【手続補正書】
【提出日】平成17年9月7日(2005.9.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【発明の名称】湾曲した電気起動のアクチュエータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気起動材料の湾曲した素子に関する。特に、本発明は通電時に並進運動を呈する電気起動アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気起動材料とは、印加された電気状態に応答して変形するか、その寸法を変化させる、又は逆に加えられた機械的力に応答して変化する電気的特性を有する材料である。最もよく知られ、最も使用されているタイプの電気起動材料は、圧電材料であるが、他のタイプの電気起動材料には電気歪み及びピエゾ抵抗材料がある。
【０００３】
電気起動材料を使用する多くのデバイスが知られている。最も単純な圧電デバイスは、電極の方向に起動電圧を印可すると拡張・縮小モードで起動する事前電極化、つまり事前に配向された圧電材料のブロックである。
【０００４】
圧電デバイスは容量性の性質であるので、幾つかの望ましい機械的及び電気的特性を呈する。印加された電荷から機械的歪みへと非常に効率的にエネルギーを結合し、高い帯域幅で大きい力の出力と、無視できる抵抗熱とを生じる。その容量性の性質のため、このようなデバイスは、ゼロの変位率で最少の電流を流す。電気起動デバイスの剛性は、電気起動材料によって決定され、これは一般に結晶質、セラミック又はポリマ系である。しかし、電気起動効果は極めて小さい、例えば１ｎｍ／Ｖのオーダーであるので、寸法変化は比較的小さく、高い電圧が必要である。したがって、変位を大きくするため、さらに複雑な電気起動構造が開発されている。
【０００５】
変位を増大させるため、スタック、ユニモーフ又はバイモーフ・ベンダ、再屈曲ベンダ、波型ベンダ、渦巻又は螺旋設計など、幾つかの設計が導入されてきた。
【０００６】
例えば、圧電多層スタックは、スタックの合計変位が個々のプレートそれぞれの変位の和になるよう、複数の圧電リング又はプレートを接続して作成することができる。内部電極が隣接するプレートを分離する。スタックは、圧電電荷係数及び印加電位に従い垂直の変位を提供する。１０ミクロン以上の合計変位を提供するには、数百枚のプレートが必要である。
【０００７】
標準的なユニモーフ・ベンダは、平坦な圧電細片を一方側から金属シムに接着させて作成する。電圧を印加すると細片が伸張し、ユニモーフ・ベンダが屈曲又は湾曲形状になる。変位範囲を増加させるには、大部分はカンチレバー構造であるバイモーフ構造は２つの積層圧電層を使用し、したがって反対の極性の電圧が印加される２つの内外電極を有する。２つの外層に電界を加えると、一方の層が拡張して、他方が収縮する。その結果、カンチレバー・ビームの先端に比較的広い変位がある状態で、屈曲動作になる。カンチレバー構成では、先端の変位は、カンチレバーの長さ、印加電圧、及びカンチレバーの厚さに関連する。カンチレバー圧電アクチュエータは、０．３ｍｍの自由たわみを達成するために２５ｍｍ以上のオーダーの長さを必要とする。強化したバイモーフ、つまり中心シムを有するバイモーフは、実際には９つの層、つまり２つの圧電セラミック層、４つの電極層、２つの接着層、及び中心シムで構成されていることに留意されたい。
【０００８】
圧電ベンダの最大変位をさらに増加させるため、スタック及び強化したスタック、鎖又は延長したベンダのシートを形成することが知られている。このようなデバイスは、例えば米国特許第３，８１６，７７４号、第４，０２８，６６６号、第５，４１０，２０７号及び第６，１０７，７２６号に記載されている。スタック状の再屈曲アクチュエータの設計については、Ｊ．Ｄ．Ｅｒｖｉｎ及びＤ．Ｂｒｅｉが「Ｒｅｃｕｒｖｅ  Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ−Ｓｔｒａｉｎ−Ａｍｐｌｉｆｙｉｎｇ  Ａｃｔｕａｔｏｒ  Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ」（ＩＥＥＥ／ＡＳＭＥ  Ｔｒａｎｓａｚｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ、Ｖｏｌ．３、Ｎｏ．４、Ｄｅｃｅｍｂｅｒ  １９９８、２９３−３０１）に記載している。
【０００９】
ベンダ、スタック、管及び他の電気起動アクチュエータは、微小位置決め用途や音波処理から印刷用途まで多様なエンジニアリング・システムで使用されている。一般に、アクチュエータは、力を生成し、変位を実行する、例えばレバー又は他の力伝達装置、ピストン又はダイアフラムを移動させるか、構成要素を正確に位置決めするか、同様のシステム機能を可能にするため、このような用途に使用されている。このような機能のために使用されるアクチュエータは、通常、所望の起動変位又は所望の力が所与の負荷に送出されるストロークを提供するよう設計される。
【００１０】
設計に応じて、電気起動アクチュエータは、回転又は並進変位、又は両方の動作の組合せを生成することができる。
【００１１】
最近、コイル状圧電テープの螺旋構造を使用して、比較的大きい並進変位が達成された。このような２重コイル・デバイスは、数センチメートルのオーダーの有効長さで数ミリメートルのオーダーの変位を容易に呈することが判明した。
【００１２】
単純な円盤又はブロックを重ねて電気起動材料のスタックにし、寸法の累積的変化を達成することは、比較的成熟した技術であるが、ベンダをスタックに接続する、又は、螺旋を生成することは、なお非常に困難な仕事である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
したがって、ベンダのスタック又は２重コイル・ベンダと同様の性能を維持しながら、製造が容易になった電気起動材料の新規構成を提供することが、本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
以上の目的に鑑みて、本発明は、従属請求項に記載されたような装置及び方法を提供する。
【００１５】
本発明の第１態様によると、連結部材又は要素によって連結された電気起動ベンダの鎖が提供される。ベンダの鎖は、例えば円弧、円の一部、楕円、渦巻、螺旋などを形成するよう、非直線の曲線あるいは均一又は不均一な曲率の輪郭に沿って屈曲する。
【００１６】
各ベンダは薄い、又は、２次元である。つまりその幅及び／又は長さが、少なくとも１桁、厚さを上回る。第１のベンダは通常は不動の支持構造、例えばハウジングに固定されるが、隣接するベンダ同士が突き当たる縁の間のギャップをまたぐ連結要素又はジョイントは、その後のベンダに力を伝達する結合を提供する。あるいは、近位縁又は隅で先行するベンダと連結されたベンダが、遠位縁又は隅で後続のベンダと連結されるよう、ジョイントを位置決めする。効果的に、ジョイントは、１つのベンダの遠位縁における変位を後続ベンダの近位縁に伝達する。したがって、１つのベンダの端部が変位すると、後続ベンダの、つまり残りのベンダの鎖のベースを並進させて、オフセットさせる。
【００１７】
原則的に、電気起動材料のどのベンダも本発明のアクチュエータに使用することができるが、印加ボルト当たりの使用可能なたわみ量を大きくするため、ベンダはバイモーフであることが好ましい。
【００１８】
バイモーフの曲率がマイナスの曲率とプラスの曲率との間で、つまり凹と凸の間で変動する場合、ベンダの鎖を、連続的ベンダが配置されている湾曲線の面から出る方向で鎖の第１ベンダと最終ベンダ間の大きい累積並進変位が正味効果であるように設計することができる。
【００１９】
ベンダの鎖が円弧又は同様の湾曲路を辿るので、アクチュエータは中心開口を有する。この開口は、レンズなどの縁で装着する必要がある構成要素の並進運動に使用できるので有利である。
【００２０】
デバイスは、例えば金属質又はプラスチックの連結要素及び隣接するベンダを接続する適切な接着剤とを使用して、ベンダごとに組み立てることができる。しかし、本発明は、緑のテープ又はシート又は電気起動材料を使用して上述のアクチュエータを製造する方法も提供する。したがって、本発明によるデバイスは、このようなテープ又はシートに切断パターンを適用することによって製造することができ、その結果、ベンダ及び連結部は、ベンダ間に異種材料がなく効果的に連続した１つの電気起動デバイスになる。
【００２１】
使用するテープは非常に薄いことが好ましい。厚さが５０ミクロン未満、又はわずか２５ミクロン未満の薄いテープを使用することにより、デバイスの操作に必要な電圧の量を大幅に削減することができる。最大電圧ではなく生成される力の量が最も重要な設計上の考慮事項である用途では、厚さが最大１ｍｍ、又はさらに厚いテープを使用することができる。
【００２２】
好ましい方法では、２つの同心円弧又は円を切断又はパンチングして、電気起動材料のシートにし、それとともに１組の半径方向切断部が、内外の円弧又は円から交互に開始し、２つの円弧間の中間線を越えて延在し、反対側の円弧を切断せず、したがってこのように生成されたベンダ間に電気起動材料の連結要素が残る。別の好ましい方法では、テープを櫛状に対向する縁から切断し、次にアクチュエータの所望の形状に屈曲する。第１の方法では円盤状のアクチュエータになり、第２の方法は、リング状又は円筒形デバイスの製造に使用できるので有利である。
【００２３】
本発明に使用する電気起動材料は、ＰＺＴなどの圧電材料であることが好ましい。
【００２４】
本発明の以上及びその他の態様は、図面を参照した非制限的な例に関する以下の詳細な説明から明白になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明はベンダ、特にバイモーフ・ベンダの新規の構成に関連するので、本発明による構成の例に言及する前に、バイモーフ・ベンダの一般的特性について説明する。
【００２６】
最初に図１Ａを参照すると、典型的なバイモーフ１０は１対の圧電ピエゾセラミック・プレート１１及び１２を含み、これは細長くてよく、内部電極１３又は導電性シムと外部電極１４との間に挟まれる。さらに、ピエゾセラミック要素又はプレート１１及び１２は、それぞれ矢印１１１及び１２１で示すように、共通方向に電気的極性を有する、又は、極性があるように図示されている。
【００２７】
電源１５からの電位又は電圧を、例えば図１Ｂで示すような外部及び内部電極１４、１３間でピエゾセラミック要素１１と１２それぞれに加えると、要素又はプレート１１が収縮して、プレート１２が膨張し、したがってバイモーフ・カンチレバー１０が、その長手方向軸線に対して直角の方向に屈曲する。絶対変位は、ベンダに印加される電圧の強度及びその材料特性によって決定される。電源１５からバイモーフ・リーフ１０に印加される電圧の極性が逆にされると、リーフの屈曲方向は、図１Ｂに図示した方向と反対になる。
【００２８】
次に図２を参照すると、ベンダを積み重ねる既知の技術が図示されている。個々のベンダ２１は、例えばＪ．Ｄ．Ｅｒｖｉｎ及びＤ．Ｂｒｅｉが「Ｒｅｃｕｒｖｅ  Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ−Ｓｔｒａｉｎ−Ａｍｐｌｉｆｙｉｎｇ  Ａｃｔｕａｔｏｒ  Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ」（ＩＥＥＥ／ＡＳＭＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ  ｏｎ  Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃｓ、Ｖｏｌ．３、Ｎｏ．４、Ｄｅｃｅｍｂｅｒ  １９９８、２９３−３０１）で記載されたような再屈曲タイプのカンチレバーである。ベンダは、相互に面する各ベンダの主要面と接続区間２２を介して接続される。接続は、エポキシ接着剤の層と金属エンド・キャップ（図示せず）を含むよう記載されている。
【００２９】
各ベンダ２１の変位は、スタックの全体的変位を増加させ、原則的に十分な数のベンダを積み重ねて任意の量の変位を達成することができる。しかし、セラミック材料を積み重ねるのは困難な作業であり、単純な円盤の圧電材料を積み重ねて達成されるが、商業的製品として製造されるベンダ２１のスタックは希少である。難題は、主に接続区間２２に複数の異質性層を積層又は接着する必要があることから生じる。
【００３０】
したがって本発明は、電気起動材料の平坦な層上でベンダの電極化及び積層を実行することができる複数ベンダの構成を提供する。このようにして、複雑なセラミック構造の製造に通常伴う問題が大幅に軽減されることが、当業者には理解される。
【００３１】
本発明の第１の実施形態を、図３Ａに関して説明するが、これは１６個の圧電ベンダ３１１の開放リング又はディスク３１０を示す。明快さを期して、点線３２０を引いて、リングを閉鎖し、アクチュエータ３１０が休止状態でとる平坦な形状を示す。１６個のベンダ３１１のうち最初の３個は、隣接するベンダ３１１間の関係を明快にするためにラベルが付けられている。各ベンダ３１１は、基本的に、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）の平坦な長方形のバイモーフ・ベンダである。したがって、ベンダ３１１は、ベンダ３１１の面に対して直角の方向に屈曲するよう構成される。他の形状及び電気起動材料を使用できることが理解される。例えば、層に直角の屈曲を生成するよう配置された複数の層を備える他のベンダ構造を使用することができる。
【００３２】
図示のように、ベンダ３１１は均一のサイズ及び形状であることが好ましい。しかし、この好ましさは主に、それによる製造の容易さによるものであるので、他の設計考慮事項によっては、２つ以上の異なるタイプのベンダが使用されてもよい。
【００３３】
連続するベンダ３１１を、円弧に沿って配置し、基本的に中心開口がある部分ディスクを形成する。ベンダ３１１は、楕円、渦巻又は螺旋など、他の２次元又は３次元曲線に沿って配置してよい。
【００３４】
各ベンダ３１１（第１及び最終ベンダという明白な例外がある）を、横縁３１１ａ及び３１１ｂにて先行及び後続ベンダ３１１と連結する。２つの隣接するベンダ３１１の横縁３１１ａ及び３１１ｂは相互に対面し、したがって狭いスリット又はギャップを形成する。鎖ベンダは接続部３１２を介して連結される。各ベンダ３１１は、その近位隅及び遠位隅で隣と接続される。したがって、ベンダ３１１の遠位縁３２０に沿った接続部３１２、及びベンダ３１１の近位縁３２０に沿った接続部は、相互に平行な個々の曲線に沿って配置される。
【００３５】
各ベンダ３１１の変位を最大限に利用するため、接続部をベンダ３１１の最先端に配置して、隣接ベンダ３１１間のスリット又はギャップの長さを増大させる。これに対して、スリットは、最小幅で設計され、したがって所与の長さの鎖３１０に沿って最大数のベンダを配置することができる。
【００３６】
この実施形態では、接続部３１２は、ベンダ３１１と同じ電気起動材料で形成され、実際には同じベース材料のシートから切断される。しかし、金属又は接着剤などの異種材料の部分を介して接続したベンダ３１１を有することが、代替的に可能である。
【００３７】
隣接するベンダ３１１は、屈曲時に異なる方向の曲率を呈する。電圧を印加すると、隣接するベンダ３１１が図３Ｂに示すように屈曲し、これは図３Ａのアクチュエータ３１０の２つのベンダ３１１を示す。点線３２０は、ゼロ電圧印加時に第１ベンダ３１１が位置する場所を示す。
【００３８】
ベンダ３１１は、厚さの方向に、したがってベンダの面に対して直角に屈曲する。ベンダは、図３Ｂの円で囲んだ「＋」と「−」それぞれで示すように、屈曲のプラス又はマイナスの曲率を交互に呈するよう配置され、起動される。
【００３９】
アクチュエータへの累積的効果を図３Ｃに示す。各ベンダ３１１は基本的に、ベンダの典型的な回転運動を呈するが、ベンダ３１１が配置された曲線に沿った全変位の合計により、アクチュエータ３１０の主要面に対して直角の並進運動になる。変位を視覚化する一つの方法は、曲率が交互する連続的ベンダ３１１の屈曲により、連続的ベンダ３１１が配置された曲線の周囲でアクチュエータ３１０が捻れ、この捻れにより、アクチュエータ３１０が変位し、曲線の面から外れる。矢印３２３は、線３２０によって画定された面を外れたこのような累積的変位を示す。
【００４０】
次に図４Ａ及び図４Ｂに示すような本発明の別の実施形態を参照すると、アクチュエータ４１０は、部分円に配置され、ブリッジ要素を介して同じ材料と接続される複数の圧電材料のベンダ４１１を備える。この実施形態と前述した図３の実施形態とは、ベンダ４１１が変位の主要軸に平行に配置され、アクチュエータ４１０に基本的に円筒形の形状を与えるという点で異なる。上述したように、点線４２０は基線を示し、アクチュエータは通電されるとここから屈曲する。ベンダ４１１は、個々の隣接部から別個に見ると、ベンダの構成によって画定された円筒の中心に向かい、又は中心から離れて交互に屈曲する。図４Ｂの矢印４２３は、この円筒の主要軸に基本的に平行であるアクチュエータ４１０の累積運動の方向を示す。
【００４１】
次に図５を参照して、本発明による電気起動アクチュエータの製造方法を説明する。
【００４２】
第１ステップ５１として、電気起動材料のシート又はテープを、このようなシート又はテープを作成する任意の既知の方法を使用して準備する。このような方法の例には、テープ鋳造、圧縮、射出成形又は同時押出がある。後者の２つの方法は、例えばＣ．Ｎｅａｒその他が「ＳＰＩＥ  Ｖｏｌ．３３２６」（３２３−３３１）及びＡ．Ｔ．Ｃｒｕｍｍその他が「ＳＰＩＥ  Ｖｏｌ．３２２４」（（Ｍａｒｃｈ  １９９８）、２０−２７）にそれぞれ記載されている。
【００４３】
例えば、典型的なテープ鋳造プロセスでは、粉末及び溶剤（アルコール系）を含むＰＺＴ粉末のスラリを、結合剤、可塑剤及び分散剤とともに準備する。固体粒子の完全な解凝集を保証するボールミル粉砕、篩い分け及びガス抜きの後に、スラリをポリマのキャリア上に注型する。通常は、ドクター・ブレードのシステムを使用して、均一な厚さのテープを生成する。乾燥後、このテープは、当技術分野でしばしば「グリーン」と呼ばれる状態にある。
【００４４】
グリーン・テープは、限界内にて可撓性で、適合性があり、刃又はレーザ切断などの他の切断プロセス５２を使用して容易に切断することができる。その速度のため、テープ又はシートから切断すべきパターンに従い鋭利な縁を有する予備成形型を使用する打ち抜き型プロセスを使用して、残りの材料からベンダ及び連結部を１つのステップで切断することが好ましい。
【００４５】
プラチナ又は銀パラジウム粉末を結合剤及び溶剤と混合した「インク」（ペースト）を使用するスクリーン印刷として知られるプロセスにより、電極が適用される。ペーストを塗布した後、テープは約１００℃で再度乾燥される。バイモーフ構造の場合は、２つの単層が積み重ねられ、７０℃でプレスされる。この段階５３で、テープはなお適合性があり、渦巻又は螺旋などのより３次元の形状に形成することができる。
【００４６】
電極及び積層を適用した後、テープを６００から８００℃で燃焼し、有機物残滓を気化する。最終ステップ５４として、約１０００℃を超える温度で材料を硬化又は焼結する。
【００４７】
焼結後、電極間に数百ボルトを印加して、デバイスに極性を与える。
【００４８】
上述したプロセスは、組成、結合剤及び電極材料、温度などに関して変更することができる。電極ステップも、プロセス内の異なる段階に設定することができる。しかし、プロセスの以上及びその他の変形は、十分に本発明の範囲内と見なされる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１Ａ】既知のバイモーフ・ベンダの略側面図である。
【図１Ｂ】図１Ａと同様の側面図であるが、駆動又はたわみ電圧を印加した場合のバイモーフ・ベンダのたわみを示す。
【図２】先行技術による再屈曲バイモーフ・ベンダのスタックの略斜視図である。
【図３Ａ】本発明の第１例によるアクチュエータの略斜視図である。
【図３Ｂ】図３Ａのアクチュエータの詳細図である。
【図３Ｃ】図３Ａと同様のアクチュエータの略斜視図であるが、駆動又はたわみ電圧を印加した場合のアクチュエータのたわみを示す。
【図４Ａ】本発明の第２例によるアクチュエータの略斜視図である。
【図４Ｂ】図４Ａと同様のアクチュエータの略斜視図であるが、駆動又はたわみ電圧を印加した場合のアクチュエータのたわみを示す。
【図５】本発明による方法のステップを示す流れ図である。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気起動アクチュエータにして、
電気起動材料の複数の薄いベンダを備え、前記ベンダがそれぞれ相互に対向する近位縁及び遠位縁、及び相互に対向する第１及び第２横縁を有し、
前記ベンダは、前記第１横縁が先行するベンダの前記第２横縁に面し、前記第２横縁が、後続するベンダの前記第１横縁に面し、したがって隣接するベンダ間にギャップを形成する状態で曲線に沿って連続して配置され、
隣接ベンダの各対は力伝達接続部によって連結され、該力伝達接続部は前記遠位縁及び近位縁に交互に近接して配置され、
前記ベンダが反対向きの曲がりで屈曲して交互に配置されている、アクチュエータ。
【請求項２】
ベンダが、平坦、湾曲状、波状又はその組合せである、請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
ベンダが中心開口を形成するよう配置されている、請求項１又は２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
力伝達接続部が前記電気起動材料で構成されている、請求項１から３のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
ベンダ及び接続部が、電気起動材料の１つの連続するシートから形成される、請求項４に記載のアクチュエータ。
【請求項６】
力伝達接続部が、電気起動材料以外の異種材料で構成される、請求項１から３のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項７】
ベンダがバイモーフ・ベンダである、請求項７に記載のアクチュエータ。
【請求項８】
前記近位縁に近い前記力伝達接続部が、近位曲線に沿って配置され、前記遠位縁に近い前記力伝達接続部が遠位曲線に沿って配置される、請求項１から７のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項９】
前記近位曲線及び前記遠位曲線が平行である、請求項８に記載のアクチュエータ。