JP2021050622A - 推力生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空間や水中でも推力機能を有するコンパクトな推力生成装置を提供する。【解決手段】円筒カム３００のカム溝３１０がループされており、円筒カム３００のカム溝３１０をガイドとする円形凸形状２５０を有する直進往復運動する振動子２００が、円筒カム３００が円筒部３０３と同軸を中心軸として回転する時、振動子２００が直進する加速度と戻りの加速度に加速度差を設け、前記加速度差に振動子２００の質量を乗じることによって推力を生成させる。【選択図】図６

Description

本発明は、推力を生成できる装置として使い勝手の向上に関する。

推進アクチュータとして、古くから車のレシプロエンジンや船舶のスクリューエンジンなどがある。これらは、地面をタイヤ介して進行することや船舶は水を掻き出して推力を生成しているため、推進のために周囲環境の制限があった。また、周囲環境に制限されない推力生成機器として、例えば、以下の方法が提案されている。特許文献１（特開２００６−６５６６５号公報）に開示されている方法は、錘の往復運動部と駆動源が連結棒で連結されている。一方、特許文献１（特開２００６−１５０２９４号公報）は、錘に磁性材料を用いて、その錘に加わる磁界を制御することで擬似力覚生成している。

特開２００６−６５６６５号公報 特開２０１６−１５０２９４号公報

特許文献１に開示される方法は、モーターの回転動力から錘の直進往復運動の往路と復路の加速度差で直進運動方向に擬似力覚を生成させている。この方法はサイズが大きく、モーターの回転方向と錘の直線運動、更に、モーター質量及びモーターと錘との力の伝達構造部品との力方向の変移による複雑な振動が大きく、しかもコストが高い欠点がある。

特許文献２に開示されている方法は、ボイスコイルモーターの原理の応用で、人に与える擬似力覚が対象であり、大きい力が出せない欠点がある。

円筒カムのカム溝がループされており、前記円筒カムのカム溝をガイドとする円形凸形状を有し、直進往復運動する振動子であって、前期円筒カムが回転する時、前記振動子の直進する加速度と戻りの加速度の差に前記振動子の質量を乗じて力を生成することを特徴とする推力生成装置。

本発明の推力生成装置によれば、円筒カムに連動する振動子の往復直線運動において、振動子の往路と復路の直線上で加速度差が発生するため、円筒カムの回転数や角速度、更に振動子の質量などで推力の調節ができるため、安定した大きな推力生成ができる。

本発明の外観斜視図。 図１での矢視Aから見た上面図。 図２での断面B-Bを表示。 図２での断面C-Cを表示。 図１でのケースのみが縦断面の図（断面指示表示なし）。 本発明のケースと振動子と円筒カムの関係図。 本発明の振動子と円筒カムの組み合わせた斜視図。 図７での縦方向の断面図。 本発明の円筒カムの斜視図。 本発明の円筒カムのカム溝の展開図。 本発明の振動子の運動方向と円筒カムの回転方向の相関図。 本発明の振動子の往復運動距離と円筒カムの回転方向の相関図。 本発明の振動子の１周期と円筒カムの回転角度を表す相関図。 本発明の２種類のカム溝を有する外観図。 本発明の図１０とは軸対称のカム溝の展開図。 本発明の円筒カムの回転の加速度を表す図。 本発明の２種類円筒カムと異なる回転方向の相関図。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。しかしながら、かかる実施の形態例が本発明の技術的範囲を限定するものではない。

図１乃至図９は、本発明の実施の形態における推力生成装置の構成例を示す図である。具体的には、
図１は、本発明の推力生成装置の構成を示す外観斜視図であり、図２は、図１の上面図で後述する断面位置を説明するための上面図であり、図３は、図２のB-B断面図、図４は、図２のC-C断面図、図５は、図１のケースのみを断面表示の斜視図、さらに図６は、ケースと振動子と円筒カムとの関係を示す斜視図を表し、振動子と円筒カムとの相対位置や組立て構成を表す斜視図であり、図７は、円筒カムと振動子の関係を示す斜視図である。

図８は、図７の縦断面図であり、カム溝と振動子に係合されているカムフォロアとの関係を示す。図９は円筒カムの斜視図である。図１０は、円筒カムのカム溝の展開図であり、
図１１は、推力生成を説明するための円筒カムのカム溝の展開図、更に図１２及び図１３図は円筒カムの回転に対するカム溝の変位を曲線で表した相関図である。

次に図１４乃至図１７は、本発明の実施の形態における振動吸収構造を説明するための図であり、図１４は振動吸収構成の外観図であり、図１５は、図１０のおけるカム溝展開形
状が円筒カム軸を中心に上下対称にした形状である。図１６は、図１３の同様１周期あたりのカム溝の変位曲線を表し、図１７は、回転軸が同一である２種類の円筒カムが異なる回転方向を対比した時、力関係をベクトルで表した図である。

図１に於いて、ケース１００が左ガイド長穴１０４と反対側に右ガイド長穴１０５（図４参照）とケース穴１０１を有している。ケース１００の上面図を図２に示し、図２の断面
B―Bを図３で説明する。図３で、左右のベアリング５００は円筒カム３００とケース筒部１０７連結されていて、円筒カム３００が回転する時、カム溝３１０をガイドにカムフォロア２５０を具備した振動子２００は図１の左ガイド長穴１０４と右ガイド長穴１０５（図４参照）をガイドに左右に動く。ここで回転アクチュエーター４００と円筒カム３００が連結されており、回転アクチュエーター４００の駆動力で円筒カム３００が回転する。

次に図２の断面C―C表示を図４で説明する。図４で、振動子２００が左右に動く時、振動子左凸部２０３と振動子右凸部２０４がケース１００の左ガイド長穴１０４と右ガイド
長穴１０５に沿って動く。

図５図は、本発明のケース１００のみを断面にした斜視図であり、振動子２００に具備された振動左凸部２０３を分かりやすくしたものである。一方、図６はケース１００と振動
子２００と円筒カム３００との関係の斜視図である。図７は、円筒カム３００が矢印方向に回転するときの円筒カム３００のカム溝３１０の関係の外観図である。図７の縦断面斜視図が図８であり、カム溝３１０と振動子２００に具備されたカムフォロア２５０との関係を示す。ここでカム溝３１０は、円筒カム３００の１回転あたり２周期を図例にしているため、カム溝３１０に位置が上下同じになっている。

図９は、円筒カム３００が一回転したとき、カム溝３１０が２周期の例の斜視図である。また図１０は、カム溝３１０の展開形状である。ここでt1はカム溝のセンターラインで且つ円筒カム３０
０の中心でもある。ここで０°から１８０°のカム溝３１０展開形状と１８０°から３６０°の展開形状が同じで、振動子２００（図９）の直線運動が２往復または偶数の往復となる。

図１１は、図１０の展開形状を詳しく説明するためのものである。図１１に於いて、横軸は、カム溝３１０を通る振動子２００の運動方向と、縦軸が円筒カム３００の回転方向を
表す。ここで少なくてもRア３１１、Rオ３１２、Rケ３１３、Rコ３１４に於いて、例えば、カム溝３１６からカム溝３１７に傾きが変わる時、円筒カム３００の回転抵抗軽減、即ち振動子２００のなめらかな方向
転換のため、緩やかなRオ３１２が必要になる。同様にカム溝３１７、カム溝３１８、カム溝３１９と、それぞれの関係もRオ３１２、Rケ３１３、Rコ３１４、Rア３１１が必要になる。

図１２は、図１１のカム溝３１０の幅中心を線で表したものであり、振動子２００のカムフォロア２５０の中心の軌跡でもある。ここで振動子２００の動く範囲はｔ０〜ｔ２の間
でt１は中間線である。円筒カム３００の回転角度がEの間に於いて、線シ３１６aの勾配が角加速度を表し、F間の線ソ３１７aの勾配も同様に角加速度を表す。従ってt０軸に対してなす角度が大きいほど角加速度が大きくなる。ここでα°よりβ°が大きいため、E間よりF間の角加速度が大きい力となる。３１６aと３１７aとでは振動子２００の進む方向が異なるため、線シ３１６aと線ソ３１７aとの角加速度の差が力となって現れる。ここでは一回転あたり２周期として説明となる。

また図１２で、円筒カム３００の角速度がｗからｘよりｘからｙの範囲で、図３の回転アクチュエータ４００からのトルクが大きくなるように設定されたとき、β°の角度が大きくなるため、振動子２００の加速度が増してより大きな力となる。この場合、円筒カム３００の回転速度が一定ではなく、回転速度が遅い（ｗからｘ）、早い（ｘからｙ）、遅い（ｙからｚ）、早い（ｚからｗ）を繰り返す。

図１３は振動子の運動方向と回転角度の関係を示す。図１３に於いて、回転角が０°からu°に変化する時、即ちカム溝３１０が一周期である時、円筒カム３００が一回転する時
において、３６０°が0°〜u°の角度で割れきれる数字になることが前提となる。

図１４はケース１００とケース１１０とを一体化した推力生成装置である。ケース１００とケース１１０との違いは、ケース１１０の内部に組み込まれている円筒カム６００のカ
ム溝６１０と、円筒カム６００の回転方向の違いである。

図１５は、図１０のカム溝３１０を円筒カム３００の回転軸（１８０°）を中心に上下の勝手違い溝形状にしたものである。また図１６は、図１３のX軸を中心に上下の勝手違い
の図である。

図１７は、図１３と図１６を合わせた図、即ち円筒カム３００と円筒カム６００との組合せで、カム溝３１０とカム溝６１０の溝の方向がX軸を中心に上下勝手違いで、且つ円筒カム３００と円筒カム６００の回転方向が同じ回転数で逆方向となる。ここで円筒カム３００と円筒カム６００回転軸が同じである。

また、１７図でのJ点を始点とするベクトルでは、力b６２０の垂直分力b６２１と水平分力b６２２が発生する。本発明に必要なのは水平分力b６２２であるため、垂直分力b６
２１は振動などのノイズ要因となる。一方、K点を始点とするベクトルでは、力c６３０の垂直分力c６３１と水平分力c６３２が生成され、垂直分力b６２１と垂直分力c６３１が打ち消され、振動などのノイズが少なくなる。ここで点Lは、点mと点nの中間位置で、J点とK点位置は、点Lを軸にしての点対称位置。

船舶などのエンジンとして期待される。小型医療機器としては消化器系の器官をカメラ搭載し、ワイヤレスで診察できるエンジンなど。福祉機器としては白杖の代替。アミューズ
メント市場ではゲームコントローラー、バーチャルリアリティ機器など多岐にわたる。

１００ ケース
１０１ ケース穴
１０２ 右ベアリング当て
１０３ 左ベアリング当て
１０４ 左ガイド長穴
１０５ 右ガイド長穴、
１０７ ケース芯筒部外径
１１０ 第２ケース
２００ 振動子
２０３ 振動子左凸部
２０４ 振動子右凸部
２５０ カムフォロア
２５１ カムフォロア軸
２５２ カムフォロア回転部
３００ 円筒カム
３０２ 円筒カム内径面
３１０ カム溝
３１１ Rア
３１１a Rイ
３１１b Rウ
３１１c Rエ
３１２ Rオ
３１２a Rカ
３１２b Rキ
３１２c Rク
３１５ Rケ
３１４ Rコ
３１５ Rサ
３１６ 線シ
３１６a 線ス
３１７ 線セ
３１７a 線ソ
３１８ 線タ
３１８a 線チ
３１９ 線ツ
３１９a 線テ
４００ 回転アクチュエーター
４０１ ホルダー
５００ ベアリング
５１０ ボール
５０２ サポート
６００ 第２円筒カム
６１０ 第２円筒カム溝
力b ６２０
垂直分力b ６２１
水平分力b ６２２
力c ６３０
垂直分力c ６３１
水平分力c ６３２

Claims (6)

1. 円筒カムのカム溝がループされており、前記円筒カムのカム溝をガイドとする円形凸形状を有し、且つ直進往復運動する振動子であって、前期円筒カムが回転する時、前記振動子
   の直進する加速度と戻りの加速度の差に前記振動子の質量を乗じて力を生成することを特徴とする推力生成装置。
2. 前記推力生成装置の駆動源が前記円筒カムの円筒部と同軸上に構成されることを特徴とする請求項１の推力生成装置。
3. 前記振動子が、前期円筒カムが１回転あたり少なくとも１往復以上の周期を有する請求項１の前記円筒カム。
4. 前記円筒カムの前記カム溝の勾配が変わる時、変化がなめらかなR形状を経ることを特徴とする請求項１の推力生成装置。
5. 前記円筒カムの前記カム溝の勾配が、前記円筒カムに係合さているアクチュエーターのトルクに連動することを特徴とする請求項１の推力生成装置。
6. 第１の推力生成装置が請求項１の前期推力生成装置であって、第２の推力生成装置が前期円筒カムのカム溝の展開形状が回転軸を中心に対称形状をなす第２の円筒カムを有する時、前記第２の円筒
   カムが、前記第１の推力生成装置の前記円筒カムの回転方向と反対方向の回転を有し、且つ回転数が同じで、更に回転軸が同一あることを特徴とする第１の推力生成装置と第２の推力生成装置が一体化した複合推力生成装置。

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