JP2003527046A - Packaged strain actuator - Google Patents

Packaged strain actuator

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JP2003527046A
JP2003527046A JP2000601697A JP2000601697A JP2003527046A JP 2003527046 A JP2003527046 A JP 2003527046A JP 2000601697 A JP2000601697 A JP 2000601697A JP 2000601697 A JP2000601697 A JP 2000601697A JP 2003527046 A JP2003527046 A JP 2003527046A
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active element
conductor
electrically active
actuator
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Withdrawn
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JP2000601697A
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Japanese (ja)
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ケネス ビー. ラザルス,
マーク イー. ランドストロム,
ジェフリー ダブリュー. ムーア,
エドワード クローレイ,
ファルラ ルッソ,
ショウコ ヨシカワ,
エリック フィッチ,
Original Assignee
アクティブ コントロール エキスパーツ,インコーポレイテッド
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Abstract

(57)【要約】 モジュラーアクチュエータアセンブリは、一つ以上のプレートまたは好適には構造的ポリマーによって電極シートにボンディングされた電気活性材料の素子を含み、これにより、一枚のカードを形成する。上記カードはシーリングされ、固体との直接的接触あるいは液体中への浸漬用途の実用的デバイス(例えば、ベーン、シェーカー、攪拌器、レバー、押しだし器、または超音波処理器)を自身が構成し得るか、または、固めの接着剤でボンディングされ得、これにより、固体の工作物、デバイス、基板機器または試料と、面対面の機械的結合を為す。上記構造的ポリマーは、折り曲げ剛性を提供し、これにより、上記薄いプレートは自身の破損点まで変形せず、上記構造的ポリマーは、機械的剛性も提供し、これにより、剪断力が、上記プレートから上記工作物に効率的に結合される。 SUMMARY A modular actuator assembly includes one or more plates or elements of an electroactive material bonded to an electrode sheet, preferably by a structural polymer, thereby forming a single card. The card is sealed and may itself constitute a practical device (e.g., a vane, shaker, stirrer, lever, pusher, or sonicator) for direct contact with solids or immersion in liquids. Alternatively, it may be bonded with a solid adhesive, thereby providing a face-to-face mechanical connection with a solid workpiece, device, substrate equipment or sample. The structural polymer provides folding stiffness, whereby the thin plate does not deform to its point of failure, and the structural polymer also provides mechanical stiffness, whereby the shear forces From the workpiece.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】 (関連出願) 本出願は、1994年1月27日に出願された出願番号第08/188,14
5号の継続出願である1997年10月3日に出願された出願番号第08/94
3,645号の一部継続出願である出願番号第09/261,475号の一部継
続出願である。
(Related Application)
No. 08/94 filed on October 3, 1997, which is a continuation application of No. 5
It is a partial continuation application of application number 09 / 261,475 which is a partial continuation application of 3,645.

【0002】 (発明の背景) 本発明は、例えばアクティブ振動リダクション、構造制御、動的テスト法(d
ynamic testing)、精密な位置決め、動作制御、スターリング、
シェーキング、およびパッシブ減衰またはアクティブ減衰に使用され得るアクチ
ュエータ素子に関する。より詳細には、本発明は、電気的に制御可能であるパッ
ケージングアクチュエータアセンブリに関する。このアクチュエータアセンブリ
は、分離して使用されてもよいし、あるいは、アクティブに振動を抑制するため
に適合されてもよいし、構造をアクチュエートするために適合されてもよいし、
または取り付けられるデバイスの機械的状態を弱めるのにも適合されてもよい。
次のセクション以降で説明されるように、アセンブリは、構造またはシステムに
結合され得るかまたは取り付けられ得、それにより、アクチュエート、制御また
はダンプされるシステムとともにアセンブリを集積化する。
BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention is directed to, for example, active vibration reduction, structural control, dynamic test methods (d).
dynamic testing), precise positioning, motion control, Stirling,
It relates to an actuator element that can be used for shaking and passive damping or active damping. More particularly, the present invention relates to electrically controllable packaging actuator assemblies. The actuator assembly may be used separately, or may be adapted to actively dampen vibrations, or may be adapted to actuate a structure,
It may also be adapted to weaken the mechanical condition of the attached device.
As described in subsequent sections, the assembly may be coupled or attached to a structure or system, thereby integrating the assembly with the system to be actuated, controlled or dumped.

【0003】 スマートな材料(例えば、圧電材料、電気ひずみ材料、または磁気ひずみ材料
)は、高バンド幅タスク(例えば、構造または音響ノイズのアクチュエーション
または減衰)および精密な位置決めアプリケーションにも使用され得る。このよ
うなアプリケーションは、制御するためにスマート材料が構造に接合されている
かまたは取り付けられていることをしばしば必要とする。しかしながら、これら
の材料の汎用アクチュエータは、一般に利用可能でなく、通常、そのような制御
タスクをインプリメントすることを望む者は、任意の必要とする電極、接着剤お
よび絶縁構造とともに、未加工の、できる限り電極付けされていない(non−
electroded)スマート材料ストックを獲得しなければならず、対象と
なる台(article)上に固定するか、または見込みの台に組み込むように
開発しなければならない。
Smart materials (eg, piezoelectric, electrostrictive, or magnetostrictive materials) can also be used for high bandwidth tasks (eg, actuation or damping of structural or acoustic noise) and precision positioning applications. . Such applications often require smart materials to be bonded or attached to the structure for control. However, general-purpose actuators of these materials are not generally available, and those who desire to implement such control tasks will typically have unprocessed raw, along with any required electrodes, adhesives and insulating structures. Electrodes are not attached as much as possible (non-
The electroded smart material stock must be obtained and either fixed on the target pedestal or developed for incorporation into the prospective pedestal.

【0004】 このようなアプリケーションに対して、スマート材料への機械的接続または電
気的接続が丈夫であり、スマート部材内のひずみを生成すること、あるいはシス
テムを置換するまたはシステムを強制することが可能な方法でこれらの材料を接
続し、取り付けることが必要となり、制御される対象に対するこのひずみ、動き
および力を結合さることが必要となる。しばしば、スマート材料は、良好でない
環境で使用され得ることが必要とされ、その機械的故障または電気的故障が大い
に増加する。
For such applications, mechanical or electrical connections to the smart material are robust and can create strain within the smart member or replace or force the system. It is necessary to connect and attach these materials in various ways, and to combine this strain, movement and force on the controlled object. Often, smart materials are required to be able to be used in poor environments, greatly increasing their mechanical or electrical failure.

【0005】 一例として、振動抑制および構造のアクチュエーションのアプリケーションの
1つは、構造に圧電素子(または複数の素子)を取り付けを必要とする。続いて
、これらの素子は、アクチュエートされ、圧電効果は、素子に適用された電気的
エネルギーを、素子全体に分布した機械的エネルギー変換する。機械的衝撃を選
択的に生成することまたは圧電材料内のひずみを選択的に変更することにより、
下側構造の特定の形状制御が達成される。急速なアクチュエーションは、自然の
振動を抑制するために使用され得、あるいは制御された振動または変位(dis
placement)を付与するために使用され得る。圧電材料のこのアプリケ
ーションおよび他のインテリジェント材料の例は、近年ますます一般的になって
きた。
As an example, one of the applications of vibration suppression and actuation of structures requires the attachment of piezoelectric elements (or elements) to the structure. The elements are then actuated and the piezoelectric effect transforms the electrical energy applied to the element into mechanical energy distributed throughout the element. By selectively producing mechanical shocks or by selectively changing strain in the piezoelectric material,
A particular shape control of the lower structure is achieved. Rapid actuation can be used to suppress natural vibrations, or controlled vibrations or displacements.
placement). This application of piezoelectric materials and examples of other intelligent materials have become increasingly popular in recent years.

【0006】 典型的な振動抑制およびアクチュエーションアプリケーションにおいて、圧電
素子は、複雑な一連の工程で構造に結合される。構造の表面は、はじめに機械加
工され、そのため、1つ以上のチャネルが生成され、それにより圧電素子を接続
するのに必要とされる導線を接続する。あるいは、機械加工チャネルの代わりに
、2つの異なるエポキシが機械的接触と電気的接触との両方を形成するのに使用
されてもよい。この代替的なアプローチにおいて、導電性エポキシがスポットさ
れ(すなわち、導体を形成するために局所的に付与され)、構造エポキシが構造
の残りの部分に付与され、圧電素子を構造に接合する。続いて、全てが保護コー
ティングでカバーされる。
In typical vibration suppression and actuation applications, piezoelectric elements are bonded to structures in a complex series of steps. The surface of the structure is first machined so that one or more channels are created, thereby connecting the electrical leads needed to connect the piezoelectric elements. Alternatively, instead of a machined channel, two different epoxies may be used to make both mechanical and electrical contacts. In this alternative approach, a conductive epoxy is spotted (ie, locally applied to form a conductor) and structural epoxy is applied to the rest of the structure to bond the piezoelectric element to the structure. Subsequently, everything is covered with a protective coating.

【0007】 このアセンブリ手順は、労働集約的(labor intensive)であ
り、エポキシで作業する問題により多くの再加工をしばしば必要とする。異なる
圧電素子間の機械的均一性は、プロセスの変動性(特に、圧電素子の配置および
接合)により、得ることが困難である。この方法で形成される電気的接続および
機械的接続は、しばしば確実でない。導電性エポキシにとっては好ましくない方
法でフローすることが一般的であり、圧電素子の端部にわたってショートする原
因となる。その上、圧電素子は非常に脆く、支持されていない場合、接合してい
るまたは取り扱っている間に壊れる可能性がある。
This assembly procedure is labor intensive and often requires a lot of rework due to the problems of working with epoxies. Mechanical homogeneity between different piezoelectric elements is difficult to obtain due to process variability (particularly piezoelectric element placement and bonding). The electrical and mechanical connections made in this way are often uncertain. It is common for the conductive epoxy to flow in a way that is not preferred, causing shorts across the ends of the piezoelectric element. Moreover, piezoelectric elements are very fragile and, if unsupported, can break during bonding or handling.

【0008】 従来の製造プロセスの別の欠点は、圧電素子が構造に接合された後、割れが生
じる場合に、導電体と接触していない圧電素子の一部が故障することである。従
って、素子の完全なアクチュエーションを低下する。シールディングもまた、問
題となり得る。なぜならば、祖業員(personnel)と同様、他の回路構
成要素は、一般に、これらのデバイスの電極(高電圧を伝達する)からシールド
されなければならないからである。
Another drawback of conventional manufacturing processes is that if a crack occurs after the piezoelectric element is bonded to the structure, some of the piezoelectric elements that are not in contact with the conductor will fail. Therefore, the complete actuation of the device is reduced. Shielding can also be a problem. Because other circuit components, as well as the personnel, generally must be shielded from the electrodes of these devices (which carry the high voltage).

【0009】 圧電素子(例えば、薄い圧電プレート、シリンダー、円盤またはアニュレット
のスタック)を制御可能な構造に組み込む1つのアプローチは、Javier
de LuisとEdward F.Crawleyの米国特許第4,849,
668号に記載されている。この技術は、圧電素子が絶縁され強力な支持として
機能を果たす積層複合ボディの構造内に含まれる集積構造に種々の素子の精密な
ハンドアセンブリ(hand−assembly)を含む。この支持は、電極の
クラッキグの問題を低減し、少なくともその特許で説明されるように、機械的ア
クチュエーション効率とともに構造強度を最適化するように計算する方法でイン
プリメントされ得る。その上、シリンダーまたはスタックアニュレットに対して
、市販の圧電形式の自然内部通過は、別の異なる設置配線のタスクをある程度ま
で単純化する。それにもかかわらず、設計は単純でなく、製造には依然として多
大な時間を必要とし、アセンブリおよびオペレーションの間の多数の故障モード
を受ける。
One approach to incorporate piezoelectric elements (eg, thin piezoelectric plates, cylinders, discs or stacks of annulets) into a controllable structure is Javier.
de Luis and Edward F. Crawley US Pat. No. 4,849,
No. 668. This technique involves precision hand-assembly of various elements into an integrated structure that is contained within the structure of the laminated composite body in which the piezoelectric elements act as insulation and strong support. This support reduces the problem of electrode cracking and can be implemented in a computational manner to optimize structural strength along with mechanical actuation efficiency, at least as described in that patent. Moreover, for cylinders or stack annulets, the natural piezo-type natural in-passage simplifies the task of another different installed wiring to some extent. Nevertheless, the design is not simple, manufacturing still requires a great deal of time, and suffers from numerous failure modes during assembly and operation.

【0010】 動的テストの電界は、構造をシェーキングまたは摂動するために他用途のアク
チュエータを必要とし、それゆえ、アクチュエータの応答は測定され得、または
制御され得る。しかしながら、本明細書では、シェーキングテストデバイスに対
して認められた方法論は、線形外乱(linear disturbance)
を生成するために電気機械モータを用いることを含む。モータは一般に、スティ
ンジャー設計を介して、所望の信号からモータを切り離すために付与される。こ
のような外部モータは、依然として動的接続が、モータを使用して構造を励磁す
る際によく直面する欠点を有する。その上、このアクチュエータのタイプについ
て、慣性が構造に加えられ、その結果、好ましくない動力が生じるその構造は、
励起子がその構造の一体部分がない場合、設置され得る。これらの要因は、デバ
イスの作用およびモデリングまたは関心のある状態の解析を非常に困難にする。
圧電性アクチュエータの使用により、これらの欠点の多くを克服できるが、上記
に注記されたように、複雑な構造、アクチュエーション特性の変動および耐久性
の自身に関する問題を導く。同様の問題は、圧電素子および電気ひずみ素子がセ
ンシングとして使用される場合に生じる。
The field of a dynamic test requires a versatile actuator to shake or perturb the structure, so the response of the actuator can be measured or controlled. However, herein, the accepted methodologies for shaking test devices are linear disturbances.
Using an electromechanical motor to generate The motor is typically applied via a Stinger design to decouple the motor from the desired signal. Such external motors still have the drawback that dynamic connections often face when using the motor to excite structures. Moreover, for this actuator type, the structure is such that inertia is added to the structure, resulting in undesirable power.
Excitons may be installed if there is no integral part of the structure. These factors make device operation and modeling or analysis of states of interest very difficult.
The use of piezoelectric actuators overcomes many of these drawbacks, but, as noted above, introduces complex structures, variations in actuation characteristics, and self-problems of durability. Similar problems occur when piezoelectric and electrostrictive elements are used as sensing.

【0011】 従って、素子が制御されるまたはアクチュエートされるように構造に結合され
る方式において所望な改良がなされ、それにより、素子は、高バンド幅アクチュ
エーション性能を有し得、容易に組み立てられ得、さらに機械的にかつ電気的に
丈夫であり得、総括して構造の機械的特性を有意に変更することはない。圧電素
子から関心のある構造への高ひずみ変換を達成することも望ましい。
Accordingly, the desired improvements are made in the manner in which the device is coupled to the structure in a controlled or actuated manner, whereby the device may have high bandwidth actuation performance and is easy to assemble. In addition, it can be mechanically and electrically robust and does not significantly alter the mechanical properties of the structure as a whole. It is also desirable to achieve a high strain transformation from the piezoelectric element to the structure of interest.

【0012】 (発明の要旨) 本発明によるアクチュエータアセンブリは、1以上の歪構成要素(圧電プレー
トまたは圧電シェル、あるいは電気歪板または電気歪シェル等)、歪構成要素周
りの保護体を形成するハウジング、およびハウジング内に取り付けられ、歪構成
要素に接続された電気接触部を含み、これらの部品はともに可撓性カードを形成
する。アセンブリの少なくとも1つの局面は、歪構成要素の主面に取り付けられ
る薄いシートを含み、そのシートの外部を物体に接着することによって、堅い剪
断のない結合がハウジング内の物体と歪構成要素との間で得られる。
SUMMARY OF THE INVENTION An actuator assembly according to the present invention includes a housing forming one or more strain components (piezoelectric plates or shells, or electrostrictive plates or electrostrictive shells, etc.) and a protective body around the strain components. , And electrical contacts mounted in the housing and connected to the strained components, these parts together forming a flexible card. At least one aspect of the assembly includes a thin sheet attached to a major surface of the strained component, the exterior of which is adhered to the object such that a tight, shear-free bond between the object within the housing and the strained component. Obtained in between.

【0013】 好適な実施形態において、歪構成要素は、圧電性セラミック板である。圧電性
セラミック板は極めて薄く(好適には1/8ミリメートルをわずかに下回る厚さ
から数ミリメートルの厚さ)、比較的大きな表面積を有し、圧電性セラミック板
の幅寸法および長さ寸法の一方および両方は、厚さ寸法の数10倍または数10
0倍である。メタライゼーション処理されたフィルムは、電極を接触させ、同時
に接着剤および絶縁材料は、層間剥離、ひび割れ、および環境的露出を避けるた
めにデバイスを密封してシールする。使用される接着剤は、エポキシ(B段階ま
たはC段階エポキシ)、熱可塑性樹脂、あるいは圧電性セラミック板、メタライ
ゼーションフィルム、および絶縁材料と共に接着する際に有用な任意の他の材料
であり得る。使用される特定の接着剤は、デバイスの意図された用途に依存する
。好適な実施形態において、メタライゼーション処理されたフィルムおよび絶縁
材料の両方は、強靭なポリマー材料のフレキシブル回路において提供される。従
って、閉じた構成要素との頑丈な機械的結合および電気的結合を提供する。ある
いはメタライゼーション処理したフィルムは、圧電性セラミック板上に直接配置
され得、絶縁材料は、電気的接触を有し得る。
In a preferred embodiment, the strained component is a piezoelectric ceramic plate. The piezoceramic plate is extremely thin (preferably slightly less than 1/8 mm to a few mm thick), has a relatively large surface area, and has one of the width and length dimensions of the piezoceramic plate. And both are tens of times the thickness dimension or tens
It is 0 times. The metallized film contacts the electrodes, while the adhesive and insulating materials hermetically seal the device to avoid delamination, cracking, and environmental exposure. The adhesive used can be epoxy (B-stage or C-stage epoxy), thermoplastics, or piezoelectric ceramic plates, metallization films, and any other material useful in adhering with insulating materials. The particular adhesive used depends on the intended use of the device. In a preferred embodiment, both the metallized film and the insulating material are provided in a flexible circuit of a tough polymeric material. Thus, it provides a robust mechanical and electrical connection with the closed components. Alternatively, the metallized film may be placed directly on the piezoelectric ceramic plate and the insulating material may have electrical contact.

【0014】 図示によって、1例が、厚さ1/4ミリメートル、長さおよび幅寸法がそれぞ
れ1〜3センチメートルであり、従って各構成要素が面積1〜10平方センチメ
ートルの活性歪生成面を有する矩形PZT板を使用する構成の1例を以下に説明
する。PZT板は、堅く強靭なポリマー(例えば、0.5、1、または2ミルポ
リイミド(polymide))のシート上またはシート間で取り付けられ、そ
のポリマーは、一方または両方の面上に銅クラッドが存在し、PZT板と接触す
るために銅層において形成される適合可能な導電性電極パターンを有する。様々
なスペーサがPZTプレートを取り囲み、全構造は構造的ポリマーと共に結合さ
れて、PZT板の厚さ(例えば30〜50ミリメートル)とほぼ同一厚さを有す
る、防水性の絶縁された閉じたパッケージにする。封入されることによって、内
部に含まれる脆弱なPZT構成要素破損することなく、パッケージは、曲げられ
、引き延ばされかつ撓み、鋭い衝撃を受ける。さらに導電体パターンは、ポリイ
ミドシートに堅固に取り付けられているため、PZT構成要素のひび割れによっ
て電極を切断しないか、または構成要素の全領域上でのアクチュエーションを妨
げるか、さもなければ性能を著しく低下させる。
By way of illustration, one example is a rectangle having a thickness of 1/4 millimeter and a length and width dimension of 1 to 3 centimeters each, thus each component having an active strain producing surface of 1 to 10 square centimeters area. An example of the configuration using the PZT plate will be described below. PZT plates are mounted on or between sheets of rigid, tough polymer (eg, 0.5, 1, or 2 mil polyimide), which polymer has copper clad on one or both sides. And has a compatible conductive electrode pattern formed in the copper layer to contact the PZT plate. Various spacers surround the PZT plate, and the entire structure is bonded with structural polymer into a waterproof, insulated, closed package with approximately the same thickness as the PZT plate (eg, 30-50 mm). To do. The encapsulation allows the package to be bent, stretched and deflected and subjected to sharp impacts without breaking the fragile PZT components contained therein. In addition, the conductor pattern is firmly attached to the polyimide sheet so that cracking of the PZT component will not cut the electrode or prevent actuation over the entire area of the component, or otherwise significantly reduce performance. Lower.

【0015】 薄いパッケージは、電極を備える完全なスモール「カード」の形態で完全なモ
ジュラーユニット形成する。次いでパッケージは、一方の面を構造体に接着する
ことによって都合良く取り付けられ得、それにより封入された歪構成要素と構造
体との間の歪を結合する。これによって、例えば単に接着剤をパッケージに取り
付けることによって、薄く、高剪断強度のPZT板結合を確立し、システム全体
に最小重量を加え得る。このPZT板は、エネルギーを取り付けられた構造体に
結合するアクチュエータであり得、または取り付けられた構造体からの結合され
た歪に応答するセンサであり得る。
The thin package forms a complete modular unit in the form of a complete small “card” with electrodes. The package may then be conveniently attached by adhering one side to the structure, thereby coupling the strain between the encapsulated strain component and the structure. This may establish a thin, high shear strength PZT plate bond, for example by simply attaching the adhesive to the package, adding minimal weight to the overall system. The PZT plate can be an actuator that couples energy to the attached structure, or it can be a sensor that responds to coupled strain from the attached structure.

【0016】 異なる実施形態において、特定の電極パターンは、PZT板の電極を平面内で
または交差する平面内のいずれかの方向で、シート上で選択的に形成され、PZ
T構成要素の多重層は単一カード内で配列または積み重ねられるように構成され
、その結果、曲げまたは剪断、ならびに特定化された歪さえも発生し得る。
In different embodiments, specific electrode patterns are selectively formed on the sheet, either in the plane of the electrodes of the PZT plate, or in the plane of the intersecting planes,
Multiple layers of T components are configured to be arranged or stacked in a single card, which can result in bending or shear, as well as specialized strains.

【0017】 本発明のさらなる局面によって、回路構成要素は、PZT構成要素によって生
成された信号をフィルタ、短絡、または処理するモジュールパッケージ内にまた
はモジュールパッケージとともに形成され、それにより機械的環境を検知し、さ
らにアクチュエーション要素を駆動するために、スイッチングまたは電力増幅を
局所的に実行する。アクチュエータパッケージは、半円筒形のような予め形成さ
れたPZT構成要素でパイプ、ロッド、またはシャフトの周りに取り付けに適合
可能なモジュール表面取り付けシェルを形成する。
According to a further aspect of the invention, circuit components are formed within or with the module package that filters, shorts, or processes the signals generated by the PZT components, thereby sensing the mechanical environment. , Locally performing switching or power amplification to further drive the actuation elements. The actuator package forms a modular surface mount shell that is adaptable for mounting around a pipe, rod, or shaft with preformed PZT components such as a semi-cylindrical shape.

【0018】 本発明のこれらおよび他の望ましい特性は、例示的な実施形態の詳細な説明か
ら理解される。
These and other desirable features of the invention will be understood from the detailed description of the exemplary embodiments.

【0019】 (発明の詳細な説明) 図1Aは、従来技術の表面実装された圧電アクチュエータアセンブリ10のプ
ロセスおよび全体的構成の模式図を示す。構造20は、構造的素子あるいは機械
的素子、プレート、エアフォイルあるいは他の相互作用性のシート、またはデバ
イスあるいはその一部であり得、導電性ポリマー14または構造ポリマー16の
何らかの組み合わせにより自身にボンディングされた高機能材料性シート12を
有する。絶縁体18は、構造ポリマー16で全体的または部分的に形成され得、
この高機能材料を収容および保護し、導電性リードまたは表面電極が、導電性ポ
リマーで形成または取り付けられる。外部制御システム30は、ライン32a、
32bに沿って駆動信号を高機能材料を提供し、表面に取り付けられた計器(例
えば、ひずみゲージ35)から測定信号を受信し得、そこから適切な駆動信号を
導出し得る。様々な形態の制御が可能である。例えば、ひずみゲージは、固有共
鳴の励起を感知するように配置され得、制御システム30は、センサー出力に応
答した場合のみにPZT素子をアクチュエートし得、これにより、構造を補強し
、自信の共鳴振動数を変化させ得る。あるいは、センサーが感知した振動を処理
された位相遅延駆動信号としてフィードバックして、発生する動的状態を無効化
(null out)するか、または、アクチュエータを動き制御用として駆動
してもよい。良く知られている機械的システムにおいて、コントローラは、実験
条件(すなわち、空気力学的状態またはイベント)を認識し、各アクチュエータ
12への駆動信号の利得および位相を指定する特殊な制御規則を選択して所望の
変化を達成するようにプログラムされ得る。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION FIG. 1A shows a schematic diagram of the process and overall configuration of a prior art surface mount piezoelectric actuator assembly 10. The structure 20 can be a structural or mechanical element, a plate, an airfoil or other interactive sheet, or a device or part thereof, which is bonded to itself by some combination of conductive polymer 14 or structural polymer 16. The high-performance material sheet 12 is provided. Insulator 18 may be formed wholly or partially of structural polymer 16,
The highly functional material is housed and protected and conductive leads or surface electrodes are formed or attached to the conductive polymer. The external control system 30 includes a line 32a,
A drive signal may be provided along 32b to provide the high performance material and a measurement signal may be received from a surface mounted instrument (eg, strain gauge 35) from which the appropriate drive signal may be derived. Various forms of control are possible. For example, the strain gauges may be arranged to sense the excitation of natural resonances, and the control system 30 may actuate the PZT element only in response to the sensor output, thereby reinforcing the structure and providing self-confidence. The resonance frequency can be changed. Alternatively, the vibration sensed by the sensor may be fed back as a processed phase delayed drive signal to null out the dynamic state that occurs or the actuator may be driven for motion control. In well-known mechanical systems, the controller recognizes experimental conditions (ie, aerodynamic conditions or events) and selects special control rules that specify the gain and phase of the drive signal to each actuator 12. Can be programmed to achieve the desired changes.

【0020】 このようなアプリケーションの場合では全て、裸の状態のPZTプレートをそ
の制御回路および工作物に取り付けるために大掛かりな作業が必要となり、この
ようなアセンブリ工程の多くは失敗することがあるか、または、製造プロセスに
おいて達成される特定の厚さおよび機械的剛性にとって適切な有用なモードのオ
ペレーション用の制御パラメータを確立するために量的制御が所望される場合、
アセンブル後にデバイスの広範囲のモデリングを必要とし得る。
In all such applications, is it necessary to carry out a large amount of work to attach the bare PZT plate to its control circuit and the work piece, and many such assembly processes can fail? , Or where quantitative control is desired to establish control parameters for useful mode of operation appropriate for the particular thickness and mechanical stiffness achieved in the manufacturing process,
Extensive modeling of the device after assembly may be required.

【0021】 図1Bは、本発明の1つの実施形態によるアクチュエータを示す。図示のよう
に、この実施形態は、急結接着剤(例えば、5分で固まるエポキシ13)で構造
20に取り付けられているだけのまたは点状または線状に取り付けられている他
の構成のモジュラーパックまたはカード40である。従って、感知オペレーショ
ンおよび制御オペレーションは、より取付けが容易で均一にモデリングされたア
クチュエータ構造からの恩恵を得る。詳細には、モジュラーパック40は、カー
ドの形状をした堅くかつ折り曲げ可能なプレートであり、好適にはパッドの形状
をした一つ以上の電気的コネクタを、マルチピンソケットへのプラグ接続用とし
て自身の端部(図示せず)に備え、これにより、簡略化された制御システム50
に接続され得る。図2Cに関連して以下により詳細に説明するように、モジュラ
ーパッケージ40は、信号処理素子(例えば、重み付け(weighting)
またはシャント抵抗器、インピーダンス整合器、フィルタおよび信号処理前置増
幅器)を含み得る平面または薄型の回路素子も組み入れ可能であり、さらに、直
接デジタル制御下で動作するスイッチングトランジスタおよび他の素子も含み得
、これにより、唯一必要な外部への電気接続は、マイクロプロセッサまたは論理
コントローラおよび電源用の接続のみとなる。
FIG. 1B shows an actuator according to one embodiment of the invention. As shown, this embodiment is modular in other configurations that are only attached to structure 20 with quick-setting adhesive (eg, epoxy 13 that cures in 5 minutes) or that is attached in dots or lines. A pack or card 40. Thus, sensing and control operations benefit from a more easily mounted and uniformly modeled actuator structure. In particular, the modular pack 40 is a rigid and foldable plate in the form of a card, preferably one or more electrical connectors, preferably in the form of a pad, for plugging into a multi-pin socket. For the end (not shown) of the control system 50, thereby simplifying the control system 50.
Can be connected to. As described in more detail below in connection with FIG. 2C, the modular package 40 includes a signal processing element (eg, weighting).
Or planar or thin circuit elements, which may include shunt resistors, impedance matchers, filters and signal processing preamplifiers), and may also include switching transistors and other elements operating directly under digital control. This ensures that the only external electrical connections needed are for the microprocessor or logic controller and the power supply.

【0022】 特定の低電力制御状況に特に適用可能なさらなる実施形態において、図1Cに
図示のモジュラーパッケージ60は、自身の電源(例えば、バッテリまたはパワ
ーセル)を含み得、コントローラ(例えば、マイクロプロセッサチップまたはプ
ログラマブル論理アレイ)を含み得、これにより、実装されているドライバおよ
びシャントを動作させ、よって、外部回路へのいかなる接続も必要とすることな
く、感知オペレーションおよび制御オペレーションを完璧組み合わせて実行する
In a further embodiment particularly applicable to certain low power control situations, the modular package 60 illustrated in FIG. 1C may include its own power source (eg, battery or power cell), controller (eg, microprocessor). Chip or programmable logic array) to operate the implemented drivers and shunts, thus performing a perfect combination of sensing and control operations without requiring any connection to external circuitry. .

【0023】 本発明は特に、圧電ポリマーに関し、硬質でたまに極めて脆性が高い、焼結金
属ジルコン酸塩、ニオブ酸塩結晶(crystal)または同様な圧電材料等の
材料に関する。本発明はまた、電気ひずみ材料にも関する。本明細書中の特許請
求の範囲において用いられるように、圧電素子および電気ひずみ素子は両方とも
、素子材料中に電気機械的特性を有し、これらの素子を、電気能動素子と呼ぶ。
金属または硬質の構造ポリマーで構成されていることが多い外部の構造または工
作物に素子表面を介してひずみを効果的に伝えるためには高い硬性が必要不可欠
であり、このアクチュエータ局面において、本発明は、軟性のポリマー圧電材料
は一般的には企図していない。「硬性」および「軟性」という用語は相対的なも
のであるが、この文脈において、硬さは、アクチュエータに適用される場合、ヤ
ング率が0.1×106(好適には0.2×106)よりも大きな金属、硬化エポ
キシ、先進複合材料または他の硬性材料にほぼ等しいことが理解される。アクチ
ュエータではなくセンサーを構成する場合、本発明は、低硬性の圧電材料(例え
ば、ポリ2フッ化ビニリデン(PVDF)フィルムの使用と、より低い硬化温度
のボンディング材料または接着材料との代替とをも企図している。しかし、構成
時の主要な課題は、上記の第一種の圧電材料と共に発生しており、これらの課題
について以下に説明する。
The present invention particularly relates to piezoelectric polymers, and to materials that are hard and occasionally extremely brittle, such as sintered metal zirconates, niobate crystals or similar piezoelectric materials. The present invention also relates to electrostrictive materials. As used in the claims herein, both piezoelectric and electrostrictive elements have electromechanical properties in the element material, and these elements are referred to as electroactive elements.
In order to effectively transfer strain to the external structure or work piece, which is often composed of metal or a hard structural polymer, through the element surface, high rigidity is essential, and in this actuator aspect, the invention Do not generally contemplate flexible polymeric piezoelectric materials. The terms "hardness" and "softness" are relative, but in this context, hardness, when applied to an actuator, has a Young's modulus of 0.1 x 10 6 (preferably 0.2 x 10 6) large metal than, cured epoxy, it will be appreciated substantially equal to advanced composite material or other rigid material. When constructing a sensor rather than an actuator, the present invention also allows the use of a low hardness piezoelectric material (eg, polyvinylidene difluoride (PVDF) film, and the replacement of lower cure temperature bonding or adhesive materials. However, major challenges in construction have occurred with the first type piezoelectric material described above, and these challenges are discussed below.

【0024】 本発明は一般的には、新規な様態のアクチュエータおよびそのようなアクチュ
エータを作製する方法を含む。本発明において、「アクチュエータ」は、電源が
入ると、力、動きまたはそのようなものを対象物または構造物に結合させるよう
な完璧かつ機械的に有用なデバイスを意味するものとして理解される。この広範
囲な様態において、アクチュエータの作製工程は、未加工の電気能動素子を「パ
ッケージング」して、その電気能動素子を機械的に有用にする工程を含む。例示
目的のため、未加工の電気活性圧電材料または「素子」は概して、基本的な形状
としては未加工の圧電材料を含む様々な半加工状態のバルク材料の形態で利用可
能である。このような材料「素子」の例を挙げると、例えば、シート、リング、
ワッシャ、シリンダおよびプレート、または、より複雑あるいは複合された形態
(例えば、スタック、または機械的素子を備えるバルク材料を含むハイブリッド
形態(例えば、レバー)がある。これらの材料または未加工素子は、一つ以上の
表面上に電気接触として機能するための金属コーティングを有し得、または、金
属化され得ない。以下の説明において、圧電材料について例示目的のために説明
し、これらの形態の未加工材料を全て、「素子」、「材料」または「電気能動素
子」と呼ぶ。上述したように、本発明は、これらの方法で作製され、ひずみ、振
動、位置または他の物理的特性をアクチュエートするのではなく感知する変換器
として動作する構造またはデバイスをさらに含み、これにより、以下において、
「アクチュエータ」という用語は、適用可能な場合、感知変換器を含み得る。
The present invention generally includes novel modes of actuators and methods of making such actuators. In the present invention, “actuator” is understood as meaning a complete and mechanically useful device which, when energized, couples forces, movements or the like to an object or structure. In this broader aspect, the fabrication process of an actuator involves "packaging" a raw electro-active device to make the electro-active device mechanically useful. For illustrative purposes, the raw electroactive piezoelectric material or "element" is generally available in the form of various semi-machined bulk materials, including the raw piezoelectric material in its basic shape. Examples of such material "elements" include, for example, sheets, rings,
There are washers, cylinders and plates, or more complex or compound forms (eg stacks, or hybrid forms including bulk materials with mechanical elements (eg levers). Piezoelectric materials are described for exemplary purposes in the following description, which may have metal coatings on one or more surfaces to function as electrical contacts or may not be metallized. All materials are referred to as “elements,” “materials,” or “electrically active elements.” As noted above, the present invention produces strains, vibrations, positions, or other physical properties. Further comprising a structure or device that acts as a sensing rather than a sensing element, whereby:
The term "actuator" may include a sensing transducer, if applicable.

【0025】 本発明の実施形態では、これらの硬性の電気的にアクチュエートされた材料を
薄膜状で(例えば、厚さが数ミリメートル未満で、例示的には、厚さが1/5〜
1/4ミリメートルのディスク、環、プレートおよびシリンダーまたはシェル)
を用いる。有利なことに、この肉薄の寸法により、比較的に全体的電位差が比較
的低いプレートにおける厚さ寸法に匹敵する距離にわたって高電界強度を達成す
ることが可能となり、これにより、50ボルト以下の駆動電圧で全面的な圧電ア
クチュエーションを得ることが可能である。このような肉薄の寸法はまた、構造
または対象物の物理的応答特性を大幅に変更せずに素子を対象物に取り付けるこ
とも可能にする。しかし、従来技術において、このような肉薄の素子は壊れ易く
、取扱い時、組立て時または硬化時の不規則な応力のために破損し得る。たった
数センチメートルから落下しただけでも、圧電セラミックプレートに亀裂が発生
し得、破損が発生する前までに耐えられる曲げ変形の程度はごく僅かである。
In embodiments of the present invention, these rigid, electrically actuated materials are in the form of thin films (eg, less than a few millimeters thick, illustratively 1/5 to 5 mm thick).
1/4 mm discs, rings, plates and cylinders or shells)
To use. Advantageously, this thin dimension makes it possible to achieve a high field strength over a distance comparable to the thickness dimension in a plate with a relatively low overall potential difference, whereby a drive of 50 volts or less is achieved. It is possible to obtain full piezoelectric actuation with voltage. Such thin dimensions also allow the device to be attached to an object without significantly altering the structure or physical response characteristics of the object. However, in the prior art, such thin elements are fragile and can break due to irregular stresses during handling, assembly or curing. Even a few centimeters drop can cause cracks in the piezoceramic plate, and the degree of bending deformation that can be withstood before failure occurs is negligible.

【0026】 本発明によれば、この肉薄の電気的にアクチュエートされる素子を、硬性絶縁
材料層で収容する。硬性絶縁材料層のうち少なくとも一層は、自身の表面の1つ
の上にパターニングされた導体を有し、かつ素子自身よりも肉薄の強化フィルム
である。圧電素子、絶縁層、および様々なスペーサあるいは構造充填材料からパ
ッケージを組み立てる際、電極、圧電素子(単数または複数)および収容フィル
ムあるいは層が共になって、裸の状態のアクチュエート素子よりも実質的に厚さ
が大きくないシーリングされたカードを形成するように、組立てを行う。後述す
るように、素子を複数の層中に配置する場合、パッケージの厚さは、スタックさ
れたアクチュエート素子の厚みの合計よりも認め得るほどには大きくない。
According to the invention, this thin electrically actuated element is enclosed by a layer of hard insulating material. At least one of the layers of hard insulating material is a reinforced film that has a patterned conductor on one of its surfaces and is thinner than the device itself. When assembling a package from a piezoelectric element, an insulating layer, and various spacers or structural fill materials, the electrodes, piezoelectric element (s), and encapsulating film or layers, together make them more substantially than bare actuated elements. Assemble to form a sealed card that is not too thick. As will be discussed below, when the device is placed in multiple layers, the package thickness is not appreciably greater than the total thickness of the stacked actuated devices.

【0027】 図2Aは、本発明の基本的な実施形態100を示す。ポリイミド材料のような
絶縁性の高い材料からなる薄膜110は、少なくとも一方の面上を典型的には銅
被膜で金属化され、完成したアクチュエータパッケージと同じ範囲を占めるか、
または完成したアクチュエータパッケージよりもわずかに大きな矩形を形成する
。多層回路基板を製造する際に使用するのに利用可能な適切な材料は、Ariz
onaのChandlerのRogers CorporationによりFl
ex−I−Mid3000非接着性回路材料として販売され、ロール状の銅箔上
に形成されるポリイミドからなる。金属箔が18〜70マイクロメートルの厚さ
で、13〜50マイクロメートルの厚さのポリイミド膜で一体的にコーティング
された範囲のサイズが市販されている。他の厚さを製造してもよい。この市販の
材料では、箔およびポリマー膜が接着剤を用いることなく直接くっついている。
そのため、従来のマスキングおよびエッチングによって金属層をパターニングす
ることができ、複数のパターニングされた層が、以下により詳細に説明される方
法で、アセンブリを壊れ易くしたり、または層間剥離を引き起こす残留接着剤を
用いることなく、多層基板へと形成され得る。ロール状の銅箔は、高い面内引っ
張り強さをもたらし、一方ポリイミド膜は、強く、硬く、そして欠陥のない電気
絶縁バリアを示す。
FIG. 2A shows a basic embodiment 100 of the present invention. A thin film 110 of a highly insulating material, such as a polyimide material, is metallized on at least one side, typically with a copper coating, to occupy the same extent as the completed actuator package, or
Or form a rectangle slightly larger than the completed actuator package. Suitable materials available for use in manufacturing multilayer circuit boards are Ariz.
Fl by ona's Chander Rogers Corporation
ex-I-Mid3000 Sold as a non-adhesive circuit material and composed of polyimide formed on a rolled copper foil. A range of sizes is commercially available where the metal foil is 18-70 micrometers thick and is integrally coated with a 13-50 micrometer thick polyimide film. Other thicknesses may be manufactured. In this commercial material, the foil and polymer film are directly attached without the use of adhesive.
As such, the metal layer can be patterned by conventional masking and etching, and the plurality of patterned layers can cause residual adhesive to break the assembly or cause delamination in the manner described in more detail below. Can be formed into a multilayer substrate without using. Rolled copper foil provides high in-plane tensile strength, while polyimide film exhibits a strong, stiff, and defect-free electrical insulation barrier.

【0028】 以下に説明される構造では、膜は、電極上の絶縁体だけでなく、デバイスの外
表面も構成する。従って、高い絶縁強度、高いせん断強度、耐水性、そして他の
表面にボンディングする能力を有することが必要とされる。高い耐熱性は、好適
な製造プロセスで用いられる温度硬化の点から必要であり、またいくつかの適用
環境に対して必要とされる。一般に、ポリアミド/ポリイミドが有効であると分
かっているが、同様の特性を有するポリエステルまたは熱可塑性物質のような他
の材料もまた用いることができる。
In the structure described below, the membrane constitutes not only the insulator on the electrodes, but also the outer surface of the device. Therefore, it is necessary to have high dielectric strength, high shear strength, water resistance, and the ability to bond to other surfaces. High heat resistance is required in view of the temperature cure used in the preferred manufacturing process and for some application environments. In general, polyamide / polyimides have been found to be effective, but other materials such as polyesters or thermoplastics with similar properties can also be used.

【0029】 この構成では、箔層は従来のマスキング技術およびエッチング技術(例えば、
フォトレジストマスキング、パターニングに続いて塩化鉄によるエッチング)に
よりパターニングされ、圧電プレート素子の表面と接触する電極を形成する。あ
るいは、さらに延性の導電薄層を用いてもよい。例えば、導電薄層は、銀導電性
インクを用いてポリマー膜上または圧電素子上に直接プリントされ得る。図2A
において、電極111は、矩形の内部の1つ以上のサブ領域上に広がっており、
デバイスの端で延びている補強パッド111aまたは補強ランド111bにつな
がる。電極は、広いターニングパスに沿って圧電素子を接触させるようなパター
ンに配列される。この広いターニングパスは、素子の長さ全体と幅全体を交差し
、従って電極または圧電素子内に少量のクラックまたは局所的な破壊が生じても
、素子が接続されたままとなることを確実にする。フレーム部材120は、シー
ト110の周辺に位置付けられ、少なくとも1つの圧電プレート素子112が、
電極111によって接触されるように中央領域に位置される。フレーム部材は、
薄いラミネートが端まで広がらないようにエッジ結合部として機能し、それらの
フレーム部材はまた、以下にさらに記載されるホットプレスアセンブリオペレー
ションのための厚さスペーサとして、そしてラミネートパッケージを構築する初
期段階において挿入される圧電プレートの位置を規定する位置メーカとして機能
する。
In this configuration, the foil layer has conventional masking and etching techniques (eg,
Photoresist masking, patterning followed by etching with iron chloride) to form electrodes that contact the surface of the piezoelectric plate element. Alternatively, a more ductile conductive thin layer may be used. For example, a conductive thin layer may be printed with a silver conductive ink directly on the polymer film or on the piezoelectric element. Figure 2A
In, the electrode 111 extends over one or more sub-regions inside the rectangle,
It connects to a stiffening pad 111a or stiffening land 111b extending at the end of the device. The electrodes are arranged in a pattern that contacts the piezoelectric elements along a wide turning path. This wide turning path intersects the entire length and width of the element, thus ensuring that the element remains connected even if a small amount of cracking or local breakage occurs in the electrode or piezoelectric element. To do. The frame member 120 is positioned around the perimeter of the sheet 110 and the at least one piezoelectric plate element 112 is
It is located in the central region so as to be contacted by the electrode 111. The frame member is
The thin laminate acts as an edge joint so that it does not spread to the edges, and their frame members also serve as thickness spacers for hot press assembly operations, which are described further below, and in the early stages of building a laminate package. It functions as a position maker that defines the position of the piezoelectric plate to be inserted.

【0030】 図2Aは、デバイスの層構造を示さないので模式図である。図2Aは、さらな
る半透明の上部層116(図2B)を含んでそのデバイスの層構造をともに密閉
する。半透明の上部層116は、実際にはプレート112にわたって広がり、ス
ペーサ120およびシート110と一緒になってアセンブリを封止する。同様の
層114は、圧電素子の下に適切な切りぬいたものとともに配置され、それによ
り電極111が素子と接触する。層114、116は、好ましくは硬化エポキシ
シート材料から形成され、この硬化エポキシシート材料は、金属電極層の厚さに
等しい硬化厚さを有し、それぞれの面でそれと接触する材料をともにつなぐため
の接着層として働く。このエポキシが硬化すると、デバイスの構造本体が構成さ
れ、素子を強くしかつクラックの成長を防ぐために、圧電素子の表面の実質的な
部分全体的に広がるアセンブリを硬化する。それにより寿命が長くなる。さらに
、この層からのエポキシは、実際には、極めて薄いが不連続性の高い膜(約0.
0025mm厚)として電極上に広がる。このエポキシは、これら電極を圧電プ
レートにしっかりとボンディングするが、充分な数のボイドおよびピンホールを
有しており、そのため電極と圧電素子との間の直接電気接触が、かなりの分布し
た接触領域上でなお生じる。
FIG. 2A is a schematic diagram as it does not show the layer structure of the device. FIG. 2A includes an additional translucent top layer 116 (FIG. 2B) to enclose the layer structure of the device together. The translucent top layer 116 actually extends across the plate 112 and, together with the spacer 120 and the sheet 110, seals the assembly. A similar layer 114 is placed under the piezoelectric element with appropriate cutouts so that the electrode 111 contacts the element. The layers 114, 116 are preferably formed from a cured epoxy sheet material, which has a cured thickness equal to the thickness of the metal electrode layer, to join together the material that contacts it on each side. Works as an adhesive layer. When the epoxy cures, it forms the structural body of the device and cures an assembly that extends over a substantial portion of the surface of the piezoelectric element to strengthen the element and prevent crack growth. This prolongs the life. Moreover, the epoxy from this layer is actually a very thin but highly discontinuous film (about 0.
(0025 mm thickness) and spread on the electrode. The epoxy firmly bonds the electrodes to the piezoelectric plate, but has a sufficient number of voids and pinholes so that direct electrical contact between the electrodes and the piezoelectric element results in a fairly distributed contact area. Still occurs above.

【0031】 図2Bは、図2Aの実施形態の断面図を示す。ただし、一定比で描かれていな
いことに留意されたい。粗い比率として、厚さ0.2〜0.25ミリメートルの
圧電プレート112の場合、絶縁膜110ははるかに薄く、プレートの1/10
〜1/5の厚さに過ぎない。導電性銅電極層111は、典型的には10〜15ミ
クロンの厚さを有し得るが、後者の範囲は、定められた厳密な制限ではない。し
かし、このような範囲は、電気的に使用可能な電極厚さの有効な範囲を示し、製
造するのに都合良く、それほど厚くないのでひずみの伝達効率を損なうか、また
は層間剥離の問題をもたらすかのいずれかとなる。構造的なエポキシ114は、
各層にある電極111間の空間を埋め、これらの電極とほぼ同じ厚さを有し、そ
れによりアセンブリ全体が固体ブロックを形成する。スペーサ120は、比較的
架橋されていないポリマーのような低弾性係数を有する比較的圧縮可能な材料か
ら形成され、以下に記載されるような圧力硬化エポキシとともに用いられる場合
には、好ましくは、圧電プレートまたは素子のスタックと大まかに言って等しい
厚さである。それにより、これらスペーサは、膜110の上部層と下部層との間
の他の構成要素の周りにエッジ結合部を形成する。
FIG. 2B shows a cross-sectional view of the embodiment of FIG. 2A. However, note that it is not drawn to scale. As a rough ratio, in the case of the piezoelectric plate 112 having a thickness of 0.2 to 0.25 mm, the insulating film 110 is much thinner and is 1/10 of the plate.
Only ~ 1/5 thick. The conductive copper electrode layer 111 may typically have a thickness of 10 to 15 microns, although the latter range is not a hard and fast limit. However, such a range represents an effective range of electrically usable electrode thickness, which is convenient for manufacturing and is not so thick that it impairs strain transfer efficiency or causes delamination problems. Will be either. Structural epoxy 114
It fills the space between the electrodes 111 in each layer and has approximately the same thickness as these electrodes, so that the entire assembly forms a solid block. Spacer 120 is formed of a relatively compressible material having a low modulus of elasticity, such as a relatively uncrosslinked polymer, and preferably is piezoelectric when used with a pressure cured epoxy as described below. It is roughly as thick as a plate or stack of elements. Thereby, these spacers form edge bonds around other components between the upper and lower layers of film 110.

【0032】 好適な製造方法は、層116が硬化するにつれて圧力をパッケージ全体に印加
する工程を含む。スペーサ120は、図3〜5を参照して以下に説明される圧電
セラミックプレートと任意の回路素子を整列するように機能し、それらスペーサ
は、硬化工程のアセンブリ中にわずかに加圧されるフレームを形成する。このと
き、フレームは、応力または凹凸が全く残ることなく端を密閉するために変形さ
れ得る。圧縮することによってボイドをなくし、高密度かつクラックのない固体
媒体を提供し、その一方で熱硬化によって高い架橋度が達成されて、高い強度か
つ硬度が得られる。
The preferred method of manufacture includes applying pressure to the entire package as layer 116 cures. The spacers 120 function to align any circuit elements with the piezoceramic plates described below with reference to FIGS. 3-5, the spacers being a frame that is slightly pressurized during assembly during the curing process. To form. At this time, the frame can be deformed to seal the edges without leaving any stress or irregularities. The compression eliminates voids and provides a dense and crack-free solid medium, while thermosetting achieves a high degree of cross-linking to provide high strength and hardness.

【0033】 図2A、2Bの実施形態のアセンブリプロセスは以下のようである。各々の厚
さが合計で約0.025〜0.050ミリメートルである、ポリイミド膜を覆っ
た1つ以上の銅片が、完成したアクチュエータパッケージの寸法よりもわずかに
大きなサイズに切り取られる。膜の銅サイズは、電極の所望の形状を形成するた
めにマスキングされ、パターニングされる。それにより圧電素子を導電性リード
線および任意の所望のランドまたはアクセス端子とともに接触させる。3つの歯
を有するピッチフォーク電極パターンを示す。これら3つの歯は、圧電素子の1
つの面の中心と両側とを接触させるように位置付けられるが、他の実施形態では
、H型またはくし型を用いる。パターニングは、回路基板または半導体処理技術
と同様のマスキング、エッチング、次いでクリーニングによって行われ得る。マ
スキングは、フォトレジスタパターニング、スクリーニング、テープマスキング
、または他の適切なプロセスによって達成される。従来のプリント回路基板のよ
うなポリイミド膜からなるこれらの電極片の各々は、回路素子またはアクチュエ
ータシートの位置を規定し、以下では単に「屈曲回路」と呼ばれる。しかしなが
ら、本発明の方法およびデバイスはまた、「屈曲回路」ではなくて電極圧電素子
、絶縁体、および電気接触を用いることを想定する。
The assembly process of the embodiment of FIGS. 2A and 2B is as follows. One or more copper strips over the polyimide film, each with a total thickness of about 0.025 to 0.050 millimeters, are cut to a size slightly larger than the dimensions of the finished actuator package. The copper size of the film is masked and patterned to form the desired shape of the electrodes. This brings the piezoelectric element into contact with the conductive leads and any desired lands or access terminals. 7 shows a pitchfork electrode pattern with three teeth. These three teeth are one of the piezoelectric elements
It is positioned so that the center of one side is in contact with both sides, but in other embodiments an H-shape or a comb-shape is used. Patterning can be done by masking, etching, and then cleaning, similar to circuit board or semiconductor processing techniques. Masking is accomplished by photoresist patterning, screening, tape masking, or other suitable process. Each of these electrode pieces made of a polyimide film, such as in conventional printed circuit boards, defines the position of the circuit element or actuator sheet and is hereinafter simply referred to as the "bend circuit". However, the methods and devices of the present invention also contemplate using electrode piezoelectric elements, insulators, and electrical contacts rather than "bending circuits."

【0034】 次に電極箔層とほぼ同じ厚さまたはそれよりもわずかに厚い硬化されていない
シートエポキシ材料が、任意でスルーアパーチャが電極パターンに整合するよう
に切り取られる。これにより、スルーアパーチャ構築された場合に向上した電気
接触を可能にし、各屈曲回路上に配置される。そのため、エポキシ材料は屈曲回
路に付着して、電極部間およびその周りで平坦化層を形成する。次いで、バッキ
ングが、屈曲回路に付着したエポキシ層から取り除かれて、プレカットスペーサ
120が、屈曲回路の角および端の位置に位置付けられる。スペーサは、電極面
上に広がり、1つ以上のリセスを規定するフレームの輪郭を描く。次のアセンブ
リ工程で、そのリセス内に圧電素子が嵌め込まれる。次いで、圧電素子(単数ま
たは複数)がスペーサによって規定されるリセスに配置され、自身の平坦化/ボ
ンディング層114とともに第2の電極膜111、112が、素子の所定の位置
に配置され、圧電素子の上部に電極接触を形成する。デバイスが、いくつかのベ
ンディングアクチュエータ構成の場合にあるような、圧電素子のいくつかの層を
有する場合、これらのアセンブリ工程は、各々追加の電極膜および圧電プレート
に対して繰り返され、中間シートの上下の両方でアクチュエータ素子と接触する
中間電極層を形成する場合に、両面に覆われ、パターニングされるポリイミド膜
を用いることができることに留意されたい。
Next, an uncured sheet epoxy material about the same thickness as or slightly thicker than the electrode foil layer is optionally trimmed so that the through apertures match the electrode pattern. This allows for improved electrical contact when built through the aperture and is placed on each flex circuit. Therefore, the epoxy material adheres to the flex circuit to form a planarization layer between and around the electrode portions. The backing is then removed from the epoxy layer attached to the flex circuit and precut spacers 120 are positioned at the corners and ends of the flex circuit. The spacer extends over the electrode surface and outlines a frame that defines one or more recesses. In the next assembly process, the piezoelectric element is fitted in the recess. The piezoelectric element (s) are then placed in the recesses defined by the spacers, and the second electrode films 111, 112 along with their own planarization / bonding layer 114 are placed in predetermined locations on the element. An electrode contact is formed on top of the. If the device has several layers of piezoelectric elements, as is the case with some bending actuator configurations, these assembly steps are repeated for each additional electrode film and piezoelectric plate, and the intermediate sheet It should be noted that a polyimide film, which is covered and patterned on both sides, can be used when forming an intermediate electrode layer that contacts the actuator element both above and below.

【0035】 すべての素子が所定の位置に配置されると、パターニングされた屈曲回路、圧
電シート、スペーサ、硬化可能なパターニングされたエポキシ層からなる完成し
たサンドイッチアセンブリが、熱圧盤間で加圧されて配置され、高温の加圧下で
硬化することで、アセンブリを固くして固いクラックのないアクチュエータカー
ドにする。例示的な実施形態において、350゜Fで50〜100psi圧力下
で30分間の硬化サイクルを用いる。エポキシは、圧電素子の減極温度以下の硬
化温度を有するが、高い硬度が達成されるように選択される。
Once all the elements are in place, the complete sandwich assembly of patterned flex circuits, piezoelectric sheets, spacers and curable patterned epoxy layers is pressed between the hot platens. Placed and cured under high temperature pressure to harden the assembly into a hard, crack-free actuator card. In an exemplary embodiment, a 30 minute cure cycle at 350 ° F and 50-100 psi pressure is used. The epoxy has a curing temperature below the depolarization temperature of the piezoelectric element, but is selected to achieve high hardness.

【0036】 上記構成は、2つの電極膜間に挟まれた1つの圧電プレートを有する単純なア
クチュエータカードを示す。従って、プレートは、せん断ひずみを薄膜を通って
アクチュエータカードの表面まで効率的に伝える。層の厚さの2乗で除算された
せん断係数として定められる伝達効率の基準(ガンマ(Γ)と称される)は、エ
ポキシ114、ロール状箔電極111、およびポリイミド膜110の係数および
厚さに依存する。例示的な実施形態において、エポキシおよび銅電極層は1.4
ミル厚であり、エポキシは、0.5×106の係数を有し、約9×1010ポンド
/インチ4のガンマが達成される。より薄いエポキシ層および0.8ミルの箔膜
を用いることによって、実質的により高いΓが達成される。一般に、電極/エポ
キシ層のガンマは、5×1010ポンド/インチ4より大きく、一方膜のガンマは
、2×1010ポンド/インチ4より大きい。
The above configuration shows a simple actuator card with one piezoelectric plate sandwiched between two electrode films. Thus, the plate effectively transfers shear strain through the membrane to the surface of the actuator card. The transfer efficiency criterion (referred to as gamma (Γ)), defined as the shear coefficient divided by the square of the layer thickness, is the coefficient and thickness of the epoxy 114, the rolled foil electrode 111, and the polyimide film 110. Depends on. In an exemplary embodiment, the epoxy and copper electrode layers are 1.4
Being mil thick, the epoxy has a modulus of 0.5 × 10 6 and a gamma of about 9 × 10 10 pounds / inch 4 is achieved. A substantially higher Γ is achieved by using a thinner epoxy layer and a 0.8 mil foil film. Generally, the electrode / epoxy layer gamma is greater than 5 × 10 10 pounds / inch 4 , while the membrane gamma is greater than 2 × 10 10 pounds / inch 4 .

【0037】 10ミル厚のPZTアクチュエータプレートを用いる場合、3つの屈曲回路の
電極膜層(但し、真中の層は両方のプレートと接触するように二重に覆われてい
る)で互いの上に積み重ねられた2つのPZTプレートを有するカードは、合計
28ミル厚を有し、1つのプレートのみの場合よりも40%だけ大きい。質量荷
重の点から、アクチュエータ素子の重さは、このアセンブリの総質量の90%を
示す。他の構成では一般に、プレートは、パッケージ厚の50〜70%を占め、
その質量の70〜90%を構成する。従って、アクチュエータ自身は、ほぼ理論
的な性能のモデル化を可能にする。この構成は、(さきほど述べた)ベンダーお
よびスタックまたは1つのシートのアレイを実現するために、同様に高い多様性
を提供する。
When using a 10 mil thick PZT actuator plate, three flex circuit electrode membrane layers, with the middle layer double-coated to contact both plates, are placed on top of each other. The card with two PZT plates stacked together has a total thickness of 28 mils and is 40% larger than with only one plate. In terms of mass loading, the weight of the actuator element represents 90% of the total mass of this assembly. In other configurations, the plate typically comprises 50-70% of the package thickness,
It constitutes 70-90% of its mass. Thus, the actuator itself allows modeling of near theoretical performance. This configuration offers a similarly high degree of versatility to implement the vendor and stack (discussed above) or an array of one sheet.

【0038】 本発明に従って構成されたアクチュエータの他の有用な性能指数には、アクチ
ュエータひずみε対圧電素子自由ひずみΛの高い比率があり、この比率は、本明
細書に記載される2層の実施形態の場合には約(0.8)であり、一般には(0
.5)より大きい。同様に、パッケージ対自由素子曲率の比(すなわちK)は、
記載される構成の場合には約0.85〜0.90であり、一般に0.7より大き
い。
Another useful figure of merit for an actuator constructed in accordance with the present invention is a high ratio of actuator strain ε to piezoelectric element free strain Λ, which is a two-layer implementation described herein. In the case of the form, it is about (0.8), and generally (0
. 5) Greater than Similarly, the ratio of package to free element curvature (ie, K) is
For the configuration described, it is about 0.85 to 0.90 and is generally greater than 0.7.

【0039】 従って全体として、屈曲回路に組み込まれる圧電素子を構成する際に含まれる
パッケージングは、その重さおよび50%を十分下回るだけ、ならびに10%と
同じだけ小さい電気機械的動作特性を損なうものの、他の重要な点としてはその
耐久力および機械的動作範囲を大きく高める。例えば、シートパッケージング構
造をベース素子に追加することによって、到達可能なKを低減するが、実際の使
用ではフレックスカード構成は、圧電ベンダー構成となり、クラックによる不良
および他の機械的な不良モードが生じることなく、大きなプレート構造が製造さ
れ得、高い曲率が繰返しアクチュエートされ得るので、はるかに大きな総偏向が
達成され得る。いくつかの図面は、このような向上した物理的特性をもたらす構
成の変形例を示す。
Thus, overall, the packaging involved in constructing a piezoelectric element incorporated into a flex circuit impairs its weight and electromechanical operating characteristics well below 50% and as small as 10%. However, another important point is that it greatly enhances its durability and mechanical operating range. For example, adding a sheet packaging structure to the base element reduces the achievable K, but in actual use the flex card configuration becomes a piezoelectric bender configuration, which can lead to cracking defects and other mechanical failure modes. Larger plate structures can be produced without occurring and high curvatures can be repeatedly actuated so that a much larger total deflection can be achieved. Some drawings show variations of configurations that provide such improved physical properties.

【0040】 第1に、屈曲回路間に埋め込まれた電気能動素子の構造は、予測可能な応答特
性を備えた低質量の統合された機械的構造を提供するだけでなく、アクチュエー
タカード内にまたはアクチュエータカード上に回路素子を組み込むことを可能に
する。図2Cは、このタイプの1つのデバイス70の上面図を示す。ここで、領
域71、73各々は基板電気能動シートを含み、一方中心領域72は、バッテリ
75、プレーナ型出力増幅器または増幅器のセット77、マイクロプロセッサ7
9、および複数のひずみゲージ78を含む回路または出力素子を含む。他の回路
素子82a、82bは、周辺部に回路導体のパス81に沿ったどこかに配置され
得る。他の実施形態の場合、スペーサ120は配置を規定し、デバイスの端を密
閉するが、電極111は電気能動素子を次に組み込まれる処理回路または制御回
路に取り付ける。回路素子82a、82bは、デバイスがセンサとして動作する
場合には重み付けレジスタ、またはシャントレジスタを含み、受動ダンピング制
御を実現し得る。あるいは、これらの回路素子は、フィルタリング、増幅、イン
ピーダンス整合、またはキャパシタ、増幅器等の格納素子であり得る。いずれの
場合においても、これらの素子はまた、電気能動プレート84から離れて配置さ
れる。コンポーネントは、まとまってひずみを感知して、感知した状況に応答し
て種々の作動パターンを実行するか、または他の感知タスクまたは制御タスクを
実行することができる。
First, the structure of electro-active elements embedded between flex circuits not only provides a low mass integrated mechanical structure with predictable response characteristics, but also within the actuator card or Allows the incorporation of circuit elements on the actuator card. FIG. 2C shows a top view of one device 70 of this type. Here, each of the regions 71, 73 comprises a substrate electrically active sheet, while the central region 72 comprises a battery 75, a planar power amplifier or set of amplifiers 77, a microprocessor 7
9 and a circuit or output element including a plurality of strain gauges 78. The other circuit elements 82a, 82b may be arranged in the periphery somewhere along the path 81 of the circuit conductor. In other embodiments, the spacers 120 define the placement and seal the edges of the device, while the electrodes 111 attach the electro-active elements to the processing or control circuitry to be subsequently incorporated. The circuit elements 82a, 82b may include weighting registers, or shunt resistors if the device acts as a sensor, to provide passive damping control. Alternatively, these circuit elements may be filtering, amplification, impedance matching, or storage elements such as capacitors, amplifiers and the like. In any case, these elements are also located away from the electro-active plate 84. The components may collectively sense strain and perform various actuation patterns in response to sensed situations or perform other sensing or control tasks.

【0041】 ここで本発明のアクチュエータの局面に戻って、図3は、アクチュエータパッ
ケージ200の上面図を示し、このアクチュエータパッケージ200は、寸法が
約1.25×9.00×0.030インチで、それぞれが4枚のプレートを供え
る2層の圧電プレートと組み立てられている。終端タブ210aを備える矩形の
ポリイミドシート210は、互いに相互接続され、かつ、タブへと延びる1つの
ランナー211aとに相互接続されるH字型の細い銅線の格子の形状で電極21
1を搬送し、これにより、圧電プレートを支える4つの矩形領域の各々に低イン
ピーダンス接続を直接提供する。
Returning now to the actuator aspect of the present invention, FIG. 3 shows a top view of an actuator package 200 that has dimensions of about 1.25 × 9.00 × 0.030 inches. , Assembled with two layers of piezoelectric plates, each with four plates. The rectangular polyimide sheet 210 with the termination tabs 210a is in the form of an H-shaped thin copper wire grid interconnected with each other and with one runner 211a extending to the tab.
1 to provide a low impedance connection directly to each of the four rectangular areas carrying the piezoelectric plate.

【0042】 H字型のスペーサ素子220a、220bまたはL字型の220cは、角部を
示し(mark off)、圧電プレート216を配置するための場所である矩
形スペースを表す。この実施形態において、以下にさらに説明する複数のギャッ
プ230が、H字型スペーサまたはL字型スペーサの隣接する場所の間にある。
以下の説明から明らかであるように、これらの小型で別個のスペーサ素子(I字
型、T字型またはO字型のスペーサもまた便利であり得る)の利用が向上する。
なぜならば、これらのスペーサは、組みたて中に粘着性のボンディングエポキシ
層114上に容易に配置することができ、これにより、組みたて位置を示し、圧
電素子を受け入れる凹部を形成することが可能であるからである。しかし、この
スペーサ構造は、このような別個の素子の集合に限定されず、パンチングで押し
出されたシートまたは成形されたフレームとして形成された単一または1対のフ
レーム部品でもあり得、これにより、方向付けおよび/あるいはシーリング端部
、または、回路構成要素のアクチュエーションを保持する凹部が全てまたは1つ
以上提供され得る。
The H-shaped spacer elements 220 a and 220 b or the L-shaped spacer elements 220 c mark off and represent a rectangular space where the piezoelectric plate 216 is placed. In this embodiment, a plurality of gaps 230, described further below, are between adjacent locations of the H-shaped spacers or L-shaped spacers.
As will be apparent from the description below, the utilization of these small, discrete spacer elements (I-shaped, T-shaped or O-shaped spacers may also be convenient) is improved.
This is because these spacers can be easily placed on the adhesive bonding epoxy layer 114 in the assembling, thereby indicating the assembling position and forming a recess for receiving the piezoelectric element. Because it is possible. However, the spacer structure is not limited to such a set of discrete elements and can also be a single or pair of frame parts formed as punched extruded sheets or molded frames, whereby Orientation and / or sealing ends or all or one or more recesses that hold the actuation of the circuit components may be provided.

【0043】 図5は、3枚のシート(すなわち、それぞれ電極層および圧電プレート層)の
各々の上面図を示し、図5Aは、フィルム層、導体層およびスペーサ/圧電層を
層化させる一般的な順序を示す。図示のように、スペーサ220および圧電プレ
ート216は、各一対の電極層間の単一層を構成する。
FIG. 5 shows a top view of each of the three sheets (ie, the electrode layer and the piezoelectric plate layer, respectively), and FIG. 5A shows a generalized layering film layer, conductor layer and spacer / piezoelectric layer. Indicates the order. As shown, the spacer 220 and the piezoelectric plate 216 form a single layer between each pair of electrode layers.

【0044】 図4Aおよび4B(縮尺通りに図示せず)は、組み立てられたアクチュエータ
の層構造を、図3中に「A」および「B」として示す位置で切った縦断図と共に
示す。図4A中により明瞭に示すように、エポキシシート214のパターニング
されたボンディング層は、各電極層211と同一平面上にあり、電極間のスペー
スを満たし、一方、スペーサ220cは、圧電プレート216と同一平面上にあ
り、圧電プレート216と実質的に同一の厚さまたはそれよりもやや厚めの厚さ
を有する。例示として、圧電プレート216はPZT−5Aセラミックプレート
であり、この圧電プレート216は、5〜20ミルの厚さのものが市販されてお
り、電極211との各接着面を被覆する連続的導電層216aを有する。スペー
サ220は、軟化温度が約250℃の若干の圧縮性を有するプラスチックで形成
される。これにより、硬化温度においてかなりの程度のなじみ性を得ることが可
能となり、そのため、スペーサ材料は、組立てプロセスの間、わずかな間隙21
4a(図4A)を満たし得る。図4Bに示すように、スペーサ間のギャップ23
0(但し、存在する場合の話であるが)は、開口部214bを生じ、この開口部
214bは、硬化性ボンディング層214から過剰なエポキシを排出し、硬化プ
ロセスの間、エポキシで満ちる。同図に示すように、また、特定の量のエポキシ
も、電極211と圧電プレート216との間のフィルム215のパッチ中にブリ
ードされ得る。電極211は大型でありまた連続しているため、このようにエポ
キシが隙間部分から漏れても、圧電素子との電気接触は損なわれず、このような
隙間によりもたらされるさらなる接続構造は、電極の層間剥離の防止に有用であ
る。
FIGS. 4A and 4B (not shown to scale) show the layered structure of the assembled actuator with longitudinal cross-sections taken at the locations indicated as “A” and “B” in FIG. 3. As shown more clearly in FIG. 4A, the patterned bonding layer of the epoxy sheet 214 is coplanar with each electrode layer 211 and fills the space between the electrodes, while the spacer 220c is the same as the piezoelectric plate 216. It lies on a plane and has substantially the same thickness as the piezoelectric plate 216 or slightly thicker than it. By way of example, the piezoelectric plate 216 is a PZT-5A ceramic plate, which is commercially available in thicknesses of 5-20 mils, and which has a continuous conductive layer covering each adhesive surface with the electrode 211. 216a. The spacer 220 is formed of a plastic having a softening temperature of about 250 ° C. and having a slight compressibility. This makes it possible to obtain a considerable degree of conformability at the curing temperature, so that the spacer material will have a small gap 21 during the assembly process.
4a (FIG. 4A) may be filled. As shown in FIG. 4B, the gap 23 between the spacers
0 (although, if present, causes an opening 214b that drains excess epoxy from the curable bonding layer 214 and fills with epoxy during the curing process. As shown in the figure, a certain amount of epoxy can also be bleed into the patch of film 215 between electrode 211 and piezoelectric plate 216. Since the electrode 211 is large and continuous, such leakage of epoxy from the gap does not impair the electrical contact with the piezoelectric element, and the additional connection structure provided by such a gap is It is useful for preventing peeling.

【0045】 図示の電極構成を用いれば、各垂直方向に階層化された一対の圧電プレートを
互いに対立させた状態でアクチュエートして曲げを誘発し、または、より多くの
別個の電極を提供して、異なる一対のプレートを異なる様式でアクチュエートす
ることも可能であることが理解される。一般的には、上述したように、本発明は
、多くの別個の素子を異なる様式でアクチュエートさせる工程を伴うさらに極め
て複雑なシステムにおいて、感知素子、制御素子、および電源素子または減衰素
子を全て、同一カード上に取り付けることを企図している。この点において、こ
のシステムの柔軟性により、カードを実際のタスクに適応させる際、多大な柔軟
性がさらに提供される。このシステムは概して、厚さ30ミルのエポキシストリ
ップと比較して柔軟性においてよりしなやかであり、そのため、曲げ、打撃、ま
たは振動を損傷無く受けることが可能である。また、このシステムは、圧電素子
が収容されていない中央線CL(図3)領域では、大幅に曲げまたは屈曲が可能
であり、これにより、取り付け面または角部へのなじみが良好である。これらの
素子は、ポーリングが可能であり、これにより面内または交差面内の寸法を変更
することが可能である。従って、上述した制御アクションのうち任意のものを行
うか、または、特定の波形あるいは種類の音響エネルギー(例えば、曲げ波形、
剪断波形あるいは圧縮波形)を隣接面に発射するのに効果的な様式で、アクチュ
エータを、ひずみを隣接面に送るように取りつけることが可能である。
The illustrated electrode configuration may be used to actuate a pair of vertically layered piezoelectric plates in opposition to each other to induce bending or to provide more individual electrodes. It is understood that it is also possible to actuate different pairs of plates in different ways. In general, as noted above, the present invention provides all sensing, control, and power or attenuation elements in more highly complex systems involving the actuation of many discrete elements in different ways. , Intended to be mounted on the same card. In this respect, the flexibility of this system further provides a great deal of flexibility in adapting the card to the actual task. This system is generally more pliable in flexibility as compared to a 30 mil thick epoxy strip so that it can undergo bending, striking, or vibration without damage. Also, the system is capable of significant bending or bending in the region of the centerline CL (FIG. 3) where no piezoelectric element is housed, which results in good conformability to the mounting surface or corner. These elements can be polled, which allows for in-plane or cross-plane dimension changes. Therefore, any of the control actions described above may be performed, or a particular waveform or type of acoustic energy (eg, bending waveform,
The actuators can be mounted to deliver strain to the abutment surface in a manner effective to fire a shear or compression waveform to the abutment surface.

【0046】 図6は、別のアクチュエータの実施形態300を示す。この実施形態において
、概略的に図示するように、エポキシボンディング層、フィルム素子およびスペ
ーサ素子は図示していないが、有効なメカニズムを示すために、電極シートおよ
び圧電シートのみを図示している。第1の組の電極340および第2の組の電極
342は両方とも、同一の層中に提供され、各組は、インターディジテートされ
た櫛部を2つ備える櫛部の形状を有し、これにより、1つの櫛部の歯部と残りの
櫛部の隣接歯部との間に、電気的アクチュエーション電界が設定される。図11
Aおよび11Bに示すように、線状電極408(すなわち、櫛部構成の「歯部」
)は、共通バス402に接続する。バス402は、(図11Aに示すように)圧
電セラミック面404上に配置され得るか、または、圧電セラミック表面404
から外れて配置され得る(図11B中に図示)。図12もまた、本発明の1つの
実施形態400を示し、この実施形態において、バス402は、圧電セラミック
面404から離れて配置される。あるいは、ポリマーフィルムの屈曲回路の反対
側にバスを配置してもよい。これらの線状電極は、ポリマーフィルムを通じてバ
スと電気接触する。例えば、このポリマーフィルムは、適切に配置されたスルー
ホールめっきを含み得るか、または、単純に研磨除去され、電気接触を得ること
も可能である。本明細書中、電極の噛合い「櫛歯」構成を、図11A、11Bお
よび12に示すように、例えば、インターディジタル電極(IDE)と呼ぶ。図
6において、一対の並行な櫛部340aおよび342aを、圧電シートの反対側
に提供し、櫛状電極340を340aに連結し、櫛状電極342を342aに連
結し、これにより、等電位線「e」が圧電シート中に延在し、異なる櫛部からの
各一対の歯部間の面内電位勾配がある状態で、電界を設定する。図示の実施形態
において、圧電セラミックプレートは金属化されていないため、各櫛部とプレー
トとの間に直接電気接触が生じる。先ず高電圧を櫛部上に印加して平面方向に沿
って12000ボルト/インチを越える電界強度を発生させることにより、これ
らのプレートは面内においてポーリングされる。これにより、その後、2つの櫛
状電極上にわたる電位差を印加すると面内(剪断)アクチュエーションが発生す
るように、圧電構造を方向付ける。従って、インターディジタル電極を直接接触
させれば、アクチュエーション方向に並行に生成された電界を圧電素子に提供す
ることができる。
FIG. 6 illustrates another actuator embodiment 300. In this embodiment, the epoxy bonding layers, film elements and spacer elements are not shown as schematically shown, but only the electrode sheet and the piezoelectric sheet are shown to show the effective mechanism. Both the first set of electrodes 340 and the second set of electrodes 342 are provided in the same layer, each set having a comb shape with two interdigitated combs, whereby An electrical actuation electric field is set between the teeth of one comb and the adjacent teeth of the remaining comb. Figure 11
As shown in A and 11B, the linear electrode 408 (that is, the "tooth portion" of the comb structure)
) Connects to the common bus 402. Bus 402 may be disposed on piezoceramic surface 404 (as shown in FIG. 11A) or piezoceramic surface 404.
Can be placed off (illustrated in FIG. 11B). FIG. 12 also shows one embodiment 400 of the present invention, in which the bus 402 is located remote from the piezoceramic surface 404. Alternatively, the bus may be placed on the side of the polymer film opposite the flex circuit. These linear electrodes are in electrical contact with the bath through the polymer film. For example, the polymer film may include through-hole plating properly placed, or it may be simply polished away to obtain electrical contact. The interlocking “comb” configuration of electrodes is referred to herein as, for example, an interdigital electrode (IDE), as shown in FIGS. 11A, 11B and 12. In FIG. 6, a pair of parallel combs 340a and 342a are provided on opposite sides of the piezoelectric sheet to connect the comb electrode 340 to 340a and the comb electrode 342 to 342a, which results in equipotential lines " The electric field is set with "e" extending into the piezoelectric sheet and having an in-plane potential gradient between each pair of teeth from different combs. In the illustrated embodiment, the piezoceramic plate is not metallized, so there is a direct electrical contact between each comb and the plate. These plates are poled in-plane by first applying a high voltage on the comb to generate a field strength of over 12000 volts / inch along the planar direction. This then orients the piezoelectric structure such that in-plane (shear) actuation occurs upon application of a potential difference across the two comb electrodes. Therefore, by directly contacting the interdigital electrodes, it is possible to provide the electric field generated in parallel to the actuation direction to the piezoelectric element.

【0047】 図10A、10Bおよび10Cは、本発明の様々な構成を示す。図10Aは、
IDEパターン(例えば、PZT素子404上に直接印刷された線状電極408
および共通バス402)を示す。図10Bは、PZT素子404上に印刷された
線状電極408と、上部フィルム412および下部フィルム414両方に印刷さ
れた共通バスとを示す。図10Cは、IDEパターン(例えば、上部フィルム4
12および下部フィルム414両方の上の線状電極408および共通バス402
)を示す。
10A, 10B and 10C illustrate various configurations of the present invention. FIG. 10A shows
IDE pattern (eg, linear electrode 408 printed directly on PZT element 404)
And common bus 402). FIG. 10B shows linear electrodes 408 printed on PZT element 404 and a common bus printed on both top film 412 and bottom film 414. FIG. 10C shows an IDE pattern (eg, top film 4).
12 and lower film 414 on both linear electrodes 408 and common bus 402
) Is shown.

【0048】 本発明の方法またはデバイスを用いれば、剪断アクチュエーションに加えて、
方向性アクチュエーションおよび減衰がもたらされ得る。例えば、図7に示すよ
うに、2つのこのようなアクチュエータ300を交差させて、ねじりアクチュエ
ーションを提供することも可能である。あるいは、図13、14Aおよび14B
に示すように、角度付きIDEパターニングアクチュエータ406を、構造の主
要ひずみ軸に沿って構造上に配置し、これにより、剪断ねじれエネルギーを結合
することが可能である。IDEパターンが圧電素子の主要ひずみ軸と効果的にあ
る角度を為すように(すなわち、デバイスが角度付きでボンディングされるよう
に)角度無しIDEパターンを有する圧電デバイスを構造上にボンディングする
ことにより、同じ効果が達成可能である。
With the method or device of the present invention, in addition to shear actuation,
Directional actuation and damping can be provided. For example, as shown in FIG. 7, it is also possible to intersect two such actuators 300 to provide torsional actuation. Alternatively, FIGS. 13, 14A and 14B
An angled IDE patterning actuator 406 can be placed on the structure along the major strain axis of the structure, as shown in, to couple shear torsional energy. Bonding a piezoelectric device having an angleless IDE pattern onto a structure such that the IDE pattern effectively makes an angle with the principal strain axis of the piezoelectric element (ie, the device is angled bonded), The same effect can be achieved.

【0049】 上記の実施形態を説明するうちに、電極/ポリイミド層を通じてひずみエネル
ギーを直接任意の隣接構造に移動させることが、明確かつ新規な利点として確認
された。このようなオペレーションは、アクチュエーションタスク用途に有用で
あり得、また、エーロフォイル形状の制御アクチュエーションおよびノイズある
いは振動の相殺あるいは制御として多様である。図8Aおよび8Bは、平坦なア
クチュエータの実施形態60(図8A)および半円筒形のアクチュエータの実施
形態60(図8B)を、平坦な表面またはやや屈曲した表面およびシャフトにそ
れぞれ適用した場合の典型的取付けを示す。
In describing the above embodiments, the transfer of strain energy directly through the electrode / polyimide layer to any adjacent structure was identified as a clear and novel advantage. Such operations may be useful in actuation task applications and are versatile in airfoil shaped control actuation and noise or vibration cancellation or control. 8A and 8B are typical views of a flat actuator embodiment 60 (FIG. 8A) and a semi-cylindrical actuator embodiment 60 (FIG. 8B) applied to a flat or slightly curved surface and shaft, respectively. Shows the static attachment.

【0050】 しかし、これらのアクチュエータの電気機械材料はひずみエネルギー変換によ
って動作するが、本発明の用途は、アクチュエータ表面を通じてひずみ結合を超
えて存在し、アクチュエータによって与えられる動き、トルクまたは力を全体的
に利用する、多くの専門的な機械的構造を含む。これらの実施形態の各々におい
て、基本的なストリップ型またはシェル型のシーリングされたアクチュエータを
、自身の長さに沿った一つ以上の点においてピン止めまたは接続された、ロバス
トで、弾性のある機械素子として用いる。図9に示すように、ストリップは、電
気的にアクチュエートされると、単体または他の素子と共に、自動レバー、フラ
ップ、板ばね、スタックまたはベローズとして機能する。図9A〜9Qの図にお
いて、素子A、A’、A”...は、上記に示したようなストリップアクチュエ
ータまたはシートアクチュエータであり、小さな三角形は、例えば、固定支持ポ
イントまたは構造への接続ポイントに対応する固定位置またはピン付け位置を示
す。矢印は、移動あるいはアクチュエーションの方向またはこのようなアクチュ
エーションの接触ポイントを示し、一方、Lは、アクチュエータに取付けられた
レバーを示し、Sは、スタック素子またはアクチュエータを示す。
However, even though the electromechanical material of these actuators operates by strain energy conversion, the application of the present invention exists beyond strain coupling through the actuator surface to globally translate the motion, torque or force imparted by the actuator. Including many professional mechanical structures used for. In each of these embodiments, a basic strip or shell sealed actuator is pinned or connected at one or more points along its length to provide a robust, elastic machine. Used as an element. As shown in FIG. 9, the strip, when electrically actuated, acts as an automatic lever, flap, leaf spring, stack or bellows, either alone or with other elements. In the views of Figures 9A-9Q, the elements A, A ', A "... are strip actuators or sheet actuators as indicated above, and small triangles are, for example, fixed support points or connection points to structures. Indicates the fixed or pinned position corresponding to the arrow, the arrow indicates the direction of movement or actuation or the contact point of such actuation, while L indicates the lever attached to the actuator and S indicates Indicates a stack element or actuator.

【0051】 図9A〜9Cの構成(例えば、スタック、曲げ器またはピン止めされた曲げ器
の構成)は、多くの従来のアクチュエータに取って代わり得る。例えば、片持ち
梁はスタイラスを搬送し、これにより、一本の軸を良好な制御で変位させて、ペ
ンを用いた作図装置の線形性が高く、かつ変位の大きな位置決めメカニズムを構
成することが可能である。特に、興味深い機械的特性およびアクチュエーション
特性が、多素子構成9(d)(以下を参照のこと)から期待される。この多素子
構成9(d)は、シート範囲を有し、かつ機械的にロバストなアクチュエータを
用いている。従って、図9Dおよび図9Eに示すように、ピン−ピンベローズ構
成は、単純な面接触移動により、拡張されかつ正確な単軸Zの移動位置決めを、
カメラの焦点合わせ等の用途に用いる際に有用であり得、または、ベアリングの
流体に対する全面の移動を用いることにより蠕動タイプポンプをインプリメント
する際にも有用であり得る。図3に関連して述べたように、この屈曲回路は極め
て従順であるため、図3中の中央線などの位置を単に曲げるだけで端部を蝶番の
ように曲げるかまたは折り曲げが可能であり、これにより、少数の大型の多素子
アクチュエータユニットでクローズドベローズアセンブリを作成することが可能
となる。この屈曲回路の構成は、アクチュエータ素子のストリップまたはチェッ
カー盤を各隣接する一対の素子間の折り曲げ線で配置し、硬化段階の間、これら
の折り曲げ線を、輪郭がつけられた(多目的ワッフル焼き型)プレス圧盤を用い
て肉薄に押圧することを可能にする。このような構造により、ひとつの屈曲回路
アセンブリから、完全にシームレスなベローズまたは他の折り曲げアクチュエー
タが作成され得る。
The configurations of FIGS. 9A-9C (eg, stack, bender or pinned bender configurations) can replace many conventional actuators. For example, a cantilever can carry a stylus, which can be used to displace one axis with good control to form a highly linear and large displacement positioning mechanism for a pen-based plotter. It is possible. In particular, interesting mechanical and actuation properties are expected from multi-element configuration 9 (d) (see below). This multi-element configuration 9 (d) uses a mechanically robust actuator that has a seat area. Thus, as shown in FIGS. 9D and 9E, the pin-pin bellows configuration provides extended and accurate uniaxial Z translational positioning by simple surface contact movement.
It may be useful in applications such as camera focusing, or it may be useful in implementing a peristaltic type pump by using the full displacement of the bearing relative to the fluid. As described in connection with FIG. 3, since this bending circuit is extremely compliant, it is possible to bend or fold the end like a hinge by simply bending the position such as the center line in FIG. This allows the closed bellows assembly to be made with a small number of large multi-element actuator units. This flex circuit configuration consists of placing strips of actuator elements or checkerboards at the fold lines between each pair of adjacent elements, and during the curing phase, these fold lines were contoured (multipurpose waffle baking). ) It is possible to press thinly using a press platen. With such a construction, a completely seamless bellows or other folding actuator can be made from one bending circuit assembly.

【0052】 図16は、4つの圧電領域430、432、434および436を有するS字
型デバイスの1つの実施形態を示す。このような実施形態において、このデバイ
スは概して、S字状の形状を有する。図16に示す実施形態において、このデバ
イスは、反対方向に湾曲部を有する2つの部位を有する。例えば、デバイスの一
部は、基準に対して正の湾曲部(430および432)を表示し得、一方、この
デバイスの第2の部位は、基準に対して負の湾曲部(434および436)を表
示し得る。S字型デバイスのこれらの2つの部位の長さ、サイズ、湾曲の程度は
実質的に同じであるが、有用なデバイスは、長さ、サイズ、および/または湾曲
の程度が異なる2つ以上の部位を有するも含む。図17に示すように、S字型デ
バイスの場合、デバイス(452)の終端部が、第2のデバイス(450)の終
端部に対して特定の距離(454)だけ変位している。この種の変位は、領域4
32および434中の圧電素子を、そのポーリング電界(正または負)に対して
一方向に駆動し、領域430および436中の圧電素子を、そのポーリング電界
に対して反対方向に駆動することにより、達成される。概してS字状の形状を有
するデバイスが得られる構成であれば、ポーリング方向および電界方向の任意の
構成が可能である。図16を参照して、ポーリング電界が、中央部との接触無く
、四部区間430および434の外部電極から四部区間432および436の外
部電極へと駆動され得る。あるいは、ポーリング電界を各四部区間の外部電極か
ら各四部区間の内部電極へと駆動し、これにより、各圧電素子への独立したアク
セスを可能にすることができる。後者の構成は、駆動条件に応じて、デバイスを
S字型または従来からのバイモル(bimorph)にすることが可能である。
本発明の実施形態は、デバイスの別個の圧電素子または別個にポーリングされた
領域を別個の電極と電気接触させているデバイスと、互いに電気的に通信してい
る電極と電気接触する2つ以上の領域を有するデバイスとを含む。
FIG. 16 shows one embodiment of an S-shaped device having four piezoelectric regions 430, 432, 434 and 436. In such an embodiment, the device has a generally S-shaped configuration. In the embodiment shown in FIG. 16, the device has two sections with bends in opposite directions. For example, some of the devices may display positive bends (430 and 432) with respect to the fiducial, while a second part of the device has negative bends (434 and 436) with respect to the fiducial. Can be displayed. Although these two portions of the S-shaped device have substantially the same length, size, and degree of curvature, useful devices include two or more different lengths, sizes, and / or degrees of curvature. It also includes a part. As shown in FIG. 17, for an S-shaped device, the end of device (452) is displaced a specific distance (454) with respect to the end of the second device (450). This type of displacement is
By driving the piezo elements in 32 and 434 in one direction to its poling field (positive or negative) and the piezo elements in regions 430 and 436 in the opposite direction to its poling field, To be achieved. Arbitrary configurations in the poling direction and the electric field direction are possible as long as the configuration can obtain a device having a generally S-shape. Referring to FIG. 16, a poling electric field can be driven from the outer electrodes of the four-section sections 430 and 434 to the outer electrodes of the four-section sections 432 and 436 without contact with the central section. Alternatively, the poling field can be driven from the outer electrode of each quadrant to the inner electrode of each quadrant, thereby allowing independent access to each piezoelectric element. The latter configuration allows the device to be S-shaped or conventional bimorph depending on the driving conditions.
Embodiments of the invention include devices that make separate piezoelectric elements or separately poled regions of the device in electrical contact with separate electrodes, and two or more devices in electrical contact with electrodes in electrical communication with each other. A device having a region.

【0053】 図16ではバイモルのS字型デバイスを図示しているが、S字型デバイスは、
ユニモル(unimorph)、バイモルまたはマルチモル(multimol
ph)の設計にしてもよい。これらの領域(430、432、434および43
6)は、別個の圧電素子か、あるいは別個にポーリングされた圧電素子領域か、
または、別個の圧電素子と別個にポーリングされた圧電素子領域との組み合わせ
を表し得る。例えば、ユニモルデバイスの実施形態において、四部区間430お
よび434は、2つの別個の圧電素子であり得、これらの圧電素子は、一方の素
子が正の湾曲部を有し、もう一方の素子が負の湾曲部を有し、かつ領域432お
よび436が不活性となるように、駆動される。不活性領域は、金属(例えば、
真鍮またはステンレス合金)、プラスチック、ポリイミド、ポリエステル、他の
特定のポリマー、木、または複合材料(例えば、ガラス繊維、グラファイトまた
はGRFP)を含み得る。あるいは、不活性領域は、より大きなシステムの構成
要素、すなわち、物理的ボンディングまたは他の複合化を通じた素子(comp
onent)を含み得る。例えば、不活性領域は、アコースティックエミッショ
ン金属用に用いられる梁あるいはパネルプレート、または、(例えば、一時的停
止ヘッドを翻訳するかまたは取り換えることが望まれる場合で、かつ一時的停止
ヘッドの回転を最小化した場合に)ディスクドライブ一時的停止部中の一時的停
止構造を含み得る。
Although FIG. 16 shows a bimorph S-shaped device, the S-shaped device is
Unimorph, bimorph or multimol
ph) may be designed. These areas (430, 432, 434 and 43
6) is a separate piezoelectric element or a separately polled piezoelectric element area,
Alternatively, it may represent a combination of separate piezoelectric elements and separately polled piezoelectric element regions. For example, in the unimorph device embodiment, the quadrants 430 and 434 may be two separate piezoelectric elements, one of which has a positive bend and the other of which has a positive curvature. It is driven so that it has a negative bend and regions 432 and 436 are inactive. The inactive region is a metal (eg,
Brass or stainless alloy), plastic, polyimide, polyester, other specific polymers, wood, or composite materials such as glass fiber, graphite or GRFP. Alternatively, the inactive region may be a component of a larger system, that is, a device through physical bonding or other compounding (comp.
onent). For example, the inactive region may be a beam or panel plate used for acoustic emission metals, or (eg, where it is desired to translate or replace the temporary stop head and to minimize rotation of the temporary stop head). It may include a temporary stop structure in the disk drive temporary stop.

【0054】 別の実施形態において、S字型デバイスは、2つの圧電素子を含み得る。各圧
電素子は、2つの電極領域を含み得、これらの電極領域は、反対方向にポーリン
グされ、素子の厚みに対して同じ方向の電界で駆動される。あるいは、これらの
電極領域は、同一方向にポーリングされ、素子の厚みに対して反対方向の電界で
も駆動され得る。
In another embodiment, the S-shaped device may include two piezoelectric elements. Each piezoelectric element may include two electrode regions that are poled in opposite directions and driven with an electric field in the same direction relative to the thickness of the device. Alternatively, these electrode regions can be poled in the same direction and driven by an electric field in the opposite direction to the thickness of the device.

【0055】 本発明の実施形態は、パッケージングされたS字型デバイスと、カードとして
パッケージングされていないS字型アクチュエータとの両方を含む。
Embodiments of the invention include both packaged S-shaped devices and S-shaped actuators that are not packaged as cards.

【0056】 本発明のアクチュエータは、仮面または劇に用いられる人形の部位に与えられ
る単純な機械的動き(例えば、曲げ、ひねりまたは揺動)を行うために用いられ
得、また、本発明のアクチュエータに、アクチュエーション特性に非常に優れ、
この種類の小負荷、中程度の変位アクチュエーションタスクに対して取付け汎用
性があることが示された。
The actuator of the present invention can be used to perform simple mechanical movements (eg bending, twisting or rocking) imparted to a mask or a part of a doll used in a play, and also the actuator of the present invention. In addition, it has excellent actuation characteristics,
It has been shown to have mounting versatility for this type of small load, moderate displacement actuation task.

【0057】 一般的には、本発明の屈曲回路アクチュエータカードを別個の機械的素子とし
て用いて、変位が小さいかまたは中程度の空気式アクチュエータのインプリメン
テーションが可能なタスクに対処することが可能である。また、タスクがシート
、フラップまたは壁等の構造を伴う場合、屈曲回路自身が、その構造的構成要素
を構成し得る。従って、本発明は、自動攪拌ベーン、ベローズまたはポンプ壁、
鏡などの機能に適している。加えて、上述したように、音響周波数帯または超音
波周波数帯の小さな変位の表面結合を伴うタスクも、低質量で高結合の屈曲回路
アクチュエータで容易にインプリメントされ得る。
In general, the flex circuit actuator card of the present invention can be used as a separate mechanical element to address the task of enabling pneumatic actuators with low or moderate displacement. Is. Also, if the task involves structures such as sheets, flaps or walls, the flex circuit itself may constitute its structural component. Accordingly, the present invention is directed to an automatic stirring vane, bellows or pump wall,
Suitable for functions such as mirrors. In addition, as mentioned above, tasks involving small displacement surface coupling in the acoustic or ultrasonic frequency bands can also be readily implemented with low mass, high coupling flex circuit actuators.

【0058】 上述したように、圧電素子は堅いセラミック素子である必要はなく、屈曲回路
をセンサーのみとして用いる場合、セラミック素子またはPVDF等の軟質材料
のいずれかを用いることが可能である。ポリマーの場合、肉薄になるほど、硬質
の硬化性エポキシボンディング層ではなく、より可撓性の高い低温接着剤を、素
子結合用に用いる。
As described above, the piezoelectric element does not have to be a rigid ceramic element, and when the bending circuit is used only as a sensor, either a ceramic element or a soft material such as PVDF can be used. In the case of polymers, the thinner the wall, the more flexible low temperature adhesive is used for device bonding, rather than the harder curable epoxy bonding layer.

【0059】 本発明の実施形態を以下に例示する。[0059]   Embodiments of the present invention will be exemplified below.

【0060】 (実施例) 固体での表面音波(SAW)伝播原理を用いた微細線のインターディジタル電
極(IDE)機能を含むデバイスを、インターディジタル変換器(IDT)と呼
ぶ場合がある。現在用いられているIDTの大部分は、高電界、低周波の代わり
に、低電界、高周波伝播波を用いて動作する。後者の条件は、アクチュエーショ
ン用途および減衰用途に必要である。IDEの背後の原理は、デバイスが、面内
アクチュエーションまたは減衰用として、より一般的に使用されているd31特性
(すなわち、例えば、先ほどと同様に電荷(charge)が同じ表面上で収集
されるが、力は分極軸に対して直角に与えられる場合)ではなく、d33特性(す
なわち、例えば、力が、分極軸に沿って3方向にかかり、電荷が収集される同じ
表面上に押圧された場合)をより効率的に用いることを可能にする。これは、ポ
ーリング電界および励起電界がアクチュエーション面と殆ど並行に動作するよう
に電極を配列することにより、達成される。図15Aは、圧電セラミックプレー
ト404の上部表面および下部表面上に配置された固体電極420を有するd31 デバイス424の力線422を示す。図15Bは、連結線状電極408を有する
33IDEデバイス426の力線422を示す。d33方向のこれらの電気機械特
性は概して、d31方向の電気機械特性よりも2倍以上大きい。
(Example) A device including an interdigital electrode (IDE) function of a fine wire using a surface acoustic wave (SAW) propagation principle in a solid state may be called an interdigital converter (IDT). Most of the IDTs currently used operate using low electric field and high frequency propagating waves instead of high electric field and low frequency. The latter condition is necessary for actuation and damping applications. The principle behind IDE is that the device is more commonly used for in-plane actuation or damping, the d 31 characteristic (ie, as before, charge is collected on the same surface). However, the force is not applied at right angles to the polarization axis, but rather the d 33 characteristic (ie, the force is exerted in three directions along the polarization axis and presses on the same surface where the charge is collected). Can be used more efficiently. This is accomplished by arranging the electrodes so that the poling and excitation fields operate almost parallel to the actuation plane. FIG. 15A shows the field lines 422 of the d 31 device 424 with the solid electrodes 420 disposed on the top and bottom surfaces of the piezoceramic plate 404. FIG. 15B shows the force lines 422 of the d 33 IDE device 426 with the connecting linear electrodes 408. These electromechanical properties in the d 33 direction are generally more than twice as great as those in the d 31 direction.

【0061】 線状のIDEデバイスは、いくつかの低電界印加では成功したが、ポーリング
または励起中の大きな電界を印加する場合、内部亀裂または短絡が発生し得る。
これらの不具合は、電極端部近隣の材料中の不均一な電界によって生じた内部ス
トレスが原因である。また、圧電セラミック表面上のインターディジタル線を接
続する電極線によって、さらにストレスが集中していることも明らかである。線
状IDEパターンはまた、ストレス集中の発生しない圧電ファイバ複合材料デバ
イスの構築にも用いられる。
Linear IDE devices have been successful at some low field applications, but internal cracks or shorts can occur when applying large fields during poling or excitation.
These defects are due to internal stress caused by the non-uniform electric field in the material near the electrode ends. It is also clear that the stress is further concentrated by the electrode wires connecting the interdigital wires on the surface of the piezoelectric ceramic. The linear IDE pattern is also used in the construction of piezoelectric fiber composite material devices without stress concentration.

【0062】 本明細書中に記載の方法を用いて、インターディジタル電極モノリシック薄型
プレート圧電デバイス(以下、単に「IDEデバイス」と呼ぶ)を開発した。そ
の結果を、プレート両面上に固体電極を備えるd31圧電セラミックプレートを用
いた圧電デバイス(以下、「固体電極デバイス」と呼ぶ)と比較する。電気的エ
ネルギーおよび機械的エネルギーの計算結果および共振測定の実験結果を用いて
、これらのデバイスの電気機械結合率および減衰能力を定量化および比較した。
An interdigital electrode monolithic thin plate piezoelectric device (hereinafter simply referred to as "IDE device") was developed using the method described herein. The results, a piezoelectric device using the d 31 piezoelectric ceramic plate with a solid electrode on the plate both surfaces (hereinafter, referred to as "solid electrode device") is compared with. The electromechanical coupling rate and damping capacity of these devices were quantified and compared using the calculated electrical and mechanical energies and the experimental results of resonance measurements.

【0063】 固体電極およびIDEデバイスの両方を、PZT−5Aタイプの材料を用いて
46.05mm×20.65mm×0.254mmの寸法で作製した。圧電セラ
ミックの厚みとIDEデバイスの電極との寸法比は重要であるが、最適値の決定
は、アプリケーション特有の要件(例えば、変位、発生ひずみ、力、および利用
可能な駆動電圧)に依存する。代表的な設計として、1.52mmのピッチの0
.38mmの線からなるIDEデバイス電極パターンを選択した。圧電セラミッ
ク材料および電極を、電気的リードを事前設置した保護ポリイミド皮膜でパケッ
トケージングした。
Both solid-state electrodes and IDE devices were made using PZT-5A type materials with dimensions of 46.05 mm × 20.65 mm × 0.254 mm. The dimensional ratio between the thickness of the piezoceramic and the electrodes of the IDE device is important, but the determination of the optimum value depends on the application-specific requirements (eg displacement, generated strain, force, and available drive voltage). As a typical design, 0 with a pitch of 1.52 mm
. The IDE device electrode pattern consisting of 38 mm lines was selected. The piezoceramic material and electrodes were packet caged with a protective polyimide coating pre-installed with electrical leads.

【0064】 (1.振動減衰実験) 減衰実験を、アルミニウム梁にボンディングされたIDEデバイスおよび固体
電極デバイスを用いて、構成した。これらの梁は、229.0mm×31.8m
m×2.3mmであり、クランプ自由長は133.0mmであった。これらのデ
バイスを、クランプ端部から6.35mm離してアルミニウム梁の1つの表面に
ボンディングした。初期変位による先端部の動きを、レーザ変位センサを用いて
測定した。先端部変位の信号(ring down)からの減衰を、対数減少方
法を用いて計算した。減衰測定を、裸の状態の梁と、RC分路(shunted
)形式のIDEデバイスおよび固体電極デバイスを備える梁と、非分路IDEデ
バイスおよび固体電極デバイスを備える梁とを用いた構成で行った。システム減
衰を測定する第2の方法を用いて、対数減少結果を確認した。この方法において
、梁に取り付けられた電気機械シェーカを用いて、ロードセルを通じて正弦波の
掃引励起(swept sinusoidal excitation)を梁に
与え、次いで、先端部変位への負荷から測定された伝達関数から、減衰を計算し
た。
1. Vibration Damping Experiments Damping experiments were constructed using IDE devices and solid electrode devices bonded to aluminum beams. These beams are 229.0 mm x 31.8 m
m × 2.3 mm, and the free clamp length was 133.0 mm. The devices were bonded to one surface of an aluminum beam 6.35 mm from the clamp end. The movement of the tip due to the initial displacement was measured using a laser displacement sensor. The decay from the tip displacement ring down was calculated using the log reduction method. Attenuation measurements are performed on bare beams and RC shunted
) Type IDE devices and solid electrode devices and beams with non-shunt IDE devices and solid electrode devices. A second method of measuring system attenuation was used to confirm log reduction results. In this method, an electromechanical shaker attached to the beam is used to provide the beam with a swept sinusoidal excitation through a load cell, which is then attenuated from a transfer function measured from the load on the tip displacement. Was calculated.

【0065】 これらの梁の第1の共振モードで梁を一貫して励起することに関連する困難の
ため、アルミニウム梁にボンディングされたデバイスの表面上の平均的ひずみの
関数としてこれらの梁の応答において測定された臨界減衰のパーセントに、大き
なばらつきが観察された。梁にボンディングされた非分路IDEデバイスおよび
非分路固体デバイスと比較して、分路IDEデバイスは、分路固体電極デバイス
により達成された減衰の2倍よりも大きな減衰を示した。
Due to the difficulties associated with consistently exciting the beams in their first resonant mode, the response of these beams as a function of the average strain on the surface of the device bonded to the aluminum beam. A large variability was observed in the percentage of critical damping measured in. Compared to the beam-bonded unshunted IDE device and the unshunted solid state device, the shunted IDE device showed more than twice the damping achieved by the shunted solid electrode device.

【0066】 (2.発生ひずみおよび弾性実験) IDEデバイスおよび固体電極デバイスによって生成される自由−自由ひずみ
を、これらのデバイスの両面にボンディングされたひずみゲージで測定した。高
ひずみを生成する能力にに加えて、圧電セラミックデバイスは、固有の高い材料
弾性を有するため、高い力を生成する能力も有する。弾性の測定は(励起電界が
高い場合は特に)非常に困難である。低電界測定は、弾性の一般的指標として有
用であるが、これらの測定を高電界AC性能の予測に適用する場合、注意が必要
である。デバイスの弾性は、既知の機械的ストレスの下でひずみを測定すること
により、決定され得る。このような様式で、ストレス−ひずみ曲線を生成して、
弾性を印加電界の関数として定量化することが可能である。
2. Generated Strain and Elasticity Experiments The free-free strain produced by IDE devices and solid state electrode devices was measured with strain gauges bonded to both sides of these devices. In addition to the ability to generate high strains, piezoceramic devices also have the ability to generate high forces due to the inherently high material elasticity. Elasticity measurements are very difficult (especially when the excitation field is high). Low field measurements are useful as a general measure of elasticity, but caution should be exercised when applying these measurements to predict high field AC performance. The elasticity of the device can be determined by measuring the strain under known mechanical stress. In this way, generate a stress-strain curve,
It is possible to quantify elasticity as a function of applied electric field.

【0067】 この実験において、アルミニウム製のボンディングシートを用いて、既知の機
械的ストレスをデバイスの両側に与える。対称な構造のため、面内ひずみは、端
部を除いたデバイスの厚みにわたって均一であった。ひずみおよびアルミニウム
の弾性(68.8GPa)の測定結果が分かれば、アルミニウム中のストレスを
、フックの法則から判定することができる。肉薄で低弾性ボンディング層の存在
を無視すると、圧電セラミック層中のストレスおよび厚みの積は、アルミニウム
層中の同じ積と反対方向に等しい。従って、アルミニウム表面のひずみ測定を用
いて、デバイス中のストレスを発見することが可能である。このようにして異な
る厚さの複数のアルミニウムシートの測定を行うと、異なる電界レベルおよび異
なる機械的ひずみレベルの下で、デバイス弾性を計算することができる。
In this experiment, an aluminum bonding sheet was used to apply known mechanical stress to both sides of the device. Due to the symmetrical structure, the in-plane strain was uniform over the thickness of the device, excluding the edges. If the measurement results of the strain and the elasticity of aluminum (68.8 GPa) are known, the stress in aluminum can be determined from Hooke's law. Neglecting the presence of the thin, low-elasticity bonding layer, the stress-thickness product in the piezoceramic layer is equal in opposite direction to the same product in the aluminum layer. Therefore, strain measurements on the aluminum surface can be used to discover stress in the device. Taking measurements of multiple aluminum sheets of different thickness in this way allows the device elasticity to be calculated under different electric field levels and different mechanical strain levels.

【0068】 室温において、デバイスの両面に与えられたひずみゲージからの信号を平均化
することにより、デバイスの自由ひずみを測定した。与えられる駆動信号は、1
Hzの正弦波であった;最大電圧は、IDEデバイスの場合に+/−600ボル
ト(1200Vp-p)であり、固体電極デバイスの場合に+/−100ボルトs
(200Vp-p)であった。印加電界を、固体電極デバイスの場合に電極面間の
間隔が0.254mmとして、IDEデバイスの場合に電極線間の間隔が1.5
24mmとして計算した。IDEデバイス中の電界は不均一であるため、この様
式で計算した値は、平均値またはノミナル値として考えるべきである。比較可能
な電界強度について、IDEデバイスのひずみ出力は、固体電極デバイスのひず
み出力よりも約70%高い。
The free strain of the device was measured by averaging the signals from strain gauges applied to both sides of the device at room temperature. The drive signal given is 1
Was a sine wave of Hz; the maximum voltage was +/- 600 volts (1200 V pp ) for IDE devices and +/- 100 volts s for solid electrode devices.
(200 V pp ). The applied electric field is set such that the spacing between the electrode surfaces is 0.254 mm in the case of the solid electrode device, and the spacing between the electrode lines is 1.5 in the case of the IDE device.
It was calculated as 24 mm. Since the electric field in an IDE device is non-uniform, the values calculated in this manner should be considered as mean or nominal values. For comparable field strengths, the strain output of the IDE device is about 70% higher than that of the solid electrode device.

【0069】 比較目的のため、表1は、パッケージングされていないPZT 5A材料の測
定された低電界圧電ひずみ定数(d31およびd33)と、IDEデバイスおよび固
体電極デバイスの高電界(8kV/cm)ひずみ定数とを示す。圧電定数値は、
電界の関数として実際に非線形であり、励起信号の形式(例えば、波形、駆動周
波数、DCオフセット等)に大きく依存するが、それでもこの比較は有用である
。固体電極デバイスアクチュエータの高電界d31定数は、パッケージングされて
いない材料の低電界定数よりも高かった。IDEデバイスアクチュエータのひず
み定数は、パッケージングされていない材料のd33定数よりもおよそ10%低か
った。これは、IDEデバイス中の電界は、d33デバイス中の電界に正確には等
価しないことによる。
For comparison purposes, Table 1 shows the measured low field piezoelectric strain constants (d 31 and d 33 ) of the unpackaged PZT 5A material and the high field of IDE and solid state electrode devices (8 kV / cm) strain constant. The piezoelectric constant value is
Although it is actually non-linear as a function of the electric field and highly dependent on the type of excitation signal (eg, waveform, drive frequency, DC offset, etc.), this comparison is still useful. The high electric field d 31 constant of the solid electrode device actuator was higher than the low electric field constant of the unpackaged material. The strain constant of the IDE device actuator was approximately 10% lower than the d 33 constant of the unpackaged material. This is because the electric field in the IDE device is not exactly equivalent to the electric field in the d 33 device.

【0070】[0070]

【表1】 パッケージングされていない圧電セラミックプレートの両側と、固体電極およ
びIDEデバイスとにボンディングされた、厚さが0.0375mm、0.07
50mmおよび0.1250mmのアルミニウム層を用いて、ひずみ拘束および
弾性率を測定した。計算されたストレスと異なる厚さのアルミニウム拘束層に対
するパッケージングされていない圧電セラミックプレートのひずみとの間の関係
を示すデータポイントを、4つの異なる電界レベル(2kV/cm、4kV/c
m、6kV/cmおよび8kV/cm)について、取得した。特定の電界レベル
で取得されたデータポイントを接続する線の傾斜部から、弾性率を取得した。I
DEデバイスおよび固体電極デバイスについて、同様の測定を行った。
[Table 1] 0.0375 mm, 0.07 mm thickness bonded to both sides of unpackaged piezoceramic plate and solid electrode and IDE device
Strain constraint and elastic modulus were measured using 50 mm and 0.1250 mm aluminum layers. Data points showing the relationship between the calculated stress and the strain of the unpackaged piezoceramic plate for aluminum constrained layers of different thickness were taken at four different electric field levels (2 kV / cm, 4 kV / c).
m, 6 kV / cm and 8 kV / cm). The elastic modulus was obtained from the slope of the line connecting the data points obtained at a particular electric field level. I
Similar measurements were made for DE devices and solid electrode devices.

【0071】 (3.電気機械結合ファクター) 電気機械結合率は、圧電デバイスの性能を定量化する際に有用である。これは
、システムの電気的エネルギーおよび機械的エネルギーから計算された無次元パ
ラメータである。電気機械結合率は、以下から発見可能である。
(3. Electromechanical Coupling Factor) The electromechanical coupling rate is useful in quantifying the performance of the piezoelectric device. It is a dimensionless parameter calculated from the electrical and mechanical energy of the system. The electromechanical coupling rate can be found from the following.

【0072】[0072]

【数1】 ここで、デバイスの機械的エネルギー出力はWMによって表され、システムへの
電気的エネルギー入力はWEによって表される。あるいは、電気機械結合率は、
以下からも発見可能である。
[Equation 1] Here, the mechanical energy output of the device is represented by W M and the electrical energy input to the system is represented by W E. Alternatively, the electromechanical coupling rate is
It can also be found from the following.

【0073】[0073]

【数2】 ここで、faおよびfrは、インピーダンス解析器で測定した反共振周波数および
共振周波数である。しかし、式2は、試料が棒形状であり、かつ(長さ/幅)2
>10の条件を満たす場合にのみ、完全に正確である。この条件が満たされない
と、式2の結果は、類似の形状のデバイスを比較するためだけにしか用いること
ができない。
[Equation 2] Here, f a and f r are the anti-resonance frequency and the resonance frequency measured by the impedance analyzer. However, Equation 2 shows that the sample is rod-shaped and (length / width) 2
It is completely accurate only if the condition> 10 is met. If this condition is not met, the result of Equation 2 can only be used to compare similarly shaped devices.

【0074】 表2は、上記の両方の方法を用いて判定された電気機械結合率の計算値を含む
。式1に基づいて概算を行うと、印加電界が8kV/cmであるとき、結合率は
、IDEデバイスの場合に0.71であり、固体電極デバイスの場合に0.32
である。HPインピーダンス解析器(モデル4194A)を用いて測定されたイ
ンピーダンスプロットを用いて、式2において用いられる共振周波数および反共
振周波数を発見する。デバイスの値(長さ/幅)は、およそ5に等しかった。5
は10よりも小さいため、式2から得られた値は、比較目的のみのために用いる
べきである。式2に基づく概算は、IDEデバイスの結合率が固体電極デバイス
の結合率よりも約65%高いことを示す。
Table 2 contains the calculated electromechanical coupling rates determined using both of the above methods. Approximately based on Equation 1, when the applied electric field is 8 kV / cm, the coupling rate is 0.71 for the IDE device and 0.32 for the solid electrode device.
Is. Impedance plots measured using an HP impedance analyzer (Model 4194A) are used to find the resonant and anti-resonant frequencies used in Equation 2. The device value (length / width) was approximately equal to 5. 5
Since is less than 10, the value obtained from Equation 2 should be used for comparison purposes only. Approximation based on Equation 2 shows that the IDE device coupling rate is about 65% higher than the solid state electrode device coupling rate.

【0075】[0075]

【表2】 従って、結果をまとめると、2つの異なる方法を用いて計算した電気機械結合
率は、IDEデバイスの場合、d31デバイスの場合の0.29〜0.35と比較
して、0.45〜0.71の値が達成されたことを示す。加えて、d31デバイス
の減衰性能およびアクチュエーション性能をIDEデバイスのものと比較した実
験結果も提供された。抵抗分路IDEダンパーデバイスは、従来のPZTダンパ
ーと比較して、さらに2倍以上の減衰の向上を達成した。さらに、IDEアクチ
ュエータの高電界発生ひずみは、d31アクチュエータにより生成された高電界発
生ひずみよりも、70%高かった。
[Table 2] Therefore, summarizing the results, the electromechanical coupling ratio calculated using two different methods is 0.45-0 for IDE devices compared to 0.29-0.35 for d 31 devices. Indicates that a value of 0.71 has been achieved. In addition, experimental results comparing the damping and actuation performance of the d 31 device with that of the IDE device are also provided. The resistance shunt IDE damper device has achieved more than a twofold improvement in damping compared to conventional PZT dampers. Further, the high electric field generated strain of the IDE actuator was 70% higher than the high electric field generated strain generated by the d 31 actuator.

【0076】 上記の製造方法の説明および例示的実施形態は、本発明が適用される構造の範
囲を示すために提示したものである。本発明は、脆弱性、回路構成およびひずみ
アクチュエータの一般的有用性、ひずみ活性されたアセンブリおよびセンサにお
ける多くの欠点を解消するものである。本発明のモジュラー屈曲回路アクチュエ
ータおよびセンサの物理的構造および実際の用途の他の変形例が、当業者によっ
て想起され、このような変形例は、本明細書に添付される特許請求の範囲におい
て記載されるような特許権を主張する本発明の範囲内であると考えられる。
The above description of the manufacturing method and the exemplary embodiments are presented to illustrate the range of structures to which the invention applies. The present invention overcomes many of the deficiencies in fragility, circuitry and general utility of strain actuators, strain activated assemblies and sensors. Other variations of the physical construction and practical application of the modular flex circuit actuators and sensors of the present invention will be envisioned by those of ordinary skill in the art, and such variations are set forth in the claims appended hereto. It is believed that it is within the scope of the present invention to claim such patents.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1A】 図1Aは、典型的な従来技術のアクチュエータのシステム図である。FIG. 1A   FIG. 1A is a system diagram of a typical prior art actuator.

【図1B】 図1Bは、本発明による2つのシステムのうちの1つの図である。FIG. 1B   FIG. 1B is a diagram of one of the two systems according to the present invention.

【図1C】 図1Cは、本発明による2つのシステムのうちの1つの図である。[FIG. 1C]   FIG. 1C is a diagram of one of the two systems according to the present invention.

【図2A】 図2Aは、本発明の実施形態による基礎的なアクチュエータまたはセンサカー
ドの上面図である。
2A is a top view of a basic actuator or sensor card according to an embodiment of the present invention. FIG.

【図2B】 図2Bは、本発明の実施形態による基礎的なアクチュエータまたはセンサカー
ドの断面図である。
FIG. 2B is a cross-sectional view of a basic actuator or sensor card according to an embodiment of the present invention.

【図2C】 図2Cは、回路構成要素を有するアクチュエータまたはセンサカードの図であ
る。
FIG. 2C is a diagram of an actuator or sensor card having circuit components.

【図3】 図3は、別のカードの図である。[Figure 3]   FIG. 3 is a diagram of another card.

【図4A】 図4Aは、図3のカードの断面図である。FIG. 4A   4A is a cross-sectional view of the card of FIG.

【図4B】 図4Bは、図3のカードの断面図である。FIG. 4B   4B is a cross-sectional view of the card of FIG.

【図5】 図5は、図3のカードの層構造の詳細を示す。[Figure 5]   FIG. 5 shows details of the layer structure of the card of FIG.

【図5A】 図5Aは、図3のカードの層構造の詳細を示す。FIG. 5A   FIG. 5A shows details of the layer structure of the card of FIG.

【図6】 図6は、平面内アクチュエーションのアクチュエータパッケージ櫛型電極を示
す。
FIG. 6 shows actuator package comb electrodes for in-plane actuation.

【図7】 図7は、図6のカードを用いるねじれアクチュエータパッケージを示す。[Figure 7]   FIG. 7 shows a torsion actuator package using the card of FIG.

【図8A】 図8Aは、表面上に表面取り付けアクチュエータとして取り付けられるアクチ
ュエータを示す。
FIG. 8A shows an actuator mounted as a surface mount actuator on a surface.

【図8B】 図8Bは、ロッド上に表面取り付けアクチュエータとして取り付けられるアク
チュエータを示す。
FIG. 8B shows an actuator mounted as a surface mount actuator on a rod.

【図9A】 図9Aは、機械的構成要素として取り付けられたアクチュエータを示す。FIG. 9A   FIG. 9A shows the actuator mounted as a mechanical component.

【図9B】 図9Bは、機械的構成要素として取り付けられたアクチュエータを示す。FIG. 9B   FIG. 9B shows the actuator mounted as a mechanical component.

【図9C】 図9Cは、機械的構成要素として取り付けられたアクチュエータを示す。FIG. 9C   FIG. 9C shows the actuator mounted as a mechanical component.

【図9D】 図9Dは、機械的構成要素として取り付けられたアクチュエータを示す。FIG. 9D   FIG. 9D shows the actuator mounted as a mechanical component.

【図9E】 図9Eは、機械的構成要素として取り付けられたアクチュエータを示す。[FIG. 9E]   FIG. 9E shows the actuator mounted as a mechanical component.

【図9F】 図9Fは、機械的構成要素として取り付けられたアクチュエータを示す。[FIG. 9F]   FIG. 9F shows the actuator mounted as a mechanical component.

【図9G】 図9Gは、機械的構成要素として取り付けられたアクチュエータを示す。[FIG. 9G]   FIG. 9G shows the actuator mounted as a mechanical component.

【図9H】 図9Hは、機械的構成要素として取り付けられたアクチュエータを示す。[FIG. 9H]   FIG. 9H shows the actuator mounted as a mechanical component.

【図9I】 図9Iは、機械的構成要素として取り付けられたアクチュエータを示す。[FIG. 9I]   FIG. 9I shows the actuator mounted as a mechanical component.

【図9J】 図9Jは、機械的構成要素として取り付けられたアクチュエータを示す。[Fig. 9J]   FIG. 9J shows the actuator mounted as a mechanical component.

【図9K】 図9Kは、機械的構成要素として取り付けられたアクチュエータを示す。[Fig. 9K]   FIG. 9K shows the actuator mounted as a mechanical component.

【図9L】 図9Lは、機械的構成要素として取り付けられたアクチュエータを示す。[FIG. 9L]   FIG. 9L shows the actuator mounted as a mechanical component.

【図9M】 図9Mは、機械的構成要素として取り付けられたアクチュエータを示す。[FIG. 9M]   FIG. 9M shows the actuator mounted as a mechanical component.

【図9N】 図9Nは、機械的構成要素として取り付けられたアクチュエータを示す。[FIG. 9N]   FIG. 9N shows the actuator mounted as a mechanical component.

【図9O】 図9Oは、機械的構成要素として取り付けられたアクチュエータを示す。[Figure 9O]   FIG. 9O shows the actuator mounted as a mechanical component.

【図9P】 図9Pは、機械的構成要素として取り付けられたアクチュエータを示す。[Figure 9P]   FIG. 9P shows the actuator mounted as a mechanical component.

【図9Q】 図9Qは、機械的構成要素として取り付けられたアクチュエータを示す。[Figure 9Q]   FIG. 9Q shows the actuator mounted as a mechanical component.

【図10A】 図10Aは、直線インターデジタルに電極化された電気能動デバイスの異なる
構成を示す。
FIG. 10A shows different configurations of linear interdigital electroded electro-active devices.

【図10B】 図10Bは、直線インターデジタルに電極化された電気能動デバイスの異なる
構成を示す。
FIG. 10B shows different configurations of linear interdigital electroded electro-active devices.

【図10C】 図10Cは、直線インターデジタルに電極化された電気能動デバイスの異なる
構成を示す。
FIG. 10C shows different configurations of linear interdigital electroded electro-active devices.

【図11A】 図11Aは、圧電性構成要素上に配置された共通のバスを有する、直線インタ
ーデジタルに電極化された電気能動デバイスを示す。
FIG. 11A shows a linear interdigital electroded electro-active device with a common bus disposed on a piezoelectric component.

【図11B】 図11Bは、圧電性構成要素を超えて配置された共通のバスを有する、直線イ
ンターデジタルに電極化された電気能動デバイスを示す。
FIG. 11B shows a linear interdigital electroded electro-active device with a common bus located across the piezoelectric components.

【図12】 図12は、多重圧電性構成要素を有する、直線インターデジタルに電極化され
た電気能動デバイスを示す。
FIG. 12 shows a linear interdigital electroded electro-active device with multiple piezoelectric components.

【図13】 図13は、多重圧電性構成要素を有する、角度を有する直線インターデジタル
に電極化された電気能動デバイスを示す。
FIG. 13 shows an angled linear interdigitally electroded electro-active device with multiple piezoelectric components.

【図14A】 図14Aは、梁構造に接続された、角度を有する直線インターデジタルに電極
化された電気能動デバイスを示す。
FIG. 14A shows an angled rectilinear interdigitally electroded electro-active device connected to a beam structure.

【図14B】 図14Bは、チューブまたはロッド構造に接続された、角度を有する直線イン
ターデジタルに電極化された電気能動デバイスを示す。
FIG. 14B shows an angled linear interdigital electroded electroactive device connected to a tube or rod structure.

【図15A】 図15Aは、圧電性セラミックの両表面上にある固体電極を有する、圧電性セ
ラミック板を有する圧電性デバイスの電場の線を示す。
FIG. 15A shows the electric field lines of a piezoelectric device having a piezoelectric ceramic plate with solid electrodes on both surfaces of the piezoelectric ceramic.

【図15B】 図15Bは、インターデジタル電極を有する圧電性デバイスの1実施形態に対
して電場の線を示す。
FIG. 15B shows the electric field lines for one embodiment of a piezoelectric device with interdigital electrodes.

【図16】 図16は、電気能動クアドラントを有するS型デバイスを示す。FIG. 16   FIG. 16 shows an S-type device with an electro-active quadrant.

【図17】 図17は、S型デバイスの相対的な変位を示す。FIG. 17   FIG. 17 shows the relative displacement of the S-shaped device.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),BR,CA,J P,KR,MX (72)発明者 ランドストロム, マーク イー. アメリカ合衆国 ワシントン 98104, シアトル, フロアー 6,ファースト アベニュー 616 (72)発明者 ムーア, ジェフリー ダブリュー. アメリカ合衆国 マサチューセッツ 02174, アーリントン, サマー スト リート 158 (72)発明者 クローレイ, エドワード アメリカ合衆国 マサチューセッツ 02138, ケンブリッジ, ダナ ストリ ート 49ビー (72)発明者 ルッソ, ファルラ アメリカ合衆国 マサチューセッツ 02445, ブルックライン, ウィリスト ン ロード 29 (72)発明者 ヨシカワ, ショウコ アメリカ合衆国 マサチューセッツ 02128, ケンブリッジ, アパートメン ト 703, コンコード アベニュー 655 (72)発明者 フィッチ, エリック アメリカ合衆国 マサチューセッツ 02155, メッドフォード, スプリング ストリート 111─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (81) Designated countries EP (AT, BE, CH, CY, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, I T, LU, MC, NL, PT, SE), BR, CA, J P, KR, MX (72) Inventor Landstrom, Mark E.             United States Washington 98104,             Seattle, Floor 6, First             Avenue 616 (72) Inventor Moore, Jeffrey W ..             United States Massachusetts             02174, Arlington, Summerst             REIT 158 (72) Inventor Crawley, Edward             United States Massachusetts             02138, Cambridge, Danastri             Toe 49 Bee (72) Inventor Russo, Farla             United States Massachusetts             02445, Brookline, Willist             Download 29 (72) Inventor Yoshikawa, Shoko             United States Massachusetts             02128, Cambridge, Apartmentmen             To 703, Concord Avenue 655 (72) Inventor Fitch, Eric             United States Massachusetts             02155, Medford, Spring               Street 111

Claims (33)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 アクチュエータデバイスであって、 電気能動素子と、 一対のインターディジタル電極を備える導体と、 絶縁体と、 電気接触部とを備え、 該電気能動素子中の面内ひずみが、該電気能動素子と該絶縁体との間で剪断結合
されるように、該電気能動素子、該導体および該絶縁体を共にボンディングし、
該一対のインターディジタル電極は、該電気能動素子および該絶縁体の電気接触
部と直接的に電気接触する、 アクチュエータデバイス。
1. An actuator device, comprising an electro-active element, a conductor having a pair of interdigital electrodes, an insulator, and an electrical contact portion, wherein in-plane strain in the electro-active element is the electrical device. Bonding the electrically active element, the conductor and the insulator together such that a shear bond is formed between the active element and the insulator,
An actuator device in which the pair of interdigital electrodes are in direct electrical contact with the electrical contact of the electrically active element and the insulator.
【請求項2】 前記電気能動素子は、第1の表面および第2の表面を有し、
前記一対のインターディジタル電極は、該電気能動素子の該第1の表面と直接電
気接触する第1の一対のインターディジタル電極であり、 該電気能動素子の該第2の表面と直接電気接触する第2の一対のインターディ
ジタル電極、 をさらに備え、 該第2の一対のインターディジタル電極は、該電気能動素子を通じて延在する等
電位線を通じて該第1の一対のインターディジタル電極に接続される、 請求項1に記載のアクチュエータデバイス。
2. The electro-active element has a first surface and a second surface,
The pair of interdigital electrodes are a first pair of interdigital electrodes that are in direct electrical contact with the first surface of the electrically active element and are in direct electrical contact with the second surface of the electrically active element. Two pairs of interdigital electrodes, wherein the second pair of interdigital electrodes are connected to the first pair of interdigital electrodes through equipotential lines extending through the electro-active element. Item 2. The actuator device according to Item 1.
【請求項3】 前記一対のインターディジタル電極の各々は、複数の線状電
極と、前記電気能動素子から離れて配置された共通バスとを備える、請求項1に
記載のアクチュエータデバイス。
3. The actuator device according to claim 1, wherein each of the pair of interdigital electrodes comprises a plurality of linear electrodes and a common bus arranged away from the electro-active element.
【請求項4】 前記一対のインターディジタル電極の各々は、銀導電インキ
を備える、請求項1に記載のアクチュエータデバイス。
4. The actuator device of claim 1, wherein each of the pair of interdigital electrodes comprises silver conductive ink.
【請求項5】 前記電気能動素子は金属化されない、請求項1に記載のアク
チュエータデバイス。
5. The actuator device of claim 1, wherein the electrically active element is not metallized.
【請求項6】 前記電気能動素子、前記導体および前記絶縁体は、B段階エ
ポキシ、C段階エポキシおよび熱可塑性物質からなる群から選択されるボンディ
ング剤で、共にボンディングされる、請求項1に記載のアクチュエータデバイス
6. The electro-active device, the conductor and the insulator are bonded together with a bonding agent selected from the group consisting of B-stage epoxy, C-stage epoxy and thermoplastics. Actuator device.
【請求項7】 前記一対のインターディジタル電極の各々は、複数の角度付
き線状電極および共通バスを備える、請求項1に記載のアクチュエータデバイス
7. The actuator device of claim 1, wherein each of the pair of interdigital electrodes comprises a plurality of angled linear electrodes and a common bus.
【請求項8】 前記絶縁体は、前記電気能動素子および前記導体ならびに第
2の表面にボンディングされた第1の表面を備え、 前記一対のインターディジタル電極の各々は、複数の線状電極と、前記絶縁体の
該第2の表面上に配置された共通バスとを備え、 前記線状電極は、該絶縁体を通じて該共通バスに電気的に接続する、請求項1に
記載のアクチュエータデバイス。
8. The insulator comprises a first surface bonded to the electro-active element and the conductor and a second surface, each of the pair of interdigital electrodes comprising a plurality of linear electrodes. The actuator device according to claim 1, further comprising a common bus disposed on the second surface of the insulator, wherein the linear electrode is electrically connected to the common bus through the insulator.
【請求項9】 アクチュエータデバイスであって、 電気能動素子と、 絶縁体および一対のインターディジタル電極を備える屈曲回路と、 を備え、 該電気能動素子中の面内ひずみが、該電気能動素子と該屈曲回路との間で剪断結
合されるように、該電気能動素子を該屈曲回路にボンディングし、 該一対のインターディジタル電極は、該電気能動素子と直接電気接触する、 アクチュエータデバイス。
9. An actuator device, comprising: an electro-active element; and a bending circuit including an insulator and a pair of interdigital electrodes, wherein in-plane strain in the electro-active element is different from that of the electro-active element. An actuator device, wherein the electro-active element is bonded to the flex circuit such that it is shear coupled to the flex circuit and the pair of interdigital electrodes are in direct electrical contact with the electro-active element.
【請求項10】 アクチュエータデバイスであって、 少なくとも1つの電気能動素子と、 絶縁体および少なくとも第1の一対のインターディジタル電極を備える少なく
とも1つの屈曲回路と、 を備え、 該少なくとも1つの電気能動素子の各々は、該少なくとも1つの屈曲回路の1つ
にボンディングされた少なくとも1つの表面を有し、これにより、該少なくとも
第1の一対のインターディジタル電極の1つは、該少なくとも1つの電気能動素
子と直接電気接触し、 該少なくとも1つの電気能動素子の面内ひずみは、該少なくとも1つの電気能動
素子と該少なくとも1つの屈曲回路との間で剪断結合される、 アクチュエータデバイス。
10. An actuator device comprising: at least one electrically active element; and at least one flex circuit comprising an insulator and at least a first pair of interdigital electrodes, the at least one electrically active element. Each have at least one surface bonded to one of the at least one flex circuit such that one of the at least first pair of interdigital electrodes is coupled to the at least one electrically active element. An actuator device in direct electrical contact with the in-plane strain of the at least one electrically active element is shear coupled between the at least one electrically active element and the at least one flex circuit.
【請求項11】 前記少なくとも1つの屈曲回路の1つは、前記絶縁体の対
向する表面上に配置された第1のおよび第2の一対のインターディジタル電極を
備える、請求項10に記載のアクチュエータデバイス。
11. The actuator of claim 10, wherein one of the at least one flex circuit comprises a first and second pair of interdigital electrodes disposed on opposite surfaces of the insulator. device.
【請求項12】 対象物中の振動を減衰する方法であって、 (a)アクチュエータデバイスが該対象物に剪断結合され、かつ、前記一対のイ
ンターディジタル電極に電気信号が与えられると、前記電気能動素子の面内ひず
みが、前記絶縁体を通じて該対象物に機械的に作用するように、請求項1に記載
のアクチュエータデバイスをボンディングする工程と、 (b)該一対のインターディジタル電極に電気信号を与える工程と、 を包含する方法。
12. A method of dampening vibrations in an object, comprising: (a) said actuator device being shear coupled to said object and said electrical signal being applied to said pair of interdigital electrodes. Bonding the actuator device according to claim 1 so that the in-plane strain of the active element mechanically acts on the object through the insulator, and (b) an electrical signal to the pair of interdigital electrodes. And a method of including.
【請求項13】 アクチュエータデバイスであって、 少なくとも第1および第2の電気能動素子と、 少なくとも第1および第2の導体と、 を備え、 該第1の導体は、該第1の電気能動素子と直接電気接触し、該第2の導体は、該
第2の電気能動素子と直接電気接触し、 該第1および第2の電気能動素子が活性化されると該デバイスが概してS字状の
形状を形成するように、該第1および第2の電気能動素子ならびに該導体を構成
する、 アクチュエータデバイス。
13. An actuator device comprising at least first and second electrically active elements, and at least first and second conductors, the first conductors being the first electrically active elements. In direct electrical contact with the second conductor in direct electrical contact with the second electrically active element, the device being generally S-shaped when the first and second electrically active elements are activated. An actuator device that configures the first and second electrically active elements and the conductor to form a shape.
【請求項14】 少なくとも第3の導体をさらに備えるアクチュエータデバ
イスであって、 前記第1の電気能動素子は、少なくとも第1および第2の領域を備え、 前記第1の導体は、該第1の電気能動素子の該第1の領域と直接電気接触し、該
第3の導体は、該第1の電気能動素子の該第2の領域と直接電気接触する、 請求項13のアクチュエータデバイス。
14. An actuator device further comprising at least a third conductor, said first electro-active element comprising at least first and second regions, said first conductor comprising said first conductor. The actuator device of claim 13, wherein the actuator is in direct electrical contact with the first region of the electrically active element and the third conductor is in direct electrical contact with the second region of the first electrically active element.
【請求項15】 不能動素子をさらに備える、請求項13のアクチュエータ
デバイス。
15. The actuator device of claim 13, further comprising an inactive element.
【請求項16】 前記少なくとも3つの導体のうち少なくとも2つは、互い
に電気的に連絡する、請求項14のアクチュエータデバイス。
16. The actuator device of claim 14, wherein at least two of the at least three conductors are in electrical communication with each other.
【請求項17】 前記不能動素子は、ディスクドライブの構成要素である、
請求項14のアクチュエータデバイス。
17. The immobilizing element is a component of a disk drive,
The actuator device of claim 14.
【請求項18】 前記電気能動素子の少なくとも1つは、自身のポーリング
電界に対して正方向に駆動され、該電気能動素子の少なくとも1つは、自身のポ
ーリング電界に対して負方向に駆動される、請求項13のアクチュエータデバイ
ス。
18. At least one of the electro-active elements is driven positively with respect to its poling field and at least one of the electro-active elements is driven negative with respect to its poling field. The actuator device of claim 13, wherein
【請求項19】 前記デバイスは、前記電気能動素子および前記導体を収容
する封入層をさらに備え、該アクチュエータデバイスはカードを形成する、請求
項13のアクチュエータデバイス。
19. The actuator device of claim 13, wherein the device further comprises an encapsulation layer containing the electrically active element and the conductor, the actuator device forming a card.
【請求項20】 前記少なくとも第1および第2の導体は、複数の点におい
て、前記少なくとも第1および第2の電気能動素子と直接電気接触する、請求項
13のアクチュエータデバイス。
20. The actuator device of claim 13, wherein the at least first and second conductors make direct electrical contact with the at least first and second electrically active elements at a plurality of points.
【請求項21】 前記アクチュエータデバイスは、対象物に剪断結合される
、請求項13のアクチュエータデバイス。
21. The actuator device of claim 13, wherein the actuator device is shear bonded to an object.
【請求項22】 前記アクチュエータデバイスは、スタック、湾曲部、シェ
ル、プレートまたは曲げ器として構成される、請求項13のアクチュエータデバ
イス。
22. The actuator device of claim 13, wherein the actuator device is configured as a stack, bend, shell, plate or bender.
【請求項23】 絶縁体をさらに備えるアクチュエータデバイスであって、
前記第1および第2の電気能動素子中の面内ひずみが、該第1および第2の電気
能動素子と該絶縁体との間で剪断結合されるように、該第1および第2の電気能
動素子ならびに該絶縁体を共にボンディングする、請求項13のアクチュエータ
デバイス。
23. An actuator device further comprising an insulator,
The first and second electrical so that in-plane strains in the first and second electrically active elements are shear coupled between the first and second electrically active elements and the insulator. 14. The actuator device of claim 13, wherein the active element and the insulator are bonded together.
【請求項24】 少なくとも第3の導体を備えるアクチュエータデバイスで
あって、該第3の導体は、前記第1の導体または前記第2の導体と直接電気接触
する、請求項23に記載のアクチュエータデバイス。
24. An actuator device comprising at least a third conductor, said third conductor making direct electrical contact with said first conductor or said second conductor. .
【請求項25】 アクチュエータデバイスであって 少なくとも第1の領域および第2の領域を有する少なくとも1つの電気能動素子
と、 少なくとも1つの第1および第2の導体と、 を備え、 該第1の導体は、該電気能動素子の該第1の領域と直接電気接触し、該第2の導
体は、該電気能動素子の該第2の領域と直接電気接触し、 該電気能動素子の該第1および第2の領域が活性化されると、該デバイスが概し
てS字状の形状を形成するように、該電気能動素子および該導体を構成する、 アクチュエータデバイス。
25. An actuator device comprising at least one electrically active element having at least a first region and a second region; and at least one first and second conductor, said first conductor. Is in direct electrical contact with the first region of the electrically active element, the second conductor is in direct electrical contact with the second region of the electrically active element, and An actuator device that configures the electrically active element and the conductor such that the device forms a generally S-shape when the second region is activated.
【請求項26】 前記電気能動素子の前記第1および第2の領域は、反対方
向にポーリングされる、請求項25に記載のアクチュエータデバイス。
26. The actuator device of claim 25, wherein the first and second regions of the electrically active element are polled in opposite directions.
【請求項27】 前記電気能動素子の前記第1および第2の領域は、同一方
向にポーリングされる、請求項25に記載のアクチュエータデバイス。
27. The actuator device of claim 25, wherein the first and second regions of the electro-active element are polled in the same direction.
【請求項28】 前記アクチュエータデバイスは、対象物に剪断結合される
、請求項25に記載のアクチュエータデバイス。
28. The actuator device of claim 25, wherein the actuator device is shear bonded to an object.
【請求項29】 前記アクチュエータデバイスは、スタック、湾曲部、シェ
ル、プレートまたは曲げ器として構成される、請求項25に記載のアクチュエー
タデバイス。
29. The actuator device of claim 25, wherein the actuator device is configured as a stack, bend, shell, plate or bender.
【請求項30】 絶縁体をさらに備えるアクチュエータデバイスであって、
前記電気能動素子中の面内ひずみが、該電気能動素子と前記屈曲回路との間で剪
断結合されるように、該電気能動素子および該絶縁体を共にボンディングする、
請求項25に記載のアクチュエータデバイス。
30. An actuator device further comprising an insulator,
Bonding the electrically active element and the insulator together such that in-plane strain in the electrically active element is shear coupled between the electrically active element and the flex circuit.
The actuator device according to claim 25.
【請求項31】 少なくとも第3の導体をさらに備え、該第3の導体は、前
記第1の導体または前記第2の導体と直接電気接触する、請求項30に記載のア
クチュエータデバイス。
31. The actuator device of claim 30, further comprising at least a third conductor, the third conductor making direct electrical contact with the first conductor or the second conductor.
【請求項32】 対象物の振動を減衰する方法であって、 (a)前記少なくとも第1および第2の導体の少なくとも1つに電気信号が与え
られると、前記少なくとも第1および第2の電気能動素子の面内ひずみが該対象
物に機械的に作用するように、請求項13に記載のアクチュエータデバイスを対
象物にボンディングする工程と、 (b)該導体の1つに電気信号を与える工程と、 を包含する方法。
32. A method of damping vibrations of an object, comprising: (a) applying at least one of said at least first and second conductors to said at least first and second electrical conductors. Bonding the actuator device according to claim 13 to an object such that the in-plane strain of the active element mechanically acts on the object, and (b) applying an electrical signal to one of the conductors. And including.
【請求項33】 アクチュエータデバイスを形成する方法であって、 (a)絶縁体と少なくとも第1および第2の導体とを備える屈曲回路を作成する
工程と、 (b)電気能動素子中の面内ひずみが該電気能動素子と該屈曲回路との間で剪断
結合され、かつ、該電気能動素子が該少なくとも第1および第2の導体と直接電
気接触するように、該電気能動素子を該屈曲回路にボンディングする工程と、 を包含する方法。
33. A method of forming an actuator device, the method comprising: (a) creating a flex circuit comprising an insulator and at least first and second conductors; and (b) in-plane in an electrically active device. The electroactive element is coupled to the flex circuit such that strain is shear coupled between the electroactive element and the flex circuit and the electroactive element is in direct electrical contact with the at least first and second conductors. Bonding to the substrate, and a method including.
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