WO2016016961A1

WO2016016961A1 - 剛性可変装置

Info

Publication number: WO2016016961A1
Application number: PCT/JP2014/069995
Authority: WO
Inventors: 梓網野; 亮介中村; 泰士上田; 徳山　幹夫
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2014-07-30
Filing date: 2014-07-30
Publication date: 2016-02-04

Abstract

　ねじり剛性を可変とする剛性可変機能の提供を目的とする。　この課題を解決する剛性可変装置は、上側フレームと、前記上側フレームに対向して設けられ、前記上側フレームとねじり方向に回転可能に接続する下側フレームと、曲げ方向のバネ定数が曲げる方向によって異なる弾性体であって、前記上側フレームと前記下側フレームの間に両フレームと接続して設け、かつ、前記上側、下側フレームのねじり方向に対する向きを可変に接続する弾性体と、を備えることを特徴とする。

Description

剛性可変装置

　本発明は、ねじり剛性を可変とすることを目的とした装置に関する。

　ねじり剛性を可変とする機構の技術としては例えば下記の特許文献１に記載の技術が知られている。

特開平７－１６５０９０

　特許文献１に記載されている方法によれば、コイルばねの両端に接続された部材１と部材２との距離を同一軸上にて可変とすることにより、部材１と部材２間のねじりトルクに対して剛性を可変とする機構が開示されている。

　ところで、従来の特許文献１の技術では、ねじり剛性を変化させるためにはコイルばねの長さを変化させる、すなわち何らかのエネルギをもって縮める必要があり、さらに縮めたまま保持するためのエネルギの投入が必要で構造が複雑化するという課題がある。また、ねじりトルクがかかった場合もコイルばねの反力により消費エネルギが大きくなってしまう恐れがある。

　本発明は、上記を鑑みて発明されたものであり、簡易な構成でねじり剛性を可変とする剛性可変機構の提供を目的とする。

　前記課題を解決するための代表的な本発明の剛性可変装置の一つは、上側フレームと、前記上側フレームに対向して設けられ、前記上側フレームとねじり方向に回転可能に接続する下側フレームと、曲げ方向のバネ定数が曲げる方向によって異なる弾性体であって、前記上側フレームと前記下側フレームの間に両フレームと接続して設け、かつ、前記上側、下側フレームのねじり方向に対する向きを可変に接続する弾性体と、を備えることを特徴とする。

　本発明は、上記を鑑みて発明されたものであり、簡易な構成でねじり剛性を可変とする剛性可変機構を適用することができる。

本発明の実施例１の剛性可変機構の分解斜視図。本発明の実施例１のバネ部材の斜視図。本発明の実施例１の剛性可変機構の横断面図。本発明の実施例２の剛性可変機構の斜視図。本発明の実施例３の剛性可変機構の斜視図。本発明の実施例１の適用例の斜視図。本発明の実施例２の適用例の斜視図。本発明の実施例３の適用例の斜視図。

　図１は、本発明の実施例１の剛性可変機構の分解斜視図である。図１に示す様に、本発明の実施例１の剛性可変機構は、円盤状の形状を備え、円盤の中央を通る軸Ａに対し３等分となるように、３つの穴を備えた上側ハウジング１と、上側ハウジング１に備えられた３つの穴それぞれに対し、軸Ａ方向に移動可能かつ、上側ハウジング１の穴部中心に対し回転可能に備えられ、軸Ａ方向に長手方向を備え、長手方向下側にギア状とした構造を備えるバネ部材２Ａ，２Ｂ，２Ｃと、バネ部材２Ａ，２Ｂ、２Ｃをそれぞれ回転可能に取り付け可能であり、バネ部材２Ａ，２Ｂ、２Ｃとの接続部と軸Ａ方向に所要の距離を備え、かつ上側ハウジング１を軸Ａ周りに回転可能に取り付け可能とした構造を備えた下側ハウジング３と、下側ハウジング３の軸Ａまわりに回転可能に取り付けられ、さらにバネ部材２Ａ，２Ｂ，２Ｃに備えられるギヤとそれぞれ噛みあい配置されるセンタギヤ４と、センタギヤ４に取り付けられ、下側ハウジング３に対するセンタギヤ４の回転角度を調整するための調整ハンドル５から構成される。

　図２はバネ部材２Ａ，２Ｂ，２Ｃの斜視図である。バネ部材２Ａ，２Ｂ，２Ｃは等しい構成のため、ここではバネ部材２Ａを用いて説明する。バネ部材２Ａは、中心部に板状の形状を有しており、軸２Ａに対して回転させるギヤを下部に備える。バネ部材２Ａの長手方向中心を軸２Ａとすると、軸２Ａに対して方向１と方向２を備え、長手方向中腹部の断面は方向１と方向２に対して異なる断面形状を備える。例えば図２の例では、方向２に対する曲げ剛性は方向１に対する曲げ剛性より強い構造となっている。つまり、方向２のように板状形状の面に平行な方向への曲げ剛性は、方向１のように板状形状の面に垂直な方向への曲げ剛性よりも強い。すなわちバネ部材２Ａはその長手方向に対し２方向の曲げ剛性異方性を備えている。

　本発明の実施例１の剛性可変機構は、上側ハウジング１と下側ハウジング３に対し軸Ａまわりに異なる向きにねじりトルクを入力すると、ねじりトルクは上側ハウジング１の穴を介してバネ部材２Ａ，２Ｂ，２Ｃに伝わり、バネ部材２Ａ，２Ｂ，２Ｃにはせん断方向の力が加わり、上側ハウジング１の接線方向に変位し、反力が発生する。反力の大部分はバネ部材２Ａ，２Ｂ、２Ｃの変位方向に対する曲げ剛性の合計により決定される。

　図３（Ａ）はねじりトルクに対し剛性が低い状態、図３（Ｂ）はねじりトルクに対し剛性が高い状態を示す断面図である。図３（Ａ）では、バネ部材２Ａにかかる力に対しバネ部材２Ａの剛性は低い向きとなっており、またバネ部材２Ｂ、２Ｃについても同様に剛性は低い向きとなっている。バネ部材２Ａ、２Ｂ、２Ｃはその下部でセンタギヤ４と噛み合っており、センタギヤ４を回転させることにより、バネ部材２Ａ、２Ｂ、２Ｃの向きを変えることが可能である。図３（Ｂ）はセンタギヤ４を回転させ、バネ部材２Ａにかかる力に対しバネ部材２Ａの剛性を高い向きとした状態である。バネ部材２Ｂ，バネ部材２Ｃについても同様に剛性は高い向きとなっている。この状態で、上側ハウジング１にねじりトルクを与えた場合、図３（Ａ）の状態と比較して変位は小となる。

　以上のように、曲げ剛性の異方性を備えたバネ部材２Ａ，２Ｂ、２Ｃにかける力の向きを変更することで、上側ハウジング１と下側ハウジング３間のねじり剛性を可変とすることが可能である。また、その変更の方法は、センタギヤ４の角度を調整ハンドル５を用いて変更することによって行ってもよいし、調整ハンドル５はバネ部材２Ａ，２Ｂ，２Ｃのいずれかに接続されていても同様の効果が得られる。またこの例ではバネ部材の個数は３としたが、２つでも良いし、４つ以上でも同じ作用が得られる。またより良い効果を得るためには、バネ部材の配置はバネ部材の個数で等分した円周状に配置するのが良い。

　図６は本発明の実施例１の剛性可変機構の適用例である。図６に示す様に、椅子の背もたれ１１と座面１２を本発明の剛性可変機構を介して接続することにより、調整ハンドル５を用いてリクライニングの反力を変更することができる。

　本実施例によれば、曲げ剛性の異方性を備えたバネ部材にかかる力の向きを可変とする機構とすることにより、ねじりトルクに対する剛性を可変とする機構を提供することができる。

　図４は本発明の実施例２の剛性可変機構の斜視図である。実施例１では調整ハンドル５によりセンタギヤ４の角度を変更し、バネ部材２Ａ、２Ｂ、２Ｃの向きを変更し、上側ハウジング１と下側ハウジング３間のねじり剛性を変更していたが、実施例２では下側ハウジング３に、軸Ａ上に同軸となるような向きに回転アクチュエータ６を取り付け、回転アクチュエータ６の出力部にセンタギヤ４を接続する。回転アクチュエータ６は例えば電気モータと減速機とポテンショメータのような角度検出手段を備えており、指令値に従い適切な角度に出力部の回転角を制御できる。このように回転アクチュエータ６を用いてねじり剛性を可変とすることができる。

　図７（Ａ）（Ｂ）は本発明の実施例２の剛性可変機能を車両のサスペンションに適用した例である。図７（Ａ）に示すように、車体２３の前後左右４箇所に本発明の実施例２の剛性可変機構を介して先端に車輪を備えたスイングアームを接続する。例えば、図７（Ｂ）のように、傾いた地面を走破する状況において、安定性を確保するために車体を水平に保つ必要が生じる。このような状況下で、例えば搭乗者や操作者の手動入力による信号や、車体に搭載されたセンサとその結果をもとにした計算器からの信号により、剛性可変機構２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄのねじり剛性を回転アクチュエータ６により変更する。この例では、斜面下側の剛性可変機構、すなわち２２Ａと２２Ｂの剛性を増加させ、斜面上側の２２Ｃと２２Ｄの剛性を減ずることにより、地面に与える力のバランスをとり車体を安定した姿勢に保つことが可能である。

　本実施例によれば、回転アクチュエータを設けて、指令値に従い適切な角度にセンタギヤの回転角を制御できるため、状況に応じた適切なねじり剛性へ変更することができる。

　図５は本発明の実施例３の剛性可変機構の斜視図である。実施例１では調整ハンドル５によりセンタギヤ４の角度を変更し、バネ部材２Ａ、２Ｂ、２Ｃの向きを変更し、上側ハウジング１と下側ハウジング３間のねじり剛性を変更していたが、実施例３では下側ハウジング３に、軸Ａ上に同軸となるような向きに伝達シャフト７を取り付け、上側ハウジング１にセンタギヤ４を接続する。このような構成では、上側ハウジング１と下側ハウジング３の相対変位に対しセンタギヤ４が回転することで、ねじり剛性を可変とすることができる。例えば、上側ハウジング１にかかるねじりトルクが小さい場合は、上側ハウジング１と下側ハウジング３の相対変位が小さいため剛性可変機構のねじり剛性が低く、ねじりトルクが大きくなると上側ハウジング１と下側ハウジング３の相対変位が大きくなり、次第にねじり剛性が高くなるよう構成することも可能であるし、またその逆も可能である。
　図８は本発明の実施例３の剛性可変機構を回転動力伝達のカップリングに適用した例である。図８に示す様に、原動機３１と負荷３２を本発明の剛性可変機構を介して接続し、起動・停止時の負荷側への瞬間的なピークトルクを平滑化することが可能である。

　本実施例によれば、上側ハウジング１と下側ハウジング３の相対変位に基づいてセンタギヤの回転角が決まるため、瞬間的なピークトルクを平滑化することが可能である。

　以上のように本発明の剛性可変機構は、曲げ剛性の異方性を備え、かつ長手方向片端には長手方向を軸とするギヤを備えたバネ部材をねじりトルクの軸に対しほぼ同心円状に複数配置し、そして、バネ部材の剛性の異方性の向きが周方向に対しほぼ同じになるように配置する。これによって、各バネ部材を回転させることで、簡易な構成で、ねじりトルクに対する剛性を可変とする機構を提供することができる。

　そして、バネ部材のギヤ部の逆端は円盤状の形状を備えた上部ハウジングに回転可能かつ軸方向に移動可能に接続し、上部ハウジングとの接続の逆端は円盤状の形状である下部ハウジングに回転可能に接続し、下部ハウジングと上部ハウジングはねじりトルクの軸に対し回転可能に接続する。また、複数のバネ部材に備えられたギヤ部とそれぞれ噛みあうように下部ハウジングに回転可能に備えられるセンタギヤを設け、センタギヤの角度を変更するためのハンドル等の機構を設ける。これによって、センタギヤを回動することによりバネ部材の角度を変更することによりそれぞれのバネ部材の曲げ剛性を変更し、上部ハウジングと下部ハウジングの間のねじり剛性を可変とすることが可能となる。

　なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…上側ハウジング
２Ａ，２Ｂ，２Ｃ…バネ部材
３…下側ハウジング
４…センタギヤ
５…調整ハンドル

Claims

　上側フレームと、
　前記上側フレームに対向して設けられ、前記上側フレームとねじり方向に回転可能に接続する下側フレームと、
　曲げ方向のバネ定数が曲げる方向によって異なる弾性体であって、前記上側フレームと前記下側フレームの間に両フレームと接続して設け、かつ、前記上側、下側フレームのねじり方向に対する向きを可変に接続する弾性体と、
　を備える剛性可変装置。
　請求項１において、
　前記弾性体は、少なくとも一部が板状形状であり、前記上側、下側フレームのねじり軸と略平行な軸を回転軸にして回転可能に設けられることを特徴とする剛性可変装置。
　請求項２において、
　前記弾性体は、前記上側、下側フレームのねじり軸に対して対称に複数設けられることを特徴とする剛性可変装置。
　請求項３において、
　前記下側フレームは、前記ねじり軸を中心とし回転可能に取り付けられるセンタギヤを備え、
　複数の前記弾性体はそれぞれ、前記センタギヤと噛み合うギヤ部を備え、前記センタギヤの回転により前記上側、下側フレームのねじり方向に対する向きを変更することを特徴とする剛性可変装置。
　請求項４において、
　前記センタギヤを回転駆動するアクチュエータを備え、当該アクチュエータによって前記センタギヤの角度が制御されることを特徴とする剛性可変装置。
　請求項４において、
　前記上側フレームと前記センタギヤを接続し、前記上側フレームと前記下側フレームの相対的な回転変位に伴い前記センタギヤの角度を変更する伝達シャフトを備えることを特徴とする剛性可変装置。