特許 6873468 アクチュエータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6873468

(24)【登録日】2021年4月23日

(45)【発行日】2021年5月19日

(54)【発明の名称】アクチュエータ

(51)【国際特許分類】

   F15B 15/10 20060101AFI20210510BHJP

【ＦＩ】

   F15B15/10 H

【請求項の数】4

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2017-51679(P2017-51679)

(22)【出願日】2017年3月16日

(65)【公開番号】特開2018-155298(P2018-155298A)

(43)【公開日】2018年10月4日

【審査請求日】2020年2月28日

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２７年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構、「次世代ロボット中核技術開発／革新的ロボット要素技術分野／人間との親和性が高いウェアラブルアシスト機器のための可変粘弾性特性を有する革新的ソフトアクチュエータシステムの開発」、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】599011687

【氏名又は名称】学校法人 中央大学

(74)【代理人】

【識別番号】100141243

【弁理士】

【氏名又は名称】宮園 靖夫

(72)【発明者】

【氏名】中村 太郎

(72)【発明者】

【氏名】山田 泰之

(72)【発明者】

【氏名】奥井 学

【審査官】 中村 大輔

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００１−３５５６０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 中国特許出願公開第１０５９６５５３７（ＣＮ，Ａ）

【文献】 特開平０５−０１５４８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１３７５１６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０５３５１６０２（ＵＳ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ１５Ｂ １５／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

弾性素材からなり、流体の供給が可能な内部空間を有する管体と、
前記管体に内包され、当該管体の軸方向への伸長を規制する複数の繊維と、
前記内部空間を密閉された空間とすべく各端部を封止する封止部材と、
前記封止部材を該管体の各端部に固定する締付部材と、
を備え、封止された前記内部空間への流体の供給により前記管体が径方向に膨張かつ軸方向に収縮するアクチュエータであって、
前記管体は、
当該管体の軸方向に沿って延長し、各端部が前記管体の各端部を超えて延長する牽引繊維と、
前記牽引繊維に取り付けられ、該管体の軸方向への収縮による牽引力を駆動対象物に伝達する連結具と、を備え、
前記連結具は、
前記牽引繊維が貫通する筒状のスリーブと、
前記スリーブを貫通した牽引繊維の先端側が巻きつけるように折り返される環状のリングと、
前記リングを収容するとともに、前記スリーブの外周と結合可能に窪む凹部を一端側に有するジョイントと、を備え、
前記ジョイントの凹部に、前記牽引繊維が折り返された状態の前記リングを収容しつつ、前記スリーブの外周の一端側から結合することにより、前記スリーブに折り返された牽引繊維を前記ジョイントと前記スリーブとの間で挟みこむことで牽引繊維に固定されたことを特徴とするアクチュエータ。

【請求項2】

弾性素材からなり、流体の供給が可能な内部空間を有する管体と、
前記管体に内包され、当該管体の軸方向への伸長を規制する複数の繊維と、
前記内部空間を密閉された空間とすべく各端部を封止する封止部材と、
前記封止部材を該管体の各端部に固定する締付部材と、
を備え、封止された前記内部空間への流体の供給により前記管体が径方向に膨張かつ軸方向に収縮するアクチュエータであって、
前記管体は、
当該管体の軸方向に沿って延長し、各端部が前記管体の各端部を超えて延長する牽引繊維を備え、
前記牽引繊維は、前記管体を軸方向視したときに、中心軸を挟んで対称位置同士が連続して環状の連結部を形成し、該連結部を駆動対象物に固定することにより該管体の軸方向への収縮による牽引力を駆動対象物に伝達可能とされたことを特徴とするアクチュエータ。

【請求項3】

前記牽引繊維が前記管体に内包された繊維であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアクチュエータ。

【請求項4】

前記牽引繊維が前記管体の外周面に沿って配置された繊維であることを特徴とする請求
項１又は請求項２に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、空気等の流体の給排により駆動されるアクチュエータに関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、流体注入式のアクチュエータは、ゴム状の弾性素材により伸縮自在に構成され、非伸長性の複数の繊維が軸方向に沿って内包された管体の両端の開口に閉塞部材を挿入し、管体の両端部を閉塞部材と共に連結部材を用いて加締めることにより作製される。そして、閉塞部材によって密閉された管体の内部空間に圧縮空気を供給すると、内包された繊維の拘束力によって、管体は径方向に膨張しつつ軸方向に収縮するため、軸方向の駆動力（牽引力）を得ることができる（特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１４−２３４８３８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかし、特許文献１に示すアクチュエータにあっては、管体の両端部を連結部材を用いて加締め固定しているため、管体が軸方向に収縮する度に連結部材に対して引き抜き力が生じ、結果として締付部材と管体の両端部との間に摩擦が生じ、長期の使用等によって連結部材による加締め状態が解除され得るという不都合が生じる。
本発明は、上記問題点を解決すべく、上記不都合を解消することにより、耐久性に富んだ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】

【0005】

上記課題を解決するためのアクチュエータの構成として、弾性素材からなり、流体の供給が可能な内部空間を有する管体と、管体に内包され、当該管体の軸方向への伸長を規制する複数の繊維と、内部空間を密閉された空間とすべく各端部を封止する封止部材と、封止部材を該管体の各端部に固定する締付部材とを備え、封止された内部空間への流体の供給により前記管体が径方向に膨張かつ軸方向に収縮するアクチュエータであって、管体は、当該管体の軸方向に沿って延長し、各端部が管体の各端部を超えて延長する牽引繊維と、牽引繊維に取り付けられ、該管体の軸方向への収縮による牽引力を駆動対象物に伝達する連結具とを備え、連結具は、牽引繊維が貫通する筒状のスリーブと、スリーブを貫通した牽引繊維の先端側が巻きつけるように折り返される環状のリングと、リングを収容するとともに、スリーブの外周と結合可能に窪む凹部を一端側に有するジョイントとを備え、ジョイントの凹部に、牽引繊維が折り返された状態のリングを収容しつつ、スリーブの外周の一端側から結合することにより、スリーブに折り返された牽引繊維をジョイントとスリーブとの間で挟みこむことで牽引繊維に固定された構成としたり、弾性素材からなり、流体の供給が可能な内部空間を有する管体と、管体に内包され、当該管体の軸方向への伸長を規制する複数の繊維と、内部空間を密閉された空間とすべく各端部を封止する封止部材と、封止部材を該管体の各端部に固定する締付部材とを備え、封止された内部空間への流体の供給により管体が径方向に膨張かつ軸方向に収縮するアクチュエータであって、管体は、当該管体の軸方向に沿って延長し、各端部が前記管体の各端部を超えて延長する牽引繊維を備え、牽引繊維は、管体を軸方向視したときに、中心軸を挟んで対称位置同士が連続して環状の連結部を形成し、該連結部を駆動対象物に固定することにより該管体の軸方向への収縮による牽引力を駆動対象物に伝達可能とされた構成とした。
本構成によれば、管体が、管体の各端部を超えて延長する牽引繊維を備えたことにより、当該牽引繊維の端部を駆動対象（牽引対象）となるものに対して直接連結すれば、管体の収縮により生じる牽引力が駆動対象に適切に伝達されると共に、伸縮動作によって不要な摩擦力が生じることを抑制でき、アクチュエータの耐久性を向上させることができる。
また、牽引繊維は、管体に内包された繊維であっても良く、また、管体の外周面に沿って配置された繊維であっても良い。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】アクチュエータの外観斜視図及び分解斜視図である。

【図2】アクチュエータの断面図である。

【図3】アクチュエータを膨張させたときの断面図である。

【図4】管体の他の形態を示す図である。

【図5】管体の他の形態を示す図である。

【図6】管体の他の形態を示す図である。

【図7】管体の他の形態を示す図である。

【0007】

以下、発明の実施形態を通じて本発明を詳説するが、以下の実施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く、また実施形態の中で説明される特徴の組み合わせのすべてが発明の解決手段に必須であるとは限らず、選択的に採用される構成を含むものである。

【発明を実施するための形態】

【0008】

図１は、アクチュエータ１の外観斜視図及び分解斜視図である。図２は、アクチュエータ１の軸方向断面図、径方向断面図及び軸方向視の平面図である。図１に示すように、アクチュエータ１は、弾性素材からなり円筒状に形成された管体２と、管体２の両端を封止する封止部材４；４と、管体２の両端部に封止部材４；４をそれぞれ固定する締付部材６；６と、図外の駆動対象物（牽引対象物）と連結可能な連結具８；８とを備える。

【0009】

管体２は、シリコーンゴムやその他の合成ゴム、天然ラテックスゴム等、弾性を有し伸縮自在な素材により形成される。管体２には、軸方向（長手方向）に沿って延長する複数の繊維１２が内包されている。なお、軸方向に沿ってとは、数学的に厳密な意味を示すものでなく、軸方向に対しての傾斜を許容するものである。

【0010】

図２（ｂ）に示すように、複数の繊維１２は、管体２の円周方向に均等に分布するように内包され、管体２の厚み方向に所定厚さの繊維層を形成する。図１（ｂ）に示すように、複数の繊維１２は、管体２の軸Ｊ方向に沿って管体２の一端部２ａから他端部２ｂ側に連続して同一方向を向くように延長すると共に、その各端部が一端部２ａ及び他端部２ｂを超えて所定長さ延長、露出した状態とされる。

【0011】

繊維１２としては、例えば、炭素（カーボン）繊維、ガラス繊維、ナイロン、ポリアミド系繊維やポリオレフィン系繊維、金属繊維等の被伸長性を有するものを適宜選択して用いることができる。また、繊維１２は、フィラメント、ヤーン（スパン・ヤーン及びフィラメント・ヤーン）、ストランド等のいずれの形態でも用いることができ、さらに、撚りをかけずに収束させた無撚繊維、これらの繊維を複数本撚って作成した繊維を用いることも可能である。繊維の種類にもよるが、二種類以上の種類の異なる繊維を組み合わせても良い。

【0012】

管体２の一端部２ａ及び他端部２ｂの内周側には、管体２の外径に略対応する外径を有する円柱状の封止部材４；４が挿入される。封止部材４；４が一端部２ａ及び他端部２ｂに内挿されることにより、管体２の内部には外部から流体を供給可能な密閉された空間Ｓが形成される。各封止部材４；４は、管体２の外周側からバンド等の締付部材６；６により管体２と共に加締め固定される。封止部材４は、締付部材６；６による管体２と加締め固定できるものであれば、例えば、ゴム、樹脂、金属等の素材のいずれでも良い。なお、アクチュエータ１の膨縮動作の応答性を考慮した場合、軽量な素材を用いることが好ましい。

【0013】

一方の封止部材４には、空間Ｓと外部とに連通する給排孔４０が形成される。給排孔４０には、後述の連結具８から延長するチューブ４２が接続される。図２（ｃ）に示すようにチューブ４２は、後述のジョイント８４に設けられた開口部８ａを介して連結具８の外部に引き出され、図外の流体給排手段から延長する配管と接続される。そして、流体給排手段の駆動により、チューブ４２及び給排孔４０を介して空間Ｓに空気等の流体が供給・排出される。
なお、給排孔４０を両方の封止部材４；４に設けても良く、両方の封止部材４；４側から流体を供給・排出することにより、管体２の膨縮する速度、即ち、管体２の応答速度を向上させることができる。

【0014】

管体２の一端部２ａ及び他端部２ｂからそれぞれ露出する繊維１２には、連結具８；８が取り付けられる。本実施形態に係る繊維１２は、管体２の軸Ｊ方向への伸長を規制する規制部材であると共に、連結具８；８に牽引力を伝達する牽引部材としても機能する。

【0015】

図２（ａ）に示すように、各連結具８は、例えば、スリーブ８０と、リング８２と、ジョイント８４とで構成される。スリーブ８０は、筒状部材からなり、一端側の内周にリング８２の外周の形状に沿って接触可能に形成された接触面８０ａを有し、外周にねじ溝８０ｂを有する。リング８２は、断面円形状の環状部材である。ジョイント８４は、一端側にリング８２を収容可能な円形状に窪む凹部８６と、他端側に駆動対象物との接続を確保可能な取付部８８とを備える。
凹部８６には、リング８２が当接する当接面８６ａと、内周にスリーブ８０のねじ溝８０ｂに噛み合うねじ溝８６ｂとが形成される。凹部８６の底部には、軸Ｊ方向に貫通して内外に連通する開口部８ａが設けられる。取付部８８は、凹部８６の軸線と直交方向に延長する貫通孔８８ａとして形成され、例えば、駆動対象物とボルト止め可能に構成される。

【0016】

上述の連結具８は、次のように繊維１２に取り付けられる。まず、スリーブ８０の接触面８０ａを外側に向けてスリーブ８０の内周側に繊維１２を貫通させる。次に、スリーブ８０を貫通した繊維１２をリング８２の内周側に貫通させた後に、リング８２に巻き付けるように放射状に折り返し、繊維１２の先端側をスリーブ８０の内周側に挿入する。次に、スリーブ８０のねじ溝８０ｂにジョイント８４のねじ溝８６ｂをねじ込むことにより、リング８２に巻き付けられた繊維１２がスリーブ８０の接触面８０ａとジョイント８４の当接面８６ａとの間に挟み込まれて固定される。

【0017】

以下、上記構成からなるアクチュエータ１の動作について説明する。図２（ａ）に示す伸長状態から内部空間Ｓに圧縮空気を供給すると、管体２は、内包された複数の繊維１２により軸Ｊ方向への伸長が規制され、図３に示すように半径方向に膨張し、結果として軸Ｊ方向に収縮する。当該軸Ｊ方向への収縮により、繊維１２は図２（ａ）に示す直線状態から、図３に示す弓なり状態となり、連結具８；８間を結ぶ延長経路が変化して連結具８；８の直線距離が短くなり、連結具８；８を介して連結された図外の駆動対象物に牽引力を作用させることができる。当該牽引力は、管体２の一端部２ａ及び他端部２ｂからそれぞれ露出するように軸Ｊ方向に延長し、連結具８；８によって固定された繊維１２によって直接的に伝達されるため、空間Ｓを形成する管体２と封止部材４；４や締付部材６；６との間に不要な力や摩擦が生じることがない。このため、従来のアクチュエータに比べて耐久性を向上させることができる。

【0018】

なお、上記実施形態では、繊維１２の全てを管体２の一端部２ａ及び他端部２ｂから露出させて、連結具８；８を取り付けたが、複数の繊維１２のうち一部を管体２露出させ、この露出した繊維１２に連結具８；８を取り付けるようにしても良い。この場合、繊維１２は、管体２を軸方向視したときの中心軸Ｊを挟んで対称の位置から露出させて連結具８を取り付けることで、管体２による牽引力を駆動対象物に効率良く伝達することができる。

【0019】

図４は、管体２の他の形態を示す図である。上記実施形態では、管体２に内挿された複数の繊維１２の全部または一部を露出させて連結具８；８を取り付ける構成としたが、管体２に内挿される繊維１２とは別に、連結具８；８間に渡って延長する牽引用の繊維１４を設けても良い。本実施形態における繊維１４は、牽引部材としての役割を担い、管体２の外周面上において軸Ｊ方向に沿って延長する。また、繊維１４は、管体２を軸方向視したときに、中心軸Ｊを挟んで対称な位置に配置される。繊維１４の両端部は、前述の繊維１２と同様に、管体２の一端部２ａ及び他端部２ｂよりも外側に延長し、連結具８；８によって固定される。また、管体２の両端部において繊維１４は、締付部材６；６を介して管体２の外周に封止部材４；４とともに加締め固定される。繊維１４の両端部は、管体２の一端部２ａ及び他端部２ｂを超えて外側に延長し、当該延長部分が上述の連結具８；８により固定される。

【0020】

このような繊維１４を有する管体２であっても、繊維１４の延長する経路が、図４（ａ）に示す直線状態から、図４（ｂ）に示すように管体２の膨張に伴なって弓なりの状態となることにより、連結具８；８間の直線距離が短くなり、連結具８；８を介して連結された駆動対象物に牽引力を作用させることができる。また、アクチュエータ１を繰り返し伸長・収縮させたとしても、空間Ｓを形成するために管体２の端部に締付部材６；６により固定された封止部材４；４等で構成される端部構造を破壊する力が作用しないので、耐久性を大幅に向上させることができる。

【0021】

なお、繊維１４を締付部材６；６により固定するものとしたが、例えば、締付部材６；６に管体２の軸Ｊ方向に沿って延長する貫通孔を形成して繊維１４を貫通させ、繊維１４を締付部材６；６に対して移動可能としても良い。このように牽引部材として機能する繊維１４を管体２の外周側に設けても、上述のように管体２の膨張により繊維１４の延長する経路が短縮されるので、駆動対象物に牽引力を生じさせることができる。また、繊維１４は、牽引力を生じさせる管体２の膨縮動作に従属的に動作するだけなので、駆動対象物に及ぼす牽引力と、管体２の膨張力とが分離され、牽引力の発生にともなう管体２の破壊が抑制され、アクチュエータ１の耐久性を向上させることができる。

【0022】

なお、連結具８の構成は、上記実施例に限定されず、管体２の端部から露出，延長する繊維を固定できるものであれば良い。また、連結具８を省略し、繊維を直接駆動対象物と接続して牽引力を発生させても良い。

【0023】

また、管体２の他の形態として、例えば、図５に示すように、管体２の端部において中心軸Ｊを挟んで対称の位置から露出する繊維１４の端部同士を留め具１５等により連結して環状の連結部９を形成し、該連結部９を駆動対象物に直接固定することにより、上述の連結具８を不要とすることもできる。これにより、流体注入式アクチュエータ１の構造が簡素化され、耐久性能をより向上させることができる。
なお、繊維１４は、あらかじめ環状に成形したものを、管体２の端部において中心軸Ｊを挟んで対称の位置から露出するように設けても良い。このように、あらかじめ環状に成形された繊維１４を用いることにより、留め具１５を用いることなく、管体２の各端部に環状の連結部９を設けることができる。

【0024】

図６は、管体２を直列に連結した形態を示す図である。なお、図示していないが、封止部材４；４に形成された連結機構により、管体２Ａ；２Ｂが連結されているものとする。図６に示すように、複数（図６では説明の便宜上２個とした）の管体２Ａ；２Ｂを直列に連結して構成する場合には、図４や図５に示すように管体２の外周を軸線に沿って繊維１４を配置する構造を採用することにより、繊維１４を共通化した１つのアクチュエータを構成することができる。
即ち、繊維１４は、直列に連結された２つの管体２Ａ；２Ｂにわたり、その外周を軸Ｊに沿って管体２Ａの端部２ａから管体２Ｂの端部２ｂへと連続して延長して設けられる。このように延長する繊維１４は、直列に連結された管体２Ａ；２Ｂに、例えば、図５に示すように、管体２の軸Ｊを挟んで対称となる位置に対をなすように設けられ、管体２Ａの端部２ａ側に延長する繊維１４同士、及び管体２Ｂの端部２ｂ側に延長する繊維１４同士が連結される。そして、管体２Ａの端部２ａ側で連結された繊維１４と、管体２Ｂの端部２ｂ側で連結された繊維１４とを図外の駆動対象物に取り付けることで、構造を簡素化することができるとともに、繊維１４を介して管体２Ａの端部２ａから管体２Ｂの端部２ｂへと牽引力を直接的に駆動対象物に伝達可能となる。なお、繊維１４の数量については、２本に限定されず、適宜変更すれば良い。

【0025】

図７は、連結具８を省略する他の形態を示す図である。図１に示すアクチュエータ１では、繊維１２を管体２の両端部２ａ；２ｂから直線状に延長させて、連結具８を取り付けるように構成したが、図７（ａ）の矢印に示すように、各端部２ａ；２ｂから延長した繊維１２の延長方向を転換させて中心軸Ｊを挟んで再び管体２の内部を逆向きに延長するようにしても良い。
即ち、管体２の内部において、一本の繊維１２が、管体２の軸線方向に延長し、各端部２ａ；２ｂの外側において環部２０；２０を形成しながら、図７（ｂ），（ｃ）に示すように所定角度づつ軸Ｊ周りにずらし、例えば、モーターのコイルを巻くように、巻き回してアクチュエータ１を構成しても良い。そして、各端部２ａ：２ｂにおいて形成された複数の環部２０を纏め、図外の駆動対象物に取り付けることにより牽引力を作用させることができる。この場合、繊維１２が牽引部材として機能する。このように牽引部材を構成した場合、封止部材４を管体２の成形過程において一体化させることにより、締付部材６を不要とし、アクチュエータ１の構造を簡素化できる。
なお、本例では、管体２に内挿される繊維１２を巻き回すとして説明したが、図４や図５に示すように、アクチュエータ１は管体２に内挿される繊維１２とは別に設けた繊維１４を管体２の外周に巻き回してなる。この場合、繊維１４は、締付部材６や管体２の表面に接着などにより固定しても良い。また、繊維１４を締付部材６や管体２の表面に接着などにより固定しない場合には、管体２の膨張時に巻き回された繊維１４に周方向への偏りが生じないように、偏り防止手段を設けると良い。偏り防止手段としては、例えば、管体２の膨張・収縮に伴なって外径変化のない封止部材４に対応する外周において、巻き付けられた繊維１４を締付部材６で締め付けたり、巻き付けられた繊維１４間を他の繊維により周方向に結びつけたりすることにより可能であり、その方法については適宜設定自在である。
また、繊維１４の巻き回し回数に応じて、管体２に内挿される繊維１２を省略することも可能である。即ち、繊維１４が牽引部材及び管体２の軸Ｊ方向への伸長を規制する規制部材として機能する。ここで、繊維１４の巻き回し回数に応じてとは、管体２における繊維１２を省略し、膨張させたときに、繊維１４に必要とする牽引力が得られないことを言う。好ましくは、管体２を膨張させたときに、外周に巻き回された繊維１４の間から管体２がはみ出さないように巻き回し回数を設定すると良い。
また、管体２に内挿して巻き回す際の繊維１２の本数や管体２の外周に巻き回す際の繊維１４の本数は、１本に限定されず、２本や３本等の複数の繊維１２；１４により巻き回しても良い。

【0026】

なお、上述のように牽引部材として繊維を管体２の外周に配設する場合には、少なくとも管体２の軸方向への伸縮に伴ない半径方向への膨張・収縮する範囲内においては、同一方向に延長させることが好ましい。つまり、管体２の軸方向への伸縮に伴ない半径方向への膨張・収縮する範囲内では、牽引部材となる繊維同士が交差せずに延長していれば良く、このときの繊維（牽引部材）の延長する方向は、軸方向に沿って延長するように配設するのみに限らず、軸Ｊに対してねじれの状態（軸Ｊに対して傾斜した状態）で延長していても良い。

【符号の説明】

【0027】

１ アクチュエータ、２ 管体、２ａ 一端部、２ｂ 他端部、４ 封止部材、
６ 締付部材、１２；１４ 繊維。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】