JP2846344B2 - 弾性伸長体を用いたアクチュエータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） この発明は、加圧流体の給排により、軸線方向に伸長
力を生起する弾性伸長体を用いたアクチュエータに関す
るものである。

（従来の技術及びその課題） アクチュエータとしては、電動モータ、液圧シリンダ
等が知られている しかしながら、電動モータにあっては、通例、歯車列
を含む減速機構を必要とすることから、重量及び占有空
間が増大し、また、作動し得る範囲が制限を受ける場合
が多く、しかも、スパークの発生が不可避であることか
ら、爆発性雰囲気内での使用が制限されると言う問題が
あった。

これに対し、油圧モータ又は油圧シリンダーを含む液
圧シリンダにあっては、上記問題に加え、作動油の漏洩
を完全に阻止することが困難なことから、周囲への汚染
が避けられず、また、作動油の温度、清浄度を細かに管
理する必要がある等、管理上からも解決すべき多くの問
題があった。

加えて、出力の大きなアクチュエータを得ようとすれ
ば、その形状寸法が必然的に大型化すると言う問題もあ
る。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであ
り、小型、軽量で、出力が大きく、また、環境汚染の心
配のないアクチュエータを提供することをその目的とす
る。

（課題を解決するための手段） これがため、本願発明の、弾性伸長体を用いたアクチ
ュエータは、管状体を編組み補強構造体で囲繞するとと
もに、その編組み補強構造体のコードの、管状体軸線に
対する初期編組み角度を静止角より大きく設定してな
り、加圧流体の供給により軸線方向に伸長力を生起する
弾性伸長体と、弾性伸長体の外方に配設され、その軸線
方向への運動を許容すると共に、軸線に交差する方向の
運動を規制する案内手段とを具えてなる。

（作 用） 弾性伸長体は、加圧流体の給排に際して伸長及び初期
寸法に復帰する、所謂エアーバッグタイプのものである
ので、加圧流体の有するエネルギーを効率良く運動に変
換することができる。

しかも、ここにおける弾性伸長体への伸長力の発生お
よびそれの伸長変形は、主として、繊維コード等からな
る編組み補強構造体の作用によってもたらされるので、
弾性伸長体を小型かつ軽量ならしめてなお、大きな伸長
力をすぐれた耐久性の下に発生させることができる。

併せてここでは、編組み補強構造体のコードの、初期
編組み角度を所要に応じて選択することで、比較的小さ
な圧力の加圧流体をもって弾性伸長体を大きく伸長させ
ることができ、この一方で、前記コードが静止角に達し
た時点で、その伸長を自動的にかつ確実に終了すること
ができる。

また、弾性伸長体の外方に配設された案内手段は、そ
の伸長及び初期寸法への復帰を阻害することなく、弾性
伸長体のその軸線に交差する方向への運動を拘束するの
で、弾性伸長体がその作動に際して屈曲することがな
く、アクチャエータとしての運動方向が担持されること
となり、従って、小型、軽量で出力の大きなアクチュエ
ータを得る。

（実施例） 以下、図面を参照して本発明アクチュエータの好適な
実施例について詳述する。

第１図は、本発明に係る弾性伸長体を用いたアクチュ
エータ10の一部を断面にして示す図であり、管状体12を
編組み補強構造体14にて囲繞すると共に、それらの両端
開口部を封止部材16にてそれぞれ封止し、それら管状体
12、編組み補強構造体14が、封止部材16から抜け落ちる
のを確実に阻止すべく、かしめリング18を用いて外方か
ら圧着して弾性伸長体20を形成し、更に、案内手段とし
て、本実施例にあっては、弾性伸長体の外方に入れ子
に、一対の筒状体22を配設し、それぞれの筒状体の各一
端をそれぞれのかしめリング18に固着して、アクチュエ
ータとしたものである。

ここで、管状体12としては、その内部に適用される加
圧空気、加圧液体などの加圧流体を透過することがな
く、また、その適用に際して充分に膨張し得る可撓性に
優れたゴム又はゴム状弾性材料、更には、その均等物
を、一方、編組み補強構造体14としては、耐張力に優れ
た有機又は無機質繊維、例えば、ポリエステル繊維、芳
香族ポリアミド繊維（ケブラー：商品名）、更には、極
細金属のワイヤのようなフィラメントの撚り、又は無撚
りの束等からなり、加圧流体の適用に伴う管状体12の軸
線方向への最大伸長時に、初期編み組角度θ_０から、い
わゆる静止角（54゜44′）に至るような編み組構造をし
たものをそれぞれ用いることができる。なお、初期編組
み角度θ_０としては、70゜〜85゜程度の角度範囲から選
択することができる。

また、それら管状体12及び編組み補強構造体14の両端
開口部を封止する封止部材16の少なくとも一方には、接
続孔24が設けられており、管状体12の内部空間12aへの
加圧流体の給排を許容する。

これら封止部材16を金属材料にて形成することも可能
であるが、アクチュエータ10を一層軽量なものとするた
め、所謂、エンジニアリングプラスチックにて形成する
ことが好ましい。

更に、本実施例にあっては、各封止部材の外方端面
に、管状体12の軸線方向に突出する突起部を設け、当該
突起部におねじ部をそれぞれ形成し、それらおねじ部
を、適当な固定部材又は被駆動部材に形成しためねじ部
に螺合することにより、一体的に固着する構成とした。
しかしながら、本実施例に限定されるものではなく、例
えば、突起部にピン孔を形成し、固定部材又は被駆動部
材に取付けられた枢支ピンを挿通させて連結する構造と
しても良く、種々の変形が可能である。

そして、案内手段としての一例を示す、一対の入れ子
に配設された筒状体22のそれぞれの一端部を、既知の固
着手段、例えば止めねじ又はタッピンねじを用いて、か
しめリング18に固着する。

本実施例にあっては、かしめリングの外形寸法とほぼ
等しい内径寸法を有する一方の筒状体を、かしめリング
に直接的に取付ける一方、この筒状体に外方から嵌合す
る他の筒状体の一端を、関連するかしめリングの外周に
固着されたスペーサ26を介して取り付けた。なお、筒状
体22としては、それらの相対運動を円滑に行い得るよ
う、例えば、ポリテトラフルオロエチレンの如き摩擦の
小さな材料、又はそれを相互に運動する表面に被覆した
ものを用いることが好ましい。

これら筒状体22は、編組み補強構造体14にて外周が囲
繞され両端開口部がそれぞれ封止部材16にて封止された
管状体12からなる弾性伸長体20の軸線方向への運動を許
容する一方、当該軸線に交差する方向への運動を拘束す
ることができるものであれば良く、この実施例に限定さ
れるものではない。

次に、本発明アクチュエータ10の作動について、第２
図を参照して説明する。なお、簡略のため、弾性伸長体
の編組み補強構造体を構成するコードの長さは不変であ
るものとする。

編組み補強構造体14を構成するコードが、管状体12の
軸線に対してなす初期編組み角度をθ_０、加圧流体の適
用により伸長変形した後になす角度をθとし、管状体の
軸線方向及びそれに直交する方向、つまり周方向におけ
る力の釣合いを考えれば、 nTcosθ＝π/4・D²P＋Ｆ ……（１） 2nTsinθ＝πD²/tanθ・Ｐ ……（２） ここで、ｎは、コードの打ち込み本数、Ｔは、編組み
補強構造体の各コードに作用する張力、Ｄは、コード中
心における編み組補強構造体の直径、Ｐは、弾性伸長体
に適用さる加圧流体の圧力、Ｆは、弾性伸長体に生起さ
れる伸長力とする。

（１）及び（２）式より、Ｔを消去すると Ｆ＝nTcosθ−π/4・D²P π/4・D²P/（１−2/tan²θ） ……（３） （３）式より、伸長力Ｆが「０」となるのは、θが静
止角、つまり、54゜44′であることが理解される。

一方、コードの長さが不変であることを考慮すれば、
πD/sinθ＝πD₀/sinθ_０なり、 Ｄ＝sinθ/sinθ_０・D₀ ……（４） となる。

弾性伸長体の伸長率εは、同図（ａ）を考慮して、 ε＝（ｌ−l₀）/l₀ ＝（cosθ−cosθ_０）/cosθ_０ となり、 cosθ＝（１＋ε）cosθ_０ ……（５） となる。

ここで、（４）及び（５）式を（３）式に代入して伸
長力Ｆを求めれば、 Ｆ＝π/4・D₀ ²P・Ｋ ……（６） 但し、Ｋ＝1/sin²θ_０・(１−３(１＋ε)²cos²θ_０) ところで、π/4・D₀ ²Pは有効径D₀のシリンダの出力に
等しことから、弾性伸長体20の伸長力Ｆは、有効径D₀の
シリンダのＫ倍となることから分かる。

従って、例えば、初期編組み角度θ_０が80゜であっ
て、弾性伸長体の伸長率をε＝０（％）とすればＫ≒0.
94と、ε＝20（％）とすればＫ≒0.90と、そしてε＝50
（％）とすればＫ≒0.82となり、伸長率εと伸長力Ｆと
の関係を示せば、同図（ｂ）のようになる。

また、編組み補強構造体のコードの初期編組み角度θ
_０を80゜とし、加圧流体の適用に際し、そのコードが静
止角（54゜44′）に至るまで変形したとすると、伸長率
εは、（５）式よりε＝2.32となり、極めて大きく伸長
させ得ることがわかる。一方、このように大きく伸長し
た場合にあっても、変形後の弾性伸長体の直径Ｄは、
（４）式から Ｄ＝sin（54゜44′）/sin（80゜）・D₀ ≒0.83D となり、弾性伸長体は、その軸線方向の運動に比して殆
ど変形しないことがわかる。つまり、アクチュエータ10
は、その軸線方向への運動を除いて半径方向には膨出す
ることがないので、従来既知のエアーバッグタイプのア
クチュエータのように、その膨出を許容する空間を設け
る必要がないと言う利点がある。

第３図に、本発明アクチュエータの他の実施例を示
す。この実施例は、弾性伸長体20の内部空間12aから加
圧流体を排出した場合に、その初期寸法への復帰をより
速やかに行うべく、案内手段の一端に弾性部材を配設し
たものであり、本実施例にあっては、案内手段としての
筒状体22の一方の自由端部に、弾性部材の一例としての
円錐状のコイルばね28の一端を取付け、そのコイルばね
28の他端を関連するかしめリング18に固着したものであ
る。具体的には、筒状体22の自由端部近傍で、その半径
方向外方に突出させた環状突起の外周に、ばね28の一端
部を収容する螺旋溝を形成して嵌め合わせる一方、同様
に、かしめリング18もその一部を外方に突出させて螺旋
溝を形成し、ばね28の他端部を嵌め合わせた構造とした
ものである。

更に、本実施例にあっては、第３図（ａ）に示したよ
うに、封止部材16の突起部に形成したおねじ部を、当該
おねじ部に対応するめねじ部が形成された連結ブラケッ
ト30に螺合することにより、アクチュエータ10を順次連
結することもできる。

この場合にあっては、連結ブラケットの互いに対向す
る両端部にめねじ部32をそれぞれ形成することが好まし
く、複数のアクチュエータを容易に連結することがで
き、また、それら両めねじ部32に開口する接続孔34を形
成することにより、関連する二個のアクチュエータ10に
同時に加圧流体を給排することができる。

勿論、各アクチュエータに個別に加圧流体を給排する
ことができるよう、それぞれのアクチュエータに関連す
る各接続孔を個別に単一の連結ブラケット30に形成する
こともでき、更には、連結ブラケットの形状を適当に選
択することにより、三個以上のアクチュエータを連結す
る構成とすることもできる。

一方、本実施例にあっては、複数のアクチュエータを
直列に接続したが、並列に連結することもでき、その場
合には出力の大きなアクチュエータ・ユニットを得るこ
とができる。

なお、本発明はこれら実施例に限定されるものではな
く、例えば、相対運動する案内手段としての筒状体に関
連させて、リニアエンコーダ、作動変圧器等の位置検出
手段を配設することにより、アクチュエータの変位量を
検知し得る構成とすることもでき、特許請求の範囲内で
種々の変更が可能である。

（発明の効果） 以上詳述したように、本発明アクチュエータは、エア
ーバッグタイプのものであるから、加圧流体の有するエ
ネルギーを効率良く機械運動に変換することかでき、ま
た、従来のアクチュエータに比して小型で軽量なアクチ
ュエータを提供することができる。しかも、軸線方向に
だけ運動し、半径方向に膨出することがないので、作動
に必要な専有空間を小さくすることができる。

更に、加圧流体の圧力を一定とすれば、伸長力と伸長
率とが比例関係にあるので、力の制御が容易なアクチュ
エータを提供することができる。

加えて、このアクチュエータでは、弾性伸長体への伸
長力の発生、およびそれの伸長変形を、主には、繊維コ
ード等からなる編組み補強構造体の作用に基づいてもた
らすこととしているので、弾性伸長体、ひいては、アク
チュエータ全体を一層小型かつ軽量ならしめてなお、す
ぐれた耐久性の下で、大きな伸長力を発生させることが
できる。

さらにここでは、編組み補強構造体のコードの初期編
組み角度を、静止角より大きい所要の角度に設定するこ
とで、小さな圧力の加圧流体をもって弾性伸長体を大き
く伸長させることができ、またこの一方で、前記コード
が静止角に達した時点で、その伸長を自動的にかつ確実
に終了させることができるので、弾性伸長体の限界伸長
量を、前記初期編組み角度の選択によって簡単に特定す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明アクチュエータを一部破断して示す斜
視図、 第２図（ａ）及び（ｂ）は、第１図に示すアクチュエー
タの作動並びにその伸長力及び伸長率の関係を示す説明
図、 第３図（ａ）は、本発明アクチュエータの他の実施例を
示す斜視図、そして、 第３図（ｂ）は、第３図（ａ）の一部を拡大して示す図
である。 10……アクチュエータ、12……管状体 14……編組み補強構造体、16……封止部材 18……かしめリング、20……弾性伸長体 22……筒状体、24,34……接続孔 26……スペーサ、28……コイルばね 30……連結ブラケット、32……めねじ部

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】管状体を編組み補強構造体で囲繞するとと
   もに、その編組み補強構造体のコードの、管状体軸線に
   対する初期編組み角度を静止角より大きく設定してな
   り、加圧流体の供給により軸線方向に伸長力を生起する
   弾性伸長体と、弾性伸長体の外方に配設され、その軸線
   方向への運動を許容すると共に、その軸線に交差する方
   向の運動を拘束する案内手段とを具えてなることを特徴
   とする弾性伸長体を用いたアクチュエータ。