JP4801389B2 - Drive device - Google Patents
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Description
本発明は、作動流体の圧力変化、特に相転移に伴う大きな圧力変化を利用した駆動装置に関する。 The present invention relates to a drive device that utilizes a pressure change of a working fluid, particularly a large pressure change accompanying a phase transition.
従来、作動流体の相転移に伴う圧力変化を利用した駆動装置として、例えば、弾性を有する単層のベローズの内部空間(作動空間)に作動流体を充填するとともに、作動空間内にヒータを配置するものがあった(特許文献1)。 2. Description of the Related Art Conventionally, as a driving device that utilizes pressure changes accompanying a phase transition of a working fluid, for example, an inner space (working space) of an elastic single-layer bellows is filled with a working fluid, and a heater is disposed in the working space. There was a thing (patent document 1).
この装置においては、ヒータに通電して(通電オン)発熱させることによって、常温で液体である作動流体の温度を沸点以上まで上昇させ、気化させていた。これにより、作動空間内の圧力が上昇し、その体積が増加し、ベローズが膨張する。ベローズは一般的に、径方向のバネ定数は軸方向のバネ定数に比べて非常に大きい。そのため、作動空間の体積が増加すると、ベローズは主に軸方向に伸張する。 In this apparatus, the temperature of the working fluid that is liquid at room temperature is raised to the boiling point or more by vaporizing it by energizing the heater (energizing on) to generate heat. As a result, the pressure in the working space increases, the volume increases, and the bellows expands. Bellows generally have a very large radial spring constant compared to an axial spring constant. Therefore, when the volume of the working space increases, the bellows mainly extends in the axial direction.
一方、作動流体が気化された状態のベローズにおいて、ヒータへの通電を停止(通電オフ)すると、ベローズ及び作動流体は自然冷却され、沸点未満まで温度が下がると作動流体は液化する。これにより、内部空間の圧力は低下し、体積は減少し、ベローズは収縮する。 On the other hand, in the bellows in a state where the working fluid is vaporized, when energization to the heater is stopped (energization off), the bellows and the working fluid are naturally cooled, and when the temperature falls below the boiling point, the working fluid is liquefied. As a result, the pressure in the internal space decreases, the volume decreases, and the bellows contracts.
以上のようにヒータへの通電をオンオフすることによって、ベローズを伸張、収縮駆動させることができる。
上述の駆動装置においては、大きな駆動力を得るその他の目的でベローズの外形を大きくする場合がある。このような場合には、作動空間も大きくなって、これに収容される作動流体の量も多くなる。このため、ベローズを駆動、走行させるために、作動流体を気化させるのに要する熱量はきわめて大きなものとなる。例えば、ベローズの径と長さをn倍とした場合では、作動流体をすべて気化させるのに要する熱量はn3倍となる。 In the above-described driving device, the bellows may have a larger outer shape for other purposes to obtain a large driving force. In such a case, the working space becomes large and the amount of working fluid accommodated therein increases. For this reason, in order to drive and run the bellows, the amount of heat required to vaporize the working fluid becomes extremely large. For example, when the bellows diameter and length are n times, the amount of heat required to vaporize all the working fluid is n 3 times.
さらに、作動流体の量が増えることにより、気化・液化に要する時間が増加するため、ヒータへの通電のオンオフからベローズが伸縮するまでの応答時間が増大して駆動装置としての作動速度が低下するという問題があった。 Furthermore, since the time required for vaporization and liquefaction increases as the amount of working fluid increases, the response time from turning on / off the heater to the expansion and contraction of the bellows increases, and the operating speed of the drive device decreases. There was a problem.
これに対して、ベローズ内の作動流体すべてを気化させることなく、ヒータ周辺の作動流体のみを気化させてベローズを伸縮させる駆動装置がある。この装置では、ベローズの外形が大きくなったとしても、作動流体を気化させるのに要する熱量を増やすことなく、ベローズの伸縮を実現することができる。しかしながら、ベローズの外形を大きくすると、作動空間に封入された作動流体のうちヒータの発熱により気化するものの割合が著しく小さくなるため、作動空間内の圧力上昇量及び体積増加量が相対的に小さくなる、すなわち、ベローズの伸長量が相対的に小さくなる。このため、ベローズの外形を大きくするにつれて、駆動装置の駆動量が低減してしまうと言う問題があった。 On the other hand, there is a drive device that expands and contracts the bellows by vaporizing only the working fluid around the heater without vaporizing all the working fluid in the bellows. In this device, even if the outer shape of the bellows becomes large, the bellows can be expanded and contracted without increasing the amount of heat required to vaporize the working fluid. However, when the outer shape of the bellows is increased, the ratio of the working fluid sealed in the working space that is vaporized by the heat generated by the heater is significantly reduced, so that the pressure increase amount and the volume increase amount in the working space are relatively small. That is, the extension amount of the bellows becomes relatively small. For this reason, there has been a problem that the driving amount of the driving device is reduced as the outer shape of the bellows is increased.
上記課題を解決するために、本発明の駆動装置においては、伸縮可能な中空の外側構造体と、前記外側構造体の内部に収容され、前記外側構造体との間に作動空間を形成する伸縮可能な中空の内側構造体と、前記外側構造体と前記内側構造体との間の作動空間に封入された作動流体と、前記作動空間内の前記外側構造体の内面と前記内側構造体の外面の少なくとも一方に層状に設けられた発熱体と、前記作動空間外の前記外側構造体の外面と前記内側構造体の内面にそれぞれ嵌め込まれた形状保持リングと、を備え、前記層状の発熱体を発熱させて前記作動流体を加熱することにより、前記作動流体を液相から気相に転移させて前記作動空間内の圧力を上昇させ、前記外側構造体と前記内側構造体を伸張させることを特徴としている。 In order to solve the above-described problem, in the driving device of the present invention, a telescopic hollow outer structure, and an expansion / contraction accommodated in the outer structure and forming an operating space between the outer structure and the outer structure. A possible hollow inner structure, a working fluid enclosed in a working space between the outer structure and the inner structure, an inner surface of the outer structure and an outer surface of the inner structure in the working space A heating element provided in a layered manner on at least one of the above, a shape holding ring fitted into the outer surface of the outer structure and the inner surface of the inner structure outside the working space, and the layered heating element By heating the working fluid by generating heat, the working fluid is transferred from a liquid phase to a gas phase to increase the pressure in the working space, thereby extending the outer structure and the inner structure. It is said.
前記層状の発熱体は、前記作動空間内の前記外側構造体の内面と前記内側構造体の外面のそれぞれに設けることが好ましい。The layered heating element is preferably provided on each of the inner surface of the outer structure and the outer surface of the inner structure in the working space.
前記外側構造体の外面に嵌め込まれた形状保持リングの径を、前記作動流体がその沸点より低温の液相時において前記外側構造体の外面に当接するように設定し、前記内側構造体の内面に嵌め込まれた形状保持リングの径を、前記作動流体がその沸点より低温の液相時において前記内側構造体の内面に当接するように設定することが好ましい。The diameter of the shape retaining ring fitted on the outer surface of the outer structure is set so that the working fluid contacts the outer surface of the outer structure when the working fluid is in a liquid phase lower than its boiling point. It is preferable to set the diameter of the shape-retaining ring fitted to the inner surface of the inner structure so that the working fluid is in a liquid phase lower than its boiling point.
前記外側構造体と前記内側構造体は、一定の間隔で複数の山部と谷部が形成されたベローズ形状を備えることができる。The outer structure and the inner structure may have a bellows shape in which a plurality of peaks and valleys are formed at a constant interval.
この場合、前記外側構造体の谷部の外側と前記内側構造体の山部の内側にそれぞれ前記形状保持リングを嵌め込むことができる。また、前記外側構造体と前記内側構造体は、前記山部と谷部のピッチを同一とすることができる。In this case, the shape retaining ring can be fitted into the outside of the valley portion of the outer structure and the inside of the mountain portion of the inner structure. Moreover, the said outer structure and the said inner structure can make the pitch of the said peak part and a trough part the same.
上記外側構造体及び内側構造体は、弾性材料を用いることが好ましい。この弾性材料としては、例えば、シリコンゴムなどの弾性ゴム、リン青銅やニッケルなどの金属、テフロン(登録商標)などのエンジニアリングプラスチックを挙げることができる。 The outer structure and the inner structure are preferably made of an elastic material. Examples of the elastic material include elastic rubber such as silicon rubber, metal such as phosphor bronze and nickel, and engineering plastic such as Teflon (registered trademark).
上記発熱体は、外側構造体の内面及び外面、並びに、内側構造体の内面及び外面のうち、少なくともいずれか一つに、貼り付け、コーティング、蒸着、又はディッピングにより形成することができる。 The heating element can be formed by sticking, coating, vapor deposition, or dipping on at least one of the inner and outer surfaces of the outer structure and the inner and outer surfaces of the inner structure.
本発明によると、構造体の外形を大きくした場合であっても、作動流体の気化に要する熱量を増大させる必要がなく、ヒータへの通電のオンオフから構造体が伸縮するまでの応答時間が増大することがなく、かつ、駆動量又は走行量の低減を防止することのできる駆動装置を提供することができる。 According to the present invention, even when the outer shape of the structure is increased, it is not necessary to increase the amount of heat required for vaporizing the working fluid, and the response time from turning on / off the heater to the expansion and contraction of the structure is increased. Thus, it is possible to provide a driving device that can prevent the reduction of the driving amount or the traveling amount.
以下、本発明に係る実施形態を図面を参照しつつ詳しく説明する。
本実施形態に係る駆動装置は、図1に示すように、外側構造体11、内側構造体12、作動流体21、発熱体(ヒータ)31、32、及び、電源41を備える。この駆動装置では、電源41から電力を供給(電圧を印加)(通電)された発熱体31、32が発熱することにより、発熱体31、32に挟まれた作動流体21の液相部分が加熱されて気相へと転移する。これにより、作動空間内の圧力が高まり、外側構造体11及び内側構造体12が伸張する。
Hereinafter, embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the drive device according to the present embodiment includes an
外側構造体11及び内側構造体12は、一定の間隔で複数の山部11a、12aと谷部11b、12bが形成されたベローズ状の筒形状をなしている。外側構造体11と内側構造体12は、筒形状の軸方向長さが同一であって、外側構造体11の山部11a間のピッチは内側構造体12の山部12a間のピッチと同一であり、さらに、外側構造体11の谷部11b間のピッチも内側構造体12の谷部12b間のピッチと同一である。内側構造体12は、その最大外径が、外側構造体11の最小内径よりも大きく、かつ、外側構造体11の最大外径よりも小さい。これらの構造体11、12は、伸縮可能な弾性材料(例えば硬度50(ショアA)程度のシリコーンゴムなどの弾性ゴム、リン青銅やニッケルなどの金属、テフロン(登録商標)などのエンジニアリングプラスチック)からなる。外側構造体11の山部11aと内側構造体12の山部12a、外側構造体11の谷部11bと内側構造体12の谷部12b、がそれぞれ互いに対応するように、外側構造体11内に内側構造体12を配置することにより、二重構造とされて使用される。外側構造体11及び内側構造体12の軸方向両端部は、金属製のリング板状の封止板15、16によりそれぞれ閉止されている。これにより、外側構造体11と内側構造体12との間に封止された作動空間18が形成される。作動空間18には作動流体21が充填、封入される。
The
なお、外側構造体11と内側構造体12は、ベローズ状に代えて、螺旋溝を備えた筒形状とすることもできる。この螺旋溝を外側構造体11と内側構造体12とで対応するように形成すると、内側構造体12を外側構造体11内に容易に螺入することが可能となる。すなわち、外側構造体11もしくは内側構造体12を変形させることなく、外側構造体11の内部に内側構造体12を配置することができる。このため、ゴムなどに比べ高い弾性を示す金属等の材料で外側構造体11と内側構造体12を構成することができる。また、封止板15、16に代えて、外側構造体11と内側構造体12とを互いに結合して作動空間18を閉じてもよい。
In addition, the
図1、図2に示すように、外側構造体11の内面及び内側構造体12の外面には、層状(膜状、面状)の発熱体31、32がそれぞれ設けられている。これらの発熱体31、32は、例えば、導電性物質を溶解した液体のコーティングもしくはディッピング、導電性物質の蒸着、導電性薄膜(例えば抵抗金属箔、導電性カーボン含有ゴム)の貼り付け、により形成することができる。発熱体31、32を層状(面状)とすることにより、線状の発熱体に比べ、作動流体21との接触面積を増やすことができるため、作動流体21への熱伝導を促進することができる。また、発熱体31、32を層状とすることにより、線状の発熱体を用いる場合と比べ、作動空間18の体積をより小さくして必要となる作動流体21の量を抑えることができる。さらに、層状とすることにより、線状の発熱体では起こり得る断線のおそれがきわめて小さくなり、信頼性の高い駆動装置を実現することができる。また、硬性の発熱体を作動空間18内に配置する場合には、発熱体と外側構造体11及び内側構造体12と、が互いに接触、衝突することによって、外側構造体11及び内側構造体12の伸縮を妨げるおそれがあるが、発熱体31、32を層状とすることにより、外側構造体11及び内側構造体12の伸縮をスムーズかつ十分行うことができる。
As shown in FIGS. 1 and 2, layered (film-like, planar)
発熱体31、32は、電気抵抗の温度係数が小さく、耐食性が強い材料からなることが好ましく、例えば、コンスタンタンを用いると、電気抵抗の温度係数がきわめて小さいために、駆動装置の動作環境の変化があっても安定した動作を行わせることができる。発熱体31、32を層状(面状)とすることにより、線状の発熱体に比べ、作動流体21との接触面積を増やすことができるため、作動流体21への熱伝導を促進することができる。なお、発熱体31、32は、外側構造体11の内面及び外面、並びに、内側構造体12の内面及び外面のうち、少なくともいずれか一つに層状に形成されていればよい。
The
発熱体31、32には、導線411、412が接続され、この導線411、412は外部の電源41に接続されている。この電源41は、制御器42に接続され、制御器42の制御のもと、発熱体31、32へ通電を行う。導線411、412は、発熱体31、32に接続せずに、これらと導通する金属製の封止板15、16に接続しても良い。
外側構造体11の各谷部11bの外側には、互いに独立した形状保持リング35がそれぞれ嵌め込まれ、内側構造体12の各山部12aの内側には、互いに独立した形状保持リング36がそれぞれ嵌め込まれている。これらの形状保持リング35、36は剛性材料からなり、例えばステンレスで構成することができる。形状保持リング35、36の径は、作動流体21がその沸点より低温の液相時において、外側構造体11では各谷部11bの外側に、内側構造体12では各山部12aの内側に、ちょうど当接する程度としている。これらのリング35、36は、外側構造体11および内側構造体12が、この実施形態に示すように、ゴムなどの弾性が大きな材料の場合に特に必要となる。すなわち、これらのリング35、36により、作動空間18内の作動流体21が加熱されて液体から気体に相転移して体積が増加したときに、外側構造体11及び内側構造体12が径方向に伸張するのを抑え、軸方向に伸張しやすくすることができる。
Independent outer shape retaining rings 35 are fitted on the outer sides of the
作動流体21は、駆動装置を使用する環境下における常温で液体であって、沸点が常温よりやや高い物質(常温より約5〜20°C高い物質)を用いることが望ましい。駆動装置を人体内で用いる場合は、50°C以上の沸点が好ましく、例えば、住友スリーエム社のPF−5060(商品名)(沸点56°C)を用いることができる。このように、常温よりやや高い程度の沸点を有する物質を用いることにより、わずかな電力で作動流体21を加熱気化することができる。また、人体内で用いる場合において、沸点がより高い物質に比べ、安全性を高めることができる。
The working
さらに、作動流体21は、比熱及び蒸発潜熱が小さいことが好ましい。比熱を小さくすることにより、急速な温度上昇が可能となるため、高い応答速度の相転移を実現することができる。また、蒸発潜熱又は気化熱が小さいと、少ない熱量で作動流体21を気化することができるため、応答速度の高い相転移を実現することができる。これらの効果は、作動流体21の冷却時、また液化時においても同様に働く。
Furthermore, it is preferable that the working
また、作動流体21は、外側構造体11、内側構造体12、発熱体31、32を構成する材料に対して不活性であることが好ましく、例えば、フッ素系液体を用いることができる。前出のPF−5060は、この点にも適合するため、作動流体21として好ましい物質である。
Moreover, it is preferable that the working
作動空間18への作動流体21の供給は、封止板16を貫通して外部から作動空間18内へ連通する導通管23に接続された作動流体供給器(作動流体供給手段)24によって行う。導通管23には弁25が設けられている。この弁25は、作動流体21の供給時には開かれて作動空間18と作動流体供給器24とを連通させ、作動流体21の供給が終了すると閉められて作動空間18から外部への逆流を防止する。ここで、封止板16のうち、少なくとも導通管23を貫通させる部分を、キャップピアシング機構を備えた材料で構成すると、導通管23を出し入れしても、キャップピアシング機構を構成する素材自体の粘弾性によって作動空間18の気密性を保持することができる。これにより、作動流体21の供給時の気密性保持のための特別な構成が不要となるとともに、作動流体21の補充作業が容易となる。また、作動流体供給器24は電動、手動どちらでもよく、例えばシリンジを使うこともできる。また、封止板15を貫通させるように導通管23を配置してもよい。
The working
作動空間18内には、温度センサ451及び圧力センサ461が配置され、作動空間18内の温度及び圧力を常時検知することができる。温度センサ451は、例えば、白金測温抵抗体を用いることができる。温度センサで検出された情報は、導線452で接続された温度測定器45に送られる。また、圧力センサ461は、例えば、ピエゾ抵抗型半導体を用いることができる。圧力センサ461で検出された情報は、導線462で接続された圧力測定器46に送られる。温度測定器45及び圧力測定器46は制御器42に接続されている。この制御器42は、温度測定器45及び圧力測定器46から送られてくる作動空間18内の温度の検知結果及び圧力の検知結果に基づいて、発熱体31、32への電力を供給するように又は印加を停止するように、電源41の動作を制御することができる。
A
本実施形態に係る駆動装置は、例えば次の順序で組み立てることができる。まず、各山部11aと各山部12a、各谷部11bと各谷部12b、がそれぞれ対応するように、外側構造体11内へ内側構造体12を圧入する。つづいて、各谷部11bの外側に形状保持リング35を、各山部12aの内側に形状保持リング36をそれぞれ配置する。次に、外側構造体11と内側構造体12間に形成する作動空間18を封止するように、ベローズ状の外側構造体11及び内側構造体12の軸方向両端を封止板15及び封止板16を接着固定する。最後に、導通管23を封止板16に貫通させ、作動流体供給器24により作動空間18内に作動流体21を充填する。
The drive device according to the present embodiment can be assembled, for example, in the following order. First, the
以上のように構成した本実施形態に係る駆動装置においては、電源41から電力を供給された発熱体31、32が発熱することにより、作動流体21が加熱されて液相部が気相に転移し、作動空間18内の圧力が上昇し、これに伴って外側構造体11及び内側構造体12が伸張する。ベローズ状の外側構造体11及び内側構造体12の径方向の伸張は形状保持リング35及び形状保持リング36によりそれぞれ規制されているため、外側構造体11及び内側構造体12は軸方向に伸張する。また、この軸方向の伸張を利用することにより、外側構造体11及び内側構造体12を一体となって伸張方向に走行させることが可能である。例えば、ここで、簡単な議論から、作動空間18内の圧力の上昇が外側構造体11及び内側構造体12の伸長を引き起こすことを説明する。図3は、外側構造体11と内側構造体12の間の作動空間18の断面の一部を拡大したものである。外側構造体11と内側構造体12の間の間隔がdであって、外側構造体11及び内側構造体12のベローズのピッチ(隣り合う山部11a(山部12a)同士の間隔、及び、隣り合う谷部11b(谷部12b)同士の間隔)が図3(a)に示すようにhaである場合と、図3(b)に示すようにhbである場合を考える(ha<hb)。このとき、領域A(図3における斜線部)の面積は、図3(a)がha×d、図3(b)がhb×dと表される。作動空間18の体積は、図3における領域Aの面積を外側構造体11及び内側構造体12の全長及び周方向にわたって積分したものであるので、作動空間18の体積は、図3(b)の場合が図3(a)の場合よりも大きくなる。ここでha<hbであるが、このことは、図3(b)が図3(a)に比べて外側構造体11及び内側構造体12が伸張していることを表している。すなわち、外側構造体11及び内側構造体12が伸長すると、作動空間18の体積が増加する。このことから、作動流体21が加熱されて液相部が気相に転移し、作動空間18内の圧力が上昇すると、これに伴って外側構造体11及び内側構造体12が伸長することが理解できる。
In the drive device according to the present embodiment configured as described above, the
外側構造体11と内側構造体12とからなる二層ベローズの構造により、単層ベローズの場合と比べ作動空間18内の作動流体21の質量を大幅に減少させることができるため、短時間ですべての作動流体21を気化させることが可能となる。よって、作動流体21の気化又は液化のレスポンスを向上させることができ、かつ外側構造体11及び内側構造体12の伸張量を大きくとることができる。このことは、本駆動装置の作動周波数と振幅を高めることを意味する。さらに、外側構造体11及び内側構造体12の外形に比して必要となる作動空間18をきわめて小さくできることにより、駆動量を大きくするために外側構造体11及び内側構造体12の外形を大きくしたとしても、必要となる作動流体21の質量はわずかに増加するだけで済む。よって、作動流体21の相転移に要する熱量(電力量)を大幅に増大することなく、大きな駆動量を得ることができる。
The double-layer bellows structure comprising the
本実施形態では、外側構造体11及び内側構造体12の伸張量及び伸張の応答速度を所望範囲とするために、次のような温度設定を行っている。まず、常温で作動流体21がすべて液体であるとき(初期状態)の外側構造体11及び内側構造体12の軸方向長さと、外側構造体11及び内側構造体12が塑性変形を開始しない範囲内で最大限に伸張したときの軸方向長さと、の差を最大伸張量とする。初期状態の長さに対して、この最大伸張量に1未満の所定の定数(例えば0.6)を乗じて得た数値の分だけ伸びるような温度を、温度Tの最大値Tceilingとして設定する。一方、作動流体21の沸点より所定温度(例えば3℃)だけ低い温度を、温度Tの設定最小温度Tfloorとして設定する。
In the present embodiment, the following temperature setting is performed in order to set the expansion amount and the expansion response speed of the
発熱体31、32を発熱させて初期状態の作動流体21を加熱すると、発熱体31及び32に近く温度上昇の速い部分から作動流体21の気化が始まり、作動空間18内の圧力が上昇し、外側構造体11及び内側構造体12が伸張し始める。さらに加熱すると、発熱体31及び32から遠い作動流体21も気化し始めて、外側構造体11及び内側構造体12の伸張はさらに進行する。温度がTceilingに達したことを温度センサ451で検知すると、制御器42の制御により電源41による電力の供給が中止される。すると、作動流体21の温度は、外気その他の影響による自然冷却により低下し始め、沸点まで低下した作動流体21は液化する。作動流体21の液化により、伸張していた外側構造体11及び内側構造体12は収縮し始める。作動流体21の温度が設定最小温度Tfloorまで低下したことを温度センサ451で検知したところで、電源41による電力の供給を開始すると、作動流体21の温度が上昇し、作動流体21の温度が沸点に達すると再び外側構造体11及び内側構造体12は伸張する。このような、加熱(電力供給)→加熱中止(電力供給中止)→自然冷却→加熱→加熱中止→自然冷却→加熱→…の繰り返しによって、外側構造体11及び内側構造体12に伸縮運動をさせることができる。
When the working
本実施形態に係る駆動装置の動作について、図4を参照しつつ、詳細に説明する。駆動装置の動作制御の流れは、作動流体21が加熱中であるか自然冷却中であるかによって、大きく2つに分かれる。図4においては、ステップS110〜S115が加熱中の動作制御を示し、ステップS120〜S125は自然冷却中の動作制御を示している。
The operation of the drive device according to the present embodiment will be described in detail with reference to FIG. The operation control flow of the driving device is roughly divided into two depending on whether the working
まず作動流体21を加熱するための動作制御について説明する。
動作制御が開始されると(ステップS100)、まず、温度測定器45と圧力測定器46によって作動空間18内の温度Tと圧力Pが測定され、その結果が制御器42に取り込まれる(ステップS111)。温度T及び圧力Pの測定、並びに、制御器42への送出は連続的に行うことが好ましいが、あらかじめ制御器42に記憶させた間隔(例えば1ミリ秒)ごとに行うこともできる。制御器42では、温度Tと圧力Pがそれぞれ限界値(これ以上上昇すると危険な値)としての限界温度Tlimitと限界圧力Plimitよりも高いかどうかが判断され、高い場合(ステップS112でYES)は、発熱体31、32への電力の供給を停止(ステップS130)した後、動作制御を終了する(ステップS131)。
First, operation control for heating the working
When the operation control is started (step S100), first, the temperature T and the pressure P in the working
一方、温度Tと圧力Pがそれぞれ限界温度Tlimitと限界圧力Plimit以下であった場合(ステップS112でNO)は、次に測定された温度Tと圧力Pとの関係を調べる(ステップS113)。ここで、アクチュエータが正常に動作しているならば、例えば温度Tの上昇に伴って圧力Pも上昇するように、両者は互いに独立ではない所定の関係を有する。したがって、あらかじめ測定し制御器42に記憶させた正常な温度Tと圧力Pの関係と、実際に測定された温度Tと圧力Pとの関係を比較することにより、測定された温度Tと圧力Pとの関係が正常であるか否かを判断することができる。よって、測定された温度Tと圧力Pとの関係が、制御器42に記憶させた正常な関係に対して、あらかじめ定めた閾値を超えて大きくずれる場合は異常であると判断して(ステップS113でYES)、 発熱体31、32への電力の供給を停止(ステップS130)した後、動作制御を終了する(ステップS131)。異常の原因として、例えばベローズに穴が開いたために作動流体を加熱しても圧力が上昇しない場合が考えられる。
On the other hand, when the temperature T and the pressure P are respectively equal to or lower than the limit temperature Tlimit and the limit pressure Plimit (NO in step S112), the relationship between the temperature T and the pressure P measured next is checked (step S113). Here, if the actuator is operating normally, the pressure P also increases as the temperature T increases, for example, and the two have a predetermined relationship that is not independent of each other. Therefore, by comparing the relationship between the normal temperature T and the pressure P measured in advance and stored in the
これに対して、測定された温度Tと圧力Pとの関係が、制御器42に記憶させた正常な関係に対して、あらかじめ定めた閾値を超えることなく正常であると判断された場合は(ステップS113でNO)、操作者が終了の操作をしたかどうかを判断する(ステップS114)。終了の操作は制御器42に接続された入力部(例えばキーボード、マウス)48によって行うことができる。操作者が終了の操作をしていた場合(ステップS114でYES)、発熱体31、32への電力の供給を停止した後(ステップS130)、終了する(ステップS131)。
On the other hand, when it is determined that the relationship between the measured temperature T and pressure P is normal without exceeding a predetermined threshold with respect to the normal relationship stored in the controller 42 ( It is determined whether or not the operator has performed an end operation (NO in step S113) (step S114). The termination operation can be performed by an input unit (for example, a keyboard or a mouse) 48 connected to the
操作者が終了の操作をしていない場合は(ステップS114でNO)、温度TがTceilingより高いか否かが判断される(ステップS115)。温度TがTceiling以下であった場合(ステップS115でNO)、発熱体31、32へ電力を供給し(ステップS110)、再び温度測定器45と圧力測定器46によって温度Tと圧力Pが測定される(ステップS111)。これに対して、温度TがTceilingよりも大きかった場合(ステップS115でYES)は、作動流体21を自然冷却するための制御(ステップS120〜ステップS125)を行う。なお、発熱体31、32へ供給される電力は、例えば30J/secの直流電圧とすることができるが、その電力量も供給するときの波形も任意のもの(例えば矩形波、正弦波、パルス状など)とすることができる。
If the operator has not performed the end operation (NO in step S114), it is determined whether or not the temperature T is higher than Tceiling (step S115). If the temperature T is equal to or lower than Tceiling (NO in step S115), power is supplied to the
以下に作動流体21を自然冷却するための動作制御について説明する。
まず、発熱体へ電力の供給を停止し(ステップS120)、温度測定器45と圧力測定器46によって作動空間18内の温度Tと圧力Pが測定され、その結果が制御器42に取り込まれる(ステップS121)。制御器42では、温度Tと圧力Pがそれぞれ限界温度Tlimitと限界圧力Plimitよりも高いかどうかが判断され、高い場合(ステップS122でYES)は、動作制御を終了する(ステップS131)。
The operation control for naturally cooling the working
First, supply of electric power to the heating element is stopped (step S120), the temperature T and pressure P in the working
一方、温度Tと圧力Pがそれぞれ限界温度Tlimitと限界圧力Plimit以下であった場合(ステップS122でNO)は、次に測定された温度Tと圧力Pとの関係を調べる(ステップS123)。測定された温度Tと圧力Pとの関係が、制御器42に記憶させた正常な関係に対して、あらかじめ定めた閾値を超えて大きくずれる場合は異常であると判断して(ステップS123でYES)、 動作制御を終了する(ステップS131)。
On the other hand, when the temperature T and the pressure P are respectively equal to or lower than the limit temperature Tlimit and the limit pressure Plimit (NO in step S122), the relationship between the temperature T and the pressure P measured next is checked (step S123). If the relationship between the measured temperature T and pressure P deviates greatly from the normal relationship stored in the
これに対して、測定された温度Tと圧力Pとの関係が、制御器42に記憶させた正常な関係に対して、あらかじめ定めた閾値を超えることなく正常であると判断された場合は(ステップS123でNO)、操作者が終了の操作をしたかどうかを判断する(ステップS124)。終了の操作は制御器42に接続された入力部48によって行うことができる。操作者が終了の操作をしていた場合(ステップS124でYES)、制御を終了する(ステップS131)。
On the other hand, when it is determined that the relationship between the measured temperature T and pressure P is normal without exceeding a predetermined threshold with respect to the normal relationship stored in the controller 42 ( It is determined whether or not the operator has performed an end operation (NO in step S123) (step S124). The termination operation can be performed by the
操作者が終了の操作をしていない場合は(ステップS124でNO)、温度Tが設定最小温度Tfloorより高いか否かが判断される(ステップS125)。温度Tが設定最小温度Tfloor以上であった場合(ステップS125でNO)、発熱体31、32への電力供給を停止し(ステップS120)、再び温度測定器45と圧力測定器46によって温度Tと圧力Pが測定される(ステップS121)。これに対して、温度Tが設定最小温度Tfloorよりも小さかった場合(ステップS125でYES)は、作動流体21を加熱するための制御(ステップS110〜ステップS115)を行う。
If the operator has not performed the end operation (NO in step S124), it is determined whether or not the temperature T is higher than the set minimum temperature Tfloor (step S125). When the temperature T is equal to or higher than the set minimum temperature Tfloor (NO in step S125), the power supply to the
本実施形態の駆動装置では、上述のいずれかの終了条件(ステップS112、S113、S114、S122、S123、S124)を満たすまで、加熱又は自然冷却の動作制御を繰り返され、これにより作動流体21が相転移して外側構造体11及び内側構造体12が伸縮する。
In the drive device of the present embodiment, the operation control of heating or natural cooling is repeated until any one of the above-described end conditions (steps S112, S113, S114, S122, S123, S124) is satisfied. The
なお、限界温度Tlimit、限界圧力Plimit、Tceiling、及び、設定最小温度Tfloorは、あらかじめ定めて制御器42に記憶させておくことが好ましいが、動作中に変更することもできる。また、発熱体31、32へ電力を供給する場合(ステップS110)及び電力の供給を停止する場合(ステップS120)のいずれの場合も、次にこれらの動作を行うまで、その供給/停止状態は保持される。
The limit temperature Tlimit, limit pressure Plimit, Tceiling, and set minimum temperature Tfloor are preferably determined in advance and stored in the
つづいて、図5を参照しつつ、外側構造体11及び内側構造体12の伸張量を所望量にするための供給電力量の設定に関する制御について説明する。この制御は、駆動装置の動作中に随時行う。
Next, control related to the setting of the amount of supplied power for setting the expansion amount of the
制御が開始(ステップS200)されると、まず温度測定器45と圧力測定器46によってそれぞれ温度Tと圧力Pが測定され(ステップS201)、その結果が制御器42に取り込まれる。ここで、温度Tと圧力Pがそれぞれ限界温度Tlimitと限界圧力Plimitよりも高い場合は(ステップS202でYES)、発熱体31、32への電力の供給を停止(ステップS210)した後、動作制御を終了する(ステップS211)。
When the control is started (step S200), the temperature T and the pressure P are first measured by the
温度Tと圧力Pがそれぞれ限界温度Tlimitと限界圧力Plimit以下であった場合(ステップS202でNO)は、次に測定された温度Tと圧力Pとの関係を調べる(ステップS203)。温度Tと圧力Pの関係が異常であった場合(ステップS203でYES)は、発熱体31、32への電力の供給を停止した後(ステップS210)、終了する(ステップS211)。
When the temperature T and the pressure P are respectively equal to or lower than the limit temperature Tlimit and the limit pressure Plimit (NO in step S202), the relationship between the temperature T and the pressure P measured next is checked (step S203). If the relationship between the temperature T and the pressure P is abnormal (YES in step S203), the supply of power to the
これに対して、測定された温度Tと圧力Pとの関係が正常であると判断された場合は(ステップS203でNO)、操作者が終了の操作をしたかどうかを判断する(ステップS204)。操作者が終了の操作をしていた場合(ステップS204でYES)、発熱体31、32への電力の供給を停止した後(ステップS210)、終了する(ステップS211)。
On the other hand, when it is determined that the relationship between the measured temperature T and pressure P is normal (NO in step S203), it is determined whether the operator has performed an end operation (step S204). . If the operator has performed an end operation (YES in step S204), the supply of power to the
操作者が終了の操作をしていない場合は(ステップS204でNO)、あらかじめ制御器42に記憶された設定温度Tsetを参照する(ステップS205)。設定温度Tsetは、外側構造体11及び内側構造体12を所望量伸張させるために作動流体21を加熱するのに必要な温度として設定された値である。
If the operator has not finished the operation (NO in step S204), the preset temperature Tset stored in advance in the
次に、制御器42において、この設定温度Tsetと測定された温度Tとが比較され、作動空間18内の温度Tが設定温度Tsetとなるように電力量wが決定され(ステップS206)、電力量wの電力が発熱体31、32に供給される(ステップS207)。ステップS205〜S207における電力量wの決定には、フィードバック制御(比例制御、比例積分制御、比例積分微分制御など)を用いるのがよい。電力量wが0以下の場合は電力量w=0とし、発熱体31、32には電力は供給されず、作動流体は自然冷却される。
Next, the
電力供給後は、再び温度測定器45と圧力測定器46によってそれぞれ温度Tと圧力Pが測定される(ステップS201)。その後は、既に述べたいずれかの終了条件(ステップS202、S203、S204)を満たすまで、制御を続ける。このような制御を繰り返すことにより、作動流体21は設定温度Tsetに到達し、外側構造体11及び内側構造体12は所望量だけ伸張し、設定した力を発揮することができる。
After the power is supplied, the temperature T and the pressure P are again measured by the
なお、ステップS205において、設定温度Tsetに代えて、又は、設定温度Tsetとともに、あらかじめ制御器42に記憶された設定圧力Psetを参照することもできる。設定圧力Psetは、設定温度Tsetと同様に、外側構造体11及び内側構造体12を所望量伸張させるために必要な圧力として設定された値である。この場合、制御器42において、設定圧力Psetと測定された圧力Pとが比較され、作動空間18内の圧力Pが設定圧力Psetとなるように電力量wが決定され(ステップS206)、電力量wの電力が発熱体31、32に供給される(ステップS207)のは、上述の設定温度Tsetによる制御と同様である。
In step S205, the set pressure Pset stored in the
また、設定温度Tset及び設定圧力Psetは駆動装置を動作させる前にあらかじめ決めておくことが好ましいが、動作中に変更することもできる。さらに、発熱体31、32への電力供給/停止を行った場合(ステップS207)は、次にこれらの動作を行うまで、その供給/停止状態は保持されている。
In addition, the set temperature Tset and the set pressure Pset are preferably determined in advance before operating the driving device, but may be changed during the operation. Further, when power supply / stop to the
本発明について上記実施形態を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、改良の目的又は本発明の思想の範囲内において改良又は変更が可能である。 Although the present invention has been described with reference to the above embodiment, the present invention is not limited to the above embodiment, and can be improved or modified within the scope of the purpose of the improvement or the idea of the present invention.
11 外側構造体
11a 山部
11b 谷部
12 内側構造体
12a 山部
12b 谷部
15 封止板
16 封止板
18 作動空間
21 作動流体
31 発熱体(ヒータ)
32 発熱体(ヒータ)
35 形状保持リング
36 形状保持リング
41 電源
42 制御器
45 温度測定器
46 圧力測定器
131 発熱体
132 発熱体
Plimit 限界圧力
Pset 設定圧力
Tfloor 設定最小温度
Tceiling 設定最大温度
Tlimit 限界温度
Tset 設定温度
11
32 Heating element (heater)
35
Claims (7)
前記外側構造体の内部に収容され、前記外側構造体との間に作動空間を形成する伸縮可能な中空の内側構造体と、
前記外側構造体と前記内側構造体との間の作動空間に封入された作動流体と、
前記作動空間内の前記外側構造体の内面と前記内側構造体の外面の少なくとも一方に層状に設けられた発熱体と、
前記作動空間外の前記外側構造体の外面と前記内側構造体の内面にそれぞれ嵌め込まれた形状保持リングと、を備え、
前記層状の発熱体を発熱させて前記作動流体を加熱することにより、前記作動流体を液相から気相に転移させて前記作動空間内の圧力を上昇させ、前記外側構造体と前記内側構造体を伸張させることを特徴とする駆動装置。 A stretchable hollow outer structure;
A retractable hollow inner structure housed inside the outer structure and forming an operating space with the outer structure;
A working fluid enclosed in a working space between the outer structure and the inner structure;
A heating element provided in a layered manner on at least one of the inner surface of the outer structure and the outer surface of the inner structure in the working space;
A shape retaining ring fitted into the outer surface of the outer structure and the inner surface of the inner structure outside the working space,
By heating the working fluid by generating heat from the layered heating element, the working fluid is transferred from the liquid phase to the gas phase to increase the pressure in the working space, and the outer structure and the inner structure A driving device characterized in that the device is extended.
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