上下方向の力を左右方向に変換する機構

質問

上下方向の力を左右方向に変換する機構を探しています。しかも、上下にかける力が左右方向に同じ大きさで伝わることが必要です。
目的は実験装置の作製なので性格に水平方向デある必要があります。（たとえばてこのようなものでは先端はほぼ直線運動ですが正確には弧を描いているので今回はダメです。）
どなたか知恵を貸してください。

回答No.11

hagiwara_m

No.10の補足のお答えです。

>水平動用ラックはピニオンの歯と垂直に噛み合っている
>ということでしょうか？

どこかでイメージがくい違っているようです。
ピニオンの回転軸は水平。ラックの向きはその軸に直交していればよいので、（円直面内の回転として）360度自由に配置できます。（もちろん、ピニオンとラックの歯は常に平行としています）

お礼

納得しました。私の勘違いでした。
このアイディアはかなり使えそうです。
問題は、非磁性材料で歯車に使えそうな材料があるか（水平方向にかかる荷重が100kgf程度）？ということと、
水平方向にかかっている荷重が正確に上下方向に伝達されるか（上下方向のロッド上端のロードセルで荷重を測定したいため）という点でしょうか？
ラック＆ピニオン部分の摩擦を無視すれば基本的に荷重は正確に伝達されると考えてよさそうに思います。

ありがとうございました。

回答No.10

hagiwara_m

hagiwara_mです。

>実験が4Kという極低温ですので油が凍結してしまうため
>使えません。さらに、磁場中での測定ということで歯車
>などの材質も非磁性材料にげんてい、、

低温で磁場を使うとなると当方の専門に関係するので、緊張してしまいます（私は大した技術は持っていませんが）、、

>一つのピニオンに二つのラックが噛み合っているという
>ことでしょうか？

一つの長いピニオンでも、あるいは軸で固定・延長した２つのピニオンを考えてもいいです。

不要なモーメントが発生しますので、ピニオンの回転軸とラックの可動方向が（装置に対し）リジッドに定まるよう注意する必要があります（このモーメントを打消す工夫も考えられます）。

非磁性の材料はいろいろありますが、低温での熱収縮で機械的精度が失われる可能性があることに注意が必要でしょう。

補足

低温で磁場中となると超伝導関係の方でしょうか？

申し訳ありませんが、「一つのピニオンに二つのラック」のイメージがつかめません。
通常はラックとピニオン（歯車）の歯が同一平面内にあるように使用されると思うのですが、上記組み合わせで水平動を生み出せるということは、水平動用ラックはピニオンの歯と垂直に噛み合っているということでしょうか？

熱収縮は確かにやっかいな問題ですね。

回答No.9

hagiwara_m

>引張試験機として使用したいと考えているので、
>水平方向に固定された試験片にかかる荷重、、

大分状況が分かってきました（最初から装置の用途を述べられた方が良かったのでは、、）。

ラックAの上下動
→ピニオン回転
→（同じピニオンにつながる）ラックBの水平動

というのが一番シンプルなアレンジですが、これでは不都合なところがありますか。

ダイナミックな特性が重要でない場合は、No.1の方が言われる油圧系を用いる方法が本格的かと思います。

補足

ありがとうございます。
おっしゃる通り、用途を最初に述べるべきでした。すいません。
さて、上記ご回答ですが一つのピニオンに二つのラックが噛み合っているということでしょうか？
水平動のラックはピニオンと垂直に噛み合っているのでしょうか？
油圧系はスペースの問題と、実験が4Kという極低温ですので油が凍結してしまうため使えません。さらに、磁場中での測定ということで歯車などの材質も非磁性材料にげんていされます。

回答No.8

acacia7

下図の通り・・
ワイヤーを輪にして使うっていうことで・・

_ ○
_││↑
_││↓
_││
_│ ○＿←→＿
_ ○＿＿＿＿＿○

回答No.7

acacia7

ワイヤーも、プーリーも補助的な機構次第で押し引き両方に使えるはずです。

ワイヤーについては「自転車のブレーキの様に」とあるように、回りにガイドパイプがあれば、問題なく押し引きに使えます。ガイドパイクの端で金属棒などに変換すれば確実でしょう。
　自転車のブレーキは「引き」で使いますが、
　カメラのリリースは「押し」で使ってます。

プーリーについては、Ｌ字のコーナー部分に２つ、
線の端にそれぞれ一つプーリーを配置すれば往復のどちらの力も伝えることが可能です。

お礼

ガイドパイプをつかうという方法は思い付きませんでした。ありがとうございました。

補足

L字のコーナーに二つプーリーを配置するというのは、どのような形でしょうか？申し訳ありませんがイメージできませんでした。

回答No.6

kounotori3

＃1です
簡単な実験方法として、注射器2個とビニールパイプを準備します

注射針を装着する細くなった部分を夫々に、ビニールパイプで接続します

ビニールパイプで連結した部分と注射液を入れる所に水を入れ、両方のピストンの間に入った空気を抜く

二つの注射の位置角度を90度にして、片方のピストンを動かせば、別のピストンも同じだけ動きます

オイルを使えば蒸発が無く、粘性があるので機密性があがり、低温でも凍らない特性があります

動く距離は注射器の直径の差に関係します

お礼

とてもよくわかりました。
ありがとうございました。

回答No.5

hagiwara_m

扱う力の大きさ、線型性が求められる変位の範囲、摩擦に関する制約、遊びやバックラッシュは許されるか、短期使用に耐えればいいか長期稼動させるのか、等によって、選択肢は変わると思います。

力のオーダーが手ごろで堅牢性が要らない場合は、プーリーにかけた糸（逆動に対応する工夫は必要）を使うという簡便な方法もあります。

直交する２つの板歯車を持つラック&ピニオンは、材質・サイズをうまく選べば、広い範囲の条件に適用でき、現実的と思います。（それほど難しく考える必要はないと思います）

お礼

ありがとうございました。
ラックを下向きに押し込む->ピニオンをまわす->ピニオンの軸につながった水平方向のシャフトをまわす->シャフト片端に切ったボールネジの回転とリニアガイドで水平方向の運動をつくり出す
という方式を検討してみましたが、水平方向にかかる荷重（引張試験機として使用したいと考えているので水平方向に固定された試験片にかかる荷重）とラック上部にとりつけられたロードセルの荷重との対応関係がわからず断念しました。

回答No.4

kounotori3

＃1です
油圧機構と言うのは、往復に就いて動きます
身近な物で自動車のブレーキ、ペダルを踏むとシリンダーの油圧でブレーキがかかり、ペダルを放すとバネの力で油圧シリンダーを押し戻す
　ピストンとシリンダーの組み合わせで媒体としてオイルを使うのであって、上下方向のピストンの動きに対し、L型の水平方向にあるピストンは正確に左右の動きに変わります

　他にもパワーショベルの上げ下ろし等も油圧シリンダーを応用した物です

　大型トラックはエアーブレーキを使用していますので一寸違いますが

お礼

ありがとうございます。
確かに往復で使用できますね。
ただ、今回はスペースの制約と、極低温(4K)での実験ということで、油圧は難しそうです。
でも、とても参考になりました。

回答No.3

plussun

私も＃２さんのような溝カムで変換すれば良いと思います。簡単な物では自転車のブレーキのようにワイヤーで角度変換する事も出来ます。

お礼

短時間にこんなにたくさん回答をいただき、感激です。
溝カムというのはどういう機構でしょうか？
ワイヤーも考えてみましたが、押し込む側が不可能であきらめました。
ありがとうございました。

回答No.2

he-goshite-

>左右方向に同じ大きさで伝わることが必要
てこなどのような極簡単な機構でも，中間に機構が入れば，必ず摩擦損失が発生します。同じ移動距離になるようなものを考えてみました。

　上下方向・水平方向ともガイドを設けてスライドさせる。その上で，
案１．カムまたは溝＆ピンなどで連結する。
案２．ラック＆ピニオン～傘歯車～ピニオン＆ラック

お礼

ご回答ありがとうございます。
おっしゃる通り摩擦損失はかなり避けるのが難しいと思います。
ラック＆ピニオンは実はアイデアとしてはありました。私の場合はラック＆ピニオン->歯車->歯車のシャフトの片端にボールネジ＆リニアガイドというものでした。
ただ、この場合、最初の上下方向の力がラック＆ピニオンでどのように伝わるか理解できずあきらめました。
案1のカムについても、上下運動でL字カムをまわして作用点側でガイド上を動くブロックを押して水平運動に変えるという方法で考えましたが、これも戻り側が不可能で現在二つのL字カムで右と左を別々に受け持たせる方法で検討中です。（図がないので説明が苦しいです。）
大変参考になりました。
ありがとうございました。