JP2520103B2

JP2520103B2 - 湾曲自在なアクチユエ−タ

Info

Publication number: JP2520103B2
Application number: JP60099473A
Authority: JP
Inventors: 裕介荒木
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 1985-05-13
Filing date: 1985-05-13
Publication date: 1996-07-31
Anticipated expiration: 2011-07-31
Also published as: JPS61262205A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、加圧流体の有するエネルギを用いて、軸線
方向の運動を生起するアクチュエータに関するものであ
り、とくには、シリンダ内で直線往復運動を行うピスト
ンを必要とすることなく、いいかえれば、シリンダ及び
ピストンのための直線状の配設スペースを全く確保する
ことなく、一端から他端までの全体を所要に応じて湾
曲、迂回等させることができる、湾曲自在なアクチュエ
ータに関するものである。

（従来の技術）加圧流体の有するエネルギを用いて、直線往復運動を
生起するアクチュエータとしては、油圧シリンダ、空気
圧シリンダなどが既知である。空気圧アクチュエータ
は，油圧シリンダに比べシリンダの運動部分の重量も軽
く、慣性／出力比を小さくできるので始動，停止が円滑
であり、作動油の漏洩による環境汚染又は火災の心配が
なく、更には、電動モータを用いた場合に問題となるス
パークの発生、加熱などに起因する発火の恐れがないな
ど数多くの利点がある。

このような空気圧シリンダとしては、たとえば第５図
に示す構造のものがある。炭素鋼管、鋳鉄又はステンレ
スなどよりなり、必要な耐圧性をもったシリンダチュー
ブ１にピストン２を摺動自在に収納する。シリンダチュ
ーブ１の両端は、ロッドカバー３及びヘッドカバー４に
より気密にシールされている。ピストン２の外周には、
シリンダチューブ１とピストン２との間をシールするピ
ストンパッキンが設けられ、更に圧縮空気によりピスト
ンに生起された、運動と力をシリンダチューブ１の外方
に取り出すためのピストンロッド６が固着されている。
なお符号７はシリンダチューブ内に圧縮空気を導入又は
排出するためのポートであり、８は往復動するピストン
ロッド６を案内するロッドブッシュ、９はロッドブッシ
ュ８とピストンロッド６との間をシールするロッドパッ
キンである。このような構成は油圧シリンダにおいても
同様である。

（発明が解決しようとする問題点）しかしながら、従来既知のシリンダは、シリンダクュ
ーブ１とピストン２との間に画成される空間内に、ポー
ト７を介してたとえば圧縮空気を導入し、ピストンロッ
ド６を直線往復運動させる構成であったため、シリンダ
チューブ１の接地及び、ピストンロッド６の進出のため
の直線状空間を確保し得ない場所にはシリンダを配設す
ることが不可能であり、しかも、シリンダチューブは、
使用圧力に充分耐えるだけの肉厚を持ったものでなけれ
ばならず、また、ピストンロッド２が、シリンダチュー
ブ１の内周面に沿って摺動するので、加工精度も高いこ
とが必要とされ、さらに、耐摩耗性及び防錆を考慮して
20μｍ程度の硬質クロームめっきを施すことが必要であ
った。

このため、アクチュエータの適用の自由度が小さく、
またアクチュエータ自体の重量が大きくなることに加え
て、出力伝達部材としてのピストンロッドが、アクチュ
エータ全体の重量に占める割合に比べ、シリンダチュー
ブなどの非可動部分の占める割合が大きいと言う問題が
ある。また高い加工精度が要求されるのでアクチュエー
タ自身の値段が高くなると言う問題に加え、実質的に円
筒状をしたシリンダチューブの形状により、アクチュエ
ータの作動方向及びその占有空間が決定され、ひいて
は、アクチュエータが使用される機器の寸法が決まって
しまうと言う欠点もある。このことは、油圧シリンダに
対しても同様である。

一方電動機を用いることも考えられるが、電動機を用
いて直線運動を得ようとすると、機構が複雑になり装置
も大きくなるため、有利な方法とは言えない。

本発明の目的は、これら問題点を有利に解決するため
の装置を提供することにある。

（問題点を解決するための手段）本発明本考案は、編組補強構造をもって外周を補強
し、両端開口を、少なくとも一方が接続孔を有するそれ
ぞれの閉鎖部材で封止合着したゴム又はゴム状弾性材料
の管状体よりなる弾性収縮体と、弾性収縮体の外周面
に、その軸線方向に間隔をおいて取付けた複数のガイド
部材と、弾性収縮体の半径方向外方に配設されて、それ
ぞれのガイド部材の外周面に摺接する内周面を有する可
撓性の筒状部材とを具え、弾性収縮体の一方の閉鎖部材
をその筒状部材の一端部に固着して、弾性収縮体の他方
の閉鎖部材を、弾性収縮体への加圧流体の給排により筒
状部材の内側で、たとえそれが湾曲、迂回等していて
も、弾性収縮体の軸線方向に運動させるものである。

（作用）このように構成したアクチュエータにおいて、接続孔
を介して弾性収縮体内に加圧流体を導入すると、編組補
強構造の編組角が拡大し、管状体の膨径とそれに由来し
た軸線方向の収縮力が生起される。なお、弾性収縮体の
外周には、それの軸線方向に適当の間隔をおいてガイド
部材が設けてあるので、弾性収縮体は全体的に膨張する
のでなく、ガイド部材を設けた箇所を除いて半径方向に
膨張する。ところで弾性収縮体は、それから半径方向に
間隔をおいて位置する筒状部材によって包囲されている
ので、弾性収縮体の膨張が、その筒状部材によって阻害
されることはない。しかもここでは、閉鎖部材の一方
を、筒状部材の一端部に固着していることから、他方の
閉鎖部材は、弾性収縮体への加圧流体の導入によってそ
こに生起される収縮力に基づいて、筒状部材が湾曲等さ
れていると否かにかかわらず、常に、一方の閉鎖部材の
方向に移動する。即ち、弾性収縮体の外周に取り付けた
ガイド部材は、弾性収縮体の収縮に伴って、筒状部材の
内周面に沿って摺動して弾性収縮体の収縮運動を案内す
るので、筒状部材が湾曲していても他方の閉鎖部材は、
筒状部材の湾曲形状に沿って一方の閉鎖部材の方向へ確
実にかつ円滑に移動する。

一方、弾性収縮体内から加圧流体を排出すれば、編組
補強構造の編組角の減少の下に、管状体は復元伸長す
る。

（実施例）以下図面を参照して本発明のアクチュエータを詳述す
る。

第１図（ａ）は、本発明アクチュエータの第１の実施
例を示す図である。１は加圧流体の給排により膨径変形
し軸線方向に収縮力を生起する弾性収縮体であり、ゴム
又はゴム状弾性材料よりなる管状体２の外周を編組補強
構造３にて補強し、両端開口を閉鎖部材4a,4bで封止合
着したものである。なお、管状体２と編組補強構造３と
を閉鎖部材4a,4bに確実に合着させるため、かしめキャ
ップ５を用いてかしめる。６はキャップ５をかしめた時
の圧痕を示す。

管状体２は、ゴム又はゴム状弾性材料が不透過生、可
撓性の面で重宝に活用されるが、均等材料、たとえば各
種のプラスチック材料で置き換えることもできる。

編組補強構造３は、管状体２の内圧充填による最大膨
径時において、いわゆる静止角（54°44′）に至るよう
な編組構造をしており、有機又は無機質高張力繊維類、
たとえば芳香族ポリアミド繊維（ケブラー：商品名）
や、極細金属ワイヤの如きフィラメントの撚り、または
無撚りの束などが適合する。閉鎖部材４の少なくとも一
方には、管状体２の内部空洞2aに連通する接続孔７を設
け、この接続孔にフィッディング８を取り付ける。フィ
ッティング８には、図示しないが、操作圧力源、たとえ
ばエアーコンプレッサを管路により接続し、管状体２の
内部空洞2a内に制御圧力を適用することにより、編組補
強構造３の編組角度の拡大、つまりパンタグラフ運動に
よって管状体２の膨径と、それに由来した軸方向の収
縮、すなわち、閉鎖部材4a,4b間の距離の縮小がもたら
される。

この弾性収縮体１の外周面に、その軸線方向に離間さ
せて配設した複数のガイド部材９を固着し、また、その
弾性収縮体１の一方の閉鎖部材4aにリング部材10固着
し、そしてさらに、湾曲自在な、いいかえれば可撓性の
筒状部材11を弾性収縮体１の半径方向外方に間隔をおい
て配置する。

ガイド部材９は、管状体２の内周面に、その軸線方向
に間隔をおいて接着させた各内側カラー12を、弾性収縮
体１の外側より外側カラー13をもって抱持し、そしてそ
の外側カラー13に、そのガイド部材９を接着又は、螺着
させることによって、弾性収縮体１の外周面に間接的に
固着する。

ガイド部材９の外周面は、図より明らかなように、筒
状部材11が湾曲したとしてもその平滑な内周面と線又は
面接触することができるような曲面形状に形成する。そ
して筒状部材の内周面に対して円滑に摺動できるよう、
好適にはガイド部材の外周面には、たとえばポリテトラ
フルオロエチレン（PTFE）のような摺動抵抗の少ない被
膜を形成し、摺動運動を容易にする。勿論PTFEでガイド
部材全体を形成しても良い。なお、ガイド部材９には、
軸線方向にガイド部材を貫通する貫通孔14を設け、弾性
収縮体１と、互いに隣接するそれぞれのガイド部材９
と、筒状部材11との間に画成されるそれぞれの空間Ｓ間
で流体の流れを許容する構成とし、弾性収縮体１がその
半径方向に膨径する際に、空間内の流体を圧縮すること
により、その膨径運動が阻害されないようにする。また
は、筒状部材11に、その半径方向に複数の貫通孔を形成
し、上記各空間Ｓ内の流体が、弾性収縮体１の膨径運動
を阻害しないようにしても良い。

リング部材10は、一方の閉鎖部材4aに関連するかしめ
キャップ５の、その周方向に離間させて形成した肩部5a
に、かしめキャップ５に嵌め合わせたリング部材10を当
接させる一方、キャップ５の、肩部5aから離間して位置
するねじ部15に締付ナット16を螺方させることによって
弾性収縮体の一方の閉鎖部材4aに固着する。また、リン
グ部材10と、筒状部材11と、ガイド部材とにより、空間
Ｓがやはり画成されるが、この空間内の流体は、リング
部材10とかしめキャップ５との隙間、すなわち圧痕６を
介して外方に排出されるので、弾性収縮体の膨径運動が
阻害されることはない。しかし必要であれば貫通孔14を
リング部材10に形成しても良い。

筒状部材11としては、湾曲自在なチューブ、たとえば
プラスチックのチューブを用い、その一端部の内周面
を、リング部材10の外周面に、接着又はねじ留め等の既
知の固着手段を用いて固着する。筒状部材11としては、
湾曲させた時に、その軸線に直角に交差する筒状部材の
断面が、実質的にほぼ円形を保持するものが好ましい。

また、第１図（ｂ）に示すように、筒状部材の外周面
の一部又は全長に亘り、環状の凹凸部分17を形成し、筒
状部材の湾曲を一層容易に行えるようにすると共に、湾
曲させた際に筒状部材の断面が、実質的にほぼ円形を保
持するようにする。このように筒状部材11を構成するな
らば、プラスチック材料ばかりでなく、薄肉の金属材料
たとえばアルミニウムのチューブを筒状部材として使用
することもできる。

また、符号18は、他方の閉鎖部材4bに形成した、工具
に螺合する保持部を示す。

次に、このように構成した本発明のアクチュエータを
第２図（ａ）を参照して、その作動を説明する。なお、
第２図（ｂ）に示すように、本アクチュエータでは、弾
性収縮体の他方の閉鎖部材4bに、ガイド部材９を一体的
に取付けている。もし必要であれば、ガイド部材９の外
方端面と、かしめキャップ５の端面とを同一平面にして
も良い。また図中第１図に示す部分と同等の部分はそれ
と同一符号で示す。

今、弾性収縮体１及び筒状部材11の可撓性の下で、仮
想線Ｌにて画成されたクランク状のスペース内に、本発
明のアクチュエータを配設し、その一端部を、筒状部材
11を介してリング部材10を抱持するフランジ19にて基部
Ｂに固着し、また他端部を、筒状部材11の外周面に、接
着、ねじ止め等にて取付けた他方のフランジ19によって
基部Ｂに固着する。フィッティング８を介して操作圧力
源から、加圧流体、たとえば圧縮空気を管状体２の内部
空洞2a内に導入すると、弾性収縮体１は膨径変形し、軸
線方向に収縮力を生起する。ところで弾性収縮体の一方
の閉鎖部材はリング部材10を介してフランジ19により基
部Ｂに固定されているので、弾性収縮体１は、第２図
（ａ）において右方に移動する。この際、弾性収縮体１
の外周には、その軸線方向に適宜離間させたガイド部材
９が固着されており、ガイド部材９は筒状部材11の内周
面に沿って滑らかに摺動する。それゆえ、他方の閉鎖部
材4bに一体的に取付けたガイド部材は、図中符号Ｉで示
す位置からIIを示す位置に移動する。

一方、フィッティング８を介して管状体２内の圧縮空
気を排出すれば、管状体２に貯えられた弾性エネルギの
解放により編組補強構造３の編組角の減少の下に弾性収
縮体１は復元伸長するので、閉鎖部材4bを含めガイド部
材９はそれぞれ初期位置に復帰する。

なおここで、弾性収縮体の初期位置への復帰を確実に
行うためには、第３図にその一部を示すように、軸線方
向に移動する、弾性収縮体１の閉鎖部材4bより軸線方向
内方で、筒状部材11の内周面に、環状の係止部20を接着
又はねじ止め等により固着し、そして閉鎖部材4bに一体
的に取付けたガイド部材９と、係止部20との間に弾性手
段21としてのコイルばねを配設する。

今、管状体内に加圧流体を導入し、弾性収縮体１をそ
の軸線方向に収縮させると、弾性収縮体の閉鎖部材4bに
一体のガイド部材９は、係止部20方向に接近して移動
し、コイルばねを押圧する。管状体より加圧流体を排出
すると弾性収縮体１に生起される収縮力が低下する。こ
の低下した収縮力がコイルばねの復元力より小さくなれ
ば、ガイド部材９は、復元力と収縮力との差に基づいて
初期位置方向に移動する。更に、加圧流体を管状体より
排出すれば、ガイド部材９は初期位置に完全に復帰す
る。

また第４図に示した他の実施例では、弾性収縮体１の
閉鎖部材4aをその軸線方向に延長して連結部を形成し、
基部Ｂに固着したブラケット21と、その連結部を連結ピ
ン22を介して連結したものである。この実施例に示すア
クチュエータでは、アクチュエータ自身がその全長にわ
たって湾曲可能であることに加え、連結ピン22を中心に
アクチュエータを連結ピンの軸線のまわりに旋回させる
ことができるので、大きく湾曲したスペースにでもアク
チュエータを収容することが可能になる。また、本実施
例では、弾性収縮により生起された収縮力を検知するた
め、閉鎖部材の外側部に収縮力検知手段として、たとえ
ばひずみゲージ23を設ける。ひずみゲージ23からの出力
は、表示手段24に接続されており、表示手段は加圧流体
を導入した際に弾性収縮体に生起された収縮力に起因し
て閉鎖部材4bに生ずるひずみを、収縮力に対応させて表
示する。

それゆえ、加圧流体の給排により弾性収縮体に生起さ
れる収縮力を知ることができるので、アクチュエータの
出力の調整が容易となる。

なお、本発明アクチュエータは上述した実施例に限定
されるものでなく、特許請求の範囲内で種々の変更が可
能であり、一本の弾性収縮体を用いるのでなく、複数の
弾性収縮体を連結し大きく湾曲できる構成とすることも
できる。

（発明の効果）以上詳述したように本発明のアクチュエータは、アク
チュエータ自身をその全長にわたって湾曲させることが
できるので、機器などの限られた、しかも湾曲した空間
内であっても、直線往復運動機構のための直線状空間を
確保する必要なしにアクチュエータを設置することが可
能となり、機器などの設計の自由度を大きく高めること
ができる。このことは、自由度の数が大きな多関節のロ
ボットハンドにおいて一段と有利であり、駆動機構とし
て、歯車、リンク、チェーン、ベルト、ケーブルなどを
用いた従来のものに比べて見れば明らかである。

また、従来のシリンダ型式のアクチュエータに比べ、
アクチュエータ自身の重量を軽くでき、めっきなどの特
別な加工又は高い精度を必要としないので、非常に安価
でしかも使い勝手の良いアクチュエータを得る。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明のアクチュエータを一部を断面に
して示す正面図、第１図（ｂ）は第１図（ａ）に示すアクチュエータに好
適な筒状部材を一部断面にして示す正面図、第２図（ａ）は本発明アクチュエータの他の実施例の作
動を示す説明図、第２図（ｂ）は第２図（ａ）に示したアクチュエータの
一部を拡大して示す断面図、第３図は本発明の別の実施例の一部を断面にして示す説
明図、第４図は更に他の実施例の一部を断面にして示す説明
図、第５図は従来のシリンダ型式のアクチュエータを一部切
断して示す斜視図である。１……弾性収縮体、２……管状体 2a……内部空洞、３……編組補強構造 4a,4b……閉鎖部材、５……かしめキャップ 5a……肩部、６……圧痕７……接続孔、８……フィッティング９……ガイド部材、10……リング部材 11……筒状部材、12……内側カラー 13……外側カラー、14a,14b……貫通孔 15……ねじ部、16……締付ナット 17……凹凸部分、18……保持部 19……フランジ、20……係止部 21……ブラケット、22……連結ピン 23……ひずみゲージ、24……表示手段

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】編組補強構造をもって外周を補強し、両端
開口を、少なくとも一方が接続孔を有するそれぞれの閉
鎖部材で封止合着したゴム又はゴム状弾性材料の管状体
よりなり、接続孔からの加圧流体の供給によって膨径収
縮する弾性収縮体と、弾性収縮体の外周面に、その軸線
方向に間隔をおいて取り付けられて、最大膨径姿勢の弾
性収縮体の外径より大きい外径を有するとともに、収縮
姿勢の弾性収縮体の外径とほぼ等しい内径を有する複数
のガイド部材と、前記弾性収縮体の半径方向外方に配置
されて、それぞれのガイド部材の外周面に摺接する内周
面を有する、収縮姿勢の弾性収縮体とほぼ等しい長さの
可撓性筒状部材とを備え、弾性収縮体の一方の前記閉鎖
部材をその筒状部材の一端部に固着し、弾性収縮体の他
方の前記閉鎖部材を、弾性収縮体への加圧流体の給排に
より、筒状部材の内側で、その筒状部材に沿って進退運
動させることを特徴とする湾曲自在なアクチュエータ。
【請求項２】前記他方の閉鎖部材に、ガイド部材を一体
的に取り付けてなる特許請求の範囲第１項に記載の湾曲
自在なアクチュエータ。
【請求項３】弾性収縮体からの加圧流体の排出に際し
て、前記他方の閉鎖部材をその所定位置に復帰させる弾
性手段を具えてなる特許請求の範囲第１又は第２項に記
載の湾曲自在なアクチュエータ。
【請求項４】前記他方の閉鎖部材が、管状体から離れた
側に、工具などを保持する保持部を具えてなる特許請求
の範囲第１乃至第３項のいずれか１項に記載の湾曲自在
なアクチュエータ。
【請求項５】前記筒状部材が、その軸線に交差して形成
された環状の凹凸部分をその外表面に有してなる特許請
求の範囲第１乃至第４項のいずれか１項に記載の湾曲自
在なアクチュエータ。