(57)【要約】  栓を備えたバルブ本体と、そのバルブ本体と連結して、回転軸の周囲にその回転可能な栓を回転させる様に作動する駆動部本体を備えた圧電バルブが提供される。その回転軸に沿って配置され、前記栓と静的に連結すると共に、前記駆動部本体と回転可能に連結するシャフトを前記駆動部本体は備える。前記軸の周囲に配置され、前記駆動部本体に回転可能に連結するロータアセンブリもまた前記駆動部本体は備える。前記軸の周囲に配置されて前記駆動部本体に静的に連結しており、前記ロータアセンブリの内表面に摩擦係合する様に構成された第１の圧電アクチュエータを前記駆動部本体はさらに備える。加えて、前記軸の周囲に配置されて前記シャフトに静的に連結しており、前記ロータアセンブリの内表面に摩擦係合する様に構成された第２の圧電アクチュエータを前記駆動部本体はさらに備える。【選択図】  図１
2012517569.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転可能な栓を備えたバルブ本体と、
前記バルブ本体に連結し、回転軸の周囲に前記回転可能な栓を回転させる様に作動する駆動部本体と、を備え、
前記駆動部本体は、
前記回転軸に沿って配置され、前記栓と静的に連結すると共に、前記駆動部本体と回転可能に連結するシャフトと、
前記回転軸の周囲に配置され、前記駆動部本体に回転可能に連結するロータアセンブリと、
前記回転軸の周囲に配置されて前記駆動部本体に静的に連結しており、前記ロータアセンブリの内表面に摩擦係合する様に構成された第１の放射状圧電アクチュエータと、
前記回転軸の周囲に配置されて前記シャフトに静的に連結していて、前記ロータアセンブリの内表面に摩擦係合する様に構成された第２の放射状圧電アクチュエータと、をさらに備えることを特徴とする圧電バルブ。
【請求項２】
前記第１あるいは前記第２の放射状圧電アクチュエータの１つに放射状の音響定常波を単独で励起する様に構成された制御システムをさらに備え、
前記第１の放射状圧電アクチュエータにおける前記音響定常波の前記励起が前記栓を第１の方向に回転させ、
前記第２の放射状圧電アクチュエータにおける前記音響定常波の前記励起が前記栓を前記第１の方向とは反対方向の第２の方向に回転させることを特徴とする請求項１に記載の圧電バルブ。
【請求項３】
前記第１の放射状圧電アクチュエータと前記第２の放射状圧電アクチュエータのそれぞれは、
環状の圧電共振子と、
前記圧電共振子と音響的に連結する相補的なジェネレータと、
前記相補的なジェネレータから機械的に延伸し、前記回転軸に関して少なくとも放射状に延伸し、前記ロータアセンブリの前記内表面に摩擦接触している１つ以上の第１の可撓性プッシャーと、を備えることを特徴とする請求項１に記載の圧電バルブ。
【請求項４】
前記環状の圧電共振子の外周縁（Ｒｐ）の半径は前記環状の圧電共振子の内周縁（ｒｐ）の半径の少なくとも２倍であり、前記環状の圧電共振子の環状の幅（Ｒｐ−ｒｐ）はその厚さの少なくとも２倍であることを特徴とする請求項３に記載の圧電バルブ。
【請求項５】
ｃｐを前記圧電共振子の圧電材料における音響波の伝播速度とすると、前記環状の圧電共振子を励起するための交流電圧はｃｐ／２（Ｒｐ−ｒｐ）と等しい周波数を有することを特徴とする請求項４に記載の圧電バルブ。
【請求項６】
前記環状の圧電共振子の圧電材料は、前記環状の圧電共振子の半径方向に垂直な方向に分極されることを特徴とする請求項３に記載の圧電バルブ。
【請求項７】
前記ロータアセンブリはさらに、
前記第１の圧電アクチュエータに関して同軸に取り付けられ、前記第１の圧電アクチュエータと摩擦接触して取り付けられた第１のロータと、
前記第２の圧電アクチュエータに関して同軸に取り付けられ、前記第２の圧電アクチュエータに摩擦接触して取り付けられ、前記第１のロータに静的に連結する第２のロータと、
前記第１のロータと前記第２のロータの間に配置された防音ガスケットと、を備えることを特徴とする請求項１に記載の圧電バルブ。
【請求項８】
前記第２の圧電アクチュエータと前記シャフトの内の少なくとも１つが角度位置のマーカーを少なくとも１つ備え、前記マーカーを検知するためのセンサを少なくとも１つ前記駆動部本体がさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の圧電バルブ。
【請求項９】
前記マーカーは光ディスクのラスターからなる光回折格子を備え、前記センサは光-電気のセンサを備えることを特徴とする請求項８に記載の圧電バルブ。
【請求項１０】
前記バルブ本体の入口と出口に接続された各終端を備えた弾性チューブをさらに備え、
前記回転栓は前記弾性チューブに接触する曲線状の表面を備えた偏心回転可能なシリンダーをさらに備え、
前記栓に応答して回転させている前記曲線状の表面が、前記弾性チューブの内径開口の寸法を調節する様に作動することを特徴とする請求項１に記載の圧電バルブ。
【請求項１１】
前記バルブ本体の入口と出口に接続された終端を備えた弾性チューブをさらに備え、
前記回転栓は前記弾性チューブに接触する表面を備えたピストンをさらに備え、
前記栓に応答して回転させている前記ピストンの表面が、前記弾性チューブの内径開口の寸法を調節する様に作動することを特徴とする請求項１に記載の圧電バルブ。
【請求項１２】
前記シャフトの終端にねじ穴を備え、前記シャフトは前記ピストンの終端の対応するねじと連結することを特徴とする請求項１１に記載の圧電バルブ。
【請求項１３】
前記ピストンの終端にねじ穴を備え、前記ピストンは前記シャフトの終端の対応するねじと連結することを特徴とする請求項１１に記載の圧電バルブ。
【請求項１４】
前記第１の放射状圧電アクチュエータと前記第２の放射状圧電アクチュエータのそれぞれは、
前記回転軸に対して放射状の方向に縦振動を発生させるために構成された圧電素子と、
それぞれが前記圧電素子に機械的に連結する第１の終端と、放射状方向に延伸して前記ロータアセンブリの前記表面に接触する第２の終端を備えた１つ以上の可撓性プッシャーと、を備えることを特徴とする請求項１に記載の圧電バルブ。
【請求項１５】
少なくとも１つの入口と少なくとも１つの出口、そして回転栓を備えたバルブ本体と、
シャフトを介して前記回転栓に運動学的に接続され、可逆圧電モータを備える回転駆動部と、を備え、
前記可逆圧電モータは、
前記本体に対して固定された第１の環状の圧電共振子と、
音響的に前記第１の圧電共振子と連結しており、１つ以上の第１の可撓性プッシャーを備える第１の相補的なジェネレータと、
前記第１の圧電共振子に対して同軸に取り付けられ、前記第１の可撓性プッシャーと摩擦接触して取り付けられる第１のロータと、
シャフトを介して前記回転栓と静的に連結する第２の環状の圧電共振子と、
第２の圧電共振子と音響的に連結すると共に、１つ以上の第２の可撓性のプッシャーを備える第２の相補的なジェネレータと、
前記第２の圧電共振子に対して同軸に取り付けられ、前記第２の可撓性のプッシャーと摩擦接触して取り付けられ、さらに防音ガスケットを介して前記第１のロータと静的に連結する第２のロータと、を備えることを特徴とする圧電バルブ。
【請求項１６】
前記第１のプッシャーは、実質上はお互いに等しい角距離で前記第１の圧電共振子の外周に沿って配置され、前記第２のプッシャーは、実質上はお互いに等しい角距離で前記第２の圧電共振子の外周に沿って配置されることを特徴とする請求項１５に記載の圧電バルブ。
【請求項１７】
リングシェルを前記第１の相補的な共振子と前記第２の相補的な共振子がそれぞれ備えることを特徴とする請求項１５に記載の圧電バルブ。
【請求項１８】
前記第１の相補的な共振子と前記第２の相補的な共振子のそれぞれが、前記第１の圧電共振子と前記第２の圧電共振子の平面を横切って、個別に前記第１の圧電共振子や前記第２の圧電共振子と音響的に連結する平坦な円形のディスクをそれぞれ備えることを特徴とする請求項１５に記載の圧電バルブ。
【請求項１９】
前記第２の圧電共振子と前記シャフトの少なくとも１つが角度位置のマーカーを少なくとも１つ備え、前記マーカーを検知するためのセンサを少なくとも１つ備えることを特徴とする請求項１５に記載の圧電バルブ。
【請求項２０】
前記マーカーは光ディスクのラスターからなる光回折格子を備え、前記センサは光-電気のセンサを備えることを特徴とする請求項１９に記載の圧電バルブ。
【請求項２１】
前記バルブ本体の入口と出口に接続された各終端を備えた弾性チューブをさらに備え、
前記回転栓は前記弾性チューブに接触する曲線状の表面を備えた偏心回転可能なシリンダーをさらに備え、
前記栓に応答して回転させている前記曲線状の表面が、前記弾性チューブの内径開口の寸法を調節する様に作動することを特徴とする請求項１５に記載の圧電バルブ。
【請求項２２】
前記バルブ本体の入口と出口に接続された各終端を備えた弾性チューブをさらに備え、
前記回転栓は前記弾性チューブに接触する表面を備えたピストンをさらに備え、
前記栓に応答して回転させている前記ピストンの表面が、前記弾性チューブの内径開口の寸法を調節する様に作動することを特徴とする請求項１５に記載の圧電バルブ。
【請求項２３】
前記シャフトの終端にねじ穴を備え、前記シャフトは前記ピストンの終端の対応するねじと連結することを特徴とする請求項２２に記載の圧電バルブ。
【請求項２４】
前記ピストンの終端にねじ穴を備え、前記ピストンは前記シャフトの終端の対応するねじと連結することを特徴とする請求項２２に記載の圧電バルブ。
【請求項２５】
前記外部の電気制御システムは、少なくとも１つの前記第１の環状の圧電共振子及び前記第２の環状の圧電共振子と連結する電力供給装置を少なくとも１つさらに備え、
前記電力供給装置は、第１の環状の圧電共振子及び前記第２の環状の圧電共振子の環状の幅を横切る第１次の縦振動モードを誘導するための交流電圧を供給することを特徴とする請求項１５に記載の圧電バルブ。
【請求項２６】
前記外周縁（Ｒｐ）の半径は前記内周縁（ｒｐ）の半径の少なくとも２倍であり、前記環状の圧電共振子の１つの環幅（Ｒｐ−ｒｐ）はその厚さの少なくとも２倍であることを特徴とする請求項２５に記載の圧電バルブ。
【請求項２７】
ｃｐを前記環状の圧電共振子の１つの圧電材料における音響波の伝播速度とすると、前記交流電圧はｃｐ／２（Ｒｐ−ｒｐ）と等しい周波数を持っていることを特徴とする請求項２６に記載の圧電バルブ。
【請求項２８】
前記第１の環状の圧電共振子及び前記第２の環状の圧電共振子の圧電材料は、前記シャフトに平行な方向に分極されることを特徴とする請求項１５に記載の圧電バルブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、2009年12月16日に「高トルクの圧電モータ」という表題で出願された米国出願第12/639,232号の利益と、2009年2月6日に「可逆圧電ロータリーモータに基づくバルブ」という表題で出願された米国出願第61/150,703号の利益を請求する出願である。
【０００２】
本発明は、モータ作動式バルブに関し、特に可逆圧電ロータリーモータに基づくモータ作動式バルブに関する。
【背景技術】
【０００３】
圧電アクチュエータを備えたバルブが提案されている。例えば、いくつかの設計では増幅機構付き圧電アクチュエータ（ＡＰＡ）を含む。ＡＰＡを基にしたバルブでは、圧電素子の動作を機械的に増幅させるために、弾力性のある増幅素子がその圧電素子と連結している。これらの種類のバルブのデメリットは、一般的にその増幅機構を用いても数百ミクロンのオーダーの動作範囲にそれらが制限されることにある。したがって流量の調節は制限され、そのためバルブは正確には調節できない。結果として従来のＡＰＡバルブは、一般的に２つの位置である、開位置と閉位置しか提供しない。他の従来の設計では、流体の流れを管理するための圧電素子を含む。この様な設計では、バルブ本体を通った液体の流れを管理するための２つの開口部から選択するために、圧電素子は直接的または間接的に使用される。作動中では電圧が印加されたとき、圧電素子により供給される動作が１つのポートを塞ぎ他方を開放する。この様なバルブは制御可能だが、圧電素子で利用できる動作は小さい範囲であるため、ポートを通って流れる流体の量を直接制御することに利用することができない。むしろ一般的に、この様な圧電素子で制御されたバルブは、空気圧のアクチュエータと併用して使用され、その空気のアクチュエータが選択されたポートを通って流れる流体の量を制御する。
【０００４】
他の従来の圧電バルブの設計では、一方向性の圧電モータにより制御されたバルブのステム（stem）を含む。この様なバルブの設計は、様々な流体の流れを直接調整し、もしくは排出した領域（evacuated area）を分離することができる。さらにこの様なバルブの設計は、流量制御の広い制御範囲、高い精度と分解能（resolution）、そして線形制御特性を提供する。しかしながらバルブの一方向性の特質が、バルブの機能的な制御特性を制限する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の形態は可逆圧電バルブを説明する。本発明の第１形態では、可逆圧電バルブが提供される。その圧電バルブは、回転可能な栓を備えたバルブ本体と、そのバルブ本体に連結し、回転軸の周囲に前記回転可能な栓を回転させる様に作動する駆動部本体を備える。その回転軸に沿って配置され、前記栓と静的に連結すると共に、前記駆動部本体と回転可能に連結するシャフトを前記駆動部本体は備える。前記回転軸の周囲に配置され、前記駆動部本体に回転可能に連結するロータアセンブリもまた前記駆動部本体は備える。前記回転軸の周囲に配置されて前記駆動部本体に静的に連結しており、前記ロータアセンブリの内表面に摩擦係合する様に構成された第１の環状圧電アクチュエータを前記駆動部本体はさらに備える。加えて、前記回転軸の周囲に配置され、前記シャフトに静的に連結しており、前記ロータアセンブリの内表面に摩擦係合する様に構成された第２の環状の圧電アクチュエータを前記駆動部本体はさらに備える。
【０００６】
本発明の第２形態では、可逆圧電バルブが提供される。少なくとも１つの入口と少なくとも１つの出口、そして回転栓を備えたバルブ本体をそのバルブは備える。シャフトを介して前記回転栓に運動学的に接続され、可逆圧電モータを備える回転駆動部もまたそのバルブは備える。前記本体に対して固定された第１の環状の圧電共振子と、音響的に前記第１の圧電共振子と連結しており１つ以上の第１の可撓性のプッシャーを備える第１の相補的なジェネレータと、そして前記第１の圧電共振子に対して同軸に取り付けられ、前記第１の可撓性のプッシャーと摩擦接触して取り付けられる第１のロータと、を前記可逆圧電モータは備える。前記シャフトを介して前記回転栓と静的に連結する第２の環状の圧電共振子と、第２の圧電共振子と音響的に連結しており１つ以上の第２の可撓性のプッシャーを備える第２の相補的なジェネレータと、前記第２の圧電共振子に対して同軸に取り付けられ、前記第２の可撓性のプッシャーと摩擦接触して取り付けられ、防音ガスケットを介して前記第１のロータと静的に連結する第２のロータと、を前記駆動部本体はまた備える。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の一具体例に従う、バルブ栓体の方向を変えるための可逆圧電モータを含んだ、典型的なボール型の圧電バルブである。
【図２】本発明の一具体例に従う、可逆圧電モータを含んだ、第１の典型的なつまみ型（pinch-type）の圧電バルブである。
【図３】本発明の一具体例に従う、可逆圧電モータを含んだ、第２の典型的なつまみ型の圧電バルブである。
【図４Ａ】本発明の一具体例に従う環状の圧電モータの上からの見下ろし図である。
【図４Ｂ】本発明の一具体例に従う環状の圧電モータの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
添付した図に関連して本発明は説明され、ここで同様の引用された数字は、等価又は同等の要素を指定するために図中に用いられる。この図は寸法通りには描かれておらず、単にこの発明を説明するためだけに提供される。説明のための各実施例に関連して、本発明のいくつかの態様が以下に説明する。数々の具体的な詳細、関係、方法は、本発明の十分な理解を提供するために説明されることを理解されるべきである。関連する当業者は、しかしながら、この発明が具体的な詳細の一つもしくはいくつかを用いることなく、または他の方法を用いて実施され得るとすぐに分かるだろう。他の例で、本発明を分かりにくくすることを避けるため、よく知られた構造または作用は詳細には示されていない。本願発明は作用や事象の説明された順序付けに制限されず、作用の中には異なる順序及び／又は他の作用や事象と共に発生するものがあるかもしれない。さらに、すべての説明された作用や事象が、本願発明に従った手順で実施されなければならないとは限らない。
【０００９】
本発明の様々な具体例は、圧電モータ作動式バルブを提供する。特に、本発明の様々な具体例に従ったバルブは、そのバルブのステムの可逆回転を提供するために構成される。この新しいバルブの設計は、図１から図４に関して以下に説明されるだろう。
【００１０】
図１は本発明の一具体例に従う、バルブ栓体の方向を変えるための可逆圧電モータを含んだ圧電バルブの一例を示している。図１の圧電バルブ100は、バルブ100をパイプラインシステム（図示せず）に接続するための少なくとも１つの入口2、少なくとも１つの出口3、及び流体の流れを調節するための回転可能な回転栓4を有する本体1を備える。またバルブ１は回転駆動部本体6を含んでおり、この回転駆動部本体6は運動学的に回転栓4を回転駆動部本体6に接続し回転軸24を定義するシャフト5を含んでいる。
【００１１】
本発明の様々な具体例では、回転駆動部本体6は可逆の圧電モータである。回転駆動部本体6は、放射状の音響定常波をその場所に励起させる構成の第１の環状圧電共振子7を含む。第１の共振子7はバルブ100の本体1に対して固定され、回転軸24の周囲に配置される。さらに、第１の共振子7を外部コントローラ／電気的励起源28に接続するための１つ以上の電極と配線（図示せず）を第１の共振子7は備えることができる。回転駆動部本体6もまた、音響学的に第１の共振子7と連結している機械的振動の第１の相補的なジェネレータ（complementary generator）8を含む。例えば図１に示される様に、第１の相補的なジェネレータは第１の共振子7の外周縁の周囲で、弾性波シェル（elastic wave shell）もしくはリング状の形態とすることができる。他の具体例では、第１の相補的なジェネレータ8は、第１の圧電共振子7の平坦面と音響学的に連結しているディスク（図１に図示せず）の形態とすることができる。図１に示される様に第１の相補的なジェネレータ8は、回転軸24に対して少なくても放射状に外側に向かって伸びている１つ以上の可撓性のプッシャー9と適合されることができる。その結果、構成要素7，8，及び9は第１の放射状の圧電アクチュエータ25を提供する。回転駆動部本体6はさらに、第１のロータ10を含むことができる。第１のロータ10は第１の圧電共振子7に対して同軸上に取り付けられ（すなわち回転軸24の周囲で、第１の共振子7の外周縁を取り囲んでいる）、可撓性のプッシャー9と摩擦接触する。
【００１２】
回転駆動部本体6はさらに、放射状の音響定常波をその中に励起させる構成の第２の環状圧電共振子13を含む。第２の共振子13はシャフト5を通して、回転栓4と静的にリンクすることができる。さらに、第２の共振子13を外部コントローラ／電気的励起源28に接続するための１つ以上の電極と配線（図示せず）を第２の共振子13は備えることができる。第１の共振子7と同様に、第２の共振子13は弾性的なリングもしくはディスクの形態の機械的振動の第２の相補的なジェネレータ14を連結させて備えることができる。第２の補助的なジェネレータ14もまた、音響学的に第２の共振子13と連結することができ、１つ以上のプッシャー15と適合されることができる。その結果、構成要素13，14，及び15は第２の放射状の圧電アクチュエータ26を提供する。回転駆動部本体6はさらに第２のロータ11を含むことができる。第２のロータ10は第２の圧電共振子13に対して同軸上に取り付けられ、可撓性のプッシャー15と摩擦接触する。ロータ10，11は防音ガスケット12を通して静的に接続され、回転可能なロータアセンブリ27を提供する。
【００１３】
図１では、共振子7と共振子13は単独のコントローラ28により励起される様に説明される。しかしながら、本発明の様々な具体例はこの点において制限されない。それどころか、共振子7や共振子13を個々に励起させることが可能な１つ以上の構成要素からなるあらゆるシステムを、本発明の様々な具体例に用いることができる。
【００１４】
本発明のいくつかの具体例では、圧電チタン酸ジルゴン酸鉛ストロンチウム（lead-zirconate-titanate-strontium）セラミック（ＰＺＴ）材料から選択された圧電セラミックから、共振子7や共振子13を構成することができる。しかしながら、本発明はＰＺＴ材質の使用に制限されない。本発明の他の具体例では、圧電の材料の他の種類を利用できる。
【００１５】
図１に示す典型的な具体例では、各弾性プッシャー9，15はお互いに等しい公称の角距離で、共振子7，13の外周に沿ってそれぞれ配置されるように相補的なジェネレータ8，14は構成される。いくつかの具体例では、相補的なジェネレータ8，14は、圧電共振子7，13の外周の周囲にそれぞれしっかり適合されたリングのシェル（ring shells）状であることができる。そのとき、各リングシェルのそれぞれの外部表面に、弾性プッシャー9，15が取り付けられる。相補的なジェネレータが可撓性のディスクを含む具体例では、この様なディスクは、その平面を横切って圧電共振子7，13と音響的に連結する、偏平な円形ディスク形状とすることができる。その後で、弾性的なプッシャー9，15をディスクの外部円筒表面に取り付けることができる。
【００１６】
本発明のいくつかの具体例では、第２の圧電共振子13もしくはシャフト5は角度位置16のマーカーを少なくとも１つ備えられることができる。この様な具体例では、そのときバルブの位置は、バルブの本体に取り付けられる少なくとも１つのセンサ17を使用して検知されることができる。センサ17はさらに、コントローラ28もしくは、シャフト5または他の制御バルブ100の位置を制御するための他の制御素子と連結されていることができる。図１のバルブでそれぞれの特定されたマーカーは光ディスクのラスター（raster）からなる光回折格子の形態とすることができ、それぞれの特定されたセンサは光と電気の対（opto-electrical pair）として作成される。しかしながら、本発明の様々な具体例はこの点において制限されず、マーキングやバルブの位置の検知の別の方法を使用できる。
【００１７】
図１に示す様に、回転栓4は球体として形成されることができる。しかしながら、本発明の様々な具体例はこの点において制限されず、入口2と出口3の間のバルブ本体1の対応する鞍状部18内に載置するために、貫通口を備え円錐状またはシリンダー状に形成された栓を構成することもできる。
【００１８】
圧電アクチュエータ25と圧電アクチュエータ26は、環状あるいはリング型の圧電共振子の内部で放射状に超音波定常波が励起する励起する根幹に作用する。前に説明した様に、振動するシェルもしくは他の相補的なジェネレータ8，14を介して、プッシャー9，15は圧電共振子7，13にそれぞれ取り付けられる。プッシャー9やプッシャー15は、回転軸から通常の半径方向に最初に伸び、ロータアセンブリ27の一部に物理的に接触して配置される。さらにプッシャー9やプッシャー15はまた、回転軸27の周囲の回転方向に少なくとも一部分が伸びて配置される。例えば図１に示す様に、ロータ10の方へ半径方向に伸び、回転軸24の周囲の回転方向に伸びるカンチレバー型のばねをプッシャー9は含む。同様に、ロータ11の方へ半径方向に伸び、回転軸24の周囲の回転方向に伸びるカンチレバー型のばねをプッシャー10は含む。
【００１９】
その結果、バルブ100を軸24の周囲で反時計方向に操作するために、コントローラ28は第１の圧電共振子7を単独で励起する様に設定される。第２の共振子13が励起していない結果として、プッシャー15はロータアセンブリ27に対して一定の摩擦力を印加し、ロータアセンブリ27に対して固定された第２の共振子13が保持するだろう。したがって、ロータアセンブリ27、第２の共振子13、及びシャフト5は単一ユニットとして回転するだろう。しかしながら、第１の共振子7の励起は、ロータアセンブリ27のロータ10の方へ向かう放射状の動作を、プッシャー9にもたらすだろう。その結果、プッシャー9は変形し、ロータ10に対して摩擦接触を通して復元力を印加し始める。プッシャー9の一部もまた回転方向に沿って伸びるので、プッシャー9の復元力は軸24の周囲で反時計方向に優先的に印加される。プッシャー9の十分な変形が発生すると、変形したプッシャー9の集まった復元力が十分に大きくなってロータアセンブリ27、第２の共振子13、そしてシャフト5の所定の位置に保持しているあらゆる摩擦力を乗り越えると、ロータアセンブリ27、第２の共振子13、そしてシャフト5は軸27の周囲で反時計回りに回転し始めるだろう。プッシャー9がロータ10から離れて放射状に動くとき、プッシャー9は変形しないでロータ10に対して力を印加するのを止める。その後、この処理はロータアセンブリ27、第２の共振子13、そしてシャフト5の反時計回りの回転を持続させるために繰り返されることができる。
【００２０】
バルブ100を時計方向に操作するために、コントローラ28は第２の圧電共振子13を単独で励起する様に設定される。第１の共振子7が励起していない結果として、プッシャー9はロータアセンブリ27に対して一定の摩擦力を印加し、固定位置に保持するだろう。したがって、ロータアセンブリ27は回転することを防がれるだろう。しかしながら、第２の共振子13の励起は、ロータアセンブリ27のロータ11の方へ向かう放射状の動作を、プッシャー15にもたらすだろう。その結果、プッシャー15は変形し、ロータ11に対して摩擦接触を通して復元力を印加し始める。プッシャー15の一部もまた軸27の周囲で反時計回りに沿って伸びるので、プッシャー15の復元力は軸24の周囲で反時計方向に優先的に印加される。プッシャー15の十分な変形が発生し、変形したプッシャー15の集まった復元力が十分に大きくなって第２の共振子13、そしてシャフト5の所定の位置に保持しているあらゆる摩擦力を乗り越えると、第２の共振子13、そしてシャフト5は軸27の周囲で時計回りに回転し始めるだろう。プッシャー15がロータ11から離れて放射状に動くとき、プッシャー13は変形しないでロータ11に対して力を印加するのを止める。その後、この処理は第２の共振子13及びシャフト5の時計回りの回転を持続させるために繰り返されることができる。
【００２１】
前に説明した様に本発明の様々な具体例は、単にボール状の栓を含んだバルブに制限されない。それどころか、２〜３例を挙げるとゲートバルブ、球体弁、ピンチ弁、ダイヤフラム弁、ニードル弁、プラグ弁、ボールバルブ、バタフライ弁を含んだあらゆる型のバルブを利用できる。例えば、どの様に図１の圧電モータを本発明の具体例に従うピンチ型のバルブの操作に利用できるかを、図２と図３が示す。
【００２２】
図２は本発明の一具体例に従う可逆圧電モータを含んでいる、第１の典型的なピンチ型の圧電バルブ200を示す。図２のシャフト5に対する可逆モータは、図１で説明されたものと実質的に同じである。したがって、その場所の説明は図２の操作を説明するためには十分であるだろう。図２の圧電バルブ200で、回転栓はシャフト5の終端に堅く取り付けられる一方で、シリンダー19の曲線状の表面は弾性チューブ20に接触している、偏心回転可能なシリンダー19の形態とすることができる。例えば、チューブ20はシリコーン製あるいはゴム製のチューブを含むことができる。しかしながら、本発明の様々な具体例はこの点において制限されず、弾力性のある材料の他の種類もまた利用できる。図２に示す様に、弾性チューブ20の両端はバルブ200の入口2と出口3に接続され、チューブ20はバルブ本体1の鞍状部18に載置する。動作時にシャフト5を回転させると、シリンダー19が弾性チューブ20を押圧し、弾性チューブ20の内径開口の寸法を調節することで、そのバルブを通る流量を調節する。
【００２３】
図３は本発明の一具体例に従ったバルブつまみを回転させるための可逆圧電モータを含んでいる、第２の典型的なピンチ型の圧電バルブ300を示す。図３のシャフト5に対する可逆モータは、図１で説明されたものと実質的に同じである。したがって、その場所の説明は図３の操作を説明するためには十分であるだろう。図３の圧電バルブで、回転栓は直線状のガイド22を備えたピストンの形状に作成されることができ、シャフト5は「ボルトとねじ穴」の一対（"bolt-threaded hole” pair）を介してピストン21につなげられる。バルブ300でピストン21の平坦な側は、バルブ本体1の鞍上部18に載置し入口2と出口3に取り付けられた弾性チューブ20に接触してある。
【００２４】
図３の圧電バルブはスクリュー式の駆動部を含むことができる。この様な構成で、図３のシャフト5の終端はねじ穴を備え、そのねじ穴はピストン21の終端で対応するねじ23と連結している。本体1内でのピストン21の回転を防ぐためにピストン21と機械的に連結している保持装置22により、ピストン21の回転は防がれる。作動中では、図１に関して前に説明した様に、回転駆動部本体6を使用してシャフト5は回転される。シャフト5の回転はねじ23の線形位置をシャフト5内で移動させ、その結果生じた線形移動がピストン21を移動させ、回転方向に応じてピストン21を上下に移動させる。代わりに、ピストン21の終端はねじ穴を備えることもできる。この様な具体例では、シャフト5の回転はねじ23の線形位置をピストン21内で移動させ、その結果生じた線形移動がピストン21を移動させ、回転方向に応じてピストン21を上下に移動させる。
【００２５】
本発明のいくつかの具体例では、高速なバルブの開閉を提供するために、可逆圧電モータは高トルクを必要とする可能性がある。増加されたトルクを備えた圧電モータは、モータ設計のパラメータを改善し、同時にＱ値（Q factor）のあらゆる減少の望ましくない影響を除外することで提供されることができる。これは、ロータ及びそれに関連付けられた環状の圧電ジェネレータの直径を増加させ、さらに異なる励起振動数に切り替えて環状の圧電共振子の環幅を横切る第１次の縦振動モードを励起することで達成される。すなわち、圧電共振子の環幅を半径方向に横切った第１次の縦モードの振動を励起するために、印加電圧の動作周波数が選択される。特に、励起電圧の動作周波数（Ｆ）が以下の方程式により記述できることを、本願発明者は見出している：
【００２６】
【数１】
2012517569.tif 000003
【００２７】
ここでｃｐは環状の圧電共振子材料における音波の伝播速度、ｈは環状の圧電共振子の環幅である（すなわち図４Ａや図４Ｂに示される様に、ｈ＝Ｒｐ−ｒｐである。ここでＲｐは圧電共振子の外面半径、ｒｐは圧電共振子の内面半径である）。
【００２８】
本発明の様々な具体例では、少なくとも内面半径（ｒｐ）の２倍の外面半径（Ｒｐ）を備え（すなわち、Ｒｐ＞２ｒｐ）、そして少なくとも圧電共振子の厚さ（Ｈ）の２倍の環幅（ｈ）を備える（すなわち、ｈ＞２Ｈ）様に圧電バルブの圧電共振子を構成することにより、第１次振動の縦モードの励起を得ることができる。したがって、ｃｐ／２（Ｒｐ−ｒｐ）と等しい周波数（ＦｒＰ）を備えた交流電圧を利用して励起されたとき、ウェーブシェル（wave shell）は操作可能になり、圧電共振子の半径方向の振動をプッシャーへ効率よく伝達し、環状の圧電素子を含む従来の圧電モータに見られるトルク量より著しく高いトルク量を備えて回転軸の周囲で対応したロータの回転動作をもたらす。その上、その圧電共振子はその平坦な終端の表面に垂直に分極される（polarized）ことができ、さらにその電極はこれらの平坦な終端の表面に取り付けられることができる。したがって、圧電共振子と（ｃｐを特定する）圧電材料の、Ｒｐ＞２ｒｐとｈ＞２Ｈという関係に基づいて、特定の励起電圧振動数での環状の圧電共振子の寸法が選択される。
【００２９】
本発明の様々な具体例が前に説明されている間、それらは単に例として提示されているだけで、それに制限されないことを理解されるべきである。本発明の精神や範囲から逸脱することなくここの開示に従って、開示された具体例の数々の変形が作成され得る。したがって、本発明の広さや範囲は、前に説明したいかなる具体例によっても制限されないこととすべきである。むしろ本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲やそれに相当するものに従って定義されるべきである。
【００３０】
１つまたはそれ以上の実施に関して解説及び説明しているが、この明細書や付属する図面を読んで理解できる他の当業者は相当する変更や修正箇所に気がつくだろう。さらに、本発明の特定の特性が単にいくつかの実施の一つに関してだけ説明されているかもしれない一方で、あらゆる所定の又は特定の応用のために要求される様に及び好都合な様に、他の実施の他の一つ又はそれ以上の特性にこのような特性が組み合わされるかもしれない。
【００３１】
ここで使用された技術は特定の具体例のみで説明する目的であり、本発明を制限する意図はない。次の用語、単数形の“ａ”、“ａｎ”、及び“ｔｈｅ”は、特に文脈で明確な指示がない場合は複数形も同様に含むことを意図する。さらに、用語“ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ”、“ｉｎｃｌｕｄｅｓ”、“ｈａｖｉｎｇ”、“ｈａｓ”、“ｗｉｔｈ”又はそれに関した色々なものが詳細な説明及び／又は特許請求の範囲で使用されるという点で、この様な用語は用語“ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ”と同様の方法を含めたことを意図する。
【００３２】
特に指示がない場合、ここで使用される全ての用語（技術的、科学的用語も含む）は、この発明が属する当業者によって一般に理解されている様に同じ意味を持っている。例えば一般に辞書を使用して定義される様な用語は、技術に関係のある文脈のこれらの意味と一致する意味を持っていることとして解釈されるべきであり、ここで明確に定義されない場合は理想的もしくは過度に正式な意味で解釈される意志はない。
【符号の説明】
【００３３】
１  本体
４  回転栓
５  シャフト
６  回転駆動部本体
２４  回転軸
２５  第１の圧電アクチュエータ
２６  第２の圧電アクチュエータ
２７  ロータアセンブリ
１００  圧電バルブ
【図１】
2012517569.tif 000004
【図２】
2012517569.tif 000005
【図３】
2012517569.tif 000006
【図４Ａ】
2012517569.tif 000007
【図４Ｂ】
2012517569.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成23年12月6日(2011.12.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転可能な栓を備えたバルブ本体と、
前記バルブ本体に連結し、回転軸の周囲に前記回転可能な栓を回転させる様に作動する駆動部本体と、を備え、
前記駆動部本体は、
前記回転軸に沿って配置され、前記栓と静的に連結すると共に、前記駆動部本体と回転可能に連結するシャフトと、
前記回転軸の周囲に配置され、前記駆動部本体に回転可能に連結するロータアセンブリと、
前記回転軸の周囲に配置されて前記駆動部本体に静的に連結しており、前記ロータアセンブリの内表面に摩擦係合する様に構成された第１の放射状圧電アクチュエータと、
前記回転軸の周囲に配置されて前記シャフトに静的に連結していて、前記ロータアセンブリの内表面に摩擦係合する様に構成された第２の放射状圧電アクチュエータと、をさらに備えることを特徴とする圧電バルブ。
【請求項２】
前記第１あるいは前記第２の放射状圧電アクチュエータの１つに放射状の音響定常波を単独で励起する様に構成された制御システムをさらに備え、
前記第１の放射状圧電アクチュエータにおける前記音響定常波の前記励起が前記栓を第１の方向に回転させ、
前記第２の放射状圧電アクチュエータにおける前記音響定常波の前記励起が前記栓を前記第１の方向とは反対方向の第２の方向に回転させることを特徴とする請求項１に記載の圧電バルブ。
【請求項３】
前記第１の放射状圧電アクチュエータと前記第２の放射状圧電アクチュエータのそれぞれは、
環状の圧電共振子と、
前記圧電共振子と音響的に連結する相補的なジェネレータと、
前記相補的なジェネレータから機械的に延伸し、前記回転軸に関して少なくとも放射状に延伸し、前記ロータアセンブリの前記内表面に摩擦接触している１つ以上の第１の可撓性プッシャーと、を備えることを特徴とする請求項１に記載の圧電バルブ。
【請求項４】
前記ロータアセンブリはさらに、
前記第１の圧電アクチュエータに関して同軸に取り付けられ、前記第１の圧電アクチュエータと摩擦接触して取り付けられた第１のロータと、
前記第２の圧電アクチュエータに関して同軸に取り付けられ、前記第２の圧電アクチュエータに摩擦接触して取り付けられ、前記第１のロータに静的に連結する第２のロータと、
前記第１のロータと前記第２のロータの間に配置された防音ガスケットと、を備えることを特徴とする請求項１に記載の圧電バルブ。
【請求項５】
前記バルブ本体の入口と出口に接続された各終端を備えた弾性チューブをさらに備え、
前記回転栓は前記弾性チューブに接触する曲線状の表面を備えた偏心回転可能なシリンダーをさらに備え、
前記栓に応答して回転させている前記曲線状の表面が、前記弾性チューブの内径開口の寸法を調節する様に作動することを特徴とする請求項１に記載の圧電バルブ。
【請求項６】
前記バルブ本体の入口と出口に接続された終端を備えた弾性チューブをさらに備え、
前記回転栓は前記弾性チューブに接触する表面を備えたピストンをさらに備え、
前記栓に応答して回転させている前記ピストンの表面が、前記弾性チューブの内径開口の寸法を調節する様に作動することを特徴とする請求項１に記載の圧電バルブ。
【請求項７】
前記第１の放射状圧電アクチュエータと前記第２の放射状圧電アクチュエータのそれぞれは、
前記回転軸に対して放射状の方向に縦振動を発生させるために構成された圧電素子と、
それぞれが前記圧電素子に機械的に連結する第１の終端と、放射状方向に延伸して前記ロータアセンブリの前記表面に接触する第２の終端を備えた１つ以上の可撓性プッシャーと、を備えることを特徴とする請求項１に記載の圧電バルブ。
【請求項８】
少なくとも１つの入口と少なくとも１つの出口、そして回転栓を備えたバルブ本体と、
シャフトを介して前記回転栓に運動学的に接続され、可逆圧電モータを備える回転駆動部と、を備え、
前記可逆圧電モータは、
前記本体に対して固定された第１の環状の圧電共振子と、
音響的に前記第１の圧電共振子と連結しており、１つ以上の第１の可撓性プッシャーを備える第１の相補的なジェネレータと、
前記第１の圧電共振子に対して同軸に取り付けられ、前記第１の可撓性プッシャーと摩擦接触して取り付けられる第１のロータと、
シャフトを介して前記回転栓と静的に連結する第２の環状の圧電共振子と、
第２の圧電共振子と音響的に連結すると共に、１つ以上の第２の可撓性のプッシャーを備える第２の相補的なジェネレータと、
前記第２の圧電共振子に対して同軸に取り付けられ、前記第２の可撓性のプッシャーと摩擦接触して取り付けられ、さらに防音ガスケットを介して前記第１のロータと静的に連結する第２のロータと、を備えることを特徴とする圧電バルブ。
【請求項９】
前記第１の相補的な共振子と前記第２の相補的な共振子のそれぞれが、前記第１の圧電共振子と前記第２の圧電共振子の平面を横切って、個別に前記第１の圧電共振子や前記第２の圧電共振子と音響的に連結する平坦な円形のディスクをそれぞれ備えることを特徴とする請求項８に記載の圧電バルブ。
【請求項１０】
前記バルブ本体の入口と出口に接続された各終端を備えた弾性チューブをさらに備え、
前記回転栓は前記弾性チューブに接触する曲線状の表面を備えた偏心回転可能なシリンダーをさらに備え、
前記栓に応答して回転させている前記曲線状の表面が、前記弾性チューブの内径開口の寸法を調節する様に作動することを特徴とする請求項８に記載の圧電バルブ。
【請求項１１】
前記バルブ本体の入口と出口に接続された各終端を備えた弾性チューブをさらに備え、
前記回転栓は前記弾性チューブに接触する表面を備えたピストンをさらに備え、
前記栓に応答して回転させている前記ピストンの表面が、前記弾性チューブの内径開口の寸法を調節する様に作動することを特徴とする請求項８に記載の圧電バルブ。
【請求項１２】
前記外部の電気制御システムは、少なくとも１つの前記第１の環状の圧電共振子及び前記第２の環状の圧電共振子と連結する電力供給装置を少なくとも１つさらに備え、
前記電力供給装置は、第１の環状の圧電共振子及び前記第２の環状の圧電共振子の環状の幅を横切る第１次の縦振動モードを誘導するための交流電圧を供給することを特徴とする請求項８に記載の圧電バルブ。
【国際調査報告】
2012517569.tif 000009
2012517569.tif 000010