JP2000203493A - アクチュエータ及びアクチュエータを製作する方法 - Google Patents

アクチュエータ及びアクチュエータを製作する方法

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JP2000203493A JP10291037A JP29103798A JP2000203493A JP 2000203493 A JP2000203493 A JP 2000203493A JP 10291037 A JP10291037 A JP 10291037A JP 29103798 A JP29103798 A JP 29103798A JP 2000203493 A JP2000203493 A JP 2000203493A
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Jean Thierry Audren
ジャン、ティエリ、オドラン
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    • H10N30/20Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H10N30/208Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using shear or torsion displacement, e.g. d15 type devices
    • HELECTRICITY
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    • H02NELECTRIC MACHINES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H02N2/10Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing rotary motion, e.g. rotary motors
    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N35/00Magnetostrictive devices

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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
  • Control Of Position Or Direction (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 圧電型、電歪型又は磁歪型の活性物質を用い
る増幅されたアクチュエータを得ることである。 【解決の手段】 圧電型、電歪型又は磁歪型の活性物質
のユニットブロックであって、筒状構造体を形成するよ
うに配置された前記単位ユニットブロックの複数のスタ
ックと、電界又は磁界を前記ユニットに加えて、筒状構
造体がよじれるようにして前記ユニットを変形させるこ
とができるようにする手段とを備えることを特徴とする
アクチュエータ。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は圧電型、電歪型又は
磁歪型の活性物質を用いる増幅機能を有するアクチュエ
ータに関するものである。
【0002】
【従来の技術】航空機に搭載される操縦装置には、航空
機の直接運動を制御するために作用し、翼の後縁部に設
けられる全体として可動面である第1の操縦装置と、飛
行の種々の段階に適合するために航空機の空気力学的運
動を調整するための、水平尾翼と高揚力可動面及び翼端
を含む第2の操縦装置と、の2種類がある。
【0003】そのような翼のためのアクチュエータに求
められる諸特性は非常に多様である。第1の操縦装置は
航空機が実行できる運動のスペクトラム幅よりも広い通
過帯域を取り扱えなければならず、常に動作できなけれ
ばならず、かつ出力が失われたら中立位置へ戻るために
適していなければならない。対照的に、第2の操縦装置
は間欠的に動作するから、それらの操縦装置は狭い通過
帯域のみを必要とするが、出力停止の場合にそれらの操
縦装置は最後の位置に留まることができなければならな
い。
【0004】それらの操縦装置は油圧装置として一般に
実現される。油圧装置は、第1の操縦装置の場合には直
接動作するが、第2の操縦装置の場合には機械的な減速
手段を介して動作する。第2の操縦装置の場合に使用さ
れるのは求められている非可逆性を提供する機械的減速
手段である。種々の理由(修理、汚染、火災の危険等)
から、航空機の製造者は制御に油圧を使用することを減
らし、かつ電気的制御を促進しようとしている。不幸な
ことに、減速手段に組合わされる電動機は過大な重量を
搭載することになる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、高エ
ネルギー密度を提供するために適当で、高い応力に耐え
ることができ、したがって第1の操縦装置の良い候補を
構成する圧電材料、電歪材料、又は磁歪材料を基にした
モータを提供することである。
【0006】ステータに発生される接線方向の振動と垂
直方向の振動を、ステータとロータとの間の機械的接触
摩擦によって連続運動に変換する振動モータを基にした
アクチュエータを提供するという提案が既に行われてい
る。その種のモータを第2の操縦装置に応用することに
ついての全体的な記述について、たとえば、アクチュエ
ータ−将来の制御のための圧電材料(Actionneurs-Des
materiaux piezoelectriques pour les commanndes du
futur )、1996年10月31日、Usine Nouvelle発
行、No.2568 、圧電飛行操縦装置(Des commanndes de
vol piezoelectriques)1997年2月28日 Air et
Cosmos/Aviztion International発行、No.1602 を参照
することができる。しかし、そのような種類のモータ
は、連続動作でインタフェースが極めて急速に摩耗する
ことになり、かつ出力停止の場合に最後に達した位置に
維持されるのであれば、第1の操縦装置の製作に使用す
るには適当でない。
【0007】また提案されている別の解決策は、操縦翼
面を限られた量だけ動かすために圧電変位を直接使用す
ることにある。圧電材料は非常に高いレベルの力を与え
ることができるが、非常に小さい変位を行うことができ
るだけであるために、操縦翼面に求められる運動の大き
さに圧電材料を適合させるように変位を大きくする構造
体を含ませると適切である。そのような装置は、パワー
入力がパワー出力よりも常に大きいのであるが、一般的
に「増幅器」と呼ばれている。
【0008】増幅されたアクチュエータ構造体が、たと
えば、1997年5月13〜16日にツールーズで開か
れた、第2回宇宙マイクロダイナミックス及び精密制御
シンポジウム(2nd Space Microdynamics and Accurate
Control Symposium)において、R.Le Letty、F.Claeys
sen 、G.Thominにより発表された「精密配置及び半受動
ダンピング用の新規な増幅器圧電アクチュエータ(A ne
w amplifier piezoelectric actuator for precise pos
itioning and semi-passove damping )」と題する論文
に記述されている。
【0009】その論文では、圧電アクチュエータからの
出口に弾性機械的増幅器を使用することが提案されてい
る。増幅器として油圧変換手段を使用することを他の文
献が提案している(Usin Nouvelle から発行された上記
論文参照)。しかし、それらの解決策は満足なものでは
ない。変換を行う構造体は基本構造体よりも強固でなけ
ればならない。さもなければ、アクチュエータによって
供給される動力は動力出力を損なうまで変換構造体を変
形させる。この剛性は重い部品を用いることによってし
ばしば得られるが、それによって、計量及び高エネルギ
ー密度という初めの利点がかなり減少する。従って、本
発明の目的は、小さい圧電変位を大きい変位に変換する
ための頑丈で軽い構造体を提案することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】そのために、本発明は、
圧電型、電歪型又は磁歪型の活性物質のユニットブロッ
クにおいて、筒状構造体を形成するように配置された前
記単位ユニットブロックの複数のスタックと、電界又は
磁界を前記ユニットに加えて、筒状構造体がよじれるよ
うにして前記ユニットを変形させることができるように
する手段とを備えることを特徴とするアクチュエータを
提供するものである。
【0011】第1の変更実施形態では、ユニットブロッ
クは圧電性又は磁歪性であり、前記ブロックを変形させ
る手段は、電界を前記ブロックに加えることができるよ
うにする電極を形成する手段を備える。そのようなアク
チュエータは下記の種々の特性を単独で、又は任意の可
能な組合わせで更に含むから有利である。ユニットブロ
ックは伸び/縮みで動作し、それらは筒状構造体の高さ
方向で交番する分極で積み重ねられる。
【0012】構造体の高さ方向に沿って伸びる分離器手
段によってスタックは対となって分離され、分離要素は
一連の厚板によって構成され、各厚板の厚さは2つのユ
ニットブロックの高さに少なくとも対応し、厚板は相互
に滑るために適当であって、かつそれのスチフネスはユ
ニットブロックのスチフネスより高く、重畳させられた
同じ高さの厚板の間の分離器領域は、1つの分離器手段
から円周方向に次の分離器手段への構造体の高さ方向に
ずれている。
【0013】分離器手段は、対となって、厚板を構成す
る複数のスロットを呈するストリップによって構成され
る。分離器手段は重畳させられている複数の分離要素に
よって構成され、各分離要素はユニット厚板を構成す
る。電極構成手段は分離器手段によって構成される。ユ
ニットブロックはせん断モードで動作する。与えられた
スタックの高さ方向に引き続く2つのユニットブロック
がそれらの向き合う面に電極構成金属化部を呈する。ユ
ニットブロックのスタックが導電性分離器手段によって
分離され、その分離器手段に電極構成金属化部が接続さ
れる。
【0014】ユニットブロックは筒状構造体の高さ方向
にワッシャーとして分布される。アクチュエータはプレ
ストレス外皮を含み、その外皮の内部にユニットブロッ
クの筒状構造体が置かれる。プレストレス外皮は複数の
リングを備え、各リングは筒状構造体のユニットブロッ
クのワッシャーにプレストレスを与える。リングは導電
性であり、アクチュエータは複数の接触領域を備え、そ
れらの接触領域は、分離器手段とプレストレスリングと
の間で構造体の高さ方向に分布させられる。他のあらゆ
る厚板に接触するように接触領域は分布させられる。リ
ングは電気絶縁ワッシャーによって分離させられる。外
皮すなわちプレストレスリングは形状記憶合金で製作さ
れる。
【0015】そのようなアクチュエータは次のようにし
て製作されるから有利である。 a)絶縁ワッシャーとプレストレスリングとを低温度段
階で外部チューブの内部に交互に積み重ね、 b)絶縁面を有する円筒形内部コアの母線に沿って分割
金属ストリップを、隣接するストリップ対が、前記個あ
の長さ方向に、コアの厚さの半分だけ相互にずらされる
ようにして、積み重ね、 c)プレストレスリングとワッシャーとによって構成さ
れている筒状構造体の内部にコアをそれのストリップと
一緒に挿入し、 d)リングと、ストリップと、コアとの間のハウジング
にユニットブロックを挿入し、 e)この組立体を加熱してプレストレスリングの相を変
化させる。
【0016】他の変形実施形態では、筒状能動構造体の
ユニットブロックは、磁気歪み効果によって変形させら
れるように設計された複数のブロックのスタックを備
え、ブロックの間に分離器手段が置かれ、分離器手段は
分離器厚板のスタックによって構成され、各分離器厚板
のスタックの高さは磁気歪み効果によって変形させるべ
き2つのブロックの高さに少なくとも対応し、能動構造
体の高さ方向における重畳させられている種々の厚板は
相対的に滑るために適当であり、同じ高さに重畳されて
いる分離器厚板の間の分離領域は、1つの分離手段から
他の分離手段まで、構造体の高さ方向にずれ、アクチュ
エータは、磁気歪み効果によって変形させるべきブロッ
クに磁界を加えるための手段を含み、それによって前記
ブロックを構造体の高さ方向及びそれの周囲で交互に伸
縮させる。
【0017】そのようなアクチュエータは下記の種々の
特性を単独で、又は任意の可能な組合わせで更に含むか
ら有利である。能動構造体は磁気歪み物質のチューブで
あって、互い違いに配置された複数のスロットを有し、
それらのスロットの間に、磁気歪み効果によって変形さ
せられるように設計されたブロックに対応する領域と、
分離器厚板に対応する領域とを形成する。一様で永久的
な半径方向磁界を能動構造体に加えるため、及び前記永
久磁界に、磁気歪み効果によって変形させるべき1つの
ブロックから他のブロックへ交番する半径方向制御磁界
を加えるための手段を含む。
【0018】磁気歪み効果によって変形させるように設
計された1つのブロックから次のブロックへ交番する、
永久的な半径方向磁界を能動構造体に加えるため、及び
前記永久磁界に一様な半径方向制御磁界を加えるための
手段を含む。
【0019】磁気歪み効果によって変形させるように設
計された種々のブロックに位置を合わされた永久磁石を
アクチュエータは有する。永久磁石は1つの磁石から次
の磁石へ交番する分極のものである。永久磁石は相互に
相対的に回るために適当な複数の部分を有するコアによ
って支持され、能動構造体のねじれ運動を前記部分に伝
えるための手段を更に含む。
【0020】前記手段は軸線方向のねじれ棒を備える。
前記手段は能動構造体の高さ方向に引き続く永久磁石の
間にエラストマーリンクを備える。
【0021】
【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明を実
施形態に基づいて詳細に説明する。図1に示す1つの可
能な実施形態を構成するアクチュエータの形は円筒形で
あって、筒状能動構造体1と、プレストレス外皮2とを
有する。そのプレストレス外皮の内部に能動構造体1が
装着される。希望によってはアクチュエータは中心コア
3も含む。そのコアはアクチュエータの製作中に主とし
て機能し、製作が終了したら、適切な場合には、以下で
詳細に説明するように引く抜くことができる。円筒形の
アクチュエータは、制御電圧がそれのプレストレス外皮
に加えられた時に、それの対称軸線を中心として大きな
よじれ運動を行う。下記の能動アクチュエータ1では、
このよじれは0.25ラジアン、すなわち15°のよう
に大きくできる。
【0022】図2は1つの可能な実施形態を構成する少
数のアクチュエータ1を展開した形で示す。軸線Aは円
筒の軸線の向きを表す。真ん中にそれぞれの矢印が描か
れている長方形が圧電物質又は電歪物質のブロックを表
す。それらのブロックを参照符号4で表す。それらのブ
ロック4は中実セラミックブロック、又は多層ブロック
である。それらのブロックがセラミックブロックであれ
ば、矢印の向きはブロックの分極の向きに一致する。ブ
ロックが多層ブロックであれば、矢印の向きはブロック
の最も端の層の分極の向きに一致する。
【0023】ブロック4は構造体の長手方向に積み重ね
られ、スタックすなわち積み重ねられたものの各層は、
閉じた環を形成するように並置されている複数のブロッ
ク4によって構成されて、ワッシャーRを構成する。与
えられたスタック層では、引き続くブロック4が不活性
分離要素5(厚板)によって対として分離される。各分
離要素はスタックの2つの層を貫通して伸びる。それら
の分離要素はブロック4のセラミックのスチフネスより
高いスチフネスを持つ材料で製作される。分離要素はた
とえば鋼で製作できる。
【0024】スタックの与えられた任意の層内の引き続
く分離要素5は、そのスタック層のいずれかの側のスタ
ックの2つの層のおのおのの中に交互に突き込み、関係
する2つの層のおのおのにおけるブロック4のための分
離要素を構成する。構造体の軸線方向に引き続く2つの
分離要素5は相互に接触するが、相対的に動くために適
する。ブロック4(又はブロックが多層材料で製作され
ているならば外側の層)の分極の向きは1つのスタック
層から次のスタック層へ交番する。
【0025】交番電圧(+V、−V)が分離要素5の軸
線Aに沿ってアラインメントに加えられるとすると、各
層はそれの近くの層に対して移動させられる。それぞれ
のワッシャーR中の交番する磁界と、1つのワッシャー
Rから次のワッシャーへ交番する分極とのために、移動
は常に同じ向きである。これを図3に示す。分離要素5
を構成する材料(金属)の変形を、ブロック4を構成し
ているセラミックの変形に対して無視できる(ヤング率
の大きな違い)と仮定し、かつ分離要素5が動いても分
離要素の最初の向きに平行なままであると仮定すると、
第1の近似で、 θ=2πμε.m/n K=(E/2πμ)(n2 /m2 )R.ΔR.l が得られる。ここに、 θ=加えられた電圧の下での軸の最大よじれ、 m=円筒中の層の数、 ε=加えられたフィールドの下におけるセラミックの最
大相対変形、 μ=セラミックの体積pと金属+セラミックの全体積と
の比、 R=能動構造体の外半径、 K=軸のよじれスチフネス。
【0026】 n=ワッシャー中のセラミックブロックの数、 E=セラミックのヤング率、 ΔR=能動層の外半径と内半径との差、 l=アクチュエータの長さ、 である。
【0027】それらの2つの式を用いると、円筒形アク
チュエータによって構成された軸に対して望まれる特性
を選択することが可能である。比μm/nは機械的な増
幅率を表すことがわかる。この比を高くするためには、
層の数を多くし、層当りのブロックの数をできるだけ少
なくすることが望ましい。比μも高くしなければならな
いが、0.5より低く維持する必要がある。この比が高
くなるにつれて、金属分離要素5はよじれ運動をさせら
れる。そのよじれ運動はこの装置の動作にとっては不利
である。この現象を避けながらμをできるだけ高くでき
るようにするためには、個々の分離要素5を、円筒の軸
線Aに平行に伸び、かつスロット7が形成されているス
トリップ6、たとえば、金属ストリップ、によって構成
されている分離要素で置き換えることが有利である。
【0028】それらのラインの変形を図4に示す。スト
リップ6のスロット7が、ブロック4の2つの引き続く
層の高さに位置する距離だけ離隔される。1つのストリ
ップと次のストリップとの間では、スロット7はブロッ
ク4の1つの艘の高さだけずらされる。そのような構造
体では、あるストリップ中の引き続く2つのスロット7
の間の金属(厚板)の質量が、図2及び図3を参照して
説明した構造体における分離要素5の質量を表し、前記
スロット7は1つの分離要素5が傾斜を制限しながら他
の分離要素に対して滑ることができるようにする分離要
素5の間のリンクをまねる。
【0029】スロット7の周囲のストリップ6の領域の
変形を図5に示す。スロット7は、変位中に表面に一様
に分布されるせん断応力の大きな部分を無くし、傾斜中
は分離要素5の縁部で大きい引っ張り応力/圧縮応力を
最大にすることを観察されるであろう。プレストレス外
皮2がプレストレスリング8によって円筒の各層のため
に製作される。プレストレスリング8は図6に示すよう
にして金属/セラミック組立体に対して止められる。プ
レストレスリング8は高い温度ヒステリシスを持つ形状
記憶合金、たとえば、Ni−Ti−Nb型の合金で製作
すると有利である。液体窒素中で冷却することによって
得られる低温相では、プレストレスリング8はセラミッ
クと金属とが交番する構造体を製作することを可能にす
るために十分である常温における内部直径を有する。1
50°C以上に加熱することによって、リング8は収縮
することによってそれの高温構造体をとり、それによっ
てプレストレスを与える。通常の使用温度(−60°C
〜+100°C)に戻ってもリング8はこの構造体を保
持する。
【0030】+V電源回路と−V電源回路との間の短絡
を避けるために、1つ置きのストリップ6(又は1つ置
きの分離要素5)だけがリング8に接触する。
【0031】接触は接触領域10によって行うことが好
ましい。プレストレスを一様にするために、接触領域の
分布が1つの層から次の層まで交番させられる。こうす
ると各プレストレスリング8がそれのすぐ近くのリング
に潜在的に向き合う結果となる。したがって、図7に示
すように、電気絶縁ワッシャー9をプレストレスリング
8の間に挿入することが適切である。
【0032】分離要素6の可能な構造体の例を図8に示
す。この図に示すストリップ6はくぼみ11と交番する
接触領域10を形成する一連の突出部を有する。各接触
領域10とくぼみ11は能動構造体1の1つの層に対応
する。この解決策は良い電気的連続性を提供して、スロ
ットの両側でストリップ6に沿って伸びるマージンすな
わち横のブレード12によって、1つの層から他の層ま
でプレストレスを伝えることを可能にするので、この解
決策は好ましい。したがって、くぼみ11に対応し、か
つ対応する層のプレストレスリング8に接触するストリ
ップ6のそれらの領域でも、すぐ近くの層のリング8に
よって所定場所に保持される。この解決策の他の利点は
電気的連続性が良いことである。
【0033】上記構造体は次のようにして製作すると有
利である(図9(a)ないし図9(c))。 a.外側チューブ13を取り、低温状態のプレストレス
リング8をそのチューブの内部に絶縁ワッシャー9と交
互に積み重ねる(図9(a))。 b.絶縁面を有する内部円筒コア3の周囲に分割金属ス
トリップ6をコアの母線に沿って一時的に、又は他のや
り方で付着する。それらのストリップは1つの層の厚さ
だけコアの母線に沿ってずらされる(図9(b))。 c.コアとそれのストリップを、プレストレスワッシャ
ーによって構成されているチューブの中に挿入する(図
9(c))。 d.リング8と、ストリップ6と、コア3との間に残っ
ているハウジングの内部に挿入して、セラミックブロッ
クの分極の半径に直角な向き(orthoradial direction
)が、このようにして製作されたスタックの各層にお
いて同じで、1つの層と次の層とで交番するようにす
る。 e.組立体又はそれのを外側を加熱してプレストレスリ
ング8の相を変化させるようにする。セラミックブロッ
クの分極が無くなることを避けるように、リングの上昇
温度はセラミックブロックのキューリー点より低くなけ
ればならない。 f.以後の使用に応じて、外側チューブ13と内部コア
3との少なくとも一方を希望によって除去する。内部コ
アを残すものとすると、内部コア自身の柔軟性又はそれ
の絶縁層の柔軟性のために、それのスチフネスは能動構
造体のスチフネスよりはるかに低くなければならない。
コア3の中心には軸線方向のプレストレスを加えること
ができるようにするロッドを設けることができる。
【0034】もちろん他の実施形態も可能である。とく
に、上の説明では、伸縮するセラミック(圧電変形率が
D33又はD31)でブロック9を製作するものと暗黙
のうちに仮定している。しかし、せん断モードで動作す
るセラミック(圧電変形率がD15)を用いることを考
えることも可能である。現在はこの種の圧電セラミック
はむくのセラミックの形で入手できる。
【0035】飛行アクチュエータのために数十ボルトの
電圧を使用できるものとすると、そのようなセラミック
を使用することを考えることが可能である。
【0036】図10と図11は、ブロック104をせん
断モードで動作する圧電物質で製作した本発明のアクチ
ュエータ構造体を示す。ブロック104は構造体の高さ
に沿って(軸線Aに沿って)分極を交番して積み重ね
る。同じスタック内の連続する2つのブロック104は
電極形成金属化部120によって分離され、能動構造体
の高さ方向における金属化部120の引き続く層が、ス
タックの1つの側と他の側とに配置されている導電性分
離ストリップ106に交互に接続される。
【0037】このように、+Vと−Vの電位を1つ置き
の分離要素106に加えることによって、構造体は図1
1に示すようにして変形させられる。図10及び図11
に示す例では、構造体の高さ方向における与えられた層
中のブロック104は同じ向きの分極を有し、展開図で
は、ブレードすなわち金属化部120は分離要素106
の両側で対称的に分布させられる。しかし、スタックの
与えられた層内の全てのブロック104に対しては同じ
ようにして分極させることは重要ではない。層の内部で
は、分極を1つのブロック104から次のブロックまで
交番でき、その時に同じ層内の引き続く2つのブロック
の金属開口部120が2つの異なる分離要素106に接
続される。
【0038】図13に示す可能な実施形態を構成する磁
歪アクチュエータは円筒形をしており、筒状能動構造体
201と、外皮202と、中心コア202とを有する。
外皮の中に能動構造体201が装着される。
【0039】図14は、この可能な実施形態を構成する
能動構造体201の高さの僅かな部分を示す展開図であ
る。軸線Aは円筒の軸線の方向を表す。この能動構造体
は磁歪セラミックのブロック204を複数個有する。そ
れらのブロックは構造体の高さ方向に積み重ねられる。
スタックの各層は、閉じたループを構成し、したがっ
て、ワッシャーRを構成するように並置されている複数
のブロック204で製作される。
【0040】このスタックの任意の1つの層では、引き
続くブロック204が不活性分離要素205(金属厚
板)によって対となって離隔される。各分離要素はスタ
ックの2つの層を貫いて伸びる。それらの分離要素は、
ブロック204のセラミックよりもはるかに硬い材料で
製作される。たとえば、分離要素は鋼で製作できる。ス
タックの層中の引き続く分離要素205は、問題の層の
両側においてスタックの隣接する2つの層のおのおのの
中に交互に伸び、したがって、前記2つの隣接する層の
一方又は他方におけるブロック204のための分離要素
も構成する。この構造体の軸線方向における高さ方向の
引き続く2つの分離要素205は相互に接触するように
なるが、相互に相対的に移動させられるのに適する。
【0041】与えられた層中のブロック204が変形さ
せられて、同じ層中の引き続く2つのブロック又は構造
体の高さ方向における引き続く2つのブロックが縮む1
つのブロックと、伸びる他のブロックとを構成し、それ
によって各層をそれの近くの層に対してずらせ、かつ能
動構造体201をよじらせるように、半径方向の磁界が
ブロック204に加えられる。
【0042】これを図14に示す。(金属)分離要素2
05は、ブロック204のセラミックの変形と比較して
無視できる大きさだけ変形する(ヤング率の大きな差)
ために選択される材料で製作される。分離ストリップを
ブロック204と一体にすることも可能である。その場
合には、図16に示す、チューブ206と、互い違いに
分布された複数のスロット207を有する磁歪物質とで
構成される種類の能動構造体が得られる。厚板205の
領域が構造体の高さ方向における共通母線上にあるスロ
ット207の間に形成され、半径方向の磁界が加えられ
た時に磁歪効果を発生し、かつブロック204に対応す
る領域(図16で斜線を施した領域)は、構造体に沿う
引き続く2つの高さレベルに配置されているスロット2
07に重なり合う部分の間に形成された領域である。
【0043】磁気歪みは一様な現象である、すなわち、
磁界の符号に依存しない(図17参照)ために、各領域
が交番する機械的効果を円筒の軸線に沿って、及び半径
に垂直な方向(orthoradial)に呈するよう
に、バイアス磁界を加えることが適切である。そうする
と2つの可能性がある。すなわち、一様な半径方向の永
久磁界を円筒全体に加えることができ、かつ半径方向制
御磁界を、1つの領域から次の領域へ交互にその永久磁
界に加え合わせる(図17の二重頭矢印I)。又は半径
方向の永久磁界を1つの領域から次の領域へ交番すして
加えることができ、制御のためにかつ一様な半径方向制
御磁界をそれに加えることができる(図17の一重頭矢
印II)。
【0044】第2の可能性に対応する構造体を図18に
示す。この図を参照して以下に説明する。しかし、半径
方向の永久磁界が一定ではなく、より広い領域にわたっ
て交番するような中間構造体を考えることも可能であ
る。永久磁界中の交番は1つの領域から次の領域への遷
移でずらされる。
【0045】図18に示す構造体を半径方向の半分の断
面で示す。その構造体の外皮202は軟磁性体、たとえ
ば金属、で製作される。コア203は、領域(ブロッ
ク)204に整列させられた複数の磁石209を保持す
る軟磁性体(金属)のロッド210によって構成され
る。それらの磁石209は、ロッド210に対して高さ
方向及び円周方向に交番するようにして、分極させられ
る。
【0046】例によって、それらの磁石は前記ロッド2
10と、軟磁性体の要素210aとの間に、能動構造体
201に位置を合わせて置かれる。磁石209の交番す
る分極は磁歪物質優に交番する永久磁界を生ずる。図1
9に示すように、この交番は半径に垂直な方向(orthor
adial direction )にも起きる。コア203の端部に制
御コイルが存在する。その制御コイルは軸線方向の磁界
を加える。その磁界は外皮を通じてループ状に戻され
る。制御磁界はコア203の磁気抵抗を供給する磁歪物
質を貫通して一様に閉じる。その閉路の磁気抵抗は空隙
の磁気抵抗と比較して低い。これは、非常に長い円筒の
場合には必ずしもそうではない。そのような状況の下で
は、図20に示すように、制御コイル211をロッド2
10に沿って一定の間隔で置くことによって、制御磁界
の向きを交番させる必要があることがある。こうすると
各コイルから見た磁気抵抗が低くなる。
【0047】一定磁界が閉路中で半径に垂直な方向に閉
じられるならば、上で述べた構造体はとくに有利である
ことを観察されるであろう。その理由は、永久磁石の分
極が半径に垂直な方向に交番するためである。この構造
体は長さには敏感でない。しかし、能動構造体が円筒の
軸線に沿ってよじれると、コアの磁極が励磁すべき領域
204にもはや整列しなくなる。したがって、コア20
3が能動構造体201のよじれに等しい量だけよじれる
ことができることが適切であるが、それでもスチフネス
ははるかに低い。このために、コア203は能動構造体
201の端部に固定しなければならない。
【0048】そのために、ロッド210は、短い直径の
よじれ棒214(金属製の場合)によって、又は長い直
径のよじれ棒214(エラストマー製の場合)によっ
て、相互に連結されている複数のセグメント213で製
作すると有利である。これを図1に示す(軸線方向の半
断面で)。この図でドットはコアの要素とよじれ棒との
間の連結点を表す。
【0049】コアの2つの要素210aの間の連結を、
種々の磁極層の間に置かれているエラストマーのワッシ
ャー212を介して行うことも可能である。これを図2
2に示す。それらのエラストマーワッシャー212は制
御コイルを被覆することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の1つの可能な実施形態を構成するアク
チュエータの線図的斜視図である。
【図2】図1に示すアクチュエータの能動構造体の展開
図である。
【図3】能動構造体がどのように動作するかを示す図2
に類似の図である。
【図4】能動構造体の他の可能な実現の展開図である。
【図5】図4に示す構造体における分離手段の2枚の厚
板の間の滑りを示す。
【図6】図1のアクチュエータの横断面図である。
【図7】プレストレス外皮の1つの可能な実施形態を示
す線図的斜視図である。
【図8】分離手段の可能な実施形態を示す斜視図であ
る。
【図9】図1に示すアクチュエータを製作する工程の1
つを示す線図である。
【図10】本発明の他の可能な実施形態を示す図2に類
似する図である。
【図11】本発明の他の可能な実施形態を示す図3に類
似する図である。
【図12】本発明の他の可能な実施形態を示す図10に
類似する図である。
【図13】他の可能な実施形態を構成する磁歪アクチュ
エータを示す図1の線図的斜視図に類似する線図的斜視
図である。
【図14】図13に示すアクチュエータの能動構造体の
展開図である。
【図15】能動構造体のよじれ運動を示す図14に類似
する図である。
【図16】本発明の他の可能な実施形態を示す図14に
類似する図である。
【図17】磁歪物質の伸びをそれに加えられた磁界の関
数として描いたグラフである。
【図18】図15のアクチュエータの半径方向における
半分図である。
【図19】同じアクチュエータの横断面図である。
【図20】本発明の他の実施形態を示す図17に類似す
る図である。
【図21】図18に示す構造体のロッドの1つの可能な
構造を示す。
【図22】図20に示す構造体のロッドの他の可能な構
造を示す。
【符号の説明】
1、201 能動構造体 2、202 プレストレス外皮 3、203 中心コア 4、104 圧電物質、電歪物質、のブロック 5、106、205 分離要素 6 ストリップ 7、207 スロット 8 プレストレスリング 9、212 電気絶縁ワッシャー 10 接触領域 11 くぼみ 12 ブレード 13、206 外側チューブ 120 金属化部 209 磁石 210 軟磁性体のロッド 211 制御コイル 214 よじれ棒

Claims (27)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】圧電型、電歪型又は磁歪型の活性物質のユ
    ニットブロックにおいて、筒状構造体を形成するように
    配置された前記単位ユニットブロックの複数のスタック
    と、電界又は磁界を前記ユニットに加えて、筒状構造体
    がよじれるようにして前記ユニットを変形させることが
    できるようにする手段とを備えたことを特徴とするアク
    チュエータ。
  2. 【請求項2】請求項1に記載のアクチュエータにおい
    て、ユニットブロックは圧電性又は電歪性であり、前記
    ブロックを変形させる手段は、電界を前記ブロックに加
    えることができるようにする電極を形成する電極形成手
    段を備えたことを特徴とするアクチュエータ。
  3. 【請求項3】請求項2に記載のアクチュエータにおい
    て、ユニットブロックは伸び/縮みで動作し、それらは
    筒状構造体の高さ方向で交番する分極で積み重ねられる
    ことを特徴とするアクチュエータ。
  4. 【請求項4】請求項3に記載のアクチュエータにおい
    て、構造体の高さ方向に沿って伸びる分離器手段によっ
    てスタックは対となって分離され、分離要素は一連の厚
    板によって構成され、各厚板の厚さは2つのユニットブ
    ロックの高さに少なくとも対応し、厚板は相互に滑るた
    めに適当であって、かつ、それのスチフネスはユニット
    ブロックのスチフネスより高く、重畳させられた同じ高
    さの厚板の間の分離器領域は、1つの分離器手段から円
    周方向に次の分離器手段への構造体の高さ方向にずれて
    いることを特徴とするアクチュエータ。
  5. 【請求項5】請求項4に記載のアクチュエータにおい
    て、分離器手段は、対となって、厚板を構成する複数の
    スロットを呈するストリップによって構成されたことを
    特徴とするアクチュエータ。
  6. 【請求項6】請求項4に記載のアクチュエータにおい
    て、分離器手段は重畳させられている複数の分離要素に
    よって構成され、各分離要素はユニット厚板を構成する
    ことを特徴とするアクチュエータ。
  7. 【請求項7】請求項4に記載のアクチュエータにおい
    て、電極形成手段は分離器手段によって構成されたこと
    を特徴とするアクチュエータ。
  8. 【請求項8】請求項2に記載のアクチュエータにおい
    て、ユニットブロックはせん断モードで動作することを
    特徴とするアクチュエータ。
  9. 【請求項9】請求項8に記載のアクチュエータにおい
    て、与えられたスタックの高さ方向に引き続く2つのユ
    ニットブロックがそれらの向き合う面に電極形成金属化
    部を呈することを特徴とするアクチュエータ。
  10. 【請求項10】請求項9に記載のアクチュエータにおい
    て、ユニットブロックのスタックが導電性分離器手段に
    よって分離され、その分離器手段に電極形成金属化部が
    接続されることを特徴とするアクチュエータ。
  11. 【請求項11】請求項1乃至10のいずれか1つに記載
    のアクチュエータにおいて、ユニットブロックは筒状構
    造体の高さ方向にワッシャーとして分布されることを特
    徴とするアクチュエータ。
  12. 【請求項12】請求項1乃至11のいずれか1つに記載
    のアクチュエータにおいて、プレストレス外皮を含み、
    その外皮の内部にユニットブロックの筒状構造体が置か
    れたことを特徴とするアクチュエータ。
  13. 【請求項13】請求項11及び12に記載のアクチュエ
    ータにおいて、プレストレス外皮は複数のリングを備
    え、各リングは筒状構造体のユニットブロックのワッシ
    ャーにプレストレスを与えることを特徴とするアクチュ
    エータ。
  14. 【請求項14】請求項13に記載のアクチュエータにお
    いて、リングは導電性であり、アクチュエータは複数の
    接触領域を備え、それらの接触領域は、分離器手段とプ
    レストレスリングとの間で構造体の高さ方向に分布させ
    られたことを特徴とするアクチュエータ。
  15. 【請求項15】請求項14に記載のアクチュエータにお
    いて、他のあらゆる厚板に接触するように接触領域は分
    布させられることを特徴とするアクチュエータ。
  16. 【請求項16】請求項14又は15に記載のアクチュエ
    ータにおいて、リングは電気絶縁ワッシャーによって分
    離させられることを特徴とするアクチュエータ。
  17. 【請求項17】請求項13乃至15のいずれか1つに記
    載のアクチュエータにおいて、外皮すなわちプレストレ
    スリングは形状記憶合金で製作されたことを特徴とする
    アクチュエータ。
  18. 【請求項18】a)絶縁ワッシャーとプレストレスリン
    グとを低温度段階で外部チューブの内部に交互に積み重
    ね、 b)絶縁面を有する円筒形内部コアの母線に沿って分割
    金属ストリップを、隣接するストリップ対が、前記コア
    の長さ方向に、コアの厚さの半分だけ相互にずらされる
    ようにして、積み重ね、 c)プレストレスリングとワッシャーとによって構成さ
    れている筒状構造体の内部にコアをそれのストリップと
    一緒に挿入し、 d)リングと、ストリップと、コアとの間のハウジング
    にユニットブロックを挿入し、 e)この組立体を加熱してプレストレスリングの相を変
    化させる、ことを特徴とするアクチュエータを製作する
    方法。
  19. 【請求項19】請求項1に記載のアクチュエータにおい
    て、筒状能動構造体のユニットブロックは、磁気歪み効
    果によって変形させられるように設計された複数のブロ
    ックのスタックを備え、ブロックの間に分離器手段が置
    かれ、分離器手段は分離器厚板のスタックによって構成
    され、各分離器厚板のスタックの高さは磁気歪み効果に
    よって変形させるべき2つのブロックの高さに少なくと
    も対応し、能動構造体の高さ方向における重畳させられ
    ている種々の厚板は相対的に滑るために適当であり、同
    じ高さに重畳されている分離器厚板の間の分離領域は、
    1つの分離手段から他の分離手段まで、構造体の高さ方
    向にずれ、アクチュエータは、磁気歪み効果によって変
    形させるべきブロックに磁界を加えるための手段を含
    み、それによって前記ブロックを構造体の高さ方向及び
    それの周囲で交互に伸縮させることを特徴とするアクチ
    ュエータ。
  20. 【請求項20】請求項19に記載のアクチュエータにお
    いて、能動構造体は磁気歪み物質のチューブにおいて、
    互い違いに配置された複数のスロットを有し、それらの
    スロットの間に、磁気歪み効果によって変形させられる
    ように設計されたブロックに対応する領域と、分離器厚
    板に対応する領域とを形成することを特徴とするアクチ
    ュエータ。
  21. 【請求項21】請求項19又は20に記載のアクチュエ
    ータにおいて、一様で永久的な半径方向磁界を能動構造
    体に加えるため、及び前記永久磁界に、磁気歪み効果に
    よって変形させるべき1つのブロックから他のブロック
    へ交番する半径方向制御磁界を加えるための手段を含む
    ことを特徴とするアクチュエータ。
  22. 【請求項22】請求項19又は20に記載のアクチュエ
    ータにおいて、磁気歪み効果によって変形させるように
    設計された1つのブロックから次のブロックへ交番す
    る、永久的な半径方向磁界を能動構造体に加えるため、
    及び前記永久磁界に一様な半径方向制御磁界を加えるた
    めの手段を含むことを特徴とするアクチュエータ。
  23. 【請求項23】請求項19ないし22のいずれか1つに
    記載のアクチュエータにおいて、磁気歪み効果によって
    変形させるように設計された種々のブロックに位置を合
    わされた永久磁石を有することを特徴とするアクチュエ
    ータ。
  24. 【請求項24】組合わせた請求項22及び23に記載の
    アクチュエータにおいて、永久磁石は1つの磁石から次
    の磁石へ交番する分極のものであることを特徴とするア
    クチュエータ。
  25. 【請求項25】請求項23に記載のアクチュエータにお
    いて、永久磁石は相互に相対的に回るために適当な複数
    の部分を有するコアによって支持され、能動構造体のね
    じれ運動を前記部分に伝えるための手段を更に含むこと
    を特徴とするアクチュエータ。
  26. 【請求項26】請求項25に記載のアクチュエータにお
    いて、前記手段は軸線方向のねじれ棒を備えることを特
    徴とするアクチュエータ。
  27. 【請求項27】請求項25に記載のアクチュエータにお
    いて、前記手段は、能動構造体の高さ方向に引き続く永
    久磁石の間にエラストマーリンクを備えることを特徴と
    するアクチュエータ。
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