JP2001326399A - アクチュエータ装置 - Google Patents
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- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
- H10N30/204—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
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- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/01—Manufacture or treatment
- H10N30/05—Manufacture of multilayered piezoelectric or electrostrictive devices, or parts thereof, e.g. by stacking piezoelectric bodies and electrodes
- H10N30/057—Manufacture of multilayered piezoelectric or electrostrictive devices, or parts thereof, e.g. by stacking piezoelectric bodies and electrodes by stacking bulk piezoelectric or electrostrictive bodies and electrodes
Abstract
(57)【要約】
【課題】 多重圧電層の圧電アクチュエータを、一体結
合積層体の構造として製造する方法を提供する。 【解決手段】 電気的に活性なセラミック材料及び導電
性あるいは非導電性の交互の層は、それらの間に導電性
あるいは非導電性の熱活性接着剤を用いて、積重ね体と
される。積重ね層は加熱されて、接着剤が流動化し、そ
して引き続いて冷却されて、各層の一体結合及び積重ね
装置のドーム化がもたらされる。導電性の基板材料及び
接着材料を用い、他のそれぞれの基板層を逆の極性と
し、基板層を正及び負に交互に変わる電極として、基板
層の間の作動セラミック層へ電界を印加することができ
る。あるいはまた、電気的作動層にその対向する表面上
に薄い金属電極層を備え、電極の間の作動セラミック層
に電界を印加することを可能とする。
合積層体の構造として製造する方法を提供する。 【解決手段】 電気的に活性なセラミック材料及び導電
性あるいは非導電性の交互の層は、それらの間に導電性
あるいは非導電性の熱活性接着剤を用いて、積重ね体と
される。積重ね層は加熱されて、接着剤が流動化し、そ
して引き続いて冷却されて、各層の一体結合及び積重ね
装置のドーム化がもたらされる。導電性の基板材料及び
接着材料を用い、他のそれぞれの基板層を逆の極性と
し、基板層を正及び負に交互に変わる電極として、基板
層の間の作動セラミック層へ電界を印加することができ
る。あるいはまた、電気的作動層にその対向する表面上
に薄い金属電極層を備え、電極の間の作動セラミック層
に電界を印加することを可能とする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般的にはアクチ
ュエータ装置に関し、より詳細には、多重作動圧電層の
単一アクチュエータ装置に関する。
ュエータ装置に関し、より詳細には、多重作動圧電層の
単一アクチュエータ装置に関する。
【０００２】
【従来技術】圧電及び電歪材料は、応力あるいは変形を
与えられると分極電界を発生する。逆に、印加電界のも
とにおいては、それらの材料は寸法が変化する。圧電あ
るいは電歪材料の寸法変化（即ち、膨張あるいは収縮）
は、印加電界の関数である。圧電及び電歪材料は、圧電
（電界による変形）、電歪、誘電、焦電（温度による分
極）、強誘電（電界による分極）及び電気光学（電界に
よる複屈折）などの、多くの組合わさった有用な性質を
有する。それらを用いた装置は、広い応用範囲を有し、
アクチュエータ、スイッチ、ポンプ、スピーカ、セン
サ、開閉器、水中聴音器、水中スピーカ、適応制御光学
機器、可変焦点鏡及びレンズ、振動器、ベンダ、加速度
計、ストレインゲージ及びサドル微動装置がそれらに含
まれる。
与えられると分極電界を発生する。逆に、印加電界のも
とにおいては、それらの材料は寸法が変化する。圧電あ
るいは電歪材料の寸法変化（即ち、膨張あるいは収縮）
は、印加電界の関数である。圧電及び電歪材料は、圧電
（電界による変形）、電歪、誘電、焦電（温度による分
極）、強誘電（電界による分極）及び電気光学（電界に
よる複屈折）などの、多くの組合わさった有用な性質を
有する。それらを用いた装置は、広い応用範囲を有し、
アクチュエータ、スイッチ、ポンプ、スピーカ、セン
サ、開閉器、水中聴音器、水中スピーカ、適応制御光学
機器、可変焦点鏡及びレンズ、振動器、ベンダ、加速度
計、ストレインゲージ及びサドル微動装置がそれらに含
まれる。
【０００３】多様な形態の電気的に活性な装置が従来技
術において既知である。そのような従来の装置の最も単
純なものは、磁歪アクチュエータ及び圧電積重ね体のよ
うな直接方式アクチュエータであり、電界で作動された
ときの材料の寸法の変化を、実際の変位を増幅すること
なく直接に用いる。直接方式アクチュエータには、その
主表面に形成された１対の電極に挟まれた圧電あるいは
電歪セラミック板が含まれる。この装置は通常、セラミ
ック板に、望ましい変形を発生させるのに足りるだけの
大きさの圧電及び／あるいは電歪係数を有する材料で形
成される。これらの直接方式のアクチュエータは、大き
い力を示すが、最高でも１０分の数パーセントである非
常に僅かな変位（変形）しか得られない欠点を有する。
術において既知である。そのような従来の装置の最も単
純なものは、磁歪アクチュエータ及び圧電積重ね体のよ
うな直接方式アクチュエータであり、電界で作動された
ときの材料の寸法の変化を、実際の変位を増幅すること
なく直接に用いる。直接方式アクチュエータには、その
主表面に形成された１対の電極に挟まれた圧電あるいは
電歪セラミック板が含まれる。この装置は通常、セラミ
ック板に、望ましい変形を発生させるのに足りるだけの
大きさの圧電及び／あるいは電歪係数を有する材料で形
成される。これらの直接方式のアクチュエータは、大き
い力を示すが、最高でも１０分の数パーセントである非
常に僅かな変位（変形）しか得られない欠点を有する。
【０００４】間接方式アクチュエータは、直接方式アク
チュエータよりも大きい変位を提供する。それらは外部
構造によって変形の増幅を得る。間接方式アクチュエー
タの例は米国特許第４，９９９，８１９号で開示され、
現在「Ｍｏｏｎｉｅ」としてよく知られているような曲
げ張力変換器である。曲げ張力変換器は、圧電セラミッ
ク素子と金属シェル、応力プラスチック、ガラス繊維あ
るいは同様の構造体とから構成される複合構造体であ
る。通常の曲げ張力装置のアクチュエータ運動は、一般
的に、圧電材料の膨張の結果として発生し、横断方向に
装置の増幅された収縮に機械的に結合される。作動状態
では、それらは、直接方式アクチュエータよりも数オー
ダ大きい変位を示すことができる。
チュエータよりも大きい変位を提供する。それらは外部
構造によって変形の増幅を得る。間接方式アクチュエー
タの例は米国特許第４，９９９，８１９号で開示され、
現在「Ｍｏｏｎｉｅ」としてよく知られているような曲
げ張力変換器である。曲げ張力変換器は、圧電セラミッ
ク素子と金属シェル、応力プラスチック、ガラス繊維あ
るいは同様の構造体とから構成される複合構造体であ
る。通常の曲げ張力装置のアクチュエータ運動は、一般
的に、圧電材料の膨張の結果として発生し、横断方向に
装置の増幅された収縮に機械的に結合される。作動状態
では、それらは、直接方式アクチュエータよりも数オー
ダ大きい変位を示すことができる。
【０００５】間接曲げ方式アクチュエータの他の例に
は、ユニモル及びバイモル圧電素子アクチュエータが含
まれる。ユニモルの１つの型は、外側を可撓性金属箔に
結合している単一圧電素子から構成される構造を有し、
電圧変化で作動する圧電素子により金属箔が刺激され、
圧電素子の運動と反対の軸方向の曲がりあるいは反りを
生ずる。ユニモルについてのアクチュエータ運動は、収
縮あるいは膨張によることが可能である。ユニモルは、
１０％のような大きい変形を示し得るが、１ポンド未満
の荷重しか支えることができない。
は、ユニモル及びバイモル圧電素子アクチュエータが含
まれる。ユニモルの１つの型は、外側を可撓性金属箔に
結合している単一圧電素子から構成される構造を有し、
電圧変化で作動する圧電素子により金属箔が刺激され、
圧電素子の運動と反対の軸方向の曲がりあるいは反りを
生ずる。ユニモルについてのアクチュエータ運動は、収
縮あるいは膨張によることが可能である。ユニモルは、
１０％のような大きい変形を示し得るが、１ポンド未満
の荷重しか支えることができない。
【０００６】通常のバイモル装置は、２つの圧電素子に
挟まれた中間の可撓性金属箔を備える。セラミック素子
の各主表面に電極が結合され、金属箔が内側の２つの電
極に結合される。バイモルはユニモルより大きい変位を
示すが、これは、電圧が印加されると一方のセラミック
素子が収縮し他方が膨張するためである。バイモルは２
０％までの変形を示し得るが、ユニモルと同様に、１ポ
ンドを超える荷重は支持できない。間接曲げ方式アクチ
ュエータは直接方式アクチュエータに比べて大きい変形
を示すことはできるが、変形が増加するにつれてそれら
の機器の荷重支持能力は低下し、非常に小さい荷重支持
能力となってしまう。
挟まれた中間の可撓性金属箔を備える。セラミック素子
の各主表面に電極が結合され、金属箔が内側の２つの電
極に結合される。バイモルはユニモルより大きい変位を
示すが、これは、電圧が印加されると一方のセラミック
素子が収縮し他方が膨張するためである。バイモルは２
０％までの変形を示し得るが、ユニモルと同様に、１ポ
ンドを超える荷重は支持できない。間接曲げ方式アクチ
ュエータは直接方式アクチュエータに比べて大きい変形
を示すことはできるが、変形が増加するにつれてそれら
の機器の荷重支持能力は低下し、非常に小さい荷重支持
能力となってしまう。
【０００７】米国特許第５，４７１，７２１号は現在
「ＲＡＩＮＢＯＷ」としてよく知られているプレストレ
スユニモルを開示しており、これは、還元され内部的に
バイアスされた酸化物ウエハ（Ｒｅｄｕｃｅｄ Ａｎｄ
ＩＮｔｅｒｎａｌｌｙ Ｂｉａｓｅｄ Ｏｘｉｄｅ
Ｗａｆｅｒ）の頭字語である。ＲＡＩＮＢＯＷ装置にお
いては、ウエハの第１の表面は、セラミック材料の還元
形態であって金属性／導電性となっている。加えて、ウ
エハは凹面であり、これは（１）未還元材料に対する還
元材料の容積の縮小及び（２）還元側と誘電性（未還
元）側との間の熱膨張の差による。凹面になっている結
果として、印加電界のない状態では還元側には張力がか
かり一方誘電性側には圧縮がかかる。この正味の効果は
ＲＡＩＮＢＯＷウエハの電気的に活性な側（誘電性側）
を圧縮力の中に置くことであり、そのことは信頼性、増
加された分極、荷重支持能力及び長寿命のために望まし
い形態である。ＲＡＩＮＢＯＷ装置は、バイモルや通常
のユニモルに比べて等しいかあるいは大きい変形を示
し、そしてそれらよりも大きい荷重を支持するが、荷重
支持能力の向上はややよくなった程度に過ぎない。さら
に、ＲＡＩＮＢＯＷアクチュエータを製造するときの化
学還元工程では、鉛蒸気のような気化物質がウエハから
大気中に放出される。
「ＲＡＩＮＢＯＷ」としてよく知られているプレストレ
スユニモルを開示しており、これは、還元され内部的に
バイアスされた酸化物ウエハ（Ｒｅｄｕｃｅｄ Ａｎｄ
ＩＮｔｅｒｎａｌｌｙ Ｂｉａｓｅｄ Ｏｘｉｄｅ
Ｗａｆｅｒ）の頭字語である。ＲＡＩＮＢＯＷ装置にお
いては、ウエハの第１の表面は、セラミック材料の還元
形態であって金属性／導電性となっている。加えて、ウ
エハは凹面であり、これは（１）未還元材料に対する還
元材料の容積の縮小及び（２）還元側と誘電性（未還
元）側との間の熱膨張の差による。凹面になっている結
果として、印加電界のない状態では還元側には張力がか
かり一方誘電性側には圧縮がかかる。この正味の効果は
ＲＡＩＮＢＯＷウエハの電気的に活性な側（誘電性側）
を圧縮力の中に置くことであり、そのことは信頼性、増
加された分極、荷重支持能力及び長寿命のために望まし
い形態である。ＲＡＩＮＢＯＷ装置は、バイモルや通常
のユニモルに比べて等しいかあるいは大きい変形を示
し、そしてそれらよりも大きい荷重を支持するが、荷重
支持能力の向上はややよくなった程度に過ぎない。さら
に、ＲＡＩＮＢＯＷアクチュエータを製造するときの化
学還元工程では、鉛蒸気のような気化物質がウエハから
大気中に放出される。
【０００８】最近になって、ＮＡＳＡは、「ＴＨＵＮＤ
ＥＲ」としてよく知られている他のプレストレスユニモ
ルを開発しており、ＴＨＵＮＤＥＲは、薄層複合ユニモ
ル強誘電駆動体及びセンサ（ＴＨｉｎ ｌａｙｅｒ ｃ
ｏｍｐｏｓｉｔｅ ＵＮｉｍｏｒｐｈ ｆｅｒｒｏｅｌ
ｅｃｔｒｉｃ Ｄｒｉｖｅｒ ａｎｄ ｓＥｎｓｏｒ）
の頭字語である。ＴＨＵＮＤＥＲは、その２つの主表面
がメッキされているＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）圧
電セラミック層を用いて構成される複合構造体である。
金属のプレストレス層が、セラミック層の少なくとも１
つのメッキ面に、ＮＡＳＡが「ＬａＲＣ−ＳＩ（登録商
標）」と称している接着剤の層によって接着される。Ｔ
ＨＵＮＤＥＲアクチュエータの製造時には、セラミック
層、接着剤層及び第１のプレストレス層は同時に接着剤
層の融点以上に加熱され、次いで冷却されて、これによ
り再凝固して接着剤の層ができる。この冷却工程の間
に、金属のプレストレス層及び接着剤層の熱収縮の係数
がセラミック層のそれより大きいために、セラミック層
が変形される。また、セラミック層より、積層材料の熱
収縮が大きいため、セラミック層が、通常凹面を有する
アーチ形状に変形する。
ＥＲ」としてよく知られている他のプレストレスユニモ
ルを開発しており、ＴＨＵＮＤＥＲは、薄層複合ユニモ
ル強誘電駆動体及びセンサ（ＴＨｉｎ ｌａｙｅｒ ｃ
ｏｍｐｏｓｉｔｅ ＵＮｉｍｏｒｐｈ ｆｅｒｒｏｅｌ
ｅｃｔｒｉｃ Ｄｒｉｖｅｒ ａｎｄ ｓＥｎｓｏｒ）
の頭字語である。ＴＨＵＮＤＥＲは、その２つの主表面
がメッキされているＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）圧
電セラミック層を用いて構成される複合構造体である。
金属のプレストレス層が、セラミック層の少なくとも１
つのメッキ面に、ＮＡＳＡが「ＬａＲＣ−ＳＩ（登録商
標）」と称している接着剤の層によって接着される。Ｔ
ＨＵＮＤＥＲアクチュエータの製造時には、セラミック
層、接着剤層及び第１のプレストレス層は同時に接着剤
層の融点以上に加熱され、次いで冷却されて、これによ
り再凝固して接着剤の層ができる。この冷却工程の間
に、金属のプレストレス層及び接着剤層の熱収縮の係数
がセラミック層のそれより大きいために、セラミック層
が変形される。また、セラミック層より、積層材料の熱
収縮が大きいため、セラミック層が、通常凹面を有する
アーチ形状に変形する。
【０００９】伝えられるところでは、ＴＨＵＮＤＥＲ装
置は、従来の強誘電性及び強電歪性装置よりも、所与の
電圧についてかなり大きい変形出力を発生する。しかし
ながら、ＴＨＵＮＤＥＲ装置は負荷支持能力において中
程度の向上しか示していない。ＮＡＳＡは、単一圧電装
置により提供できる力よりも、強い機械的出力が要求さ
れるような適用については、２つあるいはそれ以上の装
置を「重ねたスプーン」の形状に配列することを提言し
ている。３つのＴＨＵＮＤＥＲ装置の配列では、単一圧
電装置が、接着剤エラストマーのようなコンプライアン
ト層により、第２の単一圧電装置に離間して結合され、
次いで第２の単一圧電装置は他のコンプライアント層に
より第３の単一圧電装置に結合されて、１つの装置が他
から電気的に絶縁されることになる。各単一装置は、他
の装置に積重ねられる前に独立して製造され、そして、
対向する表面に電極層が着けられた単一作動圧電セラミ
ック層、一方の電極層に隣接するプレストレス接着剤層
及び接着剤層に隣接する選択的に付加される補強材料を
備える。各セラミック層はそれに結合して正電極層及び
負電極層を有しており、積重ね体とされるときは、異な
る電極を互いに絶縁するためにコンプライアント層が必
要である。積重ねＴＨＵＮＤＥＲ装置は、従来の装置よ
り大きい変位及び負荷支持能力を示しているが、これら
の装置は緩く積み重ねられているのみであり、その間を
絶縁したを多くの電極（装置当たり２つ）を必要とす
る。
置は、従来の強誘電性及び強電歪性装置よりも、所与の
電圧についてかなり大きい変形出力を発生する。しかし
ながら、ＴＨＵＮＤＥＲ装置は負荷支持能力において中
程度の向上しか示していない。ＮＡＳＡは、単一圧電装
置により提供できる力よりも、強い機械的出力が要求さ
れるような適用については、２つあるいはそれ以上の装
置を「重ねたスプーン」の形状に配列することを提言し
ている。３つのＴＨＵＮＤＥＲ装置の配列では、単一圧
電装置が、接着剤エラストマーのようなコンプライアン
ト層により、第２の単一圧電装置に離間して結合され、
次いで第２の単一圧電装置は他のコンプライアント層に
より第３の単一圧電装置に結合されて、１つの装置が他
から電気的に絶縁されることになる。各単一装置は、他
の装置に積重ねられる前に独立して製造され、そして、
対向する表面に電極層が着けられた単一作動圧電セラミ
ック層、一方の電極層に隣接するプレストレス接着剤層
及び接着剤層に隣接する選択的に付加される補強材料を
備える。各セラミック層はそれに結合して正電極層及び
負電極層を有しており、積重ね体とされるときは、異な
る電極を互いに絶縁するためにコンプライアント層が必
要である。積重ねＴＨＵＮＤＥＲ装置は、従来の装置よ
り大きい変位及び負荷支持能力を示しているが、これら
の装置は緩く積み重ねられているのみであり、その間を
絶縁したを多くの電極（装置当たり２つ）を必要とす
る。
【００１０】より厚い積層を有する熱プレストレス曲げ
アクチュエータにおけるドーム高さは、薄い層を有する
ものよりも温度変化に対してより影響されにくいことが
知られている。しかしながら、より厚いセラミック層
は、より薄いセラミック層と同じ電界を生じさせるの
に、より高い電圧を要する。このことは、ＲＡＩＮＢＯ
Ｗ及びＴＨＵＮＤＥＲのような装置の更なる欠点を示し
ている。
アクチュエータにおけるドーム高さは、薄い層を有する
ものよりも温度変化に対してより影響されにくいことが
知られている。しかしながら、より厚いセラミック層
は、より薄いセラミック層と同じ電界を生じさせるの
に、より高い電圧を要する。このことは、ＲＡＩＮＢＯ
Ｗ及びＴＨＵＮＤＥＲのような装置の更なる欠点を示し
ている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記した従
来技術の欠点の少なくとも１つを克服せんとするもので
ある。
来技術の欠点の少なくとも１つを克服せんとするもので
ある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明はいくつかの実施
形態に関連して説明されるが、それらの実施形態に限定
されるものではないことを理解されたい。のみならず、
本発明は、本発明の技術思想及び技術的範囲に含み得る
全ての変更、修正及び等価なものを含む。多重圧電層の
圧電アクチュエータを、一体結合された積層構造として
製造するための方法を提供する。電気的に活性なセラミ
ック材料及び導電性あるいは非導電性の基板材料の交互
の層が、それらの間の導電性あるいは非導電性の熱活性
接着剤層と共に積重ね体とされる。積重ね層は加熱され
て接着剤が流動化し、次いで冷却されて、各層の一体接
着と積重ね装置のドーム化が達成される。積重ね圧電装
置の形成は個々の層の結合及び応力付加と同時に行わ
れ、このことは、最初に多重プレストレスユニモル装置
を形成し、別々の装置をその後に一体に結合させている
のとは対照的である。
形態に関連して説明されるが、それらの実施形態に限定
されるものではないことを理解されたい。のみならず、
本発明は、本発明の技術思想及び技術的範囲に含み得る
全ての変更、修正及び等価なものを含む。多重圧電層の
圧電アクチュエータを、一体結合された積層構造として
製造するための方法を提供する。電気的に活性なセラミ
ック材料及び導電性あるいは非導電性の基板材料の交互
の層が、それらの間の導電性あるいは非導電性の熱活性
接着剤層と共に積重ね体とされる。積重ね層は加熱され
て接着剤が流動化し、次いで冷却されて、各層の一体接
着と積重ね装置のドーム化が達成される。積重ね圧電装
置の形成は個々の層の結合及び応力付加と同時に行わ
れ、このことは、最初に多重プレストレスユニモル装置
を形成し、別々の装置をその後に一体に結合させている
のとは対照的である。
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明をよりよく理解するため
に、添付した図についての参照がなされる。図を参照す
ると、全体を３０で示される本発明の圧電装置は、ドー
ム状あるいはアーチ状の構造を有する多重層積層物であ
る。積層装置３０は基板材料３２及び電気的に活性なあ
るいは圧電性セラミック３４の交互の層を備える。交互
の層３２及び３４の間には、熱活性化型の接着剤層３６
がある。随意的には、積層装置３０は、薄い応力除去層
である表面層３８を備えることができる。積層装置３０
を形成する層は、円形、矩形、正方形あるいは規則的又
は不規則的な他のいずれの形とすることができるが、円
形が好ましい形態である。
に、添付した図についての参照がなされる。図を参照す
ると、全体を３０で示される本発明の圧電装置は、ドー
ム状あるいはアーチ状の構造を有する多重層積層物であ
る。積層装置３０は基板材料３２及び電気的に活性なあ
るいは圧電性セラミック３４の交互の層を備える。交互
の層３２及び３４の間には、熱活性化型の接着剤層３６
がある。随意的には、積層装置３０は、薄い応力除去層
である表面層３８を備えることができる。積層装置３０
を形成する層は、円形、矩形、正方形あるいは規則的又
は不規則的な他のいずれの形とすることができるが、円
形が好ましい形態である。
【００１４】交互の基板層３２を形成する材料は実質上
どのような材料でもよく、例えば、ガラス繊維、ベリリ
ウム、銅、グラファイト、ステンレス鋼等とすることが
できる。基板層３２は例えば積層構造の強化するための
ものとすることができる。本発明の１つの実施形態にお
いては、基板層３２は導電性材料で形成され、これは以
下さらに詳細に論じられる。
どのような材料でもよく、例えば、ガラス繊維、ベリリ
ウム、銅、グラファイト、ステンレス鋼等とすることが
できる。基板層３２は例えば積層構造の強化するための
ものとすることができる。本発明の１つの実施形態にお
いては、基板層３２は導電性材料で形成され、これは以
下さらに詳細に論じられる。
【００１５】交互の作動層３４を形成する材料は、圧電
性、電歪性あるいは他の強誘電性セラミックなどのいず
れの作動セラミックとすることができる。セラミックウ
エハ３４は、随意的に対向する表面４０ａ及び４０ｂに
薄い金属の導電コーティング（図示せず）を備えること
ができ、もし必要であれば、これは以下に詳述される
が、電極として機能させることができる。薄い金属層は
一般的には真空金属被覆法により付着される。例とし
て、これらに限定されないが、それらの薄い金属層には
ニッケル、銀、銅、アルミニウム、錫、金、クロムある
いはそれらの合金が含まれる。
性、電歪性あるいは他の強誘電性セラミックなどのいず
れの作動セラミックとすることができる。セラミックウ
エハ３４は、随意的に対向する表面４０ａ及び４０ｂに
薄い金属の導電コーティング（図示せず）を備えること
ができ、もし必要であれば、これは以下に詳述される
が、電極として機能させることができる。薄い金属層は
一般的には真空金属被覆法により付着される。例とし
て、これらに限定されないが、それらの薄い金属層には
ニッケル、銀、銅、アルミニウム、錫、金、クロムある
いはそれらの合金が含まれる。
【００１６】交互の層３２及び３４の間に用いられる接
着剤層３６は、いずれの熱活性接着剤とすることもでき
る。積重ね層３２、３４、３６及び随意的には３８とが
高温に加熱されると、接着剤層３６は流動し始める。そ
れらの層を周囲の温度にまで冷却すると、１つの層は接
着剤３６によって次の層に接着し、一体結合された多層
積層装置３０が形成される。接着剤を活性化するための
それらの層の加熱温度は、用いられる個々の接着剤によ
るが、典型的には約１００℃ないし約３００℃の範囲で
ある。熱硬化性エポキシ樹脂の必要とする温度は一般的
にこの範囲の下限であり、それに対し、ホットメルト熱
可塑性樹脂はより高い活性化温度を必要とする。
着剤層３６は、いずれの熱活性接着剤とすることもでき
る。積重ね層３２、３４、３６及び随意的には３８とが
高温に加熱されると、接着剤層３６は流動し始める。そ
れらの層を周囲の温度にまで冷却すると、１つの層は接
着剤３６によって次の層に接着し、一体結合された多層
積層装置３０が形成される。接着剤を活性化するための
それらの層の加熱温度は、用いられる個々の接着剤によ
るが、典型的には約１００℃ないし約３００℃の範囲で
ある。熱硬化性エポキシ樹脂の必要とする温度は一般的
にこの範囲の下限であり、それに対し、ホットメルト熱
可塑性樹脂はより高い活性化温度を必要とする。
【００１７】本発明の装置のさらなる特徴においては、
多層装置３０の材料の熱膨張係数の差によって、それら
の層が周囲温度にまで異なる速度で冷却されると、機械
的応力が各層に自動的に加えられ、図に示すようなドー
ム化効果をもたらす。印加される電圧の極性によって、
圧電装置３０は、図の矢印で示されるように、縦方向に
膨張あるいは収縮する。電圧は電圧源（図示せず）を装
置３０内の電極に接続することにより印加される。
多層装置３０の材料の熱膨張係数の差によって、それら
の層が周囲温度にまで異なる速度で冷却されると、機械
的応力が各層に自動的に加えられ、図に示すようなドー
ム化効果をもたらす。印加される電圧の極性によって、
圧電装置３０は、図の矢印で示されるように、縦方向に
膨張あるいは収縮する。電圧は電圧源（図示せず）を装
置３０内の電極に接続することにより印加される。
【００１８】本発明の好ましい実施形態においては、図
に示すように、基板層３２は導電材料で構成され極性化
されて、作動層３４に電界を印加するための電極として
機能できる。この目的のため、他のそれぞれの基板層３
２は反対の極とされ、基板層３２は交互に陽及び陰の極
性となる。これらの交互の極性の基板層３２は、導電性
の接着材３６によって作動層３４に結合され、電圧を印
加すると、電極である基板層３２からの電界が、接着剤
３４を通じて及び、随意的に付与された薄い金属層を通
じて、電気的に活性なセラミック層に加えられる。図で
示されるように、隣接する作動セラミック層３４は中間
電極である基板層３２を共有し、例えば、上述の、積重
ねた先行技術のＴＨＵＮＤＥＲ装置と比較して、セラミ
ック層の間の電極が少なくなっている。電極及び交互の
極性の共有は、また、積重ねＴＨＵＮＤＥＲ装置におけ
るような、異なる電極間の絶縁層の必要性を無くしてい
る。
に示すように、基板層３２は導電材料で構成され極性化
されて、作動層３４に電界を印加するための電極として
機能できる。この目的のため、他のそれぞれの基板層３
２は反対の極とされ、基板層３２は交互に陽及び陰の極
性となる。これらの交互の極性の基板層３２は、導電性
の接着材３６によって作動層３４に結合され、電圧を印
加すると、電極である基板層３２からの電界が、接着剤
３４を通じて及び、随意的に付与された薄い金属層を通
じて、電気的に活性なセラミック層に加えられる。図で
示されるように、隣接する作動セラミック層３４は中間
電極である基板層３２を共有し、例えば、上述の、積重
ねた先行技術のＴＨＵＮＤＥＲ装置と比較して、セラミ
ック層の間の電極が少なくなっている。電極及び交互の
極性の共有は、また、積重ねＴＨＵＮＤＥＲ装置におけ
るような、異なる電極間の絶縁層の必要性を無くしてい
る。
【００１９】本発明の他の実施形態においては、セラミ
ック層３４の対向する表面４０ａ及び４０ｂに施された
薄い金属導電性コーティングを、作動層３４に電界を与
えるための電極として機能させることができる。この目
的のためには、各上面４０ａは正の極性を備え、底面４
０ｂは反対に負の極性を備える。そのとき、非導電性の
基板材料３２及び／あるいは非導電性接着材３６は、１
つの作動層３４の上面４０ａと隣接する作動層３４の底
面４０ｂの、積重ねた異なる極の間を絶縁するために用
いられることができる。また、この目的のため、交互の
作動層３４は、薄い金属電極層を反対の極性となるよう
に有することができ、これにより隣接する作動層の間で
同じ極が対向し、それらの間の絶縁の必要性がなくな
る。従って、接着剤層３６及び基板材料３２は導電性あ
るいは非導電性材料で構成できる。
ック層３４の対向する表面４０ａ及び４０ｂに施された
薄い金属導電性コーティングを、作動層３４に電界を与
えるための電極として機能させることができる。この目
的のためには、各上面４０ａは正の極性を備え、底面４
０ｂは反対に負の極性を備える。そのとき、非導電性の
基板材料３２及び／あるいは非導電性接着材３６は、１
つの作動層３４の上面４０ａと隣接する作動層３４の底
面４０ｂの、積重ねた異なる極の間を絶縁するために用
いられることができる。また、この目的のため、交互の
作動層３４は、薄い金属電極層を反対の極性となるよう
に有することができ、これにより隣接する作動層の間で
同じ極が対向し、それらの間の絶縁の必要性がなくな
る。従って、接着剤層３６及び基板材料３２は導電性あ
るいは非導電性材料で構成できる。
【００２０】本発明の一体結合積層圧電装置３０を製造
するために、基板材料３２、接着剤層３６、作動セラミ
ック層３４、接着剤層３６の反復層を用いた積重ね体が
形成される。反復層の数は、最終のアクチュエータ装置
３０において望まれる力に依存する。もし必要であれ
ば、積重ね体は薄い応力除去層３８によって覆われる。
次いで、全ての積重ねた材料は、接着剤層３６が流動を
開始する温度に昇温されるが、その温度は用いられる個
々の接着材料によるが、典型的には約１００℃ないし約
３００℃の範囲である。
するために、基板材料３２、接着剤層３６、作動セラミ
ック層３４、接着剤層３６の反復層を用いた積重ね体が
形成される。反復層の数は、最終のアクチュエータ装置
３０において望まれる力に依存する。もし必要であれ
ば、積重ね体は薄い応力除去層３８によって覆われる。
次いで、全ての積重ねた材料は、接着剤層３６が流動を
開始する温度に昇温されるが、その温度は用いられる個
々の接着材料によるが、典型的には約１００℃ないし約
３００℃の範囲である。
【００２１】次いで、全体の積重ね組立体は周囲温度に
徐冷され、接着剤が再硬化して積重ねた材料を一体結合
する。材料の熱膨張係数の差が、冷却中にアクチュエー
タ装置のわずかなドーム化を起させ、大きい内部応力を
生じさせる。もし基板層が導電性であれば、他のそれぞ
れの層は逆の極性とされそして基板層３２は電圧源に接
続される。あるいはまた、作動セラミック層の対向する
表面上の薄い金属層が電圧源に接続され、またし基板層
３２が非導電性である場合には、他のそれぞれの作動層
は薄い金属電極層の逆の極性に従う。
徐冷され、接着剤が再硬化して積重ねた材料を一体結合
する。材料の熱膨張係数の差が、冷却中にアクチュエー
タ装置のわずかなドーム化を起させ、大きい内部応力を
生じさせる。もし基板層が導電性であれば、他のそれぞ
れの層は逆の極性とされそして基板層３２は電圧源に接
続される。あるいはまた、作動セラミック層の対向する
表面上の薄い金属層が電圧源に接続され、またし基板層
３２が非導電性である場合には、他のそれぞれの作動層
は薄い金属電極層の逆の極性に従う。
【００２２】従来技術のユニモルアクチュエータの典型
的な積重ね体は、いくつかの積層ディスクを含み、図１
の積重ねＴＨＵＮＤＥＲ装置のように、各ディスクは単
一の圧電層を有し、それと共に各ディスクは接着性の絶
縁層を有してその層で次のディスクに結合している。本
発明においては、多重圧電層が最初に一体に結合されて
単一積重ね装置を形成している。本発明の装置は、いく
つかのディスクを積重ねたＴＨＵＮＤＥＲアクチュエー
タで用いられるものと等しい厚みのいくつかの圧電層を
有して、より薄い装置を形成することになる。さらにま
た、本発明の多重積層体層により、装置は温度変化に対
しより敏感でなくなり、同時に、より薄い層を有する装
置なので、より低い作動電圧を示す。
的な積重ね体は、いくつかの積層ディスクを含み、図１
の積重ねＴＨＵＮＤＥＲ装置のように、各ディスクは単
一の圧電層を有し、それと共に各ディスクは接着性の絶
縁層を有してその層で次のディスクに結合している。本
発明においては、多重圧電層が最初に一体に結合されて
単一積重ね装置を形成している。本発明の装置は、いく
つかのディスクを積重ねたＴＨＵＮＤＥＲアクチュエー
タで用いられるものと等しい厚みのいくつかの圧電層を
有して、より薄い装置を形成することになる。さらにま
た、本発明の多重積層体層により、装置は温度変化に対
しより敏感でなくなり、同時に、より薄い層を有する装
置なので、より低い作動電圧を示す。
【００２３】（産業上の利用可能性）図面を参照し作動
について説明すると、単一圧電積重ね装置は、基板材料
３２、接着剤層３６、作動セラミック層３４、接着剤層
３６の反復層で形成される。もし必要であれば、積重ね
体は薄い応力除去層３８によって覆われる。次いで積重
ねた材料は接着剤層３６が流動を起すのに十分な温度に
昇温される。次いで積重ね組立体の全体は周囲温度まで
徐冷され、これにより接着剤が再硬化し積重ねた材料を
一体結合する。装置を構成する材料の熱圧縮率の差が、
冷却中にアクチュエータ装置の僅かなドーム化を起さ
せ、大きい内部応力を生じさせることになる。このよう
に、積重ね曲げアクチュエータ装置は、複数の圧電層及
び基板層を同時に一緒に張り合わせ一体結合構造とする
ことにより形成され、これは、個々の単一作動層圧電装
置を分離して直列に一体に結合し、それぞれの装置が積
重ね体中で隣接している装置から電気的に絶縁されてい
る、従来技術の圧電積重ね体とは対比的である。
について説明すると、単一圧電積重ね装置は、基板材料
３２、接着剤層３６、作動セラミック層３４、接着剤層
３６の反復層で形成される。もし必要であれば、積重ね
体は薄い応力除去層３８によって覆われる。次いで積重
ねた材料は接着剤層３６が流動を起すのに十分な温度に
昇温される。次いで積重ね組立体の全体は周囲温度まで
徐冷され、これにより接着剤が再硬化し積重ねた材料を
一体結合する。装置を構成する材料の熱圧縮率の差が、
冷却中にアクチュエータ装置の僅かなドーム化を起さ
せ、大きい内部応力を生じさせることになる。このよう
に、積重ね曲げアクチュエータ装置は、複数の圧電層及
び基板層を同時に一緒に張り合わせ一体結合構造とする
ことにより形成され、これは、個々の単一作動層圧電装
置を分離して直列に一体に結合し、それぞれの装置が積
重ね体中で隣接している装置から電気的に絶縁されてい
る、従来技術の圧電積重ね体とは対比的である。
【００２４】基板層が導電性の場合は、他のそれぞれの
層は逆の極性となりそして基板層３２が電圧源に接続さ
れる。あるいはまた、作動セラミック層３４の対向する
表面４０ａ、４０ｂ上の薄い金属層が、電圧源に接続さ
れる。基板層３２が非導電性の場合は、他のそれぞれの
作動層３４は同じ極が互いに向かい合っている薄い金属
電極層の逆の極性に従う。
層は逆の極性となりそして基板層３２が電圧源に接続さ
れる。あるいはまた、作動セラミック層３４の対向する
表面４０ａ、４０ｂ上の薄い金属層が、電圧源に接続さ
れる。基板層３２が非導電性の場合は、他のそれぞれの
作動層３４は同じ極が互いに向かい合っている薄い金属
電極層の逆の極性に従う。
【００２５】電極に電圧を印加すると、圧電層を横切っ
て電界が加えられ、層に膨張あるいは収縮を起させ、間
接方式プレストレスユニモルにより生ずるのと同様な大
きい変形（偏位）と、直接方式アクチュエータにより生
ずるのと同様な強い力の出力が得られ、また温度による
影響が少ない。従って、使用において、この圧電アクチ
ュエータは、積重ね構造における力の利点と、ユニモル
及びバイモルに関連する曲げモーメントの変位の利点と
が組み合わされていることを示す。本発明の他の態様、
目的及び利点は、図面、説明及び添付の特許請求の範囲
を検討することによって得ることができる。
て電界が加えられ、層に膨張あるいは収縮を起させ、間
接方式プレストレスユニモルにより生ずるのと同様な大
きい変形（偏位）と、直接方式アクチュエータにより生
ずるのと同様な強い力の出力が得られ、また温度による
影響が少ない。従って、使用において、この圧電アクチ
ュエータは、積重ね構造における力の利点と、ユニモル
及びバイモルに関連する曲げモーメントの変位の利点と
が組み合わされていることを示す。本発明の他の態様、
目的及び利点は、図面、説明及び添付の特許請求の範囲
を検討することによって得ることができる。
【図１】一体結合した３つの作動圧電層を有する、本発
明の単一装置の１つの実施形態の断面図である。
明の単一装置の１つの実施形態の断面図である。
３０ 積層圧電装置 ３２ 基板層 ３４ 作動セラミック層 ３６ 接着剤層 ３８ 表面層 ４０ａ 上面 ４０ｂ 下面
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ラリー ジー ウォーターフィールド アメリカ合衆国 イリノイ州 61624 ピ オーリア ウィロー レイク ドライヴ 2618
Claims (21)
- 【請求項１】 基板材料及び電気的に活性なセラミック
の層を、間に熱活性接着剤層を配して交互に積重ね層を
形成し、前記交互層のうちの少なくとも１つを、前記電
気的に活性なセラミック層の少なくとも１つに電界を与
えるために電圧源に接続可能であるようにする段階と、 前記交互層と接着剤層を加熱して前記接着剤層を活性化
する段階と、 前記交互層及び接着剤層を冷却する段階と、を含み前記
加熱する段階及び前記冷却する段階が、前記積重ね層を
同時に一体に結合させて、複数の電気的に活性なセラミ
ック層を有する一体結合積層体を形成させるものであ
り、 前記加熱する段階及び前記冷却する段階が、前記層に応
力を発生させて、前記積層体のドーム化を生じさせるも
のである、ことを特徴とする圧電装置を製造する方法。 - 【請求項２】 前記基板材料及び接着剤材料が電導性で
あり、さらに他のそれぞれの基板材料層が逆の極性とさ
れる段階を含み、前記基板材料層が正と負の極性の間で
交互に変わり、また２つの隣接する基板材料層が、中間
にある電気的に活性なセラミック層に電界を与えるため
に電圧源に接続可能であることを特徴とする請求項１に
記載の方法。 - 【請求項３】 前記電気的に活性なセラミック層が、前
記電気的に活性なセラミック層に電界を与えるために電
圧源に接続可能である、対向する表面の電極を備えるこ
とを特徴とする請求項１に記載の方法。 - 【請求項４】 前記基板材料層及び接着剤層が導電性で
あり、他のそれぞれの電気的に活性なセラミック層の前
記対向する表面の電極が逆の極性とされる段階をさらに
含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。 - 【請求項５】 前記基板材料層及び接着剤層が非導電性
であり、各電気的に活性なセラミック層について、前記
対向する表面の電極が同じ極性とされることを特徴とす
る請求項３に記載の方法。 - 【請求項６】 前記電気的に活性なセラミックが圧電材
料であることを特徴とする請求項１に記載の方法。 - 【請求項７】 前記電気的に活性なセラミックが電歪材
料であることを特徴とする請求項１に記載の方法。 - 【請求項８】 加熱する段階の前に、前記積重ね層の表
面に応力除去層を施す段階をさらに含むことを特徴とす
る、請求項１に記載の方法。 - 【請求項９】 前記加熱する段階が、前記層を約１００
℃ないし約３００℃の温度に加熱する段階を含むことを
特徴とする請求項１に記載の方法。 - 【請求項１０】 導電性の基板材料及び電気的に活性な
セラミックの交互層を含み、各交互層は次の交互層に、
中間にある導電性の熱活性接着剤層で接着されて結合積
層体を形成し、 前記導電性基板層は、前記導電性基板層が前記セラミッ
ク層の各々に電界を与えることができる電極となるよう
に正及び負の極性の間で交互になっていることを特徴と
する圧電アクチュエータ。 - 【請求項１１】 前記電気的に活性なセラミックが圧電
材料であることを特徴とする請求項１０に記載のアクチ
ュエータ。 - 【請求項１２】 前記電気的に活性なセラミックが電歪
材料であることを特徴とする請求項１０に記載のアクチ
ュエータ。 - 【請求項１３】 前記結合積層体がさらに表面の応力除
去層を備えることを特徴とする請求項１０に記載のアク
チュエータ。 - 【請求項１４】 前記結合積層体がアーチ状構造を有す
ることを特徴とする請求項１０に記載のアクチュエー
タ。 - 【請求項１５】 導電性の基板材料及び、対向する表面
の電極を有する電気的に活性なセラミックの交互層を備
え、各交互層は次の交互層に、中間にある導電性の熱活
性接着剤層で接着されて結合積層体を形成し、 各セラミック層は、正の極性の１つの対向する表面の電
極及び負の極性の１つの対向する表面の電極を有し、そ
の各々が電圧源に接続可能であり、それにより前記セラ
ミック層の各々に電界を与える、ことを特徴とする圧電
アクチュエータ。 - 【請求項１６】 前記基板材料及び接着剤のうちの少な
くとも１つが非導電性であり、前記対向する表面電極が
各電気的に活性なセラミック層について同じ極性とされ
ていることを特徴とする請求項１５に記載のアクチュエ
ータ。 - 【請求項１７】 前記基板材料及び接着剤が導電性であ
り、前記対向する表面電極が他のそれぞれの電気的に活
性なセラミック層について逆の極性とされていることを
特徴とする請求項１５に記載のアクチュエータ。 - 【請求項１８】 前記電気的に活性なセラミックが圧電
材料であることを特徴とする請求項１５に記載のアクチ
ュエータ。 - 【請求項１９】 前記電気的に活性なセラミックが電歪
材料であることを特徴とする請求項１５に記載のアクチ
ュエータ。 - 【請求項２０】 前記結合積層体がさらに表面の応力除
去層を備えることを特徴とする請求項１５に記載のアク
チュエータ。 - 【請求項２１】 前記結合積層体がアーチ状構造を有す
ることを特徴とする請求項１５に記載のアクチュエー
タ。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/532,596 US6512323B2 (en) | 2000-03-22 | 2000-03-22 | Piezoelectric actuator device |
| US09/532596 | 2000-03-22 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001326399A true JP2001326399A (ja) | 2001-11-22 |
Family
ID=24122405
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001082261A Pending JP2001326399A (ja) | 2000-03-22 | 2001-03-22 | アクチュエータ装置 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6512323B2 (ja) |
| JP (1) | JP2001326399A (ja) |
| DE (1) | DE10111502A1 (ja) |
| GB (1) | GB2364822B (ja) |
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