(57)【要約】  【課題】  圧電バイモルフ素子を２点支持した場合の中央部の振動量を効率良く得る。  【解決手段】  圧電バイモルフ素子１０を固定部材２１に低弾性の両面粘着テープを支持部材２２として２点支持する。また圧電バイモルフ素子１０の振動最大となる中央部を剛性の高い連結部材３２を介して被振動部材３０に接続する。支持部材２２は低弾性となっているので、圧電バイモルフ素子１０の伸縮や曲げは支持部材２２により拘束されない。また支持部材２２は薄いので、圧電バイモルフ素子１０の変位が支持部材２２で吸収されることもない。圧電バイモルフ素子１０と被振動体３０は剛性の高い連結部材３２で連結されているので、パネル３１は良く振動される。  【選択図】  図１
2005303937.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
任意の固定部材に設置され、被振動部材を振動させる圧電バイモルフ素子の支持構造であって、
前記固定部材の上面側と圧電バイモルフ素子の両端側下面との間に、柔軟性と低弾性を有し両面に粘着材が塗布された両面粘着テープ状の支持部材が設けられてバイモルフ素子が２点支持され、
前記圧電バイモルフ素子の上面の中央部と前記被振動部材が連結部材で連結されている
ことを特徴とする圧電バイモルフ素子の支持構造。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電バイモルフ素子の支持構造構造において、
前記支持部材は、引っ張り弾性率が１．１×１０9Ｎ／ｍｍ2以下で、厚みが１ｍｍ以下であることを特徴とする圧電バイモルフ素子の支持構造。
【請求項３】
請求項１または２に記載の圧電バイモルフ素子の支持構造構造において、
前記支持部材は、前記圧電バイモルフ素子側への粘着面積に対して固定部材側への粘着面積が大きくなるように配置されていることを特徴とする圧電バイモルフ素子の支持構造。
【請求項４】
請求項１ないし３に記載の圧電バイモルフ素子の支持構造において、
前記支持部材に対して前記連結部材の剛性を高くしたことを特徴とする圧電バイモルフ素子の支持構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パネルなど被振動体を振動させる圧電バイモルフ素子の支持構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電バイモルフ素子を用いて被振動体を振動させる装置には、圧電バイモルフ素子でパネルを振動させるパネルスピーカなどがある（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
図１２に示すように圧電バイモルフ素子１０は、任意の弾性板１３を挟んで２枚の圧電素子１１、１２が固着されたもので、圧電バイモルフ素子１０に信号を印加すると、一方の圧電素子が縮み、他方の圧電素子が伸びることにより、圧電バイモルフ素子１０が屈曲し、その屈曲振動を用いるものである。
【０００４】
圧電バイモルフ素子１０の固定方法としては、図１３に示すように、素子１０の片側を支持部材１５、１５で固定し、他方に振動を発生させるものや、図１４に示すように圧電バイモルフ素子１０の両端近傍を支持部材１７で支持し、素子中央部に振動を発生させるものなどがある。
【０００５】
図１３の支持方式は、自由端側に大きな振動を発生させることが可能であるが、片持ち支持のため、圧電バイモルフ素子１０の変位発生部に荷重１６を加えると容易に変形するため、一般的には、軽量物を振動させるのに用いる。一方、図１４の支持方式の場合、圧電バイモルフ素子１０は２点で支持されており、変位発生部への荷重に対する変形は図１３の方式に比べ小さく、また、荷重１６の印加による素子変形は、ほぼ荷重印加方向に一致しており、有る程度の重量部を支え、かつ振動させるのに適する。その一方で、図１４の支持方法の場合、変位発生部の振動量は、図１３の支持方式に対して小さくなる。
【特許文献１】特表平１１−５１２２５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように、圧電バイモルフ素子１０で任意の重量物１６を振動させる場合、図１４に示すような２点支持方式にすることが好ましいが、その場合に振動量を如何にして確保するかが問題となる。図１４のような２点支持方式の場合、固定部材に対してある程度の剛性を持って固着させる必要が有る。例えば、図１５（Ａ）に示すように素子が任意の突起１８にただ乗っかっているような構造にすると、圧電バイモルフ素子１０は容易に動いてしまうことになり、圧電バイモルフ素子１０ないし振動体（１０＋１６）が突起１８に対して外れてしまう（図１５（Ｂ））。
【０００７】
一方、図１６に示すように圧電バイモルフ素子１０を支持部材１９に対して強固に固着させると、圧電バイモルフ素子１０の振動量が減少してしまう。その原因は次のように考えられる。前述したとおり、圧電バイモルフ素子１０は、図１７に示すような変形により素子中央部に所定の変位を発生させるが、圧電バイモルフ素子１０の支持部材１９側の長さＬがＬ’、Ｌ”に伸縮すると共に、支持部材１９部分に曲げａ、ｂが生じ、支持部分の拘束力が増すことにより、屈曲変位を妨げることになる。これにより、素子の振動量が減少してしまう。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、圧電バイモルフ素子を２点支持した場合の中央部の振動量を効率良く得ることができる圧電バイモルフ素子の支持構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１の発明は、任意の固定部材に設置され、被振動部材を振動させる圧電バイモルフ素子の支持構造であって、前記固定部材の上面側と圧電バイモルフ素子の両端側下面との間に、柔軟性と低弾性を有し両面に粘着材が塗布された両面粘着テープ状の支持部材が設けられてバイモルフ素子が２点支持され、前記圧電バイモルフ素子の上面の中央部と前記被振動部材が連結部材で連結されていることを特徴とする。
【００１０】
請求項１では、圧電バイモルフ素子を、柔軟性と低弾性を有し両面に粘着材が塗布された両面粘着テープ状の支持部材で２点支持されているので、圧電バイモルフ素子の振動が支持部材により拘束されることなく、振動量を最大限引き出すことができると共に、圧電バイモルフ素子の固定部材に対するずれや動きを抑えることが可能となる。更に圧電バイモルフ素子の支持部材のクッション性により、外部からの衝撃を吸収し、被振動部材や圧電バイモルフ素子の破壊を防止するできる。  更に、圧電バイモルフ素子に発生する振動が、固定部材側へ漏洩することも抑制できる。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１に記載の圧電バイモルフ素子の支持構造構造において、前記支持部材は、引っ張り弾性率が１．１×１０9Ｎ／ｍｍ2以下で、厚みが１ｍｍ以下であることを特徴とする。
【００１２】
請求項２では、支持部材の引っ張り弾性率を１．１×１０9Ｎ／ｍｍ2以下で、厚みを１ｍｍ以下に限定されているので、上記請求項１の発明の作用効果が確実に得られる。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の圧電バイモルフ素子の支持構造構造において、前記支持部材は、前記圧電バイモルフ素子側への粘着面積に対して固定部材側への粘着面積が大きくなるように配置されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項３では、支持部材の圧電バイモルフ素子側への粘着面積に対して支持部材の固定部材側への粘着面積を大きくしたので、圧電バイモルフ素子への拘束力を抑制しつつ、固定部材への粘着強度を確保できる。
【００１５】
請求項４の発明は、請求項１ないし３に記載の圧電バイモルフ素子の支持構造において、前記支持部材に対して前記連結部材の剛性を高くしたことを特徴とする。
【００１６】
請求項４では、支持部材に対して連結部材の剛性を高くしたので、圧電バイモルフ素子の振動が有効に被振動部材に伝達される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、２点支持されたバイモルフ素子の中央部の振動量を効率良く得ることが可能となり、かつ、支持部材の柔軟性により、圧電バイモルフに対する外力や衝撃力を緩和することも可能となる。
【００１８】
また、本発明を、例えば、タッチパネルに用いることにより、タッチパネルにスイッチ感を付加するための良好な振動発生機構を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明を実施するための最良の形態を図面を用いて説明する。図１に圧電バイモルフ素子の支持構造を示す。本発明では、図１に示すような圧電バイモルフ素子１０の支持体２２として弾性率が低くかつ所定の粘着力を有する両面粘着プラスティックテープを用いて圧電バイモルフ素子１０の両端部を固定部２１に支持する（２点支持）。そして圧電バイモルフ素子１０の振幅が最大となる中央部の上面を被振動体３０の下面に弾性率の高い連結部材３２を用いて連結する。
【００２０】
この圧電バイモルフ素子の支持構造は、圧電バイモルフ素子を低弾性を有する両面粘着プラスティックテープを支持部材２２として２点支持しているので、圧電バイモルフ素子の支持部に生じる伸縮や曲は支持部材２２により拘束されないので、振動量を最大限引き出すことができる。またこの支持部材２２はテープであり薄いので、圧電バイモルフ素子に発生する振動が固定部材側へ漏洩することも抑制できる。しかして、圧電バイモルフ素子１０の振動は支持部材２２により拘束されたり抑制されてりすることなく、弾性率の高い連結部材３２を介して被振動体３０を振動させることができる。
【実施例】
【００２１】
図２に実施例にかかるパネル振動装置を示す。同図について、固定部材２１に設置される圧電バイモルフ素子１０は、固定部材２１に低弾性の支持部材２２を介して２点支持されている。また圧電バイモルフ素子１０で振動されるパネル３１は、その一端部の下面中央部が圧電バイモルフ素子１０の上面の中央部に剛性の高い連結部材３２を介して接続されている。
【００２２】
圧電バイモルフ素子１０は、圧電素子１１、１２と中間に挟持される弾性板１３によって成り立っている。圧電素子１１、１２は、特に発生変位量／印加電圧の大きいチタン酸ジルコン酸鉛（通称：ＰＺＴ）を用いることが望ましい。材料組成については、微量添加物などによりその特性を変えることが可能であるが、変位量／電圧の性能を示す定数として一般的に知られているｄ３１定数としては、１００〜４００（×１０-12ｍ／Ｖ）が得られている。圧電バイモルフ素子１０の両面には各々電極が形成されており、各々の電極面は互いに絶縁している。電極は、例えばメッキ方法やスパッタ法、蒸着法、或いは印刷・焼付けなどによって形成し、電極材料としてはＮｉ、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ  などが用いられる。
【００２３】
また、圧電バイモルフ素子１０は、変位量／電圧を改善する目的として、図３に示すように圧電素子１１、１２を積層化させた構造のものを用いることができる。圧電バイモルフ素子１０の弾性板１３については、ステンレス合金系、ニッケル合金系  など導電性を有する金属材料を用いることが主であるが、非導電性材料を用いても良い。
【００２４】
以下に、圧電バイモルフ素子１０の支持部材２２について詳細に述べる。図２に示ように支持部材２２は、圧電バイモルフ素子１０の長手方向の両端部近傍について所定の面積により粘着されており、固定部材２１側についても支持部材２２は粘着させている。支持部材２２として適しているのは、一般的なプラスティック材料の弾性率よりも低い低弾性率を有する材料であり、具体的には、低弾性率材であるポリプロピレンの弾性率１．１×１０9Ｎ／ｍｍ2よりも柔軟な材料、例えば、発泡ポリウレタン、発泡アクリル、発泡ポリエチレン、発泡ブチルゴム、或いはシリコン系材料などのクッション性を有する柔軟な材料をベースとした両面粘着テープが適している。
【００２５】
例えば、日東電工（株）製のＮｏ５７１３というテープは特殊発泡ポリウレタンを基材とした両面粘着テープで、テープ厚さは０．３３ｍｍであり、本発明における支持部材２２として適した柔軟性と厚みを持ったテープである。支持部材２２の厚みは、厚みが大きくなると圧電バイモルフ素子１０の変位を吸収しやすくなるなどの問題があり、支持部材の厚みは１ｍｍ以下程度にする。
【００２６】
図２に示すとおり支持部材２２は、圧電バイモルフ素子１０に対する粘着面積に対して、固定部材２１に対する粘着面積を大きくしてある。図４にこの支持部分の詳細を示す。圧電バイモルフ素子１０に対する粘着面積は、Ｗ１×Ｌ１となり、一方、固定部材２１に対する粘着面積は、Ｗ２×Ｌ２となる。同一粘着材について、粘着力は面積に略比例するので、図４の場合、  圧電バイモルフ素子に対する粘着力＜固定部材に対する粘着力  となる。
【００２７】
前述のとおり、圧電バイモルフ素子１０の変位量を確保するためには、支持部材２２による拘束力をある程度抑制する必要が有る一方で、固定部材２１側に対しては、信頼性の観点から所定の粘着強度を確保する必要がある。図４に示すような支持方法を用いることにより、圧電バイモルフ素子１０への拘束力を抑制しつつ、固定部材２１への粘着強度を確保することが得やすくなる。Ｌ１，Ｌ２、Ｗ２については実装する部位の寸法的制約などにより適宜決める必要が有る。
【００２８】
また、外力による圧電バイモルフ素子の１０破壊を防ぐために、図５のように、圧電バイモルフ素子１０の下部に所定の厚みのストッパー材２３を挿入するすることも可能である。ストッパー材２３の厚みは、  （支持体厚み）−（圧電バイモルフ最大振動幅／２）−（所定マージン）  によって定められる。
【００２９】
圧電バイモルフ素子１０に対して所定の外力（衝撃）が加えられたとき、圧電バイモルフ１０は、支持部材２２の変形によりある程度吸収されるが、この限界を超えた場合は、圧電バイモルフ素子１０下部のストッパー２３により圧電バイモルフ素子１０の外力による曲げ変形を抑えることが可能である。ストッパー部材２３の材質については、やはり低弾性の柔軟な材料が適し、前述の発泡系材料やゴム系材料、その他のプラスティック材料を適宜用いる。また、固定部材２１側の形状にこれを突起として作りこむことも当然可能である。
【００３０】
圧電バイモルフ素子１０とパネル３１を連結する連結部材３２については、圧電バイモルフ素子１０の支持部材２２に対して、弾性率が大きくなるような材料を選定する。これは、圧電バイモルフ素子１０に発生する振動を効率良くパネル３１に伝達させるためである。圧電バイモルフ素子１０の中央部も曲げ変形が生じており、これを支持部材２２で拘束することにより、発生振動量は減少する傾向となるが、振動伝達ロスもまた問題となるので、これらを考慮して決定する必要が有る。
【００３１】
（発明の効果の確認）本発明の効果を確認するために、図６に示すような実験を行った。実験に用いた圧電バイモルフ素子１０は、１層５０μｍの厚みの圧電層を７層重ねた積層圧電素子１１、１２が、厚さ約０．１ｍｍ厚程度のステンレス合金板を弾性板１３として挟持している積層圧電バイモルフ素子であり、幅Ｗ１は約５ｍｍ、長さＬｏは約３０ｍｍ、厚みは約０．９ｍｍである。また、支持部材２２は、図7に示す（Ａ）材を用いた支持部材２２（Ａ）と、（Ｂ）材を用いた支持部材２２（Ｂ）の２種類を用いた。（Ａ）材は、上記発泡ポリエチレンを機材とした日東電工（株）製のNo５７１３材（厚さ０．３３）であり、支持部材２２（Ｂ）は、厚さ０．１ｍｍのＰＥＴフィルム２２ａの両面に厚さ０．１ｍｍの両面粘着テープ２２ｂ（寺岡製作所（株）製Ｎｏ７６４２）を貼り合わせたものである。支持部材２２（Ａ）、２２（Ｂ）のサイズ・配置は共に図４と同じくしてある。
【００３２】
固定部材２１に支持部材２２（Ａ）、２２（Ｂ）を介して同一の圧電バイモルフ素子１０配置し、圧電バイモルフ素子１０の上面中央部に上記No５７１３材からなる連結部材３２を介して１６８ｇの重り３３を接続し、圧電バイモルフ素子１０に所定の信号（２０Ｖｐｐ−１０Ｈｚ）を印加して重り３３の中央の振動量を振動量測定器４１で測定した。
【００３３】
【表１】
2005303937.tif 000003
【００３４】
その結果、重り３３の中央の振動量は、支持部材２２（Ａ）の約３８μｍｐｐに対して支持部材２２（Ｂ）材は約１８μｍｐｐとなり、柔軟な（Ａ）材の支持部材２２（Ａ）を用いることにより振動振幅を大きくすることが可能であることが確認された。表１及び図８に（Ａ）材、（Ｂ）材の各周波数での振動量（振幅）を示す。（Ａ）材について、周波数上昇と共に振動数が上昇しているのは共振周波数に近づいていることによるものである。
【００３５】
次に、図６に示す実験方法で、支持部材２２（Ａ）材とし、連結部材３２を（Ａ）材、（Ｂ）材にしたときの振動量の比較を行った。このときの連結部材３２は、幅５ｍｍ×長さ５ｍｍである。
【００３６】
【表２】
2005303937.tif 000004
【００３７】
この比較の結果を表２、図９に示す。この結果、圧電バイモルフと被振動体との連結部材３２は、柔軟な（Ａ）材よりも弾性率の高い（Ｂ）材を用いる方が望ましく、（Ａ）材に対して１０％程度振動量を増やすことが可能であることが分かった。
【００３８】
以上の実験結果より、２点支持型の圧電バイモルフ素子の支持・連結方法としては、支持部材は柔軟性の高い材料を用い、連結部材は、支持部材よりも高弾性な材料を選定することが望ましいといえる。
【００３９】
（応用例）本発明のタッチパネルを有する電子機器への応用例について図１０、図１1を用いて説明する。この電子機器５０は、画像表示部５２に４つのアイコン５３ａ〜５３ｄが表示されるようになつており、タッチパネル５５は画像表示部の支持フレーム５４の４隅に設けられたタッチパネル支持部材５６で支持されている。また、支持フレーム５４のタッチパネル支持部材５６の設けられていない部分とタッチパネル５５との空間部分に、４個の圧電バイモルフ素子１０が上記柔軟な（Ａ）材の支持部材２２でそれぞれ２点支持され、各圧電バイモルフ素子１０の中央部とタッチパネル５２が上記弾性率の高い（Ｂ）材の連結部材３２で連結されている。また電子機器５０には、タッチパネル５５が指で押されたときタッチパネル５５から出力される座標値の入力により、所定の信号を各圧電バイモルフ素子１０に出力する制御手段５７が設けられている。
【００４０】
この電子機器５０は以上のように構成されているので、タッチパネル５５のアイコン５３ａ〜５３ｄが表示されている部分を指で触れると、制御手段５７から圧電バイモルフ素子１０に所定の信号が出力され、圧電バイモルフ素子１０が振動する。圧電バイモルフ素子１０は柔軟な支持部材２２で２点支持されており、圧電バイモルフ素子１０とタッチパネル５５は弾性率の高い連結部材３２で連結されているので、タッチパネル５５はよく振動し、タッチパネル５５に触れた指に良好なスイッチ感が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施形態にかかる圧電バイモルフ素子の支持構造を示す正面図。
【図２】本発明の実施例に係るパネル振動装置を示す斜視図。
【図３】積層圧電バイモルフ素子の概略断面図。
【図４】圧電バイモルフ素子支持構造の詳細説明図で、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は平面図。
【図５】素子破損防止用のストッパを設けた圧電バイモルフ素子支持構造の説明図で、（Ａ）は外力のない状態を示す正面図、（Ｂ）は外力が作用した場合の正面図。
【図６】発明の効果を確認するための実験の概略説明図で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）正面図。
【図７】支持部材の説明図で、（Ａ）は（Ａ）材の側面図、（Ｂ）は（Ｂ）材の側面図。
【図８】異なる支持部材により支持された圧電バイモルフ素子中央部の振動量の比較グラフ。
【図９】異なる連結部材により連結された圧電バイモルフ素子中央部の振動量の比較グラフ。
【図１０】応用例に係る電子機器の分解斜視図。
【図１１】図１０のＡ−Ａ断面図。
【図１２】（Ａ）は圧電バイモルフ素子の概略斜視図。（Ｂ）は圧電バイモルフ素子の伸縮の説明図、（Ｃ）は圧電バイモルフ素子の屈曲変位の説明図。
【図１３】（Ａ）片持ち支持した圧電バイモルフ素子の自由端の変位を説明図、（Ｂ）は同素子の自由端に荷重があるときの変位説明図。
【図１４】（Ａ）２点支持した圧電バイモルフ素子の変位を説明図、（Ｂ）は同素子の中央部に荷重が掛かった状態の変位説明図。
【図１５】（Ａ）は圧電バイモルフ素子が突起に乗せた状態で２点支持された振動発生装置の正面図。（Ｂ）は同素子が支持位置からずれた状態の説明図。
【図１６】圧電バイモルフ素子の２点拘束支持状態を示す正面図。
【図１７】圧電バイモルフ素子の変形状態の詳細説明図。
【符号の説明】
【００４２】
１０…圧電バイモルフ素子、  １１、１２……圧電素子、  １３…弾性板、  ２１…固定部材、  ２２…支持部材、  ２３…ストッパー、  ３０…被振動体、  ３１…パネル、  ３２…連結部材、  ３３…重り、  ４１…振動量測定器、  ５０…電子機器、  ５１…本体、  ５２…画像表示部、  ５３ａ〜５３ｄ…アイコン、  ５４…画像表示部の支持フレーム、  ５５…タッチパネル、  ５６…タッチパネルの支持部材、  ５７…制御手段。
【図１】
2005303937.tif 000005
【図２】
2005303937.tif 000006
【図３】
2005303937.tif 000007
【図４】
2005303937.tif 000008
【図５】
2005303937.tif 000009
【図６】
2005303937.tif 000010
【図７】
2005303937.tif 000011
【図８】
2005303937.tif 000012
【図９】
2005303937.tif 000013
【図１０】
2005303937.tif 000014
【図１１】
2005303937.tif 000015
【図１２】
2005303937.tif 000016
【図１３】
2005303937.tif 000017
【図１４】
2005303937.tif 000018
【図１５】
2005303937.tif 000019
【図１６】
2005303937.tif 000020
【図１７】
2005303937.tif 000021