JP6656094B2 - 自走式電子機器 - Google Patents
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Description
上下に変位可能な駆動輪を本体下方へ付勢する付勢部材としては一般に、引張バネや圧縮バネが用いられる。駆動輪が床面を押圧する付勢力は通常、その駆動輪が本体からより大きく突出して下方に位置するほど小さくなる。
より高い段差乗り越え性能を実現するには、自走式電子機器が高い段差に差し掛かり駆動輪が大きく本体の下方へ突出しても強い力で床面を押圧することが必要であるところ、駆動輪が大きく突出するほど前述したバネの付勢力が小さくなるという矛盾が生じる。
この発明は、以上のような事情を考慮してなされたものであって、段差を通過する際に駆動輪がより本体下方へ突出した場合に駆動輪が床面を押圧する押圧力が減少せず、好ましくは押圧力が増大する付勢機構を有する自走式電子機器を提供するものである。
はじめに、この発明の自走式電子機器の一例として自走式掃除機について説明する。
≪自走式掃除機の構成≫
図1に示すように、この発明の自走式掃除機10は、略円盤形の筐体102を備えている。
筐体102は、底板102a(図2参照)と、天板102bと、底板102aおよび天板102bの外周部に沿って設けられた平面視円環形の側板102cとを備えている。なお、側板102cは前後に二分割されており、側板前部はバンパーとして機能すると共に、側板前部の衝突を検出する衝突センサが内部に設けられている。さらに、図2に示すように、前方に前方超音波受信部14Fが配置され、左側方に左方超音波受信部14Lが配置され、その間に超音波発信部14Bが配置されている。図1では隠れているが、右方超音波受信部14Rが右側方に配置され、それと前方超音波受信部14Fとの間に超音波発信部14Bが配置されている。
天板102bは、筐体102内に収容されて図1に図示しない集塵室の容器を出し入れするために開閉可能な蓋部が設けられている。天板102bにおける蓋部の前方には排気口32が形成されている。筐体102に内包された部分が装置本体である。
底板102aにはさらに、従動輪である後輪18Tが装着されている。後輪18Tは、床面上で自在に向きを変えることができる。左駆動輪18Lの前方に左輪床面センサ16L、右駆動輪18Rの前方に右輪床面センサ16Rがそれぞれ配置されている。また、前端部に前方床面センサ16Fが配置され、後端部に後方床面センサ16Tが配置されている。
また、底板102aには吸気口31が開口しており、開口部に床面を掃く回転ブラシ36が配置されている。また、吸気口31の左右には、サイドブラシ37が配置されている。
左駆動輪ユニット23Lおよび右駆動輪ユニット23Rは左右対称で対をなすので両者を総称して駆動輪ユニット23と記載する。また、一方の機構を説明すれば他方はそれと左右対称で同様の機構であるから、以下の駆動輪ユニット23の説明は、左駆動輪ユニットで代表し右駆動輪ユニットについての説明は省略する。なお、以下の説明における各部の名称および符号については左右の区別を省略することがある。
図4Aおよび図4Bは、この実施形態の自走式掃除機10における駆動輪ユニット23が筐体102に対して上下方向に変位する様子を示す説明図である。図5Aおよび図5Bは駆動輪ユニット23が筐体102に対して上下方向に変位する様子を示す別の説明図である。ここで、図4Aおよび図5Aは、自走式掃除機10の駆動輪が本体側へ最も移動した上端の位置に対応し、図4Bおよび図5Bは自走式掃除機10が段差を通過する等して駆動輪が本体の下方へ突出した状態の下端の位置に対応している。なお、図4Aおよび図5Aと対比し易いように図4Bおよび図5Bは、底板102aを水平の基準としているが、水平な床面Fの段差に差し掛かって底板102aの前方が持ち上がった状態を、床面Fを傾けて描くことによって示している。
また、図6は左駆動輪ユニット23Lに含まれる左輪駆動モータ21L、左駆動輪18Lおよび駆動輪ホルダー221を上方から視た説明図である。図7は駆動輪ホルダー221の内部構造を示す説明図である。
図4A〜図7は、左駆動輪ユニット23Lについてのみ示しているが、右駆動輪ユニット23Rはそれらと左右対称であるが同様の構成である。
なお、第6ギヤ223d2の第1の軸心P1と第1ギヤ223aの第2の軸心P2とは平行である。即ち、左駆動輪18Lの軸心と左輪駆動モータ21Lの駆動軸m1とは平行であり、左駆動輪18Lの軸心と円筒部221a1の回動軸心とは平行である。
図4Bおよび図5Bは、左駆動輪18Lが本体下方へ最も突出した状態を示しているが、この下端位置でもなお、付勢部材241の引っ張りバネは自然長よりも伸びた状態にあり、駆動輪ホルダー221および左駆動輪18Lを付勢している。左駆動輪18Lは付勢力によって床面Fに押し付けられるので、左駆動輪18Lが床面Fにしっかり追従してグリップする。即ち、自走式掃除機10は優れた段差乗り越え性能を有する。
図5Aおよび図5Bから明らかなように、左駆動輪18Lが上端から下端までの如何なる位置においても、付勢部材241は高さ方向の寸法(図5Aに示すH1および図5Bに示すH2)が横方向の寸法(図5Aに示すW1および図5Bに示すW2)より小さくなるように取り付けられている。
即ち、左駆動輪18Lの上端位置を示す図5Aにおいて、H1<W1の関係が成立し、かつ、左駆動輪18Lの下端位置を示す図5Bにおいて、H2<W2の関係が成立し、それらの間の如何なる位置においても同様の関係が成り立つ。
付勢部材241によって駆動輪ホルダー221に加わる付勢力を算出する。その付勢力は、駆動輪ホルダー221の先に取り付けられた駆動輪(図5Aおよび図5Bでは左駆動輪18L)が床面Fを押圧するように作用する。
図8Aおよび図8Bは、左駆動輪18Lの上端および下端位置で、付勢部材241が駆動輪ホルダー221を回動させる力Fl(エフエル)を示す説明図である。図8Aおよび図8Bに示す駆動輪ホルダー221の位置は、図5Aおよび図5Bにそれぞれ対応している。
さらに、前述の半径rと直交する接線と、付勢部材241とがなす角度をφ(ファイ)で示す。角度φは、前述の三角形のうち係合部221a2の頂角に対する余角である。
T=Fl×r (1)
Fl=K×(l−L)×cosφ (2)
ここで、(l−L)はバネの伸びである。
Flは、引っ張りバネが縮もうとする力のうち、中心がP2で半径rの円の接線方向の成分として表される。左駆動輪18Lが上下に移動するにつれて、バネ長l(エル)と角度φの両方が変化し、Flの大きさが変化する。
ψ+(π−θ)+(π/2−φ)=π
の関係が成立する。これを変形して、
ψ−θ−φ=−π/2
φ=π/2+ψ−θ (3)
式(3)は、角度φを角度ψとθとで表す関係式である。
l×cosψ=x+r×cosθ
の関係があり、この関係を用いて、
tanψ=(r×sinθ)/(x+r×cosθ) (4)
と表すことができる。
式(4)は、角度ψを角度θで表す関係式である。
その結果を式(2)に適用することで、式(2)のFlを角度θで表すことができ、ひいては式(1)のトルクTを角度θで表すことができる。
そして、左駆動輪18Lが床面Fを押圧する力は、トルクTにほぼ比例する。
r=30(mm)
x=100(mm)
L=60(mm)
K=50(N/m)
図8Aおよび図8Bからわかるように、左駆動輪18Lが上端と下端の間の如何なる位置においても、引っ張りバネの全長はxよりも長い。前記xは半径rの3倍以上の長さである。従って、駆動輪が上端から下端までの如何なる位置においても前記引っ張りバネの全長が前記半径の3倍以上の長さである。
領域Riにおいて、左駆動輪18Lがより本体下方へ突出して角度θが増加すると、軸心P2周りに駆動輪ホルダー221を回動させて左駆動輪18Lを床面Fへ押圧する力が増加する。従って、段差を通過する際に左駆動輪18Lが本体下方へ大きく突出しても床面Fをしっかりとグリップして段差を乗り越える推進力が得られる。また、凹凸のある床面でも駆動輪がスリップせずに安定して走行できる。
しかし、引っ張りバネの前端は、軸心P2を中心に回動可能な円筒部221a1の係合部221a2に取り付けられてクランク機構を構成している。左駆動輪18Lと駆動輪ホルダー221は、そのクランクと一体で軸心P2周りに回動する。付勢部材241の付勢力によって前記クランクを回転させるトルクTは、引っ張りバネの付勢力のうち前記クランクの周方向に沿う分力Flに比例する。よって、角度θに対してトルクTをプロットすると、図9に示すような単調増加から臨界点Cを経て単調減少に移行する曲線になる。
実施の形態1では、付勢部材241が引っ張りバネの場合を述べたが、付勢部材241は引っ張りバネに限定されない。
この実施形態では、付勢部材241として圧縮バネを用いる構成例を示す。
図10Aおよび図10Bは、この実施形態における駆動輪ユニットにおいて付勢部材として圧縮バネを用いる態様を示す説明図である。
円筒部221a1の係合部221a2の位置は、引っ張りバネを用いる図5Aおよび図5Bに示す係合部221a2と軸心P2に対して点対称の位置にすればよい。バネの自然長からの変位量およびバネ係数が図5Aよび図5Bに示す引っ張りバネと等しければ、図9に示すものと同等のトルクTが得られる。
この実施形態では、付勢部材241として板バネを用いる態様を述べる。
図11Aおよび図11Bは、この実施形態における駆動輪ユニットにおいて付勢部材として板バネを用いる態様を示す説明図である。
図11Aおよび図11Bにおける左駆動輪18Lおよび駆動輪ホルダー221の位置は、図5Aおよび図5Bにそれぞれ対応する。
板バネの上端は、軸心P2の直上よりもやや左寄りの位置で支持部材231に固定されており、下端は係合部221a2よりも下方かつ右寄りの位置にある。板バネは、係合部221a2を左方へ付勢し、その付勢力によって左駆動輪18Lおよび駆動輪ホルダー221を本体から突出させようとするトルクTが得られる。
図11Aおよび図11Bに示すように、係合部221a2が右側へ寄るほど板バネの変形は大きく、係合部221a2を左方へ付勢する力が大きい。図5Aおよび図5Bで、係合部221a2が前側へ寄るほど引っ張りバネが伸びて大きな付勢力が得られるのと同様である。
(i)この発明による自走式電子機器は、駆動輪と、前記駆動輪を駆動して自走させる駆動部と、前記駆動輪が本体に対し上下に変位可能なように支持する懸架機構とを備え、前記懸架機構は、前記駆動輪の変位に応じて軸心周りに回動し前記軸心から所定の距離で付勢部材と係合する係合部と、前記係合部と係合し下端へ向けて駆動輪を変位させようと付勢する付勢部材とを含み、前記駆動輪が上端から下端へ変位するに従って前記付勢部材の付勢力が次第に小さくなっても、前記係合部から軸心へ向かう線と前記付勢部材の付勢方向とがなす角度が90°以下の範囲で次第に大きくなることによって、前記付勢力のうち前記駆動輪を下端へ変位させようとする分力が強くなるように前記付勢部材の付勢力と前記係合部の位置とが選択されていることを特徴とする。
(ii)前記付勢部材は、駆動輪が上端から下端までの如何なる位置においても高さ方向の寸法が横方向の寸法より小さくなるように取り付けられていてもよい。
このようにすれば、付勢部材を横長に配置して取り付けることによって、懸架機構を備えていても薄型の自走式電子機器を実現することができる。例えば、自走式電子機器の一態様である自走式掃除機は、ソファーやベッドの下の低い隙間を掃除できるように高さ方向の寸法が小さい薄型のものが好ましいので、この態様による懸架機構は好適である。
このようにすれば、軸心から係合部までの距離の3倍以上の引っ張りバネであっても、横長に配置することで薄型の自走式電子機器を実現できる。
このようにすれば、引っ張りバネに限らず、それ以外のものも付勢部材として適用できる。
このようにすれば、駆動輪が上下に変位すると、駆動輪の回転軸と平行な軸心周りに係合部が回動するので、単純な構成の懸架機構を実現できる。
この発明の好ましい態様には、上述した複数の態様のうちの何れかを組み合わせたものも含まれる。
前述した実施の形態の他にも、この発明について種々の変形例があり得る。それらの変形例は、この発明の範囲に属さないと解されるべきものではない。この発明には、請求の範囲と均等の意味および前記範囲内でのすべての変形とが含まれるべきである。
102:筐体、 102a:底板、 102b:天板、 102c:側板
221:駆動輪ホルダー、 221a:内側ケース、 221b:外側ケース、 221a1,221b1:円筒部、 係合部:221a2、 221r:ギヤ収納室、 223:駆動伝達機構、 223a:第1ギヤ、 223b2:第2ギヤ、 223b3:第3ギヤ、 223c2:第4ギヤ、 223c3:第5ギヤ、 223d2:第6ギヤ、 231:支持部材、 241:付勢部材、 241t:バネ後端
F:床面、 m1:駆動軸、 P1,P2:軸心
Claims (5)
- 駆動輪と、
前記駆動輪を駆動して自走させる駆動部と、
前記駆動輪が本体に対し上下に変位可能なように支持する懸架機構とを備え、
前記懸架機構は、前記駆動輪の変位に応じて軸心周りに回動し前記軸心から所定の距離で付勢部材と係合する係合部と、前記係合部と係合し下端へ向けて駆動輪を変位させようと付勢する付勢部材とを含み、
前記駆動輪が上端から下端へ変位するに従って前記付勢部材の付勢力が次第に小さくなっても、前記係合部から軸心へ向かう線と前記付勢部材の付勢方向とがなす角度が90°以下の範囲で次第に大きくなることによって、前記付勢力のうち前記駆動輪を下端へ変位させようとする分力が強くなるように前記付勢部材の付勢力と前記係合部の位置とが選択されている自走式電子機器。 - 前記付勢部材は、駆動輪が上端から下端までの如何なる位置においても高さ方向の寸法が横方向の寸法より小さくなるように取り付けられている請求項1に記載の自走式電子機器。
- 前記付勢部材は、引っ張りバネであり、駆動輪が上端から下端までの如何なる位置においても前記引っ張りバネの全長が前記所定の距離の3倍以上の長さである請求項2に記載の自走式電子機器。
- 前記付勢部材は、圧縮バネまたは板バネである請求項1または2に記載の自走式電子機器。
- 前記軸心の方向は、前記駆動輪の回転軸に平行である請求項1〜4の何れか一つに記載の自走式電子機器。
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