JP4234754B2 - 釣合わせ用バネを有する機械アーム - Google Patents

Description

ここに記載する本発明は、ランプ、コンピュータスクリーン、実験室用器具及び他の物品のような物体を保持するための機械アームに係り、さらに詳細には、アームを操作して種々の姿勢にする際物体の重量の保持を支援するためにバネを機械釣合い手段として用いる機械アームに係る。

本明細書が係るタイプの可調整機械アームは、オフィス、実験室、スタジオ及び他の場所で普通に見られる、ランプ、コンピュータスクリーン、実験室用器具、マイクロホンなどのような物体を種々の異なる角度及び高さで支持するものである。

市販されるタイプの典型的な従来技術のランプは通常、上方アームと下方のアームが中間点で枢着されたものである。下方アームは静止基部に枢着される。かかるアームの構成は通常、各アームセグメントとして複数の平行な機械式リンクを用いており、これらのリンクは平行四辺形の構造により種々の点で枢着されている。典型的な従来技術の機械アームは、平行なリンクのうちの一方と、ジョイントの平行四辺形の構造との間に対角線方向に接続されたバネにより釣合わせる構造であるため、ジョイントの周りをアームが運動するとバネが伸張または収縮してアームの先端で支持された物体の重量に釣合うようになっている。このタイプのアームは、例えば、米国特許第４，９５３，８２２号（発明者：Sharber, et al.）及び米国６，５５０，７３４号（発明者：Spadea）に示されている。

しかしながら、従来技術のアームには特性上の問題点が幾つかある。第１に、これらのアームはどちらかと言えば見栄えが悪く、リンク、平行四辺形、バネ、電気コード及びアームの種々の部品をひとまとめにするための全てのハードウェアを含む全ての機械コンポーネントに斬新さがない。さらに、ゴミや埃が装置の隅や角にたまる傾向があるためいつもきれいな状態に保つのが設計上困難であり、部品点数及び組み立て時間の両方の点で製造コストが高い。

従って、機械コンポーネントが囲いの中に隠され、電気コードが外から見えないような、従来型設計に比べて審美感が高い設計を提供することが本発明の目的である。さらに、ランプに尖った端縁部がなく、また埃やゴミがたまるような隅や角がなく、製造コストが低くなるように従来型設計に比べて部品点数を少なくするのが本発明の別の目的である。

従来型設計のもう１つの問題点は、釣合わせ用バネが支持される物体に及ぼす力が上方及び下方のアーム部分の全ての姿勢で一定でないことである。例えば、支持される物体にかかる力は運動範囲の端の部分では通常、十分でないかまたは過大であるため、物体を何れかのアーム部分の運動範囲の一番端で一定の位置に保つのが困難であり厄介である。さらに、アームのユーザーは支持される物体を所望の位置に移動するために過大な力の使用を要求されるべきではない。

従って、バネ圧が装置の両アームの全運動範囲にわたってばらつきのない値になるようにし、支持された物体の位置を変化させるためにユーザーが加えなければならない力の大きさを最小限に抑えるのが本発明の目的でもある。

発明の概要

本願に記載した機械アームは、２つの部分より成り、上記の本発明の目的を満足するように設計された、即ち、アームが従来型アームと比べて高い審美感を有し、アームの姿勢を調整するためにユーザーに必要とされる力が最小で、釣合わせ用バネが及ぼす力が装置の両アームの全運動範囲にわたってより一定に近いアームを提供する。

本発明によると、基部と、第１のピボットで基部に枢着された第１のリンクと、第２のピボットで第１のリンクに枢着された第２のリンクと、第１のリンク上に画定されたアンカーポイントと第１のピボットとの間に固着された第１のバネと、第２のリンク上に画定されたアンカーポイントと第２のピボットとの間に固着された第２のバネとより成り、第１及び第２のピボットは、それぞれ第１及び第２の軸と、第１の軸の周りに位置する第１のリングと、第２の軸の周りに位置する第２のリングとより成り、第１及び第２のバネはそれぞれ第１及び第２のリングへの固着手段により第１及び第２のピボットに固着されており、さらに、第１のリング及び第２のリングの周りに位置する第１のケーブルを備えており、第１のケーブルは第１のリングが第１のピボットを中心として回転すると第２のリングを第２の軸を中心として回転させることにより、第２のリングの水平基準面に対する相対的位置を一定に保つように作動し、第１のリングは水平基準面に関して回転することができないことを特徴とする機械アームが提供される。

図１の透視図及び図２の展開図に示すアームは、本質的に、基部１、下方リンク２、上方リンク３及びアタッチメント４より成る。基部１は静止表面Ｄに固着されている。基部１は、重りの付いた台、机の端縁部への接続用クランプを備えた台または壁に永続的に固着される壁ブラケットでよい。アタッチメント４は図１ではランプとして示されているが、上述したような任意の物体でよい。アタッチメント４はピボットＣで上方リンク３に接続されている。下方リンク２はピボットポイントＡで基部１に接続され、上方リンク３はピボットポイントＢで下方リンク２に接続されている。ピボットポイントＡ及びＢは水平な軸を中心として回転する。

ピボットポイントＡ及びＢはそれぞれ中空軸５及び６として構成されるが、それらは大きな直径を有するため非常に強靭であり、また中空であるため非常に軽い。リング８及び７はそれぞれ中空軸５及び６の周りに位置し、リング８及び７の両方の周りにループを形成するように取付けられたケーブル９を介して連結されている。リング８はピン１０により定位置に固定され、一方、リング７は下方リンク２がピボットポイントＡを中心として運動するとそれに応答して軸６の周りを回転することができる。リング７の運動は下方リンク２がピボットポイントＡを中心として枢動するとケーブル９がリング８に巻き付いたり、またその状態から離脱することにより生じるが、その結果、リング７と水平基準面との間の相対的位置が下方リンク２が移動する時維持される。

バネ１３の一方の端部はアンカーポイント１４において上方リンク３に固着される。バネ１３のもう一方の端部は２つの方法のうちの１つで固着することができる。図３ａ及び３ｂに示す好ましい実施例において、バネ１３のもう一方の端部はリング７に巻き付いてピン２１によりリングに固着されたケーブル２０に固着されるため、上方リンク３がピボットポイントＢを中心として回転するとケーブル２０はリング７に巻き付いたりその状態から離脱したりする。この実施例では、ピボットポイントＢを中心とする上方リンク３の大きな運動範囲にわたりアタッチメント４にかかる力のばらつきが少ない。図３ａはバネ１３が弛緩した状態を示す。アーム３がピボットポイントＢを中心として時計方向に回転すると、ケーブル２０のより多くの部分がリング７に巻き付くことになり、その結果、バネ１３が伸張されてより多くの力が加わり物体４の重量の相殺を支援する。ここで、ピボットポイントＢを図３ａ及び３ｂに示すが、同じ構成をピボットポイントＡに適用可能であることを注意されたい。また、リンク７及び８を接続するケーブル９は図３ａ及び３ｂに図示されていない。

別の実施例において、図１に示すようなバネ３のもう一方の端部はリングの外周に画定された孔部を介してそのリングに固着することができる。

バネ１５は、一方の端部がアンカーポイント１７で固着されるが、リング８への固着はバネ１３のリング７への固着と同じ態様で行うことができる。ここで、バネ１３及び１５をそれぞれリング８及び７に同じ態様で固着するのは必要条件ではないことに注意されたい。設計上１つのバネに上述したケーブル方式を用い、もう一方のバネに孔部によるリング方式を用いることができる。

バネ１３及び１５は、アタッチメント４の持ち上げ効果を有する力を発生させるためにピボットポイントＡ及びＢに対して対角線関係に取り付けられている。図４は、ピボットポイントＡにかかる片持ちばり荷重が非常に小さいためバネ１５が小さい力を作用させる弛緩状態を示すが、図５は、アタッチメント４が基部１から離れる方向に移動するためピボットポイントＡに増加した片持ちばり荷重がかかる、バネ１５が大きな力を作用させる（即ち、伸張した）状態を示す。図４はまた、バネ１３が小さい力を作用させる弛緩状態を示し、一方、図６はバネ１３をアタッチメント４の重量の持ち上げを支援する大きな力が作用した伸張状態を示す。アームの姿勢を維持するためにピボット軸５及び６には小さな摩擦が導入される。アタッチメントのピボットＣは摩擦だけにより定位置に保持される。

バネ１３は、下方リンク２の姿勢とは無関係にバネ１３の端部取付けポイント１２を水平基準面から同じ位置に維持するケーブル９により、ピボットポイントＡを中心とする下方リンク２の運動から隔離されている。ケーブル９は、軸６及び５の周りを回転するリング７及び８に固定されている。ケーブル９の下方の接続点は、ピン１０がリング８のノッチ２２と係合するためリング８に固定され、また、基部１に画定された孔部１８に挿入されたピン１０により基部１に関して静止状態に保持される。ケーブル９の上方端部は、リング７のノッチ２３と係合するピン１１によりリング７に固定されている。下方リンク２がピボットポイントＡを中心として回転するとケーブル９はリング８の周りにかかり、その結果、リング７は軸６を中心として回転することになり、リング７の水平基準面に対する相対的位置が維持される。これは、下方リンク２が運動してもバネ１３は伸張または収縮する必要がないという効果がある。

図７は、アタッチメント４に電力を運ぶためにアームを介する経路が選択された電気ケーブル２４を示す。ケーブル２４のコイル部分は下方リンク２に収納されているため、ケーブル２４はピボットの回転につれて伸張及び収縮することができる。これにより、典型的な従来型機械アームのピボットのようにケーブルの緩んだ部分を露出せずにケーブル２４をアーム内に収納することが可能となる。

好ましい実施例において、リンク２及び３、軸５及び６、リング７及び８は、金属、例えば、アルミニウムで作られている。リンク２及び３は滑らかな、はけ塗りしたまたはペイントを塗布した仕上げを有するが、別法として他の金属またはプラスチックのような他の多くの材料で形成することも可能である。ケーブル９及び２０は通常、従来型の手に入れ易いタイプの中空のスティールケーブルである。

本発明のアームの透視図である。 本発明のアームの展開図である。 説明したタイプのピボットポイントの透視図であり、バネをアームに接続する好ましい方法を示す。 説明したタイプのピボットポイントの透視図であり、バネをアームに接続する好ましい方法を示す。 アームの透視図であり、下方のバネが弛緩した状態を示す。 アームの透視図であり、下方のバネが伸張した状態を示す。 上方のバネが伸張した状態で示すアームの透視図である。 内部にある電気コードを示すアームの透視図である。

Claims (10)

1. 基部と、
   第１のピボットで基部に枢着された第１のリンクと、
   第２のピボットで第１のリンクに枢着された第２のリンクと、
   第１のリンク上に画定されたアンカーポイントと第１のピボットとの間に固着された第１のバネと、
   第２のリンク上に画定されたアンカーポイントと第２のピボットとの間に固着された第２のバネとより成り、
   第１及び第２のピボットは、
   それぞれ第１及び第２の軸と、
   第１の軸の周りに位置する第１のリングと、
   第２の軸の周りに位置する第２のリングとより成り、
   第１及び第２のバネはそれぞれ第１及び第２のリングへの固着手段により第１及び第２のピボットに固着されており、
   さらに、第１のリング及び第２のリングの周りに位置する第１のケーブルを備えており、第１のケーブルは第１のリングが第１のピボットを中心として回転すると第２のリングを第２の軸を中心として回転させることにより、第２のリングの水平基準面に対する相対的位置を一定に保つように作動し、
   第１のリングは水平基準面に関して回転することができないことを特徴とする機械アーム。
2. 第１及び第２のバネはそれぞれ第１及び第２のリングに設けられた孔部を介して第１及び第２のピボットに固着されている請求項１の機械アーム。
3. 一端が第１のバネに固着され、反対端が第１のリングの周りに巻き付けられて該リングに非可動に固着された第２のケーブルと、
   一端が第２のバネに固着され、反対端が第２のリングの周りに巻き付けられて該リングに非可動に固着された第３のケーブルとをさらに備えた請求項１の機械アーム。
4. 第１の軸及び第２の軸は中空である請求項１の機械アーム。
5. 基部と第１のリンクの一方の端部は第１の軸に回転自在に装着され、さらに、第１のリンクのもう一方の端部と第２のリンクの一方の端部は第２の軸に回転自在に装着されている請求項１の機械アーム。
6. 第１及び第２のリンクは中空のシースより成り、さらに、第１及び第２のバネと、第１及び第２のリングは中空のシース内に見えないように隠れている請求項１の機械アーム。
7. 第２のリンクのもう一方の端部に回転自在に装着されたアタッチメントをさらに備える請求項１の機械アーム。
8. アタッチメントはランプ、コンピュータのモニター、実験室用器具及びマイクロホンより成る群から選択される請求項７の機械アーム。
9. アタッチメントに電力を供給する電気コードをさらに備え、電気コードは第２のピボットの周りを延びており、電気コードは第１のリンク内のコイル部分を有するため、第２のリンクを第１のリンクに関して回転させると電気コードのコイル部分が伸張及び収縮する請求項８の機械アーム。
10. シースは金属及びプラスチックより成る群から選択された材料により構成される請求項６の機械アーム。

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