JPH10138380A - アクチュエータ機能をもつ積層複合材料 - Google Patents
アクチュエータ機能をもつ積層複合材料Info
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Abstract
を得る。 【解決手段】 この積層複合材料は、絶縁層30を介し
て炭素繊維強化樹脂のプリプレグシート10と高熱膨張
率の板材20とを積層した構造をもち、樹脂に配合され
ている炭素繊維に加熱用電源が接続されている。高熱膨
張率の板材20には、熱膨張率の大きなアルミニウム
板,アルミニウム合金板,チタン板,チタン合金板,鉄
板,ステンレス鋼板等の鉄合金板,銅板,銅合金板等の
金属板が使用される。絶縁層は、ケブラー繊維強化エポ
キシ樹脂で形成しても良い。炭素繊維及びケブラー繊維
は、積層複合体の変形方向に配向させる。 【効果】 通電加熱又は雰囲気加熱によって変位量を高
精度に制御でき、各種アクチュエータとして使用され
る。
Description
クチュエータ機能を付与した積層複合材料に関する。
る構造材料としては、高強度等の機械的特性が従来から
要求されてきたが、最近では新しい機能を備えた材料が
要求されるようになってきている。すなわち、構造材料
にセンサ,アクチュエータ機能を持たせたインテリジェ
ント材料やその材料を使用したインテリジェント構造等
である。このインテリジェント材料やインテリジェント
構造では、自己診断,自己修復,環境適応等、これまで
にない新しい機能を付加することが検討されている。こ
のような用途に使用可能なセンサやアクチュエータ材料
として、光ファイバ,形状記憶合金,圧電セラミック
ス,バイメタル等が注目されている。
機能をもつのみであり、能動的なアクチュエータとして
使用できない。形状記憶合金は、温度変化によって双方
向的な形状変化を繰り返すことから、アクチュエータと
しての使用が可能である。しかし、応答が鈍く、変形の
再現性に問題があることから、高精度のアクチュエータ
としては使用できない。圧電セラミックスは、応答性に
優れるものの、変位が著しく小さいことが難点である。
バイメタルは、熱膨張率が異なる2種の金属を貼り合わ
せたものであるが、単なる温度センサとして温度計,ノ
ーヒューズブレーカ等としての用途が大半であり、能動
的なアクチュエータとしての機能があるとは言い難い。
このように、インテリジェント材料として必要なアクチ
ュエータ機能を十分に発揮する材料は、これまでのとこ
ろ実用化されていない。本発明は、このような問題を解
消すべく案出されたものであり、熱膨張率の異なる材料
を貼り合わせ、その一方を発熱体として使用することに
より、能動的なアクチュエータ機能をもつ複合材料を得
ることを目的とする。
は、その目的を達成するため、絶縁層を介して炭素繊維
強化樹脂のプリプレグシートと高熱膨張率の板材とを積
層した構造をもち、樹脂に配合されている炭素繊維に加
熱用電源が接続されていることを特徴とする。高熱膨張
率の板材としては、アルミニウム板が好適であるが、炭
素繊維強化樹脂に比較して大きな熱膨張率を呈するもの
である限り、アルミニウム合金板,チタン板,チタン合
金板,鉄板,ステンレス鋼板等の鉄合金板,銅板又は銅
合金板等の金属板を使用することもできる。炭素繊維強
化樹脂としては、120℃硬化型のエポキシ樹脂,18
0℃硬化型のエポキシ樹脂,ナイロン樹脂,ポリイミド
樹脂等が使用される。絶縁層は、ケブラー繊維強化エポ
キシ樹脂等で形成することができる。炭素繊維及びケブ
ラー繊維は、積層板の変形方向に配向させることが好ま
しい。
図1に示すように炭素繊維強化エポキシ樹脂のプリプレ
グシート10とアルミニウム板20とを絶縁層30を介
して重ね合わせる。炭素繊維強化エポキシ樹脂のプリプ
レグシート10は、熱膨張率が非常に小さく、アルミニ
ウム板20と比較すると実質的に熱膨張しない材料とい
える。絶縁層30には、絶縁性で且つ炭素繊維強化エポ
キシ樹脂と同様に熱膨張率が小さいケブラー繊維強化エ
ポキシ樹脂の使用が好ましい。プリプレグシート10の
炭素繊維及び絶縁層30のケブラー繊維は、繊維方向の
熱膨張率が著しく小さいため、アルミニウム板20の変
形方向(図では長手方向に一致)に配向させる。また、
プリプレグシート10の炭素繊維と導通状態を確保する
ように、プリプレグシート10の両端部に銅板40を配
置する。
縁層30及びアルミニウム板20をエポキシ樹脂の硬化
温度(約120℃)でホットプレスすると、図2に示す
ように絶縁層30を介してプリプレグシート10及びア
ルミニウム板20が貼り合わされた積層複合体が得られ
る。ホットプレスに際し平坦なプレス面をもつダイスを
使用した場合、ホットプレス直後の積層複合体は、平坦
なプレス面に対応したフラット形状になる。この積層複
合体を室温まで冷却すると、プリプレグシート10に比
較してアルミニウム板20が大きく熱収縮するため、図
3に示すようにアルミニウム板20を内側にして湾曲す
る。この変形は、逆にホットプレスで湾曲形状の積層複
合体を作っておくと、室温でフラットな形状をもつ積層
複合体が得られることを意味する。
シート10の端部に設けられている銅板40を電極と
し、加熱用電源(図示せず)に接続する。銅板40を介
してプリプレグシート10の炭素繊維に通電すると、プ
リプレグシート10は面状発熱体として機能する。その
結果、温度上昇に応じてアルミニウム板20が熱膨張
し、積層複合体を温度に応じた変位量で変形させる。こ
のときの変位量は従来のバイメタルに比較して大きく、
供給電流によって高精度で制御できる。また、形状の再
現性もよいため、高性能のアクチュエータとして使用さ
れる。しかも、アルミニウム板20等の金属板に炭素繊
維強化樹脂を貼り合わせた構造であるため、積層複合体
自体としても十分な強度が確保される。
に配列された厚み0.1mm,長さ80mm,熱膨張係
数−0.5×10-6/K,縦弾性係数127GPaの炭
素繊維強化エポキシ樹脂を使用した。アルミニウム板2
0に、板厚0.2mm,長さ80mm,熱膨張係数2
3.6×10-6/K,縦弾性係数72GPaの純アルミ
ニウム板を使用した。絶縁層30に、厚み0.07m
m,長さ80mm,熱膨張係数−1.5×10-6/K,
縦弾性係数77GPaのケブラー繊維強化エポキシ樹脂
を使用した。プリプレグシート10,アルミニウム板2
0及び絶縁層30を図1のように重ね合わせ、ホットプ
レスを用い温度393K,圧力0.5MPa,昇温時間
も含めた加熱時間1時間の条件下でエポキシ樹脂を硬化
させ、313Kまで冷却することにより積層複合体を得
た。室温まで冷却された積層複合体は、図3(b)に示
すように、アルミニウム板20を内側にした湾曲形状を
もっていた。
mの試験片を切り出し、図4に示すように一端を固定
し、雰囲気加熱で昇温し、温度に応じた他端の変位量
x,yを測定した。測定結果を示す図5にみられるよう
に、水平方向変位量x,垂直方向変位量y共に、積層複
合体の温度上昇に応じて減少する傾向を示した。そし
て、ホットプレス時の温度393Kに達した時点では、
積層複合体がホットプレス直後のフラットな形状に復元
した。変位量x,yの測定結果から、1/r=2x/
(x2 +y2 )の関係式に従って曲率rを算出した。求
められた曲率rと温度との関係を調査したところ、図6
に示すように曲率rと温度との間に比例関係が成立して
おり、Timoschencoのバイメタルの基礎式を
満足していることが判った。電極41を介した通電加熱
で昇温させた場合も、図6に白丸印で示すように曲率変
化の温度依存性はほぼ同じ傾向を示した。また、90K
の温度変化に対し測定部長さ60mmにつき約13mm
という比較的大きな変位が得られ、しかも曲率変化がジ
ュール熱に比例していることから、電流値によって容易
に制御することができた。
合体は、絶縁樹脂層を介して炭素繊維強化エポキシ樹脂
と金属板とを貼り合わせた構造をもち、炭素繊維に加熱
用電流が供給されるようになっている。そのため、供給
電流によって変位量を高精度に制御でき、各種アクチュ
エータとして使用される。たとえば、形状記憶合金及び
バイアスバネを用いて作製した従来のマニピュレータ,
板バネ,流量調整弁,圧力調整弁等では、物体を掴む力
や押える力を連続的に調整したり、負荷と除荷を同じ変
位の経路で行うことができず、更に除荷にはバイアス力
(外部から力を加えること)が必要である等の問題が多
いが、本発明の積層複合体を組み込むことにより問題な
く作動させることが可能になる。
て光ファイバ等の精密なワイヤを溶融状態で微妙に押し
付けて接続することが必要な融着接続器のアクチュエー
タ等にも適用可能である。更には、複合材料が用いられ
る高比強度構造体等では著しい軽量化を目指し、複雑な
メカニズムを排除する単純化を図っているため、本発明
の積層複合体を使用したアクチュエータは、そのフラッ
プ,ドア等の可動部や開閉部に応用可能である。また、
応力集中により炭素繊維強化樹脂にとって過酷な圧縮応
力が加わったとき、それを発熱させて金属板を膨張させ
ることにより圧縮応力を緩和させる用途等への応用にも
展開される。
トに貼り合わされるアルミニウム板
体の形状
を示すグラフ
20:アルミニウム板(高熱膨張率の板材) 30:絶縁層 40:銅板(電極) d:繊維配向
方向
Claims (4)
- 【請求項1】 絶縁層を介して炭素繊維強化樹脂のプリ
プレグシートと高熱膨張率の板材とを積層した構造をも
ち、樹脂に配合されている炭素繊維に加熱用電源が接続
されていることを特徴とするアクチュエータ機能をもつ
積層複合材料。 - 【請求項2】 高熱膨張率の板材としてアルミニウム
板,アルミニウム合金板,チタン板,チタン合金板,鉄
板,鉄合金板,銅板又は銅合金板を使用する請求項1記
載の積層複合材料。 - 【請求項3】 プリプレグに配合されている炭素繊維を
積層板の変形方向に配向させている請求項1記載の積層
複合材料。 - 【請求項4】 ケブラー繊維強化樹脂を絶縁層として使
用する請求項1記載の積層複合材料。
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