JP2011255469A - 荷重補償機構及びその設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単に実現できる荷重補償機構を提供する。
【解決手段】本発明に係る荷重補償機構は、回転体（リンク１０１）に荷重が作用する第１の作用点Ｐと、回転体に第１の弾性体１０２の弾性力が作用する第２の作用点Ａと、回転体に第２の弾性体１０３の弾性力が作用する第３の作用点Ｂと、を設け、第２の作用点Ａは、回転体の回転軸Ｏ１と第３の作用点Ｂとを結ぶ直線Ｌ１上に略配置し、第１の弾性体１０２と第２の弾性体１０３とは、略直交するように配置し、第１の作用点Ｐに作用する荷重に基づく回転体の回転軸回りのトルクと、第２の作用点Ａに作用する弾性力に基づく回転体の回転軸回りのトルク及び第３の作用点Ｂに作用する弾性力に基づく回転体の回転軸回りのトルクの合力トルクと、を逆向きの回転方向に作用させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、荷重補償機構及びその設計方法に関する。

従来から荷重補償機構が公知である。例えば特許文献１の荷重補償機構は、基台と、基台に回転可能に連結された第１のアームと、第１のアームの端部に回転可能に連結された第２のアームと、一端が第１のアームと第２のアームとの連結部に連結され、他端が基台における第１のアームの連結部近傍に連結された第１の弾性体と、一端が第１のアームの下端部から水平に突出する突出部と連結され、他端が基台の下端部に連結された第２の弾性体と、を備えている。当該荷重補償機構は、第１のアームの任意の回転位置において、第１のアームの自重に基づく回転モーメントを打ち消すように、第１の弾性体の弾性力に基づく回転モーメントと、第２の弾性体の弾性力に基づく回転モーメントと、を作用させる。

特許文献２の荷重補償機構は、支柱と、支柱に回転可能に連結されたアームと、一端が支柱に連結され、アームに設けられた方向転換部材を介して弾性体に連結された連結部材と、一端が連結部材に連結され、他端がアームに連結された弾性体と、を備えている。当該荷重補償機構は、支柱とアームとの連結部から支柱における連結部材の連結部までの距離と、支柱とアームとの連結部から方向転換部材による連結部材の方向転換部までの距離と、を等しくすることで、アームの任意の回転位置において、アームに作用する荷重に基づく回転モーメントを打ち消すように、弾性体の弾性力に基づく回転モーメントを作用させる。

特許文献３の荷重補償機構は、固定台と、固定台に対して上下方向に移動する可動台と、固定台と可動台とを連結する支持部材と、第１の弾性体と、第２の弾性体と、を備えている。固定台は、水平部から上方に突出する突出部を備えている。支持部材は、Ｘ字状に連結され、当該連結部で回転可能とされた第１のリンクと第２のリンクとを備えている。第１のリンクの一端は可動台に回転可能に連結され、他端は固定台の水平部に水平方向に摺動可能に連結されている。第２のリンクの一端は可動台に水平方向に摺動可能に連結され、他端は固定台の水平部に回転可能に連結されている。第１の弾性体の一端は第１のリンクの一端に連結され、他端は第２のリンクの他端に連結されている。第２の弾性体の一端は第１のリンクの他端に連結され、他端は固定台の突出部に連結されている。

また、特許文献４の荷重補償機構は、特許文献３の荷重補償機構と略同様の構成とされており、特許文献３の荷重補償機構との相違点は、第２の弾性体の一端が第２のリンクと固定台との連結部に連結され、他端は第１のリンクの他端に連結されている。すなわち、第１の弾性体は垂直方向に配置され、第２の弾性体は水平方向に配置されている。これらの特許文献３、４の荷重補償機構は、被作業体を可動台に載置した状態で当該可動台を任意の高さに移動させた際に、第１の弾性体が被作業体に及ぼす上向きの力と、第２の弾性体が支持部材を介して被作業体に及ぼす上向きの力と、を加算した値と、被作業体の荷重とが釣り合うように設定されている。

ちなみに、特許文献５、６には、荷重補償機構ではないが、荷重によってアームに作用する回転モーメントを軽減する技術が開示されている。特に、特許文献６には、当該回転モーメントの軽減特性を変化させる技術が開示されている。

実開昭６１−９２９８号公報 特許第４１４４０２１号公報 特開２００６−５５４９４号公報 特開２００８−２２２３４８号公報 特公平３−１７６３４号公報 特開平６−１７０７８０号公報

特許文献１乃至４の荷重補償機構は、上述のように荷重を補償するための技術的思想が開示されているものの、具体的な設計方法までは開示されていない。そのため、実際に実現しようとすると、簡単に実現できない可能性がある。
本発明は、簡単に実現できる荷重補償機構及びその設計方法を提供することを目的とするものである。

本発明に係る荷重補償機構は、回転体に荷重が作用する第１の作用点と、前記回転体に第１の弾性体の弾性力が作用する第２の作用点と、前記回転体に第２の弾性体の弾性力が作用する第３の作用点と、を設け、前記第２の作用点は、前記回転体の回転軸と前記第３の作用点とを結ぶ直線上に略配置し、前記第１の弾性体と前記第２の弾性体とは、略直交するように配置し、前記第１の作用点に作用する前記荷重に基づく前記回転体の回転軸回りのトルクと、前記第２の作用点に作用する弾性力に基づく前記回転体の回転軸回りのトルク及び前記第３の作用点に作用する弾性力に基づく前記回転体の回転軸回りのトルクの合力トルクと、を逆向きの回転方向に作用させることを特徴とする。

または、本発明に係る荷重補償機構は、回転体に荷重が作用する第１の作用点と、前記回転体に第１の弾性体の弾性力が作用する第２の作用点と、前記回転体に第２の弾性体の弾性力が作用する第３の作用点と、を設け、前記第２の作用点は、前記回転体の回転軸と前記第３の作用点とを結ぶ直線と略直交する直線上に略配置し、前記第１の弾性体と前記第２の弾性体とは、略平行に配置し、前記第１の作用点に作用する前記荷重に基づく前記回転体の回転軸回りのトルクと、前記第２の作用点に作用する弾性力に基づく前記回転体の回転軸回りのトルク及び前記第３の作用点に作用する弾性力に基づく前記回転体の回転軸回りのトルクの合力トルクと、を逆向きの回転方向に作用させることを特徴とする。

前記第１の弾性体又は前記第２の弾性体の端部は、前記回転体が回転した際に前記第１の弾性体又は前記第２の弾性体が前記回転体の回転方向に振られないように、前記第２の作用点又は前記第３の作用点における前記第１の弾性体又は前記第２の弾性体の配置方向と略直交する方向への変位を許容する許容部を備えること、が好ましい。

前記第１の作用点が前記回転体の回転軸を通る鉛直上向きの直線上に略位置するときに、前記第１の弾性体と前記第２の弾性体のそれぞれの弾性力が略ゼロとなること、が好ましい。

または、前記第１の作用点が前記回転体の回転軸を通る鉛直上向きの直線上に略位置するときに、前記第２の弾性体に予め弾性力を導入すること、が好ましい。

上述の荷重補償機構において、以下の［式１］を満足すること、が好ましい。
［式１］ｋ_１ｌ_１ ^２＝ｋ_２ｌ_２ ^２＝ｍｇｌ
但し、前記第１の弾性体の弾性係数がｋ_１、前記回転体の回転軸から第２の作用点までの距離をｌ_１、前記第２の弾性体の弾性係数がｋ_２、前記回転体の回転軸から第３の作用点までの距離をｌ_２、第１の作用点に作用する荷重をｍｇ、回転体の回転軸から第１の作用点までの距離をｌとする。

さらに上述の荷重補償機構において、前記第１の作用点に作用する荷重がα倍に変化したときに、以下の［式１］且つ［式２］を満足すること、が好ましい。
［式１］ｋ_１ｌ_１ ^２＝ｋ_２ｌ_２ ^２＝ｍｇｌ
［式２］ｋ_２ｌ_２（ｌ_２＋ｌ_２'）＝αｍｇｌ
但し、前記第１の弾性体の弾性係数がｋ_１、前記回転体の回転軸から第２の作用点までの距離をｌ_１、前記第２の弾性体の弾性係数がｋ_２、前記回転体の回転軸から第３の作用点までの距離をｌ_２、第１の作用点に作用する荷重をｍｇ、回転体の回転軸から第１の作用点までの距離をｌ、前記第２の弾性体に導入する弾性力のための変化量をｌ_２'とする。

本発明の荷重補償機構の設計方法は、上述の荷重補償機構を設計するにあたって、以下の［式１］を満足させること、が好ましい。
［式１］ｋ_１ｌ_１ ^２＝ｋ_２ｌ_２ ^２＝ｍｇｌ
但し、前記第１の弾性体の弾性係数がｋ_１、前記回転体の回転軸から第２の作用点までの距離をｌ_１、前記第２の弾性体の弾性係数がｋ_２、前記回転体の回転軸から第３の作用点までの距離をｌ_２、第１の作用点に作用する荷重をｍｇ、回転体の回転軸から第１の作用点までの距離をｌとする。

さらに本発明の荷重補償機構の設計方法は、上述の荷重補償機構を設計するにあたって、前記第１の作用点に作用する荷重がα倍に変化したときに、以下の［式１］且つ［式２］を満足させることを特徴とする荷重補償機構の設計方法。
［式１］ｋ_１ｌ_１ ^２＝ｋ_２ｌ_２ ^２＝ｍｇｌ
［式２］ｋ_２ｌ_２（ｌ_２＋ｌ_２'）＝αｍｇｌ
但し、前記第１の弾性体の弾性係数がｋ_１、前記回転体の回転軸から第２の作用点までの距離をｌ_１、前記第２の弾性体の弾性係数がｋ_２、前記回転体の回転軸から第３の作用点までの距離をｌ_２、第１の作用点に作用する荷重をｍｇ、回転体の回転軸から第１の作用点までの距離をｌ、前記第２の弾性体に導入する弾性力のための変化量をｌ_２'とする。

以上、説明したように、本発明によると、荷重補償機構を簡単に実現できる。

本発明に係る基本原理１を模式的に示す図である。 本発明に係る基本原理１における、第２及び第３の作用点の変位を説明する図である。 本発明に係る基本原理１の異なる形態を模式的に示す図である。 本発明に係る基本原理２を模式的に示す図である。 本発明に係る基本原理２の異なる形態を模式的に示す図である。 本発明に係る基本原理３を模式的に示す図である。 本発明に係る基本原理を昇降装置に適用した形態を模式的に示す図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、添付図面を参照しながら説明する。先ず、本発明に係る荷重補償機構の基本原理を説明し、その後に当該荷重補償機構の適用形態を説明する。ちなみに、以下の説明において、荷重ｍｇが作用する方向と平行な方向をＹ軸方向とし、Ｙ軸方向と直交方向をＸ軸方向とする。

＜基本原理１＞
本発明に係る荷重補償機構の基本原理１を説明する。本原理では、図１に示すように、回転体であるリンク１０１がＹ軸方向に配置されている。リンク１０１は、回転軸Ｏ１を中心として回転する。リンク１０１の一方の端部には、荷重ｍｇ（以下、単にｍｇと示す）が作用する第１の作用点Ｐが設けられている。

リンク１０１の他方の端部には、第１の弾性体１０２の弾性力が作用する第２の作用点Ａが設けられている。第１の弾性体１０２は、Ｘ軸方向に配置されている。第１の弾性体１０２としては、例えばコイルバネを用いることができるが、弾性係数を有するゴム等の部材でも良い。第１の弾性体１０２の一方の端部は、基台１００に連結されている。第１の弾性体１０２の他方の端部は、第２の作用点Ａに連結されている。第１の弾性体１０２は、リンク１０１が回転していない状態、即ち図１ではＹ軸方向に配置されている状態で、自然長（張力ゼロ）となるように配置されている。ちなみに、図１では、リンク１０１の配置を明瞭に示すために、第１の弾性体１０２の配置位置が正確に示されていない。

ここで、リンク１０１が回転軸Ｏ１を中心に回転した際に、第１の弾性体１０２がＹ軸方向に捻じれないように、リンク１０１のＹ軸方向への変位を許容する許容部１０２１を備えていることが好ましい。許容部１０２１は、第２の作用点ＡからＺ軸方向に突出する突出部１０２１ａと、第１の弾性体１０２の他方の端部に設けられた摺動板１０２１ｂと、を備えている。これにより、図１に示すように、リンク１０１の第１の作用点Ｐにｍｇが作用して、リンク１０１が矢印Ｒ方向に回転すると、突出部１０２１ａは摺動板１０２１ｂ上を摺動しつつ、当該摺動板１０２１ｂを押し込む。そのため、第１の弾性体１０２がリンク１０１の回転に追従して捻じれることがない。

リンク１０１における、回転軸Ｏ１と第２の作用点Ａ、即ち本原理では第１の作用点Ｐと第２の作用点Ａとを結ぶ直線Ｌ１上には、第２の弾性体１０３の弾性力が作用する第３の作用点Ｂが設けられている。第３の作用点Ｂは、回転軸Ｏ１と第２の作用点Ａとの間の位置に配置されている。第２の弾性体１０３は、Ｙ軸方向に配置されている。第２の弾性体１０３としては、例えばコイルバネを用いることができるが、弾性係数を有するゴム等の部材でも良い。第２の弾性体１０３の一方の端部は、基台１００に連結されている。第２の弾性体１０３の他方の端部は、第３の作用点Ｂに連結されている。第２の弾性体１０３は、リンク１０１が回転していない状態で、自然長となるように配置されている。ちなみに、図１では、リンク１０１の配置を明瞭に示すために、第２の弾性体１０３の配置位置が正確に示されていない。

ここで、リンク１０１が回転軸Ｏ１を中心に回転した際に、第２の弾性体１０３がＸ軸方向に捻じれないように、リンク１０１のＸ軸方向への変位を許容する許容部１０３１を備えることが好ましい。許容部１０３１は、第３の作用点ＢからＺ軸方向に突出する突出部１０３１ａと、第２の弾性体１０３の他方の端部に設けられた摺動板１０３１ｂと、を備えている。これにより、図１に示すように、リンク１０１の第１の作用点Ｐにｍｇが作用して、リンク１０１が矢印Ｒ方向に回転すると、突出部１０３１ａは摺動板１０３１ｂ上を摺動しつつ、当該摺動板１０３１ｂを押し込む。そのため、第２の弾性体１０３がリンク１０１の回転に追従して捻じれることがない。

すなわち、第１の作用点Ｐに作用するｍｇに基づく回転軸Ｏ１回りの回転モーメントτ_Ｐと、第２の作用点Ａに作用する第１の弾性体１０２の弾性力に基づく回転軸Ｏ１回りの回転モーメントτ_Ａ及び第３の作用点Ｂに作用する第２の弾性体１０３の弾性力に基づく回転軸Ｏ１回りの回転モーメントτ_Ｂと、は互いに回転軸Ｏ１を中心に逆向きの回転方向に作用する。そのため、回転モーメントτ_Ｐと、回転モーメントτ_Ａとτ_Ｂとを加算した値と、が等しいと、ｍｇを補償する機構となる。

具体的に云うと、図２に示すように、第１の作用点Ｐにｍｇが作用して、リンク１０１が回転軸Ｏ１を中心として矢印Ｒ方向に回転角θ、回転したとすると、第１の作用点Ｐに作用するｍｇに基づく回転軸Ｏ１回りの回転モーメントτ_Ｐは、［式１］で表される。
［式１］ τ_Ｐ＝ｍｇｌ_Ｐｓｉｎθ
但し、第１の作用点Ｐから回転軸Ｏ１までの距離をｌ_Ｐとする。

この時の第１の弾性体１０２のＸ軸方向の変位ｘは、［式２］で表される。
［式２］ ｘ＝ｌ_Ａｓｉｎθ
但し、第２の作用点Ａから回転軸Ｏ１までの距離をｌ_Ａとする。
また、第２の弾性体１０３のＹ軸方向の変位ｙは、［式３］で表される。
［式３］ ｙ＝ｌ_Ｂ（１−ｃｏｓθ）
但し、第３の作用点Ｂから回転軸Ｏ１までの距離をｌ_Ｂとする。

そのため、第２の作用点ＡにおいてＸ軸方向に作用する力ｆ_Ａは、［式４］で表される。
［式４］ ｆ_Ａ＝ｋ_１ｘ＝ｋ_１ｌ_Ａｓｉｎθ
但し、第１の弾性体１０２の弾性係数をｋ_１とする。
また、第３の作用点ＢにおいてＹ軸方向に作用する力ｆ_Ｂは、［式５］で表される。
［式５］ ｆ_Ｂ＝ｋ_２ｙ＝ｋ_２ｌ_Ｂ（１−ｃｏｓθ）
但し、第２の弾性体１０３の弾性係数をｋ_２とする。

よって、第２の作用点Ａに作用する第１の弾性体１０２の弾性力に基づく回転軸Ｏ１回りの回転モーメントτ_Ａは、［式６］で表される。
［式６］ τ_Ａ＝ｋ_１ｌ_Ａ ^２ｓｉｎθｃｏｓθ
また、第３の作用点Ｂに作用する第２の弾性体１０３の弾性力に基づく回転軸Ｏ１回りの回転モーメントτ_Ｂは、［式７］で表される。
［式７］ τ_Ｂ＝ｋ_２ｌ_Ｂ ^２（１−ｃｏｓθ）ｓｉｎθ

したがって、回転モーメントτ_Ａとτ_Ｂとの合計トルク（合力トルク）τ_ｋは、［式８］で表される。
［式８］ τ_ｋ＝ｋ_１ｌ_Ａ ^２ｓｉｎθｃｏｓθ＋ｋ_２ｌ_Ｂ ^２（１−ｃｏｓθ）ｓｉｎθ
ここで、ｋ_１ｌ_Ａ ^２＝ｋ_２ｌ_Ｂ ^２とすると、［式８］は［式９］で表される。
［式９］ τ_ｋ＝ｋ_２ｌ_Ｂ ^２ｓｉｎθ
そのため、上方に作用する力ωは、［式１０］で表される。
［式１０］ ω＝τ_ｋ／（ｌ_ｐｓｉｎθ）＝ｋ_２ｌ_Ｂ ^２／ｌ_ｐ
これにより、上述の原理は上方に作用する力を一定にすることができる。

さらに、ｋ_１ｌ_Ａ ^２＝ｋ_２ｌ_Ｂ ^２＝Ｃとすると、［式８］は［式１１］で表される。
［式１１］ τ_ｋ＝Ｃｓｉｎθ
そのため、［式１］より、Ｃ＝ｍｇｌを満たせば、ｍｇを補償することができる機構が実現できる。

このように、本出願人は上述のようにｋ_１ｌ_Ａ ^２＝ｋ_２ｌ_Ｂ ^２＝ｍｇｌの関係を満たすと、上方に作用する力ωを一定にでき、且つｍｇを補償することができることを見出し、上述のように設計することで、簡単に荷重補償機構を実現することができる。

上述の荷重補償機構の設計方法では、ｍｇまでしか荷重を補償することができないので、第２の弾性体１０３に初期弾性力を導入しておくことが好ましい。
すなわち、第２の弾性体１０３に初期弾性力を導入するべく、図１に示すように、初期設置点（平衝点）をｌ_Ｂ'だけ下方に移動させる。

これにより、［式３］は［式１２］に変化する。
［式１２］ ｙ＝ｌ_Ｂ（１−ｃｏｓθ）＋ｌ_Ｂ'
ここで、ｌ_Ｂ'を、ｌ_Ｂを用いてｌ_Ｂ'＝ｌ_Ｂ（α−１）と表すと、［式９］は［式１３］で表される。
［式１３］ τ_ｋ＝Ｃαｓｉｎθ

この場合、α＝１は初期変位ｌ_Ｂ＝０のことであり、ｍｇを補償することになる。そして、α＝２とすると、ｌ_Ｂ'＝ｌ_Ｂとなり、補償できる荷重は２倍になる。このように、第２の弾性体１０３に初期弾性力を導入するだけで、対応荷重を調整することができる。ちなみに、第２の弾性体１０３を予め伸張させて設置すると、対応荷重を減らすことができる。なお、第２の弾性体１０３のみに初期弾性力を導入するのは、上述のようにｃｏｓθを消すことができるようにするためであり、後述の原理においても同様である。そのため、ｙ軸方向への回転モーメントを生じさせる弾性体に初期弾性力が導入される。

上述の原理は、リンク１０１における第１の作用点Ｐが設けられた側と回転軸Ｏ１を挟んで逆側に、第２の作用点Ａ及び第３の作用点Ｂを設けたが、図３に示すように、リンク１０１における第１の作用点Ｐと回転軸Ｏ１との間に、第２の作用点Ａ及び第３の作用点Ｂを設けても良い。要するに、第１の作用点Ｐに作用するｍｇに基づく回転軸Ｏ１回りの回転モーメントに対して、第２の作用点Ａに作用する第１の弾性体１０２の弾性力に基づく回転軸Ｏ１周りの回転モーメント及び第３の作用点Ｂに作用する第２の弾性体１０３の弾性力に基づく回転軸Ｏ１周りの回転モーメントの合力モーメントが逆向きの回転方向に作用し、且つ等しくなるように、第２の作用点Ａや第３の作用点Ｂ、及び第１の弾性体１０２や第２の弾性体１０３の配置並びに弾性係数は適宜、変更されるが、少なくとも回転軸Ｏ１と第３の作用点Ｂとを結ぶ直線Ｌ１上に第２の作用点Ａが配置される場合、第１の弾性体１０２と第２の弾性体１０３とは略直交するように配置される。

＜基本原理２＞
本発明に係る荷重補償機構の基本原理２を説明する。本原理は、上述の基本原理１と同様の技術的思想に立脚し、第２の作用点Ａ及び第２の弾性体１０３の配置が異なる。なお、上述の基本原理１と重複する説明は省略する。

すなわち、図４に示すように、本原理のリンク２０１は、Ｔ字形状に形成されている。詳細には、リンク２０１の一方の端部に第１の作用点Ｐが設けられている。リンク２０１の他方の端部に第３の作用点Ｂが設けられている。そして、第１の作用点Ｐと第３の作用点Ｂとを結ぶ直線Ｌ２と直交し、且つ回転軸Ｏ２を通る直線Ｌ３上に第２の作用点Ａが設けられている。このように配置された第２の作用点Ａに対して第１の弾性体１０２がＹ軸方向に連結されている。また、第３の作用点Ｂに対して第２の弾性体１０３がＹ軸方向に連結されている。

このとき、リンク２０１が回転軸Ｏ２を中心に矢印Ｒ方向に回転角θ、回転したとすると、第１の弾性体１０２のＹ軸方向の変位ｙ_Ａは、［式１４］で表される。
［式１４］ ｙ_Ａ＝ｌ_Ａｓｉｎθ
また、第２の弾性体１０３のＹ軸方向の変位ｙ_Ｂは、［式１５］で表される。
［式１５］ ｙ_Ｂ＝ｌ_Ｂ（１−ｃｏｓθ）

そのため、第２の作用点ＡにおいてＹ軸方向に作用する力ｆ_Ａは、［式１６］で表される。
［式１６］ ｆ_Ａ＝ｋ_１ｌ_Ａｓｉｎθ
また、第３の作用点ＢにおいてＹ軸方向に作用する力ｆ_Ｂは、［式１７］で表される。
［式１７］ ｆ_Ｂ＝ｋ_２ｌ_Ｂ（１−ｃｏｓθ）

よって、第２の作用点Ａに作用する第１の弾性体１０２の弾性力に基づく回転軸Ｏ２回りの回転モーメントτ_Ａは、［式１８］で表される。
［式１８］ τ_Ａ＝ｋ_１ｌ_Ａ ^２ｓｉｎθｃｏｓθ
また、第３の作用点Ｂに作用する第２の弾性体１０３の弾性力に基づく回転軸Ｏ２回りの回転モーメントτ_Ｂは、［式１９］で表される。
［式１９］ τ_Ｂ＝ｋ_２ｌ_Ｂ ^２（１−ｃｏｓθ）ｓｉｎθ

このように［式１８］は基本原理１の［式６］に等しく、［式１９］は基本原理１の［式７］に等しいので、その後は、基本原理１と同様に設計すれば、本原理も荷重を補償できる機構を実現することができる。

上述の原理は、第１の弾性体１０２及び第２の弾性体１０３をＹ軸方向に配置しているが、図５に示すように、Ｘ軸方向に配置しても良い。要するに、第１の作用点Ｐに作用するｍｇに基づく回転軸Ｏ２回りの回転モーメントに対して、第２の作用点Ａに作用する第１の弾性体１０２の弾性力に基づく回転軸Ｏ２回りの回転モーメント及び第３の作用点Ｂに作用する第２の弾性体１０３の弾性力に基づく回転軸Ｏ２回りの回転モーメントの合力モーメントが逆向きの回転方向に作用し、且つ等しくなるように、第２の作用点Ａや第３の作用点Ｂ、及び第１の弾性体１０２や第２の弾性体１０３の配置並びに弾性係数は適宜、変更される。

例えば、上述の原理の応用例としては、図６に示す原理でも良い。図６に示す原理は、第１のリンク３０１と、第２のリンク３０２と、第３のリンク３０３と、を備えている。第１のリンク３０１は、Ｌ字形状に形成されている。すなわち、第１のリンク３０１は、第１辺３０１ａと、第１辺３０１ａの端部に直交する第２辺３０１ｂと、を備えている。第１のリンク３０１の第１辺３０１ａの一方の端部に第１の作用点Ｐが設けられている。第１のリンク３０１の第１辺３０１ａの他方の端部に回転軸Ｏ３が設けられている。第１のリンク３０１における回転軸Ｏ３と第１の作用点Ｐとの間の位置に第４の作用点Ｄが設けられている。第４の作用点Ｄには、回転可能に第２のリンク３０２の一方の端部が連結されている。第２のリンク３０２の他方の端部は、具体的な図示を省略したが、Ｘ軸方向に摺動可能な構成とされている。第２のリンク３０２の他方の端部は、Ｘ軸方向に配置された第１の弾性体１０２に連結されている。つまり、第２のリンク３０２の他方の端部は、第２の作用点Ａとされている。

第１のリンク３０１の第２辺３０１ｂの端部に第５の作用点Ｅが設けられている。第５の作用点Ｅには、回転可能に第３のリンク３０３の一方の端部が連結されている。第３のリンク３０３の他方の端部は、具体的な図示を省略したが、Ｘ軸方向に摺動可能な構成とされている。第３のリンク３０３の他方の端部は、Ｘ軸方向に配置された第２の弾性体１０３に連結されている。つまり、第３のリンク３０３の他方の端部は、第３の作用点Ｂとされている。

このような構成により、図６に破線で示したように、第１のリンク３０１が回転していない状態では、第２のリンク３０２は第１のリンク３０１の第１辺３０１ａと共にＹ軸方向に配置される。第１のリンク３０１の第２辺３０１ｂと第３のリンク３０３とは、第５の作用点Ｅを挟んでＸ軸方向に展開される。

ちなみに、第２及び第３のリンク３０２、３０３の端部を摺動可能な構成とするには、例えばリンクの端部にＺ軸方向に突出するピンを設け、当該ピンをＸ軸方向に設けられた溝内に挿入する等の構成で実現できる。

ここで、図６に示すように、回転軸Ｏ３から第４の作用点Ｄまでの距離、及び第２の作用点Ａから第４の作用点Ｄまでの距離をｌ_Ａ／２とする。そして、回転軸Ｏ３から第５の作用点Ｅまでの距離、及び第３の作用点Ｂから第５の作用点Ｅまでの距離をｌ_Ｂ／２とする。

このように設定することで、第１のリンク３０１が回転軸Ｏ３を中心として矢印Ｒ方向に回転角θ、回転したとすると、第１の弾性体１０２のＸ軸方向の変位ｘ_Ａは、［式２０］で表される。
［式２０］ ｘ_Ａ＝ｌ_Ａｓｉｎθ
また、第２の弾性体１０３のＸ軸方向の変位ｘ_Ｂは、［式２１］で表される。
［式２１］ ｘ_Ｂ＝ｌ_Ｂ（１−ｃｏｓθ）

そして、第２の作用点Ａに作用する第１の弾性体１０２の弾性力に基づく回転軸Ｏ３回りの回転モーメントτ_Ａを求める際には、第２の作用点Ａの位置を回転軸Ｏ３と第４の作用点Ｄとを結ぶ直線Ｌ４上の点Ａ'の位置に擬制することができ、結果として上述の［式１８］で求めることができる。

また、第３の作用点Ｂに作用する第２の弾性体１０３の弾性力に基づく回転軸Ｏ３回りの回転モーメントτ_Ｂを求める際には、第３の作用点Ｂの位置を回転軸Ｏ３と第５の作用点Ｅとを結ぶ直線Ｌ５上の点Ｂ'の位置に擬制することができ、結果として上述の［式１９］で求めることができる。
よって、図６の原理でも、図４や図５の原理と同様に、荷重を補償できる機構を実現することができる。

＜適用形態＞
上述の基本原理を昇降装置に適用した形態を説明する。本適用形態の昇降装置１は、図７に示すように、リンク機構２と、基台３と、昇降台４と、第１の弾性体５と、第２の弾性体６と、を備えている。

リンク機構２は、直線状の第１のリンク２１と、Ｌ字形状の第２のリンク２２と、直線状の第３のリンク２３と、を備えている。第１のリンク２１と第２のリンク２２とは、長手方向の中央部分で回転可能に連結されている。第２のリンク２２は、第１辺２２１と、第１辺の下端に直交する第２辺２２２と、を備えている。

第１のリンク２１の一方の端部は、基台３にＸ軸方向に摺動可能に連結されている。第１のリンク２１の他方の端部は、昇降台４に回転可能に連結されている。第２のリンク２２の第１辺２２１の一方の端部は、昇降台４にＸ軸方向に摺動可能に連結されている。第２のリンク２２の第１辺２２１の他方の端部は、基台３に回転可能に連結されている。第２のリンク２２の第２辺２２２の端部に、第３のリンク２３の一方の端部が回転可能に連結されている。第３のリンク２３の他方の端部は、基台３にＸ軸方向に摺動可能に連結されている。

基台３は、第１のリンク２１の他端を摺動させることができるように、Ｘ軸方向に延在する第１の溝部３１を備えている。第１の溝部３１に第１のリンク２１の他方の端部に設けられたピン２１ａが挿入されている。また、基台３は、第３のリンク２３の他方の端部を摺動させることができるように、Ｘ軸方向に延在する第２の溝部３２を備えている。第２の溝部３２に第３のリンク２３の他方の端部に設けられたピン２３ａが挿入されている。

昇降台４は、第２のリンク２２の第１辺２２１の一方の端部を摺動させることができるように、Ｘ軸方向に延在する溝部４１を備えている。溝部４１に第２のリンク２２の第１辺２２１の一方の端部に設けられたピン２２１ａが挿入されている。

第１の弾性体５は、Ｘ軸方向に配置されている。第１の弾性体５の一端は、第２のリンク２２の第１辺２２１の一方の端部に連結されている。第１の弾性体５の他方の端部は、昇降台４に連結されている。第２の弾性体６も、Ｘ軸方向に配置されている。第２の弾性体６の一方の端部は、第３のリンク２３の他方の端部に連結されている。第２の弾性体６の他方の端部は、基台３に連結されている。第１の弾性体５及び第２の弾性体６は、第１のリンク２１及び第２のリンク２２が回転していない状態、即ちθ＝０°の状態で自然長となるように連結されている。ちなみに、本形態では、第１の弾性体５や第２の弾性体６をＸ軸方向に配置するので、弾性体を基台３や昇降台４内に格納することができ、昇降装置として機能的な構成にすることができる。また、弾性体をＹ軸方向に配置する場合に比べて、昇降台４を上下動させる範囲を大きく確保することができる。

このような構成の昇降装置１の昇降台４に荷物７を置き、任意の高さとすると、第１の弾性体５及び第２の弾性体６は、第１のリンク２１及び第２のリンク２２が回転していない状態、即ちθ＝０°で自然長となるように連結されているので、図７に示すように、第２のリンク２２の第１辺２２１の一方の端部のＸ軸方向の変位ｘ_１は、［式２２］で表される。
［式２２］ ｘ_１＝ｌ_１ｓｉｎθ
但し、第２のリンク２２の第１辺２２１の長さをｌ_１とする。
また、第３のリンク２３の他方の端部のＸ軸方向の変位ｘ_２は、［式２３］で表される。
［式２３］ ｘ_２＝ｌ_２（１−ｃｏｓθ）
但し、第２のリンク２２の第２辺２２２の長さをｌ_２／２、第３のリンク２３の長さをｌ_２／２とする。

すなわち、本形態は、第２のリンク２２の第１辺２２１の一方の端部は、上述した基本原理１の第１の作用点Ａに対応させ、第３のリンク２３の他方の端部は、上述の基本原理２の第３の作用点Ｂに対応させることができ、上述の基本原理に基づいて設計すると、荷重を補償し得る昇降装置１を実現することができる。

以上、本発明に係る荷重補償機構及びその設計方法の実施形態を説明したが、上記の構成に限らず、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で、変更することが可能である。

１ 昇降装置
２ リンク機構
３ 基台、３１ 第１の溝部、３２ 第２の溝部
４ 昇降台、４１ 溝部
５ 第１の弾性体
６ 第２の弾性体
７ 荷物
２１ 第１のリンク、２１ａ ピン
２２ 第２のリンク、２２１ 第１辺、２２１ａ ピン、２２２ 第２辺
２３ 第３のリンク、２３ａ ピン
１００ 基台
１０１ リンク
１０２ 第１の弾性体
１０３ 第２の弾性体
２０１ リンク
３０１ 第１のリンク、３０１ａ 第１辺、３０１ｂ 第２辺
３０２ 第２のリンク
３０３ 第３のリンク
１０２１ 許容部、１０２１ａ 突出部、１０２１ｂ 摺動板
１０３１ 許容部、１０３１ａ 突出部、１０３１ｂ 摺動板

Claims (9)

1. 回転体に荷重が作用する第１の作用点と、前記回転体に第１の弾性体の弾性力が作用する第２の作用点と、前記回転体に第２の弾性体の弾性力が作用する第３の作用点と、を設け、
   前記第２の作用点は、前記回転体の回転軸と前記第３の作用点とを結ぶ直線上に略配置し、
   前記第１の弾性体と前記第２の弾性体とは、略直交するように配置し、
   前記第１の作用点に作用する前記荷重に基づく前記回転体の回転軸回りのトルクと、前記第２の作用点に作用する弾性力に基づく前記回転体の回転軸回りのトルク及び前記第３の作用点に作用する弾性力に基づく前記回転体の回転軸回りのトルクの合力トルクと、を逆向きの回転方向に作用させることを特徴とする荷重補償機構。
2. 回転体に荷重が作用する第１の作用点と、前記回転体に第１の弾性体の弾性力が作用する第２の作用点と、前記回転体に第２の弾性体の弾性力が作用する第３の作用点と、を設け、
   前記第２の作用点は、前記回転体の回転軸と前記第３の作用点とを結ぶ直線と略直交する直線上に略配置し、
   前記第１の弾性体と前記第２の弾性体とは、略平行に配置し、
   前記第１の作用点に作用する前記荷重に基づく前記回転体の回転軸回りのトルクと、前記第２の作用点に作用する弾性力に基づく前記回転体の回転軸回りのトルク及び前記第３の作用点に作用する弾性力に基づく前記回転体の回転軸回りのトルクの合力トルクと、を逆向きの回転方向に作用させることを特徴とする荷重補償機構。
3. 前記第１の弾性体又は前記第２の弾性体の端部は、前記回転体が回転した際に前記第１の弾性体又は前記第２の弾性体が前記回転体の回転方向に振られないように、前記第２の作用点又は前記第３の作用点における前記第１の弾性体又は前記第２の弾性体の配置方向と略直交する方向への変位を許容する許容部を備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の荷重補償機構。
4. 前記第１の作用点が前記回転体の回転軸を通る鉛直上向きの直線上に略位置するときに、前記第１の弾性体と前記第２の弾性体のそれぞれの弾性力が略ゼロとなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の荷重補償機構。
5. 前記第１の作用点が前記回転体の回転軸を通る鉛直上向きの直線上に略位置するときに、前記第２の弾性体に予め弾性力を導入することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の荷重補償機構。
6. 請求項４に記載の荷重補償機構において、
   以下の［式１］を満足することを特徴とする荷重補償機構。
   ［式１］ｋ_１ｌ_１ ^２＝ｋ_２ｌ_２ ^２＝ｍｇｌ
   但し、前記第１の弾性体の弾性係数がｋ_１、前記回転体の回転軸から第２の作用点までの距離をｌ_１、前記第２の弾性体の弾性係数がｋ_２、前記回転体の回転軸から第３の作用点までの距離をｌ_２、第１の作用点に作用する荷重をｍｇ、回転体の回転軸から第１の作用点までの距離をｌとする。
7. 請求項５に記載の荷重補償機構において、
   前記第１の作用点に作用する荷重がα倍に変化したときに、以下の［式１］且つ［式２］を満足することを特徴とする荷重補償機構。
   ［式１］ｋ_１ｌ_１ ^２＝ｋ_２ｌ_２ ^２＝ｍｇｌ
   ［式２］ｋ_２ｌ_２（ｌ_２＋ｌ_２'）＝αｍｇｌ
   但し、前記第１の弾性体の弾性係数がｋ_１、前記回転体の回転軸から第２の作用点までの距離をｌ_１、前記第２の弾性体の弾性係数がｋ_２、前記回転体の回転軸から第３の作用点までの距離をｌ_２、第１の作用点に作用する荷重をｍｇ、回転体の回転軸から第１の作用点までの距離をｌ、前記第２の弾性体に導入する弾性力のための変化量をｌ_２'とする。
8. 請求項４に記載の荷重補償機構を設計するにあたって、
   以下の［式１］を満足させることを特徴とする荷重補償機構の設計方法。
   ［式１］ｋ_１ｌ_１ ^２＝ｋ_２ｌ_２ ^２＝ｍｇｌ
   但し、前記第１の弾性体の弾性係数がｋ_１、前記回転体の回転軸から第２の作用点までの距離をｌ_１、前記第２の弾性体の弾性係数がｋ_２、前記回転体の回転軸から第３の作用点までの距離をｌ_２、第１の作用点に作用する荷重をｍｇ、回転体の回転軸から第１の作用点までの距離をｌとする。
9. 請求項５に記載の荷重補償機構を設計するにあたって、
   前記第１の作用点に作用する荷重がα倍に変化したときに、以下の［式１］且つ［式２］を満足させることを特徴とする荷重補償機構の設計方法。
   ［式１］ｋ_１ｌ_１ ^２＝ｋ_２ｌ_２ ^２＝ｍｇｌ
   ［式２］ｋ_２ｌ_２（ｌ_２＋ｌ_２'）＝αｍｇｌ
   但し、前記第１の弾性体の弾性係数がｋ_１、前記回転体の回転軸から第２の作用点までの距離をｌ_１、前記第２の弾性体の弾性係数がｋ_２、前記回転体の回転軸から第３の作用点までの距離をｌ_２、第１の作用点に作用する荷重をｍｇ、回転体の回転軸から第１の作用点までの距離をｌ、前記第２の弾性体に導入する弾性力のための変化量をｌ_２'とする。

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