WO2020080255A1

WO2020080255A1 - 流体圧アクチュエータ

Info

Publication number: WO2020080255A1
Application number: PCT/JP2019/040085
Authority: WO
Inventors: 櫻井　良
Original assignee: 株式会社ブリヂストン
Priority date: 2018-10-16
Filing date: 2019-10-10
Publication date: 2020-04-23
Also published as: JP2020063768A

Abstract

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（１１０）と、所定方向に配向された繊維コードを編み込んだ伸縮性を有する構造体であり、チューブ（１１０）の外周面を覆うスリーブ（１２０）と、チューブ（１１０）の外周面を被覆する被覆部材（１３０）とを備える。

Description

流体圧アクチュエータ

　本発明は、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、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として、空気圧によって膨張、収縮するゴム製のチューブと、チューブの外周面を覆うスリーブとを有する構造（いわゆるマッキベン型）が広く用いられている。

　スリーブは、ポリアミド繊維などの高張力繊維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（特許文献１参照）。

国際公開第２０１７／０１０３０４号

　しかしながら、上述した従来の流体圧アクチュエータでは、高張力繊維によって形成されたスリーブが擦れて損傷したり、湿度及び紫外線などの外部環境の影響を受け易かったりする場合がある。

　そこで、本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、耐久性をさらに向上させた流体圧アクチュエータの提供を目的とする。

　本発明の一態様は、流体圧アクチュエータであって、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繊維コードを編み込んだ伸縮性を有する構造体であり、前記チューブの外周面を覆うスリーブと、前記スリーブの外周面を被覆する被覆部材とを備える。

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、封止機構２００を含む流体圧アクチュエータ１０の軸方向Ｄ_ＡＸに沿った一部断面図である。図４は、アクチュエータ本体部１００の一部展開斜視図である。図５は、変更例に係る封止機構２００を含む流体圧アクチュエータ１０の軸方向Ｄ_ＡＸ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。また、流体圧アクチュエータ１０の両端には、連結部２０がそれぞれ設けられる。

　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、フィッティング４００及び通過孔４１０を介して流体が流入する。

　アクチュエータ本体部１００には、被覆部材１３０が被せられる。具体的には、被覆部材１３０は、スリーブ１２０の外周面を被覆する。被覆部材１３０は、アクチュエータ本体部１００及び封止機構２００に軸方向Ｄ_ＡＸから被せるように挿通される。

　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Ｄ_ＡＸにおいて収縮し、径方向Ｄ_Ｒ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Ｄ_ＡＸにおいて膨張し、径方向Ｄ_Ｒ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。連結部２０には、当該体肢を構成する部材などが連結される。

　封止機構２００及び封止機構３００は、軸方向Ｄ_ＡＸ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及びかしめ部材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Ｄ_ＡＸの端部を封止する。また、かしめ部材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。かしめ部材２３０の外周面には、治具によってかしめ部材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、フィッティング４００（及び通過孔４１０）が設けられているか否かである。

　フィッティング４００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と接続されたホース（管路）を取り付けられるように突出している。フィッティング４００を介して流入した流体は、通過孔４１０を通過してアクチュエータ本体部１００の内部、具体的には、チューブ１１０の内部に流入する。

　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。また、流体圧アクチュエータ１０を油圧駆動とする場合には、耐油性が高いＮＢＲ（ニトリルゴム）、または水素化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とすることが好ましい。

　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繊維コードを編み込んだ伸縮性を有する構造体であり、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）などの高強度繊維のコードでもよい。

　また、上述したように、アクチュエータ本体部１００には、被覆部材１３０が被せられる。被覆部材１３０も円筒状であり、スリーブ１２０の外周面を覆う。被覆部材１３０は、アクチュエータ本体部１００を保護する。

　具体的には、被覆部材１３０は、アクチュエータ本体部１００、特に、スリーブ１２０が他の物体と接触することによって擦れることから保護する。

　また、被覆部材１３０は、このような擦れによるスリーブ１２０の損傷だけでなく、スリーブ１２０が水分などによって濡れることから保護できることが好ましい。つまり、被覆部材１３０は、防水、つまり、水を通さない素材あることが好ましい。さらに、被覆部材１３０は、疎水性または撥水性を備えることによって、防水効果を一段と高めることができる。

　より具体的には、被覆部材１３０は、スリーブ１２０を保護するため、耐擦傷性、防水性、耐候性及び耐熱性を有する材料によって形成されることが好ましい。

　さらに、アクチュエータ本体部１００の形状変化を妨げないように、被覆部材１３０は、十分に弾性率が低いことが好ましい。具体的には、被覆部材１３０の弾性は、スリーブ１２０の弾性よりも低いことが好ましい。

　例えば、被覆部材１３０の材料としては、シリコーンゴム、ウレタンゴム、クロロプレンゴム、アクリロニトリル・ブタジエンゴム、エチレン・プロピレンゴム、エチレン・プロピレン・ジエンゴム、フッ素ゴム、天然ゴムなどが挙げられる。

　封止機構２００は、アクチュエータ本体部１００の軸方向Ｄ_ＡＸ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及びかしめ部材２３０によって構成される。

　封止部材２１０は、胴体部２１１及び鍔部２１２を有する。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。

　胴体部２１１は、円管状であり、胴体部２１１には、流体が通過する通過孔２１５が形成される。通過孔２１５は、通過孔４１０（図１参照）に連通する。胴体部２１１には、チューブ１１０が挿通される。

　鍔部２１２は、胴体部２１１に連なっており、胴体部２１１よりも流体圧アクチュエータ１０の軸方向Ｄ_ＡＸにおける端部側に位置する。鍔部２１２は、胴体部２１１よりも外径が大きい。鍔部２１２は、胴体部２１１に挿通されたチューブ１１０及び係止リング２２０を係止する。

　胴体部２１１の外周面には、凹凸部２１３が形成される。凹凸部２１３は、胴体部２１１に挿通されたチューブ１１０の滑り抑制に寄与する。また、胴体部２１１の鍔部２１２寄りに位置には、胴体部２１１よりも外径が小さい小径部２１４が形成される。なお、小径部２１４の形状については、図３以降においてさらに説明する。

　係止リング２２０は、スリーブ１２０を係止する。具体的には、スリーブ１２０は、係止リング２２０を介して径方向Ｄ_Ｒ外側に折り返される（図２において不図示、図３参照）。

　係止リング２２０の外径は、胴体部２１１の外径よりも大きい。係止リング２２０は、胴体部２１１の小径部２１４の位置においてスリーブ１２０を係止する。つまり、係止リング２２０は、胴体部２１１の径方向Ｄ_Ｒ外側であって、鍔部２１２に隣接する位置において、スリーブ１２０を係止する。

　係止リング２２０は、胴体部２１１よりも小さい小径部２１４に係止させるため、本実施形態では、二分割の形状としている。なお、係止リング２２０は、二分割に限らず、より多くの部分に分割してもよいし、一部の分割部分が回動可能に連結されていてもよい。

　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。

　かしめ部材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。かしめ部材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部材２３０がかしめられると、かしめ部材２３０には、図１に示したような圧痕２３１が形成される。

　（２）封止機構の構成
　図３は、封止機構２００を含む流体圧アクチュエータ１０の軸方向Ｄ_ＡＸに沿った一部断面図である。

　チューブ１１０は、鍔部２１２に当接するまで胴体部２１１に挿通される。一方、スリーブ１２０は、係止リング２２０を介して径方向Ｄ_Ｒ外側に折り返されている。

　かしめ部材２３０は、封止部材２１０の胴体部２１１の外径よりも大きく、胴体部２１１に挿通された上で治具によってかしめられる。かしめ部材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。

　具体的は、かしめ部材２３０は、胴体部２１１に挿通されたチューブ１１０、及びチューブ１１０の径方向Ｄ_Ｒ外側に位置するスリーブ１２０をかしめる。つまり、かしめ部材２３０は、チューブ１１０及びスリーブ１２０を封止部材２１０とともにかしめる。

　被覆部材１３０は、スリーブ１２０の外周面を被覆する。また、本実施形態では、被覆部材１３０は、封止機構２００、具体的には、かしめ部材２３０の外周面も被覆する。

　（３）アクチュエータ本体部１００の構成
　図４は、アクチュエータ本体部１００の一部展開斜視図である。図４に示すように、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ている。

　チューブ１１０は、上述したように、ブチルゴムなど弾性材料によって構成された筒状体（管状体）である。

　スリーブ１２０は、チューブ１１０の外周面を覆うように設けられる。スリーブ１２０は、互いに交差するように配向された複数のコード１２１を編み込んで形成される。

　図４では、２本のコード１２１をペアとして、互いに交差するようにコード１２１のペアが配向されているが、ペアとするコード１２１の本数は、２本以外（モノフィラメントまたはマルチフィラメント）でも構わない。また、２本以上の場合は、コード１２１を撚ったものでも構わない。

　なお、繊維コードの直径は、アクチュエータ本体部１００の動作を妨げないものであればよく、特に限定されない。

　また、コード１２１の表面は、被覆層（不図示）によって被覆されていてもよい。当該被覆層は、熱硬化性樹脂と、ラテックスとの混合物によって形成されることが好ましい。
例えば、当該被覆層は、熱硬化性樹脂と、ラテックスとの混合物水溶液をコード１２１に塗布した後、乾燥させて熱硬化させることによって形成できる。

　熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、レゾルシン樹脂、及びウレタン樹脂の何れかを用いることが好ましい。或いはこれらの樹脂が複数配合されたものでもよい。

　ラテックスとしては、ＶＰ（スチレン・ブタジエン・ビニルピリジン共重合体）ラテックス、ＳＢＲ（低スチレン・ブタジエン共重合体）ラテックス、及びＮＢＲ（ブタジエン・アクリロニトリル共重合体）ラテックスの何れか、または複数配合されたものを用いることが好ましい。

　スリーブ１２０の外周面には、被覆部材１３０が設けられる。図４では、被覆部材１３０は、仮想線で示されている。スリーブ１２０を構成するコード１２１と、被覆部材１３０の内周面とは、接触していてもよいが、アクチュエータ本体部１００の形状変化に伴って、互いに摺動できる。これにより、被覆部材１３０がアクチュエータ本体部１００の形状変化を妨げることはない。

　また、被覆部材１３０は、透明でも不透明でもよいが、スリーブ１２０の状態を容易に視認できる観点からは、スリーブ１２０を構成するコード１２１の状態が視認できる程度の透明性を有していることが好ましい。

　（４）作用・効果
　上述した実施形態によれば、以下の作用効果が得られる。具体的には、アクチュエータ本体部１００を構成するスリーブ１２０の外周面は、被覆部材１３０によって被覆される。

　このため、スリーブ１２０が露出しない。これにより、スリーブ１２０が他の物体と擦れて損傷することを防止し得る。また、スリーブ１２０が、湿度及び紫外線などの外部環境によって受ける影響を低減し得る。

　すなわち、流体圧アクチュエータ１０によれば、耐久性がさらに向上する。

　本実施形態では、被覆部材１３０の弾性は、スリーブ１２０の弾性よりも低い。このため、被覆部材１３０が、スリーブ１２０を構成するコード１２１を損傷させることを低減し得る。特に、アクチュエータ本体部１００は形状変化を繰り返し、コード１２１と、被覆部材１３０の内周面とは、互いに摺動するが、このような摺動を繰り返しても、コード１２１が損傷し難い。

　本実施形態では、被覆部材１３０は、防水である。このため、流体圧アクチュエータ１０が濡れるような環境で使用しても、コード１２１が濡れにくい。これにより、互いに交差するように配向された複数のコード１２１が濡れることによってコード１２１の動きが悪化することを回避し得る。また、このようなコード１２１の動きの悪化は、コード１２１の耐久性に大きな悪影響を与えるが、このような悪影響も排除し得る。つまり、流体圧アクチュエータ１０の耐久性がさらに向上する。

　本実施形態では、被覆部材１３０は、アクチュエータ本体部１００の軸方向Ｄ_ＡＸにおける端部を封止する封止機構２００（かしめ部材２３０）の外週面も被覆する。このため、被覆部材１３０が軸方向Ｄ_ＡＸにおいて多少ずれてもスリーブ１２０が露出しない。また、スリーブ１２０が濡れることをより確実に防止し得る。

　（５）その他の実施形態
　以上、実施例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、上述した被覆部材１３０の形状は、次にように変更してもよい。図５は、変更例に係る封止機構２００を含む流体圧アクチュエータ１０の軸方向Ｄ_ＡＸに沿った一部断面図である。

　図５に示すように、被覆部材１３０Ａは、封止部材２１０の鍔部２１２の表面まで覆っている。つまり、被覆部材１３０Ａは、かしめ部材２３０の外周面だけでなく、封止部材２１０の鍔部２１２の表面まで覆う。

　被覆部材１３０Ａは、鍔部２１２の表面まで覆うため、アクチュエータ本体部１００及び封止機構２００に被せて装着する際に、被覆部材１３０と比較すると作業性が低下し得るが、アクチュエータ本体部１００及び封止機構２００に被覆部材１３０Ａを被せやすくするために、被覆部材１３０Ａに十分な伸縮性を付与しておけばよい。

　被覆部材１３０Ａによれば、軸方向Ｄ_ＡＸにおける被覆部材１３０Ａのずれをさらに確実に防止し得る。また、封止部材２１０の鍔部２１２の表面まで被覆部材１３０Ａによって覆われているため、スリーブ１２０が濡れることをさらに確実に防止し得る。

　なお、スリーブ１２０を被覆する被覆部材は、スリーブ１２０の外周面と、封止機構２００の外周面の少なくとも一部を被覆されていればよい。或いは、当該被覆部材は、スリーブ１２０の外周面のみを被覆し、封止機構２００は必ずしも被覆しなくてもよい。

　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
　２０　連結部
　１００　アクチュエータ本体部
　１１０　チューブ
　１２０　スリーブ
　１２１　コード
　１３０，１３０Ａ　被覆部材
　２００　封止機構
　２１０　封止部材
　２１１　胴体部
　２１２　鍔部
　２１３　凹凸部
　２１４　小径部
　２１５　通過孔
　２２０　係止リング
　２３０　かしめ部材
　２３１　圧痕
　３００　封止機構
　４００　フィッティング
　４１０　通過孔

Claims

　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繊維コードを編み込んだ伸縮性を有する構造体であり、前記チューブの外周面を覆うスリーブと、
　前記スリーブの外周面を被覆する被覆部材と
を備える流体圧アクチュエータ。
　前記被覆部材の弾性は、前記スリーブの弾性よりも低い請求項１に記載の流体圧アクチュエータ。
　前記被覆部材は、防水である請求項１または２に記載の流体圧アクチュエータ。
　前記チューブ及び前記スリーブによって構成されるアクチュエータ本体部の軸方向における端部を封止する封止機構を備え、
　前記被覆部材は、前記スリーブの外周面と、前記封止機構の外周面の少なくとも一部を被覆する請求項１乃至３の何れか一項に記載の流体圧アクチュエータ。