JP6590082B2 - 振動装置 - Google Patents

Description

本発明に係る一実施形態は、振動を生じさせる振動装置に関する。

近年、タッチパネル式のキーボード等において、利用者がキーをタッチした時に振動を伝えることで触覚フィードバックを与え、キーを「押した」と感じ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、振動板と、圧電フィルムと、を備えた触覚提示装置が提案されている。圧電フィルムは、振動板に応力が生じる状態で接続されている。圧電フィルムは、電圧を印加することで面方向に伸縮するフィルムの一例である。振動板は、圧電フィルムが伸縮すると、法線方向に振動する。

国際公開第２０１５／０５３２４７

従来の触覚提示装置においては、変位量を増大させるために振動板との共振を用いる。共振特性は振動板の外形サイズに影響され、該外形サイズは触覚提示装置の用途によって決定されることが多いため、共振特性の設計自由度は低い。また、共振特性は振動板の長辺方向の影響を強く受ける。このため、共振特性を振動板の短辺方向で設定しようとしても、長辺方向から影響を強く受けて、長辺方向に由来する共振特性が発現し、変位量が低下する問題がある。

そこで、本発明に係る一実施形態の目的は、共振特性の設計自由度が高く、変位量の低下を抑制する振動装置を提供することにある。

この発明に係る一実施形態の振動装置は、振動板と、前記振動板と対向するように、前記振動板の第一方向に所定の間隔を隔てて該第一方向に垂直な第二方向と平行に並ぶ複数の圧電フィルムと、を備え、前記振動板は一以上のスリットを有し、前記圧電フィルムは前記振動板に前記第二方向に沿って張架された状態で固定され、かつ電圧を加えることで面方向に伸縮することを特徴とする。

振動板がスリットを有することによって、複数の領域に画分される。振動板と対向して配置されている圧電フィルムは、対向する振動板の画分された領域それぞれの大きさの影響を強く受ける。また、共振特性は長辺方向の影響を強く受けるため、振動板がスリットにより画分されると、画分された領域それぞれの第一方向の長さが短くなるため、共振特性に対する影響が小さくなる。したがって、第二方向に沿って張架された圧電フィルムの共振特性が保たれ易くなり、かつ振動板の第一方向の影響を受けにくくなるため、振動板の第一方向の影響による変位量の低下が抑制される。

この発明に係る一実施形態によれば、共振特性の設計自由度が向上し、変位量の低下を抑制することができる。

図１は、キー入力装置の外観斜視図である。 図２（Ａ）は、キー入力装置の正面図である。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示すＩ−Ｉ線における断面図である。 図３は、キー入力装置の部分拡大側面図である。 図４は、キー入力装置の構成を示すブロック図である。 図５は、振動板の変形例１を示す平面図である。 図６は、圧電フィルムの変形例２を示す平面図である。

図１は、本発明の振動装置の一例を示すキー入力装置１０の外観斜視図である。図２（Ａ）は、キー入力装置１０の正面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）に示すＩ−Ｉ線における断面図である。図３は、キー入力装置１０の部分拡大図である。図４は、キー入力装置１０の主要構成を示すブロック図である。

キー入力装置１０は、図１、図２（Ａ）及び図２（Ｂ）に示すように、振動板２０、複数の圧電フィルム３０、及びスペーサ７０、を備えている。圧電フィルム３０は、振動板２０と対向するように、振動板２０のＸ軸方向（第一方向に対応する）に所定の間隔を隔てて、Ｘ軸方向に垂直なＹ軸方向（第二方向に対応する）と平行に並ぶ。圧電フィルム３０は、振動板２０の背面において、振動板２０のＹ軸方向の両端である端部２２に固定されている。すなわち、圧電フィルム３０は、振動板２０にＹ軸方向に沿って張架された状態で固定されている。

また、図４に示すように、キー入力装置１０は、ハードウェア構成として、タッチ検出部８０と、タッチ検出部８０に接続される制御部９０と、制御部９０に接続される駆動部８１と、駆動部８１に接続される圧電フィルム３０と、を備えている。キー入力装置１０は、いわゆるキーボードであり、不図示のホスト装置（パーソナルコンピュータ等の情報処理装置）に無線又は有線で接続され、ユーザのキー入力を受け付けるインタフェースである。

平板状の振動板２０には、不図示のタッチ検出部８０が設けられている。タッチ検出部８０は、例えば各キー配列に対応した位置に設けられ、利用者のタッチ操作を検出する。なお、タッチ検出部８０は、ユーザのタッチ操作を検出する機能であればどの様な方式であってもよく、メンブレン式、静電容量式、又は圧電フィルム式等の様々な方式を用いることができる。

ユーザがタッチ検出部８０をタッチすると、駆動部８１は、圧電フィルム３０に駆動信号を印加する。これにより圧電フィルム３０が伸縮する。

図１及び図２（Ａ）に示すように、振動板２０は、一以上のスリット２１を有する。スリット２１で画分される振動板２０の各領域は、Ｘ軸方向（第一方向に対応する）が短辺であり、Ｙ軸方向（第二方向に対応する）が長辺である矩形状である。振動板２０がスリット２１によって画分されていることにより、矩形状の振動板２０に対向して配置されている圧電フィルム３０の形状も矩形状とすることができる。すなわち、圧電フィルム３０は、Ｘ軸方向が短辺であり、Ｙ軸方向が長辺である矩形状に構成される。

圧電フィルム３０は、長辺であるＹ軸方向（第二方向に対応する）の固有振動周期の影響を強く受ける。このため、Ｙ軸方向に沿って張架された圧電フィルム３０の振動周期を該固有振動周期に合わせて共振させることができる。また、いずれの圧電フィルム３０も各領域においてＹ軸方向における共振特性を個別に調整できる。このため、仮に外装フィルム等で各領域を接続しても、各領域の共振特性を統一させるように調整することによって、変位量の低下が抑制される。

また、複数の振動板を用いた場合、振動板同士の位置合わせや配置等の製造工程が複雑になる。これに対して、本実施形態に係る振動板２０は、スリット２１によって画分されることにより、キー入力装置１０は一枚の振動板２０で構成することができる。このため、振動板同士の位置合わせや配置等の製造工程を省略することができる。さらに、振動板として例えば、ガラスエポキシ樹脂基板を用いた場合、配線を基板上にパターニング形成できるので容易に配線することができる。また、駆動部８１は駆動信号をすべての圧電フィルム３０に対して均等に加えることが可能となるため、複数の振動板２０において同じ大きさの振動を発生させることが出来る。さらに、配線部分を含めて電極を１つのパターン電極として形成することが出来るため、駆動部８１は駆動信号を複数の圧電フィルム３０に対して損失無く印加することが出来る。

スリット２１は、振動板２０のＹ軸方向における端部２２からＹ軸方向と平行に形成されていることが好ましい。これにより、振動板２０のスリット２１を均一に形成し易いため、さらに振動板２０のスリット２１によって画分される部分を均一な形状に形成し易くなる。したがって、Ｙ軸方向における共振特性が統一され、共振周波数がさらに揃い易くなる。このため、仮に外装フィルム等で各領域を接続しても、各領域の共振特性がずれていることによる変位量の低下が抑制される。なおスリット２１は、振動板２０のＹ軸方向における端部２２からＹ軸方向と平行に形成されていることが好ましいが、振動板２０のＹ軸方向における端部２２を基準として例えば±１０°程度の傾きで直線状に形成されていても同様の効果を得ることが出来る。またスリット２１は、直線状に限られず、例えば階段状等に形成されていても良い。

また、スリット２１は、振動板２０のＹ軸方向における中央近辺まで形成されていることが好ましい。振動板２０のＹ軸方向における中央付近は、振動の大きいいわゆるハラと言われる箇所が存在する。各領域は振動が大きい箇所で接続されているため、スリット２１によって画分された部分同士は、同様に振動が伝わりやすい。したがって、共振周波数がさらに揃い易くなるため、変位量の低下がより抑制される。

振動板２０は、例えばアクリル樹脂ＰＭＭＡで構成されている。なお、振動板２０は、金属板、ＰＥＴ、ポリカーボネイト（ＰＣ）、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）、ガラス等の他の材料を用いてもよい。これらの材料から構成されている振動板２０は、薄く形成されてもある程度の剛性を有するため、振動板２０全体が均等に撓む。これにより、振動板２０が部分的に撓むことにより、変位量が不均一となることが抑制される。

図３に示すように、圧電フィルム３０は、平面視して矩形状のベースフィルム２００と、該ベースフィルム２００の対向する両主面に形成された電極２０１Ａ及び電極２０１Ｂを備える。

ベースフィルム２００は、圧電性樹脂であり、例えばポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、又はキラル高分子等の材料を用いる。より好ましくは、ＰＶＤＦであるが、透光性の高いポリ乳酸（ＰＬＬＡ）であってもよい。ＰＬＬＡを用いる場合、他の構成も透光性の高い材料を用いることにより、正面視した略全面が高い透光性を有するキー入力装置１０を実現することができる。ベースフィルム及び電極を透明にすることで、完成品の状態で不良品を見つけることが容易になる。また、キーボードを内側から光らせる等、デザイン性の向上を図ることができる。

また、ＰＬＬＡは、焦電性が無いため、周囲温度の変化に影響されず、気温の変化、電子機器の発熱、指が接触することによる温度変化等によって振動の強さが変わらない。

ベースフィルム２００は、ＰＬＬＡで構成される場合、図２（Ａ）に示すように、延伸方向（図２（Ａ）の矢印方向）に対して各外周辺が略４５°となるように裁断することで、矩形状を形成している。

電極２０１Ａ及び電極２０１Ｂは、ベースフィルム２００の両主面の略全面に形成されている。電極２０１Ａ及び電極２０１Ｂは、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ポリチオフェンを主成分とすることが好ましい。また、アルミ蒸着電極又は銅はく電極等、導電率の高い材料を電極にして、省電力化を図ることもできる。

なお、電極２０１Ａ及び電極２０１Ｂには、銀ナノワイヤ電極を用いることも可能であるし、透光性が低くてよい使用態様であれば、アルミ蒸着電極を用いることが好ましい。電極２０１Ａ及び電極２０１Ｂには、不図示の引出配線が接続され、駆動信号が印加されるようになっている。振動板２０側に配置される電極２０１Ａは、接着層４０を介して振動板２０に貼り付けられる。

図１及び図２（Ｂ）に示すように、振動板２０は、圧電フィルム３０の存在する側（振動板２０の背面側）に対して反対側（振動板２０の正面側）に湾曲して突出する形状となるように、圧電フィルム３０へ固定されている。

振動板２０が正面側に突出する形状は、本発明において必須の構成要素ではない。振動板２０は、圧電フィルム３０が接続された後の状態で背面側に突出する形状でなければよく、完全に平坦な状態であってもよい。すなわち、振動板２０は、圧電フィルム３０が固定されていない状態では平板面が湾曲した状態であり、該湾曲した平板面が平坦になるように圧電フィルム３０に固定されてもよい。この場合、振動板２０が平坦であるため、キー入力装置１０の操作側を平坦に形成できる。これにより、キー入力装置１０の操作側の清掃等がし易くなるだけでなく、デザイン性にも優れる。また、仮に圧電フィルム３０が接続される前の状態で、振動板２０が背面側に湾曲していた場合でも、スペーサ７０により正面側に突出する形状とすることができる。

ただし、本実施形態において、振動板２０の湾曲状態は、説明のために誇張して記載しており、実際には、振動板２０の主面と圧電フィルム３０の主面は、より平行に近く、外観上はほぼ平坦となる。

本実施形態において、振動板２０は、平板面が湾曲した状態で圧電フィルム３０に固定されるため、図２（Ｂ）の白抜き矢印Ｆ９０１のように、曲げ応力が加わった状態で圧電フィルム３０に固定される。また、圧電フィルム３０には、図２（Ｂ）の白抜き矢印Ｓ９０１に示すように、圧電フィルム３０の主面における短手方向に引張力が係った状態となる。

駆動部８１が、圧電フィルム３０に駆動信号を印加し、圧電フィルム３０がＹ軸方向に沿って収縮すると、振動板２０は、圧電フィルム３０に固定されている端部２２から中央方向に引っ張られる。これにより、振動板２０のＹ軸方向の中心部分は、前方へより突出するように湾曲する。また、振動板２０のＹ軸方向の端部２２は、背面側に移動する。なお、図２（Ａ）に示す１点破線の部分は、振動の節となる箇所である。振動板２０は、節となる箇所では、圧電フィルム３０が伸縮しても、ほぼ振動することがなく、正面側にも背面側にもほぼ移動しない。

一方、駆動部８１が、圧電フィルム３０に逆相の駆動信号を印加し、圧電フィルム３０がＹ軸方向に沿って伸張すると、振動板２０は、中央方向から圧電フィルム３０に固定されている端部２２に引っ張られる。これにより、振動板２０のＹ軸方向の中心部分は、前方への突出量が低下した湾曲状態となる。また、振動板２０のＹ軸方向の端部は、正面側に移動する。

したがって、振動板２０は、駆動信号の振幅に応じて、節以外の箇所では、正面方向及び背面方向（Ｚ軸方向）に沿って振動する。これにより、駆動信号に応じた振動が振動板２０を介してユーザに伝達される。したがって、ユーザは、タッチ検出部８０を介して振動板２０の振動がユーザの指にフィードバックされるため、キーを「押した」と感じることができる。

そして、振動板２０には、非動作状態で定常的な曲げ応力が与えられているため、圧電フィルム３０の伸張時に振動板２０に与えられる力は、当該曲げ応力と同じ方向となる。したがって、キー入力装置１０は、振動板２０を効率的に振動させることができ、圧電フィルムを用いた場合であってもある程度強い振動を伝えることができる。また、モータ等による振動に比べると、キー入力装置１０を薄くすることができるとともに、モータよりも応答性が高いため、タッチの感触を精度よく再現することができる。

上述したように、振動板２０は、図２（Ａ）に示す１点破線の付近において、振動しない節となる箇所が存在する。本実施形態では、スペーサ７０は振動板２０と圧電フィルム３０との間において、振動板２０のＸ軸方向に沿って伸びた状態で配置されている。すなわち、スペーサ７０は節となる箇所に沿って圧電フィルム３０毎に配置されている。

スペーサ７０は、振動板２０を支持する機能と、圧電フィルム３０を振動板２０から離すことで引張力を生じさせる機能と、を有する。スペーサ７０は、節となる箇所に配置されることで、振動板２０の振動を阻害せず、かつ圧電フィルム３０の伸縮を阻害しないようになっている。ただし、スペーサ７０は、本発明において必須の構成ではない。

なお、本実施形態では、キー入力装置１１は、圧電フィルム３０を４枚備えるが、これに限定されず、キー入力装置１１は少なくとも三枚以上備えていることが好ましい。三枚以上の圧電フィルム３０を備えている場合、振動板２０がスリット２１を有することにより、振動板２０がスリット２１で画分されるため、各領域に割り当てられた圧電フィルム３０の枚数は二枚以下となり、圧電フィルム３０の張力が十分に維持される。このため、圧電フィルム３０の数を増加させて、任意の大きさのキー入力装置１１を製造することが可能となる。

次に、図５は、振動板の変形例１を示す平面図である。上述の実施形態では、振動板２０のスリット２１は、振動板２０のＹ軸方向における中央近辺まで形成されているが、この変形例１における振動板５０は、振動板の節の一つである箇所で連続している構成である。詳細に説明すると、変形例１に係るキー入力装置１１は振動板５０を備える。振動板５０は、二つのスペーサ７１を備え、対をなすスリット５１，５２が複数形成されている。スペーサ７１は、振動板５０の節となる箇所に其々配置されている。スリット５１は、スリット５２に比べてＹ軸方向における長さが短く形成されている。スリット５１は、振動板５０の節となる箇所のいずれにも形成されていない。また、スリット５２は振動板５０の節となる箇所においてスリット５１の形成されている側の節の箇所には形成されていない。これにより、振動板５０はスリット５１の形成されている側の節の箇所で繋がった形状に形成される。したがって、振動板５０は、スリット５１，５２によりそれぞれ矩形の領域に画分される。

また、変形例１に係るスペーサ７１は、振動板５０のＸ軸方向の両端からＹ軸方向に沿って節の箇所毎に一本ずつ配置されている。スペーサ７１は、複数の圧電フィルム３０を跨った状態で振動板５０の節となる箇所に固定されている。このためスペーサ７１は少なくとも２本で足りるため、固定するための製造工程等を簡略化することができる。

例えば、図２（A）に示すように、中央付近が連結するようにスリットが形成された場合、振動領域のばらつきを最も抑えることができる。一方で、図５に示すように、変形例１に係る構成では、配線部分の信頼性を高くすることができる。図２（A）に示す実施例においては、連結されている部分は最も振動が強く生じる箇所となり、配線部分にも同様に大きな振動が加わる。これに対して、変形例１に係る構成では、圧電フィルム３０間の電極を配線接続する際に、振動板５０の表面または裏面に沿って配線が形成される場合、連結されている部分に配線が配置される。このように、連結部分を中央付近から周辺部に近づけるように形成することで、配線に影響する振動を低減し、信頼性を向上させることができる。

図６は、圧電フィルムの変形例２を示す平面図である。上述の実施形態では、圧電フィルム３０は各スリット２１で画分された領域に一枚配置されているが、この変形例２において、圧電フィルム３０は各スリット２１で画分された領域に一枚又は二枚配置されている。詳細に説明すると、変形例２に係るキー入力装置１２は振動板６０を備える。振動板６０は、スリット２１の対が二か所に形成されている。図６のＸ軸方向における左側の二枚の圧電フィルム３０は、それぞれスリット２１によって画分された領域毎に一枚配置されている。これに対して、図６のＸ軸方向における右側の二枚の圧電フィルム３０は、それぞれスリット２１によって画分された領域に二枚配置されている。このように、スリット２１で画分された領域に配置される圧電フィルム３０は、二枚以下であることが好ましい。スリット２１で画分された領域に配置される圧電フィルム３０を二枚以下とすることにより、圧電フィルム３０の張力が維持できるため、圧電フィルム３０間での変位量のバラツキを抑制し易くなる。

以下、実施例及び比較例について述べる。実施例においては、上述の実施形態のキー入力装置を用いて共振時の変位量について調べた。キー入力装置に用いた振動板は、Ｘ軸方向の長さが２３０ｍｍであり、Ｙ軸方向の長さが１００ｍｍであった。スリットで画分された振動板における４つの領域を便宜上、第１領域〜第４領域とした。圧電フィルムは、Ｘ軸方向の長さが４０ｍｍであり、Ｙ軸方向の長さが１００ｍｍに形成したものを用いた。第１領域〜第４領域の中央位置で採取した共振周波数及び共振時の変位量について、表１に示す。

また、比較例においては、Ｘ軸方向の長さが５７ｍｍであり、Ｙ軸方向の長さが１００ｍｍの振動板を備える振動子（第１振動子〜第４振動子）を用いた。圧電フィルムは、実施例と同様にＸ軸方向の長さが４０ｍｍであり、Ｙ軸方向の長さが１００ｍｍに形成したものを用いた。第１振動子〜第４振動子のそれぞれの中央位置で採取した共振周波数及び共振時の変位量について、表１に示す。また、実施例及び比較例において、共振時の変位量のそれぞれの平均値を表１に示す。

表１から、実施例の第１領域〜第４領域において得られた共振周波数及び共振時の変位量はいずれもバラツキが少ないことが確認された。これに対して、比較例の第１振動子〜第４振動子において得られた共振周波数及び共振時の変位量は実施例と比べて顕著にバラツキがあることが確認された。

さらに、実施例及び比較例において、Ｘ軸方向の長さが２３０ｍｍであり、Ｙ軸方向の長さが１００ｍｍのメンブレンフィルムに、実施例に係るキー入力装置又は比較例に係る第１振動子〜第４振動子をそれぞれ貼り付け、共振時の変位量を測定した。実施例及び比較例において、メンブレンフィルムを貼り付けた場合の共振時の変位量における平均値を表１に示す。また、メンブレンフィルムを貼り付けた場合における低下率を表１に示す。

表１から、実施例において、メンブレンフィルムを貼り付けた場合の共振時の変位量は５４％の低下率であった。これに対して、比較例において、メンブレンフィルムを貼り付けた場合の共振時の変位量は７２％の低下率であった。これから、メンブレンフィルムを貼り付けた場合において、実施例は比較例に比べて変位量の低下が抑制されることが確認された。したがって、実施例においては比較例より、フィルムスイッチや外装フィルム等を基材として振動子同士を接続しても、変位量の低下が抑制される。

なお、圧電フィルムは、電圧を加えることで面方向に変形するフィルムの一例であるが、他にも電圧を加えることで面方向に変形するフィルムは、例えば電歪フィルム、エレクトレットフィルム、コンポジットフィルム、又は電気活性高分子フィルム等がある。

また、「電圧を加えることで面方向に変形するフィルム」は、例えば圧電セラミックスや樹脂フィルム等を用いることでも実現することができる。例えば、複数の樹脂フィルムを、圧電セラミックスを介して接続し、これら複数の樹脂フィルムをそれぞれ振動板２０に接続することで実現することができる。

さらに、「電圧を加えることで面方向に変形するフィルム」は、単層でも良いし、積層しても良い。特に積層する枚数を増やすことによってより強い振動を得ることができる。

なお、上述の例では、振動装置の一例としてキー入力装置を示したが、本発明の振動装置は、必ずしもキー入力装置に限るものではなく、例えばゲーム機や家電製品のコントロールパネル又はスピーカも、振動装置の一例となる。

前記各実施形態の説明は、すべての点で例示であり、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、前記実施形態ではなく、請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲は、請求の範囲と均等の範囲とを含む。

１０，１１，１２…キー入力装置
２０，５０，６０…振動板
２１，５１，５２…スリット
３０…圧電フィルム
７０，７１…スペーサ
２００…ベースフィルム
２０１Ａ，２０１Ｂ…電極

Claims (7)

1. 振動板と、
   前記振動板と対向するように、前記振動板の第一方向に所定の間隔を隔てて該第一方向に垂直な第二方向と平行に並ぶ複数の圧電フィルムと、
   を備え、
   前記振動板は前記第一方向が長辺で、前記第二方向が短辺である矩形状であり、かつ一以上のスリットを有し、
   前記スリットは、前記振動板の前記第二方向における端部から前記第二方向と平行に形成され、
   前記スリットで画分される前記振動板の各領域は、前記第二方向の断面形状が同一であり、
   前記圧電フィルムは前記振動板に前記第二方向に沿って張架された状態で固定され、かつ電圧を加えることで面方向に伸縮する振動装置。
2. 前記スリットで画分される前記振動板の領域は、前記第一方向が短辺であり、かつ前記第二方向が長辺である矩形状である請求項１に記載の振動装置。
3. 前記圧電フィルムは前記スリットで画分された領域に二枚以下配置される請求項１又は請求項２に記載の振動装置。
4. 前記圧電フィルムは少なくとも三枚以上である請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の振動装置。
5. 前記スリットは、前記振動板の前記第二方向における中央近辺まで形成されている請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の振動装置。
6. 前記振動板と前記圧電フィルムとの間に配置されるスペーサを備え、
   前記スペーサは前記振動板の前記第一方向に沿って伸びる請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の振動装置。
7. 前記振動板は、前記圧電フィルムが固定されていない状態では平板面が湾曲した状態であり、前記湾曲した平板面が平坦になるように前記圧電フィルムに固定されている請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の振動装置。

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