JP2021089059A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】ゴムの耐久性の低下を抑制，向上可能なアクチュエータを提供する。【解決手段】内部に拘束材１５が配設された筒状の弾性体１０を有し、前記弾性体内への圧力給排によって軸方向への伸長動作が可能なアクチュエータ１であって、アクチュエータは、印加圧力の増加に従い軸方向へ伸長動作する第１の動作区間と、第１の動作区間における印加圧力よりも高い圧力での印加圧力の増加に従い軸方向へ収縮動作する第２の動作区間とを備えた。【選択図】図２

Description

本発明は、アクチュエータに関し、特に内部への圧力供給によって伸縮可能なアクチュエータに関する。

従来、特許文献１に示すように、人工筋肉として採用可能なアクチュエータの例として、内部に繊維が内挿されたシート状のゴムを筒状に形成し、その両端を封止した構成のものが知られている。当該発明にあっては、封止された内部空間内に外部から空気等の圧力を供給することによって、ゴムが径方向に膨張すると共に、内挿された繊維の拘束によって軸方向に収縮することから、所定の収縮力を備えた優れたアクチュエータとして機能する。

特開２０１１−１３７５１６号公報

しかしながら，上記のアクチュエータにあっては，圧力の印加時において形成された伸張結晶層が、非印加時には消失する（維持されない）ため、ゴムの寿命が短いという課題がある。

本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、アクチュエータにおけるゴムの耐久性を向上可能なアクチュエータを提供する。

上記課題を解決するための構成として、内部に拘束材が配設された筒状の弾性体を有し、弾性体内への圧力給排によって軸方向への伸長動作が可能なアクチュエータであって、
アクチュエータは、印加圧力の増加に従い軸方向へ伸長動作する第１の動作区間と、第１の動作区間における印加圧力よりも高い圧力での印加圧力の増加に従い軸方向へ収縮動作する第２の動作区間とを備えた構成とした。
本構成によれば、第１の動作区間において伸張結晶化を促すことができるため、耐久性を向上させることができる。
また、拘束材が、筒状の弾性体の軸方向に対して非平行に当該弾性体の両開口部間に渡って延長する構成であっても良い。
また、拘束材の弾性体内における延長経路が弾性体の両開口部間の軸方向距離よりも長い構成であっても良い。
また、筒状の弾性体は、圧力非印加状態において軸方向に沿って径の異なる部分を有し、印加圧力の増加に従い径差が減少する構成であっても良い。
なお、上述した各発明の概要は、本発明の必要な全ての特徴を列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となり得る。

アクチュエータの概略を示す図である。 アクチュエータの動作を示す図である（低圧区間，高圧区間）。 アクチュエータの耐久性試験の結果を示すグラフである。 アクチュエータの収縮力を比較した結果を示すグラフである。 アクチュエータの他の実施形態を示す概要図である。

図１は、実施形態に係るアクチュエータ１の構成を示す図である。図１（ａ）に示すように、アクチュエータ１は、伸縮部としての筒状体１０と、筒状体１０の両端の開口１０ａ；１０ｂを、密に閉塞する封止体２０ａ；２０ｂとを備える。筒状体１０は、所定厚さを有するシート状のゴムが円筒状に形成されてなり、軸方向の両端部に開口１０ａ；１０ｂを有する。なお、ゴムとしては天然ゴムやシリコーンゴムなどが好適である。

図１（ｂ）に示すように、筒状体１０を形成するゴムの内部には、軸方向に沿って延長する拘束材としての複数の繊維１５が周方向に沿って概ね均等に内挿されている。繊維１５としては、例えばカーボン、ナイロン、ポリエステル、アラミド等の繊維であれば良く、より好ましくは、伸びの少ないカーボン、アラミドの繊維が好適である。これらの繊維に適当なプライマー処理、又は、表面酸化処理を行うことで、ゴムとの接着性を十分に向上させることができ、一体化を図ることができる。また、繊維の形態は、フィラメント、ヤーン（スパン・ヤーン及びフィラメント・ヤーン）、ストランド等のいずれの形態でも用いることができ、さらに、撚りをかけずに収束させた無撚繊維、これらの繊維を複数本撚って作成した繊維を用いることも可能である。繊維の種類にもよるが、二種類以上の素材の異なる繊維や形態の異なる繊維を組み合わせても良い。なお、繊維１５は、筒状体１０の一端側から他端側まで連続して延長する形態の他、筒状体１０の軸方向長さよりも短い複数の繊維を軸方向に連続的に分布させることで一端側から他端側まで到達する形態であっても良い。

上記構成を有する筒状体１０の開口１０ａ；１０ｂは、圧力印加前の外径である自然径Ｄ１よりも拡径された状態でそれぞれ封止体２０ａ；２０ｂによって閉塞される。開口１０ａ；１０ｂと封止体２０ａ；２０ｂとは、例えば接着剤や外周部を強固に締結する拘束具等によって抜け止め不能に固定され、筒状体１０の内部に空気等の圧力を供給可能なチャンバーＣが形成される。また、図示は省略するが封止体２０ａ；２０ｂ又はこれらの一方には、チャンバーＣと連通する圧力供給孔が形成されており、当該圧力供給孔にチューブ等を連結することにより、エアコンプレッサー等の外部からの圧力供給が可能とされる。

このように、当該実施形態に係るアクチュエータ１の筒状体１０は、圧力の非印加時において、軸方向の両端部が封止体２０ａ；２０ｂによって拡径された状態であり、両端部の間が自然径Ｄ１としてくびれた状態である。換言すれば、アクチュエータ１の筒状体１０は、拡径部１６と、くびれ部１８とを有した状態で封止される。以下、このような構成を有するアクチュエータ１の動作について説明する。

図２（ａ）乃至（ｃ）は、アクチュエータ１に所定の圧力を高めながら印加したときの経時変化を示す概要図である。なお、同図の１５は、一部の繊維１５の内部状態を可視的に示す仮想線である。図２（ａ）に示す非印加状態から所定の圧力を印加した場合、ゴムからなる筒状体１０は、径方向に膨張すると共に軸方向に伸長し、図２（ｂ）に示す状態（低印加状態）に変化する。同図に示すように、当該低印加状態では、アクチュエータ１の軸方向長さが非印加時よりも大寸となると共に、自然径Ｄ１であったくびれ部１８が拡径部１６と実質的に同径となる。また、内部の繊維１５は、拡径部１６とくびれ部１８に沿うように軸方向に対して非平行に延長していた状態から、筒状体１０の形状変化に対応するように、封止体２０ａ；２０ｂ間を最短距離で結ぶように軸方向に沿って平行（直線的）に延長する状態となる。

さらに、上記図２（ｂ）に示す低印加状態から、より高い圧力を印加した場合、筒状体１０は、径方向に膨張すると共に軸方向に伸長しようとするが、内挿された繊維１５の軸方向への伸長代がないため、伸長が拘束，規制される結果、径方向の膨張に伴って軸方向に収縮し、図２（ｃ）に示す状態（高印加状態）に変化する。同図に示すように、当該高印加状態では、アクチュエータ１の軸方向長さが非印加状態及び低印加状態よりも小寸となると共に、くびれ部１８が径方向にさらに膨張した状態となり、圧力の排出によって、図２（ｂ）に示す低圧状態、及び図２（ａ）に示す非印加状態に漸次変化することとなる。

このように、本実施形態に係るアクチュエータ１は、軸方向への伸長が許容される低圧区間（非印加状態⇔低印加状態）と、軸方向への伸長が阻止され、反対に軸方向への収縮が許容される高圧区間（低印加状態⇔高印加状態）で異なる動作（伸長動作と収縮動作）を実現可能であり、要求される動作に応じていずれの区間で動作させるかを自由に選択可能である。そして、上記アクチュエータ１を駆動要素として組み込む際に、その動作範囲を上記高圧区間に設定して繰り返し圧力を給排した場合、収縮と伸長が常に一定以上の圧力印加状態下（伸張力作用下，与圧下）において行われるため、その一連の過程においてゴムの非結晶化が生じることがなく、換言すればゴムの結晶化が維持された状態で動作を繰り返すことができ、筒状体１０の耐久性を向上させることができる。

図３は、アクチュエータ１の耐久性試験の結果を示すグラフである。同図において「通常与圧なし」は、従来例に係るアクチュエータ（図４参照）を伸縮動作させた結果であり、「通常与圧あり」は、従来例に係るアクチュエータ（図４参照）に対して所定の圧力（与圧）を印加した状態から伸縮動作させた結果であり、「くびれ与圧なし」は、本例に係るアクチュエータ１を非印加状態から伸縮動作させた結果であり、「くびれ与圧あり」は、本例に係るアクチュエータ１を低印加状態から伸縮動作させた結果であり、それぞれのアクチュエータの筒状体にクラック等の故障が生じるまでの回数を表す。
同図から明らかなように、与圧を加えて伸縮動作させたアクチュエータでは、与圧なしの場合との比較において耐久性が飛躍的に向上していることが分かる。また、「通常与圧あり」と「くびれ与圧あり」とでは、耐久性の向上に加えて収縮力にも大きな差が生じる。

図４は、実施形態に係るアクチュエータ１と従来のアクチュエータとをそれぞれ与圧を印加して膨張させた場合、与圧を印加せずに膨張させた場合の収縮力を比較した結果を示すグラフである。なお、与圧としては０．０２ＭＰａに設定している。同図から明らかな通り、実施形態に係るくびれ部１８を有し、かつ、与圧を印加したアクチュエータ１の収縮力は、他のいずれの態様よりも極めて向上しており、アクチュエータとしての有用性が確認された。

また、上記の収縮力の差は、与圧時、即ち、初期状態における両者の形状の違いによって生じるものと推察される。即ち、図４に示すように、実施形態に係るアクチュエータ１の筒状体１０の初期状態の形状（くびれ与圧ありの形状）は、軸方向に沿った側面視形状が矩形（フラット）であるのに対して従来例に係るアクチュエータの初期状態の形状（通常与圧あり）は、筒状体の径方向への膨張によって略楕円形を呈している。そして、楕円形の筒状体内に圧力を印加した場合には、その形状に対応して、矢印に示すような収縮を妨げる方向の圧力が加わり易くなる。一方で、矩形状を呈するアクチュエータ１によれば、筒状体１０に対して上記のような圧力が加わり難く、収縮力が向上したものと推察される。このように、本実施形態に係るアクチュエータ１は耐久性のみならず、アクチュエータとして有用な極めて高い収縮力をも具備するものである。

また、上述では、高圧区間での収縮力の有用性について説明したが、上記アクチュエータ１は、低圧区間における収縮力についても従来例を大幅に上回る。即ち、図２（ｂ）に示す低印加状態から圧力を積極的に排出（負圧）した場合、アクチュエータ１は、軸方向に収縮すると共に、図２（ａ）に示す非印加状態に示す初期の形状に変化する。つまり、アクチュエータ１は、低圧区間においても軸方向への伸長と収縮動作を繰り返し行うことが可能である。一方、図４に示す従来例のアクチュエータに与圧を印加した状態から圧力を排出した場合、収縮する以前に筒状体の座屈（折れ曲がり）が生じ、アクチュエータとしての機能を喪失する。

換言すれば、上記アクチュエータ１は、図２（ａ）に示す非印加状態を基準とした場合、印加圧力の増加によって、軸方向への伸長動作が可能な区間と、さらなる印加圧力の増加によって軸方向への収縮動作が可能な区間とを有する２重の動作区間を有するアクチュエータである。

次に、アクチュエータ１の他の形態について説明する。上述の例では、非印加状態におけるアクチュエータ１の筒状体１０の形状をくびれ部１８を有する形状として内挿された繊維１５に伸長代を付与し、以て与圧による軸方向への伸長を許容する構成としたが、筒状体１０自体の形状変化のみならず、内挿される繊維１５の延長経路を変化させることによっても与圧による軸方向への伸長を許容することができる。なお、以下の説明において上記実施形態と同一の構成については同一符号を付して説明を省略する。

図５（ａ），（ｂ）は、他の形態に係るアクチュエータ１を示す。図５（ａ）においてアクチュエータ１は、実質上、軸方向に沿って封止体２０ａ；２０ｂの外径と同径に設定されたゴムよりなる筒状体１００を備える。図５（ｂ）の展開図に示すように、筒状体１００内には、軸方向に沿って波状に延長する繊維１５が周方向沿って複数内挿されている。このような構成であっても、与圧印加時において波状の延長経路を有する繊維１５が直線状に変化して筒状体１００の軸方向への伸長が許容されるため、以後の高圧区間における動作の耐久性を向上させることができる。即ち、高圧区間における動作の耐久性を向上させるためには、圧力非印加時における筒状体（１０；１００）の軸方向長さよりも、内挿される繊維１５の延長経路長さを長く設定し、与圧によって軸方向への伸長を許容する構成とすれば良い。よって、図５（ｃ）に示すように繊維１５を筒状体１００の軸方向に対して所定の角度傾斜するように配設し、筒状とした時に螺旋状を呈する構成であっても良い。このような構成とした場合には、筒状体１００の伸縮時に筒状体１００が周方向に回転することとなる。

一方で、くびれ部１８を有する上述の形態によれば、与圧印加時の径が拡径部１６と実質的に同径となり、更なる圧力印加によって初めて収縮が開始されるため、より大きな収縮量（ストローク）と収縮力を得ることが可能となる。

１ アクチュエータ（人工筋肉），１０ 筒状体，１５ 繊維，１６ 拡径部，
１８ くびれ部，２０ａ；２０ｂ 封止体，１００ 筒状体（他の形態）

Claims (4)

1. 内部に拘束材が配設された筒状の弾性体を有し、前記弾性体内への圧力給排によって軸方向への伸長動作が可能なアクチュエータであって、
   前記アクチュエータは、印加圧力の増加に従い軸方向へ伸長動作する第１の動作区間と、
   前記第１の動作区間における印加圧力よりも高い圧力での印加圧力の増加に従い軸方向へ収縮動作する第２の動作区間と、
   を備えたことを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記拘束材は、前記筒状の弾性体の軸方向に対して非平行に当該弾性体の両開口部間に渡って延長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. 前記拘束材の前記弾性体内における延長経路が前記弾性体の両開口部間の軸方向距離よりも長いことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のアクチュエータ。
4. 前記筒状の弾性体は、圧力非印加状態において軸方向に沿って径の異なる部分を有し、印加圧力の増加に従い径差が減少することを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれかに記載のアクチュエータ。

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