JP3168286U - スプリング構造、及びこのスプリング構造を用いた可動機構 - Google Patents

Abstract

【課題】少なくとも直交する二方向に独立して可動な構造であり、いずれかの方向に負荷がかかる際はその方向のみ変位し、他方向には不動となるスプリング構造と、このスプリング構造を用いた可動機構の提供。【解決手段】互いに直交する３軸をＸ軸・Ｙ軸・Ｚ軸としたとき、第１平板部と第１平板部の２倍の面積の第２平板部と第１平板部と同一面積の第３平板部とをＹＺ平面に平行に所定間隔を置いて並べ、前記第２平板部のＹ方向端辺を前記第１平板部のＹ方向端辺と接続するとともに、前記第２平板部の−Ｙ方向端辺を前記第１平板部の−Ｙ方向端辺と接続した構造の基本ユニットを、Ｙ軸の廻りに１８０度回転させて互い違いに偶数個接合したことを特徴とするスプリング構造。前記スプリング構造を複数互いにＸ軸の廻りに９０度回転させて接合したスプリング構造。及びこれらスプリング構造を用いた可動機構。【選択図】図１

Description

本考案は、スプリング構造、及びこのスプリング構造を用いた可動機構に関する。

スプリングは、古くから用いられてきた機械部品であり、金属などの弾性体の復元力を利用し、弾性エネルギーを蓄積・開放して作用するものである。スプリングの種類には、コイルスプリングやリーフスプリングなど多くの種類があるが、基本的にその変位は一方向に限られる。

本考案に類似の先行技術として、特許文献１、２は、ジグザグ薄板ばねなるスプリングを開示している。このジグザグ薄板ばねは、複数の平板部と屈曲部が交互につながった構造で、車載用機器との導通を行う接点装置において、当接部を付勢するために用いられているが、これらの特許文献１、２はともに圧縮伸張する方向と垂直な方向に対して横変位することの弊害を解決することを課題としている。すなわち、このジグザグ薄板ばねも一方向性の作用を利用しようとするものである。

また、特許文献３は、スプリングを用いたＸＹテーブルを開示している。このＸＹテーブルは、回転駆動されるカムと、カムの動きを直線運動に変換するレバーと、カムに向けてレバーを付勢する複数本のスプリングを有するものである。ここで用いられるスプリングもコイルスプリングであり、その力の作用は一方向である。

これに対して、本考案者は、少なくとも直交する二方向に独立して変位可能な新規なスプリング構造を考案した。

特開２００７−１２８７４２号公報 特開２００８−１７６９６６号公報 特開２０００−１１４７９５号公報

本考案が提供しようとするスプリング構造は、少なくとも直交する二方向に独立して変位可能な構造であり、二方向の中のいずれかの方向に負荷がかかる際はその方向のみ変位し、他方向には不動となるものである。

本考案は、このような少なくとも二方向に独立して変位可能な新規なスプリング構造を提供することを目的とする。また、本考案は、このスプリング構造を用いることにより特別なガイド部材が不要で安定して移動させることのできる可動機構を提供することを目的とする。

上記の目的は、次のスプリング構造によって達成される。すなわち、
１．互いに直交する３軸をＸ軸・Ｙ軸・Ｚ軸としたとき、
第１平板部と第１平板部の２倍の面積の第２平板部と第１平板部と同一面積の第３平板部とをＹＺ平面に平行に所定間隔を置いて並べ、前記第２平板部のＹ方向端辺を前記第１平板部のＹ方向端辺と接続するとともに、前記第２平板部の−Ｙ方向端辺を前記第１平板部の−Ｙ方向端辺と接続した構造の基本ユニットを、Ｙ軸の廻りに１８０度回転させて互い違いに偶数個接合したことを特徴とするスプリング構造。
２．複数の前記基本ユニットからなる構造体を少なくとも２つ互いにＸ軸の廻りに９０度回転させて接合したことを特徴とする前記１に記載のスプリング構造。
３．基準固定台と、可動台と、当該可動台を駆動する駆動機構を有する可動機構であって、前記基準固定台と前記可動台の間で、前記基準固定台の一端側と他端側とに、Ｙ軸に関して対称的に前記１又は２に記載のスプリング構造を設置したことを特徴とする可動機構。
４．前記駆動機構は、前記スプリング構造の中心に開けられた穴の中に配置されることを特徴とする前記３に記載の可動機構。
５．基準固定台と、可動台と、当該可動台を駆動する駆動機構を有する可動機構であって、前記基準固定台と前記可動台の間に、前記基準固定台に対して対称的に、１対又は複数対の波型構造のスプリングを設置したことを特徴とする可動機構。
６．前記波型構造のスプリングが、前記１又は２に記載のスプリング構造であることを特徴とする可動機構。

上記の本考案のスプリング構造によれば、簡単な構造で少なくとも直交する二方向に可動であり、ストロークを大きくすることのできるスプリング構造を提供できる。

また、可動機構に組み込むとき、本考案のスプリング構造を固定台と可動台の閧に対称的に配置することにより、可動方向へ付勢される場合他の方向には不動となる。そのため、ガイド部材などの補助機構は不要となる。従って、本考案の可動機構は、ガタが生じず、高精度でありながら、軽量で構造が簡単であり、装置への組み込みやメンテナンスも容易という効果を持つ。

本考案の第１実施形態のスプリング構造を示す斜視図及び側面図。 前記スプリング構造のＸ方向及びＹ方向の変位状態を示す側面図。 本考案の第２実施形態のスプリング構造を示す斜視図。 本考案のスプリング構造を用いたＸＹＺテーブルを示す部分斜視図。

図１（Ａ）は、本考案の第１実施形態のスプリング構造を示す斜視図、図１（Ｂ）は、そのＺ方向から見た側面図である。また、図２（Ａ）は、このスプリング構造をＸ方向に変位させた状態を示す側面図、図２（Ｂ）は、スプリング構造を−Ｘ方向に変位させた状態を示す側面図、図２（Ｃ）は、スプリング構造をＹ方向に変位させた状態を示す側面図、図２（Ｄ）は、スプリング構造を−Ｙ方向に変位させた状態を示す側面図である。これらの図を用いてまず第１実施形態のスプリング構造を説明する。

以降の説明において、互いに直交する３軸をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸とし、原点Ｏからプラス方向とマイナス方向を分けて使用する。例えば、プラスＸ方向は、図１（Ａ）において左奥側から右手前側に向かう方向であり、これをＸ方向と記す。逆にマイナスＸ方向は、右手前側から左奥側に向かう方向であり、これを−Ｘ方向と記す。なお、ＸＹＺは便宜上用いる表記であり、その表記に特段の意味はない。

第１実施形態のスプリング構造は、複数の基本ユニットを互いに違いにＹ軸の廻りに１８０度回転させて接続した構造である（Ｘ軸の迴りに１８０度回転させても同じである）。図１（Ａ）（Ｂ）では、２つの基本ユニットＵ１、Ｕ２を、基本ユニットＵ１に対して基本ユニットＵ２をＹ軸の廻りに１８０度回転させて接続して本考案のスプリング構造としている。基本ユニットＵ１に対して基本ユニットＵ２をＹ軸の廻りに１８０度回転させて接続する理由は、Ｘ軸方向に付勢した時ユニットが基本ユニットＵ１だけでは自由端がＹ軸方向にわずかに変位するため、これを相殺する目的で基本ユニットＵ２を配置するものである。

また、基本ユニットＵ１、Ｕ２からなる構造体を複数連結することにより、そのストロークを大きくとることができる。例えば、従来の弾性変形を利用した位置決めステージでは拡大てこを使ってもせいぜい数百ミクロンしか得られなかったストロークを、高精度を維持したまま格段に大きくすることが可能になる。

図１（Ａ）（Ｂ）は、無負荷の状態、すなわち、スプリング構造に何ら力が作用していない状態を示す図であり、この図において、−Ｘ側の基本ユニットＵ１は、−Ｘ方向からＸ方向に向けて、第１平板部Ｐ１、第２平板部Ｐ２、第３平板部Ｐ３がＹＺ平面に平行に所定の間隔を置いて並んでおり、夫々の平板部を接続部Ｃ１、Ｃ２で接続している。

接続部Ｃ１、Ｃ２は、ＸＺ平面と平行な幅の狭い長方形の形状を持っており、第１平板部Ｐ１のＹ方向の端辺と第２平板部Ｐ２のＹ方向端辺とは、接続部Ｃ１にて接続され、また、第１平板部Ｐ１の−Ｙ方向の端辺と第２平板部Ｐ２の−Ｙ方向端辺とは、接続部Ｃ２にて接続されている。すなわち、接続部Ｃ１、Ｃ２が互い違いに平板部Ｐ１〜Ｐ３を接続している。接続部Ｃ１、Ｃ２は、各平板部と直交する長方形に限らず、円弧状に各平板部を接続するものであってもよい。

各平板部は同じ幅（Ｚ方向）、同じ厚さであり、一方、中央の第２平板部Ｐ２は、第１、第３平板部Ｐ１、Ｐ３の２倍の面積を持つ。接続部Ｃ１、Ｃ２の厚さも各平板部の厚さと同じ厚さである。第２平板部Ｐ２が、第１、第３平板部Ｐ１、Ｐ３の２倍の面積を持つので、第１平板部Ｐ１と第３平板部Ｐ３とは、第２平板部Ｐ２のＹ側と、−Ｙ側に振り分けて接続されて対称性の構造となっている。

基本ユニットＵ２も基本ユニットＵ１と同様の構成であり、第４、第５、第６平板部Ｐ４、Ｐ５、Ｐ６と、これらを接続する接続部Ｃ４、Ｃ５とからなる。

そして、この基本ユニットＵ２をＹ軸の廻りに１８０度回転させて、基本ユニットＵ１に接続している。すなわち、基本ユニットＵ１の第３平板部Ｐ３と基本ユニットＵ２の第４平板部Ｐ４とを接続部Ｃ３で接続する。なお、図１（Ｂ）において、スプリング構造の左右にハッチングで示した部分は、スプリング構造が接続される固定端（図の左側）と可動端（図の右側）であり、それぞれ、接続部Ｃ０、Ｃ６でスプリング構造と接続されている。

このスプリング構造は、側面から見た場合（図１（Ｂ））、Ｙ＝０のＸＺ平面の上側と下側に夫々２つのコの字状部分がある構造となっている。そして、基本ユニットＵ１と基本ユニットＵ２の間の上側部分は平板部Ｐ１−Ｐ２、Ｐ２−Ｐ３間の隙間の３倍の距離を空けて対向している。

別の言い方をすれば、このスプリング構造は、Ｙ＝０のＸＺ平面の上側に、側面と下面とが開放された直方体状の部分が２つと、同下側に、側面と上面とが開放された直方体状の部分が２つとが接合された構造である。

この基本ユニットＵ２の可動端Ｃ６をＸ方向に変位させる力が作用すると、図２（Ａ）に示すように、直方体の開放された部分が開いて伸張した状態になる。逆に、図２（Ｂ）に示すように、基本ユニットＵを−Ｘ方向に変位させる力が作用すると、直方体の開放された部分が閉じて縮んだ状態になる。なお、図において、細線は無負荷状態のスプリング構造を示すものである。

一方、図２（Ｃ）に示すように、基本ユニットＵ２の可動端Ｃ６にＹ方向の力が作用すると、基本ユニット全体は、直方体の開放された部分が開くとともに、全体的に上方に撓んで可動端がＹ方向に変位する。図２（Ｄ）は、−Ｙ方向の力が作用した場合を示し、図２（Ｃ）と上下逆の状態となっている。Ｙ方向、−Ｙ方向の力が作用するとき、可動端Ｃ６はＸ方向にわずかに変位するが、この変位は、２つの構造体を固定部の両側、すなわち、Ｘ軸上と−Ｘ軸上に対称的に配置して相殺することで、Ｘ方向にはまったく変位しない構造とできる。

本考案のスプリング構造は、上記のように変位をするが、この変位を起こす力が作用しなくなると、スプリングの復元力により元の状態（図１（Ｂ）の状態）に戻る。また、Ｘ方向、Ｙ方向いずれの方向の力が作用している場合でも構造の対称性が保たれているためにＺ方向にはまったく変位しない。

なお、これまで説明したスプリング構造は、基本ユニットを２つ接続した構造であるが、さらに多くの基本ユニットを接続することもできる。このときも順次接続する基本ユニットをＹ軸廻りに１８０度回転して接続し、接続する基本ユニットの数は偶数個にする。

図３は、本考案の第２実施形態のスプリング構造を示す斜視図である。第２実施形態は、ＸＹＺの３方向に変位可能なスプリング構造であり、第１実施形態のスプリング構造を２つ組み合わせた構造である。すなわち、第１実施形態のスプリング構造を持つ第１構造体Ｖ１と第２構造体Ｖ２を、第１構造体Ｖ１に対して第２構造体Ｖ２をＸ軸の廻りに９０度回転させて接続したものである。

図３において、第１構造体Ｖ１、第２構造体Ｖ２は、夫々第１の実施形態で説明した第１〜６平板部Ｐ１〜Ｐ６、接続部Ｃ０〜Ｃ６からなり、第１構造体Ｖ１と第２構造体Ｖ２とは、接続平板部Ｐｐによって接続される。第２構造体Ｖ２を接続平板部Ｐｐに接続する際、第２構造体Ｖ２を第１構造体Ｖ１に対してＸ軸廻りに９０度回転させて接続する。従って、第１構造体Ｖ１の各平板部を接続する接続部Ｃ０〜Ｃ６は、ＸＺ平面に平行な状態であるが、第２構造体Ｖ２の各平板部を接続する接続部Ｃ０〜Ｃ６は、ＸＹ平面に平行な状態となる。

このような構造によって、第１構造体Ｖ１はＸ方向とＹ方向に変位可能であり、第２構造体Ｖ２はＸ方向とＺ方向に変位可能となる。従って、全体的には、ＸＹＺの各方向に変位可能となる。そして、第１実施形態と同様に、固定部の両側に対称的にこのスプリング構造を配置することで、いずれかの方向に変位している際にも他の２方向にはまったく変位しない。

次に、以上のような本考案のスプリング構造を製作する材料と製法について説明する。スプリング構造に用いられる材料は、可撓性材料であり、アルミニウム合金、ばね鋼、ステンレスなどの金属やプラスチックなどを用いることができる。

アルミニウム合金では、例えば、Ａｌ−Ｍｇ合金のＡ５０５２などが好適である。金属材料から本考案のスプリング構造を製作する製法については、切削加工や放電加工を用いることができる。切削加工の場合、直方体状の金属材料をＮＣ制御される精密切削機械によって図１の形状に切削する。

また、放電加工の中でもワイヤ放電加工は、ワイヤを電極としてアーク放電により被加工部分を除去し、除去した微粒子は、水や油などの誘電体の液体で取り除くものである。第１実施形態は、二次元加工のため、切削加工でよいが、第２実施形態は、三次元加工となるため、ワイヤ放電加工が好適である。

また、プラスチックを材料とする場合は、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリカーボネート（ＰＣ）などのエンジニアリングプラスチックを用いることができる。また、製法としては、切削加工や射出成形を用いることができる。

上記した第１、第２いずれの実施形態であっても、一体構造に加工できる加工方法を選択することで、構造の連続性、対称性を確保することができる。

図４は、上述した本考案のスプリング構造を用いた可動構造の例として、ＸＹＺ方向に移動可能なテーブルを示す。

図４において、固定台１０の周囲に４つのスプリング構造Ｓ１〜Ｓ４が接続される。すなわち、固定台１０のＸ軸側の面にスプリング構造Ｓ１を、−Ｘ軸側の面にスプリング構造Ｓ２を設け、同様に固定台１０のＺ軸側の面にスプリング構造Ｓ３を、−Ｚ軸側の面にスプリング構造Ｓ４を設けてある。スプリング構造Ｓ１とＳ２、スプリング構造Ｓ３とＳ４とは、夫々Ｙ軸に対して対称的に配置される。

ここで用いるスプリング構造Ｓ１〜Ｓ４は、図３で説明した第２実施形態のスプリング構造であり、夫々の接続部Ｃ０を固定台１０の各面にあたるように接続している。なお、図４では、スプリング構造Ｓ１のみ実際の形状を記載し、他のスプリング構造Ｓ２〜Ｓ４は角柱の形に省略して記載してある。

この構成において、スプリング構造Ｓ１、Ｓ２はＸ・−Ｘ方向に伸縮可能で、Ｙ・−Ｙ方向及びＺ・−Ｚ方向に変位可能であり、スプリング構造Ｓ３、Ｓ４はＺ・−Ｚ方向に伸縮可能で、Ｘ・−Ｘ方向及びＹ・−Ｙ方向に変位可能である。

このように固定台１０に取り付けられたスプリング構造Ｓ１〜Ｓ４に対して可動台２０が設置される。可動台２０は、内部が中空であり下面を開放した構造で、固定台１０とスプリング構造Ｓ１〜Ｓ４を覆うようにかぶせられる。そして、各スプリング構造Ｓ１〜Ｓ４の可動端が可動台２０の内側に一体的に固定されている。なお、可動台２０は模式的に枠体の形に表しているが、各スプリング構造Ｓ１〜Ｓ４の可動端を可動台２０の内側に固定するための構造を有している（図示せず）。

そして、固定台１０と可動台２０の間には、３つの駆動機構Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚが３軸方向に１個ずつ（図４では−Ｘ軸側の面、Ｙ軸側の面、Ｚ軸側の面）にそれぞれ設けられ、可動台２０をＸ・−Ｘ方向、Ｙ・−Ｙ方向、Ｚ・−Ｚ方向に個別に付勢するようになっている。駆動機構をスプリング構造の中央に設けるために、スプリング構造Ｓ２、Ｓ３の中心には大きめの穴Ｓ２０、Ｓ３０が開けられており、この穴の中央に駆動機構が配置される。なお、駆動機構を設ける面は、反対側の面でもよい。このような駆動機構Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚとしては、圧電アクチュエータなどの機構を用いることができる。

以上の構成において駆動機構が作動していない状態では、スプリング構造Ｓ１〜Ｓ４が、可動台２０をＸＺ平面内の中立位置に保持している。この状態からいずれかの駆動機構が作動すると、その方向に可動台２０が移動し、その移動方向に応じてスプリング構造Ｓ１〜Ｓ４が圧縮・伸張・変位する。例えば、Ｘ方向に駆動されると、スプリング構造Ｓ１は圧縮され、スプリング構造Ｓ２は伸張する。そして、スプリング構造Ｓ３、Ｓ４は、Ｘ方向に撓むよう変形する。また、駆動機構Ｍｙが作動してＹ方向に駆動力が働くと、各スプリング構造Ｓ１〜Ｓ４はＹ方向に変位して可動台２０を移動させる。

そして、駆動機構の駆動力が解除されると、各スプリング構造Ｓ１〜Ｓ４の復元力で元の中立位置に復帰する。

通常、ＸＹテーブルのような可動機構は、ガイドレールなどの移動方向を規制する部材が設けられるが、本考案の可動機構にはそのようなガイド機構は不要である。これは、各駆動機構が与える方向の駆動力に対してその方向のみの変位を行うよう、本考案のスプリング機構が機能するからである。

図４で示した可動機構は、中央に固定台を配置し、周りにスプリング構造を対称的に設け、その周りに可動台を配置した構造であるが、この逆の配置も可能である。すなわち、中央に可動台の支持部を配置し、周りにスプリング構造を対称的に設け、その周りに固定台を配置した構造である。

本考案のスプリング構造は、例えば、加速度計のスプリングなど種々の分野のスプリングとして用いることが可能である。

本考案の可動機構のサイズは、特に限定されるものではないが、本考案のスプリング構造が、簡単な構造でありながら高精度を有するので、工作機械の精密送りＸＹステージ、半導体製造装置用超精密ＸＹ（Ｚ）ステージなどや、走査型トンネル顕微鏡や走査型プローブ顕微鏡などの精密測定装置の試料ステージ、或いはカメラの撮像素子を直交する２方向に変位させる手振れ防止機構などに組み込む小型可動機構として最適である。

本考案のスプリング構造の利点を再度整理すると、以下の通りである。
１）ばねの弾性変形（一般に１ｍｍ以下と微小）の直列結合を応用して大きなストロークが得られる。
２）一体構造のため、ガタ（ヒシテレシス）による摩擦がなく、そのため運動の再現性が高い上に位置決めの制御がしやすい。
３）可動機構に適用すると、ＸＹの２方向、又はＸＹＺの３方向の駆動が可能である。
４）高精度でありながら、軽量で構造が簡単であり、装置への組み込みやメンテナンスも容易である。

Ｕ、Ｕ１、Ｕ２ 基本ユニット
Ｐ１ 第１平板部
Ｐ２ 第２平板部
Ｐ３ 第３平板部
Ｐ４ 第４平板部
Ｐ５ 第５平板部
Ｐ６ 第６平板部
Ｃ０、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５、Ｃ６ 接続部
Ｖ１ 第１構造体
Ｖ２ 第２構造体
Ｐｐ 接続平板部
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４ スプリング構造
Ｓ２０、Ｓ３０ 穴
１０ 固定台
２０ 可動台
Ｍｘ、Ｍｙ、Ｍｚ 駆動機構

Claims (6)

1. 互いに直交する３軸をＸ軸・Ｙ軸・Ｚ軸としたとき、
   第１平板部と第１平板部の２倍の面積の第２平板部と第１平板部と同一面積の第３平板部とをＹＺ平面に平行に所定間隔を置いて並べ、前記第２平板部のＹ方向端辺を前記第１平板部のＹ方向端辺と接続するとともに、前記第２平板部の−Ｙ方向端辺を前記第１平板部の−Ｙ方向端辺と接続した構造の基本ユニットを、Ｙ軸の廻りに１８０度回転させて互い違いに偶数個接合したことを特徴とするスプリング構造。
2. 複数の前記基本ユニットからなる構造体を少なくとも２つ互いにＸ軸の廻りに９０度回転させて接合したことを特徴とする請求項１に記載のスプリング構造。
3. 基準固定台と、可動台と、当該可動台を駆動する駆動機構を有する可動機構であって、前記基準固定台と前記可動台の間で、前記基準固定台の一端側と他端側とに、Ｙ軸に関して対称的に請求項１又は２に記載のスプリング構造を設置したことを特徴とする可動機構。
4. 前記駆動機構は、前記スプリング構造の中心に開けられた穴の中に配置されることを特徴とする請求項３に記載の可動機構。
5. 基準固定台と、可動台と、当該可動台を駆動する駆動機構を有する可動機構であって、前記基準固定台と前記可動台の間に、前記基準固定台に対して対称的に、１対又は複数対の波型構造のスプリングを設置したことを特徴とする可動機構。
6. 前記波型構造のスプリングが、前記１又は２に記載のスプリング構造であることを特徴とする可動機構。

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