(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２つの炭素繊維が交差した交差部を有するヤーン（２ａ，２ｂ；１０２ａ，１０２ｂ）を具備し、前記交差部を含む部分を覆うナノロッドの形態の酸化亜鉛層（３，１０３）が配置されており、前記ヤーン（２ａ，２ｂ；１０２ａ，１０２ｂ）の各々の端部（４ａ，４ｂ）が操作ユニット（５）に接続されている圧電デバイス（１，１０１）。
【請求項２】
前記ヤーン（２ａ，２ｂ；１０２ａ，１０２ｂ）の各々の前記端部（４ａ，４ｂ）は、別の配線を介在することなく、前記操作ユニット（５）に直接接続されている、請求項１に記載の圧電デバイス（１，１０１）。
【請求項３】
前記操作ユニット（５）は、電圧、電流又は静電容量を測定するための機器である、請求項１又は２に記載の圧電デバイス（１，１０１）。
【請求項４】
前記操作ユニット（５）は、電圧を調整可能な電圧発生器である、請求項１又は２に記載の圧電デバイス（１，１０１）。
【請求項５】
前記炭素繊維のヤーン（２ａ，２ｂ；１０２ａ，１０２ｂ）は、１つの炭素繊維のみ、又は複数の炭素繊維のバンドルからなることができる、請求項１ないし４のいずれか１に記載の圧電デバイス（１，１０１）。
【請求項６】
前記炭素繊維のバンドルは、３，０００〜５０，０００のファイバを含む、請求項５に記載の圧電デバイス（１，１０１）。
【請求項７】
前記炭素繊維は、ポリアクリロニトリル又はポリシラザンである合成由来の熱分解された炭素質繊維材料、あるいは、ピッチ、又は植物性繊維若しくは木であるセルロース系材料である自然由来の熱分解された炭素質繊維材料からなる、請求項１ないし６のいずれか１に記載の圧電デバイス（１，１０１）。
【請求項８】
縦糸（１０２ａ）と横糸（１０２ｂ）とからなる炭素繊維織物（１１０）を含み、ナノロッドの形態の酸化亜鉛層（１０３）がその一部分上に配置されている、請求項１ないし７のいずれか１に記載の圧電デバイス（１０１）。
【請求項９】
電荷及び静電容量を測定するための機器は、
少なくとも１つの第１のヤーン（２ａ，１０２ａ）に接続される可変周波数信号発生器と、
少なくとも１つの第２のヤーン（２ｂ；１０２ｂ）に接続される、電流信号及び電荷積分値の取得及び補正のための機器と、を有する、請求項１ないし８のいずれか１に記載の圧電デバイス（１，１０１）。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれか１に記載の少なくとも１つの圧電デバイス（１，１０１）を含む、炭素繊維材料でできた物品。
【請求項１１】
前記圧電デバイスは、応力センサである、請求項１０に記載の物品。
【請求項１２】
前記圧電デバイスは、アクチュエータデバイスである、請求項１０に記載の物品。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの圧電デバイス（１，１０１）は、前記物品に埋め込まれているか前記物品と一体となっている、請求項１０ないし１２のいずれか１に記載の物品。
【請求項１４】
請求項１ないし９のいずれか１に記載の圧電デバイス（１，１０１）を得るための方法であって、
ａ）少なくとも２つの炭素繊維が交差した交差部を有するヤーン（２ａ，２ｂ；１０２ａ，１０２ｂ）を含む物体の一部分上への接着層の形成ステップと、
ｂ）ステップａ）の前記接着層上でのナノロッド形態の酸化亜鉛の成長ステップと、
あるいは、
ａ１）２つの炭素繊維のヤーン（２ａ，２ｂ）の一部分上への接着層の形成ステップと、
ｂ１）ステップａ１）の前記接着層上でのＺｎＯ ＮＲの成長ステップと、
ｃ１）前記２つの炭素繊維のヤーン（２ａ，２ｂ）の重ね合わせステップと、を含む方法。
【請求項１５】
前記ステップａ）又はａ１）は、化学浴技術によって実行され、
Ａ１）所定時間、所定温度で、亜鉛塩水溶液中への、覆われるべき前記物体又は前記ヤーン（２ａ，２ｂ）の浸漬ステップと、
Ａ２）所定時間、所定温度で、塩基性水溶液中へのステップＡ１）の前記物体又は前記ヤーン（２ａ，２ｂ）の浸漬ステップと、
Ａ３）ステップＡ２）から得られた前記物体又は前記ヤーン（２ａ，２ｂ）の乾燥ステップと、
Ａ４）前記ステップＡ１）、Ａ２）及びＡ３）の所定回数の繰り返しステップとをこの順に含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記亜鉛塩は、酢酸亜鉛であり、前記ステップＡ２）は、室温で、１秒間ないし１時間かそれ以上の時間、実行され、前記塩基性水溶液は、水酸化アンモニウムの水溶液である、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記ステップＡ２）は、室温で、１秒間ないし１時間かそれ以上の時間、実行される、請求項１５又は１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記ステップＡ１）、Ａ２）及びＡ３）は、少なくとも１０回繰り返される、請求項１５ないし１７のいずれか１に記載の方法。
【請求項１９】
前記ステップａ）又はａ１）は、従来のスパッタリング技術によって実行され、このスパッタリング技術は、
Ｂ１）所定時間、不活性雰囲気の下で、真空中で、スパッタリング堆積チャンバ中に配置された前記物体の一部分上への酸化亜鉛層（３）の堆積ステップと、
Ｂ２）前記ステップＢ１）の所定回数の繰り返しステップと、をこの順に含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項２０】
前記ステップＢ１）は、１２０Ｗの電力を使用して、３０秒間ないし１時間かそれ以上の堆積時間、実行され、
前記ステップＢ２）は、２ないし４回の堆積サイクルを与える、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記接着層上にナノロッドの形態の酸化亜鉛を成長させる前記ステップｂ）は、
ｉ）所定時間、所定温度で、亜鉛塩の、及びアミンの溶液中への、ステップａ）又はａ１）から得られた前記物体又は前記ヤーン（２ａ，２ｂ）の浸漬ステップと、
ｉｉ）前記物体又は前記ヤーン（２ａ，２ｂ）の乾燥ステップとをこの順に含む、請求項１４ないし２０のいずれか１に記載の方法。
【請求項２２】
前記亜鉛塩の溶液は、酢酸亜鉛水溶液であり、前記アミンは、ヘキサメチレンテトラミンである、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記浸漬ステップを実行する温度が５０℃よりも高く、前記浸漬ステップを実行する時間が２ないし６時間である、請求項２１又は２２に記載の方法。
【請求項２４】
１以上の圧電デバイス（１，１０１）を含む、請求項１０ないし１３に記載のいずれか１による炭素繊維材料の物品を作製する方法であって、
１）圧電デバイス（１，１０１）を形成するための、前記炭素繊維が交差した交差部を有するヤーン（２ａ，２ｂ）上への、又は縦糸（１０２ａ）と横糸（１０２ｂ）からなる炭素繊維織物（１１０）上へのナノロッドの形態の酸化亜鉛層（３，１０３）の堆積ステップと、
２）重合体マトリックスへの、ステップ１）の前記圧電デバイス（１，１０１）の含浸ステップと、
３）前記物品の前駆体又はその一部の形成ステップと、
４）薄層状炭素繊維物品を形成するための、ステップ３）の前記物品の前駆体又はその一部の前記重合体マトリックスの重合ステップと、を含む方法。
【請求項２５】
さらに、５）前記重合体マトリックスで含浸された炭素繊維織物の１以上の層とステップ４）の１以上の薄層状物品を接合することによる多層物品の形成ステップと、前記重合体マトリックスの次の重合ステップを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
１以上の圧電デバイス（１，１０１）を含む、請求項１０ないし１３に記載のいずれか１による炭素繊維物品を作製する方法であって、
１ａ）圧電デバイス（１，１０１）を形成するための、前記炭素繊維が交差した交差部を有するヤーン（２ａ，２ｂ）上への、又は縦糸（１０２ａ）と横糸（１０２ｂ）からなる炭素繊維織物（１１０）上への、ナノロッドの形態の酸化亜鉛層（３，１０３）の堆積ステップと、
２ａ）重合体マトリックスへの、ステップ１ａ）の前記圧電デバイス（１，１０１）の含浸ステップと、
３ａ）前記重合体マトリックスへの炭素繊維織物の含浸ステップと、
４ａ）ステップ２ａ）による前記重合体マトリックスで含浸された１以上の圧電デバイス（１，１０１）を接合することによる物品の前駆体又はその一部の形成ステップと、
５ａ）前記物品を形成するための、ステップ４ａ）の前記物品の前駆体又はその一部の重合ステップとを含む方法。
【請求項２７】
前記ステップ４ａ）は、ステップ３ａ）による前記重合体マトリックスで含浸された炭素繊維織物の１以上の層と、ステップ２ａ）による前記重合体マトリックスで含浸された１以上の圧電デバイス（１，１０１）を接合することによる物品の前駆体又はその一部の形成ステップである、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記ステップ１）又は１ａ）が、織る動作の前に、予め織られた織物（１１０）又は炭素繊維のヤーン（１０２ａ，１０２ｂ）に対して実行される、請求項２４ないし２７のいずれか１に記載の方法。
【請求項２９】
前記重合ステップ４）又は４ａ）は、室温から１８０℃の間の温度で、１バールないし１０バールの圧力で、オートクレーブプロセスによって実行され、
前記重合体マトリックスは、エポキシ樹脂とフェノールのマトリックスとから選択された熱硬化性材料である、請求項２４ないし２８のいずれか１に記載の方法。
【請求項３０】
前記ステップ４）又は４ａ）は、１００℃から４５０℃までの温度で、４００トンまでの押圧力で、３ないし６０分間、モールド成形プロセスによって実行され、
前記重合体マトリックスは、ポリエチレン（ＰＥ）、硫化ポリフェニレン（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）及びポリエチレンイミド（ＰＥＩ）から選択された熱可塑性材料である、請求項２４ない２８のいずれか１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサとして、及びアクチュエータとして利用できる酸化亜鉛系圧電デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
センサや駆動デバイスを作製するための圧電材料の使用が知られている。
【０００３】
機械的変形を受けると電圧差を発生することができる場合、材料が圧電性であると定義される。実際には、外圧が加えられた場合、異符号の電荷それ自身が材料の対向面に位置され、すなわち、正味の電気双極子モーメントがユニットセルに生成される。結晶はコンデンサとして振る舞い、このコンデンサに電圧差が加えられる。２つの面が外部回路で接続された場合、圧電電流と呼ばれる電流が発生し、この効果は「ピエゾジェネレーター効果」と呼ばれる。逆に、材料に電圧差が加えられた場合、材料は膨張するか収縮する（「ピエゾモーター効果」）。これら効果は可逆的であり、ナノメートルオーダーのスケールで実現される。
【０００４】
圧電効果を発生させることができるさまざまな材料が存在する。とりわけ、チタン酸バリウム（ＢａＴｉｏ３）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒｘＴｉ１−ｘ Ｏ３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、ランガサイト（Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４）、四ホウ酸リチウム（Ｌｉ２Ｂ４Ｏ７）、オルトリン酸ガリウム塩（ＧａＰＯ４）、石英及び酸化亜鉛（ＺｎＯ）である。
【０００５】
特に、デバイスにかなりの可撓性及び曲げ強さを与えるために、このような材料のナノ結晶がポリマー又は炭素繊維媒体上に堆積されたさまざまなＺｎＯ系デバイスが提案されている。これらデバイスでは、ＺｎＯ結晶のフィラメントの端部は、代表的には金電極である適切な電極に接続され、これは、電圧又はそれによって発生する電流を測定するための機器に適切に電気的に接続されている。しかしながら、実験タイプに必須のこれらデバイスは、かなり複雑であり、従来のセンサと同じやり方では、それらの位置を適所に決める難しさ及び配線の必要性のために、その構造上の動作を監視するための大きな構造と一体にするのが容易ではない。
【発明の概要】
【０００６】
それ故、本発明の１つの目的は、大きな複合構造を含む、複合材料でできたさまざまな構造に容易に一体にされることができる単純な配置形状の圧電デバイスを提供することである。
【０００７】
他の目的は、大きな構造においてもセンサとして、又はアクチュエータとして使用されることができる圧電デバイスを提供することである。
【０００８】
本発明のさらなる目的は、本発明による１以上の圧電デバイスが一体にされた炭素繊維材料の物品を作製する方法を提供することである。
【０００９】
したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲に概説されるような酸化亜鉛系圧電デバイスに関し、これらに規定されるものは、本明細書と一体的な部分を形成する。
【００１０】
本発明のさらなる特徴及び効果が、いずれの場合も、添付図面を参照して、非限定的な例による好ましい実施形態の以下に与えられる記載からより明白に理解可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明による圧電デバイスの概略図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の圧電デバイスの他の実施形態の概略図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａのデバイスを拡大した細部の側面概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１に示されるように、参照符号１によって全体的に示される本発明の圧電デバイスは、少なくとも２つの炭素繊維の交差したヤーン２ａ、２ｂを有し、ヤーン２ａ、２ｂの交差部にナノ構造の酸化亜鉛（ＺｎＯ）層３が配置されている。ヤーン２ａ、２ｂの各々の端部４ａ、４ｂは、可能な適切な配線６ａ、６ｂによって、操作ユニット５に接続されている。炭素繊維が導電特性を有すると仮定すると、ヤーン２ａ、２ｂの端部を操作ユニット５に直接接続することも可能である。
【００１３】
「ヤーン２ａ、２ｂの交差部に酸化亜鉛の層が配置されている」との表現は、ＺｎＯの層がこれらの交差部を含む前記ヤーン２ａ、２ｂの一部を覆っており、より広範囲を覆っていてもよいことを意味する。
【００１４】
ヤーン２ａ、２ｂは、本発明のデバイスが適用される物品のサイズに応じた、及びデバイスが置かれる位置に応じた適切な長さであることができる。実際には、本発明のデバイスでは、炭素繊維のヤーン２ａ、２ｂは、その電気伝導性のおかげで、信号のコンダクターとなるヤーンである。したがって、任意の離れた位置に操作ユニット５を置くことが可能であり、一方、１以上のデバイス１が、（デバイス１がセンサとして使用される場合）構造上の変化が監視される必要があるか、（デバイス１がアクチュエータとして使用される場合）物品の形態上の変化を引き起こす物品のところに自由に置かれることができる。デバイス１は、外部の電気接触を必要とせず、ＺｎＯで覆われた炭素繊維の構造によって特徴付けられるのみであり、それが埋め込まれることができる炭素繊維の物品と容易に一体にされることができる。
【００１５】
ヤーン２ａ、２ｂの長さが広範であれば、適切な位置に信号増幅器を適用するのが便利であるか必要でありうる。
【００１６】
ある実施形態では、操作ユニット５は、電圧又は静電容量を測定するための機器である。
【００１７】
他の実施形態では、操作ユニット５は、電圧発生器である。
【００１８】
炭素繊維のヤーン２ａ、２ｂは、単一の炭素繊維又は複数の炭素繊維のバンドルからなることができる。
【００１９】
「炭素繊維のヤーン」との用語は、例えば、ポリアクリロニトリル又はポリシラザンである合成由来の、あるいは、例えば、ピッチ、植物性繊維又は木などのセルロース系材料である自然由来の、さまざまな炭素質材料の熱分解によって一般的に生成された繊維材料を指す。
【００２０】
「複数の炭素繊維のバンドル」との用語は、概して３，０００〜５０，０００のファイバを含む炭素繊維のグループを指す。
【００２１】
ナノ構造のＺｎＯの層３は、「ナノロッド」の形態のＺｎＯ（以下では「ＺｎＯ ＮＲ」とする）を含む。
【００２２】
ＺｎＯ ＮＲの層３の堆積方法は、  
ａ）少なくとも２つの炭素繊維の交差したヤーン２ａ、２ｂを含む物品の一部分上への接着層の形成ステップと、  
ｂ）ステップａ１）の前記接着層上でのＺｎＯ ＮＲの成長ステップと、  
あるいは、  
ａ１）２つの炭素繊維のヤーン２ａ、２ｂの一部分上への接着層の形成ステップと、  
ｂ１）ステップａ１）の接着層上でのＺｎＯ ＮＲの成長ステップと、  
ｃ１）２つのヤーン２ａ、２ｂの重ね合わせステップとを含む。
【００２３】
ステップｃ１では、２つのヤーンは、単に互いの上に置かれることができるか、接着剤又は樹脂を使用して一緒に保持されることができる。
【００２４】
接着層（「シード層」とも称される）の形成のステップａ）又はａ１）は、２つの異なる技術を使用して達成されることができる。
【００２５】
いくつかの実施形態では、ステップａ）又はａ１）は、化学浴技術で実行され、  
Ａ１）所定時間、所定温度で、亜鉛塩水溶液中への、ＺｎＯ ＮＲで覆われるべき前記物体又は前記ヤーンの浸漬ステップと、  
Ａ２）所定時間、所定温度で、塩基性水溶液中へのステップＡ１）の前記物体又は前記ヤーンの浸漬ステップと、  
Ａ３）ステップＡ２）から得られた前記物体又は前記ヤーンの乾燥ステップと、  
Ａ４）ステップＡ１）、Ａ２）及びＡ３）の所定回数の繰り返しステップとをこの順に含む。
【００２６】
物体の、又は糸の表面の一部分のみが覆われる必要がある場合には、残りの部分は適切に遮られなければならない。
【００２７】
ステップＡ１）では、亜鉛塩は、好ましくは、酢酸亜鉛二水和物であり、より好ましくは、１ｍＭないし１Ｍの、より好ましくは約６０ｍＭの酢酸亜鉛二水和物の溶液である。
【００２８】
ある実施形態では、ステップＡ１）は、周囲温度で、１秒間ないし１時間かこれ以上の時間、好ましくは５秒間ないし３０秒間、より好ましくは約１０秒間、実行される。
【００２９】
ステップＡ２）では、塩基性水溶液は、好ましくは水酸化アンモニウムの水溶液であり、より好ましくは０．０００１％ないし０．１％の、好ましくは約０．０３重量％の濃度の水酸化アンモニウムの水溶液である。
【００３０】
ある実施形態では、ステップＡ２）は、周囲温度で、１秒間ないし１時間かこれ以上の時間、好ましくは５秒間ないし３０秒間、より好ましくは約１０秒間、実行される。
【００３１】
「水溶液」との用語は、好ましくは、蒸留水の溶液を、より好ましくは再蒸留水の溶液を意味すると理解される。
【００３２】
乾燥ステップＡ３）は、好ましくは、２５℃よりも高い温度で、より好ましくは７０℃よりも高い温度で、よりいっそう好ましくは９０℃よりも高い温度で、より好ましいやり方では約１２０℃で、好ましくは２００℃未満で行われる。
【００３３】
ステップＡ１）、Ａ２）及びＡ３）は、好ましくは、少なくとも１０回、より好ましくは少なくとも１５回、よりいっそう好ましくは約２０回繰り返される。
【００３４】
他の実施形態では、ステップａ）は、真空中に置かれた堆積チャンバを含む装置の使用を含む「スパッタリング」又は「陰極粉砕」の従来技術を使用して実行され、この堆積チャンバ中に、覆われるべき物体及びこの場合にはＺｎＯであるコーティング材料が置かれる。コーティング材料は、通常１ＫｅＶよりも低いエネルギーを有するイオンビームを当てられ、霧状材料を放出してチャンバの壁及び覆われるべき表面を覆う。物体の表面の一部分のみが覆われるべきである場合には、覆われるべきでない部分が遮られる必要がある。
【００３５】
上に概説された手順は、  
Ｂ１）所定時間、不活性雰囲気の下で、真空中で、スパッタリング堆積チャンバ中に配置された前記物体の一部分上へのＺｎＯ酸化物層３の堆積ステップと、  
Ｂ２）ステップＢ１）の所定回数の繰り返しステップとをこの順に含む。
【００３６】
ステップＢ１）は、好ましくは、１２０Ｗの電力を使用して、３０秒間ないし１時間の堆積時間、より好ましくは２〜６分間、よりいっそう好ましくは約４分間、実行される。
【００３７】
ステップＢ２）は、好ましくは２ないし４回の堆積サイクルを、より好ましくは２回の堆積サイクルを与える。
【００３８】
接着層上でのＺｎＯ ＮＲの成長のステップｂ）又はｂ１）は、  
ｉ）所定時間、所定温度で、亜鉛塩の、及びアミンの溶液中への、それぞれステップａ）又はａ１）から得られた前記物品又は前記ヤーン２ａ、２ｂの浸漬ステップと、  
ｉｉ）前記物体又は前記ヤーン２ａ、２ｂの乾燥ステップとをこの順に含む。
【００３９】
ステップｉ）では、好ましくは、ヘキサメチレンテトラミン及び酢酸亜鉛二水和物の水溶液が使用される。より好ましくは、亜鉛塩の濃度は、１００ｕＭないし１Ｍであり、よりいっそう好ましくは約２０ｍＭであり、また、アミンの濃度は、１００ｕＭないし１Ｍであり、よりいっそう好ましくは約２０ｍＭである。
【００４０】
好ましい実施形態では、処理温度は、５０℃よりも高く、好ましくは７０℃よりも高く、より好ましくは約９０℃である。
【００４１】
好ましい実施形態では、処理時間は、２〜６時間、好ましくは約４時間である。
【００４２】
乾燥ステップｉｉ）は、好ましくは、１００℃よりも高い温度で、好ましくは１３０℃よりも高い温度で、より好ましくは約１５０℃で、少なくとも５分間、好ましくは約１０分間、行われる。
【００４３】
ある実施形態では、操作ユニット５は、代表的には電圧計である電圧を測定するための機器であることができる。
【００４４】
他の実施形態では、操作ユニット５は、静電容量を測定するための機器を含む。この場合、第１のヤーン２ａは、周波数可変の信号発生器に接続され、一方、第２のヤーン２ｂは、並列に置かれ、前記ヤーン２ａに対して接地され、電流信号及び電荷の積分値の取得及び補正のための機器に直列に接続されている。例えば、ＡＩＸＡＣＣＴ社によって製造された「強誘電体モジュール」を備える機器ＴＦ分析器２０００Ｅが使用されることができる。
【００４５】
電荷及び静電容量計が基にする原理は以下の通りである。本発明のデバイスは、おおよそコンデンサとみなされることができ、そこでは、電機子がその交差部の点でヤーン２ａ、２ｂの表面によって表される。一方、「ナノロッド」のコーティング構造は、介在誘電材料（interposed dielectric material）を構成し、これが圧電効果を与える。実際には、現実の材料は決して純粋な誘電体ではなく、したがって、圧電信号は、もしあれば、抵抗性電流及び漏れ電流などの多くの場合に支配的な他の誤った寄与に通常重畳される。これらは、測定の精度を害し、静電容量の正確な測定の信頼性が低くなってしまう。しかしながら、固定振幅及び可変周波数三角電圧インパルスを利用することによって、抵抗性電流や漏れ電流からの材料の誘電性への寄与を分離することが可能である。
【００４６】
正確な周波数がいったん選択されると、全ての誤った寄与が完全に除かれた場合には静電容量対電圧の測定は不変である。システムに対する一定の外部の機械的な圧力による圧電性の誘導が容量の増加を引き起こし、電圧が一定となる。図１におけるデバイスで例えば５ｋＨｚの周波数インパルスを使用すると、誘電性の応答は、抵抗及び漏れの応答と完全に分かれている。個々の異なるデバイスについて、適切な周波数パルスが実験的に見つけられることができる。それ故、この体制では、システムの静電容量の変化の観点から圧電効果を測定することが可能である。
【００４７】
他の実施形態では、操作ユニット５は、電圧発生器、好ましくは電圧を調整可能な電圧発生器である。これにより、デバイス１は、印加される電圧に応答してその形態を変化させるアクチュエータとして作用する。圧電材料（ＺｎＯ ＮＲ）に静電的な「極性（poling）」を与えることで「ナノロッド」の曲げが引き起こされ、すなわち、正味の双極子モーメントの形成、この結果、材料の誘電率の変化、言い換えればその容量の変化が観察される。「極性」の印加が中断されると、デバイス１は、極性の印加の前に見られた同じ容量値をとる初期配置に再度達するまで、緩む。例えば、デバイス１が埋め込まれた材料のいくつかの層を重畳することにより、物品に適切な数のデバイス１を置けば、印加される電圧に応答して物品のかなりの形態変化を得ることができる。
【００４８】
図２Ａ並びに図２Ｂに示される異なる実施形態では、本発明による圧電デバイス１０１は、横糸１０２ａと縦糸１０２ｂとからなる、炭素繊維でできた織物１１０から作製され、その一部分上にＺｎＯ ＮＲの層１０３が配置されている。ＺｎＯ ＮＲでの炭素繊維のコーティングのための上に記載された技術は、形状を変えられる大きな表面のコーティングを可能にし、したがって、多くの単一の圧電デバイス１を構成する炭素ヤーンの複数の横縦交差部を覆うことが可能である。
【００４９】
デバイス１０１は、個々のヤーン１０２ａ、１０２ｂによって直接、又は、適切な配線６ａ、６ｂによって、上で述べられるような操作ユニット５に接続されている。
【００５０】
ある実施形態では、本発明による圧電デバイス１、１０１は、その作製プロセス中、炭素繊維物品と一体にされることができる。
【００５１】
この結果、１以上の圧電デバイス１、１０１を含む炭素繊維の物品の作製プロセスは、  
１）圧電デバイス１、１０１を形成するための、前記炭素繊維の交差したヤーン２ａ、２ｂ上への、又は前記炭素繊維織物１１０上へのＺｎＯ ＮＲの堆積ステップと、  
２）重合体マトリックスへの、ステップ１）の前記圧電デバイス１、１０１の含浸ステップと、  
３）物品の前駆体又はその一部の形成ステップと、  
４）薄層状炭素繊維物品を形成するための、ステップ３）の前記物品の前駆体又はその一部の前記重合体マトリックスの重合ステップと、  
５）選択的に、前記重合体マトリックスで含浸された炭素繊維織物の１以上の層とステップ４）の１以上の薄層状物品を接合することによる多層物品の形成ステップと、前記重合体マトリックスの次の重合ステップとを含む。
【００５２】
ＺｎＯ ＮＲの層３、１０３の堆積ステップ１）は、上で述べられたようにして行われる。織物１１０の一部分を覆う場合、このステップは、織る前に、織物１１０に予め行われるか、炭素繊維のヤーン１０２ａ、１０２ｂに行われることができる。
【００５３】
重合体マトリックスへの含浸ステップ２）では、重合体マトリックスが、選択される次の重合ステップ４）に従って選択されることができる。
【００５４】
重合がオートクレーブでの処理による場合、重合体マトリックスは、一般的には、熱硬化性材料であり、好ましくは、エポキシ樹脂とフェノールのマトリックスとから選択される。
【００５５】
重合がモールド成形による場合、重合体マトリックスは、熱可塑性材料であり、好ましくは、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリフェニレン硫化物（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）及びポリエチレンイミド（ＰＥＩ）から選択される。
【００５６】
重合ステップ４）は、オートクレーブで、又はモールド成形で起こりうる。オートクレーブプロセスが好まれる。
【００５７】
ステップ４）がオートクレーブプロセスで実行される場合、好ましくは、室温ないし１８０℃の温度で、１バールないし１０バールの圧力で、物品のサイズによって決まる変更可能な時間、好ましくは１ないし６時間、実行される。
【００５８】
ステップ４）がモールド成形プロセスで実行される場合、好ましくは、１００℃から４５０℃までの温度で、４００トンまでの押圧力で、３〜６０分間、実行される。
【００５９】
前記重合体マトリックスで含浸された炭素繊維織物の１以上の層とステップ４）の薄層状物品を接合するステップ５）は、例えば、薄層状物品の上に熱硬化性の接着フィルムを準備して混ぜたり広げたりすることによって、ステップ４）の薄層状物品の表面処理をすることを含むことができる。熱硬化性の接着フィルムは、好ましくは、炭素繊維織物を含浸させるために使用されるのと同じ構成を有する。
【００６０】
変形例によれば、１以上の圧電デバイス１、１０１を含む炭素繊維の物品の作製方法は、  
１ａ）圧電デバイス１、１０１を形成するための、前記炭素繊維の交差したヤーン２ａ、２ｂ上への、又は炭素繊維織物１１０上への、ＺｎＯ ＮＲ層３の堆積ステップと、  
２ａ）重合体マトリックスへの、ステップ１ａ）の前記圧電デバイス１、１０１の含浸ステップと、  
３ａ）前記重合体マトリックスへの炭素繊維織物の含浸ステップと、  
４ａ）選択的に、ステップ３ａ）による前記重合体マトリックスで含浸された炭素繊維織物の１以上の層と、ステップ２ａ）による前記重合体マトリックスで含浸された１以上の圧電デバイス１、１０１を接合することによる物品の前駆体又はその一部の形成ステップと、  
５ａ）物品を形成するための、ステップ４ａ）の物品の前駆体又はその一部の重合ステップとを含む。
【００６１】
１ａ）から５ａ）までのステップは、プロセスの以前の変形例のステップ（１）ないし（５）と同じ手順で行われる。
【００６２】
本発明の方法は、例えば、ばり取り、穿孔、色付けなどの、物品の完成処理を含む１以上の処理ステップによって仕上げられてもよい。
【００６３】
例  
オートクレーブによる重合プロセス及び上に述べられたステップ１）ないし５）にしたがって、長さ１メートルの「Ｉ」形鋼が、航空機の翼桁の仮想部分とするために作製された。この要素は、約２.６ｍｍの厚さに達するまで、梁の軸に対して４５°で置かれた厚さ０.６５ｍｍの炭素織物で作製された。重合は、約２時間、１３０℃の温度で、６バールの圧力でオートクレーブで起こった。そして、本発明による件の物品が、この要素の内側に応力が加わった状態で、規定の試験を行うために使用された。
【００６４】
本発明の圧電デバイス１、１０１は、さまざまな分野で使用されることができる。
【００６５】
本発明のアプリケーションの可能な領域は、自動車、航空宇宙及び航空産業である。航空産業では、本発明によるセンサは、翼桁、リブ又はパネルなどの一次構造と一体にされる歪みセンサとして使用されることができる。圧電デバイスもまた、空気力学的な力の適切な変化を生成するために、航空機の移動面の形態変化、特に、翼の配置形状の形状変化を可能にするためのアクチュエータとして使用されることができ、航空機の統御性の改良を可能にする。
【００６６】
本発明の効果は、上の記載から明白である。
【００６７】
圧電デバイス１、１０１は、例えば、従来技術の装置に必要とされるような、予め作製された物品のデバイスの後の位置決めを必要とすることなく、例えば、その作製段階でいかなるサイズの物品も埋め込むことによって、単純な概念で実現でき、容易に一体にされることができる。
【００６８】
炭素繊維の電気伝導性を利用するという事実は、既に提案されたデバイスによって提供される、代表的には金のコンタクトである高価なバルクのコンタクトを回避することを可能にする。
【００６９】
本発明のデバイスは、さらに、例えば、胴体の部品又は航空機の翼などの、炭素繊維の部分の形態変化のための、応力センサのようなセンサとして、又はアクチュエータとして使用されることができる。
【００７０】
この記載は、本発明のある特定の実施形態であり、請求される保護範囲内であれば当業者が特定の条件を適用させて変更してもよいことが明らかである。
以下に、出願当初の特許請求の範囲に記載の事項を、そのまま、付記しておく。
［１］  少なくとも２つの炭素繊維の交差したヤーン（２ａ，２ｂ；１０２ａ，１０２ｂ）を具備し、前記ヤーンの交差部にナノロッドの形態の酸化亜鉛層（３，１０３）が配置されており、前記ヤーン（２ａ，２ｂ；１０２ａ，１０２ｂ）の各々の端部（４ａ，４ｂ）が操作ユニット（５）に接続されている圧電デバイス（１，１０１）。
［２］  前記ヤーン（２ａ，２ｂ；１０２ａ，１０２ｂ）の各々の前記端部（４ａ，４ｂ）は、別の配線を介在することなく、前記操作ユニット（５）に直接接続されている［１］に記載の圧電デバイス（１，１０１）。
［３］  前記操作ユニット（５）は、電圧、電流又は静電容量を測定するための機器である［１］又は［２］に記載の圧電デバイス（１，１０１）。
［４］  前記操作ユニット（５）は、電圧発生器であり、好ましくは、電圧を調整可能な電圧発生器である［１］又は［２］に記載の圧電デバイス（１，１０１）。
［５］  前記炭素繊維のヤーン（２ａ，２ｂ；１０２ａ，１０２ｂ）は、１つの炭素繊維のみ、又は複数の炭素繊維のバンドルからなることができる［１］ないし［４］のいずれか１に記載の圧電デバイス（１，１０１）。
［６］  前記炭素繊維のバンドルは、３，０００〜５０，０００のファイバを含む［５］に記載の圧電デバイス（１，１０１）。
［７］  前記炭素繊維は、例えば、ポリアクリロニトリル又はポリシラザンである合成由来の、あるいは、例えば、ピッチ、もしくは植物性繊維又は木などのセルロース系材料である自然由来の、熱分解された炭素質繊維材料からなる［１］ないし［６］のいずれか１に記載の圧電デバイス（１，１０１）。
［８］  縦糸（１０２ａ）と横糸（１０２ｂ）とからなる炭素繊維織物（１１０）を含み、ナノロッドの形態の酸化亜鉛層（１０３）がその一部分上に配置されている［１］ないし［７］のいずれか１に記載の圧電デバイス（１０１）。
［９］  電荷及び静電容量を測定するための前記機器は、
少なくとも１つの第１のヤーン（２ａ，１０２ａ）に接続される可変周波数信号発生器と、
少なくとも１つの第２のヤーン（２ｂ；１０２ｂ）に接続される、電流信号及び電荷積分値の取得及び補正のための機器とを有する［１］ないし［８］のいずれか１に記載の圧電デバイス（１，１０１）。
［１０］  ［１］ないし［９］のいずれか１に記載の少なくとも１つの圧電デバイス（１，１０１）を含む、炭素繊維材料でできた物品。
［１１］  前記圧電デバイスは、トルクセンサである［１０］に記載の物品。
［１２］  前記圧電デバイスは、アクチュエータデバイスである［１０］に記載の物品。
［１３］  前記少なくとも１つの圧電デバイス（１，１０１）は、前記物品に埋め込まれているか前記物品と一体となっている［１０］ないし［１２］のいずれか１に記載の物品。
［１４］  ［１］ないし［９］のいずれか１に記載の圧電デバイス（１，１０１）を得るための方法であって、
ａ）少なくとも２つの炭素繊維の交差したヤーン（２ａ，２ｂ；１０２ａ，１０２ｂ）を含む物体の一部分上への接着層の形成ステップと、
ｂ）ステップａ）の前記接着層上でのナノロッド形態の酸化亜鉛の成長ステップと、
あるいは、
ａ１）２つの炭素繊維のヤーン（２ａ，２ｂ）の一部分上への接着層の形成ステップと、ｂ１）ステップａ１）の前記接着層上でのＺｎＯ ＮＲの成長ステップと、
ｃ１）前記２つのヤーン（２ａ，２ｂ）の重ね合わせステップとを含む方法。
［１５］  前記ステップａ）又はａ１）は、化学浴技術によって実行され、
Ａ１）所定時間、所定温度で、亜鉛塩水溶液中への、覆われるべき前記物体又は前記ヤーン（２ａ，２ｂ）の浸漬ステップと、
Ａ２）所定時間、所定温度で、塩基性水溶液中へのステップＡ１）の前記物体又は前記ヤーン（２ａ，２ｂ）の浸漬ステップと、
Ａ３）ステップＡ２）から得られた前記物体又は前記ヤーン（２ａ，２ｂ）の乾燥ステップと、
Ａ４）前記ステップＡ１）、Ａ２）及びＡ３）の所定回数の繰り返しステップとをこの順に含む［１４］に記載の方法。
［１６］  前記亜鉛塩は、酢酸亜鉛であり、前記ステップＡ２）は、好ましくは、室温で、１秒間ないし１時間かそれ以上の時間、実行され、前記塩基性水溶液は、好ましくは、水酸化アンモニウムの水溶液である［１５］に記載の方法。
［１７］  前記ステップＡ２）は、室温で、１秒間ないし１時間かそれ以上の時間、実行される［１５］又は［１６］に記載の方法。
［１８］  前記ステップＡ１）、Ａ２）及びＡ３）は、少なくとも１０回繰り返される［１５］ないし［１７］のいずれか１に記載の方法。
［１９］  前記ステップａ）又はａ１）は、従来のスパッタリング技術によって実行され、このスパッタリング技術は、
Ｂ１）所定時間、不活性雰囲気の下で、真空中で、スパッタリング堆積チャンバ中に配置された前記物体の一部分上への酸化亜鉛層（３）の堆積ステップと、
Ｂ２）前記ステップＢ１）の所定回数の繰り返しステップとをこの順に含む［１４］に記載の方法。
［２０］  前記ステップＢ１）は、１２０Ｗの電力を使用して、３０秒間ないし１時間かそれ以上の堆積時間、実行され、
前記ステップＢ２）は、２ないし４回の堆積サイクルを与える［１９］に記載の方法。
［２１］  前記接着層上にナノロッドの形態の酸化亜鉛を成長させる前記ステップｂ）は、
ｉ）所定時間、所定温度で、亜鉛塩の、及びアミンの溶液中への、ステップａ）又はａ１）から得られた前記物体又は前記ヤーン（２ａ，２ｂ）の浸漬ステップと、
ｉｉ）前記物体又は前記ヤーン（２ａ，２ｂ）の乾燥ステップとをこの順に含む［１４］ないし［２０］のいずれか１に記載の方法。
［２２］  前記亜鉛塩の溶液は、酢酸亜鉛水溶液であり、前記アミンは、ヘキサメチレンテトラミンである［２１］に記載の方法。
［２３］  処理温度が５０℃よりも高く、処理時間が２ないし６時間である［２１］又は［２２］に記載の方法。
［２４］  １以上の圧電デバイス（１，１０１）を含む、［１０］ないし［１３］に記載のいずれか１による炭素繊維材料の物品を作製する方法であって、
１）圧電デバイス（１，１０１）を形成するための、前記炭素繊維の交差したヤーン（２ａ，２ｂ）上への、又は前記炭素繊維織物（１１０）上へのナノロッドの形態の酸化亜鉛層（３，１０３）の堆積ステップと、
２）重合体マトリックスへの、ステップ１）の前記圧電デバイス（１，１０１）の含浸ステップと、
３）前記物品の前駆体又はその一部の形成ステップと、
４）薄層状炭素繊維物品を形成するための、ステップ３）の前記物品の前駆体又はその一部の前記重合体マトリックスの重合ステップと、
５）選択的に、前記重合体マトリックスで含浸された炭素繊維織物の１以上の層とステップ４）の１以上の薄層状物品を接合することによる多層物品の形成ステップと、前記重合体マトリックスの次の重合ステップとを含む方法。
［２５］  １以上の圧電デバイス（１，１０１）を含む、［１０］ないし［１３］に記載のいずれか１による炭素繊維物品を作製する方法であって、
１ａ）圧電デバイス（１，１０１）を形成するための、前記炭素繊維の交差したヤーン（２ａ，２ｂ）上への、又は前記炭素繊維織物（１１０）上への、ナノロッドの形態の酸化亜鉛層（３，１０３）の堆積ステップと、
２ａ）重合体マトリックスへの、ステップ１ａ）の前記圧電デバイス（１，１０１）の含浸ステップと、
３ａ）前記重合体マトリックスへの炭素繊維織物の含浸ステップと、
４ａ）選択的に、ステップ３ａ）による前記重合体マトリックスで含浸された炭素繊維織物の１以上の層と、ステップ２ａ）による前記重合体マトリックスで含浸された１以上の圧電デバイス（１，１０１）を接合することによる物品の前駆体又はその一部の形成ステップと、
５ａ）前記物品を形成するための、ステップ４ａ）の前記物品の前駆体又はその一部の重合ステップとを含む方法。
［２６］  前記ステップ１）又は１ａ）が、織る動作の前に、予め織物（１１０）又は炭素繊維のヤーン（１０２ａ，１０２ｂ）に対して実行される［２４］又は［２５］に記載の方法。
［２７］  前記重合ステップ４）又は４ａ）は、室温から２５０℃の間の温度で、１バールないし１０バールの圧力で、オートクレーブプロセスによって実行され、
前記重合体マトリックスは、好ましくはエポキシ樹脂とフェノールのマトリックスとから選択された一般的な熱硬化性材料である［２４］ないし［２６］のいずれか１に記載の方法。
［２８］  前記ステップ４）又は４ａ）は、１００℃から４５０℃までの温度で、４００トンまでの押圧力で、３ないし６０分間、モールド成形プロセスによって実行され、
前記重合体マトリックスは、好ましくは、ポリエチレン（ＰＥ）、硫化ポリフェニレン（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）及びポリエチレンイミド（ＰＥＩ）から選択された熱可塑性材料である［２４］ないし［２６］のいずれか１に記載の方法。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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