JP7504400B2 - Vibration transmission structure of vibration display element - Google Patents
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Description
本発明は、振動提示素子の振動伝達構造に関する。 The present invention relates to a vibration transmission structure for a vibration presentation element.
近年、タブレット端末、ゲーム用コントローラ、機器の遠隔操作のフィードバック機構等、振動を伝達して人の触覚を刺激するハプティクスデバイスが、広く知られている。例えば、特許文献１には、タッチパネルの端部に振動モーターを配置し、タッチパネル全体を略均一な振動量で振動させる構成が開示されている。 In recent years, haptic devices that transmit vibrations to stimulate a person's sense of touch, such as tablet terminals, game controllers, and feedback mechanisms for remote control of equipment, have become widely known. For example, Patent Document 1 discloses a configuration in which a vibration motor is placed at the edge of a touch panel, and the entire touch panel is vibrated with a substantially uniform vibration amount.
しかしながら、現状広く用いられている振動素子であるモーターは、そのサイズや重さの観点から、振動素子を組み込む機器の大きさが制限されてしまう。これに対して、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）デバイス作製技術で製造された圧電型のアクチュエータを用いると、小型の装置にも振動素子を組み込むも考えられるが、大きな振動提示効果を得るには、印可電圧を大きく（例えば数十Ｖ程度）する必要がある、という問題があった。 However, the size and weight of motors, which are currently widely used vibration elements, limits the size of the equipment into which they can be incorporated. In contrast, if a piezoelectric actuator manufactured using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) device manufacturing technology is used, it may be possible to incorporate vibration elements into small devices, but there is a problem in that a large applied voltage (for example, several tens of volts) is required to achieve a large vibration presentation effect.
上記のような問題点に鑑み、本発明は、振動提示素子の小型化、薄型化、及び低電圧化を実現しつつ、大きな振動提示効果を得ることができる技術を提供することを目的とする。 In view of the above problems, the present invention aims to provide a technology that can achieve a large vibration presentation effect while realizing a vibration presentation element that is small, thin, and operates at a low voltage.
上記の課題を解決するため、本発明に係る振動提示素子の振動伝達構造は、
圧電効果によって振動を発生させる複数の薄膜型圧電アクチュエータ素子と、
前記薄膜型圧電アクチュエータ素子から発生する振動で励振される振動板と、
前記振動板と一の前記薄膜型圧電アクチュエータ素子、及び、前記薄膜型圧電アクチュエータ素子同士、を接着する複数の接着剤層と、を有しており、
前記薄膜型圧電アクチュエータ素子と前記接着剤層による積層構造を有する、
ことを特徴とする。
In order to solve the above problems, the vibration transmission structure of the vibration presentation element according to the present invention comprises:
a plurality of thin-film piezoelectric actuator elements that generate vibrations by the piezoelectric effect;
a vibration plate excited by vibration generated by the thin-film piezoelectric actuator element;
a plurality of adhesive layers that bond the vibration plate to one of the thin-film piezoelectric actuator elements, and to each other of the thin-film piezoelectric actuator elements;
a laminated structure including the thin-film piezoelectric actuator element and the adhesive layer;
It is characterized by:
このような構成であると、各薄膜型圧電アクチュエータ素子への印可電圧は小さくとも、複数の薄膜型圧電アクチュエータ素子から発生する振動が重畳して振動板に伝達されるため、振動板の振動を大きなものにすることができる。また、接着剤層を介して薄膜型圧電アクチュエータ素子が積層されているため、接着剤層の物性値及び／又は形状を調整することにより、振動をより効率よく伝達することが可能になる。 With this configuration, even if the voltage applied to each thin-film piezoelectric actuator element is small, the vibrations generated by multiple thin-film piezoelectric actuator elements are superimposed and transmitted to the diaphragm, making it possible to increase the vibration of the diaphragm. In addition, because the thin-film piezoelectric actuator elements are stacked via an adhesive layer, it is possible to transmit the vibrations more efficiently by adjusting the physical properties and/or shape of the adhesive layer.
なお、前記積層構造においては、振動提示素子の振動伝達構造は、一の前記薄膜型圧電アクチュエータ素子と一の前記接着剤層との組み合わせを一層とする振動層が、複数積層されている構造であってもよい。 In addition, in the laminated structure, the vibration transmission structure of the vibration presentation element may be a structure in which multiple vibration layers, each of which is a combination of one of the thin-film piezoelectric actuator elements and one of the adhesive layers, are laminated.
また、前記接着剤層の物性値、及び／又は、形状が、複数の前記接着剤層で異なっていてもよい。このような構成であると、各接着剤層の物性値、形状を、振動板に対する接着
剤層の位置、薄膜型圧電アクチュエータへの印可電圧などに応じて、振動板をより大きく振動させるために最適化することができる。具体的には、例えば、前記接着剤層の硬度が、複数の前記接着剤層で異なっていてもよいし、前記接着剤層の厚さが、複数の前記接着剤層で異なっていてもよい。
In addition, the physical properties and/or shapes of the adhesive layers may be different among the multiple adhesive layers. With this configuration, the physical properties and shapes of each adhesive layer can be optimized to make the diaphragm vibrate more greatly depending on the position of the adhesive layer relative to the diaphragm, the voltage applied to the thin-film piezoelectric actuator, etc. Specifically, for example, the hardness of the adhesive layer may be different among the multiple adhesive layers, and the thickness of the adhesive layer may be different among the multiple adhesive layers.
また、前記振動板は、前記積層構造における端部の接着剤層によって、一の前記薄膜型圧電アクチュエータ素子と接着されており、より前記振動板に近い側に位置する前記接着剤層の方が、他の前記接着剤層よりも、硬度が硬く、厚さが薄い、ものであってもよい。このような構成であると、振動板への振動をより効果的に伝えることができる。 The diaphragm may be bonded to one of the thin-film piezoelectric actuator elements by an adhesive layer at an end of the laminated structure, and the adhesive layer located closer to the diaphragm may be harder and thinner than the other adhesive layers. With this configuration, vibrations can be transmitted to the diaphragm more effectively.
また、前記薄膜型圧電アクチュエータ素子への印可電圧が、複数の前記薄膜型圧電アクチュエータ素子で異なっていてもよい。このような構成であると、振動板に対する位置、接着剤層の物性値・形状などに応じて、各薄膜型圧電アクチュエータ素子への印可電圧を調節することで、各薄膜型圧電アクチュエータ素子の振動周波数、振幅を、最適化し、振動板をより効率よく振動させることができる。 The voltage applied to the thin-film piezoelectric actuator element may be different for each of the thin-film piezoelectric actuator elements. With this configuration, the voltage applied to each thin-film piezoelectric actuator element can be adjusted according to its position relative to the diaphragm, the physical properties and shape of the adhesive layer, etc., thereby optimizing the vibration frequency and amplitude of each thin-film piezoelectric actuator element and allowing the diaphragm to vibrate more efficiently.
また、前記振動板の形状は、反りを有する形状であってもよい。このような構成とすることで、曲面を有する部位にも振動提示素子を配置することができ、ハプティクスデバイスの設計の自由度を高くすることが可能になる。 The diaphragm may also have a curved shape. This configuration allows the vibration presentation element to be placed on a curved surface, allowing for greater freedom in the design of the haptic device.
本発明によれば、振動提示素子の小型化、薄型化、及び低電圧化を実現しつつ、大きな振動提示効果を得ることができる技術を提供することができる。 The present invention provides a technology that can achieve a large vibration presentation effect while realizing a vibration presentation element that is small, thin, and operates at a low voltage.
以下、本発明を適用した実施形態の一例について図面に基づいて説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。 Below, an example of an embodiment to which the present invention is applied is described with reference to the drawings. However, unless otherwise specified, the dimensions, materials, shapes, relative positions, etc. of the components described in this embodiment are not intended to limit the scope of the invention to those alone.
＜実施形態＞
図１は、本実施形態に係る振動提示素子１の概略を示す図である。振動提示素子１は、概略、振動板１００と、薄膜型圧電アクチュエータ素子１２、２２、３２と、接着剤層１１、２１、３１とを備える振動伝達構造を有する構成となっている。
<Embodiment>
1 is a diagram showing an outline of a vibration presentation element 1 according to the present embodiment. The vibration presentation element 1 is generally configured to have a vibration transmission structure including a
各薄膜型圧電アクチュエータ素子１２、２２、３２は、半導体プロセスによって形成される極薄型のＭＥＭＳデバイスであり、全体の厚みは５μｍ程度である。図２に、薄膜型圧電アクチュエータ素子１２の概略構成を示す。ただし、薄膜型圧電アクチュエータ素子２２、３２も、基本的にこれと同一の構成となっている。
Each thin-film
図２に示すように、薄膜型圧電アクチュエータ素子１２は、シリコン（Ｓｉ）からなる基部９１と、例えばプラチナ（Ｐｔ）電極からなる電極層９２、９４と、例えばチタン酸
ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体層９３と、例えば二酸化ケイ素（ＳＩＯ２）からなる、絶縁層９５を備える構成となっている。また、薄膜型圧電アクチュエータ素子１２はＭＥＭＳデバイスであるため、基部９１上には図示しない半導体回路が作り込まれており、この半導体回路は、必要に応じて、集積回路等の能動素子、コンデンサ、インダクタ、配線等の回路要素を備えていてもよい。
2, the thin-film
各薄膜型圧電アクチュエータ素子１２、２２、３２は、電圧が印可されることによって圧電効果により振動を発生させ、当該振動が振動板１００に伝達されることによって振動板１００により振動が提示される。
When a voltage is applied to each thin-film
接着剤層１１は振動板１００と薄膜型圧電アクチュエータ素子１２とを接着する接着剤からなる層である。また、接着剤層２１は薄膜型圧電アクチュエータ素子１２と、薄膜型圧電アクチュエータ素子２２とを接着する接着剤からなる層である。また、接着剤層３１は薄膜型圧電アクチュエータ素子２２と、薄膜型圧電アクチュエータ素子３２とを接着する接着剤からなる層である。
The
各接着剤層１１、２１、３１は、各薄膜型圧電アクチュエータ素子１２、２２、３２が発生させる振動を効果的に振動板１００へ伝達するように、その物性値、形状が最適刺される。具体的には、例えば、接着剤層１１は、接着剤層２１よりも、硬く、かつ、薄く形成され、接着剤層２１は、接着剤層３１よりも、硬く、かつ、薄く形成されている。
The physical properties and shape of each of the
また、本実施形態に係る振動提示素子１は、図１に示すように、接着剤層１１と薄膜型圧電アクチュエータ素子１２とは、１組で振動層１０を形成している。同様に、接着剤層２１と薄膜型圧電アクチュエータ素子２２とが振動層２０、接着剤層３１と薄膜型圧電アクチュエータ素子３２とが、振動層３０を形成している。
As shown in FIG. 1, in the vibration presentation element 1 according to this embodiment, the
このように、複数の振動層１０、２０、３０が積層されていることによって、振動板１００に伝達される振動による振動板１００の変位を大きくすることが可能になる。図３に振動層の数の異なる複数の振動提示素子において、振動板の変位がそれぞれどうなるかをシミュレーションした際のデータを示す。
In this way, by stacking
なお、シミュレーションに用いた各振動提示装置の薄膜型圧電アクチュエータ素子の厚さは、全て６．５μｍであり、接着剤層は全て１００μｍである。また、シミュレーションの際の各薄膜型圧電アクチュエータ素子への印可電圧は５Ｖで統一した。 The thickness of the thin-film piezoelectric actuator elements of each vibration presentation device used in the simulation was 6.5 μm, and the adhesive layers were all 100 μm. The voltage applied to each thin-film piezoelectric actuator element during the simulation was standardized to 5 V.
図３に示すように、振動層の数が１層のみ、即ち積層されていない振動提示素子のモデルでは、振動板のＺ軸最大変位量は２．７１μｍであるが、２層に積層したモデルでは、振動板のＺ軸最大変位量は４．６３μｍであり、変位量が１．７１倍になることがわかる。さらに、振動層を３層積層した振動提示素子のモデルでは、振動板のＺ軸最大変位量は５．８６μｍであり、１層のモデルと比較すると２．１６倍となることがわかる。 As shown in Figure 3, in a model of a vibration presentation element with only one vibration layer, i.e., no stacking, the maximum Z-axis displacement of the diaphragm is 2.71 μm, whereas in a model with two stacked layers, the maximum Z-axis displacement of the diaphragm is 4.63 μm, which is 1.71 times the displacement. Furthermore, in a model of a vibration presentation element with three stacked vibration layers, the maximum Z-axis displacement of the diaphragm is 5.86 μm, which is 2.16 times larger than the model with one layer.
以上のように、実施形態に係る振動提示素子１の振動伝達構造によれば、極薄（例えば、３２０μｍ程度）の振動層の積層構造で印可電圧を抑えながらも（例えば５Ｖ）、大きな振動提示効果を得ることができる。 As described above, the vibration transmission structure of the vibration presentation element 1 according to the embodiment can achieve a large vibration presentation effect while suppressing the applied voltage (e.g., 5 V) with a laminated structure of extremely thin (e.g., about 320 μm) vibration layers.
なお、薄膜型圧電アクチュエータ素子１２、２２、３２への印可電圧は５Vに限定され
るわけではなく、薄膜型圧電アクチュエータ素子のそれぞれで、印可電圧が異なるような構成としてもよい。例えば、振動板１００からは遠い位置にある薄膜型圧電アクチュエータ素子３２は低い周波数で振動し、振動板１００から近い位置にある薄膜型圧電アクチュエータ素子１２については高い周波数で振動するように、各薄膜型圧電アクチュエータ素
子への印可電圧を調整することができる。あるいは、振動板１００からは遠い位置にある薄膜型圧電アクチュエータ素子３２は高い電圧（大きな振幅）で振動し、振動板１００から近い位置にある薄膜型圧電アクチュエータ素子１２については低い電圧（小さな振幅）で振動するように、各薄膜型圧電アクチュエータ素子への印可電圧を調整することができる。
The voltage applied to the thin film
＜変形例＞
なお、上記の実施形態に係る振動提示素子１は、本発明を例示的に説明するものに過ぎず、本発明は上記の具体的な形態には限定されない。本発明は、その技術的思想の範囲内で種々の変形が可能である。例えば、上記の実施形態に係る振動提示素子１は、平坦な構造の振動板１００に対して、振動層が３層積層された一つの積層構造を有する構成であったが、本発明はこのような構成に限定されない。図４に、振動提示素子１の変形例を複数示す。
<Modification>
In addition, the vibration presentation element 1 according to the above embodiment merely exemplifies the present invention, and the present invention is not limited to the above specific form. The present invention can be modified in various ways within the scope of its technical concept. For example, the vibration presentation element 1 according to the above embodiment has a structure in which three vibration layers are laminated on the
例えば、図４Ａに示すように、振動提示素子の積層数は３層に限定されるわけではなく、２層としてもよい。また、積層数を４層以上とすることも可能である。 For example, as shown in FIG. 4A, the number of layers of the vibration presentation element is not limited to three, but may be two. It is also possible to have four or more layers.
また、図４Ｂに示すように、振動提示素子の振動板の形状を、反りのある（即ち曲面を有する）形状とし、当該反りの曲面に沿って、振動層を積層するような構成であっても構わない。このような構成によれば、振動提示素子を搭載するハプティクスデバイスの設計の自由度を高くすることが可能になる。 Also, as shown in FIG. 4B, the vibration plate of the vibration presentation element may be configured to have a warped (i.e., curved) shape, and the vibration layer may be laminated along the curved surface of the warp. This configuration allows for greater freedom in designing a haptic device incorporating a vibration presentation element.
また、図４Ｃに示すように、一つの振動板に対して、アレイ状に複数の積層構造を設ける構成とすることもできる。このようにアレイ状に薄膜型圧電アクチュエータ素子の積層構造を配置することで、複雑な振動の提示を行うことも可能になる。 Also, as shown in Figure 4C, a single diaphragm can be configured with multiple laminated structures arranged in an array. By arranging the laminated structures of thin-film piezoelectric actuator elements in an array in this way, it becomes possible to present complex vibrations.
１・・・振動提示素子
１０、２０、３０・・・振動層
１１、２１、３１・・・接着剤層
１２、２２、３２・・・薄膜型圧電アクチュエータ素子
９１・・・基部
９２、９４・・・電極層
９３・・・圧電体層
９５・・・絶縁層
REFERENCE SIGNS LIST 1:
Claims (6)
前記薄膜型圧電アクチュエータ素子から発生する振動で励振される振動板と、
前記振動板と一の前記薄膜型圧電アクチュエータ素子、及び、前記薄膜型圧電アクチュエータ素子同士、を接着する複数の接着剤層と、を有し、
前記薄膜型圧電アクチュエータ素子と前記接着剤層による積層構造を有しており、
前記接着剤層の厚さが、前記薄膜型圧電アクチュエータ素子のそれぞれが発生させる振動を効果的に前記振動板へ伝達するように複数の前記接着剤層で異なって構成される、
ことを特徴とする、振動提示素子の振動伝達構造。 a plurality of thin-film piezoelectric actuator elements that generate vibrations by the piezoelectric effect;
a vibration plate excited by vibration generated by the thin-film piezoelectric actuator element;
a plurality of adhesive layers that bond the vibration plate to one of the thin-film piezoelectric actuator elements, and to each other of the thin-film piezoelectric actuator elements ;
a laminated structure including the thin-film piezoelectric actuator element and the adhesive layer;
the thickness of the adhesive layer is different among the plurality of adhesive layers so as to effectively transmit vibrations generated by each of the thin-film type piezoelectric actuator elements to the vibration plate;
A vibration transmission structure for a vibration presentation element, comprising:
ことを特徴とする、請求項１に記載の振動提示素子の振動伝達構造。 In the laminated structure, a vibration layer, in which one of the thin film type piezoelectric actuator elements and one of the adhesive layers is combined to form one layer, is laminated in a plurality of layers.
The vibration transmission structure of the vibration presentation element according to claim 1 .
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載の振動提示素子の振動伝達構造。 The hardness of the adhesive layer is different among the plurality of adhesive layers.
3. The vibration transmission structure of the vibration presentation element according to claim 1 or 2 .
前記薄膜型圧電アクチュエータ素子から発生する振動で励振される振動板と、
前記振動板と一の前記薄膜型圧電アクチュエータ素子、及び、前記薄膜型圧電アクチュエータ素子同士、を接着する複数の接着剤層と、を有し、
前記薄膜型圧電アクチュエータ素子と前記接着剤層による積層構造を有しており、
前記振動板は、前記積層構造における端部の前記接着剤層によって、一の前記薄膜型圧電アクチュエータ素子と接着されており、より前記振動板に近い側に位置する前記接着剤層の方が、他の前記接着剤層よりも、硬度が硬く、厚さが薄い、ものである、
ことを特徴とする、振動提示素子の振動伝達構造。 a plurality of thin-film piezoelectric actuator elements that generate vibrations by the piezoelectric effect;
a vibration plate excited by vibration generated by the thin-film piezoelectric actuator element;
a plurality of adhesive layers that bond the vibration plate to one of the thin-film piezoelectric actuator elements, and to each other of the thin-film piezoelectric actuator elements;
a laminated structure including the thin-film piezoelectric actuator element and the adhesive layer;
The vibration plate is bonded to one of the thin-film type piezoelectric actuator elements by the adhesive layer at an end of the laminated structure , and the adhesive layer located closer to the vibration plate has a higher hardness and a smaller thickness than the other adhesive layer.
A vibration transmission structure for a vibration presentation element, comprising:
ことを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の振動提示素子の振動伝達構造。 The voltages applied to the thin film type piezoelectric actuator elements are different for the plurality of thin film type piezoelectric actuator elements.
The vibration transmission structure of the vibration presentation element according to claim 1 .
ことを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の振動提示素子の振動伝達構造。 The shape of the diaphragm is a warped shape.
The vibration transmission structure of the vibration presentation element according to claim 1 .
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