(57)【要約】【課題】支持フレームに一体成型された圧電アクチュエータユニットおよびその製造方法を提供する。【解決手段】圧電アクチュエータユニットは、タッチパネル式入力装置に組み込まれ、振動を接触対象に伝達する圧電アクチュエータユニットであって、接触による入力に応じ振動する圧電アクチュエータ１４０と、熱可塑性樹脂で形成され、圧電アクチュエータ１４０の一部が一体形成により埋設されることで、圧電アクチュエータ１４０を支持する支持フレーム１２０と、圧電アクチュエータから振動が伝えられるタッチパネルと、を備える。これにより、一体化により工数を減少させるとともに、安定して振動を伝達する圧電アクチュエータユニットを作製することができる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タッチパネル式入力装置に組み込まれ、振動を接触対象に伝達する圧電アクチュエータユニットであって、
接触による入力に応じ振動する圧電アクチュエータと、
熱可塑性樹脂で形成され、前記圧電アクチュエータの一部が一体成型により埋設されることで、前記圧電アクチュエータを支持する支持フレームと、
前記圧電アクチュエータから振動が伝えられるタッチパネルと、を備えることを特徴とする圧電アクチュエータユニット。
【請求項２】
前記支持フレームは、前記圧電アクチュエータを構成する圧電体の分極温度より高いガラス転移温度を有する熱可塑性樹脂で形成されていることを特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータユニット。
【請求項３】
前記支持フレームを形成する樹脂は、２００℃以上のガラス転移点を有することを特徴とする請求項１または請求項２記載の圧電アクチュエータユニット。
【請求項４】
前記圧電アクチュエータは、バイモルフ型の圧電アクチュエータであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の圧電アクチュエータユニット。
【請求項５】
タッチパネル式入力装置に組み込まれ、振動を接触対象に伝達する圧電アクチュエータユニットの製造方法であって、
圧電アクチュエータの一部を樹脂の中に埋設するように、前記圧電アクチュエータと前記圧電アクチュエータを支持する支持フレームとを一体成型する成型工程と、
前記成型工程後に、前記圧電アクチュエータの圧電体に対して分極処理を行う分極工程と、を有することを特徴とする圧電アクチュエータユニットの製造方法。
【請求項６】
前記成型工程前に、あらかじめ駆動用の端子と前記圧電アクチュエータの電極との接続を行い配置しておくことを特徴とする請求項５記載の圧電アクチュエータユニットの製造方法。
【請求項７】
前記成型工程では、端子を支持フレームに埋設し、
前記分極工程後に、前記端子を前記圧電アクチュエータへ接続する接続工程を更に有することを特徴とする請求項５記載の圧電アクチュエータユニットの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タッチパネル式入力装置に組み込まれ、振動を接触対象に伝達する圧電アクチュエータユニットおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
タッチパネルの表面は平坦で滑らかであるため、機械的なスイッチと比較すると、ユーザは、正しく操作できているのかどうかを判断し難いという事情があった。このため、従来から、操作するユーザの指先に振動を与えて操作の感覚をフィードバックするタッチパネルが提案されている。このように、操作するユーザの指先に振動を与えるフィードバック方式は、触覚フィードバックと呼称されている。
【０００３】
触覚フィードバック用の振動発生手段としては、タッチパネルを支持するバイモルフ型の圧電アクチュエータが知られており、これがタッチパネルの下に組み込まれ、振動を接触対象に伝達する（たとえば、特許文献１参照）。特許文献１記載の入出力装置は、支持フレームまたはタッチパネルに接着剤により圧電アクチュエータを固定している。一方、情報端末機器などの音声拡声の分野で、金属振動板の全体と接続端子の一部とを同時にモールドして形成された圧電型振動子が開示されている（たとえば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００４−０９４３８９号公報
【特許文献２】特開２００４−１８８２６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のように、タッチパネル式入力装置では、圧電アクチュエータは安定して支持されるとともにタッチパネルに十分な振動を伝達することが求められる。本発明者はこのような事情を考慮して、圧電アクチュエータを樹脂製の支持フレームに一体成型で固着させることに想到した。
【０００５】
しかしながら、圧電アクチュエータを樹脂中に一体成型で固着させると、一体成型の際に圧電体のキュリー点以上の温度を有する樹脂を流し込む必要が生じる場合が多く、その場合には圧電体の分極が消極する。圧電体の分極が消えると圧電アクチュエータは屈曲する機能が失われ、タッチパネル式入力装置は振動を発生させることができなくなる。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、支持フレームに一体成型された圧電アクチュエータユニットおよびその製造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】
【０００７】
（１）上記の目的を達成するために、本発明は、以下のような手段を講じた。すなわち、本発明の圧電アクチュエータユニットは、タッチパネル式入力装置に組み込まれ、振動を接触対象に伝達する圧電アクチュエータユニットであって、接触による入力に応じ振動する圧電アクチュエータと、熱可塑性樹脂で形成され、前記圧電アクチュエータの一部が一体形成により埋設されることで、前記圧電アクチュエータを支持する支持フレームと、前記圧電アクチュエータから振動が伝えられるタッチパネルと、を備えることを特徴としている。
【０００８】
このように、本発明の圧電アクチュエータユニットは、熱可塑性樹脂で形成され、圧電アクチュエータの一部が支持フレームに一体成型（インサート成型）で埋設されている。これにより、一体化により工数を減少させるとともに、安定して振動を伝達する圧電アクチュエータユニットを作製することができる。
【０００９】
（２）また、本発明の圧電アクチュエータユニットにおいて、前記支持フレームは、前記圧電アクチュエータを構成する圧電体の分極温度より高いガラス転移温度を有する熱可塑性樹脂で形成されていることを特徴としている。したがって、圧電アクチュエータの一部が支持フレームに一体成型で埋設されている圧電アクチュエータユニットを製造するためには、製造工程で成形工程後に圧電アクチュエータの圧電体に対して分極処理を行う必要が生じる。成形工程で消極温度以上の温度まで圧電体が加熱されても、その後の分極処理により確実に分極処理がなされ、圧電アクチュエータを支持フレームに一体成型（インサート成型）した圧電アクチュエータユニットを製造することができる。
【００１０】
なお、分極温度とは、キュリー温度より低い温度で、分極処理する際に圧電体を維持すべき最低の温度である。一方、消極温度は、分極温度以下の温度で、圧電体をその温度以上に加熱すると、圧電体がアクチュエータとして機能しない程度まで圧電体が有する分極特性が減少する温度である。たとえば、キュリー温度が約３００℃のＰＺＴ圧電体について、分極温度は約１８０℃、消極温度が約１００℃である例が確認されている。
【００１１】
（３）また、本発明の圧電アクチュエータユニットにおいて、前記支持フレームを形成する樹脂は、２００℃以上のガラス転移点を有することを特徴としている。これにより、キュリー温度が２００℃に満たない圧電体を用いた圧電アクチュエータを支持フレームと一体成型する場合には、成型工程を行った後に圧電アクチュエータの分極処理を行う必要が生じる。このような条件を満たす圧電体にはＰＺＴ等の圧電アクチュエータに適した圧電体が含まれる。
【００１２】
（４）また、本発明の圧電アクチュエータユニットにおいて、前記圧電アクチュエータは、バイモルフ型の圧電アクチュエータであることを特徴としている。バイモルフ型は対称的な形状であるため、一体成型後の冷却時に熱膨張差により圧電アクチュエータが反ることはなくなる。
【００１３】
（５）また、本発明の圧電アクチュエータユニットの製造方法は、タッチパネル式入力装置に組み込まれ、振動を接触対象に伝達する圧電アクチュエータユニットの製造方法であって、圧電アクチュエータの一部を樹脂の中に埋設するように、前記圧電アクチュエータと前記圧電アクチュエータを支持する支持フレームとを一体成型する成型工程と、前記成型工程後に、前記圧電アクチュエータの圧電体に対して分極処理を行う分極工程と、を有することを特徴としている。
【００１４】
このように、本発明の圧電アクチュエータユニットの製造方法では、成形工程後に圧電アクチュエータの圧電体に対して分極処理を行う。したがって、成形工程で消極温度以上の温度まで圧電体が加熱されても、その後の分極処理により確実に分極がなされる。その結果、一体化により工数を減少させるとともに、安定して振動を伝達する圧電アクチュエータユニットを作製することができる。
【００１５】
（６）また、本発明の圧電アクチュエータユニットの製造方法の前記成型工程前に、あらかじめ駆動用の端子と前記圧電アクチュエータの電極との接続を行い配置しておくことを特徴としている。これにより、後で端子を圧電体の電極に接続する手間を省くことができる。
【００１６】
（７）また、本発明の圧電アクチュエータユニットの製造方法の前記成型工程では、端子を支持フレームに埋設し、前記分極工程後に、前記端子を前記圧電アクチュエータへ接続する接続工程を更に有することを特徴としている。このように分極工程後に端子を圧電アクチュエータの電極に接続するため、あらかじめ配線や分極時の電圧の向き等を設定せずに簡易に成型および分極工程を行うことができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、一体化により工数を減少させるとともに、安定して振動を伝達する圧電アクチュエータユニットを作製することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１９】
（第１の実施形態）
図１は、タッチパネル式入力装置１００の構成を示す概略図である。このタッチパネル式入力装置１００は、触覚フィードバック機能と音響フィードバック機能とを有している。タッチパネル式入力装置１００は、圧電アクチュエータユニット１１０、タッチパネル回路１７０、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）１８０、Ｄ級アンプ１９０から構成されている。
【００２０】
圧電アクチュエータユニット１１０は、支持フレーム１２０、圧電アクチュエータ１４０およびタッチパネル１６０を有し、タッチパネル式入力装置に組み込まれ、タッチパネルへの接触に対して触覚または音響フィードバックとして振動を接触対象に伝達する。タッチパネル１６０は、図示しないディスプレイ装置に表示された画像の表示位置に対応する位置における接触を検出して入力信号を発生する。タッチパネル回路１７０は、タッチパネル１６０から得られる信号を処理することによって、タッチパネル１６０のパネル面でユーザの指先が接触する位置を表す信号を出力する。
【００２１】
デジタルシグナルプロセッサ１８０は、タッチパネル１６０上の接触位置を表す信号を受信し、その位置に応じて所定の音響および触覚振動を発生させるように、音響信号と触覚信号とを混合した混合信号をＤ級アンプ１９０に出力する。デジタルシグナルプロセッサ１８０では、音響信号と触覚信号との区別をすることは無く、両者を混合させて出力する。
【００２２】
Ｄ級アンプ１９０は、デジタルシグナルプロセッサ１８０から入力された混合信号に基づいて、圧電アクチュエータ１４０を駆動する。Ｄ級アンプ１９０は、入力されたアナログ信号をＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｅ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号に変換し、スイッチング回路を通したＰＷＭ信号をＬＣフィルタに通すことにより電力的に増幅されたアナログ信号を出力するアンプである。圧電素子は容量性を持つため、Ｄ級アンプに必要なＬＣフィルタのコンデンサを不要とすることができる。また、容量性負荷である圧電素子（圧電アクチュエータ）を一般のアナログアンプにより駆動すると、電流の位相が電圧と９０度ずれるため、発熱が大きいのに対し、Ｄ級アンプ１９０はスイッチングにより増幅するため、発熱が小さく、熱を拡散するヒートシンクが不要となることから、小型化にも有利である。このようにして圧電アクチュエータ１４０は、タッチパネル１６０への接触を検知したときに振動することで、音響または触覚フィードバックが可能となる。
【００２３】
図２（ａ）、（ｂ）は、圧電アクチュエータユニット１１０の概略構成を示す平面図および正面図である。圧電アクチュエータユニット１１０は、タッチパネル式入力装置１００がタッチパネル１６０への接触を検知したときに振動を接触対象に伝達する。支持フレーム１２０は、タッチパネル式入力装置１００の画面の枠を形成し、その上に設置された圧電アクチュエータ１４０を支持する。圧電アクチュエータ１４０の上には、タッチパネル１６０が設置される。
【００２４】
支持フレーム１２０は、樹脂製であり、タッチパネルの画面表示部分を中空１２１とした長方形の枠状に形成されている。支持フレーム１２０を形成する樹脂は成型性に優れたものが好ましく、液晶ポリマー、ＡＢＳ、ポリカーボネート、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）等が挙げられる。
【００２５】
支持フレーム１２０を形成する樹脂は、圧電体の分極温度より高いガラス転移温度を有する熱可塑性樹脂である。このガラス転移温度は、分極処理時に樹脂が形状を維持するためには分極温度より高い方が好ましい。具体的には１００℃以上であることが好ましく、ＰＺＴ等の圧電材料を考慮すると２００℃以上がさらに好ましい。特に、液晶ポリマーは、その結晶性により薄くても形状を保つことができ、耐熱性にも優れているため支持フレーム１２０の材料として好ましい。支持フレーム１２０は、圧電アクチュエータ１４０を設置するための４つの矩形状の溝穴部１２２を有している。溝穴部１２２は、圧電アクチュエータ１４０を収納できるだけのスペースを有している。なお、分極温度とは、キュリー温度より低い温度で、分極処理する際に圧電体を維持すべき最低の温度である。
【００２６】
圧電アクチュエータ１４０は、屈曲型のアクチュエータで、溝穴部１２２に収まるサイズで矩形に形成されている。圧電アクチュエータ１４０の支持フレーム１２０側の主面の長手方向両端には支持用固定部１５１が設けられ、支持用固定部１５１により圧電アクチュエータ１４０が支持フレーム１２０に固着されている。また、圧電アクチュエータ１４０のタッチパネル１６０側の主面の長手方向中央部には、駆動用固定部１５２が設けられており、駆動用固定部１５２によりタッチパネル１６０が圧電アクチュエータ１４０に固着している。これにより、圧電アクチュエータ１４０の振動がタッチパネル１６０に伝わり、音響または触覚フィードバック信号をユーザに伝達することができる。
【００２７】
支持用固定部１５１および駆動用固定部１５２は、シリコンゴム等の弾性ゴムによりシート状または板状に形成され、接着剤の塗布または両面テープの貼付により圧電アクチュエータ１４０、支持フレーム１２０またはタッチパネル１６０に固着されている。タッチパネル１６０は、ポリエステル等の透明なフィルムまたは樹脂板であり、圧電アクチュエータ１４０の駆動用固定部１５２により支持されている。また、タッチパネル１６０は、タッチパネル式入力装置１００の外側のフレームにより周縁部を固定されている（図示せず）。
【００２８】
図３は、圧電アクチュエータが設置された支持フレーム１２０の構成を、端子接続を含めて示す平面図である。図４（ａ）〜（ｃ）は、支持フレーム１２０の溝穴部１２２の一つを拡大して示した平面図、正面図および断面図である。図４（ｃ）は、図４（ａ）に示す断面４ｃを矢印の方向から見た図である。４つの溝穴部１２２は同等であるため、主に図３において左下に示される溝穴部１２２について説明する。
【００２９】
図３および図４に示すように、支持フレーム１２０には、端子１２５ａ〜１２７ｄが埋設されている。端子１２５ａ〜１２７ｄは、弾性を有する金属により形成され、支持フレーム１２０の成型時にインサート成型により埋設されるのが好ましい。支持フレーム１２０の作製には、端子１２５ａ〜１２７ｄを含めたインサート成型を行う。その際には、金型に端子１２５ａ〜１２７ｄをセッティングし、加熱により可塑化した樹脂を注入して行う。
【００３０】
溝穴部１２２は貫通した矩形の穴であり、圧電アクチュエータ１４０はシム板１４８が支持フレーム１２０に埋設されていることにより固定されている。シム板１４８が埋設された溝穴部１２２の近傍には、接続用穴部１２８ａ〜１３０ｄが端子１２５ａ〜１２７ｄと電極１４５〜１４７との接続数に対応して設けられている。端子１２５ａ〜１２７ｄと電極１４５〜１４７とは、それぞれの接続用穴部１２８ａ〜１３０ｄにおいて結合部１５５により接続されている。結合部１５５には、たとえばハンダまたは導電性接着剤のような導通がとれ金属部材同士を結合できる材料が用いられる。
【００３１】
圧電アクチュエータ１４０は、シム板１４８の両側に積層平板状の圧電素子を貼り付けたバイモルフ型の圧電アクチュエータである。図３および図４に示すように、圧電アクチュエータ１４０は、設置時に溝穴部１２２の開口側から電極１４５、圧電体１４０ａ、電極１４６、圧電体１４０ｂ、電極１４７の順に電極と圧電体とが交互に積層されている。なお、圧電体と金属の収縮率が異なり、インサート成型後の冷却時にユニモルフ型の圧電アクチュエータ１４０は反ってしまうことから、ユニモルフ型の圧電アクチュエータ１４０は適さない。
【００３２】
図４に示すように、電極１４５〜１４７は、端子側のシム板１４８上にまで延設されており、シム板１４８ごと支持フレーム１２０内に、一体成型、具体的にはインサート成型により埋設されている。各電極を絶縁するため、シム板１４８として絶縁性のものを用いるか、シム板１４８と電極とを絶縁しておく。電極１４５は、支持フレーム１２０に埋設された端子１２５ａに接続用穴部１２８ａにおいて結合部１５５により接続されており、電極１４７にも接続されている。また、電極１４６、１４７は、支持フレーム１２０に埋設された端子１２６ａ、１２７ａと結合部１５５により接続されている。なお、上記の例のように電極１４５〜１４７を延設したシム板１４８を支持フレーム１２０に埋設するのではなく、各電極１４５〜１４７をそれぞれ埋設してもよい。その場合には金属製シム板をそのまま電極１４６として用いてもよい。
【００３３】
次に、圧電アクチュエータユニット１１０の製造方法を説明する。図５は、圧電アクチュエータユニット１１０の製造方法を示すフローチャートである。まず、端子１２５ａ〜１２７ｄおよび未分極の圧電アクチュエータ１４０を所定位置に設置し、金型をセットする（ステップＳ１）。端子１２５ａ〜１２７ｄおよび電極１４５〜１４７は、接続用穴部１２８ａ〜１３０ｄ内で近接するようにあらかじめ配置しておく。次に、熱可塑性の樹脂をガラス転移点以上（３００〜５００℃）に加熱して、樹脂を金型に注入する（ステップＳ２）。そのまま冷却し、十分に冷却できたら、金型から支持フレーム１２０を脱型して取り出す（ステップＳ３）。このようにして圧電アクチュエータ１４０の支持フレーム１２０へのインサート成型を行う。ステップＳ１からＳ３までが成型工程である。
【００３４】
取り出した支持フレーム１２０では、端子１２５ａ〜１２７ｄと圧電体の電極１４５〜１４７とが接続されていない状態である。その状態において、圧電アクチュエータ１４０の電極１４５〜１４７に直接電圧を印加するため分極用の端子を圧電体の電極１４５〜１４７に接続する（ステップＳ４）。そして、分極工程として分極用の端子を用いて、分極処理をする（ステップＳ５）。
【００３５】
分極処理は、支持フレーム１２０を圧電体１４０ａ、１４０ｂのキュリー温度以上であって支持フレーム１２０を形成する樹脂のガラス転移点以下の温度で加熱し、直流電圧を印加する。これにより、支持フレーム１２０内にインサート成型された圧電体に圧電性を発現させる。加熱温度は、２００℃程度が好ましい。分極時の電圧の印加方向等については後述する。分極処理を終えたら、分極用の端子を電極１４５〜１４７から外して、接続工程として駆動用の端子１２５ａ〜１２７ｄを接続する（ステップＳ６）。この際、支持フレーム１２０中に開けられた接続用穴部１２８ａ〜１３０ｄで電気的配線を行う。
【００３６】
最後にタッチパネル１６０を各圧電アクチュエータの駆動用固定部１５２に固着することで圧電アクチュエータユニット１１０を製造することができる（ステップＳ７）。このように、未分極の圧電アクチュエータ１４０をインサート成型して、支持フレーム１２０を形成した後に分極処理を行うことで、圧電機能を発現させる。これにより、成型時の加熱による圧電体１４０ａ、１４０ｂの消極を防止することができる。
【００３７】
また、上記の例では、分極処理後に端子１２５ａ〜１２７ｄと電極１４５〜１４７との接続を行うが、成型工程前にあらかじめ接続した状態で配置しておき、インサート成型を行い端子１２５ａ〜１２７ｄおよび電極１４５〜１４７を支持フレーム１２０に埋設してもよい。
【００３８】
次に、分極処理および駆動時における電圧の印加方向について説明する。図６（ａ）は、分極時における圧電アクチュエータ１４０および印加電圧を示す概略図、（ｂ）および（ｃ）は、いずれも駆動時における圧電アクチュエータ１４０および印加電圧を示す概略図である。図６（ａ）に示すように、分極処理時には、シム板１４８の両面に配置されたいずれの圧電体１４０ａ、１４０ｂに対しても同じ向きに直流電圧を印加する。その結果、圧電体１４０ａの分極方向と圧電体１４０ｂの分極方向が同じになる。
【００３９】
分極処理後、圧電アクチュエータ１４０を駆動する際には、図６（ｂ）（ｃ）に示すように、圧電体１４０ａには分極時と同方向（又は逆方向）に電圧を印加する。また、圧電体１４０ｂには分極時と逆方向（又は同方向）に電圧を印加する。このような電圧の印加方向は、あらかじめ所定の電源に接続された端子１２５ａ〜１２７ｄと電極１４５〜１４７とを配線する際に調整してもよいし、電源側でそのように電圧が印加されるように配線を調整してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係るタッチパネル式入力装置の構成を示す概略図である。
【図２】（ａ）、（ｂ）本発明に係る圧電アクチュエータユニットの概略構成を示す平面図および正面図である。
【図３】本発明に係る圧電アクチュエータが設置された支持フレームの構成を、端子接続を含めて示す平面図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）本発明に係る支持フレームの溝穴部の一つを拡大して示した平面図、正面図および断面図である。
【図５】本発明に係る圧電アクチュエータユニットの製造方法を示すフローチャートである。
【図６】（ａ）分極時における圧電アクチュエータおよび印加電圧を示す概略図、（ｂ）（ｃ）駆動時における圧電アクチュエータおよび印加電圧を示す概略図である。
【符号の説明】
【００４１】
１００  タッチパネル式入力装置
１１０  圧電アクチュエータユニット
１２０ 支持フレーム
１２２ 溝穴部
１２５ａ−１２７ｄ  端子
１２８ａ−１３０ｄ  接続用穴部
１４０  圧電アクチュエータ
１４０ａ、１４０ｂ  圧電体
１４５−１４７  電極
１４８  シム板
１５１  支持用固定部
１５２  駆動用固定部
１５５  結合部
１６０  タッチパネル
１７０  タッチパネル回路
１８０  デジタルシグナルプロセッサ
１９０  Ｄ級アンプ
【図１】
2009214060.tif 000003
【図２】
2009214060.tif 000004
【図３】
2009214060.tif 000005
【図４】
2009214060.tif 000006
【図５】
2009214060.tif 000007
【図６】
2009214060.tif 000008