特許 7505847 水平回転軸で支持される偏心荷重腕のカム機構を用いるばねバランス装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-17

(45)【発行日】2024-06-25

(54)【発明の名称】水平回転軸で支持される偏心荷重腕のカム機構を用いるばねバランス装置

(51)【国際特許分類】

   F16H 25/14 20060101AFI20240618BHJP

【ＦＩ】

F16H25/14

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2021148018

(22)【出願日】2021-09-10

(65)【公開番号】P2023040839

(43)【公開日】2023-03-23

【審査請求日】2023-02-21

(73)【特許権者】

【識別番号】717004179

【氏名又は名称】佐藤 雅郎

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 雅郎

【審査官】鷲巣 直哉

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－０３００９９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｈ ２５／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

偏心荷重腕を３６０°回転自由に支持する水平回転軸に、偏心荷重腕の垂直姿勢に対し、任意の取付け姿勢線上に固定される一つ以上のカム、前記カムのそれぞれに対向して、前記取付け姿勢線上に移動可能に配設される、カムと当接する、その中心が数式6（ｄ）に規定されるカム曲線を描くローラを回転自由に、かつ前記取付け姿勢線上を摺動可能に支持する一つ以上のローラ付き直動カムフォロワー、および各ローラ付き直動カムフォロワーを前記取付け姿勢線上を摺動可能に案内する軸受部および前記軸受部に外装され、前記各ローラ付き直動カムフォロワーをそれぞれの対向するカムに対し付勢し、前記ローラを介してカムに押圧力を印加し、偏心荷重腕の負荷トルクに釣り合う数式4（ｂ）で規定される対抗トルクを発生させる圧縮コイルばねからなることを特徴とするカム機構。

【請求項2】

圧縮コイルばねに代えて、その圧縮コイルばねのばね定数ｋと同一の線形性、およびばねの初期撓みξ _０ に相当する初期押圧力を有するガススプリングを備えることを特徴とする請求項1のカム機構。

【請求項3】

請求項１または請求項２のカム機構、および前記カム機構の水平回転軸を３６０°回転自由に支持する軸受を有し、およびローラ付き直動カムフロワーの軸受部が取り付けられる、前記カム機構を収容して、カムからの反力を支える筐体を備えることを特徴とするばねバランス装置。

【請求項4】

偏心荷重腕、請求項３のばねバランス装置、およびばねバランス装置を床または天井に沿い移動可能に、または、床または天井に固定して支持する支持部を備えることを特徴とする装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、産業界における各種機器、例えば、医療機器等に多用されている水平回転軸で支持される偏心荷重腕にカム機構を用いるばねバランス装置に関する。

【背景技術】

【0002】

カム機構は、カムリフトの所定のタイミングでの正確な運動、およびカムリフトの振動抑制の観点からのカム曲線の選定などが注目され、真の意味でのバランス装置としての利用が少なかった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】米国特許第10,786,318号

【文献】特開２０１７－３００９９

【非特許文献】

【0004】

【文献】図式解析ソフト「ＦｕｎｃｔｉｏｎＶｉｅｗ」 （和田 啓助氏作）図4から図7までのカム機構の解析、描画に利用

【文献】「演習 機械運動学」 高野 政晴／遠山 茂樹 共著 １９９３年４月１０日 株式会社 サイエンス社出版 ローラ付き直動カムフォロワーとカムに関して利用

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

偏心荷重腕の水平回転軸に直結される、偏心荷重腕の全３６０°回転を可能にする、カム機構の特徴を生かした、簡易なばねバランス装置の開発である。

【発明の効果】

【0006】

本発明のカム機構は、水平回転軸上に外装でき、水平回転軸の回りの、偏心荷重を支持する偏心荷重腕の完全な３６０°回転を可能にするばねバランス装置を実現する。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】本発明のばねバランス装置２００を備える偏心荷重腕５０を有する機器の実施例を示す。

【図2】図１のカム機構１００を収容するばねバランス装置２００の実施例を示す。

【図3】図２のばねバランス装置２００の中のカム機構１００の部分図を示す。

【図4】図３のカム機構１００の一部についての、偏心荷重腕５０の負荷トルクに釣り合いかつ対抗するばねバランス装置２００の初期釣り合い状態図を示す。

【図5】図４と同様に、偏心荷重腕５０が任意の角度θだけ反時計回りしたときの、トルクの釣り合い関係を検討する検討図である。

【図6】図５のローラ付き直動カムフォロワー１５０の、そのローラ１２２の中心における力の釣り合いに関する拡大図である。

【図7】図５の偏心荷重腕５０の姿勢が垂直軸（ｙ軸）に関し対称である場合の図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0008】

図１において、本発明の機器は、例えば、Ｘ線管、カセッテ装置、計測器、インジケータ等の偏心荷重Ｗを支持する偏心荷重腕５０、偏心荷重Ｗをその重心Ｇ（図示せず）から偏心量Ｌ（図示せず）で支持する水平回転軸７０（図２参照）、偏心荷重腕５０を水平回転軸６０の回りに全３６０°、手動で軽快かつ回転自由に支持するばねバランス装置２００、およびばねバランス装置２００を床上に支持する支持部１０を有す。支持部１０は、床上に固定で示されているが、本発明の請求範囲を限定するものではなく、床または天井に設置のための台、および床上を、または天井レール等に沿い移動する移動式台車である場合等も含まれる。

【0009】

図１において、偏心荷重腕５０は、水平回転軸７０に取り付けられ、図１に示すように時計回り、および反時計回りのいずれの回転方向にも、ばねバランス装置２００の水平回転軸７０の軸芯６０の回りに全３６０°回転自由に支持される。

【0010】

図２は、カムフォロワー１５０がカム１１０に対し、斜め下方に（しかも、それぞれが水平回転軸７０に関し、姿勢を異にして、即ち、取付け姿勢線１１０－０（図４参照）を異にして）配されるばねバランス装置２００の一実施例を示す。

【0011】

図２のばねバランス装置２００は、軸芯６０を有する水平回転軸７０、水平回転軸７０に関し取り付けられた、偏心重腕５０の負荷トルクＴ_Ｗに釣り合いかつ対抗する対抗トルクＴ_Ｓ（数式５（ｂ）等参照）を発生するカム機構１００の複数の組（図２の実施例において、カム機構１００の偏心荷重腕５０に近い方から右方へ、第１組から第４組の４組）、水平回転軸７０の両端を回転自由に支持する軸受８０－１、８０－２、およびそれら軸受を支持し、後述する圧縮コイルばね１４０の常時押圧力を外部へ伝達する、カム機構１００を収容する筐体９０を有す。なお、水平回転軸７０は、偏心荷重腕５０の取り付け面Ｆ（図３参照）および水平回転軸７０の全長に亘り貫通する、本発明の特徴であるケーブル類（導管類も含む）の貫通を、ばねバランス装置２００の軸芯６０と交差させることなく可能とする軸孔Ｈ（図３参照）を有す。
即ち、軸孔Ｈは、例えば、偏心荷重腕５０の全３６０°回転の際に捩られるケーブル類（導管類も含む）の通路として機能する。なお、この場合、ケーブル類は、いわゆるスリップリングを介して外部ケーブル類（導管類も含む）と連結されると、全３６０°回転の本発明の特徴が生かされる。

【0012】

図２のばねバランス装置２００は、上記のように、カム機構１００により負荷トルクＴ_Ｗに釣り合う対抗トルクＴ_Ｓを発生して偏心荷重腕５０の負荷とのバランスをとるが、併せて、負荷とのバランスを取った状態で、偏心荷重腕５０の水平回転軸７０に関する姿勢を維持する。

【0013】

図２は、カムフォロワー１５０がカム１１０に対し、斜め下方に（しかも、それぞれが水平回転軸７０に関し、姿勢を異にして、即ち、取付け姿勢線１１０－０を異にして）配されるばねバランス装置２００の一実施例を示す。

【0014】

図３は、図２のばねバランス装置２００の一部分である、カム機構１００の第１から第４組の中の第１および第２組の場合を示す。カム機構１００の第１から第４組の各組は、図２に示すように、それらの水平回転軸７０への取付け姿勢を除けば、その構成が同一であって、水平回転軸７０に回転不能に取り付けられるカム１１０、およびカム１１０と対向し、筐体９０に対し、所定の取付け姿勢（図４の取付け姿勢線１１０－０で表示）で設置される、ローラ付き直動カムフォロワー１５０の組から構成される。

【0015】

ローラ付き直動カムフォロワー１５０（以降、単に、カムフォロワー１５０と言う）は、カム１１０と転動係合するローラ１２２、ローラ１２２をその中心Ｃ（図４参照）の回りに回転自由に支持するカムフォロワー軸１２５、カムフォロワー軸１２５をカム１１０に対し、取付け姿勢線１１０－０（図４参照）で示される一定姿勢に支持し、カム１１０により駆動されるカムフォロワー軸１２５の摺動を案内し、押圧力Ｐ（θ）（数式４参照）の反力を筐体９０へ伝達するカムフォロワー軸受部１３０、およびカムフォロワー軸受部１３０の外周に、カムフォロワー軸１２５と同軸状に外装される、水平回転軸７０に対し偏心荷重腕５０の負荷トルクＴ_Ｗ（数式５（ａ）参照）に釣り合いかつ対抗する対抗トルクＴ_Ｓを発生する押圧力Ｐ（θ）をカム１１０に対し印加する圧縮コイルばね１４０から構成される。

【0016】

図４は、図２に示されるカム機構１００のカム１１０とローラ１２２付きのカムフォロワー１５０からなるカム機構１００の第１組と第３組を表し、偏心荷重腕５０が垂直姿勢であり、その偏心荷重腕５０による水平回転軸７０の軸芯６０の回りの負荷トルクＴ_Ｗがゼロであり、また、ローラ１２２の中心Ｃの描くカム曲線１１２に対する、後述する法線１１０－１が上述の取付け姿勢線１１０－０と重なり、軸芯６０を通り、対抗トルクＴ_Ｓがゼロとなる、ばねバランス装置２００の負荷トルクＴ_Ｗがゼロであり、それに対抗する対抗トルクｎＴ_Ｓがゼロであるという意味（数式５（ａ）参照）での、初期釣り合い状態を示す。このとき、法線１１０－１が上述の取付け姿勢線１１０－０と重なることから、カム１１０とローラ１２２の接触点Fは、両直線１１０－０、１１０－１上にあり、また、カム基礎円１１４に巻き付くカムリフトｙ（数式６（ｃ）参照）の巻き付き開始点および終了点であるカム特定点Aとも重なる。このような条件が満たされれば、図４から図７のついての検討結果は、取付け姿勢線１１０－０が異なる第２組および第４組についても同様に適合する。従って、カムフォロワー１５０の取付け姿勢線１１０－０は、カム１１０に対し、選択により左右の側方あるいは上方である場合もある。

【0017】

なお、図４から図７までのカム機構１００のカム曲線１１２の形状に関し、カム機構１００の厚み方向は、捨象し、軸芯６０に直交する、取付け姿勢線１１０－０を含むｘｙ面上にて検討し、そのことについてのその都度の言及は省略する。例えば、後述するカム曲線１１２に対する法線１１０－１、接線１１０－２、およびカム１１０の対称軸１１０－３は、取付け姿勢線１１０－０を含むｘｙ面上にある。

【0018】

図４において、偏心荷重腕５０が軸芯６０の回りに回転すると、カムフォロワー１５０のカムフォロワー軸１２５は、フォロワー軸受部１３０に支持され、ローラ１２２と共に、カム１１０により駆動され、圧縮コイルばね１４０を圧縮して、前述の取付け姿勢線１１０－０上を摺動する。
また、カムフォロワー１５０のローラ１２２は、カム１１０の回りを、自身の中心Ｃの回りに回転しながら、カム１１０との接触点Ｆを回転中心として転動運動をする。このとき、ローラ１２２の中心Ｃは、カム１１０の外周から、ローラ１２２の半径ｒ（数式６参照）に等しい距離離れた、本発明が求めようとするカム曲線１１２を描く。

【0019】

即ち、本発明の目的は、偏心荷重腕５０の負荷トルクT_Wに釣り合いかつ対抗する、カム機構１００の水平回転軸７０への対抗トルクT_Sを発生する、ローラ１２２の中心Cが描く、カム曲線１１２の輪郭、即ち、水平回転軸７０の軸芯６０からのカム曲線１１２の動径R(θ)（図４における矢印付き直線ＯＣで示される、数式６（ｄ）参照）を定めることである。その結果として、ローラ１２２のカム１１０との接触点Fの座標が、法線１１０－１上の点として得られ、カム１１０の形状が定まる。接触点Fは、ローラ１２２上の点でもあり、カム１１０上の点でもあり、接触点Fの座標は両点で共有されると解することができる。

【0020】

図５は、偏心荷重腕５０が、垂直姿勢から反時計回りに角度θだけ回転したとき、のカム機構１００を示す。図５は、カム１００が、軸芯６０の回りに偏心荷重腕５０と同一角度θだけ回転することを示す。即ち、図５において、カム１１０の回転角θは、動径R(θ)と上述の特定点Ａを通り、軸芯６０に直角にカム１１０の中心でもある軸芯６０を通る、回転角θと等しい。カム曲線１１２の動径R(θ)は、カム基礎円１１４の半径をＲｇ、カムリフトをｙ(θ)、ローラ１２２の半径をｒとすれば、ローラ１２２の中心Ｃにおける接線１１０－２の動径R(θ)とのなす角（接線角）

について、数式１を得る。

【0021】

同様に、図５において、前記カム曲線１１２上のＣ点での、動径R(θ)とカム曲線１１２の法線１１０－１とのなす角、即ち、カム１１０の圧力角φは、法線１１０－１が接線１１０－２と直交することから、数式１（ｂ）より数式２で表される。なお、図５において、注目すべきことは、法線１１０－１がカム１１０の中心（軸芯６０と一致）に対し、図５に向かい左側を通ることである。このことによって、カム機構１００が偏心荷重腕５に釣り合いかつ対抗する、後述する対抗トルクＴ_Ｓ（数式３参照）を発生する。

【数2】

【0022】

図６において、カムフォロワー１５０のカム１１０に対する、カムフォロワー軸１２５に沿う押圧力をＰ（θ）、その押圧力に対抗し、接触点Ｆにおける、法線１１０－１方向に発生する反力をＮ（θ）、およびカムフォロワー１５０とカム１１０からなるカム機構１００が発生する、偏心荷重腕５０の負荷トルクＴ_Ｗに釣り合いかつ対抗する対抗トルクをＴ_Ｓとし、そして、カムフォロワー１５０のフロワー軸受部１３０等の摩擦が少ないと、数式３を得る。

【数3】

【0023】

一方、θ＝０のときの圧縮コイルばね１４０の撓みをξ_０とし、偏心荷重腕５０の任意の回転θにおける圧縮コイルばね１４０の撓みをξ（θ）とし、圧縮コイルばね１４０のばね定数をｋとすれば、カムフォロワー１５０がローラ１２２を介してのカム１１０への押圧力Ｐ（θ）は、数式４で表される。

【数4】

【0024】

偏心荷重腕５０の任意の反時計回りの回転θにおける偏心荷重腕５０が水平回転軸７０に及ぼす負荷トルクＴ_Ｗは、ｎ組のカム機構１００の対抗負荷トルクｎＴ_Ｓと釣り合いことから、数式５を得る。

【数5】

なお、（ａ）式は、トルクＴ_ＷおよびＴ_Ｓの値は、共に、θ＝０およびπのとき、ゼロであり、偏心荷重腕５０の場合には、垂直軸（ｙ軸）に関し、また、カム１１０の場合は、上述の特定点Ａを通るカム１１０の対称軸１１０－３に関し、共に対称であることを示す。

【0025】

数式５（ｄ）の微分方程式を解くと得られる、トルクＴ_ＷとＴ_Ｓとの釣り合いを満たす、カムリフトｙ(θ)および動径R(θ)を規定する数式６を、その解法と共に示す。

【数6】

【0026】

数式６（ｃ）、（ｄ）は、ばねバランス装置２００の、全３６０°回転に亘るバランス性能を実現する。
また、数式６（ｃ）、（ｄ）は、カム基礎円１１４の半径Ｒｇ、ローラ１２２の半径ｒ、偏心荷重Ｗ、その偏心量Ｌ、カム１１０とカムフォロワー１５０からなる組の数ｎ、および圧縮コイルばね１４０のばね定数ｋおよび初期撓みξ_０がカム機構１００を定めるパラメータであることを示す。また、 数式６（ｄ）は、偏心荷重腕５０の負荷トルクT_W（数式５（ａ）参照）の対称性から帰結されることであるが、カム１１０には、前述したように、特定点Aを通る、動径R(θ)を有するカム曲線１１２の２等分線である、カム１１０の対称軸１１０－３が存在することを示す。

【0027】

数式６（ｃ）より、回転角θのときの圧縮コイルばね１４０の撓みをξ（θ）、カムリフトをｙ(θ)とし、θ＝π／２のときの、それらをξ_ｉおよびｙ_ｉ、θ＝πのときの、それらをξ_ｍ、ｙ_ｍとすれば、数式７を得る。

【数7】

【0028】

ここで、 数式６（ｃ）、（ｄ）により定まる、カム１１０の形状を定めるパラメータの、圧縮コイルばね１４０のばね定数ｋおよび初期撓みξ_０に関し、数式５（ｂ）に基づき検討すると、表１を得る。

【表1】

【0029】

即ち、両パラメータｋ、ξ_０は、互いにトレードオフの関係にあり、例えば、図２および図３等が示す実施例の場合には、表１に示す「組合せパラメータ」のときに、ばねバランス装置２００のためのカム機構１００が実現する。なお、表１は、多数の組合せの中で、ばね定数ｋの有用な範囲に対するばねの初期撓みξ₀について掲げたもので、ここに掲げるばね定数ｋの範囲内でも、無数の「組合せパラメータ」が存在することは注目に値する。

【0030】

表１は、特定の付与要件、例えば、偏心荷重Wおよびその偏心量L等の下で、ばねバランス装置２００をなりたたせるカム機構１００を実現する、カム１１０の形状を間接的に規定する、ばね定数ｋとばねの初期撓みξ_０との組合せパラメータは、限定的であることを示す。また、カム１１０の形状を決める組合せパラメータの選択には、数式５（ｂ）に基づき、表１のようなデータを取得して、種々の観点、例えば、圧縮コイルばね１４０の諸元等から検討すべきことを示す。

【0031】

同様に、カム１１０の形状が定まっているときに、偏心荷重腕５０の負荷トルクＴ_ｗが当初の想定負荷トルクの場合（正規ＷＬ）と相違する場合（変動ＷＬ）に対する対応は、数式６(c)（ｄ）の値を同一に保つ条件（対応条件という）を満たせば、即ち、そのＴ_ｗに対応して、WL／Kが不変であるようにばね定数ｋを変化させ、ばねの初期撓みξ₀を不変に保つことで可能である。数式５（ｂ）に基づき、図2および図3の一例について検証した結果を表2に示す。

【表2】

即ち、表２は、上述の対応条件を満たせば、数式６(c)（ｄ）で規定されるカム１１０を有するカム機構１００が想定負荷トルクＴ_ｗとの違い対し、カム１１０は交換せずに、圧縮コイルばね１４０を交換するだけで対応できることを示す。

【0032】

ローラ１２２の中心Ｃが描くカム曲線１１２が数式６（ｄ）で決定された後、即ち、そのカム曲線１１２の動径R(θ)が確定された後に、カムフォロワー１５０のローラ１２２の半径ｒと数式２（ａ）で表されるカム１１０の圧力角φから、ローラ１２２とカム１１０の接触点Ｆの位置座標が確定し、結果としてカム１１０の形状が確定する。

【0033】

図７は、図５の場合と比較して、偏心荷重Ｗがｙ軸に関し対称の位置にある場合を示す。数式７は、偏心荷重Ｗの全３６０°回転に亘り、適用できることを示すが、図５および図７もまた、本発明が偏心荷重腕５０の時計回りおよび反時計回りの両回転方向、即ち、全３６０°回転に対応できることを端的に表す。

【0034】

以上の解析では、水平回転軸７０は水平姿勢であることを前提にしているが、当業者は、水平姿勢でない一定の傾斜姿勢の回転軸にカム機構１００を直結しても、その傾斜に相当する修正を加えれば、同様にばねバランス装置２００が構築可能であることが理解されるであろう。また、本明細書では、圧縮コイルばね１４０を使用する場合について説明するが、同様の機能および線形特性を有するガススプリングを排除するものではない。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】