(57)【要約】  本発明の流体圧式アクチュエータは、その耐久性を向上するために、両端が栓部材で封止され流体が供給・排出されることにより膨張・収縮する膨張収縮体と、この膨張収縮体の外周を覆い、前記栓部材へその両端が締め付け固定された被覆体と、前記栓部材へ設けられた流体の給排口と、前記膨張収縮体へ流体が供給された時、前記被覆体に外側へ膨らむ局部変形が生ずることを防止又は抑制する補助部材を備えたことを特徴としている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端が栓部材で封止され流体が供給・排出されることにより膨張・収縮する膨張収縮体と、
この膨張収縮体の外周を覆い、前記栓部材へその両端が締め付け固定された第1の被覆体と、
前記栓部材へ設けられた流体の給排口と、
前記膨張収縮体へ流体が供給された時に、前記第1の被覆体をその両端近傍部分を含めほぼ全長に渡って均一の径で膨張させる補助部材
を備えた流体圧式アクチュエータ。
【請求項２】
前記補助部材は、前記第1の被覆体を覆い、前記栓部材へその両端が締め付け固定された第2の被覆体であることを特徴とする請求項9に記載の流体圧式アクチュエータ。
【請求項３】
両端が栓部材で封止され流体が供給・排出されることにより膨張・収縮する膨張収縮体と、
この膨張収縮体の外周を覆う第1の被覆体と、前記第1の被覆体の外周を覆う第2の被覆体との両端部が前記栓部材に対し締め付け固定された二重構造の被覆体と、
前記栓部材へ設けられた流体の給排口
を備えた流体圧式アクチュエータ
【請求項４】
前記第1の被覆体と第2の被覆体は、前記流体が供給され前記膨張収縮体が膨張させられると、径が増大し長さが縮小するメッシュ状の筒状体から成ることを特徴とする請求項2に記載の流体圧式アクチュエータ。
【請求項５】
前記第1の被覆体と第2の被覆体は、径、材質、メッシュの素線数が同一であることを特徴とする請求項4に記載の流体圧式アクチュエータ。
【請求項６】
前記第1の被覆体と第2の被覆体は、特性が異なることを特徴とする請求項4に記載の流体圧式アクチュエータ。
【請求項７】
前記第1の被覆体と第2の被覆体は、一方が他方に比較して高耐熱性を有することを特徴とする請求項6に記載の流体圧式アクチュエータ。
【請求項８】
前記第1の被覆体と第2の被覆体は、一方が他方よりも高耐磨耗性を有することを特徴とする請求項6に記載の流体圧式アクチュエータ。
【請求項９】
前記第1の被覆体と第2の被覆体をさらに少なくとも第3の被覆体で覆った多重構造の被覆体を備えたことを特徴とする請求項3に記載の流体圧式アクチュエータ。
【請求項１０】
第1の被覆体と第2の被覆体の間に、第2の被覆体に対する摩擦係数が第1の被覆体よりも小さい材料から成る筒状の低摩擦体が配置されていることを特徴とする請求項3に記載の流体圧式アクチュエータ。
【請求項１１】
両端が栓部材で封止され流体が供給・排出されることにより膨張・収縮する膨張収縮体と、
この膨張収縮体の外周を覆い、前記栓部材へその両端が締め付け固定された被覆体と、
前記栓部材へ設けられた流体の給排口と、
前記膨張収縮体へ流体が供給された時、前記被覆体に外側へ膨らむ局部変形が生ずることを防止または抑制する補助部材
を備えた流体圧式アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気等の流体の給排により駆動される流体圧式アクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、特許文献1乃至特許文献3に記載されているような弾性膨張体(以下、流体圧式アクチュエータと記す。)を機器の駆動源として用いることが提案されている。
従来の流体圧式アクチュエータ、例えば空気圧式アクチュエータにおいては、ゴム製のチューブの外周に伸縮性のない網状の被覆体が被せられており、空気を供給してチューブを膨張させることにより、被覆体の径が増大される。被覆体の径の増大は長さ寸法の縮小を招き、この長さの縮小により駆動力が発生される。
【特許文献１】特開平7-24771号公報
【特許文献２】特開2002-103270号公報
【特許文献３】国際公開WO2004/085856
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記文献に開示されているような空気圧式アクチュエータは、膨張及び収縮が繰り返されると、繰返し回数の増加とともに被覆体の網目がくずれてくる。例えば、駆動力を得るために空気圧式アクチュエータへ空気を供給すると、空気圧式アクチュエータの長さ方向の両端部近傍が球形に膨張し、被覆体の網目の大きさが長さ方向の中間部よりも拡大することが本願発明者によって発見されている。このように、被覆体の網目が拡大すると、その網目から、空気を供給され膨張したゴム製のチューブの一部が突出することとなり、チューブが被覆体の網目との間に挟まれて損傷することとなる。例えば、本願発明者が行った実験によると、ある仕様の空気圧式アクチュエータは、4回/分の頻度で膨張・収縮を繰り返すと、数万回で破損することが判明した。チューブが損傷すると、供給された空気がチューブから漏れ、空気圧式アクチュエータの機能が損なわれる。【０００４】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、上記空気圧式アクチュエータの耐久性を向上させることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る流体圧式アクチュエータは、両端が栓部材で封止され流体が供給・排出されることにより膨張・収縮する膨張収縮体と、この膨張収縮体の外周を覆い、前記栓部材へその両端が締め付け固定された被覆体と、前記栓部材へ設けられた流体の給排口と、前記膨張収縮体へ流体が供給された時、前記被覆体に外側へ膨らむ局部変形が生ずることを防止または抑制する補助部材を備えたことを特徴としている。【０００６】
本発明によれば、補助部材が設けられたことにより、被覆体の端部における局部的変形が生ずるまでの膨張・収縮の繰返し回数(耐久性)が大幅に増加する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の第1の実施形態による空気圧式アクチュエータの縦断面図である。
【図２】本発明の第2の実施形態による空気圧式アクチュエータの縦断面図である。
【図３】本発明の第2の実施形態による空気圧式アクチュエータの縦断面図である。
【図４】空気圧式アクチュエータの耐久試験法を示す図である。
【図５】従来の空気圧式アクチュエータの端部における局部的変形を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施形態を、図面を用いて説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態による空気圧式アクチュエータの縦断面図である。図1に示すように本発明の１実施形態の空気圧式アクチュエータは、空気を供給することによって膨張するゴム製のチューブ(以下、インナーチューブと記す。)1と、インナーチューブ1の両端を封止するゴム製の栓2及び3と、ゴム栓2を貫通してインナーチューブ1の内部空間へ達するように設けられた空気給排管4と、インナーチューブ1の外周を覆う網状の第1の被覆体(以下、第1のメッシュスリーブと記す。)5と、第1のメッシュスリーブ5の外周を覆う網状の第2の被覆体(以下、第2メッシュスリーブと記す。)6と、メッシュスリーブ5，6をゴム栓2，3へ締め付けて止める止め具(図示省略)とから構成されている。なお、空気給排管4には、図示を省略された空気給排装置、例えばエアーコンプレッサーが接続され、エアーコンプレッサーから空気給排管4を介してインナーチューブ１の内部へ空気を供給し、またはインナーチューブ1の内部の空気を排出することで、空気圧式アクチュエータは駆動される。【０００９】
インナーチューブ1の外周は、網状の第1のメッシュスリーブ5により覆われ、インナーチューブ1の外周を覆った第1のメッシュスリーブ5の外周は第2のメッシュスリーブ6により覆われている。これらのメッシュスリーブ5，6は、線材(フィラメント)の材質及び太さ、及び網目を構成する素線数、さらにメッシュスリーブの径の同一のものを用いることができる。すなわち、メッシュスリーブ5，6は二重構造となっている。メッシュスリーブ5，6は、荷重に対する伸びが極めて小さな樹脂製、例えばナイロン繊維、ポリエステル繊維等の高張力繊維の線材(フィラメント)を編み上げたもので、その網目はメッシュスリーブの長さ方向へ所定の角度を持って2方向からクロスするように編み上げられている。このようなメッシュスリーブの素材は、TECHFLEX Inc.(所在地：米国  ニュージャージー州)製のCLEAN CUT PET(CLEAN CUTは、TECHFLEX Inc.の米国登録商標である。)が挙げられる。【００１０】
メッシュスリーブ5，6で覆われたインナーチューブ1はそれらの長さ方向両端部にて、図に示すようにゴム栓2，3で栓をされ、固定されている。その固定方法は、先ず、インナーチューブ1の両端において、ゴム栓2，3をインナーチューブ1の内部へ挿入し、次いで、両端にゴム栓2，3を取り付けられたインナーチューブ1を、インナーチューブ1より少し長めに切断されたメッシュスリーブ5の内部へ挿入し、更にメッシュスリーブ5の外周にメッシュスリーブ6を被せる。メッシュスリーブ6の長さはインナーチューブ1とほぼ同じとされる。その後、メッシュスリーブ5の端部を中央方向へ折返してメッシュスリーブ6の内側へ挿入し、インナーチューブ1とメッシュスリーブ5，6をゴム栓2，3へ締付具で締め付ける。折り返してゴム栓2，3へ締め付けられたメッシュスリーブ5の端部は負荷へ取り付けられたフックへ繋ぐことができる形状となる。なお、メッシュスリーブ5被せたゴム栓2へ空気給排管4が挿入されるが、そのためにメッシュスリーブ5の一部が押し拡げられる。【００１１】
上記の如く構成された本発明の空気圧式アクチュエータと、従来の空気圧式アクチュエータとの両者について耐久試験を、図4に示す態様で行なった。すなわち、空気圧式アクチュエータの仕様は、メッシュスリーブの素材5，6の定格径が1.5インチ，無負荷時のメッシュスリーブの外径が約30mm，最大負荷時のメッシュスリーブの外径が約50mm，空気圧式アクチュエータの無負荷時の長さが400mmである。このアクチュエータへ30kgの錘が吊るされる。そして、耐久試験として、空気給排管へ接続されたコンプレッサによって、10サイクル/分で図4(a)と図4(b)の状態を交互に繰り返す(空気の給排を繰り返す)方法を採用した。【００１２】
従来の単一のメッシュスリーブ5を備えた空気圧式アクチュエータは、試験の進行が数千回を超えると、アクチュエータを構成するメッシュスリーブ5の両端近傍部分が中央部分より大きな径を持つ球形に変形し始める(図5参照)。一旦メッシュスリーブ5の球状変形が始まると、球状変形部分で網目の隙間が広がり、その隙間からインナーチューブ1が突出するようになる。そして、網目の隙間から突出したインナーチューブ1が、空気の排出過程に移った時に網目同士に挟まれて摩擦による損傷が始まり、やがてインナーチューブ1が破損し空気漏れを引き起こし、アクチュエータが動作不能に陥る。【００１３】
これと比較して、本発明を適用した二重構造のメッシュスリーブ5，6を備えた空気圧式アクチュエータは、耐久試験が進行しても、アクチュエータを構成するメッシュスリーブ5の両端近傍部分に球形の変形が生ずることがない。すなわち、本発明の空気圧式アクチュエータにおいては、耐久試験が進行した場合にも、メッシュスリーブ5は空気の供給、排出を繰り返し行っても、ほぼ全長にわたって均一の径が保たれながら膨張収縮する。したがって、メッシュスリーブ5の両端近傍部分でも、中央部と同様に、径が大きくなった分は長さが縮んで網目に隙間ができることはない。したがって、インナーチューブ1がメッシュスリーブ5の網目の隙間に入り込んで、摩擦によって損傷することはなくなる。なお。二重構造のメッシュスリーブを備えた空気圧式アクチュエータは、数十万回の繰返し動作を行うと、インナーチューブ1のゴムに疲労破断が生じ、アクチュエータは動作不能に陥る。【００１４】
耐久試験結果を表1に示すが、本発明の空気圧式アクチュエータは、試験開始から破損に至るまでの繰返し動作回数が、従来の1個のメッシュスリーブ5のみでインナーチューブを覆った空気圧式アクチュエータと比較し、約5.5〜9倍程度に改善された。二重メッシュスリーブ5，6を有したサンプルの中には表1には示されていないが、一重構造の物に対して10倍程度寿命が長いものも見られた。この結果から、本発明を適用した空気圧式アクチュエータの優位性が確認された。
【表１】
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【００１５】
次に、本発明の第2の実施形態を図2により説明する。図2は、本発明の第2の実施形態の空気圧式アクチュエータの縦断面図である。この実施形態では、第2のメッシュスリーブ11が第1のメッシュスリーブ5とは異なる材料、例えば耐熱性の高い材料や耐摩耗性の高い材料により構成されている点が第1の実施形態と異なる。このような耐熱性及び耐磨耗性が高い材料は、例えばテフロン繊維の線材(フィラメント)を編み上げたもので、その網目はメッシュスリーブの長さ方向へ所定の角度を持って2方向からクロスするように編み上げられている。このようなメッシュスリーブの素材は、前記TECHFLEX Inc.製のTEFLON (TF)(Teflonは、DuPont companyの登録商標である。)が挙げられる。本実施形態による空気圧式アクチュエータは、第1の実施形態と同様に耐久性を高められるとともに、耐熱性が向上するので、高温の雰囲気で使用することができる。【００１６】
次に、本発明の第3の実施形態を図3により説明する。図3は、本発明の第3の実施形態の空気圧式アクチュエータの縦断面図である。この実施形態では、第1の実施形態と比較し、第1のメッシュスリーブ5と第2のメッシュスリーブ6との間に、第2のメッシュスリーブ6に対する摩擦係数が第1のメッシュスリーブよりも小さい筒状の低摩擦体12が配置されている点が異なる。この低摩擦体12は、第1のメッシュスリーブ5全体を覆うように配置され、締付具によりインナーチューブ1、メッシュスリーブ5，6と一緒にゴム栓2，3へ締め付け固定される。低摩擦体の材料としては、ストッキング等に用いられる伸縮可能な布材を用いることができる。このような布材は、例えばポリウレタンの芯繊維にナイロン繊維を組み合わせた合成繊維により構成されている。本実施形態による空気圧式アクチュエータは、メッシュスリーブ5と6同士の摩擦による駆動力の損失を低減することができ、また、メッシュスリーブ5，6の摩擦による損傷を防止することができる。したがって、空気圧式アクチュエータの長寿命化が計れる。【００１７】
以上、本発明を実施形態に基づいて説明したが、本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で変形することが可能である。本発明を要約すれば、本発明は第1のメッシュスリーブ5の両端近傍部分における局部変形が防止または抑制することができる手段を備えることを特徴としている。第1のメッシュスリーブ5の両端近傍部分における局部変形が防止または抑制することができる手段としては、上記第1の実施形態から第3の実施形態まで、被覆体(メッシュスリーブ)を2重構造としたが、被覆体を3重以上の多重構造としても良い。また、膨張収縮体へ流体が供給された時、又は流体の供給過程で、メッシュスリーブ5の両端近傍部分に局部変形が生じないように、メッシュスリーブ5の中央部の径の変化率と同じ径の変化率を有する部材をメッシュスリーブの両端近傍部分へ被せることでも、第1の実施形態と同じ効果が得られる。【００１８】
また、上記実施形態では、流体として空気を用いる空気圧式アクチュエータを例に挙げて説明したが、膨張収縮体に供給される流体は空気に限定されるものではなく、用途に応じて、水、油、ガス等の各種流体を用いることができる。【００１９】
本発明が関連する流体圧式アクチュエータは、リハビリ用機器(例えば、CPM(Continuous Passive Motion)装置)や介護機器等の駆動用アクチュエータとして使用することができる。また、人間が着用する着用形ロボットスーツの駆動用アクチュエータ、すなわち人工筋肉として使用することができる。さらに、産業用ロボットや建設用機械等にも使用することができる。このような広範囲の用途を持つ流体圧式アクチュエータの耐久性が本発明によって改善されたことで、その用途の更なる拡大が期待される。
【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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【国際調査報告】
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