(57)【要約】      （修正有）【課題】可及的省容量かつ高負荷の非線形回転型緩衝装置を提供する。【解決手段】外輪１と内輪２と渦巻きばね３とを同軸上に備え、外輪１ならびに内輪２は渦巻きばね３の端部を係止する爪１a、２aをそれぞれ含み、外輪１は力学的基準に固定され、内輪２の回転にともなって渦巻きばね３と外輪内面１ｂとの密着長が漸増する作用により、外輪１に対して非線形の反発トルクを発揮することを特徴とする回転型緩衝装置を提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外輪と内輪と渦巻きばねとを同軸上に備え、外輪ならびに内輪は渦巻きばねの端部を係止する爪をそれぞれ含み、外輪は力学的基準に固定され、内輪は、内輪の回転にともなって渦巻きばねと外輪内面との密着長が漸増する作用により、外輪に対して非線形の反発トルクを発揮することを特徴とする回転型緩衝装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
回転型の緩衝装置に関し、回転角に対して回転トルクが非線形に漸増する特性を有する回転型緩衝装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
医療や介護などの分野において、人と接してはたらくロボットの開発が進んでいる。このような用途では、ロボットが人に危害を加えたり、衝撃で自損したりしないよう、アクチュエータが柔軟性を備えることが求められている。
【０００３】
柔軟性を実現する方法には、出力軸と直列に緩衝機構を接続する方法（文献１）や、波動歯車装置を介して緩衝機構を接続する方法（文献２）が知られているが、前者の方法は構造上、許容トルクを高めることが難しく、寸法が大きくなる点で問題点がある。後者の方法はカムとコイルばねを用いているが、構成が複雑で摩擦損失が大きくなる点と、寸法や重量が大きくなる点で問題がある。
【０００４】
一方、緩衝機構の回転−トルク特性においては、非線形性を有するほうがばね剛性を調節しやすいため、上記ロボットの用途としては、線形特性よりも非線形特性を備えるほうが望ましい。しかしながら、非線形性を得るための手段として通常用いられる、円錐ばね、竹の子ばね、ゴムばね、空気ばねなどの手段は、回転型の緩衝機構として有効に機能させるために付随部品が必要であり、構造が複雑化、大型化する点で問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許５６５０７０４号公報
【特許文献２】独国特許ＤＥ１０２００７０１４０２３Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
以上の問題を鑑みて、可及的省容量かつ高負荷の非線形緩衝装置を提供することが本発明の課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
係る問題を解決するため、外輪と内輪と渦巻きばねとを同軸上に備え、外輪ならびに内輪は渦巻きばねの端部を係止する爪をそれぞれ含み、外輪は力学的基準に固定され、内輪は、内輪の回転にともなって渦巻きばねと外輪内面との密着長が漸増する作用により、外輪に対して非線形の反発トルクを発揮することを特徴とする回転型緩衝装置を利用する。
【０００８】
上記渦巻きばねは、一般的な渦巻きばねと同様に製造するものであってよいが、以下の点で相違点を有する。
【０００９】
まず、一般的な渦巻きばねは、比較的大きな回転角にわたって、一定の反発トルクを得る用途、または、回転エネルギーを蓄積する用途で使用されることが多い。これに対して本発明の渦巻きばねは、非線形の反発トルクを得る用途に使用するものであり、解決しようとする課題が異なる。
【００１０】
次に、一般的な非密着型の渦巻きばねは、ばねが互いに接触しないよう負荷し、さらに、正逆両方向に負荷するものである。加えて、一般的な密着型の渦巻きばね（ぜんまいばね）は、中心軸がばねを巻き取る方向に、一方向に負荷するものである。これに対して本発明の渦巻きばねは、ばねが外輪に順次密着するように一方向に負荷して使用する。そのため、利用方法が異なる。
【００１１】
最後に、本発明の渦巻きばねは非線形性を発揮する原理上、一般的な渦巻きばねと比べて巻数が少なく（概ね１回転未満）、形態が異なる。
【００１２】
上記非線形性が発現する原理は、定性的には、渦巻きばねの非密着部分の長さが漸減することによるたわみ剛性の増加と、上記非密着部分に加わる軸力の割合が増加することによる曲げモーメントの減少により説明できる。しかし、求める回転−トルク特性に対して、ばね幅等の設計値を解析的に求めることは困難である。そのため、本発明の実施においては、数値計算によって予め得られた特性を、適宜比較選択することにより設計値を求めればよい。
【発明の効果】
【００１３】
簡素な機構で非線形特性が得られるため、軽量、省容量の回転型緩衝機構が得られる。
【００１４】
構成部品が少ないため、摩擦損失やヒステリシスの影響が小さい。そのため、回転角から負荷トルクを推定する用途に用いることができる。
【００１５】
本発明を正逆方向に２つ組み合わせて反発力を拮抗させると、その程度により剛性の調節ができる。また、正逆両方向に使用できる。
【００１６】
内外径比、巻数、ばね幅、ばね厚さ等によって自由に特性を変えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】回転型緩衝装置の実施例を示した図である。
【図２】回転角に対するトルクの特性を示した図である（ばね幅ｂ変化）。
【図３】回転角に対するトルクの特性を示した図である（ばね厚ｈ変化）。
【図４】回転角に対するトルクの特性を示した図である（内輪外径R変化）。
【図５】回転角に対するトルクの特性を示した図である（巻数ｎ変化）。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は、外輪（１）と内輪（２）と渦巻きばね（３）とを同軸上に備え、外輪（１）ならびに内輪（２）は渦巻きばね（３）の端部を係止する爪（１a、２a）をそれぞれ含み、外輪（１）は力学的基準に固定され、内輪（２）は、内輪（２）の回転にともなって渦巻きばね（３）と外輪内面（１ｂ）との密着長が漸増する作用により、外輪（１）に対して非線形の反発トルクを発揮することを特徴とする回転型緩衝装置の実施例を示した図である。
【００１９】
渦巻きばね（３）が、密着長が増す方向だけに荷重を受けるとき、爪（１a、２a）は、渦巻きばね（３）の端部を単に係止するだけでよい。前記方向と逆の力が加わる場合は、外輪側のばね端部を接着剤、溶接、締結等の方法により固定すればよい。ただし、内輪側のばね端部はたわみ角が大きく変化するため、爪（２a）と接して回動するように自由端とする必要がある。
【００２０】
このような構成によれば、外輪（１）に対する内輪（２）の回転角とトルクの間には非線形の特性が得られる。
【００２１】
図２は渦巻きばねの幅を変化させたときの数値計算結果を示す。同一の回転角に対してばね幅が大きいほど高い回転剛性を示すことがわかる。したがって、回転剛性を高くしたい場合は、ばね幅を大きくすればよい。
【００２２】
同じく図３は、渦巻きばねの厚さを変化させたときの数値計算結果を示す。ばね幅を大きくしたときと同様に、同一の回転角に対してばね厚さが大きいほど高い回転剛性を示すが、その効果はばね幅のものよりも大きい。したがって、ばね幅を小さくとりたい場合や、より大きな剛性が必要な場合には、ばね厚さを大きくとればよい。
【００２３】
図４は、渦巻きばねの内径を変化させたときの数値計算結果を示す。内径を大きくとれば、定性的には、ばねが硬くなる度合いが緩やかになる。したがって、衝撃を緩やかに吸収したい場合には内径を小さくとればよい。
【００２４】
図５は、渦巻きばねの巻数を変化させたときの数値計算結果を示す。巻数がある程度多い場合においては、巻数を増やすことでばね特性を保ったまま回転角方向に平行移動する効果がある。したがって本発明を正逆に２つ用いて反発力を拮抗させる用途では、巻数を大きくすることにより、ばねに常に一方向の負荷が加わるようにすることができ、渦巻きばねの固定に有利である。
【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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