(57)【要約】直線部分１４の互い違いの末端部で中間連結部分１５によってスタック状に配置され、交互に前後に延伸して複数の平行な直線部分１４を形成する連続的な圧電素子１０を含む圧電デバイス。各直線部分１４は電極１２、１３を備えて構成され配置されて、活動化の際に積み重ね方向に屈曲し、直線部分１４は、直線部分１４の２個の半片１６、１７で逆の湾曲で積み重ねられ、直線部分１４の末端部の間で、積み重ねによって直列に加算される積み重ね方向の変位を生じる。圧電素子１０の連続性は製造を容易にする。２種類の構造のデバイスが開示される。最初に、連続的な圧電素子１０はバイモルフ屈曲構造などの屈曲構造を有することができる。第２に、連続的な圧電素子１０１は、互い違いの側部から延伸してスリット１０２間に直線部分１０３を形成する、重なり合ったスリット１０２を有する圧電性材料のシートとすることができ、シートは、シートの各主要表面上に対で分離して配置されて直線部分１０３に沿って延伸する対向電極１０５を備える。
2005507627.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交互に前後に延伸し、直線部分の互い違いの末端部で中間の連結部分によってスタック状に配置された複数の平行な直線部分を形成する、連続的な圧電素子を含む圧電デバイスであって、各直線部分が活性化の際に積み重ね方向に屈曲するように電極を備えて構成され配置される圧電デバイスにおいて、直線部分が直線部分の２個の半片内では逆に湾曲して積み重ねられて、直線部分の末端部の間で、積み重ねによって直列に加算される積み重ね方向に相対的な変位を生じる圧電デバイス。
【請求項２】
前記連続的な圧電素子が、複数の層を含む屈曲構造を有し、その少なくとも１層が前記少なくとも１層を横切って極性化された圧電性材料であり、前記少なくとも１層の圧電性材料を横切って活性化電圧を印加するために、前記層に平行な直線部分に沿って延長する電極を備えて配置される請求項１に記載の圧電デバイス。
【請求項３】
前記連続的な圧電素子の屈曲構造が、２層の圧電性材料を含む請求項２に記載の圧電デバイス。
【請求項４】
前記連続的な圧電素子の中間連結部分が、１８０°曲げられる請求項２又は３に記載の圧電デバイス。
【請求項５】
前記電極が、隣接する直線部分の間で前記中間連結部分の周りに連続的に延伸する請求項４に記載の圧電デバイス。
【請求項６】
奇数個の直線部分を有する請求項５に記載の圧電デバイス。
【請求項７】
前記中間連結部分が、前記直線部分よりも薄い請求項４から６までのいずれか一項に記載の圧電デバイス。
【請求項８】
各直線部分の２個の半片内の前記電極が分離され、前記圧電性材料の少なくとも１層が各直線部分の各半片で同じ方向に極性化される請求項２から８までのいずれか一項に記載の圧電デバイス。
【請求項９】
前記連続的な圧電素子が、同時焼成によって前記中間連結部分で融合された屈曲体要素のスタックを含む請求項１に記載の圧電デバイス。
【請求項１０】
前記連続的な圧電素子が、シートの互い違いの側から延伸してスリットの間に直線部分を形成する重なり合うスリットを有する、シートを横切って極性化された圧電性材料のシートであり、シートの主要表面上に配置された、前記直線部分に沿って対で分離して延伸する対向電極を備える請求項１に記載の圧電デバイス。
【請求項１１】
前記各直線部分の２個の半片中の電極が分離され、圧電性材料のシートが各直線部分の各半片中で同じ方向に極性化される請求項１０に記載の圧電デバイス。
【請求項１２】
前記対の電極が、隣接する直線部分の間で前記中間連結部分の周りにシートの各主要表面に対向して連続的に延伸する請求項１１に記載の圧電デバイス。
【請求項１３】
奇数個の直線部分を有する請求項１２に記載の圧電デバイス。
【請求項１４】
各直線部分が、中心に埋め込まれて独立に接触可能な少なくとも２個の電極を有し、それによって直線部分の２個の半片を画定する請求項３から８までのいずれか一項に記載の圧電デバイス。
【請求項１５】
前記中心電極が、デバイスの異なる側面への導出部を有する請求項１４に記載の圧電デバイス。
【請求項１６】
各直線部分が、単一の極性化方向を有する請求項１４に記載の圧電デバイス。
【請求項１７】
各直線部分が、運転の間浮動電位に保たれるようになされた面電極を有する請求項１４に記載の圧電デバイス。
【請求項１８】
その少なくとも１層が圧電性材料である複数の層を含む屈曲構造を有する、直線状の変形可能で連続的な圧電素子の間隔を置いた部分を１８０°曲げて中間連結部分を形成し、その間に直線部分を残すステップと、
曲げた連続的な圧電素子を焼結して硬化するステップと、を含む請求項２から８までのいずれか一項に記載の圧電デバイスの製造方法。
【請求項１９】
前記変形可能な連続的な圧電素子が、除去可能な材料から作製された外部犠牲層を有する請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記変形可能な圧電素子を曲げるステップが、要素を互い違いの側部から継続してプレスすることによって行われる請求項１８又は１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記中間連結部分を薄くすることをさらに含む請求項１８から２０までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
前記焼結ステップの後に続いて、前記連続的な圧電素子の外部表面の少なくとも１層に、層に平行な外部電極を加えることをさらに含む請求項１８から２１までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
前記電極が、前記各直線部分の２個の半片の間で分離される請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記圧電性材料の少なくとも１層を前記直線部分の２個の半片内で同じ方向に極性化することをさらに含む請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記極性化のステップが、前記直線部分の間の圧電素子の両側から極性化電極を挿入し、前記両側から挿入された電極を横切って極性化電圧を印加することによって行われる請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記極性化のステップが、高誘電率定数を有する流体中に浸漬された連続的な圧電素子で行われる請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記電極を加えるステップが、全ての前記直線部分の各半片を分離して浸漬することによって行われる請求項２２から２６までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項２８】
前記電極を加えるステップが、蒸着によって行われ、前記連続的な圧電素子が、前記直線部分の２個の半片の間の溝に対して隆起を備えて形成され、前記隆起又は溝の影による分離を形成する請求項２２から２６までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項２９】
少なくとも１層が圧電性材料である複数の層を含む屈曲構造を有する前記圧電性シートを曲げるステップによって、複数の圧電デバイスを同時に製造する方法であって、前記曲げのステップに続いて、シートに垂直な平面切断を行うことによって前記シートを個々の連続的な圧電素子に切断することをさらに含む請求項１８から２８までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項３０】
圧電性材料のシートに重なり合うスリットを切断し、前記シートの切断の前又は後に電極を加えることを含む請求項１０から１３までのいずれか一項に記載の圧電デバイスの製造方法。
【請求項３１】
前記シートの切断の前又は後に前記シートを焼結し、前記電極を加えるステップが、シートの焼結の後に行われることをさらに含む請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記電極が印刷によって加えられる請求項３０又は３１に記載の圧電デバイスの製造方法。
【請求項３３】
前記直線部分の互い違いの末端部で中間連結部分によってスタック状に配置され、交互に前後に延伸して複数の平行な直線部分を形成する連続的な圧電素子を含む圧電デバイスの製造方法であり、各直線部分が、電極を備えて構成され配置されて活動化の際に積み重ね方向に屈曲し、直線部分が、直線部分の２個の半片では湾曲を逆にして積み重ねられ、直線部分の末端部の間で、積み重ねによって直列に加算される積み重ね方向の変位を発生する方法にあって、
組になった層の間に除去可能な又は一時的な材料を備える未硬化テープの層の組を積み重ねるステップであって、各組が少なくとも２層の圧電性材料及び少なくとも１層の埋め込まれた中心電極を形成するようになされた層を含み、各組が少なくとも１個の前記直線部分を形成するようになされたステップと、
積み重ねた層の組を焼結して前記互い違いの末端部に垂直に隣接する直線部分を融合するステップと、を含む方法。
【請求項３４】
直線部分の水平なアレイを形成するように各組の層を適応させるステップをさらに含む請求項３３に記載の圧電デバイスの製造方法。
【請求項３５】
中心電極を浮動電位に保ちながら、垂直に隣接する直線部分の間では極性化方向を逆にして、外側面電極を用いて各直線部分を一方向に極性化するステップをさらに含む請求項３３又は３４に記載の圧電デバイスの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電デバイスに関する。詳細には、本発明は、デバイスの活性化の際に相対的な変位が発生するデバイスに関する。さらなる態様では、本発明はそれらの圧電デバイスの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電性材料は印加された電界による活性化によって変形し、又は逆に加えられた変形に応じて電界を発生する。電界を加え、又は検出するための電極を配置した圧電性材料を使用する圧電デバイスには多くの種類が知られている。
【０００３】
最も簡単な種類の圧電デバイスは、極性の方向に活性化電圧を印加することによって膨張−収縮モードに活性化される圧電性材料のブロックである。しかし、圧電効果が１０−１０ｍ／Ｖ程度に小さいので、寸法変化は比較的小さく、典型的なデバイスでは１ミクロン未満である。したがって、より大きな変位を達成するために、さらに複雑な構造を有する圧電デバイスが開発されてきた。
【０００４】
例えば既知の圧電デバイスの構造は屈曲構造であり、例えば２層の圧電性材料からなるバイモルフ（ｂｉｍｏｒｐｈ）屈曲構造、又は２層以上の圧電性材料からなる多形屈曲構造である。曲げ構造では、通常１層が膨張し、他層が収縮する層間の長さの差動変化によって、層は膨張−収縮モードに活性化される。層が互いに結合されることによって拘束されているため、この長さの差動変化は、層を横切る軸の周りに厚さ方向の屈曲を伴う。したがって、デバイスの末端には相対的な変位がある。
【０００５】
図１はバイモルフ屈曲構造を有する圧電デバイス１を示しており、図１はデバイス１の長手方向に沿って描いた断面図である。圧電デバイス１は「反曲圧電性歪み増幅アクチュエータ構造（Ｒｅｃｕｒｖｅ  Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ−Ｓｔｒａｉｎ−Ａｍｐｌｉｆｙｉｎｇ  Ａｃｔｕａｔｏｒ  Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ）」、Ｅｒｖｉｎ  ＆  Ｂｒｅｉ、ＩＥＥＥ／ＡＳＭＥ  メカトロニクス会議、Ｖｏｌ．３、Ｎｏ．４、１９９８年１２月に開示された既知の種類である。デバイス１は、圧電性材料の平行な２つの層２を含む。デバイス１の長さ全体に沿って平行に延伸して、２つの層２と層２の外側の外部電極４の間に中心電極３がある。層２は要素１の長さに沿った２個の半片５及び６に逆方向の極性を与えられ、各層２は、矢Ｐで示すように、各半片５及び６の内部で逆方向に極性化されている。
【０００６】
デバイス１は、中心電極３を接地に保ちながら、外側電極４に逆の極性の活性化電圧を印加することによって電気的に活性化され、矢Ｅで示すように、両方の層２を横切る同じ方向に電界を形成する。極性化Ｐの相対的な方向と電界Ｅの結果、デバイス１は各半片５及び６の内部で層１に垂直に屈曲するが、２個の半片５及び６は逆の湾曲になる。したがって、図２に示すように、この屈曲はデバイスの末端部７と８の間に量ｄだけ相対変位をもたらす。さらに、２個の半片５及び６の長さが等しく、デバイス１の構造がその長さに沿って均一である結果、末端部７及び８の間には相対的な回転はない。
【０００７】
しかし、それらの既知の構造では、変位ｄの大きさはデバイス１の長さに制限され、このこと自体実施上の制約となる。より大きな変位を得るために、上記のＥｒｖｉｎ  ＆  Ｂｒｅｉの記事は、図１に示した種類の個々のデバイス１を直列に平行に機械的に連結し、変位の総計が直列に接続したデバイスの変位の和に等しくなるようにしたアレイをさらに開示している。それらのアレイは原理的に有利であるが、実際には製造が困難である。具体的には、特にアレイのデバイス数が増加すると、アレイ状の全てのデバイスを適切に整列し、物理的に結合し、電気的に接続することは困難である。例えば、Ｅｒｖｉｎ  ＆  Ｂｒｅｉの記事は、デバイスの間に多くの層をエポキシで連結する実際の実施例を報告しており、これは、アレイが組み上がるにつれて各デバイスを適切に整列するのに高い精度を必要とする面倒な製造プロセスになる。他の問題は、末端部７及び８の間に発生する、てこの作用である。これはてこ剛性によってデバイス１全体が捩られて望ましい方向への変位が小さくなることを防止するために、デバイス間の連結にあまり剛性があってはならないことを意味する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
製造が比較的容易でありながら、大きな変位を達成できる構造を有するデバイスを提供することが望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、直線部分の互い違いの末端部で中間の連結部分によってスタック状に配置され、交互に前後に延伸して複数の平行な直線部分を形成する圧電素子を含む圧電デバイスが提供され、各直線部分は、活性化の際に積み重ね方向に屈曲するように、電極を備えて構成され配置され、直線部分は、直線部分の末端部の間で積み重ね方向に変位を生じるように、直線部分の２個の半片内で逆に湾曲して積み重ねられる。
【００１０】
それらの圧電デバイスでは、活性化の際に、各直線部分はその２個の半片で逆に湾曲して屈曲し、それによって各直線部分の末端部間に相対的変位を生じる。したがって、各直線部分はそれ自体上記の既知のデバイス１と同様に作動する。しかし、圧電デバイスが、スタック状に配置された多くの平行な直線部分を有する結果、活性化の際に、変位はスタック全体に直列に加算される。したがって、各直線部分の変位の和に等しい変位の総計が得られる。これは、大きな変位を発生するように圧電デバイスを配置できることを意味する。一般に、直線部分を適切な数選択することによって、任意の所望の変位を得ることができる。さらに、その大きな変位は、個々の直線部分の長さを短いレベルに保ちながら得ることができ、それによって上記の問題を回避することができる。
【００１１】
さらに、圧電デバイスを交互に前後に延伸する連続的な圧電素子として形成する場合、圧電デバイスは製造が簡単である。例えば、圧電素子の構造に応じて、連続の圧電素子を変形させることによって、又は圧電素子のシートを切断し、シートの互い違いの側から延伸する、重なり合う片を形成することによって形成できよう。機械的に直列に連結された別個の圧電デバイスのアレイとは対照的に、個々のデバイスを互いに適切に整列し、物理的に結合し、電気的に接続するのは困難ではない。
【００１２】
屈曲を起こす、異なる種類の圧電素子の構造が考えられる。
【００１３】
第１の種類の構造では、圧電素子は屈曲構造、好ましくは２層の圧電性材料を含むバイモルフ屈曲構造であるが、互い違いの単形又は多形屈曲構造を有する。
【００１４】
その屈曲構造では、圧電デバイスは、直線の変形可能な連続圧電素子の間隔部分を１８０°曲げて中間の連結部分を形成し、その間に直線部分を残すことによって、製造するのが簡単である。
【００１５】
別法として、固体多層圧電セラミックの分野で一般に知られているプロセス及び方法を用いて、但し、反曲又はｓ−屈曲体のスタックを得る新規な方法に修正して、本発明による連続的な同時焼成したバイモルフ屈曲体のスタックを製造することができる。
【００１６】
第２の種類の構造では、連続的な圧電素子は、互い違いの側から延伸してスリット（ｓｌｉｔ）の間に直線部分を形成する、重なり合うスリットを有する圧電性材料のシートであり、直線部分に沿って対で分離して延伸する主要なシート表面上に配置された対向電極を備える。
【００１７】
それらの構造では、直線部分を横切って分離された２対の対向電極がある。活性化の際に、各対の対向電極に電界が発生し、電界は圧電性材料の極性化と平行の方向である。結果として、各対の電極間の圧電性材料は膨張−収縮モードに活性化され、直線部分に沿う長さに変化が生じる。使用の際に、直線部分は各対の対向電極間の材料長さの差の変化を伴う活性化が行われる。２つの領域が一体化されるために拘束を受ける結果、長さの差の変化は直線部分の横方向、すなわちシートの厚さに平行な軸の周りの屈曲を伴う。既知の屈曲構造を有するデバイスで屈曲が層の厚さに垂直に生じるのとは対照的に、これは層を横切る軸の周りに生じる。
【００１８】
第２の構造はより堅固であるという利点があり、したがって既知の屈曲構造である第１の種類の構造を有する類似寸法のデバイスよりも大きな力を発生する。これは屈曲がシートの厚さを横切るのではなく、直線部分の幅を横切って発生するためである。より大きな力の発生は、圧電デバイスに大きな質量を動かすことを要求する多くの用途に有利である。
【００１９】
さらに、第２の種類の構造は製造においていくつかの利点を提供する。最初に、本発明による圧電デバイスは、シート状の圧電性材料を重なり合うスリットに切断することによって製造が簡単である。
【００２０】
第２の種類の構造では、製造は第１の種類の構造に比べて単純化され、構造に埋め込み電極がないため、圧電性材料のシートを焼成した後で全ての電極を加えることができるのでコストが低減される。
【００２１】
既知のバイモルフ屈曲構造では、圧電素子を焼結する間に、少なくとも中心電極を層と同時焼成しなければならない。したがって、中心電極には焼結の間の高温に耐えることのできる貴金属などの材料を使用することが必要である。それらの材料は高価である。対照的に、第２の種類の構造では埋め込み電極がないので、電極は例えば、無電解堆積又は金属インクの堆積によってシートの焼結の後に加えることができる。これによって、製造を単純化し、焼結に耐えることのできる高価な材料から電極を形成する必要性が回避される。この利点は、対の電極が多層要素の厚さを横切って間隔を置くのではなく、直線部分の幅を横切って分離されている、デバイスの幾何形状によるものである。
【実施例】
【００２２】
より良く理解するため、本発明の実施例を付随する図面を参照して非制限的な実施例で説明する。
【００２３】
ここで、活性化によって屈曲する２種類の構造を備える、連続的な圧電素子を有する圧電デバイスを説明する。両方の場合において、圧電性材料は要素に沿って連続している。本発明は活性化によって屈曲する他の構造を用いて等しく実施することができよう。
【００２４】
第１の種類の構造は、屈曲構造、好ましくはバイモルフ屈曲構造を有する連続圧電素子のためのものである。
【００２５】
図３は、圧電性材料の平行な２つの層１１からなるバイモルフ屈曲構造を有する連続的な圧電素子を含む圧電デバイス１０を示している。圧電素子１０は、層１１に垂直に、要素１０の長さに沿って均一な矩形の断面を有する。素子１０は層１１に平行に延伸する対の外側電極１２及び中心電極１３を有する。層１１に垂直な方向の層１１の厚さは明確にするため誇張してある。層１１は、任意の圧電性材料、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電性セラミック又はポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などのポリマーとすることができる。
【００２６】
連続的な圧電素子１１は曲げられ、それは交互に前後に延伸して、積み重ね方向Ｓにスタックを形成するように重ねて配置された、複数の平行な直線部分１４を形成する。連続素子１０は、単に図示のため、３個の直線部分１４を有するように図３には描かれている。一般に要素１０は交互に前後に延伸して、さらに任意の数の直線部分１４を形成することができる。直線部分１４の間の連続的な圧電素子１０の部分１５は１８０°湾曲し、直線部分１４の互い違いの末端部でスタックの連結部分１５を形成する。
【００２７】
中心電極１３は要素１０の長さ全体に沿って延伸するが、外側電極１２は素子１０の長さに沿って分離される。詳細には、外側電極１２は各直線部分１４の長さに沿って２個の半片１６と１７の間で間隙１８によって分離されるので、対の外側電極１２は２個の半片１６と１７の間で電気的に絶縁される。２個の半片１６及び１７は等しい長さであることが好ましい。間隙１８は明確さのため図３には誇張された長さで示されているが、実際には、各直線部分１４に沿って延伸する２対の外側電極１２を絶縁するのに十分な任意のサイズとすることができる。間隙１８が要素１０の動作に顕著な効果を与えることを防止するために、間隙１８は直線部分１４の長さよりも少なくとも１桁短いことが好ましい。外側電極１２は、隣接する直線部分１４の間の連結部分１５の周りに連続的に延伸するが、これは不可欠ではない。
【００２８】
使用において、外側電極１２は回路（図示せず）に電気的に接続され、活性化に際して外側電極１２の間の電圧を供給又は検出する。以下でさらに詳細に説明するように、要素１０の構造配置は、活性化に際して中心電極１３に電気的な接続を形成する必要性を回避する。
【００２９】
層１１は各直線部分１４の各半片１６及び１７内で同じ方向Ｐに極性化される。極性化方向Ｐは、層１１に関して要素１０の長さに沿って同じ方向であるので、連結部分１５が１８０°曲げられる結果、極性化方向Ｐはスタックの後続の直線部分１４で互い違いの方向である。
【００３０】
素子１０を使用する間、活性化電圧が外部電極１２に印加されて、層１１を活性化するのに有効な層１１を横切る電界Ｅを生成する。活性化の間、印加された電界Ｅの方向は常に極性化の方向と平行であるので、層１１は電界Ｅ及び極性Ｐの相対的な活性化に応じて膨張又は収縮する。各直線部分１４の各半片１６及び１７において、極性化Ｐと印加電界Ｅの相対方向は、層１１の１層が膨張し、層１１の他の層が収縮するように選択される。層１１が中心電極１３を経由して互いに結合されることによって拘束されているため、これによって、各直線部分１４の各半片１６及び１７は、層１１に平行な直線部分を横切って延伸する軸の周りに１４を曲げる。
【００３１】
電気的に活性化するために、活性化電圧は以下の極性で全ての外側電極１２に同時に印加される。デバイスの１側部の各直線部分１４の半片１６の外側電極１２に印加される活性化電圧の極性は、第１の極性であり、一方、各直線部分１４の逆の半片１７の外側電極１２全てに印加される活性化電圧は、第２の逆の極性である。結果として、２個の半片１６及び１７の外側電極１２に印加される電圧の中間の電圧が中心電極１３に誘起される。デバイスが対称的である結果、中心電極があたかも接地されているかのように０Ｖの誘起電圧で浮動するよう、印加される活性化電圧は同じ大きさであることが好ましい。結果として、印加された電界Ｅは、２つの層１１において要素１０の長さに沿う全ての点で逆の方向である。さらに、所与の単層１１を横切って印加される電界Ｅは、各直線部分の各半片１６及び１７では逆の方向である。したがって、直線部分１４は２個の半片１６及び１７では逆に湾曲した形で曲がる。
【００３２】
活性化されたデバイスは図４に示されている。直線部分１４は２個の半片１６及び１７で逆に湾曲してスタック方向Ｓに曲がるので、これによって各直線部分１４の末端部の間にスタック方向の相対的な変位がもたらされる。さらに、各直線部分１４の末端部間の相対的変位は直線部分１４のスタックによって直列に加算され、要素１０の末端部を相対的に変位させる。
【００３３】
電極１２及び１３が、不活性で残る連結部分１５の周りに連続的に延伸することは好ましいが重要ではない。電極１２及び１３が連結部分１５の周りに連続的に延伸する結果、連結部分の活性化は素子１０の末端部間の変位に追加の寄与を与える。詳細には、活性化に際して、連結部分１５は曲がって開き、それに隣接する直線部分１４の相対的な回転を起こさせ、直線部分に方持ち梁として作用して要素１０の末端部をさらに変位させる。この場合、連結部分１５の活性化による回転が要素１０の半片１６及び１７のいずれかの連結部分間で相殺されるように、連結部分１５は偶数個（すなわち直線部分１４は奇数個）存在することが好ましい。
【００３４】
活性化の際に同じ屈曲を起こさせるのに、極性化Ｐと電界Ｅの方向の他の組合せを用いることができる。
【００３５】
図３に示した要素１０のバイモルフ屈曲構造の代替として、本発明は、単層の圧電性材料と不活性材料からなる単形屈曲構造又は２層以上の圧電性材料を有する多形屈曲構造をもつ要素に実施することができる。それらの屈曲構造はそれ自体既知であり、基本的に上記のバイモルフ屈曲構造と同じように動作する。
【００３６】
圧電デバイスは、要素１０の末端部の間に機械的な変位を起こさせるために、外部電極１２活性化電圧を印加することによって電気的に活性化することができる。この場合、デバイスは要素の末端部に対して配設された対象物を相対的に変位させるアクチュエータとして使用することができる。逆に圧電デバイスは素子１０の末端部を相対的に変位させることによって機械的に活性化し、外側電極１２に活性化電圧を発生することができる。この場合、圧電デバイスは活性化電圧を検出することによってセンサーとして使用することができる。
【００３７】
第１の種類の構造を備える要素を含む圧電デバイスの製造をここで説明する。
【００３８】
本方法は基本的に所望の屈曲構造を有し、その要素の１８０°曲がった間隔部分中間の連結部分１５を形成してその間に直線部分１４を残す、直線の変形可能な連続圧電素子１０を提供することを含む。その屈曲を可能にするために、当初提供される素子１０には十分変形可能な柔軟性が存在しなければならない。層１１の圧電性材料は、材料に柔軟性を与えるポリマーを含む未硬化状態のＰＺＴなどの圧電性セラミックであることが好ましい。形状加工後、要素を焼結して、圧電性材料を硬化する。それらの未硬化状態のセラミック圧電性材料、及び後続の焼結を用いる製造技術はそれ自体既知であり、本発明に容易に応用することができる。
【００３９】
製造をさらに詳細に説明する。
【００４０】
最初に、従来の技術を用いて直線の変形可能な圧電素子１０を作製する。好ましい技術は、圧電性材料の層１１と中心電極１３を一緒に押し出し成形することである。この技術では、その未硬化状態でそれが未硬化状態の層１１の材料と類似の流動性をもたなければならないので、中心電極１３は比較的厚くなければならない。可能な材料は、層がＰＺＴであり、中心電極１３が銀充填ＰＺＴであり、この場合、層１１も拡散を防止するために少量の銀を充填する。
【００４１】
別法として、連続圧電素子１０は圧電性材料の層１１を積層することによって形成することができる。この場合、中心電極１３は金属性インク、例えば白金充填銀パラジウムインクで印刷することができる。使用中に浮動して残る中心電極１３との偶発的な電気的接続を避けるため、中心電極１３の縁と層１１の間の周辺外部界面の間に間隙を残すことが好ましい。変形可能な素子１０は、最初に単一圧電デバイスに曲げる寸法で形成することができる。
【００４２】
他の代替として、連続圧電素子は新規な積層又は積み重ねプロセスを用いて形成することができる。それらの積み重ねは良く知られており、主に圧電ディスクの多層スタックの組み立てに用いられる。
【００４３】
既知の積み重ねプロセスは例えば公開米国特許出願第０１／０００９３４４号に記載されており、圧電スタックの製造プロセスにおける既知のステップを参照するため本明細書に組み込まれている。
【００４４】
屈曲体のスタックを製造するために、プロセスは以下に説明するいくつかの重要な態様において修正されている。
【００４５】
屈曲体のスタックは未硬化圧電性テープの単層を積み重ねることによって製造される単一屈曲体ユニットに基づく。本発明の変形による第１の２個のユニットは図５に示されており、２つの圧電性材料層（ＰＺＴ）１５３、１５４を備える第１のバイモルフ屈曲体ユニット１５２−１が基礎１５１の上に搭載される。２個の中心電極１５５、１５６はその２つの層の間に埋め込まれている。外側面電極１５７、１５８の２層は屈曲体ユニットの上部及び下部面をそれぞれ被覆する。第２のユニット１５２−２は第１のユニットの縁１５９の上に逆の配向で搭載される。複数の屈曲体ユニットをこのように搭載してスタックを形成することができる。矢は必要な極性化及び活性化電界の方向を示している。極性化の方向は実線の矢を用いて示されている。活性化するために印加される電界は点線の矢を用いて示されている。極性化の間、中心電極１５５、１５６は浮動状態で残る。
【００４６】
以下で説明するように、ユニット・セルの全ての４つの側面は製造プロセスの様々な段階及びスタックの活性化の間に使用する導出点を有する。
【００４７】
一つの可能な配置は、外側面電極１５７、１５８を図６に示すように左面及び右面に接続することであり、一方、中心電極を、１個の半片が前面に接続され、他が後方に接続されるようにパターン形成することである。屈曲体ユニットを互い違いに配向して積み重ねることによってスタックが組み立てられると、使用中に１種の電位を共有する全ての電極はスタックの同じ側面を経由して接触することができる。
【００４８】
屈曲体ユニット１５２の展開図は図７に示されており、その製造に必要な層の順序及び印刷を示している。数字は図６に使用したものと同じである。下部の外側面電極１５７は下部ＰＺＴ層１５３の上にスクリーン印刷される。中心電極１５５、１５６は、第１の層１５３の上部面、又は第２のＰＺＴ層１５４の下部面、又は部分的に両方のＰＺＴ層の上のいずれかに印刷される。頂部外側面電極１５８は第２の層１５４の頂部面に印刷される。
【００４９】
その構造を製造するときに考慮すべき重要なことは、ユニットの残る部分間の間隔を保ちながら、バイモルフ屈曲体ユニット１５２を縁１５９でいかに融合し又は積層するかである。
【００５０】
本発明では、一時的な又は除去可能な層１６０が屈曲体ユニットの間に配置される。この層は、電極印刷を保護する未硬化テープの積み上げプロセスの間に、外側電極層の頂部に堆積することができる。次いで、このテープ材料は、構造を乾燥した後、物理的に除去することも、又は結合剤の除去段階で焼却することもできる。ポリエチレン・シートは、外部タブが後方に残されているかぎり積層体の乾燥後に除去することができることが判明した。別法として、一時的な層１６０は、カーボンなど焼結段階の間に焼却される材料から作製することができる。
【００５１】
いくつかの印刷を未硬化テープの単一層上に平行して作製することができる。それらの層を適切な順序で積み上げることによって、一連の屈曲体ユニットを含む未硬化テープを１回の焼成プロセスで製造することができる。一時的な層又は除去可能なテープを導入した後、屈曲体ユニットの第２の未硬化テープを第１の未硬化テープの上に積み重ねる。これらのステップを繰り返すことによって、屈曲体ユニットの多重スタックを形成する未硬化テープのスタックが作製され、各々はユニットが連続的な又は擬似連続的な結合を形成するように設計されている縁区画を除いて、一時的なテープで分離される。未硬化テープのスタックをプレスし、いかなる除去可能な又は一時的なテープ区画も乾燥し除去した後、スタックは焼却され焼成される。したがって、反曲又はＳ屈曲体の完全なスタックが同時焼成プロセスによって製造されるが、スタックには、それらのスタックを製造する後焼成結合が既になされている。また、隣接するユニットも、縦に整列されたユニット間の間隔が焼成プロセスの間に壊れることを防止するために、追加で支持する。
【００５２】
全ての外側電極１５６、１５７が共通の伝導性通路又は線路を有するように外側面電極のパターンを設計することによって、ユニット層の全体のスタックは焼結の後に極性化されるが、組み立ての前に個々のユニットに切断される。図６における実線の矢で示された方向に従って圧電性層を極性化するには、適切な極性化電圧ＶＰ（＋）とＶＰ（−）が外部面電極１５６、１５７に印加され、一方、中心電極は定まった電位なしに残る、すなわち浮動している。
【００５３】
極性化の後、屈曲体ユニットの層のスタックは図６に示す個々のスタックを形成するために切断される。切断の後、端子又は面電極は適切な面に沿って通るパッドの印刷された電極を経由して接続され、中心電極１５５、１５６の導出部に接続される。外側面電極は活性化の間浮動状態で残り、したがって、スタックの側面に沿う接合接続を必要としない。
【００５４】
反曲又はＳ形状のバイモルフ屈曲体を極性化し活性化するいくつかの他の方法が知られているが、連続スタックに使用するとき、上記の特定の構成は少なくとも２つの顕著な利点を提供する。外側面電極１５７、１５８だけを用いる極性化プロセスは、切断の前にスタックをバッチで極性化することを可能にする。また、活側化の間、屈曲体ユニット当たり２個だけの端子を有することは、スタックの面に沿う端子電極の堆積が容易である。
【００５５】
積層した屈曲ユニットをその未硬化状態で同時焼成することによって、セラミック区画が溶融して連続又は本質的に連続の圧電性屈曲体のスタックが形成される。
【００５６】
屈曲体の連続スタックを形成する上記方法の代替として、直線要素は最初にシートの形で提供することができ、このシートは連結部分の曲げ軸に垂直な平面切断によって切断され、本発明による複数の圧電デバイスが形成される。図７は圧電性材料の２つの層１１を含むそれらのシート２０の例を示している。シート２０はその長さＬに沿って図３に示した単一デバイスの圧電素子１０と同じ構成を有する。曲げの後、シート２０はその長さＬに沿ってシート２０に垂直な平面切断を行うことによって切断され、シート２０を個々の要素１０に切断する。シート２０は、シート２０の幅Ｗを横切って間隔を置き長さＬに沿って延伸する複数の中心電極１３を有し、平面切断は電極１３の間で行われる。
【００５７】
直線の圧電素子から圧電デバイスを製造する以下の技術は、個々のデバイスを形成する変形可能な要素１０、又は図７に示した複数のデバイスに切断されるシート２０に等しく適用することができる。
【００５８】
変形可能な素子１０は最初に外側電極１２なしで提供される。しかし、変形可能な要素は、圧電性層１１に平行に延伸し、例えばカーボンなど焼結の間に焼却する材料など、除去可能な材料から作られた外側犠牲層を備えることが好ましい。それらの犠牲層は直線部分１４の間に間隙を作り、それによって屈曲プロセスに必要な公差が低減される。犠牲層は、例えば、要素１０に積層されるカーボン充填テープとすることができる。
【００５９】
次いで、変形可能な要素は曲げられるが、詳細には要素の間隙部分を１８０°曲げて中間連結部分１５を形成し、その間に直線部分１４を残す。曲げを行うには多くの方法がある。
【００６０】
図８は互い違いの側から要素を継続してプレスすることによって曲げを行う装置を示す。装置は、腕３１の末端部に搭載されたシリンダー３２を備える、４個（又は実際には任意の数）の放射状に延伸する網目状の腕３１を有する１対の回転可能なプレス３０を含む。変形可能な要素１０が網目状の腕３１の間を駆動ローラー３３によって駆動されるとき、プレス３０は同期して回転する。結果として、シリンダー３２は部材１０を互い違いの側から継続してプレスし、それによって間隙部分１５を曲げ、その間に直線部分１４が残る。図８の装置は間隙部分を１８０°未満の角度で曲げ、互いに平行な直線部分１４を残さないでテープ１０に波形を付ける。連結部分１５を完全に１８０°曲げるには、後続の段階で要素１０の末端部を互いにプレスし、互いに平行な直線部分を残す。
【００６１】
図９は、２組に配置した複数のフラップ（ｆｌａｐ）４０を用いる、連続要素１０を曲げる第２の装置を示しており、要素１０が駆動ローラー４１及び４２によって位置に駆動されたとき、そのいずれかの側の１組を用いる。変形可能な要素１０が位置に来ると、要素１０の反対側の２組のフラップ４０から交互にフラップ４０が使用され、フラップ４０は要素１０に対して回転する。フラップ４０は、フラップ４０が互いに平行な最終位置まで回転し、それによって要素１０を継続して互い違いの側からプレスし、連結部分１５をフラップの末端部の周りで曲げ、フラップ４０の間の間隙に直線部分１４を残す。フラップ４０の全てが回転してしまうと、フラップは直線部分１４の間の間隙から直線状に退出し、形状加工された要素１０が残る。
【００６２】
要素１０を曲げる他の技術は、例えば、その間で素子１０を形状に曲げる、連動する突起を備える２個の剛性のあるプレスの間で素子１０をプレスすることによって曲げる技術が同様に考えられる。
【００６３】
要素１０を曲げるとき、中間連結部分１５の湾曲の半径は一般に素子１０の厚さと等しい。これによって、素子１０が未硬化状態なので、素子１０の直線部分１４の間の間隙は比較的大きくなる。湾曲した中間連結部分１５はそれ自体素子１０の末端部の相対変位に貢献するので、これは大きな問題ではない。任意選択で、湾曲の半径を小さくするために、中間連結部分１５をプレスして要素１０の曲げの前にその厚さを薄くする。
【００６４】
次の段階は、従来の焼結技術を用いて、圧電性材料を焼結し、それを硬化することである。例えば、典型的なプロセスは、素子１０を最初に６００℃までの温度で焼結し、引き続き、一般に１０００℃〜１２００℃の温度でさらに焼結することによって層１１の材料の密度を高めることである。
【００６５】
続いて、外側電極１２を加える。電極１２は焼結後に加えられるので、外側電極１３に焼結に耐える材料を使用する必要はなく、替わりにより安価な材料を使用することができる。
【００６６】
次の段階は層１１の圧電性材料を極性化することである。素子１０は、素子１０の長さに沿って層１１に関して同じ方向に極性化されるので（すなわち、あたかも素子１０が直線に引き伸ばされたように）、連結部分１５が１８０°湾曲する結果、極性化は後続の直線部分１４では逆の方向になる。極性化は極性化電極を互い違いの側から直線部分１４の間の間隙に挿入することによって得られる。層１１の圧電性材料の材料を極性化するのに十分な極性化電圧は、反対側から挿入された電極を横切って印加される。これは、圧電性材料の間の不可避的な間隙を横切る電界の低下を少なくするために、少なくとも空気よりも高い誘電率を有する流体に浸漬された要素１１及び極性化電極で行うことが好ましい。層を極性化するこの技術は、直線部分１４間の間隙が比較的大きな、より大きいデバイスに特に適している。
【００６７】
外側電極１３は素子１０の各半片１６及び１７を別々に浸漬することによって形成することができる。適切な浸漬プロセスは、半片１６及び１７の最初の１個をフォトレジストに浸漬し、次いで素子１０全体をめっきし、次いでフォトレジストを除去することであり、次いでこのプロセスを半片１６及び１７の第２の１個に繰り返す。それらの浸漬プロセスは、直線部分１４間の間隙が比較的大きな圧電デバイスに特に適している。２個の半片１６及び１７の外側電極１２間に十分な間隙１８を確保するのに必要な浸漬プロセスの精度は、直線部分間の間隙中の流体の毛細管作用によって制限され、間隙が薄くなると悪くなる。
【００６８】
電極を加える代替の方法は蒸着プロセスである。個々の要素１０を形成するために続いて切断されるシート状の要素に行うそのプロセスの例をここで説明する。
【００６９】
図１０及び１１に示したシート５０及び６０がそれぞれ使用される。シート５０及び６０は、以下の事項を除き、図７のシート２０と同じ構造を有する。
【００７０】
シート５０及び６０の両方は、中間連結部分１５が形成される位置にシート５０及び６０の幅を横切って延伸する溝５１を備えて形成される。溝５１は、シート５０及び６０を溝５１を形成するためのエンボス加工形状を備えるローラーを通すことによって作製される。
【００７１】
シート５０はそれぞれの隆起５２の組を備えて追加して形成され、各組の隆起５２はシート５０の幅Ｗを横切って間隔を置き、各隆起はシート５０の切断の後に単一要素を形成するシート５０の幅の部分を横切って延長する。隆起がシート５０上の圧電性材料である場合、後でスクリーン印刷によって形成することができる。任意選択で、第２のスクリーン印刷作業が使用されて、上記のように、除去可能な材料である隆起５２の間の間隙中に犠牲層を付着することができる。スクリーン印刷は犠牲層の適切な厚さを得るために数回繰り返す必要があろう。隆起５２は中心電極１３よりも広いので、シート５０が個々の要素に切断されたとき、隆起５１は各直線部分１４の幅全体を横切って並置している。
【００７２】
図１１のシート６０は、図１０のシート５０の隆起５２と全く同じパターンの溝６２を有する。
【００７３】
続いて、シート５０又は６０を上記の技術を用いて曲げるが、溝５１は、連結部分１５を隆起５２又は溝６２と直線部分１４に沿って正確に半分の距離に正しく位置決めして、直線部分１４を２個の半片１６及び１７に分割するための位置決め点として働く。
【００７４】
曲げの後、シート５０又は６０を焼結する。上記のように犠牲層を用いる場合、シートをプレスして未硬化状態の寸法を緊密に制御することができる。
【００７５】
焼結の後、例えば、図１２及び１３に示した蒸着プロセスを用いて外側電極１３を加える。具体的には、シート５０又は６０をソース材料７０と一緒に高真空中に配置する。任意の適切な材料、例えば、銅又はアルミニウムを使用することができる。ソース材料７０は、それを蒸発させてシート５０又は６０の上に堆積するために加熱する。シート５０の隆起５２又はシート６０の溝６２は電極材料が堆積しない影を形成する。
【００７６】
堆積プロセスは、ソース７０をシート５０又は６０に対して異なる角度に配置して繰り返し、電極１３の材料を全ての必要な面に堆積することができる。
【００７７】
シート５０のような隆起５２を用いる利点は、シート５０の積層で使用することができるように、同じく標準的なスクリーン印刷装置を用いて作製できることである。
【００７８】
シート６０のような溝６２を用いる利点は、溝５１の形成のために使用した同じエンボス加工プロセスの間に形成できることである。さらに、蒸着プロセスの間、ソース７０の角度に精密な公差を必要とせず、また、窪みの深さに高い公差を必要とせずに２個の半片１６及び１７の間の外側電極１３の割れ目の幅を正確に設定できる。他方、隆起５２では、影、及びしたがって半片１６及び１７間の間隙１８の幅は、隆起５２の高さ及びシート５０に対するソース７０の角度に大きく依存する。
【００７９】
堆積プロセスは隆起５２又は溝６２の間の間隙に電極材料を堆積し、それによって各直線部分１４の２個の半片１６及び１７の外部電極１２の間に、シート５０又は６０上の電気的接続を提供する。続いて、シート５０又は６０は、隆起５２又は溝６２の間に堆積された電極材料によってシート５０又は６０の長さ全体に沿って電気的に接続されているシート５０又は６０の各主要表面上の外部電極１２に単一接続することによって実施することのできる極性化が行われる。したがって、直線部分１４間の間隙の中に、上記のように極性化電極を挿入する必要はない。
【００８０】
シート５０又は６０を極性化した後、シートの長さに沿って平面切断によって切断し、図３に示した個々の圧電素子１０が形成される。そのようなシート５０又は６０の切断において、隆起５２又は溝６２の間のシート５０又は６０の幅を横切る部分は、直線部分１４の２個の半片１６及び１７の外側電極１３の間に電気的接続がないように除去される。
【００８１】
上記の方法は焼結の後に外側電極を加えることを含む。別法として、外側電極は、中心電極と同じ方法で、焼結の前に変形可能な素子１０上にスクリーン印刷することができる。これはあまり好ましい選択ではなく、第１に、焼結に耐えることのできる外側電極１２用材料を使用することが必要であって、それらの材料は高価であり、第２に、変形可能な素子の厚さを厚くすることによって中間部分１５の湾曲半径が増加し、それによって直線部分１４の間隙が増加する。
【００８２】
素子１０の各半片１６及び１７の外側電極１２は、各半片１６及び１７の外側電極１２を単一接続によって回路に接続することができるように、素子１０の両側に互いに接続されていることが好ましい。これを達成する一つの方法は、上記の蒸着プロセスを用いることであるが、但しソースをデバイスの側部に向けて、両方の層１１を横切って電気的接続を形成する。各半片１６及び１７の外側電極１２の間に電気的な接続が堆積することを防止するため、各直線部分の半片１６及び１７の間の間隙１８を横切って障壁を配置する。プロセスは、層１１の側部と表面間の角度をつけたコーナー部の周囲に信頼性のある接続が作製されるように、ソースをデバイスに対して角度をつけて繰り返すことが好ましい。次いで、銅線又は電導性テープをデバイスの側部にデイジーチェーン方式で繋ぎ、対応する直線部分１４の半片１６及び１７を互いに接続することができる。線又はテープは半田付け又は伝導性エポキ・シプロセスを用いて接合することができる。線又はテープは、直線部分１４の間でわずかにループを作り、電気的な接続に張力をかけないで適切な変位を可能にする。
【００８３】
ここで、圧電素子が第２の種類の構造を有する圧電デバイスを説明する。
【００８４】
図１４は、圧電素子１０１をシートの形で含むそれらの圧電デバイス１００を示している。素子１０１は、両側から交互に延伸する、重なり合うスリットを有する。したがって、圧電素子１０１は、スリット１０２の重なり合う部分の間に形成された複数の直線部分１０３を備えるスリット１０２の周囲を交互に前後に延伸する。連結部分１０４は、直線部分１０３の中間のスリット１０２の末端部を超える、素子１０１の部分で形成される。
【００８５】
素子１０１は任意の適切な圧電性材料、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電セラミック、又はポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などの圧電性ポリマーから作製することができる。
【００８６】
圧電素子の材料は、主要表面の間にシート１０１の厚さを横切って極性化される。さらに、電極１０５は、各直線部分１０３に沿って以下のように設けられる。素子１０５には、素子１０１の対向する主要表面の各々に同一パターンが設けられ、図１４にはその一つだけが見える。各直線部分の長さに沿って、電極１０５は各対の間に間隙１０６を備える直線部分１０３の幅を横切って間隔を置く２対で配置されるので、電極１０５の対は互いに電気的に絶縁される。電極１０５は直線部分１０３の長さに沿って延伸するが、間隙１１１によって各直線部分の２個の半片１０７及び１０８の間で分離されるので、電極１０５は２個の半片１０７及び１０８の間で電気的に絶縁される。２個の半片１０７及び１０８は長さが等しいことが好ましい。間隙１１１は明確さのため図１４には誇張して描かれているが、実際には電極１０５を絶縁する十分な任意の長さとすることができる。間隙１１１が素子１０１の運転に大きな影響を与えることを防止するために、間隙１１１は直線部分の長さより少なくとも一定量長いことが好ましい。
【００８７】
使用するとき、電極１０５は回路（図示せず）と電気的に接続される。回路は活性化電圧を印加して直線部分１０３を電気的に活性化することができ、又は、素子１０１の機械的な活性化によって発生した活性化電圧を検出することができる。
【００８８】
活性化すると、各対の対向する電極１０５間、すなわち各直線部分１０３の幅を横切って間隔を置く２つの領域１０９及び１１０に電界が発生する。電界は直線部分１０３の厚さを横切って発生すると言うべきである。電界Ｅの方向は極性化の方向と平行であるので、領域１０９及び１１０内の各直線部分の材料は膨張−収縮モードで活性化される。実際に、逆の極性の活性化電圧が対向する電極１０５の各対の間に印加されるので、電界は直線部分１０３の幅を横切る２つの領域１０９及び１１０では逆である。したがって、直線部分１０３の幅を横切る２つの領域１０９及び１１０の間では直線部分１０３の長さの差に変化があり、領域１０９及び１１０が互いに一体化されていることによって拘束されている結果、長さの差の変化はその幅と平行に直線部分１０３の屈曲を伴う。
【００８９】
これは、既知の屈曲構造を有する要素の屈曲に類似しており、屈曲はやはり長さの差の変化によって駆動される。しかし、素子１０１の屈曲は、直線部分１０３の幅を横切って電界が発生する厚さ方向に平行な軸の周りに起きる。これは領域１０９及び１１０内の対の電極１０５が直線部分１０３の幅を横切って間隔を置くためである。対照的に、既知の屈曲構造では、長さの差の変化を行う層は層の厚さを横切って間隔を置くので、図２及び４を参照して上で示したように、屈曲は電界に垂直な層を横切って延伸する軸の周りに起きる。
【００９０】
さらに、活性化電圧は、各直線部分１０３の２個の半片１０７及び１０８で逆に湾曲する屈曲を起こすように印加される。極性化が圧電体１０１を横切って同じ方向であるので、これは各直線部分１０３の２個の半片１０７及び１０８で極性が逆になる活性化電圧を印加することによって達成される。
【００９１】
極性化Ｐ及び電界Ｅの方向の他の組合せは等しく可能である。
【００９２】
図１５は、図１４のものと同じ構造を有するが、活性化の際に直線部分１０３の数の異なるデバイスを示している。積み重ね方向Ｓは、２個の半片１０７及び１０８で湾曲が逆なので、これによって各直線部分１０３の末端部の間の相対的な変位は積み重ね方向になる。この相対的な変位は図１５に明確さのために誇張して示されている。さらに、各直線部分１０３の末端部間の相対的な変位が直線部分１０３の積み重ねによって直列に加わるので、各直線部分１０３の末端部間の相対的な変位が互いに加算される。
【００９３】
第２の種類の構造に関して、各直線部分１０３の長さＬ、幅Ｗ、及び厚さＴはＬ≫Ｗ＞Ｔのように構成される。厚さＴは、所与の活性化電圧で素子１０１を横切る高い電界を発生するために小さいことが必要である。幅Ｗは、厚さＴよりも大きく選択され、かなり大きいことが好ましい。例えば典型的な厚さＴが１ｍｍ未満で、その場合幅Ｗは数ｍｍである。
【００９４】
屈曲が幅を横切って起きるので、直線部分１０３は屈曲の方向に剛性がある。これは変位の減少を伴うにもかかわらず、発生する力が増大することを意味する。したがって、第２の種類の構造の特別な利点は、類似の寸法の要素を有する第１の種類の構造を備えるデバイスと比べて、小さな変位にもかかわらず大きな力を提供することである。
【００９５】
上記の実施例において、中間連結部分１０４は電極なしで形成され、それらは不活性のまま保たれる。しかし、代替として、隣接する直線部分１０３上の２対の電極は、例えば、中間連結部分１０４を示す圧電素子１０１の部分図である図１６に示すように、直線部分１０３の間の中間連結部分１０４の周りに連続して延伸することができる。この場合、中間連結部分１０４の形状は湾曲している。
【００９６】
結果として、活性化の際に、連結部分１０４も直線部分１０３と同じように屈曲する。これは中間部分１０４を開閉させ、それに隣接する直線部分１０３の相対的な回転を起こさせる。これは、直線部分の向きを方持ち梁のように変えることによって、素子１０１の末端部間の変位を追加で寄与する。
【００９７】
複数の圧電デバイス１００は、素子１０１を各シートの主要表面を互いに向かい合わせて積み重ねることによって、並行に動作するように配置することができる。
【００９８】
圧電デバイス１００の製造方法は簡単である。基本的に、最初に素子１０１を完全なシートとして提供し、切断してスリット１０２を形成することによって形成することができ、次いで電極を従来の技術を用いて加えることができる。
【００９９】
圧電性材料のシートは市場で容易に入手可能であるので、それらのプロセスは安価で簡単である。本方法は任意の種類の圧電体に使用できる。好ましい材料はＰＺＴなどの圧電性セラミックである。この場合、素子１０１は焼結の前又は後に切断することができるが、切断は、焼結中に不可避的に起きる収縮の間に、スリット１０２が素子１０１の変形を招かないように焼結の後に行うのが好ましい。
【０１００】
電極１０５は金属性インクの無電解堆積など任意の適切な技術によって加えることができる。原理的に、電極は焼結の前又は後に加えることができるが、必ずしも圧電性材料の焼結に十分な温度に耐えることのできる材料から作製する必要がないように、焼結の後加えることが好ましい。電極は任意の適切な金属から作製することができる。
【０１０１】
電極を加える好ましい方法は、適切なパターンのインクを与えた２対のローラーに素子１０１を通し、それによって電極１０５を素子１０１の両方の主要表面上に付着することである。別法として、焼結の前に、引き伸ばした部材上に電気的な前躯物質、例えば、無電解堆積用の活性剤を堆積することができる。この場合、焼結の後、電極は素子１０１を適切な無電解めっき溶液に浸漬することによって作製することができる。
【０１０２】
電極１０３を加えた後、素子１０１の材料は、対向電極１０５の各対の間の領域１０９及び１１０で素子１０１の材料を極性化するのに十分な極性化電圧を印加することによって極性化される。
【図面の簡単な説明】
【０１０３】
【図１】バイモルフ屈曲構造を有する既知の圧電デバイスを、デバイスの長さに沿って描いた切断面図である。
【図２】活性化された図１の圧電デバイスの切断面図である。
【図３】バイモルフ屈曲構造を有する圧電素子を含む圧電デバイスの斜視図である。
【図４】活性化された図３の圧電デバイスの斜視図である。
【図５】バイモルフ屈曲体の連続スタック区画の断面図である。
【図６】バイモルフ屈曲体の連続スタック区画の展開図である。
【図７】複数の圧電デバイスを製造するために使用する、シート状の変形可能な要素の斜視図である。
【図８】変形可能な要素を曲げる第１の装置の側面図である。
【図９】変形可能な要素を曲げる第２の装置の側面図である。
【図１０】シート状の変形可能な他の要素の斜視図である。
【図１１】シート状の変形可能な他の要素の斜視図である。
【図１２】曲げの後に、図１０及び１１のシートに実施する蒸着プロセスの側面図である。
【図１３】曲げの後に、図１０及び１１のシートに実施する蒸着プロセスの側面図である。
【図１４】第２の種類の構造を有する圧電素子を含む圧電デバイスの斜視図である。
【図１５】第２の種類の構造を有する圧電素子を含む圧電デバイスの側面図である。
【図１６】代替の電極構成を備える中間連結部分の部分側面図である。
【図６】
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【国際公開パンフレット】
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2005507627.tif 000005
2005507627.tif 000006
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【国際調査報告】
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