JP7172929B2

JP7172929B2 - 変位装置

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Publication number: JP7172929B2
Application number: JP2019171385A
Authority: JP
Inventors: 祐太糸澤; 博隆古村
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2019-09-20
Filing date: 2019-09-20
Publication date: 2022-11-16
Anticipated expiration: 2039-09-20
Also published as: CN112537697B; CN112537697A; US11322272B2; JP2021048107A; US20210090758A1; EP3796338A1

Description

本開示は、カールコード及び変位装置に関する。

一般的なカールコードは、ケーブルが巻回されており、ケーブルを引き延ばした際に伸長し、ケーブルが引き延ばされていない自然状態で収縮する構成である。例えば、特許文献１のカールコードは、自然状態において同一平面内でケーブルが渦巻き状に巻回された構成である。そのため、特許文献１のカールコードは、自然状態においてケーブルの線幅程度の厚みを有する平坦な収容空間に収容可能である。

特開２００１－３５１４４２号公報

本出願人は、以下の課題を見出した。特許文献１のカールコードは、自然状態において同一平面内でケーブルが渦巻き状に巻回された構成であるため、カールコードの伸縮方向と直交する平面内での巻径（即ち、カールコードの径方向の長さ）が大きくなる課題を有する。

本開示は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、自然状態においてカールコードの伸縮方向と直交する平面内での巻径の大型化を抑制しつつ、ケーブルの長さを稼ぐことが可能なカールコード及び変位装置を実現する。

本開示の一態様に係るカールコードは、
伸縮自在にケーブルが巻回されたカールコードであって、
前記ケーブルが前記カールコードの径方向の内側から外側に向かって巻回された第１の層と、前記ケーブルが前記カールコードの径方向の外側から内側に向かって巻回された第２の層と、が連続して繋がっている。
このようなカールコードにおいては、ケーブルが入れ子構造で複数層重ねられているので、特許文献１のカールコードに比べて、自然状態においてカールコードの伸縮方向と直交する平面内での巻径の大型化を抑制しつつ、ケーブルの長さを稼ぐことができる。

上述のカールコードにおいて、前記カールコードの伸縮方向を一軸方向とした場合、前記ケーブルが前記カールコードの伸縮方向に複数積層されて一体化されていることが好ましい。
これにより、ケーブルが束になってカールコードの伸縮方向に姿勢を維持しようとするため、自然状態でのカールコードの姿勢が崩れることを抑制できる。

上述のカールコードにおいて、前記第１の層のケーブルが前記カールコードの径方向の内側から外側に向かって巻回される方向と、前記第２の層のケーブルが前記カールコードの径方向の外側から内側に向かって巻回される方向と、が等しいことが好ましい。

上述のカールコードにおいて、前記第１の層のケーブルが前記カールコードの径方向の内側から外側に向かって巻回される方向と、前記第２の層のケーブルが前記カールコードの径方向の外側から内側に向かって巻回される方向と、が異なることが好ましい。

本開示の一態様に係る変位装置は、基部に対して被変位部が変位する構成とされており、
前記被変位部の変位に伴って伸縮する、上述のカールコードを備える。
このような変位装置は、カールコードの伸縮方向と直交する平面内での巻径、及びカールコードの伸縮方向の高さを抑制しつつ、ケーブルの長さを稼ぐことができ、例えば、カールコードが変位装置の内部に収容される構成の場合、カールコードの収容空間を小型化しつつ、大きな変位量を確保することができる。

上述の変位装置において、前記カールコードの伸長を制限する制限部材を備えることが好ましい。
これにより、局所的なケーブルへの負担を軽減することができ、カールコードの損傷を抑制することができる。

上述の変位装置において、前記制限部材は、前記カールコードの予め設定された層におけるケーブルの当該カールコードの径方向内側の第１の部分と、前記カールコードの前記予め設定された層に対して異なる層におけるケーブルの当該カールコードの径方向内側に配置の第２の部分と、を接続することが好ましい。

上述の変位装置において、重力方向の側を前記カールコードの下側として当該カールコードが配置される場合、前記制限部材は、前記カールコードの上側の部分に配置されていることが好ましい。
これにより、局所的なケーブルへの負担を軽減することができ、カールコードの損傷を抑制することができる。

上述の変位装置において、前記制限部材の長さは、前記カールコードの伸縮頻度が高い箇所に配置されている制限部材ほど短いことが好ましい。
これにより、カールコードの負荷を分散することができ、結果として、局所的なケーブルへの負担を軽減することができ、カールコードの損傷を抑制することができる。

本開示によれば、自然状態においてカールコードの伸縮方向と直交する平面内での巻径の大型化を抑制しつつ、ケーブルの長さを稼ぐことが可能なカールコード及び変位装置を実現することができる。

実施の形態１のカールコードの一部を拡大して示す斜視図である。実施の形態１の異なるカールコードの一部を拡大して示す斜視図である。実施の形態１のカールコードにおける積層されたケーブルを示す図である。実施の形態１のカールコードを適用した変位装置が収縮した状態を示す図である。実施の形態１のカールコードを適用した変位装置が伸長した状態を示す図である。弾性部材を備えるカールコードの一部を拡大して示す図である。制限部材が設けられたカールコードの一部を拡大して示す斜視図である。制限部材が設けられた異なるカールコードの一部を拡大して示す斜視図である。

以下、本開示を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。但し、本開示が以下の実施の形態に限定される訳ではない。また、説明を明確にするため、以下の記載及び図面は、適宜、簡略化されている。

＜実施の形態１＞
先ず、本実施の形態のカールコードの構成を説明する。図１は、本実施の形態のカールコードの一部を拡大して示す斜視図である。図２は、本実施の形態の異なるカールコードの一部を拡大して示す斜視図である。図３は、本実施の形態のカールコードにおける積層されたケーブルを示す図である。なお、図１乃至図３では、カールコードを簡略化して示している。ここで、以下の説明では、説明を明確にするために、一軸方向に伸縮することを前提とする。

カールコード１は、図１に示すように、伸縮可能にケーブル２が巻回されており、収縮した自然状態において、ケーブル２が巻回された層がカールコード１の伸縮方向に連続するように複数重ねられている。詳細には、カールコード１は、当該カールコード１の径方向の内側から外側に向かってケーブル２が巻回された第１の層３と、カールコード１の径方向の外側から内側に向かってケーブル２が巻回された第２の層４と、が連続するように繋がっている。そして、第１の層３と第２の層４とがカールコード１の伸縮方向で交互に配置されている。

例えば、重力方向の側を下側とし、カールコード１が上下方向に伸縮するように配置されている場合、カールコード１を上側から見て、第１の層３のケーブル２は、カールコード１の径方向の内側から外側に向かって反時計回りに巻回されている。一方、第２の層４のケーブル２は、カールコード１の径方向の外側から内側に向かって反時計回りに巻回されている。そして、第１の層３のケーブル２におけるカールコード１の径方向内側の端部は、第１の層３の上側に配置される第２の層４のケーブル２におけるカールコード１の径方向内側の端部と連続し、第１の層３のケーブル２におけるカールコード１の径方向外側の端部は、第１の層３の下側に配置される第２の層４のケーブル２におけるカールコード１の径方向外側の端部と連続している。

このような第１の層３と第２の層４とが繰り返されることによって、カールコード１のケーブル２は、カールコード１が収縮した自然状態で、相対的にカールコード１の径方向外側に配置されたケーブル２の内側に当該カールコード１の径方向内側に配置されたケーブル２が収容される所謂入れ子構造とされている。

なお、ケーブル２の巻回方向は、上述のように反時計回りに限らず、時計回りでもよく、また、図２に示すように、第１の層３のケーブル２がカールコード１の径方向の内側から外側に向かって巻回される方向と、第２の層４のケーブル２がカールコード１の径方向の外側から内側に向かって巻回される方向と、が異なっていてもよい。このように第１の層３のケーブル２の巻回方向と第２の層４のケーブル２の巻回方向とが異なるカールコード１を電源線として用いる場合、磁場の発生を抑制することができる。

ケーブル２は、線材である。ケーブル２は、例えば、信号線や電源線などであり、導電部材などの線材が絶縁性の樹脂によって被覆された構成である。ここで、詳細な機能は後述するが、図３に示すように、複数本のケーブル２がカールコード１の伸縮方向に積層されて一体化されているとよい。例えば、図３では、３本のケーブル２がカールコード１の伸縮方向に積層されて一体化されており、各々のケーブル２は、信号線、電源線、ＬＡＮ（Local Area Network）線として構成されているが、ケーブル２の機能は限定されない。また、積層されるケーブル２の本数も限定されない。ちなみに、ケーブル２の断面形状は、円形状、楕円形状又は多角形状の何れでもよい。

次に、本実施の形態のカールコード１を適用した変位装置の構成を説明する。図４は、本実施の形態のカールコードを適用した変位装置が収縮した状態を示す図である。なお、図４では、一部を端面図として示している。変位装置１１は、例えば、基部１２、伸縮機構１３、被変位部１４及びカールコード１を備えており、ロボットの首関節部である。

基部１２は、例えば、ロボットの胴部である。伸縮機構１３は、例えば、ロボットの首部を構成し、伸縮可能な構成とされている。詳細には、伸縮機構１３は、例えば、第１の筒状ロッド１３ａ、第１の筒状ロッド１３ａの内部に挿嵌された第２の筒状ロッド１３ｂ、及び第２の筒状ロッド１３ｂの内部に挿嵌された第３の筒状ロッド１３ｃを備えている。

第１の筒状ロッド１３ａは、例えば、円筒形状を基本形態としており、第１の筒状ロッド１３ａの一方の端部が基部１２に固定されている。そして、第１の筒状ロッド１３ａの他方の端部には、当該第１の筒状ロッド１３ａの内側に突出する突出部１３ｄが設けられている。

第２の筒状ロッド１３ｂは、例えば、円筒形状を基本形態としており、第２の筒状ロッド１３ｂの外径が第１の筒状ロッド１３ａの内径よりも小さい。そして、第２の筒状ロッド１３ｂの一方の端部には、第２の筒状ロッド１３ｂの外側に突出する第１の突出部１３ｅが設けられており、第２の筒状ロッド１３ｂの他方の端部には、当該第２の筒状ロッド１３ｂの内側に突出する第２の突出部１３ｆが設けられている。

第３の筒状ロッド１３ｃは、例えば、円筒形状を基本形態といており、第３の筒状ロッド１３ｃの外径が第２の筒状ロッド１３ｂの内径よりも小さい。そして、第３の筒状ロッド１３ｃの一方の端部には、第３の筒状ロッド１３ｃの外側に突出する突出部１３ｇが設けられている。

これらの第１の筒状ロッド１３ａ、第２の筒状ロッド１３ｂ及び第３の筒状ロッド１３ｃは、図示を省略したアクチュエータによって、所謂伸縮アンテナのように伸縮する。但し、伸縮機構１３は、複数の筒状ロッドに代わって、蛇腹部材のような伸縮可能な部材を備えていてもよい。また、各筒状ロッド１３ａ、１３ｂ、１３ｃの断面形状は、円形状に限らず、楕円形状や多角形状でもよい。

被変位部１４は、例えば、ロボットの頭部であり、第３の筒状ロッド１３ｃの他方の端部に固定されている。カールコード１は、伸縮機構１３の第１の筒状ロッド１３ａ、第２の筒状ロッド１３ｂ及び第３の筒状ロッド１３ｃの内部に収容されている。そして、カールコード１の一方の端部は基部１２に接続され、カールコード１の他方の端部は被変位部１４に接続されている。

次に、本実施の形態のカールコード１を適用した変位装置が収縮した状態を説明する。図４に示すように、変位装置１１が収縮した状態では、第１の筒状ロッド１３ａの内部に第２の筒状ロッド１３ｂが略収容され、第２の筒状ロッド１３ｂの内部に第３の筒状ロッド１３ｃが略収容された状態となる。

このとき、カールコード１は、第１の層３と第２の層４とがカールコード１の伸縮方向に積層された自然状態となる。このようなカールコード１は、上述のようにケーブル２が入れ子構造で複数層重ねられているので、特許文献１のカールコードに比べて、自然状態においてカールコード１の伸縮方向と直交する平面内での巻径の大型化を抑制しつつ、ケーブル２の長さを稼ぐことができる。

ここで、一般的なカールコードは、例えば、カールコードの径方向の内側から外側に向かってケーブルが巻回された層が当該カールコードの伸縮方向で連続する構成とされている。そのため、各層のケーブルにおけるカールコードの径方向外側の端部を隣接する層のケーブルにおけるカールコードの径方向内側の端部と連続させるために、ケーブルの引き戻し部を層の間に配置する必要がある。

それに対して、本実施の形態のカールコード１においては、第１の層３のケーブル２と第２の層４のケーブル２とが連続する箇所は、カールコード１の伸縮方向で互い違いに配置される。つまり、所定の第１の層３のケーブル２と第２の層４のケーブル２とが連続する箇所がカールコード１の外側に配置されている場合、隣接する第１の層３のケーブル２と第２の層４のケーブル２とが連続する箇所はカールコード１の内側に配置されることになり、一般的なカールコードのようなケーブルの引き戻し部を層の間に配置する必要がない。

そのため、カールコード１の伸縮方向の高さを抑制しつつ、ケーブル２の長さを稼ぐことができ、カールコード１を収容する伸縮機構１３の内部の収容空間を小型化することができる。ここで、上述のように複数本のケーブル２がカールコード１の伸縮方向に積層されて一体化されている場合、ケーブルが束になってカールコード１の伸縮方向に姿勢を維持しようとするため、自然状態でのカールコード１の姿勢が崩れることを抑制できる。

次に、本実施の形態のカールコード１を適用した変位装置が伸長した状態を説明する。図５は、本実施の形態のカールコードを適用した変位装置が伸長した状態を示す図である。なお、図５も、一部を端面図として示している。伸縮機構１３のアクチュエータが動作して、図５に示すように、第１の筒状ロッド１３ａから第２の筒状ロッド１３ｂが突出し、第２の筒状ロッド１３ｂから第３の筒状ロッド１３ｃが突出し、伸縮機構１３が伸長すると、被変位部１４の変位に伴ってカールコード１が伸長する。

このとき、カールコード１においては、第１の層３のケーブル２と第２の層４のケーブル２とが連続する箇所がカールコード１の伸縮方向で互い違いに配置されているので、カールコード１を伸縮機構１３の伸長方向にスムーズに伸長させることができる。

また、伸縮機構１３が伸長した状態で、第１の筒状ロッド１３ａの突出部１３ｄと第２の筒状ロッド１３ｂの第１の突出部１３ｅとが接触し、第２の筒状ロッド１３ｂが第１の筒状ロッド１３ａから抜け出ることを抑制できる。同様に、第２の筒状ロッド１３ｂの第２の突出部１３ｆと第３の筒状ロッド１３ｃの突出部１３ｇとが接触し、第３の筒状ロッド１３ｃが第２の筒状ロッドから抜け出ることを抑制できる。

このように変位装置１１が伸長した状態から伸縮機構１３のアクチュエータが動作して、図４に示すように、第１の筒状ロッド１３ａと第２の筒状ロッド１３ｂと第３の筒状ロッド１３ｃとが略重なるように変位装置１１が収縮すると、被変位部１４の変位に伴ってカールコード１が収縮する。

このとき、カールコード１においては、第１の層３のケーブル２と第２の層４のケーブル２とが連続する箇所がカールコード１の伸縮方向で互い違いに配置されているので、カールコード１を伸縮機構１３の収縮方向にスムーズに収縮させることができる。

このようにカールコード１においては、ケーブル２が入れ子構造で複数層重ねられているので、特許文献１のカールコードに比べて、自然状態においてカールコード１の伸縮方向と直交する平面内での巻径の大型化を抑制しつつ、ケーブル２の長さを稼ぐことができる。しかも、カールコード１においては、第１の層３のケーブル２と第２の層４のケーブル２とが連続する箇所は、カールコード１の伸縮方向で互い違いに配置されており、一般的なカールコードのようなケーブルの引き戻し部を層の間に配置する必要がなく、カールコード１の伸縮方向の高さを抑制しつつ、ケーブル２の長さを稼ぐことができ、カールコード１を収容する伸縮機構１３の内部の収容空間を小型化することができる。

したがって、このようなカールコード１を適用した変位装置１１は、カールコード１の伸縮方向と直交する平面内での巻径、及びカールコード１の伸縮方向の高さを抑制しつつ、ケーブル２の長さを稼ぐことができ、カールコード１の収容空間を小型化しつつ、大きな変位量を確保することができる。

ここで、カールコード１は、図６に示すように、伸長したカールコード１が自然状態に収縮する際に復元力を発現する弾性部材５を備えているとよい。弾性部材５は、例えば、自然状態のカールコード１のケーブル２に対応する形状に形成された弾性変形可能な樹脂製又は金属製の線材であり、ケーブル２の表面又は内部に設けられるとよい。これにより、伸長したカールコード１を自然状態にスムーズに復元することができる。

＜実施の形態２＞
例えば、変位装置１１の変位方向が上下方向である場合、カールコード１の上側の部分が集中して伸縮し、カールコード１の上側の部分の負荷が大きい。そのため、例えば、図７に示すように、カールコード１の上側の部分の予め設定された層のケーブル２における当該カールコード１の径方向内側の第１の部分２ａと、当該予め設定された層に対して異なる層のケーブル２におけるカールコード１の径方向内側の第２の部分２ｂと、を制限部材２１で接続するとよい。つまり、変位装置１１は、制限部材２１を備えているとよい。

制限部材２１は、例えば、変形可能であって、且つ伸縮し難い紐やチェーンなどの部材であり、制限部材２１がカールコード１の内部に通された状態で、制限部材２１の一方の端部がケーブル２の第１の部分２ａに接着剤などの接続手段で接続され、制限部材２１の他方の端部がケーブル２の第２の部分２ｂに接着剤などの接続手段で接続されるとよい。これにより、局所的なケーブル２への負担を軽減することができ、カールコード１の損傷を抑制することができる。

ここで、制限部材２１は、図８に示すように、カールコード１の複数箇所に設けられるとよい。この場合、カールコード１の伸縮頻度の高い箇所ほど制限部材２１の長さが短いとよい。例えば、変位装置１１の変位方向が上下方向である場合、カールコード１の上側に配置される制限部材２１ほど、制限部材２１の長さが短いとよい。これにより、カールコード１の負荷を分散することができ、結果として、局所的なケーブル２への負担を軽減することができ、カールコード１の損傷を抑制することができる。

なお、制限部材２１は、カールコード１における任意の箇所に設けられていればよく、好ましくは、変位装置１１の変位に伴う伸縮頻度の高い箇所に設けられているとよい。また、制限部材２１は、接着剤などの接着手段に限らず、治具などの固定手段を用いてケーブル２に固定されていてもよい。要するに、制限部材２１におけるケーブル２への接続手段は限定されない。

本開示は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
例えば、上記実施の形態の変位装置１１は、一軸方向に伸縮する構成とされているが、ロボットの腕関節のように屈曲及び伸展する構成でも、カールコード１を用いることができる。また、変位装置１１は、ロボットの一部に限定されず、生産機械などの一部として用いてもよい。
例えば、上記実施の形態のカールコード１は、第１の層３と第２の層４とが交互に複数重ねられているが、少なくとも第１の層３と第２の層４とを備えているとよい。また、上述の第１の層３及び第２の層４がカールコードの一部に配置されていてもよい。

１カールコード
２ケーブル、２ａ第１の部分、２ｂ第２の部分
３第１の層
４第２の層
５弾性部材
１１変位装置
１２基部
１３伸縮機構
１３ａ第１の筒状ロッド、１３ｄ突出部
１３ｂ第２の筒状ロッド、１３ｅ第１の突出部、１３ｆ第２の突出部
１３ｃ第３の筒状ロッド、１３ｇ突出部
１４被変位部
２１制限部材

Claims

基部に対して被変位部が変位する構成とされており、
前記被変位部の変位に伴って、伸縮自在にケーブルが巻回されたカールコードであって、前記ケーブルが前記カールコードの径方向の内側から外側に向かって巻回された第１の層と、前記ケーブルが前記カールコードの径方向の外側から内側に向かって巻回された第２の層と、が連続して繋がっている前記カールコードと、
前記カールコードの伸長を制限する制限部材と、
を備え、
重力方向の側を前記カールコードの下側として当該カールコードが配置される場合、前記制限部材は、前記カールコードの上側の部分に配置されている、変位装置。
基部に対して被変位部が変位する構成とされており、
前記被変位部の変位に伴って、伸縮自在にケーブルが巻回されたカールコードであって、前記ケーブルが前記カールコードの径方向の内側から外側に向かって巻回された第１の層と、前記ケーブルが前記カールコードの径方向の外側から内側に向かって巻回された第２の層と、が連続して繋がっている前記カールコードと、
前記カールコードの伸長を制限する制限部材と、
を備え、
前記制限部材の長さは、前記カールコードの伸縮頻度が高い箇所に配置されている制限部材ほど短い、変位装置。
前記カールコードの伸縮方向を一軸方向とした場合、前記ケーブルが前記カールコードの伸縮方向に複数積層されて一体化されている、請求項１又は２に記載の変位装置。
前記第１の層のケーブルが前記カールコードの径方向の内側から外側に向かって巻回される方向と、前記第２の層のケーブルが前記カールコードの径方向の外側から内側に向かって巻回される方向と、が等しい、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の変位装置。
前記第１の層のケーブルが前記カールコードの径方向の内側から外側に向かって巻回される方向と、前記第２の層のケーブルが前記カールコードの径方向の外側から内側に向かって巻回される方向と、が異なる、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の変位装置。
前記制限部材は、前記カールコードの予め設定された層におけるケーブルの当該カールコードの径方向内側の第１の部分と、前記カールコードの前記予め設定された層に対して異なる層におけるケーブルの当該カールコードの径方向内側の第２の部分と、を接続する、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の変位装置。
重力方向の側を前記カールコードの下側として当該カールコードが配置される場合、前記制限部材は、前記カールコードの上側の部分に配置されている、請求項２に記載の変位装置。
前記制限部材の長さは、前記カールコードの伸縮頻度が高い箇所に配置されている制限部材ほど短い、請求項１に記載の変位装置。