CN112394812B - 面板和电子设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能够以超声波范围内的频率振动来产生驻波的面板和电子设备。本发明的面板包括振动板和压电致动器。上述压电致动器设置在上述振动板的主面上，能够使上述振动板振动。上述振动板构成为：将上述振动板的长边的长度(mm)设为x，将对数衰减率设为y时，上述振动板的长边的长度和对数衰减率处于比由以下的(式1)表示的曲线靠原点侧的区域，y＝32.6x‑1(式1)。

Description

面板和电子设备
技术领域
本发明涉及一种通过振动而产生触感的面板和电子设备。
背景技术
在触摸面板等中，已开发了一种输入系统，该输入系统通过在用户用手指等进行操作的位置产生振动或触感，来使用户意识到操作已经被受理了。例如，专利文献1中公开了一种触感提示装置，当用户操作了面板的操作面时，通过使安装于面板的振动元件振动以使用户意识到已经受理了输入操作。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开第2010-231609号公报
专利文献2：国际公开第2015/045059号公报
发明内容
发明要解决的技术问题
在专利文献1中提出了一种技术，其使振动元件以高于可听范围的频率(约20kHz以上)振动，在面板上产生触感。但是，专利文献1中没有记载在超声波范围内驱动时的适当的面板物理特性，根据面板的材质、形状、结构的不同，有时会产生良好的驻波而有时不会产生良好的驻波。在面板中不容易产生驻波的情况下，需要增大输入的电压，发生因振动元件的发热而可靠性降低、功耗增加的问题。
鉴于上述情况，本发明的目的是提供一种面板和电子设备，其能够以超声波范围内的频率振动而产生驻波。
用于解决技术问题的技术方案
为了实现上述目的，本发明的一方式的面板包括振动板和压电致动器。
上述压电致动器设置在上述振动板的主面上，能够使上述振动板振动。
上述振动板构成为：将上述振动板的长边的长度(mm)设为x，将对数衰减率设为y时，上述振动板的长边的长度和对数衰减率处于比由以下的(式1)表示的曲线靠原点侧的区域，
y＝32.6x-1 (式1)。
也可以为，上述振动板具有0.8m/sec以上的振动速度。
也可以为，将在上述振动板上产生的驻波的波长(mm)设为x1，将上述压电致动器的宽度相对于上述驻波的波长的比例设为y2时，上述压电致动器构成为：上述宽度处于由以下的(式9)表示的直线与由以下的(式10)表示的直线之间的区域，
y2＝0.011x1+0.878 (式9)，
y2＝0.021x1-0.087 (式10)。
也可以为，上述宽度是上述驻波的波长的0.2倍以上且1.0倍以下。
为了实现上述目的，本发明的一方式的电子设备包括面板。
上述面板包括：振动板；设置在上述振动板的主面上的压电致动器，其能够使上述振动板振动；和由弹性体构成的能够支承上述振动板的固定部。
上述振动板构成为：将上述振动板的长边的长度(mm)设为x，将对数衰减率设为y时，上述振动板的长边的长度和对数衰减率处于比由以下的(式1)表示的曲线靠原点侧的区域，
y＝32.6x-1 (式1)。
发明效果
如上所述，依照本发明，能够提供可以以超声波范围内的频率振动而产生驻波的面板和电子设备。
附图说明
图1是从一个方向观察根据本发明实施方式的面板的平面图。
图2是从相反方向观察上述面板的平面图。
图3是从侧面方向观察上述面板的平面图。
图4是表示对数衰减率与振幅之间的关系的曲线图。
图5是表示上述面板所具有的振动板中的驻波的示意图。
图6是表示上述振动板的基于材料和厚度的对数衰减率与振动速度之间的关系的曲线图。
图7是表示上述振动板的长度与对数衰减率之间的关系的曲线图。
图8是表示上述面板所具有的压电致动器的元件宽度与振动板的最大振动速度之间的关系的曲线图。
图9是相对于驻波波长的振动速度最大时的元件宽度的曲线图。
图10是相对于驻波波长的振动速度最大时的元件宽度/驻波波长之比的曲线图。
附图标记说明
100……面板
101……振动板
101a……第一面
101b……第二面
102……压电致动器
103……固定部。
具体实施方式
对本发明实施方式的面板和搭载有该面板的电子设备进行说明。
[面板的结构]
图1是本实施方式的面板100的正面侧的平面图，图2是面板100的背面侧的平面图。图3是面板100的侧面图。另外，在以下各图中，将X方向、Y方向以及Z方向设为彼此正交的三个方向。
如图1至图3所示，面板100包括振动板101、压电致动器102和固定部103。
振动板101是通过压电致动器102振动的板状部件。振动板101的主面可以是矩形形状。以下，将振动板101的一个主面作为第一面101a，将第一面101a的相反侧的主面作为第二面101b。此外，将沿振动板101的长边的方向作为X方向，将沿短边的方向作为Y方向。即，第一面101a和第二面101b是平行于X-Y平面的面。
振动板101如后所述由玻璃或塑料等材料构成。振动板101的尺寸没有特别限定，例如，长边(X方向)的长度L可以为140mm程度，短边(Y方向)的长度S可以为70mm程度。长边与短边的比例(纵横比)不限于2：1。
压电致动器102设置在第二面101b上，用于使振动板101振动。压电致动器102也可以设置在第一面101a上。压电致动器102包括正极、负极和压电材料层，当在正极与负极之间施加电压时，压电材料层由于逆压电效应而变形，产生振动。压电致动器102可以具有将正极和负极隔着压电材料层交替地层叠的层叠结构，也可以具有其它结构。
如图2所示，压电致动器102可以在振动板101的长边方向(X方向)的两端部各配置一个。此外，压电致动器102的配置和数量并不限于图2所示的配置和数量。压电致动器102可以通过粘合等接合到第二面101b。稍后对作为压电致动器102的宽度的元件宽度W(X方向)进行说明。
固定部103设置在第二面101b上，并且以振动板可振动的状态支承振动板101。固定部103由双面胶带或粘合剂等弹性体构成，能够将振动板101固定到电子设备的壳体等固定对象物。如图2所示，固定部103可以沿第二面101b的两条长边设置。另外，固定部103也可以设置在第二面101b上的其它位置。
[关于振动板的振动衰减]
振动板101因材料、厚度等而具有规定的衰减特性。作为表示衰减特性的参数，可以使用对数衰减率。图4是表示具有特定结构的振动板的衰减特性的曲线图，图4的(a)表示对数衰减率较大的振动板的衰减特性，图4的(b)表示对数衰减率较小的振动板的衰减特性。
如图4的(a)所示，在对数衰减率较大的振动板中，振动板的振幅随着时间的经过而急剧地减小，而如图4的(b)所示，在对数衰减率较小的振动板中，振幅随着时间的经过而缓慢地减小。
[面板的动作]
在具有上述结构的面板100中，当驱动压电致动器102时，从压电致动器102产生的振动在振动板101的端部发生反射，以某一固定的频率共振，由此产生大振幅的驻波。图5是表示振动板101上的驻波T的示意图。
在此，振动板101的对数衰减率越小，重复振动的反射的时间越长，能够产生大振幅的驻波。利用该驻波能够得到挤压效应(squeeze effect)。挤压效应是这样的效应，即：与振动板101接触的接触物体(例如，用户的手指)通过振动而浮起，减小了振动板101表面的摩擦力(参见上述专利文献2)。
当用户用手指等触摸第一面101a时发生挤压效应时，通过挤压效应减小了摩擦力，从而使用户能够感受到触感变化。当振动板101的长度(X方向)不同时，从接触点至振动板101的端部的距离也不同，因此产生挤压效应所需的对数衰减率也不同。
[关于振动板的对数衰减率]
图6是表示由振动板101的材料和厚度决定的对数衰减率与振动速度之间的关系的曲线图。如该图所示，根据振动板101的材料和厚度，振动板的对数衰减率和振动速度取规定值。此外，可以使用激光多普勒振动仪等在振动板101的表面上测量振动速度。
在该图中，示出了强化玻璃(厚度0.3毫米)、强化玻璃(厚度0.5毫米)、PPSGF(Polyphenylenesulfide+glass fiber(添加了玻璃纤维的聚苯硫醚)：添加了玻璃纤维的聚苯硫醚，厚度1.0毫米)、PPS(Polyphenylenesulfide：聚苯硫醚，厚度0.5毫米)、PAI(Polyamide-imide：聚酰胺-酰亚胺，厚度2.0mm)的对数衰减率和振动速度。
如该图所示，存在振动板101的对数衰减率越小，驻波的振动速度(振幅)越大的关系(如图中的箭头所示)。因此，振动板101的对数衰减率越小，由于挤压效应而使得摩擦力降低，从而能够越明显地感受到触感变化。压电致动器102的发热和功耗不会成为问题，并且感受由驻波引起的触感变化所需的振动速度为0.8m/sec以上。
图7是表示振动板101的长度L(X方向)与对数衰减率之间的关系的曲线图。在该图中，示出了强化玻璃(厚度0.3毫米)，强化玻璃(厚度0.5毫米)、强化玻璃(厚度1.1毫米)、PPSGF40(Polyphenylenesulfide+glass fiber(聚苯硫醚+玻璃纤维)：聚苯硫醚+玻璃纤维40wt％，厚度1.0毫米)、PPSGF40(厚度2.0毫米)、PPS(Polyphenylenesulfide：聚苯硫醚，厚度0.5毫米)，PPS(厚度1.0毫米)、聚碳酸酯(厚度1.0毫米)、SUS(不锈钢，厚度0.5毫米)的振动板长度与对数衰减率之间的关系。
研究结果表明，当将振动板101的长度L(X方向)设为x(mm)、将对数衰减率设为y时，在由以下的(式1)表示的曲线的原点侧的区域(图中，曲线下侧的区域)中，能够得到0.8m/sec以上的振动速度，并且能够充分得到由驻波引起的触感。
y＝32.6x-1 (式1)
具体而言，即使改变振动板101的长度，强化玻璃(厚度0.3mm和厚度0.5mm)、PPS(厚度1.0mm)、PPSGF40(厚度1.0mm)也位于由(式1)所示的曲线的原点侧的区域中。
另外，在该曲线上侧的区域中，在振动板101中不能得到足够的振动速度，而需要更高的电压以感受触感，所以会导致由发热引起的可靠性降低和功耗增加。具体而言，PAI与此相对应。
如上所述，当将对数衰减率相对于振动板101的长度(X方向)绘制成曲线图时，以处于由上述(式1)所示的曲线的原点侧的区域的方式设定了长度、材料和厚度的振动板101，其振动速度为0.8m/sec以上，能够适当地产生由驻波引起的触感。
此外，式(1)是通过以下方式推导出来的。在衰减自由振动波形中，取相邻振幅之比的自然对数为对数衰减率；在该波形中，将时刻tn的第n个振幅设为振幅an，同样将第n+1个振幅设为振幅an+1，将第n+m个振幅设为振幅an+m，则对数衰减率δ能够由以下的(式2)表示。
根据(式2)，能够导出以下的(式3)。
an+m＝an·exp(﹣δ·m) (式3)
如(式3)所示，当对数衰减率加倍时，振幅变得相等的周期变为1/2。如果使在振动板101上产生的驻波的幅度相同，则周期可以解释为振动板101的长度L。
因此，当将获得一定振幅的振动速度时的周期(振动板长度)设为x，将对数衰减率设为y，将a设为常数时，它们之间的关系可由以下的(式4)表示。
y＝a×x-1 (式4)
以在图7的曲线图中测量了最多点的振动板101的长度136mm为基础，考虑0.8m/s以上的振动速度的条件，该情况下，判断为a＝32.6是适当的，制作了(式1)的曲线。此外，确认了具有其他长度的振动板的点也具有与该曲线的拟合性。
图8示出了对于在振动板101上产生的不同的驻波的波长改变了压电致动器102的元件宽度W(见图2)时，振动板101的最大振动速度的模拟结果。如该图所示，对于不同的驻波的波长，分别存在振动速度最大的元件宽度，例如，在驻波的波长为17.4mm的情况下，元件宽度W为14mm时，振动速度最大。另一方面，在驻波的波长为12.1mm的情况下，元件宽度W为8mm时，振动速度最大。振动板101的振动速度越高，能够获得越强的触感。
图9是根据图8所示的模拟结果，将对于不同的驻波的波长当振动板101的振动速度最大时的元件宽度W进行了绘制的曲线图。如该图所示，当将驻波波长设为x1(mm)，将元件宽度W设为y1(mm)时，振动速度变得最大的元件宽度W能够近似为由以下的(式5)表示的直线M1。
y1＝1.126x1-5.396 (式5)
此外，在图9中，能够得到适于感受触感的振动速度(0.8m/s以上)的元件宽度W的范围，其上限由用以下的(式6)表示的直线M2给出，下限由用以下的(式7)表示的直线M3给出。
y1＝1.191x1-2.277 (式6)
y1＝0.532x1-4.493 (式7)
图10是图9的变形图，是将图9的纵轴作为元件宽度W/驻波波长的曲线图。在该图中，将驻波波长设为x1(mm)，将元件宽度W/驻波波长设为y2，则振动速度变为最大的元件宽度W能够近似为由以下的(式8)表示的直线N1。
y2＝0.026x1+0.367 (式8)
此外，在图10中，能够得到适于感受触感的振动速度(0.8m/s以上)的元件宽度W/驻波波长的范围的上限由用以下的(式9)表示的直线N2表示，下限由用以下的(式10)表示的直线N3给出。
y2＝0.011x1+0.878 (式9)
y2＝0.021x1-0.087 (式10)
如图10所示，当元件宽度W为驻波波长的大约0.7倍以上且0.8倍以下时，振动板101的振动速度变为最大，当元件宽度W为驻波波长的大约0.2倍以上且1.0倍以下时，振动板101的振动速度为适当的振动速度(0.8m/s以上)。
如上所述，由于驻波波长根据压电致动器102的驱动频率而变化，因此通过设定与其相适应的元件宽度W，能够提高振动板101的振动速度而增强触感。
[电子设备]
面板100可以通过由固定部103固定在固定对象部件上而搭载于电子设备。固定对象部件例如是电子设备的壳体。面板100可以被用作触摸面板或触摸传感器等通过驻波对用户提示触感或反馈的装置。
[变形例]
振动板101的形状并不限于平板状，也可以是弯曲的。此外，振动板101的主面并不限于具有矩形形状，也可以为梯形、圆形或者椭圆形等。

Claims (5)

1.一种面板，其特征在于，包括：
振动板；和
设置在所述振动板的主面上的压电致动器，其能够使所述振动板振动，
所述振动板构成为：将所述振动板的长边的长度设为x，将对数衰减率设为y时，所述振动板的长边的长度和对数衰减率处于比由以下的(式1)表示的曲线靠原点侧的区域，
y＝32.6x-1(式1)，
其中，长度单位为mm。
2.如权利要求1所述的面板，其特征在于，
所述振动板的振动速度为0.8m/sec以上。
3.如权利要求1或2所述的面板，其特征在于，
将所述振动板上产生的驻波的波长设为x1，将所述压电致动器的宽度相对于所述驻波的波长的比例设为y2时，
所述压电致动器构成为：所述宽度处于由以下的(式9)表示的直线与由以下的(式10)表示的直线之间的区域，
y2＝0.011x1+0.878(式9)，
y2＝0.021x1-0.087(式10)，
其中，波长单位为mm。
4.如权利要求3所述的面板，其特征在于，
所述宽度是所述驻波的波长的0.2倍以上且1.0倍以下。
5.一种电子设备，其特征在于：
包括面板，该面板具有：
振动板；
设置在所述振动板的主面上的压电致动器，其能够使所述振动板振动；和
由弹性体构成的能够支承所述振动板的固定部，
所述振动板构成为：将所述振动板的长边的长度设为x、将对数衰减率设为y时，所述振动板的长边的长度和对数衰减率处于比由以下的(式1)表示的曲线靠原点侧的区域，
y＝32.6x-1(式1)，
其中，长度单位为mm。
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