JP7256528B2 - アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、アクチュエータに関し、特に、簡単に形成することが可能なアクチュエータに関する。

従来、特許文献１に示すように、ゴム状弾性体から構成される管状体の軸線に沿って、複数の繊維により構成される補強材を埋設し、管状体の両端を閉鎖部材により閉鎖して、閉鎖部材および管状体により形成される空間に、圧縮空気を給排することにより管状体を径方向に膨張させて軸方向に収縮させるアクチュエータが知られている。

特開２０１４－２３４８３８号公報

しかしながら、特許文献１のアクチュエータでは、閉鎖部材を管状体の端部にカシメることで取り付けられるため、カシメるときに管状体を損傷したり、カシメ不良により圧縮空気が漏れたりする虞があり、製造時に注意を払わねばならないという問題がある。
そこで、本発明は、上記問題点を解決すべく、簡単に製造可能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ソフトアクチュエータの構成として、複数の山部を有する蛇腹チューブと、蛇腹チューブの外周側の山部に所定距離離間して複数設けられ、外周側の山部の円周方向に沿って少なくとも一周にわたり密着するリング部材と、リング部材の外周に設けられ、軸方向への伸縮が規制され、気密性を有する弾性素材で形成された筒状の弾性チューブと、弾性チューブを外周側から加圧し、リング部材の外周に密着させる固定部材とを備える構成とした。
本構成によれば、簡単にアクチュエータを構成することができる。
また、アクチュエータの他の構成として、複数の山部を有する蛇腹チューブと、蛇腹チューブの内周側の山部に所定距離離間して複数設けられ、内周側の山部の内周に少なくとも一周にわたり密着するリング部材と、リング部材の内周に設けられ、軸方向への伸縮が規制され、気密性を有する弾性素材で形成された筒状の弾性チューブと、弾性チューブを内周側から加圧し、リング部材の内周に密着させる固定部材とを備える構成としても良い。
また、複数の山部は、蛇腹チューブの軸方向に沿って螺旋状に形成され、リング部材は、山部の螺旋に合致する溝を備える構成としたり、山部の円周方向に沿った環状に形成され、リング部材は、山部の周方向に複数に分割してなる構成としても良い。

アクチュエータの透視図及び軸方向平面図である。 アクチュエータの軸方向断面図である。 弾性チューブを半径方向に切断した断面図である。 アクチュエータの動作を示す図である。 アクチュエータの他の形態を示す図である。 他の形態のアクチュエータの動作を示す図である。 アクチュエータの他の形態を示す図である。 アクチュエータの他の形態を示す図である。 アクチュエータ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、本実施形態に係るアクチュエータの透視図及び軸方向平面図である。図２は、アクチュエータの軸方向断面図である。図１，２に示すように、本実施形態に係るアクチュエータ１は、複数の山部２０を有する蛇腹チューブ２と、蛇腹チューブ２の外周に所定距離離間して設けられる複数のリング部材４と、リング部材４の外周に設けられ、蛇腹チューブ２と二重管を形成する弾性チューブ６と、弾性チューブ６の外周から当該弾性チューブ６を加圧し、リング部材４の外周に締め付けて固定する固定部材８とを備える。

図１に示す蛇腹チューブ２は、山部２０及び谷部２２が螺旋状に連続して形成された螺旋状の筒体である。以下、山部２０を螺旋山部という。蛇腹チューブ２には、図外の空気チューブを接続するための継手２４が取り付けられる。空気チューブは、アクチュエータ１動作させるための空気を供給するための管である。

継手２４は、後述のリング部材４を複数蛇腹チューブ２に設けたときに、隣接するリング部材４；４の間に位置するように設けられる。好ましくは、リング部材４；４の間の中間位置を目安として設けると良い。なお、継手２４は、蛇腹チューブ２に複数のリング部材４を設けたときに、必ずしもすべての隣接するリング部材４；４の間に設ける必要はなく、適宜設定すれば良い。継手２４は、例えば、蛇腹チューブ２の内周側の谷部２２に取り付けられ、空気チューブから供給された空気が内周面２ａ側から外周面２ｂ側に流れるように構成される。

リング部材４は、蛇腹チューブ２の外周に嵌着可能に形成された環体であって、蛇腹チューブ２の外周に複数設けられる。本実施形態では蛇腹チューブ２の両端とその中間位置の３箇所とした。なお、以下の説明では、各リング部材４は、設けられた位置に応じて４Ａ；４Ｂ；４Ｃ等として示す場合がある。リング部材４は、例えば、樹脂や硬質のゴム等を素材として形成すると良い。リング部材４の内周面４ａには、蛇腹チューブ２の外周を螺旋状に延長する螺旋山部２０に対応する螺旋溝４０が形成される。

つまり、蛇腹チューブ２とリング部材４は、所謂ボルトとナットと同様の関係にあり、蛇腹チューブ２の螺旋山部２０にリング部材４の螺旋溝４０が螺合するように形成される。これにより、蛇腹チューブ２の外周において、リング部材４を右、又は左に回転させることで、蛇腹チューブ２の延長方向に沿って進退し、蛇腹チューブ２の所望の位置に配置することができる。

螺旋溝４０は、少なくとも螺旋山部２０の１ピッチ以上となるように形成すると良い。即ち、リング部材４は、螺旋山部２０の１ピッチ以上の螺旋溝４０の形成が可能となるように軸方向の厚みを設定すれば良い。

螺旋溝４０の延長方向に交差する断面形状は、図２中の範囲ｘに示すように、螺旋山部２０の頂部２０Ａと、頂部２０Ａから両側に延長する一対の稜線２０Ｂ；２０Ｂを所定長さ含むように形成されていれば良い。より好ましくは、蛇腹チューブ２の谷部２２に設けられた継手２４が接触しないようにリング部材４の内周面４ａの内径を設定すると良い。

このように螺旋溝４０を形成することにより、螺旋溝４０が蛇腹チューブ２の頂部２０Ａに接触する区間において、リング部材４を蛇腹チューブ２に対して気密を形成した状態で嵌着させることができる。

また、螺旋溝４０は、例えば、しまりばめとなるように、螺旋山部２０の直径に対してやや小径となるように形成すると良い。このように螺旋溝４０を形成することにより、蛇腹チューブ２との気密性をより確実なものとすることができる。

リング部材４の外周面４ｂは、例えば、円筒面として形成される。なお、リング部材４の外周面４ｂの形状は、これに限定されず、固定部材８に応じて適宜設定すれば良い。つまり、リング部材４の外周面４ｂに弾性チューブ６を固定部材８により固定したときに、固定部材８がリング部材４に対してずれないように形成されていれば良く、例えば、円周方向に沿って延長する溝等が形成されていても良い。

弾性チューブ６は、蛇腹チューブ２に設けられた複数のリング部材４の外周面４ｂを被覆可能に形成された円筒状の筒体である。弾性チューブ６は、軸方向の長さが、例えば、蛇腹チューブ２の外周面全域を取り囲むような寸法で形成される。つまり、一つの弾性チューブ６で複数のリング部材４を被覆可能に形成される。

弾性チューブ６の内径寸法は、例えば、リング部材４の外周面４ｂの直径を基準として設定すると良い。例えば、リング部材４の外周面４ｂの直径に対してしまりばめとなるように形成したり、固定部材８による締め付けによりリング部材４の外周面４ｂに対して内周面が気密状態で密着可能なゆるみばめとなるように形成したりしても良い。

複数のリング部材４（４Ａ～４Ｃ）の外周を弾性チューブ６により被覆することにより、蛇腹チューブ２、リング部材４Ａ；４Ｂ及び弾性チューブ６で形成される気室Ｓ１と、蛇腹チューブ２、リング部材４Ｂ；４Ｃ及び弾性チューブ６で形成される気室Ｓ２とを形成することができる。

図３は、弾性チューブ６を肉厚方向に切断した切断面を誇張して示した図である。図３に示すように、弾性チューブ６は、弾性素材より形成された円筒状の弾性体からなる筒本体６０と、当該筒本体６０の内部において密に内挿された複数の規制繊維６２とから構成された、所謂、軸方向繊維強化型の筒体からなる。

筒本体６０の材質（素材）としては、シリコーンゴム等の合成ゴム、或いは天然ラテックスゴム等の天然ゴムが好適であるが、前述の気室Ｓ１；Ｓ２への（圧縮）空気の給排によってその形状が変化し得る材質であれば如何なる材質であっても良く、その厚さや規制繊維６２の配置は、気室Ｓ１；Ｓ２からの空気排出時に、弾性チューブ６が伸長する力等を考慮して決められる。

図３に示すように、規制繊維６２は、筒本体６０の伸長する力を考慮して筒本体６０の壁厚内に配置され、本実施例では複数の層の積層で密に内挿され、筒本体６０の軸方向に沿って延在するものを示すが、単層でもよい。規制繊維６２の材質としては、例えばグラスロービング繊維やカーボンロービング繊維等、軸方向への伸びの少ない材質が好適である。なお、弾性チューブ６は、軸方向繊維強化型の筒体に限定されず、例えば、前述の筒本体６０の内部に規制繊維６２を埋設せずに、筒本体６０の外周を網目状のスリーブで覆ったマッキベン型の筒体等を用いても良い。

固定部材８は、例えば、弾性チューブ６を外周側からリング部材４に一周にわたり締め付け可能なものであれば、結束バンド、紐、コイルスプリング、チューブバンド等いずれであっても良い。なお、固定部材８の素材が金属等のように、弾性チューブ６を傷つける虞のあるものの場合には、弾性チューブ６と固定部材８との間にゴムシート等の緩衝材を介在させると良い。

図１に示すアクチュエータ１は、次の工程により形成することができる。
蛇腹チューブ２に対して各リング部材４を回転させながら、それぞれ所定の位置に配置する。次に、蛇腹チューブ２の外周に配置した複数のリング部材４の外周に弾性チューブ６を被せ、弾性チューブ６の外側から固定部材８によりリング部材４に向けて締め付ける。

図４は、アクチュエータ１の動作を示す図である。図外の空気給排装置から延長する空気チューブを前述のアクチュエータ１の継手２４；２４に接続し、例えば、圧縮空気を各気室Ｓ１；Ｓ２に同時に供給する。これにより、弾性チューブ６は、圧縮空気により半径方向外向きに押圧され、半径方向に膨張する。弾性チューブ６の膨張は、軸方向に配向して内挿された規制繊維６２の拘束によって軸方向に収縮する力となり、蛇腹チューブ２を軸方向に収縮させる。つまり、アクチュエータ１は、弾性チューブ６の半径方向の膨張する力が、軸方向に収縮する力に変換されて、出力としての牽引力を生じさせる。そして、気室Ｓ１；Ｓ２から空気を排出することにより、弾性チューブ６の復元力により、図１に示すような初期状態に戻ることができる。

以上説明したように、本実施形態に係るアクチュエータ１は、簡単な部品で構成することができるとともに、特段の技能や注意を払うことなく簡単に製造することができる。また、アクチュエータ１によれば、固定部材８を緩め、或は外した後に、弾性チューブ６を抜き取り、蛇腹チューブ２におけるリング部材４の位置を変更し、弾性チューブ６をリング部材４に被せ、固定部材８で弾性チューブ６をリング部材４に締め付けることにより、簡単に出力特性を変化させることができる。

例えば、リング部材４Ａ；４Ｂ間の距離を４Ｂ；４Ｃの距離よりも短くし、同時に気室Ｓ１；Ｓ２に圧縮空気を供給することにより、先に気室Ｓ１側の軸方向への収縮が飽和した後に気室Ｓ２側の軸方向への収縮が飽和するため、当初は、気室Ｓ１側と気室Ｓ２側の２つの牽引力を作用させ、気室Ｓ１側の収縮の飽和後は、気室Ｓ２側の収縮のみの牽引力を作用させることができる。

また、例えば、気室Ｓ１側の軸方向への収縮が飽和した後に、気室Ｓ２に圧縮空気の供給を開始するように、気室Ｓ１；Ｓ２への圧縮空気の供給するタイミングをずらすことにより、異なる牽引力を異なるタイミングで作用させることができる。

したがって、リング部材４の数量やリング部材４同士の距離を変化させるとともに、圧縮空気を供給するタイミングを変化させることにより、種々の動作をさせることができる。

また、本実施形態のアクチュエータ１では、圧縮空気を供給する気室Ｓ１；Ｓ２が二重管として形成された蛇腹チューブ２と弾性チューブ６との間に形成されるため、例えば、従来技術のように、一つの弾性チューブの内周空間を気室として形成したときに比べて、気室の容積を小さくすることができ、軸方向に伸縮する応答性を向上させることができる。

図５は、アクチュエータ１の他の実施形態を示す図である。前述の実施形態では、蛇腹チューブ２を螺旋状のものとして説明したが、図５に示すように、蛇腹チューブ２における山部２０が独立した環状に形成されたものであっても良い。この場合、リング部材４の内周面には、上述の螺旋溝４０に換えて、山部２０の形状に合致する形状の溝４２を円周方向に沿って一周にわたり形成すれば良い。また、リング部材４は、図中４ｓ；４ｔとして示すように、円周方向に２分割等のように複数に分割可能に構成すると良い。

そして、図５に示すアクチュエータ１は、次のように形成することができる。
分割されたリング部材４（４ｓ；４ｔ）で蛇腹チューブ２の山部を挟み込むことでリング部材４を一体化させ、蛇腹チューブ２の所定の位置に配置する。次に、蛇腹チューブ２の外周に配置した複数のリング部材４の外周に弾性チューブ６を被せ、固定部材８により弾性チューブ６の固定部材８により締め付ける。

図６は、アクチュエータ１の他の実施形態を示す図である。前述の２つの実施形態では、蛇腹チューブ２の外周の山部２０に対応してリング部材４を設けるものとして説明したが、内周側に設けるようにしても良い。
蛇腹チューブ２に、前述の螺旋山部２０を有するものを用いた場合には、リング部材４の外周面４ｂに螺旋溝４０を形成し、内周面４ａを円筒面として形成すれば良い。そして、リング部材４の内周側に弾性チューブ６を挿通し、弾性チューブ６を内周側から加圧し、リング部材４に向けて押し付けるように機能する固定部材８により固定すれば良い。なお、弾性チューブ６に前述のマッキベン型の筒体を用いる場合には、弾性体のみで構成された筒本体６０の内周を網目状のスリーブで覆えば良い。

図７は、アクチュエータ１の動作を示す図である。
蛇腹チューブ２の内周側に弾性チューブ６を設けた場合、図６に示す状態のアクチュエータ１は、気室Ｓ１；気室Ｓ２に空気を供給することにより、図７に示すように軸方向に収縮しつつ、弾性チューブ６が軸線に向けて半径方向方向に膨張する。また気室Ｓ１；Ｓ２から空気を抜くことにより、軸方向に伸長しつつ半径方向外向きに収縮して図６に示す状態に戻る。

図８は、アクチュエータ１の他の実施形態を示す図である。図５に示したように、蛇腹チューブ２に環状に形成された山部が独立したものを用いた場合には、図８に示すようにリング部材４の内周の山部嵌着するリング部材４の外周面４ｂに円周方向に延長する螺旋溝４０を形成し、内周面４ａを円筒面として形成しても良い。また、円周方向に２分割等のように複数に分割可能に形成すれば良い。そして、リング部材４の内周側に弾性チューブ６を挿通し、弾性チューブ６を内周側からリング部材４に向けて押し付けるように作用する固定部材８により固定すれば良い。

図９は、アクチュエータ１の他の実施形態を示す図である。前述の各形態のアクチュエータ１は、蛇腹チューブ２と略同一の長さの弾性チューブ６を蛇腹チューブ２の外周側、或いは内周側に設け、蛇腹チューブ２の外周側、或いは内周側を軸方向に全域を覆うものとして説明したが、これに限定されない。

例えば、図１に示したように、蛇腹チューブ２の外周側に弾性チューブ６を配置する場合を用いて説明すると、図９（ａ）に示すように、蛇腹チューブ２の外周に４つのリング部材４Ａ乃至４Ｄを設け、一端側の２つのリング部材４Ａ；４Ｂの外周を被覆可能な長さの弾性チューブ６Ａを固定し、他端側の２つのリング部材４Ｃ；４Ｄの外周を被覆可能な長さの弾性チューブ６Ｂを固定し、リング部材４Ｂと４Ｃとの間が蛇腹チューブ２のみで形成されるように構成しても良い。

図１乃至図５に示すように、少なくとも弾性チューブ６を３等分したものを１ユニットとして形成しておけば、蠕動運動を行うことができる最小単位とすることができる。また、蛇腹チューブ２の外側に弾性チューブ６を被覆したものは、管内等の狭所検査ロボットとして利用可能である。特に、図９に示すように、一つのアクチュエータにおいて弾性チューブ６が不連続となるように構成することにより、弾性チューブに覆われていない区間（リング部材４Ｂ及び４Ｃの間）に柔軟性が得られ、容易に曲がることができるため、曲管を移動しやすくすることができる。

また、図６乃至７等に示すように、蛇腹チューブ２の内側に弾性チューブ６を配置させたアクチュエータ１は、流体、紛体、土砂等の混練り・搬送可能なポンプに利用できる。

このようにロボットやポンプに応用した場合には、本アクチュエータの製造が容易である利点がさらに活かされ、実用化の疎外となっていたローコストでの維持、管理のしやすさ等、実用上優れたロボットやポンプを提供できることになる。

また、本実施形態に係るアクチュエータは、製造が容易であることから、不具合時における修理、部品の交換作業等も容易となり、維持費用を抑制することができる。

１ アクチュエータ、２ 蛇腹チューブ、４ リング部材、６ 弾性チューブ、
８ 固定部材、２０ 山部（螺旋山部）、２４ 継手、４０ 螺旋溝、
Ｓ１ 気室、Ｓ２ 気室。

Claims (4)

1. 複数の山部を有する蛇腹チューブと、
   前記蛇腹チューブの外周側の山部に所定距離離間して複数設けられ、前記外周側の山部の円周方向に沿って少なくとも一周にわたり密着するリング部材と、
   前記リング部材の外周に設けられ、軸方向への伸縮が規制され、気密性を有する弾性素材で形成された筒状の弾性チューブと、
   前記弾性チューブを外周側から加圧し、前記リング部材の外周に密着させる固定部材と、を備えたアクチュエータ。
2. 複数の山部を有する蛇腹チューブと、
   前記蛇腹チューブの内周側の山部に所定距離離間して複数設けられ、前記内周側の山部の内周に少なくとも一周にわたり密着するリング部材と、
   前記リング部材の内周に設けられ、軸方向への伸縮が規制され、気密性を有する弾性素材で形成された筒状の弾性チューブと、
   前記弾性チューブを内周側から加圧し、前記リング部材の内周に密着させる固定部材と、を備えたアクチュエータ。
3. 前記複数の山部は、前記蛇腹チューブの軸方向に沿って螺旋状に形成され、
   前記リング部材は、前記山部の螺旋に合致する溝を備えた請求項１又は請求項２に記載のアクチュエータ。
4. 前記複数の山部は、前記山部の円周方向に沿った環状に形成され、
   前記リング部材は、前記山部の周方向に複数に分割してなる請求項１又は請求項２に記載のアクチュエータ。

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