(57)【要約】【課題】広い周波数帯域において高い最大変位量が得られる振動発生装置及び電子機器を提供する。【解決手段】振動板１１と、振動板１１の端面の近傍であって、振動板１１の上面１１ａ及び下面１１ｂに振動板１１を挟むように取り付けられた第一圧電アクチュエータ１２及び第二圧電アクチュエータ１３と、を備え、振動板１１の上面１１ａを平面視した場合、第一圧電アクチュエータ１２が第二圧電アクチュエータ１３に対し位置がずれて配置されている振動発生装置１０である。【選択図】図１
2019147122.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動板と、
該振動板の端面の近傍であって、前記振動板の上面及び下面に前記振動板を挟むように取り付けられた第一圧電アクチュエータ及び第二圧電アクチュエータと、
を備え、
前記振動板の前記上面を平面視した場合、前記第一圧電アクチュエータが前記第二圧電アクチュエータに対し位置がずれて配置されている振動発生装置。
【請求項２】
前記振動板の前記上面を平面視した場合、前記第一圧電アクチュエータが、前記第二圧電アクチュエータに対し前記第一圧電アクチュエータの幅方向であって、前記端面から離れる方向に並行移動した位置に配置されている請求項１記載の振動発生装置。
【請求項３】
前記第一圧電アクチュエータの前記幅方向の長さの６２％以上８８％以下の範囲で、前記第一圧電アクチュエータと前記第二圧電アクチュエータとが重なり合う請求項２記載の振動発生装置。
【請求項４】
前記第一圧電アクチュエータの前記幅方向の長さの７０％以上８０％以下の範囲で、前記第一圧電アクチュエータと前記第二圧電アクチュエータとが重なり合う請求項３記載の振動発生装置。
【請求項５】
前記振動板の前記上面を平面視した場合、前記第一圧電アクチュエータが、前記第二圧電アクチュエータに対し前記第一圧電アクチュエータの幅方向であって、前記端面に近づく方向に並行移動した位置に配置されている請求項１記載の振動発生装置。
【請求項６】
前記第一圧電アクチュエータの前記幅方向の長さの８７．５％以上９３．８％以下の範囲で、前記第一圧電アクチュエータと前記第二圧電アクチュエータとが重なり合う請求項５記載の振動発生装置。
【請求項７】
前記請求項１から６いずれか１項記載の振動発生装置と、前記振動発生装置に電気的に接続される電子回路と、前記振動発生装置及び前記電子回路を収容する筐体とを備えた電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動発生装置及び電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話及びタブレット等の機器において、電話の着信や、機器の動作状態を使用者に振動によって知らせるバイブレーション機能が広く普及している。近年、これらの機器の小型化及び薄型化に伴い、バイブレータも小型化、薄型化及び低消費電力化が要求されている。例えば、バイブレータは、弾性板に圧電素子を貼り付けたユニモルフ型の圧電アクチュエータを振動源とするものが知られている。また、２枚の圧電素子で弾性板を挟み、一方の圧電素子が伸びると他方の圧電素子が縮むように構成したバイモルフ型振動子も知られている。バイモルフ型振動子は、ユニモルフ型よりも大きい変位量を容易に得ることができる。一方で、バイモルフ型振動子は、圧電体の屈曲モードを用いるために、応答周波数が限られるという問題がある。
【０００３】
周波数特性の向上のため、複数の圧電アクチュエータを用いた電子機器においては、様々な工夫がなされている。例えば、特許文献１には、圧電素子の厚さを異なる複数の圧電素子を振動板の主面に間隔を置いて取り付けられた音響発生器が開示されている。この音響発生器によれば、音圧の周波数特性におけるピークやディップを小さくすることができる。
【０００４】
また、特許文献２には、平面視した時に、複数の圧電素子が非対称となるように振動体に取り付けられた音響発生器が開示されている。またさらに、特許文献３には、振動体を平面視した場合の励振器の輪郭の少なくとも１辺と、１辺に向かい合う振動体の輪郭の辺とが非平行となるように設けられた音響発生器が開示されている。これらの音響発生器によれば、良好な音圧の周波数特性を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許５８１５８３３号公報
【特許文献２】国際公開第２０１４／０２４７３６号
【特許文献３】特開２０１４−１２３８１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１から３に記載の発明は圧電アクチュエータを二次元的に配置したものであり、バイモルフ型振動子を用いた振動発生装置で、広い周波数帯域において高い変位量が得られる技術については報告されていない。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、広い周波数帯域において高い最大変位量が得られる振動発生装置及び電子機器を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者らは鋭意検討した結果、バイモルフ型圧電素子において、２つの圧電素子の位置を敢えてずらすことによって、広い周波数帯域において高い最大変位量が得られることを見出し本発明に至った。
すなわち、本発明の振動発生装置は、
振動板と、
振動板の端面の近傍であって、振動板の上面及び下面に振動板を挟むように取り付けられた第一圧電アクチュエータ及び第二圧電アクチュエータと、
を備え、
振動板の上面を平面視した場合、第一圧電アクチュエータが第二圧電アクチュエータに対し位置がずれて配置されている。
ここで、「近傍」とは、振動板の端から３０ｍｍ以内の領域を意味する。
【０００８】
振動板の上面を平面視した場合、第一圧電アクチュエータが、第二圧電アクチュエータに対し第一圧電アクチュエータの幅方向であって、端面から離れる方向に並行移動した位置に配置されていることが好ましい。その場合、第一圧電アクチュエータの幅方向の長さの６２％以上８８％以下の範囲で、第一圧電アクチュエータと第二圧電アクチュエータとが重なり合うことが好ましい。さらに、第一圧電アクチュエータの幅方向の長さの７０％以上８０％以下の範囲で、第一圧電アクチュエータと第二圧電アクチュエータとが重なり合うことが好ましい。
【０００９】
振動板の上面を平面視した場合、第一圧電アクチュエータが、第二圧電アクチュエータに対し第一圧電アクチュエータの幅方向であって、端面に近づく方向に並行移動した位置に配置されていてもよい。その場合、第一圧電アクチュエータの幅方向の長さの８７．５％以上９３．８％以下の範囲で、第一圧電アクチュエータと第二圧電アクチュエータとが重なり合うことが好ましい。
【００１０】
本発明の電子機器は、本発明の振動発生装置と、振動発生装置に電気的に接続される電子回路と、振動発生装置及び電子回路を収容する筐体とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、広い周波数帯域において高い最大変位量を有する振動発生装置及び電子機器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、本発明の一実施例形態の振動発生装置を示す概略平面図である。
【図２】図２は、図１におけるＡ−Ａ断面図である。
【図３】図３は、本発明の振動発生装置の圧電アクチュエータが取り付けられている部分の断面拡大図である。
【図４】図４は、第一圧電アクチュエータと第二圧電アクチュエータの他の配置例を示す概略平面図である。
【図５】図５は、第一圧電アクチュエータと第二圧電アクチュエータの他の配置例を示す概略平面図である。
【図６】図６は、第一圧電アクチュエータと第二圧電アクチュエータの他の配置例を示す概略平面図である。
【図７】図７は、第一圧電アクチュエータの第二圧電アクチュエータに対するズレ量と共振最大変位値との関係を示すグラフである。
【図８】図８は、応答周波数と最大変位値との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の振動発生装置及び電子機器について図面を参照しながら説明する。
【００１４】
［振動発生装置］
本発明の一実施形態の振動発生装置１０は、図１及び図２に示すように、振動板１１と、振動板１１の端面の近傍であって、振動板１１の上面１１ａに取り付けられた第一圧電アクチュエータ１２と、振動板１１の下面１１ｂに取り付けられた第二圧電アクチュエータ１３と、を備えるものである。第一圧電アクチュエータ１２と第二圧電アクチュエータ１３とは同一のものである。
また、第一圧電アクチュエータ１２及び第二圧電アクチュエータ１３は振動板１１の上下面に振動板１１を挟むように取り付けられている。第一圧電アクチュエータ１２及び第二圧電アクチュエータ１３は、電気信号が加わることによって、振動板１１の上面１１ａと平行な方向に伸縮振動する。そして、２個の第一圧電アクチュエータ１２及び第二圧電アクチュエータ１３は、伸縮振動の方向が略一致するように配置されている。
【００１５】
図２に示すように、第一圧電アクチュエータ１２及び第二圧電アクチュエータ１３が取り付けられた振動板１１は、例えば、周縁部１４の下面１１ｂで固定部１６を介して、矩形状筐体１５（図２参照）に固定される。
【００１６】
振動発生装置１０は、図１に示すように、振動板１１の上面１１ａを平面視した場合、第一圧電アクチュエータ１２が、第二圧電アクチュエータ１３に対し第一圧電アクチュエータ１２の幅方向（図１中Ｘ方向）であって、振動板１１の端面から離れる方向（＋Ｘ方向）に並行移動した位置に配置されている。第一圧電アクチュエータ１２と第二圧電アクチュエータ１３とが重なり合う領域を図中斜線部分（符号１７）で示している。
共振最大変位値を高くする観点から、第一圧電アクチュエータ１２の幅方向の長さ（図中Ｗ）の６２％以上８８％以下（図中Ｗ１）の範囲で、第一圧電アクチュエータ１２と第二圧電アクチュエータ１３とが重なり合うことが好ましい。さらに、幅方向の長さＷの７０以上８０％以下（図中Ｗ１）の範囲で、第一圧電アクチュエータ１２と第二圧電アクチュエータ１３とが重なり合うことがより好ましい。
【００１７】
（圧電アクチュエータ）
第一圧電アクチュエータ１２は、図１に示すように、平面視において矩形状である。図３に示すように、第一圧電アクチュエータ１２は、２層の圧電体層２４及び１層の内部電極２５を交互に積層してなる積層体２１と、積層体２１の上面及び下面に形成された外部電極２２、２３と、積層体２１の長手方向（Ｘ方向）の両端部にそれぞれ設けられた一対の接続電極２６、２７とで構成されている。第一圧電アクチュエータ１２の接続電極２６は、外部電極２２と、１層の内部電極２５とに接続されている。
【００１８】
第一圧電アクチュエータ１２の圧電体層２４は、図３に矢印で示すように、圧電体層２４の厚み方向（Ｚ方向）に交互に分極されており、振動板１１の上面１１ａに配置された第一圧電アクチュエータ１２の圧電体層２４が縮む場合には、振動板１１の下面１１ｂに配置された第二圧電アクチュエータ１３の圧電体層３４が延びるように、接続電極３６、３７に電圧が印加されるように構成されている。
【００１９】
第一圧電アクチュエータ１２の外部電極２２は、積層体２１の表面に形成された、対極の外部電極２３と接触しないように所定間隔をおいて形成されている。第二圧電アクチュエータ１３についても、同様である。
【００２０】
本実施形態では、第一圧電アクチュエータ１２及び第二圧電アクチュエータ１３は、振動板１１に接着剤４０で接着されている。接着剤４０としては、エポキシ系樹脂、シリコン系樹脂、及び、ポリエステル系樹脂等公知のものを使用することができる。接着剤４０の他、第一圧電アクチュエータ１２及び第二圧電アクチュエータ１３を振動板１１に両面テープなどで取り付けてもよい。
【００２１】
第一圧電アクチュエータ１２及び第二圧電アクチュエータ１３の圧電特性は、大きな屈曲撓み振動を誘起させるために、圧電ｄ３１定数は１８０ｐｍ／Ｖ以上の特性を有していることが好ましい。
【００２２】
−圧電体層−
圧電体層２４及び３４としては、例えばＰｂＺｒｘＴｉ１−ｘＯ３（ＰＺＴ）などのセラミック圧電体材料からなることが好ましい。また、鉛を含まない非鉛系のセラミック圧電体であってもよい。圧電体層２４の厚さは、例えば１００μｍから５００μｍが好ましい。
【００２３】
−内部電極−
内部電極２５及び３５は、例えば、銀（Ａｇ）、または、銀（Ａｇ）−パラジウム（Ｐｄ）合金によって形成される。特に、本発明では、内部電極２５及び３５における銀の含有量が多いことが好ましい。内部電極２５及び３５の銀の含有量は、５０質量％以上であることが好ましい。
【００２４】
−接続電極−
接続電極２６、２７、３６、及び３７の形成材料としては、外部電極２２、２３、３２、及び３３と同様の、銀及び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、及びニッケル等を用いることができる。
【００２５】
−外部電極−
外部電極２２、２３、３２、及び３３の形成材料としては、銀及び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、並びにニッケル等を用いることができる。
【００２６】
−圧電アクチュエータの製造方法−
本発明における圧電アクチュエータの形成は、例えば、圧電体層２４及び３４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２５及び３５及び外部電極２２、２３、３２、及び３３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２４及び３４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。
【００２７】
（振動板）
振動板１１は、第一圧電アクチュエータ及び第二圧電アクチュエータによって振動させる対象物であって、所定の厚みを有する矩形状の部材である。振動板１１の材質は、特に限定はされないが、ガラス、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。例えば、液晶パネルを備える電子機器等の場合は、液晶パネル上のカバーガラスを振動板として利用することができ、そのカバーガラスは、電子機器の筐体に固定される。
【００２８】
矩形状筐体１５は、例えば、厚み１００〜１０００μｍのステンレス製とすることができる。なお、矩形状筐体１５の材質はステンレス製に限らず、樹脂よりも変形し難いものであればよく、例えば、硬質樹脂、プラスチック、エンジニアリングプラスチック、セラミックス等を用いることができ、材質、厚み等は特に限定されるものではない。筐体の形状は、矩形状に限らず、多角形状であってもよい。
【００２９】
上記実施形態では、第一圧電アクチュエータ１２が、第二圧電アクチュエータ１３に対して第一圧電アクチュエータ１２の幅方向であって、振動板１１の端面から離れる方向（＋Ｘ方向）に並行移動した位置に配置されている場合について説明したが、図４に示すように、第一圧電アクチュエータ１２が、第二圧電アクチュエータ１３に対し第一圧電アクチュエータ１２の幅方向（Ｘ方向）であって、振動板１１の端面に近づく方向、すなわち、−（マイナス）Ｘ方向に並行移動した位置に配置されていてもよい。
【００３０】
また、上記実施形態では、第一圧電アクチュエータ１２が、第二圧電アクチュエータ１３に対し第一圧電アクチュエータ１２の幅方向（Ｘ方向）に平行移動した位置に配置されている場合について説明したが、図５に示すように、第一圧電アクチュエータ１２が、第一圧電アクチュエータ１２の長さ方向（Ｙ方向）に平行移動した位置に配置されていてもよい。その場合、＋（プラス）Ｙ方向及び−（マイナス）Ｙ方向のいずれに平行移動してもよい。
【００３１】
この場合、第一圧電アクチュエータ１２の長さ方向（Ｙ方向）の長さをＬとし、圧電アクチュエータの重なり合う長さ方向（Ｙ方向）の長さをＬ１とした場合、Ｌ１は、平面視における、第一圧電アクチュエータ１２の面積ａと、第一圧電アクチュエータ１２と第二圧電アクチュエータ１３とが重なり合う領域１７の面積ｂとの関係が、０．５≦ｂ／ａ≦０．８８を満たすような範囲であることが好ましい。
【００３２】
また、図６に示すように、第一圧電アクチュエータ１２が、斜め方向にずれた配置であってもよい。斜め方向は、図６に示す方向だけではなく、紙面右下、左上、及び左下のいずれの方向であってもよい。第一圧電アクチュエータ１２が、斜め方向にずれた場合、平面視における、第一圧電アクチュエータ１２の面積をａとし、第一圧電アクチュエータ１２と第二圧電アクチュエータ１３とが重なり合う領域１７の面積をｂとした場合、０．５≦ｂ／ａ≦０．８８の関係を満たすもことが好ましい。
【００３３】
第一圧電アクチュエータ１２が、Ｘ方向に平行移動した場合の上記実施形態では、第一圧電アクチュエータ１２がずれる位置の好ましい範囲は、第一圧電アクチュエータ１２と第二圧電アクチュエータ１３との素子の幅方向の長さから規定したが、平面視における、第一圧電アクチュエータの面積をａとし、第一圧電アクチュエータ１２と第二圧電アクチュエータ１３とが重なり合う領域１７の面積をｂとした場合、０．５≦ｂ／ａ≦０．８８の関係を満たすことも好ましい。
【００３４】
［電子機器］
本発明の電子機器は、振動発生装置と、振動発生装置に電気的に接続される電子回路と、振動発生装置及び電子回路を収容する筐体を備えるものである。電子機器としては、薄型の電子機器、携帯型の電子機器等が挙げられ、本発明の振動発生装置はこれらの電子機器のバイブレータとして機能する。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。
【実施例】
【００３５】
本発明の振動発生装置の周波数特性について検証した。
第一圧電アクチュエータ１２の位置をＸ方向に、０ｍｍ、−０．５ｍｍ、−１．０ｍｍ、−１．５ｍｍ、＋０．５ｍｍ、＋１．０ｍｍ、＋２．０ｍｍ、＋４．０ｍｍ並行移動させた振動発生装置について、周波数７００Ｈｚ〜８００Ｈｚの範囲で共振最大変位値を、有限要素法の周波数応答解析を用いてシミュレーションを行った。なお、＋Ｘ方向は振動板１１の端面から離れる方向であり、−Ｘ方向は、振動板１１の端面に近づく方向である。
シミュレーション条件は以下の通りである。
【００３６】
＜シミュレーション条件＞
振動板の材質：ソーダガラス
振動板のサイズ：１００×７０×厚さ０．５（ｍｍ）
圧電アクチュエータのサイズ：５３×８×厚さ０．３（ｍｍ）
第二圧電アクチュエータの取り付け位置：第二圧電アクチュエータの長辺方向の端から、振動板の端面までの距離：２ｍｍ
圧電アクチュエータの振動板への固定：エポキシ樹脂、厚さ５μｍ
振動板外周全周を拘束した条件とした。
【００３７】
ズレ量と共振最大変位値との関係を図７に示し、最大変位値の周波数特性を図８に示す。
【００３８】
図７に示すように、共振最大変位値は、平面視において、第一圧電アクチュエータ１２と第二圧電アクチュエータ１３とが重なりあう場合（ズレ量０ｍｍ）の共振最大変位値が１．８ｍｍ程度であるのに対し、第一圧電アクチュエータ１２の位置を第一圧電アクチュエータ１２の幅方向にずらすことにより、共振最大変位値が高くなっていることがわかる。
【００３９】
また、図８に示すように、本発明の振動発生装置は、ズレ量０ｍｍの場合と同様、周波数７２０Ｈｚ〜７４０Ｈｚの帯域で最大変位値が得られている。
本発明の振動発生装置は、従来のバイモルフ型の振動発生装置（ズレ量０ｍｍ）と同じ周波数帯域において、高い変位値を得ることができる。
【符号の説明】
【００４０】
１０    振動発生装置
１１    振動板
１１ａ    上面
１１ｂ    下面
１２    第一圧電アクチュエータ
１３    第二圧電アクチュエータ
１４    周縁部
１５    矩形状筐体
１６    固定部
１７    第一圧電アクチュエータと第二圧電アクチュエータとが重なり合う領域
２１、３１    積層体
２２、２３、３２、３３    外部電極
２４、３４    圧電体層
２５、３５    内部電極
２６、２７、３６、３７    接触電極
４０    接着剤
【図１】
2019147122.tif 000003
【図２】
2019147122.tif 000004
【図３】
2019147122.tif 000005
【図４】
2019147122.tif 000006
【図５】
2019147122.tif 000007
【図６】
2019147122.tif 000008
【図７】
2019147122.tif 000009
【図８】
2019147122.tif 000010