JP2019149611A - 振動発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電素子が取り付けられるパネルの共振周波数での変位量を効果的に増加させることができる振動発生装置を提供する。【解決手段】第１方向に視て矩形状であり、第１方向Ｚに直角な第２方向Ｘで第１側Ｘ２の辺に沿って第１支持部６１及び第２方向の第１側とは逆側の第２側Ｘ１の辺に沿って第２支持部６２を、有する筐体３０と、第１支持部及び第２支持部により支持されるパネル６０と、第２方向でパネルの中心部に対して第１側にずれる位置で、パネルに取り付けられる圧電アクチュエータ１０とを含む。パネルにおける第１支持部により支持される部位の第２方向の幅は、パネルにおける第２支持部により支持される部位の第２方向の幅よりも大きいものとする。【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、振動発生装置に関する。

圧電素子と、圧電素子の振動によって振動する振動板と、振動板の主面の外周部を挟持するように支持する一方主面側枠体及び他方主面側枠体とを含み、振動板の主面に垂直な方向から視て、一方主面側枠体の枠内の形状の中心位置と他方主面側枠体の枠内の形状の中心位置とが異なっている音響発生器が知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１６−１５４２９８号公報

しかしながら、上記特許文献に記載された音響発生器では、圧電素子が取り付けられる振動板のようなパネルが枠体（筐体の一例）に取り付ける構造において、パネルの共振周波数での変位量を効果的に増加させることは困難である。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、圧電素子が取り付けられるパネルの共振周波数での変位量を効果的に増加させることを目的とする。

本発明者らは、鋭意検討の結果、圧電素子が取り付けられる振動板のようなパネルの、筐体に対する取り付け態様を工夫することで、パネルの共振周波数での変位量を効果的に増加することを見出し、本発明に至った。

すなわち、本発明は、第１方向に視て矩形状であり、第１方向に直角な第２方向で第１側の辺に沿って第１支持部、及び、第２方向の第１側とは逆側の第２側の辺に沿って第２支持部を、有する筐体と、第１支持部及び第２支持部により支持されるパネルと、第２方向でパネルの中心部に対して第１側にずれる態様で、パネルに取り付けられる圧電素子とを含み、パネルにおける第１支持部により支持される部位の第２方向の幅は、パネルにおける第２支持部により支持される部位の第２方向の幅よりも大きい、振動発生装置である。

さらに、第１支持部における第２方向の幅は、第２支持部における第２方向の幅よりも大きいことが好ましい。

さらに、圧電素子は、第１方向に視て矩形状であり、第１方向に視て圧電素子の長手方向は、第２方向に対応することが好ましい。

さらに、筐体は、更に、第１方向及び第２方向に直角な第３方向で第３側の辺に沿って第３支持部、及び、第３方向の第３側とは逆側の第４側の辺に沿って第４支持部を、有し、パネルは、更に、第３支持部及び第４支持部により支持され、第３支持部における第３方向の幅は、第４支持部における第３方向の幅よりも大きく、圧電素子は、第３方向でパネルの中心部に対して第３側にずれる態様で、パネルに取り付けられることが好ましい。

本発明によれば、圧電素子が取り付けられるパネルの共振周波数での変位量を効果的に増加させることができる。

図１Ａは、本発明の振動発生装置の一実施形態を概略的に示す平面図である。 図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａ断面図である。 図２は、圧電素子の構造の一例を示す概略断面図である。 図３は、ズレ量ごとの、変位最大値の周波数特性を示す図である。 図４は、ズレ量と変位最大値と共振周波数との関係を示す図である。 図５は、第２実施形態による振動発生装置９０Ａを示す概略平面図である。

以下、本発明の非音響用の振動発生装置の実施形態について図面を参照しながら説明する。

本発明の振動発生装置の一実施形態（以下、「第１実施形態」とも称する）について図１から図４を参照しながら説明する。図１Ａは、本発明の振動発生装置の一実施形態を概略的に示す平面図である。図１Ｂは、図１ＡのＡ−Ａ断面図である。図２は、圧電素子の構造の一例を示す概略断面図である。

図１には、直交する３方向Ｘ、Ｙ、及びＺが示される。以下では、説明上、Ｚ方向（第１方向の一例）は、上下方向に対応するものとする。ただし、振動発生装置９０の取り付け状態での向きは任意である。

本実施形態では、振動発生装置９０は、一例として、電子機器として具現化される。電子機器は、任意であり、例えば図１Ａに示すように、スマートフォン等の携帯端末であってよい。電子機器は、その他、ゲーム機のコントローラや、ウェアラブル装置、タブレット端末、携帯音楽プレーヤ等であってもよい。また、電子機器は、車載電子機器として具現化されてもよい。また、電子機器は、家庭用の電子機器（テレビや、掃除機、洗濯機、冷蔵庫、電子レンジ等）として具現化されてもよい。

振動発生装置９０は、圧電アクチュエータ１０と、筐体３０と、ディスプレイパネル６０（パネルの一例）とを含む。

圧電アクチュエータ１０は、任意の構造であってよいが、例えば図２に示すような構造を有してよい。図２では、圧電アクチュエータ１０の圧電素子１１を含む。圧電素子１１は、４層のセラミックスからなる圧電体層１１０と、３層の内部電極層１１２が交互に積層された積層体と、かかる積層体の一方主面（上側表面）及び他方主面（下側表面）に形成された表面電極１１４と、内部電極層１１２の端部が露出される側の側面に形成された側面電極１１６とを備える。なお、内部電極層１１２、表面電極１１４、及び側面電極１１６は、銀や、銀にシリカを主成分としたガラス等を含有させた銀化合物、ニッケル等を用いることができる。なお、以下では、一例として、圧電アクチュエータ１０は、図２に示す圧電素子１１からなるものとする。

圧電体層１１０は、圧電特性を有するセラミックスで形成される。セラミックスとしては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、Ｂｉ層状化合物、タングステンブロンズ構造化合物等の非鉛系圧電体材料等を用いることができる。

本実施形態の圧電アクチュエータ１０は、上面視で矩形状であるが、他の形状（多角形や円形等）であってもよい。また、圧電アクチュエータ１０は、ユニモルフ構造であってもよいし、図２に示すような、バイモルフ構造であってもよい。バイモルフ構造では、図２にて分極の方向を矢印Ｐで示すように、表面電極１１４に電気信号を印加した際に発生する電界の向きに対する分極の向きが厚み方向における一方側と他方側とで逆転するように分極される。図２に示す圧電アクチュエータ１０においては、表面電極１１４に電気信号が与えられることで、屈曲振動が励起される。

圧電アクチュエータ１０は、ディスプレイパネル６０の下側表面に取り付けられる。圧電アクチュエータ１０は、ディスプレイパネル６０の任意の領域に取り付けられてもよいが、好ましくは、ディスプレイパネル６０の中心に対してオフセットした位置に取り付けられる。本実施形態の圧電アクチュエータ１０は、図１Ａ及び図１Ｂに示すように、Ｘ方向のＸ２側にオフセットする。Ｘ方向で圧電アクチュエータ１０と第１支持部３１との間の距離は、筐体３０に対するディスプレイパネル６０の取り付け誤差等を考慮して、例えば１〜１．５ｍｍ程度であってもよい。

圧電アクチュエータ１０の形成は、例えば、圧電体層（１１０）の材料粉末と有機溶剤、バインダ、可塑剤、及び分散剤等を所定の比率で混合してスラリーを準備し、例えば公知のドクターブレード法等によりセラミックグリーンシートを作成し、内部電極及び外部電極に積層した後、大気中５００℃で脱バインダ処理し、大気中１０００℃で一体焼成することにより得ることができる。また、ドクターブレード法に限定されるものではなく、例えば、圧電体層の材料粉末を含むスラリーと電極材料を含む導電ペーストとを交互に印刷及び積層する、いわゆるスラリービルド法等を用いて積層した後、一体焼成することによっても得ることができる。

筐体３０は、下側に凹みかつ上側が開口する箱状の形態であり、内部空間３８を形成する。筐体３０は、任意の材料により形成されてよく、例えば樹脂やアルミ等により形成されてもよい。内部空間３８には、圧電アクチュエータ１０を駆動する電子回路６８等が設けられてよい。

筐体３０は、第１支持部３１と、第２支持部３２と、第３支持部３３と、第４支持部３４とを含む。第１支持部３１、第２支持部３２、第３支持部３３、及び第４支持部３４は、底面部３６から上側に突設される。第１支持部３１、第２支持部３２、第３支持部３３、及び第４支持部３４は、筐体３０の底面部３６の外周に沿った壁部を形成する。

第１支持部３１及び第２支持部３２は、Ｘ方向（第２方向の一例）の両側でそれぞれＹ方向かつＺ方向に延在する。すなわち、第１支持部３１は、Ｘ方向の一方側（第１側の一例）の辺に沿って延在し、第２支持部３２は、Ｘ方向の他方側（第２側の一例）の辺に沿って延在する。

第３支持部３３及び第４支持部３４は、Ｙ方向（第３方向の一例）の両側でそれぞれＸ方向かつＺ方向に延在する。すなわち、第３支持部３３は、Ｙ方向の一方側（第３側の一例）の辺に沿って延在し、第４支持部３４は、Ｙ方向の他方側（第４側の一例）の辺に沿って延在する。

なお、筐体３０は、底面部３６と、第１支持部３１、第２支持部３２、第３支持部３３、及び第４支持部３４とが一体に形成されてもよい。あるいは、筐体３０は、底面部３６に、第１支持部３１、第２支持部３２、第３支持部３３、及び第４支持部３４からなる枠体が接合されることで、形成されてもよい。

第１支持部３１、第２支持部３２、第３支持部３３、及び第４支持部３４は、図１Ａに示すように、上面視で、それぞれ、幅ｄ１、幅ｄ２、幅ｄ３、及び幅ｄ４を有する。幅ｄ１及び幅ｄ２は、Ｘ方向の幅であり、幅ｄ３及び幅ｄ４は、Ｙ方向の幅である。幅ｄ１、幅ｄ２、幅ｄ３、及び幅ｄ４は、１〜２ｍｍ程度であってよい。

本実施形態では、幅ｄ１は幅ｄ２よりも大きい。すなわち、第１支持部３１は、第２支持部３２よりもＸ方向の幅が大きい。幅ｄ２に対する幅ｄ１の比（＝ｄ１／ｄ２）は、好ましくは、１．３から１．５の範囲内に設定される。なお、幅ｄ３及び幅ｄ４は、同じであり、例えば幅ｄ２と同じであってよい。幅ｄ１が幅ｄ２よりも大きいことで、ディスプレイパネル６０の共振周波数での変位量を効果的に増加させることができる。この技術的な意義は、図３及び図４を参照して後述する。

ディスプレイパネル６０は、例えば液晶ディスプレイパネルや、有機ＥＬ（ＥｌｅｃｔｒｏＬｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）ディスプレイパネルであってよい。ディスプレイパネル６０に代えて、ディスプレイ機能を備えないガラスパネル等が用いられてもよい。

ディスプレイパネル６０は、上面視で矩形状である。なお、矩形状とは、直角な角をもつ矩形のみならず、角アールを有する形態の矩形をも含む概念である。

ディスプレイパネル６０は、筐体３０の第１支持部３１、第２支持部３２、第３支持部３３、及び第４支持部３４により支持される。具体的には、ディスプレイパネル６０は、第１支持部３１により支持される部位である第１被支持部６１と、第２支持部３２により支持される部位である第２被支持部６２と、第３支持部３３により支持される部位である第３被支持部６３と、第４支持部３４により支持される部位である第４被支持部６４とを含む。第１被支持部６１、第２被支持部６２、第３被支持部６３、及び第４被支持部６４は、ディスプレイパネル６０の外周部を形成する。

ここで、ディスプレイパネル６０における第１支持部３１により支持されるＸ方向の幅（支持幅）は、第１被支持部６１のＸ方向の幅に対応し、ディスプレイパネル６０における第２支持部３２により支持されるＸ方向の幅（支持幅）は、第２被支持部６２のＸ方向の幅に対応する。また、ディスプレイパネル６０における第３支持部３３により支持されるＹ方向の幅（支持幅）は、第３被支持部６３のＹ方向の幅に対応し、ディスプレイパネル６０における第４支持部３４により支持されるＹ方向の幅（支持幅）は、第４被支持部６４のＹ方向の幅に対応する。

ディスプレイパネル６０は、接合部材６９を介して筐体３０に支持される。接合部材６９は、不織布等からなる基材の両面に粘着剤が付着された両面テープにより形成されてもよいし、発泡体により形成されてもよい。接合部材６９は、第１支持部３１、第２支持部３２、第３支持部３３、及び第４支持部３４の上側表面の全体にわたり設けられてよく、あるいは、第１支持部３１、第２支持部３２、第３支持部３３、及び第４支持部３４の上側表面からはみ出す態様で設けられてもよい。

ここで、ディスプレイパネル６０のＸ方向の幅は、筐体３０のＸ方向の幅（Ｘ方向の第１支持部３１の最も外側の縁と、Ｘ方向の第２支持部３２の最も外側の縁との間の距離）と同じであってもよいが、好ましくは、組付け誤差等を考慮して、筐体３０のＸ方向の幅よりもわずかに小さい。また、ディスプレイパネル６０のＹ方向の幅は、筐体３０のＹ方向の幅（Ｙ方向の第３支持部３３の最も外側の縁と、Ｙ方向の第４支持部３４の最も外側の縁との間の距離）と同じであってもよいが、好ましくは、組付け誤差等を考慮して、筐体３０のＹ方向の幅よりもわずかに小さい。なお、上面視で、ディスプレイパネル６０の外形が筐体３０の外形に完全に一致する場合は、第１被支持部６１、第２被支持部６２、第３被支持部６３、及び第４被支持部６４に係る各支持幅は、第１支持部３１、第２支持部３２、第３支持部３３、及び第４支持部３４の各幅ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４にそれぞれ対応する。ディスプレイパネル６０の外形が筐体３０の外形よりも小さい場合は、第１被支持部６１、第２被支持部６２、第３被支持部６３、及び第４被支持部６４に係る各支持幅は、第１支持部３１、第２支持部３２、第３支持部３３、及び第４支持部３４の各幅ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４のそれぞれよりも小さくなる。

振動発生装置９０の圧電アクチュエータ１０に電気信号が付与されると、圧電アクチュエータ１０が屈曲振動する。その結果、ディスプレイパネル６０が振動する。すなわち、ディスプレイパネル６０は、圧電アクチュエータ１０の振動によって圧電アクチュエータ１０とともに振動する。これにより、振動発生装置９０は、ディスプレイパネル６０を介してユーザへ振動等を介して触覚を提示する触覚提示装置（例えば、フォースフィードバック用の装置）として機能できる。なお、別の実施形態では、振動発生装置９０は、音響用のスピーカ（例えばスマートフォンの受話音用スピーカ）として機能してもよい。

次に、図３及び図４を参照して、ディスプレイパネル６０における第１支持部３１により支持されるＸ方向の幅（以下、「第１支持幅」と称する）と、ディスプレイパネル６０における第２支持部３２により支持されるＸ方向の幅（以下、「第２支持幅」と称する）と、本実施形態の振動発生装置９０の特性との関係について説明する。

以下の説明において、ズレ量＝０とは、第１支持幅と第２支持幅の差が０であることを意味する。また、ズレ量の正方向は、第１支持幅が増加する方向に対応する。

図３は、ズレ量ごとの、変位最大値の周波数特性を示す図であり、シミュレーション結果を示す図である。図４は、ズレ量と変位最大値（共振最大変位）と共振周波数との関係を示す図であり、図３のシミュレーション結果に基づく図である。

シミュレーションは、有限要素法の周波数応答解析で、条件は、以下のとおりである。ディスプレイパネル６０は、一般的なガラス（ソーダガラス）であり、パネルサイズ１００×７０ｍｍであり、板厚は０．５ｍｍである。また、圧電アクチュエータ１０（圧電素子１１）からディスプレイパネル６０の端部までのＸ方向の距離が３．５ｍｍ（ズレ量＝０のとき）であり、第１支持幅及び第２支持幅はともに２ｍｍ（ズレ量＝０のとき）であり、ディスプレイパネル６０の固定は両面テープ（板厚０．１４ｍｍ）である。また、圧電アクチュエータ１０の形状は５３×８ｍｍであり、板厚は０．３ｍｍである。また、圧電アクチュエータ１０の固定はエポキシ樹脂（厚さ５ｕｍ）である。

図３では、横軸に周波数［Ｈｚ］を取り、縦軸に変位最大値［ｍｍ］を取り、ズレ量を０、±０．５、±１、±１．４［ｍｍ］としたときの各特性が示されている。すなわち、曲線３００は、ズレ量＝１．４の特性を示し、曲線３０１は、ズレ量＝１の特性を示し、曲線３０２は、ズレ量＝０．５の特性を示し、曲線３０３は、ズレ量＝０の特性を示し、以下同様である。変位最大値は、ディスプレイパネル６０の変位の最大値（共振周波数での変位）を表す。

図４では、横軸にズレ量［ｍｍ］を取り、縦軸に変位最大値［ｍｍ］及び周波数［Ｈｚ］を取り、ズレ量の変化に対する変位最大値の変化特性４０１と、ズレ量の変化に対する周波数の変化特性４０２とが示される。

図３及び図４に示すように、ズレ量が正方向に増加するにつれて、変位最大値が大きくなる傾向があることがわかる。また、ズレ量が正方向に増加する方（すなわち第１支持幅が第２支持幅よりも大きくなる方）が、ズレ量が負方向に増加するよりも（すなわち第２支持幅が第１支持幅よりも大きくなるよりも）、変位最大値の増加勾配が大きくなる傾向があることがわかる。また、ズレ量が変化しても、共振周波数が大きく変化していないこともわかる。

本実施形態によれば、図３及び図４に示すように、ズレ量が変化しても、共振周波数は大きく変化しない（すなわち２０Ｈｚの範囲内で収めることができる）。特に、ズレ量が０〜１．４［ｍｍ］の範囲内では、共振周波数の変動を１０Ｈｚ程度に抑えることができる。

また、本実施形態によれば、図３及び図４に示すように、ズレ量が０より大きくなると、変位最大値が増加する。すなわち、０より大きいズレ量が発生した場合、振動発生装置９０の特性が有利な方向に変化する。特に、ズレ量が０．５〜１．４［ｍｍ］の範囲内では、変位最大値が有意に増加し、振動特性が良好となる。

なお、上述した第１実施形態では、第１支持部３１の幅ｄ１を第２支持部３２の幅ｄ２よりも大きくすることで、第１支持幅を第２支持幅よりも大きくしているが、これに限られない。例えば、筐体３０における第１支持部３１及び第２支持部３２の各幅ｄ１、ｄ２は同じであり、筐体３０に対するディスプレイパネル６０の取り付け位置を正規の位置（ノミナル位置）に対してＸ方向でずらすことで、第１支持幅を第２支持幅よりも大きくしてもよい。

次に、他の実施形態による振動発生装置について説明する。他の実施形態の説明において、上述した実施形態と同じであってよい構成要素については、同一の参照符号を付して説明を省略する。

図５は、他の実施形態（以下、「第２実施形態」とも称する）による振動発生装置９０Ａを示す概略平面図である。

本実施形態による振動発生装置９０Ａは、上述した第１実施形態による振動発生装置９０に対して、筐体３０が筐体３０Ａで置換された点と、ディスプレイパネル６０に対する圧電アクチュエータ１０の取り付け位置が変更された点が異なる。

具体的には、筐体３０Ａは、上述した第１実施形態による筐体３０に対して、第３支持部３３が第３支持部３３Ａで置換された点が異なる。第３支持部３３Ａは、上述した第１実施形態による第３支持部３３に対して、幅ｄ３が拡大されている点が異なる。すなわち、本実施形態では、第３支持部３３Ａは、第４支持部３４よりもＹ方向の幅が大きい。幅ｄ４に対する幅ｄ３の比（＝ｄ３／ｄ４）は、好ましくは、１．３から１．５の範囲内に設定される。なお、幅ｄ３は、幅ｄ１と同じであり、幅ｄ２は幅ｄ４と同じであってよい。

また、圧電アクチュエータ１０は、Ｘ方向に加えて、Ｙ方向でもディスプレイパネル６０の中心に対してオフセットした位置に取り付けられる。具体的には、圧電アクチュエータ１０は、Ｙ方向で第３支持部３３Ａに近い側にオフセットする。Ｙ方向で圧電アクチュエータ１０と第３支持部３３Ａとの間の距離は、筐体３０Ａに対するディスプレイパネル６０の取り付け誤差等を考慮して、例えば１〜１．５ｍｍ程度であってもよい。

本実施形態によっても、上述した第１実施形態と同様の効果が得られる。

なお、上述した第２実施形態では、第３支持部３３Ａの幅ｄ３を第４支持部３４の幅ｄ４よりも大きくすることで、ディスプレイパネル６０における第３支持部３３Ａにより支持されるＹ方向の幅（以下、「第３支持幅」と称する）を、ディスプレイパネル６０における第４支持部３４により支持されるＹ方向の幅（以下、「第４支持幅」と称する）よりも大きくしているが、これに限られない。例えば、筐体３０Ａにおける第３支持部３３Ａ及び第４支持部３４の各幅ｄ３、ｄ４は同じであり、筐体３０Ａに対するディスプレイパネル６０の取り付け位置を正規の位置（ノミナル位置）に対してＹ方向でずらすことで、第３支持幅を第４支持幅よりも大きくしてもよい。

１０ 圧電アクチュエータ
１１ 圧電素子
３０、３０Ａ 筐体
３１ 第１支持部
３２ 第２支持部
３３ 第３支持部
３３Ａ 第３支持部
３４ 第４支持部
３６ 底面部
３８ 内部空間
６０ ディスプレイパネル
６１ 第１被支持部
６２ 第２被支持部
６３ 第３被支持部
６４ 第４被支持部
６８ 電子回路
６９ 接合部材
９０ 振動発生装置
９０Ａ 振動発生装置
１１０ 圧電体層
１１２ 内部電極層
１１４ 表面電極
１１６ 側面電極

Claims (4)

1. 第１方向に視て矩形状であり、前記第１方向に直角な第２方向で第１側の辺に沿って第１支持部、及び、前記第２方向の前記第１側とは逆側の第２側の辺に沿って第２支持部を、有する筐体と、
   前記第１支持部及び前記第２支持部により支持されるパネルと、
   前記第２方向で前記パネルの中心部に対して前記第１側にずれる態様で、前記パネルに取り付けられる圧電素子とを含み、
   前記パネルにおける前記第１支持部により支持される部位の前記第２方向の幅は、前記パネルにおける前記第２支持部により支持される部位の前記第２方向の幅よりも大きい、振動発生装置。
2. 前記第１支持部における前記第２方向の幅は、前記第２支持部における前記第２方向の幅よりも大きい、請求項１記載の振動発生装置。
3. 前記圧電素子は、前記第１方向に視て矩形状であり、前記第１方向に視て前記圧電素子の長手方向は、前記第２方向に対応する、請求項１記載の振動発生装置。
4. 前記筐体は、更に、前記第１方向及び前記第２方向に直角な第３方向で第３側の辺に沿って第３支持部、及び、前記第３方向の前記第３側とは逆側の第４側の辺に沿って第４支持部を、有し、
   前記パネルは、更に、前記第３支持部及び前記第４支持部により支持され、
   前記第３支持部における前記第３方向の幅は、前記第４支持部における前記第３方向の幅よりも大きく、
   前記圧電素子は、前記第３方向で前記パネルの中心部に対して前記第３側にずれる態様で、前記パネルに取り付けられる、請求項１又は２記載の振動発生装置。