JP5469344B2 - 膜型アクチュエータ、複層膜型アクチュエータ、及び空気バネ構造 - Google Patents

Description

本発明は、膜型アクチュエータ、複層膜型アクチュエータ、及び空気バネ構造に関する。

柔らかく衝撃に強い膜型圧電素子が開発されている（非特許文献１）。
即ち、図９（Ａ）に示すように、非特許文献１の膜型圧電素子１２は、繊維状の圧電セラミック１４の両側面に、電極が印刷されたポリイミドフィルム１６をエポキシ樹脂１８で接合した構成である。これにより、柔らかく衝撃に強い膜型圧電素子１２が実現された。

そして、図９（Ｂ）に示すように、膜型圧電素子１２を靴８０の底に組み込み、歩行時の衝撃を吸収するアクティブクッションとして利用されている。

しかし、膜型圧電素子１２は、靴８０に加えられた衝撃を、折り曲げられた膜型圧電素子１２自体が直接吸収する構成であり、建物の躯体等の重量物を支持し、その衝撃を低減するような強度は有していない。また、衝撃力を測定する加速度センサが別途必要となり、コンパクトな装置構成ができない。

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本発明は、上記事実に鑑み、要求される強度を備え、振動を検出するセンサを別途必要としない膜型アクチュエータを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明に係る複層膜型アクチュエータは、両面に電極が配置されて同一平面上に複数枚並列に配置され、個々に自らの歪量に対応した電圧を発生させる膜型のセンサ用圧電素子と、両面に電極が配置され前記センサ用圧電素子の両面に前記センサ用圧電素子の全てを覆って接合され、印加電圧に基づいて変形する膜型のアクチュエータ用圧電素子と、を有することを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、両面に電極が配置されて、同一平面上に複数枚並列に配置されたセンサ用圧電素子が、自らの歪量に対応した電圧を発生させ、センサとして作用する。また、積層されたアクチュエータ用圧電素子が、印加電圧に基づいて変形し、アクチュエータとして機能する。

これにより、複層膜型アクチュエータを、振動を抑制したい面に接合すれば、センサ用圧電素子が接合された面の振動による変形量に応じた電圧を発生する。即ち、複数枚とされたセンサ用圧電素子の位置別に、センシングが可能となる。また、複数枚のセンサ用圧電素子の両面に、アクチュエータ用圧電素子が複数枚積層されている。これにより、アクチュエータ用圧電素子が、高出力なアクチュエータとして機能する。そして、複層とされたアクチュエータ用圧電素子が、加えられた印加電圧に基づいて複層膜型アクチュエータを変形させ、複合された力を接合された面に作用させ、接合面の振動を抑制する。

この結果、振動を検出するセンサを別途必要としない、高出力な複層膜型アクチュエータが提供できる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の複層膜型アクチュエータにおいて、 前記センサ用圧電素子からの出力に基づいて、前記アクチュエータ用圧電素子を変形させる制御信号を出力する制御手段と、前記制御信号に基づいて、前記印加電圧を発生させる電圧発生手段と、を有することを特徴としている。

請求項２に記載の発明によれば、制御手段は、アクチュエータ用圧電素子を変形させる制御信号を電圧発生手段へ出力する。電圧発生手段は、制御信号に基づいて印加電圧を発生させ、アクチュエータ用圧電素子に出力する。アクチュエータ用圧電素子は、印加電圧に従い変形して力を作用させる。
この結果、複層膜型アクチュエータが、振動を検出するセンサを別途必要としないで、接合された面の振動を抑制するよう作用する。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の複層膜型アクチュエータにおいて、前記センサ用圧電素子及び前記アクチュエータ用圧電素子は、シート状に成形された矩形圧電セラミック繊維の両面に、ポリイミドフィルム印刷電極を接合した圧電素子であることを特徴としている。

これにより、圧電素子の薄膜化が可能となり、積層が容易となる。また、積層状態においても複層膜型アクチュエータの膜型化が図れる。

請求項４に記載の発明は、空気バネ構造において、請求項１〜３のいずれか１項に記載の複層膜型アクチュエータが、機器類の載置台を支持する空気バネの外周面に接合されたことを特徴としている。

請求項４に記載の発明によれば、複層膜型アクチュエータが機器類の載置台を支持する空気バネの外周面に接合されている。また、センサ用圧電素子が外周面の振動を検出し、アクチュエータ用圧電素子が振動を打ち消す方向に外周面に力を作用させ、空気バネの支持剛性を変化させる。

これにより、載置台の振動を検出するセンサを載置台に、及び床面の振動を検出するセンサを床面にそれぞれ別途設けなくても、載置された機器類の稼動に基づく載置台の振動を検出できる。また、検出された振動に基づき、アクチュエータ用圧電素子で空気バネの支持剛性を変化させ、載置台の振動抑制、及び床面から空気バネが支持している載置台への振動の伝播を任意に調整できる。

本発明は、上記構成としてあるので、要求される強度を備え、振動を検出するセンサを別途必要としない膜型アクチュエータを提供できる。

本発明の第１の実施の形態に係る膜型アクチュエータの基本構成を示す図である。 本発明の第１の実施の形態に係るアクチュエータ用圧電素子の基本構成を示す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る複層膜型アクチュエータの基本構成を示す図である。 本発明の第３の実施の形態に係る膜型アクチュエータを梁に接合した、梁構造の基本構成を示す図である。 本発明の第４の実施の形態に係る膜型アクチュエータを壁材に接合した、建築部材の基本構成を示す図である。 本発明の第５の実施の形態に係る膜型アクチュエータを振動板に接合した、スピーカの基本構成を示す図である。 本発明の第５の実施の形態に係る膜型アクチュエータを振動板に接合した、スピーカの基本構成を示す図である。 本発明の第６の実施の形態に係る膜型アクチュエータを空気バネの外周面に接合した、空気バネ構造の基本構成を示す図である。 従来例の膜型圧電素子の基本構造と応用例を示す図である。

（第１の実施の形態）
図１に示すように、第１の実施の形態に係る膜型アクチュエータ１０は、板バネ２２の一方の片面にアクチュエータ用圧電素子２０が接合され、他方の片面にはセンサ用圧電素子２４が接合されている。

板バネ２２は、バネ鋼で平面状に成形され、用途に応じて面積、厚さ、及び弾性が決定され、膜型アクチュエータ１０のコア部材として作用する。

アクチュエータ用圧電素子２０は、後述する圧電セラミックで膜状に形成され、板バネ２２の一方の片面を覆う面積とされている。アクチュエータ用圧電素子２０と板バネ２２は、エポキシ樹脂等の接着剤で接合されている。

センサ用圧電素子２４は、同じく、後述する圧電セラミックで膜状に形成され、アクチュエータ用圧電素子２０が接合されていない側の板バネ２２の片面に、エポキシ樹脂等の接着剤で接合されている。

センサ用圧電素子２４の側面には、センサ用圧電素子２４が自らの歪量に対応して発生させた電圧を取り出すためのリード線３２が取付けられ、リード線３２の他端は、アクチュエータ用圧電素子２０を変形させる制御信号を出力する、制御手段２６に接続されている。

また、アクチュエータ用圧電素子２０の側面には、アクチュエータ用圧電素子２０に電圧を印加するリード線３０が取付けられ、リード線３０の他端は、印加電圧を発生させる電圧発生手段２８に接続されている。そして、制御手段２６と電圧発生手段２８はリード線２７で接続されている。

ここに、アクチュエータ用圧電素子２０は、図９（Ａ）で説明した膜型圧電素子１２と同じ構成である。即ち、図２（Ａ）に示すように、膜状とされた繊維状の圧電セラミック１４の両側面に、電極が印刷されたポリイミドフィルム１６をエポキシ樹脂１８（図示せず）で接合した構造である。なお、ポリイミドフィルム１６は圧電セラミック１４を覆う大きさとされ、電極にリード線３０が接続されている。

このように、圧電セラミック１４を膜状に成形し、両面にポリイミドフィルム１６を接合したことで、圧電素子の薄膜化が可能となる。
また、図２（Ｂ）に示すように、圧電セラミック１４の両側面に、リード線３０を介して電圧を印加すれば、印加された電圧値に従った歪が発生し、アクチュエータ用圧電素子２０を矢印のＷ１、若しくはＷ２の方向に変形させることができる。

更に、センサ用圧電素子２４も、アクチュエータ用圧電素子２０と同じ構造である。そして、センサ用圧電素子２４においては、図２（Ｂ）に示すように、矢印のＷ１、若しくはＷ２の方向に変形された場合、圧電セラミック１４の両側面に歪量に応じた電圧が発生する。この電圧をセンサ出力として、ポリイミドフィルム１６に接続したリード線３２から取り出すことができる。

また、コア部材として板バネ２２を使用することで、膜型アクチュエータ１０を、要求される強度を備え、柔らかく衝撃に強い圧電素子とすることができる。

これにより、図１に示すように、例えば、膜型アクチュエータ１０が、矢印Ｗ１方向の力を受けて変形した場合、センサ用圧電素子２４は歪量に応じた電圧を発生させ、制御手段２６に出力する。制御手段２６は、入力された電圧情報に基づき、アクチュエータ用圧電素子２０を変形させる制御信号を発生させ、電圧発生手段２８へ出力する。電圧発生手段２８は、制御信号に基づき印加電圧を発生させて、アクチュエータ用圧電素子２０に印加する。アクチュエータ用圧電素子２０は、印加された電圧に従い変形して板バネ２２に力を作用させ、板バネ２２に接合されたセンサ用圧電素子２４の歪を抑制する。

以上説明したように、膜型アクチュエータ１０は、振動を検出するセンサを別途必要とせず、かつ、コア部材を板バネ２２とすることで要求される強度を確保できる。

（第２の実施の形態）
図３に示すように、第２の実施の形態に係る複層膜型アクチュエータ６２は、センサ用圧電素子２４が同一平面上に複数枚並べられている。また、センサ用圧電素子２４の両面には、アクチュエータ用圧電素子２０が、上下方向に複数枚積層されている。

ここに、センサ用圧電素子２４とアクチュエータ用圧電素子２０は、第１の実施の形態で説明したものと同じ構成である。即ち、センサ用圧電素子２４は、自らの歪量に対応した電圧を発生させセンサとして作用する。また、アクチュエータ用圧電素子２０は、印加電圧に基づいて変形し、アクチュエータとして機能する。

また、センサ用圧電素子２４とアクチュエータ用圧電素子２０の間、及びアクチュエータ用圧電素子２０同士の間は、エポキシ樹脂等の接着材で接合されている。

なお、制御手段２６や電圧発生手段２８の構成、作用は、第１の実施の形態と同じであり、図示及び説明は省略する。

このように、センサ用圧電素子２４を同一平面上に複数枚配置することで、それぞれのセンサ用圧電素子２４で、センサ用圧電素子２４の位置別に独立したセンシングが可能となる。
更に、アクチュエータ用圧電素子２０が複数枚積層されているので、高出力なアクチュエータとして機能する。

（第３の実施の形態）
図４（Ａ）（Ｂ）に示すように、第３の実施の形態に係る梁構造３３は、柱３６の間に架け渡された梁３４に膜型アクチュエータ１０が接合されている。

膜型アクチュエータ１０は、梁３４の下フランジ３４Ｆの上面、及び上フランジ３４Ｆの下面に、ウェブ３４Ｗを挟んで両側のフランジ３４Ｆに、複数個が接合されている。また、それぞれの膜型アクチュエータ１０のリード線３２は制御手段２６に接続され、リード線３０は電圧発生手段２８に接続され、制御手段２６と電圧発生手段２８がリード線２７で接続されている。

これにより、梁３４が振動したとき、センサ用圧電素子２４は、フランジ３４Ｆと一体となって振動し、接合面の振動に応じて変形し、歪量に応じた電圧を発生させる。制御手段２６は、センサ用圧電素子２４から入力された電圧値に従い、アクチュエータ用圧電素子２０を変形させる制御信号を発生させ、電圧発生手段２８に出力する。電圧発生手段２８は、制御信号に従い、アクチュエータ用圧電素子２０を変形させる印加電圧を発生させ、アクチュエータ用圧電素子２０に印加する。アクチュエータ用圧電素子２０は、印加電圧に従って変形し、発生させた力をフランジ３４Ｆに作用させ、梁３４の振動を抑制する。

これにより、梁３４の振動を検出するセンサを梁３４に別途設けなくても、膜型アクチュエータ１０で梁３４の振動を検出し、抑制できる。なお、膜型アクチュエータ１０の制御ブロックは、図４（Ｂ）では、下フランジ３４Ｆの上面を１つのブロックとして図示したが、梁３４の振動状況に応じて、任意に決定すればよい。

本実施の形態は、例えば、建物に配置された機器類６４が稼動中であり、振動対策のために機器類の稼動を停止することが困難な場合に有効である。

即ち、振動対策のために一般的に行われている方法には、梁３４の振動を低減させるための制振装置（図示せず）の追加設置工事や、上下に設けられた梁３４の間に、振動を抑制するための補助柱６６の追加設置工事等があるが、いずれも機器類の稼動を停止する必要があり、採用できない。

一方、本実施の形態では、梁３４の下フランジ３４Ｆの上面、及び上フランジ３４Ｆの下面に膜型アクチュエータ１０を接合するだけの作業で済み、機器類の稼動を停止せずに施工が可能である。
なお、以上の説明は、膜型アクチュエータ１０を用いて説明したが、これに限定されるものではなく、複層膜型アクチュエータ６２を用いてもよい。

（第４の実施の形態）
図５に示すように、第４の実施の形態に係る建築部材３７は、壁材３８に膜型アクチュエータ１０が接合されている。

膜型アクチュエータ１０は、壁材３８の中央部付近の大きく振動する面に、複数個が接合されている。また、それぞれの膜型アクチュエータ１０のリード線３２は、制御手段２６に接続され、リード線３０は電圧発生手段２８に接続され、制御手段２６と電圧発生手段２８はリード線２７で接続されている。

これにより、壁材３８が振動したとき、センサ用圧電素子２４が壁材３８と一体となって振動し、接合面の振動に応じて変形し、歪量に応じた電圧を発生させる。制御手段２６は、入力された振動情報に基づき、アクチュエータ用圧電素子２０を変形させる制御信号を電圧発生手段２８に出力する。電圧発生手段２８は、制御信号に基づき、電圧を発生させてアクチュエータ用圧電素子２０に印加する。アクチュエータ用圧電素子２０は、振動を打ち消す方向に壁材３８に力を作用させる。

このように、膜型アクチュエータ１０は、壁材３８の振動を検出するセンサを壁材３８上に別途設けなくても、壁材３８の振動を検出し、抑制できる。

また、壁材３８の振動が小さい場合でも、膜型アクチュエータ１０で、積極的に壁材３８を振動させ、壁材３８に隣室から伝播する話し声等を遮断する機能を持たせることもできる。

なお、以上は、建築部材の一例として壁材３８を用いて説明したが、壁材３８に限られることはなく、天井材、床材等の他の建築部材であってもよい。
また、第４の実施の形態では、膜型アクチュエータ１０を用いて説明したが、これに限定されるものではなく、複層膜型アクチュエータ６２を用いてもよい。

（第５の実施の形態）
図６に示すように、第５の実施の形態に係るスピーカ４０は、膜型アクチュエータ１０が、スピーカ４０の振動板４２に接合されている。

膜型アクチュエータ１０は、振動板４２の中央部付近の振動面に複数個が接合されている。また、それぞれの膜型アクチュエータ１０のリード線３２は制御手段２９に接続され、リード線３０は電圧発生手段２８に接続され、制御手段２９と電圧発生手段２８はリード線２７で接続されている。また、制御手段２９には、スピーカ４０で再生させる音源が出力される音源出力手段４８が接続されている。

この構成により、制御手段２９は、音源出力手段４８が出力した音を振動板４２で再生するための制御信号に変換し、電圧発生手段２８に出力する。

電圧発生手段２８は、アクチュエータ用圧電素子２０への印加電圧を生成し、アクチュエータ用圧電素子２０へ印加する。アクチュエータ用圧電素子２０は、振動板４２を直接振動させ、スピーカ４０として機能させる。

また、センサ用圧電素子２４が振動板４２の振動を検出するので、振動板４２の振動状態を確認しながら振動板４２を振動させることができる。

更に、一般のスピーカで使用されている、電磁力を発生させて振動板を振動させる機構が不要となるので、スピーカ４０の大きさや形状を自由に設定できる。

この結果、例えば、図７に示すように、スピーカ４４の振動板を壁材４６とし、壁材４６を膜型アクチュエータ１０で直接振動させ、スピーカ４４として活用できる。
これにより、床面上にはスピーカ４４の設置場所が不要となる。
なお、第５の実施の形態では、膜型アクチュエータ１０を用いて説明したが、これに限定されるものではなく、複層膜型アクチュエータ６２を用いてもよい。

（第６の実施の形態）
図８（Ａ）（Ｂ）に示すように、第６の実施の形態に係る空気バネ構造５０は、床面５８の上に下側取付台５４が設けられ、下側取付台５４の上には、空気バネ５２が置かれている。

空気バネ５２は、機器類（図示せず）の載置台６０を軟らかく支持する支持部材であり、空気バネ５２の外周面５２Ｓには、膜型アクチュエータ１０が接合されている。

空気バネ５２の上には、上側取付台５６が取り付けられ、上側取付台５６が載置台６０の下面を支持する。

膜型アクチュエータ１０は、空気バネ５２の外周面５２Ｓに、複数個が接合され、それぞれの膜型アクチュエータ１０のリード線３２は制御手段２６に接続されている。リード線３０は電圧発生手段２８に接続され、制御手段２６と電圧発生手段２８はリード線２７で接続されている。

これにより、図８（Ｂ）に示すように、空気バネ５２は、通常は載置台６０を軟らかく支持しており、床面５８が振動しても空気バネ５２が振動を吸収し、載置台６０には伝播されない。

一方、図８（Ａ）に示すように、載せられた機器類の稼動で載置台６０が振動した場合には、センサ用圧電素子２４（図示せず）が載置台６０の振動を検出する。そして制御手段２６が、検出された振動に基づき歪量を打ち消す方向の制御信号を発生させて、電圧発生手段２８に印加する。電圧発生手段２８は、アクチュエータ用圧電素子２０に発生させた電圧を出力する。
これにより、空気バネ５２の外周面５２Ｓの伸縮が抑制され、空気バネ５２の剛性が上がる。この結果、載置台６０が硬く指示され、載置台６０の振動が抑制される。

以上説明したように、載置台６０の振動を検出するセンサを載置台６０に、床面５８の振動を検出するセンサを床面５８に、それぞれ別途設けなくても、膜型アクチュエータ１０により、載置された機器類の稼動に基づく載置台６０の振動の検出及・抑制ができる。また、機器類が稼動しないときは、軟らかく支持して、床面５８から載置台６０への振動の伝播を抑制できる。

なお、第６の実施の形態では、膜型アクチュエータ１０を用いて説明したが、これに限定されるものではなく、複層膜型アクチュエータ６２を用いてもよい。

１０ 膜型アクチュエータ
１２ 膜型圧電素子
１４ 圧電セラミック
１６ ポリイミドフルム
１８ エポキシ樹脂
２０ アクチュエータ用圧電素子
２２ 板バネ（コア部材）
２４ センサ用圧電素子
２６ 制御手段
２８ 電圧発生手段
３３ 梁構造
３４ 梁
３７ 建築部材
３８ 壁材
４０ スピーカ
４２ 振動板
５０ 空気バネ構造
６２ 複層膜型アクチュエータ

Claims (4)

1. 両面に電極が配置されて同一平面上に複数枚並列に配置され、個々に自らの歪量に対応した電圧を発生させる膜型のセンサ用圧電素子と、
   両面に電極が配置され、前記センサ用圧電素子の両面に前記センサ用圧電素子の全てを覆って接合され、印加電圧に基づいて変形する膜型のアクチュエータ用圧電素子と、
   を有する複層膜型アクチュエータ。
2. 前記センサ用圧電素子からの出力に基づいて、前記アクチュエータ用圧電素子を変形させる制御信号を出力する制御手段と、
   前記制御信号に基づいて、前記印加電圧を発生させる電圧発生手段と、
   を有する請求項１に記載の複層膜型アクチュエータ。
3. 前記センサ用圧電素子及び前記アクチュエータ用圧電素子は、シート状に成形された矩形圧電セラミック繊維の両面に、ポリイミドフィルム印刷電極を接合した圧電素子である請求項１又は２に記載の複層膜型アクチュエータ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の複層膜型アクチュエータが、機器類の載置台を支持する空気バネの外周面に接合された空気バネ構造。

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