WO2017163939A1 - アクチュエータ及び触感呈示装置 - Google Patents

Abstract

アクチュエータは、圧電素子と、圧電素子が接合され、圧電素子の伸縮変位に応じて振動対象を振動させる振動板と、振動板に接合され、振動対象を保持する保持部とを備え、保持部の高さは、外力によって圧電素子が破損しない最大の湾曲変位未満である。

Description

アクチュエータ及び触感呈示装置 関連出願の相互参照

　本出願は、日本国特許出願２０１６－０６２４３０号（２０１６年３月２５日出願）の優先権を主張するものであり、当該出願の開示全体を、ここに参照のために取り込む。

　本開示は、アクチュエータ及び触感呈示装置に関する。

　従来、振動を発生させるアクチュエータが配設されたタッチセンサ等が知られている（例えば、特許文献１参照）。かかるタッチセンサ等では、アクチュエータが、タッチセンサ等の振動対象を振動させることにより、振動対象にタッチするユーザに対して触感が呈示される。

特許第５４５２７２９号公報

　一実施形態に係るアクチュエータは、圧電素子と、振動板と、保持部とを備える。前記振動板は、前記圧電素子が接合され、前記圧電素子の伸縮変位に応じて振動対象を振動させる。前記保持部は、前記振動板に接合され、前記振動対象を保持する。前記保持部の高さは、外力によって前記圧電素子が破損しない最大の湾曲変位未満である。

　一実施形態に係る触感呈示装置は、アクチュエータと振動対象とを備える。アクチュエータは、圧電素子と、前記圧電素子が接合され、前記圧電素子の伸縮変位に応じて振動する振動板と、前記振動板に接合される保持部とを備える。振動対象は、前記保持部に保持され、前記振動板の振動が伝達されてユーザに対して触感を呈示する。前記保持部の高さは、外力によって前記圧電素子が破損しない最大の湾曲変位未満である。

第１実施形態に係る触感呈示装置の構成例を示す要部断面図である。 図１に示すアクチュエータの構成例を示す斜視図である。 図１の触感呈示装置の概略構成例を示す機能ブロック図である。 図１のアクチュエータのフレームの断面形状の例である。 比較例に係るアクチュエータのフレームの断面形状である。 圧電素子が湾曲した状態の例を示す図である。 圧電素子の湾曲状態を模式的に示す図である。 支持部の与角について説明するための模式図である。 支持部の上端の構造の例である。 第２実施形態に係るアクチュエータのフレームの断面形状の例である。 振動板と支持部との接合部の断面形状の例である。 リブを備える支持部の例である。 固定部を内側に曲げて両側の固定部を接続したフレームの例である。 アクチュエータの駆動時の各部の寸法の一例を示す図である。

　触感を呈示する装置は、アクチュエータの振動を大きくすることにより、ユーザに対してより効率的に触感を呈示できる。本開示は、発生する振動を大きくできるアクチュエータ及び触感呈示装置に関する。

　以下、実施形態に係るアクチュエータ及び触感呈示装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。

（第１実施形態）
　第１実施形態に係る触感呈示装置は、種々の機器に用いられうる。本実施形態に係る触感呈示装置は、カーナビゲーションシステム、又は、ステアリング若しくはパワーウィンドウのスイッチ等の車載機器とすることができる。触感呈示装置は、携帯電話、スマートフォン、タブレット型ＰＣ（Personal Computer）、ノートＰＣ等とすることができる。触感呈示装置はこれらに限定されるものではなく、デスクトップＰＣ、家電製品、産業用機器（ＦＡ（Factory Automation）機器）、専用端末等、種々の電子機器とすることもできる。以下の説明で用いられる図は模式的なものであり、図面上の寸法比率等は現実のものとは必ずしも一致していない。

［触感呈示装置の構成例］
　図１は、第１実施形態に係る触感呈示装置１の構成例を示す要部断面図である。図１に示されるように、本実施形態に係る触感呈示装置１は、アクチュエータ１０と、筐体２０と、振動対象３０とを備える。

　アクチュエータ１０は、圧電素子１１と、振動板１２と、支持部１３と、固定部１４と、保持部１５とを備える。アクチュエータ１０は、固定部１４を介して筐体２０に接合される。アクチュエータ１０には、保持部１５を介して振動対象３０が接合される。

　図２は、アクチュエータ１０の構成例を示す斜視図である。図２（ａ）は、筐体２０に接合される側から見た斜視図である。図２（ｂ）は、振動対象３０が接合される側から見た斜視図である。図１及び図２を参照して、アクチュエータ１０の各部について説明していく。

　圧電素子１１は、例えば長方形状である。圧電素子１１は、印加される電圧信号に応じて長手方向に種々のパターンで伸縮変位する。圧電素子１１は、圧電フィルムであってもよいし、圧電セラミックであってもよい。圧電セラミックは、圧電フィルムよりも、より大きい振動エネルギーを有する振動を発生させることができる。

　振動板１２は、所定の厚みを有する長方形の板状の部材である。振動板１２は、例えば、弾性を有する薄板である。振動板１２は、金属、樹脂、又は、金属及び樹脂等の複合材料等を含んで構成される。振動板１２は、金属薄板（シム板ともいう）であってもよい。以下、振動板１２において筐体２０の側に対向する面を第１の面１２ａという。振動板１２において振動対象３０の側に対向する面を第２の面１２ｂという。

　振動板１２の第１の面１２ａには、圧電素子１１が設けられる。圧電素子１１は、圧電素子１１の長手方向が振動板１２の長手方向と一致するように設けられる。振動板１２の第２の面１２ｂには、保持部１５が設けられる。圧電素子１１及び保持部１５はそれぞれ、接着等の方法で振動板１２に接合される。

　振動板１２の第１の面１２ａに圧電素子１１が設けられる構造は、いわゆるモノモルフである。モノモルフにおいては、圧電素子１１の伸縮変位が、振動板１２の屈曲振動を引き起こす。振動板１２の一方の端部のみが筐体２０に支持されている場合には、振動板１２は、振動板１２の他方の端部における第１の面１２ａの法線方向の振幅が最大になるように振動する。振動板１２の両端が筐体２０に支持されている場合には、振動板１２は、振動板１２の中央付近における第１の面１２ａの法線方向の振幅が最大になるように振動する。

　振動板１２の長手方向の両端にはそれぞれ、支持部１３が設けられる。支持部１３は、圧電素子１１の変位に応じて振動板１２が振動しても筐体２０に衝突しないように圧電素子１１と筐体２０との間のクリアランスを保つ。支持部１３は、振動板１２と同様に、例えば弾性を有する薄板である。支持部１３は、振動板１２と同一の材料により構成されていてもよいし、異なる材料により構成されていてもよい。上述の通り、振動板１２の両端が支持されている場合、振動板１２は、圧電素子１１の変位に応じて、振動板１２の中央付近における振幅が最大になるように振動する。

　支持部１３の一方の端部は、振動板１２に接続される。支持部１３の他方の端部は、固定部１４に接続される。固定部１４は、例えば、ねじ止め又は接着等により筐体２０に固定される。固定部１４は、例えば振動板１２と同様に、弾性を有する薄板である。固定部１４は、振動板１２と同一の材料により構成されていてもよいし、異なる材料により構成されていてもよい。

　本実施形態に係るアクチュエータ１０において、振動板１２と支持部１３と固定部１４とは、一体成型されている。すなわち、振動板１２と支持部１３と固定部１４とは、同一の材料により構成されている。振動板１２と支持部１３と固定部１４との一体となった部材は、例えば、一枚の金属の薄板を板金加工により折り曲げることにより一体成型されてもよい。なお、振動板１２と支持部１３と固定部１４とは、それぞれ個別の部品が溶接されて一体に成型されてもよい。また、振動板１２と支持部１３と固定部１４とは、樹脂の一体成型によって作られてもよい。

　保持部１５は、振動対象３０を保持する。保持部１５は、例えば金属により構成される。保持部１５は、金属の他、ゴム材料等の他の材料により構成されていてもよい。保持部１５は、振動板１２の第２の面１２ｂに設けられる。保持部１５は、例えば接着等の方法を用いて振動板１２に接合される。保持部１５は、第２の面１２ｂの中央付近に設けられる。ただし、保持部１５が設けられる位置は中央付近に限られない。保持部１５は、振動板１２の最大の振幅となる部分に設けられてもよい。保持部１５には、例えば接着等の方法を用いて振動対象３０が接合される。

　保持部１５は、ゴム材料により構成される場合、振動板１２の振動が振動対象３０に効率よく伝達されるように、振動板１２の振動方向、つまり第１の面１２ａの法線方向に大きい弾性係数を有していてもよい。一方で保持部１５は、振動板１２の第１の面１２ａに平行な方向に小さい弾性係数を有していてもよい。このようにすることで、外力による触感呈示装置１の破損の可能性が低減される。弾性係数は、部材にかかる外力と部材の変位量との関係を示す定数であり、変位量と弾性係数との積が外力となる。つまり同じ外力に対する変位量は、弾性係数が小さいほど大きくなる。

　本実施形態において、以下、一体成型された振動板１２、支持部１３及び固定部１４と、保持部１５とにより形成される部材全体を、アクチュエータ１０のフレーム１０ａともいう。

　筐体２０には、固定部１４においてアクチュエータ１０が接合される。筐体２０は、アクチュエータ１０と比較して質量が大きく、剛性も高い。よって本実施形態において、筐体２０は剛体とみなされる。

　振動対象３０は、例えば機器に備えられるタッチセンサ５０（図３参照）又はスイッチ等であってよい。振動対象３０には、保持部１５においてアクチュエータ１０が接合される。上述のように、筐体２０が剛体とみなされる場合、アクチュエータ１０が発生する振動は、主に振動対象３０に伝達される。よって振動対象３０は、タッチしたユーザに触感を呈示することができる。

［触感呈示装置の動作例］
　図３は、本実施形態に係る触感呈示装置１の機能ブロックの一例である。図３に示されるように、触感呈示装置１は、上述したアクチュエータ１０と、コントローラ４０とを備える。コントローラ４０は、アプリケーションソフトウェアを実行可能なプロセッサまたはマイクロコンピュータ等により構成することができる。コントローラ４０は、必要に応じて各種情報を記憶することができるメモリ等によって構成される記憶部等も適宜含みうる。

　図３に示されるように、コントローラ４０は、アクチュエータ１０に接続される。コントローラ４０は、アクチュエータ１０に駆動信号を出力する。駆動信号は、アクチュエータ１０の圧電素子１１に対して印加される電圧信号である。

　圧電素子１１は、コントローラ４０から取得した駆動信号に応じて、長手方向に伸縮変位する。図１及び図２に例示されるアクチュエータ１０の振動板１２は、圧電素子１１の変位に応じて屈曲する。つまり、圧電素子１１が振動板１２の長手方向に縮む方向に変位した場合、振動板１２は第２の面１２ｂが凸になるように屈曲する。また、圧電素子１１が振動板１２の長手方向に伸びる方向に変位した場合、振動板１２は第１の面１２ａが凸になるように屈曲する。このように、圧電素子１１の変位が、振動板１２の第１の面１２ａの法線方向の振動に変換される。

　本実施形態においては、圧電素子１１は、電圧信号の印加に応じて縮む方向にのみ変位する。この場合、振動板１２は、第２の面１２ｂが凸になるように屈曲した状態と、屈曲していない平坦な状態とを繰り返して振動する。圧電素子１１の変位は、電圧信号の印加に応じて縮む方向に限られるものではない。圧電素子１１は、電圧信号の印加に応じて伸びる方向に変位するように構成されてもよいし、伸びる方向及び縮む方向のいずれにも変位するように構成されてもよい。

　このようにして、コントローラ４０は、アクチュエータ１０を駆動し、振動板１２を振動させる。振動板１２の振動は、保持部１５を介して振動対象３０に伝達される。このようにして、振動対象３０にタッチしたユーザに対して触感が呈示される。

　コントローラ４０は、例えば図３に示されるように、タッチセンサ５０に接続されてもよい。この場合、コントローラ４０は、タッチセンサ５０から取得した信号に応じて、アクチュエータ１０に駆動信号を出力してもよい。タッチセンサ５０は、触感呈示装置１の振動対象３０であってもよい。この場合、ユーザが振動対象３０にタッチしていることがタッチセンサ５０により検出される。コントローラ４０は、ユーザが振動対象３０にタッチしているときに振動対象３０を振動させる。このようにすることで、触感呈示装置１は、振動対象３０にタッチしたユーザに対して触感を呈示することができる。タッチセンサ５０は、触感呈示装置１の振動対象３０とは別個の構成として設けられてもよい。

［フレームの形状］
　図４は、本実施形態に係るアクチュエータ１０のフレーム１０ａの断面形状の例である。アクチュエータ１０のフレーム１０ａは、アクチュエータ１０の駆動に応じて弾性変形する。図４（ａ）には、アクチュエータ１０が駆動されていない場合のフレーム１０ａの形状が示されている。図４（ｂ）には、アクチュエータ１０が駆動されている場合のフレーム１０ａの形状が示されている。図４（ｂ）において振動板１２は、アクチュエータ１０の駆動に応じて第２の面１２ｂが凸となるように屈曲している。

　図４（ａ）に示されるように、アクチュエータ１０が駆動されていない場合、支持部１３は、振動板１２に接続される側の端部が固定部１４に接続される側の端部よりも外側になるように設けられている。このように設けられた支持部１３の状態のことを、支持部１３が外側に傾いている状態ともいう。この場合、振動板１２と支持部１３とがなす角度は鋭角になっている。

　支持部１３は、振動板１２の法線方向と支持部１３とがなす角度がαとなるように設けられている。以下、角度（α）を与角（α）ともいう。与角（α）は、振動板１２の法線方向に対して支持部１３が外側に傾いている状態の場合に正の値をとるものと定義される。与角（α）の単位はラジアンである。以降の説明に用いられる角度の単位も、特に言及がない限りラジアンである。支持部１３が設けられる方向を一意に表すために、与角（α）は、－π≦α＜πであるとする。

　支持部１３の長さはＨである。この場合、振動板１２の端部と固定部１４との距離は、Ｈｃｏｓαである。振動板１２の端部と固定部１４との距離は、振動板１２の端部から固定部１４を含む面に下ろした垂線の長さとして定義される。

　図４（ｂ）に示されるように、アクチュエータ１０が駆動されている場合、振動板１２は屈曲している。振動板１２の両端部に対する中央部の変位は、第１の面１２ａ側から第２の面１２ｂ側へ向かう変位が正の値になるものとして、Δｘ（＞０）である。振動板１２の屈曲に応じて、支持部１３の上端（振動板１２に接続される側の端部）は、振動板１２により、振動板１２の中央部側に引っ張られる。振動板１２により引っ張られた支持部１３は、振動板１２の法線方向と支持部１３とがなす角度がβとなる。以下、角度（β）を変位角（β）ともいう。変位角（β）は、支持部１３が外側に傾いている状態の場合に正の値をとるものと定義される。与角（α）の範囲と同様に、変位角（β）は、－π≦β＜πであるとする。アクチュエータ１０の駆動状態において、支持部１３の上端は、振動板１２の中央部側に引っ張られるため、αとβとは、α＞βを満たす。支持部１３の長さは、図４（ａ）と同様にＨである。この場合、振動板１２の端部と固定部１４との距離は、Ｈｃｏｓβである。

　図４（ａ）と図４（ｂ）とを比較して、アクチュエータ１０の駆動による振動板１２の端部と固定部１４との距離の変化（Δｙ）は、以下の式（１）により算出される。
　Δｙ＝Ｈ（ｃｏｓβ－ｃｏｓα）　　　（１）
ここで、α＞β＞０、Ｈ＞０であるから、Δｙ＞０である。

　振動対象３０に対して伝達されるアクチュエータ１０の変位は、振動板１２の中央部の変位（Δｘ）と、振動板１２の端部と固定部１４との距離の変化（Δｙ）との和である。Δｙ＞０であるから、支持部１３と振動板１２の法線方向とがなす角度が変化しない場合（Δｙ＝０）と比較して、振動対象３０に対して伝達されるアクチュエータ１０の変位は大きくなりうる。

＜比較例＞
　図５は、比較例に係るアクチュエータ１０のフレーム１０ｂの断面形状である。フレーム１０ｂは、図１等に示されるフレーム１０ａと同様に、一体成型された振動板１２、支持部１３及び固定部１４と、保持部１５とにより構成される部材である。フレーム１０ｂは、フレーム１０ａとは異なる断面形状を有する。図５（ａ）には、アクチュエータ１０が駆動されていない場合のフレーム１０ｂの形状が示されている。図５（ｂ）には、アクチュエータ１０が駆動されている場合のフレーム１０ｂの形状が示されている。図５（ｂ）において振動板１２は、アクチュエータ１０の駆動に応じて第２の面１２ｂが凸となるように屈曲している。

　図５（ａ）に示されるように、アクチュエータ１０が駆動されていない場合、フレーム１０ｂの支持部１３は、振動板１２の法線方向に沿うように位置している。つまり図５（ａ）において、支持部１３は振動板１２に直交している。支持部１３の長さはＨである。この場合、振動板１２の端部と固定部１４との距離は、支持部１３の長さと同じ（Ｈ）である。

　図５（ｂ）は、アクチュエータ１０が駆動されている場合を示しており、この場合に、振動板１２は、両端部に対して中央部が第２の面１２ｂ側にΔｘだけ変位するように屈曲しているとする。図４の場合と同様に、第１の面１２ａ側から第２の面１２ｂ側へ向かう変位を正の値として、Δｘ＞０とする。振動板１２の屈曲に応じて、支持部１３の上端（振動板１２に接続される側の端部）は、振動板１２により、振動板１２の中央部側に引っ張られる。このとき、支持部１３の変位角は、β（上述の定義によればβ＜０）となっている。支持部１３の長さは、図４（ａ）と同様にＨである。この場合、振動板１２の端部と固定部１４との距離は、Ｈｃｏｓβである。

　図５（ａ）と図５（ｂ）とを比較して、アクチュエータ１０の駆動による振動板１２の端部と固定部１４との距離の変化（Δｙ）は、以下の式（２）により算出される。
　Δｙ＝Ｈ（ｃｏｓβ－１）　　　（２）
ここで、ｃｏｓβ＜１、Ｈ＞０であるから、Δｙ＜０である。

　振動対象３０に対して伝達されるアクチュエータ１０の変位は、振動板１２の中央部の変位（Δｘ）と、振動板１２の端部と固定部１４との距離の変化（Δｙ）との和である。Δｙ＜０であるから、上述の本実施形態に係るフレーム１０ａの断面形状の例（Δｙ＞０）と比較して、振動対象３０に対して伝達されるアクチュエータ１０の変位は小さくなっている。また、支持部１３と振動板１２の法線方向とがなす角度が変化しない場合（Δｙ＝０）と比較しても、振動対象３０に対して伝達されるアクチュエータ１０の変位は小さくなっている。

　このように、本実施形態に係るフレーム１０ａの断面形状は、支持部１３が与角（α）を有している。言い換えると、振動板１２と支持部１３とがなす角度が鋭角である。比較例に係るフレーム１０ｂの断面形状のように、振動板１２と支持部１３とがなす角度が直角である場合、振動対象３０に対して伝達されるアクチュエータ１０の変位が大きくならない。詳細な説明は省略するが、振動板１２と支持部１３とがなす角度が鈍角である場合も、振動対象３０に対して伝達されるアクチュエータ１０の変位が大きくならないことは明らかである。そのため、本実施形態に係るフレーム１０ａによれば、振動対象３０に対して伝達されるアクチュエータ１０の変位がより大きくなる。

　次に、本実施形態における圧電素子１１を保護する構造について説明する。圧電素子１１は、外部からの圧力により変形すると、圧電素子１１に対する押圧に係る荷重（力）の大きさ、又は荷重（力）の大きさが変化する速さ（加速度）に応じた、電気的な特性である電圧の大きさ（電圧値）の電圧信号を出力する。圧電素子１１から出力される電圧信号は、例えばアクチュエータ１０が用いられる機器の制御部（コントローラ）に送信される。機器の制御部は、取得した電圧信号に応じて、機器の制御を行うことができる。

　本実施形態では、例えば機器のユーザが振動対象３０（タッチセンサ５０）を押圧することにより、保持部１５を介して振動板１２の中央部が筐体２０に向かって凸形状となるように湾曲する。このとき、圧電素子１１も中央部が筐体２０に向かって凸形状となるように湾曲する。これにより、振動対象３０への押圧に応じた電圧信号が圧電素子１１から出力される。

　ここで、ユーザが振動対象３０にかける圧力が強いほど、圧電素子１１の湾曲（曲率）が大きくなる。圧電素子１１は、曲率が所定値以上となると、圧電素子１１に亀裂が生じたり圧電素子１１が折損したりする可能性がある。そのため、アクチュエータ１０を、外部からの圧力に対して圧電素子１１を保護する構造とすることにより、アクチュエータ１０の信頼性が向上する。図６乃至図９を参照しながら、本実施形態における圧電素子１１を保護する構造の詳細について説明する。

　図６は、ユーザによる振動対象３０への押圧により、圧電素子１１が湾曲した状態の例を示す図である。図６に示すように、ユーザによる押圧等により振動対象３０が筐体２０側に変位すると、保持部１５が振動対象３０からの圧力により、筐体２０側に変位する。すると、振動板１２の中央部が筐体２０側に押し下げられる。そのため、振動板１２及び振動板１２に設けられた圧電素子１１が、中央部が筐体２０側に向かって凸形状となるように湾曲する。このとき、支持部１３の上部が振動板１２の中央部側に引っ張られ、振動板１２の法線方向と支持部１３とがなす角度が、押圧がかけられていない場合の与角αよりも小さくなる。そして、振動板１２の中央部と、端部との高低差が、保持部１５の高さと等しくなった場合、振動対象３０の底面３０ａが振動板１２の端部（つまり支持部１３の上端）に接触する。これにより、支持部１３は、ストッパとして機能し、振動対象３０の更なる筐体２０方向への変位を防止する。振動板１２の中央部と端部との高低差は、振動板１２の２つの端部により定まる直線（平面）から中央部に下ろした垂線の長さにより定義され、図６においてｄで示される。本明細書において、この高低差を振動板１２の湾曲変位ともいい、特に図６に示すように振動対象３０の底面３０ａと支持部１３の上端とが接触している場合における湾曲変位を限界湾曲変位ともいう。保持部１５の高さは、振動対象３０の、保持部１５によって保持される底面３０ａの法線方向における、保持部１５の長さである。すなわち、本実施形態では、保持部１５の高さは、振動板１２において保持部１５が取り付けられた位置（本実施形態では中央部）から振動対象３０の底面３０ａまでの長さとして定義され、図６ではｈで示される。

　振動対象３０の底面３０ａが支持部１３の上端と接触すると、振動板１２はこの場合の湾曲状態から更に湾曲することはない。そのため、圧電素子１１も更に湾曲することはない。従って、振動対象３０の底面３０ａが支持部１３の上端と接触した状態において、圧電素子１１が破損しない程度の湾曲状態となるように、保持部１５の高さが決定されていれば、圧電素子１１の破損が防止される。

　ここで、本明細書において、圧電素子１１が外力によって湾曲した場合における、圧電素子１１の中央部から端部までの変位差を、湾曲変位という。圧電素子１１の中央部から端部までの変位差は、図７に示すように、圧電素子１１の２つの端部により定まる直線（平面）から中央部に下ろした垂線の長さにより定義される。湾曲変位は、図７ではＤで示される。本明細書において、圧電素子１１が破損しない最大の湾曲変位を限界湾曲変位Ｄ_ｍａｘという。

　本実施形態において、保持部１５の高さｈは、圧電素子１１の限界湾曲変位Ｄ_ｍａｘ未満である。保持部１５の高さｈが圧電素子１１の限界湾曲変位Ｄ_ｍａｘ未満であれば、つまりｈ＜Ｄ_ｍａｘを満たせば、圧電素子１１が限界湾曲変位Ｄ_ｍａｘに達する前に、支持部１３の上端が振動対象３０の底面３０ａに接触する。そのため、圧電素子１１の湾曲変位Ｄが限界湾曲変位Ｄ_ｍａｘを超えなくなり、圧電素子１１が保護される。

　上述のように、振動対象３０の底面３０ａが支持部１３の上端に接触した場合、支持部１３が振動対象３０の更なる変位を防止するため、支持部１３は振動対象３０によって押圧される。支持部１３は、上端が底面３０ａと接触した際に、支持部１３が底面３０ａに対して垂直になるように接触すると、振動対象３０からの押圧を効率的に支持しやすくなる。

　ここで、上端が底面３０ａと接触した際に支持部１３が底面３０ａに対して垂直に接触する場合の与角α_０について説明する。図８は、支持部１３の与角α_０について説明するための模式図である。振動板１２の長手方向の長さをｌとする。

　図８（ａ）に示すように、振動板１２が押圧されていない状態において、与角はα_０である。振動対象３０から振動板１２が押圧され、底面３０ａが支持部１３の上端と接触した場合、図８（ｂ）に示すように、支持部１３は、底面３０ａと垂直になるように接触している。このとき、底面３０ａと振動板１２とのなす角をα_１とする。ここで、振動板１２の湾曲変位ｄは、振動板１２の長手方向の長さｌに対して微小であるため、α_１＝α_０と近似できる。そのため、振動板１２が湾曲した状態を示す図８（ｂ）は、図８（ｃ）に示す図と等価と考えることができる。

　図８（ｃ）に示す等価図において、次の式（３）が成立する。
　ｔａｎα_０＝ｄ／（ｌ／２）＝２ｄ／ｌ　　　（３）
従って、α_０は、式（４）となる。
　α_０＝ａｒｃｔａｎ（２ｄ／ｌ）　　　（４）

　圧電素子１１は、振動板１２の第１の面１２ａに設けられているため、圧電素子１１の長手方向の長さは、振動板１２の長手方向の長さよりも短い。そのため、圧電素子１１の湾曲変位Ｄは、振動板１２の湾曲変位ｄ以下となる。従って、圧電素子１１の限界湾曲変位Ｄ_ｍａｘは、振動板１２の湾曲変位ｄ以下であればよいので、式（４）において、ｄ＝Ｄ_ｍａｘとすることにより、与角α_０を、aｒｃｔａｎ（２Ｄ_ｍａｘ／ｌ）として定めればよい。

　支持部１３は、上端が底面３０ａと接触した際に、底面３０ａに対して必ずしも垂直になるように接触しなくてもよい。支持部１３は、底面３０ａと略垂直になるように接触してもよい。ここで、略垂直とは、支持部１３が座屈することなく振動対象３０からの押圧を支持可能な程度である場合を含む。

　振動対象３０の底面３０ａが支持部１３の上端に接触すると、支持部１３の上端に応力が集中しやすくなる。そのため、支持部１３は、応力が集中しやすい上端に、応力を分散又は吸収可能な構造を有していてもよい。

　図９は、支持部１３の上端の構造の例である。例えば、支持部１３の上端は、図９（ａ）に示すように、断面視において曲面を有する構造となっていてもよい。この場合、支持部１３の曲面は、支持面１３ｂにおいて底面３０ａを支持する。例えば支持部１３の上端は、上端から振動板１２とは反対側に、底面３０ａと接触した場合に底面３０ａと接触して底面３０ａを支持する支持面１３ｂを備えていてもよい。上記図８を参照して説明したように上端が底面３０ａと接触した際に支持部１３が底面３０ａに対して垂直に接触する場合、支持面１３ｂは、図９（ｂ）に示すように、支持部１３に対して直交するように設けられている。また、支持面１３ｂは、図９（ｃ）に示すように、底面３０ａと接触する面上に、緩衝材１７を有していてもよい。支持部１３がこのような構造を有することにより、底面３０ａとの接触に際して上端にかかる応力を分散又は吸収することができる。

　このように、本実施形態に係るフレーム１０ａにおいて、保持部１５の高さが、圧電素子１１の限界湾曲変位Ｄ_ｍａｘ未満となっている。そのため、保持部１５を介して振動対象３０から圧電素子１１に圧力がかかっても、支持部１３が上端において振動対象３０を支持するので、圧電素子１１は限界湾曲変位Ｄ_ｍａｘ以上に湾曲しない。そのため、本実施形態に係る触感呈示装置１によれば圧電素子１１を保護しやすくなる。

（第２実施形態）
　第１実施形態では、振動板１２と支持部１３と固定部１４とが同一の材料で一体として成型されていた。第２実施形態では、振動板１２及び固定部１４の材料と支持部１３の材料とが異なる構成について説明する。図１０は、第２実施形態に係る触感呈示装置１の構成例を示す要部断面図である。以下、第１実施形態と同一の点については、適宜説明を省略し、主に異なる点について説明する。

　本実施形態において、振動板１２及び固定部１４は、第１実施形態と同様に、例えば弾性を有する薄板等である。振動板１２の材料と固定部１４の材料とは同一であってもよいし、異なってもよい。一方で、支持部１３は、例えば硬化型樹脂等により構成されるピラーであり、振動板１２の法線方向の弾性係数が大きい部材である。支持部１３は、金属等の他の材料により構成されてもよい。支持部１３は、振動板１２との接合部及び固定部１４との接合部において、弾性変形するように構成される。よって支持部１３は、傾斜するように動くことができる。

　本実施形態において、振動板１２と支持部１３とは異なる材料間で一体成型される。例えば、振動板１２と支持部１３とは溶接して一体に成型されてもよい。あるいは、金属の振動板１２の周りに支持部１３となる樹脂を成型することにより、振動板１２と支持部１３とが一体成型されてもよい。あるいは、金属の振動板１２に嵌合部を設け、樹脂により構成される支持部１３と嵌合することにより、振動板１２と支持部１３とが一体成型されてもよい。あるいは、金属の振動板１２の表面にプライマーを塗布した接合面を設け、当該接合面に樹脂を成型することにより、振動板１２と支持部１３とが一体成型されてもよい。あるいは、金属の振動板１２の表面に微細加工を施した接合面を設け、当該接合面に樹脂を成型することにより、振動板１２と支持部１３とが一体成型されてもよい。

　本実施形態に係るアクチュエータ１０によれば、材料が互いに異なる振動板１２と支持部１３とが一体成型される。この場合、振動板１２と支持部１３とが別個の部品として構成される場合と比較して、圧電素子１１の変位に応じて発生する振動板１２の振動の減衰が支持部１３によって低減されつつ、部品点数及び組み立て工数が削減される。本実施形態に係るアクチュエータ１０によれば、振動板１２と支持部１３との間に接着剤を用いないことにより、平均故障間隔（MTBF）が延びたり、組み立て時の歩留まりが向上したりする。

　第２実施形態に係るアクチュエータ１０は、第１実施形態と同様に、振動板１２と支持部１３とがなす角度が鋭角である。そのため、本実施形態に係るアクチュエータ１０によれば、振動板１２と支持部１３とがなす角度が鋭角でない場合と比較して、振動対象３０に対して伝達されるアクチュエータ１０の変位をより大きくできる。

（他の実施形態）
　図１１は、振動板１２と支持部１３との接合部の断面形状の例である。図１１（ａ）は、接合部の内側（振動板１２の第１の面１２ａに連結する側）において切込み１６が設けられている断面形状の例を示す。図１１（ｂ）は、接合部の外側（振動板１２の第２の面１２ｂに連結する側）において切込み１６が設けられている断面形状の例である。図１１（ｃ）は、内側にも外側にも切込み１６が設けられていない比較例である。

　図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示される振動板１２と支持部１３との接合部は、図１１（ｃ）に示される例と比較して、切込み１６が設けられているために屈曲しやすい。よって、支持部１３の上部が振動板１２の中央部側に引っ張られやすくなり、アクチュエータ１０の駆動時の振動板１２の屈曲が妨げられにくくなる。

　図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示される切込み１６は、支持部１３と固定部１４との接合部に設けられてもよい。このようにすることで、支持部１３の与角（α）と変位角（β）との差がより大きくなりうる。

　図１２は、リブ１３ａを備える支持部１３の例である。図１２（ａ）は、アクチュエータ１０のフレームの断面形状の例を示す。図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のＡ－Ａ断面図である。支持部１３が図１２（ｂ）に示されるようなリブ１３ａを有することにより、振動板１２の法線方向に対する支持部１３の剛性が高められる。つまり、アクチュエータ１０が振動対象３０に加える力の反力として支持部１３に加わる力による支持部１３の変形量を抑制できる。このようにすることで、アクチュエータ１０が発生する振動は、支持部１３に吸収されにくくなる。よってアクチュエータ１０が発生する振動は、振動対象３０に対してより効率よく伝達される。

　また、支持部１３は、振動板１２の端部が圧電素子１１の伸縮変位に応じて振動板１２の法線方向よりも長手方向に大きく変位するように、構成されてもよい。このように、振動板１２の端部の振動板１２の法線方向への変位が小さくなるように支持部１３が構成される場合、振動板１２の振動が振動対象３０に効率よく伝達される。振動板１２の端部の振動板１２の長手方向への変位が大きくなるように支持部１３が構成される場合、振動板１２の振動の減衰が低減される。

　図１３は、固定部１４を内側に曲げて両側の固定部１４を接続したフレームの例である。図１３（ａ）は、フレームの断面形状を示している。図１３（ｂ）は、フレームの平面図である。図１３（ａ）によれば、固定部１４が接続されることにより、フレームの断面形状が台形の枠の形状となる。このようにすることで、固定部１４が分離して形成される場合と比較して、フレームの強度が増す。図１３（ｂ）によれば、固定部１４の横にねじ止め用の穴１４ａが設けられており、固定部１４の筐体２０へのねじ止めが容易になっている。

（変位の算出例）
　図１４は、アクチュエータ１０の駆動時の各部の寸法の一例を示す図である。ここで、図１４を用いて、アクチュエータ１０の駆動時における振動板１２の中央部の変位の算出例について説明する。なお、図１４では、保持部１５の記載が省略されている。

　図１４（ａ）は、アクチュエータ１０が駆動されていない場合の各部の寸法の一例である。圧電素子１１の長手方向の寸法はＬである。圧電素子１１は、振動板１２の両端からそれぞれ寸法（Ｍ）をあけて設けられている。振動板１２の長手方向の寸法は、Ｌ＋２Ｍである。支持部１３の長さはＨである。支持部１３と振動板１２の法線方向とがなす角（与角）はαである。支持部１３の、固定部１４に連結する側の端部は、固定部１４により固定される。支持部１３は、当該端部を中心として揺動可能である。

　図１４（ｂ）は、アクチュエータ１０の駆動時の各部の寸法の一例である。圧電素子１１が縮むことにより、振動板１２は、第２の面１２ｂ（図１参照）が凸になるように屈曲している。図１４（ｂ）において、アクチュエータ１０が駆動されていない場合の振動板１２及び支持部１３の形状は、二点鎖線で示されている。振動板１２の端部（支持部１３との接合部）に対する中央部の変位（Δｘ）は、以下の式（５）により算出される。
　Δｘ＝Ｍｓｉｎθ＋ρ（１－ｃｏｓθ）　　　（５）
ここでρは、振動板１２が屈曲する際の曲率半径である。θは、振動板１２の端部において、屈曲していない状態と屈曲した状態との間の角度の差である。振動板１２の屈曲部分の内角、つまり、屈曲部分を円弧とする扇形の内角は、２θと表される。曲率半径（ρ）及び内角（２θ）は、圧電素子１１の変位量、又は、圧電素子１１と振動板１２との厚みの比等によって定められる値である。

　曲率半径（ρ）又は屈曲部分の内角（２θ）が既知である場合、支持部１３の変位角（β）は、以下の式（６）を用いて算出されうる。
　β＝α－Ｍ（１－ｃｏｓθ）／Ｈ　　　（６）
ここで、式（６）では、α、β、θが微小量であるとみなして、三角関数のテイラー展開に基づく近似を用いている。つまり、ｓｉｎα≒α、ｓｉｎβ≒β、及びｓｉｎθ≒θとしている。また、ｓｉｎθ≒Ｌ／２ρとしている。

　支持部１３が振動板１２の法線方向に平行になる場合、曲率半径（ρ）及び内角（２θ）に応じた支持部１３の変位角（β）が０となる。式（６）においてβ＝０の場合、与角（α）は、以下の式（７）の関係を満たす。
　α＝Ｍ（１－ｃｏｓθ）／Ｈ　　　（７）

　図１４（ｂ）において、支持部１３は、振動板１２の屈曲に応じて、アクチュエータ１０が駆動されていない場合の振動板１２の法線方向に平行になっている。この場合、振動板１２の端部と固定部１４との距離の変化（Δｙ）は、以下の式（８）により算出される。
　Δｙ＝Ｈ（１－ｃｏｓθ）　　　（８）

　振動板１２の中央部の変位（Δｚ）は、ΔｘとΔｙとの和である。よって図１４（ｂ）に示される振動板１２の中央部の変位（Δｚ）は、式（５）及び式（８）に基づく以下の式（９）を用いて算出される。
　Δｚ＝Ｍｓｉｎθ＋ρ（１－ｃｏｓθ）＋Ｈ（１－ｃｏｓθ）　　　（９）

　上述の式（１）によれば、与角（α）と変位角（β）とがｃｏｓα＜ｃｏｓβを満たす場合、Δｙ＞０となる。ここで、実施形態１等に係るアクチュエータ１０においては、α＞βとなる。よって、β≧０であれば、Δｙ＞０である。以上のことから、Δｙ＞０となるための与角（α）に係る十分条件は、以下の式（１０）により表される。
　α≧Ｍ（１－ｃｏｓθ）／Ｈ　　　（１０）

　したがって式（１０）を満たすように、支持部１３の与角（α）が適宜設定されれば、振動板１２の中央部の振幅が大きくなる。

　以上、実施形態について諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本開示の範囲に含まれることに留意されたい。

　１　触感呈示装置
　１０　アクチュエータ
　１０ａ、１０ｂ　フレーム
　１１　圧電素子
　１２　振動板
　１２ａ　第１の面
　１２ｂ　第２の面
　１３　支持部
　１３ａ　リブ
　１３ｂ　支持面
　１４　固定部
　１４ａ　穴
　１５　保持部
　１６　切込み
　１７　緩衝材
　２０　筐体
　３０　振動対象
　３０ａ　底面
　４０　コントローラ
　５０　タッチセンサ
 
 

Claims (8)

1. 　圧電素子と、
   　前記圧電素子が接合され、前記圧電素子の伸縮変位に応じて振動対象を振動させる振動板と、
   　前記振動板に接合され、前記振動対象を保持する保持部と
   を備え、
   　前記保持部の高さは、外力によって前記圧電素子が破損しない最大の湾曲変位未満である、アクチュエータ。
2. 　前記振動板を固定部に支持する支持部をさらに備え、
   　前記振動板と前記支持部とが一体成型されている、請求項１に記載のアクチュエータ
3. 　前記振動板と前記支持部とがなす角度が鋭角である、請求項２に記載のアクチュエータ。
4. 　前記振動対象からの押圧により前記支持部の一端が該振動対象に接触した場合における前記振動板と前記支持部とのなす角度が略垂直である、請求項２又は３に記載のアクチュエータ。
5. 　前記支持部は、前記一端に、前記振動対象を支持する支持面を備える、請求項４に記載のアクチュエータ。
6. 　前記支持面は、前記振動対象との接触面上に緩衝材をさらに備える、請求項５に記載のアクチュエータ。
7. 　前記支持部は、前記圧電素子の前記伸縮変位に応じて、前記振動板の端部が前記振動板の法線方向よりも前記圧電素子の前記伸縮変位の方向に大きく変位するように構成される、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
8. 　圧電素子と、前記圧電素子が接合され、前記圧電素子の伸縮変位に応じて振動する振動板と、前記振動板に接合される保持部とを備えるアクチュエータと、
   　前記保持部に保持され、前記振動板の振動が伝達されてユーザに対して触感を呈示する振動対象と
   を備え、
   　前記保持部の高さは、外力によって前記圧電素子が破損しない最大の湾曲変位未満である、触感呈示装置。
    
    

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