JPH05563B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は加圧流体の有するエネルギを回転力に
変換する装置、特に、コードを螺旋状に巻回した
２本の弾性管状体への加圧流体の給排により回転
力を発生する装置に関するものである。

従来技術とその問題 上述したように加圧流体の有するエネルギを回
転運動に変換する装置としては圧油を用いるも
の、圧縮空気を用いるものなどがあり、更にその
構造の違いにより多数の種類に分類することがで
きる。

しかし、圧油を用いる装置は構造が複雑で装置
自体の重量が大きく、高価であり、油が漏れた場
合には周囲の機器が損傷することがあり、頻繁に
保守点検を行なわなければならないと言う問題が
ある。更には作動油の廃棄に伴う環境汚染の問題
もある。

これに対し、圧縮空気を用いるものは、作動流
体が空気であるため、例えば漏洩が生じたとして
も周囲への影響がなく軽量でクリーンな装置と言
える。ところが電気機械系のものに比べ総合効率
が一般に低いと言う欠点がある。さらには作動流
体の圧縮性が大きいため、位置決め、即応性が劣
り、出力も小さいという欠点がある。又、摺動抵
抗も大きく、構造が複雑な場合には空気漏れ防止
が困難であると言う問題がある。

一方電気を利用する装置は、上述した各装置の
欠点や問題はないが、一般に高価であり、減速機
を必要とする場合が多く、スパークの発生が不可
避であり防爆を必要とされる場所に使用できない
と言う欠点がある。

発明の目的 本発明の目的は、加圧流体の供給により半径方
向に膨張しつつ軸線方向に収縮するアクチユエー
タを利用し、上述した問題のないトルク・アクチ
ユエータを提供することである。

発明の構成 上記目的は、次の事項を骨子とする構成によ
り、有利に達成される。

同心に配置した内外二重の弾性管状体と、両弾
性管状体の両端部開口をそれぞれ封止する固定部
材および可動部材と、固定部材もしくは可動部材
に設けられ、各弾性管状体に加圧流体をそれぞれ
別個に給排する給排口とを具え、前記両弾性管状
体がそれぞれ逆方向に螺旋巻回したコードを有し
てなることを特徴とする。

実施例 以下本発明のトルク・アクチユエータを図面の
実施例に基づいて説明する。

第１図のａ及びｂに本発明装置の一実施例を示
す。第１図のａはトルク・アクチユエータの軸心
を含む面で切断した断面図であり、第１図のｂは
両弾性管状体の一部を、螺旋巻回したそれぞれの
コード１０を露出させて示す側面図である。

第１図のａにおいて、弾性管状体１を同心かつ
２重に配置し、両弾性管状体の両端部開口をそれ
ぞれ固定部材２、および可動部材３で封止する。
封止に際しては図示のごとくかしめリング４を用
いて弾性管状体１を固定部材２および可動部材３
に押圧し封止する構成としても良いし、接着剤と
協働させても良い。また適当なものであれば接着
剤だけを用いて封止合着しても良い。

５および６は固定部材２に設けた給排口であ
り、両弾性管状体１と固体部材２および可動部材
３との間に形成される空間７，８に別個に加圧流
体を給排する。本実施例では各給排口を固定部材
２に設けたが可動部材３に設けてもよく、あるい
は各給排口を別個に各部材２，３に設けても良
い。

次に本発明装置の作動を説明する。

今、加圧流体を給排口５を介して内側の弾性管
状体１の内部空間７内に導入すると内側の弾性管
状体１は半径方向に膨張しつつ軸線方向に収縮力
を生起する。ところが、この弾性管状体には第１
図のｂに示すようにコード１０が螺旋に巻回され
ており、コード１０には加圧流体圧力に比例した
張力がコード方向に作用する。その結果、弾性管
状体にはコード１０に作用する張力の分力が周方
向に作用し、弾性管状体１にねじりモーメントが
生ずる。

また、加圧流体を給排口６を介して外側の弾性
管状体１の内部空間８内に導入すると、外側弾性
管状体１に上記同様ねじりモーメントが生じる。
その際、内外二重の弾性管状体１それぞれのコー
ド１０の螺旋巻回の方向を相互に逆方向としてい
るので、これら弾性管状体に生じるねじりモーメ
ントのねじり方向は相互に反対方向となる。

上記のねじりモーメントが発生する様子を第２
図のａ及びｂを参照して説明する。

第２図のａは内側もしくは外側の弾性管状体１
をコードの方向に沿つて切断しコードを露出して
展開したものであり、符号１０はゴム又はゴム状
弾性体によつて被覆されたコードである。コード
１０は極めて低伸張性コードであり、その材質と
しては、有機又は無機質高張力繊維類あるいは弾
性を有する線引きした金属であつても良い。第２
図のａに示すＡは弾性管状体１の母線であり、こ
の母線Ａは弾性管状体１の軸心と平行で、この弾
性管状体１の外周面を通る直線である。また図示
のθは一本のコード１０の母線Ａとなす角であ
る。なおコード１０と母線Ａとのなす角θは好適
には40゜〜70゜とする。

固定部材２および可動部材３により封止された
部分を除く弾性管状体１の軸方向長さをＬ、その
内径をD₀とすると、コード１０のピツチ数m₀は
次式で与えられる。

m₀＝Ltanθ／πD₀ ……(1) なお、ピツチ数m₀とは、弾性管状体１の周囲
にコード１０が何周巻回されたかを表わし、換言
すれば、一本のコード１０が一周巻回されるとき
同一母線と交差するコード間相互の母線に沿う距
離で前記の長さＬを除した値である。

第２図のｂは固定部材２の内側の面近傍で内側
もしくは外側の弾性管状体１を、その軸心に直交
する面で切断した断面の模式図である。図におい
て、Ｃは弾性管状体１の軸心の点であり、点線及
び実線で示す円はそれぞれ、弾性管状体１の、加
圧流体を作用させないときの内周円及び加圧流体
を作用させたときの内周円を示す。

第２図のｂにおいて、この加圧流体を作用させ
ないときの内周円の直径をD₀とし、加圧流体を
作用させたときの内周円の直径をＤとした。図示
のD₀／２及びＤ／２はそれぞれの内周円の半径
である。また、図のQ₀及びＱは固定部材２側の
コード１０の端部始点で、Q₀は加圧流体の作用
前の点であり、Ｑは加圧流体が作用したときの点
である。図のR₀及びＲはQ₀及びＱを始点とする
コード１０の可動部材３内側面近傍の端部終点で
あり、R₀はQ₀に対応しＲはＱに対応する。

ここで、弾性管状体１により最大トルクを出力
させる場合として、固定部材および可動部材の回
転に対する負荷等の影響がなく、また弾性管状体
１の封止部分の影響を考慮しないものとし、固定
部材２と可動部材３との距離Ｌは一定であり、コ
ード１０の長さを不変とし、弾性管状体が膨径変
形のみ行うとの仮定のもとで、弾性管状体１に加
圧流体を充填したとする。この加圧流体の作用に
より、弾性管状体１のコードの両側端部は、第２
図のｂに示すように、固定部材２側にあつてはコ
ード端部が固定側であるため点Q₀が図の点Ｃと
点Q₀とを結ぶ直線の略延長上の点Ｑに移動し、
回転自在な可動部材３側にあつては点R₀は点Ｃ
と点R₀とを結ぶ直線に対しα（rad）ねじれた位
置の点Ｒに移動する。

この時のピツチ数ｍは(1)式を考慮すると ｍ＝m_0-α／2π＝Ltanθ／πD₀（１−αD₀／2Ltanθ）
……(2) となる。

一方、直径D₀はＤに変化するが上記仮定およ
び弾性管状体１が、その膨張時に両側端部を含め
て一様な円筒形になるとの仮定のもとで、軸心方
向のコード分力による弾性管状体１の長さＬの変
化はなく、したがつてコード１０の母線Ａとなす
角θは一定であるので(1)式と同様にして式をた
て、変形すると、 Ｌ＝πD／tanθｍ ……(3) あるいは Ｄ＝Ltanθ／πm ……(3)′ となる。ただしｍは膨径変形後のピツチ数であ
る。

(3)′式に(2)式を代入すると Ｄ＝Ltanθ／π・πD₀／Ltanθ・１／（１−α
D₀／2Ltanθ）＝D₀／１−αD₀／2Ltanθ……(4) また周方向の力のつりあいを考えれば、加圧流
体の作用する圧力をＰとし、コード１０に加わる
張力をＴとし、弾性管状体１に用いたコード打込
み本数をｎとしたとき、軸心を含む面についての
力の釣合いを考えると、PLD＝２×Ｔ×sinθ×
（使用コード本数）×（コードのピツチ数）となる
ので、 PLD＝2Tsinθ・ｎ・ｍ ……(5) よつて弾性管状体１の可動部材３側の端縁部に
作用するねじりモーメントTorは、Ｄ／２・ｎ・ Ｔ・sinθであるので、(4)、(5)式を考慮すれば Tor＝Ｄ／２・ｎ・Tsinθ＝PLD²／４・１／ｍ
＝PD₀ ³／4tanθ・π／（１−αD₀／2Ltanθ）³……(6) となる。

上式(6)よりトルクTorは、内圧Ｐに比例するこ
とがわかる。なおαはゴム又はゴム状弾性体の弾
性定数に比例する。

従つて第１図ｂに示したように、内側及び外側
の弾性管状体のコード１０の巻回角度が相互に正
負反対になるように構成し、空間７，８に加圧流
体を給排することにより可動部材３を内圧に比例
して正転又は逆転させることができる。例えば内
側の弾性管状体の内径をD₁、作用する流体の圧
力をP₁、コード１０の母線Ａに対する傾斜角度
をθ₁、外側の弾性管状体の内径をD₂、流体の圧
力をP₂、コード１０の母線Ａに対する傾斜角度
をθ₂とすると、作用するトルクTorは(4)、(6)式を
考慮して Tor＝πD₁ ³／4tanθ₁・１／（１−α₁D₁／2Lta
nθ₁）³・（P₁−P₂）−πD₂ ³／4tanθ₂・１／（１−α₂
D₂／2Ltanθ₂）³・P₂……(7) なる式で与えられる。

上式(7)より下記の圧力条件により本発明のトル
ク・アクチユエータの回動方向を制御できる。即
ち、内側の弾性管状体には内側圧力P₁及び外側
圧力P₂が同時に作用し、 (i) P₁＜P₂の条件では常に外側の弾性管状体の
回動方向に所定のトルクをもつて回動し、 () P₁＞P₂の条件では、回動の方向は他の諸元
の数値設定により、いづれの方向にも回動可能
であり、 () P₁≫P₂、すなわちP₁がP₂に対し十分に大き
な値の条件では常に内側の弾性管状体の回動方
向に所定のトルクをもつて回動する。

尚、回動の回転角（ラジアン）は、P₁及びP₂
の設定条件に応じ｜α₁−α₂｜（絶対値）となる。

第３図は本発明の他の実施例を示す。第１図で
は弾性管状体１を別個に形成したが、本実施例に
おいては１個の弾性管状体を所定長さで折り返す
ことにより同心に配置した内外二重の構造とす
る。その結果、コード１０は第１図ｂに示すよう
に互いに交差する配置となるので好都合である。
従つて別個に２個弾性管状体を造る必要がないか
ら安価に製造することができる。

第４図は本発明装置の他の好適な実施例を示
す。本実施例においては、両弾性管状体を収容す
る円筒状の外筒１１を設け、固定部材２をこの外
筒１１に固着する。外筒１１には軸受１２を用い
て可動部材３を軸線のまわりに回動自在に支持す
ると共に、可動部材３の軸線方向の偏移を抑制す
る。尚、１３は軸受１２を固定する止め輪であ
る。このように構成することにより、本実施例で
は、可動部材３に回動運動のみ与えることができ
る。従つて、第１図および第２図に示した装置と
本実施例とを適宜選択することにより、軸線まわ
りの回動運動のみ与えるもの、あるいは更に軸線
に沿つた並進運動も加えた運動を可動部材３に賦
与することができる。

第５図に別の実施例を示す。第１図に示す可動
部材３を軸線方向に延長し、その外周に外歯１４
を形成し、この外歯１４と掛合する内歯を有する
リング部材１５を設け、リング部材１５を回動さ
せる。あるいは図示はしないが、可動部材３に複
数の溝を形成し、これら溝に嵌合する突条を具え
た環状部材をスプライン掛合させる構成としても
良い。いずれにしても、このような構成をとれ
ば、リング部材１５又は環状部材は軸線方向に摺
動しつつ、回転力を伝達することができるので、
第４図の実施例の如く軸受１２を用いる必要がな
い。

第６図に示す別の好適な実施例では、弾性管状
体１で消費する加圧流体の量を減少するため、内
側の弾性管状体の内部に円筒部材１６を挿入す
る。これにより内側の弾性管状体内に給排する加
圧流体の量を実質的に大幅に低減することができ
る。

発明の効果 以上詳述したように、本発明のトルク・アクチ
ユエータは、従来のトルク・アクチユエータに比
べ構造が簡単で、正転逆転が容易である上、摺動
抵抗など考慮しなくて良いので位置制御も容易
で、かつ安価であり、加圧流体の圧力を制御する
ことによりトルクを制御できるトルク・アクチユ
エータである。さらに加圧流体として加圧空気を
用いることにより、一層軽量なトルク・アクチユ
エータを得ることができる。その上構造が簡単な
ので空気漏洩の問題も解決しやすく、ニユーマチ
ツク・アクチユエータの諸々の長所を生かした優
れたトルク・アクチユエータを得る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す横断面図、第
２図は本発明のトルク・アクチユエータの作動を
説明するための線図、第３図は本発明の他の実施
例を示す横断面図、第４図は本発明の他の好適な
実施例を示す横断面図、第５図は本発明の別の実
施例を示す横断面図、第６図は本発明の別の好適
な実施例を示す横断面図である。 １……弾性管状体、２……固定部材、３……可
動部材、４……かしめリング、５，６……給排
口、７，８……空間、１０……コード、１１……
外筒、１２……軸受、１３……止め輪、１４……
外歯、１５……リング部材、１６……円筒部材。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 同心に配置した内外二重の弾性管状体と、両
   弾性管状体の両端部開口をそれぞれ封止する固定
   部材および可動部材と、固定部材もしくは可動部
   材に設けられ、各弾性管状体に加圧流体をそれぞ
   れ別個に給排する給排口とを具え、前記両弾性管
   状体がそれぞれ逆方向に螺旋巻回したコードを有
   してなることを特徴とするトルク・アクチユエー
   タ。 ２ 前記コードと前記弾性管状体の母線とのなす
   角度が40゜〜70゜である特許請求の範囲第１項に記
   載のトルク・アクチユエータ。 ３ 弾性管状体を折り返して前記両弾性管状体と
   した特許請求の範囲第１項または第２項いずれか
   一項に記載のトルク・アクチユエータ。 ４ 前記両弾性管状体を収容する円筒の外筒を設
   け、前記外筒の一方の開口端部に前記固定部材を
   固着し、他方の開口端部に前記可動部材を回動自
   在に取り付けた特許請求の範囲第１〜第３項いず
   れか一項に記載のトルク・アクチユエータ。 ５ 前記可動部材の外周においてスプライン掛合
   する回動部材を設けた特許請求の範囲第１〜第４
   項いずれか一項に記載のトルク・アクチユエー
   タ。 ６ 内方の前記弾性管状体の内部空洞内に前記固
   定部材および前記可動部材間に延在し、前記内方
   の弾性管状体より小径の棒状部材を設けた特許請
   求の範囲第１〜第５項いずれか一項に記載のトル
   ク・アクチユエータ。