(57)【要約】  本発明は、底面が多角形である少なくとも２つの材料層からなる情報変換器であって、多角形底面は剪断安定的に相互に結合されており、材料層のうちの少なくとも１つに長さの変化を生じさせることができる形式の情報変換器に関する。多角形底面が少なくとも２つの異なる内角を有する。本発明はさらにこの情報変換器の製造方法にも関する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
底面が多角形である少なくとも２つの材料層からなる情報変換器であって、前記多角形底面は剪断安定的に相互に結合されており、前記材料層のうちの少なくとも１つに長さの変化を生じさせることができる形式の情報変換器において、前記多角形底面が少なくとも２つの異なる内角を有することを特徴とする情報変換器。
【請求項２】
前記多角形底面はほぼ直角の内角を少なくとも１つ含む、請求項１記載の情報変換器。
【請求項３】
前記多角形底面はおよそ３５°からおよそ８５°までの内角を少なくとも１つ含む、請求項１または２記載の情報変換器。
【請求項４】
前記多角形底面はおよそ５５°からおよそ８０°までの内角を少なくとも１つ含む、請求項３記載の情報変換器。
【請求項５】
前記多角形底面は３つまたは４つの頂点を有する、請求項１から４のいずれか１項記載の情報変換器。
【請求項６】
前記多角形底面は３つの頂点を有する、請求項５記載の情報変換器。
【請求項７】
前記少なくとも２つの材料層の断面が前記多角形底面の最も大きな面に沿って小さくなる、請求項１から６のいずれか１項記載の情報変換器。
【請求項８】
前記少なくとも２つの材料層の断面が最も大きな領域に機械的な支持体が設けられている、請求項１から７のいずれか１項記載の情報変換器。
【請求項９】
少なくとも１つの材料層が圧電効果を示す材料を含んでいる、請求項１から８のいずれか１項記載の情報変換器。
【請求項１０】
前記圧電材料の内部に分極の方向に平行または逆平行に電界を生じさせることのできる装置が設けられている、請求項９記載の情報変換器。
【請求項１１】
前記圧電材料の分極の方向が実質的に前記少なくとも２つの材料層の底面に垂直である、請求項９または１０記載の情報変換器。
【請求項１２】
前記圧電材料がチタン酸ジルコン酸鉛および／またはニオブ酸マグネシウム酸鉛の少なくとも一方を含む、請求項９から１１のいずれか１項記載の情報変換器。
【請求項１３】
曲げアクチュエータを含む、請求項１から１２のいずれか１項記載の情報変換器。
【請求項１４】
センサを含む、請求項１から１２のいずれか１項記載の情報変換器。
【請求項１５】
前記センサが温度センサである、請求項１４記載の情報変換器。
【請求項１６】
前記センサが加速度センサである、請求項１４記載の情報変換器。
【請求項１７】
少なくとも２つの材料層を剪断安定的に相互に結合して１つの半製品とし、ただし少なくとも１つの材料層は長さの変化を生じさせることができるものであり、その後で目標かど落しに沿って前記半製品から情報変換器を切り出すようにした情報変換器の製造方法において、第１の目標かど落しを前記半製品の外縁に対して実質的に垂直に置き、第２の目標かど落しが前記第１の目標かど落しに対しておよそ３５°からおよそ８５°の角度をなすようにする、ことを特徴とする情報変換器の製造方法。
【請求項１８】
第３の目標かど落しを前記第１の目標かど落しに対して実質的に垂直に設け、前記第２の目標かど落しが前記第１の目標かど落しと前記第３の目標かど落しの交点を通るようにする、請求項１７記載の情報変換器の製造方法。
【請求項１９】
前記第１の目標かど落しに対しておよそ−３５°からおよそ−８５°の角度を成し、前記第２の目標かど落しと第３の目標かど落しの交点が実質的に前記第１の目標かど落しの上に来るように、第３の目標かど落しを設ける、請求項１７記載の情報変換器の製造方法。
【請求項２０】
前記第３の目標かど落しと前記第１の目標かど落しの間の角度を前記第２の目標かど落しと前記第１の目標かど落しの間の角度を負の値にしたものとする、請求項１９記載の情報変換器の製造方法。
【請求項２１】
前記第２の目標かど落しが前記第１の目標かど落しに対しておよそ５５°からおよそ８０°の角度を成す、請求項１７から２０のいずれか１項記載の情報変換器の製造方法。
【請求項２２】
前記少なくとも２つの材料層を接着剤によって剪断安定的に相互に結合する、請求項１７から２１のいずれか１項記載の情報変換器の製造方法。
【請求項２３】
前記少なくとも２つの材料層を剪断安定的に相互に焼結する、請求項１７から２１のいずれか１項記載の情報変換器の製造方法。
【請求項２４】
請求項１から１６のいずれか１項記載の曲げアクチュエータを有することを特徴とする指針型計器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は底面が多角形である少なくとも２つの材料層からなる情報変換器に関する。これらの材料層は互いに結合されていて剪断に対して強く、それらのうちの少なくとも１つの材料層に長さの変化を生じさせることができるものである。このような情報変換器はオートメーション技術においてセンサまたはアクチュエータのいずれかとして使用される。
【０００２】
先行技術から、異なる膨張特性を有する少なくとも２つの材料層を互いに結合し、剪断剛性を有する１つの複合材料にすることが公知である。この場合、膨張は圧電、磁歪、電歪、形状記憶合金または熱によって制御することができる。２つの材料層の膨張の違いが電気的または熱的に誘発される複合材料の曲がりの原因となる。先行技術によるこのような複合材料の外形はつねに直方体であり、２つの材料層の間の境界面はつねに最も膨張した面に平行に走っている。したがって、２つの材料の交線は狭い側を走る。直方体の最も膨張した面における底面はつねに長方形または正方形である。
【０００３】
複合材料の相対的な曲がりを情報変換器として利用することができるようにするため、大抵は狭い側がホルダーにクランプされる。これが動きの原点を定める。アクチュエータの場合、ストリップの動きはホルダーとは逆の側にある狭い側でピックアップすることができる。センサの場合は、ホルダーとは逆の側にある狭い側の動きから電気信号を発生させる、または熱応力を機械的な運動に変換することができる。
【０００４】
アクチュエータの仕事率または仕事能力を上げるために、先行技術では、多数の材料層をそれぞれ互いに結合して剪断剛性をもたせるようにすることが公知である。この場合、ストリップのそれぞれの変形は相殺し合うのでなく、累積することに注意しなければならない。これにより、利用できる力が倍増する。
【０００５】
本発明の課題は、この先行技術を基にして、公知の情報変換器の仕事能力および／または疲れ強さを改善することである。
【０００６】
この課題は、剪断剛性を有するように互いに結合された多角形底面を有する少なくとも２つの材料層からなる情報変換器において、少なくとも１つの材料層において長さの変化を生じさせることができ、多角形底面が少なくとも２つの異なる内角を有するようにすることで解決される。
【０００７】
本発明による情報変換器は剪断剛性を有するように互いに結合された少なくとも２つの材料層を有している。この結合は例えば接着、焼結または溶接によって行うことができる。少なくとも２つの材料層のうち少なくとも１つは長さの変化がなければならない。この長さの変化は信号印加によって外部から生じさせることができる。この信号は例えば電界、磁界または温度変化であってよい。
【０００８】
１つの材料層にしか長さの変化を生じさせることができない場合には、この材料層は長さのほとんど変化しない、または全く変化しない剪断安定性のある支持材の上に置かれる。しかしながら、もちろん長さ変化を生じさせることのできる複数の材料層を１つにまとめることにより、材料内で機械的応力が累積し、それによって湾曲が強化されるようにすることも可能である。このように、例えば、長さ変化を生じさせることのできる２つの材料層を受動支持材の両側に配置してもよい。あるいは、長さ変化を生じさせることのできる２、４または６個の材料層を受動支持材なしに直接積み重ねてもよい。
【０００９】
少なくとも２つの材料層の相対的な湾曲を絶対的な位置変化に利用できるようにするため、本発明による情報変換器においても、情報変換器の一方の側を挟み込むホルダーが設けられている。したがって、情報変換器は片側がクランプされたベンドビームからなる。
【００１０】
本発明によれば、情報変換器が長方形の底面を有する直方体でなく、プリズム形である場合には、機械的負荷が最も大きな箇所で、すなわち、ちょうどクランプの箇所で、機械的応力が低減されることが分かった。自由ベンドビームの表面が本発明の意味での底面と見なされる。当業者には、クランプ内での表面も広くオプションとして与えられている。
【００１１】
プリズムの底面は、少なくとも２つの異なる内角を有していることを特徴としている。ここでは、底面の内角は、底面の内部にある、２つの面に挟まれた角度を指している。内角はつねに底面の角にある。直方体の底面の内角はすべてつねに９０°である。それゆえ、異なる複数の内角はなく、１つの内角しかない。これに対して、本発明によるプリズム形の底面は少なくとも２つの異なる内角を有している。
【００１２】
本発明による情報変換器の１つの実施形態では、二等辺三角形の底面が選ばれている。対称構造のバイモルフベンダー、つまり、変形が累積する同じ２つの材料層からなる複合体については、頂点の撓みが同じならば、クランプの箇所の機械的応力が直方体バイモルフの場合に比べて１／３だけ小さい。これは１つまたは２つの材料層がセラミックスからできている場合に特に有利である。というのも、セラミック材は低い引張り応力しか有していないことがあるからである。同時に、いくつかのセラミックスは強い圧電効果を示すので、圧電情報変換器に特に適している。
【００１３】
本発明の別の実施形態では、情報変換器は対称的な四角形の底面を有しており、ホルダー側の幅がホルダーとは逆の側の幅よりも大きい。したがって、底面は先細りの台形をなしている。この形状により、ベンドビームとして機能する複合材料の自由振動端の機械的耐荷能力が増す。
【００１４】
本発明による情報変換器の多角形底面がほぼ９０°の少なくとも１つの内角を含んでいるならば、本発明の１つの実施形態では、情報変換器の製造時に切り屑となる材料を最小化することができる。これは特に、情報変換器が別の点対称の情報変換器とともに再び長方形の外形にまとめられることに基づいている。
【００１５】
内角が直角でないならば、内角はおよそ３５°からおよそ８５°までの範囲、とりわけおよそ５５°からおよそ８０°の範囲から選ばれる。この角度範囲は長さと幅の比がおよそ２：３からおよそ２０：３のアスペクト比に相当する。長さはホルダーから最も外側の自由振動端までで測られる。幅は材料層と機械的クランプとの交線に相当する。材料層は一定の厚さを有していることが好ましい。しかし、本発明による情報変換器では幅は長さとともに変化するので、少なくとも２つの材料層の長さに沿った断面は小さくなる。
【００１６】
本発明によるアクチュエータが圧電効果を示す少なくとも２つの材料層を有している限り、アクチュエータの体積が同じならば、本発明の底面形状のおかげで、阻止する力は先行技術に比べて１／３だけ大きくなる。ここで、阻止力は完全に撓んだ情報変換器をゼロ位置まで戻すのに必要な力を意味している。
【００１７】
無負荷状態のアクチュエータの撓みは先行技術と本発明とで同じである。それゆえ、アクチュエータの質、つまり、阻止力と撓みの積も同様に１／３だけ高い。その結果、同じ圧電材料を使っているのに仕事能力が高い、または仕事能力が同じなのにより少ない圧電材料で済む圧電曲げアクチュエータが得られる。例えば加速度センサなどの圧電センサの場合、同じ撓みでも電気信号が大きくなる。したがって、信号対雑音比が改善され、測定制度が高くなる。
【００１８】
少なくとも１つの材料層に圧電効果を生じさせるために、材料内に分極に平行または逆平行に電界を生じさせるための装置が設けられている。この電場は例えば、スパッタリングや熱蒸着によって圧電材料層の外側に配置された電極によって生じさせることができる。場合によっては、圧電材料層上に剪断安定的に配置される導電性の支持材を使用してもよい。
【００１９】
圧電材料としては、例えばジルコン酸チタン酸鉛またはマグネシウム酸ニオブ酸鉛またはこれらの物質の１つまたは複数の混合物が適している。上記のセラミック材料は電界に応じて特に大きな圧電効果、つまり、特に大きな形状変化を示す。圧電材料の分極に逆平行に電界を印加することによって、圧電材料は長さの短縮と横方向の伸長を生じる。分極が互いに逆方向である２つの材料層を剪断安定的に結合すれば、このようにして形成された複合ストリップの電界印加時の変形が増大する。もちろん、この増大は分極の方向を同じくし、各材料層内の電界が互いに逆に作用するようにすることでも達成される。
【００２０】
以下では、本発明の全般的な思想を限定することなく、本発明を図面と実施例に基づいてより詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】先行技術による曲げ変換器を透視図で示す。
【図２】先行技術にも本発明にも見られる曲げ変換器構造の実施形態を示す。
【図３】本発明による情報変換器のための種々の底面を示す。
【図４】図１および３の情報変換器を製造するための可能な切断パターンを示す。
【００２２】
図１には、圧電曲げ変換器として実施された情報変換器１が示されている。実際の変換器は支持材２と圧電材料３とから構成されている。２つの材料層は例えば接着によって剪断安定的に相互に結合されている。一方の端部は電気的に絶縁されたホルダー４に固定されている。圧電材料層３の上面には導電性のコーティングが存在している。同様に、支持材２も導電性である。圧電材料３の分極方向は矢印Ｅとは逆向きである。ホルダー４の外部では、支持材と圧電材料の自由長さは等しく、実質的に長方形の底面を示している。２つの材料層はしたがって同じ厚さの直方体を形成している。
【００２３】
アクチュエータとして使用するために、ホルダー２と圧電材料層３の導電性コーティングとに電圧が印加される。これにより、材料層３の内部に電界Ｅが生じる。その結果、材料層３の長さの収縮が生じる。支持材２は電界に影響されず、一定の長さを保つ。その結果、情報変換器内に機械的応力が生じ、それに続いて矢印６に沿った湾曲が生じる。
【００２４】
あるいは、図１の情報変換器をセンサとしても使用してよい。センサストリップ１が矢印６に沿って変形する場合、例えば加速力によってまたは図示されていない別の部材の始動によって、上側の材料層３の圧縮変形とその下の材料層２の伸長が生じる。圧電材料層３の圧縮変形は結晶格子内に空間的な電荷分離をもたらし、それによって材料層内部に電界Ｅが形成される。それゆえ、複合ストリップの上面と下面の電気コンタクト５の間の電圧を測定することができる。
【００２５】
図２ａには、図１の情報変換器の断面が示されている。導電性支持材２と圧電材料層３は再び図示されている。２つの材料層は剪断安定的に相互に結合され、ホルダー４に挟み込まれている。電圧源５は圧電材料３の分極に平行して作用する電界Ｅを生じさせる。このような構造はモノモルフと呼ばれる。
【００２６】
図２ｂには、トライモルフ構造が示されている。図２ａと違い、支持材２の両側に圧電材料層３ａおよび３ｂが配置されている。この３層の層構造もその一方の端部はホルダー４内にある。材料層３ａ,３ｂの両側の導電性の外面に電圧が印加されると、一方の材料層、例えば３ａに長さの伸長が引き起こされる。そして、材料層３ｂは材料層３ｂに長さの短縮が生じるように接合されている。それゆえ、曲げアクチュエータの頂点は材料層３の方向に左へと動く。
【００２７】
図２ｂのマルチモルフはこの原理に従って形成されている。このマルチモルフは偶数の、例えば４つの、圧電材料層から構成されている。これらの圧電材料層は３ａー３ｄで示されている。基板２はこの実施例では設けられていない。材料層３ａー３ｄは供給電圧を印加したときに材料層３ａー３ｄが積層体の対称軸の両側でそれぞれ異なって変形するように接合されている。これにより、曲げアクチュエータによってもたらされる力が増大する。
【００２８】
図３には、本発明による情報変換器の４つの実施例が示されている。それぞれ曲げ変換器の底面が上面図で図示されている。断面では、実施形態３ａー３ｄのそれぞれは図２ａー２ｃの構造を有していてよい。
【００２９】
図３ａには、底面が二等辺三角形の形をした曲げ変換器が示されている。長さと幅のアスペクト比が２：３から２０：３までの場合、底辺は５３°から８４°の内角を有する。本発明による三角形のバイモルフ層構造は、ベルヌーイ曲げ理論を援用して、先行技術による同面積・同体積の長方形構造と比較される。そのために、本発明による曲げ変換器は二等辺三角形の底角または底角近傍でクランプされる。動きは対向する三角形頂点で測定される。三角形の高さが長方形の情報変換器の長さに相当する。
【００３０】
これに関して、バイモルフ変換器の可能な最大の撓みはジオメトリには依存しないことが判明した。この撓みは
【数１】
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と計算される。ここで、ｘ0は撓みを、Ｅelは圧電材料層３の内部の電界を、ｈは圧電材料層３の厚さを、ｌは長方形情報変換器の長さ、ないし三角形情報変換器の高さを表している。
【００３１】
長方形変換器の阻止力に関しては、
【数２】
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が成り立つ。ここで、ＦBは阻止力を、Ｅは弾性率を、ｂはクランプの幅を意味している。
【００３２】
驚いたことに、三角形変換器の阻止力は次式のようになることを示すことができた。
【数３】
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すなわち、三角形変換器の阻止力は先行技術による同体積の変換器よりも１／３だけ大きい。
【００３３】
阻止力と無負荷状態の撓みとの積は曲げ変換器の品質を表す。それゆえ、品質はエネルギーの単位を有しており、曲げアクチュエータの理論的に可能な仕事能力またはセンサで生じた信号電圧を表す。本発明による情報変換器の阻止力は公知の変換器よりも１／３だけ大きいが、無負荷状態の撓みは両方とも同じなので、同様に品質基準として、先行技術よりも１／３だけ大きな値が得られる。
【００３４】
複合ストリップにおいて反対側の端位置に曲げ戻されるときに生じるクランプの機械的垂直応力も、情報変換器の本発明による形状によって良い影響を受ける。つまり、先行技術では情報変換器の機械的応力は
【数４】
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となるが、これに対して本発明による変換器は
【数５】
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の機械的応力を示す。情報変換器の材料内の機械的垂直応力も同様に本発明による形状では１／３だけ低下する。これにより、高い疲れ強さが得られ、情報変換器が壊れるまでの使用時間が長くなる。
【００３５】
圧電曲げアクチュエータを基にここで説明した結果はバイメタルアクチュエータ、磁歪アクチュエータおよび形状記憶アクチュエータにも同様に当てはまる。また、これらの結果は相応するセンサにも当てはまる。
【００３６】
図３ｂによる情報変換器は直角三角形の形を有している。これにより、２つの曲げアクチュエータを点対称に１つの長方形にまとめることが可能である。この形状が長方形の半製品から切り屑なしでの製造を可能にする。この情報変換器の短い方の隣辺がホルダー４にクランプされる。動きは長い方の隣辺と斜辺との交点で測定される。長さと幅のアスペクト比が２：３から２０：３までの場合、底辺は３４°から８０°の内角を有する。
【００３７】
ピックアップでの機械的耐荷能力を向上させるために、図３ｃによる台形情報変換器では、クランプの反対側の端部に大きい方の面が設けられている。この形状は、図３ａによる三角形変換器を頂点においてある程度短くすることで得られる。ピックアップにおける実際の幅、したがってまたクランプの近傍における開口角αは、所望の用途に応じてそのつど当業者によって選定される。その際、ピックアップにおける可能な最大の耐荷能力は、品質基準の上昇とクランプにおける機械的応力の減少を考慮して選定されなければならない。
【００３８】
図３ｄによる実施形態は２つの直角を有しているため、変換器の点対称性により、２つの変換器を全体として１つの長方形の外形にまとめることができる。これにより、図３ｂの実施形態の場合と同様に、また切り屑の最小化がなされる。この形状は、概念的に、図３ｂの三角形変換器を頂点においてある程度短くすることによって得られる。これによってまたピックアップにおける耐荷能力が増す。
【００３９】
本発明による情報変換器を製造するためには、まず少なくとも２つの材料層を剪断安定的に総合に結合して１つの半製品を形成する。ここで、少なくとも１つの材料層は長さの変化を生じさせることができるものである。この半製品は既に使用可能な状態にある複数の情報変換器に相当する大きさを有する。これらの情報変換器は後の工程において半製品から個別化される。しかし、場合によっては、当業者は、まず個々の情報変換器をそれぞれ材料層から切り離し、その後でこれらの情報変換器を剪断安定的に１つの完成された変換器にまとめてもよい。
【００４０】
この個別化は引張り式または非引張り式の切り離しによって行われる。例えば、材料に目標かど落しを設け、この目標かど落しに沿って情報変換器を割って個別化してもよい。図１の曲げ変換器の場合は、図４ａに示されているように切断パターンが実施される。
【００４１】
図３ａの本発明による曲げ変換器は図４ｂに示されているようにして作製することができる。まず、第１の目標かど落しを半製品の外縁に対して実質的に垂直に設ける。これらの目標かど落しの間隔はクランプの長さを含めた完成した変換器の高さｌに相当する。完成した変換器はこのクランプによってホルダー４に取り付けられる。次に、基板上に斜めに目標かど落しを走らせる。その角度は変換器の底角αに等しく選ばれる。第１の目標かど落しと第２の目標かど落しの間の角度は、所望のアスペクト比に応じて、およそ５３°からおよそ８５°までの範囲から選ばれる。最後の工程として、基板全体にわたって同様に斜めに走る第３の目標かど落しを設ける。第３の目標かど落しが第１の目標かど落しに対して成す角度は、第１の目標かど落しと第２の目標かど落しの間の角度を負にした値を有する。切断パターンにおいて、第２の目標かど落しと第３の目標かど落しの交点が実質的に第１の目標かど落しの上に来るように注意しなければならない。このようにして、半製品が有効活用される。この場合、切り屑が残るのは半製品の縁部だけである。
【００４２】
図４ｃには、図３ｂによる情報変換器の製造が示されている。ここでは、図４ｂの工程で説明したのと同様に、まず第１および第２の目標かど落しが設けられる。その際、第２の目標かど落しは第１の目標かど落しに対して角度βを成す。この角度βは完成した変換器の短い方の隣辺と斜辺の間の角度に相当する。アスペクト比が２：３から２０：３までの場合、角度βは３４°〜８０°の範囲から選ばれる。
【００４３】
次に、また第１の目標かど落しに対して垂直に第３の目標かど落しが材料に設けられる。なお、第３の目標かど落しはつねに第１の目標かど落しと第２の目標かど落しの交点を通る。その結果、切り屑が使われずに残ることなく、設けられた目標かど落しに沿って長方形半製品を完全に情報変換器へと個別化することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４】
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【国際調査報告】
2010539693.tif 000015
2010539693.tif 000016
2010539693.tif 000017
2010539693.tif 000018
2010539693.tif 000019
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