JPH04194406A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 （産業上の利用分野） 本発明はアクチュエータに係り、特に流体エネルギによ
り動作するアクチュエータ先端の湾曲伸縮の運動量が大
きくなるようにしたアクチュエータに関する。

（従来の技術） 従来より空気や油といった流体の持つエネルギを利用し
て動作するアクチュエータとして、空油圧シリンダや空
油圧モータ等が広く用いられている。

これらの７クチユエータは一般にピストンやシリンダ笠
の摺動部を有するため、この摺動部から作動流体が漏洩
したり、部品の摺動摩擦により滑らかな動作や精密な位
置決めが難しいという問題がある。

これに対し、内部に圧力室の形成された筒状弾性体に作
動流体を作用させ、所定の変形を生じさせるようにした
アクチュエータが提案されている。

（特開平１−２４７８０９号公報参照）。

ここでこの筒状弾性体からなるアクチュエータの構造に
ついて第８図（ａ）及び（ｂ−）を参照して説明する。

　− アクチュエータを構成する筒状弾性体５０は第８図（ａ
）に示したように外周壁を形成する弾性体本体５１と、
この弾性体本体５１の両端に固着された先端封止部５２
、根元封止部５３と、この根元封止部５３に嵌挿された
３本の操作チニーブ５４ｇ、５４ｂ、５４ｃとから構成
されている。

このうち弾性体本体５１は断面形状が扇形の同一形状か
らなる３′つの単位筒状弾性体５５ａ。

５５ｂ、５５ｃをその軸方向に並列に接着することによ
り一体成形したものである。なお、単位筒状弾性体５５
ａ、５５ｂ、５５ｃは例えばシリコンゴムから製作され
ている。このため接着された部位により筒状弾性体の軸
方向に弾性隔壁５６゜５７．５８が延設され、これら弾
性隔壁５６゜５７．５８により筒状弾性体の内部には３
室の圧力室５９．６０．６１が形成されている。

また、上記単位筒状弾性体５５ａ、５５ｂ。

５５ｃの外周には補強繊維６２が間隔を密にして螺旋状
に巻装されそおり、さらにその外周面を被覆するように
弾性材料のシリコンゴム被膜６３が形成されている。こ
のため上記筒状弾性体５０は上記補強繊維６２とシリコ
ンゴムとの複合作用により異方性弾性特性を示し、縦弾
性係数の小さい方向は筒状弾性体５０の軸方向と略一致
し、軸方向りには伸びやすく、一方、軸方向と直交する
半径方向Ｒに、は上記補強繊維６２が変形を拘束するた
め縦弾性係数が大きくなり、伸びにくくなっている。

さらに上記先端封止部５２は金属などにより形成され、
上記単位筒状弾性体５５ａ、５５ｂ。

５５ｃに形成された各圧力室５９．６０．６１を封止す
るように扇形状をなし、その一端が単位筒状弾性体５５
ａ、５５ｂ、５５ｃに嵌挿固着されている。

また、上記根元封止部５３も先端封止部５２と同様に扇
形状をなし、一端か単位筒状弾性体５５ａ、５５ｂ、５
５ｃに嵌挿固着されている。

さらに上記操作チューブ５４を接続するための取付孔５
３ａ、５３ｂ、５３ｃが各圧力室５９゜６０．６１に対
応して穿設されている。上記操作チューブは接着剤等に
より取付孔５３ａ、５３ｂ。

５３ｃに密封固着されており、他端は図示しない制御部
及び圧力源に接続されている。上記制御部は各圧力室に
送られる作動流体の圧力を自在に調整できるようになっ
ている。

次にこの筒状弾性体５０の動作を第８図（ｂ）を参照し
て説明する。

まず図示しない圧力源から上記操作チューブ５４ａを通
じて作動流体を圧力室５９に送り、内部圧力を高める。

このとき、第８図（ｂ）に示したように上記圧力室５９
は軸方向に伸び、筒状弾性一体５０が入方向に湾曲して
破線で示した状態になる。この状態でさらに操作チュー
ブ５４ｃを介して圧力室６１の圧力を高めれば、筒状弾
性体５０をさらにＢ方向に湾曲させることができる。

このようにして３つの圧力室５９，６０．６１に与える
圧力の組合わせを変えることにより、上記筒状弾性体５
０を任意の方向へ湾曲させることができる。また、３つ
の圧力室の圧力を等しく高めれば、筒状弾性体５０を軸
方向りに真直ぐに伸ばすことができる。

このように、異方性弾性材料の特性を利用して３つの圧
力室の圧力を制御することにより上記筒状弾性体には湾
曲と伸縮の動作が同時に行える。

したがって、この筒状弾性体を用いることにより、細径
でコンパクトな構造のアクチュエータが実現でき、この
アクチュエータにより従来の空油圧シリンダに比べ、作
動流体が漏洩することもなく滑らかな動作が可能になる
。

（発明が解決しようとする課題）　　゛しかしながら、
上述のアクチュエータでは筒状弾性体の外径寸法と、こ
の筒状弾性体を構成する弾性材料の弾性係数とが全体に
わたって一定となるように作られており、筒状弾性体の
一端から他端にかけて同一の曲率て湾曲するようになっ
ている。このためアクチュエータ先端での可動範囲が限
定され、広い範囲での動作が難しいという問題がある。

また、アクチュエータ先端が対象物に接触して負荷がか
かると基部の変形が大きくなりアクチュエータの姿勢制
御が困難になる場合もある。

一方、上述のよう−にこのアクチュエータは細径でコン
パクトな構造であるため、マイクロマニピュレータのよ
うに装置先端において微小な運動の要求されるものに対
しても応用したいという要求がある。そのためにはアク
チュエータ先端の湾曲伸縮の運動量を大きくするととも
に、動作指令に対して感度の高い先端部を有するアクチ
ュエータが必要である。

そこで、本発明の目的は、上述した従来の技術が有する
問題点を解消し、従来と同様の操作でアクチュエータ先
端の湾曲伸縮の運動量がより大きくなるような構造のア
クチュエータを提供することにある。

〔発明の構成〕

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明は延設された隔壁に
より内部が複数の圧力室に区分された筒状弾性体の各圧
力室の圧力を調整して動作させるアクチュエータにおい
て、上記筒状弾性体の外径を一端から他端にかけて漸次
変化させたことを特徴とし、また延設された隔壁により
内部が複数の圧力室に区分された筒状弾性体の各圧力室
の圧力を調整して動作させるアクチュエータにおいて、
上記筒状弾性体の弾性係数を一端から他端にかけて漸次
変化させたことを特徴とするものである。

（作　用） 本発明によれば、アクチュエータの筒状弾性体の外径を
一端から他端にかけて漸次変化させたので、またアクチ
ュエータの筒状弾性体の弾性係数を一端から他端にかけ
て漸次変化させたので、筒状弾性体の各圧力室の圧力を
調整して動作させた際に基部から先端にかけて湾曲曲率
と伸び量が大きくなり、アクチュエータ先端の動作範囲
を広くできるとともに微細な動作制御も可能となる。

（実施例） 以下本発明によるアクチュエータの一実施例を第１図乃
至第４図を参照して説明する。

第１ｖ！Ｊは本発明によるアクチュエータ１を示してお
り、このアクチュエータ１は第８図（ａ）の従来のアク
チュエータと同様に外周壁を形成する円錐状弾性体２と
、この円錐状弾性体２の両端に固着された先端封止部３
、根元封止部４と、この根元封止部４に嵌挿された３本
の操作チニーブ５ａ、５ｂ、５ｃとから構成されている
。このうち上記円錐状弾性体２の形状は図示したように
基部から先端にかけて外径が漸次変化する円錐形状弾性
体２をなし、先端には小さなキャップ形状の先端封止部
３が固着されている。

またこの円錐状弾性体２は、第３図に示したように断面
形状が円形を３等分割した扇形をなして基部から先端に
かけて断面積が漸次減少するような３個の単位弾性体７
ａ、７ｂ、７ｃから構成されており、内部に形成された
弾性隔壁９．　１０゜１１により３室の圧力室１２．１
３．１−４に区分されている。この圧力室１２．１３．
１４も断面積が同形を３等分割した扇形をなし、上述の
ように基部から先端にかけて断面積か漸次減少するよう
になっている。

ここで上記円錐形弾性体２の製作手順について説明する
。

まず、上記圧力室の内面とほぼ同一形状の外形表面を有
する中子を用意する。この中子を芯として上述の単位弾
性体７のちととなる弾性部材をシリコンゴムで成形する
。そしてこのシリコンゴム製の弾性部材の外周面に間隔
が密にな−るように補強繊維１５を螺旋状に巻回し、円
錐台形を軸線方向に３分割した形状の単位弾性体７を製
作する。

次に３個の単位弾性体７ａ、７ｂ、７ｃを用いて円錐台
形状の円錐状弾性体２を製作する。まず円錐状弾性体２
の外形とほぼ同一形状の内面形状を有する雌型を用意す
る。そして上記３個の単位弾性体７ａ、７ｂ、７ｃを円
錐台形にまとめて上記雌型内に挿入するとともに、シリ
コンゴムを充填して各単位弾性体間±７ａ、７ｂ、７ｃ
を接着し、外周面に外周被膜を形成して単位弾性体７ａ
。

７ｂ、７ｃを一体化させて円錐状弾性体２を形成する。

なお、上記円錐状弾性体２は単位弾性体７ａ。

７ｂ、７ｃに補強繊維１５を巻回してその後一体化して
固着したが、補強繊維を巻回しない弾性部材を３個固看
して円錐台形状を形成してから外周面に上記補強繊維を
巻回してその表面をシリコンゴム被膜で被覆して製作し
ても良い。

そしてこの場合も上記円錐状弾性体２は上記補強繊維と
シリコンゴムとの複合作用により異方性弾性特性を示し
、弾性係数の小さい方向は円錐状弾性体２の軸方向と略
一致し、軸方向りには伸びやすく、一方、軸方向と直交
する半径方向Ｒには上記補強繊維１７が変形を拘束する
ため弾性係数が大きくなり、伸びにくくなっている。

また、上記根元封止部４は断面が扇形状をなした筒状で
、一端が単位弾性体７ａ、７ｂ、７ｃに嵌挿固着されて
いる。さらにこの根元封止部４には上記操作チニーブ５
を接続するための取付孔４ａ、４ｂ、４ｃが各圧力室１
２．１３．１４に対応して穿設されている。上記操作チ
ューブ５は接着剤等により取付孔４ａ、４ｂ、４ｃに密
封固着されており、他端は図示しない制御部及び圧力源
に接続されている。上記制御部は各圧力室に送られる参
気、水等の作動流体の圧力を自在に調整できるようにな
っている。

したがって、本アクチュエータ１は上述のような構造の
ため先端の重量を軽くでき、大きな可動範囲を確保する
ことができる。

ユニてこの円錐状弾性体２の動作を第２図を参照して説
明する。

まず図示しない圧力源から上記操作チューブ５ａを通じ
て作動流体を圧力室１２に送り、内部圧力を高める。こ
のとき、第２図に示したように上記圧力室１２は軸方向
に伸び、円錐状弾性体２がＡ方向に湾曲して破線で示し
た状態に湾曲する。

この湾曲状態での曲率半径は基部から先端にかけて小さ
くなり、最大に湾曲した状態で先端は後方の基部側を向
くことができる。この状態でさらに操作チューブ５Ｃを
介して圧力室１４の圧力を高めれば、円錐状弾性体２を
さらにＢ方向に湾曲させることができる。このようにし
て３つの圧力室１２．１３．１４に与える圧力の組合わ
せを変えることにより、上記円錐状弾性体２を任意の方
向へ湾曲させることができる。また、３つの圧力室の圧
力を等しく高めれば、円錐状弾性体２を軸方向りに真直
ぐに伸ばすことができる。

このように、異方性弾性材料の特性を利用して３つの圧
力室の圧力を制御することにより上記円錐状弾性体は先
端において広範囲の湾曲と伸縮の動作が同時に行え、た
とえば、このアクチュエータを内視鏡等に適用し、先端
に撮影カメラを装着させることで広範囲の検査を行うこ
とができる。

また、アクチュエータ本体を対象物に巻き付けるように
して対象物を把持することもてきる。

次に上記実施例の変形例として先端の剛性をさらに低減
させ、柔軟性を増すようにしたアクチエエータを第４図
を参照して説明する。

第４図（ａ）は上記実施例の円錐状弾性体２の縦断面を
示しており、外周壁の肉厚は一定である。

これに対して同図（ｂ）は先端に向って外周壁の肉厚を
薄くした例を示している。このような構造のアクチエエ
タでは先端の曲げ剛性あるいは軸剛性を同図（ａ）のも
の以上１こ低減することかでき、アクチュエータの先端
の機能が対象への軽い接触を目的としていたり、上記撮
影カメラを装着したりというようにソフトな動きか要求
される場合に適している。このアクチュエータの製作方
法としては上述の中子と雌型の形状を肉厚が所定の変化
を示すように設定すれば良い。

また、同！１１（ｃ）は所定ピッチで内周壁に肉薄部１
６を形成したものである。このアクチュエータは中子の
表面に所定ピッチで環状の凸部を形成し、その外周に円
錐状弾性体２を形成したものである。このアクチュエー
タによれば円錐状弾性体２は肉薄部１６が大きな曲率で
湾曲し、全体として円弧状でなく多角形状をなして屈曲
変形する。

したがってアクチュエータ全体の剛性をほとんど低減さ
せずに先端に広範囲な湾曲と伸縮とを実現できる。

次に他の発明としてアクチュエータの一端から他端にか
けて筒状弾性体を構成する弾性材料の弾性係数が小さく
なるように漸次変化させたアクチュエータについて第５
図乃至第７図を参照して説明する。

第５図は複数個の短筒状弾性体２０．２０・・・を軸線
方向に接合して筒状弾性体内の圧力室を製作したアクチ
ュエータを示しており、このアクチュエータを構成する
筒状弾性体２１は弾性係数が基部から先端にか、けて小
さくなるように設定されている。

すな′わち、基部２１ａの弾性係数Ｅ１に対して先端２
１ｂの弾性係数ＥｎとするとＥｌ　＞Ｅｎとなる。

第６図はこのアクチュエータ゛を分解説明した図を示し
ており、その構造は第８図（ａ）に示した従来の筒状弾
性体からなるアクチュエータとほぼ同様であり、同一部
材には同一の符号を付しである。

本発明による筒状弾性体２１はたとえばシリコンゴムの
みのように単一弾性材料から構成される場合と、他の材
質の弾性材料とを複合的に使用して構成される場合とが
あるが、その製作は個々の短筒状弾性体２０．２０・・
・を軸方向に接合し、所定長さの筒状弾性体２１を製作
してその後に先端封止部５２と、根元封止部５３と、３
本の操作チューブ５５ａ、５５ｂ、５５ｃとを取付ける
ことにより行えば良い。

たとえば筒状弾性体２１をシリコンゴム等の単一材料で
製作するような場合には材料製造時の加熱条件や触媒条
件を適宜変化させることにより弾性係数を変化させるこ
とができる。

一方、基部に生じる変形が小さくなるようにするには弾
性係数の高い異種材料を使用して複合材料からなる筒状
弾性体を製作すればよい。例えば、この異種材料として
アルミニウム等の金属筒を使用すればその部分での変形
は拘束され、アクチュエータの構造を補強することがで
きる。他の材料としではエンジニアリングプラスチック
や硬質ゴム等を使用することかできる。また、これらの
材料を使用した場合には接合部からの作動流体の漏洩を
防止するため密閉性の高い接合構造とすることが好まし
く、そのために各圧力室の断面形状を変えることも可能
である。

なお、第７図（ａ）は上記筒状弾性体２１の接合例を示
したものであるが、弾性係数を細かく別けて設定するこ
とが難しい場合には同図（ｂ）に示したように弾性係数
を変化させながら筒状弾性体２１の肉厚を変化させるこ
とも可能である。これにより弾性係数が一定の場合にも
筒状弾性体２１の断面積や断面２次モーメントを小さく
することができ、アクチュエータの湾曲伸縮状態を微妙
に変化させて設定することができる。

〔発明の効果〕

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、アク
チュエータの筒状弾性体の外径を一端から他端にかけて
漸次変化させたので、またアクチュエータの筒状弾性体
の弾性係数を一端から他端にかけて漸次変化させたので
、アクチュエータ先端の動作範囲を広くできるとともに
微細な動作制御を行え、アクチュエータを広い用途に適
用できるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明によるアクチュエータの一実
施例を示した斜視図、第３図は同横断面図、第４図及び
第７図は筒状弾性体外周壁の変形例を示した縦断面図、
第５図及び第６図は他の発明によるアクチュエータの一
実施例を示した斜視図、第８図は従来の筒状弾性体から
なるアクチュエータの一例を示した斜視図である。 １・・・アクチュエータ、２・・・円錐状弾性体、１２
．１３．１４・・・圧力室、２ｏ・・・短筒状弾性体、
２１・・・筒些弾性体。 出願人代理人　　佐　　藤　　−雄 ＃、ｆ　ａ 塾２胆 某３　図 （ａ） 第７　図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、延設された隔壁により内部が複数の圧力室に区分さ
   れた筒状弾性体の各圧力室の圧力を調整して動作させる
   アクチュエータにおいて、上記筒状弾性体の外径を一端
   から他端にかけて漸次変化させたことを特徴とするアク
   チュエータ。 ２、延設された隔壁により内部が複数の圧力室に区分さ
   れた筒状弾性体の各圧力室の圧力を調整して動作させる
   アクチュエータにおいて、上記筒状弾性体の弾性係数を
   一端から他端にかけて漸次変化させたことを特徴とする
   アクチュエータ。