(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電マクロ−ファイバー複合アクチュエータを製造するにあたり、
第１面及び第２面を有する圧電材料により構造体を形成する段階；
接着剤層を有する下敷きシートを形成する段階；
上記下敷きシートに構造体を位置決めすることにより、該構造体の第１面が上記下敷きシートの接着面と接着剤を介して接着する段階；
上記構造体をスライスして並置された複数の圧電ファイバーを形成する段階；
第１及び第２導電性パターンを有する第１フィルムであって、上記第１導電性パターンが上記第２導電性パターンと電気的に絶縁され、上記第１及び第２導電性パターンが、それぞれ、交互配置電極パターンを形成するように協働する、複数の電極を具備した、第１フィルムを形成する段階；
第２フィルムを形成する段階；及び
上記構造体における第１面及び第２面とそれぞれ上記第１フィルム及び第２フィルムを接着し、上記第１フィルムの導電性パターンが上記圧電材料構造体と電気接続する段階を含む、圧電マクロ−ファイバー複合アクチュエータの製造方法。
【請求項２】
圧電材料から成る構造体がモノリシック圧電ウェハである、請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
第２フィルムが第１及び第２導電性パターンを有し、上記第２フィルムの第１導電性パターンが当該第２フィルムの第２導電性パターンと電気的に絶縁され、上記第２フィルムの第１及び第２導電性パターンが、それぞれ、交互配置電極パターンを形成するように協働する、複数の電極を具備し、接続段階が、更に、上記第１及び第２フィルムを位置決めする段階を含み、上記第１及び第２フィルムの導電性パターンがアライメントされるようにした、請求項１に記載の製造方法。
【請求項４】
更に、一対の導電性伸長部を有し、これらの導電性伸長部を対応する導電性パターンに取付ける段階を含む、請求項３に記載の製造方法。
【請求項５】
各ファイバーが矩形の断面形状とされる、請求項１に記載の製造方法。
【請求項６】
スライシング段階が各対の隣接ファイバー間に溝部を形成することを含む、請求項１に記載の製造方法。
【請求項７】
下敷きシートがポリマーにより製作される、請求項１に記載の製造方法。
【請求項８】
更に、複数のファイバーの第２面に第２フィルムを接着する、第１接着段階、
上記複数のファイバーの第１面から接着剤下敷きシートを除去する段階；及び
上記複数のファイバーの第１面に第１フィルムを接着する段階を含む、請求項１に記載の製造方法。
【請求項９】
導電性パターンが銅を用いて製作される、請求項１に記載の製造方法。
【請求項１０】
スライシング段階が第１及び第２フィルムの縦軸方向に延びる、複数のファイバーを生成するものである、請求項１に記載の製造方法。
【請求項１１】
更に、複数のファイバーにエポキシ接着剤を適用して各溝部を充填するとともに空洞を除去する段階を含む、請求項６に記載の製造方法。
【請求項１２】
それぞれ第１面及び第２面を有する、第１フィルム及び第２フィルムの接着段階が、
上記第１フィルムの第１面に第１接着剤層を適用する段階；
スライスされた圧電材料構造体の第１面に上記第１フィルムの第１面を載置する段階；
上記第１接着剤層を硬化する段階；
上記第２フィルムの第１面に第２接着剤層を適用する段階；
上記スライスされた圧電材料構造体の第２面に上記第２フィルムの第１面を載置する段階； 及び
上記第２接着剤層を硬化する段階を含む、請求項１に記載の製造方法。
【請求項１３】
圧電材料構造体が圧電材料により形成され、該構造体に溝部を形成することにより各対のファイバーが並置して分離され、これらのファイバーがそれぞれ第１及び第２面を有するとともに、これらのファイバーの第１及び第２面が上記スライスされた圧電材料構造体の第１及び第２面を画定する、スライシング段階；及び
上記複数のファイバーの第１及び第２面に、それぞれ、上記第１及び第２フィルムを接着することにより、上記圧電材料に導電性パターンを電気接続する段階を含む、請求項１に記載の製造方法。
【請求項１４】
各フィルムが長手方向に延びる縦軸を有するとともに各ファイバーが上記フィルムの縦軸方向に延びる、請求項１３に記載の製造方法。
【請求項１５】
第１及び第２導電性パターンにおける各電極が各フィルムの伸長方向に対して垂直とされる、請求項１４に記載の製造方法。
【請求項１６】
各フィルムにおける各電極が当該フィルムの縦伸張部分に対し角度を成している、請求項１３に記載の製造方法。
【請求項１７】
電極の縦伸長部分に対し成す角度が４５°とされる、請求項１６に記載の製造方法。
【請求項１８】
各ファイバーがフィルムの縦伸長側縁部に対し角度をもってスライスされる、請求項１６に記載の製造方法。
【請求項１９】
各電極がスライスされたファイバーに対して垂直方向に延びる、請求項１８に記載の製造方法。
【請求項２０】
更に、第１及び第２導電性パターンに導電伸長部を電気接続する段階を含む、請求項１に記載の製造方法。
【請求項２１】
圧電マクロ-ファイバー複合アクチュエータを製造するにあたり、
圧電材料から成る、複数のウェハを形成する段階；
上記複数のウェハを互いに接着してスタックを形成する段階；
上記スタックをその厚み方向にスライスすることにより、第１及び第２面を有する圧電材料構造体から成る少なくとも１つのシートを形成する、スライシング段階；
第１及び第２導電性パターンを有する第１フィルムであって、上記第１導電性パターンが上記導電性パターンと電気的に絶縁され、これらの第１及び第２導電性パターンがそれぞれ協働して交互配置電極パターンを形成する複数の電極を有する、第１フィルムを形成する段階；
第２フィルムを形成する段階；及び
上記構造体の第１及び第２面に、それぞれ、上記第１及び第２フィルムを接着することにより、上記第１フィルムの導電性パターンを上記圧電材料構造体に電気接続する段階を含む、圧電マクロ-ファイバー複合アクチュエータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本明細書に記載の発明は、米国政府の従業者によって為されたものであり、当該米国政府の目的のためには、米国政府は従業者に如何なる使用許諾料を支払うことなく使用できるものとする。
【０００２】
（技術分野）
本発明は、概括的に、圧電ファイバー複合歪アクチュエータに関する。
【０００３】
（背景技術）
従来形式の圧電ファイバー複合アクチュエータは、代表的に、保護ポリマーマトリックス材料により包込まれた押出し成形された圧電ファイバー層を用いて製造されている。ポリマーフィルム層上にエッチングされるか又は付着された、交互配置電極（インターディジタル構造電極）が上記ファイバーの頂面及び底面に取付けられ、比較的薄厚のアクチュエータ積層が形成される。ファイバーをポリマーマトリックス材料で保護することにより当該圧電材料を強化するとともに保護する。完成品パッケージは、モノリシック（厚膜）圧電ウェハにより形成されたアクチュエータよりも柔軟性及び順応性を有する。この種のアクチュエータは、従来公知の製造技術を用いて非-プレーナ構造体に容易に埋設又は組込みが可能とされる。更には、交互配置電極による分極を用いることにより、比較的、大型のイン−プレーン（（in-plane）面方向）作用歪を発生させることができる。この作用における指向性は、とりわけ、当該構造体にせん断（捩り）変形の誘起に有用である。
【０００４】
しかしながら、不都合なことに、従来の圧電ファイバー複合材料の製造方法は、代表的に、比較的高価な押出し丸形ファイバーが使用されている。更には、それに代わる、廉価な厚膜圧電ウェハをフライス切削された角型ファイバーを用いる製造方法は、当該アクチュエータの組立時、角型ファイバーを、個別に、移動及び回転することなくアライメントすることが非常に困難であるため、うまくなかった。圧延角型ファイバーは鋭い角部及び縁部を露出する傾向があり、当該アクチュエータアッセンブリを仕上げる際、これらの鋭角部により交互配置電極部が切断されることとなる。上記丸形及び角型ファイバーの何れにもアプローチする（接触する）には、組み立て時、両圧電ファイバーを個別に取り扱わねばならず、そのため、製造コストが比較的高価なものとなる。
【０００５】
従来形式の圧電ファイバー複合アクチュエータの欠点は、比較的高圧の操作電圧を必要とすることである。この高操作電圧は、圧電部を包囲する保護ポリマー材料を通過して十分に強力な電場を伝送しなければならないからである。これらの電極電圧は、保護されていない圧電材料に所定の歪を発生させるのに理論的に必要とされる電圧の数倍高いものとされる。更に、丸形ファイバーは電極との接触面積が小さく、そのため、エネルギー損失を発生するとともに効率が低下する。これらの損失を補償するには、電圧を高めることが必要とされる。したがって、圧電ファイバーと直に接触した電極に電圧を印加することは実用的ではなかった。
【０００６】
（発明の開示）
（発明が解決しようとする技術的課題）
したがって、本発明の目的は、改良された圧電ファイバー複合歪アクチュエータ及びその製造方法を提供することにある。
【０００７】
本発明のその他の目的および利点は、本明細書により順次明らかにされる。
【０００８】
（課題解決手段）
上述した他の目的および利点であって、当業者にとって明らかである、目的及び利点が、本発明の一側面である、圧電ファイバー複合アクチュエータの製造方法により達成される。その第１段階は、第１面及び第２面を有する圧電材料から成る構造体を形成することである。次に、第１及び第２フィルムが、それぞれ、上記圧電材料構造体の第１面及び第２面に接着剤により接着される。上記第１フィルムは、その上に形成された第１及び第２導電性パターンを有し、これらの導電性パターンは互いに電気的に絶縁されるとともに上記圧電材料と電気的に接続される。上記第１フィルムの第１及び第２導電性パターンは、それぞれ、交互配置電極パターンを形成して協働するようにした複数の電極を有する。もう１つの実施例において、上記第２フィルムは、上記第１フイルムの導電性パターンと同様、一対の導電性パターンを有する。
【０００９】
当該側面において、本発明は圧電マクロ−ファイバー複合アクチュエータに係るものであり、このアクチュエータは：第１面及び第２面を有する圧電材料を用いて形成される構造体；上記構造体の第１面と接着された第１フィルムであって、該第１フィルムに形成された第１及び第２導電性パターンを含み、上記第１導電性パターンが上記第２導電性パターンと電気絶縁されるとともに、これらの両導電性パターンが上記圧電材料構造体と電気接続される一方、上記第１及び第２導電性パターンが、それぞれ、交互配置電極パターンを形成するように協働する、複数の電極を具備した、第１フィルム；及び上記構造体の第２面と接着された第２フィルムにより構成される。
【００１０】
更に別の側面において、本発明は圧電マクロ−ファイバー複合アクチュエータに係るものであり、このアクチュエータは：並置された複数の圧電ファイバーであって、各圧電ファイバーが第１面及び第２面を有するとともに、各対の隣接ファイバーが溝部を介して分離された、複数の圧電ファイバー；上記複数の圧電ファイバーの第１面と接着された第１フィルムであって、該第１フィルムに形成された第１及び第２導電性パターンを含み、上記第１導電性パターンが上記第２導電性パターンと電気絶縁されるとともに、これらの両導電性パターンが上記圧電材料構造体と電気接続される一方、上記第１及び第２導電性パターンが、それぞれ、交互配置電極パターンを形成するように協働する、複数の電極を具備した、第１フィルム；上記複数の圧電ファイバーの第２面上及び上記各溝部に配置された第２接着剤層；及び、上記複数の圧電ファイバーの第２面と接着された第２フィルムであって、該第２フィルムが第１導電性パターンと、当該第２フィルムにおける第１導電性パターンと電気的に絶縁された第２導電性パターンとを含み、当該第２フィルムにおける第１及び第２導電性パターンが上記複数の圧電ファイバーと電気接続されるとともに、これらの第１及び第２導電性パターンが、それぞれ、交互配置電極パターンを形成するように協働する、複数の電極を具備した第２フィルムにより構成される。
【００１１】
（実施態様）
本発明の好ましい実施例を記述するにあたり、本発明における同一の構成部分に同一の数字符号を付して示す、図面１−１２Ｂが参照される。
【００１２】
（１）本発明を実施するための最良の実施態様
図１において、本発明の方法の第１段階は強誘電ウェハ２０を準備することを含む。例えば、ウェハ２０は電極が付されてない圧電材料から形成される。一例として、ＰＺＴ−５圧電セラミック材料を用いてウェハ２０が形成される。しかしながら、その他の圧電材料を用いてウェハ２０を製造できることは理解されるべきである。好ましい実施例において、圧電ウェハ２０は、約０．００２インチ（０．００５１ｃｍ）〜約０．０１０インチ（０．０２５ｃｍ）の厚みを有する。
【００１３】
図２を参照すると、次の段階は、比較的薄厚のポリマー裏張りシート２２上に圧電ウェハ２０を載置することが含まれる。好ましい実施例において、上記ポリマー裏張りシートは、本発明の製造方法における以降の段階で取扱を容易とするために接着性を有するようにすることが好ましい。
【００１４】
図３を参照すると、次の段階は、圧電ウェハ２０に複数のスロット又はチャネル２４を形成することを含む。これらのスロット２４は上記ウェハ２０の実質的に全厚みにわたって延びるようにされるが、下敷きのポリマー裏張りシート２２を完全に分断するものではない。この段階によりポリマー裏張りシート２２に圧電マクロ−ファイバー２６を相並べて取付けたシートが創成される。好ましい実施例において、スロット２４は、市販のコンピュータ制御ダイシングソー（computer-controlled dicing saw）により形成することができる。しかしながら、その他の切断方法、例えば、旋盤を用いて形成することもできる。好ましい実施例において、各スロット２４は実質的に同一の幅とされ、約０．００１インチ（０．００２５ｃｍ）〜約０．００５インチ（０．０１３ｃｍ）の幅寸法とされる。一方、各スロット２４は、０．００１インチ（０．００２５ｃｍ）以下又は０．００５インチ（０．０１３ｃｍ）より大きい幅寸法とすることができる。好ましい実施例において、各マクロ-ファイバー２６は、圧電ウェハ２０の厚み寸法の約１〜２倍の大きさの幅寸法とされる。一方、各マクロ-ファイバー２６は、圧電ウェハ２０の厚み以下又は該圧電ウェハ２０の厚みより大きい幅寸法を有するものとされる。
【００１５】
図４を参照すると、次の段階は、上記マクロ-ファイバー２６と接着される、一対の非導電性フイルム素子の製造を含む。そのようなフィルム素子の一つがフイルム２８である。フイルム２８はその他の非導電製材料を用いて製造することができる。一例として、非導電性材料としてポリイミドを用いて製造することができる。適当な材料は、デュポン（商標名）により製造販売されているカプトン（Kapton（商標名））がある。好ましい実施例において、フイルム２８は約０．０００５インチ（０．００１３ｃｍ）〜約０．００１インチ（０．００２５ｃｍ）の厚みを有する。好ましくは、フィルム２８は、圧電ウェハ２０の幅及び長さ寸法よりも大きい幅及び長さ寸法を有する。このような形状とする理由は以下に述べる。
【００１６】
図４を参照すると、フイルム２８は２つの導電性パターン３０及び３２により構成される。導電性パターン３０は縦伸長部分３４と交互に入り組まれる電極フィンガー３６とから構成される。導電性パターン３２は縦伸長部分３８と交互に入り組まれる電極フィンガー４０とから構成される。一実施例として、導電性パターン又は電極３０及び３２は、フォト−レジスト及びエッチ処理並びに予め接着されたポリイミド−銅積層シート（例えば、デュポン（商標名）パイララックス（Pyralux（商標名））銅クラッド積層シートがある）を用いて、フィルム２８に形成される。好ましい実施例において、銅シート材料の厚みは、約０．０００５インチ（０．００１３ｃｍ）〜０．００１インチ（０．００２５ｃｍ）とされる。約０．０００７インチ（０．００１７８ｃｍ）の厚みを有する銅シート材料により良好な結果が得られた。前述したことは、導電性パターン３０及び３２が銅−シート材料より形成されるものに関するものであるが、その他のタイプのシート材料、例えば、金、銀等のシート材料を使用することができる。また、圧延かつアニール化した銅等の予め接着された導電性シートに代えて、ポリイミド−導電性材料積層シートを利用することができる。
【００１７】
図４を参照すると、好ましい実施例において、縦伸長部分３４及び３８の中心点−中心点間距離は圧電ウェハ２０の厚みの約６倍の大きさとされ、交互に入り組まれる電極、即ち、”フィンガー”３６及び４０間の距離は圧電ウェハ２０の厚みと略同等の大きさとされる。しかしながら、縦伸長部分３４及び３８、及び、交互に入り組まれる電極、即ち“フィンガー”３６及び４０の中心点間距離は上述したものと異なったものであってもよい。更に、導電性パターン３０及び３２の幅は適当な寸法とすることができる。
【００１８】
図２〜図４を参照すると、フィルム２２は、圧電ウェハ２０と違って、導電性パターン３０及び３２における縦伸長部分３４及び３８をそれぞれ配置できるようにするため、圧電ウェハ２０の幅及び長さ寸法よりも大きな幅及び長さ寸法を有するものとされる。この形態は、縦伸長部分３４及び３８の下部に隣接した領域に分布する高不均一電界により惹起する、マクロ−ファイバー２６に亀裂を発生するおそれを有効に低減する。更に、この包装概念は封止された電気システムを環境から保護することとなる。
【００１９】
図４及び図５において、上述した段階にしたがって、第２フィルム４２が形成される。一例として、フィルム４２は導電性パターン又は電極４４を含む。導電性パターン４４は、縦伸長部分４８と、交互に入り組まれる電極又はフィンガー５０とから構成される。同様に、導電性パターン４６は、縦伸長部分５２８と、交互に入り組まれる電極又はフィンガー５４とから構成される。フィルム４２における導電性パターン４４及び４６は、それぞれ、フィルム２６における導電性パターン３０及び３２の“鏡像”とされる。次の段階は、図５に示されるように、フィルム２８及び４２を位置決めしてフィルム２６がマクロ−ファイバー２６の一面と対向しかつフイルム４２がマクロ−ファイバー２６の他面と対向するようにすることである。フィルム２８における導電性パターン３０及び３２はフィルム４２における導電性パターン４４及び４６と直接整列（アライメント）される。したがって、導電性パターン３０及び３２はマクロ−ファイバーの厚みを横断して導電性パターン４４及び４６と“鏡像”アライメント関係とされる。フイルム４２は、前述したように、そのフィルム上に導電性パターンを有するとして記述されたが、フィルム４２は導電性パターンを一切有しない形態とすることもできる。
【００２０】
図６Ａ、図６Ｂ、図７Ａ及び図７Ｂに示されるように、フィルム２８及び４２は、接着剤によりマクロ−ファイバー接着して可撓性積層シートとされる。好ましい実施例において、接着剤は二液性エポキシ接着剤によりマクロ−ファイバー２６にフイルム２８及び４２が接着される。そのような二液性エポキシ接着剤として“３Ｍ（スリーエム）”会社により製造される、スコッチウエルドＤＰ−４６０エポキシがある。しかしながら、他のタイプの接着剤、例えば、ウレタン又はアクリル接着剤を使用することもできる。図６Ａを参照すると、接着処理工程における第１段階は、フィルム４２の電極面を比較的薄厚の液状エポキシ接着剤層をもって塗布することである。次いで、図６Ｂに示されるように、シート２２及びマクロ−ファイバー２６がフィルム４２上に載置され、該マクロ−ファイバー２６がエポキシ−塗布電極フィルム４２と接触する。矢印５６をもって示されるように、真空下で軽く圧力及び熱が加えられてエポキシ層が部分的に硬化処理されて電極フィルム４２にマクロ−ファイバー２６が固定される。部分的硬化処理後、以前、マクロ−ファイバー２６の取扱に使用された、ポリマー裏張りシート２２が剥離されて廃棄される。さて、図７Ａに示されるように、エポキシ接着剤により底部電極フィルムにマクロ−ファイバー２６が取付けられる。更に、隣接ファイバー２６間の全ての切削されたスロット２４を充填するために、マクロ−ファイバー２６に液状エポキシが塗布される。このようにエポキシ樹脂を塗布することにより、仕上りアッセンブリにおいて、隣接する、交番して荷電される電極フィンガー３６、４０、５０及び５４間に、エアーポケット（空洞）が実質的に生じないようにされる。このようなエアーポケットの発生を阻止することにより、当該アクチュエータを作動不能に陥らせるような電気アーク又は永久短絡の危険性を低減することができる。
【００２１】
図６Ｂ、図７Ａ及び図７Ｂに示されるように、各スロット２４にエポキシ樹脂を充填した後、次の段階は、上フィルム２８の電極面に比較的薄厚のエポキシ層を塗布することである。次に、フィルム２８のエポキシ面が、以前に塗布されたマクロ−ファイバー２６に押圧され、よって、フィルム２８及び４２における導電性電極パターン３０、３２及び４４、４６のアライメントが実質的になされる。次の段階は、シート２２、フィルム２８及び４２並びにマクロ−ファイバー２６のアッセンブリに、矢印５８をもって示されるように、適当な圧力で加圧するとともに加熱することである。上記加熱及び加圧は、真空下でボイドが完全に無いエポキシの硬化が行われる。また、この加圧処理により、比較的厚手の銅導電性パターン又は電極３０、３２及び４４、４６がマクロ−ファイバー２６の平坦面に接触しかつ静止させられる。比較的厚手の銅導電性パターン又は電極３０、３２及び４４、４６とマクロ−ファイバー２６の平坦面間をそのように接触させることにより、導電性パターン又は電極３０、３２及び４４、４６とファイバー２６間に極細又は“薄貧”の接続ラインが形成され、その結果、操作電圧が印加された際、当該アクチュエータに発生される電界の減衰は最小限のものとすることとなる。フィルム２８及び４２における電極非着部分（即ち、フィルム２８及び４２における導電性パターンの不存在部分）とファイバー２６間の接続ラインは、当該フィルム２８及び４２の接触を保持するのに十分な厚みとされる。この処理によって縦モード圧電ファイバーアクチュエータ１０が得られる。
【００２２】
図８に示されるように、導電性パターン３０及び３２にそれぞれ導電性伸長部６８及び７０が設けられる。操作時、外部電源（図示しない）が導電性伸長部６８、７０と電気接続され、いかなる時にも瞬時に交互配置フィンガー３６、４０及び５０、５４に、それぞれ、対抗極性をもって給電される。この極性に応じて、隣接する交互配置電極フィンガー３６、４０間の領域及び電極フィンガー５０、５４間の領域に、各ファイバー２６の長手方向に指向した電界が発生される。
【００２３】
また、交互配置電極２６、４０及び５０、５４は、圧電ファイバー２６の分極に使用される。マクロ−ファイバー２６の分極は、代表的に、当該デバイスをアクチュエータとして作用させる前に行うことが必要とされる。分極処理は交互配置電極フィンガー３６、４０間及び交互配置電極フィンガー５０、５４間を横切って直流電圧を印加することにより行われる。一例として、マクロ−ファイバー２６の室温分極保持電圧の約３００％に相当した平均電界強度を発生する電圧が使用される。そのような電圧が室温で約２０分間、当該アクチュエータに印加される。本発明の技術分野においてよく知られている、その他の分極方法を用いてもよい。
【００２４】
その後、導電性パターン３０、３２、４４及び４６に電圧を印加することによりマクロ−ファイバー２６に誘導歪を発生する。最大誘導歪は、ファイバーの横断方向に生起する収縮歪と一緒に、該ファイバーの長手方向に生じる。
【００２５】
（２）他の実施例
図９は本発明の別の実施例の圧電ファイバーアクチュエータ１００を示す。せん断モードアクチュエータ１００は、主体構造部、例えば、高縦横比構造体、ビーム、スパー等に連続的に捩りモーメントを生じ易いように形成される。フィルム１０２、１０４及びファイバー１０６が前述したようなエポキシ材を用いて互いに接着される。圧電ファイバー１０６は分離スロット１０８を有し、これらの分離スロット１０８は、前述したように切断又はスライス加工により得られたものである。ファイバー１０６は縦方向に延びる縦伸長側縁部１１０を形成している。好ましくは、スロット１０８は縦側縁部１１０に対し４５°の角度をもって形成される。何故ならば、そのような配向角度とすることにより主体部内に理想的な圧電せん断応力を誘起するからである。しかしながら、スロット１０８は縦伸長側縁部１１０に対しその他の異なった角度をもって形成してもよい。
【００２６】
フィルム１０２は当該フイルム上に形成された２つの導電性パターン１１２及び１１４を含む。導電性パターン１１２は縦伸長部分１１６と交互配置電極又はフィンガー１１８とを含む。同様に、導電性パターン１１４は縦伸長側縁部１２０と交互配置電極又はフィンガー１２２を含む。図９に示されるように、フィンガー１１８は縦伸長部分１１６に対し傾斜角をもって形成される。同様に、フィンガー１２２は縦伸長側縁部１２０に対し傾斜角をもって形成される。好ましい実施例において、各フィンガー１１８及び１２２は、それぞれ、伸長部分１１６及び１２０に対し４５°の傾斜角度をもって形成され、よって、フィンガー１１８及び１２０は、それぞれ、ファイバー１０６に対し実質的に垂直とされる。
【００２７】
実施例において、フィルム１０４は当該フイルム上に形成された２つの導電性パターン１２４及び１２６を含む。導電性パターン１２４は縦伸長部分１２８と交互配置電極又はフィンガー１３０とを含む。同様に、導電性パターン１２６は縦伸長側縁部１３２と交互配置電極又はフィンガー１３４を含む。図９に示されるように、フィンガー１３０は縦伸長部分１２８に対し傾斜角をもって形成される。同様に、フィンガー１３４は縦伸長側縁部１３２に対し傾斜角をもって形成される。好ましい実施例において、各フィンガー１３０及び１３４は、それぞれ、伸長部分１２８及び１３２に対し４５°の傾斜角度をもって形成され、よって、フィンガー１３０及び１３４は、それぞれ、ファイバー１０６に対し実質的に垂直とされる。フィルム１０４は上述した記載において当該フィルム上に導電性パターンを有するものとしたが、該フィルム１０４もまた、導電性パターンを一切含まないものとすることができる。圧電ファイバーアクチュエータ１０の組立に関して以前に記述されかつ図６Ａ、図６Ｂ、図７Ａ及び図７Ｂに示される処理工程におけると同様の処理方法により、フイルム１０２及び１０４がマクロ−ファイバー１０６に接着剤により接着される。
【００２８】
更に、アクチュエータ１００は４つの導電部（図示しない）を有し、これらの導電部はそれぞれ対応する導電性パターン１１２、１１４、１２４及び１２６と電気接続される。好ましい実施例において、上記導電部はそれぞれフィルム１０２、１０４の縁部の近くに配置され、アクチュエータ１００を外部の電子回路（図示しない）と電気接続するように機能する。これら４つの導電部は、前述したと同様にして、アクチュエータ１００に給電する。
【００２９】
図１０は、本発明の別のアクチュエータの実施例を示す。アクチュエータ２００は、概略、スロット２０４を介して分離された、複数の圧電マクロ−ファイバー２０２と、フィルム２０６、２１０及び２１２とにより形成される。スロット２０４は、この明細書において前述されたスライス又はカット方法により形成される。フィルム２０６及び２０８は、概略、それぞれ、前述したフィルム２８及び４２と同様の構造とされる。
【００３０】
フイルム２０６は、その上に形成された、２つの導電性パターン２１４及び２１６を含む。導電性パターン２１６は縦方向に延びる伸長部分２１８と一体形成された電極又はフィンガー２２０を含む。同様に、導電性パターン２１６は縦伸長部分２２２と一体形成された電極又はフィンガー２２４を含む。図１０に示されるように、フィンガー２２０及び２２４は、それぞれ、縦伸長部分２１８及び２２２と実質的に垂直とされる。
【００３１】
一実施例において、フィルム２０８は２つの導電性パターン２２６及び２２８により形成される。導電性パターン２２６は縦伸長部分２３０と一体形成された電極又はフィンガー（図示しない）を含む。同様に、導電性パターン２２８は縦伸長部分２３２と一体形成された電極又はフィンガー２３６を含む。フィルム２０８における各フィンガーは、縦伸長部分２３０、２３２に対し実質的に垂直とされる。また、フィルム２０８はいかなる導電性パターンも具備しない形態とすることができる。
【００３２】
更に、アクチュエータ２００は、圧電マクロ−ファイバー２０２の上面及び底面にそれぞれ配置された異方性導電フィルム又はシート２１０、２１２により形成される。フィルム２１０及び２１２は圧電マクロ−ファイバー２０２の全表面積と略同等の面積を有する。フィルム２１０、２１２は、圧電マクロ−ファイバー２０２にフィルム２０６、２０８を接着するのに用いられる。各フィルム２１０、２１２は、熱硬化性又は熱可塑性接着材料を用いて形成される。一実施例において、接着材料は、約０．０００１〜０．００２インチ（０．０００２５〜０．００５１ｃｍ）の厚みを有するものとされる。この接着材料はランダム（無作為）に導電性粒子が添加される。これらの導電性粒子は、接着性フィルムの平面ではなく全厚みにわたり導電性パス（導通路）を形成する。この通路配列は、
隣接する対向荷電フィンガーからの電気的に絶縁を保持したまま、フィルム２０６及び２０８のフィンガーが、直接、下敷き圧電ファイバー２０２と電気接続することを可能とする。一実施例において、導電性粒子の粒径は約０．０００５インチ（０．００１３ｃｍ）とされる。フィルム２１０及び２１２は３Ｍ Company,Inc. により製造された、Z-Axis Film 製品番号３Ｍ５３０３を用いて形成される。なお、上記Z-Axis Film と同様の異方性導電特性を有する、他のフィルムを使用することができる。
【００３３】
図１０に示されるように、アクチュエータ２００の組立を仕上げるまでに、スロット２０４に非導電性マトリックスエポキシを充填して空洞部（エアポケット）の生成を防止することができる。このエポキシ樹脂の適用は、前述したアクチュエータ１０の組立におけると略同様にして行われる。
【００３４】
図１０に示されるように、フィルム２１０及び２１２を用いて圧電マクロ−ファイバー２０２にフィルム２０６及び２０８を接着することは、フィルム２０６及び２０８におけるフィンガーの直ぐ下でそれらの間部に保持された比較的強力な接着ラインを生成する。変形例において、フィルム２０６及び２０８は、前述したように図９に示されるシアー（捩り）モードアクチュエータの製造時に付け加えるようにしてもよい。
【００３５】
図１１は本発明に係るアクチュエータの別の実施例を示す。アクチュエータ３００は、概略、モノリシック（厚膜）圧電ウェハ３０２とフィルム３０４及び２０８を用いて形成される。ウェハ３０２は、縦モード又は捩りモードアクチュエータとして製造することができる。フィルム３０４及び３０６は電極パターンを有し、図４及び図５に示されるように前述したフィルム２８及び４２と同様の構造とされる。
【００３６】
フィルム３０４は、縦伸長部分３１０及び一体化電極又はフィンガー３１２を有する、導電性パターン３０８により形成される。更に、フィルム３０４は、縦伸長部分３１６及び一体化電極又はフィンガー３１８を有する、導電性パターン３１４により形成される。図１１に示されるように、フィンガー３１２及び３１８は、それぞれ、縦伸長部分３１０及び３１８に対し実質的に垂直とされる。
【００３７】
一実施例において、フィルム３０６は、縦伸長部分３２２及び一体化電極又はフィンガー３２４を有する、導電性パターン３２０により形成される。更に、フィルム３０６は、縦伸長部分３２８及び一体化電極又はフィンガー３３０を有する、導電性パターン３２６により形成される。図１１に示されるように、フィンガー３２４及び３３０は、それぞれ、縦伸長部分３２２及び３２８に対し実質的に垂直とされる。フィルム３０６はどのような導電性パターンをも具備しない形態とされる。
【００３８】
フィルム３０４及び３０６は、前述したいずれかの方法によりウェハ３０２に接着してもよい。ウェハ３０２におけるスロットの機械的加工を省略することにより、当該アクチュエータ３００の１ユニット当りの製作コストを大幅に低減することができるとともに比較的効率の高いアクチュエータとすることができる。更に、電極フィルム３０４及び３０６を積層状に取付けた効果は、アクチュエータ１０、１００及び２００程に大形でなくとも、アクチュエータ３００に高度の柔軟性及び適合性を付与し、当該アクチュエータ３００は、例えば、ロケット打ち上げペイロードシュラウドとか、魚雷本体とか、ミサイル安定ひれ等におけるように、耐久性及び疲労寿命がほとんど検討されないものに応用するのに適したものとされる。
【００３９】
本発明に係るアクチュエータの更に別の実施例が図１２Ａ及び図１２Ｂに示される。アクチュエータ４００の製造における第１段階は、かなり薄厚の複数の圧電ウェハ４０２を互いに接着してスタック４０４を形成することである。好ましい実施例において、前述したように、液状エポキシを用いてウェハ４０２が互いに接着される。スタック４０４は、ほとんど任意の高さとされる。一実施例において、スタック４０４の高さ寸法は約０．２５インチ（０．６３５ｃｍ）とされる。好ましい実施例において、隣接するウェハ４０２間の接着ラインの厚みは、個別圧電ウェハ４０２の公称厚みの約０．１２５〜０．２５倍の大きさとされる。スタック４０４を接着した後、それぞれ適当な圧力及び温度にて硬化処理を行って実質的にボイドの無い接着スタックを形成する。好ましい実施例において、上述した圧力及び温度は真空下で加えられる。
【００４０】
次に、スタック４０４は、点線４０８で示すように、厚み方向に平行にかつ長さ方向に沿ってスライスして、比較的薄厚の複数枚の圧電シート４１０とされる。実施例において、ウェハダイシングソーを用いてファイバーシート４１０に切断される。なお、他の切断方法を用いてもよい。ファイバーシート４１０は厚膜圧電ウェハにおけると同様の方法で取扱われかつ包装される。実施例において、各シート４１０の厚みは約スタック４０４の形成に使用された圧電ウェハ４０２の厚みと同等とされる。なお、各シート４１０は、上記圧電ウェハ４０２の厚みよりも小さいか又は大きいものとすることができる。
【００４１】
図１２Ｂに示されるように、シート４１０はフィルム４１２とフィルム４１４間に配置される。フィルム４１２は、縦伸長部分４１８及び一体化電極又はフィンガー４２０を有する導電性パターン４１６と、縦伸長部分４２４及び一体化電極又はフィンガー４２６を有する導電性パターン４２２とにより形成される。図１２Ｂに示されるように、フィンガー４２０及び４２６は、それぞれ、縦伸長部分４１８及び４２４に対し実質的に垂直とされる。
【００４２】
フィルム４１４は、縦伸長部分４３０及び一体化電極又はフィンガー４３２を有する、導電性パターン４１６を含む。更に、フィルム４１４は、縦伸長部分４３６及び一体化電極又はフィンガー４３８を有する、導電性パターン４３４を含む。フィンガー４３２及び４３８は、それぞれ、縦伸長部分４３０及び４３６に対し実質的に垂直とされる。フィルム４１４はどのような導電性パターンも含まないものとすることができる。フィルム４１２及び４１４は液体エポキシを介して又は前述したように異方性導電フィルムを用いてシート４１０に接着される。
【００４３】
図１２Ａ及び図１２Ｂに示す形態のものは、２つの顕著な利点を有する。第１の利点は、皮膚表面への接着の可能性が実質的に解消されることである。第２の利点は、シート４１０における全てのマクロ−ファイバーが予備的にアライメントされることである。
【００４４】
（３）アクチュエータ及び方法の関連先行技術を超える利点
本発明の方法は、非常に多数の圧電ファイバーを製造しかつ処理する必要性を実質的に省略できることである。したがって、当該圧電ファイバー複合アクチュエータの包装に関する製造時間及び処理コストが有効に低減される。本発明の方法は調整容易かつ精密であり、製造されるアクチュエータの反復性及び均一性が強大なものとされる。本発明の方法は、アクチュエータ電極を損傷する危険性もなく当該アクチュエータ包装内に容易に整列（アライメント）して断面形状が四角形のファイバーを製造することができる。したがって、四角形断面の圧電ファイバーの使用に関連した難点が実質的に解消される。本発明によれば、丸形ファイバーに代えて断面形状が四角形のファイバーを使用することは、当該アクチュエータ包装内での圧電材料の細分が増大することなり、当該アクチュエータの作用応力範囲を改善することができる。また、液体エポキシ又は異方性導電接着剤により取付けられる、かなりの厚膜銅導電性パターンを使用することは、圧電材料と電極間に無妨害電気接続を施すことができる。その結果、アクチュエータ電極の電界転送効率が大幅に改善され、したがって単位印加電圧当りの歪発生率が増大する。更に、断面方形又は矩形ファイバーは、電極に対し実質的に平坦な接触領域を有するという利点を有する。この平坦状接触領域は、丸形ファイバーとの接触領域よりも比較的大きい。
【００４５】
ポリイミドフィルムは圧電ウェハの幅及び長さよりも大きな幅及び長さ寸法を有し、該圧電ウェハよりもずっと導電性パターンの縦伸長部分（例えば、それぞれ、導電性パターン３０及び３２の部分３４及び３８）を配置可能とされる。この形態は、導電性パターンの縦伸長部分の真下及び隣接領域における不均一な高電界分布に起因するマクロ−ファイバーの亀裂発生の危険性を低減することができる。更に、この包装方法（概念）は環境から保護される封止電気システムとすることができる。
【００４６】
本発明は、特定の好ましい実施例とともに記述されたガ、当業者には、上述の記載に照らせば種々の変形が明らかである。したがって、添付の請求の範囲に記載の請求項は、本発明の真正な範囲及び精神に属する、そのような種々の代替例、変形例を包摂するものと理解されなければならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  代表的な圧電ウェハの斜視図である。
【図２】  本発明に係る圧電マクロ−ファイバー複合アクチュエータの製造方法の好ましい実施例における段階での構成部分の斜視図である。
【図３】  本発明に係る圧電マクロ−ファイバー複合アクチュエータの製造方法の好ましい実施例における段階での構成部分の斜視図である。
【図４】  本発明に係る圧電マクロ−ファイバー複合アクチュエータの製造方法の好ましい実施例における段階での構成部分の斜視図である。
【図５】  本発明に係る圧電マクロ−ファイバー複合アクチュエータの製造方法の好ましい実施例における段階での構成部分の斜視図である。
【図６】  本発明に係る圧電マクロ−ファイバー複合アクチュエータの製造方法の好ましい実施例における段階での構成部分の斜視図である。
【図７】  ７Ａ及び７Ｂは、それぞれ、本発明に係る圧電マクロ−ファイバー複合アクチュエータの製造方法の好ましい実施例における段階での構成部分の斜視図である。
【図８】  本発明の実施例であって、導電性伸長部が装着された圧電マクロ−ファイバー複合アクチュエータの平面図である。
【図９】  本発明の方法にしたがって製造された、一実施例のアクチュエータの分解斜視図である。
【図１０】  本発明の方法にしたがって製造された、別の実施例のアクチュエータの分解斜視図である。
【図１１】  本発明の方法にしたがって製造された、更に別の実施例のアクチュエータの分解斜視図である。
【図１２】  １２Ａは、本発明の方法にしたがって製造された、更に別の実施例の組立アクチュエータの斜視図であり、１２Ｂは、上記アクチュエータの分解斜視図である。
【符号の説明】
２０  圧電材料（圧電ウェハ）
２２  ポリマー下敷きシート
２４  スロット
２６  圧電マクロ−ファイバー
２８  絶縁性フィルム
３０  厚膜銅導電性パターン又は電極
３２  厚膜銅導電性パターン又は電極
３４  縦伸長部分
３６  交互配置電極
３８  縦伸長部分
４０  交互配置電極
４２  エポキシ樹脂塗布（底）電極フィルム
４４  厚膜銅導電性パターン又は電極
４６  導電性パターン又は電極
５０  交互配置電極
５４  交互配置電極
５６  矢印
６８  導電性伸長部
７０  導電性伸長部
１００  アクチュエータ（第１実施例）
１０２  フィルム
１０４  フィルム
１０６  圧電ファイバー
１０８  スロット
１１０  縦伸長（側縁）部分
１１２  導電性パターン
１１４  導電性パターン
１１６  縦伸長部分
１１８  フィンガー又は電極
１２０  フィンガー又は電極
１２２  フィンガー又は電極
１２４  導電性パターン
１２６  導電性パターン
１２８  縦伸長部分
１３０  フィンガー又は電極
１３２  縦伸長部分
１３４  フィンガー又は電極
２００  アクチュエータ（第２実施例）
２０２  圧電マクロ−ファイバー
２０４  スロット
２０６  フィルム
２０８  フィルム
２１０  異方性導電フィルム
２１２  異方性導電フィルム
２１８  縦伸長部分
２２０  電極又はフィンガー
２２２  縦伸長部分
２２４  電極又はフィンガー
２２６  導電性パターン
２３０  縦伸長部分
２３２  縦伸長部分
３００  アクチュエータ（第３実施例）
３０２  厚膜圧電ウェハ
３０４  フィルム
３０６  フィルム
３１０  縦伸長部分
３１８  縦伸長部分
３２０  導電性パターン
３２２  縦伸長部分
３２２  縦伸長部分
３２４  フィンガー
３２６  フィンガー
３２８  縦伸長部分
４００  アクチュエータ（第４実施例）
４０２  圧電ウェハ
４０４  スタック
４１０  薄厚圧電（ファイバー）シート
４１２  フィルム
４１４  フィルム
４２０  交互配置電極
４２２  導電性パターン
４２４  縦伸長部分
４２６  交互配置電極又はフィンガー
【図１】
0004773659.tif 000002
【図２】
0004773659.tif 000003
【図３】
0004773659.tif 000004
【図４】
0004773659.tif 000005
【図５】
0004773659.tif 000006
【図６Ａ】
0004773659.tif 000007
【図６Ｂ】
0004773659.tif 000008
【図７Ａ】
0004773659.tif 000009
【図７Ｂ】
0004773659.tif 000010
【図８】
0004773659.tif 000011
【図９】
0004773659.tif 000012
【図１０】
0004773659.tif 000013
【図１１】
0004773659.tif 000014
【図１２Ａ】
0004773659.tif 000015
【図１２Ｂ】
0004773659.tif 000016