JP5308603B1 - 圧電素子、アクチュエータ素子、アクチュエータ、発電素子、発電デバイス及び可撓性シート - Google Patents
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Abstract
Description
J=(1/2)×C1×V12×(C1/C2−1)・・・式(1)
ここで、C1は伸長状態での静電容量で、C2は収縮状態での静電容量、V1は伸長状態で与えられるバイアス電圧である。
C=ε0×ε×A/t=ε0×ε×b/t2・・・式(2)
ここで、ε0は自由空間の誘電率、εはエラストマー製の誘電層の比誘電率、Aは電極面積、tは電極間の距離(エラストマー製の誘電層の厚み)である。また、bは、電極間の体積(エラストマー製の誘電層の体積)であり、b=A×tである。
C1=ε0×ε×A1/t1=ε0×ε×b1/t12・・・式(3)
C2=ε0×ε×A2/t2=ε0×ε×b2/t22・・・式(4)
ここで、A1は伸長状態での電極面積、t1は伸長状態での電極間の距離(エラストマー製の誘電層の厚み)、b1は、伸長状態での電極間の体積(エラストマー製の誘電層の体積)であり、b1=A1×t1である。また、A2は収縮状態での電極面積、t2は収縮状態での電極間の距離(エラストマー製の誘電層の厚み)、b2は、収縮状態での電極間の体積(エラストマー製の誘電層の体積)であり、b2=A2×t2である。
C1/C2=t22/t12・・・式(5)
J=(1/2)×ε0×ε×A1/t1×V12×(t22/t12−1)・・・式(6)
A.伸長時の静電容量C1を大きくする。このためには、比誘電率の大きいエラストマー製の誘電層を採用し、伸長状態の厚みt1を小さくし、電極の面積A1を大きくすることが考えられる。
B.収縮状態の静電容量に対する伸長状態の静電容量の比C1/C2を大きくする。つまり、発電素子に大きな伸長を与えて、厚みの変化を大きくすることが考えられる。
C.バイアス電圧V1を大きくする。
エラストマー製の誘電層と、伸縮性を有するとともに上記誘電層に積層される電極層とを有する複数の帯状の可撓性シートを備え、
複数の可撓性シートが、交差して重ねあわされ、交互に蛇腹状に折り畳まれている構成を有する。
まず、本発明に係る圧電素子の第一実施形態として、図1に示すアクチュエータ1に用いられるアクチュエータ素子10を例にとり説明する。
図1のアクチュエータ1は、アクチュエータ素子10と、アクチュエータ素子10の一面側に接合される第一剛性部材20と、アクチュエータ素子10の他面側に接合される第二剛性部材30とを備える。図示例では、第一剛性部材20と第二剛性部材30とは板状の部材から構成され、この第一剛性部材20と第二剛性部材30との間に収縮可能なアクチュエータ素子10が介在されている。
当該アクチュエータ素子10は、複数の帯状の可撓性シート100が電極層110,110同士の間にエラストマー製の誘電層120が配設されるよう折り畳まれている。具体的には、図1及び図2に示すように、一対の可撓性シート100が、略直角に交差して重ねあわされ、交互に蛇腹状に折り畳まれている。この一対の可撓性シート100は、同一構成のものを使用している。
当該可撓性シート100は、図3に示すように、伸縮性を有する電極層110と、この電極層110の表面側及び裏面側に積層される一対のエラストマー製の誘電層120とを備えている。表裏一対のエラストマー製の誘電層120は同一構成を有している。
当該可撓性シート100は種々の方法によって製造可能であるが、その一例を以下に示す。
当該アクチュエータ素子10は、図4に示すように、下側の可撓性シート100の電極層110の上面に、この可撓性シート100の上側のエラストマー製の誘電層120及び他方の可撓性シート100の下側のエラストマー製の誘電層120を介して、この他方の可撓性シート100の電極層110が積層された構造となる。このため、一対の可撓性シート100の電極層110に電圧を印加すると、エラストマー製の誘電層120が平面方向に伸長することによってエラストマー製の誘電層120が層厚方向に収縮する。このときの発生する静電力Pは、次式で表される。
P=ε0×ε×E2
E=V/(T1+T1)
ここで、ε0は自由空間の誘電率、εはエラストマー製の誘電層120の比誘電率、Eは一対の電極層110間の電界強度であり、Vは一対の電極層110間の電位差(印加電圧)、T1はエラストマー製の誘電層120の平均厚みである。
なお、本発明は上記実施形態の他、種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。
実施例の可撓性シートは、平均厚み10μmの電極層110と、この電極層110の表裏面に積層された平均厚み45μmのエラストマー製の誘電層との三層構造のシートを用いた。
まず、本発明に係る圧電素子の第二実施形態として、図11から図13に示す発電デバイス201に用いられる発電素子210を例にとり説明する。
図11の発電デバイス201は、上記第一実施形態と同様の構成からなる発電素子用の可撓性シート100を有する発電素子210と、発電素子210の一面側に接合される第一剛性部材220と、発電素子210の他面側に接合される第二剛性部材230とを備える。図示例では、第一剛性部材220と第二剛性部材230とは板状の部材から構成され、この第一剛性部材220と第二剛性部材230との間に収縮可能な発電素子210が介在されている。
当該発電素子210は、複数の帯状の可撓性シート100が電極層110,110同士の間にエラストマー製の誘電層120が配設されるよう折り畳まれている。具体的には、図11及び図12に示すように、一対の可撓性シート100が、略直角に交差して重ねあわされ、交互に蛇腹状に折り畳まれている。この一対の可撓性シート100は、同一構成のものを使用している。
当該発電素子210においては、可撓性シート100として上述のように第一実施形態と同様のものが用いられる。つまり、当該可撓性シート100としては、図3に示すように、伸縮性を有する電極層110と、この電極層110の表面側及び裏面側に積層される一対のエラストマー製の誘電層120とを備えている。表裏一対のエラストマー製の誘電層120は同一構成を有するものが用いられる。
当該発電素子210は、図13に示すように、下側から説明すると、一方の可撓性シート100の電極層110の上面に、この一方の可撓性シート100の上側のエラストマー製の誘電層120及び他方の可撓性シート100の下側のエラストマー製の誘電層120を介して、この他方の可撓性シート100の電極層110が積層された構造となる。そして、この他方の可撓性シート100の電極層110の上面に、この他方の可撓性シート100の上側のエラストマー製の誘電層120、及び折り返された上記一方の可撓性シート100の下側のエラストマー製の誘電層120を介して、この一方の可撓性シート100の電極層110が積層された構造となる。さらに、この折り返された一方の可撓性シート100の電極層110の上面に、この一方の可撓性シート100の上側のエラストマー製の誘電層120、及び折り返された上記他方の可撓性シート100の下側のエラストマー製の誘電層120を介して、この他方の可撓性シート100の電極層110が積層された構造となる。このため、当該発電素子210にあっては、一対の可撓性シート100の電極層110間にバイアス電圧を印加するとともに、可撓性シート100の積層部分(重ねあわされた部分)に負荷をかけて(押圧して)層厚方向に圧縮する。そして、積層部分にかけられた上記負荷を解除することによって、可撓性シート100(のエラストマー製の誘電層120及び電極層110)の弾性復元力によって復元、つまり層厚方向に伸長する。この圧縮及び伸長に際して電極層間の距離が変更され、静電容量の変化が生じるので、この静電容量の変化を利用して発電することが可能となる。
ΔJ=(1/2)×ΔC1×V12×(ΔC1/ΔC2−1)・・・式(7)
ここで、ΔC1は伸長状態での静電容量で、ΔC2は圧縮状態での静電容量、V1は圧縮状態で与えられるバイアス電圧である。
ΔC1=ε0×ε×A1/2T1=ε0×ε×b1/4T12・・・式(8)
ΔC2=ε0×ε×A2/2T1´=ε0×ε×b2/4T1´2・・・式(9)
ここで、ε0は自由空間の誘電率、εはエラストマー製の誘電層の比誘電率である。A1は伸長状態での電極面積、T1は伸長状態でのエラストマー製の誘電層120の厚み、b1は伸長状態での電極間の体積であり、b1=A1×2T1である。また、A2は圧縮状態での電極面積、T1´は圧縮状態での電極間の距離(エラストマー製の誘電層の厚み)、b2は圧縮状態での電極間の体積(エラストマー製の誘電層の体積)であり、b2=A2×2T1´である。
ΔC1/ΔC2=T1´2/T12・・・式(10)
ΔJ=(1/2)×ε0×ε×A1/2T1×V12×(T1´2/T12−1)・・・式(11)
J=(1/2)×ε0×ε×A1/2T1×V12×(T1´2/T12−1)×(X−1)・・・式(12)
なお、本発明は上記実施形態の他、種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。
実施例の可撓性シートは、平均厚み10μmの電極層110と、この電極層110の表裏面に積層された平均厚み45μmのエラストマー製の誘電層との三層構造のシートを用いた。
10 アクチュエータ素子
20 第一剛性部材
30 第二剛性部材
40 制御回路
100 可撓性シート
110 電極層
111 接続部
120 エラストマー製の誘電層
121 袖部
201 発電デバイス
210 発電素子
220 第一剛性部材
230 第二剛性部材
240 制御回路
250 バイアス電圧回路
Claims (18)
- エラストマー製の誘電層と、上記誘電層に積層され、かつ、伸縮性を有する電極層とを有する複数の帯状の可撓性シートを備え、
複数の可撓性シートが、交差して重ねあわされ、交互に蛇腹状に折り畳まれている圧電素子。 - 請求項1に記載の圧電素子を有するアクチュエータ素子。
- 上記複数の可撓性シートのうち少なくとも一つの可撓性シートが、上記電極層の表面側及び裏面側に積層される一対の上記誘電層を備える請求項2に記載のアクチュエータ素子。
- 一対の上記可撓性シートが、略直角に交差して重ねあわされ、交互に蛇腹状に折り畳まれている請求項2に記載のアクチュエータ素子。
- 上記一対の可撓性シートが10層以上10000層以下で重畳されている請求項2に記載のアクチュエータ素子。
- 上記誘電層の平均厚みが10μm以上100μm以下である請求項2に記載のアクチュエータ素子。
- 上記電極層の平均厚みが、上記誘電層の平均厚みの1/10以下である請求項2に記載のアクチュエータ素子。
- 請求項2に記載のアクチュエータ素子と、
上記アクチュエータ素子の一面側に接合される第一剛性部材と、
上記アクチュエータ素子の他面側に接合される第二剛性部材と
を備える
アクチュエータ。 - 複数の上記アクチュエータ素子を備え、
上記第一剛性部材が、上記複数のアクチュエータ素子の一面側に接合され、
上記第二剛性部材が、上記複数のアクチュエータ素子の他面側に接合されている
請求項8に記載のアクチュエータ。 - 請求項1に記載の圧電素子を有する発電素子。
- 一対の上記可撓性シートが、略直角に交差して重ねあわされ、交互に蛇腹状に折り畳まれている請求項10に記載の発電素子。
- 上記一対の可撓性シートの少なくとも一方の可撓性シートが、電極層の表面側及び裏面側に積層される一対の上記誘電層を備える請求項10に記載の発電素子。
- 上記誘電層の平均厚みが10μm以上100μm以下である請求項10に記載の発電素子。
- 上記電極層の平均厚みが、上記誘電層の平均厚みの1/10以下である請求項10に記載の発電素子。
- 上記一対の可撓性シートが10層以上10000層以下で重畳されている請求項10に記載の発電素子。
- 請求項10に記載の発電素子と、
上記発電素子の一面側に接合される第一剛性部材と、
上記発電素子の他面側に接合される第二剛性部材と
を備える
発電デバイス。 - 複数の上記発電素子を備え、
上記第一剛性部材が、上記複数の発電素子の一面側に接合され、
上記第二剛性部材が、上記複数の発電素子の他面側に接合されている
請求項16に記載の発電デバイス。 - 帯状の可撓性シートであって、
伸縮性を有する電極層と、
この電極層の表面側及び裏面側に積層される一対のエラストマー製の誘電層と
を備えることを特徴とする可撓性シート。
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