(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸受部と、ポテンシャルエリアと、リアクションエリアと、デリバリーエリアとを有する弾性体からなり、撓み方向を反転して回転モーメントの作用方向を転換する反転アクチュエータであって、
弾性体は、圧縮並びに撓み変形が可能な棒状又は板状であり、一方向に撓ませて固定軸と可動軸に取付けられ、反転途中にＳ字形に変形して撓み方向が反転し、
軸受部は、固定軸に取付ける固定側軸受部と可動軸に取付ける可動側軸受部であり、弾性体の両端に形成され、
ポテンシャルエリアは、可動側から受ける回転変位に応動して弾性体の撓み変形により圧縮され、反転途中に生ずる圧縮変形による反撥力を反転方向に作用させる領域であり、弾性係数が大きく、
リアクションエリア及びデリバリーエリアは、軸受部とポテンシャルエリアとの間に形成された領域であり、弾性係数がポテンシャルエリアより相対的に小さく、
リアクションエリアは、固定側軸受部とポテンシャルエリア間に形成された領域であり、緩やかな屈曲角度で弯曲し、反転後、変形によって蓄積されたエネルギーを放出し、ポテンシャルエリアを通してそのエネルギーによる復元力をデリバリーエリアに作用させる部分であり、
デリバリーエリアは、可動側軸受部とポテンシャルエリア間に形成された領域であり、リアクションエリアに生じた前記復元力を反転方向の回転モーメントとして可動側軸受部に作用させる部分であることを特徴とする反転アクチュエータ。
【請求項２】
各エリアの弾性係数は、弾性体の肉厚を部分的に変化させて調整されたものであることを特徴とする請求項１に記載の反転アクチュエータ。
【請求項３】
リアクションエリア及びデリバリーエリアは、ポテンシャルエリアに比して肉厚が薄く、ポテンシャルエリアとリアクションエリア間及びポテンシャルエリアとデリバリーエリア間は滑らかな曲縁をもって肉厚を連続的に変化させたものであることを特徴とする請求項１又は２に記載の反転アクチュエータ。
【請求項４】
デリバリーエリアの弾性係数は、リアクションエリアの弾性係数よりも小さく、
一方向に撓ませて弾性体を固定軸と可動軸に取付けられたときに、デリバリーエリアは、弾性体の撓み変形によりリアクションエリアに比して急角度に折曲されることを特徴とする請求項３に記載の反転アクチュエータ。
【請求項５】
ポテンシャルエリアとデリバリーエリアとの領域は一部重畳し、重畳部分は、デリバリーコントロールエリアであり、
ポテンシャルエリアと、リアクションエリアとの領域は一部重畳し、重畳部分はリアクションコントロールエリアであり、
弾性体は、有効長Ｉを有し、両軸受部がｌ′（ｌ＞ｌ′）の間隔で設置された回転軸と固定軸とに一方向に撓ませて取付けられたとき及び弾性体の撓み方向を反転させたときに、
リアクションエリアは、リアクションコントロールエリアにコントロールされて緩やかな角度で湾曲し、デリバリーエリアは、デリバリーコントロールエリアにコントロールされてほぼ直角に近い角度に屈曲し、
反転前には、可動側軸受部に一方向の回転モーメントが与えられ、反転後には、可動側軸受部に逆方向の回転モーメントが与えられるものであり、
撓み方向の反転途中には、弾性体はＳ字形に変形してエネルギーを蓄積し、蓄積されたエネルギーを放出して反転方向の回転モーメントを可動側軸受部に与えるものであることを特徴とする請求項１に記載の反転アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ドア，箱容器の蓋などの開閉機構その他姿勢転換機構などに適用する反転アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明において、反転アクチュエータとは、互いに相反する方向に物体を方向転換させたときに、その転換方向に物体を付勢する機構をいう。反転アクチュエータは、例えば箱の蓋あるいはドアなどの開閉機構に用いられる。この機構は、例えばダストボックスに見られるように、容器の蓋を閉じると、ばね力が閉止方向に作用し、蓋を開いたときにはばね力が開蓋方向に働くように作用するものである。従来、９０°以上の大きい角度に開くときには、専らカムとばねとの組合せによる反転アクチュエータが用いられていた。
【０００３】
もっとも、１枚の金属性板ばねを用いて反転アクチュエータを構成することは可能である。例えば図８に示す様に板ばね２１を一方向に撓ませ、両端軸受部を可動軸２２と固定軸２３とに枢支し、可動側軸受部を作用体（例えば蓋）２４に連動させることにより、板ばねは、反転アクチュエータとなる。
【０００４】
すなわち、板ばね２１をＡ方向に撓ませたときには作用体２４はａ位置にあり、板ばね２１の撓み変形による反撥力が作用体２４に作用してこれをａ方向に付勢している。逆に、作用体２４をｂ方向に押し倒したときには、板ばね２１の撓み方向がＢ方向に反転し、撓み変形の復元力が回転軸２２に作用し、作用体２４をｂ方向に付勢することになる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記構造によれば、作用体２４の転換角度は、板ばね２１の撓み（弯曲）の程度に左右され、原理的に反転角度を増大させるには、板ばね２１を大きく撓ませれば良いと考えられるが、板ばね２１を大きく撓ませても、板ばねの撓み方向の反転に要する動作範囲が単に拡大するというものではなく、根本的な問題として、板ばねの撓み変形量を増大させるにしたがって、その反転動作が困難となる。このため、反転可能な作用体２４の転換角度はせいぜい４５°が限度であり、しかも、反転後、作用体２４にその姿勢を保持させるための回転モーメントを得ることができない。
【０００６】
本発明の目的は、単一のばねを用いて反転角度が大きく、しかもわずかな動作範囲でばねの撓み方向を転換させる反転アクチュエータを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明による反転アクチュエータにおいては、軸受部と、ポテンシャルエリアと、リアクションエリアと、デリバリーエリアとを有する弾性体からなり、撓み方向を反転して回転モーメントの作用方向を転換する反転アクチュエータであって、
弾性体は、圧縮並びに撓み変形が可能な棒状又は板状であり、一方向に撓ませて固定軸と可動軸に取付けられ、反転途中にＳ字形に変形して撓み方向が反転し、
軸受部は、固定軸に取付ける固定側軸受部と可動軸に取付ける可動側軸受部であり、弾性体の両端に形成され、
ポテンシャルエリアは、可動側から受ける回転変位に応動して弾性体の撓み変形により圧縮され、反転途中に生ずる圧縮変形による反撥力を反転方向に作用させる領域であり、弾性係数が大きく、
リアクションエリア及びデリバリーエリアは、軸受部とポテンシャルエリアとの間に形成された領域であり、弾性係数がポテンシャルエリアより相対的に小さく、
リアクションエリアは、固定側軸受部とポテンシャルエリア間に形成された領域であり、緩やかな屈曲角度で弯曲し、反転後、変形によって蓄積されたエネルギーを放出し、ポテンシャルエリアを通してそのエネルギーによる復元力をデリバリーエリアに作用させる部分であり、
デリバリーエリアは、可動側軸受部とポテンシャルエリア間に形成された領域であり、リアクションエリアに生じた前記復元力を反転方向の回転モーメントとして可動側軸受部に作用させる部分である。
【０００８】
また、各エリアの弾性係数は、弾性体の肉厚を部分的に変化させて調整されたものである。
【０００９】
また、リアクションエリア及びデリバリーエリアは、ポテンシャルエリアに比して肉厚が薄く、ポテンシャルエリアとリアクションエリア間及びポテンシャルエリアとデリバリーエリア間は滑らかな曲縁をもって肉厚を連続的に変化させたものである。
【００１０】
また、デリバリーエリアの弾性係数は、リアクションエリアの弾性係数よりも小さく、
一方向に撓ませて弾性体を固定軸と可動軸に取付けられたときに、デリバリーエリアは、弾性体の撓み変形によりリアクションエリアに比して急角度に折曲されるものである。
【００１１】
また、ポテンシャルエリアとデリバリーエリアとの領域は一部重畳し、重畳部分は、デリバリーコントロールエリアであり、
ポテンシャルエリアと、リアクションエリアとの領域は一部重畳し、重畳部分はリアクションコントロールエリアであり、
弾性体は、有効長Ｉを有し、両軸受部がｌ′（ｌ＞ｌ′）の間隔で設置された回転軸と固定軸とに一方向に撓ませて取付けられたとき及び弾性体の撓み方向を反転させたときに、
リアクションエリアは、リアクションコントロールエリアにコントロールされて緩やかな角度で湾曲し、デリバリーエリアは、デリバリーコントロールエリアにコントロールされてほぼ直角に近い角度に屈曲し、
反転前には、可動側軸受部に一方向の回転モーメントが与えられ、反転後には、可動側軸受部に逆方向の回転モーメントが与えられるものであり、
撓み方向の反転途中には、弾性体はＳ字形に変形してエネルギーを蓄積し、蓄積されたエネルギーを放出して反転方向の回転モーメントを可動側軸受部に与えるものである。
【００１４】
【作用】
弾性体は、一方向に撓ませて可動軸と固定軸とに取付けられた状態でポテンシャルエリアは撓み変形により圧縮され、デリバリーエリアは急角度で屈曲し、リアクションエリアは緩やかな角度で弯曲する。デリバリーエリアは、静止状態でリアクションエリアと、ポテンシャルエリアとの合算された復元力による推力を得て、可動側軸受部には、回転モーメントを付与している。弾性体は、外部からの力を受けて撓み方向が反転する。その撓み方向の反転途中で、弾性体はＳ字形に変形し、変形によって蓄積されたエネルギーを増加して放出し、デリバリーエリアには、Ｓ字形変形部分からの推力が作用して、可動側軸受部に反転方向の回転モーメントを与える。
【００１５】
【実施例】
以下に本発明の実施例を示す。図１（ａ），（ｂ）において、弾性体は、圧縮並びに撓み変形可能な弾性体であれば、特にその材質は限定されるものではないが、一般にはゴム，合成樹脂であり、特に、エステル系ポリエーテル又はポリエステルエラストマーが適している。
【００１６】
弾性体１の形状は、棒状又は板状である。本発明において、棒状とは、弾性体１が棒状であり、その両端に軸受部を有する形態をいう。また、板状とは、弾性体が板状をなし、その上下縁に沿って軸受部を設けた形態をいう。したがって、板状弾性体を両軸受部を含んで狭い幅でスライスされたものは棒状弾性体である。
【００１７】
図１（ａ），（ｂ）は、両端に軸受部３ａ，３ｂを有する棒状弾性体１を示している。両軸受部３ａ，３ｂ間の中央領域は、ポテンシャルエリア２であり、ポテンシャルエリア２と、各軸受部３ａ，３ｂ間の領域は、それぞれデリバリーエリア４ａ及びリアクションエリア４ｂである。各エリアは連続的に幅を変化させた領域であって、弾性体内部の応力相関変動数により、設定領域がグラデュエーション化するため、明確に区別表示できず、一部をオーバーラップ（重畳）させて表示している。ポテンシャルエリア２と、デリバリーエリア４ａとの重畳部分の領域は、デリバリーコントロールエリア４ｃであり、ポテンシャルエリア２と、リアクションエリア４ｂとの重畳部分の領域は、リアクションコントロールエリア４ｄである。
【００１８】
軸受部は、弾性体１を軸支する部分であり、一方が可動側、他方が固定側となる。以下、これを可動側軸受部３ａと、固定側軸受部３ｂとして区別している。可動側軸受部３ａには、回転軸５が一体に結合され、固定側軸受部３ｂは相対回転可能に固定軸６に軸支される。
【００１９】
弾性体１の厚みは、図１（ｂ）のａ−ａ線，ｂ−ｂ線，ｃ−ｃ線に示すように、その厚みは同じであるが、各エリアの幅（肉厚）は図１（ａ）のように異ならせてある。ポテンシャルエリア２は、幅ｄ1の広い肉厚部分を含み、弾性係数が 大きく、圧縮変形によりエネルギーを蓄積して撓み方向の転換時に反撥力を作用させる機能を有している。デリバリーエリア４ａの最小の幅ｄ2及びリアクショ ンエリア４ｂの最小の幅ｄ3は、ポテンシャルエリア２に比して相対的に幅が狭 く、肉薄であり、弾性係数が小さく、撓み変形時に屈曲して弾性体の姿勢を制御する機能を有している。ポテンシャルエリア２とデリバリーエリア４ａ及びリアクションエリア４ｂとは、滑らかな曲縁でつながれているため、前述のように各領域を明確に区別することができない。
【００２０】
可動側軸受部３ａにつながるデリバリーエリア４ａは、転換角度を設定する上に重要である。実施例では転換角度を大きくとるために、デリバリーエリア３ａの最小幅（肉厚）ｄ2を、固定側軸受部３ｂにつながるリアクションエリア４ｂ の最小幅（肉厚）ｄ3よりさらに小さく設定している。その幅ｄ2が小さければ
弾性体の転換角度（回転軸）の回転角度が増大する。
【００２１】
リアクションエリア４ｂは、ポテンシャルエリア２を支えてこれを回転軸５よりできるだけ離し、撓み方向の反転途中に、回転モーメントを増大させる機能と、反転動作にゆとりを与える機能とを有するものである。各エリアの重畳部分の領域を示すデリバリーコントロールエリア４ｃ及びリアクションコントロールエリア４ｄは、それぞれデリバリーエリア４ａ，リアクションエリア４ｂをコントロールする固有の機能を有している。
【００２２】
図２（ａ）において、固定軸６と回転軸５とがｌ′の間隔で設置され、有効長ｌ（ｌ＞ｌ′）弾性体１を一方向に撓ませて各々の軸受部３ａ，３ｂを回転軸５と固定軸６とに装着する。７は、姿勢の反転動作を行うべき箱の蓋，扉などの作用体であり、回転軸５にセットされている。図２（ａ）〜（ｃ）は、作用体７の姿勢を１８０°反転させる例を示している。
【００２３】
図２（ａ）において、リアクションエリア４ｂは、リアクションコントロールエリア４ｄにコントロールされて緩やかな角度で弯曲し、デリバリーエリア４ａは、デリバリーコントロールエリア４ｃでコントロールされる曲線を画いてほぼ直角に屈曲している。この結果、リアクションエリア４ｂと、ポテンシャルエリア２との撓み変形による反撥力は、両エリアのベクトルの融合化が図られてデリバリーエリア４ａに作用し、可動側軸受部３ａに反時計方向の回転モーメントを与え、作用体７を反時計方向に付勢する。
【００２４】
次いで、反時計方向の回転モーメントに抗して作用体７に矢印方向（時計方向）の力を加え、これを上方に押し上げると、図２（ｂ）のように、弾性体１は、Ｓ字形に変形し、ポテンシャルエリア２は、リアクションコントロールエリア４ｄでコントロールされた応力及び位置エネルギーで圧縮され、エネルギーを蓄積し、作用体７を或る角度まで起立させると、弾性体１の撓み方向が反転しつつ図２（ｃ）のように可動側軸受部３ａに時計方向の回転モーメントを与え、作用体７を時計方向に付勢し、作用体７はその姿勢が１８０°転換される。
【００２５】
作用体７の転換角度の範囲は、専らデリバリーエリア４ａの弾性係数によって決定される。デリバリーエリア４ａが幅の広い肉厚であれば、図３のように屈曲角度が小さく、したがって、作用体７の転換角度は小さくなり、逆にデリバリーエリア４ａを幅の狭い肉薄に形成すれば、図４のように屈曲角度は９０°を越えることになり、作用体７は１８０°以上の角度に転換されることになる。デリバリーエリア，リアクションエリアの幅（肉厚）の設定，ポテンシャルエリアの幅（肉厚）や、これらの領域の長さの設定は、反転アクチュエータの使用目的によって決定される。もっとも、弾性体１の反転位置をストッパで制限することによって転換角度を制御できる。
【００２６】
上記反転動作において、各エリアの機能を要約すると次のとおりである。
【００２７】
・弾性体（１）
有効長ｌを一方向に撓ませて軸間距離ｌ′に取付けられたときに圧縮されてポテンシャルエネルギーを保有する。
【００２８】
・デリバリーエリア（４ａ）
反転途中には、外来の駆動力を受取り、設定ベクトルで保有するポテンシャルを、ポテンシャルエリア２のスカラーポテンシャルに開放誘導し、デリバリーコントロールエリア４ｃに、スカラーポテンシャルエネルギーを渡しつつ、自身は、転位ポテンシャルを蓄積する。反転の都度、このサイクルを繰返して外来駆動力を授受し、反転誘導を行う。
【００２９】
・ポテンシャルエリア（２）
反転途中に、デリバリーエリア４ａから受取ったポテンシャルを開放（発動）しつつ、デリバリーエリア４ａと、リアクションエリア４ｂとの設定相関転移点で、反転ベクトル・ポテンシャルを保有する形態に保型され、弾性保有力以下の動作に対し、スプリング効果を果たす。
【００３０】
・リアクションエリア（４ｂ）
反転途中に、デリバリーエリア４ａのベクトルを、予め設定されたポテンシャルエリア２のベクトルに転移しつつ、その位置エネルギーの保有形を開放し、反転位置を定着させる。また、軸間距離ｌ′内で、ポテンシャルエリア２のポテンシャルが拡大する屈曲極限を越えた長さを弾性吸収する。
【００３１】
・デリバリーコントロールエリア（４ｃ）
双曲線のカーブを画いて弯曲し、可動側軸受部に作用させる回転モーメントの仕事距離を調整する。
【００３２】
・リアクションエリア（４ｄ）
ポテンシャルエリア２の応力と、位置エネルギーを調整する。
【００３３】
本発明による反転アクチュエータは、固定側と可動側とを連結するヒンジ（蝶番），過剰圧力を感知して動作させるリミッター，ロボットの関節，容器のパッキンその他の用途に利用できる。
【００３４】
図５は、箱，扉，各種カバーのヒンジとしての利用例である。箱体８の固定軸６と、蓋体９の回転軸とに弾性体１を装着すれば蓋体の開蓋時に上向きに付勢し、閉蓋時に下向きに付勢できる。なお、この実施例では、開蓋時に、ポテンシャルエリアの反転範囲を規制するストッパー１０を設け、蓋体９の開蓋姿勢を制限してほぼ垂直姿勢に保たせる例を示している。
【００３５】
図６は、リミッターとしての利用例である。ラインの機体１１と、ライン上に突設するリミッター１２との間に弾性体１を取付け、リミッター１２の起立姿勢でリミッター１２に図上反時計方向の回転モーメントを付与しておけば、その回転モーメントを上廻る力がリミッター１２に加えられたときに、リミッターに時計方向の回転モーメントが付与されてライン上に倒れる。
【００３６】
図７は、板状の弾性体１の例である。板状の弾性体１を用いれば、固定側と可動側とを広い範囲で連結して強力な回転モーメントを可動側に与えることができる。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように本発明によるときには、単一の弾性体を固定側と可動側とに連結し、可動側の反転による２方向の角変位，直線変位に対し、弾性体の撓みの反撥力と圧縮により蓄積されたエネルギーを放出してその変位方向に強力な回転モーメントを付与して可動側を付勢することができ、びん，箱，扉，カバー類の開閉機構，産業機械、その他の用途に広く利用できる効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の一実施例を示す反転アクチュエータの正面形状を示す図、（ｂ）は、同側面形状を示す図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は反転アクチュエータの動作説明図である。
【図３】反転アクチュエータの他の実施例を示す図である。
【図４】反転アクチュエータの他の実施例を示す図である。
【図５】本発明を適用した箱の断面図である。
【図６】本発明を適用したリミッターの図である。
【図７】板状の反転アクチュエータを示す図である。
【図８】板ばねを反転アクチュエータに用いたときの問題点を示す図である。
【符号の説明】
１  弾性体
２  ポテンシャルエリア
３ａ  可動側軸受部
３ｂ  固定側軸受部
４ａ  デリバリーエリア
４ｂ  リアクションエリア
４ｃ  デリバリーコントロールエリア
４ｄ  リアクションコントロールエリア
５  回転軸
６  固定軸
７  作用体
８  箱体
９  蓋体
１０  ストッパー
１１  機体
１２  リミッター
【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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