(57)【要約】【課題】例えば小規模で安価なアクチュエーターを提供すること。【解決手段】本発明の一態様の光電変換装置は、空気の取り込み量の変動による動作する可動部１６０と、空気を含み、空気に印加された圧力に応じて可動部１６０に空気を送り出すシリンダ１４０と、シリンダ１４０内の空気に圧力を印加するピストン１３０を備える。さらに、アクチュエーターは、回転力を発生するモーター１００と、この回転力をピストン１３０を動作させる力に変換するネジ１１０及びスライドナット１２０を備える。そして、空気は可動部１６０、シリンダ１４０、及び流体管１５０に封入されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の流体の取り込み量の変動により動作する第１の可動部と、
前記第１の流体を含み、前記第１の可動部に前記第１の流体を供給可能に構成された第１のシリンダと、
前記第１のシリンダ内の前記第１の流体に圧力を印加するよう構成されたピストンと、
回転力を発生するモーターと、
前記回転力を前記ピストンを動作させる力に変換する動力変換器と、を備える、
アクチュエーター。
【請求項２】
前記第１の可動部に加えられた力により前記第１の流体に圧力が印加されたときに前記第１の流体の一部を取り込み可能に構成された安全装置をさらに備える、
請求項１に記載のアクチュエーター。
【請求項３】
前記安全装置は、前記第１の可動部と前記第１のシリンダとの間に設けられており、かつ膨張可能に構成されている、
請求項２に記載のアクチュエーター。
【請求項４】
前記第１の流体に印加されている圧力を測定する圧力センサーと、
前記圧力センサーで測定された圧力に基づいて前記モーターで発生させる回転力を制御するモーター制御部と、をさらに備える、
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のアクチュエーター。
【請求項５】
第２の流体の取り込み量の変動により動作する第２の可動部と、
前記第２の流体を含み、前記第２の可動部に前記第２の流体を供給可能に構成された第２のシリンダと、をさらに備え、
前記ピストンは、前記第２のシリンダ内の前記第２の流体にも圧力を印加するよう構成されている、
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のアクチュエーター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクチュエーターに関し、特に、流体が流動することで駆動されるアクチュエーターに関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットなどの動力として、空気に印加された圧力によりこの空気を流動させることで駆動される空気アクチュエーターがある。このような空気アクチュエーターは、シリンダとピストンで構成された注射器のような構造をしており、シリンダに圧縮空気を送り出すためのタンク及びコンプレッサーを備えている。コンプレッサーからタンクを介してシリンダに圧縮空気が送り込まれると、可動部であるピストンが動作する。このような構成のアクチュエーターとしては、例えば下記の特許文献１などがある。
【０００３】
しかし、上記構成のアクチュエーターはタンク及びコンプレッサーを必要とするため、大規模な構成となってしまう。そこで、下記特許文献２では、形状記憶合金を利用し、この形状記憶合金を加熱し収縮させることで形状記憶合金に接続されたピストンを摺動させるアクチュエーターが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２３０９４９号公報
【特許文献２】特開２００１−２４８６０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献２に記載のアクチュエーターでは、確かに上記特許文献１と比較すると小規模な構成とはなると思われるものの、形状記憶合金といった比較的高価な部品を用いる必要があった。また、アクチュエーターを加熱する必要があるため、エネルギー効率の点でも課題があった。さらに、形状記憶合金を用いて可動部であるピストンを動作させる場合、流体の流動によって可動部を駆動する従来の技術と比較して堅い動きになってしまうことがあった。
【０００６】
そこで、本発明の一形態は、少なくとも上記課題のいずれかを解決可能なアクチュエーターを提供することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる課題を解決するために、本発明の一態様のアクチュエーターは、第１の流体の取り込み量の変動により動作する第１の可動部と、前記第１の流体を含み、前記第１の可動部に前記第１の流体を供給可能に構成された第１のシリンダと、前記第１のシリンダ内の前記第１の流体に圧力を印加するよう構成されたピストンと、回転力を発生するモーターと、前記回転力を前記ピストンを動作させる力に変換する動力変換器と、を備える。
【０００８】
かかる構成のアクチュエーターによれば、コンプレッサーやタンクのような大型の部品を用いる必要がなく、小型のアクチュエーターを提供することができる。また、アクチュエーターを動作させるときに加熱する必要のない、エネルギー効率に優れたアクチュエーターを提供できる。さらに、空気などの流体を流動させることで可動部を動かすため、比較的柔らかいスムーズな動作をすることが可能なアクチュエーターを提供できる。
【０００９】
または、上記アクチュエーターは、前記第１の可動部に加えられた力により前記第１の流体に圧力が印加されたときに前記第１の流体の一部を取り込み可能に構成された安全装置をさらに備えるよう構成することができる。
【００１０】
かかる構成のアクチュエーターよれば、第１の可動部に外的要因による力が加えられ第１の流体に圧力が印加されたときに安全装置がこの圧力を吸収するため、第１の可動部を含むアクチュエーターが破壊されることを防止することができる。
【００１１】
また、前記安全装置は、前記第１の可動部と前記第１のシリンダとの間に設けられており、かつ膨張可能に構成されたものを用いることができる。
【００１２】
また、前記第１の流体に印加されている圧力を測定する圧力センサーと、前記圧力センサーで測定された圧力に基づいて前記モーターで発生させる回転力を制御するモーター制御部と、をさらに備える構成としてもよい。
【００１３】
かかる構成によれば、第１の流体に印加すべき圧力を制御することが可能となり、より精密に動作可能なアクチュエーターを提供することができる。
【００１４】
また、本発明の一形態のアクチュエーターは、第２の流体の取り込み量の変動により動作する第２の可動部と、前記第２の流体を含み、前記第２の可動部に前記第２の流体を供給可能に構成された第２のシリンダと、をさらに備え、前記ピストンが、前記第２のシリンダ内の前記第２の流体にも圧力を印加するよう構成することができる。
【００１５】
かかる構成のアクチュエーターによれば、複数の可動部を同時に動かすアクチュエーターを提供することができる。また、複数の可動部を同時に動かすことが可能で、一方が伸びると一方が縮む関係を有するアクチュエーターを用いれば、人間の腕の筋肉などに類似した動作をさせる際に有効である。すなわち、人間の腕の筋肉は一方の側の筋肉が伸びたときに他方の側の筋肉が縮むように動くため、上記アクチュエーターはこの人間の腕の筋肉の動きに類似した動作が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明のアクチュエーターの構成を示す図。
【図２】可動部を動作させた状態のアクチュエーターを示す図。
【図３】安全装置が動作した状態のアクチュエーターを示す図。
【図４】モーター制御部を備えるアクチュエーターの構成を示す図。
【図５】複数の可動部を有するアクチュエーターの構成を示す第１の図。
【図６】複数の可動部を有するアクチュエーターの構成を示す第２の図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明に係る実施形態について、以下の構成に従って、図面を参照しながら具体的に説明する。ただし、以下で説明する実施形態はあくまで本発明の一例に過ぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではない。なお、各図面において、同一の部品には同一の符号を付しており、その説明を省略する場合がある。
１．実施形態１
（１）アクチュエーターの構成
（２）アクチュエーターの動作
（３）圧力センサー及びモーター制御部を含む構成
（４）実施形態１の特徴
２．実施形態２
（１）複数の可動部を備えるアクチュエーターの構成
（２）複数の可動部を備えるアクチュエーターの動作
（３）実施形態２特徴
３．本発明の適用可能性
【００１８】
＜１．実施形態１＞
＜（１）アクチュエーターの構成＞
図１は、本実施形態１にかかるアクチュエーターの構成を示す図である。図１に示すように、本実施形態１のアクチュエーターはモーター１００、ネジ１１０、スライドナット１２０、ピストン１３０、シリンダ１４０、流体管１５０、可動部１６０、及び安全装置１７０を備えて構成される。
【００１９】
モーター１００は、外部からの制御により回転力を発生するよう構成される。モーター１００で発生した回転力はネジ１１０に伝搬される。なお、モーター１００とネジ１１０との間には、モーター１００で発生された回転力を調整した上でネジ１１０に伝搬する減速機を備えていてもよい。
【００２０】
ネジ１１０は、モーター１００から与えられた回転力を、スライドナット１２０及びピストン１３０を直線方向に動作させる力に変換するよう構成される。すなわち、ネジ１１０は、モーター１００の回転力を直線方向の力に変換する動力変換器の一種である。
【００２１】
スライドナット１２０及びピストン１３０は、ネジ１１０から伝搬された力によって直線方向に動作するよう構成される。具体的には、ネジ１１０が回転することでスライドナット１２０がスライドし、このスライドナット１２０に接続されたピストン１３０が動作する。これによって、シリンダ１４０内をピストン１３０が前後運動することが可能となる。ピストン１３０は、この前後運動によってシリンダ１４０内の空気に圧力を印加する。なお、前後運動とは、図１における上下方向であって、シリンダ１４０内をピストン１３０が摺動する際の運動を指す。なお、本実施形態１ではスライドナット１２０を備える構成としているが、スライドナット１２０は必ずしも必要ではなく、ネジ１１０とピストン１３０とを直接接続する構成としてもよい。
【００２２】
シリンダ１４０は、例えば空気を含んでおり、ピストン１３０によってこの空気に圧力が与えられると、シリンダ１４０に含まれる空気が圧縮される。シリンダ１４０は、この圧縮された空気を流体管１５０を介して可動部１６０に供給可能に構成される。
【００２３】
流体管１５０は、シリンダ１４０、可動部１６０、及び安全装置１７０の間を連通することによって空気を伝搬可能に構成されている。
【００２４】
可動部１６０は、空気を取り込み可能に構成されている。また、この可動部１６０の側面は、所定以上の圧力が印加されると膨張可能であり、膨張することでより多くの空気を収容可能に構成される。また、可動部１６０は、その側面は膨張するように構成されているが、上面及び下面は膨張しないように構成されている。可動部１６０の上面は流体管１５０と接続され固定されているが、下面は変位可能となっている。よって、可動部１６０は取り込んだ空気の量に応じて膨張し、膨張することで該可動部１６０の下面に変位を生じ、これによって直線運動を発生させる。
【００２５】
安全装置１７０は、流体管１５０に接続されて配置され、可動部１６０に外的要因による力により空気に圧力が印加されたとき、この圧力を吸収するよう構成される。具体的には、安全装置１７０は、流体管１５０に一定以上の圧力が加えられると膨張し、この膨張した安全装置１７０の中に流体管１５０の流体を一時的に取り込む（待避させる）ことができるように構成されている。
【００２６】
＜（２）アクチュエーターの動作＞
次に、本実施形態１のアクチュエーターの動作について図２及び図３を参照しながら説明する。
【００２７】
図２は、可動部１６０が膨張した状態を示す図である。モーター１００は可動部１６０を動作させるために所定の回転力を発生させてネジ１１０を回転させる。ネジ１１０は、モーター１００から印加された回転力によって回転し、この回転を直線方向の力に変換してスライドナット１２０に伝搬する。スライドナット１２０は、図２にａとして示した分だけ変位する。また、スライドナット１２０が動くと、ピストン１３０も同じように動く。ピストン１３０が図２の上方向に動くと、シリンダ１４０内の空気が圧縮される。シリンダ１４０で圧縮された空気は流体管１５０を介して可動部１６０に送出される。可動部１６０は、その中の空気が一定の圧力となるまでは膨張しないが、一定の圧力を超えたときに膨張を開始する。すると、一定以上の圧力となった空気は、膨張した可動部１６０に流入する。これによって、可動部１６０の下面はｂだけ変位する。
【００２８】
図３は、可動部１６０及び安全装置１７０が膨張した状態を示す図である。図２に示したように可動部１６０が膨張した状態において、可動部１６０の下面に外的要因による力が印加されることがある。このとき、図３に示すように、可動部１６０の下面がｃだけ変位したとする。この変位により可動部１６０に含まれる空気に圧力が印加される。ここで、外的要因によって空気に印加される圧力が一定以上に達すると、安全装置１７０が膨張し、流体管１５０に含まれる流体の一部を取り込むことができる。これによって、空気の圧力が一定以上になることを防止し、アクチュエーター内の空気圧を一定の範囲に抑制することが可能となる。
【００２９】
＜（３）圧力センサー及びモーター制御部を含む構成＞
上記は簡単な構成のアクチュエーターについて説明したが、本実施形態１のアクチュエーターは圧力センサー及びモーター制御部を備えてもよい。図４は、圧力センサー１８０及びモーター制御部１９０を備えるアクチュエーターの構成を示す図である。
【００３０】
圧力センサー１８０は、例えばシリンダ１４０内であって、ピストン１３０に接続されて配置されている。圧力センサー１８０は、シリンダ１４０内の空気に印加されている圧力を測定可能に構成されている。
【００３１】
モーター制御部１９０は、圧力センサー１８０で測定された圧力の信号を入力信号として受け取り、この信号に基づいてモーター１００で発生させるべき回転を制御する。例えば、モーター制御部１９０は、空気に印加されている圧力と可動部１６０の変位との関係を示すテーブルを持っており、可動部１６０の変位が所望の値になるように、モーター１００の回転を制御し、空気に印加される圧力を調整することができる。
【００３２】
＜（４）実施形態１の特徴＞
上記のように、本実施形態１に記載のアクチュエーターは、空気の取り込み量の変動による動作する可動部１６０と、空気を含み、空気に印加された圧力に応じて可動部１６０に空気を供給可能に構成されたシリンダ１４０と、シリンダ１４０内の空気に圧力を印加するよう構成されたピストン１３０を備える。さらに、アクチュエーターは、回転力を発生するモーター１００と、この回転力をピストン１３０を動作させる力に変換するネジ１１０及びスライドナット１２０を備える。なお、空気は可動部１６０、シリンダ１４０、及び流体管１５０に封入されている。
【００３３】
かかる構成のアクチュエーターによれば、コンプレッサーやタンクのような大型の部品を用いる必要がなく、小型のアクチュエーターを提供することができる。また、空気の流動だけでアクチュエーターを動作させることができ、アクチュエーターの一部を加熱する必要などがなく、エネルギー効率に優れたアクチュエーターを提供できる。さらに、空気を流動させることで可動部を動かすため、人間の動作に近い自然な動作をすることが可能なアクチュエーターを提供できる。
【００３４】
また、本実施形態１のアクチュエーターは、可動部１６０に加えられた外的要因による力により空気に圧力が印加されたとき、この空気を取り込むことで空気に印加された圧力を吸収可能な安全装置１７０をさらに備える。
【００３５】
かかる構成のアクチュエーターよれば、可動部１６０に外的要因による力が加えられ空気に圧力が印加されたときに安全装置１７０がこの圧力を吸収するため、可動部１６０を含むアクチュエーターが破壊されることを防止することができる。
【００３６】
なお、安全装置１７０は、可動部１６０とシリンダ１４０との間に設けられており、かつ膨張可能に構成されている。
【００３７】
また、本実施形態１のアクチュエーターは、シリンダ１４０内に設けられた、空気に印加されている圧力を測定する圧力センサー１８０と、この圧力センサー１８０で測定された圧力に基づいてモーター１００で発生させる回転力を制御するモーター制御部１９０と、をさらに備える。
【００３８】
このような構成のアクチュエーターによれば、空気に印加すべき圧力を動的に制御することが可能となり、より精密に動作可能なアクチュエーターを提供することができる。
【００３９】
なお、本実施形態１ではシリンダ１４０、流体管１５０、及び可動部１６０に含まれる物質として空気を例として挙げているがこれに限るものではない。すなわち、空気に代えて気体や液体を用いてもよい。空気を用いることは、低コストであることや自然な動きを実現しやすい点などに利点がある。液体を用いることは、例えば周囲の圧力が高い水中などでも利用することができる利点がある。また、気体の比重が軽いものを用いれば、自重を軽量化することが可能となる。
【００４０】
また、本実施形態１ではピストン１３０を動かす動力としてモーター１００、ネジ１１０、及びスライドナット１２０を用いたがこれに限るものではない。例えばモーターと歯車などを用いることも可能であるし、その他の当業者によって想到し得る方法であればこれに代えることも可能である。
【００４１】
また、本実施形態１ではシリンダ１４０内に圧力センサー１８０が配置された例を示したが、圧力センサー１８０は空気が含まれる箇所であればどの部分に配置されてもよい。
【００４２】
＜２．実施形態２＞
＜（１）複数の可動部を備えるアクチュエーターの構成＞
次に、複数の可動部を備えるアクチュエーターについて簡単に説明する。なお、本実施形態２のアクチュエーターにおいて実施形態１のアクチュエーターと同様の構成については説明を省略することがある。
【００４３】
図５は、２つの可動部を備えるアクチュエーターの構成を示す図である。図５に示すように、アクチュエーターは可動部１６０及び可動部１６１を備える。図５と図１とを比較すれば分かるように、本実施形態２のアクチュエーターは、実施形態１のアクチュエーターに、ピストン１３１、シリンダ１４１、流体管１５１、可動部１６１、及び安全装置１７１を追加した構成となっている。ピストン１３１、シリンダ１４１、流体管１５１、可動部１６１、及び安全装置１７１はそれぞれピストン１３０、シリンダ１４０、流体管１５０、可動部１６０、及び安全装置１７０と同様の構成及び機能を有する。モーター１００、ネジ１１０、及びスライドナット１２０は、これらの２組の構成に共通になっている。
【００４４】
＜（２）複数の可動部を備えるアクチュエーターの動作＞
次に、本実施形態２のアクチュエーターの動作について簡単に説明する。
【００４５】
モーター１００は所定の回転力を発生させてネジ１１０を回転させる。ネジ１１０はモーター１００から印加された回転力によって回転し、この回転を直線方向の力に変換してスライドナット１２０に伝搬する。ここで、スライドナット１２０は、ピストン１３０及び１３１を同時に、互いに逆方向に変位させる。これによって、シリンダ１４０内の空気の圧力が高くなる際にはシリンダ１４１内の空気の圧力は低くなり、シリンダ１４０内の空気の圧力が低くなる際にはシリンダ１４１内の空気の圧力は高くなる。すると、可動部１６０と１６１との間では膨張と収縮が逆になり、一方が膨張方向に変位すると他方は収縮方向に変位する。
【００４６】
＜（３）実施形態２の特徴＞
以上のように、本実施形態２のアクチュエーターは、実施形態１のアクチュエーターの構成に加えて可動部１６１、シリンダ１４１、及びピストン１３１をさらに備える。ピストン１３１は、シリンダ１４１の空気に圧力を印加するよう構成されており、空気は可動部１６１とシリンダ１４１とに封入されている。なお、可動部１６１とシリンダ１４１とに封入されている空気は、可動部１６０とシリンダ１４０とに封入されている空気に対して独立している。
【００４７】
本実施形態２のアクチュエーターによれば、複数の可動部を同時に動かすアクチュエーターを提供することができる。また、このような複数の可動部を同時に動かすことが可能で、一方が伸びると一方が縮む関係にあるアクチュエーターは、人間の腕の筋肉などに類似した動作をさせる際に有効である。すなわち、人間の腕の筋肉は一方の側の筋肉が伸びたときに他方の側の筋肉が縮むように動くため、上記アクチュエーターはこの人間の腕の筋肉の動きに類似した動作が可能となる。
【００４８】
なお、本実施形態２ではピストンをそれぞれのシリンダ毎に用いる例を挙げて説明したが、これらのピストンはひとつのピストンということもできる。すなわち、ピストンはピストンの一部１３０及びピストンの一部１３１からなり、ピストンの一部１３０とピストンの一部１３１とがそれぞれシリンダ１４０とシリンダ１４１に含まれる空気に圧力を印加するということができる。
【００４９】
なお、本実施形態２では２つの可動部を備えるアクチュエーターを例として挙げたが、これは３つ以上の可動部を備えるアクチュエーターとして応用することも可能である。
【００５０】
また、２つの可動部は必ずしも逆方向に変位する必要があるわけではなく、例えば同じ方向に変位してもよい。また、ピストンとシリンダとの組の大きさを変化させることにより、一の可動部と他の可動部との間に変位の差を設けることも可能である。具体的には、可動部１６０が１ｃｍ変位するときに、可動部１６１は２ｃｍ変位するように設計することなども可能である。この場合、変位量に一定の関係を持つ２つの可動部を１つのモーター１００によって動かすことができる。
【００５１】
＜３．本発明の適用可能性＞
上記実施形態は本発明の一形態に過ぎず、本発明はこれらの実施形態に基づいて当業者が想到し得る範囲の発明を包含する。
【００５２】
例えば、複数の可動部及びシリンダを備え、それぞれのシリンダ内に圧力センサーを設ける構成などが可能である。一方で、複数の可動部及びシリンダを備えながら、一方のシリンダ内にのみ圧力センサーを設ける構成としてもよい。この場合、複数のシリンダ内に含まれる空気の圧力は通常は相関関係を有しているため、１組の圧力センサー及びモーター制御部で空気の圧力を制御することができる。これにより、アクチュエーター内に複数の圧力センサーを設ける必要がなくなり、コストダウンにつながる。
【００５３】
また、上記実施形態で説明したアクチュエーターは、ロボット、ＦＡ機器、及びリハビリ用具などの機器に適用可能であり、本発明はこれらの機器をも含む。
【符号の説明】
【００５４】
１００……モーター、１１０……ネジ、１２０……スライドナット、１３０……ピストン、１３１……ピストン、１４０……シリンダ、１４１……シリンダ、１５０……流体管、１５１……流体管、１６０……可動部、１６１……可動部、１７０……安全装置、１７１……安全装置、１８０……圧力センサー、１９０……モーター制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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