(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】
(24)【登録日】2024-09-25
(45)【発行日】2024-10-03
(54)【発明の名称】人工筋アクチュエータ及びその作動方法
(51)【国際特許分類】
F15B 15/19 20060101AFI20240926BHJP
F15B 15/10 20060101ALI20240926BHJP
B25J 19/00 20060101ALI20240926BHJP
【ＦＩ】
F15B15/19
F15B15/10 H
B25J19/00 A
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2021042622
(22)【出願日】2021-03-16
(65)【公開番号】P2022142448
(43)【公開日】2022-09-30
【審査請求日】2023-12-15
(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】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】100097238
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 治
(74)【代理人】
【識別番号】100149249
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 達也
(72)【発明者】
【氏名】中村 太郎
(72)【発明者】
【氏名】奥井 学
(72)【発明者】
【氏名】圓城 竜斗
【審査官】高吉 統久
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１８－０７１７４０（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１４／０２０８７３１（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１９－２０２２４７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６０－２４９７１１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭５９－１２６１０３（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２５Ｊ １９／００
Ｆ０３Ｇ ７／００
Ｆ１５Ｂ １５／１９
Ｆ１５Ｂ １５／１０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
燃焼室に面する、弾性筒部と、前記燃焼室内で燃料と空気の混合気に点火する、点火装置と、
前記燃焼室内の燃焼ガスの膨張によって前記弾性筒部が軸方向に収縮変形するように前記弾性筒部を拘束する、拘束部材と、
を有し、
前記拘束部材が、複数の長尺体を編み込んで形成される、編み込み筒部を有し、前記弾性筒部よりも径方向外側に設けられる、人工筋アクチュエータ。
【請求項2】
前記燃料の飽和蒸気圧が１ＭＰａ以下である、請求項１に記載の人工筋アクチュエータ。
【請求項3】
前記燃料がジメチルエーテルを含む、請求項１又は２に記載の人工筋アクチュエータ。
【請求項4】
弾性筒部に面する燃焼室内で燃料と空気の混合気に点火する、点火ステップと、前記燃焼室内の燃焼ガスの膨張によって前記弾性筒部が軸方向に収縮変形するように拘束部材によって前記弾性筒部を拘束する、拘束ステップと、
を有し、
前記拘束部材が、複数の長尺体を編み込んで形成される、編み込み筒部を有し、前記弾性筒部よりも径方向外側に設けられる、人工筋アクチュエータ作動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、人工筋アクチュエータ及びその作動方法に関する。
【背景技術】
【0002】
人体装着式の歩行支援装置又はパワーアシスト装置を駆動するためなどの目的で、人工筋アクチュエータ（例えば特許文献１参照）が用いられている。人工筋アクチュエータは、圧力室に面する、弾性筒部と、圧力室内の流体によって弾性筒部が軸方向に変形するように弾性筒部を拘束する、拘束部材と、を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】国際公開第２００８／１４００３２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
上記のような従来の人工筋アクチュエータは、軽量、高出力、高柔軟性などの点で優れるが、応答性の点で改善の余地がある。
【0005】
そこで、本発明は、応答性に優れる人工筋アクチュエータ及びその作動方法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】
本発明の人工筋アクチュエータは、燃焼室に面する、弾性筒部と、前記燃焼室内で燃料と空気の混合気に点火する、点火装置と、前記燃焼室内の燃焼ガスの膨張によって前記弾性筒部が軸方向に変形するように前記弾性筒部を拘束する、拘束部材と、を有する、人工筋アクチュエータである。
【0007】
本発明の人工筋アクチュエータは、上記構成において、前記拘束部材が、前記燃焼室内の燃焼ガスの膨張によって前記弾性筒部が前記軸方向に収縮変形するように前記弾性筒部を拘束する、人工筋アクチュエータであることが好ましい。
【0008】
本発明の人工筋アクチュエータは、上記構成において、前記拘束部材が、複数の長尺体を編み込んで形成される、編み込み筒部を有する、人工筋アクチュエータであることが好ましい。
【0009】
本発明の人工筋アクチュエータは、上記構成において、前記拘束部材が、前記軸方向にそれぞれ延びるとともに周方向に並ぶ複数の長尺体で形成される、長尺体群を有する、人工筋アクチュエータであることが好ましい。
【0010】
本発明の人工筋アクチュエータは、上記構成において、前記拘束部材が前記弾性筒部よりも径方向外側に設けられる、人工筋アクチュエータであることが好ましい。
【0011】
本発明の人工筋アクチュエータは、上記構成において、前記拘束部材が前記弾性筒部に埋設される、人工筋アクチュエータであることが好ましい。
【0012】
本発明の人工筋アクチュエータは、上記構成において、前記燃料の飽和蒸気圧が１ＭＰａ以下である、人工筋アクチュエータであることが好ましい。
【0013】
本発明の人工筋アクチュエータは、上記構成において、前記燃料がジメチルエーテルを含む、人工筋アクチュエータであることが好ましい。
【0014】
本発明の人工筋アクチュエータ作動方法は、弾性筒部に面する燃焼室内で燃料と空気の混合気に点火する、点火ステップと、前記燃焼室内の燃焼ガスの膨張によって前記弾性筒部が軸方向に変形するように拘束部材によって前記弾性筒部を拘束する、拘束ステップと、を有する、人工筋アクチュエータ作動方法である。
【発明の効果】
【0015】
本発明によれば、応答性に優れる人工筋アクチュエータ及びその作動方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を例示説明する。
【0018】
図１に示す本発明の一実施形態に係る人工筋アクチュエータ１は、燃焼室２に面する、弾性筒部３と、燃焼室２内で燃料と空気の混合気に点火する、点火装置４と、燃焼室２内の燃焼ガスの膨張によって弾性筒部３が軸方向に変形するように弾性筒部３を拘束する、拘束部材５と、を有する。
【0019】
より具体的に、拘束部材５は、燃焼室２内の燃焼ガスの膨張によって弾性筒部３が軸方向に収縮変形するように弾性筒部３を拘束する。なお、図１において、二点鎖線は、作動前の状態の人工筋アクチュエータ１を示し、実線は、作動後の状態の人工筋アクチュエータ１を示す。
【0020】
なお、本実施形態では、弾性筒部３の中心軸線Ｏに沿う方向を軸方向といい、中心軸線Ｏに直交する直線に沿う方向を径方向といい、中心軸線Ｏを周回する方向を周方向という。
【0021】
弾性筒部３は、中心軸線Ｏを中心とする円筒状をなしてもよいし、円筒状以外の筒状（例えば楕円筒状、角筒状など）をなしてもよい。弾性筒部３の内周面は、燃焼室２に面する。弾性筒部３はゴム又はエラストマー製である。
【0022】
本実施形態では、人工筋アクチュエータ１は、弾性筒部３の軸方向の両端部３ａにそれぞれ固着される、２つの蓋部材６を有する。弾性筒部３の一方の端部３ａは、一方の蓋部材６に固着され、弾性筒部３の他方の端部３ａは、他方の蓋部材６に固着される。したがって、両端部３ａは、それぞれ、対応する蓋部材６によって径方向の変形が拘束される。各々の蓋部材６は、燃焼室２に面する。
【0023】
本実施形態では、一方の蓋部材６に点火装置４が設けられている。点火装置４は、例えばスパークプラグで構成することができる。点火装置４は、燃焼室２内に設けられる。
【0024】
本実施形態では、拘束部材５は、複数の長尺体を編み込んで形成される、編み込み筒部を有する。また、本実施形態では、拘束部材５が弾性筒部３よりも径方向外側に設けられる。したがって、人工筋アクチュエータ１は、マッキベン（Mckibben）型である。このような構成によれば、拘束部材５の拘束により、弾性筒部３の軸方向中間部が径方向外側に膨張変形（図１中の白抜き矢印参照）するのに伴って弾性筒部３を軸方向に収縮変形（図１中の太線矢印参照）させることができる。
【0025】
しかし、人工筋アクチュエータ１は、マッキベン型に限らず、例えば、軸方向繊維強化型であってもよい。すなわち、人工筋アクチュエータ１は、拘束部材５が、軸方向にそれぞれ延びるとともに周方向に並ぶ複数の長尺体で形成される、長尺体群を有し、長尺体群が弾性筒部３に埋設される、軸方向繊維強化型人工筋アクチュエータ１であってもよい。このような構成によっても、拘束部材５の拘束により、弾性筒部３の軸方向中間部が径方向外側に膨張変形するのに伴って弾性筒部３を軸方向に収縮変形させることができる。すなわち、拘束部材５により、燃焼室２内の燃焼ガスの膨張によって弾性筒部３が軸方向に収縮変形するように弾性筒部３を拘束することができる。
【0026】
なお、燃焼室２内を混合気を含む状態にするための構成は特に限定されない。混合気を燃焼室２内に導入する構成としてもよいし、燃焼室２内に燃料と空気を別々に導入する構成としてもよい。燃焼室２内に燃料と空気を別々に導入する構成とする場合には、燃料は液体状態で導入してもよいし、気体状態で導入してもよい。
【0027】
燃料の飽和蒸気圧は、１ＭＰａ以下であることが好ましい。このような構成によれば、燃料を収容するための容器の大きさと重量を抑制し易くすることができる。
【0028】
また、燃料は、ジメチルエーテルを含むことが好ましい。このような構成によれば、優れた環境適合性を確保することができる。また、ジメチルエーテルの飽和蒸気圧は、０．６２ＭＰａであり、上記の１ＭＰａ以下の条件も満たすことができる。
【0029】
人工筋アクチュエータ１は、燃焼室２内と人工筋アクチュエータ１の外部の空間である外部空間とを連通させる、１つ以上の通気口を有してもよい。１つ以上の通気口を設ける位置は特に限定されず、例えば、弾性筒部３に設けてもよいし、蓋部材６に設けてもよい。また、１つ以上の通気口は、燃焼室２内と外部空間とを常時連通させる構成であってもよいし、燃焼室２内の圧力が所定値以上となった時に開いて燃焼室２内と外部空間とを連通させる構成であってもよい。このような構成によれば、燃焼ガスによって人口筋アクチュエータを作動させた後に、燃焼ガスをその圧力によって１つ以上の通気口を介して外部空間に受動的に排出させることができるので、燃焼室２内から燃焼ガスを能動的に排出するための構成や制御を不要にすることができる。
【0030】
本実施形態に係る人工筋アクチュエータ１によれば、燃焼ガスの膨張によって弾性筒部３を軸方向に変形させることで、人工筋アクチュエータ１を作動させることができるので、優れた応答性を得ることができる。すなわち、作動開始のための入力（点火装置４による点火）から作動開始までにかかる時間の短縮を図ることができる。
【0031】
また、本発明の一実施形態に係る人工筋アクチュエータ作動方法は、前述した実施形態に係る人工筋アクチュエータ１が作動する方法である。
【0032】
本実施形態に係る人工筋アクチュエータ作動方法は、弾性筒部３に面する燃焼室２内で燃料と空気の混合気に点火する、点火ステップと、燃焼室２内の燃焼ガスの膨張によって弾性筒部３が軸方向に変形するように拘束部材５によって弾性筒部３を拘束する、拘束ステップと、を有する。
【0033】
より具体的に、拘束ステップは、燃焼室２内の燃焼ガスの膨張によって弾性筒部３が軸方向に収縮変形するように拘束部材５によって弾性筒部３を拘束する、拘束ステップである。
【0034】
本実施形態に係る人工筋アクチュエータ作動方法によれば、燃焼ガスの膨張によって弾性筒部３を軸方向に変形させることで、人工筋アクチュエータ１を作動させることができるので、優れた応答性を得ることができる。
【0035】
本発明は、前述した実施形態に限定されず、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
【0036】
したがって、前述した実施形態に係る人工筋アクチュエータ１及びその作動方法は、例えば以下に述べるような種々の変更が可能である。
【0037】
前述した実施形態に係る人工筋アクチュエータ１は、燃焼室２に面する、弾性筒部３と、燃焼室２内で燃料と空気の混合気に点火する、点火装置４と、燃焼室２内の燃焼ガスの膨張によって弾性筒部３が軸方向に変形するように弾性筒部３を拘束する、拘束部材５と、を有する、人工筋アクチュエータ１である限り、種々変更可能である。
【0038】
例えば、前述した実施形態に係る人工筋アクチュエータ１は、拘束部材５が、燃焼室２内の燃焼ガスの膨張によって弾性筒部３が軸方向に伸長変形するように弾性筒部３を拘束する、人工筋アクチュエータ１であってもよい。この場合、拘束部材５は、例えば、中心軸線Ｏを中心とする、環状体を有してもよいし、中心軸線Ｏを中心とする環状をそれぞれなすとともに軸方向に並ぶ複数の環状体で形成される、環状体群を有してもよい。燃焼室２内の燃焼ガスの膨張によって弾性筒部３が径方向に変形することを拘束部材５によって拘束することにより、弾性筒部３の軸方向の伸長変形を促進することができる。
【0039】
なお、前述した実施形態に係る人工筋アクチュエータ１は、上記構成において、拘束部材５が、燃焼室２内の燃焼ガスの膨張によって弾性筒部３が軸方向に収縮変形するように弾性筒部３を拘束する、人工筋アクチュエータ１であることが好ましい。
【0040】
また、前述した実施形態に係る人工筋アクチュエータ１は、上記構成において、拘束部材５が、複数の長尺体を編み込んで形成される、編み込み筒部を有する、人工筋アクチュエータ１であることが好ましい。
【0041】
また、前述した実施形態に係る人工筋アクチュエータ１は、上記構成において、拘束部材５が、軸方向にそれぞれ延びるとともに周方向に並ぶ複数の長尺体で形成される、長尺体群を有する、人工筋アクチュエータ１であることが好ましい。
【0042】
また、前述した実施形態に係る人工筋アクチュエータ１は、上記構成において、拘束部材５が弾性筒部３よりも径方向外側に設けられる、人工筋アクチュエータ１であることが好ましい。
【0043】
また、前述した実施形態に係る人工筋アクチュエータ１は、上記構成において、拘束部材５が弾性筒部３に埋設される、人工筋アクチュエータ１であることが好ましい。
【0044】
また、前述した実施形態に係る人工筋アクチュエータ１は、上記構成において、燃料の飽和蒸気圧が１ＭＰａ以下である、人工筋アクチュエータ１であることが好ましい。
【0045】
また、前述した実施形態に係る人工筋アクチュエータ１は、上記構成において、燃料がジメチルエーテルを含む、人工筋アクチュエータ１であることが好ましい。
【0046】
前述した実施形態に係る人工筋アクチュエータ作動方法は、弾性筒部３に面する燃焼室２内で燃料と空気の混合気に点火する、点火ステップと、燃焼室２内の燃焼ガスの膨張によって弾性筒部３が軸方向に変形するように拘束部材５によって弾性筒部３を拘束する、拘束ステップと、を有する、人工筋アクチュエータ作動方法である限り、種々変更可能である。
【0047】
例えば、前述した実施形態に係る人工筋アクチュエータ作動方法は、前述した実施形態に係る人工筋アクチュエータ１以外の人工筋アクチュエータ１が作動する方法であってもよい。
【実施例】
【0048】
図１に示す人工筋アクチュエータを製作し、変位応答実験と収縮力応答実験を実施した。いずれの実験においても、燃料としてジメチルエーテルを用い、所定の空燃比の混合気を燃焼室に導入してから点火装置によって点火した。
【0049】
変位応答実験では、一方の蓋部材のみを固定して点火し、点火時点から他方の蓋部材の軸方向の変位（つまり弾性筒壁の軸方向の収縮）が始まるまでにかかる時間である、変位応答時間を測定した。その結果を図２に示す。図２に示す「変位」の曲線は、他方の蓋部材の変位の測定値を示す。図２に示す「圧力」の曲線は、燃焼室内の圧力の測定値を示す。図２に示されるように、変位応答時間は０．０２９秒であった。なお、図２に示す０秒の時点が点火時点である。
【0050】
収縮力応答実験では、両方の蓋部材を固定して点火し、点火時点から弾性筒壁の軸方向の収縮力が生じるまでにかかる時間である、収縮力応答時間を測定した。その結果を図３に示す。図３に示す「収縮力」の曲線は、収縮力の測定値を示す。図３に示す「圧力」の曲線は、燃焼室内の圧力の測定値を示す。図３に示されるように、収縮力応答時間は０．０１５秒であった。なお、図３に示す０秒の時点が点火時点である。
【0051】
比較のため、バルブを開いて圧縮空気を圧力室内に導入して作動させる従来の人工筋アクチュエータを用いて収縮力応答実験を実施したところ、バルブ開放時点から弾性筒壁の軸方向の収縮力が生じるまでにかかった時間は、０．３５４秒であった。
【符号の説明】
【0052】
１ 人工筋アクチュエータ
２ 燃焼室
３ 弾性筒部
３ａ 端部
４ 点火装置
５ 拘束部材
６ 蓋部材
Ｏ 中心軸線
２ 燃焼室
３ 弾性筒部
３ａ 端部
４ 点火装置
５ 拘束部材
６ 蓋部材
Ｏ 中心軸線
【図1】
【図2】
【図3】