(57)【要約】【課題】  水中ロボット等において、定期的に交換が必要になる摺動部シールを使わない駆動機構を提供する。【解決手段】例えば螺旋ねじ軸２０、めねじ部品（モータロータ）２１、モータステータ２２からなる直動機構要素１１を、端板A２３、端板B２３a及び伸縮性のある筒状膜部材３０で構成される気密室４０に内蔵した直動機構ユニット１０において、当該気密室の内部への電力供給、制御信号授受のための電線２６が電気的に絶縁されかつ内外の圧力差に耐える耐圧性と気密性を備えた状態で端板を貫通する電線貫通部２５を備え、かつ当該気密室を電気的絶縁性を有する液体５０で満たしたこと特徴とする水中あるいは海中で使用するのに適した伸縮アクチュエータ。【選択図】    図１
2009008108.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
螺旋ねじ軸とそれに螺合するめねじ部品、およびめねじ部品を回転駆動するためのモータを備え、めねじ部品を回転自在にモータステータに固定することで、螺旋ねじ軸を直線往復運動するようにした直動機構要素において、モータステータに固定する端版Aと螺旋ねじ軸端に固定する端版Bを、螺旋ねじ軸の直線往復運動の範囲を挟んで設置し、さらに端板Aと端板Bと伸縮性のある筒状膜部材とで構成される気密室の内部に、当該直動機構要素を包み込む状態で構成した直動機構ユニットにおいて、当該気密室内部への電力供給や制御信号授受のための電線が電気的に絶縁され、かつ内外の圧力差に耐える耐圧性と気密性を備えた電線貫通部であり、端板Aあるいは端板Bもしくは両方の端板を貫通し、かつ当該気密室を電気的絶縁性を有する液体で満たしたことを特徴とする、水中あるいは海中で使用するのに適した伸縮アクチュエータ。
【請求項２】
請求項1に記載の直動機構ユニットにおいて、伸縮性のある筒状膜部材としてジャバラ状あるいはベローズ状の構造で伸縮性のある部材を用いることを特徴とする水中あるいは海中で使用するのに適した伸縮アクチュエータ。
【請求項３】
請求項１、２に記載した構成の伸縮アクチュエータを、水中ロボットの推進機構として組み込んだことを特徴とする水中ロボット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水中あるいは海中で使われる機器の直線駆動に適した伸縮アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
日本は周囲を海でかこまれた海洋国家であり、海からの多大な恩恵を享受してきている。しかし近年は様々な開発や乱獲が要因となり、多くの海洋生物を絶滅の危機に追い込んでいる。このような状況のもと、「自然再生」をめざした取組みが活発になってきており、水中ロボットによる海洋調査のニーズも従来に増して強くなってきている。これらの調査に使われる水中ロボットの大半は、推進方式としてスクリューを採用しており性能、信頼性の面で豊富な実績を誇っているが、海洋生物にやさしいという点で改良の余地を残している。発明者らはこれまでに弾性振動翼を適用した、ひれで推力を発生させて遊泳する魚型ロボットの開発を手がけてきている。これまでに実施した開発の経験から弾性振動翼を使ったひれには、環境や海洋生物にやさしいという優れた特性があることがわかってきており、ひれで推力を発生させる魚型の水中ロボットに注目をしている。
【０００３】
図５に従来の魚型ロボット７０の例として、弾性振動翼にロッキングアーム機構７２と引張ワイヤ７１を適用した構成例を示す。図５（a）は側面断面図、図５（ｂ）は平面断面図を示している。ここで弾性振動翼のひれは、弾力性のあるバネ板部材６８の両面に引張ワイヤ７１を張り、水中（あるいは海中）でこの末端を交互に引張ることでバネ板部材６８を左右に振り、その時に生じるしなりを利用して推力を発生させている。ロッキングアーム機構７２は水中（あるいは海中）で使われるため、駆動用のモータ７５を本体防水容器７６に収納し、回転駆動軸７３の摺動部にOリングなどの軸シール７４をして本体容器端板６４を貫通させている。
ここで６６は引張ワイヤ７１の固定部、７６は本体防水容器である。また７８はバッテリー、７７は制御装置、６７はモータ制御指令・電力供給用の電線を示している。
【０００４】
【特許文献１】特願2006-326055  「魚ロボット構造」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の大半の水中ロボットに採用されているスクリューには回転軸があり、Oリングなどで摺動部をシールしているが、一定の時間使用すると摺動部のシールが摩耗したり、損傷を受けたりするため漏水（リーク）が生じるようになる。漏水（リーク）が起こるとシールを交換する以外に手がないため、海洋調査のミッションを遂行中であっても、一度それを中断して陸上に水中ロボットを上げ、シールの交換が必要になる。このため長期にわたり継続的にデータをとる必要のある海洋調査に水中ロボットを使うことが難しく、このことが水中ロボットの最大の課題となっている。また図５で説明したように、弾性振動翼のひれで推力を発生させる魚型ロボットでも、ロッキングアーム機構の回転軸に使われている摺動部のシールで同様な課題を抱えている。
【０００６】
一方、定期的に交換が必要になる摺動部のシールを使わない駆動機構として、磁気カップリング方式がある。水中ロボットのスクリュー軸や、魚型ロボットのロッキングアーム機構の回転軸についても、軸をまんなかで切断して磁気カップリングでつなぐことでシールを無くすことが可能である。しかし磁気カップリングは、磁力でトルクを伝えるという特性上の問題として、(1)動力の伝達効率が低い  (2)伝達トルクに上限がある  (3)強力な磁石を使用するために機構自体が重くなる、など実用上のリスクが大きく、具体化された例はあまりないのが現状である。  
本発明はかかる従来の課題に鑑み、摺動部のシールを使わない駆動機構を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するため、本発明では適正な伸縮アクチュエータを考案し、この伸縮アクチュエータを引張ワイヤの代わりに使うことで、バネ板部材を左右に振り、その時に生じるしなりを利用して推力を発生させる方式とする。この方式とすることにより、摺動部にシールを使わない駆動機構を実現することができ、しかも機構の変更に伴う課題はほとんど発生しない。
【０００８】
請求項１の発明はこの適正な伸縮アクチュエータを提案するもので、図１〜図３に構成を示す。ここで図１は伸縮アクチュエータを伸ばした状態、図２は伸縮アクチュエータを縮めた状態を説明する図である。本発明の構成は、螺旋ねじ軸２０と、それに螺合するめねじ部品（モータロータ）２１、及びめねじ部品（モータロータ）２１を、回転駆動するためのモータ〈めねじ部品（モータロータ）２１及びモータステータ２２〉を備え、めねじ部品（モータロータ）２１は回転自在にモータステータ２２に固定される。この螺旋ねじ軸２０を直線往復運動するようにした直動機構要素１１において、螺旋ねじ軸２０の端に固定する端版A２３と、モータステータ２２に固定する端板B２３aを、螺旋ねじ軸２０の直線往復運動の範囲を挟んで設置し、さらに端板A２３と端板B２３aと伸縮性のある筒状膜部材３０とで構成される気密室４０の内部に、当該直動機構要素１１を包み込む状態で構成した直動機構ユニット１０である。ここでモータステータ２２は固定部品２７により一方の端板B２３aに固定されている。気密室４０の内部への電力供給、制御信号授受のための電線２６は電気的に絶縁され、かつ内外の圧力差に耐える耐圧性と気密性を備えた電線貫通部２５で、端板A２３あるいは端板B２３a、もしくは両方の端板を貫通している。また当該気密室４０内は、電気的絶縁性を有する液体５０で満たされている。
ここで２４、２４aはワイヤー等へのとめ金具である。
【０００９】
次に本発明の伸縮アクチュエータについて、機構上の用件である気密室４０に液体５０を充満する必要性について説明する。端板A２３、B２３a  と伸縮性のある筒状膜部材３０とで構成される気密室４０には直動機構要素１１が内蔵され、水中（あるいは海水中）で使用する際に直動機構要素１１が、水（または海水）と直接触れないようにしている。一方水中（あるいは海水中）では気密室４０に水圧がかかり、圧縮される方向に変形が生じようとする。気密室４０にこの水圧に対抗する力が作用しないと、水圧の上昇につれて気密室４０の収縮は進み、最終的には直動機械要素１１に伸縮性のある筒状部材３０が張付くところまで変形が進み、伸縮アクチュエータは直動の動きを阻害されて作動しなくなる。このことから収縮変形を抑止するための構造上の対策が不可欠であるが、気密室４０への液体５０の充満がその最良の対策となる。すなわち気密室４０に、水に相当する体積圧縮率を有する液体５０を充満することで、気密室４０に水圧とバランスする圧力を発生させて、気密室４０の変形がほとんど起こらないようにすることができる。また、水圧下で伸縮アクチュエータを作動させたときに、伸縮動作のどの状態においても気密室４０の体積は変わらないため、水中（あるいは海中）で水圧に抗して直動機構要素１１がする仕事（損失）は発生しない。つまり、直動機構要素１１の伸縮には水圧に抗する力を必要としないため、基本的にはいかなる水深においても使用すること可能である。なお、モータなどの電機部品と接触する液体５０には電気絶縁オイル等の電気絶縁性を有するものを使用する必要がある。
【００１０】
請求項２の発明は請求項１の伸縮性のある筒状膜部材３０としてジャバラ状あるいはベローズ状の伸縮性のある部材の適用を提案するものである。図２に示した構成例に対し、図３のように筒状膜部材３０にジャバラ状、ベローズ状にすることで、伸縮の際に部材に発生するひずみを低く抑えることができる。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１、２で説明した本発明の伸縮アクチュエータを魚型水中ロボットに組み込んだ適応例である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、魚型ロボットの弾性振動翼の引張ワイヤに代えて、伸縮アクチュエータを使うことにより、摺動部にシールのない駆動機構とすることができ、従来発生していたシール交換作業が不要となる。これにより継続的にデータを取る必要がある海洋調査などに適した魚型の水中ロボットを提供でき、海洋調査で得られるデータの質を大幅に向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の伸縮アクチュエータの最良の実施形態１を図１で説明する。ここで図１は伸縮アクチュエータを伸ばした状態、つまり直動機構要素１１が螺旋ねじ軸２０の右端にある状態を表す説明図である。この場合は図示のように筒状部材３０は伸びた状態となっている。これに対し図２は縮めた状態、つまり直動機構要素１１を螺旋ねじ軸２０左端に移動させた状態の説明図である。この場合は図示のように、筒状部材３０は全体長さが短くなった分だけ膨らんだ状態になる。この駆動機構要素１１にはビルトイン型のモータを採用して伸縮アクチュエータをコンパクトに構成した例を示している。ねじ部品（モータロータ）２１は軸受けでモータステータ２２に回転自在に固定されている。ねじ部品（モータロータ）２１には螺旋ねじ軸２０が螺合しており、ねじ部品（モータロータ）２１の回転に伴い螺旋ねじ軸２０は前進・後退の直線往復運動をする。モータステータ２２は固定部品２７で端板B２３a に固定する。筒状部材３０は直動機構ユニット１０の直線往復運動に追従する必要がありエアラストマーなどの適正な伸縮性を有する材料で製作する。なお筒状部材３０は伸縮が繰返される部材であるため疲労への考慮が必要であるが、図３で説明するように、ジャバラ状、ベローズ状にすることで伸縮の際に部材に発生するひずみを低く抑える構造にすることが有効である。モータへの電力供給、制御信号授受は電線２６を通して行なう。電線２６は端板B２３a を貫通させて水中（または海中）で使用するため電気的に絶縁され耐圧性と気密性を備えた電線貫通部２５を設けてこれを貫通させる。気密室４０に満たす液体５０は、モータ２２及びめねじ部品（モータロータ）２１のコイル部及び電気部品、配線２６と直接接触するため、電気絶縁性のある電気絶縁オイルなどの使用が適する。また液体５０には水圧による気密室の収縮を抑える機能が必要であり、このために水に相当する体積圧縮率を有するものを選定する。
【００１４】
次に本発明の伸縮アクチュエータを魚型ロボットに適用した最良の実施形態２について図４（a）、（b）、（ｃ）で説明する。ここで図４は魚型ロボットの概略構成を示す平面断面図である。従来方式については図５で説明したように、バネ板部材６８の両面に引張ワイヤ７１を張り、この末端をロッキングアーム機構７２で交互に引張り、尾ひれのバネ板部材６８を左右に振らす構造であった。これに対し本発明では、図４（a）に示すように、ロッキングアーム機構７２の役割を担うものとして、バネ板部材６８の左右に伸縮アクチュエータ６１、６１aを配備した。この伸縮アクチュエータ６１、６１aはワイヤ６２、６３を介して、バネ板部材６８と本体容器端板６４に固定した構造となっている。バネ板部材６８は、バネ板部材固定部６５で本体容器端板６４に固定されており、伸縮アクチュエータ６１，６１a  を左右交互に伸縮させることで、尾ひれのバネ板部材６８を左右に振らす。図４（ｂ）は図示下方の伸縮アクチュエータ６１aを縮め、反対側の伸縮アクチュエータ６１を伸ばした状態であり、結果としてバネ板部材６８は図示下方側に撓む。この状態とは反対にした状態、つまり図４（ｃ）のように図示下方の伸縮アクチュエータ６１aを伸ばし、反対側の伸縮アクチュエータ６１を縮めると、結果としてバネ板部材６８は図示上方側に撓む。このような動きを連続的に繰り返すことで、尾ひれバネ板部材６８により推力が発生し、魚型ロボット６０を推進させことができる。伸縮アクチュエータ６１，６１aのモータ運転のための制御指令、電力供給は、魚型ロボット６０に搭載した制御装置７７及びバッテリー７８からモータ制御指令・電力供給電線８０を通じて行なう。本構成で魚型ロボット６０を製作し、実際に水深5mの試験水槽で遊泳試験を実施したところ、従来の引張ワイヤを使った魚型ロボットと同様な遊泳特性を示すことを確認することができた。  
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明を実施するための最良の形態例であって、図１はその伸ばした展状態
【図２】縮めた状態
【図３】伸縮性のある筒状膜部材として、ジャバラ状あるいはベローズ状の部材を適用した例を示した図である。
【図４】本発明を魚型ロボットの弾性振動翼に適用した例を示した図である。    （a）は左右側（図示では上下側）の伸縮アクチュエータの長さを等しくした状態、  （b）は左側（図示では上側）の伸縮アクチュエータを伸ばした状態、右側（図示では下側）を縮めた状態にし、尾ひれを右側（図示では下側）に振った状態                        （c）は左側（図示では上側）の伸縮アクチュエータを縮めた状態、右側（図示では下側）を伸ばした状態にし、尾ひれを左側（図示では上側）に振った状態を示した図である。
【図５】従来の魚型ロボットの弾性振動翼にロッキングアーム機構と引張ワイヤを適用した例を示した図である。（a）は側面図、（ｂ）は平面図を示す。
【符号の説明】
【００１６】
１０    直動機構ユニット
１１    直動機構要素
２０    螺旋ねじ軸
２１    めねじ部品（モータロータ）
２２    モータステータ
２３    端板A
２３a    端板B
２４    とめ金具A
２４ａ  とめ金具B  
２５    電線貫通部
２６    電線
２７    固定部品
３０    筒状膜部材
３２    ジャバラ状あるいはベローズ状の部材
４０    気密室
５０    液体
６０    本発明の伸縮アクチュエータを適用した魚型ロボットの例
６１    伸縮アクチュエータ
６１a    伸縮アクチュエータ
６2    ワイヤ
６2a    ワイヤ
６3    ワイヤ
６3a    ワイヤ
６４    本体容器端板
６５    バネ板部材固定部
６６    ワイヤ固定部
６７    モータ制御指令・電力供給電線
６８    バネ板部材    
７０    従来の魚型ロボットの例
７１    引張ワイヤ
７１a    引張ワイヤ
７２    ロッキングアーム機構
７３    回転駆動軸
７４    軸シール
７５    モータ
７６    本体防水容器
７７    制御装置
７８    バッテリー
８０    モータ制御指令・電力供給電線
【図１】
2009008108.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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