(57)【要約】【課題】  筒状弾性体から構成された湾曲可能なアクチュエータの動作領域の制限を圧力調整によらず可能とする湾曲型アクチュエータの実現。【解決手段】  アクチュエータ１は、内部に流体を収容可能な圧力室８を形成して弾性変形可能な筒状弾性体２と、圧力室８内へ流体を出し入れする注入管７と、縦方向に延びて筒状弾性体２の湾曲動作の内側部分１０の縦方向の伸張を規制するように筒状弾性体２に固着された伸張規制部材４と、筒状弾性体２が横方向に膨張するのを規制するように圧力室８を囲みように配置された膨張規制部材３と、筒状弾性体２の内部にアクチュエータの変形動作を強制的に制限させるための動作制限部材９が具備されている。【選択図】図１
2009121658.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力室を備える筒体を形成する弾性変形可能な第１の部材と、
前記筒体の片側に偏在して前記筒体と縦方向に沿って一体化された前記第１の部材に比べて弾性変形しにくい第２の部材を具備し、
前記圧力室に注入する流体の圧力を調整することにより前記筒体全体が前記第２の部材を配置した方向に湾曲動作可能なアクチュエータにおいて、
前記第１の部材に比べて弾性変形しにくい動作制限部材が、前記筒体と非接触部分を有するように前記筒体に沿って固着され、前記筒体の湾曲動作に伴い前記動作制限部材が緊張状態となることで前記筒体の湾曲動作を制限することを特徴としたアクチュエータ。
【請求項２】
前記動作制限部材は、前記非接触部分が弛緩状態であり、前記筒体の湾曲動作に伴い緊張状態になることで前記筒体の湾曲動作を所定範囲内に制限することを特徴とした請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記圧力室内に前記動作制御部材を具備したことを特徴とする請求項１又は２記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記筒体外側面に前記動作制御部を具備したことを特徴とする請求項１又は２記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記筒体内部の前記第２の部材と対向する縦方向に沿ってさらに中空構造が形成され、前記中空構造内に前記動作制御部材が設置されたことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記動作制限部材は、網形状であることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体のエネルギーにより動作するアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
対象物を軟らかく把持可能なアクチュエータの１つに空気等による流体圧が加えられることにより湾曲や伸縮などの動作を行なう流体圧アクチュエータがある。流体圧アクチュエータは、円滑な湾曲動作が可能であり細径化も容易で、構造も簡素なアクチュエータであり、ロボットアームや人間の把持動作をアシストするパワーアシストなど様々な分野への適用が研究されている。
【０００３】
従来の流体圧アクチュエータは、その主な構成として弾性変形可能な筒状弾性体からなり、その筒状弾性体の縦方向の伸びを規制する伸張規制線材が配置されている。伸張規制部材は、筒状弾性体に比べて伸張しにくい材料であって筒状弾性体の片側の縦方向に設けられている。筒状弾性体は両端をキャップでふさがれる構造となっており、そのキャップの片方を貫通して筒状弾性体内部にある圧力室に通じるチューブがある。チューブを通して、作動流体を圧力室内に圧入したり、圧力室内から作動流体を放出したりできるようになっている。筒状弾性体内部に注入された流体の圧力の上昇に伴い筒状弾性体は縦方向に伸張するが、伸張規制線材が配置された側の方が設置されていない側に比べ伸張しづらいため、伸張規制線材が配置された側の方向に筒状弾性体が湾曲動作する。（例えば特許文献１）
【０００４】
アクチュエータの圧力室内の流体の圧力とその時の湾曲角度の間にはほぼ線形の関係があり、圧力室に注入する流体の圧力が高いほど湾曲角度が大きくなることが確認されている。例えば、流体圧アクチュエータによって人間の把持動作をアシストする場合、もし過大な湾曲角度が生じてしまうと、人間に損傷を与えてしまう虞がある。流体圧アクチュエータの湾曲動作領域は加える圧力で決定され、ある一定以上の領域にアクチュエータが動作領域を制御するためには厳密な圧力制御が必要である。
【特許文献１】特許第２９９３５０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このように従来の流体圧アクチュエータはその筒状体内部の流体圧力を調整することで湾曲動作を行うため、その湾曲動作領域は加える圧力で決定され、動作領域を制御するためには圧力を厳密に制御する必要があった。その為、加える圧力を大きくしすぎるとアクチュエータが湾曲しすぎてしまう恐れがあった。
【０００６】
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、厳密な圧力制御がなくても湾曲動作領域を制限することができるアクチュエータ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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明のアクチュエータは弾性変形可能な第１の部材と、前記第１の部材に比べて弾性変形しにくい第２の部材とを有し、前記第１の部材と前記第２の部材とが縦方向に沿って並設されて、第１の中空構造である圧力室を備える筒体が形成されるように一体化し、前記圧力室に注入する流体の圧力を調整することにより筒体全体が前記第２の部材を配置した方向に湾曲動作可能なアクチュエータにおいて、前記筒体の縦方向に２点以上で前記筒体に固着され前記第１の部材に比べて弾性変形しにくい動作制限部材を具備し、前記動作制限部材は、前記筒体の湾曲動作に伴い緊張状態となることで前記筒体の湾曲動作を制限することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、厳密な圧力制御によらず湾曲動作領域を制限するアクチュエータの提供が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に、図面を参照しながら、本発明に係るアクチュエータの実施形態について説明する。ここで、互いに同一または類似の部分には共通の符号を付して、重複説明は省略する。
本発明に係るアクチュエータの第１の実施形態について、図１乃至図２を参照して説明する。
【００１０】
図１は、第１の実施形態に係るアクチュエータの模式図である。(ａ)はアクチュエータの縦方向の断面図である。(ｂ)はアクチュエータの横方向の断面図である。
【００１１】
ここで、アクチュエータの縦方向をｚ軸、湾曲方向をｙ軸、またｙｚ平面と垂直をなす方向をｘ軸と定義する。そして、アクチュエータ１はｙｚ平面に平行をなす方向に湾曲動作するように構成されている。
【００１２】
図１に示すアクチュエータ１はその主な構成として、ｘｙ平面の断面形状が楕円である弾性変形可能な第１の部材からなる筒状形状の筒状弾性体２と、筒状弾性体２の一端をふさぐように固定された第１のキャップ５と、筒状弾性体２の他端をふさぐように固定された第２のキャップ６と、第２のキャップ６を貫通し筒状弾性体２の中空構造である圧力室８まで達する筒状形状のチューブ７を有する。
【００１３】
筒状弾性体２内部は中空の圧力室８である。圧力室８には空気などの流体が充填されるが、外部との流体の流れはチューブ７を通して行われるようになっており、キャップ５、６と筒状弾性体２との接続部から流体が漏れないようになっている。図１に示すアクチュエータ１は、湾曲していない初期姿勢の状態である。
【００１４】
筒状弾性体２内部の楕円構造の圧力室８に近い内層部２ａとその外側の外層部２ｂの間の周方向に、筒状弾性体２に比べて弾性変形しにくい部材からなる膨張規制部材３が配置されている。膨張規制部材３は、圧力室８内の圧力が高まった際に筒状弾性体２の径が増大する方向に膨張するのを防ぐ。また、アクチュエータ１の湾曲動作の内側部分１０にｚ軸方向に配置され湾曲動作の内側部分１０がｚ軸方向に伸びないように規制する筒状弾性体２に比べて弾性変形しにくい第２の部材からなる伸張規制部材４を配している。膨張規制部材３と伸張規制部材４は筒状弾性体２と一体化され、完全に固着されている。
【００１５】
筒状弾性体２のｘｙ断面は楕円形状であり、アクチュエータ１が湾曲動作する際の内側部分１０となる方の厚さの方が外側部分よりも厚くなっている。伸張規制部材４及び、ｘｙ平面の断面の厚さの非対称性によってアクチュエータ１は湾曲動作の内側部分１０の方向への湾曲動作を行うことができる。
【００１６】
前記筒状弾性体２内の伸張規制部材４が設けられている湾曲動作の内側部分１０と、ｘ軸に対し対称をなす位置のｚ軸方向に伸びた中空構造である中空部９ａが設けられている。中空部９ａ内部には、アクチュエータ１の湾曲動作領域を制限するｚ軸方向に伸びた動作制限部材９を有している。動作制限部材９は筒状弾性体２よりも弾性変化しにくい材質からなる紐状の部材である。動作制限部材９は、その両端が完全に筒状弾性体２に固着され、両端の固着部以外の部分は筒状弾性体２に固着されていない。アクチュエータ１が湾曲動作を行っていない場合には、動作制限部材９と筒状弾性体２の固着部間の動作制限部材９は弛緩状態にある。
【００１７】
動作制限部材９は、初期姿勢時の筒状弾性体２の動作制限部材９を固着する固着部間の直線距離よりも長い。その為、紐あるいは帯状の部材である動作制限部材９の両端を筒状弾性体２に固着すると弛んだ状態で配される。 
次に、本実施例に係るアクチュエータの動作について図２を参照しつつ詳細に説明する。
【００１８】
図２は本実施例に係るアクチュエータ１の動作の態様及び、その制御を行う構成を示した図である。なお、図２中のアクチュエータ１は、キャップ５，６、チューブ７、動作制限部材９、筒状弾性体２のみを抜き出して示したものであり、その他の構成は省略する。
【００１９】
圧力室８内にある一定の圧力を加えたアクチュエータ１と、そのアクチュエータ１に外力を加えた時の動作及び湾曲動作に伴って変化する動作制限部材９の様子をアクチュエータ１のｙｚ断面形状によって示したものである。外力をかけずに湾曲しきった状態は実線で、外力とアクチュエータ１による発生力とが平衡となった状態を破線で描いてある。
【００２０】
圧力源９１で発生した圧縮空気などの流体を圧力調整装置９２および圧力制御バルブ９３によりチューブ７を介して圧力室８内に注入すると圧力室８内の圧力が上昇し、筒状弾性体２の湾曲動作の外側部分が縦方向に伸張する。また、圧力制御バルブ９３を解放し、圧力室８内を減圧するに従ってアクチュエータ１の湾曲角度は小さくなり外圧と同じ圧力に達した時に再び図１に示す元の初期姿勢に復元する。
【００２１】
湾曲動作時、伸張規制部材４及び筒状弾性体２のｘｚ断面の非対称構造によって筒状弾性体２の伸びが部分的に規制されるので、アクチュエータ１は、伸張規制部材４のある湾曲動作の内側部分１０方向に湾曲する。すると、湾曲動作に伴い伸張規制部材４のない動作制限部材９の配された側は伸び、動作制限部材９の固着された筒状弾性体２の固着部と固着部との２点間の距離は湾曲角度が大きくなるに従って広がり、動作制限部材９の弛みは湾曲動作に伴い少なくなっていく。動作制限部材９は弾性変形しづらい部材からなるため、弛みがなくなり動作制限部材９に張力が発生する緊張状態に至ると動作制限部材９の長さ以上に筒状弾性体２の伸張つまり湾曲を防ぐ。アクチュエータは動作制限部材９の緊張時の長さによって湾曲できる最大湾曲角が決まる。
【００２２】
その時の最大湾曲角度をθｆとする。図２の実線で描かれたアクチュエータ１は、動作制限部材９が緊張しきっており最大湾曲角度θｆで湾曲している。
【００２３】
アクチュエータがθｆまで湾曲した状態のときに、ある一定の外力Ｆ´を、湾曲方向と対向する方向に加えると、アクチュエータ１は湾曲角度が小さくなる方向に戻りある一定の湾曲角度で釣り合う。その際の、外力に対抗するアクチュエータによって発生する力Ｆを発生力とする。
【００２４】
湾曲角度が小さくなり、ある角度で外力とそれに対抗するアクチュエータ１の発生力Ｆの大きさとが釣り合う。その際のアクチュエータ１の湾曲角度θと発生力Ｆとの間には動作制限部材９による湾曲動作の制限がかかっていないときには線形の関係があることが知られている。
【００２５】
図３はアクチュエータの湾曲動作特性を示した図である。(a)が従来のアクチュエータの動作特性である。また、(b)が本実施形態のアクチュエータの動作特性である。
【００２６】
両図共に、横軸がアクチュエータの湾曲角度で縦軸がアクチュエータによる発生力である。特性線図Ａ，Ｂ，Ｃは、それぞれ３つの異なる圧力を与えたときのアクチュエータの角度と力の関係を示したものである。圧力は、Ａが最も小さく、次にＢが小さく、Ｃが最も大きい圧力を加えたものである。
【００２７】
(a)に示すように、従来の流体圧アクチュエータでは、圧力をかけた分だけ湾曲していた。
ある一定の角度θf以上湾曲しないよう制御しようとした場合、θmaxがθｆを超えないように圧力の大きさを制御する必要があった。圧力Ａの場合にはθｆを超えることはないが、圧力Ｂ，Ｃを印加した場合θｆ以上に湾曲してしまう。
【００２８】
また、内圧を一定にかけている状態で、筒状弾性体２を押しつぶす外力が働いた場合、筒状弾性体２は弾性材料を使用している事から、圧力室８の体積が小さくなり内圧が上昇し許容範囲以上に湾曲してしまう場合も考えられる。従って、従来構造のアクチュエータではある圧力下で動作させ、さらにある湾曲角度を超えないように制限する為には圧力とアクチュエータの角度を常時検知してその圧力を制御させる必要がある。
【００２９】
次に、本本実施形態に係るアクチュエータの動作特性を図３(ｂ)に示す。
アクチュエータには、ある湾曲角度θｆまでのみ湾曲するような制限をかける動作制限部材９が配置されている。ある圧力Ａをかけた場合は、θmax,Aがθｆを超えることはないので動作制限部材９は弛緩した状態である。圧力Ａでは、湾曲角度θと発生力Ｆの間の関係は線形のままである。外力を多くかける程に、外力と発生力Ｆとが釣り合う湾曲角度は小さくなる。また、圧力Ｂ及びＣでは最大湾曲角度θmax,B，θmax,Cが動作制限部９によって湾曲角度が規制されるθｆよりも大きい為、θｆ以上湾曲することができない。また、各圧力下で角度θｆ時の発生力Ｆf,B，Ｆf,C以上の外力をアクチュエータに加えない限り、アクチュエータの湾曲角度はθｆよりも小さくならない。また、圧力と対応してＦf,BはＦf,Cよりも小さい。Ｆf,B，Ｆf,C以上の外部応力をアクチュエータに加えると、加えた応力と線形の関係で湾曲角度θは小さくなる。
【００３０】
動作制限部材９の形状、材料、特性は使用する用途に適用させて選定するものであり、具体的な候補としては、伸張規制部材４と同じくヤング率が大きい紐や帯、コイルばね形状に成形されたもの等が挙げられる。
【００３１】
従来構造のアクチュエータではある圧力下で動作させ、さらにある湾曲角度を超えないように制限する為には圧力とアクチュエータの角度を常時検知してその圧力を制御させる必要があったが、本実施例に係るアクチュエータでは動作制限部材９を具備することで様々な圧力でもある一定の角度までのみ湾曲する構造となっている。従って厳密な圧力制御をしなくても所定の角度を超えた領域で動作する心配がなく、安全性の高いアクチュエータを提供できる。
【００３２】
また、本実施形態では、動作制限部材９を筒状弾性体２の内部の中空構造９ａに配したため、コンパクトな構成でアクチュエータの湾曲範囲を制限する効果を得ることができる。
【００３３】
アクチュエータの筒状弾性体２の圧力室８内にビーズや砂などの内部構造体を入れることによって、湾曲動作に必要となる流体の量を減らすことができる。本実施形態に係るアクチュエータのように、圧力室とは別の中空構造９ａに動作制限部材を設ける事で、それらの内部構造体に引っかかる等の不具合が生じにくくなる等の効果もある。
【００３４】
また、動作制限部材９の配置する中空部９ａの位置もアクチュエータ１の湾曲動作時に縦方向に伸張するアクチュエータ１内の領域であれば、厳密に伸張規制部材４のある湾曲動作の内側部分１０とｘ軸に対し対称をなす位置でなくともよい。
【００３５】
また、動作制限部材９は紐状のものであったが、これに限定されるものではなく、帯状であってもよい。また、動作制限部材９は弛んだ状態でなくともカール形状又はコイルばね形状をもち、ある一定以上の張力がかかるとそれ以上伸びづらい構造のものでもよい。また、その両端を完全に筒状弾性体２に固着しているが、用途に応じて２点ではなく、２点以上の複数点での固着や、その固着部間の距離と動作制限部材９の長さを変更することによって様々な応用が考えられる。
【００３６】
筒状弾性体２を構成する部材として繊維強化ゴムなどの弾性変形しやすい部材が好ましい。また、動作制限部材９は、筒状弾性体２の部材の約100倍程度のヤング率をもった部材であれば湾曲動作範囲を制限する本実施形態の効果を得ることができると考えられる。動作制限部材９のヤング率は厳密に上記の条件を満たさなくとも、圧力室８に加わる流体の圧力に対して筒状弾性体２の湾曲動作を制限する事が可能な程度の変形しにくさを持った部材であればよい。例えば、強化繊維、プラスチック、金属などが好ましい。又はそれらを組み合わせてもよい。伸張規制部材４は筒状弾性体２と一体となって構成しており、筒状弾性体２と２点で固着され初期姿勢時に弛緩状態である動作制限部材９とは構成が異なる。伸張規制部材４及び動作制限部９の両方共、筒状弾性体２への配され方は異なるが、緊張状態時にそれ以上筒状弾性体２が伸張しないよう規制をかける点で同一である。従って上記の条件を満たす限り、伸張規制部材４及び動作制限部材９を構成する部材は同一であっても構わない。
【００３７】
次に本発明の第２の実施形態について、図４を参照しつつ詳細に説明する。
図４は本発明の第２の実施形態を示す(ａ)はアクチュエータの縦方向の断面図である。(ｂ)は横断面図である。
【００３８】
本実施形態では、筒状弾性体２の伸張規制部材４のある湾曲動作の内側部分１０とｘ軸に対し対称をなす位置の外側部に、ｚ軸に沿うよう動作制限部材２９を配置してアクチュエータ２１の動作範囲の制限を行う構成になっている。
【００３９】
第２の実施形態に係るアクチュエータでは、アクチュエータの筒状弾性体２の外側面に動作制限部材２９を取り付けるのみなので製造が容易である。また、圧力室８内に内圧をかけすぎた場合など、動作制限部材２９の固着部が外れてしまう可能性がある。外側面という、一見して見える位置に動作制限部材２９を配したので、動作制限部材２９と筒状弾性体２の固着部が外れてしまった際にはすぐ確認することができる。それにより、故障に気づかず大きな圧力を圧力室８にかけてしまい、規制したい湾曲角度以上に湾曲するしまう虞が低くなる。
【００４０】
次に本発明の第３の実施形態について、図５を参照しつつ詳細に説明する。
図５は本発明の第３の実施形態を示すアクチュエータの（ａ）が縦方向での断面図、（ｂ）が横断面図である。
【００４１】
本実施形態では、筒状弾性体２の内部に形成された圧力室８の内部に動作制限部材３９が配置され、その両端を第１のキャップ５及び第２のキャップ６に固着している。圧力室８内の湾曲動作の内側部分１０部分にガイド４０が設けられている。ガイド４０によって、アクチュエータ３１の湾曲時に動作制限部材３９が効率よく張力を与えられるようになっている。ガイド４０は筒状弾性体２と一体化されて構成されていても構わない。
【００４２】
次に本発明の第４の実施形態について、図６を参照しつつ詳細に説明する。
図６は本発明の第４の実施形態を示すアクチュエータ４１の(ａ)は縦方向の断面図である。(ｂ)は横断面図である。
【００４３】
本実施形態は第１の実施形態と比べ、アクチュエータ４１を構成している筒状弾性体２の内部に中空構造をもたず圧力室８の内壁部分に湾曲面と反対の側面に伸張制限部材４９が固着配置され、アクチュエータ４１の動作制限を行う構成になっている。動作制限部材４９を筒状弾性体２に中空構造を設けずに配置することで、アクチュエータ４１の製造工程の簡素化が実現できる。
【００４４】
次に本発明の第５の実施形態について、図７を参照しつつ詳細に説明する。
図７は、本発明の第５の実施形態を示すアクチュエータ５１の側面図である。上図が非湾曲動作時であり、下図が湾曲動作時の様子である。本実施形態では、網形状の動作制限部材５９が筒状弾性体２の外側面を覆うように設けられ、少なくともその両端が筒状弾性体２に固着されている。動作制限部材５９は、弾性変化しにくい材質を網形状に形成したものである。動作制限部材５９は、非湾曲時は網目の広がった弛緩状態だが、圧力室８に圧力が加えられ筒状弾性体２が伸張すし湾曲するとそれに伴い網目が狭まっていく。網目が狭まりきると、動作制限部材５９は緊張状態になり、筒状弾性体２がそれ以上湾曲しないように制限かけることができる。
【００４５】
図７では、筒状弾性体２を覆うように動作制限部材５９を設けたが、全側面を覆う筒状ものでなく例えばアクチュエータ５１の湾曲動作時に、筒状弾性体２の外側面の湾曲面の外側となる部分に両端を固着した帯状の網形状の動作制限部材５９を設けることによって、その湾曲動作領域を制限することもできる。また、筒状弾性体２の外部を覆うのではなく、第１の実施形態のように筒状弾性体２内部に中空構造を設けてそこに配しても良い。
【００４６】
以上種々の変形が可能であるが、本発明の趣旨を逸脱しない限り、これらの変形はすべて本発明に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の第１の実施形態のアクチュエータを示す断面図。（ａ）縦方向（ｂ）横方向
【図２】第１の実施形態のアクチュエータの動作の態様及び、その制御を行う構成を表した
【図３】アクチュエータの動作特性を説明するための図。
【図４】本発明の第２の実施形態のアクチュエータを示す断面図。（ａ）縦方向（ｂ）横方向
【図５】本発明の第３の実施形態のアクチュエータを示す断面図。（ａ）縦方向（ｂ）横方向
【図６】本発明の第４の実施形態のアクチュエータを示す断面図。（ａ）縦方向（ｂ）横方向
【図７】本発明の第５の実施形態のアクチュエータを示す模式図。
【符号の説明】
【００４８】
１、２１、３１、４１、５１  アクチュエータ
２  筒状弾性体（第１の部材）
２ａ  筒状弾性体２の内層部
２ｂ  筒状弾性体２の外層部
３  膨張規制部材
４  伸張規制部材（第２の部材）
４０  ガイド
５  第１のキャップ
６  第２のキャップ
７  チューブ（流体注入管）
８  圧力室
９、１９、２９、３９、４９、５９  動作制限部材
９ａ  中空構造
１０  湾曲動作の内側部分
９１  圧力源
９２  圧力調整装置
９３  圧力制御バルブ
【図１】
2009121658.tif 000003
【図２】
2009121658.tif 000004
【図３】
2009121658.tif 000005
【図４】
2009121658.tif 000006
【図５】
2009121658.tif 000007
【図６】
2009121658.tif 000008
【図７】
2009121658.tif 000009