(57)【要約】【課題】ソレノイドやアーマチュアを不要にする。構造を簡単にしてコストを下げる。小型にする。摺動部材を減らして摩耗に対する不安をなくす。【解決手段】ピストン２に取り付けた電極１４と、蓋１５に取り付けた電極１６，１７との間に４本の形状記憶合金製のコイル・スプリング状アクチュエータ１０〜１３が掛けてあり、これらに駆動電流を流すと、アクチュエータ１０〜１３が収縮して図示の密着巻きの姿勢になる。このときポンプ室９の液体はチェック弁２４から流出する。次にアクチュエータ４〜７に駆動電流を流すと、これらが密着巻きまで縮み、他方のアクチュエータ１０〜１３が伸びる。ポンプ室３の流体がチェック弁２１から流出する。これを繰り返す。【選択図】図４
2005226573.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ピストンの往復動により、ピストンの左右のポンプ室の容積を変化させて、２つのポンプ室に交互にポンプ作用を行わせるポンプにおいて、ピストンの左と右にそれぞれ形状記憶合金からなるアクチュエータを配設してピストンに作用させ、各アクチュエータに間隔をおいて交互に駆動電流を流すことを特徴とするポンプ。
【請求項２】
ピストンの往復動により、ピストンの左右のポンプ室の容積を変化させて、２つのポンプ室に交互にポンプ作用を行わせるポンプにおいて、ピストンの一方に形状記憶合金からなるアクチュエータを、他方に引っ張りスプリングを配設してそれぞれピストンに作用させ、前記アクチュエータに間欠的に駆動電流を流すことを特徴とするポンプ。
【請求項３】
ピストンの一方に配設する形状記憶合金からなるアクチュエータが、コイル・スプリング状であることを特徴とする請求項１又は２記載のポンプ。
【請求項４】
ピストンの一方に配設するアクチュエータが複数個で、それらの形状回復力を加えるようにしたことを特徴とする請求項３記載のポンプ。
【請求項５】
ピストンの一方に配設する複数個のアクチュエータの内の複数個を電気的に並列接続したことを特徴とする請求項４記載のポンプ。
【請求項６】
流体が液体であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はピストンの往復動により、ポンプ室の容積を変化させてポンプ作用を行わせるポンプの改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
ソレノイドからの電磁力を受けて往復動されるアーマチュアにより、左右のハウジングに形成された各シリンダ内のポンプ室の容積を変化させて、２つのポンプ室に交互にポンプ作用を行わせる電磁ポンプにおいて、各ポンプ室にそれぞれピストンを設けて、前記アーマチュアに左右のピストンを当接させた電磁ポンプが公知である（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
この電磁ポンプは、アーマチュアの直径に比較して左右のピストンの直径が小さく定めてある。
【特許文献１】特開２００１−４１１４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記従来のポンプでは、アーマチュアと左右のピストンを含めて、３個の往復動部材がハウジング内を左右に摺動する構造であり、アーマチュアに電磁力を作用させるためのソレノイドも２つ必要であった。したがって、構造が複雑でコスト高になるという問題点があった。また、アーマチュアと、左右のピストンのそれぞれに対して、ハウジングとの摺動摩耗への配慮をそれぞれ必要とし、その面からもコストへの悪影響があるという問題点があった。更にまた、ピストンが左右に往復動するときの攪拌抵抗を減らすために、アーマチュアにその摺動空間の左右の室を連通させる連通路や連通溝などを設ける必要があり、この面からもコスト高になるという問題点があった。
【０００５】
その上、ソレノイドやアーマチュア等の電磁力発生部分である駆動部が大型になり、ポンプ重量も大きくなるという問題点があった。
【０００６】
そこで本発明は、構造が簡単で、前記摺動摩耗への配慮が少ない数の部材ですみ、かつ左右の摺動空間を連通する連通路や連通溝を設けたアーマチュア自体も必要としなくて、小型、軽量のポンプを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、ピストンの往復動により、ピストンの左右のポンプ室の容積を変化させて、２つのポンプ室に交互にポンプ作用を行わせるポンプにおいて、ピストンの左と右にそれぞれ形状記憶合金からなるアクチュエータを配設し、各アクチュエータに間隔をおいて駆動電流を流すことを最も主要な特徴とする。形状記憶合金からなるアクチュエータの左右いずれか一方を引っ張りスプリングに置き換えてもよく、このときは残された１つの形状記憶合金からなるアクチュエータに間欠的に駆動電流を流すようにする。
【０００８】
そして、上記目的を達成するために、請求項１の発明は、ピストンの往復動により、ピストンの左右のポンプ室の容積を変化させて、２つのポンプ室に交互にポンプ作用を行わせるポンプにおいて、ピストンの左と右にそれぞれ形状記憶合金からなるアクチュエータを配設してピストンに作用させ、各アクチュエータに間隔をおいて交互に駆動電流を流すことを特徴とするポンプである。
【０００９】
請求項２の発明は、ピストンの往復動により、ピストンの左右のポンプ室の容積を変化させて、２つのポンプ室に交互にポンプ作用を行わせるポンプにおいて、ピストンの一方に形状記憶合金からなるアクチュエータを、他方に引っ張りスプリングを配設してそれぞれピストンに作用させ、前記アクチュエータに間欠的に駆動電流を流すことを特徴とするポンプである。
【００１０】
請求項３の発明は、請求項１又は２記載の発明において、ピストンの一方に配設する形状記憶合金からなるアクチュエータが、コイルスプリング状であることを特徴とするものである。
【００１１】
請求項４の発明は、請求項３記載の発明において、ピストンの一方に配設するアクチュエータが複数個で、それらの形状回復力を加えるようにしたことを特徴とするものである。
【００１２】
請求項５の発明は、請求項４記載の発明において、ピストンの一方に配設する複数個のアクチュエータの内の複数個を電気的に並列接続したことを特徴とするものである。
【００１３】
請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれか１つに記載の発明において、流体が液体であることを特徴とするポンプである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は上述のように構成されているので、構造が簡単でメンテナンスも容易になる。したがって、コストが安くできる。また、ソレノイドやアーマチュアを要しないので、小型のポンプが実現できる。また、往復動する部材がピストン１つであるので、従来技術のように同軸ずれの対策として、アーマチュアと２本のピストンで合計３個の往復動部材を設ける必要がなく、ピストン長も出力に影響しないので短くできるなど、コスト面で有利となる。
【００１５】
請求項３の発明では、アクチュエータの操作量を大きくできる。
請求項４の発明では、アクチュエータのピストンにかける作用力を大きくできる。
【００１６】
請求項５の発明では、ポンプ室内における複数のアクチュエータの電気的接続が容易になる。
【００１７】
請求項６の発明では、流体によって形状記憶合金の温度上昇が抑制されるので、応答性を高め、サイクルの周期（ｔ１＋ｔ２またはＴ）を小さくできる利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
次に本発明を実施するための最良の形態を図の実施例に基づいて説明する。
【実施例１】
【００１９】
図１（ａ）（ｂ）と図２，３に示す実施例１で、図１（ａ）は縦断面図、同図（ｂ）は側面図、図２は図１（ａ）におけるＡ−Ａ断面図、図３は図１（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。なお、図４は実施例１の図１（ａ）と異なる態様の縦断面図を示し、図１（ａ）がピストンが左端に移動した態様を、図４はピストンが右端に移動した態様を示している。なお、いずれの図も後述するように実際より拡大図示している。
【００２０】
これらの図において、円筒状のシリンダ１内を電気絶縁性の合成樹脂製ピストン２が図示左右方向に摺動可能に配設され、図１（ａ）ではピストン２が左端位置に、図４では右端位置にある。左のポンプ室３には、形状記憶合金からなるコイル・スプリング状の４つのアクチュエータ４，５，６，７が配設され、各右端を電極８に機械的に連結され、しかも電気的にも接続されている。電極８は４つのアクチュエータ４，５，６，７の各右端が嵌合する凹部をシリンダやピストン２の軸線Ｘ−Ｘを中心とする円周上に等間隔（９０度毎）に備え、これらの凹部へそれぞれコイル・スプリング状のアクチュエータ４，５，６，７の各右端を嵌合させて、機械的にしっかりと連結し、固着してある。したがって、これら４つのアクチュエータ４〜７の右端は電極８を介して電気的に互いに接続されている。電極８は全体がほぼ円板状で図１（ａ）に示すようにピストン２の左側面に固着されている。
【００２１】
ピストン２の右のポンプ室９には、形状記憶合金からなるコイル・スプリング状の４つのアクチュエータ１０，１１，１２，１３が配設され、その各左端は電極１４に機械的に連結され、しかも電気的にも接続されている。電極１４は４つのアクチュエータ１０，１１，１２，１３の各左端が嵌合する凹部をシリンダ１やピストン２の軸線Ｘ−Ｘを中心とする円周上に等間隔（９０度毎）に備え、これらの凹部へそれぞれコイル・スプリング状のアクチュエータ１０，１１，１２，１３の各左端を嵌合させて、機械的にしっかりと連結し固着してある。したがって、これら４つのアクチュエータ１０〜１３の各左端は電極１４を介して電気的に互いに接続されている。電極１４は全体がほぼ円板状で、図１（ａ）に示すように、ピストン２の右側面に固着されている。
【００２２】
図１（ａ）で、シリンダ１の右端に固着された電気絶縁材料からなる蓋１５には、２つの電極１６，１７がインサートされていて、一方の電極１６には、コイル・スプリング状のアクチュエータ１０と１３の各右端が、他方の電極１７にはコイル・スプリング状のアクチュエータ１１と１２の各右端が機械的にしっかり連結・固着され、かつ電気的にも接続されている。
【００２３】
また、シリンダ１の左端に固着された電気接続材料からなる蓋１８には、２つの電極１９，２０がインサートされていて、一方の電極１９にはコイル・スプリング状のアクチュエータ４と７の各左端が、他方の電極２０にはコイル・スプリング状のアクチュエータ５と６の各左端が機械的にしっかりと連結・固着され、かつ電気的にも接続されている。
【００２４】
ところで、上記アクチュエータ４〜７と１０〜１３はいずれも形状記憶合金の線材をコイル・スプリング状に巻回形成したもので、トキ・コーポレーション株式会社製のバイオメタル・へリックスの名前で市販されているアクチュエータで、バイオメタルは同社の登録商標である。このバイオメタル・へリックスを以後ＢＭＸと略記する。
【００２５】
実施例に用いているＢＭＸは、Ｔｉ−Ｎｉ系の形状記憶合金を原料にして線材のねじり方向に異方性を持たせたもので、線径ｄが０．２ｍｍ、コイル外径Ｄが０．８５ｍｍで、コイル径Ｄ／ｄ線径比が４．２５と非常に小さい密な極細のコイル・スプリング状に加工したものである。このＢＭＸは、メーカーの前記トキ・コーポレーション株式会社から出荷されるときはコイルが密着巻きのかたちである。これを常温（室温）で引き伸ばして変形させて使用している。図１〜図４で、アクチュエータ４〜７と１０〜１３は線径ｄが０．２ｍｍ、コイル外径Ｄが０．８５ｍｍのものを約６．５倍に拡大図示している。そして、図ではシリンダ１の外径も同様に拡大図示されているので、実寸法は５．７ｍｍと非常に小さいものである。
【００２６】
実施例では、ＢＭＸをメーカーから購入した時点の密着巻きのコイル・スプリング状のもの、この密着巻きの状態での長さは、図１（ａ）のアクチュエータ４〜７の左右方向の長さに相当する。これを図１（ａ）に示すアクチュエータ１０〜１３の左右方向の長さよりわずかに大きな寸法まで常温で引き伸ばして使用している。すなわち、密着巻きのときの長さの約２倍に引き伸ばしていることになる。
【００２７】
ところでＢＭＸは、温度を上げていくと少しずつ収縮をし始め、７０℃を超えると急激に収縮して８０℃でほぼ収縮を終える。すなわち記憶していた密着巻きの形状に戻る。冷却時は７５度位から弛緩−伸張し始め、６０℃〜７０℃でほぼ伸張し終える。いわゆる温度ヒステリシスは１０℃以下である。一般的な形状記憶合金に比べ温度のヒステリシスが非常に小さく、より大きなひずみを有効に取り出せるとしている。また、ＢＭＸは電気抵抗が比較的大きく、抵抗値はニクロム線に近い値を示す。したがって、電流を流してニクロム線のように発熱させて動かす、電気・熱駆動方式のアクチュエータとして活用できるため、本発明ではこれを活用している。なお、実施例では流体は燃料、水、油等を扱うポンプである。
【００２８】
アクチュエータ４〜７に電流を流すには、電極１９と２０の各端子部１９ａと２０ａに電圧を印加する。また、アクチュエータ１０〜１３に電流を流すには、電極１６と１７の各端子部１６ａと１７ａに電圧を印加する。
【００２９】
各アクチュエータ、すなわち各ＢＭＸは、標準加熱電流（標準駆動電流）は３００〜４００ｍＡで、加熱時（高温時）の発生力は４０〜５０ｇｆ、運動変位（長さ変化）は２００％である。したがって図１〜図４で、左のポンプ室３のアクチュエータ４〜７に駆動電流を流すと、アクチュエータ４〜７が図１（ａ）のように４０〜５０ｇｆの間で収縮して、ピストン２を図示位置へ移動させる。このとき右のポンプ室９のアクチュエータ１０〜１３はピストン２に引っ張られて図のように伸びる。低温のアクチュエータ１０〜１３が伸びるには、殆ど力は要らない。
【００３０】
右のポンプ室９のアクチュエータ１０〜１３に駆動電流を流すと、アクチュエータ１０〜１３が４０〜５０ｇｆの力で収縮して、ピストン２を図４の位置へ移動させる。このとき、左のポンプ室３のアクチュエータ４〜７はピストン２に引っ張られて図４に示すように伸びている。
【００３１】
ピストン２が左へ動くときには、ポンプ室３の容積が小さくなって、ポンプ室３からチェック弁２１を通じて流体が流出する。このときチェック弁２２は閉じている。また、このとき右のポンプ室９の容積は大きくなって、チェック弁２３から流体がポンプ室９へ流入する。
【００３２】
次にピストン２が右へ動くときは、ポンプ室９の容積が小さくなってチェック弁２４から流体が流出する。また、ポンプ室３へチェック弁２２から流体が流入する。
【００３３】
ポンプを連続的に動かすには、図５の電気回路でアクチュエータに間欠的に駆動電流を流す。同図（ａ）は電気回路を、（ｂ）は同図（ａ）の回路のａ，ｂ，ｃ，ｄにおける電圧波形を示すタイムチャートである。矩形波発振器２５の出力ａはＡＮＤゲート２６と２７の入力に印加されるとともに、１／２分周回路２８に入力される。１／２分周回路２８の出力ｂは、ＡＮＤゲート２６の入力と、インバータ２９を介してＡＮＤゲート２７の入力に印加される。ＡＮＤゲート２６の出力ｃは、トランジスタＴｒ１を介してアクチュエータ４〜６に電源＋Ｅから駆動電流を流す。またＡＮＤゲート２７の出力ｄは、トランジスタＴｒ２を介して、アクチュエータ１０〜１３へ駆動電流を流す。なお、各アクチュエータ４〜７と１０〜１３は電気回路図では図５（ａ）に示すように表記する。
【００３４】
左のポンプ室３のアクチュエータ４〜７には、図５（ａ）（ｂ）でＡＮＤゲート２６の出力ｃがＨレベルの間である期間ｔ１の間だけ駆動電流が時間間隔Ｔをおいて流れる。また右のポンプ室９のアクチュエータ１０〜１３には、図５（ａ）（ｂ）で、ＡＮＤゲート２７の出力ｄがＨレベルの間である期間ｔ１の間だけ駆動電流が時間間隔Ｔをおいて流れる。そして、図５（ｂ）に示す出力ｃがＬレベルとなってから出力ｄがＨレベルになるまでの間に時間間隔ｔ２が設けてある。
【００３５】
すなわち、左のポンプ室３のアクチュエータ４〜７の駆動電流が停止した後、右のポンプ室９のアクチュエータ１０〜１３の駆動電流が流れ始めるまでに時間ｔ２だけ間隔をおいている。また、同時に右のポンプ室のアクチュエータ１０〜１３の駆動電流が断たれた後、左のポンプ室のアクチュエータ４〜７に駆動電流が流れ始めるまでに時間ｔ２だけ間隔をおいている。これは、一方のポンプ室のアクチュエータの電流を断っても、すぐにはアクチュエータの温度が低下しないので、温度が低下するまでの時間ｔ２をおいてから他方のポンプ室のアクチュエータに駆動電流を流すようにするためである。
【００３６】
なお、アクチュエータ４〜７の右端を電極８に機械的に連結・固着するには、溶接、ハンダ付け又はかしめ等で連結・固着する。アクチュエータ１０〜１３の左端を電極１４に連結・固着するにも同様の工法を採用できる。また、アクチュエータ４〜７の左端を、電極１９や２０に連結・固定するときや、アクチュエータ１０〜１３の右端を電極１６や１７に連結・固定する工法は、アクチュエータ４〜７の右端と電極８の連結・固着と同じ工法を使うことができる。
【実施例２】
【００３７】
実施例１における一方のポンプ室、例えば右のポンプ室９のアクチュエータ１０〜１３の代わりに、形状記憶合金を用いないで、普通のスプリング材料で製作した引っ張りコイル・スプリング４本を用いてポンプを構成することができる。
【００３８】
この場合は、各コイル・スプリングは、左のポンプ室のアクチュエータ４〜７（これらは同じ寸法、形状のアクチュエータであるが）の１つの形状回復力（５０〜６０ｇｆ）より小さく、低温の変形に要する力より大きな力（バイアス力）に設定する。アクチュエータ４〜７にＢＭＸを用いるこの実施例２では、アクチュエータ１０〜１３の代わりに用いる引っ張りコイル・スプリングのバイアス力はアクチュエータ４〜７の形状回復力の半分程度に定めている。
【００３９】
この実施例２の電気回路を図６に示す。この場合、矩形波発振器２５の出力ａはＡＮＤゲート２６に入力され、ＡＮＤゲート２６の出力ｃは同図（ｂ）に示すように、発振器２５の出力ａと同じになる。
【００４０】
したがって、アクチュエータであるＢＭＸ４〜７には、周期Ｔ／２毎に時間ｔ１の間駆動電流が電源＋Ｅから流れる。期間ｔ２はアクチュエータＢＭＸの冷却期間として使われる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施例１を示し、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は側面図。
【図２】図１（ａ）のＡ−Ａ断面図。
【図３】図１（ａ）のＢ−Ｂ断面図。
【図４】図１の実施例の異なる態様のときの縦断面図。
【図５】図１〜４の実施例１に使う電気回路図。
【図６】本発明の実施例２の電気回路図。
【符号の説明】
【００４２】
１  シリンダ
２  ピストン
３，９  ポンプ室
４，５，６，７  形状記憶合金からなるアクチュエータ
１０，１１，１２，１３  形状記憶合金からなるアクチュエータ
【図１】
2005226573.tif 000003
【図２】
2005226573.tif 000004
【図３】
2005226573.tif 000005
【図４】
2005226573.tif 000006
【図５】
2005226573.tif 000007
【図６】
2005226573.tif 000008