JP2013038755A

JP2013038755A - 変換器モジュール

Info

Publication number: JP2013038755A
Application number: JP2011206689A
Authority: JP
Inventors: Tsi-Yu Chuang; 莊財裕; Chia Nan Chien; 簡嘉男; bao zheng Liu; 劉保正
Original assignee: Chief Land Electronic Co Ltd
Current assignee: Chief Land Electronic Co Ltd
Priority date: 2011-08-04
Filing date: 2011-09-22
Publication date: 2013-02-21
Also published as: EP2555267A1; KR20130017066A; TW201308866A; US20130033967A1

Abstract

【課題】従来のエネルギー変換裝置に比べ良好な音波や触覚振動の効果を有し、又はエネルギー変換裝置の組立工程の改善が可能な変換器モジュールを提供する。
【解決手段】第１変換器と第２変換器を備え、前記第２変換器は第１フラットパネルと前記第１変換器の間に設けられる。
【選択図】図２

Description

本発明は、変換器（transducer）に関し、より詳しくは、変換器で音波又は触覚振動を発生させることができる変換器モジュールに関する。

変換器は、あるエネルギー形態を別のエネルギー形態に変換することができるエネルギー変換裝置であり、最もありふれているのがモータや発電機といった電気機械式の変換器である。モータは、入力された電気エネルギーが電磁誘導によって力学的エネルギーを出力し、ブラシ付きＤＣモータ、サーボモータ、ステッピングモータ等といった、一般によくあるモータは、回転運動により力学的エネルギーを出力する。他に見かけることが少ないリニアモータは、入力された電気エネルギーを直線運動に直接変換して出力する。これに対して、エネルギー変換の方向を変更して、力学的エネルギーが入力されて電気エネルギーの出力に変換された裝置は発電機と云われ、ありふれた発電機の形式は電力システムに用いられる単相又は三相交流発電機である。また、変換器はスマートマテリアル（smart material）で設計してもよく、圧電材料（piezoelectric material）、電気活性ポリマー（Electro-Active Polymer, EAP）、形状記憶合金（Shape Memory Alloy, SMA）、磁気歪み材料（Magnetostrictive Material）、電歪材料（Electrostrictive Material）等といったありふれたスマートマテリアルである。

図１は従来のエネルギー変換裝置であり、変換器１０は通常ユニモルフ（unimorph）、バイモルフ（bimorph）、或いはマルチモルフ（multimorph）といった圧電材料とし、逆圧電効果（Reverse Piezoelectric Effect）の特性を利用して入力された電気信号を機械運動に変換して出力する。一般に常用される圧電片の形状は矩形や円形であるが（ブザーの製作に常用される）、その他の形状でもよく、実際の応用状況により決まる。出力パワーの大きさを性能指標とするのであれば、マルチモルフが最良で、バイモルフが次に良く、ユニモルフが最悪である。また、コストで判断するのであれば、圧電結晶の価格は圧電材料の積層数と正比例することから、性能ニーズが高くなければ、コストを考慮して一般にユニモルフが使用される。

図１に示される構造は従来の振動伝播装置（Vibration Propagation Device）であり、弾性変換器１０を駆動することで、変換器１０の振動エネルギーが粘着部材１２から上ハウジング１４に伝送されて音波（acoustic wave）や触覚フィードバック（haptic feedback）を発生させる。

然しながら、一般に常用される変換器１０の材料における端点や辺縁の振幅と出力には限りが有り、伝達可能な振動エネルギーが限られることで触覚フィードバックの触感反応がはっきりしなかったり、上ハウジング１４から生じる音圧レベル（Sound Pressure Level, SPL）が低過ぎたりする。このため、組立工程を簡素化し、或いは慣性力を高めるための斬新な変換器モジュールが望まれている。

本発明は、このような従来の問題に鑑みてなされたものである。上記課題解決のため、本発明は、従来のエネルギー変換裝置に比べ良好な音波や触覚振動の効果を有し、又はエネルギー変換裝置の組立工程の改善が可能な変換器モジュールを提供することを主目的とする。本発明に係る実施形態は振動振幅を増幅したり、伝達の慣性力を高めたりするのに用いることができる。

上述した課題を解決して目的を達成するために、本発明に係る変換器モジュールは、第１変換器と、第１フラットパネルと第１変換器の間に設けられた第２変換器とを備えたことを特徴とする。

本発明に係る変換器モジュールは、第１変換器と第２フラットパネルの間に設けられたブッロク体を更に含むことを特徴とする。

また、本発明に係る変換器モジュールは、第１変換器と第２フラットパネルの間に設けられた第３変換器を更に含むことを特徴とする。

本発明によれば、従来のエネルギー変換裝置に比べ良好な音波や触覚振動の効果を有し、又はエネルギー変換裝置の組立工程の改善が可能な変換器モジュールが得られる。

従来のエネルギー変換裝置を示す図である。本発明に係る実施形態による変換器モジュールの断面図である。本発明に係る実施形態による各種変換器モジュールの断面図である。本発明に係る実施形態による各種変換器モジュールの断面図である。本発明に係る実施形態による各種変換器モジュールの断面図である。本発明に係る実施形態による各種変換器モジュールの断面図である。第１/第２変換器の詳細な断面図である。別の第１/第２変換器の詳細な断面図である。各種形状の第１変換器を例示した上面図である。各種形状の第１変換器を例示した上面図である。各種形状の第１変換器を例示した上面図である。各種形状の第１変換器を例示した上面図である。各種形状の第１変換器を例示した上面図である。

以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施形態に限定されるものではない。

（第１実施形態）
まず、本発明の変換器モジュールの第１実施形態について説明する。
本発明の実施形態による変換器モジュールについては、図２は本発明の実施形態による変換器モジュール（transducer module）の断面図を示している。本実施形態では、変換器モジュールは電気エネルギーを力学的エネルギーに変換するためのものであるが、これに限られない。本実施形態による変換器モジュールは主に第１変換器（transducer、Ｐと標示）２１と第２変換器（P’と標示）２３を含む。第２変換器２３は第１フラットパネル２５Ａと第１変換器２１の間に設けられる。第１変換器２１と第２変換器２３の間はさらに絶縁部材（図示せず）で隔てられる。時間変動(time-varying)電場を第１変換器２１に印加すると、第１変換器２１自体の電気機械結合の特性により、第１変換器２１が時間変動電場を力学的エネルギーに変換して左右両端に振動を発生させる。第１変換器２１は第２変換器２３によって第１フラットパネル２５Ａと機械的接続が生じ、第１変換器２１の左右両端に上下振動が発生すると、発生した慣性力が第２変換器２３により第１フラットパネル２５Ａに伝送される。第１フラットパネル２５Ａがタッチパネルである場合、この慣性振動は第１フラットパネル２５Ａで触覚フィードバック（haptic feedback）を発生するのに用いられ、これによってタッチスクリーンインターフェース上の入力の正確性又はアプリケーション・プログラムが相互に作用するシミュレーション性が向上する。また、音声の本質は振動媒体（例：空気、水又は金属）で伝送されることから、第１フラットパネル２５Ａもまたフラットパネルスピーカ（flat panel loudspeaker ）の振動平面となり、第１変換器２１を駆動することで慣性力が発生して第１フラットパネル２５Ａを打撃して音波（acoustic wave）を発生させる。また、第１変換器２１を駆動すると共に、時間変動電場を第２変換器２３に印加して、第１変換器２１と第２変換器２３から発生する振動を一致（in phase、即ち、建設的干渉）させ、若しくは一致（位相差小）に近づけると、第１フラットパネル２５Ａから発生する振動量が増大して、触覚フィードバックや音波の伝送効果を高める。

（第２実施形態）
次に本発明の変換器モジュールの第２実施形態について説明する。
図３Ａに示されるように、第２変換器２３は嵌設するように第１フラットパネル２５Ａの表面に設けられ、第２変換器２３も嵌設するように第１変換器２１の表面に設けられる。図３Ａで示される第１変換器２１は平面状であるが、他の形状でもよい。例えば、図３Ｂは別の変換器モジュールの断面図であり、この第１変換器２１は曲面状である。図３Ａの動作原理と図２と同じであり、相違は第２変換器２３の固定方法にあるに過ぎない。図３Ｂの動作原理と図２と同じであり、相違は第１変換器２１の幾何形状にあるに過ぎない。

（第３実施形態）
次に本発明の変換器モジュールの第３実施形態について説明する。
図３Ｃは別の変換器モジュールの断面図であり、更にブッロク体２７と第２フラットパネル２５Ｂを含み、ブッロク体２７は第１変換器２１と第２フラットパネル２５Ｂの間に設けられる。第１フラットパネル２５Ａを固定台座として、第１変換器２１に時間変動電場を印加すると、第１変換器２１の左右両端が上下に振動し、この上下振動の慣性力がブッロク体２７によって第２フラットパネル２５Ｂに伝送される。第２フラットパネル２５Ｂがタッチパッド（touch pad）、タッチパネル（touch panel）、又はその他のタッチスクリーンインターフェースである場合、この振動は触覚フィードバックを発生させることができる。また、第２フラットパネル２５Ｂをフラットパネルスピーカの振動フラットパネルとして音波を発生させることもできる。第１変換器２１を駆動すると共に、時間変動電場を第２変換器２３に印加して、第１変換器２１と第２変換器２３から発生する振動を一致（in phase、即ち、建設的干渉）させ、或いは一致（位相差小）に近づけると、第２フラットパネル２５Ｂから発生する振動量も増大して、触覚フィードバックや音波の伝送効果を高める。前記ブッロク体２７は第３変換器（図示せず）への置換が可能であり、第１変換器２１、第２変換器２３、及び第３変換器による第２フラットパネル２５Ｂに作用する慣性力が一致或いは一致に近いと、第２フラットパネル２５Ｂから発生する振動量が増大して、触覚フィードバックや音波の伝送効果を高める。

（第４実施形態）
次に本発明の変換器モジュールの第４実施形態について説明する。
図３Ｄは別の変換器モジュールの断面図であり、図３Ｃの構造と比較すると、更に第３変換器（Ｐ’’と標示）２９を含み、同様に第１変換器２１と第２フラットパネル２５Ｂの間に設けられる。第１変換器２１と第３変換器２９の間はさらに絶縁部材（図示せず）で隔てられる。本実施形態では、ブッロク体２７と第２変換器２３の設置位置は第１変換器２１の一端に近接し、第３変換器２９の設置位置は第１変換器２１の他端に近接する。図３Ｄの動作原理と図３Ｃは類似しており、相違は図３Ｄの第２変換器２３とブッロク体２７が第１変換器２１の一端にあり、第１変換器２１の他端の上方に第３変換器２９を増設することにある。第１変換器２１、第２変換器２３、及び第３変換器２９はブッロク体２７によって第２フラットパネル２５Ｂに作用する慣性力が一致或いは一致に近づくと、第２フラットパネル２５Ｂから発生する振動量も増大して、触覚フィードバックや音波の伝送効果を高める。以下に図２と図３Ａ−Ｄに示される各種変換器モジュールの各々の構成要件を詳述する。

本実施形態では、一部又は全部の構成要件は迅速な組み立てに便利な様にモジュール形態に製造することができる。即ち、第１変換器２１、第２変換器２３、第１フラットパネル２５Ａ、ブッロク体２７、第２フラットパネル２５Ｂ、及び第３変換器２９等の構成要件の一部をモジュールに製造することができる。本実施形態における各構成要件間の設置方式は一体成型、接着固定、ロッキング、螺合、又は他の技術によることが可能である。第１フラットパネル２５Ａや第２フラットパネル２５Ｂはスクリーン、タッチパネル、フレーム（frame）、基板、或いはハウジング（housing）でよい。ブッロク体２７は空洞又は中身の詰まったものでよく、形状は筒状、柱状、又は他の形状でよく、数量は単数乃至複数でよい。

本実施形態では、第１変換器２１、第２変換器２３、又は第３変換器２９に使用されるスマートマテリアルは圧電（piezoelectric）材料（例：ジルコン酸チタン酸鉛（lead zirconate titanate、PZT））、電気活性ポリマー（electroactive polymer、EAP）、形状記憶合金（shape memory alloy, SMA）、磁気歪み材料（magnetostrictive material）、ボイスコイルモータ（voice coil motor）、偏心回転質量モータ（eccentric rotating mass (ERM) motor）、或いはリニア共振アクチュエータ（linear resonant actuator, LRA）でよいが、これらに限定されない。

（第５実施形態）
次に本発明の変換器モジュールの第５実施形態について説明する。
図４Ａは第１変換器２１、第２変換器２３、又は第３変換器２９の詳細な断面図である。第１変換器２１を例に取ると、導電層２１０、第１スマートマテリアル層２１１Ａ、及び第１電極層２１２Ａを含む。第１スマートマテリアル層２１１Ａは導電層２１０の上表面に形成した上で、第１スマートマテリアル層２１１Ａの上表面に第１電極層２１２Ａを塗布する。導電層２１０と第１電極層２１２Ａはそれぞれ第１スマートマテリアル層２１１Ａを駆動するのに必要な２つの電極とし、前記導電層２１０は実施する際は導電可能な薄層材料（例：電極層）、或いは板状材料（例：金属板）とする。導電層２１０が金属板である場合、第１変換器２１の強靱性、耐用性を高めることができると共に、慣性力を増すこともでき、音波や触覚フィードバックを発生させる。図４Ａの第１変換器２１は単層の第１スマートマテリアル層２１１Ａを使用していることから、一般に圧電材料を採用した場合、ユニモルフ（unimorph）という。また、実施する際、第１変換器２１は２層、又は複数層の第１スマートマテリアル層２１１Ａを採用して、公知の積層(multi-layers)モルフを形成することができる。

（第６実施形態）
次に本発明の変換器モジュールの第６実施形態について説明する。
図４Ｂは別の第１変換器２１又は第２変換器２３の詳細な断面図である。第１変換器２１を例に取ると、導電層２１０、第１スマートマテリアル層２１１Ａ、第１電極層２１２Ａ、第２スマートマテリアル層２１１Ｂ、及び第２電極層２１２Ｂを含む。第１スマートマテリアル層２１１Ａは導電層２１０の上表面に形成した上で、第１スマートマテリアル層２１１Ａの上表面に第１電極層２１２Ａを塗布する。第２スマートマテリアル層２１１Ｂは導電層２１０の下表面に形成した上で、第２スマートマテリアル層２１１Ｂの下表面に第２電極層２１２Ｂを塗布する。導電層２１０は第１／第２スマートマテリアル層２１１Ａ／Ｂの共通電極とし、第１／第２電極層２１２Ａ／Ｂはそれぞれ第１／第２スマートマテリアル層２１１Ａ／Ｂを駆動するのに必要な電極とする。図４Ｂの第１変換器２１は２層の第１／第２スマートマテリアル層２１１Ａ／Ｂを使用することから、一般に圧電材料を採用した場合、バイモルフ（bimorph）という。また、実施する際、第１変換器２１の少なくとも一側は２層又は複数層の第１スマートマテリアル層２１１Ａ、或いは２層又は複数層の第２スマートマテリアル層２１１Ｂを採用して、公知の積層(multi-layers)モルフを形成することができる。

（第７実施形態）
次に本発明の変換器モジュールの第７実施形態について説明する。
図５Ａから図５Ｅは各種形状の第１変換器２１の上面図を例示している。図５Ａは矩形の第１変換器２１の上面図であり、少なくとも矩形の導電層２１０と矩形の第１スマートマテリアル層２１１Ａ（第１電極層２１２Ａは図示せず）を含む。図５Ｂは円形の第１変換器２１の上面図であり、少なくとも円形の導電層２１０と円形の第１スマートマテリアル層２１１Ａ（第１電極層２３１２Ａは図示せず）を含む。図５Ｃはスリーポインテッドスター(tri-forked star)形の第１変換器２１の上面図であり、少なくともスリーポインテッドスター形の導電層２１０とスリーポインテッドスター形の第１スマートマテリアル層２１１Ａ（第１電極層２１２Ａは図示せず）を含む。図５Ｄは十字形の第１変換器２１の上面図であり、少なくとも導電層２１０と第１スマートマテリアル層２１１Ａ（第１電極層２１２Ａは図示せず）を含む。

上記各種形状の第１変換器２３はユニモルフ（unimorph）を例に取っている。実施する際は、同様に第２スマートマテリアル層２１１Ｂを増やして導電層２１０の下表面に形成した上で、第２スマートマテリアル層２１１Ｂの表面に第２電極層２１２Ｂを塗布して、前記バイモルフ（bimorph）を形成することができる。

図５Ｅは別の十字形の第１変換器２１の上面図であり、前記十字形の導電層２１０上には、十字形に垂直に交わった２つの第１スマートマテリアル層２１１Ａを有し、絶縁部材２１３で両者を絶縁分離するが、前記絶縁部材２１３は絶縁層や絶縁体でよい。

上述した実施形態は本発明の技術思想及び特徴を説明するためのものにすぎず、当前記技術分野を熟知する者に本発明の内容を理解させると共にこれをもって実施させることを目的とし、本発明の特許請求の範囲を限定するものではない。従って、本発明の精神を逸脱せずに行う各種の同様の効果をもつ改良又は変更は、後述の請求項に含まれるものとする。

１０・・・・・・変換器
１２・・・・・・粘着部材
１４・・・・・・上ハウジング
２１・・・・・・第１変換器
２１０・・・・・導電層
２１１Ａ・・・・第１スマートマテリアル層
２１１Ｂ・・・・第２スマートマテリアル層
２１２Ａ・・・・第１電極層
２１２Ｂ・・・・第２電極層
２１３・・・・・絶縁部材
２３・・・・・・第２変換器
２５Ａ・・・・・第１フラットパネル
２５Ｂ・・・・・第２フラットパネル
２７・・・・・・ブロック体
２９・・・・・・第３変換器
Ｐ・・・・・・・第１変換器
Ｐ’・・・・・・第２変換器
Ｐ’’・・・・・第３変換器

Claims

第１変換器と、
第１フラットパネルと前記第１変換器の間に設けられた第２変換器と、
を備えたことを特徴とする変換器モジュール。
前記第２変換器は嵌設するように前記第１フラットパネルの表面に設けられることを特徴とする請求項１に記載の変換器モジュール。
前記第２変換器は嵌設するように前記第１変換器の表面に設けられることを特徴とする請求項１に記載の変換器モジュール。
前記第１変換器は平面状であることを特徴とする請求項１に記載の変換器モジュール。
前記第１変換器は曲面状であることを特徴とする請求項１に記載の変換器モジュール。
前記第１変換器と第２フラットパネルの間に設けられたブッロク体を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の変換器モジュール。
前記第１変換器と前記第２フラットパネルの間に設けられた第３変換器を更に含むことを特徴とする請求項６に記載の変換器モジュール。
前記第１フラットパネル或いは前記第２フラットパネルは、スクリーン、タッチパネル、フレーム（frame）、基板、又はハウジング（housing）であることを特徴とする請求項６に記載の変換器モジュール。
前記第１変換器、前記第２変換器、或いは前記第３変換器に使用されるスマートマテリアルは、圧電材料、電気活性ポリマー（EAP）、形状記憶合金（SMA）、磁気歪み材料、ボイスコイルモータ（voice coil motor）、偏心回転質量モータ（ERM motor）、又はリニア共振アクチュエータ（LRA）であることを特徴とする請求項７に記載の変換器モジュール。
前記圧電材料はジルコン酸チタン酸鉛（PZT）であることを特徴とする請求項９に記載の変換器モジュール。
前記第１変換器、前記第２変換器、或いは前記第３変換器は、
導電層と、
前記導電層の上表面に形成された少なくとも１つの第１スマートマテリアル層と、
前記第１スマートマテリアル層の上表面に形成された少なくとも１つの第１電極層と、
を含むことを特徴とする請求項７に記載の変換器モジュール。
前記導電層は金属板であることを特徴とする請求項１１に記載の変換器モジュール。
前記第１変換器は矩形、円形、十字形、又はスリーポインテッドスター形であることを特徴とする請求項１に記載の変換器モジュール。
前記十字形の第２変換器は十字形の導電層を備え、２つの第１スマートマテリアル層は前記十字形の導電層に垂直に交わり、絶縁部材で両者を分離することを特徴とする請求項１３に記載の変換器モジュール。
前記第１変換器、前記第２変換器、或いは前記第３変換器は更に、
前記導電層の下表面に形成された少なくとも１つの第２スマートマテリアル層と、
前記第２スマートマテリアル層の下表面に形成された少なくとも１つの第２電極層と、
を含むことを特徴とする請求項１１に記載の変換器モジュール。