JP5393212B2 - アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、流体を流入させることにより収縮させるアクチュエータに関する。

従来、弾性を有する管状の管状体に加圧した流体を流入させることで、管状体をその径方向に膨張させるとともにその軸線方向に収縮させ、この収縮力を出力として得るアクチュエータが知られている（例えば、特許文献１参照）。
この管状体は三層構造からなり、内側の内面ゴム層（チューブ体）の上に菱形網目構造のワイヤ（糸状体）層を設け、外側を外皮で被覆したものである。管状体をこのように構成することにより、内面ゴム層の伸びを外皮により一定の範囲で抑えるのでアクチュエータの寿命は延びるが、流体を流入させたときのアクチュエータの出力が低下してしまう。
そこで近年は、内面ゴム層の出力を向上させるためと細径化のために、外側を被覆する外皮を設けないアクチュエータが検討されている。

特開昭４８−２４１７５号公報

しかしながら、前記アクチュエータでは、流体を流入させた時の出力は向上するものの内面ゴム層がより大きく膨張・収縮を繰返すようになり、アクチュエータの寿命が低下するという問題があった。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであって、外径を細くするとともに寿命を向上させたアクチュエータを提供するものである。

上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明のアクチュエータは、一端部に開口が形成され、弾性を有する管状体と、該管状体の前記一端部から他端部までの外表面上に固定され、自身の長さ方向に伸長しない樹脂繊維からなる糸状体と、を備え、前記開口から流体を流入させることで、前記管状体を該管状体の径方向に膨張させるとともに該管状体の軸線方向に収縮させるアクチュエータにおいて、前記樹脂繊維は、その断面形状が前記管状体の外周に対して扁平化した形状となるように、複数の素線を撚り、前記管状体の径方向に複数の前記素線を押圧して塑性変形させることで構成されることを特徴としている。

また、上記のアクチュエータにおいて、前記樹脂繊維の前記軸線方向に直交する断面形状は、楕円であることがより好ましい。

また、上記のアクチュエータにおいて、前記樹脂繊維の前記軸線方向に直交する断面形状は、多角形であることがより好ましい。

また、上記のアクチュエータにおいて、前記管状体の前記一端部と前記他端部とは、前記管状体の外表面上に螺旋状に配置された前記樹脂繊維で接続されていることがより好ましい。

本発明のアクチュエータによれば、外径を細くするとともに寿命を向上させることができる。

本発明の第１実施形態のアクチュエータの一部を破断した側面図である。 図２（ａ）は図１おける切断線Ａ−Ａの断面図、図２（ｂ）は樹脂繊維が押圧されて扁平とされる前の切断線Ａ−Ａの断面図である。 同アクチュエータの製造工程を示す説明図である。 同アクチュエータの製造工程を示す説明図である。 同アクチュエータの製造工程を示す説明図である。 同アクチュエータの製造工程を示す説明図である。 同アクチュエータの製造工程を示す説明図である。 図８（ａ）は同アクチュエータの動作を示す管状体が膨張する前の状態の説明図である。図８（ｂ）は同アクチュエータの動作を示す管状体が膨張した後の状態の説明図である。 図９（ａ）は同アクチュエータの管状体が膨張した後の管状体の断面を拡大して示す説明図である。図９（ｂ）は比較例として樹脂繊維の断面形状が円形の場合の管状体が膨張した後の管状体の断面を拡大して示す説明図である。 本発明の第２実施形態のアクチュエータの一部を破断した側面図である。 図１０における切断線Ｂ−Ｂの断面図である。 同アクチュエータの動作を示す管状体が膨張した後の状態の説明図である。 図１３（ａ）及び図１３（ｂ）は本発明の実施形態の変形例における軸線方向Ｄに直交する断面図である。 図１４（ａ）は本発明の実施形態の変形例における、押圧されて扁平とされる前の樹脂繊維の断面図であり、図１４（ｂ）は押圧されて扁平とされた後の樹脂繊維の断面図である。 本発明の実施形態の変形例におけるアクチュエータの側面図である。 本発明の実施形態の変形例におけるアクチュエータの側面図である。

（第１実施形態）
以下、本発明に係るアクチュエータ１の第１実施形態を、図１から図９を参照しながら説明する。図１はアクチュエータ１の一部を破断した側面図、図２（ａ）は図１における切断線Ａ−Ａの断面図である。なお、図２（ａ）は後述する樹脂繊維３が交差する位置での断面となっている。
本実施形態のアクチュエータ１は、内部に圧縮空気（流体）を流入させることで軸線方向に収縮して、その収縮力を出力として発生させる装置である。
図１及び図２（ａ）に示すように、このアクチュエータ１は、一端部２ａに開口２ｂが形成され弾性を有する管状体２と、管状体２の一端部２ａと他端部２ｃとを接続するように管状体２の外表面上に配置されて固定され、自身の伸長が規制された複数の樹脂繊維（糸状体）３と、を備えている。複数の樹脂繊維３は、管状体２の外表面上に網目状に織られて配置され、全体として筒状または略筒状の樹脂筒状体４を構成している。
また、本実施形態では、アクチュエータ１はさらに、収縮力を出力として伝達する棒状のシャフト７、管状体２内に連通する貫通孔が形成されたニードル８を備えている。
なお、以下で言う断面とは、管状体２の軸線Ｃに沿う軸線方向Ｄに直交する断面を意味する。

管状体２は、一端部２ａに開口２ｂ、他端部２ｃに開口２ｄが形成された管状に形成され、本実施形態ではシリコーン樹脂が用いられている。
樹脂繊維３は、その長さ方向の弾性係数が管状体２の弾性係数に比べて非常に大きく、曲げ方向に可撓性を有するものが用いられる。本実施形態では、一例として単線のポリエチレン（ＰＥ）繊維が用いられているが、金属ワイヤ、ガラスファイバ等を採用することもできる。
樹脂繊維３は、本実施形態では管状体２の外表面上に１２本配置され、樹脂筒状体４を構成している。１２本の樹脂繊維３のうちの６本は、管状体２の一端部２ａと他端部２ｃとを接続するように、管状体２の外表面上に所定方向回りに互いに等間隔となるように螺旋状に巻回されて配置されている。そして、残りの６本の樹脂繊維３も同様に、管状体２の一端部２ａと他端部２ｃとを接続するように、管状体２の外表面上に所定方向とは反対方向回りに互いに等間隔となるように螺旋状に巻回されて配置されている。こうして、これら１２本の樹脂繊維３で構成される樹脂筒状体４は、管状体２の外表面上に不図示の接着剤により固定されている。

図２（ａ）に示すように、樹脂繊維３の軸線方向Ｄに直交する断面は、管状体２の外周に対して扁平化した形状である。例えば、管状体２の軸線方向Ｄに直交する断面において、樹脂繊維３は、円形を一方向に扁平とした形状に、本実施形態ではその一例として楕円形状に形成されている。そして、樹脂繊維３は、樹脂繊維３の外表面における曲率半径が最も小さい部分以外の部分で管状体２に当接されている。すなわち、本実施形態では、樹脂繊維３は、楕円形状の外表面の断面において曲率半径が最も大きな部分である位置Ｐ１で管状体２に当接されている。この位置Ｐ１は、楕円形状の断面における楕円形状の短軸と外表面との交点である。
樹脂繊維３は、後述する、押圧することにより樹脂繊維３を形成する工程以前では、図２（ｂ）に示すように、断面形状が円形の樹脂繊維３ａとなっている。そして、樹脂筒状体４も同様に、この押圧することにより樹脂繊維３を形成する工程以前では、樹脂繊維３ａを網目状に織って円筒状または略円筒状に構成した樹脂筒状体４ａとなっている。
樹脂筒状体４は、管状体２の径方向に樹脂筒状体４ａの樹脂繊維３ａを押圧して塑性変形させ、樹脂繊維３ａを押圧方向に扁平とした樹脂繊維３に形成したものである。
この押圧方向は、管状体２の径方向となる。
また、断面形状が円形の樹脂繊維３ａは、押圧されることにより、伸長することなく、その断面積を保ったまま断面形状が楕円形状の樹脂繊維３に形成される。

管状体２の一端部２ａの開口２ｂ内には、内部に貫通孔が形成されたニードル８の先端部が挿通されている。そして、管状体２の外周面に固定された樹脂繊維３の径方向外側から、管状体２の一端部２ａに短筒状のステンレスパイプ１２ａ、このステンレスパイプ１２ａに隣接して管状体２の中央部側に短筒状のシリコーン管状１３ａをそれぞれ固定することで、管状体２の一端部２ａにニードル８を気密に取付けている。
また、管状体２の他端部２ｃの開口２ｄ内には、シャフト７の基端部が挿通されている。そして、管状体２の一端部２ａと同様に、管状体２の外周面に固定された樹脂繊維３の径方向外側から、管状体２の他端部２ｃに短筒状のステンレスパイプ１２ｂ、このステンレスパイプ１２ｂに隣接させて管状体２の中央部側に短筒状のシリコーンチューブ１３ｂをそれぞれ固定することで、管状体２の他端部２ｃにシャフト７を気密に取付けている。

このように、開口２ｄがシャフト７により塞がれることで、管状体２への圧縮空気の流入／流出口は一端部２ａに形成された開口２ｂのみとなる。なお、開口２ｄを設けず、管状体２の他端部２ｃの外表面にシャフト７の基端部を取付けても良い。

次に、このように構成されたアクチュエータ１の製造工程について説明する。
まず、図３に示すように、ステンレスパイプ２１の外周面上に断面形状が円形の樹脂繊維３ａで構成された樹脂筒状体４ａを取付ける。そして、樹脂筒状体４ａの両端部の外周面を短筒状のシリコーンチューブ２２でそれぞれ覆うとともに、シリコーンチューブ２２を結束バンド等の固定部材２３でそれぞれステンレスパイプ２１に固定する。
次に、図４に示すように、樹脂筒状体４ａの中央部の外周面を所定長さの熱収縮チューブ２５で覆って固定した後で、樹脂筒状体４の両端部に取付けたシリコーンチューブ２２及び固定部材２３を取外す。そして、樹脂筒状体４ａの両端部の網目状に織った樹脂繊維３ａをほどいて軸線方向Ｄの内側にそれぞれ折り返し、折り返した樹脂繊維３ａに短筒状の熱収縮チューブ２６をそれぞれ被せて取付ける。

次に、図５に示すように、樹脂筒状体４の両端部に取付けた熱収縮チューブ２６の中央部側をそれぞれ切取って熱収縮チューブ２６ａとし、樹脂筒状体４ａの両端部でほどかれた樹脂繊維３ａをそれぞれ軸線方向Ｄの外側に折り返す。そして、樹脂筒状体４ａからステンレスパイプ２１を除去する。さらに、管状体２に棒状の通し棒２７を挿通させ、これを熱収縮チューブ２５で覆われた樹脂筒状体４に挿通させる。
ここで、樹脂筒状体４ａの外側から管状体２の径さ方向に不図示の治具を使用して樹脂筒状体４ａ及び管状体２を管状体２の径方向に押圧する。そして、樹脂繊維３ａを塑性変形させ、樹脂繊維３ａの断面形状を管状体２の径方向に扁平とした楕円形状に形成する。このように押圧することにより、樹脂繊維３ａは樹脂繊維３に、樹脂筒状体４ａは樹脂筒状体４になる。
そして、樹脂筒状体４の内側に管状体２を残して通し棒２７を除去する。

次に、図６に示すように、管状体２の一端部２ａの開口２ｂ内にニードル８の先端部を挿通し、樹脂繊維３の径方向外側から、ステンレスパイプ１２ａ及びシリコーンチューブ１３ａをそれぞれ不図示の接着剤により固定する。これにより、管状体２の一端部２ａにニードル８を気密に取付ける。
そして、管状体２の他端部２ｃの開口２ｄ内にシャフト７の基端部を挿通し、樹脂繊維３の径方向外側から、ステンレスパイプ１２ｂ及びシリコーンチューブ１３ｂをそれぞれ接着剤により固定する。これにより、管状体２の他端部２ｃにシャフト７を気密に取付ける。
次に、図７に示すように形成した、樹脂筒状体４の上から不図示の接着剤を全体的に塗布することにより、樹脂筒状体４を管状体２に固定する。
以上の工程により、アクチュエータ１が完成する。

次に、以上のように構成されたアクチュエータ１の動作について説明する。
図８（ａ）に示すように、アクチュエータ１を動作させるときには、ニードル８を送気チューブ９の先端部に接続するとともに送気チューブ９の基端部に圧縮空気を供給するためのポンプ１０を接続し、送気チューブ９の中間部に圧縮空気の圧力を調節するレギュレータ１１を設ける。
図８（ａ）に示す状態から、ポンプ１０及びレギュレータ１１により、一定の圧力に調整された圧縮空気を送気チューブ９、及びニードル８に形成された貫通孔を通して管状体２内に流入させる。図９（ａ）に示すように、管状体２が膨張する前には、管状体２の断面の外表面は図中に二点鎖線で示す円形となっており、楕円形状の断面を有する樹脂繊維３は、外表面における曲率半径が最も大きな位置Ｐ１で管状体２に当接している。

この図９（ａ）に示す状態から、圧縮空気による一定の圧力を受け、管状体２が径方向に膨張する。すると、管状体２に当接する樹脂繊維３の面積は図９（ａ）の断面において太線で示した範囲Ｒ１となる。なお、管状体２が径方向に膨張しようとする力を、樹脂繊維３の反力と、管状体２の張力の径方向の分力とで支持することにより釣り合いが取れている。
これに比較して、図９（ａ）に示すように、比較例として樹脂繊維３に代えて断面形状が円形の樹脂繊維３ａが管状体２に当接する場合を考える。すると、管状体２に当接する樹脂繊維３ａの面積は図９（ｂ）の断面において太線で示した範囲Ｒ２となり、図９（ａ）における範囲Ｒ１よりも狭くなる。
図９（ａ）と図９（ｂ）において、管状体２の径方向への膨張は同程度となるので管状体２の張力はほぼ等しくなる。このため、樹脂繊維３は樹脂繊維３ａに比べて、管状体２が径方向に膨張しようとする力から管状体２の張力を引いたほぼ一定の力を、より広い範囲Ｒ１で支持することができるように構成されている。

図９（ａ）に示すように、管状体２が径方向に膨張するにつれて、樹脂筒状体４における網目状に配置された樹脂繊維３により、管状体２は図８（ｂ）に示すように軸線方向Ｄに収縮する。

こうして、本発明の第１実施形態のアクチュエータ１によれば、管状体２の軸線方向Ｄに直交する断面において、樹脂繊維３の外表面における曲率半径が最も大きな部分である位置Ｐ１で、樹脂繊維３が管状体２に当接している。従って、樹脂繊維３が管状体２の外表面に作用させる圧力を低下させることができ、管状体２の外表面の損傷を抑えてアクチュエータ１の寿命を向上させることができる。
また、樹脂繊維３を、その外表面における曲率半径が最も大きな部分である位置Ｐ１で管状体２に当接させているので、管状体２の径方向における樹脂繊維３の幅を狭くすることができ、アクチュエータ１を全体として細径化することが可能となる。
また、網目状に配置された樹脂繊維３の基本構造となる平行四辺形状または略平行四辺形状の樹脂繊維３の構造により、管状体２の径方向に作用する力を軸線方向Ｄに効果的に変換することが可能となる。このため、アクチュエータ１の出力として得られる収縮力を向上させることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明に係る第２実施形態について説明するが、前記実施形態と同一の部位には同一の符号を付してその説明は省略し、異なる点についてのみ説明する。
図１０及び図１１に示すように、本実施形態のアクチュエータ３１は、前記第１実施形態のアクチュエータ１に加えて、管状体２と同軸（略同軸を含む）に樹脂繊維３から一定距離離間して配置され、可撓性を有する管状のシース（規制部材）３２を備える。

次に、このように構成されたアクチュエータ３１の作用について説明する。
図１２に示すように、アクチュエータ３１を動作させるときには、アクチュエータ１の場合と同様に、ニードル８を送気チューブ９の先端部に接続するとともに送気チューブ９の基端部にポンプ１０を接続し、送気チューブ９の中間部にレギュレータ１１を設ける。
ここで、一定の圧力に調整された圧縮空気を管状体２内に供給すると、管状体２が径方向に膨張するとともに軸線方向Ｄに収縮する。そして、管状体２が径方向に一定量膨張し樹脂繊維３がシース３２の内周面に当接したときに、ポンプ１０により管状体２内部に圧縮空気を供給することができなくなる。
このように構成されたアクチュエータ３１によれば、管状体２が膨張し過ぎて破損することをシース３２により防止することができる。

以上、本発明の第１実施形態及び第２実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の構成の変更等も含まれる。
例えば、上記第１実施形態及び第２実施形態では、樹脂繊維３は、楕円形状の外表面の断面において曲率半径が最も大きな部分である位置Ｐ１で管状体２に当接されているとした。しかし、樹脂繊維３が管状体２に当接されている部分はこれに限ることなく、図１３（ａ）に示すように、樹脂繊維３が管状体２に当接されている位置Ｐ２が、楕円形状の外表面の断面において曲率半径が最も小さな部分である位置Ｐ３以外であれば良い。

また、上記第１実施形態及び第２実施形態では、樹脂繊維３の断面は楕円形状であるとした。しかし、樹脂繊維の断面形状はこれに限ることなく、多角形形状でも良い。図１３（ｂ）には樹脂繊維３６の断面形状が長方形である場合を示す。
そして、樹脂繊維３６は、軸線方向Ｄに直交する断面において、長方形における各辺のうち最も短い辺以外の辺で、すなわち本変形例では長辺３６ａで管状体２に当接されているように構成されている。
このように、樹脂繊維の断面形状が多角形形状に構成された本変形例におけるアクチュエータによれば、上記第１実施形態及び第２実施形態と同様の効果を奏することができる。

また、上記第１実施形態及び第２実施形態では、断面形状が円形の樹脂繊維３ａで構成された樹脂筒状体４ａを管状体２に取付けてから樹脂筒状体４ａを管状体２の径方向に押圧して、樹脂筒状体４ａをこの径方向に塑性変形させて扁平とした。しかし、予め塑性変形により一方向に扁平とした樹脂繊維を筒状かつ網目状に織って、管状体２の外表面上に取付けても良い。

また、上記第１実施形態及び第２実施形態では、樹脂繊維３ａとして断面形状が円形の単線を用いたが、図１４（ａ）に示すように、複数の素線３８を撚って全体としての形状が円形または略円形の断面形状を有する撚り線３９ａを用いても良い。
この場合、撚り線３９ａを管状体２の径方向に扁平とすることで、図１４（ｂ）に示すような全体としての形状が扁平とされた撚り線３９を形成することができる。
単線でなく撚り線の樹脂繊維を用いることで、扁平とされた後の樹脂繊維の断面形状を扁平とされる前の形状により戻り難くすることができる。

また、上記第１実施形態及び第２実施形態では、複数の樹脂繊維３を網目状に織るとともに筒状または略筒状に形成することにより樹脂筒状体４を構成した。
しかし、この樹脂筒状体４に代えて、図１５に示すアクチュエータ４１のように、軸線方向Ｄに沿うように配置した複数の樹脂繊維３で管状体２の一端部２ａと他端部２ｃとをそれぞれ接続しても良い。
また、図１６に示すアクチュエータ５１のように、管状体２の一端部２ａと他端部２ｃとを、管状体２の外表面上に螺旋状に配置された樹脂繊維３でそれぞれ接続しても良い。このように構成することで、管状体２の外表面上に螺旋状に配置され固定された樹脂繊維３により、管状体２の径方向に作用する力を、アクチュエータ５１を軸線Ｃ回りに回転させながらも軸線方向Ｄに効果的に変換することが可能となる。
またこれら、アクチュエータ４１及びアクチュエータ５１に用いられる樹脂繊維３の本数は、１本でも良いし複数本でも良い。

次に、上記のアクチュエータ３１を用いて寿命の評価試験を行った結果について説明する。
図１０及び図１１に示すアクチュエータ３１において、管状体２の材質はシリコーン樹脂とし、外径を１．１ｍｍ、内径を０．９ｍｍ、厚さを０．２ｍｍとし、管状体２の長さを３００ｍｍとした。
この管状体２に、外径０．１ｍｍの単線のポリエチレン製の樹脂繊維３ａを１２本用いて網目状に加工した樹脂筒状体４ａを被せ、弾性率の高いシリコーン系の接着剤Ａ，Ｂを用いて管状体２と樹脂筒状体４とを固定した。接着剤Ｂは、接着剤Ａよりも弾性率の高いものである。管状体２に固定した樹脂筒状体４を管状体２の径方向に押圧し扁平とした。この扁平とされたときの樹脂繊維３の短径は０．０５ｍｍ、長径は０．１４ｍｍとなった。
また、シース３２は内径が２．０ｍｍのものを用い、ステンレスパイプ１２ａはシース３２に固定した。

このように構成されたアクチュエータ３１を、図１２に示すように管状体２の軸線Ｃが水平方向に沿うように配置した。そして、ニードル８を送気チューブ９の先端部に接続するとともに送気チューブ９の基端部に圧縮空気を供給するためのポンプ１０を接続した。また、鉛直方向に上下する５Ｎの不図示の錘を滑車を介してシャフト７の先端部に取付け、管状体２に常に５Ｎの張力が軸線Ｃの方向に作用するようにした。
そして、管状体２内に圧縮空気を１秒間流入させて０．５ＭＰａに加圧して管状体２及び樹脂筒状体４をシース３２の内周面に当接させ、この状態を３秒間保持し、その後管状体２内に圧縮空気を１秒間排気するという工程を繰返し、管状体２が破れるまで試験を行った。
試験結果を表１に示す。

接着剤Ａ，Ｂをそれぞれ用いた実施例１、実施例２では、工程を７万回繰返しても管状体２は破れなかった。
一方、比較例として、樹脂繊維３ａを扁平としないで断面形状が円形のままで上記試験を行った結果を比較例１及び比較例２として表１中に併せて示す。管状体２は、接着剤Ａを用いたときは約６，０００回で破れ、接着剤Ｂを用いたときは約６，３００回で破れた。
このように、断面形状が外径０．１ｍｍの円形の樹脂繊維３ａを、短径が０．０５ｍｍ、長径が０．１４ｍｍの扁平として用いることで、接着剤Ａ，Ｂいずれの場合においても管状体２の寿命がそれぞれ１１倍以上延びることが分かった。

１、３１、４１、５１ アクチュエータ
２ 管状体
２ａ 一端部
２ｂ 開口
２ｃ 他端部
３ 樹脂繊維（糸状体）
３２ シース（規制部材）
Ｄ 軸線方向

Claims (4)

1. 一端部に開口が形成され、弾性を有する管状体と、
   該管状体の前記一端部から他端部までの外表面上に固定され、自身の長さ方向に伸長しない樹脂繊維からなる糸状体と、を備え、
   前記開口から流体を流入させることで、前記管状体を該管状体の径方向に膨張させるとともに該管状体の軸線方向に収縮させるアクチュエータにおいて、
   前記樹脂繊維は、その断面形状が前記管状体の外周に対して扁平化した形状となるように、複数の素線を撚り、前記管状体の径方向に複数の前記素線を押圧して塑性変形させることで構成されることを特徴とするアクチュエータ。
2. 請求項１に記載のアクチュエータにおいて、
   前記樹脂繊維の前記軸線方向に直交する断面形状は、楕円であることを特徴とするアクチュエータ。
3. 請求項１に記載のアクチュエータにおいて、
   前記樹脂繊維の前記軸線方向に直交する断面形状は、多角形であることを特徴とするアクチュエータ。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載のアクチュエータにおいて、
   前記管状体の前記一端部と前記他端部とは、前記管状体の外表面上に螺旋状に配置された前記樹脂繊維で接続されていることを特徴とするアクチュエータ。

Images