KR20010108276A - Packaged strain actuator - Google Patents

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KR20010108276A
KR20010108276A KR1020017010985A KR20017010985A KR20010108276A KR 20010108276 A KR20010108276 A KR 20010108276A KR 1020017010985 A KR1020017010985 A KR 1020017010985A KR 20017010985 A KR20017010985 A KR 20017010985A KR 20010108276 A KR20010108276 A KR 20010108276A
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KR1020017010985A
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라자루스케니스비
룬드스트롬마크이
무어제프리더블유
크롤리에드워드
루쏘팔라
요시카와쇼코
피치애릭
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액티브 컨트럴 엑스퍼츠, 인코포레이티드
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00Piezoelectric or electrostrictive devices

Abstract

모듈형 액츄에이터 조립체는, 바람직하게는 구조 폴리머에 의해 전극이 형성된 시트에 부착되어 카드를 형성하는 전기 능동형 물질로 된 하나 혹은 그 이상의 판 혹은 소자를 포함한다. 카드는 밀봉되고, 그리고 고체 혹은 유체의 함유물과 직접 접촉하는, 날개, 요동장치, 교반기, 지렛대, 추진기 혹은 초음파 처리기와 같은 실제적 장치를 그 자체가 구성하거나, 또는 단단한 접착제에 의해 접착되어 고체 작업물, 장치, 기재 기계 혹은 샘플과 면-대-면의 기계적 연결을 이룰 수 있다. 구조 폴리머는 얇은 판이 그것의 파괴점까지 변형하지 않도록 하는 굽힘 강성과, 전단력이 판으로부터 작업물로 효과적으로 연결되게 하는 기계적 강성을 제공한다. 다른 실시예에 있어서, 카드는 스위칭, 동력 공급 혹은 신호 처리용 능동 회로 소자 및/또는 필터링, 정합, 혹은 댐핑 신호용 수동 회로 소자를 포함할 수 있고, 그 결과 회로 외측으로의 연결이 요구되지 않거나 거의 요구되지 않는다. 액츄에이터 조립체는, 작업물에 대한 무시할만한 질량 하중을 유도하는, 균일한 기계적인 작동 특성을 갖는 다양한 액츄에이터를 제공하도록 제공된다. 카드 그 자체는, 유도된 스트레인이 카드의 위치를 변화시키는 스트레인 전달 작동보다는 오히려 독립적인 기계적 액츄에이터로서 배열될 수 있다. 핀 연결되거나 외팔보로 된 카드의 다양한 배열은 추진기, 굽힘기, 혹은 다른 동적 액츄에이터로서 작용할 수 있고, 동력 주름상자와 같은 구조체는 하나 혹은 그 이상의 적절히 패턴화된 카드에 의해 직접 형성될 수 있다.The modular actuator assembly preferably comprises one or more plates or elements of an electrically active material attached to a sheet formed with electrodes by a structural polymer to form a card. The card is sealed and constitutes a practical device, such as a wing, rocker, stirrer, lever, propeller or sonicator, which is in direct contact with the solid or fluid content, or is bonded by a solid adhesive to solid work. Face-to-face mechanical connections can be made with water, devices, substrate machines or samples. Structural polymers provide bending stiffness that prevents thin plates from deforming up to their breakpoint and mechanical stiffness that allows shear forces to effectively connect from the plate to the workpiece. In other embodiments, the card may include active circuit elements for switching, powering, or signal processing and / or passive circuit elements for filtering, matching, or damping signals, such that no or little connection to the outside of the circuit is required. Not required. The actuator assembly is provided to provide a variety of actuators with uniform mechanical operating characteristics that induce negligible mass loads on the workpiece. The card itself may be arranged as an independent mechanical actuator rather than a strain transfer operation in which the induced strain changes the position of the card. Various arrangements of pinned or cantilevered cards can act as propellers, bends, or other dynamic actuators, and structures such as power corrugations can be formed directly by one or more suitably patterned cards.

Description

패키지화 된 스트레인 액츄에이터{PACKAGED STRAIN ACTUATOR}Packaged Strain Actuators {PACKAGED STRAIN ACTUATOR}

본 발명은 1994년 1월 27일에 출원된 미국 특허 출원 제08/188,145호의 연속 출원인, 1997년 10월 3일자 출원의 미국 특허 출원 제08/943,645호의 일부 계속 출원인, 미국 특허 출원 제09/261,475호의 일부 계속 출원이다.The present invention is a continuation of US patent application Ser. No. 08 / 188,145, filed Jan. 27, 1994, part of US patent application Ser. No. 08 / 943,645, filed Oct. 3, 1997, US patent application Ser. No. 09 / 261,475 Part of the issue is pending application.

압전 물질, 전기 왜곡형 물질 혹은 자기 왜곡형 물질과 같은 스마트 물질(smart material)들이, 구조 혹은 음향 소음을 구동하거나 댐핑하는 것과 같은 고대역 폭의 임무(high band width task)용으로, 그리고 또한 정밀 배치의 적용예를 위해서도 사용될 수 있다. 그러한 적용예들은 종종 스마트 물질이 제어 대상인 구조체에 부착될 것을 요구한다. 그러나, 이러한 물질로 된 범용 액츄에이터는 일반적으로 입수 불가능하다. 그리고 그러한 제어 임무를 실행하기 원하는 사람은 전형적으로, 원래 상태의 아마도 전극이 형성되지 않은 스마트 물질 재료를 소정의 필요한 전극, 접착제 및 절연 구조와 함께 그것을 관심 물품 상에 고정시키거나 혹은 관심 물품 내로 합체시키는 공정을 진행해야 한다.Smart materials, such as piezoelectric, electrically distorted or magnetically distorted materials, are also used for high band width tasks such as driving or damping structural or acoustic noise, and also for precision. It can also be used for application of the arrangement. Such applications often require that the smart material be attached to the structure under control. However, general purpose actuators of such materials are generally not available. And a person who wishes to carry out such a control task will typically fix a smart material material in its original state, possibly with no electrode formed, along with any necessary electrodes, adhesives, and insulating structures on or incorporating it into the item of interest. The process must be carried out.

그러한 적용예들에 대해서는, 스마트 물질에 대한 기계적 및 전기적 연결이 강건하고 또한 스마트 부재 내에 스트레인을 생성하거나 시스템을 변위시키거나 시스템에 힘을 가할 수 있는 방식이 되도록 이러한 물질들을 연결하고 부착하는 것과, 이러한 스트레인, 동작 혹은 힘을 제어 대상인 목적물에 연결하는 것이 필요하게 된다. 종종, 스마트 물질은 그것의 기계적 혹은 전기적 파손을 크게 증가시키는 양호하지 않은 환경에서 사용될 것이 요구된다.For such applications, connecting and attaching such materials is such that the mechanical and electrical connection to the smart material is robust and in such a way as to create strain in the smart member, displace the system or force the system; It is necessary to connect such strain, motion or force to the object to be controlled. Often, smart materials are required to be used in unfavorable environments that greatly increase their mechanical or electrical breakage.

예로써, 구조체에 대한 진동 억제와 작동의 적용예인 하나의 그러한 적용예는, 압전 소자(혹은 다중 소자들)를 구조체에 부착할 것을 요구한다. 그 다음 이러한 소자들이 작동되어, 압전 효과에 의해 소자에 가해지는 전기 에너지는 소자에 두루 분포되는 기계 에너지로 변환된다. 압전 물질 내에서 선택적으로 스트레인을 변화시키거나 기계적 충격을 생성시킴으로써, 하부 구조체의 특정한 형상 제어가 달성될 수 있다. 자연 진동을 억제하거나 제어된 진동 혹은 변위를 가하기 위해서 급속 작동(rapid actuation)이 사용될 수 있다. 압전 소자와 다른 인텔리전트(intelligent) 물질의 이러한 적용의 예는 최근 수년간 점점 더 흔한 것이 되었다.By way of example, one such application, which is an application of vibration suppression and operation to a structure, requires attaching a piezoelectric element (or multiple elements) to the structure. These devices are then operated so that the electrical energy applied to the device by the piezoelectric effect is converted into mechanical energy distributed throughout the device. By selectively changing strain or creating mechanical impacts in the piezoelectric material, specific shape control of the underlying structure can be achieved. Rapid actuation can be used to suppress natural vibrations or to apply controlled vibrations or displacements. Examples of this application of piezoelectric elements and other intelligent materials have become increasingly common in recent years.

전형적인 진동 억제 및 작동의 적용예에 있어서, 압전 소자는 복잡한 일련의 단계로 구조체에 접착된다. 먼저, 구조체의 표면이 기계 가공되어, 압전 소자에 연결되는데 필요한 전기 도선을 유지하기 위해서 하나 혹은 그 이상의 채널(channel)이 만들어진다. 또 다르게는, 채널의 기계 가공 대신에, 기계적 및 전기적 접촉의 양자를 만들기 위해서 두 개의 상이한 에폭시가 사용될 수 있다. 이러한 대안적 접근에 있어서는, 전도성 에폭시가 점점이 뿌려지고, 즉 콘덕터를 형성하도록 국부적으로 가해지고, 구조적 에폭시가 구조체의 나머지 부분에 가해져서 압전 소자가 구조체에 접착된다. 그 다음, 모든 것이 보호성 코팅(coating)으로 덮여진다.In typical vibration suppression and actuation applications, the piezoelectric elements are bonded to the structure in a complex series of steps. First, the surface of the structure is machined to create one or more channels to maintain the electrical leads needed to connect to the piezoelectric elements. Alternatively, instead of the machining of the channels, two different epoxies may be used to make both mechanical and electrical contact. In this alternative approach, conductive epoxy is gradually sprayed, i.e., locally applied to form conductors, and structural epoxy is applied to the rest of the structure to bond the piezoelectric element to the structure. Then everything is covered with a protective coating.

이러한 조립 공정은 노동 집약적이고, 종종 에폭시로 작업시의 문제점들로 인한 많은 재작업이 연루된다. 상이한 압전 소자들 사이의 기계적 균일성은, 특히 압전 소자의 정렬과 접착에 관한, 공정의 가변성으로 인해 얻기가 어렵다. 이러한 방식으로 형성된 전기적 및 기계적 연결은 종종 신뢰성이 없다. 전도성 에폭시가 원하지 않는 길로 흘러서 압전 소자의 단부들을 가로지르는 단락(short)을 야기하는 것은 흔하다. 더욱이, 압전 소자들은 매우 부서지기 쉽고, 또한 지지되어 있는 않는 경우, 접착 혹은 취급 중에 파손될 수 있다.This assembly process is labor intensive and often involves a lot of rework due to problems with working with epoxy. Mechanical uniformity between different piezoelectric elements is difficult to obtain due to the variability of the process, especially with regard to the alignment and adhesion of the piezoelectric elements. Electrical and mechanical connections made in this way are often unreliable. It is common for the conductive epoxy to flow in undesired ways, causing a short across the ends of the piezoelectric element. Moreover, piezoelectric elements are very brittle and, if not supported, can break during bonding or handling.

종래의 제조 공정의 또 다른 결점은, 압전 소자가 구조체에 접착된 다음, 파손이 발생하면, 콘덕터와 접촉하고 있지 않는 압전 소자 부분의 기능이 무력하게 될 수 있다는 것이다. 그에 따라, 소자의 완전한 작동이 손상된다. 일반적으로 다른 회로 부품들뿐만 아니라 사람들이 고압이 통할 수 있는 이러한 장치의 전극들로부터 차폐되어야만 하기 때문에 차폐가 문제가 될 수 있다.Another drawback of the conventional manufacturing process is that if the piezoelectric element adheres to the structure and then breakage occurs, the function of the portion of the piezoelectric element that is not in contact with the conductor may be rendered ineffective. As a result, the complete operation of the device is impaired. Shielding can be a problem because in general, as well as other circuit components, people must be shielded from the electrodes of such a device through which high voltage can pass.

얇은 압전 판, 실린더, 혹은 디스크나 고리의 스택(stack)과 같은 압전 물질을 제어 가능한 구조체 내로 합체하는 한가지 시도가 Javier de Luis 와 Edward F. Crawley 의 미국 특허 제4,849,668호에 기재되어졌다. 이러한 기술은 통합 구조체 내로 여러 가지 소자들을 정확하게 수공 조립(hand-assembly) 하는 것과 관련되는데, 통합 구조체 내에서는 압전 세라믹 소자들이 강한 지지체로서 역할하는 합판 복합재의 구조체 내에 포함되고 절연된다. 그러한 지지로 인해 전극 균열의 문제가 감소하고, 적어도 상기 특허에 기재된 바와 같이, 기계적 작동 효율로 구조적 강도를 최적화하도록 계산되는 방식으로 그러한 지지가 구현된다. 더욱이, 실린더나 적층된 고리의 경우에는, 이러한 선반 형태에서 벗어난 압전 소자의 형태의 자연적인 내부 통로로 인하여 그렇지 않았으면 어려울 배선 설치 작업이 어느 정도 간단해진다. 그럼에도 불구하고, 설계는 간단하지 않고, 제조는 시간 소모적이고 또한 조립 및 동작 중에 수많은 파손 모드(mode)에 노출된 채로 남는다.One attempt to incorporate piezoelectric materials such as thin piezoelectric plates, cylinders, or stacks of disks or rings into controllable structures has been described in US Pat. No. 4,849,668 to Javier de Luis and Edward F. Crawley. This technique involves precisely hand-assemblying various devices into the integrated structure, in which piezoelectric ceramic elements are included and insulated within the structure of the plywood composite, which serves as a strong support. Such support reduces the problem of electrode cracking and is implemented in such a way as to be calculated to optimize structural strength with mechanical operating efficiency, at least as described in the patent. Moreover, in the case of cylinders or laminated rings, the natural internal passages in the form of piezoelectric elements deviating from these shelf shapes simplify wiring installation to some extent that would otherwise be difficult. Nevertheless, the design is not simple, and the manufacturing is time consuming and also remains exposed to numerous failure modes during assembly and operation.

동적 시험의 분야에서는 구조체를 흔들거나 교란시켜서 그 반응이 측정되거나 제어될 수 있도록 하는 다양한 액츄에이터들이 요구된다. 그러나, 여기서, 요동 시험 장치에 대해 받아들여지는 방법론은 선형 교란을 일으키기 위해 전기-기계적 모터를 사용하는 것을 포함한다. 모터를 원하는 신호로부터 분리시키기 위하여, 모터는 일반적으로 스팅어(stinger) 설계를 통해 적용된다. 그러한 외부 모터도 여전히, 구조체를 여기시키기 위해 모터를 사용할 때 종종 동적 결합에 직면하게 되는 결점을 갖는다. 더욱이, 이러한 유형의 액츄에이터에서는, 구조체에 관성이 더해지게 되므로 원하지 않는 동적 상태가 나타나게 된다. 여기 장치(exciter)가 구조체의 일체적 부분이 아닐 때, 구조체는 접지될 수 있다. 이러한 인자들은, 장치의 동작뿐만 아니라 관심 있는 상태의 모델링(modelling)이나 수학적 분석을 매우 복잡하게 할 수 있다. 압전 액츄에이터를 사용하게 되면, 이러한 결점들의 다수가 극복될 수 있지만, 전술한 것처럼, 복잡한 구성과, 작동 특성의 변화와 내구성이라는 그 자체의 문제가 야기된다. 압전 소자 혹은 전기 왜곡형 소자가 감지용으로 사용될 때 유사한 문제들이 발생한다.In the field of dynamic testing, a variety of actuators are needed to shake or perturb the structure so that its response can be measured or controlled. However, here, the accepted methodology for the rocking test apparatus includes the use of an electro-mechanical motor to cause linear disturbances. In order to separate the motor from the desired signal, the motor is generally applied through a stinger design. Such external motors still have the drawback that they often encounter dynamic coupling when using the motor to excite the structure. Moreover, in this type of actuator, inertia is added to the structure resulting in unwanted dynamic states. When the exciter is not an integral part of the structure, the structure can be grounded. These factors can greatly complicate the modeling or mathematical analysis of the state of interest as well as the operation of the device. The use of piezoelectric actuators can overcome many of these drawbacks, but, as mentioned above, introduces its own problems of complex configuration, variations in operating characteristics and durability. Similar problems arise when piezoelectric or electrically distorted devices are used for sensing.

따라서, 소자가 고대역 폭의 작동(high band width actuation) 능력을 갖고 쉽게 설치 가능하지만, 기계적 및 전기적으로 강건하고 또한 구조체의 기계적 특성을 전체로서 크게 변경시키지 않도록, 소자가 제어 혹은 작동 대상 구조체에 접착되는 방식으로 개선이 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 압전 소자로부터 관심 대상인 구조체로 높은 스트레인 전달이 달성되도록 하는 것이 소망된다.Thus, although the device has a high band width actuation capability and can be easily installed, the device may be subjected to controlled or actuated structures such that it is mechanically and electrically robust and does not significantly change the mechanical properties of the structure as a whole. It is preferred that the improvement be made in such a way that it is bonded. It is also desirable to achieve high strain transfer from the piezoelectric element to the structure of interest.

본 발명은 능동형 진동 감소, 구조적 제어, 동적 시험, 정밀 배치, 동작 제어, 흔들기, 휘젓기, 및 수동 혹은 능동 댐핑을 위해 사용될 수 있는 액츄에이터 소자(actuator element)에 관한 것이다. 보다 특정적으로는, 본 발명은 패키지화 된(packaged) 액츄에이터 조립체에 관한 것으로서, 이 액츄에이터 조립체는 전자적으로 제어 가능하고, 또한 능동적으로, 그것이 부착된 장치의 기계적 상태를 댐핑(damping)하거나 구조체를 작동시키거나 혹은 진동을 억제하도록 적용될 수 있으며, 혹은 독립적으로 사용될 수 있다. 아래의 이어지는 절에서 서술되는 바와 같이, 조립체는 구조체 혹은 시스템에 접착되거나 부착될 수 있고, 이로써 조립체는 작동되거나 제어되거나 댐핑되는 시스템과 합체된다.The present invention relates to actuator elements that can be used for active vibration reduction, structural control, dynamic testing, precise placement, motion control, shaking, churning, and passive or active damping. More specifically, the present invention relates to a packaged actuator assembly, the actuator assembly being electronically controllable and also actively damping the mechanical state of the device to which it is attached or operating the structure. It can be applied to suppress or vibrate, or can be used independently. As described in the following sections below, the assembly may be attached or attached to a structure or system, whereby the assembly is incorporated with a system that is actuated, controlled or damped.

도 1a는 전형적인 종래 기술의 액츄에이터의 시스템 도면이다.1A is a system diagram of a typical prior art actuator.

도 1b 및 1c는 본 발명에 따른 2개의 시스템의 대응 도면들이다.1B and 1C are corresponding views of two systems according to the present invention.

도 2a 및 2b는 각기 본 발명에 따른 기본 액츄에이터 혹은 센서 카드의 평면도 및 단면도이고, 도 2c는 회로 소자를 갖는 액츄에이터 혹은 센서 카드를 도시한다.2A and 2B are a plan view and a cross-sectional view, respectively, of a basic actuator or sensor card in accordance with the present invention, and FIG. 2C shows an actuator or sensor card with circuit elements.

도 3은 다른 카드를 도시한다.3 shows another card.

도 4a 및 4b는 도 3의 카드의 단면도들이다.4A and 4B are cross-sectional views of the card of FIG. 3.

도 5 및 5a는 도 3의 카드의 층 구조의 상세도이다.5 and 5A are detailed views of the layer structure of the card of FIG.

도 6은 평면 내에서 작동하는 액츄에이터 패키지 빗(comb)형 전극을 도시한다.6 shows an actuator package comb-like electrode operating in a plane.

도 7은 도 6의 카드를 사용하는 비틀림 액츄에이터 패키지를 도시한다.FIG. 7 illustrates a torsional actuator package using the card of FIG. 6.

도 8a 및 8b는 표면이나 막대 상에 표면 장착 액츄에이터로 장착된 액츄에이터들을 각기 도시한다.8A and 8B respectively show actuators mounted as surface mount actuators on a surface or rod.

도 9는 기계적 소자로서 장착된 액츄에이터들을 도시한다.9 shows actuators mounted as mechanical elements.

도 10a, 10b 및 10c는 라인 교대 배치형 전극식 전기 능동형 장치(line interdigitally electroded electro-active device)의 구성도이다.10A, 10B and 10C are schematic diagrams of a line interdigitally electroded electro-active device.

도 11a는 공통 버스(common bus)가 압전 소자(piezoelectric element) 상에 위치된 라인 교대 배치형 전극식 전기 능동형 장치를 도시하고, 도 11b는 공통 버스가 압전 소자를 넘어서 위치된 라인 교대 배치형 전극식 전기 능동형 장치를 도시한다.FIG. 11A shows a line alternating electrode electrically active device with a common bus located on a piezoelectric element, and FIG. 11B shows a line alternating electrode with a common bus positioned over a piezoelectric element. An electrostatically active device is shown.

도 12는 다수의 압전 소자를 갖춘 각도가 없는 라인 교대 배치형 전극식 전기 능동형 장치를 도시한다.FIG. 12 illustrates an angleless line alternate electrode type electrically active device with multiple piezoelectric elements.

도 13은 다수의 압전 소자를 갖춘 각도가 있는 라인 교대 배치형 전극식 전기 능동형 장치를 도시한다.FIG. 13 illustrates an angled line alternate electrode type electrically active device with multiple piezoelectric elements.

도 14a는 각도가 있는 라인 교대 배치형 전극식 전기 능동형 장치가 빔(beam) 구조체에 접착된 상태를 도시하고, 도 14b는 각도가 있는 라인 교대 배치형 전극식 전기 능동형 장치가 관 혹은 막대 구조체에 접착된 상태를 도시한다.FIG. 14A shows a state in which an angled line-positioned electrode-electrically active device is bonded to a beam structure, and FIG. 14B shows an angled line-positioned electrode-type electrically active device in a tube or bar structure. The bonded state is shown.

도 15a는 고체 전극(solid electrode)이 판의 양 표면상에 있는 압전 세라믹(piezoceramic) 판을 갖춘 압전 장치용 전기력선을 도시하고, 도 15b는 교대 배치형 전극을 갖춘 압전 장치의 일 실시예의 전기력선을 도시한다.FIG. 15A shows electric field lines for piezoelectric devices with piezoceramic plates with solid electrodes on both surfaces of the plate, and FIG. 15B shows electric field lines of one embodiment of a piezoelectric device with alternating electrodes. Illustrated.

도 16은 전기 능동형 상한(象限;quadrants)들을 갖는 S-형 장치를 도시한다.16 shows an S-type device with electrically active quadrants.

도 17은 S-형 장치의 상대 변위를 도시한다.17 shows the relative displacement of the S-type device.

본 발명에 따른 액츄에이터 조립체는, 압전 혹은 전기 왜곡형 판 혹은 셀(shell)과 같은 하나 이상의 압전 소자, 소자 둘레에 보호성 몸체를 구성하는 하우징(housing), 및 하우징 내에 장착되고 스트레인 소자에 연결되는 전기 접촉부를 포함하는데, 상기 부분들은 함께 가요성 카드를 구성한다. 조립체의 적어도 한 측면은 스트레인 소자의 주(主) 면에 부착되는 얇은 시트를 포함하고, 시트의 외측을 목적물에 접착함으로써 단단하고 전단이 없는 결합이 하우징 내의 스트레인 소자와 목적물 사이에 얻어진다.The actuator assembly according to the invention comprises at least one piezoelectric element, such as a piezoelectric or electrically distorted plate or shell, a housing constituting a protective body around the element, and mounted in the housing and connected to the strain element. Electrical contacts, which together constitute a flexible card. At least one side of the assembly includes a thin sheet attached to the main face of the strain element, and by bonding the outside of the sheet to the object, a tight, shear-free bond is obtained between the strain element and the object in the housing.

바람직한 실시예에서, 스트레인 소자는 압전 세라믹 판인데, 이 압전 세라믹 판은 매우 얇고 바람직하게는 1/8 mm 약간 아래에서부터 수 mmm 의 두께 사이이고, 또한 길이와 폭의 수치의 하나 혹은 둘 모두가 상기 두께 수치보다 수십 배 내지 수백 배 큰 비교적 큰 표면 영역을 갖는다. 금속이 입혀진 필름이 전극 접촉부를 만드는 한편, 접착제 및 절연 물질은 층 박리, 균열 및 환경 노출에 대항하여 밀폐하듯이 장치를 밀봉한다. 사용되는 접착제는 B-단계 혹은 C-단계의 에폭시와 같은 에폭시나, 열가소성 물질이나, 혹은 압전 세라믹 판, 금속이 입혀진 필름 및 절연 물질을 함께 접착하는데 유용한 어떤 다른 물질 일 수 있다. 사용되는 특정 접착제는 의도하는 장치의 의도된 적용예에 좌우될 것이다. 바람직한 실시예에 있어서, 금속이 입혀진 필름과 절연 물질은 모두 단단한 폴리머 물질로 된 가요성 회로 내에 설치되므로, 감싸진 소자들에 대해 강건한 기계적 전기적 결합이 제공된다. 또 다르게는, 금속이 입혀진 필름은 압전 세라믹 판 상에 직접 배치되고, 절연 물질은 전기 접촉부를 가질 수도 있다.In a preferred embodiment, the strain element is a piezoelectric ceramic plate, which is very thin and preferably between slightly below 1/8 mm and a few mm thick, and also having one or both of the length and width values described above. It has a relatively large surface area that is tens to hundreds of times larger than the thickness value. Metallized films make electrode contacts, while adhesives and insulating materials seal the device like a seal against layer peeling, cracking and environmental exposure. The adhesive used may be an epoxy such as a B- or C-stage epoxy, or a thermoplastic or any other material useful for bonding together piezoelectric ceramic plates, metallized films and insulating materials. The particular adhesive used will depend upon the intended application of the intended device. In a preferred embodiment, both the metallized film and the insulating material are installed in a flexible circuit of rigid polymer material, thereby providing a robust mechanical and electrical coupling to the wrapped devices. Alternatively, the metallized film may be disposed directly on the piezoelectric ceramic plate and the insulating material may have electrical contacts.

도시한 바에 의하면, 아래의 예는, 1/4 mm 의 두께를 갖고, 길이와 폭의 수치가 각기 1 내지 3 cm 인 장방형 PZT 판을 사용하는 구성을 기술하는데, 이에 따라 각각의 소자는 넓이가 1 내지 10 ㎠ 인 능동 스트레인 발생 면을 갖게 된다. PZT 판은 예를 들어 0.5 mil (1 mil은 0.001 inch), 1 mil 혹은 2 mil 의 폴리미드인 단단하고 강한 폴리머 시트들 상에 혹은 그 사이에 장착되는데, 상기 폴리머는 그 한 측면 혹은 양 측면에 구리가 피복되고, 또한 PZT 판과 접촉하도록 구리 층 내에 형성된 적절한 전도성 전극 패턴을 갖는다. 다양한 스페이서(spacer)들이 판을 둘러싸고, 전체 구조체는 구조 폴리머로 함께 방수성의 절연된 폐쇄 패키지 내로 접착되며, 상기 패키지는 판 두께와 대략 동일한, 예를 들어 0.30 내지 0.50 mm의 두께를 갖는다. 그렇게 폐쇄되면, 패키지는 내장된 부서지기 쉬운 PZT 소자를 손상시키는 일이 없이, 구부려질 수 있고, 늘려지고 휘어질 수 있으며, 또한 날카로운 충격을 견딜 수 있다. 또한, 콘덕터 패턴이 폴리미드 시트에 견고하게 부착되기 때문에, 심지어 PZT 소자의 균열에 의해서도 전극이 단절되지 않거나, 또는 소자의 전체 영역에 걸쳐 작동이 방해되지는 않는데, 그렇지 않다면 그 성능이 심각하게 손상될 것이다.As shown, the example below describes a configuration using a rectangular PZT plate having a thickness of 1/4 mm and having a length and width of 1 to 3 cm, respectively, so that each element has a width. It has an active strain generating surface that is 1 to 10 cm 2. PZT plates are mounted on or between rigid and strong polymer sheets, for example 0.5 mils (1 mil is 0.001 inch), 1 mil or 2 mils of polyamide, the polymer being on one or both sides thereof. The copper is coated and also has a suitable conductive electrode pattern formed in the copper layer to contact the PZT plate. Various spacers surround the plate and the entire structure is glued together into a waterproof, insulated, closed package with the structural polymer, the package having a thickness approximately equal to the plate thickness, for example 0.30 to 0.50 mm. When so closed, the package can be bent, stretched and bent, and can withstand sharp impacts without damaging the embedded brittle PZT element. In addition, because the conductor pattern is firmly attached to the polyimide sheet, even if the crack of the PZT element does not disconnect the electrode or hinder operation over the entire area of the element, otherwise its performance is severely Will be damaged.

얇은 패키지는 완전한 모듈형 유닛(modular unit)을 전극들이 모두 갖춰진 작은 "카드"의 형태로 구성한다. 그 다음, 패키지는 한 면을 구조체에 접착함으로써 편리하게 부착될 수 있고, 그 결과 감싸진 스트레인 소자와 구조체 사이의 스트레인이 연결된다. 이것은 예를 들어, 패키지를 접착제로 간단히 부착함으로써 이루어질 수 있는데, 그 결과 PZT 판과 결합하면서 전체적으로 시스템에 최소의 질량을 더하는 반면에 얇고 높은 전단 강도를 갖게 된다. 판은 에너지를 부착된 구조체 내로 연결시키는 액츄에이터일 수도 있고, 부착된 구조체로부터 연결되는 스트레인에 반응하는 센서일 수도 있다.Thin packages form a complete modular unit in the form of a small "card" with all the electrodes. The package can then be conveniently attached by adhering one side to the structure, resulting in connecting the strain between the wrapped strain element and the structure. This can be done, for example, by simply attaching the package with an adhesive, which results in a thin and high shear strength while combining with the PZT plate while adding minimal mass to the system as a whole. The plate may be an actuator that connects energy into the attached structure, or may be a sensor responsive to strain connected from the attached structure.

다른 실시예에서는, 면내(in-plane) 혹은 면을 가로질러서 PZT 판을 어느 한쪽으로 극성화 하도록 시트 상에 특정의 전극 패턴이 선택적으로 형성되고, PZT 소자들의 다중 층은 단일 카드 내에 배열되거나 적층되어 굽힘 혹은 전단, 및 심지어는 특별한 비틀림 작동을 야기한다.In another embodiment, specific electrode patterns are selectively formed on the sheet to polarize the PZT plate to either side in-plane or across the surface, and multiple layers of PZT elements may be arranged or stacked in a single card. Resulting in bending or shearing and even special twisting operations.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 회로 소자들이 모듈형 패키지 내에 혹은 그와 함께 형성되어 PZT 소자에 의해 생성된 신호를 필터링(filtering)하거나 단락시키거나 혹은 처리하거나, 또는 기계적 환경을 감지하거나, 또는 심지어 작동 소자를 구동하기 위해서 국부적으로 스위칭(switching) 혹은 전원 증폭을 수행한다. 액츄에이터 패키지는 반원통과 같이 미리 형상이 만들어진 PZT 소자와 함께 파이프(pipe), 막대(rod) 혹은 샤프트(shaft) 둘레에 부착하기에 적절한 모듈형 표면- 장착 셀(shell)을 구성할 수도 있다.According to another feature of the invention, circuit elements are formed in or with a modular package to filter, short, or process a signal generated by a PZT element, or to sense a mechanical environment, or It even performs local switching or power amplification to drive the operating elements. The actuator package may, together with a preformed PZT element such as a semi-cylinder, constitute a modular surface-mounting shell suitable for attachment around a pipe, rod or shaft.

본 발명의 이들 특징 및 다른 바람직한 특징들은 도시된 실시예들에 대한 상세한 설명으로부터 이해될 것이다.These and other preferred features of the present invention will be understood from the detailed description of the illustrated embodiments.

도 1a는 종래 기술의 표면 장착식 압전 액츄에이터 조립체(10)의 공정 및 전체 배치의 개략도이다. 구조적 내지는 기계적 소자, 판, 에어포일(airfoil) 내지는 다른 서로 작용하는 시트(sheet), 혹은 장치 내지는 그것의 부분일 수도 있는데, 구조체(20)에는 스마트(smart) 물질의 시트(12)가 전도성 및 구조성 폴리머(polymer)(14, 16)의 어떤 조합에 의해서 접착된다. 전부 혹은 일부가 구조성 폴리머(16)로 구성될 수 있는 절연체(18)가 상기 스마트 물질을 감싸서 보호하는 한편, 전도성 도선 혹은 표면 전극이 전도성 폴리머에 의해 형성되거나 부착된다. 외부 제어 시스템(30)은 스마트 물질을 향하는 라인(32a, 32b)을 따라 구동 신호를 공급하고, 또한 스트레인 게이지(strain gauge, 35)와 같은 표면 장착식 계기로부터의 측정 신호를 수신할 수 있으며, 그러한 신호로부터 적절한 구동 신호를 이끌어낸다. 다양한 형태의 제어가 가능하다. 예를 들어, 스트레인 게이지는 고유 공진(共振)의 여기(勵起)를 감지하도록 배치될 수 있고, 제어 시스템(30)은 구조체를 강화하기 위해서 센서 출력에 대응하여 PZT 소자를 단순히 작동시켜 그 공진 주파수를 편이(偏移, shift)시킬 수 있다. 또 다르게는, 발달하는 동적 상태를 없애기 위해서 센서에 의해 감지된 진동이 처리된 위상 지연 구동 신호로서 피드백(feed back)될 수 있고, 또는 액츄에이터가 동작 제어를 위해 구동될 수 있다. 보다 잘 이해되는 기계 시스템에 있어서, 제어 장치는, 경험적 조건, 즉 공기역학적 상태 혹은 상황을 인식할 수 있도록, 또한 원하는 변화를 달성하기 위한 각각의 액츄에이터(12)용 구동 신호의 이득(gain)과 위상을 특정하는 특별한 제어 법칙을 선택하도록 프로그램될 수 있다.1A is a schematic diagram of a process and overall arrangement of a surface mount piezoelectric actuator assembly 10 of the prior art. Structural or mechanical elements, plates, airfoils or other interoperable sheets, or devices, or portions thereof, may be used in the structure 20, in which the sheet 12 of smart material is conductive and Bonded by any combination of structural polymers 14, 16. Insulators 18, which may be composed in whole or in part of structural polymers 16, wrap around and protect the smart material, while conductive wires or surface electrodes are formed or attached by conductive polymers. The external control system 30 can supply drive signals along lines 32a and 32b facing the smart material, and can also receive measurement signals from surface mount instruments such as strain gauges 35, From such a signal a proper drive signal is derived. Various forms of control are possible. For example, strain gauges may be arranged to sense excitation of inherent resonances, and control system 30 may simply operate the PZT element in response to the sensor output to reinforce the structure, thereby resonating the resonances. The frequency can be shifted. Alternatively, the vibration sensed by the sensor can be fed back as a processed phase delay drive signal to eliminate the developing dynamics, or the actuator can be driven for motion control. In a better understood mechanical system, the control device may be able to recognize empirical conditions, i.e., aerodynamic conditions or situations, and to obtain the gain of the drive signal for each actuator 12 to achieve a desired change. It can be programmed to select a special control law that specifies the phase.

모든 그러한 응용에 있어서, 주된 작업은 비피복(非被覆) PZT 판을 그것의 제어 회로부와 가공물에 부착하는데 필요하다. 또한, 조립 공정의 다수는 실패하거나, 혹은 양적 제어가 소망되는 경우, 제조 공정에서 달성되는 특정 두께와 기계적 강성에 적합한 유용한 작동 모드(mode)용 제어 파라미터(parameter)를 확립하기 위해서, 장치가 조립된 후 장치의 광범위한 모델링(modeling)이 필요할 수 있다.In all such applications, the main task is to attach an uncovered PZT plate to its control circuitry and the workpiece. In addition, if many of the assembly processes fail, or if quantitative control is desired, the device is assembled to establish a control parameter for a useful mode of operation suitable for the specific thickness and mechanical stiffness achieved in the manufacturing process. Afterwards, extensive modeling of the device may be required.

도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 액츄에이터를 도시한다. 도시된 바와 같이, 모듈형(modular) 팩(pack) 혹은 카드(40)는, 5분 에폭시(five-minutes epoxy, 13)와 같은 급속 응고 접착제로 구조체(20)에 간단히 부착되고, 혹은 다른 형상에서는 지점 혹은 선(線)에서 부착된다. 따라서, 감지(sensing) 및 제어 작용은, 보다 쉽게 설치가능하고 균일하게 모델링 된 액츄에이터 구조체로부터 이익을 얻는다. 특히, 모듈형 팩(40)은 딱딱하지만 구부릴 수 있는 판인 카드의 형태를 갖는데, 이 카드는 바람직하게는 카드 테두리에 위치한 패드(pad)(도시 안됨)의 형태인 하나 혹은 그 이상의 전기 커넥터(connector)를 가지고, 이 패드들은 카드가 단순화된 제어 시스템(50)에 연결되도록 다중 핀(pin) 소켓(socket) 내로 꽂아 넣어질 수 있다. 아래에서 도 2c와 관련하여 보다 상세하게 설명되어 있듯이, 모듈형 패키지(40)에는 또한 평탄하거나 높이가 낮은(low-profile) 회로 소자들이 합체될 수 있는데, 이러한 회로 소자들로는 가중(weighting) 혹은 분로(shunting) 저항,임피던스 정합기(impedance matcher), 필터 및 신호 조절 예비증폭기(signal conditioning preamplifier)와 같은 신호 처리 소자들과, 스위칭 트랜지스터(switching transistor) 및 직접 디지털 제어(direct digital control)하에 작동하는 다른 소자들이 포함될 수 있으며, 그 결과, 필요한 유일한 외부 전기 커넥터는 마이크로프로세서나 논리 제어기 및 전원과 같은 것들이다.1B illustrates an actuator in accordance with one embodiment of the present invention. As shown, the modular pack or card 40 is simply attached to the structure 20 with a rapid solidification adhesive, such as a five-minute epoxy 13, or otherwise shaped. Is attached at a point or line. Thus, sensing and control actions benefit from actuator structures that are more easily installable and uniformly modeled. In particular, the modular pack 40 has the form of a card which is a rigid but bendable plate, which card is preferably one or more electrical connectors in the form of a pad (not shown) located at the card rim. These pads can be plugged into multiple pin sockets so that the card is connected to the simplified control system 50. As described in more detail with respect to FIG. 2C below, the modular package 40 may also incorporate flat or low-profile circuit elements, which may be weighted or shunted. signal processing elements such as shunting resistors, impedance matchers, filters and signal conditioning preamplifiers, and operating under switching transistors and direct digital control. Other devices may be included, and as a result, the only external electrical connectors needed are such as microprocessors or logic controllers and power supplies.

어떤 저(低) 전력 제어 상황에 특히 응용 가능한 또 다른 실시예에 있어서, 도 1c에 도시된 모듈형 패키지(60)는, 내장(on-board) 드라이버(driver)와 분류기를 작동하기 위하여, 마이크로프로세서 칩이나 프로그램 가능한 논리 어레이를 포함할 수 있고 또한 배터리나 전지(電池)와 같은 자체 전원을 포함할 수 있으며, 이에 따라 어떠한 외부 회로 연결 없이도 완전한 세트(set)의 감지 및 제어 작동을 달성하게 된다.In another embodiment, which is particularly applicable to certain low power control situations, the modular package 60 shown in FIG. 1C is a microcomputer for operating an on-board driver and classifier. It can contain a processor chip or a programmable logic array and can also contain its own power source, such as a battery or a cell, thus achieving a complete set of sense and control operations without any external circuitry. .

본 발명은 특히 압전 폴리머에 관한 것으로서, 또한 딱딱하지만 잘 부러지는 소결 금속 지르콘산염(sintered metal zirconate)이나 니오브산염 결정(niobate crystal) 또는 압전 세라믹 물질과 같은 물질에 관한 것이다. 본 발명은 또한 전기 왜곡형(electrostrictive) 물질에 관한 것이다. 하기의 청구범위에서 사용되는 바와 같이, 소자의 물질이 전기 기계적(electromechanical) 특성을 갖는 압전 소자 및 전기 왜곡형 소자는 모두 전기 능동형 소자라 지칭한다.The present invention relates in particular to piezoelectric polymers and also to materials such as hard but brittle sintered metal zirconate, niobate crystal or piezoelectric ceramic materials. The invention also relates to an electrostrictive material. As used in the claims below, piezoelectric and electrically distorted devices in which the material of the device has electromechanical properties are both referred to as electrically active devices.

소자의 표면을 가로질러 전형적으로 금속이나 강성의 구조 폴리머로 만들어지는 외부 구조체나 가공물 쪽으로 스트레인(strain)을 효과적으로 전달하기 위해서는 고강성이 필수적이고, 그래서 액츄에이터 측면에 있어서 본 발명은 연성의 폴리머 압전 물질을 대상으로 하지 않는다. "강성"과 "연성"의 용어는 상대적이기는 하지만, 본 명세서에 있어서 액츄에이터에 적용되는 강도는 대략, 0.1×106이상, 바람직하게는 0.2×106이상의 영률(Young's modulus)을 갖는 금속이나, 경화된 에폭시나, 첨단 기술의 복합재나, 혹은 다른 강성 물질의 강성이다. 액츄에이터 대신에 센서를 구성할 때, 본 발명은 또한 폴리이플루오르화비닐리덴[polyvinylidene difluoride(PVDF)] 필름과 같은 낮은 강성의 압전 물질의 사용과, 낮은 경화 온도 접착 혹은 부착 물질의 대용을 대상으로 한다. 그러나, 주된 구성의 시도는 전술한 제1 종류의 압전 물질로 이루어지며, 이제 이에 대해 서술할 것이다.High stiffness is essential for the effective transfer of strain across the surface of the device toward an external structure or workpiece, typically made of a metal or rigid structural polymer, so in terms of actuators the present invention provides a flexible polymeric piezoelectric material. Does not target Although the terms "rigid" and "ductile" are relative, the strength applied to the actuator in this specification is a metal having a Young's modulus of approximately 0.1 × 10 6 or greater, preferably 0.2 × 10 6 or greater, It is the stiffness of cured epoxy, high-tech composites, or other rigid materials. When constructing a sensor instead of an actuator, the invention also targets the use of low rigid piezoelectric materials, such as polyvinylidene difluoride (PVDF) films, and the substitution of low curing temperature adhesion or adhesion materials. . However, the attempt of the main construction is made of the above-described first kind of piezoelectric material, which will now be described.

대체로, 본 발명은 신규한 형태의 액츄에이터와 그러한 액츄에이터를 제조하는 방법을 포함하는데, 여기서, "액츄에이터"는 구동되었을 때 목적물이나 구조체에 힘이나 운동 혹은 그와 같은 것을 연결시키는 완전하고 기계적으로 유용한 장치를 의미하는 것으로 이해된다. 넓은 의미에 있어서, 액츄에이터의 제조는 미가공 전기 능동형 소자를 기계적으로 유용하게 만들기 위해서 패키지(package)화 하는 것과 연관된다. 예로써, 미가공 전기 능동형 압전 물질 혹은 "소자"는, 시트(sheet), 링(ring), 와셔(washer), 실린더 및 판과 같은 기본 형상뿐만 아니라, 지렛대와 같은 기계적 소자를 갖춘 벌크 물질을 포함하는 하이브리드(hybrid) 형태 혹은 스택(stack)과 같은 보다 복잡하거나 복합적인 형태의 미가공 압전 물질을 포함하는 다양한 반(半) 처리된 벌크(bulk) 물질 형태로 흔히 이용할 수 있다. 이러한 물질 혹은 미가공 소자들은 전기적 커넥터로서 작용하도록 하나 혹은 그 이상의 표면에 금속이 피복될 수도 있고, 혹은 금속이 피복되지 않을 수도 있다. 후술하는 바에 있어서, 압전 물질은 예로써 논의되어 질 것이며, 이러한 모든 형태의 미가공 물질들은 "소자", "물질" 또는 "전기 능동형 소자"로 언급되어질 것이다. 전술한 바와 같이, 본 발명은 또한, 이러한 방법으로 제조되고, 작동시킨다기(actuate) 보다는, 스트레인, 진동, 위치 혹은 다른 물리적 특성을 감지하는 변환기(transducer)로서 동작하는 구조체 혹은 장치를 포함하므로, 아래의 응용 가능한 경우에 있어서 "액츄에이터"란 용어는 감지 변환기를 포함할 수 있다.In general, the present invention encompasses novel types of actuators and methods of making such actuators, where an "actuator" is a complete, mechanically useful device that, when driven, connects force or motion or the like to an object or structure. It is understood to mean. In a broad sense, the manufacture of actuators involves the packaging of raw, electrically active devices to make them mechanically useful. By way of example, a raw electrically active piezoelectric material or "element" includes a bulk material with mechanical elements such as levers, as well as basic shapes such as sheets, rings, washers, cylinders and plates. Is commonly used in the form of a variety of semi-treated bulk materials, including raw piezoelectric materials in more complex or complex forms, such as hybrid forms or stacks. These materials or raw devices may or may not be metal coated on one or more surfaces to act as electrical connectors. As will be discussed below, piezoelectric materials will be discussed by way of example, and all these types of raw materials will be referred to as "devices", "materials" or "electrically active devices." As noted above, the present invention also includes structures or devices that are manufactured in this manner and that act as transducers to sense strain, vibration, position or other physical characteristics, rather than actuate, In the following application cases, the term "actuator" may include a sense transducer.

본 발명의 실시예들은, 두께가 몇 밀리미터(millimeter) 이하이고 예시적으로 1/5 내지 1/4 밀리미터의 두께를 갖는 얇은 시트의 디스크(disc), 고리, 판 및 실린더 혹은 셀(shell)로 된 이러한 강성의 전기적으로 구동되는 물질들을 채용한다. 유리하게도, 이러한 얇은 치수로 인해, 비교적 낮은 전체 전위차(potential difference)에서 판의 두께 치수에 비견될만한 거리에 걸쳐 높은 전기장 세기를 구현할 수 있으며, 그 결과 10 내지 50 볼트(volt) 혹은 그 이하의 구동 전압으로 완전한 규모의 압전 작용을 얻을 수 있다. 또한, 그러한 얇은 치수로 인해, 목적물의 구조적 혹은 물리적 반응 특성을 크게 변화시키는 일이 없이, 목적물에 소자를 부착시키는 것이 가능해진다. 그러나, 종래 기술에 있어서, 그러한 얇은 소자들은 부서지기 쉽고, 또한 취급, 조립 혹은 경화할 때 불규칙한 응력(stress)으로 인해 파손될 수 있다. 심지어 몇 센티미터 정도 떨어졌을 때의 충격으로도 압전 세라믹 판이 부서질 수 있으며, 파손 전에 단지 극단적으로 작은 굽힘 휨이 허용된다.Embodiments of the present invention are directed to thin sheets of discs, rings, plates and cylinders or shells having a thickness of several millimeters or less and, for example, having a thickness of 1/5 to 1/4 millimeters. These rigidly electrically driven materials are employed. Advantageously, this thin dimension allows for a high electric field strength over a distance comparable to the plate thickness dimension at a relatively low potential difference, resulting in a drive of 10 to 50 volts or less. A full scale piezoelectric action can be obtained with voltage. Moreover, such thin dimensions make it possible to attach an element to a target without significantly changing the structural or physical reaction characteristics of the target. However, in the prior art, such thin elements are brittle and can also break due to irregular stress when handling, assembling or curing. Even when impacted by a few centimeters, the piezoelectric ceramic plate can break, allowing only extremely small bending deflections before breakage.

본 발명에 따르면, 전기적으로 구동되는 얇은 소자는 딱딱한 절연체 층들에의해 감싸지는데, 이러한 절연체 층들 중 최소한 하나는 그 표면들 중 하나에 패턴 처리된 콘덕터(patterned conductor)를 갖고 있고 두께가 소자 자체보다 얇은 단단한 필름(tough film)이다. 압전 소자, 절연층 및 여러 가지 스페이서(spacer) 혹은 구조적 충전(fill) 물질로부터 패키지가 조립되므로, 전극, 압전 소자 및 둘러싸는 필름 혹은 층들은 모두 함께, 미가공 작동 소자보다 실질적으로 그 두께가 크지 않는 밀봉된 카드(card)를 구성한다. 후술하는 바와 같이, 소자들이 여러 층에 위치되었을 때, 패키지 두께는 적층된 작동 소자들의 두께의 합보다 눈에 띌 만큼 크지는 않다.According to the present invention, an electrically driven thin device is surrounded by rigid insulator layers, at least one of which has a patterned conductor on one of its surfaces and which is thicker than the device itself. It is a thin tough film. Since the package is assembled from piezoelectric elements, insulating layers and various spacers or structural fill materials, the electrodes, piezoelectric elements and surrounding films or layers are all together, substantially no thicker than the raw actuating elements. Construct a sealed card. As will be discussed below, when the elements are placed in several layers, the package thickness is not noticeably larger than the sum of the thicknesses of the stacked actuation elements.

도 2a는 본 발명의 기본 실시예(100)를 도시한다. 폴리이미드와 같은 높은 절연성 물질로 된 얇은 필름(110)은 적어도 그 한 측면이 전형적으로 구리가 입혀지는 식으로 금속화되고, 완성된 액츄에이터 패키지와 같거나 약간 큰 넓이의 장방형으로 구성된다. 다중 층의 회로 기판을 제조하는데 사용 가능한 적합한 물질은, 아리조나주 챈들러시에 소재한 로저스 주식회사(Rogers Corporation of Chandlre, Arizona)에 의해 Flex-I-Mid 3000 접착 회로 물질로 제공되는데, 압연 구리 포일(foil) 상에 형성된 폴리이미드로 구성된다. 크기의 범위는, 13 내지 50 마이크로미터(micrometer) 두께의 폴리이미드 필름이 일체로 코팅된 18 내지 70 마이크로미터 두께의 금속 포일로 상업적으로 입수가능하다. 다른 두께도 제조 가능하다. 이러한 상업적 물질에 있어서, 포일과 폴리머 필름은 접착제 없이 직접적으로 부착되므로, 금속 층은 종래의 마스킹(masking) 및 에칭(etching)에 의해서 패턴 처리될 수 있고, 다중 패턴 층들은 조립체를 약하게 하거나 층 분리(delamination)를야기하는 잔류 접착제 없이 아래에서 보다 상세하게 설명되는 방식으로 다층 기판 내로 조립될 수 있다. 압연된 구리 포일은 높은 평면 내 인장 강도를 제공하고, 반면에 폴리이미드 필름은 강하고 단단하고 결함이 없는 전기적 절연 장벽을 나타낸다.2A shows a basic embodiment 100 of the present invention. The thin film 110 of a highly insulating material, such as polyimide, is metallized at least on one side, typically copper coated, and consists of a rectangle of the same or slightly larger width than the finished actuator package. Suitable materials that can be used to fabricate multilayer circuit boards are provided as Flex-I-Mid 3000 adhesive circuit materials by Rogers Corporation of Chandlre, Arizona, Chandler, Arizona, which is a rolled copper foil. It consists of a polyimide formed on). The range of sizes is commercially available as 18 to 70 micrometer thick metal foil integrally coated with a 13 to 50 micrometer thick polyimide film. Other thicknesses can also be produced. In such commercial materials, the foil and polymer film are attached directly without adhesive, so that the metal layer can be patterned by conventional masking and etching, and the multiple pattern layers weaken the assembly or separate the layers. It can be assembled into a multilayer substrate in the manner described in more detail below without residual adhesive causing delamination. Rolled copper foils provide high in-plane tensile strength, while polyimide films exhibit a strong, hard and flawless electrical insulation barrier.

후술되는 구성에 있어서, 필름은 전극 상의 절연체를 구성할 뿐만 아니라, 장치의 외측 표면을 구성한다. 따라서, 높은 유전 강도와, 높은 전단 강도와, 방수성과, 다른 표면들에 부착되는 능력을 갖는 것이 요구된다. 높은 열 저항은 바람직한 제조 공정에서 사용되는 열 경화의 관점에서 필요하고, 또한 소정의 적용 환경을 위해서도 필요하다. 대체로, 폴리아미드/이미드(polyamide/imide)들이 유용한 것으로 발견되었지만, 비슷한 성질을 갖는 폴리에스테르(polyester) 혹은 열가소성 물질과 같은 다른 물질들도 사용될 수 있다.In the configuration described below, the film not only constitutes the insulator on the electrode, but also constitutes the outer surface of the device. Therefore, it is required to have high dielectric strength, high shear strength, waterproofness, and the ability to adhere to other surfaces. High thermal resistance is necessary in view of the thermal curing used in the preferred manufacturing process, and also for certain application environments. In general, polyamides / imides have been found to be useful, but other materials, such as polyesters or thermoplastics with similar properties, may also be used.

본 발명의 구성에 있어서, 포일층은, 압전 판 소자의 표면과 접촉하는 전극을 구성하기 위해서, 종래의 마스킹 및 에칭 기술[예를 들어, 포토레지스터 마스킹 및 패턴 처리에 이어 염화제이철(ferric chloride) 에칭]에 의해 패턴이 형성된다. 다르게는, 보다 연성이고 얇은 전도성 층이 사용될 수 있다. 예를 들어, 얇은 전도성 층이 은 전도성 잉크(silver conductive ink)를 사용하여 폴리머 필름 상에 또는 직접적으로 압전 소자 상에 인쇄될 수 있다. 도 2a에서, 전극(111)은 장방형의 내부의 하나 혹은 그 이상의 하위 영역(sub-region)에 걸쳐서 연장되어, 장치의 테두리에서 연장되는 강화된 패드 또는 랜드(111a, 111b)에 이른다. 전극들은, 압전 소자의 전체 길이와 폭을 가로지르는 넓게 회전하는 경로를 따라서 압전 소자와 접촉하는 패턴으로 배열되므로, 전극이나 압전 소자에 약간의 균열이나 국부적 파손이 발생하더라도 소자가 연결된 채로 남아 있는 것이 보장된다. 프레임 부재(120)들은 시트(110) 주변 둘레에 위치되고, 적어도 하나의 압전 판 소자(112)가 중앙 영역에 위치되어 전극(111)에 의해 접촉된다. 프레임 부재들은 얇은 박판들이 테두리까지 연장하지 않도록 테두리를 구속하는 역할을 하고, 또한 후술하는 열간 압착(hot-press) 조립 작용을 위한 두께 스페이서로서, 그리고 박층(laminated) 패키지를 조립하는 초기 단계 중에 삽입되는 압전 판의 위치를 정하는 위치 표지로서 기능을 한다.In the configuration of the present invention, the foil layer is formed by conventional masking and etching techniques (e.g., photoresist masking and patterning followed by ferric chloride) in order to form an electrode in contact with the surface of the piezoelectric plate element. Etching] to form a pattern. Alternatively, softer and thinner conductive layers can be used. For example, a thin conductive layer can be printed on the piezoelectric element or directly on the polymer film using silver conductive ink. In FIG. 2A, the electrode 111 extends over one or more sub-regions inside the rectangle to reach reinforced pads or lands 111a and 111b extending from the rim of the device. The electrodes are arranged in a pattern in contact with the piezoelectric element along a widely rotating path across the entire length and width of the piezoelectric element, so that the element remains connected even if a slight crack or local breakdown occurs in the electrode or piezoelectric element. Guaranteed. The frame members 120 are positioned around the periphery of the sheet 110, and at least one piezoelectric plate element 112 is positioned in the central region and is contacted by the electrode 111. The frame members serve to constrain the rim so that the thin sheets do not extend to the rim, and also as thickness spacers for the hot-press assembly action described below, and are inserted during the initial stage of assembling the laminated package. It serves as a position marker for positioning the piezoelectric plate.

도 2a는, 실제에 있어서 판(112)을 넘어서 연장하고 스페이서(120) 및 시트(110)와 더불어 조립체를 폐쇄하는 추가의 반투명 최상층(116)(도 2b)을 포함하여, 장치를 함께 고정시키는 장치의 층 구조를 도시하지 않기 때문에, 어느 정도 개략도이다. 전극(111)이 소자와 접촉할 수 있도록 하는 적절한 절단부를 갖는 유사한 층(114)이 압전 소자 아래에 위치한다. 층들(114, 116)은 바람직하게는 경화성 에폭시 시트 물질로 이루어지는데, 이 물질은 금속 전극 층의 두께와 같은 경화 두께를 가지고, 또한 그 각각의 측면에서 그것과 접촉하는 물질을 함께 결합하기 위한 접착 층으로서 작용한다. 이 에폭시는 경화되었을 때 장치의 구조적 몸체를 구성하여 조립체를 단단하게 하게 하는데, 압전 소자 표면의 실질적인 부분의 전체에 걸쳐 연장하여 소자를 강화시키고 균열의 성장을 막음으로써 그 수명을 연장시킨다. 더욱이, 이 층으로부터의 에폭시는 실제적으로 미세하게 얇은 그러나 매우 불연속적인 약 0.0025 밀리미터 두께의 필름으로 전극들을 덮어 퍼져있어 전극들을압전 판에 견고하게 접착하지만, 실질적이고 분포된 접촉 영역에 걸쳐 전극과 압전 소자 사이의 직접적인 전기 접촉이 여전히 일어나도록 충분한 개수의 공극(voids)과 핀홀이 있다.FIG. 2A includes an additional translucent top layer 116 (FIG. 2B) that extends beyond the plate 112 in practice and closes the assembly with the spacer 120 and the sheet 110 to secure the device together. Since the layer structure of the apparatus is not shown, it is somewhat schematic. A similar layer 114 with an appropriate cut that allows the electrode 111 to contact the device is located below the piezoelectric device. The layers 114 and 116 are preferably made of a curable epoxy sheet material, which has a curing thickness equal to the thickness of the metal electrode layer, and also adhesives for bonding together the materials in contact with it on their respective sides. Acts as a layer. The epoxy, when cured, constitutes the structural body of the device to stiffen the assembly, extending over a substantial portion of the piezoelectric element surface to strengthen the device and prolong its life by preventing crack growth. Moreover, the epoxy from this layer is substantially finely thin but very discontinuous, covering the electrodes with a film of about 0.0025 millimeters thick to firmly adhere the electrodes to the piezoelectric plate, but to the electrodes and piezoelectric over a substantially distributed contact area. There are a sufficient number of voids and pinholes so that direct electrical contact between the devices still occurs.

도 2b는 일정한 비율로 도시한 것은 아니지만, 도 2a의 실시예의 단면도이다. 대략적인 비율에 의해서, 압전 판(112)을 0.2 내지 0.25 밀리미터 두께로 잡으면, 절연 필름(110)은 단지 판 두께의 1/10 내지 1/5 정도로 매우 얇고, 전도성 구리 전극 층(111)은 전형적으로 10 내지 50 마이크론(micron)의 두께는 가질 수 있는데, 이러한 두께 범위는 엄격한 제한의 범위는 아니고, 전기적으로 유용하고 제조가 편리하지만 스트레인 전달 효율을 손상하거나 층 박리 문제를 야기할 정도로 두껍지 않은 유용한 전극 두께 범위를 나타낸다. 구조적 에폭시(114)는 각각의 층에서 전극(111)들 사이의 공간을 채우고 그러한 전극들과 대략 같은 두께를 가지므로, 전체 조립체는 고체 블록(block)을 구성한다. 스페이서(120)는 비교적 교차 결합되지 않은 폴리머와 같은 낮은 탄성율을 갖는 비교적 압축성인 물질로 구성되고, 후술하는 바와 같은 압력 경화된 에폭시와 함께 사용될 때, 바람직하게는 소자들의 스택(stack) 혹은 압전 세라믹 판과 대략 동등한 두께를 가지므로, 스페이서들은 필름(110)의 최상층과 바닥층 사이의 다른 부품들을 구속하는 테두리를 구성하게 된다.FIG. 2B is a cross-sectional view of the embodiment of FIG. 2A, although not shown in scale. By approximate ratio, holding the piezoelectric plate 112 to 0.2 to 0.25 millimeters thick, the insulating film 110 is very thin, only 1/10 to 1/5 of the plate thickness, and the conductive copper electrode layer 111 is typically It can have a thickness of 10 to 50 microns, which is not a strict limit, but is useful in electrical and convenient manufacturing but not thick enough to impair strain transfer efficiency or cause layer delamination problems. The electrode thickness range is shown. Since the structural epoxy 114 fills the space between the electrodes 111 in each layer and has approximately the same thickness as those electrodes, the entire assembly constitutes a solid block. The spacer 120 is composed of a relatively compressible material with a low modulus of elasticity, such as a relatively non-crosslinked polymer, and when used with pressure cured epoxy as described below, preferably a stack of elements or piezoelectric ceramic Having a thickness approximately equal to the plate, the spacers constitute an edge that constrains other components between the top and bottom layers of the film 110.

바람직한 제조 방법은 층(116)이 경화함에 따라 전체 패키지에 압력을 인가하는 것을 포함한다. 도 3 내지 5를 참조하여 아래에서 설명되는 바와 같이, 스페이서들은 압전 세라믹 판과 어떠한 회로 소자들을 정렬하는 역할을 하고, 또한 경화 단계에서 조립 중에 약간 압축되고 그리고 경화 시에 어떠한 응력이나 이상을 남기지 않고서 테두리를 밀봉하도록 변형될 수 있는 프레임을 구성한다. 압축으로 인해 공극이 제거되고 그리고 촘촘하고 균열이 없는 고체 매개체가 제공되는 한편, 경화 열은 높은 정도의 교차 결합을 가져오고 그 결과 고강도와 강성이 달성된다.Preferred manufacturing methods include applying pressure to the entire package as layer 116 cures. As described below with reference to FIGS. 3 to 5, the spacers serve to align any circuit elements with the piezoelectric ceramic plate, and are also slightly compressed during assembly in the curing step and leave no stress or abnormality during curing. It constitutes a frame that can be deformed to seal the rim. Compression eliminates voids and provides a dense, crack-free solid medium, while the heat of cure results in a high degree of crosslinking, resulting in high strength and stiffness.

도 2a 및 2b의 실시예에 대한 조립 공정은 다음과 같다. 전체 두께가 각기 대략 0.025 내지 0.050 밀리미터인 하나 혹은 그 이상의 구리 피복 폴리이미드 필름이 최종 액츄에이터 패키지 치수보다 약간 큰 크기로 잘려진다. 필름의 구리 측은, 전도성 도선과 어떤 소망하는 랜드(land) 혹은 액세스 단자(access terminal)와 더불어 압전 소자와 접촉하는 원하는 형상의 전극을 형성하기 위해서 마스킹되고 패턴이 형성된다. 압전 소자의 한 면의 양측 및 중앙과 접촉하도록 위치된 3개의 라인을 갖는 소리굽쇠형 전극 패턴이 도시되어 있지만, 다른 실시예에서는 H-형 혹은 빗-형이 사용될 수 있다. 회로 기판 혹은 반도체 공정 기술에서 친숙한 바와 같이, 패턴 형성은 마스킹하고, 에칭하고, 그리고 나서 클리닝(cleaning)하는 것에 의해서 이루어진다. 마스킹은 포토레지스터 패턴 형성, 스크리닝(screening), 테이프 마스킹(tape masking), 혹은 다른 적절한 공정에 의해서 달성된다. 이러한 전극이 형성된 폴리이미드 필름의 각각의 단편들은, 전통적인 인쇄 회로 기판과 마찬가지로, 회로 소자 혹은 액츄에이터 시트의 위치를 정하고 있고, 아래에서는 간단히 "가요성(flex) 회로"라고 언급될 것이다. 그러나, 본 발명의 방법과 장치는 또한, "가요성 회로"보다는 오히려, 전극이 형성된 압전 소자, 절연체 및 전기 접점을 사용하는 것을 고려한다.The assembly process for the embodiment of Figures 2A and 2B is as follows. One or more copper clad polyimide films having a total thickness of approximately 0.025 to 0.050 millimeters each are cut to a size slightly larger than the final actuator package dimensions. The copper side of the film is masked and patterned to form an electrode of the desired shape in contact with the piezoelectric element, together with the conductive lead and any desired land or access terminal. Although a tuning fork electrode pattern with three lines positioned to contact both sides and the center of one side of the piezoelectric element is shown, in other embodiments an H-type or comb-type may be used. As is familiar with circuit board or semiconductor processing techniques, pattern formation is accomplished by masking, etching, and then cleaning. Masking is accomplished by photoresist pattern formation, screening, tape masking, or other suitable process. Each piece of polyimide film on which these electrodes are formed, like the conventional printed circuit board, positions the circuit element or actuator sheet and will be referred to hereinafter simply as a "flex circuit". However, the method and apparatus of the present invention also contemplate the use of piezoelectric elements, insulators and electrical contacts with electrodes formed, rather than "flexible circuits".

다음으로, 전극 포일 층보다 약간 두껍거나 같은 두께를 가진 경화되지 않은 시트 에폭시 물질이 잘려지는데, 선택적으로는 조립되었을 때 전기 접촉을 향상시킬 수 있도록 전극 패턴과 매칭(matching)하는 관통 구멍들을 가진 채로 잘려질 수 있으며, 이러한 에폭시 물질은 각각의 가요성 회로 상에 배치되고, 그래서 가요성 회로에 부착되어 전극화된 부분들 사이 혹은 그 둘레에 편평한 층을 형성한다. 그 다음, 가요성 회로에 부착된 에폭시 층으로부터 배킹(backing)이 제거되고, 미리 잘려진 스페이서(120)들이 가요성 회로의 테두리와 구석에서 적소에 배치된다. 스페이서들은 전극들의 평면을 넘어서 연장하는 프레임의 윤곽을 나타내고, 또한 압전 소자들이 그 다음의 조립 단계에 끼워 맞춰지는 하나 혹은 그 이상의 오목부(recess)를 형성한다. 그 다음, 압전 소자 혹은 소자들이 스페이서에 의해 형성된 오목부 내에 배치되고, 그리고 자체의 평면/접착 층(114)을 갖는 제2 전극 필름이 압전 소자의 최상부에 대한 전극 접촉을 형성하는 위치에서 소자 상에 배치된다. 소정의 굽힘 액츄에이터 구성의 경우와 같이, 장치가 여러 압전 소자 층을 가지게 되는 경우에는, 이러한 조립 단계들은 각각의 추가적인 전극 필름 및 압전 판에 대해서 반복되는데, 이 경우에는, 중간 시트의 위와 아래 양쪽에서 액츄에이터 소자와 접촉하는 중간 전극 층을 구성할 때 양 측면이 피복되고 패턴이 형성된 폴리이미드 필름이 사용될 수도 있다는 것을 명심해야 한다.Next, the uncured sheet epoxy material, which is slightly thicker or equal in thickness to the electrode foil layer, is cut off, optionally with through holes matching the electrode pattern to improve electrical contact when assembled. This epoxy material is disposed on each flexible circuit, so that it is attached to the flexible circuit to form a flat layer between or around the electrodeled portions. The backing is then removed from the epoxy layer attached to the flexible circuit, and the pre-cut spacers 120 are placed in place at the edges and corners of the flexible circuit. The spacers outline the frame extending beyond the plane of the electrodes and also form one or more recesses in which the piezoelectric elements are fitted in the next assembly step. Then, the piezoelectric element or elements are disposed in the recess formed by the spacer, and the second electrode film having its own planar / adhesive layer 114 forms an electrode contact with the top of the piezoelectric element. Is placed on. If the device is to have several layers of piezoelectric elements, as in the case of certain bending actuator configurations, these assembly steps are repeated for each additional electrode film and piezoelectric plate, in this case both on the top and the bottom of the intermediate sheet. It should be noted that when constructing the intermediate electrode layer in contact with the actuator element, polyimide films coated on both sides and patterned may be used.

모든 소자들이 제 위치에 놓이면, 패턴 처리된 가요성 회로와, 압전 시트와, 스페이서 및 경화성 패턴 에폭시 층의 전체 샌드위치(sandwich) 조립체가 가열된 압반(platen) 사이에서 프레스(press) 내에 배치되어, 조립체를 단단하고 균열이없는 액츄에이터 카드로 강화시키는 상승된 온도와 압력에서 경화된다. 대표적인 실시예에 있어서는, 350℉ 및 50∼100 psi 압력에서 30분의 경화 사이클(cycle)이 사용된다. 에폭시는 압전 소자의 감극(depoling) 온도 이하의 경화 온도를 갖지만 높은 강성도를 달성할 수 있는 것을 선택한다.Once all the elements are in place, the patterned flexible circuit, the piezoelectric sheet, and the entire sandwich assembly of spacer and curable patterned epoxy layer are placed in a press between the heated platens, It is cured at elevated temperatures and pressures to strengthen the assembly with a hard, crack-free actuator card. In an exemplary embodiment, a 30 minute curing cycle is used at 350 ° F. and 50-100 psi pressure. Epoxy selects those having a curing temperature below the depoling temperature of the piezoelectric element but capable of achieving high stiffness.

상기 구성은 두 개의 전극 필름 사이에서 샌드위치된 단일의 압전 판을 갖는 간단한 액츄에이터 카드를 나타내므로, 판은 전단 스트레인을 효과적으로 얇은 필름을 통해 액츄에이터 카드의 표면으로 전달한다. 전단율(shear modulus)이 층 두께 제곱에 의해 나누어지고 감마(Γ)로 지칭되는 경우, 전달 효율의 측정은 에폭시(114), 압연 포일 전극(111) 및 폴리이미드 필름(110)의 계수(modulus)에 좌우된다. 에폭시 및 구리 전극 층이 1.4 mil(1 mil은 0.001 inch) 두께이고 에폭시가 0.5×106의 계수를 갖는 대표적인 실시예에 있어서, 대략 9×1010pounds/inch4의 감마가 달성된다. 0.8 mil 포일이 구비된 보다 얇은 에폭시 층과 필름을 사용하면, 실질적으로 보다 높은 Γ가 달성된다. 대체로, 전극/에폭시 층의 감마는 5×1010pounds/inch4보다 큰 반면에, 필름의 그것은 2×1010pounds/inch4보다 크다.Since the configuration represents a simple actuator card with a single piezoelectric plate sandwiched between two electrode films, the plate effectively transfers the shear strain through the thin film to the surface of the actuator card. When the shear modulus is divided by the layer thickness square and referred to as gamma (Γ), the measurement of the transfer efficiency is determined by modulus of the epoxy 114, the rolled foil electrode 111, and the polyimide film 110. Depends on). In an exemplary embodiment where the epoxy and copper electrode layers are 1.4 mils (1 mil is 0.001 inch) thick and the epoxy has a modulus of 0.5 × 10 6 , a gamma of approximately 9 × 10 10 pounds / inch 4 is achieved. Using thinner epoxy layers and films equipped with 0.8 mil foils, substantially higher Γ is achieved. In general, the gamma of the electrode / epoxy layer is greater than 5 × 10 10 pounds / inch 4 , whereas that of the film is greater than 2 × 10 10 pounds / inch 4 .

두께가 10 mil 인 PZT 액츄에이터 판을 사용하는 경우, 3개의 가요성 회로 전극 필름 층(중간 것은 양쪽 판과 접촉하도록 이중으로 피복되어 있음)과 서로 적층된 두 개의 PZT 판을 갖는 카드는 전체 두께가 28 mil 이고, 이것은 판만의 두께보다 단지 40% 큰 것이다. 질량 부하의 측면에서, 액츄에이터 소자의 중량은 이 조립체의 전체 중량의 90%를 나타낸다. 대체로, 판은 패키지 두께의 50% 내지 70%를 차지하고, 다른 구성에 있어서는 질량의 70% 내지 90%을 구성한다. 따라서, 액츄에이터 자체는 이론에 가까운 성능 모델링(modelling)을 가능하게 한다. 이러한 구성은, (막 서술된 바와 같은) 굽힘기(bender) 뿐만 아니라 단일 시트들의 적층 혹은 배열을 구현하기 위하여, 높은 정도의 다재다능성을 제공한다.When using PZT actuator plates with a thickness of 10 mils, a card with three flexible circuit electrode film layers (the middle one is double-coated to contact both plates) and two PZT plates stacked on each other will 28 mil, which is only 40% larger than the thickness of the plate. In terms of mass load, the weight of the actuator element represents 90% of the total weight of this assembly. In general, the plates comprise 50% to 70% of the package thickness, and in other configurations make up 70% to 90% of the mass. Thus, the actuator itself allows for near-theoretical performance modeling. This configuration provides a high degree of versatility to implement stacking or arrangement of single sheets as well as a bender (as just described).

본 발명에 따라 구성된 액츄에이터의 또 다른 유용한 성능 지표는 자유 압전 소자 스트레인(Λ)에 대한 액츄에이터 스트레인(ε)의 높은 비율로서, 이것은 여기서 서술된 2개 층의 실시예의 경우 대략 0.8 이고, 대체로 0.5 보다 크다. 유사하게, 자유 소자 곡률(K)에 대한 패키지의 비는, 상기 기재된 구성의 경우에는 대략 0.85∼0.90 이고, 대체로 0.7 보다 크다.Another useful performance indicator of actuators constructed in accordance with the present invention is the high ratio of actuator strain (ε) to free piezoelectric element strain (Λ), which is approximately 0.8 for the two layer embodiments described herein, and generally greater than 0.5. Big. Similarly, the ratio of the package to the free element curvature K is approximately 0.85 to 0.90 in the case of the above-described configuration and is generally larger than 0.7.

따라서, 종합적으로, 가요성 회로에 심어진 압전 소자를 구성하는 것과 연관된 패키지는 그것의 무게와 전기 기계적 작동 특성에 50% 훨씬 이하로 그리고 10% 만큼 작게 손상을 끼치는 반면에, 다른 중요한 관점에서 그것의 강도와 기계적 작동 범위를 크게 향상시킨다. 예를 들어, 시트 패키지 구조를 기초 소자에 더하는 것이 획득 가능한 K를 감소시킬 것으로 보이지만, 실제 사용에 있어서, 가용성 카드 구성은, 훨씬 더 큰 전체 휨(deflection)이 달성되는 압전 굽힘기 구성의 결과로 나타나는데, 왜냐하면, 균열 파괴나 다른 기계적 파괴 형태가 나타나지 않으면서 커다란 판 구조의 제조와 높은 굽힘의 반복적 작동이 가능하기 때문이다. 그러한 향상된 물리적 특성을 가져오는 다양한 구성들이 여러 도면들에 의해 설명될 것이다.Thus, in general, a package associated with constructing a piezoelectric element implanted in a flexible circuit damages its weight and electromechanical operating properties by far less than 50% and as little as 10%, while in other important respects its Significantly improves strength and mechanical operating range. For example, adding a sheet package structure to the base element appears to reduce the obtainable K, but in practical use, the fusible card configuration results in a piezoelectric bending machine configuration in which a much larger overall deflection is achieved. This is because large plate structures can be manufactured and high bending repeated operation without crack breakage or other forms of mechanical failure. Various configurations that result in such improved physical properties will be described by various figures.

첫째, 가요성 회로들 사이에 심어진 전기 능동형 소자의 구조에 의해서, 예측 가능한 반응 특성을 갖는 저 질량의 통합 기계 구조가 제공될 뿐만 아니라, 회로 소자들을 액츄에이터 카드 상으로 혹은 그 내로 합체하는 것이 가능해진다. 도 2c는 이러한 유형의 하나의 장치(70)의 평면도인데, 여기서 영역들(71, 73)은 각기 넓은 전기 능동형 시트를 수용하고 있는데 반하여, 중앙 영역(72)은 배터리(75), 평탄한 전력 증폭 혹은 증폭기 세트(set)(77), 마이크로프로세서(79) 및 복수의 스트레인 게이지(78)를 포함하는 회로 혹은 전력 소자들을 수용하고 있다. 다른 회로 소자들(82a, 82b)이 회로 콘덕터(81)의 경로를 따라 테두리 둘레의 다른 곳에 위치할 수 있다. 다른 실시예에서와 같이, 스페이서(120)가 배치를 한정하고 장치의 테두리를 밀봉하는 반면에, 전극(111)들은 전기 능동형 소자들을 내장된 처리 혹은 제어 회로에 연결시킨다. 수동 댐핑 제어를 구현하기 위해서 장치가 센서 혹은 분류 저항기로 작동되는 경우, 회로 소자들(82a, 82b)은 가중 저항기를 포함할 수 있다. 또 다르게는, 이 회로 소자들은 커패시터, 증폭기 혹은 그와 유사한 것과 같은 필터 소자, 증폭 소자, 임피던스 정합 소자 혹은 저장 소자가 될 수 있다. 어떠한 경우에 있어서도, 이들 소자는 전기 능동형 판(84)으로부터 멀리 떨어져 배치된다. 부품들은 집합적으로 스트레인을 감지하고 감지된 상태에 대응하여 다양한 형태의 작동을 구현하거나, 다른 감지 혹은 제어 임무를 수행한다.Firstly, the structure of the electrically active device planted between the flexible circuits not only provides a low mass integrated mechanical structure with predictable response characteristics, but also makes it possible to integrate the circuit elements onto or into the actuator card. . FIG. 2C is a plan view of one device 70 of this type, where regions 71 and 73 each contain a wide electrically active sheet, while central region 72 is battery 75, flat power amplification. Or a circuit or power device comprising an amplifier set 77, a microprocessor 79 and a plurality of strain gauges 78. Other circuit elements 82a and 82b may be located elsewhere around the rim along the path of the circuit conductor 81. As in other embodiments, the spacers 120 define the placement and seal the rim of the device, while the electrodes 111 connect the electrically active elements to embedded processing or control circuitry. When the device is operated as a sensor or a class resistor to implement passive damping control, the circuit elements 82a and 82b may include weighted resistors. Alternatively, these circuit elements may be filter elements, amplification elements, impedance matching elements or storage elements such as capacitors, amplifiers or the like. In any case, these elements are placed away from the electrically active plate 84. The components collectively detect strain and implement various types of operation in response to the detected state, or perform other sensing or control tasks.

이제 본 발명의 액츄에이터의 특징으로 돌아가면, 도 3은 약 1.25×9.00×0.030 인치의 크기를 가지며 각기 4개의 판으로 된 2개 층의 압전 판과 조립된 액츄에이터 패키지(200)의 평면도이다. 단부 탭(tab)(210a)을 갖는 장방형 폴리이미드 시트(210)는, 서로에 대해 그리고 탭으로 연결되는 단일의 러너(runner)(211a)에 대해 서로 연결된 H-형의 얇은 구리 라인의 격자(lattice) 형태를 갖는 전극(211)을 유지하고 있으며, 이에 따라 압전 판을 유지하는 4개의 장방형 영역의 각각에 직접 저 임피던스 연결을 제공한다.Turning now to the features of the actuator of the present invention, FIG. 3 is a plan view of an actuator package 200 having a size of about 1.25 × 9.00 × 0.030 inch and assembled with two layers of piezoelectric plates of four plates each. The rectangular polyimide sheet 210 having end tabs 210a is a grid of H-shaped thin copper lines connected to each other and to a single runner 211a connected to the tab ( A lattice shaped electrode 211 is maintained, thus providing a low impedance connection directly to each of the four rectangular regions holding the piezoelectric plate.

H-형(220a, 220b) 혹은 L-형(220c)의 스페이서 소자들은 구석을 구별짓고 있고, 압전 판(216)의 배치를 위한 장방형 공간의 윤곽을 그리고 있다. 이 실시예에서는, 아래에서 상세하게 서술될 다수의 틈(230)이 인접한 H-형 혹은 L-형 스페이서 사이에 보인다. 아래의 기재로부터 명백하게 되듯이, 이러한 작은 불연속적 스페이서 소자(I-형, T-형 혹은 O-형 스페이서들이 유용할 수 있다)의 사용이 바람직한데, 왜냐하면 조립 위치를 구별짓고 압전 소자용 수납 오목부을 형성하도록 조립 중에 끈적끈적한 접착 에폭시 층(114)에 쉽게 위치될 수 있기 때문이다. 그러나, 스페이서 구조는 그러한 불연속 소자들의 집합에 한정되지 않으며, 모든 혹은 하나 이상의 배치/밀봉 테두리 또는 회로 부품의 작동을 유지하기 위한 오목부를 제공하기 위한 것으로서 구멍이 뚫린 시트 혹은 몰딩된 프레임으로 형성되는 단일 혹은 한쌍의 프레임 단편일 수 있다.The spacer elements of the H-shaped 220a, 220b or L-shaped 220c distinguish the corners and outline the rectangular space for the placement of the piezoelectric plate 216. In this embodiment, a number of gaps 230 to be described in detail below are visible between adjacent H- or L-shaped spacers. As will be evident from the description below, the use of such small discrete spacer elements (I-type, T-type or O-type spacers may be useful) is preferred, because it distinguishes the assembly position and the receiving recess for the piezoelectric element. This is because it can be easily placed on the sticky adhesive epoxy layer 114 during assembly to form the portion. However, the spacer structure is not limited to such a set of discontinuous elements, but is formed of a single perforated sheet or molded frame to provide a recess for maintaining the operation of all or one or more of the placement / sealing edges or circuit components. Or a pair of frame fragments.

도 5는 3개의 시트, 전극 및 압전 판 층의 각각의 평면도이고, 도 5a는 필름, 콘덕터 및 스페이서/압전 층의 일반적인 층 배열을 도시한다. 도시된 바와 같이, 스페이서(220)와 압전 판(216)은 각 쌍의 전극 층 사이에서 단일 층을 구성한다.FIG. 5 is a plan view of each of three sheet, electrode and piezoelectric plate layers, and FIG. 5A shows a general layer arrangement of film, conductor and spacer / piezoelectric layers. As shown, the spacer 220 and the piezoelectric plate 216 constitute a single layer between each pair of electrode layers.

도 4a 및 4b(비율에 따라 도시되지 않음)는 도 3의 "A" 및 "B"로 지시된 위치에서의 수직 단면을 따른 조립 액츄에이터의 층 구조를 도시한다. 도 4a에 보다 분명하게 도시되어 있는 바와 같이, 에폭시 시트의 패턴 접착 층(214)은 각각의 전극 층(211)과 동일한 평면에 있고, 전극들 사이의 공간을 채우는 반면, 스페이서(220c)는 압전 판(216)과 동일한 평면에 있으며 실질적으로 판과 같거나 약간 두꺼운 두께를 갖는다. 예시적으로, 압전 판(216)은 5 내지 20 mil 두께로 상업적으로 입수 가능한 PZT-5A 세라믹 판이고, 전극(211)과 접촉하기 위하여 각각의 면을 덮는 연속적인 전도성 층(216a)을 갖는다. 스페이서(220)는 약 250℃의 연화(softening) 온도를 갖는 어느 정도 압축성이 있는 플라스틱으로 구성된다. 이로 인해 경화 온도에서 상당한 정도의 일치성(conformability)이 가능해지므로, 스페이서 물질이 조립 공정 중에 얼마 안 되는 빈 공간(214a)(도 4a)을 채울 수 있다. 도 4b에 도시된 바와 같이, (제공될 때는) 스페이서 사이에 있는 틈(230)은 개구(214b)로 귀결되고, 이 개구는 경화성 접착 층(214)으로부터 과다한 에폭시를 배출하고 또한 경화 공정 중에 에폭시로 채워진다. 상기 도면에 도시된 바와 같이, 소정 양의 에폭시는 또한, 전극(211)과 압전 판(216) 사이의 필름(215)의 조각 내로 흐른다. 크고 연속적인 전극(211)의 크기 때문에, 이러한 작은 에폭시 누출은 압전 소자와의 전기적 접촉에 손상을 끼치지 않으며, 그것이 제공하는 추가적인 구조적 연결은 전극 층의 박리를 막는데 도움이 된다.4A and 4B (not shown according to ratio) show the layer structure of the assembly actuator along the vertical section at the positions indicated by “A” and “B” in FIG. 3. As shown more clearly in FIG. 4A, the pattern adhesive layer 214 of the epoxy sheet is in the same plane as each electrode layer 211 and fills the space between the electrodes, while the spacer 220c is piezoelectric. It is in the same plane as the plate 216 and has a thickness substantially equal to or slightly thicker than the plate. Illustratively, the piezoelectric plate 216 is a commercially available PZT-5A ceramic plate with a thickness of 5 to 20 mils and has a continuous conductive layer 216a covering each side to contact the electrode 211. Spacer 220 is composed of a somewhat compressible plastic having a softening temperature of about 250 ° C. This allows a significant degree of conformability at the curing temperature, allowing the spacer material to fill a few voids 214a (FIG. 4A) during the assembly process. As shown in FIG. 4B, the gap 230 between the spacers (when provided) results in an opening 214b that drains excess epoxy from the curable adhesive layer 214 and also during the curing process. Filled with. As shown in the figure, a certain amount of epoxy also flows into the piece of film 215 between the electrode 211 and the piezoelectric plate 216. Because of the large and continuous size of the electrode 211, this small epoxy leak does not damage the electrical contact with the piezoelectric element, and the additional structural connection it provides helps prevent the electrode layer from peeling off.

도시된 전극 배열에 의해, 각각의 수직으로 적층된 압전 판 쌍은 굽힘을 유도하도록 서로에 대해 반대로 작동될 수 있고, 또는 다른 쌍의 판들이 상이한 방식으로 작동될 수 있도록 보다 많은 수의 개별 전극들이 제공될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 대체로, 전술한 바와 같이, 감지, 제어 및 전원 혹은 댐핑 소자들이 모두 같은 카드에 장착되어 있는, 상이한 방식으로 작동되는 많은 개별 소자들과 연관되는 심지어 훨씬 복잡한 시스템도 본 발명의 대상이 된다. 이 점에 있어서, 그러한 가용성에 의해서, 실제적인 작업에 카드를 적합하게 하는데 있어서의 큰 가요성이 또한 제공된다. 대체로, 카드는 30 mil 두께의 에폭시 스트립(strip)의 가요성에 비견될만한 유연한 가요성을 가지므로, 손상 없이 구부려지거나, 두드려지거나, 진동될 수 있다. 압전 소자가 감싸져 있는 그 중앙선(CL)(도 3)의 영역에서는, 부착 표면이나 구석에 일치할 수 있도록, 날카롭게 굽혀지거나 휠 수 있다. 소자들은 평면 혹은 횡단면의 넓이를 변화시키도록 극성화(poled)될 수 있고, 그에 따라, 액츄에이터는 전술한 제어 작용들 중의 하나를 수행하거나, 혹은 굽힘, 전단 혹은 압축 파와 같은 특정의 파형 혹은 유형의 음향 에너지를 인접 표면으로 가하는데 효과적인 방식으로 인접 표면에 스트레인을 전달하도록 부착될 수 있다.With the electrode arrangement shown, each vertically stacked piezoelectric plate pair can be operated in opposition to each other to induce bending, or a larger number of individual electrodes can be operated so that different pairs of plates can be operated in different ways. It will be appreciated that it may be provided. In general, even as described above, even more complex systems involving many individual elements operating in different ways, where the sensing, control and power or damping elements are all mounted on the same card, are subject of the invention. In this respect, such availability also provides great flexibility in adapting the card to practical work. As a rule, the card has flexible flexibility comparable to the flexibility of a 30 mil thick epoxy strip, so it can be bent, knocked, or vibrated without damage. In the region of the center line CL (FIG. 3) in which the piezoelectric element is wrapped, it can be bent or bent sharply so as to coincide with the attachment surface or the corner. The elements may be polarized to vary the area of the plane or cross section, such that the actuator performs one of the control actions described above, or of a particular waveform or type, such as bending, shear or compression waves. It can be attached to transfer strain to adjacent surfaces in a manner effective to apply acoustic energy to adjacent surfaces.

도 6은 다른 액츄에이터 실시예(300)를 도시한다. 이 실시예에서는, 개략적으로 도시되어 있듯이, 에폭시 접착 층, 필름 및 스페이서 소자들이 도시되어 있지 않고, 단지 전극과 압전 시트가 작동 메카니즘을 표현하도록 도시되어 있다. 제1 세트의 전극(340) 및 제2 세트의 전극(342)은 모두 같은 층에 설치되고, 그 각각은 두 개의 빗살이 교대 배치된 빗 형상을 가지므로, 전기적 작동 영역은 한 빗형부의 빗살과 다른 빗형부의 인접한 빗살 사이에 설정된다. 도 11a와 11b에 도시되어 있듯이, 라인 전극(408)(즉, 빗 형상의 "빗살")은 공통 버스(402)에 연결된다. 버스(402)는 압전 세라믹 표면(404) 상에(도 11a) 혹은 그로부터 떨어져서(도 11b)위치될 수 있다. 도 12는 버스(402)가 압전 세라믹 표면(404)에서 떨어져 위치된 본 발명의 실시예(400)를 도시한다. 또 다르게는, 버스는 가요성 회로의 폴리머 필름의 반대측에 위치될 수 있다. 라인 전극은 폴리머 필름을 통해 버스와의 전기적 연결을 이룬다. 예를 들어, 폴리머 필름은 적절히 위치된 판 관통 구멍을 구비하거나, 전기적 접촉을 얻기 위하여 단순히 깎여질 수 있다. 예를 들어, 도 11a, 도 11b 및 도 12에 도시된 바와 같이, 전극들의 상호 맞물리는 "빗살" 형상은 여기서 교대 배치형 전극(IDE)으로 언급된다. 도 6에서, 평행하는 빗형부(340a, 342a) 쌍이 압전 시트의 다른 측에 구비되는데, 빗형 전극(340)은 빗형부(340a)에 연결되고 빗형 전극(342)은 빗형부(342a)에 연결되고, 이에 따라, 압전 시트를 통과하여 연장하는 등전위선 "e"와, 상이한 빗형부로부터의 각각의 빗살 쌍 사이의 면내(面內, in-plane) 전위 기울기를 갖는 전기장이 설정된다. 도시된 실시예에서, 압전 세라믹 판은 금속 피복이 되어 있지 않으므로, 각각의 빗형부와 판 사이에 직접적인 전기 접촉이 이루어진다. 이 판들은, 처음에 빗형부를 가로질러 고압을 인가하여 면내 방향을 따라 향하는 인치당 12,000 볼트 이상의 전기장 세기를 만듦으로써, 면내 극성화가 이루어진다. 이로 인해, 이후에 두 개의 빗형 전극을 가로질러 전위 차를 인가하면 면내 (전단) 작용이 나타나도록, 압전 구조가 배향된다. 따라서, 교대 배치형 전극들의 직접적 접촉은 압전 소자에 작동 방향에 대체로 평행하는 전기장을 제공한다.6 illustrates another actuator embodiment 300. In this embodiment, as schematically shown, the epoxy adhesive layer, film and spacer elements are not shown, only the electrodes and piezoelectric sheets are shown to represent the actuation mechanism. The first set of electrodes 340 and the second set of electrodes 342 are both installed on the same layer, each of which has a comb shape in which two combs are alternately arranged, so that the electrically operated region is comb of one comb portion. Is set between and adjacent combs of other combs. As shown in FIGS. 11A and 11B, line electrode 408 (ie, a comb-shaped “comb”) is connected to common bus 402. The bus 402 may be located on or away from the piezoelectric ceramic surface 404 (FIG. 11A). 12 shows an embodiment 400 of the present invention with the bus 402 positioned away from the piezoelectric ceramic surface 404. Alternatively, the bus can be located on the opposite side of the polymer film of the flexible circuit. The line electrode makes an electrical connection with the bus through the polymer film. For example, the polymer film may have a properly positioned plate through hole or may be simply clipped to obtain electrical contact. For example, as shown in FIGS. 11A, 11B and 12, the intermeshing “comb” shape of the electrodes is referred to herein as an alternating electrode (IDE). In FIG. 6, parallel pairs of comb portions 340a and 342a are provided on the other side of the piezoelectric sheet, with comb electrodes 340 connected to comb portions 340a and comb electrodes 342 connected to comb portions 342a. As a result, an electric field having an equipotential line "e" extending through the piezoelectric sheet and an in-plane potential gradient between each pair of comb teeth from different comb-shaped portions is set. In the illustrated embodiment, the piezoelectric ceramic plate is not metallized, so direct electrical contact is made between each comb and the plate. These plates are initially in-plane polarized by applying high pressure across the comb to create an electric field strength of 12,000 volts per inch or more directed along the in-plane direction. As a result, the piezoelectric structure is oriented so that an in-plane (shear) action is then exhibited when a potential difference is subsequently applied across the two comb electrodes. Thus, direct contact of alternating electrodes provides the piezoelectric element with an electric field generally parallel to the direction of operation.

도 10a, 10b 및 10c는 본 발명의 다양한 형상의 실시예들을 보여준다. 도 10a는, 직접 인쇄된, 라인 전극(408)과 공통 버스(402)를 포함하는 IDE 패턴을 보여준다. 도 10b는 PZT 소자(404) 상에 인쇄된 라인 전극(408)과, 최상층과 바닥 필름(412, 414) 양쪽에 인쇄된 공통 버스를 보여준다. 도 10c는 최상층과 바닥 필름(412, 414) 양쪽 상의 공통 버스(402)와 라인 전극(408)을 포함하는 IDE 패턴을 보여준다.10A, 10B and 10C show various shaped embodiments of the present invention. 10A shows an IDE pattern that includes a line electrode 408 and a common bus 402, printed directly. 10B shows a line electrode 408 printed on the PZT element 404 and a common bus printed on both top and bottom films 412 and 414. 10C shows an IDE pattern that includes a common bus 402 and a line electrode 408 on both top and bottom films 412 and 414.

전단 작동에 더해서, 방향 작동과 댐핑이 본 발명의 방법과 장치를 사용하여 이루어질 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 것처럼, 두 개의 그러한 액츄에이터(300)가 비틀림 작용을 제공하도록 교차될 수 있다. 또 다르게는, 도 13, 14a 및 14b에 도시된 것처럼, 각도를 갖는 IDE 패턴이 형성된 액츄에이터(406)가 전단 비틀림 에너지를 결합하도록 구조체의 주 스트레인 축을 따라 구조체 상에 위치될 수 있다. 구조체 상에 각도가 없는 IDE 패턴을 갖는 압전 장치를 접착함으로써 동일한 효과가 달성될 수 있으므로, IDE 패턴은 압전 소자의 주 스트레인 축과 각도를 갖는 것이 효과적이다. 즉, 본 장치는 각도를 갖고서 접착된다.In addition to shearing operation, directional actuation and damping can be achieved using the method and apparatus of the present invention. For example, as shown in FIG. 7, two such actuators 300 may be crossed to provide a torsional action. Alternatively, as shown in FIGS. 13, 14A and 14B, an angled IDE patterned actuator 406 may be positioned on the structure along the structure's main strain axis to couple shear torsional energy. Since the same effect can be achieved by adhering a piezoelectric device having an angleless IDE pattern on the structure, it is effective that the IDE pattern has an angle with the main strain axis of the piezoelectric element. That is, the device is bonded at an angle.

상기 실시예를 논의함에 있어서, 전극/폴리이미드 층을 통해 스트레인 에너지를 어떤 인접한 구조체로 직접 전달하는 것은 구별되고 신규한 장점으로 인식된다. 그러한 작용은, 에어포일(airfoil) 형상 제어 작동과 소음 혹은 진동 삭제 혹은 제어와 같이 다양하거나 작동 임무에 유용할 수 있다. 도 8a와 8b는, 각기 평탄하거나 약간 휘어진 표면 및 샤프트(shaft)에 적용된 액츄에이터의 평탄한 실시예(도 8a) 및 반원통형 실시예(도 8b)의 전형적인 설치를 도시한다.In discussing this embodiment, the direct transfer of strain energy through any electrode / polyimide layer to any adjacent structure is recognized as a distinct and novel advantage. Such actions may be useful for various or operational tasks, such as airfoil shape control operations and noise or vibration cancellation or control. 8A and 8B show typical installations of flat and semi-cylindrical embodiments (FIG. 8B) of actuators applied to flat or slightly curved surfaces and shafts, respectively.

그러나, 이러한 액츄에이터들의 전기 기계적 물질들이 스트레인 에너지 변환에 의해 작동되는 반면, 본 발명의 응용은 액츄에이터 표면을 통해 스트레인 커플링(strain coupling)을 넘어서 연장하고, 액츄에이터에 의해 인가되는 동작, 토크(torque) 혹은 힘이 전체로서 사용되는 수많은 특별한 기계적 구성을 포함한다. 이러한 실시예들의 각각에 있어서, 기본 스트립-형 혹은 셀(shell)-형 밀봉 액츄에이터는, 그 길이를 따라 하나 또는 그 이상의 지점에서 인쇄되거나 연결되어 있는 강건하고 탄력 있는 기계적 소자로서 채용된다. 도 9에 도시된 것처럼, 전기적으로 작동될 때, 스트립은 그 때 홀로 혹은 다른 소자와 함께, 스스로 움직이는 지렛대, 플랩(flap), 판 스프링, 스택 혹은 주름상자(bellow)처럼 기능한다. 도 9(a) 내지 9(q)의 그림에서, 소자 A, A', A'' 등은 상기 도면에 나타난 것처럼 스트립 혹은 시트 액츄에이터인 반면, 작은 삼각형은 예를 들어 구조체에 대한 연결 지점 혹은 고정된 장착 지점에 대응하는 고정 혹은 핀 고정(pinned) 위치를 나타낸다. 화살표는 운동 혹은 작동의 방향 또는 그러한 작동에 대한 접촉점을 나타내는 반면, L은 액츄에이터에 부착된 지렛대를 가리키고, S는 스택 소자 혹은 액츄에이터를 가리킨다.However, while the electromechanical materials of these actuators are actuated by strain energy conversion, the application of the present invention extends beyond strain coupling through the actuator surface, and the action, torque applied by the actuator. Or many special mechanical configurations in which force is used as a whole. In each of these embodiments, the basic strip-type or shell-type sealing actuator is employed as a rigid, resilient mechanical element that is printed or connected at one or more points along its length. As shown in FIG. 9, when electrically actuated, the strip then functions like a lever, flap, leaf spring, stack or bellow, moving by itself or with other elements. In the figures of FIGS. 9 (a) to 9 (q), elements A, A ', A' 'and the like are strip or seat actuators as shown in the figures, whereas small triangles are for example connection points or anchors to structures. Indicating a fixed or pinned position corresponding to the mounted mounting point. The arrows indicate the direction of motion or actuation or the point of contact for such actuation, while L indicates the lever attached to the actuator and S indicates the stack element or actuator.

스택, 굽힘기, 또는 핀 고정된 굽힘기와 같은 도 9(a) 내지 9(c)의 형상은 많은 종래의 액츄에이터들을 대신할 수 있다. 예를 들어, 외팔보 빔(cantilevered beam)은, 펜 플로터(pen plotter)의 매우 선형적이고 큰 변위 위치 메카니즘을 구성하는 고 제어식 단일-축 변위를 제공하는 바늘(stylus)을 가질 수 있다. 시트 크기를 갖고 기계적으로 강건한 액추에이터를 기화로 삼는 다중-소자 형태들[도 9(d) 등]로부터, 특히 흥미있는 기계적 속성과 작동 특성이 예상된다. 따라서, 도 9(d) 및 (e)에 도시된 것처럼, 핀-핀 주름상자 형태가, 카메라 초점 맞추기와 같은 적용을 위해, 간단한 면-접촉 운동에 의해 연장된 정밀한 일축(one-axis) Z-이동 위치 설정용으로 유용할 수 있고; 또는 유동에 대항하여 전체 면을 지탱하는 운동을 이용하여 연동-형(peristalsis-type) 펌프를 구현하는 데 유용할 수 있다. 도 3과 관련하여 서술한 바와 같이, 가요성 회로는 매우 순응적이어서, 힌지 연결(hinged)되거나 접혀진 테두리는 도 3의 중심선과 같은 위치를 따라 단순히 접음으로써 구현될 수 있고, 이에 따라 폐쇄된 주름상자 조립체가 적은 수의 큰 다중-소자 액츄에이터 유닛(unit)으로 만들어질 수 있게 된다. 가요성 회로 구성으로 인해 액츄에이터 소자의 스트립 혹은 체커판(checkerboard)이 각각의 인접한 소자 쌍 사이의 주름 선으로 펼쳐질 수 있게 되고, 그리고 주름 선은, 경화 단계 중에, 윤곽선이 그려진 [예를 들어, 와플 굽는 틀(waffle-iron) 모양의] 프레스 압반을 사용하여 얇은 윤곽선으로 새겨질 수 있다. 그러한 구성으로, 전체적으로 이음매가 없는(seamless) 주름상자 혹은 다른 접어진 액츄에이터가 단일의 가요성 회로 조립체로부터 만들어질 수 있다.The shapes of Figures 9 (a) through 9 (c), such as stacks, bends, or pinned bends, can replace many conventional actuators. For example, the cantilevered beam may have a stylus that provides a highly controlled single-axis displacement that constitutes a very linear and large displacement position mechanism of the pen plotter. Particularly interesting mechanical and operating characteristics are envisaged from the multi-element shapes (Fig. 9 (d), etc.) which vaporize a mechanically robust actuator with sheet size. Thus, as shown in Figures 9 (d) and (e), the pin-pin corrugated box shape is a precise one-axis Z extended by a simple face-contact motion for applications such as camera focusing. May be useful for moving position setting; Or it may be useful to implement a peristalsis-type pump using a movement that supports the entire face against flow. As described in connection with FIG. 3, the flexible circuit is very compliant so that a hinged or folded rim can be implemented by simply folding along the same position as the centerline of FIG. 3, thus closing the corrugation. The box assembly can be made from a small number of large multi-element actuator units. The flexible circuit configuration allows strips or checkerboards of actuator elements to unfold with corrugation lines between each adjacent pair of elements, and the corrugation lines can be contoured [e.g., waffles during the curing step. It can be engraved in thin contours using a waffle-iron press platen. With such a configuration, a seamless seam or other folded actuator can be made from a single flexible circuit assembly as a whole.

도 16은 4개의 압전 영역(430, 432, 434 및 436)을 갖는 S-형 장치의 실시예를 도시한다. 이러한 실시예에서, 장치는 대체로 S자형(sigmoidal) 형상을 갖는다. 도 16에 도시된 실시예에서, 장치는 반대 방향의 만곡부(curvature)를 갖는 2개의 부분을 갖는다. 예를 들어, 장치의 한 부분은 기준에 대해 양(positive)인 만곡부(curvature)(430 및 432)를 표시하는 반면, 장치의 제2 부분은 기준에 대해 음(negative)인 만곡부(434 및 436)를 표시할 수 있다. S-형 장치의 두 부분이 길이, 크기 및 곡률의 정도에 있어서 실질적으로 같을 수도 있지만, 유용한 장치는길이, 크기 및/또는 곡률 정도가 같지 않는 둘 혹은 그 이상의 다른 부분들을 구비하는 것들을 포함할 수도 있다. 도 17에 도시된 것처럼, S-형 장치에 있어서, 장치의 한 단부는(452) 장치의 두 번째 단부(450)에 대해 약간의 거리(454)에서 배치된다. 이러한 유형의 배치는, 극성 전계(음 혹은 양)에 대해 한 방향으로 영역(432 및 434)의 압전 소자를 구동하고 또한 극성 전계에 대해 반대 방향으로 영역(430 및 436)의 압전 소자를 구동함으로써 달성된다. 극성 방향과 전기장 방향의 배치는, 그러한 배치의 결과로 장치가 대체로 S형인 형상을 갖게 되는 경우에 허용된다. 도 16을 참조하면, 전기장은, 상한(象限)(430 및 434)의 외측 전극으로부터 상한(432 및 436)의 외측 전극으로 중앙에 대한 접촉없이 구동될 수 있다. 또 다르게는, 전기장은, 각각의 압전 소자에 대한 독립적인 접근을 허용하면서, 각각의 상한의 외측 전극으로부터 각각의 상한의 내측 전극으로 구동될 수 있다. 후자의 구성은 장치가 구동 조건에 따라 S-형 혹은 전통적인 바이모르프(bimorph)가 될 수 있도록 한다. 본 발명의 실시예는, 개별 압전 소자 혹은 개별적으로 극성화된 장치의 영역이 개별 전극들과 전기적으로 접촉하는 장치뿐만 아니라, 둘 혹은 그 이상의 영역이 서로 전기적으로 통하는 전극들과 전기적으로 접촉하는 장치도 포함한다.16 shows an embodiment of an S-type device having four piezoelectric regions 430, 432, 434 and 436. In this embodiment, the device has a generally sigmoidal shape. In the embodiment shown in FIG. 16, the device has two parts with curvatures in opposite directions. For example, one portion of the device displays curvatures 430 and 432 that are positive relative to the reference, while a second portion of the device represents bends 434 and 436 that are negative relative to the reference. ) Can be displayed. Although two parts of an S-type device may be substantially equal in length, size and degree of curvature, useful devices may include those having two or more different parts that are not equal in length, size and / or degree of curvature. have. As shown in FIG. 17, in an S-shaped device, one end of the device 452 is disposed at a slight distance 454 relative to the second end 450 of the device. This type of arrangement can be achieved by driving piezoelectric elements in regions 432 and 434 in one direction with respect to a polar electric field (negative or positive) and by driving piezoelectric elements in regions 430 and 436 in opposite directions with respect to a polar electric field. Is achieved. The arrangement of the polarity direction and the electric field direction is allowed when the arrangement results in a generally S-shaped shape. Referring to FIG. 16, the electric field may be driven from the outer electrodes of the upper limits 430 and 434 to the outer electrodes of the upper limits 432 and 436 without contact with the center. Alternatively, the electric field can be driven from each upper limit outer electrode to each upper limit inner electrode while allowing independent access to each piezoelectric element. The latter configuration allows the device to be S-type or traditional bimorph depending on the driving conditions. Embodiments of the invention are not only devices in which regions of individual piezoelectric elements or individually polarized devices are in electrical contact with individual electrodes, but also devices in which two or more regions are in electrical contact with electrodes in electrical communication with each other. Also includes.

도 16이 바이모르프 S-형 장치를 도시하기는 하지만, S-형 장치는 설계에 있어서 유니모르프(unimorph), 바이모르프, 혹은 멀티모르프(multimorph)가 될 수 있다. 영역들(430, 432, 434 및 436)은 개별 압전 소자, 혹은 압전 소자의 개별적으로 극성화된 전계, 혹은 개별 압전 소자와 압전 소자의 개별적으로 극성화된 전계의 조합을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 유니모르프 장치의 실시예에서, 영역들(430및 434)은, 하나가 양의 곡률을 갖는 반면에 다른 하나는 음의 곡률을 갖게 되도록 구동되는 두 개의 별개의 압전 소자일 수 있고, 또한 영역들(432 및 436)은 비능동적일 수 있다. 비능동 영역은 황동이나 스테인레스 강과 같은 금속, 플라스틱, 폴리이미드, 폴리에스테르, 어떤 다른 폴리머, 나무, 혹은 유리섬유, 흑연 혹은 GRFP 같은 복합재를 구비한다. 또 다르게는, 비능동 영역은 더 큰 시스템의 부품을, 즉 물리적 접착이나 다른 결합을 통해, 구비할 수 있다. 예를 들어, 비능동 영역은, 음향 방출 금속에 사용되는 패널(panel)의 빔(beam)이나 판, 또는 디스크 구동 서스펜션(suspension)의 서스펜션 구조[서스펜션 헤드(head)를 이동시키거나 위치시키지만 서스펜션 헤드의 회전을 최소화하는 것이 요구될 때 유용하게 되는 것]를 구비할 수 있다.Although FIG. 16 illustrates a Bimorph S-type device, the S-type device may be unimorph, bimorph, or multimorph in design. Regions 430, 432, 434, and 436 may represent individual piezoelectric elements, or individually polarized electric fields of piezoelectric elements, or a combination of individual piezoelectric elements and individually polarized electric fields of piezoelectric elements. For example, in an embodiment of the Unimorph device, the regions 430 and 434 may be two separate piezoelectric elements that are driven such that one has a positive curvature while the other has a negative curvature. And regions 432 and 436 may also be inactive. Inactive areas include metals such as brass or stainless steel, plastics, polyimides, polyesters, some other polymers, wood, or composites such as fiberglass, graphite or GRFP. Alternatively, the non-active area may be provided with parts of a larger system, ie through physical bonding or other bonding. For example, the non-active area may be used to move or locate a suspension structure (suspension head of a panel or beam of a panel used for acoustically emitting metal, or a disc drive suspension). Useful when required to minimize rotation of the head.

다른 실시예에서, S-형 장치는 두 개의 압전 소자를 구비할 수 있다. 각각의 압전 소자는, 반대 방향으로 극성화되고 그리고 소자의 두께에 대해 같은 방향인 전계로 구동되는 두 개의 전극 영역을 구비할 수 있다. 또 다르게는, 전극 영역은, 같은 방향으로 극성화되고 그리고 소자의 두께에 대해 반대 방향인 전계로 구동되는 두 개의 전극 영역을 구비할 수 있다.In another embodiment, the S-type device may have two piezoelectric elements. Each piezoelectric element may have two electrode regions polarized in opposite directions and driven with an electric field in the same direction relative to the thickness of the element. Alternatively, the electrode region may have two electrode regions polarized in the same direction and driven with an electric field opposite to the thickness of the device.

본 발명의 실시예는 패키지화 된 S-형 장치뿐만 아니라, 카드로서 패키지화되지 않은 S-형 액츄에이터도 포함한다.Embodiments of the present invention include not only packaged S-type devices, but also S-type actuators that are not packaged as a card.

본 발명의 액츄에이터는 연극 동작용 얼굴 마스크나 인형의 부분들에 인가되는 굽힘, 비틀림 혹은 흔들림과 같은 간단한 기계적 동작을 수행하는데 이용될 수 있고, 그리고 이러한 유형의 작은 하중의 중간 변위 작동 임무용의 뛰어난 작동 특성과 다양한 장착 가능성을 갖게된다.The actuators of the present invention can be used to perform simple mechanical operations such as bending, twisting or shaking applied to theatrical face masks or parts of the doll, and are excellent for medium displacement operation tasks of this type of small loads. It will have operating characteristics and various mounting possibilities.

대체로, 작은 혹은 중간 변위의 공기 액츄에이터로 구현할 수 있는 임무는 본 발명의 가요성 회로 액츄에이터 카드를 불연속 기계적 소자로 사용하여 이루어질 수 있고, 그리고 임무가 시트, 플랩 혹은 벽과 같은 구조와 관련있는 경우에는, 가요성 회로 자체가 구조성 부품을 구성할 수 있다. 따라서, 본 발명은 스스로 움직이는 회전 날개판, 주름상자 혹은 펌프의 벽, 거울 및 그와 유사한 것과 같은 기능들에 적합하다. 덧붙여서, 전술한 바와 같이, 작은 변위 음향 혹은 초음속 대역 주파수의 표면 커플링(coupling)과 관련한 임무는 저 질량의 고도로 결합된 가요성 회로 액츄에이터로 쉽게 구현될 수 있다.In general, a task that can be implemented with small or medium displacement air actuators can be accomplished using the flexible circuit actuator card of the present invention as a discrete mechanical element, and where the task relates to structures such as seats, flaps or walls. In other words, the flexible circuit itself may constitute a structural component. Thus, the present invention is suitable for functions such as self-moving rotary vanes, corrugated boxes or walls of pumps, mirrors and the like. In addition, as discussed above, tasks relating to surface coupling of small displacement acoustics or supersonic band frequencies can be easily implemented with low mass, highly coupled flexible circuit actuators.

전술한 바와 같이, 압전 소자는 단단한 세라믹 소자일 필요는 없고, 만약 가요성 회로가 단지 센서로만 사용된다면, 이때, 세라믹 소자 또는 PVDF와 같은 연성 물질 중 어느 것이라도 채용될 수 있다. 폴리머의 경우에 있어서는, 단단한 경화성 에폭시 접착 층보다는 오히려, 더 얇고 더 유연한 낮은 온도의 접착제가 소자 결합에 사용된다.As mentioned above, the piezoelectric element need not be a rigid ceramic element, and if a flexible circuit is used only as a sensor, then either a ceramic element or a soft material such as PVDF can be employed. In the case of polymers, thinner and more flexible low temperature adhesives are used for device bonding, rather than a hard curable epoxy adhesive layer.

본 발명의 일 실시예가 아래에 예시되어 있다.One embodiment of the present invention is illustrated below.

Yes

미세한 라인 교대 배치형 전극(IDE)을 구비하는 장치는 고체를 통한 표면 음향 파(SAW) 전파의 원리를 사용하여 기능하고, 그리고 때때로 교대 배치형 변환기(IDT)로서 언급된다. 현재 사용되는 IDT의 다수는, 높은 전기장, 낮은 주파수 파 대신에 낮은 전기장, 높은 주파수 전파 파를 사용하여 동작된다. 후자의 조건은 작동 및 댐핑 응용에 있어서 필요하다. IDE 배후의 원리에 의해서, 보다 공통적으로 사용되는 d31특성(즉, 전하가 이전처럼 같은 표면에 모이지만 힘은 극성 축에 대해 직각으로 가해지는 경우와 같은) 대신에 면내 작동 혹은 댐핑을 위해 보다 효율적인 d33특성(즉, 힘이 극성 축을 따른 3 방향에 있고 전하가 모이는 동일 평면 상에 가해지는)을 장치가 사용할 수 있게 된다. 이것은 극성 및 여기(excitation) 전계가 주로 작동 평면에 평행하게 나가도록 전극들을 배열함으로써 달성된다. 도 15a는 압전 세라믹 판(404)의 최상층 및 바닥 표면 상에 위치된 고체 전극(420)을 갖는 d31장치(424)의 전기력선(422)들을 도시하고; 도 15b는 상호 연결 라인 전극(408)을 갖는 d33IDE 장치(426)의 전기력선(422)들을 도시한다. d33방향의 전기 기계적 특성은 대체로 d31방향의 그것의 두 배보다 크다.Devices with fine line alternating electrodes (IDE) function using the principle of surface acoustic wave (SAW) propagation through solids, and are sometimes referred to as alternating transducers (IDTs). Many of the IDTs currently in use operate using low electric fields, high frequency propagation waves instead of high electric fields, low frequency waves. The latter condition is necessary for operational and damping applications. By the principle behind the IDE, it is more suitable for in-plane operation or damping instead of the more commonly used d 31 characteristic (i.e., when charge is collected on the same surface as before but force is applied at right angles to the polar axis). Efficient d 33 characteristics (i.e., forces are in three directions along the polar axis and applied on the same plane where charges collect) allow the device to use. This is achieved by arranging the electrodes such that the polarity and excitation field mainly exits parallel to the working plane. FIG. 15A shows electric field lines 422 of the d 31 device 424 having a solid electrode 420 positioned on the top and bottom surfaces of the piezoelectric ceramic plate 404; FIG. 15B shows electric field lines 422 of d 33 IDE device 426 with interconnect line electrode 408. The electromechanical properties in the d 33 direction are generally greater than twice that in the d 31 direction.

라인 IDE 장치는 소정의 저 전계 응용에 대해 성공적이다. 그러나, 큰 전계가 극성화 혹은 여기 중에 인가될 때, 내부 균열 혹은 전기 단락이 때때로 나타난다. 이러한 실패들은 전극의 단부들 가까이의 물질 내의 비균일한 전기장에 의해서 야기되는 내부 응력에 기인한 것이다. 압전 세라믹의 표면 상의 교대 배치형 라인들을 연결하는 전극 라인들이 추가의 응력 집중을 만든다는 것은 또한 명백하다. 라인 IDE 패턴은 응력 집중이 일어나지 않는 압전 섬유 복합재 장치의 구성에 사용되어 왔다.Line IDE devices are successful for certain low field applications. However, when large electric fields are applied during polarization or excitation, internal cracks or electrical shorts sometimes appear. These failures are due to internal stresses caused by non-uniform electric fields in the material near the ends of the electrode. It is also evident that the electrode lines connecting the alternating lines on the surface of the piezoelectric ceramic create additional stress concentrations. Line IDE patterns have been used in the construction of piezoelectric fiber composite devices where stress concentration does not occur.

교대 배치형 전극 모놀리식(monolithic) 얇은 판 압전 장치는 여기서 서술되는 방법들을 사용하여 개발되었다(이 이후로는 "상기 IDE 장치"로서 단독으로 언급됨). 그 결과는 판의 양 표면에 고체 전극을 갖는 d31압전 세라믹 판을 사용하는 압전 장치( 이 이후로는 "상기 고체 전극 장치")와 비교된다. 공진 측정의 실험 결과와 전기 및 기계적 에너지 계산은 이러한 장치들의 전기 기계적 결합 계수 및 댐핑 능력을 계량화하고 비교하기 위해서 사용되었다.Alternating electrode monolithic thin plate piezoelectric devices have been developed using the methods described herein (hereafter referred to alone as the "IDE device"). The result is compared with a piezoelectric device (hereinafter “solid electrode device”) using a d 31 piezoelectric ceramic plate having solid electrodes on both surfaces of the plate. Experimental results of resonance measurements and electrical and mechanical energy calculations were used to quantify and compare the electromechanical coupling coefficients and damping capabilities of these devices.

고체 전극과 IDE 장치는 모두 46.05mm×20.65mm×0.254mm 크기의 PZT-5A 형 물질을 사용하여 제조되었다. 압전 세라믹 두께와 IDE 장치의 전극의 크기의 비는 중요하지만, 최적 값의 결정은 변위, 발생 스트레인, 힘 및 이용 가능한 구동 전압을 포함하는 응용의 특정적 요구조건에 좌우된다. 대표적인 설계는, 상기 IDE 장치가 1.52 mm 피치(pitch) 상의 0.38 mm 라인으로 구성되는 가운데서 선택된다. 압전 세라믹 물질과 전극들은 미리 부착된 전기선을 갖는 보호성 폴리이미드 표피 내에서 패키징되었다.Both solid electrodes and IDE devices were fabricated using PZT-5A type materials measuring 46.05 mm x 20.65 mm x 0.254 mm. Although the ratio of the piezoelectric ceramic thickness to the size of the electrode of the IDE device is important, the determination of the optimal value depends on the specific requirements of the application, including displacement, generated strain, force and available drive voltage. An exemplary design is selected among the IDE devices consisting of 0.38 mm lines on a 1.52 mm pitch. Piezoelectric ceramic materials and electrodes were packaged in a protective polyimide skin with pre-attached electrical wires.

1. 진동 댐퍼 실험1. Vibration Damper Experiment

댐핑 실험은 알루미늄 빔에 접착된 상기 IDE 및 고체 전극 장치를 사용하여 구성되었다. 빔은 133.0 mm의 클램핑되지 않은 길이를 갖는 229.0mm×31.8mm×2.3mm 크기였다. 장치는 클램프(clamp) 가장자리에서 6.35 mm 떨어진 알루미늄 빔의 한 표면에 접착되었다. 댐핑은, 대수 감쇠율법(logarithmic decrement method)을 사용하여 선단 변위의 하강으로부터 계산되었다. 댐핑 측정은 다음의 형상에 대해 취해졌다: 비피복 빔, RC 분로 IDE 및 고체 전극 장치를 갖춘빔, 및 비분로(un-shunted) IDE 및 고체 전극 장치를 갖춘 빔. 시스템의 댐핑을 측정하는 제2 방법이 대수 감쇠 결과를 확인하기 위하여 사용되었다. 이 방법에서, 스위프 사인형 여기(swept sinusoidal excitation)가 로드 셀(load cell)을 통해 빔에 부착된 전기 기계적 진동 테이블(shaker)을 사용하여 빔에 가해졌고, 가해진 하중으로부터 선단 변위까지 측정된 전달 함수로부터 댐핑이 계산되었다.Damping experiments were constructed using the IDE and solid electrode devices bonded to an aluminum beam. The beam was 229.0 mm x 31.8 mm x 2.3 mm in size with an unclamped length of 133.0 mm. The device was glued to one surface of an aluminum beam 6.35 mm from the clamp edge. Damping was calculated from the drop in tip displacement using the logarithmic decrement method. Damping measurements were taken for the following shapes: uncoated beam, beam with RC shunt IDE and solid electrode device, and beam with un-shunted IDE and solid electrode device. A second method of measuring the damping of the system was used to confirm the logarithmic attenuation results. In this method, a swept sinusoidal excitation was applied to the beam using an electromechanical vibration table attached to the beam through a load cell and measured from the applied load to the tip displacement. Damping was calculated from the function.

제1 공진 모드(mode)에서 빔을 일관되게 여기하는 것과 관련한 어려움 때문에, 알루미늄 빔에 접착된 장치의 표면 상의 평균 스트레인의 함수로서, 빔에 대응하여 측정된 임계 댐핑의 백분율에서 매우 큰 산란(scatter)이 관찰되었다. 분로 IDE 장치는, 빔에 부착된 어느 한 편의 비분로 장치와 비교할 때, 분로 고체 전극 장치에 의해 달성되는 댐핑의 두 배보다 큰 댐핑을 제공하도록 도시되었다.Because of the difficulties associated with consistently exciting the beam in the first resonant mode, very large scatter in the percentage of critical damping measured corresponding to the beam as a function of the average strain on the surface of the device bonded to the aluminum beam. ) Was observed. The shunt IDE device has been shown to provide more than twice the damping achieved by the shunt solid electrode device when compared to either non-shunt device attached to the beam.

2. 발생 스트레인 및 계수 실험2. Generation strain and counting experiment

상기 IDE 및 고체 전극 장치에 의해 발생한 자유-자유 스트레인이 장치의 양 표면에 접착된 스트레인 게이지로 측정되었다. 높은 스트레인에 더해서, 압전 세라믹 장치는 그것의 본질적으로 높은 물질 계수 때문에 매우 높은 힘을 발생하는 능력을 갖는다. 계수의 측정은 매우 어려운데, 특히 높은 전계 여기 하에서 그렇다. 저 전계 측정은, 비록 이러한 측정을 높은 전계의 AC 성능을 예측하는데 적용할 때 주의가 기울여져야 하지만, 계수의 일반적 표시로서 유용하다. 장치 계수는 공지의 기계적 응력하에서 스트레인을 측정함으로써 결정될 수 있다. 이 방법에 있어서는, 응력-스트레인 곡선이 가해진 전기장의 함수로서 계수를 계량화하도록 생성된다.Free-strains generated by the IDE and solid electrode devices were measured with strain gauges bonded to both surfaces of the device. In addition to high strain, piezoelectric ceramic devices have the ability to generate very high forces because of their inherently high material modulus. Coefficient measurements are very difficult, especially under high field excitation. Low field measurements are useful as a general indication of coefficients, although care should be taken when applying these measurements to predict AC performance of high electric fields. Device coefficients can be determined by measuring strain under known mechanical stresses. In this method, a stress-strain curve is generated to quantify the coefficient as a function of the applied electric field.

이 실험에 있어서, 공지의 기계적 응력은 장치의 양 측에 알루미늄 시트를접착함으로써 인가된다. 장치의 대칭성 때문에, 면내 응력은 테두리 주위를 제외하고는 장치의 두께를 통해 균일하다. 측정된 알루미늄의 스트레인과 계수(68.8 GPa)가 주어지면, 알루미늄 내의 응력은 훅의 법칙(Hook's law)으로부터 결정될 수 있다. 얇고 낮은 계수의 접착 층의 존재를 무시하면, 압전 세라믹 층의 응력과 두께의 곱은 알루미늄 층에서의 동일한 곱과 같거나 반대이다. 알루미늄의 표면으로부터 취한 스트레인 측정은 장치내의 응력을 파악하는데 사용될 수 있다. 이러한 측정을 상이한 두께의 알루미늄 시트에 대해 수행함으로써, 상이한 전기장과 기계적 스트레인 수준 하에서의 장치 계수의 계산이 가능해진다.In this experiment, known mechanical stresses are applied by bonding an aluminum sheet to both sides of the device. Because of the symmetry of the device, the in-plane stress is uniform throughout the thickness of the device except around the rim. Given the measured strain and modulus (68.8 GPa) of aluminum, the stress in the aluminum can be determined from Hook's law. Neglecting the presence of a thin and low modulus adhesive layer, the product of the stress and thickness of the piezoelectric ceramic layer is the same or opposite to the same product in the aluminum layer. Strain measurements taken from the surface of aluminum can be used to determine the stresses in the device. By making these measurements on aluminum sheets of different thicknesses, it is possible to calculate device coefficients under different electric fields and mechanical strain levels.

장치의 자유 스트레인은, 장치의 양 표면에 적용되는 스트레인 게이지로부터의 신호를 평균화함으로써, 실내 온도에서 측정되었다. 인가된 구동 신호는 1Hz 사인파(sine wave)였고; 최대 전압은 IDE 장치에 대해 +/- 600 볼트(1200 Vp-p), 고체 전극 장치에 대해 +/- 100 볼트(200 Vp-p)였다. 인가된 전기장은 고체 전극 장치용 전극 면들 사이의 0.254 mm 간격과, IDE 장치용 전극 라인들 사이의 1.524 mm 간격에 기초하여 계산되었다. IDE 장치내의 전계가 불균일하기 때문에, 이러한 방식으로 계산된 값은 평균 혹은 명목상 값으로 간주되어야 한다. IDE 장치의 스트레인 출력은 비교 가능한 전계 강도에 대해 고체 전극 장치의 그것보다 대략 70% 정도 높다.The free strain of the device was measured at room temperature by averaging the signals from the strain gauges applied to both surfaces of the device. The applied drive signal was a 1 Hz sine wave; Maximum voltages were +/- 600 volts (1200 V pp ) for IDE devices and +/- 100 volts (200 V pp ) for solid electrode devices. The applied electric field was calculated based on the 0.254 mm spacing between the electrode faces for the solid electrode device and the 1.524 mm spacing between the electrode lines for the IDE device. Because the electric field in the IDE device is uneven, the value calculated in this way should be considered an average or nominal value. The strain output of the IDE device is approximately 70% higher than that of the solid electrode device for comparable field strength.

비교의 목적으로, 표 1은 패키지화 되지 않은 PZT 5A 물질에 대한 측정된 낮은 전계의 압전 스트레인 상수(d31및 d33)뿐만 아니라, IDE 및 고체 전극 장치에 대한 높은 전계(8 kV/cm)의 스트레인 상수를 나타낸다. 압전 상수 값은 전계의 함수로서 실제적으로 비선형이고 여기 신호의 형태(파형, 구동 주파수, DC 오프셋, 등)에 크게 좌우되는 반면, 비교는 여전히 유용하다. 고체 전극 장치 액츄에이터에 대한 고(高) 전계 d31상수는 패키지되지 않은 물질에 대한 저 전계 상수보다 높았다. IDE 장치 엑츄에이터의 스트레인 상수는 패키지되지 않은 물질의 d33상수보다 대략 10% 정도 낮았다. 이것은, IDE 장치 내의 전계가 d33장치 내의 그것과 정확히 동등하지는 않다는 사실에 기인한다.For comparison purposes, Table 1 shows the measured low field piezoelectric strain constants (d 31 and d 33 ) for unpackaged PZT 5A materials, as well as the high field (8 kV / cm) for IDE and solid electrode devices. Represents the strain constant. The piezoelectric constant values are practically nonlinear as a function of the electric field and depend heavily on the shape of the excitation signal (waveform, drive frequency, DC offset, etc.), while the comparison is still useful. The high field d 31 constant for the solid electrode device actuator was higher than the low field constant for 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 due to the fact that the electric field in the IDE device is not exactly equivalent to that in the d 33 device.

압전 스트레인 상수(d31및 d33)의 비교Comparison of Piezoelectric Strain Constants (d 31 and d 33 ) d31 d 31 d33 d 33 패키지화 되지 않은 PZT @의 저 전계Low field of PZT @ unpackaged 180 pm/V180 pm / V 패키지화 되지 않은 PZT @의 저 전계Low field of PZT @ unpackaged 350 pm/V350 pm / V 고체 전극 장치 @ 8kV/cmSolid Electrode Device @ 8kV / cm 191 pm/V191 pm / V IDE 장치 @ 8kV/cmIDE device @ 8kV / cm 318 pm/V318 pm / V

구속(constrained) 스트레인과 탄성 계수는, 패키지되지 않은 압전 세라믹 판의 양 측면뿐만 아니라 고체 전극 및 IDE 장치에 대해서도 접착된 0.0375 mm, 0.0750mm, 및 0.1250 mm 두께의 알루미늄 층을 사용하여 측정되었다. 알루미늄 구속층의 변하는 두께에 대한 패키지되지 않은 압전 세라믹 판의 응력 대 계산된 응력을 나타내는 데이터 점(data point)들은 4개의 상이한 전계 수준(2 kV/cm, 4 kV/cm, 6 kV/cm, 및 8 kV/cm)에 대해 얻어졌다. 탄성 계수는 특정 전계 수준에서 얻어진 데이터 점과 연결되는 선의 경사로부터 얻어졌다. 유사한 측정들이 IDE 및 고체 전극 장치에 대해 이루어졌다.Constrained strain and modulus of elasticity were measured using 0.0375 mm, 0.0750 mm, and 0.1250 mm thick aluminum layers bonded to both sides of the unpacked piezoelectric ceramic plate, as well as to solid electrodes and IDE devices. The data points representing the stress versus the calculated stress of the unpackaged piezoelectric ceramic plate for the varying thickness of the aluminum confinement layer are obtained at four different field levels (2 kV / cm, 4 kV / cm, 6 kV / cm, And 8 kV / cm). The modulus of elasticity was obtained from the slope of the line connecting the data points obtained at the specific electric field level. Similar measurements were made for IDE and solid electrode devices.

3. 전기 기계적 결합 인자3. Electromechanical Coupling Factor

전기 기계적 결합 계수는 압전 장치의 성능을 계량화하는데 유용하다. 그것은 시스템의 전기적 및 기계적 에너지로부터 계산되는 비차원적(non-dimensional) 매개변수이다. 그것은 아래의 식으로부터 알 수 있다.Electromechanical coupling coefficients are useful for quantifying the performance of piezoelectric devices. It is a non-dimensional parameter that is calculated from the electrical and mechanical energy of the system. It can be seen from the equation below.

여기서, 장치의 기계적 에너지 출력은 WM으로 표시되고, 시스템으로 향하는 전기 에너지 입력은 WE로 표시된다. 또 다르게는, 다음의 식으로부터 계산될 수 있다.Here, the mechanical energy output of the device is denoted by W M , and the electrical energy input to the system is denoted by W E. Alternatively, it can be calculated from the following equation.

여기서, fa와 fr은 임피던스 분석기로 측정된 반공진(antiresonance) 및 공진 주파수이다. 그러나, 식 2는, 샘플들이 막대 형태이고 (길이/폭)2>10 의 조건을 만족시키는 경우에만 엄밀히 정확하다. 이 조건이 만족되지 않는다면, 결과는 단지 유사한 형태의 장치를 비교하기 위해서 사용될 수 있다.Where f a and f r are the antiresonance and resonant frequencies measured by the impedance analyzer. However, Equation 2 is strictly accurate only if the samples are rod-shaped (length / width) and satisfy the condition of 2 > 10. If this condition is not met, the results can only be used to compare similar types of devices.

표 2는 전술한 양 방법을 사용하여 결정된 전기 기계적 결합 계수의 계산 값을 포함한다. 식 1에 기초한 평가에 의해, 8 kV/cm 의 인가 전계에서, IDE 장치에대해서는 0.71의 결합 계수가, 고체 전극 장치에 대해서는 0.32의 결합 계수가 산출된다. HP 임피던스 분석기를 사용하여 측정된 임피던스가 표시되고, 식 2에 사용된 공진 및 반공진 주파수를 파악하는데 사용된다. 장치에 대한 (길이/폭)의 값은 대략 5 정도이고; 그것이 10보다 크지 않기 때문에, 식 2로부터 얻어진 값은 비교 목적으로만 사용되어야 한다. 식 2에 기초한 평가는, IDE 장치의 결합 계수가 고체 전극 장치의 그것보다 대략 65% 정도 높다.Table 2 contains the calculated values of the electromechanical coupling coefficients determined using both methods described above. Based on the evaluation based on Equation 1, at an applied electric field of 8 kV / cm, a coupling coefficient of 0.71 for the IDE device and 0.32 for a solid electrode device are calculated. The impedance measured using the HP Impedance Analyzer is displayed and used to determine the resonance and anti-resonant frequencies used in Equation 2. The value of (length / width) for the device is approximately 5; Since it is not greater than 10, the value obtained from equation 2 should only be used for comparison purposes. Evaluation based on Equation 2 indicates that the coupling coefficient of the IDE device is approximately 65% higher than that of the solid electrode device.

고체 전극 장치Solid electrode device IDE 장치IDE device 에너지 방법Energy way 4 kV/cm4 kV / cm 0.290.29 0.650.65 8 kV/cm8 kV / cm 0.320.32 0.710.71 공진법Resonance method 저전계Low electric field 0.290.29 0.490.49

따라서, 요약하면, 두 개의 상이한 방법을 사용하여 계산된 전기 기계적 결합 계수는, d31장치에 대한 0.29 내지 0.35 값과 비교하여 IDE 장치에 대해서는 0.45 내지 0.71 값이 달성된다는 것을 보여준다. 덧붙여서, d31장치의 댐핑 및 작동 성능을 IDE 장치의 성능과 비교하는 실험 결과가 제공된다. 저항 분로 IDE 댐퍼 장치는 추가 댐핑의 두 개의 개선에 있어서의 인자(factor)가 종래의 PZT 댐퍼를 뛰어넘는 향상을 하였다. 더욱이, IDE 액츄에이터의 고 전계 발생 스트레인은 d31액츄에이터에 의해 생성되는 것보다 70% 정도 크다는 것이 보여졌다.Thus, in summary, the electromechanical coupling coefficients calculated using two different methods show that 0.45 to 0.71 values are achieved for IDE devices compared to 0.29 to 0.35 values for d 31 devices. By the way, the results are provided to compare the performance and operation of the damping device 31 d and the performance of the IDE devices. The resistor shunt IDE damper device has improved the factor in two improvements of additional damping over the conventional PZT dampers. Moreover, it has been shown that the high field generation strain of IDE actuators is about 70% greater than that produced by the d 31 actuators.

제조 방법과 도시된 실시예들에 대한 전술한 기재는 본 발명이 적용되는 구성의 범위를 나타내도록 설명된 것이다. 본 발명이 용이한 파손성과, 회로 구조 및 스트레인 액츄에이터의 일반적 이용성과, 스트레인 활성화 조립체 및 센서와, 물리적 구조에 있어서의 다른 변형예와, 본 발명의 모듈형 가요성 회로 액츄에이터 및 센서의 실제적 적용에 있어서의 수많은 결점들을 극복했다는 것이 당업자의 머리에 떠오를 것이고, 그러한 변형예들은 여기에 첨부된 청구의 범위에 기재된 바와 같은, 특허권이 요구되는 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다.The foregoing description of the manufacturing method and the illustrated embodiments is described to show the scope of construction to which the present invention is applied. The invention provides for easy breakage, general usability of circuit structures and strain actuators, strain activation assemblies and sensors, other variations in physical structure, and practical applications of the modular flexible circuit actuators and sensors of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art that overcoming numerous deficiencies in the art, and such variations are deemed to be within the scope of the invention for which patent rights are required, as set forth in the claims appended hereto.

본 발명은 패키지화 된(packaged) 액츄에이터 조립체에 관한 것으로서, 이 액츄에이터 조립체는 전자적으로 제어 가능하고, 또한 능동적으로, 그것이 부착된 장치의 기계적 상태를 댐핑(damping)하거나 구조체를 작동시키거나 혹은 진동을 억제하도록 적용될 수 있으며, 혹은 독립적으로 사용될 수 있다.The present invention relates to a packaged actuator assembly, the actuator assembly being electronically controllable and also actively damping the mechanical state of the device to which it is attached, actuating the structure or suppressing vibration. May be applied to the system, or may be used independently.

Claims (33)

전기 능동형 소자와,Electrically active elements, 한 쌍의 교대 배치형 전극을 포함하는 컨덕터와,A conductor comprising a pair of alternating electrodes, 절연체 및Insulators and 전기적 컨택트를 포함하고,Including electrical contacts, 상기 전기 능동형 소자와, 컨덕터 및 절연체는 상기 전기 능동형 소재 내의 평면내 스트레인이 상기 전기 능동형 소자와 절연체 사이에서 전단 결합되도록 함께 접합되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치.Wherein said electrically active element, conductor and insulator are bonded together such that in-plane strain in said electrically active material is shear coupled between said electrically active element and insulator. 청구항 1에 있어서, 상기 전기 능동형 소자에는 제1 표면 및 제2 표면이 있고, 상기 교대 배치형 전극은 상기 전기 능동형 소자의 제1 표면과 직접 전기 접촉되는 제1 쌍의 교대 배치형 전극을 포함하고, 상기 전기 능동형 소자의 제2 표면과 직접 전기 접촉하는 제2 쌍의 교대 배치형 전극을 더 포함하며, 상기 제2 쌍의 교대 배치형 전극은 상기 전기 능동형 소자를 통해 연장되는 등전위선을 통해 상기 제1 쌍의 교대 배치형 전극에 접속되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치.The device of claim 1, wherein the electrically active device has a first surface and a second surface, and the alternating electrode comprises a first pair of alternating electrodes in direct electrical contact with the first surface of the electrically active device. And a second pair of alternating electrodes in direct electrical contact with the second surface of the electrically active element, wherein the second pair of alternating electrodes are arranged through the equipotential lines extending through the electrically active element. An actuator device, connected to the first pair of alternating electrodes. 청구항 1에 있어서, 상기 각 쌍의 교대 배치형 전극은 복수 개의 라인 전극과, 상기 전기 능동형 소자로부터 떨어져 배치되는 공통의 버스를 포함하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치.The actuator device of claim 1, wherein each pair of alternating electrodes comprises a plurality of line electrodes and a common bus disposed away from the electrically active element. 청구항 1에 있어서, 상기 각 쌍의 교대 배치형 전극의 은 전도성 잉크를 포함하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치.The actuator device of claim 1 comprising a silver conductive ink of each pair of alternating electrodes. 청구항 1에 있어서, 상기 전기 능동형 소자는 금속화 처리되지 않은 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치.The actuator device of claim 1 wherein the electrically active element is not metallized. 청구항 1에 있어서, 상기 전기 능동형 소자와 컨덕터 및 절연체는 B-스테이지 에폭시, C-스테이지 에폭시 및 열가소성재로 구성되는 군에서 선택하는 접합제로 함께 접합되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치.The actuator device of claim 1, wherein the electrically active element, conductor, and insulator are bonded together with a bonding agent selected from the group consisting of B-stage epoxy, C-stage epoxy, and thermoplastics. 청구항 1에 있어서, 상기 각 쌍의 교대 배치형 전극은 복수 개의 경사진 전극과 공통의 버스를 포함하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치.The actuator device of claim 1, wherein each pair of alternating electrodes comprises a bus in common with a plurality of inclined electrodes. 청구항 1에 있어서, 상기 절연체에는 상기 전기 능동형 소자와 컨덕터에 접합되는 제1 표면과, 제2 표면이 있고, 상기 각 쌍의 교대 배치형 전극은 복수 개의 라인 전극과, 상기 절연체의 제2 표면에 위치하는 공통의 버스를 포함하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치.The insulator of claim 1, wherein the insulator has a first surface joined to the electrically active element and the conductor and a second surface, wherein each pair of alternating electrodes comprises a plurality of line electrodes and a second surface of the insulator. Actuator device comprising a common bus located. 전기 능동형 소자와,Electrically active elements, 절연체 및 한 쌍의 교대 배치형 전극을 포함하는 가요성 회로를 포함하고,A flexible circuit comprising an insulator and a pair of alternating electrodes, 상기 전기 능동형 소자는 이 전기 능동형 소자 내의 평면내 스트레인이 상기 전기 능동형 소자와 가요성 회로 사이에 전단 결합되게 상기 가요성 회로에 접합되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치.And the electrically active element is bonded to the flexible circuit such that in-plane strain in the electrically active element is shear coupled between the electrically active element and the flexible circuit. 적어도 하나의 전기 능동형 소자와,At least one electrically active element, 절연체 및 적어도 제1 쌍의 교대 배치형 전극을 포함하는 적어도 하나의 가요성 회로를 포함하고,At least one flexible circuit comprising an insulator and at least a first pair of alternating electrodes, 상기 각각의 전기 능동형 소자에는 상기 제1 쌍의 교대 배치형 전극 중 하나가 상기 적어도 하나의 전기 능동형 소자와 직접 전기 접촉하도록 상기 적어도 하나의 가요성 회로 중 하나에 접합되는 제1 표면이 있고,Each of the electrically active elements has a first surface bonded to one of the at least one flexible circuit such that one of the first pair of alternating electrodes is in direct electrical contact with the at least one electrically active element, 상기 적어도 하나의 전기 능동형 소자의 평면 내 스트레인은 상기 적어도 하나의 전기 능동형 소자와 적어도 하나의 가요성 회로 사이에 전단 결합되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치.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 flexible circuit. 청구항 10에 있어서, 상기 적어도 하나의 가요성 회로 중 하나는 상기 절연체의 대향 표면에 배치되는 제1 쌍 및 제2 쌍의 교대 배치형 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치.The actuator device of claim 10, wherein one of the at least one flexible circuit comprises a first pair and a second pair of alternating electrodes disposed on opposite surfaces of the insulator. 대상물의 진동을 감쇠시키는 방법으로서,As a method of damping vibration of an object, (a) 청구항 1에 따른 액츄에이터 장치가 상기 대상물에 전단 결합되고, 전기 신호가 상기 교대 배치형 전극에 인가되는 경우 상기 전기 능동형 소자의 평면 내 스트레인이 상기 절연체를 통해 대상물에 기계적으로 작용하도록 상기 액츄에이터 장치를 접합하는 단계와,(a) when the actuator device according to claim 1 is shear coupled to the object and an electrical signal is applied to the alternating electrode, the actuator in-plane strain of the electrically active element mechanically acts on the object through the insulator Joining the device, (b) 전기 신호를 상기 교대 배치형 전극에 인가하는 단계(b) applying an electrical signal to the alternating electrode 를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.Method comprising a. 액츄에이터 장치로서,Actuator device, 적어도 제1 전기 능동형 소자와 제2 전기 능동형 소자 및At least a first electrically active element and a second electrically active element; 적어도 제1 컨덕터 및 제2 컨덕터를 포함하고,At least a first conductor and a second conductor, 상기 제1 컨덕터는 상기 제1 전기 능동형 소자와 직접 전기 접촉하고, 상기 제2 컨덕터는 상기 제2 전기 능동형 소자와 직접 전기 접촉하며,The first conductor is in direct electrical contact with the first electrically active element, the second conductor is in direct electrical contact with the second electrically active element, 상기 제1 및 제2 전기 능동형 소자와 컨덕터는 상기 제1 및 제2 전기 능동형 소자의 작동시 상기 장치가 전체적으로 S자형 형태를 형성하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치.And the first and second electrically active elements and conductors are arranged such that, when the first and second electrically active elements are operated, the device forms an overall S-shape. 청구항 13에 있어서, 적어도 하나의 제3 컨덕터를 더 포함하고, 상기 제1 전기 능동형 소자는 적어도 제1 영역 및 제2 영역을 포함하며, 상기 제1 컨덕터는 상기 제1 전기 능동형 소자의 제1 영역과 직접 전기 접촉되고, 상기 제3 컨덕터는 상기 제1 전기 능동형 소자의 제2 영역과 직접 전기 접촉되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치.The device of claim 13, further comprising at least one third conductor, wherein the first electrically active element comprises at least a first region and a second region, wherein the first conductor is a first region of the first electrically active element. In direct electrical contact with the third conductor and in direct electrical contact with the second region of the first electrically active element. 청구항 13에 있어서, 비능동성 소자를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치.14. The actuator device of claim 13, further comprising a non-active element. 청구항 14에 있어서, 상기 3개의 컨덕터 중 적어도 2개는 서로 전기적으로 통하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치.15. The actuator device of claim 14 wherein at least two of the three conductors are in electrical communication with each other. 청구항 14에 있어서, 상기 비능동성 소자는 디스크 드라이브의 한 구성품인 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치.15. The actuator device of claim 14, wherein the non-active element is a component of a disk drive. 청구항 13에 있어서, 상기 전기 능동형 소자 중 적어도 하나는 그 극성화 영역에 대해 양의 배향으로 구동되고, 상기 전기 능동형 소자 중 적어도 하나는 그 극성화 영역에 대해 음의 배향으로 구동되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치.The method of claim 13, wherein at least one of the electrically active devices is driven in a positive orientation with respect to its polarized region, and at least one of the electrically active devices is driven in a negative orientation with respect to its polarized region. Actuator device. 청구항 13에 있어서, 상기 장치는 상기 전기 능동형 소자 및 컨덕터를 에워싸는 층을 더 포함하고, 상기 액츄에이터 장치는 카드를 형성하는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치.15. The actuator device of claim 13, wherein the device further comprises a layer surrounding the electrically active element and the conductor, wherein the actuator device forms a card. 청구항 13에 있어서, 상기 적어도 제1 컨덕터 및 제2 컨덕터는 복수의 지점에서 상기 적어도 제1 및 제2 전기 능동형 소자와 직접 전기 접촉되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치.The actuator device of claim 13, wherein the at least first conductor and the second conductor are in direct electrical contact with the at least first and second electrically active elements at a plurality of points. 청구항 13에 있어서, 상기 액츄에이터 장치는 대상물에 전단 결합되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치.The actuator device of claim 13, wherein the actuator device is shear coupled to an object. 청구항 13에 있어서, 상기 액츄에이터 장치는 스택, 플렉셔, 쉘, 판 또는 굽힘기로서 구성되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치.The actuator device of claim 13, wherein the actuator device is configured as a stack, flexure, shell, plate, or bend. 청구항 13에 있어서, 절연체를 더 포함하고, 상기 제1 및 제2 전기 능동형 소자와 절연체는 상기 제1 및 제2 전기 능동형 소자 내의 평면내 스트레인이 상기 제1 및 제2 전기 능동형 소자와 절연체 사이에 전단 결합되도록 함께 접합되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치.15. The device of claim 13, further comprising an insulator, wherein the first and second electrically active elements and insulators have an in-plane strain in the first and second electrically active elements between the first and second electrically active elements and insulator. Actuator device, characterized in that bonded together to shear bond. 청구항 23에 있어서, 적어도 제3의 컨덕터를 더 포함하고, 상기 제3 컨덕터는 상기 제1 또는 제2 컨덕터와 직접 전기 접촉되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치.24. The actuator device of claim 23, further comprising at least a third conductor, wherein the third conductor is in direct electrical contact with the first or second conductor. 적어도 제1 영역 및 제2 영역이 있는 적어도 하나의 전기 능동형 소자와.At least one electrically active device having at least a first region and a second region. 적어도 제1 및 제2 컨덕터를 포함하고,At least first and second conductors, 상기 제1 컨덕터는 상기 제1 전기 능동형 소자의 제1 영역과 직접 전기 접촉되며, 상기 제2 컨덕터는 상기 전기 능동형 소자의 제2 영역과 직접 전기 접촉되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치.And the first conductor is in direct electrical contact with the first region of the first electrically active element, and the second conductor is in direct electrical contact with the second region of the electrically active element. 청구항 25에 있어서, 상기 전기 능동형 소자의 제1 영역 및 제2 영역은 반대 방향으로 극성화되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치.27. The actuator device of claim 25, wherein the first and second regions of the electrically active element are polarized in opposite directions. 청구항 25에 있어서, 상기 전기 능동형 소자의 제1 및 제2 영역은 동일한 방향으로 극성화되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치.26. The actuator device of claim 25, wherein the first and second regions of the electrically active element are polarized in the same direction. 청구항 25에 있어서, 상기 액츄에이터 장치는 대상물에 전단 결합되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치.26. The actuator device of claim 25, wherein the actuator device is shear coupled to the object. 청구항 25에 있어서, 상기 액츄에이터 장치는 스택, 플렉셔, 쉘, 판 또는 굽힙기로서 구성되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치.26. The actuator device of claim 25, wherein the actuator device is configured as a stack, flexure, shell, plate, or bend. 청구항 25에 있어서, 절연체를 더 포함하고, 상기 전기 능동형 소자와 절연체는 상기 전기 능동형 소자 내의 평면내 스트레인이 상기 전기 능동형 소자와 절연체 사이에 전단 결합되도록 함께 접합되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치.27. The actuator device of claim 25, further comprising an insulator, wherein the electrically active element and insulator are bonded together such that in-plane strain in the electrically active element is shear coupled between the electrically active element and the insulator. 청구항 30에 있어서, 적어도 하나의 제3 컨덕터를 더 포함하고, 상기 제3 컨덕터는 상기 제1 또는 제2 컨덕터와 직접 전기 접촉되는 것을 특징으로 하는 액츄에이터 장치.31. The actuator device of claim 30, further comprising at least one third conductor, wherein the third conductor is in direct electrical contact with the first or second conductor. 대상물의 진동을 감쇠시키는 방법으로서,As a method of damping vibration of an object, (a) 청구항 13에 따른 액츄에이터 장치로서, 전기 신호가 상기 제1 및 제2 컨덕터 중 적어도 하나에 인가될 때 상기 적어도 제1 및 제2 전기 능동형 소자의 평면 내 스트레인이 상기 대상물에 기계적으로 작용하도록 상기 액츄에이터 장치를 대상물에 접합하는 단계와,(a) an actuator device according to claim 13, wherein an in-plane strain of the at least first and second electrically active elements mechanically acts on the object when an electrical signal is applied to at least one of the first and second conductors. Bonding the actuator device to an object; (b) 전기 신호를 상기 컨덕터 중 하나에 인가하는 단계(b) applying an electrical signal to one of the conductors 를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.Method comprising a. 액츄에이터 장치를 형성하는 방법으로서,As a method of forming an actuator device, (a)절연체와 적어도 제1 및 제2 컨덕터를 포함하는 가요성 회로를 준비하는 단계와,(a) preparing a flexible circuit comprising an insulator and at least first and second conductors, (b) 상기 전기 능동형 소자의 평면 내 스트레인이 상기 전기 능동형 소자와 가요성 회로 사이에 전단 결합되고, 상기 전기 능동형 소자가 상기 적어도 제1 및 제2 컨덕터와 직접 접합되게 전기 능동형 소자를 상기 가요성 회로에 접합하는 단계(b) in-plane strain of the electrically active element is shear coupled between the electrically active element and the flexible circuit, and the electrically active element is directly bonded to the at least first and second conductors. Bonding to the circuit 를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.Method comprising a.
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