JP7243517B2 - 振動ユニット - Google Patents

Description

本発明は、振動ユニットに関する。

従来より、圧電体を伸縮させて、その伸縮を振動に変換する技術が知られている。下記特許文献１、２には、パネルを指で押下した際の圧力に応じて押下を検知するとともに、パネルに触知可能な振動を生じさせる圧電振動子を備えた振動ユニットが開示されている。これらの文献に開示された振動ユニットでは、一枚のパネルの下に複数の圧電振動子が整列配置されており、圧電振動子が配置された各領域において押下検知と発振とがおこなわれる。

特開２０１９－０６２０２５号公報 特開２０１９－０５８８４８号公報

発明者らは、圧電振動子の押下検知について研究を重ね、複数の圧電振動子間における押下検知のバラツキを抑制することができる技術を新たに見出した。

本発明は、複数の圧電振動子間における押下検知のバラツキの抑制が図られた振動ユニットを提供することを目的とする。

本発明の一形態に係る振動ユニットは、ベース基板と、ベース基板の主面上に設けられ、ベース基板の厚さ方向に振動可能な複数の圧電振動子と、ベース基板の主面に対して平行に延在して複数の圧電振動子を一体的に覆い、各圧電振動子が当接するパネルとを備え、各圧電振動子は、パネルを介して押下されたときに押圧力に応じた電圧信号を出力するとともに所定の駆動電圧信号が入力されたときに振動し、パネルが、複数の圧電振動子と対向する複数の第１領域と、隣り合う第１領域の間に位置する第２領域とを有し、第２領域の厚さが第１領域の厚さより厚い。

上記振動ユニットにおいて、パネルに撓みが生じた場合には、複数の圧電振動子の間で、圧電振動子とパネルとの間の接触態様が変わり、その結果、同じ圧力で押下した場合であっても複数の圧電振動子の間において出力される電圧信号にバラツキが生じ得る。上記振動ユニットでは、パネルの第２領域において、第１領域に対して厚化が図られており、剛性が高められている。そのため、パネルが撓む事態が抑制されており、複数の圧電振動子間における押下検知のバラツキの抑制が図られている。

他の形態に係る振動ユニットは、パネルが、第１領域においてベース基板から離れる向きに隆起する隆起部を有する。この場合、フィードバックを遅延なく伝達する事ができ、さらに第１領域に触れた事を触覚で直感的に感じることができる。

他の形態に係る振動ユニットは、第２領域におけるパネルとベース基板との離間距離が、圧電振動子が押下を検出する電圧閾値となる変位量より短い。この場合、指で押下したまま第１領域間を動いたときに第２領域上で振動ユニットのセンシングがOFFになる。

他の形態に係る振動ユニットは、ベース基板が、複数の圧電振動子のそれぞれが載置される複数の台座部をさらに備える。この場合、組付け時のばらつきのセンシングとフィードバックへの影響を最小化することができる。

他の形態に係る振動ユニットは、各圧電振動子がパネルにより付勢されている。この場合、フィードバックを遅延なく伝達する事ができ、第１領域に触れた事を触覚で直感的に感じることができる。また、圧電素子の位置ずれを抑制することができる。

本発明によれば、複数の圧電振動子間における押下検知のバラツキの抑制が図られた振動ユニットが提供される。

図１は、実施形態に係る振動ユニットの概略斜視図である。 図２は、図１に示した振動ユニットの分解斜視図である。 図３は、図１の振動ユニットのＩＩＩ－ＩＩＩ線断面図である。 図４は、図１のパネルの下面を示した概略斜視図である。 図５は、図３の要部拡大図である。 図６は、圧電振動子の出力電圧の経時変化を示したグラフである。 図７は、制御部の構成を示したブロック図である。 図８は、図７の駆動回路の出力電圧を示したグラフである。 図９は、従来技術に係る振動ユニットを示した断面図である。 図１０は、異なる態様の振動ユニットを示した概略斜視図である。 図１１は、図１０のパネルの下面を示した概略斜視図である。 図１２は、異なる態様の振動ユニットを示した概略斜視図である。 図１３は、異なる態様の振動ユニットを示した概略斜視図である。

以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、同一又は同等の要素については同一の符号を付し、説明が重複する場合にはその説明を省略する。

まず、実施形態に係る振動ユニット１の全体構成について、図１～４を参照しつつ説明する。

振動ユニット１は、図１に示すように、ベース基板１０と、複数の圧電振動子２０と、パネル３０と、制御部５０とを備えて構成されている。

ベース基板１０は、図２、３に示すように、本実施形態では矩形板状の外形を有し、互いに平行な上面１０ａと下面１０ｂとを有する。ベース基板１０は、比較的高い弾性係数を有する絶縁材料で構成されており、たとえばアクリル樹脂で構成され得る。

ベース基板１０は、上面１０ａ側に、複数の台座部１２を有する。本実施形態では、７個の台座部１２が十字状に並んでいる。各台座部１２は、ベース基板１０の厚さ方向から見て、円環状の形状を有する。各台座部１２の上端面１２ａは平坦になっており、上端面１２ａ上に後述する圧電振動子２０が載置される。各台座部１２は、上側に向かって漸次幅が狭まるような台形断面を有し、側面１２ｂが傾斜している。台座部１２の側面１２ｂが鈍角となるように傾斜することで、圧電振動子２０と制御部５０とをつなぐ後述の配線が大きく屈曲して断線する事態が効果的に抑制されている。ベース基板１０は、複数の台座部１２のそれぞれの位置において厚さ方向に延びる複数の貫通孔１４を有する。本実施形態では、各貫通孔１４は円形断面を有する。

複数の圧電振動子２０のそれぞれは、図３に示すように、圧電素子２２と振動板２４とを備えて構成されている。本実施形態では、７個の圧電振動子２０が、７個の台座部１２の上端面１２ａ上にそれぞれ載置される。

振動板２４は、板状の部材であり、本実施形態では円板状を呈する。振動板２４は、台座部１２の上端面１２ａと接しており、台座部１２上において貫通孔１４の上部開口を塞いでいる。振動板２４の径は、貫通孔１４の径より大きく、かつ、台座部１２の上端面１２ａにおける外径と同じ、または、外径よりわずかに小さくなるように設計されている。ベース基板１０の厚さ方向から見て、振動板２４は、台座部１２および貫通孔１４に対して同心状に配置されている。振動板２４は、たとえば、Ｎｉ－Ｆｅ合金、Ｎｉ、黄銅、ステンレス等で構成することができる。

圧電素子２２は、シート状の部材であり、本実施形態では円形シート状を呈する。圧電素子２２は、振動板２４の上面２４ａに接着されている。ベース基板１０の厚さ方向から見て、圧電素子２２は、振動板２４に対して同心状に配置されている。圧電素子２２の径は、振動板２４の径より小さく、かつ、貫通孔１４の径より小さくなるように設計されている。

各圧電素子２２は、図示しない薄膜状の圧電体と一対の外部電極とで構成されている。一対の外部電極は、圧電素子２２の厚さ方向において圧電体を挟むように設けられている。各圧電素子２２では、所定の圧力が負荷されたときに、圧電体の変位（屈曲等）に起因する起電力が生じ、その起電力に伴い、一対の外部電極間に電位差が生じる。また、各圧電素子２２では、一対の外部電極間に所定の電圧を印加したときに面方向（厚さ方向に直交する方向）に伸縮する。圧電体は、圧電体層の単層構造とすることができ、圧電体層と内部電極層とが交互に積層された複数層構造とすることもできる。

各圧電素子２２の外部電極は、所定の配線を介して、振動ユニット１の制御部５０に接続されている。制御部５０は、ＣＰＵや各種素子を含む回路で構成することができる。配線には、たとえばフレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）を用いることができる。制御部５０は、各圧電素子２２に所定の圧力が負荷されたときに、起電力に起因する外部電極間の電位差を検出できるように構成されている。また、制御部５０は、圧電素子２２の外部電極間に電圧を印加して、圧電素子２２を面方向に伸縮させることができるように構成されている。圧電素子２２の面方向の伸縮に伴い、振動板２４が厚さ方向に屈曲すると、圧電振動子２０に厚さ方向の振動が生じる。圧電振動子２０はベース基板１０の貫通孔１４に跨がるように配置されているため、貫通孔１４により圧電振動子２０の厚さ方向の振動はある程度許容される。

パネル３０は、図２に示すように、本実施形態では矩形板状の外形を有する。パネル３０は、厚さ方向から見て、ベース基板１０の寸法と略同一の寸法を有する。パネル３０は、ベース基板１０の上面１０ａに対して平行になるように配置されている。パネル３０は、上面３０ａがたとえば人間の指等で接触可能な状態で構成されている。パネル３０は、接触時に十分な撓み変形が生じる程度に、比較的低い弾性係数を有する。パネル３０は、たとえばポリカーボネート等の樹脂材料で構成することができる。

パネル３０は、その周縁において、接着材６０でベース基板１０に接着されている。接着材６０の厚さは、圧電振動子２０がパネル３０に当接したときのパネル３０とベース基板１０との離間距離よりも薄くなるように設計されている。接着材６０の厚さは、たとえば圧電振動子２０の厚さよりも薄くなるように設計することができる。そのため、パネル３０とベース基板１０とが接着された状態では、各圧電振動子２０はパネル３０により一定の圧力で付勢される。そのため、フィードバックを遅延なく伝達する事ができ、後述する第１領域３１に触れた事を触覚で直感的に感じることができるとともに、圧電素子２２の位置ずれを抑制することができる。

パネル３０は、図３、４に示すように、複数の第１領域３１と第２領域３２と周縁領域３３とを有する。本実施形態では、パネル３０は７つの第１領域３１を有する。各第１領域３１は、圧電振動子２０に対向する領域であり、下面３０ｂが円形状に窪んだ領域である。各第１領域３１は、圧電振動子２０に対応するように十字状に並んでいる。各第１領域３１の径は、圧電素子２２の振動板２４の径より大きくなるように設計されている。そのため、図３に示すように、各第１領域３１の窪み内に各圧電振動子２０が収容されるとともに、第１領域３１において、各圧電振動子２０の圧電素子２２がパネル３０の下面３０ｂに当接する。

第２領域３２は、パネル３０における第１領域３１の残余領域であり、第１領域３１の周囲および隣り合う第１領域３１の間を占めている。第２領域３２の厚さＴ２は、第１領域３１の厚さＴ１より厚くなっている。たとえば、第１領域３１の厚さＴ１は０．３～０．５ｍｍ（一例として０．３ｍｍ）であり、第２領域３２の厚さＴ２は１ｍｍ以上（一例として１ｍｍ）である。そのため、第１領域３１では、相対的に撓みやすくなっており、接触時における圧力や圧電振動子２０の振動が伝わりやすくなっている。一方、第２領域３２は、相対的に撓みにくくなっており、剛性が高められている。

周縁領域３３は、パネル３０の外縁を構成する矩形環状の領域である。本実施形態において、周縁領域３３の厚さは、第２領域３２の厚さＴ２と同じになるように設計されている。

パネル３０は、厚化が図られた第２領域３２において、ベース基板１０に近接している。第２領域３２におけるパネル３０は、ベース基板１０と接していてもよく、所定の距離Ｄだけ離間していてもよい。距離Ｄは、圧電振動子２０に生じる電圧が後述する第１閾値となったときの圧電振動子２０の変位量より短くなるように設計され得る。

パネル３０は、図５に示すように上面３０ａに隆起部３５を有する。隆起部３５は、各圧電振動子２０の圧電素子２２に対応する領域に設けられている。すなわち、隆起部３５は、複数（本実施形態では７つ）設けられている。

次に、図５～８を参照しつつ、振動ユニット１の作動について説明する。

上述したように、パネル３０の上面３０ａは指等で接触可能な状態であり、図５に示すように、パネル３０を介して各圧電振動子２０が押下され得る。たとえば、指でパネル３０を所定の圧力で押下しつつ指をスライドさせることで、複数の圧電振動子２０を連続的に押下することができる。

各圧電振動子２０の圧電素子２２は、指によって押下（プッシュ）されると、図６のグラフに示すような電圧信号を制御部５０に対して出力する。なお、各圧電素子２２は、指により押下される前の段階（未押下フェーズＰＨ０）では、パネル３０により一定の圧力で付勢されているため、所定の負の電圧信号を出力している。

圧電素子２２は、指による押下が始まると、次第に負の電圧値が増していく（押下フェーズＰＨ１）。押下フェーズＰＨ１において、負の電圧値が所定の電圧閾値（絶対値）になって振動点Ｖ１に達すると、制御部５０は、圧電素子２２をセンサモードから駆動モードへと切り替える。制御部５０は、具体的には、図７に示すように、スイッチング回路５１により、圧電素子２２に接続される回路をセンサ回路５２から駆動回路５３へ切り替える。センサ回路５２は、圧電素子２２から出力された電圧信号を受信する回路である。駆動回路５３は、図８に示すような１パルス分の駆動電圧信号を圧電素子２２に与えて、圧電素子２２を振動させる回路である。駆動回路５３から圧電素子２２の外部電極間に駆動電圧信号が印加されると、圧電素子２２の圧電体における面方向の伸縮が生じ、それに伴って振動板２４が厚さ方向に屈曲されて、圧電振動子２０に厚さ方向の振動が生じる。このとき、パネル３０の第１領域３１には指等で触知され得る程度の振動が生じる。制御部５０は、駆動回路５３が駆動電圧信号を圧電素子２２に与えた後、駆動回路５３からセンサ回路５２に切り替える。

圧電素子２２は、振動点Ｖ１を超えて押下される押下フェーズＰＨ１の後、指がパネル３０から離れる向きに動く解放フェーズＰＨ２に移行する。解放フェーズＰＨ２では、負の電圧値が次第に減り、その後、正の電圧値が次第に増えていく。これは、指がパネル３０から離れる反動で、パネル３０の第１領域３１が上面３０ａ側の向きに局所的に撓むためである。解放フェーズＰＨ２において、正の電圧値が所定の電圧閾値（絶対値）になって振動点Ｖ２に達すると、制御部５０は、圧電素子２２をセンサモードから駆動モードへ再度切り替える。そして、駆動回路５３が、図８に示すような１パルス分の駆動電圧信号を圧電素子２２に与えて、圧電素子２２を振動させる。このとき、パネル３０の第１領域３１には指等で触知され得る程度の振動が生じる。

圧電素子２２は、解放フェーズＰＨ２が終了して指がパネル３０から完全に離れると、パネル３０が元の状態に戻る収束フェーズＰＨ３に移行する。収束フェーズＰＨ３では、反動によりパネル３０が下面３０ｂ側に撓んで、負の電圧値が出力され得る。収束フェーズＰＨ３において、パネル３０が完全に元の状態に戻ると、未押下フェーズＰＨ０同様、圧電素子２２はパネル３０から一定の圧力で付勢されて所定の負の電圧信号を出力するようになる。

振動ユニット１が上記のとおりに作動すると、振動ユニット１を用いる使用者に対し、以下のとおりの応答を与える。

すなわち、使用者が、振動点Ｖ１の閾値以上の電圧値が圧電素子２２に生じる圧力でパネル３０の第１領域３１を押下すると、圧電素子２２が振動して、使用者はその振動を触知する。また、使用者が、指をスライドさせる等により第１領域３１の押圧をやめたときにも、振動点Ｖ２の閾値以上の電圧値が圧電素子２２に生じて、圧電素子２２が振動し、使用者はその振動を触知する。つまり、使用者は、パネル３０に指を押し付けたときとパネル３０から指を離すときの両方において、押圧感（タッチ感、クリック感、操作感）を感じることができる。

上述した振動ユニット１では、パネル３０の第２領域３２において、第１領域３１に対して厚化が図られている。ここで、図９に示すように、上述した第２領域３２が存在しない（すなわち、均一厚さを有し、第１領域の厚さと第２領域の厚さとが同じである）従来技術に係るパネル３０Ａにおいては、撓みが生じやすい。この場合、複数の圧電振動子２０の間で、圧電振動子２０とパネル３０Ａとの間の接触態様が変わってしまう。具体的には、一部の圧電振動子２０（たとえば、図９において中央に位置する圧電振動子２０）において、パネル３０から付勢される圧力の大きさが相対的に弱まったり、パネル３０Ａから離れたりする事態が生じ得る。この場合、同じ圧力で押下した場合であっても複数の圧電振動子２０の間において出力される電圧信号にバラツキが生じ得る。

上述した振動ユニット１においては、パネル３０の第２領域３２において、第１領域３１に対して厚化が図られており、剛性が高められている。そのため、パネル３０が撓む事態が抑制されており、複数の圧電振動子２０間における出力電圧（特に、押下フェーズＰＨ１における電圧値）のバラツキが抑制されており、押下検知のバラツキが抑制されている。そのため、一の圧電振動子２０が押下されて振動点Ｖ１の閾値に達する（すなわち、圧電振動子２０が振動する）ときの押下圧力と、他の圧電振動子２０が押下されて振動点Ｖ１の閾値に達するときの押下圧力とのズレが小さくなる。

また、図５に示したとおり、パネル３０の第１領域３１に隆起部３５が設けられているため、圧電振動子２０が指により押下される前の段階（未押下フェーズＰＨ０）における圧電振動子２０の変形が緩和され得る。また、隆起部３５により、使用者は、パネル３０の上面３０ａを指でなぞることで、ブラインド状態であっても第１領域３１の位置を知覚したり第１領域３１を押下したりすることができる。さらに、隆起部３５により、フィードバックを遅延なく伝達する事ができ、さらに第１領域３１に触れた事を触覚で直感的に感じることができる。

さらに、振動ユニット１においては、ベース基板１０の台座部１２により、圧電振動子２０が嵩上げされており、ベース基板１０とパネル３０との離間が図られている。そのため、パネル３０の第２領域３２の厚さＴ２の設計自由度が高められ、所望の剛性に調整することが容易になる。たとえば、第２領域３２の厚さＴ２を厚くすることで、パネル３０の剛性をより高くすることができる。また、台座部１２により、組付け時のばらつきのセンシングとフィードバックへの影響を最小化することができる。

なお、振動ユニット１では、第２領域３２におけるパネル３０とベース基板１０との離間距離Ｄが、圧電振動子２０の出力電圧が振動点Ｖ１に達したときの圧電振動子２０の変位量より短くなっている。そのため、指で押下したまま隣り合う第１領域３１間を動いたときに第２領域３２上で振動ユニット１のセンシングがOFFになる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、各請求項に記載した要旨を変更しない範囲で変形し、又は他に適用してもよい。

たとえば、パネルの第１領域および第２領域の形状は、上述した形状に限らず、様々に変形することができる。図１０、１１に示すように、第２領域３２が格子状に設けられたパネル３０Ｂとすることができる。

パネル３０Ｂは、３行５列のマトリクス状に配置された１５個の第１領域３１を有する。各第１領域３１は、下面３０ｂが四角形状に窪んだ領域である。１５個の第１領域３１のうちの７個が、十字状に並んだ７個の圧電素子２２に対応している。各第１領域３１の寸法は、圧電素子２２の振動板２４の径より大きくなるように設計されている。そのため、図１０に示すように、各第１領域３１の窪み内に各圧電振動子２０が収容されるとともに、第１領域３１において、各圧電振動子２０の圧電素子２２がパネル３０Ｂの下面３０ｂに当接する。

第２領域３２は、パネル３０Ｂにおける第１領域３１の残余領域であり、第１領域３１を区分けする格子状を呈する。パネル３０Ｂでは、上述したパネル３０同様、第２領域３２の厚さは第１領域３１の厚さより厚くなっている。そのため、パネル３０Ｂは、上述したパネル３０同様、第２領域３２が相対的に撓みにくくなっており、剛性が高められている。

また、パネル３０の周縁領域３３については、必ずしも第２領域３２と同じ厚さにする必要はなく、図１２に示したパネル３０Ｃのように、第１領域３１と同じ厚さにすることができる。この場合、パネル３０の周縁においてベース基板１０と接着する接着材６０の厚さが厚くなり、確実なアセンブリを実現することができる。その上、接着材６０からパネル３０Ｃに対する拘束成分（パネル３０Ｃがベース基板１０に引きつけられる力）が強くなり、外部から衝撃に伴う振動や圧電素子２２の不要な振動を接着材６０により吸収することができる。

上述したパネル３０は、図１２に示したパネル３０Ｃに比べて周縁領域３３の厚さが厚いため、より撓みにくくなり剛性がさらに高まり、かつ、振動ユニット１が外部から衝撃を受けた際に圧電振動子２０の破壊やズレをより抑制することができる。また、上述したパネル３０においては、図１２に示したパネル３０Ｃに比べて、接着材６０の厚さが薄いため、接着材のコントロールが容易であり、高い組立て精度を実現することができる。

なお、図１２に示した接着材６０の厚さは、図１３に示すように、パネル３０Ｃの周縁領域３３に対する部分のベース基板１０を厚くすることで、薄くすることができる。この場合、接着材６０の薄化に伴い、接着材のコントロールがより容易になり、より高い組立て精度を実現することができる。

１…振動ユニット、１０…ベース基板、２０…圧電振動子、２２…圧電素子、２４…振動板、３０、３０Ａ、３０Ｂ…パネル、３１…第１領域、３２…第２領域、３３…周縁領域、３５…隆起部。

Claims (5)

1. ベース基板と、
   前記ベース基板の主面上に設けられ、前記ベース基板の厚さ方向に振動可能な複数の圧電振動子と、
   前記ベース基板の前記主面に対して平行に延在して前記複数の圧電振動子を一体的に覆い、前記各圧電振動子が当接するパネルと
   を備え、
   前記各圧電振動子は、前記パネルを介して押下されたときに押圧力に応じた電圧信号を出力するとともに所定の駆動電圧信号が入力されたときに振動し、
   前記パネルが、前記複数の圧電振動子と対向する複数の第１領域と、隣り合う前記第１領域の間に位置する第２領域とを有し、
   前記第２領域の厚さが前記第１領域の厚さより厚い、振動ユニット。
2. 前記パネルが、前記第１領域において前記ベース基板から離れる向きに隆起する隆起部を有する、請求項１に記載の振動ユニット。
3. 前記第２領域における前記パネルと前記ベース基板との離間距離が、前記圧電振動子が押下を検出する電圧閾値となる変位量より短い、請求項１または２に記載の振動ユニット。
4. 前記ベース基板が、前記複数の圧電振動子のそれぞれが載置される複数の台座部をさらに備える、請求項１～３のいずれか一項に記載の振動ユニット。
5. 前記各圧電振動子が前記パネルにより付勢されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の振動ユニット。
   
   

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