JP6398340B2 - 圧電フィルム、振動デバイス、および、歪検出デバイス - Google Patents

Description

本発明は、圧電フィルムと、該圧電フィルムの振動を利用する振動デバイスと、該圧電フィルムの歪みを検出する歪検出デバイスと、に関する。

振動デバイスや歪検出デバイスでは、キラル高分子を主材料とする圧電フィルムが利用されることがある（例えば特許文献１参照。）。キラル高分子を主材料とする圧電フィルムは、延伸処理が施されることでずり圧電性を発現する。ずり圧電性とは、電界の印加によって主面内に伸びと縮みが同時に生じる圧電性であり、圧電フィルムに印加する電界の極性を逆にすると、伸びと縮みが逆になる性質を有している。

ここで、ずり圧電性を有する圧電フィルムを利用したデバイスの一例として、平面型スピーカを説明する。図１２（Ａ）は、平面型スピーカ１０１の正面図であり、図１２（Ｂ）は、平面型スピーカ１０１の側面図である。平面型スピーカ１０１は、圧電フィルム１０２と、振動板１０３と、フレーム部材１０４，１０５とを備える。圧電フィルム１０２は、延伸処理が施されたＰＬＬＡ（Ｌ型ポリ乳酸）フィルムから、延伸方向に対する４５°方向を長さ方向として短冊状に切り出されたものである。圧電フィルム１０２は、延伸方向に対する４５°方向を長さ方向として切り出されることで、電圧の印加によって長さ方向に伸びや縮みが生じる。フレーム部材１０４，１０５は、圧電フィルム１０２の長さ方向の両端に設けられている。振動板１０３は、側面視して長さ方向の両端付近から中央付近にかけて除々に圧電フィルム１０２までの距離が離れるように湾曲させた状態でフレーム部材１０４，１０５を介して圧電フィルム１０２に連結されている。このため、圧電フィルム１０２は、フレーム部材１０４，１０５を介して振動板１０３から外方に引っ張られている。このような平面型スピーカ１０１において、圧電フィルム１０２に交番電界を印加すると、圧電フィルム１０２に長さ方向の伸縮が生じ、これに伴い、振動板１０３に振動が引き起こされる。

国際公開２０１２／１５７６９１号パンフレット

上述の圧電フィルムでは、長さ方向の伸びや縮みに伴って幅方向の歪（横歪）が生じる。このため、圧電フィルムと振動板との連結部分には幅方向の応力負荷がかかり、この幅方向の応力負荷によって、振動デバイスや歪検出デバイスに故障が引き起こされることがあった。

そこで、本発明の目的は、長さ方向に伸び縮みさせても、幅方向に縮みや伸びが生じることを抑制できる圧電フィルムを提供することにある。また、本発明の目的は、圧電フィルムと他部材との連結部分にかかる幅方向の応力負荷を抑制できる振動デバイスや歪検出デバイスを提供することにある。

この発明に係る圧電フィルムは、電圧が印加された場合に、平面視して２つの変位方向の一方に伸び方向の歪みが生じ、他方に縮み方向の歪みが生じる。該圧電フィルムは、平面視して前記２つの変位方向に対して交差する方向を長さ方向および幅方向とする１以上の単位領域を備えている。前記単位領域は、表裏面に電極が配される第１電極形成部と、前記第１の電極形成部と前記幅方向に並んでおり、表裏面に前記第１電極形成部とは逆の極性で電極が配される第２電極形成部と、前記単位領域の前記長さ方向の一方の縁で前記長さ方向に隣接する領域に繋がる電極非形成部と、を備えている。前記単位領域の前記長さ方向の他方の縁には、前記第１電極形成部から前記第２電極形成部にかけて連続する切欠きを設けている。

この構成では、第１電極形成部と第２電極形成部とに逆の極性の電界が印加されると、２つの変位方向に生じる伸びと縮みが、第１電極形成部と第２電極形成部とで逆になる。すると、第１電極形成部と第２電極形成部とで幅方向の変形が相殺され、第１電極形成部や第２電極形成部における変位方向の伸びや縮みが、圧電フィルム全体の長さ方向の変形に変換される。したがって、圧電フィルムを長さ方向に伸び縮みさせても、幅方向に縮みや伸びが生じることを抑制できる。

前記単位領域は、前記幅方向に配列して複数設けることもできる。これにより、力を必要とする用途においてフィルム全体にかかる力を幅方向に分散して保持することができる。

前記単位領域は、前記長さ方向に配列して複数設けていることが好ましい。これにより、圧電フィルムの長さ方向の変形量を、より大きくすることができる。

前記長さ方向に隣接する切欠き同士は、互いに同形状で前記幅方向にずらして設け、前記長さ方向に隣接する単位領域同士は、互いに鏡像な形状で設けることが好ましい。これにより、長さ方向に多数の単位領域を配列でき、圧電フィルムの長さ方向の変形量をより大きくすることができる。

前記第１電極形成部の表裏に配される電極の一方と、前記第２電極形成部の表裏に配される電極の一方とが、共通した電極として設けられてもよい。これにより、共通の電極を容易に形成できる。

前記第１電極形成部の表裏に配される電極と、前記第２電極形成部の表裏に配される電極とが、それぞれ分離した電極として設けられてもよい。これにより、第１電極形成部や第２電極形成部で表裏の電極面積を揃えることができ、圧電フィルムの反りを緩和することができる。

上述の圧電フィルムは、前記長さ方向または前記幅方向を配向方向とするキラル高分子を含むことが好ましい。

前記キラル高分子は、ポリ乳酸であることが好ましい。

この発明の振動デバイスは、上述の圧電フィルムと、前記第１電極形成部と前記第２電極形成部とのそれぞれに逆の極性で電界を印加する駆動部と、前記圧電フィルムに連結される振動部材と、を備える。圧電フィルムに長さ方向の伸びや縮みが生じても、幅方向に生じる縮みや伸びが抑制されるので、振動デバイスにおいて圧電フィルムを長さ方向に振動させても、振動部材と圧電フィルムとの連結部分に幅方向の応力負荷がかかることがない。

この発明の歪検出デバイスは、上述の圧電フィルムと、前記第１電極形成部と前記第２電極形成部とのうちの少なくとも一方に生じる電荷を検出する検出部と、前記圧電フィルムに連結される歪部材と、を備える。圧電フィルムに長さ方向の伸びや縮みが生じても、幅方向に生じる縮みや伸びが抑制されるので、歪検出デバイスにおいて圧電フィルムに作用する長さ方向の歪みに伴う伸びや縮みを検出しても、歪部材と圧電フィルムとの連結部分に幅方向の応力負荷がかかることがない。

本発明によれば、圧電フィルムにおいて、長さ方向に伸びや縮みを生じさせても、幅方向に縮みや伸びが生じることを抑制できる。また、振動デバイスや歪検出デバイスにおいて、圧電フィルムと他部材との連結部分にかかる幅方向の応力負荷を抑制でき、デバイスの故障を抑制できる。

第１の実施形態に係る圧電フィルムの平面図である。 第１の実施形態に係る圧電フィルムの側面断面図である。 第１の実施形態に係る圧電フィルムの単位領域を示す平面図である。 第１の実施形態に係る圧電フィルムの変形態様を示す平面図である。 第２の実施形態に係る圧電フィルムの側面断面図である。 第３の実施形態に係る圧電フィルムの平面図である。 第４の実施形態に係る圧電フィルムの平面図である。 第４の実施形態に係る圧電フィルムにおける単位領域の変形態様を示す平面図である。 第５の実施形態に係る振動デバイスの模式的なブロック図である。 第５の実施形態に係る振動デバイスとして触覚提示デバイスを構成する場合の側面図である。 第６の実施形態に係る歪検出デバイスの模式的なブロック図である。 従来のデバイスの模式図である。

以下、図を参照して幾つかの具体的な例を挙げて、本発明を実施するための複数の形態を示す。各図中には同一箇所に同一符号を付している。各実施形態は例示であり、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせが可能であることは言うまでもない。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る圧電フィルムの平面図である。図２は、図１中に一点鎖線Ａ−Ａ’で示す位置を通る側面断面図である。以降に説明する図中には、圧電フィルムの厚み方向に沿うＺ軸と、長さ方向に沿うＹ軸と、幅方向に沿うＸ軸とを付している。

圧電フィルム１は、フィルム基材２と表面電極３と裏面電極４とを備えている。

フィルム基材２は、キラル高分子であるＬ型ポリ乳酸（ＰＬＬＡ）を主材料とするフィルムに対して、一軸方向または二軸方向に引き延ばす延伸処理を施し、延伸倍率がより大きい主延伸方向を長さ方向（Ｙ軸方向）として、短冊状に切り出したものである。図１中にはフィルムの主延伸方向を黒矢印で示している。ＰＬＬＡ等のキラル高分子は主鎖が螺旋構造を有するものであり、延伸処理によってキラル高分子の主鎖を主延伸方向に配向させることができる。これにより、フィルム基材２はずり圧電性を有する。該フィルム基材２は、長さ方向（Ｙ軸方向）を基準とした時計回り方向の４５°方向および−４５°方向を２つの変位方向として、電界の印加によって各変位方向に伸びと縮みが同時に生じる。そして、フィルム基材２は、印加される電界の極性が逆になると、４５°方向および−４５°方向の伸びと縮みが逆になる性質を有している。

なお、延伸処理における延伸倍率は３〜８倍程度が好適であり、延伸後に熱処理を施すことによってポリ乳酸の延びきり鎖結晶の結晶化を促進されて圧電定数を向上させることができる。二軸延伸する場合はそれぞれの軸の延伸倍率を異ならせることによって一軸延伸と同様の効果を得ることができる。例えばＹ軸方向に８倍、Ｘ軸方向に２倍の延伸を施した場合、圧電定数に関してはおよそＹ軸方向に４倍の一軸延伸を施した場合とほぼ同等の効果が得られる。単純に一軸延伸したフィルムは延伸軸方向に沿って裂け易いため、前述したような二軸延伸を行うことにより幾分強度を増すことができる。

また、ＰＬＬＡは、延伸処理によって圧電性を生じ、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）等の他のポリマーや圧電セラミックスのように、ポーリング処理を行う必要がない。すなわち、強誘電体に属さないＰＬＬＡの圧電性は、ＰＶＤＦやチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電体のようにイオンの分極によって発現するものではなく、分子の特徴的な構造である螺旋構造に由来するものである。このため、ＰＬＬＡには、他の強誘電性の圧電体で生じる焦電性が生じない。さらに、ＰＶＤＦ等は経時的に圧電定数の変動が見られ、場合によっては圧電定数が著しく低下する場合があるが、ＰＬＬＡの圧電定数は経時的に極めて安定している。したがって、ＰＬＬＡの圧電定数は周囲環境に影響され難い。

このフィルム基材２には複数の切欠き５を設けている。各切欠き５は、厚み方向（Ｚ軸方向）にフィルム基材２を貫通し、幅方向（Ｘ軸方向）に沿って延びている。複数の切欠き５は、幅方向（Ｘ軸方向）の位置をずらしながら千鳥状に配列している。すなわち、複数の切欠き５のうちのいくつかを幅方向（Ｘ軸方向）に延びる直線上に並べて配し、また、幅方向（Ｘ軸方向）に並ぶ切欠き５の各組を、幅方向（Ｘ軸方向）の位置をずらしながら長さ方向（Ｙ軸方向）に並べて配している。そして、長さ方向（Ｙ軸方向）に隣接する２つの切欠き５において、一方の切欠き５における幅方向（Ｘ軸方向）の一端と、他方の切欠き５における幅方向（Ｘ軸方向）の他端とを、長さ方向（Ｙ軸方向）に所定長だけ対向させている。

表面電極３は、幅方向（Ｘ軸方向）に並べて複数設けるとともに、長さ方向（Ｙ軸方向）に並べて複数設けている。各表面電極３は、長さ方向（Ｙ軸方向）に２つの切欠き５が対向する領域に挟まれるように、幅方向（Ｘ軸方向）に一定の間隔を空けながら配しており、切欠き５同士が対向する長さと略同じ幅寸法で設けている。これらの表面電極３は、図２に示すように、幅方向（Ｘ軸方向）に並ぶ順に交互に正電位（１００Ｖ）または負電位（−１００Ｖ）に接続して用いる。また、これらの表面電極３は、長さ方向（Ｙ軸方向）にも並ぶ順に交互に正電位（１００Ｖ）または負電位（−１００Ｖ）に接続して用いる。

裏面電極４は、図２に示すようにフィルム基材２の裏面全面を覆うように設け、グランド電位に接続して用いる。裏面電極４を、フィルム基材２の裏面全面を覆い、複数の表面電極３に共通して対向する電極としているので、裏面電極４は形成が容易である。

図１に示すように、圧電フィルム１には切欠き５と表面電極３とが平面視して規則的に設けられているので、圧電フィルム１は、平面視した形状が互いに同一な複数の単位領域１０に区画することができる。

図３は、フィルム基材２における単位領域１０を拡大して示す平面図である。フィルム基材２は、単位領域１０毎に、第１電極形成部１１と第２電極形成部１２と電極非形成部１３とを備えている。第１電極形成部１１および第２電極形成部１２は、それぞれ表裏面に表面電極３および裏面電極４が配されるフィルム基材２の領域である。電極非形成部１３は、表裏面の少なくとも一方に表面電極３や裏面電極４が形成されていない領域である。

第１電極形成部１１と第２電極形成部１２とは、幅方向（Ｘ軸方向）に並んでいる。電極非形成部１３は、幅方向（Ｘ軸方向）における第１電極形成部１１と第２電極形成部１２との間に位置している。各単位領域１０の電極非形成部１３は、長さ方向（Ｙ軸方向）の一方（図３中の上方）側に延びて、隣接する他の領域に繋がっている。各単位領域１０の長さ方向（Ｙ軸方向）の一方（図３中の上方）の縁において、電極非形成部１３の両脇には、切欠き５を設けている。また、各単位領域１０の長さ方向（Ｙ軸方向）の他方（図３中の下方）の縁には、第１電極形成部１１から第２電極形成部１２にかけて連続するように切欠き５を設けている。

圧電フィルム１の幅方向（Ｘ軸方向）に隣接する表面電極３はそれぞれ正負の異なる電位に接続されるので、第１電極形成部１１と第２電極形成部１２とには互いに逆の極性で電界が印加される。そして、第１電極形成部１１と第２電極形成部１２とのそれぞれは、ずり圧電性を有するために、印加される電界の極性が逆であると４５°方向および−４５°方向に沿って伸びと縮みが逆に生じる。

例えば、図３（Ａ）に示すように、第１電極形成部１１が４５°方向に沿って縮み−４５°方向に沿って伸びるように変形する際には、第２電極形成部１２は、４５°方向に沿って伸び−４５°方向に沿って縮むように変形する。これにより、単位領域１０の図３（Ａ）中の上側（電極非形成部１３が他の領域に繋がる側）の縁は凹状に変形し、また、単位領域１０の図３（Ａ）中の下側（切欠き５が幅方向に連続する側）の縁が凸状に変形する。

また逆に、図３（Ｂ）に示すように、第１電極形成部１１が４５°方向に沿って伸び−４５°方向に沿って縮むように変形する際には、第２電極形成部１２は、４５°方向に沿って縮み−４５°方向に沿って伸びるように変形する。これにより、単位領域１０の図３（Ｂ）中の上側（電極非形成部１３が他の領域に繋がる側）の縁が凸状に、また、単位領域１０の図３（Ｂ）中の下側（切欠き５が幅方向（Ｘ軸方向）に連続する側）の縁が凹状に変形する。

このように単位領域１０の全体では、第１電極形成部１１や第２電極形成部１２における伸びや縮みが、幅方向（Ｘ軸方向）で相殺され、長さ方向（Ｙ軸方向）に凸または凹に曲がるような変形に変換される。

図４は、圧電フィルム１の全体での変形態様（短縮時）を示す平面図である。図４中では、圧電フィルム１の非変形時からの長さ方向（Ｙ軸方向）の変形量が大きい箇所ほど、濃淡表示を薄くしている。

圧電フィルム１は、幅方向（Ｘ軸方向）に隣接する２つの表面電極３の組み合わせ毎に単位領域１０を区画できる。そのため、この圧電フィルム１では、幅方向（Ｘ軸方向）に互いの一部が重複するように３つの単位領域１０が並び、また、長さ方向（Ｙ軸方向）に切欠き５を隔てて８つの単位領域１０が並ぶように、複数の単位領域１０を区画できる。以下、長さ方向（Ｙ軸方向）に並ぶ各単位領域１０を、図４中の上側から順番に単位領域Ｃ１〜Ｃ８と称する。単位領域Ｃ１〜Ｃ８は、長さ方向（Ｙ軸方向）に隣接するもの同士、鏡像な形状となっている。

図４において、各単位領域Ｃ１〜Ｃ８で、図３（Ａ）に示した変形と同様の変形が生じている。すなわち、各単位領域Ｃ１〜Ｃ８は、切欠き５が幅方向（Ｘ軸方向）の途中で途切れる側の縁が凹状に変形し、また、切欠き５が幅方向（Ｘ軸方向）に連続する側の縁が凸状に変形する。そして、奇数番目の単位領域Ｃ１，Ｃ３，Ｃ５，Ｃ７と偶数番目の単位領域Ｃ２，Ｃ４，Ｃ６，Ｃ８とは、互いの形状が鏡像な関係にあるので、長さ方向（Ｙ軸方向）に反対向きの変形が生じる。これにより、圧電フィルム１は、各切欠き５の線幅が狭まるように変形し、圧電フィルム１の全体として長さ方向（Ｙ軸方向）の全長が短縮する。

なお、各表面電極３に接続する電位の極性が逆の場合、圧電フィルム１の各単位領域Ｃ１〜Ｃ８で、図３（Ｂ）に示した変形と同様の変形が生じることになる。すなわち、各単位領域Ｃ１〜Ｃ８では、切欠き５が幅方向（Ｘ軸方向）の途中で途切れる側の縁が凸状に変形し、また、切欠き５が幅方向（Ｘ軸方向）に連続する側の縁が凹状に変形することになる。この場合には、圧電フィルム１は、各切欠き５の線幅が拡がるように変形し、圧電フィルム１の全体として長さ方向（Ｙ軸方向）の全長が伸長することになる。

以上のように各単位領域Ｃ１〜Ｃ８が変形することにより、圧電フィルム１の全体として幅方向（Ｘ軸方向）の変形を抑制しながら、４５°方向や−４５°方向の伸びや縮みを長さ方向（Ｙ軸方向）の変形に変換することができる。したがって、圧電フィルム１には長さ方向の伸びや縮みが生じても、幅方向の変位が発生しないことになる。これにより、圧電フィルム１を利用する場合に、圧電フィルム１と幅方向に隣接する他部材との干渉の発生を防ぐことができる。また、圧電フィルム１と他部材との配置間隔を狭めることができる。

本実施形態では、幅方向（Ｘ軸方向）に複数の単位領域１０を配列して設けているので、力を必要とする用途に用いられる場合に、圧電フィルム１の全体にかかる力を幅方向に分散することができる。また、圧電フィルム１の長さ方向（Ｙ軸方向）に多数の単位領域１０を配列しているので、圧電フィルム１の長さ方向（Ｙ軸方向）の変形量を大きくできる。また、長さ方向（Ｙ軸方向）に隣接する単位領域１０同士を鏡像な形状としているので、長さ方向（Ｙ軸方向）に隣接する単位領域１０同士の配置間隔を狭め、長さ方向（Ｙ軸方向）に多数の単位領域１０を配することができる。その上、多数の単位領域１０を微細化して設けているので、圧電フィルム１の総変位量をコントロールして増大させることができる。また、切欠き５を長さ方向（Ｙ軸方向）に細く、幅方向（Ｘ軸方向）に長い短冊状としているために、圧電フィルム１における面積利用効率を最大化することができる。これらのことにより、本実施形態の構成は、変位量の最大化を重視する用途に用いる場合に、より有効である。

なお、本実施形態において、表面電極３および裏面電極４をフィルム基材２に対して直接接合する構成例を示したが、表面電極３および裏面電極４をフィルム基材２とは別のフィルムに対して接合し、フィルム基材２を挟み込むようにそのフィルムを配することにより、表面電極３および裏面電極４をフィルム基材２の表裏に配するようにしてもよい。

また、フィルム基材２の長さ方向や幅方向がどのような角度方向であっても、平面視して２つの変位方向に対して交差する角度方向であれば、フィルム基材２の幅方向の変位をある程度抑制できる。そして、フィルム基材２の長さ方向や幅方向が２つの変位方向を等分する角度方向と略等しければ、フィルム基材２の幅方向の変位をほとんど無くすことができる。本発明において、２つの角度方向が略等しいとは、２つの角度方向の差が−５°から＋５°までの範囲内に入ることである。

次に、本発明の第２の実施形態に係る圧電フィルムについて説明する。図５は、第２の実施形態に係る圧電フィルムの側面断面図である。

図５に示す圧電フィルム２１は、第１の実施形態と同様の構成であるが、第１の実施形態と相違する構成の表面電極２３および裏面電極２４を備えている。裏面電極２４は、表面電極２３に対して個別に対向するように、対向する表面電極２３と同じ電極面積で複数設けている。そして、各表面電極２３は、幅方向（Ｘ軸方向）および長さ方向（Ｙ軸方向）に並ぶ順に交互に正電位（１００Ｖ）またはグランド電位に接続して用いている。また、裏面電極２４は、正電位（１００Ｖ）に接続する表面電極２３に対向するものであれば、グランド電位に接続して用い、グランド電位に接続する表面電極２３に対向するものであれば、正電位（１００Ｖ）に接続して用いている。

このような構成でも、第１の実施形態と同様に、各単位領域で幅方向（Ｘ軸方向）の変形を抑制しながら、長さ方向（Ｙ軸方向）の変形を生じさせることができる。その上、本実施形態のように表面電極２３と裏面電極２４とで電極面積を揃えることで、フィルム基材２に表面電極２３や裏面電極２４から作用する応力を表裏面で均等にすることができ、圧電フィルム２１の反りを緩和することができる。

次に、本発明の第３の実施形態に係る圧電フィルムについて説明する。図６は、第３の実施形態に係る圧電フィルムの平面図である。

図６に示す圧電フィルム３１は、第１の実施形態と同様の構成であるが、第１の実施形態と相違する構成のフィルム基材３２を備えている。フィルム基材３２は、延伸処理を施したＰＬＬＡフィルムに対して、主延伸方向を幅方向（Ｘ軸方向）として短冊状に切り出したものである。図６中にはフィルムの主延伸方向を黒矢印で示している。

このような構成であっても、フィルム基材３２には、長さ方向（Ｙ軸方向）を基準とした時計回り方向の４５°方向および−４５°方向を２つの変位方向として、電界の印加によって伸びと縮みが生じる。したがって、第１の実施形態と同様の（図３に示したような）変形が単位領域に生じる。このため、本実施形態の圧電フィルム３１においても、各単位領域で幅方向（Ｘ軸方向）の変形を抑制しながら、長さ方向（Ｙ軸方向）の変形を生じさせることができる。

次に、本発明の第４の実施形態に係る圧電フィルムについて説明する。図７は、第４の実施形態に係る圧電フィルムの平面図である。

圧電フィルム４１は、フィルム基材４２と表面電極４３と裏面電極４４（不図示）とを備えている。

フィルム基材４２は、第１の実施形態と殆ど同様のものであるが、第１の実施形態と相違する形状の切欠き４５を設けている。切欠き４５は、平面視して、圧電フィルム４１の長さ方向（Ｙ軸方向）および幅方向（Ｘ軸方向）に沿って対角線を有する概略菱形状であり、菱形の一方の対角線（長さ方向）上の角部分を切り取って六角形状としている。各切欠き４５は、幅方向（Ｘ軸方向）の位置をずらしながら千鳥状に複数を配列して設けている。即ち、複数の切欠き４５は、長さ方向に対する４５°方向および−４５°方向に配列している。

表面電極４３は、平面視して、圧電フィルム４１の長さ方向（Ｙ軸方向）および幅方向（Ｘ軸方向）に沿う対角線を有する菱形状である。表面電極４３は、長さ方向および幅方向に配列して複数設けている。各表面電極４３は、長さ方向に対する４５°方向および−４５°方向に隣接する２つの切欠き５の対向する辺に挟まれる領域にそれぞれ配置されている。

裏面電極４４（不図示）は、圧電フィルム４１の裏面全面または、圧電フィルム４１の裏面に表面電極４３と重なって略一致する形状で設けている。

このような構成の圧電フィルム４１においても、切欠き４５と表面電極４３とは平面視して規則的に設けられているので、圧電フィルム４１は、平面視した形状が互いに同一な複数の単位領域４０に区画することができる。

図８は、圧電フィルム４１における単位領域４０を拡大して示す平面図である。

フィルム基材４２は、単位領域４０毎に、第１電極形成部４６と第２電極形成部４７と電極非形成部４８とを備えている。第１電極形成部４６と第２電極形成部４７とは、幅方向（Ｘ軸方向）に並んでいる。電極非形成部４８は、幅方向（Ｘ軸方向）における第１電極形成部４６と第２電極形成部４７との間、かつ、長さ方向（Ｙ軸方向）の一方側に第１電極形成部４６および第２電極形成部４７からずらして配置している。そして、電極非形成部４８は、各単位領域４０の長さ方向（Ｙ軸方向）の一方の縁で、長さ方向（Ｙ軸方向）に隣接する他の領域に繋がっている。電極非形成部４８の長さ方向（Ｙ軸方向）の反対側、即ち、各単位領域４０の長さ方向（Ｙ軸方向）の他方の縁には、第１電極形成部１１から電極非形成部４８にかけて連続するように切欠き４５を設けている。

このような単位領域４０においても、幅方向（Ｘ軸方向）に隣接する表面電極３に正負の異なる電位を接続すると、例えば、図８（Ａ）に白矢印で示すように、第１電極形成部４６で４５°方向に沿って縮み方向の応力が生じ、−４５°方向に沿って伸び方向の応力が生じる。また、第２電極形成部１２で４５°方向に沿って伸び方向の応力が生じ、−４５°方向に沿って縮み方向の応力が生じる。したがって、電極非形成部４８には、長さ方向（Ｙ軸方向）に隣接する単位領域から（４つの電極形成部）から等方的に応力が働く。

これにより、各単位領域４０において、電極非形成部４８は形状が拘束されて殆ど変形が生じず、第１電極形成部４６および第２電極形成部４７は、電極非形成部４８との境界に位置する辺がおよそ平行に移動するように変形することになる。これにより、各単位領域１０で、図８（Ｂ）に示すように、切欠き４５が長さ方向（Ｙ軸方向）に潰れるように変形し、第１電極形成部４６や第２電極形成部４７の伸縮が幅方向（Ｘ軸方向）で相殺されることになる。したがって、圧電フィルム４１の全体として、幅方向（Ｘ軸方向）の変形が殆ど発生せず、長さ方向（Ｙ軸方向）の全長のみが短縮することになる。

なお、第１電極形成部４６や第２電極形成部４７に印加する電圧の極性が逆である場合には、第１電極形成部４６で４５°方向に沿って伸び方向の応力が生じ、−４５°方向に沿って縮み方向の応力が生じる。また、第２電極形成部１２で４５°方向に沿って縮み方向の応力が生じ、−４５°方向に沿って伸び方向の応力が生じる。そして、各単位領域４０では、切欠き４５が長さ方向（Ｙ軸方向）に伸びるように変形し、圧電フィルム４１の全体として、幅方向（Ｘ軸方向）の変形が殆ど発生せず、長さ方向（Ｙ軸方向）の全長のみが伸長することになる。

以上の実施形態に示すように、圧電フィルムにおける切欠きの形状や表面電極の形状は適宜変形することができる。いずれの場合でも、各単位領域において第１電極形成部と第２形成部とに生じる応力が幅方向に相殺されるようにすることで、圧電フィルムの全体としても、幅方向の変位を生じさせることなく、長さ方向の伸縮を生じさせることができる。

そして、本実施形態においては、各切欠き４５を、菱形の一方の対角線（長さ方向）上の角部分を切り取ったような六角形状としているので、角部分での応力集中を緩和することができ、圧電フィルム４１が裂けることを抑制できる。このため、本実施形態の構成は、変位量よりも信頼性を重視する用途に用いる場合に、より有効である。

次に、本発明の第５の実施形態に係る振動デバイスについて説明する。図９は、第５の実施形態に係る振動デバイスのブロック図である。

図９に示す振動デバイス５１は、第１の実施形態と同様の圧電フィルム１と、駆動部５２と、振動部材５３とを備えている。駆動部５２は、圧電フィルム１に対して駆動信号（交流信号）を出力し、圧電フィルム１の第１電極形成部と第２電極形成部とに対して常に逆の極性の電界を印加する。これにより、圧電フィルム１は、幅方向の変形が抑制された状態で、長さ方向に振動する。振動部材５３は、圧電フィルム１の長さ方向の振動に伴って、圧電フィルム１から応力が伝搬され、この応力によって振動するように圧電フィルム１に連結されている。

以上に示した振動デバイス５１の具体的な構造は、適宜の構成とすることができるが、例えば、図１２に示したような構造の平面型スピーカや、ハプティクス（触覚提示）デバイスとしてもよい。

ここで、振動デバイス５１の実施例について説明する。

図１０は、振動デバイス５１の側面図である。

振動デバイス５１は、タッチ式キーボードとして構成されており、キー操作する指等に触覚提示を行うものである。該振動デバイス５１は、圧電フィルム１と、駆動部５２と、振動部材５３と、接着層５４と、制御部５５と、タッチセンサ５６と、を備えている。圧電フィルム１は、先の実施形態で示した圧電フィルムと同様な構成であり、幅方向（Ｘ軸方向）の変位を伴うことなく、長さ方向（Ｙ軸方向）に伸縮可能である。振動部材５３は、平板状の部材であり、長さ方向の両端付近から中央付近にかけて除々に圧電フィルム１までの距離が離れるように弓状に湾曲させた状態で、長さ方向の両端を、接着層５４を介して圧電フィルム１の長さ方向の両端に連結している。このため、圧電フィルム１は、接着層５４を介して振動部材５３から外方に引っ張られている。タッチセンサ５６は、振動部材５３の上面に貼り付けられている。制御部５５は、振動部材５３の上面への指等の接触や近接をタッチセンサ５６が検知すると、駆動部５２を制御し、圧電フィルム１に交番電界を印加させる。これにより、圧電フィルム１には、駆動部５２からの交番電界の印加に伴って長さ方向（Ｙ軸方向）の伸縮が生じる。これにより、振動部材５３に厚み方向（Ｚ軸方向）の振動が引き起こされ、タッチセンサ５６に接触する指等に振動が伝わる。このことから、タッチ式キーボードである振動デバイス５１を操作する利用者は、キータッチに伴って振動部材５３の振動を知覚することができ、タッチ式キーボードの操作感を得ることができる。

このような構成の振動デバイス５１では、圧電フィルム１を長さ方向に伸縮するように振動させても、振動部材５３と圧電フィルム１との連結部分の接着層５４に幅方向の応力負荷がかかることがなく、振動部材５３と圧電フィルム１との連結部分に故障が生じることを抑制できる。

次に、本発明の第６の実施形態に係る歪検出デバイスについて説明する。図１１は、第６の本実施形態に係る歪検出デバイスのブロック図である。

図１１に示す歪検出デバイス６１は、第１の実施形態と同様の圧電フィルム１と、検出部６２と、歪部材６３とを備えている。検出部６２は、圧電フィルム１の第１電極形成部と第２電極形成部とのうちの少なくとも一方に生じる電荷を検出するように構成される。歪部材６３は、歪みを圧電フィルム１に伝達し、圧電フィルム１に長さ方向（Ｙ軸方向）の変形を生じさせるように圧電フィルム１に連結されている。なお、圧電フィルム１と歪部材６３との具体的な構造は、適宜の構成とすることができ、例えば、押圧センサやタッチパネルとしてもよい。

このような構成の歪検出デバイス６１では、圧電フィルム１が長さ方向に伸縮するように歪部材６３が歪んでも、歪部材６３と圧電フィルム１との連結部分に幅方向の応力負荷がかかることがなく、歪検出デバイス６１の故障を抑制できる。

以上に説明したように本発明は実施することができる。なお、本発明は、特許請求の範囲に記載に該当する構成であれば、どのような構成であっても実施することができる。例えば、本発明は、圧電フィルムとしてずり圧電性を有していない圧電フィルムを用いても実現することができる。例えば、ＰＶＤＦは、フィルムの延伸方向（ロールの巻取り方向）に伸縮が生じる圧電性を有している。そして、ＰＶＤＦの場合には、ポアソン比によってフィルムの延伸方向に交差する方向に縮みや伸びが生じる。したがってＰＶＤＦを用いる場合には、ＰＶＤＦの延伸方向に対して４５ｄｅｇの方向を長手方向および幅方向として圧電フィルムを切り出すことで、本発明を実現することができる。このように、フィルムの面内方向のある方向に伸長または収縮が生じ、それと交差する面内方向に逆の収縮または伸長が生じるような圧電フィルムであれば、本発明を実現可能である。

１，２１，３１，４１…圧電フィルム
２，３２，４２…フィルム基材
３，２３，４３…表面電極
４，２４，４４…裏面電極
５，４５…切欠き
１０，４０…単位領域
１１，４６…第１電極形成部
１２，４７…第２電極形成部
１３，４８…電極非形成部
５１…振動デバイス
５２…駆動部
５３…振動部材
５４…接着層
５５…制御部
５６…タッチセンサ
６１…歪検出デバイス
６２…検出部
６３…歪部材

Claims (10)

1. 電圧が印加された場合に、平面視して２つの変位方向の一方に伸び方向の歪みが生じ、他方に縮み方向の歪みが生じる圧電フィルムであって、
   平面視して前記２つの変位方向に対して交差する方向を長さ方向および幅方向とする１以上の単位領域を備えており、
   前記単位領域は、表裏面に電極が配される第１の電極形成部と、前記第１の電極形成部と前記幅方向に並んでおり、表裏面に前記第１の電極形成部とは逆の極性で電極が配される第２の電極形成部と、前記単位領域の前記長さ方向の一方の縁で前記長さ方向に隣接する領域に繋がる電極非形成部と、を備え、
   前記単位領域の前記長さ方向の一方の縁には、前記電極非形成部の両脇に第１の切欠きを設け、
   前記単位領域の前記長さ方向の他方の縁には、前記第１電極形成部から前記第２電極形成部にかけて前記幅方向に連続する第２の切欠きを設けている、
   圧電フィルム。
2. 前記単位領域は、前記幅方向に配列して複数設けている、
   請求項１に記載の圧電フィルム。
3. 前記単位領域は、前記長さ方向に配列して複数設けている、
   請求項１または請求項２に記載の圧電フィルム。
4. 前記長さ方向に隣接する前記第１の切欠き又は前記第２の切欠き同士は、互いに同形状で前記幅方向にずらして設けており、
   前記長さ方向に隣接する単位領域同士は、互いに鏡像な形状である、
   請求項３に記載の圧電フィルム。
5. 前記第１電極形成部の表裏に配される電極の一方と、前記第２電極形成部の表裏に配される電極の一方とが、表又は裏の面のいずれか一方における共通の電極として設けられる、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の圧電フィルム。
6. 前記第１電極形成部の表裏に配される電極と、前記第２電極形成部の表裏に配される電極とが、それぞれ分離した電極として設けられる、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の圧電フィルム。
7. キラル高分子を主材料として含み、
   前記キラル高分子の配向方向は、前記長さ方向または前記幅方向である、
   請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の圧電フィルム。
8. 前記キラル高分子はポリ乳酸である、
   請求項７に記載の圧電フィルム。
9. 請求項１乃至請求項８に記載の圧電フィルムと、
   前記第１電極形成部と前記第２電極形成部とのそれぞれに逆の極性で電界を印加する駆動部と、
   前記圧電フィルムに連結される振動部材と、
   を備える振動デバイス。
10. 請求項１乃至請求項８に記載の圧電フィルムと、
    前記第１電極形成部と前記第２電極形成部とのうちの少なくとも一方に生じる電荷を検出する検出部と、前記圧電フィルムに連結される歪部材と、
    を備える歪検出デバイス。