(57)【要約】  スマート材料装置と、補償装置と、移動可能な支持部材と、少なくとも３つの機械的ウェブと、少なくとも３つの作動アームと、第二段組立体とを含むアクチュエータ装置が開示され、機械的ウェブは、補償装置に取り付けられる第１の弾性部材と、移動可能な支持部材に取り付けられる第２の弾性部材とを含む。圧電又はスマート材料装置が、第１の取付表面と補償装置との間に固定される。作動アームは、１つの機械的ウェブに取り付けられる第１の作動アーム端部と、第二段組立体に取り付けられる第２の作動アーム端部とを含む。第二段組立体は、作動アームに取り付けられる第１の端部と、第二段取付表面に取り付けられる第２の端部とを有する弾性条片を含む。電位の適用はスマート材料装置を膨張させ、それによって、移動可能な支持部材を補償装置から離れる方向に推進させ、且つ、第１の弾性部材及び第２の弾性部材を撓ませる。これはひいては作動アームを移動させる。弾性条片は、スマート材料装置と実質的に平行な方向に第二段取付表面を推進させる。
2014508489.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スマート材料装置と、補償装置と、移動可能な支持部材と、少なくとも３つの機械的ウェブと、少なくとも３つの作動アームと、第二段組立体とを含む、アクチュエータ装置であって、
ａ）前記機械的ウェブは、前記補償装置に取り付けられる第１の弾性部材と、前記移動可能な支持部材に取り付けられる第２の弾性部材とを含み、
ｂ）前記移動可能な支持部材は、第１の取付表面を含み、
ｃ）前記機械的ウェブは、前記移動可能な支持部材の周りに離間し、
ｄ）前記スマート材料装置は、前記第１の取付表面と前記補償装置との間に固定され、
ｅ）前記作動アームは、１つの前記機械的ウェブに取り付けられる第１の作動アーム端部と、前記第二段組立体に取り付けられる対向する第２の作動アーム端部とを含み、
ｆ）前記第二段組立体は、弾性条片を含み、該弾性条片は、前記第２の作動アーム端部に取り付けられる第１の弾性条片と、第二段取付表面に取り付けられる第２の弾性条片とを有し、
電位の適用は、前記スマート材料装置を膨張させ、それによって、前記移動可能な支持部材を前記補償装置から離れる方向に推進させ、且つ、前記第１の弾性部材及び前記第２の弾性部材を撓ませ、それによって、前記作動アームを移動させ、且つ、前記弾性条片に、前記スマート材料装置と実質的に平行な方向において前記第二段取付表面を推進させる、
アクチュエータ装置。
【請求項２】
前記弾性条片は、前記第二段取付表面と一体である、請求項１に記載のアクチュエータ装置。
【請求項３】
前記第二段取付表面は、前記弾性条片に取り外し可能に取り付けられる、請求項１に記載のアクチュエータ装置。
【請求項４】
前記弾性条片は、バネ鋼、炭素繊維、繊維ガラス、プラスチック、ステンレス鋼、及びアルミニウムで構成される群から選択される材料で形成される、請求項１に記載のアクチュエータ装置。
【請求項５】
前記第二段取付表面は、炭素繊維、バネ鋼、繊維ガラス、プラスチック、ステンレス鋼、及びアルミニウムで構成される群から選択される材料で形成される、請求項１に記載のアクチュエータ装置。
【請求項６】
ａ）前記作動アームの各々は、実質的に同じ長さであり、前記弾性部材の前記間隔は、各２つの隣接する弾性部材の間の距離が実質的に同じであるよう、実質的に均等であり、
ｂ）前記作動アームは、前記スマート材料装置について径方向に離間し、
ｃ）前記機械的ウェブは、実質的に前記弾性部材の撓みの後、前記第２の作動アーム端部が前記スマート材料装置に向かって移動するように構成される、
請求項１に記載のアクチュエータ装置。
【請求項７】
ａ）前記スマート材料装置の中心を通じる中心軸は、前記第１の取付表面の中心を通じて延び、
ｂ）各前記作動アームのために、作動アーム軸が、前記作動アームの前記第１の作動アーム端部と前記第２の作動アームの前記第２の作動アーム端部とを通じて延び、
ｃ）前記中心軸と各前記作動アーム軸との間の角度は、少なくとも９０度であり、最大で１３５度である、
請求項１に記載のアクチュエータ装置。
【請求項８】
ａ）前記スマート材料装置の中心を通じる中心軸は、前記第１の取付表面の中心を通じて延び、
ｂ）各前記作動アームのために、作動アーム軸が、前記作動アームの前記第１の作動アーム端部と前記第２の作動アームの前記第２の作動アーム端部とを通じて延び、
ｃ）前記中心軸と各前記作動アーム軸との間の角度は、少なくとも４５度であり、最大で９０度である、
請求項１に記載のアクチュエータ装置。
【請求項９】
ａ）前記スマート材料装置の中心を通じる中心軸は、前記第１の取付表面の中心を通じて延び、
ｂ）各前記作動アームのために、作動アーム軸が、前記作動アームの前記第１の作動アーム端部と前記第２の作動アームの前記第２の作動アーム端部とを通じて延び、
ｃ）前記中心軸と各前記作動アーム軸との間の角度は、５０度以下である、
請求項１に記載のアクチュエータ装置。
【請求項１０】
ａ）前記スマート材料装置の中心を通じる中心軸は、前記第１の取付表面の中心を通じて延び、
ｂ）各前記作動アームのために、作動アーム軸が、前記作動アームの前記第１の作動アーム端部と前記第２の作動アームの前記第２の作動アーム端部とを通じて延び、
ｃ）前記中心軸と各前記作動アーム軸との間の角度は、少なくとも１３０度であり、最大で１８０度以下である、
請求項１に記載のアクチュエータ装置。
【請求項１１】
前記作動アームは、前記機械的ウェブに取り外し可能に取り付けられ、少なくとも１つの前記機械的ウェブは、少なくとも１つの前記作動アームと異なる材料で形成される、請求項１に記載のアクチュエータ装置。
【請求項１２】
前記補償装置に取り付けられ且つ少なくとも１つの前記作動アームに移動可能に取り付けられる少なくとも１つの緩衝装置を更に含み、該緩衝装置は、前記作動アームと前記補償装置との間に柔軟な止め具を含む、請求項１に記載のアクチュエータ装置。
【請求項１３】
外側フレームに固定的に取り付けられ且つ少なくとも１つの前記作動アームに移動可能に取り付けられる少なくとも１つの緩衝装置を更に含み、該緩衝装置は、前記作動アームと前記補償装置との間に柔軟な止め具を含む、請求項１に記載のアクチュエータ装置。
【請求項１４】
外側フレームに移動可能に取り付けられ且つ少なくとも１つの前記作動アームに固定的に取り付けられる少なくとも１つの緩衝装置を更に含み、該緩衝装置は、前記補償装置に隣接して柔軟な止め具を含む、請求項１に記載のアクチュエータ装置。
【請求項１５】
スマート材料装置と、補償装置と、移動可能な支持部材と、少なくとも３つの機械的ウェブと、少なくとも３つの作動アームと、第二段組立体とを含む、アクチュエータ装置であって、
ａ）前記機械的ウェブは、前記補償装置に取り付けられる第１の弾性部材と、前記移動可能な支持部材に取り付けられる第２の弾性部材とを含み、
ｂ）前記移動可能な支持部材は、前記移動可能な支持部材内に実質的に中心化される第１の取付表面を含み、
ｃ）前記機械的ウェブは、前記移動可能な支持部材の周りに離間し、
ｅ）前記スマート材料装置は、前記第１の取付表面と前記補償装置との間に固定され、
ｆ）前記作動アームは、１つの前記機械的ウェブに取り付けられる第１の作動アーム端部と、前記第二段組立体に取り付けられる対向する第２の作動アーム端部とを含み、
ｇ）前記第二段組立体は、前記第２の作動アーム端部に取り付けられる弾性凸状部材を含み、
電位の適用は、前記スマート材料装置を膨張させ、それによって、前記移動可能な支持部材を前記補償装置から離れる方向に推進させ、且つ、前記第１の弾性部材及び前記第２の弾性部材を撓ませ、それによって、前記作動アームを移動させ、且つ、前記弾性凸状部材の中心地点を前記スマート材料装置と実質的に平行な方向において移動させる、
アクチュエータ装置。
【請求項１６】
前記弾性凸状部材は、前記第２の作動アーム端部に取り外し可能に取り付けられる、請求項１５に記載のアクチュエータ装置
【請求項１７】
前記弾性凸状部材は、バネ鋼、炭素繊維、繊維ガラス、プラスチック、ステンレス鋼、及びアルミニウムで構成される群から選択される材料で形成される、請求項１５に記載のアクチュエータ装置
【請求項１８】
前記弾性凸状部材は、実質的に半球形である、請求項１５に記載のアクチュエータ装置
【請求項１９】
前記補償装置に取り付けられ且つ少なくとも１つの前記作動アームに移動可能に取り付けられる少なくとも１つの緩衝装置を更に含み、該緩衝装置は、前記作動アームと前記補償装置との間に柔軟な止め具を含む、請求項１５に記載のアクチュエータ装置
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の参照）
この出願は、２０１０年１２月９日に出願された米国特許仮出願番号６１／４２１，５０４号及び２０１１年２月１７日に出願されたＰＣＴ出願番号ＰＣＴ／ＵＳ２０１１／２５２９２号の優先権を主張し、それらの各々の全文をここに援用する。
【０００２】
本発明は、機械的に増幅される多アーム（マルチアーム）スマート材料アクチュエータ装置に関し、当該装置は、三次元において動作するよう構成され且つ作動アームの内向き又は外向きの運動を第二段センターピースの直線運動に変換するよう構成される第二段組立体を含む。
【背景技術】
【０００３】
機械的に増幅されるスマート材料アクチュエータは、当該技術分野において知られている。しかしながら、そのようなアクチュエータは、典型的には、１つ又は２つの作動アームを利用し、よって、本質的に二次元において動作する。そのようなアクチュエータは、作動されるべき構成への作動アームの直接的な取付けを必要とするのが典型的である。結果的に、スマート材料アクチュエータと作動されるべき構成との間の取付角は、スマート材料装置の膨張の方向が作動アームの運動の方向に対して相当な角度であるのが典型的である。加えて、２つ又はより少ない作動アームを有することは、スマート材料装置の膨張力が最大で２つの機械的ウェブを通じて分配されることを必要とする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来技術の課題を解決することが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、少なくとも３つの作動アームを備えるスマート材料アクチュエータを提供し、それによって、三次元において動作を可能にすることによって、これらの制限に取り組む。本発明は、作動アームの運動を実質的にスマート材料装置の中心軸に沿う方向における実質的に直線運動に変換することを可能にするよう構成される第二段も提供する。
【０００６】
更に、本発明は、高速運転し得るスマート材料アクチュエータを提供する。従来的な機械的に増幅されるスマート材料アクチュエータの実施態様は、１つには作動アームの運動量が機械的ウェブに対して過剰な応力を置く故に、高速運転時に故障の影響を受け易い。本発明は、アクチュエータ組立体が極めて高速で運転されるときでさえも作動アームの過剰伸張を防止する緩衝装置を提供することによって、その制約に取り組む。
【０００７】
本発明に従ったアクチュエータの柔軟性は、取替可能で交換可能な部品の使用を通じて更に強化される。本発明に従ったアクチュエータの実施態様は、異なる作動アームの長さ、材料、及び角度を許容する取り付け可能な作動アームが、単一のアクチュエータ組立体と共に利用されることを可能にする。結果的に、多くの異なる構造のアクチュエータを共通の組の部品から組み立てることが可能である。
【０００８】
この出願は、米国特許仮出願６１／４２１，５０４号、６１／５５１，５３０号、６１／４５２，８５６号、及び６１／５０４，１７４号、ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０４１７２７号、ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０４１４６１号、ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／４７９３１号、及びＰＣＴ／ＵＳ２０１１／２５２９９号、米国特許出願１３／２０３，７３７号、１３／２０３，７２９号、１３／２０３，７４３号、及び１３／２０３，３４５号、並びに、米国特許６，７１７，３３２号、６，５４８，９３８号、６，７３７，７８８号、６，８３６，０５６号、６，８７９，０８７号、６，７５９，７９０号、７，１３２，７８１号、７，１２６，２５９号、６，９２４，５８６号、６，８７０，３０５号、６，９７５，０６１号、７，５６４，１７１号、及び７，３６８，８５６号の全文を参照としてここに援用する。
【０００９】
本発明の他の特徴は、本発明の装置の特定の好適実施態様を例示する添付の図面から明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】３つの作動アームと第二段とを有する本発明の装置のアクチュエータ組立体の好適実施態様を示す斜視図である。
【図２Ａ】図１に示す第二段組立体の実施態様を示す正面図であり、付着される取付表面を有する。
【図２Ｂ】図２Ａに示す第二段組立体の実施態様を示す斜視図である。
【図３Ａ】３つの作動アームを有し且つ一体的な第二段取付表面を有するアクチュエータの実施態様と共に使用するのに適した第二段組立体の実施態様を示す正面図である。
【図３Ｂ】図３Ａに示す第二段組立体の実施態様を示す斜視図である。
【図４Ａ】３つの作動アームを有し且つ実質的に半球形の凸状部材を有するアクチュエータの実施態様と共に使用するのに適した第二段組立体の実施態様を示す正面図である。
【図４Ｂ】図４Ａに示す第二段組立体の実施態様を示す斜視図である。
【図５】図１に示す好適実施態様における使用に適した予荷重ネジを有するアクチュエータ組立体の実施態様を示す分解斜視図であり、第二段組立体は取り外されている。
【図６】図１に示す好適実施態様における使用にも適した、予荷重ネジを用いずに補償装置によって予荷重を適用し得るアクチュエータ組立体の代替的な実施態様を示す分解斜視図であり、第二段組立体は取り外されている。
【図７Ａ】図５に示すアクチュエータ組立体の実施態様と共に使用するのに適した機械的ウェブ組立体の実施態様を示す斜視図である。
【図７Ｂ】図５に示すアクチュエータ組立体の実施態様と共に使用するのに適した機械的ウェブ組立体の実施態様を示す斜視図である。
【図８】８つの作動アームと実質的に半球形の凸状素子を含む第二段組立体とを有する本発明の装置のアクチュエータ組立体の好適実施態様を示す斜視図である。
【図９】約４５度の角度に向けられる４つの作動アームを有し且つ一体的な第二段取付表面を含む第二段組立体を有する本発明の装置のアクチュエータ組立体の好適実施態様を示す斜視図である。
【図１０】約１８０度の角度に向けられる４つの作動アームを有し且つ取り外し可能に取り付けられる第二段取付表面を含む第二段組立体を有する本発明の装置のアクチュエータ組立体の好適実施態様を示す斜視図である。
【図１１】約０度の角度に向けられる４つの作動アームを有し且つ取り外し可能に取り付けられる第二段取付表面を含む第二段組立体を有し且つ補償装置に固定的に取り付けられる緩衝装置を有する本発明の装置のアクチュエータ組立体の好適実施態様を示す斜視図である。
【図１２】図１１に示す実施態様に示す緩衝装置を詳細に示す斜視図である。
【図１３】約１８０度の角度に向けられる４つの作動アームを有し且つ周囲のヨークに固定的に取り付けられる緩衝装置を有する本発明の装置のアクチュエータ組立体の好適実施態様を示す斜視図であり、第二段組立体は取り外されている。
【図１４】３つの作動アームと内向きに面する第二段とを有する本発明の装置のアクチュエータ組立体の好適実施態様を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に本発明の好適実施態様を記載するが、この記載は本発明の原理の例示に過ぎず、それらに限定されるものではないことが理解されよう。何故ならば、全て本発明の範囲内にある数多くの他の変形が他者の心に直ちに思い浮かぶからである。
【００１２】
例示の実施態様において、異なる実施態様は同じ又は類似の構成部品を含むことが留意されるべきである。これは好ましい。何故ならば、それは、交換可能な部品の使用を可能にすることによって、製造コスト及び修理コストを削減させ、且つ、より広い種類のアクチュエータ組立体の組立てを可能にするからである。同じ構成部品が異なる実施態様における使用に適する場合には、同じ参照番号を使用する。例えば、非限定的に、作動アーム１３８は、１００、２００、及び４００を含む実施態様において使用し得る共通の部品として例示されている。従って、各組立体の例示において使用される共通の部品を示すよう、同じ番号を使用する。異なる実施態様における構成部品が類似の構成を有するが、必ずしも共通の部品でない場合には、プライム符号を使用する。例えば、非限定的に、作動アーム１３８，１３８’，１３８”，１３８’”の全ては、類似の構成及び機能を備える作動アームである。しかしながら、作動アーム１３８’は、作動アーム１３８と異なる角度に延びるように修正され、作動アーム１３８”は、緩衝装置の使用を可能にするよう修正され、作動アーム１３８’”は、内向きに面する第二段(second  stage)を可能にするよう修正されている。従って、明確な変形を示すよう、同一の素子番号はプライム表記と共に利用される。最後に、ここに記載する様々な実施態様における使用に適した好適な角度を記載するために、ここでは、軸が走る２つ又はそれよりも多くの地点によって定められる軸を指し示すために文字を使用し、そのような軸の間の或いはそのような軸と他の素子との間の角度を示すためにα及びβのようなギリシャ文字の表示を使用する。
【００１３】
ここでは、以下の用語は、以下の意味を有する。
【００１４】
「構成され」という用語は、適宜の大きさ、形状、構成、寸法、向き、及び配置にされることを意味する。
【００１５】
「スマート材料装置」という用語は、電位が適用されるときに膨張し或いは機械的な力が適用されるときに電気チャージを生成する材料を含む材料を含む装置を意味する。スマート材料装置は、非限定的に、一体に焼結されたセラミック圧電材料の交互の層（ＮＥＣを含む供給業者から入手可能なような所謂同時焼成多層セラミック圧電スタック）で形成される装置、又は単結晶圧電材料から切り出される材料の１つ又はそれよりも多くの層で形成される装置を含む。前記において、「圧電材料」という用語は、所謂「スマート材料」も含み、それらのスマート材料は、それらの電気特性又は機械特性を変更させるために既知の圧電材料をドーピングすることによって作り出されることがある。
【００１６】
「機械的ウェブ」という用語は、少なくとも２つの弾性部材を含み且つ作動アームへの運動を変換するよう構成される構成を意味する。運動は、弾性部材を撓ませる力を適用することによって変換される。しかしながら、弾性部材の弾性は、力の除去後、それらが実質的にそれらの元の構造に戻ることを示す。非限定的に、鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、炭素繊維、プラスチック、及び繊維ガラスを含む、弾性部材を形成するために使用し得る広範な材料がある。
【００１７】
「活性化」という用語は、「アクチュエータ」又は「スマート材料装置」と共に使用されるとき、少なくとも１つの機械的ウェブの適合部材（コンプライアント部材）を撓ませるのに十分な量においてスマート材料装置を膨張させるのに適した電位又は電流の適用を意味する。
【００１８】
ここにおける他の用語の定義及び意味は、以下の記載、図面、及び用語が使用される文脈から明らかであろう。
【００１９】
図１を今や参照すると、本発明に従った第二段を備えるアクチュエータ装置の好適実施態様が例示されている。第二段を備えるアクチュエータ装置１００は、アクチュエータ組立体１０１と、第二段組立体１５０とを含む。軸ｂが、アクチュエータ組立体１０１の中心を通じて並びに第二段取付表面１５８の中心を通じて走っている。（図５に例示し且つ以下により詳細に議論する）スマート材料装置１０２が活性化されるとき、作動アーム１３８が第２の作動アーム端部１４２に向かって移動し、軸ｂに向かって移動する。次に、第二段組立体１５０の弾性条片(resilient  strip)１５２が、第二段取付表面１５８を軸ｂと平行な方向において付勢する。（作動アーム１３８の中心を通じて走る）軸αと弾性条片１５２との間の角度αが９０度よりも大きい場合、第二段取付表面１５８は外向きに付勢される。角度αが９０度未満である場合、その運動は反対方向にある。スマート材料装置１０２がもはや活性化させられないとき、第二段取付表面１５８は、次の活性化まで、実質的に元の位置に戻る。その結果、スマート材料装置１０２の膨張と平行な方向における運動を生成する第二段を備えるスマート材料アクチュエータ装置がもたらされるが、第二段を備えるスマート材料アクチュエータ装置は、スマート材料装置１０２の実際の膨張の量よりも大きい第二段取付表面１５８のある範囲の運動をもたらすよう、（以下に更に記載する）機械的増幅を利用する。これは、従来的な圧電材料アクチュエータ又はスマート材料アクチュエータの力、速度、及び信頼性を備えるが、その運動がスマート材料装置の膨張の方向と平行であるのを可能にするより大きな程度の運動及び幾何学的構成を備える、アクチュエータをもたらす。
【００２０】
第二段組立体１５０を図２Ａ及び２Ｂに更に例示する。図１に示すような３つの作動アーム１３８に対応する３つの弾性条片１５２は、第２の作動アーム端部１４２に取り付け得る第１の弾性条片端部１５１を有する。３つよりも多くの作動アームを備える実施態様のために、作動アーム毎に１つの弾性条片があるよう、追加的な弾性条片１５２を加え得る。ボルト又はネジ（図示せず）のような機械的締結具、接着（図示せず）、溶接（図示せず）、又は弾性条片１５２を作動アーム１３８と一体化させることを含む、当該技術分野において既知の様々な手段によって取付けを達成し得る。第二段アームピン１５４は、作動アーム１３８及び第１の弾性条片端部１５１を通じて延びるのが便利であり、それによって、接続を確実にする。接続を更に促進するために、第二段取付手段１５８を使用し得る。この場合、第二段取付手段１５８は、第二段アームピン１５４が第１の弾性条片端部１５１及び第２の作動アーム端部１４２の少なくとも一部を通じて延び得るよう構成される、第２の作動アーム端部１４２内の角度付きスロットを含む。作動アーム１３８内への第二段アームピン１５４の圧力嵌めは、接続を確実にし得る。しかしながら、類似の結果を達成するために、溶接、接着、又はネジ山付き締結具（図示せず）も使用し得る。圧力嵌めが使用されるときには、鋼、ステンレス鋼、又はアルミニウムで第二段アームピン１５４を便利に形成し得る。（援用文献中に更に記載されているように）より少ない質量のアームが望ましい場合には、同じ材料又は炭素繊維又はプラスチックで作動アーム１３８を形成し得る。
【００２１】
弾性条片１５２は、バネ鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、繊維ガラス、プラスチック、又は炭素繊維のような弾性材料で形成され、作動アーム１３８を第二段取付表面１５８に動作的に接続する。第二段取付表面１５８は、弁又は隔膜のような作動されるべき装置（図示せず）を取り付け得る構成をもたらす。特定の好適実施態様では、鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、繊維ガラス、プラスチック、又は炭素繊維のような材料で第二段取付表面１５８を形成し得る。迅速な活性化及び非活性化が望ましい用途では、炭素繊維のような軽量材料が第二段取付表面１５８の質量を削減させるのに役立つ。質量が余り関心事項でない用途では、他の潜在的により安価な材料を使用し得る。様々な用途において良好に作動することが知られている１つの組み合わせは、バネ鋼で形成される鋼製の弾性条片１５２で形成される作動アーム１３８と、炭素繊維、アルミニウム、又は鋼で形成される第二段取付表面１５８とを含む。
【００２２】
例示するように、第二段取付表面１５８は、弾性条片１５２に取り外し可能に取り付けられる。例示するように、（便利に鋼又はアルミニウム製ピンであり得る）圧力嵌めブロックピン１５６が、弾性条片１５２及び第二段取付表面１５８を形成するブロックを通じ、それによって、確実な接続を形成する。必ずしも必要とされないが、第二段取付表面１５８が角度付きスロットを含むことは、確実な接続を可能にし、弾性条片１５２と作動アーム１３８との間の所望の角度関係を維持するのに役立つ。当業者によって理解されるように、非限定的に、接着、溶接、及び、他の種類の機械的締結具（図示せず）を含む、第二段取付表面１５８を取り付ける他の手段も使用し得る。
【００２３】
取付手段１５９は、第二段取付表面１５８を作動されるべき物体（例えば、非限定的に、弁棒）に動作的に接続する手段をもたらす。例示するように、取付手段１５９は、機械的接続を容易化するよう構成される孔を含む。しかしながら、第二段取付表面１５８をピン又は他の突起（図示せず）で形成すること又は接着剤（図示せず）を受け入れるよう構成される表面を提供することを非限定的に含む、多くの他の手段も使用し得る。
【００２４】
図３Ａ及び３Ｂは、同様にアクチュエータ組立体１０１と共に利用し得る第二段組立体１７０の代替的な実施態様を例示している。この実施態様において、弾性条片１７２は、第二段取付表面１７８と一体である。バネ鋼のような単一部品の材料から弾性条片１７２及び第二段取付表面１７８を打ち抜き或いは形成し、そして、弾性条片１７２を所望の角度αに予屈曲させることによって、上記を便利に達成し得る（図１を参照）。次に、第二段取付手段１７９を追加し得る。そのような実施態様において、第二段取付手段１７９は、便利に取付孔であり得る。代替的に、第二段取付手段１５９との関係で上記議論したような他の取付手段も使用し得る。例示するように、前に議論したように、弾性条片１７２を第２の作動アーム端部１４２に取り付けるために、同じ第二段アームピン１５４を使用し得る。第二段アームピン１５４を取り外し、次に、新しい第二段組立体１５０又は１７０を追加し得るので、これは取り外し可能な取付けを作り出す。これは弾性条片１５２，１７２のために使用される材料が時間の経過に亘って破断し或いは弾性を失うときに便利である。何故ならば、それは、アクチュエータ組立体１０１の交換を必要とすることなく、第二段組立体１５０，１７０の交換を可能にするからである。
【００２５】
図４Ａ及び４Ｂは、同様にアクチュエータ組立体１０１と共に利用し得る第二段組立体１８０の更なる代替的な実施態様を例示している。弾性条片１５２，１７２の代わりに、弾性凸状部材１８２が利用されている。第二段取付手段１８９を弾性凸状部材１８２の幾何学的中心に近接して形成し得る。そのような実施態様において、第二段取付手段１８９は、便利に取付孔であり得る。代替的に、第二段取付手段１５９及び１７９との関係で前に議論したような他の取付手段も使用し得る。例示するように、前に議論したように、弾性凸状部材１８２を第２の作動アーム端部１４２に取り外し可能に取り付けるために、同じ第二段アームピン１５４を再び使用して、取り外し可能な取付けを再び作り出し得る。何故ならば、第二段アームピン１５４を取り外し、次に、新しい第二段組立体１８０を追加し得るからである。弾性凸状部材は、実質的に同時の第２の作動アーム端部１４２の内向き運動が第二段取付手段１８９を外向きに移動させるような任意の適切な凸状形状であり得る。例示するように、実質的に半球の形状が１つの便利な実施態様である。様々の他の三次元の凸状形状のいずれかのように、ウェブ形状及び半ピラミッド形状も作用する。非限定的に、バネ鋼、炭素繊維、繊維ガラス、プラスチック、ステンレス鋼、及びアルミニウムを含む群から選択される材料を含む、様々な材料で弾性凸状部材１８２を形成し得る。そのような材料を撓ませるために必要とされる力の故に、極めて薄い材料から打ち抜かれない限り、鋼、アルミニウム、及びステンレス鋼のような、より剛的な材料は好ましくないが、弾性凸状部材１８２に関する運用年数要件がそのような材料の使用を好む用途では、そのような材料を十分に強力な作動組立体１０１と共に使用し得る。
【００２６】
図５及び６は、アクチュエータ組立体１０１及び１０１’の好適実施態様を例示しており、各々のアクチュエータ組立体１０１及び１０１’は、３つの作動アーム１３８を有する。図５から始めると、アクチュエータ組立体１０１は、スマート材料装置１０２と、補償装置(compensator)１１６と、機械的ウェブ１１８と、３つの作動アーム１３８とを含む。以下に議論するように、３つよりも多くの作動アーム１３８を備える実施態様も可能である。
【００２７】
図７Ａ及び７Ｂに更に例示し且つ以下により完全に議論する機械的ウェブ１１８は、第１の取付表面１２１を含み、補償装置１１６に付着するよう構成される。アクチュエータ組立体１０１が組み立てられるとき、スマート材料装置１０２は、第１の取付表面１２１と補償装置１１６との間に固定される。必要とはされないが、圧縮スペーサ１０８を補償装置１１６の外側端部とスマート材料装置１０２との間に任意的に使用し得る。
【００２８】
スマート材料装置１０２は、圧電材料又は他のスマート材料の積重ね（スタック）であってよく、或いは、単一の圧電結晶であってもよい。スマート材料装置１０２の鍵となる機能は、適切な電位の適用後、スマート材料装置１０２が形状を変えること、具体的には、スマート材料装置１０２が膨張して長さを増大させることである。使用される具体的なスマート材料及び大きさは用途に従って異なるが、NEC  Tokin（非限定的に、部品番号AE0707D43H33及びAE0505D44を含む）、EPCOS（非限定的に、部品番号LN04/8534、LN04/867、及び1LN04/8672を含む）、Ceramtec、及びKyoceraを含む製造業者からのスマート材料装置が、本発明のアクチュエータ組立体の実施態様に適している。
【００２９】
例示するように、スマート材料装置１０２は、機械的ウェブ１１８の第１の取付表面１２１と補償装置１１６との間に位置付けられる。非限定的に、ステンレス鋼、鋼、アルミニウム、セラミック、又は炭素繊維を含む、様々な材料から機械的ウェブ１１８を形成し得る。伝導性材料が使用される場合には、スマート材料装置１０２と機械的ウェブ１１８の移動可能な第１の取付表面１２１との間に電極１０４及び第１の絶縁体１０５を含むのが望ましい。電極１０４は、電極貫通部(electrode  pass  through)１２３で機械的ウェブ１１８を貫通するのが便利であり、それによって、アクチュエータ組立体１０１が組み立てられるとき、電気接続のために電極をアクセス可能にする。第２の絶縁体１０６が、チューブ又はケーシングの形態であり、少なくとも電極貫通部１２３で更なる電気絶縁をもたらすのが好ましい。スマート材料装置１０２は電位の適用に従って膨張及び収縮するので、第１の絶縁体１０５を剛性材料で形成するのが望ましい。剛性材料は、便利にセラミック材料であり得る。セラミック材料の種類は、当業者に既知である。このようにして、スマート材料装置１０２の膨張及び収縮は、機械的ウェブ１１８により十分に付与され、第１の絶縁体１０５の圧縮及び膨張に起因する損失はより少ない。第１の取付表面１２１は、スマート材料装置１０２の膨張及び収縮の後に移動し得るので、厳格な公差が電極１０４と移動可能な電極貫通部１２３との間に使用される場合には、第２の絶縁体１０６がTeflonのような低摩擦材料を含むのも好ましく、それは第１の取付表面１２１が移動するときの摩擦及び熱を低減させながら、殆どの場合には補償装置１１６を通じて、場合によっては作動アーム１３８を通じて、機械的ウェブ１１８が接地に接続される場合の短絡を避けるための電気絶縁を依然としてもたらす。
【００３０】
このようにして、電極１０４は、スマート材料装置１０２に正の電気接続をもたらし、対応する負の電気接続は、アクチュエータ組立体１０１の本体を通じてもたらされ得る。当業者は、前述の記載が正及び負の電極の１つの可能な構成に過ぎないこと、並びに、スマート材料装置１０２上の端子の場所及び補償装置１１６を通じて或いは機械的ウェブ１１８を通じて走るスマート材料装置１０２上の側方端子（図示せず）間の有線接続（図示せず）に依存して、多くの他の構成が可能であることを理解するであろう。
【００３１】
上述したように、スマート材料装置１０２は、可能であれば補償装置１１６とスマート材料装置１０２との間に圧縮スペーサ１０８を備えた状態で、第１の取付表面１２１と補償装置１１６との間に固定される。スマート材料装置１０２は対向する実質的に平行な表面の間に固定されるのが望ましい。何故ならば、そのような構成は、スマート材料装置１０２の上に有意な角度的な力を生成せずに、スマート材料装置１０２が圧縮されるのを可能にするからである。スマート材料装置１０２の角移動を防止することは、スマート材料装置１０２の運転寿命を増大させるのに役立つ。何故ならば、捩り力又は角度的な力は、スマート材料装置１０２内に破損を引き起こし得るからである。加えて、スマート材料装置１０２を予圧し或いは「予荷重」することは、スマート材料装置１０２、ひいては、アクチュエータ装置１０１の効率を向上させるのに役立つことも分かった。図５に例示するように、そのような予荷重をもたらす１つの手段は、圧縮スペーサ１０８と係合する予荷重ネジ１１４を通じてである。予荷重ネジ１１４の締付けることは予荷重を増大させるのに対し、予荷重ネジ１１４を緩めることは予荷重を減少させる。セラミック又は鋼のような実質的に剛的な材料で適切に形成される圧縮スペーサ１０８は、予荷重ネジ１１４からの力を分配させるのを助け、捩り力がスマート材料装置１０２に適用されるのを防止するのも助ける。
【００３２】
スマート材料装置１０２を予荷重する代替的な手段を図６に例示する。図６において、アクチュエータ組立体１０１’は、補償装置１１６を利用するが、予荷重ネジを利用しない。その代わり、補償装置１１６’は、機械的ウェブ組立体ネジ山１２４と係合するように構成される。よって、補償装置１１６’を機械的ウェブ１１８の上に締め付けることは、スマート材料装置１０２の所望の圧縮をもたらす。当業者は、補償装置１１６’を機械的ウェブ１１８に取り付ける他の手段も使用し得ること（それらの一部は援用文献中に記載されている）、並びに、一部のそのような構成が、予荷重ネジを使用せずに、スマート材料装置１０２の予荷重も可能にすることを理解するであろう。
【００３３】
補償装置ネジ山１１７及び機械的ウェブ組立体ネジ山１２４が利用される場合、補償装置１１６（又は１１６’）は、回転運動又は捩り運動で取り付けられる。スマート材料装置１０２が適切に整列し且つ捩れないのが望ましいので、そのような構成中に、スマート材料装置１０２を捩ることなしに、補償装置１１６、１１６’が回転し且つスマート材料装置１０２を圧縮するのを可能にするよう構成される少なくとも１つの圧縮スペーサ、任意的に、２つの圧縮スペーサ１０８’，１０９を含むのが望ましい。低摩擦係数を備える材料で圧縮スペーサ１０８’，１０９を形成することによって、スマート材料装置１０２が同時に捩れることを必要とせずに、一方が他方に対して回転し得る。加えて、そのような実施態様において、機械的ウェブ１１８の第１の取付表面１２１は、スマート材料装置１０２が組立体の上で捩れるのを防止する手段を含み得る。捩れを防止するための１つのそのような手段は、注封材料(potting  material)１１０内に組み込まれる固定ピン１１１を受け入れるよう構成される第２の取付表面１２１にある固定ピン受け１２２の形態の圧痕を含む。注封材料１１０はスマート材料装置１０２を緊密にカプセル化するのが好ましいので、注封材料１１０の回転を防止することは、ひいては、スマート材料装置１０２の回転を防止するように作用する。非限定的に、接着剤（図示せず）、正方形又は長方形の実施態様のスマート材料装置１０２を受け入れるよう構成される第１の取付表面１２１上の圧痕（図示せず）を形成すること、注封材料１１０の圧痕（図示せず）によって受け入れられるよう構成される第１の取付表面１２１上の突起（図示せず）を形成すること、及び、スマート材料装置１０２の上の１つ又はそれよりも多くの表面と係合し、それによって、回転に抗するよう構成される第１の取付表面１２１上の表面（図示せず）を形成することを含む、スマート材料装置１０２の回転を防止する他の手段も使用し得る。この記載を考慮すれば、回転を防止する他の適切な手段が当業者に明らかであろう。
【００３４】
このようにして、アクチュエータ組立体１０１’が組み立てられるとき、スマート材料装置１０２が第１の取付表面１２１と補償装置１１６，１１６’との間で圧縮されるように、スマート材料装置１０２、補償装置１１６、補償装置ネジ山１１７、機械的ウェブ組立体ネジ山１２４、圧縮スペーサ１０８（アクチュエータ組立体１０１’の場合には、圧縮スペーサ１０８’，１０９）、及び第１の取付表面１２１を構成し得る。
【００３５】
特定の環境では、スマート材料装置１０２が環境汚染物から保護されることが望ましい。実質的にキャニスタの形態であるのが好ましい補償装置１１６，１１６’内に収容される注封材料１１０を含めることによって、上記を達成し得るのが好ましい。その幾つかの実施例が当業者に知られている注封材料１１０は、補償装置１１６，１１６’とスマート材料装置１０２との間の空間を実質的に充填するのが好ましい。Ｏリング１１２，１１３が、補償装置１１６，１１６’内に注封材料１１０を位置付けるのを助けるために作用し得る。特定の実施態様において、Ｏリング１１３は、補償装置１１６，１１６’と機械的ウェブ１１８との間の気密シール（気密封止）を形成するのも助け得る。このようにして、組立後、スマート材料装置１０２が実質的にシール（封止）され、且つ、外部の湿気、水分、及び汚染物から実質的に守られるように、補償装置１１６，１１６’、機械的ウェブ１１８、及び注封材料１１０を構成し得る。以下で更に議論するように、機械的ウェブ１１８は、第１の弾性部材１２６と第２の弾性部材１２８との間に間隙を含むことが留意されよう。改良された保護のために、注封材料１１０は、そのような間隙を覆うよう構成されるのが好ましい。
【００３６】
図７Ａ及び７Ｂに示すように、機械的ウェブ１１８は、機械的ウェブ組立体ネジ山１２４を通じて補償装置１１６，１１６’に取り付けられる第１の弾性部材１２６と、移動可能な支持部材１２０に取り付けられる第２の弾性部材１２８とを含み、移動可能な支持部材１２０は、第１の取付表面１２１を含む。機械的ウェブ１１８は、移動可能な支持部材１２０の移動後に撓むよう構成される。非限定的に、バネ鋼、鋼、チタン、ステンレス鋼、アルミニウム、又は炭素繊維を含む、様々な弾性材料で機械的ウェブ１１８を便利に形成し得る。第１の弾性部材１２６及び第２の弾性部材１２８の厚さ及び長さは、アクチュエータ組立体１０１が適合される用途に依存して異なる。例えば、より大きいストローク長（作動アーム１３８はより大きい距離だけ移動することが要求されることを意味する）が必要とされる場合、より薄く、より長い弾性部材１２６，１２８が好ましい。何故ならば、より薄く、より長い弾性部材１２６，１２８は、作動アーム１２８のより高い全体的な運動をもたらすからである。より少ないストローク長が必要とされるが、より大きな力が望ましい場合には、より短い弾性部材１２６，１２８を使用し得る。
【００３７】
エネルギがスマート材料装置１０２に移転され且つスマート材料装置１０２から移転されるのは、第１の弾性部材１２６及び第２の弾性部材１２８の撓み(flexing)を通じてである。具体的には、電位の適用は、好ましくは実質的に角移動を伴わずに、スマート材料装置１０２を膨張させる。その膨張は、それによって、移動可能な支持部材１２０を第１の取付表面補償装置１１６，１１６’から離れる方向に推進させ、第１の弾性部材１２６及び第２の弾性部材１２８を撓ませる。撓みが起こるのは、スマート材料装置１０２が膨張するときに、第１の弾性部材１２６が補償装置１１６，１１６’に取り付けられ、第１の弾性部材１２６と第２の弾性部材１２８との間の間隙が、移動可能な支持部材１２０の移動を可能にするからである。その結果としての弾性部材１２６，１２８の撓みは、作動アーム１３８を移動させ、具体的には、第２の作動アーム端部１４２をスマート材料装置１０２の膨張よりも大きい距離に亘って移動させる。このようにして、機械的ウェブ１１８及び作動アーム１３８は、機械的増幅器として作用し、スマート材料装置１０２の比較的適度な膨張を、第２の作動アーム端部１４２で、より大きな程度の運動に変換する。
【００３８】
殆どの用途では、作動アーム１３８の各々が実質的に同じ長さであること、並びに、移動可能な支持部材１２０の周りの対応する組の第１の弾性部材１２６及び第２の弾性部材１２８の間隔が実質的に均等であることが好ましい。このようにして、作動アーム１３８は、実質的に円筒形構造において、スマート材料装置１０２について均等に且つ径方向に離間し、機械的ウェブ１１８は、実質的に弾性部材１２６，１２８の撓みの後、第２の作動アーム端部１４２がスマート材料装置１０２に向かって移動するように構成される。円筒形構造という用語は、ここでは、以下に更に議論するように、作動アーム１３８がスマート材料装置１０２と平行である円筒形構造及び作動アーム１３８がスマート材料装置１０２に対してある角度にある円錐形構造の両方を含むことを意図する。一貫して長さであり且つ移動可能な支持部材１２０の周りに実質的に均一に離間する作動アーム１３８を採用することによって、スマート材料装置１０２の運用年数を向上し得る。何故ならば、各作動アーム１３８及びその対応する組の第１の弾性部材１２６及び第２の弾性部材１２８は、均一に移動するのが典型的であり、それによって、スマート材料装置１０２の捩れ(twisting)又は偏向(deflecting)の可能性を低減させるからであり、１つの作動アーム１３８が他の作動アーム１３８と比べて実質的に異なるレベルの応力に晒されるならば、それが起こる可能性はより大きい。
【００３９】
作動アーム１３８は、第１の作動アーム端部１４０で機械的ウェブ１１８に取り付けられるのが好ましい。この記載を考慮すれば、あらゆる多様な取付手段が当業者に明らかであり、それらは、非限定的に、圧力嵌め、溶接、接着剤若しくはエポキシの使用、又は作動アーム１３８を機械的ウェブ１１８と一体に形成することを含む。作動アーム１３８を機械的ウェブ１１８に取り外し可能に取り付ける１つの便利な手段が図面中に例示され、作動アーム１３８を通じてネジ山付き受口１３２に至る機械的締結具１３６の使用を含む。取り外し可能に取り付けられる作動アーム１３８の利点は、それが機械的ウェブ１１８と異なる長さ及び材料の作動アーム１３８の使用を可能にし、それによって、所与のアクチュエータ組立体１０１，１０１’を異なる使用に適合させるのをより容易にすることである。作動アーム１３８のために様々な材料を利用し得るが、炭素繊維、ステンレス鋼、鋼、アルミニウム、セラミック、及び剛性プラスチックは、用途に依存して、全て適切な選択肢であり得る。高強度で軽量の作動アーム１３８が必要とされるときには、炭素繊維が特に適することが分かった。高速のアクチュエータが必要とされるときには、軽量の作動アーム１３８が特に望ましい。何故ならば、作動アーム１３８の重量を下げることは、アクチュエータ組立体１０１，１０１’の共振周波数を増大させる傾向を有するからである。
【００４０】
図１、５、及び６に例示する実施態様は、３つの取り外し可能に取り付けられる作動アーム１３８を有する。しかしながら、本発明は３つの作動アームの実施態様に限定されない。本発明のアクチュエータの代替的な実施態様は、３つ又はそれよりも多くの作動アーム及び異なる構造の作動アームを含み得る。図８は、１つのそのような実施態様を例示しており、そこでは、第二段を備えるアクチュエータ装置２００は、８つの作動アーム１３８と、弾性凸状部材１８２’を有する２つのステージ組立体１８０とを有する、アクチュエータ組立体２０１を含む。前述のように、作動アームピン１５４を通じて第二段組立体１８０を作動アーム１３８に取り外し可能に取り付け得る。例示するように、アクチュエータ組立体２０１は、８組の第１の弾性部材１２６’及び第２の弾性部材１２８’を有する機械的ウェブ１１８’を有し、それらの各々は作動アーム１３８に接続され、それはアーム締結具１３６（ネジ山付き締結具の場合には、鋼であるのが好ましい）を用いて適切に達成され得る。第二段を備えるアクチュエータ装置２００が活性化されると、作動アーム１３８は内向きに移動し、それによって、弾性凸状部材１８２’の中心地点を外向きに移動させる。より多くの数の作動アーム１３８を弾性凸状部材１８２’の周りに分配させることは、力を弾性凸状部材１８２’の周囲の周りにより均一に分配するのを助け、それは弾性凸状部材１８２’の中心でより大きな力が必要とされるときに望ましくあり得る。何故ならば、それは弾性凸状部材１８２の形状の変形に抗するのに役立つからである。
【００４１】
図９は、約４５度の角度βで延びる４つの作動アーム１３８’を有する、第二段を備えるアクチュエータ装置３００の実施態様を例示している。第二段組立体１７０’は、単一部品の材料で形成される。単一部品の材料は、第二段取付表面１７８’が第二段組立体１７０’と一体であり且つ第２の作動アーム端部１４２’に動作的に接続されるよう、便利に炭素繊維又はバネ鋼であり得る。
【００４２】
第１の作動アーム端部１４０’は、それらが機械的ウェブ１１８’に取り付けられる場所で角度付けられる。各作動アーム１３８’のために、軸ａが、例示のように、実質的に作動アーム１３８’の中心を通じて、第１の作動アーム端部１４０’及び第２の作動アーム端部１４２’を通じて延びる。各第１の作動アーム端部１４０’は、中心軸ｂと各アーム軸ａとの間の角度βが約４５度であるように角度付けられる。第二段組立体１７０′が補償装置１１６に近接する場合、角度βは、０度（その場合、作動アーム１３８’は中心軸ｂと実質的に平行である）から９０度（その場合、作動アーム１３８’は中心軸ｂに対してほぼ垂直である）に亘る。このようにして、角度β及び（アーム軸と弾性条片１７２’との間に延びる）対応する角度αを変えることによって、第二段を備えるアクチュエータ装置３００によって適用される力及びストローク長を変更することが可能である。０度の角度β又は少なくとも４５度と殆ど９０度との間の角度βが、共通の用途のために便利であることが分かったが、０度〜９０度の間の如何なる角度をも使用し得る。各々のそのような実施態様において、第二段取付表面１７８’は、実質的にアクチュエータ組立体１０１の活性化の後に外向きに移動し、実質的にアクチュエータ組立体１０１の非活性化の後に内向きに移動する。
【００４３】
図１０に例示するように、反対方向に作動するようにも本発明の実施態様を構成し得る。図１０は、約１８０度の角度βで延びる４つの作動アーム１３８を有する、第二段を備えるアクチュエータ装置の実施態様を例示している。第二段組立体１５０’は、（バネ鋼、炭素繊維、及び前記議論した他の材料で便利に構成し得る）弾性条片１５２’と、（同様に、鋼、アルミニウム、炭素繊維、及び前記議論した他の材料で便利に構成し得る）取り外し可能に取り付け可能な第二段取付表面１５８’とで構成される。
【００４４】
前述のように、各作動アーム１３８のために、軸ａが、例示のように、実質的に作動アーム１３８の中心を通じて、第１の作動アーム端部１４０及び第２の作動アーム端部１４２を通じて延びる。例示のように、この実施態様において、第１の作動アーム端部１４０は、中心軸ｂと各アーム軸ａとの間の角度βが約１８０度であるように、実質的に正方形である。そのような実施態様において、第二段組立体１５０’は、補償装置１１６と反対方向に延びる。実質的にアクチュエータ組立体１０１の活性化の後、機械的ウェブ１１８”の各第１の弾性部材１２６″及び第２の弾性部材１２８″は撓み、それによって、４つの均一に離間した作動アーム１３８の各々の第２の作動アーム端部１４２を互いに並びに中心軸ｂから離れる方向に移動させる。この運動は、ひいては、第二段取付表面１５８’を補償装置１１６に向かって戻す。実質的にアクチュエータ組立体１０１の非活性化の後、第１のコンプライアント部材１２６”及び第２のコンプライアント部材１２８”は、それらの元の位置に戻り、それによって、第二段取付表面１５８’を元の位置に戻させる。
【００４５】
例示していないが、異なる角度付き第１の作動アーム端部１４０’を備える（図９に示す）異なる実施態様の作動アーム１３８’を利用することによって、９０度よりも僅かに大きい角度と１８０度未満の角度との間の角度βをどのように達成し得るかは直ちに明らかである。そのような実施態様では、１８０度の角度βと同様に、少なくとも９０度と最大で１３５度との間の角度βが、共通の用途のために適切であることが分かった。
【００４６】
交換可能な部品で形成される本発明の実施態様の柔軟性は、ここまで記載した実施態様において明らかである。第二段を備えるアクチュエータ装置１００，２００，３００，４００の各々は、アクチュエータ組立体１０１又はアクチュエータ組立体１０１’を使用し得る。（３つの作動アームを受け入れるよう構成される）機械的ウェブ組立体１１８、（８つの作動アームを受け入れるよう構成される）機械的ウェブ組立体１１８’、（４つの作動アームを受け入れるよう構成される）機械的ウェブ組立体１１８”を変更することによって、同じアクチュエータ組立体１０１又は１０１’を異なる数の作動アームを有するアクチュエータ装置と共に再使用し得る。同様に、異なる数の作動アームを有する実施態様においても、並びに、適切な向きにおいて作動アームを取り付けることによって０度又は１８０度の角度βを有する実施態様においても、作動アーム１３８を再使用し得る。異なる角度βが望ましいときには、角度付き第１の作動アーム端部１４０’を有する作動アーム１３８’を置換し得る。その場合には、異なる実施態様の第二段組立体１５０，１７０，１８０を取り付け得る。このようにして、共通の組の部品から広い数のアクチュエータ装置を構成し得る。
【００４７】
第二段組立体１７０’が補償装置１１６に近接する場合、角度βは便利に０度（その場合、作動アーム１３８’は中心軸ｂと実質的に平行である）〜９０度（その場合、作動アーム１３８’は、中心軸ｂに対して略垂直である）に亘り得る。このようにして、角度β及び（アーム軸ａと弾性条片１７２’との間に延びる）対応する角度αを変更することによって、第二段を備えるアクチュエータ装置３００によって適用される力及びストローク長を変更することが可能である。０度の又は少なくとも４５度〜最大で９０度の間の角度βが共通の用途のために便利であることが分かったが、０度〜最大で僅かに９０度未満の如何なる角度をも使用し得る。各々のそのような実施態様において、第二段取付表面１７８’は、実質的にアクチュエータ組立体１０１の活性化の後に外向きに移動し、実質的にアクチュエータ組立体１０１の非活性化の後に内向きに移動する。
【００４８】
援用文献中で更に議論されているように、アクチュエータが高速で運転されるとき、運動量及び共振効果が過剰なアーム動作を引き起こして、アクチュエータ装置に損傷をもたらし得る。図１１は、過剰なアーム動作及びその付随的な結果の実質的な危険性を伴わずに高速で運転されるよう構成される第二段を備えるアクチュエータ装置５００の実施態様を例示している。アクチュエータ装置１０１″は、補償装置１１６”の例外の除き、前述のアクチュエータ装置１０１に実質的に類似している。補償装置１１６”は、作動アーム１３８”毎に１つの緩衝装置(dampener)１９０を受け入れるよう構成される。作動アーム１３８”は、補償装置１１６″への接続の前に、緩衝装置１９０が作動アーム１３８”を通じるように同様に構成される。
【００４９】
緩衝装置１９０の構成を図１２に更に詳細に示す。便利に鋼又はステンレス鋼の機械ネジであり得る緩衝装置締結具１９２が、作動アーム１３８”を通じて、補償装置１１６”のネジ山付き孔（図示せず）内に受け入れられる。便利にゴムのような柔軟材料で形成される適切な大きさのＯリング又はワッシャであり得る第１の柔軟止め具(first  pliable  stop)１９４が、作動アーム１３８”と緩衝装置締結具１９２の頭部との間で、緩衝装置締結具１９２の上に位置付けられる。同様にゴムのような柔軟材料で形成される適切な大きさのＯリング又はワッシャであり得る第２の柔軟止め具(second  pliable  stop)１９６が、作動アーム１３８”の他の側で、緩衝装置締結具１９２の上に位置付けられる。運転中に緩衝装置１９０を固定するために、３つのナットが利用される。最も低いナット１９８が補償装置１１６”に対して締め付けられ、運転中の緩衝装置締結具１９２の緩みに抗する働きをし得る。２つの上方のナット１９８は互いに締め付けられ、第２の柔軟止め具１９６を所定の場所に支持する働きをする。その場所を選択し得る。作動アーム１３８”がその最大の意図される動作限界まで移動し、作動アーム１３８はその地点で第２の柔軟止め具１９６と接触し、（ナット１９８によって支持される）第２の柔軟止め具１９６は、アクチュエータ装置１０１”が高速で運転されるときに、有害な或いは望ましくない過剰伸張に抗する。同様に、第１の柔軟止め具１９４は、反対方向における過剰伸張に抗する。２つの上方ナット１９８を互いに締付けることによって、第２の柔軟止め具１９６を所定位置に固定し、高速運転中の第２の柔軟止め具１９６の動作又は「クリーピング」(“creeping”)に抗する。第１の柔軟止め具１９４及び第２の柔軟止め具１９６のためにゴムのような柔軟な（曲げやすい）材料を利用することは望ましい。何故ならば、そのような材料は、作動アーム１３８”の衝撃を和らげ、リンギング(ringing)に抗するからである。このようにして、例えば、機械的ウェブ１１８”にそれらの降伏点を超えさせることによって故障を引き起こし得る、作動アーム１３８”の過剰伸張を引き起こす恐れを伴わずに、第二段５００を備えるアクチュエータ装置を高速で運転し得る。ネジ山付き緩衝装置締結具１９２の上に２つのナット１９８を利用することは好ましい。何故ならば、それは第２の柔軟止め具１９６の位置が調節されるのを可能にし、それによって、異なるストローク長を有するアクチュエータ組立体において同じ緩衝装置１９０が利用されることを可能にするからである。しかしながら、前述の記載に鑑みて、緩衝装置１９０のための他の便利な設計が当業者に明らかであり、それらの他の便利な設計は、非限定的に、緩衝装置締結具１９２のためにネジ山付きロッド（図示せず）又はネジ山なしポストを利用すること、緩衝装置締結具１９２を補償装置１１６″に溶接すること、及び第２の柔軟止め具１９６を位置付ける異なる機械的手段を使用することを含むことが理解されよう。補償装置１１６”を、柔軟パッド(pliable  pad)（図示せず）を各作動アーム１３８”の下に直接的に取り付け得るような大きさとし、第２の柔軟止め具１９６を置換することも可能であるのに対し、同様に適切に位置付けられる柔軟パッド（図示せず）を有する、作動アーム１３８”の外側の周りに位置付けられるリング（図示せず）が、第１の柔軟止め具１９４を置換し得る。
【００５０】
図１１を参照すると、緩衝装置１９０が利用されるときには、ナット１９８及び第２の柔軟止め具１９６のための空間を許容しながら、第２の柔軟止め具１９６の位置におけるある程度の調節性を維持するために、作動アーム１３８”と補償装置１１６”との間の間隔を増大させることが望ましくあり得ることが分かる。作動アーム１３８”を上昇させるよう構成される機械的ウェブ（図示せず）を利用することによって、上記を達成し得る。しかしながら、実現可能ではあるが、そのような設計は、異なる空間に順応する様々な構造のそのような機械的ウェブの製造を必要とする。作動アーム拡張ブロック１４１を利用することによって、より大きな柔軟性及びより低い全体的な製造コストを達成し得る。作動アーム拡張ブロック１４１を鋼、ステンレス鋼、アルミニウム、又は任意の他の適切な剛性材料で形成し得る。作動アーム拡張ブロック１４１は、スペーサとして作用する。その場合には、作動アーム拡張ブロック１４１を通じて穿孔される孔（図示せず）を通じて作動アーム１３８”を機械的ウェブ１１８”に固定するために、より長い作動アーム締結具１３６”を使用し得る。よって、それらの単純性の故に、各作動アーム拡張ブロック１４１が同じ機械的ウェブ１１８”及び作動アーム１３８”と共に組み立てられるよう構成される、様々な大きさの作動アーム拡張ブロック１４１を提供するのが便利であり得る。
【００５１】
図１３は、作動アーム１３８”が補償装置１１６から離れる方向に延びる実施態様において利用されるよう構成される緩衝装置１９０’の代替的な実施態様を例示している。そのような実施態様において、便利にヨーク又は円筒形外側ケーシングであり得る外側フレーム１９９が、作動アーム１３８”を取り囲み、作動アーム１３８”の所定のストローク長に緩衝装置１９０’の構成部品のための追加的な空間を加えた十分な空間を残す。そのような実施態様において、緩衝装置１９０’は、前述した緩衝装置１９０と実質的に類似の方法で作動する。便利に鋼又はステンレス鋼の機械ネジであり得る緩衝装置締結具１９２’は、外側フレーム１９９と作動アーム１３８”の孔（図示せず）を通じて延びる。第１のナット１９８が、外側フレーム１９９を締め付けることによって、緩衝装置締結具１９２’を固定する。その場合には、２つの追加的なナット１９８が、第１の柔軟止め具１９４を位置決めするように働く。再び、共に締め付けることで、ナット１９８は、運転中にクリーピングを防止する働きをする。同様に、最も低い２つのナット１９８も、共に締め付けられることで、第２の柔軟留め具１９６を確実に位置決めするように働く。このようにして、アクチュエータ組立体６００を共振又は共振付近で高速に作動可能であり、過剰伸張に起因する損傷の危険性は一層低減される。第二段組立体は図１３に例示されていないが、第二段組立体１５０を非限定的に含む、前述の第二段組立体の何れをも使用し得る。
【００５２】
図１、９、及び１０を再び参照すると、第二段取り付け表面１５８，１５８’，１７８’の位置及び作動アーム１３８，１３８’と弾性条片１５２，１５２’，１７２’との間の角度αは、中心軸ｂと作動アーム１３８，１３８’との間の角度β及び弾性条片１５２，１５２’，１７２’の長さによって規定されるのが留意されるべきである。角度αは、９０度よりも僅かに大きい角度から１８０度よりも僅かに小さい角度まで従来的に延び得るが、多くの用途において１２０度〜１６０度の角度も利用し得る。角度αが小さければ小さいほど、第二段取り付け表面１５８，１５８’，１７８’の動作の程度がより大きいことが留意されるべきである。同時に、角度αが大きければ大きいほど、動作の程度はより少ないが、加えられる力はより大きい。よって、最終的な作動距離及び第二段取り付け表面１５８，１５８’，１７８’によって適用される力は、作動アーム１３８，１３８’のストローク長と角度α及びβとに依存する。作動アーム１３８，１３８のストローク長を調節する方法は、援用文献中に記載されている。弾性条片１５２，１５２’，１７２’の長さを調節することによって、並びに、作動アーム１３８″の角度を調節することによって、角度α及びβの調節を達成し得る。（図１１に例示する）異なる大きさの作動アーム取付ブロック１４１は、第二段取り付け表面１５８，１５８’，１７８’の最終的な場所の再位置決めを伴わずに、弾性条片１５２，１５２’，１７２’の長さを調節する更なる手段をもたらす。
【００５３】
本発明に従った第二段組立体を備えるスマート材料駆動作動装置１００，２００，３００，４００，５００，７００が、中心軸ｂに沿う力を行使し得る効率的で可撓なアクチュエータをもたらすことが、前述の記載から理解されよう。スマート材料装置の使用及び緩衝装置の可能な使用は、共振周波数においてさえも高速で確実に動作させ得る確実で効率的なアクチュエータ装置をもたらす。異なる実施態様における共通の部品及び組立体の再使用は、比較的少数の共通の構成部品から様々な構造の組立体を可能にし、よって、過剰な製造コストを伴わずに、柔軟性を最大限化する。要するに、前述の記載を考慮すれば、スマート材料装置１０２と、補償装置１１６と、移動可能な支持部材１２０と、少なくとも３つの機械的ウェブ（ここで、機械的ウェブ１１８は、第１の弾性部材１２６及び第２の弾性部材１２８の組を含む）、少なくとも３つの作動アーム１３８，１３８’，１３８”，１３８”’と、第二段組立体１５０，１７０，１８０とを含むアクチュエータ装置として、本発明を要約し得る。機械的ウェブ１１８，１１８’，１１８”は、補償装置１１６，１１６’に取り付けられる第１の弾性部材１２６，１２６’，１２６”と、移動可能な支持部材１２０に取り付けられる第２の弾性部材１２８，１２８’，１２８”とを含む。移動可能な支持部材１２０は、（好ましくは実質的に中心化される）第１の取付表面を含み、（第１の弾性部材１２６と第２の弾性部材１２８の組を含む）機械的ウェブ１１８は、移動可能な支持部材１２０の周りで（好ましくは均等に）離間される。スマート材料装置１０２は、第１の取付表面１２１と補償装置１１６との間に固定される。作動アーム１３８，１３８’，１３８”，１３８”’は、１つの前記機械的ウェブ１１８に取り付けられる第１の作動アーム端部１４０，１４０’，１４０”と、第二段組立体１５０，１７０，１８０に取り付けられる対向する第２の作動アーム端部１４２，１４２’，１４２”，１４２”’とを含む。第二段組立体１５０の好適実施態様は、弾性条片１５２を含み、弾性条件１５２は、第２の作動アーム端部１４２，１４２’，１４２”，１４２”’に取り付けられる第１の弾性条片端部１５１と、第二段取付表面１５９に取り付けられる第２の弾性条片端部１５２とを有する。その圧電特性の故に、電位の適用は、スマート材料装置１０２を膨張させ、それによって、移動可能な支持部材１２０を補償装置１１６から離れる方向に推進させ、第１の弾性部材１２６及び第２の弾性部材１２８を撓ませ、それによって、作動アーム１３８，１３８’，１３８”，１３８”’を移動させ、スマート材料装置１０２と実質的に平行な方向において弾性条片１５２に第二段取付表面１５８を推進させる。
【００５４】
既に議論したように、異なる実施態様の第二段組立体が可能である。弾性条片１７２が第二段取付表面１７８と一体である実施態様は、機能的であり、製造が安価である。第二段取付表面１５８が弾性条片１５２に取り外し可能に取り付けられる実施態様は、異なる用途のために異なる取付表面１５８を構成し得るので、追加的な柔軟性をもたらす。バネ鋼、炭素繊維、繊維ガラス、プラスチック、ステンレス鋼、及びアルミニウムで構成される群から選択される材料を含む、様々な材料で弾性条片１５２，１７２を形成し得る。同様に、炭素繊維、バネ鋼、繊維ガラス、プラスチック、ステンレス鋼、及びアルミニウムで構成される群から選択される材料で第二段取付表面１５８を形成し得る。
【００５５】
好適実施態様において、作動アーム１３８，１３８’，１３８”，１３８”’の各々は、実質的に同じ長さである。各２つの隣接する弾性部材１２６，１２８の間の距離が実質的に同一であるよう、弾性部材１２６，１２８の組の間隔は、実質的に均一である。同様に、作動アーム１３８，１３８’，１３８”，１３８”’は、スマート材料装置１０２について径方向に離間し、機械的ウェブ１１８は、実質的に弾性部材１２６，１２８の撓みの後、第２の作動アーム端部１４２，１４２’，１４２”が補償装置１１６，１１６’の中心においてスマート材料装置１０２に向かって移動するように構成される。
【００５６】
作動アーム１３８，１３８’，１３８”，１３８”’の角度βは、異なる用途への一層更なる順応性を可能にする。第１の取付表面１２１の中心を通じて延びるスマート材料装置１０２の中心を通じる中心軸ｂと、各作動アーム１３８，１３８’，１３８”，１３８”’のために、作動アームの第１の作動アーム端部１４０，１４０’，１４０”と第２の作動アームの第２の作動アーム端部１４２，１４２’，１４２”，１４２”’を通じて延びる作動アーム軸ａとを考慮のこと。作動アーム１３８，１３８’，１３８”，１３８”’が補償装置１１６，１１６’から離れる方向に延びる特定の好適実施態様において、中心軸ｂと各作動アーム軸ａとの間の角度βは、（中心軸ｂ及び各作動アーム軸ａが実質的に平行であることを意味する）１８０度であり、或いは、少なくとも９０度及び最大で１３５度である。少なくとも１３５度及び１８０度以下の角度βも可能である。
【００５７】
作動アーム１３８，１３８’，１３８”，１３８”’が補償装置１１６，１１６’に向かって延びる他の好適実施態様にでは、（中心軸ｂ及び各作動軸ａが実質的に平行であることを意味する）０度と、少なくとも４５度及び最大で９０度の角度βとが適切である。多くの実施態様では、５０度以下の角度βも便利である。
【００５８】
作動アーム１３８，１３８’，１３８”，１３８”’が機械的ウェブ１１８，１１８’，１１８”と一体である実施態様が可能であり、それらは限定的な数のアクチュエータ構造の大量生産が必要とされる場合には好適であり得るが、作動アーム１３８，１３８’，１３８”，１３８”’が機械的ウェブ１１８，１１８’，１１８”に取り外し可能に取り付けられる実施態様は、特定の利点を有し、それらの利点は、少なくとも１つの作動アーム１３８，１３８’，１３８”，１３８”’とは異なる材料で形成される（第１の弾性部材１２６と第２の弾性部材１２８とを含む）少なくとも１つの機械的ウェブを有することを可能にすることを含み得る。これは異なる質量及び長さの作動アーム１３８，１３８’，１３８”，１３８”’を使用することを可能にし、援用文献中で議論されているように、それは共振周波数を同調させるのを助け得る。
【００５９】
反復的な高速運転が可能性である場合には、補償装置１１６’に取り付けられ且つ少なくとも１つの作動アーム１３８”に移動可能に取り付けられる少なくとも１つの緩衝装置１９０を追加し、緩衝装置締結具１９０は、少なくとも１つの前記作動アーム１３８”と補償装置１１６’との間に柔軟な（曲がり易い）留め具１９６を含む。代替的に、外側フレーム１９９に固定的に取り付けられ且つ少なくとも１つの作動アーム１３８”に移動可能に取り付けられる緩衝装置１９０’も作用する。いずれの場合においても、作動アーム１３８”と外側フレーム１９９との間に或いは補償装置１１６，１６６’に隣接して柔軟留め具１９６を含む緩衝装置１９０’，１９０は、高速運転中に機械的ウェブ１１８，１１８’，１１８”の過剰伸張を防止する働きをし得る。
【００６０】
代替的に、第２の作動アーム端部１４２，１４２’，１４２”，１４２”’に取り付けられる弾性凸状部材１８２を含む第二段組立体１８０も使用し得る。そのような実施態様において、電位の適用は、スマート材料装置１０２を膨張させ、それによって、移動可能な支持部材１２０を補償装置１１６，１１６’から離れる方向に推進させ、第１の弾性部材１２６及び第２の弾性部材１２８の組を撓ませ、それによって、作動アーム１３８，１３８’，１３８”，１３８”’を移動させ、且つ、弾性凸状部材１８２の中心地点をスマート材料装置１０２と実質的に平行な方向において移動させる。議論した他の実施態様の第二段組立体と全く同じように、弾性凸状部材１８２を第２の作動アーム端部に取り外し可能に取り付け可能であり、それによって、取替え及び交換性を可能にしている。弾性凸状部材１８２を、バネ鋼、炭素繊維、繊維ガラス、プラスチック、ステンレス鋼、及びアルミニウムで構成される群から選択される材料で便利に形成し得る。弾性凸状部材１８２は、実質的に半球形であるのが便利である。そのような実施態様では、補償装置１１６’に取り付けられ且つ少なくとも１つの作動アーム１３８”に移動可能に取り付けられる少なくとも１つの緩衝装置１９０も利用し得る。その場合、緩衝装置１９０は、作動アーム１３８”と補償装置１１６’との間に、機械的ウェブ１１８”の過剰伸張に抗する弾性パッドとして作用する柔軟な（曲がり易い）止め具１９６を含む。
【００６１】
図１４を参照すると、本発明のアクチュエータ装置の更なる実施態様が例示されている。内向きに面する第二段を備えるアクチュエータ組立体７００は、図１に例示する第二段を備えるアクチュエータ装置１００と実質的に類似する。主要な相違は、付着される取付表面１５８を備える第二段組立体１５０の代わりに、一体的な取付表面１７８を備える第二段組立体１７０が利用されていること、並びに、第二段組立体１７０が内向きに面する方向において取り付けられていることである。特定の実施態様において、第二段組立体１７０を内向きに面する方向において取り付けることは、第二段組立体１７０のための十分な空間を可能にするために、作動アーム１３８”’がより長いことを必要とする。加えて、第２の作動アーム端部１４２”’は、内向きに面する角度で弾性条片１７２を受け入れるよう構成され、よって、９０度未満の角度αがもたらされる。この実施態様の関連する特徴は、実質的に第二段取付表面１７８の活性化の後、補償装置１１６に向かって移動することである。結果的に、内向きに面する第二段を備えるアクチュエータ組立体７００は、第二段を備えるアクチュエータ装置組立体１００と反対方向において作動する。第二段組立体１５０，１７０，１８０が補償装置１１６，１１６’に向かう方向に或いは補償装置１１６，１１６’から離れる方向において作用し、それによって、一層更なる用途における使用を可能にするように、適切な作動アームを用いて本発明のアクチュエータ装置をどのように構成し得るかを見ることができる。
【００６２】
この明細書を考慮するならば、本発明の他の変形及び実施態様は当業者に明らかであり、それらの全ては、請求される本発明の範囲内にある。前述の記載のいずれも、本発明がここに記載する好適実施態様に限定されることを暗示しない。
【図１】
2014508489.tif 000003
【図２Ａ】
2014508489.tif 000004
【図２Ｂ】
2014508489.tif 000005
【図３Ａ】
2014508489.tif 000006
【図３Ｂ】
2014508489.tif 000007
【図４Ａ】
2014508489.tif 000008
【図４Ｂ】
2014508489.tif 000009
【図５】
2014508489.tif 000010
【図６】
2014508489.tif 000011
【図７Ａ】
2014508489.tif 000012
【図７Ｂ】
2014508489.tif 000013
【図８】
2014508489.tif 000014
【図９】
2014508489.tif 000015
【図１０】
2014508489.tif 000016
【図１１】
2014508489.tif 000017
【図１２】
2014508489.tif 000018
【図１３】
2014508489.tif 000019
【図１４】
2014508489.tif 000020
【国際調査報告】
2014508489.tif 000021
2014508489.tif 000022
2014508489.tif 000023