JP2015153406A - tactile transmission device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は振動を用いて利用者に触感を与える触感伝達装置に関する。より詳しくは、圧電素子を用いた触感伝達装置の振動特性を向上させるための技術に関する。 The present invention relates to a tactile sensation transmission device that gives vibration to a user using vibration. More specifically, the present invention relates to a technique for improving vibration characteristics of a tactile sensation transmission device using a piezoelectric element.
例えば、利用者がタッチパネルに表示されているボタンを模した図案に触れたとき、ボタンの堅さや、ボタンを押し込んだときの感覚などの触感を出力情報として利用者に与える装置(以下、触感伝達装置)がある。周知のごとく、触感伝達装置は、タッチパネルを構成するガラス基板などを振動板として、その振動板を圧電素子や偏心モータを用いて振動させる。そして、その触感を発生させるための振動(以下、触感振動とも言う)の周波数や振幅を変えることでさまざまな触感を発生させている。なお、以下の特許文献1や非特許文献1には、触感振動に適した周波数帯域について記載されており、特許文献2には触感伝達装置の原理などが記載されている。また、特許文献3には、振動板の振幅を増幅させるための技術について記載されている。
For example, when a user touches a design imitating a button displayed on a touch panel, a device that gives the user tactile sensation such as the firmness of the button or the sensation of pressing the button (hereinafter referred to as tactile transmission) Device). As is well known, a tactile sensation transmission device uses a glass substrate or the like constituting a touch panel as a vibration plate, and vibrates the vibration plate using a piezoelectric element or an eccentric motor. Various tactile sensations are generated by changing the frequency and amplitude of vibration (hereinafter also referred to as tactile sensation) for generating the tactile sensation. The following
触感伝達装置では、現実感を伴った触感を出力することが要求される。例えば、利用者がタッチパネルに表示されているボタンなどの「ある物」の図案に触れた瞬間にその物の立体感や手触りなどの触感を出力することが要求される。すなわち、入力信号に対して速い応答速度が必要となる。触感をより明瞭に伝えるために、大きな振幅で振動させることも必要となる。 The tactile sensation transmission device is required to output a tactile sensation with a sense of reality. For example, at the moment when the user touches a design of “something” such as a button displayed on the touch panel, it is required to output a tactile sensation such as a three-dimensional feeling or a touch of the thing. That is, a fast response speed is required for the input signal. In order to convey the tactile sensation more clearly, it is also necessary to vibrate with a large amplitude.
また触感伝達装置は、多機能携帯電話機(スマートフォン)やタブレット端末など、ユーザインタフェースの主体が実質的にタッチパネルのみの薄い平板状の情報処理端末に組み込まれる場合が多いため、触感伝達装置には、より薄くより小型であることも求められている。 In addition, the tactile sensation transmission device is often incorporated into a thin flat-plate information processing terminal that is essentially a touch panel, such as a multi-function mobile phone (smart phone) or a tablet terminal. There is also a need to be thinner and smaller.
まず、上記の高速応答性については振動の発生源(以下、振動源)を適切に選ぶ必要がある。振動源としては圧電電素子や偏心モータがあるが、偏心モータは応答速度が遅いため、触感に大きな違和感が生じる。したがって、振動源としては、圧電素子を用いることが現実的である。しかしながら、圧電素子は、偏心モータと比較するとそれ単体では大きな振幅が得られず、共振を利用して振幅を大きくする構造が必要となる。しかしながら、共振構造を採用すると触感伝達装置の小型薄型化が困難となる。例えば、特許文献2に記載されている圧電振動発生装置では、タッチパネルなどの振動対象の裏側に振動錘とそれに伴う複雑な共振構造を設けている。したがって、特別な共振構造を設けず、圧電体を電極で挟持した構造を基本とした圧電素子のみを用いてより大きな触感振動を発生させる工夫が必要となる。
First, for the high-speed response described above, it is necessary to appropriately select a vibration source (hereinafter referred to as a vibration source). The vibration source includes a piezoelectric element and an eccentric motor. However, since the eccentric motor has a slow response speed, a great sense of discomfort occurs in the tactile sensation. Therefore, it is realistic to use a piezoelectric element as the vibration source. However, the piezoelectric element alone cannot obtain a large amplitude as compared with the eccentric motor, and requires a structure for increasing the amplitude using resonance. However, when the resonance structure is employed, it is difficult to reduce the size and thickness of the tactile sensation transmission device. For example, in the piezoelectric vibration generating device described in
そこで本発明は、圧電素子を用いた触感伝達装置において、軽量小型化、コストダウンを達成しつつ、明瞭で違和感のない触感振動が得られるようにすることを主な目的としている。 Therefore, the main object of the present invention is to provide a tactile sensation vibration that is clear and free of discomfort while achieving a reduction in weight and size and a reduction in cost in a tactile sensation transmission device using a piezoelectric element.
上記目的を達成するための本発明は、 利用者の触覚を刺激する振動を平板状の振動板に発生させる触感伝達装置であって、
前記振動板の一主面となるおもて面に前記振動の発生源となる平板状の圧電素子が貼着され、
前記振動板の平面形状は矩形であり、互いに直交する二辺の一方の辺の延長方向を長さ方向または前後方向とするとともに、他方の辺の延長方向を幅方向または左右方向とし、
前記圧電素子は、前記前後方向の長さが左右方向の幅よりも大きな前後に対称な平面形状を有するとともに、前記振動板に対して前後対称となるように貼着され、
前記圧電素子の前後長は、前記振動板の前後長の10〜40%である、
ことを特徴とする触感伝達装置としている。
The present invention for achieving the above object is a tactile sensation transmission device that generates vibrations for stimulating a user's tactile sensation in a flat diaphragm,
A plate-like piezoelectric element that is a generation source of the vibration is attached to the front surface that is one main surface of the diaphragm,
The planar shape of the diaphragm is rectangular, and the extension direction of one side of two sides orthogonal to each other is the length direction or the front-rear direction, and the extension direction of the other side is the width direction or the left-right direction,
The piezoelectric element has a planar shape that is symmetric in the front-rear direction in which the length in the front-rear direction is larger than the width in the left-right direction, and is attached so as to be symmetric with respect to the diaphragm.
The longitudinal length of the piezoelectric element is 10 to 40% of the longitudinal length of the diaphragm.
The tactile sensation transmission device is characterized by this.
前記圧電素子の平面形状が長方形である触感伝達装置、または前記圧電素子の平面形状が楕円である触感伝達装置とすれば好ましい。 A tactile sensation transmitting device in which the planar shape of the piezoelectric element is a rectangle or a tactile sensation transmitting device in which the planar shape of the piezoelectric element is an ellipse is preferable.
前記振動板が平板状の表示装置により構成され、前記圧電素子が当該表示装置による表示を妨げない領域に接着されていることを特徴とする触感伝達装置も本発明の範囲としている。 The tactile sensation transmitting device is characterized in that the diaphragm is constituted by a flat display device, and the piezoelectric element is bonded to a region that does not hinder display by the display device.
本発明の触感伝達装置によれば、軽量小型化、およびコストダウンを達成しつつ、大きな振動を発生させてより明瞭で違和感のない触感が得られる。 According to the tactile sensation transmission device of the present invention, a clearer and uncomfortable tactile sensation can be obtained by generating a large vibration while achieving a reduction in weight and size and cost.
本発明の実施例について、以下に添付図面を参照しつつ説明する。なお、以下の説明に用いた図面において、同一または類似の部分に同一の符号を付して重複する説明を省略することがある。図面によっては説明に際して不要な符号を省略することもある。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. Note that in the drawings used for the following description, the same or similar parts may be denoted by the same reference numerals and redundant description may be omitted. In some drawings, unnecessary symbols may be omitted in the description.
===実施例===
上記特許文献1や非特許文献1などにも記載されているように、触感振動に適している周波数帯域は200〜400Hz程度であることから、触感伝達装置には、その周波数帯域でより大きな振幅が発生できる性能が求められる。また触感伝達装置には軽量小型化への要求もある。そこで本発明の実施例に係る触感伝達装置では、タッチパネルなどを想定したガラス板を振動板とし、その振動板に単体の圧電素子を直接接着した構造を採用している。そして、主に振動板と圧電素子との相対的な配置と圧電素子の形状に特徴を有して上記の触感伝達に適した周波数帯域においてより大きな振動を発生することができるようになっている。
=== Example ===
As described in
===触感伝達装置の概略構造===
本発明の実施例に係る触感伝達装置の特性を評価するために、振動板に形状やサイズなどが異なる圧電素子を貼着してなる触感伝達装置をサンプルとして作製した。図1は、サンプルとなる触感伝達装置1の基本的な構造を示す概略図である。図1(A)はその平面図であり図1(B)は側面図である。この図に示したように、各サンプルに対応する触感伝達装置1は、矩形平面形状を有する振動板10の一主面12に圧電素子20が貼着された構造となっている。図示した触感伝達装置1では、一つの圧電素子20が矩形平板状の振動板10における一つの短辺16に沿って接着によって貼り付けられた構造となっている。
=== Schematic structure of the tactile sensation transmission device ===
In order to evaluate the characteristics of the tactile sensation transmission device according to the example of the present invention, a tactile sensation transmission device in which piezoelectric elements having different shapes, sizes, and the like were attached to a diaphragm was produced as a sample. FIG. 1 is a schematic diagram showing a basic structure of a tactile
ここで振動板10の厚さt方向を上下方向とするとともに、振動板10において圧電素子20が貼着されている上記の一主面を上面(あるいはおもて面)12とし、他方の面を下面(あるいは裏面)13とする。矩形平面形状の振動板10において、互いに直交する辺(14、15と16、17)の一方の辺(16、17)の延長方向を前後方向あるいは長さ方向とし、他方の辺(14、15)の延長方向を左右方向あるいは幅方向とする。この例では振動板10の短辺(16、17)の延長方向が前後方向あるいは長さ方向とし、長辺(14、15)の延長方向を左右方向あるいは幅方向としている。なお前後左右の各方向については図中に示したように規定する。
Here, the thickness t direction of the
作製した各サンプルにおいて、振動板10は各サンプルに共通のものであり、板状の石英ガラスからなる。サイズは前後長L=185.7mm、左右幅W=241.2mm、厚さt=0.25mmである。圧電素子20の平面形状は長方形に限らすサンプル毎に形状(長方形、円形、楕円など)が異なっている。圧電素子20のサイズについては、前後方向の全長を長さL1とし、左右方向の全長を幅W1とすると、同じ形状でもサンプルに応じてその長さL1や幅W1が異なっている。図1では縦長(L1>W1)の長方形の圧電素子20が貼着された触感伝達装置1を示した。
In each prepared sample, the
また触感伝達装置1は、振動板10が前後対称となるように振動するように、圧電素子20が振動板10に対して前後対称となる位置に貼着されている。すなわち、圧電素子20は、前後対称となる平面形状を有し、振動板10において対向する短辺(16、17)の中点同士を結ぶ線18によって前後に二等分される。なお、圧電素子20の左右方向の貼着位置はどの位置でもよいが、この図1に示した触感伝達装置1では、振動板10が表示装置を兼ねるタッチパネルである場合を想定している。そのため、表示装置による表示を妨げない領域として、圧電素子20を振動板10の左方の短辺(以下、左辺とも言う)16に沿うように貼着している。もちろん、振動板10の長辺(14、15)に沿うように貼着してもよい。二つの圧電素子20を互いに対向する二つの辺(16と17あるいは14と15)のそれぞれに沿って貼着してもよい。
Further, in the tactile
図2は図1に示した触感伝達装置1における圧電素子20の概略構造を示している。図2(A)は圧電素子20を上方から見たときの平面図であり、図2(B)は図1(A)におけるa−a矢視断面図である。なお図2では圧電素子20を構成部位毎に異なるハッチングで示している。圧電素子20は圧電体25の表裏両面(22、21)に電極(26、27)が形成された構造を有し、圧電体25に対して上下方向に電界が印加されるようになっている。圧電素子の厚さt1は、圧電体25と電極(26、27)を含めた厚さであり、各サンプルで一律にt1=0.3mmとなっている。また圧電体25は、電界方向に対して直交する方向に振動するように分極させており、電極(26、27)に電気信号を印加すると振動板10が面内方向に伸縮する。なお、上述したように各サンプルは圧電素子20の平面形状やサイズが異なっており、電極(26、27)の平面形状は、各サンプルの圧電素子20の平面形状に一致するように形成されている。
FIG. 2 shows a schematic structure of the
図3は触感伝達装置1の振動原理を示す図である。当該図3では振動板を左辺16側から見たときの側面図が示されている。この図に示したように、圧電素子20の圧電体(図2、符号25)に電界が印加されると、圧電素子20はその電界の方向に応じて面内方向(図中、矢印60)に伸縮運動する。その結果、振動板10が撓む。したがって、振動板10は、その撓みの大きさを振幅として、その振幅が時間的に変化することで振動する。なお、振幅は振動板10の各位置で異なる。また振動板10も、側面から見たときに波状に撓むなど、図3に示したような単純な弓状に撓まない場合もある。
FIG. 3 is a diagram illustrating the vibration principle of the tactile
===比較例===
実施例に係る触覚伝達装置を評価するための比較例として、まず、図4に示したように、円形平面形状を有する圧電素子20を振動板10の左辺16に沿って貼着した触覚伝達装置1をサンプルとして作製した。
=== Comparative Example ===
As a comparative example for evaluating the tactile transmission device according to the embodiment, first, as shown in FIG. 4, a tactile transmission device in which a
以下の表1に比較例となるサンプルに用いた圧電素子20のサイズを示した。
Table 1 below shows the size of the
図6にサンプル1〜3における変位量の周波数特性を示した。この図6に示したように変位量の大きさは、測定した周波数帯域の全領域でサンプル1、2、3の順で大きくなっていく。すなわち圧電素子20の面積が大きいほど変位量が大きくなっていることがわかる。また特定の周波数において変位量が増大するピークPが見られる。ここで、触感振動に適した200〜400Hzの周波数帯域(以下、触感周波数帯域とも言う)における変移量のピークP1を見ると、200Hz未満の低周波領域に現れるピークP0に対して激減し、面積が最も大きな圧電素子20を貼着したサンプル3でも当該触感周波数帯域における各ピークP1の変位量が2μm未満であることがわかる。
FIG. 6 shows the frequency characteristics of the displacement amount in
以下の表2に、サンプル1〜3における触感周波数帯域での変位量を示した。
Table 2 below shows the amount of displacement in the tactile frequency band in
===第1の実施例===
上述したように、円形の圧電素子20を用いた比較例に係る触感伝達装置1では大きな触覚振動が得られなかった。そこで、圧電素子20を左右方向よりも前後方向に大きく伸縮させることを考え、図1に示した触感振動装置1のように、圧電素子20の平面形状をL1>W1となる長方形とした。そして、面積をサンプル2と同等で一定としつつ前後方向の全長L1と左右方向の全幅W1との比(以下、縦横比とも言う)が異なる各種圧電素子20を振動板10に貼着した各種触感伝達装置1をサンプルとして作製し、各サンプルについての触感周波数帯域における振動特性(以下、触感振動特性とも言う)を評価した。なお当該評価に際しては、表2に示した比較例に係るサンプル1〜3において、面積がサンプル2よりも約70%大きなサンプル3の極大変位量が1.86μmであったことから、2μm以上の極大変位量を実用上の目安とした。
=== First Embodiment ===
As described above, the tactile
表3に長方形の圧電素子20を貼着したサンプルにおける圧電素子20のサイズと極大変移量を示した。
Table 3 shows the size of the
しかしながら、各サンプル4〜13における圧電素子20は同じサイズの振動板10に貼着されていることから、本発明者は、各サンプル4〜13における振動板10と圧電素子20との相対的なサイズ、およびその相対的なサイズと圧電素子20の振動に伴う振動板10の撓みの状態との関係についても検討する必要があると考えた。そして、縦長の圧電素子20では圧電振動に伴う伸縮量が大きくなる方向、すなわち振動板10における縦(長さ)方向に定常波を発生させれば、振動板10の変移量が大きくなるのではないかと推測した。
However, since the
概念的には、振動板10の長さ方向の辺である短辺(16、17)の両端が節となり、中央が腹となる振動モードの定在波、言い換えれば、長さ方向の波数が1/2となる定在波を発生させれば大きな触感振動が得られると考えた。図7に長さ方向の端数が1/2となるときの振動板10の短辺(16、17)と圧電素子20の長さL1との関係を示した。当該図7では触感伝達装置1を左辺16方向から見たときの側面図を示している。この図7に示したように、圧電素子20の長さL1が振動板の長さLの1/3(=L/3)であるときに最も効率良く振動していると予想される。そこで、表3の結果を振動板10の長さLと圧電素子20の長さL1との比(以下、前後長比)α=L1/Lの関係に着目して整理してみた。
Conceptually, both ends of the short sides (16, 17) that are the lengthwise sides of the
表4にサンプル4〜13における前後長比αと極大変位量との関係を示した。
Table 4 shows the relationship between the longitudinal length ratio α and the maximum displacement amount in
なお、長方形以外の形状の圧電素子20も考慮して前後長比αの上記数値範囲の上限に関して検討すると、前後長比αが大きいと振動板10に接着されている圧電素子20自体の剛性によって振動板10の撓みも抑制されてしまうため、上限は40%程度とすることが妥当であると思われる。一方、下限については、振動板10を長さ方向に撓ませる駆動力が不足して変位量は小さくなるが、面積が一定であれば幅方向への駆動力が増加するため変位量は維持されると考えられる。したがって、前後長比αの下限についてはα=10%でよい。すなわち、第1の実施例を含め、本発明の実施例に係る触感振動装置1は、前後長比αを10%≦α≦40%とすることが望ましい。
Considering the upper limit of the numerical range of the longitudinal length ratio α in consideration of the
さらに、円形の圧電素子20を用いた先のサンプル1〜3のうち、サンプル2と3は前後長比αがそれぞれ10.45%と13.57%であり、上記の前後長比αの適正範囲10%≦α≦40%に含まれているが、サンプル2や3では、同等の前後長比αを有するサンプル12や11と比較すると極大変移量が極めて小さい。このことから、圧電素子20の縦横比についても条件が存在し、その条件は縦横比が1よりも大きい、ということになる。すなわち本発明の実施例に係る触感振動装置1では、前後方向の長さL1が左右方向の幅W1よりも大きいことも条件となる。
Further, among the
===第2の実施例===
上記第1の実施例は、圧電素子20の形状が縦長の長方形であり、かつ前後長比αが10%≦α≦40となる触感伝達装置1であった。つぎに、縦横比が1よりも大きく、かつ前後長比αの範囲が10%≦α≦40であることを条件としつつ、長方形以外の形状の圧電素子20を用いた各種触感伝達装置1をサンプルとして作製し、それらの触感振動特性について評価した。
=== Second Embodiment ===
The first embodiment is the tactile
図8に長方形以外の圧電素子の形状を示した。図8(A)は十字形であり、縦長の長方形の前後および左右に矩形の突辺部(31、32)を連結した形状で、前後方向の長さL1、左右方向の幅W1、左右の突辺部32の辺の長さ(以下、突辺長)L2、前後の突辺部31の辺の幅(以下、突辺幅)W2が異なる圧電素子20を用いてサンプルを作製した。図8(B)は楕円であり、長軸φ1方向を前後(長さ、縦)方向、短軸φ2方向を左右(幅、横)方向として長さL1、幅W1が異なる圧電素子を用いてサンプルを作製した。
FIG. 8 shows the shape of a piezoelectric element other than a rectangle. FIG. 8A shows a cross shape, in which a rectangular protrusion (31, 32) is connected to the front and rear of the vertically long rectangle and to the left and right, the length L1 in the front-rear direction, the width W1 in the left-right direction, Samples were prepared using
表5に十字形および楕円形の圧電素子を備えたサンプルについて、その圧電素子のサイズを示した。 Table 5 shows the size of the piezoelectric element with respect to the sample including the cross-shaped and elliptical piezoelectric elements.
以下の表6にサンプル14〜21における前後長比αと極大変位量との関係を示した。
Table 6 below shows the relationship between the longitudinal length ratio α and the maximum displacement amount in
一方、十字形の圧電素子20を用いたサンプル14〜19では、前後長比αが1/3により近いα=32.31のサンプル14やα=35.00のサンプ15よりも、α=25.04のサンプル17の方が極大変位量が大きかった。これは、圧電素子20の平面形状において、左右の突辺32がない領域と無い領域との境界で、圧電振動に伴う前後方向と左右方向の伸縮量が不連続になることに起因しているものと推測される。いずれにしても、前後長比αが上記適正範囲内であれば2μm以上の極大変位量が得られることがわかった。そして圧電素子20の形状は、周囲に凹凸がない長方形あるいは楕円であればより好ましいということもわかった。
On the other hand, in the
===その他の実施例===
比較例も含め、サンプルとして作製した触感伝達装置1は、圧電体25を電極(26、27)で挟持した最も簡素な構成の圧電素子20を振動板10に貼着したものであり、圧電素子20自体の振幅が小さい。しかし、振動板10の長さLと圧電素子の長さL1との比を最適化することで大きな触感振動が得られることがわかった。そのため、圧電素子20を周知のユニモルフ構造やバイモルフ構造としたり、複数の圧電体を積層したりして圧電素子自体の振幅を大きくすれば、当然のことながら、さらに大きな触感振動が得られることになる。したがって、実用に際しては用途などに応じて適宜な構造の圧電素子を採用すればよい。
=== Other Embodiments ===
A tactile
上述したように、サンプルとして作製した触感伝達装置1では、矩形でかつ長方形の平面形状を有する振動板10を用い、その長方形の短辺(16、17)の延長方向を長さ方向あるいは縦方向として定義していた。もちろん長辺(14、15)の延長方向を長さ(縦)方向としてもよい。振動板10は正方形であってもよい。いずれにしても、矩形の振動板10において直交する二辺(14、15と16と17)の一方の延長方向を長さ方向あるいは縦方向とし、他方を幅方向あるいは横方向として上記の縦横比や前後長比を満足する圧電素子20をその振動板10に貼着すればよい。
As described above, in the tactile
本発明は、例えば、タッチパネルを備えた各種情報処理端末(多機能携帯電話機、タブレット端末など)に適用することができる。 The present invention can be applied to, for example, various information processing terminals (multifunctional mobile phones, tablet terminals, etc.) provided with a touch panel.
1 触感伝達装置、10 振動板、12 振動板の上面、14,15 振動板の長辺、
16,17 振動板の短辺、20 圧電素子、25 圧電体 26,27 電極、
L 振動板の長さ、L1 圧電素子の長さ、W 振動板の幅、
W1 圧電素子の幅
1 tactile sensation transmission device, 10 diaphragm, 12 upper surface of diaphragm, 14, 15 long side of diaphragm,
16, 17 Short side of diaphragm, 20 piezoelectric element, 25
L length of diaphragm, L1 length of piezoelectric element, width of diaphragm W,
W1 Piezoelectric element width
Claims (4)
前記振動板の一主面となるおもて面に前記振動の発生源となる平板状の圧電素子が貼着され、
前記振動板の平面形状は矩形であり、互いに直交する二辺の一方の辺の延長方向を長さ方向または前後方向とするとともに、他方の辺の延長方向を幅方向または左右方向とし、
前記圧電素子は、前記前後方向の長さが左右方向の幅よりも大きな前後に対称な平面形状を有するとともに、前記振動板に対して前後対称となるように貼着され、
前記圧電素子の前後長は、前記振動板の前後長の10%以上40%以下である、
ことを特徴とする触感伝達装置。 A tactile sensation transmission device that generates vibrations for stimulating a user's tactile sensation on a flat diaphragm,
A plate-like piezoelectric element that is a generation source of the vibration is attached to the front surface that is one main surface of the diaphragm,
The planar shape of the diaphragm is rectangular, and the extension direction of one side of two sides orthogonal to each other is the length direction or the front-rear direction, and the extension direction of the other side is the width direction or the left-right direction,
The piezoelectric element has a planar shape that is symmetric in the front-rear direction in which the length in the front-rear direction is larger than the width in the left-right direction, and is attached so as to be symmetric in the front-rear direction with respect to the diaphragm.
The longitudinal length of the piezoelectric element is 10% to 40% of the longitudinal length of the diaphragm.
A tactile sensation transmission device characterized by that.
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