JP5383321B2 - 感温アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、温度変化に応じてピストンを進退動作させるサーモエレメントとその感温部を選択的に加熱するためのＰＴＣヒータとを備えてなる感温アクチュエータに関する。

この種の感温アクチュエータは、たとえば汎用エンジンに適用される気化器の弁用電子制御装置等の被駆動部材において、気化器の吸気路を開閉するチョーク弁やスロットル弁等の弁を開閉制御するための感温アクチュエータとして用いられる。

従来この種の感温アクチュエータとしては、感温部にサーモワックスを封入してなるサーモエレメントを備え、該サーモワックスの温度変化に伴う膨張、収縮に応じて軸線方向に進退動作されるピストンと、前記感温部を任意の通電により加熱するＰＴＣヒータを設けてなる構造とされている（例えば、特許文献１参照）。

そして、この種の感温アクチュエータにおいて、ＰＴＣヒータによりサーモワックスの温度変化に伴う体積変化を制御可能に構成し、これによりピストンを所要のリフト量だけ動作させたり、任意のタイミングで必要なだけ通電して動作させたり、電力供給を止めた場合でも、自律して作動させたりすることにより、適宜の被駆動部材を動作させるようになっている。

実開平５−８１５８号公報

しかしながら、上述した構成による感温アクチュエータでは、サーモエレメントの感温部（ケース）とＰＴＣヒータとの接触が点接触になる虞れがあった。このような点接触は、たとえば組立ての工程で傾いて組み立てられてしまう場合や、接触面が平らでなく、凹凸がある場合、さらには成形上生じるＰＴＣヒータの変形（ソリ等）、加工によるうねり等により平坦度が大きくなる場合に生じるものであった。

さらに、上述したサーモエレメントの感温部においては、製造時に組み付け方やワックス封入量などの微妙な差で生じる製品毎の個体差を防ぐために、サーモエレメントのケース底面部分をへこませ変形させる調整という工程が一般に行われているが、これによる調整痕には調整度合いによってさまざまなものが生じるものであった。そして、このような調整痕による変形、加工の平面度、うねり、形状などによっても、上述したサーモエレメントの感温部とＰＴＣヒータとの接触が点接触になる虞れがあるものであった。

上述したような点接触状態が生じると、通電が充分に行われず、ＰＴＣヒータが発熱能力を最大限に発揮できない場合や、ＰＴＣヒータからの熱伝達がスムーズに行われず、安定したＰＴＣヒータの出力が得られない場合、また個々の個体にばらつきが発生する等の不具合があり、このような問題を解決し得る何らかの対策を講じることが求められている。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、サーモエレメントの感温部に対してＰＴＣヒータへの通電やＰＴＣヒータからの熱伝達を所要の状態で適切かつ安価で確実に行えるように構成した感温アクチュエータを得ることを目的とする。

このような目的に応えるために本発明（請求項１記載の発明）に係る感温アクチュエータは、感温部に熱膨張体を封入したサーモエレメントとその感温部を選択的に加熱するＰＴＣヒータを備えてなる感温アクチュエータにおいて、前記サーモエレメントの感温部とＰＴＣヒータとの間に介在するように設けられる接触部材を備え、前記接触部材は、前記ＰＴＣヒータに当接する側は全面積にわたって接触し、前記サーモエレメントに当接する側は、該サーモエレメントの感温部に製造時に付加される調整痕に重ならない空隙を設けるようなくぼみを設けた形状で形成されていることを特徴とする。

以上説明したように本発明に係る感温アクチュエータによれば、サーモエレメントとＰＴＣヒータとの間に接触部材を介在させるように構成したので、充分な接触面積を確保し、製品毎における熱伝達、ヒータ出力（通電量）のバラツキをなくし、安定させることができる。

すなわち、従来構造では、サーモエレメントとＰＴＣヒータの接触が点接触で、通電が充分に行われず、通電量が小さいために、発熱量も小さくなり、ＰＴＣヒータが発熱能力を最大限に発揮できない場合や、ＰＴＣヒータの熱伝達がスムーズに行われず、安定したＰＴＣヒータの出力が得られない場合があったが、本発明において、接触部材はサーモエレメントとＰＴＣヒータとの通電、熱伝達のための接触面積を充分に確保する。かつサーモエレメントとＰＴＣヒータ間で発生した熱量を保温、蓄熱する機能も果たすため、効率よくサーモエレメントケースへの熱伝達が行える。

また、本発明による接触部材は、ＰＴＣヒータが発した熱量を受熱することから、効率よくＰＴＣヒータが発熱し続けられるため、サーモエレメントが作動し始めるまでの時間は接触部材がない場合に比べ長くなるが、一度接触部材の温度が上昇し接触部材が一定の熱量を保持すると、サーモエレメントが受熱する熱量も大きくなるため、早くリフトし応答性が良くなり、さらにＰＴＣヒータの出力が安定し、所要の状態でサーモエレメントを作動させることができる。

また、本発明によれば、接触部材を、ＰＴＣヒータに当接する側は全面積にわたって接触し、サーモエレメントに当接する側は、該サーモエレメントの感温部に製造時に付加される調整痕に重ならない空隙を設けるようなくぼみを設けた形状で形成するようにしたので、サーモエレメントケースの底面と接触部材との接触面積及び接触部材とＰＴＣヒータとの接触面積を一定にし、サーモエレメントに伝わる熱量及びＰＴＣヒータの発熱量を、サーモエレメントの感温部に製造時に付加される調整痕の大きさに関係なく、一定とすることができるため、製品毎の前記リフト量にバラツキがなくなる。

特に、本発明によれば、接触部材のくぼみを、サーモエレメントの感温部のケース底部の調整痕よりも大きく、かつ該調整痕に重ならない空隙を設けるように形成しているから、サーモエレメントのケース底部の調整痕の大きさにかかわらず、サーモエレメントのケース底面と接触部材との接触面積および接触部材とＰＴＣヒータとの接触面積を一定にし、サーモエレメントに伝わる熱量およびＰＴＣヒータの発熱量を調整痕の大きさに関係なく一定とすることができるため、サーモエレメントが受熱する熱量も大きくなるため、早くリフトし、応答性が良くなり、また製品毎の前記リフト量にバラツキがなくなる。
さらに、本発明によれば、製造工程においても、前記リフト量のバラツキを抑えるために、ＰＴＣヒータ出力の調整等を行う必要がなくなる等といった効果もある。

すなわち、従来構造のように、サーモエレメントとＰＴＣヒータを直に当接させる方法では、前記調整痕の大きさの違いにより、サーモエレメントとＰＴＣヒータの接触面積にバラツキが出るため、発熱量または伝熱量にも影響し、リフト量にもバラツキが生じていたが、仮にリング状のＰＴＣヒータを製造しようとした場合、その加工が難しいため高価となるが、リング状等の接触部材を設けることで安価に製造することが可能となる。なお、接触部材の形状は、前記調整痕と同等か、あるいはそれよりも大きく、かつ調整痕に重ならない空壁を設ければよく、丸型、角型など、種々選択することができる。

本発明に係る感温アクチュエータの一実施形態を示す全体の概略断面図である。 本発明に係る感温アクチュエータの外観を示す概略斜視図である。 感温アクチュエータにおいて本発明を特徴づける接触部材有りと無しとの場合の作動特性を説明するためのグラフである。 （ａ），（ｂ）は本発明を特徴づける接触部材の要部拡大断面図である。 本発明に係る感温アクチュエータの別の実施形態を示し、感温アクチュエータの被取り付け部への取り付け状態を説明するための概略分解斜視図である。

図１および図２は本発明に係る感温アクチュエータの一実施形態を示すものである。
これらの図において、全体を符号１０で示す感温アクチュエータは、ほぼ円筒状を呈するケース１１内にワックス１２等の熱膨張体を封入することにより構成される感温部１３と、この感温部１３でのワックス１２の膨張、収縮に伴って軸線方向に進退自在に動作するピストン１４とこれを摺動自在に保持するようにケース１１の先端に固定されたガイド筒１５からなる駆動部１６とを備え、これによりサーモエレメントが構成されている。

ここで、図中１８は感温部１３におけるワックス１２とピストン１４との間に設けたダイヤフラムで、このダイヤフラム１８がワックス１２の膨張、収縮により可動し、その動きが封入媒体や補助ピストンを介してピストン１４の伝達され、該ピストン１４が軸線方向に進退動作するようになっている。なお、該ピストン１４には、感温アクチュエータ１０の弾性保持機能をもつばね３６を介して、キャップ状筒体３５により、ピストン１４のワックス１２の収縮時の動きが得られるように構成されている。

さらに、前記ケース１１の下端部には、前記サーモエレメントの感温部１３となるケース１１の底部側（ここでは、ケース１１内に形成した仕切り壁１７の下側）にＰＴＣヒータ２０を設置することにより、ヒータ保持部２１が形成されている。

ここで、図中２２はケース１１の下端部にはめ込み配置されたターミナルベース、２３はその内部に保持されたターミナル、２４はターミナル２３の内方端とＰＴＣヒータ２０との間に介在させたリードを兼ねる導電ばねである。

この導電ばね２４は、ＰＴＣヒータ２０を付勢するとともに、振動を吸収してくれるため、この振動によりＰＴＣヒータ２０が破壊されるのを防ぐという機能をも備えている。さらに、この導電ばね２４でＰＴＣヒータ２０を付勢しているため、たとえばＰＴＣヒータ２０等が組立ての工程で傾いて組み立てられてしまう場合や、ＰＴＣヒータ２０等の接触面が平らでなく、凹凸がある場合、さらには成形上生じるＰＴＣヒータ２０の変形（ソリ等）、調整痕によるケース１１の仕切り壁１７等の変形、加工によるうねり等により平坦度が大きくなる場合などであっても、サーモエレメントの感温部１３を仕切る仕切り壁１７側に対してのＰＴＣヒータ２０の良好な接触面積を得ることができるようになっている。

また、前記ケース１１の外側、さらにターミナル２３の下端には、対をなす電極端子金具３１，３２が予め嵌装され、該金具３１，３２から引き出されたリード線３３，３４が、図示しない制御用コントローラなどに接続されることにより、前記ＰＴＣヒータ２０への選択的な通電が行われ、感温アクチュエータ１０としてのピストン１４の進退動作を得られるように構成されている。

なお、図１中、符号３５は感温アクチュエータ１０のガイド筒１５に被せられたキャップ状筒体である。３６はばねで、このばね３６は、上述した通り、感温アクチュエータ１０を主機器側の取り付け部に弾性保持する機能と、ワックス１２の収縮時に、リフトしたピストン１４を押し戻す機能とを備えているものである。

また、上述した感温アクチュエータ１０では、ケース１１等は熱伝導性のよい金属材で形成され、ワックス等の熱膨張体１２は、温度変化で体積変化する材料で形成され、その他の各部も、従来から周知の構造を有しているものであり、その詳細はここでは省略する。

本発明によれば、上述した構成による感温アクチュエータ１０において、サーモエレメントの感温部１３とＰＴＣヒータ２０との間に介在するように接触部材４０を設けている。さらに、本発明によれば、この接触部材４０を、図４（ｂ）に示すように、ＰＴＣヒータ２０に当接する側は全面積にわたって接触し、サーモエレメントに当接する側は、該サーモエレメントの感温部１３に当接する側の中央部に当接部を持たない形状、特にこのサーモエレメントの感温部１３に製造時に付加される調整痕４３に重ならない空隙（空間）を設けるようなくぼみを設けた形状で形成するようにしている。

ここで、接触部材４０としては、熱伝導性に優れた銅系材料等を用いるとよい。尤も、これに限定されないことは勿論であり、要は、接触部材４０としては、適正な体積をもった適宜の形状、材質のものでもよい。また、この接触部材４０は、ＰＴＣヒータ２０をケース１１を介して端子金具３１、リード３３に接続する役割も果たしている。
なお、上述した接触部材４０として、サーモエレメントの感温部１３に調整痕４３に重ならない空隙を設けるような形状として最も単純には、図４（ａ）のようなリング形状を呈するものが考えられるが、本発明によれば、ＰＴＣヒータ２０に接触する側は全面積が接触して通電、熱伝達のための接触面積を十分に確保できるような同図（ｂ）のようなくぼみを有する形状で形成している。

このような構成による接触部材４０によれば、サーモエレメント感温部１３とＰＴＣヒータ２０との通電、熱伝達のために接触面積を充分に確保し、熱伝達性能を所要の状態にし、これによりサーモエレメントの感温部１３を所要の状態に加熱制御することができるものである。

また、このような接触部材４０によれば、サーモエレメント感温部１３とＰＴＣヒータ２０との間で発生した熱量を保温、蓄熱する機能を備え、これにより効率よくサーモエレメント感温部１３のケース１１への熱伝達を行うことができるものである。

さらに、このような接触部材４０によれば、ＰＴＣヒータ２０が発した熱量を受熱することから、ＰＴＣヒータ２０が受熱された分、効率よく発熱し続けられるため、ＰＴＣヒータの出力を安定させることができるものである。

そして、上述した接触部材４０を用いると、ＰＴＣヒータ２０からの熱は、接触部材４０に伝わり、この接触部材４０を介してサーモエレメント感温部１３に熱伝達されることになる。

ここで、ＰＣＴヒータ２０はその周りの部材、例えばエレメントケース１１などに熱伝達しないと、ＰＴＣヒータ自体に熱がこもり、温度が上昇し内部抵抗が増し、発熱能力が低下するため、効率よく発熱しつづけることができないが、ＰＴＣヒータ２０の発熱を随時受熱する接触部材４０が、サーモエレメント感温部１３との間に存在していることにより、効率よくＰＴＣヒータ２０を発熱し続けることができるものである。したがって、ＰＴＣヒータ２０は、安定して出力し続けられることになる。

以上の構成による感温アクチュエータ１０によれば、サーモエレメント感温部１３とＰＴＣヒータ２０との間に接触部材４０を介在させるように構成しているから、充分な接触面積を確保し、製品毎における熱伝達、ヒータ出力（発熱量）のバラツキをなくし、安定させることができる。

換言すれば、従来構造では、サーモエレメント（感温部１３）とＰＴＣヒータ２０の接触が点接触で、通電が充分に行われず、ＰＴＣヒータが発熱能力を最大限に発揮できない場合や、ＰＴＣヒータの熱伝達がスムーズに行われず、安定したＰＴＣヒータの出力が得られない場合があったが、本発明において、接触部材４０はサーモエレメント感温部１３とＰＴＣヒータ２０との通電、熱伝達のための接触面積を充分に確保し、かつサーモエレメント感温部１３とＰＴＣヒータ２０間で発生した熱量を保温、蓄熱する機能も果たすため、効率よくサーモエレメントケース１１への熱伝達が行える。

また、上述した接触部材４０は、ＰＴＣヒータ２０が発した熱量を受熱することから、効率よくＰＴＣヒータ２０が発熱し続けられるため、通電初期においてサーモエレメント作動時間は接触部材がない場合に比べ長くなるが、通電を停止した後でも一定時間、感温部１３へ熱伝達することが可能となり、その分、通電量を抑えることができ、省エネルギー化も達成できる。また、一度接触部材４０の温度が上昇し接触部材が一定の熱量を保持するとＰＴＣヒータ１０の出力が安定し、所要の状態で継続的にサーモエレメントを作動させることができる。

上述した本発明に係る感温アクチュエータ１０の作動特性のグラフを図３に示している。
すなわち、この図３中、実線で示す本発明（接触部材４０有り）の場合は、同図中破線で示す従来例（接触部材無し）の場合に比べて、作動時の立ち上がり特性が優れている。たとえば、リフト量が通電開始後の４．５ｍｍに達するまでの立ち上がりまでの時間は、１／２になる。また、本発明の場合には、リフト量も１０％アップすることも確認されている。

そして、このような図３のグラフから明らかな通り、接触部材４０を用いると、感温アクチュエータ１０としての性能向上を図ることができる。また、このような性能向上は、接触部材４０による保温効果、並びに蓄熱効果によって得られるものであり、その実用上での効果は明らかである。換言すれば、この効果は、接触部材４０により、熱の移動がスムーズに行われ、ＰＴＣヒータ２０が安定して高出力を維持できたことによる。

ここで、上述した調整痕４３についての説明を詳述する。すなわち、感温アクチュエータ１０において、サーモエレメントの感温部１３には、製造時に、組み付け方やワックス１２の封入量などの微妙な差で感温時のサーモエレメントのリフト量に製品毎に個体差（バラツキ）が生じることはよく知られているところである。このため、従来から、この種のバラツキを抑えるために製造工程では必須の工程として、組立後にサーモエレメントのケース１１の底面部分をへこまし、サーモエレメントケース１１内のワックス１２の封入室を強制的に押し込むことにより、強制的にピストン１４の突出長さ寸法を調整し、これによりサーモエレメントによるリフト量を基準値に調整することが一般に行われている。

そのため、サーモエレメントケース１１の底面（仕切り壁１７）には、調整による調整痕４３ができ、調整の度合いによって大小さまざまな調整痕４３が生じることとなる。

そして、上述したように、本発明によれば、接触部材を、リング状を呈するように形成することで、上述した調整痕４３の存在の有無にかかわず、サーモエレメントケース１１の底面（仕切り壁１７）と接触部材４０との接触面積および接触部材４０とＰＴＣヒータ２０との接触面積を一定にし、サーモエレメントに伝わる熱量及びＰＴＣヒータ２０の通電量を調整痕の大きさに関係なく一定とすることができるようにしている。これにより、この感温アクチュエータ１０では、製品毎の前記リフト量にバラツキがなくなる。

特に、このような接触部材４０のくぼみを、サーモエレメントの感温部１３のケース底部（仕切り壁）の調整痕４３よりも大きく、かつ該調整痕４３に重ならない空隙を設けると、サーモエレメントのケース１１底部の調整痕４３の大きさにかかわらず、サーモエレメントのケース１１底面と接触部材４３との接触面積および接触部材とＰＴＣヒータ２０との接触面積を一定にし、サーモエレメントに伝わる熱量およびＰＴＣヒータ２０の通電量を調整痕４３の大きさに関係なく一定とすることができるため、製品毎の前記リフト量にバラツキをなくせる。

図５は本発明の別の実施形態を示す。
すなわち、上述した実施形態では、感温アクチュエータ１０として、図２等に示されるように、そのケース１１の外側にリード３３，３４付きの電極端子金具３１，３２を嵌合させて設け、これを主機器等の被取り付け部の所定箇所に組み付け固定するように構成しているが、これに代えて、図４に示すように、上記電極端子金具３１，３２を省略したものを被取り付け部５０側に設けた通電用端子５１，５２を利用して係合保持させて組み付け固定できるように構成している。

これを詳述すると、この実施形態では、感温アクチュエータ１０を取り付け固定するための被取り付け部５０に、感温アクチュエータ１０の本体部分（図５に示すようなもの）を係合保持させる機能と電極端子機能とを有する通電用端子５１，５２を設けているから、感温アクチュエータ１０の被取り付け部５０側への固定、組み付けが容易で、またレイアウトの自由度も向上する。

ここで、通電用端子５１は、たとえば感温アクチュエータ１０の中心軸を挟んで、両方向から付勢することにより、該感温アクチュエータ１０を固定保持し得る一対のばね製保持片からなり、また通電用端子５２は感温アクチュエータ１０のヒータ保持部２１側の端部に露呈するターミナル２３に弾性的に当接するばね製係止片であり、これらの通電用端子５１，５２により、該感温アクチュエータ１０が嵌合保持されるようになっている。

なお、この図５では、通電用端子５１を構成する一対のばね製保持片で、感温アクチュエータ１０の中径部（図５中、符号Ａで示す部分）を両側から挟んで固定保持するように構成している。このように通電用端子５１で中径部Ａを固定保持すると、この感温アクチュエータ１０は、通電用端子５１が大径部（図５中、符号Ｂで示す部分）に係止され、通電用端子５２との間で係合保持され、軸線方向（ピストン１４の進退方向）への移動を規制されて固定保持されることになる。

勿論、これに限定されず、通電用端子５１を構成するばね製係止片により、感温アクチュエータ１０の大径部Ｂ、小径部（図５中、符号Ｃで示すガイド筒１５の部分）のいずれを挟んで固定保持するように構成してもよい。たとえば通電用端子５１により感温アクチュエータ１０の小径部Ｃを挟んで固定保持する際には、この小径部Ｃとなるガイド筒１５の外側に嵌装して配置される戻しばね機構であるキャップ状筒体３５やばね３６の軸線方向の長さを短くし、通電用端子５１による挟み込み部を確保すればよい。

そして、従来構造によれば、サーモエレメントの感温部１３とＰＴＣヒータ２０を保持するためにアクチュエータのケース１１にサーモエレメントとＰＴＣヒータ２０を入れ、蓋をし、ねじ止め接合することで、サーモエレメントとＰＴＣヒータ２０との組立体を形成し、その組立体を別途ねじ止め接合により固定し、配置していたが、このような問題点を一掃することができるものである。

すなわち、上述した構成によれば、感温アクチュエータを駆動源とする機器の筐体等といった被取り付け部５０側への組付け時において、固定具となる通電用端子５１，５２へのはめ込みのみで充分な固定ができるため、従来のようなビス、ねじ、ボルトやねじ止め部などの固定手段の必要もなく、組付けの作業が容易になり、またアクチュエータの本体部分に端子金具を圧入して固定する必要も無いため、コストや部品点数を抑えることができる。

なお、本発明は上述した実施の形態で説明した構造には限定されず、感温アクチュエータ１０を構成する各部の形状、構造等を適宜変形、変更し得ることはいうまでもない。

たとえば、上述した感温アクチュエータ１０は、特開２００６−５７４９７号公報等に示されるように、主として汎用エンジンに適用される気化器の弁用電子制御装置等の被駆動部材において、気化器の吸気路を開閉するチョーク弁やスロットル弁等の弁を開閉制御するための電動アクチュエータとしての電動モータの代わりに用いることで、その効果を発揮し得るものである。

特に、上述したように各種の電気機器等における駆動源として電動モータ等の代わりに、サーモエレメントを利用した感温アクチュエータ１０を用いると、小型かつコンパクト化を図れるとともに、バッテリ等の省エネルギ化を発揮させることができるという利点がある。

勿論、本発明によれば、上述した適用機器に限らず、各種の分野において、通電により所要のリフト量を出力する電動アクチュエータ１０であれば適用して効果を発揮し得るものである。

１０ 感温アクチュエータ
１１ ケース
１２ ワックス（熱膨張体）
１３ 感温部
１４ ピストン
１５ ガイド筒
１６ 駆動部
１７ 仕切り壁（ケース底部）
２０ ＰＴＣヒータ
２１ ヒータ保持部
２３ ターミナル
２４ 導電ばね
３１，３２ 端子金具
３３，３４ リード線
４０ 接触部材
５０ 被取り付け部
５１，５２ 通電用端子

Claims (1)

1. 感温部に熱膨張体を封入したサーモエレメントとその感温部を選択的に加熱するＰＴＣヒータを備えてなる感温アクチュエータにおいて、
   前記サーモエレメントの感温部とＰＴＣヒータとの間に介在するように設けられる接触部材を備え、
   前記接触部材は、前記ＰＴＣヒータに当接する側は全面積にわたって接触し、前記サーモエレメントに当接する側は、該サーモエレメントの感温部に製造時に付加される調整痕に重ならない空隙を設けるようなくぼみを設けた形状で形成されていることを特徴とする感温アクチュエータ。

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