(57)【要約】      （修正有）【課題】管状の構造であり、構成する素材自体が能動的に可変であって、これにより大きな容積変化および長さ変化を発生するアクチュエータ管を提供する。【解決手段】平面シート上で、軸方向に直交する平行線を上底下底とする等脚台形を配し、該等脚台形の両側に対称的に該平行線を二辺とする平行四辺形を複数かつ偶数個を隙間無く配した基本領域を設け、該基本領域の下に該平行線についての鏡像を順次形成されたものを形状パターンＡとし、さらに別の平面上で、第一の鏡像を対の基本領域とし、順次形成されたものを形状パターンＢとする。等脚台形および該平行四辺形のすべての辺を折り筋とし、シートを背面で合わせ、相接する偶数番目でかつ端部の平行四辺形の部分で互いに接合し、管状形体を形成する。形状記憶合金などの形状可変素材で製造する。【選択図】図１
0003179088.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
筒型伸展構造と呼ばれ、図１と図２により形状を示した、多面体形状をコアとする該筒型伸展構造を、形状記憶合金などの形状可変素材で製造することにより、管自体を能動的な機構要素とし、容積・長さの制御可能を特徴とするアクチュエータ管。
【請求項２】
請求項１のアクチュエータ管において、管の両端部を閉じ、流体吸入・排出口を装着した構造を特徴とするアクチュエータ管。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本考案は、アクチュエータ要素、特に自在に長手方向に伸縮可能な管状のアクチュエータ機構要素に関するものである。
【背景技術】
【０００２】アクチュエータ技術の一つの課題は、大きなストロークを実現することである。材料物性を用いた多くのアクチュエータ要素は、反応の速さ、正確さの特性により、今日多くの分野で利用されている。しかし材料物性に依存するため、その変位量は本質的に小さく、従って軽量でかつ大きなストロークを必要とする、例えば人体ロボット等には利用できない。【０００３】もう一つの課題は、物体の直線的変化を発生しそれを利用するアクチュエータが多いが、容積的変化を発生しそれを利用するものは少ない。後者で唯一一般的なものは、マッキベン（Ｍｃｋｉｂｂｅｎ）型のゴム人工筋であろう。ゴム管ではなく剛性のある素材による、その種のアクチュエータ機構要素は知られていない。空間のヴォリュームを包む構造の三次元変化であることが、難しさのもとであろう。【０００４】最近、展開構造物の研究の進歩にともない、多面体よりなる筒型伸展構造が発見された（特許文献１）。該筒型伸展構造は、一見ジャバラと類似しているが、伸縮の過程はすべてその折り目の変形に頼るという、本質的な折り畳み構造であり、大きなストロークを実現できる。この筒型伸展構造の容積変化を利用するアクチュエータ機構の可能性が認識されているが（特許文献２）、容積変化を素材自体に持たせる、能動的とも表現できる、ところまでは到達していない。そこで、材料物性の特性を生かした上で大きなストロークを実現できるアクチュエータ要素が求められている。【０００５】
【特許文献１】特許出願２００９−２３９８３１
【特許文献２】特許出願２０１０−２５２２８７
【考案が解決しようとする課題】
【０００６】本考案の課題は、前記のように、材料物性を生かし、かつ大きなストロークを、管状の構造で実現するために、構造を構成する素材自体が能動的に可変な素材と、本質的に大きなストロークを実現可能な筒型伸展構造とを組み合わせたアクチュエータ管を提供するにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】本考案の請求項１に示されるように、筒型伸展構造と呼ばれ、図１と図２により形状を示した、多面体形状をコアとする該筒型伸展構造を、形状記憶合金などの形状可変素材で製造することにより、管自体を能動的な機構要素とし、容積・長さの制御可能を特徴とするアクチュエータ管により前記課題を解決するものである。
【０００８】また、本考案の請求項２に示されるように、請求項１のアクチュエータ管において、管の両端部を閉じ、流体吸入・排出口を装着した構造を特徴とするアクチュエータ管により、前記課題を解決するものである。
【考案の効果】
【０００９】本考案の第一の効果は、管自体が能動的に形状変化することで、容積変化・長さ変化をもたらすことである。
【００１０】本考案の第二の効果は、本質的に大きなストロークを持つことである。これは基になる形態の筒型伸展構造の性質により、理論的には０から有限まで変化できるからである。
【００１１】本考案の第三の効果は、製造工程が単純であることである。本考案では、比較的簡単な折り曲げ加工により容易に製造でき、可塑性に富んだ材料を必要としない。従って多様な材料に適応することが出来る。
【考案を実施するための最良の形態】
【００１２】はじめに、図によって、本考案の形状を説明する。図１（ａ）（ｂ）は、アクチュエータ管１０の斜視図により、それぞれ相対的に伸展時、収縮時の形状を示したものである。ここで厚みは省略して示す。図１で、１は台形板、２は１に連接する平行四辺形板、３は２にさらに連接する平行四辺形板の部分である。４は台形間の折り目である。この形状を直観的に把握するため、図２の斜視図による構成で、部分の組み立て過程を利用する。【００１３】図２（ａ）は、長方形の平板Ａであり、与えられるべき折り目の線が示されている。平行な帯状領域５の面の中央部に、台形板１と、その両側に平行四辺形板２が隣接してある。さらに該帯状領域上で平行四辺形板２に連接する平行四辺形板３の部分である三角形板７が示されている。このここで外殻線を除いて線はすべて折り目とする。帯状領域５を折り目４についての鏡像を作ると、帯状領域６が生成される。同じ操作を繰り返すことにより、平板Ａの全面に折り目の線が規定される。【００１４】図２（ｂ）は、板Ａに図２（ａ）規定の折り目を付与したものである。これらの折り目の山折り谷折りは、図に示されている。このようにすると、平板Ａは、立体的な形状になる。この折り目の基準は、台形板１の間の二面角２βであり、βが９０°のとき平面であり、０°のとき完全に畳まれたことになる。図２（ｃ）は、図２（ｂ）より折りが深い状態である。【００１５】図２（ｄ）は、或る程度折りが深い状態の板Ａと、これと１帯状領域だけずらして形成された板Ｂを、背中合わせに組み合わせ、両側部で結合したものである。これが図１のアクチュエータ管１０の一部を構成する。なお、図２では、ＡとＢが結合すると、純粋に単一壁の管に付帯して、ＡとＢが重複する部分７がある。これは前記、２に連接する平行四辺形板３の部分である三角形板に属し、結合という実体製作上に便利であり、さらに若干延長するのが実用的である。図１では、純粋に単一壁だけで、必要最小限のコアとなる星形多面体形状を示しているが、実体は重なり部分７を包含するものである。【００１６】なお、図１、２に示した形状は、一つの例に過ぎず、基本となる台形及び平行四辺形の組み合わせで、多様な形状を設計できる。
【実施例】
【００１７】次に実施例１を説明する。前記図１、２に示す形状を、形状可変材料、代表的には形状記憶合金で実体としたものが、すなわち本考案の基本的な実施例である。勿論、前記のように、ＡとＢが重複する部分７を必要に応じて若干延長して製作する。【００１８】図３のグラフは、本考案のアクチュエータ管について、代表的な台形板１の間の折り目４のニ面角２β（ラジアン）の変化による、管の軸に直交方向の断面積Ｓの変化を示した例である。β＝０は完全に軸方向に平に畳みこまれた状態を示し、その場合の断面積を１００％とする。参考のため、同じ断面積のストレートな角柱管の値を記入してある。これは勿論長さに関係なく一様である。βの増加に従って、アクチュエータ管の断面積は増加するが、その変化はわずかであり、βが０．７５ラジアン（約４０°）で略１０％増加となる。このことから、管はこの範囲で、ほぼ管の状態を維持する。また、それとは反対に、βが大きくなる極限の近傍では、断面積が急速に０に近づく。これはこれで、異なる目的のアクチュエータとしての性質を示す。【００１９】次に実施例２を説明する。図４（ａ）、（ｂ）は、エンドプレート８と、ベント９を装着したアクチュエータ管の挙動を示す。あきらかに、形状変形と容量変化がリンクすることで、本考案のアクチュエータ技術を象徴的に現わしている。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】（ａ）アクチュエータ管（伸展時）の斜視図  （ｂ）アクチュエータ管（収縮時）の斜視図
【図２】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）アクチュエータ管部分の構成の斜視図
【図３】アクチュエータ管の折り目角βと断面積Ｓの関係の説明図
【図４】（ａ）、（ｂ）エンドプレートとベントを装着したアクチュエータ管の正面図
【符号の説明】
【００２１】１    台形板
２    平行四辺形板
３    平行四辺形板または部分
４    台形板の間の折り目
５    帯状領域
６    帯状領域
７    ＡとＢの重複部分（平行四辺形板３の部分）
８    エンドプレート
９    ベント
１０  アクチュエータ管
Ａ    アクチュエータ管１０の片側（図２では変化する）
Ｂ    アクチュエータ管１０の片側
Ｓ    アクチュエータ管１０の軸に垂直な断面積
β    アクチュエータ管の折り目角（台形板１の間の二面角２βの半分）
【図１】
0003179088.tif 000003
【図２】
0003179088.tif 000004
【図３】
0003179088.tif 000005
【図４】
0003179088.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成24年7月28日(2012.7.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】実用新案登録請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
平面シート上で、軸方向に直交して左右にのびる平行線で規定される帯状の領域内について、その中央部に該平行線を上底下底とする実質的に等脚台形を配し、該等脚台形の両側に対称的に、該等脚台形の斜辺と等しい傾斜角をもちかつ該平行線を二辺とする平行四辺形を複数かつ偶数個を隙間無く配した基本領域により、平面上で、該基本領域から始めて、該基本領域の下に該平行線についての第一鏡像を形成し、さらに同様の操作で第一鏡像の鏡像である第二の鏡像を形成し、順次これを繰り返すことで形成されたものを形状パターンＡとし、さらに別の平面上で、前記第一の鏡像を対の基本領域とし、前記基本領域について行ったと同様の操作を順次繰り返すことで形成されたものを形状パターンＢとし、該形状パターンＡ，Ｂの形状が刻印された平面シートをそれぞれシートＡ，シートＢとし、これらに含まれる等脚台形および該平行四辺形のすべての辺を折り筋とし、該等脚台形の斜辺を図面上で手前に山折り、他の辺はこれに適合する折り目と規定し、シートとシートＢを背面で合わせ、相接する前記偶数番目でかつ端部の平行四辺形の部分で互いに接合し、かくて形成される管状形体を、形状記憶合金などの形状可変素材で製造することにより、管自体を能動的な機構要素とし、容積・長さの制御可能を特徴とするアクチュエータ管。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本考案は、アクチュエータ要素、特に自在に長手方向に伸縮可能な管状のアクチュエータ機構要素に関するものである。
【背景技術】
【０００２】アクチュエータ技術の一つの課題は、大きなストロークを実現することである。材料物性を用いた多くのアクチュエータ要素は、反応の速さ、正確さの特性により、今日多くの分野で利用されている。しかし材料物性に依存するため、その変位量は本質的に小さく、従って軽量でかつ大きなストロークを必要とする、例えば人体ロボット等には利用できない。【０００３】もう一つの課題は、物体の直線的変化を発生しそれを利用するアクチュエータが多いが、容積的変化を発生しそれを利用するものは少ない。後者で唯一一般的なものは、マッキベン（Ｍｃｋｉｂｂｅｎ）型のゴム人工筋であろう。ゴム管ではなく剛性のある素材による、その種のアクチュエータ機構要素は知られていない。空間のヴォリュームを包む構造の三次元変化であることが、難しさのもとであろう。【０００４】最近、展開構造物の研究の進歩にともない、多面体よりなる筒型伸展構造が発見された（特許文献１）。該筒型伸展構造は、一見ジャバラと類似しているが、伸縮の過程はすべてその折り目の変形に頼るという、本質的な折り畳み構造であり、大きなストロークを実現できる。この筒型伸展構造の容積変化を利用するアクチュエータ機構の可能性が認識されているが（特許文献２）、容積変化を素材自体に持たせる、能動的とも表現できる、ところまでは到達していない。
そこで、材料物性の特性を生かした上で大きなストロークを実現できるアクチュエータ要素が求められている。【０００５】
【特許文献１】特許出願２００９−２３９８３１
【特許文献２】特許出願２０１０−２５２２８７
【考案が解決しようとする課題】
【０００６】本考案の課題は、前記のように、材料物性を生かし、かつ大きなストロークを、管状の構造で実現するために、構造を構成する素材自体が能動的に可変な素材と、本質的に大きなストロークを実現可能な筒型伸展構造とを組み合わせたアクチュエータ管を提供するにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】本考案の請求項１に示されるように、平面シート上で、軸方向に直交して左右にのびる平行線で規定される帯状の領域内について、その中央部に該平行線を上底下底とする実質的に等脚台形を配し、該等脚台形の両側に対称的に、該等脚台形の斜辺と等しい傾斜角をもちかつ該平行線を二辺とする平行四辺形を複数かつ偶数個を隙間無く配した基本領域により、平面上で、該基本領域から始めて、該基本領域の下に該平行線についての第一鏡像を形成し、さらに同様の操作で第一鏡像の鏡像である第二の鏡像を形成し、順次これを繰り返すことで形成されたものを形状パターンＡとし、さらに別の平面上で、前記第一の鏡像を対の基本領域とし、前記基本領域について行ったと同様の操作を順次繰り返すことで形成されたものを形状パターンＢとし、該形状パターンＡ，Ｂの形状が刻印された平面シートをそれぞれシートＡ，シートＢとし、これらに含まれる等脚台形および該平行四辺形のすべての辺を折り筋とし、該等脚台形の斜辺を図面上で手前に山折り、他の辺はこれに適合する折り目と規定し、シートとシートＢを背面で合わせ、相接する前記偶数番目でかつ端部の平行四辺形の部分で互いに接合し、かくて形成される管状形体を、形状記憶合金などの形状可変素材で製造することにより、管自体を能動的な機構要素とし、容積・長さの制御可能を特徴とするアクチュエータ管により前記課題を解決するものである。
【０００８】また、本考案の請求項２に示されるように、請求項１のアクチュエータ管において、管の両端部を閉じ、流体吸入・排出口を装着した構造を特徴とするアクチュエータ管により、前記課題を解決するものである。
【考案の効果】
【０００９】本考案の第一の効果は、管自体が能動的に形状変化することで、容積変化・長さ変化をもたらすことである。
【００１０】本考案の第二の効果は、本質的に大きなストロークを持つことである。これは基になる形態の筒型伸展構造の性質により、理論的には０から有限まで変化できるからである。
【００１１】本考案の第三の効果は、製造工程が単純であることである。本考案では、比較的簡単な折り曲げ加工により容易に製造でき、可塑性に富んだ材料を必要としない。従って多様な材料に適応することが出来る。
【考案を実施するための最良の形態】
【００１２】はじめに、図によって、本考案の形状を説明する。図１（ａ）（ｂ）は、アクチュエータ管１０の斜視図により、それぞれ相対的に伸展時、収縮時の形状を示したものである。ここで厚みは省略して示す。図１で、１は台形板、２は１に連接する平行四辺形板、３は２にさらに連接する平行四辺形板の部分である。４は台形間の折り目である。この形状を直観的に把握するため、図２の斜視図による構成で、部分の組み立て過程を利用する。【００１３】図２（ａ）は、長方形のシートＡであり、与えられるべき折り目の線が示されている。平行な帯状領域５の面の中央部に、台形板１と、その両側に平行四辺形板２が隣接してある。さらに該帯状領域上で平行四辺形板２に連接する平行四辺形板３の部分である三角形板７が示されている。ここで外郭線を除いて線はすべて折り目とする。帯状領域５を折り目４についての鏡像を作ると、帯状領域６が生成される。同じ操作を繰り返すことにより、シートＡの全面に折り目の線が規定される。【００１４】  図２（ｂ）は、シートＡに図２（ａ）規定の折り目を付与したものである。これらの折り目の山折り谷折りは、図に示されている。このようにすると、シートＡは、立体的な形状になる。この折り目の基準は、台形板１の間の二面角２βであり、βが９０°のとき平面であり、０°のとき完全に畳まれたことになる。図２（ｃ）は、図２（ｂ）より折りが深い状態である。【００１５】  図２（ｄ）は、或る程度折りが深い状態のシートＡと、これと１帯状領域だけずらして形成されたシートＢを、背中合わせに組み合わせ、両側部で結合したものである。これが図１のアクチュエータ管１０の一部を構成する。なお、図２では、ＡとＢが結合すると、純粋に単一壁の管に付帯して、ＡとＢが重複する部分７がある。これは前記、２に連接する平行四辺形板３の部分である三角形板に属し、結合という実体製作上に便利であり、さらに若干延長するのが実用的である。図１では、純粋に単一壁だけで、必要最小限のコアとなる星形多面体形状を示しているが、実体は重なり部分７を包含するものである。【００１６】なお、図１、２に示した形状は、一つの例に過ぎず、基本となる台形及び平行四辺形の組み合わせで、多様な形状を設計できる。
【実施例】
【００１７】次に実施例１を説明する。前記図１、２に示す形状を、形状可変材料、代表的には形状記憶合金で実体としたものが、すなわち本考案の基本的な実施例である。勿論、前記のように、ＡとＢが重複する部分７を必要に応じて若干延長して製作する。【００１８】図３のグラフは、本考案のアクチュエータ管について、代表的な台形板１の間の折り目４のニ面角２β（ラジアン）の変化による、管の軸に直交方向の断面積Ｓの変化を示した例である。β＝０は完全に軸方向に平に畳みこまれた状態を示し、その場合の断面積を１００％とする。参考のため、同じ断面積のストレートな角柱管の値を記入してある。これは勿論長さに関係なく一様である。βの増加に従って、アクチュエータ管の断面積は増加するが、その変化はわずかであり、βが０．７５ラジアン（約４０°）で略１０％増加となる。このことから、管はこの範囲で、ほぼ管の状態を維持する。また、それとは反対に、βが大きくなる極限の近傍では、断面積が急速に０に近づく。これはこれで、異なる目的のアクチュエータとしての性質を示す。【００１９】次に実施例２を説明する。図４（ａ）、（ｂ）は、エンドプレート８と、ベント９を装着したアクチュエータ管の挙動を示す。あきらかに、形状変形と容量変化がリンクすることで、本考案のアクチュエータ技術を象徴的に現わしている。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】（ａ）アクチュエータ管（伸展時）の斜視図  （ｂ）アクチュエータ管（収縮時）の斜視図
【図２】（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）アクチュエータ管部分の構成の斜視図
【図３】アクチュエータ管の折り目角βと断面積Ｓの関係の説明図
【図４】（ａ）、（ｂ）エンドプレートとベントを装着したアクチュエータ管の正面図
【符号の説明】
【００２１】１    台形板
２    平行四辺形板
３    平行四辺形板または部分
４    台形板の間の折り目
５    帯状領域
６    帯状領域
７    ＡとＢの重複部分（平行四辺形板３の部分）
８    エンドプレート
９    ベント
１０  アクチュエータ管
Ａ    シート（パターン）、アクチュエータ管１０の片側
Ｂ    シート（パターン）、アクチュエータ管１０の片側
Ｓ    アクチュエータ管１０の軸に垂直な断面積
β    アクチュエータ管の折り目角（台形板１の間の二面角２βの半分）