(57)【要約】本発明による装置は、互いに対して運動するようにその上に形成された第１および第２のアーム部分（２４、２６）を備える１次部分（１４）と、それとともに運動するようにアーム部分の外端部に一体に形成されたクランプ部分（３０、３４）またはバルブ部分のいずれかを備える２次部分（２８、３２）とを有する支持構造（１２）を備える。１次アクチュエータ（１６）が、１次アクチュエータの電気的活動化に応答してアーム部分を互いに対して動かすために支持構造に動作可能に付随している。２次アクチュエータ（４６、５２）が、２次アクチュエータの電気的活動化に応答して２次部分を開放位置と閉鎖位置の間で独立して動かすために支持構造に動作可能に付随している。アクチュエータのそれぞれが互いに独立して動作可能である。装置は、選択された形状および１次および２次アクチュエータを起動させるシークエンスモードに応じて双方向モータ、双方向ポンプ、または双方向コンプレッサを提供するために動作可能である。
2005531275.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対して運動するように形成された第１および第２のアーム部分と、それとともに運動するように各アーム部分の外端部上に一体に形成された２次部分とを有する支持構造と、
１次アクチュエータの電気的活動化に応答してアーム部分を互いに対して動かすために支持構造に動作可能に付随している１次アクチュエータと、２次アクチュエータの電気的活動化に応答して各２次部分を開放位置と閉鎖位置との間で動かすために支持構造に動作可能に付随している２次アクチュエータとを備え、１次及び２次アクチュエータのそれぞれが互いに独立して動作可能であることを特徴とする装置。
【請求項２】
支持構造に付随する剛性の非可撓性ウェブ部分をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
付随する２次部分を伸長位置と収縮位置との間で互いに対して運動させるために１次アクチュエータからの力を伝達するための力伝達部材部分をさらに備え、１次アクチュエータが減勢されたとき、２次部分が互いに向かって引込位置へ運動し、１次アクチュエータが付勢されたとき、２次部分が互いに遠ざかるように伸長位置へ運動することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項４】
支持構造の剛性の非可撓性Ｃ字型部分を画定するウェブ部分の両端部で外向きに延びている側部部分に付随している剛性の非可撓性ウェブ部分と、
支持構造の力伝達部材部分と各アーム部分の間、および支持構造の力伝達部材部分と各側部部分との間で、互いに対してほぼ平行に延びている１対のヒンジ部分とをさらに備えることを特徴とする請求項３記載の装置。
【請求項５】
２次部分のそれぞれが、
支持構造の対応するアーム部分に一体に付随している２次ウェブ部分と、
各２次ウェブ部分の両端部に付随し、そこから延びている第１および第２の２次アーム部分とをさらに備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項６】
２次部分のそれぞれが、
付随する２次アーム部分を開放位置と閉鎖位置の間で互いに対して運動させるために２次アクチュエータからの力を伝達するための力伝達部材部分をさらに備え、２次アクチュエータが減勢されたとき、２次アーム部分が互いに向かって閉鎖位置へ運動し、２次アクチュエータが付勢されたとき、２次アーム部分が互いに遠ざかるように開放位置へ運動することを特徴とする請求項５記載の装置。
【請求項７】
２次部分のそれぞれが、クランプ部分をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項８】
２次部分のそれぞれが、相補的な形状を有する可動部材と係合可能なくぼみを有する、クランプ部分のそれぞれに形成された対向する表面をさらに備えることを特徴とする請求項７記載の装置。
【請求項９】
２次部分のそれぞれが、バルブ部分をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１０】
第１のバルブ部分および第２のバルブ部分を画定する前記２次部分と、
流体をポンピングするためのポンプ手段とをさらに備え、
前記ポンプ手段が、支持構造の第１および第２のアーム部分の間に配置され、第１のバルブ部分および第２のバルブ部分と流体的に連絡していることを特徴とする請求項９記載の装置。
【請求項１１】
１次および２次アクチュエータが、双方向動作のために異なる順番で起動されることができることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１２】
双方向動作が、可動部材を支持構造に対していずれかの方向に運動させるように動作可能であることを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
双方向動作が、流体を支持構造に対していずれかの方向にポンピングするように動作可能であることを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１４】
アクチュエータが、圧電型であることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１５】
アクチュエータが、磁気歪型であることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１６】
各クランプと支持構造の各側部の間、および力伝達部材とクランプの間の支持構造内に配置されたスロットによって作成された少なくとも１つの面積の減少によって形成された、第１および第２のクランプを相対的に枢動させるためのほぼ平行なヒンジの第１および第２の対を備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１７】
支持構造が、同質な材料で形成されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１８】
支持構造が、単体構造であることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１９】
第１および第２のアクチュエータの少なくとも１つに予荷重を加えるための手段をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項２０】
予荷重を加えるための手段が、
１次および２次アクチュエータの少なくとも１つの端部に動作可能に付随されている力集中部材と、
支持部材の端部ウェブとねじ付け係合可能であり、アクチュエータを付勢する前に、予荷重がねじおよび力集中部材を通ってアクチュエータに作用されることができるように、力集中部材に動作可能に付随されているねじとをさらに備えることを特徴とする請求項１９記載の装置。
【請求項２１】
支持構造の第１および第２の１次枢動自在アーム部分を、互いに隣接する第１の位置から互いに離隔した第２の位置へ運動させるために１次アクチュエータを付勢するステップと、
支持構造の第１および第２の１次枢動自在アーム部分を、互いに隣接する第１の位置から互いに離隔した第２の位置へ運動させるために少なくとも１つの２次アクチュエータを付勢するステップと、
作業を行うために第１および第２のアクチュエータを次々に付勢する、および減勢するステップとを含むことを特徴とする方法。
【請求項２２】
第１の２次アクチュエータの付勢に応答して固定クランプを開放し、一方、減勢された第２の２次アクチュエータに応答して、通常閉鎖されている可動クランプを可動部材上で開始位置に閉鎖したままにするステップと、
固定クランプに対して運動するように可動部材を持っていくために、１次アクチュエータの付勢に応答して可動クランプを固定クランプから遠ざかるように運動させるステップと、
第１の２次アクチュエータの減勢に応答して固定クランプを閉鎖するステップと、
第２の２次アクチュエータの付勢に応答して可動クランプを開放するステップと、
第１のアクチュエータの減勢に応答して可動クランプを、可動部材を閉鎖する前の開始位置へ、固定クランプに向かって移動させるステップとを含むことを特徴とする請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
第１の２次アクチュエータの付勢に応答して第１のバルブを開放し、一方、通常閉鎖された第２のバルブを、減勢された第２の２次アクチュエータに応答して閉鎖したままにするステップと、
第１のバルブからチャンバ内へ流体を引き出すために１次アクチュエータの付勢に応答してポンプ手段を駆動するステップと、
第１の２次アクチュエータの減勢に応答して第１のバルブを閉鎖するステップと、
第２の２次アクチュエータの付勢に応答して第２のバルブを開放するステップと、
流体に第２のバルブを通過させるために、１次アクチュエータの減勢に応答してポンプ手段を駆動するステップとをさらに含むことを特徴とする請求項２１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、付属の機構の計画的な制御およびこれらの機構の間の正確なステッピング動作の使用によって、単純な構造で、このタイプおよび寸法のデバイスが以前に達成し得なかった出力レベルでの様々な基本的なタイプの機械的な動作を得ることができるように、動作および付属の機械デバイスを多数の動作軸で正確な方式で制御するための単一の基本的機械構造、制御シーケンスおよび電子機械アクチュエータを備えるモータ、ポンプまたは圧縮機に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、参照によって本明細書に組み込まれる、２００２年６月２１日に提出された特許仮出願シリアル番号６０／３９０，６２０の継続出願である。
連続運動を提供するための圧電セラミックの使用は公知である。たとえば、１９８９年１０月１７日に発行された米国特許第４，８４７，９７９号明細書に記載されている「インチワーム」モータなどの他の設計では、いくつかの類似の特徴、最も顕著には圧電アクチュエータから物体の運動に運動を伝達する能力が可能である機構が開示されている。また、この運動を達成するために１組の電気的ステップが必要とされることに気づくかもしれない。物体に伝達される運動は、圧電アクチュエータの動作に正比例する。圧電スタックアクチュエータは、一般に、０．０００４”から０．００１２”まで移動するため、大量の運動を得るために多数の電気サイクルを必要とする。いくつかの適用例は、上記で説明した発明を超える、速度、精度、および力の様々な関係を必要とする。
【０００３】
たとえば、２０００年５月１６日に発行された米国特許第６，０６４，１４０号明細書に記載されている「セラミックモータ」などの別の設計では、共振モードの近くまたは共振モードで動作する４つのアクチュエータを備える機構が開示されている。上記のシステムもまた、対処されるべき速度、精度、および力の様々な関係に対する可能性に欠けており、用途の範囲が限定されている。
【０００４】
たとえば、１９９６年９月２４日に発行された米国特許第５，５５８，５５７号に記載されている「機械工具用３軸制御」などの別の設計では、正確な機械運動を得るように機械工具テーブルを制御するために３軸の複雑な機械アセンブリによって動作する多数のアクチュエータが開示されている。このデバイスは、この機能を得るために多数の構成部品、センサおよび複雑な制御を必要とする。
【０００５】
たとえば、２０００年２月１５日に発行された米国特許第６，０２５，９７５号明細書に記載されている「Ｅブロックヘッドスタックマイクロアクチュエータアセンブリ」などの別の設計では、正確な機械運動を得るようにディスクドライブの挿入ヘッドを制御するために１軸で簡単な機械アセンブリを動作させる単体アクチュエータを備える機構が開示されている。このシステムは、単純な構造である。その運動は１軸のみである。
【０００６】
たとえば、１９９９年１２月２１日に発行された米国特許第６，００４，１１５号明細書に記載されている「冷蔵システム用密封コンプレッサ」などの別の設計では、流体を圧縮する目的を有する多数のアクチュエータを備える機構が開示されている。このシステムは、圧電アクチュエータが、圧縮されるまたはポンピングされる媒体と直接接触するという点で異なっている。圧電アクチュエータの許容値の提供はされていない。
【０００７】
たとえば、１９８８年４月５日に発行された米国特許第４，７３６，１３１号明細書に記載されている「リニアモータ駆動デバイス」などの別の設計では、線形運動を生じさせるために２軸のアームアセンブリとともに動作する多数のアクチュエータを備える機構が開示されている。また、このシステムも、小さな運動を伴うアクチュエータに関連しているため、多数の構成部品に付随する交差の積み重ねを低減させるために同時に製造された単体のベース構造を有さない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、複雑な機械に付随するエネルギー損失なしで効率的なモータ、ポンプおよびコンプレッサを設計することが可能である、単一の主構造と、電気機械的アクチュエータと、電子制御シーケンスとを基にした機構を提供する。本発明は、最小数の構成部品を備えるモータ機構を提供する。圧電モータの技術分野で公知のように、モータ内のすべての構成部品の位置合わせは、困難であることがある。本発明によるモータは、クランプ表面を含む単一の主本体を有し、機構を同時に機械加工し、それによって公差の積み重ねの問題を減少させることによってこの問題を克服する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、互いに対して運動するようにその上に形成された第１および第２のアーム部分を備える１次部分と、それとともに運動するようにアーム部分の外端部に一体に形成された２次部分とを有する支持構造と、１次アクチュエータの電気的活動化に応答してアーム部分を互いに対して動かすために支持構造に動作可能に付随している１次アクチュエータと、各２次アクチュエータの電気的活動化に応答して各２次部分を開放位置と閉鎖位置の間で独立して動かすために支持構造に動作可能に付随している２次アクチュエータとを備え、アクチュエータのそれぞれが互いに独立して動作可能である装置を開示している。力伝達部材が、第１および第２のアームを互いに対して運動させるために１次アクチュエータからの力を伝達する。装置は、モータ、ポンプまたはコンプレッサを、単一の基本的気機械構造、制御シークエンスおよび電子機械的アクチュエータによって動作させるために使用されることができ、このことは、付属の機構の専用の制御およびこれらの機構間の正確なステッピング運動の使用によって、本発明が、多くのタイプの機械的作業のための基本動作を、構造的単純性、およびこのタイプおよびサイズのデバイスで以前は決して達成できなかった出力レベルで得ることができるようにして、運動および付属の機械デバイスを多数の運動軸で正確な方式で制御することを可能にする。
【００１０】
本発明の他の適用例は、本発明を実施するために企図された最良の形態の以下の説明を添付の図面とともに読めば当業者なら理解されよう。
本明細書の説明では、いくつかの図全体にわたって同じ符号が同じ部分を指す添付の図面を参照する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１Ａおよび１Ｂを参照すると、リニアモータ１０が、本発明に従ってモータの内部形態と構成部品の両方を示して示されている。リニアモータ１０は、記述の目的で概略図で示されている。単一の、モノリシックな単一部片の支持構造１２が、モータのための基礎を形成している。支持構造１２は、１次部分と２次部分を備える。支持構造１２は、１次圧電アクチュエータ１６の一方の端部と支持しながら接触するための剛性の１次ウェブ部分１４を備える。支持構造１２の１次部分は、上側および下側１次枢動自在アーム部分２４、２６を支持するための支持構造１２の剛性のＣ字型部分２２の一部を形成するために、上側および下側１次側部部分１８、２０と、１次ウェブ部分１４とを備える。２次部分は、図５および６のものと同様のバルブ部分、すなわち、１次および２次クランプ部分３０、３４を備えることができる。上側１次アーム部分２４は、上側枢動自在クランプ部分３０などの第１の２次部分２８を支持しており、下側１次アーム部分２６は、下側枢動自在クランプ部分３４などの第２の２次部分３２を支持している。１次枢動自在アーム部分２４、２６は、いかなる所望の長さであってもよい、または枢動自在クランプ部分３０、３４のそれぞれの２次ウェブ部分３６、３８と同じ構造構成部品として形成されてもよい。１次力伝達部材部分４０が、上側１次側部部分１８との分岐の近くで上側１次アーム部分２４と接続し、また、下側１次側部部分２０との分岐の近くで下側１次アーム部分２６と接続して、上側および下側枢動自在クランプ３０、３４を互いに対して運動させるために、力伝達部材４０からの運動を伝達するための手段を形成している。１次圧電アクチュエータ１６は、剛性の１次ウェブ部分１４と１次力伝達部材部分４０の間で捕捉され、圧縮状態に保持されている。
【００１２】
上側クランプ部分３０は、２つの対向する表面４８、５０を備える。適切な電気信号が、２次圧電アクチュエータ４６に印加されたとき、２次アクチュエータ４６は、サイズを変化させる、または所定の軸に沿って空間的に変位する。空間的変化は、電圧に比例する。言い換えれば、最小の電圧が最小の空間的変位に相当し、最大の電圧が最大の空間的変位に相当し、比例する空間的変化が、電圧を最小値および最大値の間で変化させることによって達成される。したがって、最大の電圧が２次アクチュエータ４６に印加されたとき、対向する面４８、５０が、互いに最大の距離に移動する。最小の電圧が２次アクチュエータ４６に印加されたとき、対向する面４８、５０が、単一の、モノリシックな単一部片の支持構造を形成している材料の「跳ね返り」効果に応じて互いに最小の距離に移動する。可変な電圧が２次アクチュエータ４６に印加されたとき、２つの対向する面４８、５０が、互いに対して、比例するように移動する。
【００１３】
下側クランプ部分３４は、２次アクチュエータ４６と独立して動作可能な２つの対向する表面５４、５６と、２次圧電アクチュエータ５２を備える。適切な電気信号が２次圧電アクチュエータ５２に印加されたとき、２次アクチュエータは、サイズを変化させる、または所定の軸に沿って空間的に変位する。空間的変化は、電圧に比例する。言い換えれば、最小の電圧が最小の空間的変位に相当し、最大の電圧が最大の空間的変位に相当し、比例する空間的変位が、電圧を最小値および最大値の間で変化させることによって達成される。したがって、最大の電圧が２次圧電アクチュエータ５２に印加されたとき、対向する面５４、５６が、互いに最大の距離に移動する。最小の電圧が圧電アクチュエータ５２に印加されたとき、対向する面５４、５６が、単一の、モノリシックな単一部片の支持構造１２を形成している材料の「跳ね返り」効果に応じて互いに最小の距離に移動する。可変な電圧がアクチュエータ５２に印加されたとき、２つの対向する面５４、５６が、互いに対して、比例するように移動する。
【００１４】
同様にして、１次圧電アクチュエータ１６が、１次ウェブ部分１４と１次力伝達部材部分４０の間に捕捉されている。支持構造１２の１次力伝達部材部分４０と一体に、一体に形成された上側１次ヒンジ部分５８を介して、より具体的にはヒンジウェブ５９を通って（図２に示す）上側クランプ部分３０が、および一体に形成された下側１次ヒンジ部分７０を介して、より具体的にはヒンジウェブ７１を通って（図２に示す）下側クランプ３４が接続されている。最大の電圧が、１次圧電アクチェータ１６に印加されたとき、１次圧電アクチュエータは、サイズを変化させる、または所定の軸に沿って空間的に変位する。１次ウェブ部分１４は、上側および下側１次側部部分１８、２０とともに、支持構造１２に対する無限の寿命での想定設計荷重の下で構造の降伏または塑性変形を防止するのに十分なサイズおよび材料強度の支持構造１２のＣ字型部分２２を画定する。したがって、１次力伝達部材部分４０に伝達される力が、上側および下側枢動自在クランプ部分３０、３４を軸「Ａ」に沿った弧で運動させる。上側および下側クランプ部分３０、３４の対向する面４２、４４の間の距離が、最大の電圧が１次アクチュエータ１６に印加されたとき、最大の空間的変位に変化する。最小の電圧が１次圧電アクチュエータ１６に印加されたとき、上側および下側クランプ部分３０、３４の対向する面４２、４４の間の距離が、互いに対して最小の空間的変位に変化する。可変な電圧が、１次圧電アクチュエータ１６に印加されたとき、上側および下側クランプ部分３０、３４の２つの対向する面４２、４４が、互いに対して、比例するように移動する。
【００１５】
図２は、リニアモータ１０の側面図である。１次ウェブ部分１４は、上側１次側部部分１８および下側１次側部部分２０とともに支持構造１２の基本的なＣ字型部分２２を形成している。支持構造１２のＣ字型部分２２と結合された枢動自在クランプ部分３０，３４、１次力伝達部材部分４０、およびその間に延びる一体ヒンジ部分が、モータ本体１０を画定している。１次圧電アクチュエータ１６が、剛性の１次ウェブ部分１４と１次力伝達部材部分４０の間に配置されている。１次圧電アクチュエータ１６は、支持構造１２の１次ウェブ部分１４と１次力伝達部材部分４０の間で捕捉される。最大の電圧が、１次圧電アクチェータ１６に印加されたとき、１次圧電アクチュエータは、サイズを変化させる、または所定の軸に沿って空間的に変位する。剛性の１次ウェブ部分１４は、剛性の上側および下側１次側部部分１８、２０とともに、全支持構造１２のＣ字型部分２２を画定する。全支持構造１２は、支持構造１２の無限の寿命での想定設計荷重の下で構造の降伏または塑性変形を防止するのに十分なサイズおよび材料強度である。このようにして、１次力伝達部材部分４０に伝達される１次の力が、２つの枢動自在クランプ部分３０、３４を互いに対して運動させる。最大の電圧が、１次圧電アクチェータ１６に印加されたとき、上側および下側クランプ部分３０、３４の対向する面４２、４４の間の距離が、互いに対して最大の空間的変位に変化する。最小の電圧が、１次圧電アクチェータ１６に印加されたとき、上側および下側クランプ部分３０、３４の対向する面４２、４４の間の距離が、互いに対して最小の空間的変位に変化する。１次アクチュエータ１６の空間的変化は、印加された電圧に比例し、したがって、上側および下側クランプ部分３０、３４の対向する面４２、４４の間の距離は比例する。
【００１６】
図３は、リニアモータ１０の上面図である。１次ウェブ部分１４は、１次上側側部部分１８とともに、全支持構造１２の基本的な１次Ｃ字型部分２２の半分を形成している。支持構造１２のＣ字型部分２２と一体に、一体に形成された上側１次部分ヒンジ部分５８、より具体的にはヒンジウェブ６０を介して（図２に示されている）、上側クランプ部分３０が接続されている。上側クランプ部分３０は、上側クランプ部分３０の全支持構造１２の上側２次Ｃ字型部分６６を画定するために、２次ウェブ部分３６と、第１の２次アーム部分６２と、第２の２次アーム部分６４と、対向するクランプ表面４８、５０とを備える。上側クランプ部分３０は、クランプ部分３０などの第１の２次部分２８の無限の寿命での想定設計荷重の下で構造の降伏または塑性変形を防止するのに十分なサイズおよび材料強度である。
【００１７】
２次圧電アクチュエータ４６に電圧が加えられたとき、対向するクランプ表面４８、５０が、互いに対して運動する。２次圧電アクチュエータ４６は、第１の２次アーム部分６２と第２の２次アーム部分６４の間で捕捉される。２つの対向する面４８、５０が、クランプ表面を提供する。２次アクチェータ４６に電圧が印加されたとき、２次圧電アクチュエータ４６は、サイズを変化させる、または所定の軸に沿って空間的に変位し、力が第１の２次アーム部分６２と第２の２次アーム部分６４に伝達され、第２の２次アーム部分６４が２次アームを互いに対して運動させる。最大の電圧が、２次圧電アクチェータ４６に印加されたとき、対向する面４８、５０の間の距離が、互いに対して最大の空間的変位に変化する。最小の電圧が、２次圧電アクチェータ４６に印加されたとき、対向する面４８、５０の間の距離が、互いに対して最小の空間的変位に変化する。２次アクチュエータ４６の空間的変化は、印加された電圧に比例し、したがって、対向する面４８、５０の間の距離は互いに対して比例する。対向する面４８、５０の間の距離の空間的変化を使用して、本発明は、最小の空間的変位で可動部材６８が捕捉され、最大の空間的変位で可動部材６８が自由になるようなサイズの、往復運動ロッドまたはロータリーディスクなどの可動部材６８を提供することができる。可動部材６８は、ねじ山またはその他のいかなる適切な表面を強化するグリップを備えてもよい。
【００１８】
ここで図１Ａ、１Ｂおよび２を参照すると、１次ウェブ部分１４は、下側１次側部部分２０とともに、全支持構造１２の基本的な１次Ｃ字型部分２２の半分を形成している。支持構造１２のＣ字型部分２２と一体に、一体に形成された下側１次ヒンジ部分７０、より具体的にはヒンジウェブ７２を介して、下側クランプ部分３４が接続されている。下側クランプ部分３４は、全支持構造１２の下側２次Ｃ字型部分７８を画定するために、２次ウェブ部分３８と、第１の２次アーム部分７４と、第２の２次アーム部分７６と、対向するクランプ表面５４、５６とを備える。下側２次Ｃ字型部分７８は、クランプ部分３４の無限の寿命での想定設計荷重の下で構造の降伏または塑性変形を防止するのに十分なサイズおよび材料強度である。２次圧電アクチュエータ５２に電圧が加えられたとき、対向するクランプ表面５４、５６が、互いに対して運動する。２次圧電アクチュエータ５２は、第１の２次アーム部分７４と第２の２次アーム部分７６の間で捕捉される。２つの対向する面５４、５６が、クランプ表面を提供する。２次アクチェータ５２に電圧が印加されたとき、２次圧電アクチュエータ５２は、サイズを変化させる、または所定の軸に沿って空間的に変位し、力が第１の２次アーム部分７４と第２の２次アーム部分７６に伝達され、第２の２次アーム部分７６が２次アームを互いに対して運動させる。最大の電圧が、２次圧電アクチェータ５２に印加されたとき、対向する面５４、５６の間の距離が、互いに対して最大の空間的変位に変化する。最小の電圧が、２次圧電アクチェータ５２に印加されたとき、対向する面５４、５６は、互いに最小の空間的距離に移動する。２次アクチュエータ５２の空間的変化は、印加された電圧に比例し、したがって、対向する面５４、５６の間の距離は互いに対して比例する。対向する面５４、５６の間の距離の空間的変化を使用して、本発明は、最小の空間的変位で可動部材６８が捕捉され、最大の空間的変位で可動部材６８が自由になるようなサイズの可動部材６８を提供する。可動部材６８は、往復運動ロッドまたはロータリーディスクを備えてもよい。可動部材６８は、ねじ山またはその他のいかなる適切な表面を強化するグリップを備えてもよい。
【００１９】
図４Ａ〜４Ｅは、図１Ａ〜３に図示したような本発明による単体モータの運動のために必要なステップの単純化された概略シークエンスを示している。図４Ａは，第１位置でのモータ１０を示している。第１位置にあるとき、クランプ部分３０は開いており、２次アクチュエータ４６は付勢されているが、固定クランプ部分３４は閉じており、２次アクチュエータ５２は減勢されている、また、１次アクチュエータ１６は減勢されている。クランプ部分３４が固定されている、すなわち基準点として使用されることに留意されたい。図４Ｂは、第２位置でのモータ１０を示している。第２位置にあるとき、クランプ部分３０は開いており、２次アクチュエータ４６は付勢されているが、固定クランプ部分３４は閉じており、２次アクチュエータ５２は減勢されている、また、１次アクチュエータ１６は、クランプ部分３０を固定クランプ部分３４に対して空間的に変位させるために付勢されている。図４Ｃは、第３位置でのモータ１０を示している。第３位置にあるとき、クランプ部分３０は閉じており、２次アクチュエータ４６は減勢されているが、固定クランプ部分３４は閉じており、２次アクチュエータ５２は減勢されている、また、１次アクチュエータ１６は、クランプ部分３０が固定クランプ部分３４に対して空間的に変位したままであるように付勢されている。図４Ｄは、第４位置でのモータ１０を示している。第４位置にあるとき、クランプ部分３０は閉じており、２次アクチュエータ４６は減勢されているが、固定クランプ部分３４は開いており、２次アクチュエータ５２は付勢されている、また、１次アクチュエータ１６は、クランプ部分３０が固定クランプ部分３４に対して空間的に変位したままであるように付勢されている。図４Ｅは、第５位置でのモータ１０を示している。第５位置にあるとき、クランプ部分３０は閉じており、２次アクチュエータ４６は減勢されているが、固定クランプ部分３４は開いており、２次アクチュエータ５２は付勢されており、１次アクチュエータ１６は、クランプ部分３０が固定クランプ部分３４に対してもはや空間的に変位しないように減勢されている。このステップ中、クランプ部分３０は閉じており、２次アクチュエータ４６は減勢されており、また１次アクチュエータは減勢されていたため、クランプ部分３０で保持されている可動部材６８が、固定クランプ部分３４のほうへ移動する。
【００２０】
モータは、１秒に何回もの５ステップシークエンスを行うことが可能である。したがって、可動部材６８のかなりの速い運動が達成されることができる。本発明の特定の実施形態では、５ステップの１サイクルが、約０．０１０インチの可動部材６８の最大運動を提供することになる。したがって、たとえば、毎秒１００サイクルの動作速度で、可動部材は、毎秒約１インチの速度を達成することができる。実際には、最大の運動または変位は、複数の要素によって決定される。これらの要素には、１）動作周波数、２）１次アクチュエータ１６に印加される最大電圧の割合、３）本発明の特定の実施形態の構成部品の「サイズ」、４）可動部材の荷重が含まれる。ここに記載した本発明は、様々な「サイズ」で具現化することができることは、当業者ならわかるであろう。また、たとえば１次アクチュエータ１６などの、個々の構成部品の「サイズ」は、実施形態全体の特定の「サイズ」内で様々であってよい。モータなどの機械システムでは、システムが供給することが可能な力を超える荷重が加えられた場合、システムは、失速する、または運動を停止する。本発明では、他の多くの機械システムと同様に、荷重が最大システム力に到達すると、速度が減少することができる。しかし、本発明は特定の力の制限を有さない。また、実施形態全体または、たとえば１次アクチュエータ１６などの個々の構成部品の「サイズ」は、広範囲の動作力を得るように変更されることができる。
【００２１】
１つのステップによって生じる運動は、圧電アクチュエータの最大の空間的変位より大きいこと、およびモータ構造１０のヒンジ装置が、ヒンジおよび機械的増幅器の両方として働くことに留意されたい。５ステップシークエンスは、より大きな運動を発生させるために２回以上繰り返されてもよい、またはサイクルされてもよい。同様に、本発明は、モータ、ポンプまたはコンプレッサとして動作されるとき、１次アクチュエータ１６に、全空間的変位の結果を生じさせる全励磁電圧を印加しなくてもよい。本発明は、圧電アクチュエータの比例特性を利用するために１次アクチュエータ１６への励磁電圧を減少させることによって、ステップのサイズを制御することができる。このようにして、たとえば、本発明は、固定変位モードまたは可変変位モードのいずれかで動作することができる。また、制御ステップの速度を変化させることによって、本発明の特定の実施形態の動作速度が変化することができる。さらに、変位量および速度の両方を動的に変化させることができる。すなわち、変位量および変位速度は、動作中いかなる時も効果的に変化させることができる。
【００２２】
運動のために行われる動作シークエンスは、可動クランプ３０を閉じ、固定クランプ３４を開きながら１次アクチュエータ１６に電圧を印加することによって、および可動クランプ３０を開き、固定クランプ３４を閉じながら１次アクチュエータ１６を付勢することによって、他の方向の運動を生じさせるために修正されることができる。
図５Ａおよび５Ｂは、コンプレッサまたはポンプの外部形態および構造部品の両方を示している。コンプレッサまたはポンプ１０ａが、記述の目的のために概略図で示されている。図５Ａ，５Ｂおよび図６にも示した特定の実施形態は、ポンピングまたは圧縮のベローズ方法を示しているものである。本発明が、容量型、可変容量型ポンプ／コンプレッサ能力も制限のないことを含めて、多様なポンプ／コンプレッサ方法に適用されることを当業者には理解されたい。たとえば、図示したベローズの代わりに、ピストンまたはダイヤフラムが採用されてもよい。前の例は、ポンプおよびコンプレッサに関する本発明の限界を定義するためのものではなく、本発明を使用して実施することができる広範囲のポンプ技術を示すためだけのものである。
【００２３】
単一の、巨大な単一部片の支持構造１２ａが、コンプレッサまたはポンプのための基礎を形成している。支持構造１２ａは、１次部分と２次部分を備える。支持構造１２ａは、１次圧電アクチュエータ１６ａの一方の端部と支持しながら接触するための剛性の１次ウェブ部分１４ａを備える。上側１次側部部分１８ａは、上側枢動自在バルブ部分８０などの第１の２次部分２８ａと、上側枢動自在バルブ部分８２などの第２の２次部分３２ａを支持している。上側および下側１次側部部分１８ａ、２０ａは、１次ウェブ部分１４ａとともに、上側および下側１次枢動自在アーム部分２４ａ、２６ａを支持するための全支持構造１２ａのＣ字型部分２２の一部を形成する。１次枢動自在アーム部分２４ａ、２６ａは、いかなる所望の長さであってもよい、または上側および下側バルブ部分８０、８２のそれぞれの２次ウェブ部分３６ａ、３８ａ（図６で最も良く見える）と同じ構造構成部品として形成されてもよい。１次力伝達部材部分４０ａが一体に形成されたヒンジ部分５８ａを、より具体的にはヒンジウェブ５９ａを通して、上側側部部分１８ａとの分岐の近くで２次アーム部分２４ａと接続し、また、一体に形成されたヒンジ部分７０ａを、より具体的にはヒンジウェブ７１ａを通して下側１次側部部分２０ａとの分岐の近くで２次アーム部分２６ａと接続している。一体に形成されたヒンジ部分５８ａ、７０ａは、力伝達部材部分４０ａからの運動をヒンジウェブ６０ａ、７２ａを通って１次可動アーム部分２４ａ、２６ａへ伝達し、上側および下側枢動自在バルブ部分８０、８２をヒンジウェブ６０ａ、７２ａの周囲で枢動運動させるために支持するための手段を定義している。
【００２４】
１次圧電アクチュエータ１６ａは、剛性の１次ウェブ部分１４ａと１次力伝達部材部分４０ａの間で捕捉され、圧縮状態に保持されている。適切な電圧が、１次ウェブ部分１４と１次力伝達部材部分４０の付随する表面の間で保持された１次圧電アクチュエータ１６に印加されたとき、１次圧電アクチュエータ１６ａは、サイズを変化させる、または所定の軸に沿って空間的に変位する。空間的変化は、電圧に比例する。言い換えれば、最小の電圧が最小の空間的変化に相当し、最大の電圧が最大の空間的変化に相当し、比例する空間的変化が、電圧を最小値および最大値の間で変化させることによって達成される。したがって、最大の電圧が１次アクチュエータ１６ａに印加されたとき、上側および下側バルブ部分８０、８２の対向する面４２ａ、４４ａが、互いに最大の距離に運動する。最小の電圧が１次アクチュエータ１６ａに印加されたとき、上側および下側バルブ部分８０、８２の対向する面４２ａ、４４ａが、互いに最小の距離に運動する。可変な電圧が１次アクチュエータ１６ａに印加されたとき、上側および下側バルブ部分８０、８２の対向する面４２ａ、４４ａが、互いに対して、比例するように運動する。
【００２５】
ポンプ手段８４は、対向する面４２ａ、４４ａの間に配置され、１次圧電アクチュエータ１６ａに電圧を印加することによって伸長または圧縮されることができる。上側バルブ部分８０は、２つの対向する面５４ａ、５６ａと、２次圧電アクチュエータ４６ａと、機械的増幅を提供するための一体型比ヒンジ部分８８、９０を備える２次力伝達部材部分８６とを備える。適切な電圧が、全支持構造１２ａの上側バルブ部分８０内の２次圧電アクチュエータ４６ａに印加されたとき、２次アクチュエータ４６ａは、サイズを変化させる、または所定の軸に沿って空間的に変位する。空間的変化は、電圧に比例する。言い換えれば、最小の電圧が最小の空間的変化に相当し、最大の電圧が最大の空間的変化に相当し、比例する空間的変化が、電圧を最小値および最大値の間で変化させることによって達成される。したがって、最大の電圧が２次アクチュエータ４６ａに印加されたとき、対向する面５４ａ、５６ａが互いに最大の距離に運動する。内部では、標準的な２方向バルブが、固定部９２とポンプ手段８４の間の上側バルブ部分８０内に存在する。２方向バルブは、２次アクチュエータ４６ａへ電圧を印加することによって開放および閉鎖されることができる。
【００２６】
下側バルブ部分８２は、２つの対向する面５４ａ、５６ａと、２次圧電アクチュエータ５２ａと、機械的増幅を提供するための一体型比ヒンジ部分９６、９８を備える２次力伝達部材部分９４とを備える。適切な電圧が、全支持構造１２ａの下側バルブ部分８２内の２次圧電アクチュエータ５２ａに印加されたとき、２次アクチュエータ５２ａは、サイズを変化させる、または所定の軸に沿って空間的に変位する。空間的変化は、電圧に比例する。言い換えれば、最小の電圧が最小の空間的変化に相当し、最大の電圧が最大の空間的変化に相当し、比例する空間的変化が、電圧を最小値および最大値の間で変化させることによって達成される。したがって、最大の電圧が２次アクチュエータ５２ａに印加されたとき、対向する面５４ａ、５６ａが互いに最大の距離に運動する。内部では、標準的な２方向バルブが、固定部１００とポンプ手段８４の間の上側バルブ部分８２内に存在する。２方向バルブは、２次アクチュエータ５２ａへ電圧を印加することによって開放および閉鎖されることができる。
【００２７】
図４Ａ〜４Ｅと同様に、ステップのシークエンスが、ポンピング動作の結果をもたらすために構成されることができる。ポンプがプログラム可能なバルブ構造を使用するならば、流れの方向は、上側および下側部分８０、８２とポンプ手段８４の間のステップのシークエンスに依存することになる。したがって、本発明によるポンプは、双方向であると考慮される。
【００２８】
図６は、図５Ａおよび５Ｂに示した基本構造に対する代替となる構成を示している。すべての構成部品および形態は、全支持構造１２ａの上側バルブ部分８０などの第１の部分２８ｂが、下側バルブ部分８２などの第２の２次部分３２ａの動作の軸に対してほぼ垂直に延びる軸に沿って駆動されるように回転されることを除いて、図５Ａおよび５Ｂに対して説明したのと同じである。この構成は、図５Ａおよび５Ｂに示すように互いに対してほぼ平行に配置されている駆動軸と比較されるべきである。本発明はまた、上側および下側バルブ部分８０、８２などの２次部分２８ｂ、３２ａの両方が、図５Ａおよび５Ｂに示すような方向から、図６のバルブ部分８０に対して図示されたものとは異なる構成を備え、したがって、上側および下側バルブ部分８０、８２の両方は、ほぼ共通の軸に沿って駆動されるように配置されることを認識されたい。
【００２９】
図１Ａ〜３を再び参照すると、モータ、ポンプまたはコンプレッサなどとして使用するための装置１０が、示されている。装置は、単一の、巨大な単一部片の支持構造１２を備える。支持構造１２は、１次部分と２次部分を備える。支持構造１２の１次部分は、剛性の非可撓性１次ウェブ部分１４と、剛性の非可撓性１次側部部分１８、２０とを備える。剛性の側部部分１８、２０は、一体に形成されたヒンジ部分５８、７０、およびより具体的にはヒンジウェブ６０、７２を通じて、１次枢動自在アーム部分２４、２６を枢動自在に支持している。支持構造は、１次ウェブ部分１４と一体に接続された枢動自在クランプ部分３０、３４などの２次部分２８、３２を備える。第１および第２の１次側部部分１８、２０は、１次ウェブ部分１４とクランプ部分３０、３４の間で延びており、それらと一体に接続されている。対向する面４８、５０および５４、５６が、対応する第１および第２のクランプ部分３０、３４上に形成されている。１次力伝達部材部分４０が、１次アクチュエータ１６から、第１および第２のクランプ部分３０、３４を支持している１次アーム部分２４、２６へ、１次ヒンジ部分５８、７０およびより具体的にはヒンジウェブ５９、７１を通して力を伝達する。１次アクチュエータ１６は、第１および第２のクランプ部分３０、３４を支持している１次アーム部分２４、２６を、互いに対して第１と第２の位置の間で運動させることが可能である。図示した実施形態では、１次アクチュエータ１６が励磁中に伸長したとき、対向する面４２、４４が第２の位置へ互いに遠ざかるように運動し、１次アクチュエータ１６が励磁なしで引き込まれたとき、対向する面４２、４４が第１の位置へ互いに向かって運動する。１次アクチュエータ１６は、完全伸長位置と完全引込位置の間で任意の位置を達成するように適切な量の励磁で動作されることができる。
【００３０】
第１および第２のクランプ部分３０、３４などの２次部分２８、３２のそれぞれは、対応する２次ウェブ部分３６、３８からそれぞれ延びている２次枢動自在アーム部分６２、６４および７４、７６を備える。必要に応じて、２次アーム部分は、１対の１対のほぼＬ字型のアームとして形成されることができる。対向する表面４８、５０および５４、５６は、２次アーム部分６２、６４および７４、７６の端部に形成される。２次アクチュエータ４６、５２は、図１Ａ〜３に示すように第１および第２のクランプ部分３０、３４それぞれの対応する第１および第２のアーム部分６２、６４と７４、７６の間などで、２次部分２８、３２と動作可能に係合されている。２次アクチュエータ４６、５２は、付勢されたとき、第２のアーム部分６２、６４と７４、７６およびそれに付随する対向する表面４８、５０および５４、５６を互いに対して移動させることが可能である。
【００３１】
図２を参照すると、支持構造１２は、一体に形成された１次ヒンジ部分５８および７０を備える。１次ヒンジ部分５８は、隣接するヒンジウェブ６０、５９によって形成され、１次ヒンジ部分７０は、隣接するヒンジウェブ７２、７１によってそれぞれ形成されている。１次ヒンジ部分５８および７０は、１次側部部分１８、２０、１次枢動自在アーム部分２４、２６および１次力伝達部材部分４０と動作可能に接続されている。隣接するヒンジウェブ６０、５９が、互いに近接して配置され、互いに対してほぼ平行に延びている。隣接するヒンジウェブ７１、７２もまた、互いに近接して配置され、互いに対してほぼ平行に延びている。限定されない一例として、図１Ａ〜３に示されているように、一体型ヒンジ部分５８および７０は、スロット１０２、１０４、１０６、１０８、１１０および１１２によって支持構造１２内に作成される面積の減少によって形成されている（図２に示されている）。スロット１０２、１０４、１０６、１０８、１１０および１１２は、１次アーム部分２４、２６の、支持構造１２の剛性の非可撓性側部部分１８、２０に対する枢動運動を可能にするために、ほぼ平行なヒンジ部分５８、７０、およびより具体的にはヒンジウェブ６０、５９、７２および７１を画定する。ヒンジ部分は、支持構造１２を通じて伝達される想定設計動作荷重の下で構造の降伏または塑性変形を防止し、無限の寿命を提供するのに十分な強度の材料で作成されている。ヒンジ部分は、１次アクチュエータ１６からの力の伝達を最大化し、１次アーム部分２４、２６の枢動運動を補助するようなサイズにされている。力伝達部材部分４０は、１次アクチュエータ１６から１次枢動自在アーム部分２４、２６へ仕事を効率的に伝達するために剛性である。力伝達部材４０は、仕事の伝達効率を減少させる結果となる支持構造の剛性部分内のいかなる曲げも防止するために剛性である。
【００３２】
ここで図３を参照すると、第１のクランプ部分３０などの上側２次部分２８の上面図が示されている。第１のクランプ部分３０の対向する表面４８、５０および第２のクランプ部分３４の対向する表面５４、５６（図１Ｂに示されている）は、それぞれ、相補的な形状または表面を有する可動部材６８（図１Ａおよび１Ｂに示されている）を係合するためにその中に形成された、成形されたくぼみ、または強化された把持表面１２２を有することができる。アクチュエータ１６、４６および５２の一連の事前定義された運動は、装置１０に、可動部材６８を支持構造１２に対して運動させることができる。アクチュエータ１６、４６および５２は、圧電アクチュエータおよび／または磁気歪アクチュエータを含む、当業者に周知の様々なものであってもよいが、それに限定されない。
【００３３】
１次力伝達部材部分４０および１次枢動自在アーム部分２４、２６は、ほぼ剛性の構成部品部分であるように設計されている。これらの要素のいかなる曲げも、微細なものでさえも、望ましくない運動による不十分な仕事の伝達という結果となる。一般に、圧電アクチュエータ層の運動は微細であり、一般に層の長さの約０．１％である。本発明のために企図された層を基にすると、このような運動は、実際の実施に応じて、１５００マイクロインチから１００マイクロインチのオーダーの最大変位となる。したがって、支持構造１２のすべての構成部品は、望ましくない運動を最小化するように通常設計される。極端には、４マイクロインチよりも大きい運動は、支持構造１２に対する無限の寿命での想定設計荷重の下で本発明の開示に対して剛性でないとみなされ、望ましくない。実際の使用では、剛性は、側部部分、たとえば１８、２０の、互いに向かうまたは遠ざかる変位距離または運動と、力伝達部材４０の自由たわみ中の変位距離との比として、より効率的に定義される（すなわち、ここで自由たわみは、荷重なしで動作し、仕事を行わないとして定義されている）。この文脈で、力伝達部材４０の変位距離または自由たわみの１０％を超える側部部分１８、２０の変位距離または運動は、本発明によると剛性でないと考慮されることになる。実際には、この割合は通常ずっと低い。たとえば、圧電層が約０．３９４インチの長さである実施形態では、望ましくない自由たわみに対する側部部分の運動の割合は、２％のオーダーである。構造の剛性および結果としての性能効率の別の指標は、アーム部分、たとえば２４２６の測定された自由たわみ対このような運動の理論値または計算値（すなわち、理論上剛性の構造を通してゼロの運動損失を仮定する）の比である。この定義を使用して本発明によって達成される最小の効率は、約８０％である。また、約９０％の高い効率が、本発明によって達成された。９０％よりも高い効率が、本発明による構成で達成されることができると予想される。本発明によると、支持構造１２のすべての部分は、ヒンジ部分を除いて「剛性」であると考慮されている。ヒンジ部分は、曲げ、たわみおよび運動が望まれる支持構造の唯一の構成部品または部分である。ヒンジ部分は、支持構造１２内の最大応力の位置にある。ヒンジ部分幾何形状の屈曲点は、特定の用途のための性能を最適化するように正確に選択される。設計プロセスは、ヒンジ部分の増幅器効果を、特定の仕様に適合するように構成することによってこの手法を援助する。たとえば、ヒンジ部分幾何形状は、応力疲労破壊のない最大の性能のために特別に設計されている。限定されない一例として、有限要素解析が、ヒンジ寿命が、工業用途の範囲内で「無限」であるべきであることを示している。本発明によって教示されたような運動増幅器と結合された１次駆動方法として圧電層を使用するデバイスの実験室試験は、５億回を超える操作を有する。装置１０は、選択される材料が、特定の用途のために上記で議論された設計基準に適合している限り、鋼、または当業者に公知の任意の適切な材料または複合材料などの、または全体として同質の材料で形成されることができる。
【００３４】
図５Ａ、５Ｂおよび６をここで参照すると、流体などの可動な部材を運動させるための本発明の代替実施形態が、示されている。流体は、液相または気相のいずれであってもよい。装置１０ａは、ある位置から別の位置へ流体をポンピングするためのポンプとして使用されることができる、または限定されない例として、空調システム、ヒートポンプシステム、冷蔵システムおよび類似のもので使用するための流体を圧縮するためのコンプレッサとして使用されることができる。本発明による装置１０ａは、支持構造１２ａを備える。支持構造１２ａは、１次部分と２次部分を備える。１次部分は、剛性の非可撓性１次ウェブ部分１４ａと、上側および下側１次側部部分１８ａ、２０ａと、１次力伝達部材部分４０ａと、上側および下側１次枢動自在アーム部分２４ａ、２６ａとを備える。支持構造の２次部分は、図１Ａ〜３に示したものと類似の第１および第２のクランプ、すなわち第１および第２のバルブ部分８０、８２を備えてもよい。第１および第２のバルブ部分８０、８２のそれぞれは、剛性の非可撓性２次ウェブ部分と、上側および下側２次側部部分と、２次力伝達部材と、第１および第２の２次枢動自在アーム部分とを備える。
【００３５】
第１および第２の１次側部部分１８ａ、２０ａは、１次ウェブ部分１４ａから外向きに延びており、それと一体に接続されている。１次力伝達部材部分４０ａが、支持されている第１および第２のバルブ部分８０、８２を互いに対して運動させるために、１次アクチュエータ１６ａから第１および第２の１次枢動自在アーム部分２４ａ、２６ａを通して力を伝達する。第１次アクチュエータ１６ａは、第１位置と第２位置との間で第１および第２のバルブ部分８０、８２を互いに対して移動させる。１次アクチュエータ１６ａが減勢されたとき、対向する面４２ａ、４４ａが、互いに向かって第１位置へ運動し、１次アクチュエータ１６ａが完全に付勢されたとき、互いに遠ざかるように第２位置へ移動する。１次アクチュエータ１６ａが付勢されたときの伸長された容量型ポンピングチャンバ位置と、１次アクチュエータ１６ａが減勢されたときの引き込まれた容量型ポンピングチャンバ位置との間の運動のために、ベローズなどのポンプ手段８４が、枢動自在アーム部分２４ａ、２４ｂの対向する面４２ａ、４４ａの間に配置されている。容量型ポンピングチャンバの伸長および引込みが、本発明のポンピング動作を定義する。
【００３６】
各バルブ部分８０、８２は、２次枢動自在アーム部分６２ａ、６４ａ、７４ａ、７６ａを支持するために、対応する２次ウェブ部分３６ａ、３８ａからそれぞれ外向きに延びている第１および第２の側部部分１２４、１２６、１２８、１３０を備えることができる。対向する表面４２ａ、４４ａが、対応するアーム部分６２ａ、６４ａ上に形成され、対向する表面４８ａ、５０ａが、対応するアーム部分７４ａ、７６ａ上にそれぞれ形成される。２次アクチュエータ４６ａ、５２ａが、対応する２次力伝達部材部分８６、９４と対応する２次ウェブ部分３６ａ、３８ａとの間に動作可能に係合されている。内部では、標準的な２方向バルブが、固定部９２、１００とポンプ手段８４の間の上側バルブ部分８０、８２内に存在する。２方向バルブは、２次アクチュエータ４６ａ、５２ａへ電圧を印加することによって独立して開放および閉鎖されることができる。アクチュエータ４６ａ、５２ａは、減勢されるときの通常閉鎖位置と、付勢されたときの開放位置との間で、第１および第２のバルブ部分８０、８２を運動させる。
【００３７】
１次ヒンジ部分５８ａおよび７０ａは、図１Ａおよび１Ｂに示されている第１の実施形態の１次ヒンジ部分５８および７０とほぼ同様である。１次ヒンジ部分５８ａおよび７０ａは、互いに対してほぼ平行に配置されている。１次ヒンジ部分５８ａおよび７０ａ、およびより具体的にはヒンジウェブ２５４ａ、２５８ａは、力伝達部材部分４０ａと１次枢動自在アーム部分２４ａ、２６ａの間に延びており、一方、ヒンジウェブ６０ａ、７２ａは、支持構造１２ａの１次側部部分１８ａ、２０ａと１次枢動自在アーム部分２４ａ、２６ａとの間に延びている。２次部分２８ａ、３２ａのそれぞれは、２次ヒンジ部分を備えることができる。例示の目的のために、第１の２次部分２８ａを詳細に記載するが、このとき、第２の２次部分３２ａは同一である。第２のヒンジ部分８８ａ、９０ａは、互いに対してほぼ平行に配置されている。第２のヒンジ部分８８ａ、９０ａおよびより具体的には１１６ａおよび１２０ａが、２次力伝達部材部分８６と２次枢動自在アーム部分６２ａ、６４ａの間に延びており、一方、ヒンジウェブ１１４ａ、１１８ａが、支持構造１２ａの２次側部部分２４ａ、２６ａと２次枢動自在アーム部分６２ａ、６４ａの間に延びている。２次ヒンジウェブ１１４、１１６および１１８，１２０が、対向する表面４２ａ、４４ａと４８ａ、５０ａの間の運動を促進するために、それぞれ２次部分２８ａおよび３２ａ内に形成されている。２次ヒンジウェブ１１４、１１６および１１８，１２０は、１次ヒンジウェブ６０ａ、２５４ａ、７２ａ、２５８ａとほぼ同様に形成されている。
【００３８】
１次アクチュエータ１６ａ、および２次アクチュエータ４６ａ、５２ａは、圧電型、磁気歪型、電気歪型、または当業者に周知のその他の類似のタイプであってもよい。流体口９２、１００が、バルブ部分８０、８２が図５Ａおよび５Ｂに示すように互いに対してほぼ平行であるように配置されてもよい、または図６に示すように互いに対してほぼ垂直にであってもよい、またはバルブ部分８０、８２の２つの角度方向のいかなる組合せであってもよい。
【００３９】
本発明での流体のポンピング方法は、第１のバルブ８０を開放したままにしながら、第２のバルブ８２を閉鎖するステップを含むことができる。１次アクチュエータ１６ａを付勢することによってポンプ手段８４を駆動すると、第１のバルブ部分８０を第２のバルブ部分８２から遠ざかるように運動させ、ポンプ手段８４によって、第１のバルブ部分８０を通ってチャンバ内へ流体を引き出す。ポンプ手段８４を充填した後、１次アクチュエータ４６ａを減勢することによって、第１のバルブ部分８０が閉鎖され、第２のアクチュエータ５２ａを付勢することによって、第２のバルブ部分８２が開放される。第１および第２の１次アーム部分２４ａ、２６ａが互いに向かって運動し、ポンプ手段８４から第２のバルブ部分８２を通って流体口１００から流体を出すとき、ポンプ手段８４によって画定されたチャンバを収縮させるために、第１のアクチュエータ１６ａを減勢することによってポンプ手段８４から流体が吐出される。流体の流れる方向は、上記に記載したステップを反転させることによって、反転されることができる。ポンプ手段８４は、ベローズ、ダイヤフラム、ピストン、容量型チャンバ、可変容量型チャンバ、および類似のものを備えることができる。
【００４０】
ここで図７を参照すると、アクチュエータ１６に予荷重圧縮力を供給するためのねじ１２２を備える装置１０が示されている。ねじ１２２は、支持構造１２のウェブ部分１４とねじ係合可能である。自己調整座部、または剛性の力集中シム１２４が、アクチュエータ１６の調節端部の自己調心支持のためにねじ１２２と動作可能に接続されている。自己調整座部１２４は、一般に、予荷重付加中または付勢中に有害なせん断力がアクチュエータへ及ぼされることを防止するために、アクチュエータの最適な位置合わせのためのドーム型または半円弧型の表面を備える。圧縮力によるアクチュエータの予荷重が、アクチュエータ１６からの使用可能な仕事の出力をかなり増加させることが、本発明による実験中に見出された。仕事乗数は、付勢される前に圧縮力を予荷重を加えられていない同一のアクチュエータ１６の数倍にもすることができる。圧電層で作製されたアクチュエータは、せん断力または横荷重の下に配置されるのにさほど耐えられるわけではない。非付勢状態でアクチュエータに予荷重を加えることによって、予荷重が、圧電層の放電後に付随する構造部分が元に戻るときでさえも、層が常に圧縮下にあることを保証する。アクチュエータ１６、１６ａ、４６、４６ａ、５２および／または５２ａに予荷重を加えるなどの予荷重を加えるための手段が、本発明で開示された構成のいずれかに対して提供されることが可能であることを認識されたい。言い換えれば、アクチュエータに予荷重を加えるための手段は、本発明で開示されたように、バルブ／ポンプ構成および／またはクランプ構成のいずれかで提供されることができる。
【００４１】
図８を参照すると、本発明による装置でのサンプル有限要素解析による結果が示されている。アクチュエータ（図示せず）が、支持構造１１２の力伝達部材部分１４６を通して力を伝達し、ヒンジ部分２５８、およびより具体的にはヒンジウェブ２５２、２５４の領域内にピーク応力を局所集中させる。枢動自在アーム部分１２３が、非荷重下の元の鉛直位置、すなわち９０°位置から、力伝達部材部分１４６がヒンジ部分２５８を通して力を賦与する結果として、変形された位置に偏向される。
【００４２】
図１Ａ〜８を参照すると、圧電アクチュエータなどのスマートマテリアルアクチュエータ１６、１６ａ、４６、４６ａ、５２、５２ａは、電圧がアクチュエータに導入されたとき、アクチュエータが電力に応じて比例的に形状を変化させる。圧電アクチュエータが、支持構造１２の対向する表面の間に配置されており、スマートマテリアルアクチュエータの伸長および収縮に応答して対応する構造部分の運動を生じさせる。圧電アクチュエータが、スマートマテリアルアクチュエータの１つの考えられるタイプであり、磁気歪材料アクチュエータなどのその他のデバイスもまた、本発明の範囲内にあると企図されることを理解されたい。
【００４３】
力伝達部材部分４０、４０ａ、８６、９４、１４６、側部部分１８、１８ａ、２０、２０ａ、枢動自在アーム部分２４、２６、２４ａ、２６ａ、７４ａ、７６ａ、１２３およびウェブ部分１４、３６、３８は、本発明に従ってほぼ剛性であるように設計されている。支持構造のこれらの部分の意図されない曲げは、微細なものでさえも、望ましくない運動による不十分な仕事の伝達の結果となる。アクチュエータの運動は、通常０．００１５インチから０．０００１インチの最大変位のオーダーで微細である。望ましくない曲げ運動は、側部部分、たとえば１８、２０の変位と力伝達部材４０の自由な変形中の変位の比の約１０％を超えるべきではない。用語が本発明に関していかに使用されるかによって実質上剛性であると考慮されるように、望ましくない運動は、より典型的には約５％を超えない。
【００４４】
屈曲点およびヒンジ幾何形状は、特定の用途のための性能を最適化するように選択される。設計プロセスは、ヒンジ５８、７０、８８、９０、９６、９８の「増幅器」効果を、材料疲労を誘発することなく性能を最大化することによって、特定の用途のために必要とされる仕様に適合するように構成することによってこの手法を援助する。有限要素解析が、ヒンジ寿命が、工業用途の範囲内で「無限」であるべきであることを示している。本発明によって教示されたような運動増幅器と結合された１次駆動方法として圧電層を使用するデバイスの実験室試験は、５億回を超える操作を有する。
【００４５】
本発明は、クランプ部分またはバルブ部分を支持するために使用することができる、図１Ａ〜３に示すようなウェブ部分および外側に延びているアーム部分を備えて構成される支持構造の１次および２次部分を備えることができること、および／または図５Ａ〜６に示すような、ウェブ部分、外側に延びる側部部分、力伝達部材部分、枢動自在アーム部分を備えて構成される支持構造の１次および２次部分を備えることができ、これらは、支持クランプ部分またはバルブ部分のために使用されることができることを認識されたい。言い換えれば、ここに開示した支持構造は、特定の用途、ポンピングまたは締結のためのいかなる所望の組合せで使用されてもよい。上記に開示した図面は、一例であり、これに限定されない。
【００４６】
本発明を、最も実用的な好ましい実施形態であると現在考慮されているものに関連して説明してきたが、本発明はここに開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に、頭記の特許請求の範囲の精神および範囲内に含まれる様々な修正形態および等価な構成をカバーするように意図されており、この範囲は、法の下で許されるすべてのこのような修正形態および等価な構造を包含するように最も広義の解釈を許されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１Ａ】本発明による装置の斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ａと反対側から見た装置の斜視図である。
【図２】図１Ａの装置の側面図である。
【図３】図１Ａの装置の上面図である。
【図４Ａ】図１Ａ〜図３に示した本発明による装置のサイクル運動当たりの５ステップを示す単純化された概略図である。
【図４Ｂ】図１Ａ〜図３に示した本発明による装置のサイクル運動当たりの５ステップを示す単純化された概略図である。
【図４Ｃ】図１Ａ〜図３に示した本発明による装置のサイクル運動当たりの５ステップを示す単純化された概略図である。
【図４Ｄ】図１Ａ〜図３に示した本発明による装置のサイクル運動当たりの５ステップを示す単純化された概略図である。
【図４Ｅ】図１Ａ〜図３に示した本発明による装置のサイクル運動当たりの５ステップを示す単純化された概略図である。
【図５Ａ】本発明による装置の代替実施形態の斜視図である。
【図５Ｂ】図１Ａと反対側から見た装置の斜視図である。
【図６】図５Ａおよび図５Ｂに示した本発明の実施形態の変形例である。
【図７】圧縮力によって本発明によるアクチュエータに予荷重を加えるための手段の単純化された詳細図である。
【図８】本発明による装置のヒンジ部分の応力集中を示す応力プロットである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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