JP2000220629A - 弾性ヒンジ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】２つの部材間の移動量が多くなっても極めて正
確に位置決めすることのできる３自由度弾性ヒンジ装置 【解決手段】ベース１２に第１トーションバー１４を介
して連結された第１中間フレーム１６と、この第１中間
フレームに第２トーションバー１８を介して連結された
第２中間フレーム２０と、この第２中間フレームに第３
トーションバー２２を介して連結された回転部材２４
と、この回転部材から延設されるレバー２６とを備え、
これらの第１，第２，第３トーションバーは、それぞれ
の軸線を互いに直交させて配置され、ベースとレバーと
を介して２つの部材を連結する弾性ヒンジ装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、互いに直交する３
つの軸線を中心として回動自在に２つの部材を連結する
３自由度弾性ヒンジ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術およびその課題】一般に、軸部の先端部に
設けたボールを相手方部材のソケットに収容し、ボール
の中心を通る全ての平面内で回転自在としたボールジョ
イントは周知である。このようなボールジョイントは、
ボールとソケットとが互いに球面に沿ってすべり運動す
るため、ボールとソケットとの間に間隙が形成され、球
面間に摩擦力が発生する。このため、すべり運動部の潤
滑を必要とし、また、スティックスリップ、摩耗あるい
は発熱等の摩擦の影響を避けることはできず、２つの部
材間に高精度の位置決めを必要とする用途には用いるこ
とができない。

【０００３】このため、例えば半導体製造装置あるいは
走査型プローブ顕微鏡等のサブミクロン以下の高精度で
位置決めあるいは再現性を必要とする用途には、弾性ヒ
ンジが用いられることが多い。この弾性ヒンジは、１の
ビーム状部材の周面あるいは対向面を断面円弧状に切欠
き、このような切欠きで形成された小断面積部を中心と
して回転させるものである。このような弾性ヒンジは、
ビームのたわみによる弾性変形を利用したもので、ボー
ルジョイントのような間隙および摩擦がなく、潤滑油も
不要であるため、高精度の位置決めあるいは位置再現が
可能である。

【０００４】しかし、このようなビームのたわみを利用
した弾性ヒンジの場合は、曲げあるいは回転角度が大き
くなると、回転する部分の回転中心が移動し、回転誤差
が生じる。更に、円弧状の切欠きをビームの周部あるい
は対向面に形成するため、この円弧の頂点部に対応する
最もくびれた個所では、断面積が極めて小さくなる。こ
のため、剛性が極めて低くなる。また、回転角度も、極
めて狭い範囲に制限されてしまう。

【０００５】本発明は、上述に鑑みてなされたもので、
２つの部材間の移動量が多くなっても極めて正確に位置
決めすることのできる３自由度弾性ヒンジ装置を提供す
ることを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の弾性ヒンジ装置は、２つの部材を連結し、これらの
２つの部材間における互いに直交する３つの軸のそれぞ
れの軸方向に沿う並進移動を阻止しかつ３つの軸のそれ
ぞれの軸を中心とする回転方向の移動を可能とする弾性
ヒンジ装置であって、前記２つの部材の一方に固定され
るベースと、このベースに第１トーションバーを介して
連結された第１中間フレームと、この第１中間フレーム
に第２トーションバーを介して連結された第２中間フレ
ームと、この第２中間フレームに第３トーションバーを
介して連結された回転部材と、この回転部材から延設さ
れ、前記２つの部材の他方に結合されるレバーとを備
え、これらの第１，第２，第３トーションバーは、それ
ぞれの軸線を互いに直交させて配置される。

【０００７】この弾性ヒンジ装置は、それぞれ一対の第
１，第２，第３トーションバーを有し、第１トーション
バーの対は、第１中間フレームを挟んで同軸状に配置さ
れ、第２トーションバーの対は、第２中間フレームを挟
んで同軸状に配置され、第３トーションバーの対は、回
転部材を挟んで同軸状に配置され、各トーションバーの
中心軸線が、回転部材内の同一の点を通るのが好まし
い。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照しつつ、本
発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。図１
は、本発明の好ましい実施形態による弾性ヒンジ装置１
０の全体を概略的に示し、図２から図４は、図１の弾性
ヒンジ装置１０を、直交軸Ｘ，Ｙ，Ｚ軸の内のそれぞれ
Ｘ−Ｚ軸，Ｘ−Ｙ軸およびＹ−Ｚ軸を含む平面で示す。

【０００９】図示のように、本実施形態の弾性ヒンジ装
置１０は、この弾性ヒンジ装置１０を用いて連結する２
つの部材の一方に固定されて静止節を形成する枠状構造
のベース１２を備える。このベース１２の内側には、Ｘ
軸に沿いかつ互いに同軸状に配置された一対の第１トー
ションバー１４を介して第１中間フレーム１６が接続さ
れ、この第１中間フレーム１６の内側には、Ｙ軸に沿い
かつ互いに同軸状に配置された一対の第２トーションバ
ー１８を介して第２中間フレーム２０が接続されてい
る。更に、この第２中間フレーム２０の内側には、Ｚ軸
に沿いかつ同軸状に配置された一対の第３トーションバ
ー２２を介して、回転子である略立方体状構造の回転部
材２４が接続され、この回転部材２４から、レバー２６
が延びる。このレバー２６の先端部は、この弾性ヒンジ
装置１０を介して連結する上述の２つの部材の内の他方
に連結される。

【００１０】各トーションバー１４，１８，２２は、そ
れぞれの中心軸が回転部材２４内の特に中心点を通るよ
うに配置することにより、レバー２６したがって回転部
材２４の回転位置が高精度で位置決めされる。この場合
には、レバー２６の中心軸も、回転部材２４内の中心点
を通ることが望ましい。

【００１１】ベース１２と第１，第２中間フレーム１
６，２０とは、剛性構造に形成し、強度の高い材料によ
り、変形を生じさせない寸法に形成することが望まし
い。一方、第１，第２，第３トーションバー１４，１
８，２２は、ばね鋼等の弾性限度の高い材料で形成し、
特に回転角度を大きくする必要のある場合には、超弾性
材料等の著しく弾性限度の高い材料で形成することが望
ましい。これらのトーションバー１４，１８，２２の太
さおよび長さを含む各部の寸法は、回転部材２４に作用
するモーメントと回転角度の大きさとの関係（ねじり剛
性）に応じて決定することができる。

【００１２】なお、上記実施形態では、ベース１２と第
１，第２中間フレーム１６，２０と回転部材２４と第
１，第２，第３トーションバー１４，１８，２２との全
てを別部材として形成し、この後、各部材を組立てたも
のであるが、これらの全ての部材を一体構造に形成して
もよいことは明らかである。この場合には、例えばレー
ザービーム等を使用した３Ｄ光造形加工等の加工方法を
用いることが可能である。また、ベース１２と第１，第
２中間フレーム１６，２０とは、矩形構造に形成してあ
るが、これに限らず、円形、楕円形あるいは多角形形状
に形成してもよく、更に、ベース１２については、第１
トーションバー１４を支えることができるものであれ
ば、適宜の構造に形成することができる。

【００１３】このような弾性ヒンジ装置１０の作用は以
下の通りである。図１に示すように、ベース１２固定さ
れている場合、まず、第１中間フレーム１６にＸ軸回り
のモーメントが加わると、第１トーションバー１４が弾
性的にねじれることにより、第１中間フレーム１６はベ
ース１２に対してＸ軸に沿う第１トーションバー１４の
中心軸線回りに回転する。次に、第２中間フレーム２０
にＹ軸回りのモーメントが加わると、この第２中間フレ
ーム２０は、外側の第１中間フレーム１６に対してＹ軸
に沿う第２トーションバー１８の中心軸線回りに回転す
る。最後に、回転部材２４にＺ軸回りのモーメントが加
わると、回転部材２４は第２中間フレーム２０に対して
Ｚ軸に沿う第３トーションバー２２の中心軸線回りに回
転する。したがって、回転部材２４およびこれに固定さ
れたレバー２６は、ベース１２に対してＸ，ＹおよびＺ
軸回りの合計３軸回りの回転を行うことができる。逆
に、レバー２６を固定した場合は、相対的にベース１２
がＸ，Ｙ，Ｚのそれぞれの軸回りの回転運動を行う。

【００１４】この弾性ヒンジ装置１０では、ベース１２
と回転部材２４したがってレバー２６との間に、すべり
運動あるいは転がり運動する部分が全くなく、したがっ
て、間隙によるガタおよび相対運動に起因する摩擦力も
発生しない。更に、ベース１２と第１，第２中間フレー
ム１６，２０とがいずれも剛体として形成され、このよ
うな剛体で支えられた各対の第１，第２，第３トーショ
ンバー１４，１８，２２が同軸状に配置されているた
め、各トーションバー１４，１８，２２はたわみ変形す
ることなく、それぞれの中心軸線を中心とした回転方向
にのみ弾性変形する。したがって、第１，第２中間フレ
ーム１６，２０と回転部材２４との回転中心は常に各ト
ーションバー１４，１８，２２の中心軸線を通り、しか
も、これらのトーションバー１４，１８，２２がたわみ
を生じないため、回転中心が移動することもない。ベー
ス１２に対する回転部材２４したがってレバー２６の位
置を極めて高精度で位置決めし、あるいは、再現するこ
とができる。更に、各トーションバー１４，１８，２２
は、一様な円形断面の真直棒で形成できるため、従来の
弾性ヒンジのように、ビームの周部に断面円弧状の切欠
きを形成する必要がなく、したがって、機械的な強度も
極めて高く、大きな回転角度範囲で用いることができ
る。

【００１５】図５から図７は、このような弾性ヒンジ装
置１０を用いた微動運動機構の例を示す。図５は、半導
体製造装置のウエハの位置決めに用いる６自由度テーブ
ル３０である。このテーブル３０は、３つの直動アクチ
ュエータ３２によりＺ軸方向に支えられている。更に、
このテーブル３０の側縁部には、軸方向に駆動する１つ
の直動アクチュエータ３２と、Ｘ軸方向駆動する２つの
直動アクチュエータ３２とが支持台３４により、水平に
配置されている。これらの６つの直動アクチュエータ３
２は、いずれも図６に示すように形成してある。

【００１６】すなわち、この直動アクチュエータ３２
は、一対の対向したＬ字状部材３６ａ，３６ｂを一対の
腕部３８で連結し、複数の圧電素子を積層した圧電アク
チュエータ４０により、これらの腕部３８を撓ませつ
つ、両端部に設けた押圧板４２を互いに近接する方向お
よび離隔する方向に移動するものである。これらの押圧
板４２は、上述の弾性ヒンジ装置１０により、Ｌ字状部
材３６ａ，３６ｂに取付けられ、Ｌ字状部材３６ａ，３
６ｂに対して任意の傾斜角で保持される。なお、これら
の押圧板４２の移動量、すなわち直動アクチュエータ３
２の駆動距離は、圧電アクチュエータ４０に供給する駆
動電圧パルスの数等適宜の手段で制御することができ
る。

【００１７】したがって、図５に示すテーブル３０は、
６つの直動アクチュエータ３２により、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸に
沿う３つの並進方向と、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸を中心とする３つ
の回転方向との合計６つの運動方向を持つ６自由度機構
を形成する。そして、各直動アクチュエータ３２および
各押圧板４２を支える弾性ヒンジ装置１０のいずれもす
べり運動あるいはころがり運動を行う部位がなく、更に
回転中心の移動が全く生じないため、極めて高い精度で
テーブル３０の位置あるいは姿勢を制御し、所要の配置
を再現することができる。

【００１８】図７は、バイオ関連の研究に用いられるマ
イクロピベット装置であり、（Ａ）はピボットスプリン
グ式、（Ｂ）はフレキシブルジョイント式のものを示
す。いずれもベースプレート４４ａとエンドプレート４
４ｂとの間を６本の圧電素子駆動リンク４６で連結し、
これらの圧電素子駆動リンク４６を個々に駆動すること
により、エンドプレート４４ｂをベースプレート４４ａ
に対して所要の位置に位置決めし、あるいは、所要位置
を再現することができるものである。符号４８はスプリ
ングを示し、符号５０は、ガラス製のマイクロピペット
を示す。

【００１９】このマイクロピペット装置では、各圧電素
子駆動リンク４６と、ベースプレート４４ａおよびエン
ドプレート４４ｂとの間に、上述の弾性ヒンジ装置１０
が介挿されている。この場合にも、弾性ヒンジ装置１０
にすべり運動あるいはころがり運動を行う部位がなく、
更に回転中心の移動が全く生じないため、極めて高い精
度でエンドプレート４４ｂの位置あるいは姿勢を制御す
ることが可能となる。

【００２０】

【発明の効果】以上明らかなように、本発明の弾性ヒン
ジ装置によれば、摩擦の影響がないためスティックスリ
ップなどがなく、高精度な運動を行うことができると共
に、回転中心の移動がないため高い回転精度を維持しつ
つ、機械的にも高い強度と大きな回転角度範囲を形成す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の好ましい実施形態による弾性ヒンジ装
置の概略的な斜視図。

【図２】図１の弾性ヒンジ装置のＸ−Ｚ平面に沿う図。

【図３】図１の弾性ヒンジ装置のＸ−Ｙ平面に沿う図。

【図４】図１の弾性ヒンジ装置のＹ−Ｚ平面に沿う図。

【図５】図１の弾性ヒンジ装置を用いたテーブルの概略
的な斜視図。

【図６】図５のテーブルを支える直動アクチュエータの
概略図。

【図７】図１の弾性ヒンジ装置を用いたマイクロピペッ
ト装置の説明図。

【符号の説明】

１０…弾性ヒンジ装置、１２…ベース、１４，１８，２
２…トーションバー、１６，２０…中間フレーム、２４
…回転部材、２６…レバー、３０…テーブル、３２…直
動アクチュエータ、３４…支持台、３６ａ，３６ｂ…Ｌ
字状部材、３８…腕部、４０…圧電アクチュエータ、４
２…押圧板、４４…プレート、４６…圧電素子駆動リン
ク、４８…スプリング、５０…マイクロピペット。

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１２年１月２１日（２０００．１．２
１）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００６

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の弾性ヒンジ装置は、２つの部材を連結し、これらの
２つの部材間における互いに直交する３つの軸のそれぞ
れの軸方向に沿う並進移動を阻止しかつ３つの軸のそれ
ぞれの軸を中心とする回転方向の移動を可能とする弾性
ヒンジ装置であって、前記２つの部材の一方に固定され
るベースと、このベースに、その両側から外方に向けて
同軸状に延びる一対の第１トーションバーを介して連結
された第１中間フレームと、この第１中間フレームに、
その両側から外方に向けて同軸状に延びる一対の第２ト
ーションバーを介して連結された第２中間フレームと、
この第２中間フレームに、その両側から外方に向けて同
軸状に延びる一対の第３トーションバーを介して連結さ
れた回転部材と、この回転部材から、前記第１，第２，
第３トーションバーのそれぞれに対して斜め方向に延設
され、前記２つの部材の他方に結合されるレバーとを備
え、これらの第１，第２，第３トーションバーは、それ
ぞれの軸線を互いに直交させて配置される。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００７

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００７】この弾性ヒンジ装置は、このレバーの中心
軸と各トーションバーの中心軸とが、回転部材内の同一
の点を通るのが好ましい。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００９

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００９】図示のように、本実施形態の弾性ヒンジ装
置１０は、この弾性ヒンジ装置１０を用いて連結する２
つの部材の一方に固定されて静止節を形成する枠状構造
のベース１２を備える。このベース１２の内側には、Ｘ
軸に沿いかつ互いに同軸状に配置された一対の第１トー
ションバー１４を介して第１中間フレーム１６が接続さ
れ、この第１中間フレーム１６の内側には、Ｙ軸に沿い
かつ互いに同軸状に配置された一対の第２トーションバ
ー１８を介して第２中間フレーム２０が接続されてい
る。更に、この第２中間フレーム２０の内側には、Ｚ軸
に沿いかつ同軸状に配置された一対の第３トーションバ
ー２２を介して、回転子である略立方体状構造の回転部
材２４が接続され、この回転部材２４から、図示のよう
に、第１，第２，第３トーションバー１４，１８，２２
のそれぞれに対して斜め方向にレバー２６が延びる。こ
のレバー２６の先端部は、この弾性ヒンジ装置１０を介
して連結する上述の２つの部材の内の他方に連結され
る。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２つの部材を連結し、これらの２つの部
   材間における互いに直交する３つの軸のそれぞれの軸方
   向に沿う並進移動を阻止しかつ３つの軸のそれぞれの軸
   を中心とする回転方向の移動を可能とする弾性ヒンジ装
   置であって、 前記２つの部材の一方に固定されるベースと、 このベースに第１トーションバーを介して連結された第
   １中間フレームと、 この第１中間フレームに第２トーションバーを介して連
   結された第２中間フレームと、 この第２中間フレームに第３トーションバーを介して連
   結された回転部材と、 この回転部材から延設され、前記２つの部材の他方に結
   合されるレバーとを備え、 これらの第１，第２，第３トーションバーは、それぞれ
   の軸線を互いに直交させて配置される、弾性ヒンジ装
   置。
2. 【請求項２】 それぞれ一対の第１，第２，第３トーシ
   ョンバーを有し、第１トーションバーの対は、第１中間
   フレームを挟んで同軸状に配置され、第２トーションバ
   ーの対は、第２中間フレームを挟んで同軸状に配置さ
   れ、第３トーションバーの対は、回転部材を挟んで同軸
   状に配置され、各トーションバーの中心軸線が、回転部
   材内の同一の点を通る、請求項１に記載の弾性ヒンジ装
   置。