(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電セラミック材料のシートと、その上下に積層された複数の層から成る圧電セラミックパッケージであって、
前記圧電セラミック材料のシートは、第１表面と、第１表面の反対側の第２表面を有し、
該第１表面及び第２表面から選択される能動表面の全面が、非導電性ポリマーフィルム層と導電性リード層を含む可撓性回路によって覆われており、
該ポリマーフィルム層は、前記導電性リード層がその上に配置される第１表面と、該第１表面の反対側の第２表面を有し、該ポリマーフィルム層の第１表面は前記能動表面に対して接合し、
該導電性リード層は、該ポリマーフィルム層上に延長する複数リードセグメントのパターンを有しており、
前記可撓性回路は、硬化性材料の接合層によって前記圧電セラミック材料のシートの前記能動表面に接合されており、それによって、該シートが該接合層によって強化、防護され、該接合層と該可撓性回路とが協同して該シートの能動表面を覆う防護スキンを構成しており、
前記リード層のリードセグメントは、該接合層内に生じた微小空隙を通じて前記圧電セラミック材料の能動表面に接触して該能動表面との電気接触を確立しており、
前記接合層の硬化性材料は、前記リード層の前記各リードセグメント間を充填して前記ポリマーフィルム層の第１表面を前記圧電セラミック材料のシートの能動表面に接合しており、
それによって、該圧電セラミック材料のシートの平面内歪みが、前記ポリマーフィルム層の第２表面に伝達されるように構成されていることを特徴とする圧電セラミックパッケージ。
【請求項２】
前記硬化性材料は、高架橋性ポリマーであることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の圧電セラミックパッケージ。
【請求項３】
前記圧電セラミック材料のシートの第１及び第２横寸法は、１ｃｍより大きいことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の圧電セラミックパッケージ。
【請求項４】
前記接合層は、前記リードセグメントが圧電セラミック材料の能動表面と接触するように該リードセグメントのパターンに対して補完関係をなすパターンを有する硬化性シート材料の平面化層であることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の圧電セラミックパッケージ。
【請求項５】
前記圧電セラミックシートは、シート平面を有し、該シート平面内に電界を印加するために可撓性回路が該シートにパターンとして接合されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の圧電セラミックパッケージ。
【請求項６】
前記圧電セラミックシートは、シート平面を有し、該平面に対して垂直方向に変化する電界を印加するために可撓性回路が該シートに接触していることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の圧電セラミックパッケージ。
【請求項７】
前記リード層は、櫛形パターンを有することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の圧電セラミックパッケージ。
【請求項８】
互いに分かれて配置され、該パッケージのねじれ作動を創生するように異なる方向に作動される少なくとも２つの異なる圧電セラミックシートを含むことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の圧電セラミックパッケージ。
【請求項９】
該パッケージ内に配設された回路素子を含むことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の圧電セラミックパッケージ。
【請求項１０】
前記回路素子は、分路、フィルタ、インピーダンス整合器、記憶素子、電源、増幅器及びスイッチのうちの少なくとも一つを含むことを特徴とする請求の範囲第９項に記載の圧電セラミックパッケージ。
【請求項１１】
前記回路素子は、制御器を含むことを特徴とする請求の範囲第９項に記載の圧電セラミックパッケージ。
【請求項１２】
圧電セラミック材料の別のシートを更に備え、これら前記シート及び該別のシートは、該パッケージを湾曲させるために互いに異なる方向に運動するように該パッケージの異なる層内にそれぞれ配置されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の圧電セラミックパッケージ。
【請求項１３】
ベーン、エアフォイル、シェーカー（振盪篩）、ステップモータ、攪拌機、ダンパー及び超音波分解機の中から選択されたデバイスを構成することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の圧電セラミックパッケージ。
【請求項１４】
該パッケージは、積重体、湾曲撓み部材、シェル、プレート及びベンダーの中から選択された機械的物品を構成することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の圧電セラミックパッケージ。
【請求項１５】
押し器、フラップ、レバー、ベンダー、ベローズ及びそれらの組合せ体のうちの一つとして構成されたことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の圧電セラミックパッケージ。
【発明の詳細な説明】
技術背景
本発明は、能動的振動減少、構造的制御、動的試験、精密位置ぎめ、運動制御、撹拌、振盪付与、及び受動又は能動的減衰のために用いることができるようなアクチュエータ素子に関し、特に、振動を能動的に抑制し、構造体を作動させ、あるいは、デバイスの機械的状態を減衰するために電子的に制御可能な、別個に使用することができるパッケージ化（パッケージされた）アクチュエータ組立体に関する。以下の節に説明するように、この組立体は、構造体又はシステムに接合又は取付けることができ、作動、制御又は減衰すべきシステムと一体に統合することができる。
圧電、電気歪み又は磁気歪み材のようなスマート材は、構造的ノイズ又は音響ノイズの作動又は減衰のような高帯域幅タスクに使用することができ、精密位置ぎめ用途にも使用することができる。そのような応用例においては、スマート材をそれが制御すべき構造体に接合又は取付けることを必要とすることが多い。しかしながら、この種の材料から成る汎用アクチュエータは、一般には入手できないので、そのような制御タスクを実行するには、生の、おそらく無電極のスマート材の原材料を必要な電極、接着剤及び絶縁部材と一緒に入手し、それを対象物品に固着するか、あるいは組込まなければならないのが普通である。
そのような応用例においては、スマート材に対する機械的電気的接続部が頑丈で、スマート部材内に歪みを創生するか、あるいは、そのシステムを変位又は押圧することができるような態様に上記各材料を結合し、取付けることが必要であり、その歪み、運動又は力を制御すべき物体に結合させることが必要になる。スマート材は、温和でない環境下で使用しなければならないことが多く、従って、スマート材が機械的又は電気的損傷を受けるおそれが高くなる。
例えば、構造体の振動を抑制し、構造体を作動させるような応用例の場合、１個又は多数の圧電素子（以下、単に「素子」とも称する）を構造体に付設しなければならない。圧電素子が作動されると、圧電素子に印加された電気的エネルギーが圧電効果によって機械的エネルギーに変換され、その機械的エネルギーが圧電素子全体に亙って分配される。圧電材内に機械的インパルスを選択的に創生するか、あるいは、圧電材内の歪みを変化させることによって、その下の構造体特異的形状制御を達成することができる。固有振動を抑制するために、あるいは、制御された振動又は変位を付与するために急激な作動を用いることができる。圧電材及びその他のインテリジェント材のこのような応用例は、近年益々普及してきている。
典型的な振動抑制及び作動付与の応用例においては、圧電素子を複雑な工程順序で構造体に接合する。即ち、まず構造体の表面を機械加工し、圧電素子に接続する必要のあるリードを担持するための１つ又は複数のチャンネルを形成する。あるいは機械加工によってチャンネルを形成する方法に代わる別法として、機械的接続部と電気的接点の両方を形成するために２種類の異なるエポキシを用いることができる。この別法においては、導電性エポキシを点状に、即ち局部的にと付して導電体を形成し、構造体の残りの部分（導電性エポキシが塗布されていない部分）に構造的エポキシ（機械的な接合力を有する、即ち、構造的強度を提供するエポキシ）を塗布して、素子を構造体に接合する。次いで、全体を防護コーチングで被覆する。
この組立て方法は、労働集約的であり、しかも、エポキシによる加工に問題があるために加工のやり直しを必要とすることがしばしばある。又、この方法は特に圧電素子の心合及び接合の面でむらがあるので、個々の圧電素子間の機械的均一性を得ることが困難である。この方法で形成された電気的接続部も機械的接続部も信頼性に欠けることが多い。導電性エポキシは、望ましくない態様に流動することが多く、圧電素子の両端間に短絡を起す。更に、圧電素子は、非常に脆弱であるから、接合中又は取扱い中支持体によって支持されていないと、破損することがある。
このような在来の製造方法のもう１つの欠点は、圧電素子が構造体に接合された後、破断が生じると、圧電素子のうち導体と接触していない部分がディスエーブルされることである。それによって、素子の完全作動が阻害される。通常、作業員並びに他の回路部品を、高電圧を帯びることがあるこれらのデバイスの電極から遮蔽しておかなければならないので、遮蔽も、難点の１つとなることがある。
薄い圧電プレート、円筒体、又はディスク又は環状体の積重体のような圧電素子を制御可能な構造体に組込むための１つの方法が、米国特許第４，８４９，６６８号に開示されている。この方法は、各要素を一体の構造体として手作業で組入れる細かい作業を伴うものであり、圧電素子は、強い支持体として機能する積層複合体である構造体の内部に絶縁されて収容される。この支持体は、電極に亀裂が生じるという問題を解消し、少くとも同特許に記載されているところによれば、構造的強度を機械的作動効率の点で最大限に活用するように計算された態様で具現化することができる。更に、円筒体や、積重された環状体の圧電素子の場合は、そのような既製の圧電素子に存在する自然の通路が、配線を設置するという、さもなくば（そのような通路がなければ）困難な作業をある程度簡略化する。しかしながら、設計が簡単ではなく、製造工程に時間がかかり、組立中及び作動中、いろいろな支障を生じ易い。
動的試験の分野では、構造体のレスポンスを測定又は制御することができるように構造体を振動又は揺動させるための融通性のあるアクチュエータを必要とする。しかしながら、この分野において被試験デバイスを振動させるための一般に是認されている方法は、直線外乱を起すために電気−機械的モータを用いることから成る。そのようなモータは、一般に、モータをデカップリング（脱結合）したい信号からデカップリングするためにスティンガー設計によって適用される。それでもなお、そのような外部モータは、構造体を励振するために用いられた場合、動的カップリング（結合）に遭遇することが多いという欠点を有する。更に、このタイプのアクチュエータ（モータ）は、構造体に慣性を加えるので、望ましくない動力学的現象を惹起する。励振器（モータ）が構造体の一体部分でない場合は、構造体が接地される場合がある。これらの要因は、デバイスの挙動を著しく複雑にするとともに、対象とする状態のモデリング又は数学的分析を複雑にする。圧電アクチュエータの使用は、これらの欠点の多くを克服することができるが、上述したように、構造が複雑であること、作動特性にむらがあること、耐久性が劣ることなどの固有の問題を有する。検出の目的に圧電又は電気歪み素子を使用する場合にも同様な問題がある。
従って、素子が高帯域幅の作動能力を有し、容易にセットアップすることができ、しかも、機械的並びに電気的に頑丈であり、制御又は作動させるべき構造体全体としての機械的特性をほとんど変更させることがないように、素子を制御又は作動させるべき構造体に接合する態様を改善することが望ましい。又、圧電素子から対象構造体への高い歪み移動を達成することも、望まれる。
発明の概要
本発明によるアクチュエータ組立体は、圧電又は電気歪みプレート又はシェルのような１つ又は複数の歪み素子と、該素子の周りに防護体を形成するハウジングと、該ハウジング内に取付けられており、前記歪み素子に接続する電気接点から成り、それらの部品が組合わされて可撓性カードを構成するようになされている。この組立体の少くとも１側面は、前記歪み素子の１つの大面（例えば直方体であれば、大きい面と小さい面があるが、大きい面のこと）に付設された薄いシートを有し、そのシートの外面を物体に接合することによって、その物体と前記ハウジング内の歪み素子との間に剪断作用を受けない堅いカップリング（結合）が得られる。
好ましい実施形態においては、歪み素子（以下、単に「素子」とも称する）は、非常に薄く、好ましくは８分の１ｍｍより僅かに薄い厚さから数ｍｍまでの厚さであり、表面積が比較的大きく、幅と長さの一方又は両方の寸法が厚さ寸法の数十倍又は数百倍である圧電セラミックプレートとする。金属化フィルムが電極接点を構成し、構造的エポキシと絶縁材が、デバイスの剥離、亀裂及び周囲環境への露出を防止するためにデバイスを気密密封するように構成する。好ましい実施形態では、この金属化フィルムと絶縁材は、いずれも、強靱なポリマー材製の可撓性回路内に設け、それによって、内部に囲包された素子に頑丈な機械的及び電気的カップリングを与えるようにする。
一例として、厚さ４分の１ｍｍ、長さ及び幅が各々１〜３ｃｍである複数の長方形のＰＺＴプレート（圧電セラミックプレートの商品名であり、以下、「ＰＺＴ素子」又は単に「プレート」又は「素子」とも称する）を用いた構成について以下に説明する。これらのＰＺＴプレートを片面又は両面に銅をクラッド（被覆）した強靱なポリマー、例えば厚さ２分の１ミル、１ミル又は２ミルのポリイミドのシート上に、又はそれらのシートの間に装着する。ポリマーシートの銅層（銅クラッド）には、ＰＺＴプレートに接触するための適当な導電性電極パターン（導体パターン）が形成されている。いろいろなスペーサをプレートの周りに囲繞し、全体の構造体（ＰＺＴプレートとポリマーシートの組立体）を構造的ポリマーで接合し、プレートの厚さとほぼ同じ厚さ、例えば３０〜５０ｍｍの厚さを有する、耐水性の、絶縁された密閉パッケージとする。このパッケージは、このように囲包されているので、湾曲させたり、屈伸させたり、鋭い衝撃を受けたりしても、その中に収納されている脆弱なＰＺＴ素子が破断することがない。更に、導体パターンがポリイミドのシートに取付けられているので、たとえＰＺＴ素子に亀裂が生じたとしても、電極を切断したり、素子の全面に亙って作動を阻止したりすることがなく、あるいは、素子の性能を著しく劣化させることがない。
この薄いパッケージは、電極を完備した小さい「カード」の形の完全なモジュールユニットを構成する。従って、このパッケージは、その１つの面を構造体に接合することによって好便に取付けることができ、囲包された歪み素子と構造体との間に歪みをカップリングすることができる。この接合は、例えば、単にパッケージを接着剤で取付けることによって行うことができ、構造体とＰＺＴプレートの間にパッケージの１つの面を介して薄い、高剪断強度のカップリングを設定し、しかも、システム全体（パッケージと構造体との組合せ体）に加える質量を最少限にすることができる。これらのプレートは、エネルギーを取付け構造体内にカップリングするアクチュエータであってもよく、あるいは、取付け構造体からカップリングされた歪みに応答するセンサーであってもよい。
別の実施形態においては、ＰＺＴプレートを一平面内又は交差平面において分極化するために特定の電極パターンを選択的に上記ポリマーシート上に形成し、ＰＺＴ素子の多数層を単一のカード内に配列又は積重し、曲げ、剪断、又は特別のねじれ作動を惹起するように構成することができる。
本発明の別の側面によれば、ＰＺＴ素子によって発せられた信号を濾波、分路又は処理するために、又は、機械的環境を検出するために、あるいは、アクチュエータ素子を駆動するための電源を局部的に切り入り又は増幅するために、回路素子をモジュラーパッケージ内に、又はモジュラーパッケージと一体的に形成することができる。このアクチュエータパッケージには、パイプ、ロッド又はシャフトの周りに取付けるのに適するように例えば半円筒形の、予備成形されたＰＺＴ素子をモジュラー表面実装シェルとして形成することができる。
【図面の簡単な説明】
本発明の上記及びその他の目的並びに特徴、及びそれらを達成する態様は、以下に添付図を参照して述べる本発明の実施形態の説明から一層明かになろう。
図１Ａは、代表的な従来技術のシステムの概略図である。
図１Ｂ及び１Ｃは、本発明による２つのシステムのそれぞれ概略図である。
図２Ａ及び２Ｂは、それぞれ、本発明による基本的なアクチュエータ又はセンサーカードの上面図及び断面図である。
図２Ｃは、回路素子を備えたアクチュエータ又はセンサーカードの上面図である。
図３は、別の実施形態によるカードの概略説明図である。
図４Ａ及び４Ｂは、図３のカードの断面図である。
図５及び５Ａは、図３のカードの層構造の詳細図である。
図６は、平面内作動のためのアクチュエータパッケージの櫛形電極を示す。
図７は、図６のカードを用いたねじれアクチュエータパッケージの平面図である。
図８Ａ及び８Ｂは、それぞれ、表面又はロッドに表面実装アクチュエータとして実装されたアクチュエータの透視図である。
図９Ａ〜９Ｑは、それぞれ、機械的素子として実装されたアクチュエータの概略図である。
好ましい実施形態の説明
図１Ａは、従来技術の表面実相圧電アクチュエータ組立体（以下、単に「アクチュエータ」とも称する）１０の製造工程と全体像を概略的に示す。構造体２０は、例えば、構造部材又は機械要素、プレート、エアフォイル又はその他の相互作用シート、又はデバイス又はその一部分であり、ＰＺＴ（圧電）素子のようなスマート材のシート又はプレート１２（以下、「ＰＺＴ素子」、「スマート材」、「圧電素子」、「アクチュエータ」又は「アクチュエータ素子」とも称する）は、導電性ポリマー１４と構造的ポリマー１６の組合せ体によって構造体２０に接合されている。絶縁体１８は、その全部又は一部を構造的ポリマー１６で形成することができ、スマート材のシート１２を囲包して防護している。導電性リード又は表面電極は、導電性ポリマー１４によって形成され、取付けられている。
外部の制御装置３０は、駆動信号を導線３２ａ，３２ｂを通してスマート材１２へ供給し、歪みゲージ３５のような表面実相機器から測定信号を受けとり、その測定信号から適正な駆動信号を引出す。いろいろな形態の制御が可能である。例えば、歪みゲージ即ちセンサー３５は、固有共振の励起を検出するように配置することができ、制御装置３０は、構造体２０を補剛するようにセンサー３５の出力に応答してにＰＺＴ素子１２を作動させることができ、それによって構造体２０の固有共振を偏移させることができる。あるいは別法として、発生しようとする動的状態を減殺するために、センサー３５によって検出された振動を処理された位相遅れの駆動信号としてフィードバックすることもできる。あるいは、アクチュエータ１２は、運動制御のために駆動することもできる。
よく知られている機械的システムにおいては、制御装置３０の制御器は、経験的状態、即ち空気力学的状態又は事象を認識し、所望の変化を実行するために各アクチュエータ１２のための駆動信号の利得と位相を特定する特別の制御法則を選択するようにプログラムしておくことができる。
このような応用例においては、一般に、裸のＰＺＴプレートをその制御回路と工作物に取付けるということが重要な作業になる。その組立て工程の多くが失敗し易い困難な作業であり、定量的制御が求められる場合は、製造工程において得られた特定の厚さ及び機械的剛性に対して適正な作動モードのための制御パラメータを設定するためには、デバイスが組立てられた後そのデバイスの広範なモデリングを行う必要がある。
図１Ｂは、本発明の一実施形態によるアクチュエータを示す。図に示されるように、このアクチュエータは、５分硬化エポキシ１３のような速硬性接着剤で構造体２０に簡単に取付けられるモジュラーパック、パッケージ又はカード４０である。図には示されていないが、カード４０を構造体又は外部物体又は物品２０に取付ける接着剤は、例えば０．００２〜０．０１ｍｍ程度の非常に薄い層であってよく、一般に、アクチュエータとそれが取付けられた物体との間に歪みを有効にカップリング（結合）するように選択される。他の形態として、アクチュエータを点又は線で取付けることもできる。
従って、検出及び制御作動が、より簡単に設置することができ、より均一にモデリング設計されたアクチュエータ構造から得られるという利点がある。詳述すれば、モジュラーパック４０は、剛性であるが、湾曲可能なプレート、即ち、カードの形とされており、従来の制御装置３０に比べて簡略化された制御装置５０に接続することができるように、多重ピンソケットに差込むための、カードの側縁に配置された好ましくはパッドの形の１つ又は複数の電気コネクタを有している。
図２Ｃを参照して後に詳述するように、モジュラーパッケージ４０には、平面状の、即ち薄型の回路素子を組込むこともできる。そのような回路素子は、加重又は分路抵抗器、インピーダンス整合器、フィルタ及び信号調整プリアンプ等の信号処理素子を含むものとすることができ、更に、直接デジタル制御によって作動させることができるようにスイッチングトランジスタ及びその他の素子を含むものとすることができ、それによって、必要な外部の電気接続部は、マイクロプロセッサ又は論理制御器と、電源の接続部だけとすることができる。
比較的低い電源での制御に特に適する別の実施形態においては、図１Ｃに示されるようなモジュラーパッケージ６０を提供することができる。パッケージ６０は、バッテリ又は電源セルのような自前の電源を自蔵したものとすることができ、オンボードドライバー及び分路をさせるためにマイクロプロセッサチップ又はプログラムかのうなロジックアレーのような制御器を含むものとすることができ、それによって、外部回路接続部を設ける必要なしに、１組の検出及び制御作動全部を実施することができる。
本発明は、特に、圧電ポリマーに関し、剛性ではあるが、偶発的に非常に脆くなることがあるジルコニウム酸又はニオブ酸金属の焼結結晶又はそれに類する圧電セラミック材のような材料に関する。本発明は又、電気歪み材にも関する。ここでは、圧電素子及び電気歪み素子（それらの素子の素材は、ある特定の電気機械的特性を有する）は、総称的に「電気的能動素子」と称することとする。そのような素子は、その素子の表面を横切って外部の構造体又は工作物（通常、金属又は構造的ポリマー製）に有効に歪みを移送するには、高い剛性を有することが肝要であり、本発明は、そのアクチュエータの側面においては、通常は、柔軟なポリマーの圧電材は企図していない。ここで用いられる「剛性」及び「柔軟」という用語は、相対的な表現であるが、アクチュエータに適用された場合の剛性とは、金属、硬化即ち高架橋エポキシ、ハイテク複合材、又は、ヤング率が０．１×１０6以上、好ましくは０．２×１０6より高いその他の剛性材料のそれにほぼ匹敵する剛性であると理解されたい。アクチュエータではなく、センサーを製造する場合は、本発明は、ポリビニリデンジフルオライド（ＰＶＤＦ）フィルムのような低剛性の圧電材の使用をも企図し、又、より硬化温度の低い結合剤又は接着剤の使用をも企図する。いずれの場合でも、本発明は、圧電材のシートを防護材のシート又はフィルムの広い表面域に結合してなるシート構造体を形成することを企図するものであり、この防護材シート又はフィルム自体を物品の表面に接合するか、物品内に埋設し、圧電材が物品に直接作用するようにする。この構成の要部は、上述した第１クラスの圧電材にあり、それらについて以下に説明する。
総じて、本発明は、アクチュエータとアクチュエータの製造方法に関する。ここでいう「アクチュエータ」とは、駆動されたとき、歪み、力、運動等を物体又は構造体にカップリングする完成有用デバイスのことをいう。本発明のアクチュエータの製造方法は、広い形態では、電気的能動素子を機械的に有用なものとするために生の電気的能動素子を「パッケージする」ことを含む。例として述べれば、生の電気的能動圧電材即ち「素子」は、シート、リング、ワッシャー、円筒体、プレート等の基本的な形状の生の圧電材を含むいろいろな半加工のバルク材の形でも市販されているし、積重体のようなより複雑な又は複合材的な形でも入手することができ、更には、バルク材とレバーのような機械的要素とを含むハイブリッドの形でも入手することができる。これらの原材料即ち生の素子の１つ又は複数の表面に、電気接点として機能する金属を被覆することができ、そうすることが好ましいが、素子の表面を非金属化することもできる。以下に、セラミックの圧電材料を例として説明する。これらのあらゆる形態の原材料は、より総称的には、「素子」、「材料」、又は「電気的能動素子」と称される。先に述べたように、本発明は、更に、作動するのではなく、歪み、振動、位置又はその他の物理的特性を検出するためのトランスジューサとして機能する、本発明の方法で製造された構造体又はデバイスをも含む。従って、以下の説明では、「アクチュエータ」という用語は、検出用トランスジューサを意味する場合もある。
本発明の各実施形態は、これらの剛性の電気的に作動される材料を厚さ数ｍｍ以下、例えば、約５分の１から４分の１ｍｍの薄いシート即ちフィルム（又はディスク、環状体、プレート、円筒体又はシェル）の形で用いる。このプレート（フィルム）の厚さ寸法は、比較的低い全体的電位差でプレートの厚さ寸法に匹敵する距離に亙って高い電界強度を得ることを可能にし、従って、１０ないし５０Ｖ又はそれ以下の駆動電圧で全面的な圧電作動が得られる。そのような薄いプレートは又、それが取付けられる物体の構造的又は物理的レスポンス特性を大きく変更することなく、素子を物体に取付けるのを可能にする。従来技術の構成では、そのような薄い素子は、脆弱であるから、輸送又は搬送等の取扱い中、組立て中又は硬化工程中に不規則な応力のために破断することがある。僅か２、３ｃｍ程度下に落しただけでもそのインパクトによって圧電プレートが破断することがあり、圧電プレートが破断しないようにするには、ごく僅かな曲げ撓みしか許容されない。
これに対して、本発明によれば、薄い電気的に作動される素子（圧電素子）を複数の絶縁材層によって囲包する。それらの絶縁材層のうちの少くとも１層は、一表面にパターン化された導電体を有しており、素子自体よりは薄い、例えば圧電素子の１０分の１ないし２分の１の厚さの強靱フィルムを含むものとする。１つ又は複数の圧電素子と、絶縁材層と、いろいろなスペーサ又は構造的填材からパッケージを組立て、電極と、圧電素子と、それを囲包するフィルム又は層とが、裸の作動素子（圧電素子）よりそれほど厚くない厚さの密封カードを構成するようにする。後述するように複数の素子を幾つかの層をなして配置する場合でも、パッケージの厚さは、積重された複数の作動素子の厚さの合計よりそれほど厚くない。
図２Ａは、本発明の基本的実施形態によるアクチュエータ組立体（「アクチュエータパッケージ」又は単に「パッケージ」又は「デバイス」とも称する）１００を示す。ポリイミドのような高絶縁材の薄いフィルム又はシート１１０は、少くともその一表面を金属化（通常、銅クラッドによる）され、完成時のアクチュエータパッケージと同じ大きさか、それより僅かに大きい長方形である。多層回路板を製造するのに好適な材料は、米国アリゾナ州チャンドラーのロジャース・コーポレーシヨンからＦｌｅｘ−Ｉ−Ｍｉｄ３００という商品名で販売されている無接着材の回路材である。この回路材は、圧延銅箔の上に形成されたポリイミドフィルムから成るものである。いろいろなサイズのものが市販されており、金属箔（「金属層」、「箔層」又は単に「箔」とも称する）は、１８〜７０μｍの厚さであり、厚さ１３〜５０μｍのポリイミドフィルムで一体的に被覆されている。その他の厚さのものも製造することができる。この市販の材料の場合、金属箔とポリマーフィルムとを接着剤なしで互いに直接接合し、その金属層を慣用のマスキング及びエッチング法によってパターン化する（パターンを付与する）ことができる。このような多数のパターン化層を後に詳述するような態様で多層板の形に積層することができる。接着剤を用いないので、組立体を弱めたり、離層（層剥離）を惹起する原因となる残留接着剤が存在しない。圧延された銅箔は、高い平面内引張強度を発揮し、一方、ポリイミドフィルムは、強靱な、無瑕疵の電気絶縁バリヤーを構成する。
以下に説明する構成では、ポリイミドフィルム（以下、単に「フィルム」とも称する）は、電極を覆う絶縁体を構成するばかりでなく、デバイスの外表面をも構成する。従って、このフィルムは、高い絶縁耐力と、高い剪断強さと、耐水性と、他の物体の表面に接合する能力を有することが要求される。又、好ましい製造方法において用いられる硬化温度や、ある種の使用環境を考慮すれば、高い耐熱性も必要とされる。一般的に、ポリアミド／ポリイミドがこの目的に有用であると認められたが、それと同様の特性を有するポリエステルのような他の材料を用いることもできる。
本発明の構成においては、フィルムの箔層を慣用のマスキング及びエッチング法によって（例えば、フォトレジストによるマスキングとパターン形成を行った後、塩化第２鉄でエッチングすることによって）パターン化し、圧電プレート素子の表面に接触させるための電極を形成する。電極１１１は、長方形のフィルムの内側の１つ又は複数の小区域に延在し、デバイスの縁に突設された補強されたパッド又はランド１１１ａ，１１１ｂにつながっている。これらの電極１１１は、圧電素子の全長及び全幅を横切る幅広の屈曲経路に沿って圧電素子に接触するようにパターンとして配列され、それによって、電極又は圧電素子に２、３の亀裂や局部的破断が生じても、圧電素子が電極に接触した状態に保持されるようにする。
シート１１０の周縁にフレーム部材１２０を配置し、少くとも１つの圧電プレート素子（「アクチュエータ素子」、「圧電素子」又は「圧電プレート」又は単に「プレート」又は「素子」とも称する）１１２を、電極１１１によって接触されるように中央領域内に配置する。フレーム部材１２０は、縁取りとして機能するので、各薄い単層は縁にまでは延長しない（図２Ｂ参照）。フレーム部材１２０は、又、後述する熱間プレス組立て工程の際、厚さ規定スペーサとしても機能し、更に、この積層パッケージ１００を組立てる工程の初期段階において挿入される圧電プレート１１２の位置を規定する位置マーカーとしても機能する。
図２Ａは、デバイス１００を一体に結合する、半透明の上被層１１４（図２Ｂ）を含む層構造を示していないという点で概略的な図である。上被層１１４は、プレート１１２の上面を被い、スペーサ１２０及びシート１１０と協同して組立体１００を閉鎖する。同様な層１１４が、圧電素子１１２の下面を被っており、電極１１１が素子１１２に接触することができるように適当な切抜き開口を有している。層１１４は、硬化性エポキシシート材で形成することが好ましく、硬化時の厚さは金属製電極層の厚さと同じとし、それらに接触する両側の材料を結合する接着層として機能する。このエポキシは、硬化すると、デバイス１００の構造的本体を構成し、組立体を補剛し、圧電素子の表面の大部分に亙って延在して圧電素子を補強するとともに、亀裂の伝播を防止し、それによって、素子の寿命を延長する。更に、この層からのエポキシは、実際、極薄であるが、電極１１１を被って不連続性の高いフィルム１１６（厚さ約０．００２５ｍｍ）として延展し、電極を広い領域に亙って圧電プレートに堅く接合し、しかも、このエポキシは、電極と圧電素子との間に直接の電気的接触が相当大きな、分布された接触区域に亙って設定されるのに十分な数の空隙及びピンホールを有するすることが認められた。。
図２Ｂは、図２Ａの実施形態の断面図を示す（ただし、各構成部品の寸法は正確な比例関係で示されていない）。おおよその寸法比率として述べると、圧電プレート１１２の厚さを０．２〜０．２５ｍｍとすると、絶縁フィルム１１０は、それよりはるかに薄く、せいぜい圧電プレートの厚さの１０分の１から５分の１程度であり、導電性の銅から成る電極層１１１は、１０〜５０μｍの厚さとすることができる。電極層１１１のこの厚さ範囲は、厳密な限定範囲ではないが、電気的作動特性が良好で、製造するのに便利であり、圧電素子からフィルム１１０を通しての歪み伝達の効率を阻害したり、離層の問題を起こすほど厚くない電極厚さの有用範囲を示す。
構造的エポキシ１１４は、各層の電極１１１間の空間を埋め、それらの電極とほぼ同じ厚さを有するので、組立体１００全体が充実ブロックとなる。
スペーサ１２０は、例えば比較的架橋度の低いポリマーのような、比較的圧縮性が低く、弾性率の低い材料で形成され、後述する加圧硬化エポキシと一緒に用いられる場合は、フィルム１１０の頂面層と底面層との間の他の構成部品の周りの縁取りを構成するように、圧電プレート又はそれらの積重体の厚さにほぼ匹敵する厚さであることが好ましい。
本発明の好ましい製造方法は、層１１４を硬化させる際パッケージ１００全体に圧力を加える操作を伴う。その際、スペーサ１２０は、図３〜５を参照して後に説明するように、圧電プレートを、及び回路素子が設けられる場合は回路素子をも心合させる働きをするとともに、硬化工程において僅かに圧縮されたフレームを構成する。即ち、硬化工程の際、フレーム１２０は、変形して縁を密封し、縁に応力を与えたり、ゆがめたりすることがない。硬化工程の際のフレーム１２０の僅かな圧縮は、空隙を排除し、稠密な亀裂のない充実体を形成し、硬化熱は、高度の架橋をもたらし、高い強度及び剛性を実現する。
図２Ａ、２Ｂの実施形態によるアクチュエータ組立体１００のための組立て方法（製造方法）は、以下の通りである。
各々約０．０２５〜０．０５０ｍｍの厚さの１枚又は複数枚の銅クラッド（被覆）ポリイミドフィルムを最終のアクチュエータパッケージ１００の寸法より僅かに大きいサイズに切断する。フィルムの銅側にマスクをしてパターン化し、導電性リード及び任意所望のランド又はアクセス端子と共に、圧電素子に接触させるための所望形状の電極を形成する。図示の例では、電極パターンは、圧電素子の一方の面の中央と両側に接触するように位置づけされた３つの鍬状歯を有する熊手形パターンであるが、他の実施形態としてＨ形又は櫛形のパターンを用いることができる。パターンの形成は、回路板又は半導体の製造法において周知のように、クラッドフィルム（金属箔を被覆されたフィルム）をマスキングし、エッチングし、洗浄することによって行うことができる。マスキングは、フォトレジストパターン化法、スクリーニング法、テープマスキング法又はその他の適当な方法によって行われる。ポリイミドフィルムの電極化された各層は、慣用の印刷回路板と同様に、回路素子又はアクチュエータシートの位置を画定するので、以下の説明では単に「フレックス回路」と称することとする。
次に、電極薄層とほぼ同じ厚さか、それより僅かに厚い未硬化シート状エポキシ材を切断し（その際所望ならば、電極との電気的接触を良好にするために電極パターンに整合する通し孔をエポキシ材に形成し）、各フレックス回路に被せてフレックス回路に接着し、各電極部分の周り及び電極間の空間に平面化層を形成する。次いで、フレックス回路に取付けられた各エポキシ層からパッキング（裏当材）を剥ぎ取り、予め切断されているスペーサ１２０をフレックス回路の４隅及び側縁の所定位置に位置づけする。これらのスペーサは、電極の平面より高く突出するフレームを画定し、以後の組立体工程において圧電素子を嵌め込むための１つ又は複数の凹所を画定する。次いで、それらのスペーサによって画定された１つ又は複数の凹所内に１つ又は複数の圧電素子を挿入し、独自の平面化兼接合層１１４を有する第２の電極化フィルム１１１を該圧電素子の上に重ねて圧電素子の頂面のための電極接点を形成する。
ある種の曲げアクチュエータ構造体に使用するためのデバイスのように、数層の圧電素子を有するデバイスを組立てる場合には、上記の組立体工程を繰り返して、任意の数の追加の電極化フィルム及び圧電プレートを積層すればよい。その際、上面と下面の両面においてアクチュエータ素子（圧電素子）に接触させるための中間電極層を形成する場合は、両面に電極パターン化された金属クラッドを有するポリイミドフィルムを用いることができる。
すべての要素が組立てられたならば、パターン化フレックス回路、圧電シート、スペーサ及びパターン化エポキシ層の積層組立体全体をプレスに装填して加熱プラテンの間に挟み、高い温度と圧力で硬化させ、該組立体を剛性の、亀裂のないアクチュエータカードとする。代表的な実施形態においては、３５０°Ｆの温度と５０〜１００ｐｓｉの圧力下での３０分間の硬化サイクルを用いる。エポキシとしては、圧電素子の脱極性温度より低い硬化温度を有し、しかも、高度の剛性を有するものが選択される。
上述した構成は、圧電プレートが剪断歪みを薄いフィルムを通してアクチュエータカードの表面に効率的に伝達するように２層の電極化フィルムの間に挟まれた単一の圧電プレートを有する簡単なアクチュエータカードを例示している。歪みの伝達効率の尺度は、剪断弾性率／層の厚さの自乗で表され、ガンマ（γ）と称されるが、エポキシ１１４、圧延箔電極１１１及びポリイミドフィルム１１０の弾性率と厚さによって決まる。エポキシと銅電極層の厚さ合計が１．４ミルであり、エポキシの弾性率が０．５×１０6であるような代表的な実施形態においては、９×１０10lb／ｉｎ4のγが得られる。より薄いエポキシ層と０．８ミルの箔を有するフィルムを用いれば、相当に高いγが得られる。一般には、電極／エポキシ層のγは５×１０10lb／ｉｎ4であり、ポリイミドフィルムのγは、２×１０10lb／ｉｎ4である。
厚さ１０ミルのＰＺＴアクチュエータプレートを２層と、３層のフレックス回路電極化フィルム層（中間層のフィルムは両方のＰＺＴプレートに接触するように両面クラッド付きである）とを重ねてなるカードの場合、その合計厚さは２８ミルであり、ＰＺＴプレートだけの厚さの僅か４５％厚いだけである。質量荷重の点でいえば、アクチュエータ素子の重量は、アクチュエータ組立体全体の総重量の９０％を占める。別の構成では、一般に、アクチュエータプレートは、パッケージの総厚さの５０〜７０％を占め、パッケージの総質量の７０〜９０％を占める。従って、アクチュエータ自体だけで、近理論的性能モデリングを可能にする。この構成は、又、単一シートの重ね合わせる態様に関しても、上述したベンダー（曲げが可能なもの）を具現化することに関しても、高度の融通性を提供する。
本発明に従って構成されたアクチュエータ組立体のもう１つの有用な性能指標は、アクチュエータ歪みε対自由状態の圧電素子歪みの比率Λが高いことである。その比率は、ここに例示した２層形実施形態の場合で約０．８であり、一般的には０．５より高い。同様に、パッケージ全体の湾曲対自由状態の圧電素子の湾曲の比率Ｋも高く、上述した構成の場合で約０．８５〜０．９０であり、一般的には０．７より高い。
従って、全体として、圧電素子をフレックス回路内に埋設させた構造とするパッケージ態様は、その重量及び電気機械的作動特性を犠牲にする度合が５０％より十分に低く、僅か１０％程度にあるのに対して、その強度及びその他の重要な点での機械的作動範囲を大幅に高める。例えば、ベース素子にシート状パッケージ構造体を追加することは、得られるＫの値を低くするようにみえるが、実際の使用においては、このフレックス回路構造は、はるかに大きい総撓み度を達成することができる圧電ベンダー構造をもたらす。なぜなら、大きなプレート構造体を製造することができ、亀裂破断やその他の機械的破断モードを起すことなく、高い曲率の曲げ運動を反復して作動させることができるからである。ここに添付した幾つかの図に、本発明によるこのような優れた物理的特性が得られるいろいろな構成を例示する。
まず第１に、積層されたフレックス回路の間に埋設された電気的能動素子の構造は、予測可能な低質量の一体化された機械的構造体を提供するのみならず、回路素子をアクチュエータカード内又は上に組込むことを可能にする。図２Ｃは、このタイプの１つのデバイス７０の上面図（上からみた平面図）を示す。この実施形態では、各領域７１，７３は、幅広の電気的能動シートを包含し、中央領域７２は、バッテリ７５を含む回路又は電源素子と、平面状の電源増幅器又は１組の電源増幅器７７と、マイクロプロセッサ７９と複数の歪みゲージ７８を包含している。他の回路素子８２ａ，８２ｂは、デバイスの周縁の周りに回路導体８１の経路に沿って配置することができる。他の実施形態の場合と同様に、スペーサ１２０（図２Ｃには示されていない）は、デバイスのレイアウトを画定して周縁を密封し、電極１１１は、電気的能動素子を内蔵の処理又は制御回路に取付ける。平面状の即ち他の回路素子８２ａ，８２ｂは、デバイスがセンサーとして作動されるものである場合は加重抵抗器で構成することができ、あるいは、受動的減衰制御を実行するための分路抵抗器で構成してもよい。更に別法として、回路素子８２ａ，８２ｂは、キャパシター、増幅器等の濾波、増幅、インピーダンス整合又は記憶素子としてもよい。いずれにしても、これらの素子も、電気的能動プレート８４から離れたところに配置される。デバイスを構成する各素子は、集合して、歪みを検出することができ、検出された条件に応答していろいろなパターンの作動を実行することができる。あるいは、このデバイスは、他の検出又は制御タスクを遂行することができ、あるいは、例えば減衰操作のための固定フィードバックを実行することができる。
本発明のアクチュエータの側面に戻って説明すると、図３は、各々４枚の圧電プレート２１６を含む２層の圧電プレート層と組合わされた約１．２５×９．００×０．０３０ｉｎの寸法を有するアクチュエータパッケージ２００の上面図を示す。端部突片２１０ａを備えた長方形のポリイミドシート２１０は、相互に連結されたＨ字形の細い銅線の格子のか性とした電極２１１と、突片２１０ａにまで導出された単一のランナ２１１ａを担持しており、圧電プレートを保持する４つの長方形領域の各々に対して直接低インピーダンスの接続を設定する。これらの圧電プレート２１６自体は、各々、その両面に、連続した（途切れのない）金属コーチング又はクラッドによって形成された電極を有している。
Ｈ字形のスペーサ素子２２０ａ，２２０ｂ又はＬ字形のスペーサ素子２２０ｃが、コーナーを画定（線引き）し、圧電プレート２１６を配置するための長方形のスペースの外輪郭を画定する。この実施形態では、隣接するＨ字形又はＬ字形のスペーサ素子の間に、後に詳述する複数のギャップ２３０が存在する。以下の説明から分かるように、これらの小さい個別スペーサ素子の使用は、組立て位置を区画し、圧電素子のための受け入れ凹部を形成するために、デバイスの組立て中に粘着性の接合エポキシ層１１４（図２Ｂ参照）上に容易に載せることができるので、一層容易にされる。ただし、スペーサ構造体は、そのような個別スペーサ素子の集まりに限定されるものではなく、すべての、又は１つ又は複数の方向決め用及び、又は密封用縁を形成するために、又は、各回路素子の作動を受けとめるための凹部を形成するために、パンチで打抜き加工されたシート又は成形フレームとして形成された単一の又は対のフレーム部材とすることもできる。
図５は、層１のポリイミド（絶縁材）フィルム層と、層２の導体（電極）層と、層３のスペーサ／圧電素子層の３つのシートの各々を別個に示す上面図であり、図５Ａは、フィルム層と、導体層と、スペーサ／圧電素子層の通常の積層順序を示す。図に示されるように、スペーサ２２０と圧電プレート２１６とは、各１対の電極層２１１の間に単一層を構成する。
図４Ａ及び４Ｂ（各構成部品の寸法は正確な比例関係で示されていない）は、図３に４Ａ及び４Ｂで示された垂直断面に沿ってみた組立てずみアクチュエータの層構造を示す。図４Ａに明瞭に示されているように、エポキシシート２１４のパターン化された接合層は、各対応する電極層２１１と共面関係をなし（同一平面に位置し）て各電極間を充填し、一方、スペーサ２２０ｃは、圧電プレート２１６と共面関係をなし、該プレートとほぼ同一の厚さを有するか、それより僅かに厚い。例として述べれば、圧電プレート２１６は、５ないし２０ミルの厚さで市販されているＰＺＴ−５Ａセラミックプレートであり、電極に接触させるための各面を覆う連続した導電層（電極化フィルム）２１６ａを有する。各スペーサ２２０は、軟化温度約２５０℃の多少圧縮性のプラスチックで形成されており、従って、組立て工程中スペーサ材が僅かな空隙２１４ａ（図４Ａ）を充填することができるように硬化温度ではかなりの度合の圧縮性を示す。
図４Ｂに示されるように、スペーサ間のギャップ２３０が設けられている場合は、それらのギャップは、硬化性接合層２１４からの余剰のエポキシを逃がす開口２１４ｂを形成し、それらの開口２１４ｂは、硬化工程中エポキシで充填される。その際、若干量のエポキシが電極２１１と圧電プレート２１６の間にも滲出し、それらの間に図４Ｂに示されるようにエポキシフィルム２１５の断片を形成する。電極２１１は大きく連続した拡がりを有しているので、このように滲出して生じた断片状のエポキシは、電極２１１と圧電素子２１６との電気的接触を阻害することはなく、かえって、断片状のエポキシが与える追加の構造的な結合力が、電極の離層を防止する働きをする。かくして、圧電素子２１６は、電気的にも、機械的にも広い面積に亙って電極化フィルム２１６ａにカップリング（結合）される。
図３〜４Ｂに例示された電極配置によれば、曲げを誘起させるために上下に積重された各対の圧電プレートを互いに対向させて作動させることができ、あるいは、より多数の個別の電極を設けておき、異なる対の圧電プレートをそれぞれ異なる態様で作動させるようにすることもできる。一般的には、上述したように、本発明は、それぞれ異なる態様で作動される多数の個別素子を含み、検出、制御及び電源又は減衰素子のすべてが同じカード上に実装された非常に複雑なシステムをも提供することを企図している。この点に関連していえば、本発明のカードの可撓性は、カードを実用タスクに適応する上での大きな融通性を更に高める。一般に、本発明のカードは、３０ミル圧のエポキシストリップのそれに匹敵する柔軟な（順応性のある）可撓性を有するので、損傷することなく、曲げたり、叩いたり、振動させたりすることができる。又、このカードは、それを取付けようとする表面やコーナーの形状に合致するように、圧電素子が囲包されていない中心線ＣＬ（図３）の領域において鋭く曲げたり、湾曲させたりすることができる。圧電素子を、一平面内に又は交差平面において寸法変化を起こすように分極化することができ、従って、それによって得られたアクチュエータを、上述した各制御動作のいずれでも実行するのに、又は、撓み波、剪断波又は圧縮波のような音響エネルギーを隣接表面に与えるのに効果的な態様で隣接表面に歪みを伝達するように取付けることができる。
図６は、本発明の別の実施形態によるアクチュエータ３００を示す。この実施形態のアクチュエータは、図６では概略的にに示されているので、接合エポキシ層、絶縁材フィルム層及びスペーサ素子は示されておらず、作動機構を伝えるための電極と圧電シート（圧電セラミックプレート）だけが示されている。圧電シートの一方の面の側には、第１組の電極３４０と第２組の電極３４２が同一層内に設けられており、各組の電極は、１つの櫛形電極（以下、「電極櫛」又は単に「櫛」とも称する）の歯とそれに隣接する他の櫛の歯との間に作動電界が設定されるように２つの櫛を互いに噛合させた櫛形を有する。圧電シートの他方の面の側には、第１組の櫛形電極３４０及び第２組の櫛形電極３４２と平行な対をなす櫛形電極３４０ａ及び３４２ａが設けられている。異なる櫛からの各対の歯と歯の間に電位勾配を有する電界を設定するように、櫛形電極３４０及び３４２は、それぞれ圧電シートを貫通する等電位線ｅで櫛形電極３４０ａ及び３４２ａに連結されている。この実施形態では、各櫛と圧電セラミックプレートとの間に直接電気的接触が設定されるように、圧電セラミックプレートは、金属化処理を施されていないものであることが好ましい。金属化処理を施された圧電セラミックプレートが用いられる場合は、圧電セラミックプレートに電極櫛と整合する同様な櫛パターンをエッチングする。電極を付設した後、まず、平面に沿う方向に向けられた隣接する歯と歯の間に１ｉｎ当り１０００又は２０００ボルト以上の強度の電界を創生するように２つの櫛の間に高電圧を印加することによって圧電セラミックプレートを平面内で分極化する。それによって、爾後に２つの櫛形電極の間に電位差が設定されたとき平面内（剪断）作動が生じるように圧電構造が配向される。
このような２つのアクチュエータ３００は、それらの櫛形電極に信号が印加されたときねじれ作動を起すように、図７に示されるように交差させせて配置することができる。
上記各実施形態において、歪みエネルギーを電極／ポリイミド層を通して直接所望の隣接構造体に伝達する場合に明白な、新規な利点が得られることが認められた。そのような操作は、作動タスクに使用するのに有用であり、エアフォイル形状の制御作動や、ノイズ又は振動減殺又は制御等の多種多様の用途に適用することができる。
図８Ａ及び８Ｂは、それぞれ、平坦な、又は僅かに湾曲した表面に適用される平坦なアクチュエータ６０、及び、シャフトに適用される半円筒形のアクチュエータ６０の実施形態を示す。このようなアクチュエータが取付けられる物品が金型成形又は積層によって製造される場合は、そのアクチュエータを物品に沈み込ませて組込むか、物品内に埋設するか、あるいは、物品内に積層することができ、アクチュエータの大面積歪みカップリングをその下の物品の表面に当接させるように構成することができる。
ただし、これらのアクチュエータの各電気機械的材料は、歪みエネルギーの変換によって作動するものであるが、本発明の応用範囲は、アクチュエータの表面を介しての歪みカップリングに限定されるものではなく、アクチュエータ全体によって与えられる運動、トルク又は力を利用した他の多数の特殊な機械的構造をも含む。各構成素子を圧電プレートと組合せて積層することにより、圧電プレートが弾性限度又は破壊限度を越えて動くことがなく、しかも、ほとんど完全な作動効率を保持することができ、自由状態にあるときよりもむしろ大きい総変位量を安全に受けることができるようになされた充実構造体を製造することができる。その結果として、驚くほど融通性の高い機械的デバイスが得られる。
これらの実施形態のいずれにおいても、基本的なストリップ又はシェル型密封アクチュエータは、その長手方向に沿って１点又は複数の点においてピン留め又は連結された頑丈なばね弾性を有する素子として使用される。
図９に示されるように、ストリップは、電気的に作動されると、単独で、又は他の素子と一緒に、自己運動レバー、フラップ、板ばね、積重体又はベローとして機能する。即ち、図９Ａ〜９Ｑにおいて、Ａ，Ａ’及びＡ”・・・は、それらの図に示されるようなストリップ又はシート型アクチュエータであり、小三角形は、例えば構造体に対する剛性の取付点に相当する固定又はピン留めされた位置を示す。矢印は、運動即ち作動の方向又はそのような作動のための接触点を示し、Ｌは、アクチュエータに取付けられたレバー示し、Ｓは、積重素子即ちアクチュエータを示す。
図９Ａの積重体型構成、図９Ｂの片持ちベンンダー型構成又は図９Ｃの両端をピン留めされたベンダー型構成は、多くの在来のアクチュエータの代わりに用いることができる。例えば、図９Ｂに示されるような片持ちビームに針（スタイラス）を担持させることにより、高度に制御された単軸線変位を起させて、ペン式プロッターの直線大変位位置ぎめ機構を構成するようにすることができる。シートの拡がりを有し、機械的に環状なアクチュエータを利用する図９Ｄ以下の多素子構成からは、特に興味深い機械的特性及び作動特性が期待される。即ち、図９Ｄ及びＥに示されるように、ピン−ピンベローズ（両端をピン留めされたベローズ）型構成は、カメラの焦点合わせ等の用途のために、単純な面接触運動によって、延長された正確な単軸線Ｚ運動による位置ぎめを行うのに用いることができ、あるいは、流体に圧接する前面の運動を利用する蠕動ポンプを構成するのに用いることができる。
図３に関連して先に述べたように、フレックス回路は、高い柔軟性を有するので、ヒンジ付け、又は折返し縁は、図３に示される中心線のような部位に沿って単に折曲げることによって形成することができ、従って、少数の大型多素子アクチュエータユニットで密閉ベローズを製造することができる。本発明のフレックス回路の構成は、各対のアクチュエータ素子の間に折り線を有し、チェッカー盤状（碁盤の眼状）に配列されたアクチュエータ素子配列体を形成することができる。その場合、折り線は、硬化工程中、例えばワッフル焼き型のような特定輪郭のプレス定盤を用いて印圧し薄肉とすることによって形成することができる。このような構成によれば、単一のフレックス回路組立体からシームレスのベローズ又はその他の折れ目付きアクチュエータを製造することができる。
本発明者は、更に、例えば劇場アニメのための顔マスクや指人形の各部に与えられる曲げ、ねじれ又は揺動等の単純な機械的運動を行わせるのに本発明のこのようなアクチュエータを用いたところ、それらのアクチュエータは、この種の小荷重、中庸変位作動タスクに対して優れた作動特性を有し、取付態様に高い融通性を有することが認められた。
一般に、小ないし中庸変位の空気圧式作動器で実行できるタスクは、本発明のフレックス回路型アクチュエータカードを個別の機械的素子として用いることによって対処することができ、数十ボルトの電気信号によって駆動することができる。そのタスクが、シート、フラップ又は壁のような構造体を含むものである場合は、そのフレックス回路自体が構造用部品を構成するものとすることができる。このように、本発明は、自動運動撹拌ベーン（羽根）、ベローズ又はポンプ壁、ミラー等のような機能に適している。更に、先に述べたように、小変位量の音響又は超音波帯域周波数の表面カプリングを伴うタスクも、低質量の高度にカプリングされたフレックス回路型アクチュエータで容易に実行することができる。
先に述べたように、圧電素子は必ずしも剛性のセラミック素子でなくてもよく、フレックス回路がセンサーとしてのみ用いられる場合は、セラミック素子か、あるいはＰＶＤＦのような柔軟な材料を用いてもよい。圧電ポリマーの場合は、その素子をカプリングするのに、固い硬化性エポキシ接合層ではなく比較的薄く、柔軟性のある低温接着剤を使用し、より可撓性が高く、より剛性が低い、又はより薄いフィルムを用いることができる。
本発明の製造方法及び実施形態の以上の説明は、本発明が適用される構成の範囲を示すために記載された。本発明は、歪みアクチュエータ、歪み作動組立体、ダンパー（制振器）及びセンサーの脆弱性、回路構成及び全般的な効用における多数の欠点を克服したが、本発明のモジュラーフレックス回路型アクチュエータ及びセンサーの物理的構造及び実用的応用におけるその他のいろいろな変更及び改変は、当業者には明らかであり、そのような変更及び改変は、本発明の範囲内に属することを理解されたい。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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【図９Ｆ】
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【図９Ｇ】
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【図９Ｈ】
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【図９Ｉ】
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【図９Ｊ】
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【図９Ｋ】
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【図９Ｌ】
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【図９Ｍ】
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【図９Ｎ】
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【図９Ｏ】
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【図９Ｐ】
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【図９Ｑ】
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