JP7175491B2 - アクチュエータの制御方法及びアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、アクチュエータの制御方法及びアクチュエータに関し、特に、空気等の流体の給排により駆動されるアクチュエータの長寿命化を可能にするアクチュエータの制御方法及びアクチュエータに関するものである。

従来、筒状に形成され、軸方向に沿って繊維が内包された弾性体からなる膨縮体の端部を閉塞して形成された空間に、流体を給排することにより、軸方向に伸長、収縮させて負荷に対して牽引力を作用させるアクチュエータが知られている（特許文献１）。

特開２０１５－１０７５３３号公報

しかしながら、このように膨縮体の弾性を利用するアクチュエータは、膨縮体の膨張、収縮の繰り返しの疲労により、破壊しやすく寿命が短いという問題がある。
本発明は、上記問題点を解決すべく、アクチュエータの長寿命化を可能にするアクチュエータの制御方法及び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アクチュエータの制御方法の形態として、筒状に形成された弾性体の両端に端部部材を設け、前記弾性体の内周面と前記端部部材により形成した流体室への流体の供給により径方向に膨張して軸方向に収縮し、流体の排出により径方向に収縮して軸方向に伸長する膨縮体を備えるアクチュエータを軸方向に繰り返し伸縮させる前記アクチュエータの制御方法であって、
前記膨縮体を、径方向に膨張した状態から径方向に最も収縮した状態とするときに、前記膨縮体の軸方向長さが当該膨縮体の自然長よりも短くなるように維持し、再び膨張させる態様とした。
本態様によれば、アクチュエータの寿命を長寿命化を可能にすることができる。
また、その形態として、前記径方向に最も収縮した状態は、前記流体の与圧によりなされるようにしたり、前記膨縮体の最も収縮した状態は、前記膨縮体の径方向への収縮を規制する規制手段によりなされるようにしたりすることにより、アクチュエータの長寿命化を可能にすることができる。
また、上記課題を解決するためのアクチュエータの構成として、筒状に形成された弾性体の両端に端部部材を設け、前記弾性体の内周面と前記端部部材により形成した流体室への流体の供給により径方向に膨張して軸方向に収縮し、流体の排出により径方向に収縮して軸方向に伸長する膨縮体を備え、軸方向に繰り返し伸縮されるアクチュエータであって、前記アクチュエータは、前記膨縮体を径方向に膨張した状態から径方向に最も収縮した状態とするときに与圧を印加し、前記膨縮体の軸方向長さが当該膨縮体の自然長よりも短くなるように維持して再び膨張させる与圧手段を備えた構成としたり、前記流体を大気圧になるまで排出し、前記膨縮体を径方向に膨張した状態から径方向に最も収縮した状態とするときに、前記膨縮体の内周面側から径方向の収縮を拘束し、前記膨縮体の軸方向長さが当該膨縮体の自然長よりも短くなるように維持する拘束手段を備えた構成とした。
本構成によれば、アクチュエータの寿命を長寿命化することができる。

アクチュエータの外観図である。 駆動装置の構成図である。 アクチュエータの収縮時の状態を示す図である。 ゴムを伸縮させたときの応力－ひずみ線図である。 アクチュエータを収縮させたときの収縮率とひずみの関係を示すグラフである。 アクチュエータのひずみと応力の関係を示すグラフである。 アクチュエータの収縮率、ひずみ及び応力の関係をまとめた表である。 アクチュエータの駆動時の応力の変化を示すグラフである。 伸長結晶化による耐久性向上の概念図である。 耐久試験の結果を纏めた表である。 耐久試験の結果を示すグラフである。 張力付与手段を示す図である。 張力付与手段の他の形態を示す図である。

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、流体注入式のアクチュエータ１の外観図である。図２は、アクチュエータを駆動する駆動装置１００の一実施形態を示す構成図である。図１に示すように、アクチュエータ１は、円筒状に形成された膨縮体２と、膨縮体２の両端を封止する端部部材４；４とを備える。

膨縮体２は、伸縮性を有する素材として形成された弾性体からなり、内部に複数の繊維６を備える。繊維６は、膨縮体２の軸方向（長手方向）に沿って延長し、例えば、膨縮体２の円周方向に均等に分布するように配設される。これにより、繊維６は、膨縮体２の内部において繊維層を形成する。なお、軸方向に沿ってとは、数学的に厳密な意味を示すものでなく、軸方向に対しての傾斜を許容するものである。繊維６は、例えば、膨縮体２の軸方向の一端部から他端部側まで連続して延長する。

膨縮体２を構成する素材は、例えば、シリコーンゴムやその他の合成ゴム、天然ラテックスゴム等の弾性を有し、伸縮自在な素材により構成される。また、繊維６は、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から適宜選択して用いることができる。また、繊維６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、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等のいずれの形態であっても良く、また、二種類以上の形態の異なる繊維を組み合わせても良い。

膨縮体２の開口する両端部は、端部部材４；４により閉塞される。これにより、膨縮体２の内周側には、流体室Ｓが形成される。一方の端部部材４には、外部と流体室Ｓとを連通する空気流通口８が設けられる。空気流通口８には、後述の駆動装置１００から延長するチューブ１４５が接続される。

膨縮体２の外周には、複数のリング１０が設けられる。リング１０は、膨縮体２の外周において軸方向に均等な間隔ａ１，ａ２，ａ３で設けられ、接着等の固定方法により膨縮体２の外周に固定される。リング１０は、例えば、膨縮体２の外径と同じ内径となるように形成され、膨縮体２の膨張により変形しない強度を有する素材により構成される。リング１０は、流体室Ｓ内に空気を供給したときに、膨縮体２の一体的な膨張を規制し、リング１０により区画された複数の瘤を形成するように設けられる。
このように膨縮体２を膨張させることにより、アクチュエータ１は、膨縮体２に内包された繊維６の拘束力によって軸方向に収縮して、牽引力を生じさせるように動作する。また、流体室Ｓ内の空気を排出することによって、もとの自然長Ｌ１に復帰（伸長）する。

図２は、アクチュエータ１を動作させる駆動装置１００の構成の一例を示す図である。上述のアクチュエータ１は、例えば、図２に示す駆動装置１００により動作が制御される。即ち、アクチュエータ１は、駆動装置１００を備える。駆動装置１００は、アクチュエータ１に圧縮空気を供給する空気供給手段１４１と、圧縮空気の圧力を制御する制御弁１４２と、空気供給手段１４１からアクチュエータ１に供給する圧縮空気を制御するコントロールユニット１４３とを主たる構成として備える。空気供給手段１４１は、例えば、エアコンプレッサやエアタンクにより構成される。

制御弁１４２は、アクチュエータ１に供給する空気の流量を調整する。制御弁１４２には、例えば、比例電磁弁が適用される。制御弁１４２は、コントロールユニット１４３から出力される信号に基づいて、空気供給手段１４１に蓄圧された圧縮空気をアクチュエータ１に供給する空気の流量を調整する。制御弁１４２は、例えば、コントロールユニット１４３から信号の入力が無いときには、アクチュエータ１への空気の供給を遮断するノーマルクローズ型である。制御弁１４２には、チューブ１４４とチューブ１４５の一端側が接続される。チューブ１４４の他端側には、空気供給手段１４１、チューブ１４５の他端側にはアクチュエータ１が接続される。チューブ１４４及びチューブ１４５には、耐圧性及び可撓性を有するものが好ましい。

チューブ１４５の途中には、分岐管１４６の一端側が接続される。分岐管１４６の他端側には、排出弁１４７が接続される。分岐管１４６は、チューブ１４５と連通し、アクチュエータ１に供給された空気が排出弁１４７から排出可能に構成される。排出弁１４７は、コントロールユニット１４３から出力される信号に基づいて、弁を開閉することにより、アクチュエータ１の流体室Ｓから空気を排出する。

また、チューブ１４５の途中には、圧力センサ１５０が設けられる。圧力センサ１５０は、チューブ１４５を介して流体室Ｓ内の圧力を検出する。圧力センサ１５０により検出された圧力は、コントロールユニット１４３に出力される。

コントロールユニット１４３は、演算手段としてのＣＰＵ、アクチュエータ１の膨縮動作（伸縮動作）を制御するためのプログラムを記憶するＲＯＭ等の記憶手段を含むマイクロコンピュータを備える。コントロールユニット１４３は、圧力センサ１５０から出力される出力値に応じて、制御弁１４２や排出弁１４７に出力する信号を制御する。コントロールユニット１４３は、例えば、記憶手段に、アクチュエータ１に作用する負荷の荷重値と、流体室Ｓに供給する空気の圧力値との対応関係を紐付けしたデータや、圧力算定式等を、予め記憶させておき、各センサ１５０により検出された圧力値に基づいて、制御弁１４２や排出弁１４７に出力する信号を制御する。コントロールユニット１４３では、入力された圧力値に基づいてアクチュエータ１に供給する空気の流量を演算処理する。

図３は、本実施形態に係るアクチュエータ１の収縮時の状態を示す図である。
本実施形態では、コントロールユニット１４３は、アクチュエータ１を収縮させるとき、即ち、流体室Ｓから空気を排出するときに、流体室Ｓに所定の与圧が残るように各弁を制御する。与圧が残るとは、流体室Ｓの圧力が、０（アクチュエータ１の周囲の気圧、例えば大気圧）よりも大きくなるように制御することを意味する。したがって、アクチュエータ１は、流体室Ｓに与圧を印加したことにより、図３に示すように流体室Ｓの内圧を０としたときよりも軸方向に与圧分収縮し、径方向に与圧分膨張した状態となる。即ち、軸方向の長さが、自然状態におけるＬ１よりもＬ２へと短く、筒部２における最大の内径が、Ｄ１からＤ２へと大きい状態となる。これにより膨縮体２には、与圧分だけ張力が作用する。つまり、制御装置１００は、アクチュエータ１を軸方向に伸長させたときの張力付与手段として機能する。このように軸方向への伸長時に与圧を設定し、膨縮体２に張力を付与するようにアクチュエータ１の動作を制御することによりアクチュエータ１の耐久性を向上させることができる。ここでいう伸長時とは、アクチュエータ１の駆動範囲における軸方向に最も長くなるときを意味する。以下、与圧の設定によりアクチュエータ１の耐久性が向上する理由について説明する。

図４は、ゴムを伸縮させたときの応力－ひずみ線図である。ゴムは、ひずみと応力の関係が非線形であることは知られており、ひずみの差の大きさが同じであっても、ひずみの大きさが異なることで、応力の差の大きさも異なることが知られている。具体的には、図４に示すように、ひずみが０から２へと変化する時と、８から１０へと変化する時とでは、共にひずみの大きさの差が２で同じであるが、ひずみが０から２へと変化する時の応力の差は１．５であるのに対し、ひずみが８から１０へと変化する時の応力の差は３．５となり、ひずみの大きさによってひずみと応力の関係が異なることがわかる。

そこで、まず、アクチュエータ１を実際に軸方向に収縮させたときの収縮率とひずみの関係を調べた。その結果を図５のグラフに示す。収縮率とは、アクチュエータ１を軸方向に収縮させたときを意味し、軸方向の長さがもっとも長いときからどれだけ収縮したかを示している。
図５に示すように、流体室Ｓの圧力が大気圧の状態から圧縮空気を供給してアクチュエータ１を軸方向に２０％収縮させたとき（以下動作条件１という）、アクチュエータ１を軸方向に５％収縮させた状態から、圧縮空気を供給してアクチュエータ１をその状態から２０％収縮させたとき（以下動作条件２という）のひずみと応力の関係をそれぞれ調べたときの結果を示している。
動作条件１では、ひずみが０から１．１へと変化し、動作条件２ではひずみが０．６から１．３へと変化した。つまり、動作条件１におけるひずみの変化幅は、１．１、動作条件２におけるひずみの変化幅は０．７となった。

次に、アクチュエータ１のひずみと応力の関係について調べた。その結果を図６のグラフに示す。アクチュエータ１の場合、図６に示すようなひずみと応力の関係が得られた。そこで、動作条件１におけるひずみの変化幅にに対する応力の変化幅と、動作条件２におけるひずみの変化幅に対する応力の変化幅とを比較する。動作条件１においてひずみが０から１．１へと変化したときの応力の変化は０から０．９となった。また、動作条件２においてひずみが０．６から１．３へと変化したときの応力の変化は０．７１から１．１となった。つまり、動作条件１における応力の変化幅は０．９、動作条件２における応力の変化幅は０．４となった。

図７は、収縮率、ひずみ及び応力の関係をまとめた表である。図８の表に示すように、同じ収縮率であってもひずみ振幅及び応力振幅σａのいずれも動作条件２が小さくなる結果が得られた。即ち、同じ収縮率でも、ひずみ領域を変更することで応力振幅σａを低減することができる。
ここで応力振幅σａについて説明する。アクチュエータ１は、図１（ａ），（ｂ）に示すように、伸縮動作を繰り返すことで駆動力を生じさせる。例えば、上述の動作条件２に基づいて、アクチュエータ１を周期的に径方向に膨張、収縮（軸方向への収縮、伸長）させた場合、アクチュエータ１の膨縮体２に生じる応力は、径方向への膨張、収縮（軸方向への収縮、伸長）に応じて図８のグラフに示すように変化する。つまり、図８のグラフに示すように、アクチュエータ１の動作時には、径方向に最も膨張させたとき（軸方向に最も収縮させたとき）のσｍａｘから、与圧を印加した状態で径方向に最も収縮させたとき（軸方向に最も伸長させたとき）のσｍｉｎの範囲で応力が周期的に変化する。換言すれば、応力は、振幅σａ＝（σｍａｘ-σｍｉｎ）/２で周期的に変化しているということができる。

上述の動作条件１，２で示したように、同じ収縮率であっても応力振幅σａを小さくすることができることから、応力振幅σａが小さくなるように、所定の与圧を印加してアクチュエータ１を動作させればよい。応力振幅σａが小さくなるということは、ひずみ振幅も小さくなることを意味し、例えば、膨縮体２を形成する弾性体に内在する欠陥があったとしても、欠陥に起因した亀裂の成長速度を低下させることができる。逆に言えば、応力振幅σａが大きいほど亀裂の成長速度が上昇し、疲労寿命が短くなると言える。

また、与圧を設定することにより、膨縮体２には常時張力が作用するため、膨縮体２を形成する弾性体に伸張結晶化を促すことができる。一般に、ＮＲ，ＩＲ，ＢＲ，ＩＩＲ，ＣＲ等のゴムなどの規則的な分子構造を有する弾性体では、架橋後に伸長させることにより結晶化し、分子運動ができなくなり、硬さが上昇し、引っ張り強さが強くなる一方で伸びと弾性が低下することが知られている。膨縮体２の分子レベルの構造において伸張結晶化がなされることにより、図９に示すような結晶層が伸長方向に層状に形成されることになり、例えば、結晶層と結晶層との間に潜在的な欠陥があったとしても、結晶層が欠陥に起因する亀裂の成長を阻害するため、アクチュエータ１の長寿命化を図ることができる。

図１０は、収縮率の範囲を変化させて破壊に至るまでの耐久試験の結果を纏めた表である。図１１は、図１０に示す耐久試験の結果を示すグラフである。なお、収縮率の範囲（以下、収縮率範囲という）とは、アクチュエータ１が軸方向に収縮又は伸長したときの割合を示し、０は、流体室Ｓに与圧が印加されていない状態を示し、自然状態を示している。また、図１０の表に示す耐久試験では、４００，０００回を上限としたため、実施例３及び実施例５では破壊していない。

与圧を印加せずに駆動した比較例１，２の破壊到達回数に比べて、比較例３を除く与圧を印加して駆動した実施例１～５の破壊到達回数が二桁多くなるという結果が得られた。
ここで、与圧を印加したにも関わらず比較例１，２よりも破壊到達回数が少なくなった比較例３について検討する。比較例３では、与圧が印加されているものの、収縮率範囲が１～３５と小さな与圧から広い範囲で収縮しているため、応力振幅σａが大きくなり、これに起因して最も寿命が短くなったと考えられる。一方、実施例１では、比較例３と収縮率範囲の下限値が同じであるにも関わらず、収縮率範囲が１～２１と狭いため、応力振幅σａが小さくなり、長寿命化したものと言える。

実施例２，３では、収縮率範囲が同じにも関わらず応力振幅σａが異なる大きさとなった。これは、アクチュエータ１の個体差によるものと言え、実施例２では、３１０，０００回で破壊したにも関わらず、実施例３では破壊に至らなかった。つまり、実施例２に使用したアクチュエータ１は、欠陥が内在していたにも関わらず、与圧を印加して動作させたことにより、与圧を印加していない比較例１，２よりも長寿命化したものと考えられる。

実施例４は、実施例２，３と収縮率の下限値、つまり実施例２，３と同じ与圧を印加した状態から実施例２，３よりも収縮率の範囲を広げたものである。実施例４では、収縮率範囲が広いため、応力振幅σａが大きくなり、実施例２，３よりも寿命が短くなったと考えられる。

実施例５は、耐久試験のうちで収縮率の下限値を最も高く、つまり最も高い与圧を印加した状態から実施例１～３と同じ範囲を設定したものである。実施例５では、応力振幅σａが実施例１～３よりも小さくなり、長寿命化したものと考えられる。

以上の結果を纏めると、次のように言える。アクチュエータ１に与圧を設定することにより、長寿命化を図ることができる。また、与圧の設定に際し、応力振幅σａが小さくなるように与圧の大きさを設定することで、より長寿命化を図ることができる。

上記実施形態では、アクチュエータ１を膨張収縮させて駆動する駆動装置１００の動作によりアクチュエータ１に与圧を印加するものとして説明した。即ち、駆動装置１００を与圧手段として機能させたが、アクチュエータ１の膨縮体２が径方向に最も収縮した時（軸方向に最も伸長したとき）に膨縮体２に張力が作用するように、アクチュエータ１に直接、張力付与手段を設けても良い。

図１２は、図１（ａ）に示すアクチュエータ１における膨縮体２の内周側に張力付与手段２０を設けたときの断面図である。図１２に示すように、張力付与手段２０は、軸方向に伸長した状態においてリング１０により区画される区間毎に設けられる。本例における張力付与手段２０は、例えば、外周面が樽型に膨張した中空の円膨縮体からなる。この張力付与手段２０の外周面における最大径は、流体室Ｓの圧力が外部の大気圧と同じとき（図１に示す状態）の膨縮体２の内径Ｄ１よりも大きく設定される。また張力付与手段２０の軸方向長さは、アクチュエータ１が軸方向に収縮したときに、収縮を妨げない長さに設定される。

図１２に示す形態では、図１（ｂ）に示すように、アクチュエータ１が軸方向に収縮したときのリング１０によって軸方向に区画される区間長さよりも短い長さに設定される。そして張力付与手段２０は、固定され、膨縮体２の内部における位置や姿勢が大きく変化しないように流体室Ｓ内において図外の保持手段により保持される。
このように、張力付与手段２０をアクチュエータ１の流体室Ｓの内部に配置することにより、膨縮体２が径方向に収縮するときにその収縮を規制する規制手段として機能し、常に張力が作用するため、上述のように制御装置１００によって流体室Ｓに与圧を印加したときと同じように、膨縮体２に常に張力を付与することができる。
その結果、制御装置１００がアクチュエータ１を軸方向に伸長させるときに流体室Ｓに与圧を印加する制御をしなくても、アクチュエータ１の長寿命化を図ることができる。
なお、張力付与手段２０の形状は、上記樽型に限定されず、適宜変更すれば良い。即ち、流体室Ｓから空気を排出して膨縮体２を径方向に収縮させるときに、膨縮体２に所定の張力が得られるように、収縮を規制するものであれば良い。

図１２は、アクチュエータ１に設ける張力付与手段の他の形態を示す図である。図１２では、張力付与手段を別体として設けたが、図１３に示すように、膨縮体２に一体的に設けても良い。図１３に示す張力付与手段２０は、膨縮体２の内周面から突出する突起として膨縮体２に一体的に形成される。張力付与手段２０は、図１３に示すように、膨縮体２の円周方向に沿って複数形成され、図１３（ｂ）に示すように、アクチュエータ１を径方向に膨張させたとき（軸方向に収縮させたとき）には、各突起２２は円周方向に離れ、径方向に収縮させたとき（軸方向に伸長させたとき）には、各突起２２の円周方向の端面２２ａ同士が接触して、膨縮体２の径方向への収縮を規制するように構成される。つまり、複数の突起が、膨縮体２の径方向への収縮を規制する規制手段として機能する。このように張力付与手段２０を構成しても、上述のように、常に膨縮体２に張力がかかることになり、アクチュエータ１の長寿命化を図ることができる。

上記実施形態では、流体の供給により膨縮体２が、径方向には膨張、軸方向には収縮し、流体の排出により径方向には収縮し、軸方向には伸長するアクチュエータ１を用いて説明したが、アクチュエータの形態は、これに限定されず、他の流体の供給、排出によって弾性体を膨張、収縮させて駆動するものであれば、いずれであっても上記方法を適用することができる。

また、上記実施形態では、弾性体を半径方向外向きに膨張させるアクチュエータ１を用いて、アクチュエータを長寿命化する方向について説明したが、これに限定されない。例えば、弾性体を半径方向内向きに膨張させるものや、外径の異なる弾性体を２重管として配置し、内筒を径方向内向きに、外筒を径方向外向きに膨張させるものであっても同様である。

なお、アクチュエータ１の弾性体に張力を付与する場合、アクチュエータ１が動作するときの張力が大きくなる方向と同じ方向の張力を付与するように、張力付与手段を機能させることは言うまでもない。

１ アクチュエータ、２ 膨縮体、４ 端部部材、６ 繊維、
２０ 張力付与手段、１００ 駆動装置。

Claims (5)

1. 筒状に形成された弾性体の両端に端部部材を設け、前記弾性体の内周面と前記端部部材により形成した流体室への流体の供給により径方向に膨張して軸方向に収縮し、流体の排出により径方向に収縮して軸方向に伸長する膨縮体を備えるアクチュエータを軸方向に繰り返し伸縮させる前記アクチュエータの制御方法であって、
   前記膨縮体を、径方向に膨張した状態から径方向に最も収縮した状態とするときに、前記膨縮体の軸方向長さが当該膨縮体の自然長よりも短くなるように維持し、再び膨張させる ことを特徴とするアクチュエータの制御方法。
2. 前記径方向に最も収縮した状態は、前記流体の与圧によりなされる ことを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータの制御方法。
3. 前記膨縮体の最も収縮した状態は、 前記膨縮体の径方向への収縮を規制する規制手段によりなされることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータの制御方法。
4. 筒状に形成された弾性体の両端に端部部材を設け、前記弾性体の内周面と前記端部部材により形成した流体室への流体の供給により径方向に膨張して軸方向に収縮し、流体の排出により径方向に収縮して軸方向に伸長する膨縮体を備え、軸方向に繰り返し伸縮されるアクチュエータであって、
   前記アクチュエータは、
   前記膨縮体を、径方向に膨張した状態から径方向に最も収縮した状態とするときに与圧を印加し、前記膨縮体の軸方向長さが当該膨縮体の自然長よりも短くなるように維持して再び膨張させる与圧手段を備えたことを特徴とするアクチュエータ。
5. 筒状に形成された弾性体の両端に端部部材を設け、前記弾性体の内周面と前記端部部材により形成した流体室への流体の供給により径方向に膨張して軸方向に収縮し、流体の排出により径方向に収縮して軸方向に伸長する膨縮体を備え、軸方向に繰り返し伸縮されるアクチュエータであって、
   前記アクチュエータは、
   前記流体を大気圧になるまで排出し、前記膨縮体を径方向に膨張した状態から径方向に最も収縮した状態とするときに、前記膨縮体の内周面側から径方向の収縮を拘束し、前記膨縮体の軸方向長さが当該膨縮体の自然長よりも短くなるように維持する拘束手段を備えたことを特徴とするアクチュエータ。

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