(57)【要約】  ベース（２）の基準点を通って交差する二本の軸（３ａ，３ｂ）にリンク（６）の両端が軸方向に移動自由に取付けられ、ガスアクチュエータ（３０）の内部空間（３２）のガス圧によりリンクの一端を基準点に向かって押圧し、リンクの一端の一端位置に対する内部空間の容積変化を外挿して求められる容積０の状態でのリンクの一端位置と基準点との間隔（Ａ−Ｂ）が、リンク両端間の距離（Ｄ−Ｅ）以上となるようにリンクの一端を移動可能とし、ベースに対して鉛直方向に移動可能なリフト部（１５）とリンクの他端とを連結部（３１）で連結する。
2012164802.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースと、
前記ベースに設けられた第一基準点をそれぞれ通りかつある角度を為すように交差した二本の軸に、一端と他端がそれぞれの軸方向に移動自由に取り付けられたリンクと、
シリンダの内部空間のガス圧により、前記リンクの前記一端を一端位置と他端位置との間で前記第一基準点に向かって押圧するように可動しかつ前記リンクの前記一端と連結された可動部を有し、前記リンクの前記一端が、前記第一基準点を通る前記２つの軸のうちの一方の軸上に位置する第二基準点の位置となるとき、前記可動部の位置が前記内部空間の容積変化を外挿することで求められる前記内部空間の容積０の状態となり、前記第一基準点と前記第二基準点との間隔が、前記リンクの前記一端と前記他端との間の距離と略等しく若しくは超えるように、前記可動部の動作範囲が規定され、かつ、前記ベースに固定されたガスアクチュエータと、
前記ベースに対して鉛直方向に移動可能なリフト部と、
前記ガスアクチュエータの前記内部空間の膨張と前記リフト部の上昇が連動するように、前記リンクの前記他端と前記リフト部とを連結する連結部と、
を備えて、前記リフト部にかかる重力を補償する重力補償装置。
【請求項２】
前記ガスアクチュエータ内のガス量を調節するガス量調節部をさらに設ける請求項１に記載の重力補償装置。
【請求項３】
前記ガスアクチュエータ内の前記ガス量を推定するガス量推定部をさらに設ける請求項２に記載の重力補償装置。
【請求項４】
前記ガスアクチュエータに作用する周辺大気圧が押圧力に与える影響を補償する大気圧補償部をさらに設ける請求項１〜３のいずれか１つに記載の重力補償装置。
【請求項５】
前記大気圧補償部が、前記ガスアクチュエータの前記可動部と接続された錘である請求項４に記載の重力補償装置。
【請求項６】
前記大気圧補償部が、前記ベースと前記ガスアクチュエータの前記可動部とを接続する定荷重バネである請求項４に記載の重力補償装置。
【請求項７】
前記ガスアクチュエータの前記内部空間の圧力との差圧が前記ガスアクチュエータの発生力に比例する圧力である空間の圧力を略真空にする請求項１〜３のいずれか１つに記載の重力補償装置。
【請求項８】
前記ガスアクチュエータがピストン及びシリンダ機構である請求項１〜３のいずれか１つに記載の重力補償装置。
【請求項９】
前記ガスアクチュエータが、ベーンモータとラック・アンド・ピニオン機構との組み合わせである請求項１〜３のいずれか１つに記載の重力補償装置。
【請求項１０】
請求項１〜３のいずれか１つに記載の重力補償装置と、
前記重力補償装置に設けられて、前記リフト部を昇降させる垂直駆動部とを備えるリフト装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮ガスの圧力により重力補償を行う装置において、リンクを用いることでエア消費量を削減させる重力補償装置、及びそれを用いたリフト装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
物体の重力を補償し、物体を上下に移動させる際の負担を軽減させるための方法が、カウンターウェイト又は定荷重バネといった基本的な方法以外にも考案されている（例えば、特許文献１〜２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３７９４７４３号公報
【特許文献２】特許第４１４４０２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、重力補償の手段として、カウンターウェイト又は定荷重バネ、並びにバネ等の弾性体を用いた構成を用いる場合、物体による負荷重量の変化に対応するためには、部品の交換又は構成の変更などを伴うことになり、困難が伴う。また、負荷重量の加わった状態においては、弾性体に力が加わった状態になるので、さらに対応が困難になる。また、空気圧シリンダにより補償する場合、空気圧シリンダ内の空気量を調節することで負荷重量の変化への対応は容易に行えるが、従来の構成では、位置変化が生じるたびに空気の吸排気が必要になり、エア消費量が多くなるという課題があった。【０００５】
従って、本発明の目的は、上記問題を解決することにあって、負荷重量の変化への対応が容易かつ、位置変化に伴うガス消費が不要な、重力補償装置及びそれを用いたリフト装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明の態様は以下のように構成する。【０００７】
本発明の１つの態様によれば、ベースと、
前記ベースに設けられた第一基準点をそれぞれ通りかつある角度を為すように交差した二本の軸に、一端と他端がそれぞれの軸方向に移動自由に取り付けられたリンクと、
シリンダの内部空間のガス圧により、前記リンクの前記一端を一端位置と他端位置との間で前記第一基準点に向かって押圧するように可動しかつ前記リンクの前記一端と連結された可動部を有し、前記リンクの前記一端が、前記第一基準点を通る前記２つの軸のうちの一方の軸上に位置する第二基準点の位置となるとき、前記可動部の位置が前記内部空間の容積変化を外挿することで求められる前記内部空間の容積０の状態となり、前記第一基準点と前記第二基準点との間隔が、前記リンクの前記一端と前記他端との間の距離と略等しく若しくは超えるように、前記可動部の動作範囲が規定され、かつ、前記ベースに固定されたガスアクチュエータと、
前記ベースに対して鉛直方向に移動可能なリフト部と、
前記ガスアクチュエータの前記内部空間の膨張と前記リフト部の上昇が連動するように、前記リンクの前記他端と前記リフト部とを連結する連結部と、
を備えて、前記リフト部にかかる重力を補償する重力補償装置を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の態様によれば、内部圧力に起因するガスアクチュエータの発生力を二本の軸にそれぞれ一端ずつが軸方向に移動自由に拘束されたリンクを介してリフト部に伝達することから、ガスアクチュエータの変位に伴う発生力の変化がリフト部に作用する力に与える影響を低減できるようになる。すなわち、本発明の態様によれば、ガスアクチュエータ内のガス量一定のまま、リフト部の位置が変化しても、重力を補償できるようになる。よって、ガスアクチュエータ内のガス量を調節することで、負荷重量の変化への対応が容易に行えるとともに、リフト部の位置変化に伴うガスの消費を不要とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本発明の態様のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施形態に関連した次の記述から明らかになる。この図面においては、
【図１】図１は、第１実施形態における重力補償装置の概略を示す図であり、
【図２】図２は、第１実施形態における力の変換の様子を示す模式図であり、
【図３】図３は、第１実施形態におけるピストン変位率ｘとピストンの駆動力Ｆ１との関係を示す図であり、
【図４】図４は、第１実施形態において、ピストン変位率ｘとリンクによる変換後の力Ｆ２との関係が長さ寸法Ｌにより変化する様子を示す図であり、
【図５】図５は、第１実施形態において、ピストン変位率ｘとピストン変位最大時の力で規格化したリンクによる変換後の力（規格化されたＦ２）との関係が寸法Ｌにより変化する様子を示す図であり、
【図６】図６は、第１実施形態において、ピストン変位率ｘとリンクによる変換後の力Ｆ２との関係が長さ寸法ｍにより変化する様子を示す図であり、
【図７】図７は、第１実施形態において、ピストン変位率ｘとピストン変位最大時の力で規格化したリンクによる変換後の力（規格化されたＦ２）との関係が長さ寸法ｍにより変化する様子を示す図であり、
【図８】図８は、第１実施形態において、ピストン変位率ｘとリンクによる変換後の力Ｆ２との関係が角度φにより変化する様子を示す図であり、
【図９】図９は、第１実施形態において、ピストン変位率ｘとピストン変位最大時の力で規格化したリンクによる変換後の力（規格化されたＦ２）との関係が角度φにより変化する様子を示す図であり、
【図１０】図１０は、第１実施形態において、ピストン変位率ｘとリンクによる変換後の力Ｆ２との関係に関して、ピストン変位最大時の圧力により生じる誤差の違いを示す図であり、
【図１１】図１１は、第１実施形態における重力補償装置を用いたリフト装置の概略を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１１】
実施形態について説明する前に、本発明の種々の態様について説明する。
【００１２】
本発明の第１態様によれば、ベースと、
前記ベースに設けられた第一基準点をそれぞれ通りかつある角度を為すように交差した二本の軸に、一端と他端がそれぞれの軸方向に移動自由に取り付けられたリンクと、
シリンダの内部空間のガス圧により、前記リンクの前記一端を一端位置と他端位置との間で前記第一基準点に向かって押圧するように可動しかつ前記リンクの前記一端と連結された可動部を有し、前記リンクの前記一端が、前記第一基準点を通る前記２つの軸のうちの一方の軸上に位置する第二基準点の位置となるとき、前記可動部の位置が前記内部空間の容積変化を外挿することで求められる前記内部空間の容積０の状態となり、前記第一基準点と前記第二基準点との間隔が、前記リンクの前記一端と前記他端との間の距離と略等しく若しくは超えるように、前記可動部の動作範囲が規定され、かつ、前記ベースに固定されたガスアクチュエータと、
前記ベースに対して鉛直方向に移動可能なリフト部と、
前記ガスアクチュエータの前記内部空間の膨張と前記リフト部の上昇が連動するように、前記リンクの前記他端と前記リフト部とを連結する連結部と、
を備えて、前記リフト部にかかる重力を補償する重力補償装置を提供する。
【００１３】
このような構成によれば、内部圧力に起因するガスアクチュエータの発生力を二本の軸にそれぞれ一端ずつが軸方向に移動自由に拘束されたリンクを介してリフト部に伝達することから、ガスアクチュエータの変位に伴う発生力の変化がリフト部に作用する力に与える影響を低減できるようになる。すなわち、本発明の第１態様によれば、ガスアクチュエータ内のガス量一定のまま、リフト部の位置が変化しても重力を補償できるようになる。よって、ガスアクチュエータ内のガス量を調節することで負荷重量の変化への対応が容易に行えるとともに、リフト部の位置変化に伴うガスの消費を無くすことが可能になる。
【００１４】
本発明の第２態様によれば、前記ガスアクチュエータ内のガス量を調節するガス量調節部をさらに設ける第１の態様に記載の重力補償装置を提供する。
【００１５】
このような構成によれば、ガスアクチュエータ内のガス量が動作中であっても自由に調節出来るようになるので、より負荷重量変化への対応を容易にすることが出来る。
【００１６】
本発明の第３態様によれば、前記ガスアクチュエータ内の前記ガス量を推定するガス量推定部をさらに設ける第２の態様に記載の重力補償装置を提供する。
【００１７】
このような構成によれば、ガス量の調節が正確に行えるようになるので、より負荷重量変化への対応を容易にすることが出来る。
【００１８】
本発明の第４態様によれば、前記ガスアクチュエータに作用する周辺大気圧が押圧力に与える影響を補償する大気圧補償部をさらに設ける第１〜３のいずれか１つの態様に記載の重力補償装置を提供する。
【００１９】
このような構成によれば、大気圧の影響をキャンセルできるようになるので、低圧で動作させる場合にも誤差無く重力補償を行えるようになる。
【００２０】
本発明の第５態様によれば、前記大気圧補償部が、前記ガスアクチュエータの前記可動部と接続された錘である第４の態様に記載の重力補償装置を提供する。
【００２１】
このような構成によれば、簡単な構成において大気圧の補償を行えるようになる。
【００２２】
本発明の第６態様によれば、前記大気圧補償部が前記ベースと前記ガスアクチュエータの前記可動部とを接続する定荷重バネである第４の態様に記載の重力補償装置を提供する。
【００２３】
このような構成によれば、簡単な構成において大気圧の補償を行えるようになる。
【００２４】
本発明の第７態様によれば、前記ガスアクチュエータの前記内部空間の圧力との差圧が前記ガスアクチュエータの発生力に比例する圧力である空間の圧力を略真空にする第１〜３のいずれか１つの態様に記載の重力補償装置を提供する。
【００２５】
このような構成によれば、大気圧の影響をキャンセルできるようになるので、低圧で動作させる場合にも誤差無く重力補償を行えるようになる。
【００２６】
本発明の第８態様によれば、前記ガスアクチュエータがピストン及びシリンダ機構である第１〜７のいずれか１つの態様に記載の重力補償装置を提供する。
【００２７】
このような構成によれば、ガスアクチュエータの変位と内部圧力の関係を容易に求めることが出来るので、誤差の少ない重力補償装置が得られるようになる。
【００２８】
本発明の第９態様によれば、前記ガスアクチュエータが、ベーンモータとラック・アンド・ピニオン機構との組み合わせである第１〜７のいずれか１つの態様に記載の重力補償装置を提供する。
【００２９】
このような構成によれば、ガスアクチュエータの変位と内部圧力との関係を容易に求めることが出来るので、誤差の少ない重力補償装置が得られるようになる。
【００３０】
本発明の第１０態様によれば、第１〜９のいずれか１つの態様に記載の重力補償装置と、
前記重力補償装置に設けられて、前記リフト部を昇降させる垂直駆動部とを備えるリフト装置を提供する。
【００３１】
このような構成によれば、前記第１〜９のいずれか１つの態様に記載の重力補償装置を備えたリフト装置を構成することができて、前記重力補償装置の作用効果を奏することができるリフト装置を得ることができる。
【００３２】
以下、本発明の実施形態にかかる重力補償装置及びそれを用いたリフト装置について、図面を参照しながら説明する。
【００３３】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における重力補償装置１の概略を示す。重力補償装置１は、フレーム２と、リンク６と、ガスアクチュエータ３０と、リフト部１５と、連結部３１とを備えて、リフト部１５にかかる重力を補償するように構成している。
【００３４】
図１の重力補償装置１において、２はベースの一例としてのＬ字状に屈曲したフレームである。３ａ、３ｂ、３ｃはフレーム２にそれぞれ固定された第１〜第３ガイドレールである。第１ガイドレール３ａ及び第２ガイドレール３ｂは、フレーム２の屈曲部分に設けられた第一基準点Ａを通る上下方向沿いの縦軸及び水平方向沿いの横軸上にそれぞれフレーム２に固定配置され、かつ、ある所定の角度を為して交差している二本の軸の一例である。この角度は、一例として、図１では９０度であるが、通常は７０度〜１００度の範囲内である。図１では、第１ガイドレール３ａの軸方向と交差する位置まで、第２ガイドレール３ｂが延びて配置されて、第２ガイドレール３ｂ上に第一基準点Ａが配置されている。
【００３５】
第３ガイドレール３ｃは、第１ガイドレール３ａと平行に上下方向沿いにフレーム２に固定配置されている。
【００３６】
第１ガイドレール３ａには第１スライダ４ａが、第２ガイドレール３ｂには第２スライダ４ｂが、それぞれ軸方向に移動自由にかつそれぞれのガイドレールから脱落しないように係合されている。第３ガイドレール３ｃには、リフト部の一例としての昇降板１５が、軸方向に移動自由にかつ第３ガイドレール３ｃから脱落しないように係合されている。第１スライダ４ａには第１ピン５ａが、第２スライダ４ｂには第２ピン５ｂがそれぞれ設けられている。リンクの一例としてのロッド６は、両端がそれぞれ第１ピン５ａ、第２ピン５ｂに対して回転自由に取り付けられており、図１に示した、一端位置ＵＰと他端位置ＬＰとの間の動作範囲での第１スライダ４ａの垂直移動を、第２スライダ４ｂの水平移動に変換するようになっている。第２スライダ４ｂの移動範囲は、図１に二点鎖線で図示された左端の第２スライダ４ｂと右端の第２スライダ４ｂとの間である。
【００３７】
ガスアクチュエータ３０は、フレーム２の第１ガイドレール３ａと第３ガイドレール３ｃとの間に、上下方向沿いに配置されている。ピストン９及びシリンダ１０は、ガスアクチュエータ３０の一例としてのピストン及びシリンダ機構を構成する。ピストン９とシリンダ１０の内面とで囲まれた上側の内部空間３２には、ガスの一例である空気が蓄えられている。このガスの圧力により、図１の下方向への押圧力（すなわち、リンク６の一端（第１ピン５ａ）を一端位置ＵＰと他端位置ＬＰとの間で第一基準点Ａに向かって押圧するような力）が、可動部の一例として機能するピストン９に発生する。ピストン９のピストンロッド９ａの上端には第１接続板７ａが固定されて、ピストンロッド９ａと第１接続板７ａとは一体的に移動する。この第１接続板７ａは、第１スライダ４ａにも固定されており、第１スライダ４ａと第１接続板７ａとも一体的に移動する。よって、ピストンロッド９ａと第１接続板７ａと第１スライダ４ａとは一体的に移動する。第２接続板７ｂは、第２スライダ４ｂに固定されて、第２スライダ４ｂと一体的に移動する。ピストン９に対する駆動力は、ピストン９のピストンロッド９ａ及び第１接続板７ａを介して第１スライダ４ａに伝達され、その後、第１ピン５ａと、ロッド６と、第２ピン５ｂと、第２スライダ４ｂとを経て、第２接続板７ｂに伝達される。シリンダ１０は、フレーム２に対して、ピストン９が上限位置、すなわちピストン９がシリンダ１０の上側内面に接触して内部空間３２の容積が０となる際に、第１ピン５ａの位置が、第一基準点Ａを通る２つのガイドレール３ａ，３ｂのうちの一方の第１ガイドレール３ａ上に位置する第二基準点Ｂになる位置に固定されている。第１ガイドレール３ａの軸方向沿いである点Ａ−点Ｂ間の距離は、ロッド６の両端間距離、すなわち第１ピン５ａと第２ピン５ｂの距離以上となっている。図１では、一例として、点Ａ−点Ｂ間の距離（ＡＢ）は、第１ピン５ａと第２ピン５ｂの距離（ＤＥ）の１．０５倍であり、通常は１．０倍〜１．０５倍の範囲内とするのが、円滑に動作させる観点から、好ましい。よって、第一基準点Ａと第二基準点Ｂとの距離ＡＢは、リンク６の一端の第１ピン５ａと他端の第２ピン５ｂとの間の距離ＤＥと略等しく若しくは超えるよう構成されている。また、ピストンロッド９ａの上方でかつフレーム２に固定された上端ストッパーピン１６ａと、シリンダ１０に固定された下端ストッパーピン１６ｂとにより、ピストン９の動作範囲が規定されている。すなわち、ピストン９の下端位置ＬＰは、ピストン９のピストン板９ｂが下端ストッパーピン１６ｂに接触する位置であり、ピストン９の上端位置ＵＰは、ピストンロッド９ａの上端の第１接続板７ａが上端ストッパーピン１６ａに接触する位置である。ピストン９が上端位置ＵＰに位置するときの第１ピン５ａの位置は、第二基準点Ｂよりも第一基準点Ａ側の位置となり、図１では、一例として、距離ＡＢの０．１３／２．１倍だけ第二基準点Ｂよりも第一基準点Ａ側の位置となっている。
【００３８】
第１接続板７ａ上には、大気圧補償部の一例としての錘８が載せられて、ピストン９に作用する周辺大気圧が押圧力に与える影響を補償するようにしている。錘８の質量は、ピストン９の駆動力に寄与する面積、具体的にはピストン板９ｂの面積からピストンロッド９ａの断面積を引いた面積と、大気の絶対圧力との積により求められる力と、錘８に作用する重力とが等しくなるよう設定されている。このようにすることで、ピストン９の駆動力における大気圧の影響が除去され、ピストン９の駆動力は、内部空間３２に蓄えられた空気の絶対圧力に比例するようになる。このような構成によれば、簡単な構成で大気圧の影響をキャンセルできるようになるので、低圧で動作させる場合にも誤差無く重力補償を行えるようになる。
【００３９】
第２接続板７ｂと昇降板１５とは、連結部３１の一例であるワイヤ及びプーリ伝達系で連結されて、ガスアクチュエータ３０の内部空間３２の膨張とリフト部１５の上昇が連動するようにしている。ワイヤ及びプーリ伝達系３１は、第１ワイヤ１１ａと、第２ワイヤ１１ｂと、第１プーリ１２ａと、第２プーリ１２ｂと、可動プーリ１３と、固定ピン１４とで構成されている。第１ワイヤ１１ａは、一端が第２接続板７ｂに固定され、フレーム２の屈曲部の第３ガイドレール３ｂの下端近傍に回転自在に配置された第１プーリ１２ａを経由して、他端が可動プーリ１３の回転軸に固定されている。このように配置することにより、第２接続板７ｂの水平方向の変位を可動プーリ１３の垂直方向の変位に変換するように、第２接続板７ｂと可動プーリ１３とを第１ワイヤ１１ａで接続している。第２ワイヤ１１ｂは、一端がシリンダ１０の上方近傍に固定された固定ピン１４に固定され、可動プーリ１３を経由するとともに、第３ガイドレール３ｂの上端近傍に回転自在に配置された第２プーリ１２ｂを経由して、他端が昇降板１５に固定されている。このように配置することにより、可動プーリ１３とフレーム２に固定されたプーリ１２ｂとを経由して、固定ピン１４と昇降板１５とを第２ワイヤ１１ｂで接続している。このような構成により、可動プーリ１３の下方向への変位は２倍に拡大されて、昇降板１５の鉛直方向の上方向への変位に変換される。
【００４０】
ガス量調節部の一例としての空気量調節弁１０１は、配管１０２により、圧力源１０３と大気開放口１０４とシリンダ１０の上側の内部空間３２とに接続されている。よって、空気量調節弁１０１の切替操作することにより、圧力源１０３からの圧縮空気を、配管１０２を介してシリンダ１０の上側の内部空間３２内に供給したり、又は、シリンダ１０の上側の内部空間３２内の空気を配管１０２を介して大気開放口１０４に排出したりすることで、シリンダ１０の上側の内部空間３２内の空気の量を調節できるようになっている。空気量調節弁１０１を切替操作することで、任意のタイミングでシリンダ１０の上側の内部空間３２内の空気量を変化させることができるようになるので、ピストン９の駆動力を自由に変更できるようになる。圧力源１０３としては、コンプレッサ、又は、圧縮空気を蓄えたタンク等が利用可能である。圧力源１０３としてコンプレッサを利用することは、必要なだけ圧縮空気を供給できる点で望ましい。このように空気量調節弁１０１を配置する構成によれば、ガスアクチュエータ３０内のガス量が動作中であっても自由に調節出来るようになるので、より負荷重量変化への対応を容易にすることが出来る。
【００４１】
ガス量推定部の一例としての空気質量表示器１０５は、シリンダ１０の上側の内部空間３２をガス量を推定するものである。具体的には、空気質量表示器１０５は、第１スライダ４ａの変位を計測する非接触変位計１０６の出力とピストン９の断面積（正確には、ピストン板９ｂの面積からピストンロッド９ａの断面積を引いた面積）とからシリンダ１０の上側の内部空間３２の容積Ｖを算出する。そして、シリンダ１０の内部空間３２の絶対圧力Ｐを圧力計１０７により計測し、シリンダ１０の内部空間３２の空気の絶対温度Ｔを温度計１０８により計測する。算出した容積Ｖと圧力計１０７により計測した絶対圧力Ｐと温度計１０８により計測した空気の絶対温度Ｔとを基に、空気の気体定数をＲとして、ＰＶ／（ＲＴ）として空気質量を空気質量表示器１０５で算出して、空気質量表示器１０５に表示している。このような構成によれば、空気質量表示器１０５により、ガス量の調節が正確に行えるようになるので、より負荷重量変化への対応を容易にすることが出来る。
【００４２】
次に、この重力補償装置１の作用を説明する。
【００４３】
図２は、力の変換の様子を示す模式図である。図２における点Ｄ及び点Ｅは、ロッド６の両端に対応する第１ピン５ａ及び第２ピン５ｂの位置にそれぞれ対応している。点Ｃは、図１における動作範囲の下限における第１ピン５ａの位置に対応している。点Ａ及び点Ｂは、それぞれ図１における点Ａ及び点Ｂに対応している。点Ｂは、ガスアクチュエータ３０の内部空間３２の容積が０、すなわち、図１においてピストン９がシリンダ１０の上側内面に接触したときの第１ピン５ａの位置を表している。ただし、ガスアクチュエータ３０における点Ｂの位置は、配管１０２の容積が無視できないほど大きい等の理由により、ピストン９がシリンダ１０の上側内面に接触しても内部空間３２の容積を０にできない場合、動作範囲におけるシリンダ１０の内部空間３２の容積変化を外挿することで求められる仮想的なものであってもよい。図２において、長さＬは点Ａ−点Ｃ間の距離を表している。また、長さｍは点Ｂ−点Ｃ間の距離を表している。ピストン９の動作に伴い変化する点Ｂ−点Ｄ間の距離は、長さｍｘで表されている。ここで、係数ｘは、０〜１の値をとり、ｘ＝０のとき点Ｂと点Ｄの位置は一致する。また、ｘ＝１のとき点Ｄと点Ｃの位置が一致し、ピストン９は動作範囲の下限に位置する。
【００４４】
ただし、ピストン９が動作する際の係数ｘの下限値については、後述の通り重力補償力の変化が小さくなるように、上端ストッパーピン１６ａ等により例えばｘ＝０．１３になるよう制限されている。この場合、０．１３≦ｘ≦１が動作範囲となる。図１において、ピストン９が上端位置ＵＰにある場合がｘ＝０．１３に対応し、ピストン９が下端位置ＬＰにある場合がｘ＝１に対応する。すなわち、ｘ＝０に相当する点Ｂの位置が仮想的なものであっても、ピストン９がシリンダ１０の上側内面に接触する位置が係数ｘの下限値（例えば０．１３）以下に相当する場合、構成上の問題は生じないことになる。
【００４５】
なお、図２における長さＬ、長さｍについては、ロッド６の両端間距離がＬ＋１で表されるよう正規化された値とし、以下の説明においても同様とする。図１の場合、一例としてＬ＝１、ｍ＝１．１となる。
【００４６】
図２の模式図を用いて、重力変換装置１における重力補償力について説明する。
【００４７】
点Ｄにピストン９の駆動力が点Ａに向かう力Ｆ１として作用するとき、点Ｅには第２ガイドレール３ｂの軸方向に沿って力Ｆ２が作用する。力Ｆ２と力Ｆ１の大きさの比は、点Ｃと点Ｄと点Ｅとで形成される角度θ、点Ｅと点Ａと点Ｃとで形成される角度φ（図１の場合、一例として９０°（度））を用いて、Ｆ２／Ｆ１＝ｔａｎθｓｉｎφ−ｃｏｓφと表される。また、係数ｘの値は１−［（Ｌ＋１）（ｃｏｓθ＋ｓｉｎθ／ｔａｎφ）−Ｌ］／ｍと表される。ｘ＝１のとき角度θは最大値θｍａｘとなり、ｃｏｓθｍａｘ＋ｓｉｎθｍａｘ／ｔａｎφ＝Ｌ／（Ｌ＋１）を満たす。φ≧９０°のとき、角度θの最小値θｍｉｎは０であるが、φ＜９０°のときθｍｉｎ＝９０°−φとなる。角度φと長さＬを決定すると、θｍｉｎとθｍａｘを求めることが出来る。θｍｉｎ〜θｍａｘの範囲で角度θを変化させながらそれぞれの値におけるＦ２／Ｆ１と係数ｘを求めることで、係数ｘとＦ２／Ｆ１の関係を求めることができる。
【００４８】
次に、点Ｄに作用するピストン９の駆動力Ｆ１について述べる。図３に、シリンダ１０の上側の内部空間３２内の空気量を一定としたときの、ピストン９の変位率ｘとピストン９の駆動力Ｆ１との関係を示す。ただし、ピストン９の変位ｍｘについては、ｍに対する変位の比率として、係数ｘを用いた変位率で表している。これは、以下の図においても同様である。また、ピストン９の変位方向（ピストンロッド９ａの軸方向）と点Ａ及び点Ｂを結ぶ軸（第１ガイドレール３ａの軸方向）は平行であるものとし、駆動力Ｆ１はｘ＝１における値が１となるよう正規化して図３に表している。本実施形態では、大気圧の影響が除去されているので、駆動力Ｆ１は１／ｘで表される。これは、シリンダ１０の上側の内部空間３２内の内部圧力が高く（例えば１００気圧）、大気圧の影響が無視できる場合にも同様に考えることができる。図３に示されるように、空気量が一定の場合、ピストン９の変位に対してピストン９の駆動力Ｆ１が大きく変化するため、ピストン９の駆動力Ｆ１を直接用いて重力補償を行うことは困難であることわかる。
【００４９】
以上の関係から求められる本実施形態の重力補償装置１における係数ｘと力Ｆ２との関係について説明する。これは、ピストン９の駆動力Ｆ１を、図１に示した構成で第２スライダ４ｂに伝達したときの、ロッド６による変換後の力を示したものになる。
【００５０】
本実施形態では、昇降板１５に作用する力は、変位が２倍に拡大されているため、この半分の値となる。以下の説明においても同様である。係数ｘに対して力Ｆ２の値が一定値に近いほど、昇降板１５に一定の力を作用させることができるようになるので、重力補償装置１として効果的である。
【００５１】
図４に設計値としての長さＬを変化させたときの効果の違いを示す。このとき、ｍ＝１、φ＝９０°としている。図４より、図３に示した特性がロッド６による変換によって大きく変化していることがわかる。
【００５２】
図５に、図４の結果をｘ＝１における値でそれぞれ規格化した図を示す。図５より、係数ｘの動作範囲に応じて適切な長さＬを選ぶことで力の変化を小さく抑えられることがわかる。例えばＬ＝１の場合、ｘ＝０．５〜１の間を動作範囲とする場合には、図３の特性では２倍にまで変化する力を０．９６倍程度の変化に押さえ込むことが可能となる。同様に、Ｌ＝０．５の場合、ｘ＝０．２〜１の間を動作範囲とする場合には、図３の特性では５倍にまで変化する力を０．７８倍程度の変化に押さえ込むことが可能となる。使用する係数ｘの下限値が大きいほど、大きな長さＬを選択すればよいことがわかる。いずれにしても、ピストン９の駆動力を直接用いるよりも重力補償力を一定に近づけられることになる。これにより、昇降板１５に作用する重力荷重が一定の場合、ガス消費が一切無くても位置変化に伴う重力補償力の変化を小さくすることができる。
【００５３】
図６に、設計値としての長さｍを変化させたときの効果の違いを示す。このとき、Ｌ＝１、φ＝９０°としている。図６より、ｍ＝１のときの特性が長さｍを変化させることで大きく変化していることがわかる。ただし、長さＬが一定なので、ｘ＝１における値は変化していない。
【００５４】
図７に、図６の結果をｘ＝１における値でそれぞれ規格化した図を示す。図７より、長さｍの値を適切に選ぶことで、力の変化が小さい係数ｘの範囲を拡大できることがわかる。例えばｍ＝１．１の場合、ｘ＝０．１３〜１の間を動作範囲とする場合には、図３の特性では７．７倍にまで変化する力を０．９２〜１．０５倍程度の変化に押さえ込むことが可能となる。これにより、昇降板１５に作用する重力荷重が一定の場合、ガス消費が一切無くても位置変化に伴う重力補償力の変化をさらに小さくすることができる。特に、略Ｌ＝１、ｍ＝１．１、φ＝９０°とすることは、広い動作範囲と少ない重力補償力の変化が両立できるので望ましい。
【００５５】
図８に設計値としての角度φを変化させたときの効果の違いを示す。このとき、Ｌ＝１、ｍ＝１としている。図８より、φ＝９０°のときの特性が角度φを変化させることで大きく変化していることがわかる。
【００５６】
同様に、図９に、図８の結果をｘ＝１における値でそれぞれ規格化した図を示す。図８及び図９の結果より、角度φを変化させた場合にも、長さＬを変化させた場合に近い結果が得られることがわかる。これにより、角度φの値が９０°の場合に限らず、昇降板１５に作用する重力荷重が一定の場合、ガス消費が一切無くても、位置変化に伴う重力補償力の変化を小さくすることができる。
【００５７】
変換後の力の大きさは、図３に示したピストン９の駆動力に比例することになる。すなわち、シリンダ１０の上側の内部空間３２内の空気質量を２倍にすれば圧力が２倍になり、変換後の力の大きさも２倍にすることができる。よって、空気量調節弁１０１を用いて空気質量を調節すれば、負荷重量が変化した際にも重力補償の力を容易に変更することができる。その際、空気質量表示器１０５により表示される空気質量を参考にすることで、調節を容易に行えるようになる。これらの空気量の調節は、手動で行っても良いし、空気質量表示器１０５の値が目標値となるように、空気量調節弁１０１を動作させる制御系を構築して自動で行っても良い。さらに、重力補償の力の調節は、重力補償力を完全に一定にするためにも用いることができる。その場合でも、従来のエアシリンダの圧力制御に比べれば、位置変化に伴う重力補償力の変化が小さいので、より少ない空気の消費で行うことが可能になる。その効果は、係数ｘの動作範囲が広いほど顕著になる。
【００５８】
錘８の効果を示すために、錘８が存在しない場合に、重力補償力がｘ＝１における絶対圧力Ｐによってどのように変化するか示したものが、図１０である。ただし、Ｌ＝１、ｍ＝１、φ＝９０°である。Ｐ＝∞の場合が、錘８が存在する場合に相当する。図１０より、ｘ＝１における絶対圧力Ｐが１０気圧を下回るような場合には、錘８が無ければ、重力補償力が大きく変化することがわかる。一方で、ｘ＝１における絶対圧力が１００気圧を上回るような場合には、錘８が無くてもほとんど影響がないことがわかる。従って、高い圧力で動作させることで錘８のような大気圧補償部を設けない構成も、低い圧力でも誤差無く重力補償が行えるように錘８のような大気圧補償部を設ける構成も、いずれも実施可能である。
【００５９】
前記実施形態にかかる構成によれば、内部圧力に起因するガスアクチュエータ３０の発生力を二本の軸の一例である第１及び第２ガイドレール３ａ，３ｂにそれぞれ一端ずつが軸方向に移動自由に拘束されたリンクロッド６を介してリフト部１５に伝達することから、ガスアクチュエータ３０の変位に伴う発生力の変化がリフト部１５に作用する力に与える影響を低減できるようになる。すなわち、前記実施形態によれば、ガスアクチュエータ内のガス量一定のまま、リフト部の位置が変化しても重力を補償できるようになる。よって、ガスアクチュエータ３０内のガス量を調節することで負荷重量の変化への対応が容易に行えるとともに、リフト部１５の位置変化に伴うガスの消費を不要とすることができる重力補償装置を実現することができる。また、ガスアクチュエータ３０をピストン及びシリンダ機構で構成すれば、ガスアクチュエータ３０の変位と内部圧力との関係を容易に求めることが出来るので、誤差の少ない重力補償装置が得られるようになる。
【００６０】
なお、本実施形態では、スライダを軸方向に移動自由に拘束する方法としてガイドレールとスライダの組み合わせを用いているが、これに限るものではなく、ボールスプライン等、同様の作用を実現するものであれば、あらゆる公知技術の組み合わせが利用可能である。
【００６１】
なお、本実施形態では、ガスアクチュエータ３０としてピストン及びシリンダ機構を用いているが、これに限るものではなく、ベーンモータの回転出力をラック・アンド・ピニオン機構で直動に変換する等、内部空間３２の容積と第１スライダ４ａの変位の関係が比例関係になるものであれば、いずれも実施可能である。
【００６２】
なお、本実施形態では、ガスアクチュエータ３０の動作ガスとして空気を用いているが、これに限るものではなく、理想気体と見なせる各種ガスが利用可能である。空気は、入手が容易な点で望ましい。窒素等の不活性ガスは、特性が安定している点で望ましい。また、ガスの種類によっては、圧力源１０３として化学反応によりガスを発生させるもの、又は、液化ガスを気化させて圧縮ガスを発生させるものを用いても良い。また、大気開放口１０４についても、大気に開放させるのではなく、回収タンクに排気するようにしても良い。
【００６３】
なお、本実施形態では、ガス量推定部において空気質量を求めているが、これに限るものではなく、空気の分子数等、比例関係にある値を用いてもよい。また、図２の模式図に従って重力補償力に換算した値を用いても良い。また、シリンダ内の容積Ｖを算出するための変位計測についても、第１スライダ４ａに限るものではなく、連動して動作する部材であれば、いずれの変位を計測しても良い。変位の計測も非接触変位計に限るものではなく、接触式を含めて利用可能である。また、絶対温度Ｔの計測も、シリンダ１０の上側の内部空間３２内の空気温度を直接計測することに限るものではなく、大気温度の計測、又は、空気温度として一定値を与えるようにすることで代用しても良い。
【００６４】
なお、本実施形態では、大気圧補償部として錘８を用いているが、これに限るものではなく、ピストン９とフレーム２との間を定荷重バネで連結するようにしても良い。このような構成ならば、簡単な構成において、大気圧の補償を行えるようになる。
【００６５】
さらに、錘又は定荷重バネといった受動的な手段ではなく、アクチュエータを用いて能動的に大気圧の影響を除去するようにしても良い。また、シリンダ１０の下面を封鎖し、ピストン９とシリンダ１０で囲まれる新たな空間を略真空とすることで、大気圧の影響を除去するようにしても良い。すなわち、ガスアクチュエータ３０の内部空間３２の圧力との差圧がガスアクチュエータ３０の発生力に比例する圧力である空間（ピストン板９ｂの下側の空間）の圧力を略真空にすれば、大気圧の影響をキャンセルできるようになるので、低圧で動作させる場合にも誤差無く重力補償を行えるようになる。
【００６６】
なお、本実施形態では、ピストン９の動作範囲を限定するのに、ストッパーピン１６ａ、１６ｂを用いているが、これに限るものではなく、シリンダ１０の上側の内部空間３２内でピストン９が移動可能な範囲が、動作範囲と一致するようにしても良いし、スライダ４ｂの動作範囲を限定することで、ピストン９の動作範囲を限定するようにしても良い。
【００６７】
なお、本実施形態では、リフト部を板状の昇降板１５としているが、これに限るものではなく、フォーク状の部材、又は、第３ガイドレール３ｃの上下方向の軸に沿った棒状の部材等、任意の形状のもので、リフト部を実施可能である。
【００６８】
なお、本実施形態では、連結部３１としてワイヤ及びプーリ伝達系を用いているが、これに限るものではなく、リンク、又は、油圧等、あらゆる公知技術の組み合わせが連結部３１として利用可能である。また、その際の変速比についても、本実施形態のように変位を２倍に拡大するものに限るものではなく、任意の変速比で実施可能である。
【００６９】
さらに、第１実施形態における重力補償装置１を用いたリフト装置３５の構成例を図１１に示す。
【００７０】
図１１のリフト装置３５では、重力補償装置１に垂直駆動部の一例としてのモータ２１を追加しており、モータ２１によりプーリ１２ｂを回転させることで、昇降板１５が上下に移動できるようになっている。ただし、第２プーリ１２ｂと第２ワイヤ１１ｂとについては、滑りが発生しないように、それぞれスプロケット状、及び、チェーン状のものとしている。ここでは、第３ガイドレール３ｃを一対配置して、一対の第３ガイドレール３ｃで昇降板１５を上下移動可能に支持している。
【００７１】
このような構成とすることで、昇降板１５に作用する重力荷重を重力補償装置１で支えた状態で、モータ２１により昇降板１５の上下移動が行えるようになるので、モータ２１は少ないエネルギーで昇降板２１の垂直移動を実現できるようになる。
【００７２】
よって、このような構成とすることで、重力補償装置１の有するガスアクチュエータ３０内のガス量を調節することで、負荷重量の変化への対応が容易に行えるとともに、リフト部の位置変化に伴うガスの消費を不要とすることができるという特徴をそのまま引き継ぎ、少ないエネルギーで物体を昇降させられるリフト装置が得られる。
【００７３】
なお、リフト装置の構成方法としては、垂直駆動部にモータを用いたものに限るものではなく、他のアクチュエータや手動操作系等、同様の作用を実現するものであれば、あらゆる公知技術の組み合わせが利用可能である。
【００７４】
なお、上記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
本発明の態様にかかる重力補償装置及びそれを用いたリフト装置は、ガスアクチュエ−タ内のガス量を調節することで負荷重量の変化への対応が容易に行えるとともに、リフト部の位置変化に伴うガスの消費を不要とすることができ、有用である。また、リフト装置以外でも、産業用ロボットの垂直軸等の垂直軸動作アクチュエータ用の重力補償装置としても応用できる。【００７６】
本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形又は修正は明白である。そのような変形又は修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。
【図１】
2012164802.tif 000003
【図２】
2012164802.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2012164802.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年1月22日(2013.1.22)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースと、
前記ベースに設けられた第一基準点をそれぞれ通りかつある角度を為すように交差した二本の軸に、一端と他端がそれぞれの軸方向に移動自由に取り付けられたリンクと、
シリンダの内部空間のガス圧により、前記リンクの前記一端を一端位置と他端位置との間で前記第一基準点に向かって押圧するように可動しかつ前記リンクの前記一端と連結された可動部を有し、前記リンクの前記一端が、前記第一基準点を通る前記２つの軸のうちの一方の軸上に位置する第二基準点の位置となるとき、前記可動部の位置が前記内部空間の容積変化を外挿することで求められる前記内部空間の容積０の状態となり、前記第一基準点と前記第二基準点との間隔が、前記リンクの前記一端と前記他端との間の距離と略等しく若しくは超えるように、前記可動部の動作範囲が規定され、かつ、前記ベースに固定されたガスアクチュエータと、
前記ベースに対して鉛直方向に移動可能なリフト部と、
前記ガスアクチュエータの前記内部空間の膨張と前記リフト部の上昇が連動するように、前記リンクの前記他端と前記リフト部とを連結する連結部と、
前記ガスアクチュエータに作用する周辺大気圧が押圧力に与える影響を補償する大気圧補償部と、
を備えて、前記リフト部にかかる重力を補償する重力補償装置。
【請求項２】
前記ガスアクチュエータ内のガス量を調節するガス量調節部をさらに設ける請求項１に記載の重力補償装置。
【請求項３】
前記ガスアクチュエータ内の前記ガス量を推定するガス量推定部をさらに設ける請求項２に記載の重力補償装置。
【請求項４】
前記大気圧補償部が、前記ガスアクチュエータの前記可動部と接続された錘である請求項１〜３のいずれか１つに記載の重力補償装置。
【請求項５】
前記大気圧補償部が、前記ベースと前記ガスアクチュエータの前記可動部とを接続する定荷重バネである請求項１〜３のいずれか１つに記載の重力補償装置。
【請求項６】
前記ガスアクチュエータの前記内部空間の圧力との差圧が前記ガスアクチュエータの発生力に比例する圧力である空間の圧力を略真空にする請求項１〜３のいずれか１つに記載の重力補償装置。
【請求項７】
前記ガスアクチュエータがピストン及びシリンダ機構である請求項１〜３のいずれか１つに記載の重力補償装置。
【請求項８】
前記ガスアクチュエータが、ベーンモータとラック・アンド・ピニオン機構との組み合わせである請求項１〜３のいずれか１つに記載の重力補償装置。
【請求項９】
請求項１〜３のいずれか１つに記載の重力補償装置と、
前記重力補償装置に設けられて、前記リフト部を昇降させる垂直駆動部とを備えるリフト装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
本発明の１つの態様によれば、ベースと、
前記ベースに設けられた第一基準点をそれぞれ通りかつある角度を為すように交差した二本の軸に、一端と他端がそれぞれの軸方向に移動自由に取り付けられたリンクと、
シリンダの内部空間のガス圧により、前記リンクの前記一端を一端位置と他端位置との間で前記第一基準点に向かって押圧するように可動しかつ前記リンクの前記一端と連結された可動部を有し、前記リンクの前記一端が、前記第一基準点を通る前記２つの軸のうちの一方の軸上に位置する第二基準点の位置となるとき、前記可動部の位置が前記内部空間の容積変化を外挿することで求められる前記内部空間の容積０の状態となり、前記第一基準点と前記第二基準点との間隔が、前記リンクの前記一端と前記他端との間の距離と略等しく若しくは超えるように、前記可動部の動作範囲が規定され、かつ、前記ベースに固定されたガスアクチュエータと、
前記ベースに対して鉛直方向に移動可能なリフト部と、
前記ガスアクチュエータの前記内部空間の膨張と前記リフト部の上昇が連動するように、前記リンクの前記他端と前記リフト部とを連結する連結部と、
前記ガスアクチュエータに作用する周辺大気圧が押圧力に与える影響を補償する大気圧補償部と、
を備えて、前記リフト部にかかる重力を補償する重力補償装置を提供する。
【国際調査報告】
2012164802.tif 000014
2012164802.tif 000015
2012164802.tif 000016
2012164802.tif 000017