JP2000511613A - 熱化学的／機械的ブレーキおよびクラッチユニット - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 アクチュエータ（Ａ）は、内部に複数のチャンバまたはボア（３４）が規定されたボディ（１０）を含む。ボアは、内部の端部において、細長い通路（３０）により相互に連通される。ヒータエレメント（３２）が細長い通路に沿って延びている。細長い通路および各チャンバまたは各ボアの内部が、加熱時に膨張し流動する、好適には固体から液体へと相転移するポリマー材料で充たされている。ピストン、ダイアフラムまたはベローズ等の伸長性部材（１２）が、ボアまたはウェル内に取り付けられている。ヒータがポリマー材料を加熱しポリマー材料を膨張および流動させると、伸長性部材（１２）が、限定された移動だが強力に伸長する。ある実施形態において、伸長性部材の伸長が、スラストベアリング（Ｂ）を移動させ、摩擦部材アセンブリ（Ｃ）の摩擦的に係合可能なプレート（１８、２２）を係合させる。

Description

【発明の詳細な説明】 熱化学的／機械的ブレーキおよびクラッチユニット 発明の背景 本発明は、機械力アクチュエータに関する。本発明は、ブレーキおよびクラッ チ等のための、強力で、小さな移動の、伸長性アクチュエータに関する特定の適 用を見い出し、それらを特定的に参照しながら説明する。しかし、本発明はまた 、張力制御機構、自動チャック機構、チェーン張力機構、プレス、ドラムブレー キおよびカラーブレーキ等の適用も見つけるということが理解される。 出願人による先の米国特許第５，０２５，６２７号、第５，１７７，９６９号 および第５，４１９，１３３号が、液圧（ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓ）から容易に得 られる力と同等の力およびそれを超える力を与える機械的アクチュエータを説明 している。熱は、典型的には抵抗ヒータを通る電流の形態において、閉じられた チャンバ内のワックスまたはポリマー材料に加えられる。加熱がワックスまたは ポリマー材料の膨張を引き起こし、ピストンまたは他の機械的部材を伸長させる 。加熱中に相転移するワックスまたはポリマーを選択することが、ポリマーの膨 張と伸長性部材の力／移動を強める。比較的短い移動で、これらの従来のアクチ ュエータは約１０，０００〜２０，０００ｐｓｉのオーダー、およびそれ以上の 力を達成する。 成功してはいるが、これら従来の熱化学的／機械的アクチュエータには、複数 のアクチュエータの動作をコーディネートすることに関して１つの欠点がある。 フィードバック制御回路の使用により、出願人は、これらアクチュエータの伸長 を極めて正確に制御することができる。しかし、このようなフィードバック制御 回路は比較的高価で大型になる傾向にある。 本発明は、上述の問題および他の問題を克服する、新しく且つ改良された、シ ールされたチャンバアクチュエータを企図する。発明の要旨 本発明のある局面によると、新しく且つ改善された電気機械的アクチュエータ が提供される。細長い通路が、加熱時に膨張し且つ流動するポリマー材料を含む 。ヒータエレメントが、細長い通路に沿って配置されている。複数のチャンバが 、細長い通路と流体連面するように配置されている。ポリマー材料が膨張し流動 すると共通の力が伸長性部材の各々に付与されて伸長性部材の各々を伸長させる ように、伸長性部材がチャンバの各々に取り付けられている。 本発明のさらに限定された局面によると、細長い通路は環状である。 本発明の別のさらに限定された局面によると、伸長性部材の伸長が、クラッチ またはブレーキ等の選択的に接合する摩擦部材の間の摩擦接触を促す、スラスト ベアリングの係合を生じさせる。 本発明の別の局面によると、電気機械的な動作の方法が提供される。複数のチ ャンバの間を伸長する細長い通路内のポリマーが、ポリマーが流動し且つ膨張す るまで加熱される。細長い通路内を流動するポリマーが、チャンバ内の流動且つ 膨張されたポリマーの間の圧力の平衡を規定する。ポリマーの膨張により、各チ ャンバ内の伸長性部材が、共通の力で伸長される。 本発明のある利点は、複数の伸長性部材が同様の伸長および力の特性を有して 伸長できるようにすることである。 本発明の別の利点は、その相対的な簡便性にある。 本発明の他の利点は、その低コスト及び高い信頼性にある。 本発明の更なる利点は、以下の好適な実施形態の詳細な説明を読み且つ理解す ることによって、当業者には明らかになる。 図面の簡単な説明 本発明は、さまざまな要素および要素の構成、ならびにさまざまな工程および 工程の構成における形態をとり得る。図面は単に好適な実施形態を説明すること を目的とし、本発明を限定するものとして考えられるべきではない。 図１は、スラストベアリングおよびクラッチまたはブレーキプレートと組み合 わされた、本発明による環状熱化学的機械的アクチュエータの断面図である。 図２は、図１の環状アクチュエータの上面図である。 図３は、図１および図２の環状アクチュエータにおけるヒータの、ある実施形 態の詳細図である。 図３Ａは、図３の３Ａ−３Ａ線に沿った断面図である。 図４は、図３のヒータの別の実施形態である。 図４Ａは、図４の４Ａ−４Ａ線に沿った断面図である。 図５は、熱化学的／機械的アクチュエータの、異なる、環状ピストンの実施形 態である。 図５Ａは、図５のアクチュエータのある実施形態の断面図を示す。 図５Ｂは、図５のアクチュエータの別の実施形態の断面図を示す。 図６は、力が半径方向に伝達される熱化学的／機械的アクチュエータの、別の 異なる実施形態の断面図を示す。 図７は、アクチュエータの、異なる、線形の実施形態を示す。 図８は、アクチュエータの異なる三角形状の変形例である。 好適な実施形態の詳細な説明 ボディ部１０を含む熱化学的／機械的アクチュエータＡが、長手方向の動作、 好適には回転性の動作に抗して安定化されている。複数の、軸の長手方向に伸長 性のある部材１２が、作動中、ボディから伸長する。伸長性部材１２が、長手方 向に移動可能であるが、好適には回転方向には静止している、スラストベアリン グＢのプレート１４、ハイドロダイナミックベアリング、または他の作動機構を 押圧する。ボールまたはローラベアリング１６が、スラストベアリングの第１の プレート１４を、シャフト２０に連結された第２のまたは出力プレート１８に連 結する。長手方向に伸長性のある部材１２が伸長する場合、第１のスラストベア リングプレートへの圧力が、長手方向に出力プレートおよびシャフト２０を含む 、スラストベアリングアセンブリ全体を移動させ、それにより摩擦部材アセンブ リＣのブレーキまたはクラッチプレート２２と係合させる。 クラッチの実施形態において、クラッチプレート２２が、第２のシャフト２４ と連結される。シャフト２０および２４のうちの１つ、好適にはシャフト２４が 、 エンジンまたはモータ等の動力源に連結される。他方のシャフト、好適にはシャ フト２０が、選択的に動力源に連結され且つ動力源から連結を断たれる、関連す る機器に連結されている。部材１２の伸長により、スラストベアリングおよび摩 擦部材アセンブリが移動してロッキング摩擦係合をなし、シャフト２０と２４と が摩擦的にロックされ共に回転する。 ブレーキの実施形態において、シャフト２０および２４のうちの１つ、好適に はシャフト２４が、回転部材、例えばビークルの車輪と連結される。スラストベ アリングの出力プレート１８が、回転に抗するようロックされている。アクチュ エータの作動が、スラストベアリング、または関連する制動表面をブレーキプレ ート２２に押圧し、摩擦制動を引き起こす。この実施形態においては、シャフト ２０が回転しないようロックされる、または排除され得るということが理解され る。 張力制御の実施形態において、センサ２６が出力シャフト、例えばシャフト２ ０の回転速度、またはシャフト２０の回転によって駆動されるウェブにかかる張 力等を感知する。感知された条件に応答して、アクチュエータコントロール２８ が、スラストベアリングＢと動力源に連結された摩擦部材アセンブリＣとの間の 摩擦係合の程度を調節するために、長手方向伸長部材１２の伸長の程度および／ または力の量を調節する。 続けて図１を、さらに図２を参照すると、熱化学的／機械的アクチュエータＡ のボディ部材１０が、ボディ部材の周囲を延びる細長い、好適には環状のチャネ ル３０を規定する。製造の簡便性のために、ボディは好適には、溶接された２つ の鋼部材から形成される。環状チャネル３０内のポリマー、ワックス、金属合金 、もしくは他の相転移または熱膨張性の材料を選択的に加熱するための電気ヒー タ３２が、環状チャネル３０内に取り付けられる。ハウジングはさらに、環状チ ャネル３０と連通した複数の、好適な実施形態においては３つの、ボア３４を規 定する。ピンまたは他の長手方向伸長性部材１２が、各ボア内に配置される。他 の適した伸長性部材は、スナップドーム、ベローズおよび差動ピストン等を含む 。好適な実施形態をより詳細に説明すると、各ボアがベアリングおよびボアの上 部周辺のシール３６を受け取る。加圧スリーブ３８が、Ｏリング４０等のガスケ ッ トを、ポリマーが長手方向伸長性部材の側面に沿って流動しこぼれ出るのを防ぐ ために、効果的なシールを与えることができるに十分に圧縮する。他のガスケッ ト、もしくはダイアフラム、ベローズまたは他のガスケット構造等のシール機構 もまた企図される。 動作中、コントロール２８はヒータエレメント３２にポリマー材料を加熱させ 、溶融させ、膨張させる。ヒータエレメントに沿ったポリマーがまず溶融され、 加熱エレメントに沿って延びるポリマーの流体リザバを確立する。継続して加熱 しながら、さらなるポリマーが溶融され、膨張し、エレメント１２を伸長させる 。ヒータエレメントを取り囲む流動可能なポリマーによって規定されるボア３４ 間の流路が、同等の圧力が各ボア内に発生するように、圧力均等化通路を供給す る。各ボア内の均等化された圧力は、同様の力で伸長性部材１２を伸長させる。 ヒータの電源が切られた場合、ポリマーは冷却し、退化し、部材１２に同様の退 化を引き起こす。好適には、ばね力が与えられ、伸長部材が初期の位置に戻るこ とを促す。 冷却および退化を加速するために、さまざまな熱除去技術が適用され得る。ハ ウジングボディ１０が、単に十分な熱容量を有し得る、または熱除去を行う他の 構造体と熱的に連結され得る。別の例では、空気または他の気体状の流体が、冷 却するためにハウジングボディ１０上を通過し得る。別の実施形態として、液体 が、ハウジングボディ１０を冷却するために、ハウジングボディ１０上またはそ の中の通路内を通過し得る。例えば、ボディ全体が、油または水等の冷却材浴に 浸漬され得る。別の例では、内部を冷却材流体が循環する通路が、ボディ１０内 に規定され得る。冷却材の循環は、出力シャフトに連結されたポンプによって制 御され得る。この様式で、ユニットがオーバーヒートし始めた場合に、伸長部材 １２が伸長し、クラッチと係合し、且つ冷却材のポンピングを始める。 図３および図３Ａを参照すると、好適な実施形態のヒータエレメント３２は、 ケーブルまたはチューブタイプのヒータである。Ｉｍｏｎｅｌ、ニクロム、ニッ ケル、または他の抵抗ワイヤ等の抵抗性の加熱エレメント５０が、ヒータの中心 に沿って延びている。ワイヤは、良好な熱伝導特性を有する酸化マグネシウムま たは他の電気絶縁体５２に取り囲まれる。ステンレス鋼シース５４等のシースが 、 アセンブリを取り囲む。直流印加において、シース５４が、抵抗性エレメント５ ０を通って流れる電流のための電流帰路を供給する。交流印加において、シース 内にアース線（ｇｒｏｕｎｄｅｄ ｒｅｔｕｒｎ）が設けられている。別の例で は、コイルは、抵抗ワイヤの両端部が、ハウジングボディに高圧シールを与える 高圧フィッティング５６を通過するように、完全なループ形状に延び得る。 図４および図４Ａを参照して、他のヒータもまた企図される。例えば、絶縁材 料の環状キャリア６０が、少なくともチャンバ３４に隣接する複数の開口部６２ を規定する。開口部は、ポリマーがキャリアを横切りボア３４内に入ることを可 能にする横断通路を提供する。内側のおよび外側の環状エッジ６４および６６が 、環状通路３０内の中心に配置されたキャリア６０をクランプするためのクラン ピングエッジを提供する。接着剤層６８が、銅、ニクロムまたはニッケル等の、 抵抗性ワイヤ７０の複数のワインディングのそれぞれの位置を固定する。選択的 に、連続したクリップまたはガイド等の、他のワイヤ取付機構もまた使用され得 る。選択的に、別の接着剤層または取り付け層が、第２のヒータワイヤのセット を収容するために、ポリマー性キャリア６０の反対の面に取り付けられ得る。さ らに、複数のこれらのユニットが、積み上げられ得る。直接連結の実施形態にお いて、ワインディング７０の端部が、高圧フィードスルーを介して連結され、ヒ ータコントロール２８と連結されている。誘導的（ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ）実施形 態において、ワインディング７０の端部が、ループ形状に互いに連結されて、ト ランスフォーマの第２のワインディングとして機能する。第１のワインディング が、ハウジングに隣接して配置され、電力が第１のワインディングから第２のワ インディングへの誘導によって伝達される。この様式で、高圧フィードスルーは 排除される。 図５および５Ａにおいて、複数の個々のピストンが、単一の環状ピストン８０ と置き換えられている。環状ピストン８０は、環状ボア８２内に、適切なシール （図示せず）により配置される。環状ボア８２が、内部にヒータエレメント３２ が配置された環状通路３０と連通される。 図５Ｂの実施形態において、環状通路３０が複数のボア３４に連通されている 。ピストン、ベローズ、ダイアフラムまたは他の移動可能な部材８４が、適切な シ ール（図示せず）により、各ボア内に、摺動可能に配置されている。ボア３４は 、内部に環状ピストン部材８０が摺動可能に配置されているハウジング内の、環 状路３０と環状溝との間を延びる。この様式で、複数のピストンまたは他の伸長 性エレメント８４が、ポリマーリング３０と環状ピストン８０との間に配置され る。 図６を参照して、伸長性部材１２は長手方向に伸長する必要がないことが理解 される。むしろ部材は、ハウジング部材１０から、半径方向に外方へと、半径方 向に内方へと、あるいはその両方の方向へと伸長し得る。半径方向に外方へと移 動する伸長部材を有する部材が、ドラムブレーキエレメント、または周囲を取り 囲むクラッチシリンダと係合するクラッチ等として使用され得る。半径方向に内 方へと伸長する部材を有する実施形態が、カラーブレーキまたは内部を延びるシ ャフトと係合するクラッチとして使用され得る。内方へと、半径方向に伸長する 部材はまた、ツールまたはワークピース等と係合するためのチャックのエレメン トと係合し得る。 図７を参照して、通路３０は完全な環状であることを必要とせず、且つ環状で あることを必要としないということが理解され得る。むしろ、直線状のような別 の形状の細長い通路３０’が、複数のボア３４’の間を延びている。伸長性部材 １２’が、各ボアの中に適切なシールを伴って配置されている。伸長性部材は、 直線状押圧移動を供給するために、ボディの共通の側から伸長し得る。別の例で は、伸長性部材１２’が、アクチュエータの効果的な移動を増大させる２方向へ の力を生成するために、ボディ部材の、互いに反対の側から伸長し得る。 細長い通路は、線状および円形状とは異なる形状を有し得る。概して、通路は 伸長性部材が同様の力の特性を有して伸長する、任意の２つ以上のポイントの間 を伸長し得る。例えば、図８に示されるように、細長い通路が、三角形状に沿っ て伸長し得る。伸長性部材を有するボアが、中間点または隅等の、三角形に沿っ たさまざまなポイントに配置され得る。正方形、長方形、六角形および不規則な 形状等の他のパターンもまた企図される。 以上のように、好適な実施形態を説明したが、本発明の請求の範囲は以下の通 りである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 アレン，グリフィン エム．，ジュニア アメリカ合衆国 オハイオ 44122，シェ イカー ハイツ，ウィンスロウ ロード 18028 (72)発明者 シュナイダー，エドワード ティー. アメリカ合衆国 オハイオ 44094，イー ストレイク，イースト アイランド 216

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．電気機械的アクチュエータであって、 加熱時に膨張し且つ流動するポリマー材料を含む、細長い通路（３０）と、 該細長い通路（３０）に沿って配置されたヒータエレメント（３２）と、 該細長い通路と流体連面する複数のチャンバ（３４）と、 伸長性部材（１２）であって、該ポリマー材料が膨張し流動すると、共通の力 が、伸長性部材の各々に付与されて該伸長性部材を伸長させるように、該チャン バ（３４）の各々に取り付けられた伸長性部材（１２）と、 を含むアクチュエータ。 ２.前記細長い通路が、少なくとも１つの線状部分（図７および図８）を含む、 請求項１に記載のアクチュエータ。 ３．前記細長い通路が環状であり（図１、２、５、６、８）、且つ前記伸長性部 材が、 （ａ）該環状通路（図１、２）の中心軸に平行な方向と、 （ｂ）半径方向（図６、８）と の、いずれかの方向に伸長する、請求項１に記載のアクチュエータ。 ４．前記細長い通路を規定する前記伸長性部材およびボディ部材のうちの１つが 、選択的に接合する摩擦部材の間の摩擦接触を促すスラストベアリングと選択的 に係合し、該スラストベアリングおよび接合部材の少なくとも１つが、回転可能 なシャフトと連結されている、請求項３に記載のアクチュエータ。 ５．前記ヒータエレメントが、 細長い通路に沿って延びる抵抗性エレメント（５０）と、 該抵抗性エレメントを取り囲む電気絶縁体（５２）と、 該電気絶縁体を取り囲む導電シース（５４）とを含む、請求項１から４のいず れか１つに記載のアクチュエータ。 ６．前記ヒータエレメントが、 前記細長い通路に沿って延びる、複数の抵抗ワイヤ（７０）と、 該抵抗ワイヤを、内部に該細長い通路（３０）が規定されているメタルハウジ ング（１０）から絶縁するための絶縁体（６０）と、 を含む、請求項１から４のいずれか１つに記載のアクチュエータ。 ７．前記抵抗ワイヤのワインディングが、誘導的に電力源に結合されている、請 求項６に記載のアクチュエータ。 ８．クラッチアセンブリであって、 請求項１から７のいずれか１つに記載の電気機械的アクチュエータと、 伸長性部材が伸長および退化するとき、摩擦係合関係と、間隔を置いた係合さ れない関係との間を、選択的に移動可能である、第１および第２のクラッチ部材 （１８、２２）とを含む、クラッチアセンブリ。 ９．ブレーキアセンブリであって、 請求項１から７のいずれか１つに記載のアクチュエータと、 伸長性部材が伸長および退化するとき、摩擦係合関係と、間隔を置いた係合さ れない関係との間を、選択的に移動可能である、第１および第２のブレーキ部材 （１８、２２）と、 を含む、ブレーキアセンブリ。 １０．電気化学的／機械的作動方法であって、 複数のチャンバ（３４）の間を延びる細長い通路（３０）内のポリマーを、該 ポリマーが流動し且つ膨張するまで加熱する工程を含み、該細長い通路内を流動 する該ポリマーが、チャンバ内の流動し且つ膨張された該ポリマーの間の圧力の 平衡を確立し、該ポリマーの膨張が、該各チャンバ内の伸長性部材（１２）を、 共通の力で伸長させる、電気化学的／機械的作動方法。