(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の主面における両端部に支持部材が設置され、前記支持部材は電圧ラインを有する固定支持面に固定されていて、他方の主面中央部に設置した連結部材に接する被駆動体を屈曲振動により移動させる圧電バイモルフ素子であって、
前記支持部材の少なくとも一方及び前記連結部材が導電性ゴムを含む弾性材からなり、電圧ラインを有する前記被駆動体の前記連結部材と接する面と、前記連結部材と、圧電バイモルフ素子の一方の主面が導通しており、
前記導電性ゴムを含む弾性材からなる支持部材によって電圧が印加されることを特徴とする圧電バイモルフ素子。
【請求項２】
前記導電性ゴムを含む弾性材からなる支持部材は、前記圧電バイモルフ素子の一方の主面の端部と他方の主面の端部を挟み込むように構成され、前記圧電バイモルフ素子の２つの主面と、前記固定支持面が導通していることを特徴とする請求項１に記載の圧電バイモルフ素子。
【請求項３】
前記固定支持面は接地ラインを有し、前記接地ラインと前記圧電バイモルフ素子における２つの圧電素子間の弾性体は、前記導電性ゴムを含む弾性材からなる支持部材を間に挟んで導通していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の圧電バイモルフ素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表示装置、電子機器或いはＰＤＡ、パソコン、携帯電話、携帯型ゲーム機、情報端末等に使用されるパネル等の被振動体を振動させる圧電バイモルフ素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、圧電バイモルフ素子を用いて被駆動体を振動させる製品には、タッチパネルを圧電バイモルフ素子で振動させることにより、操作するユーザの指先に振動を与えることで、ユーザの指先の触覚を刺激させる触覚フィードバック（Ｈａｐｔｉｃｓ）方式を用いたタッチパネルがある。
【０００３】
圧電バイモルフ素子は２枚の厚み方向に分極された圧電素子で弾性体（金属板）を挟んだものであり、圧電素子に電圧を印加すると一方の圧電素子が圧電横効果により伸び、他方の圧電素子が縮み、そのことにより圧電バイモルフ素子は一方に屈曲する。そのことを利用して圧電バイモルフ素子に印加する電圧の正負を切り替えることにより屈曲振動させるものである。図１は従来からの圧電バイモルフ素子の固定方法である。ここで、圧電素子２と圧電素子３は間に弾性体４を挟み込んでおり、圧電素子２、圧電素子３と弾性体４は接着されている。この圧電素子２、圧電素子３、弾性体（金属板）４の組み合わせが圧電バイモルフ素子であり、圧電バイモルフ素子における圧電素子３の弾性体４と接着されている面の反対面の両端部に支持部材６，７が設置されている。支持部材６，７は圧電バイモルフ素子を固定支持するための固定支持面８に組み付け固定されるか、或いは固定支持面８と接着剤を塗布して固定している。そして、圧電バイモルフ素子における圧電素子２の弾性体（板）４と接着されている面の反対面の中央部に連結部材５が設置されている。連結部材５の先端箇所は被駆動体１に接しており、圧電バイモルフ素子に電圧を印加して圧電バイモルフ素子が屈曲振動することで被駆動体１が移動する。
【０００４】
図２は従来からの圧電バイモルフ素子の固定方法で、特に圧電バイモルフ素子で最も大きい応力負荷が発生する箇所を示している。図２（ａ）は全体図を示しており、図２（ｂ）は最も大きい応力負荷が発生する箇所を示す拡大図である。図２で示しているように圧電バイモルフ素子を固定支持するための固定支持面８と支持部材６，７を強固に固定してしまうと、この固定箇所により圧電バイモルフ素子の屈曲振動が阻害されてしまう。更に圧電バイモルフ素子が屈曲振動する際に圧電素子３と支持部材６，７の接着箇所の端部に該当する２箇所の応力負荷発生箇所９にて最も大きい応力負荷が発生し、圧電バイモルフ素子に局所的な負荷が掛かることで、応力負荷発生箇所９にて故障したり、或いは圧電バイモルフ素子の寿命が短くなることになる。
【０００５】
このような従来からの圧電バイモルフ素子の固定方法に対して、特許文献１には圧電素子の一端部をねじり弾性変形構造の長方形の面状ホルダーにて接着して、圧電素子の他端部を同様にねじり弾性変形構造の長方形の面状ホルダーにて接着している。この２つの面状ホルダーは中央部にて回動軸で支持され、この回動軸は面状ホルダーをシーソーのように揺動できる構造になっている。そして、この回動軸もねじり弾性変形構造になっており、圧電素子の変形に応じてねじれることができるようになっている。従って従来からの圧電バイモルフ素子の固定方法でも支持部材がねじり弾性変形構造であれば応力負荷原因が大きく軽減されることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−９２５３７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、支持部材をねじり弾性変形構造のような弾性構造にすると、支持部材の弾性率によっては圧電バイモルフ素子が屈曲振動することによって被駆動体を移動させることができなくなる。更に引用文献１では圧電バイモルフ素子の電極とフレキシブル配線基板が半田付けされており、この構造では圧電素子の特性が劣化している可能性が極めて高い。以下に圧電バイモルフ素子の電極とリード線もしくはフレキシブル配線基板を半田付けする構造では圧電素子の特性が劣化している理由を示す。
【０００８】
図３は圧電バイモルフ素子の電極と各種電材との半田付け方法を示している。図３（ａ）は圧電バイモルフ素子とリード線等の半田付け方法を示す。図３（ｂ）は圧電バイモルフ素子とフレキシブルプリント配線基板の半田付け方法を示す。図４はリード線１０と圧電バイモルフ素子の電極との半田付けを含む圧電バイモルフ素子の固定方法を示している。圧電バイモルフ素子１１は圧電素子２枚の間に金属板を弾性体として挟んだ構造であるため、圧電素子に電極を形成した後に図３（ａ）の様に圧電バイモルフ素子の電極とリード線等の導線を半田付けしていて、その後に図４のように圧電バイモルフ素子を固定している。又、図３（ｂ）の様に圧電バイモルフ素子の電極とフレキシブルプリント配線基板１２を半田付けもしくは異方性導電フィルム（ACF）にて熱圧着している。
【０００９】
このような圧電素子の電極での半田付けでは半田箇所１３に短時間ではあるものの半田を溶かすために高温を加える必要がある。特に現在は環境への配慮から共晶半田から鉛フリー半田に変わっていることも有り、共晶半田の融点が約１８３℃であるのに対して、半田の含有成分によるものの錫・銀・銅を主要成分とする鉛フリー半田の融点は約２２０℃位である。従って半田付け時の温度は約２５０℃〜約３００℃程度の高温になってしまう。
又、図示していないが、異方性導電フィルム（ACF）を用いた場合も、仮圧着で80℃程度を数秒、本圧着では200℃程度を１５秒程度印加する必要がある。
その為、分極させた圧電素子の一部の残留分極が消失することになり、局所的ではあるが圧電素子の特性が劣化する問題が生じる。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、圧電バイモルフ素子の屈曲振動を阻害することがなく、且つ特性が劣化することを防止した圧電バイモルフ素子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】
【００１１】
上記の目的を達成するため、本発明は、一方の主面における両端部に支持部材が設置され、前記支持部材は電圧ラインを有する固定支持面に固定されていて、他方の主面中央部に設置した連結部材に接する被駆動体を屈曲振動により移動させる圧電バイモルフ素子であって、導電性ゴムを含む弾性材からなる前記支持部材によって電圧が印加されることを特徴としている。
【００１２】
好適には前記支持部材の少なくとも一方は、前記圧電バイモルフ素子の一方の主面の端部と他方の主面の端部を挟み込むように構成され、且つ導電性ゴムを含む弾性材からなり、前記圧電バイモルフ素子の２つの主面と、前記固定支持面が導通していることを特徴としている。
【００１３】
好適には前記支持部材の少なくとも一方及び前記連結部材が導電性ゴムを含む弾性材からなり、電圧ラインを有する前記被駆動体の前記連結部材と接する面と、前記連結部材と、圧電バイモルフ素子の一方の主面が導通していることを特徴としている。
【００１４】
好適には前記固定支持面は電圧ラインと接地ラインを有し、前記固定支持面の接地ラインと圧電バイモルフ素子における２つの圧電素子間の弾性体は、導電性ゴムを含む弾性材からなる前記支持部材を間に挟んで導通していることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、圧電バイモルフ素子の電極と電材との半田付けを不要にしたこと、及び異方性導電フィルム（ACF）使用による圧着を不要にしたことにより圧電バイモルフ素子の特性の劣化を防止できる。圧電バイモルフ素子への給電にリード線やフレキシブルプリント基板（FPC）を用いる必要が無いので、圧電バイモフル素子の配置の自由度が増すと共に、圧電バイモフル素子へのリード線、フレキシブル基板の半田付け等の作業をなくし、加工費用を削減することができる。又、２点支持された圧電バイモフル素子の振動を抑制することなく保持し、支持部材より電圧を印加することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】従来からの圧電バイモルフ素子の固定方法を示す断面図である。
【図２】従来からの圧電バイモルフ素子の固定方法を示す断面図である。
【図３】圧電バイモルフ素子の電極と電材との半田付け方法を示す斜視図である。
【図４】圧電バイモルフ素子の固定方法を示す断面図である。
【図５】本発明の圧電バイモルフ素子の固定方法を示す断面図である。
【図６】導電性ゴムと絶縁性ゴムを交互に積層した支持部材を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に本発明を実施するための最良の形態を図面を用いて説明する。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。図５は本発明の圧電バイモルフ素子の固定方法を示す断面図である。図５（ａ）は第１の実施例を示す断面図である。図５（ａ）にて圧電バイモルフ素子は圧電素子２と圧電素子３の間に弾性体（板）４が挟まれており、互いに接着されている。圧電素子２と圧電素子３には導電銀ペースト等が電極上にスクリーン印刷されており、圧電バイモルフ素子は分極済である。圧電バイモルフ素子の上面（圧電素子２の上面）の中央部分には連結部材５が設置されている。連結部材５と圧電素子２は接着剤にて接着されている。連結部材５の圧電素子２と接着した面と反対面は被駆動体１に接しており、圧電バイモルフ素子に電圧を印加して圧電バイモルフ素子が屈曲振動することにより、被駆動体１が移動する。そして圧電バイモルフ素子の下面（圧電素子３の下面）の両端部はそれぞれ別の支持部材と接しており、２つの支持部材は固定支持面８上の信号パターン１７に接着或いは嵌め合い手段などで接続されている。ここで、固定支持面８は圧電バイモルフ素子を固定支持するための面であれば何でも良く、例えばタッチパネルやスピーカ等の電気機器を駆動する回路基板が該当する。固定支持面８には信号パターン１７が形成されており、更に信号パターン１７は一定の電圧が印加されている電圧ラインとＧｎｄに該当する接地ラインの２つのパターンに分割されている。ここで、固定支持面８の電圧ラインの電圧は図示されていない外部電源（電源装置、バッテリー、電池等）から供給される。圧電バイモルフ素子を支持する支持部材６は圧電バイモルフ素子の幅方向端部を上面から下面にかけて挟み込むように（圧電素子２の弾性体（板）４と接している面の反対面と、圧電素子３の弾性体（板）４と接している面の反対面に挟み込むように接している）形成され、且つ固定支持面８上の信号パターン１７にも接するように形成されている。そして、この支持部材は導電性シリコーンゴム等の導電性ゴム１６が内部に埋設されており、導電性ゴム１６の周囲は絶縁性シリコーンゴム等の絶縁性ゴム１５で被覆されている。支持部材６の一方の端面から支持部材６の途中まで導電性ゴム１６が埋設されていて、導電性ゴム１６が圧電バイモルフ素子の幅方向端部の上面の電極及び下面の電極、固定支持面８上の信号パターン１７に接して導通状態となっている。そして、このことで圧電素子２及び圧電素子３に電圧が印加され、圧電バイモルフ素子が駆動する。
【００１８】
図５（ａ）での圧電バイモルフ素子を支持する支持部材７は、圧電バイモルフ素子の圧電素子３の電極、弾性体（板）４、固定支持面８上の信号パターン１７の何れにも接している。この支持部材７は先に説明した別の支持部材と同様に導電性シリコーンゴム等の導電性ゴム１６が内部に埋設されており、導電性ゴム１６の周囲は絶縁性シリコーンゴム等の絶縁性ゴム１５で被覆されている。そして支持部材７の導電性ゴム１６は圧電バイモルフ素子の弾性体（板）４と固定支持面８上の信号パターン１７に接して導通状態となっている。固定支持面８の分割された信号パターン１７の内、Ｇｎｄに該当する接地ラインと導通している信号パターン１７は支持部材７に埋設されている導電性ゴム１６を間に挟んで圧電バイモルフ素子の弾性体（板）４と接し、このことで圧電バイモルフ素子の弾性体（板）４は接地状態となる。
【００１９】
図５（ａ）での支持部材と圧電バイモルフ素子との接続は接着剤によることに限らず、圧電バイモルフ素子の弾性体（板）４に突起物を形成して、支持部材とその突起物を組み合わして保持固定するようにする方法もある。同様に支持部材と信号パターン１７との接続も接着以外の信号パターン１７に突起物を形成して、支持部材とその突起物を組み合わして保持固定するようにする方法が適切である。このように接着以外の方法で保持固定することで、圧電バイモフル素子の振動を抑制することなく保持することが可能になる。従って以上の構成により、リード線やフレキシブルプリント基板（FPC）を用いて半田付けする必要がないために圧電バイモルフ素子の劣化を防止しながら圧電素子に電圧を給電でき、更に圧電バイモフル素子の振動を抑制することなく保持することができることになる。尚、上記で記載した保持固定方法は図５（ａ）に限らず、以降に説明する図５（ｂ）に示される第２の実施例及び図５（ｃ）に示される第３の実施例でも同様である。
【００２０】
そして図５（ｂ）は第２の実施例を示す断面図である。先に説明した図５（ａ）で示される第１の実施例と異なる箇所は圧電バイモルフ素子の下面（圧電素子３の下面）の両端部に接している支持部材、及び圧電バイモルフ素子の上面（圧電素子２の上面）の中央部分の連結部材５の構成である。他の箇所は図５（ａ）で示される第１の実施例と同じであり、説明済のために説明を省略する。図５（ｂ）では圧電バイモルフ素子の下面（圧電素子３の下面）の端部の一方に支持部材６が接しており、この支持部材は固定支持面８に接着或いは嵌め合い手段などで接続されている。
【００２１】
図５（ｂ）での圧電バイモルフ素子を支持する他方の支持部材７は、圧電バイモルフ素子の圧電素子３の電極、弾性体（板）４、固定支持面８上の信号パターン１７の何れにも接している。この支持部材７は先に説明した別の支持部材と同様に導電性シリコーンゴム等の導電性ゴム１６が内部に埋設されており、導電性ゴム１６の周囲は絶縁性シリコーンゴム等の絶縁性ゴム１５で被覆されている。そして支持部材７の一方の端面から他方の端面まで２本以上の導電性ゴム１６が埋設されていて、少なくとも１本の導電性ゴム１６は圧電バイモルフ素子の一方の面の電極（圧電素子３の一方の面の電極）と固定支持面８上の信号パターン１７に接して導通状態となっている。又、少なくとも１本の導電性ゴム１６は圧電バイモルフ素子の弾性体（板）４と固定支持面８上の信号パターン１７に接して導通状態となっている。固定支持面８の分割された信号パターン１７の内、一定の電圧が印加されている電圧ラインと導通している信号パターン１７は支持部材７に埋設されている導電性ゴム１６を間に挟んで圧電バイモルフ素子の一方の面の電極（圧電素子３の一方の面の電極）と接し、このことで圧電素子３に電圧が印加される。又、固定支持面８の分割された信号パターン１７の内、Ｇｎｄに該当する接地ラインと導通している信号パターン１７は支持部材７に埋設されている導電性ゴム１６を間に挟んで圧電バイモルフ素子の弾性体（板）４と接し、このことで圧電バイモルフ素子の弾性体（板）４は接地状態となる。
【００２２】
そして、図５（ｂ）での被駆動体１は連結部材５に接する側の面で一定の電圧が給電されている電圧ラインを有する。この電圧ラインには図示されていない外部電源（電源装置、バッテリー、電池等）から一定の電圧が供給される。被駆動体１には信号パターン１７が形成され、この信号パターン１７は電圧ラインと導通している。連結部材５は導電性シリコーンゴム等の導電性ゴム１６が内部に埋設されており、導電性ゴム１６の周囲は絶縁性シリコーンゴム等の絶縁性ゴム１５で被覆されている。そして連結部材５の一方の端面から他方の端面まで導電性ゴム１６が埋設されていて、この導電性ゴム１６を間に挟んで圧電バイモルフ素子の一方の面の電極（圧電素子２の一方の面の電極）と被駆動体１の信号パターン１７が導通状態となり、圧電素子２に電圧が印加されることになる。従って以上の構成により圧電素子２及び圧電素子３に電圧が印加されて、圧電バイモルフ素子が駆動することになる。
【００２３】
そして図５（ｃ）は第３の実施例を示す断面図である。先に説明した図５（ａ）で示される第１の実施例と異なる箇所は圧電バイモルフ素子の下面（圧電素子３の下面）の両端部に接している支持部材、及び圧電バイモルフ素子の上面（圧電素子２の上面）の中央部分の連結部材５の構成である。他の箇所は図５（ａ）で示される第１の実施例と同じであり、説明済のために説明を省略する。図５（ｃ）では圧電バイモルフ素子の下面（圧電素子３の下面）の端部の一方に支持部材６が接しており、この支持部材は固定支持面８に接着或いは嵌め合い手段などで接続されている。この支持部材６は導電性シリコーンゴム等の導電性ゴム１６が内部に埋設されており、導電性ゴム１６の周囲は絶縁性シリコーンゴム等の絶縁性ゴム１５で被覆されている。そして支持部材６の一方の端面から他方の端面まで導電性ゴム１６が埋設されていて、この導電性ゴム１６を間に挟んで圧電バイモルフ素子の一方の面の電極（圧電素子３の一方の面の電極）と固定支持面８の一定の電圧が印加されている電圧ラインと導通している信号パターン１７が導通状態となり、圧電素子３に電圧が印加されることになる。
【００２４】
図５（ｃ）での圧電バイモルフ素子を支持する他方の支持部材７は、圧電バイモルフ素子の圧電素子３、弾性体（板）４、固定支持面８上の信号パターン１７の何れにも接している。この支持部材は先に説明した別の支持部材と同様に導電性シリコーンゴム等の導電性ゴム１６が内部に埋設されており、導電性ゴム１６の周囲は絶縁性シリコーンゴム等の絶縁性ゴム１５で被覆されている。そして支持部材７の導電性ゴム１６は圧電バイモルフ素子の弾性体（板）４と固定支持面８上の信号パターン１７に接して導通状態となっている。固定支持面８の分割された信号パターン１７の内、Ｇｎｄに該当する接地ラインと導通している信号パターン１７は支持部材に埋設されている導電性ゴム１６を間に挟んで圧電バイモルフ素子の弾性体（板）４と接し、このことで圧電バイモルフ素子の弾性体（板）４は接地状態となる。
【００２５】
図５（ｃ）での被駆動体１は連結部材５に接する側の面で一定の電圧が給電されている電圧ラインを有する。この電圧ラインには図示されていない外部電源（電源装置、バッテリー、電池等）から一定の電圧が供給される。被駆動体１には信号パターン１７が形成され、この信号パターン１７は電圧ラインと導通している。連結部材５は導電性シリコーンゴム等の導電性ゴム１６が内部に埋設されており、導電性ゴム１６の周囲は絶縁性シリコーンゴム等の絶縁性ゴム１５で被覆されている。そして連結部材５の一方の端面から他方の端面まで導電性ゴム１６が埋設されていて、この導電性ゴム１６を間に挟んで圧電バイモルフ素子の一方の面（圧電素子２の一方の面）と被駆動体１の信号パターン１７が導通状態となり、圧電素子２に電圧が印加されることになる。従って以上の構成により圧電素子２及び圧電素子３に電圧が印加されて、圧電バイモルフ素子が駆動することになる。
【００２６】
圧電バイモルフ素子に一つの信号を伝送するだけならば、低抵抗の導電性シリコーンゴムの周囲に薄い絶縁層をコーティングするだけで良い。それに対して図５（ｂ）で示されている支持部材のように一方の端面から他方の端面まで２本以上の導電性ゴム１６が内部に埋設されていて、導電性ゴム１６の周囲は絶縁性シリコーンゴム等の絶縁性ゴム１５で被覆されている構成により圧電素子と弾性体である金属板に異なった信号を印加することができる。
【００２７】
図５（ｂ）で示されている支持部材の一例を図６に示す。図６は導電性ゴムと絶縁性ゴムを交互に積層した支持部材を示す断面図である。図６の導電性ゴム１６は銀系微粉末を充填した低抵抗の導電性シリコーンゴムである。導電性ゴム１６と絶縁性ゴム１５は交互に積層され、この積層されたシリコーンゴムを挟むように絶縁性シリコーンゴムからなるサイドサポート部１９が形成されている。そして、サイドサポート部１９の周囲に薄い絶縁層１８をコーティングしている。
【００２８】
銀系微粉末を充填した低抵抗の導電性シリコーンゴムの体積抵抗率は1ｘ10-4cm程度のものがある。この様な導電性シリコーンゴムを用いて、圧電バイモルフ素子の電極に電圧信号を印加する場合の抵抗は、たとえば導電性シリコーンゴムの幅を5mmとして、高さを1mmとした場合接触する固定支持面８上に形成する信号パターン１７の幅にもよるが、0.2Ω程度に設計することが可能である。
【００２９】
単板の圧電素子にて作った圧電バイモルフ素子の駆動電圧は、100〜150V程度で、駆動電流は定常的には数十mA程度となる。突入電流を加味しても100mA程度なので、低抵抗導電性シリコーンを介して固定支持面８上の信号パターン１７を接続しても、電圧の降下レベルは圧電バイモルフ素子の駆動には影響を及ぼさない程度の小さなものとなる。圧電バイモルフ素子の駆動を考えた場合、導電性ゴムの抵抗は１Ω程度でも支障を来たさない。
【００３０】
また、圧電バイモルフ素子に積層圧電素子を用いて低電圧駆動を行う場合で、支持部材の導電性ゴムの抵抗を低く抑えなければならない場合は、導電性ゴムの代わりに金属細線を低ピッチで配列し、周囲を絶縁性シリコーンゴムでサポートした導電性ゴムを用いることで接続抵抗を0.1Ω以下に抑えることも可能である。
【００３１】
尚、導電性ゴムの弾性率は、図６の交互に積層する絶縁性シリコーンゴム又はその周囲に配置するサイドサポート部のシリコーンゴムで調整することが可能である。
【００３２】
以上の様に導電性ゴムと絶縁性ゴムが埋設された支持部材を用いることにより、圧電バイモフル素子の振動を抑制することなく保持することができて、フレキシブルプリント基板（FPC）等の電材にて半田付けすることが不要な構成で圧電バイモルフ素子に電圧を印加することができる。
【符号の説明】
【００３３】
１    被駆動体
２    圧電素子
３    圧電素子
４    弾性体（金属板）
５    連結部材
６    支持部材
７    支持部材
８    固定支持面
９    応力負荷発生箇所
１０  リード線
１１  圧電バイモフル素子
１２  フレキシブルプリント配線基板
１３  半田箇所
１４  プリントパターン
１５  絶縁性ゴム
１６  導電性ゴム
１７  信号パターン
１８  絶縁層
１９  サイドサポート部
【図１】
0005545812.tif 000002
【図２】
0005545812.tif 000003
【図３】
0005545812.tif 000004
【図４】
0005545812.tif 000005
【図５】
0005545812.tif 000006
【図６】
0005545812.tif 000007