JP5597583B2 - タッチパネル装置及び電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、タッチパネル装置及び電子機器に関し、更に具体的には、圧電振動素子を用いたフォースフィードバック機能（ないしハプティック機能）を備えたタッチパネル装置及びそれを備えた電子機器に関するものである。

携帯電話等に用いられる液晶パネルなどの表示装置に、入力装置として感圧式や静電容量式のタッチパネルが用いられるが、通常の機械式スイッチと異なり、押下したときの沈み込み深さが小さいため、押したのかどうかを指先等で感知することが難しい。そのため、押下に合わせて振動等の機械的な動きを発生させ、触覚的に押下を感知せしめるハプティック機能を備えたタッチパネル装置が開発されている。

ハプティック機能を実現させるための駆動源としては、例えば、下記特許文献１の振動素子を有するパネル部材に示すような圧電アクチュエータや、下記特許文献２のハプティックパネル装置に示すような電磁式のアクチュエータが用いられる。また、表示用パネルへのアクチュエータの取り付けに関しては、例えば、下記特許文献３の触覚提示機能付き表示装置に示される液晶，タッチパネル，ハプティックパネルを積層した構造や、下記特許文献４の携帯型電子デバイスおよび制御方法に示される液晶の下側からユニットを駆動するblackberryタイプのように、液晶パネルの下側にアクチュエータを配置する例がある。このような配置により、表示装置の画像が遮られることなく、振動を指先に伝達することができる。また、前記特許文献１や特許文献２に示す技術のように、駆動源となるアクチュエータを、パネル面内の表示されない周囲部分に配置することで、視覚的な表示と触覚による呈示を両立させる例もある。

これらのハプティック機能を備えた装置では、タッチパネルが押下されることに対応してアクチュエータが変形し、変位や振動がパネルから指先などに伝達され、タッチパネルを押下したことを感知せしめている。この際、入力する信号としては、単純な正弦波信号や矩形波信号で感知せしめる場合もあるが、下記特許文献５のアクチュエータを用い触覚効果を生成する方法及び装置に示されるような特殊な信号を入力することにより、操作者にスイッチを押下したと錯覚させる方式もある。また、構成によっては、アクチュエータに音声信号を入力することで、パネル全体を振動させて音楽や音声などを再生するスピーカとしての機能を持たせることも可能である

特開２０１０−１５７０３７号公報 特開２００６−１４６６１１号公報 特開２０１１−２９２６号公報 特開２０１０−１５２８８９号公報 特開２０１０−２８７２３１号公報

しかしながら、前記特許文献１〜４に示されるハプティック構造では、アクチュエータが液晶パネルやタッチパネルの下面（背面）に実装されており、アクチュエータが駆動しなければならない質量が大きくなることから、ハプティック機能によって十分に振動等を感知させるためには、アクチュエータに大きな振動の発生力と変位が必要になる。そのためには、大きな電圧を加える必要があり、特に、携帯機器等においては実現が困難であった。また、液晶パネルやタッチパネルとは別にアクチュエータが必要となるため、結果的に表示装置が厚くなり、薄型化の障害になるという不都合もある。

本発明は、以上のような点に着目したもので、少ない力や変位であってもパネル表面へ確実に振動を伝達し、かつ、厚みを出さずにハプティック機能を実現することができるタッチパネル装置及び電子機器を提供することを、その目的とする。

本発明のタッチパネル装置は、タッチパネルと、該タッチパネルの背面側に設けられた表示部と、前記タッチパネルの表面側に形成された透明な保護基板と、圧電振動素子とを有するタッチパネル装置であって、前記保護基板を、表面側の第１のガラス基板と前記タッチパネル側の第２のガラス基板の接合により構成するとともに、前記第１又は第２のガラス基板のいずれか一方のガラス基板の前記接合される面側に厚み方向に前記圧電振動素子の厚みより厚い段差部を有し、前記段差部に前記圧電振動素子を配置し、該圧電振動素子を第１のガラス基板に接合したことを特徴とするタッチパネル装置。

主要な形態の一つは、前記段差部を、前記第２のガラス基板側に設けたことを特徴とする。他の形態は、前記段差部を貫通孔としたことを特徴とする。更に他の形態は、前記圧電振動素子と前記タッチパネルの間に緩衝材を設けたことを特徴とする。更に他の形態は、前記第１のガラス基板の厚さが、前記第２のガラス基板の厚さよりも薄いことを特徴とする。更に他の形態は、前記段差部の側面が、前記第１のガラス基板側へ向けて広がったテーパ面であることを特徴とする。更に他の形態は、前記圧電振動素子が、複数の圧電体層と電極層とを交互に積層した積層構造であることを特徴とする。更に他の形態は、前記圧電振動素子が、厚み方向中心の上下で、電界に対する分極方向が逆になるように分極したバイモルフ構造であることを特徴とする。更に他の形態は、前記圧電振動素子の振動が、前記第１のガラス基板に表面弾性波として変換されて伝達することを特徴とする。

本発明の電子機器は、前記いずれかに記載のタッチパネル装置を備えたことを特徴とする。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。

本発明によれば、表示部やタッチパネルを保護する透明な保護基板を、第１及び第２のガラス基板の接合により構成し、該第１又は第２のガラス基板のいずれか一方のガラス基板の前記接合する面側に、厚み方向に圧電振動素子の厚みより厚い段差部を有し、前記段差部に圧電振動素子を配置して第１のガラス基板に接合することとした。そのため、圧電振動素子は、比較的薄い保護基板のみを振動させればよく、少ない力や変位であっても、保護基板表面に十分な振動を伝達することが可能になるとともに、タッチパネル装置の厚みを増すことなくハプティック機能を付与することができる。

本発明の実施例１のスマートフォンを示す図であり、(A)は全体の外観斜視図，(B)はパネル表示部の分解斜視図である。 前記図１(A)を＃Ａ−＃Ａ線に沿って切断し矢印方向に見た圧電振動素子の実装部の断面図である。 前記図１(B)を＃Ｂ−＃Ｂ線に沿って切断し矢印方向に見た圧電振動素子の断面図である。 本発明の他の実施例を示す図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。

最初に、図１〜図３を参照しながら本発明の実施例１を説明する。本発明は、例えば、携帯電話やスマートフォン，あるいは、カーナビゲーション装置やゲーム機など、表示装置とそれに付随するタッチパネル機能を備えた電子機器に対し、入力を触覚で感知せしめるハプティック機能を実装する技術に関するものであるが、本実施例では、前記電子機器としてスマートフォンを例示して説明する。図１は、本実施例のスマートフォンを示す図であり、(A)は全体の外観斜視図，(B)はパネル表示部の分解斜視図である。図２は、前記図１(A)を＃Ａ−＃Ａ線に沿って切断し矢印方向に見た圧電振動素子の実装部分の断面図であり、図３は、前記図１(B)を＃Ｂ−＃Ｂ線に沿って切断し矢印方向に見た圧電振動素子の断面図である。

図１及び図２に示すように、本実施例のスマートフォン１０は、筐体１２の収納部１４内に、表示装置１８及びタッチパネル２０が配置されており、表面のほぼ全面が透明な保護パネル２２（保護基板）で覆われた構成となっており、該保護パネル２２は、筐体１２の縁部１６に支持されている。なお、透明とは、保護基板を通して、該保護基板の背面に設けられた表示部で表示された内容が視覚的に判別できることをいう。前記保護パネル２２には、受話用の放音孔２４や操作用スイッチ２６のための開口部２８が設けられている。なお、画像等が実際に表示される表示領域４６は、前記保護パネル２２の中央部の制限された範囲となっている。前記保護パネル２２は、表面側の第１のガラス基板２２Ａと、前記タッチパネル２０側の第２のガラス基板２２Ｂを接合した接合基板となっており、前記第１のガラス基板２２Ａ及び第２のガラス基板２２Ｂとしては、化学的に強化された強化ガラス等が用いられる。なお、本発明では、タッチパネル装置を視覚的に見る方向を、表面側（上側ないし上）と定義し、反対方向を、背面側（下側ないし下）と定義する。

前記保護パネル２２の下（ないし背面側）には、前記タッチパネル２０が設けられる。該タッチパネル２０としては、静電容量式のほか、抵抗膜方式などの公知の既存の方式を用いることができる。更に、タッチパネル２０の下には前記表示装置１８が配置されているが、該表示装置１８（表示部）についても、液晶表示装置のほか、有機ＥＬを用いた表示装置等が利用可能である。前記保護パネル２２とタッチパネル２０の間、該タッチパネル２０と表示装置１８の間は、それぞれ図示しない光学的に透明な接着剤や粘着テープなどによって固定されている。前記接着剤としては、エポキシをはじめとする一般的な材料が用いられ、また、粘着剤としては、アクリル系粘着剤をはじめとする一般的な材料が用いられる。

また、前記保護パネル２２には、圧電振動素子４０が実装されている。本実施例では、下側のガラス基板２２Ｂに、２ヶ所の段差部３０Ａ，３０Ｂ（本実施例では、凹部３０Ａ，３０Ｂとも表記する）を設け、その部分に圧電振動素子４０を実装する。段差部３０Ａ，３０Ｂ（本実施例では、凹部３０Ａ，３０Ｂ）の段差は、前記圧電振動素子４０の厚みよりも深くしている。前記圧電振動素子４０の厚みとは、該圧電振動素子４０が振動するときの変位量を考慮し、圧電振動素子４０が振動しないときの厚みと、変位量とを少なくとも合わせたものである。該圧電振動素子４０は、上面が上側のガラス基板２２Ａに対して接着剤や粘着剤，あるいは、両面テープなどを用いて接合され、底面側が前記凹部３０Ａ，３０Ｂの底面により支持されている。本実施例では、圧電振動素子４０の平面形状が長方形であるが、その両端部を強固に固定し、中央部は柔らかく固定することにより、発生した振動を効率よくガラス基板２２に伝達させることができる。そのために、例えば、周辺（ないし両端部）の接合部にはエポキシなどの接着剤や、基材がＰＥＴなどの両面テープを用いることが望ましく、中央部の接合にはウレタンやシリコンなどの柔らかい接着剤や、基材がゴムやエラストマーでできた柔らかい両面テープを用いることが望ましい。前記凹部３０Ａ，３０Ｂの寸法は、圧電振動素子４０の寸法に応じて決定される。

前記保護パネル２２の厚みは、実装する装置等の構成によっても異なるが、ガラス基板２２Ａ及び２２Ｂを貼り合わせた状態で１ｍｍ以下となることが一般的であり、本実施例では、下側のガラス基板２２Ｂよりも、上側のガラス基板２２Ａの厚さを薄くすることで、より少ない力での振動伝達を可能としている。また、前記圧電振動素子４０の実装位置は、図２に示すように前記タッチパネル２０の配置されている範囲外であるため、圧電振動素子４０の振動がタッチパネル２０によって妨げられることがない。

次に、前記圧電振動素子４０について説明する。圧電振動素子４０は、図３に示すように、複数の圧電体層４２と電極層４４を交互に積層した構造となっており、本実施例では、厚み方向中心の上側４０Ａと下側４０Ｂで、電界に対する分極方向が逆になるように分極したバイモルフ構造のものを利用した。該圧電振動素子４０は、実装する電子機器の構造にもよるが、全く積層していない単板構造としてもよいし、積層する場合でも、電界に対して全ての圧電体層が同じ方向に分極されているユニモルフ構造を採用することも可能であるが、入力電圧を低く抑えるという観点からは積層構造とする方が望ましく、また、発生変位や発生力を大きくするという観点からはバイモルフ構造とすることが望ましい。前記圧電体層４２の材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛に添加物を加えた圧電材料が用いられるが、一般的に知られている圧電セラミックスであれば、他の材料を用いてもよい。電極層４４の材料としては、例えば、銀や白金など、公知の各種の電極材料が利用可能である。

前記圧電振動素子４０は、保護パネル２２のガラス基板２２Ｂに埋め込むように実装することから、発生変位・発生力や保護パネル２２として必要な厚みを確保することを合わせて考えると、厚みは０．４〜０．６ｍｍとすることが望ましい。また、圧電振動素子４０の長さと幅は、実装する電子機器の構成によるが、本実施例で例示しているスマートフォン１０では、例えば、長さを６０ｍｍ以下、幅を５ｍｍ以下とすることが望ましく、更に、十分に振動をガラス面に伝達するためには、幅は２ｍｍ以上とすることが好ましい。本実施例では、上記寸法範囲を考慮し、圧電振動素子４０の厚さを０．５ｍｍ，長さを５０ｍｍ，幅を３ｍｍとした。また、圧電体層４２は、一層あたりの厚みを１８μｍとし、２６層積層することとした。

前記圧電振動素子４０の表面に形成された電極層４４には、図示しない駆動回路が接続されるが、接続用の電路は、ガラス基板２２Ａ，２２Ｂの表面に印刷やスパッタリングなどの方法で設けるようにしてもよいし、極細の金属線で形成してもよい。以上のような圧電振動素子４０を実装した保護パネル２２と、タッチパネル２０，表示装置１８を貼り合わせることにより、本発明に係るハプティック機能を有するタッチパネル装置（ないしパネル表示部）が形成される。

次に、本実施例の作用を説明する。前記表示領域４６に表示された表示内容に応じた位置の保護パネル２２が押されると、前記タッチパネル２０が押下されることを検出し、それに合わせて前記圧電振動素子４０に信号を入力して振動させる。ガラス基板２２Ｂの凹部３０Ａ，３０Ｂ内で圧電振動素子４０が振動するとき、該圧電振動素子４０の周囲（側面部側）のガラスの厚みは、上方のガラスの厚み（ガラス基板２２Ａの厚み）と比べて厚く剛性が高いため、振動は表面弾性波となり、保護パネル２２を押した指やスタイラスペンのペン先に振動が伝達される。このため、ガラス基板（保護パネル２２）を厚み方向全体で振動する場合に比較して、少ないパワーでも、触覚的にスイッチ押下を感知させることが可能となる。

このとき入力される信号としては、単純な正弦波信号や矩形波信号，あるいは、それらの組み合わせでもよいし、上述した背景技術の特許文献５に示されるようなスイッチ押下を錯覚させるような信号であってもよい。本実施例では、２つの圧電振動素子４０を用いているため、各々に入力される信号の振幅や位相を制御することにより、保護パネル２２の面内の特定の場所に強い振幅を誘起することができ、指などが触れている部分を選択的に振動させることが可能となる。

このような構造のタッチパネル装置（パネル表示部）を用い、入力信号として、人間の指先の感度が最も高いとされる２００Ｈｚの正弦波信号を用いて、保護パネル２２の変位量を測定した。また、同じタッチパネル装置を用いて１００Ｈｚの正弦波信号を入力し、保護パネル２２の表面から１０ｃｍの位置においたマイクによって発生する音を測定した。その結果、変位量に関しては、入力電圧８Ｖｒｍｓで４μｍの変位量が得られた。また、音圧は９０ｄＢと高かった。比較例として、圧電振動素子４０を表示装置１８の下側に配置した構造のタッチパネル装置を作製し、同様の方法で変位量と音圧を測定した。その結果、同じ入力電圧８Ｖｒｍｓで変位は０．３μｍ，音圧は７０ｄＢであり、実施例に比べて変位量及び音圧とも大幅に低下することが確認された。

このように、実施例１によれば、次のような効果がある。
(1)表示装置１８やタッチパネル２０を保護する透明な保護パネル２２を、２枚のガラス基板２２Ａ，２２Ｂの接合により構成し、タッチパネル２０側のガラス基板２２Ｂの接合面側に圧電振動素子４０の厚みよりも深い凹部３０Ａ，３０Ｂを設けて、該凹部３０Ａ，３０Ｂ内に圧電振動素子４０を配置して表面側のガラス基板２２Ａに接合することとした。そのため、圧電振動素子４０の振動は、表面弾性波として保護パネル２２の表面に伝わり、わずかな力や変位であっても、保護パネル２２の表面に十分な振動をさせ、指先などに確実に振動を伝達する。また、タッチパネル装置の薄型化を図りながら、ハプティック機能の実装が可能となる。

(2)ガラス基板２２Ｂに設けた凹部３０Ａ，３０Ｂの底面によって圧電振動素子４０の底面側を支持するため、タッチパネル２０と重なっていない部分に圧電振動素子４０を設けることができるため、タッチパネル２０による振動の妨げを防止することができる。
(3)表面側のガラス基板２２Ａを、タッチパネル側のガラス基板２２Ｂよりも薄くしたので、より小さい力でも振動の伝達が可能となる。
(4)圧電振動素子４０を２ヶ所に設けたので、各々に入力される信号の振幅や位相を制御することにより、保護パネル２２の面内の特定の場所に強い振幅を誘起することができ、指などが触れている部分を選択的に振動させることが可能となる。

(5)圧電振動素子４０の平面形状を長方形とし、その両端部を強固に固定し、中央部は柔らかく固定することとしたので、発生した振動を効率よく保護パネル２２に伝達させることができる。
(6)圧電振動素子４０が、圧電体層４２と電極層４４を複数交互に積層した積層構造であるため、入力電圧を低く抑えることができる。
(7)圧電振動素子４０をバイモルフ構造としたので、発生変位や発生力を大きくすることができる。

なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることができる。例えば、以下のものも含まれる。
(1)前記実施例で示した形状，寸法などは一例であり、必要に応じて適宜変更してよい。例えば、前記実施例では、圧電振動素子４０の形状を長方形とし、その寸法の具体例を示したが、これも一例であり、圧電振動素子４０の長さ，幅，厚みは、同様の効果を奏する範囲内で適宜増減してよい。形状についても同様に、円形にするなど、適宜変更可能である。
(2)前記実施例で示した圧電振動素子４０ではバイモルフ構造としたが、これも一例でありユニモルフ構造としてもよい。
(3)前記実施例では圧電振動素子４０を積層構造としたが、これも一例であり、単板構造としてもよいし、積層構造とする場合も必要に応じて適宜積層数を増減してよい。

(4)前記圧電振動素子４０を形成する材料についても公知の各種の材料が利用可能である。
(5)圧電振動素子４０の実装数も一例であり、前記実施例では２つ実装することとしたが、タッチパネル装置やそれを設ける電子機器（スマートフォン１０など）の構成次第では、圧電振動素子４０の実装数は１つとしてもよいし、３つ以上であってもよい。
(6)前記実施例では、凹部３０Ａ，３０Ｂをタッチパネル２０側のガラス基板２２Ｂに設けることとしたが、表面側のガラス基板２２Ａに凹部を設けてその内側に圧電振動素子４０を配置してもよい。

(7)前記実施例では、圧電振動素子４０を凹部３０Ａ，３０Ｂの底面で支持する構成としたが、これも一例であり、図４(A)に示す例のように、凹部の代わりに貫通孔５０をガラス基板２２Ｂに設け、その内側に配置した圧電振動素子４０の底面とタッチパネル２０の間に、柔らかい緩衝材５２を設けることで、間接的にタッチパネル２０で支持するようにしてもよい。前記緩衝材５２を設けることにより、圧電振動素子４０から保護パネル２２への振動の伝達がタッチパネル２０によって妨げられるのを防止することができる。前記緩衝材５２の弾性率は、１０〜１００ＭＰａが好ましい。

(8)前記実施例で示した凹部３０Ａ，３０Ｂの形状も一例であり、必要に応じて適宜変更してよい。例えば、図４(B)に示す例のように、ガラス基板２２Ｂに、上方へ向かって広がる２０°程度の傾きのテーパ面６２を有する凹部（ないし段差部）６０を形成し、その内側に圧電振動素子４０を配置してもよい。前記テーパ面６２を上に向けて広げることにより、振動の妨げが低減し、振動伝達の効率が向上する。
(9)前記実施例では、本発明のタッチパネル装置をスマートフォン１０に適用することとしたが、これは一例であり、本発明は、携帯電話，カーナビゲーション装置，ゲーム機など、表示装置とそれに付随するタッチパネル機能を備えた電子機器全般に適用可能である。

本発明によれば、表示部やタッチパネルを保護する透明な保護基板を、第１及び第２のガラス基板の接合により構成し、該第１又は第２のガラス基板のいずれか一方のガラス基板の前記接合する面側に厚み方向に圧電振動素子の厚みより厚い段差部を有し、前記段差部に圧電振動素子を配置して第１のガラス基板に接合することで、わずかな力や変位であっても、保護基板表面への十分な振動の伝達が可能となるため、タッチパネル装置やそれを利用した電子機器の用途に適用できる。特に、薄型化が要望される機器等へのハプティック機能の実装に好適である。

１０：スマートフォン
１２：筐体
１４：収納部
１６：縁部
１８：表示装置
２０：タッチパネル
２２：保護パネル（保護基板）
２２Ａ，２２Ｂ：ガラス基板
２４：放音孔
２６：操作用スイッチ
２８：開口部
３０Ａ，３０Ｂ：凹部（段差部）
４０：圧電振動素子
４０Ａ：上側
４０Ｂ：下側
４２：圧電体層
４４：電極層
４６：表示領域
５０：貫通孔
５２：緩衝材
６０：凹部（段差部）
６２：テーパ面

Claims (10)

1. タッチパネルと、該タッチパネルの背面側に設けられた表示部と、前記タッチパネルの表面側に形成された透明な保護基板と、圧電振動素子とを有するタッチパネル装置であって、
   前記保護基板を、表面側の第１のガラス基板と前記タッチパネル側の第２のガラス基板の接合により構成するとともに、
   前記第１又は第２のガラス基板のいずれか一方のガラス基板の前記接合される面側に厚み方向に前記圧電振動素子の厚みより厚い段差部を有し、前記段差部に前記圧電振動素子を配置し、該圧電振動素子を第１のガラス基板に接合したことを特徴とするタッチパネル装置。
2. 前記段差部を、前記第２のガラス基板側に設けたことを特徴とする請求項１記載のタッチパネル装置。
3. 前記段差部を貫通孔としたことを特徴とする請求項２記載のタッチパネル装置。
4. 前記圧電振動素子と前記タッチパネルの間に、緩衝材を設けたことを特徴とする請求項３記載のタッチパネル装置。
5. 前記第１のガラス基板の厚さが、前記第２のガラス基板の厚さよりも薄いことを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載のタッチパネル装置。
6. 前記段差部の側面が、前記第１のガラス基板側へ向けて広がったテーパ面であることを特徴とする請求項２〜５のいずれか一項に記載のタッチパネル装置。
7. 前記圧電振動素子が、複数の圧電体層と電極層とを交互に積層した積層構造であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のタッチパネル装置。
8. 前記圧電振動素子が、厚み方向中心の上下で、電界に対する分極方向が逆になるように分極したバイモルフ構造であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のタッチパネル装置。
9. 前記圧電振動素子の振動が、前記第１のガラス基板に表面弾性波に変換されて伝達することを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のタッチパネル装置。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載のタッチパネル装置を備えたことを特徴とする電子機器。

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