JP2004533615A - 電気活性湾曲へリックスまたは二重ヘリックスを使用したセンサ - Google Patents

Abstract

検出器回路に電気接続された電気活性デバイス１１を使用した様々なセンサである。電気活性デバイス１１は、短軸１３の周りに螺旋状に湾曲した連続する電気活性部材１２の形態の電気活性構造を備えている。短軸１３は、それ自体、長軸１４の周りに例えば螺旋状に湾曲している。短軸１３が湾曲しているため、デバイス１１の端部１６の相対変位によって活性化されると、電気活性構造が短軸の周りにねじられる。連続する部材１２は、少なくとも１つの電気活性材料層を含む複数の層２１および２２の湾曲構造を有しており、したがって連続する部材１２の湾曲をねじれさせることにより、それに付随して、検出器回路によって検出される電気信号が生成される。電気活性デバイス１１は、その変位が大きく、高感度であり、かつ、コンプライアンスが小さいため、センサのセンシング・エレメントとして有利である。

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気活性デバイスを使用したセンサ、つまり構造の端部の相対変位を感知するようになされた電気活性構造を使用した装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気活性材料は、印加される電気条件に応答して変形する材料であり、あるいは逆に、印加される変形に応答して変化する電気特性を有している。最も良く知られ、かつ、最も広く開発されているタイプの電気活性材料は圧電材料であるが、他のタイプの電気活性材料には、電歪材料およびピエゾ抵抗材料がある。電気活性特性を利用した多くの装置が知られている。
【０００３】
単純な圧電加速度センサは、圧電材料の固まりからなっているが、その圧電効果が小さく、１０^−１０ｍ／Ｖ程度であるため、センサの感度が極めて小さく、また、出力される電気信号のレベルも極めて小さい。信号レベルが小さいと雑音の影響を受けやすいため、これは、この種のセンサの主な欠点の１つである。雑音を最小化し、かつ、検出器回路によって検出される発生信号の信号対雑音比が十分に小さいことを保証するためには、通常、専用の電荷増幅器および専用のケーブル布線が必要であり、そのため、多くの製造者は、近代の超小型機械加工技術を使用して、加速度センサおよびエレクトロニクスを単一シリコン・デバイス中に統合しており、自動車用エア・バッグなどの適用例にこのようなデバイスが広く使用されている。圧電材料の固まりの変位が小さいため、機械アクチュエータには、通常、基本的なカンチレバーが必要であるが、そのために全体としてのセンサの感度が制限されている。
【０００４】
より大きい変位を達成し、かつ、変位センサとしての応用を拡大するべく、より複雑な電気活性構造が開発されているが、このような電気活性構造は、以下の問題を抱えている。
【０００５】
知られている電気活性構造は、湾曲構造、例えばバイモル湾曲構造である。湾曲構造の場合、電気活性構造は複数の層からなっており、そのうちの少なくとも１つは、電気活性材料の層である。層は相互結合によって拘束されているため、湾曲を層に対して直角に湾曲させることによって機械的に活性化されると、例えば１つの層が伸長し、他の層が収縮して層と層の間の長さが差動変化して変形する。したがって、構造の端部の相対変位に応じて電圧が出力される。しかし、湾曲の相対変位は、線形経路空間に追従していない。構造が湾曲し、曲率の程度が増加すると、端部の相対変位は、曲線空間に追従する。また、変位が比較的大きい場合、構造の長さを長くする必要があり、そのために不便なものになっている。例えば、バイモル湾曲構造を使用して０．１ｍｍ程度の変位を達成するためには、通常、約５ｃｍの長さの構造が必要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
センサに使用する場合、電気活性デバイスは、感度を改善するべく、比較的コンプライアンスが小さい、線形空間である比較的大きい変位に耐えることができるようにすることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の態様によれば、検出器回路に電気接続された電気活性デバイスを備えたセンサが提供される。電気活性デバイスは、湾曲した短軸に沿って延びた電気活性構造を備えており、構造の端部の相対変位によって機械的に活性化されると、短軸の周りの構造のねじれに付随して電気信号を生成するようになされている。検出器回路は、生成された電気信号を検出するようになされている。
【０００８】
デバイスは、湾曲した短軸に沿って延びているため、デバイスの端部間の相対変位に付随して、短軸の周りに構造のねじれが生じる。電気活性デバイスには、湾曲した対象をねじれさせることにより、局部曲線に対して直角をなす変位が生じ、逆に、湾曲した対象の端部の変位によって、その長さに沿ったねじれが生じる、という物理的原理が使用されている。この変位は、構造の短軸の初期配向に対する配向の変化と等価である。
【０００９】
このデバイスには、活性化されるとねじれが生じる電気活性構造が使用されている。湾曲した短軸に沿った構造の任意の所与の微小セクションを考慮すると、その微小セクションに隣接するセクションは、短軸が湾曲している結果として、所与のセクションに対して一定の角度で展開しているため、その所与のセクションのねじれが隣接するセクションを回転させ、ひいてはそれらを所与のセクションの局部曲線に対して直角をなす逆方向に相対変位させる様子を視覚化することは容易である。したがって、所与のセクションをねじれさせることにより、それに付随して、隣接するセクションが曲線の平面に対して直角をなす方向に相対変位する。ねじりの程度は、所与のセクションの曲率の程度および相対変位の大きさに比例している。短軸が長軸の周りの正則曲線、例えば円または螺旋の弧に沿って展開している場合、構造の長軸に平行の方向における端部の相対変位により、各セクションは同じ方向に変位する。したがって、本発明による電気活性デバイスは、線形空間である変位を感知することができる。
【００１０】
短軸に沿った構造の各セクションが総合変位に寄与しているため、変位の感知可能な範囲は、短軸に沿った構造の長さに比例している。したがって、デバイスを適切に設計することによって、詳細には短軸に沿った構造の長さを選択することによって、また、ねじれ−磁界応答の大きさを制御する構造のタイプを選択することによって、所望する任意の程度の変位を感知するようにセンサを配列することができる。湾曲した短軸に沿って展開した構造により、比較的コンパクトな装置を製造することができる。
【００１１】
また、印加される力すなわち変位がデバイスのすべてのセクションで共有されるため、デバイスのコンプライアンスが小さく、それによりデバイスの感度が高くなっている。センサとしてのこの電気活性デバイスの主な利点は、その感度が優れていることである。このデバイスは、機械的に迎合的であるため、比較的大きい応答信号が生成され、かつ、良好な信号対雑音比が提供される。さらに、所与の適用に整合させるべく、デバイスの幾何学パラメータを変更することによって、このコンプライアンスの正確な値を工学的に作り出すことができる。
【００１２】
一般的には、短軸がそれに沿って展開する曲線は、任意の形状の曲線にすることができる。
【００１３】
１つの可能性として、短軸がそれに沿って延びる曲線を、例えば円または螺旋の弧として平らにすることができる。その場合、活性化による変位は、その曲線の平面に対して直角をなす方向に生じる。相対変位が生じる方向におけるデバイスの厚さは、単に電気活性構造の厚さであり、したがって比較的薄いデバイスを製造することができる。
【００１４】
もう１つの可能性として、短軸がそれに沿って延びる曲線を螺旋にすることができる。その場合、構造の螺旋巻きの各々が、その周りに螺旋が形成される幾何学長軸に沿った方向の変位に寄与している。したがって、螺旋巻き数に比例した程度の大きい変位が達成され、それにより、比較的コンパクトなデバイスにしては比較的大きい変位が生成される。
【００１５】
電気活性構造は、短軸の周りの構造のねじれに付随して短軸の周りに湾曲することによって機械的に活性化されるようになされた部分と共に配列されることが好ましい。それにより、電気活性部分を活性化によって湾曲する任意の構造にすることができる。活性化によって湾曲する電気活性構造を使用することにより、その構造のすべての電気活性材料が活性化される構造を選択することができ、それによりデバイスの効率が向上するため、活性化によって湾曲する電気活性構造を使用することは有利である。また、活性化によって湾曲する電気活性構造を使用することにより、設計が単純化される。好ましい構造は、知られている、少なくとも１つの電気活性材料層を備えた複数の層からなる湾曲構造であり、好ましくは、２つの層を有するバイモル湾曲構造である。このような構造については、線状湾曲構造に適用されているため、良く知られ、かつ、理解されており、製造がとりわけ容易である。本発明による部分に湾曲構造を適用する場合、同じ利点が得られるが、活性化させることによって湾曲が提供される他の任意の構造を使用することも可能である。
【００１６】
電気活性構造は、短軸の周りに湾曲する、連続する電気活性部材を備え、この連続する部材の有限部分に前記電気活性部分が隣接していることが好ましい。
【００１７】
この構造は、製造がとりわけ容易であり、例えば、連続する変形可能な電気活性部材を巻きつけて形にすることができる。
【００１８】
この連続する電気活性部材は、短軸の周りに螺旋状に湾曲していることが好ましい。
【００１９】
短軸の周りに螺旋状に湾曲した、連続する電気活性部材を使用することにより、多くの利点が達成される。第１の利点は、正則構造を短軸の長さに沿って容易に提供することができ、延いては同一程度のねじれを短軸の長さ全体に沿って提供することができることである。第２の利点は、螺旋の製造が容易であり、例えば、連続する変形可能な部材を巻きつけて形にすることができ、あるいは管状電気活性部材を螺旋状に切り取ることができることである。第３の利点は、短軸の周りの部材の螺旋巻きを、緊密に一体実装することができるため、デバイスをコンパクトにすることができることである。
【００２０】
しかしながら、電気活性構造は、別法として、短軸の周りのねじれに付随して短軸の周りの湾曲を提供する、異なる形状を有する連続する電気活性部材を備えることもできる。例えば、電気活性構造は、短軸の周りにねじった平らな部材の形状を有する連続する部材を備えることができる。また、電気活性構造は、連続する電気活性部材を備える代わりに、一体結合された複数の電気活性部分を備えることもできる。
【００２１】
本発明をより深く理解するために、以下、本発明の実施例について、添付の図面を参照して、非制限の実施例によって説明する。
【実施例】
【００２２】
本発明によれば、電気活性デバイスは、様々なセンサに使用されている。分かり易くするために、最初に電気活性デバイスについて説明し、次に様々なセンサについて説明する。
【００２３】
以下の説明においては、電気活性デバイスは、仮想の短軸および長軸を参照して説明されているが、それでもなお、デバイスを視覚化し、定義するには有用である。
【００２４】
図１は、本発明による第１の電気活性デバイス１を示したものである。デバイス１は、短軸３の周りに螺旋状に湾曲した連続する電気活性部材２からなる構造を備えており、したがって構造は短軸３に沿って延びている。短軸３は湾曲し、短軸３の平面に対して直角をなす、つまり図１の用紙の平面から外側に向かう幾何学長軸４の周りの円の弧である曲線の中を展開している。小曲線３が平面状であるため、長軸４に平行のデバイスの厚さは、単なる電気活性部材２の螺旋構造の厚さに過ぎない。
【００２５】
図２は、本発明による第２の電気活性デバイス１１を示したものである。デバイス２は、短軸１３の周りに螺旋状に湾曲した連続する電気活性部材１２からなる構造を備えており、したがって構造は短軸１３に沿って延びている。短軸１３は湾曲し、幾何学長軸１４の周りの螺旋である曲線を成して延びている。図２には、単なる説明用として３巻きの螺旋に沿って展開した短軸を備えた電気活性デバイス１１が示されているが、任意の巻き数が可能である。
【００２６】
図３は、図１に示す第１のデバイス１の連続する部材２または図２に示す第２のデバイス１１の連続する部材１２いずれかの一部２０を示したものである。部分２０の構造は、第１のデバイス１および第２のデバイス２のいずれに対しても同じであり、電気活性部分２０は、連続する部材２または１２の有限部分であり、したがって電気活性部材２または１２は、図３に示すように、短軸３または１３に沿って連続的に配置された複数の隣接部分２０と見なすことができる。したがって部分２０は、図３に示すように、短軸３または１３の周りの螺旋曲線部分に沿って延びている。
【００２７】
図３は、電気活性部分２０の構造を示したものである。活性化に応じて一様な特性を提供するためには、この構造は、短軸３または１３の長さ全体に沿って一様であることが好ましい。これに代えて、短軸３または１３の長さに沿って、連続する部材２または２０の構造もしくは短軸３または１３の周りの連続する部材２または２０の曲線の形状のいずれかに何らかの変化を持たせるべく、デバイス１または１１を設計することもできる。
【００２８】
電気活性部分２０は、部分２０の長さに沿って展開した２つの電気活性材料層２１、２２を備えたバイモル湾曲構造を有している。電気活性材料層２１、２２は、いずれも短軸３または１３に面している。短軸３または１３の周りの曲線の性質により、連続する部材２または１２の電気活性部分２０に何らかのひずみが存在する可能性があるとしても、電気活性層２１または２２は、部分２０の幅に渡って、短軸３または１３に平行に展開していることが好ましい。これに代えて、電気活性部分２０に沿った一方の縁が反対側の縁より短軸３または１３により近接するよう、層２１または２２を部分２０の幅に渡って、短軸３または１３に対して一定の角度で展開させることもできる。
【００２９】
電気活性層２１または２２の材料は、圧電材料であることが好ましい。圧電材料には適切な任意の材料、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電セラミック、あるいはポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などの圧電重合体を使用することができるが、電気活性層２１、２２の材料には、他の任意のタイプの電気活性材料、例えば、材料の変形あるいはひずみによって電気抵抗が変化するピエゾ抵抗材料、あるいは電界の印加を制限する電歪材料を使用することも可能である。
【００３０】
電気活性部分２０は、さらに、圧電材料層２１、２２に平行に延びた電極２３〜２５を備えている。外側の電極２３、２４は、電気活性部分２０の反対側に、電気活性層２１、２２の外側に設けられている。中央電極２５は、電気活性層２１と２２の間に設けられている。電極２３〜２５は、ポーリング電圧を印加し、かつ、電気活性部分２０を湾曲モードで動作させるために使用される。
【００３１】
部分２０を湾曲させることによって機械的に活性化させると、電極２３〜２５に電圧が生じ、逆に、電気的に活性化させると、活性化電圧が電極２３〜２５に印加される。電気活性層２１および２２は、中央電極２５によって形成された界面で一体結合されているため、その拘束により、部分２０が湾曲すると、その湾曲に付随して電気活性層２１および２２の長さが差動変化する。電気活性層２１または２２のいずれか一方が伸長し、電気活性層２１および２２のもう一方が収縮する。
【００３２】
活性化電圧およびポーリング電圧の相対方向および大きさは、知られている、湾曲構造を有する線形電気活性デバイスの場合と同じ方法で選択することができる。例えば、中央電極２５を接地し、かつ、外側の電極２３、２４の両方に同じ極性のポーリング電圧を印加することにより、電気活性層２１および２２を磁極化するだけの十分な大きさのポーリング電圧を、電気活性層２１および２２の両端間に逆方向に印加することができる。その場合、電気活性部分２０が機械的に活性化されると、活性化電圧が電気活性層２１および２２の両端間に同じ方向に生じ、外側の２つの電極２３および２４に、中央電極２５に対して逆極性の電圧が生成される。
【００３３】
活性化されると、活性化電圧の極性に応じて、電気活性部分２０が短軸３または１３の周りに、短軸３、１３に向かって、あるいは短軸３、１３から遠ざかる方向に湾曲する。機械的に活性化されると、電極２３〜２５に生じた活性化電圧が回路２６に供給される。電気的に活性化されると、活性化電圧は、電極２３〜２５に電気接続された外部端子２７を介して、知られている、湾曲構造を有する線状圧電デバイスに対して知られている方法で、回路２６から印加される。
【００３４】
電極２３〜２５への電気接続は、湾曲構造を有する既知の線状デバイスに対して知られている方法と同じ方法で実施することができ、原理的には、部分２０がその一部を形成しているデバイスの長さに沿った任意のポイントで接続することができるが、端部で接続されることが好ましい。好ましい技法は、湾曲構造を有する線状デバイスに対して知られているように、デバイスの幅全体に渡って、デバイスの端部の異なる横方向位置に展開したフィンガ（図示せず）を電極に設けることである。
【００３５】
他の湾曲構造、例えば、１層の電気活性材料層および１層の不活性層を備えたユニモル湾曲構造、あるいは複数の電気活性材料層を備えたマルチモル湾曲構造を部分２０に等しく適用することができることは理解されよう。
【００３６】
図３に示す湾曲構造は、単純である点および製造が容易である点で好ましいが、実際には、連続する部材２または１２は、活性化されると短軸３または１３の周りに湾曲する任意の構造にすることができることは理解されよう。例えば、連続する部材は、本出願と同時に出願される、エレメントが、部材の長さに沿って展開した、活性化に応じて幅を横切って湾曲する２対の電極を有する、「Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ａｃｔｉｖｅ Ｅｌｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ Ｄｅｖｉｃｅｓ」という名称の出願に記載されているタイプの電気活性エレメントであっても良い。
【００３７】
活性化されると、連続する部材２または１２の電気活性部分２０が短軸３または１３の周りに湾曲する。連続する電気活性部材２または１２が短軸３または１３の周りに湾曲、詳細には螺旋状に湾曲すると、このような湾曲に付随して、連続する部材２または１２が短軸３または１３の周りにねじられる。これは、湾曲締付けまたは湾曲緩めによって、部材２または１２の構造が短軸３または１３に沿ってねじれるため、連続する部材２または１２の回転として視覚化することができる。連続する部材２または１２のねじりは、短軸３または１３の長さ全体に沿って生じ、図１に示す第１のデバイス１の５および６の番号が振られた構造の端部、および図２に示す第２のデバイス１１の１５および１６の番号が振られた構造の端部を相対回転させる。
【００３８】
連続する部材２または１２は、このようなねじれを生成するべく、例えば、あたかも平らな部材を短軸の周りにねじれさせることによって形成されたような形状を持たせることにより、螺旋以外の曲線で短軸３または１３の周りに湾曲させることができることは理解されよう。また、短軸の周りのねじれを生成するべく、連続する部材以外の他の構造を適用することができることについても理解されよう。例えば、隣接する部分が個々の部分の湾曲によって短軸の周りにねじれ、それにより構造が全体としてねじられるよう、短軸に沿って連続的に配置され、かつ、一体結合された複数の電気活性部分を電気活性構造に持たせることができる。これに代えて、電気活性構造を、本出願と同時に出願される、せん断モードで活性化される電気活性エレメントを備えることができる複数の電気活性ねじりアクチュエータを備えた、「Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｄｅｖｉｃｅｓ」という名称の出願に記載されているタイプのデバイスにすることもできる。
【００３９】
図１に示す第１のデバイス１を考察すると、連続する部材２の短軸３の周りのねじりには、デバイスの端部５および６の、短軸３の曲線に対して直角をなす、つまり長軸４に平行の相対変位が付随している。端部５および６の相対変位は、連続する部材２の短軸３の曲線と相俟った短軸３の周りのねじりによるものである。湾曲した対象のねじれによって、その対象の端部の、その対象の局部曲線に直角をなす相対変位がもたらされることは当然の結果である。
【００４０】
同様に、図２に示す第２のデバイス１１が活性化されると、連続する部材１２が短軸１３の周りにねじられ、デバイスの端部１５および１６の、長軸１４に平行の変位が付随する。この場合も、この相対変位は、連続する部材１２の短軸１３の曲線と相俟った短軸１３の周りの回転によるものである。この場合、短軸１３に沿った構造の任意の所与の微小セクションによってもたらされる相対変位が、そのセクションの端部の、短軸１３の局部曲線に対して直角をなす相対変位をもたらしている。デバイス１１の端部１５、１６の総合変位は、すべてのセクションの変位の合計であり、長軸１４に平行の総合相対変位をもたらしている。
【００４１】
したがって、第１のデバイス１および第２のデバイス１１のいずれの場合においても、デバイスの構造端部５および６の端部の相対変位には、その長さに沿った構造のねじれが付随しており、構造のねじりには、電極２３〜２５上に電気信号を生成させる個々の部分２０の機械的活性化が付随している。
【００４２】
部材２または１２の正確な構造および寸法、および電気活性構造の形態は、所望する応答を生成するべく、自由に変更することができる。適切な部材２または１２は、直径４ｍｍの小螺旋として短軸３または１３の周りに巻かれた厚さ０．５ｍｍのテープを有している。これが、小曲線が直径３０ｍｍの円の約３／４の周りに展開している第１のデバイス１を形成している場合、観察される変位は、約±６ｍｍである。同様に、小曲線が直径３０ｍｍの２０巻き螺旋の周りに展開している第２のデバイス１１の形成にこの構造が使用された場合、約±１２０ｍｍの変位が生成される。
【００４３】
一般的に、本発明によるデバイスの構造がそれに沿って延びている短軸は、任意の曲線に追従し、それによって得られる構造の端部の変位は、その曲線に沿った構造の個々のセクションによってもたらされる変位の合計である。しかし、デバイスのすべてのセクションによって共通の方向に相対変位がもたらされ、また、設計および製造が単純化されるため、第１のデバイス１および第２のデバイス１１の短軸の曲線などの正則曲線であることが好ましい。
【００４４】
第１のデバイス１および第２のデバイス１１は、端部５と６の間、あるいは端部１５と１６の間に機械変位を生成するべく電気的に活性化させることができ、あるいは機械的に活性化させることも可能である。後者の場合、端部５および６、あるいは端部１５および１６の相対変位によって、電極２３〜２５の両端間に電圧が生ずる。電気的に活性化させる場合、電気活性デバイス１の端部５および６または電気活性デバイス１１の端部１５および１６は、さらに、機械的に活性化された場合に、端部５および６または端部１５および１６が、デバイス１または１１を変形させるエレメントに結合されるのと同様に、相対的に変位するエレメントに結合される。
【００４５】
次に、電気活性デバイス１および１１の製造について説明する。
【００４６】
好ましい製造方法は、最初に、線状短軸に沿って延びた電気活性構造を形成し、次に、電気活性構造が展開している短軸が湾曲するよう、線状電気活性構造を湾曲させることである。
【００４７】
線状短軸に沿った電気活性構造として、連続する部材２または１２を形成するための２つの好ましい技法が有る。
【００４８】
第１の好ましい技法は、最初に、連続する部材２または１２を線状部材として形成し、次に、その線状部材を変形させて線状短軸の周りに湾曲させることである。連続する部材２または１２の湾曲構造については、それ自体知られており、連続する部材２または１２は、湾曲構造を有するデバイスを製造するための知られている任意の技法を適用して形成することができる。例えば、連続する部材１２は、最初に、可塑化された材料の層２１および２２を共有押出し成形することによって製造することができ、あるいは層２１および２２を共有カレンダーがけすることによって製造することができる。これに代えて、連続する部材２または１２は、薄層２１および２２の積層によって製造することができる。これらのより薄い層は、セラミック粉末の高せん断混合、共有押出し成形およびカレンダーがけが後続する重合体および溶媒混合機などの適切な任意の手段を使用して製造することができる。これに代えて、テープ・キャスティングすなわちセラミックの分野で知られているＳｏｌｕｔｅｃｈプロセスと呼ばれるプロセスなどの技法を使用することもできる。
【００４９】
電極は、連続する部材２または１２の製造における必須部分として、例えば共有押出し成形あるいは共有カレンダーがけによって形成される。また、活性化層２３〜２５であり、あるいは電極２３〜２５へのアクセスを可能にする端子電極である電極は、印刷、焼成銀ペーストを通した無電解めっき、または他の適切な任意の技法によって加えられる。
【００５０】
第２の好ましい技法は、最初に、連続する部材を、電気活性層２１および２２と電極２３〜２５の多層湾曲構造を備えたシリンダまたは他のチューブとして製造し、次に、短軸を構成することになるシリンダまたはチューブの軸の周りを螺旋状に展開した連続する部材２または１２を残すべく、螺旋状の線に沿って部材を切断することである。
【００５１】
続いて、線状構造を湾曲させることにより、構造がそれに沿って延びる短軸が湾曲する。
【００５２】
部材および構造を変形させるためには、最初に形成される部材に十分な柔軟性が存在していなければならない。適切に変形させることができる電気活性材料については知られており、通常、変形性を改善する成分重合体が含まれている。このような材料を整形した後、成分重合体が、通常、最大６００℃で燃焼され、続いてもっと高い温度、典型的には１０００℃〜１２００℃でさらに焼結させることによって材料が高密度化される。この場合、電気活性構造は、焼結時に生じる、典型的には約１２〜２５％の線形収縮を許容するべく、最初に大き目の寸法で形成される。
【００５３】
線状部材および構造の湾曲化は、巻型の周りで実施される。続いて、物理的に、あるいは、例えば融解、燃焼または溶解による破壊によって巻型が除去される。
【００５４】
次に、上で説明したタイプの電気活性デバイスを使用した多数のセンサについて説明する。電気活性デバイスの電気活性構造は、構造の端部の相対変位による機械的活性化に応じて電気信号を生成するようになされている。センサには、さらに、電気活性デバイスに接続された、生成された電気信号すなわち相対変位を検出するための検出器回路が含まれている。電気活性デバイスは、感知すべきシステムによって相対変位するようになされており、したがって運動が電気信号に変換されるため、運動または他の特性を測定することができる。
【００５５】
センサを示した図では、電気活性デバイスは、図２に示す第２のデバイス１１のように、螺旋状に湾曲した短軸に沿って展開した構造を有するものとして示されているが、これは単に説明用に過ぎず、電気活性デバイスは、上で説明した任意のタイプの構造を有することができる。
【００５６】
上で説明した電気活性デバイスを使用したセンサの最も単純な形態は、可動対象の変位を測定するための変位センサである。変位センサの場合、可動対象は、電気活性デバイスの構造の一方の端部が、固定されたもう一方の端部に対して変位するようになされている。このような変位センサの場合、電気活性デバイスは、その機械的剛性が十分に小さくなるように設計されているため、測定するシステムの変位に電気活性デバイスが重大な影響を及ぼすことはない。このような適用例では、上で説明したタイプの電気活性デバイスを使用することによる利点は、電気活性デバイスによって大きな変位能力が提供されること、および電気活性デバイスのコンプライアンスが比較的小さいことである。
【００５７】
図４は、検出器回路４２に電気接続された電気活性デバイス４１を備えたこのような変位センサ４０を示したものである。電気活性デバイス４１の一方の端部４３は、変位をセンスする対象４４に結合されている。電気活性デバイス４１のもう一方の端部４５は、支持部４６に結合されており、対象４４は、この支持部４６に対して移動可能である。対象４４がＡの方向に移動すると、電気活性デバイス４１の端部４３および４５が相対変位し、それにより電気活性デバイス４１が機械的に活性化され、電気信号が生成される。検出器回路４２は、生成された電気信号を検出している。電気信号は電圧であり、したがって検出器回路４２は電圧検出器であり、高入力インピーダンスを有するようになされている。
【００５８】
図５は、変位センサのもう１つの形態である液面センサ５０を示したものである。以下の説明を除き、液面センサ５０は変位センサ４０と同一であり、したがってその説明は省略する。電気活性デバイス４１の自由端４３は、フロート５２および錘５３を備えたエレメント５１に結合されている。使用に際しては、フロート５２がそのレベルを測定すべき液体５４中に浮遊している。液体５４のレベルが変化するとフロート５２が変位し、その変位がセンサ５０によって測定される。錘５３は、フロートを液体５４中の正規のレベルに浮遊させるべく、フロートを下向きに安定させるためのものである。
【００５９】
液面センサ５０には様々な改変が可能であることは理解されよう。例えば、フロート５４をガイド上に配置することにより、フロート５４の運動を導くことができる。また、機械的な制限を設けることにより、フロート５４による電気活性デバイス４１の構造の端部の最大相対変位を超えた運動を制限することも可能である。
【００６０】
電気活性デバイスは、力センサとして使用することもできる。その場合も、電気活性デバイスは、一方が印加される力を受け取るためのものであり、固定されたもう一方が支持部である、２つの相対可動エレメントの間に結合される。力センサは、印加される力の大きさに対応する量だけ電気活性デバイスの端部が相対変位するよう、印加される力を機械的に阻止するようになされている。この機械的な阻止は、測定する力の大きさに応じて、適切な剛性を備えた電気活性デバイスを選択することによって達成される。これに代えて、他の機械構造、例えばばねなどの弾性バイアス手段を電気活性デバイスに並列に設けることも可能である。本発明による電気活性デバイスをこのような力センサとして使用することによる利点は、電気活性デバイスの比較的小さいコンプライアンスにより、力センサの感度が著しく改善されることである。また、電気活性デバイスの特性が線形であるため、分解能が高く、かつ、レンジの広い線形センサが提供される。力センサは、例えば重量すなわち質量の測定に使用することができる。
【００６１】
図６は、このような力センサの一形態である圧力センサ６０を示したものである。圧力センサ６０は、圧力チャンバ６２を画定している支持部６１を備えている。ピストン６３には、圧力チャンバ６２内の一方の端部６４が設けられている。ピストン６３は、軸受６５によって支持部６１に取り付けられており、圧力チャンバ６２に沿った往復運動が可能である。圧力センサ６０は、さらに電気活性デバイス６６を備えており、その第１の端部６７はピストン６３に結合され、第２の端部６８は支持部６１に結合されている。電気活性デバイス６６は、検出器回路６９に電気結合されている。検出器回路６９は、電気活性デバイス６６が生成する電気信号を検出し、変位および電気活性デバイス６６に印加される力の測値を提供している。使用に際しては、その圧力を測定すべき液体が圧力チャンバ６２内に導入される。圧力チャンバ６２内に導入された液体の圧力に応じた力がピストン６３に印加され、それにより電気活性デバイス６６の端部６７および６８が相対変位し、検出器回路６９によって検出される電気信号が生成される。
【００６２】
図７は、力センサのもう１つの形態である圧力センサ７０を示したものである。圧力センサ７０は、圧力チャンバ７２を画定している支持部７１を備えている。ピストン７３の形態は、フレキシブル・ダイヤフラムの形態を取っており、その円周の周りは、圧力チャンバ７２の一端を形成している支持部７１に結合されている。圧力センサ７０は、さらに電気活性デバイス７６を備えており、その第１の端部７７はピストン７３に結合され、第２の端部７８は支持部７１に結合されている。電気活性デバイス７６は、検出器回路７９に電気結合されている。検出器回路７９は、電気活性デバイス７６が生成する電気信号を検出し、変位および電気活性デバイス７６に印加される力の測値を提供している。使用に際しては、その圧力を測定すべき液体が圧力チャンバ７２内に導入される。圧力チャンバ７２内に導入された液体の圧力に応じた力がピストン７３に印加され、それにより電気活性デバイス７６の端部７７および７８が相対変位し、検出器回路７９によって検出される電気信号が生成される。
【００６３】
速度センサは、複数の圧力センサ、例えば図６および７に示す圧力センサ６０または７０をピトー管内に配列することによって製造することができる。測定される２つの圧力の差が液体の速度である。他のタイプの圧力センサを備えたピトー管を使用したこのような構造は、それ自体、従来の構造である。
【００６４】
また、電気活性デバイスを使用して音響を検出することができるため、センサはマイクロホンを構成している。その場合、電気活性デバイスの一端は、入射する音波によって動作するようになされた音響検出エレメントに結合される。音響検出エレメントの設計は、従来のマイクロホンの設計と同じであり、音波の周波数および大きさに依存して検出される。
【００６５】
このようなマイクロホンの構造は、電磁コイルを電気活性デバイスに置き換えることにより、知られている、電磁コイルを使用したマイクロホンの構造と同じ構造にすることができる。電磁コイルを使用した場合と比較すると、本発明によるマイクロホンには多くの利点が有る。生成される電気信号のレベルが大きいため、電気活性デバイスを使用することにより、マイクロホンのダイナミック・レンジを大きくし、周波数領域を広くし、また、感度を高くすることができる。詳細には、電気活性デバイスの周波数応答により、このようなマイクロホンに、全可聴周波数領域およびいくつかの副可聴周波数をカバーする周波数応答を持たせることができる。また、低レベルの周波数応答の達成が可能であることは、マイクロホンを非接触変位計として使用することができることを意味している。もう１つの利点は、マイクロホンを機械的に設計することができるため、電磁マイクロホンでは困難な空気インピーダンスとの良好なインピーダンス整合がもたらされることである。電気活性デバイスのこの特性および大きなひずみが、マイクロホンによる、従来のマイクロホンによって生成される電気信号よりはるかに大きい電気信号の生成を可能にしている。信号の振幅が非常に大きいため、信号対雑音比が改善されている。さらに他の利点は、電気活性デバイスの重量が、対応する電磁コイル構造と比較して著しく軽減されていることである。
【００６６】
図８は、一例として、このようなマイクロホン８０を示したもので、電気活性デバイス８１は、その一端８２で、音響検出エレメントを形成しているコーン８３に結合されている。電気活性デバイス８１のもう一方の端部８４は、支持部８４に結合されている。また、コーン８３は、支持部８４によって、コーン８３の円周の周りに配置されたフレキシブル・シール８５を介して支持されている。電気活性デバイス８１を除くと、マイクロホン８０の構造は従来の構造である。使用に際しては、コーン８３に入射する音波によってコーン８３が振動運動し、それにより電気活性デバイス８１の端部８２および８４が振動変位する。電気活性デバイス８１は、検出器回路８６に結合されている。検出器回路８６は、電気活性デバイス８１によって出力される、音響に対応する電気信号を検出している。検出器回路８６は、音響信号に対応する電気信号を検出するための従来の回路を有している。
【００６７】
また、電気活性デバイスを使用して、その一方の端部を質量に結合することにより、加速度センサを形成することができる。電気活性デバイスのもう一方の端部が変位すると、質量の慣性によってその運動が制限されるため、生成される出力信号は、電気活性デバイスのもう一方の端部の加速度を表している。したがって電気活性デバイスを使用して、そのもう一方の端部、すなわち該もう一方の端部に結合されているエレメントの加速度を検出することができる。
【００６８】
本発明による加速度センサにより、単純な圧電性結晶から形成された、既知の加速度センサと比較して多くの利点が提供される。最も重要なことは、本発明による加速度センサが、はるかに多くの感応検出を可能にしていることである。また、電気活性デバイスにより、著しく大きい信号振幅が生成され、それにより信号対雑音比が改善され、延いては低雑音電気信号を維持するために必要な信号調整が改善される。さらに、電気活性デバイスを使用することにより、加速度センサを直流に近い低周波数で動作させることができる。
【００６９】
生成される電気信号により、加速度の測値が提供される。知られている加速度センサの場合と同様、検出器回路は、速度および変位の測値を得るべく、この信号を積分するようになされており、したがってこのセンサは、速度センサまたは変位センサを構成している。したがって加速度センサを使用して、多くの適用のための位置センサを製造することができる。直交方向の加速度を検出するべく、複数のこのようなセンサを配列することにより、二次元または三次元位置センサを製造することができ、それによりコンピュータ・システムの入力装置として二次元または三次元「マウス」としての潜在的な使用が提供される。これは、ボールなどの露出部品を必要とせず、また、表面の摩耗がないため、従来の「マウス」に勝る著しい利点である。同様に、仮想現実感システムの入力装置として三次元「マウス」を使用することも可能である。
【００７０】
図９は、一方の端部９２で質量９３に結合され、もう一方の端部９４で支持部９５に結合された電気活性デバイス９１を備えたこのような加速度センサ９０を示したものである。質量９３および支持部９５は相対移動が可能であり、したがって支持部９５が変位すると、質量９３の慣性によってその運動が制限される。したがって生成される出力信号は、支持部９５の加速度を表している。電気活性デバイス９１は、生成される電気信号を検出するための検出器回路９６に電気接続されている。
【００７１】
本発明によるすべてのセンサの検出器回路は、高インピーダンス電圧検出器である。別法としては、検出器回路に積分電流検出器回路を使用することもできる。検出器回路に積分電流検出器回路を使用することにより、以下に示すように、センサの性能が交流から直流まで拡張される。上で説明したタイプの電気活性デバイスは、モデレート・コンデンサ（通常、数百ナノ・ファラド）と並列の抵抗が極めて大きいその電気的性質により、本質的にＡＣ結合されている。電気活性材料の抵抗から抵抗が引き出され、また、電気活性材料の両端間に配置された電極から容量が引き出される。電気活性デバイスの電荷の運動を長い時間期間に渡って測定する積分電流検出回路を使用することにより、センサの性能を直流まで拡張することができる。
【００７２】
図１０は、一例として、積分電流検出器回路１００を示したものである。図１０は、コンデンサ１０３と並列の抵抗１０２としての電気活性デバイス１０１の実効回路を示したものである。電気活性デバイス１０１は、検出器回路１００の端子１０４の両端間に電気接続されている。検出器回路１００は、低インピーダンス抵抗すなわち電荷が移動することによって誘導される磁界による電流を測定するＳＱＵＩＤ（Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ＱＵａｎｔｕｍ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ Ｄｅｖｉｃｅ）などの専用センサである低抵抗センシング・エレメント１０５を備えている。電気活性デバイス１０１が変位すると、それによって生成された電荷が低抵抗センシング・エレメント１０５を通過する。検出器回路１００は、さらに、電荷の低抵抗センシング・エレメント１０５の通過を集積すなわちカウントするようになされた回路１０６を備えている。回路１０６には、微小電流を測定するだけの十分な感度を有していることを条件として、アナログまたはディジタルのいずれであっても良い計測エレクトロニクスが含まれている。
【００７３】
また、電気活性デバイスを使用して、回転エレメントの回転を検出することもでき、したがってセンサは回転エンコーダを構成している。一例として、図１１は、軸１１２の周りに回転することができ、それにより回転軸を画定している回転エレメント１１１を備えたこのような回転エンコーダ１１０を示したものである。回転エレメント１１１の円周１１３には、複数の歯１１４が形成されている。したがって歯１１４は、半径が変化する円周を提供している。半径が変化する、歯１１４以外の任意のフィーチャ（造作）を使用することができる。
【００７４】
回転エンコーダ１１０は、さらに、検出器回路１２０に電気接続された、上で説明したタイプの電気活性デバイス１１５を備えている。電気活性デバイス１１５は、その一方の端部１１６で、回転エレメント１１１の円周と係合する部材１１７に結合されている。電気活性デバイス１１５のもう一方の端部１１８は、軸１１２の周りの回転エレメント１１１の回転軸に対して固定されたサポート１１９に結合されている。部材１１７が回転エレメント１１１の円周と係合すると、回転エレメント１１１は、部材１１７を通り越して歯１１４の通路を回転させるため、部材１１７が変位する。部材１１７のこの変位により、電気活性デバイス１１５の端部１１６および１１８が相対変位し、検出器回路１２０によって検出される電気信号が生成される。したがって検出器回路１２０は、従来の回転エンコーダと同様の方法で回転エレメントの回転を検出している。
【００７５】
歯１１４には、回転軸の周りに逆方向に、詳細には個々の歯１１４の両側に異なる傾斜を持たせることにより、異なる輪郭が設けられている。そのために、電気活性デバイス１１５によって生成される電気信号の形状は、回転エレメント１１１の回転方向によって異なっており、それにより検出器回路１２０は、出力信号の形状から回転方向を検出することができる。
【００７６】
知られている従来の回転エンコーダの場合と同様の方法で、例えば、回転エレメント１１１の絶対回転位置を決定するべく、フィーチャの間隔すなわち幅を変化させることによって、回転エレメント１１１上のフィーチャを他の様々な形状にすることができることは理解されよう。
【００７７】
また、上で説明した図１〜３に示すようなタイプの電気活性デバイスは、電気活性デバイスが（ａ）デバイスを機械的に変位させるための活性化電気信号の印加による電気活性デバイスの電気的活性化、およびそれとは別に（ｂ）機械的活性化による電気信号の生成を提供するよう、電気活性構造の構成を修正することによってジャイロスコープとして使用することもできる。使用に際しては、センサが交番電気信号によって電気的に活性化され、それによって生じる電気活性デバイスの変位が検出される。電気活性デバイスが定常状態にある場合、活性化電気信号と生成される電気信号は一致しているが、電気活性デバイスの外部加速度が変化すると、外部加速度と電気活性デバイスの相対配向に応じて、電気活性デバイスの機械的変位が変化する。電気活性デバイスの機械的変位は、デバイスの配向の変化に従って変化し、それに応じて出力電気信号が変化する。活性化電気信号と生成される信号の差によって、従来のジャイロスコープと同様の方法でセンサの配向の変化の測度が提供される。したがってシステムの配向の変化を検出しているため、このセンサはジャイロスコープを構成しており、安定制御システムでの使用に適している。直交方向に配向された複数の電気活性デバイスを提供することにより、多次元ジャイロスコープを構築することができる。
【００７８】
図１２は、独立した（ａ）電気活性化および（ｂ）機械的変位の検出を提供するための電気活性デバイスの一部１２４の構造を示したものである。この構造は、短軸３または１３の長さ全体に沿って一様であることが好ましく、図３に示す電気活性部分２０の構造の代替構造である。部分１２４は、図１に示す第１のデバイス１の連続する部材２の一部であるか、あるいは図２に示す第２のデバイス１１の連続する部材１２の一部のいずれかであり、したがって部分１２４は、図１２に示すように、短軸３または１３の周りの螺旋状曲線部分に沿って延びている。
【００７９】
電気活性部分１２４の第１の部分１２１では、電気活性部分１２４は、図３に示す電気活性部分２０のバイモル湾曲構造と同じバイモル湾曲構造を有しており、したがってその説明は省略するが、使用に際しての部分１２４のこの第１の部分１２１の活性化方法は異なっている。詳細には、この部分１２１は、機械的な活性化に代わって、回路１２３からの所定の周波数の交番電気信号の印加によって電気的に活性化される。この活性化電気信号により、部分１２４が短軸３または１３の周りに湾曲し、それに付随して電気活性デバイスの構造が短軸３または１３の周りにねじられ、構造の端部が相対変位する。
【００８０】
また、電気活性部分１２４の第２の部分１２２は、第１の部分１２１が電気的に活性化された場合に生成される機械的変位を独立して検出することができる。第２の部分１２２も、第１の部分１２１と同様、図３に示す電気活性部分２０と同じ構造を有している。第１の部分１２１および第２の部分１２２の層は、互いに平行に展開している。第２の部分１２２は、第１の部分１２１の機械的変位によって機械的に活性化され、それにより実際の機械的変位に対応する電気信号が生成される。第２の部分１２１の電極は、生成される電気信号を検出する検出器回路として作用している回路１２３に電気接続されている。また、回路１２３は、知られているジャイロスコープと同じ方法で電気活性デバイスの配向の変化の測度を引き出すべく、生成される電気信号と第１の部分１２１の電極に印加される活性化電気信号を比較している。したがって部分１２４の構造を使用する場合、電気活性デバイスはジャイロスコープを形成することになる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】第１の電気活性デバイスの平面図である。
【図２】第２の電気活性デバイスの側面図である。
【図３】図１に示す第１のデバイスまたは図２に示す第２のデバイスのいずれかの一部の斜視図である。
【図４】変位センサの側面図である。
【図５】液面センサの側面図である。
【図６】第１の圧力センサの横断面図である。
【図７】第２の圧力センサの横断面図である。
【図８】マイクロホンの横断面図である。
【図９】加速度センサの側面図である。
【図１０】積分電流検出器回路である検出器回路の回路図である。
【図１１】回転エンコーダの形態のセンサの側面図である。
【図１２】第１のデバイスまたは第２のデバイスのジャイロスコープとしての動作を可能にする代替構造を有する、図１に示す第１のデバイスまたは図２に示す第２のデバイスのいずれかの一部の斜視図である。

Claims (26)

1. 検出器回路に電気接続された電気活性デバイスを備えたセンサであって、前記電気活性デバイスが、湾曲した短軸に沿って延びた電気活性構造を備え、かつ、前記構造の端部の相対変位によって機械的に活性化されると、前記短軸の周りの構造のねじれに付随して電気信号を生成するように配置され、前記検出器回路が、生成された電気信号を検出するように配置されたセンサ。
2. 前記電気活性デバイスの前記構造の前記端部が、その相対変位を検出すべき相対可動エレメントに結合された、請求項１に記載のセンサ。
3. 前記エレメントの１つがフロートである、請求項２に記載のセンサ。
4. 前記エレメントの１つが、液体圧力の印加によって動作するように配置されたピストンであり、したがって前記センサが圧力センサである、請求項２に記載のセンサ。
5. 前記ピストンが剛直部材である、請求項４に記載のセンサ。
6. 前記ピストンがフレキシブル・ダイヤフラムである、請求項４に記載のセンサ。
7. 前記エレメントの１つが、入射する音波によって動作するよう配置された音響検出エレメントであり、したがって前記センサがマイクロホンを構成している、請求項２に記載のセンサ。
8. 他のエレメントが前記エレメントの前記１つを支持している、請求項２から７までのいずれか一項に記載のセンサ。
9. 前記エレメントの１つが質量であり、したがって前記センサが、他のエレメントの加速度を検出するための加速度センサを構成している、請求項２に記載のセンサ。
10. 前記検出器回路が、電圧としての前記電気信号を検出するように配置された、前記請求項のいずれか一項に記載のセンサ。
11. 前記検出器回路が積分電流検出器回路である、請求項１から９までのいずれか一項に記載のセンサ。
12. 回転軸の周りの円周に、半径が変化するフィーチャを有する回転エレメントをさらに備え、前記フィーチャを検出するべく前記電気活性デバイスの一方の端部が前記円周と係合する部材に結合され、それにより前記センサが回転エンコーダを構成している、請求項１に記載のセンサ。
13. 前記フィーチャが、異なる輪郭を前記回転軸の周りに逆方向に有する、請求項１２に記載のセンサ。
14. 前記電気活性デバイスの前記構造が、交番電気信号を印加することによって、前記第１に言及した電気信号の生成とは独立して電気的に活性化させることができ、前記センサが、前記電気活性デバイスに電気接続された、前記活性化電気信号を供給するための交番信号源をさらに備え、それにより前記センサがジャイロスコープを構成している、請求項１に記載のセンサ。
15. 検出器回路に電気接続された電気活性デバイスを備えたセンサであって、前記電気活性デバイスが、湾曲した短軸に沿って展開した電気活性構造を備え、かつ、前記構造の端部の相対変位によって活性化されると、前記短軸の周りの構造のねじれが付随するように配置され、前記電気活性構造が、前記短軸に沿って連続して配置された電気活性部分を備え、かつ、電気信号を生成するべく、前記短軸の周りの前記電気活性構造の前記ねじれに付随して前記短軸の周りに湾曲させることによって機械的に活性化するように配置され、前記検出器回路が、生成された電気信号を検出するように配置されたセンサ。
16. 前記電気活性構造が、前記短軸に沿って連続して配置された、活性化されると前記短軸の周りに湾曲するように配置された電気活性部分を備えた、請求項１から１４までのいずれか一項に記載のセンサ。
17. 前記電気活性構造が、前記短軸の周りに湾曲した連続する電気活性部材を備え、前記電気活性部分が、前記連続する部材の隣接有限部分である、前記請求項のいずれか一項に記載のセンサ。
18. 前記連続する電気活性部材が、前記短軸の周りに螺旋状に湾曲している、請求項１７に記載のセンサ。
19. 前記連続する電気活性部分が、少なくとも１つの電気活性材料層を含む複数の層の湾曲構造を有する、請求項１６から１８までのいずれか一項に記載のセンサ。
20. 前記電気活性部分が、２層の電気活性材料層のバイモル湾曲構造または３層以上の電気活性材料層のマルチモル湾曲構造を有する、請求項１９に記載のセンサ。
21. 前記電気活性構造が、前記電気活性構造の機械的活性化に応じて、その両端間に電気信号を生じさせるための電極を備えた、前記請求項のいずれか一項に記載のセンサ。
22. 前記短軸が螺旋状曲線中を展開した、前記請求項のいずれか一項に記載のセンサまたは電気計器。
23. 前記短軸が平面状曲線中を展開した、前記請求項のいずれか一項に記載のセンサ。
24. 前記電気活性構造が圧電材料を含む、前記請求項のいずれか一項に記載のセンサ。
25. 前記圧電材料が、圧電セラミックまたは圧電重合体である、請求項２４に記載のセンサまたは電気計器。
26. 前記圧電材料が、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）またはポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）である、請求項２５に記載のセンサまたは電気計器。