JP2008025764A

JP2008025764A - 熱膨張ポリマーワックスアクチュエータ

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Publication number: JP2008025764A
Application number: JP2006200790A
Authority: JP
Inventors: Tomokazu Sendai; 智一千代
Original assignee: Nitta Corp
Current assignee: Nitta Corp
Priority date: 2006-07-24
Filing date: 2006-07-24
Publication date: 2008-02-07

Abstract

【課題】内部に複雑な機械構造の発熱装置を配置することなく、合成物等への熱源の接触面積を拡大することができ、これによりアクチュエータの素早い動作を可能とする熱膨張ポリマーワックスアクチュエータを提供することを課題とする。
【解決手段】本発明は、ポリマーワックスを加熱、冷却した際の膨張、収縮を利用して動力を発生するアクチュエータにおいて、前記ポリマーワックスに磁性体粉末が混入されており、前記磁性体粉末を電磁誘導によって発熱させる熱膨張ポリマーワックスアクチュエータである。
【選択図】図１

Description

この発明は、ポリマーワックスを加熱、冷却した際の膨張、収縮を利用して動力を発生させるアクチュエータに関するものである。

アクチュエータは、電気、光、熱などのエネルギーを動力に変換する機能を有するものであり、モーターやエアシリンダ、油圧シリンダ、ピエゾ（圧電素子）等の動力を発生する装置に応用されている。

ここで、固体を熱することにより液体へと変化させる際の膨張を利用して動力を発生させる装置として、例えば特許文献１に記載されているような強力熱化学動力機、あるいは特許文献２に記載されているような外気感知併用型サーモスタットがある。

上記強力熱化学動力機では、特許文献１の図１〜３に示されるように、高熱伝導性金属からなる圧力容器内を多数の熱運搬・強化構造付与部材によって区切ることにより多数の薄型経路群を設け、当該経路群に合成物を満たし、合成物を加熱、冷却することにより合成物を膨張、収縮させ、この時に発生するエネルギーを利用して動力を発生させている。

また、上記サーモスタットでは、エレメント内に内蔵されたワックスが冷却水の水温を感知し熱膨張してピストンを押し上げてバルブを開き、逆に冷却水が冷えるとワックスが収縮してバルブを閉めるように作用する。

なお、上記合成物やワックスを加熱する方法としては、外部雰囲気、温水などの外部からの熱エネルギーの取り込みによる発熱、あるいは伝熱ヒータを合成物等に直接接するように配置し、ヒータに電流を流すことで合成物等を熱する方法が知られている。

しかしながら、上記のような外部から熱を吸収する方法では、熱の伝達に間接の媒体を必要とし、熱容量が増加するため、アクチュエータの素早い動作が困難であった。また、上記合成物やワックスに直接作用しない間接の媒体部分での熱容量が大きくなると、熱を加える場合、取り去る場合に温度変化に敏感ではなくなってしまい、そのため制御系全体の応答が遅れることで、指令した値にアクチュエータが所定時間内に到達しないため、精密な位置決めが困難であった。

ここで、直接ヒータで合成物を熱する方法において、素早い動作、精密な位置決めを行うには、合成物への熱伝導を向上させるため、ヒータと合成物との接触面を大きくする必要があるが、この場合、電極を極めて薄い間隔を持って配置させ、その間に合成物を充填することにより、ヒータから矢印方向へと熱を伝達させる方法がとられている。特許文献１に記載の例では、合成物を充填する前記薄型経路群の寸法を０．０２５ｃｍより小さく、好ましくは０．０１２５ｃｍより小さく設定し、合成物への熱伝導効率の向上を図っている。

しかしながら、このような構造は機械的に複雑であり、合成物の充填量に比べて構造が大きくなるとともに、合成物が膨張し流動化する際の流路が狭くなるので、その運動を妨げてしまい、アクチュエータの動作速度を遅らせてしまうといった問題を有していた。

また、合成物が流動する際、合成物自体の粘性や合成物の温度変化のバラツキから一様に流動ができず、容器内の合成物の体積差による内部圧力にバラツキを生じ、ヒータなどの内部部品にも荷重がかかり、ヒータ自身の破損や変形による他の導電体との接触による絶縁不良によるヒータの破損といった問題を有していた。
特表平６−５０６０３６号公報特開昭５７−３３２７６号公報

そこで、この発明は、内部に複雑な機械構造の発熱装置を配置することなく、合成物等への熱源に対する接触面積を拡大することができ、これにより出力部の素早い動作および精密な位置決めを可能とする熱膨張ポリマーワックスアクチュエータを提供することを課題とする。

この発明の熱膨張ポリマーワックスアクチュエータは、上記課題を解決するため、ポリマーワックスを加熱、冷却した際の膨張、収縮を利用して動力を発生するアクチュエータにおいて、前記ポリマーワックスに磁性体粉末が混入、散在されており、磁性体粉末を電磁誘導によって発熱させるようにしたことを特徴とする。

このように、ポリマーワックスに磁性体粉末を混入し、散在させているので、熱源としての磁性体粉末とポリマーワックスとの接触面積が拡大され、ポリマーワックスへの熱伝導効率が向上すると共に、均一に加熱することが可能となる。

また、この発明の熱膨張ポリマーワックスアクチュエータは、磁性体粉末が混入された前記ポリマーワックスを封入した磁性を有するハウジングと、前記ハウジング内において前記ポリマーワックスの膨張、収縮による体積変化に伴い移動可能な可動体と、前記可動体に固定され且つ可動体の動きに連動して揺動回転運動あるいは往復直線運動を行う出力軸と、前記ハウジングの外周に配設された環状の電磁コイルとからなり、前記コイルによりハウジング内に磁界を発生させ、外部電源から電流を印加することで磁界場にある磁性体粉末を振動・発熱させてポリマーワックスを加熱するものとしてもよい。

さらに、前記ハウジングの外部に前記ポリマーワックスを冷却して収縮させるための冷却素子を配設してもよい。

この発明の熱膨張ポリマーワックスアクチュエータは上記のような構成をしているので、内部に複雑な発熱装置を配置することなく、出力部の素早い動作および精密な位置決めを可能にする。

以下、この発明を実施形態として示した図面に従って説明する。

図１はこの発明の熱膨張ポリマーワックスアクチュエータの要部断面斜視図、図２はこの発明の熱膨張ポリマーワックスアクチュエータの非通電状態における全体断面構成図、図３はこの発明の熱膨張ポリマーワックスアクチュエータの通電状態における全体断面構成図、図４はこの発明の熱膨張ポリマーワックスアクチュエータの他の実施形態における全体断面構成図、図５はこの発明の他の実施例における熱膨張ポリマーワックスアクチュエータ要部断面上面図である。

この発明の熱膨張ポリマーワックスアクチュエータは、図１に示すように、シリンダ１と、シリンダ１内を軸線方向に移動自在に配置したピストン２と、ピストン２に固定され、シリンダ１の一端において出入り自在に挿入されたピストンロッド３と、シリンダ１の外周に同心円的に配設した環状の磁界発生用コイル４とからなる。ここで磁界発生用コイル４は、開閉スイッチを介して制御電流を同コイル４に通電可能な外部電源Ｐに接続されている。また、ピストンロッド３には戻しスプリングＳ（例えば、圧縮バネ）が装着されている。

シリンダ１は金属などの磁性体からなるものとしており、コイル４に高周波の電力を加えることによりシリンダ１内に磁界を発生させる。また、シリンダ１の内部は、摺動自在かつ気密に嵌合されたピストン２によって、２室のチャンバーに仕切られ、ピストンロッド３があるヘッド側チャンバーとは反対のボトム側のチャンバーの内部に、磁性体粉末Ｍが混入、散在されたポリマーワックス（熱膨張体）Ｗが封入されている。なお、上記磁界発生用コイル４は、図において、シリンダ１の外周全体を覆うように配設されているが、このポリマーワックスＷが封入されているボトム側チャンバーのある外周部分にのみ配設するようにしてもよい。

ポリマーワックスＷとしては、加熱した際、固体から液体状態への変化に伴い膨張し、逆に冷却の際、液体から固体状態への変化に伴い元の体積へと収縮するような素材が好ましく、例えばパラフィン系ワックス、蝋などが挙げられるが、好ましくは固体状から液体状への変化の際に体積が１０％から１５％増加する物質であるとよい。また、ポリマーワックスＷに混入される磁性体としては、例えば鉄やコバルト、ニッケルなどの強磁性体が挙げられる。なお、磁性体は、粉末、小片、極細ワイヤー小片、あるいはその網目状布としてポリマーワックスＷに混入することができる。これら磁性体の形状や混入量については、本アクチュエータが使用される駆動対象機器の用途や種類、目的に応じて適宜設定されるものであり、また混入されるポリマーワックスＷの種類や性質等によっても異なってくる。

ピストンロッド３は、駆動対象機器を図示しない歯車やリンク、カム、索条などの動力伝達機構を介して動作させるものとしてもよく、あるいは動力伝達機構を介することなく直接動作させるように、駆動対象機器に接続されるようにしてもよい。ピストンロッド３には、上記したように、戻しスプリングＳが装着されているため、作動開始時ではピストン２は常に、図２に示すように、駆動対象機器において設定された動作開始位置、つまり不動作位置に配置されるよう付勢されている。なお、本実施例では戻しスプリングＳによりピストン２を付勢しているが、ピストン２を前記動作開始位置あるいは不動作位置に戻す方向に力を発生させるようなものであれば特にこれに限られるものではない。

この発明の熱膨張ポリマーワックスアクチュエータは、以上のような構成をしているので、磁性を有するシリンダ１及びその外周に同心円的に配設された環状の磁界発生用コイル４によりシリンダ１内に磁界が発生し、外部電源Ｐから電流（中高周波数の交流電流）を印加することで磁界場にあるポリマーワックスＷに混入された磁性体粉末Ｍが振動・発熱することとなるため、ポリマーワックスＷが加熱され、一定以上の温度に達すると固体状から液体状へと変化するとともに膨張し、図３に示すように、ピストン２を戻しスプリングＳの付勢力に抗してシリンダ１のヘッド側へと押圧移動させる。

温度が低下すると、ポリマーワックスＷが膨張から収縮に転じるため、ピストン２は戻しスプリングＳによって動作開始位置あるいは不動作位置（図２参照）へと移動させられる。なお、使用するポリマーワックスＷによっては、温度が低下しても内部に空洞を持ったスポンジ状態で凝固してしまい、元の体積まで収縮しない場合（ポリマーワックスＷの収縮率が低い場合）があるが、この場合においても、スプリングＳの復帰力程度の力によりスポンジ状態のポリマーワックスＷを元の固体の体積と同程度まで押し潰すことができるため、結局、上記のような動作開始位置までピストン２を移動させることが可能となる。

以上のように、この発明の熱膨張ポリマーワックスアクチュエータは、磁性体粉末Ｍが混入されたポリマーワックスＷを封入した磁性を有するシリンダ１と、シリンダ１内において前記ポリマーワックスＷの膨張、収縮による体積変化に伴い軸線方向に移動可能なピストン２と、前記シリンダ１の一端側に挿入され且つ前記ピストン２に固定されて往復直線運動を行うピストンロッド３と、前記シリンダ１の外周に配設された環状の電磁コイル４とからなり、前記コイル４によりシリンダ１内に磁界を発生させ、外部電源Ｐから電流を印加することで磁界場にある磁性体粉末Ｍを振動・発熱させてポリマーワックスＷを加熱するものとしているため、熱源としての磁性体粉末ＭとポリマーワックスＷとの接触面積が拡大され、ポリマーワックスＷへの熱伝導効率が向上すると共に、均一に加熱することが可能となる。したがって、内部に複雑な発熱装置を配置することなく、出力部の素早い動作を可能にする。また、制御性能、特に位置制御の精度が向上し、比較的低電力、小型にもかかわらず、駆動力を十分に確保し、ストロークも大きなアクチュエータを得ることができる。

なお、上記実施形態においては、ピストン２に１本のピストンロッド３を固定した単動シリンダとしているが、図４に示すように、ピストン２に２本のピストンロッド３を固定し、シリンダ１内のピストン２によって仕切られた２室のチャンバーの両側に磁性体粉末Ｍが混入、散在されたポリマーワックスＷを封入した複動シリンダとしてもよい。この場合、上記各チャンバーに別々に電流を印加できるよう２つの外部電源Ｐをそれぞれのチャンバーの外周に配設されたコイル４に接続する。また、ピストンロッド３の一方あるいは両方に戻しスプリングＳを装着してもよい。このようなものとすることにより、各チャンバー内のポリマーワックスＷを交互に膨張、収縮させることができ、ピストン２はその両側から力を加えられるため、上記単動シリンダと比較してより素早いピストン２の往復運動が可能となる。

実施例１においては、シリンダ１内でのポリマーワックスＷの膨張、収縮による体積変化に応じてピストン２が軸線方向に摺動し、さらにこれと連動してピストンロッド３が往復直線運動を行うものとしているが、以下に示すように出力軸２０が揺動回転運動を行うようにしてもよい。

この実施例においては、図５に示すように、シリンダ１´の内の中心部に回転可能な出力軸２０を配置すると共に、固定的に配置された壁材３０と揺動自在かつ気密に嵌合された揺動体４０によって、シリンダ１´内を２室のチャンバーに仕切り、一方のチャンバー内部に、磁性体粉末Ｍが混入、散在されたポリマーワックスＷを封入している。このような構造とすることにより、シリンダ１´内に磁性体粉末Ｍが混入、散在されたポリマーワックスＷの膨張、収縮による体積変化に応じて揺動体４０が揺動運動を行わせしめ、さらにこの揺動体４０の動きに連動して出力軸２０に揺動回転運動を行わせることができる。なお、ポリマーワックスＷを加熱させる方法については実施例１と同じように、シリンダ１´の外周に環状の磁界発生用コイル４を配設し、これに外部電力Ｐから電流を印加することで磁性体粉末Ｍを振動・発熱させて行うようにできる。

なお、前記シリンダ１、１´の外部にポリマーワックスＷを強制的に冷却して収縮させるための冷却素子（図示せず）を配設するようにしてもよい。このようにすると、ピストン２あるいは揺動体２０を前述したような動作開始位置に復帰させる際、加熱により体積膨張したポリマーワックスＷの冷却が促進され、温度低下による逆位相変化が生じるまでの時間が短縮されることとなる。したがって、簡便な構成の下でピストン２や揺動体２０の移動を迅速、確実に実行する双方向アクチュエータを構築することができる。なお、冷却素子としてはペルチェ素子などが挙げられる。

この発明の熱膨張ポリマーワックスアクチュエータの要部断面斜視図。この発明の熱膨張ポリマーワックスアクチュエータの非通電状態における全体断面構成図。この発明の熱膨張ポリマーワックスアクチュエータの通電状態における全体断面構成図。この発明の熱膨張ポリマーワックスアクチュエータの他の実施形態における全体断面構成図。この発明の他の実施例における熱膨張ポリマーワックスアクチュエータ要部断面上面図。

符号の説明

Ｍ磁性体粉末
Ｐ外部電力
Ｓ戻しスプリング
Ｗポリマーワックス
１シリンダ
２ピストン
３ピストンロッド
４磁界発生用コイル
２０出力軸
３０壁材
４０揺動体

Claims

ポリマーワックスを加熱、冷却した際の膨張、収縮を利用して動力を発生するアクチュエータにおいて、前記ポリマーワックスに磁性体粉末が混入されており、前記磁性体粉末を電磁誘導によって発熱させることを特徴とする熱膨張ポリマーワックスアクチュエータ。
磁性体粉末が混入された前記ポリマーワックスを封入した磁性を有するハウジングと、前記ハウジング内において前記ポリマーワックスの膨張、収縮による体積変化に伴い移動可能な可動体と、前記可動体に固定され且つ可動体の動きに連動して揺動回転運動あるいは往復直線運動を行う出力軸と、前記ハウジングの外周に配設された環状の電磁コイルとからなり、前記コイルによりハウジング内に磁界を発生させ、外部電源から電流を印加することで磁界場にある磁性体粉末を振動・発熱させてポリマーワックスを加熱することを特徴とする請求項１記載の熱膨張ポリマーワックスアクチュエータ。
前記ハウジングの外部に前記ポリマーワックスを冷却して収縮させるための冷却素子を配設したことを特徴とする請求項２記載の熱膨張ポリマーワックスアクチュエータ。