JP7002666B2 - 風力タービン用アクチュエータ装置、風力タービン及び装着方法 - Google Patents

Description

以下に述べる発明は、風力タービン用、特に風力タービンのロータブレード用のアクチュエータ装置と、このアクチュエータ装置を備えた風力タービンと、アクチュエータ装置を装着する装着方法と、に関する。

アクチュエータは、信号を機械的な運動又は例えば圧力や温度などのその他物理的な変数に変換する。これらの信号は電線を介して送信されることが多い。既知のアクチュエータとして、ほんの少し例を挙げれば、例えば、バイメタルアクチュエータ、油圧又は空気圧アクチュエータ、及び、圧電アクチュエータがある。

アクチュエータは、風力タービンにおいて、特に風力タービンのロータブレードにおいて使用される場合、例えば、ロータブレードフラップを制御することによって、及び／又は、ロータブレード自体をねじらせることによって、リフト（lift）を制御する。風力タービン用の既知のアクチュエータ装置の１つの欠点は、電線が必然的に伴う落雷の影響を受けやすいことである。従って、風力タービンのロータブレードのための落雷に付随するリスクが少ないアクチュエータ機構を提供することが好ましい。

独国特許商標庁は、特許文献１である、本願に関連する優先権出願の明細書に記載された先行技術を調査した。

従って、このような背景に対して、本発明の目的は、より大きな動作信頼性を保証する、風力タービン用アクチュエータ装置、このアクチュエータ装置を備えた風力タービン、及びアクチュエータ装置を装着するための装着方法を提供することである。

欧州特許第２８９９３９５号明細書

"Optical Nano and Micro Actuator Technology" (CRC Press 2012) Iwaso et. al., "Fast response dry-type artificial molecular muscles with [c2]daisy chains," Nature Chemistry, Vol. 9, June 2016, 625-631 doi: 10.1038/NCHEM.2513 Shepherd, H. J. et al., "Molecular actuators driven by cooperative spin-state switching," Nat. Commun. 4:2607 doi: 10.1038/ncomms3607 (2013) Morimoto et al., "A Diarylethene Cocrystal that Converts Light into Mechanical Work," Journal of American Chemical Society 2010, 132, 14172-14178

一態様において、アクチュエータ素子と制御素子とを備えた、風力タービン用の、特に風力タービンのロータブレード用のアクチュエータ装置が提供される。前記アクチュエータ素子は、優先方向を有する少なくとも１つのアクチュエータ層と、このアクチュエータ層に実質的に平行な少なくとも１つの励起層とを備えている。前記アクチュエータ層は、光アクチュエータを備えており、この光アクチュエータは、励起光に基づいて、前記優先方向における前記アクチュエータ層の歪み及び／又は応力を変化させるように設計されている。前記励起層は、励起光を前記アクチュエータ層内に導くように設計されており、その際、前記励起層の縁端において導入されるその光を、前記励起層の表面に垂直な拡散によって均一に分散させるように、結合する。前記制御素子は、光源と光ガイドとを備えており、前記光源は、前記励起層から離れて配置されており、前記光ガイドによって前記励起層に接続されている。光ガイドは、前記励起層を相異なる方向に通り抜けて伸延している。好ましくは、これらの光ガイドは、互いに反対方向である要素を有しており、特に好ましくは、これらの相異なる方向は、互いに近似的に又は正確に反対である。

光アクチュエータは、入射光を、例えば、それを先ず電気エネルギに変換することなく、直接、機械的な運動に変換する特性を備えている。従って、光アクチュエータの使用によって、光制御型アクチュエータの場合に、通常、必要とされる２つの変換工程、具体的には、先ず光エネルギを電気エネルギに変換して、次にその電気エネルギを機械的エネルギに変換することを単純化することが可能になる。

前記制御素子が、光源を励起層に接続する光ガイドを備えていることによって、電気的な接続線なしに、即ち、導電素子なしに、前記アクチュエータ素子の提供が可能になる。光ガイドを介して案内された光源の光は光アクチュエータに影響を及ぼし、光アクチュエータは、入射励起光を、直接、アクチュエータ層の歪み及び／又は応力に変換する。

光ガイドが励起層を相異なる方向に特に反対の方向に通り抜けて伸延していることによって、励起層内への、そして更に、アクチュエータ層内への特段に均一な光入力が可能になる。特に、光ガイドの方向及び経路が一定ではないことは、光ガイドの長さに沿う不均一な光出力についての許容が可能になることを意味している。光ガイドが伸延する方向は励起層の平面に対して特定の角度にあることが好ましい。特に、光ガイドが励起層に対して垂直に且つ互いに反対方向に伸延することが好ましい。同様に、特に、利点として、光ガイドが励起層の縁端から特に縁端に対して垂直に伸延することが好ましい。これにより、光ガイドとアクチュエータ素子との簡単な組み合わせが可能になる。

従って、いずれにせよ、これらの相異なる方向が、互いに反対方向即ち逆方向である要素または方向成分を有する場合が特に有利である。従って、いずれにせよ、互いに反対方向である光入力の要素は、励起層内への、そして更に、アクチュエータ層内への正確に逆の伝播特性を有している。換言すれば、このようにして、伝播特性が逆である結果として、第１の方向に入力された要素と反対方向に入力された要素との合計がほぼ一定に維持されることを保証できる。これは、光出力が、多くの場合、既知の態様で案内における距離に伴って減少するためである。

一実施形態において、アクチュエータ素子は、多数の積層されたアクチュエータ層と励起層とを有する積層体アクチュエータ素子として形成されている。光ガイドは、積層体アクチュエータ素子の少なくとも１つの層表面上の、励起層の多数の縁端に亘って形成されている。

本発明の利点は、積層体アクチュエータ構成における多数の励起層を前提とする場合に特に明らかになる。この場合、１つ１つの励起層を光ガイドに直接取り付けることは、もはや意味がない。この場合、光ガイドを、互いに積み重ねられた特定数の励起層の、特に全ての励起層の縁端に亘って、相異なる方向に、特に互いに逆の方向に導くことによって、光ガイドからの光を多数の励起層内に結合することが好ましい。

この場合、層表面として理解されるべきは、単に励起層またはアクチュエータ層の単一の表面ではなく、互いに積み重ねられた特定数の層の表面成分を含む積層体の一表面である。これは、例えば、矩形状に又は円筒状に積層されたアクチュエータ素子の一側面または横向きの一表面であってもよい。

一実施形態において、アクチュエータ装置は、少なくとも２つの光ガイドを備えており、これらの光ガイドのうちの少なくとも２つが、相異なる側から、特に互いに反対方向に伸延するように、励起層に入っている。

特定数の光ガイドが１つの励起層の又は複数の励起層のうちの少なくとも１つの相異なる箇所から又は相異なる側から入ることによって、光ガイドに沿った光入力、即ち、光ガイドの長さに亘って変化する光入力の分散を補償することが可能になる。従って、励起層のほぼ均一な照射が、複数の光ガイドの光入力の合計によって保証され得る。

アクチュエータ装置の一実施形態において、光源からの光ガイドの方向を光ガイドの光案内方向と呼ぶことにすれば、励起層内における相異なる光ガイドの互いに隣接する部分は、少なくとも部分的に互いに逆の光案内方向を有している。

互いに逆の光案内方向は、一般的に長さに伴って減少する光出力が、一方の光ガイドの長さが長くなるに従って、別の光ガイドの隣接する部分のそれと同時に増加する光量によって補償されるという効果を有しており、この場合に光案内方向が互いに逆になっている。

アクチュエータ装置の一実施形態において、光ガイドから得られる光出力が光ガイドの長さに伴って減少し、少なくとも２つの光ガイドが、アクチュエータ層内への均一な光入力が行われるように、励起層内において伸延している。

アクチュエータ装置の一実施形態において、少なくとも２つの光ガイドが、励起層を、少なくとも特定の部分において互いに反対方向に、通り抜けて伸延している。また、この実施形態においても、これらの光ガイドが、互いに積み重ねられた積層体アクチュエータの特定数の層を互いに反対方向に通り抜けて伸延している場合には、常に、特段の利点は明白である。この場合、これらの光ガイドは、複数の積み重ねられた層の縁端に沿って伸延していることが好ましい。

アクチュエータ装置の一実施形態において、少なくとも２つの光ガイドのうちの第１の光ガイドの、励起層内への進入点は、少なくとも２つの光ガイドのうちの第２の光ガイドの退出点に隣接している。

特に好ましくは、それらの少なくとも２つの光ガイドのうちの第１の光ガイドの、積層体アクチュエータの積層体への進入点が、その積層体から出た第２の光ガイドの終点に隣接している。その結果、第１の光ガイドの、最も高い光入力を提供する箇所、具体的には進入点が、第２の光ガイドの、最も弱い光入力を伴う箇所、具体的には終点の近くに在る。その結果、この隣接配置は、利点として、励起層の、全表面領域に亘って実質的に一定である平均光入力を保証する効果を有している。

アクチュエータ装置の一実施形態において、少なくとも２つの光ガイドが、各々、励起層を通り抜けて又は励起層に沿って曲折形態で伸延しており、これらの２つの光ガイドの実質的に互いに平行なそれぞれの部分が励起層内において互いに交互になっている。

アクチュエータ装置の一実施形態において、少なくとも２つの光ガイドが、これらの光ガイドの方向が実質的に逆にされる曲折のループの領域において、重ね合わされている。

この設計において、これらの光ガイドは、例えば、実質的に同一の曲折経路を有していてもよく、これらは、一方が他方の内側に、あるいは、互いにオフセットされた態様で、設けられている。これらの２つの光ガイドは、曲折のループの方向の変化が生じる領域においては、重なり合うが、その方向の変化が実質的に生じない領域においては、互いに平行に伸延しており、重なり合わない。

これらの曲折のループは、一般的に光が光ガイドから出ない周辺領域において又は励起層とアクチュエータ層との積層体の外側に、形成されていることが好ましい。しかしながら、これらの曲折のループは、アクチュエータ素子の積層構成内に配置されていてもよく、従って、これらの領域は、当然、１つ又は複数の励起層内への光入力にも寄与する。

アクチュエータ装置の一実施形態において、アクチュエータ素子は、内部に中空穿孔を備えた実質的に円筒形の形状を有し、１つ又は複数の光ガイドが実質的に中空穿孔内に配置されている。光入力は、利点として、この円筒の中央において実施されるので、特に均一な光入力が可能である。円筒形状に形成されたアクチュエータ素子の円筒軸は、この設計において、積層体アクチュエータ素子の積層方向に対応していることが好ましいが、層のその他の配置も、例えば、円筒壁の表面領域に配置することも可能である。

アクチュエータ装置の一実施形態において、光源から離れている光ガイドの端部の領域は、ナノコーティングを備えている。このナノコーティングは、光出力が望まれる正確な領域において、光ガイドの周りに、あるいは、光ガイドの周囲の一部分に、拡散または指向された光出力を提供することが好ましい。もちろん、このナノコーティングは、光ガイドからの光出力を可能にするための唯一の実現可能なものであり、当業者はこれに対する代替物にも精通している。

アクチュエータ装置の一実施形態において、制御素子は、複数の光ガイドを備えており、これらの複数の光ガイドは、相異なる波長及び／又はスペクトル範囲を案内するように構成されている。

上述の設計におけるように、自身の長さに沿って放射強度が減少する互いに反対方向に伸延する光ガイドによって、光入力をより均一にすることに加えて、少なくとも２つの光ガイドの個々の１つが、それ自身の波長の光、あるいは、それ自身のスペクトル範囲の光をカバーする設計も可能である。別の好ましい一設計において、２つの波長またはスペクトル範囲についての光ガイドの互いに反対方向に伸延する構成には、少なくとも４つの光ガイドが必要である。

２色の設計が特に有益である一実施形態においては、光アクチュエータが、一方の波長または一方のスペクトル範囲によって活性化され、他方の波長または他方のスペクトル範囲によって不活性化される。

アクチュエータ積層体の幾何学的設計に応じて、１つの領域の光の導入の場合に、２つの波長またはスペクトル範囲の交互に混合されたファイバ配向が可能である。また、少なくとも２つの領域の光の導入の場合には、その光の導入用の表面領域毎に１つの波長のみ又は１つのスペクトル範囲のみを有する光の導入が同様に可能である。

一実施形態において、前記光アクチュエータは、少なくとも１つの光歪みアクチュエータ（photostrictive actuator）及び／又は光機械的アクチュエータ（photomechanical actuator）を含む。

光歪み（photostriction）は、照射光を歪みに直接変換することである。光機械的アクチュエータは、ごく一般的に、光の照射に対する反応として、機械的な運動を、歪みに関係なく、生成する。同時に、光機械的アクチュエータは、光照射の二次的な作用に基づくもの、例えば、加熱も含んでいる。

光アクチュエータは、光アクチュエータの励起が、励起光によって、直接、一次的な作用として、開始されるように製作されていることが望ましい。それに加えて、あるいは、その代わりに、例えば入射光の結果としての加熱による二次的な作用が、光アクチュエータの励起として、機械的仕事を行うために、例えば優先方向において歪み及び／又は応力を変化させるために、使用できるように構成されてもよい。

一実施形態において、前記光機械的アクチュエータは、次のグループ、即ち、ａ）分極型光機械的アクチュエータ、ｂ）液晶ベースの光機械的アクチュエータ、ｃ）光熱遷移に基づく光機械的アクチュエータ、ｄ）電荷誘起型光機械的アクチュエータ、ｅ）放射圧に基づく光機械的アクチュエータ、のうちの少なくとも１つから得られるアクチュエータを含む。

分極型光機械的アクチュエータは、偏光で照射されると、光誘起型機械的変形を呈する光機械的アクチュエータである。そのような作用を呈する材料の一例は、ガラス、即ち、非晶質固体であり、これは、カルコゲンのグループから得られる１つ又は複数の成分からなる。液晶ベースの光機械的アクチュエータは、既に実証されているが、例えば、ネマチック状態のエラストマーである。例えば、アゾベンゼン液晶砕片を含有する重合体網状構造について、ネマチック状態の程度が光機械的アクチュエーション（optomechanical actuation：光機械的駆動）によって抑制又は復元できることが実証可能となっている。即ち、光照射は、例えば、液晶の程度に基づいて、アゾベンゼン重合体フィルムを変形させることができる。

光熱遷移は、実質的に電熱遷移の直接の光学的な等価物であり、媒体によって吸収されて熱エネルギに変換される励起光のエネルギの一部分に基づいている。一般的に、その他の光駆動作用（photoactuating effect）に加えて、光アクチュエータは、常に、光熱遷移に基づく駆動機構の少なくとも１つの要素も備えている。

電荷誘起型光機械的アクチュエータの場合には、光子が半導体内に吸収されて、自由電子が価電子帯から伝導帯内に励起されて、その結果、ホールが格子内に残されて、それによって、材料内に局所的な機械的歪みが生じる。

放射圧に基づく光機械的アクチュエータは、光とアクチュエータ構造体との間での運動量の移動に基づいている。これらの物理的な原理は、本発明に従う光アクチュエータがアクチュエータ層の歪み及び／又は応力を変化させるようにする利用可能な原理のほんの一部に過ぎない。その他の利用可能な作用も考えられるが、例えば、光アクチュエータは、光学的に活性化される形状記憶重合体から成ってもよく、あるいは、光子によって生成された電荷の局所的な不均等な分配によって応力を有するナノ構造体から成ってもよい。

一実施形態において、前記光アクチュエータは、次のグループ、即ち、
・液晶材料、特に、液晶エラストマー、
・光異性化可能有機化合物（photoisomerizable organic compound）、具体的には、アゾ化合物（azo compound）、例えばアゾベンゼン（azobenzene）、及び、光互変性有機化合物（ここでは、光互変性色変化が開環異性体から閉環異性体への異性化と組み合わされている）、例えば、フルギド（fulgide）、ヘキサトリエン（hexatriene）、ジアリールエテン（diarylethene）、ジチエニルシクロペンテン（dithienylcyclopentene）、望ましくは、光互変性ジアリールエテン（photochromic diarylethene）、特に、光互変性ジアリールエテン単結晶（photochromic diarylethene single crystal）又は光互変性ジアリールエテンの共結晶（cocrystal）、例えば、過フッ素化縮合環系を備えた化合物、例えばペルフルオロナフタレン（perfluoronaphthaline）を備えた１、２－ビス(２－メチル－５－（１－ナフチル)－３－チエニル) ペルフルオロシクロペンテン（perfluorocyclopentene）、特に、ペルフルオロナフタレン（perfluoronaphthaline）を備えた１、２－ビス(２－メチル－５－（１－ナフチル)－３－チエニル) ペルフルオロシクロペンテン（perfluorocyclopentene）の共結晶、
・スピンクロスオーバ材料（spin-crossover material）、特にスピンクロスオーバ合成物（spin-crossover complex）、例えば、[Fe(L){M(CN)4}]スカフォード（scaffold）（ここで、Ｌは、配位子（ligand）、例えば、芳香環構造体内に少なくとも１つの窒素原子を備えたヘテロ芳香族化合物、例えばピラジン（pyrazine）又は３－シアノピリジン（3-cyanopyridine）、Ｍは、金属、例えばＰｔ又はＡｕ、例えば{Fe(3-CNpy)[Au(CN)_2]2}*2/3H2O、
・カーボンナノ物、特にカーボンナノチューブ（単層、多層）、カーボンナノファイバ、及び、グラフェン（graphene）、
・基材、望ましくは弾性基材、特に弾性重合体基材、例えばポリジメチルシロキサン（polydimethylsiloxane）ＰＤＭＳを含む基材、液晶エラストマー（liquid-crystal elastomer）を含む基材、又は、形状記憶重合体を含む基材内にカーボンナノチューブ、特に多層カーボンナノチューブ（multi-walled carbon nano tube）ＭＷＣＮＴ及び／又はグラフェンを含むナノ複合物、
・エラストマーフィルム、例えばアクリルエラストマー（acrylic elastomer）を含有するフィルムと組み合わせたカーボンナノチューブのフィルムを含むラミネート、
・例えば光感受性ヒドロゲル（light-sensitive hydrogel）、特に、熱反応性重合体（thermoresponsive polymer）と発色団（chromophore）との共有結合的に架橋された共重合体網状構造（copolymer network）のヒドロゲルの形態での光応答性重合体（photoresponsive polymer）、
・生物学的光応答性分子（biological photoresponsive molecule）、例えば光応答性タンパク質（photoresponsive protein）、例えばバクテリオロドプシン（bacteriorhodopsin）、
・カルコゲナイドガラス（chalcogenide glass）、例えばAs50Se50、
・強誘電体材料（ferroelectric material）、例えば強誘電体単結晶（ferroelectric single crystal）及び強誘電体多結晶（ferroelectric polycrystalline）の材料、例えば分極型強誘電体セラミックス（polarized ferroelectric ceramic）、例えば、ランタン変性ジルコン酸チタン酸鉛（lanthanum-modified lead zirconate titanate）、ドープされたランタン変性ジルコン酸チタン酸鉛、例えばＷＯ_３でドープされたランタン変性ジルコン酸チタン酸鉛、
・極性半導体、
・ロタキサン（rotaxane）、
・光学的に活性化可能な圧電結晶体、
のうちの１つに属する少なくとも１つの材料を含む。

ほんの少し例を挙げると、これらの材料とその他の材料を光アクチュエータとして使用することは、非特許文献１－４から既知である。

一実施形態において、前記アクチュエータ層は、少なくとも１つの方向において異方性である。アクチュエータ層が少なくとも１つの方向において異方性であるため、アクチュエータ層の特性の全てが１つの方向に依存しているわけではない。特に、この異方性は、光アクチュエータ又はアクチュエータ層が優先方向を形成するという効果を有していることが望ましい。

一実施形態において、前記アクチュエータ層は、繊維複合材料を含む。繊維複合材料は、２つの主要成分、具体的には、ベッディング基材（bedding matrix）と強化用繊維とを備えていることが望ましい。この繊維は、例えば、ガラス繊維、炭素繊維、セラミック繊維などを含むが、これらには限定されない。エンベッディング基材（embedding matrix）の材料は、例えば、熱硬化性物質やエラストマー、熱可塑性プラスチックなどの重合体を含んでいてもよく、また、セメントや金属、セラミックスなどのその他構成要素も含んでいてもよく、これらには限定されない。このような材料は、特に風力タービンの領域において有効に使用できる。

一実施形態において、前記アクチュエータ層内の前記光アクチュエータは、基材内に、特に樹脂基材内に埋設されている。ここで樹脂という用語は、固体から液体の有機物質を意味する。特に、樹脂は、プラスチックについての基本材料として重合体を意味する。基材によって、光アクチュエータは、アクチュエータ層内に有益な形態で埋設できる。

一実施形態において、前記アクチュエータ素子は、少なくとも２つのアクチュエータ層と、これらの間にそれぞれ位置する少なくとも１つの励起層と、を備えている。

この多層構成は、圧電積層体の既知の構成と比較できる。アクチュエータ素子が、１つが別の１つの上に配置された多数のアクチュエータ層を有する場合、優先方向が、利点として、積み重ね方向に実現できる。その場合、アクチュエータの変位は、層の数に比例して、利点として、ある程度の広がりにまでスケール変更できる。

しかしながら、優先方向は、必ずしも、あらゆる実施形態において、積み重ね方向に対応していなくてもよい。特に、アクチュエータ素子が２つのアクチュエータ層と、これらの間に位置する１つの励起層とを備えている場合には、優先方向は、アクチュエータ層又は励起層の平面内にあってもよい。この場合において、２つのアクチュエータ層は、励起光に対して相異なる反応を呈し、例えば、一方のアクチュエータ層は優先方向において歪みによって拡張し、他方のアクチュエータ層は優先方向において縮小することが望ましい。この結果、アクチュエータ素子は、湾曲する。しかしながら、別の実施形態において、アクチュエータ層は、同じ反応を呈してもよく、その結果、アクチュエータ素子全体が、それらの層の平面内にある優先方向において、拡張する。

さらなる実施形態において、複数の励起層を２つのアクチュエータ層の間に設けることも可能である。この場合には、相異なる励起光をそれぞれのアクチュエータ層内に導入できる。

一実施形態において、前記アクチュエータ素子は、前記アクチュエータ素子の断面積の１平方ミリメートル毎に１０～５０ニュートン（Ｎ／ｍｍ^２）の力を、励起光によって、加えるように設計されており、前記アクチュエータ素子の断面積は、優先方向に垂直である。

断面積の１平方ミリメートル毎のニュートン単位の力は、メガパスカル単位の圧力に対応しており、１０～５０Ｎ／ｍｍ^２の範囲は、圧電アクチュエータに広く使用されている値であり、多くの領域に、特に風力タービンの用途に利用できる。

優先方向に対して垂直なアクチュエータ素子の断面積は、アクチュエータ面積と呼称されることが望ましく、アクチュエータ層と励起層とを含むアクチュエータ素子全体の面積として特定されることが望ましい。

従って、積層体アクチュエータについて、アクチュエータ面積は、層の数とは関係なく、１つの対応する層の表面積に対応することが望ましい。

一実施形態において、前記アクチュエータ素子は、拡張型アクチュエータ素子として構成されており、拡張の方向は、前記優先方向に対応しており、前記優先方向は、前記少なくとも１つのアクチュエータ層に実質的に垂直であるか、あるいは、前記アクチュエータ素子は、湾曲型アクチュエータ素子として構成されており、前記拡張の方向は、前記アクチュエータ層の前記優先方向に実質的に垂直である。

拡張型アクチュエータ素子は、望ましくは直線的な機械的変形を可能にして、この直線的な機械的偏りは、例えば、その他の素子の運動に変換できる。望ましくは、アクチュエータ素子の積層体状の構成は、拡張型アクチュエータ素子に対応しており、この例における直線的な拡張変位は積み重ね方向に対応している。拡張型アクチュエータ素子は、一実施形態において、風力タービンのロータブレードのリフトフラップを駆動するように設計されてもよい。

これとの違いとして、湾曲型アクチュエータ素子は、優先方向に対して垂直な拡張又は偏向の方向にアクチュエータ素子を湾曲させるように設計されている。この湾曲型アクチュエータ素子は、制御される素子の比較的大きい領域に亘って伸延する２次元のアクチュエータ素子として構成されることが望ましい。優先方向は、実質的に、アクチュエータ素子が自己の２次元の広がりを有する平面内に伸びている。ここでは、一実施形態において、その平面内に配置された１つ又は複数のアクチュエータ層及び／又は励起層が含まれていてもよく、その場合、優先方向はアクチュエータ層内に配置されており、あるいは、別の一実施形態において、その平面に対して垂直な複数の積み重ねられた層が含まれていてもよく、その場合、優先方向は、それぞれのアクチュエータ層の平面に対して垂直である。湾曲型アクチュエータ素子は、自己の２次元の広がりを有する平面に対して垂直に、自己のその他の外形寸法と比較して、小さい広がりを有していることが望ましい。

一実施形態において、そのような湾曲型アクチュエータ素子は、風力タービンのロータブレードのサーボフラップを制御するように設計されている。拡張型アクチュエータ素子とは対照的に、湾曲型アクチュエータ素子は、少なくとも、アクチュエータ層と励起層が、湾曲型アクチュエータ素子が自己の２次元の広がりを有する平面と平行に配置されている場合に、遥かに少ない数のアクチュエータ層又は励起層を備えており、より大きい表面積を取る一方で、同等の体積を有している。

一実施形態において、前記アクチュエータ面積の、前記アクチュエータ素子の基準長の２乗に対する比は、０.０００１～０.０１の範囲内にあり、特に、前記アクチュエータ素子が拡張型アクチュエータ素子として構成されている場合には、０.０１～１の範囲内にある。

アクチュエータ変位と拡張変位との比をアクチュエータ素子の基準長と呼称することにする。例えば、アクチュエータが、０.１ｍｍのアクチュエータ変位を必要とするように設計される場合、これによって０.１％の、歪みによる拡張が可能になり、その結果、基準長は１００ｍｍになる。勿論、これは一例であり、アクチュエータの実際の設計は実際の要件に基づいていてもよい。

アクチュエータ面積の、基準長の２乗に対する比についての０.０１～１の範囲は、特に風力タービンのリフトフラップについて必要とされるような範囲に対応している。０.０００１～０.０１の範囲は、特に風力タービン用のサーボフラップの設計に使用されるような範囲に対応している。

一実施形態において、前記アクチュエータ素子によって実施され得る機械的仕事は、アクチュエータ体積の１立方メートル毎に１００～１００００ジュール（Ｊ／ｍ^３）の範囲内にあり、特に、前記アクチュエータ素子が拡張型アクチュエータ素子として構成されている場合には、前記アクチュエータ素子によって実施され得る機械的仕事は、アクチュエータ体積の１立方メートル毎に１０００～１００００ジュールの範囲内にあり、あるいは、前記アクチュエータ素子が湾曲型アクチュエータ素子として構成されている場合には、前記アクチュエータ素子によって実施され得る機械的仕事は、アクチュエータ体積の１立方メートル毎に１００～１０００ジュールの範囲内にある。

アクチュエータ素子の体積をアクチュエータ体積と呼称することにするが、このアクチュエータ体積は、少なくともアクチュエータ層と励起層とを含んでいることが望ましい。１００～１００００Ｊ／ｍ^３の範囲内で実施され得る機械仕事は、特に、最初に述べた光アクチュエータの例に使用可能であり、アクチュエータ素子の設計に依存して実現できる。

一般的に、平面アクチュエータ（surface actuator）の場合における達成可能なエネルギ密度は、積層体アクチュエータの場合に比べて、約１０分の１である。アクチュエータ体積の１００～１０００Ｊ／ｍ^３の範囲は、風力タービンのサーボフラップの駆動に使用できることが望ましい。アクチュエータ体積の１０００～１００００Ｊ／ｍ^３の範囲は、風力タービンのリフトフラップを駆動するように設計されることが望ましい。

一実施形態において、前記アクチュエータ素子は、湾曲型アクチュエータ素子として構成されており、励起によって、前記優先方向に対して垂直に湾曲するように設計されている。

従って、湾曲型アクチュエータ素子は、優先方向の平面に対して垂直に湾曲するように設計されていることが望ましい。特に、この優先方向は、湾曲型アクチュエータ素子が２次元の広がりを有しており、例えば１つの素子の基板又は表面に取り付けられる平面内に配置されている。その結果として、アクチュエータが取り付けられる表面領域の変形を直接呈する２次元のアクチュエータ素子を設計できる。湾曲型アクチュエータ素子は、その動作原理について、バイメタルアクチュエータ（bimetallic actuator）に対応しており、これと同様の方法で形成されてもよい。湾曲アクチュエータ素子の１つの構成において、優先方向は、アクチュエータ層の平面内に配置されており、即ち、１つ又は複数のアクチュエータ層は、アクチュエータが取り付けられている表面領域に対して実質的に平行に伸びている。別の一構成において、湾曲型アクチュエータ素子は、多数の層から成り、これらの層は、アクチュエータが取り付けられている表面領域に対して実質的に垂直に伸びている。この場合において、優先方向も、複数のアクチュエータ層の平行な平面に対して実質的に垂直に伸びている。

一実施形態において、前記アクチュエータ素子の高さの、前記優先方向におけるアクチュエータ素子の長さに対する比は、０.００１～０.１の範囲内に、特に０.００２～０.０２の範囲内にある。

この実施形態において、アクチュエータ層の平面は、優先方向とこれに対して垂直な方向とに広がっている。アクチュエータ素子によって実施され得る機械的仕事は、優先方向に対して垂直な、アクチュエータ素子の幅に比例する。換言すれば、幅方向におけるアクチュエータ素子の差動的な貢献は一定であり、高さの、優先方向における長さに対する比によって、既に特定されていることが望ましい。この比が望ましい範囲内にあるアクチュエータ素子は、特に、風力タービンのロータブレードでの使用に良好に適合している。

風力タービンのロータブレードのサーボフラップの例について、優先方向はロータブレードのプロファイルの方向に対応していてもよい。その場合、サーボフラップは、例えば、プロファイル弦（profile chord）の方向におけるある程度の長さで、風力タービンのロータブレードの後縁の領域内に設けられていてもよい。サーボフラップを駆動するために実施される機械的仕事は、ロータブレードの半径の方向においてフラップの幅に比例しており、即ち、幅方向における単位当たりの仕事は、風力タービンのロータブレードの半径に亘って、ハブからブレードの先端まで、実質的に一定である。例えば、そのようなサーボフラップは、１メートルの幅を有していてもよい。アクチュエータ素子によって実施され得る機械的仕事と、サーボフラップによって必要とされる機械的仕事とは、アクチュエータとサーボフラップとの幅に比例しており且つこの幅に直線的に依存しているので、アクチュエータ素子の長さとその高さとを規定すれば、それで十分である。アクチュエータ素子の体積と、それによって実施され得る機械的仕事とは、サーボフラップの長さに対応する長さを乗算することによって、得られる。

一実施形態において、前記少なくとも１つのアクチュエータ層の平面に対して垂直な前記アクチュエータ素子の高さは、１ｍｍ～１０ｍｍの範囲内にあり、望ましくは３ｍｍ～７ｍｍの範囲内にあり、特に望ましくは約５ｍｍの範囲内にある。

望ましくは、約という用語は、丸めの誤差として解釈されるべきであり、即ち、４.５ｍｍから、例えば、５.４９ｍｍまでの範囲は、約５ｍｍの値として解釈されるべきである。望ましい範囲内にあるアクチュエータ素子の高さは、特に、風力タービンの領域における使用についての要件を満たしている。

一実施形態において、前記励起層は、極薄のガラス及び／又は重合体を含み、特に２０μｍ～１００μｍの厚さを有している。

極薄のガラス及び／又は重合体は、勿論、励起層内に含有されてもよい材料の一例にすぎない。その他の適切な材料も考えられる。極薄のガラス又は重合体は、利点として、励起層が、非常に薄い厚さにも拘らず、所望の特性を有することを可能にする。

一実施形態において、前記アクチュエータ素子は、前記励起光を反射するように設計された鏡面被膜を備えており、前記鏡面被膜は、少なくとも部分的に、前記アクチュエータ素子を、少なくとも１つの側面で、取り囲んでおり、特に、前記アクチュエータ素子を、前記アクチュエータ層とは反対側の前記励起層側で、取り囲んでいる。

この鏡面被膜は、励起光の波長に適するように設計されていることが望ましい。鏡面被膜の効果として、例えば、励起光がアクチュエータ層内に案内されずに励起層から逃げることによる光損失を低減できる。このようにして、アクチュエータ素子全体の効率が増大する。

一実施形態において、前記光ガイドは、光を前記励起層内に長手方向に導入するように配置されており、前記長手方向は、前記励起層の平面内にあり、前記励起層の前記平面は、前記長手方向と幅方向とによって規定されており、特に、前記アクチュエータ素子が湾曲型アクチュエータ素子として構成されている場合には、前記優先方向は、前記長手方向に実質的に対応しているか、あるいは、前記長手方向からずれている方向であって前記少なくとも１つのアクチュエータ層の平面内にある方向に実質的に対応しており、あるいは、前記アクチュエータ素子が拡張型アクチュエータ素子として構成されている場合には、前記優先方向は、前記長手方向に対して及び／又は前記少なくとも１つのアクチュエータ層の前記平面に対して実質的に垂直である。

長手方向が励起層の平面内に伸びていることは、光ガイドによってこの層内に光を導入することが特に容易であることを意味している。その他の実施形態において、長手方向は、励起層の方向として規定されてもよく、１つ又は複数の光ガイドが、光を、励起層内に、励起層の平面内において、導入し、この１つ又は複数の光ガイドが光を導入する方向は、必ずしも長手方向には対応していない。

この実施形態において、アクチュエータ素子が、湾曲型アクチュエータ素子として構成されているか、あるいは、拡張型アクチュエータ素子として構成されているか、に依存して、光アクチュエータの異なる作用が使用されることが望ましい。具体的には、湾曲型素子の場合には光アクチュエータの横断方向の作用が使用され、アクチュエータ素子が拡張型アクチュエータ素子として構成されている場合には光アクチュエータの長手方向の作用が使用される。この横断方向の作用は、圧電アクチュエータに対して知られている横断方向作用、即ち、ｄ３１作用（d31 effect）に相当し、この長手方向の作用は、線形作用、即ち、ｄ３３作用（d33 effect）に相当する。これらも、単に例として述べた構成に過ぎず、その他の実施形態においては、その他の作用、例えば、剪断変形作用（shear effect）、あるいは、横断方向の作用と長手方向の作用との組み合わせも使用できる。

一実施形態において、前記アクチュエータ装置は、前記アクチュエータ素子を取り囲む増幅フレームを更に備えており、前記増幅フレームは、前記アクチュエータ層が前記優先方向に拡張すると前記増幅フレームが前記優先方向に対して垂直に縮小するように、配置されており、また、前記増幅フレームは、前記優先方向における動きと前記優先方向に対して実質的に垂直な動きとの間の変換を行うように設計されている。

換言すれば、このような増幅フレームは変位増大システムを実施しており、これによって、アクチュエータの変位を、動きの観点で、より長い変位に変換できる。特に、アクチュエータ素子が複数の層を備えている、即ち、積層体アクチュエータとして形成されている場合には、アクチュエータ素子の達成可能な駆動変位を、特に風力タービンにおける用途に適した態様で、増幅フレームによって増大させることができる。

アクチュエータによって生成され得る機械的エネルギは、この変換によっては、変えられない。従って、変位距離が増大した場合には、各々の変位距離に亘って加えられ得る力は、その分だけ低減される。増幅フレームの変換率（transformation factor）は、２～１０の範囲内にあり、特に約５であるが、これらには限定されない。

一実施形態において、前記励起層は、前記アクチュエータ層に隣接する側において、励起光の前記アクチュエータ層内への拡散導入用の少なくとも１つの拡散構成要素を備えており、前記拡散構成要素は、特に、表面の凹凸、望ましくは、レーザによって及び／又はエッチングによって形成された微小キャビティを含む。

この拡散構成要素は、アクチュエータ層内における励起光の均一な分配を実現することが望ましい。その代わりに、あるいは、それに加えて、別の実施形態において、この拡散構成要素は、励起層とアクチュエータ層との間における独立した層として、あるいは、アクチュエータ層の一部分として、形成されてもよい。表面の凹凸に基づかないその他の拡散構成要素も考えられる。

一実施形態において、前記励起層は、前記光源から得られる光を励起光に変換するように設計された変換構成要素を備えており、前記励起光は、前記光源の光とは、異なる波長、及び／又は、異なるスペクトルを有している。

変換構成要素を使用することによって、光源の光を光アクチュエータ用に正確に調節する必要がなくなる。従って、光源から得られる光が励起光として適切でない場合でも、その光を変換構成要素によって励起光に変換すれば、光アクチュエータを励起できる。

一実施形態において、変換構成要素は、蛍光性又は燐光性の材料を含む。特に燐光性の材料が使用される場合には、光アクチュエータの励起は、従って、光源による照射がオフに切り換えられた後にも実施できる。しかしながら、これらの材料は単なる例に過ぎず、他の変換構成要素も考えられる。また、励起層の一部分としての変換構成要素は、単に一例として述べられたものとして解釈されるべきであり、その他の実施形態においては、独立した変換構成要素が励起層とアクチュエータ層との間に形成されてもよく、あるいは、変換構成要素は、アクチュエータ層の一部分として形成されてもよい。

別の一態様において、本発明の一実施形態に従うアクチュエータ装置と能動構成要素とを備えた、風力タービンのロータブレードが設けられており、前記アクチュエータ装置は、前記能動構成要素を制御するように設計されている。

本発明に従うアクチュエータ装置を備えたロータブレードは、ロータブレードに設けられた能動構成要素が、電線に接続される必要なく、制御され得ることを可能にする。本発明に従うアクチュエータ装置の上述の実施形態のその他の効果と利点の全ても、同様にロータブレードに移すことができる。この能動構成要素は、リフトフラップ、サーボフラップ、ボーテックスジェネレータ（vortex generator）、あるいは、例えば、ロータブレードの空力特性及び／又は音響特性を変化させることができるその他の一部の能動構成要素を含むことが望ましい。

ロータブレードの一実施形態において、前記アクチュエータ装置の前記アクチュエータ素子は、湾曲型アクチュエータ素子として構成されており、フラップは、サーボフラップとして構成されており、前記アクチュエータ素子は、前記サーボフラップの領域に、表面接触して、取り付けられている。

サーボフラップは、形状可変の能動構成要素であり、即ち、サーボフラップ自体が、駆動によって、自己の形状を変化させる、例えば、湾曲することが望ましい。このサーボフラップは、望ましくは、ロータブレードのブレード先端部の領域に設けられており、後縁から見た場合、ロータブレードプロファイルの１０～２０％の領域を含む。ブレード先端部の領域は、特に、ロータブレードハブから見た場合、半径方向におけるロータブレードの長さの外側の３０％を含み、サーボフラップは、ロータブレードの半径の方向において、ブレード先端部の全領域において又は部分的領域のみにおいて、例えば１ｍ～１０ｍ程度の長さを有していてもよい。

サーボフラップのアクチュエータ力は、サーボフラップの全領域に亘って実質的に均等に分配される態様で、加えられる必要がある。この理由から、サーボフラップの可能な限り大きい領域が、湾曲型アクチュエータとして構成されたアクチュエータ装置によってカバーされることが望ましい。これは、勿論、単一の２次元のアクチュエータ素子でなくてもよく、その代わりに、サーボフラップの複数の部分をそれぞれカバーして、各々、独立した制御素子を有する複数の個別のアクチュエータ素子も考えられる。サーボフラップは、例えば、湾曲可能な材料、例えばガラス繊維強化プラスチックの中央層として構成されてもよく、少なくとも１つの湾曲型アクチュエータ素子が、その中央層の上側及び／又は下側に形成される。形状の形成のために、弾性材料物も、その中央層とアクチュエータ素子とを覆うように形成されてもよい。

ロータブレードの一実施形態において、前記アクチュエータ装置の前記アクチュエータ素子は、拡張型アクチュエータ素子として構成されており、フラップは、リフトフラップとして構成されており、前記ロータブレードは、前記アクチュエータ素子の動きを前記リフトフラップの制御に変換する変換ユニットも備えている。

リフトフラップは、プロファイルの奥行き方向において例えば１５～５０％の広がりを有する別個の素子であることが望ましい。リフトフラップの位置は、アクチュエータ装置によってロータブレードに対して変えられる。例えば、リフトフラップの向きが、リフトを増大させる又は低減するために、ロータブレードに対して変えられる。変換ユニットは、一実施形態において、プッシュプルロッド（push/pull rod）を備えており、これによって、アクチュエータの動きが、既知のリフトフラップの場合における如く、リフトフラップの動きに変換される。アクチュエータ装置が拡張型アクチュエータ素子として構成されているので、この拡張型アクチュエータ素子は、直線的なアクチュエータの動きを生成し、これは、変換ユニットによって容易に変換できる。

ロータブレードの一実施形態において、前記アクチュエータ装置は、前記アクチュエータ素子を取り囲む増幅フレームを備えており、前記変換ユニットは、前記増幅フレームを前記リフトフラップに結合するためのプッシュプルロッドを備えている。

アクチュエータ装置が増幅フレームを備えていることによって、可能な限り短いアクチュエータ変位を増幅フレームのより長い動きに変換できる。このような増幅フレームによって実現できる一般的な変換比は２～１０の範囲内にあり、即ち、アクチュエータ変位を、最高２～１０倍の長さにまで、増大させることができる。その他の変換も考えられるが、例えば複数の変換装置、例えば複数の増幅フレームを連続して接続してもよい。プッシュプルロッドの代わりに、あるいは、これに加えて、変換ユニットは、アクチュエータ素子の動きをリフトフラップの制御に変換するために、別の構成要素を備えていてもよい。

別の一実施形態において、風力タービンのロータブレードは、複数の能動構成要素を備えている。これらの複数の能動構成要素は、例えば、複数のリフトフラップ、複数のサーボフラップ、複数のボーテックスジェネレータ、あるいは、その他の複数の能動構成要素であってもよい。別の一実施形態において、サーボフラップとリフトフラップとを組み合わせたものをロータブレードに設けてもよい。従って、本発明に従うアクチュエータ装置のそれぞれに適切な構成を、それぞれの能動構成要素に、あるいは、能動構成要素の組み合わせに使用できる。

別の一態様において、本発明の一実施形態に従うロータブレードを備えた風力タービンが提供される。

別の一態様において、本発明の一実施形態に従うアクチュエータ装置を本発明の一実施形態に従うロータブレードに装着する装着方法が提供され、この方法は、前記アクチュエータ素子を風力タービンの前記ロータブレードに取り付けるステップ、及び／又は、前記制御素子を前記アクチュエータ素子に接続するステップを備えている。

尚、特許請求の範囲の請求項１に記載のアクチュエータ装置と、請求項１３に記載のロータブレードと、請求項１７に記載の風力タービンと、請求項１８に記載の装着方法とは、特に従属請求項において規定されているように、類似の及び／又は同一の望ましい実施形態を備えていることを理解されたい。

以下、添付図面を参照して、本発明を、例示的な実施形態に基づいて、例として更に詳しく説明する。

風力タービンの概略図である。 既知のアクチュエータ装置の概略図である。 アクチュエータ装置の例示的な実施形態を示す概略図である。 アクチュエータ装置のさらなる例示的な実施形態を示す概略図である。 アクチュエータ装置のさらなる例示的な実施形態を示す概略図である。 アクチュエータ装置の例示的な実施形態を示す概略的な平面図である。 アクチュエータ装置の例示的な実施形態を示す概略的な平面図である。 アクチュエータ装置のさらなる例示的な実施形態を示す概略図である。 ロータブレード上のアクチュエータ装置の例示的な実施形態を示す概略図である。 図７に示す例示的な実施形態の細部を示す概略図である。 図７に示す例示的な実施形態の細部を示す概略図である。 アクチュエータ装置のさらなる例示的な実施形態を示す概略図である。 アクチュエータ装置のさらなる例示的な実施形態を示す概略図である。 アクチュエータ装置のさらなる例示的な実施形態を示す概略図である。 アクチュエータ装置のさらなる例示的な実施形態を示す概略図である。 増幅フレームを有する例示的な実施形態を示す概略図である。 リフトフラップを有するロータブレードの断面の一例を示す概略図である。 アクチュエータ装置のさらなる例示的な実施形態の斜視図の一例を概略的に示す図である。 光ガイドから得られる光出力の経路を概略的に且つ一例として示す図である。 光ガイドの配置の例を概略的に且つ一例として示す図である。 光ガイドの配置の別の例を概略的に且つ一例として示す図である。 末端部にナノコーティングを備えた光ガイドの経路を概略的に且つ一例として示す図である。 アクチュエータ装置の一実施形態の斜視図を概略的に且つ一例として示す図である。 アクチュエータ装置の一実施形態の斜視図を概略的に且つ一例として示す図である。

図１ａは、タワー１０２とナセル１０４とを備えた風力タービン１００を示している。ナセル１０４には、３枚のロータブレード１０８とスピナ１１０とを備えたロータ１０６が配置されている。稼働時に、ロータ１０６が、風によって回転運動させられて、それによって、ナセル１０４内の発電機を駆動する。

図１ｂは、既知のアクチュエータ装置２の概略的な図を示しており、この場合、光源３によって励起光４が活性層５に導かれる。活性層５は光アクチュエータ６を備えており、この光アクチュエータ６は、励起光４に基づいて、アクチュエータ層５の歪み（strain）による拡張を生じさせる。アクチュエータ層５は、基板７に取り付けられている。アクチュエータ層５の誘起された拡張は、例えば、基板７を含めて層５を湾曲させることができる。この既知の例では、光源３からの励起光４の照射は、光ガイドなどを使用せずに、アクチュエータ層５全体に亘って、２次元的に且つ直接、実施される。図２は、例えば図１ａに示されているような風力タービン１００用のアクチュエータ装置１０を、概略的に且つ一例として、示している。アクチュエータ装置１０は、アクチュエータ素子２０と制御素子８０を備えている。制御素子８０は、アクチュエータ素子２０の動作機構を制御するように形成されていることが望ましい。

この例において、アクチュエータ素子２０は、この例では水平方向に示された優先方向３２を有するアクチュエータ層３０を備えている。アクチュエータ層３０は光アクチュエータ３４を備えており、この光アクチュエータ３４は、アクチュエータ層３０内に照射される光に従って、優先方向３２にアクチュエータ層３０の歪み及び／又は応力を変化させるように設計されている。アクチュエータ層３０は、例えば、埋設された異方性結晶体を光アクチュエータ３４とする樹脂基材である。優先方向３２と光アクチュエータ３４とは、勿論、一例として選択されているだけであり、その他の例示的な実施形態においては、その他の材料が考えられ、及び／又は、その他の優先方向が考えられる。

アクチュエータ素子２０は、アクチュエータ層３０に実質的に平行な励起層４０も備えている。励起層４０は、励起光４４をアクチュエータ層３０内に案内するように設計されている。図２の例において、励起層４０は、優先方向３２に対応するアクチュエータ素子２０とアクチュエータ層３０との全長に亘って、励起光４４を案内する。励起層４０は、例えば、極薄のガラス又は重合体を含み、望ましくは２０～１００μｍの厚さで形成されていてもよい。

制御素子８０は、光ガイド８２と光源８４を備えている。光源８４はアクチュエータ素子２０から離れて配置されており、光ガイド８２は光源８４によって放射された光を励起層４０内に案内するように設計されている。光源８４は、１つ又は複数の波長の光を放射するように設計されていてもよい。この放射光の波長は、光アクチュエータ３４を活性化するのに適した光の１つ又は複数の波長に対応していることが望ましい。また、その他の例示的な実施形態においては、光源８４によって放射される光の波長は、光アクチュエータ３４が活性化に必要とする波長からずれていてもよい。その場合、例えば、変換素子（図示せず）が、例えば蛍光性又はリン光性の材料を含む素子が、励起層４０内に設けられてもよい。

図２には、鏡面被膜５０が示されており、この鏡面被膜５０は、アクチュエータ素子２０を複数の側面で取り囲んでおり、励起光４４を反射するように設計されている。鏡面被膜５０は、光ガイド８２を介して励起層内に導入された光の大部分が確実にアクチュエータ層３０の励起に使用され得るようにしている。その他の例示的な実施形態において、鏡面被膜５０は、部分的に、特にアクチュエータ層３０とは反対側にある励起層４０側にのみ設けられている。

また図２には、拡散構成要素６０も示されており、この拡散構成要素６０は、アクチュエータ層３０と励起層４０との間に設けられており、励起光４４を拡散してアクチュエータ層３０内に導入するように設計されている。拡散構成要素６０は、例えば、励起層４０の表面の凹凸として、特に、レーザによって及び／又はエッチングによって形成された微小キャビティとして、形成されてもよい。その他の例示的な実施形態において、拡散構成要素６０は、アクチュエータ層３０の一部分として又は独立した構成要素として、形成されてもよい。

図３は、アクチュエータ装置１０のさらなる例示的な一実施形態を、概略的に且つ一例として、示している。図３に示されたアクチュエータ装置は、２つの互いに平行なアクチュエータ層３０を備えており、これらの相互間に励起層４０が配置されている。励起層４０からの光は、結果的に、これらの２つのアクチュエータ層３０の一方に、上方又は下方のいずれかの方向に入ることができる。これらのアクチュエータ層３０は、互いに同じ又は異なっていてもよく、例えば、同じ又は相異なる励起特性を有する光アクチュエータを備えていてもよい。これらの２つのアクチュエータ層３０の優先方向は、互いに同じ又は異なっていてもよい。

図４には、アクチュエータ装置１０のさらなる例示的な一実施形態が概略的に且つ一例として示されており、このアクチュエータ装置１０には、３つのアクチュエータ層３０が備えられており、そして、これらと平行に、２つの励起層４０がこれらの相互間に配置されている。励起層４０の各々は、光ガイド８２を介して、光源８４に接続されている。別の例において、このようにして積み重ねられるアクチュエータ層３０と励起層４０との構成は、任意の所望の構成数で、作成してもよい。この積層構成の形態によって、優先方向は積み重ね方向に沿って伸びていることが望ましく、その結果、この積層体（stack：スタック）は、１つのアクチュエータ層３０又は複数のアクチュエータ層３０が励起されると、より厚く又はより薄くなる。従って、具体的に述べると、個々のアクチュエータ層３０のアクチュエータ変位をアクチュエータ装置１０全体に亘って増大させることができ、その理由は、アクチュエータ素子２０のこの増大への貢献、即ち、拡張がアクチュエータ層３０の各々について生じるからである。

図５ａ及び図５ｂは、アクチュエータ装置１０、あるいは、光アクチュエータ３４を備えたアクチュエータ層３０の平面図を、概略的に且つ一例として、示している。図５ａは、光アクチュエータ３４の優先方向、即ち、異方性が図５ｂとは異なる。Ｌがアクチュエータ素子２０の拡張の方向を示しており、この方向は、アクチュエータ層３０が励起されると拡張又は縮小する優先方向３２に対応している。幅ＢがＬと垂直に示されており、この幅Ｂは実質的に変化しない。図５ａに示された場合では、光ガイド８２による光の導入が幅方向Ｂ全体に亘って分配されるように実施され、即ち、優先方向３２における拡張が光の導入方向に生じる。図５ｂに示された他方の場合では、光の導入が光ガイド８２によってアクチュエータ素子２０の長手方向Ｌ全体に亘って実施され、即ち、優先方向３２における拡張が光の導入に対して垂直に生じる。

長さ方向と幅方向の両方に導入される光の組み合わせも考えられる。その他の例示的な実施形態において、アクチュエータ素子２０は、長手方向Ｌと幅方向Ｂの両方における活性化に対して不変であり、変化は、これらの方向に対して垂直に、例えば図３又は図４に示された積層体の厚さの方向に、生じる。

図６は、アクチュエータ装置１０のさらなる例示的な一実施形態を、概略的に且つ一例として、示している。光ガイド８２における制御素子８０は、アクチュエータ素子２０への入口の前に、ビームを扇形に放散する光学的構成要素８６を備えている。この例では、入射ビームが光学的構成要素８６に入り、広い扇形の光線が光学的構成要素８６から出る。この扇形の光線は、例えば出力側にある複数の光ガイド８２によって、アクチュエータ素子２０内に導入されてもよい。光学的構成要素８６は、例えば、プリズムなどである。

図７は、本発明に従うアクチュエータ装置１０の例示的な一実施形態を概略的に且つ一例として示しており、このアクチュエータ装置１０は、風力タービンのロータブレード１０８の後縁領域１２０に使用されて、サーボフラップの駆動を実施するように設計されている。図７は、風力タービンのロータブレード１０８のプロファイルを断面図で示している。この実施形態において、後縁領域１２０は、実質的にプロファイルの中央に配置されたキャリア基板１３０を備えている。キャリア基板１３０の周りに、この例では、上側と下側の両方に、４つのアクチュエータ素子２０が配置されている。この例では、アクチュエータ素子２０は、アクチュエータ素子２０全体の湾曲を生じさせる２次元アクチュエータである。形状の形成のために、及び、後縁領域１２０のプロファイルを完全なものにするために、キャリア基板１３０とアクチュエータ素子２０は、弾性成形材料１３２内に封入されている。

図７に示された後縁フラップ１２０の機能的な原理は、図８ａ及び図８ｂに詳細に示されている。図８ａ及び図８ｂは、後縁、即ち、フラップ領域１２０を、拡大して且つプロファイル内の弾性成形材料１３２なしで、示している。キャリア基板１３０は、例えば、ＧＦＲＰ又はそれに類似した材料を含むか、あるいは、その材料を含み、図８ａでは、中立位置に示されている。即ち、キャリア基板１３０は偏向されておらず、これは中立フラップ位置に対応している。キャリア基板１３０は、上側と下側の両方に、即ち、ロータブレード１０８を基準にしてサクション側とプレッシャ側の両方に、それぞれ、２つのアクチュエータ素子２０ａと２０ｂを備えている。それぞれのアクチュエータ素子２０ａ、２０ｂの優先方向３２は、ロータブレード１０８のプロファイル弦（profile chord）の方向に伸びている。キャリア基板１３０は、その前端部、即ち、ロータブレード１０８の前縁の方向に面した端部の所で、ロータブレード１０８に取り付けられている。

アクチュエータ素子２０ａと２０ｂは、それぞれ、独立した光源８４によって活性化され、その理由は、以下に更に述べる如く、アクチュエータ素子２０ａの活性化とアクチュエータ素子２０ｂの活性化とは、互いに異なることがあるからである。アクチュエータ素子２０ａは、サクション側で活性化されて優先方向３２に拡張するので、キャリア基板１３０は湾曲し、これは、図８ｂにおける位置１３０ａから位置１３０ｂまでの変化に対応している。望ましい一実施形態において、アクチュエータ素子２０ｂは、同時に縮小するように、同時に活性化される。従って、キャリア基板１３０の湾曲は、アクチュエータ素子２０ｂに逆らうようにして生じる必要はなく、むしろ、それとは対照的に、それらの援助によっても生じてもよい。逆の工程については、即ち、キャリア基板の湾曲位置１３０ｂから中立位置１３０ａまでの変化については、アクチュエータ素子２０ｂ又は２０ａの逆の活性化が必要である。例えば、アクチュエータ素子２０ａが、縮小するように活性化されてもよい。その代わりに、あるいは、望ましくはそれに加えて、アクチュエータ素子２０ｂが、拡張するように活性化されてもよい。図８において、アクチュエータ素子２０は、一例として、３つの層、即ち、２つのアクチュエータ層とこれらの間に配置された励起層とを備えているように、示されている。尚、言うまでもないが、その他の例示的な実施形態においては、アクチュエータ素子２０のその他の構成も使用されてもよい。

全ての実施形態において、特に制御素子８０による活性化には、照射、非照射、あるいは、それらの任意の所望の組み合わせ、あるいは、照射と非照射との中間段階、例えば、低減された強度を用いた照射、変調を用いた照射、種々のパターンを用いた照射、種々の波長を用いた照射などが含まれることが望ましい。それに応じて、複数のアクチュエータ素子の同時活性化には、例えば、照射による同時活性化、非照射による同時活性化、あるいは、上述の組み合わせの各々による同時活性化も含まれる。

図９ａ～９ｄは、優先方向３２を有するアクチュエータ装置１０のさらなる例示的な一実施形態を示しており、この優先方向３２は、光ガイド８２が励起層４０内に光を導入する方向に垂直である。

図９ａは、２つのアクチュエータ層３０とこれらの間に配置された励起層４０とを備えた２次元的に構成されたアクチュエータ素子２０を概略的に示している。優先方向３２は、Ｌとして定められた長手方向に対応しており、アクチュエータ素子２０の個々の層は、方向Ｄにおいて、ある厚さで、積み重ねられており、アクチュエータ素子の２次元の広がりは、長手方向Ｌのみならず、幅方向Ｂも含んでいる。従って、図９ｂは、図９ａに示されたアクチュエータ素子２０がどのように幅方向Ｂに沿って巻き上げられているかを示している。優先方向３２は、これによっては、変化せず、即ち、依然として長手方向Ｌに、換言すれば、図９ｂにおいて図面の平面に対して垂直に、伸びている。これは、図９ｃにおいて遠近法によって示されている。図９ａに表現されたものと比較して、アクチュエータ装置１０が幅方向Ｂに要する広がりが少ないことが明確に分かる。従って、図９ａに示された２次元のアクチュエータと同じアクチュエータ効果を有し、しかしながら、必要な底面積が僅か何分の１かのアクチュエータが実現できる。これは、スペースが重要な用途には、特に有益である。

図９ｄでは、図９ａに示されたアクチュエータ素子２０の詳細が概略的に且つ遠近法によって示されており、その一方で、光源８４と複数の光ガイド８２とを備えた制御素子８０の接続形態が示されており、これらによって、光が、励起層４０内に、長手方向Ｌにおける種々の位置から、導入される。

図１０は、アクチュエータ装置１０の例示的な一実施形態を概略的に且つ一例として示しており、このアクチュエータ装置１０は、優先方向３２におけるアクチュエータの動きを変換するための増幅フレーム２００を備えている。この例示的な一実施形態において、アクチュエータ素子２０は、優先方向３２が積層方向に対応する積層体として構成されていることが望ましい。増幅フレーム２００は、優先方向３２における動きを変換して、その結果として、優先方向３２に対して実質的に垂直なアクチュエータ方向２２０を生成し、その際の変換比率は設定可能である。このようにして、例えば、プッシュプルロッド（push-pull rod）２１０を、アクチュエータ方向２２０に、アクチュエータ素子２０の優先方向３２における拡張又は縮小に比べて遥かに長い距離に亘って、移動させることができる。このアクチュエータの構造は、圧電積層体の既知の構造と類似しており、増幅フレーム２００についての一般的な増幅係数は、約５の範囲内である。即ち、優先方向３２における例えば１００μｍの拡張の結果として、例えば５００μｍの拡張がアクチュエータ方向２２０に沿って生じる。この増幅フレーム２００は変換装置の単なる一例に過ぎず、また、プッシュプルロッド２１０も結合構成要素の単なる一例に過ぎず、その他の手段は当業者に知られている。

図１１は、リフトフラップ２３０を有するロータブレード１０８の断面を概略的に且つ一例として示しており、このリフトフラップ２３０は、例えば図１０に示されたような２つのアクチュエータ装置１０によって制御される。アクチュエータ装置１０の各々は、増幅フレーム２００を備えており、プッシュプルロッド２１０を駆動して、その結果、フラップ２３０は偏向方向３２０に沿って偏向される。サーボフラップと比較して、リフトフラップ２３０は、実質的に湾曲せず、全体として機械的に変位する。この目的のために、２つのプッシュプルロッド２１０は互いに反対方向に動かされ、その結果、フラップ２３０が方向３２０に沿って傾くことが望ましい。この例では、プッシュプルロッド２１０を動力伝達手段として使用しているが、その他の例示的な実施形態においては、当然、その他の全ての機械的手段も考えられる。

リフトフラップとサーボフラップとを、一例として、例示的な実施形態における能動的構成要素として説明したが、上述の利点は、その他の能動的構成要素についても、例えば、ボーテックスジェネレータなどについても、実現できる。例えばリフトフラップとサーボフラップとを組み合わせたもののような組み合わせも利点として考えられる。

図１２は、例えば図９ａに示されたような２次元的に構成されたアクチュエータ素子２０のさらなる例示的な一実施形態を概略的に示している。図１２に示された２次元のアクチュエータにおいて、アクチュエータ層３０と励起層４０との広がりは、このアクチュエータが、基板と、例えば風力タービンのロータブレードの一部分と、接続しているアクチュエータ面積に対して、垂直である。従って、この一実施形態は積層体アクチュエータ（stack actuator）と見なすことができ、この積層体アクチュエータから、厚さＤを有する薄いスライスが、切り取られて、幅方向Ｂと長さ方向Ｌとに沿って平坦に配置されている。この構成によって、２次元の平面内にある優先方向３２における歪みによる拡張が可能になる。優先方向３２は、アクチュエータ層３０に対して垂直であり、アクチュエータ層３０は、優先方向３２に沿って積み重ねられている。この例示的な一実施形態において、アクチュエータ素子２０は、鏡面被膜５０も備えており、この鏡面被膜５０は、反射層としての役割を果たしており、励起光が、確実に、光ガイド８２から励起層４０内に最適に導入されるようにしている。

図１３は、光ガイド８２から得られる光出力の経路を概略的に且つ一例として示している。縦軸には光量が表されており、水平方向のｘ軸には光ガイド８２の長さＬに亘るこの経路が表されている。この経路は、光ガイド８２の進入点５１０から励起層４０を通過して光ガイド８２が終端する終点５２０まで進んでいる。この簡略化された例では、光量は、励起層４０を通過する長さに伴って線形に減少することが分かる。図１３には、更に、反対に配置された光ガイド８２′の光量が表されている。光ガイド８２′は、この第２の光ガイド８２′が励起層４０内に導かれる第１の光ガイド８２の終点５２０において、結果的に最高の光量を有している。これは、結果的に光ガイド８２と実質的に反対に延びている。光ガイド８２と光ガイド８２′が励起層４０内で互いに近接して導かれている場合、全長Ｌに亘って実質的に一定である総合的な光入力５３０が得られる。本発明に従う解決手段は、具体的には、光ガイド８２、８２′の一方における光量の低下を、この光ガイドのすぐ近くに配置された別の光ガイドを実質的に逆の態様に設計することによって、補償することである。

図１４には、このような２つの光ガイド８２、８２′の実施可能な配置の一例が概略的に示されている。この例示的な一実施形態において、２つの光ガイド８２、８２′は、アクチュエータ積層体の一側面の複数の励起層４０の多数の縁端に亘って、進入口８２０、８２０′から退出口８２２、８２２′まで、導かれている。２つの光ガイド８２、８２′は、この場合、曲折形態で導かれており、実質的に平行に配置されており、それぞれ、一変動幅の半分だけオフセットされている。換言すれば、各場合における２つの光ガイド８２、８２′の一方は、これらの光ガイド８２、８２′の他方の２つのループ相互間のスペース内において伸延している。

この例においては、光ガイド８２、８２′の方向の反転は、励起層４０とアクチュエータ層３０とから成る積層体の外側で実施されているように示されているが、光ガイド８２、８２′の方向の反転は、例えば、励起層４０の１つの中で実施されてもよい。方向が変わる領域においては、例えば、光ガイド８２、８２′のライティング手段又は他の表面変化によって光量が生じないことが好ましい。しかしながら、光ガイド８２、８２′の方向の変化が励起層４０内において形成される場合、そのような光量は、その反転カーブの領域においても例えばライティング手段によって提供されてもよい。励起層全体に亘る光量は、図１３に示されているように、グラフ５３０にほぼ対応しており、即ち、この光量は、励起層４０の全表面領域に亘って、また、全ての励起層４０に亘って実質的に一定である。

図１５は、別の例である４つの光ガイド８２、８２′、８２″及び８２’’’の配置を概略的に且つ一例として示しており、光ガイド８２～８２’’’の各々は実質的に同一に形成されており、図１４の例示的な実施形態と比較すれば、そこに示された２つの光ガイド８２、８２′の間に別の光ガイドがそれぞれ挿入されている。図１５の例においては、互いに平行に対向する２つの光ガイドの代わりに、このような４つの光ガイド８２～８２’’’が配置されており、光ガイド８２と８２″のペア及び光ガイド８２′と８２’’’のペアがそれぞれ同じ導光方向を有している。図１５に示されたような４つの光ガイドについての配置によって、同じアクチュエータ表面に対して相異なる２つの波長または２つのスペクトル範囲を使用する励起層４０の均一な照射が可能になる。波長の１つ、即ち特定の色の光がアクチュエータ層の光アクチュエータを活性化して、別の波長、即ち別の色が、光アクチュエータを不活性化することが好ましい。図１４及び図１５のデザインは、もちろん、単なる例として理解されるべきであり、励起層４０の均一な光量を可能にする他の幾何学的なデザインも当業者には難なく利用可能である。この場合、２つの互いに反対方向に伸延する光ガイドの任意の所望の偶数倍を構成できる。

図１６は、末端部にナノコーティング８３０を備えた光ガイド８２の経路を概略的に且つ一例として示している。ナノコーティング８３０は、例えば、励起層４０の領域に設けられてもよい。ナノコーティング８３０には、このナノコーティング８３０が適用された領域において、光がファイバの周りの全ての方向に出て拡散するという効果が有る。適切な手段を用いて一部の空間方向のみにおける光出力も、当然、実現可能である。

図１７は、光アクチュエータ３４を備えた複数の層が互いに積み重ねられて配置されたアクチュエータ装置１０の一実施形態の斜視図を概略的に且つ一例として示している。この概略図において、光アクチュエータの分子に基づく構造が格子によって示されているが、実際の配置は、当然、この格子構造には限定されない。この例では、光ガイドは、垂直方向に、即ち、個々の層３０、４０の広がりの方向に対して垂直に、曲折形態で伸延している。この例示的な実施形態は、好ましくは図１４又は図１５に従う光ガイド８２の配置と組み合わせることができ、その結果として、積層体アクチュエータの積層構成全体に亘って均一な光入力が可能になる。

最後に、図１８はアクチュエータ装置１０の別の例示的な一実施形態を示しており、このアクチュエータ装置１０は、円筒の形状を有するこの例示的な実施形態において、内部穿孔８００を備えている。２つの光ガイド８２、８２′が、シリンダ８１０の外周に沿って螺旋状に且つ互いに反対方向に伸延している。この例示的な一実施形態では、光ガイド８２、８２′の螺旋は、シリンダ８１０の外側の周りに示されているが、別の例示的な一実施形態では、光をシリンダ８１０の中央に導くことも可能である。

Claims (18)

1. アクチュエータ素子（２０）と制御素子（８０）とを備えた、風力タービン（１００）用のアクチュエータ装置（１０）であって、
   前記アクチュエータ素子（２０）が、優先方向（３２）を有する少なくとも１つのアクチュエータ層（３０）と、前記アクチュエータ層（３０）に実質的に平行な少なくとも１つの励起層（４０）とを備えており、
   前記アクチュエータ層（３０）が、光アクチュエータ（３４）を備えており、
   前記光アクチュエータ（３４）が、励起光に基づいて、前記優先方向（３２）における前記アクチュエータ層（３０）の歪み及び／又は応力を変化させるように設計されており、
   前記励起層（４０）が、励起光を前記アクチュエータ層（３０）内に案内するように設計されており、
   前記制御素子（８０）が、光源（８４）と光ガイド（８２）とを備えており、
   前記光源（８４）が、前記励起層（４０）から離れて配置されており、前記光ガイド（８２）によって前記励起層（４０）に接続されており、
   前記光ガイド（８２）が、前記励起層（４０）を相異なる方向に通り抜けて伸延しており、前記相異なる方向が、互いに反対である要素を有している、前記アクチュエータ装置（１０）。
2. 前記アクチュエータ素子（２０）が、多数の積層されたアクチュエータ層（３０）と励起層（４０）とを有する積層体アクチュエータ素子として形成されており、前記光ガイド（８２）が、前記積層体アクチュエータ素子の少なくとも１つの層表面上の、前記励起層（４０）の多数の縁端に亘って形成されている、請求項１に記載のアクチュエータ装置（１０）。
3. 少なくとも２つの光ガイド（８２）を備えており、これらの光ガイドのうちの少なくとも２つが、相異なる側から前記励起層（４０）に入っている、請求項１又は２に記載のアクチュエータ装置（１０）。
4. 前記光源（８４）からの前記光ガイド（８２）の方向を前記光ガイド（８２）の光案内方向と呼ぶことにすれば、前記励起層（４０）内における相異なる光ガイド（８２）の互いに隣接する部分が、少なくとも部分的に互いに逆の光案内方向を有している、請求項１～３のいずれか一項に記載のアクチュエータ装置（１０）。
5. 前記光ガイド（８２）から得られる光出力が前記光ガイド（８２）の長さに伴って減少し、少なくとも２つの光ガイド（８２）が、前記アクチュエータ層（３０）内への均一な光入力が行われるように、前記励起層（４０）内において又は前記励起層（４０）に沿って伸延している、請求項１～４のいずれか一項に記載のアクチュエータ装置（１０）。
6. 少なくとも２つの光ガイド（８２）が、前記励起層（４０）を、少なくとも特定の部分において互いに反対方向に、通り抜けて伸延している、請求項１～５のいずれか一項に記載のアクチュエータ装置（１０）。
7. 前記少なくとも２つの光ガイド（８２）のうちの第１の光ガイド（８２）の、前記励起層（４０）内への進入点が、前記少なくとも２つの光ガイド（８２）のうちの第２の光ガイド（８２）の退出点に隣接している、請求項６に記載のアクチュエータ装置（１０）。
8. 前記少なくとも２つの光ガイド（８２）が、各々、前記励起層（４０）を通り抜けて又は前記励起層（４０）に沿って曲折形態で伸延しており、前記２つの光ガイド（８２）の実質的に互いに平行なそれぞれの部分が前記励起層（４０）内において互いに交互になっている、請求項６又は７に記載のアクチュエータ装置（１０）。
9. 前記少なくとも２つの光ガイド（８２）が、これらの光ガイド（８２）の方向が実質的に逆にされる曲折のループの領域において、重ね合わされている、請求項８に記載のアクチュエータ装置（１０）。
10. 前記アクチュエータ素子が、内部に中空穿孔を備えた実質的に円筒形の形状を有し、１つ又は複数の前記光ガイド（８２）が実質的に前記中空穿孔内に配置されている、請求項１～９のいずれか一項に記載のアクチュエータ装置（１０）。
11. 前記光源（８４）から離れている前記光ガイドの端部の領域がナノコーティング（８３０）を備えている、請求項１～１０のいずれか一項に記載のアクチュエータ装置（１０）。
12. 前記制御素子（８０）が複数の光ガイドを備えており、前記複数の光ガイドが、相異なる波長及び／又はスペクトル範囲を案内するように構成されている、請求項１～１１のいずれか一項に記載のアクチュエータ装置（１０）。
13. 請求項１～１２のいずれか一項に記載のアクチュエータ装置（１０）と能動構成要素（１２０、２３０）とを備えた、風力タービン（１００）のロータブレード（１０８）であって、
    前記アクチュエータ装置（１０）が、前記能動構成要素（１２０、２３０）を制御するように設計されている、
    前記ロータブレード。
14. 前記アクチュエータ装置（１０）の前記アクチュエータ素子（２０）が、湾曲型アクチュエータ素子として構成されており、
    前記能動構成要素が、サーボフラップ（１２０）として構成されており、
    前記アクチュエータ素子（２０）が、前記サーボフラップ（１２０）の領域に、表面接触して、取り付けられている、請求項１３に記載のロータブレード。
15. 前記アクチュエータ装置（１０）の前記アクチュエータ素子（２０）が、拡張型アクチュエータ素子として構成されており、
    前記能動構成要素が、リフトフラップ（２３０）として構成されており、
    前記ロータブレード（１０８）が、前記アクチュエータ素子（２０）の動きを前記リフトフラップ（２３０）の制御に変換する変換ユニット（２００、２１０）も備えている、請求項１４に記載のロータブレード。
16. 前記アクチュエータ装置（１０）が、前記アクチュエータ素子を取り囲む増幅フレームを備えており、
    前記変換ユニットが、前記増幅フレームを前記リフトフラップに結合するためのプッシュプルロッドを備えている、請求項１５に記載のロータブレード。
17. 請求項１３～１６のいずれか一項に記載のロータブレードを備えた風力タービン（１００）。
18. 請求項１～１２のいずれか一項に記載のアクチュエータ装置（１０）を、請求項１３～１６のいずれか一項に記載のロータブレード（１０８）に装着する装着方法であって、
    前記アクチュエータ素子（２０）を前記ロータブレード（１０８）に取り付けるステップ、及び／又は、前記制御素子（８０）を前記アクチュエータ素子（２０）に接続するステップ、を含む、
    前記装着方法。

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