(57)【要約】本発明は、圧電ユニット（５）を少なくとも一方の側壁上に備えた縦長の支持材（２）を有する圧電屈曲変換器に関する。圧電ユニット（５）は、１つ以上の圧電材層（１２）とそれらの層に関連付けられた電極（１３ａ、１３ｂ）とを備える。さらに、圧電ユニット（５）は、圧電体（８）の外縁を取り囲む電気絶縁被膜を備える。圧電体（８）と支持材（２）との間に位置する被膜部分（２６）には、１つ以上の導電フィードスルー（２７ａ、２７ｂ）が設けられており、それらが電極（１３ａ、１３ｂ）と支持材（２）との間に必要な電気接続を形成している。
2004515904.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つ以上の圧電材層（１２）とそれらの層に関連付けられた電極（１３ａ、１３ｂ）とを備えた圧電体（８）を有する圧電ユニット（５、５ａ）を、少なくとも一方の長手側面上に取り付けた細長い支持体（２）を備えた圧電屈曲変換器であって、圧電ユニット（５、５ａ）が、圧電体（８）を包み込む電気絶縁被膜（２５）を備え、その被膜が、電極（１３ａ、１３ｂ）と電気接触するための１つ以上のフィードスルー（２７ａ、２７ｂ）を備えることを特徴とする圧電屈曲変換器。
【請求項２】
フィードスルー（２７ａ、２７ｂ）が、圧電体（８）と支持体（２）との間に位置する絶縁被膜（２５）の部分（２６）に配置され、電極（１３ａ、１３ｂ）と支持体（２）、具体的には支持体（２）の導電体（７ａ、７ｂ）、との間を導電接続することを特徴とする、請求項１に記載の圧電屈曲変換器。
【請求項３】
それぞれのフィードスルー（２７ａ、２７ｂ）において、支持体（２）が、導電接触面（３３）を有することを特徴とする、請求項２に記載の圧電屈曲変換器。
【請求項４】
それぞれのフィードスルー（２７ａ、２７ｂ）ごとに、支持体（２）に面する被膜（２５）の部分（２６）の外面（２４ｂ）上に、支持体（２）に載る接触形成層（３２）が設けられ、接触形成層（３２）が、好ましくは、支持体（２）を電極（１３ａ、１３ｂ）に接触させるための接続路の形に形成されることを特徴とする、請求項２又は３に記載の圧電屈曲変換器。
【請求項５】
支持体（２）が、単層又は複層に設計されていて、その駆動電圧が、支持体（２）の導電体（７ａ、７ｂ）を介して加えられることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれかに記載の圧電屈曲変換器。
【請求項６】
導電体（７ａ、７ｂ）が、少なくとも部分的に複層支持体（２）の内部に配置されることを特徴とする、請求項５に記載の圧電屈曲変換器。
【請求項７】
少なくとも２つのフィードスルー（２７ａ、２７ｂ）が、支持体（２）の長手方向に間隔を開けて配置されることを特徴とする、請求項１ないし６のいずれかに記載の圧電屈曲変換器。
【請求項８】
支持体（２）が、繊維強化合成体からなり、より具体的には炭素繊維強化又はガラス繊維強化エポキシ合成樹脂からなることを特徴とする、請求項１ないし７のいずれかに記載の圧電屈曲変換器。
【請求項９】
支持体（２）が、ポリイミドからなり、具体的には一体化された電極構造を有することを特徴とする、請求項１ないし８のいずれかに記載の圧電屈曲変換器。
【請求項１０】
圧電体（８）が、複層圧電体の形に設計されることを特徴とする、請求項１ないし９のいずれかに記載の圧電屈曲変換器。
【請求項１１】
圧電ユニット（５、５ａ）の被膜が、誘電材の特性を有することを特徴とする、請求項１ないし１０のいずれかに記載の圧電屈曲変換器。
【請求項１２】
被膜が、パリレンプラスチックの、好ましくはポリマーフィルムの形状のものからなり、好ましくはいわゆるパリレンＣからなることを特徴とする、請求項１ないし１１のいずれかに記載の圧電屈曲変換器。
【請求項１３】
被膜が、ポリイミドプラスチック層からなり、好ましくはいわゆるキャプトンからなることを特徴とする、請求項１ないし１２のいずれかに記載の圧電屈曲変換器。
【請求項１４】
被膜（２５）が、層沈殿法により製造されたプラスチック層により形成されることを特徴とする、請求項１ないし１３のいずれかに記載の圧電屈曲変換器。
【請求項１５】
フィードスルー（２７ａ、２７ｂ）が、被膜（２５）の貫通孔（２８）に導入された導電材料からなり、その材料が、例えば導電接着剤であることを特徴とする、請求項１ないし１４のいずれかに記載の圧電屈曲変換器。
【請求項１６】
支持体（２）が被膜されていないことを特徴とする、請求項１ないし１５のいずれかに記載の圧電屈曲変換器。
【請求項１７】
圧電ユニット（５、５ａ）が、支持体（２）に結合されていることを特徴とする、請求項１ないし１６のいずれかに記載の圧電屈曲変換器。
【請求項１８】
支持体（２）には、向かい合う２つの長手側面上でそれぞれの圧電ユニット（５、５ａ）が取り付けられることを特徴とする、請求項１ないし１７のいずれかに記載の圧電屈曲変換器。
【請求項１９】
被膜（２５）の外面が、好ましくは作動面及び／又はシーリング面として直接用いられることを特徴とする、請求項１ないし１７のいずれかに記載の、駆動及び／又はシーリング機能を備えた設定部材としての圧電屈曲変換器の使用法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、圧電ユニットを少なくとも一方の長手側面上に取り付けた細長い支持体を有する圧電屈曲変換器に関する。圧電ユニットは、１つ以上の圧電材層とそれらの層に関連付けられた電極とを備えた圧電体を有し、電極は、支持体に導電接続されている。さらに、本発明は、そのような圧電屈曲変換器の使用法に関する。
【０００２】
公開公報ＷＯ９９／１７３８３に示されているような従来の圧電屈曲変換器は、向かい合う長手側面にそれぞれ圧電ユニットを取り付けた細長い支持体を備えている。圧電ユニットは、複層技術を用いて製造された圧電体を備え、圧電体は、複数の圧電材層とそれらに関連付けられた電極とを有している。電極に駆動電圧を加えることにより、圧電体に電界が生じ、この結果、圧電体に長手方向の収縮が起こり、さらには、圧電屈曲変換器が、圧電屈曲変換器の保持位置に対して揺動運動をするように歪曲する。電極に駆動電圧を加えることができるように、それぞれの圧電ユニットは、電圧源に接続可能な支持体と電気接触している。
【０００３】
このような既知の屈曲変換器は、その動作中、湿気による問題を起こすことがある。圧電屈曲変換器が、例えば流体流を制御するためのバルブの設定部材として使用され、始終湿気を含む圧力媒体により取り巻かれるような場合、部分的な漏電が起き、圧電屈曲変換器の歪曲特性及び圧電屈曲変換器に取り付けられた手段の機能的な信頼度が損なわれる可能性がある。
【０００４】
本発明の目的は、簡単に製造できる一方で、外部からの影響を受けにくい、より具体的には、湿気に影響されない、冒頭に述べたような圧電屈曲変換器を提供することである。さらなる目的は、このような圧電屈曲変換器の使用法にある。
一番目の目的は、冒頭に述べたような圧電屈曲変換器により達成される。この圧電屈曲変換器においては、圧電体は、圧電体を包み込む電気絶縁被膜を備え、その被膜は、電極と電気接触するための１つ以上のフィードスルーを備える。
【０００５】
この方法により本発明が提供する圧電屈曲変換器の場合、電極を有する圧電体は、それを取り巻く電気絶縁被膜で完全に包まれ、外部と仕切られる。圧電体とその構成部分とは、外部の影響から守られているため、湿気などによる機能的な損傷は起きない。駆動電圧の供給のため、圧電ユニットは、それ独自の設計に基づいて、被膜を通して延在する１つ以上のフィードスルーを備えている。
【０００６】
原則として、圧電屈曲変換器全体を均一の被膜で覆うことは可能であるが、支持体とは別に、１つ以上の既存の圧電ユニットを被膜するのが、製造技術及び費用の両方の点から大いに有利である。フィードスルーは、圧電体の電極と支持体の導体との間を導電接続したり、あるいは導電体の他の外側面上の電極につながっている。
【０００７】
本発明のさらに有利な展開を従属請求項に記載する。
フィードスルーが、支持体に面した被膜部分に位置していると便利である。なぜなら、圧電ユニットを支持体に取り付けと、それぞれの圧電ユニットと支持体との間の電気接触とが同時に行われるからである。さらに、圧電ユニットと支持体との間に通常存在して圧電ユニットを固定する接着層が、外部から確実にフィードスルーの周辺部を遮断してくれる。
【０００８】
各フィードスルーにおいて、支持体は、フィードスルーに接続された導電接触面を有するのが好ましい。また、各フィードスルーが、被膜部分の（支持体に面する）外面上に、支持体に載る接触層を備えると有利である。この層は、支持体に接触する役割を果たす。確実かつ安全な接触効果を保ちつつ圧電ユニットを配置するために必要となる複雑な調整作業を不要にするには、この層が、かなり大きな表面を有するように製造するとよい。
【０００９】
本発明による構造は、圧電体が、１つの圧電材層しか備えていない場合、すなわちモノリシック圧電体に形成された場合にもまた有利である。しかしながら、複数の電極を存在させるためには、複数の圧電材層を有する複層圧電体が特に推奨される。
【００１０】
電気絶縁被膜の材料としては、パリレン（ｐ−キシレンから形成される熱可塑性ポリマーフィルムの総称）又はポリイミド（通常芳香族を含む高温安定プラスチックの総称）を用いるのが好ましい。
フィードスルーは、どんな方法で形成されてもよい。特に単純な設計の場合、被膜の製造中に被膜に機械で貫通穴を開け、その穴に導電材、例えば導電接着剤を詰め込む。
【００１１】
原則として、支持体は、それ自身の被膜を備えていてもよい。しかしながら、圧電体の形で、関連要素もまた被包されるため、支持体は被膜なしでもよい。
圧電屈曲変換器は、ユニモーフォス屈曲変換器として、圧電体を１つだけ備えていてもよいし、又は、トリモーフォス屈曲変換器として、２つの被包された圧電体を向かい合う長手側面上に配置してもよい。
【００１２】
上述したさらなる目的を達成するために、例えば、流体制御に利用されるバルブに関連して、駆動又はシーリング機能を備えた設定部材としての圧電屈曲変換器の使用法を提供する。被膜の外面は、ここでは作動面及び／又はシーリング面として直接利用されてもよく、その関係で、所望の摩擦係数及び／又はシーリング特性を備えた材料から構成するのがよい。
【００１３】
以下に、本発明を付属の図面を参照しながら詳細に説明する。
図１で参照番号１により概して参照される圧電屈曲変換器は、板状の細長い支持体２を備えており、支持体２は、シート状に構成され、１つ以上の層からなる。例示されているのは単層設計で、例えば炭素繊維又はガラス繊維で強化されたエポキシ樹脂のような、合成繊維材からなるのが好ましい。さらに好ましい設計の場合、プラスチック、例えばポリイミド、の複層構造を有する。この材料には電極構造が含まれていてもよい。
【００１４】
図１で一点鎖線３により示されているのが、このような複層設計であり、同時に支持体２の拡張された部分が示されている。
支持体２の長手側面上の広い領域を占める２つの外面のうちの一方は、第一支持面４として示され、その前面には第一圧電ユニット５が設けられている。第一圧電ユニット５もまた細長い構造を有しており、支持体２の長手軸に平行に延びるが、支持部２の接続部６が第一圧電ユニット５を越えて後方に突出するように、支持体２よりもいくらか短いのが好ましい。
【００１５】
支持体２は、長手方向に延びる複数の導電体を備えており、ここでは、わかりやすいように、その導電体を第一及び第二導電体７ａ、７ｂと称する。導電体７ａ、７ｂは、接続部６の終端部分から第一圧電ユニット５の下に向かって延びている。接続部６において、第一及び第二導電体７ａ、７ｂは、既知の方法で動力供給回路に接続可能であり、圧電屈曲変換器１の動作に必要な駆動電圧を生成又は昇圧する。第一及び第二導電体７ａ、７ｂは実施例では、第一支持面４上に延びている。
【００１６】
第一支持面４上に配置された第一圧電ユニット５は、細長い圧電体８を有しており、圧電体８においては、いくつかの圧電材層１２が平らに延びており、長手面３に対し直角である積み重ね方向９に積層されている。圧電材には、例えば圧電セラミックが適している。積み重ね方向９において直接隣接する圧電材層１２間には、シート状の交流電極１３ａ、１３ｂが延在している。それらは、例えば銀及び／又はパラジウムメタライズ層の形をとる、金属化層として形成されてもよい。支持体２に隣接している最下層の圧電材層１２ａと支持体２とは反対側の最上層の圧電材層１２ｂとは、複層体に面していない側に電極を有していないのであるが、これらを除き、圧電材層１２は、それぞれ第一及び第二電極１３ａ及び１３ｂに両側面を接している。
【００１７】
第一及び第二電極１３ａ及び１３ｂは、圧電材層１２から末端で張り出している。全ての第一電極１３ａが、共に第一電気接触手段１４ａに連結されていて、第二電極１３ｂは、第二電気接触手段１４ｂに接触している。
第一圧電ユニット５に第一電気接触手段１４ａを取り付けることにより、第一電極１３ａは、支持体２の第一導電体７ａに接続される。同様に、第二電気接触手段１４ｂを介して電極１３ｂと第二導電体７ｂにも電気接触が生じる。
【００１８】
第一圧電体５は、第一支持面４に何らかの適切な方法で固定されている。例示した実施例においては、接着により固定されており、第一圧電ユニット５の最下層側と第一支持面４との間には接着層１５が挿入されている。
適切なレベルの駆動電圧を第一及び第二導電体７ａ及び７ｂを介して第一及び第二電極１３ａ及び１３ｂに加えた場合、積み重ね方向に分極した電界が圧電材層１２内部に形成される。この電界には、圧電屈曲変換器１の長さ方向１６において計測される圧電材層１２の長さ寸法を短くする効果がある。この結果、圧電屈曲変換器１は弓形になり、矢印１７により示されるような屈曲変換器の長手方向に垂直に歪曲が起こる。この作用は、駆動又はシーリング機能を実行するために用いられてもよい。
【００１９】
実際の使用において、圧電屈曲変換器１はその後部側において保持され、その前部において歪曲作用を起こす。屈曲変換器は、接続部６及び／又はそれに隣接する第一圧電ユニット５の後部末端部分で保持されてもよい。
圧電屈曲変換器１の好ましい応用形態を、図１の一点鎖線により示す。ここには、流体ダクト開口部２３を第一圧電ユニット５の（支持体２に面していない）最上部の外面２４ａに向けた流体ダクト２２を備えたバルブのハウジング１８の部分が線図で示されている。圧電屈曲変換器１は、制御の状態に基づいて流体ダクト開口部２３を開いたり閉じたりすることにより流体流の制御に利用されることができる。その結果、圧電屈曲変換器１は、ここではシーリング機能を実行する。
【００２０】
圧電屈曲変換器を他に応用することも可能である。圧電屈曲変換器は、例えば駆動機能を実行してもよく、その場合、設定部材として、バルブ構成要素などの駆動されるべきあらゆるタイプの構成要素に作用する。
圧電体８は、例示された複層構造の代わりに単一層構造であってもよく、その場合、圧電体８は、圧電材がモノリシック構造となるようにより厚みのある単一圧電材層から構成される。
【００２１】
第一圧電ユニット５には、さらに、圧電体をあらゆる面から、すなわち完全に包み込む電気絶縁被膜２５を備えるという特徴がある。全ての圧電材層１２及び電極１３ａ及び１３ｂは、一種の外皮としての被膜により包まれ、外部環境から切り離される。この結果、あらゆる湿気又はその他の有害な影響に対して最適な保護が得られる。
【００２２】
さらに、圧電ユニット５の圧電体８は、それ自身は被膜されずに最適な状態に設計される支持体２に直接接触しない。支持体２への取り付けのために、上述の接着層１５が第一支持面４と、それに面する支持体２と圧電体８との間に延在する最下層被膜部２６の最下層外面２４ｂとの間に塗布される。
【００２３】
支持体２上に設けられた第一及び第二電極１３ａ及び１３ｂと第一及び第二導電体７ａ及び７ｂとの間で電気接触を起こすために、第一圧電ユニット５が、最下層被膜部２６に、被膜２５を通して延在するフィードスルー２７ａ及び２７ｂを備えるのが好ましい。被膜２５により包まれた空間内部で、フィードスルー２７ａ及び２７ｂは、第一及び第二接触手段１４ａ及び１４ｂに正しく接続され、第一圧電ユニット５の外部で、第一及び第二導電体７ａ及び７ｂに電気接触する。
【００２４】
第一及び第二フィードスルー２７ａ及び２７ｂは、被膜２５により境界を定められた圧電体８を含む内部空間に流体が入らないようにシールできるように構成されている。実施例においては、これは、被膜２５がフィードスルー２７ａ及び２７ｂに貫通孔２８を備えることにより達成され、この貫通孔には、例えば導電接着剤又は導電プラスチック材が詰められる。その材料は、被膜２５の材料との自然発生的な接続を提供する。
【００２５】
被膜２５が絶縁材料から構成され、好ましくは誘電材料が使用されるため、漏電やその他の損傷は避けられ、被膜２５により覆われた電極１３ａ及び１３ｂ、そして電気接触手段１４ａ及び１４ｂに関して、より特殊な追加の電気絶縁手段が不用になる。
【００２６】
具体的に適正があると証明された被膜２５の材料は、パリレンポリマーフィルム（パリレンは通常ｐ−キシレンから製造された熱可塑性ポリマーフィルムを意味する）である。より具体的には、いわゆるパリレンＮ（非置換ポリパラキシリレン）、パリレンＤ（２つの芳香性水素原子を２つの塩素原子に置き換えたもの）又はパリレンＣ（１つの芳香性水素原子を１つの塩素原子に置き換えたもの）が使われ、最後に述べた材料が、その電気的及び物理的特性から最も好ましい。より具体的には、その被膜は、湿気及び腐食性ガスに対する浸透性が非常に低い。圧電屈曲変換器の全体の寸法が、被膜をしてもほとんど変わらないように、パリレンポリマーは、構造的に連続した、非常に薄い層の形状に製造されるとよい。
【００２７】
被膜２５の材料として、パリレンプラスチックからなるパリレンポリマーフィルムの代わりに、ポリイミドプラスチック、好ましくはデュポンにより販売されているキャプトンを使用することも可能である。
プラスチック被膜２５の製造は、例えば層沈澱処理の一部として実行されてもよい。
【００２８】
支持体２に圧電ユニット５を提供する操作が可能な限り寸法公差に影響を与えないようにするためには、各フィードスルー２７ａ及び２７ｂが、被膜部２６の支持体２に面する最下層外面２４ｂ上に設けられた接触形成層３２を備えると有利である。この層３２は、それぞれのフィードスルー２７ａ及び２７ｂに接続されるものの、それよりも広い基部面積を有する。接触形成層３２は、図２に鎖線で示されている。
【００２９】
同様に、第一及び第二導電体７ａ及び７ｂがそれぞれのフィードスルーに導電接触面３３を有すると有利である。この接触面３３は、図２に一点鎖線で示されている。接触面３３の基部面積は、接触形成層３２よりも大きいと有利である。これにより、接触形成層３２は、それに関連付けられた接触形成面３３上に十分に収まる。接触形成層３２は、接触形成面３３や全ての電導体７ａ及び７ｂと同様に、適切な金属化層により構成されてもよい。
【００３０】
実施例の第一圧電ユニット５が２つの電極１３ａ及び１３ｂを備え、各電極グループのためにフィードスルー２７ａ及び２７ｂが設けられているため、第一圧電ユニット５は、好ましくは支持体２の長手方向１６において間隔を開けて配置された２つのフィードスルー２７ａ及び２７ｂしか有しない。圧電ユニットの設計により、単一フィードスルー２７又は３つ以上のフィードスルーを設けてもよい。
【００３１】
実施例の圧電屈曲変換器１は、たった１つの圧電ユニット５を備えたユニモーフォス構造を有する。しかしながら、本発明は、より多くの圧電ユニットを有する屈曲変換器１にももちろん応用可能である。図１に示したトリモーフォス圧電屈曲変換器は、この点で例としての役割を果たしており、支持体２が第一支持面４と反対側の長手側面上に第二支持面４ａを有し、支持面４ａに第二圧電ユニット５ａ（一点鎖線で示されている）が取り付けられる。
【００３２】
圧電屈曲変換器１のさらなる利点は、被膜２５の材料を適切に選択することにより、駆動及び／又はシーリング目的で必要な、他装置との接点を設計するために構成要素を追加しなくてもよいという点である。この場合、被膜２５の外面は、作動及び／又はシーリング面として直接利用され、そこで圧電屈曲変換器１は駆動されるべき構成要素及び／又はバルブシートに接続する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好ましい実施例における圧電屈曲変換器の縦断面図であり、図２の一点鎖線Ｉ−Ｉで切り取った場合の拡大図を示している。
【図２】図１の圧電屈曲変換器の平面図であり、縦断面を一点鎖線ＩＩ−ＩＩで切り取った場合を示している。
【国際公開パンフレット】
2004515904.tif 000003
2004515904.tif 000004
2004515904.tif 000005
2004515904.tif 000006
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2004515904.tif 000019
2004515904.tif 000020
2004515904.tif 000021
【国際調査報告】
2004515904.tif 000022
2004515904.tif 000023
2004515904.tif 000024
2004515904.tif 000025
2004515904.tif 000026
2004515904.tif 000027