(57)【要約】      （修正有）【課題】部品点数を削減でき、信頼性の向上及びコストダウンを図れるアクチュエータ及び触感呈示装置を提供する。【解決手段】圧電素子１１と、圧電素子１１が接合され、圧電素子１１の変位に応じて振動する振動板１２と、振動板１２の長手方向両端には振動板１２を支持する支持部１３とを備え、振動板１２と支持部１３とが一体成型されている。振動板１２の両端が支持されている場合、圧電素子１１の変位に応じて、振動板１２の中央付近における振幅が最大になるように振動する。【選択図】図１
2017175805.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子と、
前記圧電素子が接合され、前記圧電素子の変位に応じて振動する振動板と、
前記振動板を支持する支持部と
を備え、
前記振動板と前記支持部とが一体成型されている、アクチュエータ。
【請求項２】
前記振動板と前記支持部とは、それぞれ異なる材料からなる、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記支持部は、前記圧電素子の変位に応じて、前記振動板の端部が前記振動板の法線方向よりも長手方向に大きく変位するように構成される、請求項１又は２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
圧電素子と、
前記圧電素子が接合され、前記圧電素子の変位に応じて振動する振動板と、
前記振動板を支持する支持部と
を有するアクチュエータと、
前記振動板の振動が伝達され、ユーザに対して触感を呈示する振動対象と
を備え、
前記振動板と前記支持部とが一体成型されてなる、触感呈示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクチュエータ及び触感呈示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、振動を発生させるアクチュエータがタッチセンサ等に配設されている。アクチュエータは、例えばユニモルフ等である。アクチュエータが、タッチセンサ等の振動対象（以下、単に振動対象ともいう）を振動させることにより、振動対象にタッチするユーザに対して触感が呈示される（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５４５２７２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ユーザに対して十分な触感を呈示するためには、振動対象を大きく振動させる必要がある。そのためには、アクチュエータが発生する振動を大きくしつつ、その振動が振動対象へ効率よく伝達されることが求められる。
【０００５】
例えば、ユニモルフのアクチュエータが振動対象に配設される場合、アクチュエータを筐体等に支持する支持部材が設けられる。支持部材としては、アクチュエータの振動の減衰を低減するために、ゴム等の部品が用いられることがある。しかし、ゴム等の部品が用いられる場合、部品点数が増加することとなる。部品点数の増加は、信頼性の低下につながるおそれがある。また部品点数の増加は、製造コストの増大につながるおそれもある。
【０００６】
本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、部品点数を削減でき、信頼性の向上及びコストダウンを図れるアクチュエータ及び触感呈示装置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】
【０００７】
上記目的を達成する本発明の一実施形態に係るアクチュエータは、圧電素子と、前記圧電素子が接合され、前記圧電素子の変位に応じて振動する振動板と、前記振動板を支持する支持部とを備える。前記振動板と前記支持部とは、一体成型されている。
【０００８】
また、上記目的を達成する本発明の一実施形態に係る触感呈示装置は、圧電素子と、前記圧電素子が接合され、前記圧電素子の変位に応じて振動する振動板と、前記振動板を支持する支持部とを有するアクチュエータを備える。前記触感呈示装置は、前記振動板の振動が伝達され、ユーザに対して触感を呈示する振動対象を備える。前記振動板と前記支持部とは、一体成型されている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の一実施形態に係るアクチュエータ及び触感呈示装置によれば、部品点数を削減でき、信頼性の向上及びコストダウンを図れる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施形態１に係る触感呈示装置の構成例を示す要部断面図である。
【図２】アクチュエータ１０の構成例を示す斜視図である。
【図３】実施形態１に係る触感呈示装置の機能ブロックの一例である。
【図４】圧電素子が縮む方向に変位した場合のフレームの断面形状の例である。
【図５】支持部の形状を他の形状としたフレームの例である。
【図６】実施形態２に係る触感呈示装置の構成例を示す要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（実施形態１）
以下、一実施形態に係るアクチュエータ及び触感呈示装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。本実施形態に係るアクチュエータは、種々の機器に用いられうる。本実施形態に係る触感呈示装置は、カーナビゲーションシステム、又は、ステアリング若しくはパワーウィンドウのスイッチ等の車載機器とすることができる。触感呈示装置は、携帯電話、スマートフォン、タブレット型ＰＣ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｃｏｍｐｕｔｅｒ）、ノートＰＣ等とすることができる。触感呈示装置はこれらに限定されるものではなく、デスクトップＰＣ、家電製品、産業用機器（ＦＡ（Ｆａｃｔｏｒｙ  Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ機器）、専用端末等、種々の電子機器とすることもできる。以下の説明で用いられる図は模式的なものであり、図面上の寸法比率等は現実のものとは必ずしも一致していない。
【００１２】
［触感呈示装置の構成例］
図１は、実施形態１に係る触感呈示装置１の構成例を示す要部断面図である。図１に示されるように、本実施形態に係る触感呈示装置１は、アクチュエータ１０と、筐体２０と、振動対象３０とを備える。
【００１３】
アクチュエータ１０は、圧電素子１１と、振動板１２と、支持部１３と、固定部１４と、保持部１５とを備える。アクチュエータ１０は、固定部１４を介して筐体２０に接合される。アクチュエータ１０には、保持部１５を介して振動対象３０が接合される。
【００１４】
図２は、アクチュエータ１０の構成例を示す斜視図である。図２（ａ）は、筐体２０に接合される側から見た斜視図である。図２（ｂ）は、振動対象３０が接合される側から見た斜視図である。以下、図１及び図２を参照して、アクチュエータ１０の各部について説明していく。
【００１５】
圧電素子１１は、例えば長方形状である。圧電素子１１は、印加される電圧信号に応じて長手方向に種々のパターンで伸縮変位する。圧電素子１１は、圧電フィルムであってもよいし、圧電セラミックであってもよい。圧電セラミックは、圧電フィルムよりも、より大きい振動エネルギーを有する振動を発生させることができる。
【００１６】
圧電素子１１は、磁歪素子に置換されてもよい。磁歪素子は、印加される磁界に応じて伸縮する。磁歪素子が用いられる場合、印加される電圧信号を磁界に変換するコイル等があわせて用いられる。
【００１７】
振動板１２は、所定の厚みを有する長方形の板状の部材である。振動板１２は、例えば、弾性を有する薄板である。振動板１２は、金属、樹脂、又は、金属及び樹脂等の複合材料等からなる。振動板１２は、金属薄板（シム板ともいう）であってもよい。以下、筐体２０の側に対向する面を第１主面１２ａという。振動対象３０の側に対向する面を第２主面１２ｂという。
【００１８】
振動板１２の第１主面１２ａには、圧電素子１１が設けられる。圧電素子１１は、圧電素子１１の長手方向が振動板１２の長手方向と一致するように設けられる。振動板１２の第２主面１２ｂには、保持部１５が設けられる。圧電素子１１及び保持部１５はそれぞれ、接着等の方法で振動板１２に接合される。
【００１９】
振動板１２の第１主面１２ａに圧電素子１１が設けられた構造は、いわゆるモノモルフである。モノモルフにおいては、圧電素子１１の伸縮変位が、振動板１２の屈曲振動を引き起こす。振動板１２の一方の端部のみが筐体２０に支持されている場合には、振動板１２の他方の端部における第１主面１２ａの法線方向の振幅が最大になるように振動する。振動板１２の両端が筐体２０に支持されている場合には、振動板１２の中央付近における第１主面１２ａの法線方向の振幅が最大になるように振動する。
【００２０】
振動板１２の長手方向の両端にはそれぞれ、支持部１３が設けられる。支持部１３は、圧電素子１１の変位に応じて振動板１２が振動しても筐体２０に衝突しないように圧電素子１１と筐体２０との間のクリアランスを保つ。支持部１３は、振動板１２と同様に、例えば弾性を有する薄板である。支持部１３は、振動板１２と同一の材料からなってもよいし、異なる材料からなってもよい。上述の通り、振動板１２の両端が支持されている場合、圧電素子１１の変位に応じて、振動板１２の中央付近における振幅が最大になるように振動する。
【００２１】
支持部１３の一方の端部は、振動板１２に接続される。支持部１３の他方の端部は、固定部１４に接続される。固定部１４は、例えば、ねじ止め又は接着等により筐体２０に固定される。固定部１４は、例えば振動板１２と同様に、弾性を有する薄板である。固定部１４は、振動板１２と同一の材料からなってもよいし、異なる材料からなってもよい。
【００２２】
本実施形態に係るアクチュエータ１０において、振動板１２と支持部１３と固定部１４とは、一体成型されている。以下、振動板１２と支持部１３と固定部１４とが一体成型された部材を、アクチュエータ１０のフレーム１０ａともいう。本実施形態に係るフレーム１０ａは、同一の材料からなる。フレーム１０ａは、例えば、一枚の金属の薄板を板金加工により折り曲げることにより一体成型されてもよい。フレーム１０ａは、振動板１２と支持部１３と固定部１４とがそれぞれ溶接されて一体に成型されてもよい。フレーム１０ａは、樹脂の一体成型によって作られてもよい。
【００２３】
保持部１５は、例えばゴム材料等からなる。保持部１５は、ゴム材料等に限られず、金属等の他の材料からなってもよい。保持部１５は、振動板１２の第２主面１２ｂの側に設けられる。保持部１５は、例えば接着等の方法を用いて振動板１２に接合される。保持部１５は、第２主面１２ｂの側の中央付近に設けられる。保持部１５が設けられる位置は中央付近に限られない。保持部１５は、振動板１２の最大の振幅となる部分に設けられることが好ましい。保持部１５には、例えば接着等の方法を用いて振動対象３０が接合される。
【００２４】
保持部１５は、振動板１２の振動が振動対象３０に効率よく伝達されるように、振動板１２の振動方向、つまり第１主面１２ａの法線方向に大きい弾性係数を有することが好ましい。一方で保持部１５は、振動板１２の第１主面１２ａに平行な方向に小さい弾性係数を有することが好ましい。このようにすることで、外力による触感呈示装置１の破損の可能性を低減できる。弾性係数は、部材にかかる外力と部材の変位量との関係を示す定数であり、変位量と弾性係数との積が外力となる。つまり同じ外力に対する変位量は、弾性係数が小さいほど大きくなる。
【００２５】
筐体２０には、固定部１４によってアクチュエータ１０が接合される。筐体２０は、アクチュエータ１０と比較して質量が大きく、剛性も高い。よって本実施形態において、筐体２０は剛体とみなされる。振動対象３０は、例えば機器に備えられるタッチセンサ５０（図３参照）又はスイッチ等であってよい。振動対象３０には、保持部１５によってアクチュエータ１０が接合される。上述のように、筐体２０が剛体とみなされる場合、アクチュエータ１０が発生する振動は、主に振動対象３０に伝達される。よって振動対象３０は、タッチしたユーザに触感を呈示することができる。
【００２６】
［触感呈示装置の動作例］
図３は、本実施形態に係る触感呈示装置１の機能ブロックの一例である。図３に示されるように、触感呈示装置１は、コントローラ４０をさらに備える。コントローラ４０は、アプリケーションソフトウェアを実行可能なプロセッサまたはマイクロコンピュータ等により構成することができる。コントローラ４０は、必要に応じて各種情報を記憶することができるメモリ等によって構成される記憶部等も適宜含みうる。
【００２７】
図３に示されるように、コントローラ４０は、アクチュエータ１０に接続される。コントローラ４０は、アクチュエータ１０に駆動信号を出力する。駆動信号は、アクチュエータ１０の圧電素子１１に対して印加される電圧信号である。
【００２８】
圧電素子１１は、コントローラ４０から取得した駆動信号に応じて、長手方向に伸縮変位する。図１及び図２に例示されるアクチュエータ１０の振動板１２は、圧電素子１１の変位に応じて屈曲する。つまり、圧電素子１１が振動板１２の長手方向に縮む方向に変位した場合、振動板１２は第２主面１２ｂの側が凸になるように屈曲する。また、圧電素子１１が振動板１２の長手方向に伸びる方向に変位した場合、振動板１２は第１主面１２ａの側が凸になるように屈曲する。このように、圧電素子１１の変位が、振動板１２の第１主面１２ａの法線方向の振動に変換される。
【００２９】
本実施形態においては、圧電素子１１は、電圧信号の印加に応じて縮む方向にのみ変位する。この場合、振動板１２は、第２主面１２ｂの側が凸になるように屈曲した状態と、通常のまっすぐな状態との間で振動する。圧電素子１１の変位は、電圧信号の印加に応じて縮む方向に限られるものではない。圧電素子１１は、電圧信号の印加に応じて伸びる方向に変位するように構成されてもよいし、伸びる方向及び縮む方向のいずれにも変位するように構成されてもよい。
【００３０】
以上のようにして、コントローラ４０は、アクチュエータ１０を駆動し、振動板１２を振動させる。振動板１２の振動は、保持部１５を介して振動対象３０に伝達される。そして、振動対象３０にタッチしたユーザに対して触感が呈示される。
【００３１】
コントローラ４０は、例えば図３に示されるように、タッチセンサ５０に接続されてもよい。この場合、コントローラ４０は、タッチセンサ５０から取得した信号に応じて、アクチュエータ１０に駆動信号を出力してもよい。タッチセンサ５０は、触感呈示装置１の振動対象３０であってもよい。この場合、ユーザが振動対象３０にタッチしていることがタッチセンサ５０により検出される。コントローラ４０は、ユーザが振動対象３０にタッチしているときに振動対象３０を振動させる。このようにすることで、触感呈示装置１は、振動対象３０にタッチしたユーザに対して触感を呈示することができる。タッチセンサ５０は、触感呈示装置１の振動対象３０とは別個の構成として設けられてもよい。
【００３２】
［フレームの形状］
アクチュエータ１０のフレーム１０ａは、アクチュエータ１０の駆動に応じて弾性変形する。図４は、圧電素子１１が縮む方向に変位した場合のフレーム１０ａの断面形状の例である。圧電素子１１に電圧信号が印加されていない場合、つまり、圧電素子１１が伸縮変位していない場合には、図１及び図２に例示されるように、支持部１３は、固定部１４に対して略直立である。一方で圧電素子１１が縮む方向に変位した場合、図４に示されるように、振動板１２は、第２主面１２ｂの側が凸になるように屈曲する。支持部１３は、振動板１２の屈曲に応じて、上部が振動板１２に引っ張られ、下部が固定部１４で固定される結果、傾いている。図１及び図２に例示されるフレーム１０ａと比較して、振動板１２と支持部１３とがなす角度、及び、支持部１３と固定部１４とがなす角度がそれぞれ大きくなっている。
【００３３】
つまり図４に例示されるように、振動板１２と支持部１３との接合部、及び、支持部１３と固定部１４との接合部は、振動板１２の振動を妨げないように弾性変形する。支持部１３は、屈曲して板ばねのように機能してもよい。図５は、支持部１３の形状を他の形状としたフレーム１０ａの例である。図５（ａ）に示されるように、振動板１２と支持部１３とがなす角度、及び、支持部１３と固定部１４とがなす角度が鈍角になっていてもよい。図５（ｂ）に示されるように、支持部１３の断面形状がつづら折り形状になっていてもよい。
【００３４】
支持部１３は、振動板１２の振動をできるだけ吸収せずに、保持部１５を介して振動対象３０に振動を伝達するように構成されてもよい。つまり支持部１３は、振動板１２の振動方向（振動板１２の第１主面１２ａの法線方向）の弾性係数が大きく、圧電素子１１の伸縮方向（振動板１２の第１主面１２ａの長手方向）の弾性係数が小さくなるように構成されてもよい。言い換えれば、振動板１２の端部が圧電素子１１の伸縮変位に応じて振動板１２の法線方向よりも長手方向に大きく変位するように、支持部１３が構成されてもよい。このように、振動板１２の端部の振動板１２の法線方向への変位が小さくなるように支持部１３が構成される場合、振動板１２の振動が振動対象３０に効率よく伝達される。振動板１２の端部の振動板１２の長手方向への変位が大きくなるように支持部１３が構成される場合、振動板１２の振動の減衰が低減される。
【００３５】
実施形態１に係るアクチュエータ１０によれば、振動板１２と支持部１３とが一体成型される。振動板１２と支持部１３とが別個の部品として構成される場合と比較して、圧電素子１１の伸縮変位に応じて発生する振動板１２の振動の減衰が支持部１３によって低減されつつ、部品点数及び組み立て工数が削減される。また、振動板１２と支持部１３との間に接着剤を用いないことにより、平均故障間隔(MTBF: Mean Time Between Failure)が延びたり、組み立て時の歩留まりが向上したりする。
【００３６】
（実施形態２）
実施形態１では、アクチュエータ１０のフレーム１０ａが同一の材料で構成されていた。実施形態２では、振動板１２の材料と支持部１３の材料とが異なる構成について説明する。図６は、実施形態２に係る触感呈示装置１の構成例を示す要部断面図である。以下、図１との相違点について説明する。
【００３７】
本実施形態において、振動板１２は、実施形態１と同様に、例えば弾性を有する薄板等である。支持部１３は樹脂材料からなる。樹脂材料は、例えばシリコンゴム等のゴム材料であってもよいし、硬質スポンジ等のスポンジ材料であってもよい。支持部１３は、実施形態１と同様に、振動板１２の振動の減衰を低減するように弾性変形するように構成される。支持部１３は、例えば接着等の方法で筐体２０に直接接合される。
【００３８】
本実施形態において、振動板１２と支持部１３とは一体成型される。例えば、金属の振動板１２の周りに支持部１３となる樹脂を成型することにより、振動板１２と支持部１３とは一体成型されうる。あるいは、金属の振動板１２に嵌合部を設け、樹脂からなる支持部１３を嵌合することにより、振動板１２と支持部１３とは一体成型されうる。あるいは、金属の振動板１２の表面にプライマーを塗布した接合面を設け、当該接合面に樹脂を成型することにより、振動板１２と支持部１３とは一体成型されうる。あるいは、金属の振動板１２の表面に微細加工を施した接合面を設け、当該接合面に樹脂を成型することにより、振動板１２と支持部１３とは一体成型されうる。
【００３９】
実施形態２に係るアクチュエータ１０によれば、材料が互いに異なる振動板１２と支持部１３とが一体成型される。振動板１２と支持部１３とが別個の部品として構成される場合と比較して、圧電素子１１の変位に応じて発生する振動板１２の振動の減衰が支持部１３によって低減されつつ、部品点数及び組み立て工数が削減される。また、振動板１２と支持部１３との間に接着剤を用いないことにより、平均故障間隔(MTBF)が延びたり、組み立て時の歩留まりが向上したりする。
【００４０】
（他の実施形態）
実施形態１又は２において、アクチュエータ１０は、固定部１４を備えない構成とされてもよい。この場合、支持部１３の端部が、接着等により筐体２０に接合される。支持部１３の端部は、接合された部分を中心に揺動可能に構成されてもよい。
【００４１】
本発明に係る実施形態について諸図面や実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形や修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形や修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。
【符号の説明】
【００４２】
１  触感呈示装置
１０  アクチュエータ
１０ａ  フレーム
１１  圧電素子
１２  振動板
１２ａ  第１主面
１２ｂ  第２主面
１３  支持部
１４  固定部
１５  保持部
２０  筐体
３０  振動対象
４０  コントローラ
５０  タッチセンサ
【図１】
2017175805.tif 000003
【図２】
2017175805.tif 000004
【図３】
2017175805.tif 000005
【図４】
2017175805.tif 000006
【図５】
2017175805.tif 000007
【図６】
2017175805.tif 000008