(57)【要約】【課題】人工筋肉に用いられる筒状体を容易、かつ、均一な性能を発揮し得るものとして確実に製造する方法を提供する。【解決手段】型部材を液状のゴムに浸漬し、型部材の表面に付着したゴムを乾燥させて内側ゴム層を形成する工程と、内側ゴム層の外周面に軸方向に延長する複数の繊維を貼付けて繊維層を形成する工程と、繊維層が形成された型部材を再度液状のゴムに浸漬し、外側ゴム層を形成する工程とを含む態様とした。【選択図】図３
2012176124.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
人工筋肉に用いられ、軸方向に延長する繊維層を内包する筒状体の製造方法であって、
型部材を液状のゴムに浸漬し、型部材の表面に付着したゴムを乾燥させて内側ゴム層を形成する工程と、
前記内側ゴム層の外周面に軸方向に延長する複数の繊維を貼付けて繊維層を形成する工程と、
前記繊維層が形成された型部材を再度液状のゴムに浸漬し、外側ゴム層を形成する工程と、
を含む筒状体の製造方法。
【請求項２】
液状のゴムに浸漬する前に、前記型部材の表面に酸化水溶液を塗布する工程を含む請求項１記載の筒状体の製造方法。
【請求項３】
前記繊維層を形成する工程と、前記外側ゴム層を形成する工程との間に繊維層の表面に酸化水溶液を塗布する工程を含む請求項１又は請求項２記載の筒状体の製造方法。
【請求項４】
前記繊維層を形成する工程において、前記繊維に液状のゴムを塗布しながら前記内側ゴム層の外周面に貼り付ける請求項１乃至請求項３いずれかに記載の筒状体の製造方法。
【請求項５】
前記繊維がシート状のカーボンロービング繊維である請求項１乃至請求項４いずれかに記載の筒状体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、筒状体の製造方法に関し、特に筒状体の内部に軸方向に延長する複数の繊維が内包された人工筋肉に用いられる筒状体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、例えば生体内に埋設可能な人工筋肉として、本願発明者らが提案した軸方向繊維強化型人工筋肉と呼ばれる人工筋肉が提案されている。当該人工筋肉は、ゴム製のチューブ内に軸方向に延長する複数のガラスロービング繊維を密実に内挿し、チューブ及びガラスロービング繊維の両端部がターミナルにより固定されることにより形成される。そして、当該人工筋肉を収縮させる際には、ターミナルを介して空気などの流体をチューブ内に供給することによりゴムチューブを膨張させる。チューブは、内挿された複数のガラスロービング繊維により軸方向への伸長が規制されているため、径方向にのみに膨張し、径方向への膨張に伴って軸方向への高い収縮率を得ることができる。
【０００３】
しかしながら、上記人工筋肉に採用されるゴムチューブは、その使用態様から高い耐久性と、常に一定の収縮率を発揮することが望まれるものの、品質が安定した製法については未だ確立されておらず、チューブの厚さにバラツキが生じることに起因する耐久性や収縮量等の安定性に欠けるという欠点が存在した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＷＯ  ２００８／１４００３２  Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、人工筋肉に用いられる筒状体を容易、かつ、均一な性能を発揮しえるものとして確実に製造する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するための態様として、型部材を液状のゴムに浸漬し、型部材の表面に付着したゴムを乾燥させて内側ゴム層を形成する工程と、内側ゴム層の外周面に軸方向に延長する複数の繊維を貼付けて繊維層を形成する工程と、繊維層が形成された型部材を再度液状のゴムに浸漬し、外側ゴム層を形成する工程とを含む態様とした。
本態様によれば、筒状体の内側ゴム層と外側ゴム層を液状のゴムに浸漬するだけで形成できるので、連続した工程により複数の繊維を内包した筒状体を大量に製造できる。
また、他の態様として、液状のゴムに浸漬する前に、型部材の表面に酸化水溶液を塗布する工程を含む態様とした。
本態様によれば、型部材の表面に液状のゴムを安定して定着させることができるとともに、残余のゴムを除去することにより軸方向に沿って厚さが均一な内側ゴム層を得ることができる。
また、他の態様として、繊維層を形成する工程と、外側ゴム層を形成する工程との間に繊維層の表面に酸化水溶液を塗布する工程を含む態様とした。
本態様によれば、繊維層の表面に液状のゴムを安定して定着させることができるとともに、残余のゴムを除去することにより厚さが均一な外側ゴム層を得ることができる。
また、他の態様として、繊維層を形成する工程において、繊維に液状のゴムを塗布しながら内側ゴム層の外周面に貼り付ける態様とした。
本態様によれば、ゴム層と繊維層とを馴染み良く一体化できるので、筒状体の膨張，収縮特性及び耐久性を更に向上させることができる。
また、他の態様として、繊維がシート状のカーボンロービング繊維である態様とした。
本態様によれば、繊維の貼り付けが容易となり、生産効率が向上する。また、各繊維間の隙間を狭くできるので、筒状体の径方向への膨張を更に均一にすることができる。
なお、前記発明の概要は、本発明の必要な全ての特徴を列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた発明となり得る。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】筒状体の構成を示す概略図である。
【図２】人工筋肉の構成を示す側面図である。
【図３】筒状体の製造方法を示すフローチャートである。
【図４】ディップ棒の浸漬方法の一例を示す模式図である。
【図５】酸化水溶液の塗布方法の一例を示す模式図である。
【図６】繊維層の形成方法を示す説明図である。
【図７】人工筋肉の駆動方法を示すブロック図である。
【図８】人工筋肉の動作を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、実施の形態を通じて本発明を詳説するが、以下の実施の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い。また、実施の形態の中で説明される特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【０００９】
図１（ａ）〜（ｃ）は、実施形態に係る筒状体１０の概略構成を示す図で、図２は筒状体１０を用いた人工筋肉１０Ａの構成を示す図である。
筒状体１０は、ゴム部材から成る筒状部１１と、筒状部１１に内包される繊維層１２とを備える。
筒状部１１は、繊維層１２を挟んで内側ゴム層１３及び外側ゴム層１４とから構成される。内側ゴム層１３と外側ゴム層１４とは、例えば天然ゴムラテックスにより形成される。繊維層１２は、筒状部１１の軸方向に延長する複数の繊維１２ｋにより形成され、内側ゴム層１３と外側ゴム層１４との間に介挿される。図１（ｃ）に示すように繊維層１２を構成する各繊維１２ｋとしては、例えば、機械的な撚りをかけずに収束された無撚り繊維が好適である。本例では、繊維１２ｋとして、５〜１５μｍ程度の直径を有し、強度の高いカーボンロービング繊維を用いた。
【００１０】
図２に示すように、人工筋肉１０Ａは、上記構成からなる筒状体１０の両端にそれぞれ蓋部材１５ａ，１５ｂと締付バンド１６ａ，１６ｂとが取付けられたものである。蓋部材１５ａ，１５ｂは、筒状体の両端開口を閉塞し、内部を密閉状態に維持する部材である。締付バンド１６ａ，１６ｂは、筒状体１０両端部の外周面に締結され、蓋部材１５ａ，１５ｂと筒状体１０との間に隙間ができないように筒状体１０を締め付ける。つまり、筒状体１０は、蓋部材１５ａ，１５ｂ及び締付バンド１６ａ，１６ｂにより、密閉状態に維持され、密閉空間内に圧縮空気が導入されることにより収縮する。なお、収縮動作の詳細については後述する。
【００１１】
以下、図３のフローチャートを参照して筒状体１０の製造過程について説明する。
まず、Ｓ１１において筒状体１０の型部材となるディップ棒２１を準備する。
図４（ａ），（ｂ）は、ディップ棒２１の一例を示す図で、ディップ棒２１は、例えば、押出成形法を用いて成形されたＡＢＳ樹脂などの樹脂からなり、内側ゴム層１３の内径と同じ外径を有する円筒状の塗布部２１ａと、塗布部２１ａの両端にそれぞれ設けられた把持部２１ｂとを備える。
次に、Ｓ１２において、ディップ棒２１の塗布部２１ａの外周面に、例えば硝酸とエタノールとを混合した硝酸アルコールなどの酸化水溶液を均一に塗布する前処理を実行する。
次に、Ｓ１３において、図４（ｃ）に示すように、前処理が実行されたディップ棒２１を容器２２内に収容された天然ゴムラテックス液２３中に所定時間浸漬するディッピング処理を行う。ディッピング処理に際しては、人為的に把持部２１ｂを把持して行ってもよいが、例えば、ディップ棒２１の一方の把持部２１ｂを把持部材２４で把持し、把持部材２４を図示しない昇降手段により連続して下降させるようにすることが好ましい。
次に、Ｓ１４においてディッピング処理から所定時間経過後に、ディップ棒２１を天然ゴムラテックス液２３中から引き上げ、例えば水を収容した容器内に投入することでディップ棒２１の外周面に未定着の残余の天然ゴムラテックス液２３を除却し、所定の時間乾燥させる。なお、乾燥の際は、ディップ棒２１をモーター等と接続して継続的に回転させることが好ましい。
【００１２】
天然ゴムラテックス液２３は、酸化水溶液と反応することで固形化（酸凝固法）するので、内側ゴム層１３の厚さ（０．４ｍｍ程度）であれば、十数秒程度の短い時間で内側ゴム層１３を形成することができる。そして、ディップ棒２１の引き上げ後に、ディップ棒２１を水の入った容器に浸して、固化前の未定着の天然ゴムラテックス液２３を洗い流すことにより、厚さにムラがない内側ゴム層１３を形成することができる。なお、洗い流しは、必ず採用すべき工程ではなく、適宜選択すればよい。
【００１３】
ディップ棒２１の塗布部２１ａに酸化水溶液を均一に塗布するには、例えば、図５に示すように、ディップ棒２１の把持部２１ｂとモーター２５の出力軸２５Ｊとを連結部材２６で連結させてディップ棒２１を回転させながら、塗布部２１ａの外周面に酸化水溶液を含ませた刷毛等の塗布手段２７により塗布すればよい。
【００１４】
次に、Ｓ１５において、内側ゴム層１３の外周面にカーボンロービング繊維から成る繊維１２ｋをディップ棒２１の軸方向に沿って貼り付け、繊維層１２を形成する。
具体的には、例えば図６に示すように、繊維１２ｋを接着材等により収斂し、シート状に成形した繊維シート１２Ｓを内側ゴム層１３の軸方向に沿って貼り付ける。繊維シート１２Ｓは、内側ゴム層１３の全周に亘って隙間なく貼り付ける。例えば、１枚当りの繊維シート１２Ｓの幅を周長の１／３０〜１／１０程度にカットし、複数枚の繊維シート１２Ｓを円周上に沿って貼り付ける。なお、周長と同じ幅を有する単一の繊維シート１２Ｓを巻き付けてもよい。また、繊維シート１２Ｓの長さＬを内側ゴム層１３の軸方向長さよりも短くカットし、２枚以上の繊維シート１２Ｓを繋ぎ合わせて軸方向に貼り付けてもよい。
また、繊維シート１２Ｓを貼り付ける際には、天然ゴムラテックス液２３を内側ゴム層１３の外周面、或いは、繊維シート１２Ｓにおける内側ゴム層１３の外周面と対向する面に塗布しながら貼り付けることが好ましい。これにより、繊維１２ｋと内側ゴム層１３を構成する天然ゴムラテックスとを馴染ませながら強固に一体化することができる。
なお、繊維シート１２Ｓをディップ棒２１を天然ゴムラテックス液２３にディップすることにより得られるゴム液の上から貼り付け、残余のゴム液を搾り取ることにより一体化させてもよい。
【００１５】
次にＳ１６以降の工程により、外側ゴム層１４を形成する。まず、Ｓ１６において、Ｓ１５により形成された繊維層１２の外周面に硝酸アルコールなどの酸化水溶液を均一に塗布する前処理を行った後、Ｓ１７において、再度天然ゴムラテックス液２３中にディップ棒２１を浸漬するディッピング処理を行う。当該ディッピング処理においては、天然ゴムラテックス液２３が各カーボンロービング繊維１２ｋの隙間にも浸透するので、内側ゴム層１３と繊維層１２と外側ゴム層１４とを一体化させることができる。つまり、繊維層１２を内包した状態の筒状体１０を得ることが可能となる。
次に、Ｓ１８において、所定時間浸漬したディップ棒２１を天然ゴムラテックス液２３中から引き上げ、必要に応じて水を収容した容器内に投入し、未定着の残余の天然ゴムラテックス液２３を除却した後、所定の時間乾燥させる。
なお、上記Ｓ１６においては、繊維層１２の表面に直接酸化水溶液を塗布するものとしたが、繊維層１２の上に天然ゴムラテックス液２３をディップして薄いゴム層を形成した後に、当該ゴム層の表面に酸化水溶液を塗布することにより外側ゴム層１４を形成してもよい。
次に、Ｓ１９において、型部材であるディップ棒２１を内側ゴム層１３から引き抜くことにより、筒状部１１（内側ゴム層１３，外側ゴム層１４）が均一な厚さに形成された筒状体１０を得ることができる。また、必要に応じてＳ２０において、筒状体１０を予め設定した長さに切断することにより、複数の筒状体１０を同時に製造することができる。
そして、得られた筒状体１０の両端部に蓋部材１５ａ，１５ｂをそれぞれ挿入した後、締付バンド１６ａ，１６ｂで筒状体１０を締め付けることにより、図２に示した密閉空間を有する人工筋肉１０Ａを得ることができる。
【００１６】
次に、筒状体１０が用いられた人工筋肉１０Ａの動作について説明する。まず、図７に示すように、人工筋肉１０Ａと人工筋肉駆動装置３０とを接続する。人工筋肉駆動装置３０は、圧縮空気注入管３１ａと、空気排出管３１ｂと、空気注入用の電磁弁３２ａと、空気排気用の電磁弁３２ｂと、圧縮空気供給手段３３と、制御手段３４とを備える。
圧縮空気注入管３１ａと空気排出管３１ｂとは、一方の蓋部材１５ｂに開設された図示しない空気注入口及び空気排出口に嵌挿される。圧縮空気注入管３１ａは、注入用の電磁弁３２ａを介して圧縮空気を供給する圧縮空気供給手段３３と連結され、空気排出管３１ｂは排気用の電磁弁３２ｂと連結される。なお、空気注入と排出とを両方行える電磁弁を利用し、蓋部材１５ｂの開口を単一のものとしてもよい。制御手段３４は、注入用の電磁弁３２ａの開閉と排気用の電磁弁３２ｂの開閉とを制御して、筒状体１０の膨張・収縮を制御する。
【００１７】
図８は、蓋部材１５ｂを人工筋肉１０Ａを固定するための固定部材３５に固定し、蓋部材１５ａとの距離を伸縮させる無負荷往復運動の概要を示す。
図８（ａ）に示す状態から制御手段３４が注入用の電磁弁３２ａを開き、圧縮空気供給手段３３から送出される圧縮空気が圧縮空気注入管３１ａを介して筒状体１０の密閉空間内に導入されると、筒状体１０を構成する内側ゴム層１３と外側ゴム層１４とは、導入された圧縮空気の圧力により全方向、すなわち、径方向と軸方向との両方に膨張しようとする。一方で、内側ゴム層１３と外側ゴム層１４との間に介挿されている繊維層１２は、内側ゴム層１３と外側ゴム層１４との軸方向への膨張を拘束する。
よって、内側ゴム層１３及び外側ゴム層１４の膨張は、いずれも径方向のみに限定されるため、筒状体１０は、図８（ｂ）に示す状態となり、軸方向へ収縮する。すなわち、人工筋肉１０Ａの筒状体１０は、繊維層１２が内側ゴム層１３と外側ゴム層１４の軸方向への膨張を拘束するので、径方向に膨張しながら軸方向に収縮する。このように、人工筋肉１０Ａにおいては、圧縮空気の給排が繰り返されることにより繰り返しの収縮動作を行うことができるので、例えば生体の関節における腱の代替要素や、腸内の推進機構として組み込むことが可能となる。
【００１８】
本実施形態においては、筒状体１０の製造工程につき、Ｓ１２及びＳ１６において、液状のゴムに浸漬する前に酸化水溶液を塗布する工程を含むことにより、残余のゴムを除却することが可能となり、均一な厚さの内側ゴム層１３及び外側ゴム層１４を形成できる。
よって、筒状体１０の収縮時に圧力がゴム厚の薄い部分に局所的に加わり、当該局所的部分から破裂が生じる可能性を極めて効果的に低減できる。また、Ｓ１５において、繊維層１２を繊維シート１２Ｓの貼り付けにより形成したので、軸方向全周に亘って繊維１２ｋを密実かつ均一に分布させることが可能となり、内側ゴム層１３及び外側ゴム層１４に対する局所的な圧力集中を抑制でき、耐久性の向上、及び、高圧時における操作容易性を格段に向上できる。
また、内側ゴム層１３及び外側ゴム層１４がＳ１３，Ｓ１７におけるディッピング処理により形成されるため、短時間の内に大量の筒状体１０を得ることが可能となる。
【００１９】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は前記実施の形態に記載の範囲には限定されない。前記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者にも明らかである。そのような変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲から明らかである。
【００２０】
例えば本実施形態においては、内側ゴム層１３及び外側ゴム層１４を構成するゴムを天然ゴムラテックスとしたが、シリコーンゴムなど他の種類のゴムを用いてもよい。
また、前記形態では、円筒状の筒状体１０を製造する場合について説明したが、これに限るものではない。例えば、角柱状の筒状体１０についても同様の手法により製造できる。
【符号の説明】
【００２１】
１０  筒状体、１０Ａ  人工筋肉、１１  筒状部、１２  繊維層、１２ｋ  繊維、
１２Ｓ  繊維シート、１３  内側ゴム層、１４  外側ゴム層、
１５ａ，１５ｂ  蓋部材、１６ａ，１６ｂ  締付バンド、
２１  ディップ棒、２１ａ  塗布部、２１ｂ  把持部、２３  天然ゴムラテックス液、
３０  人工筋肉駆動装置、３１ａ  圧縮空気注入管、３１ｂ  空気排出管、
３３  圧縮空気供給手段、３４  制御手段。
【図１】
2012176124.tif 000003
【図２】
2012176124.tif 000004
【図３】
2012176124.tif 000005
【図４】
2012176124.tif 000006
【図５】
2012176124.tif 000007
【図６】
2012176124.tif 000008
【図７】
2012176124.tif 000009
【図８】
2012176124.tif 000010