月: 2022年6月

監修:株式会社コガネイ MIRAI事業部

人工筋肉とは

柔軟な素材が外部からのエネルギーを受けることによって変形し力を発生させるソフトアクチュエータは「人工筋肉」とも呼ばれ、従来のアクチュエータで主に利用されていた産業用ロボット用途を超えて、医療機器、マイクロマシン、ヒューマノイドロボット、ウェアラブル機器など、人に近い場面での活用が期待されています。

人工筋肉には高分子型アクチュエータのように電気、磁気、化学的なエネルギーを与えて変形するタイプ、空気圧人工筋肉のように空気圧や油圧などの流体圧を与えて変形するタイプなど、入力するエネルギーによってさまざまなタイプがあります。ここでは空気圧を印加すると収縮する空気圧人工筋肉について解説します。

空気圧人工筋肉

空気圧人工筋肉は、空気圧を印加することによって収縮するチューブ状の人工筋肉です。

空気という圧縮性流体を用いるため適度なばね性を持ち、自重に対して高い出力が得られることが特長です。

チューブ状の空気圧人工筋肉の代表格はMcKibben(マッキベン)型人工筋肉で、古くから研究が進められておりましたが、ウェアラブル機器、ソフトロボットの発展とともに再注目を浴びています。

マッキベン型人工筋肉は、ゴムチューブとその外周に編んだ組紐で構成され、ゴムチューブに空気圧を印加すると、組紐の内側にあるゴムチューブが膨張します。ゴムチューブの径方向の膨張によって、下図のように網目の角度が変化し、軸方向に収縮する力を生み出します。

組紐の網目の角度の変化により空気圧人工筋肉が収縮する様子

マッキベン型人工筋肉の場合、印加圧力は通常約100~700kPa(G)で、印加する圧力を高めるほど収縮量は増大し、最大収縮力も高まります。

収縮量は初期の長さから最大で20％程度、発生する収縮力は空気圧人工筋肉の径、印加圧力に応じて制御することが可能です。

空気圧人工筋肉の用途

軽量で高出力を得られる空気圧人工筋肉は、ウェアラブル機器やソフトロボットへ応用が期待されており、アシストスーツのアシスト力として空気圧人工筋肉を利用する事例も増加傾向にあります。

その一方で、空気圧人工筋肉は、印加圧力を高めると柔軟性が失われてしまう特徴があり、例えばウェアラブル機器のように人体などの動きに追従させたい場合、高出力と柔軟性の両立が難しいといった課題もあります。

近年では細径の空気圧人工筋肉の登場によって、これらを並列で使用することにより、空気圧人工筋肉の持つ柔軟性を失わずに大きな収縮力を得られるようになってきました。※１）
また、空気圧人工筋肉の自動制御に向けて、空気圧人工筋肉の収縮をプログラム制御する専用コントローラ※２）なども上市されるなど、空気圧人工筋肉の本格的な社会実装に向けた取り組みが加速しています。

本記事は人工筋肉を製造・販売する株式会社コガネイMIRAI事業部様に監修を頂きました。

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監修:トックス プレソテクニック株式会社

異種金属接合とは

昨今、自動車の電動化により、軽量化や高強度化を目的としたアルミの採用が増えてきております。

車体やバッテリーケースなどではアルミと鉄、バッテリーやモーター、電子部品ではアルミと銅など異種金属(マルチマテリアル)を採用するケースが増えており、そこで重要なのが異種金属接合(異材接合)です。

異種金属接合には、機械的接合(カシメ、リベットなど)、化学的接合(接着剤など)、冶金的接合(溶接など)がありますが、その中で設備投資が最小限でランニングコストの低い機械的接合であるカシメ接合が注目されております。

カシメ接合は溶接に比べ品質確保が容易で、リベットやボルト・ナットなどの副資材を用いません。

また、冷間接合のためスパッタヒューム、熱などは一切発生しないため、昨今のカーボンニュートラル化によるCO2削減にも効果的と言われており、非常に注目されております。

異種金属接合の使用用途

銅とアルミ

アルミと銅

真鍮と銅

鉄の3枚接合

上記の様に様々な異種金属の組み合わせを簡単に接合することができます。

最近では車体以外にも自動車のバッテリーや電子部品のバスバーなどにも異種金属接合が使用されてきております。

異種金属でのカシメ接合では、メリット・デメリットは以下のように考えられます。

メリット

• スパッタ・フュームが発生しない
• 異種金属接合が容易
• メッキ材の前処理・後処理不要：メッキ材を剥がさずに接合する事が可能
• ランニングコスト、設備投資コスト削減
• 高い動的強度・高い再現性
• 多点同時打が可能　例）10打点同時打ちなど
• 導電部への接合：接触面積が増えるため、電気抵抗値を上げずに接合が可能
  ※詳細はこちらを参照ください。
• 接合部の品質管理が容易：破壊試験は行いません。

デメリット

• 静的強度がスポット溶接に比べ50％～70%ほど
  　→打点数を増やす、または接合径を大きくするなどの対策があります。
• 凹凸が発生
• 両側アクセスが必要

異種金属接合の原理

異種金属のカシメ接合は、金属の塑性変形を利用してポンチからダイ側に材料を押し込む、非常にシンプルな接合技術です。

工程的にはプレスに非常に近いです。また、溶接とは違い、電気や熱を使用しない冷間加工による接合工法です。そのため金属の溶融点などを気にする必要はありません。

例えばアルミと鉄を溶接で接合する場合、接合面に発生する金属間化合物により接合品質の管理が課題となりますが、カシメ接合ではそれらを気にせず容易に接合する事が可能です。

また、リベットなどの副資材も使いませんのでコストダウンや軽量化にも貢献できます。

以下の動画が分かりやすいかと思います。

カシメ接合の実演動画

本記事は異種金属接合を提供するトックス プレソテクニック株式会社様に監修を頂きました。

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柱ガードとは

柱ガードは、コーナーガードとも呼ばれており、建築物を保護するための保護材です。

一般的には、工場や倉庫などにおいて、走行車両が衝突した際に建築物を保護すると共に、車両本体への損傷も防ぐ目的があります。

また、産業用途以外の一般生活でも活用されており、住宅内の家具や柱、壁に保護材を取り付けることで、赤ちゃんがぶつかった際でも怪我を防止する緩衝材としての役割も有しています。

柱ガードの使用用途

柱ガードは、主に車両や台車、人を守るために使用されます。設置される場所としては、前述した以外にも駐車場や病院でも利用されています。駐車場では、柱ガードやコーナーガード、カーストッパー、エッジガードとして設置されます。

１.カーストッパー

カーストッパーは、車両を駐車もしくは搬入する際に、車両が突き出した壁面へ衝突しないためのクッション材です。

２.エッジガード

エッジガードは、柱などとしてH形鋼を用いた際に、剥き出しの鋼材による怪我や運搬中の製品に傷を付けない用途として設置される保護材です。

一方で、病院では、コーナーの保護材として活用されます。患者が建物の壁面や角に転倒または衝突することを防ぐと共に、万が一、ぶつかった際にも怪我を防止することが可能となります。

柱ガードは、保護材や緩衝材としての用途以外にも、注意喚起用の標識および目印としても活用されています。例えば柱ガードに黒と黄色のラインを交互に入れることで、危険区域や危険箇所として注意を促せます。

柱ガードの設置方法

柱ガードを一般的な角張ったコーナーに設置する場合には、L字形の柱ガードを下地材により取り付けるか、もしくは接着剤やテープなどで取り付けます。

面取りされた柱や角に取り付ける場合には、平面タイプの柱ガードを上記と同様の方法で取り付けます。

ただし、柱ガード本体と下地材が一体となっているタイプでは、取り付けの際にアンカーを電動ドリルなどで取り付けるため、柱ガードに円形の穴があきます。あけた穴は、キャップなどを取り付けることで、埃や雨水などの侵入を防止します。

柱ガードの材質

柱ガードの材質は、一般的にプラスチック由来やゴム由来のものが多いです。そのほかとしては、クッション性に優れたポリマー素材などが挙げられます。

以下で使用される材質として、一部を抜粋して解説します。

ポリエチレン（PE）

ポリエチレンは、高強度で耐水性や耐薬品性を有しており、加工性が高いです。また、電気絶縁性や防湿性、耐寒性、耐衝撃性なども有しています。一方で、ポリエチレンは、キズが付きやすく、太陽光や紫外線に弱いため、屋外で使用すると、割れなどが生じてしまいます。

ポリ塩化ビニル（PVC）

ポリ塩化ビニルは、一般的な合成樹脂です。塩化ビニルを重合することで得られます。特徴としては、強度や耐候性、対薬品性に優れており、軽量で電気を通さず、安価です。ただし、低温環境下では脆く、熱や太陽光に弱いです。また、対薬品性には優れますが、シンナーやアセトンなどの有機溶剤には弱いため、注意が必要です。

ニトリルゴム（NBR）

ニトリルゴムは、石油系の合成ゴムで、ブタジエンとアクリロニトリルの共重合から作られます。特徴としては、耐油性や加工性、耐摩耗性に優れていることが挙げられます。その中でも加工性は、特に優れており、非常に重宝されています。しかし、不飽和結合であるため、耐候性は弱いです。

ポリマー素材

ポリマー素材には、熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂からなる素材があります。熱可塑性樹脂には、汎用プラスチックやエンジニアリングプラスチックなどがありますが、使用環境に合わせて素材が選択されます。熱硬化性樹脂は、主に生分解性プラスチックとして活用されます。

柱ガードのメリットとデメリット

柱ガードのメリットとしては、材質がプラスチックやポリマー由来であれば、長期間の使用が可能で、製品のサイズが豊富な点が挙げられます。また、施工方法も選択できます。ゴム由来の製品であれば、クッション性にも優れます。

柱ガードのデメリットには、製品のカラーバリエーションの少なさが挙げられます。また、直線的な製品が多く、複雑な形状の場合には、加工を行わなければなりません。

ボラードとは

ボラードは、車止めとも呼ばれており、道路の付属物として、道路法第2条第2項第1号に「道路上の柵または駒止め」と規定されている駒止めの一種です。

一般的には、円柱型の支柱のような形状をしており、地面に対して垂直に設置されます。

ボラードは、主に交差点などで、横断歩道との接続部や交差点の開口部に設置し、人的被害を防ぐことを目的としています。

ボラードを設置することにより、万が一、車両が歩道に向かって進行した場合でも、車両の進入を防ぎます。

ボラードの種類

ボラードには、大別して以下の2種類があります。

１.N型ボラード

N型ボラードは、車両の衝突に対して抵抗しない付属物です。車両の進入を抑止する目的で使用されます。また、歩行者用道路と車両用道路を交差点の開口部で区切る目的においても活用されています。

N型ボラードに似た用途として、歩行者・自転車用柵がありますが、歩行者などの通行を維持する用途としては、N型ボラードを活用し、歩行者の横断を防止する目的としては、歩行者・自転車用柵を活用します。

２.H型ボラード

H型ボラードは、耐衝撃性のボラードとして活用されており、車両の衝突に対して抵抗します。車両の進入を防止する目的で使用されます。また、N型ボラードと同様に開口部を区切る目的においても活用されます。

H型ボラードに似た用途として、車両用防護柵がありますが、通常は、車両用防護柵を優先して設置します。

しかし、車両用防護柵を連続して設置できない場合には、車両用防護柵を補完する目的でH型ボラードを設置します。

ボラードの設置基準

ボラードの設置においては、N型ボラードとH型ボラードで区分が異なります。それぞれを以下で解説します。

１.N型ボラード

N型ボラードは、車両の走行速度が低く、歩行者の通行需要がある場合に設置します。基本的には、道路の幅が狭い箇所において、道路を視覚的に区別でき、歩行者の安全を確保できる箇所で活用します。

N型ボラードの高さは、0.85m以下で車両から歩行者が確認でき、歩行者が安全を確認する際に視界を妨げない高さにしなければなりません。

２.H型ボラード

H型ボラードは、歩行者の危険度が高く、車両の走行速度が高い道路や見通しが悪い道路において設置します。特に歩行者用道路で待機する利用者が多い場合には、安全のために設置を検討しなければなりません。

また、H型ボラードの高さは、0.70m以上0.85m以下で車両から歩行者が確認でき、歩行者が安全を確認する際に視界を妨げない高さにしなければなりません。その際にH型ボラードにおいては、車両のバンパーの高さを考慮して設置する必要があります。

例えば乗用車では、車種によらずバンパーが約0.50mの高さですが、貨物車では、8tの場合に約0.60m、25tでは、約0.70mになります。

さらに、H型ボラードは、車両の衝突に抵抗するタイプであるため、Hc種とHb種の2つの種類があります。

Hc種

Hc種は、車両の質量が1.8tで、衝突速度が35km/h以上、歩道に対する進入角度が15度の場合に設置します。

Hb種

Hb種は、車両の質量が1.8tで、衝突速度が45km/h以上、歩道に対する進入角度が15度の場合に設置します。

ボラードの設置箇所

ボラードは、一般的に道路や交通状況、過去の交通事故状況などを検討して設置を行います。ボラードの必要性は、地域により異なり、前述した以外にも地域のニーズや安全点検の結果などを考慮した総合的な判断を必要とします。

特にH型ボラードを設置する場合には、車両がすり抜けないように、設置間隔を1.5m以下にしなければなりません。

ただし、歩道には、さまざまな利用者がいるため、多くの人が快適に利用できるような配慮が必要です。想定される利用者には、一般的な歩行者以外にも、車いすや杖、自転車を活用している利用者がいます。

車いすでの通過を想定する場合には、幅を約1.0m以上あけなければなりません。

また、杖を活用したままでの通過を想定する場合には、幅を約1.2m程度あけなければなりません。

さらに、積雪がある地域では、除雪作業に支障をきたさないように配慮する必要があり、歩行者が転倒した際に危害を及ぼさないような配慮も必要です。