(57)【要約】【課題】素子サイズを大きくすることなく所望の振動変位と振動力を得ることができる圧電振動子を提供する。【解決手段】本発明に係る圧電振動子１４は、ベース部３に２点支持された圧電振動板１０の両端に振動錘１１，１２を取り付けた構成を有している。振動錘の共振により発生する慣性力は、支持部５を介してベース部３に伝達される。このとき、振動錘の共振点を例えばタッチパネルの触感振動周波数に設定し、ベース部３を当該タッチパネルに固定することで、錘共振時にタッチパネルを所望の触感振動で振動させることができる。また、振動錘の共振点を超える周波数帯域では、振動錘の振動変位は減少する。圧電素子２ａ，２ｂの固有振動数を振動錘の固有振動数よりも高く設定し、圧電素子の最大変位点に音響振動板７を接続することで、ブザー音や音声、または楽曲を発音させることができる。【選択図】図２
2007300426.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベース部と、
圧電振動板と、
前記圧電振動板の一端側および他端側と前記ベース部との間にそれぞれ配置された支持部と、
前記圧電振動板の少なくとも一端側であって前記支持部よりも外側に取り付けられた振動錘とを備えた
ことを特徴とする圧電振動子。
【請求項２】
前記圧電振動板は、弾性板材と、前記弾性板材の少なくとも一方の面に貼り付けられた圧電素子とを有し、
前記振動錘は、前記弾性板材の一端部または両端部に取り付けられている
ことを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子。
【請求項３】
前記圧電素子の固有振動数は、前記振動錘の固有振動数よりも高く設定されている
ことを特徴とする請求項２に記載の圧電振動子。
【請求項４】
前記圧電振動板と前記振動錘との間には弾性板材が介在している
ことを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子。
【請求項５】
前記振動錘は、前記圧電振動板の一端側および他端側にそれぞれ取り付けられており、
前記各振動錘は、互いに異なる振動特性を有している
ことを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子。
【請求項６】
前記圧電振動板は、バイモルフ型圧電アクチュエータである
ことを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子。
【請求項７】
前記圧電振動板は、モノモルフ型圧電アクチュエータである
ことを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子。
【請求項８】
前記圧電振動板の中央部には、加振対象物が接続されている
ことを特徴とする請求項１に記載の圧電振動子。
【請求項９】
前記加振対象物は、音響振動板である
ことを特徴とする請求項８に記載の圧電振動子。
【請求項１０】
前記加振対象物は、タッチパネルである
ことを特徴とする請求項８に記載の圧電振動子。
【請求項１１】
ベース部と、
圧電振動板と、
前記圧電振動板の一端側および他端側と前記ベース部との間にそれぞれ配置された支持部と、
前記圧電振動板の少なくとも一端側であって前記支持部よりも外側に取り付けられた振動錘と、
前記圧電振動板の中央部に接続された加振対象物と、
前記圧電振動板の振動周波数を制御する制御部とを備え、
前記制御部は、前記圧電振動板を第１の振動周波数で振動させる第１の駆動モードと、前記圧電振動板を前記第１の振動周波数よりも高い第２の振動周波数で振動させる第２の振動モードとを少なくとも有し、
前記第１の振動モードでは、前記振動錘を加振することによって発生する慣性力で前記ベース部を振動させ、
前記第２の振動モードでは、前記圧電振動板の屈曲振動によって前記加振対象物を振動させる
ことを特徴とする圧電振動発生装置。
【請求項１２】
前記第１の振動周波数は、前記振動錘の固有振動周波数に合わせて設定されている
ことを特徴とする請求項１１に記載の圧電振動発生装置。
【請求項１３】
前記第２の振動周波数は、前記圧電振動板の固有振動周波数に合わせて設定されている
ことを特徴とする請求項１１に記載の圧電振動発生装置。
【請求項１４】
前記加振対象物は、音響振動板である
ことを特徴とする請求項１１に記載の圧電振動発生装置。
【請求項１５】
前記ベース部は、タッチパネルである又はタッチパネルに一体固定されている
ことを特徴とする請求項１１に記載の圧電振動発生装置。
【請求項１６】
ベース部と、
圧電振動板と、
前記圧電振動板の一端側および他端側と前記ベース部との間にそれぞれ配置された支持部と、
前記圧電振動板の少なくとも一端側であって前記支持部よりも外側に取り付けられた振動錘と、
前記圧電振動板の中央部に接続された加振対象物と、
前記圧電振動板の振動周波数を前記振動錘の固有振動数で振動させる制御部とを備えた
ことを特徴とする圧電振動発生装置。
【請求項１７】
前記加振対象物は、タッチパネルである
ことを特徴とする請求項１６に記載の圧電振動発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子を利用した圧電振動子およびこれを備えた圧電振動発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子は、電圧により体積歪みを発生させる特徴を有しており、この特徴を活かしたアクチュエータが多くの分野で実用化されている。圧電アクチュエータの種類は様々なものがあるが、比較的低い電圧で大きな変位を得ることができる構造としてバイモルフ型圧電アクチュエータが挙げられる。
【０００３】
バイモルフ型圧電アクチュエータは、図２０Ａ，Ｂに示すように、弾性板材１０１の上面および下面に圧電素子１０２ａおよび圧電素子１０２ｂがそれぞれ貼り付けられた圧電振動板を構成している。ここで、図２０Ａに示すバイモルフ型圧電アクチュエータ１００Ａは、一端がベース部（固定部）１０３に固定され他端が自由端とされた片持ち梁方式の支持構造をもつ圧電アクチュエータを示しており、図２０Ｂに示すバイモルフ型圧電アクチュエータ１００Ｂは、両端部がベース部１０４に支持部１０５，１０５を介して支持された２点支持方式の支持構造をもつ圧電アクチュエータを示している。
【０００４】
図２０Ａ，Ｂにおいて、一対の圧電素子１０２ａ，１０２ｂのうち一方が伸びたときは他方が縮み、一方が縮んだときは他方が伸びるるようにあらかじめ分極方向が定められており、圧電アクチュエータ１００Ａおよび圧電アクチュエータ１００Ｂは、任意の電圧が加えられることで、図２０Ａ，Ｂに示すような態様で屈曲変位する。
【０００５】
図２０Ａに示す片持ち梁方式の圧電アクチュエータ１００Ａは、比較的簡単に大きな変位量（ｄ１）を得ることができるが、アクチュエータ自体の力は非常に弱いため、小さな力でよい場合に限定して用いられている。他方、図２０Ｂに示す２点支持方式の圧電アクチュエータ１００Ｂは、素子の安定性があり、力も片持ち梁方式に比べて大きいという利点があるが、変位量（ｄ２）自体は片持ち梁方式に比べ小さいという欠点をもつ。
【０００６】
ところで、近年、電子機器に用いる入力装置としてタッチパネルが導入されつつある。タッチパネルは、操作画面の情報表示位置を使用者が指やペン等で押圧することで情報の入力を行うものであるが、入力時のスイッチ感が得られないという問題を有している。
そこで、最近のタッチパネルにおいては、情報入力操作時にブザー音を発動させたり、画面スイッチの表示色を変化させたりして使用者にスイッチ感を与えるようにしている。しかし、実際のスイッチで得られる反力に比べると不十分であり、これを改善するための手法として、パネル面に数１００Ｈｚの低周波振動を発生させることでスイッチ感を確保する方法がある。
【０００７】
振動を発生させる原理としては、電磁気を用いる方法が一般的であるが、圧電原理を用いて振動を得るものが知られている。この圧電原理を用いた振動発生方法は、上述した片持ち梁方式の圧電アクチュエータを用いる方法（下記特許文献１参照）と、２点支持方式の圧電アクチュエータを用いる方法（下記特許文献２参照）が知られている。
【０００８】
図２１は、下記特許文献１に記載の圧電振動発生装置１１８の構成を示している。この圧電振動発生装置１１８は、例えばバイモルフ型圧電アクチュエータからなる圧電振動板１１０の一端がフレーム１１２に支持され、圧電振動板１１０の他端が自由端とされているとともに、この自由端に振動錘１１３が取り付けられた構成を有している。フレーム１１２は、取付孔１１２ａを介して機器筐体等のベース部と一体化されている。
【０００９】
そして、この圧電振動発生装置１１８は、圧電振動板１１０で振動錘１１３を加振することで発生する振動力をフレーム１１２を介してベース部に伝達することで、慣性力を利用した体感振動を得るようにしている。また、圧電振動板１１０を所定の高周波数で屈曲振動させたときに振動錘１１３が殆ど振動しなくなることを利用して圧電振動板１１０を共振させ、これによりブザー音を得るようにしている。
【００１０】
一方、図２２Ａは、下記特許文献２に記載の圧電振動発生装置１２８Ａの構成を示している。圧電振動発生装置１２８Ａは、弾性板材１２１の両面に圧電素子１２２ａ，１２２ｂがそれぞれ貼り付けられた圧電振動板１２０を有している。圧電振動板１２０の両端部は支持部材１２５，１２５を介してベース部１２４に固定され、圧電振動板１２０の中央部は連結部材１２６を介して加振対象物であるタッチパネル１２７に接続されている。
また、図２２Ｂに示す圧電振動発生装置１２８Ｂは、圧電振動板１２０の両端部が支持部１２５，１２５を介してタッチパネル１２７に固定され、圧電振動板１２０の中央部が連結部材１２６を介してベース部１２４に接続された構成例を示している。
【００１１】
これらの圧電振動発生装置１２８Ａ，１２８Ｂにおいては、固定部材であるベース部１２４と、振動させたいタッチパネル１２７との間に、上述した構成の圧電振動板１２０を配置し、圧電素子１２２ａ，１２２ｂの中央部の変位によって、タッチパネル１２７へベース部１２４に対する相対的な振動変位Ｕを与えるようにしている。
【００１２】
【特許文献１】特開平８−３１４４６７号公報
【特許文献２】特開２００４−９４３８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、上記特許文献１に記載の圧電振動発生装置１１８は、片持ち梁方式の圧電振動板１１０の自由端に振動錘１１３を取り付けた構成であるため、振動錘１１３の加振作用で体感振動を発生させる振動モードにおいては、圧電振動板１１０が破損しないレベルに振動錘１１３の振動力を抑える必要がある。この結果、この圧電振動発生装置１１８においては、振動錘１１３による加振力に限界が生じるとともに、これをタッチパネルの振動発生装置として用いた場合に、要求される振動モードの触感振動が得られない場合がある。
【００１４】
また、上記特許文献１に記載の圧電振動発生装置１１８においては、振動錘１１３の加振作用で体感振動を発生させる振動モードが圧電振動板１１０の振動特性に大きく影響されるため、この圧電振動板１１０の振動特性をも考慮に入れた振動設計の最適化を図る必要がある。この結果、体感振動を発生させる振動モードの設計が複雑となり、仕様に合わせた振動特性の最適化も困難化し、装置の製造コストが上昇するという問題がある。
【００１５】
一方、上記特許文献２に記載の圧電振動発生装置１２８Ａ，１２８Ｂは、２点支持方式の圧電振動板１２０を用いているので、絶対的な変位量と振動発生力を得るためには圧電素子１２２ａ，１２２ｂの素子サイズを大きくする必要があり、また、低電圧で駆動させるためには積層圧電素子を用いる必要があり、結果的に圧電素子の製造コストが上昇するという問題がある。
【００１６】
本発明は上述の問題に鑑みてなされ、素子サイズを大きくすることなく所望の振動変位と振動力を得ることができる圧電振動子およびこれを備えた圧電振動発生装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
以上の課題を解決するに当たり、本発明の圧電振動子は、ベース部と、圧電振動板と、圧電振動板の一端側および他端側とベース部との間にそれぞれ配置された支持部と、圧電振動板の少なくとも一端側であって支持部よりも外側に取り付けられた振動錘とを備えている。
【００１８】
本発明に係る圧電振動子は、ベース部に２点支持された圧電振動板の一端または両端に振動錘を取り付けた構成を有している。振動錘は、圧電振動板の屈曲変位に伴って振動する。振動錘の固有振動数に合わせて圧電振動板を駆動すると、振動錘は共振する。
振動錘の共振により発生する慣性力は、支持部を介してベース部に伝達される。このとき、振動錘の共振点を例えばタッチパネルの触感振動周波数に設定し、ベース部を当該タッチパネルに固定することで、錘共振時にタッチパネルを所望の触感振動で振動させることができる。
また、振動錘の共振により圧電振動板の中央部の振動変位が拡大される。このとき、振動錘の共振点を例えばタッチパネルの触感振動周波数に設定し、圧電振動板の中央部を当該タッチパネルに接続することで、錘共振時にタッチパネルを所望の触感振動で振動させることができる。
【００１９】
本発明に係る圧電振動子においては、上述した振動錘の共振を利用することにより、素子サイズを大きくすることなく所望の振動変位と振動力を得ることができ、これにより振動子の小型化を図れるとともに振動子の製造コストの低減と低消費電力化を図ることができる。
【００２０】
圧電振動板は、弾性板材と、この弾性板材の少なくとも一方の面に貼り付けられた圧電素子とを有する構成とすることができる。弾性板材の片面に圧電素子が貼り付けられた形態はモノモルフ型圧電振動板に相当し、弾性板材の両面に圧電素子が貼り付けられた形態はバイモルフ型圧電振動板に相当する。振動錘は、圧電振動板の両端部に取り付けられる場合に限らず、圧電振動板の一端部にのみ取り付けられる構成としてもよい。また、圧電振動板の両端部に振動錘が取り付けられる場合、各振動錘の振動特性は同一である場合に限らず、重さや形状等を互いに異ならせることで錘共振点を複数もたせることも可能である。
【００２１】
振動錘の共振点は、振動錘を含む振動系の固有振動数で決定される。この振動系は、圧電振動板の支持部の外側で構成され、支持部の内側に位置する圧電素子の振動特性とは独立している。従って、振動錘の振動特性だけで錘共振周波数を設定できるので、所望の触感振動を適切かつ容易に設定することができる。
なお、支持部が配置される圧電振動板の一端側および他端側には、圧電素子の一端部および他端部は勿論、圧電素子の一端部および他端部よりも外側も含まれるし、圧電素子の中央側も含まれる。即ち、支持部の位置は特に制限されず、実質的に２点で支持される圧電振動板の各々の支持位置を意味する。また、各々の支持部が複数の点で構成される場合も含まれる。
【００２２】
振動錘の共振点を超える周波数帯域では、振動錘の振動変位は減少する。圧電素子の固有振動数は、振動錘の固有振動数よりも高く設定されるのが好ましい。これにより、振動錘の振動の影響を小さくして圧電素子を共振させることができる。また、圧電素子の最大変位点に加振対象物を接続することで、圧電素子の共振によって加振対象物を効率良く振動させることができる。例えば、加振対象物として音響振動板を圧電素子に接続することにより、ブザー音や音声、または楽曲を発音させることができる。
【００２３】
以上のように構成される圧電振動子を備えた圧電発生装置においては、圧電振動子を構成する圧電振動板の振動周波数を制御する制御部を備え、この制御部は、圧電振動板を第１の振動周波数で振動させる第１の振動モードと、圧電振動板を第１の振動周波数よりも高い第２の振動周波数で振動させる第２の振動モードとを少なくとも有しており、第１の振動モードでは振動錘を加振することによって発生する慣性力でベース部を振動させ、第２の振動モードでは圧電振動板の屈曲振動によって加振対象物を振動させる。ベース部は例えばタッチパネルであるか又はタッチパネルに一体固定され、加振対象物は例えば音響振動板とすることができる。
【００２４】
上記第１の振動周波数は振動錘の固有振動数に合わせて設定され、上記第２の振動周波数は、圧電振動板の固有振動数に合わせて設定される。なお、例えば、振動錘が圧電振動板の両端部に取り付けられる場合であって、各振動錘が異なる振動特性を有する場合には、振動錘を共振させる振動モードは複数存在することになり、制御部は所望の振動モードを選択して圧電振動子を駆動させる。
【発明の効果】
【００２５】
以上述べたように、本発明によれば、素子サイズを大きくすることなく所望の振動変位と振動力を得ることができるとともに、振動子の小型化、低消費電力化および製造コストの低減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の各実施形態について図面を参照して説明する。
【００２７】
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態による圧電振動発生装置１５の概略構成を示す側断面図である。圧電振動発生装置１５は、例えばタッチパネル装置や携帯電話等で構成され、タッチパネルや機器筐体に触感振動あるいは体感振動を発生させるとともに音声や楽曲、ブザー等の音響を発生させる圧電振動子１４を備えている。
【００２８】
本実施形態の音響振動子１４は、弾性板材１の上面および下面に圧電素子２ａおよび圧電素子２ｂがそれぞれ貼り付けられたバイモルフ型の圧電振動板１０を備えている。この圧電振動板１０は短冊状に形成されており、その長さ方向の一端側および他端側にそれぞれ支持部５，５を介してベース部３に支持されることで、２点支持方式の圧電アクチュエータを構成している。
【００２９】
弾性板材１は、バネ性を有する金属板材等からなり、その略中央部に圧電素子２ａ，２ｂがそれぞれ貼り付けられることで圧電振動板１０を構成している。圧電素子２ａ，２ｂは単層または積層圧電体でなり、圧電素子２ａ，２ｂのうち一方が伸びたときは他方が縮み、一方が縮んだときは他方が伸びるようにあらかじめ分極処理が施されている。圧電振動板１０は、圧電素子２ａ，２ｂに対して所定の電圧信号を印加することにより、素子中央部に最大屈曲点をもつ屈曲振動を行う。
【００３０】
弾性板材１の一端部および他端部には、振動錘１１および振動錘１２がそれぞれ取り付けられている。そして、圧電振動板１０の一端部と振動錘１１との間、および、圧電振動板１０の他端部と振動錘１２との間は、それぞれ弾性板材１からなる首部Ｓ１，Ｓ２とされている。本実施形態において、振動錘１１，１２の質量はともに同一とされているが、後述するように、振動錘１１，１２の質量を互いに異ならせてもよい。
【００３１】
支持部５，５は、圧電振動板１０の一端側および他端側にそれぞれ設けられている。圧電振動板１０の支持点は特に限定されないが、本例では圧電振動板１０の両端部近傍、特に、圧電振動板１０寄りの首部Ｓ１，Ｓ２上に支持部５，５がそれぞれ設けられている。
【００３２】
上述した構成の圧電振動子１４は、タッチパネルや機器筐体等の振動対象４の表面に取り付けられたケーシング８の内部に収容されている。圧電振動子１４のベース部３は、振動対象４の表面に一体的に固定されている。ベース部３は所定の剛性を備えた金属板等で構成されており、振動錘１１，１２の振動力を振動対象４に伝達する振動伝達部として機能する。なお、ベース部３を振動対象４で構成するようにしてもよい。
【００３３】
一方、圧電振動板１０の中央部には、連結部材６を介して、加振対象物としての音響振動板７が接続されている。音響振動板７は、例えば音響用スピーカの振動板で構成され、圧電振動板１０の振動により所定音域にわたって音響を発生させる。音響振動板７の周縁部はケーシング８の上縁部で支持されており、ケーシング８の内部空間は密閉空間もしくは半密閉空間とされている。
【００３４】
制御部９は、圧電振動板１０の各圧電素子２ａ，２ｂへ所定電圧を印加するためのもので、タッチパネル装置や携帯電話等の装置本体の制御系に接続されている。本実施形態における制御部９は、圧電振動板１０を第１の振動周波数で振動させる第１の振動モードと、圧電振動板１０を第１の振動周波数よりも高い第２の振動周波数で振動させる第２の振動モードとを有している。
【００３５】
第１の振動モードは、図２Ａに示すように、圧電振動板１０を所定の低周波数ｆ０（例えば１００〜５００Ｈｚ）で振動させることにより振動錘１１，１２を加振し、これら振動錘１１，１２の共振振動によって発生する慣性力で加振対象物に触感振動あるいは体感振動を伝達する。
また、第２の振動モードは、図２Ｂに示すように、圧電振動板１０をｆ０よりも高い周波数（例えば５００〜２０００Ｈｚ）で屈曲振動させることによって音響振動板７を発音振動させる。
【００３６】
以上のように構成される本実施形態の圧電振動子１４においては、ベース部３の上に２点支持された圧電振動板１０を屈曲振動させることで、圧電振動板１０の支持点の外側に配置された振動錘１１，１２が加振される。圧電振動板１０の支持点の外側の振動錘１１，１２と首部Ｓ１，Ｓ２はひとつの振動系をなしており、構成している材料の弾性率・密度、及び寸法（長さ・厚み・幅）によって任意の固有振動特性を有している。
【００３７】
そこで、振動錘１１，１２と首部Ｓ１，Ｓ２とで構成される振動系の固有振動周波数に合わせて上記第１の振動モードにおける圧電振動板１０の駆動振動数を設定すると、図２Ａに示したように振動錘１１，１２は共振し、これにより発生する慣性力がベース部３および振動対象４に伝達されて振動する。従って、振動錘１１，１２と首部Ｓ１，Ｓ２の弾性率・密度および寸法を、目的とする触感振動周波数に合わせて設定することで、振動対象４を任意の振動数で振動させることが可能となる。
【００３８】
触感振動として適している振動周波数帯は１００〜５００Ｈｚ程度といわれており、実際には正弦波や矩形波などの孤立波形（回数は任意）を与える。よって、振動錘１１，１２を含む振動系の固有振動周波数は触感振動として使用する周波数に合わせて調整すればよい。また、振動錘１１，１２の質量は、慣性力を増やすためにできるだけ大きいことが望まれるが、これについては、許容されるスペースと、固有振動周波数の調整を踏まえて決定すればよい。
【００３９】
振動系の固有振動体に対する解析例を図３に示す。弾性板材１として、例えば４２アロイ相当の金属材を用いた場合、首部Ｓ１，Ｓ２が長さ３ｍｍ、幅２ｍｍ、厚み０．１ｍｍであり、振動錘１１，１２が長さ５ｍｍ、幅２ｍｍ、厚み０．３ｍｍである場合（タイプＡ）の振動系の１次固有振動周波数は６５０Ｈｚ程度となるが、首部Ｓ１，Ｓ２の長さ、幅、厚みおよび振動錘１１，１２の長さを同一とし、振動錘１１，１２の幅を３ｍｍ、厚みを０．７ｍｍとした場合（タイプＢ）の振動系の１次固有振動周波数は、３５０Ｈｚ程度まで低下する。勿論、使用する材料の弾性率や密度によっても固有振動周波数は変化するので、用いる材料の機械的特性と各寸法の組合せによって、目的とする固有振動周波数を容易に得ることができる。
【００４０】
第１の振動モードにおける振動錘１１，１２の加振力は、圧電素子２ａ，２ｂ自体の振動ではなく、２つの振動錘１１，１２の質量（Ｍ）とそのときの加速度（α）によって決まり、各振動錘１１，１２の振動方向はともに一致するので以下の式で与えられる。
加振力Ｆ＝２×α×Ｍ  ［Ｎ］  …（１）
本実施形態の圧電振動発生装置１５は、圧電振動子１４により上記（１）式で定まる加振力が発生し、これが振動対象４に対して振動を誘起する。即ち、振動錘１１，１２の加振作用によって発生する慣性力で振動対象４を振動させる。
【００４１】
一方、圧電振動体１０に印加する信号周波数をｆ０よりも上の領域に高くしていくと、圧電振動板１０の素子振動量（振幅）が次第に増加していき、圧電振動板１０の固有振動周波数（ｆ１）で振動量が最大となる。圧電振動板１０の固有振動周波数ｆ１は、圧電素子２ａ，２ｂ、弾性板材１の機械的特性（弾性率、密度）と形状効果（厚み、２点支持間の距離、支持部５の拘束条件）などによって異なるが、重要なのは、振動錘１１，１２および首部Ｓ１，Ｓ２を含む振動系の共振周波数（固有振動周波数：ｆ０）に対して、圧電振動板１０の共振周波数（固有振動周波数：ｆ１）が高い、即ち、ｆ０＜ｆ１の関係となっている点である。
【００４２】
また、圧電振動体１０に印加する信号周波数をｆ０よりも上の領域に高くしていくと、振動錘１１，１２の振動量が減少する。そして、圧電振動体１０の固有振動周波数ｆ１に達すると、図２Ｂに示したように振動錘１１，１２はほとんど振動しなくなり、圧電振動体１０は擬似的に２点支持された単純なバイモルフ素子として振る舞う。これにより、圧電振動板１０を発生変位重視の設計にすることで、音響振動板７に対して大きな振幅を発生させることができ、音響振動板７に発音機能を実現することができる。
【００４３】
例えば、携帯機器などに用いるマイクロスピーカにおいては、８００Ｈｚ程度の周波数以上の帯域での音圧が確保されるのが好ましい。本実施形態において、圧電振動板１０の屈曲変位で音響振動板７を振動させているので、ｆ１は１０００Ｈｚ以下に調整することが望ましいといえる。
【００４４】
なお、音響振動板７については、一般的な音響振動板の設計と同様に、比剛性（弾性率／密度）が高くかつ適度な減衰を有する材料が望ましい。また、音響振動板７の形状が単純な平面の場合、面内の共振を誘発し分割共振を起こして音質を劣化させる場合があるので、断面強度を確保しつつ少ない力でストンモーション（往復振動）ができるような形状にすることが望ましい。これらを満たすために、一般的には、音響振動板７は、樹脂フィルムを熱成形するなどして作製される。樹脂材料としては、ポリプロピレンやポリエーテルイミド、ポリエステルなどの様々な樹脂フィルムを用いることができる。
【００４５】
次に、実際の形状を想定したモデルについてのシミュレーション解析結果の一例を示す。図４は、振動子を横から見た図であり、圧電素子２ａ，２ｂの長さは１４ｍｍとし、素子の支持位置は素子両端＋０．４ｍｍの部分を要素完全固定としている。これより支持スパンは１４．８ｍｍとなる。圧電素子２ａ，２ｂが貼り付けられる弾性板材は厚み０．１ｍｍで、２枚の圧電素子厚は各々０．１６ｍｍである。これにより、圧電振動板のバイモルフ部の厚みは、０．１＋０．１６×２＝０．４２ｍｍとなる。バイモルフの支持部の外側には長さ２．６ｍｍの首部Ｓ１，Ｓ２の先に、厚み０．７ｍｍの振動錘１１，１２が固着されている。バイモルフ部および首部の幅は２ｍｍ、振動錘のみ幅３ｍｍとしている。振動錘の重量は約８８ｍｇである。
【００４６】
圧電素子２ａ，２ｂに任意の周波数で歪発生させたときの周波数応答解析結果を図５および図６に示す。
図５Ａは２００Ｈｚ時、図５Ｂは４００Ｈｚ時であるが、このモデルでは４００Ｈｚ近傍に錘振動系の１次共振があり、振動錘１１，１２の振幅量が最も大きくなっている。振動錘１１，１２の１次共振を超える周波数（５００Ｈｚ）になると、図５Ｃに示すように圧電素子２ａ，２ｂの湾曲方向と振動錘１１，１２の移動方向とが逆になる。以降は、図６Ａ（１０００Ｈｚ時）および図６Ｂ（２０００Ｈｚ時）に示すように、周波数の上昇とともに振動錘１１，１２は振動しなくなり、その一方で圧電素子２ａ，２ｂ中央部の振幅量が増加する傾向となる。
【００４７】
このモデルでの振動錘（錘部）の変位と圧電素子の中央部変位の周波数に対する変化を図７に示す。図７において、横軸は周波数（対数目盛）を示しており、縦軸は錘部および圧電素子中央の片振幅（上振幅あるいは下振幅）を示している。図７より、錘部の変位は４００Ｈｚの共振点近傍で極大となる。一方、圧電素子中央の変位は、錘部の共振点より高い周波数で周波数増加とともに振幅が増加していくことがわかる。因みに、圧電素子中央の共振周波数は２６９４Ｈｚであった。なお、４００Ｈｚ〜８００Ｈｚの範囲では素子の振幅測定は行わなかった。
【００４８】
以上の結果より、錘部の共振点ｆ０と、圧電素子中央の共振点ｆ１を異ならせ、かつ、ｆ０＜ｆ１となる条件とすることで、目的とする振動形態が得られることを確認できた。しかし、このモデルでは、圧電素子中央の共振点ｆ１が高いので、目的とする共振点（例えば１０００Ｈｚ以下）にまで下げる必要がある。
【００４９】
その一例として、圧電素子２ａ，２ｂの長さを１４ｍｍから２２ｍｍに変えたときの解析結果を図８および図９に示す。図８Ａは錘部の共振状態（３００Ｈｚ）、図８Ｂは圧電素子中央の共振状態（８８０Ｈｚ）を示している。図９は、錘部および圧電素子中央の各々の周波数に対する変位を示したグラフである。図８および図９に示したように、圧電素子２ａ，２ｂの長さを調整することにより圧電素子の共振周波数を容易に１０００Ｈｚ以下にすることができる。
【００５０】
以上のように、本実施形態によれば、首部Ｓ１，Ｓ２を含む振動錘１１，１２の共振振動を利用した慣性力の発生と、圧電素子２ａ，２ｂの中央部の振動を利用した音響発生とを行うことができる。
【００５１】
また、本実施形態によれば、２点支持された圧電振動板１０の支持点よりも外側に振動錘１１，１２を取り付ける構成であるので、首部Ｓ１，Ｓ２および振動錘１１，１２からなる振動系の共振点を圧電素子２ａ，２ｂの振動特性と独立して任意に調整することができるようになり、これにより必要とする触感振動周波数を自由にかつ容易に設定することが可能となるとともに、振動設計を容易化して装置コストの低コスト化を図ることができる。
【００５２】
更に、本実施形態によれば、振動錘１１，１２を含む振動系の共振を利用して触感振動を発生させるようにしているので、圧電素子２ａ，２ｂの素子サイズを大きくすることなく所望の振動変位と振動力を容易に得ることが可能となり、これにより機器の小型化および低消費電力化を図ることができる。
【００５３】
（第２の実施形態）
図１０は本発明の第２の実施形態を示している。なお、図において上述の第１の実施形態と対応する部分については同一の符号を付す。
【００５４】
上述の第１の実施形態においては、圧電振動子１４の振動錘１１，１２の共振振動によって発生した慣性力をタッチパネル等の振動対象４に伝達し所望の触感振動を得るようにしていた（図２Ａ）。
本実施形態では、図１０Ａに示すように、圧電振動子２４を構成する圧電振動板１０の中央部に連結部材６を介してタッチパネル２７に直接連結し、振動錘１１，１２の共振を利用してタッチパネル２７を振動させるようにしている。
【００５５】
圧電振動子２４は、上述の第１の実施形態と同様に、圧電素子２ａおよび圧電素子２ｂが両面に貼り付けられた弾性板材１の両端部に振動錘１１，１２がそれぞれ取り付けられた構成を有している。圧電振動板１０は、圧電素子２ｂの両端部に相当する位置に支持部５，５を介してベース部２３に２点支持されている。ベース部２３は、タッチパネル装置を構成する圧電振動発生装置２５の本体部に相当する。なお、この場合においても支持部５，５の位置は特に限定されず、図１の例と同様に素子端部よりの首部Ｓ１，Ｓ２上に支持点を設定してもよい。
【００５６】
振動錘１１，１２は触感に適する任意の周波数で共振振動するように、振動錘１１，１２の質量、首部Ｓ１，Ｓ２の弾性率・密度および形状が設計されている。そして、その共振周波数の電圧信号を制御部９から圧電素子２ａ，２ｂへ加えると、図４Ｂに示すように振動錘１１，１２の共振振動によって圧電素子２ａ，２ｂの中央部の変位を増幅する。
【００５７】
図４Ｃは、振動錘１１，１２が図の下方に最大変位したときの状態を示している。圧電素子２ａ，２ｂの中央部は、振動錘１１，１２の変位方向と逆方向（図の上方向）に変位している。振動錘１１，１２の下方への変位により圧電素子２ａ，２ｂの屈曲変位が増加し結果的に圧電振動板１０によるタッチパネル２４の押し上げ変位量を増加させることができる。
【００５８】
従って本実施形態によれば、圧電素子２ａ，２ｂのサイズを大きくすることなく、圧電素子２ａ，２ｂの中央部に発生する変位量を増やすことができるので、素子製造コストを抑えながら大きな振動変位をもつ圧電振動子２４を容易に構成することができる。
【００５９】
次に、実際に試作した図１１に示す構造の圧電振動子２４を用いて、振動錘１１，１２の共振の効果を説明する。図１１は、圧電振動子２４の構造概要を示すもので、素子幅２ｍｍ、素子長さ２５ｍｍの２枚の積層圧電素子２ａ，２ｂが、厚み０．１ｍｍの弾性板材１の両面中央部に接着されて圧電振動板（圧電バイモルフ）１０が構成されている。支持部５，５は弾性ゴム材料（素子延在方向の長さが２ｍｍ、厚さが１ｍｍのゴム系粘着テープ）を用いた。
【００６０】
図１２は、図１１に示した構成の圧電振動子２４（実線）と、振動錘を有していない従来の２点支持方式の圧電バイモルフ（一点鎖線）について、素子駆動周波数（連続波）と素子中央部の変位量（片振幅）との関係を示している。図１２から明らかなように、振動錘のある圧電振動子では、錘共振周波数近傍（１２４Ｈｚ）で圧電素子中央部の変位量が大きくなっており、振動錘の無い圧電振動子に比べて最大２倍程度の変位を得ることができている。
【００６１】
また、これらの圧電振動子に対してバースト(Burst) 波を入力したときの結果を図１３に示す。バースト回数は４回である。また、１２４Ｈｚバースト波入力時の信号・振動波形を図１４Ａ，Ｂに示す。図１４Ａは振動錘を有する圧電振動子、図１４Ｂは振動錘の無い圧電振動子の信号・振動波形をそれぞれ示している。図１３および図１４より、バースト波を入力した場合にも、錘共振近傍の周波数において振動振幅が錘無しの場合に比べて大きくなっていることがわかる。
【００６２】
以上のように、本実施形態の圧電振動子２４によれば、振動錘１１，１２の共振現象を利用して圧電素子２ａ，２ｂ中央部の変位量を拡大することができ、素子サイズを大きくすることなく変位量の増大を図ることができる。また、振動錘１１，１２の質量や首部Ｓ１，Ｓ２の長さや幅、厚み、弾性率等を変更することによって、任意に共振周波数を調整することができるので、目的とする触感振動に合わせて、振動設計を最適かつ容易に行うことができる。
【実施例】
【００６３】
図１５に示す圧電振動子３４のサンプルを作製し、このサンプルの錘共振時および圧電素子共振時における各振動錘の振動振幅と素子中央部の振動振幅を測定した。
【００６４】
作製した圧電振動子３４の各部の形状は以下のとおりである。
（振動子作製条件）
・弾性板材１：長さ３０ｍｍ、幅２ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ
・圧電素子２ａ，２ｂ：長さ１４ｍｍ、幅２ｍｍ、厚さ０．２ｍｍ
・振動錘１１，１２：長さ５ｍｍ、幅３．８ｍｍ、厚さ０．７ｍｍ
・首部Ｓ１，Ｓ２：長さ３ｍｍ、幅２ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ
・支持部５：４箇所、素子２ａ，２ｂ両端部支持
【００６５】
図１６は、図１５に示した圧電振動子３４のサンプルの駆動周波数と素子中央部の振幅との関係を示している。図１６において横軸は駆動周波数（連続波）で対数目盛で表している。図１６に示すように、実線及び破線で示す２つの振動錘の振動振幅−周波数特性はほぼ同一である。これら振動錘１１，１２は、２７０Ｈｚ近傍に共振点をもち、圧電素子２ａ，２ｂの中央部（素子中央部）は、約２ｋＨｚで共振点をもつことがわかる。振動錘１１，１２は共振点（２７０Ｈｚ）を超えると振幅が激減する。これにより、錘共振点よりも高周波数側に設定されている圧電素子の共振振動から振動錘の振動の影響を排除でき、安定した素子の共振を得ることができる。そして、素子中央部は、約２ｋＨｚの共振点までほぼリニアな振動カーブになっている。また、錘共振点近傍で、素子中央部の振幅が増加していることがわかる。
【００６６】
次に、図１７に示すように、固定壁３５に吊り下げた重さ１００ｇの金属ベース３６上に図１５に示した圧電振動子３４のサンプルを設置し駆動させた。金属ベース３６の底面には加速度ピックアップ３７を取り付け、その出力を加速度計３８にて測定した。
【００６７】
図１８は、圧電振動子３４の駆動周波数（連続波）と加速度ピックアップ３７の出力との関係を示している。駆動周波数の増大に伴って金属ベース３６の振動加速度は増大し、約２７０Ｈｚで加速度の最大値が得られることがわかる。これは、圧電振動子３４の錘共振で発生する慣性力が金属ベース３６に伝達され、金属ベース３６が最大振幅で振動している様子を示している。また、図１８より、駆動周波数が錘共振点を超えると金属ベース３６の振動加速度は急激に減少することがわかる。
【００６８】
以上、本発明の各実施形態について説明したが、勿論、本発明はこれらに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
【００６９】
例えば以上の実施の形態では、構成が同一の一対の振動錘１１，１２を備えたバイモルフ型の圧電振動子１４を例に挙げて説明したが、この構成に限られず、例えば図１９Ａ〜Ｄに示す構成としてもよい。
【００７０】
図１９Ａに示す圧電振動子４４Ａは、弾性板材１の一方の面にのみ圧電素子２ａを貼り付けたモノモルフ（ユニモルフ）型の圧電振動子の例を示している。この構成によれば、圧電振動板を薄厚化できるとともに素子設置数の低減により製造コストの低減を図ることができる。
【００７１】
図１９Ｂに示す圧電振動子４４Ｂは、振動錘１１と振動錘１２の質量を異ならせて構成した例を示している。図示の例では振動錘１１が振動錘１２よりも大きな質量で構成されている。この例によれば、振動錘１１，１２の共振点を２つもつ振動系を構成することができ、例えば２種類の触感振動を発生させることができる。なお、圧電振動子を駆動する制御部としては、各振動錘の共振点と圧電素子２ａ，２ｂの共振点の計３つの振動モードから一つの振動モードを選択して圧電素子２ａ，２ｂを駆動することになる。
【００７２】
また、図１９Ｃに示す圧電振動子４４Ｃは、振動錘１１，１２を支持する首部Ｓ１，Ｓ２の長さを互いに異ならせて構成した例を示している。図示の例では、首部Ｓ１が首部Ｓ２よりも長く構成された例を示している。この例によっても、図１９Ｂの圧電振動子４４Ｂと同様な作用効果を得ることができる。
【００７３】
そして、図１９Ｄに示す圧電振動子４４Ｄは、圧電振動板の一端側にのみ振動錘１２を取り付けた例を示している。本例は、振動錘を一対有する振動子に比べて加振力は低減するものの、上述の各実施形態と同様な作用効果を得ることができるので、要求される振動特性に応じて選択することができる構成例のひとつとすることができる。
【００７４】
なお、上記以外にも、例えば圧電振動板の一方の端部に振動錘を並列して複数配置する等して、振動錘の共振に必要な振動モードを複数設定し、所望の触感振動を選択するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の第１の実施形態による圧電振動子およびこれを備えた圧電振動発生装置の構成を示す概略断面図である。
【図２】図１に示した圧電振動子の一作用を説明する概略断面図であり、Ａは振動錘の共振状態を示し、Ｂは圧電素子の共振状態を示している。
【図３】図１に示した圧電振動子の振動錘の構成の相違による固有振動周波数の変化の一例を示す図である。
【図４】図１に示した圧電振動子の解析モデルの一例を説明する図である。
【図５】図４に示した圧電振動子サンプルの周波数による振動形態を示す図である。
【図６】図４に示した圧電振動子サンプルの周波数による振動形態を示す図である。
【図７】図４に示した圧電振動子サンプルの周波数と振幅との関係を示す図である。
【図８】図４に示した圧電振動子サンプルの素子長さを変更したときの振動形態を示す図である。
【図９】図８に示した圧電振動子サンプルの周波数と振幅との関係を示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態による圧電振動子およびこれを備えた圧電振動発生装置の構成と作用を示す概略断面図である。
【図１１】図１０に示した圧電振動子の解析モデルの一例を説明する図である。
【図１２】図１１に示した圧電振動子の周波数（連続波）と振幅との関係を示す図である。
【図１３】図１１に示した圧電振動子の周波数（バースト波）と振幅との関係を示す図である。
【図１４】図１１に示した圧電振動子にバースト信号を入力したときの振動波形を示す図である。
【図１５】本発明の実施例において説明する圧電振動子のサンプル構成を説明する図である。
【図１６】図１５に示した圧電振動子サンプルの周波数と振幅との関係を示す図である。
【図１７】図１５に示した圧電振動子サンプルを用いた他の実験方法を説明する図である。
【図１８】図１７に示した実験モデルの駆動周波数と振動加速度との関係を示す図である。
【図１９】本発明に係る圧電振動子の構成の変形例を示す図である
【図２０】従来の圧電バイモルフ素子の構成を示す図であり、Ａは片持ち梁方式、Ｂは２点支持方式を示している。
【図２１】従来の片持ち梁方式の圧電振動子の構成を示す概略斜視図である。
【図２２】従来の２点支持方式の圧電振動子の構成を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００７６】
１…弾性板材、２ａ，２ｂ…圧電素子、３，２３…ベース部、４…振動対象、５…支持部、６…連結部材、７…音響振動板、８…ケーシング、９…制御部、１０…圧電振動板、１１，１２…振動錘、１４，２４，３４，４４Ａ〜Ｄ…圧電振動子、１５，２５…圧電振動発生装置、２７…タッチパネル、Ｓ１，Ｓ２…首部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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