JP2003527046A - パッケージングされたひずみアクチュエータ - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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
。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【００５９】 本発明の実施形態を以下に例示する。

【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
ｄ₃₃ＩＤＥ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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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（１２００Ｖ_p-p）であり、固体電極デバイスの場合に＋／−１００ボルトｓ
（２００Ｖ_p-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。

【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。

【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。

【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。

【００７２】

【数１】 ここで、デバイスの機械的エネルギー出力はＷ_Mによって表され、システムへの
電気的エネルギー入力はＷ_E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。

【００７３】

【数２】 ここで、ｆ_aおよびｆ_r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。

【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。

【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。

【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。

【図面の簡単な説明】

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【図３】 図３は、別のカードの図である。

【図４Ａ】 図４Ａは、図３のカードの断面図である。

【図４Ｂ】 図４Ｂは、図３のカードの断面図である。

【図５】 図５は、図３のカードの層構造の詳細を示す。

【図５Ａ】 図５Ａは、図３のカードの層構造の詳細を示す。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【図１７】 図１７は、Ｓ型デバイスの相対的な変位を示す。

───────────────────────────────────────────────────── 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

Claims (33)

【特許請求の範囲】
1. 【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。
2. 【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。
3. 【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。
4. 【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。
5. 【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。
6. 【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
   。
7. 【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
   。
8. 【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。
9. 【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。
10. 【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。
11. 【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。
12. 【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。
13. 【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。
14. 【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。
15. 【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。
16. 【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。
17. 【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。
18. 【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。
19. 【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。
20. 【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。
21. 【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。
22. 【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。
23. 【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。
24. 【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。
25. 【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。
26. 【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。
27. 【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。
28. 【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。
29. 【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。
30. 【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。
31. 【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。
32. 【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。
33. 【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。