JP2000257688A

JP2000257688A - 運動変換装置及び衝撃吸収緩衝装置

Info

Publication number: JP2000257688A
Application number: JP11068297A
Authority: JP
Inventors: Shinji Nishiwaki; 眞二西脇; Noboru Kikuchi; 昇菊池
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 1999-03-10
Filing date: 1999-03-15
Publication date: 2000-09-19
Anticipated expiration: 2019-03-15
Also published as: US6264182B1; JP3581920B2

Abstract

(57)【要約】【課題】摺動する部分を有しなくても、直線（並進）
運動及び回転運動の一方を他方に変換可能にする。【解決手段】４つの枝状配置要素を備え、各枝状配置
要素各々は、基底梁３１、中間梁２１、及び連関梁１１
を備える。基底梁３１は、基底に対して傾斜するように
一端３１Ａが固定され、弾性変形する。中間梁２１は、
基底梁３１の中央部より他端３１Ｂ側に位置する位置Ｐ
に一端２１Ａが固定され、弾性変形する。連関梁１１
は、位置Ｐに一端１１Ａが固定され、弾性変形する。４
つの枝状配置要素を循環するように、各枝状配置要素の
基底梁３１の他端３１Ｂと他の１つの枝状配置要素の中
間梁２１の他端２１Ｂとを固定している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、運動変換装置及び
衝撃吸収緩衝装置に係り、より詳しくは、直線運動と回
転運動とを変換する運動変換装置及びこの運動変換装置
を含んだ衝撃吸収緩衝装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、回転運動を直線運動に変換する装
置としては、形状記憶合金線に接合されたナットとこの
ナットに係合するねじ回転軸（ボールねじ）とを備えた
ロボットアクチュエータ（特開昭６１−１２７０１５号
公報）や、モータを回転させて、フレキシブルなテープ
状シート体を巻き取ることにより、回転運動を直線運動
に変換する機構を用いたリニアアクチュエータ（特開平
７−４６７８９号公報）等がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記ロボット
アクチュエータは、回転運動を直線運動に変換するため
に、ナットとねじ回転軸（ボールねじ）を用いており、
摺動部（ジョイント部）を有する。また、上記リニアア
クチュエータは、シート間に摺動面を持ち、さらに、直
線運動を回転運動に変換することができない。

【０００４】このように、摺動する部分を有すると、騒
音、摩耗、バックラッシュ、摩擦損失が問題となると共
に、メンテナンスとして適宜、潤滑油を使用する必要が
ある。よって、油等を衛生上きらう医療現場や宇宙環境
（重力が少ない環境）のような特殊な環境では使用する
ことができない、即ち、使用可能態様が狭くなる。更
に、運動の変換の際、ナット及びねじ回転軸等を摺動さ
せる必要があるので、荷重の伝達が滑らかでない。

【０００５】本発明は、上記事実に鑑み成されたもの
で、摺動する部分を有しなくても、直線運動及び回転運
動の一方を他方に変換可能な運動変換装置及びこの運動
変換装置を含んだ衝撃吸収緩衝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】上記目的達成のため第１
の発明は、直線運動と回転運動とを変換する運動変換装
置であって、基底に対して傾斜するように一端が固定さ
れた弾性変形する第１の梁と、前記第１の梁の中央部よ
り他端側に位置する位置に一端が固定された弾性変形す
る第２の梁と、前記第２の梁の一端が前記第１の梁に固
定された位置に一端が固定された弾性変形する第３の梁
と、を各々備えた４つの枝状配置要素を備え、前記４つ
の枝状配置要素を循環するように、各枝状配置要素の第
１の梁の他端と他の１つの枝状配置要素の第２の梁の他
端とが固定され、各枝状配置要素の第３の梁の他端が互
いに固定され、前記複数の枝状配置要素の各第１の梁の
一端が回転運動の軸に対して対称となるように前記基底
に固定され、前記複数の枝状配置要素が全体として一体
形成されたている。

【０００７】即ち、４つの枝状配置要素各々は、第１の
梁、第２の梁、第３の梁を備えている。第１の梁は、基
底に対して傾斜するように一端が固定され、弾性変形す
る。第２の梁は、第１の梁の中央部より他端側に位置す
る位置に一端が固定され、弾性変形する。第３の梁は、
第２の梁の一端が第１の梁に固定された位置に一端が固
定され、弾性変形する。

【０００８】各枝状配置要素の第３の梁の他端は、互い
に固定され、複数の枝状配置要素の各第１の梁の一端が
回転運動の軸に対して対称となるように基底に固定さ
れ、複数の枝状配置要素が全体として一体形成されてい
る。

【０００９】ところで、例えば、各枝状配置要素の第３
の梁の互いに固定されている他端を基底に対して相対的
に遠ざかるように直線運動させると、これに伴って第３
の梁が基底から遠ざかるように移動する。第３の梁がこ
のように移動すると、第１の梁も基底から遠ざかるよう
に移動しようとする。しかし、第１の梁の一端が基底に
固定されているので、第１の梁はこの一端を中心に回転
運動しようとする。一方、４つの枝状配置要素を循環す
るように、各枝状配置要素の第１の梁の他端と他の１つ
の枝状配置要素の第２の梁の他端とが固定されているの
で、当該枝状配置要素の第１の梁は、当該他の枝状配置
要素の第２の梁に引っ張られる形で移動する。この結
果、各枝状配置要素の第１の梁の他端は、全体として回
転運動する。

【００１０】このように、第２の梁の一端が第１の梁に
固定された位置に第３の梁の一端を固定し、各枝状配置
要素の第１の梁の他端と他の１つの枝状配置要素の第２
の梁の他端とを固定することで摺動部を無くし、そのか
わりに、第１の梁、第２の梁、第３の梁のそれぞれを弾
性変形するようにして、運動を変換させるようにしてい
るので、摺動部を有しなくても、直線運動及び回転運動
の一方を他方に変換することができる。

【００１１】第２の発明は、直線運動と回転運動とを変
換する運動変換装置であって、基底に対して傾斜するよ
うに一端が固定された弾性変形する第１の梁と、前記第
１の梁の中央部より他端側に位置する位置に一端が固定
された弾性変形する第２の梁と、前記第１の梁の中央部
より他端側に位置する位置に一端が固定された弾性変形
する第３の梁と、を各々備えた複数の枝状配置要素を備
え、前記複数の枝状配置要素を循環するように、各枝状
配置要素の第１の梁の他端と他の１つの枝状配置要素の
第２の梁の他端とが固定（直接固定又は間接固定）され
ている。

【００１２】本発明の直線運動及び回転運動の一方を他
方に変換する原理は、第１の発明と同様であるので、説
明を省略する。なお、各枝状配置要素の第３の梁の他端
を基底に対して相対的に遠ざかるように直線運動させ
て、各枝状配置要素の第１の梁の他端を、全体として回
転運動させることに限定されず、各枝状配置要素の第１
の梁の他端を、全体として回転運動させて、第３の梁の
他端を基底に対して相対的に遠ざかるように直線運動さ
せてもよい。なお、第３の梁の他端を基底に対して相対
的に遠ざかるように直線運動させるとは、第３の梁の他
端が基底に対して遠ざかるように移動すること、基底が
第３の梁の他端に対して遠ざかるように移動すること、
及び、基底及び第３の梁の他端がともに遠ざかることの
以上３態様が含まれる。

【００１３】本発明も、第１の梁と第２の梁及び第３の
梁とを固定し、各枝状配置要素の第１の梁の他端と他の
１つの枝状配置要素の第２の梁の他端とを固定すること
で摺動部を無くし、そのかわりに、第１の梁、第２の
梁、第３の梁のそれぞれを弾性変形するようにして、運
動を変換させるようにしているので、摺動部を有しなく
ても、直線運動及び回転運動の一方を他方に変換するこ
とができる。

【００１４】なお、本発明では、複数の枝状配置要素の
各第３の梁の他端を、基底に対向する対向基底に固定し
たり、複数の枝状配置要素の各第３の梁の他端を、互い
に直接固定したり、してもよい。

【００１５】また、本発明では、精度よく回転運動させ
るために、複数の枝状配置要素の各第１の梁の一端を基
底に回転運動の軸に対して対称となるように固定しても
よい。

【００１６】更に、複数の枝状配置要素の各第３の梁の
一端は、第２の梁の一端が第１の梁に固定された位置に
固定してもよい。

【００１７】なお、複数の枝状配置要素の少なくとも２
つ又は複数の枝状配置要素を全体として一体形成しても
よい。

【００１８】ところで、上記発明に係る運動変換装置
は、種々の装置に適用できる。

【００１９】即ち、例えば、第３の発明では、車両のサ
イドメンバーに運動変換装置を取り付けて、衝撃吸収緩
衝装置を構成している。このように、車両のサイドメン
バーに運動変換装置を取り付けるので、従来のサイドメ
ンバーを用いて曲げ及び圧縮により衝撃を吸収・緩衝し
ていたものに、衝撃（直線運動（基底及び第３の梁の他
端が相対的に近づく））を回転運動に変換して衝撃を吸
収・緩衝することができ、衝撃の吸収量等を向上させる
ことができる。

【００２０】この場合、運動変換装置をサイドメンバー
のフロント側及びリア側の少なくとも一方に取り付け
る。一方、サイドメンバーは通常角柱形状の部分を有
し、該角柱形状の少なくとも１対の互いに対向する表面
に各１つづつ枝状配置要素（ビード）を、基底と第３の
梁の他端とを結ぶ方向がサイドメンバーの長手方向とな
るように、取り付けてもよい。また、複数の枝状配置要
素を、基底と第３の梁の他端とを結ぶ方向がサイドメン
バーの長手方向となるように、複数段に取り付けてもよ
い。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、本発明の
実施の形態を詳細に説明する。

【００２２】本実施の形態に係る運動変換装置は、直線
運動と回転運動とを変換する運動変換装置であり、図１
に示す部分要素（枝状配置要素）を、図２に示すよう
に、複数配置して構成される。即ち、運動変換装置は、
４つの枝状配置要素１００〜４００を備えている。４つ
の枝状配置要素１００〜４００各々は、基底梁（本発明
の第１の梁に対応する）３１と、中間梁（本発明の第２
の梁に対応する）２１と、連関梁（本発明の第３の梁に
対応する）１１と、を備えている。

【００２３】基底梁３１は、図示しない基底に対して傾
斜するように一端３１Ａが固定され、弾性変形する。な
お、図１の符号Ｘで示される記号は、梁が基底に固定さ
れていることを示す記号である。中間梁２１は、基底梁
３１の中央部より他端３１Ｂ側に位置する位置Ｐに一端
２１Ａが固定され、弾性変形する。連関梁１１は、中間
梁２１の一端２１Ａが基底梁３１に固定された位置Ｐに
一端１１Ａが固定され、弾性変形する。

【００２４】ここで、４つの枝状配置要素１００〜４０
０を循環するように、各枝状配置要素１００〜４００の
基底梁３１の他端３１Ｂと他の１つの枝状配置要素の中
間梁２１の他端２１Ｂとが直接固定されている。

【００２５】また、各枝状配置要素１００〜４００の連
関梁１１の他端１１Ｂが互いに固定されている。更に、
精度よく回転運動するために、複数の枝状配置要素１０
０〜４００の各基底梁３１の一端３１Ａが回転運動の軸
に対して対称となるように基底に固定されている。そし
て、複数の枝状配置要素１００〜４００が全体として一
体形成されている。

【００２６】本実施の形態に係る運動変換装置は、以上
のように構成して、弾性変形を利用して回転方向の運動
を直線方向の運動に、あるいはその逆に、直線方向の運
動を回転方向の運動に変換するものである。即ち、中間
梁２１の一端２１Ａが基底梁３１に固定された位置Ｐに
連関梁１１の一端１１Ａを固定し、各枝状配置要素１０
０〜４００の基底梁３１の他端３１Ｂと他の１つの枝状
配置要素の中間梁２１の他端２１Ｂとを固定することで
摺動部（ジョイント）を無くすかわりに、基底梁３１、
中間梁２１、及び連関梁１１を弾性変形するものとして
いる。

【００２７】以上説明した運動変換装置をより詳細に説
明する。図３に示すように、運動変換装置は、連関梁１
１、中間梁２１、基底梁３１の３個の弾性梁からなる枝
状配置要素１００を、基底５０と基底（対向基底）５１
の問に少なくとも２要素以上組み合わせた構成より成
る。以下に、前述したように、４要素から成る運動変換
装置の構成を説明する。

【００２８】枝状配置要素１００における基底梁３１は
基底５０に対して傾斜するように配置されている。即
ち、基底梁３１は、０度より大きく９０度未満の角度で
その端点３１１を基底５０に固定している。中間梁２１
はその端点２１２を基底梁３１の中間部よりやや端点３
１２側に固定している。連関梁１１はその端点１１２を
基底梁３１の中間部よりやや端点３１２側に、本実施の
形態では、中間梁端点２１２と同位置（こに限定され
ず、中間梁端点２１２近傍）で固定し、他方の端点１１
１は、基底５０に対向する他方の基底５１に固定されて
いる。

【００２９】枝状配置要素２００は、基本的な構成を枝
状配置要素１００と同様としており、中間梁２２の基底
梁３２に固定されない端点２２１を、枝状配置要素１０
０の基底梁３１の基底５０に固定されない端点３１２に
固定させる。

【００３０】枝状配置要素３００は、基本的な構成を枝
状配置要素１００と同様としており、中間梁２３の基底
梁３３に連結されない端点２３１を、枝状配置要素２０
０の基底梁３２の基底５０に固定されない端点３２２と
連結させる。

【００３１】枝状配置要素４００は、基本的な構成を枝
状配置要素１００と同様としており、中間梁２４の基底
梁３４に連結されない端点２４１を、枝状配置要素３０
０の基底梁３３の基底５０に固定されない端点３３２と
固定させ、基底梁３４の基底５０に固定されない端点３
４２は、枝状配置要素１００における中間梁２１の基底
梁３１に固定されない端点２１１に固定させる。

【００３２】本実施の形態に係る運動変換装置は、その
一例として、図４に示すように、枝状配置要素１００、
２００、３００、４００を回転運動の軸を中心に対称と
なるように基底５０と基底５１の問に位置させた基本構
成より成り、この基本構成を多数直列的（段階的に）に
連結させた構造も可能である。

【００３３】本実施の形態に係る運動変換装置の他の例
としては、図５に示すように、基底５１を省略し、枝状
配置要素１００〜４００の連関梁１１〜１４を互いに直
接固定（上端を束ねた）した構造としている。他の部分
は図４に示した例と同様である。

【００３４】以上説明した例では、枝状配置要素を４個
としているが、本発明はこれに限定されず、４個以外の
数の複数、即ち、例えば、図６に示すように、３個の枝
状配置要素１００、２００、３００を備えてもよい。ま
た、図７に示すように、６個の枝状配置要素１００〜６
００を備えてもよい。なお、各枝状配置要素の連関梁を
互いに固定しない（上端を束ねない）構造（図４参照）
としてもよいのは勿論である。

【００３５】なお、複数の枝状配置要素を循環するよう
に、各枝状配置要素の基底梁の他端と他の枝状配置要素
の中間梁の他端とは、直線固定又は間接固定してもよ
い。

【００３６】以上の構成で、本運動変換装置により、直
線運動及び回転運動の一方を他方に変換可能である原理
を、図８（Ａ）、図８（Ｂ）に示した装置例を参照して
説明する。

【００３７】各枝状配置要素の連関梁の上端Ｐ₁に直線
方向に荷重あるいは変位ｆ₁を与えると、各枝状配置要
素の基底梁の他端Ｐ₂、Ｐ₃、Ｐ₄、Ｐ₅はそれぞれｆ
₂、ｆ₃、ｆ₄、ｆ₅の方向に変形し、結果的にねじり
方向の変形を生じ、回転運動に変換される。

【００３８】即ち、各枝状配置要素の連関梁の上端Ｐ₁
を基底５０に対して相対的に遠ざかるように直線運動さ
せると、これに伴って連関梁が基底から遠ざかるように
移動する。連関梁がこのように移動すると、基底梁も基
底５０から遠ざかるように移動しようとする。しかし、
基底梁の一端が基底５０に固定されているので、基底梁
はこの一端を中心に回転運動しようとする。一方、４つ
の枝状配置要素を循環するように、各枝状配置要素の基
底梁の他端Ｐ₂、Ｐ₃、Ｐ₄、Ｐ₅と他の１つの枝状配
置要素の中間梁の他端とが固定されているので、当該枝
状配置要素の基底梁は、当該他の枝状配置要素の中間梁
に引っ張られる形で移動する。この結果、各枝状配置要
素の基底梁の他端Ｐ₂、Ｐ₃、Ｐ₄、Ｐ₅は、全体とし
て回転運動する。

【００３９】なお、逆に、ねじり変形あるいはトルクに
より、各枝状配置要素の基底梁の他端Ｐ₂、Ｐ₃、
Ｐ₄、Ｐ₅にそれぞれｆ₂、ｆ₃、ｆ₄、ｆ₅の方向に
荷重あるいは変位を与えると、各枝状配置要素の連関梁
の上端Ｐ₁は直線方向ｆ₁に変形する（直線運動）。

【００４０】以上のメカニズムにより直線運動を回転運
動、あるいは、回転運動を直線運動に変換することが可
能となる。このような運動の変換が可能である主な理由
は、各枝状配置要素の梁が弾性変形が可能であること
と、基底梁が０度より大きく９０度未満の角度で傾いて
いることと、中間梁と連関梁が基底梁の中間位置よりや
や上端側の位置で固定しているためで、連関梁の上端ｆ
₁に荷重あるいは変位を与えた場合には、この変位方向
の運動を、各梁の弾性変形により基底梁が図に示した回
転運動をおこし、その運動が各枝状配置要素の基底梁の
他端Ｐ₂、Ｐ₃、Ｐ₄、Ｐ₅においてｆ₂、ｆ₃、
ｆ₄、ｆ₅方向の運動を生じさせる。

【００４１】図９には、後述する方法（トポロジー最適
化法とイメージベースデザイン法）により得た具体的な
本運動変換装置の形状を示す。この弾性変形による変換
機構は後述する方法により解析的に得られたものであ
る。この具体的な形状をもとに作成したプロトタイプを
図１０に示した。この図１０に示す例は、本運動変換装
置全体を一体形成している。

【００４２】次に、本運動変換装置の解析的に得るため
の均質化法を用いたトポロジー最適設計法を説明する。（１）柔軟性の定式化前述したように、指定した方向に変形するような柔軟性
を構造物に付加するために、本実施の形態では、エネル
ギの相反定理（Ｂｅｔｔｉ’ｓＴｈｅｏｒｅｍ）の概念
を使用している。以下にその概略を示す。

【００４３】図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）に示すよう
に、弾性体Ωの境界Γ_dを完全拘束しているものとす
る。図１１（Ａ）に示すケースでは、境界Γ_d ¹に表面
力ｔ¹（荷重）を作用させ、そのときの変形場はｕ¹で
あるとする。図１１（Ｂ）に示すケースでは境界Γ_t ²
に表面力ｔ²を作用させ、そのときの変形場はｕ₂であ
るとする。この場合、（１）式で示す相互平均コンプラ
イアンスが柔軟性の評価尺度である。即ち、図１１
（Ａ）に示すように、境界Γ_d ¹に表面力ｔ¹を作用さ
せ、指定した位置が変位しているか否かを判断するため
に、内積を計算する。

【００４４】

【数１】

【００４５】すなわち、このＬ²（ｕ¹）を最大化する
ことにより、表面力ｔ¹を作用させた時の境界Γ_t ²上
の機構的な柔軟性を得ることが可能となる。

【００４６】なお、本実施の形態では、その他、剛性を
最大化するため、平均コンプライアンスを計算し、平均
コンプライアンスを最小化する。（２）柔軟性を利用した機構の設計要件図１２（Ａ）〜図１２（Ｃ）に示すように、柔軟性を利
用した機構を設計するためには３つの要件を考慮する必
要がある。第１に、図１２（Ａ）に示すように、柔軟構
造物のある境界Γｔ¹に表面力ｔ¹を作用させた時に、
Γｔ²が表面力ｔ²の方向に変形する機構的な性能であ
ることが必要である（柔軟性要件）。第２に、図１２
（Ｂ）に示すように、境界Γｔ¹が表面力ｔ¹に耐えう
る十分な剛性をもつような構造的な性能であることが必
要である（剛性要件）。第３に、図１２（Ｃ）に示すよ
うに、境界Γｔ²が反力表面力−ｔ²に耐えうる十分な
剛性をもつような構造的な性能であることが必要である
（剛性要件）。以上の３つの要件を満足できる最適設計
解を求めるため、多目的な目標関数を考案し、トポロジ
ー最適化を用いて最適設計構造を得た（文献（１）参
照）。（３）均質化法を用いたトポロジー最適設計法均質化法を用いたトポロジー最適設計法は基本的に固定
設計領域の概念と（２）式に示すχΩ（なお、χΩのΩ
は（２）式に示す下付き文字を表す）関数の導入を基礎
としている（後述する文献（２）参照）。

【００４７】

【数２】

【００４８】なお、ｘは位置を表し、Ω_dは設定領域
（具体的な本運動変換装置の領域）、Ｄは設定領域Ω_d
より大きめに設定した固定領域である。（２）式は、固
定領域Ｄと、固定領域Ｄに設定された設定領域Ω_dと、
の関係を示す。位置ｘが設定領域Ω_dに属する場合（即
ち、固定領域Ｄ内に材料を分布させたい場合）には、χ
Ω＝１とし、位置ｘが設定領域Ω_dに属さない場合（即
ち、固定領域Ｄ内に材料を分布させない場合）には、χ
Ω＝０とする。

【００４９】このχΩ関数を用いることにより、最適設
計問題を材料分布問題に置き換えて解く。即ち、χΩ＝
０かχΩ＝１に基づいて材料を分布させれば、固定領域
Ｄ内の適切な箇所に材料を分布させて、所望の形状（具
体的な本運動変換装置の領域）が得られる。ただ、この
χΩ関数はいたるところ微分不可能な関数であるから、
数値計算上とり扱うことは不可能である。この問題を克
服するため、均質化法により、χΩ関数を連続関数に置
き換える操作を行う。この操作により、均質化された物
理量を算出し、その計算値を用いて最適化をはかる。均
質化された物理量を算出する際には、固定領域Ｄをうめ
る複数の何らかの形状をしたマイクロストラクチャ（理
想は無限に小さい領域であるが、実際は、所定の大きさ
をもった領域である。）を用いる必要がある。ここで
は、例えば、図１３に示す直方体形状のマイクロストラ
クチャを用いる（後述する文献（３）参照）。各マイク
ロストラクチャー内には、図１３に示すように、パラメ
ータ（長さα、β、γ及び角度φ、ψ、θ）により定ま
る中穴がχΩ関数に対応して定まる。各マイクロストラ
クチャのパラメータ（中穴の長さα、β、γ及び中穴の
角度φ、ψ、θ）が設計変数となる。即ち、設定領域Ω
_d内のマイクロストラクチャは、χΩ＝１であり、α＝
β＝γ＝０となる（中実（solid material）。設定領域
Ω_d外のマイクロストラクチャは、χΩ＝０であり、α
＝β＝γ＝１となる（空間（empty ））。χΩ＝１、χ
Ω＝０が連続する領域については、該領域を１つのマイ
クロストラクチャで代表させて、α＝β＝γ≠０、１、
即ち、α＝β＝γ＝例えば０．５等とすることにより、
連続関数に置き換える。なお、各パラメータは、後述す
る目標関数により定まる。

【００５０】マイクロストラクチャのパラメータを用い
た最適設計解を得るための最適化処理を図１４を参照し
て説明する。なお、本最適化処理を実行する前に予め、
固定領域Ｄ内に、図１５に示すような設計領域Ω_dを設
定して、本最適化処理を実行する。設定領域には、直進
方向ｆ₁、直進運動を作用させる位置Ｐ₁、回転運動さ
せる点Ｐ₂、Ｐ₃、Ｐ₄、Ｐ₅、及び回転運動させる点
Ｐ₂、Ｐ₃、Ｐ₄、Ｐ ₅のねじり方向ｆ₂、ｆ₃、
ｆ₄、ｆ₅を設定しておく。

【００５１】ステップ６２で、均質化された物理量を計
算する。即ち、上記のように均質化法により、χΩ関数
を連続関数に置き換え、材料分布問題を解く。

【００５２】ステップ６４で、目標関数と制約を計算す
る。即ち、予め設定した固定領域内に収まり、かつ、図
１２（Ａ）〜図１２（Ｃ）に示す上記３要件を満足させ
る各マイクロストラクチャのパラメータの値を計算す
る。これにより、各マイクロストラクチャの構造が基底
される。

【００５３】ステップ６６で、各マイクロストラクチャ
のパラメータで計算される目標関数と制約が規定値か否
かを判断することにより、収束するか否かを判断する。
収束しなければ、ステップ６８で、目標関数と制約の感
度（各パラメータを変更させる方向を示す）を計算す
る。

【００５４】ステップ７０で、目標関数と制約の感度に
基づいて、各マイクロストラクチャの長さα、β、γに
ついて最適化問題を解く、即ち、再設定する。

【００５５】ステップ７２で、角度φ、Ψ、θを主応力
方向に更新して、ステップ６２に戻って、ステップ６
２、６４を実行する。これにより、収束する場合には、
各マイクロストラクチャのパラメータの最適設計解が得
られたので、本処理を終了する。以上の処理の結果、図
１６、図１７に示すように、最適設計解が得られる。図
１６、図１７には、異なる４方向からみた最適設計解が
示されている。

【００５６】ところで、図１６、図１７に示した最適設
計解は、各各マイクロストラクチャに対応するブロック
の形状で構成されている。そのまま実際の機構を設計す
ることは難しい。この問題を克服するために、イメージ
ベースデザイン法（後述する文献（４）参照）を用いて
具体的な形状の抽出を行う。従来より、トポロジー最適
化により得られる最適解から具体的な形状を抽出する方
法には、種々のものが提案されてきている。しかし、そ
れらの方法はスプライン等の補間関数を用いており、最
適解が複雑になれば、その補間関数が複雑になり抽出さ
れた構造が予想されうる構造と非常にかけ離れる問題を
持っていた。これに対して、本実施の形態では、このよ
うな関数を使用するのではなく、０〜２５５で表される
イメージをｍｏｖｉｎｇｌｅａｓｔｓｑｕａｒｅの
関数で補間する方法を開発した。この方法の特徴は、ど
のような複雑な最適設計解も取り扱うことが可能である
ことと、抽出構造がビットマップで構成されているの
で、このデータから容易にプロトタイプを作成できるこ
とにある。図１８にはイメージベースデザイン法を用い
て抽出された具体的構造を示す。この結果をもとに図１
０に示したプロトタイプを作成した。

【００５７】以上説明したように、本実施の形態に係る
運動変換装置では、従来の機構のようなジョイント（摺
動部）を持たないで構成しているため、潤滑の必要性を
持たない、すなわちメンテナンスフリーとなる有利点を
もつ。

【００５８】また、従来の機構として必要とされるジョ
イント（摺動部）を持たないので、一般の機構装置がも
つ問題である、騒音、摩耗、バックラッシュ、摩擦損失
を生じない。

【００５９】更に、本実施の形態に係る運動変換装置で
は、弾性変形を利用しているため、即ち、摺動する部分
がないので、回転方向の運動を直線方向の運動、あるい
は直線方向の運動を回転方向の運動の変換の際、荷重の
伝達が滑らかである。

【００６０】なお、上記文献（１）〜（４）は下記の通
りである。

【００６１】

【外１】

【００６２】

【実施例】上記運動変換装置は、直線運動を回転運動へ
変換する機能を利用することにより、自動車のボデー構
造の衝突安全性をねらった衝撃吸収緩衝装置としても利
用可能である。すなわち、図１９に示すように、当該装
置（各梁を例えばスチールで構成する）を自動車のサイ
ドメンバー１１０（フロント側及びリア側の少なくとも
一方）に内蔵（１１２参照）あるいは付加（１１４参
照）する。これにより、従来の衝撃吸収緩衝装置では、
曲げおよび圧縮の効果によりエネルギを吸収していた
が、本運動変換装置を適用した衝撃吸収緩衝装置では、
新らたにねじりモードを付加することが可能となるの
で、結果としてエネルギ吸収量を向上させることができ
る。

【００６３】本運動変換装置を適用した衝撃吸収緩衝装
置の変形例としては、図２０に示すように、サイドメン
バー１１０の角柱（四角柱）部分の４つの表面１１０Ａ
〜１１０Ｄ上に本運動変換装置の形状を持つビード１２
０を取り付ける。これにより、衝突時の崩壊モードにね
じりモードを付加することも可能となる。この場合、図
２１に示すように、サイドメンバー１１０の角柱（四角
柱）部分の対向する２つの表面１１０Ａ、１１０Ｃ上の
みにヒード１２０を付加するだけでも、近似的に回転運
動に起因するねじりモードを付加することが可能となる
ので、エネルギ吸収量の向上の効果が得られる。なお、
この場合の一方の面に配置された枝状配置要素の中間梁
と対向する面に配置された枝状配置要素の基底梁とは、
サイドメンバー１１０の表面を介して間接的に固定され
ている。

【００６４】以上説明した例では、当該装置を自動車の
サイドメンバーに取り付けて衝撃吸収緩衝装置を構成し
ているが、本発明はこれに限定されない。即ち、前述し
たように、メンテナンスを不要とするので、潤滑油を使
用する必要がなく、よって、油等を衛生上きらう医療器
具や宇宙環境（重力が少ない環境）のような特殊な環境
で使用される装置に適用してもよい。

【００６５】なお、その他の具体例には種々のものが考
えられる。たとえば、入力条件を変えて、最適化プログ
ラムを実行させれば容易に異なった形状を創出すること
が可能である。

【００６６】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、第１の梁
と第２の梁及び第３の梁とを固定し、各枝状配置要素の
第１の梁の他端と他の１つの枝状配置要素の第２の梁の
他端とを固定することで摺動部を無くし、そのかわり
に、第１の梁、第２の梁、第３の梁のそれぞれを弾性変
形するようにして、運動を変換させるようにしているの
で、摺動部を有しなくても、直線運動及び回転運動の一
方を他方に変換することができる、という効果を有す
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】弾性変形を有する連関梁、中間梁、および基底
梁の３つの梁で構成される部分要素（枝状配置要素）を
示した図である。

【図２】枝状配置要素を軸方向に４つ結合させることに
より構成される装置を示した図である。

【図３】運動変換装置の構成と働きを説明する展開図で
ある。

【図４】運動変換装置の第１の例を示した図である。

【図５】運動変換装置の第２の例を示した図である。

【図６】運動変換装置の第３の例を示した図である。

【図７】運動変換装置の第４の例を示した図である。

【図８】（Ａ）、（Ｂ）は、運動変換装置のメカニズム
を説明する説明図である。

【図９】トポロジー最適化法とイメージベースデザイン
法により得た運動変換装置の具体的な形状を示した図で
ある。

【図１０】運動変換装置のプロトタイプを示した図であ
る。

【図１１】（Ａ）、（Ｂ）は、装置の構成要素の柔軟性
の定式化を説明する説明図である。

【図１２】（Ａ）〜（Ｃ）は、柔軟性を利用した機構を
設計するために必要な３つの要件を説明する説明図であ
る。

【図１３】マイクロストラクチャを示した図である。

【図１４】最適設計解を得るための最適化処理ルーチン
を示したフローチャートである。

【図１５】柔軟性を用いた機構を設計する際の設計領域
を示した図である。

【図１６】（Ａ）〜（Ｂ）は、図１４の最適化処理ルー
チンを実行して得られた最適設計解を示した図である。

【図１７】（Ａ）〜（Ｂ）は、図１４の最適化処理ルー
チンを実行して得られた最適設計解を示した他の図であ
る。

【図１８】（Ａ）及び（Ｂ）は、イメージベースデザイ
ン法を用いて抽出された具体的構造を示した図である。

【図１９】運動変換装置を自動車のサイドメンバーに取
り付けて構成された衝撃吸収緩衝装置を示した図であ
る。

【図２０】衝撃吸収緩衝装置の変形例を示した図であ
る。

【図２１】衝撃吸収緩衝装置の他の変形例を示した図で
ある。

【符号の説明】

１１連関梁（第３の梁）２１中間梁（第２の梁）３１基底梁（第１の梁）５０基底５１基底（対向基底）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 3J048 AA01 AC01 AD05 BA01 BD01 EA13 3J066 AA01 AA22 BA01 BB01 BC01 BE10

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】直線運動と回転運動とを変換する運動変
換装置であって、基底に対して傾斜するように一端が固定された弾性変形
する第１の梁と、前記第１の梁の中央部より他端側に位置する位置に一端
が固定された弾性変形する第２の梁と、前記第２の梁の一端が前記第１の梁に固定された位置に
一端が固定された弾性変形する第３の梁と、を各々備えた４つの枝状配置要素を備え、前記４つの枝状配置要素を循環するように、各枝状配置
要素の第１の梁の他端と他の１つの枝状配置要素の第２
の梁の他端とが固定され、各枝状配置要素の第３の梁の他端が互いに直接固定さ
れ、前記複数の枝状配置要素の各第１の梁の一端が回転運動
の軸に対して対称となるように前記基底に固定され、前記複数の枝状配置要素が全体として一体形成されてい
ることを特徴とする運動変換装置。
【請求項２】直線運動と回転運動とを変換する運動変
換装置であって、基底に対して傾斜するように一端が固定された弾性変形
する第１の梁と、前記第１の梁の中央部より他端側に位置する位置に一端
が固定された弾性変形する第２の梁と、前記第１の梁の中央部より他端側に位置する位置に一端
が固定された弾性変形する第３の梁と、を各々備えた複数の枝状配置要素を備え、前記複数の枝状配置要素を循環するように、各枝状配置
要素の第１の梁の他端と他の１つの枝状配置要素の第２
の梁の他端とが固定されていることを特徴とする運動変
換装置。
【請求項３】前記複数の枝状配置要素の各第３の梁の
他端が、前記基底に対向する対向基底に固定された請求
項２記載の運動変換装置。
【請求項４】前記複数の枝状配置要素の各第３の梁の
他端が、互いに直接固定された請求項２記載の運動変換
装置。
【請求項５】前記複数の枝状配置要素の各第１の梁の
一端が回転運動の軸に対して対称となるように前記基底
に環状に固定された請求項２乃至請求項４の何れか１項
に記載の運動変換装置。
【請求項６】前記複数の枝状配置要素の各第３の梁の
一端は、第２の梁の一端が第１の梁に固定された位置に
固定された請求項２乃至請求項５の何れか１項に記載の
運動変換装置。
【請求項７】前記複数の枝状配置要素の少なくとも２
つ又は前記複数の枝状配置要素が全体として一体形成さ
れたことを特徴とする請求項２乃至請求項６の何れか１
項に記載の運動変換装置。
【請求項８】請求項２記載の運動変換装置を、車両の
サイドメンバーに取り付けて構成された衝撃吸収緩衝装
置。
【請求項９】前記運動変換装置を前記サイドメンバー
のフロント側及びリア側の少なくとも一方に取り付けた
請求項８記載の衝撃吸収緩衝装置。
【請求項１０】前記サイドメンバーは角柱形状部分を
有し、該角柱形状部分の少なくとも１対の互いに対向す
る表面に各１つづつ前記枝状配置要素を、基底と第３の
梁の他端とを結ぶ方向がサイドメンバーの長手方向とな
るように、取り付けた請求項８又は請求項９記載の衝撃
吸収緩衝装置。
【請求項１１】前記複数の枝状配置要素を、基底と第
３の梁の他端とを結ぶ方向がサイドメンバーの長手方向
となるように、複数段に取り付けた請求項８乃至請求項
１０の何れか１項に記載の衝撃吸収緩衝装置。