WO2016067831A1 - 振動装置 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a vibration device that generates vibration.
- a tactile sensation presentation device that provides tactile feedback by transmitting vibration when a user touches a key in a touch panel keyboard or the like has been proposed.
- Patent Document 1 describes a structure in which both ends of a piezoelectric bimorph element made of piezoelectric ceramics or the like are held by a low elastic body, and a vibrating material is connected to the center of the piezoelectric bimorph element.
- vibration is transmitted to a user through a connected vibration-receiving material by inputting an AC signal to the piezoelectric bimorph element and causing it to vibrate.
- a tactile sense presentation device for example, a device that is fixed to a piezoelectric film in a state where the diaphragm is bent is conceivable.
- a touch sensor for detecting a touch operation is provided on the main surface of the diaphragm.
- a drive signal is applied to the piezoelectric film, and the piezoelectric film expands and contracts.
- the piezoelectric film expands and contracts, the diaphragm vibrates, and the vibration is transmitted to the user.
- the diaphragm In a tactile presentation device using a diaphragm and a piezoelectric film, in order to increase the vibration of the diaphragm, the diaphragm is held at positions shifted from both ends of the diaphragm toward the center, and both ends of the diaphragm vibrate. I'm getting hungry. For this reason, when the end portion of the diaphragm comes into contact with the desk or the wall when the diaphragm vibrates, the end portion of the diaphragm becomes difficult to vibrate, and thus the entire vibration of the diaphragm is attenuated.
- An object of the present invention is to provide a vibration device capable of generating strong vibrations.
- the vibration device of the present invention includes a film and a pair of diaphragms.
- the film is deformed in the surface direction by applying a voltage.
- the pair of diaphragms are provided so as to sandwich the film. Both ends of the pair of diaphragms are fixed to both ends of the film so that the pair of diaphragms bend.
- the vibration amplitude of the diaphragm increases when the same drive signal is applied to the film as compared to when the center of gravity moves during vibration of the diaphragm.
- the pair of diaphragms are deformed so that the center portions of the diaphragms are displaced in opposite directions during vibration. For this reason, the center of gravity of the pair of diaphragms is difficult to move during vibration. As a result, the vibration amplitude of the diaphragm can be increased.
- the amplitude of vibration becomes small at both ends of the diaphragm, even if the end of the diaphragm comes into contact with a desk or wall when the diaphragm vibrates, the vibration amplitude almost changes at the end of the diaphragm. do not do. For this reason, the attenuation amount of the vibration of the whole diaphragm can be reduced.
- the pair of diaphragms have the same shape.
- transforms so that the center part of each diaphragm may be displaced by the same amount in a mutually reverse direction at the time of a vibration. For this reason, the center of gravity of the pair of diaphragms is more difficult to move during vibration. As a result, the vibration amplitude of the diaphragm can be further increased.
- the film may be a piezoelectric film made of a piezoelectric resin having electrodes formed on both main surfaces.
- the piezoelectric resin may be made of polyvinylidene fluoride as a material.
- the piezoelectric resin may be made of polylactic acid.
- the vibration device of the present invention may further include a touch detection unit and a drive unit.
- the touch detection unit is provided on the opposite side of the main surface of the one diaphragm from the film side and detects a touch operation.
- the drive unit applies a drive signal to the film when the touch detection unit detects a touch operation.
- the vibration device can be used as a tactile sense presentation device.
- the touch detection unit in order to vibrate the touch detection unit, it is necessary to dispose the touch detection unit while avoiding a portion where the vibration of the diaphragm is reduced.
- the configuration of the present invention since the amplitude of vibration is reduced at both ends of the diaphragm, a sufficient area for arranging the touch detection unit can be ensured in the center of the diaphragm. For this reason, even if the size of the diaphragm is reduced, a necessary number of touch detection units can be arranged on the diaphragm.
- a vibration device capable of generating strong vibration can be realized.
- FIG. 1A is an external perspective view of the tactile presentation device according to the present embodiment.
- FIG. 1B is a side view of the tactile presentation device according to the present embodiment.
- 6 is a side view showing a process of combining the piezoelectric film 11, the diaphragm 12, and the diaphragm 13.
- FIG. It is a block diagram which shows the structure of the tactile sense presentation apparatus which concerns on this embodiment. It is a side view explaining operation
- FIG. 5A is a schematic side view showing a vibration mode of the tactile sense presentation device of the comparative example.
- FIG. 5B is a schematic side view showing a vibration mode of the tactile presentation device according to the present embodiment.
- FIG. 1A is an external perspective view of the tactile sense presentation device 10.
- FIG. 1B is a side view of the tactile sense presentation device 10.
- the tactile sense presentation device 10 includes a piezoelectric film 11, a diaphragm 12, a diaphragm 13, a film switch 14, and a holding unit 16.
- the piezoelectric film 11 corresponds to the “film” of the present invention.
- a diaphragm 12 is provided on the upper surface side of the piezoelectric film 11.
- a diaphragm 13 is provided on the lower surface side of the piezoelectric film 11.
- a film switch 14 is provided on the upper surface of the diaphragm 12. Both ends of the diaphragm 12 and the diaphragm 13 are fixed to both ends of the piezoelectric film 11 so that the diaphragm 12 and the diaphragm 13 are bent. Both end portions of the diaphragm 13 are held by holding portions 16.
- the piezoelectric film 11 has electrodes formed on both main surfaces of a rectangular flat base film.
- the base film is a piezoelectric resin, and is made of, for example, polyvinylidene fluoride (PVDF) or a chiral polymer.
- PVDF polyvinylidene fluoride
- An example of the chiral polymer is L-type polylactic acid (PLLA).
- PVDF is used for the piezoelectric film 11
- PVDF is water resistant, for example, there is an advantage that an electronic device including a tactile sensation presentation device can obtain a similar click feeling in any humidity environment.
- PLLA is a highly permeable material. Therefore, if a transparent material is used for the electrode added to the PLLA, the diaphragm 12, and the diaphragm 13, the vibration function (piezoelectric film 11, Since the internal state of the vibration function can be visually recognized when the vibration body including the vibration plate 12 and the vibration plate 13 is manufactured, there is a manufacturing advantage. Moreover, the position of the key can be visually recognized even in a dark place by arranging a light emitting source such as a light inside the vibration function. In addition, PLLA has no pyroelectricity, so there is a merit that a similar click feeling can be obtained under any temperature environment.
- a vapor deposition electrode such as aluminum (Al) or copper (Cu) for the electrode of the piezoelectric film 11.
- ITO indium tin oxide
- ZnO zinc oxide
- polythiophene polythiophene
- silver nanowire electrode material a silver nanowire electrode material.
- FIG. The electrode of the piezoelectric film 11 is connected to the drive part 17 (refer FIG. 3) through the wiring conductor for extraction.
- the piezoelectric film 11 expands and contracts in the lateral direction of the piezoelectric film 11 when a voltage is applied to the electrodes. That is, the piezoelectric film 11 is deformed in the plane direction by applying a voltage.
- the diaphragm 12 has a substantially rectangular flat plate shape and has substantially the same size as the piezoelectric film 11 in plan view.
- the diaphragm 12 includes a center part 121, a side part 122, and an end part 123.
- the central part 121 has a rectangular flat plate shape.
- the side surface portion 122 extends in a direction perpendicular to the main surface of the central portion 121 from an end portion in the short direction of the central portion 121.
- the end portion 123 extends from an end portion of the side surface portion 122 opposite to the central portion 121 side in a direction parallel to the main surface of the central portion 121 and in a direction opposite to the central portion 121 side.
- the diaphragm 12 is made of, for example, a metal material (steel plate SPCC, stainless steel SUS301CSP, SUS304CSP, beryllium copper C1700, C1720, phosphor bronze C5210, white C7701 etc.), resin material (PMMA, PET, PC, etc.), glass, etc. To do.
- the side surface portion 122 and the end portion 123 of the vibration plate 12 are formed, for example, by bending both end portions of the metal plate.
- the diaphragm 13 includes a center part 131, a side part 132, and an end part 133, and is configured in the same manner as the diaphragm 12.
- the diaphragm 12 is arranged so that the side on which the side surface portion 122 of the diaphragm 12 extends faces the piezoelectric film 11 side.
- the end portions 123 of the diaphragm 12 are respectively fixed to the end portions of the piezoelectric film 11 in the short direction.
- the lower surface of the end portion 123 of the diaphragm 12 is in contact with the upper surface of the end portion in the short direction of the piezoelectric film 11.
- a hollow region is formed between the central portion 121 of the diaphragm 12 and the piezoelectric film 11.
- the diaphragm 13 is arranged so that the side on which the side surface portion 132 of the diaphragm 13 extends faces the piezoelectric film 11 side.
- the end portions 133 of the diaphragm 13 are respectively fixed to the end portions of the piezoelectric film 11 in the short direction.
- the upper surface of the end portion 133 of the diaphragm 13 is in contact with the lower surface of the end portion in the short direction of the piezoelectric film 11.
- a hollow region is formed between the central portion 131 of the diaphragm 13 and the piezoelectric film 11.
- the end 123 of the diaphragm 12 and the end 133 of the diaphragm 13 are disposed at the same position in plan view.
- a rectangular plate-like film switch 14 is provided on the upper surface of the central portion 121 of the diaphragm 12.
- the film switch 14 is provided with a plurality of touch sensors 15 at positions corresponding to the key arrangement.
- the touch sensor 15 detects a user's touch operation.
- the touch sensor 15 corresponds to the “touch detection unit” of the present invention.
- the film switch 14 is, for example, a membrane switch or a capacitive film switch.
- the holding portion 16 has a substantially rectangular parallelepiped shape, and is disposed along the end portion 133 of the diaphragm 13.
- the upper surface of the holding portion 16 is in contact with the lower surface of the end portion 133 of the diaphragm 13 and the lower surface of the end portion in the short direction of the piezoelectric film 11.
- the holding portion 16 holds the end portion 133 of the diaphragm 13 and the end portion in the short direction of the piezoelectric film 11.
- the holding unit 16 holds the piezoelectric film 11, the diaphragm 12, and the diaphragm 13 so as to float.
- the piezoelectric film does not have to be large enough to overlap the diaphragm in plan view, and a plurality of strip-shaped piezoelectric films may be arranged at intervals in the longitudinal direction of the diaphragm.
- FIG. 2 is a side view showing a process of combining the piezoelectric film 11, the diaphragm 12 and the diaphragm 13.
- These drawings are exaggerated (especially in the thickness direction) for easy understanding, and the actual tactile sense presentation device is thin and almost flat.
- FIGS. As shown in FIG. 2A, the diaphragm 13 is arranged so that the side on which the side surface portion 132 of the diaphragm 13 extends faces upward. Next, as shown in FIG. 2B, the central portion 131 of the diaphragm 13 is bent so that the upper surface of the central portion 131 of the diaphragm 13 is concave along the short direction of the central portion 131. The diaphragm 13 is held.
- the respective end portions in the short direction of the piezoelectric film 11 are attached to the respective end portions 133 of the diaphragm 13.
- the degree of bending of the diaphragm 13 is reduced, and the piezoelectric film 11 extends in the short direction.
- the diaphragm 12 is disposed on the upper surface side of the piezoelectric film 11 so that the side on which the side surface portion 122 of the diaphragm 12 extends faces downward. Then, the diaphragm 12 is held by bending the middle part 121 of the diaphragm 12 so that the upper surface of the middle part 121 of the diaphragm 12 is convex along the short direction of the middle part 121. At this time, the central portion 121 of the diaphragm 12 is bent so that each end 123 of the diaphragm 12 and each end 133 of the diaphragm 13 are arranged at the same position in plan view. Next, as shown in FIG.
- the respective end portions in the short direction of the piezoelectric film 11 are attached to the respective end portions 123 of the diaphragm 12.
- the piezoelectric film 11, the diaphragm 12 and the diaphragm 13 are expanded by the rigidity of the diaphragm 12 and the diaphragm 13, and the diaphragm 12 and the diaphragm 13 are bent by the tension of the piezoelectric film 11. Are fixed together.
- FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of the tactile sense presentation device 10.
- the drive unit 17 applies a drive signal (drive voltage) to the electrodes of the piezoelectric film 11. Thereby, the piezoelectric film 11 expands and contracts.
- FIG. 4 is a side view for explaining the operation of the tactile presentation device 10.
- the piezoelectric film 11 contracts in the short direction.
- the piezoelectric film 11 contracts, one end of the diaphragm 12 and the diaphragm 13 and the other end of the diaphragm 12 and the diaphragm 13 approach each other, and the central portion 121 of the diaphragm 12 and the diaphragm 13
- the deflection of the central portion 131 is increased. That is, the center part 121 of the diaphragm 12 and the center part 131 of the diaphragm 13 are deformed so as to further protrude on the side opposite to the piezoelectric film 11 side.
- the piezoelectric film 11 extends in the short direction.
- the piezoelectric film 11 is extended, due to the restoring force of the diaphragm 12 and the diaphragm 13, one end of the diaphragm 12 and the diaphragm 13 and the other end of the diaphragm 12 and the diaphragm 13 are separated from each other, The bending of the central portion 121 of the diaphragm 12 and the central portion 131 of the diaphragm 13 is reduced. That is, the center part 121 of the diaphragm 12 and the center part 131 of the diaphragm 13 are deformed so as to approach the piezoelectric film 11 side.
- the diaphragm 12 and the diaphragm 13 vibrate in the vertical direction according to the drive signal.
- the vibration of the diaphragm 12 is transmitted to the user who touched the touch sensor 15. Thereby, the user can obtain a keystroke feeling.
- the diaphragm 13 does not contact a housing or the like in which the tactile presentation device 10 is accommodated during vibration. Thereby, the amplitude of vibration of the diaphragm 12 and the diaphragm 13 can be increased.
- FIG. 5A is a schematic side view showing the vibration mode of the tactile presentation device 20 of the comparative example.
- the tactile presentation device 20 includes the piezoelectric film 11, the diaphragm 22, and the holding unit 26.
- the diaphragm 22 has a rectangular flat plate shape. Each end 223 in the short direction of the diaphragm 22 is fixed to each end in the short direction of the piezoelectric film 11.
- the diaphragm 22 is bent so as to protrude to the opposite side of the piezoelectric film 11 side.
- the holding unit 26 holds the diaphragm 22 in the vicinity of the end 223 of the diaphragm 22.
- a touch sensor (not shown) for detecting a touch operation is provided on the upper surface of the diaphragm 22.
- a driving unit (not shown) for driving the piezoelectric film 11 is connected to the piezoelectric film 11.
- the drive unit applies an alternating drive signal to the electrode of the piezoelectric film 11.
- a drive signal is applied to the piezoelectric film 11
- the piezoelectric film 11 expands and contracts.
- the central portion of the diaphragm 22 vibrates in the vertical direction.
- the vibration amplitude of the diaphragm becomes larger when the same drive signal is applied to the piezoelectric film than when the center of gravity moves during vibration of the diaphragm.
- the diaphragm 22 is held at the end 223 of the diaphragm 22, the center of gravity moves when the diaphragm 22 vibrates. For this reason, when the diaphragm 22 is held by the end 223 of the diaphragm 22, the amplitude of vibration of the diaphragm 22 is reduced even if the same drive signal is applied to the piezoelectric film 11.
- the holding unit 26 is provided at a position shifted from the end 223 of the vibration plate 22 toward the center.
- the amplitude of vibration of the diaphragm 22 becomes large not only at the center portion of the diaphragm 22 but also at the end portion 223 of the diaphragm 22.
- the end portion 223 of the vibration plate 22 comes into contact with a desk or a wall when the vibration plate 22 vibrates, the end portion 223 of the vibration plate 22 becomes difficult to vibrate, and thus the entire vibration of the vibration plate 22 is attenuated. .
- a touch sensor on the upper surface of the diaphragm 22 like a keyboard key arrangement.
- the touch sensor in order to vibrate the touch sensor, it is necessary to dispose the touch sensor avoiding the place where the holding portion 26 is provided. For this reason, the touch sensor is disposed closer to the center than the portion of the upper surface of the diaphragm 22 where the holding unit 26 is provided.
- the tactile sense presentation device 20 since the holding unit 26 is provided at a position shifted from the end 223 toward the center, the portion of the upper surface of the diaphragm 22 where the touch sensor is disposed is limited. For this reason, the size of the diaphragm 22 is increased so that a necessary number of touch sensors are arranged on the upper surface of the diaphragm 22.
- FIG. 5B is a schematic side view showing the vibration mode of the tactile sense presentation device 10.
- the diaphragm 12 and the diaphragm 13 are deformed so that the center portion 121 and the center portion 131 are displaced in the opposite direction by the same amount during vibration.
- the diaphragm 12 and the diaphragm 13 are held by the end 123 and the end 133. For this reason, the center of gravity of the vibrating body including the diaphragm 12 and the diaphragm 13 hardly moves during vibration. As a result, the vibration amplitude of the diaphragm 12 and the diaphragm 13 can be increased.
- the end 123 of the diaphragm 12 and the end 133 of the diaphragm 13 become vibration nodes, the amplitude of vibration of the end 123 and the end 133 is reduced. For this reason, when the diaphragm 12 and the diaphragm 13 vibrate, even if the end 123 and the end 133 come into contact with the desk or the wall, the amplitude of vibration of the end 123 and the end 133 hardly changes. As a result, the amount of vibration attenuation of the diaphragm 12 and the diaphragm 13 as a whole can be reduced.
- the holding unit 16 is provided at both ends of the diaphragm 12 and the diaphragm 13. For this reason, the area where the touch sensor 15 is disposed can be sufficiently secured in the central portion 121 of the diaphragm 12. For this reason, even if the size of the diaphragm 12 and the diaphragm 13 is reduced, the necessary number of touch sensors 15 can be arranged on the diaphragm 12.
- the diaphragm 12 and the diaphragm 13 have the same shape, but the present invention is not limited to this. In the present invention, even if both ends of the pair of diaphragms are held, the pair of diaphragms may have different shapes as long as the center of gravity of the pair of diaphragms does not move much during vibration.
- the diaphragm 12 and the diaphragm 13 are held at both ends, but the present invention is not limited to this. In the present invention, as long as the center of gravity of the pair of diaphragms does not move so much during vibration, the pair of diaphragms may be held at other than the end portions.
- a film that deforms in the plane direction when a voltage is applied is not limited to a piezoelectric film.
- Examples of the “film that deforms in the plane direction when a voltage is applied” include an electrostrictive film, an electret film, a composite film, and an electroactive film.
- An electroactive film is a film that generates stress when electrically driven or a film that deforms and deforms when electrically driven.
- an electrostrictive film a composite material (a material obtained by resin-molding piezoelectric ceramics), an electrically driven elastomer, or a liquid crystal elastomer.
- a film that deforms in a plane direction when a voltage is applied can also be realized by using a piezoelectric film and a resin film (exciter film) that does not have piezoelectricity.
- the piezoelectric film is attached to the main surface of the exciter film, and the end of the exciter film is connected to the diaphragm.
- the “film that deforms in a plane direction when a voltage is applied” can also be realized by using piezoelectric ceramics and a plurality of exciter films.
- each of the plurality of exciter films has one end connected to the piezoelectric ceramic and the other end connected to the diaphragm.
- the “film that deforms in the plane direction when a voltage is applied” may be a single layer or a laminated layer. In particular, stronger vibration can be obtained by increasing the number of stacked layers.
- a tactile sensation presentation device is described as an example of the present invention.
- the present invention can be used as a vibration device such as a speaker.
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Abstract
触覚提示装置(10)は、圧電フィルム(11)、振動板(12)および振動板(13)を備える。圧電フィルム(11)は、電圧を加えることで面方向に変形する。振動板(12)および振動板(13)は、圧電フィルム(11)を挟むように設けられる。振動板(12)および振動板(13)の両端部は、振動板(12)および振動板(13)が撓むように、圧電フィルム(11)の両端部に固定される。
Description
本発明は、振動を発生させる振動装置に関する。
近年、振動装置の一例として、タッチパネル式のキーボード等において、利用者がキーをタッチ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、打鍵感を提供す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、圧電セラミックス等からなる圧電バイモルフ素子の両端部を低弾性体で保持し、当該圧電バイモルフ素子の中央部に被振動材を接続した構造が記載されている。特許文献1の構造では、圧電バイモルフ素子に交流信号を入力して振動させることにより、接続された被振動材を介してユーザに振動を伝える。
また、触覚提示装置として、例えば、振動板が撓んだ状態で圧電フィルムに固定されるものが考えられる。振動板の主面には、タッチ操作を検出するタッチセンサが設けられる。この触覚提示装置では、ユーザがタッチ操作を行うと、圧電フィルムに駆動信号が印加され、圧電フィルムが伸縮する。圧電フィルムが伸縮すると、振動板が振動し、その振動がユーザに伝わる。
振動板および圧電フィルムを用いた触覚提示装置では、振動板の振動を大きくするために、振動板の両端部から中央部側にずれた位置で振動板が保持され、振動板の両端部が振動の腹になっている。このため、振動板が振動する際に振動板の端部が机や壁に接触すると、振動板の端部が振動しにくくなるので、振動板の全体の振動が減衰してしまう。
本発明の目的は、強い振動を発生させることができる振動装置を提供することにある。
本発明の振動装置は、フィルムおよび一対の振動板を備える。フィルムは、電圧を加えることで面方向に変形する。一対の振動板は、フィルムを挟むように設けられる。一対の振動板の両端部は、一対の振動板が撓むように、フィルムの両端部に固定される。
振動板の振動時にその重心が移動しない場合、振動板の振動時にその重心が移動する場合に比べて、同じ駆動信号がフィルムに印加された際に、振動板の振動の振幅が大きくなる。本発明の構成によれば、一対の振動板は、振動時に、各振動板の中央部が互いに逆方向に変位するように変形する。このため、一対の振動板の重心は振動時に移動しにくくなる。この結果、振動板の振動の振幅を大きくすることができる。
また、振動板の両端部で振動の振幅が小さくなるので、振動板が振動する際に振動板の端部が机や壁に接触しても、振動板の端部で振動の振幅がほとんど変化しない。このため、振動板の全体の振動の減衰量を低減することができる。
本発明の振動装置では、一対の振動板は互いに同一形状であることが好ましい。この構成によれば、一対の振動板は、振動時に、各振動板の中央部が互いに逆方向に同じ量だけ変位するように変形する。このため、一対の振動板の重心は振動時にさらに移動しにくくなる。この結果、振動板の振動の振幅をさらに大きくすることができる。
本発明の振動装置では、フィルムは、両主面に電極が形成された圧電性樹脂からなる圧電フィルムでもよい。
本発明の振動装置では、圧電性樹脂はポリフッ化ビニリデンを材料としてもよい。
本発明の振動装置では、圧電性樹脂はポリ乳酸を材料としてもよい。
本発明の振動装置は、タッチ検出部および駆動部をさらに備えてもよい。タッチ検出部は、一方の振動板の主面のうちフィルム側の反対側に設けられ、タッチ操作を検出する。駆動部は、タッチ検出部がタッチ操作を検出したときに、フィルムに駆動信号を印加する。
この構成によれば、振動装置を触覚提示装置として使用することができる。また、通常、タッチ検出部を振動させるために、振動板の振動が小さくなる箇所を避けてタッチ検出部を配置する必要がある。本発明の構成によれば、振動板の両端部で振動の振幅が小さくなるので、タッチ検出部を配置する面積を振動板の中央部に十分確保することができる。このため、振動板のサイズを小さくしても、必要な数のタッチ検出部を振動板に配置することができる。
本発明によれば、強い振動を発生させることができる振動装置を実現することができる。
本発明の実施形態に係る触覚提示装置10について説明する。触覚提示装置10は、本発明の振動装置の一例である。図1(A)は触覚提示装置10の外観斜視図である。図1(B)は触覚提示装置10の側面図である。触覚提示装置10は、圧電フィルム11、振動板12、振動板13、フィルムスイッチ14および保持部16を備える。圧電フィルム11は本発明の「フィルム」に相当する。
圧電フィルム11の上面側には、振動板12が設けられている。圧電フィルム11の下面側には、振動板13が設けられている。振動板12の上面には、フィルムスイッチ14が設けられている。振動板12および振動板13の両端部は、振動板12および振動板13が撓むように、圧電フィルム11の両端部に固定されている。振動板13の両端部は保持部16で保持されている。
圧電フィルム11は、矩形平板状のベースフィルムの両主面に電極が形成されてなる。ベースフィルムは、圧電性樹脂であり、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、キラル高分子等を材料とする。キラル高分子は、例えば、L型ポリ乳酸(PLLA)等である。
圧電フィルム11にPVDFを用いた場合、PVDFは耐水性があるため、例えば触覚提示装置を含む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クリック感を得ることができるメリットがある。
また、圧電フィルム11にPLLAを用いる場合、PLLAは透過性の高い材料であるため、PLLAに付加する電極や振動板12、振動板13に透明な材料を用いると、振動機能(圧電フィルム11、振動板12、振動板13等からなる振動体)を製造した際に振動機能の内部状況を視認出来るため、製造上のメリットがある。また、振動機能内部にライトなどの発光源を配置することによって暗いところでもキーの位置を視認することができる。また、PLLAは焦電性が無いのでどのような温度環境下においても同じようなクリック感を得ることが出来るメリットがある。また、圧電フィルム11にPLLAを用いる場合、延伸方向から+45±10°または-45±10°の向きが振動板の短辺方向(張力がかかっている方向)とほぼ平行となるように配置すると良い。
圧電フィルム11の電極には、アルミ(Al)、銅(Cu)等の蒸着電極を用いることが好ましい。なお、圧電フィルム11の電極に透明性が必要な場合は、酸化インジウムスズ(ITO)、酸化亜鉛(ZnO)、ポリチオフェンを主成分とする電極材料や、銀ナノワイヤ電極材料を用いることが好ましい。また、圧電フィルム11の電極には、カーボンナノチューブやカーボンファイバー等のカーボンを成分とする電極材料を用いてもよい。圧電フィルム11の電極は、引き出し用の配線導体を介して駆動部17(図3参照)に接続されている。圧電フィルム11は、その電極に電圧が印加されると、圧電フィルム11の短手方向に伸縮する。すなわち、圧電フィルム11は、電圧を加えることで面方向に変形する。
振動板12は、略矩形平板状であり、平面視で圧電フィルム11と略同じ大きさを有する。振動板12は、中央部121、側面部122および端部123からなる。中央部121は矩形平板状である。側面部122は、中央部121の短手方向の端部から中央部121の主面に垂直な方向に延出している。端部123は、側面部122における中央部121側の反対側の端部から、中央部121の主面に平行な方向に、かつ、中央部121側の反対側の方向に延出している。振動板12は、例えば、金属材料(鋼板SPCC、ステンレスSUS301CSP, SUS304CSP、ベリリウム銅C1700,C1720、りん青銅C5210、洋白C7701等)、樹脂材料(PMMA, PET, PC等)、ガラス等を材料とする。振動板12の側面部122および端部123は、例えば、金属板の両端部に曲げ加工を施すことにより形成される。振動板13は、中央部131、側面部132および端部133からなり、振動板12と同様に構成されている。
振動板12は、振動板12の側面部122が延出している側が圧電フィルム11側を向くように配置されている。振動板12の端部123は、それぞれ、圧電フィルム11の短手方向の端部に固定されている。振動板12の端部123の下面は、圧電フィルム11における短手方向の端部の上面に当接している。振動板12の中央部121と圧電フィルム11との間には、中空領域が形成されている。
振動板13は、振動板13の側面部132が延出している側が圧電フィルム11側を向くように配置されている。振動板13の端部133は、それぞれ、圧電フィルム11の短手方向の端部に固定されている。振動板13の端部133の上面は、圧電フィルム11における短手方向の端部の下面に当接している。振動板13の中央部131と圧電フィルム11との間には、中空領域が形成されている。振動板12の端部123と振動板13の端部133とは、平面視して、同一位置に配置されている。
振動板12の中央部121の上面には、矩形平板状のフィルムスイッチ14が設けられている。フィルムスイッチ14には、キー配列に対応した位置に複数のタッチセンサ15が設けられている。タッチセンサ15はユーザのタッチ操作を検出する。タッチセンサ15は本発明の「タッチ検出部」に相当する。フィルムスイッチ14は、例えば、メンブレインスイッチ、静電容量型フィルムスイッチ等である。
保持部16は、略直方体状であり、振動板13の端部133に沿って配置されている。保持部16の上面は、振動板13の端部133の下面および圧電フィルム11における短手方向の端部の下面に当接している。保持部16は、振動板13の端部133および圧電フィルム11の短手方向の端部を保持している。これにより、保持部16は、圧電フィルム11、振動板12および振動板13を浮かせるように保持している。
なお、圧電フィルムは、平面視で振動板に重なるような大きさである必要は無く、短冊状の圧電フィルムを振動板の長手方向に間隔をあけて複数配置するものでも良い。
図2は、圧電フィルム11、振動板12および振動板13を組み合わせる工程を示す側面図である。これらの図は分かり易さのために誇張して(特に厚み方向)描かれており、実際の触覚提示装置は薄いものであり、ほぼ平坦である。このことは、図4,5においても同様である。図2(A)に示すように、振動板13の側面部132が延出している側が上方向を向くように振動板13を配置する。次に、図2(B)に示すように、振動板13の中央部131の上面が中央部131の短手方向に沿って凹になるように、振動板13の中央部131を撓ませて振動板13を保持する。次に、図2(C)に示すように、振動板13の各々の端部133に圧電フィルム11の短手方向の各々の端部を貼り付ける。そして、振動板13の保持を解くと、振動板13の撓みの程度が小さくなるとともに、圧電フィルム11がその短手方向に伸長する。
次に、図2(D)に示すように、振動板12の側面部122が延出している側が下方向を向くように、圧電フィルム11の上面側に振動板12を配置する。そして、振動板12の中央部121の上面が中央部121の短手方向に沿って凸になるように、振動板12の中央部121を撓ませて振動板12を保持する。この際、振動板12の各々の端部123と振動板13の各々の端部133とが平面視で同一位置に配置されるように、振動板12の中央部121を撓ませる。次に、図2(E)に示すように、振動板12の各々の端部123に圧電フィルム11の短手方向の各々の端部を貼り付ける。以上の工程により、圧電フィルム11、振動板12および振動板13は、圧電フィルム11が振動板12および振動板13の剛性により伸長し、振動板12および振動板13が圧電フィルム11の張力により撓む状態で互いに固定される。
図3は、触覚提示装置10の構成を示すブロック図である。タッチセンサ15をユーザがタッチすると、駆動部17が圧電フィルム11の電極に駆動信号(駆動電圧)を印加する。これにより、圧電フィルム11が伸縮する。
図4は、触覚提示装置10の動作を説明する側面図である。図4(A)に示すように、圧電フィルム11に所定方向の駆動電圧が印加されると、圧電フィルム11がその短手方向に収縮する。圧電フィルム11が収縮すると、振動板12および振動板13の一方の端部と振動板12および振動板13の他方の端部とが互いに近づくとともに、振動板12の中央部121および振動板13の中央部131の撓みが大きくなる。すなわち、振動板12の中央部121および振動板13の中央部131は、圧電フィルム11側の反対側にさらに突出するように変形する。
次に、図4(B)に示すように、圧電フィルム11に所定方向と逆方向の駆動電圧が印加されると、圧電フィルム11がその短手方向に伸長する。圧電フィルム11が伸長すると、振動板12および振動板13の復元力により、振動板12および振動板13の一方の端部と振動板12および振動板13の他方の端部とが互いに離れるとともに、振動板12の中央部121および振動板13の中央部131の撓みが小さくなる。すなわち、振動板12の中央部121および振動板13の中央部131は、圧電フィルム11側に近づくよう変形する。
このように、振動板12および振動板13は駆動信号に従って上下方向に振動する。振動板12の振動は、タッチセンサ15にタッチしたユーザに伝達される。これにより、ユーザは打鍵感を得ることができる。なお、振動板13は、振動時に、触覚提示装置10が収納される筐体等に接触しないことが好ましい。これにより、振動板12および振動板13の振動の振幅を大きくすることができる。
図5(A)は比較例の触覚提示装置20の振動態様を示す模式的側面図である。触覚提示装置20は、圧電フィルム11、振動板22および保持部26を備える。振動板22は矩形平板状である。振動板22の短手方向の各々の端部223は圧電フィルム11の短手方向の各々の端部に固定されている。振動板22は、圧電フィルム11側の反対側に突出するように撓んでいる。保持部26は、振動板22の端部223付近で振動板22を保持している。振動板22の上面には、タッチ操作を検出するタッチセンサ(図示せず)が設けられている。圧電フィルム11には、圧電フィルム11を駆動する駆動部(図示せず)が接続されている。
タッチセンサをユーザがタッチすると、駆動部が圧電フィルム11の電極に交流の駆動信号を印加する。圧電フィルム11に駆動信号が印加されると、圧電フィルム11が伸縮する。圧電フィルム11が伸縮すると、振動板22の中央部が上下方向に振動する。
振動板の振動時にその重心が移動しない場合、振動板の振動時にその重心が移動する場合に比べて、同じ駆動信号が圧電フィルムに印加された際に、振動板の振動の振幅が大きくなる。一方、振動板22の端部223で振動板22が保持されると、振動板22の振動時にその重心が移動する。このため、振動板22の端部223で振動板22が保持されると、同じ駆動信号が圧電フィルム11に印加されても、振動板22の振動の振幅が小さくなる。そこで、触覚提示装置20では、振動板22の端部223から中央部側にずらした位置に保持部26が設けられている。この場合、振動板22の振動の振幅は、振動板22の中央部だけでなく振動板22の端部223でも大きくなる。このため、振動板22が振動する際に振動板22の端部223が机や壁に接触すると、振動板22の端部223が振動しにくくなるので、振動板22の全体の振動が減衰する。
また、振動板22の上面にタッチセンサをキーボードのキー配列のように配置する必要がある。一方、タッチセンサを振動させるために、保持部26が設けられた箇所を避けてタッチセンサを配置する必要がある。このため、タッチセンサは、振動板22の上面のうち保持部26が設けられた箇所より中央部側に配置される。しかし、触覚提示装置20では、端部223から中央部側にずれた位置に保持部26が設けられているので、振動板22の上面のうちタッチセンサが配置される部分が限られている。このため、必要な数のタッチセンサが振動板22の上面に配置されるように、振動板22のサイズが大きくなっている。
図5(B)は、触覚提示装置10の振動態様を示す模式的側面図である。振動板12と振動板13とは、振動時に、中央部121と中央部131とが逆方向に同じ量だけ変位するように変形する。また、振動板12および振動板13は、端部123および端部133で保持されている。このため、振動板12および振動板13からなる振動体の重心は、振動時に、ほとんど移動しない。この結果、振動板12および振動板13の振動の振幅を大きくすることができる。
また、振動板12の端部123および振動板13の端部133が振動の節になるので、端部123および端部133の振動の振幅は小さくなる。このため、振動板12および振動板13が振動する際に、端部123および端部133が机や壁に接触しても、端部123および端部133の振動の振幅はほとんど変化しない。この結果、振動板12および振動板13の全体の振動の減衰量を低減することができる。
また、保持部16は、振動板12および振動板13の両端部に設けられる。このため、タッチセンサ15を配置する面積を振動板12の中央部121に十分確保することができる。このため、振動板12および振動板13のサイズを小さくしても、必要な数のタッチセンサ15を振動板12に配置することができる。
なお、本実施形態では、振動板12と振動板13とが同一形状であるが、本発明はこれに限定されない。本発明では、一対の振動板の両端部が保持されても、一対の振動板の重心が振動時にあまり移動しなければ、一対の振動板が互いに異なる形状でもよい。
また、本実施形態では、振動板12および振動板13は両端部で保持されているが、本発明はこれに限定されない。本発明では、一対の振動板の重心が振動時にあまり移動しなければ、一対の振動板がその端部以外で保持されてもよい。
また、「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、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、または電気活性フィルム等がある。
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、または電気的駆動によって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。
「電圧を加えることで面方向に変形するフィルム」は、圧電フィルムと、圧電性を有しない樹脂フィルム(エキサイタフィルム)と、を用いることでも実現することができる。この場合、圧電フィルムは、エキサイタフィルムの主面に貼り付けられ、当該エキサイタフィルムの端部が振動板に接続される。
また、「電圧を加えることで面方向に変形するフィルム」は、圧電セラミックスと、複数のエキサイタフィルムと、を用いることでも実現することができる。この場合、複数のエキサイタフィルムは、それぞれ一方の端部が圧電セラミックスに接続され、他方の端部が振動板に接続される。
さらに、「電圧を加えることで面方向に変形するフィルム」は、単層でも良いし、積層したものでも良い。特に積層する枚数を増やすことによってより強い振動を得ることができる。
本実施形態では本発明の一例として触覚提示装置が記載されているが、振動部分だけみると、本発明をスピーカーなどの振動装置としても使用することが出来る。
10,20…触覚提示装置
11…圧電フィルム(フィルム)
12,13,22…振動板
14…フィルムスイッチ
15…タッチセンサ(タッチ検出部)
16,26…保持部
17…駆動部
121,131…中央部
122,132…側面部
123,133,223…端部
11…圧電フィルム(フィルム)
12,13,22…振動板
14…フィルムスイッチ
15…タッチセンサ(タッチ検出部)
16,26…保持部
17…駆動部
121,131…中央部
122,132…側面部
123,133,223…端部
Claims (6)
- 電圧を加えることで面方向に変形するフィルムと、
前記フィルムを挟むように設けられる一対の振動板と、を備え、
前記一対の振動板の両端部は、前記一対の振動板が撓むように、前記フィルムの両端部に固定される、振動装置。 - 前記一対の振動板は互いに同一形状である、請求項1に記載の振動装置。
- 前記フィルムは、両主面に電極が形成された圧電性樹脂からなる圧電フィルムである、請求項1または2に記載の振動装置。
- 前記圧電性樹脂はポリフッ化ビニリデンを材料とする、請求項3に記載の振動装置。
- 前記圧電性樹脂はポリ乳酸を材料とする、請求項3に記載の振動装置。
- 一方の前記振動板の主面のうち前記フィルム側の反対側に設けられ、タッチ操作を検出するタッチ検出部と、
前記タッチ検出部がタッチ操作を検出したときに、前記フィルムに駆動信号を印加する駆動部と、をさらに備える、請求項1から5のいずれかに記載の振動装置。
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