(57)【要約】【課題】放熱性を高めた圧電アクチュエータと、安定した振動刺激操作感を呈示する触覚呈示装置とを提供する。【解決手段】圧電アクチュエータ１は、圧電素子２と、圧電素子２に取り付けられ、圧電素子２の熱を放熱する放熱部材５とを備えている。放熱部材５の表面には、切欠溝部５ｃ−１が形成されている。圧電アクチュエータ１は、触覚呈示装置１００の駆動源を構成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子と、
前記圧電素子に取り付けられ、前記圧電素子の熱を放熱する放熱部材とを備え、
前記放熱部材の表面には、切欠溝部が形成されていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記切欠溝部は、凹部又はスリットからなることを特徴とする請求項１記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３】
前記圧電素子は、振動板に取り付けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】
上記請求項１〜３のいずれかに記載の圧電アクチュエータを駆動源として備えたことを特徴とする触覚呈示装置。
【請求項５】
前記触覚呈示装置は、前記圧電素子の振動が伝達される操作部材を入力操作する操作者に対して、刺激操作感覚を呈示する振動フィードバック力を付与することを特徴とする請求項４記載の触覚呈示装置。
【請求項６】
前記操作部材は、タッチパネル又はスイッチボタンであることを特徴とする請求項５記載の触覚呈示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電アクチュエータ及び触覚呈示装置に係り、特に、超音波振動を生成する圧電アクチュエータ及び圧電アクチュエータを備えた触覚呈示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
触覚フィードバックを付与する圧電アクチュエータを備えた携帯型電子デバイスが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
上記特許文献１記載の携帯型電子デバイスは、操作者に振動の触覚フィードバックを付与するタッチ感知ディスプレイを備えている。タッチ感知ディスプレイは、ハウジングの基部に向けて押下げ可能に支持されている。ハウジングの基部には、湾曲変形可能な基板を有する圧電アクチュエータが両持ち支持されている。
【０００４】
圧電アクチュエータの基板の角隅部には、円形状の圧電素子が接着されている。圧電素子がタッチ感知ディスプレイの押下げにより生成される作動信号によって直径方向に収縮することで、基板が湾曲するようになっている。圧電素子の表面には、圧縮可能なシリコーン材料からなる停止部が設けられており、停止部は、圧電素子の緩衝用として機能している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−１５２８８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１記載の携帯型電子デバイスに用いられる圧電アクチュエータは、超音波領域の周波数で振動させるために高い駆動電圧を必要とすることから、圧電アクチュエータの発熱量が大きい。特に、高温雰囲気下において圧電アクチュエータを長時間駆動した場合は、圧電アクチュエータからの放熱が得られないと、振動刺激操作感が低下してしまうという問題があった。しかしながら、上記特許文献１記載の携帯型電子デバイスには、圧電アクチュエータからの放熱については講じられていない。
【０００７】
従って、本発明の目的は、放熱性を高めた圧電アクチュエータと、安定した振動刺激操作感を呈示する触覚呈示装置とを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
［１］本発明は、圧電素子と、前記圧電素子に取り付けられ、前記圧電素子の熱を放熱する放熱部材とを備え、前記放熱部材の表面には、切欠溝部が形成されていることを特徴とする圧電アクチュエータにある。
【０００９】
［２］上記［１］記載の前記切欠溝部は、凹部又はスリットからなることを特徴とする。
【００１０】
［３］上記［１］又は［２］記載の前記圧電素子は、振動板に取り付けられていることを特徴とする。
【００１１】
［４］本発明は更に、上記［１］〜［３］のいずれかに記載の圧電アクチュエータを駆動源として備えたことを特徴とする触覚呈示装置を提供する。
【００１２】
［５］上記［４］記載の前記触覚呈示装置は、前記圧電素子の振動が伝達される操作部材を入力操作する操作者に対して、刺激操作感覚を呈示する振動フィードバック力を付与することを特徴とする。
【００１３】
［６］上記［５］記載の前記操作部材は、タッチパネル又はスイッチボタンであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によると、圧電アクチュエータの放熱性を高めることができるとともに、触覚呈示装置の振動損失が少なくなり、良好な振動刺激操作感を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に好適な第１の実施の形態に係る圧電アクチュエータを説明するための平面図である。
【図２】第１の実施の形態に係る圧電アクチュエータを説明するための断面図である。
【図３】（ａ）は、第１の実施の形態に係る圧電アクチュエータに適用される放熱部材を説明するための平面図であり、（ｂ）は、放熱部材の側面図である。
【図４】第２の実施の形態に係る圧電アクチュエータを説明するための断面図である。
【図５】（ａ）は、圧電アクチュエータに適用される放熱部材の変形例を説明するための平面図であり、（ｂ）は、放熱部材の側面図である。
【図６】（ａ）及び（ｂ）は、図５に示す圧電アクチュエータの駆動時の変位を模式的に示す側面図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は、圧電アクチュエータに適用される放熱部材の他の変形例を説明するための平面図である。
【図８】第３の実施の形態に係る触覚呈示装置の機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて具体的に説明する。
【００１７】
［第１の実施の形態］
（圧電アクチュエータの構成）
図１及び図２において、符号１は、触覚呈示装置に適用される圧電アクチュエータを模式的に図示している。
【００１８】
この圧電アクチュエータ１は、例えばタッチパネル又はスイッチボタン等の操作部材の操作面を入力操作する操作者の指に対して、刺激操作感覚を呈示する振動フィードバック力を付与する触覚呈示装置の駆動源として用いられる。
【００１９】
圧電アクチュエータ１は、電極に印加される駆動電圧により超音波振動を発生させる平面視四角形状の圧電素子２を備えている。圧電素子２には、例えばスパッタ法や蒸着法などによって図示しない電極が形成されている。
【００２０】
圧電アクチュエータ１としては、例えば１枚の圧電素子２によって構成されるモノモルフ型圧電アクチュエータ、複数枚の圧電素子２を積層することによって構成される積層モノモルフ型圧電アクチュエータが用いられる。モノモルフ型は、駆動電圧が圧電素子２に印加されることで伸張及び収縮する。
【００２１】
圧電アクチュエータ１としては、例えば弾性板の両面に圧電素子２を貼り合わせることによって構成されるバイモルフ型圧電アクチュエータが用いられてもよい。バイモルフ型は、駆動電圧が圧電素子２に印加されることでアーチ状に湾曲する。
【００２２】
圧電素子２としては、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）あるいはチタン酸バリウムなどのセラミックス材料が用いられる。電極としては、例えば金、銀、銅などの金属材料が用いられる。
【００２３】
図示例による圧電素子２には、例えば熱硬化性を有する両面テープあるいは接着剤等の固定用部材を介して平面視四角形状の振動板３が取り付けられている。圧電素子２は、振動板３の４か所の角隅部に並んで配置されている。振動板３としては、例えば樹脂又は金属等の材料が用いられる。なお、成膜技術を用いて、振動板３の表面に圧電材料層を成膜することで圧電素子２を形成することができる。
【００２４】
振動板３は、例えば金属あるいは樹脂等からなる筐体の一部に形成された支持部４に支持される。この支持部４は、電極に印加される駆動電圧に応じて圧電素子２が伸縮するときに振動板３の変形を許容する。
【００２５】
なお、振動板３は、操作者により操作入力を受けるタッチパネル又はスイッチボタンなどにより形成される操作部材における操作面の背面に取り付けられる。また、支持部４としては、筐体の一部として形成することに限定されるものではなく、例えば筐体とは別の操作部材に形成することも可能である。
【００２６】
（放熱部材の構成）
ところで、圧電アクチュエータ１で発生した熱は蓄積され易いことから、圧電アクチュエータ１の温度が高くなる。このため、圧電アクチュエータ１を高電圧、高周波数、高温雰囲気下で長時間駆動すると、圧電アクチュエータ１の温度特性により出力が低下してしまう。
【００２７】
圧電アクチュエータ１の放熱手段として、例えば筐体の内部にヒートパイプ等の放熱部材を設けることで、圧電アクチュエータ１からの熱を筐体の外部に放出する構成を採用すると、製品のコストアップや重量の増加につながるので好ましくない。
【００２８】
この第１の実施の形態に係る圧電アクチュエータ１の主要なところは、圧電アクチュエータ１の圧電素子２に熱伝導率（熱放射率）が高い弾性材料からなる放熱部材５を取り付けることで、圧電アクチュエータ１による放熱効果を向上させることにある。
【００２９】
この放熱部材５の材質としては、例えばシリコーンやウレタン等の熱硬化性樹脂系エラストマーが好適であり、この熱硬化性樹脂系エラストマーに熱伝導性を有するフィラーを配合分散させて形成された構成であってもよい。圧電素子２に放熱部材５を取り付けるための固着用部材としては、熱伝導率の高い柔軟な接着剤が好適であり、例えばシリコーン系やウレタン系等の各種の熱硬化性接着剤が用いられる。
【００３０】
なお、放熱部材５としては、振動板３の振動の阻害を最小限に留めることが好ましく、厚さを薄く形成することで曲げ変形に対する抵抗を小さくすることが好適である。また、放熱部材５は、圧電アクチュエータ１における放熱効果を向上させる機能を有するとともに、外力が圧電素子２に伝達されることを緩和する部材としての機能を兼ね備えてもよく、圧電素子２の過剰な変形を低減する部材としての機能を兼ね備えてもよい。
【００３１】
（放熱部材の表面の構成）
この圧電アクチュエータ１としては、圧電素子２の伸縮に伴う放熱部材５の変形を許容させるとともに、放熱部材５の放熱効果を更に向上させるための構造を設けることが好適である。
【００３２】
図３（ａ）及び図３（ｂ）において、放熱部材５の表面には、四角形状をなす複数の放熱フィン５ａが所定の間隔をもって一体成形されている。放熱部材５の表面にマトリックス状に点在する放熱フィン５ａを形成することで、切欠溝部である凹陥部５ａ−１が格子状に形成されている。この凹陥部５ａ−１の内部には、一平面上に連続的に凹陥面５ａ−２を有している。
【００３３】
（第１の実施の形態の効果）
この第１の実施の形態に係る圧電アクチュエータ１によると、上記効果に加えて、以下の効果が得られる。
【００３４】
放熱部材５の表面に凹陥部５ａ−１を形成することで、圧電素子２の伸縮に伴う放熱部材５の変形を阻害することがない。それに加えて、放熱部材５の放熱面積を拡大することができるようになり、放熱を促進することが可能となる。
【００３５】
［第２の実施の形態］
図４を参照すると、同図には、第２の実施の形態に係る圧電アクチュエータが示されている。なお、図４において、上記第１の実施の形態と実質的に同じ部材には同一の部材名と符号を用いることで、これらの部材に関する詳細な説明は省略する。
【００３６】
上記第１の実施の形態では、圧電アクチュエータ１の圧電素子２の表面に放熱部材５を取り付けた構成であったものを、この第２の実施の形態は、圧電素子２の表面及び側面を含む露出部の全面に放熱部材５を取り付けた構成とした点で異なっている。
【００３７】
図４において、圧電アクチュエータ１の圧電素子２の全面には、シリコーン系等の接着剤を介して凹状の放熱部材５が固着されている。この放熱部材５は、圧電素子２の全面に被覆されており、放熱部材５の放熱面積を拡大させている。図３（ａ）及び図３（ｂ）に示す凹陥部５ａ−１を放熱部材５の表面に形成することで、放熱を更に促進することが可能となる。
【００３８】
（第２の実施の形態の効果）
この第２の実施の形態に係る圧電アクチュエータ１によると、上記第１の実施の形態における効果に加えて、以下の効果が得られる。
【００３９】
熱放射率が高いエラストマーからなる放熱部材５を用いて圧電素子２の全面を覆って取り付けることで、放熱部材５の放熱面積を拡大させることができるようになり、放熱効果を更に向上させることが可能となる。
【００４０】
放熱部材５で圧電素子２の全面を覆っているため、振動音の低減効果が得られる。
【００４１】
この放熱部材５の他の一例としては、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、台形形状の複数の放熱フィン５ｂが一体成形された放熱部材５がある。この放熱フィン５ｂは、三角形溝を有する複数の凹陥部５ｂ−１が所定の間隔をもって放熱部材５の対向する一辺に沿って直線状に配列されている。この凹陥部５ｂ−１は、一平面上に形成されている。
【００４２】
図６（ａ）及び図６（ｂ）には、図５（ｂ）に示す圧電アクチュエータ１の駆動時の変位が示されている。
【００４３】
圧電アクチュエータ１の冷却は、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、圧電素子２の伸張及び収縮を利用している。圧電素子２に駆動電圧が印加されると、圧電素子２の伸縮に伴って放熱部材５がアーチ状に湾曲変形する。圧電素子２の伸縮時における放熱部材５の変形に伴い、放熱部材５の凹陥部５ｂ−１内の空気Ａが入れ替わる。
【００４４】
放熱部材５の表面に三角形溝を有する複数の切欠溝部である凹陥部５ｂ−１を加工することで、圧電素子２の伸縮を阻害し難くし、圧電アクチュエータ１の冷却を促進することができる。
【００４５】
図７（ａ）〜図７（ｃ）には、放熱部材５の更に他の変形例が示されている。圧電アクチュエータ１の振動を利用することによって放熱部材５内の空気Ａが入れ替わる構成を有する各種の放熱部材５を採用することができる。
【００４６】
図７（ａ）において、複数の放熱フィン５ｃが放熱部材５の対向する一辺に沿って配列されている。この放熱フィン５ｃは、複数のスリット状の切欠溝部５ｃ−１が四角形枠状に切欠して形成されている。この切欠溝部５ｃ−１は、一平面上に連続的に形成されている。
【００４７】
図７（ｂ）において、複数の放熱フィン５ｄが放熱部材５の４か所に並列されている。この放熱フィン５ｄは、複数のスリット状の切欠溝部５ｄ−１が格子状に形成されている。この切欠溝部５ｄ−１は、一平面上に連続的に形成されている。
【００４８】
図７（ｃ）において、圧電素子２には、円形状の放熱部材５が取り付けられている。この放熱部材５には、半径方向を８等分して等間隔に放射状に延びるスリット状の切欠溝部５ｅ−１が切欠して形成されており、扇形状をなす放熱フィン５ｅが配列されている。この切欠溝部５ｅ−１は、一平面上に連続的に形成されている。
【００４９】
なお、上記変形例では、放熱フィン５ａ〜５ｅが放熱部材５の表面と同一平面上にあって全て同一の高さを有しているが、これに限定されるものではなく、例えば放熱部材５の表面と異なる高さを有する放熱フィン５ａ〜５ｅであっても構わない。凹陥部５ａ−１，５ｂ−１、及び切欠溝部５ｃ−１，５ｄ−１，５ｅ−１にあっても、異なる深さに設定されても構わない。
【００５０】
また、上記実施の形態、変形例、及び図示例に係る圧電アクチュエータ１は、例えば使用対称物の形状や大きさ等に応じて圧電素子２及び放熱部材５の形状、大きさ、配置個数、配置位置や配置形状などを適宜に選択すればよく、本発明の初期の目的を達成することができる。
【００５１】
［第３の実施の形態］
（触覚呈示装置の構成）
以上のように構成された圧電アクチュエータ１は、触覚呈示装置の駆動源を構成する。ここで、図８を参照すると、同図には、第３の実施の形態に係る触覚呈示装置１００の機能ブロック図の一例が示されている。
【００５２】
上記第１の実施の形態では、圧電素子２に振動板３を固着した構成が例示されているが、これに限定されるものではない。圧電アクチュエータ１は、操作者により操作入力を受けるタッチパネル又はスイッチボタンなどにより形成される操作部材１０１を振動板とし、操作部材１０１の操作面の背面に対して直接に配置されてもよい。圧電アクチュエータ１が操作部材１０１の操作面の背面に配置される場合は、操作面の背面に所定の距離をもって離間した状態で配置されていてもよい。
【００５３】
この触覚呈示装置１００は、圧電アクチュエータ１、検出部１０２及び制御部１０３を備えている。検出部１０２は、静電容量方式センサ又は力センサ等からなり、操作部材１０１の操作面が操作者の操作入力を受け付けた際に操作入力を検出する。制御部１０３は、圧電アクチュエータ１を制御するマイクロコンピュータである。
【００５４】
制御部１０３は、ＣＰＵ、ＲＯＭ及びＲＡＭ等の各種の構成要素を実現する制御プログラム、制御プログラムを格納する記憶ユニット、外部接続用インターフェースを中心にハードウェアとソフトウェアとの任意の組合せにより実現される。その方法や装置としては、従来周知の各種の方法や装置を用いることができることは勿論である。
【００５５】
制御部１０３は、検出部１０２からの検出信号を入力することで、圧電アクチュエータ１に所定の駆動電圧を印加する。制御部１０３が圧電アクチュエータ１に駆動電圧を印加することで、圧電アクチュエータ１が伸縮する。
【００５６】
圧電アクチュエータ１が取り付けられた操作部材１０１は、圧電アクチュエータ１の伸縮に合わせて変形し、操作者により操作入力を受ける操作面が振動する。この振動は、操作部材１０１に接触する操作者に伝達されることになる。
【００５７】
（第３の実施の形態の効果）
以上のように構成された触覚呈示装置１００によると、以下の効果が得られる。
【００５８】
（１）圧電アクチュエータ１の放熱特性を向上させることができるため、良好な操作感及び振動刺激操作感触を得ることが可能となる。
（２）筐体の内部にヒートパイプ等の特別な放熱機構を設ける必要がないため、構造を簡素化することができる。その結果、構成部品点数の削減による原価低減効果と軽量化とが得られる。
【００５９】
なお、触覚呈示装置１００は、車両のインストルメントパネル、ステアリングホイールやセンターコンソールなどの各種内装品に装着することができる。
【００６０】
また、触覚呈示装置１００は、車載機器を遠隔操作するための入力装置、携帯電話機やカメラなどの各種の携帯情報端末装置の入力デバイスとして用いることができることは勿論である。
【００６１】
以上の説明からも明らかなように、本発明に係る代表的な実施の形態、変形例、及び図示例を例示したが、上記実施の形態、変形例、及び図示例は、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。従って、上記実施の形態、変形例、及び図示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点に留意すべきである。
【符号の説明】
【００６２】
１…圧電アクチュエータ、２…圧電素子、３…振動板、４…支持部、５…放熱部材、５ａ〜５ｅ…放熱フィン、５ａ−１，５ｂ−１…凹陥部（切欠溝部）、５ａ−２…凹陥面、５ｃ−１，５ｄ−１，５ｅ−１…切欠溝部、１００…触覚呈示装置、１０１…操作部材、１０２…検出部、１０３…制御部、Ａ…空気
【図１】
2016162060.tif 000003
【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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