JP7015515B2 - 流体注入式アクチュエータの製造方法及び流体注入式アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、空気等の流体の給排により駆動される流体注入式アクチュエータの製造方法及び流体注入式アクチュエータに関する。

従来、特許文献１や特許文献２に示す流体注入式のアクチュエータが知られている。特許文献１に開示される流体注入式アクチュエータは、ゴム状の弾性素材により伸縮自在に構成され、非伸長性の複数の繊維が軸方向に沿って内包された管体の両端の開口に閉塞部材を挿入し、管体の両端部を閉塞部材と共に連結部材を用いて加締めることにより作製されている。そして、閉塞部材によって密閉された管体の内部空間に圧縮空気を供給すると、内包された繊維の拘束力によって、管体は径方向に膨張しつつ軸方向に収縮することで、軸方向への駆動力（牽引力）が得られるように構成される。
また、特許文献２に開示される流体注入式アクチュエータは、ゴム状の弾性素材からなる一方長尺の矩形状の２枚の弾性シートを重ね、周縁部を接合することで、流体を収容可能とする流体収容室を形成したチューブ状弾性体により構成される。弾性シートには、該弾性シートの長手方向の長さよりもチューブ状弾性体の軸方向長さよりも十分短い、所謂短繊維が内包されており、流体収容室に流体を収容したときに、繊維の拘束力によって、チューブ状弾性体を長手方向に収縮させて、駆動力（牽引力）が得られるように構成されている（特許文献２）。

特開２０１４－２３４８３８号公報 特開２０１５－１８０８２９号公報

しかしながら、特許文献１，２に開示される流体注入式アクチュエータは、製造に手間を要するという問題がある。特許文献１の管体では、内包される複数の繊維を軸方向に沿うように配向するとともに繊維の両端部が閉塞部材に固定されるようにする必要がある。また、特許文献２のチューブ状弾性体では、短繊維の一部が長手方向に配向するように短繊維を含む２枚の弾性シートを張り合わせる必要がある。
そこで、本発明では、上記問題点を解決すべく、上記不都合を解消することにより、生産性を向上可能な流体注入式アクチュエータの製造方法及び流体注入式アクチュエータを提供することを目的とする。

上記課題を解決するための流体注入式アクチュエータの製造方法として、円筒状に形成された筒状弾性体の両端を封止部材により封止して形成された空間に、流体を注入することにより、軸方向に収縮し、径方向に膨張する流体注入式アクチュエータの製造方法であって、繊維を含むゴム生地を、対向方向に回転する一対のロールの間を所定回数通過させ、前記繊維の一部の延長方向が一方向に対して所定の角度の範囲内、若しくは、全部の延長方向が一方向にのみ延長することを除くいて、一方向に対して所定の角度の範囲内となるように配向してシート状に成形し、前記一方向を軸方向とする筒状に成形した後に加硫して筒状弾性体を形成する。
本形態によれば、繊維の配向方向をロール間を通過させることで容易に設定できるので、容易に筒状弾性体が形成でき、流体注入式アクチュエータの生産性を向上させることができる。
また、流体注入式アクチュエータの製造方法の他の形態として、繊維は、筒状弾性体の一端側に固定された封止部材の一端側固定部から他端側に固定された封止部材の他端側固定部までの軸方向に沿う長さよりも短いものとした。
また、弾性素材からなり、円筒状に形成された筒状弾性体と、筒状弾性体の端部に固定され、端部を封止することにより筒状弾性体の内部に流体の供給が可能な内部空間を形成する封止部材とを備え、内部空間への流体の供給により筒状弾性体が径方向に膨張かつ軸方向に収縮するアクチュエータであって、筒状弾性体は、筒状弾性体の一端側に固定された封止部材の一端側固定部から他端側に固定された封止部材の他端側固定部までの軸方向に沿う長さよりも短く形成された複数の繊維を備え、複数の繊維は、筒状弾性体の円周方向、半径方向及び軸方向に分布して設けられ、一部が軸方向に対して所定角度の範囲内で延長し、残りが軸方向に対して所定角度の範囲外で延長するように配向、若しくは、全部が、軸方向にのみ延長することを除いて、軸方向に対して所定角度の範囲内で延長するように配向された構成されたことにより、伸縮動作において変形する際のゴムと各繊維との摩擦が少なくなり、耐久性を向上させることができる。また、上記繊維は、一端側固定部から他端側固定部までの軸方向に沿う長さよりも短い繊維を含むことにより、伸縮動作において変形する際のゴムと各繊維との摩擦が少なくなり、耐久性を向上させることができる。
また、複数の繊維は、一部が前記一端側固定部及び前記他端側固定部に含まれるように延長したり、前記一端側固定部及び前記他端側固定部の間で延長するようにしたり、複数の長さを組み合わせて構成したり、直線状若しくは蛇行して延長したりしていても良い。

アクチュエータの軸方向断面図及び半径方向断面図である。 アクチュエータが膨張したときの軸方向断面図である。 繊維補強ゴムシートの応力ひずみ線図である。 筒状弾性体の収縮率を示すグラフである。 筒状弾性体における繊維の形態を示す展開図である。

以下、発明の実施形態を通じて本発明を詳説するが、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではなく、また実施形態の中で説明される特徴の組み合わせのすべてが発明の解決手段に必須であるとは限らず、選択的に採用される構成を含むものである。

図１は、流体注入式アクチュエータの軸方向断面図及び半径方向断面図である。図２は、流体注入式アクチュエータが膨張したときの軸方向断面図である。
図１に示すように、本実施形態に係る流体注入式アクチュエータ１は、概略、弾性素材からなり円筒状に形成された筒状弾性体２と、筒状弾性体２の両端を封止する封止部材４；４とを備える。
筒状弾性体２は、ゴムを主体し、複数の繊維１２を内包して円筒状に形成される。

封止部材４；４は、筒状弾性体２の各端部の内周側に挿入され、筒状弾性体２の内部に空間Ｓが形成される。各封止部材４；４は、筒状弾性体２の外周側からバンド等の締結部材６；６により筒状弾性体２に加締め固定される。締結部材６；６により加締められた位置が筒状弾性体２に封止部材４；４が固定される実質的な固定部２０であり、この固定部２０を基点として筒状弾性体２は膨張収縮する。封止部材４は、締結部材６；６による筒状弾性体２と加締め固定できるものであれば、例えば、ゴム、樹脂、金属等の素材のいずれでも良い。流体注入式アクチュエータ１の膨縮動作の応答性を考慮した場合、軽量な素材を用いることが好ましい。

封止部材４；４の一方には、筒状弾性体２に内周及び封止部材４；４により形成された空間Ｓと外部とに連通する給排孔４０が設けられる。給排孔４０には、封止部材４から露出するチューブ４２が接続される。チューブ４２に図外の流体給排手段から延長する配管を接続することにより、流体給排手段の駆動により空間（流体室）Ｓに空気等の流体が供給・排出される。
なお、給排孔４０は、両方の封止部材４；４に設けても良く、両方の封止部材４；４側から流体を供給・排出することにより筒状弾性体２の膨張・収縮する速度、即ち、筒状弾性体２の応答速度を向上させることができる。空間Ｓに供給される流体としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、空気、窒素、水などを用いることができる。また、 空間Ｓに収容される流体の圧力は、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができる。

筒状弾性体２は、例えば、天然ゴム、シリコーンゴムやその他の合成ゴム、天然ゴムラテックス等の弾性を有するとともに非通気性の伸縮自在の素材が適用される。

図１に示すように、複数の繊維１２は、筒状弾性体２の半径方向（肉厚方向）及び軸方向に分布して埋設される。ここでいう半径方向に埋設とは、円周方向に繊維１２が分布していることを含み、具体的には、繊維１２は、円周方向、半径方向、そして軸方向に分布して埋設されている。なお、図１に示す繊維１２の長さや各方向への分布状態は、概念を示すものであって、同図に基づいて繊維１２の長さや各方向への分布が限定されるものではない。
複数の繊維１２には、例えば、アラミド繊維が適用される。複数の繊維１２は、筒状弾性体２の一端側に固定された封止部材４の一端側の固定部２０から他端側に向けて延長する繊維１２が、筒状弾性体２の他端側に固定された封止部材４の他端側の固定部２０に達する手前で終端するように設けられる。例えば、図１に示すように、繊維１２は、少なくとも封止部材４；４を締結部材６；６により筒状弾性体２に固定された固定部２０；２０間の長さよりも短い長さに設定される。このように複数の繊維１２の長さを設定することで、一端側の締結部材６により締め付けられ封止部材４に固定された繊維１２が、他端側の締結部材６により締め付けられ封止部材４に固定されることを防ぐことができる。固定部２０；２０間の長さとは、流体の吸排により筒状弾性体２が膨張収縮する基点となる位置の距離をいう。
なお、繊維１２の長さは、上記長さに限定されず、各繊維１２の長さについては、適宜設定すれば良い。例えば、固定部２０；２０間の長さよりも長くても良い。この場合、一端側の固定部２０において封止部材４に固定され、他端側に向けて延長する繊維１２が、封止部材４の他端側の固定部２０において他端側の封止部材４に固定されないように、他端側の固定部２０に達する手前で終端すると良い。即ち、筒状弾性体２に含まれる繊維１２は、異なる締結部材６；６により封止部材４；４に固定されないように備えられていることが好ましい。複数の繊維１２は、単一の長さに揃えたものであっても、複数の長さを組み合わせて構成しても良い。繊維１２の長さや太さを適当に選ぶことにより、アクチュエータとしての収縮率や収縮力を変化させることができる。

図５は、筒状弾性体２における繊維１２の形態を示す展開図である。
筒状弾性体２に含まれる繊維１２の形態として、図５（ａ）に示すように、主として軸方向に延長しつつ周方向に大きく蛇行して延長していても良く、また、主として軸方向に延長しつつ蛇行していても良く、また、主として軸方向に沿うように直線状に延長していても良い。
また、これらの繊維１２のうち、一方の締結部材６により封止部材４に固定された繊維１２は、図５（ａ）乃至（ｃ）に示すように、他方の締結部材６に到達せずに終端するように設定される。
また、図５（ｄ）に示すように、繊維１２は、筒状弾性体２において固定部２０；２０間を一本のものが延在するように設けられていても良く、また、図５（ｂ），（ｃ）に示すような、固定部２０；２０間よりも短い繊維１２を複数延在させることで、筒状弾性体２の軸方向への伸張を規制するようにしても良い。また、繊維１２は、必ずしも固定部２０から延長する必要はなく、固定部２０から延長するものや固定部２０；２０間を延長するものが組み合わせて内包されても良い。

なお、締結部材６；６により筒状弾性体２に封止部材４；４を固定するものとしたが、締結部材６；６を用いずに、接着などにより封止部材４；４を筒状弾性体２に固定するようにしても良い。
この場合における上述の固定部は、接着された範囲が対応する。

また、筒状弾性体２に含まれる繊維量（繊維１２の量）は、筒状弾性体２の質量を１００とした場合の１０％～５０％の範囲に設定すると良い。
また、複数の繊維１２の軸方向への配向率は、６０％以上に設定すると良い。より好ましくは、７０％以上に設定すると良い。なお、軸方向への配向率とは、軸方向に対して所定角度、例えば軸方向に対して±３０°の角度の範囲で繊維１２が延長しているものの割合（％）をいう。また、繊維１２が延長するとは、直線的に延長することのみを意味するものではなく、蛇行して延長する場合を含み、この場合には例えば両端を結ぶ直線の延長する角度を採用できる。即ち、すべての繊維１２が厳密に軸方向に配向されていなくても良い。配向率は、５０％以上とすることで、筒状弾性体２の膨張時に軸方向への収縮量と、半径方向への伸張量に異方性を設定することができ、配向率が大きくなる程、軸方向への伸張に対する規制力が大きく得られ、半径方向への伸長に対する軸方向への収縮の変化率を大きくすることができるので、軸方向への駆動力を大きくすることができる。

繊維１２の素材は、アラミド繊維に限定されず、例えば、炭素（カーボン）繊維、ガラス繊維、ナイロン、ポリアミド系繊維やポリオレフィン系繊維、金属繊維等の被伸長性を有するものを適宜選択して用いることができる。繊維１２に適当なプライマー処理、又は、表面酸化処理を行うことで、接着性を十分に向上させることができるが、好ましくは、ゴムとの接着性に応じて選択すると良い。
また、繊維１２の形態は、フィラメント、ヤーン（スパン・ヤーン及びフィラメント・ヤーン）、ストランド等のいずれの形態でも用いることができ、さらに、撚りをかけずに収束させた無撚繊維、これらの繊維を複数本撚って作成した繊維を用いることも可能である。繊維の種類にもよるが、二種類以上の素材の異なる繊維や形態の異なる繊維を組み合わせても良い。

上述の筒状弾性体２は、次のように製造することができる。
まず、生ゴムに、補強剤、老化防止剤、可塑剤等の添加物を添加し、混練機により混合してゴム生地を生成する。なお、生ゴムに添加する添加物は、全て必須のものではなく適宜選択的に適用されれば良い。例えば、繊維１２との接着性や、流体注入式アクチュエータ１の使用環境等を考慮して適用すれば良い。
次に、ゴム生地をロール機の所定距離離間して設けられ、対向方向に回転する一対のロール間を所定回数通過させながら所定量の繊維１２と加硫剤を混合し、一定厚のシート状に成形してシート状ゴム素材に成形する。複数の繊維１２は、ゴム生地に混合されながらロール間を通過することにより、ゴム生地の全体に分布するとともにロールの回転方向に延長するように配向される。
次に、シート状ゴム素材を所定の寸法に切断成形し、直径が均一な丸棒状の型棒の外周に巻き付けて筒状に成形する。なお、複数の繊維１２に上述の固定部２０；２０間よりも長いものを用いた場合には、筒状弾性体２の形成後に繊維１２が固定部２０；２０間を跨がないように切り出すと良い。また、切断成形されたシート状ゴム素材に含まれる繊維１２が型棒の軸方向に沿うように巻き付ける。
次に、型棒に巻き付けたシート状ゴム素材を加硫装置に投入して所定の温度で所定時間加硫することで、筒状弾性体２を簡単に形成することができる。

また、筒状弾性体２の他の製造方法として、押出成形機により製造することができる。
シート状ゴム素材を形成するまでの工程は、型棒を用いる方法と同様である。
シート状ゴム素材を押出成形機のホッパから投入し、スクリューにより混錬しながら口金から押し出して筒状に成形する。
そして、筒状に成形されたシート状ゴム素材を加硫装置に投入して所定の温度で所定時間加硫することで、筒状弾性体２を得ることができる。このように押出成形によって筒状弾性体２を形成することにより、上述の型棒による製造に比べて、簡易的に大量に製造することができる。なお、押出成形機により成形する場合には、アクチュエータを構成するときに設定される固定部２０；２０間よりも短い繊維１２を用いれば良い。
なお、押出成形機では、スクリューによるゴムの流れによって繊維が引っ張られるため、ゴムの流れ方向と繊維の配向方向とは同一方向になり、筒状に押出成形することで繊維の配向方向が軸方向に一致することになる。したがって、上述のシート状ゴム素材を成形せずに、押出成形機のホッパに、ゴム生地と所定量の繊維１２と加硫剤とを投入し、スクリューにより混合して成形することもできる。

上記流体注入式アクチュエータ１は、空間Ｓに流体に供給され、空間Ｓ内に所定の圧力が印加されることで、筒状弾性体２を外側に向けて押圧する力が作用する。しかし、筒状弾性体１０は、繊維１２を含んで構成されているため、伸長方向が制限される。具体的には、繊維１２が長手方向に配向して含まれているため、軸方向への伸びは制限され、半径方向への伸びは制限されにくい。
その結果として、図２に示すように、軸方向には収縮し、半径方向には伸長する。このような伸縮動作において、流体注入式アクチュエータ１は、上述した範囲で形成された複数の繊維１２が半径方向や軸方向に分布するように含まれているため、伸縮動作において変形する際のゴムと各繊維１２との摩擦が少なくなり、耐久性を向上させることができる。また、筒状弾性体２の膨張に必要とされるエネルギーを少なくすることができるとともに応答性能を向上させることができる。

以下、筒状弾性体２に含まれる繊維１２による効果について評価した。
評価に用いた筒状弾性体２は、天然ゴムに、太さ０．１ｍｍ、長さ１．３ｍｍ前後に形成された繊維１２としてのアラミド繊維（マスターバッチRhenogran P91-40NR(RheinChemie 製)）を３０ｐｈｒ(ゴムの重量を１００とした場合の重量比率)配合し、８インチオープンロール機にて混合し、アラミド繊維をロール回転方向に配向させて、厚さ１ｍｍのシート状ゴム素材に成形した。そして、このシート状ゴム素材から１００ｍｍ×１００ｍｍの寸法で矩形状に切り出し、１５０℃で２０分の加硫を行い繊維補強ゴムシートを作製した。なお、切り出しの際には、シート状ゴム素材に含まれる繊維１２の配向方向が、切り出し後のいずれかの辺に沿って切り出される。

繊維補強ゴムシートによる異方性評価は、ロールの回転方向(列理方向)、即ち、繊維１２の配向方向と、列理に垂直な方向（列理垂直方向）とに引張り試験を行った。
引張り試験には、AUTOGRAPH AG-1(SHIMADZU 製)を用い、試験速度５０ｍｍ/ｍｉｎ（ＪＩＳ Ｋ６２５１に準拠）、試験片の形状には、ダンベル１号となるように繊維補強ゴムシートから切り出して成形した。試験片の形状への切り出しは、試験片の引張方向に沿うように繊維１２が配向されたもの、引張方向と直交するように繊維１２が配向されたものとなるようにした。試験結果を図３に示す。図３に示すグラフは、繊維補強ゴムシートの応力ひずみ曲線(垂直方向と水平方向の比較)である。
図３に示すように、繊維１２の配向方向（列理方向）と、繊維１２の配向方向に垂直な方向（列理垂直方向）とで、異方性が発現していることが確認できた。また、繊維１２の配向方向に垂直な方向に対し、繊維１２の配向方向には応力が約１．５倍、ひずみが約１/４となる結果が得られた。

また、筒状弾性体２の収縮率の評価を行った。
上記シート状ゴム素材から３５ｍｍ×１００ｍｍの寸法で矩形状に切り出し、直径１５ｍｍの型棒に巻きつける。なお、切り出しの際には、シート状ゴム素材に含まれる繊維１２の配向方向が、切り出し後の１００ｍｍの長さを有する辺に沿って切り出される。また、型棒への巻き付けでは、繊維１２の配向方向が型棒の軸方向に配向されるとともに、巻き付けによる継ぎ目に段差が生じないように寸法を調整しつつ、継ぎ目がなくなるようにシート状ゴム素材を慣らす。その後、１５０℃×２０分の加硫を行い長さ１００ｍｍの筒状弾性体２を作製した。そして、この筒状弾性体２の両端部に封止部材４；４を挿入して締結部材６；６により固定し、封止することで流体注入式アクチュエータ１を作成した。収縮率の評価では、締結部材６；６間の長さＬと内径Ｄの比（以下Ｌ/Ｄ比という）を変更した。即ち、長さ１００ｍｍの筒状弾性体２の両端に挿入される封止部材４；４の挿入位置と、封止部材４；４を固定する締結部材６；６の位置を変更してＬ/Ｄ比を変更したサンプルを用意した。Ｌ/Ｄ比を変更したサンプルに空気圧０．０３ＭＰａを印加し、サンプル毎の収縮率を測定した。収縮率は、（印加前軸方向長さ－印加後軸方向長さ）/印加前軸方向長さにより算出した。なお、印加前軸方向長さ及び印加後軸方向長さは、締結部材６；６間の軸方向の距離によって測定した。その結果を図４に示す。図４に示すようにＬ/Ｄ比を３としたときに、約１７％の収縮率が得られた。また、Ｌ/Ｄ比を５．５とした場合、Ｌ/Ｄ比を３よりもやや収縮率が低下した。即ち、筒状弾性体２の厚さが１ｍｍ、長さが１００ｍｍ、内径が１５ｍｍ、繊維１２の配合量３０、繊維１２の長さを１．３ｍｍ、太さ０．１ｍｍとした場合には、Ｌ/Ｄ比が３となるように、流体注入式アクチュエータ１を構成すれば良いといえる。
したがって、繊維１２の長さや太さ、配合量等を適宜変更することで、流体注入式アクチュエータ１の収縮率を任意に変更することができるといえる。

なお、本実施形態に係る流体注入式アクチュエータ１は、単独で用いても良く、例えば、特許文献１に示す筒体の内周側、若しくは外周側を覆うように配置することにより、繰り返しの伸長収縮による寿命や流体を高圧で印加したときの破裂等を防ぐことができる。即ち、特許文献１に示す筒体は、内周側や外周側に補強構造がないため、繰り返しの伸長収縮に伴なう疲労の影響を受けやすいとともに、流体を高圧で印加することができなかったが、本実施形態に係る流体注入式アクチュエータ１の構造を内周側、若しくは外周側を覆うように配置することにより、耐久性の向上とともに高出力化を図ることができる。
また、他の流体注入式アクチュエータへの適用形態として、マッキベン型のアクチュエータの繊維層の内側に配置することにより、長寿命化や流体の印加圧力を高圧化することができる。その結果として、収縮力が向上し、高出力化できるという効果が得られる。即ち、従来のマッキベン型のアクチュエータでは、軸方向にも半径方向にも膨張可能な弾性素材にのみにより構成されたチューブを、網目状のスリーブによって軸方向への伸張を規制して半径方向への膨張に変換する構造であるが、弾性素材にのみにより構成されたチューブに代えて、本実施形態の流体注入式アクチュエータ１を適用し、マッキベン型の特徴である網目状のスリーブで被覆することにより、より半径方向への膨張傾向を大きくできるため、より効率良く軸方向の収縮（駆動力）を得ることが可能となる。

１ 流体注入式アクチュエータ、２ 筒状弾性体、４ 封止部材、１２ 繊維、
２０ 固定部、Ｓ 空間（流体室）。

Claims (7)

1. 円筒状に形成された筒状弾性体の両端を封止部材により封止して形成された空間に、流体を注入することにより、軸方向に収縮し、径方向に膨張する流体注入式アクチュエータの製造方法であって、
   繊維を含むゴム生地を、対向方向に回転する一対のロールの間を所定回数通過させ、前記繊維の一部の延長方向が一方向に対して所定の角度の範囲内、若しくは、全部の延長方向が一方向にのみ延長することを除くいて、一方向に対して所定の角度の範囲内となるように配向してシート状に成形し、
   前記一方向を軸方向とする筒状に成形した後に加硫して筒状弾性体を形成することを特徴とする流体注入式アクチュエータの製造方法。
2. 前記繊維は、前記筒状弾性体の一端側に固定された封止部材の一端側固定部から他端側に固定された封止部材の他端側固定部までの軸方向に沿う長さよりも短いものとしたことを特徴とする請求項１に記載の流体注入式アクチュエータの製造方法。
3. 弾性素材からなり、円筒状に形成された筒状弾性体と、
   前記筒状弾性体の端部に固定され、端部を封止することにより筒状弾性体の内部に流体の供給が可能な内部空間を形成する封止部材と、
   を備え、前記内部空間への流体の供給により前記筒状弾性体が径方向に膨張かつ軸方向に収縮するアクチュエータであって、
   前記筒状弾性体は、
   前記筒状弾性体の一端側に固定された封止部材の一端側固定部から他端側に固定された封止部材の他端側固定部までの軸方向に沿う長さよりも短く形成された複数の繊維を備え、
   前記複数の繊維は、
   前記筒状弾性体の円周方向、半径方向及び軸方向に分布して設けられ、
   一部が軸方向に対して所定角度の範囲内で延長し、残りが軸方向に対して所定角度の範囲外で延長するように配向、若しくは、全部が、軸方向にのみ延長することを除いて、軸方向に対して所定角度の範囲内で延長するように配向されたことを特徴とする流体注入式アクチュエータ。
4. 前記複数の繊維は、一部が前記一端側固定部及び前記他端側固定部に含まれるように延長することを特徴とする請求項３に記載の流体注入式アクチュエータ。
5. 前記複数の繊維は、前記一端側固定部及び前記他端側固定部の間で延長することを特徴とする請求項３に記載の流体注入式アクチュエータ。
6. 前記複数の繊維は、複数の長さを組み合わせて構成されたことを特徴とする請求項３乃至請求項５いずれかに記載の流体注入式アクチュエータ。
7. 前記複数の繊維は、直線状若しくは蛇行して延長することを特徴とする請求項３乃至請求項６いずれかに記載の流体注入式アクチュエータ。

Images