荷重補償装置
【課題】作動リンク自体に与える補償力の影響を少なくし、効率のよい簡易的構成の荷重補償装置。
【解決手段】基台２に回転可能に支持される作動リンク３と、作動リンク３と共に回転する作動リンク回転部材６と、作動リンク回転部材６に対する回転数の比が２対１であるクランク回転部材７と、クランク回転部材７と共に回転可能な第１のクランク部材９と、第１のクランク部材９と同じ長第２のクランク部材１０と、第１のクランク部材９の他端と第２のクランク部材１０の一端を回転可能に連結するクランク連結部材１１と、第２のクランク部材１０の他端を回転可能に支持するスライダ１３と、スライダ１３を案内する案内部材１４と、スライダ１３に一端を取り付けられ、基台２に他端を取り付けられた弾性部材１５と、を備え、作動リンク３が鉛直方向に位置する時、第１のクランク部材９と第２のクランク部材１０が直線上に位置し、弾性部材１５が自然長となる。
【解決手段】基台２に回転可能に支持される作動リンク３と、作動リンク３と共に回転する作動リンク回転部材６と、作動リンク回転部材６に対する回転数の比が２対１であるクランク回転部材７と、クランク回転部材７と共に回転可能な第１のクランク部材９と、第１のクランク部材９と同じ長第２のクランク部材１０と、第１のクランク部材９の他端と第２のクランク部材１０の一端を回転可能に連結するクランク連結部材１１と、第２のクランク部材１０の他端を回転可能に支持するスライダ１３と、スライダ１３を案内する案内部材１４と、スライダ１３に一端を取り付けられ、基台２に他端を取り付けられた弾性部材１５と、を備え、作動リンク３が鉛直方向に位置する時、第１のクランク部材９と第２のクランク部材１０が直線上に位置し、弾性部材１５が自然長となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、マニピュレータ、荷役機械、建設機械、ロボットアーム、ヒューマノイド等に用いる荷重補償装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
物資運搬作業、土木作業、組み付け作業等では、垂直平面内で回動する作動リンクを備えた機器が広く利用されている。これらの機器は、重力に逆らって作動リンクの自重を支える自重トルクをアクチュエータが負担する必要があるため、駆動効率が低下する問題があった。
【０００３】
このため、バネやリンク機構を用いて機械的に作動リンクの角度に関係なく自重トルクを相殺する技術が開示されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４１４４０２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
現在開発されている機械的な自重補償装置は、作動リンク途中に取り付けられた力点を牽引又は押し上げることで補償トルクを発生している。そのため、作動リンクに直接補償するための力を加える必要があり、その補償力を得るには、モータ等を用いた駆動力の他に、バネやシリンダー等を用いた別の補償力を伝達する力伝達機構を追加する場合がある。このように複数の力伝達機構を追加することで重量の増加、可動範囲の制限や機構自体の複雑化を招く可能性があった。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためのものであって、上記の補償力機構を含む，複数の力伝達機構を１つにまとめることが可能となるため、作動リンク自体に与える補償力の影響を少なくし、効率が良く、簡易的構成の荷重補償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】
【０００７】
そのために本発明の荷重補償装置は、基台と、前記基台に回転可能に支持される作動リンクと、前記基台に支持されて前記作動リンクと共に回転する作動リンク回転部材と、前記基台に支持されて前記作動リンク回転部材の回転に対応して回転数の比が２対１で回転するクランク回転部材と、一端を前記基台に支持されて前記クランク回転部材と共に回転可能な第１のクランク部材と、前記第１のクランク部材と同じ長さであって前記第１のクランク部材に対して回転可能な第２のクランク部材と、前記第１のクランク部材の他端と前記第２のクランク部材の一端を回転可能に連結するクランク連結部材と、前記第２のクランク部材の他端を回転可能に支持するスライダと、前記スライダを案内する案内部材と、前記スライダに一端を取り付けられ、前記基台に他端を取り付けられた弾性部材と、を備え、前記作動リンクが鉛直方向に位置する時、前記第１のクランク部材と前記第２のクランク部材が直線上に位置し、前記弾性部材が自然長となることを特徴とする。
【０００８】
また、前記作動リンク回転部材は、作動リンクギヤであり、前記クランク回転部材は、前記作動リンクギヤに噛み合うクランクギヤであることを特徴とする。
【０００９】
また、前記作動リンクギヤ及び前記クランクギヤは、傘歯歯車であることを特徴とする。
【００１０】
また、前記作動リンク回転部材は、作動リンクスプロケットであり、前記クランク回転部材は、クランクスプロケットであり、前記作動リンクスプロケット及び前記クランクスプロケットの外周に巻き掛けられるスプロケット連結部材を有することを特徴とする。
【００１１】
また、前記弾性部材は、引っ張りバネであることを特徴とする。
【００１２】
また、前記弾性部材は、押しバネであることを特徴とする。
【００１３】
また、前記クランク回転部材の回転中心に対して前記第１のクランク部材とは反対側に設置されて前記クランク回転部材と共に回転する第１のカウンタウェイトを有することを特徴とする。
【００１４】
また、前記第２のクランク部材を前記スライダに支持するクランク軸部材を有し、前記クランク軸部材に対して前記第２のクランク部材とは反対側に設置されて前記第２のクランク部材と共に回転する第２のカウンタウェイトを有することを特徴とする。
【００１５】
また、前記クランクギヤの回転中心と前記クランク軸部材とを結んだ直線に対して、前記第１のクランク部材に線対称な第１のリンク式カウンタウェイトと、前記クランクギヤの回転中心と前記クランク軸部材とを結んだ直線に対して、前記第２のクランク部材に線対称な第２のリンク式カウンタウェイトと、前記クランクギヤの回転中心と前記クランク軸部材とを結んだ直線に対して、前記クランク連結部材に線対称な第１のリンク式カウンタウェイト連結部材と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では，作動リンク自体に与える補償力の影響を少なくし、効率が良く、簡易的構成の荷重補償装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１実施形態の荷重補償装置を示す図である。
【図２】第１実施形態の荷重補償装置の平面図である。
【図３】第１実施形態の荷重補償装置の作動状態を示す図である。
【図４】第２実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図である。
【図５】第２実施形態の荷重補償装置１の平面図である。
【図６】第３実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図である。
【図７】第４実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図である。
【図８】第５実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図である。
【図９】第６実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図である。
【図１０】第７実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図である。
【図１１】第８実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図である。
【図１２】第９実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図である。
【図１３】第１０実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図である。
【図１４】第１１実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図である。
【図１５】第１２実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１は第１実施形態の荷重補償装置１を示す図、図２は第１実施形態の荷重補償装置１の平面図である。
【００２０】
第１実施形態の荷重補償装置１は、基台２と、基台２に対して所定の角度範囲で回転可能に支持される作動リンク３と、作動リンク３の一端に取り付けられる荷重４と、作動リンク３の他端を基台２に軸支する作動リンク軸部材５と、作動リンク軸部材５に軸支されて作動リンク３と共に回転可能な作動リンクギヤ６と、作動リンクギヤ６に噛み合うクランクギヤ７と、クランクギヤ７を軸支するクランクギヤ軸部材８と、クランクギヤ軸部材８に一端を軸支されてクランクギヤ７と共に回転可能な第１のクランク部材９と、第１のクランク部材９に対して回転可能な第２のクランク部材１０と、第１のクランク部材９の他端と第２のクランク部材１０の一端を回転可能に連結するクランク連結部材１１と、第２のクランク部材１０の他端に設けられたクランク軸部材１２と、クランク軸部材１２を支持するスライダ１３と、スライダ１３を案内する案内部材１４と、スライダ１３に一端を取り付けられた弾性部材としての引っ張りバネ１５と、基台２に引っ張りバネ１５の他端を取り付ける引っ張りバネ支持部１６と、を備える。
【００２１】
基台２は、作動リンク軸部材５、クランクギヤ軸部材８、案内部材１４、及び引っ張りバネ支持部１６を支持する部材である。
【００２２】
作動リンク３は、一端に取り付けられた荷重４を基台２に対して回転可能に取り付けている。作動リンク軸部材５は、基台２に固定されて、作動リンク３及び作動リンクギヤ６を回転可能に支持している。なお、作動リンク軸部材５は、作動リンク３及び作動リンクギヤ６に対して固定し、基台２に対して回転可能に支持される構成としてもよい。
【００２３】
作動リンクギヤ６は、作動リンク３と共に回転し、クランクギヤ７と噛み合う。作動リンクギヤ６とクランクギヤ７のギヤ比は１対２であり、回転数の比が２対１で連結される。
【００２４】
クランクギヤ軸部材８は、基台２に固定されて、クランクギヤ７及び第１のクランク部材９を回転可能に支持している。なお、クランクギヤ軸部材８は、クランクギヤ７及び第１のクランク部材９に対して固定し、基台２に対して回転可能に支持される構成としてもよい。
【００２５】
第１のクランク部材９は、クランクギヤ軸部材８に一端を軸支されてクランクギヤ７と共に回転可能となっており、他端を第２のクランク部材１０の一端に対して回転可能に連結されている。クランク連結部材１１は、第１のクランク部材９と第２のクランク部材１０を回転可能に連結する部材である。第１のクランク部材９と第２のクランク部材１０は、同じ長さを有する。
【００２６】
第２のクランク部材１０は、一端をクランク連結部材１１に回転可能に連結され、他端をクランク軸部材１２に回転可能に連結され、第１のクランク部材９と同じ長さを有する。クランク軸部材１２は、スライダ１３に固定されて、第２のクランク部材１０を回転可能に支持している。なお、クランク軸部材１２は、第２のクランク部材１０に対して固定し、スライダ１３に対して回転可能に支持される構成としてもよい。
【００２７】
スライダ１３は、基台２に固定された案内部材１４に対して移動可能に取り付けられている。スライダ１３には、引っ張りバネ１５の一端が固着されている。引っ張りバネ１５の他端は、基台２に固定された引っ張りバネ支持部１６に取り付けられている。
【００２８】
次に、第１実施形態の荷重補償装置１の作動状態について説明する。
【００２９】
図３は、第１実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図である。
【００３０】
第１実施形態の荷重補償装置１の第１の状態としての初期状態は、図１に示した状態とする。初期状態では、荷重４が作動リンク軸部材５に対して鉛直方向の上方に位置している。また、初期状態では、クランクギヤ軸部材８、第１のクランク部材９、クランク連結部材１１、第２のクランク部材１０、及びクランク軸部材１２は、直線上に並ぶ上死点位置となり、引っ張りバネ１５が自然長となっていることが好ましい。
【００３１】
この初期状態から荷重４の位置が移動して、図３に示すような第２の状態としての作動状態となった場合、作動リンク３が角度θで傾いたとする。作動リンク３と共に回転する作動リンクギヤ６とクランクギヤ７のギヤ比は、１対２なので、クランクギヤ７及び第１のクランク部材９は初期状態と比較してθ／２回転する。なお、図３の２点鎖線は、初期状態での作動リンク３の位置を示す仮想線である。
【００３２】
この時、重力により働く作動リンク軸部材５の周りの自重トルクτ1は、以下の式（１）で表される。
【数１】
ただし、
ｍは荷重、
ｇは重力、
ｌは作動リンク３の長さ、
である。
【００３３】
また、この時の引っ張りバネ１５の伸びｓは、以下の式（２）で表される。
【数２】
ただし、
ｓは引っ張りバネ１５の伸び、
ａは第１のクランク部材９及び第２のクランク部材１０の長さ、
である。
【００３４】
したがって、引っ張りバネ１５にかかる移動方向の力ｆは、以下の式（３）で表される。
【数３】
ただし、
ｆは引っ張りバネ１５にかかる移動方向の力、
ｋは引っ張りバネ１５のバネ定数、
である。
【００３５】
この引っ張りバネ１５にかかる力ｆによってクランクギヤ軸部材８の周りのトルクτ2は、第１のクランク部材９、クランク連結部材１１、及び第２のクランク部材１０の自重、並びに、スライダ１３の摩擦を無視すれば、以下の式（４）で表される。
【数４】
【００３６】
式（４）を変形すれば、以下の式（５）で表される。
【数５】
【００３７】
ここで、バネ定数ｋを以下の式（６）のように設定する。
【数６】
【００３８】
すると、作動リンク３を保持するために必要な荷重補償トルクτgravは、作動リンク軸部材５の周りのトルクの釣り合いを考えると、以下の式（７）のように表される。
【数７】
【００３９】
したがって、作動リンク３自体に与える補償力の影響を少なくし、効率が良く、簡易的構成の荷重補償装置を提供することが可能となる。
【００４０】
また、作動リンク軸部材５を図示しない駆動モータ等の出力軸とすると、駆動する作動リンク３に対して、荷重補償装置１がそのまま組み入れられているので、駆動系と荷重補償装置１が一体となり、構造が簡略化される。
【００４１】
次に、第２実施形態について説明する。
【００４２】
図４は第２実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図、図５は第２実施形態の荷重補償装置１の平面図である。
【００４３】
図４及び図５に示した第２実施形態の荷重補償装置１は、弾性部材としての押しバネ１５’を用いたものである。例えば、図４及び図５に示すように、押しバネ１５’の一端をスライダ１３に対して第１実施形態とは反対側に設置し、他端を基台２に取り付けたものである。なお、図４の２点鎖線は、初期状態での作動リンク３の位置を示す仮想線である。
【００４４】
このように、押しバネ１５’を用いることによって、荷重補償装置１をコンパクトにすることが可能となる。
【００４５】
次に、第３実施形態について説明する。
【００４６】
図６は、第３実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図である。
【００４７】
図６に示した第３実施形態の荷重補償装置１は、第１のクランク部材９と第２のクランク部材１０を用いて平行リンクＬを形成したものである。例えば、図６に示すように、第１のクランク部材９に対して平行な第１のクランクリンク部材１９と、第２のクランク部材１０に対して平行な第２のクランクリンク部材２０と、を有する。なお、図６の２点鎖線は、初期状態での作動リンク３の位置を示す仮想線である。
【００４８】
また、平行リンクＬは、第１のクランクリンク部材１９及び第２のクランクリンク部材２０を有するため、クランクギヤ軸部材８に対応するように基台２に支持されて第１のクランクリンク部材１９を回転可能に支持する第１のクランクリンク支持部材１８と、クランク連結部材１１に対応するように第１のクランクリンク部材１９と第２のクランクリンク部材２０とを連結するクランクリンク連結部材２１と、クランク軸部材１２に対応するように第２のクランクリンク部材２０を回転可能に支持する第２のクランクリンク支持部材２２と、クランクギヤ軸部材８と第１のクランクリンク支持部材１８とを連結する第１の軸連結部材２３と、クランク連結部材１１とクランクリンク連結部材２１とを連結する第２の軸連結部材２４と、クランク軸部材１２とクランクリンク支持部材２２とを連結する第３の軸連結部材２５と、を有する。なお、案内部材１４には、第３の軸連結部材２５が移動可能に貫通するための図示しない長孔を有する。
【００４９】
このように、平行リンクＬを形成することによって、荷重補償装置１の強度を高めることができ、荷重４が重い場合にも対応することが可能となる。
【００５０】
次に、第４実施形態について説明する。
【００５１】
図７は、第４実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図である。
【００５２】
第４実施形態の荷重補償装置１は、初期状態のクランクギヤ軸部材８、第１のクランク部材９、クランク連結部材１１、第２のクランク部材１０、及びクランク軸部材１２を鉛直方向の直線上に配置したものである。例えば、第４実施形態の荷重補償装置１は、初期状態で、荷重４、作動リンク３、作動リンク軸部材５、第１のクランク部材９、クランク連結部材１１、第２のクランク部材１０、及び引っ張りバネ支持部１６が直線上に並ぶ上死点位置となり、引っ張りバネ１５が自然長となっている。なお、図７の２点鎖線は、初期状態での作動リンク３の位置を示す仮想線である。
【００５３】
第４実施形態の荷重補償装置１の荷重４が移動しても、荷重４及び作動リンク３が引っ張りバネ１５の力と釣り合い、図７に示すように、荷重補償される。
【００５４】
このように、第４実施形態の荷重補償装置１は、初期状態のクランクギヤ軸部材８、第１のクランク部材９、クランク連結部材１１、第２のクランク部材１０、及びクランク軸部材１２を鉛直方向の直線上に配置しても荷重補償することができるので、設計の自由度を高めることが可能となる。
【００５５】
次に、第５実施形態について説明する。
【００５６】
図８は、第５実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図である。
【００５７】
第５実施形態の荷重補償装置１は、初期状態では、荷重４及び作動リンク３を鉛直方向に位置させて、クランクギヤ軸部材８、第１のクランク部材９、クランク連結部材１１、第２のクランク部材１０、及びクランク軸部材１２を傾斜した直線上に配置する。作動リンク軸部材５、第１のクランク部材９、クランク連結部材１１、第２のクランク部材１０、及び引っ張りバネ支持部１６が直線上に並ぶ上死点位置となり、引っ張りバネ１５が自然長となっている。なお、図８の２点鎖線は、初期状態での作動リンク３の位置を示す仮想線である。
【００５８】
第５実施形態の荷重補償装置１の荷重４が移動しても、荷重４及び作動リンク３が引っ張りバネ１５の力と釣り合い、図８に示すように、荷重補償される。
【００５９】
このように、第５実施形態の荷重補償装置１は、初期状態のクランクギヤ軸部材８、第１のクランク部材９、クランク連結部材１１、第２のクランク部材１０、及びクランク軸部材１２を傾斜した直線上に配置しても荷重補償することができるので、設計の自由度を高めることが可能となる。
【００６０】
次に、第６実施形態について説明する。
【００６１】
図９は、第６実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図である。
【００６２】
第６実施形態の荷重補償装置１では、作動リンク３の移動面と、第１のクランク部材９及び第２のクランク部材１０の移動面とが、直交する関係にある。そのため、作動リンクギヤ６及びクランクギヤ７を傘歯歯車として連結している。
【００６３】
第６実施形態の荷重補償装置１は、初期状態では、荷重４及び作動リンク３を鉛直方向に位置させて、クランクギヤ軸部材８、第１のクランク部材９、クランク連結部材１１、第２のクランク部材１０、及びクランク軸部材１２を直線上に配置する。作動リンク軸部材５、第１のクランク部材９、クランク連結部材１１、第２のクランク部材１０、及び引っ張りバネ支持部１６が直線上に並ぶ上死点位置となり、引っ張りバネ１５が自然長となっている。なお、図９の２点鎖線は、初期状態での荷重４の位置を示す仮想線である。
【００６４】
第６実施形態の荷重補償装置１の荷重４が移動しても、荷重４及び作動リンク３が引っ張りバネ１５の力と釣り合い、荷重補償される。
【００６５】
このように、第６実施形態の荷重補償装置１は、作動リンク３の移動面と、第１のクランク部材９及び第２のクランク部材１０の移動面とが、直交する関係に配置しても荷重補償することができるので、設計の自由度を高めることが可能となる。
【００６６】
なお、第６実施形態の荷重補償装置１のクランクギヤ軸部材８、第１のクランク部材９、クランク連結部材１１、第２のクランク部材１０、及びクランク軸部材１２は、初期状態で、鉛直方向の直線上にあっても、傾斜した直線上にあってもよい。
【００６７】
次に、第７実施形態について説明する。
【００６８】
図１０は、第７実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図である。
【００６９】
第７実施形態の荷重補償装置１では、作動リンク軸部材５とクランクギヤ軸部材８とを、作動リンクスプロケット３１、クランクスプロケット３２、及びスプロケット連結部材としてのチェーン３３によって連結し、トルクを伝達するものである。
【００７０】
第７実施形態の荷重補償装置１は、初期状態では、荷重４及び作動リンク３を鉛直方向に位置させて、クランクギヤ軸部材８、第１のクランク部材９、クランク連結部材１１、第２のクランク部材１０、及びクランク軸部材１２を直線上に配置する。作動リンク軸部材５、第１のクランク部材９、クランク連結部材１１、第２のクランク部材１０、及び引っ張りバネ支持部１６が直線上に並ぶ上死点位置となり、引っ張りバネ１５が自然長となっている。なお、図１０の２点鎖線は、初期状態での荷重４の位置を示す仮想線である。
【００７１】
第７実施形態の荷重補償装置１の荷重４が移動しても、荷重４及び作動リンク３が引っ張りバネ１５の力と釣り合い、荷重補償される。
【００７２】
このように、第７実施形態の荷重補償装置１は、作動リンク軸部材５とクランクギヤ軸部材８とを、作動リンクスプロケット３１、クランクスプロケット３２、及びチェーン３３によって連結し、トルクを伝達するので、荷重４とスライダ１３等を離れた位置に設置することができ、設計の自由度を高めることが可能となる。
【００７３】
なお、第７実施形態では、作動リンクスプロケット３１とクランクスプロケット３２とをチェーン３３によって連結したが、スプロケット連結部材としてのベルト等によって連結してもよい。
【００７４】
また、第７実施形態の荷重補償装置１のクランクギヤ軸部材８、第１のクランク部材９、クランク連結部材１１、第２のクランク部材１０、及びクランク軸部材１２は、初期状態で、鉛直方向の直線上にあっても、傾斜した直線上にあってもよい。
【００７５】
次に、第８実施形態について説明する。
【００７６】
図１１は、第８実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図である。
【００７７】
第８実施形態の荷重補償装置１では、第１のクランク部材９及び第２のクランク部材１０のそれぞれの部材自身の重さの影響を低減するためにカウンタウェイト４１，４２を用いるものである。
【００７８】
第１のカウンタウェイト４１は、第１のクランク部材９に相当する重さであって、クランクギヤ軸部材８に対して第１のクランク部材９の反対側の位置に設置し、共に回転することが好ましい。なお、第１のカウンタウェイト４１は、クランクギヤ７の表面に設置してもよい。また、第２のカウンタウェイト４２は、第２のクランク部材１０に相当する重さであって、クランク軸部材１２に対して第２のクランク部材１０の反対側の位置に設置し、共に回転することが好ましい。
【００７９】
このように、第８実施形態の荷重補償装置１は、カウンタウェイト４１，４２を用いることによって、第１のクランク部材９及び第２のクランク部材１０のそれぞれの部材自身の重さの影響を低減することが可能となる。
【００８０】
また、第８実施形態の荷重補償装置１のクランクギヤ軸部材８、第１のクランク部材９、クランク連結部材１１、第２のクランク部材１０、及びクランク軸部材１２は、初期状態で、鉛直方向の直線上にあっても、傾斜した直線上にあってもよい。
【００８１】
次に、第９実施形態及び第１０実施形態について説明する。
【００８２】
図１２は第９実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図、図１３は第１０実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図である。
【００８３】
第９実施形態及び第１０実施形態の荷重補償装置１では、第１のクランク部材９及び第２のクランク部材１０のそれぞれの部材自身の重さの影響を低減するためにカウンタウェイト４１，４２を用いるものである。
【００８４】
第８実施形態の荷重補償装置１は、第１のカウンタウェイト４１及び第２のカウンタウェイト４２の２つを用いたが、第９実施形態及び第１０実施形態の荷重補償装置１では、図１２及び図１３に示すように、第１のカウンタウェイト４１のみ又は第２のカウンタウェイト４２のみを用いる。
【００８５】
図１２に示した第９実施形態の第１のカウンタウェイト４１は、クランクギヤ軸部材８に対して第１のクランク部材９の反対側の位置に設置し、共に回転することが好ましい。なお、第１のカウンタウェイト４１は、クランクギヤ７の表面に設置してもよい。この場合、第１のカウンタウェイト４１は、第１のクランク部材９及び第２のクランク部材１０の両方の重さに相当する重さであることが好ましい。
【００８６】
図１３に示した第１０実施形態の第２のカウンタウェイト４２は、クランク軸部材１２に対して第２のクランク部材１０の反対側の位置に設置し、共に回転することが好ましい。この場合、第２のカウンタウェイト４２は、第１のクランク部材９及び第２のクランク部材１０の両方の重さに相当する重さであることが好ましい。
【００８７】
このように、第９実施形態及び第１０実施形態の荷重補償装置１は、カウンタウェイト４１，４２を用いることによって、第１のクランク部材９及び第２のクランク部材１０のそれぞれの部材自身の重さの影響を低減することが可能となる。
【００８８】
また、第９実施形態及び第１０実施形態の荷重補償装置１のクランクギヤ軸部材８、第１のクランク部材９、クランク連結部材１１、第２のクランク部材１０、及びクランク軸部材１２は、初期状態で、鉛直方向の直線上にあっても、傾斜した直線上にあってもよい。
【００８９】
次に、第１１実施形態について説明する。
【００９０】
図１４は第１１実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図である。
【００９１】
第１１実施形態の荷重補償装置１では、第１のクランク部材９及び第２のクランク部材１０のそれぞれの部材自身の重さの影響を低減するためにリンク式カウンタウェイト５０を用いるものである。
【００９２】
図１４に示した第１１実施形態の荷重補償装置１は、クランクギヤ軸部材８とクランク軸部材１２とを結んだ直線に対して、第１のクランク部材９、クランク連結部材１１、及び第２のクランク部材１０と線対称なリンク式カウンタウェイト５０を設置する。
【００９３】
図１４に示した第１１実施形態のリンク式カウンタウェイト５０は、第１のリンク式カウンタウェイト５１と、第２のリンク式カウンタウェイト５２と、第１のリンク式カウンタウェイト５１と第２のリンク式カウンタウェイト５２とを連結するリンク式カウンタウェイト連結部材５３とを有する。
【００９４】
第１のリンク式カウンタウェイト５１は、クランクギヤ軸部材８とクランク軸部材１２とを結んだ直線に対して、常に第１のクランク部材９と線対称であり、同じ重さであることが好ましい。また、第２のリンク式カウンタウェイト５２は、クランクギヤ軸部材８とクランク軸部材１２とを結んだ直線に対して、常に第２のクランク部材１０と線対称であり、同じ重さであることが好ましい。さらに、リンク式カウンタウェイト連結部材５３は、クランクギヤ軸部材８とクランク軸部材１２とを結んだ直線に対して、常にクランク連結部材１１と線対称であり、同じ重さであることが好ましい。
【００９５】
このように、第１１実施形態の荷重補償装置１は、リンク式カウンタウェイト５０を用いることによって、第１のクランク部材９及び第２のクランク部材１０のそれぞれの部材自身の重さの影響を低減することが可能となる。
【００９６】
また、第１１実施形態の荷重補償装置１のクランクギヤ軸部材８、第１のクランク部材９、クランク連結部材１１、第２のクランク部材１０、及びクランク軸部材１２は、初期状態で、鉛直方向の直線上にあっても、傾斜した直線上にあってもよい。
【００９７】
次に、第１２実施形態について説明する。
【００９８】
図１５は、第１２実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図である。
【００９９】
第１２実施形態の荷重補償装置１では、第１のクランク部材９及び第２のクランク部材１０のそれぞれの部材自身の重さの影響を低減するためにクランク自重補償装置６０を用いるものである。
【０１００】
図１５に示した第１２実施形態のクランク自重補償装置６０は、第２のクランク部材１０とスライダ１３とを連結する。
【０１０１】
クランク自重補償装置６０は、スライダ１３に支持される基部６１と、第２のクランク部材１０に回転可能に支持される作用点としてのクランク取付部６２と、基部６１に回転可能に支持される移動部材６３と、一方をクランク取付部６２に回転可能に支持され、移動部材６３に摺動可能に支持される連結アーム６４と、一方で移動部材６３に支持されるバネ６５と、連結アーム６４の他方に取り付けられ、バネ６５の他方を支持するバネ受け部材６６と、を有する。なお、案内部材１４には、クランク自重補償装置６０の連結アーム６４及びバネ６５が移動可能に貫通するための図示しない長孔を有する。
【０１０２】
このように、第１２実施形態の荷重補償装置１は、クランク自重補償装置６０を用いることによって、第１のクランク部材９及び第２のクランク部材１０のそれぞれの部材自身の重さの影響を低減することが可能となる。
【０１０３】
また、第１２実施形態の荷重補償装置１のクランクギヤ軸部材８、第１のクランク部材９、クランク連結部材１１、第２のクランク部材１０、及びクランク軸部材１２は、初期状態で、鉛直方向の直線上にあっても、傾斜した直線上にあってもよい。
【０１０４】
以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。
【符号の説明】
【０１０５】
１…荷重補償装置
２…基台
３…作動リンク
４…荷重
５…作動リンク軸部材
６…作動リンクギヤ（作動リンク回転部材）
７…クランクギヤ（クランク回転部材）
８…クランクギヤ軸部材
９…第１のクランク部材
１０…第２のクランク部材
１１…クランク連結部材
１２…クランク軸部材
１３…スライダ
１４…案内部材
１５…引っ張りバネ（弾性部材）
１５’…押しバネ（弾性部材）
１６…バネ支持部
１８…第１のクランクリンク支持部材
１９…クランクリンク部材
２０…第２のクランクリンク部材
２１…クランクリンク連結部材
２２…第２のクランクリンク支持部材
２３…第１の軸連結部材
２４…第２の軸連結部材
２５…第３の軸連結部材
３１…作動リンクスプロケット（作動リンク回転部材）
３２…クランクスプロケット（クランク回転部材）
３３…チェーン（スプロケット連結部材）
４１…第１のカウンタウェイト
４１…第２のカウンタウェイト
５０…リンク式カウンタウェイト
５１…第１のリンク式カウンタウェイト
５２…第２のリンク式カウンタウェイト
５３…リンク式カウンタウェイト連結部材
６０…クランク自重補償装置
６１…基部
６２…クランク取付部
６３…移動部材
６４…連結アーム
６５…バネ
６６…バネ受け部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、マニピュレータ、荷役機械、建設機械、ロボットアーム、ヒューマノイド等に用いる荷重補償装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
物資運搬作業、土木作業、組み付け作業等では、垂直平面内で回動する作動リンクを備えた機器が広く利用されている。これらの機器は、重力に逆らって作動リンクの自重を支える自重トルクをアクチュエータが負担する必要があるため、駆動効率が低下する問題があった。
【０００３】
このため、バネやリンク機構を用いて機械的に作動リンクの角度に関係なく自重トルクを相殺する技術が開示されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４１４４０２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
現在開発されている機械的な自重補償装置は、作動リンク途中に取り付けられた力点を牽引又は押し上げることで補償トルクを発生している。そのため、作動リンクに直接補償するための力を加える必要があり、その補償力を得るには、モータ等を用いた駆動力の他に、バネやシリンダー等を用いた別の補償力を伝達する力伝達機構を追加する場合がある。このように複数の力伝達機構を追加することで重量の増加、可動範囲の制限や機構自体の複雑化を招く可能性があった。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためのものであって、上記の補償力機構を含む，複数の力伝達機構を１つにまとめることが可能となるため、作動リンク自体に与える補償力の影響を少なくし、効率が良く、簡易的構成の荷重補償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】
【０００７】
そのために本発明の荷重補償装置は、基台と、前記基台に回転可能に支持される作動リンクと、前記基台に支持されて前記作動リンクと共に回転する作動リンク回転部材と、前記基台に支持されて前記作動リンク回転部材の回転に対応して回転数の比が２対１で回転するクランク回転部材と、一端を前記基台に支持されて前記クランク回転部材と共に回転可能な第１のクランク部材と、前記第１のクランク部材と同じ長さであって前記第１のクランク部材に対して回転可能な第２のクランク部材と、前記第１のクランク部材の他端と前記第２のクランク部材の一端を回転可能に連結するクランク連結部材と、前記第２のクランク部材の他端を回転可能に支持するスライダと、前記スライダを案内する案内部材と、前記スライダに一端を取り付けられ、前記基台に他端を取り付けられた弾性部材と、を備え、前記作動リンクが鉛直方向に位置する時、前記第１のクランク部材と前記第２のクランク部材が直線上に位置し、前記弾性部材が自然長となることを特徴とする。
【０００８】
また、前記作動リンク回転部材は、作動リンクギヤであり、前記クランク回転部材は、前記作動リンクギヤに噛み合うクランクギヤであることを特徴とする。
【０００９】
また、前記作動リンクギヤ及び前記クランクギヤは、傘歯歯車であることを特徴とする。
【００１０】
また、前記作動リンク回転部材は、作動リンクスプロケットであり、前記クランク回転部材は、クランクスプロケットであり、前記作動リンクスプロケット及び前記クランクスプロケットの外周に巻き掛けられるスプロケット連結部材を有することを特徴とする。
【００１１】
また、前記弾性部材は、引っ張りバネであることを特徴とする。
【００１２】
また、前記弾性部材は、押しバネであることを特徴とする。
【００１３】
また、前記クランク回転部材の回転中心に対して前記第１のクランク部材とは反対側に設置されて前記クランク回転部材と共に回転する第１のカウンタウェイトを有することを特徴とする。
【００１４】
また、前記第２のクランク部材を前記スライダに支持するクランク軸部材を有し、前記クランク軸部材に対して前記第２のクランク部材とは反対側に設置されて前記第２のクランク部材と共に回転する第２のカウンタウェイトを有することを特徴とする。
【００１５】
また、前記クランクギヤの回転中心と前記クランク軸部材とを結んだ直線に対して、前記第１のクランク部材に線対称な第１のリンク式カウンタウェイトと、前記クランクギヤの回転中心と前記クランク軸部材とを結んだ直線に対して、前記第２のクランク部材に線対称な第２のリンク式カウンタウェイトと、前記クランクギヤの回転中心と前記クランク軸部材とを結んだ直線に対して、前記クランク連結部材に線対称な第１のリンク式カウンタウェイト連結部材と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明では，作動リンク自体に与える補償力の影響を少なくし、効率が良く、簡易的構成の荷重補償装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】第１実施形態の荷重補償装置を示す図である。
【図２】第１実施形態の荷重補償装置の平面図である。
【図３】第１実施形態の荷重補償装置の作動状態を示す図である。
【図４】第２実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図である。
【図５】第２実施形態の荷重補償装置１の平面図である。
【図６】第３実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図である。
【図７】第４実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図である。
【図８】第５実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図である。
【図９】第６実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図である。
【図１０】第７実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図である。
【図１１】第８実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図である。
【図１２】第９実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図である。
【図１３】第１０実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図である。
【図１４】第１１実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図である。
【図１５】第１２実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
図１は第１実施形態の荷重補償装置１を示す図、図２は第１実施形態の荷重補償装置１の平面図である。
【００２０】
第１実施形態の荷重補償装置１は、基台２と、基台２に対して所定の角度範囲で回転可能に支持される作動リンク３と、作動リンク３の一端に取り付けられる荷重４と、作動リンク３の他端を基台２に軸支する作動リンク軸部材５と、作動リンク軸部材５に軸支されて作動リンク３と共に回転可能な作動リンクギヤ６と、作動リンクギヤ６に噛み合うクランクギヤ７と、クランクギヤ７を軸支するクランクギヤ軸部材８と、クランクギヤ軸部材８に一端を軸支されてクランクギヤ７と共に回転可能な第１のクランク部材９と、第１のクランク部材９に対して回転可能な第２のクランク部材１０と、第１のクランク部材９の他端と第２のクランク部材１０の一端を回転可能に連結するクランク連結部材１１と、第２のクランク部材１０の他端に設けられたクランク軸部材１２と、クランク軸部材１２を支持するスライダ１３と、スライダ１３を案内する案内部材１４と、スライダ１３に一端を取り付けられた弾性部材としての引っ張りバネ１５と、基台２に引っ張りバネ１５の他端を取り付ける引っ張りバネ支持部１６と、を備える。
【００２１】
基台２は、作動リンク軸部材５、クランクギヤ軸部材８、案内部材１４、及び引っ張りバネ支持部１６を支持する部材である。
【００２２】
作動リンク３は、一端に取り付けられた荷重４を基台２に対して回転可能に取り付けている。作動リンク軸部材５は、基台２に固定されて、作動リンク３及び作動リンクギヤ６を回転可能に支持している。なお、作動リンク軸部材５は、作動リンク３及び作動リンクギヤ６に対して固定し、基台２に対して回転可能に支持される構成としてもよい。
【００２３】
作動リンクギヤ６は、作動リンク３と共に回転し、クランクギヤ７と噛み合う。作動リンクギヤ６とクランクギヤ７のギヤ比は１対２であり、回転数の比が２対１で連結される。
【００２４】
クランクギヤ軸部材８は、基台２に固定されて、クランクギヤ７及び第１のクランク部材９を回転可能に支持している。なお、クランクギヤ軸部材８は、クランクギヤ７及び第１のクランク部材９に対して固定し、基台２に対して回転可能に支持される構成としてもよい。
【００２５】
第１のクランク部材９は、クランクギヤ軸部材８に一端を軸支されてクランクギヤ７と共に回転可能となっており、他端を第２のクランク部材１０の一端に対して回転可能に連結されている。クランク連結部材１１は、第１のクランク部材９と第２のクランク部材１０を回転可能に連結する部材である。第１のクランク部材９と第２のクランク部材１０は、同じ長さを有する。
【００２６】
第２のクランク部材１０は、一端をクランク連結部材１１に回転可能に連結され、他端をクランク軸部材１２に回転可能に連結され、第１のクランク部材９と同じ長さを有する。クランク軸部材１２は、スライダ１３に固定されて、第２のクランク部材１０を回転可能に支持している。なお、クランク軸部材１２は、第２のクランク部材１０に対して固定し、スライダ１３に対して回転可能に支持される構成としてもよい。
【００２７】
スライダ１３は、基台２に固定された案内部材１４に対して移動可能に取り付けられている。スライダ１３には、引っ張りバネ１５の一端が固着されている。引っ張りバネ１５の他端は、基台２に固定された引っ張りバネ支持部１６に取り付けられている。
【００２８】
次に、第１実施形態の荷重補償装置１の作動状態について説明する。
【００２９】
図３は、第１実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図である。
【００３０】
第１実施形態の荷重補償装置１の第１の状態としての初期状態は、図１に示した状態とする。初期状態では、荷重４が作動リンク軸部材５に対して鉛直方向の上方に位置している。また、初期状態では、クランクギヤ軸部材８、第１のクランク部材９、クランク連結部材１１、第２のクランク部材１０、及びクランク軸部材１２は、直線上に並ぶ上死点位置となり、引っ張りバネ１５が自然長となっていることが好ましい。
【００３１】
この初期状態から荷重４の位置が移動して、図３に示すような第２の状態としての作動状態となった場合、作動リンク３が角度θで傾いたとする。作動リンク３と共に回転する作動リンクギヤ６とクランクギヤ７のギヤ比は、１対２なので、クランクギヤ７及び第１のクランク部材９は初期状態と比較してθ／２回転する。なお、図３の２点鎖線は、初期状態での作動リンク３の位置を示す仮想線である。
【００３２】
この時、重力により働く作動リンク軸部材５の周りの自重トルクτ1は、以下の式（１）で表される。
【数１】
ただし、
ｍは荷重、
ｇは重力、
ｌは作動リンク３の長さ、
である。
【００３３】
また、この時の引っ張りバネ１５の伸びｓは、以下の式（２）で表される。
【数２】
ただし、
ｓは引っ張りバネ１５の伸び、
ａは第１のクランク部材９及び第２のクランク部材１０の長さ、
である。
【００３４】
したがって、引っ張りバネ１５にかかる移動方向の力ｆは、以下の式（３）で表される。
【数３】
ただし、
ｆは引っ張りバネ１５にかかる移動方向の力、
ｋは引っ張りバネ１５のバネ定数、
である。
【００３５】
この引っ張りバネ１５にかかる力ｆによってクランクギヤ軸部材８の周りのトルクτ2は、第１のクランク部材９、クランク連結部材１１、及び第２のクランク部材１０の自重、並びに、スライダ１３の摩擦を無視すれば、以下の式（４）で表される。
【数４】
【００３６】
式（４）を変形すれば、以下の式（５）で表される。
【数５】
【００３７】
ここで、バネ定数ｋを以下の式（６）のように設定する。
【数６】
【００３８】
すると、作動リンク３を保持するために必要な荷重補償トルクτgravは、作動リンク軸部材５の周りのトルクの釣り合いを考えると、以下の式（７）のように表される。
【数７】
【００３９】
したがって、作動リンク３自体に与える補償力の影響を少なくし、効率が良く、簡易的構成の荷重補償装置を提供することが可能となる。
【００４０】
また、作動リンク軸部材５を図示しない駆動モータ等の出力軸とすると、駆動する作動リンク３に対して、荷重補償装置１がそのまま組み入れられているので、駆動系と荷重補償装置１が一体となり、構造が簡略化される。
【００４１】
次に、第２実施形態について説明する。
【００４２】
図４は第２実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図、図５は第２実施形態の荷重補償装置１の平面図である。
【００４３】
図４及び図５に示した第２実施形態の荷重補償装置１は、弾性部材としての押しバネ１５’を用いたものである。例えば、図４及び図５に示すように、押しバネ１５’の一端をスライダ１３に対して第１実施形態とは反対側に設置し、他端を基台２に取り付けたものである。なお、図４の２点鎖線は、初期状態での作動リンク３の位置を示す仮想線である。
【００４４】
このように、押しバネ１５’を用いることによって、荷重補償装置１をコンパクトにすることが可能となる。
【００４５】
次に、第３実施形態について説明する。
【００４６】
図６は、第３実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図である。
【００４７】
図６に示した第３実施形態の荷重補償装置１は、第１のクランク部材９と第２のクランク部材１０を用いて平行リンクＬを形成したものである。例えば、図６に示すように、第１のクランク部材９に対して平行な第１のクランクリンク部材１９と、第２のクランク部材１０に対して平行な第２のクランクリンク部材２０と、を有する。なお、図６の２点鎖線は、初期状態での作動リンク３の位置を示す仮想線である。
【００４８】
また、平行リンクＬは、第１のクランクリンク部材１９及び第２のクランクリンク部材２０を有するため、クランクギヤ軸部材８に対応するように基台２に支持されて第１のクランクリンク部材１９を回転可能に支持する第１のクランクリンク支持部材１８と、クランク連結部材１１に対応するように第１のクランクリンク部材１９と第２のクランクリンク部材２０とを連結するクランクリンク連結部材２１と、クランク軸部材１２に対応するように第２のクランクリンク部材２０を回転可能に支持する第２のクランクリンク支持部材２２と、クランクギヤ軸部材８と第１のクランクリンク支持部材１８とを連結する第１の軸連結部材２３と、クランク連結部材１１とクランクリンク連結部材２１とを連結する第２の軸連結部材２４と、クランク軸部材１２とクランクリンク支持部材２２とを連結する第３の軸連結部材２５と、を有する。なお、案内部材１４には、第３の軸連結部材２５が移動可能に貫通するための図示しない長孔を有する。
【００４９】
このように、平行リンクＬを形成することによって、荷重補償装置１の強度を高めることができ、荷重４が重い場合にも対応することが可能となる。
【００５０】
次に、第４実施形態について説明する。
【００５１】
図７は、第４実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図である。
【００５２】
第４実施形態の荷重補償装置１は、初期状態のクランクギヤ軸部材８、第１のクランク部材９、クランク連結部材１１、第２のクランク部材１０、及びクランク軸部材１２を鉛直方向の直線上に配置したものである。例えば、第４実施形態の荷重補償装置１は、初期状態で、荷重４、作動リンク３、作動リンク軸部材５、第１のクランク部材９、クランク連結部材１１、第２のクランク部材１０、及び引っ張りバネ支持部１６が直線上に並ぶ上死点位置となり、引っ張りバネ１５が自然長となっている。なお、図７の２点鎖線は、初期状態での作動リンク３の位置を示す仮想線である。
【００５３】
第４実施形態の荷重補償装置１の荷重４が移動しても、荷重４及び作動リンク３が引っ張りバネ１５の力と釣り合い、図７に示すように、荷重補償される。
【００５４】
このように、第４実施形態の荷重補償装置１は、初期状態のクランクギヤ軸部材８、第１のクランク部材９、クランク連結部材１１、第２のクランク部材１０、及びクランク軸部材１２を鉛直方向の直線上に配置しても荷重補償することができるので、設計の自由度を高めることが可能となる。
【００５５】
次に、第５実施形態について説明する。
【００５６】
図８は、第５実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図である。
【００５７】
第５実施形態の荷重補償装置１は、初期状態では、荷重４及び作動リンク３を鉛直方向に位置させて、クランクギヤ軸部材８、第１のクランク部材９、クランク連結部材１１、第２のクランク部材１０、及びクランク軸部材１２を傾斜した直線上に配置する。作動リンク軸部材５、第１のクランク部材９、クランク連結部材１１、第２のクランク部材１０、及び引っ張りバネ支持部１６が直線上に並ぶ上死点位置となり、引っ張りバネ１５が自然長となっている。なお、図８の２点鎖線は、初期状態での作動リンク３の位置を示す仮想線である。
【００５８】
第５実施形態の荷重補償装置１の荷重４が移動しても、荷重４及び作動リンク３が引っ張りバネ１５の力と釣り合い、図８に示すように、荷重補償される。
【００５９】
このように、第５実施形態の荷重補償装置１は、初期状態のクランクギヤ軸部材８、第１のクランク部材９、クランク連結部材１１、第２のクランク部材１０、及びクランク軸部材１２を傾斜した直線上に配置しても荷重補償することができるので、設計の自由度を高めることが可能となる。
【００６０】
次に、第６実施形態について説明する。
【００６１】
図９は、第６実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図である。
【００６２】
第６実施形態の荷重補償装置１では、作動リンク３の移動面と、第１のクランク部材９及び第２のクランク部材１０の移動面とが、直交する関係にある。そのため、作動リンクギヤ６及びクランクギヤ７を傘歯歯車として連結している。
【００６３】
第６実施形態の荷重補償装置１は、初期状態では、荷重４及び作動リンク３を鉛直方向に位置させて、クランクギヤ軸部材８、第１のクランク部材９、クランク連結部材１１、第２のクランク部材１０、及びクランク軸部材１２を直線上に配置する。作動リンク軸部材５、第１のクランク部材９、クランク連結部材１１、第２のクランク部材１０、及び引っ張りバネ支持部１６が直線上に並ぶ上死点位置となり、引っ張りバネ１５が自然長となっている。なお、図９の２点鎖線は、初期状態での荷重４の位置を示す仮想線である。
【００６４】
第６実施形態の荷重補償装置１の荷重４が移動しても、荷重４及び作動リンク３が引っ張りバネ１５の力と釣り合い、荷重補償される。
【００６５】
このように、第６実施形態の荷重補償装置１は、作動リンク３の移動面と、第１のクランク部材９及び第２のクランク部材１０の移動面とが、直交する関係に配置しても荷重補償することができるので、設計の自由度を高めることが可能となる。
【００６６】
なお、第６実施形態の荷重補償装置１のクランクギヤ軸部材８、第１のクランク部材９、クランク連結部材１１、第２のクランク部材１０、及びクランク軸部材１２は、初期状態で、鉛直方向の直線上にあっても、傾斜した直線上にあってもよい。
【００６７】
次に、第７実施形態について説明する。
【００６８】
図１０は、第７実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図である。
【００６９】
第７実施形態の荷重補償装置１では、作動リンク軸部材５とクランクギヤ軸部材８とを、作動リンクスプロケット３１、クランクスプロケット３２、及びスプロケット連結部材としてのチェーン３３によって連結し、トルクを伝達するものである。
【００７０】
第７実施形態の荷重補償装置１は、初期状態では、荷重４及び作動リンク３を鉛直方向に位置させて、クランクギヤ軸部材８、第１のクランク部材９、クランク連結部材１１、第２のクランク部材１０、及びクランク軸部材１２を直線上に配置する。作動リンク軸部材５、第１のクランク部材９、クランク連結部材１１、第２のクランク部材１０、及び引っ張りバネ支持部１６が直線上に並ぶ上死点位置となり、引っ張りバネ１５が自然長となっている。なお、図１０の２点鎖線は、初期状態での荷重４の位置を示す仮想線である。
【００７１】
第７実施形態の荷重補償装置１の荷重４が移動しても、荷重４及び作動リンク３が引っ張りバネ１５の力と釣り合い、荷重補償される。
【００７２】
このように、第７実施形態の荷重補償装置１は、作動リンク軸部材５とクランクギヤ軸部材８とを、作動リンクスプロケット３１、クランクスプロケット３２、及びチェーン３３によって連結し、トルクを伝達するので、荷重４とスライダ１３等を離れた位置に設置することができ、設計の自由度を高めることが可能となる。
【００７３】
なお、第７実施形態では、作動リンクスプロケット３１とクランクスプロケット３２とをチェーン３３によって連結したが、スプロケット連結部材としてのベルト等によって連結してもよい。
【００７４】
また、第７実施形態の荷重補償装置１のクランクギヤ軸部材８、第１のクランク部材９、クランク連結部材１１、第２のクランク部材１０、及びクランク軸部材１２は、初期状態で、鉛直方向の直線上にあっても、傾斜した直線上にあってもよい。
【００７５】
次に、第８実施形態について説明する。
【００７６】
図１１は、第８実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図である。
【００７７】
第８実施形態の荷重補償装置１では、第１のクランク部材９及び第２のクランク部材１０のそれぞれの部材自身の重さの影響を低減するためにカウンタウェイト４１，４２を用いるものである。
【００７８】
第１のカウンタウェイト４１は、第１のクランク部材９に相当する重さであって、クランクギヤ軸部材８に対して第１のクランク部材９の反対側の位置に設置し、共に回転することが好ましい。なお、第１のカウンタウェイト４１は、クランクギヤ７の表面に設置してもよい。また、第２のカウンタウェイト４２は、第２のクランク部材１０に相当する重さであって、クランク軸部材１２に対して第２のクランク部材１０の反対側の位置に設置し、共に回転することが好ましい。
【００７９】
このように、第８実施形態の荷重補償装置１は、カウンタウェイト４１，４２を用いることによって、第１のクランク部材９及び第２のクランク部材１０のそれぞれの部材自身の重さの影響を低減することが可能となる。
【００８０】
また、第８実施形態の荷重補償装置１のクランクギヤ軸部材８、第１のクランク部材９、クランク連結部材１１、第２のクランク部材１０、及びクランク軸部材１２は、初期状態で、鉛直方向の直線上にあっても、傾斜した直線上にあってもよい。
【００８１】
次に、第９実施形態及び第１０実施形態について説明する。
【００８２】
図１２は第９実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図、図１３は第１０実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図である。
【００８３】
第９実施形態及び第１０実施形態の荷重補償装置１では、第１のクランク部材９及び第２のクランク部材１０のそれぞれの部材自身の重さの影響を低減するためにカウンタウェイト４１，４２を用いるものである。
【００８４】
第８実施形態の荷重補償装置１は、第１のカウンタウェイト４１及び第２のカウンタウェイト４２の２つを用いたが、第９実施形態及び第１０実施形態の荷重補償装置１では、図１２及び図１３に示すように、第１のカウンタウェイト４１のみ又は第２のカウンタウェイト４２のみを用いる。
【００８５】
図１２に示した第９実施形態の第１のカウンタウェイト４１は、クランクギヤ軸部材８に対して第１のクランク部材９の反対側の位置に設置し、共に回転することが好ましい。なお、第１のカウンタウェイト４１は、クランクギヤ７の表面に設置してもよい。この場合、第１のカウンタウェイト４１は、第１のクランク部材９及び第２のクランク部材１０の両方の重さに相当する重さであることが好ましい。
【００８６】
図１３に示した第１０実施形態の第２のカウンタウェイト４２は、クランク軸部材１２に対して第２のクランク部材１０の反対側の位置に設置し、共に回転することが好ましい。この場合、第２のカウンタウェイト４２は、第１のクランク部材９及び第２のクランク部材１０の両方の重さに相当する重さであることが好ましい。
【００８７】
このように、第９実施形態及び第１０実施形態の荷重補償装置１は、カウンタウェイト４１，４２を用いることによって、第１のクランク部材９及び第２のクランク部材１０のそれぞれの部材自身の重さの影響を低減することが可能となる。
【００８８】
また、第９実施形態及び第１０実施形態の荷重補償装置１のクランクギヤ軸部材８、第１のクランク部材９、クランク連結部材１１、第２のクランク部材１０、及びクランク軸部材１２は、初期状態で、鉛直方向の直線上にあっても、傾斜した直線上にあってもよい。
【００８９】
次に、第１１実施形態について説明する。
【００９０】
図１４は第１１実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図である。
【００９１】
第１１実施形態の荷重補償装置１では、第１のクランク部材９及び第２のクランク部材１０のそれぞれの部材自身の重さの影響を低減するためにリンク式カウンタウェイト５０を用いるものである。
【００９２】
図１４に示した第１１実施形態の荷重補償装置１は、クランクギヤ軸部材８とクランク軸部材１２とを結んだ直線に対して、第１のクランク部材９、クランク連結部材１１、及び第２のクランク部材１０と線対称なリンク式カウンタウェイト５０を設置する。
【００９３】
図１４に示した第１１実施形態のリンク式カウンタウェイト５０は、第１のリンク式カウンタウェイト５１と、第２のリンク式カウンタウェイト５２と、第１のリンク式カウンタウェイト５１と第２のリンク式カウンタウェイト５２とを連結するリンク式カウンタウェイト連結部材５３とを有する。
【００９４】
第１のリンク式カウンタウェイト５１は、クランクギヤ軸部材８とクランク軸部材１２とを結んだ直線に対して、常に第１のクランク部材９と線対称であり、同じ重さであることが好ましい。また、第２のリンク式カウンタウェイト５２は、クランクギヤ軸部材８とクランク軸部材１２とを結んだ直線に対して、常に第２のクランク部材１０と線対称であり、同じ重さであることが好ましい。さらに、リンク式カウンタウェイト連結部材５３は、クランクギヤ軸部材８とクランク軸部材１２とを結んだ直線に対して、常にクランク連結部材１１と線対称であり、同じ重さであることが好ましい。
【００９５】
このように、第１１実施形態の荷重補償装置１は、リンク式カウンタウェイト５０を用いることによって、第１のクランク部材９及び第２のクランク部材１０のそれぞれの部材自身の重さの影響を低減することが可能となる。
【００９６】
また、第１１実施形態の荷重補償装置１のクランクギヤ軸部材８、第１のクランク部材９、クランク連結部材１１、第２のクランク部材１０、及びクランク軸部材１２は、初期状態で、鉛直方向の直線上にあっても、傾斜した直線上にあってもよい。
【００９７】
次に、第１２実施形態について説明する。
【００９８】
図１５は、第１２実施形態の荷重補償装置１の作動状態を示す図である。
【００９９】
第１２実施形態の荷重補償装置１では、第１のクランク部材９及び第２のクランク部材１０のそれぞれの部材自身の重さの影響を低減するためにクランク自重補償装置６０を用いるものである。
【０１００】
図１５に示した第１２実施形態のクランク自重補償装置６０は、第２のクランク部材１０とスライダ１３とを連結する。
【０１０１】
クランク自重補償装置６０は、スライダ１３に支持される基部６１と、第２のクランク部材１０に回転可能に支持される作用点としてのクランク取付部６２と、基部６１に回転可能に支持される移動部材６３と、一方をクランク取付部６２に回転可能に支持され、移動部材６３に摺動可能に支持される連結アーム６４と、一方で移動部材６３に支持されるバネ６５と、連結アーム６４の他方に取り付けられ、バネ６５の他方を支持するバネ受け部材６６と、を有する。なお、案内部材１４には、クランク自重補償装置６０の連結アーム６４及びバネ６５が移動可能に貫通するための図示しない長孔を有する。
【０１０２】
このように、第１２実施形態の荷重補償装置１は、クランク自重補償装置６０を用いることによって、第１のクランク部材９及び第２のクランク部材１０のそれぞれの部材自身の重さの影響を低減することが可能となる。
【０１０３】
また、第１２実施形態の荷重補償装置１のクランクギヤ軸部材８、第１のクランク部材９、クランク連結部材１１、第２のクランク部材１０、及びクランク軸部材１２は、初期状態で、鉛直方向の直線上にあっても、傾斜した直線上にあってもよい。
【０１０４】
以上、本発明の種々の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態のみに限られるものではなく、それぞれの実施形態の構成を適宜組み合わせて構成した実施形態も本発明の範疇となるものである。
【符号の説明】
【０１０５】
１…荷重補償装置
２…基台
３…作動リンク
４…荷重
５…作動リンク軸部材
６…作動リンクギヤ（作動リンク回転部材）
７…クランクギヤ（クランク回転部材）
８…クランクギヤ軸部材
９…第１のクランク部材
１０…第２のクランク部材
１１…クランク連結部材
１２…クランク軸部材
１３…スライダ
１４…案内部材
１５…引っ張りバネ（弾性部材）
１５’…押しバネ（弾性部材）
１６…バネ支持部
１８…第１のクランクリンク支持部材
１９…クランクリンク部材
２０…第２のクランクリンク部材
２１…クランクリンク連結部材
２２…第２のクランクリンク支持部材
２３…第１の軸連結部材
２４…第２の軸連結部材
２５…第３の軸連結部材
３１…作動リンクスプロケット（作動リンク回転部材）
３２…クランクスプロケット（クランク回転部材）
３３…チェーン（スプロケット連結部材）
４１…第１のカウンタウェイト
４１…第２のカウンタウェイト
５０…リンク式カウンタウェイト
５１…第１のリンク式カウンタウェイト
５２…第２のリンク式カウンタウェイト
５３…リンク式カウンタウェイト連結部材
６０…クランク自重補償装置
６１…基部
６２…クランク取付部
６３…移動部材
６４…連結アーム
６５…バネ
６６…バネ受け部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基台と、
前記基台に回転可能に支持される作動リンクと、
前記基台に支持されて前記作動リンクと共に回転する作動リンク回転部材と、
前記基台に支持されて前記作動リンク回転部材の回転に対応して回転数の比が２対１で回転するクランク回転部材と、
一端を前記基台に支持されて前記クランク回転部材と共に回転可能な第１のクランク部材と、
前記第１のクランク部材と同じ長さであって前記第１のクランク部材に対して回転可能な第２のクランク部材と、
前記第１のクランク部材の他端と前記第２のクランク部材の一端を回転可能に連結するクランク連結部材と、
前記第２のクランク部材の他端を回転可能に支持するスライダと、
前記スライダを案内する案内部材と、
前記スライダに一端を取り付けられ、前記基台に他端を取り付けられた弾性部材と、
を備え、
前記作動リンクが鉛直方向に位置する時、前記第１のクランク部材と前記第２のクランク部材が直線上に位置し、前記弾性部材が自然長となる
ことを特徴とする荷重補償装置。
【請求項２】
前記作動リンク回転部材は、作動リンクギヤであり、
前記クランク回転部材は、前記作動リンクギヤに噛み合うクランクギヤである
ことを特徴とする請求項１に記載の荷重補償装置。
【請求項３】
前記作動リンクギヤ及び前記クランクギヤは、傘歯歯車である
ことを特徴とする請求項２に記載の荷重補償装置。
【請求項４】
前記作動リンク回転部材は、作動リンクスプロケットであり、
前記クランク回転部材は、クランクスプロケットであり、
前記作動リンクスプロケット及び前記クランクスプロケットの外周に巻き掛けられるスプロケット連結部材を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の荷重補償装置。
【請求項５】
前記弾性部材は、引っ張りバネである
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載の荷重補償装置。
【請求項６】
前記弾性部材は、押しバネである
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載の荷重補償装置。
【請求項７】
前記クランク回転部材の回転中心に対して前記第１のクランク部材とは反対側に設置されて前記クランク回転部材と共に回転する第１のカウンタウェイトを有する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１つに記載の荷重補償装置。
【請求項８】
前記第２のクランク部材を前記スライダに支持するクランク軸部材を有し、
前記クランク軸部材に対して前記第２のクランク部材とは反対側に設置されて前記第２のクランク部材と共に回転する第２のカウンタウェイトを有する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１つに記載の荷重補償装置。
【請求項９】
前記クランクギヤの回転中心と前記クランク軸部材とを結んだ直線に対して、前記第１のクランク部材に線対称な第１のリンク式カウンタウェイトと、
前記クランクギヤの回転中心と前記クランク軸部材とを結んだ直線に対して、前記第２のクランク部材に線対称な第２のリンク式カウンタウェイトと、
前記クランクギヤの回転中心と前記クランク軸部材とを結んだ直線に対して、前記クランク連結部材に線対称な第１のリンク式カウンタウェイト連結部材と、
を有することを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１つに記載の荷重補償装置。
【請求項１】
基台と、
前記基台に回転可能に支持される作動リンクと、
前記基台に支持されて前記作動リンクと共に回転する作動リンク回転部材と、
前記基台に支持されて前記作動リンク回転部材の回転に対応して回転数の比が２対１で回転するクランク回転部材と、
一端を前記基台に支持されて前記クランク回転部材と共に回転可能な第１のクランク部材と、
前記第１のクランク部材と同じ長さであって前記第１のクランク部材に対して回転可能な第２のクランク部材と、
前記第１のクランク部材の他端と前記第２のクランク部材の一端を回転可能に連結するクランク連結部材と、
前記第２のクランク部材の他端を回転可能に支持するスライダと、
前記スライダを案内する案内部材と、
前記スライダに一端を取り付けられ、前記基台に他端を取り付けられた弾性部材と、
を備え、
前記作動リンクが鉛直方向に位置する時、前記第１のクランク部材と前記第２のクランク部材が直線上に位置し、前記弾性部材が自然長となる
ことを特徴とする荷重補償装置。
【請求項２】
前記作動リンク回転部材は、作動リンクギヤであり、
前記クランク回転部材は、前記作動リンクギヤに噛み合うクランクギヤである
ことを特徴とする請求項１に記載の荷重補償装置。
【請求項３】
前記作動リンクギヤ及び前記クランクギヤは、傘歯歯車である
ことを特徴とする請求項２に記載の荷重補償装置。
【請求項４】
前記作動リンク回転部材は、作動リンクスプロケットであり、
前記クランク回転部材は、クランクスプロケットであり、
前記作動リンクスプロケット及び前記クランクスプロケットの外周に巻き掛けられるスプロケット連結部材を有する
ことを特徴とする請求項１に記載の荷重補償装置。
【請求項５】
前記弾性部材は、引っ張りバネである
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載の荷重補償装置。
【請求項６】
前記弾性部材は、押しバネである
ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１つに記載の荷重補償装置。
【請求項７】
前記クランク回転部材の回転中心に対して前記第１のクランク部材とは反対側に設置されて前記クランク回転部材と共に回転する第１のカウンタウェイトを有する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１つに記載の荷重補償装置。
【請求項８】
前記第２のクランク部材を前記スライダに支持するクランク軸部材を有し、
前記クランク軸部材に対して前記第２のクランク部材とは反対側に設置されて前記第２のクランク部材と共に回転する第２のカウンタウェイトを有する
ことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１つに記載の荷重補償装置。
【請求項９】
前記クランクギヤの回転中心と前記クランク軸部材とを結んだ直線に対して、前記第１のクランク部材に線対称な第１のリンク式カウンタウェイトと、
前記クランクギヤの回転中心と前記クランク軸部材とを結んだ直線に対して、前記第２のクランク部材に線対称な第２のリンク式カウンタウェイトと、
前記クランクギヤの回転中心と前記クランク軸部材とを結んだ直線に対して、前記クランク連結部材に線対称な第１のリンク式カウンタウェイト連結部材と、
を有することを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか１つに記載の荷重補償装置。
【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１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１３−９１１４４（Ｐ２０１３−９１１４４Ａ）
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３６２５２（Ｐ２０１１−２３６２５２）
【出願日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【出願人】（８９９００００７９）学校法人慶應義塾 (742)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【出願人】（８９９００００７９）学校法人慶應義塾 (742)
【Ｆターム（参考）】
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