JP2004130270A

JP2004130270A - 振動発生装置

Info

Publication number: JP2004130270A
Application number: JP2002299781A
Authority: JP
Inventors: Tadashi Nakanuma; 中沼　忠司
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2002-10-15
Filing date: 2002-10-15
Publication date: 2004-04-30
Anticipated expiration: 2022-10-15
Also published as: JP4002813B2

Abstract

【課題】携帯電話の着信報知用等に使用される振動発生装置において、省電力化を図りつつ大きな振動を発生する。
【解決手段】振動発生源１は、弾性を有するアーム２の中央部を圧電素子３ａ、３ｂで挟み込み、その両端に重錘５を設けた構成を有し、圧電素子３ｂは支持体４を介して携帯電話などの筐体６に固定される。駆動部１０は、圧電素子３ａ、３ｂの逆圧電効果を利用した電圧印加による振動の加速と、圧電素子３ａ、３ｂの圧電効果を利用した振動状態の把握とを時分割で行い、把握した振動波形に応じた適切なタイミングで電圧の印加を行う。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯電話の着信報知などに有用な、小型の携帯電子機器用の振動発生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話では、着信音を発すると周囲に迷惑を及ぼすような場所においても着信を使用者に知らせるために、携帯電話本体や携帯電話と無線で接続された専用の装置が振動することにより、主として使用者の身体に対して機械的刺激を与える方法が採用されている。こうした携帯電話用の振動発生装置として一般的には、偏心した重錘を軸に取り付けた小型モータが利用されており、このモータを数十Ｈｚ程度の比較的低い速度で回転させることによって筐体などに振動を発生させる。
【０００３】
しかしながら、こうした振動発生装置では、偏心した重錘を回転駆動するために軸や軸受に大きな負荷が掛かり、故障が発生し易いという問題がある。そのため、現行のこうした振動発生装置では３年程度の寿命しか想定していない。また、モータによる電気−機械変換はエネルギ効率があまり良好ではなく、エネルギの一部は熱等として浪費されてしまうために消費電力が大きくなる傾向にある。周知のように、携帯電話等の携帯電子機器では小型・軽量化とともに、消費電力の削減が重要な課題となっており、振動発生装置の消費電力の多さは軽視できない。
【０００４】
上記のような問題に対し、圧電振動子を用いた振動発生装置が従来より提案されている。例えば特許文献１に開示されている振動発生装置の一例を図６に示す。この振動発生装置では、振動板３３を両面から圧電素子３２で挟み込んで形成された圧電振動板３１の下面中央に振動伝達部材３４の一端が固定され、その他端は例えば携帯電話の筐体３５に固定されている。圧電振動板３１の外周縁には弾性部材３６の一端が連結され、その他端には質量負荷である重錘３７が取り付けられている。圧電振動板３１が振動するとき、弾性部材３６を介する重錘の変位量は大きくなるので、これによって振動が増幅され、強い振動を発生できるようになっている。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−２３３１５７号公報（段落００１６〜００２４、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
こうした圧電素子を利用した振動発生装置は電気−機械的変位変換での損失が少なく、特に小型の電子機器用の振動発生装置としてはかなり有望であるように思われる。しかしながら、近年の携帯電話の急速な普及と技術の進展の中においても、現在までのところ上記のような方法による振動発生装置は未だ実用には至っていない。その理由は、省電力を図りつつ充分な大きさの振動を得ることが実用上難しい点にあると思われる。
【０００７】
本発明はこのような点に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、消費電力を抑えつつ着信報知等のために充分な大きさの振動を発生することができる振動発生装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された本発明に係る振動発生装置は、
ａ）電気信号を機械的振動に変換する、又は逆に機械的振動を電気信号に変換するための電気−機械的変位相互変換素子と、
ｂ）該電気−機械的変位相互変換素子に対して一部が直接的又は間接的に連結された弾性部材と、
ｃ）該弾性部材と前記電気−機械的変位相互変換素子との連結部から離れた位置に設けられた重錘と、
ｄ）該重錘から離れた位置で前記弾性部材を支持し、且つ該弾性部材の振動を対象物に伝播させる支持体と、
ｅ）前記電気−機械的変位相互変換素子の変形又は前記弾性部材若しくは前記重錘の変位に起因して該電気−機械的変位相互変換素子に発生する電気信号に基づいて振動状態を把握し、その振動が増幅されるように該電気−機械的変位相互変換素子に電力を供給する制御手段と、
を備えることを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態、及び効果】
本発明に係る振動発生装置において、上記電気−機械的変位相互変換素子は、電気信号から機械的振動への変換とその逆の変換とのいずれかを切り替えて選択的に行い得る単一の素子で構成する場合と、電気信号から機械的振動への変換を行う素子と機械的振動を検知して電気信号に変換してフィードバックする素子との組み合わせによる複合的な素子で構成する場合とが考え得る。前者の素子として典型的なものは圧電素子である。
【００１０】
電気−機械的変位相互変換素子を上記のように単一の素子で構成する場合の一実施態様として、前記制御手段は、前記電気−機械的変位相互変換素子の変形に起因して該素子に発生する電気信号を検出する検出期間と、該電気−機械的変位相互変換素子に電力を供給して該素子に変位を生じさせる駆動期間とを時分割で設け、前記検出期間において検出した電気信号に基づいて振動状態を把握し、その振動が増幅されるように前記素子に電力を供給する構成とすることができる。
【００１１】
電気−機械的変位相互変換素子として圧電素子を利用する場合の基本的な動作としては、圧電素子により発生する機械的振動を弾性部材に与え、その弾性部材の弾性と、重錘の慣性とを利用して振動を増幅させる。圧電素子では、電圧を印加すると変形を生じるという逆圧電効果と、振動による外的機械力によって変形が起こると電圧を発生するという圧電効果との両方が利用される。但し、上記のような従来の装置では圧電素子には予め定められた周波数の電圧が印加され、該周波数で振動するだけであるのに対して、本発明に係る装置では、加振された重錘の振動に合わせて、つまり重錘の振動エネルギーの方向に合わせて、更にその振動を増す（加振する）ように振動エネルギーを弾性部材を介して重錘に与える。いわば、振動状態（振動の周波数、位相、大きさなど）に応じて適応的に更なる加振を行う。
【００１２】
具体的には、制御手段は、検出期間において圧電素子の変形に起因して該素子に発生する電気信号を検出し、これに基づいてその時点での振動状態を把握し、その振動を加速する方向に圧電素子が圧縮又は伸長するべく駆動期間において圧電素子に電圧を印加する。このような加振を繰り返すことにより、重錘には一度の加振では与えることができないような大きなエネルギーが蓄積され、弾性体の強度やそのほかの機械的な制約の範囲内で最大に近い振動を得ることができる。
【００１３】
なお、圧電素子以外に上記電気−機械的変位相互変換素子として利用可能なものとしては、印加電圧や供給電流の変化に応じてねじれ、伸縮等の変形が自在であって、且つそのエネルギー変換効率が高いものでありさえすれば、様々なものを用いることができる。例えば、電気を通す導電性高分子は、電気化学的な酸化・還元反応により伸縮変形するから、上記目的に使用することができる。もちろん、上記条件を満たしさえすれば、電気−機械的変位の変換の原理や種類は問わない。
【００１４】
このように本発明に係る振動発生装置によれば、振動源である電気−機械的変位相互変換素子の発生する複数回の振動エネルギーを、弾性部材により保持される重錘に効率よく供給して、大きな振動を得ることができる。また、上記実施態様による振動発生装置によれば、検出期間には電気−機械的変位相互変換素子に駆動電力を供給しないので、全体として消費電力を抑制することができる。また、電気−機械的変位相互変換素子に電力を供給するタイミングを振動が増幅されるように適切に制御しているため、振動を確実に且つ効率的に増幅することができ、振動開始から素早い立ち上がりで大きな振動を発生させることができる。また、従来のモータを利用した振動発生装置と異なり、軸受のような摩擦力等を受ける機構部を持たないので、故障や破損が少なく、高い信頼性を達成することができる。
【００１５】
なお、本発明に係る振動発生装置の一実施形態として、前記制御手段は、前記検出期間において少なくとも振動波形の半周期を認識し、それに基づいて電圧印加を行う時間幅を設定する構成とすることができる。この構成によれば、振動によって重錘の進行方向が反転する毎に上記のような加振が行われるので、振動の増幅効果が大きく、より迅速に大きな振動を得ることができる。
【００１６】
更にまた、前記制御手段は、前記検出期間において振動波形のピークを認識し、該ピークが現れた後に電圧印加の開始タイミングを設定する構成とすると更に好ましい。このような構成によれば、圧電素子、弾性部材、重錘等の振動状態に影響する構造的なサイズや重量、特性などのばらつき、或いは温度や湿度の影響による変動があった場合でも、特別な調整などを行うことなく大きな振動を確実に得ることができる。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明の一実施例による振動発生装置について、図１〜図５を参照して説明する。
【００１８】
図１は本実施例による振動発生装置の概略全体構成図、図２は本振動発生装置の振動原理を説明するための概念図、図３は本振動発生装置における動作制御の一例を示すフローチャート、図４及び図５は本振動発生装置の動作を説明するための概略波形図である。
【００１９】
この振動発生装置では、振動発生源１として、弾性（ばね性）を有する細長い板状のアーム２の略中央部に、該アーム２を上下から挟み込むように一対の圧電素子３ａ、３ｂが設けられ、そのアーム２の両端にはそれぞれ重錘５が固着されている。下側の圧電素子３ｂは剛性を有する支持体４の上端に固定され、その下端は振動対象である携帯電話等の筐体６に固定されており、上記振動発生源１が縦方向に振動すると支持体４を介して筐体６に振動が伝播する。
【００２０】
圧電素子３ａ、３ｂの電極部には電気回路として圧電素子駆動部１０が接続されている。圧電素子駆動部１０は、機能的に、所定期間中に圧電素子３ａ、３ｂに加わる圧縮力又は伸長力による変形（歪）に起因してその両端電極に発生する電圧を検出して変形量を把握する変形量検出部１１と、該変形量によって振動の状態を判断し電圧の印加タイミングなどを決定する演算処理部１２と、その決められたタイミングで圧電素子３ａ、３ｂに駆動電圧を印加する電圧発生部１３と、上記各部に制御信号を供給する制御部１４と、を含んで構成されている。演算処理部１２及び制御部１４は主としてＣＰＵやメモリなどから成るマイクロコンピュータを中心に構成することができ、該マイクロコンピュータ上で所定の演算プログラムや制御プログラムを実行させることにより、後述するような所定の機能を達成することができる。
【００２１】
次に、上記構成を有する振動発生装置の動作を説明する。電圧発生部１３から圧電素子３ａ、３ｂに所定周期のパルス状の電圧が印加されると、それに応じて圧電素子３ａ、３ｂは上下方向に伸縮する。上下一対の圧電素子３ａ、３ｂは一方が伸長するとき他方が収縮する関係を保つように構成されており、圧電素子３ａ、３ｂに挟まれたアーム２中央部は図２中の矢印Ｍ１で示すように上下に振動する。アーム２は弾性を有しており、且つ、重錘５には慣性力が作用するから、アーム２の中央部が上述のように上下振動すると、図２中の矢印Ｍ２に示すようにアーム２の両端は大きく上下に揺動し、その力によって振動は増幅されて筐体６は大きく振動する。
【００２２】
上記振動の振幅は図４（Ａ）に示すように正弦波状となり、時間経過に伴って徐々に大きくなる。一般に、こうした機械振動系は、アーム２の弾性係数や重錘５の重量などに依存する固有周波数を有しており、従来の振動発生装置では圧電素子にこの固有周波数近傍の電圧を印加し、弾性部材を含む振動系の共振作用によって振動が増幅されるのを待つようにしている。それに対し、本実施例の装置では、重錘５の振動状態を把握して、積極的にその振動を加速させるように圧電素子３ａ、３ｂを駆動する。すなわち、実際の振動状態を把握するために圧電素子３ａ、３ｂによる圧電効果を利用するとともに、その振動がより加速されるように且つ電圧の印加時間ができるだけ短くて済むように、適応的に圧電素子３ａ、３ｂに電圧を印加する制御を行う。
【００２３】
具体的に動作を説明すると、振動開始からの制御の手順としては、図３に示すように、初期加振モード、変形量検出処理、及び適応型制御モードの３段階に順次移行する。
【００２４】
まず、無振動の状態から振動を起こさせるために、振動の開始当初は初期加振モードとする（ステップＳ１）。すなわち、電圧発生部１３は予め決められている周波数を有するパルス状の電圧を圧電素子３ａ、３ｂに印加する（図４（Ｂ）参照）。これによって、圧電素子３ａ、３ｂを含む振動発生源１は振動し始める。このとき、上記周波数は例えば振動発生源１の固有周波数とするとよく、アーム２の弾性係数や長さ、重錘５の重量などに基づいて予め計算しておけばよい。
【００２５】
振動開始から所定時間（通常ごく短時間でよい）が経過したとき、電圧発生部１３による電圧の印加を一時的に停止し、変形量検出部１１は圧電素子３ａ、３ｂから得られる電気信号に基づいて変形量を検出する（ステップＳ２）。図２に示すようにアーム２が撓みつつ振動していると、圧電素子３ａ、３ｂは該アーム２により圧縮力や伸長力を受け変形する。圧電素子３ａ、３ｂは圧電効果により、その変形量に応じた電圧を発生するから、変形量検出部１１はこれにより変形量の時間的変化を検出し、そのデータを演算処理部１２へと送る。
【００２６】
変形量の時間的変化は、図５（Ａ）に示すような振動波形の一部に対応する。従って、図５（Ｃ）に示すように、振動の半周期ｔの期間以上に設定された時間ｔ１の期間中、連続的（実際には微小時間間隔毎）に変形量の時間的変化をモニタすれば、振動波形の正負のピークＰａ、Ｐｂを検出することができるとともに、一方のピークから他のピーク（図５の例では負のピークＰａから正のピークＰｂ）までに要する時間ｔも検出することができる。
【００２７】
このようにその時点での変形量が検出できた後に、適応型制御モードへと移行する（ステップＳ３）。上記振動振幅のピークＰａ、Ｐｂは振動方向が反転する点である。従って、ピークが現れた直後からその振動を加速する方向に圧電素子３ａ、３ｂを駆動し、且つ次のピークが現れる手前でその電圧印加を停止すれば、圧電素子３ａ、３ｂの逆圧電効果による圧縮・伸長動作が、そのときのアーム２の振動方向に反することがなく、適切な振動増幅が行えることになる。
【００２８】
そこで、演算処理部１２は、その直前に取得された時間ｔに基づいて次に電圧を印加する時間幅ｔ２を決定し、ピークが現れてから少し経過した時点からアーム２の振動を加速する方向に圧電素子３ａ、３ｂを駆動するべく上記時間幅ｔ２を有するパルス状の電圧を印加する。これによって、アーム２の動きは加速されるが、次のピークの手前で電圧はゼロになる。それに代えて、変形量検出部１１は上述したのと同様に変形量を検出し、振動波形を把握する。変形量検出開始時にはピークの手前であるから、振動波形をモニタすると、ピークを越えアーム２の振動方向が反転したことが認識できる。そこで、ピークを越えてから少し経過した時点で、変形量の検出を停止し、アーム２の振動を加速する方向に圧電素子３ａ、３ｂを駆動するべく上記時間幅ｔ２を有するパルス状の電圧を印加する。なお、変形量検出を開始してから実際にピークが現れるまでの時間ｔ３に応じて、次に印加する電圧の時間幅を適宜調整すると更に好ましい。
【００２９】
このようにして、振動波形の正及び負のピークの前後の所定期間では圧電素子３ａ、３ｂへの電圧の印加を停止し、その代わりに変形量検出を行うことによって振動波形を把握し、ピークの位置を確実に把握する。そして、一方のピークから他方のピークへ向かう途中の、アーム２の振動を加速するのに好適な期間では、確実に圧電素子３ａ、３ｂに電圧を印加し、その振動を加速させる。
【００３０】
上記のようにすることにより、重錘５の振動と同期させ、その移動の方向に合わせて移動速度を加速するように圧電素子３ａ、３ｂを駆動することができる。一般に、圧電素子はその変位量は必ずしも大きくないものの、応答性が良好であるとともに外部へ与え得る振動エネルギーは大きい。そのため、圧電素子３ａ、３ｂを駆動する毎に、大きな振動エネルギーをアーム２を介して重錘５へと供給することができる。こうした加振を繰り返すことにより、重錘５には振動エネルギーが蓄積され、例えばブランコを漕ぐように徐々にその振動を大きくしてゆき、大振幅の強い振動を得ることができる。また、この振動発生装置では、圧電素子３ａ、３ｂへ駆動電圧を印加している期間を全体の６０〜８０％程度に抑えることができるので、電力消費量が少なくて済む。
【００３１】
なお、上記実施例は本発明の一例に過ぎず、特許請求の範囲の記載を逸脱しない範囲で、適宜に変形や修正を加えることができることが明らかである。具体的に言えば、例えば、支持体４の両側にアーム２を延伸させた構成ではなく、アーム２の一端に支持体４、他端に重錘５を設けた構成に変形が可能であることは容易に想到し得る。また、上記記載の駆動制御手順は一例であって、本発明の趣旨は、振動を効果的に増幅するために、圧電素子の逆圧電効果のみならず、圧電効果も時分割で利用する点にある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による振動発生装置の概略全体構成図。
【図２】本実施例による振動発生装置の振動原理を説明するための概念図。
【図３】本実施例による振動発生装置における動作制御の一例を示すフローチャート。
【図４】本実施例による振動発生装置の動作を説明するための概略波形図。
【図５】本実施例による振動発生装置の動作を説明するための概略波形図。
【図６】従来知られている、圧電素子を用いた振動発生装置の概略構成図。
【符号の説明】
１…振動発生源
２…アーム
３ａ、３ｂ…圧電素子
４…支持体
５…重錘
６…筐体
１０…圧電素子駆動部
１１…変形量検出部
１２…演算処理部
１３…電圧発生部
１４…制御部

Claims

ａ）電気信号を機械的振動に変換する、又は逆に機械的振動を電気信号に変換するための電気−機械的変位相互変換素子と、
ｂ）該電気−機械的変位相互変換素子に対して一部が直接的又は間接的に連結された弾性部材と、
ｃ）該弾性部材と前記電気−機械的変位相互変換素子との連結部から離れた位置に設けられた重錘と、
ｄ）該重錘から離れた位置で前記弾性部材を支持し、且つ該弾性部材の振動を対象物に伝播させる支持体と、
ｅ）前記電気−機械的変位相互変換素子の変形又は前記弾性部材若しくは前記重錘の変位に起因して該電気−機械的変位相互変換素子に発生する電気信号に基づいて振動状態を把握し、その振動が増幅されるように該電気−機械的変位相互変換素子に電力を供給する制御手段と、
を備えることを特徴とする振動発生装置。
前記電気−機械的変位相互変換素子は、電気信号から機械的振動への変換とその逆の変換とのいずれかを切り替えて選択的に行い得る素子であって、前記制御手段は、前記電気−機械的変位相互変換素子の変形に起因して該素子に発生する電気信号を検出する検出期間と、該電気−機械的変位相互変換素子に電力を供給して該素子に変位を生じさせる駆動期間とを時分割で設け、前記検出期間において検出した電気信号に基づいて振動状態を把握し、その振動が増幅されるように前記素子に電力を供給することを特徴とする請求項１に記載の振動発生装置。
前記制御手段は、前記検出期間において少なくとも振動波形の半周期を認識し、それに基づいて電圧印加を行う時間幅を設定することを特徴とする請求項２に記載の振動発生装置。
前記制御手段は、前記検出期間において振動波形のピークを認識し、該ピークが現れた後に電圧印加の開始タイミングを設定することを特徴とする請求項２又は３に記載の振動発生装置。