(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】2019146294
(43)【公開日】20190829
(54)【発明の名称】振動アクチュエータ
(51)【国際特許分類】
   H02N 2/04 20060101AFI20190802BHJP
   G06F 3/041 20060101ALI20190802BHJP
   H01L 41/09 20060101ALI20190802BHJP
   H01L 41/12 20060101ALI20190802BHJP
【FI】
   !H02N2/04
   !G06F3/041 480
   !H01L41/09
   !H01L41/12
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】OL
【全頁数】18
(21)【出願番号】2018025738
(22)【出願日】20180216
(71)【出願人】
【識別番号】000102500
【氏名又は名称】SMK株式会社
【住所又は居所】東京都品川区戸越6丁目5番5号
(74)【代理人】
【識別番号】100095636
【弁理士】
【氏名又は名称】早崎 修
(72)【発明者】
【氏名】南部 元俊
【住所又は居所】東京都品川区戸越6丁目5番5号 SMK株式会社内
【テーマコード(参考)】
5H681
【Fターム(参考)】
5H681AA00
5H681BB18
5H681BC00
5H681DD30
5H681DD82
5H681GG02
5H681GG42
(57)【要約】
【課題】限られた長さの圧電素子などの伸縮素子を用いて、操作パネルなどの板状パネルの広範囲に所定の振幅の振動を発生させる振動アクチュエータを提供する。
【解決手段】伸縮素子Aに連結部材Cを一体に連結した振動ユニット2の両端2a、2cを板状パネルBの背面又は表面に固着し、伸縮素子Aの伸縮によって湾曲する板状パネルBの長手方向幅を拡大させ、長手方向に直交する湾曲方向の振幅wを拡大させる。
【選択図】図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
細長に形成され、長手方向に伸縮する伸縮素子と、
伸縮素子の前記長手方向の少なくとも一方に連結する連結部材とを備え、
前記長手方向に沿って連結された伸縮素子と連結部材とから全体が細長に一体に形成された振動ユニットの前記長手方向の一端と他端を、板状パネルの表面もしくは背面に固着し、
伸縮素子を伸縮させて、板状パネルを前記長手方向と直交する方向に振動させることを特徴とする振動アクチュエータ。
【請求項2】
伸縮素子は、細長板状の圧電素子であり、圧電素子は、圧電逆効果によって前記長手方向に伸縮することを特徴とする請求項1に記載の振動アクチュエータ。
【請求項3】
圧電素子Aの前記長手方向に直交する縦断面積をS、前記長手方向の長さをL、ヤング率をE、前記長手方向の伸縮力をP、板状パネルBの前記長手方向に直交する縦断面積をS、振動ユニットとの積層方向の板状パネルBの厚さをt、ヤング率をE、連結部材Cの前記長手方向に直交する縦断面積をS、前記長手方向の長さをL、ヤング率をEとして、
圧電素子Aの長手方向の一端と他端を、板状パネルBの表面もしくは背面に固着し、圧電素子Aの長手方向に伸縮力Pを発生させた際に湾曲する板状パネルBの
【数39】
から算出される曲率半径rと、
圧電素子Aと連結部材Cが連結された振動ユニットの長手方向の一端と他端を、板状パネルBの表面もしくは背面に固着し、圧電素子Aの長手方向に伸縮力Pを発生させた際に湾曲する板状パネルBの
【数40】
から算出される曲率半径rが、
【数41】
を満たすことを特徴とする請求項2に記載の振動アクチュエータ。
【請求項4】
伸縮素子は、細長板状の磁歪素子であり、磁歪素子は、磁歪効果によって前記長手方向に伸縮することを特徴とする請求項1に記載の振動アクチュエータ。
【請求項5】
板状パネルは、タッチパネルの操作パネルであり、振動ユニットの前記長手方向の一端と他端が操作パネルの背面に固着することを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の振動アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電界や磁界を加えて伸縮する伸縮素子を板状パネルに固着し、板状パネルを伸縮素子の伸縮方向に対して直交する方向に振動させる振動アクチュエータに関する。
【背景技術】
【0002】
チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の圧電材料に電界を加えて逆圧電効果で伸縮する圧電素子や、鉄ガリウム合金等の磁歪材料に磁界を加えて磁歪効果で伸縮する磁歪素子が振動発生源となる振動アクチュエータに用いられている。これらの振動素子の例えば圧電素子は、変位を拘束しながら電界を加えると、数100Nの力が発生する一方で、伸縮変位自体はわずかであるので、小型であっても、より大きな振動を発生させて感知可能とするように、変位を拡大させた振動アクチュエータ100が特許文献1、特許文献2等で開示されている。
【0003】
この振動アクチュエータ100は、図12に示すように、一対の圧電素子101、102の向かい合う各一端101a、102aを転がりジョイント若しくは回転自在に繋いで出力節点103とするとともに、各他端101b、102bを通常の圧電素子101、102の長さの和より短い間隔の構造体110に回転自在にヒンジ結合している。圧電素子101、102が伸張するように図示しない電極に電圧を印加すると、伸張方向に拘束された圧電素子101、102の座屈現象によって、個々の圧電素子101、102の変位に対して出力節点103に拡大した変位を発生させることができる。
【0004】
また、伸縮素子を用いた振動アクチュエータは、入力操作が検出されたことを、操作パネルの振動により操作パネルに接触する指へ伝えるいわゆるフォースフィードバック型タッチパネル120にも用いられている(特許文献3)。フォースフィードバック型タッチパネル120の震動源として用いられる振動アクチュエータは、図13に示すように、表面と背面に一組の駆動電極121a、121bが貼り付けられた細長帯状の圧電基板121で構成され、表面の全体がタッチパネル120の操作パネル123の背面に固着されている。
【0005】
タッチパネル120が操作パネル123への入力操作を検出すると、一組の駆動電極121a、121bへ交流の駆動電圧を印加し、圧電基板121を圧電素子の逆圧電効果で伸縮させる。これにより、圧電基板121の歪みが圧電基板121と一体の操作パネル123に伝達され、操作パネル123が圧電基板121の伸縮方向に対して直交する方向に振動し、その振動でタッチパネル120の操作者は入力操作が行われたことを確認する。
【0006】
圧電基板121は、細長帯状に形成することにより、少ない材料でより大きな振幅の振動が得られ、また、細長帯状とした一対の圧電基板121を、それぞれ長方形の操作パネル123の長手方向に沿った辺に沿って固着することにより、操作パネル123の全体を大きな振幅で振動させることができる。
【0007】
この圧電基板から構成される振動アクチュエータ121によれば、細長帯状の圧電基板を固着するだけなので、装置全体が複雑大型化することなく、また、振動の伝達によるエネルギーロスや伝達時間の遅れがなく、操作パネル123を感知可能な振幅で振動させることができる。
【0008】
しかしながら、タッチパネル120には、大型の入力操作面の操作パネル123が望まれる一方で、圧電基板121は高価であるので、大型化して辺の長さが長くなる操作パネル123に合わせた長さの圧電基板121を得ることができなかった。そこで本願出願人は、限られた長さの一対の圧電基板を操作パネルの対角位置の長辺に沿って固着することにより、大型の操作パネルであっても、できる限り広い入力操作面の領域を大きな振幅で振動させるタッチパネルを開発した(特許文献4)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【特許文献1】特表2013−511254号公報
【特許文献2】特開2015−198490号公報
【特許文献3】特許3798287号公報
【特許文献4】特開2003−122507号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
振動アクチュエータ100は、一対の圧電素子101、102の向かい合う各一端101a、102aを出力節点103で回転自在に結合するとともに、各他端101b、102bを構造体110にヒンジ結合する複雑な構造であり、板状パネルを振動させるには、出力節点103と各他端101b、102bを板状パネルに回転自在に固定する必要があるので、振動させる機構全体が複雑、大型化する。
【0011】
また、板状パネルを振動させる他端101b、102b間の間隔に応じた長さの圧電素子101、102を用いる必要があるので、大型化した板状パネルの全体を振動させるには、装置全体が極めて高価なものとなる。
【0012】
フォースフィードバック型タッチパネル120に用いられる圧電基板から構成される振動アクチュエータ121についても、振動させる操作パネル123が大型化すると、限られた長さの圧電基板では、操作パネル123の全ての入力操作領域で感知できるほどの振動を発生させることができず、全ての入力操作領域で振動させるには、少なくとも操作パネル123の長手方向の長さの圧電基板を用いる必要があり、極めて高価なものとなり、実用に適さない。
【0013】
本発明は、このような従来の問題点を考慮してなされたものであり、限られた長さの圧電素子などの伸縮素子を用いて、操作パネルなどの板状パネルの広範囲に所定の振幅の振動を発生させる振動アクチュエータ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】
【0014】
上述の目的を達成するため、請求項1の振動アクチュエータは、細長に形成され、長手方向に伸縮する伸縮素子と、伸縮素子の長手方向の少なくとも一方に連結する連結部材とを備え、長手方向に沿って連結された伸縮素子と連結部材とから全体が細長に一体に形成された振動ユニットの長手方向の一端と他端を、板状パネルの表面もしくは背面に固着し、伸縮素子を伸縮させて、板状パネルを長手方向と直交する方向に振動させることを特徴とする。
【0015】
伸縮素子を伸縮させた際に、振動ユニットの両端で板状パネルに発生する力は、伸縮素子の両端を固着させた場合に板状パネルに発生する力にほぼ等しく、両者の板状パネルはほぼ同一の曲率で湾曲する。一方、振動ユニットの両端を弦とする矢高は、伸縮素子の両端を弦とする矢高に対して長いので、同一長さの伸縮素子を用いても、板状パネルの振動の振幅が拡大する。
【0016】
請求項2の振動アクチュエータは、伸縮素子が、細長板状の圧電素子であり、圧電素子は、圧電逆効果によって長手方向に伸縮することを特徴とする。
【0017】
細長板状の圧電素子にその長手方向に沿って連結部材を連結した振動ユニットの両端を板状パネルに固着するだけで、板状パネルに拡大させた振幅の振動が発生する。
【0018】
また、請求項3の振動アクチュエータは、圧電素子Aの長手方向に直交する縦断面積をS、長手方向の長さをL、ヤング率をE、長手方向の伸縮力をP、板状パネルBの長手方向に直交する縦断面積をS、振動ユニットとの積層方向の板状パネルBの厚さをt、ヤング率をE、連結部材Cの長手方向に直交する縦断面積をS、長手方向の長さをL、ヤング率をEとして、
圧電素子Aの長手方向の一端と他端を、板状パネルBの表面もしくは背面に固着し、圧電素子Aの長手方向に伸縮力Pを発生させた際に湾曲する板状パネルBの
【数1】
から算出される曲率半径rと、
圧電素子Aと連結部材Cが連結された振動ユニットの長手方向の一端と他端を、板状パネルBの表面もしくは背面に固着し、圧電素子Aの長手方向に伸縮力Pを発生させた際に湾曲する板状パネルBの
【数2】
から算出される曲率半径rが、
【数3】
を満たすことを特徴とする。
【0019】
圧電素子Aの長手方向の一端と他端を、板状パネルBの表面もしくは背面に固着し、圧電素子Aの長手方向に伸縮力Pを発生させた際に、圧電素子Aの一端と他端が固着する板状パネルBの部位に発生する力PB0は、
【数4】
であり、その間の板状パネルBには、
【数5】
で算出される曲げモーメントMが均一に働く。
板状パネルBの中立軸に関する断面二次モーメントをIとして、曲げモーメントMを受けて湾曲する板状パネルBの曲率半径rは、
【数6】
であり、高さt、縦断面積Sの長方形断面の板状パネルBの中立軸に関する断面二次モーメントIは、S/12であるので、板状パネルBの曲率半径rは、
【数7】
から算出される。
この板状パネルBは、圧電素子Aの一端と他端が固着する部位の間を弦として曲率半径rで湾曲し、弦の長さは、圧電素子Aの長手方向の長さLであるので、湾曲する板状パネルBの最大振幅wは、曲率半径rで湾曲する円弧の弦の長さL上の矢高に等しく、
【数8】
で表される。
【0020】
一方、圧電素子Aと連結部材Cが連結された振動ユニットの長手方向の一端と他端を、板状パネルBの表面もしくは背面に固着し、圧電素子Aの長手方向に伸縮力Pを発生させた際に、振動ユニットの一端と他端が固着する板状パネルBの部位に発生する力PB1は、
【数9】
であり、その間の板状パネルBには、
【数9】
で算出される曲げモーメントMが均一に働く。
長方形断面の板状パネルBの中立軸に関する断面二次モーメントIは、S/12であり、曲げモーメントM1を受けて湾曲する板状パネルBの曲率半径rは、
【数9】
であるので、板状パネルBの曲率半径rは、
【数10】
から算出される。
この板状パネルBは、振動ユニットの一端と他端が固着する部位の間を弦として曲率半径rで湾曲し、弦の長さは振動ユニットの長手方向の長さ(L+L)であるので、湾曲する板状パネルBの最大振幅wは、曲率半径rで湾曲する円弧の弦の長さ(L+L)上の矢高に等しく、
【数11】
で表される。
【0021】
従って、圧電素子Aと板状パネルBと連結部材Cの長手方向の伸縮を考慮し、
【数12】
を満たす場合に、圧電素子Aに連結部材Cを連結した振動ユニットの両端を板状パネルBに固着して、板状パネルBに振幅を拡大した振動を発生させることができる。
【0022】
また、請求項4の振動アクチュエータは、伸縮素子が、細長板状の磁歪素子であり、磁歪素子は、磁歪効果によって長手方向に伸縮することを特徴とする。
【0023】
細長板状の磁歪素子にその長手方向に沿って連結部材を連結した振動ユニットの両端を板状パネルに固着するだけで、板状パネルに拡大させた振幅の振動が発生する。
【0024】
また、請求項5の振動アクチュエータは、板状パネルが、タッチパネルの操作パネルであり、振動ユニットの長手方向の一端と他端が操作パネルの背面に固着することを特徴とする。
【0025】
振動素子の両端を操作パネルへ固着する場合に比べ、振動素子に連結部材を連結する簡単な構造の振動ユニットの両端を操作パネルへ固着するだけで、タッチパネルの操作パネルに操作者が確実に感知できる拡大した振幅の振動を発生させることができる。
【発明の効果】
【0026】
請求項1の発明によれば、長手方向に沿って伸縮素子に連結部材を連結した振動ユニットの一端と他端を、板状パネルに固着するだけで、板状パネルに振幅を拡大させた振動を発生させることができる。
【0027】
また、請求項2の発明によれば、細長板状の圧電素子と連結部材とからなる薄型で簡易構造の振動ユニットを震動源として板状パネルに拡大させた振幅の振動を発生させることができる。
【0028】
請求項3の発明によれば、圧電素子Aと板状パネルBと連結部材Cの長手方向の伸縮を考慮して、圧電素子Aに連結部材Cを連結した振動ユニットの両端を板状パネルBに固着して、板状パネルBに確実に振幅を拡大した振動を発生させることができる。
【0029】
請求項4の発明によれば、細長板状の磁歪素子と連結部材とからなる薄型で簡易構造の振動ユニットを震動源として、板状パネルに拡大させた振幅の振動を発生させることができる。
【0030】
請求項5の発明によれば、タッチパネルの入力操作領域を拡大させた大型の操作パネルであっても、長さが短く安価な振動素子を用いて、操作パネルの全体で感知可能な振幅の大きい振動を発生させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0031】
【図1】タッチパネル10の操作パネルB1に固着した本発明の第1実施の形態に係る振動アクチュエータ1を示す底面図である。
【図2】振動アクチュエータ1が取り付けられたタッチパネル10の縦断面図である。
【図3】圧電基板Aを駆動する駆動回路12の構成を示すブロック図である。
【図4】歪みを無視して、圧電基板Aの両端2a、2bを操作パネルBに固着した場合の(a)は、圧電基板Aと操作パネルBに働く力PA0、PB0をそれぞれ示す説明図、(b)は、操作パネルBに発生する曲げモーメントMを示す曲げモーメント図(BMD)、(c)は、操作パネルBの変位を示す変位図、である。
【図5】歪みを無視して、振動ユニット2の両端2a、2cを操作パネルBに固着した場合の(a)は、圧電基板Aと操作パネルBと連結板Cに働く力PA1、PB1をそれぞれ示す説明図、(b)は、操作パネルBに発生する曲げモーメントMを示す曲げモーメント図(BMD)、(c)は、操作パネルBの変位を示す変位図、である。
【図6】圧電基板Aに収縮力Pが発生した場合の(a)は、圧電基板Aの両端2a、2bを操作パネルBに固着した参考例の(b)は、振動ユニット2の両端2a、2cを操作パネルBに固着した発明例のそれぞれ操作パネルBに発生する力PB0、PB1を説明する説明図である。
【図7】圧電基板Aの両端a1、a2を操作パネルBに固着した場合の(a)は、圧電基板Aと操作パネルBに働く力PA0、PB0をそれぞれ示す説明図、(b)は、操作パネルBに発生する曲げモーメントMを示す曲げモーメント図(BMD)、(c)は、操作パネルBの変位を示す変位図、である。
【図8】振動ユニット2の両端a1、a3を操作パネルBに固着した場合の(a)は、圧電基板Aと操作パネルBと連結板Cに働く力PA1、PB1をそれぞれ示す説明図、(b)は、操作パネルBに発生する曲げモーメントMを示す曲げモーメント図(BMD)、(c)は、操作パネルBの変位を示す変位図、である。
【図9】タッチパネル10の操作パネルBに固着した本発明の第2実施の形態に係る振動アクチュエータ5を示す底面図である。
【図10】タッチパネル10の操作パネルBに固着した本発明の第3実施の形態に係る振動アクチュエータ7を示す底面図である。
【図11】比較例の実測した操作パネルBの変位wと実施例の実測した操作パネルBの変位wを示すグラフである。
【図12】従来の振動アクチュエータ100を示す側面図である。
【図13】タッチパネル120の操作パネル123に固着した従来の振動アクチュエータ121を示す分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【0032】
以下、本発明の第1実施の形態に係る振動アクチュエータ1を、図1乃至図8を用いて説明する。本実施の形態に係る振動アクチュエータ1は、静電容量の変化から入力操作位置を検出する静電容量式タッチパネル10の震動源として用いられ、入力操作を検出したことを操作パネルB1の振動で操作者へ伝達するために、図1、図2に示すように、操作者が入力操作を行う操作パネルB1の背面に固着して取り付けられる。
【0033】
静電容量式タッチパネル10は、図2に示すように、板状パネルである操作パネルB1の上に静電容量方式で入力操作位置を検出するための多数の電極が形成されたスイッチシート11が積層配置され、操作パネルB1の長手方向(図中左右方向)の端部は、筐体15の窓孔16の縁15aと、LCDパネル13の上方に取り付けられた合成ゴムなどからなる弾性スペーサ14、14との間に挟持され、回転自在に筐体15内に取り付けられている。スイッチシート11は、隣り合う電極間若しくは指などの入力操作体と電極間の静電容量の変化から窓孔16内の操作パネルB1に接近する入力操作や入力操作位置を検出するもので、従って、操作パネルB1は、スイッチシート11を支持する支持基板をかねているが、図10に示すように、振動アクチュエータ7が入力操作領域からはずれた操作パネルB3の側辺に沿って配置される場合には、スイッチシート11を振動アクチュエータ7と同一面となる操作パネルB3の背面に配置し、誘電体である操作パネルB3を介して静電容量方式で操作パネルB3への入力操作を検出するものであってもよい。
【0034】
操作パネルB1は、合成樹脂、ここでは長方形板状のアクリル板で形成されている。操作パネルB1の材質としては、振動アクチュエータ1の振動を伝達可能に湾曲するある程度の剛性を有するものであれば、PC(ポリカーボネート)、PES(ポリエーテルスルホン)、PI(ポリイミド)、ガラスなどの任意の材質を用いることができ、また、その下方に入力操作の指標となる表示を表示するLCDパネル13等の表示素子が配置される場合には、透明材料で形成される。
【0035】
振動アクチュエータ1は、細長に形成され、電圧を変化させることによってその長手方向に伸縮する圧電基板A1と、圧電基板A1の長手方向の一端に固着して一体に連続する矩形板状の連結板C1とからなる振動ユニット2で構成される。
【0036】
圧電基板A1は、圧電単結晶、PZT(チタンジルコン酸鉛)磁器に代表される圧電セラミック、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)等の圧電材料で形成したここでは単層の基板で、機械的な耐久性があり、最も広く利用されているPZT系の圧電磁器材料からなる圧電セラミックス板を用いて、図示するように、細長帯状の薄板としている。圧電基板A1をこのように細長帯状の薄板とし、その表裏両面に焼成して形成した図示しない一組の駆動電極に駆動電圧を印加することにより、低い駆動電圧でよりその長手方向に沿って大きな歪みを発生させている。
【0037】
圧電基板A1の一組の駆動電極間に駆動電圧を印加するため、一組の駆動電極は、それぞれ引き出し線12a、12bを介して駆動回路12に電気接続している。駆動回路12は、例えば図3に示す簡単な回路で、コイルで構成された変圧回路18の出力側の引き出し線12a、12bを介して圧電基板A1の一組の駆動電極に接続する。操作パネルB1への入力操作を検出すると、5乃至10msec幅の振動トリガー信号が変圧回路18に入力され、この間、瞬間的に数ボルトの直流電圧が変圧回路18が印加されるようになっている。これにより、変圧回路18には、コイルによる誘導電圧が発生し、+150V程度の駆動電圧が圧電基板A1の一組の駆動電極間に印加される。なお、この駆動電圧値は一例であって、圧電基板A1の仕様等に基づいて変動し得る。駆動回路12、圧電基板A1へ適切な駆動電圧を供給できるように構成される。
【0038】
圧電基板A1に、弾性コンプライアンス(ヤング率の逆数)が31*10−12/Nの値を有するPZT系圧電材料を用いて、その歪みをクランプした状態で、一組の駆動電極間に+150V程度の駆動電圧を印加すると、例えば、20kgfという大きな力が生じる。本実施の形態では、この圧電素子の圧電逆効果を利用して操作パネルB1に振動を発生させるものであり、圧電基板A1を有する振動ユニット2の長手方向の両端2a、2cを直接操作パネルB1に固着して、振動ユニット2の歪みを拘束した状態で、圧電基板A1の一組の駆動電極間に+150V程度の駆動電圧を印加する。
【0039】
その結果、操作パネルB1の背面の振動ユニット2の両端2a、2cが固着する位置に、振動ユニット2の伸縮方向の引っ張り若しくは圧縮力Pが発生し、操作パネルB1には、その厚みtの中間に中立軸があるとして、[t/2]Pの曲げモーメントMが発生する。この曲げモーメントMによって、操作パネルB1は、振動ユニット2の長手方向と直交する図中上下方向に湾曲する。交流の駆動電圧の極性や大きさが変化する毎に、操作パネルB1の背面の位置に作用する力Pの大きさや方向が変化し、曲げモーメントMの極性や大きさも変化するので、操作パネルB1は、曲げモーメントMの変化に応じて湾曲方向や振幅の大きさを変えて振動する。
【0040】
以下、本発明の各実施の形態において共通する圧電基板、板状パネルである操作パネル、及び連結板を、それぞれ圧電基板A、操作パネルB、連結板Cと記載する。本発明によれば、圧電基板Aと連結板Cを一体に連続させた振動ユニット2の長手方向の両端2a、2cを操作パネルBに固着するので、圧電基板Aの長手方向の両端2a、2bを操作パネルBに固着した場合に比べて、同一の圧電基板Aを用いて同一の駆動電圧を印加しても、操作パネルBに大きな振幅wの振動を発生させることができる。
【0041】
始めに、この操作パネルBに発生する振幅wの相違を、説明を容易にするために、圧電基板A、操作パネルB及び連結板Cについて、それぞれ長手方向に歪みが生じていないものとして、圧電基板Aの両端2a、2bを操作パネルBに固着した場合(以下、参考例という)の図4と、振動ユニット2の長手方向の両端2a、2cを操作パネルBに固着した場合(以下、発明例という)の図5を用いて説明する。
【0042】
収縮が拘束された圧電基板Aに発生する最大圧縮力をPとして、参考例では、図4(a)に示す力の釣り合いから、固着位置2a、2bで操作パネルBに働く圧縮力PB0と圧電基板Aに働く圧縮力PA0は等しく、その和がPであるので、圧縮力PB0は、P/2となる。また、同様に発明例では、図5(a)に示す力の釣り合いから、固着位置2a、2cで操作パネルBに働く圧縮力PB1と振動ユニット2に働く圧縮力PA1は等しく、その和がPであるので、圧縮力PB1は、P/2となり、圧縮力PB0に等しい。
【0043】
その結果、参考例では、厚さtの操作パネルBの固着位置2a、2bに作用する圧縮力PB0によって、図4(b)に示すように、操作パネルBの固着位置2a、2b間に、[t/2]PB0の曲げモーメントMが均一に発生し、図4(c)に示すように、固着位置2a、2b間の操作パネルBは、曲げモーメントMに反比例する曲率半径rで湾曲する。
【0044】
また、発明例では、厚さtの操作パネルBの固着位置2a、2cに作用する圧縮力PB1によって、図5(b)に示すように、操作パネルBの固着位置2a、2c間に、[t/2]PB1の曲げモーメントMが均一に発生し、図5(c)に示すように、固着位置2a、2c間の操作パネルBは、曲げモーメントMに反比例する曲率半径rで湾曲する。ここで図4と図5の操作パネルBは同一であるので、曲げモーメントMと曲率半径rの比例定数は同一であり、PB0=PB1から曲げモーメントMと曲げモーメントMは同一であるので、図4(c)と図5(c)に示す操作パネルBは、同一の曲率半径r、rで湾曲する。
【0045】
同一の曲率半径r、rをrとし、圧電基板Aの長手方向の長さをL1、連結板Cの長手方向の長さをL2とすれば、参考例の図4(c)に示す操作パネルBの最大撓みwは、
【数13】
で表され、
また、発明例の図5(c)に示す操作パネルBの最大撓みwは、
【数14】
で表されるので、常にw>wとなる。
【0046】
以上の関係は、歪みが拘束された圧電基板Aに最大の引っ張り力Pが発生した場合にも、各力が働く方向が逆転し、操作パネルBの湾曲方向が逆になるだけで、同一であるので、単に圧電基板Aの長手方向の両端2a、2bを操作パネルBに固着した場合に比べて、圧電基板Aに連結板Cを一体に連続させた振動ユニット2の長手方向の両端2a、2cを操作パネルBに固着することにより、操作パネルBにより大きな振幅wの振動を発生させることができる。
【0047】
次に、歪みが拘束された圧電基板Aに発生する最大圧縮力Pによって、圧電基板A、操作パネルB及び連結板Cが伸縮する変位を考慮して、参考例と発明例の操作パネルBに発生する振幅w、wの相違を、図6乃至図8を用いて説明する。
【0048】
圧電基板Aの長手方向(図中左右方向)に直交する縦断面積をS、長手方向の長さをL、ヤング率をE、長手方向の最大圧縮力をP、操作パネルBの長手方向(図中左右方向)に直交する縦断面積をS、振動ユニット2との積層方向の板状パネルBの厚さをt、ヤング率をE、連結板Cの長手方向(図中左右方向)に直交する縦断面積をS、長手方向の長さをL、ヤング率をEとして、
参考例では、図6(a)に示すように、固着位置2a、2bに働く圧縮力PB0による操作パネルBの縮み量δB0は、
【数15】
であり、
固着位置2a、2bに働く圧縮力PA0による圧電基板Aの縮み量δA0は、
【数16】
であり、両者のδB0、δA0が等しく、
【数17】
の関係から、
【数18】
となる。
【0049】
従って、図7(a)に示す厚さtの操作パネルBの固着位置2a、2bに作用する圧縮力PB0により、操作パネルBの固着位置2a、2b間には、図7(b)に示すように、
【数19】
の曲げモーメントMが均一に発生する。
曲げモーメントMが作用する区間で湾曲する操作パネルBの曲率半径rは、操作パネルBの中立軸に関する断面二次モーメントをIとして、
【数20】
で表され、
【数21】
であるので、
【数22】
となる。
【0050】
図7(c)に示す湾曲する操作パネルBの最大振幅wは、曲率半径rで湾曲する円弧の弦長がLの矢高であるので、
【数23】
となる。
【0051】
また、発明例では、図6(b)に示すように、操作パネルBの固着位置2a、2c間に圧縮力PB1が、圧電基板Aの両端2a、2b間に圧縮力PA1が、連結板Cの両端2b、2間に引っ張り力PB1がそれぞれ作用し、操作パネルBと振動ユニット2の固着位置2a、2c間の伸縮量は同一であるので操作パネルBの縮み量δB1は、圧電基板Aの縮み量δA1から連結板Cの伸び量δC1を減じたものとなる。
ここで、
【数24】
【数25】
【数26】
であるので、
【数27】
と、
【数28】
とから、
【数29】
となる。
【0052】
従って、図8に示す厚さtの操作パネルBの固着位置2a、2cに作用する圧縮力PB1により、操作パネルBの固着位置2a、2c間には、図8(b)に示すように、
【数30】
で算出される曲げモーメントMが均一に発生する。
【0053】
曲げモーメントMが作用する区間で湾曲する操作パネルBの曲率半径rは、操作パネルBの中立軸に関する断面二次モーメントをIとして、
【数30】
で表され、
【数31】
であるので、
【数32】
となる。
【0054】
図8(c)に示す湾曲する操作パネルBの最大振幅wは、曲率半径rで湾曲する円弧の弦長が(L+L)の矢高であるので、
【数33】
となる。
【0055】
以上の関係は、歪みが拘束された圧電基板Aに最大の引っ張り力Pが発生した場合にも、各力が働く方向が逆転し、操作パネルBの湾曲方向が逆になるだけであり、(1)式から算定する曲率半径rと、(2)式から算定する曲率半径rが、
【数34】
を満たすことを条件にw>wとなる。従って、上記条件の下に、単に圧電基板Aの長手方向の両端2a、2bを操作パネルBに固着した場合に比べて、圧電基板Aに連結板Cを一体に連続させた振動ユニット2の長手方向の両端2a、2cを操作パネルBに固着することにより、操作パネルBにより大きな振幅wの振動を発生させることができる。
【0056】
上記w>wとする条件の(2)式と(3)式には、連結板Cについて、長手方向に直交する縦断面積S、長手方向の長さL、ヤング率Eが含まれているが、(2)式と(3)式を満たす範囲内で、連結板Cの形状、材質、個数は任意に選択できる。
【0057】
図9は、本発明の第2実施の形態の振動アクチュエータ5を示し、この振動アクチュエータ5の振動ユニット6は、圧電基板A2と圧電基板A2の長手方向の両端に固着して一体に連結する一対の連結板C21、C22とから構成されている。一対の連結板C21、C22は、圧電基板A2について長手方向で対称なT字状に形成され、圧電基板A2との連結位置の他側の長手方向に直交する端部を振動ユニット6の両端6a、6a、6c、6cとして操作パネルB2に固着している。
【0058】
この振動アクチュエータ5によれば、比較的短い圧電基板A2であっても振動ユニット6が固着する両端6a、6c間の距離を長くとることができ、操作パネルB2により大きな振幅wの振動を発生させることができる。また、操作パネルB2を振動させる震動源を圧電基板A2の長手方向に対して直交する方向に分散させるので、操作パネルB2の全体をむらなく振動させることができる。
【0059】
図10は、本発明の第3実施の形態の振動アクチュエータ7を示し、この振動アクチュエータ7は、一対の振動ユニット8、8を、操作パネルB3の長手方向に沿った両辺に沿って配置している。各振動ユニット8は、細長板状の圧電基板A3と圧電基板A3の長手方向の一端に固着して一体に連結する連結板C3とからなり、一対の振動ユニット8、8を長手方向で互いに逆向きとして、長手方向の両端8a、8cを操作パネルB3の背面に固着している。
【0060】
この振動アクチュエータ7によれば、操作パネルB3の長手方向に沿った両辺のそれぞれ離れた位置を振動ユニット8、8の固着位置8a、8cとするので、操作パネルB3の両辺の固着位置8a、8cを震動源として、操作パネルB3の全体をむらなく大きな振幅wで振動させることができる。
【0061】
また、一対の振動ユニット8、8は、操作パネルB3の入力操作領域から外れた操作パネルB3の長手方向に沿った両辺に沿って配置するので、入力操作を検出するスイッチシート11の電極と重なることがなく、振動アクチュエータ7とスイッチシート11を操作パネルB3の表面若しくは背面の同一面に配置できるので、スイッチシート11の電極を透明電極で形成し、その背面側にLCDパネル13等を配置し、LCDパネル13の表示を見ながら入力操作を行うことができる。
【実施例】
【0062】
以下、第1実施の形態の振動アクチュエータ1について、圧電基板A1の横幅を3mm、厚さを2mm、従って、圧電基板A1の長手方向に直交する縦断面積Sを6・10−6、長手方向の長さLを40mm、圧電基板A1を構成する圧電セラミックのヤング率Eを3.3・10kgf/m、長手方向の最大伸縮力Pを20kgf、操作パネルB1の横幅を71.5mm、厚さを2mm、従って操作パネルB1の長手方向に直交する縦断面積Sを143・10−6、操作パネルB1を構成するアクリル板のヤング率Eを3.2・10kgf/m、連結板C1の横幅を48mm、厚さを3mm、従って、連結板C1の長手方向に直交する縦断面積Sを144・10−6、長手方向の長さLを91mm、連結板C1を構成するアクリル板のヤング率Eを3.2・10kgf/mとして、圧電基板A1の両端2a、2bを操作パネルB1に固着した場合(以下、比較例という)の操作パネルB1の最大振幅wと、振動ユニット2の長手方向の両端2a、2cを操作パネルB1に固着した場合(以下、実施例という)の操作パネルBの最大振幅wを、(1)式、(2)式、(7)式、(11)式から算定し、図11に示す実測値と比較した。
【0063】
図11は、圧電基板A1に駆動電圧信号を印加した際に、比較例の圧電基板Aの両端2a、2bが固着する操作パネルBの中央位置で実測した鉛直方向の振幅wを波線で、実施例の振動ユニット2の両端2a、2cが固着する操作パネルBの中央位置で実測した鉛直方向の振幅wを実線で表したグラフである。
【0064】
比較例において湾曲する操作パネルBの曲率半径rは、
【数35】
に、上記各数値を代入して、
=1092.6mmとなり、操作パネルBの最大振幅wは、
【数36】
に、r=1092.6mmを代入して、
=183μmとなる。
【0065】
これに対して、比較例について操作パネルBの振幅wを実測した図11の波線で表される最大振幅wは、約160μmであり、算定値にほぼ一致している。
【0066】
また、実施例において湾曲する操作パネルBの曲率半径rは、
【数37】
に、上記各数値を代入して、
=2588.3mmとなり、操作パネルBの最大振幅wは、
【数38】
に、r=2588.3mmを代入して、
=829μmとなる。
【0067】
この実施例の算定値に対して、実施例の操作パネルBの振幅wを実測した図11の実線で表される最大振幅wは、約520μmであった。算定値との誤差は、圧電基板A1と連結板C1との固着部に接着剤を用い、その接着剤の歪みによるものと考えられるが、少なくとも、実測値と算定値ともに、実施例では比較例の操作パネルBの最大振幅wの数倍の振幅wで操作パネルBが振動する。
【0068】
上述の実施の形態において、圧電基板Aと連結板Cとの固着、振動ユニットの両端と操作パネルBとの固着は、接着剤による接着、超音波溶着、一体成形等固着する両者の材質に応じて種々の固着方法を採用できる。
【0069】
また、上述の実施の形態は、いわゆる静電容量方式で入力操作位置を検出するタッチパネル10の操作パネルBを振動させる震動源として本発明の振動アクチュエータを用いる例で説明したが、振動ユニットを固着させた板状パネルを振動させるものであれば、種々の用途の震動源として用いることができる。
【0070】
また、振動アクチュエータの振動ユニットに備えられる伸縮素子は、圧電素子に限らず、磁界を加えて磁歪効果で長手方向に伸縮する磁歪素子であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【0071】
本発明は、短い伸縮素子を板状パネルに固着させて、板状パネルに大きな振幅の振動を発生させる振動アクチュエータに適している。
【符号の説明】
【0072】
1 振動アクチュエータ(第1実施の形態)
2 振動ユニット
2a、2c 振動ユニットの固着位置
5 振動アクチュエータ(第2実施の形態)
6 振動ユニット
6a、6c 振動ユニットの固着位置
7 振動アクチュエータ(第3実施の形態)
8 振動ユニット
8a、8c 振動ユニットの固着位置
A 圧電基板(伸縮素子)
B 操作パネル(板状パネル)
C 連結板(連結部材)
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】