JP7429506B2 - 振動パネル及び電子機器 - Google Patents

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Description

本発明は、本発明は、圧電アクチュエータにより振動を発生させる振動パネル及び電子機器に関する。
逆圧電効果により振動を生じる圧電アクチュエータをパネルに接合した振動パネルは、触感提示やフォースフィードバック、発音等に利用することが可能である。圧電アクチュエータのパネルへの接合方法は各種のものが検討されている。
例えば特許文献１には、パネルに溝を形成し、その溝に圧電アクチュエータを貼り付けた振動パネルが開示されている。この構成では、溝に圧電アクチュエータを貼り付けることで振動パネルの厚みを厚くすることなく実装でき、振動を効率よくパネルへ伝達することが可能とされている。
特開２０１２－２０３８９５号公報
しかしながら、特許文献１に記載の構成では、パネルに溝を形成する必要があり加工が難しい。また、圧電素子は長期間の使用により、湿気によるＩＲの低下や電気的接続部の断線が発生するおそれがある。
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、信頼性及び振動効率に優れた振動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振動パネルは、内部部材と、第１の外部部材と、第２の外部部材と、圧電アクチュエータと、アクチュエータ接合層と、充填体とを具備する。
上記内部部材は、平板状であり、第１の主面と、上記第１の主面の反対側の第２の主面を有する。
上記第１の外部部材は、平板状であり、上記内部部材側の第３の主面と、上記第３の主面と反対側の第４の主面を有し、上記第３の主面は上記内部部材に対向し、上記第１の主面に接合される第１の領域と、上記内部部材から突出し、上記内部部材に接合されない第２の領域とを有する。
上記第２の外部部材は、平板状であり、上記内部部材側の第５の主面と、上記第５の主面と反対側の第６の主面を有し、上記第５の主面は上記内部部材に対向し、上記第２の主面に接合される第３の領域と、上記内部部材から突出し、上記内部部材に接合されず、上記第２の領域と対向する第４の領域とを有する。
上記圧電アクチュエータは、逆圧電効果による振動を生じる。
上記アクチュエータ接合層は、上記圧電アクチュエータと上記第２の領域の間に配置され、上記圧電アクチュエータを上記第２の領域に接合する。
上記充填体は、上記第２の領域と上記第４の領域の間に充填され、上記圧電アクチュエータを覆い、上記圧電アクチュエータと上記第１の外部部材と上記第２の外部部材を互いに接合する。
この構成によれば、目的とする周波数に応じて接合層及び充填体の材料を選択し、振動特性を制御することが可能であり、高い振動効率を実現することが可能である。また、圧電アクチュエータの周囲には充填体が充填されているため、圧電アクチュエータへの電気的接続部が保護され、振動パネル信頼性を向上させることが可能である。
上記アクチュエータ接合層は第１の樹脂材料からなり、
上記充填体は上記第１の樹脂材料よりヤング率が小さい第２の樹脂材料からなるものであってもよい。
上記第１の樹脂材料はエポキシ樹脂であり、
上記第２の樹脂材料はシリコンであってもよい。
上記第１の外部部材及び上記第２の外部部材はガラスからなるものであってもよい。
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、振動パネルを具備する。上記振動パネルは、平板状であり、第１の主面と、上記第１の主面の反対側の第２の主面を有する内部部材と、平板状であり、上記内部部材側の第３の主面と、上記第３の主面と反対側の第４の主面を有し、上記第３の主面は上記内部部材に対向し、上記第１の主面に接合される第１の領域と、上記内部部材から突出し、上記内部部材に接合されない第２の領域とを有する第１の外部部材と、平板状であり、上記内部部材側の第５の主面と、上記第５の主面と反対側の第６の主面を有し、上記第５の主面は上記内部部材に対向し、上記第２の主面に接合される第３の領域と、上記内部部材から突出し、上記内部部材に接合されず、上記第２の領域と対向する第４の領域とを有する第２の外部部材と、逆圧電効果による振動を生じる圧電アクチュエータと、上記圧電アクチュエータと上記第２の領域の間に配置され、上記圧電アクチュエータを上記第２の領域に接合するアクチュエータ接合層と、上記第２の領域と上記第４の領域の間に充填され、上記圧電アクチュエータを覆い、上記圧電アクチュエータと上記第１の外部部材と上記第２の外部部材を互いに接合する充填体とを備える。
以上のように本発明によれば、信頼性及び振動効率に優れた振動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振動パネルの斜視図である。 上記振動パネルの拡大斜視図である。 上記振動パネルの断面図である。 上記振動パネルを分解した状態の断面図である。 上記振動パネルが備える第１外部部材の平面図である。 上記振動パネルが備える第２外部部材の平面図である。 上記振動パネルの一部構成の断面図である。 上記振動パネルが備える圧電アクチュエータの断面図である。 上記振動パネルの一部構成の断面図である。 上記振動パネルの平面図である。 上記振動パネルを供える電子機器の模式図である。 上記振動パネルの、アクチュエータ接合層及び充填体の材料及びヤング率を示す表である。 上記振動パネルにおける圧電アクチュエータ周波数が１００Ｈｚの場合の固定状態と変位量の関係を示す表である。 上記振動パネルにおける圧電アクチュエータ周波数が１００Ｈｚの場合の固定状態と変位量の関係を示すグラフである。 上記振動パネルにおける圧電アクチュエータ周波数が３０ｋＨｚの場合の固定状態と変位量の関係を示す表である。 上記振動パネルにおける圧電アクチュエータ周波数が３０ｋＨｚの場合の固定状態と変位量の関係を示すグラフである。
本発明の実施形態に係る振動パネルについて説明する。
［振動パネルの構成］
図１は、本実施形態に係る振動パネル１００の斜視図であり、図２は振動パネル１００の一部を拡大して示す斜視図である。図３は、振動パネル１００の断面図であり、図１のＡ－Ａ線での断面図である。図４は、図３に示す振動パネル１００の構成を分解して示す断面図である。
各図において、相互に直交する３方向をそれぞれＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向とする。振動パネル１００は平板状であり、振動パネル１００の厚み方向をＺ方向、長辺方向をＸ方向、短辺方向をＹ方向とする。
図１乃至図４に示すように、振動パネル１００は、内部部材１０１、第１外部部材１０２、第２外部部材１０３、圧電アクチュエータ１０４、アクチュエータ接合層１０５、充填体１０６、パネル接合層１０７及びパネル接合層１０８を備える。
内部部材１０１は、平板状部材であり、例えばガラス板である。図４に示すように内部部材１０１の一方の主面を第１主面１０１ａとし、第１主面１０１ａの反対側の主面を第２主面１０１ｂとする。内部部材１０１の厚み（Ｚ方向）は例えば１ｍｍである。また、内部部材１０１は、ガラス板に限られず、液晶ディスプレイの液晶表示モジュールやタッチパネルのタッチ検知モジュールを内蔵する部材であってもよい。
第１外部部材１０２は、平板状部材であり、例えばガラス板である。図５は第１外部部材１０２の、内部部材１０１側から見た平面図である。第１外部部材１０２は、図３に示すように、パネル接合層１０７によって内部部材１０１の第１主面１０１ａに接合される。図４に示すように第１外部部材１０２の主面のうち、内部部材１０１側の主面を第３主面１０２ａとし、第３主面１０２ａの反対側の主面を第４主面１０２ｂとする。
第１外部部材１０２は、長辺方向（Ｘ方向）の長さが内部部材１０１より大きく、長辺方向の両端において内部部材１０１から突出する。このため、第３主面１０２ａのＸ方向における中央部のみが第１主面１０１ａに接合され、両端部は第１主面１０１ａに接合されない。
以下、図４及び図５に示すように、第３主面１０２ａのうち、内部部材１０１に対向し、パネル接合層１０７を介して第１主面１０１ａに接合される領域を第１領域１０２ｃとし、内部部材１０１から突出し、内部部材１０１に接合されない領域を第２領域１０２ｄとする。第１外部部材１０２の厚み（Ｚ方向）は例えば０．３ｍｍである。
第２外部部材１０３は、平板状部材であり、例えばガラス板である。図６は第２外部部材１０３の、内部部材１０１側から見た平面図である。第２外部部材１０３は、図３に示すように、パネル接合層１０７によって内部部材１０１の第２主面１０１ｂに接合される。図４に示すように第２外部部材１０３の主面のうち、内部部材１０１側の主面を第５主面１０３ａとし、第５主面１０２ａの反対側の主面を第６主面１０３ｂとする。
第２外部部材１０３は、第１外部部材１０２と同様に長辺方向（Ｘ方向）の長さが内部部材１０１より大きく、長辺方向の両端において内部部材１０１から突出する。このため、第５主面１０２ａのＸ方向における中央部のみが第２主面１０１ｂに接合され、両端部は第２主面１０１ｂに接合されない。
以下、図４及び図６に示すように、第５主面１０３ａのうち、内部部材１０１に対向し、第２主面１０１ｂに接合される領域を第３領域１０３ｃとし、内部部材１０１から突出し、内部部材１０１に接合されない領域を第４領域１０３ｄとする。第４領域１０３ｄは第１外部部材１０２の第２領域１０２ｄに対向する領域である。第２外部部材１０３の厚み（Ｚ方向）は例えば０．３ｍｍである。
図７は、振動パネル１００の一部構成を示す断面図である。同図に示すように、振動パネル１００の長手方向（Ｘ方向）両端部には、第１外部部材１０２と第２外部部材１０３の間に内部部材１０１が存在しない領域が存在する。以下、この領域を端部領域１００ａとする。端部領域１００ａは、上記のように第１外部部材１０２の第２領域１０２ｄと第２外部部材１０３の第４領域１０３ｄの間の領域である。
圧電アクチュエータ１０４は、逆圧電効果により伸縮運動を生じる。図８は、圧電アクチュエータ１０４の断面図である。同図に示すように圧電アクチュエータ１０４は、圧電材料層１１１、第１内部電極１１２及び第２内部電極１１３を備える。
圧電材料層１１１は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、アルカリ金属含有ニオブ酸化物、チタン酸ビスマスナトリウム／チタン酸バリウム混晶（ＢＮＢＴ）等の圧電材料からなる。第１内部電極１１２と第２内部電極１１３はＮｉ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ａｇ及びＡｕ等の金属又はこれらの合金等の導電性材料からなり、圧電材料層１１１を介して交互に積層されている。
なお、第１内部電極１１２と第２内部電極１１３の数は特に限定されず、それぞれ１つ以上であればよい。圧電アクチュエータ１０４は、上述の圧電材料からなるシートを第１内部電極１１２及び第２内部電極１１３と共に積層し、焼成したものとすることができる。
図９は、振動パネル１００の一部構成を示す断面図であり、図１０は振動パネル１００の平面図である。これらの図に示すように、圧電アクチュエータ１０４は、振動パネル１００の２つの端部領域１００ａに１つずつが配置される。
図９に示すように、圧電アクチュエータ１０４には、導通部１１４を介して配線１１５が接続されている。導通部１１４は例えば銅箔及び導電ペーストからなる。配線１１５は、第１内部電極１１２と第２内部電極１１３にそれぞれ接続され、第１内部電極１１２と第２内部電極１１３の間に電圧を印加することができる。
第１内部電極１１２と第２内部電極１１３の間に電流を印加すると逆圧電効果により圧電材料層１１１に変形が生じ、圧電アクチュエータ１０４に伸縮運動が生じる。なお、圧電アクチュエータ１０４はバイモルフ型のものであってもよく、ユニモルフ型のものであってもよい。さらに、圧電アクチュエータ１０４の構成はここに示すのものに限られず、逆圧電効果による振動を生じるものであればよい。
アクチュエータ接合層１０５は、図２に示すように、圧電アクチュエータ１０４と第２領域１０２ｄの間に配置され、圧電アクチュエータ１０４を第２領域１０２ｄに接合する。アクチュエータ接合層１０５の材料については後述する。
充填体１０６は、端部領域１００ａにおいて圧電アクチュエータ１０４の周囲に充填されて形成され、圧電アクチュエータ１０４を覆い、圧電アクチュエータ１０４と第１外部部材１０２及び第２外部部材１０３を互いに接合する。充填体１０６の材料については後述する。
パネル接合層１０７は、図２に示すように、内部部材１０１と第１外部部材１０２の間に配置され、内部部材１０１と第１外部部材１０２を接合する。パネル接合層１０８は、図２に示すように、内部部材１０１と第２外部部材１０３の間に配置され、内部部材１０１と第２外部部材１０３を接合する。パネル接合層１０７及びパネル接合層１０８は、接着性を有する材料からなり、例えばエラストマー及び両面テープからなる。エラストマーとしてはモビロン（熱可塑性ポリウレタンエラストマー、登録商標）を用いることができる。
振動パネル１００は以上のような構成を有する。上記のように圧電アクチュエータ１０４に電圧を印加すると、圧電アクチュエータ１０４は伸縮運動を生じる。圧電アクチュエータ１０４は、アクチュエータ接合層１０５によって第１外部部材１０２に接合されており、圧電アクチュエータ１０４の伸縮運動は屈曲運動に変わる。これにより、振動パネル１００において振動や音が発生し、触覚提示デバイスやスピーカーとして機能する。
図１１は、振動パネル１００を搭載する電子機器１５０の分解斜視図である。電子機器１５０は例えばスマートフォンである。振動パネル１００は、内部部材１０１に液晶モジュールやタッチ検知モジュールを実装し、同図に示すように筐体１６０に搭載することにより、電子機器１５０のディスプレイとして用いることができる。他にも振動パネル１００はディスプレイ、触覚提示デバイス又はスピーカーとして各種電子機器に搭載することができる。
［アクチュエータ接合層及び充填体の材料について］
振動パネル１００では、アクチュエータ接合層１０５及び充填体１０６の材料によって振動特性を制御することが可能である。
アクチュエータ接合層１０５は、樹脂材料からなり、例えばエラストマー又はエポキシ樹脂からなるものとすることができる。エラストマーとしてはモビロン（熱可塑性ポリウレタンエラストマー、登録商標）を用いることができる。
充填体１０６は、樹脂材料からなり、例えばシリコン又はエポキシ樹脂からなるものとすることができる。充填体１０６の材料はアクチュエータ接合層１０５の材料とヤング率が同等のものであってもよいが、充填体１０６の材料がアクチュエータ接合層１０５の材料よりヤング率が小さいものが好適である。
図１２は、アクチュエータ接合層１０５と充填体１０６の材料及びヤング率を示す表である。同図に示すように、アクチュエータ接合層１０５がエラストマーからなり、充填体１０６がシリコンからなる振動パネル１００を「柔軟固定」とする。また、アクチュエータ接合層１０５がエポキシ樹脂からなり、充填体１０６がシリコンからなる振動パネル１００を「中硬度固定」とする。さらに、アクチュエータ接合層１０５がエポキシ樹脂からなり、充填体１０６もエポキシ樹脂からなる振動パネル１００を「強固固定」とする。
なお、図１２に示すヤング率は、アクチュエータ接合層１０５と充填体１０６の材料のうち、ヤング率が高い方の材料のヤング率である。
図１３は、圧電アクチュエータ１０４の周波数が１００Ｈｚの場合の固定状態と変位量（μｍ）の関係を示す表であり、図１４はそのグラフである。変位量は第１外部部材１０２の中央部の変位量である。
図１３及び図１４に示すように、圧電アクチュエータ１０４の周波数が１００Ｈｚの場合、「中硬度固定」、「柔軟固定」、「強固固定」の順で同電圧における変位量が大きく、即ち振動効率に優れる。
図１５は、圧電アクチュエータ１０４の周波数が３０ｋＨｚの場合の固定状態と変位量（μｍ）の関係を示す表であり、図１６はそのグラフである。変位量は第１外部部材１０２の中央部の変位量である。
図１５及び図１６に示すように、圧電アクチュエータ１０４の周波数が３０ｋＨｚの場合、「中硬度固定」、「強固固定」、「柔軟固定」の順で同電圧における変位量が大きく、即ち振動効率に優れる。
このように、振動パネル１００では、アクチュエータ接合層１０５及び充填体１０６の材料によって、目的とする周波数に応じて振動効率を調整することが可能である。特に「中硬度固定」では、低周波数と高周波数の両方で高い振動効率を実現することができる。
［振動パネルによる効果］
振動パネル１００では上記のように、目的とする周波数に応じてアクチュエータ接合層１０５及び充填体１０６の材料を選択し、振動特性を制御することが可能である。
また、圧電アクチュエータ１０４の周囲には充填体１０６が充填されており、圧電アクチュエータ１０４が空気から遮断されるため、湿気によるＩＲの低下や電気的接続部への負荷を防止することが可能であり、落下衝撃の緩和が可能である。これにより振動パネル１００は高い信頼性を備えるものとすることが可能である。
さらに、振動パネル１００は圧電アクチュエータ１０４等の各構成が第１外部部材１０２及び第２外部部材１０３の間に配置されており、表裏両面はフラットである。これにより、基板等を貼付することが容易であり、電子機器等への実装性に優れる。
［変形例］
上記実施形態において、振動パネル１００は、長辺方向（Ｘ方向）両端部に２つの圧電アクチュエータ１０４を備えるものとしたが、振動パネル１００は１つの圧電アクチュエータ１０４のみを備えるものであってもよい。また、振動パネル１００の形状も矩形形状に限られず、円形形状等とすることも可能である。
１００…振動パネル
１０１…内部部材
１０１ａ…第１主面
１０１ｂ…第２主面
１０２…第１外部部材
１０２ａ…第３主面
１０２ｂ…第４主面
１０２ｃ…第１領域
１０２ｄ…第２領域
１０３…第２外部部材
１０３ａ…第５主面
１０３ｂ…第６主面
１０３ｃ…第３領域
１０３ｄ…第４領域
１０４…圧電アクチュエータ
１０５…アクチュエータ接合層
１０６…充填体
１０７、１０８…パネル接合層
１０８…パネル接合層
１１４…導通部
１１５…配線
１５０…電子機器

Claims (5)

  1. 平板状であり、第１の主面と、前記第１の主面の反対側の第２の主面を有する内部部材と、
    平板状であり、前記内部部材側の第３の主面と、前記第３の主面と反対側の第４の主面を有し、前記第３の主面は前記内部部材に対向し、前記第１の主面に接合される第１の領域と、前記内部部材から突出し、前記内部部材に接合されない第２の領域とを有する第１の外部部材と、
    平板状であり、前記内部部材側の第５の主面と、前記第５の主面と反対側の第６の主面を有し、前記第５の主面は前記内部部材に対向し、前記第２の主面に接合される第３の領域と、前記内部部材から突出し、前記内部部材に接合されず、前記第２の領域と対向する第４の領域とを有する第２の外部部材と、
    逆圧電効果による振動を生じる圧電アクチュエータと、
    前記圧電アクチュエータと前記第２の領域の間に配置され、前記圧電アクチュエータを前記第２の領域に接合するアクチュエータ接合層と、
    前記第２の領域と前記第４の領域の間に充填され、前記圧電アクチュエータを覆い、前記圧電アクチュエータと前記第１の外部部材と前記第２の外部部材を互いに接合する充填体と
    を具備する振動パネル。
  2. 請求項１に記載の振動パネルであって、
    前記アクチュエータ接合層は第１の樹脂材料からなり、
    前記充填体は前記第１の樹脂材料よりヤング率が小さい第２の樹脂材料からなる
    振動パネル。
  3. 請求項２に記載の振動パネルであって、
    前記第１の樹脂材料はエポキシ樹脂であり、
    前記第２の樹脂材料はシリコンである
    振動パネル。
  4. 請求項１から３のうちいずれか１項に記載の振動パネルであって、
    前記第１の外部部材及び前記第２の外部部材はガラスからなる
    振動パネル。
  5. 平板状であり、第１の主面と、前記第１の主面の反対側の第２の主面を有する内部部材と、平板状であり、前記内部部材側の第３の主面と、前記第３の主面と反対側の第４の主面を有し、前記第３の主面は前記内部部材に対向し、前記第１の主面に接合される第１の領域と、前記内部部材から突出し、前記内部部材に接合されない第２の領域とを有する第１の外部部材と、平板状であり、前記内部部材側の第５の主面と、前記第５の主面と反対側の第６の主面を有し、前記第５の主面は前記内部部材に対向し、前記第２の主面に接合される第３の領域と、前記内部部材から突出し、前記内部部材に接合されず、前記第２の領域と対向する第４の領域とを有する第２の外部部材と、逆圧電効果による振動を生じる圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータと前記第２の領域の間に配置され、前記圧電アクチュエータを前記第２の領域に接合するアクチュエータ接合層と、前記第２の領域と前記第４の領域の間に充填され、前記圧電アクチュエータを覆い、前記圧電アクチュエータと前記第１の外部部材と前記第２の外部部材を互いに接合する充填体とを備える振動パネル
    を具備する電子機器。
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