JPH1078010A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】従来の流体式アクチュエータでは精度の良い位
置決めが困難であった。 【解決手段】軸方向に延設された複数の圧力室2a,2b,2
c,2d を備えた弾性体1 の周囲には、この弾性体1 より
も径の大きな円環状のロータ6 が配置されている。弾性
体1 の圧力室2a,2b,2c,2d に順次圧力を供給することに
より、弾性体1 とロータ6 との接触点が徐々に変化し、
これによって弾性体1 外周面に沿ってロータ6 が転動運
動する。この転動運動には摺動が伴わないことから、回
転精度の高いアクチュエータ100 が実現する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、供給する流体の圧
力変化によって駆動されるアクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】流体の圧力変化によって駆動される流体
駆動式アクチュエータとしては、例えば油圧アクチュエ
ータや空気圧アクチュエータなどが知られている。これ
らのアクチュエータは構造が簡単で、しかも軽量，安価
といった特徴を持ち、ピストン−シリンダやベーンモー
タなどの形で幅広く使われている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、これら
のアクチュエータは作動流体のシール（例えばシリンダ
−ピストン間のパッキング）が必要であったため、どう
しても摩擦が大きくなってしまい、精度の良い位置決め
を行うことが困難であった。

【０００４】そこで本発明では、流体駆動式ながら従来
に比べて高い精度で位置決めすることが可能なアクチュ
エータの提供を目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明では、弾性体からなり、軸方向に延設された
圧力室を複数備えた第１の構造体と、前記第１の構造体
に対して所定の隙間を介して前記第１の構造体の周囲に
配置される円環状の第２の構造体とを備え、前記第１の
構造体の複数の圧力室に周期的な圧力変化を与えること
により、前記第２の構造体内周面に対する前記第１の構
造体の圧接位置を変化させながら前記第２の構造体を回
転駆動するアクチュエータとした。

【０００６】また、略筒状の弾性体からなり、軸方向に
延設された圧力室を複数備えた第１の構造体と、前記第
１の構造体に対して所定の隙間を介して前記第１の構造
体に挿通される第２の構造体とを備え、前記第１の構造
体の複数の圧力室に周期的な圧力変化を与えることによ
り、前記第２の構造体外周面に対する前記第１の構造体
の圧接位置を変化させながら前記第２の構造体を回転駆
動するアクチュエータとした。

【０００７】なお、後者においては、前記第１の構造体
には内歯車を、前記第２の構造体には外歯車を設け、こ
れら内歯車と外歯車との噛合位置が変化することにより
前記第２の構造体を回転駆動するように構成することが
可能である。

【０００８】そして、このような構成からなる本発明に
よれば、第１の構造体の圧力室に順次圧力を供給するこ
とにより、第１の構造体と第２の構造体との接触点が徐
々に変化し、これによって第１の構造体が転動運動す
る。この転動運動には摺動運動が伴わないことから、回
転精度の高いアクチュエータが実現する。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施例を説明する。

【００１０】図１は本発明のアクチュエータの第１実施
例を示す縦横断面図、図２はアクチュエータの動作状態
を経時的に説明する模式図である。なお本実施例では、
アクチュエータをアウタロータ型（外側の円筒部分が回
転する方式）に構成している。

【００１１】図１に示すように、アクチュエータ100 は
その内部に、例えばゴムからなる弾性体（第１の構造
体）1 を備えている。弾性体1 はここでは略筒状形状を
なし、その内部には軸方向に延設された４つの圧力室2
a,2b,2c,2d が等間隔で形成されている。圧力室2a,2b,2
c,2d はそれぞれの一端が保持部材3 により、他端が保
持部材4 により封止されている。ここで保持部材4 には
チューブ5a,5b,5c,5d （図１では5aのみ図示）が挿通さ
れ、ここでは図示しない電磁駆動弁（例えばソレノイド
バルブ）などを介してポンプなどの圧力源より流体（例
えば空気や水，油など）が圧力室2a,2b,2c,2d 内部に供
給される。

【００１２】弾性体1 の周囲には略環状のロータ（第２
の構造体）6 が配置されている。ここで、ロータ6 の内
径よりも弾性体1 （加圧していない状態）の外径の方が
小さくなるように形成してあるため、ロータ6 の内周面
と弾性体1 の外周面との間には若干の隙間が存在する。
図１ではちょうど弾性体1 の上側に隙間が位置する状態
が示されている。したがって、弾性体1 とロータ6 とが
相対的に移動したり、弾性体1 が弾性変形（膨張）する
ことができるようになっている。なお、ロータ6 の両端
には、弾性体1 がその軸方向に抜け出てしまうことを避
けるために抜け止め7,8 が固定されている。

【００１３】また、弾性体1 の中心部分には、弾性体1
を保持固定するための固定軸9 が設けられている。固定
軸9 はその軸方向中心付近よりも端部付近の方が小さな
径となっており、この小径部分は前述した保持部材3,4
に接続されている。そして、固定軸9 の外周面は、弾性
体1 および保持部材3,4 に接着などの手段で固定されて
いる。なお、固定軸9 は、弾性体1 がその加圧時に内側
に向かって変形するのを防止する役目も果たす。

【００１４】ここで、ロータ6 および保持部材3,4 は、
弾性体1 とは異なり、比較的弾性変形しにくい部材（例
えば金属やプラスチックなど）で形成されることが好ま
しい。

【００１５】続いて、図２を参照して本発明のアクチュ
エータの動作について説明する。なお、図２では本発明
を理解しやすくするため、アクチュエータ100 の寸法や
変形状態などを実際とは少し変えて描いてある。

【００１６】本発明では、弾性体1 を加圧変形させるこ
とによって弾性体1 とロータ6 とを相対的に公転運動お
よび自転運動させ、これによって回転出力を得ようとす
るものである。

【００１７】図２( ａ) は、弾性体1 のどの圧力室2a,2
b,2c,2d にも圧力を加えていない状態を示している。こ
の状態では本来、図１に示した弾性体1 外周面とロータ
6 内周面との間に隙間が存在するため、両者の相対位置
は定まらないが、便宜上、両者の軸中心が一致している
ように描いてある。

【００１８】まず、図２( ｂ) に示すように圧力室2aの
み加圧する。この場合、弾性体1 はその弾性変形によっ
て矢印の向きに偏心移動する。したがって、弾性体1 と
ロータ6 とは、この圧力室2aの外周面の点Ｘ（実際には
Ｘは紙面奥行き方向に延びる線となる）にて接触する。
また、圧力室2aの加圧に伴い、点Ｘと対称な位置関係に
ある点Ａも接触点となる。ただし、ここで圧力室2cは加
圧されていないため、点Ａは弾性体1 とロータ6 との接
触点ではなく、保持部材3,4 とロータ6 との剛体どうし
による接触点となる。

【００１９】次に、圧力室2aに隣接する圧力室2dを徐々
に加圧し、図( ｃ) に示すように両方の圧力室2a,2d の
圧力が均等になるように制御する。このように制御する
と、点Ｘの位置は図中反時計方向に移動する。また、点
Ｘと対称な位置関係にある点Ｂが新たな接触点となる。

【００２０】そして同様に、図２( ｄ) 〜( ｆ) のよう
に加圧する圧力室が反時計方向に移動することにより、
弾性体1 とロータ6 との接触点Ｘも反時計方向に移動
し、また点Ｘと対称な位置関係となる点もＣ〜Ｅへ連続
的に変化する。

【００２１】このように、弾性体1 の加圧状態を徐々に
変化させることにより、接触点Ｘの位置がロータ6 内周
面を連続的に移動する。したがってロータ6 は、弾性体
1 が固定状態にある場合には弾性体1 を中心とした公転
運動を行い、ロータ6 は反時計方向に自転運動すること
になる。

【００２２】なお、図２( ｅ) からさらに圧力室の加圧
制御を反時計方向に進めれば、再び図(b) の状態に戻る
ことは言うまでもない。また、加圧パターンを時計方向
に切り替えれば、ロータ6 も時計方向に自転運動するこ
とになる。このような加圧パターンの制御は、ここでは
図示しない制御装置内のプログラミングの変更により容
易に行うことが可能である。もちろん、加圧パターンの
速度を変化させることにより、ロータ6 の回転速度を任
意に変化させることも可能である。

【００２３】図３は、本発明の構造によってロータ6 が
公転運動および自転運動を同時に行うことを説明するた
めの図であり、具体的には、保持部材3,4 の外周面に沿
ってロータ6 が転動する状態が示されている。

【００２４】本発明のロータ6 が公転運動と自転運動と
を同時に行うためには、保持部材3,4 とロータ6 との接
触点（図２においてＡ〜Ｅで示した点）にできるだけ摺
動運動が発生しないことが要求される。ただし、圧力室
2a,2b,2c,2d への加圧力を制御することにより、接触点
に作用する摩擦力の大きさを十分に大きくすることがで
きるため、摺動運動の発生を抑制することは比較的容易
である。

【００２５】図３において、保持部材3,4 の中心はＯ1
、半径はｒ1 で示されており、またロータ6 の中心は
Ｏ2 、半径はｒ2 で示されている。また、保持部材3,4
とロータ6 とは点Ａにて接触している。また、保持部材
3,4 とロータ6 との間に摺動が全く生じないものと仮定
する。

【００２６】このような状態において、ロータ6 が時計
方向にθ2 だけ公転運動し、その中心がＯ2 からＯ2 ’
に移動すると、ロータ6 内周面上の点Ｃは保持部材3,4
外周面上の点Ｂ’ではなく点Ｂにて接触する。（仮にロ
ータ6 が公転運動のみを行うのであれば、点Ｃと点Ｂ’
とが接触することになる。）すなわち、ロータ6 は時計
方向に公転運動し、同じく時計方向に自転運動すること
が判る。

【００２７】ここで、自転角度をθ1 とすると、円弧Ａ
Ｃと円弧ＡＢの長さが等しいと置いて次式を得る。

【００２８】

【数１】 ｒ2 θ2 ＝ｒ1 （θ1 ＋θ2 ） ∴ θ1 ＝（ｒ2 −ｒ1 ）／ｒ1 ・θ2 … 式（１） すなわち、弾性体1 の各圧力室2a,2b,2c,2d を順に加圧
してロータ6 に公転運動を発生させると、公転角度に対
して、（ｒ2 −ｒ1 ）／ｒ1 の減速比をもった自転運動
が実現できることになる。

【００２９】本実施例では圧力室の数は４であるため、
図２のように加圧していくと、公転運動に関しては１回
転当たり８分解能が実現できる。しかし、例えばロータ
6 と保持部材3,4 の径の差を小さく（例えばｒ2 ＝101
に対してｒ1 ＝100 ）すると、減速比は１／100 とな
り、自転運動に関しては800 の分解能を実現することが
でき、精度の高い位置決めを行うことが可能となる。

【００３０】続いて、図４を参照して本発明のアクチュ
エータの第２実施例について説明する。なお、以下の各
実施例において、第１実施例と同一構成要素には同一符
号を付し、重複する説明を省略する。

【００３１】図４は本発明のアクチュエータの第２実施
例を示す縦横断面図である。本実施例に係るアクチュエ
ータ200 が先に説明した第１実施例と異なる点は、弾性
体1（保持部材3,4 ）とロータ6 との間に生じる摺動を
完全に除去するために、両者に歯車を設けて互いに噛合
させるように構成した点にある。

【００３２】すなわち本実施例では、保持部材3 の側面
にさらに外歯車10を固着し、この外歯車と噛合する関係
に内歯車11を固着している。なお、この内歯車11は、第
１実施例で用いた抜け止め7 の内周面に歯車を形成した
ものと同等の機能を有する。

【００３３】したがって、ロータ6 が弾性体1 の変形に
よって偏心すると、外歯車10と内歯車11とが噛合し、こ
の噛合面において転動運動が生ずる。そして、ロータ6
と保持部材3,4 との間の摺動が完全になくなり、第１実
施例に示したアクチュエータ100 よりもさらに安定した
動作、すなわち、大きな負荷が作用しても加圧パターン
に対して正確な自転動作を行い得るアクチュエータ200
が実現する。

【００３４】続いて、図５を参照して本発明アクチュエ
ータの第３実施例について説明する。

【００３５】図５は本発明のアクチュエータの第３実施
例を示す縦横断面図である。本実施例に係るアクチュエ
ータ300 が先に説明した各実施例と異なる点は、回転運
動を行うロータがアクチュエータ外周に配置されている
のではなく、アクチュエータ内周に配置されている点に
ある。これは一般にインナロータ型（内側の軸が回転す
る）と呼ばれる形式である。

【００３６】同図に示すように、本実施例では、弾性体
1 の外周を覆うように、金属やプラスチックなどの剛体
からなる筒状形状のケーシング12が配置され、保持部材
3,4および弾性体1 と共に接着固定されている。ケーシ
ング12は、弾性体1 が外側に向かって変形（膨張）する
のを防止する役目も果たしている。一方、弾性体1 の内
周にはロータ6 が挿通配置されている。ここで弾性体1
の内径よりもロータ6の外径の方が小さく形成されてお
り、両者の間に若干の隙間が設けられている。

【００３７】なお、ここでロータ6 は軽量化の目的で筒
状のものを用いているが、中実の部材であってもよい。
また、弾性体1 には６つの圧力室2a,2b,2c,2d,2e,2f が
設けられているが、圧力室の数は特に限定されるもので
はなく、必要に応じて任意に設定することが好ましい。

【００３８】今、６つの圧力室2a,2b,2c,2d,2e,2f を順
に一方向に加圧してゆくと、図２に示したのと同様の原
理により、ロータ6 が保持部材3,4 内周面に沿って転動
運動する。この時に発生する自転運動を取り出すことに
より、前述の各実施例と同様、回転分解能の高いアクチ
ュエータを実現することができる。

【００３９】続いて、図６を参照して本発明アクチュエ
ータの第４実施例について説明する。

【００４０】図６は本発明のアクチュエータの第４実施
例を示す縦横断面図である。本実施例に係るアクチュエ
ータ400 が先に説明した各実施例と異なる点は、ロータ
の回転運動が純粋な自転運動のみからなるように構成さ
れている点にある。すなわち、本実施例では、ロータの
自転軸が振れてしまうことがない。

【００４１】具体的には、ロータ6 が軸受13a,13b に回
転自在に軸支されており、その中心付近には外歯車14が
固定されている。一方、この外歯車14と噛合する関係に
内歯車15が配置され、弾性体1 の内周面に接着固定され
ている。内歯車15は弾性材料で形成されても構わない
が、金属やプラスチックなどの剛体で形成されることが
好ましい。

【００４２】このような構成からなる本実施例によれ
ば、弾性体1 の内周面が加圧によって径方向に変形する
と、それに伴って内歯車15も径方向に移動する。（なお
図６には、いずれの圧力室も加圧していない状態、つま
り外歯車14の中心軸と内歯車15の中心軸とが一致する状
態を示している。）ここで例えば、圧力室2fを加圧する
と、圧力室2fが膨張して内歯車15が図中下の方向へ押し
出され、ロータ6 に固定された外歯車14と接触し噛合す
る。したがって、各圧力室を順に加圧してゆくと、外歯
車14と内歯車15との接触点が移動し、ロータ6 は自転を
伴わない公転運動を行う。

【００４３】図７は本実施例のアクチュエータ400 の動
作原理を示している。同図において14P は、ロータ6 に
固定された外歯車14のピッチ円を描いたものであり、15
P は弾性体1 に固定した内歯車15のピッチ円を描いたも
のである。

【００４４】図７( ａ) は、弾性体1 のどの圧力室2a,2
b,2c,2d,2e,2f にも圧力を加えていない状態を示してい
る。この状態では本来、外歯車14と内歯車15との間に隙
間が存在するため、両者の相対位置は定まらないが、便
宜上、両者の軸中心が一致しているように描いてある。

【００４５】この状態から、図６に示した圧力室2a,2b,
2c,2d,2e,2f をこの順に加圧制御することにより、外歯
車14のピッチ円14P に対して内歯車15のピッチ円15P が
公転運動を行い、図７( ｂ) から図７( ｇ) のように運
動が進行する。外歯車14と内歯車15とはその接触点にお
いて摺動が発生しないため、内歯車15のピッチ円15Pが
公転運動することによって外歯車14の自転運動が連続的
に発生することがわかる。

【００４６】ここで、理解を容易にするために、図７(
ｂ) から図７( ｃ) への過程を例にとり回転動作を説明
する。まず図７( ｂ) において、ピッチ円14P,15P どう
しが互いに接触する点をそれぞれＡ’, Ａとする。ま
た、ピッチ円14P,15P 上の点をそれぞれＢ’, Ｂとす
る。本実施例では圧力室の数が６であることから、点Ａ
と点Ｂとはちょうど60゜離間した位置となっている。

【００４７】今、図７( ｂ) の状態における点Ｂ’の位
置に着目した場合、両ピッチ円14P,15P が滑ることなく
接触しながら回転することを考えると、円弧ＡＢと円弧
Ａ’Ｂ’の長さが等しくなければならない。したがっ
て、図７( ｂ) の状態では点Ｂ’は点Ｂよりもやや離間
した位置にあり、図７( ｃ) の状態では点Ｂと点Ｂ’が
一致しなければならないことから、ピッチ円14P すなわ
ちロータ6 は反時計方向に自転運動することになる。

【００４８】以上のような構成を採用することにより、
自転運動のみが発生し公転運動を伴わないアクチュエー
タが実現する。

【００４９】なお、本発明は上述した各実施例に限定さ
れるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変
形して実施できることは言うまでもない。

【００５０】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、流体
駆動式ながら従来に比べて高い精度で位置決めすること
が可能なアクチュエータが実現する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のアクチュエータの第１実施例を示す縦
横断面図。

【図２】アクチュエータの動作状態を経時的に説明する
模式図。

【図３】本発明の構造によってロータ6 が公転運動およ
び自転運動を同時に行うことを説明するための図。

【図４】本発明のアクチュエータの第２実施例を示す縦
横断面図。

【図５】本発明のアクチュエータの第３実施例を示す縦
横断面図。

【図６】本発明のアクチュエータの第４実施例を示す縦
横断面図。

【図７】第４実施例に係るアクチュエータの動作原理を
説明する模式図。

【符号の説明】

1 弾性体（第１の構造体） 2a,2b,2c,2d,2e,2f 圧力室 3,4 保持部材 5a,5b,5c,5d チューブ 6 ロータ（第２の構造体） 7,8 抜け止め 9 固定軸 10 外歯車 11 内歯車 12 ケーシング 13a,13b 軸受 14 外歯車 15 内歯車 14P,15P ピッチ円 100,200,300,400 アクチュエータ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】弾性体からなり、軸方向に延設された圧力
   室を複数備えた第１の構造体と、 前記第１の構造体に対して所定の隙間を介して前記第１
   の構造体の周囲に配置される円環状の第２の構造体とを
   備え、 前記第１の構造体の複数の圧力室に周期的な圧力変化を
   与えることにより、前記第２の構造体内周面に対する前
   記第１の構造体の圧接位置を変化させながら前記第２の
   構造体を回転駆動することを特徴とするアクチュエー
   タ。
2. 【請求項２】略筒状の弾性体からなり、軸方向に延設さ
   れた圧力室を複数備えた第１の構造体と、 前記第１の構造体に対して所定の隙間を介して前記第１
   の構造体に挿通される第２の構造体とを備え、 前記第１の構造体の複数の圧力室に周期的な圧力変化を
   与えることにより、前記第２の構造体外周面に対する前
   記第１の構造体の圧接位置を変化させながら前記第２の
   構造体を回転駆動することを特徴とするアクチュエー
   タ。
3. 【請求項３】前記第１の構造体には内歯車が、前記第２
   の構造体には外歯車が設けられ、これら内歯車と外歯車
   との噛合位置が変化することにより前記第２の構造体を
   回転駆動することを特徴とする請求項２記載のアクチュ
   エータ。