弾撥力発生装置
【課題】 小さなモータで大きな力を蓄積し、強い弾撥力を発生させることができる装置を提供すること。
【解決手段】 作動部材を支点で枢支するとともにハウジングに固定される軸の回りに、その一端がハウジングに固定されるとともに他端が作動部材のアクチュエータロッド部に固定され、作動部材の回動によって力を蓄積しカムフォロア部の拘束を解放することによって弾撥力を発生させるべく機能する捻りばねを巻回するとともに、カムフォロアロッド端部に転がり摩擦によってカム外周面と接するカムフォロアを形成しさらに、力の作用点におけるカム外周面の法線と作動部材の支点とカムフォロアの回転軸心とを結ぶ線分とが垂直又はその近傍の角度となる外周面プロフィルを有するとともにその段差部によって作動部材の拘束を解放するカムおよび該カムの回転駆動装置とを有する弾撥力発生装置。
【解決手段】 作動部材を支点で枢支するとともにハウジングに固定される軸の回りに、その一端がハウジングに固定されるとともに他端が作動部材のアクチュエータロッド部に固定され、作動部材の回動によって力を蓄積しカムフォロア部の拘束を解放することによって弾撥力を発生させるべく機能する捻りばねを巻回するとともに、カムフォロアロッド端部に転がり摩擦によってカム外周面と接するカムフォロアを形成しさらに、力の作用点におけるカム外周面の法線と作動部材の支点とカムフォロアの回転軸心とを結ぶ線分とが垂直又はその近傍の角度となる外周面プロフィルを有するとともにその段差部によって作動部材の拘束を解放するカムおよび該カムの回転駆動装置とを有する弾撥力発生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アミューズメント装置やレスキュー用ロボット、プレス加工機、ハンマリング装置等大きな弾撥力を必要とする箇所に好適に用いることができる、小さなモータで大きな力の蓄積が可能な弾撥力発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットにおけるキッカー、ジャンプ機能をもつ足部、また金属加工分野におけるプレス加工機、ハンマリング装置のように、強い弾撥力を必要とする分野は広い。
【０００３】
弾撥力を発生させる手段として、図１０に示すように、ソレノイドＳによる電磁作用を利用して、図１０（ａ）に示すようなアクチュエータＡの支点Ｊの上部を矢印方向に変位させて対象Ｏたとえばボールに図でみて左側への弾撥力を適用することや、図１０（ｂ）に示すように、アクチュエータＡの支点Ｊの下部を矢印方向に変位させて対象Ｏたとえばボールに弾撥力を適用することさらには、図１０（ｃ）に示すように、対象Ｏに直接的にソレノイドＳによって対象Ｏたとえばボールに弾撥力を適用することが行われている。また、図１１に示すように、弾性体Ｅを伸長させてそれが収縮するときに発生する弾撥力を対象Ｏに適用することも行われている。
【０００４】
一方、図１２に示すように、コンベアベルト表面に付着残留する搬送物を剥落させるべく、ベルト裏面に弾撥力を適用する装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。この先行技術は図１２（ａ）（引用特許文献における図４）に示すように、カム軸１１０に固設されているカム１１１の内周面に転がり接触するローラ１１６（カムフォロア）がカム１１１の時計方向の回転によってロッド１１５を上昇させ、この過程でケース１１９内でスプリング受け１１７上に載置されている弾撥スプリング１１８を圧縮させ、カム１１１の段差部においてローラ１１６（カムフォロア）が急激に鉛直方向に変位することによって弾撥スプリング１１８の圧縮力が解放されてロッド１１５と一体的に形成されているハンマヘッド１２０に弾撥力を付与する。これによって、図１２（ｂ）（特許文献１における図５）に示されるように、ホッパ１０９内においてヘッドプーリ１０２からリターン過程にあるコンベアベルト１０１の裏面にハンマヘッド１２０を衝突させ、コンベアベルト１０１の表面に残存、付着している搬送物を剥落させる。図１２において、１１９ａはストッパであって、スプリング受け１１７をこの位置で停止させる。また、図１２（ｂ）において、１０８はカム１１１を回転させるべく機能するモータ、１０４は原動スプロケットホイール、１０５は従動スプロケットホイール、１０６はチェーン、１０７はアイドラである。
【特許文献１】特開２００１−１５１３３２号公報
【０００５】
他方、カメラにおいて、シャッタ動作を行わせるべく、捻りばねに力を蓄積し、カムによって捻りばねに蓄積された力を瞬時に解放しシャッタを作動させる機構も既知である（たとえば、特許文献２における図１、図２参照）。
【特許文献２】特開平０７−２１９０１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、図９に示す、ソレノイドＳを利用する弾撥力発生装置は、高速度であり簡便な制御機構で作動させ得る等の長所があるが、大電流が必要であるほか重量が大きくなり、また大きなスペースを要する問題がある。また、ソレノイドＳに代えて空気圧シリンダを用いることも考えられる。その場合、スペースも小さくて済み、簡単な制御機構で作動させ得る利点があるが、低速であり、弾撥力の低下を生じる問題がある。さらに、図１０に示す、弾性体Ｅを用いる装置は高速ではあるが、力の蓄積機構、力の解放機構等複雑なメカニズムと制御機構を必要とする。
【０００７】
一方、特許文献１に開示されている技術は、小さなモータで大きな力を蓄積するための手段を有しておらず、大きな動力を要する機構となっている。また、特許文献２も小さなモータで大きな力を蓄積するための手段を教示していない。
【０００８】
本発明は、小さなモータで大きな力を蓄積し、強い弾撥力を発生させることができる弾撥力発生装置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】
【０００９】
上記課題を解決するための、請求項１に記載の発明は、カムフォロア部とアクチュエータロッド部とを有する作動部材を支点（ジョイント）で枢支するとともにハウジングに固定される軸の回りに、その一端がハウジングに固定されるとともに他端が前記アクチュエータロッド部に固定され、作動部材の回動によって力を蓄積しカムフォロア部の拘束を解放することによって弾撥力をアクチュエータロッド部に発生させるべく機能する捻りばねを巻回するとともに、カムフォロアロッド端部に転がり摩擦によってカム外周面と接するカムフォロアを形成しさらに、カムの回動によってカム外周面からカムフォロアに伝達される力（Ｆ）の作用点におけるカム外周面の法線と、作動部材の支点とカムフォロアの回転軸心とを結ぶ線分とが垂直又はその近傍の角度となる外周面プロフィルを有するとともにその段差部によって作動部材の拘束を解放するカムおよび該カムの回転駆動装置とを有する弾撥力発生装置である。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、カムの回動サイクルの上死点（ＵＤ）において、該カムの外周面からカムフォロアに伝達される力（Ｆ）の方向と前記カムの回動軸心とが一致するようにカムを配設してなる請求項１に記載の弾撥力発生装置である。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、カムの回動状態の検出手段を設け、該検出手段からの信号に基づいてカムの回動を停止しまたは始動させる制御を行う制御手段を配設してなる請求項１又は請求項２に記載の弾撥力発生装置である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、簡潔かつ小型の装置構成にして、大きな力を小さなモータかつ小さなトルクで捻りばねに蓄積しこれを瞬時に解放することによって、強い弾撥力をアクチュエータによって対象に適用することができる。
【００１３】
請求項２および請求項３に記載の発明によるときは、カムを回転させるためのトルクが零の状態で弾撥力発生のタイミングを調整可能であり、所望のタイミングで強い弾撥力を対象に適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の弾撥力発生装置は、次の主要構成からなる。即ち、
１）捻りばねに、小さなモータで大きな力を蓄積するメカニズム
２）捻りばねに蓄積された力を保持（ロック）するメカニズム
３）捻りばね復元の拘束を解除し、強い弾撥力を発生させるメカニズム
【００１５】
本発明の弾撥力発生装置においては、小さなモータで大きな力を捻りばねに蓄積せしめるべく、モータ（ギヤードモータ）でカムを回動し、カム外周面と転がり摩擦によって接しているカムフォロアを変位させて捻りばねに力を蓄積する過程において、作動部材における支点とカムフォロアの回転中心とを結ぶ線分と、力の作用点におけるカム外周面の法線とが常時垂直またはその近傍の角度となるように、カムのプロフィルが形成されている。これによって、モータによって回動されるカムからカムフォロアおよびカムフォロアロッドを介して捻りばねに力を蓄積する過程で、力の方向と、作動部材における支点とカムフォロアの回転中心とを結ぶ線分とのなす角度が９０°又はその近傍の角度となり、最小の力でカムの回転トルクが捻りばねに蓄積される。
【実施例１】
【００１６】
図１に、本発明の一実施例に係る弾撥力発生装置を示す。図１において、１は弾撥力発生装置、２はハウジングであって、一対の作動部材３を回動自在に枢支する軸４−１からなる支点（ジョイント）４が固設されている。この実施例においては、図１および図２に示すように、作動部材３は支点（ジョイント）４の部位で屈曲する略逆Ｌ字状のプロフィルを呈している。作動部材３は、支点（ジョイント）４を境界としてアクチュエータロッド３−１およびカムフォロアロッド３−２からなる。
【００１７】
カムフォロアロッド３−２の端部には、図１および図３、図４ならびに図６、図７に示すように、カムフォロア６が回転自在に配設されている。この実施例においては、カムフォロア６は、図１に示すように、一対のカムフォロアロッド３−２端部に軸支されているニードルベアリングのアウタレースである。このカムフォロア６がカム７の外周面に転がり摩擦によって接している。
【００１８】
一方、作動部材３における支点（ジョイント）４の軸４−１回りには、図１および図３に示すように、ハウジング２内壁面と作動部材３間において一対の捻りばね５が巻回されている。一対の捻りばね５の一端は、図３、図４および図６、図７に示すように、ハウジング２の内壁面に固定され、他端は一対の作動部材３のアクチュエータロッド３−１にそれぞれ固定されている。
【００１９】
７はカムであり、図１に示すように、ハウジング２に回動自在に枢支される軸８に固設されている。而してカム７の外周面は、図１および図３、図４ならびに図６、図７に示すように、カムフォロア６と転がり摩擦によって接している。また、カム７は、軸８を介してギヤードモータ９によって回転駆動される。
【００２０】
一方、この実施例においては、図１および図７（ａ）、（ｂ）に示すように、軸８に一端にリミットスイッチ用カム１１が固設されている。カム１１の回動によってリミットスイッチ１０がＯＮ−ＯＦＦされる。
【００２１】
次いで、捻りばね５にカム７の回動によって力を蓄積するに際し、カムフォロア６の回転軸心を作動部材３の支点４回りに変位させるときに要する力Ｆについて説明する。ここで、
τｓ：ばねトルク（抵抗力）
Ｆ：カムフォロア６の回転軸心を作動部材３の支点４回りに変位させるときに要する力（動作力）
Ｘ：作動部材３の支点４の中心（軸４−１の軸心）と力Ｆの作用点間の距離
α：支点４の中心（軸４−１の軸心）とカムフォロア６の回転中心とを結ぶ線分ｎと力Ｆの方向とのなす角度とすると、動作力Ｆの大きさとαとの間には次の関係が成り立つ。
【００２２】
【数１】
【００２３】
而して、α＝９０°のとき、Ｆｍｉｎ＝τｓ／Ｘとなり、Ｆは最小となる。従って、作動部材３が支点４を中心として揺動するときの、支点４の中心（軸４−１の軸心）とカムフォロア６の回転中心とを結ぶ線分ｎのカムフォロア６の回転中心を通る垂線と、力Ｆの作用点におけるカム７の外周面の接線とが常に９０°或いはその近傍となるように、カム７のプロフィルを定める。作動部材３が支点４を中心として揺動するときの、支点４の中心（軸４−１の軸心）とカムフォロア６の回転中心とを結ぶ線分ｎのカムフォロア６の回転中心を通る垂線と、力Ｆの作用点におけるカム７の外周面の接線とが常に９０°となる点を連続させると、図３、図４ならびに図６、図７に示すカム７のプロフィルとなる。
【００２４】
そして、捻りばね５に力を蓄積するに必要な、ギヤードモータ９の出力トルクτｍはα＝９０°のときに最小となり、次式で示される。
【００２５】
【数２】
ｄ：力Ｆの方向と、カム７の駆動軸８の軸心間の垂直距離（図３）
【００２６】
次に、捻りばね５に力を蓄積するに要するギヤードモータ９の出力トルクτｍと、メカニズムの幾何学的関係と静的なパラメータの関係を次式に示す。
【００２７】
【数３】
Ｋ：ばね定数
Ｎ：捻りばね５の箇数
θｍａｘ：捻りばね５に最大に力を蓄積したときのアクチュエータロッド３−１の角度（図４におけるアクチュエータロッド３−１の位置１と位置３とのなす角度）
θｓ：捻りばね５に力を蓄積している途次におけるアクチュエータロッド３−１の角度、たとえば位置１と位置２とのなす角度
Ｌ：支点（ジョイント）４の中心（軸４−１の軸心）と、力Ｆの作用点間の距離（図４参照）
Ｈ：支点（ジョイント）４の中心（軸４−１の軸心）と、カム７の駆動軸（軸８）の軸心の鉛直方向距離（図４参照）
【００２８】
本発明の弾撥力発生装置においては、捻りばね５に力を蓄積している間は、図３に示す動作力Ｆとカム７の駆動軸（軸８）の軸心間の垂直距離ｄは減少し、捻りばね５のトルクτｓと動作力Ｆは増大する。その間のギヤードモータ９の出力トルクτｍは、図５に示すように、増大しそして減少する。図５に示す結果は、Ｈ＝５３．２２ｍｍ、Ｎ＝２、Ｋ＝３Ｎ・ｍ／ｄｅｇ、θｍａｘ＝２２°としたときのものである。
【００２９】
図５に示す結果の重要な点は、捻りばね５に力を蓄積すればするほど、より小さなモータ（ギヤードモータ９）トルクでよいという点である。本発明の弾撥力発生装置においては、小さなモータ（ギヤードモータ９）トルクで大きな力を、捻りばね５に蓄積できる。Ｈ＝５３．２２ｍｍ、Ｎ＝２、Ｋ＝３Ｎ・ｍ／ｄｅｇ、θｍａｘ＝２２°としたときに、一対の捻りばね５に１３２Ｎ・ｍのトルクを蓄積するのに要したモータ（ギヤードモータ９）のトルクは、図５に示すように、約９Ｎ・ｍのピークトルクであった。
【００３０】
図６に、捻りばね５に力を蓄積する過程における、カム７とアクチュエータロッド３−１およびカムフォロアロッド３−２からなる作動部材３の幾何学的位置関係を示す。図６（ａ）はカム７の回動開始時点の状態、図６（ｂ）はカム７の回動中間段階、図６（ｃ）はカム７の回動最終段階（上死点：ＵＤ（upper dead point））の状態を示している。図６（ｃ）に示すように、捻りばね５への力の蓄積の最終段階においては、力Ｆの方向がカム７の駆動軸（軸８）の軸心を通る。この状態でモータ（ギヤードモータ９）の駆動を止めると、モータの駆動トルクτｍ＝０の状態で弾撥力発生装置のメカニズムはロックされ、捻りばね５に最大の力を保つことができる。カム７の回動（ギヤードモータ９の駆動）を制御するために、図１および図７（ａ）、（ｂ）に示すように、リミットスイッチ１０およびリミットスイッチ１０のＯＮ−ＯＦＦを行うべくリミットスイッチ用カム１１が配設される。
【００３１】
この実施例においては、カム７の回動を制御するのに機械式のリミットスイッチを用いたが、本発明はこれに限ることなく、光学式のもの或いはモータ等の回転センサを利用することも勿論できる。
【００３２】
ロックされたメカニズムを解除してモータ（ギヤードモータ９）をさらに駆動すると、図６（ｃ）に示す状態からカム７が時計方向に回動し、直後の段差部でカムフォロア６が急激にカム７の駆動軸（軸８）の軸心方向へ支点（ジョイント）４の中心（軸４−１の軸心）回りに変位する。即ち、作動部材３揺動の拘束が解かれて捻りばね５に蓄積された力が瞬時に解放されアクチュエータロッド３−１の強い弾撥力発生となる。
【００３３】
このように、本発明の弾撥力発生装置にあっては、エンコーダ等の回転センサは必要なく、また、モータ回転の切り換えやその他の特別な機構も必要とせず、一方向に回転するモータ（ギヤードモータ９）とリミットスイッチ１０のみで制御される。制御のシーケンスは、以下の通りである。
１）リミットスイッチ１０がＯＮとなるまで、捻りばね５に力を蓄積すべくカム７はモータ（ギヤードモータ９）によって回動せしめられる。
２）リミットスイッチ１０がＯＮとなった時点でカム７の回動が停止し、メカニズムがロックされる。所望のタイミングでアクチュエータロッド３−１に弾撥力を発生せしめるべくロックが解除されてカム７が図６（ｃ）の状態から時計方向にモータ（ギヤードモータ９）によって回動せしめられると、カムフォロア６はカム７の段差部で急激にカム７の駆動軸（軸８）の軸心方向へ支点（ジョイント）４の中心（軸４−１の軸心）回りに変位する（リミットスイッチ１０がＯＦＦとなる。）。
３）再びリミットスイッチ１０がＯＮとなるまで、捻りばね５に力を蓄積すべくカム７はモータ（ギヤードモータ９）によって回動せしめられる。
これらの状態を図７（ａ）、（ｂ）に示す。図７（ａ）に示すのは、捻りばね５に力を蓄積する過程であり、リミットスイッチ１０がＯＦＦとなっている。捻りばね５にフルに力が蓄積されたとき、図７（ｂ）に示すように、リミットスイッチ１０がＯＮとなる。そこでモータ（ギヤードモータ９）が停止し、メカニズムはロックされる。この状態からメカニズムのロックを解除し、モータ（ギヤードモータ９）を図６でみて時計方向に回転駆動すると、作動部材３（カムフォロアロッド３−２）の拘束状態が解除され、捻りばね５の復元力によって強い弾撥力がアクチュエータロッド３−１に発生する。
【００３４】
図８に、本発明をサッカー用ロボット１３のキック装置に応用したときの態様を示す。この場合、アクチュエータロッド１３−１にはパネルが付設される。
【実施例２】
【００３５】
図９（ａ）、（ｂ）に、本発明の弾撥力発生装置をロボット足部のジャンプ機能に応用した実施例を示す。図９（ａ）はロボット足部の外観を、図９（ｂ）は足部の内部における弾撥力発生装置を示している。この実施例においては、支点２４回りに捻りばね２５が巻回され、支点２４はハウジング２２に固設され、アクチュエータロッド２３−１を回動自在に支持している。
【００３６】
図９（ｂ）に示す状態において、捻りばね２５にはフルに力が蓄積されてリミットスイッチ（図示せず）が作動し、カム２７の回動がギヤードモータ２９の停止によってロックされており、カム２７の段差部の直前でカム２７の外周面とカムフォロア２６とが接している。この状態からメカニズムのロックを解除してカム２７を時計方向に回動させると、カムフォロア２６はカム２７の段差部で急激に変位し、アクチュエータ２３−１に下方に向けた強い弾撥力が発生し、ロボットはジャンプする。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施例に係る、弾撥力発生装置の全体を示す斜視図
【図２】本発明におけるアクチュエータロッドおよびカムフォロアロッドからなる作動部材の支点とカムフォロアの回転中心を結ぶ線分ｎと、力の作用方向の関係を示す模式図
【図３】本発明の一実施例に係る、弾撥力発生装置のカムと作動部材および捻りばねの関係を示す縦断面図
【図４】本発明の一実施例に係る、弾撥力発生装置の力蓄積の各段階における幾何学的パラメータを示す縦断面図
【図５】本発明の一実施例に係る、弾撥力発生装置のモータトルクと捻りばねに蓄積される力τｓおよびカムフォロアの回転中心とカムの回動中心との垂直距離ｄ、カムからカムフォロアに伝達される力の大きさならびにモータ駆動トルクτｍの関係を示すグラフ
【図６】本発明の一実施例に係る、弾撥力発生装置における力蓄積過程のカムおよびアクチュエータロッドとカムフォロアロッドからなる作動部材の位置関係を示す正面図であり、（ａ）は力蓄積開始時点、（ｂ）は途中段階、（ｃ）はフルに力蓄積を行った段階を示す図である。
【図７】本発明の一実施例に係る、弾撥力発生装置におけるモータの駆動制御用リミットスイッチおよびリミットスイッチ用カムの作動状態を示す正面図であり、（ａ）はリミットスイッチＯＦＦ時、（ｂ）はリミットスイッチＯＮ時を示す図である。
【図８】本発明の一実施例に係る、弾撥力発生装置をサッカーロボットのキッカーに適用した例を示す斜視図
【図９】本発明の他の実施例に係る、弾撥力発生装置をロボット足部のジャンプ機構に応用した態様を示す斜視図であり、（ａ）は外観図、（ｂ）は内部斜視図である。
【図１０】従来の弾撥力発生手段を示す模式図であり、（ａ）は支点上部で弾撥力適用方向とは逆にアクチュエータに力を作用させる例、（ｂ）は支点下部で弾撥力適用方向にアクチュエータに力を作用させる例、（ｃ）はソレノイドＳによって直接的に対象に弾撥力を適用する例を示す図である。
【図１１】従来の、弾性体Ｅを用いた弾撥力発生手段を示す模式図
【図１２】従来の、カムとばねを用いたベルト表面の付着物除去装置を示す正面図であり、（ａ）は詳細図、（ｂ）は全体図である。
【符号の説明】
【００３８】
１ 弾撥力発生装置
２ ハウジング
３ 作動部材
３−１ アクチュエータロッド
３−２ カムフォロアロッド
４ 支点（ジョイント）
４−１ 軸
５ 捻りばね
６ カムフォロア
７ カム
８ 軸
９ ギヤードモータ
１０ リミットスイッチ
１１ リミットスイッチ用カム
１３ ロボット
１３−１ アクチュエータロッド部
２２ ハウジング
２３−１ アクチュエータロッド
２４ 支点
２５ 捻りばね
２６ カムフォロア
２７ カム
２８ 軸
２９ ギヤードモータ
１０１ コンベアベルト
１０２ ヘッドプーリ
１０４ 原動スプロケットホイール
１０５ 従動スプロケットホイール
１０６ チェーン
１０７ アイドラ
１０８ モータ
１０９ ホッパ
１１０ カム軸
１１１ カム
１１５ ロッド
１１６ ローラ
１１７ スプリング受け
１１８ 弾撥スプリング
１１９ ケース
１１９ａ ストッパ
１２０ ハンマヘッド
Ｓ ソレノイド
Ｊ 支点
Ａ アクチュエータ
Ｏ 弾撥力対象
Ｅ 弾性体
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アミューズメント装置やレスキュー用ロボット、プレス加工機、ハンマリング装置等大きな弾撥力を必要とする箇所に好適に用いることができる、小さなモータで大きな力の蓄積が可能な弾撥力発生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ロボットにおけるキッカー、ジャンプ機能をもつ足部、また金属加工分野におけるプレス加工機、ハンマリング装置のように、強い弾撥力を必要とする分野は広い。
【０００３】
弾撥力を発生させる手段として、図１０に示すように、ソレノイドＳによる電磁作用を利用して、図１０（ａ）に示すようなアクチュエータＡの支点Ｊの上部を矢印方向に変位させて対象Ｏたとえばボールに図でみて左側への弾撥力を適用することや、図１０（ｂ）に示すように、アクチュエータＡの支点Ｊの下部を矢印方向に変位させて対象Ｏたとえばボールに弾撥力を適用することさらには、図１０（ｃ）に示すように、対象Ｏに直接的にソレノイドＳによって対象Ｏたとえばボールに弾撥力を適用することが行われている。また、図１１に示すように、弾性体Ｅを伸長させてそれが収縮するときに発生する弾撥力を対象Ｏに適用することも行われている。
【０００４】
一方、図１２に示すように、コンベアベルト表面に付着残留する搬送物を剥落させるべく、ベルト裏面に弾撥力を適用する装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。この先行技術は図１２（ａ）（引用特許文献における図４）に示すように、カム軸１１０に固設されているカム１１１の内周面に転がり接触するローラ１１６（カムフォロア）がカム１１１の時計方向の回転によってロッド１１５を上昇させ、この過程でケース１１９内でスプリング受け１１７上に載置されている弾撥スプリング１１８を圧縮させ、カム１１１の段差部においてローラ１１６（カムフォロア）が急激に鉛直方向に変位することによって弾撥スプリング１１８の圧縮力が解放されてロッド１１５と一体的に形成されているハンマヘッド１２０に弾撥力を付与する。これによって、図１２（ｂ）（特許文献１における図５）に示されるように、ホッパ１０９内においてヘッドプーリ１０２からリターン過程にあるコンベアベルト１０１の裏面にハンマヘッド１２０を衝突させ、コンベアベルト１０１の表面に残存、付着している搬送物を剥落させる。図１２において、１１９ａはストッパであって、スプリング受け１１７をこの位置で停止させる。また、図１２（ｂ）において、１０８はカム１１１を回転させるべく機能するモータ、１０４は原動スプロケットホイール、１０５は従動スプロケットホイール、１０６はチェーン、１０７はアイドラである。
【特許文献１】特開２００１−１５１３３２号公報
【０００５】
他方、カメラにおいて、シャッタ動作を行わせるべく、捻りばねに力を蓄積し、カムによって捻りばねに蓄積された力を瞬時に解放しシャッタを作動させる機構も既知である（たとえば、特許文献２における図１、図２参照）。
【特許文献２】特開平０７−２１９０１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、図９に示す、ソレノイドＳを利用する弾撥力発生装置は、高速度であり簡便な制御機構で作動させ得る等の長所があるが、大電流が必要であるほか重量が大きくなり、また大きなスペースを要する問題がある。また、ソレノイドＳに代えて空気圧シリンダを用いることも考えられる。その場合、スペースも小さくて済み、簡単な制御機構で作動させ得る利点があるが、低速であり、弾撥力の低下を生じる問題がある。さらに、図１０に示す、弾性体Ｅを用いる装置は高速ではあるが、力の蓄積機構、力の解放機構等複雑なメカニズムと制御機構を必要とする。
【０００７】
一方、特許文献１に開示されている技術は、小さなモータで大きな力を蓄積するための手段を有しておらず、大きな動力を要する機構となっている。また、特許文献２も小さなモータで大きな力を蓄積するための手段を教示していない。
【０００８】
本発明は、小さなモータで大きな力を蓄積し、強い弾撥力を発生させることができる弾撥力発生装置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】
【０００９】
上記課題を解決するための、請求項１に記載の発明は、カムフォロア部とアクチュエータロッド部とを有する作動部材を支点（ジョイント）で枢支するとともにハウジングに固定される軸の回りに、その一端がハウジングに固定されるとともに他端が前記アクチュエータロッド部に固定され、作動部材の回動によって力を蓄積しカムフォロア部の拘束を解放することによって弾撥力をアクチュエータロッド部に発生させるべく機能する捻りばねを巻回するとともに、カムフォロアロッド端部に転がり摩擦によってカム外周面と接するカムフォロアを形成しさらに、カムの回動によってカム外周面からカムフォロアに伝達される力（Ｆ）の作用点におけるカム外周面の法線と、作動部材の支点とカムフォロアの回転軸心とを結ぶ線分とが垂直又はその近傍の角度となる外周面プロフィルを有するとともにその段差部によって作動部材の拘束を解放するカムおよび該カムの回転駆動装置とを有する弾撥力発生装置である。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、カムの回動サイクルの上死点（ＵＤ）において、該カムの外周面からカムフォロアに伝達される力（Ｆ）の方向と前記カムの回動軸心とが一致するようにカムを配設してなる請求項１に記載の弾撥力発生装置である。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、カムの回動状態の検出手段を設け、該検出手段からの信号に基づいてカムの回動を停止しまたは始動させる制御を行う制御手段を配設してなる請求項１又は請求項２に記載の弾撥力発生装置である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、簡潔かつ小型の装置構成にして、大きな力を小さなモータかつ小さなトルクで捻りばねに蓄積しこれを瞬時に解放することによって、強い弾撥力をアクチュエータによって対象に適用することができる。
【００１３】
請求項２および請求項３に記載の発明によるときは、カムを回転させるためのトルクが零の状態で弾撥力発生のタイミングを調整可能であり、所望のタイミングで強い弾撥力を対象に適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の弾撥力発生装置は、次の主要構成からなる。即ち、
１）捻りばねに、小さなモータで大きな力を蓄積するメカニズム
２）捻りばねに蓄積された力を保持（ロック）するメカニズム
３）捻りばね復元の拘束を解除し、強い弾撥力を発生させるメカニズム
【００１５】
本発明の弾撥力発生装置においては、小さなモータで大きな力を捻りばねに蓄積せしめるべく、モータ（ギヤードモータ）でカムを回動し、カム外周面と転がり摩擦によって接しているカムフォロアを変位させて捻りばねに力を蓄積する過程において、作動部材における支点とカムフォロアの回転中心とを結ぶ線分と、力の作用点におけるカム外周面の法線とが常時垂直またはその近傍の角度となるように、カムのプロフィルが形成されている。これによって、モータによって回動されるカムからカムフォロアおよびカムフォロアロッドを介して捻りばねに力を蓄積する過程で、力の方向と、作動部材における支点とカムフォロアの回転中心とを結ぶ線分とのなす角度が９０°又はその近傍の角度となり、最小の力でカムの回転トルクが捻りばねに蓄積される。
【実施例１】
【００１６】
図１に、本発明の一実施例に係る弾撥力発生装置を示す。図１において、１は弾撥力発生装置、２はハウジングであって、一対の作動部材３を回動自在に枢支する軸４−１からなる支点（ジョイント）４が固設されている。この実施例においては、図１および図２に示すように、作動部材３は支点（ジョイント）４の部位で屈曲する略逆Ｌ字状のプロフィルを呈している。作動部材３は、支点（ジョイント）４を境界としてアクチュエータロッド３−１およびカムフォロアロッド３−２からなる。
【００１７】
カムフォロアロッド３−２の端部には、図１および図３、図４ならびに図６、図７に示すように、カムフォロア６が回転自在に配設されている。この実施例においては、カムフォロア６は、図１に示すように、一対のカムフォロアロッド３−２端部に軸支されているニードルベアリングのアウタレースである。このカムフォロア６がカム７の外周面に転がり摩擦によって接している。
【００１８】
一方、作動部材３における支点（ジョイント）４の軸４−１回りには、図１および図３に示すように、ハウジング２内壁面と作動部材３間において一対の捻りばね５が巻回されている。一対の捻りばね５の一端は、図３、図４および図６、図７に示すように、ハウジング２の内壁面に固定され、他端は一対の作動部材３のアクチュエータロッド３−１にそれぞれ固定されている。
【００１９】
７はカムであり、図１に示すように、ハウジング２に回動自在に枢支される軸８に固設されている。而してカム７の外周面は、図１および図３、図４ならびに図６、図７に示すように、カムフォロア６と転がり摩擦によって接している。また、カム７は、軸８を介してギヤードモータ９によって回転駆動される。
【００２０】
一方、この実施例においては、図１および図７（ａ）、（ｂ）に示すように、軸８に一端にリミットスイッチ用カム１１が固設されている。カム１１の回動によってリミットスイッチ１０がＯＮ−ＯＦＦされる。
【００２１】
次いで、捻りばね５にカム７の回動によって力を蓄積するに際し、カムフォロア６の回転軸心を作動部材３の支点４回りに変位させるときに要する力Ｆについて説明する。ここで、
τｓ：ばねトルク（抵抗力）
Ｆ：カムフォロア６の回転軸心を作動部材３の支点４回りに変位させるときに要する力（動作力）
Ｘ：作動部材３の支点４の中心（軸４−１の軸心）と力Ｆの作用点間の距離
α：支点４の中心（軸４−１の軸心）とカムフォロア６の回転中心とを結ぶ線分ｎと力Ｆの方向とのなす角度とすると、動作力Ｆの大きさとαとの間には次の関係が成り立つ。
【００２２】
【数１】
【００２３】
而して、α＝９０°のとき、Ｆｍｉｎ＝τｓ／Ｘとなり、Ｆは最小となる。従って、作動部材３が支点４を中心として揺動するときの、支点４の中心（軸４−１の軸心）とカムフォロア６の回転中心とを結ぶ線分ｎのカムフォロア６の回転中心を通る垂線と、力Ｆの作用点におけるカム７の外周面の接線とが常に９０°或いはその近傍となるように、カム７のプロフィルを定める。作動部材３が支点４を中心として揺動するときの、支点４の中心（軸４−１の軸心）とカムフォロア６の回転中心とを結ぶ線分ｎのカムフォロア６の回転中心を通る垂線と、力Ｆの作用点におけるカム７の外周面の接線とが常に９０°となる点を連続させると、図３、図４ならびに図６、図７に示すカム７のプロフィルとなる。
【００２４】
そして、捻りばね５に力を蓄積するに必要な、ギヤードモータ９の出力トルクτｍはα＝９０°のときに最小となり、次式で示される。
【００２５】
【数２】
ｄ：力Ｆの方向と、カム７の駆動軸８の軸心間の垂直距離（図３）
【００２６】
次に、捻りばね５に力を蓄積するに要するギヤードモータ９の出力トルクτｍと、メカニズムの幾何学的関係と静的なパラメータの関係を次式に示す。
【００２７】
【数３】
Ｋ：ばね定数
Ｎ：捻りばね５の箇数
θｍａｘ：捻りばね５に最大に力を蓄積したときのアクチュエータロッド３−１の角度（図４におけるアクチュエータロッド３−１の位置１と位置３とのなす角度）
θｓ：捻りばね５に力を蓄積している途次におけるアクチュエータロッド３−１の角度、たとえば位置１と位置２とのなす角度
Ｌ：支点（ジョイント）４の中心（軸４−１の軸心）と、力Ｆの作用点間の距離（図４参照）
Ｈ：支点（ジョイント）４の中心（軸４−１の軸心）と、カム７の駆動軸（軸８）の軸心の鉛直方向距離（図４参照）
【００２８】
本発明の弾撥力発生装置においては、捻りばね５に力を蓄積している間は、図３に示す動作力Ｆとカム７の駆動軸（軸８）の軸心間の垂直距離ｄは減少し、捻りばね５のトルクτｓと動作力Ｆは増大する。その間のギヤードモータ９の出力トルクτｍは、図５に示すように、増大しそして減少する。図５に示す結果は、Ｈ＝５３．２２ｍｍ、Ｎ＝２、Ｋ＝３Ｎ・ｍ／ｄｅｇ、θｍａｘ＝２２°としたときのものである。
【００２９】
図５に示す結果の重要な点は、捻りばね５に力を蓄積すればするほど、より小さなモータ（ギヤードモータ９）トルクでよいという点である。本発明の弾撥力発生装置においては、小さなモータ（ギヤードモータ９）トルクで大きな力を、捻りばね５に蓄積できる。Ｈ＝５３．２２ｍｍ、Ｎ＝２、Ｋ＝３Ｎ・ｍ／ｄｅｇ、θｍａｘ＝２２°としたときに、一対の捻りばね５に１３２Ｎ・ｍのトルクを蓄積するのに要したモータ（ギヤードモータ９）のトルクは、図５に示すように、約９Ｎ・ｍのピークトルクであった。
【００３０】
図６に、捻りばね５に力を蓄積する過程における、カム７とアクチュエータロッド３−１およびカムフォロアロッド３−２からなる作動部材３の幾何学的位置関係を示す。図６（ａ）はカム７の回動開始時点の状態、図６（ｂ）はカム７の回動中間段階、図６（ｃ）はカム７の回動最終段階（上死点：ＵＤ（upper dead point））の状態を示している。図６（ｃ）に示すように、捻りばね５への力の蓄積の最終段階においては、力Ｆの方向がカム７の駆動軸（軸８）の軸心を通る。この状態でモータ（ギヤードモータ９）の駆動を止めると、モータの駆動トルクτｍ＝０の状態で弾撥力発生装置のメカニズムはロックされ、捻りばね５に最大の力を保つことができる。カム７の回動（ギヤードモータ９の駆動）を制御するために、図１および図７（ａ）、（ｂ）に示すように、リミットスイッチ１０およびリミットスイッチ１０のＯＮ−ＯＦＦを行うべくリミットスイッチ用カム１１が配設される。
【００３１】
この実施例においては、カム７の回動を制御するのに機械式のリミットスイッチを用いたが、本発明はこれに限ることなく、光学式のもの或いはモータ等の回転センサを利用することも勿論できる。
【００３２】
ロックされたメカニズムを解除してモータ（ギヤードモータ９）をさらに駆動すると、図６（ｃ）に示す状態からカム７が時計方向に回動し、直後の段差部でカムフォロア６が急激にカム７の駆動軸（軸８）の軸心方向へ支点（ジョイント）４の中心（軸４−１の軸心）回りに変位する。即ち、作動部材３揺動の拘束が解かれて捻りばね５に蓄積された力が瞬時に解放されアクチュエータロッド３−１の強い弾撥力発生となる。
【００３３】
このように、本発明の弾撥力発生装置にあっては、エンコーダ等の回転センサは必要なく、また、モータ回転の切り換えやその他の特別な機構も必要とせず、一方向に回転するモータ（ギヤードモータ９）とリミットスイッチ１０のみで制御される。制御のシーケンスは、以下の通りである。
１）リミットスイッチ１０がＯＮとなるまで、捻りばね５に力を蓄積すべくカム７はモータ（ギヤードモータ９）によって回動せしめられる。
２）リミットスイッチ１０がＯＮとなった時点でカム７の回動が停止し、メカニズムがロックされる。所望のタイミングでアクチュエータロッド３−１に弾撥力を発生せしめるべくロックが解除されてカム７が図６（ｃ）の状態から時計方向にモータ（ギヤードモータ９）によって回動せしめられると、カムフォロア６はカム７の段差部で急激にカム７の駆動軸（軸８）の軸心方向へ支点（ジョイント）４の中心（軸４−１の軸心）回りに変位する（リミットスイッチ１０がＯＦＦとなる。）。
３）再びリミットスイッチ１０がＯＮとなるまで、捻りばね５に力を蓄積すべくカム７はモータ（ギヤードモータ９）によって回動せしめられる。
これらの状態を図７（ａ）、（ｂ）に示す。図７（ａ）に示すのは、捻りばね５に力を蓄積する過程であり、リミットスイッチ１０がＯＦＦとなっている。捻りばね５にフルに力が蓄積されたとき、図７（ｂ）に示すように、リミットスイッチ１０がＯＮとなる。そこでモータ（ギヤードモータ９）が停止し、メカニズムはロックされる。この状態からメカニズムのロックを解除し、モータ（ギヤードモータ９）を図６でみて時計方向に回転駆動すると、作動部材３（カムフォロアロッド３−２）の拘束状態が解除され、捻りばね５の復元力によって強い弾撥力がアクチュエータロッド３−１に発生する。
【００３４】
図８に、本発明をサッカー用ロボット１３のキック装置に応用したときの態様を示す。この場合、アクチュエータロッド１３−１にはパネルが付設される。
【実施例２】
【００３５】
図９（ａ）、（ｂ）に、本発明の弾撥力発生装置をロボット足部のジャンプ機能に応用した実施例を示す。図９（ａ）はロボット足部の外観を、図９（ｂ）は足部の内部における弾撥力発生装置を示している。この実施例においては、支点２４回りに捻りばね２５が巻回され、支点２４はハウジング２２に固設され、アクチュエータロッド２３−１を回動自在に支持している。
【００３６】
図９（ｂ）に示す状態において、捻りばね２５にはフルに力が蓄積されてリミットスイッチ（図示せず）が作動し、カム２７の回動がギヤードモータ２９の停止によってロックされており、カム２７の段差部の直前でカム２７の外周面とカムフォロア２６とが接している。この状態からメカニズムのロックを解除してカム２７を時計方向に回動させると、カムフォロア２６はカム２７の段差部で急激に変位し、アクチュエータ２３−１に下方に向けた強い弾撥力が発生し、ロボットはジャンプする。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施例に係る、弾撥力発生装置の全体を示す斜視図
【図２】本発明におけるアクチュエータロッドおよびカムフォロアロッドからなる作動部材の支点とカムフォロアの回転中心を結ぶ線分ｎと、力の作用方向の関係を示す模式図
【図３】本発明の一実施例に係る、弾撥力発生装置のカムと作動部材および捻りばねの関係を示す縦断面図
【図４】本発明の一実施例に係る、弾撥力発生装置の力蓄積の各段階における幾何学的パラメータを示す縦断面図
【図５】本発明の一実施例に係る、弾撥力発生装置のモータトルクと捻りばねに蓄積される力τｓおよびカムフォロアの回転中心とカムの回動中心との垂直距離ｄ、カムからカムフォロアに伝達される力の大きさならびにモータ駆動トルクτｍの関係を示すグラフ
【図６】本発明の一実施例に係る、弾撥力発生装置における力蓄積過程のカムおよびアクチュエータロッドとカムフォロアロッドからなる作動部材の位置関係を示す正面図であり、（ａ）は力蓄積開始時点、（ｂ）は途中段階、（ｃ）はフルに力蓄積を行った段階を示す図である。
【図７】本発明の一実施例に係る、弾撥力発生装置におけるモータの駆動制御用リミットスイッチおよびリミットスイッチ用カムの作動状態を示す正面図であり、（ａ）はリミットスイッチＯＦＦ時、（ｂ）はリミットスイッチＯＮ時を示す図である。
【図８】本発明の一実施例に係る、弾撥力発生装置をサッカーロボットのキッカーに適用した例を示す斜視図
【図９】本発明の他の実施例に係る、弾撥力発生装置をロボット足部のジャンプ機構に応用した態様を示す斜視図であり、（ａ）は外観図、（ｂ）は内部斜視図である。
【図１０】従来の弾撥力発生手段を示す模式図であり、（ａ）は支点上部で弾撥力適用方向とは逆にアクチュエータに力を作用させる例、（ｂ）は支点下部で弾撥力適用方向にアクチュエータに力を作用させる例、（ｃ）はソレノイドＳによって直接的に対象に弾撥力を適用する例を示す図である。
【図１１】従来の、弾性体Ｅを用いた弾撥力発生手段を示す模式図
【図１２】従来の、カムとばねを用いたベルト表面の付着物除去装置を示す正面図であり、（ａ）は詳細図、（ｂ）は全体図である。
【符号の説明】
【００３８】
１ 弾撥力発生装置
２ ハウジング
３ 作動部材
３−１ アクチュエータロッド
３−２ カムフォロアロッド
４ 支点（ジョイント）
４−１ 軸
５ 捻りばね
６ カムフォロア
７ カム
８ 軸
９ ギヤードモータ
１０ リミットスイッチ
１１ リミットスイッチ用カム
１３ ロボット
１３−１ アクチュエータロッド部
２２ ハウジング
２３−１ アクチュエータロッド
２４ 支点
２５ 捻りばね
２６ カムフォロア
２７ カム
２８ 軸
２９ ギヤードモータ
１０１ コンベアベルト
１０２ ヘッドプーリ
１０４ 原動スプロケットホイール
１０５ 従動スプロケットホイール
１０６ チェーン
１０７ アイドラ
１０８ モータ
１０９ ホッパ
１１０ カム軸
１１１ カム
１１５ ロッド
１１６ ローラ
１１７ スプリング受け
１１８ 弾撥スプリング
１１９ ケース
１１９ａ ストッパ
１２０ ハンマヘッド
Ｓ ソレノイド
Ｊ 支点
Ａ アクチュエータ
Ｏ 弾撥力対象
Ｅ 弾性体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カムフォロア部（３−２）とアクチュエータロッド部（３−１）とを有する作動部材（３）を支点（ジョイント）（４）で枢支するとともにハウジング（２）に固定される軸（４−１）の回りに、その一端がハウジング（２）に固定されるとともに他端が前記アクチュエータロッド部（３−１）に固定され、作動部材（３）の回動によって力を蓄積しカムフォロア部（３−２）の拘束を解放することによって弾撥力をアクチュエータロッド部（３−１）に発生させるべく機能する捻りばね（５）を巻回するとともに、カムフォロアロッド（３−２）端部に転がり摩擦によってカム（７）外周面と接するカムフォロア（６）を形成しさらに、カム（７）の回動によってカム外周面からカムフォロアに伝達される力（Ｆ）の作用点におけるカム外周面の法線と作動部材（３）の支点（４）とカムフォロア（６）の回転軸心とを結ぶ線分とが垂直又はその近傍の角度となるプロフィルを有するとともにその段差部によって作動部材（３）の拘束を解放するカム（７）および該カムの回転駆動装置（９）とを有することを特徴とする弾撥力発生装置。
【請求項２】
カム（７）の回動サイクルの上死点（ＵＤ）において、カム（７）の外周面からカムフォロア（６）に伝達される力（Ｆ）の方向とカム（７）の回動軸心とが一致するようにカム（７）を配設してなる請求項１に記載の弾撥力発生装置。
【請求項３】
カム（７）の回動状態の検出手段（１０）を設け、該検出手段からの信号に基づいてカム（７）の回動を停止しまたは始動させる制御を行う制御手段を配設してなる請求項１又は請求項２に記載の弾撥力発生装置。
【請求項１】
カムフォロア部（３−２）とアクチュエータロッド部（３−１）とを有する作動部材（３）を支点（ジョイント）（４）で枢支するとともにハウジング（２）に固定される軸（４−１）の回りに、その一端がハウジング（２）に固定されるとともに他端が前記アクチュエータロッド部（３−１）に固定され、作動部材（３）の回動によって力を蓄積しカムフォロア部（３−２）の拘束を解放することによって弾撥力をアクチュエータロッド部（３−１）に発生させるべく機能する捻りばね（５）を巻回するとともに、カムフォロアロッド（３−２）端部に転がり摩擦によってカム（７）外周面と接するカムフォロア（６）を形成しさらに、カム（７）の回動によってカム外周面からカムフォロアに伝達される力（Ｆ）の作用点におけるカム外周面の法線と作動部材（３）の支点（４）とカムフォロア（６）の回転軸心とを結ぶ線分とが垂直又はその近傍の角度となるプロフィルを有するとともにその段差部によって作動部材（３）の拘束を解放するカム（７）および該カムの回転駆動装置（９）とを有することを特徴とする弾撥力発生装置。
【請求項２】
カム（７）の回動サイクルの上死点（ＵＤ）において、カム（７）の外周面からカムフォロア（６）に伝達される力（Ｆ）の方向とカム（７）の回動軸心とが一致するようにカム（７）を配設してなる請求項１に記載の弾撥力発生装置。
【請求項３】
カム（７）の回動状態の検出手段（１０）を設け、該検出手段からの信号に基づいてカム（７）の回動を停止しまたは始動させる制御を行う制御手段を配設してなる請求項１又は請求項２に記載の弾撥力発生装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００７−１２０６９２（Ｐ２００７−１２０６９２Ａ）
【公開日】平成１９年５月１７日（２００７．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３１５９９４（Ｐ２００５−３１５９９４）
【出願日】平成１７年１０月３１日（２００５．１０．３１）
【出願人】（５０１２２３９９５）財団法人北九州産業学術推進機構 (12)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年５月１７日（２００７．５．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１０月３１日（２００５．１０．３１）
【出願人】（５０１２２３９９５）財団法人北九州産業学術推進機構 (12)
【Ｆターム（参考）】
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