JP6824727B2

JP6824727B2 - 伸縮装置

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Publication number: JP6824727B2
Application number: JP2016249069A
Authority: JP
Inventors: 伊藤　恒太郎; 恒太郎伊藤; 秀浩山岸
Original assignee: Takano Co Ltd
Current assignee: Takano Co Ltd
Priority date: 2016-12-22
Filing date: 2016-12-22
Publication date: 2021-02-03
Anticipated expiration: 2036-12-22
Also published as: JP2018105318A

Description

本発明は、相対的に移動可能な２部材間の動きを任意に拘束・解放するメカニカルロック機構及びそれを用いた伸縮装置に関する。さらに詳述すると、本発明は、滑り対偶を構成する２つの機素、例えば、棒状物とそれを摺動可能に保持する固定部材との間の動き、即ちロッドの摺動を拘束・解放するメカニカルロック機構及びそれを用いた伸縮装置に関するものである。

メカニカルロックとしては、丸棒状のロッドと巻ばね（コイルスプリング）との摩擦力を利用したものが一般的に産業界において使用されている（特許文献１）。この種の摩擦ロック機構は、固定節となるハウジングとこのハウジングに軸方向に往復移動自在に支持されたロッドとの間で、巻きばねを利用してハウジングとロッドとの間に摩擦力を発生させてロッドの摺動を拘束するものであり、摺動可能なロッドの外方に巻ばねを同軸に装着させる一方、巻ばねの一端をハウジングに固定させると共に他端に巻ばねを緩める方向（巻ばねの径が広がる方向）に回転させるための操作子を備え、ロッドを巻ばねで全体的に締め付けてハウジングに対して固定するようにしたものである。

このロック機構によれば、ハウジングに一端が固定された巻ばねは、その内径がロッドの外径よりも僅かに小さく且つ一端がハウジングに固定されていることから、当該巻ばねの径を拡げる外力が与えられていない状態では巻ばね自体の弾性による巻き締めによって当該巻ばねの内周面がロッドの外周面に密着して摩擦力によってロッドが軸方向に移動しない拘束状態（ロック状態という）を作りだし、他方、巻ばねを緩める方向（巻ばねの径が広がる方向）に操作子が回転させられて巻ばねが捩られると巻ばねの内径が拡大してロッドに対する摩擦力が解放されてロッドが軸方向に移動し得る解放状態（非拘束状態：アンロック状態という）を作り出す。

特公平７−５８０８５号公報

しかしながら、特許文献１記載の巻きばねを利用したメカニカルロック装置によれば、フリー状態時にはロッドの外径よりも巻ばねの内径が僅かに小さくなってロッドを締め付ける巻ばねを、捩ることによってロッドの外径よりもばね内径を拡げながらロッドの外方に装着しなければならない。しかも、巻ばねの途中がロッドに引っかかることがないように巻きばねの中心軸がストレート状態を維持させるように拡げながらロッドに対して巻ばねを装着しなければならない。このため、組み立て作業が容易ではない。

しかも、この摩擦式メカニカルロック機構は、巻ばねがフリー状態にされたときにロッドを巻ばねで締め付けることによりロッドの動きを拘束し、巻ばねを捩ることによって巻ばねの内径を拡げて内方のロッドへの締め付けを緩めることによりロッドを開放して自由に動ける構造としている。したがって、巻ばねのフリー状態におけるロッドの巻締め力と拡開時における巻ばねの内径とロッドとの隙間を精密に調整しておかなければ、所望の拘束力が得られなかったり、あるいは逆に開放状態が不完全となって何らかの拘束力が付与され続ける事態（完全なアンロック状態に至らないこと）も起こりうる。常時摩擦が掛かった状態になると、ロッドが動かし難いものとなる。このため、ロッドと巻ばねの品質管理に厳しい要求が課せられる。ところが、巻ばねの内径寸法がロッドに対して一定の範囲内に収まるように調整することは容易なことではない。

また、巻ばねの中心軸も精確に一直線上に形成されるとは限られず、湾曲した場合には矯正するなどの調整作業が必要となる。

本発明は、調整が不要、組み立てが容易なメカニカルロック機構及びそれを用いた伸縮装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために請求項１記載の発明は、固定節となる機素と可動節となる機素とで成り、固定節と可動節との間で相対移動することにより固定節と可動節との間の距離が伸び縮みする構造体であり、可動節となる機素と固定節となる機素との間の動きを任意に拘束・解放するメカニカルロック機構を含む伸縮装置であって、メカニカルロック機構はロッドと、該ロッドを相対的に摺動可能に保持するサポート部材とを有し、相対的に移動可能なロッドとサポート部材との間の動きを任意に拘束・解放するものであり、ロッドを貫通させるロッド貫通孔を有しロッドをロッド貫通孔に貫通させた状態でロッドに対して斜めに交わり且つ互いに逆方向に傾斜してサポート部材に保持される一対の板ばねと、一対の板ばねのロッドに対する角度をロッドと直交する方向に変形させるスイッチとを有し、板ばねはフリー状態ではロッドと交差してロッドとロッド貫通孔の周縁とを接触させて摩擦力を発生させてロッドを拘束すると共に、スイッチによる切換で板ばねを起こしてロッドとロッド貫通孔との間に隙間を発生させてアンロック状態とされ、固定節となる機素あるいは可動節となる機素のいずれか一方にはサポート部材によって支持された板ばねを、他方には前記ロッドを含むようにしている。

ここで、ロッドの少なくとも板ばねと係合する部位の横断面形状及びロッド貫通孔の縁の輪郭形状は円形であることに特に限られず、矩形あるいは多角形若しくは非円形であっても良い。この場合の、ロッド貫通孔はロッドの輪郭形状よりも大きい相似形状を成す矩形あるいは多角形若しくは非円形であることが好ましい。また、ロッドは直棒であることに限られず、場合によっては湾曲した棒であっても良い。尚、本明細書において、ロッドとは、伸縮機構としての摺動区間において同じ断面形状を維持する構造物を意味するものであって、全長において同じ断面形状の棒状物に限定されるものではない。

また、本発明にかかる伸縮装置において、互いに逆方向に傾斜してサポート部材に保持される一対の板ばねは、互いに独立した一対の板ばねであっても良いし、１枚の板ばね材が折り曲げられて成る一部品であっても良い。そして、１枚の板ばね材が折り曲げられて成る一部品の板ばねは、底辺とその両端から互いに逆方向に傾斜する一対の斜辺との３辺を有し、ばね材料自体の弾性で前記両斜辺が互いに内向きにあるいは外向きに倒れるように付勢される構造と成されると共に、斜辺にロッド貫通孔が設けられると共に両斜辺が解放時には互いに内向きにあるいは外向きに傾いてロッドに対して斜めに交わるように変形するものであることが好ましい。

また、本発明にかかる伸縮装置において、固定節となる機素はシリンダロッドであり、可動節となる機素はピストンロッドであり、シリンダロッドの先端にサポート部材が連結される一方、ピストンロッドがサポート部材及びサポート部材に保持される板ばねのロッド貫通孔を貫通して外に進出可能に設けられるようにしている。

本発明は、ロッドを板ばねに貫通させるだけの簡単なメカニカルロック構造を用いた伸縮装置であるため、使用者の意図した通りにロッドの出没の程度を無段階で調節した上でロック状態にすることができる。つまり、板ばねのロッド貫通孔にロッドを貫通させるだけの簡単な作業で組み付けが済むので、調整作業も不要であり、組み付け作業も容易である。しかも、板ばねとこれを貫通するロッドとの間の拗れによって拘束力を得るので、ロックされた状態でロッドが動こうとするとさらにより強く拘束力が働くため、ロック性能が安定している。
しかも、互いに逆方向に傾斜する一対の板ばねによってロッドの摺動方向の双方向においてロック機能を発揮することから、ロッドの摺動させようとする外力がいずれの方向に作用したとしても、ロッドの動きを拘束できる。即ち、伸縮機構としての安全性や信頼性が損なわれることがない。

本発明にかかるメカニカルロック機構の第一の実施形態を示す図であり、（Ａ）は中央縦断面図、（Ｂ）は楕円カムの動きを説明する平面図である。図１のメカニカルロック機構における板ばねとロッドとの関係を拡大して示す説明図であり、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は側面図である。本発明にかかるメカニカルロック機構の第二の実施形態を示す中央縦断面図である。本発明にかかるメカニカルロック機構の第三の実施形態を示す中央縦断面図である。本発明にかかるメカニカルロック機構の第四の実施形態を示す中央縦断面図である。本発明にかかるメカニカルロック機構の第五の実施形態を示す中央縦断面図である。本発明にかかるメカニカルロック機構を組み込んだ伸縮装置の一実施形態を示す図であり、中央縦断面図である。同伸縮装置の平面図である。同心伸縮装置のメカニカルロック機構部分の拡大縦断面図である。同心伸縮装置のメカニカルロック機構部分の拡大横断面図である。本発明にかかるメカニカルロック機構を組み込んだ伸縮装置の他の実施形態を示す図であり、概略的に原理が示されている中央縦断面図である。

以下、本発明の構成を図面に示す実施形態に基づいて詳細に説明する。

図１及び図２に、本発明のメカニカルロック機構の実施形態の一例を示す。この実施形態にかかるメカニカルロック機構は、相対的に移動可能な２部材間の動きを任意に拘束・解放するものであり、例えば可動節たるロッド１に対して拘束をかけるものであり、ロッド１に対して斜めに交わり且つ互いに逆向きに配置される一対の板ばね２と、これら一対の板ばね２のロッド１に対する交差角度を変更してロック状態とアンロック状態とを切り替えるスイッチ３と、少なくとも一対の板ばね２を保持し該板ばね２を介してロッド１の固定を図るサポート部材（本実施形態の場合、ロッドとの関係で相対的に固定側部材即ち固定節（フィックスブロック）とされている。）４とを少なくとも有する。

サポート部材４は、固定節となる機素あるいは可動節となる機素のいずれかに固定されるかあるいはそれらいずれか一方の機素を構成するものとされる。つまり、ロッド１は、図示しているように、サポート部材４によって必ずしも摺動自在に支持されるのではなく、サポート部材４とは別の図示していない独立した軸受け部材によって支持され、軸方向に出入り自在に支持されても良い。本実施形態の場合、サポート部材４は、ロッド１の移動方向に対して板ばね２を保持し、板ばね２を介してロッド１の固定を図るものものであり、独立した部品としてあるいは他の部品の一部として構成されるものであるが、その形状や構造は図示のものに特に限定されるものではなく、必要に応じて適宜形状・構造の部材が採用される。例えば、本実施形態の場合には、板ばね２を収容する空間２９と、該空間２９を貫通するロッド１を支持するための軸受け部４１が両端に設けられたブロックとして構成されている。軸受け部４１は、一般には適宜軸受け隙間が得られるようにロッド１の外周面の輪郭形状と相似形の孔が設けられているが、これに特に限られるものではない。例えば、図１１に示しているように、サポート部材４とは別部材の摺動軸受けが備えられてロッド１が摺動自在に支持されている場合などには、サポート部材４の軸受け部４１は必要ないかあるいはロッド１に対する径方向の位置決めさえ果たせれば良いので、点在する突起や線条突起などによって局所的に支持する構造であっても良い。つまり、サポート部材４のロッド１を支持する部分の断面形状はロッド１の外周面の輪郭形状と相似形の孔形状に限られるものではない。

本実施形態の板ばね２は、図１に示すように、一枚の板ばね材を折り曲げて成る一部品であって、底辺２ｃとその両端のロッド１に対して斜めに交わり且つ互いに逆向きに配置される一対の斜辺２ａ，２ｂとの３辺を有し、ばね自体の材料の弾性で両斜辺２ａ，２ｂが互いに内向きに倒れるように付勢される構造と成されている。即ち、本実施形態の板ばね２は、外力を付与しない解放時には互いに内向きに傾いて（両斜辺２ａ，２ｂの頂点が互いに接近する方向に変形して）ロッド１に対して斜めに交わるように変形する略ム形（上底に相当する部分が無い等脚台形状）を成すものである。ここで、両斜辺２ａ，２ｂは台形の脚に相当するものである。

この板ばね２の両斜辺２ａ，２ｂには、ロッド１を貫通させるロッド貫通孔５が設けられている。ロッド貫通孔５は、例えば図２に示すように、ロッド１の外径よりも僅かに大きく、各斜辺２ａ，２ｂに対して直交する方向に穿孔されている。したがって、板ばね２の斜辺２ａ，２ｂが変形させられてロッド１に対して直交するように配置されたときに最大の隙間がロッド１との間に生じ、ロッド１に対して斜めに傾くに従いロッド１に対する隙間が漸次狭くなって行き、外力が付与されない板ばねの自然状態（ニュートラル状態）に復元する前にロッド貫通孔５の周縁の上と下でロッド１と接触してロッド１を締め付ける関係に設けられている。即ち、板ばね２はフリー状態では両斜辺２ａ，２ｂのロッド１に対する傾き（交差角度）を小さくしてロッド１とロッド貫通孔５の周縁とを接触させて摩擦力を発生させてロッド１を拘束すると共に、スイッチ３による切換で板ばね２の両斜辺２ａ，２ｂを立てて（交差角度を大きくして）ロッド１と直交（軸直角平面と平行）あるいはそれに近づく姿勢に変形させたときにロッド１と板ばね２のロッド貫通孔５との間に隙間を発生させる。換言すれば、ロッド貫通孔５とロッド１の外形との間の隙間、即ちロッド１に対するロッド貫通孔５の大きさは、より大きな拘束力並びに応答性を高める上で、板ばね２の両斜辺２ａ，２ｂがニュートラル状態に復元するよりも前に、好ましくは十分なばね弾性力を蓄えた状態でロッド１と接触するように、可能な限り狭く設定することが好ましい。

また、ロッド貫通孔５の孔の形状及び大きさはロッド１を貫通させることができ、尚且つ板ばね２が傾いた際にロッド１とロッド貫通孔５の周縁とが接触し得る形状であれば良く、特定の形状及び大きさに限られない。例えば、本実施形態では、横断面形状円形のロッド（丸ロッド）１に対して相似形状で僅かに大きな円形のロッド貫通孔５を組み合わせるようにしているが、ロッド貫通孔はロッド外輪郭形状と相似形状としなくてもロックさせることは可能であり、例えば円形断面のロッド１に対して一辺の長さがそのロッド直径より僅かに大きい正方形のロッド貫通孔（角孔）５を組み合わせる場合であっても、少なくとも２点で接触するので摩擦力が発生し、拘束することはできる。尚、板ばね２によるロッド１の拘束力は、どんな場合においても完全に拘束されている（ロッド１と板ばね２の相対的位置は動かない）ことは絶対的な条件ではなく、解放動作を行わなくてもある程度の負荷を加えると動いても良い場合もある（例えば、安全対策や手間をかけずに相対位置を変更できるようにしたい場合等）。そこで、拘束力は必要に応じて適宜設定されることが好ましい。

ここで、スイッチ３と一対の板ばね２（本実施形態では、一対の斜辺２ａ，２ｂ）との関係は、スイッチ操作によって一対の板ばね２ａ，２ｂの間隔を拡げるとき（即ち板ばねを起こして傾きを立てるとき）あるいは狭めるとき（即ち傾きを寝せるとき）に、一対の板ばね２ａ，２ｂが等しく変形するようにして、ロッド１に対する一対の斜辺２ａ，２ｂの傾きを同じにすることが好ましい。そこで、楕円カム２７を利用したスイッチ３を採用した本実施形態では、板ばね２の一対の斜辺２ａ，２ｂの間を結ぶ線上の中心に楕円カム２７の回転中心が位置するように、スイッチ３に対する板ばね２の位置決めあるいは板ばね２に対するスイッチ３の位置決めが行われる。

例えば、板ばね２の底辺２ｃには、位置決めピン７を通過させるための孔６が設けられている。他方、サポート部材４の底壁４ｄにも、位置決めピン７を貫通させて固定するための孔８が設けられている。そこで、サポート部材４の内部に収容された板ばね２にロッド１を貫通させた状態で、板ばね２の底辺２ｃの孔６とサポート部材４の底壁４ｄの孔８とを同軸に配置し、サポート部材４の底壁４ｄの孔８から板ばね２の孔６に位置決めピン７を貫通させてサポート部材４の底壁４ｄに固定することで、ロッド１の摺動方向に関して板ばね２とサポート部材４とが位置固定されて、板ばね２がロッド１と共にサポート部材４内を移動することがないように設けられている。

板ばね２のサポート部材４に対する固定手法は、上述の位置決めピン７を使った手法に限られず、板ばね２自体に設けた突起を利用してサポート部材４に予め明けられた位置決め用の凹部あるいは孔３９に嵌合させることで固定するようにしても良い。例えば図３に示すように、板ばね２の底辺２ｃ並びに斜辺２ａ，２ｂの一部を切り欠いて下向きに突出する爪部３７を切り起こし、この爪部３７をサポート部材４に形成した孔３９に対して嵌合させることで位置決めと固定を図るようにしても良い。この場合には、切り欠き３８の設け方によっては板ばね２の応力集中を回避できる。また、図４に示すように、板ばね２の底辺２ｃの両端の斜辺２ａ，２ｂとの間の角４０をサポート部材４の内部空間２９の両側壁（ロッドが貫通する側壁）４ａ，４ｂに当てることで位置決めするようにしても良い。例えば、板ばね２の底辺２ｃの両端の角４０の間の長さとサポート部材４の板ばね２を収容する空間２９の板ばね２の底辺２ｃの幅（ロッド１の軸方向の長さ）とをほぼ同一に折り曲げることでサポート部材４内に板ばね２が固定されるようにしても良い。この場合には部品点数を少なくできるし、また板ばね２への加工も加えなくて済む。

また、上述の実施形態では、板ばね２は、部品点数の削減と組み立て性の向上を図るため１枚のばね材を折り曲げて底辺２ｃと両斜辺２ａ，２ｂとを連続的に形成した１つの部品として構成しているが、これに特に限られるものではなく、互いに独立する２枚の板ばね２をそれぞれロッド１を貫通させた状態で互いに逆方向に傾斜させてサポート部材４に固定するようにしても良い。例えば、図６に示すように、サポート部材４に設けられたスリット４２あるいは溝に板ばね２をそれぞれ埋設したり、あるいは嵌め込んだりして、サポート部材４に固定しても良い。サポート部材４と板ばね２とは接着剤などで固着しても良いが、場合によっては単に差し込むだけで固定するようにしても良い。

上述の実施形態の板ばね２によれば、ニュートラル状態で斜辺２ａ，２ｂが傾いているので、ロッド１を貫通させる際には、斜辺２ａ，２ｂの傾きをロッド１に対してほぼ直交あるいはそれに近い状態にまで立てることでロッド１とロッド貫通孔５の周縁とが接触しないようにできる。したがって、スイッチ３の駆動で板ばね２の両斜辺２ａ，２ｂがロッド１に対してほぼ直交するように保たれた状態でサポート部材４内にロッド１を装入するだけの簡単な作業で板ばね２とロッド１との組み立てが完了する。

また、板ばね２は上述した略ム形を成すものに限られない。例えば、図５に示すように、外側に拡がろうとするばね弾性を示す略Ｖ形としたものでも良い。この板ばね２の場合には、一対の板ばね即ち本実施形態の場合には斜辺２ａ，２ｂの外に斜辺２ａ，２ｂを内側に向けて付勢するスイッチ機構（図示省略）を備え、斜辺２ａ，２ｂを外側から内側へ向けて付勢することにより、斜辺２ａ，２ｂの傾きを寝せている状態から立てる状態に変移させ、ロッド１に対する交差角度を変更してロック状態とアンロック状態とを切り替えるようにしても良い。ここで、スイッチ機構としては、図示していないが、例えば、板ばねの両斜辺２ａ，２ｂとサポート部材４のロッドが貫通する側壁４ａ，４ｂとの間に、軸方向の変位を与える直動カムや斜板カムなどを利用したスイッチを備え、該スイッチを手動による直接駆動あるいはアクチュエータを介した駆動により、オン、オフの２位置操作させるようにしても良い。この実施形態の場合、スイッチの駆動により、斜辺２ａ，２ｂを外側から内側へ向けて付勢して斜辺２ａ，２ｂの傾きをロッド１とほぼ直交する姿勢に近づけたとき、板ばね２のロッド貫通孔５の周縁とロッド１の外周面との間に隙間が発生してロッドの拘束が解除される。他方、スイッチの開放によって外に向かって拡がるように傾斜してニュートラル状態に復元しようとする一対の板ばね（即ち斜辺２ａ，２ｂ）のロッド貫通孔５の周縁がロッド１の外周面に接触してロッド１の動きを拘束する。

スイッチ３は、ロッド１に対する板ばね２の交差角度を変更する機構であって、特定の機構・構成に限定されるものではない。例えば本実施形態の場合、板ばね２の両斜辺２ａ，２ｂの間に配置される楕円形のカム輪郭線を有するカム板（以下、楕円カム２７と呼ぶ）によって構成されている。この楕円カム２７によるスイッチ３は、楕円カム板２７の最大変位量（リフト）が与えられるときに板ばね２の両斜辺２ａ，２ｂの間隔を最大限に拡げてロッド１に対する両斜辺２ａ，２ｂの傾きをロッド１と略直交する状態あるいはそれに近い状態に変形させ、楕円カム２７の基礎円に相当する位置に回転させたときに板ばね２の両斜辺２ａ，２ｂの間隔を狭めてロッド１に対して両斜辺２ａ，２ｂを斜交させる。

本実施形態において、スイッチ３は、例えば、サポート部材４に回転可能に支持されている。例えば、板ばね２の両斜辺２ａ，２ｂの間に配置されたサポート部材４と一体の軸承ブロック３１に回転軸２８を介してカム２７及びクランク円板２６が回転可能に支持されている。回転軸２８は、段付きのねじであり、先端のねじ２８ａが軸承ブロック３１のねじ孔３１ａに螺合されるともに段部が軸承ブロック３１の上面に当接することで軸承ブロック部３１に固定されている。回転軸２８の上部の軸部２８ｂは、楕円カム２７及びクランク円板２６を貫通して、クランク円板２６及び楕円カム２７を回転自在に支持している。また、軸部２８ｂの中心に明けられているねじ孔２８ｃにボルト３３を螺合させることによって、クランク円板２６が抜け外れないようにボルト３３の頭で押さえつけられている。

尚、スイッチ３の駆動は、動力源を用いた駆動例えばモータや流体圧シリンダなどのアクチュエータを利用した機械駆動あるいはソレノイドなどの電気駆動など、様々な手法によって駆動することもできるが、手動による直接駆動によって切換操作が実行されるように構成されても良い。例えば、本実施形態では、スイッチ３は手動による直接駆動によって切換操作が実行されるように構成されている。例えば、回転可能に軸承ブロック３１に支持されている楕円カム２７と一体化された円板２６を直接把持して回転させたり、あるいは円板２６に摘み９を備え、該摘み９を掴んで円板２６を回転させることで手動によって楕円カム２７の直接駆動ができるように設けられている。

以上のように構成されたメカニカルロック機構によれば、スイッチ３が最小変位量の位置（基礎円）に切り替えられて斜辺２ａ，２ｂの間に楕円の短軸方向が配置されると、楕円カム２７による位置規制が解除されるので、復元力により斜辺２ａ，２ｂの間が狭くなる。つまり、板ばね２の両斜辺２ａ，２ｂのロッド１に対する傾斜角度を小さく（きつく）して、斜辺２ａ，２ｂのロッド貫通孔５の周縁の上側と下側とがロッド１に接触することで、板ばね２の両斜辺２ａ，２ｂのそれ以上の変形が妨げられると共にロッド１が拘束される。

他方、スイッチ３が最大変位量の位置に切り替えられて斜辺２ａ，２ｂの間に楕円の長軸方向が配置されると、例えば、図３に仮想線で示すように、楕円カム２７が板ばね２の両斜辺２ａ，２ｂを互いに逆方向に押し拡げてロッド１に対して両斜辺２ａ，２ｂがほぼ直交する状態に変形させる。これにより、斜辺２ａ，２ｂのロッド貫通孔５とロッド１とがほぼ同心状に配置されて、それらの間に隙間が発生するので、ロッド１の拘束が解かれ、自由に摺動可能となる。

つまり、本実施形態にかかる、メカニカルロック機構は、ロッド１と交差する板ばね２の両斜辺２ａ，２ｂの傾きを変化させるだけで、ロッド貫通孔５の周縁がロッド１の外周面に押し当てられたり（ロック状態）、ロッド１から離れて隙間を発生させたりする（アンロック状態）。

しかも、ロック状態においては、互いに逆方向に傾斜する一対の板ばねによってロッド１が双方向にロックされるので、ロッド１を伸縮させようとする外力がいずれの方向に作用したとしても、ロッド１が移動することがない。さらに、ロッド１が板ばね２（斜辺２ａ，２ｂ）によって挟み込まれると同時にロッド１の動きでも板ばね２が軸方向に押されるので、板ばね２の力だけでロッド貫通孔５の周縁がロッド１に向けて押されるのではなく、ロッド１の動きでもさらに板ばね２の鎖交する部分（斜辺２ａ，２ｂ）を押す力が付勢され、より強くロッド１に対して板ばね２が押されて食い込むこととなるので、外力が付与し続けても滑りを起こし難い。

図７〜図１０に本発明にかかるメカニカルロック機構を組み込んだ伸縮装置の一実施形態を示す。

本発明にかかる伸縮装置は、固定節となる機素と可動節となる機素とで成り、固定節と可動節との間で相対移動することにより固定節と可動節との間の距離が伸び縮みする構造体であり、可動節となる機素と固定節となる機素との間の動きを任意に拘束・解放するメカニカルロック機構を含む伸縮装置であって、固定節となる機素あるいは可動節となる機素のいずれか一方には上述のメカニカル機構のサポート部材によって支持された板ばねを、他方にはロッドを含むものである。

例えば、本実施形態にかかる伸縮装置は、固定節となる機素例えばシリンダロッド１０と可動節となる機素例えばピストンロッド１’とで成る入れ子構造（テレスコピック構造とも言う）の伸び縮みする構造体であり、ピストンロッド１’がシリンダロッド１０から出入りすることにより全体の長さが可変にされると共に任意の長さで固定可能にされるものである。本実施形態の場合、伸縮装置は、例えば、シリンダロッド１０と、該シリンダロッド１０の先端に連結されて板ばね２を保持するサポート部材４と、シリンダロッド１０とサポート部材４とを貫通して出入り自在に支持されているピストンロッド１’と、サポート部材４内でピストンロッド１’が貫通する板ばね２と、板ばね２の傾きを切り替えるスイッチ３と、スイッチ３を駆動するアクチュエータ１１とその動きをスイッチ３に伝達するスライダクランク機構１２と、これらを収容するケーシング１３とで構成されている。

シリンダロッド１０とその内部に収容されるピストンロッド１’とは、抜け止め（かえし）を設けることによって抜け外れることがないように設けられている。抜け止めは、例えば、ピストンロッド１’のシリンダロッド１０の内部に収容される側の端部にビス１５によって固定される平座金１４と、シリンダロッド１の端部に嵌め込まれるスリーブ１６とで構成され、シリンダロッド１０の内周面よりも内側に突出するスリーブ１６の内側の端部にピストンロッド１’の外周面よりも外側に突出する平座金１４が当てられることによってピストンロッド１’のシリンダロッド１０からの抜け外れが防がれる。

アクチュエータ１１としては、特定の方式に限定されるものではないが、例えば本実施形態の場合には、サーボモータ１７とねじ式送り機構１８とが利用され、乾電池程度の電源でも高速作動させ得るように設けられている。サーボモータ１７と送り機構１８との間には、ギアボックス・増速ギア列１９が備えられ、モータ１７の回転が増速されて送り機構１８のねじ棒２０に伝えられる。ねじ棒２０は、一端がギアボックス１９の出力軸と連結されると共に他端側が送り機構１８の筐体２１内のねじ棒支え２２によって回転自在に支持されている。ここで、ねじ棒２０には、スライダロッド（雌ねじ部材）２３が噛合されると共に、このスライダロッド２３にスライダ２４が連結されている。スライダ２４はチャネル状の筐体２１に回転不能に収容されると共に軸方向には摺動可能にガイドされる。さらに、このスライダ２４には、連接棒２５を介してクランク円板２６がピン連結（滑節）されてスライダクランク機構が構成されている。クランク円板２６には、スイッチ３を構成する楕円カム２７が同軸心上に取り付けられ、両部材２６，２７間を貫通する連結ピン３０の圧入によって互いに連結されて一体的に回転するように設けられている。したがって、サーボモータ１７の回転がスライダロッド２３の直線移動に変換され、スライダクランク機構を介してカム板２７が回転させられる。クランク円板２６は、連接棒２５の軸方向の直線移動を回転運動に変換して、スイッチたる楕円カム２７を任意の角度例えば９０°程度回転させて、板ばね２の両斜辺２ａ，２ｂの間の間隔を拡げたりあるいは狭めて、一対の板バネ即ち両斜辺２ａ，２ｂの傾きを変更させる。

尚、本実施形態の場合、クランク円板２６の回転中心（回転軸２８あるいはボルト３３の中心）と連接棒２５とクランク円板２６との連結点（ビス）４３並びにスライダ２４と連接棒２５との連結点（球面ボルト）４４とが一直線上に配置されないように、即ち死点を構成しないように連接棒２５の長さが調整されている。また、図示していないが、筐体２１には、スライダロッド２３の移動量を検出するエンコーダが設けられ、サーボモータ１７の回転が制御されている。

また、伸縮機構のロック状態とアンロック状態との切り替えを制御するための制御回路基板３５と、サーボモータ１７、ギアボックス１９、送り機構１８とは相互に連結されて１つのブロックを構成している。そして、送り機構１８のケーシング・筐体２１は、サーボグリップ３４によってシリンダロッド１０に沿って片持ち支持され、さらに筐体２１の端部にギアボックス１９、サーボモータ１７、制御回路基板３５が相互に連結されて支持されている。尚、本実施形態では、筐体２１並びにシリンダロッド１０及びピストンロッド１’はステンレス製であるがこれに特に限られるものではなく、場合によってはプラスチック製であっても良い。

ピストンロッド１’との関係で相対的に固定側部材とされている本実施形態のサポート部材４は、ピストンロッド１’と、該ピストンロッド１’に対し鎖交する板ばね２との関係を保持すると共にスイッチ３を板ばね２の両斜辺２ａ，２ｂの間に保持するためのものであり、本実施形態の場合、例えばポリアセタール（POM）やナイロンなどの摺動性に優れる素材によって構成されている。具体的には、本実施形態の場合、ロッド１が貫通する左右の側壁４ａ，４ｂと後壁４ｃ並びに底壁４ｄの４面で構成され、手前側の開口から板ばね２が内部空間２９に収容される。サポート部材４は、シリンダロッド１０の先端に嵌合され、上下からねじ込まれる締め付けビス３２によって固定されている。サポート部材４は、本実施形態では、２面開口の凹部・内部空間２９を有するものとされているが、この形状に特に限られず、少なくともシリンダロッド１０とピストンロッド１’とを摺動自在に支持する部分とこれらの間を一定に保持する部分との３面を有するブロックであれば良いし、場合によっては図示していないが全ての面が塞がれるようにしても良い。つまり、スイッチ３の支持構造は図示の形態に限られない。

また、サポート部材４の奥側の壁（後壁）４ｃからは、スイッチ３を回転自在に支持する軸承部３１が内部空間２９に向けて突出するように設けられている。軸承部３１には、雌ねじ３１ａがあけられ、楕円カム２７と一体化されるクランク円板２６が回転軸２８を介して回転自在に支承されている。回転軸２８は、段付きのねじであり、先端のねじ２８ａが軸承ブロック３１のねじ孔３１ａに螺合されるともに段部が軸承ブロック３１の上面に当接することで軸承ブロック部３１に固定されている。回転軸２８の上部の軸部２８ｂは、楕円カム２７及びクランク円板２６を貫通して、クランク円板２６及び楕円カム２７を回転自在に支持している。また、軸部２８ｂの中心に明けられているねじ孔２８ｃにボルト３３を螺合させることによって、クランク円板２６が抜け外れないようにボルト３３の頭で押さえつけられている。

本実施形態の場合、軸承ブロック３１はサポート部材４と一体成形された突起である。本実施形態の場合、軸承ブロック３１は、ロッド１と直交する軸を回転中心にスイッチ３が揺動可能に設けられていることから、サポート部材４とモールド樹脂成形時に一体化されているが、これに特に限られるものではなく、サポート部材４とは別体に成形されたブロックをビス止めなどで固着するようにしても良い。

この伸縮機構の両端、即ちケーシング１３の外に突出するシリンダロッド１０の基端部及びピストンロッド１’の先端部には、当該伸縮機構を他の装置などに装着するための端部装着具（エンドフィッティング）３６がそれぞれのロッド１，１０のねじ孔を利用して装着されている。本実施形態の場合、ロッドは軽量化のため中空のパイプ状とされ、両端にねじ孔が形成されている。そして、そのねじ孔を利用して、他の部材と連結するための端部装着具（エンドフィッティング）が備えられている。

スイッチ３は、板ばね２のロッド１に対する交差角度の傾きを変化させ得る手段であれば、特に上述の楕円カム２７を利用したものに限られない。即ち、本実施形態では楕円カム２７を利用しているが、この機素と同様に内側から外側へ向けて板ばね２を押し広げる力を付勢する手段、あるいは外側から内側へ向けて板ばね２を縮める力を付勢する手段であれば、特定の手段に限定されるものではない。

また、メカニカルロック機構には、互いに逆方向に傾斜する一対の板ばね（斜辺２ａ，２ｂ）２とこれを貫通するピストンロッド１’との摩擦力を利用したロック機構、例えば図１に示す実施形態のロック機構が採用され、伸縮機構のコンパクト化が実現されている。可動節たるピストンロッド１’と、固定節たるサポート部材４と板ばね２との関係についての詳細な説明は省く。

以上のように構成された伸縮装置によれば、メカニカルロック機構がアンロック状態においては、ピストンロッド１’が引き出される、あるいは押し込まれると、ピストンロッド１’がシリンダロッド１０内に出入りするので、ピストンロッド１’の先端からシリンダロッド１０の後端までの２点間の距離が変化させられる。

他方、必要に応じて任意の位置・長さでアクチュエータ１１を操作してロック状態に切り替えると、板ばね２のロッド貫通孔５の周縁がピストンロッド１’の外周面と接触して板ばね２の変形を止めると同時に板ばね２とピストンロッド１’との間の摩擦力でピストンロッド１’の動きを拘束する。この拘束状況でさらにピストンロッド１’が軸方向の移動しようとする力が働くと、一対の板ばね（斜辺２ａ，２ｂ）の一方にとっては、板ばね２をさらに傾けてピストンロッド１’との交差角度をさらに小さくする方向（斜交する方向）に付勢することとなるので、板ばね２のロッド貫通孔５の周縁がさらにピストンロッド１’に食い込むように働き、さらに拘束力を強めることとなる。

伸縮機構として上述のようなピストンロッド１’と一対の板ばね（斜辺２ａ，２ｂ）２との摩擦力を利用したロック機構が用いられることにより、使用者の意図した通りにロッドの出没の程度を無段階で調節した上でロック状態にすることができる。しかも、本実施形態にかかるメカニカルロック機構は、互いに逆方向に傾斜する一対の板ばね（斜辺２ａ，２ｂ）によってピストンロッド１’の摺動方向の双方向においてロック機能を発揮することから、ピストンロッド１’の摺動させようとする外力がいずれの方向に作用したとしても、ピストンロッド１’の動きを拘束できる。即ち、伸縮機構としての安全性や信頼性が損なわれることがない。因みに、このメカニカルロック機構を組み込んだ伸縮装置によれば、巻ばねをロッドの回りに巻き付ける方式のメカニカル・ロックに比べて、約５０％程度の軽量化が実現できた。

なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述の実施形態では、直動するストレートロッド（直棒）を拘束対象物とした例を挙げて主に説明したが、これに特に限られるものではなく、例えば湾曲した棒状物を拘束対象物とすることもできる。即ち、本発明にかかるメカニカルロック機構は、特許文献１記載の巻ばね方式のメカニカルロックとは異なって、ストレートロッドに限られるものではない。互いに逆方向に傾斜する一対の板ばねのロッド貫通孔５の周縁の２点（あるいは２辺）でロッド１を締め付けるので、曲ったロッドでも拘束でき、直線的な動きに制約されない。したがって、可動節たるロッドの動きが一直線上である必要はなく、湾曲する軌跡あるいは蛇行する軌跡など、非直線状の動きに沿った形状とすることも可能である。この場合、伸縮装置の可動域が広がり面的な広がりを持つことが可能となる。このため、直線的な伸縮の用途に限られず、湾曲した動きや蛇行した動きなど、様々な分野での伸縮機構として、またその拘束手段として使える。

また、本発明にかかるメカニカルロックは、ロッド１の外周面を当該ロッド１と斜交する板ばね２のロッド貫通孔５の周縁で挟持して拘束力を付与する構造なので、ロッド１の形状もロッド貫通孔５の孔の形状も特定のものに限定されない。上述の実施形態では、ロッド１，１’としては、あくまで一例として挙げると、軸直角断面が真円形である丸棒（中空棒を含む）を拘束対象物としているがこれに特に限られるものではなく、断面矩形あるいは多角形の角ロッドあるいは非円形断面（楕円形を含む）のロッドを拘束対象物としても良い。この場合における板ばね２の両斜辺２ａ，２ｂに空けられるロッド貫通孔５の形状は、角ロッドあるいは非円形ロッドの輪郭形状よりも僅かに大きめの相似形状を成していることが好ましい。角ロッドあるいは非円形ロッドの場合、相似形状のロッド貫通孔５と組み合わせると、ピストンロッド１’と板ばねのロッド貫通孔５の周縁との接触が線接触となるため、ロッド１に傷が付き難い。また、角ロッドと角孔の組み合わせの場合（非円形断面のロッドと非円形のロッド貫通孔との組み合わせにおいても同様であるが）、ロッドの回転が起こらないことから、支持剛体として機能させる場合にも強くなる。ここで、ロッドの矩形あるいは多角形若しくは非円形の断面形状部位は、ロッドの全域であっても良いが、場合によってはロッド全域である必要はなく、少なくとも板ばねと係合する部位が矩形あるいは多角形若しくは非円形の断面形状であれば良い。

また、上述の実施形態の伸縮装置においても、少なくとも板ばね２と係合する部位の断面形状が矩形あるいは多角形若しくは非円形に形成されたピストンロッド１’と、矩形あるいは多角形若しくは非円形のロッド貫通孔５を有する一対の板ばね（両斜辺２ａ，２ｂ）とを組み合わせたロック機構を備えるようにしても良い。この場合において、サポート部材４の軸受け部４１並びにシリンダロッド１０の先端のスリーブ１６の内周面の輪郭形状が角ロッドの輪郭形状よりも僅かに大きめの相似形状を成すものであれば良く、固定ロッド（シリンダロッド）１０そのものが矩形あるいは多角形若しくは非円形の断面形状であることは必要でない。

また、上述の実施形態の伸縮装置では、駆動源として、サーボモータ１７と増速ギアボックス１９を利用したリニア駆動源を採用しているが、これに特に限られるものではなく、その他のアクチュエータ例えば空気圧シリンダや油圧シリンダなどの流体圧シリンダ、ソレノイドなどの使用を妨げるものでもないし、また、図１に例示するスイッチ機構のように手動によって直接駆動させるようにしても良いことは言うまでもない。さらには例えば、アクチュエータを駆動源とするスイッチの切換操作をワイヤを介した遠隔レバー操作や無線による遠隔操作、電気的操作などで、必要に応じて適宜選択し得る。また、レバーでの直接駆動など、様々な手法によってスイッチを駆動することができる。さらには、板ばね２そのものを形状記憶合金で製作し、通電により形状を復元させて角度変更を与えるようにしても良い。

また、板ばね２は、本実施形態の場合、一重として使用する例を挙げて説明したが、これに特に限られるものではなく、場合によっては二重、三重に重ねて用いても良い。これによれば、板ばねを収容する容積を極端に増やすこと無く、ロック力を増加させ得る。

また、上述の実施形態では、説明の便宜上、ロッド１との間で相対的にサポート部材４を固定節としているが、これに特に限られるものではなく、サポート部材４側が可動節となり、ロッド１側が固定節としてメカニカルロック機構並びにそれを用いた伸縮装置を構成するようにしても良い。即ち、本発明は、相対的に移動可能な２部材間における動きを任意に拘束・解放可能とするメカニカルロック機構及びそれを用いた伸縮装置であって、可動節であるか固定節であるかは相対的に定まるものである。例えば、図１１に示すように、ケーシング４５を貫通し全長が不変のロッド１に対して、板ばね２をサポート部材４を介して支持しているケーシング４５を相対的に軸方向に摺動可能とした伸縮機構によって、ロッド１の一端に設けたボールジョイント（端部装着具：エンドフィッティング）４６と、ケーシング４５に設けたボールジョイント（端部装着具：エンドフィッティング）４７との間の間隔（距離）Ｌが可変となる伸縮装置を構成することができる。この場合、ボールジョイント４６，４７の何れを固定節あるいは可動節にするかは任意である。つまり、ボールジョイント４６が固定節とされれば、ボールジョイント４７即ちケーシング４５側が可動節となり、逆にボールジョイント４６が可動節とされれば、ボールジョイント４７即ちケーシング４５側が固定節となる。いずれにしても、ロッド１そのものの全長は変化しないが、ボールジョイント４６，４７間の間隔Ｌを変化させることができる。ロッド１はケーシング４５に対してアウターケース（本実施例では円筒軸受け部）４８によって摺動自在に支持され、ボールジョイント４６が設けられている端部とは反対側の端部にはロッド１がアウターケース４８内に入り込まないようにするためのフランジ４９が装着されている。また、アスターケース４８はケーシング４５に対して溶接付などで固定されている。尚、スイッチ３の駆動は、本実施形態の場合、手動による直接駆動によって切換操作が実行できるように構成されている。例えば、スイッチ３はケーシング４５に対して回転可能に支持されている楕円カム２７と一体化された円板２６に摘み９を備え、該摘み９を掴んで円板２６を回転させることで手動による楕円カム２７の直接駆動が行えるように設けられている。図中の符号５０はベアリング、５１は締結ボルトを示す。

本発明にかかるメカニカルロック機構は、あらゆる伸縮部材の拘束手段として、例えば関節を挟んで屈曲可能に連結された２部材の間の角度を固定可能としたり（電気スタンド支柱、車椅子のリクライニング機構など）、平行運動リンク機構などの各種リンク機構の拘束手段として、あるいは筋肉代用伸縮装置のように２部材間の長さを任意の位置で固定可能としながら伸縮可能とするメカニカルロック装置として、さらには腕を長時間に亘って持ち上げた状態で作業を行う作業者の腕の支持を図る作業用支援器具において、作業者の肩あるいはその他の体の部位と腕との間を伸縮可能に連結すると共に任意の位置で長さを固定して腕を支持する作業支援器具の拘束手段として並びにそれらを利用した伸縮装置として利用可能である。

１ロッド（可動節となる機素）
２板ばね
２ａ，２ｂ斜辺
３スイッチ
４サポート部材
５ロッド貫通孔
１０シリンダロッド（固定節となる機素）
１１アクチュエータ
１７サーボモータ
１８ねじ式送り機構
２３スライダクランク機構を構成するスライダロッド
２４スライダクランク機構を構成するスライダ
２５スライダクランク機構を構成する連接棒
２６スライダクランク機構を構成するクランク円板
２７楕円カム

Claims

固定節となる機素と可動節となる機素とで成り、前記固定節と前記可動節との間で相対移動することにより前記固定節と前記可動節との間の距離が伸び縮みする構造体であり、前記可動節となる機素と前記固定節となる機素との間の動きを任意に拘束・解放するメカニカルロック機構を含む伸縮装置であって、
前記メカニカルロック機構はロッドと、該ロッドを相対的に摺動可能に保持するサポート部材とを有し、相対的に移動可能な前記ロッドと前記サポート部材との間の動きを任意に拘束・解放するものであり、
前記ロッドを貫通させるロッド貫通孔を有し前記ロッドを前記ロッド貫通孔に貫通させた状態で前記ロッドに対して斜めに交わり且つ互いに逆方向に傾斜して前記サポート部材に保持される一対の板ばねと、
前記一対の板ばねの前記ロッドに対する角度を前記ロッドと直交する方向に変形させるスイッチとを有し、
前記板ばねはフリー状態では前記ロッドと交差して前記ロッドと前記ロッド貫通孔の周縁とを接触させて摩擦力を発生させて前記ロッドを拘束すると共に、前記スイッチによる切換で前記板ばねを起こして前記ロッドと前記ロッド貫通孔との間に隙間を発生させてアンロック状態とされ、
前記固定節となる機素あるいは前記可動節となる機素のいずれか一方には前記サポート部材によって支持された前記板ばねを、他方には前記ロッドを含む
ことを特徴とする伸縮装置。
前記固定節となる機素はシリンダロッドであり、前記可動節となる機素はピストンロッドであり、前記シリンダロッドの先端に前記サポート部材が連結される一方、前記ピストンロッドが前記サポート部材及び前記サポート部材に保持される前記板ばねの前記ロッド貫通孔を貫通して外に進出可能に設けられることを特徴とする請求項１記載の伸縮装置。
前記ロッドの少なくとも前記板ばねと係合する部位は断面矩形あるいは多角形若しくは非円形断面であり、前記ロッド貫通孔は前記ロッドの輪郭形状よりも大きい相似形状を成す矩形あるいは多角形若しくは非円形である請求項１または２記載の伸縮装置。
前記板ばねは１枚の板ばね材が折り曲げられて成る一部品であって、底辺とその両端から互いに逆方向に傾斜する一対の斜辺との３辺を有し、ばね材料自体の弾性で前記両斜辺が互いに内向きにあるいは外向きに倒れるように付勢される構造と成されると共に、前記斜辺に前記ロッド貫通孔が設けられると共に前記両斜辺が解放時には互いに内向きにあるいは外向きに傾いてロッドに対して斜めに交わるように変形することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の伸縮装置。