(57)【要約】【課題】振動の伝達と応力の緩和とを両立させた振動デバイスを提供する。【解決手段】振動を発生する振動素子11と、振動素子が発生した振動に応じて振動する被振動体12と、振動素子と被振動体との間に配置された硬化樹脂131を有する接着層13であって、接着層は、硬化樹脂よりも大きい剛性を有する材料からなるフィラー粒子132を含有し、少なくとも１つのフィラー粒子は、一端が振動素子に接し、かつ、他端が被振動体に接する、接着層と、を備えるよう、振動デバイス1を構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動を発生する振動素子と、
前記振動素子が発生した振動に応じて振動する被振動体と、
前記振動素子と前記被振動体との間に配置された硬化樹脂を有する接着層であって、前記接着層は、前記硬化樹脂よりも大きい剛性を有する材料からなるフィラー粒子を含有し、少なくとも１つの前記フィラー粒子は、一端が前記振動素子に接し、かつ、他端が前記被振動体に接する、接着層と、
を備える、振動デバイス。
【請求項２】
前記フィラー粒子の形状は球状である、請求項１に記載の振動デバイス。
【請求項３】
前記フィラー粒子の形状は星状である、請求項１に記載の振動デバイス。
【請求項４】
前記フィラー粒子の最大粒径は２０μm以上かつ５０μm以下である、請求項２または３に記載の振動デバイス。
【請求項５】
前記硬化樹脂は、前記フィラー粒子を５重量％以上かつ１０重量％以下含有する、請求項１ないし４のいずれか一項に記載の振動デバイス。
【請求項６】
前記フィラー粒子の形状は針状である、請求項１に記載の振動デバイス。
【請求項７】
前記フィラー粒子の剛性は、前記硬化樹脂の剛性よりも大きい、請求項１ないし６のいずれか一項に記載の振動デバイス。
【請求項８】
前記フィラー粒子の材料はガラスまたはシリカである、請求項７に記載の振動デバイス。
【請求項９】
硬化樹脂と前記硬化樹脂よりも大きい剛性を有する材料からなるフィラー粒子とを有する接着層を介して被振動体に接着された振動素子が振動を発生するステップと、
一端が前記振動素子に接し、かつ、他端が前記被振動体に接する少なくとも１つの前記フィラー粒子が、前記振動素子が発生した振動を前記被振動体に伝達するステップと、
前記フィラー粒子が伝達する振動に応じて前記被振動体が振動するステップと、
を含む、振動伝達方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動デバイスおよび振動伝達方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ユーザが操作を行うユーザ端末において、画像を表示するディスプレイと、ユーザの操作位置に対応して位置情報を出力する位置入力装置と、を重畳したタッチパネルディスプレイが多く用いられている。
【０００３】
ユーザは、タッチパネルディスプレイに表示された画像に対応する機能の実行を要求する場合、表示された画像に直接働きかけるように、タップ、フリック等の操作を行う。タッチパネルディスプレイは、ディスプレイに表示される画像を変更することによって、多様な機能に対するユーザの操作を受け付けることができる。
【０００４】
タッチパネルディスプレイがユーザに対し触感を提供すると、ユーザ端末は、さらに多様なユーザ体験をユーザに与えることができる。特許文献１には、振動素子を備えた入力システムが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１８−０３６９５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１に記載の入力システムなどでは、振動素子は、操作面の裏面に接着剤によって固定されることが多い。振動素子の発生する振動を効率よく操作面に伝達するため、接着剤は剛性の大きい材料で構成されることが望ましい。
【０００７】
一方、剛性の大きい材料は、振動素子の振動により発生する応力と使用環境における応力とを十分に緩和することができないため、長期信頼性を確保することが難しい。そこで、振動素子の発生する振動を効率よく伝達するようにした上で、更に、長期信頼性を確保することができる振動デバイス及び振動伝達方法が要望されていた。
【０００８】
本発明は、振動の伝達と応力の緩和とを両立可能な、振動デバイスおよび振動伝達方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明にかかる振動デバイスは、振動を発生する振動素子と、振動素子が発生した振動に応じて振動する被振動体と、振動素子と被振動体との間に配置された硬化樹脂を有する接着層であって、接着層は、硬化樹脂よりも大きい剛性を有する材料からなるフィラー粒子を含有し、少なくとも１つのフィラー粒子は、一端が振動素子に接し、かつ、他端が被振動体に接する、接着層と、を備えることを特徴とする。
【００１０】
また、本発明にかかる振動デバイスにおいて、フィラー粒子の形状は球状であることが好ましい。
【００１１】
また、本発明にかかる振動デバイスにおいて、フィラー粒子の形状は星状であることが好ましい。
【００１２】
また、本発明にかかる振動デバイスにおいて、フィラー粒子の最大粒径は２０μm以上かつ５０μm以下であることが好ましい。
【００１３】
また、本発明にかかる振動デバイスにおいて、硬化樹脂は、フィラー粒子を５重量％以上かつ１０重量％以下含有することが好ましい。
【００１４】
また、本発明にかかる振動デバイスにおいて、フィラー粒子の形状は針状であることが好ましい。
【００１５】
また、本発明にかかる振動デバイスにおいて、フィラー粒子の剛性は、硬化樹脂の剛性よりも大きいことが好ましい。
【００１６】
また、本発明にかかる振動デバイスにおいて、フィラー粒子の材料はガラスまたはシリカであることが好ましい。
【００１７】
本発明にかかる振動伝達方法は、硬化樹脂と前記硬化樹脂よりも大きい剛性を有する材料からなるフィラー粒子とを有する接着層を介して被振動体に接着された振動素子が振動を発生するステップと、一端が振動素子に接し、かつ、他端が被振動体に接する少なくとも１つのフィラー粒子が、振動素子が発生した振動を被振動体に伝達するステップと、フィラー粒子が伝達する振動に応じて被振動体が振動するステップと、含むことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の振動デバイスおよび振動伝達方法によれば、振動の伝達と応力の緩和とを両立させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】（ａ）は振動デバイスの上面図であり、（ｂ）は振動デバイスの（ａ）におけるＡＡ′断面図であり、（ｃ）は振動デバイスの（ｂ）における部分Ｂの拡大図である。
【図２】振動デバイスを搭載する車両の模式図である。
【図３】接着剤のフィラー含有率と接着層への振動伝達率および信頼性との関係を示す図である。
【図４】第２実施形態の振動デバイスにおける振動素子と被振動体との接着部分の断面拡大図である。
【図５】第３実施形態の振動デバイスにおける振動素子と被振動体との接着部分の断面拡大図である。
【図６】比較用の振動デバイスの断面拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照して振動デバイスおよび振動伝達方法について詳細に説明する。ただし、本発明は図面または以下に記載される実施形態に限定されないことを理解されたい。
【００２１】
図１（ａ）は振動デバイスの上面図であり、図１（ｂ）は振動デバイスの図１（ａ）におけるＡＡ′断面図であり、図１（ｃ）は振動デバイスの図１（ｂ）における部分Ｂの拡大図である。
【００２２】
図１（ａ）及び図１（ｂ）に示す様に、振動デバイス１は、２つの振動素子１１と、被振動体１２と、２つの振動素子１１と被振動体１２との間にそれぞれ配置された接着層１３等を含んで構成される。
【００２３】
振動素子１１は、入力された電気信号に応じて振動を発生するピエゾ素子である。振動素子１１は、入力された電気信号に応じて振動を発生させる他の素子、例えば電磁モーターを有するバイブレータ等であってもよい。また、振動デバイス１では、２つの振動素子１１を有しているが、振動素子１１の装着個数は１つであって、３つ以上であってもよい。
【００２４】
被振動体１２は、振動素子１１が発生した振動に応じて操作面Ｐが振動する振動機能付きのタッチパッドと、タッチパッドの下方に配置された液晶ディスプレイを含んで構成されるタッチパネルディスプレイである。操作面Ｐの表面はガラス板で構成され、少なくとも操作面Ｐは透明となっており、下方に配置された液晶ディスプレイに表示された入力画面がユーザ側から視認可能である。入力画面に応じてユーザが操作面Ｐで操作動作を行うと、タッチパッドは、操作面Ｐにおけるユーザの接触位置を検出して、検出位置に応じた座標を出力する。これにより、被振動体１２は、入力画面に含まれるオブジェクトに対応する操作面Ｐ上の位置にタッチしたユーザの指に対し、振動によるフィードバックを与えることができる。
【００２５】
被振動体１２は、上記のように振動機能及び接触位置検出機能付きのタッチパネルディスプレイとしたが、これに限定されない。例えば、被振動体１２は、振動機能及び接触位置検出機能付きで、表示機能を有しないタッチパッドであってもよいし、単なる振動機能付きで、接触位置検出機能及び表示機能を有しないパネルまたはパッドであってもよい。
【００２６】
被振動体１２の操作面Ｐの表面は、ガラス板で構成されているが、これに限定されず、所定の剛性を有する他の材料、例えば、金属、樹脂などからなる板状体であってよい。操作面Ｐに接触したユーザが、振動素子１１が発生した振動に応じた被振動体１２の振動を感知することができることが重要である。
【００２７】
接着層１３は、振動素子１１と被振動体１２との間に配置され、振動素子１１と被振動体１２とを接着する。接着層１３は、硬化樹脂１３１と、硬化樹脂１３１中に分散されているフィラー粒子１３２とを有する。
【００２８】
硬化樹脂１３１は、樹脂が化学反応により硬化した樹脂組成物である。振動素子１１と被振動体１２との間に配置された流動性を有する接着剤が、化学反応により硬化して硬化樹脂１３１となり、振動素子１１と被振動体１２とが接着される。
【００２９】
本実施形態では、熱硬化型のエポキシ樹脂系の接着剤を用いて硬化樹脂１３１を形成し、その縦弾性係数は、２．４ＧＰａ程度であった。なお、熱硬化型のエポキシ樹脂系の接着剤は、樹脂に含まれる硬化剤が熱によって活性化し、硬化する。なお、硬化樹脂１３１の材料は、触媒を添加したシリコン樹脂を加熱により反応させて得られる樹脂、触媒を添加したウレタン樹脂を加熱により反応させて得られる樹脂であってもよい。シリコン樹脂の縦弾性係数は１０ＭＰａ程度であり、ウレタン樹脂の縦弾性係数は０．７〜７ＧＰａ程度である。すなわち、シリコン樹脂もウレタン樹脂も、フィラー粒子１３２に用いられるガラスビーズよりも剛性が小さい。
【００３０】
本実施形態では、フィラー粒子１３２として、最大粒径が３０μmの球状のガラスビーズを用い、その縦弾性係数は８０ＧＰａ程度であった。また、接着層１３は、フィラー粒子１３２を５重量％含有している。フィラー粒子１３２は、硬化前の接着剤に添加され、混練されることで、硬化樹脂１３１の内部に略均等に配置されている。フィラー粒子１３２がガラスビーズの場合、振動伝達率以外の接着層の特性に影響を与えることがないので好ましい。なお、フィラー粒子１３２としてガラスビーズを用いる代わりに、シリカを用いても良い。シリカの縦弾性係数は７２ＧＰａ程度である。すなわち、シリカは、硬化樹脂１３１に用いられるエポキシ樹脂、シリコン樹脂、ウレタン樹脂のいずれよりも剛性が大きい。この様に、選択されるフィラー粒子１３２は、硬化樹脂１３１の縦弾性係数より十分大きい縦弾性係数を有することが重要である。
【００３１】
図１（ｃ）に示す様に、振動デバイス１では、少なくとも一部のフィラー粒子１３２は、一端が振動素子１１に接し、他端が被振動体１２に接する様に、接着層１３中に配置されている。フィラー粒子１３２は、振動素子１１が発生した振動（図１（ｃ）のＳ１）を一端で受け、他端を介して被振動体１２に伝達する（図１（ｃ）のＳ２）。この様にして、被振動体１２は、フィラー粒子１３２から伝達された振動に応じて振動する（図１（ｃ）のＳ３）こととなる。
【００３２】
図５は、比較用の振動デバイスの断面部分拡大図である。
【００３３】
比較用の振動デバイス２００は、振動素子２１、被振動体２２、振動素子２１と被振動体２２との間に配置された接着層２３を有している。接着層２３は、硬化樹脂２３１と硬化樹脂２３１中に分散されたフィラー粒子２３２とを有する。フィラー粒子２３２は、接着層２３の厚さより十分に小さい粒径を有する球状のシリカである。
【００３４】
振動デバイス２００では、振動素子２１が発生した振動を、接着層２３が被振動体２２に伝達するが、フィラー粒子２３２の粒径が小さいため、振動素子２１及び被振動体２２の両方と接触するような粒子は存在していない。そのため、もっぱら振動素子２１が発生した振動は接着層２３全体で被振動体２２に伝達することとなる。縦弾性係数の大きい材料ほど大きい剛性を有し、振動を伝達し易い。接着層２３全体の縦弾性係数は、硬化樹脂２３１の縦弾性係数に支配されるので、接着層２３の振動伝達効率は低い。したがって、振動デバイス２００では、振動素子２１が発生した振動に応じて被振動体２２を十分に振動させることができない。
【００３５】
一方、本実施形態における振動デバイス１の接着層１３は、硬化樹脂１３１であるエポキシ組成物よりも大きい剛性を有するガラスビーズからなるフィラー粒子１３２を含有している。更に、少なくとも一部のフィラー粒子１３２が振動素子１１及び被振動体１２の両方と接触している。したがって、振動デバイス１では、十分な振動が振動素子１１から被振動体１２へ伝達されることとなる。一方、硬化樹脂１３１の剛性はフィラー粒子１３２ほど大きくはないので、振動素子１１の振動により発生する応力を十分に緩和させることが可能である。したがって、振動デバイス１は、振動の伝達と応力の緩和とを両立させることができる。
【００３６】
ここで、接着層１３の厚さとフィラー粒子１３２の粒径について考察する。
【００３７】
振動素子１１と被振動体１２とを十分な強度で接着し且つ振動素子１１の振動により発生する応力を十分に緩和させるためには、接着層１３の厚さを所定の厚さ以上とする必要がある。具体的には、接着層１３の厚さが薄くなると、剥離や衝撃に弱くなるため、接着層１３の厚さは２０μm以上であることが好ましい。一方、フィラー粒子１３２の量および材質にかかわらず、接着層１３が厚くなると、振動素子１１の振動を被振動体１２に対してより効率的に伝達することが難しいため、接着層１３の厚さは５０μm以下であることが好ましい。
【００３８】
前述した様に、フィラー粒子１３２の少なくとも一部は、振動素子１１及び被振動体１２の両方と接触する必要があるので、フィラー粒子１３２が球状の場合、最大粒径は接着層１３の厚さとほぼ同じとなる事が好ましい。即ち、フィラー粒子１３２が球状の場合、最大粒径は２０μm以上かつ５０μm以下であることが好ましい。フィラー粒子１３２の最大粒径が３０μmである振動デバイス１では、接着層１３は適切な強度を有し、かつ、振動素子１１の振動を被振動体１２に効率的に伝達することができる。
【００３９】
フィラー粒子１３２が球状の場合、フィラー粒子１３２を分散した未硬化の接着剤を振動素子１１及び被振動体１２との間に塗布し、加圧しながら熱硬化させれば、接着層１３の厚さをフィラー粒子１３２の最大粒径とほぼ同じにすることができる。球状のフィラー粒子１３２が振動素子１１及び被振動体１２との間隔を規制する規制部材として機能するからである。
【００４０】
図２は、振動デバイスを搭載する車両の模式図である。
【００４１】
振動デバイス１は、車両の車室においてセンターコンソールのシフトレバーＳの近傍に設置され、乗員の操作を受け付ける入力機器として使用される。乗員は、振動デバイス１に対して操作を行ったときに振動によるフィードバックを受けることにより、振動デバイス１を目視することなく操作の受付を把握することができる。
【００４２】
振動デバイス１は、車両の車室における他の位置、例えばステアリングホイールＷに取り付けられ、コントローラとして使用されてもよい。また、振動デバイス１は、車両に搭載されていなくてもよく、例えばパーソナルコンピュータやスマートフォンといった情報処理装置の入出力機器として使用されてもよい。
【００４３】
図３は、接着層のフィラー粒子の含有率と接着層の振動伝達率および信頼性との関係を示す図である。
【００４４】
図３では、横軸は接着層がフィラー粒子を含む重量％であるフィラー粒子含有率を示している。以下の測定は、図１に示す振動デバイス１（接着層１３の厚さ及びフィラー粒子１３２の最大粒径が３０μm）を用いて、フィラー粒子１３２の含有率のみを変化させながら行った。
【００４５】
グラフ１０１は、接着層のフィラー粒子含有率に対応する振動伝達率の変化を示している。振動伝達率は、接着層を介して振動素子の振動が伝達される被振動体の振動をレーザードップラー振動計によって計測することにより取得される。グラフ１０１に示すように、振動伝達率は、フィラー粒子含有率が３％から増加を始め、１０％からほぼ一定となる。
【００４６】
グラフ１０２は、接着層のフィラー粒子含有率に対応する信頼性の変化を示している。信頼性は、ヒートサイクル試験（ＪＩＳ  Ｃ  ６００６８−２−１４：２０１１）を行うことにより測定される。グラフ１０２に示すように、接着層の信頼性は、フィラー粒子含有率が増加するにつれて逓減する。
【００４７】
フィラー粒子含有率を上げれば上げるほど、信頼性は下がってしまう。一方、フィラー粒子含有率が１０％より大きくなっても振動伝達率が上がらない。他方、フィラー粒子含有率が５％以上となれば、所望の振動伝達率が得られている。以上より、振動デバイス１に使用される接着層１３のフィラー粒子含有率を５重量％以上かつ１０重量％以下とすると、信頼性を維持しつつ振動伝達率を向上させることができる。
【００４８】
図４は、第２実施形態の振動デバイスにおける振動素子と振動体との接着部分の断面拡大図である。
【００４９】
第２実施形態の振動デバイス１′では、球状のフィラー粒子１３２に代えて、星状のフィラー粒子１３２′を用いている点のみ第１の実施形態の振動デバイス１と異なる。フィラー粒子１３２′以外の振動デバイス１′の構成は、同一符号が付された振動デバイス１の構成と同一であるので、詳細な説明は省略する。
【００５０】
振動デバイス１′では、フィラー粒子１３２′は、最大粒径が約３０μmの星状のガラス粒子である。フィラー粒子１３２′は、全体として略球状の外観を有し、球状の表面から放射状に突出する多数の突起を有する。ここで、星状のガラス粒子の最大粒径とは、ある突起の先端から、球の中心に対して対称な位置にある突起の先端までの距離をいう。
【００５１】
接着層１３′の厚さは振動デバイス１の接着層１３と同じ厚さ（３０μm）とした。振動デバイス１′においても、フィラー粒子１３２′の少なくとも一部は振動素子１１及び被振動体１２の両方に接しているため、振動素子１１の振動を効率良く被振動体１２に伝達することが可能となる。
【００５２】
星状のフィラー粒子１３２′が分散された接着剤を振動素子１１及び被振動体１２の間に塗布し、振動素子１１及び被振動体１２の間隔を治具等を用いて所定の厚さ（３０μm）に規制した上で加熱することによって、図４に示すような接着層１３′を形成できる。
【００５３】
なお、星状のフィラー粒子１３２′は、振動素子１１および被振動体１２に対して複数の点で接するため、より効率よく振動素子１１の振動を被振動体１２に伝達することができる。
【００５４】
図５は、第３実施形態の振動デバイスにおける振動素子と振動体との接着部分の断面拡大図である。
【００５５】
第３実施形態の振動デバイス１′′では、球状のフィラー粒子１３２に代えて、針状のフィラー粒子１３２′′を用いている点のみ第１の実施形態の振動デバイス１と異なる。フィラー粒子１３２′′以外の振動デバイス１′′の構成は、同一符号が付された振動デバイス１の構成と同一であるので、詳細な説明は省略する。
【００５６】
振動デバイス１′′では、フィラー粒子１３２′′は、長径が約８０μm及び短径が約２０μmの針状のガラス粒子である。接着層１３′′の厚さは、フィラー粒子１３２′′の短径と同じ厚さ（２０μm）とした。振動デバイス１′′においても、フィラー粒子１３２′′の少なくとも一部は振動素子１１及び被振動体１２の両方に接しているため、振動素子１１の振動を効率良く被振動体１２に伝達することが可能となる。
【００５７】
針状のフィラー粒子１３２′′が分散された接着剤を振動素子１１及び被振動体１２の間に塗布し、振動素子１１及び被振動体１２の間隔を治具等を用いて所定の厚さ（２０μm）に規制した上で加熱することによって、図４に示すような接着層１３′′を形成できる。
【００５８】
なお、針状のフィラー粒子１３２′′は球状のフィラー粒子１３２に比較して振動伝達効率は低いが、球状のフィラー粒子１３２よりも安価であり、振動デバイス１′′は振動デバイス１よりも安価に製造することができる。
【００５９】
上述した振動デバイス１、振動デバイス１′、および振動デバイス１′′において、フィラー粒子１３２、フィラー粒子１３２′、またはフィラー粒子１３２′′の材料としてシリカを利用した場合、振動素子１１及び被振動体１２と、接着層１３との線膨張率を近似させるような調整が可能となる。これによって、振動デバイス１、１′、１′′が動作する環境温度が変化しても、より安定した動作を長期間行えるようになる。
【００６０】
なお、振動デバイス１は、フィラー粒子として、上述した球状のフィラー粒子１３２、星状のフィラー粒子１３２′、および針状のフィラー粒子１３２′′以外の形状を有する粒子を使用してもよい。例えば、楕円状、六角形、楔形といった、突出部分を有する形状の粒子を使用して、フィラー粒子の一端が振動素子１１に接し、かつ、他端が被振動体１２に接するように接着層を構成すればよい。
【００６１】
当業者は、本発明の精神および範囲から外れることなく、種々の変更、置換および修正をこれに加えることが可能であることを理解されたい。
【符号の説明】
【００６２】
１    振動デバイス
１１    振動素子
１２    被振動体
１３    接着層
１３１    硬化樹脂
１３２    フィラー粒子
【図１】
2020046861.tif 000003
【図２】
2020046861.tif 000004
【図３】
2020046861.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2020046861.tif 000008