(57)【要約】バイモルフ（中間面の一方側に第１の圧電層、および中間面の他方側に第２の圧電層を有する）に固有である、名目上の中間面のいずれかの側で空間的な分離の等価物が、中間面のいずれか一方の側で、概して平坦な２つのグループに構成された複数の圧電部分を有するように、簡単な単一の圧電層（１１）の断面を構造的に成形することによって得られ、その面の一方側の部分によって受ける任意の寸法変化が、その面の他方側の部分によって受ける同じ意味の寸法変化に対する、反対方向におけるデバイス全体を曲げる傾向がある。簡単な単一層は、それが、その長さに沿って曲がり、一方の端部が、他方に対して上方／下方、または後方／前方へ動く、細長くかつビーム状であるが、内部電極の必要がないバイモルフのように作用する。
2005504442.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電デバイスであって、前記圧電デバイスの本体は、２つの概して平坦なグループに配置される複数の分離された別個の圧電部分を有するように成形された、単一の圧電材料の層であり、前記平坦なグループは、前記本体全体を通る名目上の中間面の各側の一方側に沿って延び、前記平坦なグループは、したがって、前記中間面によって空間的に分離されかつ前記中間面を横切って互いに面し、その結果、前記中間面の一方側の前記グループにおける任意の圧電部分の寸法変化が、前記中間面の他方側の前記グループにおける同じ意味の圧電部分の寸法変化に対して、反対方向における前記中間面に対する垂直方向に前記デバイスを曲げる傾向がある圧電デバイス。
【請求項２】
前記デバイスの全体形状は、前記本体に沿って延びる前記分離された別個の圧電部分グループを有するように、細長い本体の長さを横切る方向に成形された細長い本体の全体形状である請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記圧電材料は、セラミック材料である前記請求項のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項４】
前記単一層の前記本体は、波形に形成されたシートである前記請求項のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項５】
前記波形に形成されたシートは、概して平坦である請求項４に記載のデバイス。
【請求項６】
前記波形に形成されたシートは、その長さ全体に沿って均一に波形に形成されている請求項４または５に記載のデバイス。
【請求項７】
前記波形の形状は、正弦波または半球状のいずれかである請求項４から６までのいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項８】
前記波形は、前記本体に沿った半分で反転される請求項４から７までのいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項９】
前記本体は、（部分的な）リングまたは環状として、あるいはディスクとして成形され、前記形状が波形に形成され、前記波形が、前記本体を横切って真っ直ぐでありしたがって概して径方向であるか、または理論的な径に対してある角度であり、真っ直ぐであるかまたは交互にわずかに湾曲して円弧である請求項１から８までのいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１０】
全体に断続する環状形状を有する、概して平坦な単一層の弓形ストリップ状の本体である圧電デバイスであって、前記本体は、前記ストリップを横切って延びる波形を有するように、その弓形の長さに沿った方向に物理的に成形されており、これらの波形は、分離された別個の圧電部分グループを形成し、前記圧電部分グループは、前記本体全体を通る中間面に沿って延び、かつ前記中間面の各側に延び、前記圧電部分グループは、したがって、前記中間面によって空間的に分離されかつ前記中間面を横切って互いに面し、その結果、前記中間面の一方側の前記グループにおける任意の圧電部分の寸法変化が、前記中間面の他方側の前記グループにおける同じ意味の圧電部分の寸法変化に対して、反対方向におけるその長さを横切る前記中間面に対する垂直方向に前記ストリップを曲げる傾向がある圧電デバイス。
【請求項１１】
前記波形は、前記中間面に対する垂直な中央ラインに周りに均一にかつ対称的に配置される前記請求項のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記中間面は、前記デバイスの中立軸面と同一面である前記請求項のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記波形は、平行ではなく、前記波形のピッチは、前記デバイスの最も小さい平面内寸法と比べて相対的に小さい前記請求項のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１４】
スタックに形成された、複数の前記請求項のいずれか一項に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、「曲がり装置」効果を示す新規な圧電構造に関し、特に、通常のようなユニモルフまたはバイモルフ・タイプの二層よりむしろ、単一の作動層である曲がり装置の構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば水晶などの多くの自然の結晶材料は、圧電特性を示す。すなわち部片が押圧されたとき、部片は、関連する対向する面を横切って有意な電位を発生する。この典型的な例は、いくつかのガス、またはたばこライターにおけるスパーク生成器である。反対の効果も良く知られている。そのような材料の部片は、適切な方向の電界を受けるなら、非常にわずかに寸法が変化する（電界方向に応じて、拡大または収縮し、通常は長くなりまたは短くなって観測される）。この一般的な例は、医学的な身体走査デバイスで使用されるような超音波生成器である。これらなど圧電材料の単一の部片または層を用いる形状変化圧電デバイスに関して、形状変化の範囲は、通常非常に小さい。恐らく０．０１ｍｍ（１０マイクロメートル）より小さい。
【０００３】
ほとんどの関心は、現在、スピーカー駆動装置からカメラ・レンズ集束システムまで、電気歯ブラシからコンピュータ・ディスク・ドライブ・ヘッド・ポジショナーまで、および航空機翼の除氷装置からガス・バルブ・コントローラまでの範囲の広範囲な機械的デバイスに関するアクチュエータを構成するために、圧電材料の使用に向けられている。これらのアクチュエータの多く、それどころかこれらのアクチュエータのほとんどは、「曲がり装置」として知られているデバイスの形態をとる。このデバイスは、圧電材料の単一の薄い平坦な細長い層（プランクなどの）と、作動電極が設けられた、ビーム（ユニモルフ）を形成するために表面同士をともに接合された同様であるが不活性な層との複合物、または、同様に接合された２つのそのような圧電材料層（バイモルフ）と、各外面上および２つの接合された面間の両方の電極との複合物のいずれかである。
【０００４】
製造の間、そのようなデバイスは分極される、すなわち、層が非常に高い電界を受ける。その後、使用に際して、層は、圧電層を横切る電界を適用するために電極を使用して作動され、圧電層を拡張／延長させる（または、分極方向に対する電界の極性に応じて収縮／短縮される）。そのようなバイモルフ・デバイスが、作動されると（各層を横切る電界を印加するために電極を使用することによって、２つの電界は、分極方向に対して反対の極性である）、一方の層は拡張／延長し、一方、他方の層は収縮／短縮する。各場合において、結合面（中間面）の両側のデバイスの２つの層の空間的な分離のために、複合物は曲げられ（細長いビーム・デバイスの場合には、一方の端部は、互いに対して、上方または下方に、あるいは後方または前方に移動し）、この曲がりが、ある適切に接続された機構を作動するように、動きおよび力を提供することができる。この２層の形状変化種類の曲がりは、最も良くても、およそ１ミリメートルに制限される傾向があるが、かなり相当な動きを提供することができる。
【０００５】
曲がり、特にバイモルフ曲がりは、多くの状況で良好に作動するが、それらの中央電極を有しかつ中央電極に接続する必要性のために、それらは、作成しかつ所望のように使用することが容易ではない。
【０００６】
知られている曲がり装置およびアクチュエータの例は、米国特許第３８１６７７４号に記載され、この特許には、様々なほとんどバイモルフ・タイプの構成が記載されている。単一層の蛇行構成が、米国特許第４０２８５６６号、米国特許第４２８４９２１号、米国特許第５６３３５５４号、および国際特許出願第９９／０５７７８号に記載されている。様々な形状のポリマー圧電変換器が、米国特許第４０５６７４２号および米国特許第４２８４２９１号に記載されている。
【０００７】
バイモルフ曲がり装置の中央電極を取り除き、したがって実際上、比較的より簡単な一層デバイスを有することができることが非常に有利である。単一層デバイスで、バイモルフまたはそれどころかユニモルフの曲がり性能を使用して達成可能な形状変化移動の比較的大きな量を達成することは、従来不可能であった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、前述の制約を解消し、バイモルフまたはユニモルフを使用してだけ従来達成可能であった作動に匹敵する曲がり装置のような動きをまだ示す、圧電材料の単一層だけを有するデバイスを提供する。これは、実際にちょうどバイモルフ曲がり装置のような分離された作動可能な部分を有するように、単一圧電層を物理的に構成する、すなわち成形することによって行われる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
より詳細には、バイモルフ（中間面の一方側での第１の圧電層、および中間面の他方側での第２の圧電層を有する）に固有である名目上の中間面のいずれかの側で空間的な分離の等価物が、中間面のいずれか一方の側で、概して平坦な２つのグループに構成された複数の圧電部分を有するように、簡単な単一圧電層の断面を構造的に成形することによって達成されることを提案し、その中間面の一方側の部分によって受ける任意の寸法変化が、その中間面の他方側の部分によって受ける同じ意味の寸法変化に対する、反対方向におけるデバイス全体を曲げる傾向がある。したがって、中間面の一方側でのグループの各圧電層部分が、拡張され／延長されると、全体は、外側にそのグループで凸状になり、一方、代わりに他方側でのグループの各層が、拡張され／延長されると、全体は、外側にそのグループで凸状になる。さらに、一方側でグループの各部分が、拡張され／延長され、一方、他方側でグループの各部分が、収縮され／短縮されると、曲がりはかなり増大される。各場合に、中央の内部電極の必要なしに、簡単な単一層は、その長さに沿って曲がり、一方の端部が、他方の端部に対して上方／下方、または後方／前方に動く、細長くビーム状のバイモルフのように作用する。
【００１０】
したがって、一態様において、本発明は、圧電デバイスを提供し、その圧電デバイスの本体は、本体全体を通る名目上の中間面の各側の１つに沿って延びる２つの概して平坦なグループに配置された、複数の分離された個別の圧電部分を有するように物理的に成形された、圧電材料の簡単な単一層であり、そのグループは、したがって、中間面によって空間的に分離されかつ中間面を横切って互いに面し、その結果、中間面の一方側でのグループの任意の圧電部分の寸法変化は、その中間面の他方側でのグループの同じ意味の圧電部分の寸法変化に対して、反対方向における中間面に垂直にデバイスを曲げる傾向がある。
【００１１】
以降により詳細に議論されるように、デバイスは、任意の全体形状を有するが、１つの好ましいそのような形状は、ビーム状の細長い本体の形状である。ビームは、一方の近位端部で固定され、かつ遠位端部で自由に動くことができる。しかしながら、ビームは、曲がり中央セクションで両方端部で支持されることができる。したがって、本発明は、圧電デバイスを提供し、この圧電デバイスは、本体全体を通る名目上の中間面の各側で、本体に沿って延びる分離した別個の圧電部分のグループを有するように、細長い本体の長さを横切る方向において物理的に成形された簡単な単一層の細長い本体であり、圧電部分のグループは、したがって、その中間面によって空間的に分離されかつその中間面を横切って互いに面し、その結果、その中間面の一方側のグループの任意の圧電部分の寸法変化は、その中間面に垂直に、かつその中間面の他方側のグループの同じ意味の圧電部分の寸法変化に対して、反対方向におけるその長さに沿って、デバイス全体を曲げる傾向がある。
【００１２】
本発明は、簡単な単一層の圧電デバイスを提供し、これは、そのデバイスが、一層だけを有し、かつこの層が圧電材料で作られることを意味する。これは、単一の圧電層が存在することができるが、作動しないとしても他の層も存在するユニモルフ・デバイスとは異なる。それにもかかわらず、本発明は、スタックに形成された複数の分離された簡単な単一層デバイスで作られるデバイスを含む。差異は、サンドイッチとカードのパックとの違いのようであり、サンドイッチは、充填層に加えてパンの２つの層が存在するが、それにもかかわらず組み合わせが全体として抽象的に区別できず、カードのパックは、まだ分離されたままである、次のカードに対してスタックされた多数の個別のカードが存在する。
【００１３】
使用される圧電材料は、任意の従来の種類であることができる。好ましい典型的なものは、ＰＺＴ（チタン酸鉛ジルコニウム、焼結可能な粉末として入手可能であり、バインダと混合されることができかつペーストに形成されることができ、その後、例えば圧延、プレス、または押出によって成形され、その後硬化され（バインダを取り除くために）、その後焼結され（濃度を増しかつその形状を固定するために、粘土を焼くように）、その後分極される（その圧電特性を設定するために））などの圧電セラミック材料であり、これは、その「未加工」状態で、これを所望の構造に形成することが容易であるからである。他の可能な圧電材料は、ＰＶＤＦ（ポリ二フッ化ビニリデン）などをベースとするポリマーである。
【００１４】
本発明のデバイスは、そのような好ましい形状を細長い本体として記載されたが、任意の都合の良い形状をとることができる。これは、テープまたは定規のようなものより、その長さがその幅よりかなり大きいことを意味する（実際に、ほとんどバイモルフ曲がり装置を有するものなど）。実際ほとんどの部分に関して、本体は、都合の良いテープ状であり、テープは、他の形状に自身が湾曲されることができる。しかしながら、添付の図面（以降にさらに議論される）に図示されるように、細長い本体は、テープのように真っ直ぐである必要はないが、湾曲されることができ、テープのように平行な側部である必要はないが、（例えば）三角形であることができ、テープのように長くかつ薄い必要はないが、ディスク状であることができる（ディスク状本体は、本発明の目的のために、円の周りに並んで固定される多数の三角形の「径方向」セグメントとして考えられることができる）。
【００１５】
本発明の単一層デバイスの本体は、本体全体を通る名目上の中間面の各側で２つの概して平坦なグループに配置される分離された別個の圧電部分を有するように、物理的に成形され、本体が、その幅より長い長さを有するなら、この成形は、本体の長さを横切って延びる方向である必要はないが都合が良い。（「概して平坦な」との記載によって、いずれかのグループにおける個別の部分は、平坦でも、または互いに同一平面に配置されることもできず、全体としてのグループは面にわたって延びることを意味する）。グループを含む分離された個別の部分に本体の必要な分離を提供するために使用されることができる多くの可能な「形状」が存在し（および、これらのいつかは、添付の図面を参照して以降に議論される）、恐らく、理解するために最も簡単な形状、したがって本発明の背後にある概念の理解を容易するのに最も良い形状は、波形に形成された鉄の簡単なシートの形状である（ときどき、事前製造された建物の構造に用いられるような）。
【００１６】
そのような本体は、その幅より長い長さを有する細長い本体であり、概して平坦であるが、幅を横切るその全長に関して（すなわち、波形のラインが本体の長さを延びる）、すなわち、その長さを横切る方向に均一に波形に形成されることができる。その長さを横切る本体の断面は、波形の形状を示す（従来の波形に形成された鉄において、これらは正弦波形状であるか、または半円形形状のいずれかであり、どちらも満足な形状である）。側部から側部へその断面に沿って延びる中心ラインは、シートに沿った方向に全て延び、したがってシートの中間面を形成し、波形の半分は、その中間面の一方側すなわち頂部上にあり、他方の半分は、他方の側すなわち底部上にある。ピークによって示される（頂部側上の）シートの部分は、したがって、概して平坦なグループに配置され、その概して平坦なグループは、トラフによって示される部分から形成された（底部側上の）同様に概して平坦なグループから空間的に分離され、かつそのグループから区別され、そのグループにまだ面する。
【００１７】
そのような波形に形成された本体であり、全てのピーク部分（頂部グループ）が、拡張させるなら、その上側の本体の寸法（および特にその長さ）は増大し、その側から離れて、中間面に垂直方向に下方に曲がり、上側を外側にして凸になる。代わりに、全てのトラフ部分（底部グループ）が、拡張させるなら、その下側の本体の寸法は増大し、その側から離れて、中間面に垂直方向に上方に曲がり、下側を外側にして凸になる。
【００１８】
代わりに、全てのピーク部分（頂部グループ）が、収縮させるなら、その上側の本体の寸法は低減し、その側に向かって上方に曲がり、上側を内側にして凹になる。代わりに、全てのトラフ部分（底部グループ）が、収縮させるなら、その下側の本体の寸法は低減し、その側に向かって下方に曲がり、下側を内側にして凹になる。
【００１９】
ピーク部分（頂部グループ）が拡張し、トラフ部分（底部グループ）が収縮し、本体が、よりきつくより強力に下方に曲がることは、容易に分かるであろう。
【００２０】
したがって、本体は、本体全体を通る名目上の中間面の各側で２つのグループの分離した別個の圧電部分を有するように、その長さ（断面において）を有利に横切って物理的に形成される。最も単純なそのような形状は、恐らくＶ字形状であり、中間面は、１つの中心ラインから他の中心ラインへアームを横切って延び、２つの自由先端／端部が一方側であり、角部角度が他方側である。この場合、２つの先端が、グループの一方側にあり、角部角度が他方側にある（２つのグループが、概して平坦であり、かつ中間面を横切って互いに面しているように記載され得ることが、ある適切な意図とともに理解されることができる）。次に簡単な形状は、恐らく、広げられたＶに似たＵ字形状であり、Ｕのアームがわずかに外側に押し広げられ、中間面は、Ｕを水平方向に頂部と底部の半分に切断し、アームは、一方側でグループの部分になり、ベースが、他方側でグループの部分になる。
【００２１】
ＶおよびＵ字形状デバイスの両方において、３つの別個の圧電部分が存在し、２つが頂部グループであり、１つが底部グループである。
【００２２】
これら簡単な形状に続いて、上述した普通の波形に形成されたシートがあり、これは、並んで結合された複数のＵのように見られることができ、および波形が、曲線よりむしろ方形であるその変形例がある。他の変形例は、波形が、本体に沿った中間で反転され、ピークがトラフになり、トラフがピークになるものである。以降に議論されるように、そのような本体は、同一の刺激の下で、２つの半分は反対の仕方で反応するので、作動時にその長さに沿って湾曲する。
【００２３】
上記に言及される他の重要な形状は、テープ状の本体が、断続するワッシャーのような対象物を形成するためにその自身の面で丸く曲がるように、その２つの端部を互いに向かうようにさせるための（部分的な）リングまたは環状の形状である。以降により詳細に議論されるように、そのような形状は、多数の方法で波形に形成されることができ、波形は、環状の形状を横切って真っ直ぐであり、したがって概して径方向であることができ、または波形は、理論的な径に対してある角度であることができ、波形は、実際に真っ直ぐであるか、または交互にわずかに円弧に湾曲されていることができる。
【００２４】
この種類の環状デバイスは、従来知られておらず、本発明の他の態様において、それら環状デバイス自体を提供する。したがって、それは、圧電デバイスを提供し、この圧電デバイスは、全体として断続的な環状の形状を有する、概して平坦な単一層の弓形のストリップ状の本体である。本体は、ストリップを横切って延びる波形を有するように、その弓形の長さに沿った方向で物理的に成形される。これらの波形は、本体全体を通る名目上の中間面の各側に沿って、およびこの中間面の各側に延びる分離された別個の圧電部分グループを形成する。その圧電部分グループは、したがって、その中間面を横切って互に空間的に分離され、かつその中間面を横切って互いに面する。その結果、中間面の一方側のグループにおける任意の圧電部分の寸法変化は、その中間面の他方側のグループにおける同じ意味の圧電部分の寸法変化に対して、反対方向のその長さを横切る中間面に対して垂直方向にストリップを曲げる傾向がある。
【００２５】
記載されるように、波形は、ストリップを横切って真っ直ぐであり、したがって概して径方向であることができ、または波形は、理論的な径に対してある角度、例えば４５度であることができ、波形は、実際に真っ直ぐであるか、または交互にわずかに円弧に湾曲されていることができる。さらに、弓形のストリップは、自身が、その長さに沿ってわずかに湾曲された皿状であることができる。これらの可能性の例は、添付の図面に見られることができる。異なる形態は、作動されたときに異なる変形を有することはここで注意する価値がある。したがって、波形が、想像上の径方向に対して４５度の角度であるストリップ・デバイスの場合に、ストリップが、波形の長さに平行なラインに沿って比較的容易に曲がることができるので、発生される力は制限されているが、端部は、ストリップの想像上の軸の方向に互いに対して移動する。しかしながら、波形が、ストリップの平面内で湾曲される、またはストリップが皿状である場合には、あまり容易には曲がらず、したがって作動されたときにより大きな力を加えることができる。
【００２６】
本発明の圧電デバイスにおける有用な波形に形成された本体に関する理由で、波形の正確な形態は、特定の重要な事項ではなく、それは、考慮する領域の二次モーメントである（数学的な用語で、本体の断面の任意の小さな領域によって発生される力は、中立軸からその領域の距離の二乗の断面の高さにわたって積分であり、任意の圧電デバイスに関する中立軸面は、デバイスが動作されるとき応力が発生されない面である）。波形が、円弧であるか、正弦波であるか、または方形であるかは重要な問題ではない。しかしながら、他の形状に対するある形状を選択することによって、デバイスの機械的特性は、調整されることができ、したがって特定の使用に「調整される」。
【００２７】
各グループにおける圧電部分の数は、十分に存在する場合には重要ではない。（本明細書で、用語「多数」は、少なくとも３を意味するものとして解釈され、したがって、ＶおよびＵ字形状デバイスの両方に関して上述されたように、１つのグループの少なくとも２つの２つの部分と、他のグループの１つの部分とが存在する）。明らかに、所定のサイズのより多くの部分が存在するが、それらの部分が、中間ラインの各側により均一に配置されると、デバイスによって動作に適用可能な力がより大きくなる。ビーム形状の波形に形成されたデバイスにおいて、７つの部分が存在する可能性があり、一方側に３つの部分がある他方側に４つの部分がある。ディスク形状のデバイスにおいて、２４の部分が存在する可能性があり、各側に１２の部分がある。（図面に関連してさらに記載される種類である）湾曲したストリップ・デバイスにおいて、４０またはそれ以上の部分が存在する可能性がある（２０の部分および２０の部分）。波形が、他方より１つの縁部に隣接してより多く、またはより大きな波形が存在するよりむしろ、中間面に対して垂直方向の中央ラインに関して均一にかつ対称に配置されることが一般に好ましい。
【００２８】
本発明のデバイスにおいて、圧電部分は、本体全体を通る名目上の中間面の各側で１つにグループに分けられる。もちろん、そのどちらかの側で実際に２つの圧電部分のグループが存在するなら、この中間面は、想像上、本体内のどの場所でもあることができるが、最も都合良く、それはデバイスの中立軸面と同一面である。通常、中立軸面は、一般にデバイス、したがって本場合において圧電部分が、物理的および圧電的の両方で平衡される面であり、それらが発生する力は、中間面の各側に均一に配分される。
【００２９】
本発明のデバイスの寸法は、１ミリメートルの数分の１から数ミリメートルに変化することができる。しかしながら、寸法の相対サイズは、特定の幾何形状に関して決定されなければならない。それにもかかわらず、波形が平行ではないデバイスに関して、波形のピッチは、デバイスの面内の寸法における最も小さい寸法に比べて比較的小さくなければならない。実際に、いくつかのそのようなデバイスにおいて（添付の図面を参照して以降にさらに議論されるようなテープ形状のデバイス）、波形のピッチは、波形が、デバイスのスケールに一方向性曲がりとして確実に現れるように、テープの幅の数分の１であるべきである。
【００３０】
想像上の中間面を横切って空間的に分離されたグループの部分を有する、本発明のデバイスの動作において、曲がりは、一方側のグループにおける圧電層部分の任意の寸法変化の結果である。さらに、中間面の一方側のグループにおける任意の圧電部分の寸法変化は、その中間面の他方側のグループにおける同じ意味の圧電部分の寸法変化に対して、反対方向にデバイス全体を曲げる傾向がある。
【００３１】
部分寸法変化は、圧電的に分極された層を横切る電界を印加することに関連する変化であり、電界の方向と圧電層部分の極性の方向とに応じて、変化の正確な性質、すなわち拡張または収縮のいずれであるかを予測することができる。圧電材料は、それらを非常に強い電界に受けさせることによって分極されることができ、この非常に強い電界は、材料内の個々の領域を電界と整列させる。その後印加された作動電界が分極電界と同じ方向であれば、材料は拡張し、一方、その後印加された作動電界が分極電界と反対方向であれば、材料は収縮する。したがって、本発明のデバイスにおける各圧電層部分の「曲がり」、すなわち寸法変化の方向／性質が、その部分がどのように分極されたかと、作動電界の方向との両方に応じることは理解されるであろう。したがって、適切な「曲がり」の結果は、同一の方向に圧電層を完全に分極し、その後、反対方向に頂部および底部部分に作動電界を印加することか、または、それを他の方法でほぼ行い、層の部分を反対に分極し、すなわち頂部の部分をある方法で、底部の部分を他の方法で分極し、かつ全体にわたって同一の方向で単一の作動電界を印加することによって達成されることができることは分かるであろう。
【００３２】
本発明のデバイスは、デバイス全体を通る名目上の中間面の各側で２つのグループにおける分離された個別の圧電部分を有するように、物理的に成形される圧電材料の簡単な単一層を有する。この形状は、可能な任意の方法で達成されることができる。例えば、これは、可塑性圧電材料（ＰＺＴペーストなど）の供給物を押し出す（適切な形状のオリフィスを介して）ことによって、またはそのような材料のシートをプレス（型内に）することによって形成されることができる。これは、その後に焼成／焼結される複雑な波形に形成された形状を作るために非常に有用である。代わりに、例えば十分な厚みのシートの硬化された圧電材料の本体を、所望の波形に形成された形状に彫るまたは切断することができる。
【００３３】
本発明のデバイスにおいて、作動電圧（電界）の印加によって発生される曲がり変形および／またはモーメントは、上述のように、断面の領域の二次モーメントに応じ、この二次モーメントは、規則的に波形に形成されたデバイスの場合には、主に波形のサイズによって決定され、および圧電シートまたは層の厚みのより少ない範囲に応じる。これは、目的の発明が、圧電材料の性質および層の厚みによって決定される、特定の電圧で使用するのに適した曲がり装置を設計することを可能にし、発生された力、および特にデバイスのスティフネスおよび剛性に応じる（これらがより大きいなら、何かに対して押すときに、デバイスがより少なく曲がりおよびゆがむ）、所望の動きまたは遮断力に全く無関係である。そのようなデバイスは、現在、存在しない。
【００３４】
波形に形成された性質を有する圧電デバイスは、従来技術で既に記載されている。しかしながら、圧電デバイスは、それらの波形に形成された性質と別に、一般にバイモルフである常に二層デバイスであり、したがって、本発明の単一層デバイスとは異なる方法で構成されかつ機能する。したがって、ピークが、トラフに対して反対の方向に作動される従来技術で知られている波形に形成されたバイモルフ・デバイスは、波形の波長が増加または減少するように変形され、波形の面で形状が変化し、すなわち拡張または収縮する。したがって、線形アクチュエータとして作用する。しかしながら、本発明において、真っ直ぐな波形を有する単一層圧電シートは、それらを横切らない波形に沿って、波形の面の外側に曲がる。
【００３５】
本発明のこれらまたは他の特徴は、以下の図面を参照して行われる非限定例の以下の詳細な記載から明らかである。
【実施例】
【００３６】
図１Ａは、本発明の単一層の波形に形成された圧電デバイスの斜視図を示す。図１Ａは、真っ直ぐな曲がり装置が、どのように、単に圧電材料の単一層および適切な電極から作られることができることを示す。
【００３７】
デバイスは、ほとんど圧電材料の細長いシート１１であり、このシート１１は、半円形の波形１２がシートの長さに延びる、単一の波形に形成された形状にプレスされる（折られる）。シートは、破線で示された想像上の中間面ＭＰを有し、かつ７つの明らかに個別の圧電部分を有し、一方側（示されるように上方の半分）に３つの圧電部分、および他方側（下方の半分）に４つの圧電部分である。上方の３つは、概して平坦な一方のグループに属し、下方の４つは、他方のグループに属する。これらのグループは、以下に議論される図２Ａ、図２Ｂにおける破線の箱ＵおよびＬで示される。
【００３８】
シートは、適切な製造段階で分極され、すなわち、その圧電結晶が、強い印加された電界によって、シートの厚みに沿って自身を向けて整列するようにさせ、全体の一連の分離された電極１３（図１Ｂだけに示される）が、シート１１の頂部表面に形成され（見られるように）、一方、単一の連続する電極１４が、底部表面に形成される（見られるように）。これらの電極は、ともに電極の有効な対を作り、それぞれそのような対に場合に、その対を使用して印加される小さな電界は、分極方向に対する電界の方向に応じて、波形の圧電材料を拡張または収縮させる。
【００３９】
図１Ａに示されるように、頂部電極１３は分離されているが、底部電極１４は、単一の連続電極である。これがどのように作用するかは、連続する電極が中立であることを想像し、すなわち示されるようにアースされ、次にそれぞれ交互の波形を横切る電界を考慮することによって、簡単に理解されることができる。印加される電圧は、円のプラスおよびマイナスの符号によって示されるように、正の電圧から負の電圧へ隣接する電極対間で交互である。そのような電界の１つが、中立からプラスであり、示されるように上方へ、一方、隣接する電界が、マイナスから中立であり、示されるように下方である。したがって、連続である電極セットの１つを有しても、交互の反対の作動電界が設定されることができる（上方、下方、上方、下方、・・・など）。
【００４０】
示されるように、印加される作動電界が、隣接する電極対間で交互であり、したがってそれぞれの電界が、各側でその隣接する電界と反対方向であるなら、シート１１の一方側での全ての波形（およびしたがって中間面ＭＰの一方側）は、電界方向に応じて拡張または収縮の同様な効果を受け、一方、シート１１の他方側での全ての波形（および中間面ＭＰの他方側）は、反対の効果を受ける。したがって、全ての上方（見られるように）の波形が収縮するなら、全ての下方の波形は拡張し、上方および下方の波形が、中間面を横切って離間されているので、全体としてシートが、図１Ａにおける点線で示されるように、これら収縮および拡張によって強制されるように、その中間面に対して垂直に曲がり、すなわち上に曲がることが必然的に続く。
【００４１】
電界が、ほぼ他の方向である場合に、シートは、代わりに下方に曲がる。
【００４２】
このように、単一の圧電材料のシートが、ちょうどユニモルフまたはバイモルフのように働くが、まだ２つの層の必要性はなく、また中央電極の必要性に付随したこともなく、中央電極の問題もない。
【００４３】
図２Ａ、図２Ｂは、分極方向（薄く短い矢印２５）と、作動電界方向（濃く長い矢印２６）とに関する２つの可能性を示す。図２Ａにおいて、シート全体は同じ方向２５に分極され、一方、電界方向２６は交互であり、図２Ｂにおいて、それは、同一の方向である電界２６と、交互の分極２６とである。しかし効果を同一である。
【００４４】
図２Ａ、図２Ｂは、また、圧電部分が、どのように破線の箱ＵおよびＬによって画定される２つの本質的な平坦なグループに配置されるかを示し、破線の箱ＵおよびＬは、中間面を横切って互いに面するように配置され、一方のグループの部分は拡張し、一方、他方のグループの部分は収縮する。
【００４５】
図１および図２に示される例は、波形に形成された断面に関するものであるが、断面の中立ラインの上または下の領域が異なって変形されるなら、直線ではない任意の断面が作用する。図３Ａおよび図３Ｂは、本発明のＶ断面デバイスと、Ｕ断面デバイスとを示し、図４は、矩形断面の波形に形成されたデバイスを示す。これら全ては、ほとんど同じ方法で作用する。
【００４６】
したがって図３Ａにおいて、中間面は、Ｖを通って水平方向（見られるように）に延び、その２つの先端部分２１は、中間面ＭＰの一方側にあるほぼ平坦なグループを形成し、一方、その下方のＶ断面２２は、他方側のグループである。図３ＢのＵ字形状デバイスは、図３ＡのＶ字形状デバイスの「広い」バージョンにかなり似ており、その２つのアーム３１は、中間面ＭＰの一方側のほぼ平坦なグループを形成し、その底部３２は、他方のグループを形成する。
【００４７】
図４は、矩形断面の波形に形成されたデバイスである。上方（見られるように）波形４１は、その下方波形４２のグループに対して中間面ＭＰの反対側の概して平坦なグループであり、示される例において、単一の底部電極（分離して示されていないが、アースされ／接地され）があり、一方、頂部電極（再び分離して示されていない）は、円内の符号によって示されるようにプラスおよびマイナスで交互である。
【００４８】
図５Ａおよび図５Ｂは、本発明の２つの「Ｓ」字形状の曲がりデバイスを（斜視図で）示し、すなわちデバイスは、Ｓ字形状に曲がるように、設計され、成形され、かつ動作される。このタイプの変形の利点は、デバイスが、動きを増幅するために、（ピアノ・アコーディオン・ベローズのひだのようによりむしろ）次の頂部上にスタックされることを可能にすることである。この目的のために、圧電材料が、デバイスの各半分で異なって変形し、一方の半分で頂部が拡張し、一方、他方の半分で頂部が収縮する。これを１つの方法で達成するために、ライン５３が分割電極を示す図５Ａのデバイスにおける場合にあるように、ライン５３に沿ってデバイスを下方に半分で分割する。第１の波形５１、５２において、電界方向は、それぞれ符号によって示されている。代わりの方法において、波形の方向は、図５Ｂに示されるように半分に沿って変化する。
【００４９】
また、２つのＳ字形状の曲がりデバイスは、２倍の長さのストリップを結果として生じる、当接する自由（遠位）端部セクションと組み合わせられることができ、他方（近位）端部が固定されるなら、作動時に中間セクションは出っ張る。
【００５０】
図６Ａ、図６Ｂ、図６Ｃ、および図６Ｄは、本発明の２つの異なるドーム状の波形に形成されたデバイスを（側面図、斜視図、および切断図で）示す。
【００５１】
デバイスは、基本的に圧電材料の「平坦な」ディスクである。それは、２つの異なる方法のいずれかで波形に形成されることができ、図６Ｂ、図６Ｃ、および図６Ｄは、これら２つのタイプの波形を示し、一方は径方向であり（図６Ｂ）、他方は周方向である（図６Ｃ、図６Ｄ）。図６Ａは、側方から、各デバイスがどのように作動時に動くかを示し、概して平らな平坦な対象物（実線の外形）からドーム状の形状（破線の外形）を取るように動く。いずれかの波形に形成された形態は、このタイプの形状変化を達成するために使用されることができる。
【００５２】
ＰＺＴ４Ｄで作られた図６Ｂに示されるタイプのドーム状のデバイスに関する典型的な寸法は、１５ｍｍの外径、２０ｉｍの厚み、および２７ｍｇの重量である。次に、ドームは、２０ｉｍの波形の大きさ、およびほぼ０．５ｍｍの波形ピッチを示すべきである。±２０Ｖの動作電圧内で、７ｍＮの遮断力とともに±０．１ｍｍの変位が得られるべきである。
【００５３】
図７Ａ〜図７Ｂは、本発明の直線ストリップの波形に形成されたデバイスを（平面図、斜視図、側面図、および端面図で）示す。
【００５４】
デバイスは、ストリップの長さに沿うよりむしろ横切って波形に形成された圧電材料の直線ストリップ７１である。しかしながら、波形７２は、真っ直ぐに横切るよりむしろある角度が付けられる（ストリップの長軸Ａ−Ａに対して約４５度）。デバイスの曲げ作用は、波形７２の長さに沿うだけであり、波形７２に対して垂直ではないので、角度が付けられた波形７２は、その軸Ａ−Ａの周りでストリップをねじる効果を有する。ねじりの一般的な方向は、図７Ｂ、図７Ｄに示される（図７Ｄは、波形の正確な性質に応じて、軸Ａ−Ａの方向で軸に沿って作動時に何が見られるであり、実際に起こることが微妙に異なる）。
【００５５】
図７に示される幾何形状は、円弧の面を横切って上方および下方に変形する変形例を作るために、円弧に湾曲されることができる。図８〜図１０は、本発明の３つの異なる弓形ストリップの波形に形成されたデバイスを（少なくとも平面図および斜視図で）示す。
【００５６】
その自身の権利内の新規なおよび進歩性のあるこのタイプの構造は、大きな変位を作るために、圧電材料の垂直方向の比較的小さな変形をかなり増幅するデバイス幾何形状を示す。
【００５７】
そのような構造が作用する方法は複雑であり、理解は容易ではない。以下のコメントが助けになるであろう。
【００５８】
一方の端部８７に固定された（図８に示されるように）、（平坦な）円形の円弧８１を考える。円弧が、同一の径のらせんに変形されるなら、自由端部は、円弧の面の外側に動く。これは、構造が、通常円弧の一部を形成する波形に形成される圧電テープで生じる変形である。一方の端部に固定されたらせん湾曲を考慮するなら、同じ原理が適用される。ねじりが円弧に生じるなら、この面の外側の変形が達成される。
【００５９】
記載されたように、図８〜図１０は、３つの異なる湾曲されたストリップの波形に形成されたデバイスを示す。図８は、波形８２が、ストリップを横切って真っ直ぐではないが、湾曲に対する接線方向に対してある角度（ほぼ４５度）である。これらの波形は、真っ直ぐであり、ストリップ８１は、そうでなければ平坦である。しかしながら、図９において、波形９２は、自身が弓形である（同様に、概して４５度であるが）、一方図１０において、波形１０２は真っ直ぐであるが（４５度で）、ストリップは、固定端部１０７で最も良く分かる３次元態様をとるように、自身が湾曲され／皿状にされる。デバイスに沿った任意の断面１０８は、弓形ストリップの重なりおよび波形によって生じた任意の曲がりを示す。
【００６０】
図９および図１０のような波形の湾曲の理由は、デバイスの遮断力を増大することである。波形の方向に対して垂直な真っ直ぐな波形（図８のような）を曲げることは容易であり、波形の湾曲はこの曲がりに抵抗する。図１０の波形に対する「面の外側の」湾曲は、最も良い結果を与え、さらに動きの量を増加するように思える。したがって、図１０に示される幾何形状は、アクチュエータの最も良い性能を与える。
【００６１】
この幾何形状から、圧電材料の単一層をプレスして大きな作動デバイスを製造できる。したがって、圧電材料としてＰＺＴ４Ｄを使用して、かつ外径１５ｍｍ、内径１０ｍｍ、テープ厚み２０ｉｍ、波形の大きさ０．２５ｍｍ、波形のピッチほぼ１ｍｍ、および重量１５ｍｇの弓形のストリップを構成して、±２０Ｖの動作電圧内で、０．３ｍＮの遮断力とともに±０．２５ｍｍの変位で得られるべきである。これは、優れた結果である。
【００６２】
図８〜図１０のデバイスで示される波形は、全て規則的であり、全て径方向に対してある角度である。ねじりを加えることによって、らせんに円弧の変形の対象の特性は、変形が、円弧の長さの周りで線形に増加しない。しかしながら、円弧の周りの波形の角度を適切に変えることによって、この非線形性を取り除くことが可能である。これは、デバイスの効率を増大する効果を有することができる。
【００６３】
上述のように、本発明のデバイスの実際の構造は、多数の方法で行われることができる。したがって、必要な波型に形成された形状は、焼結する前に圧電材料の柔軟なシートにエンボス加工されることができ、必要な形状は、同一のプレス・ツールを使用して、同時にシートから切断される。デバイスは、次に、形状を維持するために適切に成形されたさや内で硬化されかつ焼結されることができる。焼結後、電極が、印刷またはめっきのいずれかによって加えられることができる（または、それら２つの組み合わせ）。印刷は、異なって変形しなければならないデバイスの異なる領域を描画するために、電極がある面に適用されることを可能にする。デバイス全体が、次に同一の方法で分極されることができ、各領域は、分離して作動される必要がある。
【００６４】
代わりに、波形は、既に焼結された（および恐らく分極された）圧電材料の平坦なシートで切断される（ソーイングされる）。ソーイング・プロセスは、断面の中立軸の上方および下方の必要な領域を作る。作られる幾何形状は、次に、図４に示される幾何形状に類似する方形の波形を有するが、まだ、丸められた波形を有するものと同じ方法で動作する。この方法で、ある幾何形状を製造することはより容易であることができ、なぜなら、湾曲された薄いシートより厚い平らなプレートを焼結するわずかな問題があるからである。容量が少ない場合、カスタム・ツールのコストが低減されるので、この方法は、製造コストも低減する。
【００６５】
本発明の波形に形成された構造のデバイスに関連する主な製造の問題の１つは、異なって変形されなければならない異なる領域があるので、デバイスに作られるべき異なる多数の電気接続の必要性である。この問題に対する１つの解決方法は、分極中に一時的に様々な領域に接続することであり、デバイスの全ての領域は、ともに接続され、かつ使用中にかつ電圧で作動されることができる。このプロセスは、２つの電極印刷プロセスを必要である可能性があり、第２の印刷プロセスは、分極後に全ての領域を結合する。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１Ａ】本発明の単一層の波形に形成された圧電デバイスの斜視図を示す。
【図１Ｂ】本発明の単一層の波形に形成された圧電デバイスの端面図を示す。
【図２Ａ】図１のデバイスに関する電極構成（および可能な分極と作動電界方向）の端面図を示す。
【図２Ｂ】図１のデバイスに関する電極構成（および可能な分極と作動電界方向）の端面図を示す。
【図３Ａ】本発明のＶ字形状断面デバイスの端面図を示す。
【図３Ｂ】本発明のＵ字形状断面デバイスの端面図を示す。
【図４】本発明の矩形波形に形成されたデバイスの端面図を示す。
【図５Ａ】本発明の２つの「Ｓ」字形状の曲がり装置を（斜視図で）示す。
【図５Ｂ】本発明の２つの「Ｓ」字形状の曲がり装置を（斜視図で）示す
【図６Ａ】本発明の２つの異なるドーム状の波形に形成されたデバイスを示す。
【図６Ｂ】本発明の２つの異なるドーム状の波形に形成されたデバイスを（側方斜視図で）示す。
【図６Ｃ】本発明の２つの異なるドーム状の波形に形成されたデバイスを（側方斜視図で）示す。
【図６Ｄ】本発明の２つの異なるドーム状の波形に形成されたデバイスを（切断図で）示す。
【図７Ａ】本発明の直線ストリップの波形に形成されたデバイスを（平面図で）示す。
【図７Ｂ】本発明の直線ストリップの波形に形成されたデバイスを（斜視図で）示す。
【図７Ｃ】本発明の直線ストリップの波形に形成されたデバイスを（側方端面図で）示す。
【図７Ｄ】本発明の直線ストリップの波形に形成されたデバイスを（端面図で）示す。
【図８Ａ】本発明の２つの異なる湾曲したストリップの波形に形成されたデバイスを（平面図で）示す。
【図８Ｂ】本発明の２つの異なる湾曲したストリップの波形に形成されたデバイスを（斜視図で）示す。
【図９】本発明の２つの異なる湾曲したストリップの波形に形成されたデバイスを（斜視図で）示す。
【図１０Ａ】本発明の第３の湾曲したストリップの波形に形成されたデバイスを（平面図で）示す。
【図１０Ｂ】本発明の第３の湾曲したストリップの波形に形成されたデバイスを（斜視図で）示す。
【図１０Ｃ】本発明の第３の湾曲したストリップの波形に形成されたデバイスを（断面図で）示す。
【国際公開パンフレット】
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2005504442.tif 000004
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2005504442.tif 000035
2005504442.tif 000036
【国際調査報告】
2005504442.tif 000037
2005504442.tif 000038
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