JP3581920B2

JP3581920B2 - 運動変換装置及び衝撃吸収緩衝装置

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Publication number: JP3581920B2
Application number: JP06829799A
Authority: JP
Inventors: 眞二西脇; 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: 2004-10-27
Anticipated expiration: 2019-03-15
Also published as: JP2000257688A; US6264182B1

Description

【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】
上記目的達成するため第１の発明は、直線運動及び回転運動のいずれか一方の運動を他方の運動へ変換する運動変換装置であって、一端が基底に固定されると共に弾性変形する直線状の第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直線状の第２の梁と、前記第１の梁における前記第２の梁の一端が固定された位置に一端が固定された弾性変形する直線状の第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つの枝状配置要素が循環するように、隣り合う各枝状配置要素の第１の梁の他端と第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の梁が前記基底に対して傾斜し、かつ各第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。
【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、直線状であり、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、直線状であり、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、直線状であり、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つの枝状配置要素が循環するように、隣り合う各枝状配置要素の第１の梁の他端と第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、直線運動及び回転運動のいずれか一方の運動を他方の運動へ変換する運動変換装置であって、一端が基底に固定されると共に弾性変形する直線状の第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直線状の第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直線状の第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が循環するように、隣り合う各枝状配置要素の第１の梁の他端と第２の梁の他端とが固定され、前記複数の枝状配置要素の各第１の梁が前記基底に対して傾斜するように各第１の梁の一端が前記基底に固定されたことを特徴とする。
【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。
第２の梁の一端は、第１の梁の中央部と他端との間に固定される。
【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１００〜４００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１００〜４００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１１、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３１２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１１１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１００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２００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３００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３４２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１００〜６００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Ｐ_１に直線方向に荷重あるいは変位ｆ_１を与えると、各枝状配置要素の基底梁の他端Ｐ_２、Ｐ_３、Ｐ_４、Ｐ_５はそれぞれｆ_２、ｆ_３、ｆ_４、ｆ_５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Ｐ_１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Ｐ_２、Ｐ_３、Ｐ_４、Ｐ_５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Ｐ_２、Ｐ_３、Ｐ_４、Ｐ_５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Ｐ_２、Ｐ_３、Ｐ_４、Ｐ_５にそれぞれｆ_２、ｆ_３、ｆ_４、ｆ_５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Ｐ_１は直線方向ｆ_１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Ｐ_２、Ｐ_３、Ｐ_４、Ｐ_５においてｆ_２、ｆ_３、ｆ_４、ｆ_５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ｔ^１（荷重）を作用させ、そのときの変形場はｕ^１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ｔ^２を作用させ、そのときの変形場はｕ_２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ｔ^１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Ｌ^２（ｕ^１）を最大化することにより、表面力ｔ^１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Γｔ^１に表面力ｔ^１を作用させた時に、Γｔ^２が表面力ｔ^２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Γｔ^１が表面力ｔ^１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Γｔ^２が反力表面力−ｔ^２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、χΩ＝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、χΩ＝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（ｓｏｌｉｄｍａｔｅｒｉａｌ）。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、χΩ＝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ｆ_１、直進運動を作用させる位置Ｐ_１、回転運動させる点Ｐ_２、Ｐ_３、Ｐ_４、Ｐ_５、及び回転運動させる点Ｐ_２、Ｐ_３、Ｐ_４、Ｐ_５のねじり方向ｆ_２、ｆ_３、ｆ_４、ｆ_５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６２、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１０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１２０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）

Claims

直線運動及び回転運動のいずれか一方の運動を他方の運動へ変換する運動変換装置であって、
一端が基底に固定されると共に弾性変形する直線状の第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直線状の第２の梁と、
前記第１の梁における前記第２の梁の一端が固定された位置に一端が固定された弾性変形する直線状の第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つの枝状配置要素が循環するように、隣り合う各枝状配置要素の第１の梁の他端と第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の梁が前記基底に対して傾斜し、かつ各第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。
直線運動及び回転運動のいずれか一方の運動を他方の運動へ変換する運動変換装置であって、
一端が基底に固定されると共に弾性変形する直線状の第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直線状の第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直線状の第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が循環するように、隣り合う各枝状配置要素の第１の梁の他端と第２の梁の他端とが固定され、
前記複数の枝状配置要素の各第１の梁が前記基底に対して傾斜するように各第１の梁の一端が前記基底に固定されたことを特徴とする運動変換装置。
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。
前記複数の枝状配置要素の各第１の梁の一端が、互いに直接固定された請求項２又は請求項３記載の運動変換装置。
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。
前記複数の枝状配置要素の各第３の梁の一端を、前記第１の梁における第２の梁の一端が固定された位置に固定した請求項２乃至請求項５の何れか１項に記載の運動変換装置。
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。
前記第２の梁の前記一端は、前記第１の梁の中央部と他端との間に固定されたことを特徴とする請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の運動変換装置。
請求項１〜８の何れか１項の運動変換装置を、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。
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９記載の衝撃吸収緩衝装置。
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つずつ、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、前記枝状配置要素を取り付けた請求項９又は請求項１０記載の衝撃吸収緩衝装置。
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９乃至請求項１１の何れか１項に記載の衝撃吸収緩衝装置。