JP2016075330A - 流体圧アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】流体圧アクチュエータを提供する。【解決手段】流体圧により伸縮する流体圧アクチュエータは、弾性チューブ１０と、編組チューブ２０と、高分子電解質チューブ３０と、内側電極４０と、外側電極５０と、制御部６０とからなる。弾性チューブ１０は、気液可逆反応が可能な溶液５を内部に満たすことが可能な中空の筒状に形成される弾性体からなる。編組チューブ２０は、糸状体を弾性チューブの外壁の上に移動自在に縒り合わて袋編みしてなる。高分子電解質チューブ３０は、弾性チューブの内部に同軸上に挿入され、気液可逆反応が可能な溶液を内部に満たすことが可能な中空の筒状に形成される。内側電極４０は高分子電解質チューブの内壁上、外側電極５０は高分子電解質チューブの外壁上に形成される。制御部６０は、内側電極と外側電極間に接続され、溶液の電解及び電解により発生する気体の合成を可逆制御する。【選択図】図３

Description

本発明は流体圧アクチュエータに関し、特に、流体圧により伸縮する流体圧アクチュエータに関する。

流体圧アクチュエータとは、例えばエアシリンダや人工筋等、流体圧の変化を用いて駆動するものである。これらは、電磁アクチュエータ等と比べて、重量に対する出力が大きい。例えば、空気圧を用いた弾性収縮体としては、特許文献１がある。特許文献１に開示の弾性収縮体は、所謂マッキベン人工筋と呼ばれるものである。これは、中空の弾性管状体と、弾性管状体を覆う補強層である編組被覆体とを有する構造からなる。このような構造のマッキベン人工筋にコンプレッサから空気を導入すると、弾性管状体が径方向に誇張し、長さ方向には収縮して収縮力が発生する。

特開昭４８−２４１７５号

このようなマッキベン人工筋等の流体圧アクチュエータのように、駆動させるための流体として空気圧を用いるアクチュエータでは、コンプレッサが必要であった。そして、コンプレッサ以外にも、各人工筋を制御するためのバルブや空気を送るための空圧チューブ等も必要となっていた。このため、マッキベン人工筋を用いた装置の場合、小型化や一体型化することが難しかった。また、弛緩動作時には空気を抜くことになるが、単に空気をバルブで抜くことになり、駆動させた空気は無駄になっていた。さらに、弛緩動作を促進させるためには別途吸引器等を用いて吸い出す必要もあり、さらに構造が複雑になっていた。

本発明は、斯かる実情に鑑み、構造がシンプルでコンプレッサや空圧チューブ等も不要で小型化も可能であり、さらにエネルギ回生を用いればエネルギ効率も良くなる、流体圧アクチュエータを提供しようとするものである。

上述した本発明の目的を達成するために、本発明による流体圧アクチュエータは、気液可逆反応が可能な溶液を内部に満たすことが可能な中空の筒状に形成される弾性体からなる弾性チューブと、糸状体を弾性チューブの外壁の上に移動自在に縒り合わて袋編みしてなる編組チューブと、弾性チューブの内部に同軸上に挿入され、気液可逆反応が可能な溶液を内部に満たすことが可能な中空の筒状に形成される高分子電解質チューブと、高分子電解質チューブの内壁上に形成される内側電極と、高分子電解質チューブの外壁上に形成される外側電極と、内側電極と外側電極間に接続され、溶液の電解及び電解により発生する気体の合成を可逆制御する制御部と、を具備するものである。

ここで、溶液が水であり、電解により発生する気体が水素と酸素であれば良い。

また、制御部は、内側電極が負極に接続され、外側電極が正極に接続されれば良い。

また、高分子電解質チューブと弾性チューブとの間の環状部分の横断面積と、高分子電解質チューブ内部の横断面積との比が、１：２であれば良い。

さらに、弾性チューブの内壁に形成されるガスバリア膜を具備するものであっても良い。

また、制御部は、さらに、気体の合成時に発生するエネルギを回収する蓄電部を具備するものであっても良い。

本発明の流体圧アクチュエータには、構造がシンプルでコンプレッサや空圧チューブ等も不要で小型化も可能であり、また、エネルギ効率も良くすることが可能であるという利点がある。

図１は、本発明の流体圧アクチュエータを説明するための弛緩状態の概略側面図である。 図２は、本発明の流体圧アクチュエータを説明するための収縮状態の概略側面図である。 図３は、本発明の流体圧アクチュエータの一部拡大縦断面図である。

以下、本発明を実施するための形態を図示例と共に説明する。図１は、本発明の流体圧アクチュエータを説明するための弛緩状態の概略側面図である。また、図２は、本発明の流体圧アクチュエータを説明するための収縮状態の概略側面図である。さらに、図３は本発明の流体圧アクチュエータの一部拡大縦断面図である。これらの図中、図１と同一の符号を付した部分は同一物を表している。図示の通り、本発明の流体圧により伸縮する流体圧アクチュエータ１は、弾性チューブ１０と、編組チューブ２０と、高分子電解質チューブ３０と、内側電極４０と、外側電極５０と、制御部６０とから主に構成されている。これらの内部、具体的には、高分子電解質チューブ３０内部と、弾性チューブ１０と高分子電解質チューブ３０の間の領域に気液可逆反応が可能な溶液５が満たされている。また、両端部には密封部材や動きを他の部材に伝達させるための金具等が適宜取り付けられている。

弾性チューブ１０は、弾性体からなる中空の筒状に形成されるものである。その内部には、気液可逆反応が可能な溶液５が満たされる。弾性体としては、ゴムチューブやシリコンチューブ等、従来のマッキベン人工筋等で用いられていたものや、今後開発されるべきあらゆる弾性体が適用可能である。

ここで、気液可逆反応が可能な溶液５は、最も一般的には水（Ｈ_２Ｏ）である。その他、気体から液体、液体から気体に電流制御により可逆反応が可能な溶液であれば、例えばメタノール等、適宜用いることが可能である。

編組チューブ２０は、糸状体を弾性チューブ１０の外壁の上に移動自在に縒り合わて袋編みしたものである。具体的には、例えばスパイラル状に糸状体を巻回し、これにクロスするように反対巻で別の糸状体を巻回することで編組して袋編みすれば良い。また、網目状の糸状体を袋編みにしても良い。編組チューブ２０は、径方向（軸方向に垂直な方向）に膨張しつつ、軸方向に伸縮しない構造を用いれば良い。これにより、弾性チューブ１０が径方向に膨張した際に、編組チューブ２０により動きが制限され、弾性チューブ１０が軸方向に短くなる方向に収縮することになる。編組チューブとしても、従来のマッキベン人工筋等で用いられていたものや、今後開発されるべきあらゆる弾性体が適用可能である。

高分子電解質チューブ３０は、弾性チューブ１０の内部に同軸上に挿入されるものであり、中空の筒状体に形成されるものである。その内部には、気液可逆反応が可能な溶液５が満たされる。高分子電解質チューブ３０は、固体高分子膜からなるものであり、例えば内側電極４０側で生成されるプロトンを外側電極５０へと移動する働きを持つものである。より具体的には、スルホン酸基を有するフッ素系の重合体からなるものであり、例えば旭硝子株式会社のＦｌｅｍｉｏｎ（登録商標）や、旭化成株式会社のＡｃｉｐｌｅｘ（登録商標）、米国デュポン社のＮａｆｉｏｎ（登録商標）等を用いることが可能である。このような高分子電解質を中空の筒状体に形成して高分子電解質チューブ３０が構成される。

内側電極４０は、高分子電解質チューブ３０の内壁上に形成されるものである。外側電極５０は、高分子電解質チューブ３０の外壁上に形成されるものである。これらの電極は、燃料電池でいうところの燃料極や空気極にあたるものである。例えば、白金触媒やルテニウム−白金合金触媒を、カーボン担体上に担持させて電極としたものである。高分子電解質チューブ３０上に適宜メッキ処理等により電極が形成されれば良い。

制御部６０は、内側電極４０と外側電極５０の間に接続されるものである。制御部６０は、溶液５の電解及び電解により発生する気体の合成を可逆制御するものである。即ち、制御部６０は、内側電極４０と外側電極５０の間の電流調整によりガスの発生及び吸収を制御するものである。例えば、収縮動作時には、内側電極４０が負極に接続され、外側電極５０が正極に接続されるようにして電流制御すれば良い。なお、電流の印加方向については、発生するガスに応じて種々選択可能である。そして、内側電極４０と外側電極５０の間に電流を印加すると、可逆反応が可能な溶液５が電解し、例えば内側電極４０側と外側電極５０側にそれぞれ２種類の気体が発生する。本発明の流体圧アクチュエータ１は、この発生した気体の圧力により弾性チューブ１０を径方向に膨張させ、軸方向に短くなる方向に収縮することを利用して収縮動作させるものである。

そして、弛緩動作時には、内側電極４０と外側電極５０とを例えば短絡するように制御する。すると、内側電極４０側で発生した気体がプロトンと電子に分解し、プロトンは高分子電解質チューブ３０の固体高分子膜内を通り、外側電極５０側に移動する。即ち、高分子電解質チューブ３０と弾性チューブ１０との間の領域に移動する。そして、電子は制御部６０で短絡した経路を通って外側電極５０へと移動する。高分子電解質チューブ３０と弾性チューブ１０との間の領域では、高分子電解質チューブ３０の固体高分子膜内を通り抜けたプロトンと、短絡した経路を通った電子が、外側電極５０側で発生した気体と反応して合成され、溶液が生成される。即ち、燃料電池と同様の動作をすることになる。これにより、発生した気体が溶液になり、膨張した弾性チューブ１０が元の状態に戻り、軸方向の長さが元に戻る。なお、弛緩動作を促進させるために、制御部６０は、内側電極４０と外側電極５０の間を短絡するのではなく、この間に逆電流を印加するようにしても良い。

以下、本発明の流体圧アクチュエータ１の動作について、溶液５として例えば水を用いた例を用いてより具体的に説明する。弾性チューブ１０縮動作時には、制御部６０により内側電極４０が負極に接続され、外側電極５０が正極に接続され、電流が印加される。すると、内側電極４０側、即ち、高分子電解質チュー内部及び高分子電解質チューブ３０内部に、溶液５として水（Ｈ_２Ｏ）が満たされる。高分子電解質チューブ３０内部には水素ガス（Ｈ_２）が発生し、外側電極５０側、即ち、高分子電解質チューブ３０と弾性チューブ１０との間の領域には酸素ガス（Ｏ_２）が発生する。この発生した水素ガス及び酸素ガスにより、弾性チューブ１０を膨張させ、軸方向に短くなる方向に収縮することを利用して収縮動作が行われる。

そして、弛緩動作時には、制御部６０により、内側電極４０と外側電極５０とを短絡するように制御する。すると、内側電極４０側で発生した水素ガスがプロトン（Ｈ^＋）と電子（ｅ⁻）に分解し、プロトンは高分子電解質チューブ３０の固体高分子膜内を通り、外側電極５０側に移動し、電子は制御部６０で短絡した経路を通って外側電極５０へと移動する。高分子電解質チューブ３０と弾性チューブ１０との間の領域では、プロトンと、短絡した経路を通った電子が、外側電極５０側で発生した酸素ガスと反応して合成され、即ち、４Ｈ^＋＋Ｏ_２＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏの反応により、水が生成される。これにより、発生した水素と酸素が水になり、膨張した弾性チューブ１０が元の状態に戻り、軸方向の長さが元に戻る。

ここで、高分子電解質チューブ３０と弾性チューブ１０の膨張比が同一となるように、発生する２種類の気体の気体発生比（体積比）に合せて各チューブの径を決定しても良い。即ち、高分子電解質チューブ３０と弾性チューブ１０との間の環状部分の横断面積と、高分子電解質チューブ３０内部の横断面積との比を気体発生比に合わせて決定すれば良い。溶液５として例えば水を用いた場合、発生する酸素ガスと水素ガスの気体発生比は１：２である。したがって、これに合わせて高分子電解質チューブ３０と弾性チューブ１０との間の環状部分の横断面積と、高分子電解質チューブ３０内部の横断面積との比を１：２とすれば良い。これにより、高分子電解質チューブ３０と弾性チューブ１０の膨張比が同一となり、不必要に撓んだりすることを防止可能である。

このように、本発明の流体圧アクチュエータは、コンプレッサや空圧チューブ等も不要で、制御部と内側電極や外側電極が導線により接続されていれば良いため、構造がシンプルなものとなる。このため小型化も可能であり、ロボット等に内蔵することも容易となる。

さらに、本発明の流体圧アクチュエータでは、弾性チューブ１０の内壁に、ガスバリア膜を必要により設けても良い。例えば、高分子電解質チューブ３０と弾性チューブ１０との間の領域に発生する気体が酸素ガスの場合、酸素ガスバリア膜を設ければ良い。これにより、発生したガスが外部に漏れることを防止できる。発生したガスが漏れにくくなれば、より長時間収縮動作を継続することも可能でり、また、ガス漏れを防止することで長期的に運用可能となる。

また、本発明の流体圧アクチュエータは、弛緩動作時に気体の合成が行われるが、この際に電子の移動により電流が流れるため、エネルギが発生する。したがって、このエネルギを回収するキャパシタ等の蓄電部を制御部６０に設けても良い。これにより、エネルギ回生を用いることが可能となり、例えば収縮動作に用いることも可能である。したがって、エネルギ効率も良くなる。

なお、本発明の流体圧アクチュエータは、上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

１ 流体圧アクチュエータ
５ 溶液
１０ 弾性チューブ
２０ 編組チューブ
３０ 高分子電解質チューブ
４０ 内側電極
５０ 外側電極
６０ 制御部

Claims (6)

1. 流体圧により伸縮する流体圧アクチュエータであって、該流体圧アクチュエータは、
   気液可逆反応が可能な溶液を内部に満たすことが可能な中空の筒状に形成される弾性体からなる弾性チューブと、
   糸状体を前記弾性チューブの外壁の上に移動自在に縒り合わて袋編みしてなる編組チューブと、
   前記弾性チューブの内部に同軸上に挿入され、気液可逆反応が可能な溶液を内部に満たすことが可能な中空の筒状に形成される高分子電解質チューブと、
   前記高分子電解質チューブの内壁上に形成される内側電極と、
   前記高分子電解質チューブの外壁上に形成される外側電極と、
   前記内側電極と外側電極間に接続され、溶液の電解及び電解により発生する気体の合成を可逆制御する制御部と、
   を具備することを特徴とする流体圧アクチュエータ。
2. 請求項１に記載の流体圧アクチュエータにおいて、前記溶液が水であり、電解により発生する気体が水素と酸素であることを特徴とする流体圧アクチュエータ。
3. 請求項２に記載の流体圧アクチュエータにおいて、前記制御部は、前記内側電極が負極に接続され、外側電極が正極に接続されるように制御することを特徴とする流体圧アクチュエータ。
4. 請求項３に記載の流体圧アクチュエータにおいて、前記高分子電解質チューブと弾性チューブとの間の環状部分の横断面積と、高分子電解質チューブ内部の横断面積との比が、１：２であることを特徴とする流体圧アクチュエータ。
5. 請求項１乃至請求項４の何れかに記載の流体圧アクチュエータであって、さらに、前記弾性チューブの内壁に形成されるガスバリア膜を具備することを特徴とする流体圧アクチュエータ。
6. 請求項１乃至請求項５の何れかに記載の流体圧アクチュエータにおいて、前記制御部は、さらに、気体の合成時に発生するエネルギを回収する蓄電部を具備することを特徴とする流体圧アクチュエータ。