円筒型圧電素子の電場-応力連成解析

概 要

圧電体は力を電気に、または電気を力に変換する誘電体です。
今回は“力から電気へ”の変換に着目します。
本事例では円筒圧電体の上面に力を与え、それによって発生する電圧を解析します。
図１−１.に概要図を示します。
「力」と「電気」に関する方程式がそれぞれ異なるため、圧電素子を解析するにはそれらの方程式を連成します。
そのため、応力と電場の連成解析を行いました。

応力解析及び電場解析のソフトウェアはそれぞれPHOTO-ELAS及びPHOTO-VOLTです。

　　　　　　　　　　　　　　図１−１．概要図

解析条件

図２−１にメッシュ図を示します。
形状の対称性より1／4モデルとしました。
このメッシュを電場解析、応力解析で共通で使用します。
圧電体の上面を0[V]としています。
圧電体の上面に下方向に20[N]の力を与えます。
また、圧電体の下面には拘束条件を設定します。

　　　　　　　　　　　　　　図２−１．メッシュ図(全体)

　　　　　　　　　　　　　　図２−２．境界条件(VOLT)

　　　　　　　　　　　　　　図２−３．境界条件(ELAS)

●物性値
　　比誘電率：2000
　　ヤング率：5×10¹⁰
　　ポアソン比：0.35
圧電の材料特性はマトリクスで入力しました。

●解析モジュール： VOLT & ELAS

解析結果

　　　　　　　　　　図３−１．変位[m] コンター図

　　　　　　　　　図３−２．ポテンシャル[V] コンター図

図３−２より、円筒上面に与えた力から変換された電圧値の計算結果は約52[V]となりました。