JP7379923B2

JP7379923B2 - 振動ユニット

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Publication number: JP7379923B2
Application number: JP2019147969A
Authority: JP
Inventors: 敦江澤; 拓人堀井; 美帆番場; 薫木嶋; 徹行谷口; 明丈武田
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2019-08-09
Filing date: 2019-08-09
Publication date: 2023-11-15
Anticipated expiration: 2039-08-09
Also published as: JP2021028799A

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、圧電振動子を押下したときの触覚特性について研究を重ね、良好な触覚特性を得ることができる技術を新たに見出した。

本発明は、触覚特性の向上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、一方面が接触可能な状態で構成されたパネルと、パネルの他方面側においてパネルに付勢されており、パネルの一方面が押下されたときの押圧力に応じた電圧信号を出力する圧電振動子と、圧電振動子の電圧信号を受信可能であり、パネルの厚さ方向に圧電振動子を振動させる駆動電圧信号を圧電振動子に送信可能である制御部とを備え、制御部は、押下が開始されて圧電振動子から出力される電圧信号の負の電圧値が次第に増す押下フェーズにおいて負の電圧値が第１閾値に達したとき、および、押下が終了して電圧信号の電圧値が次第に増す解放フェーズにおいて電圧値が第２閾値に達したときに、圧電振動子に対して駆動電圧信号を出力して圧電振動子を振動させる。

上記振動ユニットにおいては、制御部は、押下フェーズと解放フェーズとの両方で、圧電振動子に対して駆動電圧信号を出力して、圧電振動子を振動させる。そのため、押下フェーズおよび解放フェーズの一方においてのみ圧電振動子が振動する場合に比べて、良好な触覚特性を得ることができる。

他の形態に係る振動ユニットは、第２閾値の絶対値が第１閾値の絶対値以上であるか、第２閾値の絶対値が第１閾値の絶対値より大きい。

他の形態に係る振動ユニットは、複数の圧電振動子がパネルの他方面側に配置されており、各圧電振動子がパネルに付勢されている。

本発明によれば、触覚特性の向上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、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１０は、図９のパネルの下面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（一方面）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。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。

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（他方面）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。

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Ｖ１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、負の電圧値が第１閾値Ｖ１になって振動点Ｐ１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。図８に示した駆動電圧信号は、負の電圧信号Ｓ１と正の電圧信号Ｓ２とで構成されている。負の電圧信号Ｓ１の最小電圧値（－Ｖmin）はたとえば－１５０Ｖである。正の電圧信号Ｓ２の最大電圧値（＋Ｖmax）はたとえば４００Ｖである。図８に示した駆動電圧信号の時間は、たとえば３～４ミリ秒である。

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。図８に示した駆動電圧信号のように、正の電圧信号Ｓ２の前に負の電圧信号Ｓ１がある場合、負の電圧信号Ｓ１がない場合に比べて、圧電素子２２を効果的に振動させることができ、指等で触知されやすくなる。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Ｐ１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、正の電圧値が第２閾値Ｖ２になって振動点Ｐ２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。

なお、解放フェーズＰＨ２は待機時間Ｔ_Ｗを含み得る。待機時間Ｔ_Ｗは、単位時間当たりの電圧値の変化（図６のグラフの傾き）が比較的緩やかになる期間である。待機時間Ｔ_Ｗでは、電圧値が増減を繰り返したり、電圧値が緩やかに単調増加したりし得る。本実施形態では、圧電素子２２が正の電圧値の電圧信号を出力しているときに待機時間Ｔ_Ｗとなる。

本実施形態では、解放フェーズＰＨ２の第２閾値Ｖ２の絶対値が、押下フェーズＰＨ１の第１閾値Ｖ１の絶対値以上となるように設計されている。より詳しくは、第２閾値Ｖ２の絶対値が第１閾値Ｖ１の絶対値より大きくなるように設計されている。この場合、待機時間Ｔ_Ｗにおいて電圧値が増減しているときに、電圧値が第２閾値Ｖ２を超えてしまって、予期しない圧電振動子２０の振動が生じる事態（誤作動）が抑制される。

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Ｐ１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Ｐ２の第２閾値Ｖ２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において、複数の圧電振動子２０がパネル３０の下面３０ｂ側に配置されており、各圧電振動子２０が、パネル３０に付勢され、かつ、パネルの上面３０ａが押下されたときの押圧力に応じた電圧信号を出力する。制御部５０は、圧電振動子２０の電圧信号を受信可能であり、パネル３０の厚さ方向に圧電振動子２０を振動させる駆動電圧信号を圧電振動子２０に送信可能である。制御部５０は、押下フェーズＰＨ１において負の電圧値が第１閾値Ｖ１に達したとき、および、解放フェーズＰＨ２において正の電圧値が第２閾値Ｖ２に達したときに、圧電振動子２０に対して駆動電圧信号を出力して圧電振動子２０を振動させる。すなわち、振動ユニット１においては、押下フェーズＰＨ１と解放フェーズＰＨ２との両方で、圧電振動子２０が振動する。そのため、押下フェーズＰＨ１および解放フェーズＰＨ２の一方においてのみ圧電振動子が振動する場合に比べて、良好な触覚特性を得ることができる。

また、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Ｐ１の第１閾値Ｖ１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が押下されて第１閾値Ｖ１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、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。

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の出力電圧が第１閾値Ｖ１となったときの圧電振動子２０の変位量より短くなっている。

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、振動ユニットに含まれる圧電振動子の数は、適宜増減することができ、１つであってもよい。

また、第１閾値Ｖ１および第２閾値Ｖ２は、振動ユニット１の設計に応じて適宜変更することができる。圧電振動子２０から出力される電圧信号の大きさが小さい場合には、第１閾値Ｖ１および第２閾値Ｖ２を小さくして、電圧値が確実に閾値Ｖ１、Ｖ２に達するようにしてもよい。一方、上述した待機時間ＴＷ中の電圧値の増減やノイズをある場合には、第１閾値Ｖ１および第２閾値Ｖ２を大きくして、予期しない圧電振動子２０の振動を防止することができる。第１閾値Ｖ１および第２閾値Ｖ２は、出力電圧の振幅に応じて決定することができ、たとえば振幅の１０～９０％とすることができる。第１閾値Ｖ１の絶対値と第２閾値Ｖ２の絶対値は、異なっていてもよく、同じであってもよい。

さらに、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９、１０に示すように、第２領域３２が格子状に設けられたパネル３０Ａとすることができる。パネル３０Ａ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３０Ａの下面３０ｂに当接する。第２領域３２は、パネル３０Ａ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３０Ａ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３０Ａ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。

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…パネル、Ｖ１…第１閾値、Ｖ２…第２閾値。

Claims

一方面が接触可能な状態で構成されたパネルと、
前記パネルの他方面側において前記パネルに付勢されており、前記パネルの一方面が押下されたときの押圧力に応じた電圧信号を出力する圧電振動子と、
前記圧電振動子の前記電圧信号を受信可能であり、前記パネルの厚さ方向に前記圧電振動子を振動させる駆動電圧信号を前記圧電振動子に送信可能である制御部と
を備え、
前記制御部は、押下が開始されて前記圧電振動子から出力される前記電圧信号の負の電圧値が次第に増す押下フェーズにおいて前記負の電圧値が第１閾値に達したとき、および、押下が終了して前記電圧信号の電圧値が次第に増す解放フェーズにおいて電圧値が負から正に転じて正の第２閾値に達したときに、前記圧電振動子に対して駆動電圧信号を出力して前記圧電振動子を振動させ、
前記制御部は、前記押下フェーズにおいて前記負の電圧値が前記第１閾値に達したときに前記圧電振動子を振動させてから前記解放フェーズにおいて電圧値が前記第２閾値に達したときに前記圧電振動子を振動させるまでの間も、前記圧電振動子の前記電圧信号を受信する、振動ユニット。
前記第２閾値の絶対値が前記第１閾値の絶対値以上である、請求項１に記載の振動ユニット。
前記第２閾値の絶対値が前記第１閾値の絶対値より大きい、請求項２に記載の振動ユニット。
複数の前記圧電振動子が前記パネルの他方面側に配置されており、前記各圧電振動子が前記パネルに付勢されている、請求項１～３のいずれか一項に記載の振動ユニット。
前記解放フェーズが前記電圧値が負から正に転じてから前記第２閾値に達しない待機期間を含む、請求項１～４のいずれか一項に記載の振動ユニット。