特表 2022-537027 アクチュエータ、ポンプ又はコンプレッサとして使用するための収縮装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2022-08-23

(54)【発明の名称】アクチュエータ、ポンプ又はコンプレッサとして使用するための収縮装置

(51)【国際特許分類】

   F15B 15/10 20060101AFI20220816BHJP

【ＦＩ】

F15B15/10 Z

【審査請求】未請求

【予備審査請求】有

(21)【出願番号】P 2021574173

(86)(22)【出願日】2020-06-15

(85)【翻訳文提出日】2021-12-13

(86)【国際出願番号】 GB2020051445

(87)【国際公開番号】W WO2020249983

(87)【国際公開日】2020-12-17

(31)【優先権主張番号】1908545.5

(32)【優先日】2019-06-14

(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】521544171

【氏名又は名称】アクチュエーション ラボ リミテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(74)【代理人】

【識別番号】100135079

【弁理士】

【氏名又は名称】宮崎 修

(72)【発明者】

【氏名】ディッカー マイケル パトリック マハー

【テーマコード（参考）】

3H081

【Ｆターム（参考）】

3H081AA18

(57)【要約】

本発明は収縮装置に関する。装置は、要素のテセレーションを含む壁を有する本体を含む。本体は、第１の伸張状態と第２の収縮状態との間で本体内の流体の加圧を通して変形可能であり、第２の収縮状態では、第１の正常状態と比較して、本体の軸方向長さが減少し、内部容積が増加する。要素のテセレーションは、本体がその正常状態と変形状態との間の変形を通して実質的に円筒形のままであるように配置される一連の突出及び突入形成部を含む。要素のテセレーションの突出及び突入形成部は、突出及び突入ピラミッドの形態であり得る。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

中心軸と、内部容積と、前記中心軸に垂直な半径ｒ_２と、要素のテセレーションを含む壁を有する本体を有する収縮装置であって、前記本体は、第１の軸方向長さ及び第１の内部容積を有する第１の正常状態と、第２の軸方向長さＬ２及び第２の内部容積Ｖ２を有する第２の変形状態との間の前記本体内の流体の加圧によって変形可能であり、前記第１の正常状態の前記第１の軸方向長さ及び前記第１の内部容積と比較して、前記本体の前記第２の軸方向長さは減少し、前記第２の容積Ｖ２は増加し、前記要素のテセレーションは、前記本体が前記正常状態と前記変形状態との間の変形を通して実質的に円筒形のままであるように配置される一連の突出形成部及び突入形成部を含む、収縮装置。

【請求項2】

中心軸と、内部容積と、前記中心軸に垂直な半径ｒ_２と、要素のテセレーションを含む壁とを有する本体を有する収縮装置であって、前記本体は、第２の軸方向長さ及び第２の内部容積を有する第２の正常状態と、第１の軸方向長さ及び第１の内部容積を有する第１の変形状態との間で前記本体の伸長を通じて変形可能であり、前記第１の正常状態の前記第１の軸方向長さ及び前記第１の内部容積と比較して、前記本体の前記第２の軸方向長さは減少し、前記第２の容積は増加し、前記要素のテセレーションは、前記本体が前記正常状態と前記変形状態との間の変形を通して実質的に円筒形を維持するように配置される一連の突出形成部及び突入形成部を含む、収縮装置。

【請求項3】

前記突出形成部及び前記突入形成部は、前記中心軸から半径ｒ_２に位置するベースノードを含む、
請求項１又は２に記載の収縮装置。

【請求項4】

各前記突出形成部の各前記ベースノードは、前記突入形成部の前記ベースノードと一致する、
請求項３に記載の収縮装置。

【請求項5】

前記突出形成部及び前記突入形成部は、ベースエッジを含む、
請求項１又は２に記載の収縮装置。

【請求項6】

前記ベースエッジは、前記中心軸から半径ｒ_２に位置する、
請求項５に記載の収縮装置。

【請求項7】

前記突出形成部の各前記ベースエッジは、前記突入形成部の前記ベースエッジと一致する、
請求項６に記載の収縮装置。

【請求項8】

第１の状態において、前記突出形成部及び前記突入形成部は、前記ベースエッジと前記中心軸との間の角度αを定め、前記角度αは、５５度未満である、
請求項５乃至７のいずれか１項に記載の収縮装置。

【請求項9】

前記角度αは、２５度から３０度の範囲である、
請求項８に記載の収縮装置。

【請求項10】

前記要素のテセレーションの前記突出形成部及び前記突入形成部は、突出ピラミッド及び突入ピラミッドを含む、
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の収縮装置。

【請求項11】

前記突出ピラミッド及び前記突入ピラミッドは、四角ピラミッド又は六角ピラミッドである、
請求項１０に記載の収縮装置。

【請求項12】

前記突出ピラミッドは、四角ピラミッド、好ましくは、切頭四角ピラミッドの形態であり、前記突入ピラミッドは、六角ピラミッドの形態である、
請求項１１に記載の収縮装置。

【請求項13】

前記突出形成部及び前記突入形成部は、各ピラミッドにくさび形形成部を含むことによって形成される四角ピラミッド及び六角ピラミッドを含み、前記四角ピラミッド及び前記六角ピラミッドにそれぞれ含まれる前記くさび形形成部の向きは、切頭四角突出ピラミッド及び六角突入ピラミッドを形成するように、逆にされる、
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の収縮装置。

【請求項14】

前記要素のテセレーションの頂点における応力集中を低減するための手段を含む、
請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の収縮装置。

【請求項15】

前記応力集中を低減する手段は、前記頂点におけるガウス曲率を低減又は除去する前記頂点の領域に位置する応力低減形成部を含む、
請求項１４に記載の収縮装置。

【請求項16】

前記頂点の領域に位置する前記応力低減形成部は、孔の形態である、
請求項１５に記載の収縮装置。

【請求項17】

前記頂点の領域に位置する前記応力低減形成部は、下にある前記頂点の幾何学的形状に対して反転された円錐、ピラミッド等の形態である、
請求項１５に記載の収縮装置。

【請求項18】

前記頂点の領域に位置する前記応力低減形成部は、下にある前記頂点の幾何学的形状に対する平坦及び／又は湾曲した部分の形態である、
請求項１５に記載の収縮装置。

【請求項19】

前記突出形成部及び前記突入形成部は、頂点の間に延びるエッジを含み、前記エッジは、前記エッジの領域における応力集中を低減するために、フィレット加工される、
請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の収縮装置。

【請求項20】

前記突出形成部及び前記突入形成部は、エッジであって、前記エッジの間の面を画定するように頂点の間に延びるエッジを含み、前記突出形成部及び前記突入形成部は、前記面の面内伸張及び面外曲げを低減する手段を含む、
請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の収縮装置。

【請求項21】

前記突出形成部及び前記突入形成部の前記面の領域は、前記突出形成部及び前記突入形成部の前記頂点及び前記エッジの領域の材料と比較して増大した剛性を有する材料から製造される、
請求項２０に記載の収縮装置。

【請求項22】

前記突出形成部及び前記突入形成部の前記面の領域は、前記エッジ及び前記頂点における前記突出形成部及び前記突入形成部の領域と比較して、増大した壁厚を有する、
請求項２０に記載の収縮装置。

【請求項23】

前記増大した壁厚は、前記突出形成部及び前記突入形成部の前記面によって担持される外側及び／又は内部突出部によって作られる、
請求項２２に記載の収縮装置。

【請求項24】

前記本体は、前記要素のテセレーションを担持する壁を画定する第１の構造内に配置された第２の構造によって画定される第２の内壁を含み、前記第１の壁と前記第２の壁との間の空間が、作動流体が受容可能な一次容積を画定し、前記第２の壁内の内部空間は、前記一次容積から独立した二次容積を画定する、
請求項１乃至２３のいずれか１項に記載の収縮装置。

【請求項25】

前記第２の壁を画定する前記構造は、オーセチック構造である、
請求項２４に記載の収縮装置。

【請求項26】

前記第２の壁を画定する前記第２の構造は、ベローズタイプ構造又はくぼみ形構造である、
請求項２５に記載の収縮装置。

【請求項27】

前記要素のテセレーションを担持する壁は、単一材料を含む、
請求項１乃至２４のいずれか１項に記載の収縮装置。

【請求項28】

前記要素のテセレーションを担持する前記壁は、付加製造、熱成形、鍛造及びスタンピング、又は複合材料製造プロセスを用いて製造される、
請求項１乃至２７のいずれか１項に記載の収縮装置。

【請求項29】

前記要素のテセレーションを担持する前記壁は、熱ポリマーアセタール（Delrin（登録商標））、ナイロン、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ABS）、ポリエチレンテレフタレートグリコール（PETG）、ポリエチレンテレフタレート（PET）、熱可塑性ポリウレタン（TPU）、ポリエチレン（高密度PE（HDPE）、低密度PE（LDPE）、線状低密度PE（LLDPE）、超高分子量PE（UHMWPE））、ポリ塩化ビニル（PVC）、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）、ポリフェニレンスルフィド（PPS）、ポリスチレン、ポリスルホン、ポリブチレンテレフタレート（PBT）、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、ポリビニリデンフッ化物（PVDF）、ポリカーボネート及びポリプロピレン（ホモポリマー及びコポリマー）を含むグループから選択される任意の材料から製造される、
請求項１乃至２８のいずれか１項に記載の収縮装置。

【請求項30】

前記要素のテセレーションを担持する前記壁は、任意の熱硬化性プラスチック材料から製造される、
請求項１乃至２８のいずれか１項に記載の収縮装置。

【請求項31】

前記熱硬化性プラスチック材料は、エポキシ、ポリイミド、ポリウレタン、シリコーン、ビニル及び天然ゴムを含むグループから選択される、
請求項３０に記載の収縮装置。

【請求項32】

前記要素のテセレーションを担持する前記壁は、超弾性合金から製造される、
請求項１乃至２８のいずれか１項に記載の収縮装置。

【請求項33】

前記要素のテセレーションを担持する前記壁は、ガラス（E、AR及びSガラス）、炭素、高弾性率（HM）及び／又は高強度（HS）、ホウ素、ポリアミド、ポリエステル、ポリベンゾオキサゾール（PBO）、ポリベンゾチアゾール（PBT）、ポリベンズイミダゾール（PBI）又は超高分子量ポリエチレンの繊維を用いる複合材料から製造される、
請求項１乃至２８のいずれか１項に記載の収縮装置。

【請求項34】

弾性部材である請求項１乃至３３のいずれか１項に記載の収縮装置であって、前記装置の前記本体は、前記本体を前記第２の変形状態から前記第１の正常状態に戻すように作用する、前記中心軸の方向の剛性ｋを有する、収縮装置。

【請求項35】

請求項１乃至３４のいずれか１項に記載の収縮装置によって動かされるバルブ。

【請求項36】

前記収縮装置は、フェイルオープン又はフェイルクローズバルブアクチュエータである弾性部材である、請求項３４に記載の収縮装置によって動かされるバルブ。

【請求項37】

中心軸と、内部容積と、前記中心軸に対して垂直な半径ｒ_２と、要素のテセレーションを含む壁とを有する本体を有する収縮装置であって前記本体は、第１の内部容積を有する第１の軸方向長さを有する第１の状態と、第２の内部容積を有する第２の軸方向長さを有する第２の状態との間で、前記中心軸に沿って軸方向に変形可能であり、前記第１の軸方向長さ及び前記第１の内部容積と比較して、前記本体の前記第２の軸方向長さは減少し、前記第２の容積は増加し、前記要素のテセレーションは、前記本体が前記第１の軸方向長さと前記第２の軸方向長さとの間の変形を通して実質的に円筒形のままでであるように配置される、一連の突出形成部及び突入形成部を含む、収縮装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、収縮装置に関し、より詳細には、ただし排他的にではなく、円筒形状加圧形態を含む収縮装置に関する。収縮装置は、典型的には、流体アクチュエータ、ポンプ又はコンプレッサである。

【背景技術】

【0002】

流体アクチュエータ、ポンプ及びコンプレッサは、加圧された流体容積の変化の形のエネルギと機械的な力及び変位の形のエネルギとの間を変換する装置である。流体ベローズ及びマッキベン（McKibben）アクチュエータは、そのような装置の例である。流体ベローズは、内部流体の圧力及び容積が変化するときに大きな全体変位を生じる小さい局所変形を容易にするように形成された、実質的に伸張できない且つ流体不透過性材料からなる構造である。ベローズタイプアクチュエータ、ポンプ及びコンプレッサの設計は、ほぼ例外なく、正の内部流体圧を受けると軸方向に延びる。対照的に、マッキベンアクチュエータは、正の作動流体圧を受けると収縮するが、ベローズとは異なり、それらの設計は、大きな局所変形を促進しなければならない。この要件は、伸張できないが変形可能な螺旋状の織物及び別個の流体含有材料の両方を使用することによって対応される。

【0003】

ベローズタイプの設計の小さい局所変形は、良好な製造及び材料オプション、並びに高い作動圧力に耐える能力を可能にする。しかし、伸展において作動する（内圧から出力力を生成する）とき又は圧縮においてポンピングする（入力力から内圧を生成する）ときに全体的な座屈に抵抗するためのベローズの必要性は、重いブレーシング構造を追加することなく全体的な動作力を制限する。対照的に、マッキベンアクチュエータは、正の内部作動圧力にさらされると収縮し、その結果、構造に張力をかける外力が生じ、それによって、全体的な座屈の可能性を排除し、伸張装置と比較して改善された重量性能をもたらす。しかし、マッキベン装置の複雑な複合材料設計は、製造及び材料のオプションを減らし、装置の故障経路を増加させ、動作圧力を制限する。他の変形可能収縮アクチュエータが存在するが、マッキベン（又は非常に類似したもの）のみが、加圧されるとき、球形／バルーニングではなく、円筒形を維持する。これは、マッキベン装置が、作動されるときに空間の効率的な利用を維持する望ましいアスペクト比で製造されることができることを意味する。

【0004】

上述のように、流体ベローズは、限定された局所材料変形で全体的な変位を達成することを可能にする。これは、一般に、固体ヒンジのような領域の局所的な曲げを容易にする形態を介して達成される。いくつかの曲げヒンジを組み合わせると、全体的に大きな変形が生じる可能性がある。典型的なベローズアクチュエータの例は、特許文献１に見ることができる。装置では、ベローズ内に含まれる流体の圧力を増加させることによって、それは、装置の円筒形に対して軸方向に延びる。典型的なベローズポンプ又はコンプレッサは、類似のものであり、例えば、特許文献２を参照されたい。この装置では、引張力がベローズに加えられて含有流体容積を増加させ、この力の反転により、含有流体は圧縮される。異なる断面のベローズ設計も提案されている。例えば、正方形断面を開示する特許文献３、又は星形断面を開示する特許文献４を参照されたい。

【0005】

ベローズアクチュエータは、従来のシリンダ又はピストンベースの流体アクチュエータのスライディングシールを使用しないので、構造が非常に単純で、過酷な環境での動作により適しており、腐食性の動作流体を取り扱うことができ、減少した重量とともに向上した信頼性を有することができる。加えて、作動には限られた材料変形しか必要としないため、有益な製造プロセス及び高強度を伴う、様々な低コストの実質的に剛性の高い材料から製造することができる。例えば、特許文献５は、熱可塑性エラストマー材料のブロー成形ベローズを開示している。特許文献６は、ブロー成形、射出成形、回転成形、３次元（３Ｄ）プリンティング又は押出しなどの大量製造技術を用いて形成されたベローズが開示されている。Griffithらは特に、ベローズの製造におけるポリマーポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）の使用を教示している。金属ベローズを作製するための既知の方法は、特許文献７に記載されており、一方、特許文献８は、ファブリックエラストマー複合ベローズアクチュエータの種々の形態を記載している。

【0006】

上述した既知のベローズタイプの設計の一つの問題点は、内部流体が加圧されると軸方向に延びることであり、それは、それらが、荷重に対して仕事を行う場合（又は荷重がポンプ／コンプレッサケース内の流体に対して仕事を行う場合）、圧縮されることを意味し、それによって、長さ対直径のかなりのアスペクト比を有する装置の座屈及び故障を引き起こすことを意味する。アクチュエータでは、これを克服することができるのは、非特許文献１によって示唆されているように、それを加圧する代わりにベローズ内に真空を作り出すことである。この場合、装置は、付加に逆らって仕事をするときに引っ張られている材料と収縮し、これは、装置が全体的に座屈することを効果的に防止する。しかし、真空ベローズを変形させることができる最大作動圧力は１気圧（約１ｂａｒ）に制限される。これは、典型的な空気圧システムが約６ｂａｒで作動し、現代の高性能油圧システムがほぼ３５０ｂａｒで作動することを考えると特に問題である。

【0007】

伸長ベローズタイプアクチュエータの座屈の制約を克服する試みにおいて、最大ファミリーが一般にマッキベンアクチュエータと称される引張力を提供する収縮装置の開発に多くの注意が払われてきた。これらのアクチュエータは、典型的には、圧力下で変形することができる流体含有円筒膜と、変形可能な膜の外部にあるか又は変形可能な膜に組み込まれた、伸張不可能な材料の螺旋状織物とを有する。この概念は、特許文献９、特許文献１０及び特許文献１１、並びに特許文献１２及び特許文献１３に記載されている類似の装置に遡ることができる。しかし、この装置は、非特許文献２に記載されているように、矯正器具に使用するために1950年代にJoseph McKibbenによって普及された。ブリヂストンは、特許文献１４及び特許文献１５に記載されているRubbertuator（商標）と呼ばれる空気圧式筋肉の市販バージョンを開発した。特許文献１６は、それによってスリーブと標準膜との間のキャビティが加圧されるアクチュエータの内部に剛性の摺動円筒スリーブを追加することによって装置に対する顕著な改良を記載している。標準的なマッキベンスタイルの装置は、例えば、特許文献１７及び特許文献１８に記載されている。これらの明細書に記載されている装置は、非伸張性の編組（braid）を流体不透過性膜から分離する傾向があり、これは編組の摩擦及び潜在的な故障につながる。膜は、一般に弾性材料であり、変形は、エネルギ損失及び性能のヒステリシスを生じ、また、破損しやすい。不具合に対する耐性を改善するために、固定された外周、伸張不可能なブラダーを利用することが特許文献１９で提案された。しかし、強度の問題のために、４０バール以上の圧力では、このような装置は動作していない［非特許文献３]。その結果、これらの装置は、典型的には、空気圧装置として動作する。

【0008】

特許文献２０、特許文献２１、特許文献２２及び特許文献２３に記載されているように、柔軟なマトリックス複合体として膜材料内に編組物を組み込むことによって、マッキベンタイプ装置のより堅牢な構成が製造されている。これらの装置は、より堅牢であるが、依然として、約６～８ｂａｒの動作圧力に制限されている。これらの装置に使用される複合材料は、製造の複雑さ及びコストを増大させるという付加的な欠点を有する。同様の装置はまた、学会においても調査されており、例えば、非特許文献４を参照されたい。

【0009】

流体アクチュエータ及びベローズポンプ及びコンプレッサの分野を改善するために必要とされるのは、材料及び製造の選択肢ならびに結果として生じるベローズタイプ装置のコスト及び強度の利益を、マッキベンタイプ装置の収縮変位及び結果として生じる力の利益と共有する装置である。これに近づくアクチュエータには２つの例があるが、どちらもより剛性の高い材料では実現されていないようである。第１の装置は、非特許文献５及び特許文献２４の明細書に記載されている。第２の装置は、特許文献２５に開示されている。これらの例とマッキベンアクチュエータの重要な違いは、作動するときの装置の全体的な形状である。マッキベンは（クランプされた端部の影響から大幅に除去されるとき）円筒形のままであるが、これらの他の収縮形は、ほぼ球形の幾何学的形状をもたらす。これは、それらに実用的なアスペクト比制限を課し（比較的短く且つ広くなければならない）、これは、作動断面積の比として発生する力が、マッキベン装置より小さいことを意味する［非特許文献６］。これらの要因は、なぜマッキベンタイプアクチュエータのみが現在までに商業化されているのかを示している可能性がある。

【0010】

上記の観点から、特許文献２６に記載されているスリーブコアマッキベン装置などのマッキベン装置及びその派生物の機能を複製する収縮ベローズである改良された流体アクチュエータ又はポンプ／コンプレッサを届ける必要がある。

【0011】

従って、本発明の目的は、少なくとも部分的に、上記の欠点に対処する装置を提供することである。

【0012】

また、本発明の目的は、既存のベローズ及びマッキベンタイプ装置に代わる有用な装置を提供することである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0013】

【特許文献1】米国特許第3,469,502号

【特許文献2】米国特許第5,308,230号

【特許文献3】米国特許出願公開第2013/0340875号

【特許文献4】米国特許第5,181,452号

【特許文献5】米国特許第4,464,980号

【特許文献6】米国特許第9,624,911号

【特許文献7】米国特許第2,534,123号

【特許文献8】米国特許第2015/0070904号

【特許文献9】米国特許第2,041,950号

【特許文献10】米国特許第2,296,947号

【特許文献11】米国特許第2,238,058号

【特許文献12】米国特許第2,483,088号

【特許文献13】米国特許第2,844,126号

【特許文献14】欧州特許第0161750号

【特許文献15】米国特許第5,052,273号

【特許文献16】米国特許第5,165,323号

【特許文献17】英国特許第2 390 400号

【特許文献18】米国特許第9,541,196号

【特許文献19】英国特許第2 435 308号

【特許文献20】米国特許第6,349,746号

【特許文献21】国際公開第2000/061951号

【特許文献22】米国特許出願公開第2005/0093293号

【特許文献23】米国特許出願公開第2005/0265870号

【特許文献24】米国特許出願公開第2015/0070904号

【特許文献25】米国特許第4,939,982号

【特許文献26】米国特許第5,165,323号

【非特許文献】

【0014】

【非特許文献1】Jin-Gyu Lee and Hugo Rodrigue, Origami-based Vacuum Pneumatical Artificial Muscles with Large Region Ratios, Soft Robotics, Feb 2019 http://doi.org/10.1089/soro.2018.0063.

【非特許文献2】Baldwin, H, Muscle-like contractive devices, 1963. Bionics Symposium. pp. 1-8.

【非特許文献3】M. Mori, K. Suzumori, M. Takahashi, T. Hosoya, Very High Force Hydraulic McKibben Artificial Muscle with a p-Phenylene-2,6-benzobisoxazole Cord Sleeve, Advanced Robotics, vol 24, Apr 2010, pp 233-254.

【非特許文献4】Shan, Ying, et al. "Nonlinear-elastic finite axisymmetric deformation of flexible matrix composite membranes under internal pressure and axial force." Composites Science and Technology 6６１．５ （2006）: 3053-3063

【非特許文献5】Daerden, Frank, et al. "Pleated pneumatic artificial muscles: actuators for automation and robotics." IEEE/ASME International Conference on Advanced Intelligent Mechatronics. Vol. 2. 2001

【非特許文献6】Tondu, Bertrand. "Artificial muscles for humanoid robots." Humanoid Robots, Human-like Machines. InTech, 2007

【発明の概要】

【0015】

本発明によれば、中心軸と、内部容積と、前記中心軸に垂直な半径ｒ_２と、要素のテセレーション（tessellation）を含む壁とを有する本体を有する収縮装置（contractile device）であって、本体は、第１の軸方向長さＬ１及び第１の内部容積Ｖ１を有する第１の正常状態と、第２の軸方向長さＬ２及び第２の内部容積Ｖ２を有する第２の変形状態との間の本体内の流体の加圧によって変形可能であり得、第１の正常状態の第１の軸方向長さＬ１及び第１の内部容積Ｖ１と比較して、本体の第２の軸方向長さＬ２は減少し得、第２の容積Ｖ２は増加し得る、収縮装置が提供される。要素のテセレーションは、一連の突出形成部（protruding formations）及び突入形成部（intruding formations）を含み得、これらは、本体がその正常状態と変形状態との間の変形を通して実質的に円筒形を維持するように配置され得る。

【0016】

本発明の第２の態様によれば、収縮装置は、中心軸と、内部容積Ｖと、前記中心軸２２に垂直な半径ｒ_２と、要素のテセレーションを含む壁とを有する本体を有し得る。本体は、第２の軸方向長さＬ２及び第２の内部容積Ｖ２を有する第２の正常状態と、第１の軸方向長さＬ１及び第１の内部容積Ｖ１を有する第１の変形状態との間で本体の伸長を通じて変形可能であり得、第１の正常状態の第１の軸方向長さＬ１及び第１の内部容積Ｖ１と比較して、本体１２の第２の軸方向長さＬ２は減少し得、第２の容積Ｖ２は増加し得る。要素のテセレーションは、一連の突出形成部及び突入形成部を含み得、これらは、本体がその正常状態と変形状態との間の変形を通して実質的に円筒形を維持するように配置される。

【0017】

本発明のさらなる態様によれば、収縮装置は、中心軸と、内部容積Ｖと、前記中心軸に垂直な半径ｒ_２と、要素のテセレーションを含む壁とを有する本体を有し得る。本体は、第１の内部容積Ｖ１を有する第１の軸方向長さＬ１を持つ第１の状態と、第２の内部容積Ｖ２を有する第２の軸方向長さＬ２を持つ第２の状態との間で中心軸に沿って軸方向に変形可能であり得、第１の軸方向長さＬ１及び第１の内部容積Ｖ１と比較して、本体の第２の軸方向長さＬ２は減少し、第２の容積Ｖ２は増加する。要素のテセレーションは、一連の突出形成部及び突入形成部を含み得、これらは、本体が、第１の軸方向長さと第２の軸方向長さとの間の変形を通して実質的に円筒形を維持するように配置され得る。

【0018】

半径ｒ_２は中心軸に対して垂直であり、中心軸の長さに沿って変化し得る。ｒ_２は、アクチュエータの本体の長さに沿った実質的に円筒形のプロファイルを示す。突出形成部は、中心軸から離れて半径方向に延び得、中心軸から離れて半径方向に円筒半径ｒ_２から半径方向に延び得る。突入形成部は、中心軸に向かって半径方向に延び得、円筒半径ｒ_２から中心軸に向かって半径方向に延び得る。

【0019】

要素のテセレーションは、突入及び突出形成部を有する要素を含み得、前記要素は、互いに嵌合し得、ギャップ又はオーバーラップすることなく繰り返す。突出及び突入形成部は、ベースノードを含み得る。前記ベースノードは、中心軸から半径ｒ_２に位置し（positioned）得る。突出形成部のベースノードは、突入形成部のベースノードと一致し得る。突出及び突入形成部は、ベースエッジを含み得る。前記ベースエッジは、中心軸から半径ｒ_２に位置し得る。突出形成部のベースエッジは、突入形成部のベースエッジと一致し得る。

【0020】

要素のテセレーションの突出及び突入形成部は、突出及び突入ピラミッド、好ましくは四角ピラミッド及び／又は六角ピラミッド（quadrilateral and/or hexagonal pyramids）の形態を含み得る、又はそれらの形態であり得る。

【0021】

一実施形態では、突出ピラミッドは、四角ピラミッドの形態、好ましくは、切頭四角ピラミッドの形態であり得、突入ピラミッドは、六角ピラミッドの形態であり得る。四角ピラミッドを含む突出形成部及び六角ピラミッドを含む突入形成部は、各ピラミッドにくさび形形成部（wedge-shaped formations）を含むことによって形成され得る。四角ピラミッド及び六角ピラミッドにそれぞれ含まれるくさび形形成部の向き（orientation）は、切頭四角突出ピラミッド及び六角突入ピラミッドを形成するように、それぞれのピラミッドに対して逆にされ得る。くさびは、中心軸の近位の狭い端部及び中心軸の遠位の広い端部を持つピラミッドの軸方向断面から形成され得る。

【0022】

収縮装置は、その第１の状態において、突出形成部及び突入形成部の前記ベースエッジと中心軸２２との間の角度αを定め得る。より具体的には、中心軸及びベースエッジのノードによって定義される平面Ｐと、ベースエッジとの間である。角度αは、５５度未満であり得る。あるいは、角度αは、２５度から３０度の間であり得る。

【0023】

収縮装置は弾性部材であり得る。装置の本体は、本体を第２の変形状態から第１の正常状態に戻すように作用する中心軸方向の剛性（stiffness）ｋを有し得る。

【0024】

装置は、要素のテセレーションの頂点における応力集中を低減するための手段を含み得る。応力集中を低減する手段は、頂点におけるガウス曲率を低減又は除去する頂点の領域に位置する応力低減形成部（stress reducing formations）を含み得る。

【0025】

頂点の領域に位置する応力低減形成部は、孔の形態であり得る。あるいは、頂点の領域に位置する応力低減形成部は、下にある頂点の幾何学形状に対して反転された円錐、ピラミッド等の形態であり得る。さらに別の実施形態では、頂点の領域に位置する応力低減形成部は、下にある頂点の幾何学的形状に対する平坦及び／又は湾曲した部分（sections）の形態であり得る。

【0026】

突出及び突入形成部は、その頂点の間に延びるエッジを含み得、エッジは、エッジの領域における応力集中を低減するために、フィレット加工され（filleted）得る。突出及び突入形成部は、それらのエッジの間に延在する面の面内伸張及び面外曲げを低減する手段を含み得る。

【0027】

突出及び突入形成部の面の領域は、突出及び突入形成部の頂点及びエッジの領域の材料と比較して増大した剛性を有する材料から製造され得る。

【0028】

突出及び突入形成部の面の領域は、エッジ及び頂点における突出及び突入形成部の領域と比較して、増大した壁厚を有し得る。増大した壁厚は、突出及び突入形成部の面によって担持される（carried）外側及び／又は内部突出部によって作られ得る。

【0029】

装置の本体は、要素のテセレーションを担持する壁を画定する第１の構造内に配置された第２の構造によって画定される第２の内壁を含み得、第１の壁と第２の壁との間の空間は、作動流体が受容可能な第１の容積を画定し、第２の壁内の内部空間は、第１の容積から独立した第２の容積を画定する。

【0030】

第２の壁を画定する構造は、好ましくは、オーセチック（auxetic）構造である。第２の壁を画定する構造は、ベローズタイプ構造又はくぼみ形（re-entrant）構造であり得る。

【0031】

要素のテセレーションを担持する壁は、好ましくは、単一材料、すなわち、補強なしの材料を含む。要素のテセレーションを担持する壁は、付加製造、熱成形、鍛造及びスタンピング、又は複合材料製造（composite manufacturing）プロセスを用いて製造され得る。

【0032】

要素のテセレーションを担持する壁は、熱ポリマーアセタール（Delrin（登録商標））、ナイロン、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ABS）、ポリエチレンテレフタレートグリコール（PETG）、ポリエチレンテレフタレート（PET）、熱可塑性ポリウレタン（TPU）、ポリエチレン（高密度PE（HDPE）、低密度PE（LDPE）、線状低密度PE（LLDPE）、超高分子量PE（UHMWPE））、ポリ塩化ビニル（PVC）、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）、ポリフェニレンスルフィド（PPS）、ポリスチレン、ポリスルホン、ポリブチレンテレフタレート（PBT）、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、ポリビニリデンフッ化物（PVDF）、ポリカーボネート及びポリプロピレン（ホモポリマー及びコポリマー）を含むグループから選択される任意の材料から製造され得る。

【0033】

あるいは、要素のテセレーションを担持する壁は、好ましくはエポキシ、ポリイミド、ポリウレタン、シリコーン、ビニル及び天然ゴムを含むグループから選択される、任意の熱硬化性プラスチック材料から製造され得る。

【0034】

あるいは、要素のテセレーションを担持する壁は、超弾性合金から製造され得る。

【0035】

あるいは、要素のテセレーションを担持する壁は、ガラス（E、AR及びSガラス）、高弾性率（HM）及び／又は高強度（HS）であり得る炭素、ホウ素、ポリアミド（ケブラー（登録商標）、トワロン（登録商標））、ポリエステル（ベクトロン（登録商標））、ポリベンゾオキサゾール（PBO、Zylon（登録商標））、ポリベンゾチアゾール（PBT）、ポリベンゾイミダゾール（PBI）又は超高分子量ポリエチレン（Dyneama（登録商標））の繊維を使用する複合材料から製造され得る。

【0036】

さらなる実施形態では、バルブが、収縮装置によって動かされ得る。このような実施形態では、収縮装置は、バルブをフェイルオープン又はフェイルクローズ（fail open or closed）させる弾性部材であり得る。

【図面の簡単な説明】

【0037】

本発明は、添付の図面を参照して、単なる例示として、より詳細に説明される:

【0038】

【図1】本発明による収縮装置の第１の実施形態の斜視図であり、装置はアクチュエータとして、内部流体圧が外圧と等しい非作動の伸張状態で示されている。

【図2】作動状態又は収縮状態における図１の装置の斜視図を示し、内部流体圧が外圧よりも大きい。

【図3】動作サイクルの前半で示される配置の２段ポンプ又はコンプレッサ構成で使用される図１の装置を示す。

【図4】動作サイクルの後半で示される配置の図３の２段ポンプ又はコンプレッサ構成を示す。

【図5】図１の装置の壁の一部の拡大図を示し、要素のテセレーションの要素を構成する単一の突出ピラミッド及び単一突入ピラミッドが強調されている。

【図6】図１の装置のテセレーションの要素の第１の理論的に理想的な実施形態を示し、斜視図、正面図、上面図及び側面図が、図６（ａ）～図６（ｄ）に、それぞれ、伸長状態で示されている。

【図7】図１の装置の要素のテセレーションの要素の第２の実施形態を示し、そこでは、斜視図、正面図、上面図、側面図が、図７（ａ）～図７（ｄ）にそれぞれ伸張状態で示され、対応する収縮状態が図７（ｅ）～図７（ｈ）にそれぞれ示されている。

【図8】図１の装置の要素のテセレーションの要素の第３の実施形態を示し、斜視図、正面図、上面図、側面図が、図８（ａ）～図８（ｄ）にそれぞれ示され、対応する収縮状態が図８（ｅ）～図８（ｈ）にそれぞれ示されている。

【図9】図１の装置のテセレーション要素の第４の実施形態を示し、斜視図、正面図、上面図、側面図が、図９（ａ）～図９（ｄ）にそれぞれ示され、対応する収縮状態が、図９（ｅ）～（ｈ）にそれぞれ示されている。

【図10】本発明による収縮装置の一実施形態の斜視図を示し、装置は、その延長された非作動状態のアクチュエータとして示されている。

【図11】図１０の装置の上面図を示す。

【図12】図１１に示すように、Ａ－Ａに沿って切り取られた図１０の装置の断面図を示す。

【図13】本発明による収縮装置の第３の実施形態の斜視図を示し、装置は、非作動の拡張状態のアクチュエータとして示され、単一の長方形テセレーティングユニットが強調表示されている。

【図14】図１３の装置のテセレーション要素の実施形態を示し、斜視図、上面図、及びＢ－Ｂに沿って取られた断面図が図１４（ａ）～（ｃ）にそれぞれ示されている。

【図15】壁厚が増大された図１３の装置のテセレーション要素の代替的な実施形態を示し、斜視図、上面図、及びＣ－Ｃに沿って取られた断面図が図１５（ａ）～図１５（ｃ）にそれぞれ示されている。

【図16】孔が頂点に位置する図１３の装置のテセレーション要素の代替実施形態を示し、斜視図、上面図、及びＤ－Ｄに沿った取られた断面図が図１６（ａ）～図１６（ｃ）にそれぞれ示されている。

【図17】円錐又はピラミッドが頂点に位置する図１３の装置のテセレーション要素の代替実施形態を示し、斜視図、上面図、及びＥ－Ｅに沿って取られた断面図が図１７（ａ）～図１７（ｃ）にそれぞれ示されている。

【図18】平坦及び湾曲した部分が頂点に位置する図１３の装置のテセレーション要素の代替実施形態を示し、斜視図、上面図、及びＦ－Ｆに沿って取られた断面図が図１８（ａ）～図１８（ｃ）にそれぞれ示されている。

【図19】非作動状態のアクチュエータとして示される本発明による収縮装置の第４の実施形態の斜視図を示し、内部ベローズタイプ構造がテセレーション構造内に配置されている。

【図20】図１９の装置の上面図を示す。

【図21】図２０に示されるＧ－Ｇに沿って取られた図１９の装置の断面図を示す。

【図22】非作動状態のアクチュエータとして示される本発明による収縮装置の第５の実施形態の斜視図を示し、内部くぼみ形構造がテセレーション構造内に配置されている。

【図23】図２２の装置の上面図を示す。

【図24】図２３に示すＨ－Ｈに沿って取られた図２２の装置の断面図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0039】

本発明のいずれかの実施形態を詳細に説明する前に、本発明は、その適用において、以下の説明に記載された、又は以下の図面に示された構成要素の詳細な構成及び配置に限定されないことが理解されるべきである。本発明は、他の実施形態で実施することが可能であり、様々な方法で実行ないし実施することができる。従って、個々の実施形態又は図に記載されている特徴の任意の組み合わせは、たとえ本明細書に明示的に開示されていなくても、本発明に含まれる。また、本明細書で使用される語法及び用語は、説明の目的のためのものであり、限定であるとみなされるべきではないことを理解されたい。「含む」、「備える」、又は「有する」及びその変形の使用は、本明細書において、以下に列挙されるアイテム及びその均等物ならびに追加のアイテムを包含することを意味する。「取り付けられた」、「接続された」、「支持された」及び「結合された」という用語及びその変形は、そうでないことを特定又は限定されない限り、広範に使用され、直接及び間接両方の取り付け、接続、支持及び結合を包含し、したがって、他の部材を介在させない２つの部材間の直接的な接続、及び１つ向きの他の部材が介在する部材間の間接的な接続を包含することが意図される。さらに、「接続された」及び「結合された」は、物理的又は機械的な接続又は結合に限定されない。さらに、用語「下方」、「上方」、「上向き」、「下」及び「下向き」は、参照される図面の方向を示す。用語は、上記用語、その派生物、及び語句又は同様の意味を含む。本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用されるとき、単数形「１つの（a、an）」及び「その（the）」、ならびに任意の単語の任意の単数形の使用は、明示的かつ明白に一つの参照に限定されない限り、複数の参照を含む。本明細書中で使用されるとき、用語「含む（include）」及びその文法的変形は、リスト中のアイテムの記載が、列挙されたアイテムに置き換えられ又は追加されることができる他の同様のアイテムを排除するものではないように、非限定的であることが意図される。

【0040】

本発明は、多くの状況において、リニアアクチュエータ又はピストンを置き換えることができる。特に、本発明は、バルブを作動させるための使用に適しており、特に、フェイルクローズ又はフェイルオープンバルブアクチュエータとしての使用に適している。

【0041】

図面を参照すると、同様の数字は同様の特徴を示すが、本発明による装置の第１の実施形態の非限定的な例は、概して参照番号１０によって示される。

【0042】

本発明の第１の実施形態では、装置１０は、ベローズタイプ装置の形態であり、図１に示す第１の軸方向長さＬ１、第１の圧力Ｐ１及び第１の内部容積Ｖ１を有する第１の正常な伸張状態と、図２に示す第２の軸方向長さＬ２、第２の圧力Ｐ２及び第２の内部容積Ｖ２を有する第２の収縮変形状態との間で動作可能であり得る。装置１０は、２つの長手方向に反対側の端部、それぞれ第１の端部１４．１及び第２の端部１４．２の間で中心軸２２に沿って延びる実質的に円筒形の本体１２を有し得る。端部１４１１４．２は、各々、他のコンポーネントへの取り付けを提供するエンドキャップ又は取付具（fitting）１６を担持している。図１及び図２に示すように、端部１４．１に位置するエンドキャップ１６は、流体を本体１２の内部容積（Ｖ）の中に及び／又は外に搬送するための手段を担持する。流体を搬送する手段は、導管２０が接続されるバルブ１８を含み得る。使用に際して、導管２０は、流体は、本体１２の内部容積（Ｖ）の中に及び外に搬送され得るように、例えば、リザーバなどの流体源と流体連通している。本体１２は、流体がその内部容積（Ｖ）内に保持されるように、実質的に不透過性である。この特定の実施形態では、本体１２は、不透過性材料から作られる。しかしながら、代替実施形態では、本体１２は、例えば、不透過性ライナを担持し得ると考えられる。

【0043】

図１及び図２の図示された実施形態に戻ると、本体１２は、使用時に、流体が本体１２の内部容積Ｖに供給される又は内部容積Ｖ内の流体圧Ｐが増加されるとき、装置１０、特に本体１２が収縮するように、非伸張性材料から製造され得る。換言すれば、装置１０、特に本体１２は、第１の正常状態から第２の変形状態へ移動するときに収縮し、第１の軸方向長さＬ１は、第２の軸方向長さＬ２よりも長くなり得、第１の圧力Ｐ１は、第２の圧力Ｐ２よりも下がり得る及び／又は第１の内部容積Ｖ２は、第２の内部容積Ｖ２よりも下がり得る。この収縮は図１と図２にはっきりと見える。従って、装置１０は、収縮装置とも呼ばれる。

【0044】

装置１０がアクチュエータとして構成されている用途では、それは、円筒形本体１２の長手方向中心軸２２に実質的に沿った方向に作用する収縮運動及び／又は引張力を発生させる。図２に示されているように、この作業動作（work action）は、ベローズタイプ本体１２の半径方向の膨張と、その結果としての本体１２の内部容積Ｖに含まれる流体容積の全体的な増加によって促進される。しかし、既知の収縮ベローズタイプ装置とは異なり、本発明の装置１０は、作動するとき実質的に円筒形の形態を維持する。図２を参照すると、装置１０の本体１２は、その変形状態にあるとき、その長さの大部分にわたって円筒形のままであり、その長さの大部分は、第１の端部１４．１の近位から第２の端部１４．２の近位まで延びる中央部分１４．３を含み得る。剛性のエンドキャップ１６に非常に近接した端部領域においてのみ、本体１２はその円筒形形態を保持しない可能性がある。

【0045】

図３及び図４は、装置１０がポンプ又はコンプレッサとして使用される用途を示す第２の実施形態を示している。この特定の用途では、本体１２が、第２の軸方向長さＬ２及び第２の内部容積Ｖ２を有する第２の正常な状態で収縮され、次いで、第１の軸方向長さＬ１及び第１の内部容積Ｖ１を有する伸張された第１の状態に変形されるように、装置１０を構成することが望ましい場合がある。図３に示すこのポンプ又はコンプレッサ用途で使用されるとき、例えば電気モータ２６によって駆動されるクランクシャフト２４などの機構による、引張軸方向荷重の印加が、半径方向収縮、軸方向長さＬ２から軸方向長さＬ１への軸方向伸張、及び流体容積の全体的な減少及び／又は流体圧の増加をもたらす。引張荷重の結果としてのこの変形は、図３及び図４に示される。これらの図面では、２つの装置１０が使用される２段構成（two-stage arrangement）が示されている。装置は、互いに隣り合って取り付けられ、それぞれ１０．１及び１０．２の参照記号によって示されている。しかし、いくつかの装置が使用される多段構成が使用され得ることが想定される。従って、本発明は、使用される装置１０の特定の数に限定されない。典型的な２段又は多段構成では、装置１０は、逆止弁又はチェック弁３０を担持する導管２８を使用して互いに流体連通している。このような用途では、典型的には、連続的に容積を減少させる装置１０が使用される。

【0046】

本発明の作動装置１０は、その変形していない又は伸張した長さの約３５％まで収縮することができる。換言すれば、本体１２の軸方向長さは、その変形又は収縮状態において、その正常状態よりも約３５％短い。その結果、第１の実施形態では、高歪み構成の開始長さで加圧され、固定されて保持されるとき、装置１０は、標準のピストンアクチュエータと比較した場合、入力流体圧の５倍に等しい、本体の断面積にわたる正規化された力（normalized force）を生成することができる。機械的仕事の出力は、内部流体容積の変化とこの流体の圧力の積として近似することができる。

【0047】

装置１０の所望の変形性を達成するために、ベローズタイプ本体１２の壁１１は、要素１５のテセレーションを有する。これらの要素は、図５及び図６（ａ）～（ｄ）において、第１の拡張状態で、より詳細に示されている。装置１０のこの例示的な実施形態では、要素の第１の実施形態は、突出四角ピラミッド及び突入四角ピラミッドそれぞれを含むピラミッド構造を各々が有する突出形成部４１及び突入形成部４２を有する。図５では、テセレーションの単一ユニット又は要素４０が強調されている。図６（ａ）～（ｄ）は、要素４０をより詳細に示す。

【0048】

図６（ａ）から（ｄ）に示される要素４０は、平面上に、すなわち、無限の半径ｒ_１を有するシリンダ上で使用されるかのように、構築されるとき、テセレーションを形成するのに理論的に理想的な要素である。突出形成部又はピラミッド４１は、ベースノード４１．１、４１．２、４１．３及び４１．４と、それらの間に延びるベースエッジ４１．１２、４１．２３、４１．３４及び４１．４１と、中心頂点４１．５とを有し得る。軸方向エッジ４１．２５及び４１．４５は、中心頂点４１．５とベースノード４１．２及び４１．４との間にそれぞれ延び、周辺エッジ４１．１５及び４１．３５は、中心頂点４１．５とベースノード４１．１及び４１．３との間にそれぞれ延びる。ベースノード４１．１及び４１．２は、ベースエッジ４１．１２の第１及び第２の端部を規定し、ベースノード４１．２及び４１．３は、ベースエッジ４１．２３の第１及び第２の端部を規定し、ベースノード４１．３及び４１．４は、ベースエッジ４１．３４の第１及び第２の端部を規定し、ベースノード４１．４及び４１．１は、ベースエッジ４１．４１の第１及び第２の端部を規定する。

【0049】

同様に、突入形成部又はピラミッド４２は、ベースノード４２．１、４２．２、４２．３及び４２．４と、それらの間に延びるベースエッジ４２．１２、４２．２３、４２．３４及び４２．４１と、中心頂点４２．５とを有し得る。軸方向エッジ４２．２５及び４２．４５は、中心頂点４２．５とベースノード４２．２と４２．４との間にそれぞれ延び、周辺エッジ４２．１５及び４２．３５は、中心頂点４２．５とベースノード４２．１及び４２．３との間にそれぞれ延びる。ベースノード４２．１及び４２．２は、ベースエッジ４２．１２の第１及び第２の端部を規定し、ベースノード４２．２及び４２．３は、ベースエッジ４２．２３の第１及び第２の端部を規定し、ベースノード４２．３及び４２．４は、ベースエッジ４２．３４の第１及び第２の端部を規定し、ベースノード４２．４及び４２．１は、ベースエッジ４２．４１の第１及び第２の端部を規定する。

【0050】

ノード４１．３及び４１．４は、ノード４２．２及び４２．１それぞれと一致し得る。したがって、突出形成部４１のベースエッジ４１．３４は、突入形成部４２のベースエッジ４２．１２と一致する。要素４０は繰り返して、本体１２の要素１５のテセレーションを形成し、従って、突入形成部４２及び突出形成部４１の他のベースエッジ４１．１２、４１．２３、４１．４１、４２．２３、４２．３４、４２．４１及びノード４１．１、４１．２、４２．３、４２．４は、隣接する突入及び突出形成部のそれぞれのベースエッジ及びノードと一致する。

【0051】

図６（ｂ）に長手方向に伸張された状態の装置を示す。図６（ｂ）に示されている角度αは重要であり、加圧されたときに第１の伸張状態からの本体１２の結果として生じる変形に大きな影響を及ぼす。装置１０のこの特定の実施形態では、角度αは、本体１２の任意の収縮が生じるために５５°未満でなければならない。さらに、角度αが約２５°から３０°の範囲である場合に最大の変形が達成されることが決定された。

【0052】

角度αは、アクチュエータが、軸方向長さＬ１を持つ第１の拡張状態にあるとき、突出形成部が図６ｂのような正面又は平面図の場合、突出形成部４１又は突入形成部４２のベースエッジ４１．１２、４１．２３、４１．３４、４１．４１、４２．１２、４２．２３、４２．３４及び４２．４１と中心軸２２との間に形成される。具体的には、角度αは、各形成部４１、４２の軸方向エッジ４１．２５、４１．４５、４２．２５及び４２．４５並びに周辺エッジ４１．１５、４１．３５、４２．１５及び４２．３５のノードと、中心軸２２及びベースエッジのノード４１．２、４１．４、４２．２、４２．４によって画定される平面Ｐとを接合する、それぞれのベースエッジ４１．１２、４１．２３、４１．３４、４１．４１、４２．１２、４２．２３、４２．３４及び４２．４１の間に形成される。角度αは、５５度未満であり得る。代替的には、角度αは、２５度から３０度の間であり得る。

【0053】

本体１２内の同じ軸方向位置の形成部又はピラミッド５１．５２は、同一の、又は少なくともほぼ同一の幾何学的形状を有するべきである。しかし、これは、中心軸２２からの有限の半径ｒ_２を有する実際のシリンダでは達成できない。その代わりに、この状態を近似することができ、要素１５のテセレーションに使用される要素の第２の実施形態が図７（ａ）～（ｈ）に示され、参照符号５０によって示される。要素５０は、この場合も同様に、突出ピラミッド５１と突入ピラミッド５２とを有する。ピラミッド５１は、この場合も同様に、ベースノード５１.1～５１．４と、それらの間に延びるそれぞれのベースエッジ５１．１２、５１．２３、５１．３４、５１．４１とを有するベースと、頂点５１．５とを有し、一方、ピラミッド５２は、ベースノード５２.1～５２．４と、それらの間に延びるそれぞれのベースエッジ５２．１２、５２．２３、５２．３４、５２．４１とを有するベース、頂点５２．５とを有する。要素５０では、突出５１及び突入５２ピラミッドそれぞれの頂点５１．５及び５２．５は、軸方向エッジ５３、５４、５５及び５６が全て等しい長さであるように、円筒半径ｒ_２から等しくオフセットされる。これは、全ての変形が、困難な膜伸張の代わりに、容易なヒンジ曲げによって生じる理想（上述の要素４０の無限の円筒半径ｒ_１の場合）に近い幾何学的形状を維持する。ここでも、ベースノード５１.３及び５１．４は、それぞれベースノード５２.２及び５２．１と一致する。したがって、突出ピラミッドのベースエッジ５１．３４はベースエッジ５２．１２と一致する。

【0054】

テセレーションに使用される要素の第３の実施形態が図８（ａ）～（ｈ）に示されており、参照符号６０によって示されている。ここでも、要素６０は突出ピラミッド６１と突入ピラミッド６２を有する。ピラミッド６１は、ここでも、ベースノード６１．１～６１．４と、その間に延びるそれぞれのベースエッジ６１．１２、６１．２３、６１．３４及び６１．４１を有するベースと、頂点６１．５とを有し、ピラミッド６２は、ベースノード６２．１～６２．４と、その間に延びるそれぞれのベースエッジ６２．１２、６２．２３、６２．３４及び６２．４１を有するベースと、頂点６２．５とを有する。要素６０のこの実施形態では、要素５０の第２の実施形態の場合のような半径からの等しい頂点オフセットの条件が緩和される。その代わりに、周辺エッジ６３、６４、６５及び６６の長さはすべて等しい。これは、全ての変形が、困難な膜伸張の代わりに、容易なヒンジ曲げによって生じる理想（上述の要素４０の無限の円筒半径ｒ_１の場合）に近い幾何学的形状を維持する。ここでも、ベースノード６１．３及び６１．４は、ノード６２．２及び６２．１それぞれと一致する。従って、突出ピラミッド６１．３４のベースエッジはベースエッジ６２．１２と一致する。

【0055】

２つの実施形態では、要素ｒ_２のうちの３つ及び４つは中心軸２２に垂直であり、その軸方向長さＬに沿った任意の点において実円筒の円筒半径を規定し得る。ｒ_２の値は、前記軸方向長さＬに沿って変化し、要素の変形に伴って増加又は減少し得る。具体的には、ｒ_２は、要素の端部に向かって減少し得る。

【0056】

角度αは、図７ｂ及び図８ｂに見ることができ、上記の理論的に理想的な要素と同様の方法で形成される。

【0057】

テセレーションに使用される要素の第４の実施形態が、図９（ａ）～（ｈ）に示され、参照符号７０によって示されている。概念的には、要素７０は、ここでも、突出形成部又はピラミッド７１及び突入形成部又はピラミッド７２を有するが、この実施形態では、ウェッジ状（wedge-like（くさび状））形成部７３、７４が、各ピラミッド７１及び７２それぞれの２つの半部（halves）の間にそれぞれ挿入される。ウェッジ（wedges）７３、７４は、ピラミッドの軸方向断面から形成され得る。ピラミッド７１は、本質的にノード７１．１～７１．４と、それらの間に延びるそれぞれのベースエッジ７１．１２、７１．２３、７１．３４及び７１．４１とを有するベースと、２つの頂点７１．５及び７１．６とを有する。軸方向エッジ７１．２５及び７１．２６は、ベースノード７１．２から、軸方向エッジ７１．４５及び７１．５６は、ベースノード７１．４から、中心頂点７１．５及び７１．６にそれぞれ延び、周辺エッジ７１．１５及び７１．３６は、中心頂点７１．５及び７１．６とベースノード７１．１及び７１．３との間にそれぞれ延びている。頂点７１．５及び７１．６は、ウェッジ７３のベースノードを形成し、これは、ノード７１．２及び７１．４それぞれと一致する頂点を有する。したがって、ウェッジ７３は、ノード７１．５、７１．６及び７１．２によって及びノード７１．５、７１．６及びノード７１．４によってそれぞれ画定される２つの三角形の面を効果的に追加する。突入ピラミッド７２は、本質的に、ベースノード７２．１～７２．６、それらの間に延びるそれぞれのベースエッジ７２．１２、７２．２３、７２．３４、７２．４５、７２．５６及び７２．６１、及び頂点７２．７を有する。軸方向エッジ７２．２７、７２．３７、７２．５７及び７２．６７は、中心頂点７２．７とベースノード７２．２、７２．３、７２．５及び７２．６との間にそれぞれ延び、周辺エッジ７２．１７及び７２．４７は、中心頂点７２．７とベースノード７２．１及び７２．４との間にそれぞれ延びる。ピラミッド７２では、これらのノード７２．２、７２．３、７２．５、及び７２．６は、ピラミッド７２の頂点７２．７と一致する頂点を有するウェッジ７４のベースノードを形成する。ここでも、ベースノード７１．３と７１．４は、ノード７２．２と７２．１それぞれと一致する。したがって、突出ピラミッド７１のベースエッジ７１．３４は、突入ピラミッド７２のベースエッジ７２．１２と一致する。この実施形態では、突入ピラミッド７２の、ウェッジ７４の、ベースエッジ７２．２３及び７２．５６は、それらの軸方向に隣接する突入ピラミッド７２のウェッジ７４のそれぞれのベースエッジと一致する。

【0058】

ウェッジ７３、７４の向きは、ピラミッド７１及び７２に関して逆転され、ピラミッド７１、７２よって形成される形成部７１、７２及びベースノードによって画定されるウェッジ７３、７４の形状が有限半径ｒ_２に従うように、ウェッジの狭い端部は中心軸２２の近接にあり、広い端部は中心軸２２の遠位にある。このようにして、突出ピラミッド又は形成部７１及び突入ピラミッド又は形成部７２の幾何学的形状は、同等のままであり、したがって、図６に示される要素４０の実施形態の理想的な幾何学的形状と似ている。言い換えると、突出形成部又はピラミッド７１及び突入形成部又はピラミッド７２の幾何学的形状は、各ピラミッド７１、７２の２つの半部の間にウェッジ７３、７４を挿入することによる有限の半径ｒ_２にもかかわらず、図６の理想的な幾何学的形状と同等のままである。

【0059】

突出形成部７１及び突入形成部７２は、構造及び形状においてピラミッド状であり得ることが理解されるであろう。突出形成部７１は、前述の実施形態のいずれかと同様のピラミッド４１、５１、６１を含み得、さらに、ウェッジ７３を含み得、ウェッジ７３は、切頭（truncated）又は拡張（augmented）ピラミッド７１を形成するよう中心軸２２に沿って（in line with）ピラミッド４１、５１、６１を分割するように挿入される。さらに、突入形成部７２は、前述の実施形態のいずれかと同様のピラミッド４２、５２、６２を含み得、さらにウェッジ７４を含み得、ウェッジ７４は、六角ピラミッド７２を形成するよう中心軸２２に沿ってピラミッド７２を分割するように挿入されることが理解されるであろう。

【0060】

要素７０のこの実施形態では、ノード７１．５、７１．２及び７１．６によって定義されるウェッジ角度は、本体１２の円筒形状の周りでテセレーションを回転させ、それによって突出７１及び突入７２ピラミッドの面の幾何学的形状が等しくなることを可能にする。ノード７１．２とノード７１．６との間のエッジの長さは、ノード７２．２とノード７２．７との間のエッジの長さに等しい。また、ノード７１．６とノード７１．３との間のエッジの長さは、ノード７２．７とノード７２．１との間のエッジの長さに等しい。

【0061】

要素７０の実施形態では、ピラミッド７１のベースは、実質的に多角形、特に四辺形、より具体的には平行四辺形である。図９（ｂ）に最もよく見られるように、ノード７１．１と７１．２及びノード７２．３と７２．４の間の返の長さは等しい。ノード７１．４と７１．１、及びノード７１．１と７１．２の間の辺（sides）の長さは等しい。図９（ｃ）に最もよく見られるように、ピラミッド７１内のウェッジ７３の包含は、ピラミッド７１を切頭ピラミッドに効果的に変換する。言い換えれば、ウェッジ７３の包含は、ピラミッド７１の頂部又は最外部が切断された切頭ピラミッドの形状と実質的に一致する形状を形成する。その結果、（ピラミッド７２及び他の実施形態のピラミッドのように）点の形の頂点を有する代わりに、ピラミッドの頂点は、ノード７１．５と７１．６との間に延びるエッジ又は線の形態である。したがって、用語「頂点」は、ピラミッドの頂部又は最高部分を意味するものとして明細書全体を通して広く解釈されるべきであり、点の形で頂点を表すことに限定されないことを理解すべきである。用語「頂点」は、したがって、ピラミッドの頂部又は最高部分を説明するために使用され、これは、また、ピラミッドのピーク、頂上又は頂点とも呼ばれ得る。

【0062】

ピラミッド７２のベースは、実質的に多角形、特に六角形、より具体的にはその辺の長さがすべて等しいわけではない不規則な六角形である。図９（ｂ）に最もよく見られるように、ノード７２．１とノード７２．２、ノード７２．３とノード７２．４、ノード７２．４とノード７２．５、ノード７２．６とノード７２．１の間の辺の長さは等しい。ノード７２．２と７２．３、ノード７２．５と７２．６の間の辺の長さは等しい。ピラミッド７２の六角形の形状は、ピラミッドのベース内にウェッジ７３のベースノードを含めることによって形成される。ウェッジ７３についてでなければ、ピラミッドのベースはピラミッド７１のベースと同じであったであろう。

【0063】

図９（ｂ）は、伸長した状態におけるアクチュエータの要素を示す。第４の実施形態の角度αは、図９（ｂ）に示すように、アクチュエータが、突出形成部７１又は突入形成部７２が図９（ｂ）に示されるように正面又は平面図で事項方向に見るとき、突出形成部７１のベースエッジ７１．１２、７１．２３、７１．３４、７１．４１、又は突入形成部７２のベースエッジ７２．１２、７２．３４、７２．４５、７２．６１と、中心軸２２との間の軸方向長さＬ１を持つ、第１の伸張状態にあるときに形成される。具体的には、角度αは、それぞれの形成部７１、７２．７２の軸方向エッジ７１．２５、７１．２６、７１．４５、７１．４６、７２．２７、７２．３７、７２．５７及び７２．６７並びに周辺エッジ７１．１５、７１．３６、７２．１７及び７２．４７のノードを接合するそれぞれのベースエッジ７１．１２、７１．２３、７１．３４、７１．４１、７２．１２、７２．３４、７２．４５及び７２．６１と、中心軸２２との間に形成され、面Ｐが、中心軸２２、及びそれぞれのベースエッジのノード７１．２、７１．４、７２．２、７２．３、７２．５、７２．６によって定められる。

【0064】

上記の説明から、要素４０、５０、６０、及び７０は、事実上、中空の多面体の形状であることが理解されるべきである。多面体は、典型的には、ベースを有し、ベースは、頂部で出会う、４以上、好ましくは４～６個の三角形の面のポリゴンであることができる。三角形の側面は、側部又は側面とも呼ばれる。

【0065】

上記の実施形態は、各々、要素１５のテセレーションの要素４０、５０、６０、７０を有する、単一の突出形成部４１、５１、６１、７１及び単一の突入形成部４２、５２、６２、７２を使用して示される。要素１５のテセレーションは、複数の前記要素４０、５０、６０、７０から構成され、ギャップ又は重複することなく互いに嵌合する突出形成部４１、５１、６１、７１及び突入形成部４２、５２、６２、７２を含む反復パターンである。したがって、突出形成部４１、５１、６１、７１のベースノード４１．１、４１．２、４１．３、４１．４、５１．１、５１．２、５１．３、５１．４、６１．１、６１．２、６１．３、６１．４、７１．１、７１．２、７１．３、７１．４及びベースエッジ４１．１２、４１．２３、４１．３４、４１．４１、５１．１２、５１．２３、５１．３４、５１．４１、６１．１２、６１．２３、６１．３４、６１．４１、７１．１２、７１．２３、７１．３４、７１．４１は、アクチュエータの本体１２の円筒形又は実質的に円筒形の壁１１の要素１５のテセレーションを形成するために、要素の繰り返しパターンで上述したような、隣接する突入形成部４２、５２、６２、７２のベースノード４２．１、４２．２、４２．３、４２．４、５２．１、５２．２、５２．３、５２．４、６２．１、６２．４、７２．１、７２．２、７２．３、７２．４、７２．５、７２．６及びベースエッジ４２．１２、４２．２３、４２．３４、４２．４１、５２．１２、５２．２３、５２．３４、５２．４１、６２．１２、６２．２３、６２．３４、６２．４１、７２．１２、７２．３４、７２．４５、７２．６１と一致する。特に、突出形成部４１、５１、６１、７１のベースノード４１．１、４１．２、４１．３、４１．４、５１．１、５１．２、５１．３、５１．４、６１．１、６１．２、６１．３、６１．４、７１．１、７１．２、７１．３、７１．４及び／又はベースエッジ４１．１２、４１．２３、４１．３４、４１．４１、５１．１２、５１．２３、５１．３４、５１．４１、６１．１２、６１．２３、６１．３４、６１．４１、７１．１２、７１．２３、７１．３４、７１．４１は、突入形成部４２、５２、６２、７２のベースノード４２．１、４２．２、４２．３、４２．４、５２．１、５２．２、５２．３、５２．４、６２．１、６２．２、６２．３、６２．４、７２．１、７２．２、７２．３、７２．４、７２．５、７２．６及び／又はベースエッジ４２．１２、４２．２３、４２．３４、４２．４１、５２．１２、５２．２３、５２．３４、５２．４１、６２．１２、６２．２３、６２．３４、６２．４１、７２．１２、７２．３４、７２．４５、７２．６１と一致する。この場合、突出形成部のベースノード及び／又はベースエッジは、各々、突入形成部のそれぞれのベースノード及び／又はベースエッジと一致する。ここで、突出形成部４１、５１、６１、７１の各ベースノード４１．１、４１．２、４１．３、４１．４、５１．１、５１．２、５１．３、５１．４、６１．１、６１．２、６１．３、６１．４、７１．１、７１．２、７１．３、７１．４及び／又はベースエッジ４２．１２、４２．２３、４２．３４、４２．４１、５１．１２、５１．２３、５１．３４、５１．４１、６１．１２、６１．２３、６１．３４、６１．４１、７１．１２、７１．２３、７１．３４、７１．４１は、前記突出形成部４１、５１、６１、７１の面の境界を示し（bounds）、突入形成部の４２、５２、６２、７２のベースノード４２．１、４２．２、４２．３、４２．４、５２．１、５２．２、５２．３、５２．４、６２．１、６２．２、６２．３、６２．４、７２．１、７２．２、７２．３、７２．４、７２．５、７２．６及び／又はベースエッジ４２．１２、４２．２３、４２．３４、４２．４１、５２．１２、５２．２３、５２．３４、５２．４１、６２．１２、６２．２３、６２．３４、６２．４１、７２．１２、７２．３４、７２．４５、７２．６１は、突入形成部の４２、５２、６２、７２の面の境界を示す。ここで、突出形成部４１、５１、６１、７１の面の各ベースノード４１．１、４１．２、４１．３、４１．４、５１．１、５１．２、５１．３、５１．４、６１．１、６１．２、６１．３、６１．４、７１．１、７１．２、７１．３、７１．４及び／又はベースエッジ４２．２３、４２．３４、４２．４１、５１．１２、５１．２３、５１．３４、５１．４１、６１．１２、６１．２３、６１．３４、６１．４１、７１．１２、７１．２３、７１．３４、７１．４１は、突入形成部４２、５２、６２、７２の隣接する面のそれぞれのベースノード４２．１、４２．２、４２．３、４２．４、５２．１、５２．２、５２．３、５２．４、６２．１、６２．２、６２．３、６２．４、７２．１、７２．２、７２．３、７２．４、７２．５、７２．６及び／又はベースエッジ４２．１２、４２．２３、４２．３４、４２．４１、５２．１２、５２．２３、５２．３４、５２．４１、６２．１２、６２．２３、６２．３４、６２．４１、７２．１２、７２．３４、７２．４５、７２．６１と一致する。

【0066】

次に、図１０～図１２を参照すると、本発明による装置の第２の実施形態の非限定的な例が、概して、参照番号１１０によって示される。

【0067】

上記実施形態の装置１０とは別に、又は関連して使用され得る代替構成では、装置１１０は、実質的に円筒形の本体１１２を有し得、第１の端部１１４．１及び第２の端部１１４．２を有する。エンドキャップ又は取付具１１６は、ここでも、各端部１１４．１．１１４．２に配置される。第１の端部１１４．１に配置されたエンドキャップ１１６は、ホースコネクタ又は取付具１１８などの流体を搬送する手段を担持する。使用時には、流体を本体１１２に供給するためのホースがホース取付具１１８に接続され得る。装置１１０のこの代替実施形態では、各エンドキャップ１１６は、外部コンポーネントへの接続のための接続手段を担持する。この実施形態では、接続手段は、力を伝達することができる機械的接続部を形成するために、ロッドエンドベアリング１２０のような接合部として示されている。使用時には、ロッドエンドベアリング１２０は、外部装置及び機構に機械的荷重及び変位を伝達又は伝える。本発明の装置１１０のこの第２の実施形態は、テセレーションの最も基本的な実施形態を含む。テセレーションは、図７、図８及び図９をそれぞれ参照して上述したような要素５０、６０又は７０のいずれかを含む。

【0068】

次に、図１３を参照すると、本発明による装置の第３の実施形態の非限定的な例が、概して、参照番号２１０によって示される。装置２１０は、テセレーションの要素の設計を除いて、装置１１０と実質的に類似している。従って、テセレーションのための要素の設計のみが詳細に説明される。

【0069】

装置２１０のテセレーションに使用される要素の設計は、装置２１０全体、特に、テセレーションを有するその本体２１２の全体に渡って、より大きなアクチュエータ強度及び改良された剛性分布を提供することを目的とする。図１３に示すように、実質的に矩形のユニット又は要素の形態の要素２４０が、テセレーションに使用される。装置２１０のテセレーションは、ここでも、突出ピラミッド及び突入ピラミッドを有するが、図６～９に示す要素４０、５０、６０及び７０のように２つの完全に形成されたピラミッドを有する要素２４０の代わりに、矩形要素２４０が、突出ピラミッド２４１及び突入ピラミッド２４２の２つの半部を含むように選択される。矩形要素２４０は、以下、応力低減形成部を通して要素１５のテセレーションの突出２４１及び突入２４２ピラミッドの頂点及びエッジにおける応力集中を低減するための以下の手段を図示するために使用される。

【0070】

要素２４０は、図１４（ａ）～（ｃ）により詳細に示されている。要素２４０は、ノード又は頂点２４３．１～２４３．９を含む。線２４４．１～２４４．４は、突出２４１と突入２４２ピラミッド半部の間のリンク又は接合部を示している。ピラミッド２４１、２４２のエッジ又はコーナーは、これらの領域における応力集中を低減するためにフィレット加工される（filleted）。フィレット加工されたエッジは、参照記号２４５によって示される。

【0071】

要素２４０からのテセレーションを含む本体２１２を単一材料から製造するためには、一般に、例えばポリウレタンエラストマーのような、より柔軟な材料を使用する必要があると考えられる。作動流体圧も一般に制限される。これらの措置は、特に頂点２４３．１～２４３．９における高応力集中、及び非フィレット加工面２４６．１～２４６．８の面内伸張及び面外曲げを防止するために典型的に必要とされ、それによって、本体２１２の性能の損失又は故障を防止する。

【0072】

要素２４０の限界に対処するために、頂点２４３．１～２４３．９における応力集中は、
頂点の領域に要素２４０の残りの部分で使用される材料よりも柔らかい材料を使用することによって低減されることができることが想定される。頂点２４３．１～２４３．９の領域におけるより柔軟な材料は、典型的には、平面又は面２４６．１～２４６．８におけるような要素の残りの部分で使用される材料よりも破壊に対してより高い歪みを有する。さらに、フィレット加工部２４５及び頂点２４３．１～２４３．９の領域、ならびにピラミッド２４１、２４２の間の接合部２４４．１～２４４．４は、例えばポリウレタンマトリックスのような軟質ポリマーマトリックス中のケブラー（登録商標）繊維のような、比較的低い曲げ弾性率の高強度材料から作ることができると考えられる。面２４６．１～２４６．８の領域では、要素２４０は、フィレット加工部、頂点、及び接合部に使用される材料と比較して、より剛性の高い材料から作ることができる。より剛性の高い材料は、例えば、炭素繊維エポキシ複合材料であり得る。要素２４０内のこの材料構成を使用することによって、本体２１２、そして従って、装置２１０は、より高い作動流体圧が可能である。

【0073】

装置２１０のテセレーションに使用される要素の代替実施形態が、図１５（ａ）～（ｃ）に示されている。図１５のこの実施形態は、数字２５０によって示され、面２４６．１～２４６．８の領域を除いて要素２４０と実質的に類似している。要素２５０では、要素の壁厚は、面２４６．１～２４６．８の領域において、内部及び外部の両方で増加する。内部に延びる突出部２５７及び外部に延びる突出部２５８は、フィレット加工部２４５、頂点２４３．１～２４３．９及び接合部２４４．１～２４４．４の領域においてこの場合も壁厚を減少させる面取り部２５９によって仕上げられる。要素２５０のこの実施形態は、面２４６．１～２４６．８の面内伸張及び面外曲げを減少させる一方で、本体２１２が単一の材料から製造されることを可能にする。図１５では、壁厚は、内部にも外部にも増加することが示されているが、図面に示されていない代替の実施形態では、壁厚は、内部又は外部いずれかにのみ増加することができると考えられる。増大した壁厚の領域２５７、２５８は、面取り部２５９を用いてフィレット加工された領域２４５に接続されていることが示されているが、直線状の滴（straight drops）、フィレット等のような他の幾何学的に形状の接続部が使用され得ることがさらに想定される。従って、本発明は、厚さが増大した領域と厚さが増大しない領域、例えば、フィレット加工領域２４５、頂点２４３．１～２４３．９、及び接合部２４４．１～２４４．４の間の接続部の特定の形状に限定されない。

【0074】

さらに、頂点２４３．１～２４３．９の領域における任意の応力集中は、本発明によるテセレーションで使用される要素の他の実施形態を参照して上述した任意の方法を使用することによって、低減され得ることが想定される。

【0075】

装置２１０のテセレーションに使用される要素の別の実施形態が、図１６（ａ）～（ｃ）に示されている。図１６のこの実施形態は、数字２６０によって示され、頂点における要素の領域を除いて要素２５０と実質的に類似している。要素２６０では、要素の壁厚は、要素２５０と実質的に同様に増加するので、再度説明しない。しかし、要素２６０は、要素２６０が、頂点２４３．１～２４３．９の領域における応力集中を低減する手段を含むという点で要素２５０とは異なる。要素２６０のこの実施形態では、応力集中を低減する手段は、頂点の領域に位置する孔２６１の形態である。孔２６１は、図１６に円形で示されているが、本発明は、円形孔に限定されない。本発明は、頂点における応力集中を低減するために頂点で材料を除去する原理をカバーすることが理解されるべきである。

【0076】

本体２１２の流体不透過性を維持するために、別個の膜又はフィルム２６２が使用される。不透過性膜は、実質的に本体２１２全体に沿って内部に広がる。膜２６２は、好ましくは、柔軟な弾性材料から作られる。

【0077】

装置２１０のテセレーションに使用される要素の別の実施形態が、図１７（ａ）～（ｃ）に示されている。図１７のこの実施形態は、数字２７０によって示され、頂点２４３．１～２４３．９の領域における応力集中を低減するための代替手段を含む。要素２７０は、要素２４０と実質的に類似しており、従って、頂点における応力集中を低減する手段のみが、詳細に説明される。要素２７０のこの実施形態では、応力集中を低減する手段は、要素２６０で使用される孔２６１以外の応力低減形成部の形態である。この特定の実施形態では、応力低減形成部は、円錐又はピラミッド２７１の形態であり、それらは、下にある頂点形状に対して反転される。

【0078】

装置２１０のテセレーションに使用される要素のさらに別の実施形態が、図１８（ａ）～（ｃ）に示されている。図１８のこの実施形態は、数字２８０によって示され、頂点２４３．１～２４３．９の領域における応力集中を低減するための代替手段を含む。要素２８０は、要素２７０と実質的に類似しており、従って、頂点における応力集中を低減する手段のみが、詳細に説明される。要素２８０のこの実施形態では、頂点での応力集中を低減するために使用される応力低減形成部は、下にある球面頂点幾何学形状に対して平坦な２８１又は湾曲した２８２応力低減形成部又は断面の形態である。

【0079】

頂点における応力集中を低減するために、要素２７０及び２８０において使用される応力低減形成部2７１、２８１、２８２は、頂点におけるガウス曲率を効果的に低減又は除去することが理解されるべきである。従って、本発明は、図面に示された応力低減形成部の幾何学的形状に限定されないことが理解されるべきである。さらに、上述の実施形態の頂点及び面における異なる応力低減形成部からの特徴を組み合わせることができることが想定される。

【0080】

次に、図１９を参照すると、本発明による装置の第４の実施形態の非限定的な例が、概して、参照番号３１０によって示される。装置３１０は、実質的に装置２１０と同様である。装置３１０は、ここでも、要素１５のテセレーションを含む実質的に円筒形の本体３１２を有する。本体３１２の要素は、装置１０、１１０、２１０の他の実施形態を参照して上述した要素のいずれであってもよい。装置３１０は、ここでも、第１の端部３１４．１及び第２の端部３１４．２と、端部に配置されたエンドキャップ又は取付具３１６とを有する。装置３１０は、ここでも、ホースコネクタ又は取付具３１８と、外部コンポーネントに接続するための接続手段３２０とを有する。

【0081】

しかしながら、装置３１０と他の装置１０、１１０、２１０との間の最も大きな違いは、その本体３１２が多層化されていることである。この特定の実施形態では、本体３１２は、第１の側壁３１２．１及び第２の側壁３１２．２を有する。第１の側壁３１２．１は、上述のような要素１５のテセレーションを含む第１の構造３２２によって画定され、第２の側壁３１２．２は、第１の構造内に位置する第２の構造３２４によって画定される。装置３１０では、第２の構造３２４は、ベローズタイプ構造の形態である。図２１に最もよく見られるように、ベローズタイプ構造３２４は、ベローズ３２６が第１の構造３２２のピーク又は突出セクション３２８と一致するように、第１の構造３２２の内側に配置される。

【0082】

第１の３２２及び第２の３２４構造は、装置３１０が、互いに独立した第１の又は一次容積３３０及び第２の又は二次容積３３２を画定するように配置される。この構成では、内部容積３３０、３３２内の流体は、独立して加圧され得る。依然として図２１を参照すると、ホース取付具３１８は、第１の側壁３１２．１と第２の側壁３１２．２との間（すなわち、第１の構造３２２と第２の構造３２４との間）に画定される第１の内部容積３３０と流体連通していることが分かる。使用において、第１の容積３３０内の流体は、作動又はポンプ／圧縮のための作動流体として作用する。しかし、第２の容積３３２内の流体を作動に影響を及ぼすように使用することができると考えられる。

【0083】

次に、図２２を参照すると、本発明による装置の第５の実施形態の非限定的な例が、概して、参照番号４１０によって示される。装置４１０は、内部ベローズタイプ構造３２４のくぼみ形構造４２４での置換を除いて、装置３１０と実質的に類似している。

【0084】

くぼみ形構造４２４は、図２４に最もよく示されている。装置３１０と同様に、ここでも、そのピーク４２６が第１の構造４２２のピーク４２８と一致するように配置される。使用時には、装置４１０、特に本体４１．２の第１の４２２及び第２の４２４の構造の変形に伴い、第１の容積４３０の容積領域（volumetric area）が増加する。この容積の増加は、第１の容積４３０内の流体圧の増加による変形の際のくぼみ形構造４２４の半径方向の収縮に起因することは明らかである。装置４１０の変形の際の増加する容積の結果として、アクチュエータの仕事出力の増加が達成される。

【0085】

第２の内部構造４２４は、くぼみ形構造として説明されるが、任意のオーセチック構造、すなわち、負のポアソン比を有する構造が使用され得ることが想定される。

【0086】

本発明の装置３１０、４１０の利点は、角度αが５５度未満であるべきであるという制約が、収縮作動を依然としてもたらす一方で緩和され得ることである。換言すれば、装置３１０、４１０は、作動に際し、すなわち、内圧の増加時に、角度αが５５°よりも大きい場合であっても、依然として軸方向に収縮する。

【0087】

本発明の装置１０、１１０、２１０、３１０、４１０、特にその本体１２、１１２、２１２、３１２、４１２は、溶融フィラメント製造（ＦＦＦ）、別名溶融体積モデリング（ＦＤＭ）、紛体層（powder bed）、選択的レーザー焼結（ＳＬＳ）、選択的レーザー溶融（ＳＬＭ）、ステレオリソグラフィー、及びポリジェットプロセスなどの種々の付加製造プロセスのいずれかを使用して製造することができると考えられる。代替的には、本発明の装置１０、１１０、２１０、３１０、４１０は、ブロー成形、射出成形、及び回転成形などの熱成形プロセスを使用して製造され得る。さらに、本発明による装置は、鍛造及び型抜きを通じて金属を用いて製造することができることが想定される。代替的には、複合材料製造プロセスを使用することもできる。複合材料製造プロセスは、オートクレーブ内外での事前含浸及びドライ材料、ならびに熱間成形、テープ敷設及び樹脂転写成形が含まれるが、これらに限定されない。

【0088】

さらに、本発明の装置１０、１１０、２１０、３１０、４１０、特に、要素１５のテセレーションを含むその本体１２、１１２、２１２、３１２、４１２を製造するために、一連の異なる材料を使用することができると考えられる。材料は、熱可塑性ポリマーアセタール（Delrin（登録商標））、ナイロン、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ABS）、ポリエチレンテレフタレートグリコール（PETG）、ポリエチレンテレフタレート（PET）、熱可塑性ポリウレタン（TPU）、ポリエチレン（高密度PE（HDPE）、低密度PE（LDPE）、線状低密度PE（LDDPE）、超高分子量PE（UHMWPE））、ポリ塩化ビニル（PVC）、ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）、ポリフェニレンスルフィド（PPS）、ポリスチレン、ポリスルホン、ポリブチレンテレフタレート（PBT）、ポリテトラフルオロエチレン（PTFE）、ポリフッ化ビニリデン（PVDF）、ポリカーボネート及びポリプロピレン（ホモポリマー及び共重合体）を含むが、これらに限定されない。本発明の装置１０、１１０、２１０、３１０、４１０、特にその本体１２、１１２、２１２、３１２、４１２はまた、例えばエポキシ、ポリイミド、ポリウレタン、シリコーン、ビニル及び天然ゴムのような熱硬化性プラスチックから全体又は一部を製造され得る。本発明の装置、特にその本体は、特に超弾性合金が使用される場合には、金属から製造され得ることがさらに想定される。また、ガラス（E、AR及びSガラス）、炭素（HM及びHS）、ホウ素、ポリアミド（ケブラー（登録商標）、トワロン（登録商標））、ポリエステル（ベクトロン（登録商標））、ポリベンゾオキサゾール（PBO、Zylon（登録商標））、ポリベンゾチアゾール（PBT）、ポリベンゾイミダゾール（PBI）又は超高分子量ポリエチレン（Dyneema（登録商標））の繊維を使用する場合、上記材料から一部を形成された複合材料を装置１０の製造に使用することができると考えられる。

【0089】

本発明による装置の上記の説明から、装置の重要な利点は、既知のマッキベンアクチュエータの複雑な編組及び膜を必要とせずにマッキベンタイプアクチュエータが得られることであることが理解されるべきである。結果として、本発明の装置は、単一の材料、すなわち、補強材を含まない材料から製造することができる。これにより、本発明の装置を一連の材料から製造し、既知のマッキベンアクチュエータと互換性のないプロセスを使用することができる。本発明の別の重要な利点は、装置が既知の収縮アクチュエータにおいて達成可能な圧力を超える圧力に耐えることができることである。本発明の装置はまた、過酷な動作環境においてポンプ又はコンプレッサとして使用するのにも適している。

【0090】

四角ピラミッドを含むと突出及び突入形成部４１、４２、５１、５２、６１、６２、７１、７２のテセレーションを含む壁１１を使用することによって、本発明の装置１０は、マッキベンタイプアクチュエータとある程度等しい方法で、内圧を外力に関連付ける（linking）ことができる。収縮作動は、作動中に生成される引張力の結果としての引張収縮とも呼ばれ、内部流体圧Ｐの増加により達成され、一方、引張ポンピング力を加えると、含有流体容積の減少がもたらされ、全ての間に円筒形形態を維持する。

【0091】

本発明による流体ベローズタイプ収縮装置は、ベローズ設計によって、アクチュエータのマッキベンクラスの高重量比性能及び円筒形加圧形態を維持し、それによって、アクセス可能な付加製造技術、低コストの熱成形プロセス、及び高性能複合材料からの製造を可能にする。これらの製造及び材料のオプションは、それぞれ、既知のベローズ又はマッキベンタイプの流体装置で以前に達成されたものを超える、改良された調整可能性、低減されたコスト、及び増加された力対重量比（作動及びポンプ／コンプレッサ構成の両方におけるより高い作動圧力）を可能にする。

【0092】

本発明の主な機能は、加圧流体（アクチュエータ又はポンプ／コンプレッサとして）からの、又は加圧流体へのエネルギの伝達であるが、アクチュエータは、弾性部材として作用することができ、装置１０の本体１２は、中心軸２２の方向に剛性ｋを有する。従って、第１の通常状態から第２の変形状態に変形されると、装置１０は、このプロセスの間、材料の弾性エネルギを貯蔵し、装置１０を第２の変形位置から第１の通常位置に戻すように作用する力ｆを生成する。これにより、本発明は、流体圧が除去されるとき、作動力とは逆方向の力を加えるバネとして作用することができる。従って、本発明は、例えば、フェイルクローズ又はフェイルオープンバルブアクチュエータにおいて、アクチュエータ及びスプリングが現在２つの別個の、しかし接続されたコンポーネントとして適用されている用途において、アクチュエータ及びスプリングの両方を置き換えることができる。

【0093】

剛性ｋは、アクチュエータを第１の通常状態に戻す方向に力Ｆを提供し得る。力Ｆは、アクチュエータ及びそれが作用している負荷を通常状態に戻すのに使用するのに十分であり得る。剛性ｋは、１Ｎ／ｍｍより大きくてもよい。

【0094】

上記の説明は、本発明のいくつかの実施形態を提供するに過ぎず、本発明の精神及び／又は範囲から逸脱することなく、多くのバリエーションが存在し得ることが理解されるであろう。本発明の特定の特徴は、図面に一般的に記載され、図示されているように、広範な異なる構成に従って配置され、設計され得ることが本出願から容易に理解される。このように、本発明の説明及び関連する図面は、本発明の範囲を限定するものではなく、単に選択された実施形態を表すものである。

【0095】

当業者は、そうでないことが表されない又はこれらの特徴が、互換性がないことが明らかでない限り、所与の実施形態の技術的特徴を他の実施形態の特徴と実際に組み合わせることができることを理解するであろう。また、所与の実施形態に記載された技術的特徴は、そうでないことが表されない限り、この実施形態の他の特徴から分離することができる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6(a)】

【図6(b)】

【図6(c)】

【図6(d)】

【図7-1】

【図7-2】

【図8-1】

【図8-2】

【図9-1】

【図9-2】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14(a)】

【図14(b)】

【図14(c)】

【図15(a)】

【図15(b)】

【図15(c)】

【図16(a)】

【図16(b)】

【図16(c)】

【図17(a)】

【図17(b)】

【図17(c)】

【図18(a)】

【図18(b)】

【図18(c)】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【国際調査報告】