JP6889992B2 - 流体圧アクチュエータ - Google Patents

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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（例えば、特許文献１）。
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両端は、金属で形成された封止部材を用いてかしめられる。
スリーブは、ポリアミド繊維などの高張力繊維または金属のコードを編み込んだ筒状の構造体であり、チューブの膨張運動を所定範囲に規制する。
このような流体圧アクチュエータは、様々な分野で用いられているが、特に、介護・福祉用機器の人工筋肉として好適に用いられている。
特開昭61-236905号公報
上述したような流体圧アクチュエータは、介護・福祉用機器の人工筋肉以外に、ロボットなどにも用い得る。このような流体圧アクチュエータでは、より高い収縮力が求められるため、流体に鉱物油などを用いた油圧駆動とすることが考えられる。
油圧駆動の場合、流体圧アクチュエータの内部には、極めて高い圧力（5MPa程度）が掛かるため、流体圧アクチュエータが故障する可能性が高まる。具体的には、アクチュエータ本体部、つまり、チューブ及びスリーブが封止部材から外れてしまい、作動不能となる。
そこで、本発明は、油圧駆動とした場合など、高い圧力が掛かる場合でも、チューブ及びスリーブが封止部材から外れてしまい、作動不能となることを確実に防止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（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）と、前記アクチュエータ本体部の軸方向（軸方向DAX）において、前記アクチュエータ本体部の端部を封止する封止機構（例えば、封止機構200）とを備える。
前記封止機構は、前記アクチュエータ本体部が挿通される封止部材（封止部材210）と、前記封止部材に挿通された前記アクチュエータ本体部の外周面に設けられ、前記アクチュエータ本体部を拘束する拘束部材（例えば、かしめリング230）と、前記封止部材に前記スリーブを係止する係止部材（例えば、係止リング220）とを備える。
前記封止部材は、前記チューブが挿通される胴体部（胴体部212）と、前記胴体部に連なり、前記軸方向において、前記胴体部の外側に設けられる頭部（頭部211）と、前記胴体部と前記頭部との間に設けられ、前記胴体部よりも前記アクチュエータ本体部の径方向外側に凸状であるフランジ部（フランジ部214）とを有する。
本発明の一態様に係る流体圧アクチュエータによれば、油圧駆動とした場合など、高い圧力が掛かる場合でも、チューブ及びスリーブが封止部材から外れてしまい、作動不能となることを確実に防止し得る。
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の一部分解斜視図である。 図３は、封止部材210の単体斜視図である。 図４は、図３のF4-F4線に沿った封止部材210の断面図である。 図５は、封止機構200の含む流体圧アクチュエータ10の軸方向DAXに沿った一部断面図である。 図６は、封止機構200Aの分解斜視図である。 図７は、封止機構200Aを含む流体圧アクチュエータ10の軸方向DAXに沿った一部断面図である。 図８は、封止機構200Bの分解斜視図である。 図９は、拘束クランプ230Aの単体斜視図である。 図１０は、拘束バンド230Bの単体斜視図である 図１１は、封止機構200Cを含む流体圧アクチュエータ10の軸方向DAXに沿った一部断面図である。
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。
封止機構200及び封止機構300は、軸方向DAX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及びかしめリング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DAXの端部を封止する。また、かしめリング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。かしめリング230の外周面には、治具によってかしめリング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、流体用の接続口211aが設けられているか否かである。
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、接続口211aを介して流体が流入する。
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の軸方向DAXにおいて収縮し、径方向DRにおいて膨張する。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の軸方向DAXにおいて膨張し、径方向DRにおいて収縮する。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。
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が、特に、流体圧アクチュエータ10は、アクチュエータ本体部100に高い圧力が掛かる油圧駆動にも耐え得る高い耐久性を有する。
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。
図２は、流体圧アクチュエータ10の一部分解斜視図である。図２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及び封止機構200を備える。
アクチュエータ本体部100は、上述したように、チューブ110とスリーブ120とによって構成される。
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。本実施形態では、チューブ110の内径Φは、9.5mmである。
流体圧アクチュエータ10を油圧駆動とする場合には、チューブ110の材料として、耐油性が高いNBR（ニトリルゴム）、またはNBR、水素化NBR、クロロプレンゴム、及びエピクロロヒドリンゴムからなる群より選択される少なくとも一種であってもよい。
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。
封止機構200はアクチュエータ本体部100の軸方向DAXにおける端部を封止する。封止機構200は、封止部材210、係止リング220及びかしめリング230によって構成される。
封止部材210には、アクチュエータ本体部100が挿通される。封止部材210としては、ステンレス鋼などの金属を好適に用い得るが、このような金属に限定されず、硬質プラスチック材料などを用いてもよい。
係止リング220は、封止部材210にスリーブ120を係止する。本実施形態において、係止リング220は、係止部材を構成する。具体的には、スリーブ120は、係止リング220を介して径方向DR外側に折り返される（図２において不図示、図５参照）。
係止リング220には、封止部材210と係合できるように一部が切り欠かれた切欠き部221が形成されている。係止リング220としては、封止部材210と同様の金属や硬質プラスチック材料などを用いることができる。
かしめリング230は、封止部材210に挿通されたアクチュエータ本体部100の外周面に設けられ、アクチュエータ本体部100を拘束する。本実施形態において、かしめリング230は、拘束部材を構成する。
かしめリング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。かしめリング230としては、アルミニウム合金、真鍮及び鉄などの金属を用いることができる。かしめ用の治具によってかしめリング230がかしめられると、圧痕231（図１参照）が形成される。
（２）封止機構の構成
次に、図３〜図５を参照して、封止機構200の具体的な構成について説明する。
（２．１）封止部材210の形状
図３は、封止部材210の単体斜視図である。図４は、図３のF4-F4線に沿った封止部材210の断面図である。
図３及び図４に示すように、封止部材210は、頭部211、胴体部212及び首部213を備える。また、封止部材210は、フランジ部214及び連結部216を備える。
頭部211は、胴体部212に連なる。頭部211は、軸方向DAX（図１参照）において、胴体部212の外側に設けられる。頭部211には、接続口211aが形成される。
接続口211a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などと接続されたホース（管路）が接続される。
また、頭部211は、軸方向DAXにおけるかしめリング230の端面232（図３，４で不図示、図２，５参照）と当接する当接面211bを有する当接面211bは、端面232と面接触できる平坦な面である。
胴体部212は、チューブ110（図１，２参照）が挿通される部分である。具体的には、胴体部212は、封止部材210に挿通されたチューブ110の内周面と接する。
胴体部212の外周面には、チューブ110が封止部材210から抜け難くするため、段状部分212aが形成される。段状部分212aは、チューブ110の胴体部212からの引き抜き方向に対して抵抗となるように、径方向DR（図１参照）外側に向けて凸となっている。
首部213は、フランジ部214と頭部211との間に設けられる。首部213の直径は、封止部材210の他の部分の直径よりも細い。本実施形態では、首部213の直径Φは、8mmである。また、首部213の径方向DRにおけるサイズは、胴体部212及び頭部211よりも小さい。
フランジ部214は、胴体部212と頭部211との間、具体的には、胴体部212及び首部213に隣接して設けられる。フランジ部214は、胴体部212よりも径方向DR外側に凸状である。より具体的には、フランジ部214は、首部213の外周面から径方向DR外側に突出した円環状である
本実施形態では、フランジ部214の直径Φは、13mmである。上述したように、首部213の直径Φが8mmであるため、フランジ部214と首部213との段差は、2.5mmである。
また、フランジ部214は、軸方向DAXにおけるチューブ110の端面111（図３，４で不図示、図２，５参照）と当接する当接面214aを有する。当接面214aは、端面111と面接触できる平坦な面である。
封止部材210の内部には、軸方向DAXに沿って貫通孔215が形成される。貫通孔215は、接続口211aに連通しており、貫通孔215を介してアクチュエータ本体部100に流体が流入する。本実施形態では、貫通孔215の直径Φは、3mmである。
また、封止部材210には、連結部216が設けられる。具体的には、連結部216は、頭部211の軸方向DAX外側に設けられる。連結部216には、ロボットの体肢を構成する部材などを係合するために、係合孔216aが形成される。
（２．２）封止機構200の構成
図５は、封止機構200の含む流体圧アクチュエータ10の軸方向DAXに沿った一部断面図である。
図５に示すように、チューブ110は、胴体部212に挿通される。上述したように、当接面214aは、チューブ110の端面111と当接する。具体的には、当接面214aは、端面111と面接触する。また、段状部分212aは、かしめリング230によってアクチュエータ本体部100が封止部材210とともにかしめられることによって、チューブ110の内周面に食い込み、チューブ110が胴体部212から抜けることをより確実に防止する。
係止リング220は、スリーブ120の外周面に設けられ、スリーブ120は、係止リング220を介して軸方向DAX中央側に折り返される。具体的には、スリーブ120は、係止リング220を介して折り返された折り返し部分120aを有する。また、折り返し部分120aは、係止リング220を介して径方向DR外側に折り返されており、かしめリング230の内周面と当接する。
かしめリング230は、チューブ110及び係止リング220を介して折り返されたスリーブ120を封止部材210とともにかしめることによって、アクチュエータ本体部100を封止部材210に固定する。
かしめリング230は、面取り部233を有する。面取り部233は、軸方向DAX中央側の端部に形成される。面取り部233は、軸方向DAX中央側に向かうに連れてかしめリング230の内径が広がる形状を有する。面取り部233は、かしめリング230の軸方向DAX中央側の端部と、折り返し部分120aとの過度な接触を回避するために形成される。
また、上述したように、頭部211の当接面211bは、かしめリング230の端面232と当接する。具体的には、当接面211bは、端面232と面接触する。
（３）作用・効果
上述したように、流体圧アクチュエータ10では、封止部材210にスリーブ120を係止する係止リング220が設けられ、封止部材210には、径方向DR外側に凸状であるフランジ部214が設けられる。また、チューブ110及びスリーブ120によって構成されるアクチュエータ本体部100は、かしめリング230によって拘束される。
これにより、係止リング220の軸方向DAX中央側への移動がフランジ部214によって規制され、係止リング220を介して折り返されたスリーブ120の移動も抑制される。この結果、チューブ110が胴体部212から抜けてしまうことを確実に防止できる。
このため、流体圧アクチュエータ10を油圧駆動とした場合など、高い圧力が掛かる場合でも、チューブ110及びスリーブ120が封止部材210から外れてしまい、作動不能となることを確実に防止し得る。
より具体的には、かしめリング230によってアクチュエータ本体部100を封止部材210とともにかしめる際に、かしめリング230とフランジ部214とによって、スリーブ120を直接拘束するため、フランジ部214がない構造と比較すると、アクチュエータ本体部100の抜け止め効果が大幅に向上する。上述した流体圧アクチュエータ10によれば、軸方向DAXにおいて、流体圧アクチュエータ10を3,500N相当の力で引っ張ってもアクチュエータ本体部100が抜けないことが確認できている。
本実施形態では、胴体部212と頭部211との間、具体的には、胴体部212及び首部213に隣接してフランジ部214が設けられる。また、首部213の径方向DRにおけるサイズ（直径）は、胴体部212及び頭部211よりも小さい。
これにより、首部213とフランジ部214との間に明確な段差（本実施形態では、2.5mm）ができ、係止リング220の移動がフランジ部214によって、さらに確実に規制されるとともに、かしめリング230とフランジ部214とによって、スリーブ120をより強固に拘束できる。このため、チューブ110及びスリーブ120が封止部材210から外れてしまうことを、さらに確実に防止し得る。
なお、首部213の直径を細くし過ぎると、アクチュエータ本体部100が膨張した際の張力によって首部213の部分が破断し易くなる。一方、流体の円滑な通過を妨げないようにする観点からは、貫通孔215の内径はある程度大きくしたい。従って、上述した実施形態に係る封止部材210の各部のサイズ（Φ）程度とすることが好ましい。
本実施形態では、フランジ部214は、首部213の外周面から径方向DR外側に突出した円環状である。これにより、フランジ部214は、スリーブ120と面接触するため、アクチュエータ本体部100の抜け止め効果をさらに向上し得る。
本実施形態では、フランジ部214は、チューブ110の端面111と当接する当接面214aを有する。また、頭部211は、かしめリング230の端面232と当接する当接面211bを有する。これにより、封止部材210による密封性を高めることができ、高圧力下において流体が漏れ出すことによって、アクチュエータ本体部100の抜け止め効果をさらに向上し得る。
本実施形態では、かしめリング230の面取り部233は、軸方向DAX中央側に向かうに連れてかしめリング230の内径が広がる形状を有する。これにより、スリーブ120の折り返し部分120aの損傷が防止され、当該損傷に起因するアクチュエータ本体部100の抜けをより確実に防止し得る。
（４）封止機構の変更例
次に、図６〜図１０を参照して、封止機構の変更例について説明する。以下、上述した実施形態に係る封止機構200と異なる部分について主に説明し、同様の部分については、その説明を適宜省略する。
（４．１）変更例１
図６は、封止機構200Aの分解斜視図である。図７は、封止機構200Aを含む流体圧アクチュエータ10の軸方向DAXに沿った一部断面図である。なお、図６では、かしめリング230が装着される前であり、スリーブ120が折り返される前の状態を示している。
封止機構200Aでは、係止リング220に代えて係止ワイヤ220Aが用いられる。係止ワイヤ220Aは、針金であり、封止部材210の首部213（図３〜図５参照）の領域において、スリーブ120の外周面に巻き付けられる。係止ワイヤ220Aは、係止部材の変形例の一例である。
係止ワイヤ220Aは、スリーブ120の外周面に少なくとも数回巻き付けられることが好ましい。また、係止ワイヤ220Aの両端部は、互いに捻って結束してもよいし、結束せずに、単に首部213に巻き付けるようにしてもよい。
係止ワイヤ220Aは、係止リング220と比較すると、スリーブ120を封止部材210に締結でき、スリーブ120の抜け止め効果をさらに向上し得る。
（４．２）変更例２
図８は、封止機構200Bの分解斜視図である。なお、図８では、かしめリング230が装着される前であり、スリーブ120が折り返される前の状態を示している。
封止機構200Bでは、係止リング220に代えて係止クランプ220Bが用いられる。係止クランプ220Bは、切欠き（不図示）が形成されており、ねじ部222を用いて、スリーブ120を封止部材210に締結する。係止クランプ220Bは、係止部材の変形例の一例である。
係止クランプ220Bは、係止リング220及び係止ワイヤ220Aと比較すると、スリーブ120を封止部材210により強固に締結することができる。
（４．３）変更例３
図９は、拘束クランプ230Aの単体斜視図である。拘束クランプ230Aは、かしめリング230に代えて用いられる。拘束クランプ230Aは、拘束部材の変形例の一例である。
図９に示すように、拘束クランプ230Aは、クランプ本体部234a及びクランプ本体部234bの２ピース構造である。クランプ本体部234aとクランプ本体部234bとは、ボルト235及びナット236を用いて連結され、アクチュエータ本体部100（図１，図２など参照）を拘束する。
拘束クランプ230Aは、かしめリング230と比較すると着脱が容易なため、流体圧アクチュエータ10の保守性の向上に寄与し得る。
（４．４）変更例４
図１０は、拘束バンド230Bの単体斜視図である。拘束バンド230Bは、かしめリング230に代えて用いられる。拘束バンド230Bは、拘束部材の変形例の一例である。
図１０に示すように、拘束バンド230Bは、バンド部237及びねじ部238を備える。ねじ部238を用いてバンド部237の内径を狭めることによってアクチュエータ本体部100（図１，図２など参照）を拘束する。
拘束バンド230Bも、かしめリング230と比較すると着脱が容易なため、流体圧アクチュエータ10の保守性の向上に寄与し得る。
（４．５）変更例５
図１１は、封止機構200Cを含む流体圧アクチュエータ10の軸方向DAXに沿った一部断面図である。図１１に示すように、封止機構200Cでは、かしめリング230Cが用いられる。
かしめリング230Cは、かしめリング230（図５参照）と比較すると、封止部材210の頭部211側、つまり、軸方向DAXの外側の端部には、径方向DRの内側に向かって凸となる凸部239を有する。
かしめリング230Cによれば、凸部239によって係止リング220の移動をさらに確実に規制できるため、アクチュエータ本体部100の抜け止め効果をさらに向上し得る。
（５）その他の実施形態
以上、実施形態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、上述した実施形態では、封止部材210は、他の部分よりも細い首部213を備えていたが、このような首部213は、必ずしも備えられていなくても構わない。つまり、封止部材210の頭部211と、フランジ部214との間には、胴体部212と同等の太さの首部が備えられていてもよい。
また、フランジ部214の当接面214aは、チューブ110の端面111と面接触できる平坦な面でなくても構わない。同様に、頭部211の当接面211bは、かしめリング230の端面232と面接触できる平坦な面でなくても構わない。さらに、かしめリング230の面取り部233も、必ずしも形成されていなくても構わない。
上述した実施形態では、フランジ部214は円環状であったが、必ずしも円環状でなくてもよく、多角形状（例えば、八角形）などでもよい。
また、封止部材210の連結部216は、設けられていなくてよい。つまり、連結部216は、流体圧アクチュエータ10の用途に応じて設けられてよいし、設けられなくてもよい。さらに、連結部216にねじ部を形成し、頭部211に対して着脱可能としてもよい。
上述した実施形態では、スリーブ120は係止リング220を介して折り返されていたが、スリーブ120は、必ずしも軸方向DAX中央側に折り返されていなくてもよい。
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 流体圧アクチュエータ
100 アクチュエータ本体部
110 チューブ
111 端面
120 スリーブ
120a 折り返し部分
200, 200A, 200B 封止機構
210 封止部材
211 頭部
211a 接続口
211b 当接面
212 胴体部
212a 段状部分
213 首部
214 フランジ部
214a 当接面
215 貫通孔
216 連結部
216a 係合孔
220 係止リング
220A 係止ワイヤ
220B 係止クランプ
221 ねじ部
230, 230C かしめリング
230A 拘束クランプ
230B 拘束バンド
231 圧痕
232 端面
233 面取り部
234a, 234b クランプ本体部
235 ボルト
236 ナット
237 バンド部
238 ねじ部
239 凸部
300 封止機構

Claims (4)

  1. 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と、
    前記アクチュエータ本体部の軸方向において、前記アクチュエータ本体部の端部を封止する封止機構と
    を備える流体圧アクチュエータであって、
    前記封止機構は、
    前記アクチュエータ本体部が挿通される封止部材と、
    前記封止部材に挿通された前記アクチュエータ本体部の外周面に設けられ、前記アクチュエータ本体部を拘束する拘束部材と、
    前記封止部材に前記スリーブを係止する係止部材と
    を備え、
    前記封止部材は、
    前記チューブが挿通される胴体部と、
    前記胴体部に連なり、前記軸方向において、前記胴体部の外側に設けられる頭部と、
    前記胴体部と前記頭部との間に設けられ、前記胴体部よりも前記アクチュエータ本体部の径方向外側に凸状であるフランジ部と
    を有し、
    前記フランジ部は、前記軸方向における前記チューブの端面と当接する当接面を有し、
    前記スリーブは、前記拘束部材と前記フランジ部とによって直接拘束され、
    前記頭部は、前記軸方向における前記拘束部材の端面と当接する当接面を有する流体圧アクチュエータ。
  2. 前記封止部材は、前記フランジ部と前記頭部との間に設けられ、前記径方向におけるサイズが前記胴体部及び前記頭部よりも小さい首部を有する請求項１に記載の流体圧アクチュエータ。
  3. 前記フランジ部は、前記首部の外周面から前記径方向外側に突出した円環状である請求項２に記載の流体圧アクチュエータ。
  4. 前記拘束部材は、前記軸方向中央側の端部に形成された面取り部を有し、
    前記面取り部は、前記軸方向中央側に向かうに連れて前記拘束部材の内径が広がる形状を有し、
    前記スリーブは、前記係止部材を介して前記軸方向中央側に折り返される請求項１乃至３の何れか一項に記載の流体圧アクチュエータ。
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