JPH09511100A - パッケージ化歪みアクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 カードを形成するように電極化シートに接合された電気的能動材料（７１，７３）の１つ又は複数のプレート又は素子を含むモジュラーアクチュエータ組立体。このカードは、密封されており、それ自体が、固体に直接接触させるための、又は流体内に浸漬させるためのベーン、シェーカー、撹拌機、レバー、押し器又は超音波分解機を構成することができる。あるいは、このカードを剛性の接着剤で接合し、前記プレートの表面を前記シートを介して固体工作物、デバイス、基材、機械、サンプル又はその他の物品に機械的にカップリングすることができる。そのような積層組立体は、前記プレートを支持し、薄いプレートが破断点まで変形しないように曲げ剛性を提供し、剪断力が該プレートから工作物へ効率的にカップリングされるように機械的剛性を提供する。更に別の実施形態として、このカードは、外部電源への接続をほとんど、あるいは、全く必要としないように、信号を切換え、付勢し、処理するための能動回路素子、及び、又は、信号を濾波し、整合し又は減衰させるための受動回路素子を含むものとすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】 パッケージ化歪みアクチュエータ技術背景 本発明は、能動的振動減少、構造的制御、動的試験、精密位置ぎめ、運動制御 、撹拌、振盪付与、及び受動又は能動的減衰のために用いることができるような アクチュエータ素子に関し、特に、振動を能動的に抑制し、構造体を作動させ、 あるいは、デバイスの機械的状態を減衰するために電子的に制御可能な、別個に 使用することができるパッケージ化（パッケージされた）アクチュエータ組立体 に関する。以下の節に説明するように、この組立体は、構造体又はシステムに接 合又は取付けることができ、作動、制御又は減衰すべきシステムと一体に統合す ることができる。 圧電、電気歪み又は磁気歪み材のようなスマート材は、構造的ノイズ又は音響 ノイズの作動又は減衰のような高帯域幅タスクに使用することができ、精密位置 ぎめ用途にも使用することができる。そのような応用例においては、スマート材 をそれが制御すべき構造体に接合又は取付けることを必要とすることが多い。し かしながら、この種の材料から成る汎用アクチュエータは、一般には入手できな いので、そのような制御タスクを実行するには、生の、おそらく無電極のスマー ト材の原材料を必要な電極、接着剤及び絶縁部材と一緒に入手し、それを対象物 品に固着するか、あるいは組込まなければならない のが普通である。 そのような応用例においては、スマート材に対する機械的電気的接続部が頑丈 で、スマート部材内に歪みを創生するか、あるいは、そのシステムを変位又は押 圧することができるような態様に上記各材料を結合し、取付けることが必要であ り、その歪み、運動又は力を制御すべき物体に結合させることが必要になる。ス マート材は、温和でない環境下で使用しなければならないことが多く、従って、 スマート材が機械的又は電気的損傷を受けるおそれが高くなる。 例えば、構造体の振動を抑制し、構造体を作動させるような応用例の場合、１ 個又は多数の圧電素子（以下、単に「素子」とも称する）を構造体に付設しなけ ればならない。圧電素子が作動されると、圧電素子に印加された電気的エネルギ ーが圧電効果によって機械的エネルギーに変換され、その機械的エネルギーが圧 電素子全体に亙って分配される。圧電材内に機械的インパルスを選択的に創生す るか、あるいは、圧電材内の歪みを変化させることによって、その下の構造体特 異的形状制御を達成することができる。固有振動を抑制するために、あるいは、 制御された振動又は変位を付与するために急激な作動を用いることができる。圧 電材及びその他のインテリジェント材のこのような応用例は、近年益々普及して きている。 典型的な振動抑制及び作動付与の応用例においては、 圧電素子を複雑な工程順序で構造体に接合する。即ち、まず構造体の表面を機械 加工し、圧電素子に接続する必要のあるリードを担持するための１つ又は複数の チャンネルを形成する。あるいは機械加工によってチャンネルを形成する方法に 代わる別法として、機械的接続部と電気的接点の両方を形成するために２種類の 異なるエポキシを用いることができる。この別法においては、導電性エポキシを 点状に、即ち局部的にと付して導電体を形成し、構造体の残りの部分（導電性エ ポキシが塗布されていない部分）に構造的エポキシ（機械的な接合力を有する、 即ち、構造的強度を提供するエポキシ）を塗布して、素子を構造体に接合する。 次いで、全体を防護コーチングで被覆する。 この組立て方法は、労働集約的であり、しかも、エポキシによる加工に問題が あるために加工のやり直しを必要とすることがしばしばある。又、この方法は特 に圧電素子の心合及び接合の面でむらがあるので、個々の圧電素子間の機械的均 一性を得ることが困難である。この方法で形成された電気的接続部も機械的接続 部も信頼性に欠けることが多い。導電性エポキシは、望ましくない態様に流動す ることが多く、圧電素子の両端間に短絡を起す。更に、圧電素子は、非常に脆弱 であるから、接合中又は取扱い中支持体によって支持されていないと、破損する ことがある。 このような在来の製造方法のもう１つの欠点は、圧電 素子が構造体に接合された後、破断が生じると、圧電素子のうち導体と接触して いない部分がディスエーブルされることである。それによって、素子の完全作動 が阻害される。通常、作業員並びに他の回路部品を、高電圧を帯びることがある これらのデバイスの電極から遮蔽しておかなければならないので、遮蔽も、難点 の１つとなることがある。 薄い圧電プレート、円筒体、又はディスク又は環状体の積重体のような圧電素 子を制御可能な構造体に組込むための１つの方法が、米国特許第４，８４９，６ ６８号に開示されている。この方法は、各要素を一体の構造体として手作業で組 入れる細かい作業を伴うものであり、圧電素子は、強い支持体として機能する積 層複合体である構造体の内部に絶縁されて収容される。この支持体は、電極に亀 裂が生じるという問題を解消し、少くとも同特許に記載されているところによれ ば、構造的強度を機械的作動効率の点で最大限に活用するように計算された態様 で具現化することができる。更に、円筒体や、積重された環状体の圧電素子の場 合は、そのような既製の圧電素子に存在する自然の通路が、配線を設置するとい う、さもなくば（そのような通路がなければ）困難な作業をある程度簡略化する 。しかしながら、設計が簡単ではなく、製造工程に時間がかかり、組立中及び作 動中、いろいろな支障を生じ易い。 動的試験の分野では、構造体のレスポンスを測定又は 制御することができるように構造体を振動又は揺動させるための融通性のあるア クチュエータを必要とする。しかしながら、この分野において被試験デバイスを 振動させるための一般に是認されている方法は、直線外乱を起すために電気−機 械的モータを用いることから成る。そのようなモータは、一般に、モータをデカ ップリング（脱結合）したい信号からデカップリングするためにスティンガー設 計によって適用される。それでもなお、そのような外部モータは、構造体を励振 するために用いられた場合、動的カップリング（結合）に遭遇することが多いと いう欠点を有する。更に、このタイプのアクチュエータ（モータ）は、構造体に 慣性を加えるので、望ましくない動力学的現象を惹起する。励振器（モータ）が 構造体の一体部分でない場合は、構造体が接地される場合がある。これらの要因 は、デバイスの挙動を著しく複雑にするとともに、対象とする状態のモデリング 又は数学的分析を複雑にする。圧電アクチュエータの使用は、これらの欠点の多 くを克服することができるが、上述したように、構造が複雑であること、作動特 性にむらがあること、耐久性が劣ることなどの固有の問題を有する。検出の目的 に圧電又は電気歪み素子を使用する場合にも同様な問題がある。 従って、素子が高帯域幅の作動能力を有し、容易にセットアップすることがで き、しかも、機械的並びに電気的に頑丈であり、制御又は作動させるべき構造体 全体と しての機械的特性をほとんど変更させることがないように、素子を制御又は作動 させるべき構造体に接合する態様を改善することが望ましい。又、圧電素子から 対象構造体への高い歪み移動を達成することも、望まれる。発明の概要 本発明によるアクチュエータ組立体は、圧電又は電気歪みプレート又はシェル のような１つ又は複数の歪み素子と、該素子の周りに防護体を形成するハウジン グと、該ハウジング内に取付けられており、前記歪み素子に接続する電気接点か ら成り、それらの部品が組合わされて可撓性カードを構成するようになされてい る。この組立体の少くとも１側面は、前記歪み素子の１つの大面（例えば直方体 であれば、大きい面と小さい面があるが、大きい面のこと）に付設された薄いシ ートを有し、そのシートの外面を物体に接合することによって、その物体と前記 ハウジング内の歪み素子との間に剪断作用を受けない堅いカップリング（結合） が得られる。 好ましい実施形態においては、歪み素子（以下、単に「素子」とも称する）は 、非常に薄く、好ましくは８分の１ｍｍより僅かに薄い厚さから数ｍｍまでの厚 さであり、表面積が比較的大きく、幅と長さの一方又は両方の寸法が厚さ寸法の 数＋倍又は数百倍である圧電セラミックプレートとする。金属化フィルムが電極 接点を構成し、構造的エポキシと絶縁材が、デバイスの剥離、亀裂及び周囲環境 への露出を防止するためにデバイスを気密密 封するように構成する。好ましい実施形態では、この金属化フィルムと絶縁材は 、いずれも、強靱なポリマー材製の可撓性回路内に設け、それによって、内部に 囲包された素子に頑丈な機械的及び電気的カップリングを与えるようにする。 一例として、厚さ４分の１ｍｍ、長さ及び幅が各々１〜３ｃｍである複数の長 方形のＰＺＴプレート（圧電セラミックプレートの商品名であり、以下、「ＰＺ Ｔ素子」又は単に「プレート」又は「素子」とも称する）を用いた構成について 以下に説明する。これらのＰＺＴプレートを片面又は両面に銅をクラッド（被覆 ）した強靱なポリマー、例えば厚さ２分の１ミル、１ミル又は２ミルのポリイミ ドのシート上に、又はそれらのシートの間に装着する。ポリマーシートの銅層（ 銅クラッド）には、ＰＺＴプレートに接触するための適当な導電性電極パターン （導体パターン）が形成されている。いろいろなスペーサをプレートの周りに囲 繞し、全体の構造体（ＰＺＴプレートとポリマーシートの組立体）を構造的ポリ マーで接合し、プレートの厚さとほぼ同じ厚さ、例えば３０〜５０ｍｍの厚さを 有する、耐水性の、絶縁された密閉パッケージとする。このパッケージは、この ように囲包されているので、湾曲させたり、屈伸させたり、鋭い衝撃を受けたり しても、その中に収納されている脆弱なＰＺＴ素子が破断することがない。更に 、導体パターンがポリイミドのシートに取付けられているので、たとえ ＰＺＴ素子に亀裂が生じたとしても、電極を切断したり、素子の全面に亙って作 動を阻止したりすることがなく、あるいは、素子の性能を著しく劣化させること がない。 この薄いパッケージは、電極を完備した小さい「カード」の形の完全なモジュ ールユニットを構成する。従って、このパッケージは、その１つの面を構造体に 接合することによって好便に取付けることができ、囲包された歪み素子と構造体 との間に歪みをカップリングすることができる。この接合は、例えば、単にパッ ケージを接着剤で取付けることによって行うことができ、構造体とＰＺＴプレー トの間にパッケージの１つの面を介して薄い、高剪断強度のカップリングを設定 し、しかも、システム全体（パッケージと構造体との組合せ体）に加える質量を 最少限にすることができる。これらのプレートは、エネルギーを取付け構造体内 にカップリングするアクチュエータであってもよく、あるいは、取付け構造体か らカップリングされた歪みに応答するセンサーであってもよい。 別の実施形態においては、ＰＺＴプレートを一平面内又は交差平面において分 極化するために特定の電極パターンを選択的に上記ポリマーシート上に形成し、 ＰＺＴ素子の多数層を単一のカード内に配列又は積重し、曲げ、剪断、又は特別 のねじれ作動を惹起するように構成することができる。 本発明の別の側面によれば、ＰＺＴ素子によって発せられた信号を濾波、分路 又は処理するために、又は、機械的環境を検出するために、あるいは、アクチュ エータ素子を駆動するための電源を局部的に切り入り又は増幅するために、回路 素子をモジュラーパッケージ内に、又はモジュラーパッケージと一体的に形成す ることができる。このアクチュエータパッケージには、パイプ、ロッド又はシャ フトの周りに取付けるのに適するように例えば半円筒形の、予備成形されたＰＺ Ｔ素子をモジュラー表面実装シェルとして形成することができる。図面の簡単な説明 本発明の上記及びその他の目的並びに特徴、及びそれらを達成する態様は、以 下に添付図を参照して述べる本発明の実施形態の説明から一層明かになろう。 図１Ａは、代表的な従来技術のシステムの概略図である。 図１Ｂ及び１Ｃは、本発明による２つのシステムのそれぞれ概略図である。 図２Ａ及び２Ｂは、それぞれ、本発明による基本的なアクチュエータ又はセン サーカードの上面図及び断面図である。 図２Ｃは、回路素子を備えたアクチュエータ又はセンサーカードの上面図であ る。 図３は、別の実施形態によるカードの概略説明図である。 図４Ａ及び４Ｂは、図３のカードの断面図である。 図５及び５Ａは、図３のカードの層構造の詳細図である。 図６は、平面内作動のためのアクチュエータパッケージの櫛形電極を示す。 図７は、図６のカードを用いたねじれアクチュエータパッケージの平面図であ る。 図８Ａ及び８Ｂは、それぞれ、表面又はロッドに表面実装アクチュエータとし て実装されたアクチュエータの透視図である。 図９Ａ〜９Ｑは、それぞれ、機械的素子として実装されたアクチュエータの概 略図である。好ましい実施形態の説明 図１Ａは、従来技術の表面実相圧電アクチュエータ組立体（以下、単に「アク チュエータ」とも称する）１０の製造工程と全体像を概略的に示す。構造体２０ は、例えば、構造部材又は機械要素、プレート、エアフォイル又はその他の相互 作用シート、又はデバイス又はその一部分であり、ＰＺＴ（圧電）素子のような スマート材のシート又はプレート１２（以下、「ＰＺＴ素子」、「スマート材」 、「圧電素子」、「アクチュエータ」又は「アクチュエータ素子」とも称する） は、導電性ポリマー１４と構造的ポリマー１６の組合せ体によって構造体２０に 接合されている。絶縁体１８は、その全部又は一部を構造的ポリマー１６で形成 することができ、スマート 材のシート１２を囲包して防護している。導電性リード又は表面電極は、導電性 ポリマー１４によって形成され、取付けられている。 外部の制御装置３０は、駆動信号を導線３２ａ，３２ｂを通してスマート材１ ２へ供給し、歪みゲージ３５のような表面実相機器から測定信号を受けとり、そ の測定信号から適正な駆動信号を引出す。いろいろな形態の制御が可能である。 例えば、歪みゲージ即ちセンサー３５は、固有共振の励起を検出するように配置 することができ、制御装置３０は、構造体２０を補剛するようにセンサー３５の 出力に応答してにＰＺＴ素子１２を作動させることができ、それによって構造体 ２０の固有共振を偏移させることができる。あるいは別法として、発生しようと する動的状態を減殺するために、センサー３５によって検出された振動を処理さ れた位相遅れの駆動信号としてフィードバックすることもできる。あるいは、ア クチュエータ１２は、運動制御のために駆動することもできる。 よく知られている機械的システムにおいては、制御装置３０の制御器は、経験 的状態、即ち空気力学的状態又は事象を認識し、所望の変化を実行するために各 アクチュエータ１２のための駆動信号の利得と位相を特定する特別の制御法則を 選択するようにプログラムしておくことができる。 このような応用例においては、一般に、裸のＰＺＴプ レートをその制御回路と工作物に取付けるということが重要な作業になる。その 組立て工程の多くが失敗し易い困難な作業であり、定量的制御が求められる場合 は、製造工程において得られた特定の厚さ及び機械的剛性に対して適正な作動モ ードのための制御パラメータを設定するためには、デバイスが組立てられた後そ のデバイスの広範なモデリングを行う必要がある。 図１Ｂは、本発明の一実施形態によるアクチュエータを示す。図に示されるよ うに、このアクチュエータは、５分硬化エポキシ１３のような速硬性接着剤で構 造体２０に簡単に取付けられるモジュラーパック、パッケージ又はカード４０で ある。図には示されていないが、カード４０を構造体又は外部物体又は物品２０ に取付ける接着剤は、例えば０．００２〜０．０１ｍｍ程度の非常に薄い層であ ってよく、一般に、アクチュエータとそれが取付けられた物体との間に歪みを有 効にカップリング（結合）するように選択される。他の形態として、アクチュエ ータを点又は線で取付けることもできる。 従って、検出及び制御作動が、より簡単に設置することができ、より均一にモ デリング設計されたアクチュエータ構造から得られるという利点がある。詳述す れば、モジュラーパック４０は、剛性であるが、湾曲可能なプレート、即ち、カ ードの形とされており、従来の制御装置３０に比べて簡略化された制御装置５０ に接続することができるように、多重ピンソケットに差込むための、 カードの側縁に配置された好ましくはパッドの形の１つ又は複数の電気コネクタ を有している。 図２Ｃを参照して後に詳述するように、モジュラーパッケージ４０には、平面 状の、即ち薄型の回路素子を組込むこともできる。そのような回路素子は、加重 又は分路抵抗器、インピーダンス整合器、フィルタ及び信号調整プリアンプ等の 信号処理素子を含むものとすることができ、更に、直接デジタル制御によって作 動させることができるようにスイッチングトランジスタ及びその他の素子を含む ものとすることができ、それによって、必要な外部の電気接続部は、マイクロプ ロセッサ又は論理制御器と、電源の接続部だけとすることができる。 比較的低い電源での制御に特に適する別の実施形態においては、図１Ｃに示さ れるようなモジュラーパッケージ６０を提供することができる。パッケージ６０ は、バッテリ又は電源セルのような自前の電源を自蔵したものとすることができ 、オンボードドライバー及び分路をさせるためにマイクロプロセッサチップ又は プログラムかのうなロジックアレーのような制御器を含むものとすることができ 、それによって、外部回路接続部を設ける必要なしに、１組の検出及び制御作動 全部を実施することができる。 本発明は、特に、圧電ポリマーに関し、剛性ではあるが、偶発的に非常に脆く なることがあるジルコニウム酸又はニオブ酸金属の焼結結晶又はそれに類する圧 電セラ ミック材のような材料に関する。本発明は又、電気歪み材にも関する。ここでは 、圧電素子及び電気歪み素子（それらの素子の素材は、ある特定の電気機械的特 性を有する）は、総称的に「電気的能動素子」と称することとする。そのような 素子は、その素子の表面を横切って外部の構造体又は工作物（通常、金属又は構 造的ポリマー製）に有効に歪みを移送するには、高い剛性を有することが肝要で あり、本発明は、そのアクチュエータの側面においては、通常は、柔軟なポリマ ーの圧電材は企図していない。ここで用いられる「剛性」及び「柔軟」という用 語は、相対的な表現であるが、アクチュエータに適用された場合の剛性とは、金 属、硬化即ち高架橋エポキシ、ハイテク複合材、又は、ヤング率が０．１×１０⁶ 以上、好ましくは０．２×１０⁶より高いその他の剛性材料のそれにほぼ匹敵す る剛性であると理解されたい。アクチュエータではなく、センサーを製造する場 合は、本発明は、ポリビニリデンジフルオライド（ＰＶＤＦ）フィルムのような 低剛性の圧電材の使用をも企図し、又、より硬化温度の低い結合剤又は接着剤の 使用をも企図する。いずれの場合でも、本発明は、圧電材のシートを防護材のシ ート又はフィルムの広い表面域に結合してなるシート構造体を形成することを企 図するものであり、この防護材シート又はフィルム自体を物品の表面に接合する か、物品内に埋設し、圧電材が物品に直接作用するようにする。この構成の要部 は、上述した第１クラスの 圧電材にあり、それらについて以下に説明する。 総じて、本発明は、アクチュエータとアクチュエータの製造方法に関する。こ こでいう「アクチュエータ」とは、駆動されたとき、歪み、力、運動等を物体又 は構造体にカップリングする完成有用デバイスのことをいう。本発明のアクチュ エータの製造方法は、広い形態では、電気的能動素子を機械的に有用なものとす るために生の電気的能動素子を「パッケージする」ことを含む。例として述べれ ば、生の電気的能動圧電材即ち「素子」は、シート、リング、ワッシャー、円筒 体、プレート等の基本的な形状の生の圧電材を含むいろいろな半加工のバルク材 の形でも市販されているし、積重体のようなより複雑な又は複合材的な形でも入 手することができ、更には、バルク材とレバーのような機械的要素とを含むハイ ブリッドの形でも入手することができる。これらの原材料即ち生の素子の１つ又 は複数の表面に、電気接点として機能する金属を被覆することができ、そうする ことが好ましいが、素子の表面を非金属化することもできる。以下に、セラミッ クの圧電材料を例として説明する。これらのあらゆる形態の原材料は、より総称 的には、「素子」、「材料」、又は「電気的能動素子」と称される。先に述べた ように、本発明は、更に、作動するのではなく、歪み、振動、位置又はその他の 物理的特性を検出するためのトランスジューサとして機能する、本発明の方法で 製造された構造体又はデバイスをも含む。従って、以 下の説明では、「アクチュエータ」という用語は、検出用トランスジューサを意 味する場合もある。 本発明の各実施形態は、これらの剛性の電気的に作動される材料を厚さ数ｍｍ 以下、例えば、約５分の１から４分の１ｍｍの薄いシート即ちフィルム（又はデ ィスク、環状体、プレート、円筒体又はシェル）の形で用いる。このプレート（ フィルム）の厚さ寸法は、比較的低い全体的電位差でプレートの厚さ寸法に匹敵 する距離に亙って高い電界強度を得ることを可能にし、従って、１０ないし５０ Ｖ又はそれ以下の駆動電圧で全面的な圧電作動が得られる。そのような薄いプレ ートは又、それが取付けられる物体の構造的又は物理的レスポンス特性を大きく 変更することなく、素子を物体に取付けるのを可能にする。従来技術の構成では 、そのような薄い素子は、脆弱であるから、輸送又は搬送等の取扱い中、組立て 中又は硬化工程中に不規則な応力のために破断することがある。僅か２、３ｃｍ 程度下に落しただけでもそのインパクトによって圧電プレートが破断することが あり、圧電プレートが破断しないようにするには、ごく僅かな曲げ撓みしか許容 されない。 これに対して、本発明によれば、薄い電気的に作動される素子（圧電素子）を 複数の絶縁材層によって囲包する。それらの絶縁材層のうちの少くとも１層は、 一表面にパターン化された導電体を有しており、素子自体よりは薄い、例えば圧 電素子の１０分の１ないし２分の１の 厚さの強靱フィルムを含むものとする。１つ又は複数の圧電素子と、絶縁材層と 、いろいろなスペーサ又は構造的填材からパッケージを組立て、電極と、圧電素 子と、それを囲包するフィルム又は層とが、裸の作動素子（圧電素子）よりそれ ほど厚くない厚さの密封カードを構成するようにする。後述するように複数の素 子を幾つかの層をなして配置する場合でも、パッケージの厚さは、積重された複 数の作動素子の厚さの合計よりそれほど厚くない。 図２Ａは、本発明の基本的実施形態によるアクチュエータ組立体（「アクチュ エータパッケージ」又は単に「パッケージ」又は「デバイス」とも称する）１０ ０を示す。ポリイミドのような高絶縁材の薄いフィルム又はシート１１０は、少 くともその一表面を金属化（通常、銅クラッドによる）され、完成時のアクチュ エータパッケージと同じ大きさか、それより僅かに大きい長方形である。多層回 路板を製造するのに好適な材料は、米国アリゾナ州チャンドラーのロジャース・ コーポレーションからＦｌｅｘ−Ｉ−Ｍｉｄ３００という商品名で販売されてい る無接着材の回路材である。この回路材は、圧延銅箔の上に形成されたポリイミ ドフィルムから成るものである。いろいろなサイズのものが市販されており、金 属箔（「金属層」、「箔層」又は単に「箔」とも称する）は、１８〜７０μｍの 厚さであり、厚さ１３〜５０μｍのポリイミドフィルムで一体的に被覆されてい る。その 他の厚さのものも製造することができる。この市販の材料の場合、金属箔とポリ マーフィルムとを接着剤なしで互いに直接接合し、その金属層を慣用のマスキン グ及びエッチング法によってパターン化する（パターンを付与する）ことができ る。このような多数のパターン化層を後に詳述するような態様で多層板の形に積 層することができる。接着剤を用いないので、組立体を弱めたり、離層（層剥離 ）を惹起する原因となる残留接着剤が存在しない。圧延された銅箔は、高い平面 内引張強度を発揮し、一方、ポリイミドフィルムは、強靱な、無瑕疵の電気絶縁 バリヤーを構成する。 以下に説明する構成では、ポリイミドフィルム（以下、単に「フィルム」とも 称する）は、電極を覆う絶縁体を構成するばかりでなく、デバイスの外表面をも 構成する。従って、このフィルムは、高い絶縁耐力と、高い剪断強さと、耐水性 と、他の物体の表面に接合する能力を有することが要求される。又、好ましい製 造方法において用いられる硬化温度や、ある種の使用環境を考慮すれば、高い耐 熱性も必要とされる。一般的に、ポリアミド／ポリイミドがこの目的に有用であ ると認められたが、それと同様の特性を有するポリエステルのような他の材料を 用いることもできる。 本発明の構成においては、フィルムの箔層を慣用のマスキング及びエッチング 法によって（例えば、フォトレジストによるマスキングとパターン形成を行った 後、塩 化第２鉄でエッチングすることによって）パターン化し、圧電プレート素子の表 面に接触させるための電極を形成する。電極１１１は、長方形のフィルムの内側 の１つ又は複数の小区域に延在し、デバイスの縁に突設された補強されたパッド 又はランド１１１ａ，１１１ｂにつながっている。これらの電極１１１は、圧電 素子の全長及び全幅を横切る幅広の屈曲経路に沿って圧電素子に接触するように パターンとして配列され、それによって、電極又は圧電素子に２、３の亀裂や局 部的破断が生じても、圧電素子が電極に接触した状態に保持されるようにする。 シート１１０の周縁にフレーム部材１２０を配置し、少くとも１つの圧電プレ ート素子（「アクチュエータ素子」、「圧電素子」又は「圧電プレート」又は単 に「プレート」又は「素子」とも称する）１１２を、電極１１１によって接触さ れるように中央領域内に配置する。フレーム部材１２０は、縁取りとして機能す るので、各薄い単層は縁にまでは延長しない（図２Ｂ参照）。フレーム部材１２ ０は、又、後述する熱間プレス組立て工程の際、厚さ規定スペーサとしても機能 し、更に、この積層パッケージ１００を組立てる工程の初期段階において挿入さ れる圧電プレート１１２の位置を規定する位置マーカーとしても機能する。 図２Ａは、デバイス１００を一体に結合する、半透明の上被層１１６（図２Ｂ ）を含む層構造を示していない という点で概略的な図である。上側層１１６は、プレート１１２の上面を被い、 スペーサ１２０及びシート１１０と協同して組立体１００を閉鎖する。同様な層 １１４が、圧電素子１１２の下面を被っており、電極１１１が素子１１２に接触 することができるように適当な切抜き開口を有している。層１１４，１１６は、 硬化性エポキシシート材で形成することが好ましく、硬化時の厚さは金属製電極 層の厚さと同じとし、それらに接触する両側の材料を結合する接着層として機能 する。このエポキシは、硬化すると、デバイス１００の構造的本体を構成し、組 立体を補剛し、圧電素子の表面の大部分に亙って延在して圧電素子を補強すると ともに、亀裂の伝播を防止し、それによって、素子の寿命を延長する。更に、こ の層からのエポキシは、実際、極薄であるが、電極１１１を被って不連続性の高 いフィルム（厚さ約０．００２５ｍｍ）として延展し、電極を広い領域に亙って 圧電プレートに堅く接合し、しかも、このエポキシは、電極と圧電素子との間に 直接の電気的接触が相当大きな、分布された接触区域に亙って設定されるのに十 分な数の空隙及びピンホールを有するすることが認められた。。 図２Ｂは、図２Ａの実施形態の断面図を示す（ただし、各構成部品の寸法は正 確な比例関係で示されていない）。おおよその寸法比率として述べると、圧電プ レート１１２の厚さを０．２〜０．２５ｍｍとすると、絶縁フィルム１１０は、 それよりはるかに薄く、せいぜい圧電 プレートの厚さの１０分の１から５分の１程度であり、導電性の銅から成る電極 層１１１は、１０〜５０μｍの厚さとすることができる。電極層１１１のこの厚 さ範囲は、厳密な限定範囲ではないが、電気的作動特性が良好で、製造するのに 便利であり、圧電素子からフィルム１１０を通しての歪み伝達の効率を阻害した り、離層の問題を起こすほど厚くない電極厚さの有用範囲を示す。 構造的エポキシ１１４は、各層の電極１１１間の空間を埋め、それらの電極と ほぼ同じ厚さを有するので、組立体１００全体が充実ブロックとなる。 スペーサ１２０は、例えば比較的架橋度の低いポリマーのよつな、比較的圧縮 性が低く、弾性率の低い材料で形成され、後述する加圧硬化エポキシと一緒に用 いられる場合は、フィルム１１０の頂面層と底面層との間の他の構成部品の周り の縁取りを構成するように、圧電プレート又はそれらの積重体の厚さにほぼ匹敵 する厚さであることが好ましい。 本発明の好ましい製造方法は、層１１６を硬化させる際パッケージ１００全体 に圧力を加える操作を伴う。その際、スペーサ１２０は、図３〜５を参照して後 に説明するように、圧電プレートを、及び回路素子が設けられてりう場合は回路 素子をも心合させる働きをするとともに、硬化工程において僅かに圧縮されたフ レームを構成する。即ち、硬化工程の際、フレーム１２０は、変形して縁を密封 し、縁に応力を与えたり、ゆがめたりするこ とがない。硬化工程の際のフレーム１２０の僅かな圧縮は、空隙を排除し、稠密 な亀裂のない充実体を形成し、硬化熱は、高度の架橋をもたらし、高い強度及び 剛性を実現する。 図２Ａ、２Ｂの実施形態によるアクチュエータ組立体１００のための組立て方 法（製造方法）は、以下の通りである。 各々約０．０２５〜０．０５０ｍｍの厚さの１枚又は複数枚の銅クラッド（被 覆）ポリイミドフィルムを最終のアクチュエータパッケージ１００の寸法より僅 かに大きいサイズに切断する。フィルムの銅側にマスクをしてパターン化し、導 電性リード及び任意所望のランド又はアクセス端子と共に、圧電素子に接触させ るための所望形状の電極を形成する。図示の例では、電極パターンは、圧電素子 の一方の面の中央と両側に接触するように位置づけされた３つの鍬状歯を有する 熊手形パターンであるが、他の実施形態としてＨ形又は櫛形のパターンを用いる ことができる。パターンの形成は、回路板又は半導体の製造法において周知のよ うに、クラッドフィルム（金属箔を被覆されたフィルム）をマスキングし、エッ チングし、洗浄することによって行うことができる。マスキングは、フォトレジ ストパターン化法、スクリーニング法、テープマスキング法又はその他の適当な 方法によって行われる。ポリイミドフィルムの電極化された各層は、慣用の印刷 回路板と同様に、回路素子又はアクチュ エータシートの位置を画定するので、以下の説明では単に「フレックス回路」と 称することとする。 次に、電極薄層とほぼ同じ厚さか、それより僅かに厚い未硬化シート状エポキ シ材を切断し（その際所望ならば、電極との電気的接触を良好にするために電極 パターンに整合する通し孔をエポキシ材に形成し）、各フレックス回路に被せて フレックス回路に接着し、各電極部分の周り及び電極間の空間に平面化層を形成 する。次いで、フレックス回路に取付けられた各エポキシ層からバッキング（裏 当材）を剥ぎ取り、予め切断されているスペーサ１２０をフレックス回路の４隅 及び側縁の所定位置に位置づけする。これらのスペーサは、電極の平面より高く 突出するフレームを画定し、以後の組立体工程において圧電素子を嵌め込むため の１つ又は複数の凹所を画定する。次いで、それらのスペーサによって画定され た１つ又は複数の凹所内に１つ又は複数の圧電素子を挿入し、独自の平面化兼接 合層１１４を有する第２の電極化フィルム１１１を該圧電素子の上に重ねて圧電 素子の頂面のための電極接点を形成する。 ある種の曲げアクチュエータ構造体に使用するためのデバイスのように、数層 の圧電素子を有するデバイスを組立てる場合には、上記の組立体工程を繰り返し て、任意の数の追加の電極化フィルム及び圧電プレートを積層すればよい。その 際、上面と下面の両面においてアクチュエータ素子（圧電素子）に接触させるた めの中間電極 層を形成する場合は、両面に電極パターン化された金属クラッドを有するポリイ ミドフィルムを用いることができる。 すべての要素が組立てられたならば、パターン化フレックス回路、圧電シート 、スペーサ及びパターン化エポキシ層の積層組立体全体をプレスに装填して加熱 プラテンの間に挟み、高い温度と圧力で硬化させ、該組立体を剛性の、亀裂のな いアクチュエータカードとする。代表的な実施形態においては、３５０°Ｆの温 度と５０〜１００ｐｓｉの圧力下での３０分間の硬化サイクルを用いる。エポキ シとしては、圧電素子の脱極性温度より低い硬化温度を有し、しかも、高度の剛 性を有するものが選択される。 上述した構成は、圧電プレートが剪断歪みを薄いフィルムを通してアクチュエ ータカードの表面に効率的に伝達するように２層の電極化フィルムの間に挟まれ た単一の圧電プレートを有する簡単なアクチュエータカードを例示している。歪 みの伝達効率の尺度は、剪断弾性率／層の厚さの自乗で表され、ガンマ（γ）と 称されるが、エポキシ１１４、圧延箔電極１１１及びポリイミドフィルム１１０ の弾性率と厚さによって決まる。エポキシと銅電極層の厚さ合計が１．４ミルで あり、エポキシの弾性率が０．５×１０⁶であるような代表的な実施形態におい ては、９×１０¹⁰lb/ｉｎ⁴のγが得られる。より薄いエポキシ層と０．８ミルの 箔を有するフィルムを用 いれば、相当に高いγが得られる。一般には、電極／エポキシ層のγは５×１０¹⁰ lb／ｉｎ⁴であり、ポリイミドフィルムのγは、２×１０¹⁰lb／ｉｎ⁴である。 厚さ１０ミルのＰＺＴアクチュエータプレートを２層と、３層のフレックス回 路電極化フィルム層（中間層のフィルムは両方のＰＺＴプレートに接触するよう に両面クラッド付きである）とを重ねてなるカードの場合、その合計厚さは２８ ミルであり、ＰＺＴプレートだけの厚さの僅か４５％厚いだけである。質量荷重 の点でいえば、アクチュエータ素子の重量は、アクチュエータ組立体全体の総重 量の９０％を占める。別の構成では、一般に、アクチュエータプレートは、パッ ケージの総厚さの５０〜７０％を占め、パッケージの総質量の７０〜９０％を占 める。従って、アクチュエータ自体だけで、近理論的性能モデリングを可能にす る。この構成は、又、単一シートの重ね合わせる態様に関しても、上述したベン ダー（曲げが可能なもの）を具現化することに関しても、高度の融通性を提供す る。 本発明に従って構成されたアクチュエータ組立体のもう１つの有用な性能指標 は、アクチュエータ歪みε対自由状態の圧電素子歪みの比率Λが高いことである 。その比率は、ここに例示した２層形実施形態の場合で約０．８であり、一般的 には０．５より高い。同様に、パッケージ全体の湾曲対自由状態の圧電素子の湾 曲の比率Ｋも高く、上述した構成の場合で約０．８５〜０．９０であ り、一般的には０．７より高い。 従って、全体として、圧電素子をフレックス回路内に埋設させた構造とするパ ッケージ態様は、その重量及び電気機械的作動特性を犠牲にする度合が５０％よ り十分に低く、僅か１０％程度にあるのに対して、その強度及びその他の重要な 点での機械的作動範囲を大幅に高める。例えば、ベース素子にシート状パッケー ジ構造体を追加することは、得られるＫの値を低くするようにみえるが、実際の 使用においては、このフレックス回路構造は、はるかに大きい総撓み度を達成す ることができる圧電ベンダー構造をもたらす。なぜなら、大きなプレート構造体 を製造することができ、亀裂破断やその他の機械的破断モードを起すことなく、 高い曲率の曲げ運動を反復して作動させることができるからである。ここに添付 した幾つかの図に、本発明によるこのような優れた物理的特性が得られるいろい ろな構成を例示する。 まず第１に、積層されたフレックス回路の間に埋設された電気的能動素子の構 造は、予測可能な低質量の一体化された機械的構造体を提供するのみならず、回 路素子をアクチュエータカード内又は上に組込むことを可能にする。図２Ｃは、 このタイプの１つのデバイス７０の上面図（上からみた平面図）を示す。この実 施形態では、各領域７１，７３は、幅広の電気的能動シートを包含し、中央領域 ７２は、バッテリ７５を含む回路又は電源素子と、平面状の電源増幅器又は１組 の電源増幅器７７と 、マイクロプロセッサ７９と複数の歪みゲージ７８を包含している。他の回路素 子８２ａ，８２ｂは、デバイスの周縁の周りに回路導体８１の経路に沿って配置 することができる。他の実施形態の場合と同様に、スペーサ１２０（図２Ｃには 示されていない）は、デバイスのレイアウトを画定して周縁を密封し、電極１１ １は、電気的能動素子を内蔵の処理又は制御回路に取付ける。平面状の即ち他の 回路素子８２ａ，８２ｂは、デバイスがセンサーとして作動されるものである場 合は加重抵抗器で構成することができ、あるいは、受動的減衰制御を実行するた めの分路抵抗器で構成してもよい。更に別法として、回路素子８２ａ，８２ｂは 、キャパシター、増幅器等の濾波、増幅、インピーダンス整合又は記憶素子とし てもよい。いずれにしても、これらの素子も、電気的能動プレート８４から離れ たところに配置される。デバイスを構成する各素子は、集合して、歪みを検出す ることができ、検出された条件に応答していろいろなパターンの作動を実行する ことができる。あるいは、このデバイスは、他の検出又は制御タスクを遂行する ことができ、あるいは、例えば減衰操作のための固定フィードバックを実行する ことができる。 本発明のアクチュエータの側面に戻って説明すると、図３は、各々４枚の圧電 プレート２１６を含む２層の圧電プレート層と組合わされた約１．２５×９．０ ０×０．０３０ｉｎの寸法を有するアクチュエータパッケージ２００の上面図を 示す。端部突片２１０ａを備えた長方形のポリイミドシート２１０は、相互に連 結されたＨ字形の細い銅線の格子のか性とした電極２１１と、突片２１０ａにま で導出された単一のランナ２１１ａを担持しており、圧電プレートを保持する４ つの長方形領域の各々に対して直接低インピーダンスの接続を設定する。これら の圧電プレート２１６自体は、各々、その両面に、連続した（途切れのない）金 属コーチング又はクラッドによって形成された電極を有している。 Ｈ字形のスペーサ素子２２０ａ，２２０ｂ又はＬ字形のスペーサ素子２２０ｃ が、コーナーを画定（線引き）し、圧電プレート２１６を配置するための長方形 のスペースの外輪郭を画定する。この実施形態では、隣接するＨ字形又はＬ字形 のスペーサ素子の間に、後に詳述する複数のギャップ２３０が存在する。以下の 説明から分かるように、これらの小さい個別スペーサ素子の使用は、組立て位置 を区画し、圧電素子のための受け入れ凹部を形成するために、デバイスの組立て 中に粘着性の接合エポキシ層１１４（図２Ｂ参照）上に容易に載せることができ るので、一層容易にされる。ただし、スペーサ構造体は、そのような個別スペー サ素子の集まりに限定され るものではなく、すべての、又は１つ又は複数の方向決め用及び、又は密封用縁 を形成するために、又は、各回路素子の作動を受けとめるための凹部を形成する ために、パンチで打抜き加工されたシート又は成形フレームとして形成された単 一の又は対のフレーム部材とすることもできる。 図５は、層１のポリイミド（絶縁材）フィルム層と、層２の導体（電極）層と 、層３のスペーサ／圧電素子層の３つのシートの各々を別個に示す上面図であり 、図５Ａは、フィルム層と、導体層と、スペーサ／圧電素子層の通常の積層順序 を示す。図に示されるように、スペーサ２２０と圧電プレート２１６とは、各１ 対の電極層２１１の間に単一層を構成する。 図４Ａ及び４Ｂ（各構成部品の寸法は正確な比例関係で示されていない）は、 図３に４Ａ及び４Ｂで示された垂直断面に沿ってみた組立てずみアクチュエータ の層構造を示す。図４Ａに明瞭に示されているように、エポキシシート２１４の パターン化された接合層は、各対応する電極層２１１と共面関係をなし（同一平 面に位置し）て各電極間を充填し、一方、スペーサ２２０ｃは、圧電プレート２ １６と共面関係をなし、該プレートとほぼ同一の厚さを有するか、それより僅か に厚い。例として述べれば、圧電プレート２１６は、５ないし２０ミルの厚さで 市販されているＰＺＴ−５Ａセラミックプレートであり、電極に接触させるため の各面を覆う連続した導電 層（電極化フィルム）２１６ａを有する。各スペーサ２２０は、軟化温度約２５ ０°Ｃの多少圧縮性のプラスチックで形成されており、従って、組立て工程中ス ペーサ材が僅かな空隙２１４ａ（図４Ａ）を充填することができるように硬化温 度ではかなりの度合の圧縮性を示す。 図４Ｂに示されるように、スペーサ間のギャップ２３０が設けられている場合 は、それらのギャップは、硬化性接合層２１４からの余剰のエポキシを逃がす開 口２１４ｂを形成し、それらの開口２１４ｂは、硬化工程中エポキシで充填され る。その際、若干量のエポキシが電極２１１と圧電プレート２１６の間にも滲出 し、それらの間に図４Ｂに示されるようにエポキシフィルム２１５の断片を形成 する。電極２１１は大きく連続した拡がりを有しているので、このように滲出し て生じた断片状のエポキシは、電極２１１と圧電素子２１６との電気的接触を阻 害することはなく、かえって、断片状のエポキシが与える追加の構造的な結合力 が、電極の離層を防止する働きをする。かくして、圧電素子２１６は、電気的に も、機械的にも広い面積に亙って電極化フィルム２１６ａにカップリング（結合 ）される。 図３〜４Ｂに例示された電極配置によれば、曲げを誘起させるために上下に積 重された各対の圧電プレートを互いに対向させて作動させることができ、あるい は、より多数の個別の電極を設けておき、異なる対の圧電プレ ートをそれぞれ異なる態様で作動させるようにすることもできる。一般的には、 上述したように、本発明は、それぞれ異なる態様で作動される多数の個別素子を 含み、検出、制御及び電源又は減衰素子のすべてが同じカード上に実装された非 常に複雑なシステムをも提供することを企図している。この点に関連していえば 、本発明のカードの可撓性は、カードを実用タスクに適応する上での大きな融通 性を更に高める。一般に、本発明のカードは、３０ミル圧のエポキシストリップ のそれに匹敵する柔軟な（順応性のある）可撓性を有するので、損傷することな く、曲げたり、叩いたり、振動させたりすることができる。又、このカードは、 それを取付けようとする表面やコーナーの形状に合致するように、圧電素子が囲 包されていない中心線ＣＬ（図３）の領域において鋭く曲げたり、湾曲させたり することができる。圧電素子を、一平面内に又は交差平面において寸法変化を起 こすように分極化することができ、従って、それによって得られたアクチュエー タを、上述した各制御動作のいずれでも実行するのに、又は、撓み波、剪断波又 は圧縮波のような音響エネルギーを隣接表面に与えるのに効果的な態様で隣接表 面に歪みを伝達するように取付けることができる。 図６は、本発明の別の実施形態によるアクチュエータ３００を示す。この実施 形態のアクチュエータは、図６では概略的にに示されているので、接合エポキシ 層、絶 縁材フィルム層及びスペーサ素子は示されておらず、作動機構を伝えるための電 極と圧電シート（圧電セラミックプレート）だけが示されている。圧電シートの 一方の面の側には、第１組の電極３４０と第２組の電極３４２が同一層内に設け られており、各組の電極は、１つの櫛形電極（以下、「電極櫛」又は単に「櫛」 とも称する）の歯とそれに隣接する他の櫛の歯との間に作動電界が設定されるよ うに２つの櫛を互いに噛合させた櫛形を有する。圧電シートの他方の面の側には 、第１組の櫛形電極３４０及び第２組の櫛形電極３４２と平行な対をなす櫛形電 極３４０ａ及び３４２ａが設けられている。異なる櫛からの各対の歯と歯の間に 電位勾配を有する電界を設定するように、櫛形電極３４０及び３４２は、それぞ れ圧電シートを貫通する等電位線ｅで櫛形電極３４０ａ及び３４２ａに連結され ている。この実施形態では、各櫛と圧電セラミックプレートとの間に直接電気的 接触が設定されるように、圧電セラミックプレートは、金属化処理を施されてい ないものであることが好ましい。金属化処理を施された圧電セラミックプレート が用いられる場合は、圧電セラミックプレートに電極櫛と整合する同様な櫛パタ ーンをエッチングする。電極を付設した後、まず、平面に沿う方向に向けられた 隣接する歯と歯の間に１ｉｎ当り１０００又は２０００ボルト以上の強度の電界 を創生するように２つの櫛の間に高電圧を印加することによって圧電セラミック プレートを平面内で分極化す る。それによって、爾後に２つの櫛形電極の間に電位差が設定されたとき平面内 （剪断）作動が生じるように圧電構造が配向される。 このような２つのアクチュエータ３００は、それらの櫛形電極に信号が印加さ れたときねじれ作動を起すように、図７に示されるように交差させせて配置する ことができる。 上記各実施形態において、歪みエネルギーを電極／ポリイミド層を通して直接 所望の隣接構造体に伝達する場合に明白な、新規な利点が得られることが認めら れた。そのような操作は、作動タスクに使用するのに有用であり、エアフォイル 形状の制御作動や、ノイズ又は振動減殺又は制御等の多種多様の用途に適用する ことができる。 図８Ａ及び８Ｂは、それぞれ、平坦な、又は僅かに湾曲した表面に適用される 平坦なアクチュエータ６０、及び、シャフトに適用される半円筒形のアクチュエ ータ６０の実施形態を示す。このようなアクチュエータが取付けられる物品が金 型成形又は積層によって製造される場合は、そのアクチュエータを物品に沈み込 ませて組込むか、物品内に埋設するか、あるいは、物品内に積層することができ 、アクチュエータの大面積歪みカップリングをその下の物品の表面に当接させる ように構成することができる。 ただし、これらのアクチュエータの各電気機械的材料 は、歪みエネルギーの変換によって作動するものであるが、本発明の応用範囲は 、アクチュエータの表面を介しての歪みカップリングに限定されるものではなく 、アクチュエータ全体によって与えられる運動、トルク又は力を利用した他の多 数の特殊な機械的構造をも含む。各構成素子を圧電プレートと組合せて積層する ことにより、圧電プレートが弾性限度又は破壊限度を越えて動くことがなく、し かも、ほとんど完全な作動効率を保持することができ、自由状態にあるときより もむしろ大きい総変位量を安全に受けることができるようになされた充実構造体 を製造することができる。その結果として、驚くほど融通性の高い機械的デバイ スが得られる。 これらの実施形態のいずれにおいても、基本的なストリップ又はシェル型密封 アクチュエータは、その長手方向に沿って１点又は複数の点においてピン留め又 は連結された頑丈なばね弾性を有する素子として使用される。 図９に示されるように、ストリップは、電気的に作動されると、単独で、又は 他の素子と一緒に、自己運動レバー、フラップ、板ばね、積重体又はベローとし て機能する。即ち、図９Ａ〜９Ｑにおいて、Ａ，Ａ’及びＡ”・・・は、それら の図に示されるようなストリップ又はシート型アクチュエータであり、小三角形 は、例えば構造体に対する剛性の取付点に相当する固定又はピン留めされた位置 を示す。矢印は、運動即ち作動の方向又はそのような作動のための接触点を示し 、Ｌは、アクチュエ ータに取付けられたレバー示し、Ｓは、積重素子即ちアクチュエータを示す。 図９Ａの積重体型構成、図９Ｂの片持ちベンンダー型構成又は図９Ｃの両端を ピン留めされたベンダー型構成は、多くの在来のアクチュエータの代わりに用い ることができる。例えば、図９Ｂに示されるような片持ちビームに針（スタイラ ス）を担持させることにより、高度に制御された単軸線変位を起させて、ペン式 プロッターの直線大変位位置ぎめ機構を構成するようにすることができる。シー トの拡がりを有し、機械的に環状なアクチュエータを利用する図９Ｄ以下の多素 子構成からは、特に興味深い機械的特性及び作動特性が期待される。即ち、図９ Ｄ及びＥに示されるように、ピン−ピンベローズ（両端をピン留めされたベロー ズ）型構成は、カメラの焦点合わせ等の用途のために、単純な面接触運動によっ て、延長された正確な単軸線Ｚ運動による位置ぎめを行うのに用いることができ 、あるいは、流体に圧接する前面の運動を利用する蠕動ポンプを構成するのに用 いることができる。 図３に関連して先に述べたように、フレックス回路は、高い柔軟性を有するの で、ヒンジ付け、又は折返し縁は、図３に示される中心線のような部位に沿って 単に折曲げることによって形成することができ、従って、少数の大型多素子アク チュエータユニットで密閉ベローズを製造することができる。本発明のフレック ス回路の構成 は、各対のアクチュエータ素子の間に折り線を有し、チェッカー盤状（碁盤の眼 状）に配列されたアクチュエータ素子配列体を形成することができる。その場合 、折り線は、硬化工程中、例えばワッフル焼き型のような特定輪郭のプレス定盤 を用いて印圧し薄肉とすることによって形成することができる。このような構成 によれば、単一のフレックス回路組立体からシームレスのベローズ又はその他の 折れ目付きアクチュエータを製造することができる。 本発明者は、更に、例えば劇場アニメのための顔マスクや指人形の各部に与え られる曲げ、ねじれ又は揺動等の単純な機械的運動を行わせるのに本発明のこの ようなアクチュエータを用いたところ、それらのアクチュエータは、この種の小 荷重、中庸変位作動タスクに対して優れた作動特性を有し、取付態様に高い融通 性を有することが認められた。 一般に、小ないし中庸変位の空気圧式作動器で実行できるタスクは、本発明の フレックス回路型アクチュエータカードを個別の機械的素子として用いることに よって対処することができ、数十ボルトの電気信号によって駆動することができ る。そのタスクが、シート、フラップ又は壁のような構造体を含むものである場 合は、そのフレックス回路自体が構造用部品を構成するものとすることができる 。このように、本発明は、自動運動撹拌ベーン（羽根）、ベローズ又はポンプ壁 、ミラー等のような 機能に適している。更に、先に述べたように、小変位量の音響又は超音波帯域周 波数の表面カプリングを伴うタスクも、低質量の高度にカプリングされたフレッ クス回路型アクチュエータで容易に実行することができる。 先に述べたように、圧電素子は必ずしも剛性のセラミック素子でなくてもよく 、フレックス回路がセンサーとしてのみ用いられる場合は、セラミック素子か、 あるいはＰＶＤＦのような柔軟な材料を用いてもよい。圧電ポリマーの場合は、 その素子をカプリングするのに、固い硬化性エポキシ接合層ではなく比較的薄く 、柔軟性のある低温接着剤を使用し、より可撓性が高く、より剛性が低い、又は より薄いフィルムを用いることができる。 本発明の製造方法及び実施形態の以上の説明は、本発明が適用される構成の範 囲を示すために記載された。本発明は、歪みアクチュエータ、歪み作動組立体、 ダンパー（制振器）及びセンサーの脆弱性、回路構成及び全般的な効用における 多数の欠点を克服したが、本発明のモジュラーフレックス回路型アクチュエータ 及びセンサーの物理的構造及び実用的応用におけるその他のいろいろな変更及び 改変は、当業者には明らかであり、そのような変更及び改変は、本発明の範囲内 に属することを理解されたい。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９６年１月２９日 【補正内容】 請求の範囲 １．砕け易い圧電セラミック材料のシートと、その上下に積層された複数の 層から成る圧電セラミックパッケージであって、 前記砕け易い圧電セラミック材料のシートは、第１表面と、第１表面の 反対側の第２表面を有し、 該第１表面と第２表面のどちらか一方の表面である能動表面の全面が、 非導電性ポリマーフィルム層と導電性リード層を含む可撓性回路によって覆われ ており、該ポリマーフィルム層は、前記導電性リード層に取付けられた第１表面 と、該第１表面の反対側の第２表面を有し、該導電性リード層は、該フィルム層 を横切る経路内に延長し、該フィルム層の上に突出したリードセグメントのパタ ーンを有しており、 前記可撓性回路は、硬化性材料の接合層によって前記砕け易い圧電セラ ミック材料のシートの前記能動表面に接合されており、それによって、該シート が該接合層によって強化、防護され、該接合層と該可撓性回路とが協同して該シ ートの能動表面を覆う防護スキンを構成しており、 前記リード層のリードセグメントは、前記接合層内へ突入し、該接合層 内の該リードセグメントの下に 生じた微小空隙を介して前記圧電セラミック材料の能動表面に接触して該能動表 面に接合されるとともに能動表面との直接的電気接触を設定しており、 前記接合層の硬化性材料は、前記リード層の前記各リードセグメント間 を充填して前記ポリマーフィルム層の第１表面を前記圧電セラミック材料のシー トの能動表面に堅く接合しており、それによって、該圧電セラミック材料のシー トの平面内歪みが、該圧電セラミック材料と前記ポリマーフィルム層の第２表面 との間に効率的に剪断カップリングされるように構成されていることを特徴とす る圧電セラミックパッケージ。 請求の範囲第２項を削除する。 ３．前記硬化性材料は、高架橋性ポリマーであることを特徴とする請求の範 囲第１項に記載の圧電セラミックパッケージ。 ４．前記圧電セラミック材料のシートは、ほぼ１ｍｍ以下の厚さを有する圧 電プレートであることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の圧電セラミックパ ッケージ。 ５．前記圧電プレートの第１及び第２横寸法は、オン緒約１ｃｍより大きい ことを特徴とする請求の範囲第４項に記載の圧電セラミックパッケージ。 ６．前記接合層は、前記導電パターンに対して補完 関係をなすパターンを有する硬化性シート材料の平面化層であることを特徴とす る請求の範囲第１項に記載の圧電セラミックパッケージ。 ７．前記圧電セラミックシートは、シート平面を有し、該シート平面内に電 界を印加するためにフレックス回路が該シートにパターンとして接合されている ことを特徴とする請求の範囲第４項に記載の圧電セラミックパッケージ。 ８．前記圧電セラミックシートは、シート平面を有し、該平面に対して垂直 方向に変化する電界を印加するためにフレックス回路が該シートに接触している ことを特徴とする請求の範囲第４項に記載の圧電セラミックパッケージ。 ９．前記リード層は、櫛形パターンを有することを特徴とする請求の範囲第 １項に記載の圧電セラミックパッケージ。 １０．それぞれ異なる２つの凹部に配設され、該パッケージのねじれ作動を創 生するように互いに異なる方向に作動される２つの異なる圧電セラミックシート を含むことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の圧電セラミックパッケージ。 １１．該パッケージ内に配設された回路素子を含むことを特徴とする請求の範 囲第１項に記載の圧電セラミックパッケージ。 １２．前記回路素子は、分路、フィルタ、インピーダ ンス整合器、記憶素子、電源、増幅器及びスイッチを含むことを特徴とする請求 の範囲第１１項に記載の圧電セラミックパッケージ。 １３．前記回路素子は、制御器を含むことを特徴とする請求の範囲第１１項に 記載の圧電セラミックパッケージ。 １４．第１圧電セラミックシートと第２圧電セラミックシートが、該パッケー ジを湾曲させるために互いに異なる方向に運動するように該パッケージの異なる 層内に配置されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の圧電セラミッ クパッケージ。 １５．ベーン、エアフォイル、シェーカー（振盪篩）、ステップモータ、撹拌 機、ダンパー及び超音波分解機の中から選択されたデバイスを構成することを特 徴とする請求の範囲第１項に記載の圧電セラミックパッケージ。 １６．該パッケージの厚さは、該パッケージ内に積重された複数の圧電セラミ ックプレートの合計の厚さの２分の１未満であることを特徴とする請求の範囲第 １項に記載の圧電セラミックパッケージ。 １７．該パッケージは、積重体、湾曲撓み部材、シェル、プレート及びベンダ ーの中から選択された機械的物品を構成することを特徴とする請求の範囲第１項 に記載の圧電セラミックパッケージ。 １８．押し器、フラップ、レバー、ベンダー、ベロー ズ又はそれらの組合せ体として構成されたことを特徴とする請求の範囲第１項に 記載の圧電セラミックパッケージ。 請求の範囲第１９〜３６項を削除する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ)，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，Ｃ Ｎ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ ，ＨＵ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ， ＬＲ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＮ，ＭＷ，Ｍ Ｘ，ＮＬ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ ，ＳＥ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 ランドストラム，マーク イー. イギリス国 オックスフォード オーエッ クス１ ３ビーエヌ，サカー ビルディン グ，ニュー カレッジ（番地なし) (72)発明者 ムア，ジェフリー ダブリュー. アメリカ合衆国 01742 マサチューセッ ツ，コンコード，ホーソーン ビレッジ ６ (72)発明者 クローリー，エドワード エフ. アメリカ合衆国 02139 マサチューセッ ツ，ケンブリッジ，ソーンダイク ストリ ート ナンバー301 218

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．各々、フィルムのシートと、該フィルムの少くとも一方の側の表面に電 極を有する、少くとも第１及び第２フレックス回路を含む複数のフレックス回路 と、該第１フレックス回路と第２フレックス回路の間に凹部を形成する手段と、 該凹部内に配設され、該フレックス回路に機械的及び電気的にカップリングされ た表面を有する電気的能動素子と、から成る電気的能動デバイス。 ２．該電気的能動デバイスはカードを構成するものであり、前記電気的能動 素子は、硬化性材料の薄い層によって該カード内に積層されていることを特徴と する請求の範囲第１項に記載の電気的能動デバイス。 ３．前記硬化性材料は、高架橋性ポリマーであることを特徴とする請求の範 囲第２項に記載の電気的能動デバイス。 ４．前記電気的能動素子は、ほぼ１ｍｍ以下の厚さを有する圧電プレートで あることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の電気的能動デバイス。 ５．前記圧電プレートの第１及び第２横寸法は、該圧電プレートの厚さの約 １０倍より大きいことを特徴とする請求の範囲第４項に記載の電気的能動デバイ ス。 ６．前記電極は、電極パターンであり、前記電気的能動素子は、該電極パタ ーンに対して補完関係をなすパターンを有する硬化性シート材料の平面化層によ って前記フレックス回路に接合されていることを特徴とする請 求の範囲第１項に記載の電気的能動デバイス。 ７．前記電気的能動素子は、表面平面を有し、前記第１及び第２フレックス 回路の電極は、該平面内で変化する電界を印加するようにパターン化されている ことを特徴とする請求の範囲第４項に記載の電気的能動デバイス。 ８．前記電気的能動素子は、表面平面を有し、前記第１及び第２フレックス 回路の電極は、該平面に対して垂直方向に変化する電界を印加するようになされ ていることを特徴とする請求の範囲第４項に記載の電気的能動デバイス。 ９．前記電極は、櫛形パターンを有することを特徴とする請求の範囲第１項 に記載の電気的能動デバイス。 １０．それぞれ異なる２つの凹部に配設され、ねじれ作動を創生するように配 向された２つの異なる電気的能動素子を含むことを特徴とする請求の範囲第１項 に記載の電気的能動デバイス。 １１．該デバイス内に配設された回路素子を含むことを特徴とする請求の範囲 第１項に記載の電気的能動デバイス。 １２．前記回路素子は、分路、フィルタ、インピーダンス整合器、記憶素子、 電源、増幅器及びスイッチを含むことを特徴とする請求の範囲第１１項に記載の 電気的能動デバイス。 １３．前記回路素子は、制御器を含むことを特徴とする請求の範囲第１１項に 記載の電気的能動デバイス。 １４．前記第１フレックス回路と第２フレックス回路とは、互いに異なる方向 に運動するように異なる層内に接続されていることを特徴とする請求の範囲第１ 項に記載の電気的能動デバイス。 １５．ベーン、エアフォイル、シェーカー（振盪篩）、ステップモータ、撹拌 機、ダンパー及び超音波分解機の中から選択されたデバイスを構成することを特 徴とする請求の範囲第１項に記載の電気的能動デバイス。 １６．該デバイスの厚さは、該デバイス内に積重された複数の電気的能動素子 の合計の厚さより薄いことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の電気的能動デ バイス。 １７．前記電気的能動素子は、積重体、湾曲撓み部材、シェル、プレート及び ベンダーの中から選択された素子であることを特徴とする請求の範囲第１項に記 載の電気的能動デバイス。 １８．押し器、ベーン、フラップ、レバー、ベンダー、ベローズ又はそれらの 組合せ体として構成されたことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の電気的能 動デバイス。 １９．導体を有するフレックス回路と、 シート状歪み素子と、から成り、 前記フレックス回路は、その導体の少くとも一 部分が前記シート状歪み素子に機械的及び電気的にカップリングされるようにし て該シート状歪み素子と積層されてカードを構成し、該カードは、該シート状歪 み素子に対して実質的に剪断作用を生じない機械的カップリングを構成する出力 面を有することを特徴とするアクチュエータ。 ２０．前記フレックス回路は、前記シート状歪み素子を破断させることなく自 由に取扱い、作動させることができるように支持していることを特徴とする請求 の範囲第１９項に記載のアクチュエータ。 ２１．前記シート状歪み素子は、数ｍｍ以下の厚さを有し、該シート状歪み素 子と前記フレックス回路との積層体は、作動されたときの該シート状歪み素子の 歪み及び曲率をその自由状態時の歪み及び曲率の約３０％未満だけ減少させるこ とを特徴とする請求の範囲第１９項に記載のアクチュエータ。 ２２．デバイスを機械的に揺動させる方法であって、 (ｉ)電極化フィルムに積層された電気的能動素子を含むカードを該デバ イスの１領域に接触させて接合する工程と、 (ii)前記フィルムの電極に電気信号を印加して前記電気的能動素子内に 歪みエネルギーを創生し、該電気的能動素子からの歪みエネルギーが前記カード の１面を横切って前記領域内にカップリングされ、該デバイスを揺動させる工程 と、から成る方法。 ２３．アクチュエータを形成する方法であって、 パターンとして配置された導体を有するフレックス回路を形成する工程 と、 電気的能動シートを前記フレックス回路に接合して、該電気的能動シー トがフレックス回路の導体の少くとも一部分に電気的に接触するように該電気的 能動シートをフレックス回路に機械的にカップリングする工程と、 前記フレックス回路と電気的能動シートを剛性のポリマーで組立ててカ ードを構成し、該電気的能動シートが該フレックス回路を介して該カードの出力 面に対して無剪断カップリングを設定するようにする工程と、から成る方法。 ２４．前記組立工程は、前記カード内に回路素子を組込むことを含むことを特 徴とする請求の範囲第２３項に記載の方法。 ２５．電気的能動デバイスを形成する方法であって、 第１電極及び第２電極を有する第１フレックス回路及び第２フレックス 回路を準備して、それらの回路の間に凹部を形成する工程と、 少くとも１つの電気的能動素子を前記凹部内に接合して、該電気的能動 素子の表面を前記第１及び第２フレックス回路に機械的及び電気的に接触させ、 該フレックス回路の１つを介して歪みを与えるための一体の電気的能動構造体を 形成する工程と、から成る方法。 ２６．前記フレックス回路の１つに回路素子を取付ける工程を含めることを特 徴とする請求の範囲第２５項に記載の方法。 ２７．前記接合工程は、複数対の電気的能動素子を積層カードの形に積層する ことを含むことを特徴とする請求の範囲第２５項に記載の方法。 ２８．前記フレックス回路は、前記凹部から離れた１領域において柔軟性を有 し、前記カードを該領域において湾曲させ、物体の形状に合致させることができ ることを特徴とする請求の範囲第２５項に記載の方法。 ２９．フレックス回路を準備する前記工程は、電極を有する少くとも３つのフ レックス回路を準備することを特徴とする請求の範囲第２５項に記載の方法。 ３０．前記フレックス回路の１つの１表面を物体に接合する工程を含み、前記 電極に信号が印加されたとき該デバイスが該フレックス回路を介して該物体に機 械的に作用するように構成することを特徴とする請求の範囲第２５項に記載の方 法。 ３１．前記電気的能動素子を接合する前記工程は、前記電極と共面関係をなす 節合剤のパターン化層によって行われることを特徴とする請求の範囲第２５項に 記載の方法。 ３２．前記接合工程は、前記フレックス回路及びそれに接合された電気的能動 素子を硬化させて１枚のカードとすることを特徴とする請求の範囲第２５項に記 載の方 法。 ３３．前記デバイスは、押し器、ベーン、フラップ、レバー、ベンダー、ベロ ーズ及びそれらの組合せ体野中から選択された単純な機械的デバイスを構成する ことを特徴とする請求の範囲第２５項に記載の方法。 ３４．前記電気的能動素子の励振を減衰させるための抵抗分路を設ける工程を 含むことを特徴とする請求の範囲第２５項に記載の方法。 ３５．物体の機械的制御を実施するために前記デバイスを該物体に取付ける工 程を含むことを特徴とする請求の範囲第２５又は３４項に記載の方法。