(57)【要約】  本発明は、軸方向における均一かつ優れた変位を示すだけでなく、完全な単結晶リングまたはチューブアクチュエータより低い製造コストである、複数の単結晶作動素子で構成された圧電アクチュエータに関する。かかるマルチステークアクチュエータは、種々の用途の要求を満たすように構成された形成した縁部および上下部ワッシャ補強材を使用して、エポキシ樹脂で互いに接合された複数の縦（ｄ３３）または横（ｄ３１またはｄ３２）モード圧電単結晶作動素子で構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の圧電単結晶作動素子を備えるマルチステークアクチュエータであって、
改善された曲げおよび捻り強度を備える前記マルチステークアクチュエータを得るために、前記圧電単結晶作動素子は、適切な構造かつ樹脂、金属またはセラミック材料の成形した縁部およびワッシャ補強材を使用して、エポキシ樹脂で接合されているマルチステークアクチュエータ。
【請求項２】
当該マルチステークアクチュエータは、縦（ｄ３３）モードおよび／または横（ｄ３１またはｄ３２）モードの長方形状の圧電単結晶よりなる群から選択される同一の単結晶作動素子で構成されている請求項１に記載のマルチステークアクチュエータ。
【請求項３】
前記圧電単結晶作動素子は、菱面体晶、結晶相境界および隣接正方晶組成のニオブ酸鉛亜鉛−チタン酸鉛（Ｐｂ［Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３］Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３またはＰＺＮ−ＰＴ）、ニオブ酸鉛マグネシウム−チタン酸鉛（Ｐｂ［Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３］Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３またはＰＭＮ−ＰＴ）およびニオブ酸鉛マグネシウム−ジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ［Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３］Ｏ３−Ｐｂ［Ｚｒ１−ｘＴｉｘ］Ｏ３またはＰＭＮ−ＰＺＴ）の固溶体、およびそれらのドープおよび／または改質された三元および四元誘導体よりなる群から選択される請求項１および２に記載のマルチステークアクチュエータ。
【請求項４】
各作動素子ステークは、背中合わせまたは適切な形状に接合された複数の単結晶で作製されている請求項１、２および３に記載のマルチステークアクチュエータ。
【請求項５】
隣接する結晶同士の間に配置された前記形成した縁部およびワッシャ補強材は、前記マルチステークアクチュエータを、三角形、四角形、長方形、六角形、八角形およびその他の奇数および偶数の擬環多角形の形状よりなる群から選択される様々の横断面に構成している上記請求項のいずれかに記載のマルチステークアクチュエータ。
【請求項６】
前記結晶が前記所定の形状に適合することを可能にして、前記形成した縁部補強材の使用を減少した横断面または選択的にするために、前記単結晶の内側角部は、面取りされている請求項５に記載のマルチステークアクチュエータ。
【請求項７】
マルチステークアクチュエータがリングまたはシリンダアクチュエータのように機能することを可能にするために、両端部ワッシャ補強材は、中心孔を備えている上記請求項のいずれかに記載のマルチステークアクチュエータ。
【請求項８】
両端部ワッシャ補強材は、中実部品であり、端部キャップとして機能し、使用時に前記単結晶作動素子に生じる見込みの湾曲を最小化するために、球形状、円筒形状またはその他の好適な形状が前記端部キャップの構造に組み込まれている請求項７に記載のマルチステークアクチュエータ。
【請求項９】
前記得られるアクチュエータの前記曲げおよび捻り強度を向上するために、少なくとも一つの中間ワッシャ補強材が複数の短い単結晶とともに使用されている上記請求項のいずれかに記載のマルチステークアクチュエータ。
【請求項１０】
様々の用途の要求を満たすために、いずれか２つのワッシャ補強材同士の間の個々の作動セグメントは、前記単結晶の数および配置、それらの組成、カットおよび寸法を含む異なる構造および形状である請求項９に記載のマルチステークアクチュエータ。
【請求項１１】
前記ワッシャは、好適な表面処理または接合面上に接合された薄い硬質絶縁層を介して、前記結晶から電気的に絶縁されている上記請求項のいずれかに記載のマルチステークアクチュエータ。
【請求項１２】
予め応力を付与する機構は、前記単結晶およびエポキシ樹脂接合部を圧縮して、前記アクチュエータの構造安定性および信頼性を向上するために組み込まれている上記請求項のいずれかに記載のマルチステークアクチュエータ。
【請求項１３】
前記マルチステークアクチュエータの製造方法であって、
ａ）複数の単結晶作動素子を入手し、リード線を前記単結晶作動素子の両電極面に接合する工程と、
ｂ）全ての前記結晶作動素子の端面を位置合わせするのを確実にするために、接合ガイドおよび好適な接合治具としての好適に形成した縁部補強材を使用して、所定の構造にエポキシ樹脂でさらに前記結晶作動素子を接合する工程と、
ｃ）前記接合された結晶作動素子の両端面が平坦かつ平行であるのを確実にするために、それらを整える工程と、
ｄ）前記平坦かつ平行な結晶作動素子を、それぞれ上下部キャップおよび／またはワッシャの凹部を備える面に接合し、前記マルチステークアクチュエータを得るために、各結晶の前記リード線を所定の組み合わせで接続する工程とを有する方法。
【請求項１４】
工程（ｃ）後の前記接合された結晶作動素子は、後の操作で、前記アクチュエータを完成するために、特定構造の端部キャップおよび／またはワッシャ上に、エポキシ樹脂で接合される請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
任意に、（ａ）前記単結晶を、前記所定の構造に、鋳型端部キャップ／ワッシャを使用してエポキシ樹脂で接合した後、硬化する工程と、
（ｂ）硬化後、前記縁部補強材を挿入した後、前記結晶同士の間の垂直な繋ぎ目内に接合および／または前記繋ぎ目をエポキシ樹脂で充填する工程とを有する請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
使用される前記エポキシ樹脂は、導電性および非導電性エポキシ樹脂よりなる群から選択される請求項１３ないし１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記単結晶素子の前記リード線は、Ｄ．Ｃ．またはＡ．Ｃ．源が前記結晶に供給された際に、前記マルチステークアクチュエータが軸方向に均一かつ優れた変位を示すように接続される請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
前記複数の単結晶素子の前記リード線は、Ｄ．Ｃ．またはＡ．Ｃ電源がそれぞれ前記結晶に供給された際に、前記マルチステークアクチュエータの一方または双方の端部が曲げ動作および／または曲げ振動を示すように接続される請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
前記単結晶素子の前記リード線は、好適な位相シフトのＡ．Ｃ．電源が前記複数の結晶に供給された際に、前記マルチステークアクチュエータの一方または双方の端部が回転曲げ動作を示すように接続される請求項１３に記載の方法。
【請求項２０】
少なくとも一つの上記請求項のいずれかに記載のマルチステークアクチュエータが変位駆動の手段として使用される派生装置。
【請求項２１】
少なくとも一つの上記請求項のいずれかに記載のマルチステークアクチュエータが曲げ駆動の手段として使用される派生装置。
【請求項２２】
少なくとも一つの上記請求項のいずれかに記載のマルチステークアクチュエータが回転曲げ駆動の手段として使用される派生装置。
【請求項２３】
少なくとも一つの上記請求項のいずれかに記載のマルチステークアクチュエータが固定子として使用される圧電モータまたはマイクロモータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コスト効率の良い単結晶マルチステークアクチュエータおよび製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
縦〈ｄ３３〉モード積層および横（ｄ３１）モードチューブまたはシリンダアクチュエータは、高い原動力が必要とされる場合に広く使用される圧電アクチュエータである。これらのアクチュエータは、ジルコン酸チタン酸鉛〈Ｐｂ［Ｚｒ１−ｘＴｉｘ］Ｏ３またはＰＺＴ〉圧電セラミックのような等方材料によって良好に作動する。
【０００３】
印加電圧を低く維持するために、縦（ｄ３３）モードアクチュエータは、適切な手段を介して、積み上げて互いに接合された、厚さ数ｍｍ以下の短いディスク、リングまたはプレート状の複数のセグメントで構成される場合がある。
【０００４】
近年、ニオブ酸鉛亜鉛−チタン酸鉛〈Ｐｂ［Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３］Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３またはＰＺＮ−ＰＴ〉、ニオブ酸鉛マグネシウム−チタン酸鉛（Ｐｂ［Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３］Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３またはＰＭＮ−ＰＴ）およびニオブ酸鉛マグネシウム−ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＭＮ−ＰＺＴ）の固溶体圧電単結晶、およびそれらのドープおよび／または改質された三元および四元誘導体が広く研究されている。これらの新しい圧電材料は、ＰＺＴセラミックと比べて優れた電気機械的特性を示す。
【０００５】
圧電単結晶は、異なる結晶方向に分極および／または駆動させた際に、異なる特性を示す異方性材料である。
【０００６】
例えば、［００１］分極縦（ｄ３３）モード単結晶リングについては、上下面を横断する軸方向に均一な縦歪および音速を示すが、その縦歪および音速は、異なる径方向で変化する。結果として、短い単結晶リングは、複雑な結合共鳴挙動を示し、共振モードでの動作には適切でない場合がある。
【０００７】
モフェットらによる「ブロードバンド高出力導入材料としての単結晶ニオブ酸鉛マグネシウム−チタン酸鉛（ＰＭＮ／ＰＴ）」と題された音響学会誌、第１２１巻、第２５９１〜２５９９頁（２００７年）には、積層されて互いに上部で接合された９つのセグメントリングで構成され、各リングが１２箇所が面取りされた１２角形のｄ３３モード単結晶プレートであるシリンダプロジェクタが開示されている。
【０００８】
ロビンソンらによる米国、ペンシルベニア州、州立大学、５月１１日〜１３日の音響導入材料および装置に関する２０１０年米国海軍ワークショップで発表された「単結晶フリーフラッドリングトランスデューサ」（要約番号ＩＶ．１）（２０１０年）［２２］には、アルミナ製の楔形状のスペーサーが接合ガイドおよび補強材として使用され、長方形状のｄ３１モード単結晶作動素子を接合することでセグメントリングとし、これらを積層して互いに接合することでシリンダプロジェクタを作製したハイブリッドトランスデューサが報告されている。
【０００９】
上記２つの引用文献において、興味深い駆動モードは、リングまたはシリンダの円周振動または呼吸モードである。
【００１０】
横モード（ｄ３１またはｄ３２のいずれか）の単結晶チューブアクチュエータも、結晶の異方性から生じる問題に苦慮する。かかるアクチュエータは、典型的には、チューブの内外面に電極を有し、径方向に分極される。単結晶チューブの径方向は、異なる結晶方向を構成するので、単結晶チューブが径方向に供給された電界を使用して作動させる場合、軸方向で不均一な歪がチューブの両端面で生じるであろう。チューブアクチュエータの全体の性能が、予期されるよりも低い性能を示す径方向領域によって損われるので、これは不適切である。
【００１１】
単結晶リングおよびチューブの他の主な不利な点は、それらが結晶のブロックから作り出される必要があり、かかる処理に関係する材料消費が５０％以上である点にある。これは、圧電単結晶の既に高い製造コストをさらに上昇させる。
【００１２】
小径単結晶チューブの機械加工は、特に厄介であり、結果として高い不良品発生率を生じる場合がある。これは、湾曲した機械加工面を、機械加工によって生じた欠陥を除去するために、機械研摩によって整えるのが困難なためである。これらのクラックは、除去されなければ、結晶の分極の際に増大するかもしれない。そして、アクチュエータが分極処理に耐えたとしても、クラックは、使用時に成長し、装置の初期故障を引き起こすかもしれない。
【００１３】
レーリングらによる２００２年ＩＥＥＥ超音波シンポジウム、第７３３〜７３７頁（２００２年）の議事録中の「リラクサ圧電単結晶の海軍装置用途」には、縁部補強材が使用されず、モータ部としての複数の単結晶ブロックによって駆動する水中トランデューサが報告されている。大抵の圧電アクチュエータの典型的な用途において予期されるように、かかる構造は、単結晶作動素子が短く、厚くかつ強い場合に好適に作動するが、結晶が長くかつ薄く、装置が曲げおよび捻じられる場合に問題が多い。
【００１４】
したがって、本発明の動機付けは、複数の単結晶作動素子で構成され、従来技術の欠点を除去するマルチステークアクチュエータを提供することにある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明の目的は、複数の単結晶作動素子で構成された圧電アクチュエータを提供することにある。
【００１６】
本発明の目的は、軸方向に均一かつ優れた変位を示すのみならず、完全な単結晶リングまたはチューブアクチュエータよりも低い製造コストである圧電アクチュエータを提供することにもある。
【００１７】
本発明の目的は、三角形、四角形、長方形、六角形、八角形等を含む様々な形状のマルチステークアクチュエータを提供することにもある。
【００１８】
本発明の更なる目的は、かかるアクチュエータの製造方法を提供することにある。
【００１９】
本発明のこれらのおよびその他の目的および利点は、添付図面に関連してなされる以下の説明から明白になるであろう。ここで、説明および例として、本発明の少なくとも一つの実施形態が開示される、
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明は、装置の高い軸方向の変位を維持しつつ、単結晶リングおよびチューブの異方性とそれらの高い製造コストとに関連した問題を解消する、種々の形状のマルチステーク軸方向アクチュエータの範囲に関する。前記アクチュエータは、最適な組成の同一の単結晶作動素子で構成される。かかる単結晶作動素子としては、特に限定されないが、［００１］分極または［０１１］分極単結晶の縦（ｄ３３）および横（ｄ３１またはｄ３２）プレートまたはバーが挙げられる。この単結晶は、菱面体晶、結晶相境界および隣接正方晶組成のニオブ酸鉛亜鉛−チタン酸鉛〈ＰＺＮ−ＰＴ〉、ニオブ酸鉛マグネシウム−チタン酸鉛（ＰＭＮ−ＰＴ）および／またはニオブ酸鉛マグネシウム−ジルコン酸チタン酸鉛〈ＰＭＮ−ＰＺＴ〉の固溶体およびそれらのドープおよび／または改質された三元および四元誘導体、およびその他の適切なカットおよび分極結晶である。前記単結晶作動素子は、三角形、四角形、長方形、六角形、八角形およびその他の奇数および偶数の擬環多角形の構造を含む所定の横断面に、好適に形成した縁部補強材兼ガイド（ｓｈａｐｅｄ  ｅｄｇｅ−ｓｔｉｆｆｅｎｅｒｓ−ｃｕｍ−ｇｕｉｄｅｓ）によって接合される。これに代えて、減少した横断面の縁部補強材兼ガイドを使用可能とするか、縁部補強材の使用を選択的とするために、結晶の内側角部は好適に面取りされてもよい。装置の曲げおよび捻り強度および構造安定性をさらに向上するために、端部および中間ワッシャが使用される。単結晶ブロックからリングおよびチューブを機械加工する際の大きな材料消費が避けられるので、前記アクチュエータは、低い製造コストである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１は、複数の縦（ｄ３３）または横（ｄ３１またはｄ３２）モード圧電単結晶作動素子で構成された中心孔を備えるマルチステークアクチュエータを示す。
【００２２】
【図２】図２〈従来技術〉は、縦（ｄ３３）および横（ｄ３１またはｄ３２）モード単結晶の構造の概略図を示す。
【００２３】
【図３】図３は、縁部補強材兼ガイドを使用して、エポキシ樹脂（太線で示す）で長方形の結晶を接合することによって組み立てられた六角形横断面の結晶組立体を示す。
【００２４】
【図４】図４は、減少した断面積の縁部補強材兼ガイドを使用して、エポキシ樹脂（太線で示す）で好適に面取りされた結晶を接合することによって組み立てられた六角形横断面の結晶組立体を示す。
【００２５】
【図５】図５は、成形した中間ワッシャによる２セグメントの四角形横断面のマルチステークアクチュエータを示す。
【００２６】
【図６】図６は、ワッシャ補強材に代えて、上下部キャップ補強材による三角形横断面のマルチステークアクチュエータを示す。
【００２７】
【図７】図７は、その構造中に、適切な予め応力を付与する機構および硬質球形接触点を含む２セグメントのマルチステークアクチュエータを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図１は、本発明の好適な実施形態を示す。形成した縁部および上下部ワッシャ補強材を使用して、エポキシ樹脂で互いに接合された複数の縦（ｄ３３）または横（ｄ３１またはｄ３２）モード圧電単結晶作動素子で構成された中心孔を備えるマルチステークアクチュエータがここに示される。単結晶作動素子の電極面に接続されたリード線（双方ともこの図面やその他の図に示されていない）は、駆動用に設けられる。図１は、複数のステーク（１）が適切な組成およびカットの同一の圧電単結晶作動素子であるマルチステークアクチュエータを示す。前記単結晶素子は、両端において形成したワッシャ補強材（４）上に、形成した縁部補強材（２）を使用して、所定の形状にエポキシ樹脂で接合されている。リード線は、装置を完成するために、結晶の電極面上に接合されている（この面やその他の図に示されていない）。太線は、エポキシ樹脂接合部（３）を示す。「エポキシ樹脂」なる用語は、周知の総称であり、本明細書中において、様々のメーカーによって製造された適切なエポキシ樹脂の全範囲を含むエポキシ樹脂系接着剤接合部を規定するのに使用される。それは、「スチール」、「アルミニウム」等と同様である。
【００２９】
かかる装置を製造するのに適切な結晶カットとしては、菱面体晶、結晶相境界および隣接正方晶組成のニオブ酸鉛亜鉛−チタン酸鉛（ＰＺＮ−ＰＴ）、ニオブ酸鉛マグネシウム−チタン酸鉛（ＰＭＮ−ＰＴ）および／またはニオブ酸鉛マグネシウム−ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＭＮ−ＰＺＴ）の固溶体およびそれらのドーブおよび／または改質された三元および四元誘導体の［００１］分極または［０１１］分極の縦（ｄ３３）および横（ｄ３１またはｄ３２）の双方のプレートまたはバー、およびその他の適切なカットおよび分極結晶が挙げられる。
【００３０】
図２（先行技術）は、縦（ｄ３３）および横（ｄ３１またはｄ３２）モード単結晶の構造の概略図を示す。影を付した面および対向面が電極面である。細い単頭の矢は、結晶を用意する際に使用された分極方向を、太い双頭の矢は、使用時の結晶の駆動方向を示す。慣例的に、分極方向は、３−方向（３−ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）ともみなされる。
【００３１】
縦（ｄ３３）カット結晶は、結晶の同一の３−方向に分極および駆動する長方形の結晶である。よって、駆動方向と分極方向とは、図２（ａ）に概略的に示すように、かかる結晶において互いに平行である。
【００３２】
縦（ｄ３３）モード結晶を使用してマルチステークアクチュエータを作製する場合、分極（３−）方向は、上部、下部および／または中間ワッシャに接触する電極面を備えるアクチュエータの軸方向と平行とされる。
【００３３】
横（ｄ３１またはｄ３２）カット結晶は、３−方向に分極される長方形の結晶であるが、駆動方向は、１−または２−方向（１−ｏｒ２−ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）である。よって、駆動方向は、図２（ｂ）に概略的に示されるように、かかる結晶において分極方向と直交する。
【００３４】
横（ｄ３１またはｄ３２）モード結晶を使用してマルチステークアクチュエータを作製する場合、結晶の１−（または２−）駆動方向は、軸方向と平行とされ、分極（３−）方向は、実際の構造に依存して、アクチュエータの径または円周方向に沿うことができる。
【００３５】
個々の結晶に代えて、各ステークは、装置の駆動電圧を低減するのに、背中合わせまたは適切な形状に接合された一対または適切な数の結晶で構成してもよい。
【００３６】
圧電単結晶は、脆く、曲げまたは捻られると、特にそれらが長くかつ薄い場合に、容易に破損する。単結晶作動素子を様々な擬環多角形の配置にする構成は、モフェットらにおいて記載されるように、完全に面取りされた単結晶プレートまたはバーによって達成することができる。しかしながら、薄い面取りされた縁部は、極めて脆く、取り扱いおよび使用時に欠け易いので、これは勧められない。
【００３７】
面取りすることなく、個々の長方形の単結晶作動素子を、エポキシ樹脂単独で所定の形状に接合することは、常に問題が多い。これは、エポキシ樹脂の性質は、供給時に、高い流動性から高い粘性に劇的に変化し得、硬化によって大幅に収縮するためである。その結果、不完全な接合および／または歪んだ形状の製品となる場合がある。
【００３８】
成形した縁部接合ガイド兼補強材および形成したワッシャ補強部材は、以下の機能を果たす。第一に、それらは、アクチュエータを、所定の配置として、三角形、四角形、長方形、六角形、八角形、およびその他の奇数および偶数の擬環多角形の形状に構成するのに使用される。第二に、それらは、接合処理において使用されるエポキシ樹脂の量を制御および最小化するのに役立つ。第三に、それらは、曲げおよび捻り強度、ひいては最終装置の構造安定性を向上するように作用する。
【００３９】
成形した縁部補強材は、薄い単結晶が作動素子として使用された壊れ易い装置に必要な硬度および強度を提供するのに特に有用である。好ましくは、それらは、結晶の全有効長に及ぶべきであるが、連続性を欠いた構造により、隣接した結晶同士の間でのリード線の接合またはその他の所定の機能のために、隙間を形成することも可能である。
【００４０】
エポキシ樹脂および縁部補強材兼ガイド（２）で、適切な数の長方形の結晶（１）を接合することにより作製された六角形横断面の結晶組立体の一例が図３に示される。アクチュエータを完成するために、リード線および成形した上下部ワッシャが組立てられた結晶上に接合される。太線は、エポキシ樹脂接合部（３）を示す。
【００４１】
正確な面取り角度に加えて、以下の機能を果たすために、形成した縁部補強材は、異なる構成および構造であってもよい。一方、それらは、単結晶作動素子を所定の配置に構成するために、エポキシ樹脂接合時に、接合ガイドとして機能するよう十分に堅くあるべきである。一方、非駆動部材としては、それらの横断面従って容量が、得られるアクチュエータの軸方向の変位に、最終的に悪影響を与える可能性のある単結晶の軸方向の駆動に対して、非常に多くの機械的制約を課さないように、低く保持されるべきである。
【００４２】
図４に示すように、部分的に面取りされた結晶（１）は、縁部補強材兼ガイド（２）の横断面を減少させるのに使用される。太線は、エポキシ樹脂接合部（３）を示す。縁部補強材兼ガイドの使用は、エポキシ樹脂での接合によって、結晶を適切な位置に強固に保持するのに面取り面が十分大きい場合には、選択的である。
【００４３】
面取り面は、結晶の内側角部のみに適用されるべきである。得られる鋭い外側角部は脆く、取り扱いおよび使用時に容易に壊れる可能性があるので、完全に面取りされた結晶は、好ましくない。
【００４４】
エポキシ樹脂での面取り面の接合により所定の形状を保持し得るように、十分に面取りされた結晶に対しては、縁部補強材兼ガイドの使用は選択的である。しかしながら、図４に示すように、予め機械加工された縁部補強材兼ガイドは、結晶の外側角部を保護するのに有用である。これに代えて、接合された面取りされた結晶同士の間に得られる継ぎ目は、固化することで縁部補強材を形成し、結晶の外側縁部および角部に対して必要な保護を与えるだろう粘性のエポキシ樹脂またはその他の適切な混合物で充填されてもよい。
【００４５】
本発明の実施形態において、形成した縁部補強材のための候補材料は、単結晶素子の駆動方向における剛性に応じて、中等度の弾性率および硬度のポリマーから、低弾性率の金属まで種々である。縁部補強材のための例示的な候補材料は、ポリカーボネート、ＰＭＭＡ、無垢および陽極処理アルミニウム等を含む。
【００４６】
これは、ロビンソンらの業績において使用された楔形の接合ガイドおよび補強材と異なる。これらの楔は、非常に硬くかつ剛性であるアルミナで作製される。上記業績において、リングまたはシリンダアクチュエータの円周方向の振動モードは興味深い。よって、楔は、アクチュエータのこの振動モードに悪影響を与えないために、できる限り剛性でなければならない。
【００４７】
他の実施形態において、中心孔を備えるワッシャ補強材は、所定の形状および寸法に機械加工または適切な方法で形成されている。例えば、三角形状のワッシャは、三角形横断面のマルチステークアクチュエータに、四角形状のワッシャは、四角形横断面のマルチステークアクチュエータに、六角形状または八角形状のワッシャおよび奇数または偶数の多角形は、擬環アクチュエータに使用される。
【００４８】
好適な実施形態において、ワッシャは、接合段階の際に、結晶用の位置合わせガイドとして役立つように、適切な鋳型凹部を有する。
【００４９】
ワッシャ補強材のための候補材料は、機械加工またはいかなる適切かつ安価な方法でも容易に形成可能な中等度から高い弾性率および適度な耐食性の安価な金属である。脆性およびコストの観点から好ましくないが、セラミックワッシャ補強材が使用されてもよい。
【００５０】
金属ワッシャが結晶から電気的に絶縁される必要がある場合、絶縁性表面層またはコーティングを形成するために、表面が処理可能な材料が使用されるべきである。
【００５１】
これに代えて、薄いガラスシートのような薄い硬質絶縁層は、上記効果を提供するために、ワッシャの下側に接合してもよい。ガラスシートの使用は、必要時に、超音波加工により容易に鋳型とし得るという利点もある。
【００５２】
アクチュエータ中のそれらの位置に応じて、ワッシャは、それぞれ端部および中間ワッシャに区別することができる。
【００５３】
端部ワッシャは、マルチステークアクチュエータの上下端部面上に接合され、得られる装置に対する補強材としてだけでなく、負荷および応力等化部としても機能する。
【００５４】
中間ワッシャは、大きい軸方向での変位が必要な場合に、短い結晶を長いアクチュエータの製造に使用可能とする。短い結晶と中間ワッシャとの併用は、結晶の曲げおよび捻り欠損のリスクを有為に低減する。
【００５５】
中間ワッシャを備えるマルチスタックアクチュエータの一例が、図５に示される。この図は、１つの中間ワッシャ補強材（５）を備える２セグメントの四角形横断面のマルチステークアクチュエータを示す。複数個の中間ワッシャは、様々の用途の要求に応じて使用される。中間ワッシャは、装置の改善された曲げおよび捻り強度のために、短い単結晶作動素子の使用を可能にするとともに、大きな軸方向の変位が必要な場合の長いアクチュエータのために、特に有用である。短い下部セグメントがここに示され、これは、下部セグメントの改善された曲げ強度を提供する。厚い作動素子、多くの作動素子、その他の適切な組成、カットおよび寸法の単結晶の使用を含む他の変更は、用途の要求に応じて可能である。
【００５６】
動的条件下で作動素子への曲げを完全に避けることができない場合、単結晶作動素子は、使用時に、その長さおよび横断面に沿って異なる誘発された応力および／または歪の影響を受ける。よって、作動素子の数および配置、結晶組成、カットおよび寸法を含むマルチセグメントアクチュエータの各セグメントの構造および形状は、異なる用途の要求を満たすために変更してもよい。
【００５７】
このような例は、図５に示され、下部セグメントの作動素子は、下部セグメントの改善された曲げ強度のために、上部セグメントのそれらより短い。これに代えて、高い曲げ強度の結晶カット、厚い作動素子、または多くの作動素子のいずれかは、上記目的を果たすために使用してもよい。
【００５８】
本発明の新規な特徴は、以下を含む。（ａ）構造的には、形成した縁部接合ガイド兼補強材が、単結晶素子を所定の配置従って横断面に構成するために使用され、これは、接合処理で使用されるエポキシ樹脂の量を制御および最小化するのにも役立ち、組立て時の装置に対する品質保証を提供し、ワッシャ補強材とともに、得られる装置の曲げおよび捻り強度従って構造安定性を向上する。（ｂ）機能的には、主に積層または曲げ型構造の市販の最新式圧電アクチュエータと比較して、本発明は、（ｉ）大きくかつ均一な軸方向の変位（積層型と比較して）、（ii）良好な曲げおよび捻り強度をともなう優れた軸方向の力（曲げ型に比較して）および（iii）低減された製造コスト（単結晶リングおよびチューブと比較して）を提供する。
【００５９】
マルチステークアクチュエータを製造するために、複数の単結晶作動素子は、まず、接合ガイドとして、好適に成形した縁部補強材を使用して、エポキシ樹脂で所定の形状に接合される。全ての結晶の端面の位置合わせを確実にするために、追加の接合治具は、この接合処理を補助するのに使用される。硬化後、接合された結晶組の両端面は、上下部ワッシャのそれぞれが凹部を備える面に接合される前に、必要に応じて、平坦かつ平行となるのを確実にするために注意深く整えられる。予め機械加工された凹部を有さないワッシャに代えて、適切な接合治具が使用されてもよい。
【００６０】
これは好まれないが、上記組立工程は、逆にされてもよい。すなわち、位置合せガイドとして、ワッシャの鋳型凹部を使用して、複数の単結晶作動素子は、まず、端部ワッシャ補強材に接合される。硬化後、形成した縁部補強材は、結晶同士の間の縦の繋ぎ目内に接合される。これ代えて、結晶同士の間の繋ぎ目は、固化することで縁部補強材を形成する粘性のエポキシ樹脂またはその他の適切な混合物で充填されてもよい。
【００６１】
貫通する中心孔が必要ではない場合、ワッシャに代えて、形成した端部キャップ（中心孔を有さない）が使用されてもよい。中実の端部キャップ（６）を備える三角形横断面のステークアクチュエータの図が図６に示される。
【００６２】
球形、円筒形またはその他の適切に成形した接触点は、使用時の単結晶作動素子上への曲げ応力を最小化するのを助けるために、端部キャップの構造中に組み込まれてもよい。
【００６３】
好適な予め応力を付与する機構も、単結晶作動素子およびエポキシ樹脂接合部を圧縮して、装置の信頼性を向上するために、端部キャップおよび／またはワッシャの構造中に組み込まれてもよい。
【００６４】
図７は、装置の信頼性および耐久力を向上するために、適切な予め応力を付与する機構（７）および硬質球形接触点（８）が構造中に組み込まれた２セグメントのマルチステークアクチュエータの一例を示す。
【００６５】
目的の形状に長方形または面取りされた結晶のマルチステークアクチュエータは、図３および図４に示すように、形成した縁部補強材単独を使用して作製することもできる。しかしながら、得られるアクチュエータは、やや脆くなるので、後の操作で追加可能である適切な形態および形状のワッシャ、端部キャップまたは同様の補強端部材および中間部品で保護されるべきである。
【００６６】
形成したワッシャおよび縁部補強材の双方を使用することなく、エポキシ樹脂による個々の単結晶作動素子の接合では、面倒かつ時間を要するだけでなく、歪んだ形状の接合されたアクチュエータとなる場合がある。かかる問題は、面取りされない単結晶素子を使用する場合に特に顕著となる。
【００６７】
要求に応じて、非導電性および導電性エポキシ樹脂は、本実施形態のマルチステークアクチュエータを作製するのに上記様々な部品を接合する際に選択的に使用される。
【００６８】
得られたアクチュエータが高温で使用される場合、高温硬化型エポキシ樹脂が使用されるべきである。最大硬化温度は、使用される単結晶の脱分極温度未満に保持されるべきである。そうでければ、単結晶の所定の特性を復元するために、接合された単結晶作動素子の再分極が行われる必要がある。
【００６９】
単結晶作動素子の電極面に接続されたリード線が設けられ、これは、いかなる適切な組立段階においても装置に組み込まれ得る。リード線接合処理の際に、単結晶作動素子の完全または部分的な脱分極が生じないように、注意を払わねばならない。
【００７０】
得られる装置が軸方向変位アクチュエータとして使用される場合、全ての単結晶作動素子が、Ｄ．Ｃ．（直流）またはＡ．Ｃ．（交流）またはそれらの組み合わせである同一の電源に接続された際に、一定駆動されるように、リード線の接合時に分極結晶の極性に関して注意を払わねばならない。
【００７１】
代替手段では、アクチュエータがＤ．Ｃ．またはＡ．Ｃ．源を使用して電力供給された場合、アクチュエータの自由端が軸方向外に湾曲し、その他端が安定支持体に固定されることで、アクチュエータが曲げ型（ｂｅｎｄｅｒ）として機能する態様で、単結晶作動素子が駆動されるようにリード線を接続する。「曲げ型」なる用語は、当業者にとって周知の用語であり、本明細書中では、圧電曲げ型アクチュエータと言う。
【００７２】
他の代替手段では、アクチュエータが適切な位相シフトの好適なＡ．Ｃ．供給源を使用して電力供給された場合、アクチュエータの一方または双方の端面が、位置合わせまたは圧電モータ用途に適した継続的な回転湾曲運動に設定される態様で、単結晶作動素子が同期的に駆動されるようにリード線を接続する。
【００７３】
本発明のマルチステークアクチュエータは、十分に堅くかつ強く、従来の積層またはチューブ圧電アクチュエータとして取り扱いおよび使用することができる。本発明の実施形態の一つは、本発明のマルチステークアクチュエータの少なくとも一つが、変位駆動手段、湾曲駆動手段または回転湾曲手段として使用されるいかなる派生装置をも含む。本発明の他の実施形態では、本発明のマルチステークアクチュエータが固定子として使用される圧電モータまたはマイクロモータが開示される。
【００７４】
我々の発明の動作原理の主要な特徴からかけ離れることなく、本実施形態で選択された形状、寸法、材料が、若干異なるが均等な方法で、適合、改変、改良または置換されてもよく、およびアクチュエータの性能および信頼性を増大させるために、追加の部品が付加されてもよいことは、当業者にとって明白である。これらの置換、変更、改変または改良は、以下の請求項の範囲および文言に包含されるものと考えられる。
［本発明の利点］
１）従来の積層アクチュエータと比較して、均一かつ優れた軸方向の変位を備える圧電アクチュエータを提供する。
２）従来の湾曲型アクチュエータより、高い軸方向の力および適度な曲げおよび捻り強度を備える堅牢な構造のアクチュエータを提供する。
３）単結晶リングまたはチューブに比較して、低製造コストのアクチュエータを提供する。
４）様々な用途の要求を満たすために、所定の形状のアクチュエータを提供する。
５）一定のアクチュエータ性能を備える上記アクチュエータを組み立てるための方法および必須の工程を提供する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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