JP6515106B2 - 大きなせん断運動を提供する平面圧電アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、平面せん断運動を提供することができる能動アクチュエータに関する。より詳細には、本発明は、圧電ファイバを使用するアクチュエータに関する。

一方向に平行な圧電ファイバの層から形成され、それらを作動させるためにこれらのファイバに垂直に配向された電極を担持する層の間に挟み込まれた圧電ファイバの層から形成されたフラット・アクチュエータは、２つの構造要素を互いに滑らせるためにすでに開発されている。航空機分野で求められる適用例は、例えば、空気力学的要素の変形をその発生の変動に従って適合させるための空気力学的要素の制御された変形である。

この種類の適用例において、せん断方向のアクチュエータの性能は、対応する角変形の値で表される。

出願人は、特許文献１において、平行電極を担持する２つの層の間に挟み込まれ、メッシュを形成する剛性の縦糸と横糸が２つの方向で配向されたそれら自体が各々布の層で覆われた、圧電ファイバの活性層からなる、その長辺の方向にせん断を発生する長方形フラット・アクチュエータをすでに提案している。横糸と縦糸は、並置された変形可能な平行四辺形のメッシュを画定する。圧電ファイバは、長辺と４５°、電極と９０°の角度をなす。様々な層は、圧電ファイバの平面層のせん断運動を伝達するのに最良であるように互いに接着接合される。剛性の縦糸と横糸とを有する布の層は、上にアクチュエータが取り付けられている部材へのせん断運動の伝達と他の方向のデバイスの剛性の伝達との両方をもたらす。

このデバイスの欠点は、この種類のアクチュエータの基本モジュールによって許容される角変形の限定された大きさである。どんな圧電材料がファイバに使用されていても、出願人によって実行された試験は、結果として、８００μｄｅｆのファイバ変形に対して４５°において１２５６μｄｅｆの平均角変形となる。

仏国特許第２８９３７８３号明細書 仏国特許第２９２４６８１号明細書

本発明の目的は、圧電ファイバの層を使用するアクチュエータを用いて、角変形のはるかに大きな値を得ることにある。これには、まず、圧電ファイバの運動によって発生される角変形の値を増加させ、次に、せん断方向にアクチュエータによって発生される力のレベルを保証する必要がある。

このために、本発明は、選択された方向に大きなせん断運動を有する圧電アクチュエータであって、相互に平行であり前記方向に対して傾斜された圧電ファイバを備えた少なくとも１つの活性層を備えるサンドイッチ構造を有し、前記活性層が、命令を受けて（ｏｎ ｃｏｍｍａｎｄ）前記ファイバの長さを変動させることができるように配設された電極を担持する少なくとも２つの層の間に配置される、圧電アクチュエータに関する。このアクチュエータは、
− 前記選択された方向に対する前記ファイバの傾斜角が２°より大きく４０°より小さく、
− 活性層内の圧電ファイバの間の空間が、絶縁耐力が前記ファイバの絶縁耐力より大きい非圧縮性の弾性材料で埋められ、
− 前記活性層が、非変形可能な要素と称される少なくとも２つの要素を備え、これらの要素が、細長く、前記選択された方向に対して平行であり、引張係数が少なくとも２００ＧＰａであり、
− 前記ファイバの各々の両端が、剛性の接着剤を用いて前記非変形可能な要素に接着接合され、
− 前記非変形可能な要素が、剛性の接着剤により、前記電極担持層に接着接合されることを特徴とする。

非変形可能な要素とファイバ間空間内の非圧縮性の弾性材料からなる母材との組合せにより、実質的に２つの非変形可能な要素間の剛性の縁部との変形可能な平行四辺形の連続のように、活性層がその平面に及ぼされる張力に確実に反応することが可能になる。

この構成において、非変形可能な要素の方向に対して４０°未満の方向に圧電ファイバを傾斜させることにより、４５°の対角傾斜角よりも少なくとも２倍大きい角変形を得ることが可能になるということが分かる。

最後に、電極担持層を通過する、アクチュエータが適用される部材への力の伝達は、剛性の要素、剛性の接着剤を通じて全体的に行われる。これらの要素は、したがって、ファイバによって誘起された力に変形せずに耐えるために高い引張係数を有しなければならない。他方、この伝達モードは、従来の実施例に存在するように、活性層とサンドイッチの他の要素との間で力を伝達する働きをする接着剤の層におけるせん断強さによって生じる損失がなくなる。

有利には、前記選択された方向に対する前記圧電ファイバの傾斜角は、１０°未満である。これは、ファイバの傾斜が減少し、この傾斜から開始して、理論的に４５°に対して得られる値よりも４倍大きいとき、角変形が大幅に増大するためである。

好ましくは、圧電ファイバは、せん断弾性係数が１０ＭＰａ未満である弾性材料によって電極担持層に接続される。このエラストマーの層により、圧電ファイバと電極との間の距離を実質的に一定に保つことによって電気絶縁破壊を避けることが可能になる。他方、その低い係数は、それがファイバの運動に対して低いせん断強さに対抗することを意味し、したがって、アクチュエータによって及ぼされた力をそれが少しだけ低減することを意味する。

好ましくは、電極担持層は、ポリイミドから製造された非導電材料から製作される。この種類の材料は、動作時のアクチュエータによって加えられる角度せん断によく耐える。

有利には、前記活性層の選択された方向に対して平行であるアクチュエータの２つの縁部は、各々、前記非変形可能な要素のうちの１つによって形成される。この構成は、とりわけ、これらの２つの非変形可能な要素によって作動部材だけに運動を伝達することができるという利点を有する。

本発明は、選択された方向に大きなせん断運動を有し、相互に平行であり前記方向に対して傾斜された圧電ファイバを備えた少なくとも１つの活性層を備えるサンドイッチ構造を有する圧電アクチュエータを製作するための方法であって、前記活性層が、命令を受けて前記ファイバの長さを変動させることができるように配設された少なくとも２つの電極担持層の間に配置される、方法にも関する。この方法は、
− 前記活性層を
・ 前記選択された方向に対して傾斜角が２°よりも大きく、４０°よりも小さい前記圧電ファイバを位置決めするステップと、
・ 絶縁耐力が前記ファイバの絶縁耐力よりも大きい非圧縮性の弾性材料で圧電ファイバ間の空間を埋めるステップと、
・ 前記選択された方向に対して平行に、前記非変形可能な要素から少なくとも２つの要素を配置するステップであって、これらの要素が、細長く、引張係数が少なくとも２００ＧＰａである、配置するステップと、
・ 前記ファイバの各々の両端を前記非変形可能な要素に剛性の接着剤により接着接合するステップとによって製作し、
− 前記非変形可能な要素を前記電極担持層に剛性の接着剤により接着接合する操作を特徴とする。

有利には、圧電ファイバを位置決めするステップは、実質的に活性層の寸法に合わせて製造された前記圧電ファイバを構成する材料のシートを切り取るステップによって実施される。

好ましくは、非変形可能な要素は、弾性材料の帯によって分離された圧電ファイバから、その全体の範囲にわたって、構成された活性層の寸法に実質的に合わせてシート内のせん断方向に形成された溝に配置される。

これらの最後の２つの特徴により、ブロックを製作することにより、時間を節約し、同時に、要素の通常の位置決めとアクチュエータのその表面上の平坦性とを確実にすることが可能になる。

本発明は、上記のような、圧電アクチュエータを備える、少なくとも部分的に変形可能な空気力学的要素にも関する。

添付の図面を参照して以下の説明を読むことにより、本発明はよりよく理解されるであろうし、本発明の他の詳細、特徴又は利点はより明らかとなるであろう。

本発明による、長方形平面アクチュエータの重ね合わせた層における構造を概略的に示す図である。 アクチュエータを構成する様々な層を概略的に示す分解図である。 圧電ファイバを含む活性層の概略的詳細を示す図である。 活性層と電極担持層との間の接続をもたらす中間層の概略的詳細を示す図である。 連結された剛性の支持構造体の、その対角線の伸長を受ける理論的変形を概略的に例示する図である。 対角線の傾斜の様々な値に対して得られた、剛性の支持構造体（Ｃ１）の角変形と、エラストマー（Ｃ２）によって接続された２つの剛性の条材によって形成されたサンドイッチの角度変形との概略的比較を示すグラフである。 本発明によるアクチュエータを製造するステップを概略的に示す図である。

図１に示す平面アクチュエータの実例は、方向Ｚにおける厚さｔの、方向Ｘにおける長さｌの、及び方向Ｙにおける幅ｗの長方形を有し、長さｌはその最大の寸法を表す。このアクチュエータは、以下の要素、すなわち、
− 中央の平面ＸＹにおいて、圧電ファイバ２を備える層１と、
− 方向Ｚのいずれかの側に配置された圧電ファイバ２を作動させる電極５を担持する平面層３及び４と、
− 中央層と電極担持層との間の接続をもたらす接着剤の中間層６及び７とから構成されたサンドイッチ構造を有する。

中央層１（図２）は、圧電ファイバ２を備える帯の及び糸状の条材８の方向Ｙの交互から構成される。中央層１の方向Ｘの各長辺は、糸状の条材によって形成される。この層は、好ましくは、厚さが約１８０μｍである。

糸状の条材８は、幅がおよそ３５０μｍの長方形断面を有し、方向Ｘの長辺に対して平行であり、例えば、１〜２ｍｍだけ離隔される。これらの糸状の条材８は、少なくとも２００ＧＰａの高い引張係数を有する、高絶縁材料から作製され、それによって、それらを非変形可能な要素にする。炭化ケイ素やホウ素などの、高い絶縁耐力と高い引張係数とを有する材料が、好ましくは、使用される。

これらの糸状の条材８の間に、長方形断面を有する圧電ファイバ２が配設され、方向Ｘと角度θをなす。この角度は、２°から４０°の間の範囲で選択される。選択された値によるアクチュエータの特性は、その機能の説明の間に後で開示される。例えば、これらのファイバの幅はおよそ１５０μである。これらのファイバ２の材料は、好ましくは、以下の表、すなわち、ＰＺＴ−ＳＡ、ＰＺＴ−５Ｈ又はＰＭＮ−３２％ＰＴ単結晶から選ばれるＭＦＣ（マクロファイバ複合体）の種類である。

圧電ファイバ２は、それの両端においてエポキシ剛性接着剤９により糸状の条材８に接着接合される

２つのファイバ２の間の間隙は、好ましくは非圧縮性であり、低いせん断弾性係数、好ましくは２０ＭＰａ未満のエラストマー１０で埋められる。このエラストマー１０の絶縁耐力も、好ましくは、圧電ファイバ２の絶縁耐力よりも大きい。２つのファイバ２の間のエラストマー１０の帯の幅は、好ましくは、約５５μである。これらの間隙の最小幅は、第一に、エラストマーがアクチュエータの変形に耐えることが必要であることによって制限され、第二に、このエラストマー１０の絶縁耐力によって制限され、したがって、圧電ファイバ２上の互いに反対の極性を有する領域の間には電気絶縁破壊が何もない。

電極５を担持する平面層３、４は、Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）の種類のポリイミド材料の薄膜によって形成される。好ましくは、膜の厚さは約０．３ｍｍである。電極は、平面層の膜に埋め込まれ、２つの一連の細長い相互嵌合された電極（最上層３の５１と５２及び最下層４の５３と５４）によって形成される。これらの電極５は圧電ファイバ２に垂直に配向される。

圧電ファイバの層１と電極担持層３及び４との間に接続をもたらす中間層６及び７は、図３に示すように、
− 圧電ファイバ２によって占有される空間において、低いせん断弾性係数、典型的には１０ＭＰａ未満のエラストマー１１によって、及び
− 糸状の条材８において、エポキシの種類の剛性接着剤によって、方向Ｘの平行帯から構成される。

これらの層の厚さ、例えばおよそ２０μは、糸状の条材８と電極担持層４及び５との間の剛性の接続を確実にするのに必要な厚さに制限される。

本発明によるアクチュエータの機能は、圧電ファイバ２が、Ｋａｐｔｏｎから作製された電極担持層４及び５にしっかり固定され相互嵌合された電極５１、５２、５３及び５４を用いて通電されるとき、ファイバ２が、互いに反対方向に動く、糸状の条材８上のそれらの両端の各々において耐えながら、伸長するようなものである。

意外にも、糸状の条材８と圧電ファイバ２の間に配置されたエラストマー１０とによって形成された組立品は、実質的に、剛性の縁部を有し、その対角線が糸状の条材８からなる長辺に対して角度θだけ傾斜されている変形可能な支持構造体として挙動する。図５に示すそのような支持構造体が、その対角線の方向に加えられた縦方向の変形ε_Ｌを受けるとき、得られた角変形γは、この対角線の傾斜が減少するとき、非常に迅速に増大する。図６は、解析計算（Ｃ１）による剛性の支持構造体と、数値計算（Ｃ２）による圧電ファイバ２の間に使用されるエラストマーと同様のエラストマーによって接続される２つの剛性の要素からなる支持構造体との、８００μｄｅｆに等しい変形ε_Ｌに対して得られた角変形の値γの比較を示す。角変形の非常に類似した結果により、活性層１が実質的に、ファイバ２の間に位置するエラストマー１０を用いて連結された剛性の支持構造体として挙動できることが示される。

さらに、これらの結果は、圧電ファイバ２の所与の伸長に対して、ファイバの傾斜が小さいとき、認め得るほどにより大きな角変形を得ることが可能であることを例示する。さらに、このせん断は、電極担持Ｋａｐｔｏｎ層が高い剛性係数を有するエポキシ接着剤１２によって糸状の条材８に接着接合されるので、電極担持Ｋａｐｔｏｎ層に伝達される。

さらに、ファイバの伸長に対抗する力が低ければ低いほど、そのような伸長が大きくなる。アクチュエータによってその中心に生じるせん断は、したがって、
− 圧電ファイバ２の間のエラストマー９のせん断弾性係数が小さく、したがって、糸状の条材８により形成された支持構造体の剛性が低減し、
− ファイバ２を電極担持層３及び４に接続するエラストマー１１のせん断弾性係数が小さく、したがって、圧電ファイバの変形に対する電極担持層の剛性の影響が低減するとき、より大きい。

ファイバ２の仕事に対抗する組立品の剛性の評価のため及び小さい角度θに対する角変形値γのため、本発明によるアクチュエータは、好ましくは、ファイバの傾斜を１０°未満にして製作される。しかし、この角度が小さければ小さいほど、所与のアクチュエータの表面積に対するファイバ２の数が小さくなる。したがって、それ未満では、ファイバによって及ぼされた力が糸状の条材８の間のエラストマー９のせん断を克服するのに十分でない値があるように見える。この傾斜よりも２°未満への制限が、本明細書では実際的な実施例のために固定されるのはこの理由のためである。

本発明によるセンサに期待できる性能を例示するために、１０°で傾斜された圧電ファイバによって接続された２つの糸状の条材８によって形成される基本モジュールの応答をモデル化する計算が実行された。２つのモジュールは、それらの長さ及び幅のため異なり、すなわち、長さ及び幅は第１が５．２ｘ１．２ｍｍ、第２が１０．５ｘ２．２ｍｍである。それ以外の場合、以下の表にまとめられたその他の特性は同じである。

他の寸法特性は、実施例の説明において実例としてすでに引用されている寸法特性である。圧電ファイバ２は、およそ８００μｄｅｆのε_Ｌと表される、ファイバ伸長を得るように、１０００ボルトのＰＺＴ５Ａから作製される。電極担持層３及び４はＫａｐｔｏｎから作製される。

角変形は、電極担持層３を形成するＫａｐｔｏｎ膜の中心で評価される。この値は、従来技術によるセンサを用いて得られた値と比較され、そのファイバは、４５°で傾斜され、１０００Ｖの電圧も受ける。このセンサは、長さが８５ｍｍ、幅が２８ｍｍである。結果は以下の表に示される。

さらに、前に説明したアクチュエータの実例を製造するための方法を図７に例示する。方法は、初めに、周知の製造方法によって得ることができるような、ポリマー膜１４に接着接合されたＰＺＴのシート１３を使用する。このシートは、最終的に製作されるアクチュエータの活性層１の寸法通りである。

第１のステップＡは、シートの長辺に対して角度θだけ傾斜された圧電ファイバの平行片２を形成するために、このシートを切り取るステップからなる。ファイバ２の分離は、アクチュエータにおけるそれらの分離に対応する。さらに、組立品を支持するポリマー膜１４を切り取る全ステップは省略される。

ステップＢにおいて、圧電ファイバ２の間の隙間を活性層１のエラストマー１０で埋める。

ステップＣにおいて、糸状の条材８があるのと同じだけの数の位置に縦溝を形成するために、ポリマー膜１４を侵さずにファイバ２及びエラストマー１０を切り取るステップが組立品の長さの方向に実行される。

ステップＤは、ファイバ２を備える縦帯上に保護カバー１５を堆積させるステップからなる。

ステップＥは、糸状の条材８を縦方向の位置に配置するステップ及びそれらをエポキシ接着剤９により圧電ファイバ２に接着接合するステップからなる。

ステップＦは保護カバー１５を除去するステップからなる。

ステップＧは、糸状の条材８に対向して、このようにして作製された活性層１の最上面上にエポキシ接着剤１２の膜を配置するステップ及び弾性膜１１を圧電ファイバ２を含む帯に対向して配置するステップからなる。

ステップＨは、電極担持層３にその電極５を配置し、次いで、電極担持層３を膜１２及び１１の重合によって活性層１に接続するステップからなる。

ステップＩの間、ポリマー膜が除去され、次いで、ステップＪにおいて、このようにして得られた２つの層が反転される。

次に、ステップＧ及びＨが、第２の電極担持層４を配置するために、活性層１の他方の側で実施される。

この種類のアクチュエータは、有利には、航空適用例に、具体的には、空気力学的要素の形状を変更するのに使用することができる。例えば、特許文献２は、実質的に翼幅の方向に向いたスロットのまわりに位置した部品の相対的滑りによってねじりを伴ってそれを変形するために、回転翼の羽根の構造体に挿入される平面アクチュエータの使用を説明している。さらに、羽根の回転の間、滑りの大きさを制御しなければならない。本発明によるアクチュエータは、すでにこの適用例において予測されている圧電の種類の平面アクチュエータに容易に置き換えることができる。一般論として、空気力学的要素の一部が所与の位置を中心にした滑り又は回転運動を実施しなればならず、アクチュエータに割り当てられた空間が小さいときはいつでも、本発明を適用することができる。

Claims (9)

1. 選択された方向に大きなせん断運動を有する圧電アクチュエータであって、相互に平行であって前記方向に対して傾斜された複数の圧電ファイバ（２）を備えた少なくとも１つの活性層（１）を備え、前記活性層が、命令を受けて前記複数の圧電ファイバ（２）の長さを変動させることができるように配設された電極（５）を担持する少なくとも２つの電極担持層（３、４）の間に配置されている、サンドイッチ構造を有する、圧電アクチュエータにおいて、
   前記選択された方向に対する前記複数の圧電ファイバの傾斜角が、２°より大きく４０°より小さく、
   前記活性層内の複数の圧電ファイバの間の空間が、絶縁耐力が前記複数の圧電ファイバの絶縁耐力よりも大きい非圧縮性の弾性材料（１０）で埋められ、
   前記活性層が、少なくとも２つの変形不可能要素（８）を備え、前記変形不可能要素が、細長く、前記選択された方向に対して平行であり、引張係数が少なくとも２００ＧＰａであり、
   前記複数の圧電ファイバ（２）の各々の両端が、剛性の接着剤（９）を用いて前記変形不可能要素（８）に接着接合され、
   前記変形不可能要素（８）が、剛性の接着剤（１２）により電極を担持する前記電極担持層（４）に接着接合されている、
   ことを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記選択された方向に対する前記複数の圧電ファイバ（２）の前記傾斜角が、１０°未満である、ことを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記複数の圧電ファイバ（２）が、せん断弾性係数が１０ＭＰａ未満である弾性材料（１１）によって前記電極担持層（４）に接続されている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のアクチュエータ。
4. 前記電極担持層（４）が、ポリイミドから製造された非導電材料から生産されている、ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
5. 前記活性層の前記選択された方向に対して平行である２つの縁部が、各々、前記少なくとも２つの変形不可能要素（８）のうちの１つによって形成されている、ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
6. 選択された方向に大きなせん断運動を有する圧電アクチュエータを生産するための方法であって、相互に平行であって前記方向に対して傾斜された複数の圧電ファイバ（２）を備えた少なくとも１つの活性層（１）を備え、前記活性層（１）が、命令を受けて前記複数の圧電ファイバの長さを変動させることができるように配設された電極（５）を担持する少なくとも２つの電極担持層（４）の間に配置されている、サンドイッチ構造を有する圧電アクチュエータ方法を生産する方法において、
   １つの前記活性層（１）を
   前記選択された方向に対して傾斜角を２°より大きく４０°より小さくして前記複数の圧電ファイバ（２）を位置決めするステップと、
   複数の圧電ファイバの間の空間を絶縁耐力が前記複数の圧電ファイバの絶縁耐力よりも大きい非圧縮性の弾性材料（１０）で埋めるステップと、
   少なくとも２つの変形不可能要素（８）を前記選択された方向に対して平行に配置するステップであって、前記変形不可能要素が細長く、引張係数が少なくとも２００ＧＰａである、ステップと、
   剛性の接着剤（９）により、前記複数の圧電ファイバ（２）の各々の両端を前記変形不可能要素（８）に接着接合するステップと
   によって生産する操作と、
   剛性の接着剤（１２）により、電極（５）を担持する前記電極担持層（４）に前記変形不可能要素（８）を接着接合する操作と
   を特徴とする方法。
7. 前記複数の圧電ファイバ（２）を位置決めする前記ステップが、実質的に前記活性層（１）の寸法に合わせて製造された前記複数の圧電ファイバを構成する材料のシート（１３）を切り取るステップによって実施される、請求項６に記載の方法。
8. 前記変形不可能要素（８）が、弾性材料（１０）の帯によって分離された前記複数の圧電ファイバ（２）から、シートの全体の範囲にわたって、構成された前記活性層（１）の寸法に実質的に合わせて、シートにおけるせん断方向に形成された溝に配置される、請求項６又は７に記載の方法。
9. 請求項１から５のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータを備えた少なくとも部分的に変形可能な空気力学的要素。