(57)【要約】【課題】出力トルクの値を正確に測定できて、ロボット工学およびオートメーションの分野での利用に適した平面ばねを提供する。【解決手段】平面ばねは、外輪、内輪、および二つの弾性部品を有する。内輪は外輪内に配置され、それらの間に空間を形成する。二つの弾性部品は前記空間内に配置され、中心線に対して間隔をあけて対称に配置される。各弾性部品は外側接続部、内側接続部、および柔軟な帯状体を有する。外側接続部は第一接続点で外輪に接続される。内側接続部は第二接続点で内輪に接続される。柔軟な帯状体は、外側接続部と内側接続部との間に接続される。中心からの第一接続点と第二接続点との間の夾角は９０度以上、１８０度未満である。回転直列弾性アクチュエータも提供される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外輪と、
前記外輪内に配置されている内輪であって、前記内輪と前記外輪との間に空間を形成し、かつ
中心と、
前記内輪の前記中心を通って延びる中心線と
を有する内輪と、
前記外輪と前記内輪との間の前記空間に配置され、前記内輪の前記中心線に対して間隔をあけて対称に配置されている二つの弾性部品であって、
第一接続点で前記外輪の内周に接続されている外側接続部と、
第二接続点で前記内輪の外周に接続されている内側接続部と、
前記外側接続部と前記内側接続部との間に接続されている柔軟な帯状体と、
を有する二つの弾性部品と、
を含む平面ばねであって、
前記内輪の前記中心からの前記第一接続点と前記第二接続点との間の夾角が、９０度以上、１８０度未満である、
平面ばね。
【請求項２】
前記二つの弾性部品の前記二つの外側接続部は第一間隔で互いに離間し、かつ前記二つの弾性部品の前記二つの内側接続部は第二間隔で互いに離間している、請求項１に記載の平面ばね。
【請求項３】
前記二つの弾性部品の各々の前記柔軟な帯状体は、前記外輪に向かって突出する一つのＵ字状部分を有している、請求項１または２に記載の面状ばね。
【請求項４】
前記二つの弾性部品の各々の前記柔軟な帯状体は、間隔をあけて配置された複数のＵ字状部分を有し、前記複数のＵ字状部分の各々は前記外輪に向かって突出している、請求項１または２に記載の平面ばね。
【請求項５】
前記二つの弾性部品の各々は、前記複数のＵ字状部分の一つから残りの前記複数のＵ字状部分のうちの隣接するＵ字状部分に向かって突出する突起を有している、請求項４に記載の平面ばね。
【請求項６】
前記二つの弾性部品の各々の前記柔軟な帯状体は間隔をあけて配置された複数のＵ字状部分を有しており、前記複数のＵ字状部分の各々は前記外輪に向かって突出しており、前記二つの弾性部品の各々の前記外側接続部はＵ字状セグメントを有しており、かつ前記二つの弾性部品の前記二つのＵ字状セグメントは互いに遠ざかるように突出している、請求項１または２に記載の平面ばね。
【請求項７】
駆動軸を有する駆動アセンブリと、
前記駆動軸と平行に配置された負荷軸と、
請求項１ないし６のいずれか一項に記載の平面ばねであって、前記内輪が前記駆動軸に接続され、かつ前記外輪が前記負荷軸に接続されて成る平面ばねと、
前記駆動軸の角度の変化を測定するために、前記駆動アセンブリの横に配置された第一角度測定器と、
前記負荷軸の角度の変化を測定するために、前記負荷軸の横に配置された第二角度測定器と、
を備えている回転直列弾性アクチュエータ。
【請求項８】
前記駆動アセンブリは、モータおよび歯車減速機を有しており、前記駆動軸は前記歯車減速機を介して前記モータに接続され、かつ前記平面ばねの前記内輪に接続されている、請求項７に記載の回転直列弾性アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、回転によってトルクを出力することのできる平坦な平面ばねに関し、且つさらに、平面ばねを有する回転直列弾性アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
関連技術の記載
アクチュエータのトルク伝達機構に対する市場の需要は、機構の薄型化および軽量化を非常に重視している。従来のねじりばねはサイズが大きく、薄い平面の構造が欠如しており、よってトルク伝達機構に利用することができない。また、従来のねじりばねの入力端および出力端は、モータまたは減速機の駆動軸に接続することが難しい。従来のねじりばねの順方向のねじれと逆方向のねじれの間の出力トルクは非線形であり、したがって従来のねじりばねは、ねじれを正確に測定するために利用することができない。
【０００３】
上述したサイズの問題を解決するために、二種類の従来の平面ばねが提供されており、それらについて以下に説明する。
【０００４】
第一の種類の従来の平面ばねは二つの構成を含む。図１０を参照すると、第一の従来の平面ばね４０Ａは外輪４１Ａ、内輪４２Ａ、および二つの弾性部品４３Ａを有する。二つの弾性部品４３Ａは螺旋状であり、外輪４１Ａと内輪４２Ａとの間にそれぞれ接続される。図１２を参照すると、第二の従来の平面ばね４０Ｂは、外輪４１Ｂと内輪４２Ｂとの間に接続された三つの弾性部品４３Ｂを有する。各弾性部品４３Ｂは、連続的に湾曲している。図１１を参照すると、第一および第二の従来の平面ばね４０Ａ、４０Ｂの弾性部品４３Ａ、４３Ｂは変形度が大きく、広い範囲の出力トルクの値をもたらす能力につながる。しかし、図１０および図１２を参照すると、第一および第二の従来の平面ばね４０Ａ、４０Ｂの弾性部品４３Ａ、４３Ｂは、内輪４２Ａ、４２Ｂ、および外輪４１Ａ、４１Ｂのいずれの対称軸４００に対しても反転対称性を持たない。図１１に示すように、従来の平面ばね４０Ａ、４０Ｂの出力トルクとねじれ角との間の関係は、直線ではなく、曲線になる。すなわち、関係は非線形である。出力トルクとねじれ角の反対の符号は、順方向のねじれと逆方向のねじれを記述するために採用される。非線形関係のため、出力トルクの値を正確に測定することは難しい。したがって、第一の種類の従来の平面ばね４０Ａ、４０Ｂは、ロボット工学およびオートメーションの分野で利用するのに適さない。
【０００５】
第二の種類の従来の平面ばねを示す図１３を参照すると、第三の従来の平面ばね４０Ｃは、外輪４１Ｃ、内輪４２Ｃ、および二つの弾性部品４３Ｃを有する。二つの弾性部品４３Ｃは外輪４１Ｃと内輪４２Ｃとの間に接続され、互いに対称である。弾性部品４３Ｃの各々は、扇形フレームおよび二つのリブを有する。扇形フレームの内側は、内側の中間点で二つのリブのうちの一つにより内輪４２Ｃに接続される。扇形フレームの外側は、外側の中間点で二つのリブのうちのもう一つにより外輪４１Ｃに接続される。図１４を参照すると、二つの弾性部品４３Ｃおよび各弾性部品４３Ｃ自体の反転対称性のため、順方向および逆方向のねじれ角は、第三の従来の平面ばね４０Ｃの出力トルクに対して線形のままである。第一の従来の平面ばね４０Ａおよび第二の従来の平面ばね４０Ｂと比較して、第三の従来の平面ばね４０Ｃは、外輪４１Ｃおよび内輪４２Ｃの対称軸４００に対して対称であり、したがって第三の従来の平面ばね４０Ｃは、正確に測定された可能性のあるトルクを出力する。各弾性部品４３Ｃの二つのリブは、扇形フレームの中間点に接続されるので、したがってねじれの範囲は、弾性部品４３Ｃの形状によって厳格に制限される。その結果、第三の従来の平面ばね４０Ｃは広い範囲の出力トルクを維持することができず、従ってロボット工学およびオートメーションの分野で利用することに適さない。
【０００６】
要約すると、二種類の従来の平面ばねはいずれもそれぞれの欠点を有しており、したがってどちらもロボット工学およびオートメーションの分野で利用することができない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の主な目的は、従来の平面ばねの欠点を克服するように、広範囲のねじれにおいて正確に測定可能なトルクをもたらすことのできる平面ばねを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の平面ばねは、外輪、内輪、および二つの弾性部品を含む。内輪は外輪内に配置され、それらの間に空間を形成し、かつ中心および中心を通って延びる中心線を有する。二つの弾性部品は、外輪と内輪との間の空間に配置され、内輪の中心線に対して間隔をあけて対称に配置されている。二つの弾性部品の各々は、外側接続部、内側接続部、および柔軟な帯状体（ｆｌｅｘｉｂｌｅ  ｓｔｒｉｐ）を有する。外側接続部は、第一接続点で外輪の内周に接続される。内側接続部は、第二接続点で内輪の外周に接続される。柔軟な帯状体は、外側接続部と内側接続部との間に接続される。内輪の中心からの第一接続点と第二接続点との間の夾角は、９０度以上１８０度未満である。
【０００９】
さらに、平面ばねを有する回転直列弾性アクチュエータが、本発明によって提供される。回転直列弾性アクチュエータは、駆動アセンブリ、負荷軸、上述した平面ばね、第一角度測定器、および第二角度測定器を含む。駆動アセンブリは、駆動軸を有する。負荷軸は、駆動軸と平行に配置される。平面ばねの内輪は、駆動軸に接続され、平面ばねの外輪は負荷軸に接続される。第一角度測定器は、駆動軸の角度の変化を測定するために、駆動アセンブリの横に配置される。第二角度測定器は、負荷軸の角度の変化を測定するために、負荷軸の横に配置される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の他の目的、利点、および新規の特徴は、以下の詳細な説明を添付の図面に照らし合わせて読むと、いっそう明確になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る平面ばねの第一実施形態の正面図である。
【図２】図１の平面ばねのトルク対ねじれ角の関係を示す。
【図３】本発明に係る平面ばねの第二実施形態の正面図である。
【図４】本発明に係る平面ばねの第三実施形態の正面図である。
【図５】本発明に係る平面ばねの第四実施形態の正面図である。
【図６】本発明に係る平面ばねの第五実施形態の正面図である。
【図７】本発明に係る回転直列弾性アクチュエータの分解斜視図である。
【図８】図７の回転直列弾性アクチュエータの斜視図である。
【図９】図７の回転直列弾性アクチュエータの側面図である。
【図１０】先行技術に係る第一の従来の平面ばねの正面図である。
【図１１】図１０の第一の従来の平面ばねのトルク対ねじれ角の関係を示す。
【図１２】先行技術に係る第二の従来の平面ばねの正面図である。
【図１３】先行技術に係る第三の従来の平面ばねの正面図である。
【図１４】図１３の第三の従来の平面ばねのトルク対ねじれ角の関係を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
好適な形態の詳細な説明
本発明は、平面ばねと、平面ばねを有する回転直列弾性アクチュエータとを含む。図１および図３〜図６を参照すると、本発明は、平面ばね１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅの五つの実施形態を含む。各実施形態において、平面ばね１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅは、外輪１０、内輪２０、および二つの弾性部品３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅを有する。
【００１３】
外輪１０は平面状である。図１を参照すると、内輪２０は外輪１０内に配置され、かつ内輪２０は外輪１０に対して回転自在であり、内輪２０と外輪１０との間に空間１００が形成されている。内輪２０は中心２００と、中心２００を通って延びる中心線２０１とを有する。
【００１４】
図１および図３〜図６を参照すると、各実施形態の二つの弾性部品３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅは二つの輪１０、２０の間の空間１００に配置され、かつ中心線２０に対して間隔をあけて互いに対して対称に配置されている。二つの弾性部品３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅの各々は、外側接続部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄ、３１Ｅ、内側接続部３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄ、３２Ｅ、および柔軟な帯状体３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ、３３Ｄ、３３Ｅを有する。柔軟な帯状体３３Ａ、３３Ｂ、３３Ｃ、３３Ｄ、３３Ｅは外側接続部３１Ａ、３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄ、３１Ｅと内側接続部３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄ、３２Ｅとの間に接続される。
【００１５】
説明のための例として、図１を参照すると、二つの弾性部品３０Ａの二つの外側接続部３１Ａは、第一間隔Ｄ１で互いに離間している。二つの弾性部品３０Ａの二つの内側接続部３２Ａは第二間隔Ｄ２で互いに離間している。二つの外側接続部３１Ａは各々、それぞれの第一接続点３１１Ａで外輪１０の内周に接続される。二つの内側接続部３２Ａは各々、それぞれの第二接続点３２１Ａで外輪２０の外周に接続される。さらに、内輪２０の中心２００および第一接続点３１１Ａは第一線Ｌ１を構成し、かつ内輪２０の中心および第二接続点３２１Ａは第二線Ｌ２を構成する。第一線Ｌ１と第二線Ｌ２との間に夾角θが形成され、夾角θは９０度以上、１８０度未満である。本発明では、第二実施形態ないし第五実施形態は同一の技術的特徴を有する。
【００１６】
図１を参照すると、各弾性部品３０Ａの柔軟な帯状体３３Ａは円弧状である。図３〜図６を参照すると、各弾性部品３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅの柔軟な帯状体３３Ｂ、３３Ｃ、３３Ｄ、３３Ｅは、一つのＵ字状部分または間隔をあけて配置された複数のＵ字状部分３３１Ｂ、３３１Ｃ、３３１Ｄ、３３１Ｅを有する。各Ｕ字状部分３３１Ｂ、３３１Ｃ、３３１Ｄ、３３１Ｅは、内輪２０の中心２００から外輪１０に向かって外向きに突出する。
【００１７】
さらに図３〜図６を参照すると、二つの弾性部品３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅの各々の外側接続部３１Ｂ、３１Ｃ、３１Ｄ、３１Ｅはさらに、その上に形成されたＵ字状セグメント３１１Ｂ、３１１Ｃ、３１１Ｄ、３１１Ｅを含む。二つの弾性部品３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅの二つのＵ字状セグメント３１１Ｂ、３１１Ｃ、３１１Ｄ、３１１Ｅは互いに遠ざかるように反対方向に突出する。
【００１８】
図６を参照すると、第五実施形態の平面ばね１Ｅの各弾性部品３０Ｅは、二つの突起３３２Ｅをさらに含む。二つの突起３３２Ｅの各々は、Ｕ字状部分３３１Ｅの一つから残りのＵ字状部分３３１のうちの隣接するＵ字状部分に向かって突出する。したがって、Ｕ字状部分３３１が弾性変形の過程で相互に接触するのを防止するために、突起３３２Ｅはねじりが加えられた二つの弾性部品３０Ｅの変形に制限をもたらす。
【００１９】
上記の段落は、弾性部品３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅの五つの構成を持つ好適な実施形態を例示しているに過ぎない。弾性部品３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅの構成には、変形が施されることがあり得る。二つの弾性部品３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅのより複雑な構成では、平面ばね１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅはより広範囲の出力トルクおよびねじれ角を有することが可能である。
【００２０】
上述した平面ばね１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅは、回転弾性アクチュエータのばねとして供することができ、あるいはロボット工学およびオートメーションなど高い精度が要求される分野に適用することができる。平面ばね１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅのねじれ角を測定することによって、平面ばね１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅの出力トルクは平面ばね１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅの既知の剛性を用いて計算することができ、かつ出力トルクを制御することができる。図１および図２に関連して、中心線２０１に対する二つの弾性部品３０Ａの反転対称性、９０度から１８０度の間の夾角θ、および各弾性部品３０Ａの非対称な構成のため、平面ばね１Ａは広範囲で線形的に関連するねじれ角および出力トルクを維持することができる。その結果、ねじれ角と出力トルクとの間の線形関係から、平面ばね１Ａの出力トルクは正確に計算することができる。
【００２１】
図７〜図９を参照すると、本発明は、平面ばねを有する回転直列弾性アクチュエータを提供する。回転直列弾性アクチュエータは駆動アセンブリ２Ａ、負荷軸３Ａ、平面ばね１Ｅ、第一角度測定器４Ａ、および第二角度測定器５Ａを有する。平面ばね１Ｅは、上述した実施形態のいずれかと置き換えることができる。
【００２２】
駆動アセンブリ２Ａは、平面ばね１Ｅの内輪２０に接続された駆動軸２１Ａを有する。本発明では、駆動アセンブリ２Ａはさらに、モータ２２Ａおよび歯車減速機２３Ａを含む。モータ２２Ａはモータ軸を有する。駆動軸２１Ａは平面ばね１Ｅの内輪２０に接続され、かつ歯車減速機２３Ａを介してモータ２２Ａのモータ軸に接続される。
【００２３】
出力軸としての負荷軸３Ａは、駆動軸２１Ａと平行に配置され、かつ平面ばね１Ｅの外輪１０に接続される。負荷軸３Ａおよび駆動軸２１Ａは、同軸上に位置合わせされる。
【００２４】
第一角度測定器４Ａおよび第二角度測定器５Ａは、角度の変化を測定することのできる符号器または他の装置であってよい。第一角度測定器４Ａは、駆動軸２１Ａの角度変化またはモータ２２Ａのモータ軸の角度変化を測定または計算するために、駆動アセンブリ２Ａの横に配置される。第二角度測定器５Ａは、負荷軸３Ａの角度変化を測定するために負荷軸３Ａの横に配置される。平面ばね１Ｅのねじれ角は、駆動軸２１Ａの角度変化と負荷軸３Ａの角度変化との間の差から計算され、したがって負荷軸３Ａを介する出力トルクを正確に制御することができる。
【００２５】
図７〜図９を参照すると、回転直列弾性アクチュエータはさらに、ベース６Ａを含む。駆動アセンブリ２Ａおよび負荷軸３Ａはそれぞれベース６Ａ上に組み付けられる。ベース６Ａは、間隔をあけて配置された第一取付け板６１Ａおよび第二取付け板６２Ａを含む。駆動アセンブリ２Ａは第一取付け板６１Ａに取り付けられ、負荷軸３Ａは第二取付け板６２Ａに回転自在に取り付けられる。負荷軸３Ａの回転を測定するために、第二角度測定器５Ａも第二取付け板６２Ａに取り付けられる。
【００２６】
上述した技術的特性により、二つの弾性部品３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅの反転対称性、９０度から１８０度内の夾角θ、および各弾性部品３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅの非対称な構成のため、出力トルクはフックの法則を用いて正確に計算することができる。したがって、本発明は以下の有利な点を有する。
【００２７】
１．ねじれ角と出力トルクの線形関係は広範囲にわたって維持され、したがってトルク測定は正確である。
【００２８】
２．二つの弾性部品３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅが内輪２０の中心線２０１に対して対称的であり、かつ各弾性部品３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅが非対称な構成を有する限り、弾性部品３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅの構成の変更は実現されてよい。したがって平面ばね１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅは異なる使用条件に対応可能である。
【００２９】
３．平面ばね１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅはロボット工学およびオートメーションの分野に適用可能である。
【００３０】
上述の説明で、本発明の構造および特徴の詳細と併せて本発明の多数の特性および利点について記載したが、開示は単なる例証である。細部に対し、特に部品の形状、サイズ、および配置構成に関して、添付の特許請求の範囲を表現する用語の広範な一般的意味によって示される最大限の範囲に及ぶ本発明の原理内で、変更が施されてよい。
【図１】
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【図２】
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【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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