JPH03149196A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利川分野） この発明は、流体の圧力エネルギによる弾性変形を利用
するアクチュエータに関する。

（従来の技術） 筒心方向に延設されれた弾性隔壁によって内部が筒心回
りに複数の圧力室に区分されている筒状弾性体からなり
、この圧力室の各々の圧力を調整することにより行われ
る筒状弾性体の弾性変形動作を、例えばロボットの腕や
指として用いるアクチュエータとして、特願昭６３−２
５９３９１号等がある。

この特願昭６３−２５９３９１号にもとづき、従来の技
術を第１１図に外観斜視図で、第１２図に分解斜視図で
夫々示したアクチュエータ１０１について説明する。

筒状弾性体１０３は、その筒心方向１０５に平行な複数
の弾性隔壁１０６，１０８，１１０によって筒心回り複
数の圧力室１１６，１１８．１２０に区分されている。

圧力室１１６，１１８，１２０の一端は！ｉ１２６．１
２８．１３０によって封止し、圧力室１１６，１１８．
１２０の他端は、貫通孔１３６，１３８，１４０のある
蓋１４６゜１４８．１５０で封止している。一方、筒状
弾性体１０３の少なくとも外周部は繊維１０７によって
強化され、これにより筒状弾性体１０３は異方性を備え
ている。そして、貫通孔１３−６．１３８゜１４０へ先
端部をのぞかせたチューブ１５６，１５８．１６０によ
って圧力室１１６，１１８，１２０内へ流体を供給し、
その圧力を調整することによって筒状弾性体１０３は筒
心方向１０５に弾性的に伸長し、或いは筒心の回りに回
転し、さらには湾曲変形などすることになる。

ところで、従来、筒状弾性体１０３の外周部について、
外周部母線１０９（筒心方向１０５と平行）と繊維１０
７による強化の方向とがなす角度α（以下、これを巻装
角度と言う）は、９０°あるいは９０″よりやや小さい
範囲が用いられていた。

そして、巻装角度αの値に伴うアクチュエータ１０１の
弾性変形は次の通りとなっている。

偲》　α−９０＠の場合。

各圧力室１１６，１１８，１２０は、筒心方向１０５に
は伸び易く、これに直角な径方向１１１には膨み難い性
質となるため、加圧によりアクチュエータ１０１は筒心
方向１０５に伸びようとする。

すべての圧力室１１６，１１８，１２０を均等に加圧し
、又は減圧することによってアクチュエータ１０１は筒
心方向１０５に伸長又は復元動作し、圧力室１１６，１
１８，１２０間に差圧を与えれば、所望の方向への湾曲
動作が可能となる。

０　αが９０″よりもやや小さい場合。

圧力室１１６，１１８．１２０の加圧により筒心方向１
０５の回りに回転しながら筒心方向１゜５に伸びようと
する。

従って、全ての圧力室１１６，１１８，１２０を均等に
加圧すると、アクチュエータ１０１は筒心方向１０５に
伸びながら筒心の回りに回転することになる。

しかしながら、前記アクチュエータでは、加圧操作によ
ってアクチュエータ１０１を縮ませることはできなかっ
た。

また、前記アクチュエータは、基本的に各圧力室の両端
部に働く流体圧によって生ずる軸方向の力によって変形
動作するものであるため、アクチュエータを細径化した
り、或いは、特願昭６３−２５９３９１号のように圧力
室内部にチューブや信号線等を貫通させたために圧力室
の両端部の断面積（受圧面積）が減少すると、アクチュ
エータの力が低下してしまうと言う問題点があった。

（発明が解決しようとする課題） このように、従来のアクチュエータは加圧によって、伸
長、湾曲等できるが、縮ませることはできなかった。ま
た、アクチュエータを細径化するとアクチュエータの力
が低下する問題があった。

そこでこの発明は、このような従来技術の問題点を解消
して、加圧によってアクチュエータを縮小させることが
でき、また、圧力室の両端部の断面積の減少にかかわら
ず、大きい力が得られる多自由度動作の可能なアクチュ
エータを提供することを目的としている。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 前記課題を解決するために第１の発明は、内部に圧力室
を有する筒状弾性体の前記圧力室の圧力を調整すること
による筒状弾性体の弾性変形動作を用いるアクチュエー
タにおいて、前記筒状弾性体は、少なくともその周壁部
が外周部母線に対し、平衡角未満の角度をなす方向が縦
弾性係数大となるように強化されている。

また第２の発明は、筒心方向に延設された弾性隔壁によ
って内部が筒心回りｉｌｌ数の圧力室に区分された筒状
弾性体からなり、前記圧力室の各々の圧力を調整するこ
とによる筒状弾性体の弾性変形動作を用いるアクチュエ
ータにおいて、前記筒状弾性体は、少なくともその周壁
部が外周部母線に対し、平衡角未満の角度をなす方向が
縦弾性係数大となるように強化されている。

また、この第２の発明は、前記筒状弾性体の筒心部に、
この筒心方向に沿い縮小し難い線材を埋設したものであ
る。

（作用） 筒状弾性体の周壁部が、この筒状弾性体の外周部母線に
対して平衡角（加圧しても軸心方向に伸縮しない状態の
角度）未満の角度に強化されているので、第１の発明で
は圧力室が加圧されるとアクチュエータは軸心回りに弾
性的に回転しながら、あるいは回転しないで軸心方向に
弾性縮小変形する。また、第２の発明ではすべての圧力
室が同等に加圧されると、各圧力室は筒心方向の回り、
即ち、アクチュエータの軸心の回りに弾性的に回転しな
がら、あるいは回転しないで軸心方向に弾性縮小変形す
る。

巻装角度の大きさに応じてアクチュエータの軸心回りの
前記回転角度も大きくなり、又、第２発明では加圧の際
、夫々の加圧室に圧力差を与えると各圧力室の縮み量に
差を生じ、圧力の高い圧力室側へアクチュエータは弾性
湾曲変形する。即ち、軸心方向の縮小量、湾曲角、湾曲
方向は、各圧力室に作用する圧力の調整によって所望の
ものにできる。

筒状弾性体の筒心部にその筒心方向に沿って縮小し難い
線材が埋設されているものでは、前記加圧の際、この線
材が圧力室の筒心方向縮小変形動作を阻止するので、ア
クチュエータは軸心回りの弾性回転動作をすることにな
る。

（実施例） 次にこの発明の実施例を図にもとづいて説明する。

第１図に外観斜視図を、第２図に分解斜視図を夫々示し
た第１実施例のアクチュエータ１は、外壁を形成する筒
状弾性体３、両端部の蓋５，７、チューブ９．１１．１
３によって構成されている。

筒状弾性体３は、第２図に明示したように、断面扇形筒
状弾性体２，４．６を、その筒心方向１５に並列に合接
、接着することにより一体成形したものである。

このため合接された部位により、筒状弾性体３の筒心方
向１５（アクチュエータ１の軸方向）に弾性隔壁１２，
１４．１６が延設され、この弾性隔壁１２，１４．１６
によって３つの圧力室２２゜２４．２６が両心回りに区
画形成されている。

扇形筒状弾性体２，４．６は、例えばゴムによって成形
されていて、第２図に示すように外周部母線１７（筒心
方向１５と平行）と角度（巻装角度）αをなす方向に繊
維１９（点線で図示）により強化されて縦弾性係数が大
となっており、巻装角度αは、０≦α≦平衡角の値に設
定されている。

繊１１ｉ１９による強化は、アクチュエータ１の周壁の
外面、内面、肉厚内部のいずれでもよいものである。

ここで平衡角とは、加圧しても軸方向に伸びも縮みもし
ない状態での巻装角度を言い、一般に単純な円筒殻につ
いては、例えば林編、「複合材料工学」、日科技連、１
９７１で知られているように理論的に５４．７と求めら
れている。

繊維１９としては、例えば、ガラス、炭素、ナイロン、
木綿など、種々のものが使用可能である。

巻装角度αが０の場合は、アクチュエータ１の周壁部は
外周部母線１７に平行に繊維強化されることになる。

また、α≠０の場合には、繊維１９を扇形筒状弾性体２
．４．６に螺旋状に巻装するが、この際、複数条の繊維
１９で巻装して繊維間隔が広がらないようにすることが
望ましい。

蓋５．７は共に金属で形成されている。蓋５は圧力室２
２．２４．２６に密に嵌合されてこれらを封止できる扇
形の扇形蓋３２，３４．３６にて構成されている。又、
蓋７は扇形蓋４２，４４゜４６にて構成されている。

扇形蓋４２，４４．４６には貫通孔５２，５４゜５６が
夫々設けられ、チューブ９，１１．１３がこれらの貫通
孔５２．５４．５６に挿入、接着されている。そして、
チューブ９．１１．１３を介して圧力室２２．２４．２
６の圧力が調整され、この圧力調整は、アクチュエータ
１の外に設けられている図示しない圧力制御装置によっ
て行われる。

以上の構成における作用を説明する。

偲》　巻装角度　α−０の場合。

この場合、アクチュエータ１は軸方向１５には伸び難く
、これに直交する周方向には伸び易い。

従って、例えばチューブ１３から圧力流体を圧送して圧
力室２６の圧力を高めたとすると、圧力室２６はアクチ
ュエータ１の径方向に膨張しながら軸方向１７に縮もう
とするため、アクチュエータ１の先端部は第１図の矢線
２１の方向に湾曲変形して第１図の２点鎖線の形になる
。

或いは、圧力室２６と２４を同時に加圧すると、前記と
同様な理由でアクチュエータ１は矢線２３の方向に湾曲
変形する。

３つの圧力室２２，２４．２６を均等に加圧すると、ア
クチュエータ１は軸方向１５に縮小する。

このように、繊維１９によって強化されてこれにより異
方性を備えることになった３つの圧力室２２．２４．２
６の圧力を制御することにより、アクチュエータ１の先
端部は、動作範囲内における設定した任意の点に位置決
めすることができる。

（υ　α≠０（０くαく平衡角）の場合。

この場合、圧力室２２，２４．２６は、加圧されること
により前記α−０の場合と同様に、径方向に膨張しなが
ら軸方向１５に縮小しようとするが、同時に、繊維１９
（螺旋状に巻装されている）がほどける方向に両心回り
に回転動作をする。

このように異方性を与えられた弾性材料の特性を利用し
、３つの圧力室２２，２４．２６の圧力を制御すること
により、アクチュエータ１は回転動作を伴いながら所望
の方向への湾曲動作と軸方向１５の縮小動作をすること
になる。

次に、この発明は製作方法、構造等、種々の変形例が可
能であって、以下、他の実施例として説明する。

まず、圧力室の数は、前記３個のほか、２個、４個など
いくつでも良く、目的に応じて任意に選択できる。

また、筒状弾性体３内の弾性隔壁が無く、圧力室が１つ
のアクチュエータであれば、軸方向回りの回転動作と軸
方向の縮小動作のみが行われる。

また、第３図に第２実施例のアクチュエータ３１の横断
面図を示すように、中心部に圧力調整を行わない貫通部
３３を設けたものに構成してもよい。

この第３ｖ！Ｊでは、前記第１図、第２図の第１実施例
と同等の構成要素について、共に同一の符号を付してそ
の構造の説明は省略するが、貫通部３３を除いた他の構
成要素は、第１実施例に従うものである。

このようなアクチユニー　タ３１では、圧力調整を行わ
ない空間があるにもかかわらず全方向へ均等な自由度が
確保され、アクチュエータ３１の安定な動作が実現する
。また、圧力Ｍ８のための多数本のチューブや、位置検
出用センサなどのための多数本の配線が用いられる場合
に貫通部３３にこれらチューブ等を挿通すれば、周囲の
圧力室２２．２４．２６の圧力がクツシヨンの役割をす
ることになってこれらチューブ等の外力の作用から保護
され、チューブ等の切断や破損の心配が無くなる。

もちろん、貫通部３３のような圧力調整を行わない空間
を２つ以上設けてもよく、１つは前述したようにチュー
ブ等の挿通用に、１つは流体の流通用などという利川方
法をとってもよい。

また、アクチュエータの一方から他方へ流体などを流通
する場合に圧力を用いて行ってもよいことは言うまでも
ない。

次に、異方性の与え方についての変形例を示す。

前記第１実施例では、ゴムにより扇形筒状弾性体２，４
．６を形成後、各々を繊維強化した後、これらの扇形筒
状弾性体２，４．６を筒心方向１５に並列に合接、接着
してアクチュエータ１を形成している。

これに対し、例えば、筒状弾性体を成形後、外周部に繊
維１９を巻きつけ（α≠０の場合）、或いは第４図に斜
視図を示した第３実施例のように（α−０の場合）、筒
状弾性体４３の両端の接着部３７に繊維２９を接着しな
がら外周部母線１７の方向に繊１１２９を張ってもよい
。

このように筒状弾性体４３を弾性隔壁１２．１４．１６
と共に押し出し成形したものでは、弾性隔壁１２，１４
．１６は繊維強化されないことになるが、少なくともこ
のアクチュエータ４１の外周部に異方性があれば、アク
チュエータ４１は前記の動作をする。

繊維強化後、繊維２９の上からゴムを被覆したり、或い
は、弾性変形可能な接着剤を用いて繊維２９を全長にわ
たって筒状弾性体４３に接着してもよいが、必ずしも繊
ＩＩ２９と筒状弾性体４３は全面にわたって密接固着し
ている必要は無く、第４図のように両端の接着部３７の
−みて固着されているだけでもよい。

第５図に斜視図で示した第４実施例のアクユエータ５１
は、繊維強化を、外周部母線１７に対し、巻装角度αの
右巻きに繊維３９で巻き、さらに巻装角度βの左巻きに
繊維４９で巻くことにより、２方向強化を図ったもので
ある。巻装角度αとβは、同一値でもよく、或いは異な
った値であってもよい。

以上の各実施例では、強化材料として長繊維を用いたも
のを示したが、第６図又は第７図に斜視図で示すように
、短い繊維５９によって強化された（角度α≠０）第５
実施例のアクチュエータ６１と、同じく短い繊維６９に
よって強化された（角度α−０）第６実施例のアクチュ
エータ７１であってもよい。

即ち、母材としてのゴム中に短い繊維６９を分散させて
ダイスにより押し出し成形を行う。通常、繊維５９．６
９は成形時の母材の流線方向に沿って整列することが知
られており、アクチュエータ６１．７３として得ること
ができる。

繊維を配置する代わりに筒状弾性体に、これを構成する
材料よりも弾性係数が大きい物質を部分的に塗布（例え
ば接着剤のようなものを線状に塗布）することによって
も前記実施例と同等な強化作用が得られる。

例えば前記第４図において、繊維２９を接着する代わり
に、繊維２９を配置する位置や方向に例えば接着剤を筒
状弾性体４３に塗布すれば、その部分が硬化することに
よって繊維２９を配置したのと同等の機能が得られる。

次に、第７実施例のアクチュエータ８１を、第８図に外
観斜視図で、第９図に分解斜視図で、第１０図に第８図
の横断面図で示した。

この第７実施例のアクチュエータ８１は前記第１図、第
２図の第１実施例のアクチュエータ１の中心部に、線材
８５を軸心方向１５に沿って埋設したものであり、他の
構成要素については第１実施例と同等である。

線材８５として具体的にスチールワイヤやプラスチック
の細い線材のように成る程度間げおよびねじり変形が可
能で、かつ、線材８５の長手方向には伸縮し難いものが
用いられ、その太さは、加圧時に座屈を避けるためにあ
る程度太いものを用いるが、太過ぎると、圧力室の例え
ば１つを加圧したとき曲がらなくなるので、アクチュエ
ータ８１の湾曲動作ができる範囲でなくべく太いものと
している。

次にこの第７実施例の作用を説明する。

３つの圧力室２２．２４．２６を均等に加圧した場合、
第１実施例と同様にアクチュエータ８１は軸方向１５の
回りに回転しながら縮もうとするが、線材８５の作用に
より、軸方向１５の縮小変形が拘束、抑止され、軸方向
１５回りの回転動作のみが実現される。

また、例えば圧力室２６のみを加圧すると、アクチュエ
ータ８１の中心軸の長さは変らず、矢線２１方向に湾曲
変形して第８図の２点鎖線の位置となる。

［発明の効果１ 以上によって明らかなように、第１の発明のアクチュエ
ータは強化の角度である巻装角度を平衡角未満としてい
るので、加圧時にアクチュエータの軸方向への縮み動作
成いは、軸方向の回りに回転しながら軸方向への縮み動
作を行なわせることができる。

また第２の発明ではさらに所定方向への湾曲動作を行な
わせることができる。

さらに、第２の発明で筒状弾性体の筒心部に、この筒心
方向に沿って縮小し難い線材を埋設した場合、軸方向へ
の縮みを伴わない回転動作や湾曲動作が行われるアクチ
ュエータが実現される。

従来のアクチュエータは、圧力室の端部所面に作用する
流体圧により動作するものであるのに対し、この発明の
アクチュエータは、圧力室の周壁面に作川する流体圧を
主に利用して動作するものである。従って、アクチュエ
ータの細径化等によって圧力室の端部断面積が減少して
も、この発明によれば、出力の低下が抑制される。

【図面の簡単な説明】

第１図から第１０図まではこの発明の実施例を示すもの
で、第１図は第１実施例の外観斜視図、第２図は第１図
の分解斜視図、第３図は第１実施例の変形例である第２
実施例における横断面図、第４図、第５図、第６図、第
７図は、第１実施例のそれぞれの変形例である第３実施
例、第４実施例、第５実施例、第６実施例の外観斜視図
、第８図は第１実施例の他の変形例である第７実施例の
外観斜視図、！Ｉ！９図は第８図の分解斜視図、第１０
図は第８図の横断面図、第１１図は従来例の外観斜視図
、第１２図は第１１図の分解斜視図である。 １．３１．４１，５１，６１，７１．８１・・・アクチ
ュエータ ３．４３．５３・・・筒状弾性体 １２．１４．１６・・−弾性隔壁 １５・・・筒心方向 １７・・−外周部母線 ２２．２４．２６・−・圧力室 ８５・・一線材 ａ−・角度（巻装角度） 代私弁理士三好秀和 第４図 第６図 第７図 〜イ　　ｐ 第１０図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）内部に圧力室を有する筒状弾性体の前記圧力室の
   圧力を調整することによる筒状弾性体の弾性変形動作を
   用いるアクチュエータにおいて、前記筒状弾性体は、少
   なくともその周壁部が外周部母線に対し、平衡角未満の
   角度をなす方向に縦弾性係数を大としていることを特徴
   とするアクチュエータ。
2. （２）筒心方向に延設された弾性隔壁によって内部が複
   数の圧力室に区分された筒状弾性体からなり、前記圧力
   室の各々の圧力を調整することによる筒状弾性体の弾性
   変形動作を用いるアクチュエータにおいて、 前記筒状弾性体は、少なくともその周壁部が外周部母線
   に対し、平衡角未満の角度をなす方向に縦弾性係数を大
   としていることを特徴とするアクチュエータ。
3. （３）前記筒状弾性体の筒心部に、この筒心方向に沿い
   縮小し難い線材が埋設されていることを特徴とする請求
   項２記載のアクチュエータ。