特開 2024-41460 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】P2024041460

(43)【公開日】2024-03-27

(54)【発明の名称】振動発生装置

(51)【国際特許分類】

   H04R 17/10 20060101AFI20240319BHJP

【ＦＩ】

H04R17/10

【審査請求】未請求

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022146290

(22)【出願日】2022-09-14

(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】後藤 隆幸

(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）】

5D004

【Ｆターム（参考）】

5D004AA01

5D004AA09

5D004CD08

5D004FF08

5D004FF09

(57)【要約】

【課題】小型化かつ高出力化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、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第１電極および第２電極が圧電体層を挟む方向に伸縮する圧電素子１０ａ、１０ｂと、圧電素子を前記方向において挟む第１部材３０および第２部材２０を備え、第１部材と第２部材とは圧電素子を前記方向に押圧し、第１部材は前記方向に圧電素子の伸縮に対応する音波を出力する筐体２５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、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電極および前記第２電極が前記圧電体層を挟む方向に伸縮する圧電素子と、
前記圧電素子を前記方向において挟む第１部材および第２部材を備え、前記第１部材と前記第２部材とは前記圧電素子を前記方向に押圧し、前記第１部材は前記方向に前記圧電素子の伸縮に対応する音波を出力する筐体と、
を備える振動発生装置。

【請求項2】

前記第１部材と前記第２部材とは、前記第１部材に設けられたねじ山と前記第２部材に設けられたねじ山とを嵌め合わせることにより前記圧電素子を押圧する請求項１に記載の振動発生装置。

【請求項3】

前記第１部材と前記第２部材とが接合する第３部材を備え、
前記第１部材に設けられたねじ山と前記第３部材に設けられたねじ山とを嵌め合わせ、かつ前記第２部材に設けられたねじ山と前記第３部材に設けられたねじ山とを嵌め合わせることにより、前記第１部材と前記第２部材とは、前記圧電素子を押圧する請求項１に記載の振動発生装置。

【請求項4】

前記第１部材と前記圧電素子との間に設けられ、前記第１部材のヤング率および前記圧電体層のヤング率より大きなヤング率を有する第４部材と、前記第２部材と前記圧電素子との間に設けられ、前記第２部材のヤング率および前記圧電体層のヤング率より大きなヤング率を有する第５部材と、の少なくとも一方の部材を備える請求項１から３のいずれか一項に記載の振動発生装置。

【請求項5】

前記第１部材および前記第２部材が前記圧電素子を押圧する圧力は、５×１０^５Ｐａ以上である請求項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】

前記圧電体層、前記第１電極および前記第２電極は各々複数設けられ、前記複数の第１電極および前記第２電極は前記方向において互い違いに設けられ、前記複数の圧電体層の１つは、前記複数の第１電極のうち１つと前記複数の第２電極のうち１つに前記方向において挟まれる請求項１から３のいずれか一項に記載の振動発生装置。

【請求項7】

前記第１部材は、前記方向の空間に前記音波を出力し、
前記圧電素子に、前記電圧として前記筐体の共振周波数の０．８６倍以上かつ１．１４倍以下の周波数を有する搬送波を前記搬送波の周波数より低い周波数を有する信号波により振幅変調させた変調波が供給される請求項１から３のいずれか一項に記載の振動発生装置。

【請求項8】

前記信号波の周波数は７０Ｈｚ以上かつ１０００Ｈｚ以下である請求項７に記載の振動発生装置。

【請求項9】

前記第１部材は、前記方向の空間に前記音波を出力し、
前記圧電素子に、前記電圧として、前記筐体の共振周波数の０．８６倍以上かつ１．１４倍以下の周波数を有する第１搬送波を、５０Ｈｚ以上かつ３００Ｈｚ以下である周波数を有する第２搬送波を１Ｈｚ以上かつ６０Ｈｚ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】

前記第１部材の前記空間側の面は、中央部が前記圧電素子の方に凹む請求項７に記載の振動発生装置。

【請求項11】

前記圧電素子に、前記電圧として前記変調波を供給する駆動装置を備える請求項７に記載の振動発生装置。

【請求項12】

前記第１部材の前記方向における表面を被押当部材に押当てることで前記被押当部材から音波が発生するように、前記圧電素子に前記電圧が供給される請求項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】

前記第１部材の前記表面を前記被押当部材に押当てる押当部材と、
前記圧電素子に前記電圧を供給する駆動装置と、
を備える請求項１２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。超音波の生成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

【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】

振動発生装置が振動板を有する場合、振動板を小さくすると出力が低下する。振動板を有さない構造では、小型化が可能となるが高出力化が難しい。このように、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かった。

【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、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電極および前記第２電極が前記圧電体層を挟む方向に伸縮する圧電素子と、前記圧電素子を前記方向において挟む第１部材および第２部材を備え、前記第１部材と前記第２部材とは前記圧電素子を前記方向に押圧し、前記第１部材は前記方向に前記圧電素子の伸縮に対応する音波を出力する筐体と、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部材と前記第２部材とは、前記第１部材に設けられたねじ山と前記第２部材に設けられたねじ山とを嵌め合わせることにより前記圧電素子を押圧する構成とすることができる。

【0008】

上記構成において、前記第１部材と前記第２部材とが接合する第３部材を備え、前記第１部材に設けられたねじ山と前記第３部材に設けられたねじ山とを嵌め合わせ、かつ前記第２部材に設けられたねじ山と前記第３部材に設けられたねじ山とを嵌め合わせることにより、前記第１部材と前記第２部材とは、前記圧電素子を押圧す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部材と前記圧電素子との間に設けられ、前記第１部材のヤング率および前記圧電体層のヤング率より大きなヤング率を有する第４部材と、前記第２部材と前記圧電素子との間に設けられ、前記第２部材のヤング率および前記圧電体層のヤング率より大きなヤング率を有する第５部材と、の少なくとも一方の部材を備える構成とすることができる。

【0010】

上記構成において、前記第１部材および前記第２部材が前記圧電素子を押圧する圧力は、５×１０^５Ｐａ以上である構成とすることができる。

【0011】

上記構成において、前記圧電体層、前記第１電極および前記第２電極は各々複数設けられ、前記複数の第１電極および前記第２電極は前記方向において互い違いに設けられ、前記複数の圧電体層の１つは、前記複数の第１電極のうち１つと前記複数の第２電極のうち１つに前記方向において挟まれる構成とすることができる。

【0012】

上記構成において、前記第１部材は、前記方向の空間に前記音波を出力し、前記圧電素子に、前記電圧として前記筐体の共振周波数の０．８６倍以上かつ１．１４倍以下の周波数を有する搬送波を前記搬送波の周波数より低い周波数を有する信号波により振幅変調させた変調波が供給される構成とすることができる。

【0013】

上記構成において、前記信号波の周波数は７０Ｈｚ以上かつ１０００Ｈｚ以下である構成とすることができる。

【0014】

上記構成において、前記第１部材は、前記方向の空間に前記音波を出力し、前記圧電素子に、前記電圧として、前記筐体の共振周波数の０．８６倍以上かつ１．１４倍以下の周波数を有する第１搬送波を、５０Ｈｚ以上かつ３００Ｈｚ以下である周波数を有する第２搬送波を１Ｈｚ以上かつ６０Ｈｚ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変調波を供給する構成とすることができる。

【0015】

上記構成において、前記第１部材の前記空間側の面は、中央部が前記圧電素子の方に凹む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、前記電圧として前記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、前記第１部材の前記方向における表面を被押当部材に押当てることで前記被押当部材から音波が発生するように、前記圧電素子に前記電圧が供給される構成とすることができる。

【0018】

上記構成において、前記第１部材の前記表面を前記被押当部材に押当てる押当部材と、前記圧電素子に前記電圧を供給する駆動装置と、
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（ａ）は、実施例１に係る振動発生素子の平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ－Ａ断面図である。

【図2】図２（ａ）は、実施例１における第２部材の平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ－Ａ断面図、図２（ｃ）は、第１部材の断面図である。

【図3】図３は、実施例１における圧電素子の断面図である。

【図4】図４は、実施例２に係る振動発生装置の模式図である。

【図5】図５は、実施例２において駆動装置が圧電素子に供給する変調波を示す図である。

【図6】図６（ａ）および図６（ｂ）は、実験１における第２部材の断面図である。

【図7】図７は、実施例２の変形例１において駆動装置が圧電素子に供給する変調波を示す図である。

【図8】図８は、実施例２の変形例２に係る振動発生装置の模式図である。

【図9】図９は、実施例３に係る振動発生装置の模式図である。

【図10】図１０（ａ）は、実施例３における押当部材の平面図、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）のＡ－Ａ断面図である。

【図11】図１１は、実施例４に係る振動発生素子の断面図である。

【図12】図１２は、実施例４の変形例１に係る振動発生装置の模式図である。

【図13】図１３は、実験２における。Ｖｐ－ｐに対する振幅を示す図である。

【図14】図１４は、実施例４の変形例３に係る振動発生装置の模式図である。

【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】

振動子の機械振動のＱ値（Quality Factor）特性を向上させることにより、振動板を用いなくても振動発生装置の高出力化が可能となる。実施例１では、筐体の機械振動のＱ値を向上させることが可能な振動発生装置について説明する。

【0023】

図１（ａ）は、実施例１に係る振動発生素子の平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ－Ａ断面図である。図２（ａ）は、実施例１における第２部材の平面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ－Ａ断面図、図２（ｃ）は、第１部材の断面図である。第１部材３０と第２部材２０が圧電素子１０ａおよび１０ｂを挟む方向をＺ方向、Ｚ方向に直交し、圧電素子１０ａおよび１０ｂの平面視における辺の延伸方向をＸ方向およびＹ方向とする。

【0024】

図１（ａ）から図２（ｃ）に示すように、実施例１の振動発生素子１００では、筐体２５は、第１部材３０および第２部材２０を備えている。第１部材３０と第２部材２０は接合されている。第２部材２０の＋Ｚ方向における面には、凹部２８が設けられている。凹部２８は、＋Ｚ側に設けられた第１部分２２と－Ｚ側に設けられた第２部分２４とを有する。第１部分２２の平面形状は略円形状であり、第２部分２４の平面形状は略矩形状である。第１部分２２の側面には、雌ねじとなるねじ山２６が形成されている。第２部分２４の側面には、ねじ山は形成されていない。凹部２８内には、－Ｚ側から支持部材１２ａ、圧電素子１０ａ、１０ｂおよび支持部材１２ｂが順に挿入されている。支持部材１２ａ、圧電素子１０ａ、１０ｂおよび支持部材１２ｂは第２部材２０には接合されておらず、移動自由である。

【0025】

第１部材３０は、＋Ｚ側に設けられた頭部３２と、－Ｚ側に設けられたねじ部３４を備えている。頭部３２の平面形状は略円形である。頭部３２の＋Ｚ側の面は、平面視における中央部が周縁部に対し－Ｚ方向に逆円錐状に凹む。ねじ部３４の側面には、雄ねじとなるねじ山３６が形成されている。第１部材３０のねじ部３４は、第２部材２０の凹部２８の第１部分２２に、ねじ山２６と３６とを嵌め合わせることにより接合される。ねじを締めることで、第２部材２０は、支持部材１２ａを介し圧電素子１０ａを矢印５０ａのように＋Ｚ方向に押圧する。第１部材３０は、支持部材１２ｂを介し圧電素子１０ｂを矢印５０ｂのように－Ｚ方向に押圧する。圧電素子１０ａおよび１０ｂを押圧する応力は例えば５×１０^６Ｐａ以上である。

【0026】

第１部材３０および第２部材２０の材料は、例えば金属または樹脂である。支持部材１２ａおよび１２ｂの材料は、第１部材３０、第２部材２０、圧電素子１０ａおよび１０ｂよりヤング率の大きい材料であり、例えばステンレスまたはアルミニウムである。第１部材３０の頭部３２のＸ方向およびＹ方向の幅は一例として１０ｍｍ、頭部３２のＺ方向の高さは一例として２．５ｍｍ、頭部３２の＋Ｚ面の逆円錐状の頂点の凹み量は一例として１．５ｍｍ、ねじ部３４のＸ方向およびＹ方向の幅は一例として６ｍｍ、ねじ部３４のＺ方向の高さは一例として５ｍｍである。第２部材２０のＸ方向およびＹ方向の幅は一例として８ｍｍ、高さは一例として１５ｍｍ、凹部２８のＺ方向の深さは一例として１４ｍｍ、第１部分２２のＺ方向の深さは一例として６ｍｍ、第２部分２４のＸ方向およびＹ方向の幅は一例として４．５ｍｍである。第１部材３０、第２部材２０、支持部材１２ａおよび１２ｂの材料、形状および寸法は適宜設計できる。

【0027】

図３は、実施例１における圧電素子の断面図である。図３に示すように、圧電素子１０ａおよび１０ｂ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。複数の圧電体層４１は、Ｚ方向に積層されている。圧電体層４１、第１電極４２および第２電極４４は、ＸＹ平面に広がる平板状である。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。圧電体４０の－Ｘ側の側面に第１外部電極４３が設けられ、圧電体４０の＋Ｘ側の側面に第２外部電極４５が設けられている。複数の第１電極４２は第１外部電極４３に電気的に接続する。複数の第２電極４４は第２外部電極４５に電気的に接続する。第１外部電極４３と第２外部電極４５との間に電圧を印加することで、逆圧電効果により、圧電体４０は、矢印５２のようにＺ方向に伸縮する。このように、第１電極４２および第２電極４４に電圧を印加することで、第１電極４２および第２電極４４の積層方向に伸縮する振動モードを縦変位型モードまたはｄ３３モードという。

【0028】

圧電体４０は、第１領域４６、第２領域４７および第３領域４８を備えている。第１領域４６および第２領域４７は、Ｚ方向に交互に設けられている。第３領域４８は、Ｚ方向において最も外側の第１領域４６の外に設けられている。第１領域４６は、Ｚ方向において第１電極４２と第２電極４４とが一定間隔で交互に設けられた領域である。第１領域４６における圧電体層４１の積層数は一例として５０層である。第２領域４７および第３領域４８は、第１電極４２および第２電極４４が設けられていない領域である。第２領域４７は設けられていなくてもよい。第２領域４７を設けることで信頼性が向上する場合もある。

【0029】

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、第１外部電極４３および第２外部電極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１０ａおよび１０ｂ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。圧電素子１０ａおよび１０ｂは例えば直方体であり、圧電素子１０ａおよび１０ｂのＸ方向およびＹ方向の幅は一例として３．５ｍｍ、Ｚ方向の高さは一例として３ｍｍである。

【0030】

圧電素子１０ａおよび１０ｂにおける±Ｚ側の表面におけるＺ方向の変位量ΔＺ、圧電体層４１の積層数をＮ、第１電極４２と第２電極４４との間に印加される電圧をＶ、逆圧電定数に関連した定数をｄ３３すると、ΔＺ＝ｄ３３×Ｖ×Ｎである。よって、圧電体層４１の積層数Ｎを多くすることで変位量ΔＺが大きくなる。しかし、製造上の制約などにより、１つの圧電素子１０ａまたは１０ｂにおける積層数Ｎを多くすることができない場合がある。このような場合には、筐体２５内に圧電素子１０ａおよび１０ｂをＺ方向に積層することができる。これにより、圧電素子１０ａおよび１０ｂの合計の変位量を大きくできる。Ｚ方向に積層される圧電素子１０ａおよび１０ｂの個数は１個でもよいし３個以上でもよい。

【0031】

筐体２５が圧電素子１０ａおよび１０ｂを押圧することで、筐体２５が圧電素子１０ａおよび１０ｂを押圧しない場合に比べ、Ｑ値が向上する。このような現象は、圧電素子１０ａおよび１０ｂとして、横変位型モードの圧電素子を用いた場合には得られない現象であり、発明者らがはじめて発見した現象である。なお、横変位型モードとは、第１電極４２と第２電極４４の積層方向に対し圧電素子１０ａおよび１０ｂの振動方向が直交するモードである。圧電素子１０ａおよび１０ｂの押圧の有無に対し、共振周波数があまり変動していない。これは、支持部材１２ａを設けたためと考えられる。

【0032】

実施例１によれば、図３のように、Ｚ方向において第１電極４２と第２電極４４とが圧電体層４１を挟み、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Ｚ方向に伸縮する圧電素子１０ａおよび１０ｂを用いる。図１（ｂ）のように、第１部材３０と第２部材２０とは圧電素子１０ａをＺ方向に押圧し、第１部材３０はＺ方向に圧電素子１０ａおよび１０ｂの伸縮に対応する音波を出力する。このように、縦変位型の圧電素子１０ａおよび１０ｂを筐体２５が押圧することで、筐体２５の機械振動のＱ値が向上する。よって、振動板を有さない小型の振動発生装置においても高出力化が可能となる。

【0033】

第１部材３０と第２部材２０とは、ねじ山２６と３６とを嵌め合わせることにより圧電素子１０ａおよび１０ｂを押圧する。これにより、大きい力で安定的に圧電素子１０ａおよび１０ｂを押圧できる。また、圧電素子１０ａおよび１０ｂに加わる圧力のばらつきを抑制できる。よって、共振周波数のばらつき等を抑制できる。一例として、複数の構造を作製したところ、共振周波数のばらつきは６００Ｈｚ以下であった。圧電素子１０ａおよび１０ｂを押圧する機構はねじの嵌め合わせ以外でもよい。

【0034】

実施例１において、第１部材３０のねじ山３６の呼び径ｄ（最大径）が６ｍｍのとき、トルクレンチを用い第１部材３０の締め付けトルクＴを測定すると約０．１Ｎ・ｍであった。第１部材３０が圧電素子１０ｂを押す力ＦはＴ／（ｋ×ｄ）であり、トルク係数ｋを０．２とすると、Ｆ＝８３Ｎである。圧電素子１０ａおよび１０ｂのＸＹ平面の面積は３．５ｍｍ×３．５ｍｍである。よって、第１部材３０が圧電素子１０ｂを押圧する圧力は６．８×１０^６Ｐａである。筐体２５の機械振動のＱ値を向上させる効果は、圧力が６．８×１０^６Ｐａの１／１０程度でも生じると考えられる。よって、第１部材３０および第２部材２０が圧電素子１０ａおよび１０ｂを押圧する圧力は、５×１０^５Ｐａ以上が好ましく、１×１０^６Ｐａ以上がより好ましく、２×１０^６Ｐａ以上がさらに好ましい。第１部材３０および第２部材２０が圧電素子１０ａおよび１０ｂを押圧する圧力は、圧電素子１０ａおよび１０ｂが破戒される圧力以下とする。

【0035】

第１部材３０と圧電素子１０ｂとの間に支持部材１２ｂ（第４部材）を設け、第２部材２０と圧電素子１０ａとの間に支持部材１２ａ（第５部材）を設ける。支持部材１２ａおよび１２ｂの少なくとも一方が設けられていればよい。圧電体４０としてＰＺＴを用いた場合、ＰＺＴのヤング率は約６０ＧＰａである。筐体２５として樹脂を用いた場合には、樹脂のヤング率は１０ＧＰａ以下である。これに対し、支持部材１２ａおよび１２ｂとしてステンレスを用いた場合、ステンレスのヤング率は約１２０ＧＰａである。また、アルミニウムのヤング率は約７０ＧＰａである。このように、支持部材１２ｂのヤング率は、圧電体４０のヤング率および第１部材３０のヤング率より大きく、支持部材１２ｂのヤング率は、圧電体４０のヤング率および第２部材２０のヤング率より大きい。支持部材１２ａおよび１２ｂを設けることで、圧電素子１０ａおよび１０ｂに荷重が加わり、振動の伝達を強化することができる。よって、筐体２５の共振周波数が押圧により変動することが抑えられ、かつＱ値がより向上する。支持部材１２ａおよび１２ｂの少なくとも一方が設けられていればよい。支持部材１２ｂおよび１２ａのヤング率は、圧電体４０のヤング率並びにそれぞれ第１部材３０および第２部材２０のヤング率の１．２倍以上が好ましく、１．５倍以上がより好ましい。

【0036】

図３のように、圧電素子１０ａおよび１０ｂにおいて、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、複数の圧電体層４１の１つは、複数の第１電極４２のうち１つと複数の第２電極４４のうち１つにＺ方向において挟まれる。このような構造により、Ｚ方向の変位量をより大きくでき、振動発生装置の特性をより向上できる。

【実施例0037】

実施例２は、実施例１の振動発生素子１００を空間触覚用の振動発生装置に用いる例である。図４は、実施例２に係る振動発生装置の模式図である。

【0038】

図４に示すように、実施例２の振動発生装置１０４では、台座６０上に実施例１の振動発生素子１００の筐体２５が固定されている。台座６０は、金属板のように剛性を有する。駆動装置６２は、筐体２５内の圧電素子１０ａおよび１０ｂの第１外部電極４３と第２外部電極４５の間に電圧を供給する。第１部材３０からＺ方向に音波５４が放出される。第１部材３０の＋Ｚ方向に人体の一部（例えば指または手のひら）をかざすと、音波５４により触覚が得られる。

【0039】

図５は、実施例２において駆動装置が圧電素子に供給する変調波を示す図である。図５における横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示している。図５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５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。図５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。

【0040】

搬送波６４の周波数ｆ１は、例えば筐体２５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、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。このような周波数として例えば７０Ｈｚ以上かつ１０００Ｈｚ以下である。パチニ小体等が敏感に感じる周波数は２５０Ｈｚである。

【0041】

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。

【0042】

［実験１］
第２部材２０の形状を変え、空中触覚を調査した。
実験した各部材の材料は以下である。
圧電素子１０ａおよび１０ｂ
圧電体４０の材料はＰＺＴ
Ｘ方向およびＹ方向の幅:３．５ｍｍ
Ｚ方向の高さ：３ｍｍ
第１領域４６における圧電体層４１の積層数：５０
第１領域４６の個数：３個
支持部材１２ａの材料：ステンレス
第１部材３０の材料：アクリル樹脂
第２部材２０の材料：アクリル樹脂

【0043】

図２（ｃ）の第２部材を部材Ａとした。図６（ａ）および図６（ｂ）は、実験１における第２部材の断面図である。図６（ａ）に示すように、部材Ｂでは、頭部３２の＋Ｚ側の面は、平坦である。図６（ｂ）に示すように、部材Ｃでは、頭部３２の＋Ｚ側の面の周縁部が－Ｚ方向に傾斜している。

【0044】

第１部材３０、第２部材２０、支持部材１２ａおよび１２ｂの材料、並びに圧電素子１０ａおよび１０ｂの構成は、実験１と同じである。第１部材３０の頭部３２のＸ方向およびＹ方向の幅は１０ｍｍ、頭部３２のＺ方向の高さ２．５ｍｍ、頭部３２の＋Ｚ面の逆円錐状の頂点の凹み量は１．５ｍｍ、ねじ部３４のＸ方向およびＹ方向の幅は６ｍｍ、ねじ部３４のＺ方向の高さは５ｍｍである。第２部材２０のＸ方向およびＹ方向の幅は８ｍｍ、高さは１５ｍｍ、凹部２８のＺ方向の深さは１４ｍｍ、第１部分２２のＺ方向の深さは６ｍｍ、第２部分２４のＸ方向およびＹ方向の幅は４．５ｍｍである。

【0045】

表１は、実験１におけるサンプルＡ～Ｃの実験条件および結果を示す表である。

【表1】

【0046】

表１において、サンプルＡ～Ｃは、第１部材３０として、部材Ａ～Ｃを用いたサンプルである。「Ｖｐ－ｐ」は、図５の振幅Ａ１に相当する。「搬送波」は、搬送波６４の周波数であり、筐体２５の共振周波数（第２高調波）である。「信号波」は信号波の周波数である。変調度Ｍはいずれのサンプルにおいても１００％である。「Ｄ１」は、図４において、音圧レベルが８５ｄＢとなる第１部材３０から＋Ｚ方向の距離Ｄ１である。「触覚」は、第１部材３０の＋Ｚ方向に手をかざしたときに触覚が得られるかを調べた結果である。「１」は触覚が得られ、「２」は多少触覚が得られ、「３」はあまり触覚が得られなかったことを示している。

【0047】

表１に示すように、サンプルＡ～ＣにおいてＶｐ－ｐはほぼ同じ、搬送波の周波数はほぼ同じである。信号波の周波数はパチニ小体が最も敏感に感じる周波数である。サンプルＡは、サンプルＢおよびＣに比べ、距離Ｄ１が最も大きく、かつ最も触覚が得られた。サンプルＢとＣとでは、距離Ｄ１はほぼ同じであるが、触覚はサンプルＣの方が大きい。以上のように、サンプルＡが最も触覚が得られることがわかった。また、サンプルＡ～Ｃのいずれにおいても空中触覚が得られることがわかった。

【0048】

表２は、市販されている圧電素子を用いた実験条件と結果を示す表である。

【表2】

【0049】

表２において、サンプルＤおよびＥは、市販されている横変位型モードの圧電素子と円盤状の振動版を用い、圧電素子に部材Ａのような音波を放出する部材を設けている。サンプルＤおよびＥにおける圧電素子の平面形状は円形であり、直径はそれぞれ１０ｍｍおよび１５ｍｍである。このように、サンプルＤおよびＥは圧電素子が大きい。「Ｄ１」は、音圧レベルが８０ｄＢにおける距離Ｄ１である。

【0050】

表２に示すように、サンプルＤおよびＥでは、判定する音圧レベルが表１より低いため厳密な比較はできないものの、サンプルＤおよびＥの距離Ｄ１はサンプルＡと同程度である。サンプルＤおよびＥの圧電素子の平面面積がサンプルＡの５倍以上である。このように、サンプルＡは、振動板を用いることなく、サンプルＤおよびＥより小さな圧電素子１０ａおよび１０ｂを用い、サンプルＤおよびＥと同程度の空中触覚を得ることができる。このように、サンプルＡでは、小型化かつ高出力化が可能となる。

【0051】

実施例２によれば、図４のように、実施例１の振動発生装置を用い、第１部材３０がＺ方向の空間に音波を出力する構造とする。図５のように、圧電素子１０ａおよび１０ｂに、電圧として筐体２５の共振周波数の周波数を有する搬送波６４を、搬送波６４の周波数より低い周波数を有する信号波により振幅変調させた変調波６６が供給される。これにより、振動板を用いないため小型化が可能な振動発生素子１００を用い空間に高出力の音波を出力できるため、空中触覚を大きくできる。

【0052】

搬送波６４の周波数を共振周波数の０．８６倍以上かつ１．１４倍以下の範囲とすると空中触覚が得られる。搬送波６４の周波数は共振周波数の０．９倍以上かつ１．１倍以下がより好ましい。なお、共振周波数は基本波モードの共振周波数でもよいし、高調波モードの共振周波数でもよい。搬送波６４の周波数は、例えば２０ｋＨｚ以上かつ１１０ｋＨｚ以下であり、３０ｋＨｚ以上かつ９０ｋＨｚ以下である。

【0053】

信号波の周波数は、パチニ小体が感じるため、７０Ｈｚ以上かつ１０００Ｈｚ以下が好ましく、１１０Ｈｚ以上かつ３００Ｈｚ以下がより好ましい。変調度Ｍは、５０％以上が好ましく、８０％以上がより好ましい。

【0054】

サンプルＡのように、第１部材３０の空間側（＋Ｚ側）の面は、中央部が圧電素子１０ｂの方に凹む。これにより、表１のように、空中触覚をより大きくできる。第１部材３０の凹みの断面形状は、サンプルＡのように、中央を頂点とする三角形でもよいし、中央を頂点とする放物線等の曲線でもよい。頭部３２の＋Ｚ面の最大の凹み量は頭部３２の幅の１／１０倍以上かつ１／２倍以下が好ましい。

【0055】

［実施例２の変形例１］
図７は、実施例２の変形例１において駆動装置が圧電素子に供給する変調波を示す図である。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。実施例２の変形例１では、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第２変調波６６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。第１搬送波６４の周波数ｆ１は、筐体２５の共振周波数（例えば共振周波数の０．８６倍以上かつ１．１４倍以下）であり、例えば２０ｋＨｚ～１１０ｋＨｚである。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５０Ｈｚ～３００Ｈｚである。信号波の周波数ｆ３は、人体の皮膚の受容器であるマイスナー小体に敏感な周波数であり、例えば１Ｈｚ～６０Ｈｚである。その他の構成は実施例２と同じであり説明を省略する。

【0056】

このように、実施例２の変形例１では、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、異なる空中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。

【0057】

［実施例２の変形例２］
実施例２の変形例２は、実施例１の振動発生素子１００を複数設ける例である。図８は、実施例２の変形例２に係る振動発生装置の模式図である。図８示すように、実施例２の変形例２の振動発生装置１０６では、台座６０上に実施例１の複数の振動発生素子１００が固定されている。駆動装置６２は、変調波を複数の振動発生素子１００に出力する。複数の振動発生素子１００は、第１部材３０からＺ方向に音波５４を放出する。複数の振動発生素子１００の第１部材３０の＋Ｚ方向に人体の一部をかざすと、複数の音波５４により触覚がより得られる。駆動装置６２は、同じ波形の変調波を複数の振動発生素子１００に出力してもよいし、異なる波形の変調波を複数の振動発生素子１００に出力してもよい。振動発生素子１００の個数は、適宜設定できる。その他の構成は実施例２と同じであり説明を省略する。