JP2005507323A - 湾曲した電気起動のアクチュエータ - Google Patents

湾曲した電気起動のアクチュエータ Download PDF

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Abstract

電気起動アクチュエータ310、及びこのようなアクチュエータの製造方法を、このようなアクチュエータ310が、曲線に沿って配置された複数の電気起動セグメント311を有し、各セグメント311が基本的に平面で、セグメント311の対向する隅に配置された接続区間312を通して隣接セグメント311に結合される状態で記述する。アクチュエータ310は、分離した状態で見ると、セグメントの変位方向とは異なる方向に変位を呈する。これは、材料の連続したテープから好ましくは打ち抜きにより作成することができる。

Description

【技術分野】
【0001】
本発明は電気起動材料の湾曲した素子に関する。特に、本発明は通電時に並進運動を呈する電気起動アクチュエータに関する。
【背景技術】
【0002】
電気起動材料とは、印加された電気状態に応答して変形するか、その寸法を変化させる、又は逆に加えられた機械的力に応答して変化する電気的特性を有する材料である。最もよく知られ、最も使用されているタイプの電気起動材料は、圧電材料であるが、他のタイプの電気起動材料には電気歪み及びピエゾ抵抗材料がある。
【0003】
電気起動材料を使用する多くのデバイスが知られている。最も単純な圧電デバイスは、電極の方向に起動電圧を印可すると拡張・縮小モードで起動する事前電極化、つまり事前に配向された圧電材料のブロックである。
【0004】
圧電デバイスは容量性の性質であるので、幾つかの望ましい機械的及び電気的特性を呈する。印加された電荷から機械的歪みへと非常に効率的にエネルギーを結合し、高い帯域幅で大きい力の出力と、無視できる抵抗熱とを生じる。その容量性の性質のため、このようなデバイスは、ゼロの変位率で最少の電流を流す。電気起動デバイスの剛性は、電気起動材料によって決定され、これは一般に結晶質、セラミック又はポリマ系である。しかし、電気起動効果は極めて小さい、例えば1nm/Vのオーダーであるので、寸法変化は比較的小さく、高い電圧が必要である。したがって、変位を大きくするため、さらに複雑な電気起動構造が開発されている。
【0005】
変位を増大させるため、スタック、ユニモーフ又はバイモーフ・ベンダ、再屈曲ベンダ、波型ベンダ、渦巻又は螺旋設計など、幾つかの設計が導入されてきた。
【0006】
例えば、圧電多層スタックは、スタックの合計変位が個々のプレートそれぞれの変位の和になるよう、複数の圧電リング又はプレートを接続して作成することができる。内部電極が隣接するプレートを分離する。スタックは、圧電電荷係数及び印加電位に従い垂直の変位を提供する。10ミクロン以上の合計変位を提供するには、数百枚のプレートが必要である。
【0007】
標準的なユニモーフ・ベンダは、平坦な圧電細片を一方側から金属シムに接着させて作成する。電圧を印加すると細片が伸張し、ユニモーフ・ベンダが屈曲又は湾曲形状になる。変位範囲を増加させるには、大部分はカンチレバー構造であるバイモーフ構造は2つの積層圧電層を使用し、したがって反対の極性の電圧が印加される2つの内外電極を有する。2つの外層に電界を加えると、一方の層が拡張して、他方が収縮する。その結果、カンチレバー・ビームの先端に比較的広い変位がある状態で、屈曲動作になる。カンチレバー構成では、先端の変位は、カンチレバーの長さ、印加電圧、及びカンチレバーの厚さに関連する。カンチレバー圧電アクチュエータは、0.3mmの自由たわみを達成するために25mm以上のオーダーの長さを必要とする。強化したバイモーフ、つまり中心シムを有するバイモーフは、実際には9つの層、つまり2つの圧電セラミック層、4つの電極層、2つの接着層、及び中心シムで構成されていることに留意されたい。
【0008】
圧電ベンダの最大変位をさらに増加させるため、スタック及び強化したスタック、鎖又は延長したベンダのシートを形成することが知られている。このようなデバイスは、例えば米国特許第3,816,774号、第4,028,666号、第5,410,207号及び第6,107,726号に記載されている。スタック状の再屈曲アクチュエータの設計については、J.D.Ervin及びD.Breiが「Recurve Piezoelectric−Strain−Amplifying Actuator Architecture」(IEEE/ASME Transaztions on Mechatronics、Vol.3、No.4、December 1998、293−301)に記載している。
【0009】
ベンダ、スタック、管及び他の電気起動アクチュエータは、微小位置決め用途や音波処理から印刷用途まで多様なエンジニアリング・システムで使用されている。一般に、アクチュエータは、力を生成し、変位を実行する、例えばレバー又は他の力伝達装置、ピストン又はダイアフラムを移動させるか、構成要素を正確に位置決めするか、同様のシステム機能を可能にするため、このような用途に使用されている。このような機能のために使用されるアクチュエータは、通常、所望の起動変位又は所望の力が所与の負荷に送出されるストロークを提供するよう設計される。
【0010】
設計に応じて、電気起動アクチュエータは、回転又は並進変位、又は両方の動作の組合せを生成することができる。
【0011】
最近、コイル状圧電テープの螺旋構造を使用して、比較的大きい並進変位が達成された。このような2重コイル・デバイスは、数センチメートルのオーダーの有効長さで数ミリメートルのオーダーの変位を容易に呈することが判明した。
【0012】
単純な円盤又はブロックを重ねて電気起動材料のスタックにし、寸法の累積的変化を達成することは、比較的成熟した技術であるが、ベンダをスタックに接続する、又は、螺旋を生成することは、なお非常に困難な仕事である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0013】
したがって、ベンダのスタック又は2重コイル・ベンダと同様の性能を維持しながら、製造が容易になった電気起動材料の新規構成を提供することが、本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【0014】
以上の目的に鑑みて、本発明は、従属請求項に記載されたような装置及び方法を提供する。
【0015】
本発明の第1態様によると、連結部材又は要素によって連結された電気起動セグメントの鎖が提供される。セグメントの鎖は、例えば円弧、円の一部、楕円、渦巻、螺旋などを形成するよう、非直線の曲線あるいは均一又は不均一な曲率の輪郭に沿って屈曲する。
【0016】
各セグメントは薄い、又は、2次元である。つまりその幅及び/又は長さが、少なくとも1桁、厚さを上回る。第1のセグメントは通常は不動の支持構造、例えばハウジングに固定されるが、隣接するセグメント同士が突き当たる縁の間のギャップをまたぐ連結要素又はジョイントは、その後のセグメントに力を伝達する結合を提供する。あるいは、近位縁又は隅で先行するセグメントと連結されたセグメントが、遠位縁又は隅で後続のセグメントと連結されるよう、ジョイントを位置決めする。効果的に、ジョイントは、1つのセグメントの遠位縁における変位を後続セグメントの近位縁に伝達する。したがって、1つのセグメントの端部が変位すると、後続セグメントの、つまり残りのセグメントの鎖のベースを並進させて、オフセットさせる。
【0017】
原則的に、電気起動材料のどのベンダも本発明のアクチュエータに使用することができるが、印加ボルト当たりの使用可能なたわみ量を大きくするため、セグメントはバイモーフであることが好ましい。
【0018】
バイモーフの曲率がマイナスの曲率とプラスの曲率との間で、つまり凹と凸の間で変動する場合、セグメントの鎖を、連続的セグメントが配置されている湾曲線の面から出る方向で鎖の第1セグメントと最終セグメント間の大きい累積並進変位が正味効果であるように設計することができる。
【0019】
セグメントの鎖が円弧又は同様の湾曲路を辿るので、アクチュエータは中心開口を有する。この開口は、レンズなどの縁で装着する必要がある構成要素の並進運動に使用できるので有利である。
【0020】
デバイスは、例えば金属質又はプラスチックの連結要素及び隣接するセグメントを接続する適切な接着剤とを使用して、セグメントごとに組み立てることができる。しかし、本発明は、緑のテープ又はシート又は電気起動材料を使用して上述のアクチュエータを製造する方法も提供する。したがって、本発明によるデバイスは、このようなテープ又はシートに切断パターンを適用することによって製造することができ、その結果、セグメント及び連結部は、セグメント間に異種材料がなく効果的に連続した1つの電気起動デバイスになる。
【0021】
使用するテープは非常に薄いことが好ましい。厚さが50ミクロン未満、又はわずか25ミクロン未満の薄いテープを使用することにより、デバイスの操作に必要な電圧の量を大幅に削減することができる。最大電圧ではなく生成される力の量が最も重要な設計上の考慮事項である用途では、厚さが最大1mm、又はさらに厚いテープを使用することができる。
【0022】
好ましい方法では、2つの同心円弧又は円を切断又はパンチングして、電気起動材料のシートにし、それとともに1組の半径方向切断部が、内外の円弧又は円から交互に開始し、2つの円弧間の中間線を越えて延在し、反対側の円弧を切断せず、したがってこのように生成されたセグメント間に電気起動材料の連結要素が残る。別の好ましい方法では、テープを櫛状に対向する縁から切断し、次にアクチュエータの所望の形状に屈曲する。第1の方法では円盤状のアクチュエータになり、第2の方法は、リング状又は円筒形デバイスの製造に使用できるので有利である。
【0023】
本発明に使用する電気起動材料は、PZTなどの圧電材料であることが好ましい。
【0024】
本発明の以上及びその他の態様は、図面を参照した非制限的な例に関する以下の詳細な説明から明白になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0025】
本発明はベンダ、特にバイモーフ・ベンダの新規の構成に関連するので、本発明による構成の例に言及する前に、バイモーフ・ベンダの一般的特性について説明する。
【0026】
最初に図1Aを参照すると、典型的なバイモーフ10は1対の圧電ピエゾセラミック・プレート11及び12を含み、これは細長くてよく、内部電極13又は導電性シムと外部電極14との間に挟まれる。さらに、ピエゾセラミック要素又はプレート11及び12は、それぞれ矢印111及び121で示すように、共通方向に電気的極性を有する、又は、極性があるように図示されている。
【0027】
電源15からの電位又は電圧を、例えば図1Bで示すような外部及び内部電極14、13間でピエゾセラミック要素11と12それぞれに加えると、要素又はプレート11が収縮して、プレート12が膨張し、したがってバイモーフ・カンチレバー10が、その長手方向軸線に対して直角の方向に屈曲する。絶対変位は、ベンダに印加される電圧の強度及びその材料特性によって決定される。電源15からバイモーフ・リーフ10に印加される電圧の極性が逆にされると、リーフの屈曲方向は、図1Bに図示した方向と反対になる。
【0028】
次に図2を参照すると、ベンダを積み重ねる既知の技術が図示されている。個々のベンダ21は、例えばJ.D.Ervin及びD.Breiが「Recurve Piezoelectric−Strain−Amplifying Actuator Architecture」(IEEE/ASME Transactions on Mechatronics、Vol.3、No.4、December 1998、293−301)で記載されたような再屈曲タイプのカンチレバーである。ベンダは、相互に面する各ベンダの主要面と接続区間22を介して接続される。接続は、エポキシ接着剤の層と金属エンド・キャップ(図示せず)を含むよう記載されている。
【0029】
各ベンダ21の変位は、スタックの全体的変位を増加させ、原則的に十分な数のベンダを積み重ねて任意の量の変位を達成することができる。しかし、セラミック材料を積み重ねるのは困難な作業であり、単純な円盤の圧電材料を積み重ねて達成されるが、商業的製品として製造されるベンダ21のスタックは希少である。難題は、主に接続区間22に複数の異質性層を積層又は接着する必要があることから生じる。
【0030】
したがって本発明は、電気起動材料の平坦な層上でベンダの電極化及び積層を実行することができる複数ベンダの構成を提供する。このようにして、複雑なセラミック構造の製造に通常伴う問題が大幅に軽減されることが、当業者には理解される。
【0031】
本発明の第1の実施形態を、図3Aに関して説明するが、これは16個の圧電セグメント311の開放リング又はディスク310を示す。明快さを期して、点線320を引いて、リングを閉鎖し、アクチュエータ310が休止状態でとる平坦な形状を示す。16個のセグメント311のうち最初の3個は、隣接するセグメント311間の関係を明快にするためにラベルが付けられている。各セグメント311は、基本的に、ジルコン酸チタン酸鉛(PZT)の平坦な長方形のバイモーフ・ベンダである。したがって、セグメント311は、セグメント311の面に対して直角の方向に屈曲するよう構成される。他の形状及び電気起動材料を使用できることが理解される。例えば、層に直角の屈曲を生成するよう配置された複数の層を備える他のベンダ構造を使用することができる。
【0032】
図示のように、セグメント311は均一のサイズ及び形状であることが好ましい。しかし、この好ましさは主に、それによる製造の容易さによるものであるので、他の設計考慮事項によっては、2つ以上の異なるタイプのセグメントが使用されてもよい。
【0033】
連続するセグメント311を、円弧に沿って配置し、基本的に中心開口がある部分ディスクを形成する。セグメント311は、楕円、渦巻又は螺旋など、他の2次元又は3次元曲線に沿って配置してよい。
【0034】
各セグメント311(第1及び最終セグメントという明白な例外がある)を、横縁311a及び311bにて先行及び後続セグメント311と連結する。2つの隣接するセグメント311の横縁311a及び311bは相互に対面し、したがって狭いスリット又はギャップを形成する。鎖セグメントは接続部312を介して連結される。各セグメント311は、その近位隅及び遠位隅で隣と接続される。したがって、セグメント311の遠位縁320に沿った接続部312、及びセグメント311の近位縁320に沿った接続部は、相互に平行な個々の曲線に沿って配置される。
【0035】
各セグメント311の変位を最大限に利用するため、接続部をセグメント311の最先端に配置して、隣接セグメント311間のスリット又はギャップの長さを増大させる。これに対して、スリットは、最小幅で設計され、したがって所与の長さの鎖310に沿って最大数のセグメントを配置することができる。
【0036】
この実施形態では、接続部312は、セグメント311と同じ電気起動材料で形成され、実際には同じベース材料のシートから切断される。しかし、金属又は接着剤などの異種材料の部分を介して接続したセグメント311を有することが、代替的に可能である。
【0037】
隣接するセグメント311は、屈曲時に異なる方向の曲率を呈する。電圧を印加すると、隣接するセグメント311が図3Bに示すように屈曲し、これは図3Aのアクチュエータ310の2つのセグメント311を示す。点線320は、ゼロ電圧印加時に第1セグメント311が位置する場所を示す。
【0038】
セグメント311は、厚さの方向に、したがってベンダの面に対して直角に屈曲する。ベンダは、図3Bの円で囲んだ「+」と「−」それぞれで示すように、屈曲のプラス又はマイナスの曲率を交互に呈するよう配置され、起動される。
【0039】
アクチュエータへの累積的効果を図3Cに示す。各セグメント311は基本的に、ベンダの典型的な回転運動を呈するが、セグメント311が配置された曲線に沿った全変位の合計により、アクチュエータ310の主要面に対して直角の並進運動になる。変位を視覚化する一つの方法は、曲率が交互する連続的セグメント311の屈曲により、連続的セグメント311が配置された曲線の周囲でアクチュエータ310が捻れ、この捻れにより、アクチュエータ310が変位し、曲線の面から外れる。矢印323は、線320によって画定された面を外れたこのような累積的変位を示す。
【0040】
次に図4A及び図4Bに示すような本発明の別の実施形態を参照すると、アクチュエータ410は、部分円に配置され、ブリッジ要素を介して同じ材料と接続される複数の圧電材料のセグメント411を備える。この実施形態と前述した図3の実施形態とは、セグメント411が変位の主要軸に平行に配置され、アクチュエータ410に基本的に円筒形の形状を与えるという点で異なる。上述したように、点線420は基線を示し、アクチュエータは通電されるとここから屈曲する。セグメント411は、個々の隣接部から別個に見ると、セグメントの構成によって画定された円筒の中心に向かい、又は中心から離れて交互に屈曲する。図4Bの矢印423は、この円筒の主要軸に基本的に平行であるアクチュエータ410の累積運動の方向を示す。
【0041】
次に図5を参照して、本発明による電気起動アクチュエータの製造方法を説明する。
【0042】
第1ステップ51として、電気起動材料のシート又はテープを、このようなシート又はテープを作成する任意の既知の方法を使用して準備する。このような方法の例には、テープ鋳造、圧縮、射出成形又は同時押出がある。後者の2つの方法は、例えばC.Nearその他が「SPIE Vol.3326」(323−331)及びA.T.Crummその他が「SPIE Vol.3224」((March 1998)、20−27)にそれぞれ記載されている。
【0043】
例えば、典型的なテープ鋳造プロセスでは、粉末及び溶剤(アルコール系)を含むPZT粉末のスラリを、結合剤、可塑剤及び分散剤とともに準備する。固体粒子の完全な解凝集を保証するボールミル粉砕、篩い分け及びガス抜きの後に、スラリをポリマのキャリア上に注型する。通常は、ドクター・ブレードのシステムを使用して、均一な厚さのテープを生成する。乾燥後、このテープは、当技術分野でしばしば「グリーン」と呼ばれる状態にある。
【0044】
グリーン・テープは、限界内にて可撓性で、適合性があり、刃又はレーザ切断などの他の切断プロセス52を使用して容易に切断することができる。その速度のため、テープ又はシートから切断すべきパターンに従い鋭利な縁を有する予備成形型を使用する打ち抜き型プロセスを使用して、残りの材料からセグメント及び連結部を1つのステップで切断することが好ましい。
【0045】
プラチナ又は銀パラジウム粉末を結合剤及び溶剤と混合した「インク」(ペースト)を使用するスクリーン印刷として知られるプロセスにより、電極が適用される。ペーストを塗布した後、テープは約100℃で再度乾燥される。バイモーフ構造の場合は、2つの単層が積み重ねられ、70℃でプレスされる。この段階53で、テープはなお適合性があり、渦巻又は螺旋などのより3次元の形状に形成することができる。
【0046】
電極及び積層を適用した後、テープを600から800℃で燃焼し、有機物残滓を気化する。最終ステップ54として、約1000℃を超える温度で材料を硬化又は焼結する。
【0047】
焼結後、電極間に数百ボルトを印加して、デバイスに極性を与える。
【0048】
上述したプロセスは、組成、結合剤及び電極材料、温度などに関して変更することができる。電極ステップも、プロセス内の異なる段階に設定することができる。しかし、プロセスの以上及びその他の変形は、十分に本発明の範囲内と見なされる。
【図面の簡単な説明】
【0049】
【図1A】既知のバイモーフ・ベンダの略側面図である。
【図1B】図1Aと同様の側面図であるが、駆動又はたわみ電圧を印加した場合のバイモーフ・ベンダのたわみを示す。
【図2】先行技術による再屈曲バイモーフ・ベンダのスタックの略斜視図である。
【図3A】本発明の第1例によるアクチュエータの略斜視図である。
【図3B】図3Aのアクチュエータの詳細図である。
【図3C】図3Aと同様のアクチュエータの略斜視図であるが、駆動又はたわみ電圧を印加した場合のアクチュエータのたわみを示す。
【図4A】本発明の第2例によるアクチュエータの略斜視図である。
【図4B】図4Aと同様のアクチュエータの略斜視図であるが、駆動又はたわみ電圧を印加した場合のアクチュエータのたわみを示す。
【図5】本発明による方法のステップを示す流れ図である。

Claims (17)

  1. 電気起動アクチュエータにして、
    電気起動材料の複数の薄いセグメントを備え、前記セグメントがそれぞれ相互に対向する近位縁及び遠位縁、及び相互に対向する第1及び第2横縁を有し、
    前記セグメントは、前記第1横縁が先行するセグメントの前記第2横縁に面し、前記第2横縁が、後続するセグメントの前記第1横縁に面し、したがって隣接するセグメント間にギャップを形成する状態で配置され、
    前記セグメントは、前記近位縁に近い力伝達接続部によって先行するセグメントに、前記遠位縁に近い力伝達接続部によって後続するセグメントに連結され、
    連続し、連結されたセグメントが曲線に沿って配置されるアクチュエータ。
  2. セグメントが、平坦、湾曲状、波状又はその組合せである、請求項1に記載のアクチュエータ。
  3. セグメントが中心開口を形成するよう配置される、請求項1又は2に記載のアクチュエータ。
  4. 力伝達接続部が電気起動材料で構成される、請求項1から3のいずれか1項に記載のアクチュエータ。
  5. セグメント及び接続部が、電気起動材料の1つの連続するシートから形成される、請求項5に記載のアクチュエータ。
  6. 力伝達接続部が、電気起動材料以外の異種材料で構成される、請求項1から5のいずれか1項に記載のアクチュエータ。
  7. セグメントがベンダである、請求項1から6のいずれか1項に記載のアクチュエータ。
  8. セグメントがバイモーフ・ベンダである、請求項7に記載のアクチュエータ。
  9. 隣接するセグメントが交互の向きの屈曲曲率を有する、請求項1から8のいずれか1項に記載のアクチュエータ。
  10. 前記近位縁に近い前記力伝達接続部が、近位曲線に沿って配置され、前記遠位縁に近い前記力伝達接続部が遠位曲線に沿って配置される、請求項1から9のいずれか1項に記載のアクチュエータ。
  11. 前記近位曲線及び前記遠位曲線が平行である、請求項10に記載のアクチュエータ。
  12. 電気起動材料の薄いテープを備え、前記テープが、第1縁に適用され前記テープの中央線を越えて延在する第1の複数の切断部と、前記第1縁に対向する第2縁に適用され前記中央線を越えて延在する第2の複数の切断部とを有する電気起動アクチュエータであって、前記第1の切断部及び第2の切断部が、中央線を辿るとき、交互に横断し、前記テープが曲線に沿って配置される、アクチュエータ。
  13. 電気起動アクチュエータを製造する方法であって、
    グリーン状態で電気起動材料の薄いテープを準備するステップと、
    前記グリーン状態で、
    第1縁に第1切断部を適用し、前記テープの中央線を越えて前記切断部を延在させるステップと、
    前記第1縁に対向する第2縁に第2切断部を適用し、前記第1切断部及び第2切断部が、中央線を辿るとき、交互に横断するよう、前記中央線を越えて前記切断部を延在させるステップとを含む、方法。
  14. さらに、焼結前に曲線に沿ってテープを屈曲させるステップを含む、請求項13に記載の方法。
  15. 電気起動アクチュエータを製造する方法であって、
    電気起動材料の薄いテープをグリーン状態に準備するステップと、
    前記グリーン状態で、
    曲線を辿る内切断部、及び前記内切断部に基本的に平行な外切断部を適用するステップと、
    前記外切断部の方向で前記内切断部から延在する第1切断部を適用するステップと、
    前記内切断部の方向で前記外切断部から延在する第2切断部を適用するステップとを含む、方法。
  16. 組み合わせた切断部が、アクチュエータを前記シートの残りの部分から切断する、請求項15に記載の方法。
  17. 打ち抜き型を使用して、複数の切断部を同時に適用する、請求項13から16のいずれか1項に記載の方法。
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