JP2005265111A

JP2005265111A - 圧電アクチュエータ及びこれを備えた車両用衝撃緩衝装置

Info

Publication number: JP2005265111A
Application number: JP2004080643A
Authority: JP
Inventors: Tanev Ivan; タネイワン; Buller Andrzej; ブラーアンゼ; Katsunori Shimohara; 勝憲下原
Original assignee: ATR Advanced Telecommunications Research Institute International
Current assignee: ATR Advanced Telecommunications Research Institute International
Priority date: 2004-03-19
Filing date: 2004-03-19
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2024-03-19
Also published as: JP4403314B2

Abstract

【課題】印加する電界の強さに応じて弾性部材が配設された内部の充填材の見かけ上の粘度を変更することにより、緩衝度合を変更することができる圧電アクチュエータ、及び該圧電アクチュエータを用いた車両用衝撃緩衝装置を提供する。
【解決手段】筒体と、該筒体の内面に貼付した導電膜と、筒体に内挿してあるコイル状弾性体と、該コイル状弾性体を嵌挿して支持する導電性内軸と、筒体の内部に充填する充填材と、導電膜と導電性内軸との間に電圧を印加する電源とを含む圧電アクチュエータであって、充填材は、ゾル状の絶縁樹脂に強誘電体を混入してあり、導電膜と導電性内軸との間に電圧を印加することにより生じる電界の強さに応じて粘度を変更すべくなしてある。
【選択図】図１

Description

本発明は、印加する電界の強さに応じてコイル状の弾性体が内挿された内部に充填してある絶縁樹脂の見かけ上の粘度を変更することにより、弾性体の弾性係数を変更したのと同様の効果を得ることができる圧電アクチュエータ及び該圧電アクチュエータを用いた車両用衝撃緩衝装置に関する。

従来、ロボットの構成部材は、スチール、アルミニウム等の金属材料で構成されている。しかし、人間型（ヒューマノイド型）ロボットのように、人間のような滑らかな動きを再現する必要性が高い場合、例えば可動節を大量に設ける必要があり、個々の構成部材の動作を適切に制御することが困難であった。

一方、スチール、アルミニウム等の金属材料で構成されたロボットのような可動部を備えた機械類は、衝撃力に対して適度な緩衝機構を必要とする。例えば、ロボットアームの滑らかな動作を維持するためには、アーム部材に対する衝撃力を適度に緩衝することが課題の１つとなる。

斯かる課題に対応すべく、コイル状弾性部材を緩衝部材として用いた構成部材、流体の圧力伝播を利用した緩衝部材等を用いた構成部材が多々開発されており、ロボットの可動部に用いられている他、自動車、電車等の各種機械類に用いられている。

しかし、上述したように、可動節を大量に設けたロボットでは、各可動節の動作を制御する部材も増大し、全体の重量が増加するとともに、動作に必要なエネルギーの消費量も増大することから、燃料消費の観点からも非経済的となるという問題点があった。また可動節の数が増加すればするほど、外部から作用する力、特に衝撃力に対して強度を維持することが困難となり、可動節の数を増やすことなく、衝撃力を緩衝する柔軟性を併せ持ったアクチュエータの開発が急務となっている。

一方、上述したコイル状弾性部材を緩衝部材として用いた構成部材では、緩衝力は弾性部材の弾性係数に依存しており、弾性部材を取り替えない限り弾性係数自体を変更することはできない。したがって、状況に応じて大きな緩衝力が必要な場合、又は小さな緩衝力が必要な場合等の使い分けをすることができず、ロボットに適用する場合には、滑らかな動作を維持することが困難になるという問題点があった。

さらに、流体の圧力伝播を利用した緩衝部材を用いた構成部材では、状況に応じて圧力伝播比率を変更することができることから、大きな緩衝力が必要な場合、又は小さな緩衝力が必要な場合等の使い分けをすることはできるものの、構成部材の構造が複雑となり、圧力を制御する制御回路も複雑になることから、製造コストが増大するとともに、装置全体の重量が増加し、設計がより困難になるという問題点があった。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、印加する電界の強さに応じて弾性部材が配設された内部の充填材の見かけ上の粘度を変更することにより、緩衝度合を変更することができる圧電アクチュエータ、及び該圧電アクチュエータを用いた車両用衝撃緩衝装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために第１発明に係る圧電アクチュエータは、筒体と、該筒体の内面に貼付した導電膜と、前記筒体に内挿してあるコイル状弾性体と、該コイル状弾性体を嵌挿して支持する導電性内軸と、前記筒体の内部に充填する充填材と、前記導電膜と前記導電性内軸との間に電圧を印加する電源とを含む圧電アクチュエータであって、前記充填材は、ゾル状の絶縁樹脂に強誘電体を混入してあり、前記導電膜と前記導電性内軸との間に電圧を印加することにより生じる電界の強さに応じて粘度を変更すべくなしてあることを特徴とする。

また、第２発明に係る圧電アクチュエータは、筒体と、該筒体の内面に貼付した少なくとも一組の導電膜と、該導電膜に電圧を印加する電源と、前記筒体に内挿してあるコイル状弾性体と、前記筒体の内部に充填する充填材とを含む圧電アクチュエータであって、前記充填材は、ゾル状の絶縁樹脂に強誘電体を混入してあり、前記一組の導電膜に電圧を印加することにより生じる電界の強さに応じて粘度を変更すべくなしてあることを特徴とする。

また、第３発明に係る圧電アクチュエータは、第１又は第２発明において、前記強誘電体は、ジルコン・チタン酸鉛であることを特徴とする。

また、第４発明に係る車両用衝撃緩衝装置は、第１乃至第３発明のいずれかの圧電アクチュエータを備えることを特徴とする。

第１又は第２発明によれば、導電膜により印加される電界の強さを制御することにより、充填材に混入してある強誘電体に生じる力を変更し、充填材の粘度を見かけ上変更し、内挿してあるスプリング等のコイル状弾性部材の挙動を規制する。したがって、コイル状弾性部材の弾性係数を変更した場合と同様に、外力に対する緩衝力を変更することができ、状況に応じて柔軟に緩衝力を変更することができる圧電アクチュエータを提供することが可能となる。

第３発明によれば、電界の強弱に応じてゾル状の絶縁樹脂の見かけ上の粘度を効果的に変更することができ、絶縁樹脂が充填してあるコイル状弾性部材の挙動を粘度変化に応じて容易に規制することが可能となる。

また、第４発明によれば、導電膜により印加される電界の強さを制御することにより、充填材に混入してある強誘電体に生じる力を変更し、充填材の粘度を見かけ上変更することで、内挿してあるスプリング等のコイル状弾性部材の挙動を規制する。したがって、コイル状弾性部材の弾性係数を変更した場合と同様に、外力に対する緩衝力を変更することができ、状況に応じて柔軟に緩衝力を変更することができる車両用衝撃緩衝装置を提供することが可能となる。

以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る圧電アクチュエータの構成を示す斜視図であり、図２は、本発明の実施の形態に係る圧電アクチュエータの長手方向と垂直な面での断面図である。図１で、１は導電性を有する内軸であり、内軸１の外面に沿ってコイル状スプリング３が配設してある。２は外筒（筒体）であり、内周面に薄膜状の導電性樹脂フィルム４を貼付してある。導電性樹脂フィルム４は、ポリアセチレン等の導電性樹脂で形成されており、図２に示すように、外筒２の内周面全体に貼付してある。導電性樹脂フィルム４と内軸１との間には、外部電源５により電圧が印加され、印加される電圧に応じて導電性樹脂フィルム４と内軸１との間に電界を発生する。発生する電界の強さは、外部電源５により印加される電圧の強弱に応じて容易に変更することができる。

内軸１と外筒２との間には、コイル状スプリング３を浸すように、充填材６としてゾル状の絶縁樹脂を満たしてある。絶縁樹脂は、強誘電体であるチタン酸鉛（PbTiO₃）とジルコン酸鉛（PbZrO₃）を主成分とするセラミックスであるＰＺＴ（ジルコン・チタン酸鉛）を混入してある。

充填材６は、ＰＺＴが混入してあることにより、電界強さの強弱に応じてＰＺＴに力が生じ、生じた力により、その見かけ上の粘度が変更される。例えば、電界の強さが強く（弱く）なった場合、ＰＺＴに生じる力が増大し（減少し）、充填材６の粘度が見かけ上増大（減少）する。したがって、充填材６に浸っているコイル状スプリング３の挙動が規制され、弾性係数が大きく（小さく）なるのと同様の効果を得る。

なお、充填材６として、スマートテクノロジー社（Smart Technology Ltd.）の「ＬＩＤ３３５５Ｓ技術情報シート（LID3355S-Technical Information Sheet）、２００３年８月７日発行」に記載の導電性レオロジカル流体ＬＩＤ３３５５Ｓ（ELECTRO-RHEOLOGICAL FLUID LID 3355S）、又は「天然材料第２巻（nature material VOL.2）、２００３年１１月発行」の７２７〜７３０頁に掲載された論文である「ナノ粒子の懸架における顕著な導電性レオロジカル効果（The giant electrorheological effect in suspensions of nanoparticles）」に記載されている材質のように、電界の強さに応じて流体密度、すなわち粒子間の懸架力が変動する材質を用いることも可能である。

上述した構成の圧電アクチュエータの動作について説明する。外部電源５により、導電性樹脂フィルム４と内軸１との間に所定の電圧が印加される。電圧が印加されることにより、導電性樹脂フィルム４と内軸１との間には、所定の強さを有する電界が生じる。

充填材６に混入されている強誘電体であるＰＺＴは、逆圧電素子として機能する。すなわち、外部電源５により生じた電界中では、ＰＺＴには逆圧電効果により所定の力ないし歪が生じる。

ＰＺＴはゾル状の絶縁樹脂中に存在することから、逆圧電効果により生じた所定の力ないし歪によって、絶縁樹脂の粘度が見かけ上高くなる。したがって、絶縁樹脂中に浸されているコイル状スプリング３の動作に対する抵抗が大きくなり、コイル状スプリング３の動作に対する規制部材として機能することができる。

外部電源５の大きさは、導電性樹脂フィルム４と内軸１との間により生じる電界の強さに比例する。すなわち、強い電界を生じるためには、外部電源５を大きくする必要がある。

発生する電界の強さに応じて絶縁樹脂の粘度を見かけ上高くする方法は、上述した方法に限定されるものではない。例えば導電性樹脂フィルム４を内面に対向させて貼付し、導電性樹脂フィルム４、４間に電界を発生させる構成であっても絶縁樹脂の粘度を見かけ上高くすることができる。

例えば図３は、導電性樹脂フィルム４、４間に電界を発生させる場合の圧電アクチュエータの構成を示す斜視図であり、図４は、導電性樹脂フィルム４、４間に電界を発生させる場合の圧電アクチュエータの長手方向と垂直な面での断面図である。図３で、１は内軸であり、内軸１の外面に沿ってコイル状スプリング３が配設してある。２は外筒であり、内周面に薄膜状の導電性樹脂フィルム４、４を貼付してある。導電性樹脂フィルム４、４は、ポリアセチレン等の導電性樹脂で形成されており、図４に示すように、少なくとも互いに対向する２面に分割して貼付してある。導電性樹脂フィルム４、４には、外部電源５により電圧が印加され、印加される電圧に応じて外筒２の内側に対して電界を発生する。発生する電界の強さは、外部電源５により印加される電圧の強弱に応じて容易に変更することができる。

充填材６は、ＰＺＴが混入してあることにより、電界強さの強弱に応じてＰＺＴに力が生じ、生じた力により、その見かけ上の粘度が変更される。したがって、外部電源５により、一組の導電性樹脂フィルム４、４に所定の電圧が印加されることにより、導電性樹脂フィルム４、４間には、所定の強さを有する電界が生じ、それに応じてＰＺＴに生じる力が増大し（減少し）、充填材６の粘度が見かけ上増大（減少）する。よって、充填材６に浸っているコイル状スプリング３の挙動が規制され、弾性係数が大きく（小さく）なるのと同様の効果を得ることが可能となる。

なお、外部電源５の大きさは、導電性樹脂フィルム４、４により生じる電界の強さに比例する。すなわち、強い電界を生じるためには、外部電源５を大きくする必要がある。したがって、例えば導電性樹脂フィルム４、４の貼付面積に比例して外部電源５の必要出力が変動する。

また、導電性樹脂フィルム４間に電界を発生させる場合は、内軸１は必ずしも必要ではなく、内軸１を有さない圧電アクチュエータであっても同様の効果が期待できる。ただし、コイル状スプリング３の動作を補助すべく設けることが好ましい。

以下、上述した構成の圧電アクチュエータを自動車用のショックアブソーバ（車両用衝撃緩衝装置）に適用した例について説明する。図５は、本実施の形態に係る圧電アクチュエータを用いるショックアブソーバを適用した独立車輪懸架装置の概略構成を示す車両の左右方向の断面図である。図５に示すように、上側及び下側ウイッシュボーン３２、３３を有しており、それぞれ一端で車両のシャシ部材３１に各軸線Ｘ１、Ｘ２回りに回転可能に支持してある。車輪支持部材３４はウイッシュボーン３２、３３の他端に、互いに平行かつ軸線Ｘ１、Ｘ２と平行な各軸線Ｙ１、Ｙ２回りに回転可能に連結されている。

本実施の形態に係る圧電アクチュエータ３５は、上端を共通な軸線Ｚ１回りにシャシ部材３１にピボット連結し、下端をウイッシュボーン３２、３３の両端の間、すなわち軸線Ｘ１及びＹ１の間の共通な軸線Ｚ２回りにおいて、ウイッシュボーン３２に回転可能に連結されている。圧電アクチュエータ３５をこのように連結することで、圧電アクチュエータ３５に内蔵されているコイル状スプリング３に漸進的な荷重の増加及び減少を与え、より柔軟な衝撃力の緩衝を行うことが可能となる。

本実施の形態に係る圧電アクチュエータ３５は、内軸１１と１２とが摺動可能に嵌挿されており、内軸１２の揺動をコイル状スプリング３により緩衝する。コイル状スプリング３の周囲、すなわちショックアブソーバのハウジングの内面には、少なくとも一組の導電性樹脂フィルム４、４が貼付してある。一組の導電性樹脂フィルム４、４間に生じる電界の強さに応じて、コイル状スプリング３の挙動が規制され、状況に応じた衝撃緩衝力を付与することができる。

例えば、高速度で右折する場合、横加速度により外側の車輪である左車輪には右車輪よりも大きな荷重がかかり、車両の姿勢は左に沈み込んだ姿勢となる。この場合、横加速度により生じる荷重がタイヤのグリップ力の限界点を超えた場合には、車両が横転するおそれがあることから、車両の姿勢変動を最小限に抑制すべく、ショックアブソーバの弾性係数を変更する。例えば加速度センサにより右折時の横加速度を検出した場合、左車軸に設置してあるショックアブソーバに対しては高い電圧を印加し、右車軸に設置してあるショックアブソーバに対しては低い電圧を印加する。

これにより、左車軸に設置してあるショックアブソーバは、ゾル状の充填材の粘度が見かけ上高くなることから、コイル状スプリングの弾性係数が大きくなったのと同様の状態となり、荷重に対して変形しにくい状態となる。一方、右車軸に設置してあるショックアブソーバは、ゾル状の充填材の粘度が見かけ上低くなることから、コイル状スプリングの弾性係数が小さくなったのと同様の状態となり、荷重に対して変形しやすい状態となる。したがって、車両の姿勢変化を左右両輪側で抑制することが可能となり、安定した走行状態を実現することが可能となる。

なお、本実施の形態では、右折時について説明しているが、左折時であっても同様であり、また急停車時、急発進時、重量物積載時等についても車両の姿勢変動を最小限に止めることができ、安定した挙動を確保することが可能となる。

以上のように本実施の形態では、導電膜により印加される電界の強さを制御することにより、充填材に混入してある強誘電体に生じる力を変更し、充填材の粘度を見かけ上変更して、内挿してあるスプリング等のコイル状弾性部材の挙動を規制する。したがって、コイル状弾性部材の弾性係数を変更するのと同様に、外力に対する緩衝力を変更することができ、状況に応じて柔軟に緩衝力を変更することができる圧電アクチュエータを提供することが可能となる。

本発明の実施の形態に係る圧電アクチュエータの構成を示す斜視図である。本発明の実施の形態に係る圧電アクチュエータの長手方向と垂直な面での断面図である。本発明の実施の形態に係る圧電アクチュエータの他の構成を示す斜視図である。本発明の実施の形態に係る圧電アクチュエータの長手方向と垂直な面での他の断面図である。本実施の形態に係る圧電アクチュエータを用いるショックアブソーバを適用した独立車輪懸架装置の概略構成を示す車両の左右方向の断面図である。

符号の説明

１内軸（導電性内軸）
２外筒（筒体）
３コイル状スプリング（弾性部材）
４導電性樹脂フィルム
５外部電源
６充填材
３５圧電アクチュエータ

Claims

筒体と、該筒体の内面に貼付した導電膜と、前記筒体に内挿してあるコイル状弾性体と、該コイル状弾性体を嵌挿して支持する導電性内軸と、前記筒体の内部に充填する充填材と、前記導電膜と前記導電性内軸との間に電圧を印加する電源とを含む圧電アクチュエータであって、
前記充填材は、ゾル状の絶縁樹脂に強誘電体を混入してあり、前記導電膜と前記導電性内軸との間に電圧を印加することにより生じる電界の強さに応じて粘度を変更すべくなしてあることを特徴とする圧電アクチュエータ。
筒体と、該筒体の内面に貼付した少なくとも一組の導電膜と、該導電膜に電圧を印加する電源と、前記筒体に内挿してあるコイル状弾性体と、前記筒体の内部に充填する充填材とを含む圧電アクチュエータであって、
前記充填材は、ゾル状の絶縁樹脂に強誘電体を混入してあり、前記一組の導電膜に電圧を印加することにより生じる電界の強さに応じて粘度を変更すべくなしてあることを特徴とする圧電アクチュエータ。
前記強誘電体は、ジルコン・チタン酸鉛であることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電アクチュエータ。
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータを備えることを特徴とする車両用衝撃緩衝装置。