JP4141703B2 - Variable structure actuator - Google Patents

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JP4141703B2 JP2002043773A JP2002043773A JP4141703B2 JP 4141703 B2 JP4141703 B2 JP 4141703B2 JP 2002043773 A JP2002043773 A JP 2002043773A JP 2002043773 A JP2002043773 A JP 2002043773A JP 4141703 B2 JP4141703 B2 JP 4141703B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、構造物に分布系の固体アクチュエータを組み込み、形状の最適化や振動および騒音を低減するといった、いわゆる知的構造システムに係り、とくに、構造的工夫によって、固体アクチュエータの変位量(歪量)不足を補う変位拡大機能を有した可変構造アクチュエータに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、構造物に分布系のセンサやアクチュエータを組み込み、外乱などによって生じる構造物の振動や変形量を検出し、その検出した情報を用いて構造物の振動や形状を制御すると言った、いわゆる知的構造システムの研究開発が活発に行われている。
【0003】
センサ開発では、とくに、細径の光ファイバセンサを構造物に埋め込むことによって、クラックの検知や損傷位置の同定などを可能にするヘルスモニタリング技術の進歩は目覚ましいものがある。また、任意の形状に切って構造物に貼り付けることができる安価なフィルムセンサを使い、薄板の振動分布をモニタリングする技術も開発されている。
【0004】
このような知的構造システムにおけるセンサ技術は、人工衛星や航空機、高速車両、高層建築物などの構造健全性を評価する観点から、或いは、構造物の振動や形状を制御すると言った観点から極めて重要であり、実用化が待たれるところである。
【0005】
一方、知的構造システムにおけるアクチュエータ開発では、構造物に組み込まれたセンサとアクチュエータによって、形状の最適化や振動および騒音を低減するシステムを実現するためには、高性能な固体アクチュエータ材料・素子と最適な制御システム技術の開発が必要である。アクチュエータ材料・素子の研究は線材化・薄膜化・傾斜機能化などの材料プロセス開発によって、高性能化が着実に進められている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、知的構造システムで構造物の変形制御を行うには、アクチュエータの変位量(歪量)が不十分である場合が多い。知的構造システムの研究では、アクチュエータ材料・素子として、形状記憶合金や圧電素子を利用した研究例が多い。従来、アクチュエータはシート化・線材化した素子を構造物に貼り付けて使用する場合がほとんどであり、構造物の変形量はアクチュエータの変位量(歪量)を超えることができなかった。
【0007】
振動や音響パワー制御などは比較的小さな変位量で制御できるが、例えば航空機における翼キャンバの形状変形やロボットアクチュエータの動作などを制御する場合には、とくに変位量(歪量)が不十分であり、要求を満たすアクチュエータ材料・素子の早期開発が強く待たれるところである。しかし、アクチュエータの材料・素子の開発には長い時間を要し、短時間での飛躍的な性能改善は望めない。
【0008】
一般に、圧電素子の変位量は、歪に換算すると、僅かに0.08%程度に過ぎないものであり、形状記憶合金ワイヤの動作歪は、一般的に2〜3%程度(実用操作歪)である。形状記憶合金ワイヤは圧電素子に比べて大きな動作歪を持っているが、満足できる値ではなく、より大きな動作歪が望まれている。
【0009】
アクチュエータの変位量(歪量)不足を補う方法としては、従来からテコを用いた変位拡大機構が良く知られている。代表的な従来例を図10に示す。図10に示す従来例(精密位置決め技術、株式会社工業調査会発行、p45記載)は、基台に配設されたアクチュエータと数段の変位拡大機構から構成されており、変位拡大機構の段数に応じて大きな変位量を得ることができる。反面、発生力が段数に応じて減少することや、多段機構では構造剛性の低下が問題となる。
【0010】
本発明は、上述のような従来の状況に鑑みてなされたもので、その目的とするところは構造的工夫によって、アクチュエータの変位量(歪量)不足を補うように構成された、アクチュエータと構造が一体的に分散配設してなる可変構造アクチュエータを提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明は前述のごとき従来の問題に鑑みてなされたもので、請求項1に係る発明は、両端部が互に接近離反する方向へ変位可能かつ前記両端部の中間位置が前記両端部を結ぶ直線に対して接近離反する方向へ変位可能な対向した可動片の前記両端部を接続した態様の閉空間を備えたセル内に、伸長方向又は縮小方向或はその両方向に能動的に変形可能な固体アクチュエータを配置し、この固体アクチュエータの両端側を前記可動片の両端部位置又は両端部位置付近に連結した構成であり、前記可動片は弾性によって元の状態へ復帰自在な薄板から構成してあり、前記固体アクチュエータは、フィルム状又は薄膜状あるいは線状に加工した圧電材料又は形状記憶合金あるいは磁歪材料からなるものである。
【0012】
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の可変構造アクチュエータにおいて、動作方向が前記固体アクチュエータの動作方向に対して交差する方向である第2の固体アクチュエータを前記セル内に配置し、この第2の固体アクチュエータの両端側を前記対向した可動片にそれぞれ連結した構成である。
【0013】
請求項3に係る発明は、両端部が互に接近離反する方向へ変位可能かつ前記両端部の中間位置が前記両端部を結ぶ直線に対して接近離反する方向へ変位可能な対向した可動片の前記両端部を接続した態様の閉空間を備えた複数のセルを備え、前記複数のセルを線的に又は面的に接続した態様の伸縮可能な構造物を設け、この構造物における所望のセル内に、伸長方向又は縮小方向或はその両方向に能動的に変形可能な固体アクチュエータを配置し、この固体アクチュエータの両端側を前記可動片の両端部位置又は両端部位置付近に連結した構成であり、前記可動片は弾性によって元の状態へ復帰自在な薄板から構成してあり、前記固体アクチュエータは、フィルム状又は薄膜状あるいは線状に加工した圧電材料又は形状記憶合金あるいは磁歪材料からなるものである。
【0014】
請求項4に係る発明は、請求項3に記載の可変構造アクチュエータにおいて、動作方向が前記固体アクチュエータの動作方向に対して交差する方向である第2の固体アクチュエータを所望のセル内に配置し、この第2の固体アクチュエータの両端側を前記対向した可動片にそれぞれ連結した構成である。
【0015】
請求項5に係る発明は、両端部が互に接近離反する方向へ変位可能かつ前記両端部の中間位置が前記両端部を結ぶ直線に対して接近離反する方向へ変位可能な対向した可動片の前記両端部を接続した態様の閉空間を備えた複数のセルを互に接続して筒状に配置した構造物を設け、この構造物における所望のセル内に、伸長方向又は縮小方向或はその両方向に能動的に変形可能な固体アクチュエータを配置し、この固体アクチュエータの両端側を前記可動片の両端部位置または両端部位置付近に連結した構成であり、前記可動片は弾性によって元の状態へ復帰自在な薄板から構成してあり、前記固体アクチュエータは、フィルム状又は薄膜状あるいは線状に加工した圧電材料又は形状記憶合金あるいは磁歪材料からなるものである。
【0016】
請求項6に係る発明は、請求項1〜5のいずれかに記載の可変構造アクチュエータにおいて、前記固体アクチュエータの動作変位量に比較して前記可動片の中央部付近の変位が拡大又は縮小されるように、前記固体アクチュエータと前記可動片は所定の角度でもって連結してあるものである。
【0017】
請求項7に係る発明は、請求項1〜6のいずれかに記載の可変構造アクチュエータにおいて、前記セルは線対称な形状である。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【0020】
図1は本発明の実施の形態に係る可変構造アクチュエータ1の基本的構成を示す説明図で、図1(a)は内部セルの部分拡大説明図、図1(b)はアクチュエータの動作変位に対するセルの変形の様子を示した説明図である。
【0021】
可変構造アクチュエータ1は、基本的には、両端部A,Bが互に接近離反する方向へ変位可能かつ前記両端部A,Bの中間位置C,Dが前記両端部A,Bを結ぶ直線に対して接近離反する方向へ変位可能な一対の対向した可動片2,3の両端部A,Bを接続した態様の閉空間4を備えたセル21の前記閉空間4内に、伸長方向又は縮小方向或はその両方向に能動的に変化可能な固体アクチュエータ6を配置し、この固体アクチュエータ6の両端側を前記可動片2又は3の両端部A,Bの位置又は両端部A,Bの位置付近に連結した構成である。
【0022】
より詳細には、前記閉空間4は、本実施の形態においては、複数(本実施形態においては4枚)の弾性構造薄板(可動部材)21a,21b,21c及び21dを適宜に組合せることによって周囲を閉じられた(上下は開いている)平行四辺形状(4角形状)の空間である。そして、弾性構造薄板21a,21dの組合せによって一方の可動片2を構成し、弾性構造薄板21b,21cの組合せによって他方の可動片3を構成している。
【0023】
上記一対の可動片2,3は対称的な構成であり、上記可動片2,3の両端部A,Bは、薄板(可動部材)21a,21bの接続部と薄板(可動部材)21c,21dの接続部が相当するものである。そして、前記一対の可動片2,3の中央間部にはヒンジ部C,Dが設けてある。
【0024】
上記ヒンジ部Cは、前記薄板21a,21dの接続部が相当し、ヒンジ部Dは前記薄板21b,21cの接続部が相当する。このヒンジ部C,Dは、屈曲し易い構造であることが望ましく、例えば薄肉構造とすることや、例えばゴム等の弾性部材を介在した構成など適宜のヒンジ構造を採用することができるものである。
【0025】
なお、前記説明においては各薄板21a,21b,21c及び21dはそれぞれ別体ものを組合せて可動片2,3を形成する旨説明したが、それぞれの薄板21a,21b,21c,21dが4角形のセル21の各辺を構成するように予め一体に成形し、両端部A,B及びヒンジ部C,Dを屈曲可能なヒンジ構成としても良いものである。また、複数のセル21を線状に及び/又は面状に組合せ可能なように、セル21を構成する各辺部材(すなわち各薄板21a〜21d)や各角部(すなわち端部A,B,ヒンジ部C,D)等に、例えば凹凸等の連結部を設けることも可能である。
【0026】
以上のごとき説明より理解されるように、前記セル21における両端部A,Bを接近するように変位すると、中間位置のヒンジ部C,Dが互に離反するように変位し、前記両端部A,Bを離反するように変位すると、ヒンジ部C,Dが互に接近するように変位する。この際、4角形状を呈するセル21の両端部A,Bの内角を鋭角に、そして、中間部であるヒンジ部C,Dの内角を鈍角に構成することにより、両端部A,Bの接近離反する方向への変位量に比較して、前記ヒンジ部C,Dが接近離反する方向の変位量をより大きくすることができるものである。そこで、前記セル21の両端部A,Bを接近又は離反する方向へ変位せしめるために、前記セル21の閉空間4内に固体アクチュエータ6を配置し、この固体アクチュエータ6の両端側を前記両端部A,B又は両端部A,B付近に連結してなるものである。
【0027】
前記固体アクチュエータ6は、例えばフィルム状又は薄膜状あるいは線状に加工した圧電材料又は形状記憶合金あるいは磁歪材料等よりなるものであって、本実施の形態においては帯状の形状記憶合金を採用し、通電加熱したときに縮小する構成として例示してある。
【0028】
したがって、固体アクチュエータ6を動作して、前記両端部A,Bを接近するように変位すると、各薄板21a,21b,21c,21dがヒンジ部C,Dで屈曲するように弾性変形され、図1(b)に示すように、ヒンジ部C,Dは互に離反する方向へ大きく変位するものである。そして、元の状態への復帰は、各薄板21a,21b,21c及び21dの弾性によって行われるものである。
【0029】
この際、セル21の復帰動作をより確実に行うためには、前記固体アクチュエータ6の動作方向に対して交差する方向に動作する、すなわち前記ヒンジ部C,Dを接近する方向へ変位せしめる動作を行う固体アクチュエータ7を設けることが望ましい。この場合、図2に示すように、固体アクチュエータ6と固体アクチュエータ7とを交差して設け、かつ固体アクチュエータ7の両端部を前記ヒンジ部C,D又はヒンジ部C,D付近に連結する構成とすれば良いものである。
【0030】
上記構成においては、一方の固体アクチュエータ6を縮小する方向に動作した場合、他方の固体アクチュエータ7は各薄板21a〜21dを介して伸長動作されるものであり、逆に他方の固体アクチュエータ7を縮小する方向に動作したときには、一方の固体アクチュエータ6は伸長動作されるものである。すなわち、一方の固体アクチュエータ6と他方の固体アクチュエータ7は常に動作方向が逆になるものである。
【0031】
図3は、前記構成のセル21を複数列、複数行に配置した構成の可変構造アクチュエータ20を示すものである。上述のごとき可変構造アクチュエータ20は、図1(a)に概念的に示すように、複数の帯状の弾性構造薄板21a,21b,21c,21dを井桁状に組合せ、この組合せによって形成された複数の4角形状のセル21の対角を結ぶように複数の固体アクチュエータ22(22a,22b,22c)を組合せることによって得られるものである。
【0032】
図3より理解されるように、前記可変構造アクチュエータ20は、平行4辺形状のセル21を四方に連続し平面的な広がりをもって一体的に配設した構成であって、本実施形態においては平行4辺形状のセル21を横方向に5段、縦方向に10段備えたマトリックス構造体を形成している。固体アクチュエータ22bは弾性構造薄板21aと21bの交点Aおよび弾性構造薄板21cと21dの交点Bを直線で結ぶ位置でセル21と一体的に結合され、同様に、固体アクチュエータ22aおよび22cは弾性構造薄板21aと21dの交点Cおよび弾性構造薄板21bと21cの交点Dが、それぞれ隣接するセル21の弾性構造薄板の交点と一体的にかつ連続的に結合されて、可変構造アクチュエータ20を形成している。
【0033】
ここで、例えば、弾性構造薄板21aと21bおよび21cと21dのそれぞれ2辺が成す角度(両端部A,Bの内角)を30度、および、弾性構造薄板21aと21dおよび21bと21cのそれぞれ2辺が成す角度(ヒンジ部C,Dの内角)を150度に設定し、かつ各交点間の寸法を図1に示すとおり(λ1,γ1)とすると、固体アクチュエータ22bを通電加熱して得られる収縮変位(歪:(γ1−γ2)/γ1)に対して、それと垂直な方向における可変構造アクチュエータ20の出力変位(歪:(λ2−λ1)/λ1)は約2倍に拡大することができる。
【0034】
すなわち、固体アクチュエータの変位による両端部A,Bの変位量に比較して、中間位置C,Dの変位量を大きく拡大することができるものである。よって、同方向にセル21を複数備えることにより、さらに変位量を複数倍することができ、大きな変位を得ることができるものである。
【0035】
図4は本発明の基本原理に基づく第2の可変構造アクチュエータ30の構成を説明するための図である。基本的な構成配置は図3に示す可変構造アクチュエータ20と同じであるが、構造体系を形づくるセル31が平行4辺形状でなく6角形状となっている点で異なっている。この複数の6角形状のセル31を縦方向及び横方向に備えたマトリックス構造体と、シート状に加工された複数の帯状の形状記憶合金のごとき固体アクチュエータ32を一体的に組合せることによって、前記可変構造アクチュエータ30が構成されている。
【0036】
6角形状のセル31を用いた可変構造アクチュエータ30は、4角形状のセル21を用いた可変構造アクチュエータ20に比べ、構造体としての強度、剛性を高めることができる。
【0037】
既に理解されるように、セルの形状は4角形に限ることなく6角形状に形成可能であり、その他の多角形状に形成することができるものであり、さらには例えば対向する可動片が円弧状等の湾曲した曲線を呈する形状とすることも可能である。要は、閉空間に両端部に相当する構成部分及び上記両端部の接近離反する方向への変位に対応して、交差する方向に変位する部分を備えた構成であれば良いものである。
【0038】
ところで、前記説明においては、同一形状のセルを縦、横に配置する場合について説明したが、形状の異なる複数のセルを任意に組合せた構成とすることも可能である。
【0039】
図5は前記可変構造アクチュエータ20の製作方法の1例を説明するための図である。
【0040】
図3に示した前記可変構造アクチュエータ20を製造する方法としては、平行4辺形状のセル内に固体アクチュエータを個別に配置することも可能であるが、図5に示す方法を採用することが望ましい。すなわち、帯状の固体アクチュエータ22aと、弾性構造薄板21aおよび21dを屈曲して交互に備えることにより前記可動片2を形成し、この可動片2を連続して備えた構成のセル薄板部材23aと、次の帯状の固体アクチュエータ22bと、弾性構造薄板21bおよび21cを屈曲して交互に備えることにより前記可動片3を形成し、この可動片3を連続して備えた構成のセル薄板部材23bと、さらに次の帯状の固体アクチュエータ22cとが個々に製作された後、公知の固着手段を用いて固体アクチュエータ22a、セル薄板部材23a、固体アクチュエータ22b、セル薄板部材23b、固体アクチュエータ22cの順に重ねたサンドイッチ構造にて一体的に構成するものである。さらに、必要に応じてサンドイッチする部品点数を増やし、目的に沿った大きさに製作される。
【0041】
図6は、図4に示した前記可変構造アクチュエータ30の製造方法の1例を示すものである。この可変構造アクチュエータ30についても、前記可変構造アクチュエータ20の製造方法と同様の方法を用い、複数の帯状の固体アクチュエータ32と、6角形状のセル31に対応する所定の台形状部分を交互に備えた波形の弾性構造薄板から構成されたセル薄板部材33とを交互に重ねたサンドイッチ構造にて一体的に構成されるものである。
【0042】
図7は本発明の基本的構成に基づく第三の可変構造アクチュエータ40の構成を説明するための図である。上述した可変構造アクチュエータ20および30は平面的な構成であったが、可変構造アクチュエータ40は中空状で、例えば中空6角柱形状のロッド構造となっており、中空6角柱形状の各面▲1▼〜▲6▼には可変構造アクチュエータ20に示した弾性構造薄板21a〜21d及び固体アクチュエータ22a〜22cを線状に形成し、全体的構成として筒状に構成した点が相異する。この構成においては、構造物の軸方向に伸縮するように出力変位を得ることができる。なお、同一機能を奏する構成部分には同一符号を付することとして重複した説明は省略する。
【0043】
図8は本発明の前記可変構造アクチュエータ40を翼の変形に応用した構成例を示す。翼内部の2個所に可変構造アクチュエータ40が交差するように内装され、このロッド状の可変構造アクチュエータ40の軸方向の変形によってキャンバの制御が行われる。なお、本図はProc.SPIE Vol.3985-11に記載された構成であるが、従来は形状記憶合金ワイヤを用いた構成であった。ここで、形状記憶合金ワイヤに替えて前記可変構造アクチュエータ40を用いることにより、より大きな翼の変形を達成できると共に剛性の向上を図ることができる。このことは、操舵力の増大に繋がり、航空機の運動性能向上が期待できる。
【0044】
図9はロッド状の前記可変構造アクチュエータ40をロボットのアームを揺動するためのアクチュエータに応用した構成例を示す。従来の一般的な構成は、駆動源として例えば、形状記憶合金ワイヤ50を用いている。ここで、形状記憶合金ワイヤに替えて前記可変構造アクチュエータ40を用いることにより、動作範囲の拡大が図られる。また、構造体としての剛性向上が期待できる。
【0045】
【発明の効果】
以上のごとき説明より理解されるように、本発明によれば、固体アクチュエータと構造が一体的に分散配設されており、かつ、構造物内部のセルが弾性変形することによってアクチュエータの変位量(歪量)不足を補うように変位拡大するので、従来のアクチュエータで変位量(歪量)が小さいと言った課題解決に寄与できる。さらに、固体アクチュエータと構造の一体化により、小型軽量で剛性の高い設計が可能であり、かつ各種機器への組込み性も良い。
【0046】
したがって、本発明に係る可変構造アクチュエータを、例えば、航空機の翼キャンバ制御やロボットのアクチュエータに適用すれば、翼キャンバ制御では大きな翼の変形によって操舵力は増大し、航空機の運動性能向上が期待できる。またロボットのアクチュエータでは構造体としての剛体低下を抑えながら動作範囲の拡大が期待できる。このことは、航空機の翼キャンバ制御やロボットのアクチュエータに革新的なアクチュエータ構造システムを提供し、装置の小型化や省エネに大きく貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る可変構造アクチュエータの基本的な構成を説明するための説明図であり、(a)は内部セルの部分拡大図、(b)はアクチュエータの動作変位に対するセルの変形の様子を示した図である。
【図2】可変構造アクチュエータに交差する方向の固体アクチュエータを備えた説明図である。
【図3】可変構造アクチュエータの変形前全体図及び変形の様子を示した説明図である。
【図4】本発明の第二実施形態における可変構造アクチュエータの構成を説明するための図である。
【図5】本実施形態における可変構造アクチュエータの製作方法を説明するための図である。
【図6】第2の実施形態における可変構造アクチュエータの製作方法を説明するための図である。
【図7】本発明の第三実施形態における可変構造アクチュエータの構成を説明するための図である。
【図8】本発明の第三実施形態における可変構造アクチュエータの翼変形制御への応用例を示した図である。
【図9】本発明の第三実施形態における可変構造アクチュエータのロボットアクチュエータへの応用例を示した図である。
【図10】従来のテコを用いたレバー式変位拡大機構の構成説明図である。
【符号の説明】
1,20,30,40 可変構造アクチュエータ
21,31 セル
21a,21b,21c,21d 弾性構造薄板(可動部材)
22,22a,22b,22c,32 固体アクチュエータ(形状記憶合金)
23a,23b,33 セル薄板部材
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a so-called intelligent structure system in which a solid actuator of a distributed system is incorporated in a structure to reduce shape and vibration and noise. The present invention relates to a variable structure actuator having a displacement expansion function that compensates for the shortage.
[0002]
[Prior art]
In recent years, a so-called knowledge that a distribution system sensor or actuator has been incorporated into a structure to detect the vibration or deformation of the structure caused by disturbances and control the vibration and shape of the structure using the detected information. Research and development of dynamic structural systems is actively conducted.
[0003]
In the development of sensors, the progress of health monitoring technology that makes it possible to detect cracks and identify damaged locations by embedding small-diameter optical fiber sensors in structures is particularly remarkable. In addition, a technique for monitoring the vibration distribution of a thin plate using an inexpensive film sensor that can be cut into an arbitrary shape and attached to a structure has been developed.
[0004]
Sensor technology in such an intelligent structure system is extremely useful from the viewpoint of evaluating the structural integrity of satellites, aircraft, high-speed vehicles, high-rise buildings, etc., or from the viewpoint of controlling the vibration and shape of structures. It is important and is awaiting practical use.
[0005]
On the other hand, in the development of actuators in intelligent structural systems, in order to realize a system that optimizes the shape and reduces vibration and noise using sensors and actuators incorporated in structures, high-performance solid actuator materials and elements Development of optimal control system technology is necessary. Research into actuator materials and elements has been steadily advancing with the development of material processes such as wire rods, thin films, and gradient functions.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in order to control the deformation of the structure by the intelligent structure system, the displacement amount (strain amount) of the actuator is often insufficient. In research on intelligent structural systems, there are many research examples using shape memory alloys and piezoelectric elements as actuator materials and elements. Conventionally, most actuators are used by attaching a sheet / wire-like element to a structure, and the deformation amount of the structure cannot exceed the displacement amount (strain amount) of the actuator.
[0007]
Vibration and acoustic power control can be controlled with a relatively small displacement, but the displacement (distortion) is particularly insufficient when controlling the deformation of the wing camber or the robot actuator in an aircraft. Therefore, the early development of actuator materials and elements that satisfy the demands is strongly expected. However, it takes a long time to develop actuator materials and elements, and dramatic improvements in performance cannot be expected in a short time.
[0008]
In general, the displacement of the piezoelectric element is only about 0.08% when converted to strain, and the operating strain of the shape memory alloy wire is generally about 2-3% (practical operation strain). It is. The shape memory alloy wire has a larger operating strain than the piezoelectric element, but it is not a satisfactory value, and a larger operating strain is desired.
[0009]
As a method for compensating for the shortage of the displacement amount (strain amount) of the actuator, a displacement enlargement mechanism using a lever has been well known. A typical conventional example is shown in FIG. The conventional example shown in FIG. 10 (Precision positioning technology, published by Industrial Research Co., Ltd., described on p45) is composed of an actuator arranged on a base and several stages of displacement enlargement mechanism. Accordingly, a large amount of displacement can be obtained. On the other hand, the generated force decreases according to the number of steps, and in the multi-stage mechanism, the structural rigidity is lowered.
[0010]
The present invention has been made in view of the above-described conventional situation, and an object of the present invention is to provide an actuator and a structure that are configured to make up for a lack of displacement (distortion) of the actuator by a structural device. Is to provide a variable structure actuator that is integrally distributed.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made in view of the conventional problems as described above. The invention according to claim 1 is such that both end portions can be displaced toward and away from each other, and an intermediate position between both end portions connects the both end portions. In a cell having a closed space in which the both ends of opposing movable pieces that can be displaced in a direction approaching and separating from a straight line are connected, the cell can be actively deformed in the extension direction, the reduction direction, or both directions. A solid actuator is arranged, and both ends of the solid actuator are connected to the positions of both ends of the movable piece or near the positions of both ends , and the movable piece is made of a thin plate that can be returned to its original state by elasticity. The solid actuator is made of a piezoelectric material, a shape memory alloy, or a magnetostrictive material processed into a film shape, a thin film shape, or a linear shape.
[0012]
According to a second aspect of the present invention, in the variable structure actuator according to the first aspect, a second solid actuator having an operation direction intersecting with an operation direction of the solid actuator is disposed in the cell. In this configuration, both end sides of the second solid actuator are respectively connected to the opposed movable pieces.
[0013]
According to a third aspect of the present invention, there is provided an opposed movable piece which can be displaced in a direction in which both end portions approach and separate from each other, and an intermediate position of the both end portions can be displaced in a direction in which the both end portions approach and separate from a straight line connecting the both end portions. Provided with a plurality of cells having a closed space in which the both ends are connected, and provided with a stretchable structure in a mode in which the plurality of cells are connected linearly or in a plane, and a desired cell in this structure A solid actuator that can be actively deformed is arranged in the extension direction, the reduction direction, or both directions, and both ends of the solid actuator are connected to both end positions of the movable piece or in the vicinity of both end positions . The movable piece is composed of a thin plate that can be returned to its original state by elasticity, and the solid actuator is a piezoelectric material, a shape memory alloy, or a magnetostriction processed into a film shape, a thin film shape, or a linear shape. It is made of a fee.
[0014]
According to a fourth aspect of the present invention, in the variable structure actuator according to the third aspect, a second solid actuator having an operation direction intersecting with the operation direction of the solid actuator is disposed in a desired cell. Both end sides of the second solid actuator are connected to the opposed movable pieces, respectively.
[0015]
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided an opposed movable piece which can be displaced in a direction in which both end portions approach and separate from each other, and an intermediate position of the both end portions can be displaced in a direction in which the both end portions approach and separate from a straight line connecting the both end portions. A structure is provided in which a plurality of cells having a closed space in which both ends are connected are connected to each other and arranged in a cylindrical shape, and the desired cell in the structure has an extension direction, a reduction direction, or its direction. A solid actuator that can be actively deformed in both directions is arranged, and both ends of the solid actuator are connected to both end positions of the movable piece or in the vicinity of both end positions. The movable piece is restored to its original state by elasticity. The solid actuator is formed of a piezoelectric material, a shape memory alloy, or a magnetostrictive material processed into a film shape, a thin film shape, or a linear shape.
[0016]
According to a sixth aspect of the present invention, in the variable structure actuator according to any one of the first to fifth aspects, the displacement in the vicinity of the central portion of the movable piece is enlarged or reduced as compared with the operation displacement amount of the solid actuator. As described above, the solid actuator and the movable piece are connected at a predetermined angle.
[0017]
According to a seventh aspect of the present invention, in the variable structure actuator according to any one of the first to sixth aspects, the cell has a line-symmetric shape.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0020]
FIG. 1 is an explanatory view showing a basic structure of a variable structure actuator 1 according to an embodiment of the present invention. FIG. 1 (a) is a partially enlarged explanatory view of an internal cell, and FIG. It is explanatory drawing which showed the mode of the deformation | transformation of a cell.
[0021]
Basically, the variable structure actuator 1 can be displaced in a direction in which both end portions A and B approach and separate from each other, and intermediate positions C and D between the both end portions A and B are straight lines connecting the both end portions A and B. In the closed space 4 of the cell 21 having the closed space 4 in which both ends A and B of a pair of opposed movable pieces 2 and 3 that can be displaced in a direction approaching and separating from each other are connected, the expansion direction or reduction A solid actuator 6 that can be actively changed in one or both directions is disposed, and both ends of the solid actuator 6 are positioned at the positions of both ends A and B of the movable piece 2 or 3 or near the positions of both ends A and B. It is the structure connected to.
[0022]
More specifically, in the present embodiment, the closed space 4 is formed by appropriately combining a plurality (four in the present embodiment) of elastic structural thin plates (movable members) 21a, 21b, 21c and 21d. It is a parallelogram-shaped (quadrangular) space that is closed (upper and lower). And one movable piece 2 is comprised by the combination of elastic structure thin plate 21a, 21d, and the other movable piece 3 is comprised by the combination of elastic structure thin plate 21b, 21c.
[0023]
The pair of movable pieces 2 and 3 have a symmetric configuration, and both end portions A and B of the movable pieces 2 and 3 are connected to connecting portions of thin plates (movable members) 21a and 21b and thin plates (movable members) 21c and 21d. This corresponds to the connecting portion. Hinge portions C and D are provided at the center between the pair of movable pieces 2 and 3.
[0024]
The hinge part C corresponds to the connection part of the thin plates 21a and 21d, and the hinge part D corresponds to the connection part of the thin plates 21b and 21c. The hinge portions C and D are preferably a structure that can be easily bent. For example, an appropriate hinge structure such as a thin-walled structure or a structure in which an elastic member such as rubber is interposed can be employed. .
[0025]
In the above description, the thin plates 21a, 21b, 21c and 21d are described as being formed by combining the separate members to form the movable pieces 2 and 3, but each of the thin plates 21a, 21b, 21c and 21d has a quadrangular shape. It is good also as a hinge structure which shape | molds integrally so that each side of the cell 21 may be comprised previously, and both ends A and B and hinge part C and D can be bent. Moreover, each side member (namely, each thin plate 21a-21d) which comprises the cell 21, and each corner | angular part (namely, edge part A, B, so that the some cell 21 can be combined linearly and / or planarly. It is also possible to provide a connecting part such as an unevenness in the hinge part C, D) or the like.
[0026]
As will be understood from the above description, when the both end portions A and B of the cell 21 are displaced so as to approach each other, the hinge portions C and D at the intermediate positions are displaced so as to be separated from each other. , B are moved away from each other, the hinge parts C, D are displaced so as to approach each other. At this time, the inner angles of both ends A and B of the cell 21 having a quadrangular shape are made acute and the inner angles of the hinges C and D, which are intermediate portions, are made obtuse, thereby approaching both ends A and B. Compared to the amount of displacement in the direction of separation, the amount of displacement in the direction in which the hinge portions C and D approach and separate can be made larger. Therefore, in order to displace both end portions A and B of the cell 21 in the approaching or separating directions, a solid actuator 6 is disposed in the closed space 4 of the cell 21, and both end sides of the solid actuator 6 are connected to the both end portions. A, B or both ends A, B are connected.
[0027]
The solid actuator 6 is made of, for example, a piezoelectric material, a shape memory alloy, a magnetostrictive material, or the like processed into a film shape, a thin film shape, or a linear shape, and in the present embodiment, a strip shape memory alloy is used. It is illustrated as a configuration that shrinks when energized and heated.
[0028]
Therefore, when the solid actuator 6 is operated to displace the both end portions A and B so as to approach each other, the thin plates 21a, 21b, 21c and 21d are elastically deformed so as to be bent at the hinge portions C and D, respectively. As shown in (b), the hinge portions C and D are greatly displaced in directions away from each other. The return to the original state is performed by the elasticity of the thin plates 21a, 21b, 21c and 21d.
[0029]
At this time, in order to perform the return operation of the cell 21 more reliably, the cell 21 is operated in a direction crossing the operation direction of the solid actuator 6, that is, an operation of displacing the hinge portions C and D in the approaching direction. It is desirable to provide a solid actuator 7 to perform. In this case, as shown in FIG. 2, the solid actuator 6 and the solid actuator 7 are provided so as to intersect with each other, and both ends of the solid actuator 7 are connected to the hinge portions C and D or the vicinity of the hinge portions C and D. It is good.
[0030]
In the above configuration, when one solid actuator 6 is operated in the direction of reducing, the other solid actuator 7 is extended through the thin plates 21a to 21d, and conversely, the other solid actuator 7 is reduced. When it is operated in the direction, the one solid actuator 6 is extended. That is, the operation direction of one solid actuator 6 and the other solid actuator 7 is always reversed.
[0031]
FIG. 3 shows a variable structure actuator 20 having a configuration in which the cells 21 having the above-described configuration are arranged in a plurality of columns and a plurality of rows. As shown conceptually in FIG. 1A, the variable structure actuator 20 as described above is composed of a plurality of strip-like elastic structural thin plates 21a, 21b, 21c, and 21d in the form of a cross-beam, and a plurality of these formed It is obtained by combining a plurality of solid actuators 22 (22a, 22b, 22c) so as to connect the diagonals of the quadrangular cells 21.
[0032]
As can be understood from FIG. 3, the variable structure actuator 20 has a configuration in which parallelogram-shaped cells 21 are continuously arranged in four directions and are integrally disposed with a planar spread, and in this embodiment, parallel. A matrix structure having four sides of the four-sided cells 21 in the horizontal direction and 10 levels in the vertical direction is formed. The solid actuator 22b is integrally coupled to the cell 21 at a position connecting the intersection A of the elastic structural thin plates 21a and 21b and the intersection B of the elastic structural thin plates 21c and 21d with a straight line. Similarly, the solid actuators 22a and 22c are elastic structural thin plates. The intersection C of 21a and 21d and the intersection D of the elastic structure thin plates 21b and 21c are integrally and continuously coupled to the intersection of the elastic structure thin plates of the adjacent cells 21 to form the variable structure actuator 20. .
[0033]
Here, for example, the angles formed by the two sides of the elastic structural thin plates 21a and 21b and 21c and 21d (inner angles of both end portions A and B) are 30 degrees, and the elastic structural thin plates 21a and 21d and 21b and 21c are 2 respectively. When the angle formed by the sides (inner angles of the hinge portions C and D) is set to 150 degrees and the dimension between the intersections is (λ1, γ1) as shown in FIG. 1, the solid actuator 22b is obtained by energization heating. The output displacement (strain: (λ 2 −λ 1) / λ 1) of the variable structure actuator 20 in the direction perpendicular to the contraction displacement (strain: (γ 1 −γ 2) / γ 1) can be enlarged about twice. .
[0034]
That is, the amount of displacement at the intermediate positions C and D can be greatly increased compared to the amount of displacement at both ends A and B due to the displacement of the solid actuator. Therefore, by providing a plurality of cells 21 in the same direction, it is possible to further multiply the amount of displacement and obtain a large displacement.
[0035]
FIG. 4 is a diagram for explaining the configuration of the second variable structure actuator 30 based on the basic principle of the present invention. The basic arrangement is the same as that of the variable structure actuator 20 shown in FIG. 3 except that the cells 31 forming the structural system are not parallel quadrilateral but hexagonal. By integrally combining the matrix structure having the plurality of hexagonal cells 31 in the vertical and horizontal directions and the solid actuator 32 such as a plurality of strip-shaped shape memory alloys processed into a sheet shape, The variable structure actuator 30 is configured.
[0036]
The variable structure actuator 30 using the hexagonal cell 31 can increase the strength and rigidity of the structure as compared with the variable structure actuator 20 using the quadrangular cell 21.
[0037]
As already understood, the shape of the cell is not limited to a quadrangular shape, but can be formed in a hexagonal shape, and can be formed in other polygonal shapes. It is also possible to have a shape exhibiting a curved curve such as the above. In short, any structure may be used as long as the closed space includes a component corresponding to both ends and a portion displaced in the intersecting direction corresponding to the displacement of the both ends toward and away from each other.
[0038]
In the above description, the case where cells having the same shape are arranged vertically and horizontally has been described. However, a configuration in which a plurality of cells having different shapes is arbitrarily combined may be employed.
[0039]
FIG. 5 is a view for explaining an example of a manufacturing method of the variable structure actuator 20.
[0040]
As a method of manufacturing the variable structure actuator 20 shown in FIG. 3, it is possible to individually arrange solid actuators in a parallelogram cell, but it is desirable to adopt the method shown in FIG. . That is, the movable piece 2 is formed by bending and alternately providing strip-shaped solid actuators 22a and elastic structural thin plates 21a and 21d, and the cell thin plate member 23a having the movable piece 2 continuously provided, The following strip-shaped solid actuator 22b and elastic structure thin plates 21b and 21c are bent and alternately provided to form the movable piece 3, and the cell thin plate member 23b having a configuration including the movable piece 3 continuously, Further, after the next strip-shaped solid actuator 22c is individually manufactured, a sandwich in which the solid actuator 22a, the cell thin plate member 23a, the solid actuator 22b, the cell thin plate member 23b, and the solid actuator 22c are stacked in this order using a known fixing means. The structure is integrally formed. Furthermore, the number of parts to be sandwiched is increased as necessary, and the size is produced in accordance with the purpose.
[0041]
FIG. 6 shows an example of a manufacturing method of the variable structure actuator 30 shown in FIG. The variable structure actuator 30 is also provided with a plurality of strip-shaped solid actuators 32 and predetermined trapezoidal portions corresponding to the hexagonal cells 31 alternately using the same method as the manufacturing method of the variable structure actuator 20. It is constituted integrally by a sandwich structure in which the cell thin plate members 33 made of elastic corrugated thin plates are alternately stacked.
[0042]
FIG. 7 is a view for explaining the configuration of the third variable structure actuator 40 based on the basic configuration of the present invention. The variable structure actuators 20 and 30 described above have a planar configuration. However, the variable structure actuator 40 is hollow, for example, has a hollow hexagonal prism-shaped rod structure, and each surface of the hollow hexagonal prism shape {circle around (1)}. ˜6 are different in that the elastic structure thin plates 21 a to 21 d and the solid actuators 22 a to 22 c shown in the variable structure actuator 20 are formed in a linear shape, and the overall structure is formed in a cylindrical shape. In this configuration, the output displacement can be obtained so as to expand and contract in the axial direction of the structure. In addition, the overlapping description is abbreviate | omitted as attaching | subjecting the same code | symbol to the component which show | plays the same function.
[0043]
FIG. 8 shows a configuration example in which the variable structure actuator 40 of the present invention is applied to blade deformation. The variable structure actuator 40 is installed so as to intersect at two locations inside the blade, and the camber is controlled by the axial deformation of the rod-shaped variable structure actuator 40. In addition, although this figure is the structure described in Proc.SPIE Vol.3985-11, it was the structure which used the shape memory alloy wire conventionally. Here, by using the variable structure actuator 40 in place of the shape memory alloy wire, it is possible to achieve greater blade deformation and improve rigidity. This leads to an increase in steering force, and an improvement in aircraft performance can be expected.
[0044]
FIG. 9 shows a configuration example in which the rod-shaped variable structure actuator 40 is applied to an actuator for swinging a robot arm. The conventional general configuration uses, for example, a shape memory alloy wire 50 as a drive source. Here, the operation range can be expanded by using the variable structure actuator 40 instead of the shape memory alloy wire. Moreover, the improvement of the rigidity as a structure can be expected.
[0045]
【The invention's effect】
As will be understood from the above description, according to the present invention, the solid actuator and the structure are integrally distributed and the displacement of the actuator (by the elastic deformation of the cells inside the structure) Since the displacement is enlarged so as to compensate for the lack of (strain amount), it is possible to contribute to solving the problem that the displacement amount (strain amount) is small in the conventional actuator. In addition, the integration of the solid actuator and the structure allows for a compact, lightweight and highly rigid design, and is easy to embed in various devices.
[0046]
Therefore, if the variable structure actuator according to the present invention is applied to, for example, an aircraft wing camber control or a robot actuator, in the wing camber control, a steering force increases due to a large wing deformation, and an improvement in aircraft motion performance can be expected. . In addition, the robot actuator can be expected to expand its operating range while suppressing the decrease in rigid body as a structure. This provides an innovative actuator structure system for aircraft wing camber control and robot actuators, and can greatly contribute to downsizing and energy saving of the device.
[Brief description of the drawings]
BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS FIG. 1 is an explanatory diagram for explaining a basic configuration of a variable structure actuator according to an embodiment of the present invention, in which (a) is a partially enlarged view of an internal cell, and (b) is a cell with respect to an operation displacement of the actuator. It is the figure which showed the mode of deformation | transformation.
FIG. 2 is an explanatory diagram including a solid actuator in a direction intersecting with a variable structure actuator.
FIG. 3 is an overall view of a variable structure actuator before deformation and an explanatory view showing a state of deformation;
FIG. 4 is a diagram for explaining a configuration of a variable structure actuator according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram for explaining a manufacturing method of a variable structure actuator in the present embodiment.
FIG. 6 is a diagram for explaining a manufacturing method of a variable structure actuator according to a second embodiment.
FIG. 7 is a diagram for explaining a configuration of a variable structure actuator according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing an application example of the variable structure actuator in the third embodiment of the present invention to blade deformation control.
FIG. 9 is a diagram showing an application example of a variable structure actuator to a robot actuator according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a configuration explanatory view of a lever-type displacement enlarging mechanism using a conventional lever.
[Explanation of symbols]
1, 20, 30, 40 Variable structure actuator 21, 31 Cell 21a, 21b, 21c, 21d Elastic structure thin plate (movable member)
22, 22a, 22b, 22c, 32 Solid actuator (shape memory alloy)
23a, 23b, 33 cell thin plate member

Claims (7)

両端部が互に接近離反する方向へ変位可能かつ前記両端部の中間位置が前記両端部を結ぶ直線に対して接近離反する方向へ変位可能な対向した可動片の前記両端部を接続した態様の閉空間を備えたセル内に、伸長方向又は縮小方向或はその両方向に能動的に変形可能な固体アクチュエータを配置し、この固体アクチュエータの両端側を前記可動片の両端部位置又は両端部位置付近に連結した構成であり、前記可動片は弾性によって元の状態へ復帰自在な薄板から構成してあり、前記固体アクチュエータは、フィルム状又は薄膜状あるいは線状に加工した圧電材料又は形状記憶合金あるいは磁歪材料からなることを特徴とする可変構造アクチュエータ。The both ends of the movable pieces opposed to each other can be displaced in a direction in which both end portions approach and separate from each other, and an intermediate position of the both end portions can be displaced in a direction approaching and separating from a straight line connecting the both end portions. In a cell having a closed space, a solid actuator that can be actively deformed in the extension direction, the reduction direction, or both directions is arranged, and both ends of the solid actuator are positioned at both ends of the movable piece or near both ends. The movable piece is formed of a thin plate that can be returned to its original state by elasticity, and the solid actuator is a piezoelectric material or shape memory alloy processed into a film shape, a thin film shape, or a linear shape, or A variable structure actuator comprising a magnetostrictive material . 請求項1に記載の可変構造アクチュエータにおいて、動作方向が前記固体アクチュエータの動作方向に対して交差する方向である第2の固体アクチュエータを前記セル内に配置し、この第2の固体アクチュエータの両端側を前記対向した可動片にそれぞれ連結したことを特徴とする可変構造アクチュエータ。  2. The variable structure actuator according to claim 1, wherein a second solid actuator having an operation direction intersecting with an operation direction of the solid actuator is disposed in the cell, and both end sides of the second solid actuator are disposed. Are each connected to the opposed movable pieces. 両端部が互に接近離反する方向へ変位可能かつ前記両端部の中間位置が前記両端部を結ぶ直線に対して接近離反する方向へ変位可能な対向した可動片の前記両端部を接続した態様の閉空間を備えた複数のセルを備え、前記複数のセルを線的に又は面的に接続した態様の伸縮可能な構造物を設け、この構造物における所望のセル内に、伸長方向又は縮小方向或はその両方向に能動的に変形可能な固体アクチュエータを配置し、この固体アクチュエータの両端側を前記可動片の両端部位置又は両端部位置付近に連結した構成であり、前記可動片は弾性によって元の状態へ復帰自在な薄板から構成してあり、前記固体アクチュエータは、フィルム状又は薄膜状あるいは線状に加工した圧電材料又は形状記憶合金あるいは磁歪材料からなることを特徴とする可変構造アクチュエータ。The both ends of the movable pieces opposed to each other can be displaced in a direction in which both end portions approach and separate from each other, and an intermediate position of the both end portions can be displaced in a direction approaching and separating from a straight line connecting the both end portions. A plurality of cells having a closed space are provided, and an expandable structure having a form in which the plurality of cells are connected linearly or in a plane is provided, and a desired cell in the structure has an extension direction or a reduction direction. Alternatively, a solid actuator that can be actively deformed is arranged in both directions, and both ends of the solid actuator are connected to or near both end positions of the movable piece. Yes constructed from returning freely sheet into a state, the solid actuator, characterized in that it consists of a piezoelectric material or a shape memory alloy or magnetostrictive material is processed into a film-like or thin film-like or linear Variable structure actuator. 請求項3に記載の可変構造アクチュエータにおいて、動作方向が前記固体アクチュエータの動作方向に対して交差する方向である第2の固体アクチュエータを所望のセル内に配置し、この第2の固体アクチュエータの両端側を前記対向した可動片にそれぞれ連結したことを特徴とする可変構造アクチュエータ。  4. The variable structure actuator according to claim 3, wherein a second solid actuator having an operation direction intersecting the operation direction of the solid actuator is disposed in a desired cell, and both ends of the second solid actuator are arranged. A variable structure actuator characterized in that a side is connected to each of the opposed movable pieces. 両端部が互に接近離反する方向へ変位可能かつ前記両端部の中間位置が前記両端部を結ぶ直線に対して接近離反する方向へ変位可能な対向した可動片の前記両端部を接続した態様の閉空間を備えた複数のセルを互に接続して筒状に配置した構造物を設け、この構造物における所望のセル内に、伸長方向又は縮小方向或はその両方向に能動的に変形可能な固体アクチュエータを配置し、この固体アクチュエータの両端側を前記可動片の両端部位置または両端部位置付近に連結した構成であり、前記可動片は弾性によって元の状態へ復帰自在な薄板から構成してあり、前記固体アクチュエータは、フィルム状又は薄膜状あるいは線状に加工した圧電材料又は形状記憶合金あるいは磁歪材料からなることを特徴とする可変構造アクチュエータ。The both ends of the movable pieces opposed to each other can be displaced in a direction in which both end portions approach and separate from each other, and an intermediate position of the both end portions can be displaced in a direction approaching and separating from a straight line connecting the both end portions. A structure in which a plurality of cells having a closed space are connected to each other and connected in a cylindrical shape is provided, and can be actively deformed in the expansion direction, the reduction direction, or both directions in a desired cell in the structure. A solid actuator is arranged, and both ends of the solid actuator are connected to both end positions of the movable piece or in the vicinity of both end positions. The movable piece is made of a thin plate that can be returned to its original state by elasticity. The variable actuator is characterized in that the solid actuator is made of a piezoelectric material, a shape memory alloy, or a magnetostrictive material processed into a film shape, a thin film shape, or a linear shape . 請求項1〜5のいずれかに記載の可変構造アクチュエータにおいて、前記固体アクチュエータの動作変位量に比較して前記可動片の中央部付近の変位が拡大又は縮小されるように、前記固体アクチュエータと前記可動片は所定の角度でもって連結してあることを特徴とする可変構造アクチュエータ。  The variable structure actuator according to any one of claims 1 to 5, wherein the solid actuator and the solid actuator are arranged so that a displacement near a central portion of the movable piece is enlarged or reduced as compared with an operation displacement amount of the solid actuator. A variable structure actuator characterized in that the movable pieces are connected at a predetermined angle. 請求項1〜6のいずれかに記載の可変構造アクチュエータにおいて、前記セルは線対称な形状であることを特徴とする可変構造アクチュエータ。  7. The variable structure actuator according to claim 1, wherein the cell has a line-symmetric shape.
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