特開 2024-137134 振動発生装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024137134

(43)【公開日】2024-10-07

(54)【発明の名称】振動発生装置

(51)【国際特許分類】

   B06B 1/06 20060101AFI20240927BHJP

【ＦＩ】

B06B1/06 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023048533

(22)【出願日】2023-03-24

(71)【出願人】

【識別番号】000204284

【氏名又は名称】太陽誘電株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100087480

【弁理士】

【氏名又は名称】片山 修平

(72)【発明者】

【氏名】石井 茂雄

(72)【発明者】

【氏名】福島 岳行

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 由香里

(72)【発明者】

【氏名】清水 寛之

(72)【発明者】

【氏名】濤川 雄一

【テーマコード（参考）】

5D107

【Ｆターム（参考）】

5D107AA02

5D107CC01

5D107CC10

5D107FF05

(57)【要約】

【課題】小型化かつ高出力化することができる振動発生装置を提供する。
【解決手段】振動発生装置は、圧電体層と、第１方向において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方向に直交する第２方向に伸縮する圧電素子１０と、前記圧電素子を固定する振動板１２と、前記第１方向から見て前記振動板および前記圧電素子を囲む枠体を有し、前記振動板を前記第２方向における前記振動板の両端において固定し、前記第１方向および前記第２方向に直交する第３方向における前記振動板の両端を自由端とする筐体２０と、を備える。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

圧電体層と、第１方向において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方向に直交する第２方向に伸縮する圧電素子と、
前記圧電素子を固定する振動板と、
前記第１方向から見て前記振動板および前記圧電素子を囲む枠体を有し、前記振動板を前記第２方向における前記振動板の両端において固定し、前記第１方向および前記第２方向に直交する第３方向における前記振動板の両端を自由端とする筐体と、
を備える振動発生装置。

【請求項2】

前記第１方向において前記振動板および前記圧電素子を覆い、前記筐体に固定された第１板部材を備える請求項１に記載の振動発生装置。

【請求項3】

前記振動板と前記第１板部材との間に設けられ、前記振動板に固定され、前記第１板部材に固定されていない錘を備える請求項２に記載の振動発生装置。

【請求項4】

前記第１板部材と前記錘との距離は、前記振動板が振動する振幅の１／２以下である請求項３に記載の振動発生装置。

【請求項5】

前記第１方向において、前記第１板部材とで前記振動板および前記圧電素子を挟み、前記筐体に固定された第２板部材を備える請求項２から４のいずれか一項に記載の振動発生装置。

【請求項6】

前記第２板部材は、前記筐体の内部と外部とを接続する貫通孔を有する請求項５に記載の振動発生装置。

【請求項7】

前記振動板を固定し、前記枠体に取り付けられている固定部材を備える請求項１から４のいずれか一項に記載の振動発生装置。

【請求項8】

前記固定部材のヤング率は前記枠体のヤング率より大きい請求項７に記載の振動発生装置。

【請求項9】

前記第２方向における前記圧電素子の幅は、前記第３方向における前記圧電素子の幅より大きく、
前記第２方向における前記振動板の幅は、前記第３方向における前記振動板の幅より大きい請求項１から４のいずれか一項に記載の振動発生装置。

【請求項10】

前記圧電素子に、前記電圧として、１５０Ｈｚ以上かつ１０００Ｈｚ以下の周波数を有する搬送波を１Ｈｚ以上かつ１００Ｈｚ以下の周波数を有する信号波により振幅変調させた変調波を供給する駆動装置を備える請求項１から４のいずれか一項に記載の振動発生装置。

【請求項11】

前記圧電素子に、前記電圧として、１０ｋＨｚ以上かつ１００ｋＨｚ以下の周波数を有する搬送波を５０Ｈｚ以上かつ１０００Ｈｚ以下の周波数を有する信号波により振幅変調させた変調波を供給する駆動装置を備える請求項１から４のいずれか一項に記載の振動発生装置。

【請求項12】

前記圧電素子に、前記電圧として、１０ｋＨｚ以上かつ１００ｋＨｚ以下の周波数を有する第１搬送波を、１５０Ｈｚ以上かつ１０００Ｈｚ以下である周波数を有する第２搬送波を１Ｈｚ以上かつ１００Ｈｚ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変調波を供給する駆動装置を備える請求項１から４のいずれか一項に記載の振動発生装置。

【請求項13】

前記圧電素子に、前記電圧として、１０ｋＨｚ以上かつ１００ｋＨｚ以下の周波数を有する搬送波を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供給する駆動装置を備える請求項１から４のいずれか一項に記載の振動発生装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、振動発生装置に関し、圧電素子を有する振動発生装置に関する。

【背景技術】

【0002】

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。振動発生装置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（例えば特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平８－３１４３６９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

振動板を有する振動発生装置では、振動板を小さくすると出力が低下する。振動板を大きくすると出力は高くなるが大型化してしまう。特に、振動発生装置を薄くする場合に、振動発生装置の小型化と高出力化とを両立することが難しい。

【0005】

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を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、圧電体層と、第１方向において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方向に直交する第２方向に伸縮する圧電素子と、前記圧電素子を固定する振動板と、前記第１方向から見て前記振動板および前記圧電素子を囲む枠体を有し、前記振動板を前記第２方向における前記振動板の両端において固定し、前記第１方向および前記第２方向に直交する第３方向における前記振動板の両端を自由端とする筐体と、を備える振動発生装置である。

【0007】

上記構成において、前記第１方向において前記振動板および前記圧電素子を覆い、前記筐体に固定された第１板部材を備える構成とすることができる。

【0008】

上記構成において、前記振動板と前記第１板部材との間に設けられ、前記振動板に固定され、前記第１板部材に固定されていない錘を備える構成とすることができる。

【0009】

上記構成において、前記第１板部材と前記錘との距離は、前記振動板が振動する振幅の１／２以下である構成とすることができる。

【0010】

前記第１方向において、前記第１板部材とで前記振動板および前記圧電素子を挟み、前記筐体に固定された第２板部材を備える構成とすることができる。

【0011】

上記構成において、前記第２板部材は、前記筐体の内部と外部とを接続する貫通孔を有する構成とすることができる。

【0012】

上記構成において、前記振動板を固定し、前記枠体に取り付けられている固定部材を備える構成とすることができる。

【0013】

上記構成において、前記固定部材のヤング率は前記枠体のヤング率より大きい構成とすることができる。

【0014】

上記構成において、前記第２方向における前記圧電素子の幅は、前記第３方向における前記圧電素子の幅より大きく、前記第２方向における前記振動板の幅は、前記第３方向における前記振動板の幅より大きい構成とすることができる。

【0015】

上記構成において、前記圧電素子に、前記電圧として、１５０Ｈｚ以上かつ１０００Ｈｚ以下の周波数を有する搬送波を１Ｈｚ以上かつ１００Ｈｚ以下の周波数を有する信号波により振幅変調させた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。

【0016】

上記構成において、前記圧電素子に、前記電圧として、１０ｋＨｚ以上かつ１００ｋＨｚ以下の周波数を有する搬送波を５０Ｈｚ以上かつ１０００Ｈｚ以下の周波数を有する信号波により振幅変調させた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。

【0017】

上記構成において、前記圧電素子に、前記電圧として、１０ｋＨｚ以上かつ１００ｋＨｚ以下の周波数を有する第１搬送波を、１５０Ｈｚ以上かつ１０００Ｈｚ以下である周波数を有する第２搬送波を１Ｈｚ以上かつ１００Ｈｚ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変調波を供給する駆動装置を備える構成とすることができる。

【0018】

上記構成において、前記圧電素子に、前記電圧として、１０ｋＨｚ以上かつ１００ｋＨｚ以下の周波数を有する搬送波を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供給する駆動装置を備える構成とすることができる。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、小型化かつ高出力化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】図１は、実施例１に係る振動発生装置の斜視図である。

【図2】図２は、実施例１に係る振動発生装置の平面図である。

【図3】図３は、実施例１に係る振動発生装置の平面図である。

【図4】図４は、実施例１に係る振動発生装置の平面図である。

【図5】図５（ａ）および図５（ｂ）は、図２から図４のそれぞれＡ－Ａ断面図およびＢ－Ｂ断面図である。

【図6】図６は、実施例１における圧電素子の断面図である。

【図7】図７は、実施例１において駆動装置が圧電素子に供給する信号の例を示す図である。

【図8】図８は、実験１における電圧に対する振幅量を示す図である。

【図9】図９（ａ）および図９（ｂ）は、実験２におけるサンプルＣおよびＤの周波数に対するインピーダンスおよび位相を示す図である。

【図10】図１０は、実験２における電圧に対する振幅量を示す図である。

【図11】図１１は、実施例１の変形例１に係る振動発生装置の断面図である。

【図12】図１２は、実施例１において駆動装置が圧電素子に供給する信号の別の例を示す図である。

【図13】図１３は、実施例１において駆動装置が圧電素子に供給する信号のさらに別の例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、図面を参照し実施例について説明する。

【実施例0022】

振動板を有さない振動発生装置として、縦変位型モードの圧電素子を振動方向から押圧することで、小型化かつ高出力化することができる。しかし、薄い筐体を有する振動発生装置に縦変位型モードの圧電素子を用いることは難しい。また、縦変位型モードの圧電素子は、誘電体層を多層積層するため、静電容量が大きくなる。静電容量が大きい場合、高い周波数で駆動しようとすると、消費電力が大きくなる。実施例１では、横変位型モード（ｄ３１モードともいう）の圧電素子を用い、筐体を薄くでき、かつ高周波動作における消費電力を抑制可能な振動発生装置について説明する。

【0023】

図１は、実施例１に係る振動発生装置の斜視図である。図２から図４は、実施例１に係る振動発生装置の平面図である。図５（ａ）および図５（ｂ）は、図２から図４のそれぞれＡ－Ａ断面図およびＢ－Ｂ断面図である。図１は、板部材３６を外した斜視図である。図２は、板部材３６を設けて、上方から見た平面図である。図３は、図２から板部材３６を外して、上方から見た平面図である。図４は、図３から振動板および圧電素子を外し上方から見た図であり、錘は図示されている。圧電素子１０の長辺が延伸する方向をＸ方向（第２方向）、圧電素子１０の短辺が延伸する方向をＹ方向（第３方向）、Ｘ方向およびＹ方向に直交する方向をＺ方向（第１方向）とする。ここで、第１方向、第２方向および第３方向が直交（略直交）するとは、幾何学的な直交に限らず、各方向のなす角度が７０°～１１０°でもよく、８０°～１００°でもよい。

【0024】

図１から図５（ｂ）に示すように、実施例１の振動発生装置１００では、筐体２０の平面形状は、長辺および短辺がそれぞれＸ方向およびＹ方向に延伸する長方形である。なお、ここで、長方形（または略長方形）とは、幾何学的な長方形でなくてもよく、例えば角丸長方形または角が直線的にカットされた長方形も含まれる。筐体２０の下面および上面にそれぞれ板部材３４および３６が設けられている。

【0025】

筐体２０は、枠体２２、段差部２４および下壁部２５を備えている。段差部２４は枠体２２の内部に設けられている。下壁部２５は段差部２４の内部に設けられている。下壁部２５の中央部には開口２６が設けられている。枠体２２、段差部２４、下壁部２５および開口２６の平面形状は、長辺および短辺がそれぞれＸ方向およびＹ方向に延伸する長方形である。筐体２０のＸ方向における両辺部には、固定部材３０が取り付けられている。固定部材３０は、断面形状がＬ字状であり、本体部３１および段差部３２を備えている。本体部３１の上面（＋Ｚ側の面）と枠体２２の上面（＋Ｚ側の面）との高さはほぼ一致している。段差部３２の上面と段差部２４の上面との高さはほぼ一致している。枠体２２の－Ｙ側の側壁の＋Ｘ側には筐体２０の内部と外部とをつなげる孔２３が設けられている。

【0026】

振動板１２の上面（＋Ｚ側の面）の中央部に圧電素子１０が固定されている。圧電素子１０の振動板１２への固定は、例えばエポキシ樹脂接着剤等の樹脂接着剤または金属接合材を用いる。圧電素子１０と振動板１２との接合にはエポキシ樹脂等の硬い接着剤を用いることが好ましい。振動板１２および圧電素子１０の平面形状は、長辺および短辺がそれぞれＸ方向およびＹ方向に延伸する長方形である。振動板１２のＹ方向における幅は、圧電素子１０のＹ方向における幅とほぼ同じである。振動板１２の下面（－Ｚ側の面）の中央部に錘１４が固定されている。錘１４の振動板１２への固定は、例えばエポキシ樹脂接着剤等の樹脂接着剤または金属接合材を用いる。錘１４と振動板１２との接合にはエポキシ樹脂等の硬い接着剤を用いることが好ましい。錘１４は、下壁部２５の開口２６内に収まり、錘１４の下面は、下壁部２５の下面より下に位置する。錘１４は、筐体２０には接合されていない。錘１４の平面形状は長方形である。

【0027】

振動板１２のＸ方向における両端部は固定部材３０の段差部３２の上面に固定されている。振動板１２の段差部３２への固定は、例えばエポキシ樹脂接着剤等の樹脂接着剤または金属接合材を用いる。振動板１２と固定部材３０との接合にはエポキシ樹脂等の硬い接着剤を用いることが好ましい。振動板１２のＸ方向における外側には本体部３１が位置している。本体部３１により、振動板１２がＸ方向に動くことを制限できる。平面視において、圧電素子１０は段差部３２には重なっていない。圧電素子１０の外部電極４５および４３にそれぞれ電気的に接続されたケーブル１６ａおよび１６ｂは、孔２３を介し筐体２０の外部に引き出されて、駆動装置６２に電気的に接続されている。

【0028】

筐体２０の下面に板部材３４が固定されている。板部材３４の上面の４つの角部に凹部が設けられている。筐体２０の下面の４つの角部に凸部２９が設けられている。凸部２９は凹部にはめ込まれている。接合材３５は、筐体２０と板部材３４とを接合する。接合材３５は、例えばエポキシ樹脂接着剤等の樹脂接着剤または金属接合材である。Ｑ値を向上させるため、筐体２０と板部材３４との接合にはエポキシ樹脂等の硬い接着剤を用いることが好ましい。錘１４の下面と板部材３４との上面とは接合および固定されていない。錘１４の下面と板部材３４の上面との間は離れていてもよい。錘１４の下面と板部材３４の下面との距離は、振動板１２が振動したときに、錘１４の下面は板部材３４の上面に当たる程度の距離であることが好ましい。

【0029】

筐体２０の上面に板部材３６が固定されている。板部材３６の下面の４つの角部に凹部が設けられている。筐体２０の下面の４つの角部に凸部２１が設けられている。凸部２１は凹部にはめ込まれている。筐体２０と板部材３６とは、例えばエポキシ樹脂接着剤等の樹脂接着剤または金属接合材を用い接合されている。Ｑ値を向上させるため、筐体２０と板部材３６との接合にはエポキシ樹脂等の硬い接着剤を用いることが好ましい。板部材３６には、板部材３６をＺ方向に貫通する孔３７が設けられている。孔３７は、筐体２０内の音波を外部に放出する放音孔として機能する。

【0030】

筐体２０、板部材３４および３６は、例えば金属または樹脂であり、一例としてアクリル樹脂である。固定部材３０は、例えば金属または樹脂であり、筐体２０より硬い材料が好ましく、例えばステンレス鋼、４２アロイ、アルミニウムまたは真鍮であり、一例としてステンレス鋼である。振動板１２は、例えば弾性を有する金属または樹脂であり、例えばステンレス鋼、４２アロイ、アルミニウムまたは真鍮であり、一例として４２アロイである。振動板１２が金属の場合、圧電素子１０との間に絶縁膜が設けられている。

【0031】

筐体２０のＸ方向およびＹ方向における幅Ｗｘ１およびＷｙ１は、一例としてそれぞれ２６ｍｍおよび１２ｍｍである。振動板１２のＸ方向およびＹ方向における幅Ｗｘ２およびＷｙ２は、一例としてそれぞれ２２ｍｍおよび７．５ｍｍである。圧電素子１０のＸ方向およびＹ方向における幅Ｗｘ３およびＷｙ３は、一例としてそれぞれ１８ｍｍおよび７．５ｍｍである。枠体２２の内部のＸ方向およびＹ方向における幅Ｗｘ４およびＷｙ４は、一例としてそれぞれ２２．２ｍｍおよび１０ｍｍである。段差部２４および３２の内部のＸ方向およびＹ方向における幅Ｗｘ５およびＷｙ５は、一例としてそれぞれ２０ｍｍおよび９ｍｍである。開口２６のＸ方向およびＹ方向における幅Ｗｘ６およびＷｙ６は、一例としてそれぞれ１０ｍｍおよび５ｍｍである。錘１４のＸ方向およびＹ方向における幅Ｗｘ７、Ｗｙ７および厚さは、一例としてそれぞれ９ｍｍ、３．６ｍｍおよび２．３ｍｍである。固定部材３０のＹ方向における幅Ｗｙ８およびＷｙ９は、一例としてそれぞれ７．７ｍｍおよび５．２ｍｍである。

【0032】

枠体２２、段差部２４および下壁部２５の厚さＴ１、Ｔ２およびＴ３は、それぞれ３ｍｍ、２ｍｍおよび１ｍｍである。固定部材３０の厚さＴ４は、一例として２．５ｍｍである。板部材３４および３６の厚さＴ５およびＴ６は、例えば０．８ｍｍ～２ｍｍであり、一例としてそれぞれ０．８ｍｍである。振動板１２、筐体２０、固定部材３０、板部材３４および３６の材料、形状および寸法は適宜設計できる。

【0033】

図６は、実施例１における圧電素子の断面図である。図６に示すように、圧電素子１０では、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。

【0034】

圧電体４０の＋Ｘ側および－Ｘ側の側面に、それぞれ外部電極４３および４５が設けられている。外部電極４３には第１電極４２が電気的に接続される。外部電極４５には第２電極４４が電気的に接続される。外部電極４３は、圧電体４０の上面（＋Ｚ側の面）に回り込んで設けられている。外部電極４５は、圧電体４０の上面（＋Ｚ側の面）および下面（－Ｚ側の面）に回り込んで設けられている。圧電体４０の上面の外部電極４５と最上層の第１電極４２とは最上層の圧電体層４１を挟んで設けられ、圧電体４０の下面の外部電極４５と最下層の第１電極４２とは最下層の圧電体層４１を挟んで設けられている。図６では、圧電体層４１が８層設けられており、各圧電体層４１は、第１電極４２と第２電極４４とに、または第１電極４２と外部電極４５とに、挟まれている。

【0035】

外部電極４３および４５は、それぞれケーブル１６ｂおよび１６ａを介し駆動装置６２に電気的に接続されている。圧電素子１０のように、平面形状がＸ方向に長い短冊状の場合、駆動装置６２が外部電極４３と４５との間に電圧を印加することで、圧電体４０は、矢印５６のようにＸ方向に伸縮する。このように、圧電素子１０の平面形状は長方形であり、圧電体層４１と、Ｚ方向において圧電体層４１を挟む第１電極４２および第２電極４４と、を備え、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長方形の長辺の延伸するＸ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。

【0036】

図５（ａ）において、圧電素子１０が矢印５６のように伸縮すると、振動板１２もＸ方向に伸縮する。振動板１２のＸ方向における両辺部が固定部材３０に固定されている。このため、振動板１２は矢印５７のようにＺ方向に振動する。このような駆動方式を慣性駆動方式という。

【0037】

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）Ｏ_３）、チタン酸バリウム系材料（ＢａＴｉＯ_３、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（ＢｉＴｉＯ_３、Ｂｉの一部がＮａでもよい）、ニオブ酸アルカリ系材料（ＮａＮｂＯ_３、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、外部電極４３および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１０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。

【0038】

[実験１]
実施例１の振動発生装置を用い、振動を発生させる実験を行った。実験に用いた振動発生装置１００の各部材の材料および寸法は、上記において一例として記載した材料および寸法である。圧電素子１０は、圧電体層４１としてＰＺＴを用い、厚さが３６μｍの圧電体層４１の積層数が１０層である。振動板１２は厚さが０．１ｍｍの４２アロイ板である。錘１４は、０．５８ｇである。

【0039】

駆動装置６２が圧電素子１０に信号を供給し、振動する錘１４の振幅を測定した。測定では、板部材３６上に１０ｇの錘を載せた。用いた信号は以下である。
信号Ａ：２５０Ｈｚの正弦波
信号Ｂ：信号波を１０Ｈｚの正弦波とし、搬送波を２５０Ｈｚの正弦波とした変調波

【0040】

図７は、実施例１において駆動装置が圧電素子に供給する信号の例を示す図であり、実験１における信号Ｂの波形を示す図である。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。図７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７では周期Ｔ１を大きく図示している。変調波６６のピーク－ピークの振幅はＡ１である。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。

【0041】

図８は、実験１における電圧に対する振幅量を示す図である。横軸は、駆動装置６２が圧電素子１０に供給する電圧の振幅Ａ１示し、縦軸は、錘のＺ方向の振幅量を示す。ドットは測定点を示し、直線はドットをつなぐ線である。図８に示すように、信号ＡおよびＢともに電圧が大きくなると、振幅量が大きくなる。電圧が３０Ｖのとき、振幅量として１２μｍが得られた。また、信号ＡとＢとで、電圧に対する振幅量はほとんど変わらない。これにより、信号Ａのような正弦波の信号を用い、信号Ｂのような変調波の振幅量を測定できる。

【0042】

［実験２］
圧電素子１０と振動板１２を変えて、共振周波数および振幅量を測定した。測定したサンプルＣおよびＤは以下である。
サンプルＣ
圧電素子１０：厚さが３６μｍの圧電体層４１の積層数が８層
振動板１２：厚さが０．０８ｍｍｍの４２アロイ板
サンプルＤ
圧電素子１０：厚さが３６μｍの圧電体層４１の積層数が１０層
振動板１２：厚さが０．１ｍｍｍの４２アロイ板
その他の条件は実験１と同じである。

【0043】

図９（ａ）および図９（ｂ）は、実験２におけるサンプルＣおよびＤの周波数に対するインピーダンスおよび位相を示す図である。インピーダンスのピークの周波数が共振周波数である。位相は電圧と電流の位相である。図９（ａ）に示すように、サンプルＣの共振周波数は３５．７ｋＨｚである。図９（ｂ）に示すように、サンプルＤの共振周波数は４０．５ｋＨｚである。位相は、高い周波数では－９０°に近い。このように、圧電素子１０の積層数を増やし、かつ振動板１２を厚くすることで共振周波数が高くなる。また、無効電力はほとんど発生しない。

【0044】

図１０は、実験２における電圧に対する振幅量を示す図である。図１０では、サンプルＣおよびＤに変調波でなく、２５０Ｈｚの正弦波を供給している。ドットは測定点を示し、直線はドットをつなぐ線である。図１０に示すように、サンプルＣおよびＤでは、電圧が約２２Ｖのときの振幅量はそれぞれ約７μｍおよび約１０μｍである。同じ電圧に対する振幅量はサンプルＤがサンプルＣより大きい。

【0045】

サンプルＣは共振周波数が低いことから、比較的に低周波の振幅変調に対し良好である。サンプルＤは共振周波数が高いことから、比較的高周波の振幅変調に対し良好である。

【0046】

実施例１によれば、筐体２０は、Ｚ方向から見て横変位型モードの圧電素子１０と振動板１２を囲む枠体２２を有し、振動板１２をＸ方向における振動板１２の両端において固定し、Ｙ方向における振動板１２の両端を自由端とする。これにより、慣性駆動方式を実現できる。振動板１２に横変位型モードの圧電素子１０を貼り付けるため、筐体２０、板部材３４および３６の合計の厚さを小さくできる。よって、薄い振動発生装置を実現できる。また、横変位型モードの圧電素子１０の圧電体層４１の層数を少なくでき、静電容量を小さくできる。これにより、高い周波数において駆動するときの消費電力を抑制できる。一例では、縦変位型モードの圧電素子を振動方向から押圧する振動発生装置に比べ、１０ｋＨｚ以上の周波数において同程度の振動を発生する場合の消費電力を、約１／２とすることができる。

【0047】

板部材３４（第１板部材）は、Ｚ方向において振動板１２および圧電素子１０を覆い、筐体２０に固定されている。板部材３４が筐体２０に固定されることで、筐体２０の共振周波数付近におけるＱ値が向上する。これにより、図７における搬送波の周波数を１０ｋＨｚ以上とした変調波における駆動能力が高くなる。

【0048】

錘１４は、振動板１２と板部材３４との間に設けられ、振動板１２に固定され、板部材３４に固定されていない。これにより、イナーシャ効果により、高出力化が可能となる。また、例えば１ｋＨｚ以下の低周波の振動をより明確に表現できる。

【0049】

圧電素子１０に電圧を印加しない状態において、錘１４は板部材３４と接していてもよいし、接していなくてもよい。錘１４が板部材３４と接していない場合には、振動板１２が振動したときには、錘１４が板部材３４に接することが好ましい、すなわち、錘１４と板部材３４との距離は、振動板１２の振幅の１／２以下である。なお、振動板１２の振幅は、圧電素子１０に供給される電圧の振幅が最も大きいときの振幅である。このように、錘１４が振動したときに錘が板部材３４に接触することで、錘１４の振動が板部材３４に伝達する。これにより、板部材３４の表面に触れると、微細な触覚を得ることができる。特に、低周波振動の触覚をより得ることができる。錘１４と板部材３４との距離は、振動板１２の振幅の１／４以下が好ましく、１／１０以下がより好ましい。

【0050】

振動板１２の固定されていない領域の平面サイズ（幅Ｗｘ５×幅Ｗｙ２）が、例えば１０ｍｍ×５ｍｍ～３０ｍｍ×１０ｍｍの場合、錘１４の重さは、例えば０．１ｇ以上かつ１ｇ以下であり、０．３ｇ以上かつ０．７ｇ以下である。

【0051】

板部材３６（第２板部材）は、Ｚ方向において、板部材３４とで振動板１２および圧電素子１０を挟み、筐体２０に固定されている。これにより、筐体２０の共振周波数付近におけるＱ値がより向上する。よって、１０ｋＨｚ以上の周波数の信号を搬送波とする変調波における駆動能力が高くなる。後述する駆動信号の例４のような信号を圧電素子１０に供給して、振動している板部材３４の表面に触れると、浮揚感覚を得ることができる。また、駆動信号の例４の信号を用いて振動している筐体２０のＸ方向の側面に触れると、浮揚感覚をより得ることができる。

【0052】

板部材３６に、筐体２０の内部と外部とを接続する孔３７（貫通孔）を設けることで、振動を発生するだけでなく、音を放出できる。

【0053】

固定部材３０は、振動板１２を固定し、枠体２２に固定されている。固定部材３０により、筐体２０の機械振動のＱ値を向上できる。

【0054】

特に、固定部材３０のヤング率は枠体２２のヤング率より大きい。これにより、筐体２０のＱ値をより向上できる。例えば、筐体２０のコストを削減するためには、筐体２０はヤング率の小さな樹脂を用いる。この場合、Ｑ値が低くなる。そこで、振動板１２を固定する箇所に、固定部材３０を設ける。これにより、Ｑ値を向上できかつコストを削減できる。例えば、ステンレス鋼のヤング率は２００ＧＰａであり、アクリル樹脂等の樹脂のヤング率は１０ＧＰａ以下である。固定部材３０のヤング率は筐体２０のヤング率の５倍以上が好ましく、１０倍以上がより好ましく、１００倍以上がさらに好ましい。

【0055】

圧電素子１０および振動板１２のＺ方向から見た形状が長方形の例を説明したが、圧電素子１０の平面形状は、圧電素子１０のＸ方向における幅Ｗｘ３がＹ方向における幅Ｗｙ３より大きい形状であればよい。これにより、圧電素子１０はＸ方向に伸縮する。幅Ｗｘ３は幅Ｗｙ３の１．５倍以上が好ましく、２倍以上がより好ましい。振動板１２の平面形状は、振動板１２のＸ方向における幅Ｗｘ２がＹ方向における幅Ｗｙ２より大きい形状であればよい。これにより、圧電素子１０の伸縮により振動板１２がＺ方向に振動する。幅Ｗｘ２は幅Ｗｙ２の１．５倍以上が好ましく、２倍以上がより好ましい。

【0056】

圧電素子１０により振動板１２を振動させる観点から、圧電素子１０のＹ方向における幅Ｗｙ３は、振動板１２のＹ方向における幅Ｗｙ２の０．５倍以上が好ましく、０．８倍以上がより好ましく、０．９以上がさらに好ましい。

【0057】

圧電素子１０が振動板１２を効率的に振動させる観点から、圧電素子１０のＸ方向における幅Ｗｘ３は、振動板１２が固定されていないＸ方向における幅Ｗｘ５の０．５倍以上が好ましく、０．８倍以上がより好ましい、０．９倍以上がさらに好ましい。

【0058】

［実施例１の変形例１］
図１１は、実施例１の変形例１に係る振動発生装置の断面図である。実施例１の変形例１はバイモルフ構造の例である。図１１に示すように、実施例１の変形例１の振動発生装置１０２では、錘が設けられていない。振動板１２の上面には圧電素子１０ａが固定され、振動板１２の下面には圧電素子１０ｂが固定されている。圧電素子１０ａと１０ｂとには、伸縮が反対となるような電圧を供給する。実施例１の変形例１では、駆動源が２倍となり、錘１４を設けなくとも高出力が可能となる。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。

【0059】

実施例１およびその変形例１では、振動発生装置１００および１０２を薄くできる。このため、耳たぶ、耳甲介腹腔に振動発生装置１００および１０２を装着する。また、耳外耳後方裏側に振動発生装置１００および１０２を挟むことにより、骨伝導によるイヤホンとして用いることができる。また、グローブの指先または腕時計のバンドに実施例１およびその変形例の振動発生装置１００および１０２を設けることで、指先または腕に触覚を与えることができる。さらに、髪飾りまたは髪用のクリップ等に振動発生装置１００および１０２を設けることで、頭に触覚を与えることができる。

【0060】

［駆動信号の例１］
振動発生装置１００または１０２を耳付近に装着し音響装置として用いる場合、駆動装置６２は、圧電素子１０に、例えば１０Ｈｚ～１０ｋＨｚの周波数帯域の音響信号を供給する。

【0061】

［駆動信号の例２］
人体に触覚を与える場合、駆動装置６２は、振動発生装置１００および１０２に変調していない信号を供給してもよい。この場合、信号の周波数は、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とが好ましい。このような周波数として例えば、５０Ｈｚ以上かつ１０００Ｈｚ以下が好ましく、１５０Ｈｚ以上かつ４００Ｈｚ以下がより好ましく、一例として２５０Ｈｚである。また、信号の周波数は、人体の皮膚の受容器であるマイスナー小体に敏感に感じる周波数でもよい。このような周波数として、例えば１Ｈｚ以上かつ１００Ｈｚ以下であり、１Ｈｚ以上かつ６０Ｈｚ以下である。信号波の波形は、正弦波、矩形波、三角波またはのこぎり波等任意である。周波数および信号波の波形を変えることで、人体に与える触覚を調整することが可能となる。

【0062】

［駆動信号の例３］
人体に触覚を与える場合に、駆動装置６２が、図７のような電圧を圧電素子１０に供給する場合、搬送波６４の周波数ｆ１は、例えばパチニ小体が敏感に感じる周波数であり、信号波の周波数ｆ２は、例えばマイスナー小体に敏感に感じる周波数でもよい。すなわち、周波数ｆ１は、例えば１５０Ｈｚ以上かつ１０００Ｈｚ以下であり、１５０Ｈｚ以上かつ４００Ｈｚ以下である。信号波の周波数ｆ２は、例えば１Ｈｚ以上かつ１００Ｈｚ以下であり、１Ｈｚ以上かつ６０Ｈｚ以下である。この場合、周波数ｆ１およびｆ２を調整することにより、人体に与える触覚をより調整することができる。

【0063】

［駆動信号の例４］
人体に触覚を与える場合に、駆動装置６２が、図７のような電圧を圧電素子１０に供給する場合、搬送波６４の周波数ｆ１は、例えば筐体２０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。人体に触覚を与えるためには、搬送波６４の周波数は、筐体２０の共振周波数の０．８６倍以上かつ１．１４倍以下の範囲が好ましく、０．９倍以上かつ１．１倍以下がより好ましい。搬送波６４の周波数は、例えば１０ｋＨｚ以上かつ１００ｋＨｚ以下であり、２０ｋＨｚ以上かつ７０ｋＨｚ以下である。

【0064】

人体に触覚を与えるためには、信号波の周波数ｆ２は、パチニ小体が敏感に感じる周波数であることが好ましい。このような周波数として例えば、５０Ｈｚ以上かつ１０００Ｈｚ以下が好ましく、１５０Ｈｚ以上かつ４００Ｈｚ以下がより好ましく、一例として２５０Ｈｚである。

【0065】

図７において、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。図７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。

【0066】

搬送波の周波数を筐体２０の共振周波数またはその近傍とし、信号波の周波数および波形を調整することで、例えば、筐体２０のＸ方向の側面のように、比較的面積の小さい面が対象物に接触して静止している状態では、ユーザの手に触覚を与えず、筐体２０が対象物に接触しながら移動すると、ユーザの手に振動による浮揚感覚を与えることができる。これは、発明者らがはじめて見出した現象である。

【0067】

［駆動信号の例５］
図１２は、実施例１において駆動装置が圧電素子に供給する信号の別の例を示す図である。図１２における横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示している。図１２に示すように、駆動装置６２は圧電素子１０に電圧として変調波６６を供給する。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）の搬送波６４（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変調波６６（第２変調波）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。

【0068】

搬送波６４の周波数ｆ１は、筐体２０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。人体に触覚を与えるためには、搬送波６４の周波数は、筐体２０の共振周波数の０．８６倍以上かつ１．１４倍以下の範囲が好ましく、０．９倍以上かつ１．１倍以下がより好ましい。搬送波６４の周波数は、例えば１０ｋＨｚ以上かつ１００ｋＨｚ以下であり、２０ｋＨｚ以上かつ７０ｋＨｚ以下である。

【0069】

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１５０Ｈｚ以上かつ１０００Ｈｚ以下であり、１５０Ｈｚ以上かつ４００Ｈｚ以下である。信号波の周波数ｆ３は、マイスナー小体に敏感な周波数であり、例えば１Ｈｚ以上かつ１００Ｈｚ以下であり、１Ｈｚ以上かつ６０Ｈｚ以下である。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。

【0070】

このように、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、人体は、異なる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。これは、発明者らがはじめて見出した現象である。

【0071】

［駆動信号の例６］
図１３は、実施例１において駆動装置が圧電素子に供給する信号のさらに別の例を示す図である。図１３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１３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。搬送波６４は正弦波であり、信号波は矩形波である。

【0072】

搬送波６４の周波数ｆ１は、例えば筐体２０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、マイスナー小体が敏感に感じる周波数である。

【0073】

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６５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％より小さい。

【0074】

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６５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％の電圧のときの時間と９０％の電圧のときの時間との差である。

【0075】

以上のように、駆動装置６２は、筐体２０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６６を生成して、圧電素子１０に変調波６６を供給する。これにより、硬質な筐体２０を触ると柔らかい触覚となる。これは、発明者らがはじめて見出した現象である。

【0076】

柔らかい触覚を得るためには、搬送波６４の周波数は、筐体２０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。搬送波６４の周波数は、例えば１０ｋＨｚ以上かつ１００ｋＨｚ以下であり、２０ｋＨｚ以上かつ７０ｋＨｚ以下である。

【0077】

信号波の周波数は、例えば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６６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６６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。

【0078】

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。

【符号の説明】

【0079】

１０、１０ａ、１０ｂ 圧電素子
１２ 振動板
１４ 錘
２０ 筐体
２２ 枠体
２４ 段差部
２５ 下壁部
２６ 開口
３４、３６ 板部材
４１ 圧電体層
４２ 第１電極
４４ 第２電極

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】