(57)【要約】【課題】プッシュ操作及び触覚の呈示に起因して接続部分に作用する応力を緩和することができるフレキシブル基板、圧電素子ユニット及び触覚呈示装置を提供する。【解決手段】フレキシブル基板３は、圧電素子５の上部電極５２と下部電極５０が露出する開口３０と、開口３０の縁から上部電極５２までの配線に必要な最短長さＬ１より長く、上部電極５２と電気的に接続する上部配線４ａが設けられた上部電極配線部３１と、開口３０の縁から下部電極５０までの配線に必要な最短長さＬ２より長く、下部電極５０と電気的に接続する下部配線４ｂが設けられた下部電極配線部３２と、を備えて概略構成されている。触覚呈示装置１は、このフレキシブル基板３と、操作面１２０になされたプッシュ操作に伴う荷重を検出すると共に操作面１２０に振動による触覚を呈示する圧電素子５と、を有する圧電素子ユニット２を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子の上部電極と下部電極が露出する開口と、
前記開口の縁から前記上部電極までの配線に必要な最短長さより長く、前記上部電極と電気的に接続する上部配線が設けられた上部電極配線部と、
前記開口の縁から前記下部電極までの配線に必要な最短長さより長く、前記下部電極と電気的に接続する下部配線が設けられた下部電極配線部と、
を備えたフレキシブル基板。
【請求項２】
前記上部電極配線部及び前記下部電極配線部は、
前記開口の縁から伸びる第１の根元部及び第２の根元部と、
前記圧電素子に応じて前記第１の根元部及び前記第２の根元部から伸びる第１の伸長部及び第２の伸長部と、
前記第１の伸長部及び前記第２の伸長部から前記上部電極及び前記下部電極に向かって伸びる第１の接続部及び第２の接続部と、
を有する、
請求項１に記載のフレキシブル基板。
【請求項３】
前記第１の伸長部及び前記第２の伸長部は、前記圧電素子の外形に沿う形状を有する、
請求項２に記載のフレキシブル基板。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のフレキシブル基板と、
操作面になされたプッシュ操作に伴う荷重を検出すると共に前記操作面に振動による触覚を呈示する圧電素子と、
を備えた圧電素子ユニット。
【請求項５】
請求項４に記載の圧電素子ユニット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、フレキシブル基板、圧電素子ユニット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、天面側シャーシと底面側シャーシとからなり、内部空間を有するシャーシと、天面側シャーシに固定されており、操作面を有するタッチパネルと、内部空間に配置されているアクチュエータと、アクチュエータとタッチパネルとの間に配置されている振動伝達部材と、を備えた触覚提示装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
この天面側シャーシは、タッチパネルの操作面が外部へ露出するように形成されている天面側開口部を有する天面部と、天面部の周縁部に形成されている側面部とを備えている。アクチュエータは、圧電素子であり、側面部に固定されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１３／０９９７４３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような従来の触覚提示装置の中には、例えば、フレキシブル基板に設けられた配線が接続されて一体となったものがある。この触覚提示装置は、例えば、タッチパネルに対するプッシュ操作や振動による触覚の呈示によって圧電素子が変形し、フレキシブル基板の変形が限定的であるため、主に配線に応力が生じて剥がれや接触不良などの不具合が発生する可能性がある。
【０００６】
従って本発明の目的は、プッシュ操作及び触覚の呈示に起因して接続部分に作用する応力を緩和することができるフレキシブル基板、圧電素子ユニット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、圧電素子の上部電極と下部電極が露出する開口と、開口の縁から上部電極までの配線に必要な最短長さより長く、上部電極と電気的に接続する上部配線が設けられた上部電極配線部と、開口の縁から下部電極までの配線に必要な最短長さより長く、下部電極と電気的に接続する下部配線が設けられた下部電極配線部と、を備えたフレキシブル基板を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、プッシュ操作及び触覚の呈示に起因して接続部分に作用する応力を緩和することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１（ａ）は、実施の形態に係る触覚呈示装置の圧電素子ユニットの一部の一例を示す概略図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のI（ｂ）-I（ｂ）線で切断した一部の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、実施の形態に係る触覚呈示装置のブロック図の一例であり、図２（ｂ）は、変形例に係る圧電素子ユニットの一部の一例を示す概略図であり、図２（ｃ）は、他の変形例に係る複数の圧電素子が設けられた場合の圧電素子ユニットの一部の一例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（実施の形態の要約）
実施の形態に係るフレキシブル基板は、圧電素子の上部電極と下部電極が露出する開口と、開口の縁から上部電極までの配線に必要な最短長さより長く、上部電極と電気的に接続する上部配線が設けられた上部電極配線部と、開口の縁から下部電極までの配線に必要な最短長さより長く、下部電極と電気的に接続する下部配線が設けられた下部電極配線部と、を備えて概略構成されている。
【００１１】
このフレキシブル基板は、上部電極配線部と下部電極配線部が開口の縁からの配線に必要な最短長さより長いので、この構成を採用しない場合と比べて、上部電極配線部と下部電極配線部がプッシュ操作や振動による触覚の呈示の際の変形に追従し易く、プッシュ操作及び触覚の呈示に起因して接続部分に作用する応力を緩和することができる。
【００１２】
[実施の形態]
（触覚呈示装置１の概要）
図１（ａ）は、実施の形態に係る触覚呈示装置の圧電素子ユニットの一部の一例を示す概略図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のI（ｂ）-I（ｂ）線で切断した一部の断面を矢印方向から見た断面図の一例である。図２（ａ）は、実施の形態に係る触覚呈示装置のブロック図の一例であり、図２（ｂ）は、変形例に係る圧電素子ユニットの一部の一例を示す概略図であり、図２（ｃ）は、他の変形例に係る複数の圧電素子が設けられた場合の圧電素子ユニットの一部の一例を示す概略図である。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。また図２（ａ）では、主な信号や情報の流れを矢印で示している。
【００１３】
触覚呈示装置１は、例えば、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、フレキシブル基板３と、圧電素子５と、を備えている。触覚呈示装置１は、プッシュ操作に伴って操作面１２０に付加された荷重を検出すると共にプッシュ操作を受け付けたことを示す触覚を呈示するように構成されている。なお荷重は、パネル１２を押下げる方向の荷重であるものとする。
【００１４】
このフレキシブル基板３は、例えば、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、圧電素子５の上部電極５２と下部電極５０が露出する開口３０と、開口３０の縁から上部電極５２までの配線に必要な最短長さ（Ｌ１）より長く、上部電極５２と電気的に接続する上部配線４ａが設けられた上部電極配線部３１と、開口３０の縁から下部電極５０までの配線に必要な最短長さ（Ｌ２）より長く、下部電極５０と電気的に接続する下部配線４ｂが設けられた下部電極配線部３２と、を備えて概略構成されている。
【００１５】
触覚呈示装置１は、このフレキシブル基板３と、操作面１２０になされたプッシュ操作に伴う荷重を検出すると共に操作面１２０に振動による触覚を呈示する圧電素子５と、を有する圧電素子ユニット２を備えている。
【００１６】
図１（ａ）では、必要な最短長さＬ１と必要な最短長さＬ２の一例を図示している。必要な最短長さＬ１は、一例として、上部電極５２の中心から上部電極５２の縁までの中心から開口３０の縁までの長さとしているがこれに限定されない。また必要な最短長さＬ２は、一例として、上部電極５２の縁から下部電極５０の縁までの中心から開口３０の縁までの長さとしているがこれに限定されない。
【００１７】
また触覚呈示装置１は、例えば、図１（ｂ）に示すように、圧電素子５が配置されるベース１０と、操作がなされる操作面１２０を有するパネル１２と、パネル１２になされたプッシュ操作を圧電素子５に伝達する押子１４と、を備えている。そして触覚呈示装置１は、例えば、図２（ａ）に示すように、圧電素子５と電気的に接続された制御部６を備えている。
【００１８】
ベース１０は、例えば、樹脂材料を用いて形成され、凹部１００が設けられている。圧電素子５は、この凹部１００上に配置されている。この凹部１００は、圧電素子５が変形し易いように設けられている。
【００１９】
パネル１２は、例えば、樹脂材料を用いて板形状に形成されている。このパネル１２の表面が操作面１２０となっている。
【００２０】
押子１４は、例えば、樹脂材料を用いて形成されている。この押子１４は、パネル１２に付加された荷重を圧電素子５に伝達すると共に圧電素子５の振動をパネル１２に伝達するよう構成されている。押子１４は、例えば、図１（ｂ）に示すように、先端が半球形状を有して圧電素子ユニット２を介して圧電素子５に接触している。なお押子１４は、パネル１２の一部として形成されても良い。
【００２１】
（圧電素子ユニット２の構成）
・フレキシブル基板３の構成
フレキシブル基板３は、例えば、絶縁性を有するベースフィルムと、導電性を有する金属箔と、を貼り合わせた基材に配線などを形成した柔軟性のある基板である。このベースフィルムは、一例として、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミドなどの樹脂材料を用いて形成される。また、導電性を有する金属箔は、一例として、銅箔である。
【００２２】
フレキシブル基板３は、例えば、図１（ａ）に示すように、圧電素子５が露出する開口３０が形成され、その開口３０内に上部電極配線部３１及び下部電極配線部３２が形成されている。
【００２３】
上部電極配線部３１は、例えば、図１（ａ）に示すように、開口３０の縁から伸びる第１の根元部３１０と、圧電素子５に応じて第１の根元部３１０から伸びる第１の伸長部３１１と、第１の伸長部３１１から上部電極５２に向かって伸びる第１の接続部３１２と、を備えている。この上部電極配線部３１は、圧電素子５の上部電極５２と電気的に接続される上部配線４ａが形成されている。
【００２４】
下部電極配線部３２は、例えば、図１（ａ）に示すように、開口３０の縁から伸びる第２の根元部３２０と、圧電素子５に応じて第２の根元部３２０から伸びる第２の伸長部３２１と、第２の伸長部３２１から下部電極５０に向かって伸びる第２の接続部３２２と、を備えている。この下部電極配線部３２は、圧電素子５の下部電極５０と電気的に接続される下部配線４ｂが形成されている。
【００２５】
上部配線４ａ及び下部配線４ｂは、例えば、上述の導電性を有する金属箔を加工してフレキシブル基板３に形成された配線である。
【００２６】
第１の根元部３１０及び第２の根元部３２０は、例えば、図１（ａ）に示すように、開口３０の対向する縁に設けられている。なお第１の根元部３１０及び第２の根元部３２０は、例えば、図１（ａ）の紙面上部から隣接して配置されても良く、十分な余長がとれる位置であれば良い。
【００２７】
第１の接続部３１２及び第２の接続部３２２は、例えば、図１（ａ）に示すように、開口３０の中心を通る直線に沿って第１の伸長部３１１及び第２の伸長部３２１から伸びている。また第１の伸長部３１１及び第２の伸長部３２１は、例えば、図１（ａ）に示すように、圧電素子５の外形に沿う形状を有している。
【００２８】
第１の接続部３１２及び第２の接続部３２２は、その先端に円形の第１の先端部３１３及び第２の先端部３２３が設けられている。この第１の先端部３１３及び第２の先端部３２３は、例えば、上部電極５２及び下部電極５０と、銀ペーストなどの導電性ペーストや導電性接着剤、はんだなどによって電気的に接続されている。なお図１（ｂ）では、導電性ペーストなどの図示を省略している。
【００２９】
第１の根元部３１０及び第２の根元部３２０は、開口３０の縁から垂直に下部電極５０や上部電極５２に向かって伸びている。また第１の伸長部３１１及び第２の伸長部３２１は、圧電素子５の外形が円形であるので、円弧形状となっている。そして第１の接続部３１２は、第１の根元部３１０との角度が９０°となるように第１の伸長部３１１から曲がって伸びている。また第２の接続部３２２は、第２の根元部３２０との角度が９０°となるように第２の伸長部３２１から曲がって伸びている。
【００３０】
第１の伸長部３１１と第１の接続部３１２、及び第２の伸長部３２１と第２の接続部３２２は、例えば、円を四等分にした扇の二つの辺に沿った形状を有している。
【００３１】
この上部電極配線部３１及び下部電極配線部３２の全長は、例えば、図１（ａ）に示すように、開口３０から上部電極５２までの最短長さＬ１、及び下部電極５０までの最短長さＬ２と比べて、数倍も長い。
【００３２】
ここで上部電極配線部３１及び下部電極配線部３２が上部電極５２及び下部電極５０と接続に必要な最短長さで接続された場合、プッシュ操作や振動による触覚の呈示に伴う圧電素子５の凸状や凹状の変形によって第１の先端部３１３及び第２の先端部３２３に引っ張り応力が生じる。この応力により、第１の先端部３１３及び第２の先端部３２３は、上部電極５２及び下部電極５０から剥がれたり、接触不良などの不具合が発生したりする可能性がある。
【００３３】
またフレキシブル基板３がベース１０に対して移動しないように固定された場合、圧電素子５の変形によって、主に上部電極配線部３１及び下部電極配線部３２に応力が集中する。
【００３４】
さらに変形例として図２（ｃ）に示すように、複数の圧電素子５が配置され、フレキシブル基板３がベース１０に固定される場合、ベース１０に対するフレキシブル基板３の移動量がさらに小さいので、より上部電極配線部３１及び下部電極配線部３２に応力が集中する。
【００３５】
しかし本実施の形態のフレキシブル基板３は、上部電極配線部３１及び下部電極配線部３２が最短長さＬ１及び最短長さＬ２と比べて、主に第１の伸長部３１１及び第２の伸長部３２１分、余長を設けているので、圧電素子５が変形しても上部電極配線部３１及び下部電極配線部３２の変形が小さく、応力が第１の先端部３１３及び第２の先端部３２３に作用し難い。従って触覚呈示装置１は、プッシュ操作や触覚の呈示によって圧電素子５が変形しても剥がれや接触不良などの不具合が発生し難い。
【００３６】
また他の変形例として触覚呈示装置１は、例えば、図２（ｃ）に示すように、複数の圧電素子５を有する場合、ベース１０にフレキシブル基板３が固定されていても、上部電極配線部３１及び下部電極配線部３２に余長があるので、上述の不具合が生じ難い。
【００３７】
なお第１の伸長部３１１及び第２の伸長部３２１は、例えば、図１（ａ）に示す伸長部よりも長くても良いし、短くても良い。つまり上部電極配線部３１及び下部電極配線部３２は、第１の伸長部３１１及び第２の伸長部３２１が設けられることにより、最短で繋いだ場合よりも余長が生じるので、不具合が生じ難くなる。
【００３８】
・圧電素子５の構成
圧電素子５は、例えば、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、円板形状を有する下部電極５０と、下部電極５０よりも半径が小さい円柱形状を有する圧電体５１と、圧電体５１の上部に設けられた上部電極５２と、を備えたユニモルフ型の圧電素子である。
【００３９】
なお変形例として圧電素子は、例えば、２枚の圧電体を下部電極５０の両面に設けたバイモルフ型圧電素子であっても良い。この場合、押子と接触する圧電体によって荷重を検出し、裏側の圧電体のみ、又は双方の圧電体が振動するように構成される。
【００４０】
圧電体５１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５１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。なお圧電体５１は、圧電定数がｄ３３となるように厚み方向に分極し、厚み方向の変形に対して出力が大きくなるように構成されている。
【００４１】
下部電極５０は、例えば、導電性を有するリン青銅やステンレスなどによって形成されている。
【００４２】
圧電素子５は、操作面１２０に荷重が付加されると、パネル１２、押子１４、圧電素子ユニット２及び上部電極５２を介して圧電体５１に荷重が付加されて変形する。圧電体５１は、この変形に応じた電圧を、上部配線４ａ及び下部配線４ｂを介して出力する。また圧電体５１は、上部配線４ａ及び下部配線４ｂを介して電圧が印加されるとこの電圧に応じて変形する。
【００４３】
圧電素子５は、例えば、図２（ａ）に示すように、荷重に応じて出力した電圧を荷重情報Ｓ１として制御部６に出力し、制御部６から出力された駆動信号Ｓ２に基づく電圧に応じて変形して振動するように構成されている。操作者は、このパネル１２の振動によるフィードバックによってプッシュ操作が受け付けられたことを認識することができる。
【００４４】
ここで変形例としての触覚呈示装置１は、例えば、図２（ｂ）に示すように、矩形の圧電素子５と、この圧電素子５に応じた開口３０などを有するフレキシブル基板３と、を有する圧電素子ユニット２を備えて概略構成されている。この変形例の触覚呈示装置１は、上部電極配線部３１及び下部電極配線部３２が矩形の圧電素子５の外形に応じて折返形状を有している。
【００４５】
（制御部６の構成）
制御部６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６が動作するためのプログラムと、荷重しきい値６０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。また制御部６は、その内部にクロック信号を生成する手段を有し、このクロック信号に基づいて動作を行う。
【００４６】
荷重しきい値６０は、圧電素子５によって検出された荷重に対するしきい値である。制御部６は、検出された荷重が荷重しきい値６０以上となると、パネル１２に対してプッシュ操作が行われたと判定する。
【００４７】
制御部６は、プッシュ操作が判定されると接続されている電子機器に操作情報Ｓ３を出力する。この操作情報Ｓ３は、プッシュ操作がなされたことを示す情報である。接続された電子機器は、例えば、車両に搭載された空調装置、ナビゲーション装置、音楽及び映像再生装置などである。触覚呈示装置１は、例えば、車両のステアリングスイッチや電子機器の操作スイッチなどとして用いられる。
【００４８】
（動作）
制御部６は、圧電素子５から取得した荷重情報Ｓ１から得られた荷重と荷重しきい値６０とを比較する。制御部６は、荷重が荷重しきい値６０以上となると、プッシュ操作が行われたことを示す操作情報Ｓ３を接続された電子機器に出力すると共に、プッシュ操作が受け付けられたことを示す触覚の呈示を行うため駆動信号Ｓ２を生成して予め定められた期間、出力する。
【００４９】
（実施の形態の効果）
本実施の形態に係る触覚呈示装置１は、プッシュ操作及び触覚の呈示に起因して接続部分に作用する応力を緩和することができる。この触覚呈示装置１は、フレキシブル基板３の上部電極配線部３１と下部電極配線部３２が余長を有しているので、接続に必要な最短長さで圧電素子と接続する場合と比べて、上部電極配線部３１と下部電極配線部３２がプッシュ操作や触覚の呈示の際の圧電素子５の変形に追従し易く、プッシュ操作及び触覚の呈示に起因して接続部分に作用する応力を緩和することができる。
【００５０】
圧電素子５は、圧電体５１がセラミックである場合、引張荷重が生じる凹状の変形よりも圧縮荷重が生じる凸状の変形で使用される方が強度上有利である。しかし触覚呈示装置１は、例えば、余長を設けずにフレキシブル基板３をベース１０に固定して圧電素子５を凸状の変形で使用する場合、応力が接続部分に集中して不具合が生じる可能性がある。一方本実施の形態の触覚呈示装置１は、上部電極配線部３１と下部電極配線部３２が余長を有しているので、この構成を採用しない場合と比べて、圧電素子５の凸状の変形に対しても追従して接続部分に作用する応力を緩和することができ、強度上有利な状態で圧電素子５を使用することができる。
【００５１】
触覚呈示装置１は、上部電極配線部３１と下部電極配線部３２が余長を有しているので、ピンなどでフレキシブル基板３をベース１０に固定してベース１０に対してフレキシブル基板３が移動しないようにされた場合であってもプッシュ操作及び触覚の呈示に起因する剥がれなどの不具合の発生を効果的に抑制することができる。また触覚呈示装置１は、変形例のように、複数の圧電素子５を備え、フレキシブル基板３がベース１０に固定された場合であってもプッシュ操作及び触覚の呈示に起因する剥がれなどの不具合の発生を効果的に抑制することができる。
【００５２】
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】
【００５３】
１…触覚呈示装置、２…圧電素子ユニット、３…フレキシブル基板、４ａ…上部配線、４ｂ…下部配線、５…圧電素子、６…制御部、１０…ベース、１２…パネル、１４…押子、３０…開口、３１…上部電極配線部、３２…下部電極配線部、５０…下部電極、５１…圧電体、５２…上部電極、６０…荷重しきい値、１００…凹部、１２０…操作面、３１０…第１の根元部、３１１…第１の伸長部、３１２…第１の接続部、３１３…第１の先端部、３２０…第２の根元部、３２１…第２の伸長部、３２２…第２の接続部、３２３…第２の先端部
【図１】
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【図２】
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