JP2007512713A - 電気機械アクチュエータの一体式熱補償 - Google Patents
電気機械アクチュエータの一体式熱補償 Download PDFInfo
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- General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)
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Abstract
Description
本発明は、機械てこ式スマート材料アクチュエータの温度補償装置および方法に関する。
一般に、圧電CMAが電気機械作動のために使用されるとき、圧縮前負荷が加えられることが受け入れられている。この前負荷の力は、通常、CMAが動作中にほとんど圧縮されて維持されることを保証する手段として加えられる。これにより、通常、圧電CMAの動的寿命が長くなる。
本発明による現象/方法は、非常に一般的な性質であるように見えることに留意されたい。圧電またはセラミックの多層アクチュエータスタックが、本発明による例示的な機構の添付の図面において示されるものとは幾何学的または動作的に異なるものを含めて、多様な実施形態のスタックのCTEとは異なるCTEを有する機構内において前負荷をかけられる。本発明による方法では、本発明によるアセンブリの構造剛性を最小限に抑え、またはそれに対する変化を無視可能とし、したがって、最大作業伝達効率を保証することが望ましい。本発明による方法では、簡単で容易に組み立てられ、信頼性があり、費用効果の高い機構を提供することが望ましい。
本記述は、本明細書において、いくつかの図面にわたって同じ参照符号が同じ部分を指す添付の図面を参照する。
ここで図1を参照すると、熱補償が、アクチュエータシート22において加えられている、または、供給ストリーム内において、もしくはモノリシック支持体を形成するために使用される型内において、混合された材料の組合せとして同質または非同質的に加えられている、本発明による単一部品支持体およびアクチュエータ装置10の透視図を示す。例としてであって限定としてではなく、支持体は、焼結または液体金属射出成形によってなど、当業者には既知の任意の適切な方法によって形成することができる。圧電CMA12は、非可撓性の剛性支持体構造14の内部において含む、または支持することができる。本発明では、装置10の支持体構造14は、圧電CMA要素12を除いて、例としてであって限定としてではなく、スチールのタイプなど、1つの同質材料または非同質材料から作製することができる。圧電CMA12からの出力は、力伝達構造18を経て動作アーム15および16に伝達することができる。支持体14aおよび/または力伝達部材18に関連付けられた調節可能装填デバイス20、ならびにアクチュエータ12に関連付けられた支持プレート22によって、圧電CMA12に圧縮前負荷力を加えることができる。支持プレート22は、支持体14のCTE値と比較してアクチュエータ12のCTEのより小さい値を補償するために、CMA12のCTE値より大きいCTE値を有することができる。幅7.5mmを有するこのタイプの実施形態では、矢印A間において示される動作アーム15および16の端部における公称自由偏向は、例えば、2mmの大きさとすることができる。約−20℃から約60℃の熱暴走による、装置10と同様の構成および構造の非温度補償装置の運動は、完全公称偏向の15%の大きさとなることがあり、これは、多くの応用分野にとって望ましくない。
12、12a、12b、12c、12d、12e 圧電セラミック多層アクチュエータ(CMA)
14、14a、14b、14c、14d、14e 非可撓性の剛性支持体構造
15、15a、15b、15c、15d、15e 動作アーム
16、16a、16b、16c、16d、16e 動作アーム
18、18a、18b、18c、18d、18e 力伝達構造
20、20a、20b、20c、20d、20e 調節可能負荷デバイス
22、22a、22b、22c、22d、22e 支持プレート
28a、28b、28c、28d、28e 非可撓性の剛性支持体構造
33d、34d ピン
40e 支持体構造
A 矢印
Claims (48)
- 一貫した性能特性を提供することができ、一方、温度条件の望ましい範囲にわたって動作することができる構造アセンブリを有するアクチュエータの運動を増幅する装置であって、
第1熱膨張係数値を有する非可撓性の第1剛性部分、および前記第1熱膨張係数値とは異なる第2熱膨張係数値を有する非可撓性の第2剛性部分を有する支持体であって、前記第1及び第2剛性部分の一方から延びる少なくとも1つの旋回可能アーム部分と、前記少なくとも1つの旋回可能アーム部分を回転運動において駆動するように動作式に配置可能な力伝達部材とを含む支持体と、
前記第1熱膨張係数値および前記第2熱膨張係数値とは異なる第3熱膨張係数値を有する電気稼動アクチュエータであって、前記第1及び第2剛性部分に関して前記力伝達部材を駆動して、アクチュエータの電気稼動に応答して前記少なくとも1つの旋回可能アーム部分を旋回させるように、前記第1及び第2剛性部分の一方と前記力伝達部材との間において動作式に係合可能である電気稼動アクチュエータとを備え、前記支持体の構造構成と組み合わされた前記第1及び第2剛性部分の異なる熱膨張係数値が、温度条件の望ましい動作範囲にわたって前記アクチュエータの前記第3熱膨張係数値をほぼ補償する、装置。 - 前記第2剛性部分から前記アクチュエータの対向端部と係合可能である前記第1剛性部分と、
前記支持体の組立て中に互いに係合させるために、前記第1剛性部分および前記第2剛性部分の上に形成された相補対向表面とをさらに備える、請求項1に記載の装置。 - 前記アクチュエータの縦軸に関して平行ではない方向におけるスライド係合を有する構造の組立てを可能にする前記相補対向表面をさらに備える、請求項2に記載の装置。
- 前記アクチュエータの前記縦軸に垂直な方向におけるスライド係合を有する構造の組立てを可能にする前記相補対向表面をさらに備える、請求項2に記載の装置。
- 前記アクチュエータに加えられた前負荷力が、前記第1剛性部分および前記第2剛性部分を互いに関して組立て位置において維持するように、前記第1及び第2剛性部分の一方によって支持される前記アクチュエータの1つの縦方向端部の調節可能シートをさらに備える、請求項1に記載の装置。
- 前記第1剛性部分と前記第2剛性部分との間の少なくとも1つの境界面上に位置する少なくとも1対の相補対向表面であって、内部において前記アクチュエータを動作式に支持するための非可撓性の剛性リセプタクルを形成するように、互いにインタロック可能である1対の相補対向表面をさらに備える、請求項1に記載の装置。
- 前記第1剛性部分と前記第2剛性部分との間の少なくとも1つの境界面上に位置する少なくとも1対の相補対向表面であって、内部において前記アクチュエータを受けるための非可撓性の剛性リセプタクルを画定するために、前記第1剛性部分および前記第2剛性部分を互いに関して動作式に接続する少なくとも1つのファスナを受けるためのアパーチャを画定する1対の相補対向表面をさらに備える、請求項1に記載の装置。
- 前記支持体の前記第1及び第2剛性部分の一方と前記少なくとも1つの旋回可能アーム部分との間に延びる少なくとも1つの一体式リビングヒンジ部分をさらに備える、請求項1に記載の装置。
- 前記支持体の前記力伝達部材部分と前記少なくとも1つの旋回可能アーム部分との間に延びる少なくとも1つの一体式リビングヒンジ部分をさらに備える、請求項1に記載の装置。
- 単一一体式モノリシック部材において非同質材料で形成された前記支持体の前記第1剛性部分および前記第2剛性部分をさらに備える、請求項1に記載の装置。
- 前記アクチュエータの周囲をほぼ囲むU形の部分を画定する前記第1剛性部分と、
調節可能アクチュエータシートをを画定する前記第2剛性部分とを備え、前記調節可能アクチュエータシートは、前記アクチュエータに前負荷力を加えることを可能にし、一方、温度条件の前記望ましい動作範囲にわたって、前記アクチュエータと前記第1及び第2剛性部分との間の熱膨張係数値の差を同時に補償する前記第1剛性部分によって支持される、請求項1に記載の装置。 - 第4熱膨張係数値を有する前記支持体の第3剛性部分と、
前負荷力を前記アクチュエータに加えるために前記第3剛性部分によって支持される調節可能手段であって、一方、前記第3剛性部分が、温度条件の前記望ましい動作範囲にわたって、前記アクチュエータと前記剛性部分との間の熱膨張係数値の差を同時に補償する、調節可能手段とをさらに備える、請求項1に記載の装置。 - 前記第3剛性部分が、前記アクチュエータより大きい熱膨張係数値を有する、請求項12に記載の装置。
- 前記第2熱膨張係数値が、前記第1熱膨張係数値より小さい、請求項1に記載の装置。
- 前記アクチュエータの前記熱膨張係数値が、それに加えられる前負荷力の関数として変化する、請求項1に記載の装置。
- 前記アクチュエータに前負荷力を加えるために前記第1及び第2剛性部分の一方によって支持される調節可能手段であって、一方、前記第1及び第2剛性部分が、温度条件の前記望ましい動作範囲にわたって、前記アクチュエータと前記第1及び第2剛性部分との間の熱膨張係数値の差を同時に補償する、調節可能手段をさらに備える、請求項1に記載の装置。
- 電気稼動に応答してアクチュエータの運動を増幅させる装置であって、
第1熱膨張係数値を有する非可撓性の第1剛性部分、および前記第1熱膨張係数値とは異なる第2熱膨張係数値を有する非可撓性の第2剛性部分を有する支持体であって、前記第1及び第2剛性部分の一方から延びる少なくとも1つの旋回可能アーム部分と、前記少なくとも1つの旋回可能アーム部分を回転運動において駆動するように動作式に配置される力伝達部材とを含む支持体と、
前記第1熱膨張係数および前記第2熱膨張係数とは異なる第3熱膨張係数値を有する電気稼動アクチュエータであって、前記第1及び第2剛性部分に関して前記力伝達部材を駆動して、前記アクチュエータの電気稼動に応答して前記少なくとも1つの旋回可能アーム部分を旋回させるように、前記第1及び第2剛性部分の一方と前記力伝達部材との間において動作式に係合可能である電気稼動アクチュエータとを備え、前記支持体の構造構成と組み合わされた非可撓性の前記第1剛性部分の前記第1熱膨張係数値および非可撓性の前記第2剛性部分の前記第2熱膨張係数値が、温度条件の望ましい動作範囲にわたって、前記少なくとも1つのアームの運動の温度誘起変化を大きく低減する、装置。 - 前記第2剛性部分から前記アクチュエータの対向端部と係合可能な前記第1剛性部分と、
前記支持体の組立て中に互いに係合させるために、前記第1剛性部分および前記第2剛性部分の上に形成された相補対向表面とをさらに備える、請求項17に記載の装置。 - 前記アクチュエータの縦軸に関して平行ではない方向においてスライド係合を有する構造の組立てを可能にする前記相補対向表面をさらに備える、請求項18に記載の装置。
- 前記アクチュエータの前記縦軸に関して垂直な方向においてスライド係合を有する構造の組立てを可能にする前記相補対向表面をさらに備える、請求項18に記載の装置。
- 前記アクチュエータに加えられる前負荷力が、前記第1剛性部分および前記第2剛性部分を互いに関して組立て位置において維持するように、前記第1及び第2剛性部分の一方によって支持される前記アクチュエータの1つの縦方向端部の調節可能シートをさらに備える、請求項17に記載の装置。
- 前記第1剛性部分と前記第2剛性部分との間の少なくとも1つの境界面の上に位置する少なくとも1対の相補対向表面であって、内部において前記アクチュエータを動作式に支持する非可撓性の剛性リセプタクルを形成するように、互いにインタロック可能である1対の相補対向表面をさらに備える、請求項17に記載の装置。
- 前記第1剛性部分と前記第2剛性部分との間の少なくとも1つの境界面の上に位置する少なくとも1対の相補対向表面であって、内部において前記アクチュエータを受ける非可撓性の剛性リセプタクルを画定するために、前記第1剛性部分および前記第2剛性部分を互いに関して動作式に接続する少なくとも1つのファスナを受けるためのアパーチャを画定する1対の相補対向表面をさらに備える、請求項17に記載の装置。
- 前記支持体の前記第1及び第2剛性部分の一方と前記少なくとも1つの旋回可能アーム部分との間において延びる少なくとも1つの一体式リビングヒンジ部分をさらに備える、請求項17に記載の装置。
- 前記支持体の前記力伝達部材と前記少なくとも1つの旋回可能アーム部分との間において延びる少なくとも1つの一体式リビングヒンジ部分をさらに備える、請求項17に記載の装置。
- 単一一体式モノリシック部材において非同質材料で形成された前記支持体の前記第1剛性部分および前記第2剛性部分をさらに備える、請求項17に記載の装置。
- 前記アクチュエータの周囲をほぼ囲むU形の部分を画定する前記第1剛性部分と、
調節可能なアクチュエータシートを画定する前記第2剛性部分とを備え、前記調節可能なアクチュエータシートは、前記アクチュエータに前負荷力を加えることを可能にし、一方、温度条件の前記望ましい動作範囲にわたって、前記アクチュエータと前記第1及び第2剛性部分との間の熱膨張係数値の差を同時に補償する前記第1剛性部分によって支持される、請求項17に記載の装置。 - 第4熱膨張係数値を有する前記支持体の第3剛性部分と、
前記アクチュエータに前負荷力を加える前記第3剛性部分によって支持される調節可能手段であって、一方、前記第3剛性部分が、温度条件の前記望ましい動作範囲にわたって、前記アクチュエータと前記剛性部分との間の熱膨張係数値の差を同時に補償する、調節可能手段とをさらに備える、請求項17に記載の装置。 - 前記第3剛性部分が、前記アクチュエータより大きい熱膨張係数値を有する、請求項28に記載の装置。
- 前記第2熱膨張係数値が、前記第1熱膨張係数値より小さい、請求項17に記載の装置。
- 前記アクチュエータの前記熱膨張係数値が、それに加えられる前負荷力の関数として変化する、請求項17に記載の装置。
- 前記アクチュエータに前負荷力を加えるために前記第1及び第2剛性部分の一方によって支持される調節可能手段であって、一方、前記第1及び第2剛性部分が、温度条件の前記望ましい動作範囲にわたって、前記アクチュエータと前記第1及び第2剛性部分との間の熱膨張係数値の差を同時に補償する、調節可能手段をさらに備える、請求項17に記載の装置。
- 一貫した性能特性を提供することができ、一方、温度条件の望ましい範囲にわたって動作することができるアクチュエータの増幅構造を組み立てる方法であって、
第1熱膨張係数値を有する非可撓性の第1剛性部分および前記第1熱膨張係数値とは異なる第2熱膨張係数値を有する非可撓性の第2剛性部分を有する支持体であって、前記第1及び第2剛性部分の一方から延びる少なくとも1つの旋回可能アーム部分と、前記少なくとも1つの旋回アーム部分を回転運動において駆動するように動作式に配置可能な力伝達部材とを含む支持体を提供するステップと、
前記第1及び第2剛性部分に関して前記力伝達部材を駆動して、前記アクチュエータの電気稼動に応答して前記少なくとも1つの旋回可能アーム部分を旋回させるように、非可撓性の第1及び第2剛性部分の一方と前記力伝達部材との間において、前記第1熱膨張係数値および前記第2熱膨張係数値とは異なる第3熱膨張係数値を有する電気稼動アクチュエータを組み立てるステップであって、非可撓性の前記第1剛性部分の前記第1熱膨張係数値および非可撓性の前記第2剛性部分の前記第2熱膨張係数値が、前記支持体の構造構成と共に温度条件の望ましい範囲にわたって、前記アクチュエータの前記第3熱膨張係数値に関して値の差をほぼ補償するステップとを含む、方法。 - 前記第1剛性部分を前記第2剛性部分から前記アクチュエータの対向端部と係合させるステップと、
前記支持体の組立て中に、前記第1剛性部分および前記第2剛性部分の上に形成された相補対向表面を互いに係合させるステップとをさらに含む、請求項33に記載の方法。 - 前記アクチュエータの縦軸に関して平行ではない方向におけるスライド係合を有する構造の前記相補対向表面を組み立てるステップをさらに含む、請求項34に記載の方法。
- 前記アクチュエータの前記縦軸に関して垂直な方向におけるスライド係合を有する構造の前記相補対向表面を組み立てるステップをさらに含む、請求項34に記載の方法。
- 前記第1及び第2剛性部分の一方で前記アクチュエータの1つの縦方向端部の調節可能シートを支持するステップと、
前記調節可能シートにより前記アクチュエータに加えられる前負荷力で、前記第1剛性部分および前記第2剛性部分を互いに関して組立て位置において維持するステップとをさらに備える、請求項33に記載の方法。 - 内部において前記アクチュエータを動作式に支持する非可撓性の剛性リセプタクルを形成するために、前記第1剛性部分と前記第2剛性部分との間の少なくとも1つの境界面の上に位置する少なくとも1対の相補対向表面を互いにインタロックさせるステップをさらに備える、請求項33に記載の方法。
- 内部において前記アクチュエータを受ける非可撓性の剛性リセプタクルを画定するために、前記第1剛性部分および前記第2剛性部分を互いに関して動作式に接続するための少なくとも1つのアパーチャに関して少なくとも1つのファスナを受けるステップであって、前記少なくとも1つのアパーチャが、前記第1剛性部分と前記第2剛性部分との間の少なくとも1つの境界面の上に位置する少なくとも1対の相補対向表面によって画定されるステップをさらに含む、請求項33に記載の方法。
- 前記支持体の前記第1及び第2剛性部分の一方と前記少なくとも1つの旋回可能アーム部分との間において延びる少なくとも1つの一体式リビングヒンジ部分を形成するステップをさらに含む、請求項33に記載の方法。
- 前記支持体の前記力伝達部材部分と前記少なくとも1つの旋回可能アーム部分との間において延びる少なくとも1つの一体式リビングヒンジ部分を形成するステップをさらに含む、請求項33に記載の方法。
- 単一一体式モノリシック部材において非同質材料の前記支持体の前記第1剛性部分および前記第2剛性部分を形成するステップをさらに含む、請求項33に記載の方法。
- U形の部分を画定する前記第1剛性部分で前記アクチュエータの周囲をほぼ囲むステップと、
前記第1剛性部分によって支持される調節可能アクチュエータシートを画定する前記第2剛性部分で、前負荷力を前記アクチュエータに加えることを可能にするステップであって、一方、温度範囲の前記望ましい動作範囲にわたって、前記アクチュエータと前記第1及び第2剛性部分との間の熱膨張係数値の差を同時に補償するステップとをさらに含む、請求項33に記載の方法。 - 第4熱膨張係数値を有する前記支持体の第3剛性部分を提供するステップと、
前記第3剛性部分によって支持される調節可能手段で前負荷力を前記アクチュエータに加えるステップであって、一方、前記第3剛性部分が、温度範囲の前記望ましい動作範囲にわたって、前記アクチュエータと前記剛性部分との間の熱膨張係数値の差を同時に補償するステップとをさらに含む、請求項33に記載の方法。 - 前記第3剛性部分が、前記アクチュエータより大きい熱膨張係数値を有する、請求項44に記載の方法。
- 前記第2熱膨張係数値が、前記第1熱膨張係数値より小さい、請求項33に記載の方法。
- 前負荷力を前記アクチュエータに加えるステップと、
前記アクチュエータの前記熱膨張係数値をそれに加えられた前負荷力の関数として変化させるステップとをさらに含む、請求項33に記載の方法。 - 前記第1及び第2剛性部分の一方によって支持される調節可能手段で前負荷力を前記アクチュエータに加えるステップであって、一方、前記第1及び第2剛性部分が、温度条件の前記望ましい動作範囲にわたって、前記アクチュエータと前記剛性部分との間の熱膨張係数値の差を同時に補償するステップをさらに含む、請求項33に記載の方法。
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