(57)【要約】【課題】タッチ検出と触感提示が可能であり、生産性に優れる圧電素子及び振動発生装置を提供すること。【解決手段】本技術に係る圧電素子は、圧電体と、第１実効部と、第２実効部とを具備する。上記圧電体は圧電材料からなる。上記第１実効部は、第１電極と第２電極を有し、上記第１電極と上記第２電極が上記圧電体を介して対向する。上記第２実効部は、第３電極と第４電極を有し、上記第３電極と上記第４電極が上記圧電体を介して対向する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電材料からなる圧電体と、
第１電極と第２電極を有し、前記第１電極と前記第２電極が前記圧電体を介して対向する第１実効部と、
第３電極と第４電極を有し、前記第３電極と前記第４電極が前記圧電体を介して対向する第２実効部と
を具備する圧電素子。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電素子であって、
前記第１実効部と前記第２実効部は、前記圧電素子の長手方向において離間している
圧電素子。
【請求項３】
請求項１に記載の圧電素子であって、
前記第１実効部と前記第２実効部は、前記圧電素子の厚み方向において積層されている
圧電素子。
【請求項４】
請求項１から３のうちいずれか１項に記載の圧電素子であって、
前記第１電極は前記圧電体中に設けられた複数の第１内部電極を有し、
前記第２電極は前記圧電体中に設けられた複数の第２内部電極を有し、
前記第１内部電極と前記第２内部電極は前記圧電体を介して交互に積層され、
前記第３電極は前記圧電体中に設けられた複数の第３内部電極を有し、
前記第４電極は前記圧電体中に設けられた複数の第４内部電極を有し、
前記第３内部電極と前記第４内部電極は前記圧電体を介して交互に積層されている
圧電素子。
【請求項５】
圧電材料からなる圧電体と、第１電極と第２電極を有し、前記第１電極と前記第２電極が前記圧電体を介して対向する第１実効部と、第３電極と第４電極を有し、前記第３電極と前記第４電極が前記圧電体を介して対向する第２実効部とを備える圧電素子と、
前記第１実効部において圧電効果により起電圧が発生すると、前記起電圧により、駆動源信号源と前記第２実効部を電気的に接続し、前記駆動信号源から供給される駆動信号により前記第２実効部に逆圧電効果による振動を発生させる駆動回路と
を具備する振動発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、触覚提示に用いることが可能な圧電素子及び振動発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
振動によりユーザに触感を提示する触覚機能デバイスには様々なアクチュエータが用いられている。例えば、通知機能には偏心モータやリニア共振アクチュータ等の電磁式アクチュエータが用いられている。また、フォースフィードバック機能にはこれらの電磁式アクチュエータに加え、圧電式アクチュエータも用いられている。
【０００３】
さらに、アクチュエータに加え、ユーザによるパネル等への接触を検知するタッチセンサを備え、ユーザによる接触を検知するとアクチュエータを駆動し、当該パネル等に振動を発生させる装置も開発されている。例えば、特許文献１には、パネルに接触センサと振動素子が設けられた入力システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１８−１２８７４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献1に記載のような構成では、一つの装置にタッチセンサとアクチュエータの両者を搭載する必要があり、アクチュエータのみを搭載する場合に比べて製造コストの上昇が避けられない。
【０００６】
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、タッチ検出と触感提示が可能であり、生産性に優れる圧電素子及び振動発生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】
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る圧電素子は、圧電体と、第１実効部と、第２実効部とを具備する。
上記圧電体は圧電材料からなる。
上記第１実効部は、第１電極と第２電極を有し、上記第１電極と上記第２電極が上記圧電体を介して対向する。
上記第２実効部は、第３電極と第４電極を有し、上記第３電極と上記第４電極が上記圧電体を介して対向する。
【０００８】
この構成によれば、第１実効部と第２実効部の一方を感圧センサとして、他方を圧電アクチュエータとして機能させることができ、一つの圧電素子によってタッチ検出と触感提示可能である。また、感圧センサと圧電アクチュエータを別々の圧電素子によって実現する場合に比べ、生産性を向上せせることが可能である。
【０００９】
上記第１実効部と上記第２実効部は、上記圧電素子の長手方向において離間していてもよい。
【００１０】
上記第１実効部と上記第２実効部は、上記圧電素子の厚み方向において積層されていてもよい。
【００１１】
上記第１電極は上記圧電体中に設けられた複数の第１内部電極を有し、
上記第２電極は上記圧電体中に設けられた複数の第２内部電極を有し、
上記第１内部電極と上記第２内部電極は上記圧電体を介して交互に積層され、
上記第３電極は上記圧電体中に設けられた複数の第３内部電極を有し、
上記第４電極は上記圧電体中に設けられた複数の第４内部電極を有し、
上記第３内部電極と上記第４内部電極は上記圧電体を介して交互に積層されていてもよい。
【００１２】
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る振動発生装置は、圧電素子と、駆動回路とを具備する。
上記圧電素子は、圧電材料からなる圧電体と、第１電極と第２電極を有し、上記第１電極と上記第２電極が上記圧電体を介して対向する第１実効部と、第３電極と第４電極を有し、上記第３電極と上記第４電極が上記圧電体を介して対向する第２実効部とを備える。
上記駆動回路は、上記第１実効部において圧電効果により起電圧が発生すると、上記起電圧により、駆動源信号源と上記第２実効部を電気的に接続し、上記駆動信号源から供給される駆動信号により上記第２実効部に逆圧電効果による振動を発生させる。
【発明の効果】
【００１３】
以上のように本発明によれば、タッチ検出と触感提示が可能であり、生産性に優れる圧電素子及び振動発生装置を提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る振動発生装置の模式図である。
【図２】上記振動発生装置が備える圧電素子の斜視図である。
【図３】上記圧電素子の断面図である。
【図４】上記圧電素子の平面図である。
【図５】上記圧電素子が備える第１実効部の断面図である。
【図６】上記第１実効部が備える第１内部電極の平面図である。
【図７】上記第１実効部が備える第２内部電極の平面図である。
【図８】上記圧電素子が備える第２実効部の断面図である。
【図９】上記第２実効部が備える第３内部電極の平面図である。
【図１０】上記第２実効部が備える第４内部電極の平面図である。
【図１１】上記振動発生装置が備える駆動回路の回路図である。
【図１２】上記振動発生装置が備える、他の構造を有する圧電素子の断面図である。
【図１３】上記圧電素子の平面図である。
【図１４】上記圧電素子が備える第１実効部の、第１内部電極の平面図である。
【図１５】上記圧電素子が備える第１実効部の、第２内部電極の平面図である。
【図１６】上記圧電素子が備える第２実効部の、第３内部電極の平面図である。
【図１７】上記圧電素子が備える第２実効部の、第４内部電極の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施形態に係る振動発生装置について説明する。
【００１６】
［振動発生装置の構成］
図１は本実施形態に係る振動発生装置１００の模式図である。同図に示すように振動発生装置１００は、圧電素子１１０及び駆動回路１２０を備える。振動発生装置１００はスマートフォン等の情報処理装置に搭載されるものとすることができる。例えば、圧電素子１１０はスマートフォンのディスプレイパネル等に接合され、駆動回路１２０は当該スマートフォンに内蔵される。
【００１７】
［圧電素子の構成］
図２は、圧電素子１１０の斜視図である。図３は圧電素子１１０の断面図であり、図２のＡ−Ａ線での断面図である。図４は圧電素子１１０の平面図である。図２乃至図４に示すように、圧電素子１１０は圧電体１０１、第１実効部１０２及び第２実効部１０３を備える。
【００１８】
圧電体１０１は圧電材料からなる板状部材である。圧電体１０１を構成する圧電材料は圧電効果及び逆圧電効果を生じるものであればよく、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）とすることができる。
【００１９】
図３に示すように、圧電体１０１の一方の主面を主面１０１ａとし、反対側の主面を主面１０１ｂとする。また、図４に示すように、圧電体１０１の長手方向（Ｙ方向）に沿った面を側面１０１ｃ及び側面１０１ｄとする。また、圧電体１０１の短手方向（Ｘ方向）に沿った面を端面１０１ｅ及び端面１０１ｆとする。
【００２０】
第１実効部１０２は、圧電体１０１中に設けられ、感圧センサとして機能する。図５は第１実効部１０２を示す圧電素子１１０の断面図であり、図４のＢ−Ｂ線での断面図である。同図に示すように、第１実効部１０２は第１電極１１１及び第２電極１１２を備える。
【００２１】
第１電極１１１及び第２電極１１２は互いに絶縁され、圧電体１０１を介して対向する。図５に示すように、第１電極１１１は、第１内部電極１１１ａと第１外部電極１１１ｂを含む。また、第２電極１１２は、第２内部電極１１２ａと第２外部電極１１２ｂを含む。
【００２２】
第１内部電極１１１ａは、Ａｇ等の導電性材料からなり、圧電体１０１中に複数層が設けられている。図６は第１内部電極１１１ａを示す模式図である。同図に示すように、第１内部電極１１１ａは少なくとも一部が側面１０１ｃに隣接して設けられ、一部が側面１０１ｃに露出する。また、第１内部電極１１１ａは側面１０１ｃ以外の面とは離間するように設けられている。
【００２３】
第１外部電極１１１ｂは、Ａｇ等の導電性材料からなり、図５に示すように、主面１０１ａ、主面１０１ｂ及び側面１０１ｃ上に設けられている。上記のように側面１０１ｃには第１内部電極１１１ａが露出するため、第１外部電極１１１ｂは第１内部電極１１１ａに接触し、第１内部電極１１１ａと導通する。なお、第１外部電極１１１ｂは側面１０１ｃ上にのみ設けられてもよい。
【００２４】
第２内部電極１１２ａは、Ａｇ等の導電性材料からなり、圧電体１０１中に複数層が設けられている。図７は第２内部電極１１２ａを示す模式図である。同図に示すように、第２内部電極１１２ａは端面１０１ｅに隣接して設けられ、一部が端面１０１ｅに露出する。また、第２内部電極１１２ａは端面１０１ｅ以外の面とは離間するように設けられている。
【００２５】
第２外部電極１１２ｂは、Ａｇ等の導電性材料からなり、図３に示すように、主面１０１ａ、主面１０１ｂ及び端面１０１ｅ上に設けられている。上記のように端面１０１ｅには第２内部電極１１２ａが露出するため、第２外部電極１１２ｂは第２内部電極１１２ａに接触し、第２内部電極１１２ａと導通する。なお、第２外部電極１１２ｂは端面１０１ｅ上にのみ設けられてもよい。
【００２６】
図５に示すように第１内部電極１１１ａと第２内部電極１１２ａは圧電体１０１の内部において複数が交互に積層され、圧電体１０１を介して対向する。第１内部電極１１１ａと第２内部電極１１２ａの数は特に限定されない。
【００２７】
第２実効部１０３は、圧電体１０１中に設けられ、圧電アクチュエータとして機能する。図８は第２実効部１０３を示す圧電素子１１０の断面図であり、図４のＣ−Ｃ線での断面図である。同図に示すように、第２実効部１０３は第３電極１１３及び第４電極１１４を備える。
【００２８】
第３電極１１３及び第４電極１１４は互いに絶縁され、圧電体１０１を介して対向する。図８に示すように、第３電極１１３は、第３内部電極１１３ａと第３外部電極１１３ｂを含む。また、第４電極１１４は、第４内部電極１１４ａと第４外部電極１１４ｂを含む。
【００２９】
第３内部電極１１３ａは、Ａｇ等の導電性材料からなり、圧電体１０１中に複数層が設けられている。図９は第１内部電極１１３ａを示す模式図である。同図に示すように、第３内部電極１１３ａは少なくとも一部が側面１０１ｃに隣接して設けられ、一部が側面１０１ｃに露出する。また、第３内部電極１１３ａは側面１０１ｃ以外の面とは離間するように設けられている。
【００３０】
第３外部電極１１３ｂは、Ａｇ等の導電性材料からなり、図８に示すように、主面１０１ａ、主面１０１ｂ及び側面１０１ｃ上に設けられている。上記のように側面１０１ｃには第３内部電極１１３ａが露出するため、第３外部電極１１３ｂは第３内部電極１１３ａに接触し、第３内部電極１１３ａと導通する。なお、第３外部電極１１３ｂは側面１０１ｃ上にのみ設けられてもよい。
【００３１】
第４内部電極１１４ａは、Ａｇ等の導電性材料からなり、圧電体１０１中に複数層が設けられている。図１０は第４内部電極１１４ａを示す模式図である。同図に示すように、第４内部電極１１４ａは端面１０１ｆに隣接して設けられ、一部が端面１０１ｆに露出する。また、第４内部電極１１４ａは端面１０１ｆ以外の面とは離間するように設けられている。
【００３２】
第４外部電極１１４ｂは、Ａｇ等の導電性材料からなり、図３に示すように、主面１０１ａ、主面１０１ｂ及び端面１０１ｆ上に設けられている。上記のように端面１０１ｆには第４内部電極１１４ａが露出するため、第４外部電極１１４ｂは第４内部電極１１４ａに接触し、第４内部電極１１４ａと導通する。
【００３３】
図８に示すように、第３内部電極１１３ａと第４内部電極１１４ａは圧電体１０１の内部において複数が交互に積層され、圧電体１０１を介して対向する。第３内部電極１１３ａと第４内部電極１１４ａの数は特に限定されない。
【００３４】
第１実効部１０２と第２実効部１０３は以上のような構成を有する。図３に示すように、第１実効部１０２と第２実効部１０３は圧電体１０１の長手方向（Ｙ方向）おいて離間するように設けられている。
【００３５】
圧電素子１１０は以上のような構成を有する。第１実効部１０２と第２実効部１０３は、同一の積層構造を有するが、駆動回路１２０に接続されることにより、第１実効部１０２が感圧センサとして機能し、第２実効部１０３が圧電アクチュエータとして機能する。
【００３６】
［駆動回路の構成］
図１１は駆動回路１２０の構成を示す回路図である。同図に示すように、駆動回路１２０はアンプ１２１、トランジスタ１２２、ＦＥＴ（Field effect transistor）１２３、キャパシタ１２４、半固定抵抗１２５、ダイオード１２６、抵抗１２７、電池１２８及びツェナーダイオード１２９から構成されている。
【００３７】
アンプ１２１はキャパシタ１２４を介して駆動信号源１５１に接続されている。トランジスタ１２２はベース（Ｂ）はトリガ信号配線１５２と接続され、コレクタ（Ｃ）はＦＥＴ１２３のゲート（Ｇ）に接続されている。エミッタ（Ｅ）は電池１２８（例えば０．４Ｖ）と接続されている。ＦＥＴ１２３はドレイン（Ｄ）が駆動信号源１５１とアンプ１２１の間に接続され、ゲート（Ｇ）及びソース（Ｓ）は駆動電圧源１５３に接続されている。
【００３８】
駆動回路１２０では、通常、駆動電圧源１５３により駆動電圧（例えば５Ｖ）がＦＥＴ１２３に印加され、ＦＥＴ１２３はＯＮ状態となっており、駆動信号はグランドに供給される。この状態で第１実効部１０２が押圧されると、圧電効果により第１電極１１１と第２電極１１２の間に起電圧が発生し、トリガ信号が生成される。
【００３９】
トリガ信号はトリガ信号配線１５２を介してトランジスタ１２２に入力され、トランジスタ１２２はＯＮ状態となる。これにより、ＦＥＴ１２３はＯＦＦ状態となり、駆動信号源１５１とアンプ１２１が接続される。駆動信号はアンプ１２１により増幅され、第２実効部１０３に入力される。第２実効部１０３は、駆動信号により第３電極１１３と第４電極１１４の間に電位差が生じると、逆圧電効果による振動を生じる。
【００４０】
このように、駆動回路１２０は、圧電効果により第１実効部１０２において発生する起電圧により駆動信号源１５１と第２実効部１０３を電気的に接続し、駆動信号源１５１から供給される駆動信号により第２実効部１０３に逆圧電効果による振動を生じさせる。これにより第１実効部１０２をタッチ検出用の感圧センサとして機能させ、第２実効部１０３を触感提示用の圧電アクチュエータとして機能させることができる。なお、駆動回路１２０の回路構成は図１１示すものに限られず、第１実効部１０２及び第２実効部１０３に上記動作を実行させることが可能なものであればよい。
【００４１】
［振動発生装置による効果］
振動発生装置１００では上記のように、一つの圧電素子１１０の内部に感圧センサとして機能する第１実効部１０２と圧電アクチュエータとして機能する第２実効部１０３が設けられている。第１実効部１０２と第２実効部１０３は同一の積層構造を有しているため、同一のプロセスによって形成することが可能であり、生産性に優れる。また、圧電アクチュエータと感圧センサを一つの素子で実現することができるため、実装が必要な部品点数を削減し、振動発生装置の製造コスト低減が可能である。
【００４２】
［圧電素子の他の構造］
圧電素子１１０の構造は上述のものに限られない。図１２は他の構造を有する圧電素子１１０の断面図であり、図１３はこの圧電素子１１０の平面図である。図１２は図１３のＤ−Ｄ線での断面図である。
【００４３】
これらの図に示すように、第１実効部１０２及び第２実効部１０３は、圧電素子１１０の厚み方向（Ｚ方向）において積層されてもよい。
【００４４】
図１４は、第１実効部１０２が備える第１内部電極１１１ａを示す模式図である。同図に示すように、第１内部電極１１１ａは一部が側面１０１ｃに露出し、主面１０１ａ及び側面１０１ｃ上に設けられた第１外部電極１１１ｂと導通する。
【００４５】
図１５は、第１実効部１０２が備える第２内部電極１１２ａを示す模式図である。同図に示すように、第２内部電極１１２ａは一部が側面１０１ｄに露出し、側面１０１ｄ上に設けられた第２外部電極１１２ｂと導通する。
【００４６】
図１６は、第２実効部１０３が備える第１内部電極１１３ａを示す模式図である。同図に示すように、第３内部電極１１３ａは一部が端面１０１ｅに露出し、端面１０１ｅ上に設けられた第３外部電極１１３ｂと導通する。
【００４７】
図１７は、第２実効部１０３が備える第２内部電極１１４ａを示す模式図である。同図に示すように、第４内部電極１１４ａは一部が端面１０１ｆに露出し、主面１０１ｂ及び端面１０１ｆ上に設けられた第４外部電極１１４ｂと導通する。
【００４８】
圧電素子１１０はこのように、第１実効部１０２と第２実効部１０３が圧電素子１１０の厚み方向（Ｚ方向）において積層されていてもよい。この他にも圧電素子１１０は、第１実効部１０２と第２実効部１０３が種々の配置をとるものとすることが可能である。
【００４９】
［振動発生装置の用途］
振動発生装置１００の用途は特に限定されないが、スマートフォン等のタッチパネルやカメラモジュール焦点制御用アクチュエータ、トラックパッド等の入力デバイス、ウェアラブルセンサー、圧電ハーベスト等に用いることが可能である。
【符号の説明】
【００５０】
１００…振動発生装置
１０１…圧電体
１０２…第１実効部
１０３…第２実効部
１１０…圧電素子
１１１…第１電極
１１２…第２電極
１１３…第３電極
１１４…第４電極
１２０…駆動回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2022002268.tif 000013
【図１２】
2022002268.tif 000014
【図１３】
2022002268.tif 000015
【図１４】
2022002268.tif 000016
【図１５】
2022002268.tif 000017
【図１６】
2022002268.tif 000018
【図１７】
2022002268.tif 000019