JPH07167327A

JPH07167327A - アクチュエータの変位拡大機構

Info

Publication number: JPH07167327A
Application number: JP5343924A
Authority: JP
Inventors: Shigeo Okamoto; 重夫岡本; Teruo Mori; 輝夫森
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1993-12-17
Filing date: 1993-12-17
Publication date: 1995-07-04

Abstract

(57)【要約】【目的】】磁歪材等を使用するアクチュエータに用いら
れ、かつ前記変位発生材と被動作体との間の変位伝達媒
体として液体を用い、パスカルの原理により前記変位発
生材の変位を拡大して前記被動作体に伝達する機構にお
いて、効率向上が達成できるものを提供する。【構成】変位伝達媒体として用いられる液体９を、変位
伝達方向に伸縮容易で該変位伝達方向に直角をなす方向
に伸縮困難なベローズ２３、２４等からなる容器２１内
に封入した。摺動シールを用いないので、損失が低減さ
れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、磁歪材、電歪材、圧電
材、光歪材または熱膨張材を変位発生材に使用する比較
的小型の例えばポンプやマスフローコントローラ等のア
クチュエータに用いられ、かつ前記変位発生材と被動作
体との間の変位伝達媒体として液体を用い、パスカルの
原理により前記変位発生材の変位を拡大して前記被動作
体に伝達する機構に関する。

【０００２】

【従来の技術】図４は磁歪材を変位発生材として使用し
たアクチュエータの一例であるポンプを示す縦断面図で
あり、本発明者が先に開発したものである。図４のポン
プは、ハウジング１内に、巻線２を巻いたボビン３を収
容し、磁歪材４をボビン３の軸線方向に伸縮自在に収容
し、該磁歪材４の一端をヨーク５を介して下部ハウジン
グ１に螺合される端板１ａで受け、他端には伝達部材６
の一端を当接させている。該伝達部材６はハウジング１
内において図面上上下に移動自在であり、伝達部材６
と、ハウジング１に固定のリング７（該リング７は、ハ
ウジング１の上端に載せ、ハウジング１に螺合される蓋
１ｂにより、バルブ取付けブロック１１を介して抑え筒
１０を押圧することにより、ハウジング１の上端と抑え
筒１０の下端との間に挟持されて固定される）と、ピス
トン８との間に変位伝達媒体としての油等の液体９を充
填し、パスカルの原理により、磁歪材４の伸縮による変
位を拡大してピストン８に伝達するものである。前記リ
ング７の外周面と伝達部材６の円筒部６ａとの間には、
液体９の漏れを防止するシールリング１２が取付けら
れ、ピストン８を構成する下部部材８ａの外周と前記リ
ング７の中心孔の内周との間にも液体９の漏れを防止す
るシールリング１３が取付けられる。

【０００３】前記ピストン８は、小径の前記下部部材８
ａと、大径の上部部材８ｂと、下部部材８ａを上部部材
８ｂに結合するボルト８ｃと、下部部材８ａの中心孔の
閉塞部材８ｄと、該閉塞部材８ｄと下部部材８ａの中心
孔内壁との間に介装した油漏れ用シールリング８ｅとか
らなる。ピストン８の下部部材８ａの周囲には鍔８ｆを
設け、該鍔８ｆと前記抑え筒１０の内周の鍔１０ａとの
間には、圧縮ばね１４とその受リング１５とを介在させ
ている。前記バルブ取付けブロック１１の下面とピスト
ン８の上部部材８ｂの上面との間には液体吸込み用間隙
１６を形成し、上部部材８ｂの上部の周囲の円筒部８ｇ
の内周と前記バルブ取付けブロック１１の外周との間に
はポンプにより送る液体の漏れを防止するシールリング
１７を介装する。バルブ取付けブロック１１には、入口
バルブ１９と出口バルブ２０とを取付ける。なお、本例
においては、液中に浸漬して使用するポンプについて示
しているので、入口バルブ１９には吸込み管の連結部を
設けていないが、非浸漬型のものの場合には、入口バル
ブ１９にも吸込み管の連結部を設けることになる。

【０００４】このアクチュエータは、巻線２に通電して
磁歪材４に磁界を加えることにより、磁歪材４を伸長さ
せ、これにより伝達部材６を押し出し、液体９を介して
ピストン８を押し上げ、これにより前記間隙１６に吸い
込まれていた液体を出口バルブ２０より吐出させ、次に
巻線２への磁界印加を停止すると、ばね１４の力により
ピストン８が押し下げられ、前記間隙１６に入口バルブ
１９から液体が流入するという動作を繰り返すことによ
り、液体の送給がなされる。

【０００５】このような磁歪材４使用のアクチュエータ
は、従来の巻線に通電して発生させる磁力により磁性材
を吸引する方式の電磁式アクチュエータに比較して、速
い応答が得られ、出力も大きいという長所を有する。し
かしながら、磁歪材４の変形量が現在のところ最大で約
０．１５％程度しか得られないため、大きな動作量を得
るため、図４に示す本発明者等が開発したものは、変位
伝達媒体として液体９を用い、伝達部材６の液体対面面
積S1とピストン８の下部部材８ａの閉塞部材８ｄを含め
た液体対面面積S2との比S1／S2の拡大された例えば数倍
の変位量を得るようにしたもので、これにより、外部に
てこ状の動作量増幅機構を設けたり、長い磁歪材を用い
た場合に比較し、小形化できるという長所を有するもの
である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図４の
構成によれば、液体９の漏れを防ぐためのシールリング
１２、１３における摩擦による損失があり、この損失が
圧力損失および変位量の低下を引き起こすという問題点
があった。

【０００７】本発明は、上記問題点に鑑み、変位伝達媒
体として液体を用いることにより、大きな動作量が得ら
れ、構造も簡略化、小型化されたアクチュエータにおい
て、損失の低減が達成でき、効率向上が達成できる構成
のものを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、変位伝達媒体として用いられる液体を、変
位伝達方向に伸縮容易で該変位伝達方向に直角をなす方
向に伸縮困難な２段ベローズあるいは伸縮性の袋とコイ
ルばねからなる伸縮性の容器内に収容したことを特徴と
する。また、前記伸縮性容器を変位発生材側または被動
作体側に設け、前記被動作体または変位発生材側伝達部
材は、ハウジングに固定された中間リングにシールリン
グを介して摺動自在に嵌合してもよい。

【０００９】

【作用】本発明は、上記構成を有するので、変位発生材
により発生される変位が変位伝達媒体に伝達されると、
容器は変位発生材と被動作体とを結ぶ変位伝達方向にの
み伸縮する。このような摺動シール部を無くしたもの、
あるいは摺動シール部を一部にのみ用いたものにおいて
は、全体としての摺動損失が低減される。

【００１０】

【実施例】図１（Ａ）は本発明によるアクチュエータの
一実施例を示す縦断面図、図１（Ｂ）はその部分拡大図
である。図１において、図４と同じ符号は同じ機能を発
揮する部材または部分を示す。２１は変位伝達媒体であ
る油等の液体９を封入した容器であり、本例において
は、該容器２１は、磁歪材４に下面中心部が当接する伝
達部材２２と、大径ベローズ２３及び小径ベローズ２４
と、両ベローズ２３、２４間を結合する中間リング２５
と、被動作体であるピストン８の下部部材８ａとにより
構成される。本例のベローズ２３、２４は、図１（Ｂ）
に示すように、板状リング２６の内周、外周を隣接する
板状リングに溶接（２７）してなるもので、大径ベロー
ズ２３は両端を伝達部材２２と中間リング２５にそれぞ
れ溶接（２８）している。小径ベローズ２４も同様に中
間リング２５と下部部材８ａに溶接する。中間リング２
５は、前記同様にハウジング１に固定されたリング７に
より上方への移動が規制されるもので、該リング７はベ
ロース２３、２４の一構成部分として最初から製作して
もよい。前記伝達部材２２は、これが磁束の通路となる
ことから、ハウジング１や端板１ａと同様に透磁率の大
きな磁性材を用いることが好ましい。また、本例のベロ
ーズ２３、２４は溶接可能な金属で製作され、例えばス
テンレス鋼、モネルメタル、チタニウム、インコネル、
ハステロイ、ニッケル等を用いることができる。また、
ベローズ２３、２４には一体成形によるものを用いても
よく、一体成形による場合には、材質として燐青銅、丹
銅、ベリリウム銅、ステンレス鋼、モネルメタル、ニッ
ケル、アルミ合金、インコネル等が用いられる。また、
ベロース２３、２４として樹脂成形品を用いてもよい。
このようなベローズ２３、２４は、軸心方向（変位伝達
方向）に伸縮容易で、半径方向（変位伝達方向に直角を
なす方向）には伸縮困難となるものである。

【００１１】この構成において、巻線２に通電して磁歪
材４を伸長させると、伝達部材２２が上動し、これによ
り、リング７により上動が規制された中間リング２５と
伝達部材２２との間の大径ベローズ２３が縮み、その縮
みにより減少した分の容積分だけ小径ベローズ２４内の
容積が増加するように、小径ベローズ２４が伸びる。こ
の小径ベローズ２４の伸び量、すなわちピストン８の変
位量は、磁歪材４の伸長量をＬとし、伝達部材２２、下
部部材８ａの各受圧面積をそれぞれS1、S2とすると、お
およそＬ×（S1／S2）となり、変位量が拡大される。巻
線２の通電を停止すると、ばね１４によりピストン８が
戻される。このような巻線２への通電、停止を例えば商
用電源を使用して５０〜６０Hzで繰り返すことにより、
従来例と同様に、入口バルブ１９、出口バルブ２０の作
動を伴ってポンプとしての機能を果たす。

【００１２】このように、摺動シール部を無くすことに
より、摺動による損失を無くすことができ、投入電力に
対する液体の送給量、すなわち効率を向上させることが
できる。また、本実施例によれば、ベローズ２３、２４
の溶接により完全密閉型の容器が構成されるため、液体
９の漏れの恐れがない長寿命の変位拡大伝達機構が構成
される。

【００１３】図２（Ａ）は本発明の他の実施例を示す縦
断面図、図２（Ｂ）はその部分拡大図であり、本実施例
は、変位伝達媒体である液体９を封入する容器としてゴ
ム等の伸縮性の袋３０を用い、その大径部、小径部をそ
れぞれコイルばね３１、３２で巻き（袋３０にコイルば
ね３１、３２を一体に成形してもよい）、コイルばね３
１、３２の両端は伝達部材２２、中間リング２５、ピス
トン８の下部部材８ａにそれぞれ溶接したものである。
本例においては、袋３０の半径方向の伸縮がコイルばね
３１、３２で抑えられるから、前記実施例と同様の損失
低減効果をあげることができる。なお、図２の実施例に
おいて、袋３０の大径部の半径方向の伸縮を規制する部
材として、コイルばね３１の代わりにハウジング１の内
壁を利用することも可能であり、さらには中間リング２
５を袋３０の小径部に沿って上方に延長し、半径方向の
伸縮を規制する部材とすれば、コイルばね３２も不要と
することができる。

【００１４】上記各実施例による場合、従来例に比較し
て損失が低減できることを実証するため、理論上の変位
倍率（＝S1／S2）を５、磁歪材４の変位量を３２μｍ、
従ってピストン８の理論変位量Ｌを１６０μｍとし、巻
線２、磁歪材４の材質、寸法を同じとし、通電量も同じ
にしてピストン８の平均変位量Ａ、変位倍率αを求める
実験を行った。その結果は下記の通りであった。図４の従来例：Ａ＝１０５μｍ、α＝３．２８、図１の
実施例：Ａ＝１２１μｍ、α＝３．７８、図２の実施
例：Ａ＝１１９μｍ、α＝３．７２上記の実験結果からも本発明により損失低減効果が得ら
れることは明白である。上記実施例においては、大径部
も小径部もベローズ２３、２４や袋３０で形成した例に
ついて説明したが、図３に示すように、ピストン８側
（または伝達部材２２側）については従来の摺動シール
構造を踏襲し、大径部（または小径部）についてはベロ
ーズ２３（または２４）を用いる構成とした場合におい
ても、従来より摺動損失の小さなものが実現できる。こ
のように一方に摺動シール部を設けた構造においては、
損失低減効果は低下するものの、変位伝達媒体である液
体９の封入が容易になるという利点がある。すなわち、
シールリング１３が無い図１のものにおいては、容器２
１の一部に孔を明け、液体９中に容器２１を浸漬してを
真空に引き、液体９を容器２１内に吸入し、液体９が充
填されてからこれらの孔を封じる必要があるが、図３の
実施例においては、伝達部材２２、ベローズ２３および
中間リング２５で囲まれた上面開口容器部に液体９を充
填しておき、閉塞部材８ｄを設けた下部部材８ａを中間
リング２５に入れることにより、液体９の一部を溢れさ
せて組み立てることができ、液体９の封入作業が容易と
なる。

【００１５】上記実施例においては、ベロース等が円形
をなす例について説明したが、多角形をなすものであっ
てもよい。また、巻線２に通電することにより磁歪材４
が伸長する正磁歪材について説明したが、磁界を加える
ことにより収縮する負磁歪材を用いることができ、ま
た、磁歪材４にバイアス磁界を加える永久磁石を設けて
も良い。また、複数本のロッド状磁歪材あるいは板状磁
歪材を組合わせても良い。また、ハウジング１を複数本
のロッドと端板との結合により構成することも可能であ
る。また、磁歪材のみならず、電歪材、圧電材、光歪材
または熱膨張材を変位発生材に使用したアクチュエータ
にも本発明を適用でき、さらに、アクチュエータがポン
プのみならず、マスフローコントローラ等、他の用途に
も適用可能である。

【００１６】

【発明の効果】請求項１によれば、液体を変位伝達媒体
に用いて変位量を拡大するので、大きな動作量が得ら
れ、構造も簡略化された小形の磁歪アクチュエータが提
供できることは勿論のこと、液体を、変位伝達方向に伸
縮容易で該変位伝達方向に直角をなす方向に伸縮困難な
容器内に封入したので、摺動損失が低減され、効率を向
上させることができる。

【００１７】請求項２によれば、液体封入容器を、中間
部がハウジングに規制される大小２段のベローズにより
構成したので、請求項１の効果に加え、さらに完全密閉
型で長寿命のアクチュエータの変位拡大機構が実現でき
るという効果が得られる。

【００１８】請求項３によれば、前記容器を伸縮性の袋
と、変位伝達方向に対して直角方向の変位を防止する大
小のコイルばねと、袋の中間部に設けられ、ハウジング
に規制される中間リングとにより構成したので、請求項
１と同様の効果が得られる。

【００１９】請求項４によれば、前記伸縮性容器を変位
発生材側または被動作体側に設け、前記被動作体または
伝達部材は、ハウジングに規制された中間リングにシー
ルリングを介して摺動自在に嵌合したので、従来より摺
動損失が低減され、液体の封入作業が容易化するという
利益が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は本発明によるアクチュエータの一実施
例を示す縦断面図、（Ｂ）はその一部拡大図である。

【図２】（Ａ）は本発明によるアクチュエータの他の実
施例を示す縦断面図、（Ｂ）はその一部拡大図である。

【図３】本発明によるアクチュエータの他の実施例を示
す縦断面図である。

【図４】従来の歪アクチュエータを示す縦断面図であ
る。

【符号の説明】

１ハウジング２巻線３ボビン４磁歪材７リング８ピストン９変位伝達媒体としての液体１０抑え筒１１バルブ取付け用ブロック１２シールリング１４圧縮ばね１９入口バルブ２０出口バルブ２１容器２２伝達部材２３、２４ベローズ２５中間リング３０袋３１、３２コイルばね

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０２Ｋ 33/02 ＡＨ０２Ｎ 2/00 Ｄ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】磁歪材、電歪材、圧電材、光歪材または熱
膨張材を変位発生材として使用するアクチュエータに用
いられ、かつ前記変位発生材と被動作体との間の変位伝
達媒体として液体を用い、パスカルの原理により前記変
位発生材の変位を拡大して前記被動作体に伝達する機構
において、変位伝達媒体として用いられる液体を容器内
に封入し、該容器を変位伝達方向に伸縮容易で該変位伝
達方向に直角をなす方向に伸縮困難にしたことを特徴と
するアクチュエータの変位拡大機構。
【請求項２】請求項１において、前記容器を、ハウジン
グに規制される中間リングを設けた大小２段のベローズ
により構成したことを特徴とするアクチュエータの変位
拡大機構。
【請求項３】請求項１において、前記容器を、伸縮性の
袋と、変位伝達方向と直角方向の変位を防止する大小２
個のコイルばねと、これらのコイルばねの間の中間部に
設けられ、ハウジングに規制される中間リングとにより
構成したことを特徴とするアクチュエータの変位拡大機
構。
【請求項４】請求項１において、前記伸縮性容器を変位
発生材側または被動作体側に設け、前記被動作体または
変位発生材側伝達部材は、ハウジングに固定された中間
リングにシールリングを介して摺動自在に嵌合したこと
を特徴とするアクチュエータの変位拡大機構。