(57)【要約】剛性非可撓部（１６）と、剛性非可撓部から延びる少なくとも１つの枢動可能アーム部（１８、２０）と、互いに移動するための、一方の対向表面（２２、２４）が少なくとも１つの枢動可能アーム部（１８、２０）にある、一対の対向表面と、少なくとも１つの枢動可能アーム部を回転運動に駆動するように動作可能に位置する力伝達部材（２６）とを含む、支持体を有する、電気的起動に応答して一対の対向表面を移動させる装置。アクチュエータ（１４）は、剛性部（１６）と力伝達部材（２６）との間で動作可能に係合され、アクチュエータの電気的起動に応答して、力伝達部材を駆動して、剛性部に対して移動させて、少なくとも１つの枢動可能アーム部を枢動させる。
2006507784.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気的起動に応答して一対の対向表面の少なくとも一方を移動させる装置であって、
剛性非可撓部、該剛性非可撓部から延びる少なくとも１つの枢動可能アーム部、互いに移動させるために一方の対向面が前記少なくとも１つの枢動可能アーム部にある、一対の対向表面、および前記少なくとも１つの枢動可能アーム部を駆動して回転運動させるように動作可能に配置された力伝達部材を含む、支持体と、
前記剛性非可撓部と前記力伝達部材との間に動作可能に係合されて、アクチュエータの電気的起動に応答して、前記力伝達部材を前記剛性非可撓部に対して移動させて、前記少なくとも１つの枢動可能アーム部を枢動させるアクチュエータとを含むことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記支持体が単一部品であることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記アクチュエータが、圧電デバイスであることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項４】
前記剛性非可撓部が、一対の剛性アーム部の間に延びるウエブを含む、Ｃ形であることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項５】
前記枢動可能アーム部の一方が、前記剛性アーム部の１つに枢動可能に連結されており、前記枢動可能アーム部の他方が、前記剛性アーム部の他方に枢動可能に連結されていることを特徴とする請求項４記載の装置。
【請求項６】
前記アクチュエータが、対向端を含み、電気的起動に応答して、前記対向端の間に空間変位を生成することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項７】
前記剛性非可撓部が、座面を支持することを特徴とする請求項６記載の装置。
【請求項８】
前記アクチュエータの対向端の一方が平坦表面であり、かつ前記剛性非可撓部に支持された前記座面が平坦表面であって、前記アクチュエータの平坦端面が、前記剛性非可撓部に支持された前記平坦座面に隣接して配置されていることを特徴とする請求項７記載の装置。
【請求項９】
前記アクチュエータの平坦端面が、前記アクチュエータの空間変位に応答して、前記剛性非可撓部に支持された前記平坦座面に力をかけることを特徴とする請求項８記載の装置。
【請求項１０】
前記アクチュエータの平坦端面が、前記アクチュエータの最小動作空間変位において、前記剛性非可撓部に支持された前記平坦座面と動作可能に接触することを特徴とする請求項９記載の装置。
【請求項１１】
前記アクチュエータの平坦端面が、前記アクチュエータの最大動作空間変位において、前記剛性非可撓部に支持された前記平坦座面と動作可能に接触することを特徴とする請求項９記載の装置。
【請求項１２】
前記アクチュエータの平坦端面が、前記アクチュエータの最小動作空間変位と前記アクチュエータの最大動作空間変位の間のすべての空間変位において、前記剛性非可撓部に支持された前記平坦座面と動作可能に接触することを特徴とする請求項９記載の装置。
【請求項１３】
前記力伝達部材が、座面を含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１４】
前記アクチュエータの対向端の一方が、平坦表面であり、かつ前記力伝達部材の座面が平坦表面であって、前記アクチュエータの前記平坦表面が、前記力伝達部材の平坦座面に隣接して配置されていることを特徴とする請求項１３記載の装置。
【請求項１５】
前記アクチュエータの前記平坦端面が、前記アクチュエータの空間変位に応答して、前記力伝達部材の前記平坦座面に力をかけることを特徴とする請求項１４記載の装置。
【請求項１６】
前記アクチュエータの前記平坦端面が、前記アクチュエータの最小動作空間変位において、前記力伝達部材の前記平坦座面と動作可能に接触することを特徴とする請求項１５記載の装置。
【請求項１７】
前記アクチュエータの前記平坦端面が、前記アクチュエータの最大動作空間変位において、前記力伝達部材の前記平坦座面と動作可能に接触することを特徴とする請求項１５記載の装置。
【請求項１８】
前記アクチュエータの前記平坦端面が、前記アクチュエータの最小動作空間変位と前記アクチュエータの最大動作空間変位の間のすべての空間変位において、前記力伝達部材の前記平坦座面と動作可能に接触することを特徴とする請求項１５記載の装置。
【請求項１９】
前記剛性非可撓部、前記枢動可能アーム部および前記力伝達部材が、１つの位置で交わり力伝達機構を形成することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項２０】
少なくとも１つの枢動可能部分が前記剛性非可撓部に取り付けられている場所に画定された、一体型スプリングをさらに備えることを特徴とする請求項２記載の装置。
【請求項２１】
ヒンジ形状を最適化する方法であって、
定義された力および変位の要件に基づいて予備形状を創出するステップと、
２次元応力解析を実行し、それによってヒンジ形状の方位を最適化するステップと、
前記ヒンジ形状の最適化方位の３次元モデルを設計するステップと、
前記３次元モデルについて有限要素応力解析を実施し、それによって性能を予測するステップと、
支持体および圧電アクチュエータに対する、力対変位の個別の曲線を解析するステップと、
前記曲線間の交点を特定するステップと、
前記曲線間の交点が、所定の力および変位の要件を満足するかどうかを判定するステップと、
前記曲線間の交点が、所定の力および変位の要件を満足しない場合には、前記の創出するステップに戻るステップと、
前記曲線間の交点が、所定の力および変位の要件を満足する場合には、前記曲線の交点の値を使用して、前記３次元モデルの有限要素応力解析を実施するステップと、
前記曲線間の交点に対応する値を使用する有限要素応力解析による前記３次元モデルの性能が、応用要件に対して検証されたかどうかを判定するステップと、
性能が検証されない場合には、前記創出のステップに戻るステップとを含む、方法。
【請求項２２】
電気的起動に応答して一対の対向表面の少なくとも一方を移動させる装置であって、
剛性非可撓部、該剛性非可撓部から延びる少なくとも１つの枢動可能アーム部、互いに移動させるために一方の対向面が前記少なくとも１つの枢動可能アーム部にある、一対の対向表面、および前記少なくとも１つの枢動可能アーム部を駆動して回転運動させるように動作可能に配置された力伝達部材を含む、支持体と、
前記剛性非可撓部と前記力伝達部材との間に動作可能に係合されて、アクチュエータの電気的起動に応答して、前記力伝達部材を前記剛性非可撓部に対して移動させて、前記少なくとも１つの枢動可能アーム部を枢動させるアクチュエータとを含むことを特徴とする請求項２１の方法による装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気的起動に応答して一対の対向表面を移動させる装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
様々な種類の圧電デバイス（ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｄｅｖｉｃｅ）が、当業者には知られている。これらのデバイスの多くは、構成が複雑であり、製造するのが高価である。その他のデバイスは構成がより簡単であるが、対応する移動の最大範囲または対応する最大付加力において非常に制約が大きい。
そのような既知のデバイスにおいては、圧電アクチュエータが電気的に起動されると、デバイスの直角プリズム形状（ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ  ｐｒｉｓｍ  ｇｅｏｍｅｔｒｙ）が、主として所定軸に沿って伸張する。圧電デバイスが停止されると、デバイスの形状は、主として所定軸に沿って収縮する。圧電デバイスの、このような伸張および縮小は、装置の動作、例えばクランプまたはバルブの開閉に使用することができる。クランプ操作またはバルブ操作のための装置には、一般に、互いに間隔を空けられた２つの部材を有する支持体が含まれる。圧電デバイスは、この２つの間隔を空けた部材の間を横断して配置される。圧電デバイスが、直線方向に伸張すると、部材は、曲線経路に沿って駆動されるか、または枢動する。部材を曲線経路に沿って枢動させると、圧電デバイスから支持体への非効率的な力の伝達が生じる。圧電アクチュエータは、ほとんどの既知の構成において、所望の運動に平行に配置されており、性能を最適化するために、異なるヒンジ軸位置および／または構造構成を選択する自由度はほとんどない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、電気的起動に応答して一対の対向表面を移動させる装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この装置は、支持体を含み、この支持体は、剛性非可撓部と、該剛性非可撓部から延びる第１および第２の枢動可能アーム部と、互いに移動させるために１つの対向面がそれぞれの枢動可能アーム部にある、一対の対向表面と、前記第１および第２の枢動可能アーム部間に動作可能に配置された力伝達部材とを含んでいる。アクチュエータは、剛性非可撓性部と力伝達部材との間に動作可能に係合されており、アクチュエータの電気的起動に応答して、力伝達部材を駆動して固定経路に沿って移動させて、前記第１および第２の枢動可能アーム部のうちの少なくとも１つを枢動させる。この構造物の支持体および力伝達要素は、剛性のある、非可撓性要素として設計される。計画されていない撓みは、機構の有効寿命を低下させるとともに、アームを枢動させるヒンジ軸を介して伝達される力の量を減少させる。力が低下すると、枢動アームの変位と力が限定される。ヒンジ軸位置と、対応する構造構成とを選択することによって、特定の応用に対する装置の性能を最適化することが実質的に可能になる。
【０００５】
圧電アクチュエータは、支持要素内に設置するときに、力を事前に負荷しておくことができる。例えば、圧電アクチュエータを、調整可能ねじで一端を支持して支持構造内で締め付けることによって、最適な力の事前負荷（プリロード）が可能となる。調整可能ねじ構成は、使用が容易で、大きな調整範囲を可能にする。任意好適な方法によって、圧電アクチュエータに事前負荷することによって、起動時の力伝達の最大効率がもたらされるとともに、圧電要素を起動する前の、装置の初期位置の微調整が可能になる。また、事前負荷によって、伸張と収縮の全範囲にわたって、圧電アクチュエータが、対向端において装置との接触を維持することが保証される。事前負荷のために、ねじ付き調整ねじを使用すると、接着剤または、圧電アクチュエータを対向端で装置に確実に連結するその他の手段を必要とすることなく、組立てが可能となり、圧電アクチュエータにかかる張力または捩りモーメントを損う可能性を回避することができる。ねじ付き調整ねじによって、支持体への組付け中に、圧電アクチュエータの寸法ばらつきを簡単に補償することが可能になる。
【０００６】
本発明のその他の応用も、以下に記述する、本発明を実施するための最良の形態を、付属の図面と合わせ読めば、当業者には明白となるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本明細書の記述は、添付の図面を参照するが、これらの図面においては、同一の参照番号は、いくつかの図面を通して、同一の部品を指している。
図１は、本発明による支持体１２およびアクチュエータ１４を有する、装置１０の一実施形態の斜視図である。支持体１２は、剛性非可撓部１６と、この剛性非可撓部１６から延びる、第１および第２の枢動可能アーム部１８、２０などの、少なくとも１つの枢動可能アーム部と、互いの移動のために、１つの対向表面２２、２４がそれぞれの枢動可能アーム部１８、２０にある、一対の対向表面２２、２４と、前記第１と第２の枢動可能アーム部１８、２０の間に、動作可能に配置された力伝達部材２６とを含む。好ましくは、支持１２は、単体、一体型、単一部品ボディである。アクチュエータ１４は、剛性非可撓部１６と力伝達部材２６との間に動作可能に係合されており、アクチュエータ１４と通信するコントローラ２８からの電気的起動に応答して、力伝達部材２６を直線駆動して、第１および第２の枢動可能アーム部１８、２０を対応する軸の回りに枢動させるとともに、対向する表面２２、２４を、互いに間隔を空けるか、または離れるように駆動する。
【０００８】
アクチュエータ１４は、起動されると、主として１つの所定軸に沿って、位置または空間の変位を生成するように設計されている。アクチュエータ１４の機能は、個々の圧電要素、個々の圧電要素のスタック、機械的に増幅された圧電要素またはスタック、または好ましくは多層同時焼結圧電スタック（ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ  ｃｏｆｉｒｅｄ  ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｓｔａｃｋ）を含む、いくつかの異なる種類の圧電デバイスの１つによって実行することができる。
【０００９】
圧電デバイスの両端に電圧が印加されると、このデバイスは、電荷を受け取って貯蔵する。充電されると、圧電デバイスは、主として１つの所定軸に沿って伸張する。圧電デバイスの伸張によって、前記１つの所定軸に沿って空間変位が生成されて、デバイスの初期の非充電厚さが増大する。このようにして、前記１つの所定軸は、変位軸として機能する。圧電デバイスによって貯蔵された電荷量は、一般に、最大電圧限界までは、デバイスの両端に印加される電圧量に比例する。１つの所定軸に沿った伸張量は、一般に、圧電デバイスによって貯蔵される電荷量に比例する。したがって、前記１つの所定軸に沿った伸張量は、圧電デバイスの両端に印加する電圧量を変化させることによって、制御することができる。例えば、圧電デバイスの両端に最大電圧量を印加すると、１つの所定軸に沿って最大の伸張量が生成され、圧電デバイスの両端に最大電圧量の半分を印加すると、１つの所定軸に沿った最大伸張量の約半分が生成される。
【００１０】
圧電デバイス上の電荷は、デバイスが、（１）直接接地される、（２）端子端の両端で電気的に直接短絡される、（３）インピーダンスを介して電気的に短絡、または接地されるときに、放電されるか、または損失する。放電されると、圧電デバイスは、１つの所定軸に沿って短縮または収縮して、デバイスの初期の、非充電時厚さに戻る。圧電デバイスの放電を制御することによって、デバイスの厚さを低減しつつ、１つの所定軸に沿った空間変位を生成することができる。
【００１１】
コントローラ２８は、装置１０を動作させるように設計されている。所定の軸に沿った空間変位を生成するために、コントローラ２８は、圧電デバイスの両端に充電電圧を供給する。通常は、空間変位量は、充電エネルギーにほぼ比例する。圧電デバイスを初期の非充電厚さに戻すために、コントローラ２８は、上述のような必要な放電手段（すなわち、制御された電気接地または短絡）を提供する。コントローラ２８は、圧電デバイスを完全に充電させ、また完全に放電させるように設計されている。その結果、装置１０の対向表面２２および２４は、完全に開放された位置、または完全に閉止された位置に維持される。コントローラ２８は、必要であれば、圧電デバイスを部分的に充電し、かつ部分的に放電させるように設計することができる。その結果、装置１０の対向表面２２および２４は、完全開放位置、完全閉止位置、またはその間の任意の位置（すなわち、任意の部分的開放位置、または部分的閉止位置）に維持することができる。対向表面２２、２４の部分開放および閉止は、直接、センサフィードバックに基づくか、またはそのようなセンサフィードバックを処理するアルゴリズムに基づいて行うことができる。コントローラ２８は、圧電デバイスから放電された電力を貯蔵することによって放電電力を再生して、そのような電力を、圧電デバイスの次回の充電時に再使用するように設計することができる。コントローラ２８は、そのような再生した放電電力を、１つまたは複数のその他の圧電デバイスまたは非圧電デバイスに、供給するように設計することもできる。
【００１２】
図２は、装置１０の、第１の実施態様の側面図である。好ましくは、装置１０の剛性非可撓部１６は、Ｃ形をしており、一対の剛性非可撓アーム部３２、３４の間に延びる剛性非可撓ウエブ３０を含む。少なくとも１つの枢動可能アーム部１８が、回転一体ヒンジ（ｌｉｖｉｎｇ  ｉｎｔｅｇｒａｌ  ｈｉｎｇｅ）３６を介して１つの剛性アーム部３２に連結されている。２つの対向する枢動可能アームが望ましい場合には、別の枢動可能アーム部２０を、任意選択で、回転一体ヒンジ３８を介して、他方の剛性アーム部３４に枢動可能に連結することができる。力伝達部材２６は、座面４０を含む。
【００１３】
アクチュエータ１４は、対向端４２および４４を含むとともに、上述のように、アクチュエータ１４は、電気的起動に応答して、対向端４２と４４との間に制御された空間変位を生成する。アクチュエータ１４の一端４２は、以下これを設定端または固定端４２と呼ぶことにするが、剛性ウエブ３０に隣接して配置する。アクチュエータ１４の他端４４は、以下これを駆動端４４と呼ぶことにするが、力伝達部材の座面４０に隣接して配置する。すなわち、アクチュエータ１４は、非可撓性ウエブ３０と力伝達部材２６との間に動作可能に係合されており、アクチュエータ１４の電気的起動に応答して、力伝達部材を、剛性ウエブ３０から離れるか、または間隔を空けるように駆動する。言い換えると、圧電デバイスは、最大変位の軸が、ウエブ３０および座面４０に直角に位置合わせされるように、配向されている。
【００１４】
図２では、アクチュエータ１４は停止されている。対向表面２２および２４は、アクチュエータ１４が停止されるときに、互いに最も近接する。この種の構成は、一般的に通常閉止設計と呼ばれている。アクチュエータ１４が電気的に起動されると、アクチュエータ１４の設定端４２は、剛性部１６によって固定保持されて、アクチュエータ１４の駆動端４４は、力伝達部材２６を剛性ウエブ３０から離れるか、または間隔を空けるように（すなわち、図２において右方向に）駆動し、第１および第２の枢動可能アーム部１８、２０は、それぞれ回転一体ヒンジ３６、３８の回りを枢動する。このようにして、対向表面２２と２４の、間隔または距離が増大する。言い換えると、電圧が圧電デバイスの両端に印加されると、所定の軸に沿って生成される空間変位が、力伝達部材２６を、剛性部１６から離れるか、または間隔を空けるように駆動し、第１および第２の枢動可能アーム部１８、２０をそれぞれ回転一体ヒンジ３６および３８の回りに枢動させ、それによって対向表面２２と２４の、間隔または距離を増大させる。対向表面２２および２４の間隙は、圧電デバイスの両端に印加する電圧量を変化させることによって調整することができる。
【００１５】
支持体１２は、形状記憶を有する材料で構成される。通常、支持体材料は高い弾性率と高強度を有する。その結果、装置１０は、それに限定はされないが、鋼またはその他の金属、インコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ）またはその他の合金などの合金、またはＴｈｏｒｎｅｌなどの複合材料を含む、様々な材料で製作することができる。
アクチュエータ１４が停止されているときには、支持体１２が塑性変形をしていないならば、対向表面２２、２４は、支持体構造材料の形状記憶によって、互いの方向に偏倚している。言い換えると、圧電デバイスが放電すると、圧電デバイスは、伸張軸に沿って縮小または収縮し、支持構造材料の形状記憶が、力伝達部材２６、第１および第２の枢動可能アーム部１８、２０、および対向表面２２、２４を、装置１０の元の形状に戻るように偏倚させる。対向表面２２、２４の閉止は、圧電デバイスの放電を制御することによって調整することができる。
【００１６】
本発明は、アクチュエータ１４の伸張から、力伝達部材２６を介して、一対の枢動可能アーム部１８、２０の枢動、および対向表面２２、２４の開口までの、力の伝達を最大化する。最大の力伝達のためには、アクチュエータ１４の設定端４２を、剛性部１６によって固定する。言い換えると、装置１０は、アクチュエータ１４を起動させたときに、剛性部１６が、撓みまたは反りを生じないように設計する。このようにすることで、アクチュエータ伸張力のすべてが、アクチュエータ１４の駆動端４４を介して、力伝達部材２６へと向けられる。最大の力を、アクチュエータ１４から一対の枢動可能アーム部１８、２０に伝達するために、力伝達部材２６は、アクチュエータを起動するときに、座面４０が撓みまたは反りを生じないように設計する。アクチュエータ１４の駆動端４４は、アクチュエータ１４のすべての空間変位において、すなわち、最少動作空間変位、最大動作空間変位、およびその間のアクチュエータのすべての空間変位において、力伝達部材の２６の座面４０と、動作可能に接触、または最適力伝達可能に接触したままとなる。言い換えると、アクチュエータが停止、部分的に起動、または完全に起動されるときに、アクチュエータ１４の駆動端４４は、力伝達部材２６の座面４０との動作可能に接触、または最適力伝達可能に接触したままとなる。
【００１７】
装置１０の第１の実施形態においては、アクチュエータ１４の駆動端４４が、平坦面を有するとともに、力伝達部材２６の座面４０が平坦面であり、アクチュエータ１４の平坦端面４４が、力伝達部材２６の平坦座面４０に隣接して配置されている。図２は、アクチュエータが停止しているときに、アクチュエータ１４の平坦駆動端４４が、力伝達部材２６の平坦座面４０と動作可能に接触している状態を示している。図３は、アクチュエータ１４が部分的に駆動されているときに、アクチュエータ１４の平坦駆動端４４が、力伝達部材２６の平坦座面４０の動作可能に接触している状態を示しており、通常に見られるよりも大きな対向表面２２、２４間の間隙を示すために誇張してある。図４もやはり誇張して、アクチュエータ１４が完全に起動されているときに、アクチュエータ１４の平坦駆動端４４が、力伝達部材２６の平坦座面４０と動作可能に接触しているのを示すとともに、完全起動位置において実際に見られるよりも大きな対向表面２２、２４間の間隙を示している。
【００１８】
図５は、代替的なＴ形をした力伝達部材２６ａを備える、装置の第２の実施形態１０ａである。装置１０ａは、他の実施形態について前述したのと同様に、支持体１２ａおよびアクチュエータ１４ａを含む。支持体１２ａは、剛性非可撓部１６ａと、この剛性非可撓部１６ａから延びる少なくとも１つの枢動可能アーム部１８ａ、２０ａと、相対的な移動のために１つの対向表面２２ａ、２４ａが各枢動可能アーム部１８ａ、２０ａにある、一対の対向表面２２ａ、２４ａと、第１および第２の枢動可能アーム部１８ａ、２０ａの間に動作可能に位置する力伝達部材２６ａとを含む。好ましくは、他の実施形態と同様に、支持体１２ａ全体を、単体、一体型、単一部品ボディとして形成する。アクチュエータ１４ａは、剛性部１６ａと力伝達部材２６ａの間に動作可能に係合されて、力伝達部材２６ａを、剛性ウエブ３０から離れる方向に直線運動で駆動する。力伝達部材２６ａの移動によって、第１および第２の枢動可能アーム部１８ａ、２０ａが、それぞれ回転一体型ヒンジ３６ａ、３８ａの回りで枢動する。コントローラ（図示せず）を設けて、装置１０ａを操作することができる。このコントローラは、圧電デバイスの両端に充電電圧を供給して、他の実施形態について前述したように、所定軸に沿って空間変位を生成することができる。装置１０ａの剛性部１６ａには、一対の剛性アーム部３２ａ、３４ａの間に延びるＣ形ウエブ３０ａを含めることができる。１つの枢動可能アーム部１８ａが、回転一体型ヒンジ３６ａによって一方の剛性非可撓性アーム部３２ａに連結されており、他方の枢動可能アーム部２０ａが、回転一体型ヒンジ３８ａを介して他方の剛性非可撓性アーム部３４ａに枢動可能に連結されている。力伝達部材２６ａには、座面４０ａを含めることができる。アクチュエータ１４ａは、対向端４２ａおおび４４ａを含む。アクチュエータ１４ａは、電気的起動に応答して、所定軸に沿って対向端４２ａおよび４４ａの間で、制御された空間変位を生成する。アクチュエータ１４ａの一端４２ａ、例えば設定端または固定端４２ａは、剛性ウエブ３０ａに隣接して配置されている。駆動端４４ａなどの、アクチュエータ１４ａの他端４４ａは、力伝達部材２６ａの座面４０ａに隣接して配置されている。アクチュエータ１４ａが電気的に起動されると、アクチュエータ１４ａの設定端４２ａは、剛性部１６ａによって固定して保持され、アクチュエータ１４ａの駆動端４４ａは、力伝達部材２６ａを、剛性部１６ａから離れるか、または間隔を空けるように（すなわち、図５において右方向に）駆動し、第１および第２の枢動可能アーム部１８ａ、２０ａが、それぞれ回転一体型ヒンジ３６ａ、３８ａの回りに枢動する。この構成において、力伝達部材２６ａから枢動可能アーム部１８ａ、２０ａに伝達される力は、力伝達部材２６ａと対応する枢動可能アーム部１８ａ、２０ａとの間に延びる、力伝達ウエブまたはヒンジ４８ａ、５０ａを通過して伝播する。力伝達の経路は、一般に、圧電アクチュエーア１４ａの所定の空間伸張軸に平行であるとともに、好ましくは、対応する回転一体型ヒンジ３６ａ、３８ａの回りの、枢動可能アーム部１８ａ、２０ａの支点軸または回転軸に直角である。
【００１９】
図６は、調整可能支持体５４ｂを備える剛直部分１６ｂによって支持される調整可能シート５２ｂを備える、装置の第３の実施形態１０ｂを示す。装置１０ｂは、他の実施形態について前述したように、支持体１２ｂおよびアクチュエータ１４ｂを含む。支持体１２ｂは、剛性非可撓部１６ｂと、この剛性非可撓部１６ｂから延びる少なくとも１つの枢動可能アーム部１８ｂ、２０ｂと、相対的な移動のために１つの対向表面２２ｂ、２４ｂを各枢動可能アーム部１８ｂ、２０ｂ上に備える一対の対向表面２２ｂ、２４ｂと、第１および第２の枢動可能アーム部１８ｂ、２０ｂの間に動作可能に位置する力伝達部材２６ｂとを含む。好ましくは、他の実施形態と同様に、支持体１２ｂ全体を、単体、一体型、単一部品のボディとして形成する。アクチュエータ１４ｂは、剛性部１６ｂと力伝達部材２６ｂの間に動作可能に係合されて、力伝達部材２６ｂを、剛性部１６ｂから離れる方向に直線運動で駆動する。剛性部１６ｂは、調整可能支持体５４ｂによって、アクチュエータ１４ｂの一端４２ｂに対する相補表面を有する調整可能シート５２ｂを支持する。調整可能シート５２ｂの相補表面は、平坦または任意の形状として、アクチュエータ１４ｂの電気的起動に応答して、力伝達部材２６ｂを駆動するのに適した位置に、アクチュエータ１４ｂを支持することができる。力伝達部材２６ｂの移動によって、第１および第２の枢動可能アーム部１８ｂ、２０ｂが、それぞれ回転一体型ヒンジ３６ｂ、３８ｂの回りに枢動する。コントローラ（図示せず）を設けて、装置１０ｂを作動させることができる。このコントローラは、圧電デバイスの両端に充電電圧を供給して、他の実施形態について前述したように、所定軸に沿って空間変位を生成することができる。装置１０ｂの剛性部１６ｂには、一対の剛性アーム部３２ｂ、３４ｂの間に延びるウエブ３０ｂを含めることができる。１つの枢動可能アーム部１８ｂが、回転一体型ヒンジ３６ｂによって一方の剛性非可撓性アーム部３２ｂに連結されており、他方の枢動可能アーム部２０ｂが、回転一体型ヒンジ３８ｂを介して他方の剛性非可撓性アーム部３４ｂに枢動可能に連結されている。力伝達部材２６ｂには、座面４０ｂを含めることができる。アクチュエータ１４ｂは、対向端４２ｂおよび４４ｂを含む。アクチュエータ１４ｂは、電気的起動に応答して、所定軸に沿って対向端４２ｂおよび４４ｂの間で、制御された空間変位を生成する。アクチュエータ１４ｂの一端４２ｂ、例えば設定端または固定端４２ｂは、先述の実施形態と同様に、剛性ウエブ３０ｂに隣接して配置するか、剛性ウエブ３０ｂに連結された調整可能シート５２ｂによって支持されている。駆動端４４ｂなどの、アクチュエータ１４ｂの他端４４ｂは、力伝達部材２６ｂの座面４０ｂに隣接して配置されている。アクチュエータ１４ｂが電気的に起動されると、アクチュエータ１４ｂの設定端４２ｂは、剛性部１６ｂに連結された調整可能シート５２ｂによって固定して保持され、アクチュエータ１４ｂの駆動端４４ｂは、力伝達部材２６ｂを、剛性部１６ｂから離れるか、または間隔を空けるように（すなわち、図６において右方向に）駆動し、第１および第２の枢動可能アーム部１８ｂ、２０ｂが、それぞれ回転一体型ヒンジ３６ｂ、３８ｂの回りに枢動する。この構成において、力伝達部材２６ｂから枢動可能アーム部１８ｂ、２０ｂに伝達される力は、力伝達部材２６ｂと対応する枢動可能アーム部１８ｂ、２０ｂとの間に延びる力伝達ウエブまたはヒンジ４８ｂ、５０ｂを通過して伝播する。力伝達の経路は、一般に、圧電アクチュエータ１４ｂの所定の空間伸張軸に平行であるとともに、好ましくは、対応する回転一体型ヒンジ３６ｂ、３８ｂの回りの、枢動可能アーム部１８ｂ、２０ｂの支点軸または回転軸と直角である。図６に示す調整可能支持体５４ｂおよび相補シート５２ｂを、図１乃至５に示すその他の実施形態においても、本発明の主旨と範囲から逸脱することなく、使用できることを認識すべきである。
【００２０】
次に本発明の全般について説明すると、本発明による装置は、力伝達部材を使用して、アクチュエータの移動と力を機械的に変換することに基づいている。アクチュエータは、好ましくは、電気的または磁気的に刺激されると、１つまたは複数の寸法においてその大きさを増大する、固体デバイス（ｓｏｌｉｄ  ｓｔａｔｅ  ｄｅｖｉｃｅ）とする。そのようなデバイスの一例は、同時焼結圧電スタック（ｃｏｆｉｒｅｄ  ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｓａｃｋ）である。さらに、このデバイスは、好ましくは、直角プリズム形状（ｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ  ｐｒｉｓｍ  ｇｅｏｍｅｔｒｙ）を有する。アクチュエータは、支持体のボディキャビティ内に配置する。ボディキャビティは、片側で剛性非可撓性ウエブの内部表面が境界となり、反対側で可動力伝達部材の内部表面が境界となっている。ボディキャビティは、さらに、剛性非可撓性アーム部によって画定される支持体の上部内表面と、剛性非可撓性アーム部によって画定される支持体の下部内表面とが境界となっている。アクチュエータは、ボディキャビティ内に装着し、それによって、アクチュエータの一表面または一端が、ウエブの内表面と直接接触するようにし、一方で、アクチュエータの対向表面または対向端が、力伝達要素の内表面と直接接触するようにする。言い換えると、アクチュエータは、ウエブの内表面と力伝達要素の内表面とから、絶え間なく圧縮されている。望ましい場合には、アクチュエータの一面を調整可能に支持するために、調整可能な剛性非可撓性支持部材を、力伝達要素の対向面に対して圧縮して、ウエブに連結することができる。
【００２１】
アクチュエータは、適切な電気動力の印加によって起動する。電気動力は、図１に２８で示すのと類似のコントローラによって制御する。コントローラは、最も簡単な形態としては、切り替え可能デバイスとすることができる。このコントローラは、電線を介してアクチュエータに接続される。コントローラは、複数の実施形態をとることができる。例えば、コントローラは、アクチュエータを完全に起動し、かつ完全に停止するように設計することができる。コントローラはまた、アクチュエータを、完全延長から完全後退の間で、任意の増分で起動するように設計することができる。コントローラはまた、動力を再使用または転用することによって、効率を最適化するように設計することもできる。
【００２２】
アクチュエータが遮断または停止されているときには、アクチュエータは、初期の非充電の寸法条件を有する休止位置にある。付勢または起動されると、アクチュエータは、アクチュエータの材料特性によって決まる１つまたは複数の軸に沿って伸張する。この伸張は、本発明の具体的な実施例において実際に使用するアクチュエータの種類に応じて、圧電現象、電気抑制（ｅｌｅｃｔｒｏｒｅｓｔｒｉｃｔｉｖｅ）現象、または磁気抑制（ｍａｇｎｅｔｏｒｅｓｔｒｉｃｔｉｖｅ）現象によるものである。アクチュータは、起動されたときの最大伸張の空間寸法が、ウエブと力伝達部材との、２つの境界内表面と整列するように設計する。アクチュエータは、ウエブおよび力伝達部材の２つの境界内表面による圧縮を受けているので、アクチュエータが電気的に起動されて、１次伸張軸に沿って伸張すると、アクチュエータは、２つの境界内表面に対して追加の圧力をかけることになる。
【００２３】
ウエブは、アクチュエータが、直接的に、または調整シートを介して間接的に押し付ける、剛直構造を提供するように設計する。ウエブはアクチュエータを拘束するので、装置内を移動するように設計されている力伝達要素は、伸張するアクチュエータによって変位させられる。力伝達要素は、一体型ヒンジまたはウエブを介して、上部枢動可能アームおよび下部枢動可能アームに連結されている。力伝達要素は、上部および下部アームにウエブによって接続されており、一体型ヒンジは、支持体の剛性アーム部から、枢動可能アーム部を分割する。両方の剛性非可撓性アーム部が、剛性非可撓性ウエブと一体の構造部材として作用する。ヒンジは、圧電要素によって生成される力および変位が、力伝達要素を介して移行して、ヒンジの支点の極めて近くに集中してかかるように設計する。したがって、力伝達要素は、伸張するアクチュエータの力および変位の大部分を、ウエブを介して枢動可能アームに伝達する。装置は、アクチュエータの伸張によって、上部および下部枢動可能アーム部が、一体型ヒンジの回りに外側に枢動し、その結果として一方の枢動可能アームの面が他方の枢動可能アームの面から離れるように設計する。アクチュエータを停止すると、力伝達要素の空間変位は、所定の軸に沿って初期位置に復帰する。これによって、支持体の全体構造が、初期または再設定状態に復帰する。
【００２４】
圧電アクチュエータは、支持体に装着するときに、力を事前負荷するのが好ましい。望ましい場合には、圧電アクチュエータは、支持体内で、剛性非可撓性ウエブとアクチュエータの一端との間に位置する調整可能シートによって、締め付けることができる。例示のためであり、限定するものではないが、調整可能なネジ構造を、この目的で使用するか、または圧電アクチュエータへの最適な力の事前負荷を可能にする、その他の好適な配設を行うことができる。事前負荷は、作用中の圧電アクチュエータから支持体への力伝達の最大効率をもたらす。また、事前負荷は、本発明による装置の、初期の非充電位置の微調整を可能にする。適当な事前負荷によって、伸張および収縮の全範囲において、圧電アクチュエータを支持体に固定するために接着剤またはその他の手段を必要とすることなく、圧電アクチュエータが、両端において支持体と接触したままとなることが保証される。また、事前負荷は、圧電アクチュ−タに、損傷を引き起こす可能性のある、望ましくない張力または捩りモーメントを与える可能性を回避するのに役立つ。圧電アクチュエータの一端用の調整可能シートによって、装置の組立て時の圧電アクチュエータの寸法ばらつきを、簡単に補償することが可能になる。
【００２５】
本発明を開示して、少なくとも１つの枢動可能部分、および好ましくは２つの対向する枢動可能アーム部について詳細に述べた。本発明は、枢動可能アーム部の対称および非対称移動の両方を含むことを認識すべきである。望ましい場合には、一体型ヒンジを設けて、少なくとも１つの枢動可能アーム部の非対称動作をもたらすことができる。説明のためであり、限定するものではないが、この種の移動は、ある種のバルブまたはクランプ構造において望ましいことがある。
【００２６】
次に図７を参照すると、簡略化したフローチャートで、本発明による機械的支持体のヒンジ部材の方位の最適化を示してある。ステップ１００で始まり、応用の要件が定義される。この要件は、例示のためであり、限定するものではないが、力、変位、寸法、動作周波数、繰り返し寿命、温度、動作電圧、動作電力、振動、耐衝撃性、耐環境性、耐食性、製造コスト、ヒステレシス、直線性、および／または反復性を含む、パラメータの選択とすることができる。ステップ１００において要件を定義した後に、ステップ１０２の処理へと続き、ここでは機械的支持体の仕様および予備形状を創出する。次にステップ１０４の処理に続き、ここでは２次元（２Ｄ）静的応力解析を実施して、機械的支持体のヒンジ形状を最適化する。次いで、ステップ１０６において、ステップ１０４において得られた最適形状に基づいて、３次元（３Ｄ）コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルを設計する。次いで、ステップ１０８において、有限要素応力解析（ＦＥＡ）を実施して、機械的支持体と圧電要素の性能を予測する。解析の実施に際しては、１つの解析シリーズに対して、圧電要素の最大の力の２０％を力アームにかけるのが有用であることがわかっている。また、機械的支持体のアームを拘束して、力伝達要素に力をかけた状態で一連の解析を実施し、それによって、変位のない状態で、枢動可能アームから利用可能な力を求めるのが有用であることがわかっている。有限要素応力解析の結果として、機械的支持体および圧電要素に対して、個別の力対変位の曲線が得られる。ステップ１１０において、これらの曲線を共通の軸上に描き、曲線どうしの交差があるかどうかを判定する。説明のためであり、限定するものではないが、１組のこのような曲線を図８に示してあり、この図では、圧電要素曲線に１２２のラベルをつけ、機械的支持体曲線に１２４のラベルをつけてある。図８は、１２６のラベルをつけた点における、２つの曲線１２２、１２４の例示的な交点を示す。これらの曲線の交点の特定は、ステップ１１２において行う。照会１１４において、この交点が、ステップ１００において先に定義した力および変位の要件を満足するかどうかを判定する。この要件を満足しない場合には、ステップ１０２の処理に枝分かれして戻り、ここでモデルを修正して再解析することができる。要件を満足する場合には、ステップ１１６の処理に枝分かれして戻る。ステップ１１６において、２つの曲線１２２、１２４の交点１２６に対応する値を使用して、再び有限要素応力解析を実施する。次に照会１１８の処理に進み、性能が、ステップ１００で選択した応用要件に対して検証されたかどうかを判定する。性能が検証されない場合には、ステップ１０２の処理に枝分かれして戻り、ここで、モデルを修正して再解析することができる。性能が検証された場合には、ステップ１２０で処理が終了する。
【００２７】
この装置は、有限要素解析を用いて、いくつかの基準を満足するように設計する。支持体は、反復動作を実現しなくてはならない。１億サイクルを超える動作寿命を、無理なく期待することができる。所与のアクチュエータに対して、異なる量の面間隔を与えるように、枢動可能アーム部分の長さ、および一体型ヒンジの形状を設計することができる。
本発明の１つの特徴は、力伝達要素、ヒンジ、枢動可能アーム部、剛性アーム部、およびウエブが、一体型、単一、単体、または一体構造のボディであることである。すなわち、これらの構成要素を接合する締結具がない。締結方法を無くすることによって、アクチュエータから支持体への高効率の力および変位の伝達が生じる。
【００２８】
本発明の支持体の別の特徴は、アクチュエータが、伸張の主軸が枢動可能アームの枢動軸に対して直角になるように、配向されていることである。この特徴は、いくつかの意味で有利である。最も有利なのは、力伝達要素からの力作用点が、ヒンジの支持点に非常に近いヒンジ形状が可能なことである。これによって、力伝達効率を最大化することが可能になる。この形状によるさらなる有利な結果は、装置の高密度な全体設計が可能になることである。さらなる利点は、この形状は、約１立方インチ未満から約２０立方インチまでの寸法拡大縮小に容易に対応できることである。このような寸法の拡大縮小の可能性によって、約１／１０，０００インチから約０．２５インチまでの広範囲の変位の設計範囲がもたらされる。同様に、この形状は、１ポンド未満から１００ポンド超までの、広範囲の締め付け力を可能にする。さらに別の利点は、圧電要素の両方の面の表面全体が、支持構造の対向面と圧縮状態で接触したままとなることである。すなわち、一端に剛性ウエブ３０、他端に力伝達部材２６がある。
【００２９】
図１乃至６に示す実施形態においては、これらの構成要素は、金属材料、例えばステンレス鋼の単一素材片から機械加工されている。その他の好適な材料としては、粉末金属、金属合金、複合材料、または金属材料と複合材料の組み合わせを挙げることができる。例として挙げたこれらの材料は、優れた性能をもたらすが、特定の用途の用件に応じて、支持体にその他の材料を使用することが適当なこともある。
【００３０】
本発明を、現時点において最も実用的で、好ましい実施形態と思われるものと関係して記述したが、本発明は開示した実施形態に限定されるものではなく、それとは反対に、添付のクレームの主旨と範囲に含まれる、様々な変更形態および均等な配設を範囲に含めることを意図するものであり、添付のクレームの範囲には、法の下で許認されるように、そのような変更形態および均等構造のすべてを包含する最も広い解釈が与えられるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明による支持体およびアクチュエータを有する、電気的起動に応答して一対の対向表面を移動させる装置の一実施形態の斜視図である。
【図２】アクチュエータが停止状態である、図１の装置の側面図である。
【図３】アクチュエータが部分起動状態の、図１の装置の誇張した側面図である。
【図４】アクチュエータが完全起動状態の、図１の装置の極端に誇張した側面図である。
【図５】代替形状の力伝達部材を含む支持体を備える、装置の第２の実施形態を示す図である。
【図６】調整可能シートを含む支持体を備える、装置の第３の実施形態を示す図である。
【図７】本発明の撓み軸の最適化方法を示す、簡略化したフローチャートである。
【図８】機械的支持体のヒンジ形状を最適化するための本発明の方法による、機械的支持体および圧電要素についての力対変位を示す、１組の別個の交差する曲線を示す図である。
【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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【国際調査報告】
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