WO2009133743A1 - 変位変換装置 - Google Patents

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WO2009133743A1
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movable
medium
movable surface
volume
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寛雅 奥
正俊 石川
Original Assignee
国立大学法人東京大学
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/42—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using fluid means
    • G01D5/425—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using fluid means characterised by a first part whose movement represents the measuring value, and by a second part which is moved by an external force in order to follow the movement of the first part

Definitions

  • the present invention relates to a displacement converter. More particularly, the present invention relates to an apparatus that can amplify or reduce displacement using the so-called Pascal principle.
  • Piezoelectric elements and giant magnetostrictive elements exist as elements capable of high-speed response of about kHz as the operating frequency. These elements have a high response speed but have a problem that their movable range (stroke) is as small as about a micrometer.
  • the displacement amplification factor can be increased as the ratio (s / S) of the area s of the driven portion to the area S of the drive portion is smaller.
  • s / S ⁇ 1 is necessary for displacement amplification. Note that the displacement can be reduced by making s / S larger than 1.
  • a liquid is used as a medium for transmitting the displacement of the driving portion to the driven portion.
  • a liquid generally has a characteristic that volume fluctuation (expansion or contraction) accompanying a temperature change is large.
  • the conventional displacement conversion mechanism the displacement of the drive surface or the driven surface changes due to the volume fluctuation due to the temperature change. That is, the conventional displacement conversion mechanism has a problem that the displacement is changed due to a temperature change, so that the accuracy of the transmitted displacement is deteriorated.
  • An object of the present invention is to provide a displacement amplifying apparatus that uses the Pascal principle and is less susceptible to temperature changes.
  • the present invention has a configuration described in any of the following items.
  • a main body and a medium The main body includes a storage space for storing the medium therein, The medium is accommodated in the accommodating space, Further, the medium includes a fluid having a positive coefficient of thermal expansion and a movable body having a negative coefficient of thermal expansion.
  • the movable body is configured to be displaced according to the movement of the fluid
  • the medium includes a first movable surface and a second movable surface,
  • the first movable surface constitutes a part of the surface of the medium;
  • the second movable surface constitutes another part of the surface of the medium,
  • the area of the second movable surface is larger than the area of the first movable surface;
  • a displacement conversion device wherein a displacement of one of the first movable surface and the second movable surface is transmitted to the other through the medium.
  • the volume change due to the thermal expansion of the fluid can be compensated by the volume change due to the contraction of the movable body.
  • the movable body is configured to be displaced according to the movement of the fluid, the movable body is unlikely to inhibit the movement of the fluid. Therefore, according to the present invention, displacement transmission using the Pascal principle can be performed while preventing deterioration of the displacement transmission function in the medium.
  • the displacement amplifying action can be obtained by driving the second movable surface having a large area and extracting the displacement on the first movable surface having a small area.
  • the displacement can be reduced by driving the first movable surface having a small area and extracting the displacement on the second movable surface having a large area.
  • the movable body By making the movable body a granular body, the movable body itself has high fluidity. For this reason, in this invention, even if it enlarges the volume (total volume) of the whole movable body, the fall of the displacement transmission function in a medium can be suppressed low. Then, in this invention, it becomes possible to increase a movable body as a volume ratio with respect to a fluid, As a result, the temperature range which can perform volume compensation can be widened.
  • the term “granular” is used to mean including powder.
  • (Item 3) Furthermore, it comprises a first movable film and a second movable film, The first movable film is disposed adjacent to the first movable surface; 3. The displacement conversion device according to item 1 or 2, wherein the second movable film is disposed adjacent to the second movable surface.
  • the displacement can be input using one of the first movable film and the second movable film, and the displacement can be taken out using the other.
  • these membranes are preferably displaceable in whole or in part with respect to the body. Further, by providing these films, a sealing effect on the medium can be expected. Furthermore, these membranes need not be in direct contact with the medium, but can be adjacent via some intermediary. However, it is not essential to use these movable films. For example, a piston in a displacement input / output mechanism using a piston and a cylinder can be brought into direct contact with the movable surface.
  • Item 4 The displacement converter according to any one of Items 1 to 3, wherein the fluid is made of a liquid having a positive coefficient of thermal expansion.
  • liquid generally has high fluidity, it is suitable as a medium in the displacement conversion device of the present invention.
  • the liquid has a positive coefficient of thermal expansion because the intermolecular distance is longer than that of the solid.
  • the medium of the present invention is not limited to a liquid and is not particularly limited as long as it has fluidity necessary for the implementation of the present invention.
  • a sol-like substance or a gel-like substance may be used if it has a high fluidity.
  • the volume compensation unit is made of a material having a negative coefficient of thermal expansion, 5.
  • the displacement converter according to any one of items 1 to 4, wherein the volume compensation unit is disposed adjacent to the medium.
  • volume compensation unit may be in contact with the medium or indirectly through some substance.
  • the volume compensation unit may be adjacent to the medium so that the displacement of the volume compensation unit can be transmitted.
  • the input mechanism is configured to apply displacement to one of the first movable surface and the second movable surface, 6.
  • the displacement conversion device according to any one of items 1 to 5, wherein the output mechanism is configured to extract a displacement at the other of the first movable surface and the second movable surface to the outside.
  • (Item 7) A displacement conversion method using the displacement conversion device according to any one of items 1 to 6, Applying a displacement to one of the first movable surface and the second movable surface; A displacement conversion method comprising: taking out a displacement at the other of the first movable surface and the second movable surface to the outside.
  • the displacement amplifying device of the present embodiment includes a main body 1, a medium 2, a first movable film 3, a second movable film 4, an input mechanism 5, and an output mechanism 6 as basic components. .
  • the main body 1 is formed in a flat cylindrical shape as a whole (see FIG. 1).
  • a housing space 11 is formed inside the main body 1.
  • the accommodating space 11 includes a small area part 12 and a large area part 13.
  • the small area portion 12 is formed by reducing the diameter of the main body 1 on one end side (the upper end side in FIG. 1).
  • the large area portion 13 is formed on the other end side (lower end side in FIG. 1) of the main body 1.
  • the large area portion 13 has a larger cross-sectional area (cross-sectional area in the main body 11) than the small area portion 12.
  • the medium 2 is accommodated in the accommodating space 11. Further, the medium 2 includes a fluid 21 having a positive coefficient of thermal expansion and a movable body 22 having a negative coefficient of thermal expansion (see FIG. 2A).
  • a liquid is used in the present embodiment.
  • various fluids such as pure water and silicon oil typified by Polydimethylsiloxane® (PDMS) can be used as the fluid 21.
  • PDMS Polydimethylsiloxane®
  • the fluid is not limited to a liquid, and a so-called sol-like substance or gel-like substance that has sufficient fluidity for practical use can be used.
  • the movable body 22 is configured to be displaced as the fluid 21 moves.
  • a large number of microspheres made of zirconium tungstate (ZrW 2 O 8 ) are used as the movable body 22.
  • the material that can be used as the movable body 22 is not limited to zirconium tungstate, and for example, silicon oxide (Li 2 O—Al 2 O 3 —nSiO 2 ) can be used.
  • the shape of the movable body 22 is not limited to a true sphere, and may be various shapes, and may be powdery. Alternatively, it is considered that the movable body 22 can be made into a sol shape or a gel shape depending on the material used.
  • the size of the movable body 22 is preferably small enough to easily enter the inside of the small area portion 12 (that is, a size sufficiently smaller than the first movable surface 23). With this configuration, the fluidity of the medium 2 can be improved.
  • a material having a negative coefficient of thermal expansion and not excessively restricting the movement of the fluid 21 can be used.
  • the medium 2 includes a first movable surface 23 and a second movable surface 24.
  • the first movable surface 23 constitutes a part of the surface of the medium 2.
  • the first movable surface 23 is disposed inside the small area portion 12 in the accommodation space 11.
  • the second movable surface 24 constitutes another part of the surface of the medium 2.
  • the second movable surface 24 is disposed inside the large area portion 13. Thereby, the second movable surface 24 has a larger area than the first movable surface 23.
  • one displacement of the first movable surface 23 and the second movable surface 24 is transmitted to the other through the medium 2.
  • this configuration realizes a displacement conversion mechanism based on the Pascal principle.
  • the first movable film 3 is disposed in contact with the first movable surface 23 disposed in the small area portion 12.
  • the second movable film 4 is disposed in contact with the second movable surface 4.
  • the input mechanism 5 is configured to input a displacement to the second movable film 4.
  • an appropriate displacement input mechanism such as a piston-cylinder mechanism that drives a cylinder with fluid pressure, a ball screw mechanism that converts rotation into displacement, or an appropriate link mechanism can be used.
  • the output mechanism 6 is configured to extract the displacement in the first movable film 3.
  • a mechanism similar to the input mechanism 5 can be used to extract the displacement.
  • a mechanism different from the input mechanism 5 can be used.
  • any mechanism that can extract displacement as an output may be used.
  • the second movable film 4 is displaced using the input mechanism 5 (see FIG. 3). Then, the second movable surface 24 in the medium 2 is displaced, and the displacement is transmitted to the first movable surface 23 through the medium 2 itself.
  • the area of the second movable surface 24 is made larger than the area of the first movable surface 23. For this reason, the displacement of the first movable surface 23 is amplified compared to the displacement of the second movable surface 24.
  • the amplification factor ⁇ is generally determined by the ratio (s / S) between the area s of the first movable surface 23 and the area S of the second movable surface. As in the present embodiment, if s ⁇ S, the amplification factor ⁇ is 1 ⁇ . Of course, if the design is such that S ⁇ s, the amplification factor ⁇ can be set to ⁇ ⁇ 1. In this case, the displacement is reduced and transmitted.
  • the movable body 22 having a negative coefficient of thermal expansion is used as the medium 2 in addition to the fluid 21, the movable body 22 increases when the temperature of the medium 2 rises. Decreases in volume (see FIG. 2B).
  • the volume increase of the fluid 21 can be compensated by the volume decrease due to the contraction of the movable body 22. That is, according to this apparatus, there is an advantage that the amount of volume fluctuation accompanying a rise in temperature can be kept low.
  • the amount of volume fluctuation can be reduced by the reverse operation to that described above.
  • the apparatus of this embodiment since the movable body 22 is configured to be displaced according to the movement of the fluid 21, the movable body 22 is unlikely to inhibit the movement of the fluid 21. For this reason, the apparatus of this embodiment has an advantage that displacement transmission using the Pascal principle can be performed while preventing deterioration of the displacement transmission function in the medium 2.
  • the movable body 22 in the present embodiment is composed of a plurality of granular bodies, the movable body 22 itself also has high fluidity. For this reason, in the apparatus of this embodiment, even if the volume (total volume) of the movable body 22 as a whole is increased, it is possible to suppress a decrease in the displacement transmission function due to the medium 2. Then, in the apparatus of this embodiment, it becomes possible to increase the movable body 22 as a volume ratio with respect to the fluid 21, and as a result, the temperature range capable of volume compensation can be widened. There is.
  • the movable body 22 is mixed with the fluid 21, higher fluidity can be imparted to the medium 2 compared to using only the movable body 22 as a medium.
  • this apparatus also has an advantage that the medium 2 can be smoothly displaced or deformed.
  • each of the first movable film 3 and the second movable film 4 is moved with respect to the main body 1 (see FIG. 3).
  • only one part (for example, only the central part) of both or one of the first movable film 3 and the second movable film 4 may be moved.
  • it is desirable that the first movable film 3 and the second movable film 4 are constituted by a deformable elastic film.
  • the apparatus of the second embodiment further includes a volume compensation unit 7.
  • the volume compensation unit 7 is made of a material having a negative coefficient of thermal expansion.
  • the volume compensation unit 7 is composed of a crystal of zirconium tungstate.
  • various materials can be used as long as the material has a negative coefficient of thermal expansion as in the case of the movable body 22.
  • the volume compensation unit 7 is disposed at a position in contact with the medium 2.
  • the volume compensation unit 7 is fixed to the inner surface of the main body 1 (the surface facing the accommodation space 11).
  • the position of the volume compensation unit 7 may be anywhere as long as it faces the medium 2.
  • the volume compensation unit 7 can be suspended inside the medium 2, or the volume compensation unit 7 can be arranged in an unfixed state.
  • an opening may be provided on the side surface of the main body 1, and the volume compensation unit 7 may be brought into contact with the medium 2 through this opening.
  • volume compensation unit 7 It is also possible for some mediator to exist between the volume compensation unit 7 and the medium 2.
  • a film for preventing the medium 2 from flowing out may be interposed between the volume compensation unit 7 and the medium 2.
  • the volume compensation unit 7 only needs to be adjacent to the medium 2 in a form that can transmit the displacement of the volume compensation unit 7 itself.
  • the volume compensation unit 7 is provided separately, it is possible to widen the temperature range in which volume compensation is possible. That is, in this embodiment, not only the movable body 22 but also the volume compensation unit 7 is displaced according to the temperature change, so that this displacement can be used to compensate for the displacement of the fluid 21 due to the temperature change. Become.
  • the apparatus of the third embodiment further includes a sensor 8, a controller 9, and a drive unit 10.
  • the main body 1 of the present embodiment further includes a cylinder portion 15.
  • the sensor 8 is attached to the outer surface of the main body 1 in this embodiment.
  • the sensor 8 can measure the temperature of the medium 2 housed in the housing space 11.
  • the sensor 8 can be attached at an appropriate position such as the inside of the main body 1.
  • the sensor 8 may have any configuration that can measure the temperature of the medium 2.
  • the controller 9 has a function of sending a control signal to the drive unit 10 in accordance with the output from the sensor 8.
  • the controller 9 can be configured by, for example, a personal computer and appropriate computer software (not shown).
  • the driving unit 10 includes a piston 101.
  • the drive unit 10 is configured to move the piston 101 back and forth with respect to the cylinder unit 15 in accordance with a command from the controller 9.
  • the cylinder part 15 of the main body 1 is formed in a hollow cylindrical shape. One end (the left end in FIG. 6) of the cylinder portion 15 is in communication with the accommodation space 11 formed inside the main body 1. Thus, the medium 2 is filled in the cylinder portion 15 (strictly, the region up to the piston 101).
  • the controller 9 moves the piston 101 of the drive unit 10 in accordance with the temperature of the medium 2 measured by the sensor 8. For example, when the temperature rises, the piston 101 moves backward, and when the temperature falls, the piston 101 moves forward. Thereby, the volume fluctuation
  • the piston 101 is provided in the drive unit 10, and the piston 101 is moved back and forth with respect to the cylinder unit 15 of the main body 1.
  • the periphery of the elastic film 103 may be fixed to the end of the cylinder portion 15 and the vicinity of the center of the elastic film 103 may be moved back and forth by the drive unit 10 (see FIG. 7).
  • FIG. 7 shows only the vicinity of the portion corresponding to the cylinder portion 15 in FIG. 6 in an enlarged manner.
  • Fluid 21 pure water (volume expansion coefficient at 9 ° C. is 7.7 ⁇ 10 ⁇ 5 )
  • Movable body 22 a large number of microspheres made of zirconium tungstate (volume expansion coefficient at ⁇ 9 ° C. is ⁇ 2.7 ⁇ 10 ⁇ 5 ).
  • microspheres of zirconium tungstate used as the movable body 22 have a hexagonal close-packed structure in pure water. Moreover, all the values of the volume expansion coefficient described above are values (estimated values) calculated by interpolation, and are not measured values.
  • volume expansion coefficients of pure water and zirconium tungstate are the above values and the microspheres have a hexagonal close-packed structure (filling ratio of about 74%), it is possible to prevent volume changes strictly.
  • the only thing you can do is 9 degrees Celsius.
  • the volume compensation part 7 shown in 2nd Embodiment for example.
  • the volume of the medium 2 is V 0
  • the volume of the volume compensation unit 7 is V + .
  • the volume change can be canceled as a whole of the medium 2 and the volume compensation unit 7. Therefore, it is possible to prevent the first movable surface 23 and the second movable surface 24 from fluctuating due to temperature changes.
  • FIG. 1A is an explanatory diagram showing a state in which a part of the medium shown in FIG. 1 is enlarged.
  • FIG. 2B is an explanatory diagram for explaining a state in which the movable body in FIG.

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Abstract

　本発明は、パスカルの原理を用い、かつ、温度変化の影響を受けにくい変位増幅装置を提供するものである。本体１は、媒質２を内部に収容するための収容空間１１を備える。媒質２は、正の熱膨張率を持つ流動体２１と、負の熱膨張率を持つ可動体２２とを備える。可動体２２は、流動体２１の移動に従って変位する。さらに、媒質２は、小面積である第１可動面２３と、大面積である第２可動面２４とを備える。第１可動面２３及び第２可動面２４の内の一方の変位は、媒質２を介して、他方に伝達される。この変位増幅装置では、媒質２の温度変化によって流動体２１の体積が変化しても、可動体２２の体積変化により、媒質２の全体としての体積変動量を低く抑えることができる。

Description

変位変換装置
　本発明は、変位変換装置に関するものである。より詳しくは、本発明は、いわゆるパスカルの原理を用いて、変位を増幅又は縮小することができる装置に関するものである。
　動作周波数としてkHz程度の高速な応答が可能な素子として、圧電素子や超磁歪素子が存在する。これらの素子は、応答は高速だが、その可動範囲（ストローク）がマイクロメートル程度と微小であるという問題を持っている。
　このため、このような素子をアクチュエータとして利用する際は，機械的な「てこ」を用いて変位を増幅することにより、実用に十分な程度まで変位を拡大する手法が考えられる。
　しかしながら、高速な動作素子を、機械的な変位増幅機構と組み合わせると、増幅機構がもつ機械的な共振特性のために，系全体としての応答速度が0.01秒程度にまで遅くなることが多く、設計のための大きな制約要因になってしまう。
　そこで、液体によるパスカルの原理を用いた変位増幅機構が提案されている（例えば下記特許文献１参照）。この変位増幅機構では、駆動部分の面積Ｓに対する従動部分の面積ｓの比率（ｓ／Ｓ）が小さいほど、変位の増幅率を高めることができる。ただし、変位増幅のためには、ｓ／Ｓ＜１であることが原理的には必要である。なお、ｓ／Ｓを１より大きくすることにより、変位の縮小も可能である。
　このような変位増幅機構を利用すると，高い変位増幅率と高速な応答とを同時に満たすことが可能になる。
国際公開WO2003/102636号公報
　ところで、パスカルの原理を用いた変位増幅機構では、駆動部分の変位を従動部分に伝達するための媒質として、液体を用いている。液体は、一般に、温度変化に伴う体積変動（膨張又は収縮）が大きいという特性を持つ。
　このため、従来の変位変換機構では、温度変化による体積変動に起因して、駆動面あるいは従動面の変位が変化してしまうことになる。すなわち、従来の変位変換機構は、温度変化により変位が変化してしまうために、伝達される変位の精度が劣化してしまうという問題がある。
　本発明は、このような状況に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、パスカルの原理を用いながら、しかも、温度変化の影響を受けにくい変位増幅装置を提供することである。
　本発明は、下記のいずれかの項目に記載の構成を備えている。
　（項目１）
　本体と媒質とを備えており、
　前記本体は、前記媒質を内部に収容するための収容空間を備えており、
　前記媒質は、前記収容空間の内部に収容されており、
　さらに、前記媒質は、正の熱膨張率を持つ流動体と、負の熱膨張率を持つ可動体とを備えており、
　前記可動体は、前記流動体の移動に従って変位する構成となっており、
　さらに、前記媒質は、第１可動面と第２可動面とを備えており、
　前記第１可動面は、前記媒質の表面の一部を構成しており、
　前記第２可動面は、前記媒質の表面における他の一部を構成しており、
　前記第２可動面の面積は、前記第１可動面の面積よりも大きくされており、
　前記第１可動面及び前記第２可動面の内の一方の変位が、前記媒質を介して、他方に伝達される構成となっている
ことを特徴とする変位変換装置。
　この発明によれば、例えば媒質の温度が上昇した場合には、流動体の熱膨張による体積変化を、可動体の収縮による体積変化により補償することができる。
　また、可動体を、流動体の移動に従って変位する構成としたので、可動体は、流動体の移動を阻害しにくい。このため、この発明では、媒質における変位伝達機能の劣化を防ぎつつ、パスカルの原理を用いた変位伝達が可能になる。
　この発明では、大面積を持つ第２可動面を駆動し、小面積を持つ第１可動面での変位を取り出すことにより、変位増幅作用を得ることができる。逆に、小面積を持つ第１可動面を駆動し、大面積を持つ第２可動面での変位を取り出すことにより、変位を縮小することができる。
　（項目２）
　前記可動体は、負の熱膨張率を持つ複数の粒状体から構成されている
ことを特徴とする項目１に記載の変位変換装置。
　可動体を粒状体とすることにより、可動体自体も高い流動性を備えることになる。このため、この発明では、可動体の全体としての体積（合計の体積）を大きくしても、媒質における変位伝達機能の低下を低く抑えることができる。すると、この発明では、可動体を、流動体に対して、体積比として多くすることが可能になり、その結果、体積補償が可能な温度範囲を広くすることができる。ここで粒状とは、粉状を含む意味で用いられている。
　（項目３）
　さらに、第１可動膜と第２可動膜とを備えており、
　前記第１可動膜は、前記第１可動面に隣接して配置されており、
　前記第２可動膜は、前記第２可動面に隣接して配置されている
ことを特徴とする項目１又は２に記載の変位変換装置。
　第１可動膜及び第２可動膜の一方を用いて変位を入力し、他方を用いて変位を外部に取り出すことができる。したがって、これらの膜は、本体に対して全体的又は部分的に変位可能であることが好ましい。また、これらの膜を設けることにより、媒質に対するシール効果を期待することもできる。さらに、これらの膜は、媒質に対して直接に接している必要はなく、何らかの媒介物を介して隣接していることができる。ただし、これらの可動膜を用いることは必須ではない。例えば、ピストンとシリンダを用いた変位の入力／出力機構におけるピストンを可動面に直接に接触させることも可能である。
　（項目４）
　前記流動体は、正の熱膨張率を持つ液体により構成されている
ことを特徴とする、項目１～３のいずれか１項に記載の変位変換装置。
　液体は、一般に、高い流動性を持つので、本発明の変位変換装置における媒質として好適である。また、一般に、液体は、分子間距離が固体よりも長いために、正の熱膨張率を持つ。ただし、本発明の媒質としては、液体に限らず、本発明の実施に必要な流動性を持つものであれば特に制約されない。例えば、ゾル状物質、又は、流動性の高いものであればゲル状物質を用いることも考えられる。
　（項目５）
　さらに、体積補償部を備えており、
　前記体積補償部は、負の熱膨張率を持つ物質により構成されており、
　さらに、前記体積補償部は、前記媒質に隣接して配置されている
ことを特徴とする項目１～４のいずれか１項に記載の変位変換装置。
　体積補償部を別途設けることにより、体積補償が可能な温度範囲を広げることが可能になる。体積補償部は、媒質に対して接触していてもよいし、何らかの物質を介して間接的に接触していても良い。体積補償部は、媒質に対して、体積補償部の変位を伝達できるように隣接されていればよい。
　（項目６）
　さらに、入力機構と出力機構とを備えており、
　前記入力機構は、前記第１可動面及び前記第２可動面の一方に対して変位を加える構成となっており、
　前記出力機構は、前記第１可動面及び前記第２可動面の他方における変位を外部に取り出す構成となっている
ことを特徴とする項目１～５のいずれか１項に記載の変位変換装置。
　（項目７）
　項目１～６のいずれか１項に記載の変位変換装置を用いた変位変換方法であって、
　前記第１可動面及び前記第２可動面の一方に変位を加えるステップと、
　前記第１可動面及び前記第２可動面の他方における変位を外部に取り出すステップと
を備える変位変換方法。
　本発明によれば、パスカルの原理を用いながら、しかも、温度変化の影響を受けにくい変位増幅装置を提供することが可能になる。
　（第１実施形態）
　以下、本発明の第１実施形態に係る変位増幅装置を、図１～図３に基づいて説明する。
　本実施形態の変位増幅装置は、本体１と、媒質２と、第１可動膜３と、第２可動膜４と、入力機構５と、出力機構６とを基本的な構成要素として備えている。
　本体１は、全体として、扁平な円筒状に形成されている（図１参照）。本体１の内部には、収容空間１１が形成されている。
　収容空間１１は、小面積部１２と大面積部１３とを備えている。小面積部１２は、本体１がその一端側（図１での上端側）において縮径されることにより形成されている。大面積部１３は、本体１の他端側（図１での下端側）に形成されている。大面積部１３は、小面積部１２よりも大きな断面積（本体１１における横断面積）を持っている。
　媒質２は、収容空間１１の内部に収容されている。さらに、媒質２は、正の熱膨張率を持つ流動体２１と、負の熱膨張率を持つ可動体２２とを備えている（図２（ａ）参照）。
　流動体２１としては、本実施形態としては、液体が用いられている。より具体的な例としては、流動体２１として、純水、Polydimethylsiloxane (PDMS)に代表されるシリコンオイルなど、各種の液体を用いることができる。ただし、流動体としては、液体に限らず、いわゆるゾル状物質やゲル状物質であって、実用上十分な流動性を持つ物質を用いることができる。
　可動体２２は、流動体２１の移動に従って変位する構成となっている。可動体２２としては、この実施形態では、タングステン酸ジルコニウム（ZrW2O8）からなる多数の微少球が用いられている。ただし、可動体２２として使用できる材質としては、タングステン酸ジルコニウムに限らず、例えば、シリコン酸化物(Li2O-Al2O3-nSiO2)を用いることができる。
　また、可動体２２の形状としては、真球状に限らず、各種の形状とすることができ、粉末状であってもよい。あるいは、使用する材質によっては、可動体２２をゾル状もしくはゲル状とすることも可能であると考えられる。なお、可動体２２の大きさとしては、好ましくは、小面積部１２の内部に容易に入り込める程度の小ささ（すなわち第１可動面２３よりも十分に小さい大きさ）であることが好ましい。このように構成すると、媒質２の流動性を向上させることが可能である。
　可動体２２としては、要するに、負の熱膨張率を持ち、かつ、流動体２１の移動を過度に制限しない材料を用いることができる。
　さらに、媒質２は、第１可動面２３と第２可動面２４とを備えている。
　第１可動面２３は、媒質２の表面の一部を構成している。かつ、第１可動面２３は、収容空間１１における小面積部１２の内部に配置されている。
　第２可動面２４は、媒質２の表面における他の一部を構成している。かつ、第２可動面２４は、大面積部１３の内部に配置されている。これにより、第２可動面２４は、第１可動面２３よりも大きな面積を有するようになっている。
　本実施形態の装置では、第１可動面２３及び第２可動面２４の内の一方の変位が、媒質２を介して、他方に伝達される構成となっている。つまり、この構成によって、パスカルの原理に基づく変位変換機構を実現している。
　第１可動膜３は、小面積部１２に配置された第１可動面２３に接して配置されている。また、第２可動膜４は、第２可動面４に接して配置されている。
　入力機構５は、この実施形態では、第２可動膜４に対して変位を入力する構成となっている。入力機構５としては、例えば、流体圧でシリンダを駆動するピストン－シリンダ機構や、回転を変位に変換するボールねじ機構や、適宜のリンク機構など、適宜の変位入力機構を用いることができる。
　出力機構６は、この実施形態では、第１可動膜３における変位を取り出す構成となっている。出力機構６としては、入力機構５と機構的に同様なものを、変位を取り出すために用いることができる。もちろん、出力機構６としては、入力機構５と異なる機構を用いることもでき、要するに、変位を出力として取り出すことができる機構であればよい。
　（第１実施形態における変位変換機構の動作）
　つぎに、本実施形態における変位変換機構の動作を、図２及び図３を主に参照しながら説明する。
　まず、基本的な変位増幅動作を説明する。入力機構５を用いて、第２可動膜４を変位させる（図３参照）。すると、媒質２における第２可動面２４が変位し、媒質２自体を介して、第１可動面２３に変位が伝達される。ここで、本実施形態では、第２可動面２４の面積が、第１可動面２３の面積よりも大きくされている。このため、第１可動面２３の変位は、第２可動面２４の変位に比較して増幅されている。この関係は、以下のように表現することができる。
Ｘ１＝α・Ｘ２
ここで、
Ｘ１：第１可動面の変位、
Ｘ２：第２可動面の変位、
α：増幅率
である。
　増幅率αは、第１可動面２３の面積ｓと第２可動面の面積Ｓとの比（ｓ／Ｓ）によって一般的には決まる。本実施形態のように、ｓ＜Ｓであれば、増幅率αは１＜αとなる。もちろん、Ｓ＜ｓとなるように設計すれば、増幅率αをα＜１とすることもできる。この場合は変位を縮小して伝達することになる。
　ついで、媒質２の温度が上昇した場合の動作について説明する。本実施形態の装置においては、媒質２の温度が上昇した場合には、流動体２１が熱膨張し、体積が増加する。このため、流動体２１のみを媒質２として用いた場合には、温度変化により液面の変位を生じ、伝達される変位の精度が劣化する。
　これに対して、本実施形態の装置では、媒質２として、流動体２１に加えて、負の熱膨張率を持つ可動体２２を用いているので、媒質２の温度が上昇すると、可動体２２の体積は減少する（図２（ｂ）参照）。
　これにより、本実施形態の装置では、流動体２１の体積増加を、可動体２２の収縮による体積減少によって、補償することができる。つまり、この装置によれば、温度の上昇に伴う体積変動の量を低く抑えることができるという利点がある。
　同様に、媒質２の温度が下降した場合も、前記とは逆の動作により、体積変動の量を減少させることができる。
　したがって、本実施形態の装置によれば、温度変化に伴う体積変動を小さく抑えることができ、その結果、伝達される変位の精度を向上させることができるという利点がある。
　また、本実施形態では、可動体２２を、流動体２１の移動に従って変位する構成としたので、可動体２２は、流動体２１の移動を阻害しにくい。このため、この実施形態の装置では、媒質２における変位伝達機能の劣化を防ぎつつ、パスカルの原理を用いた変位伝達が可能になるという利点がある。
　また、本実施形態における可動体２２は、複数の粒状体から構成されているので、可動体２２自体も高い流動性を備えることになる。このため、この実施形態の装置では、可動体２２の全体としての体積（合計の体積）を大きくしても、媒質２による変位伝達機能の低下を低く抑えることができる。すると、この実施形態の装置では、可動体２２を、流動体２１に対して、体積比として多くすることが可能になり、その結果、体積補償が可能な温度範囲を広くすることができるという利点がある。
　また、本実施形態では、可動体２２を流動体２１に混合しているので、可動体２２のみを媒質として用いることに比較して、媒質２に対して高い流動性を付与することができる。その結果、この装置では、媒質２を滑らかに変位ないし変形させることができるという利点もある。
　なお、前記した説明では、第１可動膜３及び第２可動膜４のそれぞれについて、その全体を本体１に対して移動させている（図３参照）。しかしながら、図４に示されるように、第１可動膜３及び第２可動膜４の両方あるいは一方について、一部のみ（例えば中央部のみ）を移動させる構成としてもよい。この場合、第１可動膜３及び第２可動膜４は、変形可能な弾性膜によって構成されることが望ましい。
　（第２実施形態）
　つぎに、本発明の第２実施形態に係る変位変換装置を、図５に基づいて説明する。なお、この第２実施形態の説明においては、前記した第１実施形態の装置と基本的に共通する要素については、同じ符号を付することにより、説明を簡略化する。
　第２実施形態の装置は、体積補償部７をさらに備えている。体積補償部７は、負の熱膨張率を有する物質により構成されている。この実施形態では、体積補償部７は、タングステン酸ジルコニウムの結晶により構成されいてる。ただし、体積補償部７としては、可動体２２の場合と同様に、負の熱膨張率を有する物質であれば、各種のものを利用可能である。
　体積補償部７は、媒質２に対して接触する位置に配置されている。例えば、体積補償部７は、本体１の内面（収容空間１１に面する面）に固定される。ただし、体積補償部７の位置は、媒質２に面する位置であれば、どこであってもよい。例えば、媒質２の内部において、体積補償部７を浮遊させ、あるいは、この体積補償部７を非固定状態で配置することも可能である。さらに、本体１の側面に開口を設け、この開口を介して体積補償部７を媒質２に接触させても良い。
　また、体積補償部７と媒質２との間に、何らかの媒介物質が存在することも可能である。例えば、体積補償部７と媒質２との間に、媒質２の流出を防ぐための膜を介在させることもできる。要するに、体積補償部７は、媒質２に対して、体積補償部７自体の変位を伝達できるような形態で隣接していればよい。
　第２実施形態の装置では、体積補償部７を別途設けたので、体積補償が可能な温度範囲を広げることが可能になる。すなわち、本実施形態では、可動体２２だけでなく、体積補償部７も、温度変化に応じて変位するので、この変位を用いて、温度変化による流動体２１の変位を補償することが可能になる。
　第２実施形態における他の構成及び利点は、前記した第１実施形態と同様なので、これ以上の詳細についての説明は省略する。
　（第３実施形態）
　つぎに、本発明の第３実施形態に係る変位変換装置を、図６に基づいて説明する。なお、この第３実施形態の説明においては、前記した第１実施形態の装置と基本的に共通する要素については、同じ符号を付することにより、説明を簡略化する。
　第３実施形態の装置は、センサ８と、コントローラ９と、駆動部１０とをさらに備えている。また、本実施形態の本体１は、シリンダ部１５をさらに備えている。
　センサ８は、この実施形態では、本体１の外面に取り付けられている。センサ８は収容空間１１の内部に収容された媒質２の温度を測定できるようになっている。センサ８の取り付け箇所は、本体１の内部など、適宜の位置とすることができる。要するに、センサ８は、媒質２の温度が測定できる構成であればよい。
　コントローラ９は、センサ８からの出力に従って、駆動部１０に制御信号を送る機能を備えている。コントローラ９は、例えばパーソナル・コンピュータ及び適宜のコンピュータ・ソフトウエアにより構成することができる（図示せず）。
　駆動部１０は、ピストン１０１を備えている。駆動部１０は、コントローラ９からの指令に従って、ピストン１０１をシリンダ部１５に対して前後に移動させるようになっている。
　本体１のシリンダ部１５は、中空の円筒状に形成されている。シリンダ部１５における一端（図６において左端）は、本体１の内部に形成された収容空間１１と連通させられている。これにより、シリンダ部１５の内部（厳密にはピストン１０１までの領域）には、媒質２が充填されるようになっている。
　第３実施形態の装置では、センサ８で測定された媒質２の温度に対応して、コントローラ９が、駆動部１０のピストン１０１を移動させる。例えば、温度が上昇すると、ピストン１０１を後退させ、温度が下降すると、ピストン１０１を前進させる。これにより、温度変化に伴う媒質２の体積変動を補償することができる。
　したがって、本実施形態の装置では、可動体２２によって補償できる範囲を超えた温度変化があった場合であっても、この装置によって伝達される変位の精度の劣化を低く抑えることが可能になる。
　第３実施形態における他の構成及び利点は、前記した第１実施形態と同様なので、これ以上の詳細についての説明は省略する。
　（変形例）
　前記した第３実施形態では、駆動部１０にピストン１０１を設け、このピストン１０１を本体１のシリンダ部１５に対して前後動させていた。しかしながら、この構成に代えて、シリンダ部１５の端部に弾性膜１０３の周縁を固定し、弾性膜１０３の中央近傍を駆動部１０によって前後動させる構成とすることもできる（図７参照）。なお、図７は、図６におけるシリンダ部１５に相当する部分の近傍のみを拡大して示している。
　また、シリンダ部１５の内部に、第２実施形態で説明した体積補償部７を収納することも可能である（図７参照）。
　（実施例）
　第１実施形態に示した構造を用いた実施例を以下に説明する。この実施例では、以下の構成を採用した。
・流動体２１：純水（摂氏９℃での体積膨張率が７．７×１０－５）、
・可動体２２：タングステン酸ジルコニウムからなる多数の微少球（摂氏９℃での体積膨張率が－２．７×１０－５）。
　なお、可動体２２として用いられるタングステン酸ジルコニウムの微少球は、純水内において、六方最密充填構造をとるものとする。また、前記した体積膨張率の値は、いずれも、内挿によって算出した値（推測値）であり、測定値ではない。
　純水とタングステン酸ジルコニウムの体積膨張率が上記の値だと仮定し、微小球が六方最密充填構造(充填率約７４％)をとるとした場合には、厳密に体積変化を防ぐことができるのは摂氏９度の一点になる。この実施例では、液体と微小球との体積比を選ぶことで、摂氏約４度から約９度までの範囲で、体積変化をほぼ完全に防ぐことができると考えられる。液体と微小球の体積比は、どこの温度で体積変化をなくしたいのかに依存して変化させることが望ましい。
　また、前記以上の温度の場合は、例えば、第２実施形態に示した体積補償部７を用いることが可能である。例えば、媒質２の体積をＶ０、体積補償部７の体積をＶ＋とする。媒質２の温度が摂氏２０度のとき、Ｖ＋＝１．３・Ｖ０とすると、媒質２と体積補償部７の全体として、体積変化をキャンセルすることができる。したがって、第１可動面２３や第２可動面２４が温度変化により変動することを防止することができる。
　なお、前記実施形態及び実施例の記載は単なる一例に過ぎず、本発明に必須の構成を示したものではない。各部の構成は、本発明の趣旨を達成できるものであれば、上記に限らない。
本発明の第１実施形態に係る変位変換装置を説明するための説明図であって、本体の一部を破断した状態を示す図である。 図（ａ）は、図１に示される媒質の一部を拡大した状態を示す説明図である。図（ｂ）は、図（ａ）における可動体が縮小した状態を説明するための説明図である。 図１に示される第１可動膜及び第２可動膜の変位を説明するための説明図である。 第１実施形態における変位変換装置の変形例を説明するための説明図である。 本発明の第２実施形態に係る変位変換装置を説明するための説明図である。 本発明の第３実施形態に係る変位変換装置を説明するための説明図である。 第３実施形態の変形例を説明するための説明図であって、図６におけるシリンダ部を拡大した状態を示す図である。
符号の説明
　１　本体
　１１　収容空間
　１２　小面積部
　１３　大面積部
　１５　シリンダ部
　２　媒質
　２１　流動体
　２２　可動体
　２３　第１可動面
　２４　第２可動面
　３　第１可動膜
　４　第２可動膜
　５　入力機構
　６　出力機構
　７　体積補償部
　８　センサ
　９　コントローラ
　１０　駆動部
　１０１　ピストン
　１０３　弾性膜

Claims (7)

  1. 　本体と媒質とを備えており、
    　前記本体は、前記媒質を内部に収容するための収容空間を備えており、
    　前記媒質は、前記収容空間の内部に収容されており、
    　さらに、前記媒質は、正の熱膨張率を持つ流動体と、負の熱膨張率を持つ可動体とを備えており、
    　前記可動体は、前記流動体の移動に従って変位する構成となっており、
    　さらに、前記媒質は、第１可動面と第２可動面とを備えており、
    　前記第１可動面は、前記媒質の表面の一部を構成しており、
    　前記第２可動面は、前記媒質の表面における他の一部を構成しており、
    　前記第２可動面の面積は、前記第１可動面の面積よりも大きくされており、
    　前記第１可動面及び前記第２可動面の内の一方の変位が、前記媒質を介して、他方に伝達される構成となっている
    ことを特徴とする変位変換装置。
  2. 　前記可動体は、負の熱膨張率を持つ複数の粒状体から構成されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の変位変換装置。
  3. 　さらに、第１可動膜と第２可動膜とを備えており、
    　前記第１可動膜は、前記第１可動面に隣接して配置されており、
    　前記第２可動膜は、前記第２可動面に隣接して配置されている
    ことを特徴とする請求項１又は２に記載の変位変換装置。
  4. 　前記流動体は、正の熱膨張率を持つ液体により構成されている
    ことを特徴とする、請求項１～３のいずれか１項に記載の変位変換装置。
  5. 　さらに、体積補償部を備えており、
    　前記体積補償部は、負の熱膨張率を持つ物質により構成されており、
    　さらに、前記体積補償部は、前記媒質に隣接して配置されている
    ことを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の変位変換装置。
  6. 　さらに、入力機構と出力機構とを備えており、
    　前記入力機構は、前記第１可動面及び前記第２可動面の一方に対して変位を加える構成となっており、
    　前記出力機構は、前記第１可動面及び前記第２可動面の他方における変位を外部に取り出す構成となっている
    ことを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の変位変換装置。
  7. 　請求項１～６のいずれか１項に記載の変位変換装置を用いた変位変換方法であって、
    　前記第１可動面及び前記第２可動面の一方に変位を加えるステップと、
    　前記第１可動面及び前記第２可動面の他方における変位を外部に取り出すステップと
    を備える変位変換方法。
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