JP2006517482A - セラミック装置を製造するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

生素地状態のテープ（２１）からセラミック装置を製造する装置は、第一形成要素としての円筒状ロッド（２３）と、テープ（２１）の第一端部を円筒状ロッド（２３）に固定する第一クランプシステム（２４１）と、円筒状ロッド（２３）回りにテープ（２１）を巻回してテープ（２１）を予備形成する第一機構（２０、２３１）とを具備する。この装置は、第二形成要素（３３）と、予備形成テープ（２１）の少なくとも一方の端部を第二形成要素（３３）に対して固定する第二クランプシステム（３５１、３５２）と、第二形成要素（３３）回りに予備形成テープ（２１）を巻回する第二機構（３３１、３５１）とをさらに具備する。

Description

本発明は、電気活性材料の湾曲した要素を製造するための方法及び装置に関する。より詳細には、それ自体が湾曲した軸線回りで湾曲する電気活性アクチュエータを製造するための方法及び装置に関する。

近年、コイル状の圧電性テープの湾曲した螺旋状の構造体を用いることにより比較的大きな平行移動が達成されている。斯かる構造体では、多層構造のテープがそれ自体湾曲した軸線回りに螺旋状に湾曲している。このような装置は、センチメートルオーダーの有効長さでミリメートルオーダーの移動を容易に行うことがわかっている。これら構造体及びその変更例は、例えば特許文献１及び非特許文献１に記載されている。

これら構造体は、複雑な湾曲形状のセラミック装置であり且つ現在人間の労働に大きく依存した非効率的な生産性の低い方法を用いて製造されている。押出成形処理を用いた他の方法が、例えば特許文献２に記載されている。しかしながら、記載されている処理では極度に螺旋状のアクチュエータの全ての形態について実現するのは不可能である。

国際公開第０１／４７０４１号パンフレット 国際公開第０２／１０３８１９号パンフレット センサ及びアクチュエータ（Sensors and Actuators）A 100 (2002)、281 - 286

そこで、本発明の目的は、人間の関与を制限しつつ基礎材料として平坦なセラミック製テープを用いた二重回旋されたアクチュエータを製造するための方法及び装置を提供することにある。

本発明の特徴によれば、セラミック装置の製造方法及び製造装置であって、生素地状態のセラミックテープを第一形成要素付近に搬送する工程と、第一形成要素に対してテープの第一端部を固定する工程と、テープの第一端部を第一形成要素に固定する工程と、同時に回転移動及び平行移動を含む動作でテープと第一形成要素とを相対的に移動させてテープを第一形成要素回りに巻回させる工程と、第一端部の固定を解放してテープと第一形成要素とを分離することができるようにして螺旋状に巻回された予備形成テープを生成する工程と、予備形成テープの少なくとも一方の端部を第二形成要素に対して固定する工程と、少なくとも回転移動を含む動作で予備形成テープと第二形成要素とを相対的に移動させる工程と、第二形成要素回りに予備形成テープを巻回する工程とを有する製造方法及び製造装置が提供される。

本発明は、相対的にテープ及び第一形成要素を移動させる工程及び装置を有し、この工程及び装置はテープが最初に第一形成要素に接触する領域において移動中にテープを第一形成要素に連続的に押し付ける工程を含むのが好ましい。

さらに、本発明は、テープが最初に第一形成要素に接触する領域においてテープの縁部に力を加えて、第一形成要素に対するテープのスリップを防止する工程を有するのが好ましい。

本発明は、テープを第一形成要素に固定する第一クランプ要素を解放する前にテープの第一端部周りに第二クランプ要素を閉じる工程及び装置を有するのが好ましい。

好ましくは、テープを把持するのに用いられるクランプ要素又はテープに直接的に力を加えるように設計された他の装置は、テープを「触覚的に」扱うように空気圧で作動されるか又はバネ荷重が加えられる。

本発明は、予備形成テープを制止する縁部に沿って第一形成要素を通過させる工程及び装置を有するのが好ましい。

好ましくは、予備形成テープは、クランプ要素を用いて両端部で保持され、クランプ要素の一方が予備形成テープの一方の端部を第二形成要素に対して固定し、他方のクランプ要素が第二形成要素回りの回転移動を実行する。

本発明は、第二形成要素に対する固定を解除し且つ巻回された予備形成テープを支持構造体上に搬送する工程及び装置と、乾燥および／または焼結のために支持構造体を被加熱環境内に配置する工程及び装置を有するのが好ましい。

本発明は、二重回旋された螺旋体、特に二重巻回された圧電材料のアクチュエータを製造するのに用いられると特に有利である。

本発明の上記特徴及び他の特徴は、図面を参照した限定するものではない下記の実施例の詳細な説明から明らかであろう。

図１は、特許文献１及び非特許文献１に記載されたタイプの公知のアクチュエータ１０を示す。

アクチュエータ１０は、副軸線として参照される第一軸線１３回りに螺旋状に巻回された、例えばバイモルフ構造の、多層状テープ１１の湾曲部分１２を有する。例として、図１に副軸線を破線１３として示した。螺旋状に巻回された部分は、一回転の約４分の３程度の二次的な巻回によりさらにコイル状に回旋される。この二次的な巻回の軸線１４は、主軸線として参照され、説明及び図示を容易にするために中央の実点と共に小さい破線円１４として示されている。第一の巻回は、最初の巻回（primary winding）又は最初の螺旋（primary helix）として公知である。第二の巻回は、如何なる湾曲でもよく且つ一回転を超えて渦巻き又は二次的な螺旋を形成してもよい。従って、通常、二次的な湾曲として参照される。テープは、作動において副軸線１３回りで曲がるように配設される。副軸線回りの螺旋状湾曲により、上記曲げが副軸線回りのアクチュエータ１０のツイストと同時に起こる。主軸線１４回りの湾曲により、上記ツイストはアクチュエータ１０の端部１１１、１１２の相対移動を同時に起こす。アクチュエータとして用いる場合、テープ１１の一方の端部１１１は可動物体（図示せず）に固定され、テープ１１の他方の端部１１２は基礎プレート１５上に取付けられる。

原料となる（precursor）セラミックテープからアクチュエータ１０を製造することは、通常手動の労働によって行われる非常に複雑な作業である。斯かる作業は、円筒状ロッド回りに螺旋状テープをゆっくりと巻回する工程と、その後円筒状ロッドを注意深く取外す工程と、セラミックテープが自重を支持できるほど十分に硬くなるまでその後の乾燥中にコイル状の形態に螺旋体を支持する「さや（匣鉢： sagger）」内に螺旋体を配置する工程とを有する。その後、コイル状の螺旋体は結合剤及び他の有機的成分を取り除くために燃焼せしめられ、セラミックアクチュエータを形成するために焼結せしめられる。

上記工程を手動で行うことはできるが、処理は容易には自動化することができない。原料となるセラミックテープには、柔軟性があるが容易に緩まり且つ自重を支持することができないといった特性がある。

図２Ａを参照すると、原料となるセラミックテープ２１のストリップを円筒状ロッド２３に搬送するコンベアシステム２０が示されている。コンベアシステム２０は、ローラ２０１と、形成器２３近くのストリップ２１を案内する支持面２０２を有する。滑らかな輪郭の表面２０４が、テープ２１をロッド２３の下方に向ける。コンベアシステム２０に配置されると、ロッド２３が折れ曲がるのを防止し且つロッド２３を回転させるための回転駆動力及びロッド２３を平行移動させる直線的駆動力を提供するようにエンドブロック２３１がロッドの末端部を支持する。十分な長さのタップ（tap）２１１が通過した後、空気圧作動式の第一クランプ２４１が閉じ、テープ２１をロッド２３に対して固定する。その後、ロッド２３が図示したように回転移動及び平行移動せしめられ、同時に更なるテープがコンベアシステム２０を介して押し出される。そして、エンドブロック２３及びコンベアシステム２０はテープ２１及びロッド２３を互いに対して移動させる第一機構として作用する。

ロッド２３は最初の形成器又は第一形成器として作用する。その直径は、一次的な螺旋の内径と整合するように選択される。

コンベア及びロッドの軸線は鋭角となっており、ロッドに対して斯かる角度でテープが送られる。ロッド２３を横断してコンベアによってストリップが押されると、ロッド２３の回転によりストリップ２１がロッド２３回りに巻回される。また、回転と同時に、ロッド２３はその軸線方向に移動している。両動作は、テープがロッド回りに螺旋状に巻回されるように同期せしめられる。

図２Ｂでは、テープ２１がロッド２３の長さの約半分までロッド２３回りに巻回された段階であって図２Ａの段階よりも後の段階にある、図２Ａの巻回処理が示されている。第一クランプ２４１がコンベアシステム２０から退避せしめられると、バネ荷重式の第二クランプ２４２が下方からもたらされてテープと接触する。第二クランプ２４２は停止ピン２４３を備えた僅かに凹状の表面を有する。凹状表面はテープに加わる圧力を維持し、一方、停止ピン２４３は回転しているロッド２３に沿ってテープがスリップするのを防止し、よって螺旋は確実に密に巻回されるようになる。

テープ２１のストリップが最初の形成器２３回りに完全に巻回された後に、テープの第二端部は巻残し部分（stub）２１１と同様に第二の短い巻残し部分（図示せず）を形成する。その後、ロッド２３は、ブロック２３１の直線駆動により、第二の形成要素に移動せしめられる。搬送中に、両クランプ２４１、２４２は所定位置のままである。

第二形成器３３の配置において、図３Ａに示したように、二つのクランプ３５１、３５２が巻残し部分２１１においてテープを把持する。前のクランプ２４１、２４２は解放され、形成用ロッド２３は縁部３５３と接触しつつ摺動して軸線方向に移動せしめられる。第一形成器２３は、破線で示されている。第一クランプ３５１は、第二形成器３３を保持する取付けブロック３３１に固定される。第一クランプ３５１は、テープ２１の一方の端部にある巻残し部分２１１を第二形成器３３の内側シリンダ３３２の外側縁部３５１に対して押し付ける。クランプ３５１と第二形成器３３とを組み合わせたものは、円筒状の第二形成器３３の中央軸線回りに回転せしめられると同時に第二クランプ３５２に向かって移動せしめられ、第二クランプ３５２はこの移動中に静止している。こうして、第一クランプ３５１と第二クランプ３５２とが、予め形成されたテープと第二の形成要素とを互いに対して移動させる第二機構を形成する。第二形成器３３が第二クランプに近づくとき、ロッド２３の多くはエッジ３５３を越えて摺動しており、より多くの巻回部がロッドの末端部から押し出される。巻回部は、テープが最初の形成器から完全に剥ぎ取られるまで、回転している第二形成器３３の内側シリンダ３３２回りに巻回される。図３Ｂに示されたこの段階で、予備形成されたテープ２１は、第二形成器３３の内側シリンダ３３２回りに完全に巻回され、二つのクランプ３５１、３５２によって所定位置に保持される。

内側シリンダ３３２は、第二形成器３３の外側シリンダ３３３のボア内に弾性的に取付けられており（spring-mount）、これにより内側シリンダの前面への圧力により内側シリンダがボア内に収縮し、よって外側シリンダのスリーブの前進により形成器から巻回テープ２１が押される。

処理のこの段階で、図１の二重回旋されたアクチュエータが「生素地（green）」状態で完成する。しかしながら、構造を安定化するためには、少なくともテープ２１を乾燥させなければならない。第二形成器３３を自由にするために、巻回された螺旋体は非直結式の更なる処置のためのトレイまたはアレイ内に移送される。

図４では、さや４１のアレイ４０に近づいている第二形成器３３が示されている。第二形成器がさや４１に接触すると、第二形成器の内側シリンダ３３２の前面（図３上方に示されている）がさや４１の凹部領域４３２内の接触シリンダ４３１と係合する。第二形成器がさやに近づくように移動すると、バネ荷重式内側シリンダ３３２は静止したままとなり、外側リング３３３が二重回旋された螺旋体をさやの凹部４３２内に押し付ける。巻残し部分又はテープの端部を把持するクランプは螺旋体を解放するために開かれる。凹部領域４３２の外側境界線はアクチュエータの主要螺旋体の公称外径と緊密に調和する。凹部領域の境界縁部はさや内にテープを位置決めするのを補助するように形作られ且つ面取りされている。完成した生素地テープが挿入されたさやのアレイ４０は、乾燥のために被加熱環境内に配置され且つオーブン内での焼結のようなさらなる処理段階の準備が行われる。

上述した様々なクランプ装置は例えばFesto（登録商標）社から商業的に入手可能な空気圧作動アクチュエータを用いている。商業的に入手可能なＤＣサーボモータが構成要素の他の動作を行うのに用いられる。全ての構成要素は、Intel（登録商標）社製プロセッサに基づくワークステーション内に保存され且つ実行されるコンピュータプログラムの制御下にある。

上記例の変更例は当業者の容易な範囲内にある。例えば、直径を変更し、そしてアクチュエータの寸法を変更するために分断形態で形成要素を設計することもできる。また、第二形成要素を取外し可能なさやと共に交換し、予備形成されたテープを直接さや上に巻回することもできる。

二重回旋された公知のアクチュエータの斜視図である。 本発明の一つの実施例に係る第一の形成工程を示す。 第一形成要素から予備形成テープを解放する工程を示す。 本発明の例に係る第二の形成工程を示す。 乾燥のための支持構造体上への形成テープの搬送を示す。

Claims (25)

1. セラミック装置を製造する方法において、
   生素地状態にあるセラミックテープを第一形成要素の近傍に搬送する工程と、
   上記第一形成要素に対してテープの第一端部を固定する工程と、
   同時に回転移動及び平行移動を含む動作で上記テープと第一形成装置とを相対的に移動させて該テープを第一形成要素回りに巻回させる工程と、
   上記第一端部の固定を解除して上記テープと第一形成要素とを分離することができるようにして、螺旋状に巻回された予備形成テープを生成する工程と、
   上記予備成形テープの少なくとも一方の端部を第二形成要素に対して固定する工程と、
   少なくとも回転移動を含む動作で上記予備形成テープと第二形成要素とを相対的に移動させて、予備成形テープを第二形成要素回りに巻回させる工程と、を具備する方法。
2. 上記テープと第一形成要素とを相対的に移動させる工程中に、上記テープが最初に第一形成要素に接触する領域において該テープを上記第一形成要素に連続的に押し付ける工程をさらに具備する、請求項１に記載の方法。
3. 上記テープと第一形成要素とを相対的に移動させる工程中に、上記テープが最初に第一形成要素に接触する領域においてテープの縁部に力を加えて該テープが第一形成要素に対してスリップするのを防止する工程をさらに具備する、請求項２に記載の方法。
4. 上記テープと第一形成要素とを相対的に移動させる工程と第一端部の固定を解放する工程との間に、上記テープの第一端部周りに第二クランプ要素を閉じる工程をさらに具備する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
5. 上記テープと第一形成要素とを分離する工程は、上記予備形成テープを制止する縁部に対して第一形成要素を移動させる工程を具備する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
6. 上記予備成形テープと第二形成要素とを相対的に移動させる工程中に、予備形成テープはその両端においてクランプ要素を用いて保持され、これらクランプ要素の一方は上記予備形成テープの一方の端部を第二形成要素に対して固定し、他方のクランプ要素は第二形成要素周りの相対回転移動を実行する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
7. 上記第二形成要素に対する固定を解除し且つ巻回された予備成形テープを支持構造体へ搬送する工程と、
   乾燥のための環境内に上記支持構造体を位置決めする工程とをさらに具備する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 上記テープは空気圧作動装置によって取り扱われる、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 上記テープと第一形成装置とを相対的に移動させる工程は、第一形成要素を回転させる工程と、巻回されていないテープの部分を第一形成装置に向かって平行移動させる工程とを具備する、請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法。
10. 上記テープと第一形成要素を相対的に移動させる工程は、第一形成要素をテープが巻回される軸線に沿って平行移動させる工程をさらに具備する、請求項９に記載の方法。
11. 上記テープと第一形成要素を相対的に移動させる工程において、該テープは第一形成要素回りに螺旋状に巻かれる、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 上記第一形成要素は円筒状である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 上記テープは電気活性材料の層を具備する、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 生素地状態にあるテープからセラミック装置を製造する装置において、
    第一形成要素と、
    上記第一形成要素に対してテープの第一端部を固定する第一クランプシステムと、
    同時に回転移動と平行移動を含む動作で上記テープと第一形成要素とを相対的に移動させて、第一形成要素回りにテープを巻回させて予備形成テープを形成する第一機構と、
    第二形成要素と、
    上記予備形成テープの少なくとも一方の端部を上記第二形成要素に対して固定する第二クランプシステムと、
    少なくとも回転移動を含む動作で上記予備形成テープと第二形成要素とを相対的に移動させて第二形成要素回りに予備形成テープを巻き付ける第二機構とを具備する製造装置。
15. 上記第一クランプシステムは、作動時において、上記テープが最初に上記第一形成要素と接触する領域において第一形成要素にテープを連続的に押し付けるバネ荷重表面を有する、請求項１４に記載の製造装置。
16. 上記バネ荷重表面は、上記テープが最初に第一形成要素と接触する領域においてテープの縁部と接触する力伝達部材と組み合わせられて、上記テープが第一形成要素に対してスリップするのを防止する、請求項１５に記載の製造装置。
17. 上記第一形成要素と接触して該第一形成要素と予備形成テープとを分離させる離脱縁部をさらに具備する、請求項１４〜１６のいずれか１項に記載の製造装置。
18. 上記第二クランプシステムは、第二形成要素にテープの第一端部を固定する第一クランプ要素と、テープの他の端部を固定する第二クランプ要素とを具備し、上記第二機構は第二形成要素回りに第二クランプ要素を相対的に回転させるように配設される、請求項１４〜１７のいずれか１項に記載の製造装置。
19. 乾燥中に形成されたテープを支持する凹部を有する一つまたはそれ以上のさやをさらに具備する、請求項１８に記載の製造装置。
20. 上記クランプ装置は、空気圧で作動せしめられる、請求項１４〜１９のいずれか１項に記載の製造装置。
21. 上記第一形成要素は円筒状ロッドである、請求項１４〜２０のいずれか１項に記載の製造装置。
22. 上記第一機構は第一形成部材を回転させるように配設された回転駆動器と、第一形成部材に向かってテープを平行移動させるコンベアとを具備する、請求項１４〜２１のいずれか１項に記載の製造装置。
23. 上記第一機構は、上記テープが巻回される軸線に沿って第一形成部材を平行移動させるように配設された直線駆動器をさらに具備する、請求項２２に記載の製造装置。
24. 請求項１〜２３のいずれか１項に記載の方法又は装置を用いて作られるセラミック構造体。
25. 電気活性セラミック構造体である、請求項２４に記載のセラミック構造体。

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