JP7370190B2 - パネル及び電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、振動により触感を発生させるパネル及び電子機器に関する。

タッチパネル等において、ユーザが指等で操作した位置に対して振動や触感を発生させ、操作を受け付けたことをユーザに認識させる入力システムが開発されている。例えば、特許文献１には、ユーザによってパネルの操作面が操作された際に、パネルに取り付けられた振動素子を振動させることでユーザに対して入力操作を受け付けたことを認識させる触感呈示装置が開示されている。

特開２０１０－２３１６０９号公報 国際公開第２０１５／０４５０５９号

特許文献１では、振動素子を可聴領域より高い周波数（概ね２０ｋＨｚ以上）で振動させ、パネルに触感を発生させることが提案されている。しかしながら、特許文献１には超音波領域で駆動する際の適切なパネル物性については記載されておらず、パネルの材質や形状、構造によっては良好な定在波が発生する場合と発生しない場合がある。定在波が発生しにくいパネルの場合、入力する電圧を大きくする必要があり、振動素子の発熱による信頼性低下や消費電力の増大が問題となる。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、超音波領域の周波数で振動し、定在波を発生させることが可能なパネル及び電子機器を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係るパネルは、振動板と、圧電アクチュエータとを具備する。
上記圧電アクチュエータは、上記振動板の主面上に設けられ、上記振動板を振動させる。
上記振動板は、上記振動板の長辺の長さ及び対数減衰率が、長辺の長さ（ｍｍ）をｘ、対数減衰率をｙとしたときに、下記の（式１）で表される曲線より原点側の領域となるように構成されている。
ｙ＝３２．６ｘ^－１ （式１）

上記振動板は、振動速度が０．８ｍ／ｓｅｃ以上であってもよい。

上記振動板に生じる定在波の波長（ｍｍ）をｘ、上記定在波の波長に対する上記圧電アクチュエータの幅の比率をｙとしたときに、
上記圧電アクチュエータは、上記幅が下記の（式９）で表される直線と下記の（式１０）で表される直線の間の領域となるように構成されていてもよい。
ｙ＝０．０１１ｘ＋０．８７８ （式９）
ｙ＝０．０２１ｘ－０．０８７ （式１０）

上記幅は、上記定在波の波長の０．２倍以上１．０倍以下であってもよい。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る電子機器は、パネルを具備する。
上記パネルは、振動板と、上記振動板の主面上に設けられ、上記振動板を振動させる圧電アクチュエータと、弾性体からなり上記振動板を支持する固定部とを備える。
上記振動板は、上記振動板の長辺の長さ及び対数減衰率が、長辺の長さ（ｍｍ）をｘ、対数減衰率をｙとしたときに、下記の（式１）で表される曲線より原点側の領域となるように構成されている。
ｙ＝３２．６ｘ^－１ （式１）

以上のように本発明によれば、超音波領域の周波数で振動し、定在波を発生させることが可能なパネル及び電子機器を提供することが可能である。

本発明の実施形態に係るパネルを一方向から見た平面図である。 上記パネルを反対方向から見た平面図である。 上記パネルを側面方向から見た平面図である。 対数減衰率を振幅の関係を示すグラフである。 上記パネルが備える振動板における定在波を示す模式図である。 上記振動板の材料及び厚みによる対数減衰率と振動速度の関係を示すグラフである。 上記振動板の長さと対数減衰率の関係を示すグラフである。 上記パネルが備える圧電アクチュエータの素子幅と振動板の最大振動速度の関係を示すグラフである。 定在波の波長に対する振動速度が極大となる素子幅のグラフである。 定在波の波長に対する振動速度が極大となる素子幅／定在波長比率のグラフである。

本発明の実施形態に係るパネル及びこのパネルを搭載する電子機器について説明する。

［パネルの構成］
図１は、本実施形態に係るパネル１００の表面側の平面図であり、図２はパネル１００の裏面側の平面図である。図３はパネル１００の側面図である。なお、なお、以下の各図においてＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向を相互に直交する３方向とする。

図１乃至図３に示すように、パネル１００は、振動板１０１、圧電アクチュエータ１０２及び固定部１０３を備える。

振動板１０１は、圧電アクチュエータ１０２によって振動する板状部材である。振動板１０１の主面は矩形形状とすることができる。以下、振動板１０１の主面のうち一面を第１の面１０１ａとし、第１の面１０１ａの反対側の主面を第２の面１０１ｂとする。また、振動板１０１の長辺に沿った方向をＸ方向とし、短辺に沿った方向をＹ方向とする。即ち、第１の面１０１ａ及び第２の面１０１ｂはＸ－Ｙ平面に平行な面である。

振動板１０１は、後述するようにガラス又はプラスチック等の材料からなる。振動板１０１のサイズは特に限定されず、例えば長辺（Ｘ方向）の長さＬは１４０ｍｍ程度、短辺（Ｙ方向）の長さＳは７０ｍｍ程度とすることができる。長辺と短辺の比率（縦横比）も２対１に限られない。

圧電アクチュエータ１０２は、第２の面１０１ｂ上に設けられ、振動板１０１を振動させる。また、圧電アクチュエータ１０２は、第１の面１０１ａ上に設けられてもよい。圧電アクチュエータ１０２は、正極、負極及び圧電材料層を備え、正極と負極の間に電圧を印加すると、逆圧電効果により圧電材料層に変形が生じ、振動が発生する。圧電アクチュエータ１０２は正極と負極を圧電材料層を介して交互に積層した積層構造を有するものであってもよく、他の構造を有するものであってもよい。

圧電アクチュエータ１０２は図２に示すように、振動板１０１の長辺方向（ｘ方向）の両端部に一つずつが配置されるものとすることができる。また、圧電アクチュエータ１０２の配置や数は図２に示ものに限られない。圧電アクチュエータ１０２は接着等によって第２の面１０１ｂに接合されるものとすることができる。圧電アクチュエータ１０２の幅である素子幅Ｗ（Ｘ方向）については後述する。

固定部１０３は、第２の面１０１ｂ上に設けられ、振動板１０１を振動可能な状態で支持する。固定部１０３は、両面テープ又は接着剤等の弾性体からなり、振動板１０１を電子機器の筐体等の固定対象物に固定することができる。固定部１０３は図２に示すように、第２の面１０１ｂの長辺２辺に沿って設けられるものとすることができる。また、固定部１０３は、第２の面１０１ｂ上の他の位置に設けられてもよい。

［振動板の振動減衰について］
振動板１０１は、材料や厚み等によって所定の減衰特性を有する。減衰特性を表すパラメータとして、対数減衰率を用いることができる。図４は、特定の構成を有する振動板の減衰特性を示すグラフであり、図４（ａ）は対数減衰率が大きい振動板の減衰特性、図４（ｂ）は対数減衰率が小さい振動板の減衰特性を示す。

図４（ａ）に示すように、対数減衰率が大きい振動板では時間の経過に伴って振動板の振幅が急激に減少するのに対し、図４（ｂ）に示すように、対数減衰率が小さい振動板では時間の経過に伴って振幅は緩やかに減少する。

［パネルの動作］
上記構成を有するパネル１００において、圧電アクチュエータ１０２を駆動すると、圧電アクチュエータ１０２から発せられた振動が振動板１０１の端部で反射し、ある一定の周波数において共鳴することで振幅の大きい定在波が発生する。図５は、振動板１０１における定在波Ｔを示す模式図である。

ここで、振動板１０１の対数減衰率が小さい方が、より長く振動の反射を繰り返し、大きな振幅の定在波を発生させることができる。この定在波により、スクイーズ効果が得られる。スクイーズ効果は、振動によって振動板１０１への接触物体（例えばユーザの指）が浮き、振動板１０１表面の摩擦力が減少する効果（上記特許文献２参照）である。

ユーザが指等によって第１の面１０１ａに触っているときにスクイーズ効果が発生すると、スクイーズ効果による摩擦力低減により、ユーザは触感変化を感じとることが可能となる。振動板１０１の長さ（Ｘ方向）が異なると、接触点から振動板１０１の端部までの距離も異なるため、スクイーズ効果を発生させるために必要な対数減衰率も異なる。

［振動板の対数減衰率について］
図６は、振動板１０１の材料及び厚みによる対数減衰率と振動速度の関係を示すグラフである。同図に示すように、振動板１０１の材料と厚みによって振動板の対数減衰率と振動速度が所定の値をとる。なお、振動速度は、レーザードップラー振動計等を用いて振動板１０１の表面において測定することが可能である。

同図においては、強化ガラス（厚み０．３ｍｍ）、強化ガラス（厚み０．５ｍｍ）、ＰＰＳＧＦ（Polyphenylenesulfide＋glass fiber：ガラス繊維を添加したポリフェニレンサルファイド、厚み１．０ｍｍ）、ＰＰＳ（Polyphenylenesulfide：ポリフェニレンサルファイド、厚み０．５ｍｍ）、ＰＡＩ（Polyamide-imide：ポリアミドイミド、厚み２．０ｍｍ）の対数減衰率及び振動速度を示す。

同図に示すように、振動板１０１の対数減衰率が小さいほど、定在波の振動速度（振幅）が大きくなるという関係（図中矢印）がある。したがって、振動板１０１の対数減衰率が小さいほどスクイーズ効果による摩擦力低減で触感変化をより大きく感じ取ることが可能となる。圧電アクチュエータ１０２の発熱や消費電力が問題とならず、かつ定在波による触感変化の発現に必要な振動速度は０．８ｍ／ｓｅｃ以上である。

図７は、振動板１０１の長さＬ（Ｘ方向）と対数減衰率の関係を示すグラフである。同図においては、強化ガラス（厚み０．３ｍｍ）、強化ガラス（厚み０．５ｍｍ）、強化ガラス（厚み１．１ｍｍ）、ＰＰＳＧＦ４０（Polyphenylenesulfide＋glass fiber：ポリフェニレンサルファイド＋ガラス繊維４０ｗｔ％、厚み１．０ｍｍ）、ＰＰＳＧＦ４０（厚み２．０ｍｍ）、ＰＰＳ（Polyphenylenesulfide：ポリフェニレンサルファイド、厚み０．５ｍｍ）、ＰＰＳ（厚み１．０ｍｍ）、ポリカーボネート（厚み１．０ｍｍ）、ＳＵＳ（ステンレス、厚み０．５ｍｍ）の振動板長さと対数減衰率の関係を示す。

検討の結果、振動板１０１の長さＬ（Ｘ方向）をｘ（ｍｍ）とし、対数減衰率をｙとしたときに、以下の（式１）で示される曲線の原点側の領域（図中、曲線の下方側の領域）では、０．８ｍ／ｓｅｃ以上の振動速度が得られ、定在波による触感が十分に得られることが判明している。
ｙ＝３２．６ｘ^－１ （式１）

具体的には、強化ガラス（厚み０．３ｍｍ及び厚み０．５ｍｍ）、ＰＰＳ（厚み１．０ｍｍ）、ＰＰＳＧＦ４０（厚み１．０ｍｍ）が、振動板１０１の長さを変えても、（式１）で示される曲線の原点側の領域に位置する。

また、同曲線の上方側の領域の場合、振動板１０１において十分な振動速度が得られず、触感の発現により高い電圧が必要であるため、発熱による信頼性低下や消費電力の増大を招くこととなる。具体的にはＰＡＩはこれに該当する。

以上のように、対数減衰率を振動板１０１の長さ（Ｘ方向）に対してプロットした場合に、上記（式１）で示される曲線の原点側の領域となるように長さ、材料及び厚みが構成されている振動板１０１は、振動速度が０．８ｍ／ｓｅｃ以上となり、定在波による触感を好適に発生させることが可能である。

なお、（式１）は以下のようにして導出した。減衰自由振動波形において、隣り合う振幅の比の自然対数をとったものが対数減衰率であり、同波形において、時刻ｔ_ｎにおけるｎ番目の振幅を振幅ａ_ｎ、同様にｎ＋１番目の振幅を振幅ａ_ｎ＋１、ｎ＋ｍ番目の振幅を振幅ａ_ｎ＋ｍとすると、対数減衰率δは以下の（式２）で表される。

（式２）より、以下の（式３）が導かれる。
ａ_ｎ＋ｍ＝ａ_ｎ・ｅｘｐ（－δ・ｍ） （式３）

（式３）に示すように、対数減衰率が２倍になると、振幅が等しくなる周期は１／２となる。仮に振動板１０１に発生した定在波の幅を同じとした場合、周期は振動板１０１の長さＬと解釈できる。

したがって、ある振幅の振動速度を得る場合の周期（振動板長さ）をｘ、対数減衰率をｙ、aを定数とすると、それらの関係は、以下の（式４）で表すことができる。
ｙ＝ａ・ｘ^－１ （式４）

図７のグラフにおいて最も多くのポイントを計測した振動板１０１の長さ１３６ｍｍをベースに０．８ｍ／ｓ以上の振動速度なる条件を考えた場合、ａ＝３２．６が妥当と判断し、（式１）の曲線を作成した。また、他の長を有する振動板のポイントにおいても、この曲線と整合性があることを確認した。

図８は、振動板１０１上に発生する定在波の波長に対して、圧電アクチュエータ１０２の素子幅Ｗ（図２参照）を変えた場合の振動板１０１の最大振動速度のシミュレーション結果である。同図に示すように定在波の波長に対して、それぞれ振動速度が極大となる素子幅が存在し、例えば、定在波の波長が１７．４ｍｍの場合、素子幅Ｗが１４ｍｍであると振動速度が極大となる。一方、定在波の波長が１２．１ｍｍの場合、素子幅Ｗが８ｍｍであると振動速度が極大となる。振動板１０１の振動速度が高いほどより大きな触感が得られる

図９は、図８に示すシミュレーション結果から、定在波の波長に対して振動板１０１の振動速度が極大となる素子幅Ｗをプロットしたグラフである。同図に示すように定在波長をｘ（ｍｍ）とし、素子幅Ｗをｙ（ｍｍ）とすると、振動速度が極大となる素子幅Ｗは以下の（式５）で表される直線Ｍ１に近似することができる。
ｙ＝１．１２６ｘ－５．３９６ （式５）

また、図９において、触感発現に好適な振動速度（０．８ｍ／ｓ以上）が得られる素子幅Ｗの範囲は、上限が以下の（式６）で表される直線Ｍ２で表され、下限は以下の（式７）で表される直線Ｍ３で表される。
ｙ＝１．１９１ｘ－２．２７７ （式６）
ｙ＝０．５３２ｘ－４．４９３ （式７）

図１０は、図９を変形したものであり、図９の縦軸を素子幅Ｗ／定在波長としたグラフである。同図において定在波長をｘ（ｍｍ）とし、素子幅Ｗ／定在波長をｙとすると、振動速度が極大となる素子幅Ｗは以下の（式８）で表される直線Ｎ１に近似することができる。
ｙ＝０．０２６ｘ＋０．３６７ （式８）

また、図１０において、触感発現に好適な振動速度（０．８ｍ／ｓ以上）が得られる素子幅Ｗ／定在波長の範囲は、上限が以下の（式９）で表される直線Ｎ２で表され、下限は以下の（式１０）で表される直線Ｎ３で表される。
ｙ＝０．０１１ｘ＋０．８７８ （式９）
ｙ＝０．０２１ｘ－０．０８７ （式１０）

図１０に示すように、素子幅Ｗが定在波長の概ね０．７倍以上０．８倍以下である場合に振動板１０１の振動速度が最大となり、素子幅Ｗが定在波長の概ね０．２倍以上１．０倍以下である場合に振動板１０１の振動速度が好適な振動速度（０．８ｍ／ｓ以上）となる。

以上のように、圧電アクチュエータ１０２の駆動周波数により定在波長が異なるため、それに適した素子幅Ｗとすることにより、振動板１０１の振動速度が高くなり触感を向上させることが可能である。

［電子機器］
パネル１００は、固定部１０３によって固定対象部材に固定されることで電子機器に搭載することが可能である。固定対象部材は例えば電子機器の筐体である。パネル１００は
タッチパネル又はタッチセンサ等の、定在波によってユーザに触感又はフィードバックを提示するデバイスとして利用することが可能である。

［変形例］
振動板１０１の形状は平板上に限られず、湾曲していてもよい。また、振動板１０１は主面が矩形形状を有するものに限られず、台形形状、円形形状又は楕円形状等であってもよい。

１００…パネル
１０１…振動板
１０１ａ…第１の面
１０１ｂ…第２の面
１０２…圧電アクチュエータ
１０３…固定部

Claims (5)

1. 振動板と、
   前記振動板の主面上に設けられ、前記振動板を振動させる圧電アクチュエータと
   を具備し、
   前記振動板は、前記振動板の長辺の長さ及び対数減衰率が、長辺の長さ（ｍｍ）をｘ、対数減衰率をｙとしたときに、下記の（式１）で表される曲線より原点側の領域となるように構成されている
   パネル。
   ｙ＝３２．６ｘ^－１ （式１）
2. 請求項１に記載のパネルであって、
   前記振動板は、振動速度が０．８ｍ／ｓｅｃ以上である
   パネル。
3. 請求項１又は２に記載のパネルであって、
   前記振動板に生じる定在波の波長（ｍｍ）をｘ、前記定在波の波長に対する前記圧電アクチュエータの幅の比率をｙとしたときに、
   前記圧電アクチュエータは、前記幅が下記の（式９）で表される直線と下記の（式１０）で表される直線の間の領域となるように構成されている
   パネル。
   ｙ＝０．０１１ｘ＋０．８７８ （式９）
   ｙ＝０．０２１ｘ－０．０８７ （式１０）
4. 請求項３に記載のパネルであって、
   前記幅は、前記定在波の波長の０．２倍以上１．０倍以下である
   パネル。
5. 振動板と、前記振動板の主面上に設けられ、前記振動板を振動させる圧電アクチュエータと、弾性体からなり前記振動板を支持する固定部とを備えるパネルを具備し、
   前記振動板は、前記振動板の長辺の長さ及び対数減衰率が、長辺の長さ（ｍｍ）をｘ、対数減衰率をｙとしたときに、下記の（式１）で表される曲線より原点側の領域となるように構成されている
   電子機器。
   ｙ＝３２．６ｘ^－１ （式１）

Images