(57)【要約】【課題】圧電体を用いたタッチセンサの触覚反力装置であって、圧電体に曲げ応力を加えることなく、触覚反力を与えることができるタッチセンサの触覚反力装置を得る。【解決手段】表面にタッチスイッチを有するタッチスイッチ基板；このタッチスイッチ基板のタッチスイッチの裏面に頂点部が接触する山形部と、この山形部に連なり上記頂点部が押される方向に変位したとき距離を開く一対の脚部とを有し、該一対の脚部の少なくとも一方を可動にした運動伝達部材； この運動伝達部材の可動脚部と固定部との間に挟まれ伸縮力を作用させる圧電体：及びタッチスイッチ基板に対するスイッチ入力を検知したときに、上記圧電体に駆動パルス電圧を与える触覚反力付与回路；を有するタッチセンサの触覚反力装置。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面にタッチスイッチを有するタッチスイッチ基板；
このタッチスイッチ基板のタッチスイッチの裏面に頂点部が接触する山形部と、この山形部に連なり上記頂点部が押される方向に変位したとき距離を開く一対の脚部とを有し、該一対の脚部の少なくとも一方を可動にした運動伝達部材；
この運動伝達部材の可動脚部と固定部との間に挟まれ、伸縮力を作用させる圧電体：及び
上記タッチスイッチ基板に対するスイッチ入力を検知したときに、上記圧電体に駆動パルス電圧を与える触覚反力付与回路；
を有することを特徴とするタッチセンサの触覚反力装置。
【請求項２】
請求項１記載のタッチセンサの触覚反力装置において、上記圧電体は、上記運動伝達部材の可動脚部と固定部との間に、タッチスイッチ基板に水平な方向に伸縮力を作用させ、運動伝達部材によりタッチスイッチ基板を垂直方向に変位させるように配置されているタッチセンサの触覚反力装置。
【請求項３】
請求項１または２記載のタッチセンサの触覚反力装置において、上記運動伝達部材は、全体が一連のばね部材からなっており、該ばね部材の一対の脚部の少なくとも一方の可動脚部の先端が圧電体と当接する当接部であるタッチセンサの反力回路。
【請求項４】
請求項１または２記載のタッチセンサの触覚反力装置において、上記運動伝達部材は、頂点部を開閉軸とした一対の山形リンクを有し、この一対の山形リンクの少なくとも一方の可動山形リンクの自由端部が圧電体と当接する当接部であるタッチセンサの触覚反力装置。
【請求項５】
請求項４記載のタッチセンサの触覚反力装置において、上記山形可動リンクの先端部には枢軸で枢着した押圧リンクが備えられ、この押圧リンクの自由端部が圧電体と当接する当接部であるタッチセンサの触覚反力装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タッチスイッチに入力があったとき、そのスイッチ入力が検知されたことを操作者に触覚による反力として伝達する触覚反力装置に関し、特に圧電体（圧電セラミック）を用いた触覚反力装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
この種のタッチスイッチの触覚反力装置は、各種が提案され実用化されている（特許文献１〜９）。そのうち、圧電振動子を用いたものは、ユニモルフ型またはバイモルフ型の圧電振動子を片持ちまたは両持ちで支持し、その一部を直接または間接にタッチパネルと機械的に接触させ、タッチスイッチの入力を検知したときに、圧電振動子（の圧電体）に駆動パルス電圧を与える構成がとられている。圧電振動子は、周知のように、導電性金属薄板からなるシムの表裏の一方（ユニモルフ型）又は双方（バイモルフ型）に、積層方向に分極処理された圧電体を接着したものであり、圧電体の表裏に駆動パルス電圧を与えると、該圧電体の表裏の一方が伸び、他方が縮むことから、圧電振動子が瞬間的に変形し、この変形により、操作者に触覚反力を与えることができる。特許文献２〜８に示される圧電体では、金属薄板等で構成されるシムと圧電体の伸縮の差を利用して、圧電体に垂直な方向（膜厚方向）に大きな変位が得られるように構成されている。ここでは圧電体の中心部で最も変位量が大きくなるため、圧電体中心部を直接タッチパネルに接続するような構造を有している。例えば特許文献4のバイモルフ型の圧電体では大きな変位量が得られている。
【特許文献１】特開2002-149312号公報
【特許文献２】特開2004-94389号公報
【特許文献３】特開2005-92537号公報
【特許文献４】特開2005-303937号公報
【特許文献５】特開2006-119849号公報
【特許文献６】特開2006-165318号公報
【特許文献７】特開2006-195734号公報
【特許文献８】特開2007-34954号公報
【特許文献９】特開2002-367466号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、従来の構造では、圧電体はセラミックであり、シム上に接着されていても、繰り返し曲げ応力が加わると破損しやすく、寿命の点で問題があった。特に圧電体に対し垂直な方向、すなわちシムを有した圧電体が変位する膜厚方向に対する大きな外力に弱いため、圧電体セラミックスにクラック等の破損が生じやすい。圧電体の伸縮とシムの弾性により、変位の大きな部位に応力が集中するため、長期信頼性の面で不利となりやすい。
【０００４】
本発明は、以上の問題意識に基づき、圧電体を用いたタッチセンサの触覚反力装置であって、圧電体に曲げ応力を加えることなく、触覚反力を与えることができるタッチセンサの触覚反力装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によるタッチセンサの触覚反力装置は、表面にタッチスイッチを有するタッチスイッチ基板；このタッチスイッチ基板のタッチスイッチの裏面に頂点部が接触する山形部と、この山形部に連なり上記頂点部が押される方向に変位したとき距離を開く一対の脚部とを有し、該一対の脚部の少なくとも一方を可動にした運動伝達部材；この運動伝達部材の可動脚部と固定部との間に挟まれ、伸縮力を作用させる圧電体：及びタッチスイッチ基板に対するスイッチ入力を検知したときに、上記圧電体に駆動パルス電圧を与える触覚反力付与回路；を有することを特徴としている。
【０００６】
圧電体は、上記運動伝達部材の可動脚部と固定部との間に、タッチスイッチ基板に水平な方向に伸縮力を作用させ、運動伝達部材によりタッチスイッチ基板を垂直方向に変位させるように配置することが好ましい。
【０００７】
運動伝達部材は、例えば全体を一連のばね部材から構成することができる。そして、該ばね部材の一対の脚部の少なくとも一方の可動脚部の先端を圧電体と当接する当接部とする。
【０００８】
あるいは、運動伝達部材は、頂点部を開閉軸とした一対の山形リンクから構成することもできる。そして、この一対の山形リンクの少なくとも一方の可動山形リンクの自由端部を圧電体と当接する当接部とする。
【０００９】
可動山形リンクの先端部には枢軸で枢着した押圧リンクを設け、この押圧リンクの自由端部を圧電体と当接する当接部としてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のタッチセンサの触覚反力装置によれば、圧電体に駆動電圧を与えることにより、運動伝達部材を介してタッチスイッチ基板のタッチスイッチの裏面に触覚反力を与えることができる。圧電体は、運動伝達部材の可動脚部と固定部の間に挟まれていて、伸縮方向にのみ作用する。したがって、シムを有した例えばユニモルフ型あるいはバイモルフ型の圧電振動子のように、圧電体に曲げ応力を受けることがないから、破損のおそれが少なく、長寿命を保証することができる。また運動伝達部材を介して、基板に触覚反力を与えるため、タッチスイッチの裏面に圧電体を直接配置しなくてよい。このため、圧電体を配置する設計自由度が上がり、小型化・薄型化も可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１、図２は、本発明によるタッチセンサの触覚反力装置の第１の実施形態を示している。タッチセンサ筐体１１は、その上端部に内方フランジ１１ａを有し、この内方フランジ１１ａと、筐体１１内に設けた位置規制部材１２との間に、合成樹脂製またはガラス製のタッチパネル１３が位置している。内方フランジ１１ａとタッチパネル１３との間には、タッチパネル１３を位置規制部材１２に向けて押圧するばね１４が配置されている。タッチパネル１３には、模式的に示すタッチセンサ１３ａが形成されており、このタッチセンサ１３ａに触れることで制御回路１５（図２）にスイッチ入力が与えられる。タッチセンサ１３ａ自体は各種知られており、その構成は問わない。
【００１２】
筐体１１の底面１１ｂ上には、運動伝達部材２０を中央にして対称形に、一対の圧電体（圧電セラミック）１６が配置されている。この一対の圧電体１６はそれぞれ、タッチパネル１３（底面１１ｂ）と平行に位置していて、伸縮方向を図の左右方向(タッチパネル１３と平行な方向）としたもので、その外端部（運動伝達部材２０と反対側の端部）は底面１１ｂ上に固定された固定ホルダ１７に不動に支持されている。一方、その内端部は、底面１１ｂに固定されたスライドガイド１８上に移動可能に支持されている。圧電体１６は配線（図示しない）により、触覚反力（駆動電圧）付与回路１９に接続されている。
【００１３】
圧電体１６は、図７に示すように薄い電極層１６ａと圧電セラミックス１６ｂからなる。圧電セラミックス１６ｂは、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ-Ｔｉ）Ｏ３）を主成分とし、電極層１６ａは１〜１０μｍ程度のＡｕもしくはＡｇ等の金属膜の積層体となっている。圧電体１６は、セラミックスの焼成後に図７に示すように分極処理を行う。分極処理は例えばチタン酸ジルコン酸鉛では、１ｍｍあたり１．１ｋＶ以上の電界を印加する。分極の極性は、図７の下から上の方向に電界をかけた場合の分極方向を黒の三角形で示し、三角形の頂点のほうへ電界をかけて分極している状態を表している。
【００１４】
ここで圧電セラミックス１６ｂの厚さをｔとし、長さ方向をＬとする。このような圧電体では、圧電体の電歪は電界１Ｖ／ｍたり数百ピコとなる。セラミックスの長さＬを数ｃｍ〜数十ｃｍとし、駆動電圧を１ｍｍあたり５００Ｖ（厚さｔが０．２ｍｍの圧電セラミックスに１００Ｖを印加することに相当）かけると、長さＬ方向に数μｍ〜数十μｍオーダーの変位が得られる。変位の方向は図９（ａ）、図９（ｂ）に示す。図９（ｃ）、図９（ｄ）のように、圧電体１６は積層構造とすることで、同じ形状で同等な変位を保ったまま駆動電圧を低減することもできる。
【００１５】
次に従来の圧電体を図８（ａ）〜（ｃ）と比較する。従来の圧電体は金属薄板からなるシム１６ｃを有しており、シム１６ｃと圧電セラミックス１６ｂの伸縮の差を利用して、図８（ｂ）、（ｃ）のように圧電体の膜厚方向に大きな変位が得られるように構成されている。ここでは圧電体の中心部で最も変位量が大きくなる。従来の圧電体は中心付近の変位は大きくなる反面、タッチパネル１３のように圧電体に対して大きな質量を持つものを振動させる場合に、膜厚方向に大きな応力が集中しやすい構造となっている。また、圧電体の膜厚方向は、大きな外力に対して非常に脆い性質があり、大きな衝撃により、圧電セラミックス１６ｂにクラックが生じやすい。それに対し、本発明の実施形態図９（ａ）〜（ｄ）では、圧電体１６の変位方向が圧電体の伸縮方向と一致しており、圧電セラミックスに膜厚方向の応力が集中することがなく、また外部の衝撃も膜厚方向に伝達しにくい構造となっている。
【００１６】
圧電体１６は、その両端部間に正または負の駆動パルス電圧を与えると、圧電効果により、圧電体１６が微小距離（数μｍ〜数十μｍオーダー）伸びる（または縮む）。本実施形態で「移動可能」とは、圧電体１６のこの伸縮を妨げないことを意味し、数十μｍオーダーの距離をいう。圧電体は交流電圧により、伸縮による振動を発生させてもよい。
【００１７】
運動伝達部材２０は、単一の（一連の）ばね部材からなっており、頂点部２１を有する山形部２２と、この山形部２２から対称に延びる一対の脚部２３とを備えている。頂点部２１は、山形部２２及び脚部２３のばね性とばね１４のばね性により、常時タッチパネル１３のタッチセンサ１３ａの裏面に接触（弾接）しており、また一対の脚部２３の端部（当接部）は、常時圧電体１６の可動端に当接している。運動伝達部材２０は、頂点部２１に押圧力を加えると一対の脚部２３の距離が開き、押圧力を開放すると一対の脚部２３が原位置に復帰する弾性を有している。この運動伝達部材２０は、金属材料または合成樹脂材料から構成することができる。圧電体１６には、運動伝達部材２０の脚部２３により、圧縮力のみが作用し、曲げ力は作用しない。
【００１８】
上記構成の本タッチセンサの触覚反力装置は、次のように作動する。タッチパネル１３のタッチセンサ１３ａが押されると、対応するスイッチ入力が制御回路１５に与えられ、制御回路１５は、スイッチ入力に応じた動作を実行すると共に、触覚反力（駆動パルス電圧）付与回路１９を動作させて、圧電体１６に駆動パルス電圧を与える。この駆動パルス電圧は、圧電体１６の分極方向を考慮して、圧電体１６を伸張させる正または負電圧とする。すると、圧電体１６が衝撃的に伸び、その伸びが脚部２３を介して運動伝達部材２０に伝達される。その結果、運動伝達部材２０は、その頂点部２１がタッチパネル１３を押し上げる方向に弾性変形し、タッチパネル１３のタッチセンサ１３ａを押した操作者に、その操作が行われたことを、触覚として伝達することができる。
【００１９】
以上の説明では、タッチセンサ１３ａにタッチ入力があったときに、圧電体１６を伸張させる制御例を中心に説明したが、逆に圧電体１６を縮小もしくは伸縮させる制御を行っても、タッチパネル１３と運動伝達部材２０の頂点部２１の接触を保持している限りは、タッチパネル１３に振動を与えることが可能である。伸縮方向の変位を伝達する場合は、ばね１４による支持だけでなく、運動伝達部材２０の頂点部２１とタッチパネル１３を接着剤もしくは支持部材等により固定してもよい。
【００２０】
以上の実施形態では、運動伝達部材２０の一対の脚部２３をそれぞれ圧電体１６に当接する可動脚部としたが、図３に示すように、一対の脚部２３の一方を位置規制部材１２（筐体１１の一部、固定部）に固定し、他方のみを圧電体１６に当接する可動脚部とすることもできる（圧電体１６を一つのみとしてもよい）。
【００２１】
図４は、本発明によるタッチセンサの触覚反力装置の別の実施形態を示している。この実施形態は、運動伝達部材２０として、頂点部２４に開閉軸２４ａを有する一対の山形リンク２５を用いたもので、該一対の山形リンク２５の下端部が、圧電体１６の可動端に当接する一対の脚部を構成している。この他の構成は、図１の構成と同一であり、同一の構成要素には同一の符号を付している。
【００２２】
この実施形態においても、操作者によりタッチパネル１３のタッチセンサ１３ａが押されると、対応するスイッチ入力が制御回路１５に与えられ、制御回路１５は、スイッチ入力に応じた動作を実行すると共に、触覚反力（駆動パルス電圧）付与回路１９を動作させて、圧電体１６に駆動パルス電圧を与える。すると、圧電体１６が衝撃的に伸び、その伸びが一対の山形リンク２５に伝達され、一対の山形リンク２５が開閉軸２４ａを中心に閉じる。その結果、運動伝達部材２０の頂点部２４は、タッチパネル１３を押し上げ、タッチパネル１３のタッチセンサ１３ａを押した操作者に、その操作が行われたことを、触覚として伝達する。
【００２３】
図５は、図４の実施形態の変形例である。この実施形態では、一対の山形リンク２５の先端部に、枢軸２６で押圧リンク２７を枢着し、この押圧リンク２７の自由端部と固定ホルダ１７との間に圧電体１６を挟着している（押圧リンク２７の自由端部が圧電体１６との当接部である）。
【００２４】
また、図６は、図５の実施形態と図３の実施形態を混合したもので、運動伝達部材２０の一対の山形リンク２５の一方を固定ホルダ１７上に固定し、他方のみを圧電体１６に当接する可動脚部とした実施形態である（圧電体１６は一つのみである）。
【００２５】
またタッチセンサ１３ａの下に運動伝達部材２０が配置されていればよいため、圧電体１３をタッチセンサ１３ａの外側に退避させることが可能である。したがって、圧電体の配置位置によるパネル下の基板配線等における設計の自由度を確保でき、かつタッチパネルに想定以上の大きな衝撃が印加された場合でも、圧電体への衝撃を低減することも可能である。したがって、本実施例の図面のように圧電体１６がタッチパネルの直下にあることに限定されず、支持部材１２の外側で筐体１１ａの下側の配置することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明によるタッチセンサの触覚反力装置の一実施形態を示す模式断面図である。
【図２】図１の装置の制御ブロック図である。
【図３】図１の実施形態の変形例を示す模式断面図である。
【図４】本発明によるタッチセンサの触覚反力装置の別の実施形態を示す模式断面図である。
【図５】図４の実施形態の変形例を示す模式断面図である。
【図６】図４の実施形態の別の変形例を示す模式断面図である。
【図７】圧電体の構造を示す模式図であり、分極処理の極性を示す図である。
【図８】（ａ）は従来の圧電体を示す模式断面図、（ｂ）、（ｃ）は従来の圧電体に電圧を印加した場合の変位方向を示す図である。
【図９】（ａ）、（ｂ）は本発明の実施形態の圧電体の変位方向を示す図、（ｃ）、（ｄ）は圧電体を積層構造とした場合の変位方向を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１１  筐体
１２  位置規制部材
１３  タッチパネル
１３ａ  タッチセンサ
１４  ばね
１５  制御回路
１６  圧電体
１６ａ  圧電体電極層
１６ｂ  圧電体セラミックス層
１６ｃ  シム（金属薄板）
１７  固定ホルダ
１８  スライドガイド
１９  触覚反力付与回路
２０  運動伝達部材
２１  ２４  頂点部
２２  山形部
２３  脚部
２４ａ  開閉軸
２５  山形リンク
２６  枢軸
２７  押圧リンク
【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】
2009077502.tif 000009
【図８】
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【図９】
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