(57)【要約】【課題】従来の直動型アクチュエータはケース内部にクラッチおよびリリース機構と駆動機構を有しており、その構造上の制約から小型化には限界がある。アクチュエータの配置密度が要求される用途では複数個のアクチュエータを階層化して配列するなどの工夫をするが、その場合にもアクチュエータ自体の大きさが配置ピッチに影響していた。また、従来の高機能なアクチュエータを多数配置すると、コスト高となることも問題である。【解決手段】アクチュエータを小型化して高密度に配置するために、新たなアクチュエーションメカニズムを提案する。アクチュエータのシャフトをクラッチおよびリリースする手段として低融点金属を状態変化させる方法を使用し、空気圧を利用してシャフトを駆動する。アクチュエーションメカニズムを単純な構成とすることで、小型で拡張性に優れたアクチュエータを構成する。【選択図】  図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低融点金属の状態変化と正負の空気圧を組み合わせ利用してシャフトを駆動するアクチュエータで、無制御時には固体状態にある低融点金属によってシャフトが包含されて固定され、制御時に加熱されて融解して液体となった低融点金属によってシャフトは開放されて可動状態となり、正負の空気圧によってシャフトが単一方向へ前後移動する構造を有するアクチュエータ。
【請求項２】
請求項1のアクチュエータを同一ケース内部に立体または平面上に複数並べた構造を特徴とするアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低融点金属と正負の空気圧を利用したアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の直動型アクチュエータには、コイルによって金属棒を駆動するものや圧電素子の振動を利用するものがある。モータの回転をギアやクランク機構を使うなどして直線運動へ変換するものもある。
【０００３】
以下、図４により従来の直動型アクチュエータについて説明する。図では一般的なソレノイドアクチュエータを表している。金属製のシャフト4dの周りにはコイル4bが配置されている。外部からコイル4bに電圧を印加することで生じる磁場によって、シャフト4dが直線方向に前後移動する。突出または陥没した状態を保持するために永久磁石を配置しているものもある。これらすべての構造がケース4cの内部に収められている。
【非特許文献１】「Solenoids Design Manual」,新電元工業株式会社
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
以上に述べた従来のアクチュエータでは、その構造による制約のためにユニット化して大規模に拡張することは困難である。構成部品の小型化とアクチュエータ自体の配置方法を工夫することによって、シャフト先端部を2mmピッチ程度までに集積したユニットも製品化されているが、大規模に拡張する場合にコストが高くなる傾向がある。一般的に、状態を保存するためには継続して通電しておく必要があることも問題である。
【０００５】
本発明は、このような従来の構成が有していた問題を解決しようとするものであり、化合物の状態変化を利用したアクチュエーションメカニズムにより、アクチュエータの小型化を図り、効果的に大規模な拡張を実現することを目的とする。状態保持には外部エネルギーを必要としない構造とする。また、同時にアクチュエーションメカニズムを簡単な構造で構成することによって、低コスト化を実現することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
これまでの、個々のシャフトに対応する駆動機構を用意する方法では、アクチュエータのシャフト部分を高集積化するのは難しい。効率的にアクチュエータを小型化するためには、シャフト形状を単純な構造とすることと、それらを固定したり駆動する機構を小さくすることが求められる。
【０００７】
本発明では、シャフトの駆動方法として、低融点金属の状態変化と空気圧の加減を組み合わせて利用したクラッチおよびリリース機構を提案する。低融点金属は常温では固体であるが、加熱によって容易に融解して液体となる性質を持つ。例えば、融点47度の低融点金属Uアロイ47が株式会社大阪アサヒメタル工場によって製品化されている。他にも同工場からは融点183度のUアロイ183までの様々な融点の低融点金属が製品化されているが、ヒータなどで加熱して融解させるためには融点100度以下までの低融点金属を使用することが望ましい。シャフトを駆動するエネルギーを伝達する機構を各アクチュエータで共用することで、複数のシャフトを有するアクチュエータを構成できる。
【０００８】
本アクチュエータはシャフトの縦方向位置を様々に変更できる。高密度にシャフトを並べるためにはシャフト先端部は0.1mmないし10mm程度のものが望ましい。通常時のシャフトは低融点金属が固体であるために固定されているため直前の状態を保存しているが、外部からの加熱によって低融点金属を液体へ状態変化させると、シャフトは自由に動ける状態になる。そこへ、空気圧を加減することでシャフトを突出または陥没させたり、あるいは中間位置へ移動することができる。シャフトが目的の位置に達したときに低融点金属が融点を下回るとピンが固定されて状態が保存される。状態を保存した状態では外部からのエネルギーを必要としない。
【０００９】
本発明のアクチュエータの構造を図１に示す。シャフト1dは表面パネル1cに開けられた穴に沿って上下に移動する。このアクチュエータで1つのシャフト1dの縦方向位置を変更するには、まず、そのシャフトを固定している低融点金属1gを選択して溶かす。すると、シャフト1dは図１において縦方向に自由に動ける状態となる。この状態でアクチュエータ内の閉じた空間1fへエアバルブ1eから圧縮空気を送り込むと、低融点金属1gの液面は圧力を受ける。この圧力はパスカルの原理によって、シャフト1dの底部にも伝わる。シャフトは圧力によって押し上げられて縦方向の位置が変化する。同様にアクチュエータ内の閉じた空間1fの空気圧力を下げると、シャフト1dは逆方向、つまり図１においては下方へ移動する。
【００１０】
空気圧を加減制御する際に、目的外のシャフト1dは、対応する低融点金属1gが固体のままであるため可動状態にない。そのためシャフト1dは移動せず状態はそのまま保存される。このように、同一ケース内部に複数のアクチュエータを配置して駆動機構を共用しながらも、選択的に個々のシャフト1dを制御することができる。
【発明の効果】
【００１１】
従来のアクチュエータは固定機構や駆動機構を含めた構造のすべてがケースに封入されているため、アクチュエータ本体の直径は5mm程度のものが主流であり、そのまま平面上に配列したのではアクチュエータの表示密度が極めて粗くなる。そのため、配置や配列の方法を工夫しているが、それでも2mmないし3mmピッチでシャフト先端を並べるのが限度であった。
【００１２】
本発明のアクチュエータは、アクチュエーション機構を構成する要素数を減らして単純化するとともに、アクチュエータのケース内部にアクチュエーション機構を複数配置することでシャフト配置の効率的な高密化を図っている。アクチュエータ内部の空間を満たす空気を、シャフトを駆動する力を伝達するための媒体として利用している。
【００１３】
複数のシャフトを有するアクチュエータを構成する場合、個々のシャフトに対応するそれぞれのアクチュエーション機構は個別のケースを持たず、1つのアクチュエータのケース本体に組み込まれて構成されている。このため、シャフト配置は加工精度の許す限りの高密化が可能である。これは、低コストで高精細な駆動が可能なアクチュエータユニットを構成できることを意味する。
【００１４】
アクチュエータのすべてのシャフトは低融点金属によって物理的に固定されるので、常温を保っておくことで、制御時の最終状態をそのまま長期にわたって保存できる。目的のシャフト位置を継続するために、外部からのエネルギーは必要としない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明のアクチュエータの概略を図２に示す。構成部品の形状や材質は用途によって違うが、裁量の形態では微小区間に多数配置することを想定する。装置の構造としては、金属または合成樹脂の枠で密閉された空間2fを作っておき、そこにエアバルブ2eから圧縮空気を送り込んで、その圧力によってシャフト2d0ないし2d9を突出させる。定常状態のシャフト2dは対応するピットに満たされた低融点金属2gが固体であるため固定されているが、ピットを選択的に過熱することで低融点金属2gは状態変化を起こして液体になる。この状態でシャフト2dは自由に動けるようにる。このとき、装置内の空気圧を正圧および負圧、または圧力無しの状態へ連続的に切り替える制御をすることでピンを上下へ駆動させ、様々なシャフト位置を実現する。
【００１６】
アクチュエータは、MCナイロンの台座2lとアクリルの表面パネル2cで密閉空間2fを形成する。台座2lと表面パネル2cの間にはエア漏れを防ぐために厚さ0.5mmのゴムマット2bを挟む。台座2lと熱伝導用ピン2jの隙間2iはシール剤で塞がれて密着している。密閉空間2fの構成はエア漏れを防止する構造であれば他の材質や手段を用いても構わない。台座脇にエアチャックを装着するためのバルブ2eがあり、ここから正負の圧縮空気を供給する。
【００１７】
シャフト2d0ないし2d9は直径0.5mmの真鍮金メッキピンを使用する。このピンは10x10の行列状に配置し、その間隔は1.5mmピッチとする。シャフトのストロークは0.7mmを確保する。これを満足するように低融点金属を溜めるピット2gの形状を決定する。制御に用いる低融点金属2gは融点が摂氏47度のものを使用する。これを台座に開けた直径0.7mmの穴に注入し、下から熱伝導用ピン2jで栓をした。このピンは熱源2kで発生する熱を伝導する機能を兼ねる。もちろん、低融点金属を融解するのに差し支えないなら、熱伝導用ピンを省いた構成でもよい。
【００１８】
空気圧は10kg/cm2の空気源をフィルタレギュレータによって減圧して清浄し、0.1kg/cm2を得る。これを装置内に導入すると、シャフト1本は断面積約0.2mm2であるため上向きに約0.2gの力が加わる。シャフトは重量約0.01gであるため、これは動作に充分である。また、負圧は真空エジェクタによって生成する。空気圧はシャフトを動作させるために使用するものであるため、充分な圧力を用意できれば他の構造でもよい。正圧と負圧と圧力無しの状態を3ポートの直動ソレノイドバルブで選択してアクチュエータの内部2fへ供給できるようにする。
【実施例１】
【００１９】
アクチュエータの構成は図２のようになる。加熱方法としてはセラミックヒータを利用する。発熱した熱源ユニット2kの先端を台座の裏側に突出している熱伝導用ピン2jに接触させて加熱する。その熱が熱伝導用ピン2jによって伝達されることで低融点金属2gは液体となり、対応するシャフト2dは可動状態となる。
【００２０】
平面上を熱源ユニット2kで走査して、目的のシャフト2d0〜9に対応する熱伝導用ピン2jを加熱し、さらに圧縮空気による加減圧を組み合わせて、目的のシャフトを選択的に駆動し、アクチュエータを構成する。
【００２１】
ヒータの位置制御、真空エジェクタ制御、ソレノイドバルブの制御を行い、アクチュエータを動作させる。
【実施例２】
【００２２】
アクチュエータの構成は図３のようになる。加熱方法としてはニクロム線ヒータを用いる。直径0.05mmのニクロム線120mmを台座の裏側に突出している熱伝導用ピン3lに巻き付けて接着し、抵抗値約60Ωのヒータ3jを構成する。このヒータ3jに通電して発熱させ、熱伝導用ピン3lを加熱する。その熱が熱伝導用ピン3lによって伝達されることで低融点金属3gは液体となり、対応するシャフト3dは可動状態となる。
【００２３】
制御回路はLEDマトリクスのそれに似ている。すべてのヒータ3jに接続されている配線の端は、それぞれ縦横に張られたガイド線に接続される。目的のシャフト3d0〜9に対応する熱伝導用ピン3lを選択的に加熱するためには、対応する縦横のガイド線に通電する。同時に複数のヒータ3jを加熱することが可能である。
【００２４】
マトリクス状に配置されたヒータのOn-Off制御、真空エジェクタ制御、ソレノイドバルブの制御を行い、アクチュエータを動作させる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施形態を示すアクチュエータの部分断面図
【図２】同アクチュエータの部分断面図
【図３】同アクチュエータの部分断面図
【図４】従来のアクチュエータの部分構成図
【符号の説明】
【００２６】
1a    シャフトストッパー
1b    ゴムパッキン
1c    表面パネル
1d    シャフト
1e    エアバルブ
1f    駆動用空圧伝達のための閉じた空間
1g    低融点金属
1h    液漏れ防止用シール
1i    熱伝導用ピンストッパー
1j    熱伝導用ピン
1k    台座
2a    シャフトストッパー
2b    ゴムパッキン
2c    表面パネル
2d0〜9  シャフト
2e    エアバルブ
2f    駆動用空圧伝達のための閉じた空間
2g    低融点金属
2h    液漏れ防止用シール
2i    熱伝導用ピンストッパー
2j    熱伝導用ピン
2k    熱源ユニット
2l    台座
3a    シャフトストッパー
3b    ゴムパッキン
3c    表面パネル
3d0〜9  シャフト
3e    エアバルブ
3f    駆動用空圧伝達のための閉じた空間
3g    低融点金属
3h    液漏れ防止用シール
3i    熱伝導用ピンストッパー
3j    ニクロム線ヒータ
3k    配線(横側)
3l    熱伝導用ピン
3m    配線(縦側)
3n    台座
4a    ストッパー
4b    コイル
4c    ケース
4d    シャフト
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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