特開 2025-30036 アクチュエータ

(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】P2025030036

(43)【公開日】2025-03-07

(54)【発明の名称】アクチュエータ

(51)【国際特許分類】

   F15B 15/12 20060101AFI20250228BHJP

【ＦＩ】

F15B15/12 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023134990

(22)【出願日】2023-08-22

(71)【出願人】

【識別番号】504139662

【氏名又は名称】国立大学法人東海国立大学機構

(71)【出願人】

【識別番号】504133110

【氏名又は名称】国立大学法人電気通信大学

(74)【代理人】

【識別番号】100105924

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 賢樹

(72)【発明者】

【氏名】部矢 明

(72)【発明者】

【氏名】大竹 陸郎

(72)【発明者】

【氏名】井上 剛志

(72)【発明者】

【氏名】仲田 佳弘

【テーマコード（参考）】

3H081

【Ｆターム（参考）】

3H081AA29

3H081BB01

3H081CC23

3H081CC29

3H081DD04

3H081DD32

3H081EE20

3H081EE28

3H081HH04

(57)【要約】

【課題】流体を作動媒体として回転運動を生成するアクチュエータの有用性を向上させる技術を提供する。
【解決手段】アクチュエータ１００は、筐体１１０と、筐体１１０に収納される可動子１２０と、筐体１１０と可動子１２０との間に形成される空間１６０を周方向に並ぶ複数の圧力室１６２に区画する、可動子１２０の回転運動に対して受動的に運動可能な少なくとも１つの可動隔壁１３０と、を備える。複数の圧力室１６２の圧力を調整することによって可動子１２０を多自由度回転させる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

筐体と、
前記筐体に収納される可動子と、
前記可動子の回転運動に対して受動的に運動可能な少なくとも１つの可動隔壁と、
を備え、
前記少なくとも１つの可動隔壁は、前記筐体と前記可動子との間に形成される空間を周方向に並ぶ複数の圧力室に区画し、
前記複数の圧力室の圧力を調整することによって前記可動子を多自由度回転させるアクチュエータ。

【請求項2】

前記筐体は、内壁が凹球面状の凹部を有し、
前記可動子は、円板状であり、前記凹部に収容され、
前記少なくとも１つの可動隔壁はそれぞれ、前記凹部の前記内壁に接する円弧状の外周面を有する請求項１に記載のアクチュエータ。

【請求項3】

前記少なくとも１つの可動隔壁を前記可動子に向けて付勢する付勢部材を備える請求項１に記載のアクチュエータ。

【請求項4】

前記少なくとも１つの可動隔壁の前記可動子と接触する端面は、前記可動子が当該可動隔壁に対して傾動可能に構成される請求項３に記載のアクチュエータ。

【請求項5】

前記可動子は、前記凹部の前記内壁の中心に配置された球面軸受によって回転中心が拘束される請求項２に記載のアクチュエータ。

【請求項6】

前記複数の圧力室の圧力を調整する圧力コントローラを備える請求項１から５のいずれかに記載のアクチュエータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、アクチュエータに関する。

【背景技術】

【0002】

流体を作動媒体として回転運動を生成するアクチュエータが知られている。この種のアクチュエータは、一般に、高出力が得られる。特許文献１は、この種のアクチュエータの一種であるベーンポンプおよびベーンモータを開示する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００４－２３２４６５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述の種のアクチュエータは、ロボットや工作機械などの種々の装置への搭載が進む中で、さらなる有用性の向上が求められている。

【0005】

本開示は、このような課題に鑑みてなされ、そのある態様の例示的な目的の１つは、流体を作動媒体として回転運動を生成するアクチュエータの有用性を向上させる技術を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

上記課題を解決するために、本発明のある態様のアクチュエータは、筐体と、筐体に収納される可動子と、可動子の回転運動に対して受動的に運動可能な少なくとも１つの可動隔壁と、を備える。少なくとも１つの可動隔壁は、筐体と可動子との間に形成される空間を周方向に並ぶ複数の圧力室に区画し、複数の圧力室の圧力を調整することによって可動子を多自由度回転させる。

【発明の効果】

【0007】

本開示によれば、流体を作動媒体として回転運動を生成するアクチュエータの有用性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施の形態に係るアクチュエータを示す斜視図である。

【図2】図１のアクチュエータ本体を示す斜視図である。

【図3】付勢部材とその周辺を示す斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

まず、実施の形態に至った経緯を説明する。流体を作動媒体として回転を生成する例えばベーンポンプやベーンモータなどの従来のアクチュエータは、１自由度の回転運動のみを生成する。したがって、当該アクチュエータが組み込まれる装置が多自由度の回転を必要とする場合、必要とされる自由度と同数のアクチュエータが必要になる。これは、アクチュエータが組み込まれる装置の小型化、軽量化の足かせとなる。本実施の形態は、このような知見に基づいてなされたものである。

【0010】

図１、２を参照する。図１、２では、アクチュエータ本体１０２の構造を説明するために、筐体本体１１２および可動子１２０は透明に描かれているが、透明である必要はなく、半透明や不透明であってもよい。図２では、第１隔離部材１１４＿１および支持軸１１６の表示を省略している。実施の形態に係る流体圧回転アクチュエータ（以下、単に「アクチュエータ」という）１００は、多自由度の回転運動を生成可能なアクチュエータであり、ロボットや工作機械をはじめとする様々な装置に利用できる。以下では、アクチュエータ１００の作動流体は空気であるものとする。つまりアクチュエータ１００は空圧アクチュエータであるものとする。ただし、実施の形態の技術思想は、矛盾しないかぎりにおいて、作動流体が空気以外の気体である気体圧アクチュエータや、作動流体が液体である液体圧アクチュエータにも適用できる。

【0011】

アクチュエータ１００は、アクチュエータ本体１０２と、圧力コントローラ１０４と、を備える。アクチュエータ本体１０２は、筐体１１０と、可動子１２０と、３つの可動隔壁１３０＿１～１３０＿３（以下、特に区別しない場合やまとめていう場合は「可動隔壁１３０」という）と、ロッド１５０と、を備える。

【0012】

説明の便宜上、水平なある方向をＸ軸と、Ｘ軸に直交する水平な方向をＹ軸、両者に直交する鉛直方向をＺ軸とするＸＹＺ直交座表系を考える。Ｚ軸方向を上下方向ということがある。図１～２の状態において、第１可動隔壁１３０＿１の端面１３０ｃの延在方向はＸ軸方向と一致し、可動子１２０はＸＹ平面に平行であり、ロッド１５０の延在方向はＺ軸方向と一致する。このような方向の表記はアクチュエータ本体１０２の姿勢を制限するものではなく、アクチュエータ本体１０２は任意の姿勢で使用されうる。

【0013】

筐体１１０は、筐体本体１１２と、３つの隔離部材１１４＿１～１１４＿３（以下、特に区別しない場合やまとめていう場合は「隔離部材１１４」という）と、を備える。

【0014】

筐体本体１１２は、内壁が凹球面状の凹部１１２ａを有する部材である。アクチュエータ本体１０２が装置に組み込まれる場合、筐体本体１１２が装置に支持される。筐体本体１１２の凹部１１２ａは、可動子１２０を収容する。なお、凹部１１２ａの内壁は、可動子１２０が摺動する部分および３つの可動隔壁１３０が摺動する部分のみが凹球面状であってもよい。

【0015】

筐体本体１１２の外観形状は、略球状である。つまり、筐体本体１１２は、一部分に円形状の穴１１２ｂが設けられた球殻（すなわち中空の球体）である。ただし、筐体本体１１２の外観形状は特に限定されない。例えば筐体本体１１２の外観形状は、立方体やその他の形状であってもよい。穴１１２ｂは、円形状以外であってもよく、例えば多角形状であってもよい。穴１１２ｂの大きさは、ロッド１５０に干渉しなければ、特に限定されない。

【0016】

筐体本体１１２の材料は特に限定されない。例えば筐体本体１１２は、金属または樹脂によって形成されてもよい。筐体本体１１２は、複数の部材を接合したものであってもよい。例えば筐体本体１１２は、２つの略半球殻の部材を接合したものであってもよい。この場合、接合部にＯリングなどのシール部材を配置して、接合部からの作動流体の漏れを抑止してもよい。

【0017】

３つの隔離部材１１４は、凹部１１２ａの底面に設けられる。３つの隔離部材１１４は、筐体本体１１２とは別体として形成された上で筐体本体１１２に固定されてもよいし、筐体本体１１２と一体に成形されてもよい。３つの隔離部材１１４は、本実施の形態では、互いに同一の形状を有する。３つの隔離部材１１４の材料は特に限定されない。例えば３つの隔離部材１１４は、金属または樹脂によって形成されてもよい。

【0018】

第１隔離部材１１４＿１は、第１可動隔壁１３０＿１と第２可動隔壁１３０＿２との隙間を塞ぐ部材である。第２隔離部材１１４＿２は、第２可動隔壁１３０＿２と第３可動隔壁１３０＿３との隙間を塞ぐ部材である。第３隔離部材１１４＿３は、第３可動隔壁１３０＿３と第１可動隔壁１３０＿１との隙間を塞ぐ部材である。

【0019】

可動子１２０は、筐体本体１１２の凹部１１２ａに収容される。可動子１２０は円板状の部材である。可動子１２０は、その中心が凹部１１２ａの凹球面の中心に位置するように凹部１１２ａに配置され、当該中心に配置された球面軸受１１８によって傾動可能に支持される。つまり、可動子１２０は、球面軸受１１８によって回転中心が拘束される。

【0020】

可動子１２０の材料は特に限定されない。例えば可動子１２０は、金属または樹脂によって形成されてもよい。

【0021】

可動子１２０は、凹部１１２ａの凹球面の内径と同一の外径を有する。したがって、可動子１２０の外周面１２０ａは、全周にわたって凹部１１２ａの内壁と接している。可動子１２０の外周面１２０ａにはゴムなどの弾性部材が貼り付けられてもよい。この場合、可動子１２０と筐体本体１１２との間からの作動流体の漏れが抑止される。

【0022】

球面軸受１１８は、外輪１１８ａと図示しない内輪とが球面接触する滑り軸受である。外輪１１８ａは、可動子１２０に固定される。内輪は、支持軸１１６ひいては筐体本体１１２に対して固定される。

【0023】

ロッド１５０は、可動子１２０の回転運動を外部に出力する部材である。ロッド１５０は、一端が球面軸受１１８を介して可動子１２０に固定され、円板状の可動子１２０に対して垂直に延在し、他端は筐体本体１１２の外に突出する。

【0024】

３つの可動隔壁１３０は、可動子１２０と筐体本体１１２との間の空間１６０に収容される。第１可動隔壁１３０＿１、第２可動隔壁１３０＿２、第３可動隔壁１３０＿３は、空間１６０においてこの順に周方向に並ぶ。３つの可動隔壁１３０は、空間１６０を、周方向に並ぶ３つの圧力室１６２に区画する。３つの可動隔壁１３０は、本実施の形態では、周方向に等間隔に、すなわち１２０°間隔に配置される。

【0025】

詳しくは、筐体本体１１２、第１隔離部材１１４＿１、可動子１２０、第１可動隔壁１３０＿１および第２可動隔壁１３０＿２により、第１圧力室１６２＿１が画成される。筐体本体１１２、第２隔離部材１１４＿２、可動子１２０、第２可動隔壁１３０＿２および第３可動隔壁１３０＿３により、第２圧力室１６２＿２が画成される。筐体本体１１２、第３隔離部材１１４＿３、可動子１２０、第３可動隔壁１３０＿３および第１可動隔壁１３０＿１により、第３圧力室１６２＿３が画成される。

【0026】

３つの可動隔壁１３０は、その限りでないが、中心が凹部１１２ａの凹球面の中心と一致する扇形の中心部を切り欠いた板状部材である。可動隔壁１３０の外周面１３０ａは、円弧状であり、筐体本体１１２の凹部１１２ａの内壁に摺接する。可動隔壁１３０の外周面１３０ａには、ゴムや磁性体などのシール部材が貼り付けられてもよい。あるいは、可動隔壁１３０の外周面１３０ａが摺接する筐体本体１１２の凹部１１２ａの内壁の部分に、ゴムなどのシール部材が貼り付けられてもよい。これらの場合、可動隔壁１３０の外周面１３０ａと筐体本体１１２の凹部１１２ａの内壁との間からの作動流体の漏れを抑止できる。

【0027】

可動隔壁１３０の内周面１３０ｂは、円弧状であり、例えば球面軸受１１８に摺接する。可動隔壁１３０の内周面１３０ｂには、ゴムなどのシール部材が貼り付けられてもよい。あるいは、可動隔壁１３０の内周面１３０ｂが摺接する球面軸受１１８の外周面の部分に、ゴムなどのシール部材が貼り付けられてもよい。これらの場合、可動隔壁１３０内周面１３０ｂと球面軸受１１８との間からの作動流体の漏れを抑止できる。

【0028】

外周面１３０ａおよび内周面１３０ｂに接続する２つの端面１３０ｃ，１３０ｄは直線状に形成される。ただし、端面１３０ｄは、直線状でなくてもよい。

【0029】

圧力コントローラ１０４は、３つの圧力室１６２における作動流体の圧力を独立に制御する。例えば、圧力コントローラ１０４は、ポンプやコンプレッサと、圧力制御弁とを備えてもよい。作動流体は、空気などの気体であってもよいし、

【0030】

図１～３を参照する。アクチュエータ本体１０２は、３つの付勢部材１４０（図３では２つの付勢部材１４０のみが表示されている）をさらに備える。可動隔壁１３０は、対応する付勢部材１４０によって可動子１２０に向けて付勢される。これにより、可動隔壁１３０は、２つの端面１３０ｃ，１３０ｄのうちの一方の端面１３０ｃが可動子１２０の下面１２０ｂに接触する。また、可動隔壁１３０は付勢部材１４０によって可動子１２０に向けて付勢されているため、可動子１２０がＸ軸まわりおよび／またはＹ軸まわりに回転（傾動）すると、それに伴って可動隔壁１３０は、その扇形における角度方向（図１、２の矢印方向）に移動する。すなわち可動隔壁１３０は、可動子１２０のＸ軸まわりおよび／またはＹ軸まわりの運動に対して受動的に運動可能である。可動隔壁１３０は、特に、付勢部材１４０によって可動子１２０に向けて付勢されていることにより、可動子１２０がＸ軸まわりおよび／またはＹ軸まわりに回転したときにも、端面１３０ｃが可動子１２０の下面１２０ｂに接触した状態を維持する。これにより、可動隔壁１３０と可動子１２０との間からの作動流体の漏れを抑止できる。

【0031】

付勢部材１４０は、機械的バネ、空圧バネおよび磁気バネなどの弾性部材であってもよい。つまり、可動隔壁１３０は弾性部材によって弾性支持されてもよい。なお、図３の例では、付勢部材１４０はコイルバネ（すなわち機械的バネ）であり、一端が支持軸１１６に固定され、他端は可動隔壁１３０の端面１３０ｄに固定される。

【0032】

可動隔壁１３０は上述のように可動子１２０の回転（傾動）に伴って移動するが、可動隔壁１３０が移動した場合にも隔離部材１１４によって可動隔壁１３０同士の隙間が塞がれた状態が維持されるように、隔離部材１１４と可動隔壁１３０とはオーバーラップしている。別の言い方をすると、第１可動隔壁１３０＿１は、第１隔離部材１１４＿１と第３隔離部材１１４＿３との隙間（図示せず）を移動し、第１可動隔壁１３０＿１の端面１３０ｄは常にその隙間に位置する。第２可動隔壁１３０＿２は、第２隔離部材１１４＿２と第３隔離部材１１４＿３との隙間１７０を移動し、第２可動隔壁１３０＿２の端面１３０ｄは常にその隙間１７０に位置する。第３可動隔壁１３０＿３は、第３隔離部材１１４＿３と第１隔離部材１１４＿１との隙間１７２を移動し、第３可動隔壁１３０＿３の端面１３０ｄは常にその隙間１７２に位置する。

【0033】

可動隔壁１３０の端面１３０ｃは、可動子１２０が可動隔壁１３０に対して傾動可能に構成される。詳しくは端面１３０ｃは、凸形状を有し、可動子１２０の下面１２０ｂと線接触する。例えば端面１３０ｃは、逆Ｕ字状の断面形状を有してもよいし、逆Ｖ字状の断面形状を有してもよい。端面１３０ｃが凸形状を有することにより、可動子１２０は可動隔壁１３０に対して傾動できる。

【0034】

可動隔壁１３０の端面１３０ｃは、ゴムなどの弾性部材で構成されてもよい。例えば、可動隔壁１３０の本体に端面１３０ｃを構成する弾性部材が貼り付けられてもよい。端面１３０ｃが弾性部材で構成される場合、端面１３０ｃの形状によらずに、可動子１２０は可動隔壁１３０に対して傾動できる。

【0035】

以上がアクチュエータ１００の基本構成である。続いて、アクチュエータ１００の動作原理を説明する。

【0036】

例えば第１圧力室１６２＿１を加圧するとともに第２圧力室１６２＿２および第３圧力室１６２＿３を減圧すると、３つの圧力室１６２の圧力差により、可動子１２０はＹ軸まわりに回転する。一方、第１圧力室１６２＿１を減圧するとともに第２圧力室１６２＿２および第３圧力室１６２＿３を加圧すると、可動子１２０はＹ軸まわりに反対向きに回転する。

【0037】

また例えば第２圧力室１６２＿２を加圧するとともに第３圧力室１６２＿３を減圧すると、３つの圧力室１６２の圧力差により、可動子１２０はＸ軸まわりに回転する。一方、第３圧力室１６２＿３を加圧するとともに第２圧力室１６２＿２を減圧すると、３つの圧力室１６２の圧力差により、可動子１２０はＸ軸まわりに反対向きに回転する。

【0038】

また、詳細な説明は省略するが、３つの圧力室１６２の圧力を調整することにより、可動子１２０は、Ｘ軸およびＹ軸まわりに回転する。

【0039】

以上説明したように、本実施の形態によれば、可動子１２０をＸ軸まわりおよび／またはＹ軸まわりに回転させることができる、すなわち可動子１２０を多自由度に回転させることができるアクチュエータ１００を実現できる。この場合、ロボットや工作機械などの装置に搭載されるアクチュエータ１００の数を少なくできる。

【0040】

また、本実施の形態によれば、３つの可動隔壁１３０は周方向に等間隔に配置される。この場合、目標とする回転力を可動子１２０に与えるための圧力の計算が比較的容易になる。

【0041】

以上、本開示を実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態は例示であり、その各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本開示の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

【0042】

（変形例１）
実施の形態および上述の変形例では、３つの可動隔壁１３０によって、可動子１２０と筐体本体１１２との間の空間１６０を３つの圧力室１６２に区画する場合について説明したが、可動隔壁１３０の数および圧力室１６２の数は、これには限定されない。

【0043】

圧力室１６２の数は４つ以上であってもよい。この場合、アクチュエータ１００は、典型的には、ｎ（ｎ≧４）個の可動隔壁１３０を備え、ｎ個の可動隔壁１３０によって可動子１２０と筐体本体１１２との間の空間１６０を周方向に並ぶｎ個の圧力室１６２に区画する。また、アクチュエータ１００は、ｎ個の付勢部材１４０を備え、ｎ個の可動隔壁１３０は、それぞれ、対応する付勢部材１４０によって可動子１２０に向けて付勢される。アクチュエータ１００は、圧力コントローラ１０４によってｎ個の圧力室１６２の圧力を調整することで、実施の形態と同様に、可動子１２０をＸ軸まわりおよび／またはＹ軸まわりに回転させることができる。

【0044】

また、圧力室１６２の数は２つであってもよい。この場合、２つの圧力室１６２の圧力を調整することによって、可動子１２０は或る軸まわりに回転できる。さらに可動子１２０は、ロッド１５０を介して外力を受けた場合に、当該軸に直交する軸まわりの回転も許容される。

【0045】

（変形例２）
実施の形態および上述の変形例では、可動隔壁１３０の数と圧力室１６２の数が同数である場合について説明したが、これには限定されない。例えばアクチュエータ１００は、ｎ－１（ｎ≧２）個の可動隔壁１３０を備え、ｎ－１個の可動隔壁１３０によって可動子１２０と筐体本体１１２との間の空間１６０をｎ個の圧力室１６２に区画してもよい。つまり、或る１つの可動隔壁１３０が、中心角が１８０度の略扇形に形成され、２つ分の可動隔壁１３０の役割を果たしてもよい。

【0046】

（本開示の各態様）本開示のある態様のアクチュエータは、筐体と、前記筐体に収納される可動子と、前記可動子の回転運動に対して受動的に運動可能な少なくとも１つの可動隔壁と、を備え、前記少なくとも１つの可動隔壁は、前記筐体と前記可動子との間に形成される空間を周方向に並ぶ複数の圧力室に区画し、前記複数の圧力室の圧力を調整することによって前記可動子を多自由度回転させる。この場合、ロボットや工作機械などの装置に搭載されるアクチュエータの数を少なくできる。

【0047】

ある態様では、前記筐体は、内壁が凹球面状の凹部を有し、前記可動子は、円板状であり、前記凹部に収容され、前記少なくとも１つの隔壁はそれぞれ、前記凹部の前記内壁に接する円弧状の外周面をしてもよい。

【0048】

ある態様では、前記少なくとも１つの可動隔壁を前記可動子に向けて付勢する付勢部材を備えてもよい。この場合、可動隔壁と可動子との間からの作動流体の漏れを抑止できる。

【0049】

ある態様では、前記少なくとも１つの可動隔壁の前記可動子と接触する端面は、前記可動子が当該可動隔壁に対して傾動可能に構成されてもよい。

【0050】

ある態様では、前記可動子は、前記凹部の前記内壁の中心に配置された球面軸受によって回転中心が拘束されてもよい。

【0051】

ある態様では、前記複数の圧力室の圧力を調整する圧力コントローラを備える。

【符号の説明】

【0052】

１００ アクチュエータ、 １０２ アクチュエータ本体、 １１０ 筐体、 １１２ 筐体本体、 １１２ａ 凹部、 １２０ 可動子、 １３０ 可動隔壁、 １６０ 空間、 １６２ 圧力室。

【図1】

【図2】

【図3】