JP2011117452A - 作動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】要求に応じて、作動回転または作動力をもたらすように構成することができる作動装置を提供する。
【解決手段】細長ロッド３０および互いに動くように構成された端部取付け部３１の協動要素を有する弾性部材を備える。弾性部材は、第１の形状、およびねじれ形状などの第２の形状に構成可能である。細長いアクチュエータ２０が、２点で弾性部材に固定され、弾性部材の端部取付け部３１のそれぞれに固定される。アクチュエータ２０は、弾性部材を強制的に２つの形状のうちの一方、または２つの形状の間にするように構成される。弾性部材は、細長ロッド３０の少なくとも一部分を取り囲むマトリクス４０を好ましくは含み、このマトリクス４０は、硬質状態では可撓性部材をその形状に「係止」し、軟質状態では、アクチュエータ２０による作動によって、または弾性部材の弾性のため、可撓性部材の形状を変えることが可能である。
【選択図】図３

Description

本発明は、例えば、要求に応じて、作動回転または作動力をもたらすように構成することができる作動装置に関する。

航空宇宙産業、エネルギー産業、自動車産業、保健医療産業など、多くの技術分野において、作動力をもたらすためにアクチュエータが使用されている。例えば、アクチュエータは、航空機の飛行操縦翼面の展開、空力カバー、ハッチ、および出入口の開閉、風力タービンおよび潮流発電機の翼のピッチ制御、ならびに流体を供給するアクチュエータなどに使用されている。しかし、アクチュエータは、典型的にはシャフト、ギアボックス、軸受、ヒンジ、モータ、および係止（ｌｏｃｋｉｎｇ）機構などの離散的な機械部品のアセンブリを備え、こうした機械部品は、典型的には密集した金属部品から形成され、したがって重く、定期的な保守および点検が必要となる。さらに、かかるアクチュエータには、油圧アクチュエータなど、作動させるための駆動装置が必要となり、油圧アクチュエータには、典型的には、複雑な配管が必要であり、また、有用な空間を占めることがしばしばあり、こうしたアクチュエータは、高価であることが多く、漏れなどの問題を抱えることがある。

従来技術の問題の少なくともいくつかを軽減する作動装置を提供することが望ましい。

本発明によれば、
互いに動くように構成された複数の協動要素を有する弾性部材であって、第１の形状および第２の形状に構成可能である弾性部材と、
少なくとも２点で弾性部材に固定されたアクチュエータと
を備え、
アクチュエータが、弾性部材を強制的に２つの形状のうちの一方、または２つの形状の間にするように構成される、作動装置が提供される。

この作動装置は、アクチュエータによる作用を受ける弾性部材を含むため、本発明の実施例によって、軽量でコンパクト、かつ堅牢な作動装置が得られる。

この弾性部材は、好ましくは、アクチュエータによる作用を受けると、その軸長に沿ってねじれるように構成される。この弾性部材は、好ましくは、各端部で取付け部に固定された複数の荷重受け細長ロッドを備え、それによって端部取付け部が、細長ロッドのわん曲によって支持されて互いに回転することが可能である。かかる構成によって、軸方向の曲げおよび座屈が実質的に阻止され、一方で、大きな回転変形が可能となる。複数の細長要素は、ポリマーマトリクスまたはエラストマーマトリクスなどのマトリクス内に埋め込むことができ、それによって、第１の比較的軟質の状態では、大きなねじれ回転が可能となり、第２の比較的硬質の状態では、部材の形状を維持または「係止（ｌｏｃｋ）」することができ、この硬質状態は、典型的には、より低い温度に冷却するか、または冷ますことによって得られる。

アクチュエータを弾性部材の周りに巻き付けて、回転作動を実現することができる。アクチュエータは細長いものとすることができ、アクチュエータの長さを変えることによって回転作動を制御することができる。例えばアクチュエータを、相転移中に収縮する形状記憶合金で形成することによって、例えば細長アクチュエータの長さを収縮させることによって、弾性部材をその長さに沿ってねじることができる。あるいは、例えば、金属製でよいワイヤまたはストリップを加熱してアクチュエータを長く伸ばして、予めねじられていた弾性部材を解除することができる。

次に、本発明の実施形態を、添付の図面を参照しながら、単なる例によって説明する。

本発明の第１の実施例を示す図である。 本発明の第２の実施例を示す図である。 本発明のより詳細な実施例の斜視図である。 弾性部材がねじられた形状にある、図３の実施例を示す図である。 図３および４に示す取付け部の一方の端面図である。

図１に示すように、弾性部材１０と、２つの点２１、２２で弾性部材に固定されたアクチュエータ２０とを備える作動装置１が設けられる。弾性部材１０は、アクチュエータ２０の制御下で、第１の形状および第２の形状に、またはこれらの形状の間に配置することが可能である。

この実施例では、アクチュエータ２０は細長いものであり、弾性部材１０をその軸２３に沿ってねじるように構成され、こうしたねじれは、アクチュエータを短くなる、または長くなるように構成し、弾性部材１０の周りに巻き付け、２つの遠位点２１、２２で固定することによって実現される。しかし、この弾性部材は、例えば、収縮および伸長、または軸周りでの曲げなど、ねじれまたは回転とは異なる他の種類の歪みを受けるように構成することもできる。

この実施例では、アクチュエータ２０の長さは、弾性部材１０を所望の程度で歪ませるように可変となるように構成されている。アクチュエータ２０は、作動すると軸方向に収縮する、ある長さの形状記憶合金を備えることができる。当技術分野で既知のように、例えば、ニッケルチタン合金、銅アルミニウムニッケル合金、銅亜鉛アルミニウム合金、および鉄マンガンケイ素合金などの適切な任意の形状記憶合金を使用することができる。アクチュエータ２０の長さは、作動すると収縮して、可撓性部材をねじるように構成することができる。あるいは、アクチュエータ２０は、作動すると長く伸びて、予めねじられていた弾性部材１０を、その元の形状にねじ戻すように構成することもできる。アクチュエータ２０は、適切な任意の材料から形成することができる。しかし、形状記憶合金では、比較的小さい温度変化で、長さに実用的な変化が得られることが判明しており、こうした温度変化は、例えば、電流をそこに流すことによって容易に制御することができる。アクチュエータ２０は、図１に示すように、単一の細長物またはワイヤであるだけでなく、複数の細長物またはワイヤ、あるいは同じ、または異なる幅および長さの細長物またはワイヤが相互連結されたクモの巣形の形態を取ってもよい。

図２は、アクチュエータ２０を異なる巻き角で可撓性部材１０の周りに巻き付けた本発明のさらなる実施例を示し、ここでは、細長アクチュエータ２０の長さの所与の変化で、可撓性部材１０内に、所望の、より大きなレベルのねじれが得られる。任意の特定の用途向けに、所望の任意の巻き角を用いて、細長部材１０に所望のレベルのねじれを生じることができることは明白である。適切な巻き付け形状は、特定の用途、および可撓性部材の幾何形状によって決まることになる。例えば、大径の短い部材では、１／４巻きさせるだけで、適切なねじれを実現することができる。しかし、アクチュエータは、弾性部材１０の周りに１回、または数回巻き付けることができる。

図３は、本発明のより詳細な実施例の斜視図を示す。図から分かるように、この実施例では、可撓性部材１０には、複数の細長要素またはロッド３０が設けられ、これらの要素またはロッド３０は、各端部で取付け部３１に固定されている。細長ロッド３０は、ねじれ剛性が低く、かつ軸方向の曲げには耐性がある、極めて異方性の可撓性部材１０が得られるように、比較的硬質であることが好ましい。細長ロッドは、例えば、可撓性および圧縮剛性が高いため、軸方向の曲げには耐性がある引抜き成形繊維強化ポリマー複合ロッドを備えることができる。アクチュエータの一端部２１を、取付け部３１の一方に固定し、アクチュエータの他方の端部２２を、取付け部３１の他方に固定する。アクチュエータ２０が作動すると、アクチュエータ２０の長さが収縮し、取付け部３１の一方が他方に対して回転して、可撓性部材１０がねじれることになる。細長ロッド３０によって得られるこの梁の軸方向剛性のため、作動時に、圧縮歪みがほとんどなく回転することが可能となり、したがって、荷重受けアクチュエータなど、多くの用途に非常に適することになる。

使用時には、各取付け部３１を適切な構造に固定すると、所望の効果を得ることができ、例えば、航空機の飛行操縦翼面の展開、空力カバー、ハッチ、および出入口の開閉、風力タービンの翼のピッチ制御、またはタップもしくは弁の作動などで効果が得られる。

細長ロッド３０は、取付け部３１間に設けられた可撓性マトリクス４０内に設けることができ、この可撓性マトリクス４０は、いくつかの細長ロッド３０の少なくとも一部分を取り囲む。可撓性マトリクス４０は、典型的にはその特有の温度よりも高く、または低く加熱または冷却することによって、比較的軟質または硬質の形態となるように制御する。弾性部材１０が作動すると、マトリクス４０は、典型的には加熱することによって、比較的低剛性または軟質形態になり、弾性部材１０が歪むことが可能となり、弾性部材がその所望の程度まで歪むと、例えばマトリクス４０に供給していた熱を「オフ」にすることによって、マトリクス４０を硬化させることができ、したがって、マトリクスは硬化し、細長ロッド３０および可撓性部材１０が所望の作動形状に「係止」されることになる。可撓性部材１０を解除して、他方の形状に戻したい場合には、マトリクス４０を加熱して軟化させ、取付け部３１内のロッド３０の弾性によって、可撓性部材１０を元のねじれていない形状に戻すことができる。マトリクス４０は、適切な任意の手段によって、加熱および／または冷却することができる。例えば、アクチュエータ２０によって加熱して、作動中にマトリクス４０を軟化させることができ、または、別個の加熱器４１をマトリクス内に設けて、適時に、典型的には作動時に加熱することもできる。いくつかの応用例では、弾性部材１０を水などの流体中に設け、その流体を加熱または冷却して、マトリクス４０を適宜、軟化または硬化させることができる。歪み形状は、マトリクス４０をその特有の温度よりも低く冷却して、弾性部材１０を一時的に歪んだ状態で「係止」すると、継続的に作動させなくとも維持することができる。

図３はまた、例えば、マイクロプロセッサまたはコンピュータなどの制御器５０を示している。制御器５０は、アクチュエータ２０に制御信号または電流２４を供給して、アクチュエータ２０の長さの変動を制御することができる。制御器５０はまた、加熱器４１に制御信号または電流４２を供給して、マトリクス４０を加熱することができる。マトリクス材料は、加熱器４１によって加熱されていないときには、その「係止」状態、または比較的硬質の状態まで冷めるように選択することができる。

図４は、アクチュエータ２０によって弾性部材１０がねじれている、図３の弾性部材１０を示す。図から分かるように、細長ロッド３０は、アクチュエータ２０の作用による、取付け部３１の相対的な回転に対応してわん曲している。この実施例では、アクチュエータ２０は収縮して、取付け部３１を互いに対して回転させている。マトリクス４０は、作動前および／または作動中、軟化するように加熱器４１によって加熱されていたものであり、弾性部材１０は、典型的には加熱器４１を「オフ」にしてマトリクス４０を冷ましてマトリクス４０を硬化させることによって、図４に示すわん曲形状に「係止」することができる。マトリクス４０によって「係止」されると、アクチュエータ２０への電力をオフにして、エネルギーを節約することができる。図３に示す形状に戻したい場合には、例えば加熱によってマトリクス４０を軟化させると、細長ロッド３０の弾性によって、可撓性部材１０は図３に示す形状に戻ることになる。

マトリクス４０の「係止」作用、および細長部材１０の可撓性のため、マトリクス４０を軟化させて一方の形状から別の形状に変える間、アクチュエータ２０は一度作動させるだけでよく、次いで、マトリクス４０を硬化させることによって、マトリクス４０を第２の形状で係止することができる。他方の形状に戻すには、マトリクス４０を加熱すると、細長ロッド３０の弾性によって、可撓性部材１０は、アクチュエータ２０を使用しなくともその前の形状に戻る。

図５は、図３の線５−５の断面図であり、取付け部３１の内側を示している。この実施例では、ほぼ等角度で間隔を置いて配置された６本の細長ロッド３０が示されている。しかし、１つまたは複数の細長ロッド３０を、可撓性部材１０内に何本でも使用することができる。この実施例では、ある長さの電気加熱ワイヤ４１が取付け部３１の軸中央を貫通している様子が示されており、可撓性部材１０をねじる間、このワイヤ４１によってマトリクス４０を加熱する。細長アクチュエータ２０が取付け部３１に固定されている点２２もやはり、示されている。細長アクチュエータ２０は、ねじ止め、溶接、接着、圧着などの適切な任意の手法によって取付け部３１に固定することができ、または、取付け部３１に設けられたブラケットに取り付けてもよい。

作動装置の実施例は、直径１．７ｍｍの炭素繊維強化エポキシロッド３０をシリコーンエラストマーマトリクス４０内に埋め込んで構築したものであり、この複合弾性梁１０の寸法は、直径が１７．５ｍｍ、長さが１１０ｍｍであった。作動時のマトリクス４０の損傷、および複合梁１０の外部からの損傷を防止するために、予歪み（約２％）が与えられた２本の０．３７５ｍｍニッケルチタンＳＭＡ（形状記憶合金）ワイヤをシリコーン管内に収容した。軸に対して約２５°〜５０°の様々な巻き角について、１、１．５、２、および２．５巻きで試験した。アルミニウム板端部タブを、梁１０の各端部にあるスロットに接合し、ＳＭＡワイヤを、一端部では機械ねじで、他方の端部では圧着して取り付けた。ＳＭＡワイヤの取付け点の間隔は、１５０ｍｍであった。

初期試験の間、ブロッキング荷重を加えずに、１分あたり９０°相当で、２５°を超えるねじれが実現され、回転中、梁の明らかな撓みは見られなかった。細長アクチュエータ２０の本数および巻き角を変えることによって、適切な任意の用途に適した実現可能なトルクおよび回転が変わることが判明した。

本発明の実施例によって、上述のように、軽量でコンパクト、かつ堅牢な作動装置が得られることが判明した。上述の実施例には、多くの変形を行うことができ、これらの変形もやはり本発明の範囲内に含まれる。例えば、任意の本数の細長アクチュエータ２０を、適切な任意の形状または巻き角で使用することができる。適切な任意の本数の細長ロッド３０を、弾性部材またはロッド１０内に組み込むことができ、適切な任意の材料を、適切な部品に使用することができる。部材１０の弾性は、複合ロッド３０の可撓性、および／またはロッド３０と取付け部３１との間の接合部の可撓性によってなど、適切な任意の手段によって実現することができる。

１ 作動装置
１０ 弾性部材
２０ アクチュエータ
２１ アクチュエータの一端部
２２ アクチュエータの他方の端部
２３ 軸
２４ 制御信号または電流
３０ 細長ロッド
３１ 取付け部
４０ 可撓性マトリクス
４１ 加熱器
４２ 制御信号または電流
５０ 制御器

Claims (11)

1. 互いに動くように構成された複数の協動要素を有する弾性部材であって、第１の形状および第２の形状に構成可能である弾性部材と、
   少なくとも２点で前記弾性部材に固定されたアクチュエータと
   を備え、
   前記アクチュエータが、前記弾性部材を強制的に前記２つの形状のうちの一方、または前記２つの形状の間にするように構成される、作動装置。
2. 前記弾性部材が、前記アクチュエータによる作用を受けると、前記弾性部材の軸長に沿ってねじれるように構成される、請求項１記載の作動装置。
3. 前記弾性部材が、各端部で取付け部に固定された１つまたは複数の荷重受け細長ロッドを備え、それによって前記端部取付け部が、前記細長ロッドのわん曲によって支持されて互いに回転することが可能である、請求項１または請求項２記載の作動装置。
4. 前記可撓性部材が、第１の比較的軟質の状態では、ねじれ回転が可能となり、第２の比較的硬質の状態では、前記部材の形状を実質的に維持するように構成されたポリマーマトリクスを含む、請求項１乃至３のいずれか１項記載の作動装置。
5. 前記可撓性部材が、前記ポリマーマトリクスを前記ポリマーマトリクスの特有の温度よりも高く加熱し、前記ポリマーマトリクスを比較的軟質の状態にする加熱器を含む、請求項４記載の作動装置。
6. 前記アクチュエータが、前記弾性部材の周りに巻き付けられる、請求項１乃至５のいずれか１項記載の作動装置。
7. 前記アクチュエータが、細長いものであり、作動時に前記アクチュエータの細長い長さが短くなるように構成される、請求項１乃至６のいずれか１項記載の作動装置。
8. 前記細長アクチュエータが、形状記憶材料から形成される、請求項７記載の作動装置。
9. 前記細長アクチュエータが、作動時に長く伸びて、前記弾性部材を予め与圧されていた形状から解除することができるように構成される、請求項１乃至８のいずれか１項記載の作動装置。
10. 前記アクチュエータが、複数の細長物を備える、請求項１乃至９のいずれか１項記載の作動装置。
11. 前記複数の細長物が、相互連結されて、クモの巣状のアクチュエータとなる、請求項１０記載の作動装置。

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