(57)【要約】  全長１０ｍｍ未満のミクロスケールのスマート材料のアクチュエータであり、多層圧電スタックが、固定支持部材、１以上のアクチュエータ腕部に接続される協働リンクと接続される可動支持部材を含む機械的増幅装置内に設けられ、適切な電流が前記圧電スタックに付加されるとその結果生じる伸びが前記可動支持部材を通じて伝達され、それにより前記アクチュエータ腕部に動きを生じさせる。かかるアクチュエータを用いて動きから電気を発生させる公報がまた開示され、前記アクチュエータ腕部が機械的動き源に接続され、前記圧電スタックが電気的負荷に接続され、それにより前記機械的動きが前記圧電スタックに電荷を発生させ、その電荷が前記負荷に放出される。
2012533274.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
全長１０ｍｍ未満のミクロスケールスマート材料アクチュエータであり、
一体型機械増幅装置であって、
第１の取り付け表面を持つ固定支持部材、
第２の取り付け表面を持つ対抗する可動支持部材、
少なくとも１つのアクチュエータ腕部、及び
前記可動支持部材と前記アクチュエータ腕部とを接続する機械的リンクを含む、一体型機械増幅装置と；
前記第１の取り付け表面と前記第２の取り付け表面間に付設される圧電スタックとを含み、
前記固定支持部材が実質的に剛性であり、前記第１の取り付け表面及び前記第２の取り付け表面が実質的に平行であって、電圧が前記圧電スタックに付加される際に、前記圧電スタックが、前記固定支持部材を動かすことなく、前記圧電スタックを角度を持って動かすことなく、実質的に伸びるものであり；
前記機械的リンクが、前記可動支持部材及び前記アクチュエータ腕部をリンクする少なくとも１つの協働部材を含み、それにより前記可動支持部材の動きが前記アクチュエータ腕部の動きを増幅させ；及び
前記固定支持部材、前記可動支持部材及び前記機械的リンクが、電圧が付加されていない場合でも前記圧電スタックが既定の量で圧縮されており、前記圧縮力が前記圧電スタックに実質的に均一に適用されて、電圧が負荷される際に前記圧電スタックは角度を持って曲がることなく伸び、
それにより、電圧が前記圧電スタックに実質的に付加される際に、前記多層圧電スタックは、前記第２の取付表面が前記第１の取り付け表面から離れるように作用し、それにより前記機械的リンクの前記協働部材を曲げ、それにより前記アクチュエータ腕部を動かし、前記アクチュエータ腕部の少なくとも１つの動きが、前記圧電スタックの伸びよりも大きい距離にわたる、
アクチュエータ。
【請求項２】
請求項１に記載のアクチュエータであり、前記圧電スタックが共焼成圧電セラミック圧電スタックである、アクチュエータ。
【請求項３】
請求項１に記載のアクチュエータであり、前記圧電スタックが、単結晶圧電材料の少なくとも１つの区分のスタックを含み、前記結晶が正電極及び負電極を持つ、アクチュエータ。
【請求項４】
請求項３に記載のアクチュエータであり、前記正電極及び負電極が前記単結晶圧電材料の前記区分上に印刷されており、接着剤が前記電極を一緒に接着して前記単結晶圧電材料の前記区分が形成される、アクチュエータ。
【請求項５】
請求項３に記載のアクチュエータであり、前記正電極及び負電極が、前記単結晶圧電材料の前記区分上に印刷され、前記区分がスタックされて電極が隣接し、前記正電極が正電極と隣接し、及び負電極が負電極と隣接し、かつ前記スタックが前記既定の圧縮力で共に保持される、アクチュエータ。
【請求項６】
請求項１に記載のアクチュエータであり、前記アクチュエータの全長さが１ミリメートル以下である、アクチュエータ。
【請求項７】
請求項１に記載のアクチュエータであり、前記一体型機械増幅装置がレーザー切断で形成される、アクチュエータ。
【請求項８】
請求項１に記載のアクチュエータであり、前記一体型機械増幅装置が化学エッチングで形成される、アクチュエータ。
【請求項９】
請求項１に記載のアクチュエータであり、前記一体型機械増幅装置が金属で形成される、アクチュエータ。
【請求項１０】
請求項９に記載のアクチュエータであり、前記金属がステンレススチールである、アクチュエータ。
【請求項１１】
全長１０ｍｍ未満のミクロスケールスマート材料を含む動きから電気を発生させる方法であり、前記方法は、
前記アクチュエータが、
一体型機械増幅装置であって、
第１の取り付け表面を持つ固定支持部材、
第２の取り付け表面を持つ対抗する可動支持部材、
少なくとも１つのアクチュエータ腕部、及び
前記可動支持部材と前記アクチュエータ腕部とを接続する機械的リンクを含む、一体型機械増幅装置と；
前記第１の取り付け表面と前記第２の取り付け表面間の付設される圧電スタックとを含み、
前記固定支持部材が実質的に剛性であり、前記第１の取り付け表面及び前記第２の取り付け表面が実質的に平行であって、電圧が前記圧電スタックに負荷される際に、前記圧電スタックが、前記固定支持部材を動かすことなく、前記圧電スタックを角度を持って動かすことなく、実質的に伸びるものであり；
前記機械的リンクが、前記可動支持部材及び前記アクチュエータ腕部をリンクする少なくとも１つの協働部材を含み、それにより前記可動支持部材の動きが前記アクチュエータ腕部の動きを増幅させ；及び
前記固定支持部材、前記可動支持部材及び前記機械的リンクが、電圧が負荷されていない場合でも前記圧電スタックが既定の量で圧縮されており、前記圧縮力が前記圧電スタックに実質的に均一に適用されて電圧が負荷される際に前記圧電スタックは角度を持って曲がることなく伸びる、アクチュエータであり、
前記方法が、
前記アクチュエータの前記圧電スタックを電気的付加に接続するステップ、及び
前記アクチュエータ腕部を機械的動きの源に接続するステップを含み、
それにより前記動きの源が前記アクチュエータ腕部を動かし、それにより前記機械的リンクが前記可動支持部材に、前記圧電スタックに圧力付加及び弛緩させ、それにより前記圧電スタックに前記電気負荷へ電流を生じさせる、方法。
【請求項１２】
請求項１１に記載の方法であり、前記アクチュエータが動物の体内に埋め込まれる、方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の方法であり、前記機械的動きが、前記動物の筋肉組織の操作により生じる動きである、方法。
【請求項１４】
請求項１２に記載の方法であり、前記機械的動きが、前記動物の体内の液体をポンプすることで生じる動きである、方法。
【請求項１５】
請求項１２に記載の方法であり、前記機械的動きが前記動物の体のガス流通で生じる動きである、方法。
【請求項１６】
請求項１１に記載の方法であり、前記動物が人である、方法。
【請求項１７】
請求項１１に記載の方法であり、前記電気的負荷がエネルギー貯蔵装置である、方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の方法であり、前記エネルギー貯蔵装置が、再充電可能電池である、方法。
【請求項１９】
請求項１１に記載の方法であり、前記既定の圧縮の量が、前記アクチュエータ腕部の既定の動き長さについて最大の作用を生じるために必要な圧縮力の量である、方法。
【請求項２０】
全長１０ｍｍ未満のミクロスケールスマート材料を含む、運動を検出する方法であり、前記方法は、
前記アクチュエータが、
一体型機械増幅装置であって、
第１の取り付け表面を持つ固定支持部材、
第２の取り付け表面を持つ対抗する可動支持部材、
少なくとも１つのアクチュエータ腕部、及び
前記可動支持部材と前記アクチュエータ腕部とを接続する機械的リンクを含む、一体型機械増幅装置と；
前記第１の取り付け表面と前記第２の取り付け表面間の付設される圧電スタックとを含み、
前記固定支持部材が実質的に剛性であり、前記第１の取り付け表面及び前記第２の取り付け表面が実質的に平行であって、電圧が前記圧電スタックに付加される際に、前記圧電スタックが、前記固定支持部材を動かすことなく、前記圧電スタックを角度を持って動かすことなく、実質的に伸びるものであり；
前記機械的リンクが、前記可動支持部材及び前記アクチュエータ腕部をリンクする少なくとも１つの協働部材を含み、それにより前記可動支持部材の動きが前記アクチュエータ腕部の動きを増幅させ；及び
前記固定支持部材、前記可動支持部材及び前記機械的リンクが、電圧が負荷されていない場合でも前記圧電スタックが既定の量で圧縮されており、前記圧縮力が前記圧電スタックに実質的に均一に適用されて電圧が付加される際に前記圧電スタックは角度を持って曲がることなく伸びる、アクチュエータであり、
前記方法が、
前記圧電スタックで生成される電圧を読み取るステップ、及び
前記読み取られた電圧を前記アクチュエータ腕部の動き量を示すために使用するステップを含み、前記動きの源が前記アクチュエータ腕部を動かし、それにより前記機械的リンクが前記可動支持部材に前記圧電スタックに圧力を付加及び弛緩させ、それにより前記圧電スタックに前記アクチュエータ腕部の動きの量に比例する電圧を発生させ、それにより前記アクチュエータ腕部の動きを示す、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型の圧電又はスマート材料アクチュエータに関し、これは、電気的エネルギーから使用可能な機械的運動を生成し、及び機械的運動から電気エネルギーを獲得するために供することができ、又は前記装置に作用する力に関連して電圧を与えることができるものである。
【背景技術】
【０００２】
前記のタイプものは知られている。しかしそれらの装置は相対的に大きく、非常に小さい部品を要求する応用には適切ではない。特に、このタイプの非常に小さなアクチュエータを作る上での困難性は、既定の圧縮力、又は「プレロード」を前記スマート材料上に適用する必要性からくるものであり、さらにかかるプレロードを作り出せる十分に小さな機械的装置を製作することが困難であることからくるものである。さらに前記困難性は、所与のレベルのアクチュエータの動きを発生させるために要求されるより大きなスタックの多層共焼成圧電スタックの効率から生じるものである。本発明は、これらの欠点を、非常に小さいサイズで製造される圧電又はスマート材料に基づくより効率的アクチュエータを提供することで解消するものである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明の課題は、好ましくは１０ｍｍ未満の長さを持つミクロスケールのスマート材料アクチュエータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明のアクチュエータは、一体型の機械的増幅装置に設けられる少なくとも１つの層を持つ圧電スタックを含む。本機械的増幅装置は、第１の取り付け表面を持つ固定支持部材と、平行なかつ対抗する第２の取り付け表面を持つ可動支持部材とを含み、これらの取り付け表面間に前記圧電スタックが付設されている。前記機械的増幅装置はまた、少なくとも１つのアクチュエータ腕部を持ち少なくとも１つの協働機械的リンクと接続され、これはまた前記可動支持部材と接続される。前記固定支持部材は、前記圧電スタックに適切な電流が負荷される際に、前記圧電スタックが実質的に、前記固定支持部材が動かず、又は前記圧電スタックが角度を持っては動かずに伸びるように実質的に剛性である。前記伸びは前記可動支持部材を前記固定支持部材から遠ざけるように作用し、前記協働機械的リンクを曲げ、それにより前記アクチュエータ腕部を動かすこととなり、その動きは、前記アクチュエータ腕部の動きが前記圧電スタックの伸びよりも大きい距離である場合は前記機械的増幅装置の幾何形状により増幅されることとなる。前記固定支持部材、可動支持部材及び機械的リンクはさらに、前記圧電スタックが電圧が負荷されていない場合でも部分的に圧縮されているように適合されている。前記圧縮力は、電流が負荷される際に実質的に曲がることなく伸びるように実質的に前記スタックに均一に負荷されている。
【０００５】
さらに、かかるミクロスケールアクチュエータを用いて、前記圧電スタックに電気的負荷を接続し、前記アクチュエータを機械的運動源と接続することで、運動から電気を発生させる方法が開示される。この方法で、前記運動は前記アクチュエータを動かし、それにより前記機械的リンクが、前記可動支持部材が前記圧電スタックを圧縮するように作用する。前記圧縮は前記電気的負荷に電流を生成する。この方法で、前記アクチュエータは運動を発生することに加えてエネルギーを獲得するために使用され得る。発生電圧の量は動きの程度に比例することから、開示される方法によりマイクロスケールアクチュエータなどが小スケールの運動を検出するためのセンサーとして使用され得る。
【０００６】
本発明の構成は以下の図面から明らかとなる。図面は本発明のいくつかの好ましい実施態様を示す。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、多層圧電スタックを持つ本発明の１つの好ましい実施態様の側面図である。
【図２】図２は、本発明の装置を用いて使用するために適切な機械的増幅装置の１つの好ましい実施態様を示す等角図である。
【図３】図３は、本発明の装置を用いて使用するために適切な圧電スタックの１つの好ましい実施態様の断面の等角図である。
【図４】図４は、本発明の装置であって図３に示される区分で作られる装置を用いて使用するために適した多層圧電スタックの１つの好ましい実施態様を示す。
【図５】図５は、本発明の装置を用いて使用するために適した機械増幅装置の他の実施態様を示す。
【図６】図６は、単結晶圧電スタックを持つ本発明の装置を用いて使用するために適した機械的増幅装置の他の実施態様を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本出願は、米国特許６，７１７，３３２；６，５４８，９３８；６，７３７，７８８；６，８３６，０５６；６，８７９，０８７；６，７５９，７９０；７，１３２，７８１；７，１２６，２５９；６，８７０，３０５；６，９７５，０６１；７，３６８，８５６；６，９２４，５８６及び７，５６４，１７１の内容を参照して本明細書の一部とする。
【０００９】
以下の記載は本発明の好ましい実施態様を説明するものであるが、好ましい実施態様についてもこれらの記載は本発明の原理を説明するためだけのものであって、なんら限定するものではないことは理解されるべきである。また本発明の範囲内に含まれる他の種々の変形・変更もまた本発明の他の実施態様に含まれる。用語「適合される」とは、サイズ、形状、構成、寸法、方向及び配置などが適切になされることを意味する。
【００１０】
図１は本発明による前記ミクロスケール材料アクチュエータ装置１の１つの好ましい実施態様を示す。図２は前記アクチュエータ１の機械的増幅装置の等角図を示す。前記アクチュエータの全長さは便宜的に１０ｍｍ以下であり、より大きいサイズのアクチュエータが実用上ではない場合に種々の応用においてユーザが使用できるものである。本発明の前記構造及び方法を利用することで、アクチュエータはまた、実質的に１０ｍｍ未満であることが可能であり、長さ１ｍｍ以下のアクチュエータが実用的となり得る。
【００１１】
アクチュエータ１は、一体型の機械的増幅装置１０及び圧電スタック１００を含む。より大きいサイズのアクチュエータの機械的増幅装置は別々の部品から組み立てられ得るが、本発明の小サイズのアクチュエータを達成するためには前記機械的増幅装置１０が一体型であることが好ましく、これは即ち１片の材料から形成されることを意味する。かかる材料は例えばステンレススチールなどであり、高精度レーザー切断や化学的エッチングなどを用いて機械的増幅装置１０の形状に切り出される。他の実施態様では、機械的増幅装置１０は、シリコンから半導体装置を形成するための使用される従来のエッチングプロセスを介して形成され、それによりさらに小さなアクチュエータ本体を得ることができる。カーボンファイバ、プラスチック又はセラミックスなどの他の材料もまた応用に応じて使用可能である。ステンレススチールは１つの好ましい材料である。というのは、これは適切なレベルの剛性と丈夫さを備え、さらに機械的増幅装置１０の好ましい位置に一体的に形成される有用な作用表面（これは例えばブレード）を作る方法で形成され得るからである。
【００１２】
機械的増幅装置１０の１つの好ましい実施態様は、第１の取り付け表面２４を持つ固定支持部材２０を含む。固定支持部材２０は、以下説明するように適切な前圧縮負荷を持つ圧電スタック１００を強固に支持する目的に供される。第１の取り付け表面２４は以下さらに説明されるように、好ましくは、圧電スタック１００と、場合により絶縁体１０１（図４に示される）と共に、強固にかつ均一に接続されている。取り付け表面２４及び圧電スタック１００との間の強い接合が望ましい。というのは操作の際に圧電スタック１００の斜め方向への屈折を最小化し、それによりアクチュエータの操作寿命と効率を改良するためである。
【００１３】
機械的増幅装置１０はさらに、対抗する可動支持部材３０を含み、これは第２の取り付け表面３４を持つ。圧電スタック１００は第１の取り付け表面２４及び第２の取り付け表面３４の間に固定される。圧電スタックの取り付けを確実にするために接着剤が使用されてもよい。ただし、ある実施態様ではそのような接着剤は不要である。というのは可動支持部材３０が固定支持部材２０の第１の取り付け表面に対して圧電スタック１００を圧縮することで与えられる圧縮力が、圧電スタックをその位置に確保するためには通常十分に強いからである。従って好ましくは、固定支持部材２０が実質的に剛性であり、可動支持部材３０及び第２の取り付け表面が、固定支持部材２０及び第１の取り付け表面２４に平行に対抗する、ことである。第１の取り付け表面２４の場合と同じく、第２の取り付け表面３４もまた、圧電スタック１００を強固にかつ均一に合うように適合されることが望ましい。このようにして、圧電スタック１００へ適切な電圧を付加すると、圧電スタック１００は、実質的に曲がることで生じる斜め方向へ屈折することなく伸び、それによって、デューティサイクルがより長くなりかつ操作がより効率的となり得る。
【００１４】
図示されるアクチュエータ１の実施態様はさらに、アクチュエータ腕部４０を含み、これは固定支持部材２０及び可動支持部材３０と、機械的リンク３２により接続されている。機械的リンク３２は、可動支持部材３０を固定支持部材２０から可動支持部材を遠ざけるように作用させることで機械的リンク３２が曲がり、それによりアクチュエータ腕部４０がお互いの方向へ動く。アクチュエータ腕部４０が長いほど、それらの端部での動きは大きくなる。従って、機械的増幅装置１０の設計は、圧電スタック１００により作られる機械運動を増幅してアクチュエータ腕部４０の端部のより大きい機械的運動へ増幅する。このようにして、アクチュエータ１は、圧電スタック１００に電圧を供給することで活性化され、それによって伸ばされ、第２の可動支持部材３０に対して作用し、アクチュエータ腕部４０の対応する増幅された動きを生じさせる。以下さらに説明するように、逆の操作も可能である。少なくとも１つのアクチュエータ腕部４０が機械力で動かされると、それにより可動支持部材３０が代わって圧縮され、圧電スタック１００を伸ばすこととなる。これにより圧電スタック１００が電圧を生じることとなり、例えば最充電可能な電源（図示されていない）などの電気負荷へ放電させることが可能となる。従って、次のことが理解されるべきである。アクチュエータ１は、適切な電圧を圧電スタックに供給することで電気エネルギーから機械的運動を生成するアクチュエータとして使用され得ること、又は筋肉繊維や振動装置などの機械的エネルギー源へアクチュエータ腕部４０を付着させ、その後圧電スタック１００の伸縮により作られる電圧を最充電可能な電池又はキャパシタに放電させることで、機械的運動から電気エネルギーを獲得する発生装置として使用され得ることである。
【００１５】
圧電スタックにより生成される電圧の量はアクチュエータ４０の移動量に比例する。従って、得られたエネルギーを分析することで、アクチュエータ腕部４０の動きの程度が決定され得る。従って、ここで開示されるものは、マイクロスケールスマート材料アクチュエータ１を持つ運動の検出方法であり、アクチュエータ腕部４０を機械的運動源に接続し、圧電スタック１００で発生する電圧を読むことを含む。前記電圧はその後、アクチュエータ腕部４０での運動の量を示すために使用され得る。というのは前記発生された電圧は前記運動の程度に比例するからである。このようにして、動きの程度が、所与の瞬間又はある時間にわたって検出されることができる。アクチュエータ１のサイズが非常に小さいので、小さい動きが信頼性よく検出され得る。かかるセンサーの応用は無数にあり、限定されるものではないが、身体の小さな動きを測定するミクロスケールバイオセンサーや、機械装置内の小さい振動を測定するセンサーが挙げられる。増幅及びシグナル処理は、かかるセンサーから生成されるシグナルを有用な情報に変換することが必要とされる場合がある。しかし、そのような増幅及びシグナル処理手段は本技術分野でよく知られた技術であり、ここではさらに説明はされない。
【００１６】
機械的増幅装置１０が金属などの導電性材料で形成される場合に、（図４に示される）絶縁体１０１を少なくとも１つの圧電スタック１００の端部及び第１の取り付け表面２４又は第２の取り付け表面３４のいずれかに設けることが好ましい。これにより、圧電スタック１００の１つの極と電気的に接続される機械的増幅装置１０の本体が接地グラウンドとして作用することなる。圧電スタック１００が、第１取り付け表面２４及び第２の取り付け表面３４の両方共が同じ極性を持つ圧電スタック１００の区分と接続するように適合されている場合には、又は機械的増幅装置１０が非導電性材料から形成されている場合には、絶縁体１０１は必要ではない。
【００１７】
当業者に理解されるべきことは、機械的増幅装置１０の実施態様では固定支持部材２０，可動支持部材３０及び機械的リンク３２の構成が必要ではあるが、アクチュエータ腕部４０はアクチュエータ１の望ましい応用に依存して種々のサイズ及び構成で形成され得る、ということである。例えば、限定されるものではないが、単一のアクチュエータ腕部４０のみが存在し、固定表面（図示されていない）へ付設されるように適合された取り付け表面（図示されていない）と交換された対抗するアクチュエータ腕部４０を持つもの；アクチュエータ腕部４０は圧電スタックから曲げられ、カーブされ、又はブレード、バーブ、ポイント又は機械的アタッチメントなどの組み合わせ構成を含むものが挙げられる。１つの可能な実施態様では、アクチュエータ腕部４０は固定支持部材２０の端部を超えて伸びており、一体ブレード（図示されていない）を含む。ここでは圧電スタック１００の繰り返される活性化と不活性化が、ミクロサイズ外科装置において用いられ得るハサミ様切断作用を生じる。同様に、アクチュエータ腕部４０にバーブ又は他の適切な構成を導入することで、アクチュエータ１は動物又は人の筋肉組織内又は他の運動部分内に配置可能となりかかる運動からエネルギーを獲得することができる。異なるアクチュエータ腕部構成も、体内の液体又はガス流から電気的エネルギーを獲得するために使用され得る。
【００１８】
さらに理解されるべきは、より長いアクチュエータ腕部４０はアクチュエータ１のより大きい動きとなり、その動きはより小さな力を伴う、ということである。より大きな力が必要であり、より小さな長さ動きが許容される場合には、より短い腕部４０がその代わりに使用され得る。
【００１９】
図３及び４を参照して、圧電スタック１００が、圧電材料１１１の１以上の区分から形成され、正電極１１２及び負電極１１６を持つ。種々の圧電材料（電圧が負荷されると伸長し、機械的力が負荷されると電荷を生成する）が知られており、本発明において使用するために適合され得る。ここで説明したように、圧電材料はまた、いわゆる「スマート材料」と呼ばれる材料を含み、既知の圧電材料にドープされてその電気的又は機械的性質を変化させるものである。
【００２０】
本発明のアクチュエータ１のある実施態様で使用されるために適した圧電スタック１００の１つのタイプは、多層圧電スタックである。かかるスタックは当該技術分野で知られており、圧電材料１１１の区分１１０を含み、それぞれは対抗する正電極１１２及び負電極１１６を持つ。正端子１１４及び負端子１１８が、電荷を与えるたに接続線又は導電性ストリップの簡便なアタッチメントとして使用され、スタック１００の区分１１０が電気的に接続され得る。かかる応用において、圧電材料１１１は伸長する。又は圧電材料１１１の圧縮により、電極１１２及び１１６の間に電圧が発生する。複数層を共にスタックすることで、前記伸長及び電気獲得特性は共に加算される。スタックされる際に、正電極１１２が正電極１１２に隣接し、負電極１１６が負電極１１６に隣接するように圧電区分１１０の方向を変更することで、区分１１０間の絶縁体は必要とされなくなる。圧電スタック１１０が導電性構造（金属で形成される機械的増幅装置など）に挿入される場合には、絶縁体１０１が１つの端部に含まれる必要がある。しかし、圧電スタック１００が、端子１１４及び１１８がそれぞれの端で同じ極性（即ち、交互スタックの偶数区分１１０を持つことによる）の場合には、絶縁体は必要ない。
【００２１】
本発明において使用するに適する複数層圧電スタック１００の１つのタイプは、共焼成、多層セラミックス圧電スタックである。かかる圧電スタックは、既知に方法でセラミックス圧電材料１１１のいずれかの端部に電極を印刷することで形成され得る。前記層はその後スタックされ同時焼成されて一体構造を形成する。かかるスタックは、いくつかの供給者から入手可能であり、例えばＮＥＣである。かかるスタックは、２ｍｍ長さ、０．５ｍｍから１ｍｍ厚さ及び１ｍｍ幅の寸法を持つアクチュエータでの使用のために便利である。当業者には理解されるものであるが、この例は単なる１例であって、多くの異なるスタックサイズが、異なる数の層及び異なる層厚さを用いて形成されることができ、それにより広い範囲の応用に適するアクチュエータを提供することができる。
【００２２】
本発明での使用に適する多層圧電スタック１００の他のタイプは、単結晶圧電材料の区分１１０から形成されるスタックである。単結晶圧電材料は当技術分野では知られており種々の構成が考えられる。単結晶圧電材料は一般には、共焼成セラミックス材料よりも効率的であると考えられている。従って、より少ない材料を用いて、より大きな共焼成スタックと同様な効果を生じさせ得る。単結晶圧電材料から形成される圧電スタック１００は、本発明のより小さいサイズの実施態様において便利に使用され得るものであり、例えばサイズが１ｍｍ長さ（電流が前記結晶に適用される際に結晶が主に伸長する軸に沿った長さ軸）及び０．３ｍｍの長方形である。図６に示されるように、短いスタック１００が使用される場合に、アクチュエータ腕部４０は固定支持部材２０をずっと超えて伸びている。ここでまた当業者には明らかであるが、多くの異なるサイズ、より大きい及びより小さいサイズを含めて、かかるスタックに使用され得るということである。
【００２３】
単結晶材料のスタックを形成する場合、前記層間に導電性又は絶縁性接着剤を用いてスタックの構造強度を加えることが望ましい。これにより、アクチュエータ１に挿入された際に、スタック１００は、固定支持部材２０と可動支持部材３０とにより生成される圧縮力と共に層間接着により一体に保持されることとなる。同様に接着剤は、スタック１００と取り付け表面２４及び３４との間に使用されて、スタック１００をその位置に保持するために使用され得る。又はその代わりに、スタック１００をその位置に保持するように適合させるリッジ部やタブ部などの構成を取り付け表面２４、３４に持たせるように形成するために使用され得る。
【００２４】
圧電スタック１００は既定の程度圧縮されることにより有益となり、それによりプレロードが生じており圧電スタック１００が、電荷が供給されない場合にも圧縮が維持されるものである。かかる圧縮力は実質的に均一の与えられており、電荷の供給の際に、圧電スタック１００は実質的に斜め方向へ屈折することなく伸びる。斜め方向への屈折の低減はスタック１００の効率及び使用寿命を高めることとなる。
【００２５】
既定の圧縮又はプレロードの適切なレベルを決定することは、異なるプレロードを与え、それぞれのプレロードについて種々のブロック力のレベルでの動きに対してプロットすることで達成され得る。要求される動き及びブロック力レベルについてかかる曲線の積分が最大となるプレロードレベルが好ましい。
【００２６】
より大きいアクチュエータでは、プレロードは、可動支持部材３０又は固定支持部材２０に、閾値ボルト又は機械的圧縮の手段を導入することで達成され得る。非常に小さなアクチュエータでは、かかる機械的圧縮手段は実用的ではなくなる。従って本発明のアクチュエータの実施態様は、必要なプレロードを与えるために機械的リンク３２のばね定数に簡便に依存する。必要なプレロードレベル及びそれによるスタック１００の圧縮力を決定することで、機械的増幅装置１０は次のように機械的リンク３２を持つように設計され得る。即ちアクチュエータ腕部４０が望ましい開始位置にある場合に、適切なプレロードが機械的リンク３２のばね定数によりスタック１００に負荷され、それにより嵩張る機械的圧縮機構の必要性がなくなるというものである。かかる実施態様では、アクチュエータ腕部４０は、圧電スタック１００を挿入される前に固定支持部材２０からより大きな程度反らされ得る。かかる実施態様では、圧電スタック１００は、アクチュエータ腕部４０を圧縮し、スタック１００を挿入し、その後アクチュエータ腕部４０を自由にすることで挿入され得る。図５に示されるように、他の挿入方法は、固定支持部材２０に好ましくは２つの穴２６を形成し、可動支持部材３０に他の２つの穴３６を形成する。このようにして、穴２６、３６により保持されるように適合される４ピンを持つ道具（図示されていない）を用いて、第１の取り付け表面２４及び第２の取り付け表面３４を十分な程度離すようにしてスタック１００の挿入を可能とする。長方形パターンで穴２６、３６を形成することで、かかる道具により適用される力は望ましくない歪みが最小化されるように均一に適用される。
【００２７】
機械的リンク３２のばね定数が圧縮力のために使用され、及び機械的増幅装置１０のサイズが小さい場合、以下の点が重要である。機械的リンク３２は、通常の操作の際に降伏点に到達せず、かつ圧電スタック１００がかかる操作の際に非圧縮状態にはならないように適合される、ということである。機械的リンク３２の降伏点は、それが曲げられた際にもはやその開始点まで戻らない点まで曲げられる場合に到達されるものである。降伏点は操作の際に超えられると、動きが影響を受ける。プレロードのレベルはまた変化可能であり、それにより効果が低減する。圧電スタック１００が非圧縮状態に到達することを防止することも同様に重要である。というのは、かかるスタックの寿命は、クラックがより発生しやすいことを含む理由のために非圧縮状態で操作される場合に大きく減少する。当業者に理解されるように、必要な動き及び力を決定し、かかる力を生成し得る適切なスタック１００を選択することで、機械的リンク３２を次のように設計することができる。即ち、プレロードの好ましいレベル、及びアクチュエータ腕部４０との組み合わせで好ましいレベルの機械的増幅であって、望ましい動き／力の組み合わせが達成され、同時にスタック１００を通常の操作の際に非圧縮状態になることを防止するように、である。異なるばね定数を持つ異なる材料は従って、同様の効果を達成するために機械的増幅装置１０の異なる構成を必要とする。
【００２８】
本発明のアクチュエータは有用な応用を持つことは容易に理解できる。例えば、限定されるものではないが、ブレードがアクチュエータ腕部４０に形成され、それにより内視鏡外科応用で有用な切断装置を制作され得る。かかる内視鏡外科応用では、非常に小さいブレードが、ブロックされた動脈を開くために組織を切断し、小さな塊や腫瘍を取り除くために必要とされる。他の例は、また限定されるものではないが、アクチュエータ１をエネルギー獲得装置として作用させるものである。即ち、アクチュエータ腕部４０を動物又は人の筋肉などの機械的動きの源に付設すること又は動脈内の液液体又は気道内の気体流などの乱流環境に適応させることによる。このようにして、スタック１００がアクチュエータ腕部４０により繰り返し圧縮され弛緩される際に生成される機械的エネルギーが、エネルギー貯蔵装置などの電気的負荷へ電流を放電することで獲得され得る。このようにして、過剰な機械的エネルギーが電気エネルギーに変換され、貯蔵される（即ち、再充電可能電池に）。かかる電気エネルギーは、例えばペースメーカー、バイオセンサー又は他の生体内埋め込みの電気駆動装置などを補助するために使用され得る。
【００２９】
本発明は、現在最も実用的な、好ましい実施態様と考えられるものに関連して説明されてきた。しかし本発明はこれらの実施態様に限定されるものではなく、むしろ添付の特許請求の範囲の範囲内及び本質の範囲内においてこれらの実施態様の全ての種々の変更・変法実施態様さらにこれらの実施態様の均等な変更・変法実施態様をも含むものである。添付の特許請求の範囲は法律上許容される最も広い解釈がされる。
【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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【国際調査報告】
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