(57)【要約】      （修正有）【課題】耐用年数が長く高性能の、アクチュエータアレイのピエゾ曲げ変換器を製作する。【解決手段】作動運動１３を実行するためのピエゾアクチュエータ１を提案する。ピエゾアクチュエータ１は、キャリア層４の部分的にピエゾ薄層３で覆われている、ピエゾ曲げ変換器２と、可動端６と、ハウジング３１とを備える。基準止め具１５は、ハウジング３１に接続されており、且つ、作動運動１３用の基準位置４０を決定する。第１軸受領域７は、ピエゾアクチュエータ１の領域と、ハウジング３１の領域とを含み、ピエゾ曲げ変換器２の捻れΦ１を可能にする。第２軸受領域８は、曲げ変換器の側の表面１０と、ハウジングの側の表面と、これらの表面との間にある中間層１２とを有し、中間層１２はこれらの表面を接続し、中間層１２は液状化できる。圧力要素２４は、基準止め具１５に抗した、ピエゾ曲げ変換器２への付勢トルクを、第１軸受領域７の周りに生成する。【選択図】図４Ｂ
2022003862.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
作動運動（１３）を実行するためのピエゾアクチュエータ（１）であって、
キャリア層（４）からなるピエゾ曲げ変換器（２）であって、前記キャリア層（４）の片側又は両側は少なくとも部分的にピエゾ薄層（３）で覆われている、ピエゾ曲げ変換器（２）と、
可動端（６）と、
ハウジング（３１）と
を備え、
基準止め具（１５）であって、
前記ハウジング（３１）に接続されており、且つ、
前記作動運動（１３）用の基準位置（４０）を決定する、基準止め具（１５）と、
第１軸受領域（７）であって、
前記ピエゾアクチュエータ（１）の領域と、前記ハウジング（３１）の領域とを含み、
前記ピエゾ曲げ変換器（２）の捻れ（Φ１）を可能にする、第１軸受領域（７）と、
第２軸受領域（８）であって、
前記曲げ変換器の側の表面（１０）と、
前記ハウジングの前記側の表面（１１）と、
前記曲げ変換器の側の前記表面（１０）と前記ハウジングの側の前記表面（１１）との間にある中間層（１２）と
を有し、
前記中間層（１２）は、前記曲げ変換器の側の前記表面（１０）と、前記ハウジングの側の前記表面（１１）とを接続し、
前記中間層（１２）は液状化できる、第２軸受領域と、
圧力要素（２４）であって、
前記基準止め具（１５）に抗した、前記ピエゾ曲げ変換器（２）への付勢トルク（３４）を、前記第１軸受領域（７）の周りに生成するための圧力要素（２４）と
を特徴とするピエゾアクチュエータ。
【請求項２】
請求項１に記載のピエゾアクチュエータ（１）であって、
動作モードと、位置合わせモードとにおいて動作可能であり、
前記動作モードでは、
前記ピエゾ曲げ変換器（２）は、作動運動（１３）を実行し、
前記中間層（１２）の温度は、その液化温度を下回り、
前記中間層（１２）は、前記第２軸受領域（８）内の軸受力を伝える程度に充分に堅くなり、
前記位置合わせモードでは、
熱の供給によって前記中間層（１２）の前記温度がその液化温度を上回っている状態で、前記ピエゾ曲げ変換器（２）は、基準止め具（１５）と位置合わせされる
ピエゾアクチュエータ。
【請求項３】
請求項２に記載のピエゾアクチュエータ（１）であって、
前記位置合わせモードにおいて、前記中間層（１２）は、
外部熱源（３８）によって液化されるか、又は、
第２軸受領域（８）と熱接触している一体型の加熱要素（２８）を用いて液化される
ピエゾアクチュエータ。
【請求項４】
請求項３に記載のピエゾアクチュエータ（１）であって、
前記第２軸受領域（８）内の温度が前記中間層（１２）の溶融温度を上回るところまで上昇するように、
前記加熱要素（２８）は、工程制御器により制御され、且つ、
熱出力は、前記工程制御器によって算定されることができ、
１秒、１０秒、又は１００秒のオーダーの期間で前記中間層（１２）が溶融するように、
前記工程制御器は、加熱時間を算定する
ピエゾアクチュエータ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のピエゾアクチュエータ（１）であって、
前記中間層（１２）は、１５０℃、２００℃、又は２５０℃を下回る溶融温度の半田からなり、
前記ピエゾ曲げ変換器（２）の前記キャリア層（４）と、ピエゾ薄層（３）の電極（１８）とのいずれかに、前記半田により電気的に接触される、ピエゾアクチュエータ、又は、
前記中間層（１２）は、１００℃、１５０℃、２００℃、又は２５０℃を下回る溶融温度を有する、熱可塑性材料、熱可塑性エラストマー、ビチューメン、又はワックスからなる、ピエゾアクチュエータ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載のピエゾアクチュエータ（１）であって、
該ピエゾアクチュエータ（１）は、前記ピエゾ曲げ変換器（２）への付勢トルク（３４）を前記第１軸受領域（７）の周りに加えるための手段を更に備え、
前記ピエゾ曲げ変換器（２）の前記可動端（６）又は前記可動端（６）に接続されたエフェクタ（１９）は、前記付勢トルク（３４）が加えられる結果、基準止め具（１５）に押し付けられる、
ピエゾアクチュエータ。
【請求項７】
請求項６に記載のピエゾアクチュエータ（１）であって、
前記付勢トルク（３４）は、圧力要素（２４）によって前記ピエゾ曲げ変換器（２）に規定の力（Ｆ）を作用させることにより加えられ、
前記圧力要素（２４）と前記ピエゾ曲げ変換器（２）との接触点（２３）は、前記第１軸受領域（７）の枢動点（２２）から前記ピエゾ曲げ変換器（２）に沿って横方向のずれ（ｘ）だけずれており、
前記ピエゾ曲げ変換器（２）の締着力（ＦＫ）を基にした力（Ｆ）及び前記ずれ（ｘ）のレベルと、前記ピエゾ曲げ変換器（２）の作動点（１４）までの前記第１軸受領域（７）の距離（ＬＲ）とについて、
（Ｆ）＊（ｘ）＜０．５＊（ＦＫ）＊（ＬＲ）
が成り立つ
ピエゾアクチュエータ。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１項に記載のピエゾアクチュエータ（１）であって、
前記ピエゾ曲げ変換器（２）は、
前記キャリア層（４）に接着された単一の前記ピエゾ薄層（３）により、モノモルフ的に構築されるか、又は、
前記キャリア層（４）の両側に接着された２つの前記ピエゾ薄層（３）により、バイモルフ的に構築され、
１つ又は２つの前記ピエゾ薄層（３）は、
主に前記ピエゾ曲げ変換器（２）の自由長（Ｌ１）の前記領域内で、前記キャリア層（４）を覆っているか、又は、
前記キャリア層（４）を実質的に完全に覆っている
ことを特徴とするピエゾアクチュエータ。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載のピエゾアクチュエータ（１）を位置合わせする方法であって、
ａ）熱源を用いて前記第２軸受領域（８）の前記中間層（１２）を加熱することにより、前記中間層を液状化するステップか、又は、
前記基準止め具（１５）の位置に関連付けられるべき各電圧を、前記ピエゾ曲げ変換器（２）の全ての電極に印加するステップと、
ｂ）位置合わせ時間（ＴＡ）が持続している間に、前記付勢トルク（３４）の影響下で前記ピエゾ曲げ変換器（２）を前記基準止め具（１５）に抗して位置合わせするステップと、
ｃ）冷却時間（ＴＫ）中に、前記第２軸受領域（８）を冷却することにより前記中間層（１２）を固体化するステップと
を備えており、
これらのステップの順序は、交換可能である、
方法。
【請求項１０】
請求項９に記載の、ピエゾアクチュエータを位置合わせするための方法であって、
（正常動作中に前記基準止め具が位置を示さない場合、）
前記付勢トルク下での前記ピエゾ曲げ変換器の変形を補償するために、全ての電極に印加された前記各電圧が補正される、
方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の、ピエゾアクチュエータを位置合わせするための方法であって、
前記ピエゾ曲げ変換器（２）の前記各電極に前記各電圧を印加する前記ステップにおいて、
直近に実行された位置合わせ工程中に印加された各電圧とは相違する電圧が印加される
ことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単一のピエゾ曲げ変換器に関し、更に、複数のピエゾ曲げ変換器のアレイ配置、いわゆるピエゾ曲げ変換器アレイ、ならびにその用途、特に、マイクロバルブ及びマイクロバルブアレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明によるピエゾ曲げ変換器アレイは、特に、１列又は複数列の分注ノズルを備えたマルチチャネルプリントヘッド又はマルチチャネルコーティングヘッドにおけるマイクロ流体バルブアレイを作動させるために使用される。この分注ノズルは、個別に又はまとめて制御可能であり、且つ、液滴又は液体ジェットを表面上に分注する。用途は、有色の装飾をすることや、塗料・ワニス・接着剤・シーラント等の液状コーティング剤を１つ又は複数の層に、鮮鋭な輪郭を付けて噴射を使用せずにディジタル制御で塗布することや、部品の機能性コーティングである。
【０００３】
対応するプリントヘッドは、以下のような分野において使用できる可能性がある。自動車を始め航空機や船舶を含むあらゆる種類の自走車両の塗装・封止・接着を、プリントヘッド又はコーティングヘッドを移動させる産業ロボット（特に多軸関節式アームロボット）を主に使用して行う分野、或いは、産業ロボットや直交ロボット又はこのようロボットがシングルパス印刷システム若しくはシングルパスコーティングシステムに統合されたものを使用して、消費財産業の製品を含めた任意の種類の部品を液状コーティング剤でコーティングする分野、及び、建造物に関連して必要となるあらゆるコーティングの分野である。
【０００４】
特に、前述のマイクロバルブアレイは、例えば特許文献１に記載されているような、上述の種類のプリントヘッド又はコーティングヘッドにおいて、電空動作原理により働くマイクロ空気圧パイロット弁アレイとして使用される。本明細書において記載する構成要素は、特許文献１に記載されているマイクロ空気圧回路及びアクチュエータの構成要素の機能を担う。
【０００５】
本明細書において取り上げる先行技術のピエゾ曲げ変換器（図１等を参照）は、たいていは、特定の長さのアクチュエータであり、片側でしっかりと締着されて、長手方向に対して垂直な作動運動を可動端にて生成するようになっている。また、このようなピエゾ曲げ変換器は、主として、平坦であり、且つ、少なくとも１つの圧電層を備えた複数の材料層で構成されている。１つ又は複数の圧電層へ電圧を印加した結果として長手方向に拡張することにより、曲げ変換器が、長手方向に対して垂直に曲がることになる。これは、前述の多層構造の内部張力の結果であり、また、長手方向への拡張と比べて偏向（ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）は非常に大きい。ピエゾ曲げ変換器は、マイクロバルブ等の作動要素を、その第１の可動端にて直接的に、又は、エフェクタを介して、のいずれかで移動させるという点で、作動タスク用に使用される。ピエゾ曲げ変換器は、その長さが長くなると偏向が増加し、作動タスクに使用される第１固有モードの固有周波数は減少し、それに伴い力及び剛性は減少する。曲げ変換器の設計の目標は、通常は、偏向と、力と、第１固有周波数とを出来る限り大きくすることである。本明細書において取り上げるピエゾ曲げ変換器は、隣接するピエゾ曲げ変換器との間の距離が０．５ｍｍ［ミリメートル］〜例えば１０ｍｍ以上、ストロークが２０μｍ［マイクロメートル］、５０μｍ、１００μｍ、２００μｍ、又はそれ以上のオーダーになるように設計される。
【０００６】
ピエゾ曲げ変換器の可動端の基準位置、又は、この可動端に接続されたエフェクタの基準位置が、マイクロバルブの作動要素に対して常に不変であることが、規定の動作にとって必須である。マイクロバルブの作動要素は、バルブの可動要素であり、例えばバルブ開口に対応する閉鎖要素である。よって、バルブ開口が作動要素の位置に応じて閉じたり又は開いたりする「バルブ」が形成される。前述のように各マイクロバルブに対して偏向が小さいことにより、ピエゾ曲げ変換器における又はハウジングを包含するその周辺における望ましくない変化（経時的に生じ得る又は温度に関係した、機械的拡張や変形やクリープ過程等）が、基準位置に、即ちエフェクタとマイクロバルブの作動要素との間の距離に影響を及ぼす。基準位置が変化すると、マイクロバルブの機能が変化する。従来のピエゾ曲げ変換器は、例えば図１Ａに示すように片側でしっかりと締着されるため、長期的にこれらの変化を補償することができない。
【０００７】
解決策としては、特許文献２が、「浮動軸受」又は流体軸受を備えた空気圧バルブ用のピエゾ曲げ変換器を提案している。ピエゾ曲げ変換器を基準位置に押し付けるばねにより付勢トルクが加えられるとともに、流体軸受は静止している場合には抵抗を持たないことにより、徐々に生じる変化が連続的に補償される。しかし、粘性が高い軸受流体を使用すると、作動運動が急速であるとき流体抵抗に遭う。そのため、流体軸受は、前記作動運動に対して固定軸受のように作用する。一方、流体軸受を使用することの欠点は、静的な偏向を伴う動作が不可能であることである。流体軸受は、パルス動作にのみ適している。
【０００８】
前述の有害な影響下においても全使用期間に亘って作動機能が変わらないままであることへの要求に加えて、前述の適用例についても、以下のような基本的な根本的な要求がある。動作周波数が高く、例えば５００Ｈｚ［ヘルツ］、１ｋＨｚ、２ｋＨｚ、３ｋＨｚ、４ｋＨｚ、又は５ｋＨｚの範囲内であること、曲げ変換器の偏向が大きいこと、保持力が高いこと、動作電圧が低いこと、隣接するピエゾ曲げ変換器間の差異が小さいこと、耐用年数にできるかぎり無制限であること、ピエゾ曲げ変換器アレイ及びマイクロバルブアレイを安価に大量生産することが挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】欧州特許第２４４２９８３（Ｂ１）号
【特許文献２】独国特許第１０２００９０３３７８０（Ｂ４）号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
全体として、本発明により取り上げる課題とは、言及した用途に特に向けた、耐用年数が長く高性能の、アクチュエータアレイのピエゾ曲げ変換器を製作することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この問題は、独立請求項の特徴を有するピエゾアクチュエータにより解決される。このピエゾアクチュエータは、ピエゾ曲げ変換器と、少なくとも１列のピエゾ曲げ変換器からなるピエゾ曲げ変換器アレイを有する、
【００１２】
開示する各実施形態を含む、本発明によるピエゾアクチュエータと、このピエゾアクチュエータからなるピエゾアクチュエータアレイにより、連続的な長期的動作が可能になる。
【００１３】
提示されたピエゾアクチュエータの位置合わせ方法によれば、いつでも繰り返すことができる態様で、マイクロバルブの閉鎖要素等の作動要素を作動できるようにするために、ピエゾアクチュエータの、基準止め具に対する自動化された位置合わせ工程が繰り返し実行される。位置合わせ工程において、ピエゾアクチュエータは、この場合、作動要素に対するその基準位置又は開始位置に常に戻され、ピエゾ素子、作動要素、マイクロバルブにおける前述の望ましくない変化、又は、ハウジングの領域における前述の望ましくない変化が排除される。この状態は、次の位置合わせ工程までこのままになる。位置合わせ工程において、ピエゾ曲げ変換器の軸受領域内では中間層が一時的に溶融され、各ピエゾ素子は規定の充電状態にされる。ピエゾ曲げ変換器への外力によって、ピエゾ曲げ変換器は、その可動端が又はこの可動端に接続されたエフェクタが、マイクロバルブの閉鎖要素等基準止め具に抗して動く。その後、この状態は中間層の固体化により凍結され、ピエゾアクチュエータは再度その基準位置にくることになる。
【００１４】
なお、本発明による位置合わせ工程は、多くの方法で以下のように使用できる。例えば、部品の取付けや始動の初回時であって、特に、いくつか例を挙げるとすれば、プリントヘッド、コーティングヘッド、投与ヘッド、分注ヘッド、液体バルブ、空気圧バルブ等の取付けや始動の初回時が挙げられる。また、保守作業時、つまり、新たな用途のために部品を変えるときや、周辺部品を変更したりや交換したりするときや、変更後の用途や仕様に適合させる等により既存の構成の動作条件を変更するときも使用できる。また、特にプリントヘッドやコーティングヘッドでは、異なるコーティング剤を使用したりコーティング剤を変更した場合にこのヘッドを適合させたり、動作パラメータ（温度、圧力、…）やコーティングパラメータ（層厚、塗布速度、滴下周波数、液滴塗布と噴射塗布との間の変更）の変更にこのヘッドを適合させたりするときも使用できる。更に、基準止め具の位置を変更した後や、基準止め具に関連付けられたピエゾアクチュエータの各ピエゾ素子の充電状態が変更される場合も使用できる。要するに、本発明による位置合わせ工程は、その種類を問わず新たな又は変更された条件に関して、ピエゾアクチュエータを基準にセットする場合に、あらゆる状況において使用できる。
【００１５】
本発明によるピエゾアクチュエータは、作動運動を実行するために使用されるものであり、前述の位置合わせ工程を可能にするために必要な装置及び手段を有している。この目的で、ピエゾアクチュエータは、まず、キャリア層で作成されるピエゾ曲げ変換器を有し、キャリア層はその片側又はその両側を少なくとも部分的にピエゾ薄層で覆われている。更に、ピエゾアクチュエータは、作動運動を実行するための可動端と、ピエゾ曲げ変換器が装着されるハウジングと、これにしっかりと接続された作動要素又は作動アプリケーション（マイクロバルブ等）とを有する。本発明によるピエゾアクチュエータは、更に以下のことを特徴とする。ハウジングに接続されており且つ作動要素又は作動アプリケーションの作動運動用の基準位置を決定する基準止め具。アクチュエータの領域と、及びハウジングの領域とを含み、且つ、ピエゾ曲げ変換器の捻れΦ１を可能にする第１軸受領域。曲げ変換器の側の表面と、ハウジングの側の表面と、これらの表面間にある中間層とを有する第２軸受領域であって、中間層はこれらの表面同士を接続し且つ（低温にて）液状化できる、第２軸受領域。最後に、基準止め具に抗した、ピエゾ曲げ変換器への付勢トルクを、第１軸受領域の周りに生成するための圧力要素である。
【００１６】
従って、ピエゾ曲げ変換器及び対応するピエゾ曲げ変換器アレイを備えた、本発明によるピエゾアクチュエータは、特許文献２の先行技術によるキャリア層をもともと有する。キャリア層は、このキャリア層を少なくとも部分的に覆うピエゾ薄層によって、片側を（「モノモルフ的に」）又は両側を（「バイモルフ的に」）覆われている。また、ピエゾ薄層は、例えば銀を含有する厚い層又は薄膜構造体から作成される通常の金属被覆物を有する。更に、ピエゾ曲げ変換器（及びこれに対応するピエゾ曲げ変換器アレイ）は、作動運動を実行するための可動端を有し、作動運動用の基準位置を規定する、ピエゾ曲げ変換器の可動端に関連付けられた基準止め具を更に有し、ピエゾ曲げ変換器をそれを中心として回転できるように設計されている第１軸受領域を更に有する。また、ピエゾ曲げ変換器は、曲げ変換器の側の表面とハウジングの側の表面との間にある中間層を有する第２軸受領域を有する。更に、ピエゾ曲げ変換器は、ピエゾ曲げ変換器への一定の付勢トルクを第１軸受領域の周りに生成するための圧力要素を、第１軸受領域の領域に有し、この圧力要素は、ピエゾ曲げ変換器の可動端又はこの可動端に接続されたエフェクタが、アクチュエータに押し付けられる又はマイクロバルブに関係づけられた基準止め具に押し付けられるように配向される。
【００１７】
しかし、特許文献２とは対照的に、第２軸受領域内の中間層は、この中間層に一時的に融解させることのできる（融解可能である）固体からなる。ある動作モードにおいて、第２軸受領域内の中間層は固体凝集状態にあり、別の好ましい変形例では、この中間層は、主として固定軸受のように作用するか、又は、主として回転可能な軸受のように作用する。従って、１つ又は複数の並進自由度に関して、少なくともピエゾ曲げ変換器の作動運動の方向に固定されている軸受のように作用する。このように、特許文献２とは対照的に、このピエゾ曲げ変換器では、動作中の静的な偏向も可能となる。
【００１８】
第１軸受タイプＬＡ１では、中間層を常に有する第２軸受領域は、ピエゾ曲げ変換器を大きめの領域内で支持しており、この軸受領域は、好ましくは、６つの運動の自由度全てにおいてしっかりと作用する（図１参照）。第２軸受タイプＬＡ２では、第２軸受領域は、狭く画定され又は点状に設計され、且つ、ピエゾ曲げ変換器の可動端の反対側にあるピエゾ曲げ変換器の端部に位置する（図２Ａ〜図３Ｃ参照）。
【００１９】
ピエゾ曲げ変換器は、更に、動作モード及び位置合わせモードを特徴としている。動作モードでは、ピエゾ曲げ変換器は作動運動を実行し、中間層の温度はその液状化温度を下回り、中間層は、第２軸受領域内の軸受力を伝える程度に充分に堅くなる。位置合わせモードでは、熱の供給によって中間層の温度がその液状化温度を上回っている状態で、ピエゾ曲げ変換器は、基準止め具に位置合わせされる。
【００２０】
位置合わせモードでは、以下のステップを含む位置合わせ工程が１回又は複数回実行される。つまり、第２軸受領域の中間層を熱源を用いて加熱することにより中間層を液状化するステップか、又は、基準止め具の位置に関連付けられるべき電圧をピエゾ曲げ変換器の全電極に印加するステップが含まれ、更に、後続のステップにおいて、位置合わせ時間ＴＡが持続している間に、付勢トルクの影響下でピエゾ曲げ変換器を基準止め具に抗して位置合わせするステップが含まれ、更に、最後に、冷却時間ＴＫが持続している間に、第２軸受領域を冷却することにより中間層を固体化するステップとを含む。これらのステップの順序は、交換可能である。従って、中間層の材料を固体化するステップにおいて、第２軸受領域の、曲げ変換器の側の表面と、ハウジングの側の表面との互いに対する位置が、固体化時に凍結される。
【００２１】
なお、１／２秒、１秒、５秒、１０秒、３０秒、１分の範囲内等である位置合わせ時間ＴＡにおける中間層を固体化するステップの前には、中間層は、同時に流動状態で存在していなければならず、規定の電圧がピエゾ曲げ変換器の全電極に印加されねばならない。
【００２２】
位置合わせ工程の前に、基準止め具に対するその位置合わせに関してピエゾ曲げ変換器の位置の偏位があった場合は、ピエゾ曲げ変換器は、位置合わせ時間ＴＡの間に、第１軸受領域を中心として正の又は負の回転方向に回転する。位置合わせ工程においてピエゾ曲げ変換器を位置合わせしている間に、第２軸受領域の曲げ変換器側表面の位置が、第２軸受領域の、ハウジングに関連付けられた固定表面に対して変化し、液状化した材料が表面間の間隙へ、中間層の内外に流れることができる。最終的に、２つの表面の相対的な位置は、固体化されている間において凍結され、ピエゾ曲げ変換器は、その基準位置合わせ状態になる。
【００２３】
ピエゾ曲げ変換器を初めて基準位置合わせ状態にさせる又は基準位置に置くために、ピエゾ曲げ変換器の初期組立て中に、１回限りの工程として位置合わせ工程を実行することができる。この場合、中間層を溶融するのに必要な融解熱は、例えば熱気又は半田ごて先端により供給することができる。
【００２４】
また、位置合わせ工程は、プリントヘッド又はコーティングヘッドの耐用寿命に亘り、数回又は規則的な間隔で、例えば、年単位、月単位、週単位、日単位、時間単位の周期で実行することができる。位置合わせ工程を規則的に実行することにより、ピエゾ曲げ変換器を、つまりピエゾ曲げ変換器アレイの全ピエゾ曲げ変換器を、何年も、その基準位置合わせ状態で常に正確に動作させることができる。
【００２５】
ピエゾアクチュエータをベースとして１つ又は複数のピエゾアクチュエータを有するマルチチャネルプリントヘッド又はマルチチャネルコーティングヘッドでは、長期的安定性がこのようにして得られることに加えて、完成後及び初期位置合わせ工程後の時点では、個々のチャネル間の差異が最小限となっている。
【００２６】
また、これに関連して、印刷中又はコーティング動作中の品質保証の一環として印刷画像内のずれを連続的に検出することや、テストプリントアウト又はテストコーティングの手段により印刷画像内のずれを連続的に検出することや、位置合わせ工程を１回又は複数回タイムリーに実行することが提案される。ずれの検出においては、プリントヘッド又はコーティングヘッドのチャネル間の差異を表示可能である。例えば、作動領域を拡大・縮小することにより、又は、ピエゾアクチュエータの作動領域を移動させることにより、印刷工程又はコーティング工程への特定の調整を行うことができる。これについては、直近に実行された位置合わせ工程と比較して、変更された充電状態で位置合わせ工程を実行すること、即ち、変更された電圧をピエゾ曲げ変換器の電極に印加することにより位置合わせ工程を実行することを特に推奨する。
【００２７】
従って、プリントヘッド又はコーティングヘッドを用途に合うように調整するための一連の手順、又は、品質改良措置を実行するための一連の手順が、以下のステップを少なくとも一回含むことを提案する。
ａ）  ノズルから液滴吐出又はジェット吐出を実行するステップと、テストプリントアウトを作成するか又はプリントヘッド若しくはコーティングヘッドによってテストコーティングを実行するステップとのうち少なくとも１つ
ｂ）  テストプリントアウト又はテストコーティングを計測学的、光学的、又は視覚的に検出し認定するステップであって、例えば、層厚、輪郭鮮鋭度、光沢度、層の平坦度を測定して飛沫若しくは付随する液滴を検出することによって行うか、又は、ジェット速度若しくは液滴速度を含めた動的液滴吐出の光学的検査と、腐食過程を光学的検査と、プリントヘッド（特にノズル出口）におけるコーティング剤の堆積の検出の光学的検査によって行われるステップ
ｃ）  位置合わせ工程を実行するステップであって、ピエゾ曲げ変換器の各電極に印加される各電圧が最後の位置合わせ工程時における各電圧と相違するか、又は、基準止め具の位置が最後の位置合わせ工程時における位置と比較して変化しているステップ
なお、このシーケンスを全体として反復工程と見なすことができ、好ましくは、ａ）による第１ステップの前であってもｃ）による位置合わせ工程を実行し、満足な結果が得られていれば最終的にステップｂ）の後で反復工程を終了する。
【００２８】
位置合わせ工程が繰り返して行われる場合、１つ又は複数の加熱要素が前述のプリントヘッド又はコーティングヘッドに既にしっかりと一体化されていることが好ましく、この加熱要素は、ハウジングに接続されており且つハウジングに割り当てられた第２軸受領域の表面と熱接触している好ましい。この場合、各加熱要素と、各ピエゾ曲げ変換器の各電極に印加される各電圧とは、工程制御器を介して制御可能である。この工程制御器は、印刷工程又はコーティング工程の全体的制御を実行するものと同じ工程制御器とすることが選択肢として可能であり、又は、前述の工程制御器の下位にあるものとすることも可能である。なお、ここで、このような制御は、熱出力及び持続時間を単に特定することで可能であり、又は、（好ましくは）温度制御することで可能である。この温度制御は、温度センサでの第２軸受領域付近の実際の温度の測定に基づいて行うのが好ましい。
【００２９】
加熱要素により放出される熱出力は、好ましくは、第２軸受領域内の温度が中間層の溶融温度を上回るところまで上昇するように、且つ、１秒、１０秒、又は１００秒のオーダーの期間で中間層が溶融するように、工程制御器により制御される。
【００３０】
初期位置合わせ工程は、本発明によるピエゾアクチュエータを１つ又は複数備えるプリントヘッド又はコーティングヘッド又は部品の初期組立て時において行われることに、ここで言及されねばならない。この場合、第２軸受領域と熱接触している一体型の加熱要素を用いて、位置合わせモードにおいて、中間層を液状化することもできる。一方、その代わりに、中間層は、熱気等の外部熱源によって液状化することもでき、又は、中間層の材料に又は中間層に隣接する表面のうちの一方に半田ごてを接触させることによっても液状化することができる。
【００３１】
例えば、中間層は、好ましくは、溶融温度が１５０℃［摂氏］、２００℃、又は２５０℃を下回る半田からなることができる。同時に、半田は、ピエゾ曲げ変換器のキャリア層と、ピエゾ薄層の電極とのいずれかに、電気的に接触させるために使用可能である。別の選択肢としては、中間層は、１００℃、１５０℃、２００℃、又は２５０℃を下回る溶融温度を有する、ホットメルト接着剤、熱可塑性材料、熱可塑性エラストマー（ＴＰＥ）、ビチューメン、又はワックスからなる。ここでは、なお、加熱により引き起こされる、ピエゾ曲げ変換器のピエゾ薄層の最高温度は、ピエゾ材料のキュリー温度を充分に下回ったままであるべきである。そのため、中間層として使用するには、概して、融点が充分に低い材料は全て好ましい。その理由は、このような材料によれば、引き起こされるピエゾ薄層の最高温度がピエゾ材料のキュリー温度に接近することなく、中間層の材料が溶融することが可能となるからである。中間層として半田又は熱可塑性材料を使用することにより、主として接続が堅固になり、接続点の捻れ許容差が直接排除される。この場合、個々の軸受領域内で必要となる弾性部材は、別に追加する必要がある。熱可塑性エラストマーｗ（ＴＰＵ、ＴＰＥ）の場合、材料が弾性であることにより、対応する第２軸受領域の回転公差を既に達成することができる。
【００３２】
ピエゾ曲げ変換器を基準止め具に抗して位置合わせすることは、付勢トルクの影響下で、位置合わせ時間ＴＡが持続している間に、行われる。従って、本発明によるピエゾアクチュエータは、ピエゾ曲げ変換器への付勢トルクを第１軸受領域の周りに加えるための手段を有しており、付勢トルクが加えられる結果、ピエゾ曲げ変換器の可動端又はこの可動端に接続されたエフェクタが、基準止め具に押し付けられる。
【００３３】
付勢トルクは、圧力要素によってピエゾ曲げ変換器に規定の力Ｆを作用させることにより加えられる。圧力要素とピエゾ曲げ変換器との接触点は、第１軸受領域の枢動点からピエゾ曲げ変換器に沿って横方向のずれｘだけずれている。
ピエゾ曲げ変換器の締着力ＦＫを基にした力Ｆ及びずれｘのレベルと、ピエゾ曲げ変換器の作動点までの第１軸受領域の距離ＬＲとについては、以下の関係が成り立つ。
Ｆ＊ｘ＜０．５＊ＦＫ＊ＬＲ
このように力を構造的に加えることについては、図による実施形態を使用して取り上げることにする。
【００３４】
なお、本発明によるピエゾアクチュエータの対応するピエゾ曲げ変換器２は、キャリア層４に接着された単一のピエゾ薄層３のみにより、モノモルフ的に構築可能であり、又は、キャリア層４の両側に接着された２つのピエゾ薄層３により、バイモルフ的に構築可能である。１つ又は２つのピエゾ薄層３は、例えば主にピエゾ曲げ変換器の自由長Ｌ１の領域内で、キャリア層４を覆っているか、又は、キャリア層４を実質的に完全に覆っている。
【００３５】
ピエゾアクチュエータの一定の動作条件を確保したり、これを適用したり、復元したりするための上述の措置に加えて、本発明によるピエゾアクチュエータ内のピエゾ曲げ変換器の第２軸受タイプＬＡ２により、先行技術と比較してピエゾ曲げ変換器の性能の大幅な改良が更に達成される。これにより、性能要件がより高かったり、電力密度がより高かったりする用途への機会が広がる。逆に言えば、用途が同じで作動の仕事量が同じであれば、制御電圧を低減することができ、これによりピエゾ素子への電圧負荷及び機械的引張荷重を著しく低減することができる。これは、それらの長期的強度を、疲労強度のレベルまでかなり改良することができる。先行技術と比較して、個々のアクチュエータ当たりの作動性能又は圧力チャネル当たりの作動性能は変わらないため、ピエゾ曲げ変換器の幅を小さくすることができ、これにより、プリントヘッド又はコーティングヘッドの場合は、チャネル幅又は分注ノズル間の距離を小さくすることができ、又は、印刷解像度を改良することもできる。
【００３６】
好ましい実施形態において、ピエゾアクチュエータは、以下のことを特徴とする。その可動端にある作動点、又は、この可動端に接続される、作動運動を実行するためのエフェクタ。更に、中央に位置し且つ狭く画定されている軸受領域であって、アクチュエータ及びハウジングの領域を含む軸受領域。可動端の反対側の端部にて横方向において位置し且つ狭く画定されている軸受領域であって、アクチュエータ及びハウジングの領域を含む軸受領域。前述の中央に位置する軸受領域と、前述の横方向において位置する軸受領域とが、弾性部材を有し、これらの弾性部材各々により、ピエゾ曲げ変換器の、少なくとも＋／−２°［度］の局所回転が可能になることである。この場合、中央に位置する軸受領域は、ピエゾ曲げ変換器を３つに分けたうちの真ん中の部分に位置することが好ましい。
【００３７】
呼称を明確にするために、前に記載した軸受領域である「第１軸受領域」及び「第２軸受領域」はそれぞれ、「中央に位置する軸受領域」と「横方向において位置する軸受領域」との両方に対応することがあるということに留意すべきである。つまり、「第１軸受領域」及び「第２軸受領域」という呼称は、それらの機能及び設計に基づくものであり、「中央に位置する軸受領域」及び「横方向において位置する軸受領域」という呼称は、それらの場所に基づくものである。
【００３８】
第２軸受タイプＬＡ２では、中央に位置する軸受領域は、好ましくは、ピエゾ曲げ変換器を３つに分けたうちの真ん中の部分に配置され、横方向において位置する軸受領域は、ピエゾ曲げ変換器の可動端の反対側の、ピエゾ曲げ変換器の端部に配置される。これらの軸受領域は両方とも、狭く画定されるか又は点状に設計されており、且つ、ピエゾ曲げ変換器の変形から生じる、前記軸受の周りでのピエゾ曲げ変換器の回転運動が、著しい抵抗無しに可能になる又は容認されるように設計されている。この軸受配列により、図３Ａ等に示す、ピエゾ曲げ変換器の第１固有モードが使用可能になる。図１に概説する固定的に締着されるピエゾ曲げ変換器と比較すると、これは、ピエゾ曲げ変換器の所与の曲げ半径Ｒ（同じ制御電圧及び変形）と所与の自由長Ｌ１とについて、非常に大きめの作動経路（図１のＤ１ではなく図３ＡのＤ２）が実現することを特徴としている。固定的に締着されるピエゾ曲げ変換器では、剛性はないので、作動力は低減している。作動経路がはるかに高め又は大きめであることは、ピエゾ曲げ変換器の変形曲線が、中央に配置される軸受領域での捻れΦに既になっていることに起因しており、これにより端部偏向Ｄ２が増加する（図３Ａ等参照）。なお、長さＬ２の領域内、即ち、中央に位置する軸受領域と横方向において位置する軸受領域との間では、ピエゾ曲げ変換器が、ピエゾ曲げ変換器の可動端を包含する自由長Ｌ１の領域におけるのとは反対方向に偏向する。
【００３９】
更に、このように装着されたピエゾ曲げ変換器は、図１に示すような、締着に対して強力な最大負荷の生じる通常の固定締着よりも、その長さ部分に亘って一様であるトルク曲線を有する。これは、応力関連の機能不全の一般的な原因となっている。
【００４０】
図３Ａに示すピエゾ曲げ変換器の固有モードを可能にするために、中央に位置する軸受領域（図３Ｂ）及び横方向において位置する軸受領域（図３Ｃ）は、ピエゾ曲げ変換器の変形曲線に応じて、ピエゾ曲げ変換器を回転できるようにしなければならない。しかし、ピエゾ曲げ変換器を、少なくとも作動運動と平行な方向に、しっかりと支持せねばならない。この目的で、技術的な実装について異なる選択肢が提案される。例えば、選択肢の１つとして、支持体の使用があり、この支持体は、ハウジングに対して固定されており、且つ、例えばハウジング付属部から突出する、固定された尖状の又は線形の接触要素として設計されている。ピエゾ曲げ変換器は、これらの接触要素上に寄り掛かっており、接触要素は、ピエゾ薄層の平面から傾斜運動を遂行することができる。この場合、特に、作動力が高めであったり、動作モードが極めて動的であったりするときは、ピエゾ曲げ変換器が持ち上がらないようにするために、ピエゾ曲げ変換器は、充分な圧迫力で支持体へ押し付けられねばならない。この圧迫力は、対応する軸受領域内で、ピエゾ曲げ変換器の、支持体とは反対側で、金属製渦巻ばね、屈曲ばね、電気接点ばね等の可動ばね動作式接触要素によって又はエラストマー要素によって加えられる。
【００４１】
支持体を圧力要素と組み合わせて使用することに加えて、ピエゾ曲げ変換器の点状の回転可能な支持体をも実現可能であり、これは、基本的に並進の固定をそれぞれの軸受領域が提供するという点で行われる。中央に配置される軸受領域及び横方向において配置される軸受領域内で、ピエゾ曲げ変換器の曲げ線に応じて必要な回転運動を得るために、これらの軸受領域が、各軸受領域の（場合によっては仮想の）各枢動点を中心とした回転運動を可能にする弾性部材を有することが更に提案される。
【００４２】
弾性部材というのは、例えば、各軸受領域内における、ピエゾ曲げ変換器の弾性部材とすることができ、例えば、別々の弾性要素、又は、キャリア層の構造的に弾性である領域とすることができる。弾性である領域は、各軸受領域に関連付けられており、ピエゾ薄層で覆われていないところが局所的にある。これは、例えば、（横方向において位置する軸受領域の場合では）キャリア層の領域であって、１つ又は２つのピエゾ薄層から横方向に突出する領域とすることができる。前述の弾性部材は、それぞれの軸受領域内の、エラストマー材料で作成される弾性中間層とすることもできる。更に、これらの弾性部材は、ハウジングに関連する弾性部材、又は、ハウジングと各軸受領域との間でこのハウジングに接続されている、更なる弾性の又はばね様の構成要素とすることもできる。これらの弾性部材は、ピエゾ曲げ変換器の回転を、それぞれの軸受領域の領域内で局所的に、少なくとも僅かな程度に可能にするように構成される。ここで、図を使用して特定の実施形態を記載することにする。
【００４３】
寸法比に関して言うと、用途によっては、ピエゾ曲げ変換器の長さＬ１は、例えば４ｍｍ〜６ｍｍの間、５ｍｍ〜９ｍｍの間、又は７ｍｍ〜１５ｍｍの間にあるということに留意すべきである。長さ比Ｌ１／Ｌ２は、０．５〜２の間にあることが好ましい。少なくとも１つのピエゾ薄層は、主に自由長Ｌ１の領域内で、又は、領域Ｌ１及びＬ２内で、即ちそれぞれの中央軸受領域の両側で、キャリア層を覆うことができる。後者の事例は、第２軸受タイプＬＡ２の変形例にとってのみ有意であり、この事例により最大偏向が生じる。
【００４４】
対応するピエゾアクチュエータアレイは、対応するピエゾ曲げ変換器を備えた、本発明による同一のピエゾアクチュエータからなることが好ましい。用途の種類によっては、これらのピエゾアクチュエータは、０．５ｍｍ〜１ｍｍの間、０．７５ｍｍ〜２ｍｍの間、又は１．５ｍｍ〜５ｍｍの間の、互いから一定の距離をおいていることが好ましい。隣接するピエゾ曲げ変換器間の間隙の幅（Ｂ）は、０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍの間、０．１ｍｍ〜０．３ｍｍの間、又は０．２ｍｍ〜０．６ｍｍの間にあることが好ましい。更に、それぞれのピエゾ曲げ変換器の各第１及び第２軸受領域、又は、中央に位置する軸受領域及び横方向において位置する各軸受領域はそれぞれ、１つの線上に存在する。
【００４５】
更に、ピエゾアクチュエータアレイ内では、各圧力要素の各接触点、各軸受領域の各枢動点、個々のピエゾ曲げ変換器の各作動点はそれぞれ、１つの線上に存在する。
【００４６】
更に、ピエゾアクチュエータアレイは、少なくとも全てのピエゾ曲げ変換器及び軸受領域を含んでいる部分からなることが好ましく、この部分は、ハウジングに関連する、軸受領域の部分を複数含んでいる。この目的で、アレイのピエゾ曲げ変換器の隣接する者同士の間で、例えばそれぞれの第１軸受領域にて、捩れに対して弾性である接続を使用することが有利である。
【００４７】
更に、各第１軸受領域の、及び、各第２軸受領域の、ハウジングに関連する上述の構成要素（支持体及び圧力ばね等）は、構造化された板からなることが好ましい。
【００４８】
定義として、用語「軸受領域」は、ピエゾ曲げ変換器と該軸受に関連するハウジング３１の一部との間の領域（点状、狭い、広いを問わない）にある、該軸受に関連する構成要素を全て指しているか、又は、該軸受に接続されている構成要素であって、該軸受の挙動に効果的に寄与する構成要素を指している（固定軸受であるか回転軸受であるかを問わない）。この目的にとって効果的である弾性部材によって回転軸受が該軸受の領域内で実現されることあることを考慮するべきである。
【００４９】
疑義を回避するために言えば、本明細書において使用する序数詞（「第１」、「第２」、…）は、主として、複数の同じような対象物、数値、工程を区別するために（のみ）供されるものであり、即ち、特に、これらの対象物、数値、工程の、互いに対する任意の依存関係や順序を必ずしも定めるものではない。依存関係や順序が必要である場合には、このことは、本明細書において明記されるか、あるいは、実際に記載されている実施形態を検討することにより、当業者にとっては明らかになる。
【００５０】
以下で、図面を参照して、本発明及び技術的環境をより詳細に説明する。本発明が、図示する実施形態により限定されるべきではないことに留意すべきである。特段の記載のない限り、特に、図で説明する技術内容の部分的特徴を抽出し、それらを他の構成要素及び本明細書や図からの知見と組み合わせることも可能である。なお、特に、図面、及び特に図示の寸法比は、概略的なものにすぎない。同一の参照符号は同一の対象物を表すものであり、他の図の説明から必要に応じて任意の説明を補足として使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】第１軸受タイプＬＡ１によるピエゾアクチュエータ１の原理図を示す。
【図２Ａ】第２軸受タイプＬＡ２によるピエゾアクチュエータ１の原理図を示す。第１軸受領域７がピエゾ曲げ変換器２の中央に位置し、第２軸受領域８が横方向において不動端５に位置し且つ狭く設計されている。
【図２Ｂ】第２軸受タイプＬＡ２によるピエゾアクチュエータ１の原理図を示す。第２軸受領域８が中央に位置し、第１軸受領域７が横方向においてピエゾ曲げ変換器２の不動端５に位置する。
【図３Ａ】第２軸受タイプＬＡ２によるピエゾアクチュエータ１の原理図を、偏向したピエゾ曲げ変換器２の特別な固有モードを拡大して示したものである。
【図３Ｂ】中央に位置する軸受領域１６を更に拡大したものである。
【図３Ｃ】横方向において位置する軸受領域１７を更に拡大したものである。
【図４Ａ】複数のピエゾアクチュエータ１からなるピエゾアクチュエータアレイの実施形態の上面図である。
【図４Ｂ】複数のピエゾアクチュエータ１からなるピエゾアクチュエータアレイの実施形態の横断面を示す。
【図５】複数のピエゾアクチュエータ１からなるピエゾアクチュエータアレイの更なる実施形態の横断面を示す。
【図６Ａ】第２軸受領域８の更なる実施形態を示す。
【図６Ｂ】第２軸受領域８の更なる実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
図１は、可動端６にてＤ１だけ偏向した状態にあるピエゾ曲げ変換器２からなるピエゾアクチュエータ１の原理図を示す。この場合の可動端６は、いずれかのアクチュエータに接触する作動点１４でもあり、好ましくはマイクロバルブの閉鎖要素に接触する作動点１４である。また、第１軸受領域７が示されており、これは＋／−５°［度］のある限定値内で回転可能である。第１軸受領域は支持体９として構成されており、支持体９は、第１軸受領域７の枢動点２２であり、ハウジング３１に接続もされている。第１軸受領域７の枢動点２２と作動点との間の距離をＬＲとする。第２軸受領域８をも示してあり、ここではピエゾ曲げ変換器に沿って横側に延在している。第２軸受領域は、この第２軸受領域８の、ピエゾ曲げ変換器の側の表面１０と、ハウジングの側の表面１１との間に、液状化可能な又は融解可能な材料製の中間層１２を備えている。
【００５３】
この実施形態の第２軸受領域８は、広々と延在していることにより、第２軸受領域８が全体として固定締着のように作用している。この場合、この特性を第１軸受タイプ（ＬＡ１）と表す。一方、図示するように、付勢トルク３４が、第１軸受領域７の周りでピエゾ曲げ変換器２に永続的に作用する。この付勢トルク３４は、第１軸受領域７の曲げ変換器に沿って枢動点２２から距離ｘだけずれたところに位置する接触点２３に、下向きの力Ｆが作用することによって生じる。付勢トルク３４は、ピエゾ曲げ変換器２への僅かな一定のモーメント負荷に相当するような大きさにされ、これは、中間層１２が溶融されている場合、即ち力が働かない場合に、ピエゾ曲げ変換器２の作動運動１３の基準位置４０を規定する基準止め具１５に抗してピエゾ曲げ変換器を回転させるのに充分なものである。上述のように、中間層１２は位置合わせモードにおいて、中間層１２を溶融することにより液化することができる。例えば、中間層は、取付けられている際に、熱い空気を供給する形で外部熱源３８から熱を供給することにより溶融可能であり、又は、半田ごてを使用することにより、溶融可能である。上述のように、位置合わせ工程は、制御装置と相互作用している一体型の加熱要素２８を温度センサ３７によって選択的温度制御しながら使用することにより、動作時に何度も短い一時停止をして繰り返し実行することもできる。この場合、加熱要素２８及び温度センサ３７は、ハウジング３１等に接続されており、第２軸受領域８と緊密に熱接触している。過度に大きい熱がハウジング３１に流れ込まないようにする潜在的な絶縁層３９が、加熱要素の下方にあるが、本明細書ではこれを図示しない。
【００５４】
図２Ａは、第２軸受タイプ（ＬＡ２）によるピエゾアクチュエータ１の原理図を示す。記載の重複を回避するために、図１の記載が参照し、以下では相違点のみを取り上げる。第２軸受タイプは、第２軸受領域８が、空間的に狭く画定され、例えば最大で＋／−２°［度］という僅かな程度に回転運動を遂行できるように設計されるという点で、図１における第１軸受タイプ（ＬＡ１）と相違する。図１における第２軸受領域８の固定軸受を回転軸受に置き換えることにより、図１とは対照的な、ピエゾ曲げ変換器２の異なる曲げ線が生じ、これにより、作動出力がはるかに高いピエゾアクチュエータ１が実現可能になる。図１及び図２Ａにおいて、第１軸受領域７は、第２軸受タイプの、中央に位置する軸受領域１６（図３Ａ、図３Ｂを参照）に対応し、中間層１２を有する第２軸受領域８は、第２軸受タイプＬＡ２の、横方向において位置する軸受領域１７（図３Ａ、図３Ｃを参照）に対応する。
【００５５】
図２Ｂは、第２軸受タイプＬＡ２を実施する第２の選択肢を示す。この第２の選択肢は、第１軸受領域７が、第２軸受タイプの、横方向において位置する軸受領域１７に対応し、中間層１２を有する第２軸受領域８が、第２軸受タイプＬＡ２の、中央に位置する軸受領域１６に対応するという点で、図２Ａに示す選択肢と相違する。記載の重複を回避するために、図１及び図２Ａの記載を再度参照し、相違点のみを取り上げる。
【００５６】
なお、図２Ｂにおける軸受領域の順序は第１軸受タイプＬＡ１にも移すことができる。軸受タイプ間の相違点とは、再び言うならば、軸受タイプＬＡ１では第２軸受領域８が広くなるように且つ固定軸受として設計されていることである。
【００５７】
図３Ａは、第２軸受タイプＬＡ２によるピエゾ曲げ変換器２の曲げ線を示す。この曲げ線は、中央に位置する軸受１６と横方向において位置する軸受１７の限界条件下にある、ピエゾ曲げ変換器２の第１固有モードを表す。これらの軸受は両方とも、ピエゾ曲げ変換器２の局所的回転変形に対して耐性がある。この場合、ピエゾ曲げ変換器２の全長Ｌ１＋Ｌ２は、好ましくは、ピエゾ薄層でもって片側で（モノモルフ的に）又は両側で被覆される。これに関連して、Ｌ１は、中央軸受１６と可動端６との間で、自由に可動であるピエゾ曲げ変換器２の長さを特定する、ピエゾ曲げ変換器２の自由長Ｌ１を表す。横方向において位置する軸受１７上には、ピエゾ曲げ変換器２の不動端５が固定される。可動端６での作動経路について、図１におけるような第１軸受タイプＬＡ１のピエゾ曲げ変換器２との差異を比較するために、図１によるピエゾ曲げ変換器２がその領域Ｌ１内で図３Ａのピエゾアクチュエータ１と同一に構築されていると仮定する。従って、これらは両方とも、偏向状態において大きさがＲの曲率半径を有する。曲率半径が同じであるため、結果として生じる第２軸受タイプＬＡ２の場合の偏向Ｄのほうが、第１軸受タイプＬＡ１の場合よりも相当大きめであることがわかる。
【００５８】
図３Ｂ及び図３Ｃは、図３Ａによるピエゾ曲げ変換器２の変形を拡大して示したものであり、それぞれ、中央の軸受領域１６（図３Ｂ）及び横側の軸受領域１７（図３Ｃ）での図である。捻れΦ１及びΦ２を示す。動作中、これらの捻れは通常、＋／−２度の範囲内で移動する。
【００５９】
図４Ａ及び図４Ｂは、例として、ピエゾアクチュエータアレイ３２の実施形態を示しており、これは、第２軸受タイプＬＡ２により装着される、図２Ａ及び図３Ａによる構成のバイモルフピエゾアクチュエータ２を備えている。この場合、中央に位置する軸受領域１６は、図４Ｂにおいて破線で示す第１軸受領域７に対応しており、枢動軸受としての支持体９を備えている。横方向において位置する軸受領域１７は、ピエゾ曲げ変換器２の可動端６にて作動運動１３を実行するための第２軸受領域８に対応する。左側に示す可動端６にエフェクタ１９が位置し、エフェクタはその先端に作動点１４を有する。エフェクタ１９は、弾性接続部２０を介してピエゾ曲げ変換器２に接続されていることが好ましく、弾性接続部２０は、この場合は例えばエラストマー中間片又は弾性接着剤とすることができる。弾性接続部２０は、作動点１４からピエゾ曲げ変換器２への衝撃の伝達を低減し、同時に、エフェクタ１９にある回転公差を呈する。
【００６０】
この実施形態においては、圧力要素２４によって付勢トルク３４が加えられ、この圧力要素２４は、構造化されて任意で湾曲した舌様の圧力ばね条片又はアレイ２４の形態をなしており、保持ブリッジ２５の下方に位置する。ばねは、任意の有意な形状を有することができるが、厳密に接触点２３にて個々のピエゾ曲げ変換器２に力Ｆを及ぼすような形状となっている。この目的で、これらのピエゾ曲げ変換器はそれぞれ、選択的に別個の圧力要素を有することができる。
【００６１】
ピエゾ曲げ変換器２の電気的接触には、全てのピエゾ薄層３を、上側では例えば１００Ｖ［ボルト］〜２００Ｖの動作電圧ＶＤＤで、下側では接地（ＧＮＤ）で、接触させることが必要である。この接触は、上側で及び下側で、１つ又は複数の接続電極１８を接続してなされるものである。この接続電極１８は、各ピエゾ曲げ変換器２に対して交差方向に延在しており、例えば銅、真鍮、ニッケル、又は薄いフレキシブル回路キャリア材料製の接触条片又は接触ワイヤとして、ピエゾアクチュエータアレイ３２の製造中に、圧力下で半田付け又は接着により設けられる。
【００６２】
中間層１２を含む第２軸受領域８は、ピエゾ曲げ変換器２の（右側にある）不動端５に位置する。キャリア層４がニッケル、銅、又は真鍮等の半田付け可能な材料からなる実施形態を示す。このように、第２軸受領域８は、キャリア層４の領域であって、ピエゾ薄層３でもって被覆されず且つ第２軸受領域８の弾性領域２１を表す領域を有する。従って、キャリア層４の厚さが薄いこと、例えば３０μｍ〜１００μｍであることにより、図３Ａにおけるような曲げ線を可能にするための、充分な曲げ弾性が既に得られている。図４Ａは、キャリア層４が弾性領域２１においてより狭くなるように設計されていることを示す。このことにより、弾性領域２１内の曲げ力が低減される。
【００６３】
従って、図４Ａ及び図４Ｂの実施形態では、第２軸受領域８の、曲げ変換器の側の表面１０は、ピエゾ曲げ変換器２のキャリア層４の横方向の表面であり、これはピエゾ薄層３で覆われていない。中間層１２は低融点半田からなり、第２軸受領域８の、ハウジングの側の表面１１は、回路基板２７の接触パッド２６である。この回路基板は、好ましくは、図４Ａ及び図４Ｂに示すようにセラミック製であり、或いは、非常に高Ｔｇの回路基板材料である。その際、好ましくは、（厚いフィルムの）加熱要素２８が、ピエゾ曲げ変換器２の全接触パッド２６のすぐ下方に位置し、電気的絶縁層のみによって隔てられている。この構成では、加熱要素が中間層１２と直接的に熱接触しており、そのため、中間層は数秒以内に溶融することができる。
【００６４】
図５は、ピエゾアクチュエータアレイ３２の実施形態の横断面図の例を示しており、ピエゾアクチュエータアレイ３２は、第２軸受タイプＬＡ２で実装されている、図２Ｂ及び図３Ａによる構成のモノモルフピエゾアクチュエータ１を備える。モノモルフピエゾアクチュエータ１は、ピエゾ薄層３を下部に有するピエゾ曲げ変換器２を備える。この場合、中央に位置する軸受領域１６は、破線で示す第２軸受領域８に対応し、横方向において位置する軸受領域１７は、破線で示す第１軸受領域７に対応する。後者は、キャリア層４を回路基板２７の接触部にしっかりと半田付けすることにより実現される。この第１軸受領域７の弾性は、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、領域２１内のキャリア層により決まる。第２軸受領域８は、ピエゾ曲げ変換器２の中央に位置する。前述の第２軸受領域は、弾性かつ融解可能な中間層１２により形成され、この中間層１２は、ピエゾ曲げ変換器２との良好な接着性を有する。加熱ワイヤ２８が、絶縁支持構造体内で全てのピエゾ曲げ変換器２に対して交差方向に延在しているが、これは、中間層１２を内部から直接溶融するのに適している。この構成では、第１軸受領域７の周りに付勢トルク３４を加えるための圧力要素２４は、図面の右側に位置しており、圧力ばねアレイ２４の形態を有している。
【００６５】
図６Ａは、第２軸受領域８の更なる実施形態を示しており、この第２軸受領域８では、キャリア層４の最外部が屈曲しており且つ回路基板２７内の貫通接続部を通って突出している。中間層１２は、貫通接続部内の半田に相当する。更に、ヒーター２８が、回路基板の底部の溝に位置している。
【００６６】
図６Ｂは、第２軸受領域８の更なる実施形態を示しており、この第２軸受領域８は、回路基板２７上に中間層１２として融解可能なエラストマー又は弾性接着剤を備えている。この中間層１２は、中間層１２のすぐ下方に位置する加熱層２８により加熱され、加熱層２８と直接的に熱接触している。回路基板２７とハウジング３１との間にある絶縁層３９も示している。
【００６７】
ピエゾアクチュエータアレイ３２の製作はパネル内で行われる。例えば１６個、３２個、又は６４個の、多数のピエゾ薄層３をそれぞれ、鋸断工程を使用して製造する。鋸断工程は、鋸断薄片、又は、あらかじめ構造化された曲げ変換器キャリア層、又は、マイクロエフェクタのいずれか又はこれらを組み合わせたものの上で行われ、パネル内において、それぞれの材料の板から製造される。即ち、これらにより、一つのまとまった部分が形成される。その後、これらは共にパネルに接合されて、モノモルフ又はバイモルフピエゾ曲げ変換器アレイ３２を形成し、接続された弾性接触電極と共にパネルに成形又は接着され、マイクロエフェクタを備えてパネルと共にパネルに又は接着される。別の方法としては、各ピエゾ薄層３とあらかじめ構造化されたピエゾ曲げ変換器支持構造体とを、最初に互いに接着する。そして、パネル内で更に加工をするため、第２ステップにおいて漸く、パネル内で鋸断薄片上で鋸断する。
【００６８】
この方法は、以下のステップを含む。本発明による多数のパネル型ピエゾ曲げ変換器２から１つ又は複数のピエゾアクチュエータアレイ３２を製造する製造ステップであって、これらのピエゾアクチュエータアレイは並べて配置されてまとまった構造体を形成している、製造ステップ。前述の構造体をプリントヘッド又はコーティングヘッド内に挿入する挿入ステップ。最後に、本発明による位置合わせ工程を実行する位置合わせステップであって、全てのピエゾアクチュエータがそれらの基準位置４０に位置合わせされる、位置合わせステップである。この方法は、位置合わせを更に行う必要がないことをも特徴である。
【００６９】
作動運動１３を実行するためのピエゾアクチュエータ１を提案する。ピエゾアクチュエータ１は、キャリア層４からなるピエゾ曲げ変換器２であって、キャリア層４の片側又は両側は少なくとも部分的にピエゾ薄層３で覆われている、ピエゾ曲げ変換器２と、可動端６と、ハウジング３１とを備える。ピエゾアクチュエータ１は、以下のことを特徴とする。基準止め具１５であって、ハウジング３１に接続されており、且つ、作動運動１３用の基準位置４０を決定する、基準止め具１５。第１軸受領域７であって、ピエゾアクチュエータ１の領域と、ハウジング３１の領域とを含み、ピエゾ曲げ変換器２の捻れΦ１を可能にする、第１軸受領域７。第２軸受領域８であって、曲げ変換器の側の表面１０と、ハウジングの側の表面１１と、これらの表面との間にある中間層１２とを有し、中間層１２はこれらの表面を接続し、中間層１２は液状化できる、第２軸受領域。圧力要素２４であって、基準止め具１５に抗した、ピエゾ曲げ変換器２への付勢トルクを、前記第１軸受領域（７）の周りに生成するための圧力要素２４である。
【符号の説明】
【００７０】
１  ピエゾアクチュエータ（ピエゾ曲げ変換器２＋ハウジング３１＋任意のエフェクタ１９）
２  ピエゾ曲げ変換器
３  ピエゾ薄層
４  キャリア層
５  ピエゾ曲げ変換器２の不動端
６  ピエゾ曲げ変換器２の可動端
７  ピエゾアクチュエータ１の第１軸受領域
８  ピエゾアクチュエータ１の第２軸受領域
９  第１軸受領域７の支持体
１０  第２軸受領域８の、曲げ変換器の側の表面
１１  第２軸受領域８の、ハウジングの側の表面
１２  第２軸受領域８の中間層
１３  ピエゾ曲げ変換器２の可動端６での作動運動
１４  作動要素と接触している作動点
１５  基準止め具
１６  中央に位置する軸受領域
１７  横方向において位置する軸受領域
１８  接続電極
１９  エフェクタ
２０  弾性接続部
２１  第２軸受領域の弾性領域
２２  第１軸受領域の枢動点
２３  圧迫力の接触点
２４  圧力要素、圧力ばねアレイ
２５  保持ブリッジ
２６  接触パッド
２７  回路基板
２８  加熱要素
２９  貫通接続部
３０  接着ワイヤ
３１  ハウジング
３２  ピエゾアクチュエータアレイ
３３  工程制御器
３４  付勢トルク
３７  温度センサ
３８  外部熱源
３９  絶縁層
４０  基準位置
Ｄ１  偏向、作動経路
Ｄ２  偏向、作動経路
ＬＲ  枢動点と作動点との間の距離
Ｌ１  中央軸受とピエゾ曲げ変換器の可動端との間の距離、自由領域
Ｌ２  中央軸受と横側軸受との間の距離
Φ１  捻れ
Φ２  捻れ
Ｒ  曲げ半径
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【外国語明細書】
2022003862000001.pdf