JP2020185514A

JP2020185514A - 振動装置

Info

Publication number: JP2020185514A
Application number: JP2019090343A
Authority: JP
Inventors: 大寺　昭三; Shozo Odera; 昭三大寺
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2019-05-13
Filing date: 2019-05-13
Publication date: 2020-11-19
Anticipated expiration: 2039-05-13
Also published as: JP6962348B2; CN211857418U

Abstract

【課題】出力が向上した振動装置を提供する。【解決手段】平板状の振動部と、前記振動部を取り囲む枠状部材と、前記振動部と前記枠状部材とを接続する支持部と、張力をかけた状態で前記振動部と、前記枠状部材を架け渡し、面方向に振動する振動フィルムと、を備える振動装置であって、前記振動部と前記枠状部材との間の間隔は、前記振動フィルムが架け渡された状態と、前記振動フィルムが架け渡されていない状態とで、前記振動フィルムが振動する方向である第１方向に対して変化する。【選択図】図３

Description

本発明は、振動を生じさせる振動装置に関する。

近年、タッチパネル等の入力機器において、利用者が押し込み操作を行った際に振動を伝えることで、利用者に押したことを実感させる触覚提示装置が提案されている。

例えば、特許文献１には、フィルムを用いて触覚フィードバックを利用者に与える触覚提示装置が提案されている。フィルムは、電圧を加えることにより面方向に変形する。フィルムの伸縮により、フィルムに接続された振動部が面方向に振動する。

国際公開２０１９／０１３１６４号

触覚提示装置において、さらに大きな出力が得られることが望まれている。

そこで、本発明の目的は、出力が向上した振動装置を提供することにある。

この発明の振動装置は、平板状の振動部と、前記振動部を取り囲む枠状部材と、前記振動部と前記枠状部材とを接続する支持部と、張力をかけた状態で前記振動部と、前記枠状部材を架け渡し、面方向に振動する振動フィルムと、を備える振動装置であって、前記振動部と前記枠状部材との間の間隔は、前記振動フィルムが架け渡された状態と、前記振動フィルムが架け渡されていない状態とで、前記振動フィルムが振動する方向である第１方向に対して変化することを特徴とする。

この構成では、振動フィルムが架け渡された状態において、振動フィルムが架け渡されていない状態から振動部と枠状部材との間の間隔が変化するような大きさの張力が振動フィルムにかけられている。振動部と枠状部材との間とを接続する支持部は、張力により弾性変形する。支持部には、元の形状に戻ろうとする復元力が加わる。従って、振動フィルムが所定以上の張力で架け渡されている場合、振動部は、振動フィルムの伸縮に加えて復元力分さらに振動する。このため、振動装置は、大きな出力を得ることができる。

この発明によれば、出力が向上される。

図１（Ａ）は、振動装置１００の斜視図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）に示すＩ−Ｉ線で切断した断面図である。図２は、振動装置１００の分解斜視図である。図３（Ａ）は振動フィルム１２を張り付けていない状態の振動装置１００の平面図であり、図３（Ｂ）は振動装置１００の平面図である。図４は、フィルムを張るときの張力と発生加速度との関係を表すグラフである。図５（Ａ）は支持部１５及び枠状部材１６の接続部分の一部拡大斜視図であり、図５（Ｂ）は図５（Ａ）の平面図であり、図５（Ｃ）は図５（Ｂ）のさらに一部拡大平面図である。図６（Ａ）は、支持部１５の直線部１５１の厚みＴに対する幅Ｗの割合と、支持部１５の塑性変形量との関係を表すグラフである。図６（Ｂ）は、接続部１５３のＹ方向に沿った長さＬ３対する支持部１５の幅Ｗの割合と、支持部１５の塑性変形量との関係を表すグラフである。

図１（Ａ）は、第１実施形態に係る振動装置１００の斜視図であり、図１（Ｂ）は図１（Ａ）に示すＩ−Ｉ線で切断した断面図である。図２は、振動装置１００の分解斜視図である。図３（Ａ）は振動フィルム１２を張り付けていない状態の振動装置１００の平面図であり、図３（Ｂ）は振動フィルム１２を張り付けた状態の振動装置１００の平面図である。なお、図１（Ｂ）は、振動装置１００を筐体２に設置した状態を示し、他の図は、筐体２を省略して示す。また、図１（Ｂ）以外の各図は、回路及び配線を省略して示している。

図１（Ｂ）に示すように、本実施形態の振動装置１００は、振動ユニット１０、及び駆動回路１７を備えている。振動ユニット１０ついては後から詳細に説明するが、振動ユニット１０は駆動回路１７に接続されている。

振動装置１００は、電子機器等の筐体２に設置される。振動装置１００は、筐体２にクッション材４２を介して接続されている。クッション材４２は、筐体２及び振動ユニット１０と比べて外力を受けた時に変形しやすい素材で形成されている。クッション材４２は、筐体２側の変形を吸収する。このため、筐体２側の変形が振動ユニット１０側に伝わり難くなる。従って、クッション材４２は、振動ユニット１０に対する不要な変形を抑制することができる。

図１（Ａ）、図２、図３（Ａ）、及び図３（Ｂ）に示すように、振動ユニット１０は、接続部材１１、振動フィルム１２、振動部１４、支持部１５、及び枠状部材１６を有する。振動ユニット１０は、第１主面１８及び第２主面１９を有している。

枠状部材１６は、平面視した形状が長方形状である。枠状部材１６は、長方形状の開口２０を有する。枠状部材１６は、２つの第１開口２１と、２つの第２開口２２を有する。第１開口２１は、枠状部材１６の長手方向であるＹ方向の両端側に配置されている。第２開口２２は、枠状部材１６の短手方向であるＸ方向の両端側に配置されている。この例では、開口２０は、２つの第２開口２２を含む。第１開口２１は、略長方形状であり、Ｘ方向に沿って長い形状となっている。第２開口２２は、Ｙ方向に沿って長い略長方形状の開口である。また、第２開口２２のＹ方向の両端は、枠状部材１６の中心軸（図中のＩ−Ｉ線）に向かってさらに長方形状に延長されている。

振動部１４は、平面視して長方形状であり、開口２０の内側に配置されている。振動部１４の面積は、開口２０すなわち第２開口２２によって囲まれる面積より大きくなることはない。

支持部１５は、振動部１４と枠状部材１６とを接続する。支持部１５は、振動部１４を枠状部材１６に支持する。この例では、支持部１５は、概ねＸ方向に沿って長い長方形状であり、振動部１４のＹ方向の両端部で、該振動部１４を保持する。支持部１５は、振動フィルム１２が伸縮するＹ方向に直交するＸ方向の長さが、Ｙ方向に沿った長さよりも長い。支持部１５及び支持部１５と枠状部材１６との接続部分については、後で詳細に説明する。

枠状部材１６、振動部１４、及び支持部１５は、同一部材（例えば、アクリル樹脂、ＰＥＴ、ポリカーボネイト、ガラスエポキシ、ＦＲＰ、金属、又はガラス等）で形成されている。金属としては、例えばＳＵＳ（ステインレス鋼材）が挙げられ、必要に応じてポリイミド等の樹脂でコーティングすることにより、絶縁を施したものであってもよい。

枠状部材１６、振動部１４、及び支持部１５は、１枚の長方形状の板部材を、第１開口２１及び第２開口２２の形状に沿って打抜き加工することで形成される。枠状部材１６、振動部１４、及び支持部１５は、それぞれ別の部材であってもよいが、同一部材で形成されることで、容易に製造することができる。又は、同一部材で形成されることで、振動部１４の支持にゴム等の別の部材（クリープ劣化のある部材）を用いる必要がなく、長期間安定して振動部１４を保持することができる。

図３（Ｂ）に示すように、振動フィルム１２は、振動ユニット１０の第１主面１８側に接続される。振動フィルム１２は、接続部材１１を介して、枠状部材１６及び振動部１４に接続される。振動フィルム１２の長手方向の一端は、枠状部材１６のＹ方向の一端に接続される。振動フィルム１２の他端は、振動部１４のＹ方向の一端に接続される。振動部１４のＹ方向の一端は、枠状部材１６のＹ方向の一端とは逆の枠状部材１６の他端側の端である。接続部材１１は、絶縁性で接着性のある素材が使用される。振動フィルム１２は、例えば熱溶着により、接続部材１１を介して枠状部材１６に接続される。

接続部材１１は、平面視して枠状部材１６の短手方向に沿って長い長方形状である。接続部材１１は、ある程度の厚みがあり、振動フィルム１２を振動部１４に接触させないように、ある程度離れた位置で、振動フィルム１２と振動部１４とを接続させる。これにより、振動フィルム１２の両主面に設けられた不図示の電極が振動部１４に接触しないため、振動フィルム１２が伸縮して振動部１４が振動したとしても、電極が削られることがない。

振動フィルム１２は、電圧を加えると面方向に変形することにより振動するフィルムの一例である。振動フィルム１２は、平面視して枠状部材１６の長手方向に沿って長い長方形状である。振動フィルム１２は、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）からなる。他にも、振動フィルム１２は、キラル高分子からなる態様であってもよい。キラル高分子は、例えば、Ｌ型ポリ乳酸（ＰＬＬＡ）又はＤ型ポリ乳酸（ＰＤＬＡ）等を用いる。

振動フィルム１２は、張力をかけられた状態で振動部１４と枠状部材１６とに架け渡されている。張力は、以下に説明するように支持部１５が変形する程度の強さである。振動フィルム１２の張力により、振動部１４はＹ方向へ引っ張られる。振動部１４がＹ方向へ引っ張られると、振動部１４に接続している支持部１５もＹ方向へ引っ張られる。支持部１５は、Ｙ方向へ短くＸ方向へ長い形状である。このため支持部１５は、Ｙ方向へ引っ張られると図３（Ｂ）に示すように変形する。

振動部１４と枠状部材１６との間の所定の箇所の変形について図３（Ａ）及び図３（Ｂ）を比較しながら説明する。振動部１４と枠状部材１６との間が引っ張られていない時、図３（Ａ）に示すように、所定の箇所の長さはＢ１である。これに対して、振動フィルム１２は、張力をかけられた状態で振動部１４と枠状部材１６とに架け渡されると、支持部１５及び振動部１４がＹ方向へ引っ張られる。従って、支持部１５及び振動部１４の位置がＹ方向へ移動する。このとき、枠状部材１６は引っ張られないため、Ｙ方向へ移動しない。従って、図３（Ｂ）に示すように、所定の箇所の長さはＢ２となる。Ｂ２は、Ｂ１に比べて長い。このように、支持部１５は、Ｙ方向へ引っ張られると、振動部１４と枠状部材１６との間の長さが、引っ張られていない時と比べて変化する。すなわち、振動部１４と枠状部材１６との間の間隔は、図３（Ｂ）に示す振動フィルム１２が架け渡された状態と、図３（Ａ）に示す振動フィルム１２が架け渡されていない状態とで、Ｙ方向に対して変化する。

駆動回路１７は、振動フィルム１２に電圧を印加する。振動フィルム１２は、電圧を印加すると面方向に変形する。具体的には、振動フィルム１２は、電圧を印加するとＹ方向に伸縮する。振動フィルム１２がＹ方向に伸縮することにより、振動部１４は、Ｙ方向に振動する。これにより、振動部１４で生じた振動がユーザに伝達される。

図４は、振動フィルム１２を張るときの張力と発生加速度との関係を表すグラフである。グラフについて以下に詳細に説明する。

図４は、支持部１５のバネ定数１３Ｎ／ｍｍ、振動部１４の重さ１０ｇの振動ユニット１０を用いた場合に得られるグラフである。振動フィルム１２は、３０μｍの厚さのＰＶＤＦを用いる。振動ユニット１０は、振動フィルム１２に２００Ｖの電圧を負荷した際に、振動部１４の共振周波数が３３０Ｈｚとなるように設計する。

図４に示すように、振動フィルム１２にかけられている張力が大きいほど、振動部１４から得られる出力加速度が増加する。本実施形態においては、振動フィルム１２は、支持部１５が変形する程度の強い張力がかけられている。振動部１４と枠状部材１６との間とを接続する支持部１５は、弾性変形する。支持部１５は弾性変形しているため、元の形状に戻ろうとする復元力が加わる。このため、支持部１５は、ばねのように機能する。従って、振動部１４は、ばね状の支持部１５に接続されている状態である。このため、振動部１４は、支持部１５が変形する程度の強い張力がかけられていない場合に比べて、大きく振動する。従って、振動装置１００の出力が向上する。

図５（Ａ）は支持部１５及び枠状部材１６の接続部分の一部拡大斜視図であり、図５（Ｂ）は図５（Ａ）の平面図であり、図５（Ｃ）は図５（Ｂ）のさらに一部拡大平面図である。図５（Ａ）は、図３（Ａ）に示す部分ＩＩの拡大斜視図である。図６（Ａ）は、支持部１５の直線部１５１の厚みＴに対する幅Ｗの割合と、支持部１５の塑性変形量との関係を表すグラフである。図６（Ｂ）は、接続部１５３のＹ方向に沿った長さＬ３対する支持部１５の幅Ｗの割合と、支持部１５の塑性変形量との関係を表すグラフである。

図５（Ａ）〜図５（Ｃ）に示すように、支持部１５は、直線部１５１、変化部分１５２、及び接続部１５３を備える。変化部分１５２は、直線部１５１のＸ方向の両端に位置する。支持部１５は、変化部分１５２におけるＸ方向の一端で枠状部材１６に接続している。接続部１５３は、支持部１５と枠状部材１６とが接続する境界の部分である。

直線部１５１は、Ｘ方向に沿って断面が均一な平面視してＹ方向に長い直方体形状である。言い換えると、直線部１５１のＹ方向に沿った長さである幅Ｗは一定である。また、Ｚ方向の長さである厚みＴも一定である。変化部分１５２において、Ｙ方向に沿った長さである幅Ｗは変化する。変化部分１５２の辺は曲線状であり、変化部分１５２の幅Ｗは、枠状部材１６へ向かうにつれＹ方向に広がる。なお、変化部分１５２の辺は、曲線状に限られず、他に直線状、段階的に折れ曲がる形状であってもよい。

振動ユニット１０の出力を向上させるために、振動フィルム１２は大きな張力がかけられた状態で振動ユニット１０に架け渡されている。この時、振動フィルム１２の張力により、支持部１５は、図５（Ａ）に示す矢印５５のようにＹ方向へ引っ張られている。

直線部１５１の幅Ｗ及び厚みＴは、Ｗ／Ｔ＞１（式１）の関係を満たす。この場合、支持部１５に対して矢印５５のような力が負荷されても支持部１５はＹ方向へ沿って曲がり易く弾性的な変形をする。図６（Ａ）に示すように、Ｗ／Ｔの値が大きくなるにつれて、塑性変形量は小さくなる。Ｗ／Ｔ＞１の時、塑性変形量は４０μｍ以下である。このように、幅Ｗ及び厚みＴが式１を満たす場合、塑性変形量が小さく抑制される。

これに対して、幅Ｗが厚みＴ以下であり、式１を満たさない場合、直線部１５１は以下のように変形する。振動フィルム１２は、振動ユニット１０の第１主面１８すなわち振動部１４の第１主面１８に接続されている。このため、振動フィルム１２の張力は、振動部１４の第２主面１９側より第１主面１８側を強く引っ張る。振動部１４が引っ張られることにより、直線部１５１も第２主面１９側より第１主面１８側が強く引っ張られる。これにより、支持部１５に働くＺ方向の上下の力の対称性がくずれ易くなる。このため、支持部１５は、ねじれ易く、Ｙ方向へ沿って変形しにくい。また、支持部１５は、ねじれた状態で大きな力が部分的に付加されることにより塑性変形する。従って、直線部１５１の幅Ｗ及び厚みＴが式１を満たす場合、支持部１５のねじれ又は塑性変形が抑止される。

変化部分１５２の辺５０は、第１端ｄ１と第２端ｄ２とを有する。第１端ｄ１は直線部１５１との接点であり、第２端ｄ２は枠状部材１６との接点である。図５（Ｃ）に示す長さＬ１は、変化部分１５２の辺５０における第１端ｄ１から第２端ｄ２までの長さである。第１端ｄ１から直線部１５１の辺を枠状部材１６の辺まで延長した線分が第１線分５１である。言い換えると、第１線分５１は、直線部１５１の辺の延長と枠状部材１６の辺の延長との交点ｄ３から第１端ｄ１までの線分である。第１線分５１の長さは、Ｌ０１である。

第２端ｄ２から枠状部材１６の辺に沿って第１線分５１まで延長した線分が第２線分５２である。言い換えると、第２線分５２は、交点ｄ３から第２端ｄ２までの線分である。第２線分５２の長さは、Ｌ０２である。第１線分５１の長さＬ０１と第２線分５２の長さＬ０２との和をＬ０とする。

変化部分１５２の辺５０の長さＬ１及びＬ０は、Ｌ１／Ｌ０＜０．９（式２）の関係を満たす。Ｌ１／Ｌ０が０．９以上の時、例えば変化部分１５２の辺５０が第１線分５１及び第２線分５２に近づく形状であると、Ｌ１／Ｌ０は１に近くなる。この場合、支持部１５に対して矢印５５のような力が負荷されると、変化部分１５２には力が集中する部分が生じやすくなる。変化部分１５２の辺は交点ｄ３において、Ｙ方向へ沿った直線からＸ方向へ沿った直線へと変化する。このため、交点ｄ３からＸ方向へ沿った直線側には急激な力が加わる。従って、支持部１５のねじれ又は塑性変形が生じやすくなる。

これに対して、Ｌ１／Ｌ０＜０．９の時、例えば辺５０が直線のときであって、第１線分５１の長さＬ０１と第２線分５２の長さＬ０２が同一の長さである場合、Ｌ１／Ｌ０は概ね０．７である。この場合、支持部１５に対して矢印５５のような力が負荷されても、変化部分１５２には力が集中する部分が生じにくい。辺５０は、Ｙ方向へ沿った直線からＹ方向及びＸ方向へ対して４５°の角度をなす方向に沿っている。すなわち、辺５０は、第２端ｄ２において急激に向きが変化していない。また、図５（Ｃ）に示すような場合も、辺５０は、第２端ｄ２において急激に向きが変化していない。このため、支持部１５に対して矢印５５のような力が負荷されても、第２端ｄ２において支持部１５に急激な力が加わることはない。従って、Ｌ１／Ｌ０が０．９より小さい場合、支持部１５はねじれ又は塑性変形が抑止される。

直線部１５１の幅Ｗ及び接続部１５３のＹ方向に沿った長さＬ３は、Ｗ／Ｌ３＜０．９（式３）の関係を満たす。図６（Ｂ）に示すように、Ｗ／Ｌ３の値が小さくなるにつれて、塑性変形量は小さくなる。Ｗ／Ｌ３＜０．９の時、塑性変形量は１１０μｍ以下である。このように、幅Ｗ及び厚みＴが式３を満たす場合、塑性変形量が小さく抑制される。従って、支持部１５は、ねじれ又は塑性変形が抑止される。これに対して、Ｗ／Ｌ３が０．９以上の場合、すなわち辺５０が曲線であっても、直線部１５１の幅Ｗと接続部１５３の長さＬ３の差が小さい場合、支持部１５の塑性変形量は増大する。このため、Ｗ／Ｌ３が０．９以上の場合、支持部１５のねじれ又は塑性変形が生じやすくなる。従って、直線部１５１の幅Ｗ及び接続部１５３のＹ方向に沿った長さＬ３が式３を満たす場合、支持部１５のねじれ又は塑性変形が抑止される。

次に、実施例について説明する。振動ユニット１０において直線部１５１、変化部分１５２、及び接続部１５３は、以下の条件で形成した。

・直線部１５１の幅Ｗ：０.８ｍｍ
・直線部１５１の厚みＴ：０.５ｍｍ
・変化部分１５２の辺５０の長さＬ１：０．７８（π／４）ｍｍ
・変化部分１５２の第１線分５１の長さＬ０１：０．５ｍｍ
・変化部分１５２の第２線分５２の長さＬ０２：０．５ｍｍ
上記条件から、以下の長さが求められる。

・変化部分１５２の長さＬ０（Ｌ０１＋Ｌ０２）：１ｍｍ
・接続部１５３の長さＬ３（Ｗ＋Ｌ０２×２）
振動ユニット１０において、上記条件を式１〜式３に当てはめる。

・Ｗ／Ｔ＝０.８／０.５＝１．６＞１であるため、式１を満たす。

・Ｌ１／Ｌ０＝０．７８／１＝０．７８＜０．９であるため、式２を満たす。

・Ｗ／Ｌ３＝０.８／１.８＝０．４４＜０．９であるため、式３を満たす。

実施例に係る振動ユニット１０において、支持部１５のねじれ又は塑性変形が発生しないことが確認された。従って、振動ユニット１０の直線部１５１、変化部分１５２、及び接続部１５３を式１〜式３に該当する条件で設計することにより、支持部１５のねじれ又は塑性変形が抑止されることが確認された。

最後に、本実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０…振動ユニット
１２…振動フィルム
１４…振動部
１５…支持部
１６…枠状部材
１７…駆動回路
１８…第１主面
１９…第２主面
５０…辺
５１…第１線分
５２…第２線分
１００…振動装置
１５１…直線部
１５２…変化部分
１５３…接続部
ｄ１…第１端
ｄ２…第２端
ｄ３…交点
Ｌ０…長さ（第１線分と第２線分との和）
Ｌ０１…長さ（第１線分の長さ）
Ｌ０２…長さ（第２線分の長さ）
Ｌ１…長さ（変化部分における辺の長さ）
Ｌ３…長さ（接続部の第１方向に沿った長さ）
Ｔ…直線部の厚み
Ｗ…直線部の幅

Claims

平板状の振動部と、
前記振動部を取り囲む枠状部材と、
前記振動部と前記枠状部材とを接続する支持部と、
張力をかけた状態で前記振動部と、前記枠状部材を架け渡し、面方向に振動する振動フィルムと、を備える振動装置であって、
前記振動部と前記枠状部材との間の間隔は、前記振動フィルムが架け渡された状態と、前記振動フィルムが架け渡されていない状態とで、前記振動フィルムが振動する方向である第１方向に対して変化する、
振動装置。
前記支持部は、前記第１方向に沿った長さである幅Ｗが一定であり、かつ前記面方向に直交する第２方向の長さである厚みＴが一定である直線部を有し、
前記Ｗ及び前記Ｔが以下の関係を満たす、
Ｗ／Ｔ＞１
請求項１に記載の振動装置。
前記支持部は、前記第１方向に沿った長さである幅Ｗが一定の直線部と、前記幅Ｗが変化する変化部分と、を有し、
平面視して前記変化部分の辺の第１端から前記直線部の辺を前記枠状部材の辺まで延長した第１線分と、前記変化部分の第２端から前記枠状部材の辺に沿って前記第１線分まで延長した第２線分と、の長さの和であるＬ０、及び前記変化部分の辺の長さＬ１が、以下の関係を満たす、
Ｌ１／Ｌ０＜０．９
請求項１に記載の振動装置。
前記支持部は、前記第１方向に沿った長さである幅Ｗが一定の直線部と、前記幅Ｗが変化する変化部分と、前記枠状部材に接続される接続部と、を有し、
前記幅Ｗ、及び前記接続部の前記第１方向に沿った長さＬ３が、以下の関係を満たす、
Ｗ／Ｌ３＜０．９
請求項１に記載の振動装置。