JP2022506331A - 層状構造の電気機械変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】工業的規模の生産に適し、堅牢かつ高い信頼度で動作する電気機械変換器、および関連する製造方法を提供する。【解決手段】層状構造の電気機械変換器１，２１，２８は、外側が絶縁されている、構造化処理済みの、電気シールドとして機能する少なくとも１つの導電性領域３を、少なくとも１つの平面に有する、第１の層２と、少なくとも一部の点で導電性を有する接着層として機能する、第２の層６と、電気機械的な機能素子を含む、第３の層１３，２２と、少なくとも一部の点で導電性を有する接着層として機能する、第４の層１５，２３と、外側が絶縁されている、構造化処理済みの、電気シールドとして機能する少なくとも１つの導電性領域１８を、少なくとも１つの平面に有する、第５の層１７，２４と、をこの順に備える。【選択図】図１

Description

本発明は、層状構造の電気機械変換器に関する。

EP 2 372 802 A2（特許文献１）には、支持下層と、当該支持下層上に設けられた電気的及び／又は電気機械的な機能素子と、当該機能素子に接続された電気的接点部を有する上層と、を少なくとも備える、電気機械変換器が記載されている。

欧州特許出願公開第２３７２８０２号明細書

このような電気機械変換器の商業的採算を取るには、効率的な製造方法が必要となる。つまり、本発明は、工業的規模の生産に適し、堅牢かつ高い信頼度で動作する電気機械変換器を提供する（anzugeben）という目的に基づくものである。さらに、関連する製造方法も提供する（anzugeben）。

この課題を解決するのに、請求項１の構成を備える電気機械変換器が提供される。

本発明にかかる電気機械変換器は、
－外側が絶縁されている、構造化処理済みの、電気シールドとして機能する少なくとも１つの導電性領域を、少なくとも１つの平面に有する、第１の層と、
－少なくとも一部の点で導電性を有する接着層として機能する、第２の層と、
－電気機械的な機能素子を含む、第３の層と、
－少なくとも一部の点で導電性を有する接着層として機能する、第４の層と、
－外側が絶縁されている、構造化処理済みの、電気シールドとして機能する少なくとも１つの導電性領域を、少なくとも１つの平面に有する、第５の層と、
をこの順に備えた層状構造である。

本発明にかかる電気機械変換器は、層状構造であるため、簡単かつ安価に大量製造できるという点が特徴である。具体的に述べると、外側の層、すなわち、前記第１の層および前記第５の層は、前記電気機械的な機能素子を、電磁場などの外的影響で阻害され得ないようにシールドする役割を果たす。別の利点としては、本発明にかかる電気機械変換器が、層状構造であることによって比較的容易に製造できるという点が挙げられる。具体的に述べると、個々の層を一回の工程で重ね合わせた後、この層状構造（パネル）を分割して個々の変換器を得ることにより、複数の電気機械変換器を製造することが可能である。

本発明にかかる電気機械変換器では、前記第２の層および前記第４の層が接着層として機能する。前記第２の層および前記第４の層は、これにより、隣合う２つの層、すなわち、前記第１の層と前記第３の層、前記第３の層と前記第５の層をそれぞれ結合する。ここで重要なのは、前記第２の層と前記第４の層の両方が、少なくとも一部の点で導電性を有しているということである。これにより、異なる層間で電気的な接続を実現することができる。

本発明の範疇では、前記第１の層および／または前記第５の層が、外部に露出した接点部（Kontaktierung）を有し得る。当該接点部は、例えば導線（Leitung）等の電気接続エレメントを接続する役割を果たし得る。また、本発明の範疇では、前記接点部が、プラグ、ソケット、または電子的なアセンブリとして形成される。前記電気機械変換器に前記接点部が組み込まれている場合、電気的な接続が極めて簡単になる。例えば、前記接点部は、ＳＤカードなどのメモリーカードの場合のような接点部や、携帯電話のＳＩＭカードの場合のような接点部として構成され得る。

極めて有利には、本発明にかかる電気機械変換器の各層が、当該層を隣接する層と導電可能に接続する少なくとも１つの点状電気接触部又は貫通めっき部を有し得る。これにより、層の平面と直交に、一方又は両方の外層へと、電気信号を単一又は複数（冗長）で送り出すことが可能になる。

好ましくは、本発明にかかる電気機械変換器の前記第２から第５の層が、前記第１の層との直接的な又は層を間に介しての間接的な少なくとも１つの導電接続部を有している。これにより、信号の送出や他の理由で必要となった場合に、好ましくは前記第１の層に設けられている前記接点部を、個々の全ての層と電気的に接続することが可能となる。

隣合う２つの層、好ましくは隣合う全ての層を互いに材料結合すると、極めて堅牢な構造の電気機械変換器が生じる。これは、全ての層が互いに強固に結合することで、前記電気機械変換器が安定した構造になるということを意味する。

本発明のさらなる実施形態では、隣合う２つ以上の層、好ましくは隣合う全ての層が、例えば樹脂マトリクス等のポリマーマトリクスの材料結合（stoffschlussig）及び／又は形状係合によって互いに結合しているものとされ得る。具体的に述べると、接着層として機能する前記第２および第４の層は、ポリマーマトリクスで構成されたものとされてもよいし、樹脂マトリクスを含有するものとされてもよい。変形例として、前記第２および第４の層は、接着フィルム、熱可塑性フィルム、または液状もしくは粘性接着剤を具備するものとされてもよい。この点について、前記材料結合（stoffschlussige Verbindung）としては、ポリマー表面とポリマー表面との2つの面を結合するものが想定され得る。しかしながら、前記材料結合（stoffschlussige Verbin-dung）が金属表面と金属表面とを結合するものとされてもよいし、前記材料結合（stoffschlussige Verbindung）がポリマー表面と金属表面とを結合するものとされてもよい。好ましくは、前記材料結合（stoffschlussige Verbindung）が、前記電気機械変換器の２０％以上の表面積のポリマー類、特には樹脂マトリクスで形成されている。変形例として、前記材料結合は、樹脂マトリクス系またはポリマー系接着剤によって形成されたものであってもよい。当該接着剤は、加熱、任意で、加圧されながらの加熱により、接着剤として活性化および／または硬化し得る。

本発明の範疇では、前記機能素子が、次の１種のセンサ：圧電センサ；静電容量センサ；インダクティブセンサ；導電率センサ；抵抗型センサ；ピエゾ抵抗型センサ；焦電センサ；位置センサ；ジャイロ；ホールセンサ；磁力計；レーダセンサ；または近接センサ；として構成され得る。上記の各センサは、特定の測定タスクに対して用いられ得る。例えば、上述のセンサは、固体伝播音（すなわち、身体の振動）、力、歪み、曲げ等を検出するのに用いられ得る。前記センサで記録されたこれらの測定値から、さらなる数量を導出又は算出することが可能である。例えば、固体伝播音の振動は、音声信号として検出される場合もある。

本発明にかかる電気機械変換器は、次の少なくとも１つの構成要素：信号増幅器；フィルタ；ＡＤ変換器；信号処理制御部；データメモリ；無線データ送信モジュール；ワイヤレス電力伝送モジュール；ＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）；ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）；およびＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）；を含む電子回路を備え得る。

また、本発明の範疇では、本発明にかかる電気機械変換器が、同一又は異なる複数の層を互いに積層してなるものとされる。これらの層の順番は、様々であり得る。例えば、積層される層同士は、対称的に配置されてもよい。本発明にかかる電気機械変換器の少なくとも１層は、繊維強化ポリマーからなり得る。このような繊維強化ポリマー同士を組み付けて層状構造にすることは、極めて簡単である。本発明にかかる電気機械変換器の前記接着層は、少なくとも一部で電気絶縁性を有し得る。導電性化合物は、例えば、カーボン繊維や銀粒子などを化合物として含有した導電性ポリマーによって形成され得る。前記接着層は面内が絶縁されている一方で、少なくとも一部の点でのみ当該層の平面と直交に導電性が存在しているものとされ得る。

本発明の範疇では、１つ以上の機能層を前記電気機械変換器に直接組み込むことが可能である。このような層は、電子部品や、例えば温度センサ、位置センサ、トルクセンサ、加速度センサ等の一種又は他種のセンサや、前述した少なくとも１つの電子回路を含み得る。本発明により、このようなセンサや回路は、簡単かつ安価に接続することが可能である。また、電子部品を完備した印刷回路基板を本発明にかかる変換器に組み込むことも可能である。

本発明にかかる電気機械変換器では、少なくとも１層が、熱硬化性であり得るか又は硬化済みであり得るか又は自己接着性を有し得る。また、前記電気機械変換器は、電気機械的な機能素子を含む層を複数備えることも可能である。好ましくは、前記電気機械変換器の少なくとも１層が、繊維強化ポリマーを含む。好ましくは、前記接着層は、少なくとも一部で且つ／或いは当該接着層が形成する平面と平行方向に、電気絶縁性を有している。

本発明は、さらに、電気機械変換器を製造する方法であって、
－外側が絶縁されている、パターン形成済みの、電気シールドとして機能する少なくとも１つの導電性領域を、少なくとも１つの平面に有する、第１の層を用意する工程と、
－少なくとも一部の点で導電性を有する接着層として機能する、第２の層を用意する工程と、
－電気機械的な機能素子を含む、第３の層を用意する工程と、
－少なくとも一部の点で導電性を有する接着層として機能する、第４の層を用意する工程と、
－外側が絶縁されている、パターン形成済みの、電気シールドとして機能する少なくとも１つの導電性領域を、少なくとも１つの平面に有する、第５の層を用意する工程と、
－前記第１から第５の層を積層し揃えることによってパネル領域を形成する工程と、
－前記層同士を加圧によって押圧する工程と、
－前記パネル領域を分割する工程と、
備える、方法に関する。

本発明にかかる方法では、前記層同士が、熱を加えて互いに押圧され得る。具体的に述べると、前記層同士は、数分間または数秒間のあいだ、好ましくはほんの一瞬（Sekundenbruchteile）のあいだだけ、互いに押圧され得る。

前記方法の範疇では、少なくとも１層が、押圧前に、洗浄又は表面活性化を施され得る。表面活性化は、プラズマ処理の形態を取り得る。

本発明にかかる方法では、前記接着層として、常温硬化型接着剤、熱可塑性ホットメルト接着剤、または熱硬化性構造用接着剤が用いられ得る。

以下では、本発明のさらなる利点および詳細について、図面を参照しながら例を用いて説明する。図面は、概略的な図である。

本発明にかかる第１の実施形態の電気機械変換器の断面図である。 本発明にかかる第２の実施形態の電気機械変換器の断面図である。 本発明にかかる第３の実施形態の電気機械変換器の断面図である。

図１は、層状構造の電気機械変換器１を示す断面図である。電気機械変換器１は、外側が絶縁されている、構造化処理済みの、電気シールドとして機能する少なくとも１つの導電性領域３を、少なくとも１つの平面に有する、第１の層２を備える。この平面領域３は、電気機械変換器１の外部から電気的に絶縁された外側の層を形成している。第１の層２は、さらに、平面領域３から隔てられた別の平面領域４を有している。これら２つの平面領域３，４は、ポリマーマトリクス５中に埋め込まれることで互いに材料結合している（dadurch stoffschlussig miteinander verbunden）。

第１の層２に続けて、接着層として機能する第２の層６が存在する。当該接着層は、様々に存在する点７で導電性を有している。これらの各点７には、前記接着層を貫通する（quer）電気的接触部、すなわち、当該接着層の一方の側から他方の側への電気的接触部が存在している。前記接着層として機能する第２の層６からは、当該層の平面と直交に接触部８が電気機械変換器１の外表面９へと延びている。接触部８は、そこで終端して接点部１０となる。図１では、このほかにも接点部が外表面９に存在している様子が見て取れる。幾つかの接点部１１は、平面領域３にまで延びている。接点部１２は、外表面９と平面領域４とを接続している。

図１では、接着層として機能する第２の層６の下側に、電気機械的な機能素子を含む第３の層１３が位置している。図示の実施形態では、前記電気機械的な機能素子が、例えば圧電センサ１４として構成されている。センサ１４は、圧電効果を利用したものである。機械的な圧力が加わることで電荷が発生し、これが増幅器へと供給され得る。そして、圧電センサ１４により供給された信号が、処理および評価の対象となり得る。

図１では、第３の層１３の下側に、接着層として機能する層６と同じ構造の接着層として機能する第４の層１５が存在している。接着層として機能する層１５は、一部の点で導電性を有している。この目的のために、当該接着層を貫通する接触部が、複数ある点１６にて設けられている。前記接着層として機能する層１５は、第３の層１３と第５の層１７とを接続する。第５の層１７は、基本的に第１の層２のような構造をしている。第５の層１７は、外側が絶縁されている、構造化処理済みの導電性領域１８を、１つの平面に有している。第５の層１７は、さらに、平面領域１８から厚さ方向に隔てられたさらなる平面領域１９を有している。これら２つの平面領域１８，１９は、第１の層２の平面領域３，４と同様に、ポリマーマトリクス２０中に埋め込まれている。

接触部８は、外表面９の接点部１０から、接着層として機能する第２の層６および接着層として機能する第４の層１５を通って第５の層１７にまで延びている。第５の層１７は、このようにして接点部１０と接続されている。これらの各種接点部は、電気機械変換器１を例えば増幅器や評価回路等の外部コンポーネントと電気的に接触させる役割を果たす。

電気機械変換器１の合計５つの層は、ポリマー又は繊維強化ポリマーで構成されており、かつ、必要に応じて当該層内に導電性領域や電気絶縁性領域が設けられている。各層は、当該各層を隣接する１つ以上の層と接続する、少なくとも点状で導電性を有する接触部、二次元接触部又は貫通めっき部を少なくとも１つ有している。

本実施形態で説明した電気機械変換器は、自動化された方法で簡単に大量製造することが可能である。この目的のために、行と列に並んだ複数の電気機械変換器を含んでなるパネルが製作される。個々の層を積層した後、（加熱下等で）加圧成形が実施される。そして、当該パネルが切断されることにより、個々の電気機械変換器が形成される。

図２に、第１の実施形態で説明した変換器と同様の構造の第２の実施形態の電気機械変換器２１を示す。そのため、ここでは、対応する構成要素についての詳細な説明を省いている。

電気機械変換器２１は、外部から絶縁されている、構造化処理済みの、電気シールドとして機能する導電性の平面領域３を有する、第１の層２を備える。これに続けて、接着層として機能する第２の層６が存在する。第３の層２２は、センサ１４として構成された電気機械的な機能素子を含む。図２で第３の層２２に対して層６とは反対側に位置した第４の層２３は、接着層として機能する。

第５の層２４は、外表面９とは反対側の外表面２５を形成している。第５の層２４は、外側が絶縁されている、構造化処理済みの、電気シールドとして機能する導電性領域２６を有している。図２では、電気機械変換器２１が対称的な構造である様子が見て取れる。つまり、２つの同一のセンサ１４が存在しており、各センサ１４の両側に接着層が設けられている。第５の層２４は、図２の下側のセンサの前記接着層と隣接している。内側の２つの接着層間には、中間層２７が位置している。

図３には、図２に示す電気機械変換器と同様の構造において図１に示す実施形態のシールド構成とも同様のシールド構成を具備してなる、他の実施形態の電気機械変換器２８が描かれている。

１ 電気機械変換器
２ 第１の層
３ 平面領域
４ 平面領域
５ ポリマーマトリクス
６ 第２の層
７ 点
８ 接触部
９ 外側
１０ 接点部
１１ 接点部
１２ 接点部
１３ 第３の層
１４ センサ
１５ 第４の層
１６ 点
１７ 第５の層
１８ 平面領域
１９ 平面領域
２０ ポリマーマトリクス
２１ 電気機械変換器
２２ 第３の層
２３ 第４の層
２４ 第５の層
２５ 外表面
２６ 領域
２７ 中間層
２８ 電気機械変換器

Claims (19)

1. 層状構造の電気機械変換器（１，２１，２８）であって、
   －外側が絶縁されている、構造化処理済みの、電気シールドとして機能する少なくとも１つの導電性領域（３）を、少なくとも１つの平面に有する、第１の層（２）と、
   －少なくとも一部の点で導電性を有する接着層として機能する、第２の層（６）と、
   －電気機械的な機能素子を含む、第３の層（１３，２２）と、
   －少なくとも一部の点で導電性を有する接着層として機能する、第４の層（１５，２３）と、
   －外側が絶縁されている、構造化処理済みの、電気シールドとして機能する少なくとも１つの導電性領域（１８）を、少なくとも１つの平面に有する、第５の層（１７，２４）と、
   をこの順に備える、電気機械変換器。
2. 請求項１に記載の電気機械変換器において、前記第１の層（２）および／または前記第５の層（１７，２４）が、外部（９，２５）に露出した接点部（８）を有していることを特徴とする、電気機械変換器。
3. 請求項２に記載の電気機械変換器において、前記接点部（８）が、プラグ、ソケット、または電子的なユニットとして構成されていることを特徴とする、電気機械変換器。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の電気機械変換器において、各層（２，５，１３，１５，１７，２２，２３，２４）が、当該層（２，５，１３，１５，１７，２２，２３，２４）を隣接する層（２，５，１３，１５，１７，２２，２３，２４）と導電可能に接続する、少なくとも点状で導電性を有する少なくとも１つの接触部（１０，１１，１２）又は貫通めっき部を有していることを特徴とする、電気機械変換器。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の電気機械変換器において、前記第２から第５の層（６，１３，１５，１７，２２，２３，２４）が、前記第１の層（２）との直接的な又は層を間に介しての少なくとも１つの導電接続部を有していることを特徴とする、電気機械変換器。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の電気機械変換器において、隣合う２つの層（２，５，１３，１５，１７，２２，２３，２４）、好ましくは隣合う全ての層（２，５，１３，１５，１７，２２，２３，２４）が、材料結合によって互いに結合していることを特徴とする、電気機械変換器。
7. 請求項６に記載の電気機械変換器において、隣合う少なくとも２つの層（２，５，１３，１５，１７，２２，２３，２４）、好ましくは全ての層（２，５，１３，１５，１７，２２，２３，２４）が、ポリマーマトリクス（５）の材料結合及び／又は形状係合によって互いに結合していることを特徴とする、電気機械変換器。
8. 請求項６または７に記載の電気機械変換器において、前記材料結合が、当該電気機械変換器（１，２１，２８）の２０％以上の表面積のポリマー類、特には樹脂マトリクスから形成されていることを特徴とする、電気機械変換器。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の電気機械変換器において、前記機能素子が、次の１種のセンサ：圧電センサ（１４）；静電容量センサ；インダクティブセンサ；導電率センサ；抵抗型センサ；ピエゾ抵抗型センサ；焦電センサ；位置センサ；ジャイロ；ホールセンサ；磁力計；レーダセンサ；または近接センサ；として、あるいは、電子回路として構成されていることを特徴とする、電気機械変換器。
10. 請求項９に記載の電気機械変換器において、前記電子回路が、次の少なくとも１つの構成要素：信号増幅器；フィルタ；ＡＤ変換器；信号処理用の制御部；データメモリ；無線データ送信モジュール；ワイヤレス電力伝送用のモジュール；ＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）；ＤＳＰ（デジタルシグナルプロセッサ）；およびＦＰＧＡ（フィールドプログラマブルゲートアレイ）；を含むことを特徴とする、電気機械変換器。
11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載の電気機械変換器において、少なくとも１層（２，５，１３，１５，１７，２２，２３，２４）が、熱硬化性であるか又は硬化済みであるか又は自己接着性を有していることを特徴とする、電気機械変換器。
12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載の電気機械変換器において、電気機械的な機能素子を含む層を複数備えていることを特徴とする、電気機械変換器。
13. 請求項１から１２のいずれか一項に記載の電気機械変換器において、少なくとも１層（２，５，１３，１５，１７，２２，２３，２４）が、繊維強化ポリマーを含むことを特徴とする、電気機械変換器。
14. 請求項１から１３のいずれか一項に記載の電気機械変換器において、前記接着層は、少なくとも一部で且つ／或いは当該接着層が形成する平面と平行方向に、電気絶縁性を有していることを特徴とする、電気機械変換器。
15. 電気機械変換器（１，２１，２８）を製造する方法であって、
    －外側が絶縁されている、構造化処理済みの、電気シールドとして機能する少なくとも１つの導電性領域（３）を、少なくとも１つの平面に有する、第１の層（２）を用意する工程と、
    －少なくとも一部の点で導電性を有する接着層として機能する、第２の層（６）を用意する工程と、
    －電気機械的な機能素子を含む、第３の層（１３，２２）を用意する工程と、
    －少なくとも一部の点で導電性を有する接着層として機能する、第４の層（１５，２３）を用意する工程と、
    －外側が絶縁されている、パターン形成済みの、電気シールド（１８）として機能する少なくとも１つの導電性領域を、少なくとも１つの平面に有する、第５の層（１７，２４）を用意する工程と、
    －前記第１から第５の層（２，５，１３，１５，１７，２２，２３，２４）を積層し揃えることによってパネル領域を形成する工程と、
    －前記層（２，５，１３，１５，１７，２２，２３，２４）同士を加圧によって押圧する工程と、
    －前記パネル領域を分割する工程と、
    備える、方法。
16. 請求項１５に記載の方法において、前記層（２，５，１３，１５，１７，２２，２３，２４）同士が、熱を加えて互いに押圧される、方法。
17. 請求項１５または１６に記載の方法において、前記層（２，５，１３，１５，１７，２２，２３，２４）同士が、数分間または数秒間のあいだ、好ましくはほんの一瞬のあいだだけ、互いに押圧される、方法。
18. 請求項１５から１７のいずれか一項に記載の方法において、少なくとも１層（２，５，１３，１５，１７，２２，２３，２４）が、押圧前に、プラズマ処理などの洗浄又は表面活性化を施される、方法。
19. 請求項１５から１８のいずれか一項に記載の方法において、前記接着層として、常温硬化型接着剤、熱可塑性ホットメルト接着剤、または熱硬化性構造用接着剤が用いられる、方法。

Images