JP2001349323A - 弾性ヒンジ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 精密駆動用ステージ装置等におけるステージ
の支持要素である弾性ヒンジの最大応力を低減する。 【解決手段】 ２つの部材間をつなぐブリッジ部材２３
の長さ方向に離間した２箇所に該ブリッジ部材２３の外
周面にノッチ２４を形成することで、弾性曲げ変形容易
な減肉部２５を形成し、該減肉部２５の曲げ変形により
２つの部材間の相対変位を許容する弾性ヒンジ２０にお
いて、略断面半円形のノッチ２４で形成される減肉部２
５の長さ方向中央の最小断面積部分に、減肉部２５の長
さ方向の所定距離にわたり断面積不変の平行部２７を設
けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、精密駆動用ステー
ジ装置等に利用される弾性ヒンジに関する。

【０００２】

【従来の技術】精密駆動用ステージ装置には、ショート
ストロークの微駆動を要するものがあり、そのような装
置を構成するステージの支持要素として弾性ヒンジが利
用されている。

【０００３】図３は、互いに直交するＸ・Ｙ方向に微駆
動し得る２自由度のステージ装置を示す平面図である。
図において、１は矩形枠状のベース、２はその矩形枠状
のベース１の内部に配置された矩形枠状の中間ステー
ジ、３はその矩形枠状の中間ステージ２の内部に配置さ
れた矩形板状の可動ステージである。これらベース１、
中間ステージ２、可動ステージ３は、共に同一のＸ−Ｙ
平面上に配置されている。

【０００４】中間ステージ２は、Ｙ方向にのみ変形可能
な弾性ヒンジ６を介してベース１に連結され、可動ステ
ージ３は、Ｘ方向にのみ変形可能な弾性ヒンジ５を介し
て中間ステージ２に連結されており、全体が一体の金属
板より形成されている。なお、この中間ステージ２を有
する支持構造自体は未公知のものである。

【０００５】Ｙ方向の変形を許容する弾性ヒンジ６は、
ベース１のＹ方向に沿った辺１ｙと中間ステージ２のＹ
方向に沿った辺２ｙとの間に配され、長さ方向をＹ方向
と直交する方向（Ｘ方向）に向けて、ベース１と中間ス
テージ２とをブリッジ状に連結している。

【０００６】Ｘ方向の変形を許容する弾性ヒンジ５は、
中間ステージ２のＸ方向に沿った辺２ｘと可動ステージ
３のＸ方向に沿った辺３ｘとの間に配され、長さ方向を
Ｘ方向と直交する方向（Ｙ方向）に向けて、中間ステー
ジ２と可動ステージ３とをブリッジ状に連結している。

【０００７】前者のＹ方向の変形を許容する弾性ヒンジ
６は、矩形枠状の中間ステージ２のＹ方向に沿った辺２
ｙ上の互いに間隔をおいた２点に配されており、Ｘ方向
及びＹ方向に対称に合計４個配されている。

【０００８】後者のＸ方向の変形を許容する弾性ヒンジ
５は、可動ステージ３のＸ方向に沿った辺３ｘ上の互い
に間隔をおいた２点に配されており、Ｘ方向及びＹ方向
に対称に合計４個配されている。

【０００９】このように中間ステージ２が弾性ヒンジ６
によってベース１に対してＹ方向に変位可能に支持さ
れ、且つ、可動ステージ３が弾性ヒンジ５によって中間
ステージ２に対してＸ方向に変位可能に支持されている
ことにより、可動ステージ３が、ベース１に対してＸ・
Ｙ方向に変位可能とされる。よって、Ｘ方向及びＹ方向
へ可動ステージ３を駆動する手段を設けることにより、
可動ステージ３をＸ−Ｙ平面内における任意の方向へ微
駆動することができる。

【００１０】各弾性ヒンジ５、６は全て同じ構造に作ら
れている。

【００１１】図４はその代表として、図３のＩＶで示す
弾性ヒンジ５を含む機構部分の構造をモデル化して示す
構成図、図５はその駆動時の状態を示す図である。

【００１２】駆動部１０は、図３のステージ装置の可動
ステージ３に相当する。駆動部１０の両側に２つの弾性
ヒンジ５が対称に配されている。弾性ヒンジ５の一端１
１は中間ステージ２に固定され、他端は駆動部１０（可
動ステージ３）に固定されている。

【００１３】弾性ヒンジ５は、２つの部材間をつなぐ金
属製（それ以外の弾性材料でも可）のブリッジ部材１３
の長さ方向に離間した２箇所に、ブリッジ部材１３の外
周面にノッチ１４を形成することで、弾性曲げ変形容易
な減肉部１５を形成し、該減肉部１５の曲げ変形によ
り、２つの部材間の相対変位を許容できるように構成し
たものであり、両側の２つの部材と一体に形成すること
ができる。なお、この図４の例では、駆動部１０（＝可
動ステージ３）と中間ステージ２が「２つの部材」に相
当する。

【００１４】この場合の弾性ヒンジ５は、矩形断面のブ
リッジ部材１３の、曲げ変形させようとする方向に面す
る２つの外側面に、対称形状の半円形のノッチ１４を形
成することで、局部的な減肉化を図り（つまり減肉部１
５を作り出し）、最小断面積部を曲がり点（ａ部）とし
て、容易に曲げ変形できるように構成している。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、この種
の弾性ヒンジ５は、図中ａ部で減肉部１５の厚みが最も
薄くなっており、弾性ヒンジ５が変形する際に、ａ部に
最大応力が発生することになる。従って、弾性ヒンジ５
を設計する際には、このａ部の応力を十分に考慮する必
要があった。

【００１６】しかしながら、限られた寸法内で十分に耐
久性のある弾性ヒンジを設計するのは困難な場合があ
る。特に図５に示すように、駆動部１０の両側に配置さ
れた弾性ヒンジが変形する場合には曲げだけでなく引張
りの応力も発生するため、より設計が困難である。

【００１７】本発明は、上記事情を考慮し、最小断面積
部における応力集中を極力低減できるようにした弾性ヒ
ンジを提供することを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、２つ
の部材間をつなぐブリッジ部材の長さ方向に離間した複
数箇所に該ブリッジ部材の外周面にノッチを形成するこ
とにより、弾性曲げ変形容易な減肉部を形成し、該減肉
部での曲げ変形により前記２つの部材間の相対変位を許
容する弾性ヒンジにおいて、前記ノッチの長さＬに対し
て、ノッチの深さをＬ／２未満に設定したことにより、
上記課題を解決したものである。

【００１９】従来の弾性ヒンジ５では、ノッチ１４の形
状が「半円」とされていたことから、該ノッチ１４の深
さＦ１は（本発明と比較した概念で捉えるならば）ノッ
チ１４の長さＬ１に対して丁度Ｌ１／２に設定されてい
たことになる。

【００２０】これに対し、本発明の弾性ヒンジは、ノッ
チの深さをノッチの長さの１／２未満に抑えているの
で、従来の弾性ヒンジに比べて発生する最大応力を減少
することができる。

【００２１】又、この発明では、前提として、曲げ変形
容易な減肉部をブリッジ部材の長さ方向の複数箇所に設
けているので（曲がる部分が２箇所以上あるので）、２
つの部材の相対的な平行移動を安定した状態で許容する
ことができる。

【００２２】即ち、曲がり点（減肉部）が１箇所しかな
い場合は、弾性ヒンジは２つの部材間の回転曲げしか許
容しないが、例えば曲がり点が２箇所あると、各曲がり
点が逆方向に曲がることで、２つの部材間の平行移動を
許容することができる。３箇所以上の曲がり点がある場
合も同様である。

【００２３】ところで、ノッチの長さＬに対して深さを
Ｌ／２未満に設定する具体的構成は種々考えられる。

【００２４】請求項２の発明では、前記ノッチを、半円
未満の円弧を輪郭とする切欠断面で形成している。

【００２５】請求項３の発明は、前記ノッチを、楕円弧
を輪郭とする切欠断面で形成している。

【００２６】請求項２及び請求項３の発明の弾性ヒンジ
では、ノッチの曲線を緩やかにすることができるので、
応力集中を緩和することができ、最大応力を減少するこ
とができる。

【００２７】請求項４の発明は、前記減肉部の長さ方向
中央の最小断面積部分に、該減肉部の長さ方向の所定距
離にわたり断面積不変の平行部を設けるようにしてい
る。

【００２８】この発明の弾性ヒンジでは、減肉部の長さ
方向中央部の最小断面積部分に断面積の不変部分（所定
長さの平行部）を設けたので、減肉部の最も薄い部分
を、従来のものより広くとることができる。つまり、従
来は線で受けていた部分を面にすることができる。従っ
て、広い範囲に応力を分散することができ、弾性ヒンジ
にかかる最大応力を減少することができる。

【００２９】請求項５の発明は、前記ブリッジ部材を矩
形断面で形成し、前記ノッチを、曲げ変形させようとす
る方向に面する２つの外側面に、対称形状に形成したこ
とを特徴としている。

【００３０】請求項６の発明は、前記ブリッジ部材を円
形断面で形成し、前記ノッチを、該ブリッジ部材の全周
に環状に形成したことを特徴としている。

【００３１】ブリッジ部材の断面形状は任意に選定する
ことができるが、請求項５の発明の弾性ヒンジでは、断
面矩形のブリッジ部材を採用し、その対向する２つの外
側面に対称形状のノッチを形成することで減肉部を設け
ている。このように対向する２つの外側面にノッチを形
成した場合、薄肉化は一方向のみで行われるので、薄肉
化された方向にのみ曲がりやすくなり、他の方向には曲
がりにくい状態が確保される。従って、曲がりの方向性
を持った弾性ヒンジが出来上がる。特に、２つの外側面
に対称形状のノッチが設けられていることにより、減肉
部がブリッジ部材の厚み方向の中心部に位置することに
なるので、バランスのよい曲げ変形が可能となる。

【００３２】又、請求項６の発明の弾性ヒンジでは、ノ
ッチをブリッジ部材の外周に環状に設けているので、小
径化した減肉部が形成される。従って、全方向に曲がり
やすい、曲がりの方向性を持たない弾性ヒンジが出来上
がる。

【００３３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。

【００３４】図１は第１実施形態の弾性ヒンジ２０を、
図３と同様のステージ装置の一部に組み込んだ状態をモ
デル化して示す構成図である。この弾性ヒンジ２０は、
駆動部１０（図３の可動ステージあるいは中間ステージ
に相当）の両側に配置されており、一端２１が中間ステ
ージあるいはベース（図示略）に固定され、他端２２が
駆動部１０に固定されている。

【００３５】弾性ヒンジ２０は、２つの部材間をつなぐ
金属製（それ以外の弾性材料でも可）のブリッジ部材２
３の長さ方向に離間した２箇所に、ブリッジ部材２３の
外周面にノッチ２４を形成することで、弾性曲げ変形容
易な減肉部２５を形成し、該減肉部２５の曲げ変形によ
り、２つの部材間の相対変位を許容するものである。こ
の図の例では、２つの部材は、駆動部１０（＝可動ステ
ージ又は中間ステージ）と、中間ステージ又はベース
（図３参照）に相当する。

【００３６】この場合の弾性ヒンジ２０は、矩形断面の
ブリッジ部材２３の、曲げ変形させようとする方向に面
する２つの外側面２３ａ、２３ａに、対称形状のノッチ
２４を形成することで、局部的な減肉化を図り（つまり
減肉部２５を作り出し）、最小断面積部を曲がり部分
（Ａで示す範囲）として、容易に曲げ変形できるように
構成したものである。なお、２つの減肉部２５の曲がり
方向は同じ方向に設定されている。

【００３７】前記ノッチ２４は、両端に１／４円弧のカ
ーブ２４ａ、２４ａを持ち、それらカーブ２４ａ、２４
ａ間を直線２４ｂで結んだ略半円形輪郭の切欠断面を有
している。直線２４ｂの部分は、減肉部２５の長さ方向
中央の最小断面積部分に相当しており、この部分が減肉
部２５の長さ方向の所定距離にわたって確保されること
により、断面積不変の平行部２７（符号Ａで示す範囲）
が形成されている。そして、これにより、ノッチ２４の
長さＬ２に対して、ノッチ２４の深さＦ２をＬ２／２未
満に設定している。

【００３８】このように、ノッチ２４の深さＦ２を、ノ
ッチ２４の長さＬの１／２未満に抑えているので、従来
の弾性ヒンジに比べて最大応力を減少することができ
る。特に、減肉部２５の長さ方向中央部の最小断面積部
分に断面積の不変部分（所定長さの平行部２７）を確保
しているので、減肉部２５の最も薄い部分を広くとるこ
とができて、広い範囲に応力を分散することができる。
又、ノッチ２４の断面を円弧の一部を利用した輪郭で形
成しているので、ノッチ２４の曲線を緩やかに保つこと
ができ、応力集中を極力緩和することができる。これら
の効果は、実際のシミュレーションにおいても確認され
ている。

【００３９】又、矩形断面のブリッジ部材２３の対向す
る２つの外側面２３ａ、２３ａに、対称形状のノッチ２
４を形成しているので、曲がりの方向性を定めることが
できる上、バランスのよい曲げ変形が可能となる。更
に、この弾性ヒンジ２０は、曲げ変形容易な減肉部２５
をブリッジ部材２３の長さ方向の２箇所に、同じ方向に
曲げ変形できるよう設けているので、２つの部材の相対
的な平行移動を許容することができ、ステージ装置に適
用した場合に、変位の直線性を確保することが容易にで
きる。

【００４０】図２は本発明の別の実施形態の弾性ヒンジ
４０を組み込んだ機構を示す斜視図である。

【００４１】駆動部５０とその両側の弾性ヒンジ４０を
含めて、全体が円形断面の丸棒状に形成されている。弾
性ヒンジ４０は、丸棒よりなるブリッジ部材４３の長さ
方向に離間した２箇所に、環状のノッチ４４によって形
成された減肉部４５を有している。この場合も、ノッチ
４４の断面は略半円状に形成されており、ノッチ４４の
断面の輪郭は、両端の１／４円弧カーブ４４ａ、４４ａ
と、それらの間の直線４４ｂとからなる。そして、直線
４４ｂの部分が、最小断面積で所定長さにわたり断面積
の不変な平行部４７（符号Ａで示す範囲）となってい
る。又、それにより、ノッチ４４の長さＬ３に対して、
ノッチ４４の深さＦ３がＬ３／２未満に設定されてい
る。

【００４２】この弾性ヒンジ４０の場合は、ノッチ４４
をブリッジ部材４３の外周に環状に設けているので、小
径化した減肉部４５が形成されている。従って、全方向
に曲がりやすい、曲がりの方向性を持たないヒンジ特性
を持つことになる。

【００４３】なお、ブリッジ部材４３の断面形状は、図
１の矩形や図２の円形以外にも任意に選定することがで
きる。

【００４４】又、ノッチ２４、４４の断面形状も、ノッ
チの長さに対してノッチの深さが１／２未満になるよう
にすれば、任意に選定可能である。

【００４５】例えば、上記実施形態では、減肉部２５、
４５の長さ方向中間部の最小断面積部分に断面積不変の
平行部２７、４７を確保しているが、半円未満の円弧状
の輪郭でノッチの切欠断面を形成したり、楕円弧を輪郭
とする切欠断面に形成したりすることで、ノッチの断面
曲線を緩やかにしながら、前記の条件を満足することが
できるので、最大応力の低減を図ることができる。

【００４６】これらのタイプは、ノッチの断面積が最も
小さくなる箇所が長手方向の一点に集まるため、応力分
散という点では上記実施形態より若干劣るものの、形状
が簡易であるため、設計が容易であり、コストもそれだ
け低減できる場合がある。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
曲げ変形を容易にする減肉部を構成するためのノッチの
長さＬに対してノッチの深さを１／２未満に抑えたの
で、弾性ヒンジに作用する最大応力を低減することがで
き、容易に耐久性を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態の弾性ヒンジを組み込んだス
テージ装置の一部構成を示す斜視図

【図２】本発明の他の実施形態の弾性ヒンジを組み込ん
だステージ装置の一部構成を示す斜視図

【図３】本発明の弾性ヒンジ及び従来の弾性ヒンジが適
用されるステージ装置の概略構成を示す平面図

【図４】弾性ヒンジを組み込んだステージ装置の一部構
成を示す斜視図

【図５】図４の機構の駆動時の状態を示す斜視図

【符号の説明】

５，６…弾性ヒンジ ２０，４０…弾性ヒンジ ２３，４３…ブリッジ部材 ２４，４４…ノッチ ２５，４５…減肉部 ２７，４７…平行部 Ｌ２，Ｌ３…ノッチの長さ Ｆ２，Ｆ３…ノッチの深さ

フロントページの続き (72)発明者 中森 靖仁 東京都田無市谷戸町二丁目１番１号 住友 重機械工業株式会社田無製造所内 (72)発明者 杉峰 正信 神奈川県平塚市夕陽ケ丘63番30号 住友重 機械工業株式会社平塚事業所内 (72)発明者 冨田 良幸 神奈川県平塚市夕陽ケ丘63番30号 住友重 機械工業株式会社平塚事業所内 Ｆターム(参考） 3C048 BC01 CC11

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】２つの部材間をつなぐブリッジ部材の長さ
   方向に離間した複数箇所に該ブリッジ部材の外周面にノ
   ッチを形成することにより、変形容易な減肉部を形成
   し、該減肉部での変形により前記２つの部材間の相対変
   位を許容する弾性ヒンジにおいて、 前記ノッチの長さＬに対して、ノッチの深さをＬ／２未
   満に設定したことを特徴とする弾性ヒンジ。
2. 【請求項２】請求項１において、 前記ノッチを、半円未満の円弧を輪郭とする切欠断面で
   形成したことを特徴とする弾性ヒンジ。
3. 【請求項３】請求項１において、 前記ノッチを、楕円弧を輪郭とする切欠断面で形成した
   ことを特徴とする弾性ヒンジ。
4. 【請求項４】請求項１〜３のいずれかにおいて、 前記減肉部の長さ方向中央の最小断面積部分に、該減肉
   部の長さ方向の所定距離にわたり断面積不変の平行部を
   設けたことを特徴とする弾性ヒンジ。
5. 【請求項５】請求項１〜４のいずれかにおいて、 前記ブリッジ部材を矩形断面で形成し、前記ノッチを、
   曲げ変形させようとする方向に面する２つの外側面に、
   対称形状に形成したことを特徴とする弾性ヒンジ。
6. 【請求項６】請求項１〜４のいずれかにおいて、 前記ブリッジ部材を円形断面で形成し、前記ノッチを、
   該ブリッジ部材の全周に環状に形成したことを特徴とす
   る弾性ヒンジ。