JP2017048917A - アクチュエータ、アクチュエータ装置、およびアクチュエータの駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】伸縮可能であり、曲げ方向への自由な動きを許容することができるアクチュエータ用構造体およびアクチュエータの駆動方法を提供する。
【解決手段】流体の圧力を長さの変位に変換するアクチュエータ２であって、弾性を有する筒体１０が、螺旋状に巻回された形状をしている。筒体１０は、アクチュエータ２の軸Ａ１を中心に巻回されている。筒体１０の外周面１０ｂには、筒体１０の軸心Ａ２に沿って、螺旋状に溝ｃが設けられている。筒体１０の内部に充填されている流体５が加圧された場合に、筒体１０に対して溝ｃの螺旋に沿ってねじり力が発生し、アクチュエータ２が軸Ａ１方向に縮む。また、アクチュエータ２を曲げる方向に外力が作用しても、筒体１０の内部の容積がほぼ変化しないので、曲げ方向への自由な動きを許容することができる。
【選択図】図２

Description

本開示は、アクチュエータ、アクチュエータ装置、およびアクチュエータの駆動方法に関する。

家庭用ロボットなど人間に近い場所において動作する機械に対する要求の高まりに伴い、人間の筋肉のように軽量かつ柔軟な特徴を備える人工筋肉アクチュエータへの期待も大きくなっている。人工筋肉アクチュエータと呼ばれるアクチュエータには様々な種類があるが、多くは軽量かつ柔軟という特徴に適合しやすいゴム状弾性材料の変形を用いたアクチュエータである。

ゴム状弾性材料の変形を用いたアクチュエータの一つとして、流体の圧力により伸張または収縮するマッキベン型のアクチュエータが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載されたマッキベン型のアクチュエータは、編み組構造で補強されたゴムチューブにより構成され、ゴムチューブの内部を流体で加圧し、編み組の角度をパンタグラフのように変化させながら径方向の膨張を軸方向の収縮に変換することで、アクチュエータを伸縮させている。

特開昭５９−１９７６０５号公報

しかしながら、マッキベン型のアクチュエータは、内部の流体圧力を増加または減少させることで軸方向に伸張または収縮するが、ゴムチューブの内部が加圧されると、曲げ方向への自由な動きが阻害されてしまうという問題がある。

本開示の非限定的で例示的な一態様は、伸縮可能であり、曲げ方向への自由な動きを許容することができるアクチュエータである。本開示の一態様の付加的な恩恵及び有利な点は本明細書及び図面から明らかとなる。この恩恵及び／又は有利な点は、本明細書及び図面に開示した様々な態様及び特徴により個別に提供され得るものであり、その１以上を得るために全てが必要ではない。

本開示の一態様に係るアクチュエータは、中空の筒体を備え、前記筒体は、前記筒体の長軸方向に沿って位置する空間を内部に有し、前記筒体は、コイル形状を有するように折りたたまれており、前記筒体の外周面および内周面の少なくとも一方には溝が形成されており、前記溝は、前記筒体の長軸に沿って捩られたように伸びている。

なお、これらの包括的または具体的な態様は、システム、方法で実現されてもよく、装置、システム、方法の任意の組み合わせにより実現してもよい。

本開示によれば、アクチュエータは、伸縮可能であり、曲げ方向への自由な動きを許容することができる。

実施の形態１に係るアクチュエータ装置を模式的に示した図である。 実施の形態１に係るアクチュエータの筒体の一部を示す図である。 実施の形態１に係るアクチュエータの筒体の横断面図である。 実施の形態１に係るアクチュエータの筒体を直線状にして正面から見た図である。 図４に示した筒体の縦断面図である。 アクチュエータの駆動方法を示すフローチャートである。 筒体の内部の流体を加圧する前の、第１の弾性部材の骨部を示す断面図である。 筒体の内部の流体を加圧した後の、第１の弾性部材の骨部の変形を示す断面図である。 筒体の内部の流体を加圧する前の、アクチュエータを示す模式図である。 筒体の内部の流体を加圧した後の、アクチュエータの伸縮を示す模式図である。 外力を加える前の、アクチュエータを示す模式図である。 外力を加えた後の、アクチュエータの屈曲状態を示す模式図である。 実施の形態１に係るアクチュエータの第１の弾性部材の製造方法を示す図である。 実施の形態１の変形例１におけるアクチュエータの筒体の横断面図である。 実施の形態１の変形例２におけるアクチュエータの筒体の横断面図である。 実施の形態１の変形例３におけるアクチュエータであって、筒体の内部の流体を加圧する前の、アクチュエータを示す模式図である。 実施の形態１の変形例３におけるアクチュエータであって、筒体の内部の流体を加圧した後の、アクチュエータの伸縮を示す模式図である。 実施の形態２に係るアクチュエータの筒体一部を示す図である。 実施の形態２に係るアクチュエータの筒体の横断面図である。 実施の形態２の変形例４におけるアクチュエータの筒体の横断面図である。 実施の形態２の変形例５におけるアクチュエータの筒体の横断面図である。 実施の形態３に係るアクチュエータの筒体の一部を示す図である。 実施の形態３に係るアクチュエータの第１の弾性部材の製造方法を示す図である。 実施の形態２の変形例６におけるアクチュエータの筒体の横断面図である。

（本発明の基礎となった知見）
本発明者は、「背景技術」の欄において記載した、マッキベン型のアクチュエータに関し、以下の問題が生じることを見出した。

マッキベン型のアクチュエータは、ゴムチューブで構成されているため、元々、曲げ方向に対する柔軟性を備えているが、この柔軟性はゴムチューブの内圧が高まるほど減少し、曲げに対する剛性が高まっていく。曲げ剛性が高くなるのは、アクチュエータを曲げることで、ゴムチューブの内部空間に容積変化を引き起こすためであると考えられる。アクチュエータを曲げるには、内部空間の流体を圧縮すると共に、その圧縮力に応じた変形をゴムチューブに発生させなければならず、曲げに必要な力は内部空間の圧力が高いほど増加する。

このような特性は、曲げ剛性を利用した物体の把持動作などでは有用だが、例えば、アクチュエータを衣服状のアシストウェアに備え付けた場合に問題となる。すなわち、アクチュエータを腕または脚などの人体形状に沿って曲げて取り付けた場合において、アクチュエータを伸縮させようとして流体を加圧すると、軸方向の力、及び人体形状に沿った曲げを解消する力も発生する。そのため、このアクチュエータを備え付けることで、軸方向への力をアシストすることはできるが、曲げ方向への自由な動きが阻害されるという問題がある。

このような問題を解決するために、本開示の一態様に係るアクチュエータは、中空の筒体を備え、前記筒体は、前記筒体の長軸方向に沿って位置する空間を内部に有し、前記筒体は、コイル形状を有するように折りたたまれており、前記筒体の外周面および内周面の少なくとも一方には溝が形成されており、前記溝は、前記筒体の長軸に沿って捩られたように伸びている。

この構成によれば、筒体の中空部分に流体を充填してその圧力を変化させた場合に、筒体が外側または内側に弾性変形して、筒体の溝の螺旋に沿ってねじれが発生する。このねじれが発生することで、螺旋状に巻回された形状を有するアクチュエータを伸縮させることができる。また、アクチュエータを曲げる方向に外力を加えた場合に、筒体の所定方向のねじれにより筒体内部の容積が増える箇所と、逆方向のねじれにより筒体内部の容積が減る箇所との両方ができる。そのため、筒体内部の全体としての容積変化が少なくなり、アクチュエータを容易に曲げることができる。

例えば、前記筒体は、円筒状の第１の弾性部材と、前記第１の弾性部材の内側または外側に配置され、前記第１の弾性部材よりも高い柔軟性を有する円筒状の第２の弾性部材とにより構成され、前記溝は、前記第１の弾性部材の内周面と外周面とを貫通する貫通穴と、前記貫通穴を塞ぐ前記第２の弾性部材の表面とにより形成されていてもよい。

この構成によれば、貫通穴を有する第１の弾性部材がねじれやすくなるので、筒体を確実にねじらせることができる。そのため、アクチュエータを確実に伸縮させ、また、容易に曲げることができる。

例えば、前記第１の弾性部材は、その周方向に隣り合う２つの前記溝の間に位置する螺旋状の骨部を有し、前記骨部の厚みが、前記骨部の幅より小さくてもよい。

この構成によれば、筒体の中空部分に流体を充填してその圧力を変化させた場合に、第１の弾性部材が外側または内側に向けて変形しやすくなるので、筒体のねじりが発生しやすくなる。そのため、アクチュエータが伸縮しやすくなり、また、容易に曲げやすくなる。

例えば、前記溝の螺旋ピッチが、前記第１の弾性部材の外周長より大きくてもよい。

この構成によれば、第１の弾性部材の外側または内側への変形が、筒体のねじれに変換されやすくなり、アクチュエータが伸縮しやすくなる。

例えば、前記第１の弾性部材は、前記第２の弾性部材の外側に配置されており、前記第１の弾性部材の内周面と前記溝の側面とにより形成される稜線が面取りされていてもよい。

この構成によれば、第１の弾性部材および第２の弾性部材が外側または内側に弾性変形した場合の、第１の弾性部材の内周面と溝の側面との稜線に生じる応力集中を緩和することができる。これにより、アクチュエータの伸縮や曲げ動作を滑らかにすることができる。また、アクチュエータの耐久性を向上させることができる。

例えば、前記溝の深さが、前記筒体の厚みの半分以上でもよい。

この構成によれば、溝の底に位置する筒体の肉厚部が薄く変形しやすくなり、筒体が外側または内側に弾性変形しやすくなるので、筒体のねじりが発生しやすくなる。そのため、アクチュエータが伸縮しやすくなり、また、容易に曲げやすくなる。

例えば、前記溝の螺旋ピッチが、前記筒体の外周長より大きいてもよい。

この構成によれば、筒体の外側または内側への変形が、筒体のねじれに変換されやすくなり、アクチュエータが伸縮しやすくなる。

例えば、前記溝は、多条溝でもよい。

溝が、多条溝である場合には、１条溝である場合に比べて、螺旋状の溝の螺旋ピッチを大きく形成することができる。これにより、筒体の外側または内側への変形が、筒体のねじれに変換されやすくなり、アクチュエータが伸縮しやすくなる。

例えば、前記溝の幅が、一定でもよい。

この構成によれば、筒体にかかる負荷のバランスをとることができる。そのため、アクチュエータの伸縮や曲げ動作を滑らかにすることができる。また、アクチュエータの耐久性を向上させることができる。

また、上記問題を解決するために、本開示のその他の態様に係るアクチュエータは、中空の筒体を備え、前記筒体は、前記筒体の長軸方向に沿って位置する空間を内部に有し、前記筒体は、コイル形状を有するように折りたたまれており、前記筒体は、円筒状の第１の弾性部材と、前記第１の弾性部材よりも高い柔軟性を有する第２の弾性部材とにより構成され、前記第１の弾性部材には、その内周面と外周面とを貫通する貫通穴が設けられ、前記貫通穴は、前記筒体の長軸に沿って捩られたように伸びており、前記第２の弾性部材は、前記貫通穴内に設けられている。

この構成によれば、筒体の中空部分に流体を充填してその圧力を変化させた場合に、筒体が外側または内側に弾性変形して、第１の弾性部材の貫通穴の螺旋に沿ってねじれが発生する。このねじれが発生することで、螺旋状に巻回された形状を有するアクチュエータを伸縮させることができる。また、アクチュエータを曲げる方向に外力を加えた場合に、筒体の所定方向のねじれにより筒体内部の容積が増える箇所と、逆方向のねじれにより筒体内部の容積が減る箇所との両方ができる。そのため、筒体内部の全体としての容積変化が少なくなり、アクチュエータを容易に曲げることができる。また、筒体の厚みを薄くすることができ、アクチュエータを小型化することができる。

本開示のその他の態様に係るアクチュエータ装置は、アクチュエータと圧力源とを備えるアクチュエータ装置であって、前記アクチュエータは、弾性を有し、かつ中空の筒体を備え、前記筒体は、前記筒体の長軸方向に沿って位置する空間を内部に有し、前記筒体は、コイル形状を有するように折りたたまれており、前記筒体の外周面および内周面の少なくとも一方には溝が形成されており、前記溝は、前記筒体の長軸に沿って捩られたように伸びている、前記圧力源は、（ａ１）前記筒体の内部の圧力を増加させることにより、前記アクチュエータを縮ませ、（ａ２）前記筒体の内部の圧力を減少させることにより、前記アクチュエータを伸ばす。

前記圧力源は、前記（ａ１）において、前記筒体の内部に媒体を注入することにより、前記アクチュエータの圧力を増加させ、前記（ａ２）において、前記筒体の内部から媒体を排出することにより、前記アクチュエータの圧力を減少させてもよい。

また、上記問題を解決するために、本開示に係るアクチュエータの駆動方法は、（ｂ１）アクチュエータを準備し、前記アクチュエータは、弾性を有し、かつ中空の筒体を備え、前記筒体は、前記筒体の長軸方向に沿って位置する空間を内部に有し、前記筒体は、コイル形状を有するように折りたたまれており、前記筒体の外周面および内周面の少なくとも一方には溝が形成されており、前記溝は、前記筒体の長軸に沿って捩られたように伸びている、（ｂ２）前記筒体の内部の媒体の圧力を増加させて、前記アクチュエータを縮ませる。

この構成によれば、アクチュエータを確実に縮ませることができる。

さらに、（ｂ３）前記筒体の内部の媒体の圧力を減少させて、前記アクチュエータを伸ばしてもよい。

この構成によれば、アクチュエータを確実に伸ばすことができる。

また、上記問題を解決するために、本開示のその他の態様に係るアクチュエータ装置は、螺旋状に巻回された、弾性を有する筒体と、圧力源を含み、前記筒体の外周面および内周面の少なくとも一方には、前記筒体の軸心を中心軸として、螺旋状に溝が設けられており、前記筒体の内部には流体が充填されており、前記圧力源は、前記流体によって発生する圧力を増加または減少させ、前記筒体の長軸方向の長さを増加または減少させる。

この構成によれば、アクチュエータを伸縮させつつ、外力により容易に曲げることができる。

なお、これらの包括的かつ特定の態様は、システム、方法、並びに、システム及び方法の任意の組み合わせにより実現してもよい。

以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

（実施の形態１）
まず、図１を参照しながらアクチュエータ装置１の全体構成を説明する。図１に示すアクチュエータ装置１は、アクチュエータ２と、圧力源３と、配管４とを備える。アクチュエータ装置１は、圧力源３の圧力を、アクチュエータ２の長さの変位に変換する。

アクチュエータ２は、中空の筒体１０を有する。筒体１０は、筒体１０の長手方向に沿って形成されている空間をその内部に有する。筒体１０は螺旋状に巻回されている。言い換えると、筒体１０はコイルの形状を有するように折りたたまれている。コイルの形状の一例は、円筒である。筒体１０の内部には、媒体が充填される。媒体の例は、液体及び気体を含む流体である。液体の一例は水であり、気体の一例は空気である。アクチュエータ２の上部は図示しない固定具に固定され、その上端は配管４に接続されている。アクチュエータ２の下端は、かしめなどにより封止されている。このアクチュエータ２の構成については、後で詳しく説明する。

圧力源３は、配管４を介してアクチュエータ２の筒体１０の内部の流体を増加させまたは減少させることで、アクチュエータ２の筒体１０の内部の圧力を増加または減少させて、アクチュエータ２を伸張または収縮させる。

圧力源３の一例は、ポンプである。ポンプの具体例としては、シリンジポンプ（往復ポンプ）などが用いられる。シリンジポンプの一例は、円筒形のシリンジと、可動式の押子と、押子の位置を制御する制御部とを有する。シリンジ及び押子は注射器のように作用する。押子によりシリンジの内部を加圧して、シリンジの内部空間から流体を送り出す。また、シリンジ内部を押子で減圧して流体を回収する。シリンジポンプを作動することで、アクチュエータ２の筒体１０内部に充填される流体の量を調節（変化）して、筒体１０の内部の圧力を調節することができる。

「筒体１０内部に充填される流体の量を調節（変化）する」とは「筒体１０内部に充填される流体の単位体積あたりの密度を調整（変化）する」と解してもよい。「流体の圧力を増加させること」は、「単位体積あたりの流体の量を増やすこと」であってもよい。「流体の圧力を減少させること」は、「単位体積あたりの流体の量を減らすこと」であってもよい。

配管４は、圧力源３とアクチュエータ２を接続して、流体の流出入の経路となるチューブ状の部材である。なお、圧力源３にアクチュエータ２が直結される場合は、アクチュエータ装置１は配管４を有していなくても良い。また、配管４が分岐管を用いて、１つの圧力源３と複数のアクチュエータ２とが連結されてもよい。

次に、本実施の形態に係るアクチュエータ２について説明する。

図２は、アクチュエータ２の筒体１０の一部を示す図であり、図３は、アクチュエータ２の筒体１０の横断面図である。

アクチュエータ２は、弾性を有する中空の筒体１０が、螺旋状に巻回された形状をしている。筒体１０は、アクチュエータ２の長軸方向の軸Ａ１を中心に巻回されている。筒体１０の外周面１０ｂには、筒体１０の軸心Ａ２を中心軸として、螺旋状に溝ｃが複数設けられている。言い換えると、溝ｃは、筒体１０の長軸の周りに沿って捩られたように伸びている。本実施の形態では、筒体１０の螺旋は軸Ａ１に対して右巻きであり、溝ｃの螺旋は軸心Ａ２に対して右巻きである。すなわち、筒体１０と溝ｃの螺旋の巻方向が一致している。

筒体１０は、図３に示すように、円筒状の第１の弾性部材１１と、第１の弾性部材１１よりも柔軟性の高い、円筒状（管状）の第２の弾性部材１２とにより構成されている。第２の弾性部材１２は中空であり、この中空部分（内周面１２ａの内側）に流体５が充填される。

第１の弾性部材１１には、その内周面１１ａと外周面１１ｂを貫通する複数の貫通穴１１ｃが設けられている。第２の弾性部材１２は、第１の弾性部材１１の内側に接して配置されて、貫通穴１１ｃを塞いでいる。したがって、溝ｃは、第１の弾性部材１１の貫通穴１１ｃの側面と、第２の弾性部材１２の表面（外周面１２ｂ）により形成される。なお、第１の弾性部材１１と第２の弾性部材１２は、接着されていない。

また、第１の弾性部材１１は、その周方向に隣り合う溝ｃの間に位置する複数の骨部ｂを有している。骨部ｂは、断面が円弧状で、周方向に互いに間隔をあけて設けられている。骨部ｂは、４つの骨部ｂにより構成され、これらの骨部ｂが、軸心Ａ２を中心に螺旋状に巻回されることで、４つの溝ｃが螺旋状に設けられている。

また、第１の弾性部材１１は第２の弾性部材１２の外側に配置されており、第１の弾性部材１１の内周面１１ａと溝ｃ（貫通穴１１ｃ）の側面とにより形成される稜線が、面取りされている。本実施の形態では、稜線が丸みを帯びて形成されているが、テーパ状に形成することも可能である。

前述したとおり、第２の弾性部材１２としては、第１の弾性部材１１よりも柔軟性の高い部材が用いられる。柔軟性が高い部材とは、素材として柔らかい部材、または、構造的に柔らかい部材、例えば、薄く形成したり、波状に形成したりして変形しやすくなっている部材を含む意味である。

本実施の形態では、第１の弾性部材１１の材料としてナイロンが用いられ、第２の弾性部材１２の材料としてシリコンゴムが用いられている。ただし、これらの材料に限られず、各種樹脂材料または金属材料を用いることができる。これら弾性部材１１、１２は、必要とされる耐圧性、柔軟性、流体５に対する耐性（耐薬品性、耐溶剤性、耐油性）などを考慮して適宜選択される。例えば、弾性部材１１、１２に樹脂材料を用いることで、軽量なアクチュエータ２が得られる。また、剛性の高いエンジニアリングプラスチックまたは金属材料を用いることで、アクチュエータ２の動作を高圧、低流量で行うことができ、流体５の流れに伴う損失を低減できる。

なお、前述したアクチュエータ装置１の配管４は、アクチュエータ２の作動時の応答性を上げるため、弾性部材１１、１２よりも耐圧性を有するものが用いられる。

図４は、アクチュエータ２の筒体１０を直線状にして示した図であり、図５は、図４に示した筒体１０の縦断面図である。

図４および図５に示すように、筒体１０は、多条溝構造であり、具体的には、４つの溝ｃ（ｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４）と４つの骨部ｂ（ｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ４）とを有している。溝ｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４は互いに平行で、それぞれの幅は一定である。隣り合う溝ｃの間隔（例えば、溝ｃ１と溝ｃ２の間隔）は、溝ｃの条数に応じて適宜設計される。骨部ｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ４も互いに平行で、それぞれの幅ｗｂは一定である。骨部ｂの厚みｔｂは、骨部ｂの幅ｗｂよりも小さい。

これらの溝ｃは、流体による加圧力が０の場合において、筒体１０の軸心Ａ２に対して、傾きθが４５°未満となるように設けられている。また、筒体１０の直径ｄは３．６ｍｍであり、溝ｃの螺旋ピッチｐ２は１０ｍｍである。溝ｃの傾きθを４５°未満にすることで、溝ｃの螺旋ピッチｐ２が、筒体１０の外周長πｄ（本実施の形態では第１の弾性部材１１の外周長）より大きくなるように設定している。

次に、アクチュエータ装置１の駆動方法について概略説明する。

図６は、アクチュエータ装置１の駆動方法を示すフローチャートであり、図８Ａおよび図８Ｂは、アクチュエータ２の伸縮を示す模式図である。なお、図８Ａおよび図８Ｂでは、溝ｃの図示を省略している。

アクチュエータの駆動方法は、アクチュエータ装置１を準備する工程と、アクチュエータ２の長軸方向（軸Ａ１方向）の長さを増加させ、かつ／または減少させる工程とを備えている。

アクチュエータ装置１を準備し、筒体１０の内部の流体５を加圧する前は、図８Ａに示すように、アクチュエータ２は定常状態にある（図６のＳ１）。定常状態とは、筒体１０の内部の流体５に予圧をかけた状態であり、アクチュエータ２の長さは自然長に予圧による収縮分と外力による変形分とを加えた長さとなる。

そして、図８Ａに示す状態に対して、圧力源３を用いて流体５を、例えば０．５ＭＰａで加圧し、アクチュエータ２の筒体１０内にさらに流体５を供給する。これにより、図８Ｂに示すように、アクチュエータ２を軸Ａ１方向に縮ませる（図６のＳ２）。例えば、圧力源３を用いて、筒体１０の内部に流体５が注入されることにより、アクチュエータ２が縮む。

そして、圧力源３で流体５を減圧することで、アクチュエータ２を軸Ａ１方向に伸ばして、元の長さに戻す（図６のＳ３）。例えば、圧力源３を用いて、筒体１０の内部から流体５が排出されることにより、アクチュエータ２が伸びる。これらのステップを繰り返すことで、アクチュエータ２の長さを減少させて、その後、増加させる（収縮させて、その後伸張させる）。なお、伸びまたは縮みの動作は一方でもよいし、順序を逆にしてもよい。また、伸びまたは縮みの一方の動作を複数回繰り返してもよい。

次に、アクチュエータ２の駆動メカニズムについて説明する。

図７Ａは、筒体１０の内部の流体５を加圧する前の、第１の弾性部材１１の骨部ｂを示す断面図であり、図７Ｂは、筒体１０の内部の流体５を加圧した後の、第１の弾性部材１１の骨部ｂの変形を示す断面図である。

図７Ａおよび図７Ｂはいずれも、骨部ｂの一巻分を軸心Ａ２方向から見た図である。

流体５を加圧する前は、図７Ａに示すように、骨部ｂの半径はｒである。流体５を加圧すると、筒体１０の第２の弾性部材１２を介して伝えられる圧力により、筒体１０の第１の弾性部材１１が径方向に膨張（変形）し、それにともない、図７Ｂに示すように、骨部ｂの半径がｒ＋Δｒとなる。このとき、骨部ｂには、一巻きあたり、角度φ＝２πΔｒ／（ｒ＋Δｒ）のねじれが発生する。そして、このねじれが第１の弾性部材１１を主体とする筒体１０全体を軸心Ａ２中心にねじれさせる。

本実施の形態では、筒体１０の溝ｃが軸心Ａ２に対して右巻きであり、アクチュエータ２が軸Ａ１に対して右巻きであるので、筒体１０に発生するねじれが、図８Ｂに示すように、アクチュエータ２を軸Ａ１方向に縮ませるように作用する。

すなわち、筒体１０には加圧による膨張に伴って全体的に軸心Ａ２を中心に左巻方向のねじれが発生しており、アクチュエータ２が軸Ａ１を中心に右巻きであるので、図８Ｂに示すアクチュエータ２の右側に着目すると、筒体１０は手前側が実線矢印の方向に回転するよう左巻方向にねじられる。一方、アクチュエータ２の左側に着目すると、筒体１０は奧側が破線矢印の方向に回転するよう左巻方向にねじられる。したがって、筒体１０の全長にわたって発生するねじれは、筒体１０のピッチ角αを小さくする（筒体１０の螺旋ピッチｐ１を小さくする）ように作用し、アクチュエータ２の長さが短くなる。

そして、流体５の加圧を解除すると、第１の弾性部材１１と第２の弾性部材１２の弾性力により、筒体１０の径方向の変形やねじれが元に戻り、アクチュエータ２の長さも元に戻る。

なお、アクチュエータ２の筒体１０が膨張（変形）する際には、径方向、及び、軸Ａ２方向にも膨張（変形）しようとし、筒体１０の外周側に位置する溝ｃもその幅方向に広がろうとするが、本実施の形態のように、溝ｃの傾きθを４５°未満とする（螺旋ピッチｐ２を筒体１０の外周長πｄより大きくする）ことで、溝ｃの幅方向の広がりが生じても、筒体１０に十分なねじれが発生するので、アクチュエータ２を十分に縮ませることができる。

次に、アクチュエータ２に外力を加えて曲げ変形させる場合について説明する。本実施の形態に係るアクチュエータ２は、横から外力を加えた場合でも、流体５の圧力に関係なく、アクチュエータ２自身の弾性で曲げ変形させられる点にも特徴がある。

図９Ａは、外力を加える前の、アクチュエータ２を示す模式図であり、図９Ｂは、外力を加えた後の、アクチュエータ２の屈曲状態を示す模式図である。なお、図９Ａおよび図９Ｂでは、溝ｃの図示を省略している。

図９Ｂに示すように、アクチュエータ２の軸Ａ１に対して垂直方向の外力を加えて、曲げ変形させる場合を想定すると、筒体１０の一方のピッチ角α_１が小さくなるとともに、他方のピッチ角α_２が大きくなる。これにより、筒体１０の右側は手前側が実線矢印の方向に回転するよう左巻方向にねじられ、筒体１０の左側は奧側が破線矢印の方向に回転するよう右巻方向にねじられる。

溝ｃの螺旋の巻方向と逆方向にねじれが発生すると、筒体１０の直径が大きくなり、筒体１０の内部の容積が増加する。それに対し、溝ｃの螺旋の巻方向と同方向にねじれが発生すると、筒体１０の直径が小さくなり、筒体１０の内部の容積が減少する。本実施形態では、筒体１０の内部の容積の増加と減少が同時に発生しているので、筒体１０内部の全体としての容積変化が少なくなり、アクチュエータ２を容易に曲げることができる。

つまり、アクチュエータ２を曲げて変形させる際の剛性は、流体５に作用する圧力にはほぼ依存しないことになり、アクチュエータ２自身の持つ剛性が支配的となる。よって、アクチュエータ２として柔軟な材質のものを適用すれば、容易に曲げ変形することが可能なアクチュエータ２を実現できる。

次に、アクチュエータ２の製造方法について説明する。

まず、図１０に示すように、熱可塑性樹脂からなる複数の骨部ｂを有する円筒部材を準備する。次に、この円筒部材をガラス転移温度以上に加熱した状態で軸中心にねじって回転させる。その後、冷却することで、複数の螺旋状の骨部ｂを有する第１の弾性部材１１を形成する。次に、円筒状をした第１の弾性部材１１の内側に、円筒状の第２の弾性部材１２を挿入し、直線状の筒体１０を形成する。さらに、この筒体１０を、再びガラス転移温度以上に加熱した状態で、芯材（図示せず）に巻回する。その後、冷却し、芯材を抜くことで、螺旋状に巻回されたアクチュエータ２を作製することができる。

また、第１の弾性部材１１は、その他の製造方法により作製することもできる。例えば、芯材となるマンドレルに、熱可塑性樹脂からなる複数の骨部ｂを螺旋状に巻き付けて、アニール処理する。その後、マンドレルを除去することで、第１の弾性部材１１を形成する。その他、３次元造形法により第１の弾性部材１１を作製してもよい。

ここで、実施の形態１におけるアクチュエータ２の変形例について説明する。

アクチュエータ２の筒体１０としては、図１１に示す変形例１のように、第１の弾性部材１１の貫通穴１１ｃを埋めるように、第２の弾性部材１２を形成してもよい。すなわち、第２の弾性部材１２が、第１の弾性部材１１の内周面１１ａと外周面１１ｂとを貫通する貫通穴１１ｃ内に設けられていてもよい。第２の弾性部材１２の厚みは、第１の弾性部材１１の厚みと同じであり、第２の弾性部材１２の外周面と第１の弾性部材１１の外周面１１ｂとには段差がない。この構造によれば、筒体１０を薄く形成することができ、アクチュエータ２を小型化することができる。なお、第２の弾性部材１２の厚みは、第１の弾性部材１１の厚みは必ずしも等しい必要はなく、厚みに差があってもよい。

また、アクチュエータ２の筒体１０としては、図１２に示す変形例２のように、第２の弾性部材１２を、第１の弾性部材１１の外側に接着等の手段で結合させ、第１の弾性部材１１の貫通穴１１ｃを塞ぐようにしてもよい。この場合、溝ｃは、第１の弾性部材１１の貫通穴１１ｃの側面と、第２の弾性部材１２の表面（内周面１２ａ）により形成される。この構造によっても、図３に示す筒体１０と同様の機能を果たすことができる。

また、上記の実施の形態では、筒体１０の螺旋の巻方向と溝ｃの螺旋の巻方向を一致させたが、螺旋の巻方向を逆にすることもできる。例えば、筒体１０の螺旋を軸Ａ１に対して右巻きとし、溝ｃの螺旋を軸心Ａ２に対して左巻きとすることもできる。

上記構造をしたアクチュエータ（変形例３、図示省略）では、筒体１０の内部の流体５が加圧された場合に、筒体１０に対して右巻方向のねじり力が発生し、アクチュエータ２を軸Ａ１方向に伸ばすように作用する。

図１３Ａは、筒体１０の内部の流体５を加圧する前の、アクチュエータ２を示す模式図であり、図１３Ｂは、筒体１０の内部の流体５を加圧した後の、アクチュエータ２の伸縮を示す模式図である。なお、図１３Ａおよび図１３Ｂでは、溝ｃの図示を省略している。

このアクチュエータ２では、溝ｃの螺旋の巻方向が左巻きであるので、加圧による膨張に伴って筒体１０の軸心Ａ２を中心に右巻方向のねじれが筒体１０全体に発生する。筒体１０は軸Ａ１を中心に右巻きに巻回されているので、図１３Ｂに示すアクチュエータ２の右側に着目すると、筒体１０は手前側が実線矢印の方向に回転するよう右巻方向にねじられる。一方、アクチュエータ２の左側に着目すると、筒体１０は奧側が破線矢印の方向に回転するよう右巻方向にねじられる。したがって、筒体１０の全長にわたって発生するねじれは、筒体１０のピッチ角αを大きくする（筒体１０の螺旋ピッチｐ１を大きくする）ように作用し、アクチュエータ２の長さが長くなる。

すなわち、筒体１０の螺旋の巻方向と溝ｃの螺旋の巻方向を逆にすることで、アクチュエータ２を加圧による膨張に伴って伸長させることも可能である。筒体１０を軸Ａ１を中心に左巻きに巻回した場合であっても同様のことがいえる。

シリンジ内を押子で加圧して流体または追加の流体をアクチュエータ２の筒体１０内部に送り出し、アクチュエータ２の筒体１０内部に充填される流体の量（流体の単位体積あたりの量）を増加させることで、筒体１０内部の圧力を増加させ、アクチュエータを収縮または伸張させてもよい。「シリンジ内を押子で加圧して」とは「シリンジの先端（＝流体がシリンジ外に放出される箇所）と押子の距離を減少して」と解してもよい。

シリンジ内を押子で減圧して流体または流体一部をアクチュエータ２の筒体１０内部から回収して、アクチュエータ２の筒体１０内部に充填される流体の量（流体の単位体積あたりの量）を減少させることで、筒体１０内部の圧力を減少させ、アクチュエータを伸張または収縮させてもよい。「シリンジ内を押子で減圧して」とは「シリンジの先端と押子の距離を増加して」と解してもよい。

（実施の形態２）
実施の形態２に係るアクチュエータは、第１の弾性部材１１と第２の弾性部材１２を一体物としている点で、実施の形態１と異なる。

図１４は、アクチュエータ２Ａの筒体１０の一部を示す図であり、図１５は、アクチュエータ２Ａの筒体１０の横断面図である。なお、以下の図において、実施の形態１と同様の構成については、同様の符号を付し、説明を省略する。

アクチュエータ２Ａは、弾性を有する中空の筒体１０が、螺旋状に巻回された形状をしている。筒体１０は、アクチュエータ２Ａの軸Ａ１を中心に巻回されている。筒体１０の外周面１０ｂには、筒体１０の軸心Ａ２を中心軸として、螺旋状に溝ｃが設けられている。

筒体１０に形成される溝ｃは、多条溝であり、溝ｃの幅は一定である。溝ｃの深さは、筒体１０の厚みの半分以上である。すなわち、溝ｃを有する箇所は、溝ｃのない箇所に比べて柔軟性を有する構造となっている。また、溝ｃの螺旋ピッチｐ２は、筒体１０の外周長πｄより大きくなるように構成されている。

筒体１０は中空であり、この中空部分に流体５が充填される。また、筒体１０は、その周方向に隣り合う溝ｃの間に位置する複数の骨部ｂを有している。骨部ｂは、周方向に互いに間隔をあけて設けられている。骨部ｂは、４つの骨部ｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ４により構成されている。筒体１０の材料としては、例えば、ナイロンが用いられる。

実施の形態２に係るアクチュエータ２Ａでは、筒体１０を一体物にしているので、アクチュエータをシンプルな構造とすることができる。このアクチュエータ２Ａにおいても、実施の形態１に係るアクチュエータ２と同様の効果を得ることができる。

ここで、実施の形態２に係るアクチュエータ２Ａの変形例について説明する。

アクチュエータ２Ａの筒体１０としては、図１６に示す変形例４のように、筒体１０の内周面１０ａに溝を形成してもよい。また、図１７に示す変形例５のように、筒体１０の内周面１０ａと外周面１０ｂの両方に溝ｃを設けてもよい。また、図２０に示す変形例６のように、筒体１０の内周面１０ａと外周面１０ｂの両方に互い違いになるよう溝ｃを設けてもよい。これらの構造によっても、図１５に示す筒体１０と同様の機能を果たすことができる。また、変形例５では内周面１０ａの溝と外周面１０ｂの溝とが同じ位置に設けられているが、これに限るものではなく、異なる位置に設けるようにしても同様に実施可能である。

（実施の形態３）
実施の形態３に係るアクチュエータは、溝ｃが１条である点で、実施の形態１と異なる。

図１８は、実施の形態３に係るアクチュエータ２Ｂの筒体１０の一部を示す図である。

このアクチュエータ２Ｂも、弾性を有する中空の筒体１０が、螺旋状に巻回された形状をしている。筒体１０は、アクチュエータ２Ｂの軸Ａ１を中心に巻回されている。筒体１０の外周面１０ｂには、筒体１０の軸心Ａ２を中心軸として、螺旋状に１つの溝ｃが設けられている。

具体的には、筒体１０は、円筒状の第１の弾性部材１１と、第１の弾性部材１１よりも柔軟性の高い、円筒状の第２の弾性部材１２とにより構成されている。第１の弾性部材１１には、その内周面１１ａと外周面１１ｂを貫通する１つの貫通穴１１ｃが設けられている。第２の弾性部材１２は、第１の弾性部材１１の内側に接して配置されて、貫通穴１１ｃを塞いでいる。また、第１の弾性部材１１は、断面が円弧状の１つの骨部ｂを有している。この骨部ｂが、軸心Ａ２を中心に螺旋状に巻回されることで、１つの溝ｃが螺旋状に設けられている。

次に、アクチュエータ２Ｂの製造方法について説明する。

まず、図１９に示すように、熱可塑性樹脂からなる１つの骨部ｂを有する円筒部材を準備する。次に、この円筒部材をガラス転移温度以上に加熱した状態で軸中心にねじって回転させる。その後、冷却することで、螺旋状の骨部ｂを有する第１の弾性部材１１を形成する。次に、円筒状をした第１の弾性部材１１の内側に、円筒状の第２の弾性部材１２を挿入し、直線状の筒体１０を形成する。さらに、この筒体１０を、再びガラス転移温度以上に加熱した状態で、芯材に巻回する。その後、冷却し、芯材を抜くことで、螺旋状に巻回されたアクチュエータ２Ｂを作製することができる。

また、第１の弾性部材１１は、その他の製造方法により作製することもできる。例えば、芯材となるマンドレルに、熱可塑性樹脂からなる１つの骨部ｂを螺旋状に巻き付けて、アニール処理する。その後、マンドレルを除去することで、第１の弾性部材１１を形成する。その他、３次元造形法により第１の弾性部材１１を作製してもよい。

このアクチュエータ２Ｂにおいても、実施の形態１に係るアクチュエータ２に準ずる効果を得ることができる。

以上、一つまたは複数の態様に係るアクチュエータについて、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、この実施の形態に限定されるものではない。本開示の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態に施したものや、異なる実施の形態における構成要素を組み合わせて構築される形態も、一つまたは複数の態様の範囲内に含まれてもよい。

例えば、前述した実施の形態では、流体として水を用いているが、これに限るものではなく、あらゆる既知の液体でも実施可能である。また、液体に限らず圧縮性の流体である各種気体に対しても実施可能である。

また、前述した実施の形態では、螺旋状の溝の幅は一定になっているが、これに限るものではなく、溝の長手方向かつ／または厚み方向において溝の幅が変化していてもよい。さらに、螺旋状の溝は実施の形態のように連続した１本の溝でなくともよく、何ヶ所かで分断されるような構成であってもよい。

また、前述した実施の形態では、圧力源としてシリンジポンプを用いているが、これに限るものではなく、流体を内部空間に出し入れ可能な圧力源であれば、あらゆる公知技術及びその組み合わせが実現可能である。

また、前述した実施の形態では、コイル体の一端を封止した他端から水を流出入させているが、これに限るものではなく、他端からも水を流出入させたり、コイル体の途中に水の流出入口を設けたりしてもよい。水の流出入口を増やすことで、アクチュエータの応答性を高めることができる。

本開示の一態様に係るアクチュエータは、人間に近い場所において動作する機械を駆動する人工筋肉アクチュエータとして利用可能であり、衣服のようなウェアラブルなアシスト器機の分野に応用できる。それ以外にも、外力に対する柔軟性を備えたリニアアクチュエータとして、また、軽量なリニアアクチュエータとして利用可能である。

１ アクチュエータ装置
２、２Ａ、２Ｂ アクチュエータ
３ 圧力源
４ 配管
５ 流体
１０ 筒体
１０ａ 筒体の内周面
１０ｂ 筒体の外周面
１１ 第１の弾性部材
１１ａ 第１の弾性部材の内周面
１１ｂ 第１の弾性部材の外周面
１１ｃ 第１の弾性部材の貫通穴
１２ 第２の弾性部材
１２ａ 第２の弾性部材の内周面
１２ｂ 第２の弾性部材の外周面
Ａ１ アクチュエータの軸
Ａ２ 筒体の軸心
ｂ、ｂ１、ｂ２、ｂ３、ｂ５ 骨部
ｃ、ｃ１、ｃ２、ｃ３、ｃ４ 溝
ｄ 筒体の外径
ｐ１ 筒体の螺旋ピッチ
ｐ２ 溝の螺旋ピッチ
ｔｂ 骨部の厚み
ｗｂ 骨部の幅
θ 溝の傾き
α、α_１、α_２ ピッチ角

Claims (16)

1. 中空の筒体を備え、
   前記筒体は、前記筒体の長軸方向に沿って位置する空間を内部に有し、
   前記筒体は、コイル形状を有するように折りたたまれており、
   前記筒体の外周面および内周面の少なくとも一方には溝が形成されており、
   前記溝は、前記筒体の長軸に沿って捩られたように伸びている、
   アクチュエータ。
2. 前記筒体は、
   円筒状の第１の弾性部材と、
   前記第１の弾性部材の内側または外側に配置され、前記第１の弾性部材よりも高い柔軟性を有する円筒状の第２の弾性部材とにより構成され、
   前記溝は、前記第１の弾性部材の内周面と外周面とを貫通する貫通穴と、前記貫通穴を塞ぐ前記第２の弾性部材の表面とにより形成されている
   請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記第１の弾性部材は、その周方向に隣り合う２つの前記溝の間に位置する螺旋状の骨部を有し、
   前記骨部の厚みが、前記骨部の幅より小さい
   請求項２に記載のアクチュエータ。
4. 前記溝の螺旋ピッチが、前記第１の弾性部材の外周長より大きい
   請求項２または３に記載のアクチュエータ。
5. 前記第１の弾性部材は、前記第２の弾性部材の外側に配置されており、前記第１の弾性部材の内周面と前記溝の側面とにより形成される稜線が面取りされている
   請求項２〜４のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
6. 前記溝の深さが、前記筒体の厚みの半分以上である
   請求項１〜５のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
7. 前記溝の螺旋ピッチが、前記筒体の外周長より大きい
   請求項１〜６のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
8. 前記溝は、多条溝である
   請求項１〜７のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
9. 前記溝の幅が、一定である
   請求項１〜８のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
10. 中空の筒体を備え、
    前記筒体は、前記筒体の長軸方向に沿って位置する空間を内部に有し、
    前記筒体は、コイル形状を有するように折りたたまれており、
    前記筒体は、円筒状の第１の弾性部材と、前記第１の弾性部材よりも高い柔軟性を有する第２の弾性部材とにより構成され、
    前記第１の弾性部材には、その内周面と外周面とを貫通する貫通穴が設けられ、
    前記貫通穴は、前記筒体の長軸に沿って捩られたように伸びており、
    前記第２の弾性部材は、前記貫通穴内に設けられている、
    アクチュエータ。
11. アクチュエータと圧力源とを備えるアクチュエータ装置であって、
    前記アクチュエータは、弾性を有し、かつ中空の筒体を備え、
    前記筒体は、前記筒体の長軸方向に沿って位置する空間を内部に有し、
    前記筒体は、コイル形状を有するように折りたたまれており、
    前記筒体の外周面および内周面の少なくとも一方には溝が形成されており、
    前記溝は、前記筒体の長軸に沿って捩られたように伸びている、
    前記圧力源は、
    （ａ１）前記筒体の内部の圧力を増加させることにより、前記アクチュエータを縮ませ、（ａ２）前記筒体の内部の圧力を減少させることにより、前記アクチュエータを伸ばす、
    アクチュエータ装置。
12. 前記圧力源は、
    前記（ａ１）において、前記筒体の内部に媒体を注入することにより、前記アクチュエータの圧力を増加させ、
    前記（ａ２）において、前記筒体の内部から媒体を排出することにより、前記アクチュエータの圧力を減少させる、
    請求項１１に記載のアクチュエータ装置。
13. アクチュエータの駆動方法であって、
    （ｂ１）アクチュエータを準備し、
    前記アクチュエータは、
    弾性を有し、かつ中空の筒体を備え、
    前記筒体は、前記筒体の長軸方向に沿って位置する空間を内部に有し、
    前記筒体は、コイル形状を有するように折りたたまれており、
    前記筒体の外周面および内周面の少なくとも一方には溝が形成されており、
    前記溝は、前記筒体の長軸に沿って捩られたように伸びている、
    （ｂ２）前記筒体の内部の媒体の圧力を増加させて、前記アクチュエータを縮ませる、
    を含む、アクチュエータの駆動方法。
14. さらに、（ｂ３）前記筒体の内部の媒体の圧力を減少させて、前記アクチュエータを伸ばす、
    を含む、請求項１３に記載のアクチュエータの駆動方法。
15. 螺旋状に巻回された、弾性を有する筒体と、
    圧力源を含み、
    前記筒体の外周面および内周面の少なくとも一方には、前記筒体の軸心を中心軸として、螺旋状に溝が設けられており、
    前記筒体の内部には流体が充填されており、
    前記圧力源は、前記流体によって発生する圧力を増加または減少させ、前記筒体の長軸方向の長さを増加または減少させるアクチュエータ装置。
16. 前記圧力源は前記流体の単位体積あたりの密度を変化させて、前記圧力を変化させる、
    請求項１５記載のアクチュエータ装置。

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