JP2003281955A

JP2003281955A - アクチュエータとこれを利用した交換装置および制御装置

Info

Publication number: JP2003281955A
Application number: JP2002084626A
Authority: JP
Inventors: Masaru Honma; 大本間
Original assignee: Toki Corp
Current assignee: Toki Corp
Priority date: 2002-03-25
Filing date: 2002-03-25
Publication date: 2003-10-03

Abstract

(57)【要約】【課題】より小さな力で大きな制御力を生むという相
反する要求を満たすのは容易でない。【解決手段】二つのマイクロスイッチを対峙させ、そ
れぞれの操作部を押し合わせる。このマイクロスイッチ
は、操作部に操作力を加えて所定の切替点を越えると操
作部の反発力が減少する特性を持つ。そのような操作部
同士を押し合わせることにより、常にいずれかのマイク
ロスイッチがオンの状態で維持される。これら反発力の
差力をゼロにする方向で外力を加えることにより、わず
かな力でオンとオフが切り替わる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、アクチュエータ、
継電装置、交換装置、および制御装置に関する。本発明
は特に、スイッチ切替、継電経路切替、機械的制御など
に必要な操作力を軽減させたアクチュエータとこれを利
用した継電装置、交換装置、および制御装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】高感度スイッチのひとつとして、一般に
図１のようなマイクロスイッチがある。操作部１４に操
作力を加えると、可動片１６、アーム１８、および可動
バネ２２が連動して可動接点３２が第１の接点２８から
第２の接点３０へ移動してスイッチがオフからオンへ切
り替わる。このとき、可動バネ２２による押圧方向が変
化することによって、操作部１４の押し込み位置によら
ず確実な接点圧が保たれる。

【０００３】接点間における機械的開閉によって機能す
る上記のようなスイッチは、主に大電流の切替に用いら
れるため広い接点面積と接点間距離をもつ。このような
スイッチによれば比較的小さな力によって大きな制御が
可能となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ここで、マイクロスイ
ッチの性能を向上させるために、制御力を大きくする要
求と操作力を小さくする要求とがある。前者の要求を満
たすには、例えばモータを組み込むなどの方法も考えら
れるが、その反面で動作音が増加し、電力消費も増大す
る。これは後者の要求と相反する作用であり、両者を満
たすのは容易でない。

【０００５】本発明はこうした状況に鑑みなされたもの
であり、その目的はより小さな力で大きな機構を制御す
る新たな構成を提案する点にある。本発明の別の目的
は、大きな機構の制御に必要な電力を低減する点にあ
る。さらに別の目的は、より簡易な機構で安定的なスイ
ッチ動作を実現する点にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明のある実施の形態
はアクチュエータである。このアクチュエータは、操作
部に外力が加わったときにオンに切り替わるスイッチユ
ニットを備える。このスイッチユニットは、オン方向を
正とした外力を含む操作力が所定量Ｆを超えたときにオ
ンに切り替わり、操作力が所定量Ｆを超えるために必要
な外力を低減させるよう作用するオン方向を正とする補
助力が操作部に加えられている。その操作部には、オフ
方向を正とする反発力が働くとともに、その反発力はス
イッチユニットがオンに切り替わる位置において最大と
なる。スイッチユニットがオンに切り替わってそのオン
の終端位置に操作部が到達する間、オン方向を正とした
反発力と補助力との合成力は、オンに切り替わるときに
減少してその後は増加する。オン方向を正とする合成力
の最大値は、所定量Ｆより小さい。

【０００７】「外力」は、人間が指などで加える押圧力
であってもよいし、何らかの駆動手段を用いて加えられ
る押圧力であってもよい。「補助力」を実現するため
に、押しバネの反発力を利用してもよいし、このスイッ
チユニットと同型のスイッチユニットがもつ操作部の反
発力を利用してもよい。これら「外力」および「補助
力」は、オン方向を正とする力であれば足り、操作部に
向かって押圧する力であってもよいし、同じ方向に引っ
張る力であってもよい。

【０００８】この構成によれば、あらかじめ操作部に補
助力が加わっているので、操作部に本来加えるべき外力
より小さな力でスイッチを切り替えることができる。ま
た、この補助力の大きさが操作部による反発力と拮抗す
るほど、より小さな外力を加えるだけでスイッチを切り
替えることができる。

【０００９】本発明の別の実施の形態もまたアクチュエ
ータである。このアクチュエータは、操作部に外力が加
わったときにオンに切り替わるスイッチユニットを備え
る。このスイッチユニットは、所定の切替点を境にオン
とオフの２接点で高接点圧を保持するモーメンタリー式
のスイッチ機構を有し、オン方向を正とする外力を含む
操作力が所定量Ｆを超えたときに操作部が切替点を越え
て接点が切り替わり、その後は所定量Ｆより小さな操作
力でオンが維持されるよう構成される。操作部に対して
は、通常状態において所定量Ｆより小さな補助力がオン
方向に加えられており、さらに外力が与えられてその外
力と補助力の合計が所定量Ｆを超えたときに操作部が押
し込まれてそのスイッチユニットがオンに切り替わる。

【００１０】なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本
発明の表現を方法、装置、システム、などの間で変換し
たものもまた、本発明の態様として有効である。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は、一般的なマイクロスイッ
チの内部構成を示す。図１（ａ）におけるスイッチユニ
ット１０は、ケース１２、操作部１４、可動片１６、ア
ーム１８、可動バネ２２、共通端子ＣＯＭ、常時閉路端
子ＮＣ、および常時開路端子ＮＯを有する。ケース１２
は、樹脂部材にて形成された断面が略長方形の筐体であ
る。本図においては、ケース１２が開かれた状態で内部
構成が描かれている。

【００１２】操作部１４は、加えられた操作力に応じて
上下動する押しボタンである。可動片１６は、略Ｌ字状
の金属片であって、その上部に位置する一端が操作部１
４の下面に当接し、その右側に位置する他端が共通端子
ＣＯＭの略中央位置に係止される。この係止された位置
を支点にして可動片１６は上下動し、操作力が加えられ
ると図１（ｂ）のような状態に移動する。

【００１３】アーム１８は、その左側の端部が可動片１
６の上端に係止され、その右側の端部が上下動する可動
接点３２となる。アーム１８の左端は、操作部１４およ
び可動片１６の上下動に伴って上下動する。アーム１８
の右端は、可動バネ２２の位置に応じて上下動する。す
なわち、アーム１８の中央やや右寄りの位置に可動バネ
２２の右端が係止され、その可動バネ２２の左端は共通
端子ＣＯＭの略中央に係止され、これら両係止位置の関
係によって可動接点３２の位置が定まる。可動バネ２２
は、弓状の金属部材にて形成され、たわんだときの反発
力は、右端が左端より上方に位置すれば上向きとなり、
右端が左端より下方に位置すれば下向きとなる。この反
発力によって可動接点３２は第１、２の接点２８、３０
との間で高い接点圧を得る。

【００１４】図２は、一般的なマイクロスイッチにおけ
る操作部の位置と反発力の関係を示す。操作部１４は、
初期状態においてオフの位置にあり、この位置をゼロと
する。操作部１４に外力を加えてオン方向に移動させる
と、操作部１４の反発力は徐々に増加する。操作力が所
定量Ｆを超えるとき、すなわち操作部の反発力も所定量
Ｆを超える瞬間に、スイッチユニット１０はオフからオ
ンに切り替わり、操作部１４の反発力はオンを維持する
のに最低限必要な量ｆに減少する。そのまま操作部１４
をオン終端まで進行させるにつれて、操作部１４の反発
力も徐々に増加する。

【００１５】操作部１４に加えていた外力を減少させる
と、操作部の位置はオフ方向へ移動する。外力または操
作部の反発力が所定量ｆまで下がった瞬間、スイッチユ
ニット１０はオフに切り替わり、操作部１４の反発力が
増大する。そのまま操作部１４を初期位置まで戻すにつ
れて、操作部１４の反発力は徐々に低下する。

【００１６】マイクロスイッチは以上のような特性をも
つ。こうした特性は、以下述べる種々の新たな形態にお
いて生かされている。これらの実施の形態を以下説明す
る。

【００１７】（第１実施形態）図３は、本実施形態にお
けるアクチュエータの内部構成を示す。アクチュエータ
４０は、第１のスイッチユニット５０と第２のスイッチ
ユニット８０を備える。第１のスイッチユニット５０
は、第１のケース５２、第１の操作部５４、第１の可動
片５６、第１のアーム５８、第１の可動バネ６０、第１
の共通端子ＣＯＭ１０、第１の常時閉路端子ＮＣ１０、
および第１の常時開路端子ＮＯ１０を含む。第２のスイ
ッチユニット８０は、第２のケース８２、第２の操作部
８４、第２の可動片８６、第２のアーム８８、第２の可
動バネ９０、第２の共通端子ＣＯＭ２０、第２の常時閉
路端子ＮＣ２０、および第２の常時開路端子ＮＯ２０を
含む。

【００１８】これら第１、２のスイッチユニット５０、
８０は、第１、２の操作部５４、８４同士が対向して押
し合う形で対峙する。すなわち、第１、２の操作部５
４、８４は、それぞれの反発力が向き合っているので反
発し合った形となっている。第１、２のスイッチユニッ
ト５０、８０の内部構造は、それぞれ図１に示される構
造と同様なので、各部の説明は省略する。

【００１９】本図においては、第１のスイッチユニット
５０がオフの状態にあり、第２のスイッチユニット８０
がオンの状態にある。通常状態においては、第１のスイ
ッチユニット５０または第２のスイッチユニット８０の
一方がオン、他方がオフの状態で安定する。図示する状
態から第１のスイッチユニット５０がオンに切り替わる
ためには、第１の操作部５４に加えられる操作力が所定
量Ｆを超えればよい。同様に、第２のスイッチユニット
８０がオフに切り替わるためには、第２の操作部８４に
加えられる操作力が所定量ｆを下回ればよい。ここで、
第２の操作部８４の反発力は、第１の操作部５４に対し
て補助力として働く。したがって、第１のスイッチユニ
ット５０をオンに切り替えるために加えるべき外力は、
差力Δｆ＝Ｆ−ｆで足りる。第１のスイッチユニット５
０がオンになり、第２のスイッチユニット８０がオフに
なった後は、第２の操作部８４に外力としてΔｆを加え
られたときにはじめてオンとオフが切り替わる。このよ
うに、本実施形態のアクチュエータは２位置で安定する
双安定型のスイッチ動作を実現する。

【００２０】図４は、第１の操作部の位置、第１、２の
操作部の反発力、およびこれら反発力の合成力の関係を
示す。線１００は、第１の操作部５４の反発力の大きさ
を示し、線１０４は、第２の操作部８４の反発力の大き
さを示す。これらの反発力は互いに向かい合うので、相
互に補助力として働く。線１０２は、これら二つの反発
力の合成力を示す。すなわち、オフ方向を正とする第１
の操作部５４の反発力に、オフ方向を負とする第２の操
作部８４の反発力を足した力が線１０２に示される。こ
の線１０２のように、第１の操作部５４に外力として所
定量Ｆ_１を加えると第１のスイッチユニット５０がオフ
からオンに切り替わる。この状態では二つの反発力の合
成力が第１のスイッチユニット５０のオン方向を正とし
て働くので、外力が減少しても第１のスイッチユニット
５０のオンが維持される。すなわち、第２の操作部８４
の反発力は第１の操作部５４の補助力として働くととも
に、その大きさは、第１のスイッチユニット５０のオン
を維持するのに必要な所定量ｆ_１を上回っているのでオ
ンが維持される。その後は、第２の操作部８４に外力と
して所定量ｆ_１を加えると第１のスイッチユニット５０
がオンからオフに切り替わる。

【００２１】以上の構成によれば、操作部に補助力が加
えられているので、スイッチユニット単体の場合よりも
小さな外力でオンオフを切り替えることができる。ま
た、操作部の反発力が切替点を境に減少する特徴を利用
して、外力が加えられていない状態でも常にオンまたは
オフの状態で停止する双安定型のスイッチ動作を実現で
きる。

【００２２】（第２実施形態）本実施形態におけるアク
チュエータは、外力を加えるための操作レバーが設けら
れている点で第１実施形態と異なる。他の構成は第１実
施形態と共通するので説明を省略する。

【００２３】図５は、本実施形態のアクチュエータの構
成を示す。操作レバー１１０は、第１のスイッチユニッ
ト５０と第２のスイッチユニット８０の間に設けられ
る。操作レバー１１０は、第１の操作部５４と第２の操
作部８４に狭持されるとともに、右端部１１２が係止さ
れる。左端部に外力が加えられたときに右端部１１２を
支点にして上下動する。このとき、操作レバー１１０と
第１の操作部５４または第２の操作部８４の接点が作用
点となり、力点である左端部に加えられた外力が第１の
操作部５４または第２の操作部８４に伝達される。

【００２４】第１の操作部５４と第２の操作部８４の反
発力は図４に示される通りである。同図において、操作
レバー１１０を介して第１の操作部５４のオン方向に加
えられる外力が所定量Ｆ_１を超えれば第１のスイッチユ
ニット５０がオンに切り替わる。操作レバー１１０を介
して第２の操作部８４のオン方向に加えられる外力が所
定量ｆ_１を超えれば第２のスイッチユニット８０がオン
に切り替わる。本実施形態においては操作レバー１１０
が設けられているので、外力を加えやすい。

【００２５】図６は、本実施形態のアクチュエータの利
用形態を例示する。第１のスイッチユニット５０の第１
の共通端子ＣＯＭ１０と、第２のスイッチユニット８０
の第２の共通端子ＣＯＭ２０は、それぞれ電源１２０の
負極と正極に接続される。スイッチ１２２をオンすると
第１のスイッチユニット５０および第２のスイッチユニ
ット８０が導通する。図示するように第２のスイッチユ
ニット８０がオンになっている状態では、第１の常時閉
路端子ＮＣ１０と第２の常時開路端子ＮＯ２０がモータ
１２４の両電極に接続される。このとき、ノード１２６
側がプラスでノード１２８側がマイナスになる。

【００２６】第１のスイッチユニット５０がオンになっ
た状態では、第２の常時閉路端子ＮＣ２０と第１の常時
開路端子ＮＯ１０がモータ１２４の両電極に接続され
る。このとき、ノード１２６側がマイナスになり、ノー
ド１２８側がプラスになる。したがって、第２のスイッ
チユニット８０がオンになったときと比べてモータ１２
４の回転方向は逆になる。このように、第１、２のスイ
ッチユニット５０、８０のオンオフ切替によってモータ
１２４の回転方向を正逆で切り替えることができる。

【００２７】（第３実施形態）本実施形態のアクチュエ
ータは、操作レバーの構造が第２実施形態と異なる。そ
の他の構成は第２実施形態と共通するので説明を省略す
る。

【００２８】図７は、本実施形態のアクチュエータの構
成を示す。操作レバー１３０は、点１３２を支点として
左右両端部がシーソー式に上下に揺動する。この操作レ
バー１３０は、左右両端部に作用点をもち、その作用点
が第１の操作部５４または第２の操作部８４に操作力を
加える。ここで、第１、２の操作部５４、８４の反発力
は操作レバー１３０を介して互いに補助力として伝達さ
れる。図の状態では、第１の操作部５４の反発力が第２
の操作部８４の反発力を上回っている状態であり、その
差力を外力として操作レバー１３０に与えれば第１のス
イッチユニット５０がオンになり、第２のスイッチユニ
ット８０がオフになる。以上の構成によっても、わずか
な外力を操作レバー１３０に加えるだけでオンオフを切
り替えることができる。

【００２９】（第４実施形態）本実施形態のアクチュエ
ータは、操作レバーに一定方向の付勢力が加わっている
点で第２実施形態と異なる。他の構成は第２実施形態と
共通するので説明を省略する。

【００３０】図８は、本実施形態のアクチュエータの構
成を示す。バネ１３４は、第１のスイッチユニット５０
のオフ方向に操作レバー１１０を付勢する。したがっ
て、第１のスイッチユニット５０をオンするためには、
第２実施形態の構成でオンするのに必要な外力にバネ１
３４の付勢力を加えた大きさの外力を加える必要があ
る。また、第２の操作部８４による第１の操作部５４へ
の補助力は、第１のスイッチユニット５０がオンに切り
替わった後でオンを維持するのに必要な操作力より小さ
いので、外力が減少すると第１の操作部５４はオフ方向
へ移動する。第１のスイッチユニット５０をオンさせた
ままその状態を維持するためには、第２実施形態の構成
でオン維持に必要な外力にバネ１３４の付勢力を加えた
大きさの外力を加え続ける必要がある。なお、他の形態
として、バネ１３４のような押しバネではなく、引きバ
ネなどのバネ部材を用いてもよいし、その他バネ部材以
外の弾性体を用いてもよい。

【００３１】図９は、第１の操作部の位置、第１、２の
操作部の反発力、これら反発力の合成力、およびバネに
よる付勢力の関係を示す。線１００は、第１の操作部５
４の反発力を示す。線１０２は、図示しない第２の操作
部８４の反発力と第１の操作部５４の反発力との合成力
を示す。線１０６は、バネ１３４の反発力を示す。線１
０８は、第１、２の操作部５４、８４とバネ１３４の反
発力の合成力を示す。

【００３２】操作レバー１１０に加える外力が所定量Ｆ
_２を超えたときに第１の操作部５４がオンに切り替わ
る。オンになった後も、外力が所定量ｆ_２を超えていな
いとオンが維持されず、これを下回るとオフに切り替わ
る。図に示される通り、線１０８に示される力はつねに
オフ方向を正としており、これは外力が与えられていな
い状態では第１の操作部５４がオフに向かうことを示
す。すなわち、本実施形態のアクチュエータは単安定型
のスイッチ動作を実現する。

【００３３】（第５実施形態）本実施形態のアクチュエ
ータは、二つの操作部の反発力を対向させる代わりに、
操作部の反発力とバネの反発力を対向させる点で第２実
施形態と異なる。他の構成は第２実施形態と共通するの
で説明は省略する。

【００３４】図１０は、本実施形態のアクチュエータの
構成を示す。スイッチユニット５０の操作部５４には、
操作レバー１１０を介してバネ１３６による補助力が加
えられている。このバネ１３６による補助力は、バネ１
３６の反発力であってオフ方向を正としたときの操作部
５４の反発力の最大量より小さい。したがって、通常状
態においては操作部５４の反発力がバネ１３６の反発力
に優り、オフ状態が維持される。操作レバー１１０にオ
ン方向の外力が加えられ、その外力とバネ１３６による
補助力の合計が所定量を超えたときにスイッチユニット
５０がオンに切り替わる。

【００３５】図１１は、操作部の位置、操作部の反発
力、バネの反発力、およびこれら反発力の合成力の関係
を示す。線１００は、操作部５４の反発力を示し、線１
４０はバネ１３６の反発力を示す。線１４２は、操作部
５４の反発力とバネ１４０の反発力の合成力を示す。バ
ネ１３６の反発力は、操作部５４の位置がオン方向に進
行するにつれて減少する。線１４２に示される合成力
は、操作部５４の位置がオン方向へ進行するにつれて減
少し、オンに切り替わる位置において大きく減少する。
その後は、オン終端に到達するまでわずかに増加する。
オンに切り替わった後は、オン方向を正とするバネ１３
６の補助力が、オフ方向を正とする操作部５４の反発力
を上回っているので外力が減少してもオンが維持され
る。

【００３６】（第６実施形態）図１２は、本実施形態の
アクチュエータの構成を示す。本実施形態のアクチュエ
ータは、シーソー式の操作レバーを用いる点で第５実施
形態と異なる。バネ１３６の反発力は、操作レバー１３
０を介して操作部５４へ補助力として働く。操作部５４
の位置と各反発力の関係は図１１と同様である。この構
成によってもわずかな外力を操作レバー１３０に加える
だけでスイッチユニット５０がオンに切り替わる。オン
に切り替わった後のバネ１３６による補助力が操作部５
４の反発力を上回るよう構成すれば、外力が減少しても
そのままオンが維持され、双安定型のスイッチ動作が実
現される。バネ１３６による補助力が操作部５４の反発
力を下回るよう構成すれば、外力が減少するとオフ方向
へ操作部５４が移動し、単安定型のスイッチ動作が実現
される。

【００３７】（第７実施形態）図１３は、本実施形態の
アクチュエータの構成を示す。本実施形態のアクチュエ
ータは、操作レバーに加える外力を所定の駆動部によっ
て生成する点で第２実施形態と異なる。第２実施形態で
は、操作レバー１１０に加える外力は例えば人間が指な
どで加えていたが、本実施形態では、第１の駆動部１５
０または第２の駆動部１５２が外力を生成する。第１、
２の駆動部１５０、１５２は、電気エネルギーを力学的
エネルギーに変換することによって駆動力を生成する。
例えば、ソレノイドなどで電磁式に駆動してもよいし、
圧電式で駆動してもよい。

【００３８】図示する状態において、第２の駆動部１５
２が第１のスイッチユニット５０のオン方向に駆動力を
生成すると、これが操作レバー１１０を介して第１の操
作部５４に外力として伝達される。逆に第２のスイッチ
ユニット８０がオフの状態においては、第１の駆動部１
５０が第２のスイッチユニット８０のオン方向に駆動力
を生成すると、これが操作レバー１１０を介して第２の
操作部８４に外力として伝達される。

【００３９】以上の構成において、第１、２の駆動部１
５０、１５２が第１、２の操作部５４、８４に対する外
力を生成することにより、オンオフ切り替えがなされ
る。第２実施形態と同様に、スイッチユニット単体のと
きよりも小さな外力にて双安定型のオンオフ切替が実現
される。また、わずかな電気エネルギーを加えるだけで
オンオフを切り替えることができる。このアクチュエー
タ４０を継電装置などに利用してもよい。

【００４０】（第８実施形態）図１４は、本実施形態の
アクチュエータの構成を示す。本実施形態のアクチュエ
ータは、操作レバーに外力を加える駆動部がひとつであ
り、その外力と反対方向に付勢するバネを設けた点で第
７実施形態と異なる。駆動部１５０は、第２のスイッチ
ユニット８０のオン方向に駆動力を生成する。バネ１３
６は、第１のスイッチユニット５０のオン方向に操作レ
バー１１０を付勢する。

【００４１】バネ１３６の付勢力は、第１の操作部５４
に対する外力となるので、通常状態においては、第２の
操作部８４の反発力とバネ１３６による外力の合計が第
１のスイッチユニット５０のオンに必要な所定量を超
え、第１のスイッチユニット５０がオンの状態で安定す
る。駆動部１５０が生成する駆動力が操作レバー１１０
を介して第２の操作部８４に外力として伝達されたとき
に第２のスイッチユニット８０がオンに切り替わる。こ
の構成においても、小さな外力で第２のスイッチユニッ
ト８０をオンに切り替えられ、また通常状態においては
バネ１３６の反発力によって第２のスイッチユニット８
０がオフになるような単安定型のスイッチ動作が実現さ
れる。

【００４２】（第９実施形態）図１５は、本実施形態の
アクチュエータの構成を示す。本実施形態のアクチュエ
ータは、スイッチユニットが一つである代わりにバネを
設けてある点で第７実施形態と異なる。バネ１３６は、
第７実施形態の第２のスイッチユニット８０の位置に設
けられ、その付勢力は第１のスイッチユニット５０のオ
ン方向に補助力として働く。

【００４３】第１の駆動部１５０が生成する駆動力は、
第２のスイッチユニット５０のオン方向に働き、第２の
駆動部１５２が生成する駆動力は、第１のスイッチユニ
ット５０のオン方向に働く。バネ１３６による付勢力が
第１の操作部５４の反発力の最大値と拮抗するように設
定されていれば、第１のスイッチユニット５０のオンオ
フ切替に必要な外力は極めて小さくて足りるので、第
１、２の駆動部１５０、１５２が生成すべき駆動力を小
さくすることができる。

【００４４】（第１０実施形態）図１６は、本実施形態
のアクチュエータの構成を示す。本実施形態のアクチュ
エータ４０は、駆動部が一つである点で第９実施形態と
異なる。通常状態においては、バネ１３６の付勢力によ
り操作部５４がオン方向に押し込まれ、オンの状態が維
持される。駆動部１５０がスイッチユニット５０のオフ
方向に駆動力を与えるとスイッチユニット５０がオフに
なる。駆動部１５０による駆動力が与えられていない状
態において常に操作部５４がオン方向に向かうために
は、少なくともバネ１３６による付勢力がスイッチユニ
ット５０をオンするのに必要な所定量を超えていなけれ
ばならない。ただし、それらの大きさがほぼ拮抗してい
れば、駆動部１５０がわずかな駆動力を与えるだけでス
イッチユニット５０はオンに切り替わる。このような構
成によっても単安定型のスイッチ動作を実現できる。

【００４５】（第１１実施形態）本実施形態のアクチュ
エータは、駆動部として形状記憶合金を利用する点で第
７〜１０実施形態と異なる。ここでは、電気エネルギー
を力学的エネルギーに変換する材料として形状記憶合金
を用いる。この形状記憶合金で形成された線材を利用す
る駆動部は、通電時に生じる温度変化によって形状回復
を起こす。この形状回復力を利用して第１、２の操作部
５４、８４のオン方向に外力を加えるものである。モー
タなどの駆動装置を用いて駆動力を生じさせる場合と異
なり、ほぼ無音で動作する点で有利である。

【００４６】図１７は、本実施形態のアクチュエータの
構成を示す。本実施形態のアクチュエータ４０は、第
１、２の駆動部１６０、１６２を含む。第１の駆動部１
６０は、スイッチ１６８がオンされて電源１２０と導通
したときに、温度変化に伴って生じる形状回復力が第１
の操作部５４に対する外力となる。同様に、第２の駆動
部１６２は、スイッチ１６６がオンされて電源１２０と
導通したときの形状回復力が第２の操作部８４に対する
外力となる。第１の操作部５４と第２の操作部８４の反
発力の関係は図４に示される通りであり、第１実施形態
と同様、わずかな外力で双安定型のスイッチ動作が実現
される。

【００４７】第１、２の駆動部１６０、１６２は、二方
向性形状記憶効果をもつ形状記憶合金で形成される。こ
れにより、スイッチ１６８のオンオフに対して迅速かつ
安定的な応答が得られる。また、わずかな形状回復力に
て第１、２のスイッチユニット５０、８０のオンオフ切
替を実現できるので、形状回復力がその材料強度を超え
るのを回避でき、形状記憶合金の劣化を低減できる。

【００４８】形状記憶合金の通電加熱は低い電圧で実現
できる。電源１２０の電圧が高い場合には、図１７のよ
うに経路に制限抵抗１６４を挟めばよい。図１８のよう
に電源１７４が交流電源の場合は、経路にコンデンサ１
７０、１７２を入れて直流に変換すればよい。なお、二
つの駆動部はそれぞれが別個の操作部に対して独立して
外力を与える。したがって、万が一第１、２の駆動部１
６０、１６２の双方が通電してしまった場合にも、図１
９の通りそれぞれが第１の操作部５４と第２の操作部８
４を押下するだけであり、押し合いや引っ張り合いは生
じない。

【００４９】本実施形態の構成によればオンオフの切替
時にのみ電圧をかければ足りるので省電力効果もある。
また、オンオフ切替の瞬間しか電流を必要としないの
で、図２０のように短絡させる形で接続させたコンデン
サ１７６の充放電により生じる単発的なパルス電流で動
作させてもよい。

【００５０】（第１２実施形態）図２１は、４個のスイ
ッチユニットを含んだアクチュエータの構成を示す。本
実施形態のアクチュエータ４０が含む第１、２、３、４
のスイッチユニット５０、８０、１８０、１８２は、そ
れぞれ第１、２の駆動部１６０、１６２のうちいずれか
から外力を受けてオンに切り替わる。第１、３のスイッ
チユニット５０、１８０は、第１の駆動片１８４を介し
て第１の駆動部１６０から外力を受ける。同様に、第
２、４のスイッチユニット８０、１８２は、第２の駆動
片１８６を介して第２の駆動部１６２から外力を受け
る。

【００５１】第１、２、３、４のスイッチユニット５
０、８０、１８０、１８２は、それぞれの操作部の反発
力が互いにオン方向の補助力となっているので、わずか
な外力を受けるだけでオンに切り替わる。本実施形態の
ようにスイッチユニットを３個以上にしてもオンオフ切
替負荷は小さい。

【００５２】図２２は、本実施形態のアクチュエータを
電源に接続した配置を例示する。第１のスイッチユニッ
ト５０に関しては、第１の常時閉路端子ＮＣ１０が電源
１２０に接続されており、第１の常時開路端子ＮＯ１０
は電源１２０に接続されていない。したがって、第１の
スイッチユニット５０がオンにされて接点が第１の常時
閉路端子ＮＣ１０から第１の常時開路端子ＮＯ１０に切
り替わると、第１の駆動部１６０は電源１２０から遮断
されることになる。

【００５３】第２のスイッチユニット８０に関しては、
第２の常時開路端子ＮＯ２０が電源１２０に接続されて
おり、第２の常時閉路端子ＮＣ２０は電源１２０に接続
されていない。したがって、第２のスイッチユニット８
０がオフにされて接点が第２の常時開路端子ＮＯ２０か
ら第２の常時閉路端子ＮＣ２０に切り替わると、第２の
駆動部１６２は電源１２０から遮断されることになる。

【００５４】このような構成によれば、第１、２の駆動
部１６０、１６２が通電してスイッチのオンオフが切り
替わると同時に、これら駆動部が電源１２０から遮断さ
れるので、例えば形状記憶合金の適正電圧を上回るよう
な広い範囲の電圧で動作させることもできる。

【００５５】（第１３実施形態）本実施形態において
は、駆動部として用いる形状記憶合金に通電以外の方法
で形状回復力を生じさせる点で、第１１、１２実施形態
と異なる。ここでは、熱エネルギーを力学的エネルギー
に変換する材料として形状記憶合金を用いる。

【００５６】図２３は、本実施形態のアクチュエータの
構成を示す。バネ１３６は、第１のスイッチユニット５
０のオフ方向に付勢力を生じる。駆動部１９０は、周囲
の温度変化によって生じる形状回復力を第１のスイッチ
ユニット５０のオン方向に外力として加える。これによ
り、温度が上昇してわずかに形状回復力が生じれば第１
のスイッチユニット５０がオンに切り替わり、温度が元
に戻ればバネ１３６の付勢力により第１のスイッチユニ
ット５０がオフになる。他の形態では、周囲の温度が下
降したときに第１のスイッチユニット５０がオンに切り
替わり、温度が元に戻ったときに第１のスイッチユニッ
ト５０がオフになるよう構成してもよい。以上の構成に
より、単安定型のスイッチ動作が実現される。

【００５７】（第１４実施形態）本実施形態のアクチュ
エータは、含まれるスイッチユニットが一つである点で
第１３実施形態と異なる。また、図２４に示されるバネ
１３６の付勢力は、第１３実施形態と異なり、第１のス
イッチユニット５０のオン方向に働く。すなわち、この
付勢力はスイッチユニット５０のオン方向を正とする補
助力となる。したがって、駆動部１９０が周囲の温度変
化によってわずかに形状回復力を生じるだけで、これが
外力となってスイッチユニット５０がオンに切り替わ
る。バネ１３６の付勢力を用いる分、駆動部１９０の形
状回復力は小さくて足りるので、形状記憶合金を細くす
ることもできる。また、一般的なサーモスタットより感
度と応答性が高く、長寿命の感温型継電装置を実現でき
る。

【００５８】バネ１３６の付勢力は、スイッチユニット
５０をオンのまま維持するのに必要な力より低く設定さ
れており、周囲の温度が元に戻ると、スイッチユニット
５０は操作部５４の反発力によってオフに切り替わる。
他の形態としては、形状記憶合金の代わりに超弾性合金
を用いてもよい。これは、一般に変態点が室温以下にな
る特性を有するので、動作温度を移動できる。さらに他
の形態としては、形状記憶合金の代わりにバイメタルを
用いてもよい。バイメタルは、形状記憶合金に比べて応
答性や出力の点で劣るが、本実施形態においてはわずか
な外力を生じさせるものであれば足りるのでその性質を
活かすことができる。

【００５９】（第１５実施形態）本実施形態は、第１〜
１４実施形態のアクチュエータを交換装置に利用した例
である。また、本実施形態の交換装置に含まれる信号経
路は光ファイバで形成される光経路である。

【００６０】図２５は、本実施形態の交換装置を例示す
る。交換装置２５０において、第１、２、３のケーブル
２００、２０２、２０４は、それぞれ光ファイバで形成
される。第１、２の操作部５４、８４の上下動により接
点が切り替わる。接点の上下動により第１、２のアーム
２０６、２０８も上下動するとともに、第１のケーブル
２００の左端も上下動し、その接続先が第２のケーブル
２０２と第３のケーブル２０４の間で切り替わる。接点
圧が高いので、光ファイバの曲げも比較的容易に実現で
きる。

【００６１】（第１６実施形態）本実施形態は、第１〜
１４実施形態のアクチュエータをバルブの開閉切替を制
御する装置に利用した例である。

【００６２】図２６は、本実施形態の制御装置を例示す
る。制御装置２６０において、第１の操作部５４の上下
動による接点の切替に伴い、アーム２１０が上下動す
る。第１のスイッチユニット５０がオフの状態において
は、バルブ２２０はバネ２２２によって緩く下方に付勢
されており、下方からの圧力に応じて開閉動作する。第
１のスイッチユニット５０がオンの状態においては、バ
ルブ２２０はアーム２１０を介して下方にロックされ、
下方からの圧力が生じても開閉動作しない。

【００６３】このように、バルブ２２０の開閉自由な状
態と開閉停止の状態を切り替えるときに第１、２の駆動
部１６０、１６２のいずれかに通電する。第１、２の駆
動部１６０、１６２の形状回復力が最終的にバルブ２２
０に作用することにより上記２状態の切替を制御でき
る。この切替時にしか電力がいらないので省電力効果が
ある。

【００６４】以上、本発明を実施の形態をもとに説明し
た。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素
や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形が可能なこ
と、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当
業者に理解されるところである。そうした変形例を以下
挙げる。

【００６５】上記の実施形態においては、スイッチユニ
ットとして一般的なマイクロスイッチを例示したが、こ
のような構成に限らない。例えば、常時開型のスイッチ
機構だけでなく、常時閉型のスイッチ機構や両者を併せ
持つ二接点式のスイッチ機構を用いてもよい。また、ス
イッチユニットに含まれる可動バネとして弓状クリック
バネを例示したが、例えばドーム状のクリックバネを使
用してもよい。さらに、駆動部として永久磁石を用いて
もよい。

【００６６】第１３実施形態において、熱エネルギーを
力学的エネルギーに変換する材料として、形状記憶合金
を例示した。変形例においては、超弾性合金やバイメタ
ルなどの他の材料を用いてもよいし、その他の熱機関を
利用してもよい。

【００６７】第１〜１４実施形態のアクチュエータは、
わずかな力を加えただけで簡単に接点が切り替わるが、
切り替わった後はその状態が強い力で保持される。その
ような特性を用いた変形例として、例えばこのアクチュ
エータを用いて制動力を生むブレーキ機構や、このアク
チュエータを用いて半導体ウエハなどを把持する把持装
置を実現してもよい。

【００６８】

【発明の効果】本発明によれば、比較的小さな力で大き
な制御を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一般的なマイクロスイッチの内部構成を示す
図である。

【図２】一般的なマイクロスイッチにおける操作部の
位置と反発力の関係を示す図である。

【図３】第１実施形態におけるアクチュエータの内部
構成を示す図である。

【図４】第１の操作部の位置、第１、２の操作部の反
発力、およびこれら反発力の合成力の関係を示す図であ
る。

【図５】第２実施形態のアクチュエータの構成を示す
図である。

【図６】第２実施形態のアクチュエータの利用形態を
例示する図である。

【図７】第３実施形態のアクチュエータの構成を示す
図である。

【図８】第４実施形態のアクチュエータの構成を示す
図である。

【図９】第１の操作部の位置、第１、２の操作部の反
発力、これら反発力の合成力、およびバネによる付勢力
の関係を示す図である。

【図１０】第５実施形態のアクチュエータの構成を示
す図である。

【図１１】操作部の位置、操作部の反発力、バネの反
発力、およびこれら反発力の合成力の関係を示す図であ
る。

【図１２】第６実施形態のアクチュエータの構成を示
す図である。

【図１３】第７実施形態のアクチュエータの構成を示
す図である。

【図１４】第８実施形態のアクチュエータの構成を示
す図である。

【図１５】第９実施形態のアクチュエータの構成を示
す図である。

【図１６】第１０実施形態のアクチュエータの構成を
示す図である。

【図１７】第１１実施形態のアクチュエータの構成を
示す図である。

【図１８】第１１実施形態のアクチュエータの利用形
態を例示する図である。

【図１９】第１１実施形態のアクチュエータにおいて
二つの操作部が双方とも押下された例を示す図である。

【図２０】第１１実施形態のアクチュエータの利用形
態を例示する図である。

【図２１】第１２実施形態における４個のスイッチユ
ニットを含んだアクチュエータの構成を示す図である。

【図２２】第１２実施形態のアクチュエータを電源に
接続した配置を例示する図である。

【図２３】第１３実施形態のアクチュエータの構成を
示す図である。

【図２４】第１４実施形態のアクチュエータの構成を
示す図である。

【図２５】第１５実施形態の交換装置の構成を示す図
である。

【図２６】第１６実施形態の制御装置の構成を示す図
である。

【符号の説明】

４０アクチュエータ、５０、８０、１８０、１８２
スイッチユニット、５４、８４操作部、１１０、
１３０操作レバー、１３４、１３６バネ、１５
０、１５２、１６０、１６２、１９０駆動部、２１
０アーム、２２０バルブ、２５０交換装置、
２６０制御装置。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｈ０１Ｈ 51/20 Ｈ０１Ｈ 51/20 Ｚ 57/00 57/00 Ｚ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】操作部に外力が加わったときにオンに切
り替わるスイッチユニットを備え、前記スイッチユニットは、オン方向を正とした前記外力
を含む操作力が所定量Ｆを超えたときにオンに切り替わ
り、前記操作力が所定量Ｆを超えるために必要な外力を低減
させるよう作用するオン方向を正とする補助力が前記操
作部に加えられており、前記操作部には、オフ方向を正とする反発力が働くとと
もに、その反発力は前記スイッチユニットがオンに切り
替わる位置において最大となり、前記スイッチユニットがオンに切り替わってそのオンの
終端位置に前記操作部が到達する間、オン方向を正とし
た前記反発力と前記補助力との合成力は、オンに切り替
わるときに減少してその後は増加し、オン方向を正とする前記合成力の最大値は、前記所定量
Ｆより小さいことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】オンに切り替わった後で前記合成力がオ
ン方向を正として働くよう構成することにより、前記外
力が減少してもオンまたはオフが維持される双安定型の
スイッチ動作を実現することを特徴とする請求項１に記
載のアクチュエータ。
【請求項３】オンに切り替わった後で前記合成力がオ
フ方向を正として働くよう構成することにより、前記外
力が減少するとオフに向かう単安定型のスイッチ動作を
実現することを特徴とする請求項１に記載のアクチュエ
ータ。
【請求項４】操作部に外力が加わったときにオンに切
り替わるスイッチユニットを備え、前記スイッチユニットは、所定の切替点を境にオンとオ
フの２接点で高接点圧を保持するモーメンタリー式のス
イッチ機構を有し、オン方向を正とする前記外力を含む
操作力が所定量Ｆを超えたときに前記操作部が前記切替
点を越えて接点が切り替わり、その後は前記所定量Ｆよ
り小さな操作力でオンが維持されるよう構成され、前記操作部に対しては、通常状態において前記所定量Ｆ
より小さな補助力がオン方向に加えられており、さらに
外力が与えられてその外力と前記補助力の合計が前記所
定量Ｆを超えたときに前記操作部が押し込まれてそのス
イッチユニットがオンに切り替わることを特徴とするア
クチュエータ。
【請求項５】前記補助力は、オンに切り替わった後で
オンを維持するのに必要な操作力以上になるよう構成す
ることにより双安定型のスイッチ動作を実現したことを
特徴とする請求項４に記載のアクチュエータ。
【請求項６】前記補助力は、オンに切り替わった後で
オンを維持するのに必要な操作力より小さくなるよう構
成することにより単安定型のスイッチ動作を実現したこ
とを特徴とする請求項４に記載のアクチュエータ。
【請求項７】前記補助力は弾性体によって加えられる
ことを特徴とする請求項４から６のいずれかに記載のア
クチュエータ。
【請求項８】前記スイッチユニットを複数備え、それ
らスイッチユニットは、それぞれの操作部同士が対向し
て押し合い、通常状態においてはいずれかのスイッチユ
ニットの操作部が押し込まれてオンになったままその状
態が維持され、オフになっているスイッチユニットの操
作部に対してはオンになっているスイッチユニットの操
作部による反発力が前記補助力として加えられ、そのオ
フになっているスイッチユニットに対して前記外力が与
えられたときにその操作部が押し込まれてオンに切り替
わることを特徴とする請求項４から７のいずれかに記載
のアクチュエータ。
【請求項９】前記操作部に前記外力を与えるための操
作レバーをさらに備え、その操作レバーは、その力点に前記外力が与えられたと
きに、その作用点を通じて前記外力を前記操作部に伝達
することを特徴とする請求項４から８のいずれかに記載
のアクチュエータ。
【請求項１０】前記操作レバーは、通常状態において
前記補助力が加えられており、これを前記作用点を通じ
て前記操作部に伝達することを特徴とする請求項９に記
載のアクチュエータ。
【請求項１１】前記操作レバーは、弾性体によって付
勢される形で前記補助力が加えられていることを特徴と
する請求項１０に記載のアクチュエータ。
【請求項１２】電気エネルギーを力学的エネルギーに
変換することによって前記操作部に前記外力を与える駆
動部をさらに備えることを特徴とする請求項４から１１
のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項１３】熱エネルギーを力学的エネルギーに変
換することによって前記操作部に前記外力を与える駆動
部をさらに備えることを特徴とする請求項４から１１の
いずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項１４】前記駆動部は、形状記憶合金の線材で
形成され、エネルギーが加えられたときにその温度変化
で発生する形状回復力によって前記操作部に前記外力が
与えることを特徴とする請求項１２または１３に記載の
アクチュエータ。
【請求項１５】前記駆動部は、前記形状記憶合金の線
材を複数有し、これら複数の線材のいずれかに通電した
ときの温度変化により前記形状回復力を発生させるとと
もに、その通電状態を切り替えることによって常にいず
れかのスイッチユニットがオンにされることを特徴とす
る請求項１４に記載のアクチュエータ。
【請求項１６】請求項４から１５のいずれかに記載の
アクチュエータを含み、前記駆動部を介したスイッチの切替により継電と遮断が
切り替わることを特徴とする継電装置。
【請求項１７】請求項４から１５のいずれかに記載の
アクチュエータと、光ファイバで形成された複数の光経
路と、を含み、前記複数の光経路のうちいずれかが光信
号を伝送すべき経路として設定され、前記駆動部を介し
たスイッチの切替により前記伝送すべき経路が切り替わ
ることを特徴とする交換装置。
【請求項１８】請求項４から１５のいずれかに記載の
アクチュエータと、圧力に応じて開閉するバルブと、そ
のバルブの開閉が自由な状態と開閉を停止させた状態と
を切り替えるアームと、を含み、前記アームは、前記ア
クチュエータのオンオフ切替に連動して前記自由な状態
と停止させた状態とを切り替えるよう前記バルブに作用
することを特徴とする制御装置。