JP2012092956A

JP2012092956A - 流体機械要素

Info

Publication number: JP2012092956A
Application number: JP2010252287A
Authority: JP
Inventors: Koryo Miura; 公亮三浦; Tomohiro Tate; 知宏舘
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-10-24
Filing date: 2010-10-24
Publication date: 2012-05-17

Abstract

【課題】ピストンを不要とする流体機械要素により、ストローク、発生力が本質的に大きい、軽量単純な流体アクチュエータ、またその逆のメカニズムである流体ポンプを提供する。
【解決手段】単壁よりなる管状伸縮構造１１、エンドプレート１２、吸入口または排出口１３を備え、伸縮性を有する多面体形状により、管状伸縮構造を構成し、その広範囲な伸縮により、内部空間容量を略線形に変化させ、ピストンを不要とするアクチュエータ、ポンプの基本的な流体機械要素を実現する。
【選択図】図６

Description

本発明は、流体機械要素に関するものである。さらに詳細には、ピストンを不要とする、軽量コンパクトな流体アクチュエータ・ポンプに関する。

メカトロニックスの分野で、現行のアクチュエータ技術に欠如しているのは、大きなストロークと充分な発生力を軽量でコンパクトなかたちで達成することである。その中で、流体アクチュエータ、特に空気アクチュエータは、本質的に大きなストロークを達成することで、特徴を出しており、産業機械に多用されるようになったが、軽量・コンパクトという目標は達成できていない。

そのような背景のもとで、最近発明された伸縮自在な筒型構造（特許文献１）を利用すれば、この課題について、一つの解決となる可能性が見えてきた。なお本明細書において、記述の明快さを優先して、主として空気アクチュエータについて、記述するが、空気は流体一般を代表するもの、またアクチュエータはその逆作用としてポンプを包含するものとする。

特許出願２００９−２３９８３１

本発明の課題は、管状伸縮構造により、通常の流体シリンダーを用いるアクチュエータに替えて、ピストンを不要とする流体機械要素を提供し、これによって、ストローク、発生力が本質的に大きい、軽量単純な流体アクチュエータを提供し、またその逆のメカニズムである流体ポンプを提供するものである。

本発明の請求項１に示されるように、平面上で、軸方向に直交して左右にのびる平行線で規定される帯状の領域内について、その中央部に該平行線を上底下底とする実質的に等脚台形を配し、該等脚台形の両側に対称的に、該等脚台形の斜辺と等しい傾斜角をもちかつ該平行線を二辺とする平行四辺形を複数かつ偶数個を隙間無く配した基本領域Ａ１により、平面上で、該基本領域から始めて、該基本領域の下に該平行線についての第一鏡像Ａ２を形成し、さらに同様の操作で第一鏡像の鏡像である第二の鏡像Ａ３を形成し、順次これを繰り返すことで形成されたものを形状パターンＡとし、さらに別の平面上で、前記第一の鏡像Ａ２をＢ１とし、Ｂ１から始めて、前記と同様の操作を順次繰り返すことで形成されたものを形状パターンＢとし、該形状パターンＡ，Ｂの形状が刻印された仮想の平面シートをそれぞれシートＡ，シートＢとし、これらに含まれる等脚台形および該平行四辺形のすべての辺を折り筋とし、該等脚台形の斜辺を図面上手前に山折りとし、他の辺はこれに適合する折り目とし、シートＡとシートＢを、背面で合わせ、相接する前記偶数番目でかつ端部の平行四辺形の部分で互いに接合して形成される多面体形状を、実素材で構成しかつ稜線をヒンジとする管状伸縮構造により、内部空間の容積可変を特徴とする流体機械要素を提供し、前記課題を解決するものである。

また、本発明の請求項２に示されるように、請求項１の流体機械要素において、その管状伸縮構造の両端部を閉じるエンド構造、および流体吸入・排出口の構成によって形成される流体アクチュエータを提供し、前記課題を解決するものである。

また、本発明の請求項３に示されるように、請求項１の流体機械要素において、その管状伸縮構造の両端部を閉じるエンド構造、および流体吸入・排出口の構成によって形成される流体ポンプを提供し、前記課題を解決するものである。

本発明の第一の効果は、部品である管状伸縮構造が、剛体折り紙と呼ばれる折り畳み構造であって、折り目またはヒンジを除いて、それを構成する面には、伸縮の過程で歪なしで経過することである。その結果としての折板構造は、伸縮の方向には容易にへんけいするが、これと直交方向には本質的に剛である。

本発明の第二の効果は、伸縮によりほとんどゼロから有限まで、大きなストロークで変化することである。従って、両端を閉じることによって、閉じられた空間を生成し、その空間容量を大きく変化させることで、軸方向の大きな伸縮を実現できる。そして、その伸縮過程の主要な部分において、その軸方向の長さと、内部容積が略比例関係にある。また管の断面積は軸方向に一定である。

本発明の第三の効果は、軽量で簡単な機構であることである。前記の空間容量を軸方向に変化できるということは、あたかも空気アクチュエータがピストンによって容量を変化させることに類似している。しかもこの作用が、ピストンを要せずに、容量を変化させ、筒自体の長さの変化を発生し、外力をつくりだすことになる。また、ピストンの潤滑の問題をも排除している。

本発明の第四の効果は、構成材料の選択肢が極めて広いことである。従来使われているベローズでは、加工でも使用時でも構成材料そのものに大きな伸び変化を要求される。本発明では、伸び変形が要求されないから、高温から低温、あるいは腐食性の流体に耐える各種の材料が使用できる。

はじめに、参考図１により、本発明のシステムの概要を説明する。図１（ａ）は、本発明の空気アクチュエータの基幹部分を略図で説明したものである。該空気アクチュエータは、主に三つの部品からなり、１０、１１は第一の部品である管状伸縮構造であり、１２は第二の部品であるエンドプレート、１３は第三の部品である流体吸入口または排出口である。

図１（ｂ）は、本発明の空気アクチュエータの縮小した状況を示す。

図１（ｃ）は、通常の空気アクチュエータの機構を示す。１４は空気シリンダー、１５ピストン、１６はピストン・ロッドである。

図１に示されるように、本発明には通常の空気アクチュエータに必須なピストン及びピストン・ロッドが存在しないことに特徴がある。これは要するに、本発明では、第一の部品である管状伸縮構造の伸縮によって、筒の内部容積を変えることにより、筒の長さを変化することにより、通常のピストン・ロッドの位置変化を実現する。

次にそれぞれの部品について説明する。第一の部品について、図２（ａ）において、１は左右にのびる平行線、２は帯状の領域、３は等脚台形、３−１は該等脚台形の上底あるいは下底、３−２は該等脚台形の斜辺、３−３は該等脚台形の小さい内角、４は該等脚台形に隣接する奇数番目の平行四辺形、５は複数番目で且つ端部の平行四辺形である。以下、説明の明瞭を優先して、一番目と二番目の平行四辺形４と５のみで構成する。図では、中央部に等脚台形を配し、その左右に二つの平行四辺形４、５を配して、基本領域Ａ１を構成する。該基本領域Ａ１を、下側の平行線１について鏡映して鏡像Ａ２を形成し、さらに同様の操作を繰り返して、鏡像群Ａ３、Ａ４，．．．を形成したものの結合をパターンＡとする。

ついで、図２（ｂ）において、前記Ａ２を基本領域Ｂ１として、下側の平行線１について鏡映して鏡像Ｂ２を形成し、さらに同様の操作を繰り返して、鏡像群Ｂ３、Ｂ４，．．．を形成したものの結合をパターンＢとする。要するに、パターンＢは、パターンＡを一帯状領域だけずらしたものである。

上記で定義される幾何学的条件で決定される三次元形状の、直感的な理解のため、仮想的な平面シートを用いる。パターンＡ、Ｂをそれぞれ転写したシートＡ、Ｂについて、すべての辺を折り目とすると、とりうる全体形状は折り目の正負（山折りと谷折り）によって、二つがある。今便宜上、等脚台形３の斜辺をすべて山折りと指定することにより、他のすべての折り目の正負、そして三次元形状は自動的に確定する。

いま、シートＡとシートＢを、鏡像群Ａ１，Ａ２，Ａ３，．．．と鏡像群Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，．．．を対応させて、背面であわせ、折り目を形成すると、図３（ａ）に示すような、立体的な形状１０が生成される。その中央部は多面体的な筒状６であり、外部にはひれ状突起７が形成されている。なお、このひれ状の構造は複数番目で端部の平行四辺形５の部分５−１からなり、その外側部分は、図２（ａ），（ｂ）の点線で示すように、適宜削除してある。このひれ状の形態を観察すると、シートＡとシートＢがこの部分５−１で背中合わせに接している。

前記接合部分５−１でシートＡとシートＢを接合し、上下方向に収縮させると、図３（ｂ）の平面図に示されるように完全に平らに畳み込まれる。このとき、理想的にシートの厚さゼロ、折りのヒンジが完全と仮定すると、伸縮にたいする抵抗はなく、シート面内の変形もなく、畳み込まれる。

図２、３で示された管状伸縮構造１０においては、前記のように、ひれ状突起７の部分が存在している。そのシートＡとシートＢが接面する部分において、これらの両シートが稜線４−１，５−３だけて結合されるように、余分な部分を取り去ると、筒壁部分５−２が残り、これにより単一の筒壁よりなる管状伸縮構造１１が定義される。

図４（ａ）（ｂ）は、筒壁だけを構成する部分を、図２のパターンＡとＢに対応するパターンＣとＤについて示したものである。容易に観察されるように、図４では、パターンＣおよびＤにおいて、複数番目で且つ端部の平行四辺形５の必要最小限の部分５−２が示されている。そしてその稜線５−３で、平行四辺形４の斜辺４−１と結合され、小角錐状突起８を形成し、その結果シート、Ｃ，Ｄが結合されて、単壁の管状伸縮構造１１が構成される。（図５（ａ））。前記と同様に、生成された構造を縦方向に縮めると、図５（ｂ）で示されるように、シートの厚みを無視すると完全に平らに畳み込まれる。従って、管状伸縮構造１０と１１は、その本質は同一であり、従って請求範囲では同一のものとする。

第二の部品であるエンドプレート１２（図１（ａ）（ｂ））は、通常の空気アクチュエータ（図１（ｃ））と略同様の機能をもつものである。

第三の部品である吸入口および排出口１３は、通常の空気アクチュエータと略同等の機能をもつものである。

実施例として、図６（ａ）（ｂ）にそれぞれ収縮時、伸展時の斜視図により、本発明による空気アクチュエータを示す。図で、１０または１１は管状伸縮要素、１２はエンドプレート、１３は吸入口または排出口である。

図６の空気アクチュエータ例において、図６（ａ）から（ｂ）までの内容量と、全長との関係は、プラスマイナス５％の誤差範囲で比例関係にある。

本発明の単体の空気アクチュエータを、複数並列にあるいは直列に配置して、利用する。

（ａ）空気アクチュエータ（伸展時）の説明図（ｂ）空気アクチュエータ（収縮時）の説明図（ｃ）通常の空気アクチュエータの説明図（ａ）パターンＡの形状の平面図（ｂ）パターンＢの形状の平面図（ａ）シートＡ，Ｂによる管状伸縮構造の斜視図（ｂ）シートＡ，Ｂによる管状伸縮構造の収縮時の平面図（ａ）パターンＣの形状の平面図（ｂ）パターンＤの形状の平面図（ａ）シートＣ，Ｄによる管状伸縮構造の斜視図（ｂ）シートＣ，Ｄによる管状伸縮構造の収縮時の平面図（ａ）本発明の空気アクチュエータ（収縮時）の斜視図（ｂ）本発明の空気アクチュエータ（伸展時）の斜視図

１平行線
２帯状領域
３等脚台形
３−１等脚台形の底
３−２等脚台形の斜辺
３−３等脚台形の小さい内角
４中心から奇数番目の平行四辺形
４−１中心から奇数番目の平行四辺形の斜辺
５中心から偶数番目で且つ端部の平行四辺形
５−１中心から偶数番目で且つ端部の平行四辺形の接合部分
５−２中心から偶数番目で且つ端部の平行四辺形の必要最小限の部分
５−３中心から偶数番目で且つ端部の平行四辺形の必要最小限の部分と平行四辺形４の稜線の結合線
６筒型多面体
７ひれ状突起
８小角錐状突起
１０管状伸縮構造
１１単壁よりなる管状伸縮構造
１２エンドプレート
１３吸入口または排出口
１４シリンダー
１５ピストン
１６ピストン・ロッド
Ａ−１、２、３、４，．．．基本領域（図２（ａ））
Ｂ−１、２、３、４，．．．基本領域（図２（ｂ））
Ｃ−１、２、３、４，．．．基本領域（図４（ａ））
Ｄ−１、２、３、４，．．．基本領域（図４（ｂ））
パターンＡ、シートＡ図２（ａ）のパターンとシート
パターンＢ，シートＢ図２（ｂ）のパターンとシート
パターンＣ，シートＣ図４（ａ）のパターンとシート
パターンＤ，シートＤ図４（ｂ）のパターンとシート
・・・・・・・・・・図２（ａ）（ｂ）の余剰部分の削除線

Claims

平面上で、軸方向に直交して左右にのびる平行線で規定される帯状の領域内について、その中央部に該平行線を上底下底とする実質的に等脚台形を配し、該等脚台形の両側に対称的に、該等脚台形の斜辺と等しい傾斜角をもちかつ該平行線を二辺とする平行四辺形を複数かつ偶数個を隙間無く配した基本領域Ａ１により、平面上で、該基本領域から始めて、該基本領域の下に該平行線についての第一鏡像Ａ２を形成し、さらに同様の操作で第一鏡像の鏡像である第二の鏡像Ａ３を形成し、順次これを繰り返すことで形成されたものを形状パターンＡとし、さらに別の平面上で、前記第一の鏡像Ａ２をＢ１とし、Ｂ１から始めて、前記と同様の操作を順次繰り返すことで形成されたものを形状パターンＢとし、該形状パターンＡ，Ｂの形状が刻印された仮想の平面シートをそれぞれシートＡ，シートＢとし、これらに含まれる等脚台形および該平行四辺形のすべての辺を折り筋とし、該等脚台形の斜辺を図面上手前に山折りとし、他の辺はこれに適合する折り目とし、シートＡとシートＢを、背面で合わせ、相接する前記偶数番目でかつ端部の平行四辺形の部分で互いに接合して形成される多面体形状を、実素材で構成しかつ稜線をヒンジとする管状伸縮構造により、内部空間の容積可変を特徴とする流体機械要素。
請求項１の流体機械要素において、その管状伸縮構造の両端部を閉じるエンド構造、および流体吸入・排出口の構成によって形成される流体アクチュエータ。
請求項１の流体機械要素において、その管状伸縮構造の両端部を閉じるエンド構造、および流体吸入・排出口の構成によって形成される流体ポンプ。