JP2009024835A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】所定の大きさの発生力を得るために必要な空気の圧力及び容積を大きくしないで、アクチュエータ動作に必要な空気量を少なくする。
【解決手段】アクチュエータ１が、流体を出し入れする注入口を有する圧力室５が形成された弾性変形可能な筒体２と、筒体２の軸方向に沿って筒体２の外壁に設けられ、筒体２の軸方向の伸張を規制する伸張規制線材１１と、筒体２の外周面に沿って筒体２を囲むように配置され、筒体２が径方向へ膨張するのを規制する膨張規制線材１０と、圧力室５内に設けられた内部構造体７と、注入口から流体を出し入れさせ、筒体２を湾曲させるための流体注入手段６とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、弾性筒状体内の流体を注入及び排出することによって屈伸するアクチュエータに関する。

介護支援用あるいはリハビリテーション用として指や胴体などの部位に装着されて使用される携帯型の機器が知られている。例えば使用者の指に装着される携帯型機器は、指に装着されるアクチュエータと、このアクチュエータの一端を保持し手の甲に取り付けられるアクチュエータ保持具と、加圧空気を蓄えた空気源とを備えている。加圧空気をアクチュエータに供給してアクチュエータを湾曲変形させることによって、この機器は関節部の曲げ動作の力を指に伝達する。

対象物を軟らかく把持可能な機器に内蔵されたアクチュエータの一つに、空気などにより流体圧が加えられることによって湾曲や伸縮などの動作を行なうアクチュエータが知られている。

特に流体圧アクチュエータは、円滑な湾曲動作をすることが可能であり、細径化も容易で構造も簡素なアクチュエータである。ロボットのハンド部など様々な分野への適用が研究されている（例えば特許文献１参照）。

特許文献１に記載のアクチュエータでは、伸長可能な筒状体の軸に沿った片側に補強部材が装着されており、この部分の筒状体の軸方向の伸びが規制される。さらに、筒状対の軸に直交する外周面には螺旋状の補強部材が配置されて半径方向の膨張が規制されるようになっている。そして、この筒状体はその内部に形成された圧力室の圧力を高くすることにより軸方向の補強部材が内側になるようにこの筒体が湾曲動作するよう構成されている。
特許第２９９３５０６号公報（第３図）

しかしながら、特許文献１に記載のアクチュエータでは筒状弾性体の内部に形成された圧力室が中空構造になっており、その中空部分はアクチュエータ全体の体積に比例した容積を占めているため、動力源となる圧縮空気の使用量も大きくなってしまう。また、流体を注入及び排出することによって屈伸するアクチュエータを携帯型機器に適用するには、流体を圧縮して小型ボンベに詰めて使用することが一般的に行われている。

携帯型機器を持ち運びして使用するときや屋外で使用するとき等、ボンベを装着者が携帯した状態でアクチュエータを動作させる場合、アクチュエータの動作によって消費された空気をこの者がポンプに補充することは難しい。所望の大きさの力をアクチュエータが発生するためには、ある程度の圧力及び容積を有する空気をアクチュエータへ供給する必要があるが、ボンベ内の空気の量は限られているため、これらの圧力及び容積を大きくすることができない。

アクチュエータの総動作回数は小型ボンベの容積とアクチュエータの流体使用量とにより決定されることから、アクチュエータの１回の空気使用量を小さくすることでアクチュエータの総動作回数は改善される。よって、アクチュエータの動作に必要な空気量が少なくてもアクチュエータの特性（動作角や発生力）が低下しない構造のアクチュエータが必要とされる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、所定の大きさの発生力を得るためのアクチュエータ動作に必要な空気量を少なくすることが可能なアクチュエータを提供することを目的とする。

このため、本発明の一態様によれば、流体を出し入れする注入口を有する圧力室が形成された弾性変形可能な筒体と、前記筒体の軸方向に沿って前記筒体の外壁に設けられ、前記筒体の軸方向の伸張を規制する伸張規制線材と、前記筒体の外周面に沿って前記筒体を囲むように配置され、前記筒体が径方向へ膨張するのを規制する膨張規制線材と、前記圧力室内に設けられた内部構造体と、前記注入口から前記流体を出し入れさせ、前記筒体を湾曲させるための流体注入手段と、を具備することを特徴とするアクチュエータが提供される。

また、本発明の別の一態様によれば、作動流体を出し入れする注入口を有する圧力室が形成されて、径方向に膨縮自在かつ軸方向に伸縮自在な筒体と、前記圧力室内に設けられた内部構造体と、この筒体の外周面に配置されて、高張力繊維が編組されてなる被覆体と、を備え、前記圧力室が加圧された場合、前記筒体が径方向に膨張するとともに前記被覆体が軸方向に縮み、前記圧力室が減圧された場合、前記筒体が径方向に収縮するとともに前記被覆体が軸方向に伸び、かつ前記圧力室の加圧又は減圧に連動して、前記内部構造体が前記筒体の変形に倣って変形すること、を特徴とするアクチュエータが提供される。

本発明のアクチュエータによれば、所望の大きさの発生力を得るためのアクチュエータの動作に必要な空気量を少なくすることができる。

以下、本発明の実施の形態に係るアクチュエータについて、図１乃至図１０を参照しながら説明する。尚、各図において同一箇所については同一の符号を付すとともに、重複した説明は省略する。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータは、一例として使用者の指に装着されて使用される携帯型の機器に用いられる。この機器は、本実施形態に係るアクチュエータと、このアクチュエータの一端を保持し手の甲に取り付けられるアクチュエータ保持具と、加圧空気を蓄えている圧力源とを備えている。アクチュエータは、指の第２関節（近位指節間関節）よりも指先寄りの部分に一端が装着されるとともに、この第２関節よりも指の付け根寄りの部分に他端が装着されて、このアクチュエータの湾曲によってこれらの２つの部分の間の曲げの力を指に伝達するものである。このアクチュエータへ空圧チューブを介して加圧空気を小型のボンベから送り込み、アクチュエータを円弧状に湾曲変形させることによって指が曲げられる。

図１は本実施形態に係るアクチュエータの縦断面図である。図２は図１のＩ−Ｉ線矢視断面図である。アクチュエータ１の筒状弾性体２の一端開口部は第１のキャップ３によって密閉されており、筒状弾性体２の他端開口部は第２のキャップ４によって密閉されている。これらのキャップ３、４によってアクチュエータ１内部には中空の圧力室５が形成されている。キャップ４にはこの圧力室５と外気とを貫通する穴が形成されており、この穴には、一端が圧力室５に突出した状態のチューブ（注入管）６が取り付けられており、このチューブ６を通して、例えば圧縮機から供給される作動流体を圧力室５内に圧入したり、圧力室５内から作動流体を放出したりできるようになっている。圧力室５には空気が充填されているが、圧力室５と外部との間の流体の流れはチューブ６のみによって行われるように構成されており、キャップ３、４の各側面と筒状弾性体２の内壁面との接触部からの空気の漏れはない構造になっている。チューブ６は、流体を出し入れする注入口から流体を出し入れさせ、筒状弾性体２を湾曲させるための流体注入手段でもある。

このアクチュエータ１は、圧力室５内に内部構造体７を設けており、筒状弾性体２が軸方向と直交する平面内で湾曲するとともに、この内部構造体７が筒状弾性体２の変形に倣って変形する。内部構造体７はアクチュエータの湾曲動作を妨げない部材である。

図３は本実施形態に係るアクチュエータを含む携帯型機器の構成例を示す図である。この携帯型機器は、アクチュエータ１と、加圧空気を蓄えた圧力源８と、これらのアクチュエータ１及び圧力源８の間に設けられてアクチュエータ１に供給される圧力を調圧する圧力制御装置９とを備えている。アクチュエータ１が加圧されると、アクチュエータ１は図３に示すように円弧状に湾曲する。ここで、本アクチュエータ１が加圧されていない状態でのアクチュエータ１の長手方向にｚ軸を定義する。また、ｚ軸に直交する面内で互いに直交するｘ軸及びｙ軸を図２に示すように定義する。アクチュエータ１は、その軸がｙ−ｚ平面内で湾曲動作するように構成されている。

また、筒状弾性体２は、ｘ−ｙ平面内では伸張しにくく、ｚ軸方向に伸張するように構成された異方性の弾性体であり、内部に形成された圧力室５に空気などの作動流体が収容される。

この異方性を発揮させるために、筒状弾性体２にはその外周方向に膨張規制線材である膨張規制部材（あるいは膨張防止部材）１０が巻かれている。膨張規制部材１０には、ワイヤ材などの膨張規制線材や、強化繊維あるいは補強材などが用いられる。筒状弾性体２は、同心的に配置された２個の筒状体である内層部２ａと外層部２ｂとから構成されている。この内層部２ａの外周面には、周方向に膨張規制部材１０が巻き付けられている。さらに、巻き付けられた膨張規制部材１０がずれないように、膨張規制部材１０のまわりに外層部２ｂが形成されている。すなわち、膨張規制部材１０は、筒状弾性体２の外周面に沿って筒状弾性体２を囲むように配置され、筒状弾性体２が径方向へ膨張するのを規制する。膨張規制部材１０としては、たとえば、アラミド繊維や綿糸などの糸、紐、リボンやプラスチックや金属の棒材や帯板材などが好ましい。また、これらを適宜組合せてもよい。

筒状弾性体２のｘ−ｙ平面に沿う断面形状は、その軸方向に対する垂直断面下部側には平坦部が形成されており、この平坦部にｚ軸方向に沿って伸びる伸張規制線材としての伸張規制部材（あるいは伸張防止部材）１１が配置されている。すなわち、伸張規制部材１１は筒状弾性体２の軸方向に沿って筒状弾性体２の外壁に設けられ、筒状弾性体２の軸方向の伸張を規制する。伸張規制部材１１は例えば線材であり、筒状弾性体２に比べて伸張しにくい鋼材などが用いられている。この材料としては、筒状弾性体２に接した部分において筒状弾性体２に対して滑らずに摩擦によって筒状弾性体２の伸張を抑制できるものであることが好ましい。伸張規制部材１１も、アラミド繊維や綿糸などの糸、紐、リボン、若しくはプラスチックや金属の棒材、若しくは帯板材、又はこれらを適宜組合せたものを用いることが好ましい。

図２に示す例では４本の伸張規制部材１１が示されているが、伸張規制部材１１の本数は何本であってもよい。また、伸張規制部材１１は、ｘ軸方向に幅を持ち、ｚ軸方向に伸びる帯状部材であってもよい。また、この伸張規制部材１１は、筒状弾性体２の内層部２ａと外層部２ｂとの間に配置されて、それら内層部２ａ及び外層部２ｂによって一体化されていることが好ましい。よって、内層部２ａと外層部２ｂとの間に膨張規制部材１０が周方向に沿って配置され、かつ伸張規制部材１１が湾曲の内側の部分のみに配置され、それら膨張規制部材１０と伸張規制部材１１とが内層部２ａと外層部２ｂとで一体化され完全に固着されている。

換言すれば、筒状弾性体２はｚ軸方向と直交する面の方向について繊維強化されている。この筒状弾性体２のｙ軸方向端部のみが更に伸張規制部材１１によってｚ軸方向に強化されている。これにより、アクチュエータ１は、その内部の圧力を変化させることによって任意の角度だけ湾曲可能になっている。筒状弾性体２は軸に垂直な断面が半円形であり、その円弧部分の肉厚が他の部分の肉厚よりも薄くなるように側壁は形成されている。このため、軸方向の伸張を拘束する伸張規制部材１１が埋設された部分はその他の部分よりも変形しにくくなっている。従って、アクチュエータ１はｙ軸方向端部側へ大きく湾曲する。内部の圧力を減圧させれば、アクチュエータ１は元の形状に復元する。

また、図４は圧力制御装置９の構成図である。圧力制御装置９は、圧力源８の加圧空気の圧力を調節して排気するレギュレータ１２と、弁構造を有する電磁バルブを有する電磁弁装置１３とを備えている。この電磁バルブは、レギュレータ１２と連通する圧力通路１４に接続される空気吸入ポート１５と、チューブ６に接続される空気送出兼吸入ポート１６と、これらの空気吸入ポート１５及び空気送出兼吸入ポート１６が開口する弁室１７と、この弁室１７と外気とを連絡する大気開放ポート１８とを備えている。更に、電磁バルブは、弁室１７に設けられて空気吸入ポート１５又は大気開放ポート１８を閉鎖する弁体１９と、この弁体１９が大気開放ポート１８を閉弁する方向にこの弁体１９を付勢する弾性部材２０とを有する。キャップ３、４と、筒状弾性体２と、チューブ６と、弁室１７とによってアクチュエータ１は気密封止されている。これにより、電磁バルブは、アクチュエータ１の圧力室５と圧力源８との間を連通と遮断とのいずれかの状態に切り替え可能になっている。

以上のように構成されたアクチュエータ１を含む携帯型機器において、電磁弁装置１３は弁体１９を２箇所の位置に移動させる。即ち、弁室１７が空気吸入ポート１５を介して圧力源８と連通するように大気開放ポート１８を閉鎖する第１の位置と、弁室１７が空気送出兼吸入ポート１６を介してチューブ６と連通するように空気吸入ポート１５を閉鎖する第２の位置とのいずれかに弁体１９は動かされる。電磁弁装置１３は、弁体１９が大気開放ポート１８を開く状態をノーマリーオフの状態としている。電磁弁装置１３は、スイッチをオンにすることによって、電磁バルブを切り替えて大気開放ポート１８を閉弁して弁室１７の圧縮空気を空気送出兼吸入ポート１６側に流し、スイッチをオフにすることによって、付勢された弾性部材２０によって電磁バルブの状態を元のノーマリーオフに戻す。

図３に示すように圧力源８と圧力制御装置９とによりチューブ６を通じて圧力室５内に圧縮空気などの作動流体が注入されると、圧力室５内の圧力が上昇し、筒状弾性体２のキャップ３の端面は軸方向に沿って押圧される。このとき、伸張規制部材１１と膨張規制部材１０とによって筒状弾性体２の伸びが部分的に規制されるので、アクチュエータ１は、伸張規制部材１１が形成された側を、内側にして湾曲する。図３に示す点線は、圧力を上昇させた場合の湾曲後のアクチュエータ１の形状である。そして、圧力室５内の圧力が元の圧力まで減圧されると、アクチュエータ１の形状は再び元の形状に復元される。圧力室５内部に配置した内部構造体７はアクチュエータ１の弾性変形動作に倣うように変形することが可能な構造体によって構成されているので、アクチュエータ１の変形動作はスムーズに実現できる。アクチュエータ１によれば円滑な動作が可能になる。アクチュエータ１の圧力室５に内部構造体７を配置することで、圧力室５の空気が入る容積が大幅に減少する。

このアクチュエータ１の動作角と発生する力は、アクチュエータの半円形断面の底部に作用する力のモーメントから計算することが可能である（Proceedings of the 2007 JSME Conference on Robotics and Mechatronics, Akita, Japan, May 10-12, 2007 1A2-A01(2)参照）。アクチュエータ特性を解析する解析モデルを図５に示す。図５（ａ）はｙ−ｚ平面内でのアクチュエータの湾曲角を説明するための図である。図５（ｂ）はｘ−ｙ平面でのアクチュエータの断面図である。アクチュエータが図５に示す断面形状を有するとした解析モデルに基づき、無負荷時の変形特性とこのアクチュエータの先端に発生する力とを以下に示す計算式により導いた。

図５（ｂ）に示すように、半円形断面の空気室半径、円弧部分の肉厚、底部の肉厚をそれぞれ、ａ、ｔ、ｂとする。また、解析モデルのアクチュエータの変形部分の自然長、変形後の曲率半径および先端の湾曲角をそれぞれ、Ｌ、Ｒ、θとする（図５（ａ））。解析モデルのアクチュエータの空気室内の圧力をＰ_Ｅとした場合の先端の湾曲角θは、次式（式（１）とする）で導かれる。

そして、解析モデルのアクチュエータの先端に発生させることが可能な発生力Ｆは次式（式（２）とする）で導かれる。

ここで、Ｅ_０は初期姿勢時のヤング率である。式（１）、（２）により、アクチュエータ１の動作角と発生する力とは、アクチュエータ１のキャップ３、４に作用する圧力とアクチュエータ１の断面形状で決定されることがわかる。すなわち、キャップ３、４以外のアクチュエータ１の構成要素に作用する圧力は、アクチュエータ１の特性に関与しないことになる。よって、圧力室５の内部にアクチュエータ１の変形動作を妨げない内部構造体７を設けることで、中空構造の圧力室が形成されるアクチュエータによって得られる特性を保持したままでアクチュエータ１に供給する必要のある空気量を大幅に減らすことができる。

中空構造の圧力室が形成される従来のアクチュエータの径及び全長と、本発明のアクチュエータ１の径及び全長とが同じであるとし、かつこれらの２種類のアクチュエータが同じ大きさの力を発生させたとした場合、アクチュエータ１のアクチュエータ動作によって消費される空気量は、従来のアクチュエータのアクチュエータ動作によって消費される空気量よりも少ない。

このようにして、本実施形態に係るアクチュエータによれば、所望の大きさの発生力を得るためのアクチュエータの動作に必要な空気量を少なくすることができる。

空気の使用量について従来のアクチュエータとアクチュエータ１とを比較すると、アクチュエータ１によれば、１回に使用する空気量が減るため、このアクチュエータ１を含む携帯型機器を用いた場合の使用回数は、従来のアクチュエータを含む携帯型機器を用いた場合の使用回数よりも多くなる。例えば装着者が携帯型機器を屋外で使用する場合、空気の圧力が同じであるならば、使用回数が増える。

同じ発生力を得るための従来のアクチュエータの径及び全長とアクチュエータ１の径及び全長とを比較すると、アクチュエータ１の径及び全長は、従来のアクチュエータの径及び全長よりも小さくて済む。従って、本実施形態に係るアクチュエータによれば、細径化も可能になる。

（第２の実施形態）
内部構造体７は、アクチュエータ１の変形動作を妨げない部材であればよい。図６は本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータの縦断面図である。アクチュエータ２１は内部構造体２２を有し、この内部構造体２２は、それぞれが球形でありプラスチック樹脂によって形成された軽量の球粒子２３を多数個用いて構成されている。これらの球粒子２３は、全体としてアクチュエータ２１に供給される圧縮空気によって変形する構造体として機能する。１個の球粒子２３は、粒子間の付着がほとんど生じない表面性状を有する。すなわち、内部構造体２２は、空気の圧力に対して形状の非変形性を有し、この圧力よりも小さい粒子間付着力をそれぞれが有する複数の粒子からなる。図６に示すもののうち、図１で説明した符号と同じ符号を有する要素はそれらと同じものを表す。

このような構成によって、アクチュエータ２１が湾曲動作を行った場合、これらの球粒子２３はアクチュエータ２１の圧力室５の内部でアクチュエータ２１の湾曲動作に倣って、その位置や姿勢を変える。これにより、アクチュエータ２１は、内部構造体２２が無い構造の例と同じ特性を得ることが可能となる。

上記のように微小樹脂部品を多数用いて内部構造体２２を構成したアクチュエータ２１の動作実験の結果の一例を図７に示す。図７は試作したアクチュエータ２１を用いた実験結果を示す図である。微小樹脂部品として、外径２．８ｍｍ、内径１ｍｍ、長さ２．１ｍｍの中空円筒部品を用いた。アクチュエータは、断面のパラメータがａ＝６．４ｍｍ、ｔ＝１．６ｍｍ、ｂ＝５．０ｍｍ、自由長がＬ＝５３ｍｍのものを用いた。前記の微小樹脂部品をアクチュエータのｚ軸方向にＬ／２の長さまで収納させたアクチュエータを用いた。図７において横軸はアクチュエータの先端の湾曲角度、縦軸は発生力である。供給圧力をパラメータにしてこれらの湾曲角度及び発生力の関係をプロットした結果が図７に示されている。実線は計算結果を表し、プロットが実験結果を表す。実験結果は計算結果と良く一致していることから、このアクチュエータ２１の構造によってもアクチュエータの特性は、内部構造体２２を装着しない場合と同じであり、特性低下が生じないことが実証できる。

アクチュエータ２１のように内部構造体２２が樹脂製球状の部材で構成される場合、樹脂製球状の部材の形状および材質は、球粒子２３の形状及び材質に限定されるものではない。形状が円筒形あるいは円錐形でも構わない。また、材質に関しても金属製、ガラス製、高分子製などの材料からなるものであっても構わない。ただし、アクチュエータに供給される圧力によってその形状が変形したり、粒子間の付着強度が強く、湾曲動作を妨げるもの以外であればよい。

本発明のこの実施形態に係るアクチュエータによれば、軽量の多数個の球粒子２３を内部構造体に用いた場合でも、所望の大きさの発生力を得るためのアクチュエータの動作に必要な空気量を少なくすることができ、細径化も可能になる。圧力室５の容積から、球粒子２３からなる内部構造体２２が占める体積を差し引いた分の空気量を少なくすることができる。

（第３の実施形態）
図８は本発明の第３の実施形態に係るアクチュエータの縦断面図である。アクチュエータ２４は内部構造体２５を設けている。本発明の第２の実施形態の例と比べると、このアクチュエータ２４の形状はこの例と同じ形状を有するが、内部構造体２５は弾性材料からなり、湾曲動作に倣ってこの内部構造体２５も湾曲するように構成されている。この点で本アクチュエータ２４はアクチュエータ２１と異なる。

内部構造体２５は、断面櫛歯形状をした構造体であり、一方の面である基部面２６が筒状弾性体２の内層部２ａの内壁に固着され、他方の面である櫛歯面２７には櫛歯部２８とスリット部２９とが形成されている。すなわち、内部構造体２５は、伸張規制部材１１の位置に沿って筒体の内壁に固着された基部と、軸方向に沿って複数のスリット部２９が形成されて軸方向断面が櫛歯形状である櫛歯部２８とを備えている。内部構造体２５は、ｙ−ｚ平面において櫛歯面２７側には湾曲しやすく、基部面２６側には湾曲しにくいという構造を有する。図８に示すもののうち、図１で説明した符号と同じ符号を有する要素はそれらと同じものを表す。

このような構成によって、アクチュエータ２４の湾曲動作時は、内部構造体２５のスリット部２９が扇状に開くため、アクチュエータ２４の動作の妨げが極力低減される。

図７の例の実験に用いたアクチュエータヘ適用することを考慮した場合の内部構造体２５は、櫛歯ピッチ３ｍｍ、スリット幅１ｍｍを有し、櫛歯の長さは３ｍｍ程度である。内部構造体２５には、アクチュエータ２４の湾曲動作と同じ変形動作を行える程度の可撓性を有する弾性材料が用いられる。この弾性材料は比重の極力小さい材料であることが望ましい。また、軽量化を積極的に施した弾性材料で内部に微小な空洞を無数に有する部材を用いても構わない。

本発明のこの実施形態に係るアクチュエータによれば、湾曲変形しやすい内部構造体２５に設けた場合でも、所望の大きさの発生力を得るためのアクチュエータの動作に必要な空気量を少なくすることができ、細径化も可能になる。

（第４の実施形態）
図９は本発明の第４の実施形態に係るアクチュエータの縦断面図である。アクチュエータ３０は内部構造体３１を設けている。このアクチュエータ３０の形状は本発明の第３の実施形態の例と比べて同じ形状を有するが、内部構造体３１は弾性材料の代わりに、内部に流体３２を充填させてなる薄壁の密閉容器３３によって構成されている。すなわち、内部構造体３１は、流体を充填した収容体からなる。図９でも、図１で説明した符号と同じ符号を有する要素はそれらと同じものを表す。

本発明のこの実施形態に係るアクチュエータによれば、アクチュエータ３０の湾曲動作に伴い、薄壁の密閉容器３３で構成された内部構造体３１が変形することから、アクチュエータ３０は容易にその形状を変形することができ、湾曲動作に倣った変形も容易に可能となる。この点で本アクチュエータ３０は、アクチュエータ２４と異なる。

本実施形態に係るアクチュエータによれば、形状が変形しやすい袋体を内部構造体３１に設けた場合でも、所望の大きさの発生力を得るためのアクチュエータの動作に必要な空気量を少なくすることができ、細径化が可能になる。

また、本実施形態に係るアクチュエータは、密閉容器３３を設けないで、圧力室５内に所定量の流体３２を充填し、この流体３２を気密封止するように構成してもよく、このようにしても、アクチュエータ３０は形状変形、及び湾曲動作に倣った変形を容易に行える。

また、密閉容器３３に入れる流体は、気体及び液体のいずれであってもよい。気体を密閉容器３３に入れる場合、圧力室５内の圧力によって密閉容器３３が変形しない程度の圧力を有する気体が密閉容器３３に入れられる。密閉容器３３に入れる液体としては、変形しにくい水が挙げられる。

（第５の実施形態）
これまでの第１の実施形態の例から第４の実施形態の例と異なり、本発明の第５の実施形態に係るアクチュエータの変形動作はｚ軸方向への収縮に限定されたものである。図１０は本実施形態に係るアクチュエータの動作を説明するための図である。図１０（ａ）はこのアクチュエータのｚ軸方向伸張時の正面図であり、図１０（ｂ）はこのアクチュエータのｚ軸方向収縮時の正面図である。伸縮アクチュエータであるアクチュエータ３４は、作動流体を出し入れする注入口を有する圧力室５が形成されて、径方向に膨縮自在かつ軸方向に伸縮自在な筒状弾性体３５と、この筒状弾性体３５の外周面に配置されて、高張力繊維が編組されてなる被覆体３６とを備えている。筒状弾性体３５の右側の一端には図示しないキャップが固定され、左側の一端には空気を給排するチューブ６が接続されている。

筒状弾性体３５は例えば空気袋である。被覆体３６は筒状弾性体３３の外周面を覆うように設けられた網状の繊維である。この被覆体３６はアクチュエータ３４の両端において筒状弾性体３５に固定された状態で使用される。また、被覆体３６からは編み込まれた複数本の繊維の一端が引き出されており、空気袋への空気の注入と連動してこれらの繊維の各一端を引っ張る力が弱められ、また、空気袋からの空気の排出と連動してこれらの繊維の各一端を引っ張る力が強められる。これにより、内部圧力の変化によって駆動力が発生し、縮むことによって力を人の部位に作用させる。このアクチュエータ３４は、マッキベン型アクチュエータを利用したアクチュエータである。

本実施形態に係るアクチュエータも、第１の実施形態から第４の実施形態の例と同じように、筒状弾性体３５の内部の圧力室５に内部構造体を配置している。図１０（ｃ）は内部構造体を設けた筒状弾性体３５の縦断面図である。図１０（ａ）から図１０（ｃ）において図１で説明した符号と同じ符号を有する要素はそれらと同じものを表す。アクチュエータ３４は、内部構造体３７を圧力室５に設けて構成される。アクチュエータ３４は筒状弾性体３５の内部の圧力室５の圧力を調整することにより、その径が増減するとともに、アクチュエータ３４の全長は伸縮する。すなわち、図１０（ａ）の状態から、圧力室５の圧力が高められることによって図１０（ｂ）に示すようにアクチュエータ３４の径が大きくなり、アクチュエータ３４の長さが短くなる。内部構造体３７にはアクチュエータ３４の変形動作に倣って変形を容易に行えるものが用いられる。例えば、本発明の第２の実施形態で説明した内部構造体２２や第４の実施形態で説明した内部構造体３１を候補として用いることができる。これによって、アクチュエータ３４は伸縮動作を行うようにされている。

このような構成により、空気が筒状弾性体３５に注入されて筒状弾性体３５の圧力室５が加圧されると、被覆体３６は軸方向と直交する面に沿って径方向に膨張し、かつ軸方向に沿って縮む。一方、筒状弾性体３５の圧力室５が減圧されると、膨張した状態にある被覆体３６は軸方向と直交する面に沿って径方向に収縮し、かつ軸方向に沿って伸びる。また、内部構造体３７は、圧力室５の加圧又は減圧に連動して、筒状弾性体３５の変形に倣って変形する。

本発明のこの実施形態に係るアクチュエータによれば、体積変動を伴わずに軸方向に変位可能であるため、縮む力を利用して駆動力を発生することができる。

尚、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。

上記の実施形態では、断面半円筒形状の筒状弾性体２の平坦部、即ち伸張規制部材１１付近は円弧部よりも肉厚とされていたが、この平坦部の肉厚はアクチュエータ１の発生力に応じて種々変更することができる。また、平坦部の肉厚と円弧部の肉厚とを同じにし、平坦部を図示しない固定具に固定しても、上述した効果と同じ効果を得ることができる。上記の実施形態では、携帯型機器を指に装着する例について説明したが、人がベッドから起き上がる際の腹筋の力を補助する場合、携帯型機器は人の胴体に装着されるなど、携帯型機器が装着される部位は種々変更可能である。このような装着部位を変更した発明に対しても、本発明の優位性は何ら損なわれるものではない、
また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータの縦断面図である。 図１のＩ−Ｉ線矢視断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータを含む携帯型機器の構成例を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータに供給される圧力を調圧する圧力制御装置の構成図である。 本発明のアクチュエータ特性を解析する解析モデルの一例を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータの縦断面図である。 試作したアクチュエータの特性の実験結果の一例を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係るアクチュエータの縦断面図である。 本発明の第４の実施形態に係るアクチュエータの縦断面図である。 （ａ）は本発明の第５の実施形態に係るアクチュエータのｚ軸方向伸張時の正面図であり、（ｂ）は本発明の第５の実施形態に係るアクチュエータのｚ軸方向収縮時の正面図であり、（ｃ）は本発明の第５の実施形態に係るアクチュエータの筒状弾性体の縦断面図である。

符号の説明

１，２１，２４，３０，３４…アクチュエータ、２，３５…筒状弾性体（筒体）、３…第１のキャップ、４…第２のキャップ、５…圧力室、６…チューブ（流体注入手段）、７，２２，２５，３１，３７…内部構造体、８…圧力源、９…圧力制御装置、１０…膨張規制部材（膨張規制線材）、１１…伸張規制部材（伸張規制線材）、１２…レギュレータ、１３…電磁弁装置、１４…圧力通路、１５…空気吸入ポート、１６…空気送出兼吸入ポート、１７…弁室、１８…大気開放ポート、１９…弁体、２０…弾性部材、２３…球粒子、２６…基部面、２７…櫛歯面、２８…櫛歯部、２９…スリット部、３２…流体、３３…密閉容器、３６…被覆体。

Claims (6)

1. 流体を出し入れする注入口を有する圧力室が形成された弾性変形可能な筒体と、
   前記筒体の軸方向に沿って前記筒体の外壁に設けられ、前記筒体の軸方向の伸張を規制する伸張規制線材と、
   前記筒体の外周面に沿って前記筒体を囲むように配置され、前記筒体が径方向へ膨張するのを規制する膨張規制線材と、
   前記圧力室内に設けられた内部構造体と、
   前記注入口から前記流体を出し入れさせ、前記筒体を湾曲させるための流体注入手段と、
   を具備することを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記内部構造体が前記筒体の変形に倣って変形することを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
3. 前記内部構造体は、複数の粒子からなることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
4. 前記内部構造体は、前記伸張規制線材の位置に沿って前記筒体の内壁に固着された基部と、軸方向に沿って複数のスリット部が形成されて軸方向断面が櫛歯形状である櫛歯部とを備えていることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
5. 前記内部構造体は、流体を充填した収容体からなることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
6. 流体を出し入れする注入口を有する圧力室が形成されて、径方向に膨縮自在かつ軸方向に伸縮自在な筒体と、
   前記圧力室内に設けられた内部構造体と、
   この筒体の外周面に配置されて、高張力繊維が編組されてなる被覆体と、を備え、
   前記圧力室が加圧された場合、前記筒体が径方向に膨張するとともに前記被覆体が軸方向に縮み、前記圧力室が減圧された場合、前記筒体が径方向に収縮するとともに前記被覆体が軸方向に伸び、かつ前記圧力室の加圧又は減圧に連動して、前記内部構造体が前記筒体の変形に倣って変形すること、
   を特徴とするアクチュエータ。

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