CN102016328B

CN102016328B - 位移变换装置

Info

Publication number: CN102016328B
Application number: CN200980115027.2A
Authority: CN
Inventors: 奥宽雅; 石川正俊
Original assignee: University of Tokyo NUC
Current assignee: University of Tokyo NUC
Priority date: 2008-04-28
Filing date: 2009-03-30
Publication date: 2014-02-26
Anticipated expiration: 2029-03-30
Also published as: JP4986165B2; JP2009264993A; WO2009133743A1; EP2273131A4; US8511173B2; EP2273131B1; CN102016328A; EP2273131A1; US20110123369A1

Abstract

本发明提供使用帕斯卡原理且难以受温度变化的影响的位移变换装置。主体(1)具备用于将介质(2)收纳于内部的收纳空间(11)。介质(2)具备具有正的热膨胀率的流动体(21)、和具有负的热膨胀率的活动体(22)。活动体(22)根据流动体(21)的移动而位移。另外，介质(2)具备小面积的第一活动面(23)和大面积的第二活动面(24)。第一活动面(23)及第二活动面(24)中的一方的位移经由介质(2)传递到第一活动面(23)及第二活动面(24)中的另一方。在该位移变换装置中，即使流动体(21)的体积因介质(2)的温度变化而发生变化，也可以通过活动体(22)的体积变化将作为介质(2)整体的体积变动量抑制得低。

Description

位移变换装置

技术领域

本发明涉及位移变换装置。更详细而言，本发明涉及可使用所谓的帕斯卡原理将位移放大或缩小的装置。

背景技术

作为可进行kHz这种程度的动作频率的高速响应的元件，有压电元件及超磁致伸缩元件。这些元件虽然响应高速但存在其可动范围(行程)微小至微米程度这样的问题。

因此，在将这种元件用作执行机构时，可考虑通过使用机械方面的“杠杆”将位移放大，由此将位移放大至实用方面足够的程度的方法。

但是，在将高速的动作元件与机械方面的位移放大机构组合时，由于放大机构所具有的机械方面的共振特性，所以多数情况下作为系统整体的响应速度延迟至0.01秒左右，这成为用于进行设计的大的制约因素。

于是，提案有使用根据液体的帕斯卡原理的位移放大机构(例如参照下述专利文献1)。在该位移放大机构中，从动部分的面积s相对于驱动部分的面积S的比率(s/S)越小，则越能够提高位移的放大率。为了使位移放大，原理上需要s/S＜1。另外，通过将s/S设为比1大，也可以实现位移的缩小。

当利用这样的位移放大机构时，可以同时满足高位移放大率和高速响应。

专利文献1：国际公开WO2003/102636号公报

但是，在使用了帕斯卡原理的位移放大机构中，作为用于将驱动部分的位移传递到从动部分的介质，使用液体。液体通常具有伴随温度变化的体积变动(膨胀或收缩)大的特性。

因此，在现有的位移变换机构中，因温度变化带来的体积变动，导致驱动面或从动面的位移发生变化。即，现有的位移变换机构因温度变化而导致位移发生变化，因此存在被传递的位移的精度变差的问题。

发明内容

本发明是鉴于这样的状况而作出的。本发明的目的在于提供使用帕斯卡原理且难以受温度变化的影响的位移变换装置。

本发明具备下述任一方面所记载的结构。

(第一方面发明)

一种位移变换装置，其特征在于，具备主体和介质，所述主体具备用于将所述介质收纳于内部的收纳空间，所述介质被收纳于所述收纳空间的内部，而且，所述介质具备：具有正的热膨胀率的流动体和具有负的热膨胀率的活动体，所述活动体根据所述流动体的移动而位移，而且，所述介质具备第一活动面和第二活动面，所述第一活动面构成所述介质的表面的一部分，所述第二活动面构成所述介质的表面的另一部分，所述第二活动面的面积比所述第一活动面的面积大，所述第一活动面及所述第二活动面中的一方的位移经由所述介质向所述第一活动面及所述第二活动面中的另一方传递。

根据本发明，例如在介质的温度上升的情况下，可以通过活动体的收缩带来的体积变化来补偿流动体的热膨胀带来的体积变化。

另外，由于构成为使活动体根据流动体的移动而位移，因此，活动体难以阻碍流动体的移动。因此，本发明中，能够防止介质的位移传递功能劣化，并且能够进行使用了帕斯卡原理的位移传递。

本发明中，通过驱动具有大面积的第二活动面并取出具有小面积的第一活动面的位移，可以得到位移放大作用。相反，通过驱动具有小面积的第一活动面并取出具有大面积的第二活动面的位移，可以缩小位移。

(第二方面发明)

在第一方面发明所述的位移变换装置的基础上，其特征在于，所述活动体由具有负的热膨胀率的多个粒状体构成。

通过将活动体设为粒状体，活动体自身也具备高流动性。因此，本发明中，即使增大作为活动体整体的体积(合计的体积)，也可以将介质的位移传递功能的降低抑制得低。于是，在本发明中，可以使活动体相对于流动体的体积比增大，其结果是，可以扩展能够进行体积补偿的温度范围。在此，粒状包含粉状的意思。

(第三方面发明)

在第一方面发明或第二方面发明所述的位移变换装置的基础上，其特征在于，还具备第一活动膜和第二活动膜，所述第一活动膜与所述第一活动面邻接配置，所述第二活动膜与所述第二活动面邻接配置。

可以使用第一活动膜及第二活动膜中的一方输入位移，且使用第一活动膜及第二活动膜中的另一方将位移取出到外部。因此，这些膜优选相对于主体能够整体或部分地位移。另外，通过设置这些膜，也可以期待相对介质的密封效果。另外，这些膜不需要与介质直接相接，可以隔着某些媒介物邻接。但是，并非必须使用这些活动膜。例如也可以使使用活塞和缸体的位移输入/输出机构的活塞与活动面直接接触。

(第四方面发明)

在第一方面发明～第三方面发明中任一方面所述的位移变换装置的基础上，其特征在于，所述流动体由具有正的热膨胀率的液体构成。

液体通常具有高流动性，因此，适合作为本发明的位移变换装置的介质。另外，通常，液体由于分子间距离比固体的长，所以具有正的热膨胀率。但是，作为本发明的介质不限于液体，只要为具有实施本发明所需的流动性的介质即可，未特别限制。可认为例如也使用溶胶状物质、或如果为流动性高的物质则也使用凝胶状物质。

(第五方面发明)

在第一方面发明～第四方面发明中任一方面所述的位移变换装置的基础上，其特征在于，还具备体积补偿部，所述体积补偿部由具有负的热膨胀率的物质构成，而且，所述体积补偿部与所述介质邻接配置。

通过另行设置体积补偿部，可以扩展能够进行体积补偿的温度范围。体积补偿部可以与介质接触，也可以隔着某些物质间接地接触。体积补偿部相对于介质以可以传递体积补偿部的位移的方式邻接即可。

(第六方面发明)

在第一方面发明～第五方面发明中任一方面所述的位移变换装置的基础上，其特征在于，还具备输入机构和输出机构，所述输入机构构成为向所述第一活动面及所述第二活动面中的一方施加位移，所述输出机构构成为将所述第一活动面及所述第二活动面中的另一方的位移取出到外部。

(第七方面发明)

一种位移变换方法，其使用第一方面发明～第六方面发明中任一方面所述的位移变换装置，其特征在于，具备：向所述第一活动面及所述第二活动面中的一方施加位移的步骤；将所述第一活动面及所述第二活动面中的另一方的位移取出到外部的步骤。

根据本发明，可以提供使用帕斯卡原理且难以受温度变化的影响的位移变换装置。

附图说明

图1是用于说明本发明第一实施方式的位移变换装置的说明图，是表示将主体的一部分剖开的状态的图；

图2(a)是表示将图1所示的介质的一部分放大的状态的说明图，图2(b)是用于说明图2(a)中的活动体缩小的状态的说明图；

图3是用于说明图1所示的第一活动膜及第二活动膜的位移的说明图；

图4是用于说明第一实施方式的位移变换装置的变形例的说明图；

图5是用于说明本发明第二实施方式的位移变换装置的说明图；

图6是用于说明本发明第三实施方式的位移变换装置的说明图；

图7是用于说明第三实施方式的变形例的说明图，是表示将图6的缸体部放大的状态的图。

附图标记说明

1 主体

11 收纳空间

12 小面积部

13 大面积部

15 缸体部

2 介质

21 流动体

22 活动体

23 第一活动面

24 第二活动面

3 第一活动膜

4 第二活动膜

5 输入机构

6 输出机构

7 体积补偿部

8 传感器

9 控制器

10 驱动部

101 活塞

103 弹性膜

具体实施方式

(第一实施方式)

以下，基于图1～图3说明本发明第一实施方式的位移放大装置。

本实施方式的位移放大装置，作为基本的构成要素而具备：主体1、介质2、第一活动膜3、第二活动膜4、输入机构5、输出机构6。

主体1整体形成为扁平的圆筒状(参照图1)。在主体1的内部形成有收纳空间11。

收纳空间11具备小面积部12和大面积部13。小面积部12通过使主体1在其一端侧(图1中的上端侧)缩径而形成。大面积部13形成于主体1的另一端侧(图1中的下端侧)。大面积部13具有比小面积部12大的截面积(主体11的横截面积)。

介质2被收纳于收纳空间11的内部。另外，介质2具备具有正的热膨胀率的流动体21、和具有负的热膨胀率的活动体22(参照图2(a))。

作为流动体21，在本实施方式中使用液体。作为更具体例，作为流动体21可使用纯水、以聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane：PDMS)为代表的硅油等各种液体。但是，作为流动体不限于液体，可使用所谓的溶胶状物质或凝胶状物质，即在实用方面具有足够的流动性的物质。

活动体22为根据流动体21的移动而进行位移的构成。作为活动体22，在该实施方式中，使用由钨酸锆(ZrW₂O₈)构成的多个微小球。但是，作为可用于活动体22的材质，不限于钨酸锆，例如也可以使用硅氧化物(Li₂O-Al₂O₃-nSiO₂)。

另外，作为活动体22的形状不限于正圆球状，可以设为各种形状，也可以是粉末状。或者根据所使用的材质，可认为也可以将活动体22设为溶胶状或凝胶状。另外，作为活动体22的大小，优选为容易进入小面积部12内部这种程度的大小(即相比第一活动面23足够小)。通过这样构成，可以使介质2的流动性提高。

作为活动体22，总之，可以使用具有负的热膨胀率且不过度限制流动体21的移动的材料。

另外，介质2具备第一活动面23和第二活动面24。

第一活动面23构成介质2表面的一部分。且第一活动面23被配置于收纳空间11的小面积部12的内部。

第二活动面24构成介质2表面的另一部分。且，第二活动面24被配置于大面积部13的内部。由此，第二活动面24具有比第一活动面23更大的面积。

在本实施方式的装置中，构成为使第一活动面23及第二活动面24中的一方的位移经由介质2向第一活动面23及第二活动面24中的另一方传递。即，根据该构成，实现基于帕斯卡原理的位移变换机构。

第一活动膜3与配置于小面积部12的第一活动面23相接地配置。另外，第二活动膜4与第二活动面4相接地配置。

在该实施方式中，输入机构5构成为向第二活动膜4输入位移。作为输入机构5，例如可使用通过流体压驱动缸体的活塞-缸体机构、或将旋转变换为位移的滚珠丝杠机构、或适当的连杆机构等适当的位移输入机构，

在该实施方式中，输出机构6构成取出第一活动膜3的位移的构成。作为输出机构6，为了取出位移可以使用与输入机构5在机构方面相同的机构。当然，作为输出机构6也可以使用与输入机构5不同的机构。总之，只要为能够将位移作为输出而取出的机构即可。

(第一实施方式的位移变换机构的动作)

接着，主要参照图2及图3对本实施方式的位移变换机构的动作进行说明。

首先，对基本的位移放大动作进行说明。使用输入机构5使第二活动膜4位移(参照图3)。于是，介质2的第二活动面24进行位移，经由介质2自身向第一活动面23传递位移。在此，在本实施方式中，使第二活动面24的面积比第一活动面23的面积大。因此，第一活动面23的位移相比第二活动面24的位移被放大。该关系可以如下表示。

X1＝α·X2

在此，X1：第一活动面的位移、X2：第二活动面的位移、α：放大率。

放大率α通常由第一活动面23的面积s和第二活动面的面积S之比(s/S)来确定。如本实施方式所示，若s＜S，则放大率α为1＜α。当然，如果按S＜s的方式进行设计，则也可以将放大率α设为α＜1。该情况下，以缩小位移的方式进行传递。

接着，对介质2的温度上升时的动作进行说明。在本实施方式的装置中，在介质2的温度上升时，流动体21热膨胀，体积增加。因此，在仅将流动体21作为介质2使用的情况下，因温度变化而使液面产生位移，导致被传递的位移的精度变差。

与之相对，在本实施方式的装置中，作为介质2，除流动体21之外，还使用具有负的热膨胀率的活动体22，因此，当介质2的温度上升时，活动体22的体积减小(参照图2(b))。

由此，根据本实施方式的装置，可通过活动体22的收缩带来的体积减小来补偿流动体21的体积增加。即，根据该装置，具有可以将伴随温度上升的体积变动的量抑制得低的优点。

同样，在介质2的温度下降的情况下，也可以通过与上述相反的动作使体积变动的量减小。

因此，根据本实施方式的装置，可以将伴随温度变化的体积变动抑制得小，其结果是，具有可以使被传递的位移的精度提高的优点。

另外，在本实施方式中，由于构成为根据流动体21的移动而使活动体22位移，因此，活动体22难以阻碍流动体21的移动。因此，在该实施方式的装置中，具有可以防止介质2的位移传递功能劣化，同时可进行使用帕斯卡原理的位移传递的优点。

另外，本实施方式的活动体22由多个粒状体构成，因此，活动体22自身也具备高流动性。因此，在该实施方式的装置中，即使增大作为活动体22整体的体积(合计的体积)，也能够将基于介质2的位移传递功能的降低抑制得低。于是，在该实施方式的装置中，可以使活动体22相对于流动体21的体积比增大，其结果是，具有可以扩展能够进行体积补偿的温度范围的优点。

另外，在本实施方式中，将活动体22与流动体21混合，因此，与仅将活动体22作为介质使用的情况相比，可以对介质2赋予高流动性。其结果是，在该装置中，也具有可以使介质2顺畅地位移乃至变形的优点。

另外，在上述说明中，对于第一活动膜3及第二活动膜4，分别使其整体相对于主体1移动(参照图3)。但是，如图4所示，对于第一活动膜3及第二活动膜4中的两方或一方，也可以构成为仅使一部分(例如仅中央部)移动。该情况下，优选第一活动膜3及第二活动膜4由可变形的弹性膜构成。

(第二实施方式)

接着，基于图5对本发明第二实施方式的位移变换装置进行说明。另外，在该第二实施方式的说明中，对于与上述第一实施方式的装置基本上共通的要素标注同一附图标记，由此简化说明。

第二实施方式的装置还具备体积补偿部7。体积补偿部7由具有负的热膨胀率的物质构成。该实施方式中，体积补偿部7由钨酸锆的晶体构成。作为体积补偿部7，与活动体22的情况同样地，只要是具有负的热膨胀率的物质，则可利用各种物质。

体积补偿部7被配置于与介质2接触的位置。例如，体积补偿部7被固定于主体1的内面(面向收纳空间11的面)。体积补偿部7的位置只要是面向介质2的位置，则可以是任意的位置。例如，在介质2的内部，也可以使体积补偿部7浮置、或将该体积补偿部7以非固定状态配置。另外，也可以在主体1的侧面设置开口，经由该开口使体积补偿部7与介质2接触。

另外，在体积补偿部7和介质2之间也可以存在某些媒介物质。例如，在体积补偿部7和介质2之间也可以设置用于防止介质2流出的膜。总之，体积补偿部7只要相对于介质2以能够传递体积补偿部7自身的位移的方式邻接即可。

在第二实施方式的装置中，由于另行设置体积补偿部7，因此，可以扩展能够进行体积补偿的温度范围。即，在本实施方式中，不仅活动体22，而且体积补偿部7也根据温度变化而位移，因此，可以使用该位移来补偿基于温度变化的流动体21的位移。

第二实施方式的其它构成及优点与上述第一实施方式相同，所以省略进一步的详细情况的说明。

(第三实施方式)

接着，基于图6说明本发明第三实施方式的位移变换装置。另外，在该第三实施方式的说明中，对于与上述第一实施方式的装置基本上共通的要素标注同一附图标记，由此简化说明。

第三实施方式的装置还具备传感器8、控制器9、驱动部10。另外，本实施方式的主体1还具备缸体部15。

在该实施方式中，传感器8安装于主体1的外面。传感器8能够测定收纳于收纳空间11内部的介质2的温度。传感器8的安装部位也可以是主体1的内部等适当的位置。总之，传感器8只要为能够测定介质2的温度的构成即可。

控制器9具备根据来自传感器8的输出向驱动部10发送控制信号的功能。控制器9可以由例如个人计算机及适当的计算机软件构成(未图示)。

驱动部10具备活塞101。驱动部10根据来自控制器9的指令使活塞101相对于缸体部15前后移动。

主体1的缸体部15形成为中空圆筒状。缸体部15的一端(图6中为左端)与形成于主体1的内部的收纳空间11连通。由此，在缸体部15的内部(严格说为直至到达活塞101的区域)充填有介质2。

在第三实施方式的装置中，与由传感器8测定到的介质2的温度相对应，控制器9使驱动部10的活塞101移动。例如，当温度上升时，使活塞101后退，当温度下降时，使活塞101前进。由此，能够补偿伴随温度变化的介质2的体积变动。

因此，在本实施方式的装置中，即使在存在超过可通过活动体22补偿的范围的温度变化的情况下，也能够将通过该装置传递的位移的精度的劣化抑制得低。

第三实施方式的其它构成及优点与上述第一实施方式相同，所以省略进一步的详细情况的说明。

(变形例)

在上述第三实施方式中，在驱动部10上设置活塞101，使该活塞101相对于主体1的缸体部15前后移动。但是，也可以代替该结构而设为在缸体部15的端部固定弹性膜103的周缘并通过驱动部10使弹性膜103的中央附近前后动作的结构(参照图7)。另外，图7中仅将图6中的与缸体部15相当的部分的附近放大表示。

另外，在缸体部15的内部也可以收纳第二实施方式中已说明的体积补偿部7(参照图7)。

(实施例)

下面，对使用了第一实施方式所示的结构的实施例进行说明。在该实施例中采用以下的结构。

流动体21：纯水(在摄氏9℃的体积膨胀率为7.7×10^-5)、

活动体22：由钨酸锆构成的多个微小球(在摄氏9℃的体积膨胀率为-2.7×10^-5)。

另外，作为活动体22而使用的钨酸锆的微小球在纯水内采用六方最密充填构造。另外，上述体积膨胀率的值均为通过内插而算出的值(推测值)，不是测定值。

将纯水和钨酸锆的体积膨胀率假设为上述值，在微小球采用六方最密充填构造(充填率约74％)的情况下，能够严格地防止体积变化的是在9摄氏度这一点。在该实施例中，可认为通过选择液体和微小球的体积比，在约4摄氏度～约9摄氏度的范围内可以大致完全地防止体积变化。希望液体和微小球的体积比依赖于想要在哪一温度下使体积变化消除而进行变化。

另外，在上述温度以上的温度的情况下，例如可使用第二实施方式所示的体积补偿部7。例如设介质2的体积为V₀、设体积补偿部7的体积为V₊。在介质2的温度为20摄氏度时，若设为V₊＝1.3·V₀，则作为介质2和体积补偿部7的整体，可以消除体积变化。因此，可以防止第一活动面23或第二活动面24因温度变化而变动。

另外，上述实施方式及实施例的记载只不过是简单的一例，而并非表示本发明所必须的构成。各部分的构成只要能够实现本发明的宗旨，则不限于上述情况。

Claims

1.一种位移变换装置，其特征在于，

具备主体、介质及体积补偿部，

所述主体具备用于将所述介质收纳于内部的收纳空间，

所述介质被收纳于所述收纳空间的内部，

而且，所述介质具备具有正的热膨胀率的流动体和具有负的热膨胀率的活动体，

所述活动体根据所述流动体的移动而位移，

而且，所述介质具备第一活动面和第二活动面，

所述第一活动面构成所述介质的表面的一部分，

所述第二活动面构成所述介质的表面的另一部分，

所述第二活动面的面积比所述第一活动面的面积大，

所述第一活动面及所述第二活动面中的一方的位移经由所述介质向所述第一活动面及所述第二活动面中的另一方传递，

所述体积补偿部由具有负的热膨胀率的物质构成，

而且，所述体积补偿部与所述介质邻接配置，

并且，所述体积补偿部与所述活动体相比，形成为容积大的块状。

2.如权利要求1所述的位移变换装置，其特征在于，

所述活动体由具有负的热膨胀率的多个粒状体构成。

3.如权利要求1所述的位移变换装置，其特征在于，

还具备第一活动膜和第二活动膜，

所述第一活动膜与所述第一活动面邻接配置，

所述第二活动膜与所述第二活动面邻接配置。

4.如权利要求2所述的位移变换装置，其特征在于，

还具备第一活动膜和第二活动膜，

所述第一活动膜与所述第一活动面邻接配置，

所述第二活动膜与所述第二活动面邻接配置。

5.如权利要求1所述的位移变换装置，其特征在于，

所述流动体由具有正的热膨胀率的液体构成。

6.如权利要求1～5中任一项所述的位移变换装置，其特征在于，

还具备输入机构和输出机构，

所述输入机构构成为向所述第一活动面及所述第二活动面中的一方施加位移，

所述输出机构构成为将所述第一活动面及所述第二活动面中的另一方的位移取出到外部。

7.一种位移变换方法，其使用权利要求1～6中任一项所述的位移变换装置，其特征在于，具备：

向所述第一活动面及所述第二活动面中的一方施加位移的步骤；

将所述第一活动面及所述第二活动面中的另一方的位移取出到外部的步骤。