JP6284765B2 - 波状の構造物 - Google Patents

Description

本発明は、概括的には、波打ち可能歪みシートを含む構造物及びそれらの製作並びに使用方法に関する。詳細には、本発明は、これに限定するわけではないが、作業を実行するのに波状構造物を利用する各種機械類に関する。本明細書に記載する本発明の特有の実施形態として、変換器、ファン、ポンプ、拡声器、熱機関、及び波状推進システムが含まれる。

本出願は、２０１０年９月２７日出願のオーストラリア仮特許出願第２０１０９０４３４０号及び２０１１年４月２０日出願の同仮出願第２０１１９０１４８２号に対し優先権の利益を主張し、同仮出願の全てをそのまま参考文献としてここに援用する。

波状推進システムは、作業を実行するのに波打ち可能部材を利用する機械の典型例である。ある種の魚及び光線から得た生物学的な発想から、人工の波状推進システムは、一般的には、流体浸漬フィンを波状に動かすことで推力を生み出す。従来の回転式推進システムとは異なり、波状推進システムは、可動部品間の許容間隙要件が厳しいため、不具合が発生しやすい回転式のベアリング及びシールを持たない構造にすることができる。水中環境では、波状推進システムは、従来のプロペラベースの推進システムと比べて、潜在的に、低騒音で環境破壊が少なく、浸食損傷及び衝撃損傷の影響を受けにくい。

波状推進システムの持つ潜在的な利点及び長期に亘る関連研究にもかかわらず、波状推進システムのコスト、複雑性、及び性能の理由から、商用生産されることは、あったとはいえごくわずかであった。既知の波状推進システムは、一般的には、多数のアクチュエータ及び高度な制御システムを必要とする。例えば、振動及び制御に関する雑誌（Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ）第１２号、１２巻１２号（２００６年）、１３３７から１３５９頁（Ｌｏｗ他による）に記載されるロボット魚は、２０個のサーボモータと６個のマイクロコントローラで一対のフィンを作動させている。

前述のロボット魚のフィンは、滑り継手に相互接続される硬質のセグメントでできており、更に複雑性が増し、不具合が起きやすい。滑り継手は、作動要素間の変動する間隔に適応する必要があり、これは、フィンベースの波状推進システムに関する共通の問題である。代替的な解決方法として、作動要素間に隙間ができる可撓性材料でフィンを構成してきたが、これは、システム推進効率及び出力処理能力操作に悪影響を及ぼすものである。

流体及び構造物（Ｆｌｕｉｄｓ ａｎｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ）に関する雑誌２３号（２００７年）、２９７から３０７頁（Ｋｒｙｌｏｖ他による）には、単一の作動要素で作動され、電子制御が不要な比較的単純な波状推進システムに関する記載がある。このシステムは、モータ駆動式ピボット・アームを用いて、一方の縦方向縁部が固定されたゴム細片に弾性波を発生させる。このシステムの単純性の欠点は、ゴム細片の全体形状が非抑制的であり、出力供給が最適以下で制御困難なものになるいくつかの要因によって影響を受けることである。特に、周囲の流体によって減衰され、モータ駆動式ピボット・アームからの距離が大きくなるにつれて弾性波の振幅が小さくなり、弾性波の反射が相殺的干渉を引き起こす。

ＳＩＣＥ−ＩＣＡＳＥ国際合同会議（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｉｎｔ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ）（２００６年１０月）、５８４７から５８５２頁（Ｒｏｓｓｉｔｅｒ他による）には、比較的少ないアクチュエータ要素による駆動が可能ないくつかの波状推進システムと類似する、波形フィン様要素を有する装置が提示されている。この装置は、弾性的に歪み梁に取り付けられる一連のアクチュエータ要素を備える。アクチュエータ要素特有の活性化シーケンスは、梁の中間点に円形の変形経路を作り出す。この変形経路を用いることで、プラットフォームを活用した固形物の漸進的な運搬が可能になり、固形物を円形の変形経路の一部表面の梁の中間点から除荷する。好ましくないことに、この装置は、不均一な動きで固形物を運搬し、運搬される固形物を周期的に持ち上げるためには大きな作動力を必要とし、弾性状態と重力状態の両方において潜在的なエネルギーが回復しないことが原因で効率に損失が生じる。

波打ち可能歪みシートが、機械式変圧器として機能し得ることについて、これより説明する。機械式変圧器は、機械的な長所を利用して機械的エネルギー源のインピーダンスを負荷に合わせる目的で広く用いられている。入力端子及び出力端子の間の電力の電流に対する電圧比を変える変圧器と同様に、機械式変圧器は、機械動力の力の速度に対する比率を変える。

ソリッドステート変換器と連動して使用される機械式変圧器は、通常変換器の構造の中に内蔵される。機械的利点を提供する周知の型の変換器構造は、ベンダー、レバー式アーム、及び撓み張力を有する構造を含む。ソリッドステート変換器で一般的にみられる特徴は、機械的利点を提供する構造で使用される場合でも、これらの変換器が総弾性復元力を経験することである。この復元力は、平衡位置から離れるほど変形を妨げる力が強まる。その結果、総弾性復元力は、出力性能を低下させ、出力歪みを引き起こす。振動条件下では、総弾性復元力は、変換器の質量及び減衰特性と相まって周波数依存性応答を引き起こし、通常、狭帯域共振振動数時を除いて変換器効率が低下する。

内弾性をカウンタバランスさせ、総弾性力及びその効果を低下させる又はなくすような、機械式変圧器を組み込んだ変換器構造はほとんど報告されていない。そのような変換器構造は、米国特許第６，２３６，１４３号（Ｌｅｓｉｅｕｔｒｅ他による）に記載されており、この変換器構造は、軸圧縮を用いて圧電ベンダー要素を事前に曲げることで横剛性を低下させる。事前に曲げられたベンダー要素中の弾性力は、或る位置でカウンタバランスさせられるが、構造は、作動中に弾性影響を被っており、なぜならばこの構造には中立的に安定した変形経路がないからである。中立的に安定した変形経路を持たない変換器構造は、米国特許第４，０１０，６１２ 号（Ｓａｎｄｏｖａｌによる）で例示される連続したベルトベース設計及び第４５回ＡＩＡＡ／ＡＳＭＥ／ＡＳＣＥ／ＡＨＳ／ＡＳＣ構造物、構造力学及び材料会議の議事録（２００４年４月）、１９から２２頁（Ｍｕｒｐｈｅｙ他による）に記載されるような中立的な弾性テープばねを含む。総弾性復元力に関連付けられる欠点を克服しながらも、これらの変換器構造は共に、全作動能力中、いかなる時でも有効な作動能力の割合が非常に小さいため、出力密度が低い。更に、中立的弾性テープばねは、一般的な耐変形性が低いため、中立的な安定した経路のみならず、多くの利用に適さない。一方で、連続したベルト設計はより頑強であるが、ベルト張力を維持するのに必要な支持構造物の重量及び体積によって負荷がかかる。

他の場所では、構造中に鞍状構造物を見る場合もあるが、この構造物は、一般的にはカウンタバランス弾性力がないため、機械式変圧器等の機械類での使用には不適当である。米国特許第４，１８３，１５３号（Ｄｉｃｋｓｏｎによる）には、特定の形状をした可撓性材料を接合することで作られる双曲幾何学モデルが記載されており、この可撓性材料は、少なくとも部分的に均衡のとれた弾性力を有していることで鞍状構造を可能にする。記載される製作方法は、潜在的な不具合点である接合部を作ることで、幾何学形状及び材料特性に不連続性が生まれ、良好な弾性均衡を妨げる。

従来技術を踏まえ、本発明の目的は、従来技術の欠点又は欠陥の１つ又はそれ以上を対処する又は少なくとも改善する、又は少なくとも有益な代替物を公に提供することである。これより後の説明で更なる目的を明らかにする。

本発明の実施形態は、波状様式に変形可能な歪みシートを備える構造物に関する。

或る形態では、これが唯一のもの、又は実際にはもっとも一般的な形態というわけではが、本発明は構造物に関するものであり、その構造物は、
波型形状を有する歪みシートと、
歪みシートを波状様式に変形させるために歪みシートと連通する１つ又はそれ以上の作業入力要素であって、波型形状上の一連の点のそれぞれが、少なくとも部分的に、共通の座標系に対して８字形状経路に沿って移動する、１つ又はそれ以上の作業入力要素と、を備える。

歪みシートが鞍形状になっていて、その外周区分から見ると波型形状を有していれば好適である。他の構造では、歪みシートは、線形又は曲線状区分から見ると波型形状を有すると波型形状を有しており、魚のひれに更に似た波状構造物の形成を可能にする。歪みシートの形状は、波型形状の、見られる区分から垂直に伸びる方向の振幅が変化することから、更に影響を受けることがあり、様々な構造において、振幅は、実質的に一定であっても、単調であっても、又は波形に変化してもよい。

別の形態では、これがもっとも一般的な形態というわけではないが、本発明は構造物に関するものであり、その構造物は、
鞍点を有する歪みシートであって、鞍点に隣接する歪みシートの或る区分は、鞍形状を有する、歪みシートと、
歪みシートを変形させることで鞍点に対して前述の区分の鞍形状を回転可能に再度方向付けるように働く歪みシートの区分に接続される１つ又はそれ以上の作業入力要素と、を備える。

上述の形態のそれぞれでは、構造物は、機械と連通する１つ又はそれ以上の本体上で作業を実行するための機械であり、それによって、歪みシートが、波状様式に変形された結果、１つ又はそれ以上の本体上で作業を実行するものであれば好適である。
これらの実施形態では、歪みシートは、機械と連通する、１つ又はそれ以上の作業入力要素と１つ又はそれ以上の本体との間に機械的利点を提供するように作られた機械式変圧器として働き得る。

上述の構造物のそれぞれの形態において、歪みシートは、実質的に一定の総歪みエネルギーで波状様式に変形可能であるので、歪みシートは、弾性復元力の大きな抵抗もなく変更され得れば好適である。

更に別の形態では、これがもっとも一般的な形態というわけではないが、本発明は、波型形状を有する歪みシートと連通する１つ又はそれ以上の本体上で作業を実行するための方法に関するものであり、その方法は、歪みシートを変形させることを含み、歪みシートの波型形状上の一連の点のそれぞれが、少なくとも部分的に、共通の座標系に対して８字形状経路に沿って移動するので、歪みシートが、変形した結果、波状様式に動いて１つ又はそれ以上の本体上に動作を生み出す力を及ぼす。

更に別の形態では、これがもっとも一般的な形態というわけではないが、本発明は或る構造物を製作する方法に関し、その方法は、
歪み応力をその中に誘発することで柔軟性シートに波型形状を形成する段階と、
波型形状上の一連の点のそれぞれが、少なくとも部分的に、共通の座標系に対して８字形状経路に沿って移動するようにさせるために、柔軟性シートと連通する少なくとも１つの作業入力要素を提供する段階と、を備える。

柔軟性シートに波型形状を形成することが、圧延、ピーニング、艶付け、又はスピニングの形成工程によって柔軟性シートに残留応力を誘発することを含めば好適である。あるいは又は追加的に、柔軟性シートに波型形状を形成することは、柔軟なシートに外部から応力を加えることを含む。

この後の詳細な説明で本発明の更なる形態及び特徴を明らかにする。

本明細書で使用される場合、「シート」は、自身の長さおよび幅に対して厚みが小さく、平らであるかどうか、一定の厚さであるかどうかは問わない形状の製品を指し、その定義には以下の用語、プレート、細片、薄片、膜、曲面板（シェル）、薄膜、リボン、円板、及び環が含まれる。

本明細書で使用される場合、用語「歪められる」は、弾性不安定性の結果、シートが曲がった、歪んだ又は皺のよった歪み加工後の状態を指す。

本明細書で使用される場合、「加速」は、「減速」を含むものと定義する。

本発明の理解及びその効果の実現が容易となるように、これより添付図面について説明する。

本発明のある態様による構造物の斜視図を示す。 図１Ａに示す構造物の作動中の動作を図示する。 図１Ａの構造物の電気回路図を示す。 本発明の別の態様による線形変換器の斜視図を示す。 本発明の別の態様によるポンプの部分の部分透視斜視図を示す。 本発明の別の態様による装置の斜視図を示す。 図５Ａに示す装置の作動中の動作を図示する。 本発明の別の態様による熱機関の斜視図を示す。 図６Ａに示す熱機関の拡大した部分透視分解図を示す。 図６Ａの熱機関の流体流れ概略図を示す。 本発明の別の態様による外周結合の回転式アクチュエータの部分透視斜視図を示す。 本発明の別の態様による摩擦結合の回転式アクチュエータの部分透視斜視図を示す。 本発明の別の態様による別の構造物の部分透視斜視図を示す。 図１０Ａに示す構造物の作動中の動作を図示する。 図１０Ｂの拡大部分図を示す。 図１０Ａに示す構造物の電気回路図を示す。 図１０Ａに示す構造物を駆動する一連の電気波形を示す。 本発明の別の態様による気密密閉型ポンプの部分透視斜視図を示す。 本発明の別の態様による撹拌機の部分透視斜視図を示す。 本発明の参考例による超音波変換器の部分透視斜視図を示す。 本発明の参考例による回転抑制型波動装置の部分透視斜視図を示す。 側面から見た図１５Ａの回転抑制型波動装置の作動中の動作を図示する。 図１５Ａの回転抑制型波動装置を利用する直接結合のアクチュエータの側面図を示す。 本発明の参考例による並進抑制型波動装置の部分透視斜視図を示す。 側面から見た図１６Ａの並進抑制型波動装置の作動中の動作を図示する。 図１６Ａの並進抑制型波動装置を利用する形状結合のアクチュエータの側面図を示す。 本発明の参考例による８字抑制型波動装置の部分透視斜視図を示す。 側面から見た図１７Ａの８字抑制型波動装置の作動中の動作を図示する。 図１７Ａの８字抑制型波動装置を利用する摩擦結合のアクチュエータの側面図を示す。 本発明の別の態様による波状推進システムの部分透視斜視図を示す。 本発明の別の態様による波状押上機の部分透視斜視図を示す。 本発明の別の態様による構造物を製作する方法の一般的な流れ図である。 図２０に図示される方法の或る実施形態による図１０Ａの構造物を製作するための構成要素の斜視図を示す。 図２０に図示する方法の別の実施形態による図１Ａの構造物を製作するための構成要素の斜視図を示す。

図１Ａは、本発明の或る態様による構造物１００を図示する。構造物１００は、分散的な柔軟性を有し、中心が支持シャフト１２０と固定結合した歪みシート１１０を備える。歪みシート１１０は、その中の残留応力によって歪んでおり、波形状の、更に好適な実施形態では正弦波形状をした外周形状の１１２と、双曲放物面に似ていて全体的に鞍状の形状１１４であって、鞍形状１１４は、中心の鞍点１１６を有している鞍形状１１４とを備えており、正弦波形状をした外周形状の１１２は、中心の鞍点１１６からの距離が増すほど振幅が大きくなり、更に中立的な安定性も増す。構造物１００は、ユニモルフ様式の、歪みシート１１０上に環状に取り付けられる１２個の圧電アクチュエータ・セグメント１３０の形態をした作業入力要素を更に備える。支持シャフト１２０沿いに通っている電気コネクタ１４０及び歪みシート１１０は、アクチュエータ・セグメント１３０に電力を供給する。歪みシート１１０を取り囲み、歪みシートと連通している流体１５０は、歪みシート１１０が変形されるとその上で作業を実行することができる本体を随意的に備える。

図１Ｂは、作業中の構造物１００の動作を示しており、アクチュエータ・セグメント１３０は、特有の一連の電気入力に反応して作動し、歪みシート１１０を波状様式に変形させる。動きの時系列１６０は、歪みシート１１０の波状変形経路を示し、鞍形状１１４は、中心の鞍点１１６と関係性をもって回転可能に再度方向付けられる。動きの時系列１６０を通して正弦波形状をした外周形状１１２上の一連の点のうちの１つの点の動きを表すと、マーカー１７０は、曲線状の面外の、支持シャフト１２０に対して８字形状経路１８０に沿って進む。歪みシート１１０は、弾性復元力の大きな抵抗もなく波状様式に変形可能であるが、鞍形状１１４は、その二軸曲率故に、自身の重量としてはかなりの安定性を有す。

図２は、構造物１００の電気回路図２００を示しており、アクチュエータ・セグメント１３０が外周形状の中に描かれている。アクチュエータ・セグメント１３０は、歪みシート１１０の正弦波形状の外周形状１１２と一致しており、故に、正弦波状で変化する曲率を有する。三相電源２１０は、電気コネクタ１４０を通じてアクチュエータ・セグメント１３０に電力を供給する。電源２１０の各位相は、アクチュエータ・セグメント１３０の群に接続され、アクチュエータ・セグメント１３０は、正弦波形状の外周形状１１２の対称性のおかげで一致する大きさの曲率を動的に有す。交互アクチュエータ・セグメント１３０は、逆極性を備えて構成されるので、電源２１０の各位相で見えるようにアクチュエータ・セグメント１３０の曲率の見えている方向を合わせる。電源２１０によってアクチュエータ・セグメント１３０が作動すると、歪みシート１１０及びアクチュエータ・セグメント１３０の正弦波形状に変動する曲率を、作動の結果生じる外周曲げ力の回転性の正弦波パターンと合わせるように働く。

好都合なことに、歪みシート１１０の波状変形は、実質的に一定の総歪みエネルギーと共に、言い換えれば中立的に安定した変形経路に沿って起こり、弾性力は、歪みシート１１０とアクチュエータ・セグメント１３０の両方の中で、動的に平衡される。結果的に、アクチュエータ・セグメント１３０が生み出す作動力は、局部的な弾性復元力によって縮小され、伝統的な変換器構造と比べて、構造物１００が改善された力、変位及び歪みの特性ならびに高効率及び広帯域性能を示すようになる。弾性的な均衡に加えて、歪みシート１１０の波状変形は、動きの対称性によって動的に均衡がとられるので、騒音及び振動をもたらす、支持シャフト１２０上で歪みシート１１０の出す力が最小限に抑えられる。

アクチュエータ・セグメント１３０を用いて、歪みシート１１０を変形させ、鞍形状１１４を回転可能に再度方向付けることで、構造物１００は、モーフィング構造として機能することができ、この構造は、例えば、審美的ディスプレイとして又は流路の中で流体の流れを変えるために使用することができる。同様に、構造物１００は、流体１５０に対する作業を実行する機械として機能する場合もある。このような場合、歪みシートは、機械式変圧器として働くことができ、アクチュエータ・セグメント１３０の高応力での低歪み膨張を流体１５０の低圧での高撓みに変換する機械的倍率をもたらす。流体１５０で実行される作業を最大にするために、この装置によってもたらされる機械的倍率の量は、例えば、アクチュエータ・セグメント１３０を歪みシート１１０上で放射状に配置することで調節され得る。

流体１５０が空気である場合、構造物１００は、気流を発生させることでファンとして機能することができる。構造物１００は、従来式のファンと比べて低騒音、低コスト及び塵汚れに強く、圧電式のファンと比べて広範囲な速度全般に効率的に作動する能力がある。歪みシート１１０を波状に変形する速度に振動させるのに三相電源２１０を構成することで、構造物１００は、音響エネルギーを発生することで拡声器として機能することができる。従来式の可動コイル型拡声器と比べて、構造物１００は、高効率及び低歪みという潜在的利点を持っており、これには以下の理由、すなわち、中心ばねと中心ばねが発生する振動を管理するのに通常使用される付随的な電気的及び機械的減衰を必要とせずに、鞍形状１１４のどのような回転の方向からでも歪みシート１１０の変形を加速する能力と、歪みシート１１０の鞍形状の回転方向を正確に制御する能力と、大きな撓みを生み出す歪みシート１１０の性能と、歪みシート１１０の高い形状安定性、が挙げられる。構造物１００は、勿論空気以外の水などの流体において流動及び音響エネルギーを生み出すことができる。構造物１００が実行し得る他の機能については、図３及び図４を参照すれば明らかになる。

図３は、線形変換器３００を示しており、この変換器は、構造物１００と、構造物１００の支持シャフト１２０に滑動可能に取り付けられる摺動部３１０と、一方が構造物１００の歪みシート１１０に枢転可能に接続され、他方が摺動部３１０に枢転可能に接続される接続ロッド３２０とを備える。アクチュエータ・セグメント１３０を使って歪みシート１１０を波状様式に変形することで、変換器が線形アクチュエータとして機能し、摺動部３１０が支持シャフト１２０上で摺動するように促される。逆に作動させると、歪みシート１１０を波状様式に変形するために、摺動部３１０を振動力によって駆動することができ、アクチュエータ・セグメント１３０が電荷を発生させる。このようにして、線形変換器は、位置センサー又は発電機として機能し得る。

図４は、ポンプ４００を示しており、このポンプは、支持シャフト１２０ａが短いという点を除いて構造物１００と類似の変形構造部１００ａを備える。短縮支持シャフト１２０ａは、上半分ケーシング４１０と下半分ケーシング４２０の内側に固定接続されており、電気コネクタ１４０（示されず）が下半分ケーシング４２０の中を通っていて、このケーシング内で静的に密封されている。上半分、下半分のケーシング４１０、４２０は、透過的に示されており、歪みシート１１０の波状変形を収容するための空洞部４３０が見える。この空洞部は、流体入口４４０と流体排出口４５０を含む流体流路を形成している。歪みシート１１０の波状変形は、空洞部４３０を通る流体１５０（図示せず）を加速する。好都合なことに、ポンプは、一時的放出をなくすように気密密閉され得る。更に、ポンプは、流体１５０の加速を調節することで音響アクチュエータとして使用され得る。

図５Ａは、特にファンとしての使用に適した装置５００を図示する。装置５００は、変形構造物１００ｂを備えており、この構造物は、歪みシート１１０が中心ではなく縁部で支持シャフト１２０に固定接続されており、このためピーク変位が増す、という点を除いて構造物１００と類似する。
図５Ｂは、作動中の装置５００の動作を示しており、動きの時系列５１０が歪みシート１１０の変形経路を示す。

図６Ａ及び図６Ｂは、本発明の別の態様による熱機関６００を図示しており、図６Ｂがその構造を示す拡大した部分透視分解図を示す。熱機関６００は、回転子６１０と、上半分固定子６２０と、下半分固定子６３０を備える。上半分固定子６２０は、高温流体流入口６２１と、高温流体流入口ヘッダ６２３と、高温流体流入口ポート６２６と、低温流体流出口６２２と、低温流体流出口ヘッダ６２４と、低温流体流出口ポート６２５と、鞍形状上側接触面６２７とを含む。下半分固定子６３０は、高温流体流出口６３１と、高温流体流出口ヘッダ６３３と、高温流体流出口ポート６３６と、低温流体流入口６３２と、低温流体流入口ヘッダ６３４と、低温流体流入口ポート６３５と、鞍形状下側接触面６３７とを含む。回転子６１０は、回転可能シャフト６１１と、複数の中立的に安定した、回転可能シャフト６１１に軸固定される鞍形状歪みシート６１２と、各歪みシート６１２上に対称的に配置されかつ各歪みシートに結合された、１つ又はそれ以上の環状細片６１３とを備える。環状細片６１３は、歪みシート６１２を変形させる作業入力要素として働く熱バイモルフ要素６１４を形成するように、歪みシート６１２に対して異なる熱膨張係数を有している。熱バイモルフ要素６１４が外周のセンスで主として働くように、幅の狭い環状細片６１３が設計されている。熱バイモルフ要素６１４は、上側接触面６２７と下側接触面６３７との間に挟まれ、高温流体流入口ポート６２６と対向する高温流体流出口ポート６３６との間に高温流体流路６１５（図示せず）及び低温流体流入口ポート６３５と対向する低温流体流出口ポート６２５との間に低温流体流路６１６（図示せず）を形成するように穿孔を備える。随意的に、回転子６１０は、隣接する熱バイモルフ要素６１４間及び熱バイモルフ要素６１４と上半分固定子６２０、下半分固定子６３０との間に配置される穿孔対応隔子を更に含み、高温流体流路６１５と低温流体流路６１６との間で摩擦を小さくして流体漏出を減らす。

図７は、周辺形状に描写される熱バイモルフ要素６１４を備えた熱機関６００の流体の流れ略図７００を示す。高温流体７１０は、熱エネルギーを部分的に機械的作業に変換されるように熱機関６００に供給し、低温流体７２０は、廃熱の廃棄を可能にする。高温流体７１０及び低温流体７２０は、高温流体流路６１５と低温流体流路６１６をそれぞれ通ることで、歪みシート６１２を波状様式に変形させる熱バイモルフ要素６１４に或るパターンの外周曲げ力を発生するように作られた熱バイモルフ要素６１４の中に温度分布を促す。歪みシート６１２が波状様式に変形するために、熱バイモルフ要素６１４は、上半分固定子６２０と下半分固定子６３０と滑動可能に噛み合い係合するように上側接触面６２７と下側接触面６３７に押し付けられ、回転子６１０が連続して回転される。中立的に安定した変形経路に沿って更に作用シートを周期的に変形させる連続ベルト型熱機関と比べて、熱機関６００は、高出力密度を実現する能力があり、これには以下の理由、すなわち、熱バイモルフ要素６１４のコンパクトな積層性と、熱バイモルフ要素６１４が分散して曲げられているので、高比率の作動性能がいつでも有効であり得る点とが挙げられる。

熱機関６００の代替実施形態では、歪みシート６１２は、追加的方法又は代替的方法で、半分固定子６２０及び下半分固定子６３０と係合するように設計されてもよい。鞍形状歪みシートを相対的に回転する部材と係合させる或る代替方法を説明するために、図８は、外周結合の回転式アクチュエータ８００を示しており、このアクチュエータは、変形構造１００ｃと、変形構造１００ｃの細部が見えるように透過的に示されたハウジング８１０とを備える。変形構造１００ｃは、ハウジング８１０に対する安定性を提供し、出力を増すためにそれぞれの中心で支持シャフト１２０に固定接続された複数の歪みシート１１０を有する点を除いて構造１００と類似する。ハウジング８１０は、歪みシート１１０を捕捉することで支持シャフト１２０の相対的な軸の動作を防止する幾つかの突起８１２と、上から見ると歪みシート１１０の形状と一致する角が丸みを帯びた概ね四角い形の内部形状８１４とを含む。歪みシート１１０を波状様式に変形させると、歪みシート１１０は、ハウジング８１０と滑動可能に噛み合い係合する方法で外周部がハウジング８１０に押し付けられ、支持シャフト１２０がハウジング８１０に対して連続して回転される。

鞍形状歪みシートを相対的に回転する部材と係合させる別の或る代替方法を説明するために、図９は、摩擦結合の回転式アクチュエータ９００を示している。摩擦係合の回転式アクチュエータ９００は、構造物１００と、上側摩擦表面９１５を有する上半分ケーシング９１０と、下側摩擦表面９２５を有する下半分ケーシング９２０とを備える。構造物１００の歪みシート１１０は、上側摩擦表面９１５と下側摩擦表面９２５との間に挟まれているので、歪みシートは、正弦波形状の外周形状１１２の波の山部と谷部で上半分ケーシング９１０及び下半分ケーシング９２０と摩擦係合している。上半分、下半分のケーシング９１０、９２０は、透過的に示されており、歪みシート１１０の波状変形及び支持シャフト１２０の相対的な回転を収容するように作られ、その中に形成された空隙部９３０がみえる。図１Ｂ及び曲線状の面外の８字形状経路を参照すると、歪みシート１１０の波状様式の変形は、正弦波形状の外周形状１１２の山部と谷部で接線運動を引き起こすのが分かり、上方から見ると、支持シャフト１２０に対して同じ右回りのセンスで動いている。上側摩擦表面９１５及び下側摩擦表面９２５と接触しているこの区域の歪みシート１１０のこの同じセンスの接線運動は、上側摩擦表面９１５及び下側摩擦表面９２５上で同時に歪みシート１１０を転がるような動きで動かすように働く。これによって、支持シャフト１２０は、上半分、下半分ケーシング９１０、９２０に対して連続して回転される。

図１０Ａは、本発明の別の態様による別の構造物１０００を図示する。構造物１０００は、縦方向縁部１０１２沿いの比較的硬質な支持部１０２０に固定して、又は別の実施形態では枢動可能に接続される、熱によって活性化する形状記憶材料で作られた歪み細片１０１０を備える。
歪み細片１０１０は、線形区分から見ると波型形状１０１４を有しており、これは、縦方向縁部１０１２から横方向の振幅を大きくする。図示する実施形態では、歪み細片１０１０には波型形状１０１４があり、２つの波長を有しているが、別の実施形態では、非整数値を含む異なる数の波長を有していてもよい。構造物１０００は、中に埋め込まれる、又は代替実施形態では歪み細片１０１０の面に取り付けられる複数の周期的に作動可能な抵抗加熱要素１０３０を更に備える。歪み細片１０１０の形状記憶部分は、歪み細片１０１０を波状様式に変形するための作業入力要素として働くために、加熱要素１０３０によって特有の様式で活性化され得る。歪み細片１０１０と連通する流体１０４０は、熱だめとして働く。この熱だめは、加熱要素１０３０によって活発に加熱されていない歪み細片１０１０の一部を冷却することによって歪み細片１０１０の形状記憶を局部的に不活性にするためのものである。流体１０４０は、歪み細片１０１０が変形される場合にその上で作業を実行することができる本体として働いてもよい。随意的に、加熱要素１０３０は、図２１を参照して後で説明するように、歪み細片１０１０から電気的に絶縁されてもよい。

図１０Ｂは、作動中の構造物１０００の動作、動きの時系列１０５０を示し、波状様式に変形された歪み細片１０１０を図示している。好都合なことに、歪み細片１０１０は、分散的な柔軟性を有して波状様式に変形することで十分に柔軟性のある機構として働くので、滑り継手又は弛みの形成がなくても機能することが可能である。更に好都合なことに、歪み細片１０１０の歪み状態は、実質的に一定の総歪みエネルギーで歪み細片を波状様式に変形させることができるので、弾性復元力の大きな抵抗もなく歪み細片を変形し得る。図１０Ｃは、図１０Ｂの拡大された部分図である。動きの時系列１０５０を通して正弦波形状の１０１４上の一連の点のうちの１点の動きを表しており、マーカー１０６０は、曲線状の面外の、支持部１０２０に対して８字形状経路１０７０に沿って移動している。

図１１Ａは、構造物１０００の電気回路図１１００を示す。一連の電気波形１１１０は、縦形状に描写されている加熱要素１０３０に電力を供給する。
歪み細片１０１０を観察すると、正弦波形状１０１４の各半波長の３分の１が残りの３分の２と比べて比較的直線的であることが分かる。これに対応して、加熱要素１０３０は、形状記憶効果を用いて局部的な歪み取り応力を生み出すために、波長の６分の１ごとの間隔で歪み細片１０１０中に作られているので、歪み細片１０１０を波状様式に変形することができる。一連の電気波形１１１０は、第１位相１１２０、第２位相１１３０及び第３位相１１４０を備えており、これらの位相は、電気コネクタ１１５０を通る、歪み細片１０１０の各半波長の第３、第２及び第１の加熱要素１０３０への接続に関するものである。

図１１Ｂは、構造物１０００を駆動するための一連の電気波形１１１０の詳細を示す。もっとも基本的な形状では、一連の電気波形１１１０の位相１１２０、１１３０及び１１４０は順々に作動し、その順番及び頻度が、歪み細片１０１０の波状変形のそれぞれの方向及び速度を決める。
様々な目的で、位相１１２０、１１３０及び１１４０のこの基本的形状に変形を加えることができ、目的として、エネルギー効率の最大化、円滑な周波中の電力供給、過熱保護、及び過大応力保護が含まれる。前述の変形には、パルス幅変調、振幅変調、及び位相１１２０、１１３０及び１１４０間の順次処理の前進又は遅延のための時間変化１１６０が、これらに限定するわけではないが含まれる。示している構造物１０００の実施形態では、一連の電気波形１１１０は、歪み細片１０１０の開ループ制御を提供するが、温度又は位置に関するフィードバック等のフィードバックは、閉ループ制御用に含まれる。

歪み細片１０１０を波状様式に変形させるのに、作業入力要素として代替作動構成及び技術を用いてもよいことは容易に理解頂けるであろう。例えば、形状記憶材料に電流を直接通すこと、又は熱連通する適切な高温の流体を通すことによって、歪み細片１０１０の形状記憶を作動させてもよい。歪み細片１０１０は、作動することで直線化作用ではなく曲げる作用を発生させる形状記憶性能を有していてもよく、又は代わりに、図２０を参照して下文で説明するような他の手段で作動する、形状記憶材料以外の材料で構成されてもよい。動作の精度を増すため又は製造及び作動を簡素化するために、加熱要素１０３０の数を変更してもよい。更に、加熱要素１０３０を個別に制御して、歪み細片１０１０の形状に影響を与えてもよく、その波型形状１０１４の範囲内の振幅及び波長特性を含む。

構造物１０００は、歪み細片１０１０を目的の移動方向と平行に配置して水中に沈めて船舶へ取り付けることで、波状推進システムとして使用してもよい。当業者であれば明白であるが、構造物１０００は、構造物１００と類似の方法でアクチュエータ、センサー、発電機、ファン、ポンプ又は拡声器としても機能し得る。

図１２は、気密密閉型ポンプ１２００を図示しており、このポンプは、構造物１０００と、構造物１０００の支持部１０２０に固定して接続されるケーシング１２１０とを備える。ケーシング１２１０は、透過的に示されており、歪み細片１０１０の波状変形を収容し、流体１０４０（図示せず）の流れを案内するための楔形空洞部１２１２が見える。代替実施形態では、歪み細片１０１０の前縁及び／又は後縁は、抵抗を減らし、歪み細片１０１０の形状に与える端効果の衝撃を最小に抑えるために先細になっていてもよい。

図１３は、撹拌機１３００を図示しており、この撹拌機は、熱によって活性化する形状記憶材料で作られ、比較的硬質な曲線状支持部１３２０に固定して取り付けられる曲線状歪み細片１３１０を備える。撹拌機は、歪み細片を波状様式に変形させ、周囲の流体（図示せず）を撹拌するように働く、曲線状の歪み細片１３１０の中に埋め込まれる複数の加熱要素１０３０を更に備える。撹拌機１３００は、曲線状歪み細片１３１０が線形区分ではなく外周区分からから見ると波型形状１３１２を有する、という点を除いて構造物１００と類似する。代替実施形態では、曲線状歪み細片１３１０及び硬質の曲線状支持部１３２０は、不連続であってもよく及び／又は様々な曲率であってもよい。曲線状歪み細片１３１０は、曲線状区分から見ると波型形状１３１２を有する。

図１４は、本発明の参考例による音響変換器１４００を示す。音響変換器１４００は、形状記憶材料でできた歪みシート１４１０を備え、第１の縁部１４１２と対向する第２の縁部１４１４を有し、第１と第２の縁部、１４１２、１４１４は、フレーム１４２０に固定して接続されている。歪みシート１４１０は、フレーム１４２０によってかけられる力が生み出すせん断応力によって歪められ、歪みシート１４１０の線形区分から見ると波型形状１４１６を形成する。波型形状１４１６は、第１の縁部１４１２から離れたところでは実質的に一定の振幅を有し、歪みシート１４１０がフレーム１４２０に接続されている第１及び第２の縁部、１４１２、１４１４の近辺では振幅が小さくなる。音響変換器１４００は、歪みシート１４１０の上に配置される複数のストリップ加熱器１４３０と、歪みシート１４１０の形状記憶部分を活性化させるために電力をストリップ加熱器１４３０に送る一連の電極１４４０と、を更に備える。音響エネルギーは、歪みシート１４１０を波状様式に変形させる比率を制御するために適切な一連の電気波形を一連の電極１４４０に印加することで歪みシート１４１０と連通する流体（図示せず）の中で作られ、波型形状１４１６上の一連の点のそれぞれは、フレーム１４２０に対して８字形状経路に少なくとも部分的に沿って移動する。

歪みシート１４１０は、フレーム１４２０によってかけられる力が生み出すせん断応力によって歪められるが、シートを歪めるのに技術的に知られる多くの他の構成及び装置を、音響変換器１４００の代替実施形態で採用してもよい。例えば、弾性基板が及ぼす力を使って細片を歪める装置は、物理的審査Ｅ（Ｐｈｙｓｉｃａ Ｒｅｖｉｅｗ Ｅ）第１号７５巻０１６６０９頁（２００６年）（Ｃｏｎｃｈａ他による）に記載されている。歪みシート１４１０は直線状細片の歪めパターンを示しているが、音響変換器１４００の代替実施形態では、歪みシート１４１０が、波状様式に変形され得る波型形状も有する違った歪めパターンを呈する場合もあり、そのようなパターンには、格子稿、波打つ縞及び杉綾模様と表現されるものが含まれる。これらの歪めパターンのいくつかが二軸波型形状を有するように、歪みシート１４１０を波状様式に変形することが可能であり、その場合異なる方向の波状変形が発生し得る。

図１５Ａ、図１６Ａ、及び図１７Ａは、本発明の参考例を示し、図１８は、本発明の実施形態を示し、ここでは、互いに対して波型形状上の少なくとも２つの点の１つ又はそれ以上の自由度を動的に抑制する機構を用いて、細片が、波型形状を有する歪み形態に維持される。このような参考例及び実施形態のそれぞれでは、細片が周辺流体上で作業を実行するために細片の形状上の点を抑制する機構で働く作業入力要素によって、細片が波状方式に変形され得る。しかしながら、作業入力要素は、細片上で他の方法で働く場合もあり、その場合には、細片の形状上の点を抑制する機構は、細片が作業を実行する本体として機能し得る。

図１５Ａは、回転抑制型の波状装置１５００を図示しており、この装置は、波型形状１５１２を有し、並びに縦方向の複数の縁部に沿って一対の回転可能シャフト１５１４に堅固に、軸方向に接続される歪み細片１５１０を備える。回転可能シャフト１５１４は、フレーム１５２０に回転可能に接続されており、互いに対する回転を抑制するベルトプーリ機構１５３０に接続される。

回転抑制型波状装置１５００の作業中の動作を図示するために、図１５Ｂは、歪み細片１５１０が波状様式に変形される際の波型形状１５１２の動作図１５４０を示す。波型形状１５１２上の一連の点１５５０は、歪み細片１５１０が変形する際にそれぞれの経路１５６０を移動する。図１６Ｂ及び図１７Ｂを参照すれば明白となる歪み細片１５１０の変形の特性として、一連の点１５５０のそれぞれは、フレーム１５２０から読み取れる共通の座標系に対して８字形状経路を移動しており、各点が移動している８字形状経路と合致する経路を動いている。

線形変換器３００のように、回転抑制型波状装置１５００は、固形物に直接結合され、その上で作業を実行する。図１５Ｃは、直接結合型アクチュエータ１５７０を示し、このアクチュエータは、回転抑制型波状装置１５００と、歪み細片１５１０に固定される直結カプラ１５８０とを備える。歪み細片１５１０を波状様式に変形することで、直結カプラ１５８０に動きが生じ、好適な実施形態におけるこの動きは、直結カプラ１５８０が歪み細片１５１０上で中心に位置していることから直線的な動きとなる。

図１６Ａは、並進抑制型波動装置１６００を図示しており、この装置は、波型形状１６１２を有する歪み細片１６１０を備える。並進シャフト１６１４は、歪み細片１６１０の縦方向縁部と縦方向正中線に軸方向が揃えられ、並びに堅固に接続される。並進シャフト１６１４は、滑り子１６２０に枢動可能に接続され、この滑り子は、支持部材１６３０及びプーリ・カム１６２２に並進可能に直交接続することでスコッチヨーク機構を形成する。プーリ・カム１６２２は、支持部材１６３０に回転可能に接続され、並進シャフト１６１４の互いの並進運動を抑制するベルト１６２４によって互いに回転可能に抑制し合う。

並進抑制型波動装置１６００の作動中の動作を図示するために、図１６Ｂは、歪み細片１６１０が波状様式に変形される際の波型形状１６１２の動作線図１６４０を示している。波型形状１６１２上の一連の点１６５０は、歪み細片１６１０が変形する際にそれぞれの経路１６６０を移動する。図１７Ｂを参照するとより明白な、歪み細片１６１０の変形の特性として、一連の点１６５０のそれぞれは、支持部材１６３０から読み取れる共通の座標系に対して８字形状経路を移動しており、各点が移動している８字形状経路の水平成分と合致する経路を動いている。

並進抑制型波動装置１６００は、固形物に直接結合され、その上で作業を実行する、又は熱機関６００と類似の波型形状１６１２の形状によって連結され得る。図１６Ｃは、形状結合型アクチュエータ１６７０を示しており、このアクチュエータは、並進抑制型波動装置１６００と、歪み細片１６１０と滑動可能に噛み合い係合する波型形状スリット１６８２を有するカプラ１６８０とを備える。プーリ・カム１６２２が回転すると、形状カプラ１６８０に線形運動が生じる、又は逆に、形状カプラ１６８０が線形に運動すると、プーリ・カム１６２２に回転が生じる。

図１７Ａは、並進抑制型波動装置１６００と類似するが、付加的に一連のスコッチヨーク機構を備える、８字抑制型波動装置１７００を示している。８字抑制型波動装置１７００は、波型形状１７１２を有する歪み細片１７１０を備える。動的シャフト１７１４は、歪み細片１７１０の縦方向縁部と縦方向正中線に軸方向が揃えられ、並びに堅固に接続される。動的シャフト１７１４は、水平滑り子１７２０に枢動可能に接続され、この滑り子は、垂直滑り子１７２２及びカム１７３４に並進可能に直交接続することで水平作動スコッチヨーク機構を形成する。順次、垂直滑り子１７２２は、枢動可能に接続される案内部１７２４を介して支持部材１６３０及びプーリ・カム１６２２（垂直滑り子１７２２に隠れる）に並進可能に直交接続することで垂直作動スコッチヨーク機構を形成する。カム１７３４は、２：１比の内歯車装置（図示せず）を介してプーリ・カム１６２２に回転可能に接続されるので、水平滑り子１７２０及び、ひいては動的シャフト１７１４が支持部材１６３０に対して８字形状経路を移動する。プーリ・カム１６２２は、支持部材１６３０に回転可能に接続され、動的シャフト１７１４の互いの８字形状経路を抑制するベルト１６２４によって互いに回転可能に抑制し合う。

８字抑制型波動装置１７００の作動中の動作を図示するために、図１７Ｂは、歪み細片１７１０が波状様式に変形される際の波型形状１７１２の動作線図１７４０を示している。波型形状１７１２上の一連の点１７５０は、歪み細片１７１０が変形する際にそれぞれの経路１７６０を移動する。一連の点１６５０のそれぞれが、支持部材１６３０に対して８字形状経路を移動することが分かる。

８字抑制型波動装置１７００は、その上で作業を実行するように固形物に直接結合又は形状結合されてもよく、又はそうでなく、摩擦結合型回転アクチュエータ９００と類似して摩擦によって結合されてもよい。図１７Ｃは、摩擦結合型アクチュエータ１７７０を示しており、このアクチュエータは、摩擦を増やし並びに動的シャフト１７１４用隙間を設けるために、歪み細片１７１０に取り付けられる一連の柔軟性足部１７１６で変更された８字抑制型波動装置１７００を備える。摩擦連結型アクチュエータ１７７０は、柔軟性足部１７１６と摩擦係合するための上側内面１７８２及び対向する下側内面１７８４を有する摩擦カプラ１７８０を更に備える。歪み細片１７１０を波状様式に変形すると、上側内面及び下側内面、１７８２及び１７８４に接触する柔軟性足部１７１６上に協働的に作用する接線運動を与え、上側内面及び下側内面、１７８２及び１７８４上で歪み細片１７１０を転がるような動きで同時に動かす。回転防止案内部（図示せず）は、並進経路に摩擦カプラを抑制することで摩擦カプラ１７８０の回転を防止する。代替実施形態では、少なくとも１つの追加的な８字抑制型波動装置１７００、又は多波長の波型形状１７１２を有する歪み細片１７１０の使用を通して摩擦カプラが十分に支持される場合には、回転防止案内部がなくてもよい。

歪み細片１５１０、１６１０及び１７１０の動作は、それぞれの装置に動的抑制を与える機構によって波状周期の波状様式に変形される場合、２つの対向する位置で二分岐して明白な前方又は後方移動波長になる。装置１５００、１６００及び１７００の代替実施形態では、追加的な機構が、その確定的動作を提供するために、それぞれの歪み細片１５１０、１６１０及び１７１０上の追加的な点を動的に抑制するために提供され得、それによって、装置１５００、１６００及び１７００の、連続する波状周期の半分より多くが必要とされ、波の見掛けの方向が重要な適用への装置適合性が広がる。歪み細片１５１０及び１６１０上の追加的点の経路を動的に抑制することには付加的な複雑性が伴うが、歪み細片１７１０上の追加点を抑制することは、経路１７６０が合同であることから、適切に位相調節される二重スコッチヨーク機構を追加することで容易に実現することができる。歪み細片１５１０、１６１０及び１７１０上の追加点を完全に抑制する動作ではなく、その確定的動作提供するために、ばね、案内部又は補助アクチュエータ等の付勢機構を構成して、歪み細片１５１０、１６１０及び１７１０上で働かせてもよい。

歪み形態のシートを動的に維持するのにさまざまな機構を用いてもよいことは理解されるであろう。８字抑制型波動装置１７００を参照すると、４本のバー・リンク機構を、二重スコッチヨーク機構に置き換えて８字形状経路１７６０を作り出してもよく、また、歯車、機械的リンク機構又を電子制御アクチュエータをベルト１６２４に置き換えてもよい。図１８は、波状推進システム１８００を示しており、歪み細片上の点の動作を、結合した８字形状経路に抑制する、歯車結合の４本バー・リンク機構設計を図示する。波状推進システム１８００は、波型形状１８１２と、歪み細片１８１０の縦方向縁部及び２つの中間位置と軸方向が揃えられ、堅固に接続される動的シャフト１８１４とを有する歪み細片１８１０を備える。動的シャフト１８１４は、堅固に、又は代替実施形態では枢動可能に接続バー１８２０に接続され、接続バーは、片方の端部が第１クランク・アーム１８３０に回転可能に接続され、他方の端部が第２クランク・アーム１８３２に接続される。第１および第２のクランク・アーム１８３０及び１８３２は、取付け構造１８４０に回転可能に接続され、第１クランク・アーム１８３０は、ウォーム歯車装置１８６０及び非円形歯車装置１８６２によって駆動シャフト１８５０に接続され、これらの歯車装置も取付け構造１８４０に回転可能に接続される。歪み細片１８１０を実質的に一定の総歪みエネルギーで波状様式に変形させるために、非円形歯車装置１８６２は、駆動シャフト１８５０が一定速度で回転すると、動的シャフト１８１４に二軸正弦波動作を生じさせるような形状になっている。

歪み細片１８１０が確定的動作を起こすほど十分に抑制される間、第２クランク・アーム１８３２のそれぞれの回転方向は、それぞれの第１クランク・アーム１８３０と垂直方向に直線状になると二分岐する。歪み細片１８１０によって及ぼされる弾性力は、第２クランク・アーム１８３２の回転分岐を防止するように働くが、代替実施形態では、第１クランク・アーム１８３０及び第２クランク・アーム１８３２が、更に非円形歯車装置と連結してもよく、又はどのような非円形歯車装置も必要とせずに、従来式の作動歯車装置と連結してもよい。

好都合なことに、歪み細片１８１０の波型形状１８１２上の動的シャフト１８１４の数および間隔のおかげで、波状推進システム１８００は、波状サイクルを通じて一定の出力を伝えることができ、なぜならば、２つの最外動的シャフト１８１４では、２つの最内動的シャフト１８１４と比較して周辺流体によって示される荷重の半分が見込まれるからである。波状推進システム１８００の別の利点は、歪み細片１８１０が、複数のアクチュエータ及び複雑な制御システムなしで波状様式に変形可能であり、駆動シャフト１８５０での回転力の入力しか必要としないことである。

図１９は、構造物１０００と類似であるが、波状推進システム１８００のように機械的に駆動される波状押上機１９００を図示している。波状押上機１９００は、波型形状１９１２を有し、縦方向縁部に沿って裏当て構造物１９２０に固定して接続され、縦方向の間隔でその幅に沿ってその端部に隣接する支柱１９１４に固定して接続されるフィン様歪みシート１９１０を備える。支柱１９１４は、歪みシート１９１０が接続される場所に沿って中間位置で裏当て構造物１９２０に枢動可能に接続され、並びにもう一方の端部でそれぞれの接続ロッド１９３０の一方の端部に枢動可能に接続される。接続ロッド１９３０は、もう一方の端部でクランクシャフト１９４０に回転可能に接続され、それによって、クランクシャフト１９４０が回転すると、支柱１９１４が歪みシート１９１０に横力を及ぼすことができ、この横力が歪みシートを波状様式に変形させるように働き、波型形状１９１２上の一連の点の各点が、８字形状経路を動く。８字形状経路の縦方向要素は、歪みシート１９１０の圧縮剛性によるものであり、接続ロッド１９３０の継手の動作によって支柱１９１４内で調整される。

波状押上機１９００に使用されるクランクシャフト機構は、比較的低い部品総数を有しており、これは、支柱１９１４の非正弦波振動が原因で、歪みシート１９１０を中立的に安定的な経路に沿って変形させない。歪みシートが変形される際に歪みシート１９１０で発生する弾性力の結果生じる不均衡は、クランクシャフト１９４０上に振動トルクをかけ、その影響は、フライホイールをクランクシャフト１９４０に取り付けること又は平衡振動トルクを提供することによって抑えられ得る。歪みシート１９１０を波状様式に変形させるための波状押上機１９００の代替実施形態では、勿論他の機構設計を使用してもよく、これは、正弦波様式の支柱１９１４の振動を与えることで、クランクシャフト１９４０上の振動トルクを減らし得る。

図２０は、本発明の別の態様による構造物を製作する方法２０００の一般的な流れ図である。方法２０００は、その中に歪め応力を誘発することで柔軟性シートに波型形状を形成する段階２０１０を含む。一般的には、柔軟性シートは、２cmと２ｍの間の最大寸法を有するが、本発明の実施形態は、例えば、電気浸透ポンプ又は船舶推進機などの非常に小さい及び非常に大きい規模でも同様に有用である。

段階２０１０で使用される柔軟性シートは、任意の適切な自己支持材料で構成されてもよく、この材料は、一般的には、複合的な歪み及び作動応力に起因するプラスチック変形又は不具合を防止するのに十分な弾性限界を有するものである。他の材料選択の考慮すべき点には、疲労抵抗、弾性ヒステリシス、応力緩和特性及びクリープ特性並びに化学薬品、腐食、摩耗及び最高最低気温への耐性が含まれる。使用してもよい材料の一例として、限定するわけではないが、構造物１００の歪みシート１１０は、紙又はプラスチックでもよく、熱機関６００の歪みシート６１２及び環状細片６１３は、鉄、銅、ニッケル又はチタンベース合金でもよく、波状押上機１９００の歪みシート１９１０は、繊維強化エラストマでもよい。一般的には、柔軟性シートは、厚さが一定であり、当初は平坦で圧力がかかっていないが、その安定的な特徴に影響を及ぼすような変更を歪み構成に加えるように設計してもよい。柔軟性シートは、弾性力の均衡を取ることを平易にする等方性機械的特性を有すれば好適であるが、柔軟性シートにおいて歪め応力を誘発するのに異方性特性が有用な場合もある。

段階２０１０を実行するために、応力部材が柔軟性シートに加える力によって、歪め応力が柔軟性シートに誘発され得る。当該応力部材は、音響変換器１４００のフレーム１４２０のように静的であってもよく、又は波状推進システム１８００の動的シャフト１８１４のように動的であってもよい。活性可能な応力部材は更に、柔軟性シートが特定の歪み構成の安定性を歪める又は変更するように、柔軟性シートと組み合わせてもよい。柔軟性シートが、クリープ又は応力緩和が原因で固定的になったときに弾性均衡が経時的に低下する材料で構成される場合には、作動に必要な時だけ柔軟性シートに歪め応力を誘発させることは、利点である。或いは又は追加的に、柔軟性シートは、形成又は製作工程によって柔軟性シートに誘発される残留応力によって歪められてもよい。

段階２０１０を実行するために静的応力部材によって歪め力が柔軟性シートに及ぼされる前の柔軟性シートを示すために、図２１は、構造物１０００を製作するのに使用することができる構成要素２１００を図示している。構成要素は、加熱器サブアッセリ２１１０及び歪み細片１０１０になる母材２１２０を含む。加熱器サブアッセンブリ２１１０は、熱伝導性及び電気絶縁性を有する外層２１１２に覆われた抵抗加熱要素１０３０を備える可撓性細片加熱器である。母材２１２０は、平坦な環状扇形の形状になるような形状記憶材料で構成され、加熱器サブアッセンブリ２１１０が挿入及び固定されるポケット２１２２と、母材２１２０を支持部１０２０に固定して接続するリップ部２１２４と、を含む。リップ部２１２４とリップ部が固定される比較的硬い支持部１０２０との間の曲率差が原因で、母材２１２０中に歪め応力が発生する。

段階２０１０を実行するために柔軟性シートに残留応力を誘発する製作工程にかける前の柔軟性シートを示すため、図２２は、歪みシート１１０を製作するのに使用することができる構成要素２２００を図示している。構成要素２２００は、半径方向のスリット２２１５を有するスリット入り円板２２１０と、各半径方向縁部が半径方向スリット２２１５の対向縁部に接合される扇部２２２０とを含み、これにより、柔軟性シートが外周方向に圧縮される。スリット入り円板２２１０及び扇部２２２０は、構造を弱め、精密な弾性均衡を阻害する可能性のある幾何学的特性および材料特性の不連続性を回避するため、可能な限り均質的に接合されれば好適である。円板の外側環状区域に圧縮を発生させるように機械的、熱的、化学的、及び電磁的な成形工程を含む方法を用いて、平坦な円板に外周又は半径方向の残留応力を誘発することで、歪みシート１１０が接合部なしに製作されれば更により好適である。本目的の平坦な円板の外側環状区分を円周方向に伸張するのに適した機械的成形工程として、圧延、艶付け、プラスチック変形を起こす空力弾性フラッタに十分な速度で平坦な円板を回転させる非従来式スピニング、及びハンマー・ピーニング、ショット・ピーニング、レーザー・ピーニング及びドット・を含むピーニング、が含まれる。理解いただけるように、本発明の構造物を製作するのにこれらの成形工程の多くは、極めて一般的に適用することができ、例えば、歪み細片１０１０は、縦方向縁部１０１２から或る距離だけ離れたところから次第に強度を増しながらピーニングすることで残留歪め応力を誘発して形成され得る。

残留歪め応力を、更にシートの製作中に柔軟性シートに誘発してもよい。例えば、連続的な列のいくつかの編み目を変えることで歪められた糸から作られたクロッシェ編みの柔軟性シートについて、数学的情報提供（Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅｒ）、第２号２３巻（２００１年）、１３３７から１３５９頁（Ｈｅｎｄｅｒｓｏｎほかによる）では双曲平面の構造として記載している。記載される方法を編み、織り及び節取りなど他の製作工程に適用し得る方法は、当業者であれば理解されるであろう。残留歪め応力を柔軟性シートに誘発させる別の方法は、柔軟性シートの異方性特性を利用することであり、非対称性コンポジット積層板に関する技術分野で知られている。製紙用パルプ又はプラスチックなどの成形材料でできた柔軟性シートに残留歪め応力を誘発することも可能であり、これは、成形材料の波型形状を、乾燥、硬化、冷却などの工程で硬化する際に波打たせることで行われる。

波型形状を柔軟性シートに形成する段階２０１０の後、構造物を製作する方法２０００は、許容弾性均衡に関して柔軟性シートをチェックする段階２０２０を随意的に含む場合がある。弾性均衡チェックは、様々な位置で柔軟なシートを波状様式に変形させるのに必要な力を測定することで実行されれば好適であるが、柔軟性シートが波状様式に変形される間に柔軟性シートの振動を分析するなど他の方法で行われてもよい。通常、弾性均衡の目標状態は、柔軟なシートが弾性復元力の大きな抵抗もなく波形を保つような、中立的な安定性の状態である。しかしながら、幾つかの場合には、柔軟なシートが、１つ又はそれ以上の安定位置を含むような様々な歪みエネルギー形状を有していれば望ましい。例えば、線形変換器３００の滑り子３１０上に及ぼされる弾性復元力は、その位置に応じてカスタマイズすることができる。

段階２０２０で判定される柔軟性シートの安定性の状態が受容不可である場合、弾性均衡の段階２０３０を実行する。弾性均衡は、幾つかの方法で実現され、その方法には、柔軟性シート上で働く外部力の分布を変更することと、柔軟なシートの残留応力の分布を変更することと、柔軟性シートの幾何学的剛性を局部的に変更することと、柔軟なシートの材料剛性を局部的に変更することと、が含まれる。

構造物を製作する方法２０００は、その環境に対して柔軟性シートの変形経路を制御するための、及び場合によっては、機械エネルギーを伝えるための支持部に柔軟なシートを接合する段階２０４０を随意的に含む。支持部を収容するために柔軟性シートに穴が切り取られる場合、及び構造部１００のような他の場合で、中心穴が歪みシート１１０に切り取られる場合には、柔軟性シートの弾性均衡の補正が必要な場合がある。

構造部を製作する方法２０００は、波型形状を波状様式に変形させるための柔軟性シートと連通する作業入力要素を提供する段階２０５０を更に含む。一般的には、作業入力要素は、柔軟なシートに局部的に応力を加えることで波状変形を引き起こすアクチュエータであるが、波状の動きは、柔軟性シートの幾何学的剛性又は材料剛性を局部的に変更することで発生させてもよい。アクチュエータは、柔軟性シートと外部支持部との間に接合されてもよく、柔軟性シート上の２点間に接続されてもよく、分散様式で柔軟性シート上で働いてもよく、又は柔軟性シート自身を形成してもよい。アクチュエータは、主として柔軟性シートの縦方向又は外周上の曲げ部と結合するように配置されてもよいが、あるいは、柔軟性シートの横方向又は半径方向曲げ部と結合するように配置されてもよく、又はそれらの組み合わせでもよい。当業者であれば理解されるように、柔軟性シートの少なくとも部分的な波打ちを発生させるための作業入力要素として多数の代替的なアクチュエータの型及び構成を採用してもよい。適切なアクチュエータには、電磁式、静電式、油圧式、空圧式、熱性二材料式、圧電式、電気活性高分子式、形状記憶材料式、磁歪式及び電歪式のアクチュエータが、これらに限定するわけではなく含まれ得る。

図面を通して、鞍形状歪みシートの斜視図上にシートの曲率を強調する目的で投影グリッドを示しているが、これらのグリッドは本発明の境界を示すものではなく、又は本発明の一部を形成するものでもない。

本明細書を通して、本発明をどれか１つの実施形態又は特徴を備えた特定の収集物に限定することなく、本発明を説明することが本明細書での目的である。関連技術の熟練者であれば、特定の実施形態からの変形物は、それもなお本発明の範囲内に含まれることを理解されよう。

Claims (18)

1. 構造物において、
   波型形状を有する歪みシート、及び
   前記歪みシートを波状様式に変形させるために前記歪みシートと連通する少なくとも３つの作業入力要素であって、前記歪みシートの前記波型形状上の少なくとも３つの点の自由度を抑制する、前記少なくとも３つの作業入力要素により、前記波型形状上の一連の点のそれぞれが、少なくとも部分的に、８字形状経路に沿って移動する、少なくとも３つの作業入力要素、
   を備える構造物。
2. 前記歪みシートは、等方性機械的特性を有する材料を備える、請求項１に記載の構造物。
3. 前記歪みシートは、正弦波形状である波型形状を有する、請求項１に記載の構造物。
4. 前記歪みシートは、前記歪みシートの或る区分から見て波型形状を有し、前記区分は、円周の、線形の、及び曲線状の、から成る群から選択される形状を有する、請求項１に記載の構造物。
5. 前記歪みシートは、前記歪みシートの或る区分から見ると波型形状を有し、前記波型形状は振幅を有し、前記振幅は、記区分から垂直に伸びる方向において、実質的に一定の、単調な、及び波形に変化する、から成る群から選択される方法で特徴付けられる、請求項１に記載の構造物。
6. 構造物において、
   波型形状を有する歪みシートであり、前記波型形状は変化する振幅を有し、前記変化する振幅は前記歪みシート上の静止位置においてゼロに減少し、前記歪みシートは、前記静止位置において支持部に固定的に接続される、歪みシート、及び
   前記歪みシートを波状様式に変形させるために前記歪みシートと連通する１つ又はそれ以上の作業入力要素であって、前記波型形状上の一連の点のそれぞれが、少なくとも部分的に、８字形状経路に沿って移動する、１つ又はそれ以上の作業入力要素、
   を備える構造物。
7. 構造物において、
   鞍点を有する歪みシートであって、前記鞍点に隣接する前記歪みシートの区分が鞍形状を有する、歪みシート、及び
   前記歪みシートを変形させることで前記鞍点に対して前記区分の鞍形状を回転可能に再度方向付けるように働く前記鞍形状を有する前記歪みシートの前記区分に接続される１つ又はそれ以上の作業入力要素、
   を備える構造物。
8. 前記歪みシートは、前記歪みシートの中心において支持シャフトに固定的に接続される、請求項７に記載の構造物。
9. 前記歪みシートは、実質的に一定の総歪みエネルギーで波状様式に変形可能であるので、前記歪みシートが弾性復元力の大きな抵抗なく変形され得る、請求項１から８の何れかに記載の構造物。
10. 前記構造物は、以下に示す、変換器、アクチュエータ、センサー、発電機、ファン、ポンプ、拡声器、熱機関、及び推進システムのうちの１つの形態である、請求項１から９の何れかに記載の構造物。
11. 前記構造物は機械であり、前記機械は、前記歪みシートが波状様式に変形された結果として、前記歪みシートと連通する１つ又はそれ以上の本体上で作業を実行する、請求項１から９の何れかに記載の構造物。
12. 前記歪みシートは、前記作業入力要素と前記１つ又はそれ以上の本体との間に機械的倍率を提供するように作られる機械式変圧器である、請求項１１に記載の構造物。
13. 構造物を製作する方法において、
    歪み応力をその中に誘発することで柔軟性シートに波型形状を形成する段階、及び
    前記歪みシートの前記波型形状上の少なくとも３つの点の自由度を抑制する、少なくとも３つの作業入力要素により、前記波型形状上の一連の点のそれぞれが、８字形状経路を移動するようにさせるために、前記柔軟性シートと連通する少なくとも３つの作業入力要素を提供する段階、
    を含む方法。
14. 前記波型形状は変化する振幅を有して形成され、前記変化する振幅は前記柔軟性シート上の静止位置においてゼロに低下し、
    当該方法は、前記柔軟性シートを、前記静止位置において支持部に固定的に接続する段階を更に備える、請求項１３に記載の方法。
15. 弾性的に前記柔軟性シートの均衡を取る段階を更に備える、請求項１３に記載の方法。
16. 柔軟性シートに波型形状を形成する前記段階は、前記柔軟性シートに外部から応力を加える前記段階を備える、請求項１３に記載の方法。
17. 柔軟性シートに波型形状を形成する前記段階は、前記柔軟性シートに残留応力を誘発する前記段階を備える、請求項１３に記載の方法。
18. 前記柔軟性シートに残留応力を誘発する前記段階は、圧延、ピーニング、及びスピニングの前記群から選択される形成工程のうちの１つ又はそれ以上を含む、請求項１７に記載の方法。

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