JP6132075B2 - 電気機械変換素子および触覚提示装置 - Google Patents

Description

本発明は、電圧が印加されることで伸縮するフィルムを積層してなる電気機械変換素子およびそれを備える触覚提示装置に関する。

従来の電気機械変換素子として、例えば、特許文献１に記載の圧電素子がある。この圧電素子は、電極で挟まれた圧電膜を積層し、接着剤層により接合して形成される。この圧電素子では、電極に通電して圧電膜に電圧を印加することで、圧電素子を上または下に曲げることができる。

特開昭５９−１１５５８０号公報

特許文献１に記載の圧電素子では、各圧電膜に印加する電圧の位相を調整することで、圧電素子を曲げるだけでなく、圧電素子を伸縮させることができる。しかし、この場合、接着剤層により圧電膜が拘束されるので、接着剤層により圧電素子の伸縮が阻害されてしまう。このため、特許文献１に記載の圧電素子を伸縮させても、十分な伸縮力を得ることができないおそれがある。

本発明の目的は、小さい駆動信号で大きな伸縮力を得ることができる電気機械変換素子およびそれを備える触覚提示装置を提供することにある。

（１）本発明の電気機械変換素子は、積層された複数のフィルムおよび接合部材を備える。フィルムは、電圧が印加されることでその主面に平行な所定方向に伸縮する。接合部材は、平面視でフィルムの間の一部に形成され、フィルムの前記所定方向に間隔を空けて並び、フィルムを互いに接合する。接合部材の少なくとも一部は、平面視で、接合部材により形成されるフィルムの間の領域のうち、接合部材が形成されない部分と重なる。

この構成では、フィルムが互いに部分的に接合されるので、フィルムが互いに拘束されない箇所が設けられる。このため、電気機械変換素子の伸縮が阻害されにくいので、小さい駆動信号で大きな伸縮力を得ることができる。また、フィルムの伸縮時にフィルムが互いに拘束されにくいので、フィルム間の接合が剥がれることを抑制できる。延いては、接合の局所的な剥離が周りに広がることで電気機械変換素子の伸縮が阻害されることを抑制できる。また、フィルムの間の全てに接合部材を形成する必要がないので、接合工程の手間や接合部材の使用量を抑えることができる。
また、平面視ですべての層の接合部材が重なる場合、接合部材が重なっている箇所と接合部材が重なっていない箇所とで厚みの差が大きくなるのに対し、接合部材の少なくとも一部が、平面視で、接合部材により形成されるフィルムの間の領域のうち、接合部材が形成されない部分と重なるように配置されることによって、厚みの差を緩和することが出来る。特に接合部材の厚みにバラつきがあった時やフィルムを積層する枚数が多くなった時に効果を得ることが出来る。

（２）本発明の電気機械変換素子では、接合部材はフィルムの前記所定方向の両端部付近に形成されることが好ましい。

この構成では、フィルムの接合に必要な最低限の部分のみに、接合部材が形成されているので、本発明の効果がさらに顕著となる。

（３）本発明の電気機械変換素子では、接合部材はフィルムの前記所定方向に３つ以上並んでもよい。

この構成では、電気機械変換素子の両端部以外の箇所でも、フィルムが互いに接合されるので、フィルムが弛んでフィルムに皺が寄ることを抑制できる。

（４）本発明の電気機械変換素子は、接合部材により形成されるフィルムの間の隙間に充填され、流動性を有する充填物を備えてもよい。

この構成では、例えば、フィルムに電圧を印加するために、フィルムの両主面に電極が形成されている場合、電気機械変換素子の伸縮時に電極が互いに擦れることがなくなる。このため、電極の間に摩擦が生じなくなるので、フィルムから電極が剥がれたり、熱や音が発生したりすることを抑制できる。

また、充填物が充填されることにより、平面視で接合部材が設けられた接合部と、それ以外の非接合部との厚みの差が小さくなる。このため、フィルムの積層数が増えても、接合部と非接合部との厚みの差が大きくなることを抑制できる。この結果、フィルムを積層しやすくなり、また、接合部と非接合部との境界付近で亀裂が発生しにくくなる。

（５）本発明の電気機械変換素子では、フィルム間に電極を形成してもよい。

（６）本発明の電気機械変換素子は次のように構成されてもよい。本発明の電気機械変換素子では、電極はフィルムの主面に形成される。電極は、接合部材によりフィルムが互いに接合されない部分に形成される。

この構成では、フィルムの伸縮時に接合部材が電極を拘束しないので、フィルムから電極が剥離することを抑制できる。延いては、フィルムから電極が剥離し、フィルムに適切に電圧が印加されないことを抑制できる。また、電極の局所的な剥離が周りに広がり、電気機械変換素子の伸縮が阻害されることを抑制できる。

（７）本発明の電気機械変換素子では、各フィルムは接合部材間において弛みがないことが好ましい。

（８）本発明の触覚提示装置は、本発明の電気機械変換素子、振動板、タッチ検出部および駆動部を備える。振動板は、曲げ応力が発生する状態で電気機械変換素子に固定されている。タッチ検出部はタッチ操作を検出する。駆動部は、タッチ検出部がタッチ操作を検出したときに、電気機械変換素子に駆動信号を印加する。

この構成では、電気機械変換素子の伸縮が阻害されにくいので、小さい駆動信号で振動板を力強く撓ませることができる。このため、使用者がタッチ操作を行ったとき、使用者は大きな電力を消費することなく強い打鍵感を得ることができる。

本発明によれば、小さい駆動信号で大きな伸縮力が生じる電気機械変換素子を実現することができる。

第１の実施形態に係る圧電素子の断面図である。 図２（Ａ）は、第１の実施形態に係る触覚提示装置の断面図である。図２（Ｂ）は、第１の実施形態の変形例に係る触覚提示装置の断面図である。 第１の実施形態の変形例に係る圧電素子の断面図である。 第２の実施形態に係る圧電素子の断面図である。 第３の実施形態に係る圧電素子の断面図である。 第４の実施形態に係る圧電素子の断面図である。 他の実施形態に係る圧電素子の断面図である。

《第１の実施形態》
本発明の第１の実施形態に係る圧電素子（電気機械変換素子）１０について説明する。図１は圧電素子１０の断面図である。圧電素子１０は複数の電極付き圧電フィルム１５を積層してなる。電極付き圧電フィルム１５は、圧電フィルム（フィルム）１１の両主面の全面に亘って面状電極１２を形成してなる。圧電フィルム１１には、例えば、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、キラル高分子等の材料を用いる。圧電フィルム１１は、圧電フィルム１１を挟む面状電極１２の間に電圧が印加されると、圧電効果により、積層方向および断面の法線方向に垂直な方向に最も伸縮する。以下では、圧電効果により圧電フィルムが最も伸縮する方向を、伸縮方向と称する。伸縮方向は本発明の「所定方向」に相当する。面状電極１２には、低消費電力化を図るため比較的導電率の高いアルミ蒸着電極を用いる。また透明性を必要とする場合は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ポリチオフェン、銀ナノワイヤ電極、を用いるとよい。

各電極付き圧電フィルム１５は接着層（接合部材）１３により互いに接着（接合）されている。接着層１３は、各電極付き圧電フィルム１５の間で、かつ、圧電素子１０の伸縮方向の両端部付近に形成されている。すなわち、接着層１３は、平面視で圧電フィルム１１の間の一部に形成され、伸縮方向に間隔を空けて並んでいる。接着層１３は圧電フィルム１１の伸縮方向の両端部付近に形成されている。ここで、両端部とは圧電フィルム１１の端部ぎりぎりには限らず、両端部の伸縮方向の長さは圧電フィルム１１の伸縮方向の長さに対して１０％程度の範囲を含む。接着層１３は、例えば、接着剤、接着シート、粘着シート等からなる。また、接着層１３に熱可塑性樹脂を用いて、超音波振動により熱可塑性樹脂を溶かすことで、電極付き圧電フィルム１５を互いに接着してもよい。

各々の圧電フィルム１１は、互いに同一形状および同一サイズであり、平面視で一致するように積層されている。各々の圧電フィルム１１は、ぴんと張った状態で積層されている。各々の圧電フィルム１１は、接着層間において弛みがない。ここで、フィルムの弛みがない状態とは、積層された状態の各フィルムの平面視における面積が、伸縮していない状態の各フィルムの主面の面積の０．９倍以上１倍以下であることを指す。

圧電素子１０では、圧電フィルム１１を挟む面状電極１２の間に交流電圧を適宜印加することで、各圧電フィルム１１を伸縮方向に同位相で伸縮させることができる。これにより、圧電素子１０を伸縮方向に伸縮させることができる。

図２（Ａ）は、圧電素子１０が使用された触覚提示装置の断面図である。図２で振動板の厚さよりも積層されたフィルム層の方が厚く描かれているが、これは分かり易くなる様にそのような描き方をしているのであって、実際は積層されたフィルム層は振動板の厚さと比べて薄い。ここで、圧電素子１０の主面に垂直な方向をＺ方向とし、圧電素子１０の主面に平行な方向をＸ方向とし、Ｚ方向およびＸ方向に垂直な方向をＹ方向とする。触覚提示装置は、圧電素子１０、振動板１７、タッチパネル（図示せず）および駆動部（図示せず）を備える。振動板１７は、概観して、例えばＹ方向よりもＸ方向に長い薄型の板形状である。振動板１７は、例えばアクリル樹脂ＰＭＭＡで構成されている。なお、振動板１７は、ステンレス板や銅板などの金属板、ＰＥＴ、ポリカーボネイト（ＰＣ）、ガラスエポキシ樹脂、ガラス、等の他の材料を用いてもよい。

振動板１７の各端部と圧電素子１０の各端部とは接着層１３により固定されている。振動板１７は、圧電素子１０側の反対側に突出するように撓んでいる。すなわち、振動板１７には曲げ応力が発生し、圧電素子１０にはＸ方向に張力がかかっている。圧電素子１０と振動板１７との間には中空領域が形成されている。振動板１７の主面のうち圧電素子１０側の反対側の主面には、タッチパネルが設けられている。タッチパネルには、タッチ操作を検出するタッチセンサ（タッチ検出部）が設けられている。圧電素子１０の面状電極１２（図１参照）は、圧電素子１０を駆動する駆動部に接続されている。

使用者がタッチセンサに対してタッチ操作を行うと、駆動部は、圧電素子１０に駆動信号を印加する。圧電素子１０はＸ方向に伸縮し、Ｘ方向における振動板１７の中央部はＺ方向に振動する。振動板１７の振動が使用者に伝わることにより、使用者は打鍵感を得る。

なお、図２（Ｂ）に示すように、圧電素子１０および振動板１７の各端部は、接着層１３に加えて、圧電素子１０および振動板１７を貫通する貫通部材１８により固定されてもよい。貫通部材１８は、例えば、ねじやカシメ、ハトメやリベット等である。また、圧電素子は振動板全体を覆うような大きさであってもよいし、長尺状の圧電素子を複数箇所に分けて配置してもよい。

第１の実施形態では、圧電素子１０の伸縮方向の両端部のみに接着層１３が形成されているので、圧電フィルム１１が互いに拘束されない。このため、圧電素子１０の伸縮が阻害されないので、小さい駆動信号で大きな伸縮力を得ることができ、圧電素子としての特性を向上させることができる。

また、電極付き圧電フィルム１５はその主面の一部で接着層１３と接着されている。このため、圧電素子１０の伸縮時に、電極付き圧電フィルム１５が互いに拘束されにくいので、電極付き圧電フィルム１５の間の接着が剥がれることを抑制できる。延いては、接着の局所的な剥離が周りに広がることで圧電素子１０の伸縮が阻害されることを抑制できる。また、電極付き圧電フィルム１５の間の全てに接着層１３を形成する必要がないので、接着工程の手間や接着材料の使用量を抑えることができる。

また、圧電素子１０が使用された触覚提示装置では、圧電素子１０の伸縮が阻害されにくいので、小さい駆動信号で振動板１７を力強く撓ませることができる。このため、使用者がタッチ操作を行ったとき、使用者は大きな電力を消費することなく強い打鍵感を得ることができる。

図３は、第１の実施形態の変形例に係る圧電素子２０の断面図である。圧電素子２０は圧電素子１０の隙間１４（図１参照）に充填物２６を充填したものである。すなわち、各電極付き圧電フィルム１５の間で、接着層１３が形成されていない部分には、充填物２６が充填されている。充填物２６は、圧電フィルム１１を拘束しない材料、例えば、流動性を有するシリコンゲル等の材料からなる。

電極付き圧電フィルム１５の間に隙間１４が形成されると、圧電素子１０の伸縮時に、隙間１４を介して対向する面状電極１２が擦れること等により、圧電フィルム１１から面状電極１２が剥がれたり、熱や音が発生したりする場合がある。圧電素子２０では、隙間１４に充填物２６を充填することで、面状電極１２が互いに擦れることがなくなるので、面状電極１２間の摩擦が生じなくなる。このため、圧電フィルム１１から面状電極１２が剥がれたり、熱や音が発生したりすることを抑制できる。従って、圧電素子２０の構成は、圧電フィルム１１から面状電極１２が剥がれたり、熱や音が発生したりする場合に有効である。

また、充填物２６が充填されることにより、平面視で接着層１３が形成された接合部とそれ以外の非接合部との厚みの差が小さくなる。このため、圧電フィルム１１の積層数が増えても、接合部と非接合部との厚みの差が大きくなることを抑制できる。この結果、圧電フィルム１１を積層しやすくなり、また、接合部と非接合部との境界付近で亀裂が発生しにくくなる。

《第２の実施形態》
本発明の第２の実施形態に係る圧電素子３０について説明する。図４は圧電素子３０の断面図である。圧電素子３０では、伸縮方向の両端部に接着層３３が形成されているとともに、その両端部の間に３つの接着層３３が形成されている。接着層３３は伸縮方向に沿って等間隔で並んでいる。平面視して、圧電素子３０の両端部に形成された接着層３３の面積は、その両端部の間に形成された接着層３３の面積に比べて広くなっている。その他の構成は圧電素子１０（図１参照）と同様である。

なお、接着層３３を形成するために、熱硬化型接着剤やＵＶ硬化型接着剤で各電極付き圧電フィルム１５を仮止めした後、加熱や紫外線により接着剤の必要部分のみを硬化させ、洗浄により接着剤の不要部分（未硬化部分）を取り除いてもよい。また、未硬化部分を取り除かないで、充填物として代用してもよい。

第２の実施形態では、圧電素子３０の両端部以外の箇所でも、圧電フィルム１１が互いに接着されるので、圧電フィルム１１が弛んで圧電フィルム１１に皺が寄ることを抑制できる。

《第３の実施形態》
本発明の第３の実施形態に係る圧電素子４０について説明する。図５は圧電素子４０の断面図である。圧電素子４０では、接着層４３により圧電フィルム１１が互いに接着される部分に、面状電極が形成されていない。具体的には、圧電素子４０の伸縮方向の両端部および中心部に、接着層４３が形成されている。圧電フィルム１１と接着層４３との間には面状電極が形成されておらず、圧電フィルム１１と接着層４３とは当接している。面状電極４２は、伸縮方向に沿って接着層４３に挟まれた部分に形成されている。面状電極４２は、圧電素子４０の上面および下面において全面に亘って形成されている。その他の構成は圧電素子１０（図１参照）と同様である。

第３の実施形態では、圧電フィルム１１が互いに接着される部分に面状電極が形成されないので、圧電フィルム１１の伸縮時に、接着層４３が面状電極４２を拘束しない。このため、圧電素子４０の伸縮時に、圧電フィルム１１から面状電極４２が剥離することを抑制できる。また、圧電素子４０を捩じった場合も、圧電素子４０の伸縮の場合と同様に、圧電フィルム１１から面状電極４２が剥離することを抑制できる。延いては、圧電フィルム１１から面状電極４２が剥離し、圧電フィルム１１に適切に電圧が印加されないことを抑制できる。また、面状電極４２の局所的な剥離が周りに広がり、圧電素子４０の伸縮が阻害されることを抑制できる。

《第４の実施形態》
本発明の第４の実施形態に係る圧電素子５０について説明する。図６は圧電素子５０の断面図である。圧電素子５０では、伸縮方向の両端部に接着層５３Ａが形成されているとともに、その両端部の間に接着層５３Ｂが形成されている。下から１層目の接着層５３Ｂは、平面視して、下から２層目の接着層５３Ｂと重なっていない。下から３層目の接着層５３Ｂは、平面視して、下から１層目の接着層５３Ｂと同一の位置に形成されている。すなわち、接着層５３Ｂの少なくとも一部は、接着層５３Ｂにより形成される圧電フィルム１１の間の領域のうち、接着層５３Ｂが形成されない部分と重なっている。接着層５３Ａおよび接着層５３Ｂは、伸縮方向に沿って必ずしも等間隔に並んでいない。

各電極付き圧電フィルム１５の間の間隔は、接着層が形成される部分で広くなり、接着層が形成されない部分で狭くなる。第４の実施形態では、平面視して、下から１層目および３層目の接着層５３Ｂと、下から２層目の接着層５３Ｂとが重ならないので、平面視で全ての層の接着層５３Ｂが重なる場合に比べて、圧電素子の厚みを均一にすることができる。すなわち、平面視して、接着層５３Ｂが形成されている部分が分散しているので、圧電素子を平坦に形成することができる。

言い換えると、平面視ですべての層の接着層５３Ｂが重なる場合、接着層５３Ｂが重なっている箇所と接着層５３Ｂが重なっていない箇所とで厚みの差が大きくなるのに対し、接着層５３Ｂの少なくとも一部が、平面視で、接着層５３Ｂが形成されない部分と重なるように配置されることによって、厚みの差を緩和することが出来る。特に接着層の厚みにバラつきがあった時に効果を得ることが出来る。

なお、以上の実施例において、全ての圧電フィルム１１の両面に面状電極１２を形成する必要は無い。積層方向に隣り合う２つの圧電フィルム１１の間に面状電極１２が少なくとも１つあれば、圧電フィルム１１に電圧を印加することができる。よって図７（Ａ）または図７（Ｂ）で示すように、積層方向に圧電フィルム１１が隣り合う場合、圧電フィルム１１の互いに対向する主面において、一方の圧電フィルム１１の面状電極１２を形成すれば、他方の圧電フィルム１１の面状電極１２を形成する必要はない。

また、本発明のフィルムは上述の実施形態の圧電フィルムに限定されない。本発明のフィルムは、電歪フィルム、エレクトレットフィルム、コンポジットフィルム、電気活性高分子フィルム等でもよい。

電気活性フィルムとは、電気的駆動によって応力を発生するフィルム、または電気的駆動によって変形して変位を発生するフィルムである。具体的には、電歪フィルム、コンポジット材料（圧電セラミックスを樹脂モールドした材料）、電気駆動型エラストマー、または液晶エラストマー等がある。

本発明のフィルムは、圧電フィルムと、圧電性を有しない樹脂フィルム（エキサイタフィルム）と、を用いることでも実現することができる。この場合、圧電フィルムは、エキサイタフィルムの主面に貼り付けられ、当該エキサイタフィルムの端部が振動板に接続される。

１０，２０，３０，４０，５０…圧電素子（電気機械変換素子）
１１…圧電フィルム（フィルム）
１２，４２…面状電極
１３，３３，４３，５３Ａ，５３Ｂ…接着層（接合部材）
１４…隙間
１５…電極付き圧電フィルム
１７…振動板
１８…貫通部材
２６…充填物

Claims (8)

1. 電圧が印加されることで主面に平行な所定方向に伸縮する積層された複数のフィルムと、
   平面視で前記フィルムの間の一部に形成され、前記フィルムの前記所定方向に間隔を空けて並び、前記フィルムを互いに接合する接合部材と、を備え、
   前記接合部材の少なくとも一部は、平面視で、前記接合部材により形成される前記フィルムの間の領域のうち、前記接合部材が形成されない部分と重なる、電気機械変換素子。
2. 前記接合部材は、前記フィルムの前記所定方向の両端部付近に形成される、請求項１に記載の電気機械変換素子。
3. 前記接合部材は、前記フィルムの前記所定方向に３つ以上並ぶ、請求項１または２に記載の電気機械変換素子。
4. 前記接合部材により形成される前記フィルムの間の隙間に充填され、流動性を有する充填物を備える、請求項１ないし３のいずれかに記載の電気機械変換素子。
5. 前記フィルム間に電極を形成した、請求項１ないし４のいずれかに記載の電気機械変換素子。
6. 前記電極は前記フィルムの主面に形成され、
   前記電極は、前記接合部材により前記フィルムが互いに接合されない部分に形成される、請求項５に記載の電気機械変換素子。
7. 前記各フィルムは前記接合部材間において弛みがない、請求項１ないし６のいずれかに記載の電気機械変換素子。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の電気機械変換素子と、
   曲げ応力が発生する状態で前記電気機械変換素子に固定された振動板と、
   タッチ操作を検出するタッチ検出部と、
   前記タッチ検出部がタッチ操作を検出したときに、前記電気機械変換素子に駆動信号を印加する駆動部と、を備える、触覚提示装置。

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