(57)【要約】本発明は、チャンバの少なくとも一部分が、チャンバのもう1つの部分に対して可動である部分を含み、可動部分が、可動部分の移動によってチャンバの容積を第1の容積から第2の容積まで変化させるように適合されている、流体受入れ用チャンバを含む、流体エネルギー伝達装置を提供する。該装置はさらに、可動部分に取り付けられたアクチュエータを含み、ここで、可動部分の変位はアクチュエータの変位より大きいものであってよい。2009529119.tif 000003
2009529119.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバの少なくとも一部分が、チャンバのもう1つの部分に対して可動である部分を含み、可動部分が、可動部分の移動によってチャンバの容積を第1の容積から第2の容積まで変化させるように適合されている、流体受入れ用チャンバと
可動部分に取付けられた可変リラクタンスアクチュエータとを含み、
可変リラクタンスアクチュエータが、(i) 可動部分に直接連結されている状態および(ii) 可動部分にリンクされてアクチュエータ-可動部分アセンブリを形成している状態の少なくとも一方であり；
可変リラクタンスアクチュエータが、可動部分以外の該装置の他のいかなる構成要素に対しても事実上連結されておらずかつ事実上リンクされておらず；かつ
アクチュエータ-可動部分アセンブリが、実質的に駆動周波数でのアクチュエータの揺動にのみ起因して移動するように適合されている、
流体エネルギー伝達装置。
【請求項２】
可動部分の変位を貯蔵エネルギーと正比例して増大させるように、アクチュエータをある周波数で駆動してエネルギーをシステム共振に貯蔵する、請求項1記載の装置。
【請求項３】
アクチュエータが、可動部分から分離している装置の構成要素に対して弾性的に連結されている、請求項1記載の装置。
【請求項４】
可変リラクタンスアクチュエータのエアギャップは、アクチュエータおよび移動部分が実質的にアクチュエータの変位のみに起因して第1の位置と第2の位置との間で移動するような変位振幅および周波数で揺動するように適合されており、第1の位置と第2の位置との間の距離がアクチュエータエアギャップの変位振幅よりも大きい、請求項1記載の装置。
【請求項５】
可動部分がダイヤフラムを含む、請求項1記載の装置。
【請求項６】
可動部分が、可撓性の周辺部を有するピストンを含む、請求項1記載の装置。
【請求項７】
請求項1記載の装置と
チャンバと流体連通している流体入口ポートと
チャンバと流体連通している流体出口ポートとを含み、
該装置が、可動部分の移動中に、チャンバの容積を増大させるような形で入口ポートを介してチャンバ内に流体を引き込むように適合されており；かつ
該装置が、可動部分の移動中に、チャンバの容積を減少させるような形で出口ポートを介してチャンバ外に流体を放出するように適合されている、
ポンプ。
【請求項８】
流体がチャンバに出入りできるようにするチャンバ内の開口部をさらに含み、該開口部を通る揺動流が合成ジェットを発生させる、請求項1記載の流体エネルギー伝達装置。
【請求項９】
チャンバ可動部分がベローズを含む、請求項1記載の流体エネルギー伝達装置。
【請求項１０】
チャンバの少なくとも一部分が、チャンバのもう1つの部分に対して可動である部分を含み、可動部分が、可動部分の移動によってチャンバの容積を第1の容積から第2の容積まで変化させるように適合されている、流体受入れ用チャンバと
可動部分に取付けられた電気活性アクチュエータとを含み、
電気活性アクチュエータが、(i) 可動部分に直接連結されている状態および(ii) 可動部分にリンクされてアクチュエータ-可動部分アセンブリを形成している状態の少なくとも一方であり；
電気活性アクチュエータが、可動部分以外の該装置の他のいかなる構成要素に対しても事実上連結されておらずかつ事実上リンクされておらず；かつ
アクチュエータ-可動部分アセンブリが、実質的に駆動周波数でのアクチュエータの揺動にのみ起因して移動するように適合されている、
流体エネルギー伝達装置。
【請求項１１】
可動部分の変位を貯蔵エネルギーと正比例して増大させるように、アクチュエータをある周波数で駆動してエネルギーをシステム共振に貯蔵する、請求項10記載の装置。
【請求項１２】
電気活性アクチュエータに反動質量が取り付けられている、請求項10記載の電流エネルギー伝達装置。
【請求項１３】
可動部分がダイヤフラムを含む、請求項10記載の流体エネルギー伝達装置。
【請求項１４】
可動部分が、可撓性の周辺部を有するピストンを含む、請求項10記載の流体エネルギー伝達装置。
【請求項１５】
請求項10記載の装置と
チャンバと流体連通している流体入口ポートと
チャンバと流体連通している流体出口ポートとを含み、
該装置が、可動部分の移動中に、チャンバの容積を増大させるような形で入口ポートを介してチャンバ内に流体を引き込むように適合されており；かつ
該装置が、可動部分の移動中に、チャンバの容積を減少させるような形で出口ポートを介してチャンバ外に流体を放出するように適合されている、
ポンプ。
【請求項１６】
チャンバの少なくとも一部分が、可撓性部分上の最大偏向点が可撓性部分上の他の任意の点よりも大きい変位を提供するような形でチャンバのもう1つの部分に対して可動である可撓性部分を含み、可撓性部分が、可撓性部分を曲げることによってチャンバの容積を第1の容積から第2の容積まで変化させるように適合されている、流体受入れ用チャンバと
最大偏向点以外の点において可撓性部分に取り付けられる力発生アクチュエータとを含み、
力発生アクチュエータが、(i) 可撓性部分に直接連結されている状態および(ii) 可撓性部分にリンクされてアクチュエータ-可動部分アセンブリを形成している状態の少なくとも一方であり；
力発生アクチュエータが、可撓性部分以外の該装置の他のいかなる構成要素に対しても事実上連結されておらずかつ事実上リンクされておらず；かつ
アクチュエータ-可動部分アセンブリが、実質的に駆動周波数でのアクチュエータの揺動にのみ起因して移動するように適合されている、
流体エネルギー伝達装置。
【請求項１７】
可動部分の変位を貯蔵エネルギーと正比例して増大させるように、アクチュエータをある周波数で駆動してエネルギーをシステム共振に貯蔵する、請求項16記載の装置。
【請求項１８】
可撓性部分がダイヤフラムを含む、請求項16記載の流体エネルギー伝達装置。
【請求項１９】
ダイヤフラムが、最大偏向点となる中央ピストン区分をさらに含む、請求項16記載の流体エネルギー伝達装置。
【請求項２０】
可撓性部分が、少なくとも1つのベローズ区分を有するベローズを含む、請求項16記載の流体エネルギー伝達装置。
【請求項２１】
ベローズが、最大偏向点となる中央ピストン区分をさらに含む、請求項20記載の流体エネルギー伝達装置。
【請求項２２】
力発生アクチュエータがベンダーアクチュエータを含む、請求項16記載の流体エネルギー伝達装置。
【請求項２３】
力発生アクチュエータが可変リラクタンスアクチュエータを含む、請求項16記載の流体エネルギー伝達装置。
【請求項２４】
力発生アクチュエータが固体電気活性アクチュエータを含む、請求項16記載の流体エネルギー伝達装置。
【請求項２５】
請求項16記載の装置と
チャンバと流体連通している流体入口ポートと
チャンバと流体連通している流体出口ポートとを含み、
該装置が、可動部分の移動中に、チャンバの容積を増大させるような形で入口ポートを介してチャンバ内に流体を引き込むように適合されており；かつ
該装置が、可動部分の移動中に、チャンバの容積を減少させるような形で出口ポートを介してチャンバ外に流体を放出するように適合されている、
ポンプ。
【請求項２６】
チャンバの少なくとも一部分が、チャンバの第2の部分に対して可動である可撓性部分を含み、可撓性部分が、可撓性部分を曲げることによってチャンバの容積を第1の容積から第2の容積まで変化させるように適合されている、流体受入れ用チャンバと
可撓性部分の閉ループのまわりで可撓性部分を圧締めし、それにより閉ループの内部の内部区分と閉ループの外部の外部区分を含む2つの区分へと該可撓性部分を分割し、同時に、内部区分と外部区分の変位が反対方向となるように外部区分と内部区分がピボットクランプのまわりを旋回する、ピボットクランプと
可撓性部分の外部区分への取り付け点を有する少なくとも1つの力発生アクチュエータとを含み、
力発生アクチュエータが、(i) 可撓性部分の外部区分に直接連結されている状態および(ii) 可撓性部分の外部区分にリンクされてアクチュエータ-可動部分アセンブリを形成している状態の少なくとも一方であり；
力発生アクチュエータが、可撓性部分の外部区分以外の装置の他のいかなる構成要素に対しても事実上連結されておらずかつ事実上リンクされておらず；かつ
アクチュエータ-可動部分アセンブリが、実質的に駆動周波数でのアクチュエータの揺動にのみ起因して移動するように適合されている、
流体エネルギー伝達装置。
【請求項２７】
チャンバの少なくとも一部分が、第1の可撓性部分上の最大偏向点が第1の可撓性部分上の他の任意の点よりも大きい変位を提供するような形でチャンバの第2の部分に対して可動である第1の可撓性部分を含み、第1の可撓性部分が、第1の可撓性部分を曲げることによってチャンバの容積を第1の容積から第2の容積まで変化させるように適合されている、流体受入れ用チャンバと
最大偏向点以外の点にある該可撓性部分への取り付け点およびチャンバの第2の部分への取り付け点を有する少なくとも1つの力発生アクチュエータとを含み、
力発生アクチュエータが、チャンバ容積の対応する変化と共に、チャンバの可撓性部分とチャンバの第2の部分との間に交互に力を加え；かつ
最大偏向点の結果として得られたピーク変位が、力発生アクチュエータの変位よりも大きい、
流体エネルギー伝達装置。
【請求項２８】
第1の可撓性部分の変位を貯蔵エネルギーと正比例して増大させるように、アクチュエータをある周波数で駆動してエネルギーをシステム共振に貯蔵する、請求項27記載の装置。
【請求項２９】
力発生アクチュエータがベンダーアクチュエータを含む、請求項27記載の流体エネルギー伝達装置。
【請求項３０】
力発生アクチュエータが可変リラクタンスアクチュエータを含む、請求項27記載の流体エネルギー伝達装置。
【請求項３１】
力発生アクチュエータが電気活性アクチュエータを含む、請求項27記載の流体エネルギー伝達装置。
【請求項３２】
請求項27記載の装置と
チャンバと流体連通している流体入口ポートと
チャンバと流体連通している流体出口ポートとを含み、
該装置が、可撓性部分の移動中に、チャンバの容積を増大させるような形で入口ポートを介してチャンバ内に流体を引き込むように適合されており；かつ
該装置が、可撓性部分の移動中に、チャンバの容積を減少させるような形で出口ポートを介してチャンバ外に流体を放出するように適合されている、
ポンプ。
【請求項３３】
第2の可撓性部分上の最大偏向点が第2の可撓性部分上の他の任意の点よりも大きい変位を提供するように、チャンバの第1の可撓性部分に対して可動であるチャンバの第2の可撓性部分を含むチャンバの第2の部分と
最大偏向点以外の点に第2の可撓性部分への取り付け点も有する力発生アクチュエータとをさらに含み、
力発生アクチュエータが、チャンバの第1と第2の可撓性部分との間に交互に力を加え、それにより第1と第2の可撓性チャンバ部分の最大偏向点の間で力発生アクチュエータの変位よりも大きいピーク変位を結果としてもたらす、
請求項27記載の流体エネルギー伝達装置。
【請求項３４】
第1の可撓性部分が可撓性周辺部を有する第1のピストンを含み；かつ
第2の可撓性部分が可撓性周辺部を有する第2のピストンを含む、
請求項33記載の流体エネルギー伝達装置。
【請求項３５】
チャンバの少なくとも一部分が、チャンバの第2の部分に対して可動である第1の可撓性部分を含み、第1の可撓性部分が、第1の可撓性部分を曲げることによってチャンバの容積を第1の容積から第2の容積まで変化させるように適合されている、流体受入れ用チャンバと
ゼロ曲げ変位点にある第1の可撓性部分への取り付け点およびチャンバの第2の部分への取り付け点を有し、第1の可撓性部分の曲げ変位の方向で力を発生させる、少なくとも1つの力発生アクチュエータとを含み、
力発生アクチュエータが、アクチュエータ変位と第1の可撓性部分の曲げ変位との瞬間的総和の結果として得られるチャンバ容積の変化と共に、チャンバの可撓性部分とチャンバの第2の部分との間に交互に力を加える、
流体エネルギー伝達装置。
【請求項３６】
第1の可撓性部分の変位を貯蔵エネルギーと正比例して増大させるように、アクチュエータをある周波数で駆動してエネルギーをシステム共振に貯蔵する、請求項35記載の装置。
【請求項３７】
力発生アクチュエータが可変リラクタンスアクチュエータを含む、請求項35記載の流体エネルギー伝達装置。
【請求項３８】
力発生アクチュエータが固体電気活性アクチュエータを含む、請求項35記載の流体エネルギー伝達装置。
【請求項３９】
請求項35記載の装置と
チャンバと流体連通している流体入口ポートと
チャンバと流体連通している流体出口ポートとを含み、
該装置が、可撓性部分の移動中に、チャンバの容積を増大させるような形で入口ポートを介してチャンバ内に流体を引き込むように適合されており；かつ
該装置が、可撓性部分の移動中に、チャンバの容積を減少させるような形で出口ポートを介してチャンバ外に流体を放出するように適合されている、
ポンプ。
【請求項４０】
チャンバの第1の可撓性部分に対して可動であるチャンバの第2の可撓性部分を含むチャンバの第2の部分と
第2の可撓性部分のゼロ曲げ変位点に第2の可撓性部分への取り付け点も有する力発生アクチュエータとを含み、
力発生アクチュエータが、チャンバの第1と第2の可撓性部分の間に交互に力を加え、それにより第1と第2の可撓性チャンバ部分の最大偏向点の間で力発生アクチュエータの軸方向変位よりも大きいピーク変位を結果としてもたらす、
請求項35記載の流体エネルギー伝達装置。
【請求項４１】
チャンバの少なくとも一部分が、チャンバの第2の部分に対して可動である第1の可撓性部分を含み、第1の可撓性部分が、第1の可撓性部分を曲げることによってチャンバの容積を第1の容積から第2の容積まで変化させるように適合されている、流体受入れ用チャンバと
ゼロ曲げ変位点にある第1の可撓性部分への取り付け点を有し、第1の可撓性部分の曲げ変位に対して横方向に力を発生させる、少なくとも1つの力発生アクチュエータとを含み、
力発生アクチュエータが、第1の可撓性部分の軸方向振動の結果もたらされるチャンバ容積の変化と共に、チャンバの第1の可撓性部分上に交互に横方向の力を加える、
流体エネルギー伝達装置。
【請求項４２】
可撓性部分の変位を貯蔵エネルギーと正比例して増大させるように、アクチュエータをある周波数で駆動してエネルギーをシステム共振に貯蔵する、請求項41記載の装置。
【請求項４３】
力発生アクチュエータが電気活性アクチュエータを含む、請求項41記載の流体エネルギー伝達装置。
【請求項４４】
請求項41記載の装置と
チャンバと流体連通している流体入口ポートと
チャンバと流体連通している流体出口ポートとを含み、
該装置が、可撓性部分の移動中に、チャンバの容積を増大させるような形で入口ポートを介してチャンバ内に流体を引き込むように適合されており；かつ
該装置が、可撓性部分の移動中に、チャンバの容積を減少させるような形で出口ポートを介してチャンバ外に流体を放出するように適合されている、
ポンプ。
【請求項４５】
チャンバの第1の可撓性部分に対して可動であるチャンバの第2の可撓性部分を含むチャンバの第2の部分と
第2の可撓性部分のゼロ曲げ変位点に第2の可撓性部分への取り付け点も有し、かつ第2の可撓性部分の曲げ変位に対して横方向に力を発生させる、力発生アクチュエータとをさらに含み、
力発生アクチュエータが、チャンバの第1および第2の可撓性部分上に交互に横方向の力を加え、それにより第1および第2の可撓性部分の軸方向振動の結果として生じるチャンバ容積の変化がもたらされる、
請求項41記載の流体エネルギー伝達装置。
【請求項４６】
チャンバの少なくとも一部分が、チャンバの第2の部分に対して可動である第1の可撓性部分を含み、第1の可撓性部分が、第1の可撓性部分を曲げることによってチャンバの容積を第1の容積から第2の容積まで変化させるように適合されている、流体受入れ用チャンバと
第1の可撓性部分の中心への取り付け点を有し、かつ第1の可撓性部分の軸方向曲げ変位に対して横方向に力を発生させる、力発生アクチュエータとを含み、
力発生アクチュエータが、第1の可撓性部分の軸方向振動の結果もたらされるチャンバ容積の変化と共に、チャンバの第1の可撓性部分上に交互に横方向の力を加える、
流体エネルギー伝達装置。
【請求項４７】
可撓性部分の変位を貯蔵エネルギーと正比例して増大させるように、アクチュエータをある周波数で駆動してエネルギーをシステム共振に貯蔵する、請求項46記載の装置。
【請求項４８】
請求項46記載の装置と
チャンバと流体連通している流体入口ポートと
チャンバと流体連通している流体出口ポートとを含み、
該装置が、可撓性部分の移動中に、チャンバの容積を増大させるような形で入口ポートを介してチャンバ内に流体を引き込むように適合されており；かつ
該装置が、可撓性部分の移動中に、チャンバの容積を減少させるような形で出口ポートを介してチャンバ外に流体を放出するように適合されている、
ポンプ。
【請求項４９】
チャンバの少なくとも一部分が、チャンバの第2の部分に対して可動である可撓性部分を含み、可撓性部分が、可撓性部分を曲げることによってチャンバの容積を第1の容積から第2の容積まで変化させるように適合されている、流体受入れ用チャンバと
可撓性部分の閉ループのまわりで可撓性部分を圧締めし、それにより閉ループの内部の内部区分および閉ループの外部の外部区分を含む2つの区分へと該可撓性部分を分割し、同時に、内部区分と外部区分の変位が反対方向となるように外部区分と内部区分がピボットクランプのまわりを旋回する、ピボットクランプと
可撓性部分の外部区分への取り付け点およびピボットクランプへの取り付け点を有し、可撓性部分の曲げ変位と同じ方向で力を発生させる、少なくとも1つの力発生アクチュエータとを含み、
該力発生アクチュエータが、可撓性部分の屈曲の結果として生じるチャンバ容積の変化と共に、ピボットクランプと可撓性部分の外部区分との間に交互に力を加える、
流体エネルギー伝達装置。
【請求項５０】
可撓性部分の変位を貯蔵エネルギーと正比例して増大させるように、アクチュエータをある周波数で駆動してエネルギーをシステム共振に貯蔵する、請求項49記載の装置。
【請求項５１】
力発生アクチュエータが可変リラクタンスアクチュエータを含む、請求項49記載の流体エネルギー伝達装置。
【請求項５２】
力発生アクチュエータが電気活性アクチュエータを含む、請求項49記載の流体エネルギー伝達装置。
【請求項５３】
共振音響モードを支持するための音響共振器と；
(i) 請求項1記載の流体エネルギー伝達装置、または(ii) 請求項14記載の流体エネルギー伝達装置、または(iii) 請求項18記載の流体エネルギー伝達装置、または(iv) 請求項26A記載の流体エネルギー伝達装置、または(v) 請求項27記載の流体エネルギー伝達装置、または(vi) 請求項32記載の流体エネルギー伝達装置、または(vii) 請求項37記載の流体エネルギー伝達装置、または(vii) 請求項41記載の流体エネルギー伝達装置、または(viii) 請求項46記載の流体エネルギー伝達装置、または(vii) 請求項49記載の流体エネルギー伝達装置のうちの1つである、流体エネルギー伝達装置
とを含む、
音響エネルギー伝達装置。
【請求項５４】
音響モードが縦モードである、請求項53記載の音響エネルギー伝達装置。
【請求項５５】
音響モードが半径方向モードである、請求項53記載の音響エネルギー伝達装置。
【請求項５６】
音響共振器が共振合成ジェットを含む、請求項53記載の音響エネルギー伝達装置。
【請求項５７】
音響共振器が音響コンプレッサの共振器を含む、請求項53記載の音響エネルギー伝達装置。
【請求項５８】
合成ジェットを含み；
該合成ジェットが(i) 請求項1記載の流体エネルギー伝達装置、または(ii) 請求項14記載の流体エネルギー伝達装置、または(iii) 請求項18記載の流体エネルギー伝達装置、または(iv) 請求項26A記載の流体エネルギー伝達装置、または(v) 請求項27記載の流体エネルギー伝達装置、または(vi) 請求項32記載の流体エネルギー伝達装置、または(vii) 請求項37記載の流体エネルギー伝達装置、または(vii) 請求項41記載の流体エネルギー伝達装置、または(viii) 請求項46記載の流体エネルギー伝達装置、または(vii) 請求項49記載の流体エネルギー伝達装置のうちの1つである流体エネルギー伝達装置により駆動されている、
合成ジェット装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、参照により全体として本明細書に組み入れられる「流体エネルギー伝達装置」という題のTimothy S. Lucas, Providence Forge, Virginia, U.S.A.による2006年3月7日付けの米国特許仮出願第60/780,037号に対する優先権を請求する。
【０００２】
Timothy S. Lucasによる反動駆動エネルギー伝達装置という題の2005年12月22日付けのPCT特許出願第PCT/US2005/046557号が、本明細書で参照されており、参照により全体として本明細書に組み入れられる。
【０００３】
（1）技術分野
本発明は概して、エネルギーを大量の流体内に搬送する器具および方法に関し、より具体的には、リニアポンプ、リニアコンプレッサ、合成ジェット、共振音響システムおよび他の流体装置に関する。
【背景技術】
【０００４】
（2）関連技術の説明
規定のエンクロージャ内部で流体にエネルギーを搬送することを目的として、先行技術では、容積式、機械的かき混ぜなどの撹拌、または、音響進行波もしくは音響定在波の適用、遠心力の適用および熱エネルギーの付加を含めた数多くのアプローチが用いられてきた。これらのさまざまな方法を用いた、流体への機械的エネルギーの伝達は、多様な用途を目的とすることができ、ほんのいくつかを挙げるだけでも、例えば圧縮、圧送、混合、霧化、合成ジェット、流体計量、サンプリング、生物兵器作用物質向け空気サンプリング、インクジェット、ろ過、化学反応に起因する物理的変化の駆動、または粉砕もしくは集塊などの懸濁した微粒子中での他の材料変化、あるいはこれらのプロセスのいずれかの組み合せが含まれうる。
【０００５】
容積式機械のカテゴリ中では、ダイヤフラムが幅広く使用されてきた。摩擦エネルギー損失が無いことから、ダイヤフラムは、高いエネルギー効率の維持を試みながら容積式機械を小型化する上で特に有用である。MESOおよびMEMS規模の装置に対する関心により、小型ポンプまたは他の流体装置内部の流体内にエネルギーを搬送する目的で、ダイヤフラムタイプおよびダイヤフラム／ピストン(すなわち可撓性周辺部を有するピストン)タイプの装置に対する依存がさらに高まることになった。本明細書で使用する「ポンプ」という用語は、液体または気体のいずれかのために圧縮および／または流れを提供するように設計された装置を意味する。本明細書で用いられる「流体」という用語は、物質の液体状態および気体状態の両方を包含するものとして理解される。
【０００６】
より大きなダイヤフラムポンプを駆動するために使用されるアクチュエータは、それらのサイズが縮小されるにつれてその効率性および低コストの維持が困難になるため、MESOまたはMEMS機械にとって問題があることが分かった。例えば、電磁およびボイスコイルタイプのアクチュエータに付随するエアギャップは、高い変換効率を維持するために縮小されなくてはならず、このことが製造の複雑性およびコストを増大させる。同様に、一定の機械的出力を維持しようとしながらモータを縮小するにつれて、モータ積層は磁気飽和状態となる。許容可能な製品コスト目標内では、これらのトランスデューサの電気機械的効率が、サイズの縮小と共に著しく低下するということが広く認められている。
【０００７】
従来の磁気アクチュエータに付随するこれらのスケール面の挑戦から、MESOおよびMEMS用途向けに電歪アクチュエータ(例えばピエゾセラミック)、ピエゾセラミックベンダー、静電および磁歪アクチュエータなどの他の技術が広く使用されることとなった。ピエゾベンダーディスクは、当然のことながら、流体ダイヤフラムとアクチュエータを単一の構成要素に組み合せることができる。
【０００８】
流体ダイヤフラムとしてピエゾを用いることの利点は、ピエゾに固有の変位の制限により相殺される。セラミックは比較的脆弱であることから、ピエゾセラミックダイヤフラム／ディスクは、例えば金属、プラスチックおよびエラストマなどといった他の材料によって提供される変位のごく一部しか提供できない。圧締めされた円形ピエゾセラミックディスクが故障なく提供できるピーク揺動変位は、典型的には、ディスクの圧締め直径の1%未満である。ダイヤフラム変位は1ストロークあたりの伝達される流体エネルギーに直接関連づけされることから、ピエゾベンダーは、MESOサイズのポンプおよびコンプレッサなどの小型流体装置の出力密度および全体的性能に対し有意な制限を加える。これらの変位関連のエネルギー制限は、特に気体にあてはまる。
【０００９】
ピエゾ材料のバルク屈曲特性に依存する他のタイプのピエゾアクチュエータは、非常に高い周波数ではあるがさらに一層小さいストロークで動作することにより、液体への高いエネルギー伝達を提供することができる。これらの小さいアクチュエータストロークは、ポンプの設計を非実用的にしている。さらに、高性能ポンプは、最適な圧送効率を提供するように各々の圧送を開閉する受動的バルブを利用する。これらのポンプバルブは、バルク-ピエゾアクチュエータが充分なエネルギーを伝達するのに必要とするkHz〜MHz周波数範囲内では必要な性能を提供しない可能性がある。
【００１０】
現在、現行のピエゾポンプ技術を用いて達成できない、または機能的に一貫して有用でない可能性がある増々小さくなる流体装置に対する需要が高まりつつある。例えば、より高い圧力水頭でかつサイズが小さくなるユニット内で、より高い出力密度および比流量(すなわち流体体積流量をポンプの物理的容積で除したもの)を提供することのできるポンプおよびコンプレッサが必要とされている。高性能のMESOサイズのポンプを必要とする用途の例としては、携帯式計算装置、PDAおよび携帯電話などの携帯式電子装置用の燃料電池の小型化；回路カード上にはめ込むことができ、かつマイクロプロセッサおよび他の半導体エレクトロニクスのための冷却を提供する内蔵型熱管理システム、および通院患者のための個人用携帯式医療装置が含まれる。従って、現行のピエゾポンプの欠点の少なくとも一部を是正するコンパクトで経済的に実行可能なピエゾポンプに対する必要性が存在する。
【発明の開示】
【００１１】
発明の概要
これらのニーズを満たしこれまでの研究努力の制限を克服するために、本発明は、ダイヤフラムおよびピストン流体装置、例えばポンプ、コンプレッサ、合成ジェットおよび音響装置を、駆動周波数でそして時としてそのシステム共振またはその近くで駆動するための新しい浮動反動-駆動アクチュエータを用いた流体エネルギー伝達装置として提供される。さらにこれらのニーズを満たしこれまでの研究努力の制限を克服するために、本発明は、流体装置例えばポンプ、コンプレッサおよび合成ジェットのための大きなダイヤフラムおよびピストンのストロークを駆動周波数で駆動するための、ならびに時としてそのシステム共振またはその近くで駆動するための低ストローク高力アクチュエータの使用を可能にする、流体エネルギー伝達装置として提供される。
【００１２】
一態様による流体エネルギー伝達装置は、開口部およびこの開口部の周囲に固着されている流体ダイヤフラムを有し、かつこの流体ダイヤフラムに取り付けられた可変リラクタンスアクチュエータを有する、チャンバ容積を形成するように整形された内部壁をもつ流体チャンバを含む。本発明のいくつかの態様による反動-駆動エネルギー伝達装置は、以前のピエゾダイヤフラムの変位よりも1桁大きいものであり得る流体ダイヤフラムの変位を駆動するための独特のシステムを提供する。
【００１３】
本発明の大部分の態様による反動-駆動システムは、MESOサイズのポンプ、コンプレッサ、合成ジェットおよび音響装置などの装置のための高い性能を可能にする。本発明のいくつかの態様によるポンプおよびコンプレッサは、周期的圧縮に応答して低圧流体が圧縮チャンバに入り高圧流体が圧縮チャンバから排出されることを可能にする同調されたポートおよびバルブを含んでもよい。反動-駆動システムは、さまざまなアクチュエータ、例えばユニモルフ、バイモルフおよび多層PZTベンダーを含むベンダーアクチュエータ、ピエゾポリマー複合材例えばPVDF、結晶質材料、磁歪材料、電気活性ポリマートランスデューサ(EPT)、電歪ポリマーおよびさまざまな「スマート材料」例えば形状記憶合金(SMA)、ラジアルフィールドPZTダイヤフラム(RFD)アクチュエータ、ならびに可変リラクタンスアクチュエータおよびボイスコイルアクチュエータを使用することができる。
【００１４】
本発明による流体装置は、システムの機械的共振にエネルギーを貯蔵できるようにする駆動周波数において動作可能であり、それにより、アクチュエータの変位よりも大きく典型的にはるかに大きいものであり得るダイヤフラムまたはピストンの変位を提供する。システム共振は、ダイヤフラム、アクチュエータおよび関連する構成要素の有効移動質量；流体、流体ダイヤフラムおよび他の任意の機械的ばねのばね剛性；ならびに／または共振周波数に影響を及ぼす他の構成要素／環境に基づいて決定され得る。
【００１５】
本発明のいくつかの態様によるポンプは、例にすぎないが、冷却、空調および液体でのヒートポンプのための相変化冷媒の圧縮を伴う、空気、炭化水素、プロセスガス、高純度ガス、有害ガスおよび腐食性ガスなどの気体の一般的圧縮、ならびに他の特殊蒸気圧縮または相変化熱伝達での用途を含む、さまざまな用途において利用可能である。本発明のいくつかの態様によるポンプは同様に、ポンプの特定の設計に応じて燃料、水、油、潤滑剤、冷却材、溶剤、作動液、毒性化学物質または反応性化学物質などの液体を圧送することができる。本発明のポンプはまた、気体または液体のいずれの運用でも可変容量を提供することができる。
【００１６】
より特定的には、本発明の例示的な態様は、チャンバ容積を形成するように整形された内部壁を有しかつ開口部を有する流体チャンバを含む。流体ダイヤフラムまたはピストンが流体チャンバ内の開口部の周囲に固着されており、このダイヤフラムまたはピストンは、複数の第1の位置と複数の第2の位置との間で外周に対して移動することができる可撓性部分を有し、ここで第1の位置と第2の位置は、流体チャンバの内部壁から変動する距離のところにある。チャンバは、システムの負荷の一部分を構成する流体で満たされている。流体チャンバ内部の流体はばねを構成し、流体ダイヤフラムも同様にばねを構成する。1つの取り付け点をもつアクチュエータは流体ダイヤフラムに取り付けられている。質量-ばね機械的共振周波数は、アクチュエータおよびダイヤフラムまたはピストンの組み合せ有効移動質量によって、ならびに機械ばねおよび気体ばねによって決定され、アクチュエータは、一定範囲の駆動周波数にわたり作動可能であり、ここで一部の周波数によりエネルギーが質量ばね機械的共振に貯蔵され、アクチュエータの変位よりも大きい(多くのケースにおいてはるかに大きい)流体ダイヤフラムまたはピストンの変位が提供され、それにより、増大したエネルギーが流体チャンバ内部の流体負荷へ伝達される。
【００１７】
本発明のもう一つの態様においては、
チャンバの少なくとも一部分が、チャンバのもう1つの部分に対して可動である部分を含み、可動部分が、可動部分の移動によってチャンバの容積を第1の容積から第2の容積まで変化させるように適合されている、流体受入れ用チャンバと
可動部分に取付けられた可変リラクタンスアクチュエータとを含み、
可変リラクタンスアクチュエータが、(i) 可動部分に直接連結されている状態および(ii) 可動部分にリンクされてアクチュエータ-可動部分アセンブリを形成している状態の少なくとも一方であり；
可変リラクタンスアクチュエータが、可動部分以外の該装置の他のいかなる構成要素に対しても事実上連結されておらずかつ事実上リンクされておらず；かつ
アクチュエータ-可動部分アセンブリが、実質的に駆動周波数でのアクチュエータの揺動にのみ起因して移動するように適合されている、
流体エネルギー伝達装置が存在する。
【００１８】
本発明のもう一つの態様においては、可動部分の変位を貯蔵エネルギーと正比例して増大させるように、アクチュエータをある周波数で駆動してエネルギーをシステム共振に貯蔵する、前述および／または後述の流体伝達装置が存在する。
【００１９】
本発明のもう一つの態様においては、アクチュエータが可動部分から分離している装置の構成要素に対して弾性的に連結されている、前述および／または後述の流体伝達装置が存在する。
【００２０】
本発明のもう一つの態様においては、可変リラクタンスアクチュエータのエアギャップが、アクチュエータおよび可動部分が実質的にアクチュエータの変位のみに起因して第1の部分と第2の部分との間で移動するような変位振幅および周波数で揺動するように適合されており、かつ第1の位置と第2の位置との間の距離がアクチュエータエアギャップの変位振幅よりも大きい、前述および／または後述の流体伝達装置が存在する。
【００２１】
本発明のもう一つの態様においては、可動部分がダイヤフラムを含む、前述および／または後述の流体伝達装置が存在する。
【００２２】
本発明のもう一つの態様においては、可動部分が可撓性の周辺部を有するピストンを含む、前述および／または後述の流体伝達装置が存在する。
【００２３】
本発明のもう一つの態様においては、
チャンバと流体連通している流体入口ポートと；
チャンバと流体連通している流体出口ポートとをさらに含む、
前述および／または後述の流体伝達装置が存在し、
該装置が、可動部分の移動中に、チャンバの容積を増大させるような形で入口ポートを介してチャンバ内に流体を引き込むように適合されており；かつ
該装置が、可動部分の移動中に、チャンバの容積を減少させるような形で出口ポートを介してチャンバ外に流体を放出するように適合されている。
【００２４】
本発明のもう一つの態様においては、流体がチャンバに出入りできるようにするチャンバ内の開口部が提供されており、該開口部を通る揺動流が合成ジェットを発生させる、前述および／または後述の流体伝達装置が存在する。
【００２５】
本発明のもう一つの態様においては、チャンバ可動部分がベローズを含む、前述および／または後述の流体伝達装置が存在する。
【００２６】
本発明のもう一つの態様においては、
チャンバの少なくとも一部分が、チャンバのもう1つの部分に対して可動である部分を含み、可動部分が、可動部分の移動によってチャンバの容積を第1の容積から第2の容積まで変化させるように適合されている、流体受入れ用チャンバと
可動部分に取付けられた電気活性アクチュエータとを含み、
電気活性アクチュエータが、(i) 可動部分に直接連結されている状態および(ii) 可動部分にリンクされてアクチュエータ-可動部分アセンブリを形成している状態の少なくとも一方であり；
電気活性アクチュエータが、可動部分以外の該装置の他のいかなる構成要素に対しても事実上連結されておらずかつ事実上リンクされておらず；かつ
アクチュエータ-可動部分アセンブリが、実質的に駆動周波数でのアクチュエータの揺動にのみ起因して移動するように適合されている、
流体エネルギー伝達装置が存在する。
【００２７】
本発明のもう一つの態様においては、電気活性アクチュエータに反動質量が取り付けられている、前述および／または後述の流体伝達装置が存在する。
【００２８】
本発明のもう一つの態様においては、
チャンバの少なくとも一部分が、可撓性部分上の最大偏向点が可撓性部分上の他の任意の点よりも大きい変位を提供するような形でチャンバのもう1つの部分に対して可動である可撓性部分を含み、可撓性部分が、可撓性部分を曲げることによってチャンバの容積を第1の容積から第2の容積まで変化させるように適合されている、流体受入れ用チャンバと
最大偏向点以外の点において可撓性部分に取り付けられた力発生アクチュエータとを含み、
力発生アクチュエータが、(i) 可撓性部分に直接連結されている状態および(ii) 可撓性部分にリンクされてアクチュエータ-可動部分アセンブリを形成している状態の少なくとも一方であり；
力発生アクチュエータが、可撓性部分以外の該装置の他のいかなる構成要素に対しても事実上連結されておらずかつ事実上リンクされておらず；かつ
アクチュエータ-可動部分アセンブリが、実質的に駆動周波数でのアクチュエータの揺動にのみ起因して移動するように適合されている、
流体伝達装置が存在する。
【００２９】
本発明のもう一つの態様においては、ダイヤフラムが、最大偏向点となる中央ピストン区分をさらに含む、前述および／または後述の流体伝達装置が存在する。
【００３０】
本発明のもう一つの態様においては、可撓性部分が、少なくとも1つのベローズ区分を有するベローズを含む、前述および／または後述の流体伝達装置が存在する。
【００３１】
本発明のもう一つの態様においては、ベローズがさらに、最大偏向点となる中央ピストン区分を含む、前述および／または後述の流体伝達装置が存在する。
【００３２】
本発明のもう一つの態様においては、前記力発生アクチュエータがベンダーアクチュエータを含む、前述および／または後述の流体伝達装置が存在する。
【００３３】
本発明のもう一つの態様においては、前記力発生アクチュエータが可変リラクタンスアクチュエータを含む、前述および／または後述の流体伝達装置が存在する。
【００３４】
本発明のもう一つの態様においては、前記力発生アクチュエータが固体電気活性アクチュエータを含む、前述および／または後述の流体伝達装置が存在する。
【００３５】
本発明のもう一つの態様においては、
チャンバの少なくとも一部分が、チャンバの第2の部分に対して可動である可撓性部分を含み、可撓性部分が、可撓性部分を曲げることによってチャンバの容積を第1の容積から第2の容積まで変化させるように適合されている、流体受入れ用チャンバと
可撓性部分の閉ループのまわりで可撓性部分を圧締めし、それにより閉ループ内部の内部区分と閉ループの外部の外部区分を含む2つの区分へと該可撓性部分を分割し、同時に、内部区分と外部区分の変位が反対方向となるように外部区分と内部区分がピボットクランプのまわりを旋回する、ピボットクランプと
可撓性部分の外部区分への取り付け点を有する少なくとも1つの力発生アクチュエータとを含み、
力発生アクチュエータが、(i) 可撓性部分の外部区分に直接連結されている状態および(ii) 可撓性部分の外部区分にリンクされてアクチュエータ-可動部分アセンブリを形成している状態の少なくとも一方であり；
力発生アクチュエータが、可撓性部分の外部区分以外の装置の他のいかなる構成要素に対しても事実上連結されておらずかつ事実上リンクされておらず；かつ
アクチュエータ-可動部分アセンブリが、実質的に駆動周波数でのアクチュエータの揺動にのみ起因して移動するように適合されている、
流体伝達装置が存在する。
【００３６】
本発明のもう一つの態様においては、
チャンバの少なくとも一部分が、第1の可撓性部分上の最大偏向点が第1の可撓性部分上の他の任意の点よりも大きい変位を提供するような形でチャンバの第2の部分に対して可動である第1の可撓性部分を含み、第1の可撓性部分が、第1の可撓性部分を曲げることによってチャンバの容積を第1の容積から第2の容積まで変化させるように適合されている、流体受入れ用チャンバと
最大偏向点以外の点にある該可撓性部分への取り付け点およびチャンバの第2の部分への取り付け点を有する、少なくとも1つの力発生アクチュエータとを含み、
力発生アクチュエータが、チャンバ容積の対応する変化と共に、チャンバの可撓性部分とチャンバの第2の部分との間に交互に力を加え；かつ
最大偏向点の結果として得られたピーク変位が、力発生アクチュエータの変位よりも大きい、
流体伝達装置が存在する。
【００３７】
本発明のもう一つの態様においては、
第2の可撓性部分上の最大偏向点が第2の可撓性部分上の他の任意の点よりも大きい変位を提供するように、チャンバの第1の可撓性部分に対して可動であるチャンバの第2の可撓性部分を含む、チャンバの第2の部分と
最大偏向点以外の点に第2の可撓性部分への取り付け点も有する力発生アクチュエータとをさらに含み、
力発生アクチュエータが、チャンバの第1と第2の可撓性部分の間に交互に力を加え、それにより第1と第2の可撓性チャンバ部分の最大偏向点の間で力発生アクチュエータの変位よりも大きいピーク変位を結果としてもたらす、
前述および／または後述の流体伝達装置が存在する。
【００３８】
本発明のもう一つの態様においては、
第1の可撓性部分が可撓性周辺部を有する第1のピストンを含み；かつ
第2の可撓性部分が可撓性周辺部を有する第2のピストンを含む、
前述および／または後述の流体伝達装置が存在する。
【００３９】
本発明のもう一つの態様においては、
チャンバの少なくとも一部分が、チャンバの第2の部分に対して可動である第1の可撓性部分を含み、第1の可撓性部分が、第1の可撓性部分を曲げることによってチャンバの容積を第1の容積から第2の容積まで変化させるように適合されている、流体受入れ用チャンバと
ゼロ曲げ変位点にある第1の可撓性部分への取り付け点およびチャンバの第2の部分への取り付け点を有し、第1の可撓性部分の曲げ変位の方向で力を発生させる、少なくとも1つの力発生アクチュエータとを含み、
力発生アクチュエータが、アクチュエータの変位と第1の可撓性部分の曲げ変位との瞬間的総和の結果として得られるチャンバ容積の変化と共に、チャンバの可撓性部分とチャンバの第2の部分との間に交互に力を加える、
流体伝達装置が存在する。
【００４０】
本発明のもう一つの態様においては、装置がさらに、
チャンバと流体連通している流体入口ポートと
チャンバと流体連通している流体出口ポートとを含み、
該装置が、可撓性部分の移動中に、チャンバの容積を増大させるような形で入口ポートを介してチャンバ内に流体を引き込むように適合されており；かつ
該装置が、可撓性部分の移動中に、チャンバの容積を減少させるような形で出口ポートを介してチャンバ外に流体を放出するように適合されている、
前述および／または後述の流体伝達装置が存在する。
【００４１】
本発明のもう一つの態様においては、
チャンバの第1の可撓性部分に対して可動であるチャンバの第2の可撓性部分を含むチャンバの第2の部分と
第2の可撓性部分のゼロ曲げ変位点に第2の可撓性部分への取り付け点も有する力発生アクチュエータとをさらに含み、
力発生アクチュエータが、チャンバの第1と第2の可撓性部分の間に交互に力を加え、それにより第1と第2の可撓性チャンバ部分の最大偏向点の間で力発生アクチュエータの変位よりも大きいピーク変位を結果としてもたらす、
前述および／または後述の流体伝達装置が存在する。
【００４２】
本発明のもう一つの態様においては、
チャンバの少なくとも一部分が、チャンバの第2の部分に対して可動である第1の可撓性部分を含み、第1の可撓性部分が、第1の可撓性部分を曲げることによってチャンバの容積を第1の容積から第2の容積まで変化させるように適合されている、流体受入れ用チャンバと
ゼロ曲げ変位点にある第1の可撓性部分への取り付け点を有し、第1の可撓性部分の曲げ変位に対して横方向に力を発生させる、少なくとも1つの力発生アクチュエータとを含み、
力発生アクチュエータが、第1の可撓性部分の軸方向振動の結果もたらされるチャンバ容積の変化と共に、チャンバの第1の可撓性部分上に交互に力を加える、
流体伝達装置が存在する。
【００４３】
本発明のもう一つの態様においては、
チャンバの第1の可撓性部分に対して可動であるチャンバの第2の可撓性部分を含むチャンバの第2の部分と
第2の可撓性部分のゼロ曲げ変位点に第2の可撓性部分への取り付け点も有し、かつ第2の可撓性部分の曲げ変位に対して横方向に力を発生させる、力発生アクチュエータとをさらに含み、
力発生アクチュエータが、チャンバの第1および第2の可撓性部分上に交互の横方向の力を加え、それにより第1および第2の可撓性部分の軸方向振動の結果として生じるチャンバ容積の変化がもたらされる、
前述および／または後述の流体伝達装置が存在する。
【００４４】
本発明のもう一つの態様においては、
チャンバの少なくとも一部分が、チャンバの第2の部分に対して可動である第1の可撓性部分を含み、第1の可撓性部分が、第1の可撓性部分を曲げることによってチャンバの容積を第1の容積から第2の容積まで変化させるように適合されている、流体受入れ用チャンバと
第1の可撓性部分の中心への取り付け点を有し、第1の可撓性部分の横方向曲げ変位に対して横方向に力を発生させる、力発生アクチュエータとを含み、
力発生アクチュエータが、第1の可撓性部分の軸方向振動の結果もたらされるチャンバ容積の変化と共に、チャンバの第1の可撓性部分上に交互に力を加える、
流体伝達装置が存在する。
【００４５】
本発明のもう一つの態様においては、
チャンバの少なくとも一部分が、チャンバの第2の部分に対して可動である可撓性部分を含み、可撓性部分が、可撓性部分を曲げることによってチャンバの容積を第1の容積から第2の容積まで変化させるように適合されている、流体受入れ用チャンバと
可撓性部分の閉ループのまわりで可撓性部分を圧締めし、それにより閉ループ内部の内部区分および閉ループの外部の外部区分を含む2つの区分へと該可撓性部分を分割し、同時に、内部区分と外部区分の変位が反対方向となるように外部区分と内部区分がピボットクランプのまわりを旋回する、ピボットクランプと
可撓性部分の外部区分への取り付け点およびピボットクランプへの取り付け点を有し、可撓性部分の曲げ変位と同じ方向で力を発生させる、少なくとも1つの力発生アクチュエータとを含み、
力発生アクチュエータが、可撓性部分の曲げの結果として生じるチャンバ容積の変化と共に、ピボットクランプと可撓性部分の外部区分との間に交互に力を加える、
流体伝達装置が存在する。
【００４６】
本発明のもう一つの態様においては、エネルギーを音響共振器に伝達するための前述および／または後述の流体伝達装置が存在する。
【００４７】
本発明のもう一つの態様においては、音響共振器が共振合成ジェットを含む、前述および／または後述の流体伝達装置が存在する。
【００４８】
本発明のもう一つの態様においては、音響共振器が音響コンプレッサの共振器を含む、前述および／または後述の流体伝達装置が存在する。
【００４９】
いくつかの態様の詳細な説明
この節では、本発明の態様の記述は、本発明のダイヤフラムまたはピストンに対して加えられる力を説明する複数の小見出しの下にまとめられている。力の名称は一般に、ダイヤフラム／ピストン軸(すなわち軸方向または半径方向)との関係における力の方向および作用点(例えば心上／軸上、心外れ、または圧締め点)を表わしている。
【００５０】
反動-駆動トポロジー
PCT特許出願第PCT/US2005/046557号は、全体が参照により本明細書に組み入れられる浮動ベンダーアクチュエータ(例えばピエゾセラミクスまたは任意の数の他の電気活性アクチュエータ)を有する反動-駆動装置について記述している。反動-駆動システムの浮動アクチュエータ原動力は、強力低ストロークアクチュエータの使用を可能にし、それにより従来のポンプおよびコンプレッサを駆動する高価な電動機は不要になる。本発明はさらに、反動-駆動システム内で使用可能なさらなるアクチュエータを提供する。反動-駆動態様では、力は軸方向に導かれる。反動-駆動アクチュエータは、その力が流体システムに加えられる場所に基づいて、(i) 軸方向またはピストン被動型、および(ii) 軸外被動型の2つの異なるクラスに分類される。
【００５１】
軸上および／またはピストン駆動
この見出しの下で論述されているアクチュエータは、ダイヤフラムをその中心で駆動するためまたはピストンを駆動するために用いられる。
【００５２】
ここで図1を参照すると、本発明の反動-駆動システムの1つのアクチュエータ態様の横断面図が例示されている。図1は、コイル巻回区分4およびディスク区分6を有する軸対称可変リラクタンス(VR)アクチュエータ2を例示している。ワイヤ巻回8は、中柱10のまわりに巻回され、コイル巻回区分4は、エアギャップ16を提供するようにリンケージ12およびばね14によりディスク区分4に取り付けられる。コイル8がDC電流により励起されると、結果として得られる誘引性磁力は、ディスク区分6およびコイル巻回区分4を互いに引きつけ、それによりエアギャップ16を削減させる。電流がゼロになると、ばね14がディスク区分6およびコイル巻回区分4をそのもとの位置に復元させる。周波数fの交流電流がコイル8に加わった場合には、1つが時間的に恒常的でありもう1つが揺動する、2つの引力が発生する。揺動する力は、ディスク区分6およびコイル巻回区分4を互いに周期的に引きつけ、一般にパラメータ応答と呼ばれる2fの振動周波数が結果としてもたらされる。この恒常的な力は、構成要素が揺動している間、平均エアギャップの削減をもたらす。
【００５３】
図2は、反動-駆動ダイヤフラムシステムのためのアクチュエータとして役立つ図1のVRモータ20を示す。モータ20はスタンドオフ18によりダイヤフラム16の中心に堅固に連結されており、流体チャンバ15は、エンクロージャ22およびダイヤフラム16により画定されている。ダイヤフラム16の振動は、流体チャンバ15と共に流体にエネルギーを伝達する。ポンプについてそうであるように、流体チャンバ15に流体を流入および流出させるために、流体ポート28および30が提供されている。しかしながら、図2のポート28および30は、ポンプ、コンプレッサまたは合成ジェットなどの特定の流体システムを表わすように意図されておらず、むしろ、流体に対しエネルギーを伝達するための特定の駆動システム態様により駆動されている一般的な流体システムを説明するように意図されている。この同じ図形的アプローチが全体を通して使用されており、例えばポンプ、コンプレッサ、合成ジェット、共振音響システム等の任意の数の異なる流体用途のために使用可能である駆動システムに重点を置くように意図されている。
【００５４】
作動中、モーターコイル20に対し周波数fの交流電圧波形が適用され、モータ要素24および26が互いに180°位相ずれして振動するようにさせる周波数2fの経時変化する力を発生させる。構成要素24の質量は、典型的に構成要素26の質量よりも小さくなり、したがって構成要素24の振幅を構成要素26のものよりも大きくする。構成要素24の動きは、直接、スタンドオフ18を介してダイヤフラム16に伝達され、このダイヤフラムが今度はエネルギーを流体チャンバ15内部の流体に伝達する。図2の反動-駆動流体システムは、f0＝(1/2π)(K/M)1/2である機械的システム共振周波数を有し、ここで、Kは、流体チャンバ15内の流体のばね剛性およびダイヤフラム16の剛性の組み合せであり、Mは、おおよそダイヤフラム16およびモータ20およびスタンドオフ12の有効移動質量の組み合せであり、f0は、最低次軸モード形状で揺動する圧締めされた流体ダイヤフラム6で結果として得られるシステム共振周波数を意味する。f0を精確に予測するためには、エンクロージャ22の動きも同じく考慮に入れなくてはならない。図2の流体システムの基本共振周波数を予測および／または推定するためには、集中素子機械的モデルおよび電気式類似数値モデルおよび他のモデルを使用することができる。
【００５５】
システムの基本共振周波数f0の1/2近くまたはそれに等しいものとして駆動周波数fを選択した場合には、エネルギーは、システムの共振品質因子Qおよび共振周波数f0に対する駆動周波数fの近接性の両方に正比例して、共振に貯蔵され得る。エネルギーがシステムの共振に貯蔵されるにつれて、ダイヤフラム16の変位はモータ20の実際のエアギャップ揺動を上回る可能性がある。このようにして、低変位VRモータを、現行のMESOおよびMEMS流体工学の用途で要求されているさらに高いダイヤフラム変位を提供する目的で使用することができる。図2のモータ20に対する唯一の実質的な(または他の形で有効な)機械的連結はスタンドオフ18に対するものであるため、モータ20は、エアギャップの揺動振幅がダイヤフラム16の屈曲振幅の1部分にすぎない状態にとどまる場合でさえ、ダイヤフラム16のさらに大きな変位と共に自由に振れるまたは浮動することができる。
【００５６】
貯蔵エネルギーを結果としてもたらす駆動周波数、および貯蔵エネルギーを結果としてもたらさない駆動周波数はいずれも、特定の態様の如何に関わらず、本発明の範囲内であるとみなされる。
【００５７】
VRモータにより生成された磁力は、Lをモータのインダクタンス、iを電流、Gをエアギャップ距離として、Fmag＝Li/2Gにより近似することができる。モータ損失はiと共に変動し、所与の電流について生成された力は、エアギャップ距離Gの逆数と共に変動する。その結果、モータの効率もGと逆に変動する。上述で説明した通り反動-駆動システムにおいては、エアギャップは流体ダイヤフラムと同じ振幅で振動する必要はない。従って、小さいVRモータにおいて高い変換効率を可能にする小さなエアギャップを使用することができる。反動-駆動アクチュエータおよび可変リラクタンスアクチュエータを組み合せると、高コストの従来の小型電動モータが不要になる。図1において、ディスク区分6およびコイル巻回区分4は、例えば100Hz超といったさらに高い周波数で低い損失を有するHoganas社の材料のような軟磁性複合材(SMC)から作製できる。これらの材料は廉価で、図1のモータ2の形状のような形状に整形可能である。
【００５８】
図1のモータ2はコイルの良好な利用を提供するが、EI、EIE、IEEIおよびCI磁気区分などの軸対称でない他のトポロジーも使用でき、当該技術分野で周知のとおり変圧器鋼積層またはSMC材料から構築することができる。小さなエアギャップの恩恵を受ける任意のアクチュエータを同様に使用することができる。米国特許第6,388,417号は、本発明の範囲内で使用可能な数多くの異なるVRアクチュエータトポロジーおよび関連する駆動および制御システムを開示しており、参照により全体として本明細書に組み入れられる。
【００５９】
図3に示されている安定化ばね32のように、PCT出願第PCT/US2005/046557号に記述されているような図2に示された反動-駆動装置に対し、数多くの増強を行なうことができる。参照されるPCT出願の中で見出されるような態様および増強のさらなる適用は、当業者にとって明白であると考えられる。図3の態様に類似した態様については、システムの主要なばね剛性として安定化ばね32を使用することができ、したがって、所与の用途において必要に応じて、ダイヤフラムまたはピストンのばね剛性をはるかに柔軟なものにすることが可能である。図2を参照すると、安定化ばねまたは二次的ばねの他の取り付け点には、モータ構成要素24またはスタンドオフ18が含まれ得る。
【００６０】
図4は、ピストンポンプまたはコンプレッサを駆動するために反動-駆動システム内でどのようにVRモータを適用できるかを示している。ポンプ本体36の内部で、モータ34は、可撓性周辺部39がその周囲に圧締めされそれによりピストン38が軸方向に振動できるようになっている状態で、可撓性周辺部39が取り付けられたピストン38に対し堅固に連結されている。特に明記しないかぎり、本明細書で使用するピストンという用語は、図4のピストン38と類似した可撓性周辺部を有するピストンを意味する。可撓性周辺部は、金属、プラスチック、エラストマまたは、所与の適用の構造、応力および化学的適合性の必要条件に適合する任意の材料から構築可能である。流体チャンバ40は、ピストン38およびポンプ本体36により画定されている。入口ポート42がピストン38内に、そして出口ポート44がポンプ本体36内に位置づけされている。リード弁48のものと同じようなトポロジーを有する2つのリード弁が、入口ポートおよび出口ポートを覆うように提供されている。入口リード弁は、ピストン38の上部面上にあり、出口リード弁は、ポンプ本体36の表面49上に存在する。入口リード弁および出口リード弁はいずれも、流体チャンバ40内部の揺動流体圧力に応答して自由に開閉するリード先端部を有するその中心において締着されている。作動中、モータ34は揺動するピストンの変位を駆動し、結果として流体を圧縮および流動させ、それにより流体は、ポート50を通してポンプ本体36内に入り、ポート52を通って排出される。そのシステム共振周波数またはその近くでポンプを作動させることによって、ピストン変位はシステムに貯蔵されたエネルギーと正比例してさらに増大する結果となる。図2に示されているようなダイヤフラムの態様も同様に、図4に示されているテーパーのついた圧縮チャンバから恩恵を享受することができる。コンプレッサでの適用においては、テーパーのついた圧縮チャンバが、すきま容積を低減させ、それにより所与のストローク振幅についての圧縮比を増大させる。図3では、圧縮チャンバの上面は、ダイヤフラムの曲げ形状と一致するように整形されるものとする。
【００６１】
図5は、合成ジェットを駆動するためにVRモータをどのように使用できるかを例示している。作動中、モータ58は、流体チャンバ56内部の流体が周期的圧力変動を受けるようにダイヤフラム54を揺動させ、それにより、ポート60を介した揺動する流体流、およびその結果としてのポート60から軸方向に離れるように走行するポート60の外部の脈流を発生させる。装置をそのシステム共振周波数でまたはその近くの周波数で作動させると、結果としてダイヤフラム変位はシステムに貯蔵されたエネルギーに正比例して大きくなる。本発明の任意の流体駆動システムは、合成ジェットと組み合せて使用することができる。例えば、合成ジェットを駆動するためには、ピストン、ダイヤフラム、電気活性ベンダーアクチュエータ、VRモータ、電気活性材料のバルク屈曲またはPCT出願第PCT/US2005/046557号に示された態様を含めた本発明の態様のいずれかを使用することができる。合成ジェットに関して本発明が提供する利点は、所与のサイズの装置内のポートを介して著しく大きい揺動する空気／気体流を駆動し、結果としてより大きなジェット流速をもたらすことができるという点にある。
【００６２】
図6は、反動-駆動流体システムを駆動するボイスコイルアクチュエータ62を示す。ボイスコイルアクチュエータ62は、堅固に連結されたボイスコイル68を有するボイスコイル区分66に対しばね70により連結された永久磁石区分64を含む。ボイスコイル68が交流電流により励起されると、モータ区分66および64が互いに180°位相ずれした状態で振動する。装置をその共振周波数またはその近くで作動させると、結果としてダイヤフラム変位はシステムに貯蔵されたエネルギーと正比例して大きくなる。エネルギーはシステムの共振に貯蔵されることから、ダイヤフラム16の変位は、ボイスコイル区分66と磁気区分64の間の相対的変化を上回ることができる。このようにして、モータ62は、ダイヤフラム72のより大きな変位と共に自由に振れるまたは浮動することができる。結果として生じるダイヤフラム72の揺動は、流体チャンバ74内部の流体に対しエネルギーを伝達する。
【００６３】
図7は、ピストン78がベローズ82の単一区分に固着させられている状態で、ピストン78に固着させられているVRモータ76を収納するポンプ本体80を有するもう1つの反動-駆動態様を提供している。ベローズ82はポンプ本体80に固着されている。ベローズ82は、特定の用途の設計必要条件に応じて、2つ、3つまたは任意の数の区分を有することができる。圧縮チャンバ84は、ポンプ本体80、ベローズ82およびピストン78により画定されている。ベローズ82は、ポンプのシステム共振周波数を決定する上で、ポンプの有効機械ばね剛性の一部として作用する。図7のポンプは、入口リード弁が入口ポート90を覆うべくピストン78の上面に設置され、出口リード弁がポンプ本体80の表面98上に設置され、それにより出口ポート94を覆っている状態で、図4のリード弁48と類似の入口リード弁および出口リード弁を有する。リード弁の付加的な花弁は、図7の切取面に示されていないポートを覆う。
【００６４】
作動中、モータ76はベローズ82を駆動し、結果として圧縮チャンバ84の容積揺動およびそれに続く流体の圧縮および流動がもたらされ、それにより流体はポート88を介してポンプ本体80内に入り、ポート86を通って排出される。装置をそのシステム共振周波数またはその近くで作動させると、結果として、ピストンの変位はシステムに貯蔵されたエネルギーに正比例して大きくなる。図7内のポンプは単一のベローズ区分を用いているが、任意の数のベローズ区分を使用することができる。使用されるベローズ区分の数は、特定の用途の必要条件により決定される。電気活性ベンダーアクチュエータ、固体電気活性アクチュエータおよびさまざまなVRアクチュエータトポロジーならびに他の任意の力発生アクチュエータといったように、図7の態様を駆動するために本明細書で開示されているその他のアクチュエータのいずれでも使用することができる。
【００６５】
図8は、円筒形状の電気活性アクチュエータ102がダイヤフラム100に対し堅固に連結されている反動-駆動システムと組み合わせて使用可能であるさらにもう1つの単純な強力低ストロークアクチュエータを例示している。電気活性アクチュエータ102は、例えばNitinolなどの材料もしくはTerfenol-Dなどの磁歪材料で材料から作られた形状記憶合金(SMA)アクチュエータのように、ピエゾセラミックス、ピエゾポリマー複合材例えばPVDF、結晶質材料、磁歪材料、電気活性ポリマートランスデューサ(EPT)、電歪ポリマーおよびさまざまな「スマート材料」を含めた任意の数の電気活性材料から構築可能である。エネルギーの周期的付加に応答してその形状を変える材料は全て、図8にあるアクチュエータ102としてまたは本発明の他の任意の態様において、ほぼ確実に使用可能である。
【００６６】
アクチュエータ102の作動を説明するために、アクチュエータ102をピエゾセラミクス材料から作ることが仮定されている。アクチュエータ102の向きは、所与の極性の電界の印加により、アクチュエータ102のZ次元が収縮されるような向きである。電界極性を逆転させると、アクチュエータ102のZ次元は拡張する。周波数fで揺動する極性をもつ電界が印加されると、アクチュエータのZ次元は周波数fで揺動する。電気活性アクチュエータのタイプは、アクチュエータ102の主要な振動が軸方向となるような形で選択されるということが意図されている。
【００６７】
作動中、アクチュエータ102のZ軸振動は、ダイヤフラム100を振動させ、それにより、エネルギーを流動チャンバ105内部の流体に伝達する。ダイヤフラム変位および流体エネルギー伝達を増大させるため、エネルギーがシステム共振に貯蔵され結果として貯蔵エネルギーに正比例するダイヤフラム変位がもたらされるような形でシステム共振周波数に充分近い周波数をもつ揺動する電界がアクチュエータ102に対し印加される。駆動周波数が瞬間的システム共振周波数に近ければ近いほど、貯蔵エネルギーは大きくなり、流体エネルギー伝達は大きくなる。貯蔵エネルギーを結果としてもたらす駆動周波数、および貯蔵エネルギーを結果としてもたらさない駆動周波数はいずれも、特定の態様の如何に関わらず本発明の範囲内である。
【００６８】
図9では、反動質量106がアクチュエータ108に固着されている図8の反動-駆動システムに対する増強が示されている。アクチュエータ108は図8のアクチュエータ102と同じ要領で作動する。PCT特許出願第PCT/US2005/046557号に記述されているように、反動質量は、アクチュエータからダイヤフラム、ひいては流体まで伝達されるエネルギーの規模および効率を増大させることができる。
【００６９】
図10は、反動-駆動システム内のもう1つのアクチュエータの使用を例示する。アクチュエータ110は、環状円筒形形状を有する。アクチュエータ110の底面は、反動質量112に取り付けられ、アクチュエータ110の上面はダイヤフラム114に取り付けられる。作動中、図10の反動-駆動システムは図8および9と同一である。
【００７０】
数多くの異なる電気活性アクチュエータを、それらがZ次元に撓むかぎりにおいて、図8〜10の態様の範囲内で使用することが可能である。選択される形状および材料は、所与の用途の必要条件を反映する。例えば、図8〜10の態様において、所与の変位に必要とされる印加電圧を削減する「複合」または層状ピエゾアクチュエータを使用することができる。
【００７１】
図8〜10の態様については、アクチュエータとダイヤフラムの取り付けまたはアクチュエータとピストンの取り付けの堅固さまたは剛性が、使用されているアクチュエータのタイプを反映するということがわかる。例えば、Z次元での屈曲はシステムにエネルギーを伝達するものの、大部分の電気活性アクチュエータは典型的に、同等にではないが全ての次元で撓む。図8を参照すると、アクチュエータ102がZ方向に撓む場合、それはXおよびYにも同様に撓む。アクチュエータ-ダイヤフラム取り付けが堅固である場合には、全方向での屈曲が抑制され、所与の印加電圧振幅についての伝達されたエネルギーは低減される。この理由から、図8〜10に示されている表面連結とは異なり、点タイプ連結が一般に好ましい。例えば、図8内のアクチュエータ102の円筒形軸上に存在する点連結が3D屈曲に対する束縛を削減し、動力伝達を最適化する。他の解決法としては弾性表面連結の使用が含まれるが、これらの連結はシステム内で緩衝器として作用し得るためエネルギーを吸収しないということに注意しなくてはならない。一般に、電気活性アクチュエータの分極および材料特性は、力伝達方向におけるアクチュエータの偏向を最大にし他の方向におけるアクチュエータの偏向を最小にするように選択されるべきである。
【００７２】
図8〜10の電気活性アクチュエータは、駆動用ダイヤフラムとして示されているが、図4および7に見られるようなピストンおよびベローズを駆動することもできる。
【００７３】
図10Aは、ベローズ450が柔軟な環状ばね458を介してその周囲でハウジング456に取り付けられている状態で、上部ダイヤフラム452および下部ダイヤフラム454によって形成されたベローズ450を有するもう1つの軸上反動-駆動態様を例示している。アクチュエータ460の上部表面は、任意の反動質量464に取り付けられ、下部表面は上部ダイヤフラム452の中心に取り付けられている。アクチュエータ462の下部表面は任意の反動質量466に取り付けられ、上部表面は下部ダイヤフラム454の中心に取り付けられている。上部ダイヤフラム452は出口ポート468を有し、下部ダイヤフラム454は入口ポート470を有する。これらのポートは典型的に、ベローズ450の内部の変化する圧力に応答して開閉するリード弁で覆われ、使用されるリード弁材料は、ダイヤフラムの曲げにも関わらずポート上のシールを維持するのに充分なコンプライアンスを有することが必要であると考えられる。リード弁の配置に関しては、上部ダイヤフラム452内のポートは、入口ポートまたは出口ポートのいずれかとして役立つことができ、下部ダイヤフラム454についても同様である。図10Aでは、入口リード弁が下部ダイヤフラム454上に設置され、出口リード弁が上部ダイヤフラム452上に設置されるものと仮定されている。
【００７４】
説明を目的として、アクチュエータ460および462はピエゾセラミックスなどの固体電気活性アクチュエータであると仮定されているが、本発明と関連して論述されているアクチュエータの任意のものが、代替的に使用可能である。作動中、アクチュエータ460および462は、周波数fの交流電界により励起され、結果として生じるアクチュエータ460および462の周期的変位は、ベローズ450の容積を周波数fで変動させる。結果として生じるベローズ450内部の経時変化する圧力は、流体をポート472内に引き込みポート474から放出する。システムの共振周波数を同調させるには、任意の反動質量464および466を使用することができる。図10Aのポンプをそのシステム共振周波数またはその近くで作動させることの結果として、ベローズ変位は、システムに貯蔵されたエネルギーと正比例して大きくなる。
【００７５】
軸外駆動
軸外駆動は、反動-駆動システム内のアクチュエータのインピーダンスに負荷のインピーダンスを同調させる手段を提供し、同様に、アクチュエータに対する加速関連応力を減少させるためにも使用可能である。
【００７６】
図11は、軸外駆動の原理を例示している。反動-駆動システムは、半径Rのダイヤフラム118とハウジング116を有する。上述の態様においては、アクチュエータの力は通常、力F1として標識された矢印によって例示されるようにダイヤフラム118の中心に加えられる。ダイヤフラム118は、縁部圧締めダイヤフラムとして自由に曲がることができ、その曲げ包絡線が破線により示されている。この理想化された表示においては、r＝0において力F1を加えるものとして軸上駆動を考えることができる。一般的な意味合いでは、r＝0は、ダイヤフラム118を揺動させるために力を加えることのできる数多くの異なる半径方向位置という特殊なケースにすぎない。より一般的なケースとして、図11は、軸外点で加えられている力F2を示しており、これをr＝xと呼ぶ。力の作用点がr＝0からr＝Rまで変動するにつれて、このとき、所与の量hだけダイヤフラムの中心を変位させるのに必要とされる力は増大するが、加わった力の点における付随するダイヤフラム変位は減少する。換言すると、固定された駆動周波数について、負荷の機械的インピーダンスはrと共に増大する。
【００７７】
図12は、ベンダーアクチュエータ120がその中心でスタンドオフ124のベースに連結され、スタンドオフ124の環状リップ126がダイヤフラム122に弾性的に連結されて、ダイヤフラム122の正規の曲げを制限しないようになっている、反動-駆動システム内の軸外駆動の一つの態様を例示している。環状反動質量128が、ベンダーアクチュエータの周囲に取り付けられている。ベンダーアクチュエータ120の出力取出しはその中心にある。作動中、ダイヤフラム122の中心は、スタンドオフ124が堅固であることを仮定して、ベンダーアクチュエータ120の中心よりも高い振動変位を受ける。図12の装置をそのシステム共振周波数またはその近くで作動させると、その結果として、システムに貯蔵されたエネルギーに正比例してダイヤフラム変位は大きくなる。
【００７８】
反動-駆動システムに特徴的であるように、ベンダーアクチュエータ120は、ダイヤフラム122の変位と共に振れるかまたは浮動する。ベンダーアクチュエータ120の曲げ変位はダイヤフラム122の曲げ変位よりもはるかに小さいものであり得るとしても、アクチュエータ120は、ダイヤフラム122の高い加速に伴う振れに関連するさらなる応力を受ける可能性がある。図12の軸外駆動システムは、最高の加速を経験するダイヤフラムの中心から離れるように、その取り付け点を移動させることにより、ベンダーアクチュエータ120のダイヤフラムによってもたらされる加速を低減させる。
【００７９】
図13は、ダイヤフラム132によりベンダーアクチュエータ130にもたらされる加速をさらに低減させる反動-駆動システムについての軸外駆動態様を示す。ベンダーアクチュエータ130はその中心に連結された反動質量を有する。ベンダーアクチュエータ130のためのPTO点は環状スタンドオフ136を介してその周囲に存在する。図12の軸外駆動システムと比べて、図13のシステムは、スタンドオフ136のより大きなダイヤフラム接触半径に起因して、ダイヤフラムによりベンダーアクチュエータにもたらされる加速をさらに低減させる。軸外駆動のさらなる利点は、図13と図9を比較することでわかる。アクチュエータが図9に示されているようなダイヤフラムの中心に取り付けられている場合、横方向の不安定性が結果としてもたらされる可能性があり、ここでアクチュエータは望ましくない横方向運動を受けそれによりダイヤフラムおよびアクチュエータに対するさらなる応力ならびに装置のさらなる雑音および振動を引き起こす可能性がある。図13のアクチュエータはダイヤフラム132の圧締め点近くに取り付けられることから、図9の態様に比べはるかに大きな横方向拒絶度が提供される。
【００８０】
図14は、反動-駆動システムのための軸外駆動のもう一つの適用を例示している。ポンプ本体138は、デュアル-ピストン・デュアルアクチュエータシステムを収納する。圧縮チャンバ154は、ベローズ140、ピストン142およびピストン144により画定されている。ベンダーアクチュエータ148は、その中心に取り付けられた反動質量150およびその周囲に取り付けられた環状スタンドオフ156を有し、ここでスタンドオフ156はベローズ140の上部部分に取り付けられている。ベンダーアクチュエータ146は、その中心に取り付けられた反動質量152およびその周囲に取り付けられた環状スタンドオフ158を有し、スタンドオフ158はベローズ140の下部部分に取り付けられている。ベローズ140の外周は、柔軟な環状ばね160によりポンプハウジング138に取り付けられ、ポンプハウジング138からベローズ140の振動を絶縁するのに役立つ。ピストン144およびピストン142は各々弁付きポートを有する。図4に示されているリード弁48に類似した入口および出口リード弁は、図14のポンプ態様の中で使用可能である。例えば、入口リード弁をピストン142の上部表面に取り付けられることができ、又出口リード弁をピストン144の上部表面に取り付けられることができる。入口ポート内および出口ポート外への流体の流れを可能にするため、スタンドオフ156およびスタンドオフ158の中に貫流ベントが必要とされると考えられる。
【００８１】
作動において、ベンダーアクチュエータ148および146は、ベローズ140に揺動力および対抗力を加えるように励起されることになり、このことが今度はピストン144および142を互に180°位相ずれした状態で振動させる。付加された力の周波数がシステムの共振周波数またはその近くである場合には、大きなピストン変位が、その結果として生じる流体の圧縮および流動と共にもたらされることになり、それにより流体はポート162を通ってポンプ本体138の中に入り、ポート164を通って排出される。図14の態様においては、ピストン142および144を取り除いて2つのダイヤフラムにより交換でき、それにより本発明のもう一つの態様が提供される。
【００８２】
図15は、反動-駆動システムのための軸外駆動のもう一つの適用を例示している。該態様は、第2のベローズ区分の付加を除いて、図14のものと類似している。本発明においては任意の数をベローズ区分を使用することができ、使用される区分の正確な数は、特定の用途の必要条件の関数である。
【００８３】
図16は、反動-駆動システムの軸外駆動のために使用可能なもう1つのアクチュエータを例示している。上部表面がダイヤフラム168に取り付けられ、下部表面が任意の反動質量172に取り付けられた環状電気活性アクチュエータ166が提供されている。ダイヤフラム168の中心に任意の同調質量170を取り付けられることができる。アクチュエータ166の作動を説明するために、アクチュエータ166がピエゾセラミクス材料で作られることが仮定されている。アクチュエータ166の向きは、所与の極性の電界の印加によりそのZ次元を収縮させるような向きである。電界極性を逆転させると、アクチュエータ166のZ次元は拡張する。周波数fで揺動する極性をもつ電界が印加されると、アクチュエータのZ次元は周波数fで揺動する。
【００８４】
作動中、アクチュエータ166のZ軸振動は、ダイヤフラム168を振動させ、それにより、エネルギーを流動チャンバ171内部の流体に伝達する。ダイヤフラム変位および流体エネルギー伝達を増大させるため、エネルギーがシステム共振に貯蔵され結果として貯蔵エネルギーに正比例するダイヤフラム変位がもたらされるような形でシステム共振周波数に充分近い周波数をもつ揺動する電界がアクチュエータ166に対し印加される。
【００８５】
図17は、ダイヤフラム174がピストン176を駆動し、流体チャンバ178がエンクロージャ180およびピストン176により画定されている、図12の駆動システムに類似した軸外駆動システムを示す。ベンダーアクチュエータ182のためのPTOはその中心にある。
【００８６】
図18は、ダイヤフラム186がピストン188を駆動し、ベンダーアクチュエータ184のためのPTO点がその周囲にある、図13の駆動システムに類似した軸外駆動システムを示す。
【００８７】
図18Aは、エンクロージャ434、ダイヤフラム430、任意の同調質量442、環状電気活性アクチュエータ432および環状ナイフエッジクランプ438および440を有する、本発明の軸外縁部被動型ダイヤフラム態様を例示している。アクチュエータ432の上部表面は、コネクタ436を介してダイヤフラム430の縁部または周囲に取り付けられている。アクチュエータ432は、励起されると、Z軸と平行な力をひき起こす。力が-Z方向にある場合には、ダイヤフラム430の中心は+Z方向に移動する。同様に、力が+Z方向にある場合には、ダイヤフラム430の中心は-Z方向に移動する。
【００８８】
ダイヤフラム430が、その高次共振モードより低い周波数fでアクチュエータ432により励起された場合には、該ダイヤフラムは、周波数fでその基本軸モード形状で揺動することにより応答する。ダイヤフラム430がシステム基本共振周波数に近いかまたはこれに等しい周波数fで駆動される場合には、エネルギーはシステム共振で貯蔵され、ダイヤフラム430の変位は、貯蔵エネルギーに正比例して増大する。システム共振は、任意の質量442を用いて同調可能である。質量442およびアクチュエータ432は、つねに相反する方向に移動しており、従って正しい質量を選択することにより、それらがエンクロージャ434に対して加える力は低減されるかまたは相殺され得、それにより、エンクロージャの振動および付随する雑音は削減される。
【００８９】
図18Bの態様は、流体へのエネルギー伝達を改善するためにアクチュエータ445に対して環状反動質量444を付加するという点を除いて、図18Aの態様と同じ要領で作動する。図18Aの態様の場合と同様に、同調質量446、アクチュエータ445および反動質量444の質量は、エンクロージャの振動および付随する雑音を低減または削減するように選択可能である。
【００９０】
本発明の反動-駆動態様に対しては数多くの改良および改変を加えることができ、これらは当業者にとって明白である。例えば、支持されていないアクチュエータのリード線は、アクチュエータの振動に起因する過度の応力を受ける可能性がある。この問題に対する解決法は、図2を参照することで例示される。モータ20からのリード線をスタンドオフ18およびダイヤフラム16に接着し、それにより、機械的アースであるハウジング22まで完全に支持された経路に沿って戻すことができる。移動する磁石アクチュエータおよび移動するコイルアクチュエータなどの他のアクチュエータを本発明で使用することもできる。
【００９１】
機械的に接地されたアクチュエータ
本発明の以下の態様については、アクチュエータは浮動せず、その代りに流体装置のハウジングに機械的に接地される。
【００９２】
軸外駆動
図19は、一般的なアクチュエータ190の底面がハウジング192に取り付けられ、その上面が、ダイヤフラム196に弾性的に連結されているスタンドオフ194に連結されている、接地されたアクチュエータの設計を例示している。同調質量198がダイヤフラム196の中心に連結されており、システム共振周波数を調整するために使用可能である。先に説明した軸外駆動の原理に従うと、アクチュエータ190の小さい偏向が、システムの機械的振幅に起因して、ダイヤフラム196の中心においてより大きな偏向を結果としてもたらす。結果として得られた増幅係数は、スタンドオフ194の直径と正比例して変動する。本発明の範囲内では、図19の流体エネルギー送達システム内で任意のタイプのアクチュエータを使用することができる。
【００９３】
図19の流体エネルギー伝達装置も同様に、f0＝(1/2π)(K/M)1/2の機械的システム共振周波数を有し、ここで、Kは、流体チャンバ200内の流体のばね剛性およびダイヤフラム16の有効剛性の組み合せであり、Mは、ダイヤフラム196および同調質量198の有効移動質量の組み合せであり、f0は、最低次軸モード形状で軸方向に揺動するダイヤフラム196を結果としてもたらすシステム共振周波数を意味する。f0を精確に予測するためには、ハウジング192の動きも同じく考慮に入れなくてはならない。図19の流体システムまたは本発明の任意の態様の基本共振周波数を予測および／または推定するためには、集中素子機械モデルおよび電気式類似数値モデルおよび他のモデルを使用することができる。
【００９４】
作動中、アクチュエータ190のZ軸振動は、ダイヤフラム196を振動させ、それにより、エネルギーを流動チャンバ200内部の流体に伝達する。ダイヤフラム変位および流体エネルギー伝達を増大させるため、エネルギーがシステム共振に貯蔵され結果として貯蔵エネルギーに正比例するダイヤフラム変位がもたらされるような形でシステム共振周波数に充分近い周波数をもつ揺動する電界がアクチュエータ190に対し印加される。駆動周波数が瞬間的システム共振周波数に近ければ近いほど、貯蔵エネルギーは大きくなり、流体エネルギー伝達は大きくなる。貯蔵エネルギーを結果としてもたらす駆動周波数、および貯蔵エネルギーを結果としてもたらさない駆動周波数はいずれも、特定の態様の如何に関わらず本発明の範囲内である。
【００９５】
図20は、ピストン204を駆動するためにダイヤフラム202が使用されるという点を除いて、図19に示されているものと同じ駆動システムを利用する。結果は、ピストン204の変位をアクチュエータ208の変位よりも大きくする機械的増幅である。結果としての増幅係数は、スタンドオフ206の直径に正比例して変動する。ピストン変位は、システム共振にエネルギーを貯蔵する周波数で装置を駆動することにより増大させることができる。
【００９６】
図21は、接地されたアクチュエータが環状VRモータである図19のものと類似した軸外駆動システムを例示する。このシステムの機械的増幅は、VRモータが大きな変位を提供しなくてすむようにする。その結果、VRモータは小さいエアギャップひいては先に論述したような高い電気機械的効率を維持することができる。システムの共振周波数を同調させるために任意の反動質量212を使用することができる。図21の流体エネルギー伝達装置は図19の流体エネルギー伝達装置と同じ要領で作動する。
【００９７】
図22は、中心でスタッド216によりエンクロージャ218に接地されている接地型ベンダーアクチュエータ214を用いたもう1つの軸外駆動システムを例示している。ベンダーアクチュエータの周囲は、環状スタンドオフ222によりダイヤフラム220に連結されている。システムの増幅係数のため、超強力低変位ベンダーアクチュエータを使用することができ、特定の増幅係数は、スタンドオフ206の直径と正比例して変動する。図22の流体エネルギー伝達装置は図19の流体エネルギー伝達装置と同じ要領で作動する。任意の反動質量221を用いてシステムの共振周波数を同調させることができる。
【００９８】
図23は、接地型VRアクチュエータ224を用いたもう1つの軸外駆動システムを例示している。VRアクチュエータの力は、堅固なディスク226および環状スタンドオフ228によりダイヤフラム230に伝達される。図23の流体エネルギー伝達装置は図19の流体エネルギー伝達装置と同じ要領で作動する。任意の反動質量231を用いてシステムの共振周波数を同調させることができる。
【００９９】
図24は、環状電気活性アクチュエータ232を用いたもう1つの軸外駆動システムを例示する。アクチュエータ232のベースはクランプリング234を介してエンクロージャ236に接地され、アクチュエータ232の上面はスタンドオフ240を介してダイヤフラム238に弾性的に連結されている。図24の流体エネルギー伝達装置は、図19の流体エネルギー伝達装置と同じ要領で作動する。任意の反動質量239を用いてシステムの共振周波数を同調させることができる。
【０１００】
図25は、ダイヤフラム246に対して同じように導かれた力を加えるように励起されている2つの相対する環状電気活性アクチュエータ244および242を用いたさらなる軸外駆動システムを例示している。他の点では、図25の流体エネルギー伝達装置は図19の流体エネルギー伝達装置と同じ要領で作動する。任意の反動質量245を用いてシステムの共振周波数を同調させることができる。
【０１０１】
図26は、その底面でハウジング253に機械的に接地されている環状永久磁石区分250を有しかつ永久磁石区分250に対しばね258により連結されたボイスコイル区分252を有する接地型ボイスコイルアクチュエータ248を用いたさらなる軸外駆動システムを例示する。ボイスコイル区分252の上面は、環状スタンドオフ254によりダイヤフラム256に対して弾力的に連結されている。ボイスコイル257が周波数fの交流電流により励起されると、結果として得られた磁力は、ボイスコイル区分252を永久磁石区分250に対して振動させ、この永久磁石区分が今度はダイヤフラム256を同じく周波数fで振動させ、それによりエネルギーを流体チャンバ255内部の流体に伝達する。駆動周波数fがシステム共振周波数またはそれに近い周波数である場合には、ダイヤフラム256の変位はシステム共振に貯蔵されたエネルギーに比例して大きくなる。任意の反動質量249を用いてシステムの共振周波数を同調させることができる。
【０１０２】
図27は、柔軟ばね264を介してハウジング266に対してその周囲で取り付けられているベローズ258をもつ軸外被動ポンプを例示している。機械的に接地されたアクチュエータ260および262は、相対する方向をもつ力をベローズ258に加えるべく励起されそれにより加わった力の方向に応じてベローズ258の容積を増大または減少させている状態で、その周囲近くでベローズ258に弾性的に連結されている。ベローズ258の上部ダイヤフラム270は出口ポート272を有し、下部ダイヤフラム268は入口ポート274を有する。先述した通り、これらのポートは典型的に、ベローズ258の内部の変化する圧力に応答して開閉するリード弁で覆われ、使用されるリード弁材料は、ダイヤフラムの曲げにも関わらずポート上のシールを維持するのに充分なコンプライアンスを有することが必要であると考えられる。リード弁の配置に関しては、上面ダイヤフラム270内のポートは、入口ポートまたは出口ポートのいずれかとして役立つことができ、下部ダイヤフラム268についても同様である。図27では、入口リード弁が下部ダイヤフラム268上に設置され、出口リード弁が上部ダイヤフラム270上に設置されるものと仮定されている。
【０１０３】
説明を目的としてアクチュエータ260および262はピエゾセラミックスアクチュエータであると仮定されているが、本発明と関連して論述されているアクチュエータの任意のものが、代替的に使用可能である。作動中、アクチュエータ260および262は、周波数fの交流電界により励起され、結果として生じるアクチュエータ260および262の周期的変位は、ベローズ258の容積を周波数fで変動させる。結果として生じるベローズ258内部の経時変化する圧力は、流体をポート276内に引き込みポート278から放出する。システムの共振周波数を同調させるには、任意の反動質量280および282を使用することができる。図27の装置をそのシステム共振周波数またはその近くで作動させることの結果として、ベローズ変位は、システムに貯蔵されたエネルギーと正比例して大きくなる。
【０１０４】
図27のポンプに対する代替的設計は、アクチュエータ262を、同じ形状をもつ受動スタッドで置き換えることである。残ったアクチュエータはベローズ258内部に同じ容積計量変化を発生させるためにより多くの変位を提供しなければならないが、ポンプはなおも作動可能な状態となる。
【０１０５】
図28は、図27の純粋なベローズ配置に2つのピストンを付加した点を除いて、図27のポンプと作動上類似したもう1つの軸外被動型ポンプを示している。他の点では、図28のポンプは、図27のポンプと同じ要領で作動する。
【０１０６】
図29は、VRモータを使用して、個々のピストン／ダイヤフラムの周囲に対し相対する力を加えることによる、図28のポンプの変形を提供している。
【０１０７】
圧締め駆動
本発明の先に記述した態様においては、ばね、ベローズ、または他の流体構成要素は、典型的にハウジング本体に圧締めされており、ばねまたはダイヤフラムの可撓性部分はアクチュエータによって駆動されている。圧締め駆動の特徴的な差異は、アクチュエータがばね、ダイヤフラムまたは他の流体構成要素の圧締め点を駆動するという点にある。定義上、曲げ部材の圧締め点またはクランプ区分というのは、クランプのために曲がったり撓んだりできない部分のことであるが、それにもかかわらず、圧締め点は通常装置ハウジングに対して移動可能である。
【０１０８】
軸方向圧締め駆動
図30は、流体エネルギー伝達装置がエンクロージャ300、環状電気活性アクチュエータ302、ダイヤフラム304および任意の同調質量306を有する、軸方向圧締め駆動の一つの態様を例示している。アクチュエータ302の上面は、ハウジング300に対して機械的に接地されており、アクチュエータ302の底面はダイヤフラム304に取り付けられている。アクチュエータ302とダイヤフラム304の間の連結は、ダイヤフラム304の圧締め点303を含んでいる。アクチュエータ302の振動変位は、ダイヤフラム304の振動変位と同じ方向にある。電気活性アクチュエータのタイプはアクチュエータ322の主要な振動が軸方向となるような形で選択される。圧締め点303の振動変位はダイヤフラム304に伝達される。振動変位の周波数fがダイヤフラムの高次共振モードより低い場合には、ダイヤフラムは周波数fでその基本軸モードで揺動することにより応答する。駆動周波数fがシステム基本共振またはその近くである場合には、エネルギーはシステム共振に貯蔵され、ダイヤフラム304の変位は、貯蔵エネルギーに正比例して増大する。システム共振は、任意の質量306を用いて同調可能である。
【０１０９】
図31の態様は、ダイヤフラム308のコンボリューション区分307を付加するという点を除いて、図30の態様と類似の要領で作動する。コンボリューション区分307は、そのばね剛性を減少させることによってダイヤフラム308に軸方向可撓性を追加し、それによりダイヤフラム308がより大きい変位を達成することを可能にする。そのばね剛性を低減させることでダイヤフラムの変位を増大させることのできる他のダイヤフラムの増強としては、例えばいわゆる「リビングヒンジ」(米国特許第4,231,287号参照)が含まれる。
【０１１０】
図30および31のアクチュエータは全てX、YおよびZ軸の寸法変化を受けることから、先に論述した通りアクチュエータの振動を過度に抑制するのを避けるためにアクチュエータとハウジングの取り付けの弾性を考慮に入れなくてはならない。さらに、システム共振を同調するため、図30〜35の態様では、任意のダイヤフラム同調質量を用いることができる。
【０１１１】
図32は、環状電気活性アクチュエータ309がダイヤフラム313および314に取り付けられかつ同様に可撓性取付け用リング315によりポンプハウジング316にも取り付けられている軸方向圧締め駆動のポンプ態様を例示している。環状くさび312が、圧縮チャンバ317内部のすきま容積を減少させている。アクチュエータ309の振動変位は、ダイヤフラム313および314の変位と同じ方向にある。アクチュエータ309の屈曲は、ダイヤフラム313および314を互いに180°位相ずれした状態で揺動させる。
【０１１２】
図32Aは、ダイヤフラム318の圧締め点を駆動する可変リラクタンスアクチュエータ319を有する軸方向圧締め駆動のもう一つの態様を例示する。ダイヤフラム318はその周囲で可撓性ベローズタイプのシール323で密封されている。他の点では、図32Aの態様は、図30および31の態様と同じ要領で作動する。
【０１１３】
半径方向圧締め駆動
以下の態様では、圧締め点上に及ぼされる力は、半径方向である。
【０１１４】
図33は、流体エネルギー伝達装置がエンクロージャ320、環状電気活性アクチュエータ322、ダイヤフラム324および任意の同調質量326を有する半径方向圧締め駆動の態様を例示している。アクチュエータ322の上面は、アクチュエータ322の半径方向屈曲を可能にするべく可撓性マウント328を介してハウジング320に弾性的に取付けられる。ダイヤフラム324はアクチュエータ322の底面に取り付けられる。アクチュエータ322の主振動が半径方向となるように電気活性アクチュエータタイプを選択することが意図されている。アクチュエータ322の半径方向振動変位は、ダイヤフラム324内に揺動する半径方向応力を発生させ、これはダイヤフラム324のZ軸振動に転換可能である。軸方向変位の振幅は半径方向変位の振幅より小さくてもよいものの、この半径方向から軸方向への転換プロセスの開始は、アクチュエータ322がダイヤフラムの変位の方向(すなわちZ軸)にも振動するという事実によって支持される。周波数fでのアクチュエータ322の半径方向振動変位は、ダイヤフラム324の構築(例えば平面ダイヤフラム、プレストレスト湾曲ダイヤフラム、軸方向および／または半径方向の剛性および／または非線形性等)に応じて周波数fまたはf/2でダイヤフラム324の軸方向振動変位を結果としてもたらすことができる。
【０１１５】
ダイヤフラム324がその高次共振モードにより低い周波数fにより励起される場合には、ダイヤフラムは周波数fでその基本Z軸モードで揺動することによって応答する。ダイヤフラム324が、システム基本共振周波数に近いかまたはそれに等しい周波数fにより軸方向に揺動するように励起される場合には、エネルギーはシステム共振に貯蔵され、ダイヤフラム324の変位は貯蔵エネルギーに正比例して増大する。システム共振は、任意の質量326を用いて同調可能である。
【０１１６】
図34および35は、ダイヤフラムの変位を増大させる目的で、コンボリューションを有するダイヤフラムの使用を例示しており、他の点では図33の態様と同じ要領で作動する。そのばね剛性を削減することによりダイヤフラムの変位を増大させるために使用可能な他のダイヤフラムの増強としては、いわゆる「リビングヒンジ」(米国特許第4,231,287号)が含まれる。
【０１１７】
図30〜35の態様は、全て、図17および20などの本発明の他の態様の中で示されているように二次ピストンを駆動するために使用可能である。
【０１１８】
図36は、ポンプ348が、柔軟な環状ばね366を介してハウジング350に対しその周囲で取り付けられているベローズ364およびポンプハウジング350を有する、半径方向クランプのもう一つの態様を例示している。電気活性アクチュエータ352および354は、前記アクチュエータがベローズ364に半径方向力を加えるように励起され、付加された力の半径方向に応じてベローズ364の容積を増減のいずれかにさせている状態で、ベローズ364の周囲に堅固に連結されている。アクチュエータ352および354の主振動が半径方向となるように電気活性アクチュエータのタイプを選択することが意図されている。ベローズ258の上部ダイヤフラム358は出口ポート360を有し、ベローズ364の下部ダイヤフラム356は入口ポート362を有する。上述したとおり、これらのポートは典型的に、ベローズ364の内部の変化する圧力に応答して開閉するリード弁で覆われ、使用されるリード弁材料は、ベローズダイヤフラムの曲げにも関わらずポート上のシールを維持するのに充分なコンプライアンスを有することが必要であると考えられる。リード弁の配置に関しては、上面ダイヤフラム358内のポートは、入口ポートまたは出口ポートのいずれかとして役立つことができ、下部ダイヤフラム356についても同様である。図36では、入口リード弁が下部ダイヤフラム356上に設置され、出口リード弁が上部ダイヤフラム358上に設置されるものと仮定されている。
【０１１９】
説明を目的としてアクチュエータ352および354はピエゾセラミックスアクチュエータであると仮定されているが、半径方向力を加える能力をもつ電気活性アクチュエータのいずれでも使用可能であると考えられる。作動中、アクチュエータ352および354は、周波数fの交流電界により励起され、結果として生じるアクチュエータ352および354の周期的変位は、ベローズ364の容積を周波数fで変動させる。結果として生じるベローズ364内部の経時変化する圧力は、流体をポート368内に引き込みポート370から放出する。任意の反動質量を上部および下部のベローズダイヤフラムに付加して、システムの共振周波数を同調させることができる。
【０１２０】
図37は、図36の純粋なベローズ配置にピストン372および374を付加した点を除いて、図36のポンプと作動上類似したもう1つの半径方向圧締め駆動ポンプを示している。他の点では、図37のポンプは、図36のポンプと同じ要領で作動する。
【０１２１】
図33〜37では、全てのダイヤフラムは、環状アクチュエータの内径内部に取付けることができると考えられるが、このためには、ダイヤフラムおよびアクチュエータの寸法に、より厳密な許容誤差が求められる可能性がある。
【０１２２】
屈曲半径方向駆動
図37Aは、本発明の屈曲半径方向駆動態様を例示する。ダイヤフラム502はその中心に取り付けられたディスク形状の電気活性アクチュエータ504を有する。ダイヤフラム502はその周囲で環状クランプ508で圧締めされ、それによりエンクロージャ500に取り付けられている。流体チャンバ506は、ダイヤフラム502、アクチュエータ504およびエンクロージャ500により画定されている。機能を説明するため、アクチュエータ504は、ピエゾセラミック材料で構築されると仮定されているが、他の任意の数の電気活性材料で構築され得る。アクチュエータ504の分極は、所与の極性の電圧の印加が該アクチュエータを主にその半径方向寸法において拡張または収縮させるようなものである。
【０１２３】
作動中、交流電圧がアクチュエータ504に印加される。結果として得られるアクチュエータ504の半径方向振動変位は、アクチュエータ504と環状クランプ508との間のダイヤフラム502内で揺動する半径方向引張り応力を発生させる。これらの揺動する引張り応力は、アクチュエータ504が当然ダイヤフラム502のZ軸振動と共に走行している状態で、ダイヤフラム502のZ軸振動に転換される。軸方向変位の振幅は半径方向変位の振幅より小さくてもよいものの、この半径方向から軸方向への転換プロセスの開始は、アクチュエータ504がダイヤフラムの軸方向変位の方向にも振動するという事実によって支持される。周波数fでのアクチュエータ504の半径方向振動変位は、ダイヤフラム502の構築(例えば平面ダイヤフラム、プレストレスト湾曲ダイヤフラム、軸方向および／または半径方向の剛性および／または非線形性など)に応じて周波数fまたはf/2でダイヤフラム502のZ軸振動変位を結果としてもたらすことができる。図37Aの態様が、システム基本共振周波数に近いかまたはそれと等しい周波数fで軸方向にダイヤフラム502が揺動するような周波数で駆動される場合には、エネルギーはシステム共振に貯蔵され、ダイヤフラム502の変位は貯蔵エネルギーに正比例して増大する。
【０１２４】
ダイヤフラム502とアクチュエータ504の間の接着は、曲げ形状が印加電圧の極性に応じて凹状または凸状のいずれかである状態で、ちょうど典型的なユニモルフベンダーアクチュエータと同じように接着の部域全体にわたりアクチュエータ504およびダイヤフラム502をわずかに曲げさせることができる。ダイヤフラム502のZ軸変位に関しては、アクチュエータ504は、可撓性周辺部を有するピストンを有する本発明の他の態様と類似の要領で、ピストンのように作用する。
【０１２５】
図37Bは、本発明のもう一つの屈曲半径方向駆動ポンプ態様を例示する。ダイヤフラム512はその中心に取り付けられたディスク形状の電気活性アクチュエータ510を有する。ダイヤフラム512はその周囲で環状クランプ514で圧締めされ、それによりエンクロージャ516に取り付けられている。アクチュエータ510は入り口ポート520および出口ポート522としてのエンクロージャ516を有する。本発明の他の態様の場合のように、入り口ポート520および出口ポート522には適宜リード弁または他のタイプの弁が備わっている。流体チャンバ518は、ダイヤフラム512、アクチュエータ510およびエンクロージャ516により画定されている。機能を説明するため、アクチュエータ510は、ピエゾセラミック材料で構築されると仮定されているが、他の任意の数の電気活性材料で構築され得る。アクチュエータ510の分極は、所与の極性の電圧の印加が該アクチュエータを主としてその半径方向寸法において拡張または収縮させるようなものである。
【０１２６】
作動中、交流電圧がアクチュエータ510に印加される。結果として得られるアクチュエータ510の半径方向振動変位は、アクチュエータ510と環状クランプ514の間のダイヤフラム512内で揺動する半径方向引張り応力を発生させる。これらの揺動する引張り応力は、アクチュエータ510が当然ダイヤフラム512のZ軸振動と共に走行している状態で、ダイヤフラム512のZ軸振動に転換される。軸方向変位の振幅は半径方向変位の振幅より小さくてもよいものの、この半径方向から軸方向への転換プロセスの開始は、アクチュエータ510がダイヤフラムの軸方向変位の方向にも振動するという事実によって支持される。周波数fでのアクチュエータ510の半径方向振動変位は、先に論述した通り、ダイヤフラム512の構築に応じて周波数fまたはf/2でダイヤフラム502のZ軸振動変位を結果としてもたらすことができる。ダイヤフラム112およびアクチュエータ110の軸方向揺動は、流体をポート524内に引き込み、ポート526から放出する。図37Bの態様が、システム基本共振周波数に近いかまたはそれと等しい周波数fで軸方向にダイヤフラム512が揺動するような周波数で駆動される場合には、エネルギーはシステム共振に貯蔵され、ダイヤフラム502の変位は貯蔵エネルギーに正比例して増大する。
【０１２７】
図37Cは、本発明のさらなる屈曲半径方向駆動ポンプ態様を例示する。第1のダイヤフラム536は、その中心に取り付けられたディスク形状の電気活性アクチュエータ534を有し、その周囲で、エンクロージャ546に取り付けられている環状くさび544に取り付けられている。第2のダイヤフラム538は、その中心に取り付けられたディスク形状の電気活性アクチュエータ532を有し、その周囲で環状くさびに取り付けられている。ダイヤフラム528および530にはそれぞれの出口ポート536と入口ポート538が提供されており、これらのポート全てに典型的にリード弁または他のタイプの弁が適宜備わると考えられる。第1および第2のダイヤフラムおよびそれぞれのアクチュエータは、図37Aおよび37Bの態様と同じ要領で作動し、流体チャンバ548の揺動を引き起こし、次に流体をポート540内に引き込んでポート542から放出する。
【０１２８】
図37Dは、ベローズ550およびデュアル半径方向屈曲アクチュエータ552および554を有する本発明のさらなる屈曲半径方向駆動ポンプ態様を例示する。図37Eの態様は、それが非パラメータ操作ではなく線形操作であるという点を除いて、図37Dの態様と類似の要領で作動する。しかしながら、一部の圧送性能は、パラメータ駆動周波数で達成可能である。
【０１２９】
図37Eは、その作動について先に記述した屈曲半径方向ダイヤフラム556が可撓性周辺部を有する二次ピストン558を駆動している、本発明のさらなる屈曲半径方向駆動態様を例示する。屈曲半径方向ダイヤフラム556は、それに接着された矩形の電気活性アクチュエータ562を有する屈曲縦方向ばね560と置き換えることができる。任意の数の他のばねトポロジーも使用可能である。
【０１３０】
屈曲半径方向駆動のもう一つの態様は、図36のベローズ364の半分358および356などの1つのベローズの2つの半分の間に図37Eの屈曲半径方向ダイヤフラム556または屈曲縦方向ばね560をはさむことにあると考えられる。屈曲半径方向または屈曲縦方向要素は、ベローズの周囲に揺動する半径方向力を加え、それにより、ベローズが本発明の数多くの態様に適用可能である状態でベローズの容積を揺動させると考えられる。ダイヤフラムの場合、流体がベローズ内を流れることができるようにするため、ダイヤフラム内に穴またはベントが必要となる。図37A、37Bおよび37Cの態様のダイヤフラムには、コンボリューション区分を付加することができる。
【０１３１】
縁部駆動
図38は、エンクロージャ380、ダイヤフラム386、任意の同調質量388、環状電気活性アクチュエータ382および環状ナイフエッジクランプ390および392を有する、本発明の縁部被動態様を例示する。アクチュエータ382の底面は、エンクロージャ380に取り付けられている。アクチュエータ382の上面は、コネクタ384を介してダイヤフラム386の縁部または周囲に取り付けられている。アクチュエータ382が励起されると、それはZ軸に平行な力を発生させる。力が-Z方向である場合には、ダイヤフラム386の中心は+Z方向に移動する。同様に、力が+Z方向である場合には、ダイヤフラム386の中心は-Z方向に移動する。
【０１３２】
ダイヤフラム386が、ダイヤフラム386の高次共振モードより低い周波数fでアクチュエータ382により励起される場合には、ダイヤフラムは周波数fでその基本軸モードで揺動することにより応答する。ダイヤフラム386が、システム基本共振周波数に近いかまたはそれに等しい周波数fで駆動される場合には、エネルギーはシステム共振に貯蔵され、ダイヤフラム386の変位は、貯蔵エネルギーと正比例して増大する。システム共振は、任意の質量388を用いて同調可能である。
【０１３３】
図39の態様は、第2の環状電気活性アクチュエータ394の付加を除き、図38の態様と同じ要領で作動する。アクチュエータ394によって生成された力は、図38のアクチュエータ382によって生成された力と同じ方向である。
【０１３４】
図40において、図38の縁部被動配置は、ピストン396を駆動するために使用される。ダイヤフラム398により発生する機械的増幅は、アクチュエータ400の変位よりも大きいピストン396の変位を結果としてもたらす。本発明の範囲内で、ダイヤフラム398は、単純な板ばね、または曲げおよび機械的増幅を提供する能力をもつ任意の数の他のばねタイプの設計および材料で置き換えることができる。
【０１３５】
図40Aの態様は、図38の電気活性アクチュエータが可変リラクタンスアクチュエータ450で置き換えられているという点を除いて、図38の態様と同じ要領で作動する。アクチュエータ450のアーマチュア399およびダイヤフラム質量397はつねに相対する方向に移動しており、従って適正な質量を選択することにより、エンクロージャに対しそれらが及ぼす力は低減または相殺され、それによりエンクロージャの振動および結果として生じる雑音を減少させることが可能である。
【０１３６】
本発明は、NASAにより開発され米国特許第5,632,841号および第6,734,603号により網羅されているサンダーアクチュエータ(Thunder Actuator)などのプレストレストピエゾセラミックユニモルフアクチュエータを使用することができる。本発明は同様に、平面でプレストレスが全くない単純な積層ユニモルフまたはポリモルフベンダーを使用することもでき、本発明が大きなピエゾ変位を必要とせず、その代り高力小変位アクチュエータを使用するように設計されていることから、数多くのケースにおいてこれらのアクチュエータが好まれる。(ユニモルフピエゾベンダーは典型的に、金属シート基板に接着されたピエゾセラミックのスラブから構築されている)。単純な積層ユニモルフは、その製造コストが、プレストレストアクチュエータと比べかなり安いというさらなる利点を有している。低変位のピエゾユニモルフを使用することのもう一つの利点は、高変位ベンダー内で使用しなくてはならないより軟質のセラミックスに比べて、はるかに高い電気機械的変換効率を提供する「より硬質の」セラミックスを使用できる、という点にある。これらの硬質のセラミックスは、100Hz超で、軟質のセラミックスよりもさらに一層効率が良い。小型ポンプおよびコンプレッサについては、毎秒の圧送サイクル数が多いために小さなパッケージ内で高い流量を提供するためにより高い周波数で作動することが特に望ましい。
【０１３７】
共振音響負荷の駆動
本発明の流体エネルギー伝達装置は同様に、音響コンプレッサおよび熱音響エンジンなどの高出力共振音響負荷を駆動するために使用することもできる。米国特許第5,515,684号、第5,319,938号、第5,579,399号、第6,230,420号は、高エネルギー密度の音響共振器を設計する原理、特定的な共振器形状および高エネルギー密度の音響共振器の適用を開示しており、それらの内容は全て、全体として参照により本明細書に組み入れられる。
【０１３８】
図41は、共振器の内部で縦定在波を駆動する上での本発明の使用を例示する。本発明の流体エネルギー伝達装置400は、共振器402の広い端部に堅固に連結されている。エネルギー伝達装置400は、当該技術分野において周知であるように、又上述の特許参考文献に記述されているように、共振器402の所与の縦音響モードで振動するように駆動されるピストンおよび／またはダイヤフラム404を有する。本発明の任意の態様を、エネルギー伝達装置400のダイヤフラムおよび／またはピストンを振動させる目的で使用することができる。エネルギー伝達装置400は図3にあるような純粋なダイヤフラムまたは図20にあるような可撓性周辺部を有するピストンのいずれかを有することができ、異なるアクチュエータを任意の数だけ使用することができる。図32にあるような2重ダイヤフラムを用いて半径方向モードを駆動することもでき、この場合流体チャンバ317は音響共振器として役立つと考えられる。2つのダイヤフラムは、音響定在波内により多くの出力を伝達できる。音響コンプレッサへの適用のためには、図32のダイヤフラム313および314内のポートをより中心に近いところまで移動させて、さらに広い音響圧力振幅を活用することができる。
【０１３９】
図42は、音響共振器内部で半径方向定在波を駆動する上での本発明の使用を例示している。本発明の流体エネルギー伝達装置406は、半径方向共振器410に対し堅固に連結される。共振器410内の流体が満たされた空間は、r＝D/2で、hmaxであり、r＝0で、hminである、Rと共に、軸対称的に変動する直径Dおよび高さhをもつ共振器410およびピストン／ダイヤフラム408により画定されている。エネルギー伝達装置406は、共振器402の所与の半径方向音響モードで振動するように駆動されているピストン／ダイヤフラム408を有する。最良のエネルギー伝達は、最低次の半径方向モードで駆動しているときに起こる。本発明の態様のいずれを用いても、エネルギー伝達装置406のダイヤフラム／ピストンを振動させることができる。エネルギー伝達装置406は、図3にあるような純粋なダイヤフラムかまたは図20にあるような可撓性周辺部を有するピストンのいずれかを有することもでき、任意の数の異なるアクチュエータを使用することができる。米国特許第5,515,684号で開示されているように、音響共振器の形状を用いて、音響衝撃形成を抑制し、高エネルギー密度および大きな音響圧力振幅を助長することができる。共振器410の形状は、r＝0で測定された所与の音響圧力振幅に付随する熱-音響損失を低減させる傾向をもつ。図42の流体エネルギー伝達装置を音響コンプレッサに転換すべきであるとすると、その場合コンプレッサの弁は、より大きい音響圧力振幅を活用するため中心に位置づけされると考えられる。当該技術分野において周知であるように、他の数多くの共振器形成が使用可能であり、特定の用途により決定される。
【０１４０】
図43は、本発明の流体エネルギー伝達装置412により駆動されている平面音響共振器414を例示する。共振器414は、縦定在波を支持するように設計されている。最大の音響圧力振幅は、共振器414が音響コンプレッサとして使用される場合にコンプレッサ弁が設置されると考えられる場所である小端部416に存在する。多数の流体エネルギー伝達装置を共振器414の長さに沿ってかまたはいずれかの側に設置して、出力インプットを増大させることができる。
【０１４１】
音響コンプレッサを小型化する上での挑戦の1つは、実践的用途に必要とされる出力を提供することのできるアクチュエータの設計にある。小型音響共振器の駆動に適合された場合、本発明は、小型化された音響コンプレッサ用および小型音響共振器の他の数多くの用途向けの高出力低コストのアクチュエータを提供する。
【０１４２】
共振合成ジェット
本発明またはPCT出願第PCT/US2005/046557号の態様のうちのいずれかにより駆動される場合、合成ジェットの流動性能を増大させるために音響共振器を使用することができる。例えば図44は、図42の態様において記述されている本発明の流体エネルギー伝達装置422により駆動される半径方向音響共振器420を有する音響的に共振する合成ジェットを例示している。合成ジェットポート426が共振器420の中心424に位置設定されている。音響共振に貯蔵され得る高レベルのエネルギーは、結果として大きな圧力揺動をもたらし、これが今度はポート426を通る大きな揺動流を生成し得る。これらの大きな揺動流は、当該技術分野において周知のとおり、共振器420の外部で脈動するジェット流を発生させる。
【０１４３】
図41に示されているもののような共振器を、スロート405を開放状態に放置することにより共振合成ジェットとして使用することができる。縦定在波モードが励起されると、スロート405の中にきわめて大きな揺動流が確立され得る。典型的には、最低次の縦モードは最高の外部脈動ジェット流を提供する。図41で示されているような共振器は、長さがおよそ11インチであり、約800Hzで測定上100CFMを超えるジェット流を提供した。図41で示されているようなもう1つの共振器は、長さが約2.5インチであり、約2.7CFM／ワットについておよそ4000Hzで測定上5CFMを超えるジェット流を提供しており、より多くの出力が適用された場合さらに高い流量を提供できる。図43の共振器は、そのスロート418が開放状態にあった場合、類似の結果を提供できると考えられる。音響共振器の外表面のまわりの任意の数の場所に任意の数の合成ジェットポートを設置することができ、その全てが本発明の範囲内であるとみなされる。
【０１４４】
本発明は、流体エネルギー伝達装置の小型化を可能にするものの、本発明の範囲はいかなる形であれ、任意の所与のサイズをもつ態様に限定されるわけではない。本発明は、メゾサイズ範囲を超えて拡大することも、又MEMSサイズ範囲に縮小することもできる。本発明のさまざまな態様および増強が本明細書で開示されており、当業者であれば、これらの態様および増強の数多くの異なる組み合せを使用することを思い付くと考えられる。これらの態様のさまざまな組み合せの全てが、所与の用途の必要条件によって決定されると考えられ、これらの組み合せは本発明の範囲内であるとみなされる。例えば、軸方向安定性ばねの追加が必要とされているか否かに関わらず使用される弁の数、1つまたは2つのダイヤフラム、ばねまたはダイヤフラムを駆動してピストンを駆動するアクチュエータの使用、制御装置が必要とされるか否かに関わらず単一の装置内で使用されるアクチュエータの数、構成要素を結合するために用いられる方法のタイプ、所与の態様において使用されるアクチュエータのタイプ、使用されるシールのタイプおよび直列または並列のポンプの使用の全てが、性能および所与の用途のコスト必要条件により決定される。
【０１４５】
当業者が思いつく本発明の範囲内の態様の他の例としては、各々のダイヤフラムはピストンがプッシュ・プル構成で単一のアクチュエータを用いて2つのダイヤフラムまたはピストンを駆動するべく独自の圧縮チャンバを有している状態で、2つの背中合わせの流体ダイヤフラムまたはピストンの間に単一のベンダーアクチュエータ(または他のアクチュエータ)を位置設定することがある。流体が1つのチャンバから次のチャンバに移行することができるようにする弁をダイヤフラム上に有することで、別々の圧縮チャンバを形成しこれらの圧縮チャンバを段階分けするためにダイヤフラムまたはピストンの両側面を使用することは、当業者にとっては明白だと思われる。同様に、本明細書中で例示されているダイヤフラム反動質量は、ダイヤフラムの中心にあるディスクとして示されているが、他の数多くの形態をとることができ、環状質量の場合のように、偏心状態で取付けできると考えられる。さらに、本発明では、数多くのタイプのコンプレッサおよび／またはポンプ弁を使用することができる。例えば、1つのポート内に滑り込み入口ポートおよび出口ポートを周期的に開閉する滑動式シャフト弁の場合がそうであるように、入口弁および出口弁を作動させるために、所与の態様の移動するピストンまたはダイヤフラムを使用することができる。本発明のポンプは、サイズを拡大または縮小することができ、当業者にとっては明白であるように、閉鎖サイクルシステムならびに開放サイクルシステムにおいて使用可能である。
【０１４６】
本発明は、米国特許第5,632,841号および6,734,603号という成果をもたらしたNASAが開発したサンダーアクチュエータなどのプレストレスを受けたピエゾセラミックバイモルフアクチュエータを使用することができる。本発明は同様に、平面でプレストレスを全く受けていない単純な積層バイモルフを使用することもでき、本発明は大きなアクチュエータ変位を必要とせず、その代り強力小変位アクチュエータを使用するように設計されていることから、数多くのケースにおいて、これらのアクチュエータが好まれる。単純な積層バイモルフは、その製造コストがプレストレストアクチュエータと比べかなり安いというさらなる利点を有している。
【０１４７】
本発明の流体エネルギー伝達態様は全て、滑動式シールを有する従来のピストンを駆動するためにも使用でき、ポンプ、コンプレッサおよび他の数多くの流体用途に適用される。しかしながら、滑動式シールの摩擦損失が過度にならないように注意しなくてはならない、なぜならばそうなると、装置のエネルギー効率が低下するからである。
【０１４８】
本発明の態様は、本発明の範囲内の任意の周波数で駆動され得る。システム共振に等しいかまたはそれに近い駆動周波数で本発明を作動させることで性能上の利点が提供され得るが、本発明の範囲は、駆動周波数とシステム共振周波数の近接性に限定されるわけではない。エネルギーが共振に貯蔵されるのに充分なほど駆動周波数がシステム共振に近い場合には、ダイヤフラムおよび／またはピストン変位の振幅は、貯蔵エネルギーに正比例して増大する。駆動周波数が瞬間的システム共振周波数に近ければ近いほど、貯蔵エネルギーは大きくなり、ピストンおよび／またはダイヤフラムの変位は大きくなり、流体エネルギーの伝達は大きくなる。貯蔵エネルギーを伴うまたは伴わない本発明の作動は、本発明の範囲内であるとみなされる。
【０１４９】
本発明のダイヤフラムは、金属、プラスチックまたはエラストマなどの数多くの異なる材料で作ることができる。ダイヤフラムまたはピストン周囲材料が平板として挙動するか膜として挙動するかは、使用される材料および所与の用途が必要とする偏向によって左右され、これらの材料およびその挙動の全てが本発明の範囲内であるとみなされる。さらに、異なる利点を提供するためにさまざまなピストン形状を用いることができる。例えば、軽量ピストンを提供するためには、より薄い軽量材料を使用しながら剛性を増大させるべく円錐形のピストン形状を用いることができる。この場合、圧縮チャンバも同様に、円錐形のピストンを収容するべく円錐形状を有し、それにより過度のすきま容積を回避することができると考えられる。全て当業者にとっては明白である類似の利点を提供するべく、数多くの他の幾何学的ピストン形状を使用することができる。さらに、当業者にとって明白であるように、本発明の態様の多くにおいて、ピストンの代りにダイヤフラムをそしてダイヤフラムの代りにピストンを使用することができるということもさらに理解される。
【０１５０】
参照により組み入れられたPCT出願第PCT/US2005/046557号はさらなる態様、適用、コントローラおよび制御スキームを開示しており、これらの態様と本発明との任意の組み合せが当業者にとっては明白であり、本発明の範囲内であるとみなされる。
【０１５１】
運動エネルギー、加圧エネルギーおよび音響エネルギーを流体に伝達するための本発明の用途には、例えば、ほんのいくつかを挙げるだけでも、圧縮、圧送、混合、霧化、合成ジェット、流体計量、サンプリング、生物兵器作用物質向け空気サンプリング、インクジェット、ろ過、または化学反応に起因する物理的変化の駆動あるいは粉砕もしくは集塊などの縣濁した微粒子中での他の材料変化の駆動、あるいはこれらのプロセスのいずれかの組み合せが含まれると考えられる。本発明のポンプおよびコンプレッサ態様のための用途には、携帯式電子装置例えば携帯式計算装置、PDAおよび携帯電話内のマイクロ燃料電池向けのMEMおよびMESOサイズのポンプおよびコンプレッサ、回路ワード上にはめ込まれマイクロプロセッサおよび他の半導体電子機器のための冷却を提供することのできる内蔵型熱管理システム、および通院患者のための個人用携帯式医療装置が含まれる。
【０１５２】
本発明の態様の一部についての上記の記述は、例示と説明を目的として提示されてきた。提供されている図面中、本明細書で提供された個々の態様の従属構成要素は、機能を明確に示すため必ずしも互いに比例して描かれているわけではない。実際の製品においては、個々の構成要素の相対的比率は、特定のエンジニアリング設計によって決定される。本明細書で提供されている態様は、網羅的であることまたは本発明を開示された精確な形態に限定することを意図するものではなく、上記の教示に照らして数多くの改変および変形が明らかに可能である。本発明の原理およびその実践的用途を最良の形で説明し、それにより他の当業者がさまざまな態様においておよび考慮する特定の利用に適したさまざまな改変を伴って本発明を最もよく利用できるようにする目的で、態様が選択され記述された。以上の記述には数多くの仕様が含まれているが、これらは本発明の範囲を限定するものとみなされるべきではなく、むしろその代替的態様の例証としてみなされるべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１５３】
明細書中に組み入れられかつその一部をなす添付の図面は、本発明の態様を例示しており、記述と共に本発明の原理を説明するのに役立つ。
【図１】本発明中で使用されている可変リラクタンス(VR)アクチュエータの一態様の横断面図である。
【図２】反動-駆動流体エネルギー伝達装置を駆動するVRアクチュエータを有する、本発明の一態様の横断面図である。
【図３】安定化ばねをさらに含む、図2の一態様の横断面図である。
【図４】反動-駆動流体ポンプ内部のピストンを駆動するVRアクチュエータを有する、本発明の一態様の横断面図である。
【図５】合成ジェットを発生させるためのダイヤフラムを駆動するVRアクチュエータを有する、本発明の一態様の横断面図である。
【図６】反動-駆動流体エネルギー伝達装置を駆動するボイスコイルを有する、本発明の一態様の横断面図である。
【図７】反動-駆動ポンプまたはコンプレッサ内部でベローズ圧縮チャンバを駆動するVRアクチュエータを有する、本発明の一態様の横断面図である。
【図８】反動-駆動流体エネルギー伝達装置を駆動する固体電気活性アクチュエータを有する、本発明の一態様の横断面図である。
【図９】反動-駆動流体エネルギー伝達装置を駆動する反動質量を有する固体電気活性アクチュエータを有する、本発明の一態様の横断面図である。
【図１０】反動-駆動流体ポンプを駆動する反動質量と環状円筒形の固体電気活性アクチュエータを有する、本発明の一態様の横断面図である。
【図１０Ａ】反動-駆動流体ポンプ内の2つの固体電気活性アクチュエータによって駆動されるベローズ圧縮チャンバを有する、本発明の一態様の横断面図である。
【図１１】反動-駆動流体エネルギー伝達装置の「軸外駆動」の概念図を提供する、本発明の一態様の横断面図である。
【図１２】中心出力取出し(PTO)点を有するベンダーアクチュエータにより駆動されている、軸外被動反動-駆動流体エネルギー伝達装置の横断面図である。
【図１３】周囲PTO点を有するベンダーアクチュエータにより駆動されている、軸外被動反動-駆動流体エネルギー伝達装置の横断面図である。
【図１４】反動-駆動ポンプまたはコンプレッサ内部でデュアル-ピストンベローズ圧縮チャンバを駆動する2つのベンダーアクチュエータを有する、本発明の軸外被動態様の横断面図である。
【図１５】反動-駆動ポンプまたはコンプレッサ内部でデュアル-ピストン2重ベローズ圧縮チャンバを駆動する2つのベンダーアクチュエータを有する、本発明の軸外被動態様の横断面図である。
【図１６】反動-駆動流体エネルギー伝達装置内部に反動質量を有する固体電気活性アクチュエータを有する、本発明の軸外被動態様の横断面図である。
【図１７】反動質量と、反動-駆動流体エネルギー伝達装置内部でピストンを駆動するダイヤフラムを駆動する中心PTO点とを有するベンダーアクチュエータを有する、本発明の軸外被動態様の横断面図である。
【図１８】反動質量と、反動-駆動流体エネルギー伝達装置内部でピストンを駆動するダイヤフラムを駆動する周囲PTO点とを有するベンダーアクチュエータを有する、本発明の軸外被動態様の横断面図である。
【図１８Ａ】その圧締め円の外部でダイヤフラムの縁部を駆動する環状電気活性アクチュエータを有する、本発明の軸外縁部被動反動-駆動態様の横断面図である。
【図１８Ｂ】その圧締め円の外部でダイヤフラムの縁部を駆動する反動質量を有する環状電気活性アクチュエータを有する、本発明の軸外縁部被動反動-駆動態様の横断面図である。
【図１９】流体エネルギー伝達装置内部でダイヤフラムを駆動する一般的な機械的接地アクチュエータを有する、本発明の軸外被動態様の横断面図である。
【図２０】流体エネルギー伝達装置内部でピストンを駆動する一般的な機械的接地アクチュエータを有する、本発明の軸外被動態様の横断面図である。
【図２１】流体エネルギー伝達装置内部でダイヤフラムを駆動する機械的に接地されているVRアクチュエータを有する、本発明の軸外被動態様の横断面図である。
【図２２】流体エネルギー伝達装置内部でダイヤフラムを駆動するその中心で機械的に接地されているベンダーアクチュエータを有する、本発明の軸外被動態様の横断面図である。
【図２３】流体エネルギー伝達装置内部でダイヤフラムを駆動する機械的接地VRアクチュエータを有する、本発明の軸外被動態様の横断面図である。
【図２４】流体エネルギー伝達装置内部でダイヤフラムを駆動する機械的接地環状電気活性アクチュエータを有する、本発明による軸外被動態様の横断面図である。
【図２５】流体エネルギー伝達装置内部でダイヤフラムを駆動するデュアル機械的接地環状電気活性アクチュエータを有する、本発明による軸外被動態様の横断面図である。
【図２６】流体エネルギー伝達装置内部でダイヤフラムを駆動する機械的接地ボイスコイルアクチュエータを有する、本発明の軸外被動態様の横断面図である。
【図２７】ポンプまたはコンプレッサ内部のベローズ圧縮チャンバを駆動するデュアル機械的接地環状電気活性アクチュエータを有する、本発明の軸外被動態様の横断面図である。
【図２８】ポンプまたはコンプレッサ内部のデュアル-ピストンベローズ圧縮チャンバを駆動するデュアル機械的接地環状電気活性アクチュエータを有する、本発明の軸外被動態様の横断面図である。
【図２９】ポンプまたはコンプレッサ内部のデュアル-ピストンベローズ圧縮チャンバを駆動する機械的接地VRアクチュエータを有する、本発明の軸外被動態様の横断面図である。
【図３０】流体エネルギー伝達装置内部のダイヤフラムを駆動する機械的接地環状電気活性アクチュエータを有する、本発明の軸方向圧締め被動態様の横断面図である。
【図３１】流体エネルギー伝達装置内部のコンボリューションを有するダイヤフラムを駆動する機械的接地環状電気活性アクチュエータを有する、本発明の軸方向圧締め被動態様の横断面図である。
【図３２】流体エネルギー伝達装置内部の2つのダイヤフラムを駆動する環状電気活性アクチュエータを有する、本発明の軸方向圧締め被動態様の横断面図である。
【図３２Ａ】流体エネルギー伝達装置内部のダイヤフラムを駆動する機械的接地可変リラクタンスアクチュエータを有する、本発明の軸方向圧締め被動態様の横断面図である。
【図３３】流体エネルギー伝達装置内部のダイヤフラムを駆動する機械的接地環状電気活性アクチュエータを有する、本発明の半径方向圧締め被動態様の横断面図である。
【図３４】流体エネルギー伝達装置内部のコンボリューションを有するダイヤフラムを駆動する機械的接地環状電気活性アクチュエータを有する、本発明の半径方向圧締め被動態様の横断面図である。
【図３５】流体エネルギー伝達装置内部のコンボリューションを有するダイヤフラムを駆動する機械的接地環状電気活性アクチュエータを有する、本発明の半径方向圧締め被動態様の横断面図である。
【図３６】ポンプまたはコンプレッサ内部のベローズ圧縮チャンバを駆動するデュアル環状電気活性アクチュエータを有する、本発明の半径方向圧締め被動態様の横断面図である。
【図３７】ポンプまたはコンプレッサ内部のデュアル-ピストンベローズ圧縮チャンバを駆動するデュアル環状電気活性アクチュエータを有する、本発明の半径方向圧締め被動態様の横断面図である。
【図３７Ａ】半径方向に撓むアクチュエータを有する単一ダイヤフラムを有する、本発明の屈曲半径方向被動態様の横断面図である。
【図３７Ｂ】半径方向に撓むアクチュエータを有する単一ダイヤフラムを有する、本発明の屈曲半径方向被動ポンプ態様の横断面図である。
【図３７Ｃ】半径方向に撓むアクチュエータを有するデュアルダイヤフラムを有する、本発明の屈曲半径方向被動ポンプ態様の横断面図である。
【図３７Ｄ】2つの半径方向に撓むアクチュエータを有するベローズ区分を有する、本発明の屈曲半径方向被動態様の横断面図である。
【図３７Ｅ】2次ピストンを駆動する半径方向に撓むアクチュエータを有するダイヤフラムを有する、本発明の屈曲半径方向被動態様の横断面図である。
【図３８】その圧締め円の外部でダイヤフラムの縁部を駆動する環状電気活性アクチュエータを有する、本発明の縁部被動態様の横断面図である。
【図３９】その圧締め円の外部でダイヤフラムの縁部を駆動するデュアル環状電気活性アクチュエータを有する、本発明の縁部被動態様の横断面図である。
【図４０】その圧締め円の外部でダイヤフラムの縁部を駆動する環状電気活性アクチュエータを有し、前記ダイヤフラムがピストンを駆動している、本発明の縁部被動態様の横断面図である。
【図４０Ａ】その圧締め円の外部でダイヤフラムの縁部を駆動する環状可変リラクタンスアクチュエータを有する、本発明の縁部被動態様の横断面図である。
【図４１】部分横断面図で示された音響共振器を駆動する、本発明の流体エネルギー伝達装置を例示する。
【図４２】部分横断面図で示されたもう1つの音響共振器を駆動する、本発明の流体エネルギー伝達装置を例示する。
【図４３】平面音響共振器を駆動する本発明の流体エネルギー伝達装置を例示する。
【図４４】共振合成ジェットを駆動する本発明の流体エネルギー伝達装置を例示する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１０Ａ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３２Ａ】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３７Ａ】
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【図３７Ｂ】
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【図３７Ｃ】
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【図３７Ｄ】
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【図３７Ｅ】
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【図３８】
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【図３９】
2009529119.tif 000051
【図４０】
2009529119.tif 000052
【図４０Ａ】
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【図４１】
2009529119.tif 000054
【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【国際調査報告】
2009529119.tif 000058