JP2019120373A

JP2019120373A - アクチュエータ

Info

Publication number: JP2019120373A
Application number: JP2018002053A
Authority: JP
Inventors: 浩史日野; Hiroshi Hino
Original assignee: Kokoku Intech Co Ltd
Current assignee: Kokoku Intech Co Ltd
Priority date: 2018-01-10
Filing date: 2018-01-10
Publication date: 2019-07-22

Abstract

【課題】スリーブを構成する線材の偏りが抑制されたアクチュエータを提供する。【解決手段】長手方向Ｌに延びる筒形状の内部空間に流体が流入することによって膨張する弾性チューブ１０と、弾性チューブ１０の外周面１３を覆い、複数の線材２１が編み込まれて筒形状とされたスリーブ２０と、を備え、内部空間に流体が流入することにより弾性チューブ１０が膨張してスリーブ２０が押し広げられ、長手方向Ｌにおける収縮力が発生するアクチュエータ１において、複数の線材２１のそれぞれは、接触面を有する偏平形状とされ、複数の線材２１が、接触面どうしが接触するように編み込まれている。【選択図】図１

Description

本発明は、アクチュエータに関する。具体的には、人工筋肉として使用することができるマッキベン式アクチュエータに関する。

マッキベン式アクチュエータは、長手方向に延びる筒形状の内部空間に流体が流入することによって膨張する弾性チューブと、この弾性チューブの外周面を覆い、複数の線材が編み込まれて筒形状とされたスリーブとで構成される。弾性チューブの内部空間に流体が流入することにより弾性チューブが膨張してスリーブが押し広げられ、長手方向における収縮力が発生する（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１７−０４６７５４号公報

複数の線材は、第１の線材と第２の線材とが所定角度で交差するようにして編み込まれている。スリーブが押し広げられる際、第１の線材及び第２の線材が滑り、その間の交差角度が変動することによって、スリーブが弾性チューブの外形に沿って膨張する。

アクチュエータを繰り返し作動させると、弾性チューブ及びスリーブの膨張、収縮が繰り返されることになる。スリーブは、膨張、収縮の度に第１の線材及び第２の線材が滑るため、アクチュエータの作動を繰り返すうちに、線材どうしの位置が、製造当初の位置関係から変化し、偏ってしまうことがある。スリーブを構成する線材が偏ってしまうと、図７に示すように、弾性チューブ１１０の膨張をスリーブ１２０が均等に規制することができなくなることがある。また、線材１２１どうしの間隔が広がってしまい、線材１２１のすき間１２５から弾性チューブ１１０が飛び出し、弾性チューブ１１０が局所的に膨張することにより、弾性チューブ１１０が損傷したり、破裂したりすることがある。図７は、従来のアクチュエータ１００が局所的に膨張した欠陥状態を示す説明図である。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、スリーブを構成する線材の偏りが抑制されたアクチュエータを提供することを例示的課題とする。

上記の課題を解決するために、本発明は以下の構成を有する。
（１）長手方向に延びる筒形状の内部空間に流体が流入することによって膨張する弾性チューブと、前記弾性チューブの外周面を覆い、複数の線材が編み込まれて筒形状とされたスリーブと、を備え、前記内部空間に前記流体が流入することにより前記弾性チューブが膨張して前記スリーブが押し広げられ、前記長手方向における収縮力が発生するアクチュエータであって、前記複数の線材のそれぞれは、接触面を有する偏平形状とされ、前記複数の線材が、前記接触面どうしが接触するように編み込まれた、アクチュエータ。

本発明の更なる目的又はその他の特徴は、以下添付図面を参照して説明される好ましい実施の形態によって明らかにされるであろう。

本発明によれば、スリーブを構成する線材の偏りが抑制されたアクチュエータを提供することができる。

アクチュエータ１が伸長した状態を示す説明図伸長した状態のアクチュエータ１の断面図アクチュエータ１が収縮した状態を示す説明図収縮した状態のアクチュエータ１の断面図線材２１の断面を示す斜視図従来のアクチュエータ１００の線材１２１の断面を示す斜視図従来のアクチュエータ１００が局所的に膨張した欠陥状態を示す説明図

［実施形態１］
以下、実施形態１に係るアクチュエータ１の具体的構成について図面を参照しつつ説明する。図１は、アクチュエータ１が伸長した状態を示す説明図である。図２は、伸長した状態のアクチュエータ１の断面図である。図３は、アクチュエータ１が収縮した状態を示す説明図である。図４は、収縮した状態のアクチュエータ１の断面図である。図１及び図３では、アクチュエータ１の伸長状態又は収縮状態での、側面図とその部分拡大図を示している。図２及び図４では、アクチュエータ１の伸長状態又は収縮状態での、長手方向Ｌに平行な中心線を含む断面図を示している。

＜アクチュエータ１＞
図１や図２に示すように、アクチュエータ１は、長手方向Ｌに直線状に延びる棒状の外形を有する。図１及び図２において、アクチュエータ１は、長手方向Ｌに伸長及び収縮する伸縮部２と、長手方向Ｌの両端部に配置されたカシメ部３と、長手方向Ｌの少なくとも一方の端部に配設された流体導入部４と、を備える。伸縮部２は、長手方向Ｌに延びる弾性チューブ１０と、長手方向Ｌに延びるスリーブ２０と、で構成され、弾性チューブ１０の外周面１３をスリーブ２０が覆うように構成されている。

＜弾性チューブ１０＞
弾性チューブ１０は、長手方向Ｌに延びる筒形状に形成され、弾性材料で形成されている。弾性チューブ１０は、長手方向Ｌの両端部においてカシメ部３によって密封されており、弾性チューブ１０は、長手方向Ｌに延びる筒形状の密閉された内部空間１１を有している。カシメ部３には、弾性チューブ１０と、スリーブ２０と、を固定し、密封するようゴムブッシュ３１が配置されている。弾性チューブ１０の長手方向Ｌの両端部のうち、少なくとも一方の端部には、流体導入部４が接続され、流体を弾性チューブ１０の内部空間１１に導入させることができる。弾性チューブ１０の内部空間１１に流体を流入させることにより、内部空間１１が加圧され、弾性チューブ１０は膨張する。弾性チューブ１０は、膨張することにより、弾性チューブ１０を覆うスリーブ２０を押し広げる。なお、弾性チューブ１０は、膨張することにより、長手方向Ｌに直交する径方向における長さ（太さ）が大きくなる。

弾性チューブ１０の内部空間１１に流入させる流体は、流動性を有するものである限り、特に制限されず、液体であっても、気体であってもよい。流体は、弾性チューブ１０や流体導入部４の内側を劣化させないものであることが好ましい。具体的には、流体として、空気（圧縮空気）、窒素ガス、炭酸ガス（例えば、ドライアイスから昇華した炭酸ガス）、水、油等を用いることができる。

弾性チューブ１０の径（長手方向Ｌに直交する長さ）は、特に制限されない。なお、図２では、アクチュエータが伸長した状態において、弾性チューブ１０の外周面１３と、スリーブ２０とが接触しているように示しているが、このような構成に限定されるものではない。

弾性チューブ１０を形成する弾性材料としては、天然ゴム、合成ゴム、各種エラストマー等を用いることができる。

＜スリーブ２０＞
スリーブ２０は、弾性チューブ１０の外周面１３を覆う筒形状を有する。スリーブ２０は、図１や図３の部分拡大図に示すように、複数の線材２１が編み込まれて形成されている。複数の線材２１は、接触面２７が接触するように編み込まれている。接触する２つの線材２１が、共に接触面２７を有する場合、接触面２７どうしが接触するように編み込まれていることが好ましい。

複数の線材２１は、それぞれ、偏平形状を有しており、接触面２７を有している。ここで、偏平形状とは、図５に示すように、線材２１が延びる方向（伸長方向Ｅ）に直交する断面において、スリーブ２０の周方向における線材２１の長さ（幅Ｗ）がスリーブ２０の径方向Ｒにおける線材２１の長さ（厚さＴ）よりも長い形状を意味する。たとえば、線材２１の伸長方向Ｅに直交する断面が長円形、レーストラック形、だ円形、長方形、２つの円がその一部で重なり合った形状、２つの円が接続部を介して接続された形状等の形状であってもよい。図５は、線材２１の断面を示す斜視図である。線材２１は、偏平形状を有することにより、弾性チューブ１０の径方向に平行な軸まわりの断面二次モーメントが大きくなる。これにより、弾性チューブ１０の外周面上において、線材２１が弾性チューブ１０の周方向に曲がりにくく、線材２１の偏りを抑制することができる。

線材２１の接触面２７は、線材２１が延びる方向（伸長方向Ｅ）に平行な平坦面２８であることが好ましい。平坦面２８は、線材２１の伸長方向Ｅに沿って延びていることが好ましい。なお、図５（ａ）では、線材２１の伸長方向Ｅに直交する断面がレーストラック形状である場合、すなわち、直線と円弧で構成されている場合を示している。

平坦面２８を有する線材２１は、線材２１の伸長方向Ｅに直交する方向において所定幅Ｗ０を有していることが好ましい。所定幅Ｗ０は、特に制限されないが、スリーブ２０の径方向Ｒにおける線材２１の長さ（厚さＴ）の２〜６倍であることが好ましく、３〜４倍であることが特に好ましい。所定幅Ｗ０をこのような範囲とすることにより、線材２１どうしの間の摩擦を適当な範囲に調節することができる。線材２１の厚さＴ（所定幅Ｗ０に直交する長さ）は、特に制限されないが、１００〜５００μｍとすることができる。

図５（ｂ）では、２本の線材が接続部２９によって接続されている場合の線材２１の断面を示している。図５（ａ）における平坦面２８よりも接触面２７は狭いが、２本の線材が接続されているため、線材２１どうしの間の適当な摩擦に必要な接触面積を確保することができる。接続部２９は、例えば、２本の線材どうしを接着する接着剤であってもよい。なお、図５（ｂ）では、２本の線材が接していない状態を示しているが、２本の線材が接していてもよい。また、２本の線材は、溶着されていてもよく、伸長方向Ｅに直交する断面が、２つの円がその一部で重なり合った形状、又は２つの円が接続部を介して接続された形状となるよう押出成形されたもの（一体物）であってもよい。２本の線材を単一の被覆膜で覆うことにより、２本の線材が束ねられていてもよい。

図６は、従来のアクチュエータ１００の線材１２１の断面を示す斜視図である。従来のアクチュエータ１００における線材１２１は、線材１２１の伸長方向Ｅに直交する断面が略円形である場合が多い。また、スリーブ２０としての強度を向上させるために、図６に示すように、複数本の線材１２１を束ねて用いることもある。なお、複数本の線材１２１を束ねる場合、線材１２１どうしは、接着されていない。

複数の線材２１のうち、一部の線材２１が偏平形状を有していてもよいし、全ての線材２１が偏平形状を有していてもよい。また、１つの線材２１が、偏平形状を有している部分と、偏平形状を有していない部分と、の両方を有していてもよい。なお、偏平形状を有していない部分は、例えば、線材２１の伸長方向Ｅに直交する断面が略円形である形状とすることができる。

スリーブ２０の外周表面２３において、線材２１が占める面積が、線材２１の間のすき間２５が占める面積よりも大きいことが好ましい。又は、スリーブ２０が弾性チューブ１０の膨張によって押し広げられた状態でのスリーブ２０の外周表面２３において、線材２１が占める面積が、線材２１の間のすき間２５が占める面積よりも大きいことが好ましい。ここで、スリーブ２０が押し広げられた状態は、スリーブ２０が伸長した状態から僅かにでも押し広げられた状態を意味していてもよく、弾性チューブ１０、スリーブ２０、又はその両方が、設計上の限界値まで膨張若しくは押し広げられた状態を意味していてもよい。線材２１が占める面積が、すき間２５が占める面積よりも大きくなる際の弾性チューブ１０の膨張度合い又はスリーブ２０が押し広げられる度合いは、弾性チューブ１０、スリーブ２０の構造、材質等を適宜変更することによって調節することができる。

線材２１の編み方については、特に制限されないが、第１の線材２１ａと、第２の線材２１ｂと、が所定の角度（θ）を形成するように、編み込まれていることが好ましい。たとえば、図１の部分拡大図においては、紙面上、左下から右上に延びるよう示されている線材が第１の線材２１ａであり、右下から左上に延びるよう示されている線材が第２の線材２１ｂである。複数の第１の線材２１ａ、相互に並行して延びており、複数の第２の線材２１ｂどうしは、相互に並行して延びている。たとえば、第１の線材２１ａは、隣り合う２つの第２の線材２１ｂの一方の上側、他方の下側を通るように編み込まれていてもよいし、両方の上側又は下側を通るように編み込まれていてもよい。第１の線材２１ａどうしが相互に略平行に配置されると共に、第２の線材２１ｂどうしが相互に略平行に配置され、第１の線材２１ａと第２の線材２１ｂとが規則的に編み込まれていることが好ましい。

第１の線材２１ａと、第２の線材２１ｂとが、形成する所定の角度（以下「交差角度θ」ともいう。）は、アクチュエータ１の伸長及び収縮に応じて変化する。すなわち、アクチュエータ１が伸長又は収縮した場合、第１の線材２１ａは、接触する第２の線材２１ｂとの交点上で滑り、第２の線材２１ｂは、接触する第１の線材２１ａとの交点上で滑る。アクチュエータ１が伸長した場合、交差角度θは小さくなり、アクチュエータ１が収縮した場合、交差角度θは大きくなる。なお、交差角度θは、図１や図３等に示すように、スリーブ２０の長手方向Ｌに向けて開く角の角度である。交差角度θは、スリーブ２０が伸長した状態で４０°〜８０°であることが好ましい。

スリーブ２０の径（長手方向Ｌに直交する長さ）は、弾性チューブ１０の外周面１３を覆うことができる限り、特に制限されない。なお、図２では、アクチュエータが伸長した状態において、弾性チューブ１０の外周面１３と、スリーブ２０とが接触しているように示しているが、このような構成に限定されるものではない。

線材２１を形成する材料としては、強度及び耐久性を有する材料が好ましく、カーボンファイバー、ポリエステル、ポリアミド、アラミド等の合成繊維、綿、麻等を用いることができる。

以上、本発明の好ましい実施の形態を説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、その要旨の範囲内で様々な変形や変更が可能である。例えば、本発明は以下の趣旨を含むものとする。

（趣旨１）長手方向に延びる筒形状の内部空間に流体が流入することによって膨張する弾性チューブと、前記弾性チューブの外周面を覆い、複数の線材が編み込まれて筒形状とされたスリーブと、を備え、前記内部空間に前記流体が流入することにより前記弾性チューブが膨張して前記スリーブが押し広げられ、前記長手方向における収縮力が発生するアクチュエータであって、前記複数の線材のそれぞれは、接触面を有する偏平形状とされ、前記複数の線材が、前記接触面どうしが接触するように編み込まれた、アクチュエータを趣旨とする。

これによれば、スリーブを構成する線材の偏りが抑制されたアクチュエータを提供することができる。

（趣旨２）前記接触面が、前記線材が延びる方向に平行な平坦面であり、かつ、前記平坦面は、前記線材が延びる方向に沿って延びると共に、当該方向に直交する方向において所定幅を有するアクチュエータであってもよい。

（趣旨３）前記所定幅が、前記スリーブの径方向における前記線材の長さの２〜６倍であるアクチュエータであってもよい。

（趣旨４）前記線材が占める面積が、前記線材の間のすき間が占める面積よりも大きいアクチュエータであってもよい。

１：アクチュエータ２：伸縮部
３：カシメ部４：流体導入部
１０，１１０：弾性チューブ２０，１２０：スリーブ
１１：内部空間１３：外周面
２１，１２１：線材２１ａ：第１の線材
２１ｂ：第２の線材２３：外周表面
２５：すき間２７：接触面
２８：平坦面２９：接続部
３１：ゴムブッシュ

Claims

長手方向に延びる筒形状の内部空間に流体が流入することによって膨張する弾性チューブと、
前記弾性チューブの外周面を覆い、複数の線材が編み込まれて筒形状とされたスリーブと、を備え、
前記内部空間に前記流体が流入することにより前記弾性チューブが膨張して前記スリーブが押し広げられ、前記長手方向における収縮力が発生するアクチュエータであって、
前記複数の線材のそれぞれは、接触面を有する偏平形状とされ、
前記複数の線材が、前記接触面どうしが接触するように編み込まれた、アクチュエータ。
前記接触面が、前記線材が延びる方向に平行な平坦面であり、かつ、
前記平坦面は、前記線材が延びる方向に沿って延びると共に、当該方向に直交する方向において所定幅を有する、請求項１に記載のアクチュエータ。
前記所定幅が、前記スリーブの径方向における前記線材の長さの２〜６倍である、請求項１又は請求項２に記載のアクチュエータ。
前記線材が占める面積が、前記線材の間のすき間が占める面積よりも大きい、請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載のアクチュエータ。