JP2019169519A - 圧電素子及び触覚呈示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】応力の集中を緩和して圧電体の割れを抑制する圧電素子及び触覚呈示装置を提供する。【解決手段】圧電素子１は、シム１０と、シム１０側の下面１４ｂがシム１０より小さい圧電体１４と、圧電体１４の周囲に設けられた絶縁体１６と、シム１０と圧電体１４との間に介在し、圧電体１４と対向する面（上面１２ａ）が圧電体１４の下面１４ｂより大きく、かつ圧電体１４の下面１４ｂと絶縁体１６の下面１６ｂを合わせた面より小さい導電性ペースト１２と、圧電体１４の上面１４ａ側に設けられ、圧電体１４と対向する面（下面１８ｂ）が圧電体１４の上面１４ａより大きく、かつ圧電体１４の上面１４ａと絶縁体１６の上面１６ａを合わせた面よりより小さい上部電極１８と、を備えて概略構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子及び触覚呈示装置に関する。

従来の技術として、シート状の可撓性感圧体と、この可撓性感圧体の上面と下面に形成され、可撓性感圧体に対向する面が可撓性感圧体の上面と下面より小さい第１の電極及び第２の電極と、を備えた圧電素子が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この圧電素子は、第１の電極及び第２の電極が可撓性感圧体の両面に塗布された導電性ペーストによって形成されている。

特開２００８−１６００４５号公報

この従来の圧電素子は、導電性ペーストが塗布された部分は伸縮するが、塗布されていない部分は伸縮しないので、伸縮する部分としない部分の界面に応力が集中して可撓性感圧体が割れる可能性がある。

従って本発明の目的は、応力の集中を緩和して圧電体の割れを抑制する圧電素子及び触覚呈示装置を提供することにある。

本発明の一態様は、下部電極と、下部電極側の下面が下部電極より小さい圧電体と、圧電体の周囲に設けられた絶縁体と、下部電極と圧電体との間に介在し、圧電体と対向する面が圧電体の下面より大きく、かつ圧電体の下面と絶縁体の下面を合わせた面より小さい導電性接合部と、圧電体の上面側に設けられ、圧電体と対向する面が圧電体の上面より大きく、かつ圧電体の上面と絶縁体の上面を合わせた面よりより小さい上部電極と、を備えた圧電素子を提供する。

本発明の他の態様は、下部電極、下部電極側の下面が下部電極より小さい圧電体、圧電体の周囲に設けられた絶縁体、下部電極と圧電体との間に介在し、圧電体と対向する面が圧電体の下面より大きく、かつ圧電体の下面と絶縁体の下面を合わせた面より小さい導電性接合部、及び圧電体の上面側に設けられ、圧電体と対向する面が圧電体の上面より大きく、かつ圧電体の上面と絶縁体の上面を合わせた面よりより小さい上部電極を備えた圧電素子と、操作面になされた操作に伴って検出された荷重を圧電素子から取得すると共に、取得した荷重が予め定められたしきい値以上である場合、圧電素子を駆動して操作面に振動を付加して触覚を呈示する制御部と、を備えた触覚呈示装置を提供する。

本発明によれば、応力の集中を緩和して圧電体の割れを抑制することができる。

図１（ａ）は、第１の実施の形態に係る圧電素子の一例を示す概略図であり、図１（ｂ）は、圧電素子の図１（ａ）のI（ｂ）-I（ｂ）線で切断した断面を矢印方向から見た断面図の一例であり、図１（ｃ）は、圧電体と絶縁体の一例を示す上面図である。 図２（ａ）は、比較例に係る圧電素子の一例を示す要部断面図であり、図２（ｂ）は、圧電素子の端の応力の一例について説明するための概略図である。 図３（ａ）は、第２の実施の形態に係る触覚呈示装置の一例を示す要部断面図であり、図３（ｂ）は、触覚呈示装置のブロック図の一例である。

（実施の形態の要約）
実施の形態に係る圧電素子は、下部電極と、下部電極側の下面が下部電極より小さい圧電体と、圧電体の周囲に設けられた絶縁体と、下部電極と圧電体との間に介在し、圧電体と対向する面が圧電体の下面より大きく、かつ圧電体の下面と絶縁体の下面を合わせた面より小さい導電性接合部と、圧電体の上面側に設けられ、圧電体と対向する面が圧電体の上面より大きく、かつ圧電体の上面と絶縁体の上面を合わせた面よりより小さい上部電極と、を備えて概略構成されている。

この圧電素子は、圧電体と接触する導電性接合部及び上部電極の面が圧電体の下面及び上面よりも大きいので、小さい場合と比べて、電圧の印加方向に交差する方向において伸縮しない部分がなく、そして伸縮する部分と伸縮しない部分の界面が存在しないため、応力の集中を緩和して圧電体の割れを抑制することができる。

[第１の実施の形態]
（圧電素子１の概要）
図１（ａ）は、第１の実施の形態に係る圧電素子の一例を示す概略図であり、図１（ｂ）は、圧電素子の図１（ａ）のI（ｂ）-I（ｂ）線で切断した断面を矢印方向から見た断面図の一例であり、図１（ｃ）は、圧電体と絶縁体の一例を示す上面図である。なお、以下に記載する実施の形態に係る各図において、図形間の比率は、実際の比率とは異なる場合がある。また後述する図３（ｂ）では、主な信号や情報の流れを矢印で示している。さらに数値範囲を示す「Ａ〜Ｂ」は、Ａ以上Ｂ以下の意味で用いるものとする。

圧電素子１は、例えば、図１（ａ）〜図１（ｃ）に示すように、下部電極としてのシム１０と、シム１０側の下面１４ｂがシム１０より小さい圧電体１４と、圧電体１４の周囲に設けられた絶縁体１６と、シム１０と圧電体１４との間に介在し、圧電体１４と対向する面（上面１２ａ）が圧電体１４の下面１４ｂより大きく、かつ圧電体１４の下面１４ｂと絶縁体１６の下面１６ｂを合わせた面より小さい導電性接合部としての導電性ペースト１２と、圧電体１４の上面１４ａ側に設けられ、圧電体１４と対向する面（下面１８ｂ）が圧電体１４の上面１４ａより大きく、かつ圧電体１４の上面１４ａと絶縁体１６の上面１６ａを合わせた面よりより小さい上部電極１８と、を備えて概略構成されている。

なお本実施の形態の圧電素子１は、ユニモルフ型の圧電素子であるがこれに限定されず、バイモルフ型であっても良い。また圧電素子１は、一例として、円形状を有するがこれに限定されない。

圧電素子１は、荷重を検出すると共に、振動による触覚フィードバックを呈示する目的で使用される。また圧電素子１は、操作に伴って操作面に付加された荷重を検出すると共に、上部電極１８とシム１０（下部電極）とを介して印加された電圧によって操作面に振動を付加して触覚を呈示するように構成されている。従って圧電素子１は、一例として、荷重の検出の際、３Ｖ程度の電圧がシム１０と上部電極１８との間に生じ、振動の呈示の際、３００〜４００Ｖ程度の電圧がシム１０と上部電極１８との間に印加される。

（シム１０の構成）
シム１０は、例えば、図１（ａ）に示すように、円板形状を有している。このシム１０は、例えば、導電性を有するアルミニウム、ニッケル、銅、鉄などの金属材料、それらを含有する合金材料、或いはステンレスなどの合金材料を用いて形成される。なおシム１０は、例えば、導電性を有する合成樹脂材料を用いて形成されても良い。このシム１０は、一例として、厚みが１００μｍである。

シム１０は、導電性ペースト１２を介して圧電体１４と電気的に接続され、下部電極として機能している。このシム１０には、例えば、図１（ａ）に示すように、はんだ２０によって電線２４が電気的に接続されている。

（導電性ペースト１２の構成）
導電性ペースト１２は、例えば、銀ペースト、銅ペースト、ニッケルペーストなどを塗布や印刷することによって形成されている。この導電性ペースト１２は、一例として、厚みが２μｍである。

導電性ペースト１２は、例えば、図１（ｂ）に示すように、シム１０と絶縁体１６との間からはみ出さないように形成される。

なお変形例として導電性結合部は、導電性ペーストに限定されず、例えば、シム１０と圧電体１４を結合する導電性接着剤や導電性粘着剤などであっても良い。

（圧電体１４の構成）
圧電体１４は、例えば、付加された荷重による変形を電圧に変換すると共に、供給された電圧によって変形を行うように構成されている。シム１０は、この電圧による変形に基づく振動を増幅する機能を有する。この圧電体１４は、例えば、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、シム１０よりも半径が小さい円板形状を有している。この圧電体１４は、一例として、厚みが１００μｍである。

この圧電体１４の材料としては、例えば、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、メタニオブ酸鉛、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などが用いられる。圧電体１４は、例えば、これらの材料を用いて形成された膜を積層して形成された積層型の圧電体である。

（絶縁体１６の構成）
絶縁体１６は、例えば、図１（ｂ）及び図１（ｃ）に示すように、貫通孔１６ｃを有し、貫通孔１６ｃに圧電体１４が配置される。つまり絶縁体１６は、例えば、図１（ａ）〜図１（ｃ）に示すように、圧電体１４の側面１４ｃを覆うため、ドーナツ形状を有している。絶縁体１６は、例えば、ヤング率が低いウレタンゴムやシリコンゴムなどのゴムによって形成されている。このヤング率が低いとは、圧電体１４の変形に応じて変形する、つまり絶縁体１６が圧電体１４の変形を阻害しない程度の柔らかさのヤング率を有することを示している。

本実施の形態の絶縁体１６は、一例として、円環形状を有するがこれに限定されず、貫通孔１６ｃが圧電体１４に応じた形状であれば良い。また絶縁体１６は、例えば、導電性ペースト１２及び上部電極１８より大きくされるがシム１０よりは小さくされる。

（上部電極１８の構成）
上部電極１８は、例えば、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、円板形状を有している。この上部電極１８は、例えば、導電性ペーストによって形成されている。この導電性ペーストは、銀ペースト、銅ペースト、ニッケルペーストなどを塗布や印刷することによって形成されている。また上部電極１８の上面１８ａには、例えば、図１（ａ）に示すように、はんだ２０を介して電線２２が電気的に接続されている。上部電極１８は、一例として、厚みが１２μｍである。

なお変形例として上部電極１８は、導電性ペーストに限定されず、例えば、結合部材を介して金、白金や銅などの膜として形成されても良い。

（圧電体１４の伸縮に伴う応力について）
図２（ａ）は、比較例に係る圧電素子の一例を示す要部断面図であり、図２（ｂ）は、圧電素子の端の応力の一例について説明するための概略図である。

比較例の圧電素子９は、例えば、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、シム９０と、導電性ペースト９２と、圧電体９４と、上部電極９６と、を備えて概略構成されている。なお比較例の圧電素子９のシム９０などの材料や厚みは、本実施の形態の圧電素子１と同じであるものとする。

比較例の圧電素子９は、圧電体９４の端まで導電性ペースト９２及び上部電極９６が形成されていない。この形成されていない部分は、電圧の印加に応じて伸縮しない非伸縮領域９８ｂとなる。

従って圧電素子９は、例えば、図２（ｂ）に点線で示す界面９７を境に、電圧の印加方向に交差する方向において伸縮する伸縮領域９８ａと、伸縮しない非伸縮領域９８ｂと、が生じる。図２（ｂ）に矢印で示す方向に圧電体９４が収縮した場合、非伸縮領域９８ｂは、伸縮しないので、界面９７に応力が集中する。この応力の集中によって圧電体９４は、界面９７を境に破断する可能性がある。

なお電圧の印加方向は、シム９０から上部電極９６に向かう方向、又は上部電極９６からシム９０に向かう方向である。

また圧電素子９は、導電性ペースト９２及び上部電極９６を圧電体９４の端まで形成した場合、導電性ペースト９２と上部電極９６との距離が近いので、ショートしたり、歩留まりが増加したりする可能性がある。

一方本実施の形態の圧電素子１は、例えば、図１（ｂ）に示すように、絶縁体１６の上面１６ａ及び下面１６ｂに上部電極１８及び導電性ペースト１２が形成されるので、圧電体１４の端を超えて上部電極１８及び導電性ペースト１２を設けることができる。従って圧電素子１は、シム１０及び上部電極１８間に電圧が印可された場合、比較例のような界面９７が存在しないので、圧電体１４の全体が伸縮し、電圧の印加方向に交差する方向において応力の集中による圧電体１４の破断を抑制することができる。

（第１の実施の形態の効果）
本実施の形態に係る圧電素子１は、圧電体１４と接触する導電性ペースト１２及び上部電極１８の面（上面１２ａ及び下面１８ｂ）が圧電体１４の下面１４ｂ及び上面１４ａよりも大きい、つまり導電性ペースト１２及び上部電極１８が圧電体１４の端よりも外側まで形成されている。従って圧電素子１は、この構成を採用しない場合と比べて、電圧の印加方向に交差する方向において伸縮しない部分である非伸縮領域がないことから伸縮領域と非伸縮領域の界面が存在しないので、応力の集中を緩和して圧電体１４の割れを抑制することができる。

圧電素子１は、圧電体１４の全体を伸縮させることができるので、界面が存在する場合と比べて、印加した電圧に対して得られる振動エネルギーのロスが小さい。

圧電素子１は、圧電体の全体を伸縮させるため、絶縁体なしに圧電体の端まで導電性ペースト及び上部電極を形成する場合と比べて、ショートや歩留まりの増加が抑制され、低コストで製造することができる。

圧電素子１は、高電圧で駆動して振動の呈示を行う場合であっても応力の集中を緩和して圧電体１４の割れを抑制することができるので、この構成を採用しない場合と比べて、荷重の検出と振動の呈示による触覚フィードバックとを安定して行うことができる。

［第２の実施の形態］
第２の実施の形態は、荷重の検出と振動による触覚フィードバックとを行う触覚呈示装置に圧電素子を用いる点で第１の実施の形態と異なっている。

図３（ａ）は、第２の実施の形態に係る触覚呈示装置の一例を示す要部断面図であり、図３（ｂ）は、触覚呈示装置のブロック図の一例である。なお以下に記載する実施の形態において、第１の実施の形態と同じ機能及び構成を有する部分は、第１の実施の形態と同じ符号を付し、その説明は省略するものとする。

この触覚呈示装置８は、例えば、電子機器に接続され、検出されたプッシュ操作に基づいて当該電子機器の予め割り当てられた機能の動作を指示するように構成されている。また触覚呈示装置８は、プッシュ操作が判定された場合、振動の呈示によってプッシュ操作が受け付けられたことを示す触覚フィードバックを行うように構成されている。

また触覚呈示装置８は、例えば、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、シム１０と、シム１０側の下面１４ｂがシム１０より小さい圧電体１４と、圧電体１４の周囲に設けられた絶縁体１６と、シム１０と圧電体１４との間に介在し、圧電体１４と対向する面（上面１２ａ）が圧電体１４の下面１４ｂより大きく、かつ圧電体１４の下面１４ｂと絶縁体１６の下面１６ｂを合わせた面より小さい導電性ペースト１２と、圧電体１４の上面１４ａ側に設けられ、圧電体１４と対向する面（下面１８ｂ）が圧電体１４の上面１４ａより大きく、かつ圧電体１４の上面１４ａと絶縁体１６の上面１６ａを合わせた面よりより小さい上部電極１８と、有する圧電素子１を備えている。

また触覚呈示装置８は、例えば、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、操作面８２になされた操作に伴って検出された荷重を圧電素子１から取得する共に、取得した荷重が予め定められたしきい値（荷重しきい値８５０）以上である場合、圧電素子１を駆動して操作面８２に振動を付加して触覚を呈示する制御部８５を備えている。

圧電素子１は、例えば、図３（ａ）に示すように、ベース８０の凹部８００上に配置されている。この凹部８００は、圧電素子１のシム１０が撓み易くなるように設けられている。

操作パネル８１の裏面８３には、例えば、図３（ａ）に示すように、押子８４が設けられている。この押子８４は、圧電素子１の上部電極１８と接触している。圧電素子１は、操作パネル８１にプッシュ操作が行われると、押子８４を介してプッシュ操作に伴う荷重が付加される。圧電素子１は、この荷重に応じた検出電圧Ｖを制御部８５に出力する。

制御部８５は、例えば、記憶されたプログラムに従って、取得したデータに演算、加工などを行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、半導体メモリであるＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）などから構成されるマイクロコンピュータである。このＲＯＭには、例えば、制御部８５が動作するためのプログラムと、荷重しきい値８５０と、が格納されている。ＲＡＭは、例えば、一時的に演算結果などを格納する記憶領域として用いられる。

制御部８５は、例えば、圧電素子１から取得した検出電圧Ｖを荷重に換算し、この荷重が荷重しきい値８５０以上であった場合、プッシュ操作がなされたと判定する。そして制御部８５は、プッシュ操作がなされたことを示す操作情報Ｓ_２を生成して電子機器に出力すると共に、触覚フィードバックを行うための駆動信号Ｓ_１を生成して圧電素子１に出力する。

（第２の実施の形態の効果）
この触覚呈示装置８は、圧電素子１を高電圧で駆動して振動の呈示を行う。触覚呈示装置８は、例えば、電圧の印加方向に交差する方向において伸縮領域と非伸縮領域の界面が存在しないので、応力の集中を緩和して圧電体１４の割れを抑制することができる。従って触覚呈示装置８は、この構成を採用しない場合と比べて、荷重の検出と振動の呈示による触覚フィードバックとを安定して行うことができる。

以上、本発明のいくつかの実施の形態及び変形例を説明したが、これらの実施の形態及び変形例は、一例に過ぎず、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。これら新規な実施の形態及び変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。また、これら実施の形態及び変形例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。さらに、これら実施の形態及び変形例は、発明の範囲及び要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…圧電素子、８…触覚呈示装置、９…圧電素子、１０…シム、１２…導電性ペースト、１２ａ…上面、１４…圧電体、１４ａ…上面、１４ｂ…下面、１４ｃ…側面、１６…絶縁体、１６ａ…上面、１６ｂ…下面、１６ｃ…貫通孔、１８…上部電極、１８ａ…上面、１８ｂ…下面、２２…電線、２４…電線、８０…ベース、８１…操作パネル、８２…操作面、８３…裏面、８４…押子、８５…制御部、９０…シム、９２…導電性ペースト、９４…圧電体、９６…上部電極、９７…界面、９８ａ…伸縮領域、９８ｂ…非伸縮領域、８００…凹部、８５０…荷重しきい値

Claims (4)

1. 下部電極と、
   前記下部電極側の下面が前記下部電極より小さい圧電体と、
   前記圧電体の周囲に設けられた絶縁体と、
   前記下部電極と前記圧電体との間に介在し、前記圧電体と対向する面が前記圧電体の前記下面より大きく、かつ前記圧電体の前記下面と前記絶縁体の下面を合わせた面より小さい導電性接合部と、
   前記圧電体の上面側に設けられ、前記圧電体と対向する面が前記圧電体の前記上面より大きく、かつ前記圧電体の前記上面と前記絶縁体の上面を合わせた面よりより小さい上部電極と、
   を備えた圧電素子。
2. 操作に伴って操作面に付加された荷重を検出すると共に、前記上部電極と前記下部電極とを介して印加された電圧によって前記操作面に振動を付加して触覚を呈示する、
   請求項１に記載の圧電素子。
3. 前記絶縁体は、貫通孔を有し、前記貫通孔に前記圧電体が配置される、
   請求項１又は２に記載の圧電素子。
4. 下部電極、前記下部電極側の下面が前記下部電極より小さい圧電体、前記圧電体の周囲に設けられた絶縁体、前記下部電極と前記圧電体との間に介在し、前記圧電体と対向する面が前記圧電体の前記下面より大きく、かつ前記圧電体の前記下面と前記絶縁体の下面を合わせた面より小さい導電性接合部、及び前記圧電体の上面側に設けられ、前記圧電体と対向する面が前記圧電体の前記上面より大きく、かつ前記圧電体の前記上面と前記絶縁体の上面を合わせた面よりより小さい上部電極を備えた圧電素子と、
   操作面になされた操作に伴って検出された荷重を前記圧電素子から取得すると共に、取得した荷重が予め定められたしきい値以上である場合、前記圧電素子を駆動して前記操作面に振動を付加して触覚を呈示する制御部と、
   を備えた触覚呈示装置。

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