JPH0616197A - 宇宙構造物の振動制御用ピエゾアクチュエータ - Google Patents
宇宙構造物の振動制御用ピエゾアクチュエータInfo
- Publication number
- JPH0616197A JPH0616197A JP3296009A JP29600991A JPH0616197A JP H0616197 A JPH0616197 A JP H0616197A JP 3296009 A JP3296009 A JP 3296009A JP 29600991 A JP29600991 A JP 29600991A JP H0616197 A JPH0616197 A JP H0616197A
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- JP
- Japan
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- actuator
- piezoelectric elements
- piezoelectric
- space structure
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- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】高精度な動的安定性を要求される宇宙構造物の
振動を能動的に制御し、外乱に対して安定なシステムを
構築することを目的とする振動制御用アクチュエータ。 【構成】本発明のアクチュエータは、圧電素子を数個直
列に実装し、プリロードによる圧縮力を加えられてい
る。内部に実装した変位センサの出力より、圧電素子に
加える電圧が外部のコントローラにより決定され、数１
０〜数１００Ｋｇｆの制御軸力を発生することが可能で
ある。アクチュエータは、外筒及び内筒の摺動によって
内部の圧電素子の剪断破壊を防止し、かつ圧電素子の種
類・数を任意に決定できるため、適用する構造物に合わ
せて制御最大量を任意に定めることができる。
振動を能動的に制御し、外乱に対して安定なシステムを
構築することを目的とする振動制御用アクチュエータ。 【構成】本発明のアクチュエータは、圧電素子を数個直
列に実装し、プリロードによる圧縮力を加えられてい
る。内部に実装した変位センサの出力より、圧電素子に
加える電圧が外部のコントローラにより決定され、数１
０〜数１００Ｋｇｆの制御軸力を発生することが可能で
ある。アクチュエータは、外筒及び内筒の摺動によって
内部の圧電素子の剪断破壊を防止し、かつ圧電素子の種
類・数を任意に決定できるため、適用する構造物に合わ
せて制御最大量を任意に定めることができる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、宇宙構造物、特にトラ
ス構造の部材の途中に組みこまれるピエゾアクチュエー
タに関する。
ス構造の部材の途中に組みこまれるピエゾアクチュエー
タに関する。
【０００２】
【従来の技術】宇宙構造物を振動制御するアクチュエー
タとしては、従来、（１）リファレンス（ア）に記載さ
れている集中質量を移動させその反作用を利用するプル
ークマスタイプ、（２）リファレンス（イ）に記載され
ているワイヤー等の張力腱で引っぱり、モーメントを利
用するテンドンタイプ、（３）リファレンス（ウ）に記
載されている部材の結合の接続・切離しによる能動部材
剛性制御タイプ、（４）リファレンス（エ）及び（オ）
に記載されている部材の伸縮による軸力を用いる能動部
材軸力制御タイプの４つの方法がある。
タとしては、従来、（１）リファレンス（ア）に記載さ
れている集中質量を移動させその反作用を利用するプル
ークマスタイプ、（２）リファレンス（イ）に記載され
ているワイヤー等の張力腱で引っぱり、モーメントを利
用するテンドンタイプ、（３）リファレンス（ウ）に記
載されている部材の結合の接続・切離しによる能動部材
剛性制御タイプ、（４）リファレンス（エ）及び（オ）
に記載されている部材の伸縮による軸力を用いる能動部
材軸力制御タイプの４つの方法がある。
【０００３】前述のリファレンス（１）〜（５）は以下
のとおりである。 （ア）「慣性アクチュエータによる構造物制振実験（そ
の１）安定解析」 １９８７年，３１回宇宙科学連合講演会，Ｐ２５６ （イ）「柔軟はりのテンドンを用いた振動制御実験」 １９８６年，３０回宇宙科学連合講演会，Ｐ５２８，室
津他 （ウ）「可変剛性部材によるトラス構造の振動制御」 １９８９年，３１回構造強度に関する講演会，Ｐ９７，
小野田，渡辺，遠藤，玉置 （エ）「ラッチ機構つきアクチュエータ部材によるトラ
ス構造物の振動制御」 １９８９年，３３回宇宙科学連合講演会，Ｐ１５０，室
橋，名取，市田，桑尾，高原 （オ）“Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａｎ Ａｃｔ
ｉｖｅ ＭｅｍｂｅｒＵｓｉｎｇ Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃ
ｔｒｉｃ Ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅ
Ａｃｔｕａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ
ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ”，Ｅ．
Ｈ．Ａｎｄｅｒｓｏｎ，Ｄ．Ｍ．Ｍｏｏｒｅ ＆ Ｊ．
Ｌ．Ｆａｎｓｏｎ（ＪＰＬ），Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，
Ｓｔｒａｃｔｕｒａｌ Ｄｙｎａｍｉｃｓ，Ｍａｔｅｒ
ｉａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．
のとおりである。 （ア）「慣性アクチュエータによる構造物制振実験（そ
の１）安定解析」 １９８７年，３１回宇宙科学連合講演会，Ｐ２５６ （イ）「柔軟はりのテンドンを用いた振動制御実験」 １９８６年，３０回宇宙科学連合講演会，Ｐ５２８，室
津他 （ウ）「可変剛性部材によるトラス構造の振動制御」 １９８９年，３１回構造強度に関する講演会，Ｐ９７，
小野田，渡辺，遠藤，玉置 （エ）「ラッチ機構つきアクチュエータ部材によるトラ
ス構造物の振動制御」 １９８９年，３３回宇宙科学連合講演会，Ｐ１５０，室
橋，名取，市田，桑尾，高原 （オ）“Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ａｎ Ａｃｔ
ｉｖｅ ＭｅｍｂｅｒＵｓｉｎｇ Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃ
ｔｒｉｃ Ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅ
Ａｃｔｕａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ
ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ”，Ｅ．
Ｈ．Ａｎｄｅｒｓｏｎ，Ｄ．Ｍ．Ｍｏｏｒｅ ＆ Ｊ．
Ｌ．Ｆａｎｓｏｎ（ＪＰＬ），Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ，
Ｓｔｒａｃｔｕｒａｌ Ｄｙｎａｍｉｃｓ，Ｍａｔｅｒ
ｉａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．
【発明が解決しようとする課題】前述の（１）の方法
は、質量の加速度による慣性力を用いるため、低周波の
振動を抑制するには、質量を大きくするか、加速度を大
きくするかの両方法があるが、前者は、システムの重量
増加になり、後者は、ストロークを大きくするため、装
置が大きくなるという問題点があった。前述の（２）の
方法は、テンドンを構成する張力ワイヤを構造物長手方
法に設置する必要があり、実装上の課題がある。前述の
（３）の方法は、部材として組みこむことができ、コン
パクトであるが、構造的な結合が断続的に切れるため、
通常時のラッチ時の位置決めに課題が生ずる。
は、質量の加速度による慣性力を用いるため、低周波の
振動を抑制するには、質量を大きくするか、加速度を大
きくするかの両方法があるが、前者は、システムの重量
増加になり、後者は、ストロークを大きくするため、装
置が大きくなるという問題点があった。前述の（２）の
方法は、テンドンを構成する張力ワイヤを構造物長手方
法に設置する必要があり、実装上の課題がある。前述の
（３）の方法は、部材として組みこむことができ、コン
パクトであるが、構造的な結合が断続的に切れるため、
通常時のラッチ時の位置決めに課題が生ずる。
【０００４】前述の（４）の方法は、前述の（３）と同
じくコンパクト性にすぐれ、制御時も部材としての構造
的な結合を保持しているため、通常時の位置決めに全く
支障はないが、磁気コイル等の駆動力を用いているた
め、構造剛性が小さいという課題があった。そのため、
ラッチピンを用いて、通常時はロックする方法（リファ
レンス（エ））があるが、新たにロックメカニズムが必
要となり、複雑になる。また、圧電素子を用いるタイプ
（リファレンス（オ））があり、この場合は通常時・制
御時の剛性・グリップには問題なく、また発生する制御
力も大きい。しかしながら構造が複雑である欠点を有す
る。
じくコンパクト性にすぐれ、制御時も部材としての構造
的な結合を保持しているため、通常時の位置決めに全く
支障はないが、磁気コイル等の駆動力を用いているた
め、構造剛性が小さいという課題があった。そのため、
ラッチピンを用いて、通常時はロックする方法（リファ
レンス（エ））があるが、新たにロックメカニズムが必
要となり、複雑になる。また、圧電素子を用いるタイプ
（リファレンス（オ））があり、この場合は通常時・制
御時の剛性・グリップには問題なく、また発生する制御
力も大きい。しかしながら構造が複雑である欠点を有す
る。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明の宇宙構造物の振
動制御用ピエゾアクチュエータは、リファレンス（オ）
のタイプに属するものであるが、このリファレンス
（オ）のアクチュエータが、一体の圧電素子を用い、圧
電素子に加わる剪断力を、ピヴットで吸収するのと異な
り、複数個の圧電素子を直列につなげて、伸長量及び発
生力をチューニングし、かつ、内筒と外筒の接触によっ
て剪断力を吸収する機構を備えている。
動制御用ピエゾアクチュエータは、リファレンス（オ）
のタイプに属するものであるが、このリファレンス
（オ）のアクチュエータが、一体の圧電素子を用い、圧
電素子に加わる剪断力を、ピヴットで吸収するのと異な
り、複数個の圧電素子を直列につなげて、伸長量及び発
生力をチューニングし、かつ、内筒と外筒の接触によっ
て剪断力を吸収する機構を備えている。
【０００６】
【実施例】図１は本発明のアクチュエータの断面図であ
る。１は圧電素子であり、スペーサ２によって、はさま
れ、プリロードスプリング６によって初期圧縮を受けて
いる。圧電素子１の種類（断面積，圧電係数，長さ，及
び個数）は任意に決められるため、アクチュエータの性
能を任意にチューニング可能である。外筒３と内筒４
は、すきまばめ程度のクリアランスによって、摺動する
とともに、アクチュエータに剪断力及び曲げモーメント
が加わった際の圧電素子１に対する影響を抑制してい
る。ロッド（１）７は、センサハウジング５を介して、
外筒３と機械的に結合され、ロッド（２）８は、内筒４
と結合されている。変位センサ９は、アクチュエータ全
体の伸縮変位を測定し、制御用の信号をフィードバック
するためのセンサである。
る。１は圧電素子であり、スペーサ２によって、はさま
れ、プリロードスプリング６によって初期圧縮を受けて
いる。圧電素子１の種類（断面積，圧電係数，長さ，及
び個数）は任意に決められるため、アクチュエータの性
能を任意にチューニング可能である。外筒３と内筒４
は、すきまばめ程度のクリアランスによって、摺動する
とともに、アクチュエータに剪断力及び曲げモーメント
が加わった際の圧電素子１に対する影響を抑制してい
る。ロッド（１）７は、センサハウジング５を介して、
外筒３と機械的に結合され、ロッド（２）８は、内筒４
と結合されている。変位センサ９は、アクチュエータ全
体の伸縮変位を測定し、制御用の信号をフィードバック
するためのセンサである。
【０００７】図２に、例として、トラスに実装された３
個のアクチュエータＧ，Ｈ及びＩの使用例を示す。この
様な構造物に外乱が加わったときに、アクチュエータは
変位センサ９によって、振動によるアクチュエータの伸
縮量及びその微分値による伸縮速度量を検知し、その信
号をコントローラに転送する。コントローラは、そのセ
ンサの値（変位，速度）より、振動を抑制する最適な制
御電圧を、各サンプリング時間で決定し、出力する。そ
の出力電圧によって、アクチュエータの圧電素子１が伸
縮し、アクチュエータ両端に、ロッド（１）７，ロッド
（２）８を通じて制御力を発生させ、構造物の振動を迅
速に減衰させ、制御する。外乱は、初期外乱，定常外乱
共に制御可能である。
個のアクチュエータＧ，Ｈ及びＩの使用例を示す。この
様な構造物に外乱が加わったときに、アクチュエータは
変位センサ９によって、振動によるアクチュエータの伸
縮量及びその微分値による伸縮速度量を検知し、その信
号をコントローラに転送する。コントローラは、そのセ
ンサの値（変位，速度）より、振動を抑制する最適な制
御電圧を、各サンプリング時間で決定し、出力する。そ
の出力電圧によって、アクチュエータの圧電素子１が伸
縮し、アクチュエータ両端に、ロッド（１）７，ロッド
（２）８を通じて制御力を発生させ、構造物の振動を迅
速に減衰させ、制御する。外乱は、初期外乱，定常外乱
共に制御可能である。
【０００８】図３に、このような制御を可能にするコン
トローラの一例（最適レギュレータ及び状態推定器を用
いたもの）を示す。図１（Ｂ）に図２の様な構造物に対
し、本発明のアクチュエータを２個ないしは３個使用
し、図３の様なコントローラを適用したときの制御効果
を示す。点線は、自由振動応答の伝達関数であるが、こ
れに対し、３本のアクチュエータを使用した場合（実
線），２本のアクチュエータを使用した場合（破線）の
伝達関数は共振時の応答を６０ｄＢ〜８０ｄＢ程度減少
させ、外乱に対して非常に安定なシステムを構築するこ
とができる。
トローラの一例（最適レギュレータ及び状態推定器を用
いたもの）を示す。図１（Ｂ）に図２の様な構造物に対
し、本発明のアクチュエータを２個ないしは３個使用
し、図３の様なコントローラを適用したときの制御効果
を示す。点線は、自由振動応答の伝達関数であるが、こ
れに対し、３本のアクチュエータを使用した場合（実
線），２本のアクチュエータを使用した場合（破線）の
伝達関数は共振時の応答を６０ｄＢ〜８０ｄＢ程度減少
させ、外乱に対して非常に安定なシステムを構築するこ
とができる。
【０００９】このようにこの実施例のピエゾアクチュエ
ータは、前上の従来例の（４）の方法、特にリファレン
ス（オ）のタイプに分類されるものであるが、アクチュ
エータとして圧電素子セラミックを用いて軸力を発生し
ているため、発生する軸力は、磁気コイル等と比較して
非常に大きい。また、通常時の非制御時においては、圧
電素子のヤング率は、４０００Ｋｇｆ／ｍｍ2 程度と大
きいため、宇宙構造物の剛性を低下させることはない。
機械環境についても、圧電素子は、引張力には強度が低
いが、圧縮力には９０Ｋｇｆ／ｍｍ2 程度と非常に強い
ため、プリロード圧縮力を加えておけば問題はない。
ータは、前上の従来例の（４）の方法、特にリファレン
ス（オ）のタイプに分類されるものであるが、アクチュ
エータとして圧電素子セラミックを用いて軸力を発生し
ているため、発生する軸力は、磁気コイル等と比較して
非常に大きい。また、通常時の非制御時においては、圧
電素子のヤング率は、４０００Ｋｇｆ／ｍｍ2 程度と大
きいため、宇宙構造物の剛性を低下させることはない。
機械環境についても、圧電素子は、引張力には強度が低
いが、圧縮力には９０Ｋｇｆ／ｍｍ2 程度と非常に強い
ため、プリロード圧縮力を加えておけば問題はない。
【００１０】また、数個の圧電素子を直列につなげて、
制御時の最大伸縮量、及び最大制御力を容易にチューニ
ング可能である。また、圧電素子に加わる剪断力を、内
筒と外筒によって吸収しているため、それを防止する他
のメカニズムを付加する必要がない。
制御時の最大伸縮量、及び最大制御力を容易にチューニ
ング可能である。また、圧電素子に加わる剪断力を、内
筒と外筒によって吸収しているため、それを防止する他
のメカニズムを付加する必要がない。
【００１１】
【発明の効果】以上説明してきたように本発明のピエゾ
アクチュエータは、従来例で示した（１）〜（３）の方
法に比べて、軽量でかつ、大きな制御力を発生でき、か
つ、従来例で示した（４）の方法に属する他のアクチュ
エータと比較し、機構が単純で、性能のチューニングが
容易になる。
アクチュエータは、従来例で示した（１）〜（３）の方
法に比べて、軽量でかつ、大きな制御力を発生でき、か
つ、従来例で示した（４）の方法に属する他のアクチュ
エータと比較し、機構が単純で、性能のチューニングが
容易になる。
【００１２】また本発明のピエゾアクチュエータは、宇
宙構造物の外乱による振動を迅速に減衰させ、かつ定常
的に加わる微少な外乱による有害な定常振動の大きさ
を、大きく制御することができ、結果として動的に安定
な宇宙システムを構築することが可能である。
宙構造物の外乱による振動を迅速に減衰させ、かつ定常
的に加わる微少な外乱による有害な定常振動の大きさ
を、大きく制御することができ、結果として動的に安定
な宇宙システムを構築することが可能である。
【００１３】図１（Ｂ）に示した例では、６０ｄＢ〜８
０ｄＢの制御性能が得られるが、この量は、内部の圧電
素子の種類・個数によって任意にチューニング可能であ
り、大規模な宇宙構造物から、小規模な精密システム
（例えば、光学系トラスベンチ等）に適用可能である。
０ｄＢの制御性能が得られるが、この量は、内部の圧電
素子の種類・個数によって任意にチューニング可能であ
り、大規模な宇宙構造物から、小規模な精密システム
（例えば、光学系トラスベンチ等）に適用可能である。
【図１】（Ａ）は本発明の振動制御用アクチュエータの
断面図。（Ｂ）は本発明の振動制御用アクチュエータに
よる制御効果の例。
断面図。（Ｂ）は本発明の振動制御用アクチュエータに
よる制御効果の例。
【図２】本発明の振動制御用アクチュエータの構造物へ
の実装例。
の実装例。
【図３】本発明の振動制御用アクチュエータを用いた最
適レギュレータによるコントローラの例。
適レギュレータによるコントローラの例。
１ 圧電素子 ２ スペーサ ３ 外筒 ４ 内筒 ５ センサハウジング ６ プリロードスプリング ７，８ ロッド ９ 変位センサ
Claims (1)
- 【請求項１】 内筒と外筒とにはさまれ、直列に配置さ
れた複数個の圧電素子を有することを特徴とする宇宙構
造物の振動制御用のピエゾアクチュエータ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3296009A JP2937585B2 (ja) | 1991-11-12 | 1991-11-12 | 宇宙構造物の振動制御用ピエゾアクチュエータ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3296009A JP2937585B2 (ja) | 1991-11-12 | 1991-11-12 | 宇宙構造物の振動制御用ピエゾアクチュエータ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0616197A true JPH0616197A (ja) | 1994-01-25 |
| JP2937585B2 JP2937585B2 (ja) | 1999-08-23 |
Family
ID=17827950
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3296009A Expired - Lifetime JP2937585B2 (ja) | 1991-11-12 | 1991-11-12 | 宇宙構造物の振動制御用ピエゾアクチュエータ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2937585B2 (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH1154813A (ja) * | 1997-08-01 | 1999-02-26 | Honda Motor Co Ltd | フレームの剛性制御装置 |
| JPH11257419A (ja) * | 1998-03-12 | 1999-09-21 | Fujita Corp | アクティブ型除振装置 |
| CN106516104A (zh) * | 2016-11-30 | 2017-03-22 | 哈尔滨工业大学 | 用于降低旋翼振动的装置 |
| JP2018087580A (ja) * | 2016-11-28 | 2018-06-07 | 株式会社免制震ディバイス | マスダンパー |
| JP2018526535A (ja) * | 2015-08-03 | 2018-09-13 | メイド イン スペース、インコーポレイテッド | 宇宙船装置の宇宙内製造および組み立てならびに技術 |
| CN112986704A (zh) * | 2021-02-24 | 2021-06-18 | 电子科技大学 | 一种基于原子力显微镜的纵向压电系数测量方法 |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107834892B (zh) * | 2017-09-27 | 2019-08-06 | 哈尔滨工业大学 | 一种谐振式传感的压电叠堆传感执行器 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01263332A (ja) * | 1988-04-15 | 1989-10-19 | Michihiro Natori | トラス構造体の振動制御装置 |
| JPH0314798A (ja) * | 1989-06-13 | 1991-01-23 | Junjiro Onoda | 可変剛性能動部材 |
-
1991
- 1991-11-12 JP JP3296009A patent/JP2937585B2/ja not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| JPH01263332A (ja) * | 1988-04-15 | 1989-10-19 | Michihiro Natori | トラス構造体の振動制御装置 |
| JPH0314798A (ja) * | 1989-06-13 | 1991-01-23 | Junjiro Onoda | 可変剛性能動部材 |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JPH1154813A (ja) * | 1997-08-01 | 1999-02-26 | Honda Motor Co Ltd | フレームの剛性制御装置 |
| JPH11257419A (ja) * | 1998-03-12 | 1999-09-21 | Fujita Corp | アクティブ型除振装置 |
| JP2018526535A (ja) * | 2015-08-03 | 2018-09-13 | メイド イン スペース、インコーポレイテッド | 宇宙船装置の宇宙内製造および組み立てならびに技術 |
| JP2018087580A (ja) * | 2016-11-28 | 2018-06-07 | 株式会社免制震ディバイス | マスダンパー |
| CN106516104A (zh) * | 2016-11-30 | 2017-03-22 | 哈尔滨工业大学 | 用于降低旋翼振动的装置 |
| CN112986704A (zh) * | 2021-02-24 | 2021-06-18 | 电子科技大学 | 一种基于原子力显微镜的纵向压电系数测量方法 |
| CN112986704B (zh) * | 2021-02-24 | 2022-05-03 | 电子科技大学 | 一种基于原子力显微镜的纵向压电系数测量方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2937585B2 (ja) | 1999-08-23 |
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