JPH04175501A - アクチュエータの駆動装置 - 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］ （産業上の利用分野） 本発明は流体の圧力エネルギによって湾曲・伸縮などの
動作を行うアクチュエータの駆動装置に関する。

（従来の技術） 隔壁によって内部が複数の圧力室に分離された筒状弾性
体からなり、この筒状弾性体の圧力室に流体圧を供給す
ることによって湾曲・伸縮などの任意の動作を行うアク
チュエータとしては、例えば特開平１−２４７８０９号
に記載されたものが知られている。

上記アクチュエータにおいては、筒状弾性体内部に形成
される圧力室の任意の１つに大なる圧力を加えることに
よりその圧力室が伸長する。つまり、各圧力室に加える
圧力の差によって、筒状弾性体を任意の方向に湾曲させ
ることができる。また、各圧力室の圧力を同時に大きく
すれば筒状弾性体は伸直し、小さくすれば縮小する。つ
まり、筒状弾性体に加える圧力の全体量によって、筒状
弾性体を任意の方向に伸縮させることができる。

一方、上記のアクチュエータを駆動するために、従来は
圧力室の数だけの圧力制御装置（例えば制御弁など）を
用意し、各圧力室の圧力を独立に制御している。このよ
うな圧力制御装置の配置とすると、アクチュエータ先端
は空間上の任意の点にほぼ正確に位置決めすることがで
き、アクチュエータを用いた非常に細かな動作を実現す
ることが可能となる。しかし、逆にアクチュエータを含
む装置全体が大形化してしまい、かつ制御が複雑になっ
てしまうという恐れがあった。

（発明が解決しようとする課題） 以上のように従来は、アクチュエータを制御する場合、
圧力室の数だけの圧力制御装置（例えば制御弁など）を
用意し、各圧力室の圧力を独立に制御している。そのた
め、アクチュエータ先端を空間上の任意の点にほぼ正確
に位置決めすることができるという利点があったが、逆
にアクチュエータを含む装置全体が大形化してしまい、
かつ制御が複雑になってしまうという恐れがあった。

本発明はこういった従来の問題点を解決するためになさ
れたものであり、装置全体の大形化および制御の複雑化
を防止し、しかも所望の動作を実現することのできるア
クチュエータの駆動装置の提供を目的としている。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 上記の目的を達成するために本発明においては、隔壁に
よって内部が複数の圧力室に分離された筒状弾性体から
なるアクチュエータの前記圧力室の圧力を調整するもの
であって、複数の前記圧力室と内部空間どうしが結合す
る容積室と、前記容積室内を複数の単位容積室に分離す
るとともに前記容積室内を移動して前記単位容積室の容
積を変化させる容積可変手段と、前記容積可変手段を移
動制御する制御装置を有するアクチュエータの駆動装置
とした。

（作用） 上記のように構成すれば、容積室（例えばシリンダ）内
に形成される単位容積室の容積を容積可変手段（例えば
ピストン）を用いて変化させることにより、この容積室
と内部空間が結合する全ての圧力室の圧力を変化させる
ことができるようになる。したがって、容積室、容積可
変手段を含む圧力制御装置を圧力室の数と同じだけ用意
することなくアクチュエータに所望の動作を実現させる
ことができる。

（実施例） 以下、図面に基づいて本発明の実施例を詳細に説明する
。第１図は本発明の第１の実施例に係るアクチュエータ
の駆動装置を示す説明図であり、第２図および第３図は
アクチュエータの分解斜視図および断面図である。

まず、第２図、第３図を用いて本発明に利用されるアク
チュエータ１について説明する。

同図に示すように、アクチュエータ１は外壁を形成する
筒状弾性体８、先端封止部９、根元封止部１０．チュー
ブｌｌａ、ｌｌｂから構成されている。そして、同図か
らもわかるように、筒状弾性体８は同一形状からなる２
つの単位筒状弾性体１３ａ、１３ｂをその軸方向に並列
に接着することにより一体成形したものである。このた
め、接着された部位により筒状弾性体８の軸方向に弾性
隔壁５．６が延設され、これら弾性隔壁５，６により２
つの圧力室１４．１５が形成される。前記単位筒状弾性
体１３ａ、１３ｂは、図面垂直方向を軸としてそれぞれ
間隔を密にして螺旋状に巻装された繊維１７を、弾性材
料であるシリコーンゴムにより被覆して形成されている
。このため筒状弾性体８は繊維１７とゴムとの複合によ
る異方性弾性材料によって形成されることにより剛性の
小さい方向は筒状弾性体８の軸方向１８と略一致し、こ
の軸方向１８には伸びやすくなっているものである。ま
た軸方向１８と直交する方向１９には繊維１７により剛
性が大のため伸びにくくなっている。

前記先端封止部９は、金属などにより形成され前記単位
筒状弾性体１３ａ、１３ｂに形成された圧力室１４．１
５を封止する扇形状の上蓋９ａ。

９ｂの一端を単位筒状弾性体１３ａ、１３ｂに挿入して
接着することにより構成されている。

前記根元封止部１０は、先端封止部９と同様なる扇形状
の下蓋１０ａ、１０ｂと、この下蓋１０ａ、１０ｂの一
端を単位筒状弾性体１３ａ、１３ｂに挿入して接着封止
することにより構成されている。

また、下蓋１０ａ、１０ｂには、前記チューブ１１ａ、
ｌｌｂが挿入固着される挿入穴２０ａ。

２０ｂがそれぞれ設けられている。前記チューブ１１ａ
、ｌｌｂは接着剤により挿入穴２０ａ、２０ｂに密封状
に固着されるものである。

このように構成されたアクチュエータ１は、筒状弾性体
８内部に形成される圧力室１４．１５の任意の１つに大
なる圧力を加えることによりその圧力室が伸長する。つ
まり、各圧力室に加える圧力の差によって、筒状弾性体
８を任意の方向に湾曲させることができる。また、各圧
力室の圧力を全体的に大きくすれば筒状弾性体８は伸直
し、小さくすれば縮小する。つまり、筒状弾性体８に加
える圧力の全体量によって、筒状弾性体８を任意の方向
に伸縮させることができる。

次に、アクチュエータの駆動装置について説明する。

第１図に示すように、アクチュエータ１から延設された
チューブｌｌａ、ｌｌｂは、種々の計器（後述する）を
介してシリンダ（容積室）２１の両端部と連結している
。シリンダ２１内部にはピストン（容積可変手段）２２
が配置され、ロッド２３の直線駆動によりシリンダ２１
内部を移動すること゛ができる。なお、ロッド２３とシ
リンダ２１との摺接点は十分なシールがなされ、シリン
ダ２１は気密に保たれている。また、ピストン２２によ
り分離されたシリンダ２１内の２つの空間（単位容積室
）２１ａ、２１ｂも、互いに気密が保たれている。

ロッド２３の他端にはこのロッド２３を直線駆動するた
めの駆動部２４が配置されている。駆動部２４は、回転
モータ２４ａと、この回転モータ２４ａの回転運動を直
線運動に変換するためのボールスクリュー２４ｂとから
構成されている。

駆動部２４の回転モータ２４ａには、アクチュエータ１
を所望の変形状態にするための制御装置２６が接続して
おり、制御装置２６からの出力信号が入力されるように
なっている。

また、ロッド２３の軸方向への移動長さを検出するため
にポテンショメータ２５が配置されており、その出力が
制御装置２６に入力されるようになっている。

アクチュエータ１とシリンダ２１と連結するチューブｌ
ｌａ、ｌｌｂには、それぞれ圧力計２７Ｂ、２７ｂ、チ
エツク弁２８ａ、２８ｂ、作動流体溜め２９ａ、２９ｂ
、圧力リミツト弁３０ａ。

３０ｂが介在している。チエツク弁２８ａ、２８ｂ１圧
カリミツト弁３０ａ、３０ｂの開閉動作は制御装置３１
により行われ、また、圧力計２７ａ。

２７ｂによる検出信号は制御装置３１に入力されるよう
になっている。

以上のような構成からなる本実施例の動作について説明
する。

今、第１図に示すようにピストン２２がシリンダ２１内
の軸方向中間位置にあり、この状態でアクチュエータ１
がその軸方向に伸直しているが湾曲はしていないものと
する。ここで制御装置２６に対してアクチュエータ１の
任意の変形状態を入力する。制御装置２６はこの入力信
号を得て回転モータ２４ａを所定量だけ回転駆動するた
めの電流を出力する。この回転運動はボールスクリュー
２４ｂによって直線運動に変換され、結果としてシリン
ダ２１内のピストン２２が直線移動することになる。シ
リンダ２１内はピストン２２によって２つの空間２１ａ
、２１ｂに分離されており、しかも両者２１ａ、２１ｂ
は互いに気密に保たれているので、ピストン２２が直線
移動することによって２つの空間２１ａ、２１ｂ内の圧
力が変化し、圧力差が生じる。したがってこの圧力差が
アクチュエータ１の各圧力室１４．１５に及ぶことによ
り、アクチュエータ１が湾曲・伸縮動作を行う。上記制
御装置２６には湾曲・伸縮量などを入力し、この情報が
電気信号、圧力信号となり実際の変形状態として実現す
る。例えば第１図に鎖線で示すように、ピストン２２を
左方向に移動することにより、アクチュエータ１は下方
に湾曲する。

アクチュエータ１の変形状態を変更する場合は、制御装
置２６への入力を変更する。これによって空間２１ａ、
２ｉｂ内の圧力が変化し、アクチュエータ１に異なる変
形状態が実現する。

なお、上記制御装置２６には、アクチュエータ１の変形
状態とピストン２２の駆動量（回転モータ２４ａの回転
量）との関係をあらかじめプログラムしておくことが好
ましく、またジョイスティックレバーなどを用いてアク
チュエータ１を直接操縦することもできる。

また、ロッド２３の移動長さを検出するボテンシタメー
タ２５からの検出信号を制御装置２６にフィードバック
することにより、操作者側が意図するアクチュエータの
動作と実際のアクチュエータの動作とが異なってもこれ
を補正することができる。

このように、シリンダ２１内に形成される空間２１ａ、
２１ｂの容積をピストン２２を用いて変化させることに
より、これら空間２１ａ、２１ｂと結合する圧力室１４
．１５の圧力を変化させることができるようになる。し
たがって、シリンダ。

ピストンを含む圧力制御系を圧力室の数と同じだけ用意
することなくアクチュエータ１に所望の動作を実現させ
ることができる。

一方、圧力計２７　ａ、　２７　ｂ、チエツク弁２８ａ
　＋　　２８　ｂ　ｓ作動流体溜め２９　ａ、　　２９
　ｂ、圧力リミツト弁３０ａ、３０ｂは、アクチュエー
タ１の機能をバックアップするために用いられている。

つまり、前述したように、アクチュエータ１はその大部
分が弾性部材からなっているので、長期間の使用や高頻
度の使用によっては亀裂が発生して流体が漏れてしまう
ことも考えられ、これに対する対策が必要となる。

圧力計２７ａ、２７ｂはチューブｌｌａ、１ｉｂ内の圧
力、言い換えれば圧力室１４．１５の圧力を検出するも
のである。この検出値は制御装置３１と連動しており、
ピストン２２の駆動により発生すべき圧力に対して実際
の圧力が異なる場合、制御装置３１に信号が送られる。

制御装置３１はこの信号を受け、チエツク弁２８ａ、２
８ｂの開放制御を行う。チエツク弁２８ａ、２８ｂには
予備の流体が所定の圧力で確保された作動流体溜め２９
　ａ、　　２９　ｂが接続しており、アクチュエータ１
から流体漏れが発生しても、その漏れ分を補給して圧力
を増加させることができる。なお、作動流体溜め２９ａ
、２９ｂとして高圧空気源を接続することもできる。

一方、チエツク弁２８ａ、２８ｂが開放されている状態
でも圧力室１４；１５の圧力は圧力計２７ａ、２７ｂで
検出される。そして、圧力室１４゜１５の圧力が所定の
圧力に達した場合は、今度は圧力室１４．１５が過剰に
加圧されるのを防止するために、圧力リミツト弁３０ａ
、３０ｂを開放して作動流体が排気されるように制御す
る。なお、圧力リミツト弁３０ａ、３０ｂの開放制御も
上記制御装置３１によって行うことができ、あらかじめ
入力しておいた所定の圧力値と、圧力計２７ａ。

２７ｂによる検出値とを比較し、前記圧力値の方が大き
くなった場合に圧力リミツト弁３０ａ、３０ｂの開放制
御を行うようにすればよい。また、あらかじめ入力して
おいた所定の圧力値の方が圧力計２７ａ、２７ｂによる
検出値よりも小さくなった場合には再び圧力リミツト弁
３０ａ、３０ｂを閉鎖するように制御することもできる
。

なお、チエツク弁２８ａ、２８ｂは流体漏れに対するバ
ックアップのために利用されるのみならず、ピストン２
２の誤動作によって圧力室１４゜１５に過剰な圧力が加
わるのを防止するために用いることもできる。

また、本実施例のようにシリンダ２１とピストン２２を
用いて圧力制御を行うものであると、電磁弁などを用い
たものと異なり、アクチュエータ１を所望の変形状態に
保持するために電気エネルギを消費することがない。つ
まり、電磁弁などを用いて圧力を一定の状態に保持する
ためには、弁の開閉動作を連続的に行って圧力調整しな
ければならない。しかし、本実施例の場合にはボールス
クリュー２４ｂを利用しているので、回転モータ２４ａ
に電気エネルギを供給しなくてもその位置に容易に固定
される。ボールスクリュー２４ｂが容易にバックドライ
ブしないように、ボールスクリュー２４ｂのリードを小
さく設計することもできる。

続いて本発明の第２の実施例について説明する。

第４図は本発明の第２の実施例を示すものであり、同図
（ａ）はアクチュエータの断面図、同図（ｂ）はシリン
ダの断面図である。

同図に示すように、アクチュエータ１′の２つの圧力室
１４“、１５°の容積が異なる場合は、大きな容積を有
する圧力室１４°の方に多くの流体が与えられるような
構成とすることが好ましい。

そこでここでは同図（ｂ）のように、シリンダ２１°の
断面形状がロッド２３の移動方向に対して非対称となる
ように形成しである。また、シリンダ２１′の形状にか
かわらず空間２１ａ’、２１ｂ°の気密を保つために、
弾性変形可能なピストン２２′を採用している。ピスト
ン２２°　とじては、例えば同図に示すようにゴムを撓
ませたものや、あるいは金属からなる円盤状のバネ部材
などを利用することができる。

このような構成とすれば、大きな容積を有する圧力室１
４′の方には多くの流体が供給され、−方小さな容積を
有する圧力室１５”の方にはわずかな流体のみが供給さ
れるようになる。これによってアクチュエータ１°の変
形動作の線形性が保持され、ピストン２２°の移動量に
対するアクチュエータ１′の変化量は、圧力室１４°、
１５゜の容積の違いによらずほぼ一定となる。

もちろん、第４図（ａ）のアクチュエータ１′に対して
第１図の円筒型のシリンダ２１を適用することも可能で
あり、また、第４図（ｂ）のシリンダ２１゛に対して第
２図、第３図のアクチュエータ１を適用することも可能
である。このような組み合わせとすることによって、ア
クチュエータの湾曲方向に対する変形の度合いに変化を
与えることができる。

続いて、本発明の第３の実施例について説明する。第５
図は本発明の第３の実施例に係るアクチュエータの駆動
装置を示す説明図であり、第６図および第７図はアクチ
ュエータの分解斜視図および断面図である。

本実施例で利用されるアクチュエータ１”は第２図、第
３図に示したものと異なり、３つの圧力室を有したもの
である。ただし、その動作方法は同じである。したがっ
て、ここではアクチュエータ１と同一構成要素には同一
符号を付して説明を省略する。（第３の圧力室に係る構
成要素については、符号の末尾に“Ｃ”を付した。）な
お、制御装置３１への入出力信号についてはその一部を
省略しである。

本実施例では、シリンダ２１内に３つの空間２１ａ、２
１ｂ、２１ｃを形成するために２つのピストン２２ａ、
２２ｂが用意されている。アクチュエータ１”の圧力室
１６から導出されたチューブ１１ｃはシリンダ２１の中
間部付近に連結され、同図に示すように、２つのピスト
ン２２ａ、２２ｂがシリンダ２１の軸方向にそれぞれ独
立して直線移動できるように圧力制御系が構成されてい
る。

ここで、ピストン２２ｂを固定してピストン２２ａのみ
を駆動する場合を考える。ピストン２２ｂは固定されて
いるので空間２１ｃの容積は変化せず、したがって圧力
室１５内の圧力は一定である。一方、ピストン２２ａは
空間２１ａ、２１ｂの容積を変化させることになるので
、圧力室１４゜１６内の圧力が変化し、これに基づいて
アクチュエータ１”の変形状態が発生する。アクチュエ
ータ１”の動作に係る圧力室は１４．１６のみなので、
アクチュエータ１″は主として同図に矢印で示すＡ方向
の湾曲動作を行う。

また、ピストン２２ａとピストン２２ｂとの両方を駆動
する場合を考える。この場合には空間２１ｃの容積も変
化するので、圧力室１５内の圧力も変化することになる
。結果としてアクチュエータ１”は、Ａ方向ばかりでな
く３次元空間上の所望の方向への変形動作が可能となる
。

ただし、圧力室１６（空間２１ｂ）内の圧力は、両方の
ピストン２２ａ、２２ｂの移動状態と関係することにな
る。そのため制御装置２６は、両方のロッド２３ａ、２
３ｂの移動量から圧力室１６の圧力を制御することがで
きる。

このような実施例であれば、３つの圧力室を有するアク
チュエータを１つのシリンダのみを用いて制御すること
ができる。また同様に、３つ以上のピストンを利用すれ
ば、４つ以上の圧力室を有するアクチュエータも１つの
シリンダのみで制御することが可能となる。

なお、チューブとシリンダとの接続位置は、アクチュエ
ータの利用目的に応じて自由に設計することができる。

例えば第５図に示す実施例において、チューブｌｉｅは
シリンダ２１の中間部付近に接続しているが、チューブ
ｌｌａとの接続位置に接近させてもよい。こういった設
計は、例えば圧力室１４（空間２１ａ）内の圧力をそれ
ほど大きく変化させる必要のない用途の場合に選択され
る。

また、１つの空間に２本のチューブを連結することもで
きる。例えば第１図に示す実施例でのシリンダ２１と第
５図に示す実施例のアクチュエータ１”とを組み合わせ
、チューブｌｌａ、ｌｌｂを空間２１ａに、チューブｌ
ｌｃを空間２１ｂにそれぞれ接続するようにしてもよい
。

［発明の効果コ 以上説明したように本発明によれば、装置全体の大形化
および制御の複雑化を防止し、しかも所望の動作を実現
することのできるアクチュエータの駆動装置が提供され
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例に係るアクチュエータの
駆動装置を示す説明図、第２図および第３図はアクチュ
エータの分解斜視図および断面図、第４図は本発明の第
２の実施例を示すものであり、同図（ａ）はアクチュエ
ータの断面図、同図（ｂ）はシリンダの断面図、第５図
は本発明の第３の実施例に係るアクチュエータの駆動装
置を示す説明図、第６図および第７図はアクチュエータ
の分解斜視図である。 １．１’　、１”　・・・アクチュエータ１４．１５．
１６．１４’　、１５’ ・・・圧力室 ２１．２１゜ ・・・シリンダ（容積室） ２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ａ’　、２１ｂ’・・・
空間（単位容積室） ２２．２２ａ、２２ｂ、２２′ ・・・ピストン（容積可変手段） ２４・・・駆動部 ２５ａ、２５ｂ、２５ｃ ・・・ポテンショメータ ２６．３１・・・制御装置 ２７ａ、２７ｂ、２７ｃｍ−−圧力計 代理人　弁理士　　則　近　憲　佑 −＼ 第３図 （ａ） （ｂ） 第４図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）隔壁によって内部が複数の圧力室に分離された筒
   状弾性体からなるアクチュエータの前記圧力室の圧力を
   調整するものであって、 複数の前記圧力室と内部空間どうしが結合する容積室と
   、 前記容積室内を複数の単位容積室に分離するとともに前
   記容積室内を移動して前記単位容積室の容積を変化させ
   る容積可変手段と、 前記容積可変手段を移動制御する制御装置を有すること
   を特徴とするアクチュエータの駆動装置。
2. （２）前記圧力室の数と前記単位容積室の数とが等しい
   ことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータの駆動
   装置。
3. （３）隔壁によって内部が複数の圧力室に分離された筒
   状弾性体からなり、前記圧力室の各々の圧力を調整する
   ことにより動作するアクチュエータを有し、 前記圧力室を複数結合する容積室を設け、この容積室の
   容積を変化させることにより前記圧力室の圧力を調整す
   ることを特徴とするアクチュエータの駆動装置。