(57)【要約】  本発明は、電気機械アクチュエータの１つまたは複数の要素における熱膨張率の差を補償する方法を含む。電気機械アクチュエータは、圧電セラミック多層アクチュエータ（ＣＭＡ）およびＣＭＡの運動を増幅する機構など、１つまたは複数の要素を含むことができる。ＣＭＡと増幅機構の材料の熱膨張率または熱膨張係数値ＣＴＥの差により、周囲温度が変化する際に、２つの構成要素のサイズが、異なる率で変化することがある。増幅機構は、ＣＭＡの運動の大きな増幅を提供するので、温度による構成要素のサイズの相対変化は、増幅機構によってＣＭＡの運動として変換することができる。これにより、増幅機構が大きく運動することがある。異なるＣＴＥ値を有する要素で増幅機構の機械要素を置き換えることにより、材料のＣＴＥの差が大きく低減され、それにより、増幅機構の熱誘起運動が低減される。さらに、使用される材料および熱補償のために増幅デバイスの置換え要素を相互接続する手段は、ＣＭＡ支持体構造の高度な剛性を維持することができるが、その理由は、支持体構造は、ＣＭＡの運動および力を増幅機構に伝達し、ならびに、圧縮前負荷をＣＭＡに加えるからである。さらに、必要な熱補償の程度を調節するために、全設計プロセスの追加部分として、高レベルの圧縮前負荷力を使用することができる。
2007512713.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一貫した性能特性を提供することができ、一方、温度条件の望ましい範囲にわたって動作することができる構造アセンブリを有するアクチュエータの運動を増幅する装置であって、
第１熱膨張係数値を有する非可撓性の第１剛性部分、および前記第１熱膨張係数値とは異なる第２熱膨張係数値を有する非可撓性の第２剛性部分を有する支持体であって、前記第１及び第２剛性部分の一方から延びる少なくとも１つの旋回可能アーム部分と、前記少なくとも１つの旋回可能アーム部分を回転運動において駆動するように動作式に配置可能な力伝達部材とを含む支持体と、
前記第１熱膨張係数値および前記第２熱膨張係数値とは異なる第３熱膨張係数値を有する電気稼動アクチュエータであって、前記第１及び第２剛性部分に関して前記力伝達部材を駆動して、アクチュエータの電気稼動に応答して前記少なくとも１つの旋回可能アーム部分を旋回させるように、前記第１及び第２剛性部分の一方と前記力伝達部材との間において動作式に係合可能である電気稼動アクチュエータとを備え、前記支持体の構造構成と組み合わされた前記第１及び第２剛性部分の異なる熱膨張係数値が、温度条件の望ましい動作範囲にわたって前記アクチュエータの前記第３熱膨張係数値をほぼ補償する、装置。
【請求項２】
前記第２剛性部分から前記アクチュエータの対向端部と係合可能である前記第１剛性部分と、
前記支持体の組立て中に互いに係合させるために、前記第１剛性部分および前記第２剛性部分の上に形成された相補対向表面とをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記アクチュエータの縦軸に関して平行ではない方向におけるスライド係合を有する構造の組立てを可能にする前記相補対向表面をさらに備える、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記アクチュエータの前記縦軸に垂直な方向におけるスライド係合を有する構造の組立てを可能にする前記相補対向表面をさらに備える、請求項２に記載の装置。
【請求項５】
前記アクチュエータに加えられた前負荷力が、前記第１剛性部分および前記第２剛性部分を互いに関して組立て位置において維持するように、前記第１及び第２剛性部分の一方によって支持される前記アクチュエータの１つの縦方向端部の調節可能シートをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記第１剛性部分と前記第２剛性部分との間の少なくとも１つの境界面上に位置する少なくとも１対の相補対向表面であって、内部において前記アクチュエータを動作式に支持するための非可撓性の剛性リセプタクルを形成するように、互いにインタロック可能である１対の相補対向表面をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記第１剛性部分と前記第２剛性部分との間の少なくとも１つの境界面上に位置する少なくとも１対の相補対向表面であって、内部において前記アクチュエータを受けるための非可撓性の剛性リセプタクルを画定するために、前記第１剛性部分および前記第２剛性部分を互いに関して動作式に接続する少なくとも１つのファスナを受けるためのアパーチャを画定する１対の相補対向表面をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記支持体の前記第１及び第２剛性部分の一方と前記少なくとも１つの旋回可能アーム部分との間に延びる少なくとも１つの一体式リビングヒンジ部分をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記支持体の前記力伝達部材部分と前記少なくとも１つの旋回可能アーム部分との間に延びる少なくとも１つの一体式リビングヒンジ部分をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
単一一体式モノリシック部材において非同質材料で形成された前記支持体の前記第１剛性部分および前記第２剛性部分をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記アクチュエータの周囲をほぼ囲むＵ形の部分を画定する前記第１剛性部分と、
調節可能アクチュエータシートをを画定する前記第２剛性部分とを備え、前記調節可能アクチュエータシートは、前記アクチュエータに前負荷力を加えることを可能にし、一方、温度条件の前記望ましい動作範囲にわたって、前記アクチュエータと前記第１及び第２剛性部分との間の熱膨張係数値の差を同時に補償する前記第１剛性部分によって支持される、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
第４熱膨張係数値を有する前記支持体の第３剛性部分と、
前負荷力を前記アクチュエータに加えるために前記第３剛性部分によって支持される調節可能手段であって、一方、前記第３剛性部分が、温度条件の前記望ましい動作範囲にわたって、前記アクチュエータと前記剛性部分との間の熱膨張係数値の差を同時に補償する、調節可能手段とをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記第３剛性部分が、前記アクチュエータより大きい熱膨張係数値を有する、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記第２熱膨張係数値が、前記第１熱膨張係数値より小さい、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記アクチュエータの前記熱膨張係数値が、それに加えられる前負荷力の関数として変化する、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記アクチュエータに前負荷力を加えるために前記第１及び第２剛性部分の一方によって支持される調節可能手段であって、一方、前記第１及び第２剛性部分が、温度条件の前記望ましい動作範囲にわたって、前記アクチュエータと前記第１及び第２剛性部分との間の熱膨張係数値の差を同時に補償する、調節可能手段をさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
電気稼動に応答してアクチュエータの運動を増幅させる装置であって、
第１熱膨張係数値を有する非可撓性の第１剛性部分、および前記第１熱膨張係数値とは異なる第２熱膨張係数値を有する非可撓性の第２剛性部分を有する支持体であって、前記第１及び第２剛性部分の一方から延びる少なくとも１つの旋回可能アーム部分と、前記少なくとも１つの旋回可能アーム部分を回転運動において駆動するように動作式に配置される力伝達部材とを含む支持体と、
前記第１熱膨張係数および前記第２熱膨張係数とは異なる第３熱膨張係数値を有する電気稼動アクチュエータであって、前記第１及び第２剛性部分に関して前記力伝達部材を駆動して、前記アクチュエータの電気稼動に応答して前記少なくとも１つの旋回可能アーム部分を旋回させるように、前記第１及び第２剛性部分の一方と前記力伝達部材との間において動作式に係合可能である電気稼動アクチュエータとを備え、前記支持体の構造構成と組み合わされた非可撓性の前記第１剛性部分の前記第１熱膨張係数値および非可撓性の前記第２剛性部分の前記第２熱膨張係数値が、温度条件の望ましい動作範囲にわたって、前記少なくとも１つのアームの運動の温度誘起変化を大きく低減する、装置。
【請求項１８】
前記第２剛性部分から前記アクチュエータの対向端部と係合可能な前記第１剛性部分と、
前記支持体の組立て中に互いに係合させるために、前記第１剛性部分および前記第２剛性部分の上に形成された相補対向表面とをさらに備える、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記アクチュエータの縦軸に関して平行ではない方向においてスライド係合を有する構造の組立てを可能にする前記相補対向表面をさらに備える、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記アクチュエータの前記縦軸に関して垂直な方向においてスライド係合を有する構造の組立てを可能にする前記相補対向表面をさらに備える、請求項１８に記載の装置。
【請求項２１】
前記アクチュエータに加えられる前負荷力が、前記第１剛性部分および前記第２剛性部分を互いに関して組立て位置において維持するように、前記第１及び第２剛性部分の一方によって支持される前記アクチュエータの１つの縦方向端部の調節可能シートをさらに備える、請求項１７に記載の装置。
【請求項２２】
前記第１剛性部分と前記第２剛性部分との間の少なくとも１つの境界面の上に位置する少なくとも１対の相補対向表面であって、内部において前記アクチュエータを動作式に支持する非可撓性の剛性リセプタクルを形成するように、互いにインタロック可能である１対の相補対向表面をさらに備える、請求項１７に記載の装置。
【請求項２３】
前記第１剛性部分と前記第２剛性部分との間の少なくとも１つの境界面の上に位置する少なくとも１対の相補対向表面であって、内部において前記アクチュエータを受ける非可撓性の剛性リセプタクルを画定するために、前記第１剛性部分および前記第２剛性部分を互いに関して動作式に接続する少なくとも１つのファスナを受けるためのアパーチャを画定する１対の相補対向表面をさらに備える、請求項１７に記載の装置。
【請求項２４】
前記支持体の前記第１及び第２剛性部分の一方と前記少なくとも１つの旋回可能アーム部分との間において延びる少なくとも１つの一体式リビングヒンジ部分をさらに備える、請求項１７に記載の装置。
【請求項２５】
前記支持体の前記力伝達部材と前記少なくとも１つの旋回可能アーム部分との間において延びる少なくとも１つの一体式リビングヒンジ部分をさらに備える、請求項１７に記載の装置。
【請求項２６】
単一一体式モノリシック部材において非同質材料で形成された前記支持体の前記第１剛性部分および前記第２剛性部分をさらに備える、請求項１７に記載の装置。
【請求項２７】
前記アクチュエータの周囲をほぼ囲むＵ形の部分を画定する前記第１剛性部分と、
調節可能なアクチュエータシートを画定する前記第２剛性部分とを備え、前記調節可能なアクチュエータシートは、前記アクチュエータに前負荷力を加えることを可能にし、一方、温度条件の前記望ましい動作範囲にわたって、前記アクチュエータと前記第１及び第２剛性部分との間の熱膨張係数値の差を同時に補償する前記第１剛性部分によって支持される、請求項１７に記載の装置。
【請求項２８】
第４熱膨張係数値を有する前記支持体の第３剛性部分と、
前記アクチュエータに前負荷力を加える前記第３剛性部分によって支持される調節可能手段であって、一方、前記第３剛性部分が、温度条件の前記望ましい動作範囲にわたって、前記アクチュエータと前記剛性部分との間の熱膨張係数値の差を同時に補償する、調節可能手段とをさらに備える、請求項１７に記載の装置。
【請求項２９】
前記第３剛性部分が、前記アクチュエータより大きい熱膨張係数値を有する、請求項２８に記載の装置。
【請求項３０】
前記第２熱膨張係数値が、前記第１熱膨張係数値より小さい、請求項１７に記載の装置。
【請求項３１】
前記アクチュエータの前記熱膨張係数値が、それに加えられる前負荷力の関数として変化する、請求項１７に記載の装置。
【請求項３２】
前記アクチュエータに前負荷力を加えるために前記第１及び第２剛性部分の一方によって支持される調節可能手段であって、一方、前記第１及び第２剛性部分が、温度条件の前記望ましい動作範囲にわたって、前記アクチュエータと前記第１及び第２剛性部分との間の熱膨張係数値の差を同時に補償する、調節可能手段をさらに備える、請求項１７に記載の装置。
【請求項３３】
一貫した性能特性を提供することができ、一方、温度条件の望ましい範囲にわたって動作することができるアクチュエータの増幅構造を組み立てる方法であって、
第１熱膨張係数値を有する非可撓性の第１剛性部分および前記第１熱膨張係数値とは異なる第２熱膨張係数値を有する非可撓性の第２剛性部分を有する支持体であって、前記第１及び第２剛性部分の一方から延びる少なくとも１つの旋回可能アーム部分と、前記少なくとも１つの旋回アーム部分を回転運動において駆動するように動作式に配置可能な力伝達部材とを含む支持体を提供するステップと、
前記第１及び第２剛性部分に関して前記力伝達部材を駆動して、前記アクチュエータの電気稼動に応答して前記少なくとも１つの旋回可能アーム部分を旋回させるように、非可撓性の第１及び第２剛性部分の一方と前記力伝達部材との間において、前記第１熱膨張係数値および前記第２熱膨張係数値とは異なる第３熱膨張係数値を有する電気稼動アクチュエータを組み立てるステップであって、非可撓性の前記第１剛性部分の前記第１熱膨張係数値および非可撓性の前記第２剛性部分の前記第２熱膨張係数値が、前記支持体の構造構成と共に温度条件の望ましい範囲にわたって、前記アクチュエータの前記第３熱膨張係数値に関して値の差をほぼ補償するステップとを含む、方法。
【請求項３４】
前記第１剛性部分を前記第２剛性部分から前記アクチュエータの対向端部と係合させるステップと、
前記支持体の組立て中に、前記第１剛性部分および前記第２剛性部分の上に形成された相補対向表面を互いに係合させるステップとをさらに含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記アクチュエータの縦軸に関して平行ではない方向におけるスライド係合を有する構造の前記相補対向表面を組み立てるステップをさらに含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記アクチュエータの前記縦軸に関して垂直な方向におけるスライド係合を有する構造の前記相補対向表面を組み立てるステップをさらに含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項３７】
前記第１及び第２剛性部分の一方で前記アクチュエータの１つの縦方向端部の調節可能シートを支持するステップと、
前記調節可能シートにより前記アクチュエータに加えられる前負荷力で、前記第１剛性部分および前記第２剛性部分を互いに関して組立て位置において維持するステップとをさらに備える、請求項３３に記載の方法。
【請求項３８】
内部において前記アクチュエータを動作式に支持する非可撓性の剛性リセプタクルを形成するために、前記第１剛性部分と前記第２剛性部分との間の少なくとも１つの境界面の上に位置する少なくとも１対の相補対向表面を互いにインタロックさせるステップをさらに備える、請求項３３に記載の方法。
【請求項３９】
内部において前記アクチュエータを受ける非可撓性の剛性リセプタクルを画定するために、前記第１剛性部分および前記第２剛性部分を互いに関して動作式に接続するための少なくとも１つのアパーチャに関して少なくとも１つのファスナを受けるステップであって、前記少なくとも１つのアパーチャが、前記第１剛性部分と前記第２剛性部分との間の少なくとも１つの境界面の上に位置する少なくとも１対の相補対向表面によって画定されるステップをさらに含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項４０】
前記支持体の前記第１及び第２剛性部分の一方と前記少なくとも１つの旋回可能アーム部分との間において延びる少なくとも１つの一体式リビングヒンジ部分を形成するステップをさらに含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項４１】
前記支持体の前記力伝達部材部分と前記少なくとも１つの旋回可能アーム部分との間において延びる少なくとも１つの一体式リビングヒンジ部分を形成するステップをさらに含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項４２】
単一一体式モノリシック部材において非同質材料の前記支持体の前記第１剛性部分および前記第２剛性部分を形成するステップをさらに含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項４３】
Ｕ形の部分を画定する前記第１剛性部分で前記アクチュエータの周囲をほぼ囲むステップと、
前記第１剛性部分によって支持される調節可能アクチュエータシートを画定する前記第２剛性部分で、前負荷力を前記アクチュエータに加えることを可能にするステップであって、一方、温度範囲の前記望ましい動作範囲にわたって、前記アクチュエータと前記第１及び第２剛性部分との間の熱膨張係数値の差を同時に補償するステップとをさらに含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項４４】
第４熱膨張係数値を有する前記支持体の第３剛性部分を提供するステップと、
前記第３剛性部分によって支持される調節可能手段で前負荷力を前記アクチュエータに加えるステップであって、一方、前記第３剛性部分が、温度範囲の前記望ましい動作範囲にわたって、前記アクチュエータと前記剛性部分との間の熱膨張係数値の差を同時に補償するステップとをさらに含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項４５】
前記第３剛性部分が、前記アクチュエータより大きい熱膨張係数値を有する、請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記第２熱膨張係数値が、前記第１熱膨張係数値より小さい、請求項３３に記載の方法。
【請求項４７】
前負荷力を前記アクチュエータに加えるステップと、
前記アクチュエータの前記熱膨張係数値をそれに加えられた前負荷力の関数として変化させるステップとをさらに含む、請求項３３に記載の方法。
【請求項４８】
前記第１及び第２剛性部分の一方によって支持される調節可能手段で前負荷力を前記アクチュエータに加えるステップであって、一方、前記第１及び第２剛性部分が、温度条件の前記望ましい動作範囲にわたって、前記アクチュエータと前記剛性部分との間の熱膨張係数値の差を同時に補償するステップをさらに含む、請求項３３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、参照によって本明細書に組み込まれている２００３年１１月２０日に出願された仮特許出願６０／５２３８０８の利益を主張する。
本発明は、機械てこ式スマート材料アクチュエータの温度補償装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気機械アクチュエータは、電気エネルギーを機械的な力および運動に変換する周知の手段である。歴史的には、これは、ソレノイドなどの電気磁気デバイスにより達成されてきた。最近多様化している応用分野に対応する方法は、磁歪デバイスまたは圧電デバイスなど、様々なスマート材料の使用を含む。圧電デバイスの場合、セラミックマルチレイヤアクチュエータ（Ｃｅｒａｍｉｃ  Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ）（ＣＭＡ）が、潜在的には数千ニュートンの極度に大きな力を生成する能力のために、特に注目を集めている。一方、そのようなＣＭＡは、ＣＭＡの長さの０．１５％の大きさである非常に限定された運動範囲についてそのような力を生成する。長さが４０ｍｍのＣＭＡの場合、相殺力がスタックに加えられていない状態で、ＣＭＡの自由偏向、膨張は、約０．０６ｍｍである。そのような大きな力とそのような限定された運動との組合せは、通常の産業用および商用の応用分野においてＣＭＡが広く使用されることに対する障害の１つであった。例えば、バルブが、約１ｍｍの全ストロークおよび約１０Ｎの力を必要とする可能性がある。そのようなバルブおよび様々な代替応用分野について力およびストロークを達成するために、様々な機構が、過剰な力を増大運動に変換するために設計されてきた。そのような機構の例が、Ｆｕｊｉｍｏｔｏへの米国特許第４７３６１３１号、Ｕｔｃｈｉｋａｗａへの米国特許第４５７００９５号、およびＢｕｇｅｌらへの米国特許第６７５９７９０号に記載されている。
【０００３】
各機構は、ストローク増幅機構の作業端部において、ＣＭＡの力の一部を追加のストロークに変換する。この増幅の実際の構造の大きさは、特定の構成に依存する。ＣＭＡのストロークを増幅するこのタイプの手法の枢要な目的は、ストロークへの力の伝達効率を最大にすることである。例として、米国特許第４５７００９５号においてウチカワによって記載されている機構は、利用可能な偏向のわずかに６０％を変換することを教示する。より高い変換率を達成する不可欠な要素は、ＣＭＡを囲む支持体構造の剛性または剛直性である。米国特許第６７５９７９０号においてビューゲルらによって記載される発明は、そのような高い剛性を達成することができる設計を示す。したがって、熱補償機構などの他の特徴を組み込む設計にこの支持体構造の剛直性を持ち込むことが重要である。
【０００４】
一般に、ストローク増幅機構は、スチールなどの金属材料で構築される。各そのような材料は、識別可能で一般的に周知の熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する。このＣＴＥは、その材料の温度変化に関する材料の膨張の率および方向の尺度である。増幅機構を駆動するために使用されるＣＭＡも、ＣＴＥを有する。一般に、ＣＭＡのＣＴＥは、そのような増幅機構に通常使用される材料のＣＴＥとは異なる。例えば、図１に示される本発明の支持体構造および増幅機構において使用されることが可能である１７／４のグレードのステンレススチールは、摂氏１度あたり約１１×１０−６の通常のＣＴＥを有する。同様に、ＣＭＡは、摂氏１度あたり約−１×１０−６から約−３×１０−６のわずかに負のＣＴＥを有することが一般に認識されている。スチール機械構造とＣＭＡとのＣＴＥのこの差により、周囲温度条件の変化中に増幅機構に加えられる力は変化する。この力は、ＣＭＡによって増幅機構に加えられる力に実際に追加され、増幅機構のストロークおよび力の出力に寄与する。そのような熱効果の結果、そのような作動機構を使用する前述されたバルブなどのデバイスの動作は不適切になることがある。例えば、ＣＴＥの差が、ストローク増幅機構に加えられる力が低減されるようなものである場合、ストロークおよび関連する力の量は、予期される量より小さくなる。このようにストロークまたは力が低減されることにより、関連するバルブが、公称より小さい流量を示すことがあり、または不適切な封止力を示し、その結果、漏れが生じることがある。
【０００５】
ＣＴＥのこの差を補償する、または排除するために、様々な方法が試行されてきた。例えば、Ｓａｌｉｍは、「Ｋｌｅｉｎｓｔｅ  Ｏｂｊｅｃｔｅ  ｉｍ  Ｇｒｉｆｆ」（Ｆ＆Ｍ０９／１９９６）において、シリコンで構築されるストローク増幅機構を記載している。この手法は、ＣＭＡとストローク増幅機構とのＣＴＥの差を最小限に抑える。しかし、例えば構造の信頼性、生産の複雑さ、およびコストなど、複数の特徴に深刻な影響を与えて、それを実現する。これらは、潜在的な物理的サイズおよび作業能力を限定する。したがって、そのような手法の適用性も限定する。
【０００６】
Ｗａｄａらは、米国特許第５２０５１４７号において、ＣＭＡと関連するハウジングとの間のＣＴＥの差を最小限に抑える方法を記載している。記述されている発明は、ＣＭＡの自由偏向の増幅を含まない。対照的に、この参考文献は、十分なストロークを得るためにＣＭＡを「スタック」し、アセンブリの作業ストロークを実際に２倍にするために、等価な対向機構を有することを教示する。さらに、ピエゾを封入するハウジングの構造は、共にボルト締めまたは溶接される複数の部品からなる。
【０００７】
その他は、例えば米国特許第６４０００６２号など、様々な電子制御方法を使用する熱補償を教示する。一般に、この手法は、相当な複雑さおよびコストを作動システムに追加する。
一般に、圧電ＣＭＡが電気機械作動のために使用されるとき、圧縮前負荷が加えられることが受け入れられている。この前負荷の力は、通常、ＣＭＡが動作中にほとんど圧縮されて維持されることを保証する手段として加えられる。これにより、通常、圧電ＣＭＡの動的寿命が長くなる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、当技術分野において一般的であるレベルより著しく高いレベルの前負荷がＣＭＡに加えられることを可能にする設計および剛直性に関する。高レベルの前負荷を加えることについて、本発明により、圧縮前負荷のレベルが、圧電ＣＭＡと実質的に金属の増幅機構との間の熱膨張不整合の程度または度合を変化させることが認識された。この効果は、加えられる前負荷の関数として、必要とされる熱補償の量を調節することを可能にするという追加の利点を有する。さらに、この効果は、機構の性能に関して必要とされる熱補償を調整するために、本発明の機構を設計するプロセス全体の一部として使用することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、ＣＭＡのストロークを増幅することができ、同時に、様々な通常の「実世界」の応用分野において有用である十分な出力の力を提供することができる機構を提供することができ；ならびに／あるいは、極度に剛直な支持体構造を使用することにより、高レベルの効率を有する有用なストロークに「余分な」力を変換するストローク増幅機構を提供することができ；ならびに／あるいは、ＣＭＡおよび電気機械アクチュエータの支持体構造のＣＴＥの異なる値の機械的熱補償が、機械的簡単かつ信頼性があり、構造が高レベル機械的剛性を維持するように機械的支持体構造に実際に一体的であり、したがって、高度に効率的な作業伝達を可能にし、例えば−２０℃から６０℃など、産業タイプの応用分野において通常経験される広範な温度にわたって有効であり、曲線運動を増大させることによってなど、増幅器の出力に著しい影響を与えず、０ｐｓｉから１００００ｐｓｉの前負荷の力の範囲において動作するように適合することができ、アクチュエータのサイズ、重量、または他の物理的特性に大きな影響を与えず、生産中にアクチュエータに容易に統合することができ、ＣＭＡのＣＴＥに対する前負荷の影響に基づき、かつそれを相殺し、および／または前負荷を維持するだけでなく、前負荷を提供する構成要素の要素として使用することができように、そのような補償を提供することができ；ならびに／あるいは、熱補償要素の長さが、アクチュエータの設計、ＣＭＡおよび熱補償に使用される材料のそれぞれのＣＴＥ値、およびＣＭＡに加えられる圧縮前負荷の量の関数として計算されるように、熱補償要素を設計する方法を提示することができる。
【００１０】
本発明の基本的な手法は、圧電アクチュエータスタックについて単一のＣＴＥが短絡条件において存在するという、広く保持されている産業界および学問の見解とは対照的である。本発明によれば、ＣＭＡのＣＴＥは、スタックに加えられる前負荷の量の関数として変化する。本発明によるアクチュエータは、他の機械増幅アクチュエータと比較するとき、相対的に高い前負荷において動作する。本発明が、「既知」のスタックＣＴＥと組み合わせて、相対的に高レベルの前負荷を使用する場合、提供される熱補償は不適切になる。
【００１１】
ＣＴＥを前負荷の関数として変化させる概念は、本発明のいくつかの関係する特徴を互いに関連付けることができる。第１に、本発明は、作業性能を最大にするように、高い前負荷において動作する。一般的には、通常使用される前負荷は、従来の技術において使用されるより高く、ある場合には数倍高くなる。第２に、本発明は、アクチュエータの「中央部分」が「剛性」であることを保証する。既知であるように、スタック自体の実際の運動は、１００００分の「数」インチの大きさである（様々なファクタに依存する）。この運動は非常に小さいので、この領域のあらゆる「伸張」は、無駄な運動とすることができ、「アンビル」には伝達されず、アームにおいて増幅されない。したがって、本発明は、高レベルの構造剛性を維持し、一方、機械的熱補償要素、または現在実現されているように、アクチュエータシートの少なくとも１つおよび／または剛性支持体構造の一部を形成するインバー（Ｉｎｖａｒ）材料要素を組み込む。アクチュエータの中央支持体構造部分において剛性が減少することにより、アームにおける運動が低減される。
【００１２】
本発明は、増幅器の中央部分の金属の材料ＣＴＥ対セラミック多層アクチュエータの値の差を補償する能力を提供する。温度が変化する際に、「中央金属支持体構造部分」の長さ、およびセラミック多層アクチュエータスタックは、異なる率において変化する。他の寸法も変化するが、対象となる寸法は、アクチュエータスタックの縦方向の長さに沿って配向される。ＣＴＥの異なる率の結果、前負荷を低減し、したがってストロークを低減することができる。本発明による熱補償は、金属およびスタックのＣＴＥを均衡させる。この補償が「適切な」ＣＴＥに基づいて設計されていない場合、提供される補償の量は最適ではない。本発明によるスタックのＣＴＥは、前負荷の関数として変化することができる。多層セラミックアクチュエータスタックに加えられる前負荷の力が最低レベルである場合、これは、著しい衝撃を有さないことが可能である。しかし、本発明は、セラミック多層アクチュエータスタックに加えられる比較的高レベルの前負荷の力を構想し、スタック運動からアクチュエータ運動への効率的な変換が本発明において望ましいので、熱補償は、産業応用分野に通常必要な動作温度の望ましい範囲にわたって機構の適切な動作を保証するために、本発明では重要であるとすることができる。したがって、本発明は、「公称」（未作動）前負荷におけるＣＴＥに基づいて、補償構造の設計および組成の設計を決定することが望ましい。
【００１３】
圧電またはセラミックの多層アクチュエータスタックを含む機構、および通常はスチールから形成される、スタックの作業出力を変換する機構について、スタックによって作業出力を増幅する、またはそうでない場合は伝達もしくは変換するために、必要なＣＴＥ補償を決定する方法が開示される。本発明による方法は、スタックに対する前負荷の量に基づいて、適切な熱補償を提供する。
本発明による現象／方法は、非常に一般的な性質であるように見えることに留意されたい。圧電またはセラミックの多層アクチュエータスタックが、本発明による例示的な機構の添付の図面において示されるものとは幾何学的または動作的に異なるものを含めて、多様な実施形態のスタックのＣＴＥとは異なるＣＴＥを有する機構内において前負荷をかけられる。本発明による方法では、本発明によるアセンブリの構造剛性を最小限に抑え、またはそれに対する変化を無視可能とし、したがって、最大作業伝達効率を保証することが望ましい。本発明による方法では、簡単で容易に組み立てられ、信頼性があり、費用効果の高い機構を提供することが望ましい。
【００１４】
本発明は、一貫した性能特性を提供することができ、一方、温度条件の望ましい範囲にわたって動作することができる構造アセンブリを有する電気稼動セラミックベースアクチュエータの運動を増幅する装置および方法を提供し、第１熱膨張係数値を有する非可撓性の第１剛性部分および第１熱膨張係数値とは異なる第２熱膨張係数値を有する非可撓性の第２剛性部分を有する支持体であって、第１及び第２剛性部分の一方から延びる少なくとも１つの旋回可能アーム部分と、少なくとも１つの旋回可能アーム部分を回転運動において駆動するように動作式に配置可能な力伝達部材とを含む支持体と、第１熱膨張係数値および第２熱膨張係数値とは異なる第３熱膨張係数値を有する電気稼動アクチュエータであって、第１及び第２剛性部分に対して力伝達部材を駆動して、アクチュエータの電気稼動に応答して少なくとも１つの旋回可能アーム部分を旋回させるように、第１及び第２剛性部分の一方と力伝達部材との間において動作式に係合可能な電気稼動アクチュエータとを含み、支持体の構造構成と組み合わされた第１及び第２剛性部分の熱膨張係数の異なる値は、温度条件の望ましい動作範囲にわたって、アクチュエータの第３熱膨張係数値をほぼ補償する。一般に、補償材料の望ましい材料特性は、高い機械剛直性、ヤング率、高い機械降伏応力、および非可撓性の第１剛性部分とは異なり、かつＣＭＡとは異なるＣＴＥ値であり、それにより、望ましい範囲にわたって熱暴走を相殺することができる。本発明は、例えばＩＮＶＡＲ、ＫＯＶＡＲ、ＮＩＬＶＡＲなど、機構の非可撓性の第２剛性補償部分についていくつかの市販材料を使用することができる。さらに、例えば、適切なＣＴＥ値を有する金属マトリックス複合材料など、他の適切な材料を使用することが可能である可能性がある。例としてであって限定としてではなく、通常の電気稼動セラミックベースアクチュエータまたはセラミック多層アクチュエータは、摂氏１度あたり約−１×１０−６から約−３×１０−６のＣＴＥを有する。そのようなグレードのステンレススチールが、アクチュエータを剛性支持体構造に封入するために使用されるとき、任意の温度の揺らぎにより、アクチュエータに関してこの支持体構造セクションの長さが差分的に変化することがある。次いで、これにより、活動アームが、純粋に熱暴走のために位置を変化させることができるように、力伝達および増幅機構において運動を生成することがある。この変化を補償するために、ＣＴＥがすでに記述されている他の材料とは異なるように、剛性支持体構造の一部として、本発明により例えばＩＮＶＡＲグレード３６などの第３材料を追加することができる。温度範囲内の熱暴走のために活動アームにおいて位置変化が観測されないように、支持体構造の運動をセラミックベースアクチュエータの運動に整合させるために、この第３材料で置き換えられるステンレススチール材料の量を決定する目的で、基本的な線形計算と共に有限要素分析（ＦＥＡ）を使用することができる。
【００１５】
本発明によれば、補償剛性部分のサイズを決定するために、第２剛性部分および力伝達部材のみが計算に使用される。構造の残り、すなわち、ヒンジ、アームは、適切なレベルの補償の決定に使用される必要はない。本発明は、３つ以上の剛性部分を有する可能性を構想する。すなわち、剛性領域の「ベース」は、他の２つの剛性材料とは異なる材料（または「第１」と同じ）とすることができる。例えば、第１剛性部分が、ヒンジなどの力伝達部材と一体的として画定される場合、第２剛性部分は、熱補償材料からなることができ、アクチュエータの縦軸に平行な第１剛性部分に添付することが可能である。第３剛性部分は、第１剛性部分に添付された端部とは反対側であり、かつアクチュエータの縦軸に垂直である第２剛性部分の端部において第２に接続することができる。本発明によれば、非可撓性の剛性部分の１つの熱膨張係数は、望ましい動作温度範囲にわたって、非可撓性の第２剛性部分の熱膨張係数値と電気稼動セラミックベースアクチュエータの熱膨張係数値との差をほぼ補償する。
【００１６】
本発明の他の応用分野が、本発明の実施を考慮した最適モードの以下の記述を添付の図面と関連付けて読むとき、当業者には明らかになるであろう。
本記述は、本明細書において、いくつかの図面にわたって同じ参照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】
【００１７】
本発明は、１つまたは複数の要素を有する力増幅機構を含むことができる。これらの要素は、圧電ＣＭＡおよび増幅機構に使用される材料のＣＴＥの個々の値の差をほぼ最小限に抑えるＣＴＥの有効な組合せ値を提供するように選択された材料に基づくことができる。さらに、熱補償要素は、増幅機構の動作に対して一体的とすることができる。これらの要素は、必要な圧縮前負荷力を圧電ＣＭＡに加えることが可能であり、かつＣＭＡによって提供されるあらゆる拡張を損失しないように、非常に剛性の構造を提供する。すでに記述されているように、ＣＭＡによって提供される偏向量は、動作中、非常に小さく、通常は全長の０．１０％から０．１５％である。支持体構造のあらゆる湾曲は、ＣＭＡからのこの出力の直接的な低減であり、本発明の動作効率を著しく低下させる。複数要素構成の場合、要素は、全体的な機構アセンブリプロセスの一部として互いを迅速かつ容易に相互接続するように設計することができ、ボルトなどの追加の組立て構成要素を必要とせず、また複数の要素は、例えば溶接などの追加の組立て手続きも必要としないが、そのような構成要素または手続きは使用することができる。さらに、本発明の方法は、電子回路に対する機械の解決法の簡単さを保持する。さらに、本発明は、バイメタルアームで遭遇される円形湾曲およびそのような余分な要素を追加することに関連するコストを回避する。
【００１８】
様々な図面において、同様および／または同一の基本的な要素は、同じベース数字、および異なるアルファベット表記が添付されたベース数字で識別される。様々な図面および図にわたる基本的な要素の記述は、特に断りがない限り、すべての図、構成、および要素の組合せに適用可能である。
ここで図１を参照すると、熱補償が、アクチュエータシート２２において加えられている、または、供給ストリーム内において、もしくはモノリシック支持体を形成するために使用される型内において、混合された材料の組合せとして同質または非同質的に加えられている、本発明による単一部品支持体およびアクチュエータ装置１０の透視図を示す。例としてであって限定としてではなく、支持体は、焼結または液体金属射出成形によってなど、当業者には既知の任意の適切な方法によって形成することができる。圧電ＣＭＡ１２は、非可撓性の剛性支持体構造１４の内部において含む、または支持することができる。本発明では、装置１０の支持体構造１４は、圧電ＣＭＡ要素１２を除いて、例としてであって限定としてではなく、スチールのタイプなど、１つの同質材料または非同質材料から作製することができる。圧電ＣＭＡ１２からの出力は、力伝達構造１８を経て動作アーム１５および１６に伝達することができる。支持体１４ａおよび／または力伝達部材１８に関連付けられた調節可能装填デバイス２０、ならびにアクチュエータ１２に関連付けられた支持プレート２２によって、圧電ＣＭＡ１２に圧縮前負荷力を加えることができる。支持プレート２２は、支持体１４のＣＴＥ値と比較してアクチュエータ１２のＣＴＥのより小さい値を補償するために、ＣＭＡ１２のＣＴＥ値より大きいＣＴＥ値を有することができる。幅７．５ｍｍを有するこのタイプの実施形態では、矢印Ａ間において示される動作アーム１５および１６の端部における公称自由偏向は、例えば、２ｍｍの大きさとすることができる。約−２０℃から約６０℃の熱暴走による、装置１０と同様の構成および構造の非温度補償装置の運動は、完全公称偏向の１５％の大きさとなることがあり、これは、多くの応用分野にとって望ましくない。
【００１９】
ここで図２を参照すると、本発明による熱補償アクチュエータ装置１０ａの透視図が示されている。圧電ＣＭＡ１２ａは、非可撓性の剛性支持体構造１４ａ、２８ａの内部において含む、または支持することができる。本発明では、装置１０ａの支持体構造は、例としてであって限定としてではなく、スチールのタイプなど、１つまたは複数の要素から作製することができる。圧電ＣＭＡ１２ａからの出力は、力伝達構造１８ａにより、動作アーム１５ａおよび１６ａに伝達することができる。剛性支持部分２８ａおよび／または力伝達構造１８ａに関連付けられた調節可能装填デバイス２０ａ、ならびにアクチュエータ１２ａに関連付けられた支持プレート２２ａによって、圧縮前負荷力を圧電ＣＭＡ１２ａに加えることができる。支持プレート２２ａは、支持体１４ａのＣＴＥ値と比較してアクチュエータ１２ａのより小さいＣＴＥ値を補償するために、ＣＭＡ１２ａのＣＴＥ値より大きいＣＴＥ値を随意選択で有することもできる。図２では、非可撓性の剛性支持体構造１４（図１に示される構造から）の材料の部分は、要素２８ａで置き換えられており、要素２８ａは、支持体構造１４ａと圧電ＣＭＡ１２ａの材料間の熱膨張不整合によって生じる動作アーム１５ａおよび１６ａにおける運動を補償することができる熱膨張係数を有する材料から作製される。このようにして、アームにおける偏向は、例えば産業用タイプの応用分野には一般的である広範な動作温度範囲にわたって非常に精確に制御することができる。さらに、熱補償の適切な量を保証するために要素２８ａの長さを計算する手段は、本発明によるアクチュエータ装置の全体的な設計動作用件に関して制御することができる。さらに、２つの要素１４ａと２８ａとの間の相互接続を達成する手段に使用される接合構成のプロファイルの設計は、圧縮前負荷がＣＭＡに加えられるとき、および本発明の動作中、相互接続ゾーンにおいて生じるあらゆる応力を最小限に抑えることができる。さらに、２つの機械要素である支持体構造１４ａと補償構造２８ａとの間の相互接続は、簡素にすることができるが、依然として、追加の固定手段または固定方法を必要とせずに、本発明の効率的な動作に本質的な２つ以上の要素間において確実で剛性な関係を維持することができる。例として、図２に示される熱補償方法を使用し、かつ以前に記述された未補償アクチュエータと同様の全体的な寸法を有するアクチュエータ１２ａが、この段階で、公称アクチュエータストロークの１％より低いレベルに制御された熱誘導運動を有することができる。
【００２０】
ここで図３を参照すると、本発明による熱補償アクチュエータ装置１０ｂの透視図が示されている。本発明では、装置１０ｂの支持体構造は、例としてであって限定としてではなく、スチールのタイプなど、１つまたは複数の要素から作製することができる。圧電ＣＭＡ１２ｂからの出力は、力伝達構造１８ｂにより、動作アーム１５ｂおよび１６ｂに伝達することができる。剛性支持部分２８ｂおよび／または剛性力伝達構造１８ｂに関連付けられた調節可能負荷デバイス２０ｂ、ならびにアクチュエータ１２ｂに関連付けられた支持プレート２２ｂによって、圧縮前負荷力を圧電ＣＭＡ１２ｂに加えることができる。支持プレート２２ｂは、支持体１４ｂのＣＴＥ値と比較して、アクチュエータ１２ｂのより小さいＣＴＥ値を補償するために、ＣＭＡ１２ｂのＣＴＥ値より大きいＣＴＥ値を随意選択で有することもできる。図３では、非可撓性の剛性支持体構造１４（図１に示される構造から）の材料の部分は、要素２８ｂで置き換えられており、要素２８ｂは、支持体構造１４ｂと圧電ＣＭＡ１２ｂの材料間の熱膨張不整合によって生じる動作アーム１５ｂおよび１６ｂにおける運動を補償することができる熱膨張係数を有する材料から作製される。このようにして、アームにおける偏向は、例えば、産業用タイプの応用分野には一般的である広範な動作温度範囲にわたって非常に精確に制御することができる。さらに、適切な熱補償量を保証するために要素２８ｂの長さを計算する手段は、本発明によるアクチュエータ装置の全体的な設計動作用件に関して制御することができる。さらに、２つの要素１４ｂと２８ｂとの間の相互接続を達成する手段に使用される接合構成のプロファイルの設計は、圧縮前負荷がＣＭＡに加えられるとき、および本発明の動作中、相互接続ゾーンにおいて生じるあらゆる応力を最小限に抑えることができる。さらに、２つの機械要素である支持体構造１４ｂと補償構造２８ｂと間の相互接続は、簡素にすることができるが、依然として、追加の固定手段または固定方法を必要とせずに、本発明の効率的な動作に本質的な２つ以上の要素間において確実で剛性な関係を維持することができる。例として、図３に示される熱補償方法を使用し、かつ以前に記述された未補償アクチュエータと同様の全体的な寸法を有するアクチュエータは、この段階で、公称アクチュエータストロークの１％より低いレベルに制御された熱誘導運動を有することができる。
【００２１】
ここで図４を参照すると、本発明による熱補償アクチュエータ装置１０ｃの透視図が示されている。示される構成では、置換え要素２８ｃは、図３に関して記述された熱補償を実施し、図３に示される構成の変形形態を使用して、支持体構造１４ｃに添付することができる。本発明は、支持体構造要素１４ｃと熱補償要素２８ｃとの相互接続を様々な方式で達成することができることを構想する。本発明では、装置１０ｃの支持体構造は、例としてであって限定としてではなく、スチールのタイプなど、１つまたは複数の要素から作製することができる。圧電ＣＭＡ１２ｃからの出力は、力伝達構造１８ｃにより、動作アーム１５ｃおよび１６ｃに伝達することができる。剛性支持部分２８ｃおよび／または剛性力伝達構造１８ｃに関連付けられた調節可能負荷デバイス２０ｃ、ならびにアクチュエータ１２ｃに関連付けられた支持プレート２２ｃによって、圧縮前負荷力を圧電ＣＭＡ１２ｃに加えることができる。支持プレート２２ｃは、支持体１４ｃのＣＴＥ値と比較して、アクチュエータ１２ｃのより小さいＣＴＥ値を補償するために、ＣＭＡ１２ｃのＣＴＥ値より大きいＣＴＥ値を随意選択で有することもできる。図４では、非可撓性の剛性支持体構造１４（図１に示される構造から）の材料の部分は、要素２８ｃで置き換えられており、要素２８ｃは、支持体構造１４ｃと圧電ＣＭＡ１２ｃの材料間の熱膨張不整合によって生じる動作アーム１５ｃおよび１６ｃにおける運動を補償することができる熱膨張係数を有する材料から作製される。このようにして、アームにおける偏向は、例えば、産業用タイプの応用分野には一般的である広範な動作温度範囲にわたって非常に精確に制御することができる。さらに、適切な熱補償量を保証するために要素２８ｃの長さを計算する手段は、本発明によるアクチュエータ装置の全体的な設計動作用件に関して制御することができる。さらに、２つの要素１４ｃと２８ｃとの間の相互接続を達成する手段に使用される接合構成のプロファイルの設計は、圧縮前負荷がＣＭＡに加えられるとき、および本発明の動作中、相互接続ゾーンにおいて生じるあらゆる応力を最小限に抑えることができる。さらに、２つの機械要素である支持体構造１４ｃと補償構造２８ｃと間の相互接続は、簡素にすることができるが、依然として、追加の固定手段または固定方法を必要とせずに、本発明の効率的な動作に本質的な２つ以上の要素間において、確実で剛性な関係を維持することができる。例として、図４に示される熱補償方法を使用し、かつ以前に記述された未補償アクチュエータと同様の全体的な寸法を有するアクチュエータは、この段階で、公称アクチュエータストロークの１％より低いレベルに制御された熱誘起運動を有することができる。
【００２２】
ここで図５を参照すると、熱補償アクチュエータ装置１０ｄの透視図が示されている。支持体構造１４ｄと熱補償要素２８ｄとの間の相互接続が示されており、追合構成表面において形成される同軸位置合わせアパーチャを通って延びる２つのピン３３ｄおよび３４ｄを含む。本発明では、装置１０ｄの支持体構造は、例としてであって限定としてではなく、スチールのタイプなど、１つまたは複数の要素から作製することができる。圧電ＣＭＡ１２ｄからの出力は、力伝達構造１８ｄにより動作アーム１５ｄおよび１６ｄに伝達することができる。剛性支持部分２８ｄおよび／または剛性力伝達構造１８ｄに関連付けられた調節可能負荷デバイス２０ｄ、ならびにアクチュエータ１２ｄに関連付けられた支持プレート２２ｄによって、圧縮前負荷力を圧電ＣＭＡ１２ｄに加えることができる。支持プレート２２ｄは、支持体１４ｄのＣＴＥ値と比較して、アクチュエータ１２ｄのより小さいＣＴＥ値を補償するために、ＣＭＡ１２ｄのＣＴＥ値より大きいＣＴＥ値を随意選択で有することもできる。図５では、非可撓性の剛性支持体構造１４（図１に示される構造から）の材料の部分は、要素２８ｄで置き換えられており、要素２８ｄは、支持体構造１４ｄと圧電ＣＭＡ１２ｄの材料間の熱膨張不整合によって生じる動作アーム１５ｄおよび１６ｄにおける運動を補償することができる熱膨張係数を有する材料から作製される。このようにして、アームにおける偏向は、例えば、産業用タイプの応用分野には一般的である広範な動作温度範囲にわたって非常に精確に制御することができる。さらに、適切な熱補償量を補償するために要素２８ｄの長さを計算する手段は、本発明によるアクチュエータ装置の全体的な設計動作用件に関して制御することができる。さらに、２つの要素１４ｄと２８ｄとの間の相互接続を達成する手段に使用される接合構成のプロファイルの設計は、圧縮前負荷がＣＭＡに加えられるとき、および本発明の動作中、相互接続ゾーンにおいて生じるあらゆる応力を最小限に抑えることができる。さらに、２つの機械要素である支持体構造１４ｄと補償構造２８ｄと間の相互接続は、簡素にすることができるが、依然として、簡単な固定手段または固定方法で、本発明の効率的な動作に本質的な２つ以上の要素間において、確実で剛性な関係を維持することができる。例として、図５に示される熱補償方法を使用し、かつ以前に記述された未補償アクチュエータと同様の全体的な寸法を有するアクチュエータは、この段階で、公称アクチュエータストロークの１％より低いレベルに制御された熱誘起運動を有することができる。
【００２３】
ここで図６を参照すると、本発明による熱補償アクチュエータ装置１０ｅの透視図が示されている。示される構成では、置換え要素２８ｅは、図３に関して記述された熱補償を実施し、図３に示される構成の変形形態を使用して、支持体構造１４ｅに添付することができる。本発明は、支持体構造要素１４ｅと熱補償要素２８ｅとの相互接続を様々な方式で達成することができることを構想する。本発明では、装置１０ｅの支持体構造は、例としてであって限定としてではなく、スチールのタイプなど、１つまたは複数の要素から作製することができる。圧電ＣＭＡ１２ｅからの出力は、力伝達構造１８ｅにより動作アーム１５ｅおよび１６ｅに伝達することができる。剛性支持部分４０ｅおよび／または剛性力伝達構造１８ｅに関連付けられた調節可能負荷デバイス２０ｅ、ならびにアクチュエータ１２ｅに関連付けられた支持プレート２２ｅによって、圧縮前負荷力を圧電ＣＭＡ１２ｅに加えることができる。支持プレート２２ｅは、支持体１４ｅのＣＴＥ値と比較して、アクチュエータ１２ｅのより小さいＣＴＥ値を補償するために、ＣＭＡ１２ｅのＣＴＥ値より大きいＣＴＥ値を随意選択で有することもできる。図６では、非可撓性の剛性支持体構造１４（図１に示される構造から）の材料の部分は、要素２８ｅで置き換えられており、要素２８ｅは、支持体構造１４ｅ、４０ｅ、および圧電ＣＭＡ１２ｅの材料間の熱膨張不整合によって生じる動作アーム１５ｅおよび１６ｅにおける運動を補償することができる熱膨張係数を有する材料から作製される。剛性支持部分４０ｅは、剛性部分１４ｅと同様の材料で形成することができ、または、剛性部分１４ｅより大きいＣＴＥの材料とすることができるが、その理由は、熱膨張不整合の補償は、剛性支持部分２８ｅおよび／またはアクチュエータシートプレート２２ｅにおいて行うことができるからである。このようにして、アームにおける偏向は、例えば、産業用タイプの応用分野には一般的である広範な動作温度範囲にわたって非常に精確に制御することができる。さらに、適切な熱補償量を保証するために要素２８ｅの長さを計算する手段は、本発明によるアクチュエータ装置の全体的な設計動作用件に関して制御することができる。さらに、要素１４ｅ、４０ｅ、および２８ｅ間の相互接続を達成する手段に使用される接合構成のプロファイルの設計は、圧縮前負荷がＣＭＡに加えられるとき、および本発明の動作中、相互接続ゾーンにおいて生じるあらゆる応力を最小限に抑えることができる。さらに、機械要素である支持体構造１４ｅ、４０ｅ、および補償構造２８ｅ間の相互接続は、簡素にすることができるが、依然として、追加の固定手段または固定方法を必要とせずに、本発明の効率的な動作に本質的な２つ以上の要素間において、確実で剛性な関係を維持することができる。例として、図６に示される熱補償方法を使用し、かつ以前に記述された未補償アクチュエータと同様の全体的な寸法を有するアクチュエータは、この段階で、公称アクチュエータストロークの１％より低いレベルに制御された熱誘起運動を有することができる。
【００２４】
ここで図７を参照すると、曲線が、熱暴走のみによって生じる増幅機構の偏向に対するＣＭＡ前負荷の影響を示すことができる。図７は、ＣＭＡに加えられる圧縮前負荷力を調節することによって、本発明による１つの具体的なＣＭＡ産物および１つの具体的な増幅機構で、摂氏−２０度と摂氏＋６０度との間の温度暴走にわたって達成することができる通常の調節を示す。図７において報告されるデータは、図３に示される増幅機構と同様の増幅機構を使用した。支持体構造１４ｂ、力伝達機構１８ｂ、ならびに動作アーム１５ｂおよび１６ｂは、１７／４のグレードのステンレススチールから作製された。熱補償要素２８ｂは、インバー３６合金から作製された。熱補償の程度は、圧電ＣＭＡの完全動作による増幅機構の偏向量によって除算された熱暴走による増幅機構の偏向量である、完全偏向のパーセンテージとして報告された。圧縮前負荷力は、実験に使用されるスタックの実際の遮断力のパーセンテージとして表される。加えられる圧縮前負荷力の範囲は、増幅機構の熱補償を調節する手段としてこの手法を使用する効果を示し、本発明において使用される前負荷力の全範囲として取られるべきではない。さらに図７は、ＣＭＡに対して前負荷力を使用して得ることができる調節の全程度を示すことを意図していない。前負荷力を使用する調節の概念は、本発明による他のＣＭＡ産物および設計構成について調査され、示された。図７によって示される例では、熱暴走による増幅機構の偏向を補償するために必要な熱補償要素２８ｂの量は、前負荷力の増大と共に減少する。このようにして、圧電ＣＭＡに加えられる圧縮前負荷は、本発明による熱補償を有する増幅機構を設計するために、プロセス全体の一部として使用することができる。本発明による増幅機構に基づいて、確定熱暴走による増幅機構の偏向量を適切に補償することができることを保証するために、適切な量の熱補償が加えられることを見込む前負荷のレベルを選択することができる。このようにして、望ましい熱暴走に対して必要な性能対象内において、例えばバルブなど、増幅機構を使用することが可能であるデバイスを制御することができる。
【００２５】
本発明は、最も実用的で好ましい実施形態と現在見なされているものと関連して記述されたが、本発明は、開示される実施形態に限定されるのではなく、対照的に、添付の請求項の精神および範囲内に含まれる様々な修正および等価な構成を網羅することを意図することを理解されたい。請求項の範囲は、法の下で許容されるすべてのそのような修正および等価な構造を包含するように、最も広範な解釈と一致されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】材料のＣＴＥの差について温度補償を有するＣＭＡ作動および機械運動増幅に基づく電気機械アクチュエータの透視図である。
【図２】材料のＣＴＥの差について温度補償を有するＣＭＡ作動および機械運動増幅に基づく電気機械アクチュエータの透視図である。
【図３】増幅機構の剛性支持体構造に組み込まれた熱補償要素を含む電気機械アクチュエータの透視図である。
【図４】増幅機構の剛性支持体構造に組み込まれた熱補償の透視図である。
【図５】増幅機構の剛性支持体構造に組み込まれた熱補償の透視図である。
【図６】増幅機構の剛性支持体構造に組み込まれた熱補償の透視図である。
【図７】増幅機構の圧電ＣＭＡに加えられた圧縮前負荷力対ＣＭＡと増幅機構との熱膨張不整合による偏向量を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ  アクチュエータ装置
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、１２ｅ  圧電セラミック多層アクチュエータ（ＣＭＡ）
１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、１４ｅ  非可撓性の剛性支持体構造
１５、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ  動作アーム
１６、１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ  動作アーム
１８、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、１８ｅ  力伝達構造
２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ  調節可能負荷デバイス
２２、２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ、２２ｅ  支持プレート
２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄ、２８ｅ  非可撓性の剛性支持体構造
３３ｄ、３４ｄ  ピン
４０ｅ  支持体構造
Ａ  矢印
【図１】
2007512713.tif 000003
【図２】
2007512713.tif 000004
【図３】
2007512713.tif 000005
【図４】
2007512713.tif 000006
【図５】
2007512713.tif 000007
【図６】
2007512713.tif 000008
【図７】
2007512713.tif 000009
【国際調査報告】
2007512713.tif 000010
2007512713.tif 000011
2007512713.tif 000012
2007512713.tif 000013
2007512713.tif 000014