JP2011175519A - タッチパネル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 操作者に十分なクリック感を与えることができる防塵構造のタッチパネル装置を提供する。
【解決手段】 主面が長方形状のタッチパネル２と、タッチパネル２にタッチするための操作窓３ａ１を有するケース３と、タッチパネル２の画像表示装置５側の主面に接着される帯状の圧電素子１とを具備し、ケース３の操作窓３ａ１にはタッチパネル２の操作領域２ａが露出しているタッチパネル装置であって、タッチパネル２の周囲がケース３に固定されているとともに、圧電素子１がタッチパネル２の主面における短辺２ａ１にそれぞれ平行に、かつタッチパネル２の主面における短辺２ａ１に沿ったケース３への固定部から操作領域２ａ側に所定距離Ｌ１、Ｌ２をおいてそれぞれ設けられている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、タッチパネルの操作面をタッチすることで入力信号が得られた際、タッチパネルに取り付けられた圧電素子に電圧を印加して圧電素子を駆動させ、タッチパネルを振動させ、タッチパネルの操作者に触感をフィードバックする機能を有するタッチパネル装置に関する。

近年、駅の券売機やカーナビゲーションシステム、さらには携帯電話の入力デバイスとして、タッチパネル装置が普及しつつある。タッチパネルの代表的な方式として、抵抗膜式、静電容量式、光センサー式などがあるが、いずれの方式においても、タッチパネルは、画像表示装置の上方に配置されており、透明なタッチパネルを介して画像表示装置の情報を操作者に視覚的に供給する。操作者は、画像表示装置の上方に配置されたタッチパネルの操作面をタッチすることで、あたかも実際のボタンを押して情報をコンピュータに入力したのと同様の効果を得ることができる。

しかしながら、このようなタッチパネル装置では、操作者がタッチパネルをタッチした際に、ボタンを押すような強い反発感（クリック感）はフィードバックされないため、ボタンを押したことを触覚にて認識できないという問題があった。

この問題に対して、近年、ボタンを押した感覚を操作者へ触覚でフィードバックするフォースフィードバックと呼ばれる技術を搭載したタッチパネル装置の検討が進んでいる。フォースフィードバック技術の一例として、タッチパネル表面に圧電素子を貼り付け、操作者がタッチパネルの操作面をタッチした際に、圧電素子に電圧印加することで圧電素子を伸縮変形させて、その変形によりタッチパネルを振動させる方式が提案されている。

例えば、このようなタッチパネル装置として、特許文献１に示されるように、タッチパネルと、このタッチパネルに貼り付けられた圧電素子とを備え、タッチパネルへの入力操作を検出した際に、圧電素子に駆動電圧を加えて圧電素子を伸縮させることでタッチパネルを振動させて、入力操作感を与える構造において、長方形状のタッチパネルの長さ方向の一辺の長さより短い細長帯状の圧電素子を一対固着し、一対の圧電素子は、それぞれ長方形の対角位置近傍から長さ方向の一辺に沿って固着させたものが知られている。

特開２００５−２２２３２６号公報

このようなタッチパネル装置では、操作者がタッチパネルの操作面をタッチした際に、タッチパネル全領域において押した感覚（クリック感）を得るため、タッチパネルをほぼ全面で大きく振動させる必要がある。そのためには、タッチパネルに取り付けられる圧電素子の配置位置や、圧電素子の駆動電圧が重要となる。

上記特許文献１では、タッチパネルの４隅のみが画像表示装置に固定され、振動し易いタッチパネルの支持構造とした上で、タッチパネルの長さより短い長さの一対の圧電素子をタッチパネルの長さ方向にそれぞれ対角となるように配置している。このような場合、タッチパネルの固有振動数近傍の信号を印加すると、タッチパネルが共振振動することか
ら容易に大きな振動を得ることができ、操作者に十分なクリック感を与えることができる。

しかしながら、上記特許文献１のタッチパネル装置では、タッチパネルの４隅のみを画像表示装置に固定していたため、タッチパネルと画面表示装置との間の固定されていない部分から埃が入ってしまうという問題があった。これに対して、タッチパネルの周囲を固定すれば防塵構造となるが、これでは、圧電素子による振動が妨げられ、操作者に十分なクリック感を与えることができないという問題があった。

本発明は、操作者に十分なクリック感を与えることができる防塵構造のタッチパネル装置を提供することを目的とする。

本発明のタッチパネル装置は、画像表示装置に対して所定間隔をおいて配置された主面が長方形状のタッチパネルと、該タッチパネルが内部に収容され保持固定されるとともに前記タッチパネルにタッチするための操作窓を有するケースと、前記タッチパネルの前記画像表示装置側の主面に接着されるとともに前記タッチパネルを振動させる帯状の複数の圧電素子とを具備し、前記ケースの前記操作窓には前記タッチパネルの操作領域が露出しているタッチパネル装置であって、前記タッチパネルの周囲が前記ケースに固定されているとともに、前記圧電素子が、前記タッチパネルの前記画像表示装置側の主面における短辺にそれぞれ平行で、かつ前記画像表示装置側の主面における短辺に沿った前記ケースとの固定部から前記操作領域側に所定距離をおいてそれぞれ設けられていることを特徴とする。

このようなタッチパネル装置では、タッチパネルの画像表示装置側の主面における短辺側の固定部から広い間隔をおいて圧電素子を設けることが可能となり、タッチパネルの振動を大きくすることができ、操作者に十分なクリック感を与えることができる。

また、本発明のタッチパネル装置は、一対の前記圧電素子の一方が、前記タッチパネルの前記画像表示装置側の主面における一方の短辺近傍に設けられ、他方が前記タッチパネルの長さ方向中央部に設けられており、前記タッチパネルの操作領域が、一方の前記圧電素子と他方の前記圧電素子との間に設けられていることを特徴とする。

このようなタッチパネル装置では、振動発生源である圧電素子をタッチパネルの固定部から最も遠ざけることができ、タッチパネルの操作領域を大きく振動させることができ、操作者に十分なクリック感を与えることができる。

さらに、本発明のタッチパネル装置は、前記圧電素子は、前記タッチパネルの前記画像表示装置側の主面における一対の短辺近傍にそれぞれ設けられているとともに、前記タッチパネルの長さ方向中央部にも設けられており、前記タッチパネルの操作領域が、前記タッチパネルの長さ方向中央部に設けられた圧電素子の両側に設けられていることを特徴とする。

このようなタッチパネル装置では、タッチパネルの操作領域が２画面となり、より多くの情報を表示することが可能なうえ、両画面とも大きく振動させることができる。

本発明のタッチパネル装置によると、タッチパネルの画像表示装置側の主面における短辺側の固定部から広い間隔をおいて圧電素子を設けることが可能となり、タッチパネルの振動を大きくすることができ、操作者に十分なクリック感を与えることができる。

本形態のタッチパネル装置の分解斜視図である。 タッチパネルにおける圧電素子、操作領域およびガスケット材の位置関係を説明するための説明図である。 本形態のタッチパネル装置の長さ方向における断面図である。 圧電素子の断面図であり、（ａ）は電圧印加前の長さ方向における断面図、（ｂ）は電圧印加後の長さ方向における断面図である。 タッチパネルの長さ方向における中央部と、タッチパネルの一方の短辺との間に操作領域を形成した他の形態において、タッチパネルにおける圧電素子、操作領域およびガスケット材の位置関係を説明するための説明図である。 タッチパネルの長さ方向における中央部と、タッチパネルの一対の短辺との間にそれぞれ操作領域を形成したさらに他の形態において、タッチパネルにおける圧電素子、操作領域およびガスケット材の位置関係を説明するための説明図である。 圧電素子とガスケット材との間隔と、タッチパネル中央部の変位量との関係を示すグラフである。 タッチパネル装置の変位量を示すグラフである。

図１〜図３は、タッチパネル装置の構成を示している。タッチパネル装置は、帯状の圧電素子１と、圧電素子１が裏面に接着された主面が長方形状のタッチパネル２と、タッチパネル２が収容されたケース３と、タッチパネル２の上面とケース３の上蓋３ａの内面との間に配置された環状のガスケット材４とで構成されている。ケース３内には、タッチパネル２の裏面側に、タッチパネル２と所定間隔をおいて配置された画像表示装置５と、タッチパネル２、画像表示装置５が接続される、図示しないコンピュータ等の処理装置とが収容され、例えば、携帯電話、携帯型音楽プレイヤー、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）が構成される。

２個の圧電素子１はタッチパネル２の画像表示装置５側の面に、接着層７を介して接着されている。接着層７は、接着剤、両面テープにより形成されている。接着剤としては、エポキシ系接着剤や、シアノ系接着剤など、硬化後の硬度が十分に高いものが用いられる。

すなわち、上蓋３ａと容器３ｂとから構成されるケース３内には、タッチパネル２と画像表示装置５と図示しない処理装置とが収容され、タッチパネル２はガスケット材４を介して上蓋３ａの内面に接着され、画像表示装置５は、容器３ｂの内壁面に形成された段部に支持固定され、これにより、タッチパネル２と画像表示装置５とは所定間隔をおいて、ケース３内に収容されている。

タッチパネル２は主面が長方形状であり、タッチパネル２の上方より画像表示装置５を目視可能とするため、透明な材料を用いて形成されている。そのため、タッチパネル２の材質はアクリルやポリカーボネートなどのプラスチック基板や、ガラス基板が使用されている。また、ガスケット材４は、外部からの埃が内部に入らない防塵性を確保するため、全周囲がケース３の上蓋３ａに固定されている。そのため、ガスケット材４には、タッチパネル２が変形し易い低密度高反発性の材料が望ましく、例えばウレタンフォームなどが用いられている。

また、矩形状のタッチパネル２とケース３の上蓋３ａとの間に矩形環状のガスケット材４が配置されており、ガスケット材４にてタッチパネル装置が密閉され、タッチパネル２と画像表示装置５との間、さらに他の機器も含めて収納されたケース３が、埃の入らない
防塵構造となっている。ガスケット材４は、タッチパネル２とケース３の上蓋３ａの内面との間に、接着剤、両面テープ等で接着されている。

また、上蓋３ａには、タッチパネル２を指でタッチするための長方形状の操作窓３ａ１が形成されており、タッチパネル２はその外周部を除いて外部に露出しており、この操作窓３ａ１から外部に露出したタッチパネル２の長方形状の表面の一部が操作領域２ａとされている。

操作窓３ａ１から外部に露出したタッチパネル２の操作領域２ａ以外の部分２ｂ（非表示部２ｂということもある）は色を付けたり、不透明なフイルムを貼り付けたりしてデザインが施されており、上方からタッチパネル３の裏面側が見えないようになっている。

操作領域２ａは、環状のガスケット材４の内側に形成されている。操作者は、操作領域２ａに映った画像表示装置５のボタン等に対応した位置のタッチパネル２を指で押す（タッチする）ことで、必要とする機能を実現できる。

すなわち、タッチパネル装置は、タッチパネル２を指で押すことにより、抵抗膜式、静電容量式、光センサー式などの動作原理で得られた位置情報が、コンピュータ等の処理装置に入力されるように構成されている。そして、透明なタッチパネル２を介して画像表示装置５の情報が操作者に視覚的にフィードバックされる。操作者は、画像表示装置５の上方に配置されたタッチパネル２の操作領域２ａをタッチすることで、あたかも実際のボタンを押して情報をコンピュータに入力したのと同様の効果を得ることができる。

圧電素子１は、タッチパネル２の操作領域２ａの外側に接着されており、外部から見えないように構成されている。言い換えれば、圧電素子１は非表示部２ｂの領域に取り付けられており、前述のように非表示部２ｂの裏面側は上方から見えなくなっているため、圧電素子１は操作者からは見えず、外観を損なうこともない。

タッチパネル２は、短辺２ａ１と長辺２ａ２の長方形の主面を有している。２個の圧電素子１がタッチパネル２の主面における短辺２ａ１にそれぞれ平行に、かつタッチパネル２の主面における短辺２ａに沿ったケース３への固定部から操作領域２ａ側に間隔Ｌ１、Ｌ２をおいてそれぞれ設けられている。タッチパネル２のケース３への固定部とは、ガスケット材４が接着されたタッチパネル２の外周部分である。なお、圧電素子１とガスケット材４による固定部との間隔Ｌ１、Ｌ２は等しい距離である必要はなく、非対称でもよい。

従来から、主面が長方形状のタッチパネル２の長辺２ａ２に沿って帯状の圧電素子１を設けると、圧電素子１を長くできるため発生力を大きくできることが知られている。しかしながら、タッチパネル２の全周囲をケース３に固定して防塵構造とすると、圧電素子１は、大きな変位を得るためには、タッチパネル２のケース３への固定部から離す必要がある。従って、幅方向に寸法上の制約があるタッチパネル２の主面における長辺では、大きな変位を得ようとすると、固定部からなるべく離すため操作領域２ａが小さくなり、逆に操作領域２ａを大きくしようとすると、タッチパネル装置の幅が大きくなる傾向があった。

一方で、幅方向に寸法上の制約があるタッチパネル装置では、長さ方向では寸法上の制約が緩やかであり、タッチパネル２の主面における短辺２ａ１側の固定部から長い距離を置いて、かつ短辺２ａ１に平行に圧電素子１を設けることができ、圧電素子１の長さを短くせざるを得ないため圧電素子による発生力は小さくなる傾向はあるものの、タッチパネル２の主面における短辺２ａ１側の固定部から長い間隔Ｌ１、Ｌ２をおいて圧電素子１を
設けることが可能となり、タッチパネル２の振動を大きくすることができ、操作者に十分なクリック感を与えることができる。

図４に帯状の圧電素子１の長さ方向における断面図を示す。図４において、帯状の圧電素子１は積層構造となっている。積層構造とすることで、圧電素子１に印加する駆動電圧を低下できるため、機器の低電圧化が実現される。また、図４において、符号１０ａは圧電体層であり、符号１１、１２は外部電極、符号１３ａ、１３ｂは内部電極、符号１４ａ、１４ｂは端面電極である。

圧電体層１０ａは、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電セラミックスから形成され、外部電極１１、１２、端面電極１４ａ、１４ｂは厚膜印刷や蒸着などで形成されている。

外部電極１１と内部電極１３ａとは、端面電極１４ａを介して接続されている。一方、外部電極１２と内部電極１３ｂとは、端面電極１４ｂを介して接続されている。また、圧電素子１の圧電体層１０ａは、全て分極がされ伸縮する活性層とされている。そして、図４（ａ）に示す電圧未印加の状態から、圧電体層１０ａに分極方向と同じ方向に電場を印加することで、帯状の圧電素子１は、図４（ｂ）に示すように長さ方向に収縮する。

このような圧電素子１をタッチパネル２に接着し、帯状の圧電素子１を収縮させると、タッチパネル２が圧電素子１を拘束することから、タッチパネル２が上側（操作者側に凸）に変形し、振動する。

図５は、他の形態のタッチパネル装置の説明図であり、図２における圧電素子１とガスケット材４による固定部との間隔Ｌ１、Ｌ２が等距離ではなく、Ｌ１が大きくなっている。具体的には、２つの圧電素子１のうちの１つが、タッチパネル２の長さ方向中央部近傍に接着されている。この場合には、２つの圧電素子１の間のタッチパネル２に操作領域２ａが形成されており、それ以外のタッチパネル２の操作窓３ａから露出した部分は、非表示部２ｂとされている。

このような構成とすることにより、タッチパネル２の中で最も振動自由度の高い長さ方向中央部に、圧電素子１が接着され振動することになり、その結果として、タッチパネル２、中でも操作領域２ａをより大きく振動させることができる。

なお、図５では、２つの圧電素子１間を操作領域２ａとし、操作領域２ａ以外の部分を非表示部２ｂとしたが、圧電素子１とガスケット材４による固定部との間隔Ｌ１に位置する部分を、タッチして操作することはないが、画像表示装置５の画像を見ることができる表示部として使用することもできる。

図６は、さらに他の形態のタッチパネル装置の説明図であり、圧電素子１は、タッチパネル２の主面における一対の短辺２ａ１近傍にそれぞれ設けられており、タッチパネル２の長さ方向中央部にも設けられている。タッチパネル２の操作領域２ａが、タッチパネルの長さ方向中央部に設けられた圧電素子１の両側に形成されている。

すなわち、タッチパネル２には、長さ方向に伸びた矩形状の操作領域２ａが２つ設けられており、それらはタッチパネル２の長さ方向に配置されている。その結果、図６からわかるように、タッチパネル３には３箇所の非表示部２ｂ１、２ｂ２、２ｂ３が存在する。それぞれの非表示部２ｂ１、２ｂ２、２ｂ３には、３つの帯状の圧電素子１が、タッチパネル２の裏面側に取り付けられており、これらの取り付け位置はガスケット材６から、それぞれＬ１、Ｌ２、Ｌ３だけ間隔をおいて配置されている。

特に、圧電素子１は、タッチパネル２の長さ方向中央部近傍に配置されている。このような構成とすることにより、操作領域２ａを２画面として、より多くの情報を表示することができると同時に、タッチパネル２の中で最も振動自由度の高い長さ方向中央部に、圧電素子１が接着され、振動することになるため、タッチパネル２を大きく振動させることができる。

また、３つの圧電素子１は同時に駆動してもよい。この場合には、タッチパネル２の全面で大きな振動が得られる。また、操作者が一つの操作領域２ａに対して入力操作を行うときには、操作領域２ａを挟む位置の圧電素子１だけを駆動してもよい。この場合には、圧電素子１で挟まれた操作領域２ａを選択的に大きく振動させることができる。

広く用いられている有限要素法解析ソフトのＡＮＳＹＳにより、圧電性を考慮したシミュレーションを行った。解析モデルは、タッチパネル２および圧電素子１、ガスケット材４からなり、タッチパネル２と圧電素子１、ガスケット材４を固着させる接着剤は省略した。ガスケット材４をタッチパネル２の全周囲に配置し、ガスケット材４の変位を拘束することで、タッチパネル２の全周囲がケース３に固定されている状況をモデル化した。圧電素子１は帯状の外形をしており、図４に示すように圧電セラミックス層１０ａと内部電極層１３ａ、１３ｂとが積層構造をなしているものとした。

タッチパネル２の材質はアクリルとし、ガスケット材４はヤング率の低い弾性体とした。圧電材料には、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）の材料物性値を適用した。

以下の実施例においては、タッチパネル２および圧電素子１、ガスケット材４の寸法や材質は統一しており、圧電素子１の数と配置を変更した場合の検討結果を記載する。

はじめに、圧電素子１とガスケット材４との間隔について検討を行った。図２に示すように、タッチパネル２の操作領域２ａが長さ方向の中央部にあり、その両側に圧電素子１を配置した場合をモデル化した。圧電素子１とガスケット材４との間隔Ｌ１、Ｌ２を変更させてシミュレーションを行い、タッチパネル２中央部の変位の大きさを求めた。なお、この検討においては、間隔Ｌ１、Ｌ２は等しいものとした。

結果を図７に示す。圧電素子１とガスケット材４との間隔Ｌ１、Ｌ２が広くなるほど、タッチパネル２の中央部の変位が大きくなり、圧電素子１がタッチパネル２の長さ方向の中央部に配置されたとき、変位が最大になっている。したがって、タッチパネル２の全周囲を固定した場合、長さ方向の中央部近傍に圧電素子１を配置することが、タッチパネル２を大きく振動させるために望ましいことがわかる。

次に、図５に示すように、１つの圧電素子１がタッチパネル２の長さ方向の中央部に配置され、その片側に操作領域２ａが設けられた場合をモデル化し、変位量の計算を行った。図５における断面Ｂ−Ｂ’におけるタッチパネルの変位量を図８に示す。図８の横軸は、図５の断面Ｂ−Ｂ’における長さ方向の位置を示しており、操作領域２ａは長さ方向の中央部よりも右側に配置されている。その結果が、図８の実線２２である。比較例として、圧電素子１が長さ方向の中央部に１個だけ配置された場合の結果を、破線２３で示している。また、タッチパネル２の長さ方向の一辺の長さより短い細長帯状の圧電素子１を一対固着し、一対の圧電素子１は、それぞれ長方形の対角位置近傍から長さ方向の一辺に沿って固着させた場合（特許文献１）の結果を、一点鎖線２４で示している。

実線２２と一点鎖線２４とを比較すると、長さ方向の辺に沿って対角位置近傍に圧電素
子を配置する従来技術に比べて、タッチパネル２の長さ方向の中央部近傍に、タッチパネル２の短辺に平行に圧電素子１を配置する方が、タッチパネル２中央部において２．７倍大きい変位が得られることがわかる。実線２２で示すように、操作領域２ａの両側に圧電素子１を配置した場合においては、破線２３で示す圧電素子１が中央部に１つだけの場合に比べて、操作領域２ａの領域において、特に大きな変位が得られていることがわかる。

最後に、図６のように、タッチパネル２の長さ方向の中央部に圧電素子１が１つ配置され、その両側に操作領域２ａおよび圧電素子１が配置された場合をモデル化し、シミュレーションを行った。そのときの断面Ｃ−Ｃ’におけるタッチパネルの変位量を、図８の実線２１として示した。実線２２で示した、操作領域２ａが片側の場合と比較して、長さ方向中央部の両側で大きな変位が得られていることがわかる。

以上の結果から、矩形状のタッチパネル２には長さ方向に伸びた矩形状の操作領域２ａが設けられており、タッチパネル２の全周囲がケース３に固定されており、圧電素子１は操作領域２ａの外側に、ケース３への固定部から所定間隔をおいて、タッチパネル２の一対の短辺に平行な方向に接着することによって、タッチパネル２とケース３との間の封止性を確保しながら、タッチパネル２の操作領域２ａを大きく振動させることができ、その結果、操作者に強いクリック感を与えることが可能となることがわかる。

１：圧電素子
２：タッチパネル
２ａ：操作領域
２ａ１：短辺
２ａ２：長辺
３：ケース
３ａ：上蓋
３ａ１：操作窓
３ｂ：容器
４：ガスケット材
５：画像表示装置
１０ａ：圧電体層
１１、１２：外部電極
１３ａ、１３ｂ：内部電極
１４ａ、１４ｂ：端面電極

Claims (3)

1. 画像表示装置に対して所定間隔をおいて配置された主面が長方形状のタッチパネルと、該タッチパネルが内部に収容され保持固定されるとともに前記タッチパネルにタッチするための操作窓を有するケースと、前記タッチパネルの前記画像表示装置側の主面に接着されるとともに前記タッチパネルを振動させる帯状の複数の圧電素子とを具備し、前記ケースの前記操作窓には前記タッチパネルの操作領域が露出しているタッチパネル装置であって、前記タッチパネルの周囲が前記ケースに固定されているとともに、前記圧電素子が、前記タッチパネルの前記画像表示装置側の主面における短辺にそれぞれ平行で、かつ前記画像表示装置側の主面における短辺に沿った前記ケースとの固定部から前記操作領域側に所定距離をおいてそれぞれ設けられていることを特徴とするタッチパネル装置。
2. 一対の前記圧電素子の一方が、前記タッチパネルの前記画像表示装置側の主面における一方の短辺近傍に設けられ、他方が前記タッチパネルの長さ方向中央部に設けられており、前記タッチパネルの操作領域が、一方の前記圧電素子と他方の前記圧電素子との間に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のタッチパネル装置。
3. 前記圧電素子は、前記タッチパネルの前記画像表示装置側の主面における一対の短辺近傍にそれぞれ設けられているとともに、前記タッチパネルの長さ方向中央部にも設けられており、前記タッチパネルの操作領域が、前記タッチパネルの長さ方向中央部に設けられた圧電素子の両側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のタッチパネル装置。

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