WO2013122110A1 - 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

Abstract

本発明の課題は、比較的簡易な構造で製造が容易であるとともに大きな圧電効果を得ることのできる圧電素子を提供することにある。本発明の圧電素子は、エラストマー製の誘電層（１２０）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（１１０）とを有する複数の帯状の可撓性シート（１００）を備え、複数の可撓性シート（１００）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。複数の可撓性シート（１００）のうち少なくとも一つの可撓性シート（１００）が、電極層（１１０）の表面側及び裏面側に積層される一対の上記誘電層（１２０）を備えることが好ましい。一対の上記可撓性シート（１００）が、略直角に交差して重ねあわされていることが好ましい。可撓性シート（１００）の積層数は１０層以上１００００層以下であることが好ましい。

Description

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

　本発明は、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に関する。

　従来、アクチュエータとして、伸縮性を有する一対の電極層によってエラストマー製の誘電層をサンドした構造のものが公知である。このアクチュエータは、電極層に電圧を印加させると、電極層間の電界によってエラストマー製の誘電層が面方向に伸長するものである。つまり、このアクチュエータは、電圧無印加状態で収縮し、電圧印加状態で伸長する伸長型アクチュエータであり、通常時に伸長状態で必要に応じて収縮させたい部位に用いる場合には、常時電極層に電圧を印加しておく必要がある。このような伸長型アクチュエータにあっては、常時原型状態ではなく変形状態にあるので、電極層及びエラストマー製の誘電層の劣化が生じやすく、また電極層に常時電圧が印加されているのでこの電圧が周囲に悪影響を及ぼさないよう配慮する必要があるとともに上記電気エネルギーをロスするので、結果的にコスト高を招くという不都合を有する。

　また、伸縮性を有する複数の第一電極層及び第二電極層を交互に所定間隔をもって配設し、この第一電極層と第二電極層との間にエラストマー製の誘電層を配設した収縮型のアクチュエータも公知である（特開２０１１－１０３７１３号公報参照）。この収縮型のアクチュエータは、第一電極層と第二電極層とに電圧を印加すると、各エラストマー製の誘電層が平面方向に伸長することで、積層厚方向に収縮するものである。しかし、このような構造の収縮型のアクチュエータは、複数の第一電極層及び第二電極層をそれぞれ電気的に接続する必要があり、その配線構造が複雑である。特に、収縮量及び収縮力を増加させるためには、多数の電極層を積層する必要があり、この場合には配線構造がより複雑化してしまい、電気的接続の不備や製品としての欠陥が生ずるおそれがある。

　なお、剛性を有する板状部材によって電極テープを保持させて、一対の電極テープを交差して重ね合せるとともに複数の板状部材を一定の隙間（空気層）を有するように積層したアクチュエータも公知である（特開２０１０－５７３２１号公報参照）。このアクチュエータは、板状部材、一方の電極テープ、板状部材、空気層（隙間）、板状部材、他方の電極テープ、板状部材、空気層と順次積層された構造からなる。このアクチュエータは、一対の電極テープに電圧を印加することで、静電力により電極テープ同士が近接する方向に力が作用する。そして、この力により板状部材間の隙間が狭くなって、全体として積層厚方向に収縮する。しかしながら、このアクチュエータにあっては、収縮を許容するために板状部材間に隙間（空気層）が必要であるが、この隙間の存在によって電極テープ同士の間隔が広くなるので電極テープに作用する静電力が小さくなる。つまり、このアクチュエータは、収縮量を大きくするために隙間を大きくすると収縮力が小さくなり、逆に収縮力を大きくするために隙間を小さくすると、収縮量が小さくなるという不都合を有している。また、板状部材間に隙間が存在するため、板状部材を積層厚方向に移動可能に保持する機構が必要となり、的確に力を取り出すためにはその機構の精密さが要求され、製品コストの増大を招くおそれもある。

　また、発電素子として、伸縮性を有する一対の電極層によってエラストマー製の誘電層をサンドしたシート構造のものが公知である（特表２００３－５０５８６５号公報及び特開２０１０－２６３７５０号公報参照）。この発電素子は、平面方向に伸長させ、その後復元（収縮）させる一連の変形（伸長収縮）によって生ずる静電容量の変化を利用して発電するものである。この発電素子の一回の伸長及び収縮による発電量Ｊは、以下の式（１）で表される。
Ｊ＝（１／２）×Ｃ１×Ｖ１^２×（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。

　上記静電容量Ｃは、以下の式（２）で表される。
Ｃ＝ε_０×ε×Ａ／ｔ＝ε_０×ε×ｂ／ｔ^２・・・式（２）
ここで、ε_０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。

　また、伸長状態での静電容量Ｃ１及び収縮状態での静電容量Ｃ２は式（３）及び式（４）で表される。
Ｃ１＝ε_０×ε×Ａ１／ｔ１＝ε_０×ε×ｂ１／ｔ１^２・・・式（３）
Ｃ２＝ε_０×ε×Ａ２／ｔ２＝ε_０×ε×ｂ２／ｔ２^２・・・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。

　なお、ポアソン比が０．５のエラストマーの理想状態では、伸長状態の体積と収縮状態の体積は一定であり（ｂ１＝ｂ２）、静電容量は厚みｔの二乗に反比例することになる。このため、伸長状態での静電容量Ｃ１及び収縮状態での静電容量Ｃ２は式（５）の関係を満たす。
Ｃ１／Ｃ２＝ｔ２^２／ｔ１^２・・・式（５）

　この式（５）及び式（３）によって式（１）は以下の式（６）のように書き直すことができる。
Ｊ＝（１／２）×ε_０×ε×Ａ１／ｔ１×Ｖ１^２×（ｔ２^２／ｔ１^２－１）・・・式（６）

　この式（６）においてε、Ａ１、ｔ１は初期状態で一定であるとすると、発電量Ｊは、バイアス電圧Ｖ１の二乗、及び厚み比ｔ２／ｔ１の二乗に比例する。

　これらのことから、一回の伸長及び収縮による発電量Ｊを大きくするためには、以下のＡ～Ｃの手法が考えられる。
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。

　しかし、上記従来の発電素子にあっては、一対の電極しか有さないので、上記Ａ～Ｃのような手法をとったとしても十分な発電量が得られない。また、伸長するためには発電素子のシート状の端部を把持する部材が必要であり、この把持部分に応力が集中してしまい、電極層等の破損を招くおそれがある。

　なお、特開２０１０－２６３７５０号公報には、シートを筒状にした例が開示されているが、この筒状のシートを軸心方向に伸長した際に、中央部分の電極層間の距離が短くなり、結果として絶縁破壊の発生を的確に防止できない。

　また、特開２０１０－２６３７５０号公報には、既述のような一対の電極層とエラストマー製の誘電層との三層構造のシートに、さらに他のエラストマー製の誘電層と他の電極層とを積層した発電デバイスも開示されている。この場合、電極層が三層形成されることになるが、例えば表面側の電極層及び裏面側の電極層に、中央の電極層と異なる極の電位を与えるよう電気的接続がなされることになる。このため、仮に発電量を大きくするために電極層及びエラストマー製の誘電層の層を多数にした場合には、その電気的接続（配線）が困難となる。

特開２０１１－１０３７１３号公報 特開２０１０－５７３２１号公報 特表２００３－５０５８６５号公報 特開２０１０－２６３７５０号公報

　本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであり、本発明の課題は、比較的簡易な構造で製造が容易であるとともに高い圧電効果（アクチュエータ素子としては大きな収縮力、また発電素子としては大きい発電量）を得ることのできる圧電素子を提供することを課題とする。また、本発明の課題は、上記のような圧電素子を容易に製造することのできる可撓性シートを提供することにある。

　本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、本発明に係る圧電素子は、
　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。

　当該圧電素子は、一の可撓性シートの電極層の一方の面にエラストマー製の誘電層を介して他の可撓性シートの電極層が積層され、この他の可撓性シートの電極層の一方の面にエラストマー製の誘電層を介して折り返された上記一の可撓性シートの電極層が積層される構造となる。

　このため、当該圧電素子を例えばアクチュエータ素子として用いた場合、各可撓性シートにそれぞれ電圧を印加する（以下、電圧印加状態ということがある）ことによって、電極層間に静電力が発生する。そして、この静電力によって、誘電層及び電極層が平面方向に伸長し、可撓性シートが層厚方向に収縮する。このため、電圧印加状態において収縮状態とすることができる。また、印加している電圧をなくすと、誘電層及び電極層が平面方向に収縮し、可撓性シートが層厚方向に伸長する（以下、電圧無印加状態ということがある）。このため、電圧無印加状態において伸長状態とすることができる。

　一方、当該圧電素子を例えば発電素子として用いた場合、上記電極層及びエラストマー製の誘電層の積層された積層部分に負荷がかけられ、層厚方向に圧縮されると、誘電層及び電極層が平面方向に伸長する。そして、上記積層部分にかけられていた負荷が除かれると、エラストマー製の誘電層の弾性復元力によって復元し、つまり積層部分が層厚方向に伸長する。この積層部分の圧縮・伸長に伴っ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。また、当該発電素子は、上述のように可撓性シートの積層部分を圧縮・伸長することによって発電するものであるので、従来の伸長・収縮によって発電するものと異なり、可撓性シートを把持する必要性がなく、可撓性シートが劣化し難い。また、従来の伸長・収縮させる発電デバイスと比較して、圧縮時における電極層間の距離が平面方向一定になり易く、絶縁破壊が起こりにくい。当該発電素子は、上述のような構造からなり少なくとも四層の電極層が積層された構造であるため、従来の発電デバイスに比べて発電量を大きくすることが可能である。

　また、当該圧電素子は、上記のように複数の可撓性シートを交差して重ね合せ交互に蛇腹状に折り畳む簡易な構成であるため、容易に製造することが可能である。特に、電極層を有する可撓性シートが折り畳まれ、一つの電極層によって複数の電極が構成されることになるため、従来のアクチュエータ素子及び発電素子のように電極ごとの配線が不要であり、配線構造が簡易である。

　さらに、当該圧電素子は、複数の可撓性シートが重ねあわされた構造であり、板状部材間に隙間を有する従来のアクチュエータ素子に比べて、構造が容易であるとともに、電極層間にエラストマー製の誘電層が介在されるので当該圧電素子をアクチュエータ素子として用いた場合に電極層間に作用する静電力が大きくなり、収縮力が大きい。

　上述のように当該圧電素子をアクチュエータ素子として用いた場合、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、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ことが好ましい。これにより、この電極層が一対のエラストマー製の誘電層に挟まれた構造の可撓性シート（以下、サンドイッチ構造型可撓性シートということがある）を蛇腹状に折り畳むことによって、このサンドイッチ構造型可撓性シートの電極層と、他の可撓性シートの電極層との間にはサンドイッチ構造型可撓性シートのエラストマー製の誘電層が必ず介在することになる。

　また、当該アクチュエータ素子にあっては、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ことが好ましい。つまり、当該アクチュエータ素子にあっては、一対の可撓性シートが例えば６０°に交差して重ね合せたものとすることも可能であるが、この場合には一対の可撓性シートの重ねあわされる面積が小さくなってしまう。これに対して、一対の可撓性シートを略直角に交差して重ね合せることによって、一対の可撓性シートの重ね合わされる面積を大きくすることができ、エラストマー製の誘電層が変形する領域が広くなる。なお、一対の可撓性シートの交差角度は、一対の可撓性シートの中心線同士のなす角度を意味し、略直角とは、８０°以上、好ましくは８５°以上である。

　当該アクチュエータ素子は、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ことが好ましい。つまり、当該アクチュエータ素子は、一対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４層構造（各可撓性シートが２層ずつ）とすることも可能であるが、この４層構造では十分な収縮量が得られないおそれがある。これに対して、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（各可撓性シートが５層以上５０００層以下で重畳されている）ことにより、十分な収縮量が得られる。

　当該アクチュエータ素子は、エラストマー製の誘電層の平均厚みが１０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。これにより、エラストマー製の誘電層が的確に平面方向に伸長（層厚方向に収縮）することができる。

　当該アクチュエータ素子は、電極層の平均厚みが、エラストマー製の誘電層の平均厚みの１／１０以下であることが好ましい。これにより、電極層に対するエラストマー製の誘電層の割合（層厚）を大きくすることができ、エラストマー製の誘電層が的確に平面方向に伸長（層厚方向に収縮）することができる。

　また、本発明に係るアクチュエータは、上記構成からなる当該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。

　当該アクチュエータは、各可撓性シートにそれぞれ電圧を印加することによって、アクチュエータ素子が層厚方向に収縮し、第一剛性部材と第二剛性部材との距離を縮めることができる。

　また、当該アクチュエータは、複数の上記アク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ことが好ましい。これにより、第一剛性部材と第二剛性部材との距離を複数のアクチュエータ素子によって縮めることが可能であるとともに、一方のアクチュエータ素子のみを収縮状態とすることによって第一剛性部材と第二剛性部材とを傾斜状態とすることも可能である。

　上述のように当該圧電素子をアクチュエータ素子として用いた場合、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、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ことが好ましい。これにより、このサンドイッチ構造型可撓性シートを蛇腹状に折り畳むことによって、このサンドイッチ構造型可撓性シートの電極層と、他の可撓性シートの電極層との間にはサンドイッチ構造型可撓性シートのエラストマー製の誘電層が必ず介在することになる。

　また、当該発電素子にあっては、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ことが好ましい。つまり、当該発電素子にあっては、一対の可撓性シートが例えば６０°に交差して重ねあわせたものとすることも可能であるが、この場合には一対の可撓性シートの重ねあわされる面積が小さくなってしまう。これに対して、一対の可撓性シートを略直角に交差して重ねあわせることによって、一対の可撓性シートの重ねあわされる面積を大きくすることができ、静電容量が大きくなり、発電量を大きくすることができる。

　当該発電素子は、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ことが好ましい。つまり、当該発電素子は、一対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４層構造（各可撓性シートが２層ずつ）とすることも可能であるが、この４層構造では十分な発電量が得られないおそれがある。これに対して、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（各可撓性シートが５層以上５０００層以下で重畳されている）ことにより、十分な発電量が得られる。

　当該発電素子は、エラストマー製の誘電層の平均厚みが１０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。これにより、エラストマー製の誘電層を的確に平面方向に伸長（層厚方向に圧縮）させることができる。

　当該発電素子は、電極層の平均厚みが、エラストマー製の誘電層の平均厚みの１／１０以下であることが好ましい。これにより、電極層に対するエラストマー製の誘電層の割合（層厚）を大きくすることができ、エラストマー製の誘電層を的確に平面方向に伸長（層厚方向に圧縮）させることができる。

　また、本発明に係る発電デバイスは、上記構成からなる当該発電素子と、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。

　当該発電デバイスは、各可撓性シートにそれぞれ電圧を印加することによって、発電素子が層厚方向に収縮し、第一剛性部材と第二剛性部材との距離を縮めることができる。

　また、当該発電デバイスは、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ことが好ましい。これにより、第一剛性部材と第二剛性部材との距離を複数の発電素子によって縮めることが可能であるとともに、一方の発電素子のみを収縮状態とすることによって第一剛性部材と第二剛性部材とを傾斜状態とすることも可能である。

　また、本発明に係る可撓性シートは、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。

　当該可撓性シートによれば、例えば他の帯状の可撓性シートと交差して重ねあわせ、交互に蛇腹状に折り畳むことによって、既述の利点を奏する当該圧電素子を製造することができる。

　なお、「エラストマー製の誘電層の平均厚み」及び「電極層の平均厚み」とは、電極層に電圧をかけない電圧無印加状態で、かつ上記積層部分に負荷をかけていない（圧縮していない）無負荷状態の厚みを意味する。

　以上説明したように、本発明に係る圧電素子は、比較的簡易な構造で製造が容易であるとともに大きな圧電効果を得ることができる。また、本発明に係る可撓性シートは、上記利点を有する圧電素子を備えつつ、容易に製造することができる。

図１は、本発明の第一実施形態のアクチュエータの一部省略した概略的正面図である。 図２は、図１のアクチュエータのアクチュエータ素子の概略的平面図である。 図３は、図２のアクチュエータ素子の可撓性シートの説明図で、（Ａ）は要部を拡大した概略的側面図で、（Ｂ）は概略的正面断面図である。 図４は、図２のアクチュエータ素子における一対の可撓性シートの関係を説明するための概略的正面端面図である。 図５は、本発明の他の実施形態のアクチュエータの概略的正面図（アクチュエータの具体的構造の図示は省略）である。 図６は、本発明の他の実施形態のアクチュエータの概略的正面図（アクチュエータの具体的構造の図示は省略）である。 図７は、本発明の他の実施形態の可撓性シートの要部を拡大した概略的正面断面図である。 図８は、本発明の他の実施形態のアクチュエータ素子の概略的正面図である。 図９は、本発明の他の実施形態のアクチュエータ素子の概略的正面図である。 図１０は、本発明のアクチュエータの実施例の印加電圧と収縮率との関係を示すグラフである。 図１１は、本発明の第二実施形態の発電デバイスの一部省略した概略的正面図である。 図１２は、図１１の発電デバイスの発電素子の概略的平面図である。 図１３は、図１２の発電素子における一対の可撓性シートの関係を説明するための概略的正面端面図である。 図１４は、本発明の他の実施形態の発電デバイスの概略的正面図（発電デバイスの具体的構造の図示は省略）である。 図１５は、本発明の他の実施形態の発電デバイスの概略的正面図（発電デバイスの具体的構造の図示は省略）である。 図１６は、本発明の発電デバイスの実施例の圧縮率及びバイアス電圧と発生エネルギーとの関係を示す表である。

　以下、本発明の実施の形態について、図面を参酌しつつ説明する。

[第一実施形態]
　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。

＜アクチュエータ１＞
　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。

　上記アクチュエータ素子１０は、図２に示すように電極層１１０及びエラストマー製の誘電層１２０を有する複数の可撓性シート１００を有しており、この電極層１１０は可撓性シート１００の端部から突設された接続部１１１を有している。そして、当該アクチュエータ１は、図１に示すように電極層１１０に電気的に接続される制御回路４０を有している。なお、電極層１１０は制御回路４０を介して電圧が印加される。

＜アクチュエータ素子１０＞
　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。

　また、一対の可撓性シート１００は、１０層以上１００００層以下で重畳されていることが好ましく３０層以上１０００層以下で重畳されていることがより好ましく、５０層以上１００層以下で重畳されていることがさらに好ましい。上記下限値未満であると、アクチュエータ素子１０の高さが低く十分な収縮量が得られないおそれがある。上記上限値を超えると、可撓性シート１００の長さが長くなり過ぎ、可撓性シート１００に欠陥を生ずるおそれがあり、この欠陥によって絶縁破壊が生ずるおそれがある。

＜可撓性シート１００＞
　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、平均厚みが２０μｍ以上２００μｍ以下であることが好ましく、４０μｍ以上１４０μｍ以下であることがより好ましい。また、当該可撓性シート１００の幅（短手方向の長さ）は、用いられるアクチュエータ１の用途等に応じて適宜設計変更可能であり、例えば１ｃｍとすることが可能である。さらに、当該可撓性シート１００の長さ（長手方向の長さ）は、重畳する回数やシートの幅等により適宜設計変更可能であるが、例えば８０ｃｍとすることが可能である。

　上記誘電層１２０は、弾性変形可能な層である。このエラストマー製の誘電層１２０は、天然ゴム、イソプレンゴム、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、スチレン・ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、ブタジエンゴム（ＢＲ）、クロロブレンゴム（ＣＲ）、シリコーンゴム、フッ素ゴム、アクリルゴム、水素添加ニトリルゴム、ウレタンゴム等から構成することが可能である。なお、エラストマー製の誘電層１２０としては、高い絶縁強度を有し、吸湿性も少ない疎水性ゴム（例えば、天然ゴム、イソプレンゴム、エチレンプロビレンゴム、ブタジエンゴム、シリコーンゴム、アクリルゴム等）から構成することが好ましい。特に、弾性圧縮率を小さくしても圧縮変形ひずみが大きくなり過ぎないように、上記誘電層１２０は、ポリロタキタン構造を有するエラストマー、特に疎水性のポリロタキサン構造を有するエラストマーであることが好ましい。

　上記誘電層１２０は、他のエラストマー製の誘電層１２０と略同一厚みで形成されている。なお、略同一厚みとは、一方のエラストマー製の誘電層１２０の平均厚みに対する他方のエラストマー製の誘電層１２０の平均厚みの比が０．９５以上１．０５以下であることを意味する。

　このエラストマー製の誘電層１２０（一層）の平均厚み（Ｔ１）は、１０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましく、２０μｍ以上７０μｍ以下であることがより好ましく、３０μｍ以上５０μｍ以下であることが特に好ましい。上記下限値未満であると、エラストマー製の誘電層１２０が薄くなり過ぎ、エラストマー製の誘電層１２０が絶縁破壊するおそれが生ずるとともに、アクチュエータ素子１０の高さ（積層厚方向の長さ）を十分なものとするために当該可撓性シート１００の積層数が多くなり過ぎ、製造コストの増大を招くおそれがある。一方、上記上限値を超えると、重ね合せてアクチュエータ１として利用した際に電極同士の間が離間し過ぎ、静電容量が小さくなり、収縮力が小さくなるおそれがある。

　また、エラストマー製の誘電層１２０は、圧縮弾性率が、０．１ＭＰａ以上１．５ＭＰａ以下であることが好ましく、０．３ＭＰａ以上０．７ＭＰａ以下であることがより好ましい。上記下限値未満であると、エラストマー製の誘電層１２０が軟らかすぎ、圧縮変形ひずみが大きくなり過ぎるおそれがある。一方、上記上限値を超えると、エラストマー製の誘電層１２０が硬すぎ、層厚方向に収縮し難いおそれがある。上記圧縮弾性率は、ＪＩＳ－Ｋ６２５４の低変形圧縮試験に準拠して、１０％歪を与えた場合の圧縮弾性率である。

　さらに、エラストマー製の誘電層１２０の比誘電率は、２以上９以下が好ましく、３以上８以下がより好ましく、４以上７以下がさらに好ましい。上記下限値未満であると、静電容量が小さくなり、アクチュエータ１として利用した際に十分な収縮力が得られないおそれがある。一方、比誘電率が上記上限値を超えると、誘電性フィラーを大量に添加する必要がありエラストマー製の誘電層が硬くなり変形しにくくなる。

　また、エラストマー製の誘電層１２０は他のエラストマー製の誘電層１２０と略同一幅で形成されている。なお、略同一幅とは、一方のエラストマー製の誘電層１２０の幅に対する他方のエラストマー製の誘電層１２０の幅の比が０．９５以上１．０５以下であることを意味する。このエラストマー製の誘電層１２０の幅（Ｗ１）は、用いられるアクチュエータ１の用途等に応じて適宜設計変更可能であり、例えば１ｃｍとすることが可能である。

　上記電極層１１０は、上記誘電層１２０の伸縮に追従可能な伸縮性を有するエラストマー製の導電層から構成することが好ましい。このエラストマー製の導電層は、エラストマーに導電性フィラーが含有されている。ここで、導電層のエラストマーとしては、エラストマー製の誘電層１２０と接着可能なものが好適に用いられ、例えばエラストマー製の誘電層１２０と同様の素材のものを用いることが可能である。

　また、電極層１１０はエラストマー製の誘電層１２０よりも薄く設けられ、電極層１１０の平均厚み（Ｔ２）は、エラストマー製の誘電層１２０（一層）の平均厚み（Ｔ１）の１／３０以上１／１０以下であることが好ましく、１／２０以上１／１５以下であることがより好ましい。上記上限値を超えると、アクチュエータ素子１０における電極層１１０の割合（層厚）が大きくなり、エラストマー製の誘電層１２０の割合が小さくなるので、アクチュエータ素子１０が十分に収縮できないおそれがある。一方、上記下限値未満であると、エラストマー製の導電層が薄くなり過ぎ、電極層１１０の抵抗値が大きくなるおそれがある。

　また、電極層１１０の平均厚み（Ｔ２）は、５０ｎｍ以上５０μｍ以下であることが好ましく、１μｍ以上１０μｍ以下であることがより好ましい。上記上限値を超えると、アクチュエータ素子１０における電極層１１０の割合（層厚）が大きくなり、エラストマー製の誘電層１２０の割合が小さくなるので、アクチュエータ素子１０が十分に収縮できないおそれがある。一方、上記下限値未満であると、エラストマー製の導電層が薄くなり過ぎ、電極層１１０の抵抗値が大きくなるおそれがある。

　さらに、電極層１１０は、圧縮弾性率が、０．１ＭＰａ以上１．５ＭＰａ以下であることが好ましく、０．３ＭＰａ以上０．７ＭＰａ以下であることがより好ましい。上記下限値未満であると、電極層１１０が軟らかすぎ、圧縮変形ひずみが大きくなり過ぎるおそれがある。一方、上記上限値を超えると、電極層１１０が硬すぎ、当該可撓性シート１００が変形しにくくなり、変形させるためには高い電圧を印加する必要が生じ、この高い電圧によってエラストマー製の誘電層１２０の絶縁破壊を招くおそれがある。

　また、電極層１１０は、エラストマー製の誘電層１２０よりも幅狭に形成されている。つまり、エラストマー製の誘電層１２０は、電極層１１０よりも外側に延出した袖部１２１を有しており、電極層１１０の端面での短絡等を防止している。ここで、この袖部１２１の幅（Ｗ３＝（Ｗ１－Ｗ２）／２）は、電極層１１０の平均厚み（Ｔ２）に対して５倍以上１００倍以下であることが好ましく、１０倍以上５０倍以下であることがより好ましい。また、袖部１２１の幅は、エラストマー製の誘電層１２０の幅（Ｗ１）に対して１／１００倍以上１／２０倍以下であることが好ましく、１／５０倍以上1／３０倍以下であることがより好ましい。上記下限値未満であると短絡防止効果が十分に得られないおそれがある。一方、上記上限値を超えると、電極層１１０の幅が狭くなり、平面視電極が重なっている領域の面積が狭くなり、十分な収縮力が得られないおそれがある。

　さらに、電極層１１０は、可撓性シート１００の両端部において、エラストマー製の誘電層１２０よりも突出した上記接続部１１１を有し、当該アクチュエータ素子１０は、この接続部１１１を介して他の部材（制御回路４０）と電気的に接続されている。なお、この両端部の接続部１１１がアクチュエータ素子１０の同一の側（図１では右側）となるよう、可撓性シート１００は奇数回折り返されていることが好ましい。

　さらに、上記電極層１１０の導電性フィラーとしては、種々のものが採用可能であり、例えば導電性カーボンブラック、カーボンナノチューブ（単層カーボンナノチューブ又は多層カーボンナノチューブ）、導電性金属フィラー等を採用可能である。特に、電極層１１０の導電性フィラーとしては、伸縮によっても通電性が維持されることを考慮すると、アスペクト比の大きいカーボンナノチューブを採用することが好ましい。

＜当該可撓性シート１００の製造方法＞
　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。

　まず、印刷やコーティング等の手法によってエラストマー製の誘電層形成材料を層状にして、このエラストマー製の誘電層形成材料を乾燥させてエラストマー製の誘電層１２０を形成する。なお、エラストマー製の誘電層１２０の形成は、押出し成形法等によって形成することも可能である。

　エラストマー製の誘電層１２０の表面に、印刷やコーティング等の手段によって導電性フィラーが分散された電極層形成材料を積層し、この積層された電極層形成材料の表面に他のエラストマー製の誘電層１２０を積層し、この電極層形成材料を乾燥させることによって、三層構造の可撓性シート１００が形成される。なお、導電性フィラーを電極層形成材料中で分散させる手法は、固層分散であっても液相分散であっても良い。

＜利点＞
　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＝ε_０×ε×Ｅ^２
Ｅ＝Ｖ／（Ｔ１＋Ｔ１）
ここで、ε_０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。

　一方、印加している電圧をなくすと、エラストマー製の誘電層１２０が平面方向に収縮し、可撓性シート１００が層厚方向に伸長する。つまり、エラストマー製の誘電層１２０が復元する。

　このように、電圧無印加状態において伸長状態とし、電圧印加状態において収縮状態とすることができる。

　当該アクチュエータ１は、上記のように一対の可撓性シート１００を交差して重ね合せ交互に蛇腹状に折り畳む簡易な構成であるため、容易に製造することが可能である。特に、電極層１１０を有する可撓性シート１００が折り畳まれ、一つの電極層１１０によって複数の電極が構成されることになるため、従来のアクチュエータ素子１０のように電極ごとの配線が不要であり、配線構造が簡易である。

　さらに、当該アクチュエータ１は、複数の可撓性シート１００が重ねあわされた構造であり、板状部材間に隙間を有する従来のものに比べて、構造が容易であるとともに、電極層１１０間にエラストマー製の誘電層１２０が介在されるので電極層１１０間に作用する静電力が大きくなり、収縮力が大きい。

　しかも、当該アクチュエータ１は、電極層１１０の表面側及び裏面側に一対のエラストマー製の誘電層１２０が積層された三層構造の可撓性シート１００を用いるため、この可撓性シート１００を蛇腹状に折り畳むことによって、一対の可撓性シート１００の電極層１１０同士の間には可撓性シート１００のエラストマー製の誘電層１２０が必ず介在し、容易に製造することができる。

　また、当該アクチュエータ１は、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ているので、一対の可撓性シート１００の重ね合わされる面積を大きくすることができ、エラストマー製の誘電層１２０が変形する領域が広くなり、収縮量及び収縮力が大きい。

＜当該アクチュエータ、アクチュエータ素子及び可撓性シートの変形例（他実施形態）＞
　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。

　つまり、上記実施形態のアクチュエータは一つのアクチュエータを備えるものについて説明したが、複数のアクチュエータ素子１０，１０を備えることも適宜設計変更可能である。具体的には、図５に示すように、第一剛性部材２０が、複数（図示例では２つ）のアクチュエータ素子１０，１０の一面側（上面側）に接合され、第二剛性部材３０が、上記複数のアクチュエータ素子１０，１０の他面側（下面側）に接合されている構成を採用可能である。さらに、図６に示すように、互いに平行に配された第一剛性部材２０、第二剛性部材３０及び第三剛性部材５０を有し、この第一剛性部材２０と第二剛性部材３０との間及び第一剛性部材２０と第三剛性部材５０との間のそれぞれにアクチュエータ素子１０，１０が配設された構成を採用することも可能である。

　また、上記実施形態においては、一対のエラストマー製の誘電層１２０が同一幅のものについて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、一対のエラストマー製の誘電層１２０の幅が異なるものも本発明の意図する範囲内である。さらに、この場合にあっても、一対のエラストマー製の誘電層１２０の少なくとも一方が、電極層１１０よりも幅広に設けられ、電極層１１０よりも外側に延出した袖部１２１を有することが好ましい。具体的には、例えば図７に示すように、電極層１１０の一方の面のエラストマー製の誘電層１２０の幅が電極層１１０と同一幅で、電極層１１０の他方の面のエラストマー製の誘電層１２０の幅が電極層１１０よりも幅広で袖部１２１が形成された構成を採用することも可能である。なお、この可撓性シート１００を製造する場合には、幅広のエラストマー製の誘電層１２０の表面に電極層１１０形成材料を積層し、この積層された電極層１１０形成材料を乾燥させて電極層１１０を形成し、次いで電極層１１０の表面にエラストマー製の誘電層１２０形成材料を積層し、この積層されたエラストマー製の誘電層１２０形成材料を乾燥させて同一幅のエラストマー製の誘電層１２０を形成する製造方法を採用することが可能である。

　また、上記実施形態においては、一対のエラストマー製の誘電層１２０が同一厚みのものについて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、一対のエラストマー製の誘電層１２０の厚みが異なるものも本発明に係る可撓性シート１００の意図する範囲内である。なお、この場合には、一対の上記誘電層１２０の平均厚みの合計は、２０μｍ以上２００μｍ以下であることが好ましく、４０μｍ以上１４０μｍ以下であることがより好ましく、６０μｍ以上１００μｍ以下であることが特に好ましい。上記下限値未満であると、エラストマー製の誘電層１２０が薄くなり過ぎ、エラストマー製の誘電層１２０が絶縁破壊するおそれが生ずるとともに、アクチュエータ素子１０の高さ（積層方向の長さ）を十分なものとするために当該可撓性シート１００の積層数が多くなり過ぎ、製造コストの増大を招くおそれがある。一方、上記上限値を超えると、重ねあわせた際に電極同士の間が離間し過ぎ、静電容量が小さくなり、収縮力が小さくなるおそれがある。

　さらに、上記実施形態においては、可撓性シート１００が多層に積層された例について説明したが、本発明に係るアクチュエータ素子１０にあっては、図８に示すように一対の可撓性シート１００が一回折り返されて、交差して重ねあわされ交互に蛇腹状に折り畳まれ、全体として四層の可撓性シート１００を有するアクチュエータ素子１０を採用することも可能である。

　また、上記実施形態においては、可撓性シート１００として三層構造のものについて説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、本発明に係るアクチュエータ素子１０として、図８に示すように電極層１１０とエラストマー製の誘電層１２０との二層構造の可撓性シート１００を用いることも可能である。この図８のアクチュエータ素子１０は、各可撓性シート１００が一回折り返され、電極層１１０同士が接触しないように重ねあわされ交互に蛇腹状に折り畳まれた構造を有している。但し、当該可撓性シートにあっては、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有する三層以上の構造であることが好ましく、これにより電極層同士の短絡を容易に防止でき、アクチュエータ素子の製造が容易となる。

　さらに、当該可撓性シート１００として四層以上の構造を有するものを採用することも可能である。具体的には、図９に示すように、電極層１１０、エラストマー製の誘電層１２０、電極層１１０、エラストマー製の誘電層１２０、電極層１１０がこの順で積層された五層構造の可撓性シート１００を採用することも可能である。但し、当該可撓性シートは、最外層（最表面及び最裏面）にエラストマー製の誘電層が配設されることが好ましく、これにより電極層の短絡を的確に防止することができる。

　また、上記実施形態においては、一対の可撓性シート１００が同一構造を有するものについて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、既述の図９に示すように一対の可撓性シート１００が異なる構造の可撓性シート１００を用いることも適宜設計変更可能である。

　さらに、上記実施形態では、可撓性シート１００が、アクチュエータ素子１０に用いられるアクチュエータ素子用可撓性シート１００を例にとり説明したが、本発明に係る可撓性シート１００はこれに限定されるものではない。つまり、本発明に係る可撓性シート１００は、例えば後述する第二実施形態のように例えば発電素子等に用いることも可能である。

　さらに、上記実施形態においては、一対の可撓性シート１００を折り畳んだものについて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば二対の可撓性シートを折り畳んだアクチュエータ素子を採用することも可能であり、具体的には各可撓性シートを略４５°で交差させて重ね合せ、交互に蛇腹状に折り畳んだアクチュエータ素子を採用することも可能である。

　また、上記実施形態においては、一対の可撓性シート１００として同一構成のものを用い、可撓性シート１００の表裏一対のエラストマー製の誘電層１２０を有するものについて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、異なる構成の可撓性シートを採用したり、表裏のエラストマー製の誘電層が異なる構成の可撓性シートを用いたりすることも適宜設計変更可能である。但し、一対の可撓性シートの最外面が同一素材で且つ自己粘着性を有する層から構成されることが好ましく、これにより接着剤を用いることなく積層構造のアクチュエータ素子の形態が維持されやすい。

　以下、実施例によって当該発明をさらに具体的に説明するが、当該発明は以下の実施例に限定されるものではない。

　［実施例］
　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。

　上記誘電層は、商品名エスプレン（住友化学株式会社製）１００質量部に、可塑剤を３０質量部添加し、さらに誘電性フィラーとして平均粒径０．５μｍのチタン酸バリウムを全体の体積に対して２５容量％となるよう添加した形成材料によって形成した。また、上記電極層は、商品名エスプレン（住友化学株式会社製）１００質量部に、可塑剤を３０質量部添加し、さらに導電性フィラーとしてカーボンナノチューブを全体の体積に対して２．８容量％となるよう添加した形成材料によって形成した。なお、エラストマー製の誘電層及び電極層はそれぞれ架橋して使用している。

　上記誘電層の比誘電率は、６．５であった。

　上記誘電層を、ＪＩＳ－Ｋ６２５３に準拠して、タイプＡデュロメータを用いて、２０℃において測定したところ（ｎ＝３で測定しその平均値を算出）、硬度（デュロＡ）は６度であった。また、上記誘電層を、ＪＩＳ－Ｋ７３１２「タイプＣ硬さ試験」に準拠して、タイプＣデュロメータを用いて、２０℃において測定したところ硬度（デュロＣ）が３２度であった。

　また、この可撓性シートについて、１０％伸長した際の伸長モジュラス（Ｍ１０）を測定すると０．０１ＭＰａであり、５０％伸長した際の伸長モジュラス（Ｍ５０）を測定すると０．０７ＭＰａであり、１００％伸長した際の伸長モジュラス（Ｍ１００）を測定すると０．１２ＭＰａであり、４００％伸長した際の伸長モジュラス（Ｍ４００）を測定すると０．４９ＭＰａであった。なお、この伸長モジュラスの測定は、ＪＩＳ－Ｋ７３１２に準じて、ダンベル型試験片（ＪＩＳ３号）を用いた。

　上記可撓性シートについて、ＪＩＳ－Ｋ６３２３の「８．２引張試験」に準拠して、引張強さを測定したところ、２．２ＭＰａであった。また、上記可撓性シートについて、ＪＩＳ－Ｋ６７３２に準拠して、破断時伸びを測定したところ、１０７９％であった。

　上記可撓性シートについて、ＪＩＳ－Ｋ－６２５４のＡ法に準拠して圧縮弾性率を求めたところ、０．５ＭＰａであった。具体的には、厚さ１２．５±０．５ｍｍ、直径２９．０±０．５ｍｍの試験片が２５％の歪みに達するまで１０±１ｍｍ／ｍｉｎの速度で圧縮し、直ちに同速度で除荷し、この操作を更に３回繰り返し、歪みと力を記録し、４回目の曲線から１０％、２０％の圧縮力を求め、圧縮弾性率を式に従い算出した。

　上記可撓性シートについて、ＪＩＳ－Ｃ２１１０－１,２準拠して、絶縁破壊強さ（ＤＣ）を測定したところ、３７．４ｋＶ／ｍｍであった。ここで、昇圧方法、短時間試験、電極形状は、Φ２０ｍｍ球形／Φ２５ｍｍ平板、試験厚み１ｍｍ以下とした。

　一対の上記可撓性シートを交差して重ねあわせ交互に蛇腹状に折り畳んでアクチュエータ素子を製造した。ここで、各可撓性シートの折り返し回数をそれぞれ７回とし、各可撓性シート１００が８層、合計１６層積層されたアクチュエータ素子１０を製造した。

　上記アクチュエータ素子の電極層に電圧を印加して、収縮量を測定した結果を図１０に示す。ここで、電源として松定プレシジョン株式会社製の直流高圧電源を用い、収縮量の測定にオムロン株式会社製のレーザー変位計を用い、データ記憶のためにキーエンス株式会社製のデータロガーＮＲ－５００を用いた。

　図１０から明らかなように、当該アクチュエータ素子は、電圧印加によって収縮するとともに、電圧の印加をやめると復元力によって伸長することができる。

[第二実施形態]
　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。

　以下、本発明の実施の形態について、図面を参酌しつつ説明する。

＜発電デバイス２０１＞
　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。

　上記発電素子２１０は、図１２に示すように電極層１１０及びエラストマー製の誘電層１２０を有する複数の可撓性シート１００を有しており、この電極層１１０は可撓性シート１００の端部から突設された接続部１１１を有している。そして、当該発電デバイス２０１は、図１１に示すように電極層１１０に電気的に接続される制御回路２４０を有している。また、当該発電デバイス２０１は、制御回路２４０にバイアス電圧を印加するためのバイアス電圧回路２５０を有している。上記電極層１１０は、制御回路２４０を介してバイアス電圧が印加されるとともに、発電素子２１０で発電された電力は上記制御回路２４０を介して取り出される。

＜発電素子２１０＞
　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。

　また、一対の可撓性シート１００は、１０層以上１００００層以下で重畳されていることが好ましく３０層以上１０００層以下で重畳されていることがより好ましく、５０層以上１００層以下で重畳されていることがさらに好ましい。上記下限値未満であると、圧縮時に可撓性シート１００が平面方向に伸長しにくく、十分な発電量が得られないおそれがある。上記上限値を超えると、可撓性シート１００の長さが長くなり過ぎ、可撓性シート１００に欠陥を生ずるおそれがあり、この欠陥によって絶縁破壊が生ずるおそれがある。

＜可撓性シート１００＞
　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における可撓性シート１００も、平均厚みが２０μｍ以上２００μｍ以下であることが好ましく、４０μｍ以上１４０μｍ以下であることがより好ましい。また、当該可撓性シート１００の幅（短手方向の長さ）は、用いられる発電デバイス２０１の用途等に応じて適宜設計変更可能であり、例えば１ｃｍとすることが可能である。さらに、当該可撓性シート１００の長さ（長手方向の長さ）は、重畳する回数やシートの幅等により適宜設計変更可能であるが、例えば８０ｃｍとすることが可能である。

　当該発電素子２１０においても、上記誘電層１２０は、弾性変形可能な層であり、このエラストマー製の誘電層１２０の素材は第一実施形態と同様であるので、その詳細な説明を省略する。

　上記誘電層１２０は、他のエラストマー製の誘電層１２０と略同一厚みで形成されている。なお、略同一厚みとは、一方のエラストマー製の誘電層１２０の平均厚みに対する他方のエラストマー製の誘電層１２０の平均厚みの比が０．９５以上１．０５以下であることを意味する。

　このエラストマー製の誘電層１２０（一層）の平均厚み（Ｔ１）は、１０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましく、２０μｍ以上７０μｍ以下であることがより好ましく、３０μｍ以上５０μｍ以下であることが特に好ましい。上記下限値未満であると、エラストマー製の誘電層１２０が薄くなり過ぎ、エラストマー製の誘電層１２０が絶縁破壊するおそれが生ずるとともに、発電素子２１０の高さ（積層厚方向の長さ）を十分なものとするために当該可撓性シート１００の積層数が多くなり過ぎ、製造コストの増大を招くおそれがある。一方、上記上限値を超えると、重ねあわせて発電デバイス２０１として利用した際に電極同士の間が離間し過ぎ、静電容量が小さくなり、発電量が小さくなるおそれがある。

　また、エラストマー製の誘電層１２０は、圧縮弾性率が、０．１ＭＰａ以上１．５ＭＰａ以下であることが好ましく、０．３ＭＰａ以上０．７ＭＰａ以下であることがより好ましい。上記下限値未満であると、エラストマー製の誘電層１２０が軟らかすぎ、圧縮変形ひずみが大きくなり過ぎるおそれがある。一方、上記上限値を超えると、エラストマー製の誘電層１２０が硬すぎ、層厚方向に圧縮し難いおそれがある。上記圧縮弾性率は、ＪＩＳ－Ｋ６２５４の低変形圧縮試験に準拠して、１０％歪を与えた場合の圧縮弾性率である。

　さらに、エラストマー製の誘電層１２０の比誘電率は、２以上９以下が好ましく、３以上８以下がより好ましく、４以上７以下がさらに好ましい。上記下限値未満であると、静電容量が小さくなり、発電デバイス２０１として利用した際に十分な発電量が得られないおそれがある。一方、比誘電率が上記上限値を超えると、誘電性フィラーを大量に添加する必要がありエラストマー製の誘電層が硬くなり変形しにくくなる。

　また、エラストマー製の誘電層１２０は他のエラストマー製の誘電層１２０と略同一幅で形成されている。なお、略同一幅とは、一方のエラストマー製の誘電層１２０の幅に対する他方のエラストマー製の誘電層１２０の幅の比が０．９５以上１．０５以下であることを意味する。このエラストマー製の誘電層１２０の幅（Ｗ１）は、用いられる発電デバイス２０１の用途等に応じて適宜設計変更可能であり、例えば１ｃｍとすることが可能である。

　上記電極層１１０は、上記誘電層１２０の伸縮に追従可能な伸縮性を有するエラストマー製の導電層から構成することが好ましい。このエラストマー製の導電層は、エラストマーに導電性フィラーが含有されている。ここで、導電層のエラストマーとしては、エラストマー製の誘電層１２０と接着可能なものが好適に用いられ、例えばエラストマー製の誘電層１２０と同様の素材のものを用いることが可能である。

　また、電極層１１０はエラストマー製の誘電層１２０よりも薄く設けられ、電極層１１０の平均厚み（Ｔ２）は、エラストマー製の誘電層１２０（一層）の平均厚み（Ｔ１）の１／３０以上１／１０以下であることが好ましく、１／２０以上１／１５以下であることがより好ましい。上記上限値を超えると、発電素子２１０における電極層１１０の割合（層厚）が大きくなり、エラストマー製の誘電層１２０の割合が小さくなるので、発電素子２１０の発電量が十分得られないおそれがある。一方、上記下限値未満であると、エラストマー製の導電層が薄くなり過ぎ、電極層１１０の抵抗値が大きくなるおそれがある。

　また、電極層１１０の平均厚み（Ｔ２）は、５０ｎｍ以上５０μｍ以下であることが好ましく、１μｍ以上１０μｍ以下であることがより好ましい。上記上限値を超えると、発電素子２１０における電極層１１０の割合（層厚）が大きくなり、エラストマー製の誘電層１２０の割合が小さくなるので、発電素子２１０の発電量が十分得られないおそれがある。一方、上記下限値未満であると、エラストマー製の導電層が薄くなり過ぎ、電極層１１０の抵抗値が大きくなるおそれがある。

　さらに、電極層１１０は、圧縮弾性率が、０．１ＭＰａ以上１．５ＭＰａ以下であることが好ましく、０．３ＭＰａ以上０．７ＭＰａ以下であることがより好ましい。上記下限値未満であると、電極層１１０が軟らかすぎ、圧縮変形ひずみが大きくなり過ぎるおそれがある。一方、上記上限値を超えると、電極層１１０が硬すぎ、エラストマー製の誘電層１２０に追従できなくなるおそれがある。

　また、電極層１１０は、エラストマー製の誘電層１２０よりも幅狭に形成されている。つまり、エラストマー製の誘電層１２０は、電極層１１０よりも外側に延出した袖部１２１を有しており、電極層１１０の端面での短絡等を防止している。ここで、この袖部１２１の幅（Ｗ３＝（Ｗ１－Ｗ２）／２）は、電極層１１０の平均厚み（Ｔ２）に対して５倍以上１００倍以下であることが好ましく、１０倍以上５０倍以下であることがより好ましい。また、袖部１２１の幅は、エラストマー製の誘電層１２０の幅（Ｗ１）に対して１／１００倍以上１／２０倍以下であることが好ましく、１／５０倍以上1／３０倍以下であることがより好ましい。上記下限値未満であると短絡防止効果が十分に得られないおそれがある。一方、上記上限値を超えると、電極層１１０の幅が狭くなり、平面視電極が重なっている領域の面積が狭くなり、十分な収縮力が得られないおそれがある。

　さらに、電極層１１０は、可撓性シート１００の両端部において、エラストマー製の誘電層１２０よりも突出した上記接続部１１１を有し、当該発電素子２１０は、この接続部１１１を介して他の部材（制御回路２４０）と電気的に接続されている。なお、この両端部の接続部１１１が発電素子２１０の同一の側（図１では右側）となるよう、可撓性シート１００は奇数回折り返されていることが好ましい。

　さらに、上記電極層１１０の導電性フィラーとしては、種々のものが採用可能であり、この導電性フィラーとしては第一実施形態で説明したものと同様のものが採用可能であるため、その詳細な説明は省略する。

＜利点＞
　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。

　この一の電極層１１０と、この一の電極層１１０にエラストマー製の誘電層１２０を挟んで対向する一の電極層１１０との間に生ずる電力量ΔＪは、以下の式（７）で表される。
ΔＪ＝（１／２）×ΔＣ１×Ｖ１^２×（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。

　また、各静電容量ΔＣ１，ΔＣ２は、以下の式（８）及び式（９）で表される。
ΔＣ１＝ε_０×ε×Ａ１／２Ｔ１＝ε_０×ε×ｂ１／４Ｔ１^２・・・式（８）
ΔＣ２＝ε_０×ε×Ａ２／２Ｔ１´＝ε_０×ε×ｂ２／４Ｔ１´^２・・・式（９）
ここで、ε_０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。

　圧縮状態の体積と収縮状態の体積とが一定（ｂ１＝ｂ２）であると仮定すると、各静電容量ΔＣ１，ΔＣ２は、以下の式（１０）を満たす。
ΔＣ１／ΔＣ２＝Ｔ１´^２／Ｔ１^２・・・式（１０）

　この式（１０）及び式（８）によって式（７）は以下の式（１１）のように書き直すことができる。
ΔＪ＝（１／２）×ε_０×ε×Ａ１／２Ｔ１×Ｖ１^２×（Ｔ１´^２／Ｔ１^２－１）・・・式（１１）

　このため、可撓性シートの積層数（重ねあわせ数）をＸとすると、当該発電素子の発電量Ｊは、式（１２）で表される。
Ｊ＝（１／２）×ε_０×ε×Ａ１／２Ｔ１×Ｖ１^２×（Ｔ１´^２／Ｔ１^２－１）×（Ｘ－１）・・・式（１２）

　このように当該発電素子２１０は可撓性シート１００の積層数に比例した発電量を得られる可能性があり、従来の発電素子に比べて発電量が大きい。

　また、当該発電素子２１０は、上述のように可撓性シート１００の積層部分を圧縮・伸長することによって発電するものであるので、従来の伸長・収縮によって発電するものと異なり、可撓性シート１００を把持する必要性がなく、可撓性シート１００が劣化し難い。また、従来の伸長・収縮させる発電デバイスと比較して、圧縮時における電極層１２０間の距離が平面方向で一定になり易く、絶縁破壊が起こりにくい。

　さらに、当該発電素子２１０は、上記のように複数の可撓性シート１００を交差して重ねあわせ交互に蛇腹状に折り畳む簡易な構成であるため、容易に製造することが可能である。特に、電極層１１０を有する可撓性シート１００が折り畳まれ、一つの電極層１１０によって複数の電極が構成されることになるため、電極ごとの配線が不要であり、配線構造が簡易である。

　しかも、当該発電デバイス２０１は、電極層１１０の表面側及び裏面側に一対のエラストマー製の誘電層１２０が積層された三層構造の可撓性シート１００を用いるため、この可撓性シート１００を蛇腹状に折り畳むことによって、一対の可撓性シート１００の電極層１１０同士の間には可撓性シート１００のエラストマー製の誘電層１２０が必ず介在し、容易に製造することができる。

　また、当該発電デバイス２０１は、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ているので、一対の可撓性シート１００の重ねあわされる面積を大きくすることができ、発電量が大きい。そして、従来の単層又は数層を積層した膜の伸長により発電する方式に比べ、装置容積を大幅に小さくできる。

＜当該発電デバイス及び発電素子の変形例（他実施形態）＞
　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。

　つまり、上記第二実施形態の発電デバイス２０１は一つの発電素子２１０を備えるものについて説明したが、第一実施形態のアクチュエータと同様に、複数の発電素子２１０，２１０を備えることも適宜設計変更可能である。具体的には、図１４に示すように、第一剛性部材２２０が、複数（図示例では２つ）の発電素子２１０，２１０の一面側（上面側）に接合され、第二剛性部材２３０が、上記複数の発電素子２１０，２１０の他面側（下面側）に接合されている構成を採用可能である。さらに、図１５に示すように、互いに平行に配された第一剛性部材２２０、第二剛性部材２３０及び第三剛性部材２６０を有し、この第一剛性部材２２０と第二剛性部材２３０との間及び第一剛性部材２２０と第三剛性部材２６０との間のそれぞれに発電素子２１０，２１０が配設された構成を採用することも可能である。

　また、上記第二実施形態においては、一対のエラストマー製の誘電層１２０が同一幅のものについて説明したが、既述のように本発明はこれに限定されるものではなく、当該発電素子２１０においても例えば図７に示すような可撓性シートを用いることも可能である。

　また、上記第二実施形態においては、一対のエラストマー製の誘電層１２０が同一厚みのものについて説明したが、既述のように本発明はこれに限定されるものではない。また、一対の上記誘電層１２０の平均厚みの合計も上記第一実施形態と同様の範囲内とすることが可能である。つまり、エラストマー製の誘電層１２０の平均厚みの合計は、２０μｍ以上２００μｍ以下であることが好ましく、４０μｍ以上１４０μｍ以下であることがより好ましく、６０μｍ以上１００μｍ以下であることが特に好ましい。上記下限値未満であると、エラストマー製の誘電層１２０が薄くなり過ぎ、エラストマー製の誘電層１２０が絶縁破壊するおそれが生ずるとともに、発電素子２１０の高さ（積層方向の長さ）を十分なものとするために当該可撓性シート１００の積層数が多くなり過ぎ、製造コストの増大を招くおそれがある。一方、上記上限値を超えると、重ねあわせた際に電極同士の間が離間し過ぎ、静電容量が小さくなり、発電量が小さくなるおそれがある。

　さらに、上記第二実施形態においては、可撓性シート１００が多層に積層された例について説明したが、本発明に係る発電素子２１０にあっては、図８に示すように一対の可撓性シート１００が一回折り返されて、交差して重ねあわされ交互に蛇腹状に折り畳まれ、全体として四層の可撓性シート１００を有する発電素子２１０を採用することも可能である。

　また、上記第二実施形態においては、可撓性シート１００として三層構造のものについて説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、本発明に係る発電素子として、既述の図８に示すように電極層１１０とエラストマー製の誘電層１２０との二層構造の可撓性シート１００を用いることも可能である。また、上記第二実施形態においては、一対の可撓性シート１００が同一構造を有するものについて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、第一実施形態と同様に既述の図９に示すように一対の可撓性シート１００が異なる構造の可撓性シート１００を用いることも適宜設計変更可能である。

　さらに、上記第二実施形態においては、一対の可撓性シート１００を折り畳んだものについて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば二対の可撓性シートを折り畳んだ発電素子を採用することも可能であり、具体的には各可撓性シートを略４５°で交差させて重ねあわせ、交互に蛇腹状に折り畳んだ発電素子を採用することも可能である。

　また、上記第二実施形態においては、一対の可撓性シート１００として同一構成のものを用い、可撓性シート１００の表裏一対のエラストマー製の誘電層１２０を有するものについて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、異なる構成の可撓性シートを採用したり、表裏のエラストマー製の誘電層が異なる構成の可撓性シートを用いたりすることも適宜設計変更可能である。但し、一対の可撓性シートの最外面が同一素材で且つ自己粘着性を有する層から構成されることが好ましく、これにより接着剤を用いることなく積層構造の発電素子の形態が維持されやすい。

　以下、実施例によって当該発明をさらに具体的に説明するが、当該発明は以下の実施例に限定されるものではない。

　［実施例２］
　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。

　上記誘電層は、商品名エスプレン（住友化学株式会社製）１００質量部に、可塑剤を３０質量部添加し、さらに誘電性フィラーとして平均粒径０．５μｍのチタン酸バリウムを全体の体積に対して２５容量％となるよう添加した形成材料によって形成した。また、上記電極層は、商品名エスプレン（住友化学株式会社製）１００質量部に、可塑剤を３０質量部添加し、さらに導電性フィラーとしてカーボンナノチューブを全体の体積に対して２．８容量％となるよう添加した形成材料によって形成した。なお、エラストマー製の誘電層及び電極層はそれぞれ架橋して使用している。

　上記誘電層の比誘電率は、６．５であった。

　上記誘電層を、ＪＩＳ－Ｋ６２５３に準拠して、タイプＡデュロメータを用いて、２０℃において測定したところ（ｎ＝３で測定しその平均値を算出）、硬度（デュロＡ）は６度であった。また、上記誘電層を、ＪＩＳ－Ｋ７３１２「タイプＣ硬さ試験」に準拠して、タイプＣデュロメータを用いて、２０℃において測定したところ硬度（デュロＣ）が３２度であった。

　また、この可撓性シートについて、１０％伸長した際の伸長モジュラス（Ｍ１０）を測定すると０．０１ＭＰａであり、５０％伸長した際の伸長モジュラス（Ｍ５０）を測定すると０．０７ＭＰａであり、１００％伸長した際の伸長モジュラス（Ｍ１００）を測定すると０．１２ＭＰａであり、４００％伸長した際の伸長モジュラス（Ｍ４００）を測定すると０．４９ＭＰａであった。なお、この伸長モジュラスの測定は、ＪＩＳ－Ｋ７３１２に準じて、ダンベル型試験片（ＪＩＳ３号）を用いた。

　上記可撓性シートについて、ＪＩＳ－Ｋ６３２３の「８．２引張試験」に準拠して、引張強さを測定したところ、２．２ＭＰａであった。また、上記可撓性シートについて、ＪＩＳ－Ｋ６７３２に準拠して、破断時伸びを測定したところ、１０７９％であった。

　上記可撓性シートについて、ＪＩＳ－Ｋ－６２５４のＡ法に準拠して圧縮弾性率を求めたところ、０．５ＭＰａであった。具体的には、厚さ１２．５±０．５ｍｍ、直径２９．０±０．５ｍｍの試験片が２５％の歪みに達するまで１０±１ｍｍ／ｍｉｎの速度で圧縮し、直ちに同速度で除荷し、この操作を更に３回繰り返し、歪みと力を記録し、４回目の曲線から１０％、２０％の圧縮力を求め、圧縮弾性率を式に従い算出した。

　上記可撓性シートについて、ＪＩＳ－Ｃ２１１０－１,２に準拠して、絶縁破壊強さ（ＤＣ）を測定したところ、３７．４ｋＶ／ｍｍであった。ここで、昇圧方法、短時間試験、電極形状は、Φ２０ｍｍ球形／Φ２５ｍｍ平板、試験厚み１ｍｍ以下とした。

　一対の上記可撓性シートを交差して重ねあわせ交互に蛇腹状に折り畳んで発電素子を製造した。ここで、各可撓性シートの折り返し回数をそれぞれ７回とし、各可撓性シート１００が８層、合計１６層積層された発電素子２１０を製造した。

　上記発電素子にバイアス電圧を印加した状態で発電素子の積層部分を圧縮した。バイアス電圧及び圧縮率を変更して発生エネルギーを測定した結果を図１６に示す。

　図１６から明らかなように、当該発電素子は、積層部分の圧縮によって効果的に発電されている。

　本発明の圧電素子はアクチュエータ素子や発電素子として用いることができ、例えば電圧印加によって収縮状態が得られるので、アクチュエータとして人工筋肉等の幅広い分野に適用することができ、また、積層部分を圧縮することによって発電されるので、発電素子として運動エネルギーを電力に変換する幅広い分野に適用することができる。

１　アクチュエータ
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)

1. 　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。
2. 　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。
3. 　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。
4. 　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。
5. 　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。
6. 　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。
7. 　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。
8. 　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。
9. 　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。
10. 　請求項1に記載の圧電素子を有する発電素子。
11. 　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。
12. 　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。
13. 　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。
14. 　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。
15. 　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。
16. 　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。
17. 　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。
18. 　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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