(57)【要約】【課題】本発明は、小型・軽量で柔軟性を有する材料製のベローズを用いたソフトアクチュエータ装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明のベローズは、金属箔の両面を第１樹脂層及び第２樹脂層でそれぞれラミネートし、水素ガスバリア性及び熱接着性を有する複合フィルムで構成され、第１外径及び第１内径を有する環状の第１複合フィルムと、前記複合フィルムで構成され、前記第１外径及び前記第１内径よりもそれぞれ小さい第２外径及び第２内径を有する環状の第２複合フィルムと、前記複合フィルムで構成される輪状の第３複合フィルムとを備え、前記第３複合フィルムの片面側に、前記第１複合フィルム及び前記第２複合フィルムを積層したものをヒートプレスにより接着した構成である。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属箔の両面を第１樹脂層及び第２樹脂層でそれぞれラミネートした水素ガスバリア性及び熱接着性を有する複合フィルムで構成され、第１外径及び第１内径を有する環状の第１複合フィルムと、
前記複合フィルムで構成され、前記第１外径及び前記第１内径よりもそれぞれ小さい第２外径及び第２内径を有する環状の第２複合フィルムと、
前記複合フィルムで構成される輪状の第３複合フィルムと
を備え、前記第３複合フィルムの片面側に、前記第１複合フィルム及び前記第２複合フィルムを積層したものをヒートプレスにより接着して構成したことを特徴とするベローズ。
【請求項２】
前記第１複合フィルム、前記第２複合フィルム及び前記第３複合フィルムをそれぞれ２枚ずつ積層して接着したことを特徴とする請求項１記載のベローズ。
【請求項３】
前記第１複合フィルム及び前記第２複合フィルムは、前記第１樹脂層同士及び前記第２樹脂層同士が向き合うように積層されて接着されることを特徴とする請求項１または２記載のベローズ。
【請求項４】
前記複合フィルムは、アルミニウム箔の両面に前記第１樹脂層及び前記第２樹脂層としてポリエチレン層及びポリエステル層をそれぞれ形成したアルミニウム箔ラミネートフィルムであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか記載のベローズ。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか記載のベローズの前記第１フィルムまたは前記第２フィルムで構成される端部に水素吸蔵合金を内蔵した反応室を接続したことを特徴とする水素吸蔵合金アクチュエータ。
【請求項６】
金属箔の両面を第１樹脂層及び第２樹脂層でそれぞれラミネートした水素ガスバリア性及び熱接着性を有する複合フィルムで構成され、第１外径及び第１内径を有する環状の第１複合フィルムと、前記複合フィルムで構成され、前記第１外径及び前記第１内径よりもそれぞれ小さい第２外径及び第２内径を有する環状の第２複合フィルムと、前記複合フィルムで構成される輪状の第３複合フィルムとを用い、前記第３複合フィルムの片面側に、前記第１複合フィルム及び前記第２複合フィルムを積層したものをヒートプレスして接着することによりベローズを製造することを特徴とするベローズの製造方法。
【請求項７】
前記ヒートプレスは、鋳型の中に前記第１複合フィルム、前記第２複合フィルム及び前記第３複合フィルムを積層すると共に圧縮し、１４０℃で３０分間加熱した後に、自然冷却することにより行われることを特徴とする請求項６記載のベローズの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素吸蔵合金アクチュエータの駆動部であるベローズの素材を金属材料から複合フィルム素材に置換することにより、人体への使用に適したソフトアクチュエータ装置として、福祉機器への応用を可能とする技術思想に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の水素吸蔵合金アクチュエータには図７で示されるようなベローズ式シリンダが用いられていた。このベローズ式シリンダは、ベローズ１、ピストン２、ヘッドカバー３、スペーサ４、ガイドリング５、シリンダ６、ロッド７、ロッドカバー８、ポート９を備え、駆動媒体として水素ガスを使用している。このため、ベローズ式シリンダは高い気密性を確保する必要があり、ステンレス製のベローズ１で構成される駆動部を含めて装置全体が金属部品で構成されている。
【０００３】
次に図８を用いて水素吸蔵合金アクチュエータの動作について説明する。
図８に示す水素吸蔵合金アクチュエータは、加熱冷却系として金属水素化合物であるペルチェ素子１００を用いている。
この水素吸蔵合金アクチュエータは、水素ガスを発生させる反応容器１０１と反応容器１０１内に生じる圧力を機械的な仕事に変換する駆動部であるベローズ１０２で構成されている。ペルチェ素子１００を加熱すると、素子内から駆動媒体である水素ガスが放出され、素子を密封する反応容器１０１内に生じた圧力を利用して水素ガスをベローズ１０２内に導入することにより、ベローズ１０２を伸縮させて仕事を行わせる。なお、ペルチェ素子１００を冷却すれば、素子内に水素が吸蔵されるので、反応容器１０１内の圧力が低下し、ベローズ１０２は収縮することにより仕事を行う。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の水素吸蔵合金アクチュエータは以上のように構成されていたため、次のような課題が存在していた。すなわち、このような水素吸蔵合金アクチュエータは、人体との直接的接触を伴う仕事（タスク）を考慮した人間共存型のソフトロボティクスに基づいて開発されているものであるが、上述のようにベローズ式シリンダの主要部分が金属で構成されていたため、福祉・介護、リハビリ・トレーニングといった人間との直接的接触を伴う機器においては、金属という高剛体の外殻ゆえの硬い・重い・高価という欠点が生じていた。このような用途の装置では、軽量、小型であることや動作における高い安全性が求められるに留まらず、さらに、見た目や触感などを介しての心理的な柔らかさをも含めた静的な柔軟性が必要とされていた。
【０００５】
また、アクチュエータの駆動部にゴム製のベローズを用い、内部に空気を封入して仕事を行わせるタイプのものも存在するが、このようなゴム製のベローズでは水素ガスが透過してしまうため、水素吸蔵合金の加熱・冷却を利用するアクチュエータには適用できなかった。
【０００６】
本発明は、以上のような課題を解決するためになされたもので、特に、水素ガスを駆動媒体として使用するため高い気密性の確保が必要とされるベローズにおいて、従来はステンレス製のベローズ等の金属部品で構成されていたベローズ式シリンダを小型・軽量で柔軟性を有する材料製のベローズに代替させることにより人間への装着に好適なものとし、このようなベローズを用いたソフトアクチュエータ装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のベローズは、金属箔の両面を第１樹脂層及び第２樹脂層でそれぞれラミネートした水素ガスバリア性及び熱接着性を有する複合フィルムで構成され、第１外径及び第１内径を有する環状の第１複合フィルムと、前記複合フィルムで構成され、前記第１外径及び前記第１内径よりもそれぞれ小さい第２外径及び第２内径を有する環状の第２複合フィルムと、前記複合フィルムで構成される輪状の第３複合フィルムとを備え、前記第３複合フィルムの片面側に、前記第１複合フィルム及び前記第２複合フィルムを積層したものをヒートプレスにより接着した構成である。
【０００８】
また、前記第１複合フィルム、前記第２複合フィルム及び前記第３複合フィルムをそれぞれ２枚ずつ積層して接着した構成である。
【０００９】
また、前記第１複合フィルム及び前記第２複合フィルムは、前記第１樹脂層同士及び前記第２樹脂層同士が向き合うように積層されて接着される構成である。
【００１０】
さらに、前記複合フィルムは、アルミニウム箔の両面に前記第１樹脂層及び前記第２樹脂層としてポリエチレン層及びポリエステル層をそれぞれ形成したアルミニウム箔ラミネートフィルムである構成である。
【００１１】
また、本発明の水素吸蔵合金アクチュエータは、前記いずれか記載のベローズの前記第１フィルムまたは前記第２フィルムで構成される端部に水素吸蔵合金を内蔵した反応室を接続した構成である。
【００１２】
また、本発明のベローズの製造方法は、金属箔の両面を第１樹脂層及び第２樹脂層でそれぞれラミネートした水素ガスバリア性及び熱接着性を有する複合フィルムで構成され、第１外径及び第１内径を有する環状の第１複合フィルムと、前記複合フィルムで構成され、前記第１外径及び前記第１内径よりもそれぞれ小さい第２外径及び第２内径を有する環状の第２複合フィルムと、前記複合フィルムで構成される輪状の第３複合フィルムとを用い、前記第３複合フィルムの片面側に、前記第１複合フィルム及び前記第２複合フィルムを積層したものをヒートプレスして接着することによりベローズを製造する方法である。
【００１３】
また、前記ヒートプレスは、鋳型の中に前記第１複合フィルム、前記第２複合フィルム及び前記第３複合フィルムを積層すると共に圧縮し、１４０℃で３０分間加熱した後に、自然冷却することにより行われる構成である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明によるベローズ及びその製造方法並びにこれを用いた水素吸蔵合金アクチュエータの好適な実施の形態について詳細に説明する。
なお、従来装置と同一または同等部分には同一符号を付し、その説明を省略する。
【００１５】
図１に示すように、本発明のベローズは、柔軟性のある軽量な複合材料で構成される複合フィルムを用いている。
繋ぎ合わせる複合フィルムは３層構造であり、中央のアルミニウム（Ａｌ）箔層の一方の面にポリエチレン（ＰＥ）フィルム層を形成し、他方の面にポリエステル（ＰＥＴ）フィルム層を形成することによりアルミニウム箔をラミネートしたアルミニウム箔ラミネートフィルムである。
【００１６】
これらの各層のうち、中央層は軽量な金属層であることが必要であり、また、両端層は樹脂層であることが必要である。このような３層の各層は、３層の積層体としてガスバリア性、物理的強度、熱によるシール性などの機能を有し、水素の透過率が極めて低い柔軟な軽量材料で構成されていれば他の材料製であってもよい。
【００１７】
以上のように構成したアルミニウム箔ラミネートフィルムを図２に示すように４枚一組にしてヒートプレス等の方法で繋ぎ合わせることにより、多段式のベローズを構成する。
すなわち、図２（ｂ）に示すように、本発明のベローズの各段は、４枚のアルミニウム箔ラミネートフィルム１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄで構成されている。アルミニウム箔ラミネートフィルム１０ａ、１０ｄは、第１外径及び第１内径を有する環状の第１複合フィルムで構成されており、アルミニウム箔ラミネートフィルム１０ｂ、１０ｃは、第１外径及び第１内径よりもそれぞれ小さい第２外径及び第２内径を有する環状の第２複合フィルムで構成されている。
【００１８】
なお、図２（ｂ）に示すように、ベローズの一端側におけるアルミニウム箔ラミネートフィルム１０ａ’、１０ｂ’は孔部を有しない輪状の第３複合フィルムで構成されている。同図には図示しないがベローズの他端側では、アルミニウム箔ラミネートフィルム１０ｃ、１０ｄは孔部を有しており、水素吸蔵合金を内蔵する反応室に接続される構成となっている。
また、図２（ａ）に例示的に示す第１複合フィルム及び第２複合フィルムでは、前記第１外径が１０ｃｍ、第１内径が４ｃｍ、第２外径が８ｃｍ、第２内径が２ｃｍであり、図１（ｂ）に示す第３複合フィルムは、外径が１０ｃｍのものと８ｃｍのものである。
【００１９】
本発明では、上述のようなアルミニウム箔ラミネートフィルムをヒートプレス（熱圧着）により接着する。
具体的には、前述した３層の積層構造のシートを第１複合フィルム及び第２複合フィルムを構成する各型に切断し、鋳型の中に図２（ｃ）に示すように順序良く重ね合わせた上で、適当な圧力をかけてオーブン中に１４０℃で３０分間静置してヒートプレスする。３０分後にゆっくりと自然冷却し、鋳型から取り出せば、本発明によるベローズを得ることができる。
【００２０】
ヒートプレスの際は、図２（ｂ）に示すように、相隣接するアルミニウム箔ラミネートフィルム１０ａ〜１０ｄを表裏を互い違いに（ポリエチレン層側の面とポリエステル側の面を互い違いに）して重ねているため、ポリエチレン層はポリエチレン層同士で接着され、ポリエステル層はポリエステル層同士で接着される。
なお、アルミニウム箔層の両面に同一の樹脂層（すなわち、アルミニウム箔層の両面にポリエステル層あるいはポリエチレン層）を積層してもよく、このような場合でも各アルミニウム箔ラミネートフィルム１０ａ〜１０ｄをヒートプレスにより接着することができる。
また、このようにアルミニウム箔ラミネートフィルム１０ａ〜１０ｄを表裏を互い違いにして重ねるのではなく、ポリエステル層とポリエチレン層が向き合うように重ねてもヒートプレスにより接着することは可能である。
【００２１】
以上のようにして作製したベローズは非常に柔軟であり、ベローズの内圧をほんのわずかに変えることで非常に大きいストロークを得ることができる平板状のアルミニウム箔ラミネートフィルム１０ａ〜１０ｄを積層して熱によりシールする構造のため、構造が単純で製造が容易なうえ、ガスバリア層（Ａｌ層）が存在することにより、ベローズからの水素ガスのリークを実用上問題がないレベルまで低減することができる。
【００２２】
図３は、水素バリア性を評価するための実験装置を概略的に示す構成図である。
１０段のベローズに水素を封入し、２５℃一定の恒温槽に入れる。材料試験機によりベローズの収縮方向に上方から荷重を加えて内圧を高めた状態でベローズの変位を固定し、ベローズ伸張方向の出力経時変化を測定した。
【００２３】
図４は、水素バリア性の評価実験結果を示す特性図である。
同特性のプロットを直線でフィッティングし、傾きから水素透過度を計算したところ、０．５４ｃｍ３（ＳＴＰ）・２４ｈｒ−１・ａｔｍ−１という値が得られた（透過面積は未知）。
人間に作用させる用途を考えると、実際には最大でも０．２ｋｇｆ／ｃｍ２程度の圧力しか用いないと思われるので、透過量もこの５分の１程度と考えてよい、この数値は１週間に僅か約０．８％の水素リークを意味し、この期間の連続稼動に充分耐えることを示唆する。
【００２４】
また、表１は、本発明によるベローズの耐圧や最大出力等を従来の金属製のベローズと比較対照させた表であり、図５は本発明のベローズにおける見かけのバネ定数特性を示す特性図である。さらに、図６は、本発明のベローズの動特性を示す特性図である。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
以上のように、本発明によるアルミニウム箔ラミネートフィルムで構成したベローズは、アルミニウム箔ラミネートフィルムで構成され、かつ、シリンダを備えないため、従来の金属製ベローズよりも小型・軽量に構成できる。また、ベローズ自体が有するバネ定数（＝剛性）ｋ０は非常に小さくほとんど考慮する必要がない。また、ベローズの内圧をほんのわずかに変えることで非常に大きいストロークを得ることができるので比較的小さな消費電力で駆動できる。また、アルミニウム箔ラミネートフィルム自体が、市場にありふれた素材であるため、安価で、さらに、裁断、積層、ヒートプレスという単純な工程でベローズを製作できるため、従来は一本数十万〜数百万掛かっていた水素吸蔵合金アクチュエータの製作コストを大幅に減らすことが可能である。
【００２７】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、アルミニウム箔ラミネートフィルムで構成され、かつ、シリンダを備えないため、従来の金属製ベローズよりも小型・軽量に構成できる。また、ベローズ自体が有するバネ定数（＝剛性）ｋ０は非常に小さくほとんど考慮する必要がなく、ベローズの内圧をほんのわずかに変えることで非常に大きいストロークを得ることができるので比較的小さな消費電力で駆動できるベローズを提供することができる。
【００２８】
請求項２記載の発明によれば、動特性の優れたベローズを安価で提供することができる。
【００２９】
請求項３記載の発明によれば、複合フィルム間の接着性を向上させた高品質なベローズを提供することができる。
【００３０】
請求項４記載の発明によれば、安価で、裁断、積層、ヒートプレスという単純な工程でベローズを製作できる。
【００３１】
請求項５記載の発明によれば、動特性の優れた吸蔵水素合金アクチュエータを安価で提供することができる。
【００３２】
請求項６記載の発明によれば、アルミニウム箔ラミネートフィルムで構成され、かつ、シリンダを備えないため、従来の金属製ベローズよりも小型・軽量なベローズの製造方法を提供することができる。
【００３３】
請求項７記載の発明によれば、単純な製造条件の下で高品質で動特性の優れたベローズを製造することができるベローズの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のベローズに用いる複合フィルムの断面構造を概略的に示す構成図である。
【図２】本発明のベローズの構成を概略的に示す構成図である。
【図３】本発明のベローズの水素バリア性を評価するための実験装置を概略的に示す構成図である。
【図４】本発明のベローズの水素バリア性の評価実験結果を示す特性図である。
【図５】本発明のベローズにおける見かけのバネ定数特性を示す特性図である。
【図６】本発明のベローズの動特性を示す特性図である。
【図７】従来の水素吸蔵合金アクチュエータの駆動部分の構成を概略的に示す構成図である。
【図８】従来の水素吸蔵合金アクチュエータの構成を概略的に示す構成図である。
【符号の説明】
１０ａ、１０ｄ　アルミニウム箔ラミネートフィルム（第１複合フィルム）
１０ｂ、１０ｃ　アルミニウム箔ラミネートフィルム（第２複合フィルム）
１０ａ’、１０ｂ’　アルミニウム箔ラミネートフィルム（第３複合フィルム）
【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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【図７】
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【図８】
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