JP5326902B2

JP5326902B2 - 圧電アクチュエータおよびそれを利用したタッチパネル装置

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Publication number: JP5326902B2
Application number: JP2009170733A
Authority: JP
Inventors: 尚宏濱村
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2009-07-22
Filing date: 2009-07-22
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2029-07-22
Also published as: JP2011030290A

Description

本発明は、触感を与えるために利用される圧電アクチュエータとそれを利用したタッチパネル装置、に関する。

携帯情報端末やデジタルカメラ、現金自動預け払い機（ＡＴＭ：Automated Teller Machine）、カーナビゲーションシステムなど、タッチパネルを搭載する電子機器は多い。タッチパネルは、厚さが数ｍｍ程度であるため、電子機器を小型化する上で好適である。しかも、ソフトウェアによって入力インタフェースを定義できるため、限られたスペースで多彩な入力を実現できるというメリットがある。

機械式ボタンを押すときには、ボタンからの反発力が伝わるため、ユーザは入力の受け付けを触感により確信できる。しかし、タッチパネルには、ストローク感がない。人工的に触感を作り出すための技術としては、さまざまな方法が提案されている。

特許文献１では、タッチパネルの下に設けられたモーターを駆動し、その振動により触感を生成している。特許文献２や特許文献３では圧電アクチュエータにより触感を生成している。圧電アクチュエータは１ｍｍ以下の厚みにて実現できるため、電子機器の小型化という観点からはモーターよりも好ましい。

特開２００２−１４０１６６号公報特開平１１−２１２７２５号公報特開２００４−１７１５１２号公報

圧電アクチュエータは、製造時の取り付け工程を簡便にするため、また、故障が生じたときに簡単に取り替えられるようにするため、交換しやすく外れにくい態様にて設置できることが望ましい。特許文献２では、圧電素子をケースに固定しており交換を想定するものではない（特許文献２の段落［００４５］参照）。特許文献３では、フレキシブル基板に設けられる２つの貫通孔に圧電アクチュエータを差し込んでいる（特許文献２の図３（ａ）参照）。このため、圧電アクチュエータの交換は容易であると考えられるが、圧電アクチュエータを安定的に設置できていない。圧電アクチュエータは物理的に振動するため、取り付けの確実性は特に重要である。

さらに、本発明者は、圧電アクチュエータの構造と振動方法を工夫することにより、触感を多様化できることにも想到した。

本発明は、本発明者による上記課題認識や着目点に基づいて完成された発明であり、その主たる目的は、簡単かつ確実に取り付け可能な圧電アクチュエータにより多様な触感を実現するための技術、を提供することにある。

本発明にかかる圧電アクチュエータは、長方形面を有する平板状の圧電素子と、長方形面の第１の辺から長方形面と略平行に引き出される第１の端子電極と、第１の辺と対向する第２の辺から長方形面と略平行に引き出される第２の端子電極を備える。第１および第２の端子電極は、圧電素子の外側にいったん引き出されてから圧電素子側へ折り返される鈎（かぎ）形状を有する。この鈎形状の端子電極を基板等に引っ掛けることにより、圧電アクチュエータの位置を安定させることができる。

第１および第２の端子電極は、第１および第２の辺の各端部から引き出される一対の電極であってもよい。そして、それぞれの電極が鈎形状を有するとしてもよい。第１および第２の端子電極の一部が圧電素子の長方形面に対して傾斜角を有するように、第１および第２の端子電極の一部を屈曲させてもよい。また、圧電素子の長方形面に支持部材を設置すれば、より安定的な取り付けが可能となる。この支持部材は、長方形面のいずれかの一辺から厚み方向に引き出された後、長方形面上に折り返されるクリップ形状であることが好ましい。

本発明にかかるタッチパネル装置は、上記圧電アクチュエータと、第１および第２の端子電極を引っ掛けることにより圧電アクチュエータを固定するパネル固定基板と、タッチパネルに対する押圧が検出されたとき、圧電アクチュエータの複数の共振周波数に対応する交流電圧を第１および第２の端子電極に印加することにより、圧電アクチュエータを振動させる振動制御部を備える。複数の共振周波数にて圧電アクチュエータを振動させることにより、多様な触感を実現しやすくなる。

振動制御部は、長方形面における短辺の共振周波数に対応する交流電圧と、長辺の共振周波数に対応する交流電圧を印加することにより、圧電アクチュエータを２方向に振動させてもよい。また、パネル固定基板には、第１および第２の端子電極を引っ掛けるための切り込みを設けてもよい。

本発明によれば、簡単かつ確実に取り付けやすい圧電アクチュエータを提供できる。

本実施の形態における圧電アクチュエータの上面図である。圧電アクチュエータやタッチパネルが取り付けられたパネル固定基板１３２の上面図である。タッチパネル装置の分解斜視図である。第１端子電極がパネル固定基板に接続される部分の上面拡大図である。第１端子電極がパネル固定基板と接続される部分の側面拡大図である。圧電素子の上面に第３端子電極を取り付けたタイプの圧電アクチュエータとその取り付け構造を示す斜視図である。図７（ａ）は、圧電アクチュエータが変位していないときの側断面図である。図７（ｂ）は、圧電アクチュエータ１００が上方向に湾曲するときの側断面図である。図７（ｃ）は、圧電アクチュエータが変位していないときの側断面図である。図８（ａ）、図８（ｂ）は、Ｘ屈曲部の長さＬ１がＸ１／２に等しい場合において圧電アクチュエータが湾曲するときの側断面図である。図９（ａ）、図９（ｂ）は、Ｘ屈曲部の長さＬ１がＸ１／４に等しい場合において圧電アクチュエータが湾曲するときの側断面図である。図１０（ａ）〜図１０（ｆ）は、第１端子電極１０４の形状について各種変形例を示す図である。図１１（ａ）は単層圧電素子を振動させる基本回路図である。図１１（ｂ）は二層圧電素子を振動させる基本回路図である。図１１（ｃ）は積層圧電素子を振動させる基本回路図である。単層圧電素子を含む圧電アクチュエータを振動させる電気回路の第１例を示す図である。単層圧電素子を含む圧電アクチュエータを振動させる電気回路の第２例を示す図である。二層圧電素子を含む圧電アクチュエータを振動させる電気回路の第１例を示す図である。二層圧電素子を含む圧電アクチュエータを振動させる電気回路の第２例を示す図である。積層圧電素子を含む圧電アクチュエータを振動させる電気回路を示す図である。分割電極を有する単層圧電素子を振動させる電気回路の第１例を示す図である。分割電極を有する単層圧電素子を振動させる電気回路の第２例を示す図である。分割電極を有する二層圧電素子を振動させる電気回路の第１例を示す図である。分割電極を有する二層圧電素子を振動させる電気回路の第２例を示す図である。圧電アクチュエータの取り付け構造の変形例を示す図である。複数の圧電アクチュエータをパネル固定基板に取り付ける構造を示す上面図である。変形例における圧電アクチュエータの上面図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

図１は、本実施の形態における圧電アクチュエータ１００の上面図である。同図向かって右方向にｘ軸、上方向にｙ軸、紙面手前方向にｚ軸を設定する。特に断らない限り、横方向というときにはｘ軸方向、縦方向というときにはｙ軸方向、高さ方向というときにはｚ軸方向を意味するものとする。また、上方向とはｚ軸正方向（紙面手前に向かう方向）、下方向とはｚ軸負方向（紙面を手前から貫く方向）を意味する。ｚ軸正方向側の面を「上面」、ｚ軸負方向側の面を「下面」とする。

圧電アクチュエータ１００は、圧電素子１０２と、その両端に接続される第１端子電極１０４、第２端子電極１０６を備える。以下、第１端子電極１０４と第２端子電極１０６をまとめていうときや特に区別しないときには「端子電極」とよぶ。各端子電極は、圧電素子１０２とはんだや接着剤により接着される。圧電素子１０２の形状は、横長の長方形、いいかえれば、ｘ軸方向を長辺、ｙ軸方向を短辺とする長方形である。圧電素子１０２の長辺の長さをＸ１、短辺の長さをＹ１とする。特に限定されるものではないが、Ｘ１は１０ｃｍ、Ｙ１は３ｃｍであると想定して説明する。圧電アクチュエータ１００の厚みは０．５〜０．８ｍｍ程度である。したがって、圧電アクチュエータ１００の形状は、ほぼ平板であり、縦横自在に湾曲可能である。圧電素子１０２の同図向かって左側の短辺を第１辺１０８、第１辺１０８に対向する右側の短辺を第２辺１１０、同図向かって上側の長辺を第３辺１１２、第３辺１１２に対向する下側の長辺を第４辺１１４とする。

圧電素子１０２の材料は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）等の一般的なものでよい。端子電極の材料は、銅、銀、ステンレス、アルミニウム、リン酸銅、などの金属である。第１端子電極１０４と第２端子電極１０６は、いずれも、圧電素子１０２の短辺側から引き出される電極である。第１辺１０８から第１端子電極１０４が引き出され、第２辺１１０から第２端子電極１０６が引き出される。短辺側から端子電極を引き出すことにより、端子電極のサイズを比較的小さくできる。金属製の端子電極は剛性があるため、端子電極が小さい方が圧電アクチュエータ１００は変位しやすい。もちろん、端子電極を圧電アクチュエータ１００の長辺側から引き出してもよい。

圧電アクチュエータ１００は共振周波数を有する。共振周波数付近の交流電圧を圧電アクチュエータ１００に印加すると、低電圧であっても圧電アクチュエータ１００を大きく振動させることができる。この振動が「触覚」を生成する。

圧電アクチュエータ１００は、圧電素子の材質や構造に基づく共振周波数だけではなく、その寸法に起因する共振周波数も有する。以下において「共振周波数」というときには、主としてこの寸法に起因する共振周波数を指す。定数ｍ×波長λ÷２＝Ｘ１の関係が成立するとき、横方向に波長λの定在波が発生する。ｍは自然数である。いいかえれば、長辺の長さＸ１が半波長（λ／２）の定数倍となるとき、圧電アクチュエータ１００は横方向に共振する。このときの波長λにより長辺についての共振周波数が定まる。縦方向についてもＹ１に基づく共振周波数が存在する。すなわち、定数ｎ×波長λ÷２＝Ｙ１が成立するとき、縦方向に定在波が発生する。ｍは自然数である。以下、圧電アクチュエータ１００の横方向、すなわち、長手方向の共振周波数を「長辺共振周波数ｆ_Ｌ」、縦方向、すなわち、短手方向の共振周波数を「短辺共振周波数ｆ_Ｓ」とよぶ。ｆ_Ｌは唯一ではなくｍ個存在する。ｆ_Ｓもｎ個存在する。いいかえれば、圧電アクチュエータ１００は、ｍ×ｎ個の共振周波数を有する。また、ある（ｍ，ｎ）の組み合わせについて、ｍ×（λ／２）＝Ｘ１、ｎ×（λ／２）＝Ｙ１を同時に成立させるλが存在するとき、そのときの共振周波数は「長辺共振周波数ｆ_Ｌ」でもあり、「短辺共振周波数ｆ_Ｓ」でもある。

圧電アクチュエータ１００に長辺共振周波数ｆ_Ｌの交流電圧と、短辺共振周波数ｆ_Ｓの交流電圧を同時に印加してやれば、圧電アクチュエータ１００は縦横両方向に振動する。いいかえれば、圧電アクチュエータ１００を平面的に振動させることができる。一般的には、人間は１ｋＨｚ以上の振動を触感として感じ取ることができるといわれる。本実施形態においては、第１端子電極１０４と第２端子電極１０６から、圧電アクチュエータ１００にさまざまな周波数にて交流電圧を印加する。なお、印加する交流電圧はサイン波に限らず、パルス波や三角波などでもよい。

第１端子電極１０４は、互いに向かい合う一対の鈎形状を有する。一つの鈎形状は、第１辺１０８から横方向に延びる突出部１２０、縦方向に延びるＹ屈曲部１２２、第１辺１０８に向かって横方向に延びるＸ屈曲部１２４に分解できる。突出部１２０、Ｙ屈曲部１２２、Ｘ屈曲部１２４の太さは同じであり、長さはそれぞれＬ３、Ｌ２、Ｌ１であるとする。第２端子電極１０６の形状についても同様である。

図２は、圧電アクチュエータ１００やタッチパネル１３０が取り付けられたパネル固定基板１３２の上面図である。パネル固定基板１３２上にタッチパネル１３０が接着され、両者は一体化される。パネル固定基板１３２の材質は樹脂等の一般的な基板材料である。本実施形態におけるタッチパネル１３０は抵抗膜四線式であるが、静電容量式等の他方式でもよい。タッチパネル１３０は透過性である。

パネル固定基板１３２には、圧電アクチュエータ１００のサイズにあわせて、第１切込部１３８と第２切込部１４０が設けられる。圧電アクチュエータ１００はパネル固定基板１３２の下面側（タッチパネル１３０の非接地面側）に設置され、第１端子電極１０４と第２端子電極１０６は第１切込部１３８と第２切込部１４０からパネル固定基板１３２の上面側に引き出される。第１端子電極１０４と第２端子電極１０６を第１切込部１３８と第２切込部１４０に引っ掛けることにより、圧電アクチュエータ１００はパネル固定基板１３２に固定される。第１切込部１３８と第２切込部１４０は、同図に示すような切り込み形状であってもよいし、端子電極を挿入可能な貫通孔であってもよい。端子電極の引っ掛け構造については、図４、図５に関連して後に詳述する。

第１切込部１３８と第２切込部１４０の内側には、第１給電電極１３４と第２給電電極１３６が設置されている。また、第１給電電極１３４と第２給電電極１３６は、パネル固定基板１３２の上面に設置される。したがって、第１端子電極１０４は第１給電電極１３４と接触し、第２端子電極１０６は第２給電電極１３６と接触する。第１端子電極１０４と第１給電電極１３４、第２端子電極１０６と第２給電電極１３６ははんだにより接着されてもよい。

第１給電電極１３４と第２給電電極１３６から引き出される２本の駆動信号線１４２は振動制御部１５０に接続される。また、タッチパネル１３０用の４本の駆動信号線１４２も振動制御部１５０に接続される。合計６本の駆動信号線１４２は、パネル固定基板１３２上にＩＴＯ（Indium Tin Oxide）膜として形成される。

振動制御部１５０は、タッチパネル１３０への接触操作を検出する検出機能と、圧電アクチュエータ１００に交流電圧を印加する駆動機能を備える機能ブロックである。振動制御部１５０は、電子回路とそれを制御するソフトウェアの組み合わせとして実現される。タッチパネル１３０への接触が検出されると、振動制御部１５０は入力内容を特定する。アイコンを並べて表示させる携帯端末であれば、接触箇所の座標から、どのアイコンがタッチされたかを判定する。そして、入力内容に応じてさまざまな交流電圧を第１給電電極１３４と第２給電電極１３６に印加する。振動制御部１５０は、長辺共振周波数ｆ_Ｌ近辺の交流電圧と、短辺共振周波数ｆ_Ｓ近辺の交流電圧を同時に印加可能な１以上の交流電圧源を駆動する。この交流電圧により、圧電アクチュエータ１００はさまざまな態様にて振動し、ユーザに触感を与える。圧電アクチュエータ１００の振動については、図７（ａ）から図９（ｃ）に関連して後に詳述する。

図３は、タッチパネル装置２００の分解斜視図である。タッチパネル１３０や圧電アクチュエータ１００が固定されたパネル固定基板１３２は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）２１４の上に重ねられる。その上には、透明フィルム２０４付きのカバーケース２０２を重ねる。透明フィルム２０４とタッチパネル１３０は透明なので、ＬＣＤ２１４の表示内容は透明フィルム２０４を通して視認可能である。ＬＣＤ２１４は、さまざまな入力インタフェースを示す画像を表示する。ＬＣＤ２１４の下には回路基板２１２が設置される。回路基板２１２は、パネル固定基板１３２の駆動信号線１４２を接続するためのＬＣＤ用コネクタ２０８と、ＬＣＤ２１４の駆動信号線２０６を接続するためのタッチパネル用コネクタ２１０を有する。回路基板２１２上には、振動制御部１５０として機能する電子回路が設けられる。底面部は、底面ケース２１６によってカバーされる。

ユーザが透明フィルム２０４を介してタッチパネル１３０に接触すると、振動制御部１５０は、この接触を検知し、圧電アクチュエータ１００を振動させる。圧電アクチュエータ１００が振動すると、パネル固定基板１３２やカバーケース２０２も振動し、この振動がユーザに触感を与える。パネル固定基板１３２とＬＣＤ２１４、パネル固定基板１３２と回路基板２１２の間には、圧電アクチュエータ１００の振動を妨げないように若干の隙間が設けられることが好ましい。

図４は、第１端子電極１０４がパネル固定基板１３２に接続される部分の上面拡大図である。第１端子電極１０４と第２端子電極１０６の接触構造は同様であるため、ここでは第１端子電極１０４を対象として説明する。圧電アクチュエータ１００は、パネル固定基板１３２の下面側に設置される。第１端子電極１０４は第１切込部１３８からパネル固定基板１３２の上面側に引き出される。第１端子電極１０４のＸ屈曲部１２４は、第１切込部１３８の上をそのまま通過して、第１給電電極１３４と接触する。圧電アクチュエータ１００が横方向に振動しても、パネル固定基板１３２から圧電アクチュエータ１００が外れにくい構造となっている。

なお、第１給電電極１３４を第１切込部１３８の左側に設置し、Ｙ屈曲部１２２や突出部１２０と接触させてもよい。また、圧電アクチュエータ１００を、パネル固定基板１３２の下面側に設置するのではなく、上面側に設置してもよい。この場合には、第１給電電極１３４や第２給電電極１３６をパネル固定基板１３２の下面側に設置してもよい。

図５は、第１端子電極１０４がパネル固定基板１３２と接続される部分の側面拡大図である。第１端子電極１０４は、パネル固定基板１３２の下面側から第１切込部１３８を貫通して、パネル固定基板１３２の上面側に露出する。そして、第１端子電極１０４のＸ屈曲部１２４の先端が、パネル固定基板１３２の表面に形成された第１給電電極１３４と接触する。第１端子電極１０４のうちの第１切込部１３８を貫通する部分（突出部１２０の一部）には、同図に示すような傾斜角θ（θ＜９０°）が設けられる。すなわち、第１端子電極１０４や第２端子電極１０６は、圧電素子１０２から略平行に引き出されたあと、第１切込部１３８等を貫通する部分において屈曲している。このため、第１端子電極１０４や第２端子電極１０６は、その屈曲部分においては圧電素子１０２のＸＹ平面に対して傾斜角θを有することになる。このような傾斜角θを設けることにより、第１端子電極１０４やパネル固定基板１３２の一部に負荷が集中するのを抑制している。

図６は、圧電素子１０２の上面に第３端子電極１７４を取り付けたタイプの圧電アクチュエータ１００とその取り付け構造を示す斜視図である。圧電素子１０２の上面に、フック状の第３端子電極１７４を設けてもよい。圧電素子１０２本体をパネル固定基板１３２の下面側に設置し、第３端子電極１７４を上面側に設置すれば、圧電素子１０２と第３端子電極１７４によりパネル固定基板１３２が上下からクリップのように挟み込まれるようになる。第３端子電極１７４は、一種の支持部材として機能するため、圧電アクチュエータ１００とパネル固定基板１３２の接合性をいっそう高めることができる。第３端子電極１７４も、第１端子電極１０４等と同じく、はんだや接着剤により圧電アクチュエータ１００に取り付けられる。第３端子電極１７４は、「電極」ではなく、単なる支持部材として利用してもよい。この場合においても、この支持部材により、少なくともパネル固定基板１３２と圧電素子１０２との接合性が高まるという効果がある。さらに、単なる「支持部材」としてだけではなく、第３端子電極１７４のような「電極」としても利用すれば、図１５等で関連して説明するように、圧電素子１０２の変形をいっそう多様化させやすくなる。

パネル固定基板１３２の上面には、第３端子電極１７４と接触するように第３給電電極１７６を設置する。この場合には、第１給電電極１３４、第２給電電極１３６および第３給電電極１７６の３つの端子から、圧電アクチュエータ１００に交流電圧を印加できる。

圧電素子１０２の上面の全部または一部を電極としてもよい。第３給電電極１７６をパネル固定基板１３２の下面に設置すれば、圧電素子１０２の上面が第３給電電極１７６と接触する。この場合にも、第３給電電極１７６を含む３つの端子から圧電アクチュエータ１００に交流電圧を印加できる。

図７（ａ）〜図７（ｃ）は、圧電アクチュエータ１００が変位する態様を模式的に示す側断面図である。図７（ａ）は、圧電アクチュエータ１００が変位していないときの側断面図である。図５に示したように、パネル固定基板１３２と圧電アクチュエータ１００は、共にｘ軸に平行となっている。図７（ｂ）は、圧電アクチュエータ１００が上方向に湾曲するときの側断面図である。圧電素子１０２の中央が上方向（ｚ軸正方向）に湾曲すると、第１端子電極１０４の突出部１２０やＹ屈曲部１２２が、パネル固定基板１３２を押し下げる。圧電素子１０２自体だけでなく、第１端子電極１０４や第２端子電極１０６も、パネル固定基板１３２に力を与えることになる。図７（ｃ）は、圧電アクチュエータ１００が下方向に湾曲するときの側断面図である。圧電素子１０２の中央部が下方向（ｚ軸負方向）に湾曲すると、第１端子電極１０４のＸ屈曲部１２４が、パネル固定基板１３２を押し下げる。これにより、パネル固定基板１３２の下方向への湾曲が付勢される。第２端子電極１０６についても同様に機能する。

圧電素子１０２本体だけでなく、剛性を有する端子電極もパネル固定基板１３２を押しつけることにより、パネル固定基板１３２は上下に変位する。

以上は、長手方向の振動の場合であるが、短手方向の振動の場合も原理は同じである。圧電アクチュエータ１００の短辺が上方向に湾曲するときには、突出部１２０がパネル固定基板１３２の上面を押しつける。下方向に湾曲するときには、Ｘ屈曲部１２４がパネル固定基板１３２の上面を押しつける。

図８（ａ）および図８（ｂ）は、Ｘ屈曲部１２４の長さＬ１がＸ１／２に等しい場合において圧電アクチュエータ１００が湾曲するときの側断面図である。Ｌ１が大きいほど、パネル固定基板１３２を押しつける力も強くなる。しかし、Ｌ１がＸ１／２よりも長くなると、Ｘ屈曲部１２４の剛性がパネル固定基板１３２の変位を阻害する。したがって、Ｌ１はＸ１／２以下であることが好ましい。Ｌ１＝Ｘ１／２であるときには、λ／２＝Ｘ１となる共振周波数のときだけ、圧電素子１０２は横方向に共振する。

図９（ａ）および図９（ｂ）は、Ｘ屈曲部１２４の長さＬ１がＸ１／４に等しい場合において圧電アクチュエータ１００が湾曲するときの側断面図である。図９（ａ）は、λ／２＝Ｘ１となるときの振動を示し、図９（ｂ）は、２×（λ／２）＝Ｘ１となるときの振動を示す。Ｌ１が小さくなると、パネル固定基板１３２を押しつける力は弱くなるが、複数の長手共振周波数ｆ_Ｌにて圧電素子１０２を横方向に共振させることができる。

図１０（ａ）から図１０（ｆ）は、第１端子電極１０４の形状の各種変形例を示す平面図である。図１０（ａ）の第１端子電極１０４は、図１の第１端子電極１０４と似ているが、２つの鈎に分離されている。図１０（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）も同様である。すなわち、第１辺１０８のうち、端部１５２ａ、ｂのそれぞれから引き出される一対の電極として第１端子電極１０４が構成される。図１０（ｂ）の第１端子電極１０４の場合、図１０（ａ）の第１端子電極１０４と比べて突出部１２０がｘ軸負方向に延長されている。図１０（ｃ）の場合には、Ｘ屈曲部１２４がｘ軸負方向に延長されている。図１０（ｄ）では、両方が延長されている。図１０（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示す第１端子電極１０４は、図１０（ａ）に示す第１端子電極１０４の一部を延長させた形状であるため、パネル固定基板１３２と接合性が高い。

図１０（ｅ）と図１０（ｆ）の場合には、第１端子電極１０４は第１辺１０８の端部１５２ａ、ｂそれぞれから引き出されるが、その先は連結されており、コの字形状となっている。いいかえれば、Ｘ屈曲部１２４が共通化されている。いずれの場合にも、Ｘ屈曲部１２４によりパネル固定基板１３２に第１端子電極１０４を引っ掛けて固定するという点では共通する。

なお、第１端子電極１０４と第２端子電極１０６は必ずしも左右対称である必要はない。たとえば、第１端子電極１０４は図１０（ａ）に示す形状、第２端子電極１０６は図１０（ｆ）に示す形状としてもよい。第１端子電極１０４等の強度、第１切込部１３８や第２切込部１４０の大きさや形状、振動のさせ方等に応じて最適な形状を実験に基づいて適宜選択すればよい。

図１１（ａ）から図１１（ｃ）は、各種圧電素子の断面形状を示す図である。図１１（ａ）は、単層圧電素子１６０を振動させる基本回路図である。単層圧電素子１６０は、圧電体１８０の両端を電極１７２ａ、１７２ｂで挟む形状である。スパッタ法等の既知の方法により、圧電体１８０に銅や銀などの導電体が形成される。これが、各電極１７２となる。電極１７２ａと電極１７２ｂに交流電圧源１７０を接続する。交流電圧源１７０が共振周波数付近の交流電圧を印加すると単層圧電素子１６０が振動することは上述の通りである。

図１１（ｂ）は、二層圧電素子１６２を振動させる基本回路図である。二層圧電素子１６２は、二つの単層圧電素子１６０を重ね合わせた構造を有する。交流電圧源１７０の一端は中央の電極１７２ｄと接続され、他端は電極１７２ｃと電極１７２ｅに共通接続される。したがって、電極１７２ｃと電極１７２ｅは同電位となる。

図１１（ｃ）は、積層圧電素子１６４を振動させる基本回路図である。積層圧電素子１６４は、両端に電極１７２ｇと電極１７２ｆが設けられるが、それぞれの電極が櫛歯状にかみ合う構造を有する。交流電圧源１７０の一端は電極１７２ｇ、他端は電極１７２ｆと接続される。

単層圧電素子１６０の厚みは０．５ｍｍ程度であるが、積層圧電素子１６４になると厚みは０．８ｍｍ程度となる。単層圧電素子１６０には、厚みが小さいため変位が比較的大きい。また、製造コストが低いというメリットもある。その反面、力が弱い。二層圧電素子１６２は、単層圧電素子１６０と同方向に変位させれば、単層圧電素子１６０よりも強い力を出せる。積層圧電素子１６４は、最も力が強い。ただし、製造コストが高く変位が小さい。

以下においては、単層圧電素子１６０、二層圧電素子１６２、積層圧電素子１６４のそれぞれについて、圧電アクチュエータ１００として利用するときの各種電気回路を説明する。以下の図ではわかりやすくするため、各圧電素子を直方体形状にて描いているが、実際には板状である。

図１２は、単層圧電素子１６０を含む圧電アクチュエータ１００を振動させる電気回路の第１例を示す図である。圧電体１８０の下側の電極１７２ｂにはんだや接着剤により第１端子電極１０４を接着する。圧電体１８０の上側の電極１７２ａに第２端子電極１０６を同様に接着する。そして、交流電圧源１７０の一端を第１端子電極１０４（電極１７２ｂ）、他端を第２端子電極１０６（電極１７２ａ）に接続する。交流電圧源１７０は、複数種類の交流電圧を印加することにより、単層圧電素子１６０を縦横に振動させる。

図１３は、単層圧電素子１６０を含む圧電アクチュエータ１００を振動させる電気回路の第２例を示す図である。下側の電極１７２ｂには、第１端子電極１０４と第２端子電極１０６の両方を接続する。このため、第１端子電極１０４と第２端子電極１０６は同電位となる。交流電圧源１７０の一端を第１端子電極１０４か第２端子電極１０６（電極１７２ｂ）に接続し、他端を単層圧電素子１６０の電極１７２ａに接続する。電極１７２ａには図６に関連して説明した第３給電電極１７６が接続される。第１端子電極１０４と第２端子電極１０６は図１３に示すように別々に形成されてもよいし、一体として形成されてもよい。

図１４は、二層圧電素子１６２を含む圧電アクチュエータ１００を振動させる電気回路の第１例を示す図である。二層圧電素子１６２は、ちょうど２つの単層圧電素子１６０を重ね合わせた構造となる。電極１７２ｄと第１端子電極１０４を接続する。電極１７２ｃと第２端子電極１０６を接続する。さらに、第２端子電極１０６と電極１７２ｅを短絡する。第２端子電極１０６を電極１７２ｃと電極１７２ｅの両方に接続する形態でもよい。この例では、電極１７２ｃと電極１７２ｅは同電位となる。交流電圧源１７０の一端を第１端子電極１０４（電極１７２ｄ）と接続し、他端を第２端子電極１０６（電極１７２ｃ、１７２ｅ）に接続する。

図１５は、二層圧電素子１６２を含む圧電アクチュエータ１００を振動させる電気回路の第２例を示す図である。この例では、複数の交流電圧源１７０を使用する。電極１７２ｄに第１端子電極１０４が接続される。電極１７２ｅに第２端子電極１０６を接続する。第１端子電極１０４と第２端子電極１０６の高さを合わせるため、第２端子電極１０６の一部を湾曲させてもよい。この例では、二層圧電素子１６２は、３端子を有する。交流電圧源１７０ａの一端を第２端子電極１０６（電極１７２ｅ）に接続し、他端を第１端子電極１０４（電極１７２ｄ）に接続する。交流電圧源１７０ｂの一端を電極１７２ｃに接続し、他端を第１端子電極１０４（電極１７２ｄ）に接続する。交流電圧源１７０ａにて二層圧電素子１６２の下側の圧電素子を振動させ、交流電圧源１７０ｂにて上側の圧電素子を振動させてもよい。また、交流電圧源１７０ａは長辺共振周波数ｆ_Ｌ、交流電圧源１７０ｂは短辺共振周波数ｆ_Ｓにて、それぞれ周波数の異なる交流電圧を印加してもよい。

図１６は、積層圧電素子１６４を含む圧電アクチュエータ１００を振動させる電気回路を示す図である。第１端子電極１０４を電極１７２ｇに接続し、第２端子電極１０６を電極１７２ｆに接続する。交流電圧源１７０の一端を第１端子電極１０４（電極１７２ｇ）に接続し、他端を第２端子電極１０６（電極１７２ｆ）に接続する。なお、第１端子電極１０４と第２端子電極１０６を一体として形成し、電極１７２ｇに共通接続してもよい。この場合には、第１端子電極１０４、第２端子電極１０６、電極１７２ｇが同電位となる。そして、交流電圧源１７０の一端を電極１７２ｇ側と接続し、他端を電極１７２ｆに直接接続してもよい。

図１７は、分割電極を有する単層圧電素子１６０を振動させる電気回路の第１例を示す図である。同図に示す単層圧電素子１６０は、２つに分割されている。このため、電極１７２ａは、電極１７２ｐ、１７２ｑの２つに分割されている。分割された圧電素子にはそれぞれ別々に振動が発生し、全体としてそれらの振動が合成される。第１端子電極１０４と第２端子電極１０６は一体として形成され、電極１７２ｂに共通接続される。すなわち、第１端子電極１０４と第２端子電極１０６は同電位となる。交流電圧源１７０ａの一端は第１端子電極１０４（電極１７２ｂ）、他端は電極１７２ｑと接続される。交流電圧源１７０ｂの一端は第２端子電極１０６（電極１７２ｂ）、他端は電極１７２ｐと接続される。

図１８は、分割電極を有する単層圧電素子１６０を振動させる電気回路の第２例を示す図である。同図では、電極１７２ａの分割にあわせて、第２端子電極１０６も第２端子電極１０６ｔと１０６ｕに分割されている。第１端子電極１０４は下側の電極１７２ｂに接続される。第２端子電極１０６ｔは電極１７２ｒ、第２端子電極１０６ｕは電極１７２ｓと接続される。交流電圧源１７０ａの一端は第１端子電極１０４（電極１７２ｂ）、他端は第２端子電極１０６ｔ（電極１７２ｒ）と接続される。交流電圧源１７０ｂの一端は第１端子電極１０４（電極１７２ｂ）、他端は第２端子電極１０６ｕ（電極１７２ｓ）と接続される。

図１９は、分割電極を有する二層圧電素子１６２を振動させる電気回路の第１例を示す図である。二層圧電素子１６２を構成する２つの単層圧電素子１６０のうち、上方の単層圧電素子１６０を分割する。このため、電極１７２ｃは、電極１７２ｖと１７２ｗに分割されている。第１端子電極１０４は中央の電極１７２ｄと接続され、第２端子電極１０６は下側の電極１７２ｅと接続される。交流電圧源１７０ａの一端を第１端子電極１０４（電極１７２ｄ）、他端を第２端子電極１０６（電極１７２ｅ）に接続する。交流電圧源１７０ｂの一端を第１端子電極１０４（電極１７２ｄ）、他端を電極１７２ｗに接続する。交流電圧源１７０ｃの一端を第１端子電極１０４（電極１７２ｂ）、他端を電極１７２ｖに接続する。

図２０は、分割電極を有する二層圧電素子１６２を振動させる電気回路の第２例を示す図である。二層圧電素子１６２を構成する２つの単層圧電素子１６０のうち、下方の単層圧電素子１６０を分割する。このため、中央の電極１７２ｄは、電極１７２ｘと１７２ｙに分割され、下側の電極１７２ｅは、電極１７２ｍと１７２ｎに分割される。第１端子電極１０４は第１端子電極１０４ｘと１０４ｙに分割され、第２端子電極１０６は第２端子電極１０６ｘと１０６ｙに分割される。交流電圧源１７０ａの一端を第２端子電極１０６ｙ（電極１７２ｙ）、他端を電極１７２ｃに接続する。交流電圧源１７０ｂの一端を第２端子電極１０６ｘ（電極１７２ｘ）、他端を電極１７２ｃに接続する。交流電圧源１７０ｃの一端を第１端子電極１０４ｘ（電極１７２ｘ）、他端を電極１７２ｃに接続する。交流電圧源１７０ｄの一端を第１端子電極１０４ｙ（電極１７２ｙ）、他端を電極１７２ｃに接続する。

図２１は、圧電アクチュエータ１００の取り付け構造の変形例を示す図である。図２では、第１端子電極１０４や第２端子電極１０６を、パネル固定基板１３２の第１切込部１３８や第２切込部１４０に引っ掛けることにより圧電アクチュエータ１００を固定した。変形例として、第１端子電極１０４等を圧電アクチュエータ１００の両端に引っ掛けてもよい。パネル固定基板１３２の両側に樹脂ケース１７８ａ、ｂなどが設置される場合には、パネル固定基板１３２と樹脂ケース１７８の間に隙間を設けることができる。したがって、この隙間を第１切込部１３８や第２切込部１４０の代わりに利用してもよい。

図２２は、複数の圧電アクチュエータ１００をパネル固定基板１３２に取り付ける構造を示す上面図である。同図に示すように、４つの圧電アクチュエータ１００ａ、ｂ、ｃ、ｃをパネル固定基板１３２の４辺にそれぞれ接続してもよい。複数の圧電アクチュエータ１００を使うことにより、パネル固定基板１３２をより強く振動させることができる。また、各圧電アクチュエータ１００のサイズを異ならせることにより、共振周波数の種類が多くなるため、いっそう多様な触感を実現できる。

以上、実施の形態に基づいて、圧電アクチュエータ１００と、圧電アクチュエータ１００が取り付けられるタッチパネル装置２００について説明した。圧電アクチュエータ１００は、第１端子電極１０４と第２端子電極１０６が鈎形状を有するため、パネル固定基板１３２に引っ掛けることができる。このため交換しやすく、かつ、確実に固定しやすくなっている。図６のようにフック状の支持部材を設ければ、いっそう圧電アクチュエータ１００を安定的に取り付けやすい。圧電アクチュエータ１００の交換が容易であるため、形状や材質、構造などが異なる別の圧電アクチュエータ１００に取り替えるだけで、表現可能な触感を簡単に変えられる。また、第１端子電極１０４の形状が異なる圧電アクチュエータ１００に取り替えることによっても、触感を微妙に変化させることができる。

短辺の共振周波数と長辺の共振周波数に対応して、複数の交流電圧を同時に印加することにより、圧電アクチュエータ１００を平面的に振動させることができる。特に、図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）のように、第１端子電極１０４や第２端子電極１０６を一対の電極とすれば、短辺方向に振動させやすくなる。図５に示したように、第１端子電極１０４等に傾斜を設ければ、パネル固定基板１３２にかかる負荷を分散させやすくなる。

以上、本発明をいくつかの実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態は例示であり、いろいろな変形および変更が本発明の特許請求範囲内で可能なこと、またそうした変形例および変更も本発明の特許請求の範囲にあることは当業者に理解されるところである。したがって、本明細書での記述および図面は限定的ではなく例証的に扱われるべきものである。

図２３は、変形例における圧電アクチュエータの上面図である。第１端子電極１０４や第２端子電極１０６の形状については、図１や図１０（ａ）〜図１０（ｆ）以外にもさまざまな態様が考えられる。図１や図１０（ａ）〜図１０（ｆ）に示した各端子電極は、突出部１２０、Ｙ屈曲部１２２およびＸ屈曲部１２４を備えたが、変形例として、端子電極はさらに第２Ｙ屈曲部１２６を備えてもよい。第２Ｙ屈曲部１２６は、Ｘ屈曲部１２４の先端からｙ軸正方向に引き出される端子電極の一部である。第２Ｙ屈曲部１２６の太さは、突出部１２０等と同一であってもよいし、同一でなくてもよい。鈎形状の折り返し先端部（Ｘ屈曲部１２４の先端部）が長方形面の第１辺１０８や第２辺１１０と平行な折り曲げ部（第２Ｙ屈曲部１２６）を有すると、圧電アクチュエータ１００の取り付けの確実性が高まり、振動による触覚生成がいっそう良好となる。

本実施形態においては、第１端子電極１０４等の鈎形状により圧電アクチュエータ１００をパネル固定基板１３２に固定しているが、変形例としてスナップボタンなど他の方式により固定してもよい。たとえば、第１端子電極１０４の上面に凸形状のボタン、パネル固定基板１３２の下面に凹形状のボタンを設け、これらを互いにはめあわせることにより圧電アクチュエータ１００をパネル固定基板１３２に固定してもよい。

圧電素子１０２は長方形だけでなく、丸形やひし形などそれ以外の形状であってもよい。圧電素子１０２の形状、構造、材質等は、タッチパネル装置２００の使用条件や製造コスト等に鑑みて最適選択されればよい。

圧電アクチュエータ１００に印加される２種類の交流電圧（周波数ｆ１、ｆ２）は同時に印加されてもよいし、周波数ｆ１の交流電圧が印加される期間と周波数ｆ２の交流電圧が印加される期間を交互に切り換えてもよい。また、周波数ｆ１の交流電圧の振幅Ａ１と周波数ｆ２の交流電圧の振幅Ａ２を異ならせたり変化させることにより、いっそう多様な触感を実現できる。たとえば、長辺共振周波数ｆ_Ｌの交流電圧を強く、短辺共振周波数ｆ_Ｓの交流電圧を弱くすれば、横方向の振動の方が大きな平面的な振動が可能となる。

１００圧電アクチュエータ
１０２圧電素子
１０４第１端子電極
１０６第２端子電極
１０８第１辺
１１０第２辺
１１２第３辺
１１４第４辺
１２０突出部
１２２Ｙ屈曲部
１２４Ｘ屈曲部
１２６第２Ｙ屈曲部
１３０タッチパネル
１３２パネル固定基板
１３４第１給電電極
１３６第２給電電極
１３８第１切込部
１４０第２切込部
１４２駆動信号線
１５０振動制御部
１５２端部
１６０単層圧電素子
１６２二層圧電素子
１６４積層圧電素子
１７０交流電圧源
１７２電極
１７４第３端子電極
１７６第３給電電極
１７８樹脂ケース
１８０圧電体
２００タッチパネル装置
２０２カバーケース
２０４透明フィルム
２０６駆動信号線
２０８ＬＣＤ用コネクタ
２１０タッチパネル用コネクタ
２１２回路基板
２１４ＬＣＤ
２１６底面ケース

Claims

長方形面を有する平板状の圧電素子と、
前記長方形面の第１の辺から前記長方形面と略平行に引き出される第１の端子電極と、
前記長方形面の前記第１の辺と対向する第２の辺から前記長方形面と略平行に引き出される第２の端子電極と、を備え、
前記第１および第２の端子電極は、前記圧電素子の外側に引き出されてから前記圧電素子側へ折り返される鈎形状を有することを特徴とする圧電アクチュエータ。
前記第１および第２の端子電極は、前記第１および第２の辺の各端部から引き出される一対の電極であって、それぞれの電極が鈎形状を有することを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
前記第１および第２の端子電極の一部は、前記圧電素子の前記長方形面に対して傾斜角を有するように屈曲されていることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電アクチュエータ。
前記圧電素子のいずれかの一辺から厚み方向に引き出され、前記圧電素子の表面上に折り返される支持部材を設置したことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。
請求項１から４のいずれかに記載の圧電アクチュエータと、
タッチパネルを搭載し、かつ、前記第１および第２の端子電極を係合することにより前記圧電アクチュエータを固定するパネル固定基板と、
前記タッチパネルに対する押圧が検出されたとき、前記圧電アクチュエータの複数の共振周波数に対応する交流電圧を前記第１および第２の端子電極に印加することにより、前記圧電アクチュエータを振動させる振動制御部と、
を備えることを特徴とするタッチパネル装置。
前記振動制御部は、前記長方形面における短辺の共振周波数に対応する交流電圧と、長辺の共振周波数に対応する交流電圧を印加することにより、前記圧電アクチュエータを２方向に振動させることを特徴とする請求項５に記載のタッチパネル装置。
前記パネル固定基板には、前記第１および第２の端子電極を引っ掛けるための切り込みが設けられることを特徴とする請求項５または６に記載のタッチパネル装置。