JP2014093470A - 圧電素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】
圧電材料とは変形させると電圧を生じるもの、逆に電圧をかけると変形する物質を指すがその変形とは主に物質の曲りや歪みであるため、材質の柔軟さを考慮して圧電発電に関してはプラスチック圧電素子が主流を占めてきているが、圧力発電用マットや高速道路陸橋の橋桁に敷き詰めた圧電素子の起電力は、上方からの加重によるものが大半を占めるため圧電デバイスの曲りや歪みが少なく発電効率を良くするためプラスチック圧電素子の改善が望まれている。
【解決手段】
本発明では、プラスチック圧電素子の圧電効率を向上させる目的で、圧電材料である熱可塑性プラスチックに電極を設けたフイルムを、それぞれ反発弾性を特性とする熱可塑性エラストマーのフイルムで挟み込んだ形で複数層積層し、一部を中空の突起にしたプラスチック圧電素子を作成した。
【選択図】図３
圧電材料とは変形させると電圧を生じるもの、逆に電圧をかけると変形する物質を指すがその変形とは主に物質の曲りや歪みであるため、材質の柔軟さを考慮して圧電発電に関してはプラスチック圧電素子が主流を占めてきているが、圧力発電用マットや高速道路陸橋の橋桁に敷き詰めた圧電素子の起電力は、上方からの加重によるものが大半を占めるため圧電デバイスの曲りや歪みが少なく発電効率を良くするためプラスチック圧電素子の改善が望まれている。
【解決手段】
本発明では、プラスチック圧電素子の圧電効率を向上させる目的で、圧電材料である熱可塑性プラスチックに電極を設けたフイルムを、それぞれ反発弾性を特性とする熱可塑性エラストマーのフイルムで挟み込んだ形で複数層積層し、一部を中空の突起にしたプラスチック圧電素子を作成した。
【選択図】図３
Description
本発明は、発電効率を高める目的で、熱可塑性プラスチックの圧電材料と、ゴム弾性を有する熱可塑性エラストマーを交互に複数層積層させて成型した圧電フイルム、当該圧電フイルムに中空のドーム状突起を設けた圧電素子に関するものである。
デジタル家電は、そのほとんどが高性能化と軽薄短小化の相矛盾する性質を同時に追求しなければならず、そのためデジタル家電を構成する部品はますます高密度な実装が行われるようになっている。一方で更に高い周波数での動作が求められるため常にノイズや熱の発生に悩まされている。この問題を解決するキーテクノロジーの一つが圧電デバイスで、元からあった市場の拡大は勿論、電磁型が主流だった市場の置き換えや今までにない全く新しい用途の開拓などで増々利用が拡大していくと予想されている。
圧電素子とは、結晶にひずみを加えると結晶の両端にひずみに比例して電圧が生じる圧電効果と、逆に電圧を加えると電圧に比例した力やひずみが発生する圧電体を用いたデバイス(さまざまな現象を利用する目的で一定の構造機能を備えた対象物)で、身近なものでは使い捨てライターがあり、レバーを押すと「カチ」と音がして火が点くタイプのものにセラミック製の圧電素子が使われている。「カチ」と音がした時に圧縮された圧電素子がバネで元に戻りその時生じた電圧で火花を飛ばして着火する。また、防犯用に窓ガラスに貼り付けてあるセンサー、メロデイー電報、電子ブザー等にも圧電素子が使われている。圧電デバイスの特徴としては構造が簡単で大量生産が可能、電磁誘導のように回転時ノイズが発生しない、磁気を必要としない、機械的振動エネルギーだけで電気を発生させることができ配線さえ間違えなければ再現性が良く確実に発電する、圧電素子が壊れない限り何時でも何処でも準備なしに発電が可能である、等々である。
圧電素子とは、結晶にひずみを加えると結晶の両端にひずみに比例して電圧が生じる圧電効果と、逆に電圧を加えると電圧に比例した力やひずみが発生する圧電体を用いたデバイス(さまざまな現象を利用する目的で一定の構造機能を備えた対象物)で、身近なものでは使い捨てライターがあり、レバーを押すと「カチ」と音がして火が点くタイプのものにセラミック製の圧電素子が使われている。「カチ」と音がした時に圧縮された圧電素子がバネで元に戻りその時生じた電圧で火花を飛ばして着火する。また、防犯用に窓ガラスに貼り付けてあるセンサー、メロデイー電報、電子ブザー等にも圧電素子が使われている。圧電デバイスの特徴としては構造が簡単で大量生産が可能、電磁誘導のように回転時ノイズが発生しない、磁気を必要としない、機械的振動エネルギーだけで電気を発生させることができ配線さえ間違えなければ再現性が良く確実に発電する、圧電素子が壊れない限り何時でも何処でも準備なしに発電が可能である、等々である。
圧電体には、水晶のような単結晶体(六方晶形)のものと、チタン酸ジルコン酸鉛の多結晶体のセラミック、それに熱可塑性プラスチックがあり、水晶、セラミック、プラスチックには各々特性があるので用途に応じて使い分けられている。
水晶振動子などの水晶デバイスは、温度の安定性に優れ周波数精度が非常に高いので携帯電話など周波数精度を必要とする無線機器や、ＣＰＵのクロックなど高精度な発振器として利用されている。
圧電セラミックは電気機械変換率が高くさまざまな形状を簡単に作れるので、その形状と分極の方向によって決まる数多くの共振モードがあり、それぞれの共振モードは固有の共振周波数や圧電特性を持ち特性の自由度が大きいので、圧電トランス、圧電スピーカ、超音波モータ、魚群探知機の超音波振動子として利用されている。
圧電プラスチックは加工性が良く大面積薄膜化が容易で、圧電セラミックの１０倍以上の高電圧出力、ダイナミックレンジ：１４０dBという広範囲な圧力感度、０，００１ヘルツからメガヘルツに至る広い周波数特性と優れた化学的安定性を有し、軽く柔らかなので、マイクロホン、ヘッドホン、レーザパワーメータ、赤外センサー、スピーカなどのアクチュエータ(外部の刺激を単純な動きに変える素子)や医療用超音波診断素子、圧力発電用圧電素子として利用され、近年は人工筋肉やロボットの関節を曲げるなどへの応用も研究されている。
水晶振動子などの水晶デバイスは、温度の安定性に優れ周波数精度が非常に高いので携帯電話など周波数精度を必要とする無線機器や、ＣＰＵのクロックなど高精度な発振器として利用されている。
圧電セラミックは電気機械変換率が高くさまざまな形状を簡単に作れるので、その形状と分極の方向によって決まる数多くの共振モードがあり、それぞれの共振モードは固有の共振周波数や圧電特性を持ち特性の自由度が大きいので、圧電トランス、圧電スピーカ、超音波モータ、魚群探知機の超音波振動子として利用されている。
圧電プラスチックは加工性が良く大面積薄膜化が容易で、圧電セラミックの１０倍以上の高電圧出力、ダイナミックレンジ：１４０dBという広範囲な圧力感度、０，００１ヘルツからメガヘルツに至る広い周波数特性と優れた化学的安定性を有し、軽く柔らかなので、マイクロホン、ヘッドホン、レーザパワーメータ、赤外センサー、スピーカなどのアクチュエータ(外部の刺激を単純な動きに変える素子)や医療用超音波診断素子、圧力発電用圧電素子として利用され、近年は人工筋肉やロボットの関節を曲げるなどへの応用も研究されている。
圧電材料とは変形させると電圧を生じるもの、逆に電圧をかけると変形する物質を指すがその変形とは主に物質の曲りや歪みであるため、材質の柔軟さを考慮して圧電発電に関してはプラスチック圧電素子が主流を占めてきているが、圧力発電用マットや高速道路陸橋の橋桁に敷き詰めた圧電デバイスの起電力は、上方からの加重によるものが大半を占めるため圧電素子の曲りや歪みが少なく発電効率が良くないので、発電効率を良くするためプラスチック圧電素子の改善が望まれている。また近年、印刷技術の向上によりプラスチック圧電素子の製作もその対象となり、低コストのプラスチック圧電素子の大量生産が可能になり、セラミック圧電素子が占有していた用途にも、積極的にプラスチック圧電素子が換置され市場を漸進しているので、新開発のプラスチック圧電素子の登場を含め、更なる技術革新が期待されている。
本発明では、プラスチック圧電素子の圧電効率を向上させる目的で、圧電材料である熱可塑性プラスチックに電極を設けたフイルムを、それぞれ反発弾性を特性とする熱可塑性エラストマーのフイルムで挟み込んだ形で複数層積層し、一部を中空の突起にしたプラスチック圧電素子を開発した。
圧電材料である熱可塑性プラスチックに電極を設けたフイルムを、それぞれ反発弾性を特性とする熱可塑性エラストマーのフイルムで挟み込んだ形で複数層積層し、一部を中空の突起にしたプラスチック圧電素子を作成して、圧電発電デバイスの圧電アクチュエータとして使用することで、加重加圧による変形 曲り歪みが大きくなり今までより効率的に発電できる。
圧電材料とは変形させると電圧を生じるもの、逆に電圧をかけると変形する物質を指すが、その圧電材料に電極を取り付けて電気的なインプットまたはアウトプットができるように形成した素子が圧電素子である。
熱可塑性プラスチックとは鎖状の高分子から成り立ち、文字どおり熱を加えると柔らかく加工し易くなり冷やすと固くなるプラスチックで、熱可塑性プラスチックにも圧電材料がある。一般的には、ポリフッ化ビニリデン(以下 ＰＶＤＦ)が使用される。フッ素は電子を引っ張るのでマイナスになり、他の部分がプラスになる。このような電気的偏りを分極といい、ＰＶＤＦフイルムを延伸し分子鎖を引き延ばすと分極の方向も並ぶ。すると隣の分子もその分極に影響されて並んでいくので全体の分子が並ぶことになり、このように分極が自発的に並ぶ材料を強誘電性材料という。例えば配向させたＰＶＤＦフイルムに電極を取り付けて曲げるとポリマーの分極の並びも変化するので微弱な電圧が生じ、逆に電圧をかけると引きあい反発することでＰＶＤＦフイルムが曲がる。このように外部からの刺激(この場合電圧)を単純な動きに変える素子をアクチュエータと呼ぶ。ＰＶＤＦの成型方法は押出、射出で特性は耐曲、耐衝撃、軽量、柔軟である。
熱可塑性エラストマーとはプラスチックの仲間で、構造にゴム弾性を持つ一群の材料の呼称であり分子鎖間に架橋は無いが、剛直なハードセグメントが配列している分子鎖を柔軟なソフトセグメントが連結しているものからなり、常温ではゴム弾性を示し高温では可塑化する。熱可塑性エラストマーのポリエステル系(以下ＴＰＥＥ)の成型方法は押出、射出で特性は反発弾性、耐屈曲疲労、耐久性、耐油、耐薬、耐熱である。
熱可塑性プラスチックとは鎖状の高分子から成り立ち、文字どおり熱を加えると柔らかく加工し易くなり冷やすと固くなるプラスチックで、熱可塑性プラスチックにも圧電材料がある。一般的には、ポリフッ化ビニリデン(以下 ＰＶＤＦ)が使用される。フッ素は電子を引っ張るのでマイナスになり、他の部分がプラスになる。このような電気的偏りを分極といい、ＰＶＤＦフイルムを延伸し分子鎖を引き延ばすと分極の方向も並ぶ。すると隣の分子もその分極に影響されて並んでいくので全体の分子が並ぶことになり、このように分極が自発的に並ぶ材料を強誘電性材料という。例えば配向させたＰＶＤＦフイルムに電極を取り付けて曲げるとポリマーの分極の並びも変化するので微弱な電圧が生じ、逆に電圧をかけると引きあい反発することでＰＶＤＦフイルムが曲がる。このように外部からの刺激(この場合電圧)を単純な動きに変える素子をアクチュエータと呼ぶ。ＰＶＤＦの成型方法は押出、射出で特性は耐曲、耐衝撃、軽量、柔軟である。
熱可塑性エラストマーとはプラスチックの仲間で、構造にゴム弾性を持つ一群の材料の呼称であり分子鎖間に架橋は無いが、剛直なハードセグメントが配列している分子鎖を柔軟なソフトセグメントが連結しているものからなり、常温ではゴム弾性を示し高温では可塑化する。熱可塑性エラストマーのポリエステル系(以下ＴＰＥＥ)の成型方法は押出、射出で特性は反発弾性、耐屈曲疲労、耐久性、耐油、耐薬、耐熱である。
以下、本発明に係るプラスチック圧電素子についてその一実施例の形態を、添え付け図面を参照して詳細に説明する。なおプラスチック圧電素子についてその一実施例の形態を説明するために、プラスチック圧電素子を作成するための原材料として、プラスチック圧電材料のフイルムにＰＶＤＦ、緩衝材料のフイルムにＴＰＥＥを使用した。
図１は本発明プラスチック圧電素子１の実施例１の側面図であり、五層に積層して中央に中空の突起(本実施例では半円形のドーム型)２と下部に第四層圧電材料ＰＶＤＦフイルム９の電極３、第二層圧電材料ＰＶＤＦフイルム１３の電極５を備えている。図２は本発明プラスチック圧電素子１の実施例１の平面図であり、中央に中空の突起２と下部に第四層圧電材料ＰＶＤＦフイルム９の電極３、電極４を備えている。図３は本発明プラスチック圧電素子の実施例１の正面図であり、五層に積層して中央に中空の突起２と正面に第四層圧電材料ＰＶＤＦフイルム９の電極３，電極４第二層圧電材料ＰＶＤＦフイルム１３の電極５，電極６を備えている。図４は図３正面図プラスチック圧電素子の分解説明図第五層被覆用緩衝材ＴＰＥＥフイルム７であり、中央に中空の突起を備え図２の平面図におけるプラスチック圧電素子本体１と中央の突起２との外観を共有している。図５は図３正面図プラスチック圧電素子の分解説明図第四層圧電材料ＰＶＤＦフイルム９であり、中央に中空の突起８と電極３、電極４を備えている。図６は図３正面図プラスチック圧電素子の分解説明図第三層緩衝材ＴＰＥＥフイルム１１であり中央に中空の突起１０を備えている。図７は図３正面図プラスチック圧電素子の分解説明図第二層圧電材料ＰＶＤＦフイルム１３であり、中央に中空の突起１２と電極５、電極６を備えている。図８は図３正面図プラスチック圧電素子の分解説明図第一層基盤用緩衝材ＴＰＥＥフイルム１５の断面図であり、中央に中空の突起１４を備えている。図９は図８プラスチック圧電素子の分解説明図第一層基盤用緩衝材ＴＰＥＥフイルム１５と中央の中空の突起１４を一点鎖線１６で切断した断面の側面図である。
図１は本発明プラスチック圧電素子１の実施例１の側面図であり、五層に積層して中央に中空の突起(本実施例では半円形のドーム型)２と下部に第四層圧電材料ＰＶＤＦフイルム９の電極３、第二層圧電材料ＰＶＤＦフイルム１３の電極５を備えている。図２は本発明プラスチック圧電素子１の実施例１の平面図であり、中央に中空の突起２と下部に第四層圧電材料ＰＶＤＦフイルム９の電極３、電極４を備えている。図３は本発明プラスチック圧電素子の実施例１の正面図であり、五層に積層して中央に中空の突起２と正面に第四層圧電材料ＰＶＤＦフイルム９の電極３，電極４第二層圧電材料ＰＶＤＦフイルム１３の電極５，電極６を備えている。図４は図３正面図プラスチック圧電素子の分解説明図第五層被覆用緩衝材ＴＰＥＥフイルム７であり、中央に中空の突起を備え図２の平面図におけるプラスチック圧電素子本体１と中央の突起２との外観を共有している。図５は図３正面図プラスチック圧電素子の分解説明図第四層圧電材料ＰＶＤＦフイルム９であり、中央に中空の突起８と電極３、電極４を備えている。図６は図３正面図プラスチック圧電素子の分解説明図第三層緩衝材ＴＰＥＥフイルム１１であり中央に中空の突起１０を備えている。図７は図３正面図プラスチック圧電素子の分解説明図第二層圧電材料ＰＶＤＦフイルム１３であり、中央に中空の突起１２と電極５、電極６を備えている。図８は図３正面図プラスチック圧電素子の分解説明図第一層基盤用緩衝材ＴＰＥＥフイルム１５の断面図であり、中央に中空の突起１４を備えている。図９は図８プラスチック圧電素子の分解説明図第一層基盤用緩衝材ＴＰＥＥフイルム１５と中央の中空の突起１４を一点鎖線１６で切断した断面の側面図である。
同一の発明の要旨に違反しない範囲で、本発明はさらに別の実施態様が可能である。
図１０で示すのは本発明プラスチック圧電素子の効果的な実施例２である。本発明プラスチック圧電素子の使用にあたり上方からの加圧による曲りや歪みは本発明プラスチック圧電素子に備わったゴム弾性によって復旧するが、本発明プラスチック圧電素子の中央の中空の突起の内側を保護する目的と併せて本発明プラスチック圧電素子の元に戻ろうとする復元力を補助するために反発物(本実施例２ではＴＰＥＥの中空のボール)１７を挿入嵌合した。さらに本発明プラスチック圧電素子二個で反発物１７を上下から挟みこむ形で嵌合した圧電デバイスは、上下両方向からの加圧によるエネルギーを効率よく発電に利用できる。
図１０で示すのは本発明プラスチック圧電素子の効果的な実施例２である。本発明プラスチック圧電素子の使用にあたり上方からの加圧による曲りや歪みは本発明プラスチック圧電素子に備わったゴム弾性によって復旧するが、本発明プラスチック圧電素子の中央の中空の突起の内側を保護する目的と併せて本発明プラスチック圧電素子の元に戻ろうとする復元力を補助するために反発物(本実施例２ではＴＰＥＥの中空のボール)１７を挿入嵌合した。さらに本発明プラスチック圧電素子二個で反発物１７を上下から挟みこむ形で嵌合した圧電デバイスは、上下両方向からの加圧によるエネルギーを効率よく発電に利用できる。
圧力発電用マットや高速道路陸橋の橋桁に敷き詰めた圧電素子の起電力は、上方からの加重によるものが大半を占めるため圧電デバイスの曲りや歪みが少なく発電効率がよくないのでプラスチック圧電素子の改善が期待されている。圧電材料である熱可塑性プラスチックに電極を設けたフイルムを、それぞれ反発弾性を特性とする熱可塑性エラストマーのフイルムで挟み込んだ形で複数層積層し、その一部を中空の突起にしたプラスチック圧電素子を作成して、圧電発電デバイスの圧電アクチュエータとして使用することで、加重加圧による変形 曲り歪みが大きくなり効率的に発電できる。
１ 圧電素子本体
２ 中空の突起
３ 電極
４ 電極
５ 電極
６ 電極
７ 緩衝材ＴＰＥＥフイルム
８ 中空の突起
９ 圧電材料ＰＶＤＦフイルム
１０ 中空の突起
１１ 緩衝材ＴＰＥＥフイルム
１２ 中空の突起
１３ 圧電材料ＰＶＤＦフイルム
１４ 中空の突起
１５ 緩衝材ＴＰＥＥフイルム
１６ 一点鎖線
１７ ＴＰＥＥのボール
２ 中空の突起
３ 電極
４ 電極
５ 電極
６ 電極
７ 緩衝材ＴＰＥＥフイルム
８ 中空の突起
９ 圧電材料ＰＶＤＦフイルム
１０ 中空の突起
１１ 緩衝材ＴＰＥＥフイルム
１２ 中空の突起
１３ 圧電材料ＰＶＤＦフイルム
１４ 中空の突起
１５ 緩衝材ＴＰＥＥフイルム
１６ 一点鎖線
１７ ＴＰＥＥのボール
Claims (6)
- 任意の熱可塑性エラストマーが持つ特性である反発弾性を利用して、圧電材料の熱可塑性プラスチックの反発弾性を強化する目的で、該熱可塑性エラストマーフイルムで圧電材料の熱可塑性プラスチックフイルムの上下を挟み込んで一体型にしたことを特徴とする、圧電プラスチックフイルム
- 任意の熱可塑性エラストマーが持つ特性である反発弾性を利用して、圧電材料の熱可塑性プラスチックの反発弾性を強化する目的で、該熱可塑性エラストマーフイルムと圧電材料の熱可塑性プラスチックフイルムを交互に繰り返し積層して複数層積層の一体型にしたことを特徴とする圧電プラスチックフイルム
- 本発明請求項２の圧電プラスチックフイルムを圧電素子として利用する目的で、交互に繰り返し積層しているフイルムの中で、全ての圧電材料の熱可塑性プラスチックフイルムに電極を設けて作成したことを特徴とするプラスチック圧電素子
- 本発明請求項３のプラスチック圧電素子に外部からの加圧による該プラスチック圧電素子の変形を大きくする目的で、任意に中空の突起を設けたことを特徴とするプラスチック圧電素子
- 本発明請求項４のプラスチック圧電素子の中空の突起の内部に、該プラスチック圧電素子の反発弾性を強化する目的で、反発性の詰め物を嵌合したことを特徴とする圧電デバイス
- 本発明請求項４のプラスチック圧電素子二個使用し中空の突起の内部を向い合せにして、該プラスチック圧電素子二個の反発弾性それぞれを強化する目的で、反発性の詰め物を嵌合したことを特徴とする圧電デバイス
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|---|---|---|---|---|
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| JP2008160045A (ja) * | 2006-11-30 | 2008-07-10 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 可撓性感圧体とそれを用いた圧電素子およびその製造方法 |
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| JP2011233563A (ja) * | 2010-04-23 | 2011-11-17 | Bridgestone Corp | 圧電発電装置及び防振装置 |
-
2012
- 2012-11-06 JP JP2012244255A patent/JP6163624B2/ja active Active
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