JP2846346B2

JP2846346B2 - 湾曲可能なアクチュエータ

Info

Publication number: JP2846346B2
Application number: JP1159678A
Authority: JP
Inventors: 公一根岸; 照芳佐藤
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 1989-06-23
Filing date: 1989-06-23
Publication date: 1999-01-13
Anticipated expiration: 2014-01-13
Also published as: US5079999A; JPH0328507A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、並列に配設され、加圧流体の供給により軸
線方向に伸長力を生起する少なくとも二本の弾性伸長体
への加圧流体の給排を調整することにより、伸長及び／
又は湾曲可能な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）従来、アクチュエータとしては、電動モータ、液圧シ
リンダ等が広く用いられている。

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）この目的を達成するため、本発明の湾曲可能なアクチ
ュエータでは、円筒状の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、並列配置の少なくとも二本の弾性伸長体と、
それらの各弾性伸長体のそれぞれの端部を相互連結する
連結部材と、連結部材間に配設されてそれらの弾性伸長
体を取り囲み、弾性伸長体の屈曲変形を拘束する弾性部
材とを具え、それぞれの弾性伸長体への加圧流体の給排
を調整することにより、伸長及び／又は湾曲可能とす
る。

（作用）互いに並列に配置され、各端部がそれぞれ連結部材に
固着された弾性伸長体に、加圧流体を等しく供給すれ
ば、各弾性伸長体は等しく伸長するのに対し、各弾性伸
長体への加圧流体の供給を異ならせると、供給される加
圧流体の圧力又は供給量の差に対応してその伸長量が異
なるため、その伸長量の差に対応して弾性伸長体、ひい
てはアクチュエータが湾曲することとなる。なお、その
ような場合にあっても、弾性伸長体を取り囲む弾性部材
が、伸長した弾性伸長体の屈曲を拘束するので、アクチ
ュエータは、安定して湾曲する。

また、弾性伸長体は、エアーバッグタイプに属する極
めて簡潔な構造をしており、しかも、その運動に際して
は、伸長運動を除き、外方に膨出することがないので、
小型、軽量なアクチュエータを得る。

そしてさらに、ここにおける弾性伸長体は、それの伸
長変形に伴って縮径変形することから、アクチュエータ
の全体を伸長変化させる場合および湾曲変形させる場合
のいずれにあっても、並列配置した弾性伸長体の相互干
渉を有効に防止することができ、これがため、とくに、
アクチュエータを湾曲変形させるに際し、加圧流体を供
給する弾性伸長体の本数のいかんにかかわらず、小さな
圧力の加圧流体の供給によって大きな変形をもたらすこ
とができる。

（実施例）以下、図面を参照して本発明の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
エータを示す斜視図であり、本実施例にあっては、三個
の弾性伸長体10を互いに並列に配置した。

それぞれの弾性伸長体10は、第２図に示したように、
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形成したものである。

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′）に至るような編組み構造をし
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20が設けられており、その接続孔を介しての管状体
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、弾性伸長体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それぞれ設
け、各突起部におねじ部を形成し、固定部材及び被駆動
部材への弾性伸長体の取付けを容易に行うよう構成し
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。

次に、この弾性伸長体10の作動について、第３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14を構成するコード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
用される加圧流体の圧力、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＝π/4・D²P−nTcosθ ＝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＝（１−1₀）/1₀ ＝（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
等しいことから、弾性伸長体10の伸長力Ｆは、有効径D₀
のシリンダのＫ倍となることが分かる。

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と伸長率Ｆと
の関係を示せば、同図（ｂ）のようになる。

一方、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となる。

このことから、弾性伸長体は、伸長力及び伸長量を大
きく設定することができるので、従来のエアーバッグタ
イプのものに比して設定の自由度が極めて大きいと言う
ことが分かる。

ところで、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 ≒0.83D₀ となり、弾性伸長体は、その軸線方向の運動に比して半
径方向には膨出することがないので、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く、設置スペースを大きく取る
必要がないと言う利点がある。

そして、第１図に示すアクチュエータにあっては、三
本の弾性伸長体を互いに並列に配置し、各弾性伸長体の
それぞれの端部を一体的に直接又は間接に連結すること
ができる連結部材22にてそれぞれ連結する。ここで、連
結部材22は、弾性伸長体の両端部をそれぞれ連結し得る
ものであれば良く、本実施例にあって、連結部材22は、
相互に隣接して並列に配設された弾性伸長体、具体的に
は、それらの各かしめリング18に実質的に外接し得る形
状をした略三角形状をしており、伸長体の軸線に交差し
て連結部材に形成されたねじ孔に、固定ボルト24を螺合
することにより、各かしめリングに係合してそれぞれの
弾性伸長体の端部を一体的に固定する構造をしている。

また、弾性伸長体10を介して互いに対向する連結部材
の端部には、その半径方向外方に突出するフランジ26が
形成されている。

これらフランジ26は、それぞれ締結ベルト28に協働
し、互いに対向する連結部材間に配設される弾性部材30
を、確実に連結部材22に固定する一助をなすものであ
り、このことにより、フランジ26を越えて軸線方向外方
に延在する弾性部材30のそれぞれの端部を連結部材22に
固定することができる。

弾性部材30は、弾性伸長体の伸長力に対抗すると共
に、その屈曲を拘束して所望の湾曲形状を担保し得るも
ので有れば良く、本実施例にあっては、適当な弾性特性
を有するゴム又はゴム状弾性材料よりなる筒状シートを
用いたが、これに限定されるものではなく、引張りばね
を用いても良い。同様に、連結部材22も、上記実施例に
限定されるものではなく、ベルト部材により複数本の弾
性伸長体を締結することの他、かしめリング同士を直接
的に接合又は溶着することもできる。

次に、このように構成したアクチュエータの作動に付
いて説明する。なお、アクチュエータを構成する各弾性
伸長体は、圧力制御弁を介して適当な操作圧力源、例え
ば、エアーコンプレッサに接続されているものとする。

各弾性伸長体に等しく加圧流体を供給すると、その伸
長量が等しくなるので、アクチュエータは、第４図
（ａ）に示したように、直線状に伸長することとなる。

また、各弾性伸長体から加圧流体を排出すれば、弾性
伸長体の復元力及び、弾性部材としての筒状シートの復
元力により直ちに、初期寸法に復帰する。

一方、各弾性伸長体への加圧流体の供給を異ならせる
と、供給圧力の差に対応して、各弾性伸長体の伸長量が
異なるので、その差に応じて湾曲することとなる。即
ち、伸長量が小さな弾性伸長体を内側に、伸長量の大き
な弾性伸長体を外側にして、第４図（ｂ）に模式的に示
したように、湾曲することとなる。また、このような湾
曲状態にあっても、弾性伸長体の外方に配設した筒状シ
ートが、伸長した弾性伸長体の屈曲を拘束するので、ア
クチュエータの湾曲形状が担保される。

勿論、加圧流体の適用を受けて真直に伸長した各弾性
伸長体からの加圧流体の排出を異ならせることにより、
湾曲させることもできる。

なお、本発明アクチュエータは、この実施例に限定さ
れるものではなく、その出力及び湾曲の程度に合わせて
弾性伸長体の数を二本、又は四本以上とすることもで
き、更には、複数個のアクチュエータを直列および／又
は並列に配設しても良く、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）かくして、本発明アクチュエータによれば、加圧流体
の有するエネルギーを効率よく運動エネルギーに変換す
ることができるエアーバッグタイプの各弾性伸長体への
加圧流体の給排に応じて、その湾曲の程度を調整するこ
とができるので、装置をを小型、軽量化することがで
き、伸長運動に際して加圧流体の漏洩を実質的に考慮す
る必要がないので、環境汚染の心配がない。

また、従来のエアーバッグタイプのアクチュエータに
比して、伸長量及び伸長力が大きいので、設計の自由度
が高く適用範囲の広いアクチュエータを提供することが
できる。

加えて、ここにおける弾性伸長体は、それの伸長変形
に伴って縮径変形するので、アクチュエータの全体を伸
長変形させる場合および湾曲変形させる場合のいずれに
あっても、並列配置した複数本の弾性伸長体の相互干渉
を有効に防止することができ、それ故に、とくに、アク
チュエータを湾曲変形させるに際し、加圧流体を供給す
る弾性伸長体の本数のいかんにかかわらず、小さな圧力
の加圧流体の供給によって大きな変形量をもたらすこと
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断面にして示す
斜視図、第２図は、本発明アクチュエータに好適な弾性伸長体を
示す斜視図、第３図は、第２図に示す弾性伸長体の作動を示す図、そ
して第４図（ａ）及び（ｂ）は、第１図に示すアクチュエー
タの伸長状態及び湾曲状態をそれぞれ示す図である。 10……弾性伸長体、22……連結部材 30……弾性部材

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】円筒状の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、並列配置の少なくとも二本の弾性伸長体と、そ
れらの各弾性伸長体のそれぞれの端部を相互連結する連
結部材と、連結部材間に配設されてそれらの弾性伸長体
を取り囲み、弾性伸長体の屈曲変形を拘束する弾性部材
とを具え、それぞれの弾性伸長体への加圧流体の給排を
調整することにより、伸長及び／又は湾曲可能としたこ
とを特徴とするアクチュエータ。