JP6662496B2 - 振動構造、振動装置、および触覚提示装置 - Google Patents

Description

本発明は、振動を発生させる振動構造、振動装置、および触覚提示装置に関する。

近年、タッチパネルにおいて、利用者がタッチパネルを押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、タッチパネルを「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、タッチパネルの端部に振動モータを配置し、タッチパネル全体を略均一な振動量で振動させる構成が開示されている。

特開２０１２−１３７９７１号公報

しかし、振動モータは、コイルを備えるため、厚くなる。

そこで、本発明の目的は、振動モータを用いる構成よりも厚みが薄い振動構造、振動装置、および触覚提示装置を提供することにある。

振動構造は、フィルムと、枠状部材と、振動部と、支持部と、接続部材と、を備えている。フィルムは、電圧を加えることで面方向に変形する。枠状部材は、前記フィルムに接続され、開口を有する。振動部は、平面視して前記開口の面積よりも面積が小さく、前記フィルムに接続され、前記フィルムが前記面方向に変形することにより、前記面方向に振動する。支持部は、前記振動部と前記枠状部材とを接続し、前記振動部を前記枠状部材に支持する。接続部材は、前記フィルムと、前記振動部および前記枠状部材と、を接続する。

この振動構造は、振動部が枠状部材の開口内で面方向に振動するため、全体の厚みは、フィルムの厚み、接続部材の厚み、および振動部の厚みだけであり、非常に薄くなる。また、フィルムは、弾性があり、耐衝撃性を有する。

上記振動構造によれば、振動モータを用いる構成よりも厚みを薄くすることができる。

振動構造１の斜視図である。 振動構造１の分解斜視図である。 図３（Ａ）は振動構造１の平面図であり、図３（Ｂ）は、Ａ−Ａ断面図である。 図４（Ａ）は、振動装置１００の構成を示す概略図であり、図４（Ｂ）は、振動構造１の平面図である。 図５（Ａ）および図５（Ｂ）は、支持部１３の変形例を示す図である。 タッチセンサ２４を備えた触覚提示装置１５０の構成を示す概略図である。 図７（Ａ）は、振動構造１にガイド板１５１をさらに加えた場合の斜視図であり、図７（Ｂ）は、分解斜視図である。 図８（Ａ）は、振動構造１にガイド板１５２をさらに加えた場合の斜視図であり、図８（Ｂ）は、分解斜視図である。 図９（Ａ）は、圧電フィルム１２とフレキシブルケーブル５０の接続箇所を示す斜視図であり、図９（Ｂ）および図９（Ｃ）は、拡大斜視図である。 図１０（Ａ）は、振動部１４の上に、スペーサ１４０と、上板１４１と、を接続した構成を示す分解斜視図であり、図１０（Ｂ）は、駆動信号の波形を示す図であり、図１０（Ｃ）は、斜視図である。 第２振動部５を備えた振動構造を示す図である。 図１２（Ａ）は、筐体７と第２振動部５との接続状態を示す斜視図であり、図１２（Ｂ）は、接続後の斜視図である。 振動構造１に防音シート１９０を接続する場合の分解斜視図である。 振動構造１にディスプレイの保持ベゼル９を接続する場合の分解斜視図である。 図１５（Ａ）は、タッチパネル等の平板１８７に振動構造１を装着する際の変形例を示す分解斜視図であり、図１５（Ｂ）は平面図である。 図１６（Ａ）は、平板１８７に振動構造１を装着する際のさらに別の変形例を示す分解斜視図であり、図１６（Ｂ）は下面図であり、図１６（Ｃ）は断面図である。 圧電フィルム１２の構造を詳細に示す断面図である。 図１８（Ａ）は、タッチパネルを保持するサポートプレート２０１に振動構造１を取り付ける場合の例を示す斜視図であり、図１８（Ｂ）は、平面図であり、図１８（Ｃ）は断面図（図１８（Ｂ）に示すＢ−Ｂ線の断面図）である。 図１９（Ａ）および図１９（Ｂ）は、バネ構造を有する振動部１４の斜視図であり、図１９（Ｃ）は、フレキシブルケーブル５０に駆動回路１７０を接続した場合の斜視図である。 図２０（Ａ）は、振動方向に対して垂直方向に曲げられる振動構造を示す斜視図であり、図２０（Ｂ）は、圧電フィルム１２等を接続した場合の斜視図である。 図２１（Ａ）は、第２振動部５の背面斜視図であり、図２１（Ｂ）は、振動構造１を接続した場合の背面斜視図である。 図２２（Ａ）は、第２振動部５を固定するための筐体７を示す斜視図であり、図２２（Ｂ）は、第２振動部５を固定し、フレキシブルケーブル５０を回路１７に接続した斜視図である。 振動方向に対して垂直な方向にも支持部１３（バネ構造７００）を備えた振動構造１の平面図である。 振動部１４の一部を排除した構造を示す、振動構造１の平面図である。

図１は、振動構造１の斜視図であり、図２は、分解斜視図である。図３（Ａ）は、振動構造１の平面図であり、図３（Ｂ）は、Ａ−Ａ断面図である。

本実施形態の振動構造１は、枠状部材１０、圧電フィルム１２、支持部１３、振動部１４、および接続部材１５を備えている。

枠状部材１０は、平面視した形状が長方形状である。枠状部材１０は、長方形状の開口１１を有する。ただし、この例では、開口１１は、枠状部材１０の長手方向の両端に配置された２つの第１開口１１Ａと、短手方向の両端に配置された２つの第２開口１１Ｂと、からなる。第１開口１１Ａは、長方形状であり、枠状部材１０の短手方向に沿って長い形状となっている。第２開口１１Ｂは、枠状部材１０の長手方向に沿って長い長方形状の開口である。また、第２開口１１Ｂの長手方向の両端は、枠状部材１０の中心軸（図中のＡ−Ａ線）に向かってさらに長方形状に延長されている。

振動部１４は、平面視して長方形状であり、開口１１の内側に配置されている。振動部１４の面積は、開口１１の面積より小さくなっている。

支持部１３は、振動部１４と枠状部材１０とを接続し、振動部１４を枠状部材１０に支持する。この例では、支持部１３は、枠状部材１０の短手方向に沿って長い長方形状であり、振動部１４の長手方向の両端部で、該振動部１４を保持する。つまり、支持部１３は、圧電フィルム１２が伸縮する方向に直交する方向の長さが、圧電フィルム１２が伸縮する方向に沿った長さよりも長い。

この例では、枠状部材１０、振動部１４、および支持部１３は、同一部材（例えば、アクリル樹脂、ＰＥＴ、ポリカーボネイト、ガラスエポキシ、ＦＲＰ、金属、またはガラス等）で形成されている。つまり、枠状部材１０、振動部１４、および支持部１３は、１枚の長方形状の板部材を、第１開口１１Ａおよび第２開口１１Ｂの形状に沿って打抜き加工することで形成される。枠状部材１０、振動部１４、および支持部１３は、それぞれ別の部材であってもよいが、同一部材で形成されることで、容易に製造することができる。または、同一部材で形成されることで、振動部１４の支持にゴム等の別の部材（クリープ劣化のある部材）を用いる必要がなく、長期間安定して振動部１４を保持することができる。また、同一部材でかつ抜き打ち加工を行なう場合、複数の支持部１３の固有振動周期が全く同じになるため、振動部１４を振動させたときの振動部１４の振動バラツキを軽減することができる。ただし、本発明において、これら部材は、同一部材で形成される必要はない。例えば、複数の支持部１３にそれぞれ別の部材を用いた場合、振動部１４の動きを調整することができる。例えば、支持部１３にゴム等の弾性係数の高い材料を用いると圧電フィルム１２に印加する電圧の大きさを小さくすることができる。

圧電フィルム１２は、枠状部材１０および振動部１４に接続される。圧電フィルム１２は、電圧を加えると面方向に変形するフィルムの一例である。圧電フィルム１２は、平面視して枠状部材１０の長手方向に沿って長い長方形状である。圧電フィルム１２は、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）からなる。他にも、圧電フィルム１２は、キラル高分子からなる態様であってもよい。キラル高分子は、例えば、Ｌ型ポリ乳酸（ＰＬＬＡ）またはＤ型ポリ乳酸（ＰＤＬＡ）等を用いる。

圧電フィルム１２にＰＶＤＦを用いた場合、ＰＶＤＦは耐水性があるため、この例における振動部材を備えた電子機器をどのような湿度環境下においても同じような振動をさせることができる。

また、圧電フィルム１２にＰＬＬＡを用いた場合、ＰＬＬＡは透過性の高い材料であるため、ＰＬＬＡに付加する電極および振動部が透明な材料であれば、機器の内部状況を視認出来るため、製造し易くなる。また、ＰＬＬＡは、焦電性が無いため、どのような温度環境下においても同じような振動をさせることができる。

圧電フィルム１２は、仮にＰＬＬＡで構成される場合、延伸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、圧電性を持たせる。

圧電フィルム１２の長手方向の第１端は、枠状部材１０の長手方向の第１端に接続される。圧電フィルム１２の第２端は、振動部１４の長手方向の第２端に接続される。

図３（Ｂ）に示すように、圧電フィルム１２は、接続部材１５を介して、枠状部材１０および振動部１４に接続される。枠状部材１０は、平面視して枠状部材１０の短手方向に沿って長い長方形状である。接続部材１５は、ある程度の厚みがあり、圧電フィルム１２を振動部１４に接触させないように、ある程度離れた位置で、圧電フィルム１２と振動部１４とを接続させる。これにより、圧電フィルム１２の両主面に設けられた不図示の電極が振動部１４に接触しないため、圧電フィルム１２が伸縮して振動部１４が振動したとしても、電極が削られることがない。なお、枠状部材１０、支持部１３、および振動部１４が導電性部材である場合、接続部材１５と枠状部材１０、支持部１３、および振動部１４との間に絶縁性部材またはコーティング膜を配置することが好ましい。この場合、枠状部材１０、支持部１３、および振動部１４と圧電フィルム１２の電極との間で電気的な短絡を防ぐことができる。

接続部材１５は、例えば、金属、ＰＥＴ、ポリカーボネイト（ＰＣ）、ポリイミド、またはＡＢＳ樹脂などからなる。接続部材１５は、接着剤等で圧電フィルム１２と振動部１４と（および圧電フィルム１２と枠状部材１０と）を接続する。なお、接着剤等を介して、接続部材１５と各種構成とを接続することは、必須ではない。例えば、接続部材１５自体が、接着剤または両面テープであってもよい。この場合、接着剤等を別途用意する必要はない。圧電フィルム１２は、ある程度のテンションが掛けられた状態で、接続部材１５を介して枠状部材１０および振動部１４に接続される。ただし、圧電フィルム１２にテンションが掛けられた状態で接続されることは必須ではない。圧電フィルム１２は、収縮した時のみテンションが掛けられる様に、接続されていてもよい。

圧電フィルム１２は、電圧を印加すると面方向に変形する。具体的には、圧電フィルム１２は、電圧を印加すると長手方向に伸縮する。圧電フィルム１２が長手方向に伸縮することにより、振動部１４は、長手方向に振動する。

図４（Ａ）は、圧電フィルム１２の駆動回路１７０を含む振動装置１００の構成を示す概略図である。図４（Ｂ）は、振動構造１の平面図である。駆動回路１７０は、利用者がスイッチ１６等の操作子を操作した場合に、圧電フィルム１２に電圧を印加して、圧電フィルム１２を伸縮させる。

圧電フィルム１２は、両主面に平面電極が形成されている。駆動回路１７０は、平面電極に電圧を印加することで、圧電フィルム１２を伸縮させる。例えば、駆動回路１７０が、圧電フィルム１２に負の電圧を印加して、圧電フィルム１２が収縮する場合、図４（Ｂ）に示すように、振動部１４が長手方向（図中の右方向）に変位する。接続部材１５は、非常に薄いため、ほとんど変形せずに力を伝える。そのため、圧電フィルム１２が収縮すると、振動部１４は、容易に変位する。

また、駆動回路１７０が圧電フィルム１２に正の電圧を印加すると、圧電フィルム１２は伸張する。ただし、圧電フィルム１２が伸張しても、圧電フィルム１２が撓むだけで、振動部１４を変位させるのは困難である。そのため、駆動回路１７０は、主に圧電フィルム１２に負の電圧を印加して、圧電フィルム１２を伸縮させることにより、振動部１４を振動させる。なお、テンションを掛けられた状態で圧電フィルム１２が接続されている場合、圧電フィルム１２は、フィルム伸張時に、初期のテンションでたわんでいた支持部１３は、元に戻ろうとして振動部１４は変位する。

以上の様な電圧の印加は、繰り返し行なわれる。つまり、駆動回路１７０は、交流電圧を印加する。駆動波形は、矩形波、三角波、台形波等、どの様な波形であってもよい。例えば、サイン波を印加すると、不要な振動を低減し、当該不要な振動で発生する音を低減することができる。

以上の振動構造１は、振動部１４が枠状部材１０の開口１１内で面方向に振動する。したがって、振動構造１としての全体の厚みは、図３（Ｂ）に示すように、圧電フィルム１２の厚み、接続部材１５の厚み、および振動部１４板の厚みだけであり、非常に薄くなる。また、圧電フィルム１２は、弾性があり、耐衝撃性を有する。さらに、枠状部材１０、振動部１４、および支持部１３は、１枚の長方形状の板部材が同一部材からなる場合には、振動部１４の支持にゴム等の別の部材（クリープ劣化のある部材）を用いる必要がない。したがって、振動構造１の構造によれば、長期間、安定して振動することができる。

なお、振動部１４の形状は、図３（Ａ）に示した形状に限らない。例えば、図５（Ａ）に示すように、枠状部材１０は、平面視して全周を囲む環状である必要はなく、図５（Ａ）に示すような、一部が開口した構造でもよい。また、枠状部材１０および振動部１４は、平面視して長方形状である必要はない。枠状部材１０および振動部１４は、多角形状、円形状、または楕円形状等であってもよい。

なお、圧電フィルム１２は、長手方向の両端部で接続部材１５に接続されることで、振幅を大きくすることができるが、長手方向の両端部で接続部材１５に接続されることは必須ではない。また、圧電フィルム１２の長手方向は、振動部１４の振動方向に沿っている必要はない。また、図３（Ａ）に示した例では、平面視して圧電フィルム１２が振動部１４を覆うようになっているが、例えば、振動部１４の第１端（図中の右端）と、枠状部材１０の第１端と、を接続するだけでもよい。

また、図５（Ｂ）に示すように、支持部１３は、少なくとも１箇所で振動部１４を支持していればよい。特に、図５（Ｂ）の例では、支持部１３の近傍に圧電フィルム１２を接続することで、振動部１４を回転振動させる。

また、圧電フィルム１２は、１つに限らない。振動構造１は、複数の圧電フィルム１２を有していてもよい。この場合、複数の圧電フィルム１２を、それぞれ個別に駆動させることができる。また、複数の圧電フィルム１２は、互いに積層された構造であってもよい。この場合、複数の圧電フィルム１２の各層に印加電圧をかけてもよい。

次に、図６は、触覚提示装置１５０の構成を示す概略図である。触覚提示装置１５０は、上述の振動構造１に加えて、さらにタッチセンサ２４を備えている。タッチセンサ２４は、シート状のセンサであり、振動部１４の主面に接続されている。タッチセンサ２４および圧電フィルム１２は、回路１７に接続される。回路１７は、駆動回路１７０と検出回路１７１を備えている。タッチセンサ２４および検出回路１７１により、タッチ検出部が構成される。

タッチセンサ２４は、例えば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、タッチセンサ２４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、また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。

利用者が振動部１４をタッチすると、検出回路１７１は、タッチセンサ２４を介して、利用者のタッチ操作を検出する。駆動回路１７０は、検出回路１７１がタッチ操作を検出すると、圧電フィルム１２に駆動信号を印加して、振動部１４を振動させる。これにより、利用者は、振動部１４を押したときに振動部１４が振動するため、利用者にキーを「押した」と感じさせることができる。

次に、図７（Ａ）は、振動構造１にガイド板１５１を加えた場合の斜視図であり、図７（Ｂ）は、分解斜視図である。

ガイド板１５１は、平面視して枠状部材１０の長手方向に沿って長い長方形状の薄い板である。ガイド板１５１の厚みは特に限定されないが、例えば圧電フィルム１２および接続部材１５を合わせた厚みと同じ程度である。

ガイド板１５１は、枠状部材１０の短手方向の両端部に接続される。ガイド板１５１および枠状部材１０は、例えば接着剤で接続される。また、ガイド板１５１は、振動部１４の主面のうち短手方向の両端部と接触する。ガイド板１５１および振動部１４は、接触しているだけであり、接続はされていない。また、ガイド板１５１は、平面視して支持部１３を覆う。ガイド板１５１および支持部１３も、接触しているだけであり、接続はされていない。

したがって、利用者が振動部１４を押すと、振動部１４の主面（および支持部１３）とガイド板１５１の主面とが摺動する。

支持部１３は、幅が細いため、利用者が振動部１４を押すと、法線方向にも撓み、振動部１４の振動が指に伝わり難くなる可能性がある。しかし、図７（Ａ）および図７（Ｂ）の例では、ガイド板１５１が支持部１３の法線方向への撓みを抑制し、振動部１４の振動を指に伝えやすい。

なお、ガイド板１５１と、振動部１４（または支持部１３）とは、平面視して重なる箇所の全てが接触してもよいが、例えばガイド板１５１、振動部１４、または支持部１３に突起部を設けることで、接触面積を少なくさせ、摩擦係数を低く抑えることも可能である。

図８（Ａ）は、振動構造１にガイド板１５２を加えた場合の斜視図であり、図８（Ｂ）は、分解斜視図である。

ガイド板１５２は、長手方向の長さは、上記ガイド板１５１と同程度であるが、短手方向の長さが枠状部材１０の短手方向と同程度である。また、ガイド板１５２は、振動部１４と接続される。ガイド板１５２は、枠状部材１０および接続部材１５とは接触するだけで、接続はされない。

この場合、ガイド板１５２は、振動部１４の振動とともに振動する。ガイド板１５２の両端と枠状部材１０の短手方向の両端とは摺動する。図８（Ａ）および図８（Ｂ）の例でも、ガイド板１５２が接続部材１５の法線方向への撓みを抑制し、振動部１４の振動を阻害しない。

この場合もガイド板１５２、枠状部材１０、または接続部材１５に突起部を設けることで、接触面積を少なくさせ、摩擦係数を低く抑えることも可能である。

次に、図９（Ａ）は、圧電フィルム１２とフレキシブルケーブル５０の接続箇所を示す斜視図であり、図９（Ｂ）および図９（Ｃ）は、拡大斜視図である。

フレキシブルケーブル５０は、平面視してＬ字型の第１電極５１と、平面視して長方形状の第２電極５２と、を有する。第１電極５１は、第２電極５２よりも、長手方向に長くなっている。

圧電フィルム１２は、第１主面に第１電極１２１と、不図示の第２主面に不図示の第２電極と、を備える。また、圧電フィルム１２は、電極引出部１２３を備える。電極引出部１２３は、圧電フィルム１２の一部が長手方向に延長された形状からなる。

第１電極５１は、Ｌ字型に曲がった箇所が、圧電フィルム１２の電極引出部１２３の裏面側（不図示の第２電極）に接続される。第２電極５２は、圧電フィルム１２の電極引出部１２３まで届かないが、導電性テープ７０を介して、第１電極１２１と接続される。

これにより、片面にのみ電極を形成した薄型のフレキシブルケーブル５０であっても、圧電フィルムの両主面に形成された両電極と接続することができる。したがって、振動装置としての厚みを抑えることができる。

また、圧電フィルム１２は、外周に沿って電極が一部除去されている。したがって、電極引出部１２３をフレキシブルケーブル５０に接続する際の短絡を防止することができる。

次に、図１０（Ａ）は、振動部１４の上に、スペーサ１４０と、上板１４１と、を接続した構成を示す分解斜視図である。スペーサ１４０は、平面視して振動部１４を覆う面積を有する。上板１４１は、枠状部材１０を覆う面積を有する。

上板１４１は、スペーサ１４０を介して振動部１４に接続される。上板１４１は、枠状部材１０および接続部材１５とは接続されず、接触しているだけである。したがって、上板１４１は、振動部１４の振動とともに、面方向に振動する。

図１０（Ｂ）は、駆動信号の波形を示す図である。図１０（Ｂ）に示すように、駆動信号は、負の電圧を印加する場合には短時間でピークに達し、その後徐々に電圧が上昇する波形を有する。

この場合、上板１４１は、圧電フィルム１２が収縮する方向に対しては急峻に変位し、圧電フィルム１２が元に戻る場合には、緩やかに変位する。

したがって、図１０（Ｃ）の斜視図に示すように、振動装置は、上板１４１に乗っている物を一方向に移動させることができる。この場合、振動装置は、例えば小型部品の搬送装置として利用することができる。あるいは、上板１４１がタッチパネルである場合に、当該タッチパネル上のゴミまたは水滴等を移動させて除去することができる。また、スペーサ１４０または上板１４１が防振材料を含む場合、振動部１４のたわみ振動により発生する音を低減させることができる。

なお、スペーサ１４０および上板１４１は無くとも、図１０（Ｂ）に示した駆動信号の波形により、振動部１４に乗っている物を一方向に移動させることができる。したがって、図１０（Ｂ）に示した波形は、上述した全ての例に適用することができる。

次に、図１１は、第２振動部５を備えた振動構造を示す図である。この例では、枠状部材１０は、スペーサ１７７を介して、第２振動部５に接続される。スペーサ１７７は、振動部１４の振動をしっかり第２振動部５に伝えるために、硬めの材料を用いることが望ましい。ただし、スペーサ１７７は、ある程度の硬さを有する両面テープまたは接着剤等でもかまわない。

第２振動部５は、図１２（Ａ）に示すように、弾性体の一例であるクッション１７８を介して箱形状の筐体７に接続される。クッション１７８は、第２振動部５の動きを阻害しないようにある程度柔らかい素材で構成される。筐体７は、例えば、スマートフォン等の情報処理装置の筐体である。この場合、第２振動部５は、表面パネルとなる。

この場合、タッチセンサ２４は、図１２（Ｂ）に示すように、第２振動部５の表面に配置される。

図６で示したように、タッチセンサ２４および圧電フィルム１２は、回路１７に接続されている。利用者が、第２振動部５に設けられたタッチセンサ２４を指で押すと、圧電フィルム１２に電圧が印加され伸縮し、振動部１４も振動する。第２振動部５は、振動部１４とは接続されず、接触もしていない。しかし、振動部１４が振動したときに、振動部１４の反動によって、第２振動部５が逆位相で振動する。したがって、図１１、図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）に示す例でも、第２振動部５を介して、利用者に振動を伝えることができる。

図１０以前の例では、いずれも利用者が振動の元となる振動部１４あるいは、振動部１４に接続される物を触るため、振動が減衰する可能性がある。しかし、図１１、図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）に示す例では、利用者は、振動部１４には直接触れないため、振動部１４の振動が減衰することがない。したがって、利用者が第２振動部５を強く押したとしても、振動部１４の振動の状態は大きく変わらない。これにより、図１１、図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）に示す例では、利用者に安定して振動を伝えることができる。また、筐体７の質量を大きくする、または筐体７の底面にゴム製の脚を付けて第２振動部５より振動し難くすると、第２振動部５の振動が安定し、指に伝わる力を強くすることができる。

次に、図１３は、振動構造１に防音シート１９０を接続する場合の分解斜視図である。

振動構造１の枠状部材１０のうち圧電フィルム１２が配置された主面には、スペーサ１７５を介して、防音シート１９０が貼り付けられる。

利用者に振動として伝わる力Ｆは、振動部１４（または第２振動部５）の質量をｍとすれば、Ｆ＝ｍ・ａとなり、振動部１４（または第２振動部５）の加速度ａに依存する。振動部１４（または第２振動部５）の加速度ａは、圧電フィルム１２に交流電圧（Ｖ＝Ａ・ｓｉｎωｔ）を印加する場合、ａ＝Ａ・ω^２で表される。したがって、利用者に振動として伝わる力Ｆ＝ｍ・Ａ・ω^２となり、圧電フィルム１２の駆動信号の周波数は高いほど、伝わる力は大きくなる。

しかし、駆動信号の周波数が高くなると、わずかな振動の音も聞こえやすくなるため、利用者にとって耳障りとなる。そこで、図１３の例では、枠状部材１０にスペーサ１７５を介して、防音シート１９０を接続する。防音シート１９０は、平面視して枠状部材１０を覆う面積を有する。したがって、振動部１４で発生する音が利用者の耳に届くことを防止する。

なお、防音シート１９０が設けられていない第２振動部５側は、該第２振動部５により、振動部１４の音を遮断する。また、第２振動部５は、振動部１４よりも重いため、振動部１４よりも振幅が小さくなり、第２振動部５の振動による音は、目立たない。また、図１０（Ｃ）の例で示したように、振動部１４の主面に防音シートを貼ることで、さらに音を小さくすることができる。

次に、図１４は、振動構造１にディスプレイの保持ベゼル９を接続する場合の分解斜視図である。この場合、保持ベゼル９が第２振動部となる。ディスプレイは、バックライト用の反射シート９０を有する。

枠状部材１０は、スペーサ１７７を介してディスプレイの保持ベゼル９に接続される。保持ベゼル９は、外周保持枠であり、反射シート９０をディスプレイに挟み込み、固定している。

この場合、枠状部材１０は、反射シート９０に接触することがない。したがって、ディスプレイのように、反射シート９０等の部材を有するパネルに、振動構造１を接続することも可能である。

なお、本実施形態では、「電圧を加えることで面方向に変形するフィルム」の一例として圧電フィルムを示したが、「電圧を加えることで面方向に変形するフィルム」は、圧電フィルムに限るものではない。「電圧を加えることで面方向に変形するフィルム」は、他にも、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、または電気活性高分子フィルム等がある。なお、電気活性フィルムとは、電気的駆動によって応力を発生するフィルムまたは変形して変位を発生するフィルムである。具体的には、電歪フィルム、コンポジット材料（圧電セラミックスを樹脂モールドした材料）、電気駆動型エラストマー、または液晶エラストマー等がある。さらに、割れない程度に薄くした圧電セラミックスも、「電圧を加えることで面方向に変形するフィルム」に含まれる。

また、本実施形態では、圧電フィルム１２が振動部１４および枠状部材１０に接続部材１５を介して接続される例を示したが、圧電フィルム１２は、圧電性を有しない他の樹脂フィルムに接続され、この樹脂フィルムが接続部材１５に接続される態様としてもよい。

無論、他にも、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、または電気活性高分子フィルム等のフィルムが樹脂フィルムの主面に貼り付けられ、該樹脂フィルムの端部が接続部材１５に接続される態様とすることも可能である。

図１５（Ａ）は、タッチパネル等の平板１８７（第２振動部５）に振動構造１を接続する際の変形例を示す分解斜視図であり、図１５（Ｂ）は平面図である。平板１８７は、例えばタッチパネルである。平板１８７は、平面視して枠状部材１０を覆う面積を有する。平板１８７は、スペーサ１８５を介して枠状部材１０と接続される。

スペーサ１８５は、平面視して、振動構造１の枠状部材１０の外周に沿って配置される線状の部材である。ただし、スペーサ１８５は、圧電フィルム１２が配置されている箇所には配置されない。したがって、スペーサ１８５は、圧電フィルム１２とは接触しない。圧電フィルム１２は、枠状部材１０のうち長手方向の第１端である図１５（Ｂ）の右側で接続されるとともに、振動部１４のうち長手方向の第２端である図１５（Ｂ）の左側の部分で接続される。圧電フィルム１２が収縮すると、振動部１４の長手方向の第２端が右側に引っ張られるが、同時に、枠状部材１０の第１端も、左側に引っ張られる。つまり、振動部１４が振動するとき、枠状部材１０の中でも圧電フィルム１２の接続部分は、周囲の部分よりも大きく振動している。このとき、枠状部材１０のうち圧電フィルム１２が接続される部分である第１端にスペーサ１８５が配置され、かつスペーサ１８５と圧電フィルム１２とが接続されると、枠状部材１０がスペーサ１８５に固定され、振動が阻害される。枠状部材１０のうち圧電フィルム１２が接続される部分の振動が阻害されると、利用者に与える触覚フィードバックは、主に振動部１４の振幅だけになるため、利用者が感じる振動が小さくなる。しかし、図１５（Ａ）および図１５（Ｂ）に示す様に、スペーサ１８５は、圧電フィルム１２が配置されている箇所に配置されないことで、振動部１４および枠状部材１０の振動が触覚フィードバックに寄与するため、利用者が感じる振動を大きくすることができる。

なお、スペーサ１８５は、圧電フィルム１２と接続されなければよく、圧電フィルム１２が配置されている箇所に配置され、圧電フィルム１２とは接触してもよい。この場合、圧電フィルム１２は、スペーサ１８５に接触しながら伸縮する。この場合も、枠状部材１０の振動が阻害される影響は小さい。

次に、図１６（Ａ）は、平板１８７に振動構造１を装着する際のさらに別の変形例を示す分解斜視図であり、図１６（Ｂ）は下面図であり、図１６（Ｃ）は断面図である。この例では、表示器１９１が保持枠１９２を介してタッチパネルである平板１８７に固定される。

保持枠１９２は、平面視して長方形状の平板であり、外周の４辺において、表示器１９１と同じ程度の高さの壁を備える。保持枠１９２は、この壁の上端で平板１８７に接続される。これにより表示器１９１は、保持枠１９２により保持され、平板１８７に固定される。

振動構造１のうち枠状部材１０は、外周部分において、スペーサ１８５を介して保持枠１９２の底面に接続される。保持枠１９２のうち平面視した中央箇所には、矩形状の開口部１９２１が設けられている。開口部１９２１には、振動構造１のうち圧電フィルム１２および接続部材１５が入り込む。したがって、タッチパネルに振動構造１を取り付ける場合でも、圧電フィルム１２および接続部材１５の厚みは問題とならない。

また、保持枠１９２の開口部１９２１は、平面視して振動構造１により覆われる。振動構造１のうち、振動部１４および枠状部材１０がグランド電位である場合には、表示器１９１等の部品から出力されるノイズをシールドすることができる。

図１７は、圧電フィルム１２の構造を詳細に示す断面図である。図１７に示す様に、圧電フィルム１２は、両主面に第１電極１２１および第２電極１２２が形成されている。駆動回路１７０は、第１電極１２１および第２電極１２２に電圧を印加することで、圧電フィルム１２を伸縮させる。例えば、第２電極１２２がグランド電位である場合、圧電フィルム１２の変位は、第１電極１２１に印加される電圧の大きさによって決まる。一方で、駆動回路１７０は、第１電極１２１および第２電極１２２にそれぞれ逆位相の電圧を印加すると、圧電フィルム１２の変位は、第２電極１２２がグランド電位である場合よりも大きくなる。一方で、振動部１４および枠状部材１０をグランド電位にして表示器１９１等の部品から出力されるノイズをシールドする場合には、第２電極１２２の電位は、振動部１４および枠状部材１０の電位と異なる状態となる。

したがって、図１７の例では、第２電極１２２と振動部１４および枠状部材１０との間に絶縁体１２４を配置し、第２電極１２２がグランド電位の部材に対して電気的に接続されないようにする。ただし、第２電極１２２がグランド電位である場合には、絶縁体１２４の構成は必須ではない。

図１８（Ａ）は、タッチパネルを保持するサポートプレート２０１に振動構造を取り付ける場合の例を示す分解斜視図である。図１８（Ｂ）は、平面図であり、図１８（Ｃ）は断面図（図１８（Ｂ）に示すＢ−Ｂ線の断面図）である。

図１８（Ａ）、図１８（Ｂ）、および図１８（Ｃ）に示す様に、タッチパネル２００は、サポートプレート２０１に取り付けられる。サポートプレート２０１は、平面視してタッチパネル２００の面積よりも大きい。サポートプレート２０１は、平面視してタッチパネル２００と重ならない箇所において情報処理装置の筐体に取り付けられる。

また、サポートプレート２０１は、１または複数（この例では２つ）の開口部２０１１が構成されている。開口部２０１１は、タッチパネル２００の電子部品５０１が実装されている箇所に配置されている。図１８（Ｃ）に示す様に、電子部品５０１は、開口部２０１１を介して露出している。また、フレキシブルケーブル５０２は、開口部２０１１から外部に引き出されている。これにより、タッチパネル２００は、サポートプレート２０１に対して密着することができる。

そして、振動構造１は、平面視して開口部２０１１と重ならない箇所に配置されている。そのため、振動構造１は、サポートプレート２０１に密着または近接して配置することができ、厚みが増大することを防止することができる。また、振動構造１は、開口部２０１１に重ならないことで、タッチパネル２００に補修の必要性が生じた場合に、電子部品５０１およびフレキシブルケーブル５０２への作業を阻害しない。

次に、図１９（Ａ）および図１９（Ｂ）は、バネ構造を有する第１振動板の斜視図であり、図１９（Ｃ）は、フレキシブルケーブルに駆動回路を接続した場合の斜視図である。図１９（Ａ）および図１９（Ｂ）に示す振動構造１は、支持部１３の部分がバネ構造７００になっている。振動部１４の振動方向の両端は、バネ構造７００により枠状部材１０に支持される。バネ構造７００は、振動部１４および枠状部材１０を結ぶ１本の細い柱状の構造を有する。バネ構造７００は、振動部１４および枠状部材１０を結ぶ直線に平行ではない部分を有する。また、振動構造１は、振動部１４、バネ構造７００（支持部１３）および枠状部材１０を一体成形してなる。なお、図１９（Ａ）および図１９（Ｂ）の例では、バネ構造７００は、振動部１４の振動方向の両端に、それぞれ１個ずつ設けられているが、さらに複数設けられていてもよい。また、バネ構造７００は、振動部１４の振動方向のいずれか一方の端に設けられてもよい。

図１９（Ｂ）に示す様に、振動構造１は、接続部材１５を介して、圧電フィルム１２を接続する。この例では、接続部材１５は、フレキシブルケーブル５０により構成される。

そして、振動構造１には、図１５（Ａ）および図１５（Ｂ）の示した例と同様に、圧電フィルム１２に接続されないスペーサ１８５を介して、第２振動部５が接続される。また、第２振動部５は、図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）に示した例と同様に、クッション１７８を介して筐体７に接続される。

図１９（Ｃ）に示す様に、フレキシブルケーブル５０は、回路１７に接続される。なお、図示はしていないが、フレキシブルケーブル５０は、回路１７に機械的に接続され、かつ、図９に示した例の様に、圧電フィルム１２の両主面の電極を回路１７に接続するための電気的接続部を有する。

利用者が、第２振動部５に設けられたタッチセンサ２４を指で押すと、圧電フィルム１２に電圧が印加されて伸縮し、振動部１４も振動する。第２振動部５は、振動部１４が振動したときに、振動部１４の反動によって逆位相で振動する。したがって、利用者は、第２振動部５を介して、振動を知覚することができる。

なお、図１５までに示した例では、支持部１３は、振動方向に対して垂直な方向（以下、垂直方向と称する。）に沿って細長い長方形状であり、振動方向である短手方向に曲がりやすい。したがって、図１５までに示した例では、支持部１３は、振動部１４を振動しやすい状態で支持することが容易であった。しかし、垂直方向の長さの短い機器（たとえばキーボードを平面視して上部に配置されるタッチパネル等）では、支持部１３の垂直方向の長さを確保するのが困難な場合がある。ただし、図１９（Ａ）、図１９（Ｂ）、および図１９（Ｃ）に示すバネ構造７００は、振動方向に沿って配置されているため、垂直方向の長さの短い機器であっても、振動部１４を振動しやすい状態で支持することが容易である。

また、図１９（Ａ）、図１９（Ｂ）、および図１９（Ｃ）に示すバネ構造７００は、振動部１４が振動するとバネ構造７００自体が伸縮するため、振動部１４が振動しやすい状態を保持することができる。

なお、振動部１４の両端にバネ構造７００が１つずつ配置される場合、バネ構造７００は、振動部１４の重心を通り、振動方向に沿って直線上に配置させることが望ましい。この場合、振動部１４が安定して振動することができる。

次に、図２０（Ａ）は、複数（この例では３つ）の振動部１４を備えた振動構造１を示す斜視図である。この場合も、それぞれの振動部１４は、バネ構造７００により枠状部材１０に支持される。また、複数の振動部１４、複数のバネ構造７００（支持部１３）および枠状部材１０は、一体成形されている。

図２０（Ｂ）に示す様に、３つの振動部１４の一方の主面は、第３振動部６を介して接続される。第３振動部６は、長方形状であり、平面視して３つの振動部１４を覆う程度の面積を有する。３つの振動部１４の他方の主面は、圧電フィルム１２を介して接続される。圧電フィルム１２は、接続部材１５を介して、３つの振動部１４に接続される。この例では、圧電フィルム１２を含む構造を振動構造と称する。

振動部１４および第３振動部６は、可撓性があり、柔らかい部材が好ましい。例えば、振動部１４および第３振動部６は、薄い金属、薄い樹脂、薄いガラスまたはゴム等が好ましい。さらに、振動部１４および第３振動部６は、樹脂またはゴムからなる場合、金属粉を混合して密度を高くすることが好ましい。

なお、図２０（Ｂ）の例では、第３振動部６および圧電フィルム１２は互いに異なる主面に接続されているが、同一の主面に接続されていてもよい。例えば、振動部１４、第３振動部６、および圧電フィルム１２の順に積層されてもよいし、振動部１４、圧電フィルム１２、および第３振動部６の順に積層されてもよい。また、図２０（Ｂ）の例では、フレキシブルケーブル５０が接続部材１５を兼ねている。フレキシブルケーブル５０は、回路１７に接続される。なお、図示はしていないが、フレキシブルケーブル５０は、回路１７に機械的に接続され、かつ、図９に示した例の様に、圧電フィルム１２の両主面の電極を回路１７に接続するための電気的接続部を有する。

図２１（Ａ）は、円弧状の形状を有する第２振動部５の背面斜視図である。図２１（Ｂ）は、振動構造１を接続した状態の第２振動部５の背面斜視図である。第２振動部５は、内曲面に振動構造１を接続し、固定する。第２振動部５は、振動方向に対して垂直な方向に円弧をなす曲面形状である。内曲面の面積は、振動構造１の面積より大きい。なお、この例では、曲面の形状は、円弧であるが、振動方向に沿った断面形状が均一であれば、どのような曲面形状でもかまわない。

図２１（Ａ）に示す様に、第２振動部５の内曲面には、スペーサ１７９が接続される。スペーサ１７９は、振動構造１における枠状部材１０を固定する。スペーサ１７９は、第３振動部６より大きくかつ厚い。スペーサ１７９は、第２振動部５に振動を伝えやすくするために、硬い材料が望ましい。スペーサ１７９は、例えば、金属、樹脂、ガラス、または接着剤等である。スペーサ１７９は、ある程度の硬さを有する両面テープでもかまわない。

図２２（Ａ）は、円弧状の第２振動部５を固定するためのクッション１７８と、筐体７と、を示す斜視図である。クッション１７８の上面は、第２振動部５の内曲面に沿った円弧の形状を有する。クッション１７８の下面は、平坦である。つまり、クッション１７８は、半円柱形状を有する。クッション１７８の下面は、薄い直方体形状の筐体７の上面に接続される。図２２（Ｂ）は、クッション１７８の上面に、第２振動部５を接続し、第２振動部５の外曲面にタッチセンサ２４を貼り付け、かつ圧電フィルム１２とタッチセンサ２４から引き出したフレキシブルケーブル５０を回路１７に接続した状態を示す斜視図である。

利用者は、第２振動部５に設けられたタッチセンサ２４を指で押す。すると、圧電フィルム１２に電圧が印加され伸縮し、振動部１４も振動する。第２振動部５は、振動部１４が振動したときに、振動部１４の反動によって逆位相で振動する。したがって、利用者は、第２振動部５を介して、振動を知覚することができる。

なお、図２２（Ａ）では、本実施例では長方形型を記載したが、長方形形状に限定されないのは、他の実施例と同じである。

図２２（Ａ）および図２２（Ｂ）に示す構造は、曲面タッチパネル等応用することができる。第２振動部５およびタッチセンサ２４は、曲面タッチパネルに相当する。本実施形態の振動構造は、この様な曲面タッチパネルにおいても、省スペースで配置することができる。また、本実施形態の振動構造は、振動方向の対して垂直な方向に曲げられるため、腕、または腹等、曲面形状が変化する場所に巻いて振動を伝えることができる。

なお、支持部１３の構造は、図１５までに示した様な、振動方向に対して垂直な方向（以下、垂直方向と称する。）に沿って細長い長方形状であってもよいし、図１９（Ａ）で示したような構造であってもよい。換言すると、支持部１３は、振動方向に対して非平行な部分があればよい。

なお、振動構造１は、図２３に示す様に、振動方向に対して垂直な方向にも支持部１３（バネ構造７００）を備えていてもよい。この場合、図２１（Ｂ）または図２２（Ｂ）に示した様に振動構造１を曲げる場合に、枠状部材１０の曲げに沿って振動部１４も曲がるため、振動構造１を曲げやすくなる。

図２４は、振動部１４の一部を排除した構造を示す、振動構造１の平面図である。振動部１４は、平面視して圧電フィルム１２と重なる箇所のほとんどが除去されている。また、図示はしていないが、圧電フィルム１２のうち、振動部１４と重なる箇所は、電極（図１７に示した第２電極１２２）が除去されている。したがって、図１７に示した様な絶縁体１２４がなくとも、圧電フィルム１２の第２電極１２２と振動部１４とが電気的に接続されることはない。また、圧電フィルム１２の第２電極１２２と振動部１４とが接触しないように隙間を設ける必要もない。

１…振動構造
５…第２振動部
６…第３振動部
７…筐体
９…保持ベゼル
１０…枠状部材
１１…開口
１１Ａ…第１開口
１１Ｂ…第２開口
１２…圧電フィルム
１３…支持部
１４…振動部
１５…接続部材
１５１，１５２…ガイド板
１６…スイッチ
１７…回路
１７０…駆動回路
１７１…検出回路
２４…タッチセンサ
５０…フレキシブルケーブル
５１…第１電極
５２…第２電極
７０…導電性テープ
９０…反射シート
１００…振動装置
１２１…第１電極
１２２…第２電極
１２３…電極引出部
１２４…絶縁体
１４０…スペーサ
１４１…上板
１５０…触覚提示装置
１７５…スペーサ
１７７，１７９，１８５…スペーサ
１７８…クッション
１８７…平板
１９０…防音シート
１９１…表示器
１９２…保持枠
１９２１…開口部
２００…タッチパネル
２０１…サポートプレート
２０１１…開口部
５０１…電子部品
５０２…フレキシブルケーブル
７００…バネ構造

Claims (16)

1. 電圧を加えることで面方向に変形するフィルムと、
   前記フィルムに接続され、開口を有する枠状部材と、
   平面視して前記開口の面積よりも面積が小さく、前記フィルムに接続され、前記フィルムが前記面方向に変形することにより、前記面方向に振動する振動部と、
   前記振動部と前記枠状部材とを接続し、前記振動部を前記枠状部材に支持する支持部と、
   前記フィルムと、前記振動部および前記枠状部材と、を接続する接続部材と、
   を備え、
   前記支持部は、前記振動部の重心を含む平面上で前記振動部に接続され、
   前記枠状部材、前記振動部、および前記支持部は、同一部材で形成されている、振動構造。
2. 前記接続部材は、前記フィルムを前記振動部に接触させないように、所定の厚みを有する、
   請求項１に記載の振動構造。
3. 前記支持部は、前記フィルムが伸縮する方向に直交する方向の長さが、前記フィルムが伸縮する方向に沿った長さよりも長い、
   請求項１または請求項２に記載の振動構造。
4. 前記支持部の法線方向に対する変形を阻止するガイド板を備えた、
   請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の振動構造。
5. 前記振動部の主面に接続され、前記振動部とともに振動する第２振動部を備えた、
   請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の振動構造。
6. 前記第２振動部は、防振材料を含む、
   請求項５に記載の振動構造。
7. 弾性体と、
   前記第２振動部に前記弾性体を介して接続される筐体と、を備えた、
   請求項５または請求項６に記載の振動構造。
8. 前記筐体は、前記第２振動部より振動し難い、
   請求項７に記載の振動構造。
9. 前記枠状部材の開口を覆う防音シートを備えた、
   請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の振動構造。
10. 前記枠状部材は、ディスプレイの外周保持枠に接続される、
    請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の振動構造。
11. 前記支持部は、バネ構造を有する、
    請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の振動構造。
12. 前記振動構造は、前記振動部の振動方向に対して垂直方向に曲がる、
    請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載の振動構造。
13. 前記支持部は、前記振動部の振動方向に対して非平行に延在する部分を有する、
    請求項１乃至請求項１２のいずれかに記載の振動構造。
14. 前記フィルムと前記振動部との間に絶縁体を備えた、
    請求項１乃至請求項１３のいずれかに記載の振動構造。
15. 請求項１乃至請求項１４のいずれかに記載の振動構造と、
    前記フィルムに駆動信号を印加する駆動回路と、を備えた、
    振動装置。
16. 請求項１５に記載の振動装置と、
    前記振動部に対するタッチ操作を検出するタッチ検出部と、を備え、
    前記駆動回路は、前記タッチ検出部で前記タッチ操作を検出した場合に、前記フィルムに駆動信号を印加する、
    触覚提示装置。

Images