JP7013767B2

JP7013767B2 - 振動ユニット

Info

Publication number: JP7013767B2
Application number: JP2017183975A
Authority: JP
Inventors: 敦江澤; 拓人堀井; 温子村越
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2017-09-25
Filing date: 2017-09-25
Publication date: 2022-02-01
Anticipated expiration: 2037-09-25
Also published as: US20200295676A1; WO2019059101A1; US11323046B2; CN111033775A; CN111033775B; JP2019062025A

Description

本発明は、振動ユニットに関する。

従来より、圧電素子を繰り返し伸縮させて、その伸縮を振動に変換する技術が知られている。下記引用文献１には、オーバーレイを指で押下した際の圧力を検知するとともに、オーバーレイに触知可能な振動を生じさせるシート状の圧電素子を備えた振動ユニットが開示されている。本文献に開示された振動ユニットでは、指で押下されるオーバーレイの表面の反対面に、オーバーレイに近い順に、圧電素子、ディスク、回路基板が配置されている。また、回路基板には、圧電素子の伸縮に起因するディスクの厚さ方向の変位（屈曲）を許容する円形開口部が設けられている。

特表２０１５－５２７７２４号公報

発明者らは、振動ユニットを小型化するための研究を重ね、振動ユニットを薄くすることで小型化することができる技術を新たに見出した。

本発明は、小型化が図られた振動ユニットを提供することを目的とする。

本発明の一形態に係る振動ユニットは、板状の第１ケース部と、該第１ケース部に対して平行に延在する板状の第２ケース部と、第１ケース部の第２ケース部側に配置されるとともに第１ケース部の厚さ方向に振動可能な振動デバイスとを備え、振動デバイスが、一方の主面が第１ケース部に接する振動板と、該振動板の他方の主面に配置されるとともに振動板の面方向に伸縮可能なシート状の圧電素子とを有し、第２ケース部には、振動板の他方の主面と接しない穴部が設けられており、振動板は、第１ケース部の厚さ方向から見て穴部の縁部よりも外側に位置する被支持部を有し、該被支持部において振動板が第２ケース部に支持されており、第１ケース部の厚さ方向から見て、圧電素子の全ての外縁が穴部の縁部よりも内側に存在し、かつ、第１ケース部の厚さ方向において穴部の内部空間に圧電素子の少なくとも一部が入り込んでいる。

上記振動ユニットにおいては、振動デバイスの振動板の一方の主面が第１ケース部に接しており、かつ、振動板の他方の主面に配置された圧電素子の少なくとも一部が、振動板を支持する第２ケース部の穴部の内部空間に入り込んでいる。それにより、振動ユニットの薄化を図り小型化を実現することができる。

他の形態に係る振動ユニットは、第１ケース部の第２ケース部側に複数の振動デバイスが配置されており、第２ケース部には、複数の振動デバイスそれぞれに対応する複数の穴部が設けられている。この場合、複数の振動デバイスを備えた振動ユニットにおいて小型化を実現することができる。

他の形態に係る振動ユニットは、複数の振動デバイスの各振動板が長辺および短辺を有する長方形の板状であって、各振動板は長辺方向が同一方向に向けられており、複数の振動デバイスは、振動板の長辺方向に沿って並ぶ列を少なくとも１列構成しており、各振動板の短辺部分が、被支持部として第２ケース部に支持されている。この場合、複数の振動デバイスが整列された振動ユニットにおいて、複数の振動デバイスの振動板の振動が互いに影響し合うことを抑制することができる。

他の形態に係る振動ユニットは、複数の振動デバイスの各振動板が、互いに平行な一対の第１の辺と、第１の辺とは異なる一対の第２の辺とを有する正方形の板状であって、複数の振動デバイスが、第１の辺に平行な第１方向および第２の辺に平行な第２方向に沿ってマトリクス状に配置されており、複数の振動デバイスは、第１方向および第２方向において、振動板の第１の辺の部分のみが被支持部として第２ケース部に支持された第１の振動デバイスと、振動板の第２の辺の部分のみが被支持部として第２ケース部に支持された第２の振動デバイスとが隣り合っている。この場合、複数の振動デバイスが整列された振動ユニットにおいて、複数の振動デバイスの振動板の振動が互いに影響し合うことを抑制することができる。

他の形態に係る振動ユニットは、振動板の被支持部と第２ケース部との間に介在する支持部材をさらに備える。この場合、振動板に生じた振動が支持部材において減衰されることで、振動板から第２ケース部に伝わる振動を抑制することができる。

他の形態に係る振動ユニットは、第１ケース部と第２ケース部との間に介在し、第１ケース部と第２ケース部とを接着固定する接着部をさらに備える。この場合、第１ケース部と第２ケース部との相対的な位置ずれが抑制される。

他の形態に係る振動ユニットは、第１ケース部の弾性係数が第２ケース部の弾性係数よりも低い。この場合、第１ケース部に十分な撓み量が生じるとともに、振動デバイスの振動が第１ケース部に効率良く伝わる。

本発明によれば、小型化が図られた振動ユニットが提供される。

図１は、実施形態に係る振動ユニットの裏面を示した概略斜視図である。図２は、図１に示した振動ユニットの分解斜視図である。図３は、図１の示した振動ユニットの表面を示した概略斜視図である。図４は、図３の振動ユニットのＩＶ－ＩＶ線断面図である。図５は、図３の振動ユニットのＶ－Ｖ線断面図である。図６は、図５の要部拡大図である。図７は、異なる形態の振動ユニットを示した断面図である。図８は、異なる形態の振動ユニットを示した概略斜視図である。

以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、同一又は同等の要素については同一の符号を付し、説明が重複する場合にはその説明を省略する。

まず、実施形態に係る振動ユニット１０の全体構成について、図１～３を参照しつつ説明する。

振動ユニット１０は、板状の第１ケース部材（第１ケース部）２０を備えている。第１ケース部材２０は、一方の主面２０ａがたとえば人間の指等で接触可能な状態で構成されている。第１ケース部材２０の一方の主面２０ａには、図３に示すように、複数の接触領域２２が設けられている。本実施形態では、第１ケース部材２０の主面２０ａに、正方形状の９つの接触領域２２が３行３列のマトリクス状に配置されている。第１ケース部材２０は、接触領域２２に接触したときに十分な撓み変形が生じる程度に、比較的低い弾性係数を有している。第１ケース部材２０は、たとえばポリカーボネート等の樹脂材料で構成することができる。

以下、説明の便宜上、第１ケース部材２０の主面２０ａの接触領域２２の並び方向のうちの一方をＸ方向、他方をＹ方向と称し、第１ケース部材２０の厚さ方向をＺ方向と称す。

振動ユニット１０は、板状の第２ケース部材（第２ケース部）４０を備えている。第２ケース部材４０は、第１ケース部材２０と所定距離だけ離間して、第１ケース部材２０に対して平行に延在している。第２ケース部材４０には、第１ケース部材２０の各接触領域２２に対応する領域が開口されており、開口された部分が貫通孔（穴部）４２となっている。すなわち、各貫通孔４２は、接触領域２２同様、Ｚ方向から見て正方形状を呈しており、複数の貫通孔４２は３行３列のマトリクス状に配置されている。第２ケース部材４０は、たとえばアクリル等の樹脂材料で構成することができる。

第１ケース部材２０の第２ケース部材４０側には、複数の振動デバイス３６が配置されている。本実施形態では、上記接触領域２２および貫通孔４２に対応する位置に、９つの振動デバイス３６が配置されている。すなわち、９つの振動デバイス３６は、３行３列のマトリクス状に配置されている。各振動デバイス３６は、圧電素子３２と振動板３４とで構成されている。

振動板３４は、長辺および短辺を有する長方形の板状部材である。振動板３４は、たとえばニッケル合金やステンレス鋼で構成することができる。振動板３４の一方の主面３４ａは、その全面が、第１ケース部材２０の第２ケース部材４０側の主面２０ｂに直接接している。振動板３４の他方の主面３４ｂには圧電素子３２が接着されている。

複数の振動板３４は、図２に示すように、いずれも長辺方向が同一方向、すなわちＸ方向を向くように配置されている。各振動板３４は、図４に示すように、その短辺長さｄ１が貫通孔４２の正方形の一辺の長さＬより短くなるように設計されており、かつ、図５に示すように、その長辺長さｄ２が貫通孔４２の正方形の一辺の長さＬより長くなるように設計されている。そのため、各振動板３４の短辺部分３５は、Ｚ方向から見て貫通孔４２の縁部４２ａよりも外側に位置し、第２ケース部材４０によって支持される被支持部となっている。各振動板３４は、振動板３４の両方の短辺部分３５のみにおいて貫通孔４２の縁部４２ａと対面する。そして、振動板３４の両方の短辺部分３５それぞれに、第２ケース部材４０と接着するための第１接着部（支持部材）３８が設けられている。第１接着部３８は、たとえば両面テープや、紫外線硬化型接着剤等の接着材料で構成されている。

また、第１ケース部材２０と第２ケース部材４０は、所定距離だけ離間されて、第２接着部（接着部）５０により接着固定されている。第２接着部５０により、第１ケース部材２０と第２ケース部材４０との相対的な位置ずれが抑制されている。もし第１ケース部材２０と第２ケース部材４０とが離間しておらず部分的にまたは全体的に密着していると、第１ケース部材２０の変位（指等で押下されたときの撓みや振動板３４から伝わる振動）が妨げられ得る。第２接着部５０は、たとえばたとえば両面テープや、紫外線硬化型接着剤等の接着材料で構成されている。第２接着部５０は、たとえば貫通孔４２周りに形成され得る。第２接着部５０は、振動デバイス３６の振動板３４の振動を阻害しないように、振動板３４とは離間して形成される。

圧電素子３２は、正方形シート状を有している。圧電素子３２は、振動板３４の中央位置、すなわち振動板３４の長辺方向および短辺方向において中間の位置に配置されている。また、圧電素子３２は、Ｚ方向から見て、全ての外縁が貫通孔４２の縁部４２ａよりも内側に存在している。各圧電素子３２は、図示しない板状の圧電体と一対の外部電極とで構成されている。一対の外部電極は、たとえばＺ方向において対面するように設けることができる。各圧電素子３２は、圧電体に屈曲等の変位が生じたときの起電力に伴って一対の外部電極間に電位差を生じさせるとともに、一対の外部電極間に所定の電圧を印加したときに面方向（Ｘ－Ｙ面に平行な方向）に伸縮する。圧電体は、圧電体層の単層構造とすることができ、圧電体層と内部電極層とが交互に積層された複数層構造とすることもできる。

各圧電素子３２の外部電極は、振動ユニット１０の制御部６０と電気的に接続されている。制御部６０は、ＣＰＵや各種電気素子を含む回路で構成することができる。制御部６０は、上述した圧電素子３２の起電力に起因して外部電極間に生じる電位差を検出できるように構成されている。また、制御部６０は、圧電素子３２の外部電極間に電圧を印加して圧電素子３２を伸縮させることができるように構成されている。そのため、制御部６０は、圧電素子３２の外部電極間に生じた起電力を検出すると、圧電素子３２の外部電極間に電圧を印加して圧電素子３２を伸縮させることができる。

そして、圧電素子３２がＸ－Ｙ平面に平行な方向に伸縮すると、圧電素子３２に接着された振動板３４がＺ方向に屈曲する。本実施形態では、振動板３４が長方形状であり、短辺長さｄ１よりも長辺長さｄ２が長いため、振動板３４には短辺よりも長辺が大きく曲がるような屈曲が生じる。

制御部６０が、圧電素子３２の外部電極間に周期的に電圧を印加すると、圧電素子３２の圧電体におけるＸ－Ｙ平面に平行な方向の伸縮が繰り返され、それに伴って振動板３４がＺ方向に繰り返し屈曲され、その結果、振動デバイス３６にＺ方向の振動が生じる。本実施形態では、振動板３４が長方形状であり、短辺長さｄ１よりも長辺長さｄ２が長いため、長辺方向（Ｘ方向）において大きな振幅が得られる振動が生じる。第２ケース部材４０の貫通孔４２は、振動板３４が屈曲したときであっても、主面３４ｂが第２ケース部材４０と接しないように設計されている。

図６に示すように、圧電素子３２の高さ（Ｚ方向長さ）ｈ１は、第２ケース部材４０の貫通孔４２の縁部４２ａにおいて振動板３４を支持する上述した第１接着部３８の高さｈ２よりも高く設計されている。そのため、圧電素子３２の下部は、Ｚ方向において、第２ケース部材４０の貫通孔４２によって画成される内部空間Ｓに入り込んでいる。

続いて、上述した振動ユニット１０の動作について説明する。

図６に示すように、振動ユニット１０の第１ケース部材２０のいずれかの接触領域２２が、たとえば指で押下される等して第２ケース部材４０側に撓むと、その撓みに応じて第１ケース部材２０に重なる振動板３４が撓み、さらに振動板３４に重なる圧電素子３２も撓む。それにより、圧電素子３２の圧電体に起電力が生じて、一対の外部電極間に電位差が生じる。制御部６０は、圧電素子３２の一対の外部電極間に生じた電位差を検知することで、特定の接触領域２２が接触されたことを検出する。

制御部６０は、接触領域２２が接触されたことを検出すると、接触された接触領域２２に対応する振動デバイス３６を駆動させる。具体的には、振動デバイス３６に対して周期的な駆動電圧（たとえば矩形波や三角波等の波形の駆動電圧）を印加する。すると、上述したように振動デバイス３６の振動板３４にＺ方向の振動が生じ、それに伴って振動する振動デバイス３６に対応する第１ケース部材２０の接触領域２２もＺ方向に振動する。すなわち、撓みが生じた接触領域２２のみが選択的に振動する。このとき、接触領域２２には指等で触知され得る程度の振動が生じる。

第１ケース部材２０は、接触領域２２において十分な撓み量が生じるように、また、振動デバイス３６の振動が効率良く伝わるように、比較的低い弾性係数を有するように設計され得る。一方、第２ケース部材４０は、振動デバイス３６を支持するために、比較的高い弾性係数を有するように設計され得る。本実施形態では、第１ケース部材２０の弾性係数が、第２ケース部材４０の弾性係数よりも低くなるように設計されている。

上述した振動ユニット１０においては、圧電素子３２の少なくとも一部（下部）が貫通孔４２の内部空間Ｓに入り込んでいるため、圧電素子３２が貫通孔４２の内部空間Ｓに入り込んでいない場合に比べて、第２ケース部材４０を第１ケース部材２０に対して近接して配置することができる。それにより、振動ユニット１０の薄化、すなわち、振動ユニット１０の高さＨの低減が図られている。このように振動ユニット１０の薄化が図れることで、振動ユニット１０の小型化が実現されている。

特に、振動ユニット１０は、複数の振動デバイス３６を備えており、複数の振動デバイス３６を備えた構成において小型化が実現されている。

また、振動ユニット１０においては、振動板３４の短辺部分３５と第２ケース部材４０との間に介在する第１接着部３８において振動板３４の振動が減衰されるため、振動板３４から第２ケース部材４０に伝わる振動が抑制される。

本実施形態のように、振動板３４に長辺方向において大きな振幅が生じるような振動が生じる場合、振動板３４の長辺方向に沿って位置ずれが生じやすい。そこで、振動ユニット１０では、第１接着部３８を介して第２ケース部材４０が振動板３４の短辺部分３５を支持することで、振動板３４の長辺方向に沿う位置ずれが抑制されている。その上、振動板３４の振動が、振動板３４の長辺方向（Ｘ方向）において隣り合う振動デバイス３６の振動が、互いに影響することが抑制されている。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他に適用してもよい。

たとえば、図７に示すように、振動板３４の短辺部分３５は、必ずしも第１接着部３８を介して貫通孔４２の縁部４２ａに支持される必要はなく、第１接着部３８を省略して貫通孔４２の縁部４２ａに直接接するようにして支持されてもよい。この場合、振動板３４の主面３４ｂと第２ケース部材４０の上面とが実質的に同一面内に存在し、振動板３４の主面３４ｂに配置された圧電素子３２の全体が貫通孔４２の内部空間Ｓに入り込む。したがって、第２ケース部材４０を第１ケース部材２０に対してより近接させることができ、振動ユニット１０のさらなる薄化および小型化を実現することができる。

また、振動板は、貫通孔４２の正方形の辺の長さＬよりも長い辺の長さを有する正方形の板状であってもよい。この場合、図８に示すように、複数の振動デバイス３６の各振動板３４Ａが、互いに平行な一対の第１の辺と、第１の辺とは異なる一対の第２の辺とを有し、複数の振動デバイス３６が、図８に示すように、第１の辺に平行な第１方向（Ｙ方向）および第２の辺に平行な第２方向（Ｘ方向）に沿って３行３列のマトリクス状に配置され得る。

この場合、複数の振動デバイス３６は、Ｘ方向およびＹ方向において、振動板３４の第１の辺の部分３５Ａのみが被支持部として第１接着部３８を介して第２ケース部材４０に支持された第１の振動デバイス３６Ａと、振動板３４の第２の辺の部分３５Ｂのみが被支持部として第１接着部３８を介して第２ケース部材４０に支持された第２の振動デバイス３６Ｂとが隣り合うようにしてもよい。第１の振動デバイス３６Ａと第２の振動デバイス３６Ｂとが交互に並ぶように整列されることで、隣り合う振動デバイス３６Ａ、３６Ｂ同士において振動板３４の振動が互いに影響し合うことが抑制される。

さらに、上述した実施形態では、第１ケース部材と第２ケース部材とが別体で構成された態様を示しているが、第１ケース部材と第２ケース部材とが一体的に構成された態様であってもよい。

また、第２ケース部に設けられる穴部は、振動板の屈曲を許容する空間（内部空間Ｓ）が確保される構成であれば、貫通孔ではなく、振動板から離れる側に窪んだ窪みであってもよい。

１０…振動ユニット、２０…第１ケース部材、３２…圧電素子、３４…振動板、３５…短辺部分、３６…振動デバイス、３６Ａ…第１の振動デバイス、３６Ｂ…第２の振動デバイス、３８…第１接着部、４０…第２ケース部材、４２…貫通孔、４２ａ…縁部、５０…第２接着部、６０…制御部、Ｓ…内部空間。

Claims

板状の第１ケース部と、該第１ケース部に対して平行に延在する板状の第２ケース部と、前記第１ケース部の前記第２ケース部側に配置されるとともに前記第１ケース部の厚さ方向に振動可能な振動デバイスとを備え、
前記振動デバイスが、
一方の主面が前記第１ケース部に接する振動板と、
該振動板の他方の主面に配置されるとともに前記振動板の面方向に伸縮可能なシート状の圧電素子と
を有し、
前記第２ケース部には、前記振動板の他方の主面と接しない穴部が設けられており、
前記振動板は、前記第１ケース部の厚さ方向から見て前記穴部の縁部よりも外側に位置する被支持部を有し、該被支持部において前記振動板が前記第２ケース部に支持されており、
前記第１ケース部の厚さ方向から見て、前記圧電素子の全ての外縁が前記穴部の縁部よりも内側に存在し、かつ、前記第１ケース部の厚さ方向において前記穴部の内部空間に前記圧電素子の少なくとも一部が入り込んでおり、
前記振動板の前記一方の主面が、前記他方の主面と前記第１ケース部の厚さ方向から見て一致しており、かつ、前記一方の主面の全面が、前記第１ケース部の前記第２ケース部側の主面に直接接している、振動ユニット。
前記第１ケース部の前記第２ケース部側に複数の前記振動デバイスが配置されており、
前記第２ケース部には、前記複数の振動デバイスそれぞれに対応する複数の前記穴部が設けられている、請求項１に記載の振動ユニット。
前記複数の振動デバイスの各振動板が長辺および短辺を有する長方形の板状であって、各振動板は長辺方向が同一方向に向けられており、
前記複数の振動デバイスは、前記振動板の長辺方向に沿って並ぶ列を少なくとも１列構成しており、
前記各振動板の短辺部分が、前記被支持部として前記第２ケース部に支持されている、請求項２に記載の振動ユニット。
前記複数の振動デバイスの各振動板が、互いに平行な一対の第１の辺と、第１の辺とは異なる一対の第２の辺とを有する正方形の板状であって、
前記複数の振動デバイスが、前記第１の辺に平行な第１方向および前記第２の辺に平行な第２方向に沿ってマトリクス状に配置されており、
前記複数の振動デバイスは、前記第１方向および前記第２方向において、前記振動板の前記第１の辺の部分のみが前記被支持部として前記第２ケース部に支持された第１の振動デバイスと、前記振動板の前記第２の辺の部分のみが前記被支持部として前記第２ケース部に支持された第２の振動デバイスとが隣り合っている、請求項２に記載の振動ユニット。
前記振動板の前記被支持部と前記第２ケース部との間に介在する支持部材をさらに備える、請求項１～４のいずれか一項に記載の振動ユニット。
前記第１ケース部と前記第２ケース部との間に介在し、前記第１ケース部と前記第２ケース部とを接着固定する接着部をさらに備える、請求項１～５のいずれか一項に記載の振動ユニット。
前記第１ケース部の弾性係数が前記第２ケース部の弾性係数よりも低い、請求項１～６のいずれか一項に記載の振動ユニット。
板状の第１ケース部と、該第１ケース部に対して平行に延在する板状の第２ケース部と、前記第１ケース部の前記第２ケース部側に配置されるとともに前記第１ケース部の厚さ方向に振動可能な振動デバイスとを備え、
前記振動デバイスが、
一方の主面が前記第１ケース部に接する振動板と、
該振動板の他方の主面に配置されるとともに前記振動板の面方向に伸縮可能なシート状の圧電素子と
を有し、
前記第２ケース部には、前記振動板の他方の主面と接しない穴部が設けられており、
前記振動板は、前記第１ケース部の厚さ方向から見て前記穴部の縁部よりも外側に位置する被支持部を有し、該被支持部において前記振動板が前記第２ケース部に支持されており、
前記第１ケース部の厚さ方向から見て、前記圧電素子の全ての外縁が前記穴部の縁部よりも内側に存在し、かつ、前記第１ケース部の厚さ方向において前記穴部の内部空間に前記圧電素子の少なくとも一部が入り込んでおり、
前記第１ケース部の前記第２ケース部側に複数の前記振動デバイスが配置されており、
前記第２ケース部には、前記複数の振動デバイスそれぞれに対応する複数の前記穴部が設けられている、振動ユニット。
前記複数の振動デバイスの各振動板が長辺および短辺を有する長方形の板状であって、各振動板は長辺方向が同一方向に向けられており、
前記複数の振動デバイスは、前記振動板の長辺方向に沿って並ぶ列を少なくとも１列構成しており、
前記各振動板の短辺部分が、前記被支持部として前記第２ケース部に支持されている、請求項８に記載の振動ユニット。
前記複数の振動デバイスの各振動板が、互いに平行な一対の第１の辺と、第１の辺とは異なる一対の第２の辺とを有する正方形の板状であって、
前記複数の振動デバイスが、前記第１の辺に平行な第１方向および前記第２の辺に平行な第２方向に沿ってマトリクス状に配置されており、
前記複数の振動デバイスは、前記第１方向および前記第２方向において、前記振動板の前記第１の辺の部分のみが前記被支持部として前記第２ケース部に支持された第１の振動デバイスと、前記振動板の前記第２の辺の部分のみが前記被支持部として前記第２ケース部に支持された第２の振動デバイスとが隣り合っている、請求項８に記載の振動ユニット。