(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023131051
(43)【公開日】2023-09-21
(54)【発明の名称】カバー付き流体圧アクチュエータ
(51)【国際特許分類】
F15B 15/10 20060101AFI20230913BHJP
【FI】
F15B15/10 H
【審査請求】未請求
【請求項の数】3
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2022035717
(22)【出願日】2022-03-08
(71)【出願人】
【識別番号】000005278
【氏名又は名称】株式会社ブリヂストン
(74)【代理人】
【識別番号】100147485
【弁理士】
【氏名又は名称】杉村 憲司
(74)【代理人】
【識別番号】230118913
【弁護士】
【氏名又は名称】杉村 光嗣
(74)【代理人】
【識別番号】100186015
【弁理士】
【氏名又は名称】小松 靖之
(74)【代理人】
【識別番号】100164448
【弁理士】
【氏名又は名称】山口 雄輔
(72)【発明者】
【氏名】美濃島 春樹
(72)【発明者】
【氏名】大野 信吾
【テーマコード(参考)】
3H081
【Fターム(参考)】
3H081AA18
3H081BB01
3H081CC24
3H081DD07
3H081DD12
3H081DD14
3H081HH04
(57)【要約】
【課題】本発明は、耐久性を向上させたカバーを有するカバー付き流体圧アクチュエータを提供することを目的とする。
【解決手段】流体の圧力を付与しない状態において、スリーブとカバーとが少なくとも一部において非接触となる。
【選択図】
図6
【特許請求の範囲】
【請求項1】
流体圧アクチュエータと、該流体圧アクチュエータを覆うカバーと、を備えた、カバー付き流体圧アクチュエータであって、
前記流体圧アクチュエータは、流体の圧力によって膨張及び収縮する円筒状のチューブと、所定方向に配向された繊維コードを編み込んだ伸縮性を有する構造体であり、前記チューブの外周面を覆うスリーブと、前記チューブの軸方向における端部を封止する封止部材と、を備え、
流体の圧力を付与しない状態において、前記スリーブと前記カバーとが少なくとも一部において非接触となることを特徴とする、カバー付き流体圧アクチュエータ。
【請求項2】
流体の圧力を付与しない状態において、前記スリーブの外径は、前記封止部材の外径よりも小さい、請求項1に記載のカバー付き流体圧アクチュエータ。
【請求項3】
前記カバーは、前記流体圧アクチュエータのスリーブを覆うスリーブカバー部分の厚さの少なくとも一部が、前記スリーブカバー部分の内周側の厚さが減じられていることにより、前記流体圧アクチュエータの封止部材を覆う封止部材カバー部分の厚さよりも薄い、請求項1に記載のカバー付き流体圧アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、カバー付き流体圧アクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【0002】
スリーブに覆われたチューブの膨張及び収縮によって所望の動作を実現可能な流体圧アクチュエータ(「マッキベン型の流体圧アクチュエータ」とも呼ばれる。)をロボットの分野に用いることが提案されている(例えば、特許文献1参照。)。特許文献1では、流体圧アクチュエータは、物を持ち上げるためのリフト部(ロボットアーム)としてだけでなく、人の指の挙動を実現させるための把持部(指ロボットハンド)としても用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上記のようなロボットハンドにおいては、ロボットハンドの汚れの防止、ロボットハンドの指先(流体圧アクチュエータの先端部)の滑りの防止、ロボットハンドの稼働による摩耗粉により汚染の防止等の観点から、ロボットハンドを覆うカバーを取り付けることが考えられる。しかしながら、ロボットハンドの流体圧アクチュエータは、繰り返し湾曲するため、カバーも追従して変形する必要があるところ、カバーに負荷がかかったり、カバーと流体圧アクチュエータとの間の摩擦が生じたりすることにより、カバーに亀裂等が入ってしまうおそれがある。
【0005】
そこで、本発明は、耐久性を向上させたカバーを有するカバー付き流体圧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】
【0006】
本発明の要旨構成は、以下の通りである。
(1)流体圧アクチュエータと、該流体圧アクチュエータを覆うカバーと、を備えた、カバー付き流体圧アクチュエータであって、
前記流体圧アクチュエータは、流体の圧力によって膨張及び収縮する円筒状のチューブと、所定方向に配向された繊維コードを編み込んだ伸縮性を有する構造体であり、前記チューブの外周面を覆うスリーブと、前記チューブの軸方向における端部を封止する封止部材と、を備え、
流体の圧力を付与しない状態において、前記スリーブと前記カバーとが少なくとも一部において非接触となることを特徴とする、カバー付き流体圧アクチュエータ。
【0007】
(2)流体の圧力を付与しない状態において、前記スリーブの外径は、前記封止部材の外径よりも小さい、上記(1)に記載のカバー付き流体圧アクチュエータ。
ここで、「スリーブの外径」及び「封止部材の外径」は、それぞれ最大径をいうものとする。
【0008】
(3)前記カバーは、前記流体圧アクチュエータのスリーブを覆うスリーブカバー部分の厚さの少なくとも一部が、前記スリーブカバー部分の内周側の厚さが減じられていることにより、前記流体圧アクチュエータの封止部材を覆う封止部材カバー部分の厚さよりも薄い、上記(1)に記載のカバー付き流体圧アクチュエータ。
ここで、「封止部材カバー部分の厚さ」は、最小の厚さをいうものとする。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、耐久性を向上させたカバーを有するカバー付き流体圧アクチュエータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【
図2】流体圧アクチュエータの一部分解斜視図である。
【
図3】封止機構を含む流体圧アクチュエータの軸方向DAXに沿った一部断面図である。
【
図4】アクチュエータ本体部の径方向DRに沿った断面図である。
【
図5】流体圧アクチュエータの挙動の説明図である。
【
図7】本発明の一実施形態にかかるカバー付き流体圧アクチュエータの概略図である。
【
図8】流体圧アクチュエータ用カバーの概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に例示説明する。
【0012】
<流体圧アクチュエータ>
<<流体圧アクチュエータの全体概略構成>>
図1は、流体圧アクチュエータ10の側面図である。
図1に示すように、流体圧アクチュエータ10は、アクチュエータ本体部100、封止機構200及び封止機構300を備える。また、流体圧アクチュエータ10の両端には、連結部20がそれぞれ設けられる。
【0013】
アクチュエータ本体部100は、チューブ110とスリーブ120とによって構成される。アクチュエータ本体部100には、接続口211aを介して流体が流入する。
【0014】
アクチュエータ本体部100は、基本的な特性として、チューブ110内への流体の流入によって、アクチュエータ本体部100の軸方向DAXにおいて収縮し、径方向DRにおいて膨張する。また、アクチュエータ本体部100は、チューブ110から流体の流出によって、アクチュエータ本体部100の軸方向DAXにおいて膨張し、径方向DRにおいて収縮する。このようなアクチュエータ本体部100の形状変化によって、流体圧アクチュエータ10は、アクチュエータとしての機能を発揮する。
【0015】
このような流体圧アクチュエータ10は、いわゆるマッキベン型であり、人工筋肉用として適用できることは勿論のこと、より高い能力(収縮力)が要求されるロボットの体肢(上肢や下肢など)用としても好適に用い得る。連結部20には、当該体肢を構成する部材などが連結される。
【0016】
本実施形態では、このような基本的な特性を有するマッキベン型の流体圧アクチュエータを用いつつ、軸方向DAXの圧縮を拘束する(規制または制限すると呼んでもよい、以下同)拘束部材150(
図1において不図示、
図2,3など参照)を設けることによって、軸方向DAXに直交する直交方向、つまり、径方向DRに湾曲(カール)することができる。
【0017】
流体圧アクチュエータ10の駆動に用いられる流体は、空気などの気体、または水、鉱物油などの液体のどちらでもよいが、特に、流体圧アクチュエータ10は、アクチュエータ本体部100に高い圧力が掛かる油圧駆動にも耐え得る高い耐久性を有し得る。
【0018】
封止機構200及び封止機構300は、軸方向DAXにおけるアクチュエータ本体部100の両端部を封止する。具体的には、封止機構200は、封止部材210及びかしめ部材230を含む。封止部材210は、アクチュエータ本体部100の軸方向D A X の端部を封止する。また、かしめ部材230は、アクチュエータ本体部100を封止部材210とともにかしめる。かしめ部材230の外周面には、治具によってかしめ部材230がかしめられた痕である圧痕231が形成される。
【0019】
封止機構200と封止機構300との相違点は、接続口211aが設けられているか否かである。
【0020】
接続口211aは、流体圧アクチュエータ10の駆動圧力源、具体的には、気体や液体のコンプレッサと接続されたホース(管路 を取り付けられる。接続口211aを介して流入した流体は、通過孔(不図示)を通過してアクチュエータ本体部100の内部、具体的には、チューブ110の内部に流入する。
【0021】
図2は、流体圧アクチュエータ10の一部分解斜視図である。
図2示すように、流体圧アクチュエータ10は、アクチュエータ本体部100及び封止機構200を備える。
【0022】
アクチュエータ本体部100は、上述したように、チューブ110とスリーブ120とによって構成される。
【0023】
チューブ110は、流体の圧力によって膨張及び収縮する円筒状の筒状体である。チューブ110は、流体による収縮及び膨張を繰り返すため、ブチルゴムなど弾性材料によって構成される。また、流体圧アクチュエータ10を油圧駆動とする場合には、耐油性が高いNBR(ニトリルゴム)、または水素化NBR、クロロプレンゴム、及びエピクロロヒドリンゴムからなる群より選択される少なくとも一種とすることが好ましい。
【0024】
スリーブ120は、円筒状であり、チューブ110の外周面を覆う。スリーブ120は、所定方向に配向された繊維コードを編み込んだ伸縮性を有する構造体であり、配向されたコードが交差することによって菱形の形状が繰り返されている。スリーブ120は、このような形状を有することによって、パンタグラフ変形し、チューブ110の収縮及び膨張を規制しつつ追従する。
【0025】
スリーブ120を構成するコードとしては、芳香族ポリアミド(アラミド繊維)やポリエチレンテレフタラート(PET)の繊維コードを用いることが好ましい。但し、このような種類の繊維コードに限定されるものではなく、例えば、PBO繊維(ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール)などの高強度繊維のコードでもよい。
【0026】
また、本実施形態では、チューブ110とスリーブ120との間には、拘束部材150が設けられる。
【0027】
拘束部材150は、軸方向DAXには圧縮せず、径方向DR(撓み方向と呼んでもよい)に沿ってのみ変形可能である。つまり、拘束部材150は、軸方向DAXに沿った圧縮に対して抵抗し、軸方向DAXに直交する直交方向(径方向DR)に変形可能である。
【0028】
換言すると、拘束部材150は、軸方向DAXに沿って変形し難く、径方向DRに沿って撓める特性を有している。なお、変形可能とは、湾曲、或いはカール可能と言い換えてもよい。
【0029】
また、拘束部材150は、拘束部材150が設けられているチューブ110の外周上の位置において、径方向DR外側へのチューブ110(及びスリーブ120)の膨張を拘束(規制)する機能も有している。
【0030】
本実施形態では、拘束部材150は、スリーブ120の内側、具体的には、スリーブ120の径方向内側の空間において、軸方向DAXの一端側から他端側に亘って設けられる。また、本実施形態では、拘束部材150は、板バネ(leaf spring)を用いて形成される。
【0031】
板バネの寸法は、流体圧アクチュエータ10のサイズ、及び必要とされる発生力などに応じて選択されればよく、特に限定されない。また、板バネの材料についても特に限定されないが、典型的には、ステンレス鋼などの金属など、曲げ易く、圧縮に強い材料であればよい。例えば、拘束部材150は、炭素繊維強化プラスチック(CFRP)の薄板などによって形成されてもよい。CFRPは、金属に比べて塑性変形をし難いため、流体圧アクチュエータ10が湾曲後、元の真っ直ぐな状態に戻りやすい。
【0032】
封止機構200は、アクチュエータ本体部100の軸方向DAXにおける端部を封止する。封止機構200は、封止部材210、係止リング220及びかしめ部材230によって構成される。
【0033】
封止部材210は、管状のアクチュエータ本体部100に挿通される。具体的には、封止部材210は、頭部211と胴体部212とを有し、胴体部212は、チューブ110に挿通される。
【0034】
封止部材210としては、ステンレス鋼などの金属を好適に用い得るが、このような金属に限定されず、硬質プラスチック材料などを用いてもよい。
【0035】
係止リング220は、封止部材210にスリーブ120を係止する。具体的には、スリーブ120は、係止リング220を介して径方向DR外側に折り返される(
図2において不図示、
図3参照)。
【0036】
係止リング220には、封止部材210と係合できるように一部が切り欠かれた切欠き部221が形成されている。係止リング220としては、封止部材210と同様の金属、硬質プラスチック材料などの材料や、自然繊維(自然繊維の糸)、ゴム(例えばOリング)などの材料を用いることができる。
【0037】
かしめ部材230は、アクチュエータ本体部100を封止部材210とともにかしめる。具体的には、かしめ部材230は、アクチュエータ本体部100の封止部材210が挿通された部分の外周面に設けられ、アクチュエータ本体部100を封止部材210にかしめる。
【0038】
かしめ部材230としては、アルミニウム合金、真鍮、及び鉄などの金属を用いることができる。かしめ用の治具によってかしめ部材230がかしめられると、かしめ部材230には、
図1に示したような圧痕231が形成される。
【0039】
<<封止機構200の構成>>
図3は、封止機構200を含む流体圧アクチュエータ10の軸方向DAXに沿った一部断面図である。
【0040】
図3に示すように、チューブ110は、胴体部212に挿通される。また、スリーブ120 は、係止リング220を介して径方向DR外側に折り返されている。
【0041】
スリーブ120の径方向DR内側には、拘束部材150が設けられる。具体的には、拘束部材150は、チューブ110とスリーブ120との間に設けられる。
【0042】
また、拘束部材150は、アクチュエータ本体部100 の周方向における一部に設けられる。つまり、拘束部材150は、チューブ110(及びスリーブ120)の周方向における一部のみに設けられる。
【0043】
拘束部材150は、アクチュエータ本体部100(つまり、チューブ110及びスリーブ1 20)の軸方向DAXにおける一端側から他端側に亘って設けられる。具体的には、拘束部材150は、封止機構200から封止機構300に亘って設けられてもよい。
【0044】
但し、拘束部材150は、必ずしも完全に封止機構200から封止機構300に亘って設けられていなくてもよく、封止機構200及び封止機構300の何れか一方(特に、湾曲時に自由端となる可能性が高い封止機構300側)には、拘束部材150が延在していなくてもよい。
【0045】
かしめ部材230は、封止部材210の胴体部212の外径よりも大きく、胴体部212に挿通された上で治具によってかしめられる。かしめ部材230は、アクチュエータ本体部100を封止部材210とともにかしめる。
【0046】
具体的は、かしめ部材230は、胴体部212に挿通されたチューブ110、及びチューブ110の径方向DR外側に位置するスリーブ120をかしめる。つまり、かしめ部材230は、チューブ110及びスリーブ120を封止部材210とともにかしめる。
【0047】
<<アクチュエータ本体部100の構成>>
図4は、アクチュエータ本体部100の径方向DRに沿った断面図である。
図4に示すように、拘束部材150は、チューブ110とスリーブ120との間に設けられる。拘束部材150は、チューブ110及びスリーブ120と密着していてもよいし、拘束部材150と、チューブ110及び/またはスリーブ120との間、及び拘束部材150の側方には、多少隙間が形成されても構わない。
【0048】
拘束部材150は、チューブ110の周方向における一部に設けられる。拘束部材150の幅は、特に限定されないが、チューブ110の外径と基準とすれば、概ね当該外径の半分程度としてよい。一例としては、チューブ110の外径11mm、収縮するアクチュエータ本体部100部分の長さ185mm、拘束部材150(板バネ)の幅6mm、厚さ0.5mm程度とすることができる。
【0049】
なお、本実施形態では、拘束部材150は、平板状であるが、撓み方に影響がない範囲において、チューブ110及びスリーブ120の断面形状に沿って多少湾曲させてもよい。
【0050】
<< 流体圧アクチュエータ10の挙動>>
図5は、流体圧アクチュエータ10の挙動の説明図である。
図5に示されている流体圧アクチュエータ10は、封止機構200側が固定されており、封止機構300側は自由に移動できる状態である。つまり、封止機構200側が固定端であり、封止機構300側が自由端である。
【0051】
上述したように、流体圧アクチュエータ10の内部に流体が流入すると、軸方向DAXに収縮しようとするが、拘束部材150が設けられているため、軸方向DAXに沿った収縮が拘束(規制)される。
【0052】
つまり、板バネなどの硬質な部材によって形成された拘束部材150が、背骨のような役割を果たし、拘束部材150が設けられているチューブ110及びスリーブ120の外周上の位置と反対側(
図5における下側)において、径方向DR外側に膨張することによって、軸方向DAXにおける流体圧アクチュエータ10の寸法が短くなり、方向D1に沿って流体圧アクチュエータ10(具体的には、アクチュエータ本体部100)が撓む。なお、方向D1は、可撓方向と呼んでもよい。
【0053】
拘束部材150は、ゴム製のチューブ110と、スリーブ120との間に設けられ、軸方向DAXにおける圧縮に対して抵抗し、に直交する直交方向(径方向DR)に沿って変形できる部材であり、アクチュエータ本体部100の周方向における一部に配置される。
【0054】
つまり、アクチュエータ本体部100への流体の流入(加圧) によって、アクチュエータ本体部100(マッキベン)が軸方向DAXに沿って収縮しようとすると、拘束部材150の部分は圧縮剛性が高いため、拘束部材150が配置された部分は収縮することができない。一方、その他のアクチュエータ本体部100の部分は収縮しようとするため、直交方向(径方向DR)に沿った曲げ方向の力が発生し、拘束部材150を背面として湾曲する。
【0055】
流体圧アクチュエータ10は、湾曲角度が大きい、発生力が大きい、力の制御が容易(圧力に発生力が比例)、構造がシンプル、表面をコートすることによって、取り扱う物体に直接触れることも可能、という特徴を有する。
また、流体圧アクチュエータ10に備えられる拘束部材150は、アクチュエータ本体部1 00( 具体的には、チューブ110)の軸方向DAXに沿った圧縮に対して抵抗し、軸方向DAXに直交する径方向DRに変形可能である。
【0056】
拘束部材150は、チューブ110の内側に設けられるため、流体圧アクチュエータ10のサイズが大型化することもない。さらに、拘束部材150によって、効率的に湾曲方向への力を発生させることができる。
【0057】
すなわち、流体圧アクチュエータ10によれば、サイズの大型化を回避しつつ、より大きな湾曲方向の力を発揮し得る。
【0058】
本実施形態では、拘束部材150は、チューブ110の周方向における一部に設けられる。このため、アクチュエータ本体部100の周上において、収縮する部分と収縮できない部分とが発生し、流体圧アクチュエータ10に加圧すると、一方向(拘束部材150が設けられている側と反対側)に湾曲する。これにより、効率的に湾曲方向への力を発生させることができ、より大きな湾曲方向の力を発揮し得る。
【0059】
本実施形態では、拘束部材150は、チューブ110とスリーブ120との間に設けられる。このため、チューブ110の軸方向DAXに沿った膨張を効果的に拘束(規制)できる。これにより、効率的に湾曲方向への力を発生させることができ、より大きな湾曲方向の力を発揮し得る。
【0060】
図6は、流体圧アクチュエータの概略図である。
図7は、本発明の一実施形態にかかるカバー付き流体圧アクチュエータの概略図である。
図6、
図7に示すように、この流体圧アクチュエータは、流体の圧力を付与しない状態において、スリーブ120の外径Bが、封止部材200(300)の外径Aよりも小さい。これにより、
図7に示すように、カバー付き流体圧アクチュエータは、流体圧アクチュエータの封止部材200(300)の部分では、流体圧アクチュエータとカバー400とが略全面で接し、一方で、流体圧アクチュエータのスリーブ120の部分(少なくとも一部、図示例では全部)においては、スリーブ120とカバー400との間に隙間が設けられており、スリーブ120とカバー400とが少なくとも一部(図示例では全部)において非接触となっている。
以下、本実施形態の作用効果について説明する。
【0061】
本実施形態のカバー付き流体圧アクチュエータは、上述した通り、流体圧アクチュエータのスリーブ120の部分(少なくとも一部、図示例では全部)においては、流体圧アクチュエータとカバーとの間に隙間が生じ、スリーブ120とカバー400とが非接触の状態となる。このため、スリーブ120とカバー400の間で生じる摩耗を低減し、また、流体圧アクチュエータ10の湾曲に追随するカバー400の膨張時の変形量を減少させ、負荷を低減することができる。
このように、本実施形態のカバー付き流体圧アクチュエータによれば、カバーの耐久性を向上させることができる。
さらに、カバーを流体圧アクチュエータに取り付ける際のカバーと流体圧アクチュエータとの摩擦を低減できるので、カバー付け替えも容易になる。
なお、流体圧アクチュエータの封止部材200(300)の部分では、流体圧アクチュエータとカバー400とが略全面で接しているため、ロボットハンドの稼働による摩耗粉による汚染も防止することができる。
【0062】
図8は、流体圧アクチュエータ用カバーの概略断面図である。
図8に示すように、この流体圧アクチュエータ用カバー400は、流体圧アクチュエータのスリーブ120を覆うスリーブカバー部分402の厚さの少なくとも一部(図示例では全部)が、スリーブカバー部分402の内周側の厚さが(図示例では段差を設けて)減じられていることにより、流体圧アクチュエータの封止部材200(300)を覆う封止部材カバー部分401の厚さ(図示例では厚さは略一定である)よりも薄い。
この構成によっても、流体の圧力を付与しない状態において、流体圧アクチュエータの封止部材200(300)の部分では、流体圧アクチュエータとカバー400とが略全面で接し、一方で、流体圧アクチュエータのスリーブ120の部分(少なくとも一部、図示例では全部)においては、スリーブとカバーとの間に隙間が設けられており、スリーブとカバーとが非接触となるようにすることができる。
従って、この流体圧アクチュエータ用カバーによれば、上記と同様の理由により、カバーの耐久性が向上し得る。また、上記と同様に、カバー付け替えも容易になり、ロボットハンドの稼働による摩耗粉による汚染も防止することができる。
【0063】
なお、カバーは、流体圧アクチュエータのみを覆っても良いが、流体圧アクチュエータが構成する指部のみならず、複数の流体圧アクチュエータを接続する手の平部やアーム部も覆うことができるように構成することができる。
【符号の説明】
【0064】
10:流体圧アクチュエータ、 20:連結部、
100、100A、100B:アクチュエータ本体部、
110:チューブ、 120:スリーブ、 150、150A、150B:拘束部材、
151:ピアノ線、 160:離間部材、 200、200A:封止機構、
210:封止部材、 211:頭部、 211a:接続口、 212:胴体部、
220:係止リング、 221:切欠き部、 230:かしめ部材、
231:圧痕、 300:封止機構、 400:カバー(流体圧アクチュエータ用カバー)