(57)【要約】【課題】火花放電を抑制することができ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上に設けられた第１の導電性ペースト１２と、第１の導電性ペースト１２上に設けられた圧電体１４と、圧電体１４上に設けられた第２の導電性ペースト１６と、第２の導電性ペースト１６上に設けられ、少なくとも第２の導電性ペースト１６の表面１６ａの全域と接触する下面１８ｂを有する上部電極１８と、を備えて概略構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部電極と、
前記下部電極上に設けられた第１の導電性接合部と、
前記第１の導電性接合部上に設けられた圧電体と、
前記圧電体上に設けられた第２の導電性接合部と、
前記第２の導電性接合部上に設けられ、少なくとも前記第２の導電性接合部の表面の全域と接触する下面を有する上部電極と、
を備えた圧電素子。
【請求項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。
【請求項３】
下部電極、前記下部電極上に設けられた第１の導電性接合部、前記第１の導電性接合部上に設けられた圧電体、前記圧電体上に設けられた第２の導電性接合部、及び前記第２の導電性接合部上に設けられ、少なくとも前記第２の導電性接合部の表面の全域と接触する下面を有する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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子及び触覚呈示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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両面に形成された第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。）。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１６００４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような従来の圧電素子は、可撓性感圧体が割れると導電性ペーストで形成された第１の電極及び第２の電極が破断する場合があり、破断した状態で高電圧が印可されると、破断した部分に電位差が生じて火花放電が生じる可能性がある。
【０００６】
従って本発明の目的は、火花放電を抑制することができる圧電素子及び触覚呈示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様は、下部電極と、下部電極上に設けられた第１の導電性接合部と、第１の導電性接合部上に設けられた圧電体と、圧電体上に設けられた第２の導電性接合部と、第２の導電性接合部上に設けられ、少なくとも第２の導電性接合部の表面の全域と接触する下面を有する上部電極と、を備えた圧電素子を提供する。
【０００８】
本発明の他の態様は、下部電極、下部電極上に設けられた第１の導電性接合部、第１の導電性接合部上に設けられた圧電体、圧電体上に設けられた第２の導電性接合部、及び第２の導電性接合部上に設けられ、少なくとも第２の導電性接合部の表面の全域と接触する下面を有する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。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、火花放電を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】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る。
【図２】図２（ａ）は、第１の実施の形態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、比較例に係る圧電素子の一例を示す要部断面図である。
【図３】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。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（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、下部電極上に設けられた第１の導電性接合部と、第１の導電性接合部上に設けられた圧電体と、圧電体上に設けられた第２の導電性接合部と、第２の導電性接合部上に設けられ、少なくとも第２の導電性接合部の表面の全域と接触する下面を有する上部電極と、を備えて概略構成されている。
【００１２】
この圧電素子は、圧電体が割れて第２の導電性接合部が破断しても上部電極が繋がっていれば破断した部分を境に電位差が生じないので、この構成を採用しない場合と比べて、破断した部分の電位差が抑制され、火花放電を抑制することができる。
【００１３】
[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。
【００１４】
圧電素子１は、例えば、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、下部電極としてのシム１０と、シム１０上に設けられた第１の導電性接合部としての第１の導電性ペースト１２と、第１の導電性ペースト１２上に設けられた圧電体１４と、圧電体１４上に設けられた第２の導電性接合部としての第２の導電性ペースト１６と、第２の導電性ペースト１６上に設けられ、少なくとも第２の導電性ペースト１６の表面１６ａの全域と接触する下面１８ｂを有する上部電極１８と、を備えて概略構成されている。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
（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。
【００１８】
シム１０は、第１の導電性ペースト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。
【００１９】
（第１の導電性ペースト１２及び第２の導電性ペースト１６の構成）
第１の導電性ペースト１２及び第２の導電性ペースト１６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。この第１の導電性ペースト１２及び第２の導電性ペースト１６は、一例として、厚みが２μｍである。
【００２０】
第１の導電性ペースト１２は、例えば、図１（ｂ）に示すように、シム１０と圧電体１４との間からはみ出さないように、つまり圧電体１４の下面１４ｂより小さく形成される。同様に、第２の導電性ペースト１６は、例えば、図１（ｂ）に示すように、圧電体１４の上面１４ａより小さく形成される。
【００２１】
なお変形例として第１の導電性結合部及び第２の導電性結合部は、導電性ペーストに限定されず、例えば、シム１０と圧電体１４、圧電体１４と上部電極１８と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。
【００２２】
（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。
【００２３】
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。
【００２４】
（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、金、白金や銅などの膜として形成されている。本実施の形態の上部電極１８は、一例として、銅箔として形成されている。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。この上部電極１８は、一例として、厚みが１２μｍである。
【００２５】
上部電極１８は、第２の導電性ペースト１６の表面１６ａと同形状となる下面１８ｂを有する。言い換えるなら上部電極１８は、第２の導電性ペースト１６の表面１６ａを覆う形状を有している。なお変形例として上部電極１８は、下面１８ｂが第２の導電性ペースト１６の表面１６ａより大きい形成を有していても良い。
【００２６】
（圧電体１４の破断について）
図２（ａ）は、第１の実施の形態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、比較例に係る圧電素子の一例を示す要部断面図である。
【００２７】
・比較例について
比較例の圧電素子９は、例えば、図２（ｂ）に示すように、シム９０と、第１の導電性ペースト９２と、圧電体９４と、第２の導電性ペースト９６と、を備えて概略構成されている。圧電素子９は、第２の導電性ペースト９６が上部電極となっている。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。
【００２８】
この圧電素子９は、例えば、図２（ｂ）に示すように、圧電体９４が衝撃などによって割れたことに伴って、第１の導電性ペースト９２及び第２の導電性ペースト９６が割れてクラック７ａが発生した場合、このクラック７ａを境に第１の領域９７及び第２の領域９８に分かれたとする。なお第２の領域９８側が電線と接続されているものとする。
【００２９】
例えば、圧電素子９に対して３００Ｖの電圧が印可された場合、圧電素子９は、クラック７ａを境に、第１の領域９７側の電圧が０Ｖとなり、第２の領域９８側の電圧が３００Ｖとなる。比較例の圧電素子９は、第１の領域９７と第２の領域９８の電位差が３００Ｖと非常に大きいので、クラック７ａにおいて火花放電が発生し易い。
【００３０】
・本実施の形態の圧電素子１について
比較例と同様に、例えば、図２（ａ）に示すように、圧電体１４が衝撃などによって割れて、第１の導電性ペースト１２及び第２の導電性ペースト１６に到達するクラック７が発生したとする。図２（ａ）では、クラック７を境に左側を第１の領域３０、右側を第２の領域３１とし、第２の領域３１側が電線２２と接続されているものとする。
【００３１】
本実施の形態の圧電素子１は、第２の導電性ペースト１６の上に上部電極１８が形成されているので、クラック７が発生しても上部電極１８が完全に破断されない、つまり一部でも第１の領域３０と第２の領域３１が繋がっていれば、第１の領域３０側と第２の領域３１側の電極が共に３００Ｖとなって電位差が生じない。
【００３２】
従って本実施の形態の圧電素子１は、クラック７が生じても第１の領域３０及び第２の領域３１が繋がっていれば電位差が生じないので、火花放電が発生しない。
【００３３】
（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、火花放電を抑制することができる。具体的には、圧電素子１は、圧電体１４が割れて第２の導電性ペースト１６にクラック７が生じても上部電極１８が一部でも繋がっていればクラック７を境に第１の領域３０と第２の領域３１に電位差が生じない。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、クラック７における電位差が抑制され、火花放電を抑制することができる。
【００３４】
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、クラック７の発生による火花放電が抑制されるので、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。
【００３５】
［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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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、シム１０上に設けられた第１の導電性ペースト１２と、第１の導電性ペースト１２上に設けられた圧電体１４と、圧電体１４上に設けられた第２の導電性ペースト１６と、第２の導電性ペースト１６上に設けられ、少なくとも第２の導電性ペースト１６の表面１６ａの全域と接触する下面１８ｂを有する上部電極１８と、を有する圧電素子１を備えている。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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Ｓ２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Ｓ１を生成して圧電素子１に出力する。
【００４４】
（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、圧電体１４が破断して第２の導電性ペースト１６などにクラックが発生した場合であっても、上部電極１８によってクラック近傍の電位差が抑制されて火花放電が抑制されるので、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。
【００４５】
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。
【符号の説明】
【００４６】
１…圧電素子、７，７ａ…クラック、８…触覚呈示装置、９…圧電素子、１０…シム、１２…第１の導電性ペースト、１４…圧電体、１４ａ…上面、１４ｂ…下面、１６…第２の導電性ペースト、１６ａ…表面、１８…上部電極、１８ａ…上面、１８ｂ…下面、２２，２４…電線、３０…第１の領域、３１…第２の領域、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…第１の導電性ペースト、９４…圧電体、９６…第２の導電性ペースト、９７…第１の領域、９８…第２の領域、８００…凹部、８５０…荷重しきい値
【図１】
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【図２】
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【図３】
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