JP5441877B2 - 圧電マクロ−ファイバー複合アクチュエータ及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、概括的に、圧電ファイバー複合歪アクチュエータに関する。
本明細書に記載の発明は、米国政府の従業者によって為されたものであり、当該米国政府の目的のためには、米国政府は従業者に如何なる使用許諾料を支払うことなく使用できるものとする。
従来形式の圧電ファイバー複合アクチュエータは、代表的に、保護ポリマーマトリックス材料により包込まれた押出し成形された圧電ファイバー層を用いて製造されている。ポリマーフィルム層上にエッチングされるか又は付着された、交互配置電極（インターディジタル構造電極）が上記ファイバーの頂面及び底面に取付けられ、比較的薄厚のアクチュエータ積層が形成される。ファイバーをポリマーマトリックス材料で保護することにより当該圧電材料を強化するとともに保護する。完成品パッケージは、モノリシック（厚膜）圧電ウェハにより形成されたアクチュエータよりも柔軟性及び順応性を有する。この種のアクチュエータは、従来公知の製造技術を用いて非-プレーナ構造体に容易に埋設又は組込みが可能とされる。更には、交互配置電極の極性調整（ポーリング、poling）を用いることにより、比較的、大きい指向性のイン−プレーン（in-plane）作用歪（作動歪、actuation strains）を発生させることができる。この作用（作動、actuation）における指向性は、とりわけ、当該構造体におけるせん断（捩り）変形の誘起に有用である。
しかしながら、不都合なことに、従来の圧電ファイバー複合材料の製造方法は、代表的に、比較的高価な押出し丸形ファイバーが使用されている。更には、それに代わる、廉価な厚膜圧電ウェハをフライス切削された角型ファイバーを用いる製造方法は、当該アクチュエータの組立時、角型ファイバーを、個別に、移動及び回転することなくアライメントすることが非常に困難であるため、成功していない。圧延角型ファイバーは鋭い角部及び縁部を露出する傾向があり、当該アクチュエータアッセンブリを仕上げる際、これらの鋭角部により交互配置電極部が切断されることとなる。上記丸形及び角型ファイバーの何れにもアプローチする（接触する）には、組み立て時、両圧電ファイバーを個別に取り扱わねばならず、そのため、製造コストが比較的高価なものとなる。
従来形式の圧電ファイバー複合アクチュエータの他の欠点は、比較的高圧の操作電圧を必要とすることである。この高操作電圧は、圧電ファイバーを包囲する保護ポリマー材料を通過するに十分に強力な電場を生じさせるために必要とされる。これらの電極電圧は、保護されていない圧電材料に所定の歪を発生させるのに理論的に必要とされる電圧の数倍高いものとされる。更に、丸形ファイバーは電極との接触面積が小さく、そのため、エネルギー損失を発生するとともに効率が低下する。これらの損失を補償するには、電圧を高めることが必要とされる。したがって、圧電ファイバーに直に電極を接触させる従来の技術は実用的ではない。
米国特許第５８６９１８９号明細書 特表平９−５１１１００号公報 実開昭５４−７１９７５号
したがって、本発明の目的は、改良された圧電ファイバー複合歪アクチュエータ及びその製造方法を提供することにある。
本発明のその他の目的および利点は、本明細書により順次明らかにされる。
上記した目的および他の目的および利点であって、当業者にとって明らかである、目的及び利点が、一側面（１つのアスペクト）において、圧電マクロ−ファイバー複合アクチュエータの製造方法に向けられた本発明により達成される。その第１段階（ステップ）は、第１面及び第２面を有する圧電材料から成る構造体を提供することである。次に、第１及び第２フィルムが、それぞれ、上記圧電材料の第１面及び第２面に接着剤により接着される。上記第１フィルムは、その上に形成された第１及び第２導電性パターンを有し、これらの導電性パターンは、互いに電気的に絶縁されるとともに上記圧電材料と電気的に接する。１実施例において、第２フィルムは、導電性パターンを有さない。上記第１フィルムの第１及び第２導電性パターンは、それぞれ、交互配置された電極のパターンを形成するべく協働する複数の電極を有する。もう１つの実施例において、上記第２フィルムは、上記第１フィルムの導電性パターンと同様の一対の導電性パターンを有する。
関連する側面において、本発明は、圧電マクロ−ファイバー複合アクチュエータに向けられたものであり、このアクチュエータは、第１面及び第２面を有する圧電材料からなる構造体と、該構造体の第１面に接着された第１フィルムであって、その上に形成された第１及び第２導電性パターンを含み、第１導電性パターンが第２導電性パターンから電気的に絶縁されるとともに、これらの両導電性パターンが上記圧電材料構造体と電気的に接続し、上記第１及び第２導電性パターンが、それぞれ、交互配置電極パターンを形成するように協働する複数の電極を具備した、第１フィルムと、上記構造体の第２面に接着された第２フィルムとを備える。
更に別の側面において、本発明は、圧電マクロ−ファイバー複合アクチュエータに向けられたものであり、このアクチュエータは、並置された複数の圧電ファイバーであって、各圧電ファイバーが第１面及び第２面を有し、各対の隣接するファイバーは溝部（チャネル）により分離されている、複数の圧電ファイバーと、該圧電ファイバーの第１面上及び上記溝部内に配置された第１接着剤層と、上記複数の圧電ファイバーの第１面に接着された第１フィルムであって、その上に形成された第１及び第２導電性パターンを含み、第１導電性パターンが第２導電性パターンから電気的に絶縁され、これらの両導電性パターンがその圧電材料構造体と電気的に接続し、上記第１及び第２導電性パターンが、それぞれ、交互配置電極パターンを形成するように協働する複数の電極を具備した、第１フィルムと、上記複数の圧電ファイバーの第２面上及び上記溝部内に配置された第２接着剤層と、上記複数の圧電ファイバーの第２面に接着された第２フィルムであって、第１導電性パターンと、第２フィルムの第１導電性パターンから電気的に絶縁された第２導電性パターンとを含み、第２フィルムの第１及び第２導電性パターンが上記複数の圧電ファイバーと電気的に接続し、第２フィルムの第１及び第２導電性パターンが、それぞれ、交互配置電極パターンを形成するように協働する複数の電極を具備した、第２フィルムと、を備える。
代表的な圧電ウェハの斜視図である。 圧電マクロ−ファイバー複合アクチュエータを製造するための本発明の好ましい製造ステップを示す斜視図である。 圧電マクロ−ファイバー複合アクチュエータを製造するための本発明の好ましい製造ステップを示す斜視図である。 圧電マクロ−ファイバー複合アクチュエータを製造するための本発明の好ましい製造ステップを示す斜視図である。 圧電マクロ−ファイバー複合アクチュエータを製造するための本発明の好ましい製造ステップを示す斜視図である。 圧電マクロ−ファイバー複合アクチュエータを製造するための本発明の好ましい製造ステップを示す斜視図である。 圧電マクロ−ファイバー複合アクチュエータを製造するための本発明の好ましい製造ステップを示す斜視図である。 導電性伸長部が装着されて組み立てられた圧電マクロ−ファイバー複合アクチュエータの平面図である。 本発明の方法の他の実施例にしたがって製造されたアクチュエータの分解斜視図である。 本発明の方法の更なる実施例にしたがって製造されたアクチュエータの分解斜視図である。 本発明の方法の更なる別の実施例にしたがって製造されたアクチュエータの分解斜視図である。 １２Ａ及び１２Ｂは、本発明の方法の更なる実施例にしたがって製造されたアクチュエータの斜視図である。
本発明の好ましい実施例を記述するにあたり、本発明における同一の構成部分に同一の数字符号を付して示す、図面１−１２Ｂが参照される。
（１）本発明を実施するための最良の実施態様
図１において、本発明の方法の第１段階（第１ステップ）は、強誘電ウェハ２０を準備することを含む。例えば、ウェハ２０は、電極が付されてない圧電材料から形成される。一実施例として、ＰＺＴ−５圧電セラミック材料を用いてウェハ２０が形成される。しかしながら、その他の圧電材料を用いてウェハ２０を製造できることは理解されるべきである。好ましい実施例において、圧電ウェハ２０は、約０．００２インチ（０．００５１ｃｍ）〜約０．０１０インチ（０．０２５ｃｍ）の厚みを有する。
図２を参照すると、次の段階（ステップ）は、比較的薄厚のポリマー裏張りシート２２上に圧電ウェハ２０を載置することが含まれる。好ましい実施例において、上記ポリマー裏張りシートは、本発明の製造方法における以降の段階で取扱を容易化するように適度の接着性を有する。
図３を参照すると、次の段階は、圧電ウェハ２０に複数のスロット又はチャネル２４を形成することを含む。これらのスロット２４は上記ウェハ２０の実質的に全厚みにわたって延びるようにされるが、下敷きのポリマー裏張りシート２２を完全に分断するものではない。この段階で、ポリマー裏張りシート２２に圧電マクロ−ファイバー２６を相並べて取付けたシートが創成される。好ましい実施例において、スロット２４は、市販のコンピュータ制御ダイシングソー（computer-controlled dicing saw）により形成することができる。しかしながら、その他の切断方法、例えば、レーザーを用いることもできる。好ましい実施例において、各スロット２４は実質的に同一の幅とされ、約０．００１インチ（０．００２５ｃｍ）〜約０．００５インチ（０．０１３ｃｍ）の幅寸法とされる。一方、各スロット２４は、０．００１インチ（０．００２５ｃｍ）未満又は０．００５インチ（０．０１３ｃｍ）より大きい幅寸法とすることができる。好ましい実施例において、各マクロ-ファイバー２６は、圧電ウェハ２０の厚み寸法の約１〜２倍の大きさの幅寸法とされる。しかしながら、各マクロ-ファイバー２６は、圧電ウェハ２０の厚みよりも小さい幅寸法又は該圧電ウェハ２０の厚みの２倍より大きい幅寸法を有することができる。
図４を参照すると、次の段階は、上記マクロ-ファイバー２６と接着される、一対の非導電性フィルム素子の製造を含む。そのようなフィルム素子の一つがフィルム２８である。フィルム２８はあらゆるタイプの非導電製材料を用いて製造することができる。一例として、非導電性材料としてポリイミドを用いて製造することができる。適当な材料は、デュポン（商標名）により製造販売されているカプトン（Kapton（商標名））がある。好ましい実施例において、フィルム２８は約０．０００５インチ（０．００１３ｃｍ）〜約０．００１インチ（０．００２５ｃｍ）の厚みを有する。好ましくは、フィルム２８は、圧電ウェハ２０の幅及び長さ寸法よりも大きい幅及び長さ寸法を有する。このような形状とする理由は以下に述べる。
図４を参照すると、フィルム２８は２つの導電性パターン３０及び３２により構成される。導電性パターン３０は縦伸長部分３４と交互に入り組まれる電極フィンガー３６とから構成される。導電性パターン３２は縦伸長部分３８と交互に入り組まれる電極フィンガー４０とから構成される。一実施例として、導電性パターン又は電極３０及び３２は、フォト−レジスト及びエッチ処理並びに予め接着されたポリイミド−銅積層シート（例えば、デュポン（商標名）パイララックス（Pyralux（商標名））銅クラッド積層シートがある）を用いて、フィルム２８に形成される。好ましい実施例において、銅シート材料の厚みは、約０．０００５インチ（０．００１３ｃｍ）〜０．００１インチ（０．００２５ｃｍ）とされる。約０．０００７インチ（０．００１７８ｃｍ）の厚みを有する銅シート材料により良好な結果が得られた。前述したことは、導電性パターン３０及び３２が銅−シート材料より形成されるものに関するものであるが、その他のタイプのシート材料、例えば、金、銀等のシート材料を使用することができる。ポリイミド−導電性材料積層シートは、また、圧延されかつアニール化した銅等の予め接着された導電性シートに代えて、電気的に堆積された導電層（electro-deposited conductive layer）を利用することもできる。
図４を参照すると、好ましい実施例において、縦伸長部分３４及び３８の中心点−中心点間距離は圧電ウェハ２０の厚みの約６倍の大きさとされ、交互に入り組まれる電極、即ち、”フィンガー”３６及び４０間の距離は圧電ウェハ２０の厚みと略同等の大きさとされる。しかしながら、縦伸長部分３４及び３８、及び、交互に入り組まれる電極、即ち“フィンガー”３６及び４０の中心点間距離は上述したものと異なったものであってもよい。更に、導電性パターン３０及び３２の幅は適当な寸法とすることができる。
図２〜図４を参照すると、導電性パターン３０及び３２における縦伸長部分３４及び３８をそれぞれ圧電ウェハ２０から離れるように配置できるように、フィルム２２は、圧電ウェハ２０の幅及び長さ寸法よりも大きな幅及び長さ寸法を有する。この形態は、縦伸長部分３４及び３８の下部及び隣接した領域に分布する高不均一電界により生じせしめられ、マクロ−ファイバー２６の亀裂の可能性を有意に低減する。更に、この包装概念は、環境から保護された、封止された電気システムを提供する。
図４及び図５において、上述した段階にしたがって、第２フィルム４２が形成される。一例として、フィルム４２は導電性パターン又は電極４４，４６を含む。導電性パターン４４は、縦伸長部分４８と、交互に入り組まれる電極又はフィンガー５０とから構成される。同様に、導電性パターン４６は、縦伸長部分５２と、交互に入り組まれる電極又はフィンガー５４とから構成される。フィルム４２における導電性パターン４４及び４６は、それぞれ、フィルム２８における導電性パターン３０及び３２の“鏡像”とされる。次の段階は、図５に示されるように、フィルム２８及び４２を位置決めしてフィルム２８がマクロ−ファイバー２６の一面と対向しかつフィルム４２がマクロ−ファイバー２６の他面と対向するようにすることである。フィルム２８における導電性パターン３０及び３２はフィルム４２における導電性パターン４４及び４６と直接整列（アライメント）される。したがって、導電性パターン３０及び３２はマクロ−ファイバーの厚みを横断して導電性パターン４４及び４６と“鏡像”アライメント関係とされる。フィルム４２は、前述したように、そのフィルム上に導電性パターンを有するとして記述されたが、フィルム４２は導電性パターンを一切有しない形態とすることもできる。
図６Ａ、図６Ｂ、図７Ａ及び図７Ｂに示されるように、フィルム２８及び４２は、接着剤によりマクロ−ファイバー２６に接着されて可撓性積層シートとされる。好ましい実施例において、接着剤は二液性エポキシ接着剤であり、これによりマクロ−ファイバー２６にフィルム２８及び４２が接着される。そのような二液性エポキシ接着剤として“３Ｍ（スリーエム）”会社により製造される、スコッチウエルドＤＰ−４６０エポキシがある。しかしながら、他のタイプの接着剤、例えば、ウレタン又はアクリル接着剤を使用することもできる。図６Ａを参照すると、接着処理工程における第１段階は、フィルム４２の電極面を比較的薄厚の液状エポキシ接着剤層をもって塗布することである。次いで、図６Ｂに示されるように、シート２２及びマクロ−ファイバー２６がフィルム４２上に載置され、該マクロ−ファイバー２６がエポキシ−塗布電極フィルム４２と接触する。矢印５６をもって示されるように、真空下で軽く圧力及び熱が加えられてエポキシ層が部分的に硬化処理されて電極フィルム４２にマクロ−ファイバー２６が固定される。部分的硬化処理後、以前、マクロ−ファイバー２６の取扱に使用された、ポリマー裏張りシート２２が剥離されて廃棄される。さて、図７Ａに示されるように、エポキシ接着剤により底部電極フィルム４２にマクロ−ファイバー２６が取付けられる。更に、隣接するファイバー２６間の全ての切削されたスロット２４を充填するために、マクロ−ファイバー２６に液状エポキシが塗布される。このようにエポキシ樹脂を塗布することにより、仕上りアッセンブリにおいて、隣接する、交互に荷電される電極フィンガー３６、４０、５０及び５４間のエアーポケット（空洞）を実質的に除去する。このようなエアーポケットの除去は、実質的に、当該アクチュエータを作動不能に陥らせるような電気アーク又は永久短絡の危険性を低減する。
図６Ｂ、図７Ａ及び図７Ｂに示されるように、各スロット２４にエポキシ樹脂を充填した後、次の段階は、上フィルム２８の電極面に比較的薄厚のエポキシ層を塗布することである。次に、フィルム２８は、エポキシ面を下にしてマクロ−ファイバー２６の以前に塗布された面上に載置され、フィルム２８及び４２における導電性電極パターン３０、３２及び４４、４６が、夫々、実質的に整列せしめられる。次の段階は、シート２２、フィルム２８及び４２並びにマクロ−ファイバー２６のアッセンブリに、矢印５８をもって示される適当な熱と圧力とを加えることである。上記熱及び圧力は、真空下で、実質的にボイドが完全に無いエポキシの硬化が達成されるまで、加えられる。また、この加圧処理により、比較的厚い銅導電性パターン又は電極３０、３２及び４４、４６がマクロ−ファイバー２６の平坦面に接触せしめられかつ静止せしめられる。比較的厚い銅導電性パターン又は電極３０、３２及び４４、４６と、マクロ−ファイバー２６の平坦面との間をそのように接触させることにより、導電性パターン又は電極３０、３２及び４４、４６と、ファイバー２６との間に、極めて薄い、又は“欠乏した”接続ラインが形成され、その結果、電圧が印加された際、当該アクチュエータの電界の減衰は、最小限のものとなる。フィルム２８及び４２の非電極部分（即ち、フィルム２８及び４２における導電性パターンの不存在部分）とファイバー２６との間の接続ラインは、当該フィルム２８及び４２の接触を保持するのに十分な厚みとされる。この処理によって、縦モード圧電ファイバーアクチュエータ１０が得られる。
図８に示されるように、導電性パターン３０及び３２にそれぞれ導電性伸長部６８及び７０が設けられる。操作時、外部電源（図示しない）が導電性伸長部６８、７０に電気接続され、いつも、交互配置フィンガー３６、４０及び５０、５４に対抗極性をもって給電される。この極性により、隣接する交互配置電極フィンガー３６、４０間の領域及び電極フィンガー５０、５４間の領域に、各ファイバー２６の長手方向に指向した電界が発生する。
また、交互配置電極２６、４０及び５０、５４は、圧電ファイバー２６の分極化（極性を与えること、polarizing）に使用される。マクロ−ファイバー２６の分極化は、代表的に、当該デバイスをアクチュエータとして作用させる前に行うことが必要とされる。分極化は、交互配置電極フィンガー３６、４０及び５０、５４を横切って定常電圧を印加することにより行われる。一例として、マクロ−ファイバー２６の室温強制電界（room temperature coercive electric field）の約３００％の平均電界強度を発生する電圧が使用される。そのような電圧が室温で約２０分間、当該アクチュエータに印加される。本発明の技術分野においてよく知られている、その他の分極技術を用いてもよい。
その後、導電性パターン３０、３２、４４及び４６に電圧を印加することにより、マクロ−ファイバー２６に誘導歪（誘起歪、induced strain）を発生させる。最大誘導歪は、ファイバーの横断方向に生起する収縮歪と一緒に、該ファイバーの長手方向に生じる。
（２）他の実施例
図９は本発明の別の実施例の圧電ファイバーアクチュエータ１００を示す。せん断モードアクチュエータ１００は、連続的な捩りモーメントが主体構造部、例えば、高縦横比構造体、ビーム、スパー（円材、spars）等に容易に生じせしめられ得るように構成される。せん断モードアクチュエータ１００は、一般に、フィルム１０２，１０４及び圧電ファイバーを有する。フィルム１０２、１０４及びファイバー１０６は、前述したようなエポキシ材を用いて互いに接着される。圧電ファイバー１０６は分離スロット１０８を有し、これらの分離スロット１０８は、前述したように切断又はスライス加工により得られたものである。ファイバー１０６は、縦方向に延びる縦伸長側縁部１１０を形成している。スロット１０８は、縦伸長側縁部１１０に対して、所定の角度で形成されている。好ましくは、各スロット１０８は、縦伸長側縁部１１０に対し４５°の角度をもって形成される。何故ならば、そのような配向角度とすることにより、主体構造部内に最適な圧電せん断応力を誘起するからである。しかしながら、スロット１０８は縦伸長側縁部１１０に対しその他の異なった角度をもって形成してもよい。
フィルム１０２は当該フィルム上に形成された２つの導電性パターン１１２及び１１４を含む。導電性パターン１１２は縦伸長部分１１６と交互配置電極又はフィンガー１１８とを含む。同様に、導電性パターン１１４は縦伸長側縁部１２０と交互配置電極又はフィンガー１２２を含む。図９に示されるように、フィンガー１１８は縦伸長部分１１６に対し角度をもって形成される（angulated）。同様に、フィンガー１２２は縦伸長側縁部１２０に対し角度をもって形成される。好ましい実施例において、各フィンガー１１８及び１２２は、それぞれ、伸長部分１１６及び１２０に対し４５°の角度をもって形成され、よって、フィンガー１１８及び１２０は、ファイバー１０６に対し実質的に垂直（直角）とされる。
１実施例において、フィルム１０４は当該フィルム上に形成された２つの導電性パターン１２４及び１２６を含む。導電性パターン１２４は縦伸長部分１２８と交互配置電極又はフィンガー１３０とを含む。同様に、導電性パターン１２６は縦伸長側縁部１３２と交互配置電極又はフィンガー１３４を含む。図９に示されるように、フィンガー１３０は縦伸長部分１２８に対し角度をもって形成される。同様に、フィンガー１３４は縦伸長側縁部１３２に対し角度をもって形成される。好ましい実施例において、各フィンガー１３０及び１３４は、それぞれ、伸長部分１２８及び１３２に対し４５°の角度をもって形成され、よって、フィンガー１３０及び１３４は、ファイバー１０６に対し実質的に垂直（直角）とされる。フィルム１０４は上述した記載において当該フィルム上に導電性パターンを有するものとしたが、該フィルム１０４は、また、導電性パターンを一切含まないものとすることができる。圧電ファイバーアクチュエータ１０の組立に関して以前に記述されかつ図６Ａ、図６Ｂ、図７Ａ及び図７Ｂに示される処理工程におけると同様の処理方法により、フィルム１０２及び１０４がマクロ−ファイバー１０６に接着剤により接着される。
更に、アクチュエータ１００は４つの導電部（図示しない）を有し、これらの導電部はそれぞれ対応する導電性パターン１１２、１１４、１２４及び１２６と電気接続される。好ましい実施例において、上記導電部はそれぞれフィルム１０２、１０４の縁部の近くに配置され、アクチュエータ１００を外部の電子回路（図示しない）と電気接続するように機能する。これら４つの導電部は、前述したのと同様の方法で、アクチュエータ１００に給電する。
図１０は、本発明の別のアクチュエータの実施例を示す。アクチュエータ２００は、概略、スロット２０４により分離された、複数の圧電マクロ−ファイバー２０２と、フィルム２０６、２０８、２１０、２１２とを有する。スロット２０４は、この明細書において前述されたスライス又はカット方法により形成される。フィルム２０６及び２０８は、概略、それぞれ、前述したフィルム２８及び４２と同様の構造とされる。
フィルム２０６は、その上に形成された、２つの導電性パターン２１４及び２１６を含む。導電性パターン２１４は、縦方向に延びる縦伸長部分２１８と、交互配置電極又はフィンガー２２０とを含む。同様に、導電性パターン２１６は、縦伸長部分２２２と、交互配置電極又はフィンガー２２４とを含む。図１０に示されるように、フィンガー２２０及び２２４は、それぞれ、縦伸長部分２１８及び２２２と実質的に垂直（直角）とされる。
一実施例において、フィルム２０８は、２つの導電性パターン２２６及び２２８を有する。導電性パターン２２６は、縦伸長部分２３０と、交互配置電極又はフィンガー（図示しない）とを含む。同様に、導電性パターン２２８は、縦伸長部分２３２と、交互配置電極又はフィンガー２３６とを含む。フィルム２０８における各フィンガーは、縦伸長部分２３０、２３２に対し実質的に垂直（直角）とされる。また、フィルム２０８はいかなる導電性パターンも具備しない形態とすることができる。
更に、アクチュエータ２００は、圧電マクロ−ファイバー２０２の上面及び底面にそれぞれ配置された異方性（非等方性、anisotropically）導電フィルム又はシート２１０、２１２を有する。各フィルム２１０及び２１２は、一般に、圧電マクロ−ファイバー２０２の全表面積と同じ表面積を有する。フィルム２１０、２１２は、圧電マクロ−ファイバー２０２にフィルム２０６、２０８を接着するのに用いられる。各フィルム２１０、２１２は、熱硬化性又は熱可塑性接着マトリックスを有する。一実施例において、該接着マトリックスは、約０．０００１〜０．００２インチ（０．０００２５〜０．００５１ｃｍ）の厚みを有するものとされる。この接着マトリックスは、ランダム（無作為）に添加された導電性粒子を有する。これらの導電性粒子は、接着性フィルムの平面を通してではなく、厚みを通して、導電性パス（導通路）を形成する。この通路配列は、隣接し反対に電荷がかけられたフィンガーから電気的に絶縁が維持されたまま、フィルム２０６及び２０８のフィンガーが、直接、下に位置する圧電ファイバー２０２と電気接続することを可能とする。一実施例において、導電性粒子の粒径は約０．０００５インチ（０．００１３ｃｍ）とされる。フィルム２１０及び２１２は３Ｍ Company,Inc. により製造された、Z-Axis Film 製品番号３Ｍ５３０３Rを用いて形成される。なお、上記Z-Axis Film と同様の異方性導電特性を有する、他のフィルムを使用することができる。
図１０に示されるように、アクチュエータ２００の組立を仕上げるまでに、スロット２０４に非導電性マトリックスエポキシを充填して空洞部（エアポケット）の生成を防止することができる。このエポキシ樹脂の適用は、前述したアクチュエータ１０の組立におけるのと略同様にして行われる。
図１０に示されるように、フィルム２１０及び２１２を用いて圧電マクロ−ファイバー２０２にフィルム２０６及び２０８を接着することは、フィルム２０６及び２０８のフィンガーの下、及びそれらの間、で維持される比較的強力な接着ラインを生成する。変形例において、フィルム２０６及び２０８は、前述したように図９に示されるシアー（せん断）モードアクチュエータの製造時に付け加えるようにしてもよい。
図１１は、本発明に係るアクチュエータの別の実施例を示す。アクチュエータ３００は、概略、モノリシック（厚膜）圧電ウェハ３０２とフィルム３０４及び３０６とを有する。ウェハ３０２は、縦モード又はせん断モードアクチュエータとして製造することができる。フィルム３０４及び３０６は、電極パターンを有し、図４及び図５に示されるように前述したフィルム２８及び４２と同様の構造とされる。
フィルム３０４は、縦伸長部分３１０と、交互配置電極又はフィンガー３１２とを有する、導電性パターン３０８を備える。更に、フィルム３０４は、縦伸長部分３１６と、交互配置電極又はフィンガー３１８とを有する、導電性パターン３１４を備える。図１１に示されるように、フィンガー３１２及び３１８は、それぞれ、縦伸長部分３１０及び３１６に対し実質的に垂直（直角）とされる。
一実施例において、フィルム３０６は、縦伸長部分３２２と、交互配置電極又はフィンガー３２４とを有する、導電性パターン３２０を備える。更に、フィルム３０６は、縦伸長部分３２８と、交互配置電極又はフィンガー３３０とを有する、導電性パターン３２６を備える。図１１に示されるように、フィンガー３２４及び３３０は、それぞれ、縦伸長部分３２２及び３２８に対し実質的に垂直（直角）とされる。フィルム３０６は、また、どのような導電性パターンをも具備しない形態としてもよい。
フィルム３０４及び３０６は、前述したいずれかの方法によりウェハ３０２に接着してもよい。ウェハ３０２におけるスロットの機械的加工を省略することにより、当該アクチュエータ３００の１ユニット当りのコストを有意に低減することができるとともに、比較的効率の高いアクチュエータとすることができる。更に、取り付けられた電極フィルム３０４及び３０６の積層効果は、アクチュエータ１０、１００及び２００の如く大きくはないけれども、アクチュエータ３００に所定の柔軟性及び適合性を付与し、これは、当該アクチュエータ３００を、例えば、ロケット打ち上げペイロードシュラウドとか、魚雷本体とか、ミサイル安定ひれ（フィン）等、耐久性及び疲労寿命がほとんど検討されないものへの応用に適したものとする。
本発明に係るアクチュエータの更に別の実施例が図１２Ａ及び図１２Ｂに示される。アクチュエータ４００の製造における第１段階は、比較的薄厚の複数の圧電ウェハ４０２を互いに接着してスタック４０４を形成することである。好ましい実施例において、前述したように、液状エポキシを用いてウェハ４０２が互いに接着される。スタック４０４は、ほとんど任意の高さとされる。一実施例において、スタック４０４の高さ寸法は約０．２５インチ（０．６３５ｃｍ）とされる。好ましい実施例において、隣接するウェハ４０２間の接着ライン４０６の厚みは、個々の圧電ウェハ４０２の公称厚みの約０．１２５〜０．２５倍の大きさとされる。スタック４０４を接着した後、それぞれ適当な圧力及び温度にて硬化処理を行って実質的にボイドの無い接着スタックを形成する。好ましい実施例において、上述した圧力及び温度は真空下で加えられる。
次に、スタック４０４は、点線４０８で示すように、厚み方向に平行にかつ長さ方向に沿ってスライスして、比較的薄厚の複数枚の圧電シート４１０を提供する。１実施例において、ウェハダイシングソーを用いてファイバーシート４１０に切断される。なお、他の切断方法を用いてもよい。ファイバーシート４１０は、モノリシック圧電ウェハにおけると同様の方法で取扱われかつ包装される。１実施例において、各シート４１０の厚みは、スタック４０４の形成に使用された圧電ウェハ４０２の１つの厚みと略等しい。なお、各シート４１０の厚みは、上記圧電ウェハ４０２の１つの厚みよりも小さいか又は大きいものとすることができる。
図１２Ｂに示されるように、シート４１０はフィルム４１２とフィルム４１４間に配置される。フィルム４１２は、縦伸長部分４１８と、交互配置電極又はフィンガー４２０とを有する導電性パターン４１６と、縦伸長部分４２４と、交互配置電極又はフィンガー４２６とを有する導電性パターン４２２とを備える。図１２Ｂに示されるように、フィンガー４２０及び４２６は、それぞれ、縦伸長部分４１８及び４２４に対し実質的に垂直（直角）とされる。
フィルム４１４は、縦伸長部分４３０と、交互配置電極又はフィンガー４３２とを有する、導電性パターン４２８を含む。更に、フィルム４１４は、縦伸長部分４３６と、交互配置電極又はフィンガー４３８とを有する、導電性パターン４３４を含む。フィンガー４３２及び４３８は、それぞれ、縦伸長部分４３０及び４３６に対し実質的に垂直（直角）とされる。フィルム４１４はどのような導電性パターンも含まないものとすることができる。フィルム４１２及び４１４は液体エポキシを介して又は前述したように異方性導電フィルムを用いてシート４１０に接着される。
図１２Ａ及び図１２Ｂに示す形態のものは、２つの顕著な利点を有する。第１の利点は、表皮（スキン層）への接着の可能性が実質的に除去されることである。第２の利点は、シート４１０における全てのマクロ−ファイバーが予備的にアライメントされることである。
（３）アクチュエータ及び方法の関連先行技術を超える利点
本発明の方法は、非常に多数の圧電ファイバーを製造しかつ個々に取り扱う必要性を実質的に省略できることである。したがって、当該圧電ファイバー複合アクチュエータの包装（パッケージ化、packaging）に関する製造時間及び処理コストが有意に低減される。本発明の方法は、容易に制御されかつ精密であり、製造されるアクチュエータの反復性及び均一性を大いに高める。本発明の方法は、アクチュエータ電極を損傷する危険性なく、断面四角形状のファイバーを製造して該ファイバーをアクチュエータ包装（パッケージ）内で容易に整列（アライメント）させることができる。したがって、四角形断面の圧電ファイバーの使用に関連した難点が実質的に解消される。丸形ファイバーに代わる本発明の断面四角形状のファイバーの使用により、アクチュエータ包装（パッケージ）内での圧電材料の体積分率（volume fraction）の増大が許容され、これにより、当該アクチュエータの作動応力性能（actuation stress capability）を改善することができる。また、液体エポキシ又は異方性導電接着剤により取付けられる、比較的厚い銅導電性パターンの使用により、圧電材料と電極との間に無妨害電気接続を施すことができる。その結果、アクチュエータ電極の電界転送効率が有意に改善され、したがって単位印加電圧当りの歪発生率が増大する。更に、方形又は矩形ファイバーは、電極に対し実質的に平坦な接触領域を有するという利点を有する。この平坦接触領域は、丸形ファイバーで達成される接触領域よりも比較的大きい。
導電性パターンの縦伸長部分（例えば、それぞれ、導電性パターン３０及び３２の部分３４及び３８）を圧電ウェハから離して配置できるように、ポリイミドフィルムは、各々、圧電ウェハの幅及び長さよりも大きな幅及び長さ寸法を有する。この形態は、導電性パターンの縦伸長部分の下及び隣接領域における不均一な高電界分布に起因するマクロ−ファイバーの亀裂の可能性（潜在性）を低減する。更に、この包装（パッケージ化）の概念は、環境から保護される封止電気システムを提供する。
本発明は、特定の好ましい実施例とともに記述されたガ、当業者には、上述の記載に照らせば種々の変形が明らかである。したがって、添付の請求の範囲に記載の請求項は、本発明の真正な範囲及び精神に属する、そのような種々の代替例、変形例を包摂するものと理解されなければならない。
２０ 圧電材料（圧電ウェハ）
２２ ポリマー下敷きシート
２４ スロット
２６ 圧電マクロ−ファイバー
２８ 絶縁性フィルム
３０ 厚膜銅導電性パターン又は電極
３２ 厚膜銅導電性パターン又は電極
３４ 縦伸長部分
３６ 交互配置電極
３８ 縦伸長部分
４０ 交互配置電極
４２ エポキシ樹脂塗布（底）電極フィルム
４４ 厚膜銅導電性パターン又は電極
４６ 導電性パターン又は電極
５０ 交互配置電極
５４ 交互配置電極
５６ 矢印
６８ 導電性伸長部
７０ 導電性伸長部
１００ アクチュエータ（第１実施例）
１０２ フィルム
１０４ フィルム
１０６ 圧電ファイバー
１０８ スロット
１１０ 縦伸長（側縁）部分
１１２ 導電性パターン
１１４ 導電性パターン
１１６ 縦伸長部分
１１８ フィンガー又は電極
１２０ フィンガー又は電極
１２２ フィンガー又は電極
１２４ 導電性パターン
１２６ 導電性パターン
１２８ 縦伸長部分
１３０ フィンガー又は電極
１３２ 縦伸長部分
１３４ フィンガー又は電極
２００ アクチュエータ（第２実施例）
２０２ 圧電マクロ−ファイバー
２０４ スロット
２０６ フィルム
２０８ フィルム
２１０ 異方性導電フィルム
２１２ 異方性導電フィルム
２１８ 縦伸長部分
２２０ 電極又はフィンガー
２２２ 縦伸長部分
２２４ 電極又はフィンガー
２２６ 導電性パターン
２３０ 縦伸長部分
２３２ 縦伸長部分
３００ アクチュエータ（第３実施例）
３０２ 厚膜圧電ウェハ
３０４ フィルム
３０６ フィルム
３１０ 縦伸長部分
３１８ 縦伸長部分
３２０ 導電性パターン
３２２ 縦伸長部分
３２２ 縦伸長部分
３２４ フィンガー
３２６ フィンガー
３２８ 縦伸長部分
４００ アクチュエータ（第４実施例）
４０２ 圧電ウェハ
４０４ スタック
４１０ 薄厚圧電（ファイバー）シート
４１２ フィルム
４１４ フィルム
４２０ 交互配置電極
４２２ 導電性パターン
４２４ 縦伸長部分
４２６ 交互配置電極又はフィンガー

Claims (12)

  1. 圧電複合装置の製造方法にして、
    圧電材料からなる複数のウェハを提供するステップと、
    接着剤を用いて上記複数のウェハを互いに接着することにより、圧電材料と接着剤とが互い違いになる層からなる所定の厚さを有するスタックを形成する接着ステップと、
    上記スタックの厚さに実質的に平行であり且つ上記層を横断する方向に上記スタックを通して切断する切断ステップであって、接着剤に対して並置された複数の圧電ファイバーからなる少なくとも１つの圧電ファイバーシートであって第１面と第２面とを有する少なくとも１つの圧電ファイバーシートを提供する、切断ステップと、
    第１導電性パターンと第２導電性パターンとを有する第１フィルムを提供するステップであって、第１導電性パターンは第２導電性パターンから電気的に絶縁されており、第１導電性パターンと第２導電性パターンは、夫々、交互配置電極パターンを形成するように協働する複数の電極を備えた第１フィルムを提供するステップと、
    第２フィルムを提供するステップと、
    上記少なくとも１つの圧電ファイバーシートの第２面に第２フィルムを接着するステップと、
    第１フィルムの上記導電性パターンが上記少なくとも１つの圧電ファイバーシートの圧電ファイバーと電気的に接するように、上記少なくとも１つの圧電ファイバーシートの第１面に第１フィルムを接着するステップと、を含む、製造方法。
  2. 上記圧電材料は、モノリシック圧電材料である、請求項１記載の製造方法。
  3. 上記圧電ファイバーは、夫々、実質的に矩形の断面形状を有する、請求項１記載の製造方法。
  4. 上記導電性パターンの少なくとも１つは、銅製である、請求項１記載の製造方法。
  5. 上記第２フィルムは、第１導電性パターンと第２導電性パターンとを有し、
    第２フィルムの第１導電性パターンは、該第２フィルムの第２導電性パターンから電気的に絶縁されており、
    第２フィルムの第１導電性パターンと第２導電性パターンは、夫々、交互配置電極パターンを形成するように協働する複数の電極を備え、
    上記第１フィルムを接着するステップは、更に、第１フィルムの導電性パターンが第２フィルムの導電性パターンと実質的にアライメントされるように、第１フィルムを位置決めするステップを含む、請求項１記載の製造方法。
  6. 更に、上記第１フィルムの上記第１導電性パターンと上記第２導電性パターンに導電性伸長部を取り付けると共に、上記第２フィルムの上記第１導電性パターンと上記第２導電性パターンに導電性伸長部を取り付ける、ステップを含む、請求項５記載の製造方法。
  7. 上記第２フィルムを接着するステップは、更に、上記少なくとも１つの圧電ファイバーシートにエポキシ接着剤を塗布するステップを含む、請求項１記載の製造方法。
  8. 上記第１フィルムと上記第２フィルムは、夫々、長手方向に延びる長手軸を有し、
    上記切断ステップにより、該長手軸の方向に延在する上記複数の圧電ファイバーからなる上記少なくとも１つの圧電ファイバーシートが形成される、請求項５記載の製造方法。
  9. 上記第１導電性パターンと上記第２導電性パターンの上記交互配置電極は、夫々、上記第１フィルムと上記第２フィルムの上記長手軸に対して実質的に直角である方向に延在すると共に、上記複数の圧電ファイバーが延在する長手方向に対して実質的に直角である方向に延在する、請求項８記載の製造方法。
  10. 上記第２フィルムは、第１面と第２面とを有し、
    上記第２フィルムを接着するステップは、第２フィルムの第１面に接着剤層を適用するステップと、
    該第２フィルムの第１面を上記少なくとも１つの圧電ファイバーシートの上記第２面上に載置するステップと、
    上記接着剤層を硬化させるステップと、を含む、請求項１記載の製造方法。
  11. 上記第１フィルムは、第１面と第２面とを有し、
    上記第１フィルムを接着するステップは、第１フィルムの第１面に第２接着剤層を適用するステップと、
    該第１フィルムの第１面を上記少なくとも１つの圧電ファイバーシートの上記第１面上に載置するステップと、
    上記第２接着剤層を硬化させるステップと、を含む、請求項１０記載の製造方法。
  12. 更に、上記第１導電性パターンと上記第２導電性パターンに導電性伸長部を取り付けるステップを含む、請求項１記載の製造方法。
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