(57)【要約】【課題】圧電アクチュエータの端子を精度よく位置決めしつつ保持し、圧電アクチュエータの駆動を妨げることなくタッチパネルに振動を伝達できる圧電アクチュエータユニットを提供する。【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、接触による入力を検知したときに振動する圧電アクチュエータ１４０と、圧電アクチュエータを支持し、圧電アクチュエータに接続される端子１２５ａ〜１２６ｄが埋設された樹脂製の支持フレーム１２０と、圧電アクチュエータ１４０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、端子１２５ａ〜１２６ｄが高精度に位置決めされて保持され、圧電アクチュエータ１４０の駆動を妨げることなくタッチパネルに適切な振動を伝達することができる。【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、
接触による入力を検知したときに振動する圧電アクチュエータと、
前記圧電アクチュエータを支持し、前記圧電アクチュエータに接続される端子が埋設された樹脂製の支持フレームと、
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の両端部を支持し、前記圧電アクチュエータに接触する側の断面形状が上に凸の曲線を描く一対の支持部を有す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】
前記支持部は、金属製であり、前記支持フレームの本体に一体成型により固定されていることを特徴とする請求項２記載の圧電アクチュエータユニット。
【請求項４】
前記支持部は、前記端子と前記圧電アクチュエータとを電気的に接続していることを特徴とする請求項３記載の圧電アクチュエータユニット。
【請求項５】
前記端子は、弾性を有する金属により形成され、０．０２ｍｍ以上０．３ｍｍ以下の厚みおよび前記圧電アクチュエータの幅の１／２０以上１／５以下の幅を有していることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の圧電アクチュエータユニット。
【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、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、操作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、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ものが知られている（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、タッチパネルと支持フレームの間に配置され、タッチパネルを介して異なる種類の触覚を使用者にフィードバックさせるバイモルフ型圧電アクチュエータを備えている。そして、振動制御手段により種類に応じて異なる振動をバイモルフ型圧電アクチュエータに発生させている。
【特許文献１】特開２００４−９４３８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のような入出力装置では、端子を所定位置に精度よく形成し、端子と圧電アクチュエータとの接続を注意深く行わなければ、圧電アクチュエータの振動が拘束されたり、逆にパネルに振動が伝わりすぎたりすることも生じうる。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、圧電アクチュエータの端子を精度よく位置決めしつつ保持し、圧電アクチュエータの駆動を妨げることなくタッチパネルに振動を伝達できる圧電アクチュエータユニット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】
【０００６】
（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、接触による入力を検知したときに振動する圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータを支持し、前記圧電アクチュエータに接続される端子が埋設された樹脂製の支持フレームと、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。
【０００７】
このように、本発明の圧電アクチュエータユニットは、樹脂製の支持フレームに埋設されている端子を有するため、端子が高精度に位置決めされて保持される。その結果、圧電アクチュエータの支持が容易になり、圧電アクチュエータの駆動を妨げることなくタッチパネルに振動を伝達できる。また、一方ではフレキシブル基板などを用いるのに比べて低コスト化を図ることもできる。
【０００８】
（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の両端部を支持し、前記圧電アクチュエータに接触する側の断面形状が上に凸の曲線を描く一対の支持部を有することを特徴としている。
【０００９】
このように、圧電アクチュエータに接触する側の境界線が上に凸の曲線を描く断面形状を有しているため、その上に設置される圧電アクチュエータが屈曲していない状態でも、凹又は凸状に屈曲した状態でも、圧電アクチュエータと支持部との接触面積は変わらない。したがって、支持部は安定して圧電アクチュエータを支持することができる。また、たとえば断面がエッジ状の支持部と比較して圧電アクチュエータを支える面積が大きくなり、安定した支持が可能となる。
【００１０】
（３）また、本発明の圧電アクチュエータユニットにおいて、前記支持部は、金属製であり、前記支持フレームの本体に一体成型により固定されていることを特徴としている。これにより、硬い支持部により圧電アクチュエータが支持されるため、圧電アクチュエータの振動を十分にパネルに伝えることができる。
【００１１】
（４）また、本発明の圧電アクチュエータユニットにおいて、前記支持部は、前記端子と前記圧電アクチュエータとを電気的に接続していることを特徴としている。これにより、端子を圧電アクチュエータに電気的に接続することができ、効率のよい構成で圧電アクチュエータユニットを形成することができる。
【００１２】
（５）また、本発明の圧電アクチュエータユニットにおいて、前記端子は、弾性を有する金属により形成され、０．０２ｍｍ以上０．３ｍｍ以下の厚みおよび前記圧電アクチュエータの幅の１／２０以上１／５以下の幅を有していることを特徴としている。このような条件で形成された端子を有しているため、圧電アクチュエータユニットは十分にタッチパネルに振動を伝達することができ、低コストで作製可能なものとすることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、端子が高精度に位置決めされて保持される。その結果、圧電アクチュエータの支持が容易になり、圧電アクチュエータの駆動を妨げることなくタッチパネルに振動を伝達できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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。
【００１５】
（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。
【００１６】
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、触覚または音響フィードバック用に用いられる。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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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、ポリカーボネート等が挙げられるが特に限定されるものではない。ただし、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。
【００２１】
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。
【００２２】
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）。
【００２３】
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）〜（ｄ）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２つの断面図である。図４（ｃ）（ｄ）は、図４（ａ）に示す断面４ｃおよび４ｄをそれぞれ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。
【００２４】
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〜１２６ｄが埋設されている。端子１２５ａ〜１２６ｄ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に埋設された端子１２５ａ〜１２６ｄは、圧電アクチュエータ１４０の屈曲変形を極力妨げないようにする必要がある。そこで、圧電アクチュエータ１４０の駆動力の観点から、材質はバネ性に優れているリン青銅が望ましい。また、同様の観点から端子１２５ａ〜１２６ｄの厚みは、圧電アクチュエータ１４０の幅の１／２０以上１／５以下の幅であることが好ましい。さらには、０．０２ｍｍ以上０．３ｍｍ以下であることが好ましい。
【００２５】
支持フレーム１２０の作製には、端子１２５ａ〜１２６ｄ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〜１２６ｄ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。これにより、高精度に位置決めしつつ端子１２５ａ〜１２６ｄを形成することができる。その結果、圧電アクチュエータの支持が容易になり、圧電アクチュエータ１４０の駆動を妨げることなくタッチパネル１６０に振動を伝達することができる。また、一方ではフレキシブル基板などを用いるのに比べて低コスト化を図ることもできる。
【００２６】
溝穴部１２２の底には、平面の台状に形成された支持部１２２ａが設けられており、圧電アクチュエータ１４０は支持部１２２ａ上に支持用固定部１５１により固定される。溝穴部１２２には、その側面から支持フレーム１２０に埋設された端子１２５ａ〜１２６ｄが突出している。
【００２７】
溝穴部１２２の突出した端子１２５ａ〜１２６ｄ側の底面には、貫通孔１２９が設けられている。端子１２５ａ〜１２６ｄの突出を形成するにあたり、設計時に端子１２５ａ〜１２６ｄの突出部分を金型で挟む必要があり、貫通孔１２９によりインサート成型に必要な金型の設計を簡易にすることができる。
【００２８】
圧電アクチュエータ１４０は、金属シム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（金属シム）、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、圧電アクチュエータ１４０は、ユニモルフ型であってもよい。電極１４５は、支持フレーム１２０に埋設された端子１２５ａ〜１２５ｄに結合部１４８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は、支持フレーム１２０に埋設された端子１２６ａ〜１２６ｄと結合部１４９により接続されている。結合部１４８、１４９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。
【００２９】
（第２の実施形態）
上記の実施形態では、溝穴部１２２内の平面の台状に形成された支持部１２２ａによりシート状の支持用固定部１５１を介して圧電アクチュエータ１４０が支持されているが、溝穴部２２２内に形成された支持部２５１により支持されていてもよい。図５（ａ）、（ｂ）は、それぞれ圧電アクチュエータ１４０が設置された支持フレーム２２０を示す平面図および断面図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す断面５ｂを矢印の方向から見た図である。また、図６（ａ）、（ｂ）は、支持フレーム２２０を示す平面図および断面図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）に示す断面６ｂを矢印の方向から見た図である。なお、上記の実施形態と同様に、支持フレーム２２０には４つの溝穴部２２２が設けられているが、それぞれ同等であるため、主に１つの溝穴部２２２について説明する。
【００３０】
図６に示すように、一対の棒状の支持部２５１が矩形の溝穴部２２２の長手方向両端付近に側面間を幅方向へ掛け渡されており、圧電アクチュエータ１４０は、棒状の支持部２５１上に接着剤２５３により固着されている。接着剤２５３は、シリコン接着剤等の弾性接着剤であるのが好ましい。このように、一対の支持部２５１は、支持フレーム本体に固定されており、圧電アクチュエータの両端部を支持する。
【００３１】
支持部２５１は、圧電アクチュエータ１４０の屈曲動作面（矩形圧電アクチュエータの長手方向と厚み方向に平行な面）による断面形状において、圧電アクチュエータに接触する側の境界線は上に凸の曲線を描くことが好ましい。これにより、圧電アクチュエータが屈曲しても、支持部２５１と圧電アクチュエータ１４０との接触面積は変わらないため、動きを制限せず、かつ安定して支持することができる。
【００３２】
支持部２５１は、圧電アクチュエータ１４０の屈曲変形を妨げないように楕円柱や円柱状に形成されていることが好ましいが、これに限定されることはなく断面が上に凸の形状に形成されていればよい。支持部２５１は、一体成型により樹脂により支持フレーム本体と一体に形成することができる。その場合には、あらかじめ溝穴部２２２内に円柱状の支持部２５１を形成できる型枠を準備しておき、作製時にこれを利用する。たとえば、円柱の中心を境に上下から金型を合わせるような作製方法が考えられる。圧電アクチュエータ１４０を設置する際には、接着剤２５３により圧電アクチュエータ１４０を支持部２５１に固着する。
【００３３】
支持部２５１は、上記のように樹脂製で一体成型されるものでもよいが、金属製の棒として支持フレーム本体に嵌めこむものとしてもよい。また、金属製の棒を支持フレーム本体とともにインサート成型により一体に成型し固定してもよい。金属製の支持部２５１は弾性に優れるため、圧電アクチュエータ１４０の振動を伝達しやすい。
【００３４】
さらに、支持部は、溝穴部２２２の幅方向へ掛け渡されたものに代えて溝穴部２２２の両側面から突出した２本の棒であってもよい。図７（ａ）〜（ｃ）は、溝穴部２２２の両側面から突出した２本の棒を一方の支持部３５１ａ、３５２ａとして備える支持フレーム３２０を示す平面図および断面図である。圧電アクチュエータ１４０の一方の端部が支持部３５１ａ、３５２ａにより支持されている。圧電アクチュエータ１４０の他方の端部は、支持部２５１により支持されている。図７（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ図７（ａ）に示す断面７ｂおよび７ｃを矢印の方向から見た図である。図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、金属製の支持部３５１ａ、３５２ａを用い、埋設されている端子２２５ａ、２２６ａと電気的な接続をとることで、支持部３５１ａ、３５２ａを端子の一部として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】第１の実施形態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）第１の実施形態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】第１の実施形態に係る圧電アクチュエータが設置された支持フレーム示す平面図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）第１の実施形態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】（ａ）、（ｂ）第２の実施形態に係る圧電アクチュエータが設置された支持フレームを示す平面図および断面図である。
【図６】（ａ）、（ｂ）第２の実施形態に係る支持フレームを示す平面図および断面図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）第２の実施形態に係る支持フレームを示す平面図および断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
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、２２０、３２０  支持フレーム
１２２、２２２  溝穴部
１２２ａ、２５１、３５１ａ、３５２ａ  支持部
１２５ａ〜１２６ｄ、２２５ａ、２２６ａ  端子
１２９  貫通孔
１４０  圧電アクチュエータ
１４０ａ、１４０ｂ  圧電体
１４５−１４７  電極
１４８、１４９  結合部
１５１  支持用固定部
１５２  駆動用固定部
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
２５３  接着剤
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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