JP5679093B1 - 復帰機構、加速機構、発電装置、発信装置、およびスイッチ装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図19は、参考例1の復帰機構100の操作および復帰の動作の概略を示す図である。復帰機構100は、操作部101、動作部102、ベース部103、加速用バネ111、および復帰用バネ112を備える。加速用バネ111は、操作部101と動作部102とを接続している。復帰用バネ112は、操作部101とベース部103とを接続している。復帰用バネ112が操作部101に働く方向は、加速用バネ111が操作部101に働く方向に対して平行である。
図20は、参考例1の復帰機構100のFS特性を示す図である。横軸は操作部101のS(ストローク)を示し、縦軸はF(フォース)を示す。図20には、加速用バネ111の力(復元力)と、復帰用バネ112の力と、操作力とが示されている。利用者が操作部101を操作するために必要となる力が操作力である。各ストローク位置において操作に必要な操作力は、復帰用バネ力と加速用バネ力との合力である。力が正であることは、操作部101に上向き(第2位置から第1位置の方向)の力が加わっていることを示す。必要な操作力は、操作部101が復帰する上向きの力(復帰力)と言うこともできる。
操作部101に操作力を加えて操作部101を第1位置(S0)から変位させていくと、加速用バネ111は圧縮されていき、復元力(バネ力)は線形に増加していく。すなわち、操作に必要な操作力も増加していく。なお、ストロークS1を越えても、保持力により動作部102は第3位置に保持されるので、加速用バネ111は圧縮され続ける。
一方、操作部101に加える外力(操作力)を弱めると、復帰用バネ力と加速用バネ力の合力(復帰力)によって、操作部101が復帰する。操作部101を第2位置(S3)から第1位置の方向へ復帰させていくと、加速用バネ111の圧縮が少なくなっていき、復元力(バネ力)は線形に減少していく。すなわち、操作力(復帰力)も減少していく。操作部101がストロークS2よりさらに復帰しても、保持力により動作部102は第4位置に保持されるので、加速用バネ111は伸長される。
以下に、本発明に係る実施形態について説明する。本実施形態では、参考例1に比べて、復帰用バネに対応するバネに関する構成が異なる。
図1は、本実施形態の復帰機構10の概略構成を示す図である。本実施形態は、操作部11および動作部12が自己復帰し、かつ、動作部12が操作速度に関わらず高速で動作する復帰機構において、必要な操作力が小さくてすむ復帰機構に関する。第1バネ1および動作部12に働く保持力によって、動作部12の高速での動作を実現することができる。また、第2バネ2によって操作部11および動作部12の自己復帰を実現することができる。ここで、本実施形態では、第2バネ2の構成(配置)を工夫することにより、必要な操作力を参考例1の復帰機構に比べて低減する。
図2は、本実施形態の復帰機構10の操作および復帰の動作の概略を示す図である。利用者は、操作部11に外力として操作力を加えることにより操作部11を運動(移動)させる。そして操作部11の変位に応じて、動作部12が変位する。動作部12が移動することにより、復帰機構10は機能を提供する。例えば後述するように復帰機構10を発電装置に適用する場合、動作部12の運動(移動)によって発電を行う。
図3は、本実施形態の復帰機構10のFS特性を示す図である。横軸は操作部11のS(ストローク)を示し、縦軸はF(フォース)を示す。図3には、第1バネ1の力(第1バネ力)と、第2バネ2の力(第2バネ力)と、操作力とが示されている。各ストローク位置において操作に必要な操作力は、第1バネ力と第2バネ力との合力である。力が正であることは、操作部11に上向き(第2位置から第1位置の方向)の力が加わっていることを示す。なお、図示する第2バネ力は、操作部11に働く力のストローク軸Sの成分である。第2バネ2の復元力にcosθをかけたものが、ストローク軸Sの成分である。
操作部11に操作力を加えて操作部11を第1位置(S0)から変位させていくと、第1バネ1は圧縮されていき、第1バネ力は線形に増加していく。一方で、第2バネ2はストローク軸に対する角度θが大きくなるので、第2バネ力は減少していく。そのため、操作に必要な操作力は、ほぼ一定である。なお、第2バネ力の減少度合いによっては、操作力は一定ではなく増加または減少することもあり得る。なお、ストロークがS1を越えても、保持力により動作部12は第3位置に保持されるので、第1バネ1は圧縮され続ける。
一方、操作部11に加える外力(操作力)を弱めると、第1バネ力と第2バネ力の合力(復帰力)によって、操作部11が復帰する。操作部11を第2位置(S3)から第1位置の方向へ復帰させていくと、第1バネ1の圧縮が少なくなっていく。一方で、第2バネ力は増加していく。操作力は低いままほとんど変化しない。操作部11がストロークS2よりさらに復帰しても、保持力により動作部12は第4位置に保持されるので、第1バネ1は伸長される。
操作のために必要な最大の操作力Fmaxは、操作時のストロークS0からS2の間の値である。S0からS2にかけて操作力が一定である場合、Fmaxは、第4位置の動作部12に働く保持力より大きければよい。そのため、参考例1に比べて、本実施形態の復帰機構10では、利用者は小さな操作力で操作部11を操作することができる。また、動作部12を、第1バネ1に蓄積された弾性エネルギーによって高速に動作させることができる。そのため、操作部のストローク量を増加させることなく操作の負担を減少させ、操作性を向上させることができる。
図4は、復帰機構10のFS特性の具体例を示す図である。図4の(a)は復帰機構10の構成を示し、図4の(b)はFS特性の具体例を示す。図4の(b)の横軸は操作部11のストロークを示し、縦軸は力を示す。図4の(b)には、操作時(行き)および復帰時(戻り)の、第1バネ力と第2バネ力と操作荷重(操作力)とが示されている。
図5は、保持力の具体例を示す図である。図5の(a)は、保持力として磁力を用いる場合を示す。復帰機構は、動作部12を挟んで対向する2つの磁石21a・21bを備える。この場合、動作部12は強磁性体である。第3位置にある動作部12は、上側の磁石21aの磁力によって第3位置に保持され、第4位置にある動作部12は、下側の磁石21bの磁力によって第4位置に保持される。なお2つの磁石21a・21bは、図示しない箇所においてつながっていてもよい。
以下に、本発明に係る他の実施形態について説明する。本実施形態では、実施形態1に比べて、動作部が回転動作を行う点が異なる。
図6は、本実施形態の復帰機構30の操作および復帰の動作の概略を示す図である。棒状の動作部12は、点12bを支点にして回転可能である。動作部12は一端の動作点12aにおいて第1バネ1と接続されている。動作点12aは、動作部12上において、第1バネ1の伸び縮みと同じ方向に変位する点である。動作点12aは、第3位置から第4位置まで変位可能である。動作部12の両端には保持力として図示しない磁石による磁力が働いている。動作点12aが第3位置にあるとき、動作部12の動作点12a側の一端12cは、保持力により上側に引きつけられ、動作部12の他端12dは、保持力により下側に引きつけられる。
以下に、本発明に係るさらに他の実施形態について説明する。本実施形態では、実施形態1に比べて、操作部が回転動作を行う点が異なる。
図7は、本実施形態の復帰機構31の操作および復帰の動作の概略を示す図である。操作部11は、点11bを支点にして回転可能である。操作部11は、操作点11aにおいて第2バネ2と接続されている。操作点11aは、操作部11上において、第2バネ2と接続されている(接している)点である。操作点11aは、第1位置から第2位置まで変位(回転)可能である。第1バネ1は、点11cにおいて操作部11に接続されている。
以下に、本発明に係るさらに他の実施形態について説明する。本実施形態では、実施形態1に比べて、操作部および動作部が回転動作を行う点が異なる。
(第2バネの具体例)
図9は、第2バネ2の具体例を示す図である。図9では、操作部上の第2バネ2が接続される点を操作点11aとして描いている。図9の(a)は、第2バネ2としてコイルバネを使用する場合を示す。コイルバネは、耐久性が高く、バネ特性が安定しているという利点を有する。図9の(b)は、第2バネ2として板バネを使用する場合を示す。板バネは、簡単な形状でコストが低いという利点を有する。図9の(c)は、第2バネ2としてトーションバネを使用する場合を示す。トーションバネは、耐久性が高く、狭い空間に配置できるという利点を有する。
(第1バネの具体例)
第1バネとしても、第2バネと同様に、種々のバネを使用することができる。ここでバネとは、弾性変形によって復元力を生じる部材を指す。それゆえ、第1バネおよび第2バネとして、復元力を発揮する弾性体を使用することもできる。
以下に、本発明に係るさらに他の実施形態について説明する。本実施形態では、実施形態4に比べて、各部材の配置が異なる。
以下に、本発明に係るさらに他の実施形態について説明する。本実施形態では、実施形態2に比べて、プランジャが追加されている点が異なる。
以下に、本発明に係るさらに他の実施形態について説明する。本実施形態では、復帰機構を備えるスイッチ装置について説明する。
以下に、本発明に係るさらに他の実施形態について説明する。例えば、動作部の運動による発電量の増加または高速にスイッチを切り替えるために、動作部をより高速で動作させたい場合がある。そこで、本実施形態では、第2バネの代わりに、動作部に働く第3バネを設ける構成について説明する。
図21は、本実施形態の復帰機構50の操作および復帰の動作の概略を示す図である。本実施形態は、操作部11および動作部12が自己復帰し、かつ、動作部12が操作速度に関わらずさらに高速で動作する復帰機構に関する。第3バネ3によって、動作部12のより高速での動作を実現することができる。また、第5バネ5によって操作部11および動作部12の自己復帰を実現することができる。ここで、本実施形態では、第3バネ3の構成(配置)を工夫することにより、動作部12の動作をより高速にする。
図21の(a)は、復帰機構50の初期状態を示す。なお、操作部11および動作部12に働くバネ力を矢印で図示するが、矢印の長さは、正確な力の大きさを示すものではない。初期状態は、操作部11に外力が加えられていない状態である。初期状態において、動作部12は、圧縮された第5バネ5の復元力、圧縮された第3バネ3の復元力、および保持力(図示せず)によって第3位置に保持されている。また、初期状態において、操作部11は圧縮された第1バネ1の復元力によって第1位置に押しつけられている。動作部12が第3位置にあるときの角度ηをη1とする。角度ηは、動作部12が復帰する方向と、第3バネ3の復元力が動作部12に加わる方向との間の角度である。動作部12が第3位置にあるとき、動作部12に働く第3バネの復元力のストローク軸Sに沿った成分(動作部12の運動方向の成分)は、cosη1である。動作部12に上向きに働く力(動作部12の復帰方向に働く力)を正としている。
図22は、本実施形態の復帰機構50のFS特性を示す図である。横軸は操作部11のS(ストローク)を示し、縦軸はF(フォース)を示す。図22には、第5バネ5の力(第5バネ力)と、操作力とが示されている。各ストローク位置において操作に必要な操作力は、第1バネの反発力と同じである。力が正であることは、操作部11に上向き(第2位置から第1位置の方向)の力が加わっていることを示す。
図22の(a)は、参考例2の構成およびFS特性を示す。参考例2の復帰機構は、本実施形態の復帰機構50から第3バネ3を除いたものである。動作部12に働く保持力のために、FS特性はヒステリシスになる。操作部11の第1位置は、操作部11の上死点(S0)からストロークS1の間であればよい。操作部11の第2位置は、ストロークS2から操作部11の下死点(S3)の間であればよい。
操作部11に操作力を加えて操作部11の上死点(S0)から変位させていく。操作部11のストロークがS2に達したとき、圧縮された第1バネ1の復元力が第3位置の保持力と第5バネ力との和を上回る。そのため、ストロークS2において、動作部12が第3位置から第4位置に変位する。この変位に伴い、圧縮されていた第1バネ1が解放される。同時に操作力も低下する。
一方、操作部11に加える外力(操作力)を弱めると、第1バネ力によって、操作部11が復帰する。操作部11を第2位置から第1位置の方向へ復帰させていくと、第1バネ1の圧縮が少なくなっていく。操作部11のストロークがS1に達したとき、第5バネ5の復元力が第4位置の保持力と第1バネ力との和を上回る。そのため、ストロークS1において、動作部12が第4位置から第3位置に変位する。この変位に伴い、第1バネ1が圧縮される。同時に復帰力は増加する。
図22の(b)は、本実施形態の復帰機構50の構成およびFS特性を示す。参考例2と同様に、ストロークS2で動作部12が第3位置から第4位置へ移動し、ストロークS1で動作部12が第4位置から第3位置へ移動する。
以下に、本発明に係るさらに他の実施形態について説明する。本実施形態では、実施形態10に比べて、第5バネの代わりに復帰用に第4バネを設ける点が異なる。
図23の(b)は、本実施形態の復帰機構51の構成およびFS特性を示す図である。第4バネ4によって操作部11および動作部12の自己復帰を実現することができる。
図23の(b)には、第4バネ4の力(第4バネ力)と、第1バネの力(第1バネ力)と、操作力とが示されている。各ストローク位置において操作に必要な操作力は、第1バネ力と第4バネ力との合力である。力が正であることは、操作部11に上向き(第2位置から第1位置の方向)の力が加わっていることを示す。操作時にストロークS2で動作部12が第3位置から第4位置へ移動し、復帰時にストロークS1で動作部12が第4位置から第3位置へ移動する。
本発明の一態様に係る操作部および動作部の復帰機構は、操作部と、動作部と、ベース部と、上記操作部と上記動作部との間で働く第1バネと、上記操作部と上記ベース部との間で働く第2バネとを備え、上記操作部は、外力によって第1位置から第2位置に運動するとともに、上記第2バネから与えられる力によって上記第2位置から上記第1位置に運動し、上記動作部は、上記操作部の上記第1位置と上記第2位置との間での運動に応じて、第3位置と第4位置との間で運動し、上記第1バネは、上記操作部に加わる外力、および、上記第2バネから与えられる力の少なくともいずれか一方によって蓄積された弾性エネルギーによって上記動作部を運動させるものであり、上記第2バネは、上記操作部に加わる外力によって蓄積された弾性エネルギーによって上記操作部を上記第1位置に復帰させるものであり、上記動作部には、上記動作部が上記第3位置および上記第4位置のうち少なくともいずれか一方の位置にある場合、上記動作部を該位置に保持しようとする保持力が働いており、上記操作部が上記第1位置にあるときに上記第2バネの力が上記操作部に加わる方向は、上記操作部が上記第2位置にあるときに上記第2バネの力が上記操作部に加わる方向に対して平行ではなく、上記第2バネの力のうち上記操作部の運動方向の成分は、上記操作部が復帰する方向を正として、上記操作部が上記第1位置にあるときよりも上記第2位置にあるときの方が小さい。
2 第2バネ
3 第3バネ
4 第4バネ
5 第5バネ
10、30〜36 復帰機構
11 操作部
11a 操作点
12 動作部
12a 動作点
12e 接続点
13 ベース部
14 プランジャ
21a・21b 磁石
23a・23b 粘着体
24 弾性体
40 スイッチ装置
41 筐体
42 コイル
43a・43b ヨーク
44 磁石
45 発信装置
50、51 復帰機構(加速機構)
Claims (23)
- 操作部と、動作部と、ベース部と、上記操作部と上記動作部との間で働く第1バネと、上記操作部と上記ベース部との間で働く第2バネとを備え、
上記操作部は、外力によって第1位置から第2位置に運動するとともに、上記第2バネから与えられる力によって上記第2位置から上記第1位置に運動し、
上記動作部は、上記操作部の上記第1位置と上記第2位置との間での運動に応じて、第3位置と第4位置との間で運動し、
上記第1バネは、上記操作部に加わる外力、および、上記第2バネから与えられる力の少なくともいずれか一方によって蓄積された弾性エネルギーによって上記動作部を運動させるものであり、
上記第2バネは、上記操作部に加わる外力によって蓄積された弾性エネルギーによって上記操作部を上記第1位置に復帰させるものであり、
上記動作部には、上記動作部が上記第3位置および上記第4位置のうち少なくともいずれか一方の位置にある場合、上記動作部を該位置に保持しようとする保持力が働いており、
上記操作部が上記第1位置にあるときに上記第2バネの力が上記操作部に加わる方向は、上記操作部が上記第2位置にあるときに上記第2バネの力が上記操作部に加わる方向に対して平行ではなく、
上記第2バネの力のうち上記操作部の運動方向の成分は、上記操作部が復帰する方向を正として、上記操作部が上記第1位置にあるときよりも上記第2位置にあるときの方が小さいことを特徴とする操作部および動作部の復帰機構。 - 上記操作部が上記第1位置にあるときに上記第2バネが上記操作部に加える力の方向は、上記操作部が運動する方向に対して斜めであることを特徴とする請求項1に記載の復帰機構。
- 上記操作部が上記外力から解放されると、上記第1バネおよび上記第2バネの合力によって、上記操作部は上記第2位置から上記第1位置へ復帰し、
上記操作部の復帰によって生じた上記第1バネの力によって、上記動作部は上記第4位置から上記第3位置へ復帰することを特徴とする請求項1または2に記載の復帰機構。 - 上記操作部が上記第2位置にあるときの上記第2バネの力は、上記操作部が上記第1位置にあるときの上記第2バネの力よりも大きく、
上記第2バネが接続された点である上記操作部の操作点が復帰する方向と、上記第2バネの力が上記操作部に加わる方向との間の角度をθとすると、上記操作部が上記第1位置にあるときの|cosθ|より、上記操作部が上記第2位置にあるときの|cosθ|は小さいことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の復帰機構。 - 上記操作部が上記第1位置から上記第2位置に変位する間、上記第2バネの力のうち上記操作部の運動方向の成分は、単調減少することを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の復帰機構。
- 上記保持力は磁力であることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の復帰機構。
- 上記動作部は上記第3位置から上記第4位置に回転することを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の復帰機構。
- 上記第2バネは、トーションバネまたは板バネであることを特徴とする請求項1から7のいずれか一項に記載の復帰機構。
- 請求項1から8のいずれか一項に記載の復帰機構と、磁石と、コイルとを備え、
上記動作部の運動に連動して、上記コイルを通過する、上記磁石の磁束を変動させることによって、上記コイルに電流を誘導することを特徴とする発電装置。 - 請求項1から8のいずれか一項に記載の復帰機構と、発信装置とを備え、
上記操作部の位置に応じて、上記発信装置は外部の装置に信号を発信することを特徴とするスイッチ装置。 - 操作部と、動作部と、ベース部と、上記操作部と上記動作部との間で働く第1バネと、上記動作部と上記ベース部との間で働く第3バネとを備え、
上記操作部は、外力によって第1位置から第2位置に運動し、
上記動作部は、上記操作部の上記第1位置と上記第2位置との間での運動に応じて、第3位置と第4位置との間で運動し、
上記第1バネは、上記操作部に加わる外力によって蓄積された弾性エネルギーによって上記動作部を運動させるものであり、
上記動作部には、上記動作部が上記第3位置および上記第4位置のうち少なくともいずれか一方の位置にある場合、上記動作部を該位置に保持しようとする保持力が働いており、
上記動作部が上記第3位置にあるときに上記第3バネの力が上記動作部に加わる方向は、上記動作部が上記第4位置にあるときに上記第3バネの力が上記動作部に加わる方向に対して平行ではなく、
上記第3バネの力のうち上記動作部の運動方向の成分は、上記動作部が上記第4位置から上記第3位置に復帰する方向を正として、上記動作部が上記第3位置にあるときよりも上記第4位置にあるときの方が小さいことを特徴とする動作部の加速機構。 - 上記操作部と上記ベース部との間で働く第4バネを備え、
上記第4バネは、上記操作部に加わる外力によって蓄積された弾性エネルギーによって上記操作部を上記第1位置に復帰させるものであることを特徴とする請求項11に記載の加速機構。 - 上記動作部と上記ベース部との間で働く第5バネを備え、
上記第5バネは、上記動作部の上記第3位置から上記第4位置への運動によって蓄積された弾性エネルギーによって上記動作部を上記第3位置に復帰させるものであることを特徴とする請求項11または12に記載の加速機構。 - 上記動作部が上記第3位置にあるときに上記第3バネが上記動作部に加える力の方向は、上記動作部が運動する方向に対して斜めであることを特徴とする請求項11から13のいずれか一項に記載の加速機構。
- 上記第3バネが接続された点である上記動作部の接続点が復帰する方向と、上記第3バネの力が上記動作部に加わる方向との間の角度をθとすると、上記動作部が上記第3位置にあるときのcosθより、上記動作部が上記第4位置にあるときのcosθは小さいことを特徴とする請求項11から14のいずれか一項に記載の加速機構。
- 上記動作部が上記第4位置から上記第3位置に復帰する方向を正として、
上記動作部が上記第3位置から上記第4位置に変位する間、上記第3バネの力のうち上記動作部の運動方向の成分は、単調減少することを特徴とする請求項11から15のいずれか一項に記載の加速機構。 - 上記保持力は磁力であることを特徴とする請求項11から16のいずれか一項に記載の加速機構。
- 上記動作部は上記第3位置から上記第4位置に回転することを特徴とする請求項11から17のいずれか一項に記載の加速機構。
- 上記第3バネは、トーションバネまたは板バネであることを特徴とする請求項11から18のいずれか一項に記載の加速機構。
- 請求項11から19のいずれか一項に記載の加速機構と、発信装置とを備え、
上記操作部の位置に応じて、上記発信装置は外部の装置に信号を発信することを特徴とするスイッチ装置。 - 請求項11から19のいずれか一項に記載の加速機構と、磁石と、コイルとを備え、
上記動作部の運動に連動して、上記コイルを通過する、上記磁石の磁束を変動させることによって、上記コイルに電流を誘導することを特徴とする発電装置。 - 請求項9または21に記載の発電装置を備え、
上記発電装置によって発電された電力を用いて、外部の装置に信号を発信することを特徴とする発信装置。 - 請求項22に記載の発信装置を備え、
上記操作部の位置に応じて、上記発信装置は上記外部の装置に信号を発信することを特徴とするスイッチ装置。
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