JP5820846B2 - 振動デバイス及びそれを利用した電子機器 - Google Patents

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Description

本発明は、圧電振動素子を用いたフォースフィードバック機能（ないしハプティック機能）を備えた振動デバイス及びそれを利用した電子機器に関し、更に具体的には、振動面からの発音性の改善に関するものである。
スマートフォンやタブレットＰＣなどのモバイル分野において、指先で触感を感じるハプティックス機能を搭載した製品が市場に出回り始めている。この多くは、圧電素子をガラス等に貼り付けたものであり、現段階では硬質のガラスなどでは十分な振動変位が得られていない。また、素子の実装性においてもカバーガラスの背面に素子を貼付することで実装性の厚み方向に制約が生じてしまうなどの課題がある。
例えば、下記特許文献１には、このように圧電素子をガラスに貼り付けた構造が示されている。当該特許文献１では、タッチパネルと、該タッチパネルの背面側に設けられた表示部と、前記タッチパネルの表面側に形成された透明な保護基板と、圧電振動素子とを有するタッチパネル装置が開示されている。そして、前記保護基板を、表面側の第１のガラス基板と前記タッチパネル側の第２のガラス基板の接合により構成するとともに、前記第１又は第２のガラス基板のいずれか一方のガラス基板の前記接合される面側に厚み方向に前記圧電振動素子の厚みより厚い段差部を有し、前記段差部に前記圧電振動素子を配置し、該圧電振動素子を第１のガラス基板に接合したことを特徴としている。
特開２０１２−２０３８９５号公報
前記特許文献１は、ハプティック機能は有するが、可聴音を積層ガラス（透明基板）から充分に発生させることができない。すなわち、スピーカに求められる十分な音量がでないという課題がある。
本発明は、以上のような点に着目したもので、その目的は、少ない力や変位であってもパネル表面へ確実に振動を伝達し、かつ、厚みを出さずにハプティック機能を実現するとともに、可聴音を発生可能なスピーカ（レシーバ）機能も有する振動デバイスを提供することである。他の目的は、前記振動デバイスを利用した電子機器を提供することである。
本発明の振動デバイスは、第１の透明基板と、該第１の透明基板の一方の面側に配置され、前記第１の透明基板に接合される面側に厚み方向に形成された収納部を有する第２の透明基板と、該第２の透明基板の前記収納部に配置されており、前記第１の透明基板に接合される圧電振動素子と、前記第２の透明基板の前記第１の透明基板と接合しない側の面に配置されており、前記第１の透明基板と同じ弾性率を有する第３の透明基板と、を備えており、前記第２の透明基板の弾性率が、前記第１の透明基板の弾性率よりも低いことを特徴とする。
主要な形態の一つは、前記第１の透明基板の厚みが、０．０５〜０．３ｍｍであることを特徴とする。他の形態は、前記第２の透明基板の厚みが、０．４〜０．６ｍｍであることを特徴とする。更に他の形態は、前記第１の透明基板の厚みｔ１に対する前記第２の透明基板の厚みｔ２の比がｔ１／ｔ２＝０．１〜０．５であることを特徴とする。更に他の形態は、前記第１の透明基板が、ガラス基板であることを特徴とする。更に他の形態は、前記第２の透明基板が、樹脂基板であることを特徴とする。
本発明の電子機器は、前記いずれかに記載の振動デバイスを備えたことを特徴とする。主要な形態の一つは、タッチパネルと、該タッチパネルの背面側に設けられた表示部と、を備えるとともに、前記振動デバイスを、前記タッチパネルの表面側に保護基板として配置したことを特徴とする。本発明の前記及び他の目的，特徴，利点は、以下の詳細な説明及び添付図面から明瞭になろう。
本発明によれば、第１の透明基板と、該第１の透明基板の一方の面に配置され、前記第１の透明基板に接合される面側に厚み方向に形成された収納部を有する第２の透明基板と、該第２の透明基板の前記収納部に配置されており、前記第１の透明基板と接合させる圧電振動素子と、前記第２の透明基板の前記第１の透明基板と接合しない側の面に配置されており、前記第１の透明基板と同じ弾性率を有する第３の透明基板とを備え、前記第２の透明基板の弾性率が、前記第１の透明基板の弾性率よりも低いこととした。このため、少ない力や変位であっても、ハプティック機能に必要な充分な振動を伝達することが可能になるとともに、可聴音を発生するためスピーカ（レシーバ）機能を有する振動デバイスが得られる。また、振動デバイスの厚みを増すことなくハプティック機能やスピーカ機能を付与することができるため、実装性や薄型化の改善を図ることができる。
本発明の実施例１のスマートフォンを示す図であり、(A)は全体の外観斜視図，(B)はパネル表示部の分解斜視図である。 図２(A)は、前記図１(A)を＃Ａ−＃Ａ線に沿って切断し矢印方向に見た圧電振動素子の実装部の断面図であり、図２(B)は変形例の保護パネルの断面図である。 前記図１(B)を＃Ｂ−＃Ｂ線に沿って切断し矢印方向に見た圧電振動素子の断面図である。 前記本発明の実施例と比較例の音圧周波数特性を示すグラフである。
以下、本発明を実施するための最良の形態を、実施例に基づいて詳細に説明する。
最初に、図１〜図４を参照しながら本発明の実施例１を説明する。本発明は、例えば、携帯電話やスマートフォン，あるいは、カーナビゲーション装置やゲーム機など、表示装置とそれに付随するタッチパネル機能を備えた電子機器に対し、入力を触覚で感知せしめるハプティック機能と、パネルスピーカとしての機能を実装する技術に関するものであるが、本実施例では、前記電子機器としてスマートフォンを例示して説明する。図１は、本実施例のスマートフォンを示す図であり、(A)は全体の外観斜視図，(B)はパネル表示部の分解斜視図である。図２(A)は、前記図１(A)を＃Ａ−＃Ａ線に沿って切断し矢印方向に見た圧電振動素子の実装部分の断面図であり、図２(B)は、変形例の保護パネルの断面図である。図３は、前記図１(B)を＃Ｂ−＃Ｂ線に沿って切断し矢印方向に見た圧電振動素子の断面図である。図４は、本実施例と比較例の音圧周波数特性を示すグラフである。
図１及び図２に示すように、本実施例のスマートフォン１０は、筐体１２の収納部１４内に、表示装置１８及びタッチパネル２０が配置されており、表面のほぼ全面が透明な保護パネル２２（保護基板）で覆われた構成となっており、該保護パネル２２は、筐体１２の縁部１６に支持されている。なお、透明とは、保護基板を通して、該保護基板の背面に設けられた表示部で表示された内容が視覚的に判別できることをいう。前記保護パネル２２には、操作用スイッチ２６のための開口部２８が設けられているが、保護パネル２２全体がレシーバとして機能するため、放音用の開口部は設けられていない。なお、画像等が実際に表示される表示領域４６は、前記保護パネル２２の中央部の制限された範囲となっている。
前記保護パネル２２は、表面側のガラス基板２２Ａ（第１の透明基板）と、前記タッチパネル２０側の樹脂基板２２Ｂ（第２の透明基板）を接合した接合基板となっており、前記ガラス基板２２Ａとしては、化学的に強化された強化ガラス等が用いられる。ガラス基板２２Ａの弾性率（ヤング率）は、例えば、６０〜８０ＧＰａ程度である。また、前記樹脂基板２２Ｂとしては、例えば、ポリカーボネートやアクリル，ＰＥＴなどが用いられる。前記樹脂基板２２Ｂの弾性率は、前記ガラス基板２２Ａの弾性率よりも低く、例えば、１〜１０ＧＰａ程度である。また、前記ガラス基板２２Ａの厚みは、例えば、０．０５〜０．３ｍｍ（５０〜３００μｍ）程度であり、樹脂基板２２Ｂの厚みは、例えば、０．４〜０．６ｍｍ（４００〜６００μｍ）程度である。なお、本発明では、タッチパネル装置を視覚的に見る方向を、表面側（上側ないし上）と定義し、反対方向を、背面側（下側ないし下）と定義する。
前記保護パネル２２の下（ないし背面側）には、前記タッチパネル２０が設けられる。該タッチパネル２０としては、静電容量式のほか、抵抗膜方式などの公知の既存の方式を用いることができる。更に、タッチパネル２０の下には前記表示装置１８が配置されているが、該表示装置１８（表示部）についても、液晶表示装置のほか、有機ＥＬを用いた表示装置等が利用可能である。前記保護パネル２２とタッチパネル２０の間、該タッチパネル２０と表示装置１８の間は、それぞれ図示しない光学的に透明な接着剤や粘着テープなどによって固定されている。前記接着剤としては、エポキシをはじめとする一般的な材料が用いられ、また、粘着剤としては、アクリル系粘着剤をはじめとする一般的な材料が用いられる。
また、前記保護パネル２２には、圧電振動素子４０が実装されている。本実施例では、下側の樹脂基板２２Ｂに、２ヶ所の凹部３０Ａ，３０Ｂを設け、その部分に圧電振動素子４０を実装する。凹部３０Ａ，３０Ｂの段差は、前記圧電振動素子４０の厚みよりも深くしている。前記圧電振動素子４０の厚みとは、該圧電振動素子４０が振動するときの変位量を考慮し、圧電振動素子４０が振動しないときの厚みと、変位量とを少なくとも合わせたものである。該圧電振動素子４０は、上面が上側のガラス基板２２Ａに対して接着剤や粘着剤，あるいは、両面テープなどを用いて接合され、底面側が前記凹部３０Ａ，３０Ｂの底面により支持されている。
本実施例では、圧電振動素子４０の平面形状が長方形であるが、その両端部を強固に固定し、中央部は柔らかく固定することにより、発生した振動を効率よくガラス基板２２Ａに伝達させることができる。そのために、例えば、周辺（ないし両端部）の接合部にはエポキシなどの接着剤や、基材がＰＥＴなどの両面テープを用いることが望ましく、中央部の接合にはウレタンやシリコンなどの柔らかい接着剤や、基材がゴムやエラストマーでできた柔らかい両面テープを用いることが望ましい。前記凹部３０Ａ，３０Ｂの寸法は、圧電振動素子４０の寸法に応じて決定される。
前記保護パネル２２の厚みは、実装する装置等の構成によっても異なるが、ガラス基板２２Ａと樹脂基板２２Ｂを貼り合わせた状態で１ｍｍ以下となることが一般的である。本実施例では、下側の樹脂基板２２Ｂよりも、上側のガラス基板２２Ａの厚さを薄くすることで、より少ない力での振動伝達を可能としている。また、前記圧電振動素子４０の実装位置は、図２(A)に示すように前記タッチパネル２０の配置されている範囲外であるため、圧電振動素子４０の振動がタッチパネル２０によって妨げられることがない。
次に、前記圧電振動素子４０について説明する。圧電振動素子４０は、図３に示すように、複数の圧電体層４２と電極層４４を交互に積層した構造となっており、本実施例では、厚み方向中心の上側４０Ａと下側４０Ｂで、電界に対する分極方向が逆になるように分極したバイモルフ構造のものを利用した。該圧電振動素子４０は、実装する電子機器の構造にもよるが、全く積層していない単板構造としてもよいし、積層する場合でも、電界に対して全ての圧電体層が同じ方向に分極されているユニモルフ構造を採用することも可能であるが、入力電圧を低く抑えるという観点からは積層構造とする方が望ましく、また、発生変位や発生力を大きくするという観点からはバイモルフ構造とすることが望ましい。前記圧電体層４２の材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛に添加物を加えた圧電材料が用いられるが、一般的に知られている圧電セラミックスであれば、他の材料を用いてもよい。電極層４４の材料としては、例えば、銀や白金など、公知の各種の電極材料が利用可能である。
前記圧電振動素子４０は、保護パネル２２の樹脂基板２２Ｂに埋め込むように実装することから、発生変位・発生力や保護パネル２２として必要な厚みを確保することを合わせて考えると、厚みは０．４〜０．６ｍｍとすることが望ましい。また、圧電振動素子４０の長さと幅は、実装する電子機器の構成によるが、本実施例で例示しているスマートフォン１０では、例えば、長さを６０ｍｍ以下、幅を５ｍｍ以下とすることが望ましく、更に、十分に振動をガラス面に伝達するためには、幅は２ｍｍ以上とすることが好ましい。本実施例では、上記寸法範囲を考慮し、圧電振動素子４０の厚さを０．５ｍｍ，長さを５０ｍｍ，幅を３ｍｍとした。また、圧電体層４２は、一層あたりの厚みを１８μｍとし、２６層積層することとした。
前記圧電振動素子４０の表面に形成された電極層４４には、図示しない駆動回路が接続されるが、接続用の電路は、ガラス基板２２Ａや樹脂基板２２Ｂの表面に印刷やスパッタリングなどの方法で設けるようにしてもよいし、極細の金属線で形成してもよい。以上のような圧電振動素子４０を実装した保護パネル２２と、タッチパネル２０，表示装置１８を貼り合わせることにより、本発明に係るハプティック機能を有し、かつ、可聴音を発生可能なパネルレシーバとしての機能も有するタッチパネル装置（ないしパネル表示部）が形成される。
次に、本実施例の作用を説明する。前記表示領域４６に表示された表示内容に応じた位置の保護パネル２２が押されると、前記タッチパネル２０が押下されることを検出し、それに合わせて前記圧電振動素子４０に信号を入力して振動させる。樹脂基板２２Ｂの凹部３０Ａ，３０Ｂ内で圧電振動素子４０が振動すると、振動は表面弾性波となり、保護パネルを押した指やスタイラスペンのペン先に振動が伝達される。このため、保護パネル２２を厚み方向全体で振動する場合に比較して、少ないパワーでも、触覚的にスイッチ押下を感知させることが可能となる。
このとき入力される信号としては、単純な正弦波信号や矩形波信号，あるいは、それらの組み合わせでもよいし、スイッチ押下を錯覚させるような信号であってもよい。本実施例では、２つの圧電振動素子４０を用いているため、各々に入力される信号の振幅や位相を制御することにより、保護パネル２２の面内の特定の場所に強い振幅を誘起することができ、指などが触れている部分を選択的に振動させることが可能となる。
また、本実施例では、上記ハプティック機能とは別に、前記保護パネル２２の振動を利用してスピーカ（レシーバ）としても利用することができる。本発明では、前記樹脂基板２２Ｂの弾性率が、前記ガラス基板２２Ａの弾性率よりも低いため、該ガラス基板２２Ａに可聴領域の振動を起こさせることができ、レシーバとして利用できる。これに伴い、従来、保護パネル２２に必要であった放音孔を設ける必要がなくなり、防水の観点から都合がよく、放音孔を加工する手間も省略することができる。
このような構造のタッチパネル装置（パネル表示部）を用い、入力信号として、人間の指先の感度が最も高いとされる２００Ｈｚの正弦波信号を用いて、保護パネル２２の変位量を測定した。また、同じタッチパネル装置を用いて１００Ｈｚの正弦波信号を入力し、保護パネル２２の表面から１０ｃｍの位置においたマイクによって発生する音を測定した。その結果、変位量に関しては、入力電圧８Ｖｒｍｓで４μｍの変位量が得られた。また、音圧は９０ｄＢと高かった。比較例として、圧電振動素子４０を表示装置１８の下側に配置した構造のタッチパネル装置を作製し、同様の方法で変位量と音圧を測定した。その結果、同じ入力電圧８Ｖｒｍｓで変位は０．３μｍ，音圧は７０ｄＢであり、実施例に比べて変位量及び音圧とも大幅に低下することが確認された。
このように、実施例１によれば、次のような効果がある。
(1)ガラス基板２２Ａと、該ガラス基板２２Ａの一方の面側に配置され、前記ガラス基板２２Ａに接合される面側に厚み方向に形成された凹部３０Ａ，３０Ｂを有する樹脂基板２２Ｂと、前記凹部３０Ａ，３０Ｂに配置されており、前記ガラス基板２２Ａと接合させる圧電振動素子４０とを備え、前記樹脂基板２２Ｂの弾性率が、前記ガラス基板２２Ａの弾性率よりも低いこととした。このため、少ない力や変位であっても、ハプティック機能に必要な充分な振動を伝達することが可能になるとともに、可聴音を発生するためスピーカ（レシーバ）機能を有する振動デバイスが得られる。また、樹脂基板２２Ｂの厚みよりも薄い圧電振動素子４０を、ガラス基板２２Ａに貼付することで、ガラス基板２２Ａと樹脂基板２２Ｂを貼付した場合の保護パネル２２の最大厚みが、該保護パネル２２の厚み以上にはならない。このため、振動デバイスの厚みを増すことなくハプティック機能やスピーカ機能を付与することができるため、実装性や薄型化の改善を図ることができる。更に、樹脂基板２２Ｂを用いることにより加工が容易になるとともに、保護パネル２２の全体をガラスで形成する場合と比べて軽くなり、なおかつ、表面はガラス基板２２Ａのため高級感を維持することができる。保護パネル２２がパネルレシーバとして機能するため、表面に放音孔を設ける必要がなく、加工の点からも、防水点の点からも優れている。
(2)樹脂基板２２Ｂに設けた凹部３０Ａ，３０Ｂの底面によって圧電振動素子４０の底面側を支持するため、タッチパネル２０と重なっていない部分に圧電振動素子４０を設けることができるため、タッチパネル２０による振動の妨げを防止することができる。
(3)表面側のガラス基板２２Ａを、タッチパネル側の樹脂基板２２Ｂよりも薄くしたので、より小さい力でも振動の伝達が可能となる。
(4)圧電振動素子４０を２ヶ所に設けたので、各々に入力される信号の振幅や位相を制御することにより、保護パネル２２の面内の特定の場所に強い振幅を誘起することができ、指などが触れている部分を選択的に振動させることが可能となる。
(5)圧電振動素子４０の平面形状を長方形とし、その両端部を強固に固定し、中央部は柔らかく固定することとしたので、発生した振動を効率よく保護パネル２２に伝達させることができる。
(6)圧電振動素子４０が、圧電体層４２と電極層４４を複数交互に積層した積層構造であるため、入力電圧を低く抑えることができる。
(7)圧電振動素子４０をバイモルフ構造としたので、発生変位や発生力を大きくすることができる。
図２(B)には、本実施例の変形例が示されている。上述した図１及び図２(A)に示した例では、保護パネル２２は、ガラス基板２２Ａと樹脂基板２２Ｂの２層構造としたが、図２(B)に示す保護パネル５０のように、樹脂基板２２Ｂに、表面側のガラス基板２２Ａと接合しない側の面に、該ガラス基板２２Ａと同じ弾性率を有するガラス基板２２Ｃを配置する構成としてもよい。このようにすることで、可聴領域での音質が向上するという効果が得られる。図４には、上記実施例の音圧レベルの周波数特性を比較例と対比して示している。同図の縦軸は音圧レベル（ＳＰＬ），横軸は周波数である。図中「ガラスパネル」は上述した背景技術の両者ともガラス基板を用いた場合であり、「樹脂パネル」は両者とも樹脂基板を用いた場合である。これらのグラフからすると、特に１kHz以下の低音域で、ガラスパネルよりも音圧レベルが向上しており、スピーカとしての機能が向上していることが分かる。特に低音（６００から１０００Ｈｚ）にて、従来のガラスパネルよりも音圧ＳＰＬをあげることができている。
なお、本発明は、上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることができる。例えば、以下のものも含まれる。
(1)前記実施例で示した形状，寸法などは一例であり、必要に応じて適宜変更してよい。例えば、前記実施例では、圧電振動素子４０の形状を長方形とし、その寸法の具体例を示したが、これも一例であり、圧電振動素子４０の長さ，幅，厚みは、同様の効果を奏する範囲内で適宜増減してよい。形状についても同様に、円形にするなど、適宜変更可能である。
(2)前記実施例で示した圧電振動素子４０ではバイモルフ構造としたが、これも一例でありユニモルフ構造としてもよい。
(3)前記実施例では圧電振動素子４０を積層構造としたが、これも一例であり、単板構造としてもよいし、積層構造とする場合も必要に応じて適宜積層数を増減してよい。
(4)前記実施例では、第１の透明基板としてガラス基板２２Ａを用いたが、第２の透明基板（樹脂基板２２Ｂ）よりも弾性率が高いものであれば、第１の透明基板として樹脂基板を用いてもよい。前記図２(B)に示した変形例のガラス基板２２Ｃについても同様に、樹脂基板としてもよい。
(5)前記圧電振動素子４０を形成する材料についても公知の各種の材料が利用可能である。
(6)圧電振動素子４０の実装数も一例であり、前記実施例では２つ実装することとしたが、タッチパネル装置やそれを設ける電子機器（スマートフォン１０など）の構成次第では、圧電振動素子４０の実装数は１つとしてもよいし、３つ以上であってもよい。
(7)前記実施例では、本発明の振動デバイスを、ハプティック機能とパネルレシーバ機能を有するタッチパネル装置として、スマートフォン１０に適用することとしたが、これは一例であり、例えば、本発明は、携帯電話，カーナビゲーション装置，ゲーム機など、表示装置とそれに付随するタッチパネル機能を備えた電子機器全般に適用可能である。また、本発明の振動デバイス一組を左右に設置することにより、ステレオとして利用するようにしてもよい。
本発明によれば、第１の透明基板と、該第１の透明基板の一方の面に配置され、前記第１の透明基板に接合される面側に厚み方向に形成された収納部を有する第２の透明基板と、前記収納部に配置されており、前記第１の透明基板と接合させる圧電振動素子と、前記第２の透明基板の前記第１の透明基板と接合しない側の面に配置されており、前記第１の透明基板と同じ弾性率を有する第３の透明基板とを備え、前記第２の透明基板の弾性率が、前記第１の透明基板の弾性率よりも低いこととした。このため、少ない力や変位であっても、ハプティック機能に必要な充分な振動を伝達することが可能になるとともに、可聴音を発生しスピーカ（レシーバ）機能を有するので、スピーカ機能を備えたタッチパネル等の振動デバイスの用途に適用できる。特に、振動デバイスの厚みを増すことなくハプティック機能やスピーカ機能を付与することができるため、携帯端末用の振動デバイスとして好適である。
１０：スマートフォン
１２：筐体
１４：収納部
１６：縁部
１８：表示装置
２０：タッチパネル
２２：保護パネル（保護基板）
２２Ａ，２２Ｃ：ガラス基板
２２Ｂ：樹脂基板
２６：操作用スイッチ
２８：開口部
３０Ａ，３０Ｂ：凹部
４０：圧電振動素子
４０Ａ：上側
４０Ｂ：下側
４２：圧電体層
４４：電極層
４６：表示領域
５０：保護パネル

Claims (8)

  1. 第１の透明基板と、
    該第１の透明基板の一方の面側に配置され、前記第１の透明基板に接合される面側に厚み方向に形成された収納部を有する第２の透明基板と、
    該第２の透明基板の前記収納部に配置されており、前記第１の透明基板に接合される圧電振動素子と、
    前記第２の透明基板の前記第１の透明基板と接合しない側の面に配置されており、前記第１の透明基板と同じ弾性率を有する第３の透明基板と、
    を備えており、
    前記第２の透明基板の弾性率が、前記第１の透明基板の弾性率よりも低いことを特徴とする振動デバイス。
  2. 前記第１の透明基板の厚みが、０．０５〜０．３ｍｍであることを特徴とする請求項１記載の振動デバイス。
  3. 前記第２の透明基板の厚みが、０．４〜０．６ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２記載の振動デバイス。
  4. 前記第１の透明基板の厚みｔ１に対する前記第２の透明基板の厚みｔ２の比がｔ１／ｔ２＝０．１〜０．５であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の振動デバイス。
  5. 前記第１の透明基板が、ガラス基板であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の振動デバイス。
  6. 前記第２の透明基板が、樹脂基板であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の振動デバイス。
  7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の振動デバイスを備えたことを特徴とする電子機器。
  8. タッチパネルと、
    該タッチパネルの背面側に設けられた表示部と、
    を備えるとともに、
    前記振動デバイスを、前記タッチパネルの表面側に保護基板として配置したことを特徴とする請求項７記載の電子機器。
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