特開 2024-137179 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】P2024137179

(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】14

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023048595

(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】濤川 雄一

(72)【発明者】

【氏名】清水 寛之

【テーマコード（参考）】

5D107

【Ｆターム（参考）】

5D107AA02

5D107CC01

5D107CC10

5D107CC12

5D107FF05

(57)【要約】

【課題】小型化かつ高出力化することが可能な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、第２方向に延伸し、第１方向における幅が第１方向と第２方向とに直交する第３方向における幅より小さい棒状であり、第２方向における中央部において第１方向における幅が狭くなる幅狭部２２を有し、幅狭部上に前記圧電素子を搭載する筐体２０と、を備える。
【選択図】図１

【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、
前記第２方向に延伸し、前記第１方向における幅が前記第１方向と前記第２方向とに直交する第３方向における幅より小さい棒状であり、前記第２方向における中央部において前記第１方向における幅が狭くなる幅狭部を有し、前記幅狭部上に前記圧電素子を搭載する筐体と、
を備える振動発生装置。

【請求項2】

前記筐体は、一方の先端が尖ったペン形状である請求項１に記載の振動発生装置。

【請求項3】

前記幅狭部の前記第２方向における中点は、前記筐体の前記第２方向における中点より前記尖った先端の方に位置する請求項２に記載の振動発生装置。

【請求項4】

前記圧電素子の前記第１方向における面は、前記幅狭部上の面に固定されている請求項１から３のいずれか一項に記載の振動発生装置。

【請求項5】

前記圧電素子の前記第１方向における面が固定された振動板と、
前記幅狭部上に固定され、前記振動板を前記第２方向における両端において固定し、前記第３方向における前記振動板の両端を自由端とする固定部材と、
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。

【請求項6】

前記固定部材のヤング率は前記筐体のヤング率より大きい請求項５に記載の振動発生装置。

【請求項7】

前記圧電素子は、前記振動板を前記第１方向において挟むように設けられ、互いに反転する信号が供給される第１圧電素子および第２圧電素子を含む請求項５に記載の振動発生装置。

【請求項8】

前記振動板の中央部に設けられた錘を備える請求項５に記載の振動発生装置。

【請求項9】

前記幅狭部は、前記圧電素子が搭載される面に前記第１方向に凹む凹部を有し、
前記圧電素子は、前記凹部の底面に搭載されている請求項１から３のいずれか一項に記載の振動発生装置。

【請求項10】

前記幅狭部において前記圧電素子を覆う蓋を備える請求項１から３のいずれか一項に記載の振動発生装置。

【請求項11】

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３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３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第１搬送波を、５０Ｈｚ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３のいずれか一項に記載の振動発生装置。

【請求項14】

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３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】

ペン型のように棒状の筐体を有する振動発生装置では、棒状の筐体に圧電素子を設けかつ高出力化が求められる。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。振動版を大きくすると出力は高くなるが大型化してしまう。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、前記第２方向に延伸し、前記第１方向における幅が前記第１方向と前記第２方向とに直交する第３方向における幅より小さい棒状であり、前記第２方向における中央部において前記第１方向における幅が狭くなる幅狭部を有し、前記幅狭部上に前記圧電素子を搭載する筐体と、を備える振動発生装置である。

【0007】

上記構成において、前記筐体は、一方の先端が尖ったペン形状である構成とすることができる。

【0008】

上記構成において、前記幅狭部の前記第２方向における中点は、前記筐体の前記第２方向における中点より前記尖った先端の方に位置する構成とすることができる。

【0009】

上記構成において、前記圧電素子の前記第１方向における面は、前記幅狭部上の面に固定されている構成とすることができる。

【0010】

上記構成において、前記圧電素子の前記第１方向における面が固定された振動板と、前記幅狭部上に固定され、前記振動板を前記第２方向における両端において固定し、前記第３方向における前記振動板の両端を自由端とする固定部材と、を備える構成とすることができる。

【0011】

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

【0012】

上記構成において、前記圧電素子は、前記振動板を前記第１方向において挟むように設けられ、互いに反転する信号が供給される第１圧電素子および第２圧電素子を含む構成とすることができる。

【0013】

上記構成において、前記振動板の中央部に設けられた錘を備える構成とすることができる。

【0014】

上記構成において、前記幅狭部は、前記圧電素子が搭載される面に前記第１方向に凹む凹部を有し、前記圧電素子は、前記凹部の底面に搭載されている構成とすることができる。

【0015】

上記構成において、前記幅狭部において前記圧電素子を覆う蓋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、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。

【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。

【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第１搬送波を、５０Ｈｚ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。

【0019】

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】

【0020】

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】

【0021】

【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（ａ）は、実施例１に係る振動発生装置の平面図、図２（ｂ）から図２（ｄ）は、図２（ａ）のそれぞれＡ－Ａ断面図、Ｂ－Ｂ断面図およびＣ－Ｃ断面図である。

【図3】図３（ａ）は、実施例１における筐体に設けられた圧電素子を示す平面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ－Ａ断面図である。

【図4】図４は、実施例１における圧電素子の断面図である。

【図5】図５（ａ）は、実施例２に係る振動発生装置の平面図、図５（ｂ）から図５（ｄ）は、図５（ａ）のそれぞれＡ－Ａ断面図、Ｂ－Ｂ断面図およびＣ－Ｃ断面図である。

【図6】図６（ａ）は、実施例２における筐体に設けられた圧電素子を示す平面図、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＡ－Ａ断面図である。

【図7】図７（ａ）から図７（ｃ）は、それぞれ実施例２の変形例１から３に係る振動発生装置の断面図である。

【図8】図８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9】図９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10】図１０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】

【0022】

以下、図面を参照し実施例について説明する。

【実施例0023】

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、縦変位型モードの圧電素子は、圧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。また、棒状かつ扁平状の筐体には、圧電体層の積層数が多いため厚くなる縦変位型モードの圧電素子を実装することが難しい。実施例１では、棒状でありかつ扁平状の筐体に横変位型モード（ｄ３１モードともいう）の圧電素子を用い、小型化かつ高出力化可能であり、かつ消費電力を抑制可能な振動発生装置について説明する。

【0024】

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（ａ）は、実施例１に係る振動発生装置の平面図、図２（ｂ）から図２（ｄ）は、図２（ａ）のそれぞれＡ－Ａ断面図、Ｂ－Ｂ断面図およびＣ－Ｃ断面図である。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。

【0025】

図１から図２（ｄ）に示すように、実施例１の振動発生装置１００では、筐体２０は棒状でありかつ扁平状である。すなわち、Ｚ方向における幅Ｗｚ１は、Ｙ方向における幅Ｗｙ１より小さい。－Ｘ方向の先端は先端部２４であり、－Ｘ方向に向かうにしたがい幅が狭くなり、先端は尖っている。筐体２０のＸ方向における中点２５より先端部２４側には幅狭部２２が設けられている。幅狭部２２のＺ方向における幅Ｗｚ２は、幅広部２３のＺ方向における幅Ｗｚ１より小さい。幅狭部２２の下面と幅広部２３の下面とは、ほぼ面一であり段差は設けられていない。幅狭部２２の上面は、幅広部２３の上面に対し－Ｚ方向に凹む凹部を有している。幅狭部２２の上面には、－Ｚ方向に凹む凹部２１が設けられている。平面視において、凹部２１は幅狭部２２のうち凹部２１よりＺ方向における厚さが大きい領域に囲まれている。幅狭部２２の上面であってかつ凹部２１の底面に圧電素子１０が設けられている。幅狭部２２には蓋２６がはめ込まれている。

【0026】

実施例１の振動発生装置１００は、先端部２４の先端を例えばタブレット端末またはスマートフォンのディスプレイパネルのような対象物に接触させるスライスペンである。ユーザは、幅狭部２２および蓋２６をつかむ。幅狭部２２付近の筐体２０が振動することで、ユーザは触覚を得ることができる。

【0027】

図３（ａ）は、実施例１における筐体２０に設けられた圧電素子１０を示す平面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ－Ａ断面図である。図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、圧電素子１０は、横変位型モードの圧電素子であり、平面形状は、長方形である。長方形の長辺方向および短辺方向は、それぞれＸ方向およびＹ方向である。圧電素子１０は、幅狭部２２の上面の凹部２１の底面に接着剤１１を用い直接貼り付けられている。接着剤１１は、例えばエポキシ樹脂のように、硬化したときの硬度が高い樹脂接着剤である。圧電素子１０の下面はほぼ全面において筐体２０に固定されている。圧電素子１０の両端は駆動装置６２に電気的に接続されている。図３（ｂ）の矢印５０のように、駆動装置６２が圧電素子１０に電圧を供給し、圧電素子１０がＸ方向に伸縮すると、幅狭部２２は、図３（ｂ）の矢印５２のようにＺ方向に撓むように振動する。

【0028】

筐体２０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。筐体２０のＸ方向、Ｙ方向およびＺ方向における幅Ｗｘ１、Ｗｙ１およびＷｚ１は、一例としてそれぞれ１３８ｍｍ、１２ｍｍおよび６．５ｍｍである。幅狭部２２のＸ方向およびＺ方向における幅Ｗｘ２およびＷｚ２は、一例として４５ｍｍおよび３．２５ｍｍである。凹部２１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３６ｍｍおよび１０ｍｍである。凹部２１における筐体２０のＺ方向における幅Ｗｚ３は一例として１．５ｍｍである。圧電素子１０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１８ｍｍおよび７．５ｍｍである。筐体２０の材料、形状および寸法は適宜設計できる。

【0029】

図４は、実施例１における圧電素子の断面図である。図４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。

【0030】

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４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。

【0031】

外部電極４３および４５は、それぞれケーブル１６ａおよび１６ｂ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方向に長い長方形の場合、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。

【0032】

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。

【実施例0033】

図５（ａ）は、実施例２に係る振動発生装置の平面図、図５（ｂ）から図５（ｄ）は、図５（ａ）のそれぞれＡ－Ａ断面図、Ｂ－Ｂ断面図およびＣ－Ｃ断面図である。図５（ａ）から図５（ｄ）に示すように、実施例２の振動発生装置１０２では、筐体２０の幅狭部２２の凹部２１内に圧電素子１０および振動板１２が設けられている。圧電素子１０および振動板１２が設けられる位置は、実施例１より－Ｘ側である。筐体２０の幅広部２３内に回路基板３０が設けられている。回路基板３０には、駆動装置６２等が設けられている。

【0034】

図６（ａ）は、実施例２における筐体２０に設けられた圧電素子１０を示す平面図、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＡ－Ａ断面図である。図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、筐体２０の幅狭部２２の凹部２１の底面に固定部材２８が固定されている。固定部材２８の断面形状はＬ字状であり、固定部材２８は、薄部２８ａと薄部２８ａより厚い厚部２８ｂとを有する。薄部２８ａと厚部２８ｂとの下面は、接着剤等により筐体２０の上面に固定されている。固定部材２８の薄部２８ａの上面に振動板１２のＸ方向における両端が接着剤等により固定されている。振動板１２のＸ方向における外側には固定部材２８の厚部２８ｂが位置する。厚部２８ｂは、振動板１２がＸ方向に動くことを制限する。振動板１２のＹ方向における両辺は自由端である。振動板１２における固定部材２８の下面は、空気等の気体が充満する空間１３である。

【0035】

圧電素子１０は、振動板１２上に固定された圧電素子１０ａと振動板１２下に固定された圧電素子１０ｂとを含む。駆動装置６２は、圧電素子１０ａと１０ｂとに正負を反転させた信号（すなわち平衡信号）を供給する。これにより、慣性駆動のバイモルフ型振動子として機能する。

【0036】

圧電素子１０ａがＸ方向に伸びるとき、圧電素子１０ｂはＸ方向に縮む。これにより振動板１２は、＋Ｙ方向に膨らむように撓む。圧電素子１０ａがＸ方向に縮むとき、圧電素子１０ｂはＸ方向に伸びる。これにより振動板１２は、－Ｙ方向に凹むように撓む。これを繰り返すことにより、振動板１２はＹ方向に振動する。

【0037】

筐体２０および圧電素子１０の材料および寸法の一例は実施例１と同じである。固定部材２８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。振動板１２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２２ｍｍおよび７．５ｍｍであり、振動板１２の厚さは、一例として０．１ｍｍである。その他の構成は、実施例１と同じであり、説明を省略する。

【0038】

実施例１のように、筐体２０内に回路基板３０を設けずに、駆動装置６２を筐体２０の外部に設けてもよい。実施例２のように、筐体２０内に回路基板３０を設けてもよい。

【0039】

［実施例２の変形例１］
図７（ａ）は、実施例２の変形例１に係る振動発生装置の断面図である。図７（ａ）に示すように、実施例２の変形例１の振動発生装置１０４では、振動板１２上に圧電素子１０が設けられている。このように、慣性駆動のモノモルフ型振動子でもよい。その他の構成は実施例２と同じであり説明を省略する。

【0040】

［実施例２の変形例２］
図７（ｂ）は、実施例２の変形例２に係る振動発生装置の断面図である。図７（ｂ）に示すように、実施例２の変形例２の振動発生装置１０６では、振動板１２のＸ方向における中央部に錘１４が設けられている。これにより、イナーシャ効果が期待できる。その他の構成は実施例２と同じであり説明を省略する。

【0041】

［実施例２の変形例３］
図７（ｃ）は、実施例２の変形例３に係る振動発生装置の断面図である。図７（ｃ）に示すように、実施例２の変形例３の振動発生装置１０８では、圧電素子１０のＸ方向における両端が、固定部材２８の薄部２８ａ上に固定されている。圧電素子１０の上下に変位拡大機構１５が設けられている。変位拡大機構１５は、圧電素子１０のＸ方向の変位をＺ方向の変位に拡大することができる。その他の構成は実施例２と同じであり説明を省略する。

【0042】

実施例１および２の振動発生装置を作製した。筐体２０、振動板１２および圧電素子１０の材料および寸法は上記において一例として示した材料および寸法である。圧電素子１０では、圧電体層４１としてＰＺＴを用い、厚さが３６μｍの圧電体層４１を積層した。各サンプルにおいて圧電体層４１の積層数は以下である。
実施例１の８層サンプル ：８層
実施例１の１０層サンプル：１０層
実施例２ ：１０層

【0043】

［実験１］
駆動装置６２から圧電素子１０に周波数が２５０Ｈｚ正弦波を供給し、圧電素子１０のＺ方向の振幅量を測定した。実施例１では、８層サンプルと１０層サンプルとで振幅量はほとんど同じであった。８層サンプルの方は１０層サンプルに比べ、外部電極４３と４５との間の静電容量が小さい。静電容量が大きいと、周波数が高い場合に駆動電力が大きくなる。よって、周波数が高い動作には、８層サンプルの方が用いやすい。

【0044】

実施例１の１０層サンプルと実施例２とで、周波数が２５０Ｈｚの正弦波を供給し、圧電素子１０のＺ方向の振幅量を測定した。圧電素子１０に供給する電圧のピークとピークの電圧を２０Ｖとしたとき、振幅量は、実施例１の１０層サンプルでは８．５μｍであり、実施例２では１１μｍである。振幅量が５μｍ以上であれば、筐体２０を握ったユーザに触覚を与えることができる。よって、実施例１および２ともに、ユーザに触覚を与えることができる。

【0045】

［実験２］
図８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２における変調波を示す図である。図８における横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示している。図８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。

【0046】

搬送波６４の周波数を２５．７ｋＨｚとし、信号波を１６０Ｈｚとした。搬送波６４の周波数２５．７ｋＨｚは筐体２０の共振周波数である。搬送波６４を圧電素子１０に供給すると、筐体２０の先端が対象物に接触して静止している状態では、ユーザの手に触覚がほとんど得られず、筐体２０の先端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遊感を与えることができる。実施例１の１０層サンプルでは、実施例２に比べ、リアルな浮遊感を得ることができた。

【0047】

ペン型のように棒状の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振動方向から押圧した振動子を用いることで、小型化かつ高出力化することができる。実施例１の１０層サンプルは、縦変位型モードの圧電素子を用いた場合に比べ、１０ｋＨｚ以上の高い周波数における消費電力を１／２とすることができた。これは、実施例１では、縦変位型モードの圧電素子に比べ静電容量を小さくできたためと考えられる。

【0048】

実施例１および２によれば、ペン型のように、Ｘ方向に延伸し、Ｚ方向における幅Ｗｚ１がＹ方向における幅Ｗｙ１より小さい棒状である筐体２０を用いる。このような、扁平状の筐体２０には、圧電体層の積層数が多いため厚くなる縦変位型モードの圧電素子を収めることが難しい。そこで、横変位型モードの圧電素子１０を用いる。横変位型モードの圧電素子１０では、筐体２０を振動させることが難しい。そこで、筐体２０に、Ｘ方向における中央部においてＺ方向における幅Ｗｚ２が狭くなる幅狭部２２を設ける。幅狭部２２上に圧電素子１０を搭載する。これにより、幅狭部２２は、Ｚ方向の幅が狭いためＺ方向に撓みやすい。幅狭部２２に圧電素子１０を搭載することで、筐体２０を撓ませ振動させることができる。

【0049】

筐体２０をペンとして用いる場合、筐体２０のＹ方向における幅Ｗｙ１は、例えば２０ｍｍ以下かつ５ｍｍ以上である。筐体２０のＸ方向における幅Ｗｘ１は、例えば２００ｍｍ以下かつ１００ｍｍ以上である。

【0050】

筐体２０の幅Ｗｚ１が幅Ｗｙ１の０．８倍以下または０．６倍以下の場合、筐体２０内に縦変位型の圧電素子を収めることが難しい。よって、実施例１および２のように、横変位型の圧電素子１０を用いることが好ましい。筐体２０の幅Ｗｚ１が小さすぎると、筐体２０内に圧電素子１０を収めることが難しい。よって、筐体２０の幅Ｗｚ１は幅Ｗｙ１の０．２倍以上が好ましい。

【0051】

幅狭部２２を撓みやすくする観点から、幅狭部２２のＺ方向における幅Ｗｚ２は幅広部２３のＺ方向における幅Ｗｚ１の０．８倍以下が好ましく、０．６倍以下がより好ましい。幅狭部２２の強度の観点から幅Ｗｚ２は幅Ｗｚ１の０．１倍以上が好ましい。幅狭部２２を効率的に撓ませるため、幅狭部２２のＸ方向における幅Ｗｘ２は、筐体２０のＸ方向における幅Ｗｘ１の０．５倍以下かつ０．１倍以上が好ましい。

【0052】

圧電素子１０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、長手方向（例えば長辺の延伸方向）と短手方向（例えば短辺の延伸方向）とを有する形状であればよい。これにより、圧電素子１０はＸ方向に伸縮する。長手方向における圧電素子１０の幅Ｗｘ５は、短手方向における圧電素子１０の幅Ｗｙ５の１．５倍以上が好ましく、２倍以上がより好ましい。

【0053】

筐体２０は、一方の先端が尖ったペン形状である。このようなペン形状の筐体２０の先端が対象物に触れるときに、ユーザは触覚を得ることができる。

【0054】

幅狭部２２のＸ方向における中点２５ａは、筐体２０のＸ方向における中点２５より尖った先端の方に位置する。これにより、ユーザは、幅狭部２２を握るため、ユーザの手により触覚を与えることできる。幅狭部２２は、筐体２０のうち中点２５より先端部２４の方の部分に３／４以上含まれることが好ましい。

【0055】

幅狭部２２は、圧電素子１０が搭載される面にＺ方向に凹む凹部を有しており、圧電素子１０は、凹部２１の底面に搭載されている。これにより、幅狭部２２の凹部２１は、Ｚ方向により撓みやすくなる。筐体２０の強度を確保する観点から、凹部２１はＸＹ平面における４方が幅狭部２２の壁に囲まれていることが好ましい。

【0056】

幅狭部２２を撓ませる観点から、凹部２１下の筐体２０のＺ方向における幅Ｗｚ３は、幅狭部２２のＺ方向における幅Ｗｚ２の０．８倍以下が好ましく、０．５倍以下がより好ましい。幅狭部２２の強度の観点から、幅Ｗｚ３は、幅Ｗｚ２の０．１倍以上が好ましい。幅狭部２２を撓ませる観点から、凹部２１のＸ方向における幅Ｗｘ３は、幅狭部２２のＸ方向における幅Ｗｘ２の０．５倍以上が好ましく、０．７倍以上がより好ましい。幅狭部２２の強度の観点から、幅Ｗｘ３は、幅Ｗｘ２の０．９倍以下が好ましい。幅狭部２２を撓ませる観点から、凹部２１のＹ方向における幅Ｗｙ３は、幅狭部２２のＹ方向における幅Ｗｙ１の０．５倍以上が好ましく、０．７倍以上がより好ましい。幅狭部２２の強度の観点から、幅Ｗｙ３は、幅Ｗｙ１の０．９倍以下が好ましい。

【0057】

蓋２６は、幅狭部２２において圧電素子１０を覆う。これにより、圧電素子１０をユーザの手から保護することができる。蓋２６が硬い場合、筐体２０の振動を妨げてしまう。よって、蓋２６の材料は筐体２０のヤング率と同程度以下のヤング率を有することが好ましい。また、蓋２６が厚いと幅狭部２２のＺ方向の振動を妨げてしまう。よって、蓋２６の厚さは、幅狭部２２のＺ方向における幅Ｗｚ２の０．５倍以下が好ましく、０．２倍以下がより好ましい。蓋２６の強度の観点から、蓋２６の厚さは幅Ｗｚ２の０．０１倍以上が好ましい。

【0058】

実施例１の振動発生装置１００のように、圧電素子１０のＺ方向における面は、幅狭部２２のＺ方向における面に固定されている。これにより、圧電素子１０が幅狭部２２を直接撓ませるため、１０ｋＨｚ以上の高い周波数において、ユーザの手により触覚を与えることができる。

【0059】

実施例２およびその変形例のように、振動板１２に、圧電素子１０のＺ方向における面が固定されており、固定部材２８は、幅狭部２２上に固定され、振動板１２をＸ方向における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、慣性駆動により、幅狭部２２の振幅量を大きくできる。特に、１０ｋＨｚ以下の低い周波数において、より幅狭部２２の振幅量を大きくできる。

【0060】

特に、固定部材２８のヤング率は筐体２０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２８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２８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。

【0061】

実施例２およびその変形例１および３の振動発生装置１００、１０２および１０６のように、圧電素子１０ａ（第１圧電素子）と圧電素子１０ｂ（第２圧電素子）は、振動板１２をＺ方向において挟むように設けられ、駆動装置６２から互いに反転する信号が供給される。これにより、バイモルフ方式により慣性駆動することができ、振動板１２の幅狭部２２の振幅量を大きくできる。特に、１０ｋＨｚ以下の低い周波数において、より幅狭部２２の振幅量を大きくできる。

【0062】

実施例２の変形例３の振動発生装置１０６のように、振動板１２の中央部に錘１４が設けられている。これにより、イナーシャ効果により、振動板１２の幅狭部２２の振幅量を大きくできる。特に、１０ｋＨｚ以下の低い周波数において、より幅狭部２２の振幅量を大きくできる。

【0063】

［駆動信号の例１］
駆動装置６２は、振動発生装置１００から１０８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く、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、筐体２０を握った手の触覚を調整することが可能となる。

【0064】

［駆動信号の例２］
駆動装置６２が、図８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、筐体２０を握った手の触覚を調整することができる。例えば、筐体２０を握ったユーザに、鉛筆、クレヨンもしくは筆のような筆記用具の種類、洋紙、和紙もしくは木目調とした対象物の材質を再現した触覚を与えることができる。

【0065】

［駆動信号の例３］
駆動装置６２が、図８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。

【0066】

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。

【0067】

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８の例では、搬送波６４および信号波ともに正弦波である。信号波の波形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。

【0068】

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の先端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の先端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遊感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。

【0069】

［駆動信号の例４］
図９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９における横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示している。図９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。

【0070】

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。

【0071】

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。

【0072】

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。

【0073】

［駆動信号の例５］
図１０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１０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１０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。

【0074】

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。

【0075】

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。

【0076】

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ち下り時間は、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ち下り時間の定義は、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ち下り時間は、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。

【0077】

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。

【0078】

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。

【0079】

信号波の周波数は、マイスナー小体が敏感に感じる周波数であり、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。

【0080】

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。