JP6778958B2 - 曲げ剛性の高い変位コネクタおよびそれからなる圧電アクチュエータ - Google Patents
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Description
HBS2倍組立体またはHBS組立体は、適切にワイヤ付けされた作動素子に取り付けられたHBS2倍コネクタであって、アクチュエータの作製で使われるような台座、基部プレートまたはケーシングは含んではいないものを指す。
図5から図20で分かるように、所定のコネクタの横断面積に対して、図6E、6J、6Sおよび6Wのように、近接して離間した、横断面が三角形の複数の作動素子を備えるHBS組立体により、総耐荷重面積を大きくすることができ、さらに完成された装置の、阻止力、曲げおよび捻り強度を大きくすることができる。したがって、横断面が縦(d33)モードまたは横(d31またはd32)モードの中実三角形またはパイプ型三角形である作動素子も、HBSコネクタで形成可能である。
図21は、本発明の例示的なHBS3倍コネクタ421の上面図、断面図、及び底面図を示す。HBS3倍コネクタ421は、シリンダ型HBS2倍組立体を収容するのに十分に大きな直径の孔423を含む。シリンダ型HBS2倍組立体は、頂部および底部の作動素子のセット(図示せず)を備えたHBS2倍コネクタ(図示せず))を備える。HBS3倍コネクタ421は、所望の横断面形状(図示の例では矩形形状である)を有する作動素子のセット(図示せず)をさらに収容するのに適したコネクタ凹部425を含む。凹部を収容する厚い外殻は、必要な補強効果を提供し、図示された例示的な実施形態の重要な特徴である。
図27は、低から中程度の阻止力の4段(4倍)アクチュエータを作製するためのHBS4倍コネクタ481の設計例を示す。この設計では、中央凹部483は、シリンダ型HBS2倍組立体を収容するために使用され、外殻リング状の凹部485は、HBS2倍の環状組立体を収容するために使用される。厚い外殻及びコネクタ凹部の基部は、必要な補強効果を提供し、本発明の重要な特徴である。
図32は、本発明のHBSコネクタから作製された例示的な派生装置530を示す。これは、Langevin(またはTonpilz)水中プロジェクタを示しており、この図では、図15に示されたものと同様のHBS2倍組立体533が示されている。HBS2倍組立体533は、ヘッドマス535、テールマス537、応力ロッド539、皿ばね541およびロックナット543と共に、Langevin水中プロジェクタのモータ部分として使用される。所定の設計周波数でHBSコネクタおよびその組立体の使用することにより、プロジェクタの全体の高さを低くできるので、低周波(<15KHz)で小型のLangevin水中プロジェクタが実現できる。この例では、HBSコネクタを適切に設計することで、中間質量として作用し、そのような装置の帯域幅を広げることができる。
Claims (32)
- 全体の軸方向の変位および阻止力が大きな多段式軸方向変位圧電アクチュエータを形成する複数の圧電作動素子と共に使用するための小さいフットプリントの高い曲げ剛性のコネクタであって、
前記コネクタは、
第1の基部と、前記第1の基部に対向して実質的に平行な位置にある第2の基部と、を備えた実質的に中実のシリンダ型の構成素子と、
前記第1の基部から実質的に前記コネクタを通って、周方向に延在し、等間隔に離間して配置され、前記第1の基部に垂直な第1の組の複数のコネクタの凹部と、
前記第2の基部から実質的に前記コネクタを通って、周方向に延在し、等間隔に離間して配置されており、前記第2の基部に垂直な第2の組の複数のコネクタの凹部とを備え、 前記第2の組の複数のコネクタの凹部は、前記第1の組の複数のコネクタの凹部と、前記コネクタの周面に沿って、概ね等角度間隔で分布しており、
前記第1の組および第2の組の複数のコネクタの凹部の各々は、1つの圧電作動素子を収容することができ、
前記第1の組および第2の組の複数のコネクタの凹部の各々の横断面は、前記コネクタの凹部が収容する前記圧電作動素子の横断面と実質的に等しく、
前記第1の組および第2の組の複数のコネクタの凹部の各々は、使用時の片持ち梁荷重を避けるために前記コネクタの本体に堅固に接続されている凹部基部を有し、
前記第1の組および第2の組の複数のコネクタの凹部の各々の深さは、好ましくは、前記コネクタの凹部が収容する前記圧電作動素子の長さよりも僅かに短く、さらに、
前記第1の組および第2の組の両方の複数のコネクタの凹部に収容された前記圧電作動素子は、一体で動作し、全体の圧電作動素子の軸方向の変位が個別の圧電素子の軸方向の変位に対して約2倍の変位を生成し、さらに、阻止力が個別の圧電作動素子の阻止力と同等かそれより大きいことを特徴とする、コネクタ。 - 前記コネクタの横断面は、円形、正方形、矩形、多角形、環または環状多角形状のいずれかであることを特徴とする、請求項1に記載のコネクタ。
- 前記第1の組および第2の組の複数のコネクタの凹部の横断面形状は、円形、三角形、正方形、矩形、多角形、Vチャンネル型、Tチャンネル型、またはLチャンネル型形状のうちの1つを含むことを特徴とする、請求項1または2に記載のコネクタ。
- 前記第1の組および第2の組の複数のコネクタの凹部の前記横断面形状は、収容された圧電作動素子の横断面形状とほぼ同じであり、前記第1の組および第2の組の複数のコネクタの凹部の前記横断面形状は、2つ以上の収容された圧電作動素子の前記横断面を組み合わせた横断面形状とほぼ同じであることを特徴とする、請求項3に記載のコネクタ。
- 前記第1の組および第2の組の複数のコネクタの凹部の各々の前記凹部基部は、前記コネクタと一体であることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一項に記載のコネクタ。
- 前記第1の組および第2の組の複数のコネクタの凹部の各々の前記凹部基部は、前記シリンダ型の構成素子に機械的に固定されているか、接合されているかの少なくとも何れかであることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一項に記載のコネクタ。
- 前記圧電作動素子は、縦(d33)モード作動素子、横(d31)モード作動素子、または横(d32)モード作動素子のうちの1つを含むことを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一項に記載のコネクタ。
- 前記圧電作動素子は、圧電セラミック、圧電単結晶の部品または接合された組立体の1つを含むことを特徴とする、請求項1〜7のいずれか一項に記載のコネクタ。
- 前記圧電作動素子は、ジルコン酸鉛−チタン酸鉛[PbZrO3−PbTiO3]の圧電セラミックおよび/または、ニオブ酸鉛亜鉛−チタン酸鉛[Pb(Zn1/3Nb2/3)O3−PbTiO3]、ニオブ酸鉛マグネシウム−チタン酸鉛[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3−PbTiO3]、ニオブ酸鉛マグネシウム−ジルコン酸鉛−チタン酸鉛[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3−PbZrO3−PbTiO3]、ニオブ酸鉛インジウム−チタン酸鉛[Pb(In1/2Nb1/2)O3−PbTiO3]およびこれらの組成改質誘導体を含む群から選択される、高圧電率鉛系リラクサの単結晶化合物の固溶体を含むことを特徴とする、請求項1〜8のいずれか一項に記載のコネクタ。
- 前記圧電作動素子を収容するための前記第1の組および第2の組の複数のコネクタの凹部の少なくとも1つは、環状であることを特徴とする、請求項1〜9のいずれか一項に記載のコネクタ。
- 前記環状の前記第1の組および第2の組の複数のコネクタの凹部は、前記環状の前記第1の組および第2の組の複数のコネクタの凹部の幅の0.2〜0.5倍の範囲の厚さを有する外殻を備えることを特徴とする、請求項10に記載のコネクタ。
- 前記コネクタからアクチュエータを製造する際に、前記コネクタの取り扱いの補助として、前記コネクタは少なくとも1つの開口部を含むことを特徴とする、請求項1〜11のいずれか一項に記載のコネクタ。
- 前記コネクタは、少なくとも1つの高い剛性の負荷パッドが前記第1の組および第2の組の複数のコネクタの凹部の少なくとも1つの内部の基部に接合されていることを特徴とする、請求項1〜12のいずれか一項に記載のコネクタ。
- 前記コネクタは、前記コネクタの一方または両方の端面にさらに接合されている少なくとも1つの補強プレートをさらに備えることを特徴とする、請求項1〜13のいずれか一項に記載のコネクタ。
- 前記コネクタは、前記コネクタを貫通するコネクタの中心孔をさらに備えることを特徴とする、請求項1〜14のいずれか一項に記載のコネクタ。
- 前記コネクタは、高弾性率材料、軽金属、工学セラミック、または繊維強化ポリマーのうちの1つを含むことを特徴とする、請求項1〜15のいずれか一項に記載のコネクタ。
- 前記コネクタは、鉄合金、ニッケル合金、銅ベースの合金、およびWC−Coサーメットのうちの1つを含むことを特徴とする、請求項1〜16のいずれか一項に記載のコネクタ。
- 請求項1〜17のいずれか一項に記載の少なくとも1つの前記コネクタと、前記コネクタの凹部内にある少なくとも1つの上部圧電作動素子と、前記コネクタの凹部内にある少なくとも1つの下部圧電作動素子とを含む組立体であって、前記少なくとも1つの上部圧電作動素子は、前記第1の基部から突出し、前記少なくとも1つの下部圧電作動素子は、前記第2の基部から突出することを特徴とする、組立体。
- 前記上部圧電作動素子および下部圧電作動素子の横断面形状は、中実三角形、中空三角形、中実正方形、中空正方形、矩形、実円形、環状または擬環多角形であることを特徴とする、請求項18に記載の組立体。
- 前記上部圧電作動素子および下部圧電作動素子は、単結晶を含むことを特徴とする、請求項18に記載の組立体。
- 前記上部圧電作動素子および下部圧電作動素子の各々は、複数の接合された圧電単結晶を含むことを特徴とする、請求項18に記載の組立体。
- 請求項18〜21のいずれか一項に記載の少なくとも1つの前記組立体と、少なくとも1つの圧電作動素子とを備えることを特徴とする、アクチュエータ。
- 台座、基部プレート、予め応力を付与する機構、およびケーシングのうちの少なくとも1つをさらに備えることを特徴とする、請求項22に記載のアクチュエータ。
- 捻じれ防止機構をさらに備えることを特徴とする、請求項23に記載のアクチュエータ。
- 前記組立体は、横断面が中実三角形である複数の縦(d33)モードの積層型作動素子を備えることを特徴とする、請求項22〜24のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
- 前記縦(d33)モードの積層型作動素子が、チタン酸ジルコン酸鉛圧電セラミック、またはチタン酸ジルコン酸鉛圧電セラミックの組成改質誘導体のうちの少なくとも1つを含むことを特徴とする、請求項25に記載のアクチュエータ。
- 前記縦(d33)モードの積層型作動素子は、ニオブ酸鉛亜鉛−チタン酸鉛[Pb(Zn1/3Nb2/3)O3−PbTiO3]、ニオブ酸鉛マグネシウム−チタン酸鉛[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3−PbTiO3]、ニオブ酸鉛インジウム−ニオブ酸鉛マグネシウム−チタン酸鉛[Pb(In1/2Nb2/3)O3−Pb(Mg1/3Nb2/3)O3−PbTiO3]及びこれらの組成改質誘導体を含む群から選択される、単結晶からなることを特徴とする、請求項25に記載のアクチュエータ。
- 前記組立体は、横断面が中空三角形である横(d31またはd32)モード作動素子を備えることを特徴とする、請求項22〜24のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
- 前記横(d31またはd32)モードの作動素子は、チタン酸ジルコン酸鉛圧電セラミック、またはチタン酸ジルコン酸鉛圧電セラミックの組成改質誘導体を含むことを特徴とする、請求項28に記載のアクチュエータ。
- 前記横(d31またはd32)モードの作動素子は、ニオブ酸鉛亜鉛−チタン酸鉛[Pb(Zn1/3Nb2/3)O3−PbTiO3]、ニオブ酸鉛マグネシウム−チタン酸鉛[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3−PbTiO3]、ニオブ酸鉛マグネシウム−ジルコン酸鉛−チタン酸鉛[Pb(Mg1/3Nb2/3)3−PbZrO3−PbTiO3]、ニオブ酸鉛インジウム−ニオブ酸鉛マグネシウム−チタン酸鉛[Pb(In1/2Nb2/3)O3−Pb(Mg1/3Nb2/3)O3−PbTiO3]およびそれらの組成改質誘導体を含む群から選択される、単結晶からなることを特徴とする、請求項28に記載のアクチュエータ。
- モータ部が、請求項1から17のいずれか一項に記載のコネクタの少なくとも一つ、および請求項18から21のいずれか一項に記載の組立体の少なくとも1つの、いずれかまたは両方を備えることを特徴とする水中プロジェクタ。
- ヘッドマス、テールマス、予め応力を付与する機構、およびケーシングのうちの少なくとも1つをさらに含むことを特徴とする、請求項31に記載の水中プロジェクタ。
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