取り付け可能な腕部を有するスマートアクチュエータ装置及びエネルギー取得装置
本発明のスマート材料アクチュエータ装置は、固定支持部材、少なくとも１つの取り付け可能なアクチュエータ腕部及び前記取り付け可能な腕部と可動維持部材に接続される少なくとも１つの協働部材を含む。圧電スタックが前記固定支持部材の第１の取り付け表面及び前記可動支持部材の第２の取り付け表面の間に固着される。前記固定支持部材が実質的に剛性であり、かつ前記第１の取り付け表面と第２の取り付け表面は実質的に平行であり、その間に前記圧電スタックが固着されており、前記圧電スタックに適切な電圧を付加すると、前記圧電スタックは実質的に角度をもって動くことなく伸びる。この伸びは、前記第２の取り付け表面を前記第１の取り付け表面から離すように作用し、それにより前記機械的ウェブの前記協働部材を曲げ、それにより前記取り付け可能なアクチュエータ腕部を動かす。前記ウェブ及び前記取り付け可能な腕部の構成により、前記腕部のアクチュエータ端部が前記圧電スタックの前記伸びよりも大きい距離を移動することとなる。このようにして、前記スタックの伸びが前記機械的増幅装置により実質的に増幅されることとなる。このタイプのアクチュエータ装置は、電気エネルギーから機械的動きを生成するためんと、機械的動きから電気エネルギーを取得するために使用され得る。またかかる動きの量を検出するために使用され得る。機械的動きから電気を生成する方法、かかるアクチュエータ装置を用いて振動を生成する方法に加えて、共鳴周波数を調節し、共鳴操作によりエネルギーの取得の効率を上げる方法に加えて、外部構造との接続のための腕部の設計及び方法のいくつかが開示されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００９年７月１０日に出願された米国仮特許出願番号６１／２２４、５８５及び２００９年９月４日に出願された米国仮特許出願番号６１／２４０、００１に基づく優先権を主張するものであり、これらの内容は参照されて本明細書の一部となる。
【背景技術】
【０００２】
本発明は圧電又は他のスマート材料を用いるアクチュエータ装置に関し、異なる応用のための前記装置のカスタマイズを可能とする取り付け可能な腕部を持つ。スマート材料アクチュエータ装置は当該技術分野で知られている。しかしかかる装置は一般的には比較的限定された固定サイズ及び構成で製造されるものである。本発明は、これらの欠点を、異なるサイズ及び構成部品を可能とするアクチュエータ装置を提供することで解消し、それにより共通の部品セットでスマート材料アクチュエータ装置の異なる構成を可能とし、異なる応用のための要求に適するようにカスタマイズされ得る。カスタマイズ可能な腕部のために選択を持つということはまた、前記アクチュエータ装置の共鳴周波数の調節を可能とし、それによりさらに特定の応用にアクチュエータ装置を適合させる自由度が与えられ得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、圧電又は他のスマート材料を用いるアクチュエータ装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
ここで開示される、スマート材料アクチュエータ装置は、固定支持部材を持つ機械的増幅装置と、少なくとも１つの取り付け可能腕部と、及び前記取り付け可能腕部と可動支持部材に接続される少なくとも１つの協働部材を含む機械的ウェブとを含む。圧電スタックが、前記固定支持部材の第１の取り付け表面と前記可動支持部材の第２の取り付け表面間に固着されている。前記固定支持部材が実質的に剛性であり、実質的に平行である前記第１の取り付け表面及び前記第２の取り付け表面の間に前記圧電スタックが固着されていることから、前記圧電スタックへの適切な電圧付加は、前記圧電スタックが実質的に角度を持った動きをすることなく伸びることとなる。この伸びは、前記第２の取り付け表面を前記第１の取り付け表面から遠ざけるように作用し、それにより前記機械的ウェブを曲げ、それにより前記取付可能アクチュエータ腕部を動かすこととなる。前記ウェブの構成と前記取り付け可能な腕部の長さは、前記腕部の端部を、前記圧電スタックの前記伸びよりも大きい距離にわたり動かすこととなる。この方法で、前記スタックの伸びは効果的に前記機械的臓腑装置により増幅されることとなる。このタイプのアクチュエータ装置は、電気的エネルギーから機械的動きを生成するため、また機械的動きから電気エネルギーを取得するために使用され得る。
【０００５】
いくかの腕部の設計及び外部部品への接続するための手段が開示される。さらに、機械的動きから電気を生成する方法、かかるアクチュエータ装置を用いる振動生成及びかかるアクチュエータ装置をセンサとして使用する方法が説明される。最後に、かかるアクチュエータ装置の共鳴周波数を、取り付け可能腕部の選択及び接続を介して調節する方法及び共鳴操作を通じてエネルギー取得の効率を改善する方法がまた開示される。
【０００６】
本発明の他の構成が添付の図面から明らかとなる。図面はいくつかの本発明の公知の好ましい実施態様を示す。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、本発明の好ましい実施態様の拡大側面図であり、２つの対向する部品を含む固体取り付け可能なアクチュエータ腕部を持つ。
【図２】図２は、組み合わされた図１に示される実施態様の機械的増幅装置の斜視図である。
【図３】図３は、 本発明の使用に適切な機械的増幅装置の１つの実施態様の拡大斜視図であり、単一の部品ウェブを持つ固体の取り付け可能なアクチュエータを持つ。
【図４】図４は、組み合わされた図３の機械的増幅装置の斜視図である。
【図５】図５は、本発明の使用に適する機械的増幅装置の１つの実施態様の斜視図であり、チャンネル形状のアクチュエータ腕部を持つ。
【図６】図６は、本発明の使用に適する機械的増幅装置の１つの実施態様の斜視図であり、機械的締具により付設される固体の取り付け可能な腕部を持つ。
【図７】図７は、本発明の使用に適する機械的増幅装置の１つの実施態様の拡大斜視図であり、圧設取り付け可能な腕部を持つ。
【図８】図８は、本発明の使用に適する機械的増幅装置の他の好ましい１つの実施態様の拡大斜視図であり、圧設取り付け可能な腕部を持つ。
【図９】図９は、本発明の使用に適する組み立てられた機械的増幅装置の他の好ましい１つの実施態様の斜視図であり、圧設取り付け可能な腕部を持つ。
【図１０】図１０は、本発明の使用に適する組み立てられた機械的増幅装置の他の好ましい１つの実施態様の斜視図であり、ネジ状の取り付け可能な腕部を持つ。
【図１１】図１１は、本発明の使用に適する組み立てられた機械的増幅装置の他の好ましい１つの実施態様の斜視図であり、機械的締具で取り付けられた角度付き腕部を持つ。
【図１２】図１２は、図５で示される前記チャンネル形状アクチュエータ腕部の斜視図である。
【図１３】図１３は、図９で示される前記中空アクチュエータ腕部の斜視図である。
【図１４】図１４は、図８で示される前記中空アクチュエータ腕部の斜視図である。
【図１５】図１５は、図１２に示されるアクチュエータ腕部の動く端部の局部透視斜視図であり、固定ポスト形状の接続延長部を持つ。
【図１６】図１６は、図１２に示されるアクチュエータ腕部の動く端部の局部透視斜視図であり、部分的に回転したポスト形状接続延長部を持つ。
【図１７】図１７は、図１２に示されるアクチュエータ腕部の動く端部の局所透視斜視図であり、取り付けブロック接続拡張部を持つ。
【図１８】図１８は、図１２に示されるアクチュエータの動く端部の局所装置斜視図であり、ボール取り付け、ポスト形状の接続拡張部を持つ。
【図１９】図１９は、図１の機械的増幅装置の拡大側面図であり、前記固定支持部材へ接続可能な取り付けブロックを持つ。
【図２０】図２０は、組み合わされた図１９に示される実施態様の機械的増幅装置の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の好ましい実施態様がここで図１〜２０を参照して記載される。区別される部品は独自の部品番号が付されており、異なる実施態様における類似の部品は、一般的に最後の２桁の数字が同じである。例えば、部品固定支持部材２０は、図１、２、３、４、６、１９、２０で複数の実施態様で使用され、同様の図面に示される取り付け可能な腕部４０、１４０、２４０、３４０、４４０、５４０、６４０、７４０及び８４０はそれぞれ、本発明の異なる実施態様で用いるために適する取り付け可能なアクチュエータ腕部の別の実施態様である。便宜上、従ってここでの参照が、ある範囲の部品番号になされる場合に、その参照番号は類似の部品に付けられる短縮参照であり、最初の桁は異なるが最後の２桁が同じ部品番号となる。例示すると、取り付け可能なアクチュエータ腕部への参照４０〜８４０とは従って、全ての取り付け可能なアクチュエータ腕部４０、１４０、２４０、３４０、４４０、５４０、６４０、７４０及び８４０の全ての実施態様に参照されるものである。これと対照的に、特定の部品番号のみの参照は（例えば取り付け可能アクチュエータ腕部４０と参照される）、図中に示されるかかる部品の特定の実施態様を参照するものであって、特に明確にそのことが記載されていない限り、その図中の他の部分（例えば、取り付け可能なアクチュエータ腕部、１４０、２４０、３４０、４４０、５４０、６４０、７４０及び８４０）に示される実施態様をも必ず参照するものではない。類似の部品の実施態様間の共通及び相違については、本詳細な説明の記載に基づいて当業者には明らかであろう。
【０００９】
以下本発明の好ましい実施態様が記載されている。しかし留意すべきは、この記載は本発明の原理を説明するためのものであり本発明を限定するものではなく、請求される本発明の範囲内で多くの他の全ての変形実施態様もまた可能である、ということである。
【００１０】
用語「適合される」とは、ここでは、サイズ、形状、構成、寸法、方向及び配置が適切になされることを意味する。
【００１１】
具体的例がここで使用される場合には、かかる例は説明目的だけであり、なんら限定するものではない。
【００１２】
以下の参照文献はその内容の全てが本明細書の一部となり本発明をさらに理解するための追加の開示として提供される。即ち、ＰＣＴ出願／ＵＳ２０１０／４１４６１及び米国特許：６、７１７、３３２；６、５４８、９３８；６、７３７、７８８；６、８３６、０５６；６、８７９、０８７；６、７５９、７９０；７、１３２、７８１；７、１２６、２５９；６、８７０、３０５；６、９７５、０６１；７、３６８、８５６；７、５６４、１７１及び６、９２４、５８６である。
【００１３】
図１は本発明の取り付け可能な腕スマート材料アクチュエータ装置１の１つの好ましい実施態様を示す。図２は、図１の機械的増幅装置１０の、圧電スタック無しで組み立てられた場合の斜視図である。当業者には容易に理解されることであるが、本発明の前記装置の部品は種々のサイズ及び材料で製造され異なる応用の要求に合わせることができるものである。機械的増幅装置１０〜８１０の部品の製造者が、異なる取り付け可能な腕部４０〜８４０を機械的ウェブ３０〜８３０に取り付け可能にできるということは、広い範囲の応用の要求に合わせて種々のアクチュエータ装置を製造するため異なる構成に部品を組み立てることを可能として選択の自由度を改善する。例えば、より長い腕部は、より大きな動き（又はストローク）とより小さい力が要求される応用に使用され、一方でより短い腕は、より少ない動きでより大きい力が要求される応用に使用される。さらに、前記腕部の重量及び構成を変更することで、アクチュエータ装置１（及び機械的増幅装置１０〜８１０）の共鳴特性を変更でき、それによりアクチュエータ装置を特定の周波数で共鳴させる（又は共鳴を避ける）ために調節することを可能とする。さらに、取り付け可能なアクチュエータ腕部の異なる構成は、部品構成と幾何学形状を容易とし、適用される力の向きを調節するために使用され得る。これにより交換可能な部品に基づく改良されたアクチュエータ装置が可能となり、低コストで大量生産が可能となり、一方で広い範囲の応用に使用され得ることとなる。
【００１４】
アクチュエータ装置１は、機械的増幅装置１０及び圧電スタック１００を含む。異なるアクチュエータ装置構成での共通部品の汎用性及び再使用を促進するために、機械的増幅装置１０は、別々の部品からなり、これらには固定支持部材２０、２０’を持ち、これらは第１の取り付け表面２４、２４’を含む。固定支持部材２９、２０’は、異なるサイズの圧電スタック１００を用いる際に適切な種々のサイズに製造され得る。固定支持部材２０、２０’はアタッチメント端部２７、２７’を含み、図に示されるように機械的ウェブ３０〜８３０に取り付けられるように適合される。かかるアタッチメントは、アタッチメント端部２７をウェブアタッチメント端部３７、１３７、３３７と合うように適合させるように製造され得る。それにより固定支持部材２０、２０’は機械的ウェブ３０、１３０、３３０へ固定的に取り付けられ、それにより圧電スタック１００が固定支持部材２０、２０’と機械的ウェブ３０、１３０、３３０とが通常操作の際に分離されないようにされ得る。この説明図では、取り付け方法は、アタッチメント端部２７がそれらの外側端部でより広く形成され、ウェブアタッチメント３７、１３７、３３７がそれらの外側端部でより狭く形成されることである。これにより、固定支持部材２０、２０’のアタッチメント端部２７は、ウェブアタッチメント端部３７、１３７、３３７へその端部から押し込まれ、それによりアタッチメント端部２７及びウェブアタッチメント端部３７、１３７、３３７の前記狭い端部及び広い端部により圧電スタック１００が活性される際に分離されることに抵抗性となる。逆の構成もまた可能ある。この場合にはアタッチメント端部２３７、４３７、５３７、６３７、７３７、８３７がその外側端部がより広く、一方でアタッチメント端部２７’がその外側端部でより狭くなっている。当業者に明らかなように、広い種類のアタッチメント手段が使用でき、これには同様の結果を得られる、種々のロック形状、機械的締具、溶接又は高強度接着剤が含まれる。アタッチメント端部２７、２７’及びウェブアタッチメント端部３７〜８３７の実施態様は、しかし、かかるアタッチメント手段の２つの説明的組み合わせにすぎない。
【００１５】
固定支持部材２０、２０’を機械的ウェブ３０〜８３０に取り付けるように適合させることで、異なるアクチュエータ装置の実施態様を実行するための異なる方法で組み合わせることができる標準部品のセットの製造が可能となる。例えば、固定支持部材２０、２０’は圧電スタック１００の異なるサイズに合わせるように種々の長さで形成され得る。又は、固定支持部材２０、２０’は１つの材料から形成され得る（例えばステンレススチール）。または、機械的ウェブ３０〜８３０は異なる材料からも形成され得る（例えばアルミニウム又は異なるグレードのステンレススチール）。これにより、共通の固定支持部材２０、２０’を、種々の重量、強さ、降伏点などを持つ機械的ウェブ３０〜８３０と合わせることが可能となる。ステンレススチールは、固定支持部材２０、２０’及び機械的ウェブ３０〜８３０の１つの好ましい材料である。というのは強くかつ長持ちするからである。アルミニウム、炭素繊維、プラスチック、セラミック及び他の鋼合金はまた、異なる重量、強度及び構成のアクチュエータ装置を製造するために使用され得る。これらについては、以下の説明及び参照により本明細書の一部とされた文献に、異なる共鳴周波数を持つものが記載されている。
【００１６】
固定支持部材２０、２０’は、圧電スタック１００を第１の取り付け表面２４及び機械的ウェブの第２の取り付け表面３４〜８３４の間に剛性的に支持するように作用する。さらに以下説明するように、かつ参照されて本明細書の一部となった文献で説明される、適切なプレロードを適用するものである。第１の取り付け表面２４は好ましくは圧電スタックを強固にかつ均一に接続する形状をもつ。また場合により絶縁体を伴う（図示されていない）。強固かつ均一な第１の取り付け表面２４と圧電スタック１００との接合が好ましい。というのは、それにより操作の際に圧電スタック１００が角度を持って曲がることを最小にするように作用し、それによりアクチュエータ装置１の使用寿命及び効率を改善するからである。圧電スタック１００に付加されるプレロードの量はまた、調節可能な機械的圧縮装置（例えば、第１の取り付け表面２４として作用するプレートとのネジ式締具（図示されていない））を固定支持部材２０へ導入することにより調節され得る。これにより、同じ固定支持部材２０、２０’と圧電スタック１００を種々の調節可能なプレロードを設定して利用できることとなる。参照されて本明細書の一部とされた文献に記載されているように、適切なプレロードを選択することが前記アクチュエータ装置の効率を増加させ得る。
【００１７】
機械的増幅装置１０〜８１０はさらに、機械的ウェブ３０〜８３０を含み、これは対抗する第２の取り付け表面３４〜８３４を可動支持部材３１〜８３１上に有する。上記のように、圧電スタックは、第１の取り付け表面２４及び第２の取り付け表面３４〜８３４の間に固着されている。圧電スタック１００を確実に保持するための接着剤が使用され得るが、ある実施態様ではかかる接着剤は必要ではない。というのは、固定支持部材２０、２０’と機械的ウェブ３０〜８３０により与えられる圧縮力は、圧電スタック１００をその位置に確保するには通常充分だからである。従って、固定支持部材２０、２０’が実質的に剛性であり第２の取り付け表面３４〜８３４が前記固定支持部材２０、２０’及び第１の取り付け表面２４と平行でかつ直接対抗することが好都合である。第１の取り付け表面２４と同様に、第２の取り付け表面３４〜８３４もまた圧電スタック１００と強固にかつ均一に合うことが好ましい。これによって、適切な電圧が圧電スタック１００に付加されると、圧電スタック１００は、実質的に固定支持部材２０、２０’を動かさずにかつ実質的に圧電スタックが曲げられて角度を持って曲がることなく、伸ばされ、それによってより長寿命と効率的使用を可能とするものである。図示されていなが、第１の取り付け表面２４及び／又は第２の取り付け表面３４〜８３４はまた、圧電スタック１００を支持し確保するためのキャビティ、リッジ、締具又は類似の構成を含むことができる。これらは外に出ているか、又は適切な保護及び／又は絶縁材料内に包まれることができる。
【００１８】
圧電スタック１００は通常負電極１０３を固定支持部材２０、２０’に接触する端部、及び正電極１０２を対抗する端部に持ち、電極１０２は張力緩和部品３５（図示されているが、図２〜１１、１８及び２０には別に符号付けされていない）を介して伸びるように適合され、それにより電気的接続が確立され得る。機械的増幅装置１０〜８１０の本体は導電性である場合には、本体自体は圧電スタック１００のための接地として使用されることができ、正電極１０２が回路を完全にするために使用される。かかる実施態様では、適切な絶縁材料（図示されていない）であってその多くは当該技術分野で知られている絶縁材料が張力緩和部品３５内に使用され、かつ圧電スタック１００の構成に依存して必要ならば、短絡を避けるために第２の取り付け表面３４〜８３４と圧電スタック１００との間で使用される。機械的増幅装置１０〜８１０の本体及び特に固定支持部材２０は非導電性である場合、追加の負電極（図示されていない）が必要となる。多くの種類の圧電材料（電圧が付加されると伸びる材料又は機械的力が与えられると電荷を発生する材料）は当技術分野において知られており、圧電スタック１００としての使用のために適合され得る。これは例えば共焼成されたセラミック圧電材料の交互層からなるスタック（所謂共焼成多層セラミック圧電スタックであり、ＮＥＣを含む供給者から入手可能なものである）であるか、又は単結晶圧電材料から切り出された材料の層からなるスタックであり得る。ここで説明されるように、用語「圧電材料」（圧電スタック１００を形成するために使用される）にはまた、所謂「スマート材料」が含まれ、知られた圧電材料にドープすることで作られその電気的又は機械的性質を変えるものである。従って、スマート材料アクチュエータ装置はここで記載される圧電スタック１００を使用するアクチュエータ装置であり、用語圧電スタックとは、従来の圧電材料及び所謂スマート材料からなる両方のスタックを意味する。
【００１９】
機械的増幅装置１０〜８１０はさらに、協働部材３２〜８３２を持つ機械的ウェブ３０〜８３０を含む。協働部材３２〜８３２は、第２の取り付け表面３４〜８３４を第１の取り付け表面２４から遠ざけるように作用するように適合されており、これにより協働部材が（ここでは機械的リンクと参照される場合がある）３２〜８３２が曲げられ、それによりアクチュエータ腕部４０〜８４０が固定支持部材２０の方へ動くこととなる。取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０が長いほど、その端部４１〜８４１での動きは大きい。従って、機械的増幅装置１０〜８１０の設計は、圧電スタック１００により起こされる機械的動きをアクチュエータ腕部４０〜８４０の作動端部４１〜８４１で機械的動きに増幅され、これは圧電スタック１００の伸びよりも大きい距離にわたる動きである。このようにして、アクチュエータ装置１は圧電スタック１００に電圧を付加することで活性化され、それにより伸ばされて第２の取り付け表面３４〜８３４に作用して、対応するが増幅されえたアクチュエータ腕部４０〜８４０の動きを生じさせる。以下さらに説明するように、逆の操作も可能である。ここではアクチュエータ腕部４０〜８４０が機械的力により離れるように動かされ、それにより第２の取り付け表面３４〜８３４に作用して圧電スタック１００を圧縮し、これが圧電スタック１００に電圧を生じさせ、これはその後、再充電可能電池（図示されていない）などの再充電可能電源などの電気的負荷に放電することができる。従って次のことが理解される。アクチュエータ装置１は、圧電スタック１００へ適切な電圧を付加して電気エネルギーから機械的動きを生成するために使用できるということである。また、アクチュエータ腕部４０〜８４０を、振動体又は振動表面（例えばポンプハウジング）などの機械的動き源に接続し、その後圧電スタック１００により生成された電圧を再充電可能電池やキャパシタなどのエネルギー貯蔵装置へ放電することで、機械的動きから電気エネルギーを取得するために使用できる、ということである。無駄な機械的動きの１つの源（例えばエンジン振動、パイプの振動、支持部材の横揺れ、熱膨張部品など）は多くのタイプの装置に無数にあることから、本発明は非常に広く適合され得るエネルギー取得装置を提供するものであり、ほとんど無限の応用で使用され得るものである。
【００２０】
さらに本発明のアクチュエータ装置はセンサとして使用され得る。圧電スタック１００により生成される電圧（又は電気ポテンシャル）量はアクチュエータ腕部４０から８４０の動きに比例する。従って、生成された電圧を分析することで、取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０の動きの存在及び／又は量が決定され得る。従って、ここで開示されるものは、スマート材料アクチュエータ装置１を用いる動き検出の方法であり、取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０を機械的動き源に接続し、圧電スタック１００から生成される電圧を読むことによる。電圧は、取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０に受けた動きの量を示すものとして使用され得る。というのは生成電圧は動きの量に比例するからである。従って、動きの程度が与えられた瞬間、又は一定期間にわたり検出され得る。増幅又はシグナル処理が、かかるセンサから生成されたシグナルを有用な情報に変換するために必要となり得る。かかる増幅及びシグナル処理手段はしかしながら、よく知られたものであり、ここではさらに説明はしない。
【００２１】
取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０が交換可能であるということは、特にセンサ応用にとって有用である。例えばセンサが液流を測定する場合、取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０はパドルを含めるように適合され得る。パドルは、パドルが液流と反応するが、大きく邪魔はしないようにギャップを有するか有していなくてもよい。異なるおよび潜在的により大きいパドルはガス流を検出することができるように使用され得る。従って以下理解されるべきである。即ち、本発明の分離された取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０は、アクチュエータ腕部のみを交換するだけで、同じ部品を種々の応用に使用されるようにすることができるということである。
【００２２】
当業者は、本発明のアクチュエータ装置１は１以上の取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０を持ち得ることを理解するであろう。図に示され、以下説明されるように、機械的ウェブ３０〜８３０はさらに、取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０を取り付ける種々の方法含み、好ましくは機械的ウェブ３０〜８３０のそれぞれの肩部３６〜８３６上にそれぞれ導入されるものであある。少なくとも１つの取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０は一般的には、肩部３６〜８３６へ接続されるが、また、２つの取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０を取り付けることができ、１つの上部取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０が１つの肩部３６〜８３６へ接続される、他の下部取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０が他の肩部３６〜８３６へ接続される。かかる実施態様の例は、図６、９、１０、１１、１９及び２０に示される。図示されてはいないが、次のことは容易に明らかであろう。即ち、本発明はまた、上部アクチュエータ腕部４０〜８４０及び下部アクチュエータ腕部４０〜８４０が異なる材料又は構造であり、それによりなおさらなる応用で使用することができる、ということである。又は、単一の取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０のみが構造に取り付けられて、固定支持部材２０、２０’と、又は他の肩部３６〜８３６と共に使用されて、取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０が操作する力と対抗する力を与える。
【００２３】
機械的増幅装置１０〜８１０の操作力学は、種々のレベルの駆動力及びストロークが圧電スタック１００で生成されるように適合され得るように機械的リンク３２〜８３２の設計を限定する。異なる取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０を接続することにより、腕部長さを調節することで取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０の腕部端部４１〜８４１で異なるストローク長さを持つ構成を作ることでさらなるフレキシビリティが達成される。腕部長さの調節は、より長いストロークを持つより長い腕の場合にはより少ない力が、一方より短い腕はより大きい力を持つがより短いストロークとなる。アクチュエータ腕部の設計上の他の変更がまた可能であり、これには曲げられた又は角度が付けられた腕部を含み、又は異なる取り付け手段を持つ腕部などを含み、以下説明される。取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０が肩部３６〜８３６上の取り付け手段へ取り付けることができ、それにより、従って広い種類のアクチュエータ装置が既製部品から組み立てることができ、それにより多くの異なる応用へ適合されうる多くの異なる構成を作ることができる。
【００２４】
図１及び２に示されるように、機械的ウェブ３０の肩部３６へアクチュエータ腕部４０を取り付ける１つの方法は、取り付け可能なアクチュエータ腕部４０よりも狭い肩部３６を形成し、２つの対抗するタブ４２を、取り付け可能なアクチュエータ腕部４０上の肩部３６を囲むように形成することである。タブ４２の穴４３はその後、溶接点として又はその穴を通じて使用するか、又は肩部３６に穴を開けて機械的締具（図示されていない）を使用する。
【００２５】
他の取り付け手段は図３及び４に示される。かかる実施態様では、肩部１３６は好ましくは２つの穴１４３を有し、そこを締具１４４が、取り付け可能なアクチュエータ腕部１４０の長手方向軸に実質的に垂直に通じる。取り付け可能なアクチュエータ腕部１４０は締具１４４を受け入れるための適合穴１４３を含む。締具がネジの場合、適合穴１４３はネジを受けるように受口が設けられている。又はリベット、自己タップ締具又はナット付きネジ締具などが使用され得る。明らかなことは、２よりも多い適合穴１４３及び締具１４４もまた可能であるということである。
【００２６】
図５は、取り付け可能なアクチュエータ腕部２４０での他の取り付け手段を示し、チャンネル２４３を含む。理解されるべきは、アクチュエータ腕部２４０の外側寸法は実際にはあらゆる形状を持ち得るということである。チャンネル形状とは、取り付け可能なアクチュエータ腕部２４０の１つの表面が雄チャンネル２４３を持ち雌トラック２３３を受けて肩部２３６へ一体化する、ということのみを意味する。取り付け可能なアクチュエータ腕部２４０は、その後トラック２３３にスライドさせるか押し付けて肩部２３６に組み立てられ得る。もちろん、広い範囲のチャンネル及びトラック形状が使用でき、これには、リッジ付き及び適合溝（図示されていない）が含まれ、ある応用の場合に取り付け強度を改善し得る。取り付け可能なアクチュエータ腕部２４０の雌トラックとチャンネル２４３による摩擦及び機械的強度がある応用には充分ではない場合には、接着剤（エポキシを含む）、プレス、クランプ又は機械的締具が強度を上げるために使用され得る。留意すべきは、この実施態様の１つの利点は、取り付け可能な腕部２４０は、長い形状で製造でき、具体的な応用のために切断され得るということであり、この場合異なる腕部長さを予め製造し穴を形成する必要はない。
【００２７】
図６はさらに他の取り付け手段を示す。取り付け可能な腕部３４０は好ましくは傾斜付きの穴３４３を持ち、取り付け可能な腕部３４０の長手方向軸に平行に伸びている。肩部３３６は穴３４２に適合するように拡張部３３３を含む。ネジ締具３４４はその後肩部３３６及び拡張部３３３に通して適合させ穴３４３を取り込み固定される。理解されるように、穴３４３は予めネジを付けておき締具３４４と適合させることができる。又明らかなことは、穴３４３は締具３４４と適合するように予めネジ付けされていてもよく、又は締具３４４が自己タップの種類であってよい。締具３４４を固定することで安全な機械的取り付けが達成され得る。
【００２８】
図７及び８はさらに取り付け手段が示される。肩部４３６、５３６がさらに拡張部４３３及び５３３を含む。取り付け可能なアクチュエータ腕部４４０、５４０は適合受具４４３、５４３を含み、これらは実質的に同じ形状を持ち実質的に同一又はやや小さいサイズである。かかる実施態様では、取り付け可能な腕部４４０、５４０は、外側周辺部及び内側周辺部を含み、受具４４３、５４３と共に前記内側周辺部を形成する。理解されるべきは、前記内側周辺部が拡張部４３３、５３３を受け入れるように適合されている限り、前記外側周辺部及び内側周辺部は同じ形状であることは必要ではないということであり、前記内側周辺部は前記外側周辺部と共中心的であることも必要ではないということである。
【００２９】
取り付け可能なアクチュエータ腕部４４０、５４０はその後、取り付け可能なアクチュエータ腕部４４０、５４０を拡張部４３３及び５３３に押し込み、それにより前記腕部を機械的ウェブ４３０、５３０に押して適合させることで、機械的ウェブ４３０、５３０に取り付けられることができる。受具４４３、５４３は腕部４４０、５４０の全体を通じて拡張していてもよく、一部分のみ拡張されていてもよい。取り付け可能なアクチュエータ腕部２４０と同様に、受具４４３及び５４３が腕部の全体に伸びている場合には、取り付け可能なアクチュエータ腕部４４０、５４０は長い長さで製造し、取り付け前に必要に応じて切断することができる。さらに強度が必要な場合には、エポキシを含む接着剤を、拡張部４３３、５３３及び／又は受具４４３、５４３に取り付け前に適用することができる。クランプやセットネジなどの機械的締具（図示されていない）もまた強度を追加するために使用され得る。受具４４３、５４３が、拡張部４３３、５３３よりもやや小さい場合には、アクチュエータ腕部５４０、４４０は適合させる前に加熱して受具４４３、５４３をやや大きくして適合可能にし、その後冷却されると縮小してよりしっかりと取り付けられることとなる。
【００３０】
同様の取り付け手段が図９に示される。肩部６３６は受具６４３を含み取り付け可能な腕部６４０を受けるように適合されている。取り付け可能なアクチュエータ腕部６４０の外側周辺部は受具６４３と実質的に同一形状であり、そのサイズは実質的に同じかやや大きい場合には、取り付け可能なアクチュエータ腕部６４０は受具６４３に押し込んで適合されることができる。受具６４３は肩部６３６の全部に又は一部のみに伸びていてよい。この取り付け手段での好ましい実施態様では、腕部６４０はカーボンファイバの中空チューブであり、これにより腕部を強くしかつ軽くする。当業者に理解されるべきことは、受具６４３は丸い形状の取り付け可能なアクチュエータ腕部６４０を受けるように適合させることが好ましいが、他の受具及び腕部形状もまた使用され得る、ということである。同じく理解されるべきことは、さらに強度が必要な場合には、エポキシを含む接着剤を押し込む前に適用することができること、又は押し込み適合させるために予め肩部６３６を加熱して大きくすることができる、ということである。
【００３１】
図１０はさらに他の取り付け手段が示される。かかる実施態様で、取り付け可能なアクチュエータ腕部７４０は、標準ボルト又はネジ付き棒部材などのようにその外側がネジ付けされている。肩部７４６はネジ受具７４３を含み、ネジ付きの取り付け可能なアクチュエータ腕部７４０を受けるように適合されている。受具７４３が肩部７３６を通じて伸びている場合に端部７４２で又は取り付け可能なアクチュエータ腕部７４０が受具７４３に入る点のいずれかで、取り付け可能なアクチュエータ腕部７４０をさらに確実にするために、ナット（図示されていない）がまた使用されてよい。かかるナットを２個使用する場合には、受具７４３は内部にネジを設ける必要はない。また明らかなことは、受具７４３が肩部７３６の全体に伸ばすか、肩部７３６の一部分に伸ばすかは、選択の問題である。かかる実施態様は、既製のネジ付き棒部材を取り付け可能なアクチュエータ腕部７４０として切断して用いることを可能とし、かつ標準のネジ付き取り付け部材をアクチュエータ端部７４１に接続することで、作動させる装置又は機械的動きの源とすることができる。
【００３２】
図１１にはさらに他の取り付け手段が示される。取り付け可能なアクチュエータ腕部８４０が少なくとも１つ、好ましくは２以上の穴８４３を含み、これは取り付け可能なアクチュエータ腕部８４０を通じて伸びている。機械的締具（図示されていない）は穴８４３及び肩部８３６を通り、それにより取り付け可能なアクチュエータ腕部８４０を機械的ウェブ８３０に確実に取り付ける。
【００３３】
図１１はまた、取り付け可能なアクチュエータ腕部８４０が全ての形状をとり得ることを示す。図に示されるように、取り付け可能なアクチュエータ腕部８４０は角度が付けられており、それによりアクチュエータ端部８４１の間の距離を増加させている。従って、取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０は、ここで示される相対的寸法や形状には限定されないことは明らかである。これはまた本発明の取り付け可能なスマート材料アクチュエータ腕部の利点を示すものである。これは、同じ固定支持部材２０、２０’及び機械的ウェブ３０〜８３０がどのようにして、多くの他のタイプ及びサイズの取り付け可能なアクチュエータ腕部と共に使用され得るかを示すものだからである。
【００３４】
本発明の取り付け可能なスマート材料アクチュエータ腕部はさらに、取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０を外部構造に取り付けるための方法を提供する。かかる外部構造には、電気エネルギーを取得するために駆動される装置（例えば、バルブ又はポンプ）又は機械的動きの源（例えばポンプハウジング）を含む。
【００３５】
図１５〜１８は、外部構造への取り付け可能なアクチュエータ腕部２４０の取り付け手段の好ましい実施態様を示す。理解されるべきことは、前記手段は取り付け可能なアクチュエータ腕部２４０との関連で記載されるものであるが、これらは他の取り付け可能なアクチュエータ腕部４０、１４０、３４０、４４０、５４０、６４０、７４０及び８４０へも容易に適合され得るものであり、かかる実施態様のアクチュエータ端部もチャンネル化部分を加えること、又は前記腕に取り付けられる以下記載の外部構造への取り付ける手段を適合することによる。かかる適合化は当業者には明らかである。
【００３６】
図１５は外部構造に取り付け可能なアクチュエータ腕部２４０を取り付けるための手段５０の１つの実施態様を示す。前記手段は取り付け可能なアクチュエータ腕部２４０のチャンネル２４６へ圧設適合させる取り付けブロック５０を含む。取り付け可能なアクチュエータ腕部２４０のチャンネル２４３の幅と同じ幅かやや広い幅に取り付けブロック５１を適合させることで、取り付けブロック５１はチャンネル２４３内に圧設適合され得る。ある実施態様ではかかる取り付けによる摩擦は充分な強度を与える。他の実施態様では、溶接、接着剤又はクランプや組スクリュー（図示されていない）などの機械的締具を用いて取り付けを強化してもよい。
【００３７】
取り付けブロック５１はさらに、そこから伸びるポスト部５２を含む。前記ポスト部５２は種々の方向に伸びていてよく、図に示されるように取り付け可能なアクチュエータ腕部２４０に垂直に下方に伸びることは必ずしも必要とされない。さらに理解されるべきことは、ポスト部５２はポンプ又はバルブ軸などの機械装置の部品であってよく、ネジ付き（図示されていない）、かつ全ての形状（四角形、三角形、丸、八角体であってよい、ということである。ポスト部５２がネジ付きでない場合に、外部構造と溶接、接着又は機械的クランプなどで取り付けられてよく、それにより充分な接続強度を持つ。
【００３８】
図１８は、さらに取り付け可能な腕部を外部構造に取り付ける手段３５０を示し、これは手段５０と類似しているがさらに自由度を持つものである。取り付けブロック３５１は取り付け可能なアクチュエータ腕部２４０のチャンバ４３に同様に押し付け適合されるものであり丸められたブロック受具３５１を含み、これはポスト部３５２が取り付けられるボール構造３５３を受け入れる。受具３５４は、取り付けブロック３５１の外側表面のいずれでもよいが、好ましくは示されるように下部表面上にある。受具３５４及びボール構造３５３は、合致するように適合され、ボール構造３５３が受具３５４に押し付けられる際にボール構造３５３は取り込まれるが、なお受具３５４内で動く自由度を維持する。この方法で、ポスト部３５２は、取り付け可能なアクチュエータ腕部２４０が動く際にさらなる自由度を持つこととなる。ポスト部５２と同様に、ポスト部３５２も種々の形状及び寸法であり得る。さらに外部構造に種々の方法で取り付けら得る。例えば溶接、機械的締具、クランプ及び前記外部構造の組み立て部品をポスト部３５２として作用するように適合させる方法である。
【００３９】
図１６は外部構造へ取り付け可能なアクチュエータ腕部２４０を取り付ける類似の手段１５０を示す。棒部材１５１は、取り付け可能なアクチュエータ腕部２４０のアクチュエータ端部２４１の溝又は穴に押し付け接続されるように適合されており、棒部材１５１が取り込まれても、なお回転する自由度がある、ものである。これにより、ポスト１５２はアクチュエータ端部２４１が動く際にアーク上に動くことができるが、側から側への動きには抵抗する。ポスト５２、３５２と同調に、ポスト１５２も、種々のサイズと構成をとり得る。さらに外部構造に種々の方法で取り付けられ得る。これらは当業者には明らかである。
【００４０】
さらに外部構造への取り付け可能なアクチュエータ腕部２４０の取り付け方法２５０が図１７に示される。取り付けブロック２５１は、アクチュエータ端部２４１で、又はその近くで、取り付け可能なアクチュエータ腕部２４０のチャンネルに押し付け接続される。取り付けブロック２５１はさらに、取り付けブロックから伸びる拡張部２５２を含む。図面は取り付け可能なアクチュエータ腕部２４０の長手方向軸に沿った同じ方向で伸び出ている拡張部２５２を示すが、拡張部２５２は、下部表面２５５又はその間のあらゆる方向から下向きを含む種々の方向へ伸びることが可能であることは、明らかである。拡張部２５２は少なくとも１つの取り付け穴２５４を含み、これは外部構造との接続のために用いることができ、通常穴２５４を通じて伸びる機械的締具（又は図示されていない）用いて接続されている。
【００４１】
図１９及び２０に示されるように、２つの取り付けアクチュエータ腕部４０〜８４０が使用されている。機械的増幅装置１０〜８１０を外部構造に固定支持部材２０、２０’を介して取り付けることが望ましい。これは、取り付けブロック６０を図示されるように固定支持部材２０、２０’に取り付け、かつ取り付けブロック６０を当技術分野でよく知られている手段を用いて外貌構造に取り付けることで達成される。示されるように、取り付けブロック６０は穴６５を含み、前記穴６５は固定支持部材２０、２０’に、場合により穴２５と共に適合される。その後機械的締具（図示されていない）が穴６５及び２５を通って取り付けブロック６０を固定するか、固定取り付けブロック６０を通じかつ固定支持部材２０、２０’に対抗して固定する。この方法で、アクチュエータ装置１は好ましく剛性の外部構造に取り付けら、取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０が操作し得る力に対抗する力を与えることができる。これは、１つだけの取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０を含み、他の肩部３６〜８３６を外部構造に固定的に取り付ける１つの変法である。外部構造へ取り付けることはしばしば望まれることである。というのは、かかる構造が対抗する力を与え、それにより取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０がアクチュエータ装置１の残部の動きと対抗するように外部メカニズムを動かすことができるからである。
【００４２】
アクチュエータ装置がある周波数で操作される際に共鳴することができる装置が知られている。ある応用では、共鳴操作が応力をさらに加えることとなり避けることが望まれる。他の状況では、共鳴操作が望ましい場合があり、それは効率を高めかつ電力消費を抑えるからである。アクチュエータ装置が生じる周波数は、アクチュエータ装置の質量及びその質量がどのようにし分布されているかに依存する。従って、本発明は、さらなる利点を提供するものであり、即ちスマート材料アクチュエータ装置の周波数を調節する方法を可能にする。
【００４３】
取り付け可能なアクチュエータ腕部を持つスマート材料アクチュエータ装置の共鳴周波数を調節するためには、既定の質量を持つ腕部４０〜８４０を選択し、かつ前記腕部を機械的ウェブ３０〜８３０へ、上で説明したように取り付けることが必要である。周波数が低すぎる場合には、選択した取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０を取り外し、より少ない質量を持つ腕部４０〜８４０を選択して取り付けることで、増加させることができる。同様に、より低い周波数が望まれる場合には、より大きい質量を持つ腕部４０〜８４０を選択することができる。
【００４４】
本発明のさらなる利点は、スマート材料アクチュエータ装置が振動を作るために使用され得るということである。圧電材料が速い反応と回帰時間を持つことから、アクチュエータ装置１を高速度で操作することが可能となる。この方法で、既定の質量を持つ取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０を選択し、前記アクチュエータ腕部４０〜８４０を上で説明したように機械的ウェブ３０〜８３０に取り付け、かつ前記圧電スタック１００を望ましい周波数で活性化と脱活性化を繰り返すことで、所与の周波数の振動を創りだすことができる。取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０及び肩部３６〜８３６の間の接続に遊びを持たせることで、前記振動周波数に無秩序な一見ランダムな成分を導入することができる。
【００４５】
最後に、異なるサイズ、材料及び構成の取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０を選択することができることで、エネルギー取得のための応用においてより大きい自由度が与えられることとなる。機械的動きの源を同定し、その動きの予想最大の大きさ（又は即ち、前記対象物が動く距離）を決定し、かつ前記対象物が起こす可能性のある最大の機械的力を決定することで、必要なストローク長さとブロック力（圧電スタック１００の縮に抵抗する力）が容易に決められることとなる。その後既定のストローク長さとブロック力を持つスマート材料アクチュエータ装置を選択することで、取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０の必要なサイズ及び質量が決定される。かかる腕部を機械的ウェブ３０〜８３０に取り付け、アクチュエータ端部４１〜８４１を機械的動きの源に接続し、アクチュエータ装置１の残部を実質的に剛性取り付け（固定支持部材２０、２０’又は使用しない肩部３６〜８３６のいずれかを介して）、アクチュエータ装置１を効率的なエネルギー取得装置として作用させる。エネルギーは、圧電スタック１００をエネルギー貯蔵装置（例えば最充電可能電池）又は潜在的な更なる電力回路などの電気負荷へ接続することで取得される。機械的動きの通常の周波数が決定されると、取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０を、上で説明したように、アクチュエータ装置１が前記決定された周波数の範囲で共鳴するように選択することでエネルギー取得の効率を上げることができる。かかる共鳴作動はより高い効率を持つことができる。というのは、共鳴が確立されると圧電スタックを圧縮する所要のレベルを生成するために必要な外部力を低減することができるからである。
【００４６】
本発明は現時点で、最も実用的であり好ましい実施態様であると考えられるものに関連して説明されてきた。本発明はしかしこれらの実施態様に限定されるものではない。むしろ本発明は、これらの実施態様の全ての変形・変法を含み、これらと均等な全ての構成を、本発明の本質及び範囲に含むことを意図するものである。本発明の範囲は、法上許容される最も広い解釈による。
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００９年７月１０日に出願された米国仮特許出願番号６１／２２４、５８５及び２００９年９月４日に出願された米国仮特許出願番号６１／２４０、００１に基づく優先権を主張するものであり、これらの内容は参照されて本明細書の一部となる。
【背景技術】
【０００２】
本発明は圧電又は他のスマート材料を用いるアクチュエータ装置に関し、異なる応用のための前記装置のカスタマイズを可能とする取り付け可能な腕部を持つ。スマート材料アクチュエータ装置は当該技術分野で知られている。しかしかかる装置は一般的には比較的限定された固定サイズ及び構成で製造されるものである。本発明は、これらの欠点を、異なるサイズ及び構成部品を可能とするアクチュエータ装置を提供することで解消し、それにより共通の部品セットでスマート材料アクチュエータ装置の異なる構成を可能とし、異なる応用のための要求に適するようにカスタマイズされ得る。カスタマイズ可能な腕部のために選択を持つということはまた、前記アクチュエータ装置の共鳴周波数の調節を可能とし、それによりさらに特定の応用にアクチュエータ装置を適合させる自由度が与えられ得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、圧電又は他のスマート材料を用いるアクチュエータ装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
ここで開示される、スマート材料アクチュエータ装置は、固定支持部材を持つ機械的増幅装置と、少なくとも１つの取り付け可能腕部と、及び前記取り付け可能腕部と可動支持部材に接続される少なくとも１つの協働部材を含む機械的ウェブとを含む。圧電スタックが、前記固定支持部材の第１の取り付け表面と前記可動支持部材の第２の取り付け表面間に固着されている。前記固定支持部材が実質的に剛性であり、実質的に平行である前記第１の取り付け表面及び前記第２の取り付け表面の間に前記圧電スタックが固着されていることから、前記圧電スタックへの適切な電圧付加は、前記圧電スタックが実質的に角度を持った動きをすることなく伸びることとなる。この伸びは、前記第２の取り付け表面を前記第１の取り付け表面から遠ざけるように作用し、それにより前記機械的ウェブを曲げ、それにより前記取付可能アクチュエータ腕部を動かすこととなる。前記ウェブの構成と前記取り付け可能な腕部の長さは、前記腕部の端部を、前記圧電スタックの前記伸びよりも大きい距離にわたり動かすこととなる。この方法で、前記スタックの伸びは効果的に前記機械的臓腑装置により増幅されることとなる。このタイプのアクチュエータ装置は、電気的エネルギーから機械的動きを生成するため、また機械的動きから電気エネルギーを取得するために使用され得る。
【０００５】
いくかの腕部の設計及び外部部品への接続するための手段が開示される。さらに、機械的動きから電気を生成する方法、かかるアクチュエータ装置を用いる振動生成及びかかるアクチュエータ装置をセンサとして使用する方法が説明される。最後に、かかるアクチュエータ装置の共鳴周波数を、取り付け可能腕部の選択及び接続を介して調節する方法及び共鳴操作を通じてエネルギー取得の効率を改善する方法がまた開示される。
【０００６】
本発明の他の構成が添付の図面から明らかとなる。図面はいくつかの本発明の公知の好ましい実施態様を示す。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は、本発明の好ましい実施態様の拡大側面図であり、２つの対向する部品を含む固体取り付け可能なアクチュエータ腕部を持つ。
【図２】図２は、組み合わされた図１に示される実施態様の機械的増幅装置の斜視図である。
【図３】図３は、 本発明の使用に適切な機械的増幅装置の１つの実施態様の拡大斜視図であり、単一の部品ウェブを持つ固体の取り付け可能なアクチュエータを持つ。
【図４】図４は、組み合わされた図３の機械的増幅装置の斜視図である。
【図５】図５は、本発明の使用に適する機械的増幅装置の１つの実施態様の斜視図であり、チャンネル形状のアクチュエータ腕部を持つ。
【図６】図６は、本発明の使用に適する機械的増幅装置の１つの実施態様の斜視図であり、機械的締具により付設される固体の取り付け可能な腕部を持つ。
【図７】図７は、本発明の使用に適する機械的増幅装置の１つの実施態様の拡大斜視図であり、圧設取り付け可能な腕部を持つ。
【図８】図８は、本発明の使用に適する機械的増幅装置の他の好ましい１つの実施態様の拡大斜視図であり、圧設取り付け可能な腕部を持つ。
【図９】図９は、本発明の使用に適する組み立てられた機械的増幅装置の他の好ましい１つの実施態様の斜視図であり、圧設取り付け可能な腕部を持つ。
【図１０】図１０は、本発明の使用に適する組み立てられた機械的増幅装置の他の好ましい１つの実施態様の斜視図であり、ネジ状の取り付け可能な腕部を持つ。
【図１１】図１１は、本発明の使用に適する組み立てられた機械的増幅装置の他の好ましい１つの実施態様の斜視図であり、機械的締具で取り付けられた角度付き腕部を持つ。
【図１２】図１２は、図５で示される前記チャンネル形状アクチュエータ腕部の斜視図である。
【図１３】図１３は、図９で示される前記中空アクチュエータ腕部の斜視図である。
【図１４】図１４は、図８で示される前記中空アクチュエータ腕部の斜視図である。
【図１５】図１５は、図１２に示されるアクチュエータ腕部の動く端部の局部透視斜視図であり、固定ポスト形状の接続延長部を持つ。
【図１６】図１６は、図１２に示されるアクチュエータ腕部の動く端部の局部透視斜視図であり、部分的に回転したポスト形状接続延長部を持つ。
【図１７】図１７は、図１２に示されるアクチュエータ腕部の動く端部の局所透視斜視図であり、取り付けブロック接続拡張部を持つ。
【図１８】図１８は、図１２に示されるアクチュエータの動く端部の局所装置斜視図であり、ボール取り付け、ポスト形状の接続拡張部を持つ。
【図１９】図１９は、図１の機械的増幅装置の拡大側面図であり、前記固定支持部材へ接続可能な取り付けブロックを持つ。
【図２０】図２０は、組み合わされた図１９に示される実施態様の機械的増幅装置の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明の好ましい実施態様がここで図１〜２０を参照して記載される。区別される部品は独自の部品番号が付されており、異なる実施態様における類似の部品は、一般的に最後の２桁の数字が同じである。例えば、部品固定支持部材２０は、図１、２、３、４、６、１９、２０で複数の実施態様で使用され、同様の図面に示される取り付け可能な腕部４０、１４０、２４０、３４０、４４０、５４０、６４０、７４０及び８４０はそれぞれ、本発明の異なる実施態様で用いるために適する取り付け可能なアクチュエータ腕部の別の実施態様である。便宜上、従ってここでの参照が、ある範囲の部品番号になされる場合に、その参照番号は類似の部品に付けられる短縮参照であり、最初の桁は異なるが最後の２桁が同じ部品番号となる。例示すると、取り付け可能なアクチュエータ腕部への参照４０〜８４０とは従って、全ての取り付け可能なアクチュエータ腕部４０、１４０、２４０、３４０、４４０、５４０、６４０、７４０及び８４０の全ての実施態様に参照されるものである。これと対照的に、特定の部品番号のみの参照は（例えば取り付け可能アクチュエータ腕部４０と参照される）、図中に示されるかかる部品の特定の実施態様を参照するものであって、特に明確にそのことが記載されていない限り、その図中の他の部分（例えば、取り付け可能なアクチュエータ腕部、１４０、２４０、３４０、４４０、５４０、６４０、７４０及び８４０）に示される実施態様をも必ず参照するものではない。類似の部品の実施態様間の共通及び相違については、本詳細な説明の記載に基づいて当業者には明らかであろう。
【０００９】
以下本発明の好ましい実施態様が記載されている。しかし留意すべきは、この記載は本発明の原理を説明するためのものであり本発明を限定するものではなく、請求される本発明の範囲内で多くの他の全ての変形実施態様もまた可能である、ということである。
【００１０】
用語「適合される」とは、ここでは、サイズ、形状、構成、寸法、方向及び配置が適切になされることを意味する。
【００１１】
具体的例がここで使用される場合には、かかる例は説明目的だけであり、なんら限定するものではない。
【００１２】
以下の参照文献はその内容の全てが本明細書の一部となり本発明をさらに理解するための追加の開示として提供される。即ち、ＰＣＴ出願／ＵＳ２０１０／４１４６１及び米国特許：６、７１７、３３２；６、５４８、９３８；６、７３７、７８８；６、８３６、０５６；６、８７９、０８７；６、７５９、７９０；７、１３２、７８１；７、１２６、２５９；６、８７０、３０５；６、９７５、０６１；７、３６８、８５６；７、５６４、１７１及び６、９２４、５８６である。
【００１３】
図１は本発明の取り付け可能な腕スマート材料アクチュエータ装置１の１つの好ましい実施態様を示す。図２は、図１の機械的増幅装置１０の、圧電スタック無しで組み立てられた場合の斜視図である。当業者には容易に理解されることであるが、本発明の前記装置の部品は種々のサイズ及び材料で製造され異なる応用の要求に合わせることができるものである。機械的増幅装置１０〜８１０の部品の製造者が、異なる取り付け可能な腕部４０〜８４０を機械的ウェブ３０〜８３０に取り付け可能にできるということは、広い範囲の応用の要求に合わせて種々のアクチュエータ装置を製造するため異なる構成に部品を組み立てることを可能として選択の自由度を改善する。例えば、より長い腕部は、より大きな動き（又はストローク）とより小さい力が要求される応用に使用され、一方でより短い腕は、より少ない動きでより大きい力が要求される応用に使用される。さらに、前記腕部の重量及び構成を変更することで、アクチュエータ装置１（及び機械的増幅装置１０〜８１０）の共鳴特性を変更でき、それによりアクチュエータ装置を特定の周波数で共鳴させる（又は共鳴を避ける）ために調節することを可能とする。さらに、取り付け可能なアクチュエータ腕部の異なる構成は、部品構成と幾何学形状を容易とし、適用される力の向きを調節するために使用され得る。これにより交換可能な部品に基づく改良されたアクチュエータ装置が可能となり、低コストで大量生産が可能となり、一方で広い範囲の応用に使用され得ることとなる。
【００１４】
アクチュエータ装置１は、機械的増幅装置１０及び圧電スタック１００を含む。異なるアクチュエータ装置構成での共通部品の汎用性及び再使用を促進するために、機械的増幅装置１０は、別々の部品からなり、これらには固定支持部材２０、２０’を持ち、これらは第１の取り付け表面２４、２４’を含む。固定支持部材２９、２０’は、異なるサイズの圧電スタック１００を用いる際に適切な種々のサイズに製造され得る。固定支持部材２０、２０’はアタッチメント端部２７、２７’を含み、図に示されるように機械的ウェブ３０〜８３０に取り付けられるように適合される。かかるアタッチメントは、アタッチメント端部２７をウェブアタッチメント端部３７、１３７、３３７と合うように適合させるように製造され得る。それにより固定支持部材２０、２０’は機械的ウェブ３０、１３０、３３０へ固定的に取り付けられ、それにより圧電スタック１００が固定支持部材２０、２０’と機械的ウェブ３０、１３０、３３０とが通常操作の際に分離されないようにされ得る。この説明図では、取り付け方法は、アタッチメント端部２７がそれらの外側端部でより広く形成され、ウェブアタッチメント３７、１３７、３３７がそれらの外側端部でより狭く形成されることである。これにより、固定支持部材２０、２０’のアタッチメント端部２７は、ウェブアタッチメント端部３７、１３７、３３７へその端部から押し込まれ、それによりアタッチメント端部２７及びウェブアタッチメント端部３７、１３７、３３７の前記狭い端部及び広い端部により圧電スタック１００が活性される際に分離されることに抵抗性となる。逆の構成もまた可能ある。この場合にはアタッチメント端部２３７、４３７、５３７、６３７、７３７、８３７がその外側端部がより広く、一方でアタッチメント端部２７’がその外側端部でより狭くなっている。当業者に明らかなように、広い種類のアタッチメント手段が使用でき、これには同様の結果を得られる、種々のロック形状、機械的締具、溶接又は高強度接着剤が含まれる。アタッチメント端部２７、２７’及びウェブアタッチメント端部３７〜８３７の実施態様は、しかし、かかるアタッチメント手段の２つの説明的組み合わせにすぎない。
【００１５】
固定支持部材２０、２０’を機械的ウェブ３０〜８３０に取り付けるように適合させることで、異なるアクチュエータ装置の実施態様を実行するための異なる方法で組み合わせることができる標準部品のセットの製造が可能となる。例えば、固定支持部材２０、２０’は圧電スタック１００の異なるサイズに合わせるように種々の長さで形成され得る。又は、固定支持部材２０、２０’は１つの材料から形成され得る（例えばステンレススチール）。または、機械的ウェブ３０〜８３０は異なる材料からも形成され得る（例えばアルミニウム又は異なるグレードのステンレススチール）。これにより、共通の固定支持部材２０、２０’を、種々の重量、強さ、降伏点などを持つ機械的ウェブ３０〜８３０と合わせることが可能となる。ステンレススチールは、固定支持部材２０、２０’及び機械的ウェブ３０〜８３０の１つの好ましい材料である。というのは強くかつ長持ちするからである。アルミニウム、炭素繊維、プラスチック、セラミック及び他の鋼合金はまた、異なる重量、強度及び構成のアクチュエータ装置を製造するために使用され得る。これらについては、以下の説明及び参照により本明細書の一部とされた文献に、異なる共鳴周波数を持つものが記載されている。
【００１６】
固定支持部材２０、２０’は、圧電スタック１００を第１の取り付け表面２４及び機械的ウェブの第２の取り付け表面３４〜８３４の間に剛性的に支持するように作用する。さらに以下説明するように、かつ参照されて本明細書の一部となった文献で説明される、適切なプレロードを適用するものである。第１の取り付け表面２４は好ましくは圧電スタックを強固にかつ均一に接続する形状をもつ。また場合により絶縁体を伴う（図示されていない）。強固かつ均一な第１の取り付け表面２４と圧電スタック１００との接合が好ましい。というのは、それにより操作の際に圧電スタック１００が角度を持って曲がることを最小にするように作用し、それによりアクチュエータ装置１の使用寿命及び効率を改善するからである。圧電スタック１００に付加されるプレロードの量はまた、調節可能な機械的圧縮装置（例えば、第１の取り付け表面２４として作用するプレートとのネジ式締具（図示されていない））を固定支持部材２０へ導入することにより調節され得る。これにより、同じ固定支持部材２０、２０’と圧電スタック１００を種々の調節可能なプレロードを設定して利用できることとなる。参照されて本明細書の一部とされた文献に記載されているように、適切なプレロードを選択することが前記アクチュエータ装置の効率を増加させ得る。
【００１７】
機械的増幅装置１０〜８１０はさらに、機械的ウェブ３０〜８３０を含み、これは対抗する第２の取り付け表面３４〜８３４を可動支持部材３１〜８３１上に有する。上記のように、圧電スタックは、第１の取り付け表面２４及び第２の取り付け表面３４〜８３４の間に固着されている。圧電スタック１００を確実に保持するための接着剤が使用され得るが、ある実施態様ではかかる接着剤は必要ではない。というのは、固定支持部材２０、２０’と機械的ウェブ３０〜８３０により与えられる圧縮力は、圧電スタック１００をその位置に確保するには通常充分だからである。従って、固定支持部材２０、２０’が実質的に剛性であり第２の取り付け表面３４〜８３４が前記固定支持部材２０、２０’及び第１の取り付け表面２４と平行でかつ直接対抗することが好都合である。第１の取り付け表面２４と同様に、第２の取り付け表面３４〜８３４もまた圧電スタック１００と強固にかつ均一に合うことが好ましい。これによって、適切な電圧が圧電スタック１００に付加されると、圧電スタック１００は、実質的に固定支持部材２０、２０’を動かさずにかつ実質的に圧電スタックが曲げられて角度を持って曲がることなく、伸ばされ、それによってより長寿命と効率的使用を可能とするものである。図示されていなが、第１の取り付け表面２４及び／又は第２の取り付け表面３４〜８３４はまた、圧電スタック１００を支持し確保するためのキャビティ、リッジ、締具又は類似の構成を含むことができる。これらは外に出ているか、又は適切な保護及び／又は絶縁材料内に包まれることができる。
【００１８】
圧電スタック１００は通常負電極１０３を固定支持部材２０、２０’に接触する端部、及び正電極１０２を対抗する端部に持ち、電極１０２は張力緩和部品３５（図示されているが、図２〜１１、１８及び２０には別に符号付けされていない）を介して伸びるように適合され、それにより電気的接続が確立され得る。機械的増幅装置１０〜８１０の本体は導電性である場合には、本体自体は圧電スタック１００のための接地として使用されることができ、正電極１０２が回路を完全にするために使用される。かかる実施態様では、適切な絶縁材料（図示されていない）であってその多くは当該技術分野で知られている絶縁材料が張力緩和部品３５内に使用され、かつ圧電スタック１００の構成に依存して必要ならば、短絡を避けるために第２の取り付け表面３４〜８３４と圧電スタック１００との間で使用される。機械的増幅装置１０〜８１０の本体及び特に固定支持部材２０は非導電性である場合、追加の負電極（図示されていない）が必要となる。多くの種類の圧電材料（電圧が付加されると伸びる材料又は機械的力が与えられると電荷を発生する材料）は当技術分野において知られており、圧電スタック１００としての使用のために適合され得る。これは例えば共焼成されたセラミック圧電材料の交互層からなるスタック（所謂共焼成多層セラミック圧電スタックであり、ＮＥＣを含む供給者から入手可能なものである）であるか、又は単結晶圧電材料から切り出された材料の層からなるスタックであり得る。ここで説明されるように、用語「圧電材料」（圧電スタック１００を形成するために使用される）にはまた、所謂「スマート材料」が含まれ、知られた圧電材料にドープすることで作られその電気的又は機械的性質を変えるものである。従って、スマート材料アクチュエータ装置はここで記載される圧電スタック１００を使用するアクチュエータ装置であり、用語圧電スタックとは、従来の圧電材料及び所謂スマート材料からなる両方のスタックを意味する。
【００１９】
機械的増幅装置１０〜８１０はさらに、協働部材３２〜８３２を持つ機械的ウェブ３０〜８３０を含む。協働部材３２〜８３２は、第２の取り付け表面３４〜８３４を第１の取り付け表面２４から遠ざけるように作用するように適合されており、これにより協働部材が（ここでは機械的リンクと参照される場合がある）３２〜８３２が曲げられ、それによりアクチュエータ腕部４０〜８４０が固定支持部材２０の方へ動くこととなる。取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０が長いほど、その端部４１〜８４１での動きは大きい。従って、機械的増幅装置１０〜８１０の設計は、圧電スタック１００により起こされる機械的動きをアクチュエータ腕部４０〜８４０の作動端部４１〜８４１で機械的動きに増幅され、これは圧電スタック１００の伸びよりも大きい距離にわたる動きである。このようにして、アクチュエータ装置１は圧電スタック１００に電圧を付加することで活性化され、それにより伸ばされて第２の取り付け表面３４〜８３４に作用して、対応するが増幅されえたアクチュエータ腕部４０〜８４０の動きを生じさせる。以下さらに説明するように、逆の操作も可能である。ここではアクチュエータ腕部４０〜８４０が機械的力により離れるように動かされ、それにより第２の取り付け表面３４〜８３４に作用して圧電スタック１００を圧縮し、これが圧電スタック１００に電圧を生じさせ、これはその後、再充電可能電池（図示されていない）などの再充電可能電源などの電気的負荷に放電することができる。従って次のことが理解される。アクチュエータ装置１は、圧電スタック１００へ適切な電圧を付加して電気エネルギーから機械的動きを生成するために使用できるということである。また、アクチュエータ腕部４０〜８４０を、振動体又は振動表面（例えばポンプハウジング）などの機械的動き源に接続し、その後圧電スタック１００により生成された電圧を再充電可能電池やキャパシタなどのエネルギー貯蔵装置へ放電することで、機械的動きから電気エネルギーを取得するために使用できる、ということである。無駄な機械的動きの１つの源（例えばエンジン振動、パイプの振動、支持部材の横揺れ、熱膨張部品など）は多くのタイプの装置に無数にあることから、本発明は非常に広く適合され得るエネルギー取得装置を提供するものであり、ほとんど無限の応用で使用され得るものである。
【００２０】
さらに本発明のアクチュエータ装置はセンサとして使用され得る。圧電スタック１００により生成される電圧（又は電気ポテンシャル）量はアクチュエータ腕部４０から８４０の動きに比例する。従って、生成された電圧を分析することで、取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０の動きの存在及び／又は量が決定され得る。従って、ここで開示されるものは、スマート材料アクチュエータ装置１を用いる動き検出の方法であり、取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０を機械的動き源に接続し、圧電スタック１００から生成される電圧を読むことによる。電圧は、取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０に受けた動きの量を示すものとして使用され得る。というのは生成電圧は動きの量に比例するからである。従って、動きの程度が与えられた瞬間、又は一定期間にわたり検出され得る。増幅又はシグナル処理が、かかるセンサから生成されたシグナルを有用な情報に変換するために必要となり得る。かかる増幅及びシグナル処理手段はしかしながら、よく知られたものであり、ここではさらに説明はしない。
【００２１】
取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０が交換可能であるということは、特にセンサ応用にとって有用である。例えばセンサが液流を測定する場合、取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０はパドルを含めるように適合され得る。パドルは、パドルが液流と反応するが、大きく邪魔はしないようにギャップを有するか有していなくてもよい。異なるおよび潜在的により大きいパドルはガス流を検出することができるように使用され得る。従って以下理解されるべきである。即ち、本発明の分離された取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０は、アクチュエータ腕部のみを交換するだけで、同じ部品を種々の応用に使用されるようにすることができるということである。
【００２２】
当業者は、本発明のアクチュエータ装置１は１以上の取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０を持ち得ることを理解するであろう。図に示され、以下説明されるように、機械的ウェブ３０〜８３０はさらに、取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０を取り付ける種々の方法含み、好ましくは機械的ウェブ３０〜８３０のそれぞれの肩部３６〜８３６上にそれぞれ導入されるものであある。少なくとも１つの取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０は一般的には、肩部３６〜８３６へ接続されるが、また、２つの取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０を取り付けることができ、１つの上部取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０が１つの肩部３６〜８３６へ接続される、他の下部取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０が他の肩部３６〜８３６へ接続される。かかる実施態様の例は、図６、９、１０、１１、１９及び２０に示される。図示されてはいないが、次のことは容易に明らかであろう。即ち、本発明はまた、上部アクチュエータ腕部４０〜８４０及び下部アクチュエータ腕部４０〜８４０が異なる材料又は構造であり、それによりなおさらなる応用で使用することができる、ということである。又は、単一の取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０のみが構造に取り付けられて、固定支持部材２０、２０’と、又は他の肩部３６〜８３６と共に使用されて、取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０が操作する力と対抗する力を与える。
【００２３】
機械的増幅装置１０〜８１０の操作力学は、種々のレベルの駆動力及びストロークが圧電スタック１００で生成されるように適合され得るように機械的リンク３２〜８３２の設計を限定する。異なる取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０を接続することにより、腕部長さを調節することで取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０の腕部端部４１〜８４１で異なるストローク長さを持つ構成を作ることでさらなるフレキシビリティが達成される。腕部長さの調節は、より長いストロークを持つより長い腕の場合にはより少ない力が、一方より短い腕はより大きい力を持つがより短いストロークとなる。アクチュエータ腕部の設計上の他の変更がまた可能であり、これには曲げられた又は角度が付けられた腕部を含み、又は異なる取り付け手段を持つ腕部などを含み、以下説明される。取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０が肩部３６〜８３６上の取り付け手段へ取り付けることができ、それにより、従って広い種類のアクチュエータ装置が既製部品から組み立てることができ、それにより多くの異なる応用へ適合されうる多くの異なる構成を作ることができる。
【００２４】
図１及び２に示されるように、機械的ウェブ３０の肩部３６へアクチュエータ腕部４０を取り付ける１つの方法は、取り付け可能なアクチュエータ腕部４０よりも狭い肩部３６を形成し、２つの対抗するタブ４２を、取り付け可能なアクチュエータ腕部４０上の肩部３６を囲むように形成することである。タブ４２の穴４３はその後、溶接点として又はその穴を通じて使用するか、又は肩部３６に穴を開けて機械的締具（図示されていない）を使用する。
【００２５】
他の取り付け手段は図３及び４に示される。かかる実施態様では、肩部１３６は好ましくは２つの穴１４３を有し、そこを締具１４４が、取り付け可能なアクチュエータ腕部１４０の長手方向軸に実質的に垂直に通じる。取り付け可能なアクチュエータ腕部１４０は締具１４４を受け入れるための適合穴１４３を含む。締具がネジの場合、適合穴１４３はネジを受けるように受口が設けられている。又はリベット、自己タップ締具又はナット付きネジ締具などが使用され得る。明らかなことは、２よりも多い適合穴１４３及び締具１４４もまた可能であるということである。
【００２６】
図５は、取り付け可能なアクチュエータ腕部２４０での他の取り付け手段を示し、チャンネル２４３を含む。理解されるべきは、アクチュエータ腕部２４０の外側寸法は実際にはあらゆる形状を持ち得るということである。チャンネル形状とは、取り付け可能なアクチュエータ腕部２４０の１つの表面が雄チャンネル２４３を持ち雌トラック２３３を受けて肩部２３６へ一体化する、ということのみを意味する。取り付け可能なアクチュエータ腕部２４０は、その後トラック２３３にスライドさせるか押し付けて肩部２３６に組み立てられ得る。もちろん、広い範囲のチャンネル及びトラック形状が使用でき、これには、リッジ付き及び適合溝（図示されていない）が含まれ、ある応用の場合に取り付け強度を改善し得る。取り付け可能なアクチュエータ腕部２４０の雌トラックとチャンネル２４３による摩擦及び機械的強度がある応用には充分ではない場合には、接着剤（エポキシを含む）、プレス、クランプ又は機械的締具が強度を上げるために使用され得る。留意すべきは、この実施態様の１つの利点は、取り付け可能な腕部２４０は、長い形状で製造でき、具体的な応用のために切断され得るということであり、この場合異なる腕部長さを予め製造し穴を形成する必要はない。
【００２７】
図６はさらに他の取り付け手段を示す。取り付け可能な腕部３４０は好ましくは傾斜付きの穴３４３を持ち、取り付け可能な腕部３４０の長手方向軸に平行に伸びている。肩部３３６は穴３４２に適合するように拡張部３３３を含む。ネジ締具３４４はその後肩部３３６及び拡張部３３３に通して適合させ穴３４３を取り込み固定される。理解されるように、穴３４３は予めネジを付けておき締具３４４と適合させることができる。又明らかなことは、穴３４３は締具３４４と適合するように予めネジ付けされていてもよく、又は締具３４４が自己タップの種類であってよい。締具３４４を固定することで安全な機械的取り付けが達成され得る。
【００２８】
図７及び８はさらに取り付け手段が示される。肩部４３６、５３６がさらに拡張部４３３及び５３３を含む。取り付け可能なアクチュエータ腕部４４０、５４０は適合受具４４３、５４３を含み、これらは実質的に同じ形状を持ち実質的に同一又はやや小さいサイズである。かかる実施態様では、取り付け可能な腕部４４０、５４０は、外側周辺部及び内側周辺部を含み、受具４４３、５４３と共に前記内側周辺部を形成する。理解されるべきは、前記内側周辺部が拡張部４３３、５３３を受け入れるように適合されている限り、前記外側周辺部及び内側周辺部は同じ形状であることは必要ではないということであり、前記内側周辺部は前記外側周辺部と共中心的であることも必要ではないということである。
【００２９】
取り付け可能なアクチュエータ腕部４４０、５４０はその後、取り付け可能なアクチュエータ腕部４４０、５４０を拡張部４３３及び５３３に押し込み、それにより前記腕部を機械的ウェブ４３０、５３０に押して適合させることで、機械的ウェブ４３０、５３０に取り付けられることができる。受具４４３、５４３は腕部４４０、５４０の全体を通じて拡張していてもよく、一部分のみ拡張されていてもよい。取り付け可能なアクチュエータ腕部２４０と同様に、受具４４３及び５４３が腕部の全体に伸びている場合には、取り付け可能なアクチュエータ腕部４４０、５４０は長い長さで製造し、取り付け前に必要に応じて切断することができる。さらに強度が必要な場合には、エポキシを含む接着剤を、拡張部４３３、５３３及び／又は受具４４３、５４３に取り付け前に適用することができる。クランプやセットネジなどの機械的締具（図示されていない）もまた強度を追加するために使用され得る。受具４４３、５４３が、拡張部４３３、５３３よりもやや小さい場合には、アクチュエータ腕部５４０、４４０は適合させる前に加熱して受具４４３、５４３をやや大きくして適合可能にし、その後冷却されると縮小してよりしっかりと取り付けられることとなる。
【００３０】
同様の取り付け手段が図９に示される。肩部６３６は受具６４３を含み取り付け可能な腕部６４０を受けるように適合されている。取り付け可能なアクチュエータ腕部６４０の外側周辺部は受具６４３と実質的に同一形状であり、そのサイズは実質的に同じかやや大きい場合には、取り付け可能なアクチュエータ腕部６４０は受具６４３に押し込んで適合されることができる。受具６４３は肩部６３６の全部に又は一部のみに伸びていてよい。この取り付け手段での好ましい実施態様では、腕部６４０はカーボンファイバの中空チューブであり、これにより腕部を強くしかつ軽くする。当業者に理解されるべきことは、受具６４３は丸い形状の取り付け可能なアクチュエータ腕部６４０を受けるように適合させることが好ましいが、他の受具及び腕部形状もまた使用され得る、ということである。同じく理解されるべきことは、さらに強度が必要な場合には、エポキシを含む接着剤を押し込む前に適用することができること、又は押し込み適合させるために予め肩部６３６を加熱して大きくすることができる、ということである。
【００３１】
図１０はさらに他の取り付け手段が示される。かかる実施態様で、取り付け可能なアクチュエータ腕部７４０は、標準ボルト又はネジ付き棒部材などのようにその外側がネジ付けされている。肩部７４６はネジ受具７４３を含み、ネジ付きの取り付け可能なアクチュエータ腕部７４０を受けるように適合されている。受具７４３が肩部７３６を通じて伸びている場合に端部７４２で又は取り付け可能なアクチュエータ腕部７４０が受具７４３に入る点のいずれかで、取り付け可能なアクチュエータ腕部７４０をさらに確実にするために、ナット（図示されていない）がまた使用されてよい。かかるナットを２個使用する場合には、受具７４３は内部にネジを設ける必要はない。また明らかなことは、受具７４３が肩部７３６の全体に伸ばすか、肩部７３６の一部分に伸ばすかは、選択の問題である。かかる実施態様は、既製のネジ付き棒部材を取り付け可能なアクチュエータ腕部７４０として切断して用いることを可能とし、かつ標準のネジ付き取り付け部材をアクチュエータ端部７４１に接続することで、作動させる装置又は機械的動きの源とすることができる。
【００３２】
図１１にはさらに他の取り付け手段が示される。取り付け可能なアクチュエータ腕部８４０が少なくとも１つ、好ましくは２以上の穴８４３を含み、これは取り付け可能なアクチュエータ腕部８４０を通じて伸びている。機械的締具（図示されていない）は穴８４３及び肩部８３６を通り、それにより取り付け可能なアクチュエータ腕部８４０を機械的ウェブ８３０に確実に取り付ける。
【００３３】
図１１はまた、取り付け可能なアクチュエータ腕部８４０が全ての形状をとり得ることを示す。図に示されるように、取り付け可能なアクチュエータ腕部８４０は角度が付けられており、それによりアクチュエータ端部８４１の間の距離を増加させている。従って、取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０は、ここで示される相対的寸法や形状には限定されないことは明らかである。これはまた本発明の取り付け可能なスマート材料アクチュエータ腕部の利点を示すものである。これは、同じ固定支持部材２０、２０’及び機械的ウェブ３０〜８３０がどのようにして、多くの他のタイプ及びサイズの取り付け可能なアクチュエータ腕部と共に使用され得るかを示すものだからである。
【００３４】
本発明の取り付け可能なスマート材料アクチュエータ腕部はさらに、取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０を外部構造に取り付けるための方法を提供する。かかる外部構造には、電気エネルギーを取得するために駆動される装置（例えば、バルブ又はポンプ）又は機械的動きの源（例えばポンプハウジング）を含む。
【００３５】
図１５〜１８は、外部構造への取り付け可能なアクチュエータ腕部２４０の取り付け手段の好ましい実施態様を示す。理解されるべきことは、前記手段は取り付け可能なアクチュエータ腕部２４０との関連で記載されるものであるが、これらは他の取り付け可能なアクチュエータ腕部４０、１４０、３４０、４４０、５４０、６４０、７４０及び８４０へも容易に適合され得るものであり、かかる実施態様のアクチュエータ端部もチャンネル化部分を加えること、又は前記腕に取り付けられる以下記載の外部構造への取り付ける手段を適合することによる。かかる適合化は当業者には明らかである。
【００３６】
図１５は外部構造に取り付け可能なアクチュエータ腕部２４０を取り付けるための手段５０の１つの実施態様を示す。前記手段は取り付け可能なアクチュエータ腕部２４０のチャンネル２４６へ圧設適合させる取り付けブロック５０を含む。取り付け可能なアクチュエータ腕部２４０のチャンネル２４３の幅と同じ幅かやや広い幅に取り付けブロック５１を適合させることで、取り付けブロック５１はチャンネル２４３内に圧設適合され得る。ある実施態様ではかかる取り付けによる摩擦は充分な強度を与える。他の実施態様では、溶接、接着剤又はクランプや組スクリュー（図示されていない）などの機械的締具を用いて取り付けを強化してもよい。
【００３７】
取り付けブロック５１はさらに、そこから伸びるポスト部５２を含む。前記ポスト部５２は種々の方向に伸びていてよく、図に示されるように取り付け可能なアクチュエータ腕部２４０に垂直に下方に伸びることは必ずしも必要とされない。さらに理解されるべきことは、ポスト部５２はポンプ又はバルブ軸などの機械装置の部品であってよく、ネジ付き（図示されていない）、かつ全ての形状（四角形、三角形、丸、八角体であってよい、ということである。ポスト部５２がネジ付きでない場合に、外部構造と溶接、接着又は機械的クランプなどで取り付けられてよく、それにより充分な接続強度を持つ。
【００３８】
図１８は、さらに取り付け可能な腕部を外部構造に取り付ける手段３５０を示し、これは手段５０と類似しているがさらに自由度を持つものである。取り付けブロック３５１は取り付け可能なアクチュエータ腕部２４０のチャンバ４３に同様に押し付け適合されるものであり丸められたブロック受具３５１を含み、これはポスト部３５２が取り付けられるボール構造３５３を受け入れる。受具３５４は、取り付けブロック３５１の外側表面のいずれでもよいが、好ましくは示されるように下部表面上にある。受具３５４及びボール構造３５３は、合致するように適合され、ボール構造３５３が受具３５４に押し付けられる際にボール構造３５３は取り込まれるが、なお受具３５４内で動く自由度を維持する。この方法で、ポスト部３５２は、取り付け可能なアクチュエータ腕部２４０が動く際にさらなる自由度を持つこととなる。ポスト部５２と同様に、ポスト部３５２も種々の形状及び寸法であり得る。さらに外部構造に種々の方法で取り付けら得る。例えば溶接、機械的締具、クランプ及び前記外部構造の組み立て部品をポスト部３５２として作用するように適合させる方法である。
【００３９】
図１６は外部構造へ取り付け可能なアクチュエータ腕部２４０を取り付ける類似の手段１５０を示す。棒部材１５１は、取り付け可能なアクチュエータ腕部２４０のアクチュエータ端部２４１の溝又は穴に押し付け接続されるように適合されており、棒部材１５１が取り込まれても、なお回転する自由度がある、ものである。これにより、ポスト１５２はアクチュエータ端部２４１が動く際にアーク上に動くことができるが、側から側への動きには抵抗する。ポスト５２、３５２と同調に、ポスト１５２も、種々のサイズと構成をとり得る。さらに外部構造に種々の方法で取り付けられ得る。これらは当業者には明らかである。
【００４０】
さらに外部構造への取り付け可能なアクチュエータ腕部２４０の取り付け方法２５０が図１７に示される。取り付けブロック２５１は、アクチュエータ端部２４１で、又はその近くで、取り付け可能なアクチュエータ腕部２４０のチャンネルに押し付け接続される。取り付けブロック２５１はさらに、取り付けブロックから伸びる拡張部２５２を含む。図面は取り付け可能なアクチュエータ腕部２４０の長手方向軸に沿った同じ方向で伸び出ている拡張部２５２を示すが、拡張部２５２は、下部表面２５５又はその間のあらゆる方向から下向きを含む種々の方向へ伸びることが可能であることは、明らかである。拡張部２５２は少なくとも１つの取り付け穴２５４を含み、これは外部構造との接続のために用いることができ、通常穴２５４を通じて伸びる機械的締具（又は図示されていない）用いて接続されている。
【００４１】
図１９及び２０に示されるように、２つの取り付けアクチュエータ腕部４０〜８４０が使用されている。機械的増幅装置１０〜８１０を外部構造に固定支持部材２０、２０’を介して取り付けることが望ましい。これは、取り付けブロック６０を図示されるように固定支持部材２０、２０’に取り付け、かつ取り付けブロック６０を当技術分野でよく知られている手段を用いて外貌構造に取り付けることで達成される。示されるように、取り付けブロック６０は穴６５を含み、前記穴６５は固定支持部材２０、２０’に、場合により穴２５と共に適合される。その後機械的締具（図示されていない）が穴６５及び２５を通って取り付けブロック６０を固定するか、固定取り付けブロック６０を通じかつ固定支持部材２０、２０’に対抗して固定する。この方法で、アクチュエータ装置１は好ましく剛性の外部構造に取り付けら、取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０が操作し得る力に対抗する力を与えることができる。これは、１つだけの取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０を含み、他の肩部３６〜８３６を外部構造に固定的に取り付ける１つの変法である。外部構造へ取り付けることはしばしば望まれることである。というのは、かかる構造が対抗する力を与え、それにより取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０がアクチュエータ装置１の残部の動きと対抗するように外部メカニズムを動かすことができるからである。
【００４２】
アクチュエータ装置がある周波数で操作される際に共鳴することができる装置が知られている。ある応用では、共鳴操作が応力をさらに加えることとなり避けることが望まれる。他の状況では、共鳴操作が望ましい場合があり、それは効率を高めかつ電力消費を抑えるからである。アクチュエータ装置が生じる周波数は、アクチュエータ装置の質量及びその質量がどのようにし分布されているかに依存する。従って、本発明は、さらなる利点を提供するものであり、即ちスマート材料アクチュエータ装置の周波数を調節する方法を可能にする。
【００４３】
取り付け可能なアクチュエータ腕部を持つスマート材料アクチュエータ装置の共鳴周波数を調節するためには、既定の質量を持つ腕部４０〜８４０を選択し、かつ前記腕部を機械的ウェブ３０〜８３０へ、上で説明したように取り付けることが必要である。周波数が低すぎる場合には、選択した取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０を取り外し、より少ない質量を持つ腕部４０〜８４０を選択して取り付けることで、増加させることができる。同様に、より低い周波数が望まれる場合には、より大きい質量を持つ腕部４０〜８４０を選択することができる。
【００４４】
本発明のさらなる利点は、スマート材料アクチュエータ装置が振動を作るために使用され得るということである。圧電材料が速い反応と回帰時間を持つことから、アクチュエータ装置１を高速度で操作することが可能となる。この方法で、既定の質量を持つ取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０を選択し、前記アクチュエータ腕部４０〜８４０を上で説明したように機械的ウェブ３０〜８３０に取り付け、かつ前記圧電スタック１００を望ましい周波数で活性化と脱活性化を繰り返すことで、所与の周波数の振動を創りだすことができる。取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０及び肩部３６〜８３６の間の接続に遊びを持たせることで、前記振動周波数に無秩序な一見ランダムな成分を導入することができる。
【００４５】
最後に、異なるサイズ、材料及び構成の取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０を選択することができることで、エネルギー取得のための応用においてより大きい自由度が与えられることとなる。機械的動きの源を同定し、その動きの予想最大の大きさ（又は即ち、前記対象物が動く距離）を決定し、かつ前記対象物が起こす可能性のある最大の機械的力を決定することで、必要なストローク長さとブロック力（圧電スタック１００の縮に抵抗する力）が容易に決められることとなる。その後既定のストローク長さとブロック力を持つスマート材料アクチュエータ装置を選択することで、取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０の必要なサイズ及び質量が決定される。かかる腕部を機械的ウェブ３０〜８３０に取り付け、アクチュエータ端部４１〜８４１を機械的動きの源に接続し、アクチュエータ装置１の残部を実質的に剛性取り付け（固定支持部材２０、２０’又は使用しない肩部３６〜８３６のいずれかを介して）、アクチュエータ装置１を効率的なエネルギー取得装置として作用させる。エネルギーは、圧電スタック１００をエネルギー貯蔵装置（例えば最充電可能電池）又は潜在的な更なる電力回路などの電気負荷へ接続することで取得される。機械的動きの通常の周波数が決定されると、取り付け可能なアクチュエータ腕部４０〜８４０を、上で説明したように、アクチュエータ装置１が前記決定された周波数の範囲で共鳴するように選択することでエネルギー取得の効率を上げることができる。かかる共鳴作動はより高い効率を持つことができる。というのは、共鳴が確立されると圧電スタックを圧縮する所要のレベルを生成するために必要な外部力を低減することができるからである。
【００４６】
本発明は現時点で、最も実用的であり好ましい実施態様であると考えられるものに関連して説明されてきた。本発明はしかしこれらの実施態様に限定されるものではない。むしろ本発明は、これらの実施態様の全ての変形・変法を含み、これらと均等な全ての構成を、本発明の本質及び範囲に含むことを意図するものである。本発明の範囲は、法上許容される最も広い解釈による。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スマート材料アクチュエータ装置であり、
機械的増幅装置であって、
第１の取り付け表面を持つ固定支持部材、
第２の取り付け表面を持つ可動支持部材を含む機械的ウェブ、
少なくとも１つの協働部材、及びアクチュエータ腕部の取り付け手段を含む、機械的増幅装置及び、
前記アクチュエータ腕部を取り付ける手段に接続される取り付け可能なアクチュエータ腕部を含み；
前記アクチュエータ装置がさらに、前記第１の取り付け表面及び第２の取り付け表面間で固着される圧電スタックを含み；
前記固定支持部材が実質的に剛性であり、前記機械的ウェブに、前記第１の表面と前記第２の表面が実質的に平行になるように接続され、及び前記多層圧電スタックに電圧が付加されると、前記多層圧電材料が、実質的に前記固定支持部材を動かすことなくかつ前記圧電スタックが角度を持って動くことなく、伸び；
これにより、前記圧電スタックに電圧が実質的に付加されると、前記圧電スタックが前記第２の取り付け表面が前記第１の取り付け表面から離れるように作用し、それにより前記協働部材を曲げ、それにより前記取り付け可能なアクチュエータ腕部を動かして、前記取り付け可能なアクチュエータ腕部の少なくとも一部が前記圧電スタックの前記伸びよりも大きい距離を移動する、スマート材料アクチュエータ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置であり、前記機械的ウェブが前記固定支持部材とは異なる材料で形成され、前記取り付け可能な腕部が前記機械的ウェブとは異なる材料から形成される、装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装置であり、前記取り付け可能なアクチュエータ腕部の前記取付手段が、複数の機械的締具を含み、前記締具が前記取り付け可能なアクチュエータ腕部を通じて伸び、かつ前記機械的ウェブが前記取り付け可能なアクチュエータ腕部の長手方向に実質的に垂直である、装置。
【請求項４】
請求項１に記載の装置であり、前記取り付け可能なアクチュエータ腕部を取り付ける前記手段が機械的締具を含み、前記締具が前記機械的ウェブを通じて前記取り付け可能なアクチュエータ腕部内へ伸び、前記取り付け可能なアクチュエータ腕部が前記取り付け可能なアクチュエータ腕部の長手方向軸に実質的に平行である、装置。
【請求項５】
請求項１に記載の装置であり、前記取り付け可能なアクチュエータ腕部を取り付ける前記手段が、前記取り付け可能なアクチュエータ腕部を前記基体的ウェブに圧設することを含む、装置。
【請求項６】
請求項１に記載の装置であり、前記機械的ウェブがさらに、拡張部を含み、前記取り付け可能なアクチュエータ腕部がさらに前記拡張部へ圧設されるように適合される受具を含む、装置。
【請求項７】
請求項６に記載の装置であり、前記取り付け可能なアクチュエータ腕部が内側周辺部及び外側周辺部を持ち、前記受具が前記内側周辺部により形成され、前記内側周辺部が前記拡張部と実質的に等しいサイズである、装置。
【請求項８】
請求項１に記載の装置であり、前記取り付け可能な腕部がさらに、前記取り付け可能なアクチュエータ腕部を外部構造に取り付ける手段を含む、装置。
【請求項９】
請求項８に記載の装置であり、前記取り付け可能なアクチュエータ腕部がチャンネルを含み、前記取り付け可能なアクチュエータ腕部を外部構造に取り付ける手段が、取り付けブロックを前記チャンネルに圧設する、装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の装置であり、前記取付ブロックがさらに下方向に伸びるポストを含む、装置。
【請求項１１】
請求項９に記載の装置であり、前記取付ブロックが、丸められた取り付けブロック受具及びポスト端部とボール構造を持つ可動ポストを含み、前記可動ポストは前記取付ブロック受具と接続されて前記ボール構造が前記丸められた取付ブロック受具内で可動である、装置。
【請求項１２】
請求項９に記載の装置であり、前記取付ブロックが、前記取り付け可能なアクチュエータ腕部の端部を超えて伸びる拡張部を含み、かつ少なくとも１つの取り付け穴を含む、装置。
【請求項１３】
請求項８に記載の装置であり、前記取り付け可能なアクチュエータ腕部がチャンネルを含み、前記取り付け可能なアクチュエータ腕部を外部構造に取り付ける前記手段が前記チャンネルへの棒部材圧設を含み、前記棒部材が前記棒部材から実質的に垂直に伸びるポストを持ち、前記チャンネル及び前記棒部材が、前記棒部材が前記チャンネル内で回転可能に適合される、装置。
【請求項１４】
スマート材料アクチュエータ装置の共鳴周波数を調節する方法であり、前記方法が、
第１の取り付け表面を含む固定支持部材、第２の取り付け表面を含む可動支持部材を含む機械的ウェブ、協働部材及びアクチュエータ腕部を取り付ける手段を含む機械的増幅装置；及び
前記アクチュエータ腕部を取り付ける手段に接続する少なくとも１つの取り付け可能なアクチュエータ腕部を含み、
前記アクチュエータ装置がさらに、
前記第１の取り付け表面及び第２の取り付け表面間に固設された圧電スタックを含み；
前記固定支持部材が実質的に剛性であり前記機械的ウェブに接続され、前記第１及び第２の取り付け表面が実質的に平行であり、前記圧スタックに電圧を付加すると前記圧電スタックが、実質的に前記固定支持部材を動かさず、実質的に前記圧電スタックの角度を持つ動きをすることなく伸び；
前記方法が、前記取り付け表面アクチュエータ腕部を除くステップと、既定に質量を持つ交換取り付け可能なアクチュエータ腕部を選択するステップと、及び前記交換取り付け可能なアクチュエータ腕部を前記アクチュエータ腕部を取り付ける手段に取り付けるステップを含む、方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法であり、前記ステップがさらに、前記交換取り付け可能なアクチュエータ腕部を、前記交換取り付け可能なアクチュエータ腕部が前記除かれた取り付け可能なアクチュエータ腕部よりも低質量を持ち、それにより前記共鳴周波数が増加するように選択するステップを含む、方法。
【請求項１６】
請求項１４に記載の方法であり、前記ステップがさらに、前記交換取り付け可能なアクチュエータ腕部を、前記交換取り付け可能なアクチュエータ腕部が前記除かれた取り付け可能なアクチュエータ腕部よりも高い質量を持ち、それにより前記共鳴周波数が減少するように選択するステップを含む、方法。
【請求項１７】
スマート材料アクチュエータ装置を用いる振動を生成する方法であり、前記方法は、
機械的増幅装置であって；
第１の取り付け表面を持つ固定支持部材、
第の取り付け表面を持つ可動支持部材を含む機械的ウェブ、
協働部材、及び
アクチュエータ腕部の取り付け手段を含む、機械的増幅装置と、
前記アクチュエータ腕部の取り付け手段へ接続される少なくとも１つの取り付け可能なアクチュエータ腕部を含み；
前記アクチュエータ装置がさらに、前記第１の取り付け表面と第２の取り付け表面の間に固着された圧電スタックを含み；
前記固定支持部材が実質的に剛性であり前記機械的ウェブに接続され、前記第１の取り付け表面及び第２の取り付け表面が実質的に平行であり、前記圧電スタックに電圧が付加されると、前記圧電スタックは、実質的に前記固定支持部材を動かさず、実質的に前記圧電スタックを角度をもって動かさずに伸び；
前記方法が、既定の質量を持つ取り付け可能なアクチュエータ腕部を選択するステップと、前記アクチュエータ腕部の取り付け手段に前記取り付け可能なアクチュエータ腕部を取り付けるステップを含み；
それにより前記多層の圧電材料の活性化及び不活性化を繰り返すことで、前記取り付け可能なアクチュエータ腕部が振動源を与える、方法。
【請求項１８】
スマート材料アクチュエータ装置を用いて機械的動きから電気エネルギーを取得する方法であり、前記方法は、
機械的増幅装置であって
第１の取り付け表面を持つ固定支持部材、
第２の可動支持部材を含む機械的ウェブ、
少なくとも１つの協働部材、および
アクチュエータ腕部を取り付ける手段を含む、機械的増幅装置と、
前記アクチュエータ腕部を取り付ける手段へ接続される少なくとも１つの取り付け可能なアクチュエータ腕部を含み；
前記アクチュエータ装置がさらに、前記第１の取り付け表面及び第２の取り付け表面の間に固着される圧電スタックを含み；
前記固定支持部材が実質的に剛性であり前記機械的ウェブに接続され、前記第１の取り付け表面及び第２の取り付け表面が実質的に平行であり、前記圧電スタックに電圧が付加されると、前記圧電スタックは、実質的に前記固定支持部材を動かさず、実質的に前記圧電スタックを角度をもって動かさずに伸び；
前記方法が、
機械的動きの源の予想最大強度を決定し、
前記機械的動きの源から出る予想最大機械的力を決定し、
既定のストローク長さ及びブロック力を持つスマート材料と、既定のサイズと質量を持つ取り付け可能なアクチュエータ腕部を選択し、
前記取り付け可能なアクチュエータ腕部を前記アクチュエータ腕部の取り付け手段に取り付け、前記取り付け可能なアクチュエータ腕部を機械的動きの源及び、かつ前記アクチュエータ装置を実質的に剛性取り付けし、及び
前記圧電スタックを電気的負荷に接続する、ステップを含み；
前記ストローク長さが、前記機械的動きの前記源の予想最大強度以下であり、かつ前記機械的動きの前記源により出る予想最大力が、前記取り付け可能なアクチュエータ腕部が前記機械的増幅装置へ接続される差の前記ブロック力以下であり、
それにより、電気エネルギーが、前記機械的エネルギーの源から取得され、前記圧電スタックによる電気負荷へ伝達される、方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の方法であり、さらに、前記機械的動きの予想周波数範囲を決定し、前記取り付け可能なアクチュエータ腕部を、組み立てられた際に、前記スマート材料アクチュエータ装置が前記予想周波数範囲で共鳴するように選択され、それにより、前記共鳴周波数で作動する前記機械的動きの源と、実質的に前記スマート材料アクチュエータ装置が共鳴する、方法。
【請求項２０】
スマート材料アクチュエータ装置を用いる動きを検出する方法であり、前記方法は、
機械的増幅装置であって、
第１の取り付け表面を持つ固定支持部材、
第２の取り付け表面を持つ可動支持部材を含む機械的ウェブ、
少なくとも１つの協働部材、及び
アクチュエータ腕部の取り付け手段を含む、機械的増幅装置；及び
前記アクチュエータ腕部の取り付け手段に接続される少なくとも１つの取り付け可能なアクチュエータ腕部を含み；
前記アクチュエータ装置がさらに、前記第１の取り付け表面と第２の取り付け表面との間に固着される圧電スタックを含み；
前記固定支持部材が実質的に剛性であり前記機械的ウェブに接続され、前記第１の取り付け表面及び第２の取り付け表面が実質的に平行であり、前記圧電スタックに電圧が付加されると、前記圧電スタックは、実質的に前記固定支持部材を動かさず、実質的に前記圧電スタックを角度をもって動かさずに伸び；
前記方法が、
前記取り付け可能なアクチュエータ腕部を機械的動きの源に接続し、
前記圧電スタックにより生成される電圧を読み、及び
前記電圧読み値を前記取り付け可能なアクチュエータ腕部の動きの量を示すために使用し；
それにより、前記機械的動きの源が前記取り付け可能なアクチュエータ腕部を動かし、前記圧電スタックに圧力を与え、それにより前記圧電スタックが前記取り付け可能なアクチュエータ腕部の動きの量に比例する電圧を生成し、それにより前記取り付け可能なアクチュエータ腕部の動きの量を示す、方法。
【請求項１】
スマート材料アクチュエータ装置であり、
機械的増幅装置であって、
第１の取り付け表面を持つ固定支持部材、
第２の取り付け表面を持つ可動支持部材を含む機械的ウェブ、
少なくとも１つの協働部材、及びアクチュエータ腕部の取り付け手段を含む、機械的増幅装置及び、
前記アクチュエータ腕部を取り付ける手段に接続される取り付け可能なアクチュエータ腕部を含み；
前記アクチュエータ装置がさらに、前記第１の取り付け表面及び第２の取り付け表面間で固着される圧電スタックを含み；
前記固定支持部材が実質的に剛性であり、前記機械的ウェブに、前記第１の表面と前記第２の表面が実質的に平行になるように接続され、及び前記多層圧電スタックに電圧が付加されると、前記多層圧電材料が、実質的に前記固定支持部材を動かすことなくかつ前記圧電スタックが角度を持って動くことなく、伸び；
これにより、前記圧電スタックに電圧が実質的に付加されると、前記圧電スタックが前記第２の取り付け表面が前記第１の取り付け表面から離れるように作用し、それにより前記協働部材を曲げ、それにより前記取り付け可能なアクチュエータ腕部を動かして、前記取り付け可能なアクチュエータ腕部の少なくとも一部が前記圧電スタックの前記伸びよりも大きい距離を移動する、スマート材料アクチュエータ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の装置であり、前記機械的ウェブが前記固定支持部材とは異なる材料で形成され、前記取り付け可能な腕部が前記機械的ウェブとは異なる材料から形成される、装置。
【請求項３】
請求項１に記載の装置であり、前記取り付け可能なアクチュエータ腕部の前記取付手段が、複数の機械的締具を含み、前記締具が前記取り付け可能なアクチュエータ腕部を通じて伸び、かつ前記機械的ウェブが前記取り付け可能なアクチュエータ腕部の長手方向に実質的に垂直である、装置。
【請求項４】
請求項１に記載の装置であり、前記取り付け可能なアクチュエータ腕部を取り付ける前記手段が機械的締具を含み、前記締具が前記機械的ウェブを通じて前記取り付け可能なアクチュエータ腕部内へ伸び、前記取り付け可能なアクチュエータ腕部が前記取り付け可能なアクチュエータ腕部の長手方向軸に実質的に平行である、装置。
【請求項５】
請求項１に記載の装置であり、前記取り付け可能なアクチュエータ腕部を取り付ける前記手段が、前記取り付け可能なアクチュエータ腕部を前記基体的ウェブに圧設することを含む、装置。
【請求項６】
請求項１に記載の装置であり、前記機械的ウェブがさらに、拡張部を含み、前記取り付け可能なアクチュエータ腕部がさらに前記拡張部へ圧設されるように適合される受具を含む、装置。
【請求項７】
請求項６に記載の装置であり、前記取り付け可能なアクチュエータ腕部が内側周辺部及び外側周辺部を持ち、前記受具が前記内側周辺部により形成され、前記内側周辺部が前記拡張部と実質的に等しいサイズである、装置。
【請求項８】
請求項１に記載の装置であり、前記取り付け可能な腕部がさらに、前記取り付け可能なアクチュエータ腕部を外部構造に取り付ける手段を含む、装置。
【請求項９】
請求項８に記載の装置であり、前記取り付け可能なアクチュエータ腕部がチャンネルを含み、前記取り付け可能なアクチュエータ腕部を外部構造に取り付ける手段が、取り付けブロックを前記チャンネルに圧設する、装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の装置であり、前記取付ブロックがさらに下方向に伸びるポストを含む、装置。
【請求項１１】
請求項９に記載の装置であり、前記取付ブロックが、丸められた取り付けブロック受具及びポスト端部とボール構造を持つ可動ポストを含み、前記可動ポストは前記取付ブロック受具と接続されて前記ボール構造が前記丸められた取付ブロック受具内で可動である、装置。
【請求項１２】
請求項９に記載の装置であり、前記取付ブロックが、前記取り付け可能なアクチュエータ腕部の端部を超えて伸びる拡張部を含み、かつ少なくとも１つの取り付け穴を含む、装置。
【請求項１３】
請求項８に記載の装置であり、前記取り付け可能なアクチュエータ腕部がチャンネルを含み、前記取り付け可能なアクチュエータ腕部を外部構造に取り付ける前記手段が前記チャンネルへの棒部材圧設を含み、前記棒部材が前記棒部材から実質的に垂直に伸びるポストを持ち、前記チャンネル及び前記棒部材が、前記棒部材が前記チャンネル内で回転可能に適合される、装置。
【請求項１４】
スマート材料アクチュエータ装置の共鳴周波数を調節する方法であり、前記方法が、
第１の取り付け表面を含む固定支持部材、第２の取り付け表面を含む可動支持部材を含む機械的ウェブ、協働部材及びアクチュエータ腕部を取り付ける手段を含む機械的増幅装置；及び
前記アクチュエータ腕部を取り付ける手段に接続する少なくとも１つの取り付け可能なアクチュエータ腕部を含み、
前記アクチュエータ装置がさらに、
前記第１の取り付け表面及び第２の取り付け表面間に固設された圧電スタックを含み；
前記固定支持部材が実質的に剛性であり前記機械的ウェブに接続され、前記第１及び第２の取り付け表面が実質的に平行であり、前記圧スタックに電圧を付加すると前記圧電スタックが、実質的に前記固定支持部材を動かさず、実質的に前記圧電スタックの角度を持つ動きをすることなく伸び；
前記方法が、前記取り付け表面アクチュエータ腕部を除くステップと、既定に質量を持つ交換取り付け可能なアクチュエータ腕部を選択するステップと、及び前記交換取り付け可能なアクチュエータ腕部を前記アクチュエータ腕部を取り付ける手段に取り付けるステップを含む、方法。
【請求項１５】
請求項１４に記載の方法であり、前記ステップがさらに、前記交換取り付け可能なアクチュエータ腕部を、前記交換取り付け可能なアクチュエータ腕部が前記除かれた取り付け可能なアクチュエータ腕部よりも低質量を持ち、それにより前記共鳴周波数が増加するように選択するステップを含む、方法。
【請求項１６】
請求項１４に記載の方法であり、前記ステップがさらに、前記交換取り付け可能なアクチュエータ腕部を、前記交換取り付け可能なアクチュエータ腕部が前記除かれた取り付け可能なアクチュエータ腕部よりも高い質量を持ち、それにより前記共鳴周波数が減少するように選択するステップを含む、方法。
【請求項１７】
スマート材料アクチュエータ装置を用いる振動を生成する方法であり、前記方法は、
機械的増幅装置であって；
第１の取り付け表面を持つ固定支持部材、
第の取り付け表面を持つ可動支持部材を含む機械的ウェブ、
協働部材、及び
アクチュエータ腕部の取り付け手段を含む、機械的増幅装置と、
前記アクチュエータ腕部の取り付け手段へ接続される少なくとも１つの取り付け可能なアクチュエータ腕部を含み；
前記アクチュエータ装置がさらに、前記第１の取り付け表面と第２の取り付け表面の間に固着された圧電スタックを含み；
前記固定支持部材が実質的に剛性であり前記機械的ウェブに接続され、前記第１の取り付け表面及び第２の取り付け表面が実質的に平行であり、前記圧電スタックに電圧が付加されると、前記圧電スタックは、実質的に前記固定支持部材を動かさず、実質的に前記圧電スタックを角度をもって動かさずに伸び；
前記方法が、既定の質量を持つ取り付け可能なアクチュエータ腕部を選択するステップと、前記アクチュエータ腕部の取り付け手段に前記取り付け可能なアクチュエータ腕部を取り付けるステップを含み；
それにより前記多層の圧電材料の活性化及び不活性化を繰り返すことで、前記取り付け可能なアクチュエータ腕部が振動源を与える、方法。
【請求項１８】
スマート材料アクチュエータ装置を用いて機械的動きから電気エネルギーを取得する方法であり、前記方法は、
機械的増幅装置であって
第１の取り付け表面を持つ固定支持部材、
第２の可動支持部材を含む機械的ウェブ、
少なくとも１つの協働部材、および
アクチュエータ腕部を取り付ける手段を含む、機械的増幅装置と、
前記アクチュエータ腕部を取り付ける手段へ接続される少なくとも１つの取り付け可能なアクチュエータ腕部を含み；
前記アクチュエータ装置がさらに、前記第１の取り付け表面及び第２の取り付け表面の間に固着される圧電スタックを含み；
前記固定支持部材が実質的に剛性であり前記機械的ウェブに接続され、前記第１の取り付け表面及び第２の取り付け表面が実質的に平行であり、前記圧電スタックに電圧が付加されると、前記圧電スタックは、実質的に前記固定支持部材を動かさず、実質的に前記圧電スタックを角度をもって動かさずに伸び；
前記方法が、
機械的動きの源の予想最大強度を決定し、
前記機械的動きの源から出る予想最大機械的力を決定し、
既定のストローク長さ及びブロック力を持つスマート材料と、既定のサイズと質量を持つ取り付け可能なアクチュエータ腕部を選択し、
前記取り付け可能なアクチュエータ腕部を前記アクチュエータ腕部の取り付け手段に取り付け、前記取り付け可能なアクチュエータ腕部を機械的動きの源及び、かつ前記アクチュエータ装置を実質的に剛性取り付けし、及び
前記圧電スタックを電気的負荷に接続する、ステップを含み；
前記ストローク長さが、前記機械的動きの前記源の予想最大強度以下であり、かつ前記機械的動きの前記源により出る予想最大力が、前記取り付け可能なアクチュエータ腕部が前記機械的増幅装置へ接続される差の前記ブロック力以下であり、
それにより、電気エネルギーが、前記機械的エネルギーの源から取得され、前記圧電スタックによる電気負荷へ伝達される、方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の方法であり、さらに、前記機械的動きの予想周波数範囲を決定し、前記取り付け可能なアクチュエータ腕部を、組み立てられた際に、前記スマート材料アクチュエータ装置が前記予想周波数範囲で共鳴するように選択され、それにより、前記共鳴周波数で作動する前記機械的動きの源と、実質的に前記スマート材料アクチュエータ装置が共鳴する、方法。
【請求項２０】
スマート材料アクチュエータ装置を用いる動きを検出する方法であり、前記方法は、
機械的増幅装置であって、
第１の取り付け表面を持つ固定支持部材、
第２の取り付け表面を持つ可動支持部材を含む機械的ウェブ、
少なくとも１つの協働部材、及び
アクチュエータ腕部の取り付け手段を含む、機械的増幅装置；及び
前記アクチュエータ腕部の取り付け手段に接続される少なくとも１つの取り付け可能なアクチュエータ腕部を含み；
前記アクチュエータ装置がさらに、前記第１の取り付け表面と第２の取り付け表面との間に固着される圧電スタックを含み；
前記固定支持部材が実質的に剛性であり前記機械的ウェブに接続され、前記第１の取り付け表面及び第２の取り付け表面が実質的に平行であり、前記圧電スタックに電圧が付加されると、前記圧電スタックは、実質的に前記固定支持部材を動かさず、実質的に前記圧電スタックを角度をもって動かさずに伸び；
前記方法が、
前記取り付け可能なアクチュエータ腕部を機械的動きの源に接続し、
前記圧電スタックにより生成される電圧を読み、及び
前記電圧読み値を前記取り付け可能なアクチュエータ腕部の動きの量を示すために使用し；
それにより、前記機械的動きの源が前記取り付け可能なアクチュエータ腕部を動かし、前記圧電スタックに圧力を与え、それにより前記圧電スタックが前記取り付け可能なアクチュエータ腕部の動きの量に比例する電圧を生成し、それにより前記取り付け可能なアクチュエータ腕部の動きの量を示す、方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公表番号】特表２０１２−５３３２７５（Ｐ２０１２−５３３２７５Ａ）
【公表日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５１９８０２（Ｐ２０１２−５１９８０２）
【出願日】平成２２年７月１２日（２０１０．７．１２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０４１７２７
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／００６１６４
【国際公開日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【出願人】（５１２００５５９７）ヴァイキング エーティー，エルエルシー (4)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年１２月２０日（２０１２．１２．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月１２日（２０１０．７．１２）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０４１７２７
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／００６１６４
【国際公開日】平成２３年１月１３日（２０１１．１．１３）
【出願人】（５１２００５５９７）ヴァイキング エーティー，エルエルシー (4)
【Ｆターム（参考）】
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