JP2012049789A - 圧電デバイス - Google Patents

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Abstract

【課題】使用する環境温度に温度変化が生じても各種入力情報の変動を抑制することができる圧電デバイスを実現する。
【解決手段】音源ＩＣ１と、音源ＩＣ１からの音源を増幅する増幅器２と、増幅器２からの駆動信号に基づいて発音する圧電スピーカー３と、駆動信号に対し所定の制御処理を行うＭＰＵ４と、圧電スピーカー３の圧電定数ｄ14及びヤング率Ｅの各温度依存性情報が格納されたメモリ５と、雰囲気温度を検出する温度センサ６とを備えている。ＭＰＵ４は補正手段４ａを有し、温度センサ６の検出結果と前記各温度依存性情報とを照合し、照合結果に応じて音響信号となる駆動信号を温度補正する。圧電スピーカー３は、補正手段４ａにより温度補正された音響信号を出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電デバイスに関し、より詳しくは素体材料に高分子圧電材料を使用した圧電スピーカーシステムやタッチ式入力システム等の圧電デバイスに関する。
近年、携帯電話やＰＤＡ（Personal Digital Assistance）等の携帯情報端末では薄型化・軽量化が要請されており、これらの携帯情報端末に搭載されるスピーカーとしては、狭いスペースに設置可能なことが望まれている。
そして、高分子圧電材料は、フィルム状に薄層化できることから狭い設置スペースにも組み入れることが可能である。しかもフィルム状に薄層化した圧電フィルムは、可撓性を有し、かつ高い圧電性の発現が可能であることから、圧電フィルムの表面に電極を形成し、バイモルフ型又はユニモルフ型の圧電素子を得ることができる。したがって、高分子圧電材料は、携帯情報端末用のスピーカー素材としても期待されている。
例えば、特許文献１には、透明の可撓性圧電フィルムの表裏両面に透明電極を形成した圧電フィルム振動板からなり、前記圧電フィルム振動板を前記携帯情報端末機の筐体に支持することによって前記表示画面上に湾曲して設置した圧電フィルムスピーカが提案されている。
この特許文献１では、ポリフッ化ビニリデン（Polyvinylidene difluoride；以下、「ＰＶＤＦ」という。）等の可撓性を有する圧電フィルムを使用し、これにより機器の薄型化・軽量化を満たすと共に、表示画面の拡大化や聴き取り性能の向上を図っている。
また、近年、薄型ディスプレイ技術の発展に伴い、携帯情報端末、携帯ゲーム機、携帯音楽プレーヤー等の入力インターフェースとしてタッチパネル方式を採用したタッチ式入力システムの研究・開発も盛んに行われている。
この種のタッチパネルとしては、従来より、表面弾性波技術を使用し、長方形のガラス基材の角辺に沿って反射アレイを形成した超音波方式が知られている。
しかしながら、この超音波方式のタッチパネルでは、平面上の位置情報と押圧情報とを指やペン先で同時に入力しても、タッチ圧の分解能が低く、またタッチ感も悪く、さらに表面がガラス基材で形成されているため外部衝撃に弱いという欠点があった。
これに対し高分子圧電材料は、上述したように高い圧電性と可撓性を有し、またフィルム状に薄層化できることから、タッチパネル用素材としても期待されている。
そして、例えば、特許文献２には、平面状の感圧センサ上に可撓性を有するタッチパネルを互いに密着するように重ねて構成したタッチ入力システムが提案されている。
この特許文献２では、ポリエステル等の可撓性を有する圧電フィルムを感圧センサ上に配し、圧電フィルムで位置情報を取得し、感圧センサで押圧情報を取得している。
特開２００３−２４４７９２号公報 特開平５−６１５９２号公報
ところで、近年、浴室やキッチンに設置可能な小型液晶テレビが注目されている。また、透明性の高い圧電フィルムの両主面に透明電極を形成することにより透明スピーカーを実現することができる。そして、このような透明スピーカーを小型液晶テレビに搭載することにより、フレーム部が小さく通音孔を要しないテレビを実現することが可能となる。特に浴室やキッチンでは防水性能が求められるため、通音孔のないテレビは非常に好適である。
しかしながら、特許文献１では、ＰＶＤＦ等の可撓性を有する高分子圧電材料を圧電フィルムに使用しているため、圧電スピーカーが設置される周囲の雰囲気温度によって音圧レベルや周波数特性等の音響特性が低下するという問題点があった。
すなわち、同一の電圧を圧電スピーカーに供給しても圧電定数が温度変化により変動すると、該圧電定数の温度変化に伴って音量も変化するため、ユーザは所望の音量で聴取できなくなるおそれがある。また、圧電フィルムのヤング率が温度変化により変動して柔軟性に変化が生じると、圧電スピーカーから発せられる周波数帯域も変化する。
特に、浴室やキッチンでは通常の環境と比較して高温雰囲気となることが多く、浴室を簡易的なサウナとして使用したり、キッチンのコンロ近傍にテレビを配した場合は、圧電スピーカーは短期的に７０〜８０℃の高温雰囲気に晒されるおそれがある。そして、このような高温雰囲気で圧電スピーカーを駆動させると、圧電定数の温度依存性に起因して音量が大きく変動し、また再生周波数帯域が変化することにより、音質が変化する。
このように特許文献１では、圧電素子の圧電定数やヤング率が雰囲気温度によって変化し、音響特性の劣化を招くこととなり、このため特に高温雰囲気ではユーザは所望の音量、音質で聴くことができないという問題点があった。
また、特許文献２のような従来のタッチ式入力システムでは、指やペンでタッチパネルを押圧すると、圧電フィルムが撓んで微小電圧を発生する。
しかしながら、圧電定数やヤング率が温度によって変化すると、タッチパネルの特定位置を同一の押圧力で押圧しても、常温時と高温時とでは発生電圧や撓み量が異なるため、感知性能の低下を招き、このため位置情報や押圧情報を正確に検出できず、誤検知の原因になるという問題点があった。
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであって、使用する環境温度に温度変化が生じても各種入力情報の変動を抑制することができる圧電デバイスを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために本発明に係る圧電デバイスは、高分子圧電材料からなる圧電フィルムの両主面に電極が形成された少なくとも１つ以上の圧電体を有する圧電素子と、所定の情報を前記圧電素子に入力する入力手段とを備えた圧電デバイスにおいて、前記圧電素子の電圧印加時の変位量及び応力負荷時の撓み量の各温度依存性情報が格納された記憶手段と、雰囲気温度を検出する温度検出手段と、該温度検出手段の検出結果と前記温度依存性情報とに基づいて前記入力手段の入力情報を補正する補正手段とを有していることを特徴としている。
また、本発明の圧電デバイスは、前記入力手段が、音源を蓄積した音源手段からなると共に、前記入力情報は（音楽・音声の）音響信号であり、前記補正手段は、前記温度検出手段の検出結果と前記各温度依存性情報とに基づいて前記音響信号を補正するのが好ましい。
また、本発明の圧電デバイスは、前記入力手段が、前記圧電素子の特定位置を押圧する押圧手段からなると共に、前記入力情報は、位置情報及び押圧情報であり、前記補正手段は、前記温度検出手段の検出結果と前記各温度依存性情報とに基づいて前記位置情報及び前記押圧情報を補正するのが好ましい。
また、本発明に係る圧電デバイスは、高分子圧電材料からなる圧電フィルムの両主面に電極が形成された少なくとも１つ以上の圧電体を有する圧電素子と、所定の情報を前記圧電素子に入力する入力手段とを備えた圧電デバイスにおいて、 前記圧電素子の電圧印加時の変位量、応力負荷時の撓み量、及び静電容量の各温度依存性情報が格納された記憶手段と、前記圧電素子の静電容量を計測する計測手段と、前記各温度依存性情報と前記計測手段により計測された前記静電容量とに基づいて前記入力情報を補正する補正手段とを備えていることを特徴としている。
また、本発明の圧電デバイスは、前記入力手段が、音源手段からなると共に、前記入力情報は音響信号であり、前記補正手段は、前記計測手段の計測結果と前記静電容量の温度依存性情報とに基づいて前記圧電素子の温度を検知し、該検知された温度と前記圧電素子の電圧印加時の変位量及び応力負荷時の撓み量の各温度依存性情報に基づいて音響信号を補正するのが好ましい。
また、本発明の圧電デバイスは、前記入力手段が、前記圧電素子の特定位置を押圧する押圧手段からなると共に、前記入力情報は、位置情報及び押圧情報であり、前記補正手段は、前記計測手段の計測結果と前記静電容量の温度依存性情報とに基づいて前記圧電素子の温度を検知し、該検知された温度と前記圧電素子の電圧印加時の変位量及び応力負荷時の撓み量の各温度依存性情報とに基づいて前記位置情報及び前記押圧情報を補正するのが好ましい。
さらに、本発明の圧電デバイスは、前記計測手段の実行モードと前記計測手段の非実行モードとに切り替える切替手段を有するのも好ましい。
また、本発明の圧電デバイスは、前記圧電素子が、圧電スピーカーであるのが好ましい。
さらに、本発明の圧電デバイスは、前記圧電素子が、前記圧電フィルムの両主面に形成された電極のうち、少なくとも一方の主面に形成された電極が複数領域に分割されているのが好ましい。
また、本発明の圧電デバイスは、前記圧電素子が、タッチパネルであるのが好ましい。
また、本発明の圧電デバイスは、前記高分子圧電材料が、ポリ乳酸であるのが好ましい。
本発明の圧電デバイスによれば、高分子圧電材料からなる圧電フィルムの両主面に電極が形成された少なくとも１つ以上の圧電体を有する圧電素子と、所定の情報を前記圧電素子に入力する入力手段とを備えた圧電デバイスにおいて、前記圧電素子の電圧印加時の変位量及び応力負荷時の撓み量の各温度依存性情報が格納された記憶手段と、雰囲気温度を検出する温度検出手段と、該温度検出手段の検出結果と前記温度依存性情報とに基づいて前記入力手段の入力情報を補正する補正手段とを有しているので、使用する環境温度は変化しても各種入力情報の変動を抑制することができる。
例えば、圧電デバイスを圧電スピーカーシステムに適用した場合は、電圧印加時の変位量が温度変化に起因して変動しても、音量を温度補正することができ、これにより温度変化が生じても音量が過度に変動するのを抑制できる。また応力負荷時の撓み量が温度変化に起因して変動しても、周波数特性を温度補正することができ、これにより温度上昇に伴って生じる音響特性の劣化を極力抑制することが可能となる。
そしてこれにより、高温雰囲気下でもユーザが設定した所望の音量でもって所望の音質の音を聴くことができ、使用する環境温度が変化しても音の変動が抑制された小型・高品質の圧電スピーカーシステムを実現することが可能となる。
また、圧電デバイスをタッチ式入力システムに適用した場合は、タッチパネルに入力される位置情報及び押圧情報を温度補正するので、環境温度の変化により押圧時の発生電圧や撓み量が変化しても、所望の感知性能を得ることができ、誤検知するのを極力回避することが可能となる。
すなわち、使用する環境温度が変動しても正確な位置情報及び押圧情報を得ることができ、信頼性の向上した高性能のタッチ式入力システムを実現できる。
また、前記圧電素子の電圧印加時の変位量、応力負荷時の撓み量、及び静電容量の各温度依存性情報が格納された記憶手段と、前記圧電素子の静電容量を計測する計測手段と、前記各温度依存性情報と前記計測手段により計測された前記静電容量とに基づいて前記入力情報を補正する補正手段とを備えている場合には、温度検出手段を設けなくても、圧電スピーカーの音やタッチパネルの位置情報及び押圧情報を低コストでもって温度補正することができ、高性能・高品質で信頼性の優れた各種圧電デバイスを得ることが可能となる。
本発明に係る圧電デバイスの一実施の形態（第１の実施の形態）としての圧電スピーカーシステムの一例を示すシステム構成図である。 圧電素子としての圧電スピーカーを模式的に示した断面図である。 圧電フィルムの圧電現象の一例を示す図である。 圧電フィルムの圧電現象の他の例を示す図である。 圧電スピーカーに電圧が印加された場合を模式的に示す図である。 圧電定数ｄ14の温度依存性の一例を示す図である。 ヤング率Ｅの温度依存性の一例を示す図である。 本発明に係る圧電デバイスの第２の実施の形態としてのタッチ式入力システムの一例を示すシステム構成図である。 圧電素子としてのタッチパネルの平面図である。 前記タッチパネルの底面図である。 前記タッチパネルを押圧したときの状態を示す図である。 本発明に係る圧電デバイスの第３の実施の形態としての圧電スピーカーシステムの他の例を示すシステム構成図である。 本発明に係る圧電デバイスの第４の実施の形態としてのタッチ式入力システムの他の例を示すシステム構成図である。
次に、本発明の実施の形態を図面に基づき詳説する。
図１は、圧電デバイスの一実施の形態（第１の実施の形態）としての圧電スピーカーシステムの一例を示すシステム構成図である。
この圧電スピーカーシステムは、音源ＩＣ（入力手段）１と、音源ＩＣ１から入力された音源を増幅する増幅器２と、増幅器２から供給された駆動信号（発音情報）に基づいて発音する圧電スピーカー（圧電素子）３と、音源ＩＣ１及び増幅器２を制御するマイクロプロセッサーユニット（以下、「ＭＰＵ」という。）４と、圧電スピーカー３に固有の温度依存性情報や演算プログラム等が格納されたメモリ５（記憶手段）と、システム駆動時の雰囲気温度を検出する温度センサ６（温度検出手段）とを備えている。
音源ＩＣ１は、供給される音源信号をスピーカー駆動用の音響信号に変換する。音源信号は、ＭＰＵ４に内蔵されたメモリ等に蓄積されている場合、インターネットなどの電気通信回線網を介して直接配信される場合、デジタル放送に代表されるような放送電波をチューナーで受信して復調される場合等がある。尚、上記音源信号は、必ずしもデジタル信号である必要はなく、アナログ信号でも良い。
図２は圧電スピーカー３を模式的に示した断面図である。
通常、最表面は、保護フィルム等の保護材で覆われているが、この図２では保護材を省略している。
この圧電スピーカー３は、２枚の圧電体（第１の圧電体７ａ、第２の圧電体７ｂ）が貼着されたバイモルフ構造を有している。すなわち、第１の圧電体７ａは、圧電フィルム８の両主面に電極９ａ、９ｂが形成され、第２の圧電体７ｂは、圧電フィルム１０の両主面に電極１１ａ、１１ｂが形成され、これら第１の圧電体７ａと第２の圧電体７ｂとが接着層１２を介して接合されている。
尚、図２は圧電スピーカ３の一例を示したものであって、これに限定されるものではなく、ＰＥＴフィルム等と第１の圧電体７ａのみを組み合わせたユニモルフ構造としてもよい。また第１の圧電体７ａと第２の圧電体７ｂの中間層にＰＥＴフィルム等を介在させたシム入りバイモルフ構造としてもよい。
圧電フィルム８、１０は高分子圧電材料からなり、例えば、厚みが３０〜１５０μｍのフィルム状に形成されている。
高分子圧電材料としては、可撓性及び高圧電性を有し、所望のフィルム状に加工できるものであれば、特に限定されるものではないが、以下の理由によりポリ乳酸（Poly-Lactic Acid；以下、「ＰＬＡ」という。）を主成分とする高分子圧電材料を使用するのが特に好ましい。
すなわち、ポリ乳酸は乳酸の縮合重合体である。乳酸モノマーは不斉炭素を有するため、Ｌ体、Ｄ体と呼ばれる鏡像異性体が存在する。Ｌ体が重合したものをＬ型ポリ乳酸(Poly-L-Lactic Acid；以下、「ＰＬＬＡ」という。) 、Ｄ体が重合したものをＤ型ポリ乳酸(Po1y-D-Lactic Acid；以下、「ＰＤＬＡ」という。)といい、ＰＬＬＡは左巻きの螺旋構造、ＰＤＬＡは右巻きの螺旋構造を有する。ＰＬＡは、一般に、トウモロコシなどから採取される澱粉に乳酸菌を作用させ、これによる発酵過程を経て生成される。この過程においては、ＰＬＬＡのみがほぼ生成されるため、通常、市場に流通しているのはＰＬＬＡであり、不純物として微量のＰＤＬＡを含んでいる。
また、ＰＬＬＡを一軸延伸させることにより、ＰＬＬＡの主鎖を延伸方向に配向させることができる。一軸延伸後、結晶化度を改善させるために熱処理を経たフィルムは、高分子としては非常に高い圧電性を示すことが知られている。しかも、ＰＬＬＡは、ＰＶＤＦ等の他の強誘電性の圧電ポリマーとは異なり、主鎖の螺旋構造に起因して圧電性を発現するため、分極処理を行う必要がなく、したがって脱分極作用による圧電定数の経時劣化が生じない。さらに、ＰＬＬＡは、アクリルに匹敵するほどの透明度及び強度を有する。
以上の理由から、ＰＬＬＡを主成分とする高分子圧電材料を使用するのが、所望の透明圧電スピーカーを実現する観点から特に好ましい。
尚、電極９ａ、９ｂ、１１ａ、１１ｂに使用される電極材料は、特に限定されるものではないが、透明圧電スピーカーを実現する観点からは、酸化インジウムすず（ＩＴＯ）、酸化亜鉛、酸化インジウム−酸化亜鉛等の透明な電極材料を使用するのが好ましい。また、ポリチオフェンを主成分とする有機電極を用いてもよい。電極の形成方法についても特に限定されるものではなく、真空蒸着法、スパッタ法、めっき法、塗布、箔の貼り付け等、任意の方法を使用することができる。
尚、接着層１２は、ラミネートフィルムなどに用いられる粘着剤等の透明材料を使用することができる。
図３及び図４は、圧電フィルム８、１０をＰＬＬＡで形成した場合の圧電現象を示す図である。
図中、圧電フィルムの主面に対し法線方向（紙面に垂直方向）を第１の軸とし、ＸＹ平面で矢印Ａ方向と垂直な方向を第２の軸とし、さらに矢印Ａ方向を第３の軸とし、矢印Ａ方向に延伸処理している。
第１の軸方向に上方から下方に電界を印加すると、圧電フィルム８は、図３に示すように、ＰＬＬＡの螺旋構造の影響により対称性が崩れ、その結果回転方向での歪みが生じ、圧電定数ｄ14を有するずり圧電性が発現する。すなわち、ＰＬＬＡの点群はＤ２に属するので、ｄ14、ｄ25、及びｄ36のテンソル成分が存在するが、延伸された圧電フィルムでは、ｄ25＝−ｄ14、ｄ36＝０となる。したがって、第１の対角線１３ａと略同一方向に伸長する一方、第２の対角線１３ｂと略同一方向に縮小し、これにより圧電フィルム８は、図３に示すように歪む。
一方、第１の軸方向に下方から上方に電界を印加すると、圧電フィルム１０は、図４に示すように、第１の対角線１３ｃと略同一方向に縮小する一方、第２の対角線１３ｄと略同一方向に伸長し、これにより圧電フィルム１０は、図４のように歪む。
したがって、第１の圧電体７ａと第２の圧電体７ｂとを接着剤１２を介して貼着し、第１の圧電体７ａと第２の圧電体７ｂとが逆方向に変形するように、電極９ａ、９ｂ、１１ａ、１１ｂに電圧を印加すると、圧電スピーカー３は、図５の仮想線から実線に示すように歪み、電圧を交番させると振動する。
しかも、圧電フィルム８、１０、電極９ａ、９ｂ、１１ａ、１１ｂ、及び接着層１２をいずれも透明材料で形成することにより、透明圧電スピーカーを実現することができる。また、このような透明圧電スピーカーを使用することにより、通音孔がなく防水性能に優れた薄型の小型液晶テレビを得ることが可能となる。
さらに、本実施の形態では、圧電スピーカー３の電圧印加時の変位量の指標となる圧電定数ｄ14及び応力負荷時の撓み量の指標となるヤング率Ｅの各温度依存性情報がメモリ５に記憶されている。そして、後述するように、圧電フィルム８、１０の圧電定数ｄ14やヤング率Ｅが、温度変化に起因して変化した場合であっても、音量や周波数特性等の音響特性が極力変動しないようにＭＰＵ４で制御している。
ところで、圧電フィルム８、１０の圧電定数ｄ14及びヤング率Ｅの各温度依存性は、原料となる圧電高分子材料の結晶化度、分子量、純度、配向処理の方法等により異なる。すなわち、圧電フィルム８、１０の圧電定数ｄ14及びヤング率Ｅは、製造方法・製造条件により異なる温度依存性を有する。
圧電スピーカーなどの圧電デバイスでは、圧電定数は高ければ高いほど好ましい。
例えば、本発明者らの研究結果によれば、ＰＬＬＡを主成分として使用する場合、ＰＤＬＡをほとんど含まずＰＬＬＡの純度が高いこと、分子量が高いこと、配向度が高いこと、結晶化度が高いこと、ラメラ結晶のサイズが大きいこと等が圧電定数を高めるための主要因であることが分かっている。したがって、最終製品の形態や品質・特性によって圧電フィルム８、１０の圧電定数は異なり、また圧電フィルム８、１０のヤング率も変化する。ただし、圧電定数を高くするために、これらの方策を全て実行すると高コスト化を招くおそれがあることから、実用化に際しては、コスト面を考慮しつつ特性に支障が生じない程度で上記方策を実行し、圧電定数を高めるようにするのが望ましい。
そして、同一の高分子圧電材料であっても、デフォルトとなる常温での圧電定数ｄ14が異なると、圧電定数の温度依存性も異なる。
図６は、ＰＬＬＡの圧電定数ｄ14の温度依存性の一例を示す図であり、横軸が温度Ｔ（℃）、縦軸が圧電定数ｄ14（ｐＣ／Ｎ）である。図中、試料番号１〜５は、異なる製造方法・製造条件下で製造されている。
この図６から明らかなように、試料番号１のように温度Ｔ１（例えば、２０℃）での圧電定数ｄ14が高い場合は、圧電定数ｄ14は温度上昇と共に緩やかに上昇するが、試料番号５のように温度Ｔ１における圧電定数ｄ14が低い場合は、圧電定数ｄ14はガラス転移点Ｔ２（約７０℃）の近傍で急激に上昇する。
このように圧電フィルム８、１０の圧電定数ｄ14は、同一の高分子圧電材料を使用した場合であっても、製造方法や製造条件により異なり、固有の温度依存性を有する。
一般に、圧電フィルム８、１０は、一定の電圧で駆動する場合、圧電定数ｄ14が大きいほど変位量は大きくなる。すなわち、圧電フィルム８、１０を用いて作製された圧電スピーカーは、一定の電圧で駆動する場合、圧電定数ｄ14が大きいほど音圧は大きくなる。したがって、圧電定数ｄ14が温度に依存して変化すれば、圧電スピーカーに印加される駆動電圧が一定であっても音圧が温度に依存して変化することになる。
図７は、ＰＬＬＡのヤング率Ｅの温度依存性の一例を示す図であり、横軸が温度Ｔ（℃）、縦軸がヤング率Ｅ（Ｎ／ｍ２）である。図中、試料番号１〜５は、図６の試料番号１〜５と同一の製造方法・製造条件で製造されている。
この図７から明らかなように、試料番号３のように温度Ｔ３（例えば、２０℃）でのヤング率Ｅが低い場合は、ヤング率Ｅは緩やかに低下するが、試料番号５のように温度Ｔ３でのヤング率Ｅが高い場合は、ヤング率Ｅは比較的低い温度Ｔ４（例えば、４０℃）で急激に低下する。
このように圧電フィルム８、１０のヤング率Ｅも、圧電定数ｄ14と同様、製造方法や製造条件により特有の温度依存性を有する。
一般に、圧電フィルム８、１０のヤング率Ｅが高い場合には、圧電スピーカーは硬質となり、再生周波数帯域がやや高音側にシフトしたような音質となりがちである。一方、圧電フィルム８、１０のヤング率Ｅが低い場合には、圧電スピーカーは軟質となり、再生周波数帯域がやや低音側にシフトしたような音質となりがちである。このように、温度変化によって音質も変化することになる。
さらに、図６及び図７から明らかなように、圧電定数ｄ14及びヤング率Ｅは温度変化により特有の温度依存性を有するが、圧電定数ｄ14の温度依存性とヤング率Ｅとの温度依存性との間には相関関係は存在しない。
したがって、本実施の形態では、圧電スピーカー３に固有の圧電定数ｄ14の温度依存性情報及びヤング率Ｅの各温度依存性情報を予め測定し、メモリ５に記憶させている。そして、ＭＰＵ４に内蔵された計時機能によって所定時間毎に温度センサ６からの雰囲気温度を検出し、ＭＰＵ４の有する補正手段４ａでメモリ５の記憶内容と検出温度とを照合し、圧電スピーカー３から出力される音量及び周波数特性を雰囲気温度に応じて補正し、これにより、温度変化が生じても音響特性の変動を極力抑制することが可能となる。
以下、本圧電スピーカーシステムの動作を詳述する。
まず、ＭＰＵ４は、ユーザが音量を設定した時点又は電源を入れた時点からの温度を所定間隔毎に温度センサ６から読み込む。
一方、音源ＩＣ１は、音源となる駆動信号を信号線ａを介して増幅器２に入力する。そして、ＭＰＵ４は、温度センサ６からの検出温度とメモリ５に予め記憶された圧電定数ｄ14とヤング率Ｅの温度依存情報とを照合し、照合結果に基づく制御信号を信号線ｃ及び信号線ｄを介して音源ＩＣ１及び増幅器２に送信し、これにより駆動信号を温度補正する。例えば、圧電スピーカーシステムの電源入力時の温度が２０℃で現在温度が４０℃の場合、圧電定数ｄ14の温度依存性情報を検索し、圧電定数ｄ14が高くなっている場合は、予めメモリ５に記憶されている各種要素（圧電スピーカー３の大きさ、圧電フィルム８、１０の厚み、電極９ａ、９ｂ、１１ａ、１１ｂの導電率、エンクロージャーの容積等）を考慮しつつ、所望音量となるように駆動電圧を低下させる。また、ヤング率Ｅの温度依存性情報を検索してヤング率が低くなっている場合も、予めメモリ５に記憶されている各種要素を考慮しつつ、所望の音響特性となるように周波数特性を補正する。
そして、増幅器２からは信号線ｂを介して駆動信号が圧電スピーカー３に入力され、これにより圧電スピーカー３は増幅器２からの駆動信号に基づき、所望音量及び所望の周波数特性でもって発音する。
このように本第１の実施の形態では、高分子圧電材料からなる圧電フィルム８、１０の両主面に電極９ａ、９ｂ、１１ａ、１１ｂを形成した圧電体７ａ、７ｂを有する圧電スピーカー３と、音響信号を圧電スピーカー３に入力する音源ＩＣ１及び増幅器２とを備え、圧電スピーカー３の圧電定数ｄ14及びヤング率Ｅの各温度依存情報が格納されたメモリ５と、雰囲気温度を検出する温度センサ６とを有し、補正手段４ａが圧電定数ｄ14及びヤング率Ｅの温度依存性情報と温度センサ６の検出結果とに基づいて音源ＩＣ１及び増幅器２の駆動信号、すなわち音響信号を補正するので、浴室やキッチン等の高温雰囲気に晒される場所で使用しても、音圧レベルが過度に変化したり周波数特性が劣化するのを極力抑制することができ、ユーザが所望する音量で良好な音質で聴き取ることができる薄層小型の圧電スピーカーシステムを実現することができる。
また、高分子圧電材料や電極材料等の構成部材に透明材料を使用することにより通音孔のない透明圧電スピーカーを得ることができ、小型液晶テレビに好適に組み込むことができる。すなわち、使用する環境温度に温度変化が生じても所望の音響特性を有し、しかも防水性能にも優れた小型・薄層で高性能・高品質の圧電スピーカーシステムを実現することができる。
尚、上述した温度センサ６は、圧電スピーカー３の温度を高精度に検出する必要があり、そのためには圧電スピーカー３の近傍に配設するのが好ましい。
図８は、圧電デバイスの第２の実施の形態としてのタッチ式入力システムの一例を示すシステム構成図である。
このタッチ式入力システムは、押圧力により感知信号（位置情報及び押圧情報）を発生するタッチパネル１４（圧電素子）と、該タッチパネル１４に入力された感知信号を増幅する増幅器１５と、増幅器１５からの感知信号を受信するＭＰＵ１６と、タッチパネル１４の有する圧電定数ｄ14及びヤング率Ｅの温度依存性情報や所定の演算プログラム等が格納されたメモリ１７と、システム駆動時の雰囲気温度を検出する温度センサ１８とを備えている。
さらに、ＭＰＵ１６は補正手段１６ａを有し、温度センサ１８の検出結果と圧電定数ｄ14及びヤング率Ｅの温度依存性情報に基づき増幅器１５を温度補正する。
図９はタッチパネル１４を模式的に示した平面図であり、図１０はタッチパネル１４を模式的に示した底面図である。
タッチパネル１４は、第１の実施の形態と同様の高分子圧電材料で形成された圧電フィルム１９を有し、該圧電フィルム１９の一方の主面には第１及び第２の電極分割線２０ａ、２０ｂを介して複数領域に分割された表面電極（第１〜第４の表面電極２１ａ〜２１ｄ）が形成されている。また、前記圧電フィルム１９の他方の主面には一様な裏面電極２２が形成され、信号線ωは接地電位とされている。
尚、各表面電極２１ａ〜２１ｄ及び裏面電極２２は信号線α〜δ、ωを介して増幅器１５に接続されており、図８では信号線α〜δ、ωを纏めて信号線ｅと表記している。
次に、タッチパネル１４の位置情報及び押圧情報の取得方法について説明する。
図１１は、矢印Ｃに示すタッチパネル１４の略中央位置を所定の押圧力で押圧した場合を示している。
矢印Ｃに示すようにタッチパネル１４の略中央位置を押圧すると、圧電フィルム１９は各対角線３０ａ′３０ａ″、３０ｂ′、３０ｂ″の方向に略均等に伸長する。すなわち、対角線３０ａ′３０ａ″が伸長することにより、圧電フィルム１９には図３で示したような法線方向に電界が生じ、第２及び第３の表面電極２１ｂ、２１ｃにはプラスの電位が発生する。また、対角線３０ｂ′３０ｂ″は電界を印加すると縮小するが、押圧した場合は伸長することから、第１及び第４の表面電極２１ａ、２１ｄにはマイナスの電位が発生する。そして、それぞれの電極に発生する微小電圧は、押圧位置の変化に対応して変化する。そしてこの発生電位のパターンを解析することによって押圧位置を感知することが可能となる。
また、押圧力についても同様であり、タッチパネル１４を押圧したときに得られる電圧パターンを解析することにより、押圧情報を得ることができる。
そして、本第２の実施の形態では、第１の実施の形態と略同様、タッチパネル１４の圧電定数ｄ14及びヤング率Ｅの各温度依存性情報をメモリ１７に記憶し、これにより、タッチパネル１４の圧電定数ｄ14やヤング率Ｅが温度変化に起因して変化した場合であっても、誤検知しないように感知電圧を補正手段１６ａで補正している。
すなわち、タッチパネル１４を指やペンで押圧すると圧電フィルム１９は撓んで微小な電圧を発生するが、この微小な電圧は、圧電フィルム１９の圧電定数ｄ14に比例する。したがって、圧電定数ｄ14が温度変化により変動すると、押圧位置を正確に検出できなくなるおそれがある。また、圧電フィルム１９の撓み量も温度上昇により変化することから正確な押圧力を感知できなくなり、誤検知の原因となる。
そこで、本第２の実施の形態では、第１の実施の形態と略同様、タッチパネル１４に固有の圧電定数ｄ14の温度依存性情報及びヤング率Ｅの各温度依存性情報を予め測定してメモリ１７に記憶している。そして、ＭＰＵ１６に内蔵された計時機能によって所定時間毎に温度センサ１８からの雰囲気温度を検出し、ＭＰＵ１６の有する補正手段１６ａでメモリ１７の記憶内容と検出温度とを照合し、タッチパネル１４に入力される位置情報及び押圧情報を雰囲気温度に応じて補正することにより、温度変化が生じても感知性能が低下するのを抑制している。
以下、本タッチ式入力システムの動作を図８を用いて詳述する。
まず、指やペン等でタッチパネル１４を押圧すると、タッチパネル１４は微小な電圧を発生し、その感知信号が増幅器１５に入力される。
一方、ＭＰＵ１６は、温度センサ１８により所定時間毎に雰囲気温度を読み込み、メモリ１７に予め記憶された圧電定数ｄ14とヤング率Ｅの温度依存情報とを照合する。そして、ＭＰＵ１６は、照合結果に基づき信号線ｆを介して増幅器１５に制御信号を送信し、増幅器１５は温度補正された感知信号を信号線ｇを介してＭＰＵ１６に送信する。例えば、タッチパネル１４の初期押圧時の温度が４０℃で、その後温度上昇し、雰囲気温度４２℃でタッチパネル１４の特定位置を押圧した場合、圧電定数ｄ14及びヤング率Ｅの各温度依存性情報から圧電定数ｄ14が高くなり又は／及びヤング率Ｅが低くなっているときは、予めメモリ５に記憶されている各種要素（タッチパネル１４の大きさ、厚み等）を考慮しつつ、所望位置及び所望押圧力となるように感知電圧を補正し、ＭＰＵ１６に入力される。
このように本第２の実施の形態では、高分子圧電材料からなる圧電フィルム１９の両主面に表面電極２１ａ〜２１ｄ及び裏面電極２２が形成されたタッチパネル１４と、位置情報及び押圧情報をタッチパネル１４に入力する押圧手段とを備え、タッチパネル１４の圧電定数ｄ14及びヤング率Ｅの各温度依存性情報が格納されたメモリ１７と、雰囲気温度を検出する温度センサ１８とを有し、補正手段１６ａが圧電定数ｄ14とヤング率Ｅの温度依存性情報と温度センサ１８の検出結果とに基づいてタッチパネル１４上の位置情報及び押圧情報を補正するので、環境温度の変化により押圧時の撓み量が変化しても、所望の感知性能を得ることができ、誤検知するのを極力回避することが可能となる。そしてこれにより、使用する環境温度が変動しても正確な位置情報及び押圧情報を得ることができ、信頼性の向上した高性能のタッチ式入力システムを実現できる。
尚、上述した温度センサ１８は、タッチパネル１４の温度を高精度に検出する必要があり、そのためにはタッチパネル１４の近傍に配設するのが好ましい。
図１２は、圧電デバイスとしての第３の実施の形態を示す圧電スピーカーシステムのシステム構成図である。
高分子圧電材料は誘電体であり、圧電フィルムの両主面に電極を形成することにより、圧電スピーカー３は回路上でコンデンサを形成する。また、高分子圧電材料は、一般に線膨張係数が大きく、このため温度により圧電フィルム８、１０の厚みと大きさも微妙に変化する。
そこで、この第３の実施の形態では、温度センサに代えてＭＰＵ２４で圧電スピーカー３の静電容量を計測し、予め測定してメモリ２３に記憶された静電容量の温度特性情報から圧電スピーカー３の温度を検出している。
すなわち、この圧電スピーカーシステムは、第１の実施の形態と同様の圧電スピーカー３、音源ＩＣ１及び増幅器２を備えている。そして、メモリ２３には圧電定数ｄ14及びヤング率Ｅの各温度依存性情報に加え、圧電スピーカー３に固有の静電容量の温度依存性情報が格納されている。また、ＭＰＵ２４は、上述した補正手段４ａに加え、圧電スピーカー３の静電容量を計測する計測手段２４ａを有している。さらに、計測手段２４ａは、実行モードと非実行モードとを有すると共に、圧電スピーカー３と増幅器２の間には切替手段２５が介装され、ＭＰＵ２４は前記実行モードと非実行モードとに応じて切替手段２５を制御している。すなわち、ＭＰＵ２４は、信号線ｈを介して切替手段２５を制御し、実行モードのときは増幅器２から圧電スピーカー３への駆動信号の出力を禁止し、非実行モードのときは増幅器２から圧電スピーカー３への駆動信号の出力を許可する。
以下、第３の実施の形態の圧電スピーカーシステムの動作を詳述する。
計測手段２４ａが実行モードに設定されているときは、圧電スピーカー３の静電容量を計測した後、メモリ２３に記憶されている静電容量の温度依存性情報を検索し、計測手段２４ａにより計測された静電容量に相当する温度を読み出し、圧電スピーカー３の温度を検出する。
一方、計測手段２４ａが非実行モードに設定されている場合は、第１の実施の形態と略同様、ＭＰＵ２４は圧電定数ｄ14及びヤング率Ｅの各温度依存性情報と前記実行モードで検出された圧電スピーカー３の温度とを照合し、信号線ｃを介して増幅器２に制御信号を送信し、増幅器２で駆動信号の温度補正を行う。そして、増幅器２は、信号線ｂ、ｂ′を介し、温度補正された駆動信号を圧電スピーカー３に供給し、圧電スピーカー３は前記駆動信号に基づいて発音する。
このように本第３の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様、雰囲気温度に応じて駆動信号を温度補正しているので、所望の音響特性を有する音量及び周波数特性を得ることができる。
しかも、温度センサが不要であるので、使用する環境温度が変化しても音響信号の変化を抑制できる高品質の圧電スピーカーシステムを低コストで実現することができる。
また、本第３の実施の形態では、切替手段２５は、ＭＰＵ２４からの指令により実行モードと非実行モードとを切り替え、圧電スピーカー３への駆動信号の出力を制御しているが、計測手段２４ａによる静電容量の計測は瞬時に行うことができることから、圧電スピーカー３の駆動時に逐次温度補正を行うことが可能である。
図１３は、圧電デバイスとしての第４の実施の形態を示すタッチ式入力システムのシステム構成図であって、本第４の実施の形態は、第３の実施の形態をタッチ式入力システムに適用した場合を示している。
すなわち、このタッチ式入力システムは、第２の実施の形態と同様のタッチパネル１４及び増幅器１５を備えている。そして、メモリ２７には圧電定数ｄ14及びヤング率Ｅの温度依存性情報に加え、タッチパネル１４に固有の静電容量の温度依存性情報が格納されている。また、ＭＰＵ２７は、上述した補正手段１６ａに加え、タッチパネル１４の静電容量を計測する計測手段２７ａを有している。さらに、計測手段２７ａは、実行モードと非実行モードとを有すると共に、タッチパネル１４と増幅器１５の間には切替手段２８が介装され、ＭＰＵ２７は前記実行モードと非実行モードとに応じて切替手段２８を制御している。すなわち、ＭＰＵ２７は、信号線ｈを介して切替手段２８を制御し、実行モードのときはタッチパネル１４から増幅器１５への感知信号の入力を禁止し、非実行モードのときはタッチパネル１４から増幅器１５への感知信号の入力を許可する。
以下、この第４の実施の形態のタッチ式入力システムの動作を詳述する。
計測手段２７ａが実行モードに設定されている場合は、タッチパネル１４の静電容量を計測した後、メモリ２６に記憶されている静電容量の温度依存性情報を検索し、計測手段２７ａにより計測された静電容量に相当する温度を読み出し、タッチパネル１４の温度を検出する。
一方、計測手段２７ａが非実行モードに設定されている場合は、第２の実施の形態と略同様、感知信号は、信号線ｅ′、ｅを介してタッチパネル１４から増幅器１５に入力される。そして、ＭＰＵ２７では圧電定数ｄ14及びヤング率Ｅの各温度依存性情報とタッチパネル１４の温度とを照合し、信号線ｆを介して増幅器１５に制御信号を送信し、増幅器１５で感知信号の温度補正を行う。そして、この温度補正された感知信号がＭＰＵ２７に送信される。
このように本第４の実施の形態においても、第２の実施の形態と同様、雰囲気温度に応じて感知信号を温度補正しているので、所望の位置情報及び押圧情報を有する感知特性を得ることができる。
しかも、第３の実施の形態と同様、温度センサが不要であるので、より低コストで高温雰囲気にも耐えうる高品質のタッチ式入力システムを実現することができる。
また、本第４の実施の形態では、切替手段２８は、ＭＰＵ２７からの指令により実行モードと非実行モードとを切り替え、タッチパネル１４からの駆動信号の入力を制御しているが、計測手段２７ａによる静電容量の計測は瞬時に行うことができることから、タッチパネル１４の押圧時に逐次温度補正を行うことが可能である。
尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。圧電高分子材料としては、上述したようにＰＬＬＡが好ましいが、ＰＬＬＡに限定されるものではなく、ＰＶＤＦ等、他の高分子圧電材料についても同様に適用することができる。すなわち、この場合も使用する高分子圧電材料の圧電定数ｄ14及びヤング率Ｅの温度依存情報、更には必要に応じて静電容量の温度依存情報をメモリに記憶しておき、補正手段で温度変化に応じ圧電スピーカーシステムの場合であれば音量、周波数特性を補正し、またタッチ式入力システムの場合であれば感知性能を補正することにより性能劣化を招くのを抑制することができる。
また、上記実施の形態では圧電デバイスとして、圧電スピーカーシステム及びタッチ式入力システムを例示して説明したが、これらに限定されるものではない。すなわち、高分子圧電材料は温度上昇に伴い、圧電定数ｄ14やヤング率Ｅが変動して変位量が変動するため、所望の性能・品質を確保するためには温度補正する必要があり、したがって、本発明は高分子圧電材料を使用する各種圧電デバイスに広範に適用することが可能である。
また、タッチ式入力システムにおける位置情報及び押圧情報の取得方法も上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の方法が可能である。
浴室やキッチン等の高温下の雰囲気温度で使用しても、良好な発音特性や感知特性を得ることができる圧電スピーカーシステムやタッチ式入力システムを実現する。
１ 音源ＩＣ（入力手段）
３ 圧電スピーカー（圧電素子）
４ａ 補正手段
５ 記憶手段
６ 温度センサ（温度検出手段）
７ａ、７ｂ 圧電体
８ 圧電フィルム
９ａ、９ｂ 電極
１０ 圧電フィルム
１１ａ、１１ｂ 電極
１４ タッチパネル（圧電素子）
１５ 増幅器
１６ａ 補正手段
１７ 記憶手段
１８ 圧電フィルム
１９ 温度センサ（温度検出手段）
２１ａ〜２１ｄ 表面電極（電極）
２２ 裏面電極（電極）
２３ 記憶手段
２４ａ 計測手段
２５ 切替手段
２６ 記憶手段
２７ａ 計測手段
２８ 切替手段
本発明は、圧電デバイスに関し、より詳しくは素体材料に高分子圧電材料を使用した圧電スピーカーシステムやタッチ式入力システム等の圧電デバイスに関する。
近年、携帯電話やＰＤＡ（Personal Digital Assistance）等の携帯情報端末では薄型化・軽量化が要請されており、これらの携帯情報端末に搭載されるスピーカーとしては、狭いスペースに設置可能なことが望まれている。
そして、高分子圧電材料は、フィルム状に薄層化できることから狭い設置スペースにも組み入れることが可能である。しかも、フィルム状に薄層化された圧電フィルムは、可撓性を有し、かつ高い圧電性の発現が可能であることから、圧電フィルムの表面に電極を形成し、バイモルフ型又はユニモルフ型の圧電素子を得ることができる。したがって、高分子圧電材料は、携帯情報端末用のスピーカー素材としても期待されている。
例えば、特許文献１には、透明の可撓性圧電フィルムの表裏両面に透明電極を形成した圧電フィルム振動板からなり、前記圧電フィルム振動板を前記携帯情報端末機の筐体に支持することによって前記表示画面上に湾曲して設置した圧電フィルムスピーカが提案されている。
この特許文献１では、ポリフッ化ビニリデン（Polyvinylidene difluoride；以下、「ＰＶＤＦ」という。）等の可撓性を有する圧電フィルムを使用し、これにより機器の薄型化・軽量化を満たすと共に、表示画面の拡大化や聴き取り性能の向上を図っている。
また、近年、薄型ディスプレイ技術の発展に伴い、携帯情報端末、携帯ゲーム機、携帯音楽プレーヤー等の入力インターフェースとしてタッチパネル方式を採用したタッチ式入力システムの研究・開発も盛んに行われている。
この種のタッチ式入力システムとしては、従来より、表面弾性波技術を使用し、長方形のガラス基材の角辺に沿って反射アレイを形成した超音波方式が知られている。
しかしながら、この超音波方式のタッチ式入力システムでは、平面上の位置情報と押圧情報とを指やペン先で同時に入力しても、タッチ圧の分解能が低く、またタッチ感も悪く、さらに表面がガラス基材で形成されているため外部衝撃に弱いという欠点があった。
これに対し高分子圧電材料は、上述したように高い圧電性と可撓性を有し、またフィルム状に薄層化できることから、タッチパネル用素材としても期待されている。
そして、例えば、特許文献２には、平面状の感圧センサ上に可撓性を有するタッチパネルを互いに密着するように重ねて構成したタッチ式入力システムが提案されている。
この特許文献２では、ポリエステル等の可撓性を有する圧電フィルムを感圧センサ上に配し、圧電フィルムで位置情報を取得し、感圧センサで押圧情報を取得している。
特開２００３−２４４７９２号公報 特開平５−６１５９２号公報
ところで、近年、浴室やキッチンに設置可能な小型液晶テレビが注目されている。また、透明性の高い圧電フィルムの両主面に透明電極を形成することにより透明スピーカーを実現することができる。したがって、このような透明スピーカーを小型液晶テレビに搭載することにより、フレーム部が小さく通音孔を要しないテレビを実現することが可能となる。特に、浴室やキッチンでは防水性能が求められるため、通音孔のないテレビは非常に好適である。
しかしながら、特許文献１では、ＰＶＤＦ等の可撓性を有する高分子圧電材料を圧電フィルムに使用しているため、圧電スピーカーが設置される周囲の雰囲気温度によって音圧レベル（音量）や周波数特性（音質）等の音響特性が低下するという問題点があった。
すなわち、同一の電圧を圧電スピーカーに供給しても圧電定数が温度変化により変動すると、該圧電定数の変動に伴って音量も変動するため、ユーザは所望の音量で聴取できなくなるおそれがある。また、圧電フィルムのヤング率が温度変化により変動して該圧電フィルムの柔軟性に変化が生じると、圧電スピーカーから発せられる再生周波数帯域も変化する。
特に、浴室やキッチンでは通常の環境と比較して高温雰囲気になることが多い。例えば、浴室を簡易的なサウナとして使用したり、キッチンのコンロ近傍にテレビを配した場合、圧電スピーカーは、たとえ短時間であっても７０〜８０℃の高温雰囲気に晒されるおそれがある。そして、このような高温雰囲気で圧電スピーカーを駆動させると、圧電定数やヤング率の温度依存性に起因して音量が大きく変動し、再生周波数帯域が変化して音質も変化する。
このように特許文献１では、圧電素子の圧電定数やヤング率が雰囲気温度によって変化すると、音響特性の劣化を招き、特に高温雰囲気ではユーザは所望の音量、音質で聴くことができなくなるという問題点があった。
また、特許文献２のような従来のタッチ式入力システムでは、指やペンでタッチパネルを押圧すると、圧電フィルムが撓んで微小電圧を発生する。
しかしながら、圧電定数やヤング率が温度によって変化すると、タッチパネルの特定位置を同一の押圧力で押圧しても、常温時と高温時とでは発生電圧や撓み量が異なるため、感知性能の低下を招き、このため位置情報や押圧情報を正確に検出できず、誤検知の原因になるという問題点があった。
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであって、使用する環境温度に温度変化が生じても各種入力情報の変動を抑制することができる圧電デバイスを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために本発明に係る圧電デバイスは、高分子圧電材料からなる圧電フィルムの両主面に電極が形成された少なくとも１つ以上の圧電体を有する圧電素子と、所定の情報を前記圧電素子に入力する入力手段とを備えた圧電デバイスにおいて、前記圧電素子の電圧印加時の変位量及び応力負荷時の撓み量の各温度依存性情報が格納された記憶手段と、雰囲気温度を検出する温度検出手段と、該温度検出手段の検出結果と前記温度依存性情報とに基づいて前記入力手段の入力情報を補正する補正手段とを有していることを特徴としている。
また、本発明の圧電デバイスは、前記入力手段が、音源を蓄積した音源手段からなると共に、前記入力情報は音響信号であり、前記補正手段は、前記温度検出手段の検出結果と前記各温度依存性情報とに基づいて前記音響信号を補正するのが好ましい。
また、本発明の圧電デバイスは、前記入力手段が、前記圧電素子の特定位置を押圧する押圧手段からなると共に、前記入力情報は、位置情報及び押圧情報であり、前記補正手段は、前記温度検出手段の検出結果と前記各温度依存性情報とに基づいて前記位置情報及び前記押圧情報を補正するのが好ましい。
また、本発明に係る圧電デバイスは、高分子圧電材料からなる圧電フィルムの両主面に電極が形成された少なくとも１つ以上の圧電体を有する圧電素子と、所定の情報を前記圧電素子に入力する入力手段とを備えた圧電デバイスにおいて、前記圧電素子の電圧印加時の変位量、応力負荷時の撓み量、及び静電容量の各温度依存性情報が格納された記憶手段と、前記圧電素子の静電容量を計測する計測手段と、前記各温度依存性情報と前記計測手段により計測された前記静電容量とに基づいて前記入力情報を補正する補正手段とを備えていることを特徴としている。
また、本発明の圧電デバイスは、前記入力手段が、音源手段からなると共に、前記入力情報は音響信号であり、前記補正手段は、前記計測手段の計測結果と前記静電容量の温度依存性情報とに基づいて前記圧電素子の温度を検知し、該検知された温度と前記圧電素子の電圧印加時の変位量及び応力負荷時の撓み量の各温度依存性情報に基づいて音響信号を補正するのが好ましい。
また、本発明の圧電デバイスは、前記入力手段が、前記圧電素子の特定位置を押圧する押圧手段からなると共に、前記入力情報は、位置情報及び押圧情報であり、前記補正手段は、前記計測手段の計測結果と前記静電容量の温度依存性情報とに基づいて前記圧電素子の温度を検知し、該検知された温度と前記圧電素子の電圧印加時の変位量及び応力負荷時の撓み量の各温度依存性情報とに基づいて前記位置情報及び前記押圧情報を補正するのが好ましい。
さらに、本発明の圧電デバイスは、前記計測手段の実行モードと前記計測手段の非実行モードとに切り替える切替手段を有するのも好ましい。
また、本発明の圧電デバイスは、前記圧電素子が、圧電スピーカーであるのが好ましい。
さらに、本発明の圧電デバイスは、前記圧電素子が、前記圧電フィルムの両主面に形成された電極のうち、少なくとも一方の主面に形成された電極が複数領域に分割されているのが好ましい。
また、本発明の圧電デバイスは、前記圧電素子が、タッチパネルであるのが好ましい。
また、本発明の圧電デバイスは、前記高分子圧電材料が、ポリ乳酸であるのが好ましい。
本発明の圧電デバイスによれば、高分子圧電材料からなる圧電フィルムの両主面に電極が形成された少なくとも１つ以上の圧電体を有する圧電素子と、所定の情報を前記圧電素子に入力する入力手段とを備えた圧電デバイスにおいて、前記圧電素子の電圧印加時の変位量及び応力負荷時の撓み量の各温度依存性情報が格納された記憶手段と、雰囲気温度を検出する温度検出手段と、該温度検出手段の検出結果と前記温度依存性情報とに基づいて前記入力手段の入力情報を補正する補正手段とを有しているので、使用する環境温度が変化しても各種入力情報の変動を抑制することができる。
また、前記入力手段が、音源を蓄積した音源手段からなると共に、前記入力情報は音響信号であり、前記補正手段は、前記温度検出手段の検出結果と前記各温度依存性情報とに基づいて前記音響信号を補正することにより、電圧印加時の圧電素子の変位量が温度変化に起因して変動しても、音量を温度補正することができ、これにより温度変化が生じても音量が変動するのを極力抑制することが可能となる。また、応力負荷時の圧電素子の撓み量が温度変化に起因して変動しても、周波数特性を温度補正することができ、これにより温度上昇に伴って生じる音質の変動を極力抑制することが可能となる。
このように上記圧電デバイスによれば、浴室やキッチン等の高温雰囲気下でも音響特性の劣化を極力抑制することができ、ユーザは所望の音量でもって所望の音質の音を聴くことができる。すなわち、使用する環境温度が変化しても音量・音質の変動が抑制された小型・高品質の圧電スピーカーシステムを実現することが可能となる。
また、前記入力手段が、前記圧電素子の特定位置を押圧する押圧手段からなると共に、前記入力情報は、位置情報及び押圧情報であり、前記補正手段は、前記計測手段の計測結果と前記静電容量の温度依存性情報とに基づいて前記圧電素子の温度を検知し、該検知された温度と前記圧電素子の電圧印加時の変位量及び応力負荷時の撓み量の各温度依存性情報とに基づいて前記位置情報及び前記押圧情報を補正することにより、環境温度の変化により押圧時の圧電素子の発生電圧や撓み量が変化しても、所望の感知性能を得ることができ、誤検知するのを極力回避することが可能となる。
このように上記圧電デバイスによれば、使用する環境温度が変動しても正確な位置情報及び押圧情報を得ることができ、感知性能が良好で信頼性の向上した高性能のタッチ式入力システムを実現できる。
また、前記圧電素子の電圧印加時の変位量、応力負荷時の撓み量、及び静電容量の各温度依存性情報が格納された記憶手段と、前記圧電素子の静電容量を計測する計測手段と、前記各温度依存性情報と前記計測手段により計測された前記静電容量とに基づいて前記入力情報を補正する補正手段とを備えることにより、温度検出手段を設けなくても、圧電スピーカーの音量・音質やタッチパネルの位置情報・押圧情報を低コストでもって温度補正することができ、高性能・高品質で信頼性の優れた各種圧電デバイスを得ることが可能となる。
前記計測手段の実行モードと前記計測手段の非実行モードとに切り替える切替手段を有することにより、圧電素子への駆動信号の出力を容易に制御することができる。
また、前記高分子圧電材料が、ポリ乳酸である場合は、脱分極作用による圧電定数の経時劣化が生じることもなく、透明性や強度の良好な所望の各種圧電デバイスを実現することができる。
本発明に係る圧電デバイスの一実施の形態（第１の実施の形態）としての圧電スピーカーシステムの一例を示すシステム構成図である。 圧電素子としての圧電スピーカーを模式的に示した断面図である。 圧電フィルムの圧電現象の一例を示す図である。 圧電フィルムの圧電現象の他の例を示す図である。 圧電スピーカーに電圧が印加された場合を模式的に示す図である。 圧電定数ｄ14の温度依存性の一例を示す図である。 ヤング率Ｅの温度依存性の一例を示す図である。 本発明に係る圧電デバイスの第２の実施の形態としてのタッチ式入力システムの一例を示すシステム構成図である。 圧電素子としてのタッチパネルの平面図である。 前記タッチパネルの底面図である。 前記タッチパネルを押圧したときの状態を示す図である。 本発明に係る圧電デバイスの第３の実施の形態としての圧電スピーカーシステムの他の例を示すシステム構成図である。 本発明に係る圧電デバイスの第４の実施の形態としてのタッチ式入力システムの他の例を示すシステム構成図である。
次に、本発明の実施の形態を図面に基づき詳説する。
図１は、圧電デバイスの一実施の形態（第１の実施の形態）としての圧電スピーカーシステムの一例を示すシステム構成図である。
この圧電スピーカーシステムは、音源ＩＣ（入力手段）１と、音源ＩＣ１から入力された音源を増幅する増幅器２と、増幅器２から供給された駆動信号（音響信号）に基づいて発音する圧電スピーカー（圧電素子）３と、音源ＩＣ１及び増幅器２を制御するマイクロプロセッサーユニット（以下、「ＭＰＵ」という。）４と、圧電スピーカー３に固有の温度依存性情報や演算プログラム等が格納されたメモリ５（記憶手段）と、システム駆動時の雰囲気温度を検出する温度センサ６（温度検出手段）とを備えている。
音源ＩＣ１は、入力される音源信号をスピーカー駆動用の（音楽・音声等の）音響信号に変換する。音源信号は、ＭＰＵ４に内蔵されたメモリ等に蓄積されている場合、インターネットなどの電気通信回線網を介して直接配信される場合、デジタル放送に代表されるような放送電波をチューナーで受信して復調される場合等がある。尚、上記音源信号は、必ずしもデジタル信号である必要はなく、アナログ信号でも良い。
図２は圧電スピーカー３を模式的に示した断面図である。
表層面は、通常、保護フィルム等の保護材で覆われているが、この図２では保護材を省略している。
この圧電スピーカー３は、２枚の圧電体（第１の圧電体７ａ、第２の圧電体７ｂ）が貼着されたバイモルフ構造を有している。すなわち、第１の圧電体７ａは、圧電フィルム８の両主面に電極９ａ、９ｂが形成され、第２の圧電体７ｂは、圧電フィルム１０の両主面に電極１１ａ、１１ｂが形成され、これら第１の圧電体７ａと第２の圧電体７ｂとが接着層１２を介して接合されている。
尚、図２は圧電スピーカ３の一例を示したものであって、これに限定されるものではなく、ＰＥＴフィルム等と第１の圧電体７ａのみを組み合わせたユニモルフ構造や、第１の圧電体７ａと第２の圧電体７ｂの中間層にＰＥＴフィルム等を介在させたシム入りバイモルフ構造としてもよい。
圧電フィルム８、１０は高分子圧電材料からなり、例えば、厚みが３０〜１５０μｍのフィルム状に形成されている。
高分子圧電材料としては、可撓性及び高圧電性を有し、所望のフィルム状に加工できるものであれば、特に限定されるものではないが、以下の理由によりポリ乳酸（Poly-Lactic Acid；以下、「ＰＬＡ」という。）を主成分とする高分子圧電材料を使用するのが好ましい。
すなわち、ＰＬＡは、モノマーである乳酸の縮合重合体であり、乳酸は不斉炭素を有することから、Ｌ体、Ｄ体と呼ばれる鏡像異性体が存在する。Ｌ体が重合したものをＬ型ポリ乳酸(Poly-L-Lactic Acid；以下、「ＰＬＬＡ」という。) といい、左巻きの螺旋構造を有する。また、Ｄ体が重合したものをＤ型ポリ乳酸 (Po1y-D-Lactic Acid；以下、「ＰＤＬＡ」という。) といい、右巻きの螺旋構造を有する。
ＰＬＡは、一般に、トウモロコシなどから採取される澱粉に乳酸菌を作用させ、これによる発酵過程を経て生成される。この過程においては、ＰＬＬＡのみがほぼ生成されるため、通常、市場に流通しているのはＰＬＬＡであり、不純物として微量のＰＤＬＡを含んでいる。
また、ＰＬＬＡを一軸延伸させることにより、ＰＬＬＡの主鎖を延伸方向に配向させることができる。一軸延伸後、熱処理を経て結晶化度が改善されたＰＬＬＡは、高分子としては非常に高い圧電性を示すことが知られている。しかも、ＰＬＬＡは、ＰＶＤＦ等の他の強誘電性の高分子圧電材料とは異なり、主鎖の螺旋構造に起因して圧電性を発現するため、分極処理を行う必要がなく、したがって脱分極作用による圧電定数の経時劣化が生じない。さらに、ＰＬＬＡは、アクリル樹脂等と略同程度の透明度及び強度を有する。
以上の理由から、ＰＬＬＡを主成分とする高分子圧電材料を使用するのが、所望の透明圧電スピーカーを実現する観点から特に好ましい。
尚、電極９ａ、９ｂ、１１ａ、１１ｂに使用される電極材料は、特に限定されるものではないが、透明圧電スピーカーを実現する観点からは、酸化インジウムすず（ＩＴＯ）、酸化亜鉛、酸化インジウム−酸化亜鉛等の透明な電極材料を使用するのが好ましい。また、ポリチオフェンを主成分とする有機電極を用いてもよい。電極の形成方法についても特に限定されるものではなく、真空蒸着法、スパッタ法、めっき法、塗布、箔の貼り付け等、任意の方法を使用することができる。
尚、接着層１２は、ラミネートフィルムなどに用いられる粘着剤等の透明材料を使用することができる。
図３及び図４は、圧電フィルム８、１０をＰＬＬＡで形成した場合の圧電現象を示す図である。
図中、圧電フィルムの主面に対し法線方向（紙面に垂直方向）を第１の軸とし、ＸＹ平面で矢印Ａ方向と垂直な方向を第２の軸とし、さらに矢印Ａ方向を第３の軸とし、矢印Ａ方向に延伸処理されている。
圧電フィルム８は、第１の軸方向に上方から下方に電界が印加されると、図３に示すように、ＰＬＬＡの螺旋構造の影響により対称性が崩れ、その結果回転方向での歪みが生じ、圧電定数ｄ14を有するずり圧電性が発現する。すなわち、ＰＬＬＡの点群はＤ２に属するので、ｄ14、ｄ25、及びｄ36のテンソル成分が存在するが、延伸された圧電フィルム８では、ｄ25＝−ｄ14、ｄ36＝０となる。したがって、圧電フィルム８は、第１の対角線１３ａと略同一方向に伸長する一方、第２の対角線１３ｂと略同一方向に縮小し、これにより圧電フィルム８は、図３の実線に示すように歪む。
一方、圧電フィルム１０は、第１の軸方向に下方から上方に電界が印加されると、図４に示すように、第１の対角線１３ｃと略同一方向に縮小する一方、第２の対角線１３ｄと略同一方向に伸長し、これにより圧電フィルム１０は、図４の実線に示すように歪む。
したがって、第１の圧電体７ａと第２の圧電体７ｂとを接着剤１２を介して貼着し、第１の圧電体７ａと第２の圧電体７ｂとが逆方向に変形するように、電極９ａ、９ｂ、１１ａ、１１ｂに電圧が印加されると、圧電スピーカー３は、図５の仮想線から実線に示すように歪み、電圧を交番させると振動する。
そして、圧電フィルム８、１０、電極９ａ、９ｂ、１１ａ、１１ｂ、及び接着層１２をいずれも透明材料で形成することにより、透明圧電スピーカーを実現することができる。また、このような透明圧電スピーカーを使用することにより、通音孔がなく防水性能に優れた薄型の小型液晶テレビを得ることが可能となる。
さらに、本実施の形態では、圧電スピーカー３の電圧印加時の変位量の指標となる圧電定数ｄ14及び応力負荷時の撓み量の指標となるヤング率Ｅの各温度依存性情報がメモリ５に記憶されている。そして、後述するように、圧電フィルム８、１０の圧電定数ｄ14やヤング率Ｅが、温度変化に起因して変化した場合であっても、音量や周波数特性等の音響特性が極力変動しないようにＭＰＵ４で制御される。
ところで、圧電フィルム８、１０の圧電定数ｄ14及びヤング率Ｅの各温度依存性は、原料となる高分子圧電材料の結晶化度、分子量、純度、配向処理の方法等により異なる。すなわち、圧電フィルム８、１０の圧電定数ｄ14及びヤング率Ｅは、原料となる高分子圧電材料の製造方法・製造条件により、異なる温度依存性を有する。
そして、本実施の形態のような圧電スピーカー等の圧電デバイスでは、圧電定数は高ければ高いほど好ましい。
圧電定数を高めるための主要因としては、ＰＬＬＡの純度が高くＰＤＬＡをほとんど含まないこと、分子量が高いこと、配向度が高いこと、結晶化度が高いこと、ラメラ結晶のサイズが大きいこと等が知られており、圧電定数は、最終製品の形態や品質・特性によって異なる。ただし、圧電定数を高くするために、上述した方策を全て講じると高コスト化を招くおそれがあることから、実用化に際しては、コスト面を考慮しつつ、特性に支障が生じない程度に上記手段を適宜実施し、圧電定数を高めるのが好ましい。
また、圧電定数は、同一の高分子圧電材料であっても、常温での圧電定数が異なると、その温度依存性が異なる。
図６は、高分子圧電材料としてＰＬＬＡを使用し、作製された圧電フィルムについて、圧電定数ｄ14の温度依存性の一例を示している。横軸が温度Ｔ（℃）、縦軸が圧電定数ｄ14（ｐＣ／Ｎ）である。図中、試料番号１〜５は、異なる製造方法・製造条件下で作製されている。
この図６から明らかなように、試料番号１のように常温である温度Ｔ１（例えば、２０℃）での圧電定数ｄ14が高い場合は、圧電定数ｄ14は温度上昇と共に緩やかに上昇する。しかしながら、温度Ｔ１における圧電定数ｄ14が低くなるのに伴い、温度変化に対する圧電定数ｄ14の変動幅が大きくなる傾向にあり、試料番号５のように温度Ｔ１における圧電定数ｄ14が十分に低くなると、圧電定数ｄ14はガラス転移点Ｔ２（約７０℃）の近傍で急激に上昇する。
このように同一の高分子圧電材料であっても、圧電フィルム８、１０の圧電定数ｄ14は、製造方法や製造条件に応じた固有の温度依存性を有する。
そして、一定の電圧で駆動する場合、圧電フィルム８、１０の変位量は、圧電定数ｄ14が大きくなる程、大きくなることから、音量も圧電定数ｄ14が大きくなる程、大きくなる。
すなわち、圧電定数ｄ14は、図６のように温度に依存して変動することから、圧電スピーカーに一定の駆動電圧が印加されていても、音量は温度に依存して変動することとなる。
一方、圧電フィルム８、１０のヤング率についても、最終製品や品質・特性によって異なり、また、圧電定数の場合と同様、同一の高分子圧電材料を使用した場合であっても、常温でのヤング率が異なると、ヤング率の温度依存性が異なる。
図７は、高分子圧電材料としてＰＬＬＡを使用し、作製された圧電フィルムについて、ヤング率Ｅの温度依存性の一例を示している。横軸が温度Ｔ（℃）、縦軸がヤング率Ｅ（Ｎ／ｍ２）である。図中、試料番号１〜５は、図６の試料番号１〜５に対応している。
この図７から明らかなように、試料番号３のように常温である温度Ｔ３（例えば、２０℃）でのヤング率Ｅが低い場合は、ヤング率Ｅは緩やかに低下する。しかしながら、温度Ｔ３におけるヤング率Ｅが高くなるのに伴い、温度変化に対するヤング率Ｅの変動幅が大きくなり、試料番号５のように温度Ｔ３におけるヤング率Ｅが十分に高くなると、ヤング率Ｅは比較的低い温度Ｔ４（例えば、４０℃）で急激に低下する。
このように圧電フィルム８、１０のヤング率Ｅは、圧電定数ｄ14と同様、製造方法や製造条件に応じた固有の温度依存性を有する。
そして、圧電スピーカー３の場合、圧電フィルム８、１０のヤング率Ｅが高くなると硬質になり、再生周波数帯域が若干高音側にシフトしたような音質となる。一方、圧電フィルム８、１０のヤング率Ｅが低くなると軟質になり、再生周波数帯域が若干低音側にシフトしたような音質になる。
すなわち、ヤング率Ｅは、図７のように温度に依存して変動することから、音質も温度に依存して変動することとなる。
また、圧電定数ｄ14及びヤング率Ｅは、上述したように同一の高分子圧電材料であっても、製造方法や製造条件の相違に起因して固有の温度依存性を有するが、図６及び図７から明らかなように、圧電定数ｄ14の温度依存性とヤング率Ｅとの温度依存性との間に相関関係は存在しない。
そこで、本実施の形態では、圧電スピーカー３に固有の圧電定数ｄ14の温度依存性情報及びヤング率Ｅの各温度依存性情報を予め測定し、メモリ５に記憶させている。そして、ＭＰＵ４に内蔵された計時機能によって所定時間毎に温度センサ６からの雰囲気温度を検出し、ＭＰＵ４の有する補正手段４ａでメモリ５の記憶内容と検出温度とを照合し、圧電スピーカー３から出力される音量及び周波数特性を雰囲気温度に応じて補正し、これにより、温度変化が生じても音響特性の変動を極力抑制することが可能となる。
以下、本圧電スピーカーシステムの動作を、図１を参照しながら詳述する。
まず、ＭＰＵ４は、ユーザが音量を設定した時点又は電源を入れた時点からの温度を所定間隔毎に温度センサ６から読み込む。
一方、音源ＩＣ１は、音源となる駆動信号を信号線ａを介して増幅器２に入力する。そして、ＭＰＵ４は、温度センサ６からの検出温度とメモリ５に予め記憶された圧電定数ｄ14とヤング率Ｅの温度依存情報とを照合し、照合結果に基づく制御信号を信号線ｃ及び信号線ｄを介して音源ＩＣ１及び増幅器２に送信し、これにより駆動信号を温度補正する。例えば、圧電スピーカーシステムの電源入力時の温度が２０℃であって、現在温度が４０℃の場合、圧電定数ｄ14の温度依存性情報を検索し、圧電定数ｄ14が高くなっているときは、予めメモリ５に記憶されている各種要素（圧電スピーカー３の大きさ、圧電フィルム８、１０の厚み、電極９ａ、９ｂ、１１ａ、１１ｂの導電率、エンクロージャーの容積等）を考慮しつつ、所望音量となるように駆動電圧を低下させる。また、ヤング率Ｅの温度依存性情報を検索し、ヤング率Ｅが低くなっているときも、予めメモリ５に記憶されている各種要素を考慮しつつ、所望の音響特性となるように周波数特性を補正する。
そして、増幅器２からは信号線ｂを介して駆動信号が圧電スピーカー３に入力され、これにより圧電スピーカー３は増幅器２からの駆動信号に基づき、所望音量及び所望の周波数特性でもって発音する。
このように本第１の実施の形態では、高分子圧電材料からなる圧電フィルム８、１０の両主面に電極９ａ、９ｂ、１１ａ、１１ｂを形成した圧電体７ａ、７ｂを有する圧電スピーカー３と、駆動信号を圧電スピーカー３に入力する音源ＩＣ１及び増幅器２とを備え、圧電スピーカー３の圧電定数ｄ14及びヤング率Ｅの各温度依存情報が格納されたメモリ５と、雰囲気温度を検出する温度センサ６とを有し、補正手段４ａが圧電定数ｄ14及びヤング率Ｅの温度依存性情報と温度センサ６の検出結果とに基づいて音源ＩＣ１及び増幅器２の駆動信号、すなわち音響信号を補正するので、浴室やキッチン等の高温雰囲気に晒される場所で使用しても、音圧レベルが過度に変化したり周波数特性が劣化するのを極力抑制することができる。そしてこれにより、ユーザが所望する音量で良好な音質で聴き取ることができる薄層小型の圧電スピーカーシステムを実現することができる。
また、高分子圧電材料や電極材料等の構成部材に透明材料を使用することにより通音孔のない透明圧電スピーカーを得ることができ、小型液晶テレビに好適に組み込むことができる。したがって、使用する環境温度に温度変化が生じても所望の音響特性を有し、しかも防水性能にも優れた小型・薄層で高性能・高品質の圧電スピーカーシステムを実現することができる。
尚、上述した温度センサ６は、圧電スピーカー３の温度を高精度に検出する必要があり、そのためには圧電スピーカー３の近傍に配設するのが好ましい。
図８は、圧電デバイスの第２の実施の形態としてのタッチ式入力システムの一例を示すシステム構成図である。
このタッチ式入力システムは、押圧力により感知信号（位置情報及び押圧情報）を発生するタッチパネル１４（圧電素子）と、該タッチパネル１４に入力された感知信号を増幅する増幅器１５と、増幅器１５からの感知信号を受信するＭＰＵ１６と、タッチパネル１４の有する圧電定数ｄ14及びヤング率Ｅの温度依存性情報や所定の演算プログラム等が格納されたメモリ１７と、システム駆動時の雰囲気温度を検出する温度センサ１８とを備えている。
さらに、ＭＰＵ１６は補正手段１６ａを有し、温度センサ１８の検出結果と圧電定数ｄ14及びヤング率Ｅの温度依存性情報に基づき増幅器１５を温度補正する。
図９はタッチパネル１４を模式的に示した平面図であり、図１０はタッチパネル１４を模式的に示した底面図である。
タッチパネル１４は、第１の実施の形態と同様の高分子圧電材料で形成された圧電フィルム１９を有し、該圧電フィルム１９の一方の主面には第１及び第２の電極分割線２０ａ、２０ｂを介して複数領域に分割された表面電極（第１〜第４の表面電極２１ａ〜２１ｄ）が形成されている。また、前記圧電フィルム１９の他方の主面には一様な裏面電極２２が形成され、信号線ωは接地電位とされている。
尚、各表面電極２１ａ〜２１ｄ及び裏面電極２２は信号線α〜δ、ωを介して増幅器１５に接続されており、図８では信号線α〜δ、ωを纏めて信号線ｅと表記している。
次に、タッチパネル１４の位置情報及び押圧情報の取得方法について説明する。
図１１は、タッチパネル１４の略中央位置を所定の押圧力で押圧した場合を示している。
矢印Ｃに示すようにタッチパネル１４の略中央位置を押圧すると、圧電フィルム１９は各対角線３０ａ′３０ａ″、３０ｂ′、３０ｂ″の方向に略均等に伸長する。すなわち、対角線３０ａ′３０ａ″が伸長することにより、圧電フィルム１９には図３で示したような法線方向に電界が生じ、第２及び第３の表面電極２１ｂ、２１ｃにはプラスの電位が発生する。また、対角線３０ｂ′３０ｂ″は電界を印加すると縮小するが、押圧した場合は伸長することから、第１及び第４の表面電極２１ａ、２１ｄにはマイナスの電位が発生する。そして、それぞれの電極に発生する微小電圧は、押圧位置の変化に対応して変化する。そしてこの発生電位のパターンを解析することによって押圧位置を感知することが可能となる。
また、押圧力についても同様であり、タッチパネル１４を押圧したときに得られる電圧パターンを解析することにより、押圧情報を得ることができる。
そして、本第２の実施の形態では、第１の実施の形態と略同様、タッチパネル１４の圧電定数ｄ14及びヤング率Ｅの各温度依存性情報をメモリ１７に記憶し、これにより、タッチパネル１４の圧電定数ｄ14やヤング率Ｅが温度変化に起因して変化した場合であっても、誤検知しないように感知電圧を補正手段１６ａで補正している。
すなわち、タッチパネル１４を指やペンで押圧すると圧電フィルム１９は撓んで微小な電圧を発生するが、この微小な電圧は、圧電フィルム１９の圧電定数ｄ14に比例する。したがって、圧電定数ｄ14が温度変化により変動すると、押圧位置を正確に検出できなくなるおそれがある。また、圧電フィルム１９の撓み量も温度上昇により変化することから正確な押圧力を感知できなくなり、誤検知の原因となる。
そこで、本第２の実施の形態では、第１の実施の形態と略同様、タッチパネル１４に固有の圧電定数ｄ14の温度依存性情報及びヤング率Ｅの各温度依存性情報を予め測定してメモリ１７に記憶している。そして、ＭＰＵ１６に内蔵された計時機能によって所定時間毎に温度センサ１８からの雰囲気温度を検出し、ＭＰＵ１６の有する補正手段１６ａでメモリ１７の記憶内容と検出温度とを照合し、タッチパネル１４に入力される位置情報及び押圧情報を雰囲気温度に応じて補正することにより、温度変化が生じても感知性能が低下するのを抑制している。
以下、本タッチ式入力システムの動作を図８を参照しながら詳述する。
まず、指やペン等でタッチパネル１４を押圧すると、タッチパネル１４は微小な電圧を発生し、その感知信号が増幅器１５に入力される。
一方、ＭＰＵ１６は、温度センサ１８により所定時間毎に雰囲気温度を読み込み、メモリ１７に予め記憶された圧電定数ｄ14とヤング率Ｅの温度依存情報とを照合する。そして、ＭＰＵ１６は、照合結果に基づき信号線ｆを介して増幅器１５に制御信号を送信し、増幅器１５は温度補正された感知信号を信号線ｇを介してＭＰＵ１６に送信する。例えば、タッチパネル１４の初期押圧時の温度が４０℃であって、その後温度上昇し、雰囲気温度４２℃でタッチパネル１４の特定位置を押圧した場合、圧電定数ｄ14及びヤング率Ｅの各温度依存性情報から圧電定数ｄ14が高くなり又は／及びヤング率Ｅが低くなっているときは、予めメモリ５に記憶されている各種要素（タッチパネル１４の大きさ、厚み等）を考慮しつつ、所望位置及び所望押圧力となるように感知電圧を補正し、ＭＰＵ１６に入力される。
このように本第２の実施の形態では、高分子圧電材料からなる圧電フィルム１９の両主面に表面電極２１ａ〜２１ｄ及び裏面電極２２が形成されたタッチパネル１４と、位置情報及び押圧情報をタッチパネル１４に入力する押圧手段とを備え、タッチパネル１４の圧電定数ｄ14及びヤング率Ｅの各温度依存性情報が格納されたメモリ１７と、雰囲気温度を検出する温度センサ１８とを有し、補正手段１６ａが圧電定数ｄ14とヤング率Ｅの温度依存性情報と温度センサ１８の検出結果とに基づいてタッチパネル１４上の位置情報及び押圧情報を補正するので、環境温度の変化により押圧時の撓み量が変化しても、所望の感知性能を得ることができ、誤検知するのを極力回避することが可能となる。そしてこれにより、使用する環境温度が変動しても正確な位置情報及び押圧情報を得ることができ、信頼性の向上した高性能のタッチ式入力システムを実現できる。
尚、上述した温度センサ１８は、タッチパネル１４の温度を高精度に検出する必要があり、そのためにはタッチパネル１４の近傍に配設するのが好ましい。
図１２は、圧電デバイスとしての第３の実施の形態を示す圧電スピーカーシステムのシステム構成図である。
この第３の実施の形態では、温度センサに代えてＭＰＵ２４で圧電スピーカー３の静電容量を計測し、予め測定されてメモリ２３に記憶された静電容量の温度特性情報から圧電スピーカー３の温度を検知している。
すなわち、高分子圧電材料は誘電体であり、圧電スピーカー３は、圧電フィルム８、１０の両主面に電極９ａ、９ｂ、１１ａ、１１ｂを形成することにより、回路上でコンデンサを形成する。また、高分子圧電材料は、一般に線膨張係数が大きく、このため温度により圧電フィルム８、１０の厚みや大きさも微妙に変化する。
そこで、本第３の実施の形態では、上述したように、ＭＰＵ２４で圧電スピーカー３の静電容量を計測し、メモリ２３に記憶された静電容量の温度特性情報から圧電スピーカー３の温度を検知し、斯かる検知された温度と圧電スピーカー３の圧電定数ｄ14及びヤング率Ｅの各温度依存性情報に基づいて音量・音質を補正している。
すなわち、この圧電スピーカーシステムは、第１の実施の形態と同様の圧電スピーカー３、音源ＩＣ１及び増幅器２を備えている。そして、メモリ２３には圧電定数ｄ14及びヤング率Ｅの各温度依存性情報に加え、圧電スピーカー３に固有の静電容量の温度依存性情報が格納されている。また、ＭＰＵ２４は、上述した補正手段４ａに加え、圧電スピーカー３の静電容量を計測する計測手段２４ａを有している。さらに、計測手段２４ａは、実行モードと非実行モードとを有すると共に、圧電スピーカー３と増幅器２の間には切替手段２５が介装され、ＭＰＵ２４は前記実行モードと非実行モードとに応じて切替手段２５を制御している。すなわち、ＭＰＵ２４は、信号線ｈを介して切替手段２５を制御し、実行モードのときは増幅器２から圧電スピーカー３への駆動信号の出力を禁止し、非実行モードのときは増幅器２から圧電スピーカー３への駆動信号の出力を許可する。
以下、第３の実施の形態の圧電スピーカーシステムの動作を詳述する。
計測手段２４ａが実行モードに設定されているときは、圧電スピーカー３の静電容量を計測した後、メモリ２３に記憶されている静電容量の温度依存性情報を検索し、計測手段２４ａにより計測された静電容量に相当する温度を読み出し、圧電スピーカー３の温度を検出する。
一方、計測手段２４ａが非実行モードに設定されている場合は、第１の実施の形態と略同様、ＭＰＵ２４は圧電定数ｄ14及びヤング率Ｅの各温度依存性情報と前記実行モードで検出された圧電スピーカー３の温度とを照合し、信号線ｃを介して増幅器２に制御信号を送信し、増幅器２で駆動信号の温度補正を行う。そして、増幅器２は、信号線ｂ、ｂ′を介し、温度補正された駆動信号を圧電スピーカー３に供給し、圧電スピーカー３は前記駆動信号に基づいて発音する。
このように本第３の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様、雰囲気温度に応じて駆動信号を温度補正しているので、所望の音響特性を有する音量及び音質を得ることができる。
しかも、温度センサが不要であるので、使用する環境温度が変化しても音響信号の変化を抑制できる高品質の圧電スピーカーシステムを低コストで実現することができる。
また、本第３の実施の形態では、切替手段２５は、ＭＰＵ２４からの指令により実行モードと非実行モードとを切り替え、圧電スピーカー３への駆動信号の出力を制御しているが、計測手段２４ａによる静電容量の計測は瞬時に行うことができることから、圧電スピーカー３の駆動時に逐次温度補正を行うことが可能である。
図１３は、圧電デバイスとしての第４の実施の形態を示すタッチ式入力システムのシステム構成図であって、本第４の実施の形態は、第３の実施の形態をタッチ式入力システムに適用した場合を示している。
すなわち、このタッチ式入力システムは、第２の実施の形態と同様のタッチパネル１４及び増幅器１５を備えている。そして、メモリ２７には圧電定数ｄ14及びヤング率Ｅの温度依存性情報に加え、タッチパネル１４に固有の静電容量の温度依存性情報が格納されている。また、ＭＰＵ２７は、上述した補正手段１６ａに加え、タッチパネル１４の静電容量を計測する計測手段２７ａを有している。さらに、計測手段２７ａは、実行モードと非実行モードとを有すると共に、タッチパネル１４と増幅器１５の間には切替手段２８が介装され、ＭＰＵ２７は前記実行モードと非実行モードとに応じて切替手段２８を制御している。すなわち、ＭＰＵ２７は、信号線ｈを介して切替手段２８を制御し、実行モードのときはタッチパネル１４から増幅器１５への感知信号の入力を禁止し、非実行モードのときはタッチパネル１４から増幅器１５への感知信号の入力を許可する。
以下、この第４の実施の形態のタッチ式入力システムの動作を詳述する。
計測手段２７ａが実行モードに設定されている場合は、タッチパネル１４の静電容量を計測した後、メモリ２６に記憶されている静電容量の温度依存性情報を検索し、計測手段２７ａにより計測された静電容量に相当する温度を読み出し、タッチパネル１４の温度を検出する。
一方、計測手段２７ａが非実行モードに設定されている場合は、第２の実施の形態と略同様、感知信号は、信号線ｅ′、ｅを介してタッチパネル１４から増幅器１５に入力される。そして、ＭＰＵ２７では圧電定数ｄ14及びヤング率Ｅの各温度依存性情報とタッチパネル１４の温度とを照合し、信号線ｆを介して増幅器１５に制御信号を送信し、増幅器１５で感知信号の温度補正を行う。そして、この温度補正された感知信号がＭＰＵ２７に送信される。
このように本第４の実施の形態においても、第２の実施の形態と同様、雰囲気温度に応じて感知信号を温度補正しているので、所望の位置情報及び押圧情報を有する感知特性を得ることができる。
しかも、第３の実施の形態と同様、温度センサが不要であるので、より低コストで高温雰囲気にも耐えうる高品質のタッチ式入力システムを実現することができる。
また、本第４の実施の形態では、切替手段２８は、ＭＰＵ２７からの指令により実行モードと非実行モードとを切り替え、タッチパネル１４からの駆動信号の入力を制御しているが、計測手段２７ａによる静電容量の計測は瞬時に行うことができることから、タッチパネル１４の押圧時に逐次温度補正を行うことが可能である。
尚、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。高分子圧電材料としては、上述したようにＰＬＬＡが好ましいが、ＰＬＬＡに限定されるものではなく、ＰＶＤＦ等、他の高分子圧電材料についても同様に適用することができる。すなわち、この場合も使用する高分子圧電材料の圧電定数ｄ14及びヤング率Ｅの温度依存情報、更には必要に応じて静電容量の温度依存情報をメモリに記憶しておき、圧電スピーカーシステムの場合であれば音量、音質を温度変化に応じて補正し、またタッチ式入力システムの場合であれば感知性能を温度変化に応じて補正することにより性能劣化を招くのを抑制することができる。
また、上記実施の形態では圧電デバイスとして、圧電スピーカーシステム及びタッチ式入力システムを例示して説明したが、これらに限定されるものではない。すなわち、高分子圧電材料は温度上昇に伴い、圧電定数ｄ14やヤング率Ｅが変動して変位量が変動するため、所望の性能・品質を確保するためには温度補正する必要があり、したがって、本発明は高分子圧電材料を使用する各種圧電デバイスに広範に適用することが可能である。
また、タッチ式入力システムにおける位置情報及び押圧情報の取得方法も上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の方法が可能である。
浴室やキッチン等の高温下の雰囲気温度で使用したり、使用する環境温度が変化しても、良好な音響特性や感知特性を得ることができる圧電スピーカーシステムやタッチ式入力システム等の各種圧電デバイスを実現できる。
１ 音源ＩＣ（入力手段）
３ 圧電スピーカー（圧電素子）
４ａ 補正手段
５ 記憶手段
６ 温度センサ（温度検出手段）
７ａ、７ｂ 圧電体
８ 圧電フィルム
９ａ、９ｂ 電極
１０ 圧電フィルム
１１ａ、１１ｂ 電極
１４ タッチパネル（圧電素子）
１５ 増幅器
１６ａ 補正手段
１７ 記憶手段
１８ 圧電フィルム
１９ 温度センサ（温度検出手段）
２１ａ〜２１ｄ 表面電極（電極）
２２ 裏面電極（電極）
２３ 記憶手段
２４ａ 計測手段
２５ 切替手段
２６ 記憶手段
２７ａ 計測手段
２８ 切替手段

Claims (18)

  1. 高分子圧電材料からなる圧電フィルムの両主面に電極が形成された少なくとも１つ以上の圧電体を有する圧電素子と、所定の情報を前記圧電素子に入力する入力手段とを備えた圧電デバイスにおいて、
    前記圧電素子の変位量と温度との関係を示す温度特性情報が所定変位量毎に格納された記憶手段と、雰囲気温度を検出する温度検出手段と、該温度検出手段の検出結果と前記温度特性情報とに基づいて前記入力手段の入力情報を制御する制御手段とを有し、
    前記圧電素子は、前記制御手段により制御された入力情報を出力することを特徴とする圧電デバイス。
  2. 前記入力手段が、音源を蓄積した音源手段からなると共に、前記入力情報は発音情報であり、
    前記制御手段は、前記温度検出手段の検出結果と前記温度特性情報とに基づいて前記発音情報を温度補正する補正手段を有していることを特徴とする請求項１記載の圧電デバイス。
  3. 前記補正手段は、前記温度検出手段の検出結果を特定の変位量における温度特性情報と照合し、照合結果に対応する前記特定の変位量に基づいて前記発音情報を温度補正することを特徴とする請求項２記載の圧電デバイス。
  4. 前記圧電素子は、圧電スピーカーであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の圧電デバイス。
  5. 前記入力手段が、前記圧電素子の特定位置を押圧する押圧手段からなると共に、前記入力情報は、位置情報及び押圧情報であり、
    前記制御手段は、前記温度検出手段の検出結果に応じて前記位置情報及び前記押圧情報を温度補正する補正手段を有していることを特徴とする請求項１記載の圧電デバイス。
  6. 前記補正手段は、前記温度検出手段の検出結果を特定の変位量における温度特性情報と照合し、照合結果に対応する前記特定の変位量に基づいて前記位置情報及び押圧情報を補正することを特徴とする請求項５記載の圧電デバイス。
  7. 前記圧電素子は、前記圧電フィルムの両主面に形成された電極のうち、少なくとも一方の主面に形成された電極が複数領域に分割されていることを特徴とする請求項１、請求項５又は請求項６のいずれかに記載の圧電デバイス。
  8. 前記圧電素子は、タッチパネルであることを特徴とする請求項１、請求項５乃至請求項７のいずれかに記載の圧電デバイス。
  9. 高分子圧電材料からなる圧電フィルムの両主面に電極が形成された少なくとも一つ以上の圧電体を有する圧電素子と、所定の情報を前記圧電素子に入力する入力手段とを備えた圧電デバイスにおいて、
    前記圧電素子の変位量と温度との関係を示す第１の温度特性情報が所定変位量毎に格納され、かつ前記圧電素子の静電容量の温度依存性を示す第２の温度特性情報が格納された記憶手段と、前記入力手段の入力情報を制御する制御手段とを有し、
    前記制御手段が、前記圧電素子の静電容量を計測する計測手段と、前記第１及び第２の温度特性情報と前記計測手段により計測された前記静電容量とに基づいて前記入力情報を補正する補正手段とを備え、
    前記圧電素子は、前記補正手段により補正された入力情報を出力することを特徴とする圧電デバイス。
  10. 前記計測手段の実行モードと禁止モードとを切り替える切替手段を有していることを特徴とする請求項９記載の圧電デバイス。
  11. 前記入力手段が、音源を蓄積した音源手段からなると共に、前記入力情報は発音情報であり、
    前記補正手段は、前記計測手段により計測された静電容量と前記第２の温度特性情報とから前記圧電素子の温度を検知し、該検知された温度を特定の変位量における前記第１の温度特性情報と照合し、照合結果に対応する前記特定の変位量に基づいて発音情報を温度補正することを特徴とする請求項９又は請求項１０記載の圧電デバイス。
  12. 前記圧電素子は、圧電スピーカーであることを特徴とする請求項９乃至請求項１１のいずれかに記載の圧電デバイス。
  13. 前記入力手段は、前記圧電素子の特定位置を押圧する押圧手段からなると共に、前記入力情報は、位置情報及び押圧情報であり、
    前記補正手段は、前記計測手段により計測された静電容量と前記第２の温度特性情報とから前記圧電素子の温度を検知し、該検知された温度を特定の変位量における前記第１の温度特性情報と照合し、照合結果に対応する前記特定の変位量に基づいて前記位置情報及び押圧情報を温度補正することを特徴とする請求項９又は請求項１０記載の圧電デバイス。
  14. 前記圧電素子は、前記圧電フィルムの両主面に形成された電極のうち、少なくとも一方の主面に形成された電極が複数領域に分割されていることを特徴とする請求項９、１０又は請求項１３記載の圧電デバイス。
  15. 前記圧電素子は、タッチパネルであることを特徴とする請求項９、請求項１０、請求項１３、又は請求項１４のいずれかに記載の圧電デバイス。
  16. 前記高分子圧電材料は、Ｌ型ポリ乳酸であることを特徴とする請求項１乃至請求項１５のいずれかに記載の圧電デバイス。
  17. 前記変位量は、圧電定数を指標とすることを特徴とする請求項１乃至請求項４、請求項９乃至請求項１２、又は請求項１６のいずれかに記載の圧電デバイス。
  18. 前記変位量は、ヤング率を指標とすることを特徴とする請求項１、請求項５乃至請求項１０、請求項１３乃至請求項１６のいずれかに記載の圧電デバイス。
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