JP6670053B2

JP6670053B2 - 流体圧アクチュエータ

Info

Publication number: JP6670053B2
Application number: JP2015150569A
Authority: JP
Inventors: 信吾大野; 桜井　良; 良桜井
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 2015-07-30
Filing date: 2015-07-30
Publication date: 2020-03-18
Anticipated expiration: 2035-07-30
Also published as: JP2017032022A

Description

本発明は、気体または液体を用いてチューブを膨張及び収縮させる流体圧アクチュエータに関し、具体的には、いわゆるマッキベン型の流体圧アクチュエータに関する。

従来、上述したようなチューブを膨張及び収縮させる流体圧アクチュエータとしては、空気圧によって膨張、収縮するゴム製のチューブ（管状体）と、チューブの外周面を覆うスリーブ（網組補強構造）とを有する構造（いわゆるマッキベン型）が広く用いられている。

このような流体圧アクチュエータにおいて、チューブ及びスリーブによって構成されるアクチュエータ本体部の内部空間に、非圧縮性の充填体を備える構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。このような充填体が備えられることによって、アクチュエータ本体部の実質的な容積が減るため、流体圧アクチュエータの作動に必要な流体の使用量を低減できる。

特開昭５９−１９７６０５号公報

ところで、上述したような流体圧アクチュエータでは、流体（例えば空気）のアクチュエータ本体部への流入、及び流体のアクチュエータ本体部からの流出によって、アクチュエータ本体部の膨張と収縮とが頻繁に繰り返されるため、アクチュエータ本体部の温度が上昇する問題がある。

アクチュエータ本体部がこのような温度変化を繰り返すことによって、特にチューブの劣化が進行し、最終的にはアクチュエータ本体部が破損する。このため、流体圧アクチュエータの寿命が縮まってしまうことが懸念される。

そこで、本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、アクチュエータ本体部の内部空間に充填体を備えることによって、温度変化に伴うアクチュエータ本体部の劣化を抑制し得る流体圧アクチュエータの提供を目的とする。

本発明の一態様に係る流体圧アクチュエータ（流体圧アクチュエータ10）は、流体の圧力によって膨張及び収縮する円筒状のチューブ（チューブ110）と、所定方向に配向されたコードを編み込んだ構造体であり、前記チューブの外周面を覆うスリーブ120（スリーブ120）とによって構成されるアクチュエータ本体部（アクチュエータ本体部100）を備える。流体圧アクチュエータは、前記アクチュエータ本体部の内部空間に充填される充填体（例えば、充填体130）を備える。前記充填体は、金属で形成された繊維が絡まりあってまとまった嵩高部材によって構成される。

本発明の一態様において、前記アクチュエータ本体部の内部空間には、前記圧力によって体積が変化しない粒子状部材が封入されてもよい。

本発明の一態様において、前記粒子状部材は、内部に空間が形成された中空状であってもよい。

本発明の一態様において、前記粒子状部材は、前記嵩高部材に形成されている空隙に入り込むサイズを有していてもよい。

本発明の一態様において、前記流体圧アクチュエータには、前記流体が流入及び流出の際に通過する通過孔（通過孔410）が形成され、前記充填体は、前記アクチュエータ本体部の内部空間において、前記通過孔側の一部に備えられてもよい。

本発明の一態様に係る流体圧アクチュエータによれば、アクチュエータ本体部の内部空間に充填体を備えることによって、温度変化に伴うアクチュエータ本体部の劣化を抑制し得る。

図１は、流体圧アクチュエータ10の側面図である。図２は、流体圧アクチュエータ10の概略動作説明図である。図３は、アクチュエータ本体部100を一部破断した流体圧アクチュエータ10の側面図である。図４は、変更例に係るアクチュエータ本体部100を一部破断した流体圧アクチュエータ10Aの側面図である。

以下、実施形態を図面に基づいて説明する。なお、同一の機能や構成には、同一または類似の符号を付して、その説明を適宜省略する。

（１）流体圧アクチュエータの全体概略構成
図１は、本実施形態に係る流体圧アクチュエータ10の側面図である。図１に示すように、流体圧アクチュエータ10は、アクチュエータ本体部100、封止機構200及び封止機構300を備える。また、流体圧アクチュエータ10の両端には、連結部20がそれぞれ設けられる。

アクチュエータ本体部100は、チューブ110とスリーブ120とによって構成される。アクチュエータ本体部100には、フィッティング400及び通過孔410を介して流体が流入する。

チューブ110は、流体の圧力によって膨張及び収縮する円筒状の筒状体である。チューブ110は、流体による収縮及び膨張を繰り返すため、ブチルゴムなど弾性材料によって構成される。また、流体圧アクチュエータ10を油圧駆動とする場合には、耐油性が高いNBR（ニトリルゴム）を用いてもよい。

スリーブ120は、円筒状であり、チューブ110の外周面を覆う。スリーブ120は、所定方向に配向されたコードを編み込んだ構造体であり、配向されたコードが交差することによって菱形の形状が繰り返されている。スリーブ120は、このような形状を有することによって、パンタグラフ変形し、チューブ110の収縮及び膨張を規制しつつ追従する。

スリーブ120を構成するコードとしては、芳香族ポリアミド（アラミド繊維）やポリエチレンテレフタラート（PET）の繊維コードを用いることが好ましい。但し、このような種類の繊維コードに限定されるものではなく、例えば、PBO繊維（ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール）などの高強度繊維や、極細のフィラメントによって構成される金属製のコードでもよい。

アクチュエータ本体部100は、チューブ110内への流体の流入によって、アクチュエータ本体部100の径方向D_Rにおいて膨張し、軸方向D_AXにおいて収縮する。また、アクチュエータ本体部100は、チューブ110から流体の流出によって、アクチュエータ本体部100の径方向D_Rにおいて収縮し、軸方向D_AXにおいて膨張する。

このようなアクチュエータ本体部100の形状変化によって、流体圧アクチュエータ10は、アクチュエータとしての機能を発揮する。なお、流体圧アクチュエータ10の概略動作については、さらに後述する。

流体圧アクチュエータ10の駆動に用いられる流体は、空気などの気体、または水、鉱物油などの液体のどちらでもよい。

また、このような流体圧アクチュエータ10は、いわゆるマッキベン型であり、人工筋肉用として適用できることは勿論のこと、より高い能力（収縮力）が要求されるロボットの体肢（上肢や下肢など）用としても好適に用い得る。連結部20には、当該体肢を構成する部材などが連結される。

封止機構200及び封止機構300は、軸方向D_AXにおけるアクチュエータ本体部100の両端部を封止する。具体的には、封止機構200は、封止部材210及びかしめ部材230を含む。封止部材210は、アクチュエータ本体部100の軸方向D_AXの端部を封止する。また、かしめ部材230は、アクチュエータ本体部100を封止部材210とともにかしめる。かしめ部材230の外周面には、治具によってかしめ部材230がかしめられた痕である圧痕231が形成される。

封止機構200と封止機構300との相違点は、フィッティング400（及び通過孔410）が設けられているか否かである。

フィッティング400は、流体圧アクチュエータ10の駆動圧力源、具体的には、気体や液体のコンプレッサと接続されたホース（管路）を取り付けられるように突出している。

流体圧アクチュエータ10には、流体が流入及び流出の際に通過する通過孔410が形成される。なお、図１では図示されていないが、封止機構200の内部にも流体が通過する通過孔が形成される。

フィッティング400を介して流入した流体は、通過孔410を通過してアクチュエータ本体部100の内部、具体的には、チューブ110の内部に流入する。

（２）流体圧アクチュエータ10の概略動作
図２（ａ）及び（ｂ）は、流体圧アクチュエータ10の概略動作説明図である。図２（ａ）は、流体圧アクチュエータ10の非駆動時の状態を示す。具体的には、図２（ａ）は、流体圧アクチュエータ10に流体が流入していない状態を示す。

図２（ｂ）は、流体圧アクチュエータ10の駆動時の状態を示す。具体的には、図２（ｂ）は、流体圧アクチュエータ10に流体が流入している状態を示す。

図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、流体圧アクチュエータ10に流体が流入すると、アクチュエータ本体部100は、径方向D_Rにおいて膨張するとともに、軸方向D_AXにおいて収縮する。これにより、流体圧アクチュエータ10の軸方向D_AXにおける長さが短くなるため、連結部20（図１参照）に連結された部材を動かす。

一方、流体圧アクチュエータ10から流体が流出すると、アクチュエータ本体部100は、径方向D_Rにおいて収縮するとともに、軸方向D_AXにおいて膨張し、図２（ａ）の状態に戻る。これにより、流体圧アクチュエータ10の軸方向D_AXにおける長さも元に戻る。

流体圧アクチュエータ10、具体的には、アクチュエータ本体部100の内部空間への流体の流入と、アクチュエータ本体部100の内部空間からの流体の流出とを制御することによって、流体圧アクチュエータ10に接続されている部材に所望の動きを与えることが可能となる。このように、アクチュエータ本体部100は、膨張と収縮とを繰り返す。

（３）アクチュエータ本体部100の内部構造
図３は、本実施形態に係るアクチュエータ本体部100を一部破断した流体圧アクチュエータ10の側面図である。

図３に示すように、流体圧アクチュエータ10は、充填体130を備える。充填体130は、アクチュエータ本体部100の内部空間に充填される。

充填体130は、金属で形成された繊維が絡まりあってまとまった嵩高部材によって構成される。具体的には、嵩高部材としては、スチールウールを用いることができる。

スチールウールとしては、繊維径0.01mm〜0.1mm程度のものが好適に用いられる。例えば、日本スチールウール株式会社製のボンスター業務用の＃0000〜#5の何れも用いることができる。繊維径については、封入する粒子状部材140の大きさに合わせて最適なものを選ぶことができる。

なお、繊維径が細いほど、重量当たりの表面積が大きくなるので、空気との熱交換の効率が良くなるため、温度の均一化の効果が高くなり有利である。

勿論、スチールではなく、他の金属、例えば、銅や黄銅で形成された繊維状の部材が絡まりあってまとまった嵩高部材を用いてもよい。

嵩高部材は、繊維が絡まりあってまとまっているため、適度な空隙が形成されている。嵩高部材は、このように嵩高であるため密度が低い。また、嵩高部材は、金属で形成された繊維が絡まりあってまとまっているため、バネ状である。

また、本実施形態では、アクチュエータ本体部100の内部空間には、粒子状部材140が封入される。

粒子状部材140は、細かい粒子（ビーズ状）の集合体である。粒子のサイズは、特に限定されないが、アクチュエータ本体部100の駆動を妨げない程度に小さいことが好ましい。また、粒子状部材140は、充填体130を構成する嵩高部材に形成されている空隙に入り込むサイズを有していることが好ましい。

粒子状部材140は、アクチュエータ本体部100の内部空間に流入する流体の圧力によって体積が変化しないような材料で構成されることが好ましい。さらに、流体圧アクチュエータ10の軽量化を図るため、各粒子の内部に空間が形成された中空状であることが好ましい。

粒子状部材140としては、例えば、直径5mm程度のポリエステルやポリプロピレンなどで形成されたプラスチック球を用いることができる。

（４）変更例
図４は、変更例に係るアクチュエータ本体部100を一部破断した流体圧アクチュエータ10Aの側面図である。以下、上述した流体圧アクチュエータ10との相違点について、主に説明する。

流体圧アクチュエータ10Aは、充填体130Aを備える。充填体130Aは、アクチュエータ本体部100の内部空間において、フィッティング400に連通する通過孔410側の一部に備えられる。つまり、充填体130Aは、アクチュエータ本体部100の内部空間全体には備えられず、アクチュエータ本体部100の内部空間の一部に備えられる。

なお、充填体130Aは、アクチュエータ本体部100を効果的に冷却する観点から、流体が通過する通過孔410の近傍に備えることが好ましいが、必ずしも通過孔410側の一部でなくても構わない。例えば、アクチュエータ本体部100の内部空間の軸方向D_AXにおける中央部に充填体130Aを備えてもよい。すなわち、充填体130Aとして、大きな表面積（十分な熱伝達速度）及び必要な熱容量を有したものがアクチュエータ本体部100内に存在すれば、空気の温度変化は抑制できる。このため、充填体130Aの位置は、アクチュエータ本体部100の内部空間の特定位置に限定されるもののではない。

さらに、充填体130Aが備えられていないアクチュエータ本体部100の内部空間が存在するため、流体圧アクチュエータ10Aでは、流体圧アクチュエータ10よりも多量の粒子状部材140をアクチュエータ本体部100の内部空間に封入してもよい。

（５）作用・効果
上述した実施形態によれば、以下の作用効果が得られる。アクチュエータ本体部100の内部空間には、スチールウールなどの嵩高部材によって構成された充填体130が備えられる。充填体130は、金属で形成された繊維が絡まりあってまとまったものであるため、熱伝導率が極めて高く、表面積を稼ぐことができる。

これにより、アクチュエータ本体部100が膨張と収縮とを繰り返すことによる発熱、特に、チューブ110が変形を繰り返すことによる発熱を抑制できる。つまり、アクチュエータ本体部100の温度変化を抑制できる。

すなわち、流体圧アクチュエータ10によれば、温度変化に伴うアクチュエータ本体部100の劣化を抑制でき、流体圧アクチュエータ10の寿命を延ばすことができる。

より具体的には、充填体130は、チューブ110の膨張及び収縮による変形にも抵抗なく追従して変形するため、アクチュエータ本体部100の内部空間全体に備えることができる。また、充填体130は、嵩密度が極めて低いため、アクチュエータ本体部100の内部空間全体に備えても流体圧アクチュエータ10の重量は殆ど変わらない。つまり、充填体130を備えても流体圧アクチュエータ10の機能を特に阻害することもない。

本実施形態では、アクチュエータ本体部100の内部空間には、粒子状部材140が封入される。粒子状部材140は、アクチュエータ本体部100の内部空間に流入する流体の圧力によって体積が変化しない材料で構成されることが好ましく、適切な量の粒子状部材140をアクチュエータ本体部100の内部空間に封入することによって、流体圧アクチュエータ10の駆動に必要な流体の量を低減できる。

例えば、流体圧アクチュエータを人間の動作をパワーアシストするような用途で用いる場合、流体圧アクチュエータ10によれば、圧縮エアタンクの小型化に寄与する。さらに、流体圧アクチュエータの動作の度に、圧縮エアタンク内の圧縮空気が排気されるが、流体圧アクチュエータ10によれば、一度の動作に必要な圧縮空気の容量を減らせるため、駆動可能時間（回数）を大幅に増やすことができる。

また、粒子状部材140は、充分に細かい粒子状であり、具体的には、充填体130（嵩高部材）に形成されている空隙に入り込むサイズを有しているため、チューブ110の膨張及び収縮による変形を阻害することもない。

さらに、粒子状部材140は、内部に空間が形成された中空状である。このため、アクチュエータ本体部100の内部空間に粒子状部材140を封入しても流体圧アクチュエータ10の重量は殆ど変わらない。つまり、粒子状部材140を備えても流体圧アクチュエータ10の機能を特に阻害することもない。

また、上述した変更例に示したように、充填体130Aは、アクチュエータ本体部100の内部空間において、通過孔410側の一部に備えられてよい。この場合、充填体130Aが通過孔410側に備えられており、充填体130Aが備えられていない内部空間が存在するため、チューブ110の膨張及び収縮による変形をさらに阻害しない。また、充填体130Aが通過孔410側に備えられるため、アクチュエータ本体部100に流入またはアクチュエータ本体部100から流出する流体の温度を効果的に低下させることができる。

（６）その他の実施形態
以上、実施例に沿って本発明の内容を説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変形及び改良が可能であることは、当業者には自明である。

例えば、上述した実施形態及び変更例では、アクチュエータ本体部100の内部空間に粒子状部材140が封入されていたが、粒子状部材140は必ずしも必須ではなく、充填体130（または充填体130A）のみ、つまり、スチールウールなどの嵩高部材のみをアクチュエータ本体部100の内部空間に備えてもよい。

さらに、粒子状部材140の形状は、アクチュエータ本体部100の伸縮によって内部空間の形状が変化した場合における良好な追従性を考慮すると、球形が好ましいが、必ずしも球形に限定されるものではない。例えば、粒子状部材140の形状は、長さが短い円柱状としてもよい。

また、上述した実施形態では、アクチュエータ本体部100の内部空間に充填体130（または充填体130A）と粒子状部材140とが入り混じるように備えられていたが、流体が通過可能な隔壁をアクチュエータ本体部100の内部空間に設け、に充填体130（または充填体130A）と粒子状部材140とを分離して備えてもよい。

上記のように、本発明の実施形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

10, 10A 流体圧アクチュエータ
20 連結部
100 アクチュエータ本体部
110 チューブ
120 スリーブ
130, 130A 充填体
140 粒子状部材
200 封止機構
210 封止部材
230 かしめ部材
231 圧痕
300 封止機構
400 フィッティング
410 通過孔

Claims

流体の圧力によって膨張及び収縮する円筒状のチューブと、所定方向に配向されたコードを編み込んだ構造体であり、前記チューブの外周面を覆うスリーブとによって構成されるアクチュエータ本体部を備える流体圧アクチュエータであって、
前記アクチュエータ本体部の内部空間に充填される充填体を備え、
前記充填体は、金属で形成された繊維が絡まりあってまとまった嵩高部材によって構成され、
前記アクチュエータ本体部の内部空間には、前記圧力によって体積が変化しない粒子状部材が封入され、
前記粒子状部材は、内部に空間が形成された中空状である流体圧アクチュエータ。
前記粒子状部材は、前記嵩高部材に形成されている空隙に入り込むサイズを有している請求項１に記載の流体圧アクチュエータ。
前記流体圧アクチュエータには、前記流体が流入及び流出の際に通過する通過孔が形成され、
前記充填体は、前記アクチュエータ本体部の内部空間において、前記通過孔側の一部に備えられる請求項１または２に記載の流体圧アクチュエータ。