JP7496350B2 - せん断圧電トランスデューサ - Google Patents

Description

本開示は、せん断圧電性を示す材料で動作するように構成された圧電トランスデューサ（圧電変換器）に関する。

圧電効果とは一般的に、機械的な応力を加えると特定の物質に電荷とそれに対応する電界が蓄積される現象であると説明できる。反対に、圧電材料に電界を加えるとそれに応じた変形が生じる。圧電材料は、電気信号を機械的な動きに変換するアクチュエータ、機械的な応力を電気信号もしくは蓄積電荷に変換するセンサまたはエネルギーハ－べスティングデバイス等、様々な種類の電気機械トランスデューサに使用することができる。

例えば、安藤他（日本の機関誌 応用物理５１（２０１２年）０９ＬＤ１４；ＤＯＩ：１０．１１４３／ＪＪＡＰ．５１．０９ＬＤ１４）には、圧電性のポリ－Ｌ－乳酸フィルム（ＰＬＬＡ）を用いたフィルムセンサデバイスについて記載されている。従来技術で説明したように、乳酸モノマーは非対称な炭素を持っているため、キラリティを有する。Ｌ－ラクチドが重合すると、ＰＬＡポリマーはＬ型ＰＬＡまたはポリ－Ｌ－乳酸（ＰＬＬＡ）と呼ばれ、ＰＬＡのＤ－ラクチドが重合したポリマーはＤ型ＰＬＡ（ＰＤＬＡ）と呼ばれている。これらのポリマーが延伸されると、せん断圧電性を示すようになる。ＰＬＬＡの結晶は点群Ｄ₂と表され、圧電定数ｄ₁₄、ｄ₂₅およびｄ₃₆を有する。ＰＬＬＡに電界を印加すると、電界方向に垂直な方向にせん断歪みが誘起される。一軸配向のフィルムでは、ｄ₃₆は消失する。したがって、ｄ₁₄、ｄ₂₅で規定されるＰＬＬＡの圧電定数は、対称性によりｄ₂₅＝－ｄ₁₄となる。

ＰＬＬＡおよび／またはＰＤＬＡのようなの圧電ポリマーを使用して、圧力センサおよびその他のデバイスを実現することが注目されている。しかしながら、そのようなデバイスは、せん断圧電（ｄ₁₄）特性のためにトリガするのが難しい場合がある。これを解決するには、フォイルを延伸方向に対して４５度の角度で切断し、駆動されると曲がるような基板に当該フォイルを積層する方法がある。例えば、欧州特許出願公開第２６９６１６３号明細書には、圧電シートの一軸延伸方向が弾性部材の長手方向に対して４５度になるように圧電素子を取り付けた変位センサが記載されている。弾性部材が長手方向に沿って曲げられると、圧電シートが長手方向に沿って引き伸ばされ、圧電素子が所定の電圧を発生させる。国際特許出願公開第２０１８／００８５７２号明細書には、同様のセンサが記載されている。しかしながら、公知の方法や装置では、材料が無駄になったり、最適な駆動が得られないことがある。

せん断圧電材料を用いた圧電トランスデューサの材料使用量および変換効率の改善が求められている。

本開示の態様は、せん断圧電効果を示す圧電材料を用いた圧電フォイルを備えた圧電トランスデューサに関するものである。典型的には、このようなフォイルは、フォイルの平面において電界方向に対するせん断方向に当該フォイルがせん断変形されると、フォイルの上面と下面との間のフォイルの平面に垂直である電界方向に電界が発生する。前記トランスデューサは、圧電フォイルの分極方向に斜めの少なくとも一つの曲げ方向に沿って圧電フォイル曲げるべく、複数の駆動点において駆動方向に駆動力を加えることにより前記圧電フォイルを駆動させるように構成された駆動構造を備える。望ましくは、前記駆動構造が、圧電フォイルを鞍形状に変形させるべく駆動させるように構成されている。例えば、変形したフォイルの表面は、互いに直交する曲げ方向において反対の曲率を持ってもよい。以下、図面を参照しながら説明するように、このような変形は、駆動点間のフォイル表面の大部分に比較的均一な高いせん断歪みレベルを生じさせる。好ましくは、フォイルは、可撓性コアプレートの片面または両面に接着される。例えば、フォイルはコアプレートの周りにしっかりと巻き付けられる。これにより、フォイルの伸縮効果が向上する。フォイルは必ずしも所定の角度に切断する必要はなく、切断せずにすでに製造されたものを使用してもよい。購入したものにそのままラミネートしてもよい。馬の鞍形状は、簡単で信頼性の高い方法を提供する。圧縮荷重をせん断荷重に変換するための複雑な荷重変換機構を必要としない。また、このような圧電材料は、適切な量の電気エネルギーを得るための最も厚みが小さくて済む解決方法の１つとなり得る。有利なことに、鞍形状の典型的な対称性により、コアプレートの上面および下面に設けられるフォイルに同じ方法で荷重をかけることができる。

本開示の装置、システムおよび方法の特徴、態様および利点は、以下の説明、添付の特許請求の範囲および添付の図面からよく理解されるであろう。

圧電材料が曲げられている状態を模式的に示す斜視図である。 圧電材料における対応するせん断歪みのシミュレーションを示す図である。 曲げられていない（平らな）形状と変形中の鞍形状とを比較するために図１Ａおよび図１Ｂと同様のフォイルを上から見た図である。 図２Ａの第１の曲げ方向の線に沿った鞍形状のフォイルの断面図を模式的に示した図である。 図２Ａの第２の曲げ方向の線に沿った鞍形状のフォイルの断面図を模式的に示した図である。 可撓性基板の両側に設けられたフォイル片を模式的に示したものである。 可撓性基板の両側に設けられたフォイル片を模式的に示したものである。 可撓性基板の両側に設けられたフォイル片を模式的に示したものである。 可撓性基板に取り付けられた圧電フォイルの積層体を模式的に示したものである。 可撓性基板に取り付けられた圧電フォイルの積層体を模式的に示したものである。 可撓性基板に圧電フォイルを接着してトランスデューサを形成する方法を模式的に示している。 同一種類のフォイルを交差させて直交分極方向に接着した様子を模式的に示している。 可撓性基板に圧電フォイルを巻き付けたトランスデューサを模式的に示している。 圧電層と対応する電極とが交互に配置されたの積層体を模式的に示す図である。 フォイルおよび／または可撓性基板を駆動させる駆動構造を模式的に示す図である。 複数のトランスデューサを備えた拡張センサ表面の写真である。

特定の実施形態を説明するために使用される用語は、本発明を限定することを意図するものではない。本明細書において、単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈がそうでないことを明確に示さない限り、複数形も含むことを意図している。「および／または」という用語は、関連する列挙された要素の一つまたは複数の様々な組み合わせを含む。「備える」および／または「有する」という用語は、述べられた特徴が存在することを意味するが、他の一つまたは複数の特徴が存在することまたは追加されることを排除していない。方法の一の工程が別の工程の後に実施されると説明された場合、そうでないと明記されない限り、それは別の工程の後に一の工程が直接続くまたは一の工程を実行する前に一つまたは複数の中間工程を実行してもよいことを意味する。同様に、構造または構成要素間の接続が説明されている場合、特にそうでないと明記されない限り、この接続は直接行われるまたは中間の構造もしくは構成要素を介して確立可能であることを意味する。

本発明の実施形態が示されている添付の図面を参照して、本発明を以下に説明する。説明を明確にするために、図面における、システム、構成要素、層および領域の絶対的および相対的サイズは誇張されている場合がある。実施形態が、本発明の理想化された実施形態および中間構造の概略図および／または断面図を参照して説明されるであろう。以下の説明および図面において、同様の番号は同様の要素を指す。アポストロフィー「´」が付
いている参照番号と付いていない参照番号はそれぞれ、同一の要素を曲げた状態または平らな状態で表している。相対的な関係を示す用語、例えば、上、下、左、右等、およびその派生語は、その時説明されているまたは説明中の図面に示されている方向を指すと解釈されるべきである。これら相対的な関係を示す用語は説明の便宜上のものであり、特にそうでないと明記されない限り、システムを特定の向きで構築または操作する必要はない。

図１Ａは、圧電材料が曲がっている様子を模式的に示している。図１Ａ（および他の図）に示されている挿入図Ｉは、描かれている（ここでは曲げられていない）圧電フォイルの厚さ、幅および長さに対応する直交軸を有する直交座標系を示している。また、挿入図Ｉは、フォイルの平面「Ａ」対する（主要な）曲げ方向「Ｓ１」および「Ｓ２」およびその他の軸も示されている。

本明細書では、参照番号１～６は、以下のように従来から表される圧電テンソルに現れる圧電定数ｄ_abの並びの方向を示す。
圧電テンソルにおいて、第１の添え字（１、２または３）は電界Ｅの各方向を示し、第２の添え字（１、２、３、４、５または６）は変形の方向または種類を示す。第１の３方向（１、２、３）は、それぞれの軸に沿った圧電材料の膨張／収縮に対応し、第２の３方向（４、５、６）は、それぞれの軸を中心としたずり変形に対応している（従来は、それぞれの軸１、２、３を中心とした円形の矢印で示されていた）。

背景技術でも述べたように、点群Ｄ₂で表される圧電体は、圧電定数ｄ₁₄、ｄ₂₅、ｄ₃₆を持つ。より具体的には、一軸配向の圧電材料の場合、ｄ₃₆は消失し、ｄ₂₅＝－ｄ₁₄となる。例えば、ＰＬＬＡやその他の好適なフィルムの圧電テンソルは、次のように表すことができる。

本明細書に説明されるように、せん断圧電効果を示す圧電材料「Ｍ」、例えば、非ゼロの圧電定数（ｄ₁₄）を有する圧電材料において、１軸に関する（横方向の）ずり変形（数字４で示される）により、１軸に沿った電界「Ｅ」が生じ得る。１軸に沿った電界の方向は、圧電定数ｄ₁₄および／またはずり変形の方向４の符号に依存し得る。また、このプロセスは逆に働き得る。したがって、電界「Ｅ」が１軸に沿って圧電材料「Ｍ」に印加された場合、対応するずり変形４をもたらし得る。いくつかの実施形態では、使用される圧電材料「Ｍ」はせん断圧電効果のみを有し、例えば、ｄ₁₄（および対称性によりｄ₄₁）を除くすべての項で圧電定数がゼロになるため、駆動させることが困難になる可能性がある。

一実施形態では、例えば図示のように、圧電トランスデューサ１００は、せん断圧電効果ｄ₁₄を示す圧電材料「Ｍ」を備える圧電フォイル１０からなる。典型的には、圧電材料「Ｍ」はフォイル１０の平面「Ａ」においてける分極方向または延伸方向に分極しており、その結果、フォイル１０の平面「Ａ」において電界方向１に対してせん断変形の方向４にせん断変形した時に、フォイル１０の上面「Ａｔ」と下面「Ａｂ」との間に、フォイル１０の平面「Ａ」に垂直な電界方向１に電界「Ｅ」が発生する。

いくつかの実施形態では、トランスデューサ１００は、フォイル１０を駆動させるように構成された駆動構造体（ここでは図示せず）を備える。好ましい実施形態では、駆動構造は、駆動力「Ｆｕ」および「Ｆｄ」を駆動方向「Ｕ」および「Ｄ」に、フォイルに対してそれぞれ駆動点「Ａｕ」および「Ａｄ」に印加するように構成され、少なくとも１つの曲げ方向「Ｓ１」および／または「Ｓ２」に沿ってフォイル１０を曲げる。最も好ましくは、曲げ方向（複数可）は、図のように分極方向３または延伸方向１０に対して斜めになっている。例えば、屈曲方向は、分極方向３に対して４５度の角度またはその付近の角度（例えば、プラスマイナス１０度または５度以内）である。

好ましい実施形態では、駆動構造は、鞍形状変形に応じてフォイル１０を駆動させるように構成される。例えば、フォイル１０は、図示のように、２つの反対の曲げ方向「Ｓ１」および「Ｓ２」に曲げられる。最も好ましくは、２つの曲げ方向「Ｓ１」および「Ｓ２」は、互いに直交しており、両方とも分極方向３に対して斜めである。図示の実施形態では、変形したフォイル１０´の表面は、直交する方向（Ｓ１、Ｓ２）に対して反対の曲率
を有する。このような表面形状は、一般的に「（馬）鞍」または「双曲放物線」と表現される。例えば、鞍点またはミニマックスポイントは、一般的に、直交する方向におけるそれぞれの表面の高さを記述する関数の傾き（導関数）がともにゼロであり（臨界点）、かつ、関数の局所的な極値ではない表面上の点とされる。本明細書において幾つかの実施形態で説明したように、鞍形状の変形では、フォイル１０の表面に鞍点「Ｓ０」が形成される。また、フォイルが一方向「Ｄ」に押されるまたは保持される（下降駆動点「Ａｄ」の）谷の間で、第１の曲げ方向「Ｓ１」に沿って相対的に最大となる臨界点と、フォイルが反対方向「Ｕ」に押されるまたは保持される（上向きの駆動点「Ａｕ」の）頂部の間で第２の曲げ方向「Ｓ２」の交差（直交）軸に沿って相対的に最小となる臨界点とを有する。

図１Ｂは、図１Ａに示す圧電材料を駆動させた時の圧電材料におけるせん断歪み（ミーゼス応力）のシミュレーションを示している。このシミュレーションでは、図のような鞍形状の変形時におけるフォイル１０´の異なる位置での相対的な歪みをグレースケールで
示している。この図から、この種の変形は、駆動点の間においてフォイル表面の大部分に比較的均一で高レベルのせん断歪みを引き起こす可能性があることが分かる。

再び図１Ａを参照して、いくつかの実施形態では、フォイル１０の平面「Ａ」に垂直な第１の駆動方向「Ｕ」に第１セットの駆動力「Ｆｕ」を印加し、第１の駆動方向「Ｕ」と反対の（ただし平行な）第２の駆動方向「Ｄ」に第２セットの駆動力「Ｆｄ」を印加するように構成された駆動構造（図示せず）を備える。例えば、図示されているように、第１セットの駆動力「Ｆｕ」は、その間に第１の曲げ方向「Ｓ１」を画定する第１組の駆動点「Ａｕ」に印加され、第２組の駆動力「Ｆｄ」は、その間に第２の曲げ方向「Ｓ２」を画定する第２セットの駆動点「Ａｄ」に印加される。第２の曲げ方向「Ｓ２」は、駆動されているフォイル１０´の鞍点「Ｓ０」において第１の曲げ方向「Ｓ１」と（直交して）交
差する。好ましくは、駆動点の各組は、駆動構造がフォイルと係合する少なくとも２つの別個のまたは異なる点を含む。言い換えれば、（同じ方向を有する）複数の駆動点の間には、駆動構造によって駆動または係合されない領域が存在してもよい。

これらの図および他の図では、曲げ方向「Ｓ１」および「Ｓ２」はそれぞれ（点線）線で示されており、それぞれの線の曲率は曲げ方向におけるフォイル１０の曲率を示している。無論、曲げ方向の表示に関するその他の方法を適用しても、同様の結果を得る。例えば、曲げ方向を示す別の方法（ここでは使用しない）として、フォイルが曲げられる軸を規定してもよい。その場合も、直交する２つの曲げ方向を規定することができる。

図では、方向「Ｕ」および「Ｄ」は、図示されているフォイル１０の相対的な向きに関して、上向きまたは下向きを示し得る。同様に、力「Ｆｕ」および「Ｆｄ」の向きは、上向きおよび下向きを示し得る。無論、デバイスの動作、例えば、フォイル１０の平面「Ａ」の回転に応じて、これらの向きは変わり得る。さらに、図では、一組の駆動点「Ａｕ」にかかるフォイルの底面「Ａｂ」を押す上向きの力「Ｆｕ」を示しているが、代わりに、フォイル１０の上面「Ａｔ」を引っ張ることによって、同じまたは同様の力をかけてもよい。同様のことが、下向きの力にも言える。また、引っ張る力と押す力の組み合わせも使用可能である。

図２Ａは、曲げられていない（平らな）形状と変形中の鞍形状とを比較するために図１Ａおよび図１Ｂと同様のフォイル１０を上から見た図である。実線の外形はフォイル１０の曲げられていない形状を示し、破線の外形はフォイル１０´の曲げられた形状を示して
いる。挿入図「Ｉ」は、描かれているフォイルの向きを示している。

一実施形態では、図示されているように、鞍形状に変形している間、変形したフォイル１０´は、平坦なフォイル１０と比較して第１の曲げ方向「Ｓ１」に沿って伸長し、第２
の曲げ方向「Ｓ２」に沿って縮む。いくつかの実施形態では、フォイルは、第１の曲げ方向「Ｓ１」に沿った元の第１の長さ「Ｄ１ｎ」から、第１の曲げ方向「Ｓ１」に沿った第１の伸長長さ「Ｄ１ｅ」まで伸長される。例えば、第１の伸長長さ「Ｄ１ｅ」は、元の第１の長さ「Ｄ１ｎ」の、少なくとも１．０１倍（１％）、好ましくは少なくとも１．０２倍（２％）、より好ましくは少なくとも１．０５倍（５％）、またはそれ以上、例えば１．１～１．３倍の大きさとなっている。別のまたはさらなる実施形態では、フォイルは、第２の曲げ方向「Ｓ２」に沿った元の第２の長さ「Ｄ２ｎ」から、第２の曲げ方向「Ｓ２」に沿った圧縮された第２の圧縮長さ「Ｄ２ｃ」まで縮む。例えば、元の第２の長さ「Ｄ２ｎ」は、第２の圧縮長さ「Ｄ２ｃ」の、少なくとも１．０１倍（１％）、好ましくは少なくとも１．０２倍（２％）、より好ましくは少なくとも１．０５倍（５％）、またはそれ以上、例えば１．１～１．３倍の大きさとなっている。鞍形状変形の好ましい実施形態では、図に示すように、フォイル１０は、１つの方向に沿った伸びと、他の横断方向に沿った圧縮の両方が起こってもよい。複合的な変形は、例えば、一方向のみの単純な曲げに比べて、せん断変形の効果を高めることができることは明らかである。したがって、鞍形状の変形は効率を高めることができる。

好ましい実施形態では、分極方向３は（折り曲げられていない）フォイルの長さＬ１に沿っており、フォイル１０は、フォイルの長さＬ１に直交する切断線または折り曲げ線によって、フォイルの幅Ｌ２に沿って（場合によってはその間にプレートを挟んで）切断または折り曲げられている。例えば、フォイル１０の長さ側の側面Ｌ１は、例えば、ロールから提供される延伸フォイルの側面によって形成され、フォイル１０の幅側の側面Ｓ２は、長さ方向に直交するフォイルの直線的な切断または折り目によって形成される。これは、ゼロ度カットとも呼ばれる。これは、４５度のカットよりも便利であり、材料の無駄も少ないことが理解されるであろう。図５および図６を参照して後述するように、フォイルのスタック全体を形成するには、０度（横方向）の折り返しがより便利である。

いくつかの実施形態では、フォイル１０は、その長さＬ１に沿ってフォイル１０を引き伸ばすまたは押し出することで分極される。例えば、フォイル１０は、圧電性の細長い分子、例えば、ポリマーで形成される。例えば、細長い分子は、延伸方向に配向されてもよい。典型的には、圧電ポリマーはキラル分子であり、異なる複数の異性体を有してもよい。いくつかの実施形態では、フォイル１０は、各層内では同じ異性体によって構成されてもよく、例えば、全てＬ－異性体（左手）または全てＤ－異性体（右手）で構成されてもよい。別のまたはさらなる実施形態では、後で図４Ｂを参照して説明するように、フォイルは、異なる複数の層における異なる複数の異性体の積層体から構成されていてもよい。

好ましい実施形態では、１つまたは複数の曲げ方向「Ｓ１」および／または「Ｓ２」は、フォイル１０の対角線に沿って（交差して）配向される。例えば、フォイルは長方形の表面を有しており、曲げ方向「Ｓ１」および「Ｓ２」は長方形の対角線に沿って（角から角へ）いてもよい。より好ましくは、フォイルは正方形の表面を有しており、曲げ方向「Ｓ１」および「Ｓ２」は、正方形の対角線に沿って（角から角へ）中央で９０度またはその近くで直交してもよい。長方形とは４つの角が全て直角の四辺形である。正方形とは４つの角がすべて直角であり、４つの辺が全て同じ長さの四辺形である。そのため、正方形は特別な種類の長方形と考えることができる。いくつかの実施形態では、フォイル１０は、１つ以上の長方形および／または正方形の表面を提供するように切断または折り畳まれており、この場合、辺「Ｌ１」および「Ｌ２」の長さは、同様または同一であり、例えば、１．５倍、１．３倍、１．１倍、１．０５倍またはそれ以下の倍率で互いに異なってもよい。長方形の辺「Ｌ１」と「Ｌ２」の長さが近似しているほど、対角線に沿った曲げが分極方向３に対して所望の角度（例えば、分極方向３に対して４５度またはそれに近い角度）に近づく。

図２Ｂは、図２Ａの第１の曲げ方向Ｓ１の線に沿った鞍形状のフォイル１０’の断面図を模式的に示している。図２Ｃは、図２Ａの第２の曲げ方向Ｓ２の線に沿った鞍形状のフォイル１０’の断面図を模式的に示している。

いくつかの好ましい実施形態では、図示されているように、圧電フォイル１０は可撓性基板１５に接着されている。好ましくは、可撓性基板１５は、フォイル１０と一緒に曲げることができる十分な可撓性を有する。例えば、可撓性基板は、折り曲げ可能なポリスチレン等のプラスチックまたはその他の（好ましくは非導電性で電気絶縁性の）材料片で構成される。好ましくは、フォイル１０の表面と可撓性基板１５の表面との接着または接続は、それらが一緒に曲げられたときにフォイル１０が可撓性基板１５の上を滑ったり、スライドしたりするのを実質的に防ぐのに十分な程度に行われる。いくつかの実施形態では、例えば、後述するようにフォイルが可撓性基板の周りにしっかりと巻かれている場合等では、摩擦によって接着が行われてもよい。他のまたはさらなる実施形態では、接着剤などの接着層によって接着が行われてもよい。摩擦および／または接着に関する同様な考察を、フォイルの異なる層間での表面接続にも適用してもよい。

いくつかの実施形態では、例えば図示されているように、可撓性基板１５に接着されたフォイル１０の１つ以上の層からなる複合積層体を第１および／または第２の曲げ方向「Ｓ１」および「Ｓ２」に沿って曲げるためのそれぞれの中立軸「Ｎ」は、可撓性基板１５内に存在し、好ましくは基板１５の中心またはその近くにある。中立軸「Ｎ」は、中立曲げ線または中立曲げ面とも呼ばれ、一般的に、（曲げに抵抗する）部材の断面における軸、線または面として理解され、それに沿って長手方向の応力または歪みが存在しない。例えば、図２Ｂおよび図２Ｃには、中立軸「Ｎ」の位置が示されている。図２Ｂに描かれている第１の曲げ方向「Ｓ１」については、中立軸「Ｎ」の上のフォイル１０には引張り方向（正）の歪みがあり、一方、基板１５（ここではフォイルなし）の底部には圧縮方向（負）の歪みがある。逆に、図２Ｃに描かれている第２の曲げ方向「Ｓ２」については、中立軸「Ｎ」の上のフォイル１０には圧縮方向（負）の歪みがあり、基板１５の底部には引張り方向（正）の歪みがある。

当業者には明らかなように、フォイル１０がそれぞれの曲げ方向の中立軸「Ｎ」から離れれば離れるほど、（フォイルが滑らないと仮定して）当該曲げの結果としてフォイルがより多く伸張または圧縮され得る。例えば、中立軸Ｎのフォイルからの距離は、可撓性基板１５の厚さおよび／またはフォイルと比較した基板の伸張性／圧縮性によって影響を受ける場合。

図３Ａ～図３Ｃは、可撓性基板１５の両面上のフォイル片１０ａ´、１０ｂ´を示して
いる。図３Ｂは、斜めの第１の曲げ方向「Ｓ１」に沿って積層された状態を示す断面図である。図３Ａは、第１の曲げ方向「Ｓ１」に沿って引き伸ばされている上側プフォイル１０ａ´の上面図である。図３Ｃは、第２曲げ方向「Ｓ２」に沿って引き伸ばされている下側フォイル１０ｂ´の上面図である。

いくつかの実施形態では、例えば図３Ｂに示すように、圧電フォイル１０は基板１５の上面と下面の両方に接着されている。対称的またはそれに近い配置の圧電フォイルが可撓性基板の両面に接着されている場合、中立軸「Ｎ」は典型的には基板の中心にある。そのため、中立軸Ｎはどちらのフォイルからも最大の距離を置くことができ、最適な動作を実現できる。

いくつかの実施形態では、図３Ａおよび図３Ｃによって図示されるように、下側フォイル１０ｂは、（同じ上面図から）反対に分極した「Ｐ」であってもよい。これは、それぞれの挿入図「Ｉ」の反対の分極方向３によっても示されている。例えば、反対方向の分極は、同じフォイルが基板１５（ここでは示されていない）の周りに巻かれていることから生じてもよい。有利には、図示されているように、電極１１ａ、１１ｂをフォイルの両側に貼り付けてもよく、「＋」および「－」で示される同種の電荷を結合させるべく相互接続させてもよい。

図４Ａおよび図４Ｂは、可撓性基板１５に取り付けられた圧電フォイルの積層体を模式的に示したものである。好ましくは、両実施形態に示すように、複数のフォイルの層からなる積層体１０ａ´は、後続の層に蓄積された反対の電荷「＋」および「－」の短絡を防
止するために、中間層を備える。

いくつかの実施形態では、図４Ａに示すように、中間層は、例えば、可撓性基板１５と同様の材料または他の電気的絶縁材料で構成された非導電性中間層１０ｉを含む。例えば、絶縁層は、短絡を防止するのに十分な厚さの接着層によって形成されてもよい。

図４Ｂに示すように、その他のまたはさらなる実施形態では、中間層も圧電材料で構成されるが、例えば、反対の分極を有し、同じ電荷がその間に実際に蓄積されるようにしてもよい。例えば、図４Ｂに示すように、圧電フォイルの積層体は、異なるキラリティＬ、Ｄを有する圧電材料の層１０Ｄ´、１０Ｌ´を交互に配置することによって形成される。

図５Ａは、本明細書に記載されているように、圧電フォイル１０を可撓性基板１５に接着してトランスデューサ１００を形成する方法を示している。

いくつかの態様では、本開示は、せん断圧電効果を示す圧電フォイルを駆動させる方法であって、フォイルを係合させて鞍部形状に変形させることを含む方法に関するものである。いくつかの実施形態では、図示されるように、フォイル１０はロール１０Ｒから提供される。別のまたはさらなる実施形態では、フォイル１０は材料の細長いシートから提供されてもよい。好ましい実施形態では、圧電フォイル１０は、可撓性基板１５に巻き付けられる。フォイルは、基板に何周も巻き付けることができる。好ましくは、例えば、層間の十分な摩擦または接着により、フォイルを積層の滑りを防止するために十分にきつく巻きつける。いくつかの実施形態では、基板１５に巻き付けられるフォイル１０は、反対のキラリティを有する層１０Ｄ、１０Ｌで構成されていてもよい。例えば、第１圧電層はポリ－Ｌ－乳酸フィルムからなり、第２圧電層はポリ－Ｄ－乳酸フィルムからなる。また、同様の特性を持つその他の材料を使用することもできる。

図５Ｂは、同一種類のフィルム１０ａ，１０ｂを交差させて、直交する分極方向３で接着した様子を示している。この方法は、利便性を犠牲にしたとしても、１種類のフォイルで済むという利点がある。

図６Ａは、可撓性基板に圧電フォイルを巻き付けたトランスデューサを模式的に示している。模式図では数層の箔のみを図示しているが、実際には箔１０をプレート１５の周りに何度も巻き付けてもよい。例えば、１０層以上、２０層以上、３０層以上、５０層以上、１００層以上など、複数層の圧電箔の積層体を形成することができる。

典型的には、圧電フォイル１０の個々のフォイルの厚さ「ＴＦ」は、比較的小さくてもよく、例えば、１ミリメートル未満、好ましくは１００マイクロメートル未満、より好ましくは５０マイクロメートル未満、例えば、１０マイクロメートルから３０マイクロメートルの間、またはそれ以下である。典型的には、個々のフォイルの厚さ「ＴＦ」は、可撓性基板１５のプレートの厚さ「ＴＰ」よりもはるかに小さく、例えば、２倍、５倍、１０倍または１００倍小さい。例えば、可撓性基板１５は、少なくとも０．５ミリメートルの厚さであり、好ましくは、少なくとも１ミリメートルの厚さである。複数のフォイル層を有する場合でも、複数のフォイル層の合計である積層体の厚さ「ＴＳ」は、好ましくは基板の厚さと同程度かそれ以下である。例えば、３４×３４×２ｍｍの正方形の可撓性基板に、２ｍの長さのフォイルを巻き付けた場合、合計の厚さは３ｍｍとなる。無論、これ以外の寸法も考えられる。

一実施形態では、例えば図示されているように、電極接続部１１ａ、１１ｂは、可撓性基板１５に巻き付けられたフォイル１０の露出面１５ａ、１５ｂにそれぞれ形成されている。

図６Ｂは、圧電層と対応する電極１１ａ、１１ｂとが交互に配置された積層体を模式的に示す図である。例えば、そのような積層体は、図６Ａに示すような巻きつけられたフォイルによって形成されてもよいし、図４Ｂのような別の方法でフォイルの積層体を形成してもよい。

いくつかの実施形態では、フォイル１０は、第１および第２の電極層１１ａ、１１ｂを備え、圧電材料「Ｍ」はこれら電極層の間に挟まれている。好ましい実施形態では、例えば図示されているように、第１電極層１１ａによって形成された導電面は、フォイルの一方の面１５ａにおいて圧電材料「Ｍ」の表面を超えて延在する。最も好ましくは、第２の電極層１１ｂによって形成された導電面は、フォイルの他方の面１５ｂにおいて圧電材料「Ｍ」の表面を超えて延在する。

例えば、特定の視点から見ると、第１の電極層１１ａを形成する導電性上面はフォイルの長手方向に対して左側に延在し、第２の電極層１１ｂを形成する導電性下面はフォイルの長手方向に対して右側に延在している。有利なことに、特に延伸されたフォイルが可撓性基板１５に巻き付けられている場合に、可撓性基板１５の対向する側面１５ａ、１５ｂ上の電極１１ａ、１１ｂの延長された導電性表面は、電極を回路（ここでは「Ｖ」で模式的に図示）に接続する容易な手段とすることができる。例えば、図示されているように、フォイルの一方の面１５ａ上で露出した電極１１ａ全てが電気的に相互接続され、フォイルの他方の面１５ｂ上で露出した電極１１ｂ全てが相互接続されてもよい。導電性電極は圧電材料「Ｍ」の表面を超えて延在してもよいが、電極１１ａ、１１ｂへ接続を可能にすると同時に、不用意に電気的に接続するのを防ぐため、延在した部分を非導電性材料で支持するおよび／または圧電材料「Ｍ」の側面をキャッピングしてもよい。

図示の実施形態では、交互に積層された電極のうちの第１の電極が第１の種類の圧電層１０Ｌの上に設けられ、交互に積層された電極のうちの第２の電極が第１の種類の圧電層１０Ｌと第２の種類の圧電層１０Ｄとの間に設けられている。例えば、本明細書で説明したように、異なる種類の圧電層を使用するとそれぞれの電界ＥＬおよびＥＤを反対方向に発生させることができ、２つの互いに反対の曲げ方向「Ｓ１」および「Ｓ２」に沿って積層体を曲げることができる。これは、それぞれの電極に電荷「＋」または「－」が蓄積されることに対応し得る。異なる種類の電極を使用する代わりに、図示されているように、層１０Ｌ、１０Ｄのうちの１つを、例えば図４Ａのように、電気的に絶縁された層で置き換えてもよい。したがって、多くの組み合わせや変形が想定されることが理解されるであろう。

図７Ａは、フォイル１０および／または可撓性基板を駆動させる駆動構造２０を模式的に示す図である。

好ましい実施形態では、トランスデューサ１００は、正方形状の可撓性基板１５に複数回巻き付けられた圧電フォイル１０によって形成された正方形状の積層体によって構成されている。最も好ましくは、駆動構造２０は、正方形形状の積層体の角部を係合させることにより、積層体を押すまたは押し下げ、鞍形状に変形させるように構成されている。

一実施形態では、図示されているように、駆動構造２０は、隣接する角部２０ｄ、２０ｕを反対方向、例えば、上方向と下方向とに押す（および／または引っ張る）ように構成されていてもよい。別のまたはさらなる実施形態では、図示されているように、対向する角部は、駆動構造２０によって同じ方向に押されてもよい。例えば、第１組の駆動点「Ａｕ」は正方形の対向する一組の角部に配置されてもよく、第２組の駆動点「Ａｄ」は対向する他の組の角部に配置されてもよい。一実施形態では、例えば図示のように、駆動構造２０は、駆動構造２０の対向する角部係合点を接続するクロスバー２０ｃを備える。図示されているように、圧電スタックの上部および下部のクロスバーは、好ましくは、直交するように、すなわち、９０度の角度またはそれに近い角度で互いに交差している。これにより、フォイルの一方の側から駆動構造を内側に向けて単純に駆動させることにより、その間のフォイルを鞍形状に変形させることができる。

図７Ｂは、複数のトランスデューサを備えた拡張センサ表面の写真である。

いくつかの態様によれば、センサデバイスは、検出素子として、上記で説明した複数の圧電トランスデューサ１００を備えてもよい。一実施形態では、センサデバイスは、駆動底面２０ｂおよび駆動上面２０ｔ（ここでは破線で示されている）を有する。本実施形態では、複数の圧電トランスデューサ１００は、下側作動面２０ｂと上側作動面２０ｔとの間に配置されてもよい。好ましくは、トランスデューサはそれぞれ、駆動構造２０を含む。いくつかの実施形態では、図示されているように、１つまたは複数のトランスデューサ１００におけるそれぞれの駆動構造は、所望の（鞍型）変形をさらに導くために圧電積層体と共に曲がる弾性構造２０ｒを含む。

また、センサ素子に加えて、トランスデューサ１００をエネルギーハ－べスティングデバイスとして使用することもできる。必要に応じて、整流回路（図示せず）をそれぞれの電極に接続して、両方の曲げ方向に電荷を蓄積してもよい。また、トランスデューサ１００は、アクチュエータとして機能し、例えば、電界を印加することで対応する動きを実現することができる。

また、平板を鞍形状に変形させることに加えて、逆の変形を行ってもよいことは明らかである。例えば、フォイル１０を鞍形状の可撓性基板１５に接着し、平板状へと駆動させて鞍形状変形を実現してもよい。また、１つの鞍形状から別の鞍形状へと形状駆動させることも可能であり、例えば、最初は対向する角部の第１のセットが上にあり角部の第２のセットが下にあるとする。これらの角部はその後、対向する角部の第１のセットが下に押され、対向する角部の第２のセットが上に押される逆鞍形状となるように駆動してもよい。

いくつかの実施形態では、可撓性基板を使用して、基板に圧電フォイルをしっかりと巻き付けることで、トランスデューサを製造する簡単な方法が提供される。この方法により、多層積層体を作成することができる。用途および必要なエネルギーの量に応じ、層の数を多くすることができる。好ましくは、このロール／積層体内の複数の層は互いに接着され、基板にもしっかりと接着される。このプレートを馬の鞍形状に変形させると、フォイル全体に均一なせん断荷重がかかり（いくつかの境界効果を除く）、フォイルのどの部分においても、フォイルの他の部分で発生したエネルギーを散逸させるような反対の荷重がかからないことが理解されるであろう。このようなデバイスは、圧縮される用途で使用できる。駆動させると、デバイスが鞍形状に変形し、圧電材料にせん断荷重が発生する。

いくつかの実施形態では、可撓性基板は、比較的低い弾性率を持つある種の絶縁体（例えば、ポリマー）で構成される。例えば、ＰＬＬＡ／ＰＤＬＡフォイルは、３０～３５ｍｍの幅で納品される。その場合、基板は一辺の長さが３５ｍｍのほぼ正方形でよい。例えば、圧電フィルムは、ＰＬＬＡおよびＰＤＬＡの２つの層の積層体で構成されている。このフィルムは、正方形の基板の周りに密着してラミネート／ロールされてもよい。好ましくは、圧電フィルムは基板に良好に接着し、またフィルム自体が互いに良好に接着される。剥離すると、エネルギーハ－べスティング能力が低下するおそれがある。これに代えて、ＰＤＬＡフォイルを別の絶縁体に置き換えてもよい。しかしながら、ＰＤＬＡフォイルもエネルギーを取り出せることから、デバイスのエネルギーハ－べスティング能力が低下する可能性がある。基板を鞍形状に変形させる代わりに、コアプレートを鞍形状に製造してラミネートしてもよい。この板が圧縮荷重によって平らになると、前述と同様にエネルギーが発生する。

明瞭化および簡潔な説明のために、特徴は同じまたは別個の実施形態の一部として本明細書に記載されるが、本発明の範囲は、記載された特徴の全てまたは一部の組み合わせを有する実施形態を含み得ることが理解されるであろう。例えば、鞍形状の変形に関する実施形態を示したが、本開示の恩恵を受けた当業者であれば、同様の機能および結果を達成するための代替手段が思いつくであろう。説明した多くの実施形態における駆動は、鞍形状の変形を受けている時に特に効率的であるかもしれないが、少なくとも何らかの有益な効果を達成するために、鞍形状が必ずしも必要ではない。例えば、フォイルが複数回巻き付けられた可撓性基板、特にゼロ度カットまたは折り目を有するフォイルが複数回巻きつけられた可撓性基板は、主にまたは排他的に１つの曲げ方向に駆動させることができる。これにより、製造上の利点が得られます。図示および説明された実施形態の様々な要素は、せん断圧電効果を示す材料でデバイスを効率的に製造および駆動させる等、特定の効果を提供する。無論、上記の実施形態またはプロセスのいずれか一つを、一つもしくは複数の他の実施形態またはプロセスと組み合わせて、設計および利点の発見および一致させることを改善できることは明らかである。本開示は、圧電センサについて特定の効果を提供するが、一般的には、他のあらゆる圧電デバイスに適用可能である。

添付の特許請求の範囲を解釈する際に、「備える」という言葉は、特許請求の範囲に記載されているもの以外の他の要素または行為の存在を除外していないことを理解されたい。「ａ（一の）」または「ａｎ（１つの）」という単語は、そのような要素が複数存在することを排除するものではない。また、特許請求の範囲に記載されている参照番号によって、その範囲を制限されない。いくつかの「手段」は、同じもしくは異なる項目、実装構造または機能によって表される場合がある。特にそうでないと明記しない限り、開示された装置またはその部分のいずれも一緒に組み合わせるまたはさらなる別の部分へと分離することができる。一の請求項が別の請求項を参照している場合、これは、それぞれの機能の組み合わせによって達成される相乗効果を示している可能性がある。しかしながら、特定の手段が相互に異なる請求項で引用されているとしても、これらの手段の組み合わせが有利に使用できないことを意味するものではない。したがって、本実施形態は、請求項の全ての実用的な組み合わせを包含し、各請求項は文脈から明らかに層でないと判断されない限り、原則として先行する任意の請求項を参照することができる。

Claims (12)

1. せん断圧電効果（ｄ₁₄）を示す圧電材料（Ｍ）を使用した圧電フォイル（１０）と、
   前記圧電フォイル（１０）曲げるべく、複数の駆動点（Ａｕ，Ａｄ）においてそれぞれの駆動方向（Ｕ、Ｄ）に駆動力（Ｆｕ，Ｆｄ）を加えることにより前記圧電フォイル（１０）を駆動させるように構成された駆動構造（２０）と、を備え、
   前記圧電材料（Ｍ）は前記圧電フォイル（１０）の平面（Ａ）内で分極方向（３）に分極（Ｐ）しており、電界方向（１）に対するせん断方向（４）に前記圧電フォイルがせん断変形されると、前記圧電フォイル（１０）の上面（Ａｔ）と下面（Ａｂ）との間に前記圧電フォイル（１０）の前記平面（Ａ）に垂直な前記電界方向（１）に電界が発生し、
   前記駆動構造（２０）が、前記圧電フォイル（１０）を鞍形状に変形させるべく駆動させるように構成されており、
   前記圧電フォイル（１０）は２つの互いに反対の曲げ方向（Ｓ１，Ｓ２）に曲げられ、 前記２つの反対の曲げ方向（Ｓ１，Ｓ２）は互いに直交しており、さらに前記２つの反対の曲げ方向（Ｓ１，Ｓ２）は前記分極方向（３）に対して斜めになっており、
   前記圧電フォイル（１０）は、可撓性基板（１５）に接着されて複合積層体を形成しており、
   前記複合積層体を、前記２つの互いに反対の曲げ方向（Ｓ１，Ｓ２）に沿って曲げるためのそれぞれの中立軸（Ｎ）が、前記可撓性基板（１５）内に存在する、
   圧電トランスデューサ。
2. 前記駆動構造（２０）は、前記圧電フォイル（１０）の前記平面（Ａ）に垂直な第１駆動方向（Ｕ）に第１組の駆動力（Ｆｕ）を加え、前記第１駆動方向（Ｕ）とは反対の第２駆動方向（Ｄ）に第２組の駆動力（Ｆｄ）を加えるように構成されている、請求項１に記載の圧電トランスデューサ。
3. 前記第１組の駆動力（Ｆｕ）は、複数の別個の駆動点（Ａｕ）の間に第１の曲げ方向（Ｓ１）を規定する前記複数の駆動点（Ａｕ）の第１組に加えられ、
   前記第２組の駆動力（Ｆｕ）は、複数の別個の駆動点（Ａｄ）の間に第２の曲げ方向（Ｓ２）を規定する前記複数の駆動点（Ａｄ）の第２組に加えられ、
   前記第２の曲げ方向（Ｓ２）は、駆動された前記圧電フォイル（１０’）の鞍点（Ｓ０
   ）において前記第１の曲げ方向（Ｓ１）と直交する、請求項２に記載の圧電トランスデューサ。
4. 鞍形状に変形している間、変形した前記圧電フォイル（１０’）は、平坦な状態の前記
   圧電フォイル（１０）と比較して前記第１の曲げ方向（Ｓ１）に沿って伸長され、前記第２の曲げ方向（Ｓ２）に沿って縮んでいる、請求項３に記載の圧電トランスデューサ。
5. 前記分極方向（３）は前記圧電フォイル（１０）の長さ（Ｌ１）に沿った方向であり、 前記圧電フォイル（１０）は、前記圧電フォイル（１０）の前記長さ（Ｌ１）に直交する切断線または折り曲げ線によって、前記圧電フォイル（１０）の幅（Ｌ２）に沿って切断または折り曲げられている、請求項１から４の何れか一項に記載の圧電トランスデューサ。
6. 前記圧電フォイル（１０）を前記長さ（Ｌ１）に沿って延伸することにより前記圧電フォイル（１０）が分極しており、
   前記圧電フォイル（１０）が、前記延伸方向に沿って配向する細長い分子を持つ圧電ポリマーで構成されている、請求項５に記載の圧電トランスデューサ。
7. 前記圧電フォイル（１０）は、前記可撓性基板（１５）の上面および下面の両方に接着されている、請求項１から６の何れか一項に記載の圧電トランスデューサ。
8. 前記圧電フォイル（１０）は可撓性基板（１５）に巻きつけられている、請求項１から７の何れか一項に記載の圧電トランスデューサ。
9. 前記圧電フォイルの積層体は、異なるキラリティ（Ｌ、Ｄ）を有する圧電材料（Ｍ）の層（１０Ｄ’、１０Ｌ’）を交互に配置することによって形成される、請求項１から８の
   何れか一項に記載の圧電トランスデューサ。
10. 前記圧電フォイル（１０）は第１の電極層（１１ａ）および第２の電極層（１１ｂ）を含み、
    前記圧電材料（Ｍ）は、前記第１の電極層（１１ａ）および前記第２の電極層（１１ｂ）の間に挟まれており、前記第１の電極層（１１ａ）によって形成される導電面が、前記圧電フォイルの一方の面（１５ａ）上の前記圧電材料（Ｍ）の表面を超えて延在しており、前記第２の電極層（１１ｂ）によって形成される導電面が、前記圧電フォイルの他方の面（１５ｂ）上の前記圧電材料（Ｍ）の表面を超えて延在している、請求項１から９の何れか一項に記載の圧電トランスデューサ。
11. 前記可撓性基板（１５）は正方形状であり、前記圧電トランスデューサ（１００）は、前記可撓性基板（１５）に複数回巻き付けられた前記圧電フォイル（１０）によって形成された正方形状の積層体を備え、
    前記駆動構造（２０）は、前記積層体を前記鞍形状に変形させるべく押すように、対向する方向（Ｕ、Ｄ）に前記正方形状の積層体の角部と係合するように構成されている、請求項１から１０の何れか一項に記載の圧電トランスデューサ。
12. 請求項１から１１の何れか一項に記載の圧電トランスデューサ（１００）を複数個備えたセンサまたはエネルギーハ－べスティングデバイス。

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