。支持部材１２ａおよび１２ｂの材料は、第１部材３０、第２部材２０、圧電素子１０ａおよび１０ｂよりヤング率の大きい材料であり、例えばステンレスまたはアルミニウムである。第１部材３０の頭部３２のＸ方向およびＹ方向の幅は一例として１０ｍｍ、頭部３２のＺ方向の高さは一例として２．５ｍｍ、頭部３２の＋Ｚ面の逆円錐状の頂点の凹み量は一例として１．５ｍｍ、ねじ部３４のＸ方向およびＹ方向の幅は一例として６ｍｍ、ねじ部３４のＺ方向の高さは一例として５ｍｍである。第２部材２０のＸ方向およびＹ方向の幅は一例として８ｍｍ、高さは一例として１５ｍｍ、凹部２８のＺ方向の深さは一例として１４ｍｍ、第１部分２２のＺ方向の深さは一例として６ｍｍ、第２部分２４のＸ方向およびＹ方向の幅は一例として４．５ｍｍである。第１部材３０、第２部材２０、支持部材１２ａおよび１２ｂの材料、形状および寸法は適宜設計できる。
　図３は、実施例１における圧電素子の断面図である。図３に示すように、圧電素子１０ａおよび１０ｂは、複数の圧電体層４１からなる圧電体４０、複数の第１電極４２および複数の第２電極４４を備えている。複数の圧電体層４１は、Ｚ方向に積層されている。圧電体層４１、第１電極４２および第２電極４４は、ＸＹ平面に広がる平板状である。複数の第１電極４２および複数の第２電極４４はＺ方向において互い違いに設けられている。１つの圧電体層４１は、Ｚ方向において１つの第１電極４２と１つの第２電極４４とに挟まれている。圧電体４０の－Ｘ側の側面に第１外部電極４３が設けられ、圧電体４０の＋Ｘ側の側面に第２外部電極４５が設けられている。複数の第１電極４２は第１外部電極４３に電気的に接続する。複数の第２電極４４は第２外部電極４５に電気的に接続する。第１外部電極４３と第２外部電極４５との間に電圧を印加することで、逆圧電効果により、圧電体４０は、矢印５２のようにＺ方向に伸縮する。このように、第１電極４２および第２電極４４に電圧を印加することで、第１電極４２および第２電極４４の積層方向に伸縮する振動モードを縦変位型モードまたはｄ３３モードという。
　圧電体４０は、第１領域４６、第２領域４７および第３領域４８を備えている。第１領域４６および第２領域４７は、Ｚ方向に交互に設けられている。第３領域４８は、Ｚ方向において最も外側の第１領域４６の外に設けられている。第１領域４６は、Ｚ方向において第１電極４２と第２電極４４とが一定間隔で交互に設けられた領域である。第１領域４６における圧電体層４１の積層数は一例として５０層である。第２領域４７および第３領域４８は、第１電極４２および第２電極４４が設けられていない領域である。第２領域４７は設けられていなくてもよい。第２領域４７を設けることで信頼性が向上する場合もある。
　圧電体層４１の材料としては、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、チタン酸バリウム系材料（ＢａＴｉＯ３、ＢａはＣａでもよく、ＴｉはＺｒでもよい）、チタン酸ビスマス系材料（ＢｉＴｉＯ３、Ｂｉの一部がＮａでもよい）、ニオブ酸アルカリ系材料（ＮａＮｂＯ３、ＮａはＬｉまたはＫでもよい）を用いることができる。第１電極４２、第２電極４４、第１外部電極４３および第２外部電極４５の材料としては、例えばＡｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、ＮｉおよびＡｕ等の金属を用いることができる。圧電素子１０ａおよび１０ｂは、表面に第１電極４２および第２電極４４が形成された圧電体シートを積層し、焼結することにより形成される焼結体からなるチップである。圧電素子１０ａおよび１０ｂは例えば直方体であり、圧電素子１０ａおよび１０ｂのＸ方向およびＹ方向の幅は一例として３．５ｍｍ、Ｚ方向の高さは一例として３ｍｍである。
　圧電素子１０ａおよび１０ｂにおける±Ｚ側の表面におけるＺ方向の変位量ΔＺ、圧電体層４１の積層数をＮ、第１電極４２と第２電極４４との間に印加される電圧をＶ、逆圧電定数に関連した定数をｄ３３すると、ΔＺ＝ｄ３３×Ｖ×Ｎである。よって、圧電体層４１の積層数Ｎを多くすることで変位量ΔＺが大きくなる。しかし、製造上の制約などにより、１つの圧電素子１０ａまたは１０ｂにおける積層数Ｎを多くすることができない場合がある。このような場合には、筐体２５内に圧電素子１０ａおよび１０ｂをＺ方向に積層することができる。これにより、圧電素子１０ａおよび１０ｂの合計の変位量を大きくできる。Ｚ方向に積層される圧電素子１０ａおよび１０ｂの個数は１個でもよいし３個以上でもよい。
　筐体２５が圧電素子１０ａおよび１０ｂを押圧することで、筐体２５が圧電素子１０ａおよび１０ｂを押圧しない場合に比べ、Ｑ値が向上する。このような現象は、圧電素子１０ａおよび１０ｂとして、横変位型モードの圧電素子を用いた場合には得られない現象であり、発明者らがはじめて発見した現象である。なお、横変位型モードとは、第１電極４２と第２電極４４の積層方向に対し圧電素子１０ａおよび１０ｂの振動方向が直交するモードである。圧電素子１０ａおよび１０ｂの押圧の有無に対し、共振周波数があまり変動していない。これは、支持部材１２ａを設けたためと考えられる。
　実施例１によれば、図３のように、Ｚ方向において第１電極４２と第２電極４４とが圧電体層４１を挟み、第１電極４２と第２電極４４との間に電圧を印加することでＺ方向に伸縮する圧電素子１０ａおよび１０ｂを用いる。図１（ｂ）のように、第１部材３０と第２部材２０とは圧電素子１０ａをＺ方向に押圧し、第１部材３０はＺ方向に圧電素子１０ａおよび１０ｂの伸縮に対応する音波を出力する。このように、縦変位型の圧電素子１０ａおよび１０ｂを筐体２５が押圧することで、筐体２５の機械振動のＱ値が向上する。よって、振動板を有さない小型の振動発生装置においても高出力化が可能となる。
　第１部材３０と第２部材２０とは、ねじ山２６と３６とを嵌め合わせることにより圧電素子１０ａおよび１０ｂを押圧する。これにより、大きい力で安定的に圧電素子１０ａおよび１０ｂを押圧できる。また、圧電素子１０ａおよび１０ｂに加わる圧力のばらつきを抑制できる。よって、共振周波数のばらつき等を抑制できる。一例として、複数の構造を作製したところ、共振周波数のばらつきは６００Ｈｚ以下であった。圧電素子１０ａおよび１０ｂを押圧する機構はねじの嵌め合わせ以外でもよい。
　実施例１において、第１部材３０のねじ山３６の呼び径ｄ（最大径）が６ｍｍのとき、トルクレンチを用い第１部材３０の締め付けトルクＴを測定すると約０．１Ｎ・ｍであった。第１部材３０が圧電素子１０ｂを押す力ＦはＴ／（ｋ×ｄ）であり、トルク係数ｋを０．２とすると、Ｆ＝８３Ｎである。圧電素子１０ａおよび１０ｂのＸＹ平面の面積は３．５ｍｍ×３．５ｍｍである。よって、第１部材３０が圧電素子１０ｂを押圧する圧力は６．８×１０６Ｐａである。筐体２５の機械振動のＱ値を向上させる効果は、圧力が６．８×１０６Ｐａの１／１０程度でも生じると考えられる。よって、第１部材３０および第２部材２０が圧電素子１０ａおよび１０ｂを押圧する圧力は、５×１０５Ｐａ以上が好ましく、１×１０６Ｐａ以上がより好ましく、２×１０６Ｐａ以上がさらに好ましい。第１部材３０および第２部材２０が圧電素子１０ａおよび１０ｂを押圧する圧力は、圧電素子１０ａおよび１０ｂが破戒される圧力以下とする。
　第１部材３０と圧電素子１０ｂとの間に支持部材１２ｂ（第４部材）を設け、第２部材２０と圧電素子１０ａとの間に支持部材１２ａ（第５部材）を設ける。支持部材１２ａおよび１２ｂの少なくとも一方が設けられていればよい。圧電体４０としてＰＺＴを用いた場合、ＰＺＴのヤング率は約６０ＧＰａである。筐体２５として樹脂を用いた場合には、樹脂のヤング率は１０ＧＰａ以下である。これに対し、支持部材１２ａおよび１２ｂとしてステンレスを用いた場合、ステンレスのヤング率は約１２０ＧＰａである。また、アルミニウムのヤング率は約７０ＧＰａである。このように、支持部材１２ｂのヤング率は、圧電体４０のヤング率および第１部材３０のヤング率より大きく、支持部材１２ｂのヤング率は、圧電体４０のヤング率および第２部材２０のヤング率より大きい。支持部材１２ａおよび１２ｂを設けることで、圧電素子１０ａおよび１０ｂに荷重が加わり、振動の伝達を強化することができる。よって、筐体２５の共振周波数が押圧により変動することが抑えられ、かつＱ値がより向上する。支持部材１２ａおよび１２ｂの少なくとも一方が設けられていればよい。支持部材１２ｂおよび１２ａのヤング率は、圧電体４０のヤング率並びにそれぞれ第１部材３０および第２部材２０のヤング率の１．２倍以上が好ましく、１．５倍以上がより好ましい。
　図３のように、圧電素子１０ａおよび１０ｂにおいて、複数の第１電極４２および複数の第２電極４４はＺ方向において互い違いに設けられ、複数の圧電体層４１の１つは、複数の第１電極４２のうち１つと複数の第２電極４４のうち１つにＺ方向において挟まれる。このような構造により、Ｚ方向の変位量をより大きくでき、振動発生装置の特性をより向上できる。
　実施例２は、実施例１の振動発生素子１００を空間触覚用の振動発生装置に用いる例である。図４は、実施例２に係る振動発生装置の模式図である。
　図４に示すように、実施例２の振動発生装置１０１では、台座６０上に実施例１の振動発生素子１００の筐体２５が固定されている。台座６０は、金属板のように剛性を有する。駆動装置６２は、筐体２５内の圧電素子１０ａおよび１０ｂの第１外部電極４３と第２外部電極４５の間に電圧を供給する。第１部材３０からＺ方向に音波５４が放出される。第１部材３０の＋Ｚ方向に人体の一部（例えば指または手のひら）をかざすと、音波５４により触覚が得られる。
　図５は、実施例２において駆動装置が圧電素子に供給する変調波を示す図である。図５における横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示している。図５に示すように、周期Ｔ１（周波数ｆ１）の信号は搬送波６４である。変調波６６の包絡線６５は信号波に対応する。信号波は周期Ｔ２（周波数ｆ２）である。搬送波６４としては正弦波を用いるが、図の簡略化のため搬送波６４として三角波を図示している。また、周期Ｔ１は周期Ｔ２に比べ非常に小さいが、理解しやすいように図５では周期Ｔ１を大きく図示している。変調波６６では、搬送波６４が信号波により振幅変調されている。図５の例では、搬送波６４および信号波ともに正弦波である。信号波は正弦波以外の矩形波、三角波またはのこぎり波等でもよい。
　搬送波６４の周波数ｆ１は、例えば筐体２５の共振周波数である。共振周波数は、基本波でもよいし高調波でもよい。信号波の周波数ｆ２は、人体の皮膚の受容器であるパチニ小体が敏感に感じる周波数である。このような周波数として例えば７０Ｈｚ以上かつ１０００Ｈｚ以下である。パチニ小体等が敏感に感じる周波数は２５０Ｈｚである。
　変調波６６における包絡線６５の最も大きい振幅をＡ１、包絡線の最も小さい振幅をＡ２としたとき、変調度ＭをＭ＝（Ａ１－Ａ２）／（Ａ１＋Ａ２）と定義する。変調波６６の変調度Ｍは例えば５０％以上かつ１００％以下であり、８０％以上かつ１００％以下である。
［実験１］
　第２部材２０の形状を変え、空中触覚を調査した。
　実験した各部材の材料は以下である。
　圧電素子１０ａおよび１０ｂ
　圧電体４０の材料はＰＺＴ
　Ｘ方向およびＹ方向の幅:３．５ｍｍ
　Ｚ方向の高さ：３ｍｍ
　第１領域４６における圧電体層４１の積層数：５０
　第１領域４６の個数：３個
　支持部材１２ａの材料：ステンレス
　第１部材３０の材料：アクリル樹脂
　第２部材２０の材料：アクリル樹脂
　図２（ｃ）の第２部材を部材Ａとした。図６（ａ）および図６（ｂ）は、実験１における第２部材の断面図である。図６（ａ）に示すように、部材Ｂでは、頭部３２の＋Ｚ側の面は、平坦である。図６（ｂ）に示すように、部材Ｃでは、頭部３２の＋Ｚ側の面の周縁部が－Ｚ方向に傾斜している。
　第１部材３０、第２部材２０、支持部材１２ａおよび１２ｂの材料、並びに圧電素子１０ａおよび１０ｂの構成は、実験１と同じである。第１部材３０の頭部３２のＸ方向およびＹ方向の幅は１０ｍｍ、頭部３２のＺ方向の高さ２．５ｍｍ、頭部３２の＋Ｚ面の逆円錐状の頂点の凹み量は１．５ｍｍ、ねじ部３４のＸ方向およびＹ方向の幅は６ｍｍ、ねじ部３４のＺ方向の高さは５ｍｍである。第２部材２０のＸ方向およびＹ方向の幅は８ｍｍ、高さは１５ｍｍ、凹部２８のＺ方向の深さは１４ｍｍ、第１部分２２のＺ方向の深さは６ｍｍ、第２部分２４のＸ方向およびＹ方向の幅は４．５ｍｍである。
　表１は、実験１におけるサンプルＡ～Ｃの実験条件および結果を示す表である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１において、サンプルＡ～Ｃは、第１部材３０として、部材Ａ～Ｃを用いたサンプルである。「Ｖｐ－ｐ」は、図５の振幅Ａ１に相当する。「搬送波」は、搬送波６４の周波数であり、筐体２５の共振周波数（第２高調波）である。「信号波」は信号波の周波数である。変調度Ｍはいずれのサンプルにおいても１００％である。「Ｄ１」は、図４において、音圧レベルが８５ｄＢとなる第１部材３０から＋Ｚ方向の距離Ｄ１である。「触覚」は、第１部材３０の＋Ｚ方向に手をかざしたときに触覚が得られるかを調べた結果である。「１」は触覚が得られ、「２」は多少触覚が得られ、「３」はあまり触覚が得られなかったことを示している。
　表１に示すように、サンプルＡ～ＣにおいてＶｐ－ｐはほぼ同じ、搬送波の周波数はほぼ同じである。信号波の周波数はパチニ小体が最も敏感に感じる周波数である。サンプルＡは、サンプルＢおよびＣに比べ、距離Ｄ１が最も大きく、かつ最も触覚が得られた。サンプルＢとＣとでは、距離Ｄ１はほぼ同じであるが、触覚はサンプルＣの方が大きい。以上のように、サンプルＡが最も触覚が得られることがわかった。また、サンプルＡ～Ｃのいずれにおいても空中触覚が得られることがわかった。
　表２は、市販されている圧電素子を用いた実験条件と結果を示す表である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　表２において、サンプルＤおよびＥは、市販されている横変位型モードの圧電素子と円盤状の振動版を用い、圧電素子に部材Ａのような音波を放出する部材を設けている。サンプルＤおよびＥにおける圧電素子の平面形状は円形であり、直径はそれぞれ１０ｍｍおよび１５ｍｍである。このように、サンプルＤおよびＥは圧電素子が大きい。「Ｄ１」は、音圧レベルが８０ｄＢにおける距離Ｄ１である。
　表２に示すように、サンプルＤおよびＥでは、判定する音圧レベルが表１より低いため厳密な比較はできないものの、サンプルＤおよびＥの距離Ｄ１はサンプルＡと同程度である。サンプルＤおよびＥの圧電素子の平面面積がサンプルＡの５倍以上である。このように、サンプルＡは、振動板を用いることなく、サンプルＤおよびＥより小さな圧電素子１０ａおよび１０ｂを用い、サンプルＤおよびＥと同程度の空中触覚を得ることができる。このように、サンプルＡでは、小型化かつ高出力化が可能となる。
　実施例２によれば、図４のように、実施例１の振動発生装置を用い、第１部材３０がＺ方向の空間に音波を出力する構造とする。図５のように、圧電素子１０ａおよび１０ｂに、電圧として筐体２５の共振周波数の周波数を有する搬送波６４を、搬送波６４の周波数より低い周波数を有する信号波により振幅変調させた変調波６６が供給される。これにより、振動板を用いないため小型化が可能な振動発生素子１００を用い空間に高出力の音波を出力できるため、空中触覚を大きくできる。
　搬送波６４の周波数を共振周波数の０．８６倍以上かつ１．１４倍以下の範囲とすると空中触覚が得られる。搬送波６４の周波数は共振周波数の０．９倍以上かつ１．１倍以下がより好ましい。なお、共振周波数は基本波モードの共振周波数でもよいし、高調波モードの共振周波数でもよい。搬送波６４の周波数は、例えば２０ｋＨｚ以上かつ１１０ｋＨｚ以下であり、３０ｋＨｚ以上かつ９０ｋＨｚ以下である。
　信号波の周波数は、パチニ小体が感じるため、７０Ｈｚ以上かつ１０００Ｈｚ以下が好ましく、１１０Ｈｚ以上かつ３００Ｈｚ以下がより好ましい。変調度Ｍは、５０％以上が好ましく、８０％以上がより好ましい。
　サンプルＡのように、第１部材３０の空間側（＋Ｚ側）の面は、中央部が圧電素子１０ｂの方に凹む。これにより、表１のように、空中触覚をより大きくできる。第１部材３０の凹みの断面形状は、サンプルＡのように、中央を頂点とする三角形でもよいし、中央を頂点とする放物線等の曲線でもよい。頭部３２の＋Ｚ面の最大の凹み量は頭部３２の幅の１／１０倍以上かつ１／２倍以下が好ましい。
［実施例２の変形例１］
　図７は、実施例２の変形例１において駆動装置が圧電素子に供給する変調波を示す図である。図７における横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示している。実施例２の変形例１では、周期Ｔ２（周波数ｆ２）の第２搬送波を周期Ｔ３（周波数ｆ３）の信号波により振幅変調し第１変調波を生成する。周期Ｔ１（周波数ｆ１）の第１搬送波を、振幅変調された第１変調波により振幅変調し第２変調波６６とする。包絡線６５ａは、信号波と第２搬送波が重畳された波形となる。第１搬送波６４の周波数ｆ１は、筐体２５の共振周波数（例えば共振周波数の０．８６倍以上かつ１．１４倍以下）であり、例えば２０ｋＨｚ～１１０ｋＨｚである。第２搬送波の周波数ｆ２は、パチニ小体に敏感な周波数であり、例えば５０Ｈｚ～３００Ｈｚである。信号波の周波数ｆ３は、人体の皮膚の受容器であるマイスナー小体に敏感な周波数であり、例えば１Ｈｚ～６０Ｈｚである。その他の構成は実施例２と同じであり説明を省略する。
　このように、実施例２の変形例１では、第２搬送波として、パチニ小体に敏感な周波数を有する信号を用い、信号波としてマイスナー小体に敏感な周波数を有する信号を用いる。例えば周波数ｆ１を変えることで、異なる空中触覚を得ることができる。例えば周波数ｆ２を３Ｈｚとすると、パチパチといった触覚が得られ、周波数ｆ２を３０Ｈｚとすると、ズィーンといった触覚が得られる。
［実施例２の変形例２］
　実施例２の変形例２は、実施例１の振動発生素子１００を複数設ける例である。図８は、実施例２の変形例２に係る振動発生装置の模式図である。図８示すように、実施例２の変形例２の振動発生装置１０２では、台座６０上に実施例１の複数の振動発生素子１００が固定されている。駆動装置６２は、変調波を複数の振動発生素子１００に出力する。複数の振動発生素子１００は、第１部材３０からＺ方向に音波５４を放出する。複数の振動発生素子１００の第１部材３０の＋Ｚ方向に人体の一部をかざすと、複数の音波５４により触覚がより得られる。駆動装置６２は、同じ波形の変調波を複数の振動発生素子１００に出力してもよいし、異なる波形の変調波を複数の振動発生素子１００に出力してもよい。振動発生素子１００の個数は、適宜設定できる。その他の構成は実施例２と同じであり説明を省略する。
　実施例３は、実施例１の振動発生素子１００をスピーカ等の振動発生装置に用いる例である。図９は、実施例３に係る振動発生装置の模式図である。図９では、図１（ｂ）の＋Ｚ方向は鉛直方向である。
　図９に示すように、実施例３の振動発生装置１０３では、実施例１の振動発生素子１００は、第１部材３０が下になり第２部材２０が上になるように、被押当部材７２に設けられている。第２部材２０上には押当部材７０が設けられている。押当部材７０は荷重の大きい錘であり、矢印５６のように、第２部材２０を被押当部材７２に押し当てる。駆動装置６２は、振動発生素子１００に、被押当部材７２が放出する音声に相当する波形を有する電圧を供給する。
　図１０（ａ）は、実施例３における押当部材を＋Ｚ方向から見た平面図、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のＡ－Ａ断面図である。図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示すように、押当部材７０は中央部に開口７５を有するドーナツ形状であり、＋Ｚ側の面に３つの凹部７４を有する。３つの凹部７４は、押当部材７０の平面形状の中心に対し回転対称に設けられている。凹部７４には、図９における振動発生素子１００の第２部材２０が挿入される。凹部７４のうち少なくとも１つに振動発生素子１００の第２部材２０が挿入されていればよい。振動発生素子１００が挿入されない凹部７４には、振動発生素子１００と同じ高さのダミー部材が挿入される。押当部材７０は、例えばアルミニウムまたはステンレスのような金属または絶縁体である。押当部材７０は、硬くかつ重いことが好ましい。押当部材７０の形状は任意に設定できる。
　振動発生素子１００は実施例１の振動発生素子１００と同じでよいが、第１部材３０は、振動を被押当部材７２に伝達しやすい材料および形状を有することが好ましい。このため、第１部材３０は、硬い（ヤング率の高い）材料を用いることが好ましい。また、第１部材３０は、図６（ａ）の部材Ｂのように＋Ｚ面が平坦であることが好ましく、頭部３２のＸ方向およびＹ方向の幅は第２部材２０のＸ方向およびＹ方向の幅より大きいことが好ましい。
　被押当部材７２は、例えばガラスまたは金属のように硬い材料からなり、例えばテーブルの天板である。
　実施例３によれば、押当部材７０は、第１部材３０の＋Ｚ方向における表面を被押当部材７２に押当てることで被押当部材７２から音波が発生するように、振動発生素子１００の圧電素子１０ａに電圧が供給される。これにより、第１部材３０から被押当部材７２に振動が伝搬し、被押当部材７２から音声が放出される。実施例１の振動発生素子１００は機械振動のＱ値が高いことから、被押当部材７２から放出される音声はシャープで音質のよい音声となる。
　押当部材７０として錘を例に説明したが、振動発生素子１００の第１部材３０を被押当部材７２に押し当てる部材であればよい。
　図１１は、実施例４に係る振動発生素子の断面図である。図１１に示すように、実施例４の振動発生素子１０４では、筐体２５ａは、第１部材３０ａ、第２部材３０ｂ、および第１部材３０ａと第２部材３０ｂとが接合する第３部材２０ａを有している。貫通孔２８ａが第３部材２０ａをＺ方向に貫通している。貫通孔２８ａのＺ方向における中央部は第３部分２４ａである、貫通孔２８ａのうち部分２４ａの－Ｚ側は部分２２ａであり、部分２４ａの＋Ｚ側は部分２２ｂである。部分２２ａおよび２２ｂの側面には雌ねじとなるねじ山が設けられている。
　第１部材３０ａおよび第２部材３０ｂは、頭部３２とねじ部３４とを有する。ねじ部３４の側面には雄ねじとなるねじ山が設けられている。貫通孔２８ａ内には、－Ｚ側から支持部材１２ａ、圧電素子１０ａ、１０ｂおよび支持部材１２ｂが順に挿入されている。第１部材３０ａのねじ部３４は、第３部材２０ａの貫通孔２８ａの第１部分２２ａに、ねじ山を嵌め合わせることにより接合される。第２部材３０ｂのねじ部３４は、第３部材２０ａの貫通孔２８ａの第２部分２２ｂに、ねじ山を嵌め合わせることにより接合される。これにより、第１部材３０ａは、支持部材１２ａを介し圧電素子１０ａを矢印５０ａのように＋Ｚ方向に押圧し、第２部材３０ｂは、支持部材１２ｂを介し圧電素子１０ｂを矢印５０ｂのように－Ｚ方向に押圧する。このように、第１部材３０ａと第３部材２０ａとがねじを嵌め合わせ、かつ第２部材３０ｂと第３部材２０ａとがねじを嵌め合わせることにより、第１部材３０ａと第２部材３０ｂとは、圧電素子１０ａおよび１０ｂをＺ方向における両側から押圧する。これにより、圧電素子１０ａおよび１０ｂのＺ方向の振動をより増強して伝達することができる。
　第１部材３０ａおよび第２部材３０ｂの材料は、振動の伝達特性を向上させるため、ヤング率が高い材料が好ましく、例えばステンレスである。第１部材３０ａおよび第２部材３０ｂのヤング率は、圧電体４０のヤング率より高いことが好ましく、圧電体４０のヤング率の１．２倍以上が好ましく、１．５倍以上がより好ましい。第１部材３０ａのねじの締める方向と第２部材３０ｂのねじの締める方向とは対称（例えば右ねじと左ねじ）であることが好ましい。これにより、第１部材３０ａおよび第２部材３０ｂの緩みを抑制できる。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。
［実施例４の変形例１］
　実施例４の変形例１は、実施例４の振動発生素子１０４をスピーカ等の振動発生装置に用いる例である。図１２は、実施例４の変形例１に係る振動発生装置の模式図である。
　図１２に示すように、実施例４の変形例１の振動発生装置１０５では、実施例４の振動発生素子１０４の第２部材３０ｂが被押当部材７２に接し、第１部材３０ａが押当部材７０に接している。押当部材７０は荷重の大きい錘であり、矢印５６のように、第２部材３０ｂを被押当部材７２に押し当てる。駆動装置６２は、振動発生素子１０４に、被押当部材７２が放出する音声に相当する波形を有する電圧を供給する。
［実験２］
　被押当部材７２の上面における振動発生素子から一定の距離の箇所における振動の振幅を測定した。
条件Ｆ：実施例１の振動発生素子１００、押当部材７０を設けない
条件Ｇ：実施例４の振動発生素子１０４、押当部材７０を設けない
条件Ｈ：実施例４の振動発生素子１０４、押当部材７０を設ける
　第１部材３０ａおよび第２部材３０ｂは図６（ａ）の部材Ｂの形状であり、材料はステンレス（ＳＵＳ４０１：ヤング率が約２００ＧＰａ）である。被押当部材７２および押当部材７０の材料はステンレスである。押当部材７０の重さは約２００ｇである。その他の各部材の材料および寸法は実施例１と同じである。駆動装置６２が圧電素子１０ａおよび１０ｂに供給する電圧は、周波数が２５０Ｈｚの正弦波である。
　図１３は、実験２におけるＶｐ－ｐに対する振幅を示す図である。横軸のＶｐ－ｐは、２５０Ｈｚの信号の振幅に相当し、振幅は被押当部材７２の上面における振動の振幅を示す。図１３に示すように、各条件Ｆ～Ｈともに、Ｖｐ－ｐを大きくすると振幅が大きくなる。条件Ｇでは、条件Ｆに比べ同じＶｐ－ｐにおける振幅が大きくなる。Ｖｐ－ｐが約２２Ｖでは、条件Ｇの振幅は訳２．１μｍである。条件Ｈでは、条件Ｇに比べ同じＶｐ－ｐにおける振幅が大きくなる。Ｖｐ－ｐが約２２Ｖでは、条件Ｈの振幅は訳２．５μｍである。実験２のように、振動発生素子１０４は、振動発生素子１００より高出力化が可能となる。また、押当部材７０を設けることで、高出力化が可能となる。
［実施例４の変形例２］
　実施例３の図９における振動発生素子１００の代わりに実施例４の振動発生素子１０４を用い、被押当部材７２をガラス板として、押当部材７０として、図１０（ａ）および図１０（ｂ）の押当部材７０を用いた。押当部材７０の重さは約１ｋｇである。低音域および中音域を市販の電磁スピーカにより再生し、高音域の再生に実施例４の変形例２の振動発生装置を用いた。音響システムにおいて、鳥の囀りおよびサックスの楽曲について、再生の全帯域において再生が可能であり、クリアーな音響の再生が可能であった。
［実施例４の変形例３］
　図１４は、実施例４の変形例３に係る振動発生装置の模式図である。図１４に示すように、実施例４の変形例３の振動発生装置１０６では、板材７６に貫通孔７６ａが設けられ、貫通孔７６ａ内に実施例４の振動発生素子１０４が埋め込まれている。板材７６の一方の面から第１部材３０ａが突出し、板材７６の他方の面から第２部材３０ｂが突出する。駆動装置６２が振動発生素子１０４に、図５のような電圧を供給する。これにより、矢印５４ａおよび５４ｂのように、板材７６の両方向に音波を放出することが可能となる。振動発生素子１０４を用いることで、空中触覚を大きくできる。また、２つの方向に音波を放出することができる。
　実施例１から４およびその変形例において、第１部材３０、３０ａおよび第２部材３０ｂの材料は、超音波を発生させる振動発生装置では、アクリル樹脂のように軽い材料（例えば樹脂）が好ましく、可聴域の音声を発生させる振動発生装置では、ステンレスのように重い材料（例えば金属）が好ましい。
　柔軟な触覚が得られる触覚生成装置について説明する。図１５は、実施例５に係る触覚生成装置の模式図である。台座１６０の上面の法線方向をＺ方向、Ｚ方向に直交する方向をＸ方向およびＹ方向とする。
　図１５に示すように、実施例５の触覚生成装置２００では、台座１６０上に振動器１１５が設けられている。振動器１１５は主にＺ方向に振動する。振動器１１５は、第１部材１３０と第２部材１２０とが接合された筐体１２５を備えている。駆動装置１６２は、振動器１１５に電圧を印加することにより振動器１１５を振動させる。
　図１６（ａ）は、実施例５における振動器の平面図、図１６（ｂ）は、図１６（ａ）のＡ－Ａ断面図である。図１７（ａ）は、実施例６における振動器の第２部材の平面図、図１７（ｂ）は、図１７（ａ）のＡ－Ａ断面図、図１７（ｃ）は、第１部材の断面図である。第１部材１３０と第２部材１２０が圧電素子１１０ａおよび１１０ｂを挟む方向をＺ方向、Ｚ方向に直交し、圧電素子１１０ａおよび１１０ｂの平面視における辺の延伸方向をＸ方向およびＹ方向とする。
　図１６（ａ）から図１７（ｃ）に示すように、実施例５の触覚生成装置２００の振動器１１５では、筐体１２５は、第１部材１３０および第２部材１２０を備えている。第１部材１３０と第２部材１２０は接合されている。第２部材１２０の＋Ｚ方向における面には、凹部１２８が設けられている。凹部１２８は、＋Ｚ側に設けられた第１部分１２２と－Ｚ側に設けられた第２部分１２４とを有する。第１部分１２２の平面形状は略円形状であり、第２部分１２４の平面形状は略矩形状である。第１部分１２２の側面には、雌ねじとなるねじ山１２６が形成されている。第２部分１２４の側面には、ねじ山は形成されていない。凹部１２８内には、－Ｚ側から支持部材１１２ａ、圧電素子１１０ａ、１１０ｂおよび支持部材１１２ｂが順に挿入されている。支持部材１１２ａ、圧電素子１１０ａ、１１０ｂおよび支持部材１１２ｂは第２部材１２０には接合されておらず、移動自由である。
　第１部材１３０は、＋Ｚ側に設けられた頭部１３２と、－Ｚ側に設けられたねじ部１３４を備えている。頭部１３２の平面形状は略円形である。頭部１３２の＋Ｚ側の面は、平面視における中央部が周縁部に対し－Ｚ方向に逆円錐状に凹む。ねじ部１３４の側面には、雄ねじとなるねじ山１３６が形成されている。第１部材１３０のねじ部１３４は、第２部材１２０の凹部１２８の第１部分１２２に、ねじ山１２６と１３６とを嵌め合わせることにより接合される。ねじを締めることで、第２部材１２０は、支持部材１１２ａを介し圧電素子１１０ａを矢印１５０ａのように＋Ｚ方向に押圧する。第１部材１３０は、支持部材１１２ｂを介し圧電素子１１０ｂを矢印１５０ｂのように－Ｚ方向に押圧する。圧電素子１１０ａおよび１１０ｂを押圧する応力は例えば５×１０６Ｐａ以上である。
　第１部材１３０および第２部材１２０の材料は、例えば金属または樹脂である。支持部材１１２ａおよび１１２ｂの材料は、第１部材１３０、第２部材１２０、圧電素子１１０ａおよび１１０ｂよりヤング率の大きい材料であり、例えばステンレスである。第１部材１３０の頭部１３２のＸ方向およびＹ方向の幅は一例として１０ｍｍ、頭部１３２のＺ方向の高さは一例として２．５ｍｍ、頭部１３２の＋Ｚ面の逆円錐状の頂点の凹み量は一例として１．５ｍｍ、ねじ部１３４のＸ方向およびＹ方向の幅は一例として６ｍｍ、ねじ部１３４のＺ方向の高さは一例として５ｍｍである。第２部材１２０のＸ方向およびＹ方向の幅は一例として８ｍｍ、高さは一例として１５ｍｍ、凹部１２８のＺ方向の深さは一例として１４ｍｍ、第１部分１２２のＺ方向の深さは一例として６ｍｍ、第２部分１２４のＸ方向およびＹ方向の幅は一例として４．５ｍｍである。第１部材１３０、第２部材１２０、支持部材１１２ａおよび１１２ｂの材料、形状および寸法は適宜設計できる。
　図１８は、実施例５における圧電素子の断面図である。図１８に示すように、圧電素子１１０ａおよび１１０ｂは、複数の圧電体層１４１からなる圧電体１４０、複数の第１電極１４２および複数の第２電極１４４を備えている。複数の圧電体層１４１は、Ｚ方向に積層されている。圧電体層１４１、第１電極１４２および第２電極１４４は、ＸＹ平面に広がる平板状である。複数の第１電極１４２および複数の第２電極１４４はＺ方向において互い違いに設けられている。１つの圧電体層１４１は、Ｚ方向において１つの第１電極１４２と１つの第２電極１４４とに挟まれている。圧電体１４０の－Ｘ側の側面に第１外部電極１４３が設けられ、圧電体１４０の＋Ｘ側の側面に第２外部電極１４５が設けられている。複数の第１電極１４２は第１外部電極１４３に電気的に接続する。複数の第２電極１４４は第２外部電極１４５に電気的に接続する。第１外部電極１４３と第２外部電極１４５との間に電圧を印加することで、逆圧電効果により、圧電体１４０は、矢印１５２のようにＺ方向に伸縮する。このように、第１電極１４２および第２電極１４４に電圧を印加することで、第１電極１４２および第２電極１４４の積層方向に伸縮する振動モードを縦変位型モードまたはｄ３３モードという。
　圧電体１４０は、第１領域１４６、第２領域１４７および第３領域１４８を備えている。第１領域１４６および第２領域１４７は、Ｚ方向に交互に設けられている。第３領域１４８は、Ｚ方向において最も外側の第１領域１４６の外に設けられている。第１領域１４６は、Ｚ方向において第１電極１４２と第２電極１４４とが一定間隔で交互に設けられた領域である。第１領域１４６における圧電体層１４１の積層数は一例として５０層である。第２領域１４７および第３領域１４８は、第１電極１４２および第２電極１４４が設けられていない領域である。第２領域１４７は設けられていなくてもよい。第２領域１４７を設けることで信頼性が向上する場合もある。
　圧電体層１４１の材料としては、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、チタン酸バリウム系材料（ＢａＴｉＯ３、ＢａはＣａでもよく、ＴｉはＺｒでもよい）、チタン酸ビスマス系材料（ＢｉＴｉＯ３、Ｂｉの一部がＮａでもよい）、ニオブ酸アルカリ系材料（ＮａＮｂＯ３、ＮａはＬｉまたはＫでもよい）を用いることができる。第１電極１４２、第２電極１４４、第１外部電極１４３および第２外部電極１４５の材料としては、例えばＡｇ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｃｕ、ＮｉおよびＡｕ等の金属を用いることができる。圧電素子１１０ａおよび１１０ｂは、表面に第１電極１４２および第２電極１４４が形成された圧電体シートを積層し、焼結することにより形成される焼結体からなるチップである。圧電素子１１０ａおよび１１０ｂは例えば直方体であり、圧電素子１１０ａおよび１１０ｂのＸ方向およびＹ方向の幅は一例として３．５ｍｍ、Ｚ方向の高さは一例として３ｍｍである。
　圧電素子１１０ａおよび１１０ｂにおける±Ｚ側の表面におけるＺ方向の変位量ΔＺ、圧電体層１４１の積層数をＮ、第１電極１４２と第２電極１４４との間に印加される電圧をＶ、逆圧電定数に関連した定数をｄ３３すると、ΔＺ＝ｄ３３×Ｖ×Ｎである。よって、圧電体層１４１の積層数Ｎを多くすることで変位量ΔＺが大きくなる。しかし、製造上の制約などにより、１つの圧電素子１１０ａまたは１１０ｂにおける積層数Ｎを多くすることができない場合がある。このような場合には、筐体１２５内に圧電素子１１０ａおよび１１０ｂをＺ方向に積層することができる。これにより、圧電素子１１０ａおよび１１０ｂの合計の変位量を大きくできる。Ｚ方向に積層される圧電素子１１０ａおよび１１０ｂの個数は１個でもよいし３個以上でもよい。
　図１９は、実施例５において駆動装置が圧電素子に供給する変調波を示す図である。図１９における横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示している。搬送波の周期Ｔ１（周波数ｆ１）の信号は搬送波１６４である。変調波１６６の包絡線１６５は信号波に対応する。信号波は周期Ｔ２（周波数ｆ２）である。搬送波１６４としては正弦波を用いるが、図の簡略化のため搬送波１６４として三角波を図示している。また、周期Ｔ１は周期Ｔ２に比べ非常に小さいが、理解しやすいように図１９では周期Ｔ１を大きく図示している。変調波１６６では、搬送波１６４が信号波により振幅変調されている。搬送波１６４は正弦波であり、信号波は矩形波である。
　搬送波１６４の周波数ｆ１は、例えば筐体１２５の共振周波数である。共振周波数は、基本波でもよいし高調波でもよい。信号波の周波数ｆ２は、人体の皮膚の受容器であるマイスナー小体が敏感に感じる周波数である。このような周波数として例えば１Ｈｚ以上かつ６０Ｈｚ以下である。
　変調波１６６における包絡線１６５の最も大きい振幅をＡ１、包絡線１６５の最も小さい振幅をＡ２としたとき、変調度ＭをＭ＝（Ａ１－Ａ２）／（Ａ１＋Ａ２）と定義する。変調波１６６の変調度Ｍは例えば５０％以上かつ１００％より小さい。
　矩形波は、立ち上がり時間および立ち下り時間が周期Ｔ２より十分に小さい波形である。矩形波の立ち上がり時間および立下り時間は、例えば周期Ｔ２の１／２５倍以下であり、１／１００倍以下である。なお、立ち上がり時間および立下り時間の定義は、日本工業規格ＪＩＳ　Ｃ　１６１－０２－０５が準用される。すなわち、立ち上がり時間および立下り時間は、包絡線１６５の電圧が振幅Ａ１のときと振幅Ａ２のときの電圧の差に対し１０％の電圧とのきの時間と９０％の電圧のときの時間との差である。
［実験３］
　第１部材１３０の＋Ｚ側の触覚の柔軟性を調査した。
　実験した各部材の材料は以下である。
　圧電素子１１０ａおよび１１０ｂ
　圧電体１４０の材料はＰＺＴ
　第１電極１４２および第２電極１４４の材料は銀－パラジウム
　Ｘ方向およびＹ方向の幅:３．５ｍｍ
　Ｚ方向の高さ：３ｍｍ
　第１領域１４６における圧電体層１４１の積層数：５０
　第１領域１４６の個数：３個
　支持部材１１２ａの材料：ステンレス
　第１部材１３０の材料：アクリル樹脂
　第２部材１２０の材料：アクリル樹脂
　第１部材１３０の頭部１３２のＸ方向およびＹ方向の幅は１０ｍｍ、頭部１３２のＺ方向の高さ２．５ｍｍ、頭部１３２の＋Ｚ面の逆円錐状の頂点の凹み量は１．５ｍｍ、ねじ部１３４のＸ方向およびＹ方向の幅は６ｍｍ、ねじ部１３４のＺ方向の高さは５ｍｍである。第２部材１２０のＸ方向およびＹ方向の幅は８ｍｍ、高さは１５ｍｍ、凹部１２８のＺ方向の深さは１４ｍｍ、第１部分１２２のＺ方向の深さは６ｍｍ、第２部分１２４のＸ方向およびＹ方向の幅は４．５ｍｍである。
　表３は、実験３における実験条件および結果を示す表である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　表３において、条件Ａ～Ｉは、駆動装置１６２が圧電素子１１０ａおよび１１０ｂの第１電極１４２と第２電極１４４との間の電圧として供給する変調波の条件である。「波形」は、信号波の波形であり、「矩形波」は、信号波の波形が図１９のような矩形波であることを示し、「正弦波」は信号波の波形が正弦波であることを示し、「ノコギリ波」は、信号波の波長が急峻な立下りと徐々下がるに立ち下がりを有するノコギリ波（下降ランプ波ともいう）であることを示している。「搬送波」は、搬送波１６４の周波数であり、いずれの条件も６６ｋＨｚである。筐体１２５の共振周波数（第２高調波）は、６３．５ｋＨｚである。「信号波」は信号波の周波数である。「変調度」は図１９に置いて説明した変調度Ｍであり、いずれのサンプルも８８％である。「触覚」は第１部材１３０に触れたときの触覚の柔らかさを調べた結果である。「１」「２」、「３」および「４」は柔らかい触覚の程度を表し、「１」から「４」に向かうにしたがい、柔らかい触覚の程度が小さくなる。「１」では最も柔らかい触覚が得られ、「４」では柔らかい触覚が得られない。「１」のときは風船を触るような触覚である。
　表３に示すように、条件Ａ～Ｇは、信号波として矩形波を用い、信号波の周波数を変化させている。信号波の周波数が３１Ｈｚと３Ｈｚのとき、柔らかい触覚は得られない。信号波の周波数が２５Ｈｚと８Ｈｚのとき、多少柔らかい触覚が得られ、信号波の周波数が１９Ｈｚと１３Ｈｚのとき、柔らかい触覚がさらに得られ、信号波の周波数が１６Ｈｚのとき、柔らかい触覚が最も得られる。
　条件Ｈは、正弦波の信号波の周波数を変え最も柔らかい触覚が得られた周波数（２８Ｈｚ）を示している。条件Ｉは、ノコギリ波の信号波の周波数を変え最も柔らかい触覚が得られた周波数（２１Ｈｚ）を示している。信号波の波形が正弦波およびノコギリ波では、最も柔らかい触覚が得られた信号波の周波数においても「触覚」は２であり、条件Ｄよりも柔らかい触覚が小さい。
　搬送波１６４の周波数以外を条件Ｄとし、搬送波１６４の周波数を変化させ、第１部材１３０の触覚を調査した。共振周波数６３．５ｋＨｚの±１４％（５４．７ｋＨｚ～７２．３ｋＨｚ）の範囲では、柔らかい触覚はほとんど変わらない。搬送波１６４の周波数が共振周波数の±１４％の範囲から外れると柔らかい触覚が減衰する。柔らかい触覚は搬送波１６４の周波数が共振周波数より遠くなるに従い減衰する。
　変調度以外の条件を条件Ｄと同じとし、変調波１６６の変調度Ｍを変化させ、第１部材１３０の触覚を調査した。変調度Ｍが１００％のとき、柔らかい触覚は得られない。変調度Ｍが小さくなると、柔らかい触覚が大きくなり、変調度Ｍが８８％のとき、柔らかい触覚が最も大きく、風船のような触覚である。変調度Ｍが７０％では、変調度Ｍが８８％のときとほぼ同じ柔らかい触覚であるが、風船の張りが若干低下する。変調度Ｍが５０％のとき、柔らかい触覚が低下し、風船の空気が抜けた感覚である。変調度Ｍが２０％のとき、柔らかい触覚は得られない。
　以上の結果より、実施例５では、駆動装置１６２は、振動器１１５の共振周波数の周波数を有する搬送波１６４を搬送波１６４の周波数より低くマイスナー小体が感じる周波数を有し矩形波である信号波により振幅変調させ、変調度Ｍを１００％より小さい変調波１６６を生成して、振動器１１５に変調波１６６を供給する。これにより、硬質な第１部材１３０を触ると柔らかい触覚となる。
　柔らかい触覚を得るためには、搬送波１６４の周波数は、振動器１１５（すなわち筐体１２５）の共振周波数の０．８６倍以上かつ１．１４倍以下が好ましく、共振周波数の０．９倍以上かつ１．１倍以下がより好ましく、共振周波数の０．９５倍以上かつ１．０５倍以下がさらに好ましい。信号波の周波数は、マイスナー小体が敏感に感じるっ周波数であり、１Ｈｚ以上かつ６０Ｈｚ以下が好ましく、３Ｈｚ以上かつ５０Ｈｚ以下がより好ましく、１３Ｈｚ以上かつ２８Ｈｚ以下がさらに好ましい。変調波１６６の変調度Ｍは、５０％以上かつ９８％以下が好ましく、７０％以上かつ９０％以下がより好ましい。変調波１６６のデュティ比（振幅がＡ１の期間／周期Ｔ２）は５０％付近が好ましい。デュティ比は、２０％以上かつ８０％以下でもよく、３０％以上かつ７０％以下でもよく、４０％以上かつ６０％以下でもよい。
　実施例５で用いた振動器１１５は、振動モードが主に縦変位型モードの圧電素子１１０ａおよび１１０ｂを用い、筐体１２５が圧電素子１１０ａおよび１１０ｂを押圧している。筐体１２５が圧電素子１１０ａおよび１１０ｂを押圧することで、筐体１２５が圧電素子１１０ａおよび１１０ｂを押圧しない場合に比べ、Ｑ値が向上する。このような現象は、圧電素子１１０ａおよび１１０ｂとして、横変位型モードの圧電素子を用いた場合には得られない現象であり、発明者らがはじめて発見した現象である。なお、横変位型モードとは、第１電極１４２と第２電極１４４の積層方向に対し圧電素子１１０ａおよび１１０ｂの振動方向が直交するモードである。圧電素子１１０ａおよび１１０ｂの押圧の有無に対し、共振周波数があまり変動していない。これは、支持部材１１２ａを設けたためと考えられる。
　実験３の結果から、図１８のように、Ｚ方向において第１電極１４２と第２電極１４４とが圧電体層１４１を挟み、第１電極１４２と第２電極１４４との間に電圧を印加することでＺ方向に伸縮する圧電素子１１０ａおよび１１０ｂを用いる。図１６（ｂ）のように、第１部材１３０と第２部材１２０とは圧電素子１１０ａをＺ方向に押圧し、第１部材１３０はＺ方向に圧電素子１１０ａおよび１１０ｂの伸縮に対応する振動を出力する。このように、縦変位型の圧電素子１１０ａおよび１１０ｂを筐体１２５が押圧することで、筐体１２５の機械振動のＱ値が向上する。よって、触覚発生装置の特性を向上できる。
　第１部材１３０と第２部材１２０とは、ねじを嵌め合わせることにより圧電素子１１０ａおよび１１０ｂを押圧する。これにより、大きい力で安定的に圧電素子１１０ａおよび１１０ｂを押圧できる。また、圧電素子１１０ａおよび１１０ｂに加わる圧力のばらつきを抑制できる。よって、共振周波数のばらつき等を抑制できる。一例として、複数の構造を作製したところ、共振周波数のばらつきは６００Ｈｚ以下であった。圧電素子１１０ａおよび１１０ｂを押圧する機構はねじの嵌め合わせ以外でもよい。
　実施例５において、第１部材１３０のねじ山１３６の呼び径ｄ（最大径）が６ｍｍのとき、トルクレンチを用い第１部材１３０の締め付けトルクＴを測定すると約０．１Ｎ・ｍであった。第１部材１３０が圧電素子１１０ｂを押す力ＦはＴ／（ｋ×ｄ）であり、トルク係数ｋを０．２とすると、Ｆ＝８３Ｎである。圧電素子１１０ａおよび１１０ｂのＸＹ平面の面積は３．５ｍｍ×３．５ｍｍである。よって、第１部材１３０が圧電素子１１０ｂを押圧する圧力は６．８×１０６Ｐａである。筐体１２５の機械振動のＱ値を向上させる効果は、圧力が６．８×１０６Ｐａの１／１０程度でも生じると考えられる。よって、第１部材１３０および第２部材１２０が圧電素子１１０ａおよび１１０ｂを押圧する圧力は、５×１０５Ｐａ以上が好ましく、１×１０６Ｐａ以上がより好ましく、２×１０６Ｐａ以上がさらに好ましい。
　第１部材１３０と圧電素子１１０ｂとの間に支持部材１１２ｂ（第３部材）を設け、第２部材１２０と圧電素子１１０ａとの間に支持部材１１２ａ（第４部材）を設ける。支持部材１１２ａおよび１１２ｂの少なくとも一方が設けられていればよい。圧電体１４０としてＰＺＴを用いた場合、ＰＺＴのヤング率は約６０ＧＰａである。筐体１２５として樹脂を用いた場合には、樹脂のヤング率は１０ＧＰａ以下である。これに対し、支持部材１１２ａおよび１１２ｂとしてステンレスを用いた場合、ステンレスのヤング率は約１２０ＧＰａである。また、アルミニウムのヤング率は約７０ＧＰａである。このように、支持部材１１２ｂのヤング率は、圧電体１４０のヤング率および第１部材１３０のヤング率より大きく、支持部材１１２ｂのヤング率は、圧電体１４０のヤング率および第２部材１２０のヤング率より大きい。支持部材１１２ａおよび１１２ｂを設けることで、圧電素子１１０ａおよび１１０ｂに荷重が加わり、振動の伝達を強化することができる。よって、筐体１２５の共振周波数が押圧により変動することが抑えられ、かつＱ値がより向上する。支持部材１１２ａおよび１１２ｂの少なくとも一方が設けられていればよい。支持部材１１２ｂおよび１１２ａのヤング率は、圧電体１４０のヤング率並びにそれぞれ第１部材１３０および第２部材１２０のヤング率の１．２倍以上が好ましく、１．５倍以上がより好ましい。
　図１８のように、圧電素子１１０ａおよび１１０ｂにおいて、複数の第１電極１４２および複数の第２電極１４４はＺ方向において互い違いに設けられ、複数の圧電体層１４１の１つは、複数の第１電極１４２のうち１つと複数の第２電極１４４のうち１つにＺ方向において挟まれる。このような構造により、Ｚ方向の変位量をより大きくでき、触覚生成装置の特性をより向上できる。
　図２０（ａ）および図２０（ｂ）は、実施例５における第２部材の別の例を示す断面図である。図２０（ａ）に示すように、第１部材１３０の頭部１３２の＋Ｚ側の面は、平坦である。図２０（ｂ）に示すように、第１部材１３０の頭部１３２の＋Ｚ側の面の周縁部が－Ｚ方向に傾斜している。第１部材１３０の＋Ｚ側の面の形状を変えることで、異なる触感を得ることができる。例えば、図２０（ａ）および図２０（ｂ）のように、＋Ｚ側の面が平坦または＋Ｚ方向に膨らむ第１部材１３０を用いると、気泡緩衝材（Bubble wrap）のような柔らかい風船の触覚を得ることができる。
［実施例５の変形例１］
　図２１は、実施例５の変形例１の触覚生成装置の模式図である。振動器１１５は側面を部材１７０は断面を図示している。図２１に示すように、実施例５の変形例１の触覚生成装置２０２では、振動器１１５の第２部材１２０を部材１７０にはめ込み、第１部材１３０の周りを部材１７０が囲んでいる。部材１７０は第１部材１３０には接触していない。部材１７０は第１部材１３０より柔らかい樹脂である。部材１７０が第２部材１２０に接触することで、第２部材１２０の振動は部材１７０に伝達される。これにより、部材１７０に柔らかい触覚を生じさせることができる。
　図２２（ａ）は、実施例６における振動器の第１部材の断面図、図２２（ｂ）は、実施例６における振動器の第２部材の断面図である。図２２（ａ）に示すように、実施例６における振動器１１５の第１部材１３０は、＋Ｚ側の面に溝１３３が設けられている。その他の構成は実施例５の第１部材と同じである。
　図２２（ｂ）に示すように、実施例６における振動器１１５の第２部材１２０は、実施例５の第２部材に比べ大きい。凹部１２８の－Ｚ方向にＹ方向に第２部材１２０を貫通する孔１２７ｂが設けられている。孔１２７ｂの断面形状は円形状である。第２部材１２０の－Ｚ側の面には台座にねじ止めするためのねじ穴１２７ａが設けられている。その他の構成は実施例５の第１部材と同じである。
　実施例６のように、振動器１１５の筐体１２５の形状および材料は適宜選択できる。
　図２３は、実施例７における触覚生成装置の模式図である。触覚生成装置２０４の一部を断面で図示している。図２３に示すように、台座１６０に継手部材１７２が固定されている。継手部材１７２は上下方向に長い円柱形状である。継手部材１７２の上面には、ねじ穴１７２ａが設けられている。部材１７４は、上下方向に長い円柱形状である。部材１７４の上下面にはねじ部１７４ａが設けられている。ねじ部１７４ａをねじ穴１７２ａにねじ止めすることで、部材１７４を継手部材１７２に固定している。部材１７４には水平方向に延伸する穴１７４ｂが形成されている。穴１７４ｂ内に実施例５の振動器１１５が埋め込まれ固定されている。駆動装置１６２は、振動器１１５の圧電素子１１０ａおよび１１０ｂの第１電極１４２と第２電極１４４との間に図１９のように変調波１６６を供給する。実施例７では、部材１７４を水平方向で握ることで、部材１７４に柔らかい触覚を得ることができる。その他の構成は実施例５と同じであり説明を省略する。
　実施例５の変形例１および実施例７では、部材１７０または１７４は、筐体１２５の少なくとも一部分（例えば実施例５の変形例１では第２部材１２０）に接し、筐体１２５が接した部分より柔らかい。すなわち、部材１７０または１７４のヤング率は筐体１２５のヤング率より小さい。これにより、部材１７０または１７４に筐体１２５に接した部分から振動が伝達する。部材１７０または１７４を触ると、柔らかい触覚が得られる。
　図２４（ａ）は、実施例７における触覚生成装置の平面図、図２４（ｂ）は、図２４（ａ）のＡ－Ａ断面図である。振動器１１５ａの平面視における長辺および短辺の延伸方向をそれぞれＸ方向およびＹ方向、振動器１１５ａの上面の法線方向をＺ方向とする。
　図２４（ａ）および図２４（ｂ）に示すように、触覚生成装置２０６は、振動器１１５ａの平面形状は短冊状（長辺が短辺より非常に長い矩形状）である。振動器１１５ａを部材１７６が覆い接触している。部材１７６の平面形状も短冊状である。部材１７６は、振動器１１５ａより柔らかい。駆動装置１６２は、振動器１１５ａに図１９のような変調波１６６を供給する。これにより、振動器１１５ａには変調波１６６に対応する振動が生じる。振動器１１５の振動は矢印１５６のようにＸ方向である。
　図２５は、実施例８における振動器の断面図である。図２５に示すように、振動器１１５ａは圧電素子１１０である。圧電素子１１０では、複数の圧電体層１４１からなる圧電体１４０、複数の第１電極１４２および複数の第２電極１４４を備えている。複数の第１電極１４２および複数の第２電極１４４はＺ方向において互い違いに設けられている。１つの圧電体層１４１は、Ｚ方向において１つの第１電極１４２と１つの第２電極１４４とに挟まれている。圧電体１４０の－Ｘ側の側面に第１電極１４２が電気的に接続される第１外部電極１４３が設けられている。圧電体１４０の＋Ｘ側の側面に第２電極１４４が電気的に接続される第２外部電極１４５が設けられている。圧電素子１１０のように、平面形状がＸ方向に長い短冊状の場合、第１外部電極１４３と第２外部電極１４５との間に電圧を印加することで、圧電体１４０は、矢印１５６のようにＸ方向に伸縮する。このように、第１電極１４２および第２電極１４４に電圧を印加することで、平面方向に伸縮する振動モードを横変位型モードまたはｄ３１モードという。
　実施例８のように、振動器１１５ａは、主に横変位型モードで振動する圧電素子１１０でもよい。また、振動器１１５ａは筐体１２５を設けず、圧電素子１１０が部材１７６に直接接していてもよい。主に縦変位型モードで振動する圧電素子が部材１７６に直接接していてもよい。また、振動器は、圧電素子以外の機構により振動してもよい。これらの触覚生成装置においても、柔らかい触覚を生成することができる。
　以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
　

Claims (22)

  1. 　圧電体層と、前記圧電体層を挟む第１電極および第２電極と、を備え、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加することで前記第１電極および前記第２電極が前記圧電体層を挟む方向に伸縮する圧電素子と、
    　前記圧電素子を前記方向において挟む第１部材および第２部材を備え、前記第１部材と前記第２部材とは前記圧電素子を前記方向に押圧し、前記第１部材は前記方向に前記圧電素子の伸縮に対応する音波を出力する筐体と、
    を備える振動発生装置。
  2. 　前記第１部材と前記第２部材とは、前記第１部材に設けられたねじ山と前記第２部材に設けられたねじ山とを嵌め合わせることにより前記圧電素子を押圧する請求項１に記載の振動発生装置。
  3. 　前記第１部材と前記第２部材とが接合する第３部材を備え、
    　前記第１部材に設けられたねじ山と前記第３部材に設けられたねじ山とを嵌め合わせ、かつ前記第２部材に設けられたねじ山と前記第３部材に設けられたねじ山とを嵌め合わせることにより、前記第１部材と前記第２部材とは、前記圧電素子を押圧する請求項１に記載の振動発生装置。
  4. 　前記第１部材と前記圧電素子との間に設けられ、前記第１部材のヤング率および前記圧電体層のヤング率より大きなヤング率を有する第４部材と、前記第２部材と前記圧電素子との間に設けられ、前記第２部材のヤング率および前記圧電体層のヤング率より大きなヤング率を有する第５部材と、の少なくとも一方の部材を備える請求項１から３のいずれか一項に記載の振動発生装置。
  5. 　前記第１部材および前記第２部材が前記圧電素子を押圧する圧力は、５×１０５Ｐａ以上である請求項１から３のいずれか一項に記載の振動発生装置。
  6. 　前記圧電体層、前記第１電極および前記第２電極は各々複数設けられ、前記複数の第１電極および前記第２電極は前記方向において互い違いに設けられ、前記複数の圧電体層の１つは、前記複数の第１電極のうち１つと前記複数の第２電極のうち１つに前記方向において挟まれる請求項１から３のいずれか一項に記載の振動発生装置。
  7. 　前記第１部材は、前記方向の空間に前記音波を出力し、
    　前記圧電素子に、前記電圧として前記筐体の共振周波数の０．８６倍以上かつ１．１４倍以下の周波数を有する搬送波を前記搬送波の周波数より低い周波数を有する信号波により振幅変調させた変調波が供給される請求項１から３のいずれか一項に記載の振動発生装置。
  8. 　前記信号波の周波数は７０Ｈｚ以上かつ１０００Ｈｚ以下である請求項７に記載の振動発生装置。
  9. 　前記第１部材は、前記方向の空間に前記音波を出力し、
    　前記圧電素子に、前記電圧として、前記筐体の共振周波数の０．８６倍以上かつ１．１４倍以下の周波数を有する第１搬送波を、５０Ｈｚ以上かつ３００Ｈｚ以下である周波数を有する第２搬送波を１Ｈｚ以上かつ６０Ｈｚ以下である周波数を有する信号波で振幅変調された第１変調波で、振幅変調された第２変調波を供給する請求項１から３のいずれか一項に記載の振動発生装置。
  10. 　前記第１部材の前記空間側の面は、中央部が前記圧電素子の方に凹む請求項７に記載の振動発生装置。
  11. 　前記圧電素子に、前記電圧として前記変調波を供給する駆動装置を備える請求項７に記載の振動発生装置。
  12. 　前記第１部材の前記方向における表面を被押当部材に押当てることで前記被押当部材から音波が発生するように、前記圧電素子に前記電圧が供給される請求項１から３のいずれか一項に記載の振動発生装置。
  13. 　前記第１部材の前記表面を前記被押当部材に押当てる押当部材と、
    　前記圧電素子に前記電圧を供給する駆動装置と、
    を備える請求項１２に記載の振動発生装置。
  14. 　振動器と、
    　前記振動器の共振周波数の０．８６倍以上かつ１．１４倍以下の周波数を有する搬送波を前記搬送波の周波数より低く１Ｈｚ以上かつ６０Ｈｚ以下の周波数を有し矩形波である信号波により振幅変調させ、変調度が５０％以上かつ１００％より小さい変調波を生成して、前記振動器に前記変調波を供給する駆動装置と、
    を備える触覚生成装置。
  15. 　前記振動器は、
    　圧電体層と、前記圧電体層を挟む第１電極および第２電極と、を備え、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加することで前記第１電極および前記第２電極が前記圧電体層を挟む方向に伸縮する圧電素子と、
    　前記圧電素子を前記方向において挟む第１部材および第２部材を備え、前記第１部材と前記第２部材とは前記圧電素子を前記方向に押圧し、前記圧電素子の伸縮に対応する振動を出力する筐体と、
    を備える請求項１４に記載の触覚生成装置。
  16. 　前記第１部材と前記第２部材とは、ねじを嵌め合わせることにより前記圧電素子を押圧する請求項１５に記載の触覚生成装置。
  17. 　前記第１部材と前記圧電素子との間に設けられ、前記第１部材のヤング率および前記圧電体層のヤング率より大きなヤング率を有する第３部材と、前記第２部材と前記圧電素子との間に設けられ、前記第２部材のヤング率および前記圧電体層のヤング率より大きなヤング率を有する第４部材と、の少なくとも一方の部材を備える請求項１５または１６に記載の触覚生成装置。
  18. 　前記第１部材および前記第２部材が前記圧電素子を押圧する圧力は、５×１０５Ｐａ以上である請求項１６または１７に記載の触覚生成装置。
  19. 　前記圧電体層、前記第１電極および前記第２電極は各々複数設けられ、前記複数の第１電極および前記第２電極は前記方向において互い違いに設けられ、前記複数の圧電体層の１つは、前記複数の第１電極のうち１つと前記複数の第２電極のうち１つに前記方向において挟まれる請求項１６または１７に記載の触覚生成装置。
  20. 　前記筐体の少なくとも一部分に接し、前記少なくとも一部分から振動が伝達し、前記少なくとも一部分より柔らかい部材を備える請求項１６に記載の触覚生成装置。
  21. 　前記変調度は９８％以下である請求項１４または１５に記載の触覚生成装置。
  22. 　前記信号波の周波数は３Ｈｚ以上かつ５０Ｈｚ以下である請求項１４または１５に記載の触覚生成装置。
    　
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