JP6358392B2

JP6358392B2 - 一体形成された直線移動機構

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Publication number: JP6358392B2
Application number: JP2017514383A
Authority: JP
Inventors: 実黒瀬; 一男濱田; 良彦勝山; 隆神薗; 拓郎小林; 直人谷道; ツイハッピー
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Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2015-07-30
Filing date: 2015-09-10
Publication date: 2018-07-18
Anticipated expiration: 2035-09-10
Also published as: EP3329148A1; US10557533B2; US20170030444A1; WO2017017712A1; JP2017530310A; EP3329148A4; EP3329148B1

Description

本発明は、ばねの弾性を利用した直線移動機構に関する。

精密技術に対する市場需要の増大に伴い、多自由度変位機構、マイクロマニピュレータ等の精密な変位を必要とする機械のための高精度の直線移動アクチュエータが重要となっている。ほとんどの場合、このような微小直線移動アクチュエータは減速ギア機構を使用するが、これには相異なるギア等の複数の部品を必要とするだけでなく、その組立中にギアのバックラッシュ調節等の位置合わせが必要となる。

バックラッシュ調節等の位置合わせを不要にするために、弾性板の組合せを用いて微小直線変位を可能とする簡易な直線移動機構が提案されている（特許文献１参照）。すなわち、２枚の弾性板が一端で固定ブロックに、他端で可動ブロックに固定される。平行に配置されたこれら２枚の弾性板は、略Ｈ字形の湾曲弾性板に接続される。可動ブロックは、Ｈ字形弾性板によって形成される平面に直交する弾性板によって支持される。湾曲弾性板は、その中心でマイクロメータの摺動子に接続される。こうして、摺動子の前進後退により、湾曲弾性板が拡がり方向または狭まり方向に平行弾性板を押し引きすることで、可動ブロックを後退方向または前進方向に直線移動させる。

特開２００３―０７５５７２号公報

しかしながら、上述した減速ギア機構を用いた直線移動アクチュエータは複数の部品、複雑な組立工程および複雑な調節動作を必要とする。また、上記の弾性板の組合せによる弾性を利用した直線移動機構は、複数の弾性板が空間的に配置されるので、構造強度が弱くなり、精密変位を実現するのが困難となる。したがって、上記既存の技術では、軽量、微細で製造が容易な高精度の直線移動機構を実現することができない。

本発明の目的は、精密直線移動を行う新規な直線移動機構であって、構造的に堅牢であり、重量および大きさを容易に縮小でき、製造が簡易で操作が容易な直線移動機構を提供することである。

本発明の第一の態様によれば、直線移動機構は、長軸の一端が固定され他端が可動な弾性楕円リングと、前記弾性楕円リングの短軸の方向に前記弾性楕円リングを変形するように配置された操作部材と、前記弾性楕円リングの他端に固定された可動部材と、前記可動部材を弾性支持するように配置された弾性支持部材と、を備える。
本発明の第二の態様によれば、直線移動機構は、固定部と、前記固定部を共通の固定点として前記固定部を通る直線移動方向線に沿って反対向きに設けられた第１の直線移動部および第２の直線移動部と、を有し、前記第１および第２の直線移動部のそれぞれが、前記直線移動方向線に対して線対称の形状を有し、前記固定部に一端が固定され、前記直線移動方向線に直交する入力方向および入力変位を、前記直線移動方向線に沿った出力方向および出力変位に変換する弾性装置と、前記弾性装置を前記入力方向に前記入力変位だけ変形するように配置された操作部材と、前記直線移動方向線上にある前記弾性装置の他端に固定され、前記弾性装置の変形により前記出力方向に前記出力変位だけ移動する可動部材と、を有し、前記第１および第２の直線移動部のそれぞれの可動部材が独立に、かつ反対向きに直線移動可能である。
本発明の第三の態様によれば、直線移動機構は、固定部と、前記固定部を共通の固定点として、前記固定部に対して反対向きに設けられた第１の直線移動部と第２の直線移動部と、を有し、前記第１および第２の直線移動部のそれぞれが、長軸の一端が前記固定部に固定され他端が可動な弾性楕円リングと、前記弾性楕円リングの短軸の方向に前記弾性楕円リングを変形するように配置された操作部材と、前記弾性楕円リングの前記長軸の他端に固定された可動部材と、前記可動部材を弾性支持するように配置された弾性支持部材と、を備える。

図１は、本発明の第１の実施形態による直線移動機構を例示する斜視図である。図２は、図１に示す直線移動機構を例示する平面図である。図３は、図１に示す直線移動機構の動作を示す図である。図４は、図１に示す直線移動機構の製造工程の一例を示す模式図である。図５は、本発明の第２の実施形態による直線移動機構を例示する斜視図である。図６は、図５に示す直線移動機構を例示する平面図である。図７は、図５に示す直線移動機構の動作を示す図である。図８は、本発明の第２の実施形態による直線移動機構の第１の適用例を例示する斜視図である。図９は、図８に示す第１の適用例で使用されるバイポッドの斜視図である。図１０は、図９に示すバイポッドの側面図である。図１１は、図９に示すバイポッドの平面図である。図１２は、図９に示すバイポッドの制限変位可撓性ジョイントの拡大側面図である。図１３は、一方の方向に湾曲した場合の図１２に示す制限変位可撓性ジョイントの拡大側面図である。図１４は、他方の方向に湾曲した場合の図１２に示す制限変位可撓性ジョイントの拡大側面図である。図１５は、図８に示す第１の適用例の側面図である。図１６Ａは、第１の適用例の動作を説明するための、図８に示す第１の適用例の模式的側面構造図である。図１６Ｂは、第１の適用例の動作を説明するための、図８に示す第１の適用例の模式的側面構造図である。図１６Ｃは、第１の適用例の動作を説明するための、図８に示す第１の適用例の模式的側面構造図である。図１６Ｄは、第１の適用例の動作を説明するための、図８に示す第１の適用例の模式的側面構造図である。図１７は、本発明の第２の実施形態による直線移動機構の第２の適用例である六脚台機構を例示する側面図である。図１８は、図１７に示す第２の適用例を例示する斜視図である。図１９は、図１７に示す第２の適用例を例示する平面図である。図２０は、載置台を取り外した状態における、図１７に示す第２の適用例を例示する平面図である。図２１は、載置台およびすべてのバイポッドを取り外した状態における、図１７に示す第２の適用例を例示する平面図である。図２２は、本発明の第１の実施形態による直線移動機構の第３の適用例であるマイクロマニピュレータの機械的および電子的構造を例示する図である。

直線移動機構は、入力方向および入力変位を、入力方向に直交する出力方向および入力変位よりも小さい出力変位に変換するように構成される。直線移動機構は、入力方向および出力方向が一平面上にある２次元構造を有する。出力変位と入力変位の比は、直線移動機構を構成する弾性部材のばね定数によって決定されてもよい。

より具体的には、直線移動機構は、弾性材料からなり一体形成された楕円リング部、操作部、可動部および支持部を有してもよい。楕円リング部は、その長軸の一端が固定され長軸の他端が可動な状態で、操作方向を直交方向に変換する機能を有する。操作部は、楕円リング部をその短軸の方向に押圧するように配置される。したがって、操作部が楕円リング部を押圧または引張することにより、楕円リング部は弾性変形し、楕円リング部の長軸に沿って可動部を直線移動させる。

可動部の両側に弾性支持部を設けることで、楕円リング部の長軸に沿った可動部の直線移動を確実にするのが好ましい。弾性支持部は、可動部を両側で固定部に接続する複数の板ばねから構成されてもよい。楕円リング部、操作部および弾性支持部は、さまざまな減速比を提供するように、相異なるばね定数を有してもよい。所望の減速比を得るため、操作部および弾性支持部はそれぞれ、小さいばね定数（軟質ばね（ソフトスプリング））および大きいばね定数（硬質ばね（ハードスプリング））を備えてもよい。以下、本発明のさまざまな実施形態について図面を参照して説明する。

１．第１の実施形態
１．１）構造
図１および図２を参照すると、第１の実施形態による直線移動機構１０は、固定部１０３に接続された固定点１０２および可動部１０５に接続された可動点１０４を有する楕円リング１０１を有する。固定点１０２および可動点１０４は、楕円リング１０１の長軸の両端である。

楕円リング１０１は、楕円リング１０１の短軸の方向の両側にそれぞれ固定された軟質ばね部１０６ａおよび１０６ｂを有する。これにより楕円リング１０１は、軟質ばね部１０６ａと１０６ｂの間に挟持される。軟質ばね部１０６ａおよび１０６ｂはそれぞれの端に操作板１０７ａおよび１０７ｂを備える。軟質ばね部１０６ａおよび１０６ｂは、等しく楕円リング１０１を押圧または引張するように、同じばね定数を有することが好ましい。図１では、軟質ばね部１０６ａおよび１０６ｂは蛇腹（ベローズ）状のばねであるが、これは単なる一例である。

軟質ばね部１０６ａおよび１０６ｂのそれぞれは、互いに平行に配置された２個の軟質ばねから構成されるのが好ましい。より具体的には、図２に示すように、軟質ばね部１０６ａは２個の軟質ばね１０６ａ１および１０６ａ２から構成され、これらは平行に配置され、楕円リング１０１の短軸に関して対称であってもよい。軟質ばね部１０６ｂは、軟質ばね部１０６ａと同じ配置の２個の軟質ばね１０６ｂ１および１０６ｂ２から構成される。この２平行ばね配置により、位置ずれの効果を除去した自己位置合わせ機能を実現し、操作板１０７ａおよび１０７ｂをそれぞれの表面に垂直に押圧または引張することを必要とせずに、可動部１０５を意図通りに直線移動させることが可能となる。

可動部１０５は、その両側で第１および第２の弾性支持部によって支持されることにより、楕円リング１０１の長軸に沿った直線移動を確実にする。可動部１０５の一方の側は第１の弾性支持部に接続される。より具体的には、可動部１０５は、２個の板ばね１０８ａおよび１０９ａを介して可動部１１０ａに接続される。可動部１１０ａはさらに、板ばね１１１ａおよび１１２ａをそれぞれ介して固定部１１３ａおよび１１４ａに接続される。換言すれば、可動部１０５の前記一方の側は、第１のペアの板ばね１０８ａおよび１０９ａならびに第２のペアの板ばね１１１ａおよび１１２ａを介して固定部１１３ａおよび１１４ａに接続される。同様に、可動部１０５の他方の側は、第２の弾性支持部に接続される。これにより可動部１０５は、第１のペアの板ばね１０８ｂおよび１０９ｂ、可動部１１０ｂおよび第２のペアの板ばね１１１ｂおよび１１２ｂを介して固定部１１３ｂおよび１１４ｂに接続されるようになっている。

このようにして、可動部１０５の両側がそれぞれ第１および第２の弾性支持部によって支持されることで、可動部１０５は揺動せずに楕円リング１０１の長軸に沿って安定的に移動する。

また、可動部１０５の前記一方の側の２つの隅が切り取られ、固定部１１３ａおよび１１４ａがそれぞれ切り取り部分に部分的に収まるようになっている。同様に、可動部１０５の他方の側の２つの隅が切り取られ、固定部１１３ｂおよび１１４ｂがそれぞれ切り取り部分に部分的に収まるようになっている。したがって、可動部１０５は、固定部１１３ａと１１３ｂとの間および固定部１１４ａと１１４ｂとの間に可動挟持されることで、可動部１０５の移動が左右に過剰に揺動したり楕円リング１０１の長軸の方向に過剰に変位したりすることが防止されるので、可動部１０５の移動が所定範囲内に限定される。

既に説明したように、１対の軟質ばね部１０６ａおよび１０６ｂならびに２対の板ばね１０８ａおよび１０９ａならびに板ばね１１１ａおよび１１２ａのばね定数は、所望の減速比を得るように適切に選択することができる。次に直線移動機構１０の動作について説明する。

１．２）動作
図３を参照すると、軟質ばね部１０６ａおよび１０６ｂが相互に逆の入力方向２０１ａおよび２０１ｂに押圧または引張されると、楕円リング１０１は矢印２０２ａ、２０２ｂおよび２０３で示されるように変形することで、短軸の長さが減少または増大し、長軸の長さが増大または減少する。固定点１０２は移動が妨げられているので、可動点１０４が方向２０３の方向に移動することにより、可動部１０５は出力方向２０５にわずかに移動する一方、可動部１１０ａおよび１１０ｂも同じ方向２０４ａおよび２０４ｂにそれぞれわずかに移動する。

このようにして、軟質ばね部１０６ａおよび１０６ｂが楕円リング１０１を押圧または引張することにより、楕円リング１０１は弾性変形し、楕円リング１０１の長軸に沿って可動部１０５を直線移動させる。押圧／引張の入力方向は、可動部１０５の直線移動の出力方向に直交する。軟質ばね部１０６ａおよび１０６ｂのばね定数が楕円リング１０１および板ばね１０８ａ、１０９ａ、１１１ａ、１１２ａ、１０８ｂ、１０９ｂ、１１１ｂおよび１１２ｂのばね定数よりも小さい場合、軟質ばね部１０６ａおよび１０６ｂに加わる入力変位量を、可動部１０５の所望の直線移動量に変換することができる。

上記のように、直線移動機構１０は、同じ平面上で動作することが可能であるため、微細化および構造強度が向上するとともに動作が容易になる。

１．３）製造
図４に例示するように、直線移動機構１０のすべての部分１０１〜１１４は、所定厚さの均質材料からなる単一の弾性板１２０から平面構造形状を切り取ることによって一体形成されてもよい。これにより、直線移動機構１０は、すべての部分１０１〜１１４が同じ厚さである２次元構造を有するので、重量および大きさを小さくすることが容易となり、製造が簡単になる。直線移動機構１０の製造には、射出成形、３次元プリンタあるいはＭＥＭＳ（Microelectromechanical Systems）のような他の技術を用いてもよい。

１．４）効果
本発明の第１の実施形態によれば、軟質ばね部の大きい入力変位が、ばね定数比に従って、可動部の小さい直線移動に変換される。これにより、入力変位が低精度で軟質ばね部に加えられても、直線移動機構は高精度の直線移動を提供することができる。ばね定数比が既知の場合、可動部の変位量は、可動部の変位を正確に測定することなく、軟質ばねの入力変位を正確に測定することによって高精度で計算することができる。したがって、本発明の第１の実施形態は、可動部のナノ分解能の移動を達成することができる。

また、上記のように、直線移動機構１０の各部は、均質材料のモノコック設計により、運動法則に従って運動し、滑り機構による推移を必要としないため、運動損失の可能性がなく、以下のことが達成される。
ｉ．確実に予測可能かつ反復可能な移動。
ｉｉ．複雑な位置センサや閉ループサーボ制御なしの正確な移動であるため、開ループ制御が可能。
ｉｉｉ．極低温から４００℃以上までの広い温度範囲で完全に動作。
ｉｖ．押圧／引張機構（入力機構）を考慮する必要のない半永久的な寿命。
ｖ．粒子汚染なし、交差汚染なし。
ｖｉ．腐食性の気体や液体中のような腐食条件に対する高い耐性。

２．第２の実施形態
２．１）構造
図５および図６に示すように、第２の実施形態による直線移動機構２０は、第１の直線移動部３００および第２の直線移動部４００の組合せによって形成される。それぞれの直線移動部は、図１および図２に示した直線移動機構１０とほぼ同じ機能的構造を有する。第１の直線移動部３００および第２の直線移動部４００は、楕円リング３０１および４０１の長軸が互いに一致するように配置される。第１の直線移動部３００および第２の直線移動部４００は、第１の実施形態の固定部１０３に対応する共通の固定部３０３／４０３を有する。したがって、直線移動機構２０は、その両側にそれぞれ可動部３０５および４０５を備える。

より具体的には、第１の直線移動部３００は、固定部３０３に接続された固定点３０２および可動部３０５に接続された可動点３０４を有する楕円リング３０１を有する。固定点３０２および可動点３０４は、楕円リング３０１の長軸の両端である。

楕円リング３０１は、楕円リング３０１の短軸の方向の両側にそれぞれ接続された軟質ばね部３０６ａおよび３０６ｂを有する。軟質ばね部３０６ａおよび３０６ｂはそれぞれの端に操作板３０７ａおよび３０７ｂを備える。軟質ばね部３０６ａおよび３０６ｂは、等しく楕円リング３０１を押圧または引張するように、同じばね定数を有するのが好ましい。図５では、軟質ばね部３０６ａおよび３０６ｂはベローズ形のばねであるが、これは単なる一例である。軟質ばね部３０６ａおよび３０６ｂのそれぞれは、第１の実施形態の軟質ばね部１０６ａおよび１０６ｂと同様の２平行ばね配置を有する。

可動部３０５は、その両側で弾性支持部によって支持されることにより、楕円リング３０１の長軸に沿った直線移動を確実にする。弾性支持部は第１の実施形態の第１および第２の弾性支持部と同様であるので、詳細な説明は省略する。可動部３０５の両側がそれぞれ弾性支持部によって支持されることで、可動部３０５は揺動せずに楕円リング３０１の長軸に沿って安定的に移動する。

既に説明したように、１対の軟質ばね部３０６ａおよび３０６ｂならびに弾性支持部のばね定数は、所望の減速比を得るように適切に選択することができる。

第２の直線移動部４００の構造は第１の直線移動部３００と同様である。略言すれば、第２の直線移動部４００は、固定部４０３に接続された固定点４０２と可動部４０５に接続された可動点４０４とを有する楕円リング４０１を有する。固定点４０２および可動点４０４は、楕円リング４０１の長軸の両端である。楕円リング４０１は、楕円リング４０１の短軸の方向の両側にそれぞれ接続された軟質ばね部４０６ａおよび４０６ｂを有する。軟質ばね部４０６ａおよび４０６ｂはそれぞれの端に操作板４０７ａおよび４０７ｂを備える。可動部４０５は、その両側で弾性支持部によって支持されることにより、楕円リング４０１の長軸に沿った直線移動を確実にする。

２．２）動作
図７を参照すると、操作板３０７ａおよび３０７ｂが逆方向に動作することにより、軟質ばね３０６ａおよび３０６ｂは、第１の実施形態で述べたように同時に押圧または引張される。同様に、操作板４０７ａおよび４０７ｂが操作板３０７ａおよび３０７ｂと同様に、しかし操作板３０７ａおよび３０７ｂとは独立に動作する。これにより、軟質ばね部３０６ａおよび３０６ｂならびに軟質ばね部４０６ａおよび４０６ｂが押圧または引張されると、楕円リング３０１および４０１が変形し、それによって可動部３０５および４０５がそれぞれ方向３０９および４０９の方向に移動する。

このようにして、操作板３０７ａおよび３０７ｂならびに操作板４０７ａおよび４０７ｂがそれぞれ楕円リング３０１および４０１を弾性変形させることにより、可動部３０５および４０５は楕円リング３０１および４０１の長軸に沿って直線移動する。

軟質ばね部を押圧／引張する方向は、可動部３０５および４０５の直線移動の方向に直交する。軟質ばね部３０６ａ、３０６ｂ、４０６ａおよび４０６ｂのばね定数が楕円リング３０１および４０１ならびに弾性支持部のばね定数よりも小さい場合、軟質ばね３０６ａ、３０６ｂ、４０６ａおよび４０６ｂに加わる入力変位量を、可動部３０５および４０５の所望の直線移動量に変換することができる。これにより、直線移動機構２０は、第１の実施形態と同様の効果を達成することができる。

２．３）製造
図４に示した第１の実施形態と同様に、直線移動機構２０のすべての部分も、例えば、所定厚さの単一の弾性板から平面構造形状を切り取ることによって一体形成されてもよい。これにより、すべての部分が同じ厚さである２次元構造を有する直線移動機構２０を製造することができるので、重量および大きさの低減が容易となり、製造が簡単になる。直線移動機構２０の製造には、射出成形、３次元プリンタあるいはＭＥＭＳのような他の技術を用いてもよい。

３．適用例
３．１）調整可能な支持組立体
３．１．１）構造
図８を参照すると、支持組立体は、バイポッド（二脚台）６００および第２の実施形態で説明した直線移動機構２０から構成される。バイポッド６００は、２本の支持ロッド６０１および６０２を有し、それらの一端は上側で接続され、そこに載置部６０３が設けられて逆Ｖ字形のバイポッドを形成する。支持ロッド６０１および６０２の他端は、第１の直線移動部３００の可動部３０５および第２の直線移動部４００の可動部４０５にそれぞれ固定される。支持ロッド６０１および６０２は同じ構造を有する。以下、図９〜図１１に示す支持ロッド６０１の構造を例として説明する。

３．１．２）バイポッド
図９〜図１１を参照すると、支持ロッド６０１は、固定部６１０、２個の制限変位可撓性ジョイント６１１および６１２、相対的な剛性を有するロッド６１３、ならびに２個の制限変位可撓性ジョイント６１４および６１５を含む脚のような形状を有する。制限変位可撓性ジョイント６１１、６１２、６１４および６１５の各々は、支持ロッド６０１の長手軸に対して直交する可撓性方向Ｄ１とＤ２が交互に、制限された可撓性を提供する。可撓性方向Ｄ１は、支持ロッド６０１および６０２によって形成される平面内で支持ロッド６０１に直交する方向であり、一般的に図１０に例示されている。可撓性方向Ｄ２は、支持ロッド６０１および６０２によって形成される平面に直交する方向であり、一般的に図１１に例示されている。この例では、制限変位可撓性ジョイント６１１および６１４は方向Ｄ２の方向に湾曲可能である一方、制限変位可撓性ジョイント６１２および６１５は方向Ｄ１の方向に湾曲可能である。これにより、支持ロッド６０１は、方向Ｄ１およびＤ２の方向に自由に湾曲可能である。同様に、支持ロッド６０２は、固定部分６２０、２個の制限変位可撓性ジョイント６２１および６２２、相対的な剛性を有する剛体のロッド６２３、ならびに２個の制限変位可撓性ジョイント６２４および６２５を含む脚のような形状を有し、支持ロッド６０２の長手軸に対して直交する可撓性方向Ｄ１およびＤ２に自由に湾曲可能である。

ただし、制限変位可撓性ジョイント６１１、６１２、６１４、６１５、６２１、６２２、６２４および６２５のそれぞれは、屈曲の角度を制限してジョイントの破断を防ぐように設計される。制限変位可撓性ジョイントの詳細な構造について、図１２〜図１４を参照して説明する。

図１２を参照すると、制限変位可撓性ジョイントは、可撓性ブレード６３０と、可撓性ブレード６３０の両側に平行に設けられた１対の屈曲制限部６４０Ｌ１および６４０Ｌ２から構成されて単一のジョイントを形成する。可撓性ブレード６３０は、上記のような可撓性を提供する。屈曲制限部６４０Ｌ１および６４０Ｌ２のそれぞれは、隙間を空けて係合した２個の別体の部品から構成されることで、紙面に垂直な軸の周りに回転する（Ｄで示す）。より具体的には、屈曲制限部６４０Ｌ１の部品の一方（上側部品）は、上側部品から突出した１対の外側ストッパＬ１１および内側ストッパＬ１２と、上側部品の縁に設けられた円筒状凸部Ｌ１３とから構成される。屈曲制限部６４０Ｌ１の部品の他方（下側部品）は、円筒状凸部Ｌ１３と回転自在に係合した円筒状凹部Ｌ１４から構成される。屈曲制限部６４０Ｌ２は、屈曲制限部６４０Ｌ１と同じ構造を有する。より具体的には、屈曲制限部６４０Ｌ２の部品の一方（上側部品）は、上側部品から突出した１対の外側ストッパＬ２１および内側ストッパＬ２２と、上側部品の縁に設けられた円筒状凸部Ｌ２３とから構成される。屈曲制限部６４０Ｌ２の部品の他方（下側部品）は、円筒状凸部Ｌ２３と回転自在に係合した円筒状凹部Ｌ２４から構成される。

図１３に示すように、支持ロッドが方向６５０の方向に屈曲すると、ブレード６３０も同じ方向６５０に湾曲し、屈曲制限部６４０Ｌ１および６４０Ｌ２の上側部品をそれらの下側部品に対してそれぞれ回転させる。それぞれの回転により、ストッパＬ１１およびＬ２２は、参照符号６５１および６５２で示すように、円筒状凹部Ｌ１４およびＬ２４の一方の上縁に当接する。これにより、方向６５０の方向における上側部品の回転がしっかり停止され、ブレード６３０の破断を防ぐ。

図１４に示すように、支持ロッドが逆方向６６０に屈曲すると、ブレード６３０も同じ方向６６０に湾曲し、屈曲制限部６４０Ｌ１および６４０Ｌ２の上側部品を下側部品に対してそれぞれ回転させる。それぞれの回転により、ストッパＬ１２およびＬ２１は、参照符号６６１および６６２で示すように、円筒状凹部Ｌ１４およびＬ２４の他方の上縁に当接する。これにより、方向６６０の方向における上側部品の回転もしっかり停止され、ブレード６３０の破断を防ぐ。

３．１．３）動作
図１５を参照すると、支持組立体は、バイポッド６００および直線移動機構２０から組み立てられる。支持ロッド６０１および６０２は、第１の直線移動部３００の可動部３０５および第２の直線移動部４００の可動部４０５にそれぞれ固定される。これにより、バイポッド６００の載置部６０３は、可動部３０５および４０５の直線移動のそれぞれの方向および変位に応じて、支持ロッド６０１および６０２によって形成される平面上の制限された範囲内で任意の位置に移動することができる。

図１６Ａに示すように、操作板３０７ａおよび３０７ｂならびに操作板４０７ａおよび４０７ｂがそれぞれ楕円リング３０１および４０１を押圧して、直線移動機構２０が可動部３０５と４０５の間の距離を拡大するように相互に逆方向に同じ変位だけ可動部３０５および４０５を移動すると、直線移動機構２０の主面に対するバイポッド６００の高さは、直線移動機構２０の主面に垂直な変位６０５で示すように、可動部３０５および４０５の変位に応じて減少する。

図１６Ｂに示すように、操作板３０７ａおよび３０７ｂならびに操作板４０７ａおよび４０７ｂがそれぞれ楕円リング３０１および４０１を引張して、直線移動機構２０が可動部３０５と４０５の間の距離を縮小するように相互に逆方向に同じ変位だけ可動部３０５および４０５を移動すると、直線移動機構２０の主面に対するバイポッド６００の高さは、直線移動機構２０の表面に垂直な変位６０５で示すように、可動部３０５および４０５の変位に応じて増大する。

図１６Ｃおよび図１６Ｄに示すように、操作板３０７ａおよび３０７ｂが楕円リング３０１を押圧／引張し、操作板４０７ａおよび４０７ｂが楕円リング４０１を引張／押圧して、直線移動機構２０が可動部３０５および４０５を同じ変位だけ同じ方向に移動すると、バイポッド６００は、直線移動機構２０の主面に平行な変位６０４で示すように、そのまま同じ変位だけ同じ方向に移動する。

３．１．４）製造
上記のような構造のバイポッド６００は、十分な強度の弾性材料からなり、射出成形、３次元プリンタあるいはＭＥＭＳのような任意の技術を用いて一体形成してもよい。

３．２）ヘクサポッド構成
３．２．１）構造
図１７〜図２１を参照すると、６自由度を有するヘクサポッド（六脚台）構成は、底板７０１、上板７０２ならびに３個の支持組立体Ａ、ＢおよびＣを有する。支持組立体Ａ、ＢおよびＣのそれぞれは、図８に示すようなバイポッド（６００Ａ，６００Ｂ，６００Ｃ）および直線移動機構（２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ）から構成される。支持組立体Ａ、ＢおよびＣは、一般的に図２０に示すように、正三角形構成で底板７０１上に固定配置される。上板７０２は、バイポッド６００Ａ、６００Ｂおよび６００Ｃの載置部に固定される。これにより、上板７０２は、３個の位置調整可能な点によって支持される。

一例として、底板７０１は円形であり、上板７０２は星形である。上板７０２は、３個の脚部７０２Ａ、７０２Ｂおよび７０２Ｃから形成され、隣り合う２個の脚部の間の角が１２０度となるように中心点で接合されてもよい。３個の脚部７０２Ａ、７０２Ｂおよび７０２Ｃは、一般的に図１８に示すように、それぞれ支持組立体Ａ、ＢおよびＣによって支持される。言うまでもなく、上板７０２は円形でもよい。また、上板７０２は、光学系（例えば鏡、プリズムあるいはレンズ）のような精密調整を必要とする載置物でもよい。

既に説明したように、直線移動機構２０Ａは第１および第２の直線移動部３００Ａおよび４００Ａを有し、これらはそれぞれ可動部３０５Ａおよび４０５Ａを移動可能である。これにより、図１６Ａ〜図１６Ｄに示したように、直線移動機構２０Ａに固定されたバイポッド６００Ａの載置部６０３Ａは、可動部３０５Ａおよび４０５Ａの直線移動のそれぞれの方向および変位に応じて、バイポッド６００Ａの支持ロッド６０１Ａおよび６０２Ａによって形成される平面上の制限された範囲内で任意の位置に移動することができる。直線移動機構２０Ｂおよび２０Ｃについても同様である。

３．２．２）動作
上板７０２は支持組立体Ａ、ＢおよびＣによって支持されているので、上板７０２の位置および／または傾きは、直線移動機構２０Ａ、２０Ｂおよび２０Ｃの少なくとも１つの直線移動の拡大、縮小または平行移動を独立に制御することによって変化させることができる。以下、ヘクサポッドの一般的動作について、一例として図１６Ａ〜図１６Ｄおよび図１８を参照して説明する。

図１６Ａに示すように、操作板３０７ａおよび３０７ｂならびに操作板４０７ａおよび４０７ｂがそれぞれ楕円リング３０１および４０１を押圧して、直線移動機構２０が可動部３０５および４０５を拡大方向に移動すると、バイポッド６００の高さは減少する。図１６Ｂに示すように、操作板３０７ａおよび３０７ｂならびに操作板４０７ａおよび４０７ｂがそれぞれ楕円リング３０１および４０１を引張して、直線移動機構２０が可動部３０５および４０５を縮小方向に移動すると、バイポッド６００の高さは増大する。図１６Ｃおよび図１６Ｄに示すように、操作板３０７ａおよび３０７ｂが楕円リング３０１を押圧／引張し、操作板４０７ａおよび４０７ｂが楕円リング４０１を引張／押圧して、直線移動機構２０が可動部３０５および４０５を同じ変位だけ同じ方向に移動すると、バイポッド６００は平行移動する。これにより、上板７０２は、それぞれの直線移動機構２０Ａ、２０Ｂおよび２０Ｃによって提供される移動の方向および変位の組合せによって６方向に自由に移動可能である。

直線移動機構２０Ｂおよび２０Ｃを作動させず、直線移動機構２０Ａのみが可動部３０５Ａと４０５Ａの間の距離を拡大するように相互に逆方向に同じ変位だけ可動部３０５Ａおよび４０５Ａを移動すると仮定する。この場合、直線移動機構２０Ａの主面に対するバイポッド６００Ａの高さは減少し、上板７０２は脚部７０２Ａの方に傾く。逆に、直線移動機構２０Ａのみが可動部３０５Ａと４０５Ａの間の距離を縮小するように相互に逆方向に同じ変位だけ可動部３０５Ａおよび４０５Ａを移動すると、直線移動機構２０Ａの主面に対するバイポッド６００Ａの高さは増大し、上板７０２は脚部７０２Ｂと７０２Ｃの間の中心線の方に傾く。

直線移動機構２０Ｃのみを作動させず、直線移動機構２０Ａおよび２０Ｂが、対応する可動部の間の距離を拡大するように相互に逆方向に同じ変位だけ対応する可動部を移動するように作動すると仮定する。この場合、バイポッド６００Ａおよび６００Ｂの高さは両方とも低くなり、上板７０２は脚部７０２Ａと７０２Ｂの間の中心線の方に傾く。逆に、直線移動機構２０Ａおよび２０Ｂが、対応する可動部の間の距離を縮小するように相互に逆方向に同じ変位だけ対応する可動部を移動するように作動すると、バイポッド６００Ａおよび６００Ｂの高さは両方とも高くなり、上板７０２は脚部７０２Ｃの方に傾く。

直線移動機構２０Ｃのみを作動させず、直線移動機構２０Ａおよび２０Ｂが、対応する可動部を同じ方向に同じ変位だけ移動するように作動すると仮定する。この場合、上板７０２は移動し、脚部７０２Ａと７０２Ｂの間の中心線の方に傾く。

すべての直線移動機構２０Ａ、２０Ｂおよび２０Ｃが、対応する可動部を同じ方向に同じ変位だけ移動するように作動すると仮定すると、バイポッド６００Ａ、６００Ｂおよび６００Ｃは回転し、上板７０２は同じ変位だけ同じ方向に回転する。

ヘクサポッド配置は、直線移動機構２０Ａ、２０Ｂおよび２０Ｃを独立に制御することによって、上記の動作以外の上板７０２の精密調整を実行することができる。

３．２．３）効果
既に説明したように、第１または第２の実施形態による直線移動機構によれば、軟質ばね部の大きい入力変位が、ばね定数比に従って、可動部の小さい直線移動に変換される。これにより、入力変位が低精度で軟質ばね部に加えられても、直線移動機構を用いたヘクサポッドシステムは高精度で上板を移動することができる。ばね定数比が既知の場合、上板の変位量は、上板の変位を正確に測定することなく、入力変位を正確に測定することによって高精度で計算することができる。

３．３）マイクロマニピュレータ
ＭＥＭＳ技術を用いて、第１または第２の実施形態による直線移動機構を容易に微細化することができる。このような微細化された直線移動機構は、顕微鏡下で細胞サイズの物体を操作するためのマイクロマニピュレータ用の移動縮小機構として利用できるので好ましい。

図２２に例示するように、マイクロマニピュレータは、第１の実施形態による１対の微細化された直線移動機構１０Ａおよび１０Ｂを使用する。直線移動機構１０Ａおよび１０Ｂの可動部１０５はそれぞれマイクロツール８０１および８０２を備え、これらは顕微鏡下で細胞サイズの試料を保持、切断あるいは操作するために用いられる。

直線移動機構１０Ａおよび１０Ｂの軟質ばね１０４ａおよび１０４ｂはそれぞれ駆動部によって駆動される。マニピュレータ制御部が、モニタおよび操作パネルを通じたユーザの指令により、顕微鏡および駆動部を制御する。

第１または第２の実施形態による直線移動機構によれば、軟質ばねの大きい駆動入力変位が、ばね定数比に従って、可動部の小さい直線移動に変換される。これにより、駆動入力変位が低精度で軟質ばね部に加えられても、直線移動機構を用いたマイクロマニピュレータは高精度でマイクロツールを移動することができる。

４．他の適用例
本発明は、航空機、宇宙船等のさまざまな過酷環境にさらされ得る６自由度調整装置のような高精度測定装置に適用可能である。

本発明は、その技術思想や本質的特性から逸脱することなく他の具体的形態で実施されてもよい。したがって、上記の実施形態および具体例はすべての点において例示的であって限定的でないとみなすべきであり、本発明の技術的範囲は上記の明細書によってではなく添付の特許請求の範囲によって示される。したがって、特許請求の範囲の意味および均等の範囲内に入るすべての変更は、特許請求の範囲内に包含されるものとする。以下、出願時の特許請求の範囲の請求項１〜１９を付記１〜１９として記載する。
（付記１）
入力方向および入力変位を、前記入力方向に直交する出力方向および出力変位に変換するように配置された弾性装置と、
前記弾性装置を前記入力方向に前記入力変位だけ変形するように配置された操作部材と、
前記弾性装置に固定され、前記出力方向に前記出力変位だけ移動する可動部材と、
を備えた直線移動機構。
（付記２）
前記入力変位と前記出力変位との比が、前記弾性装置および前記操作部材のばね定数の組合せによって決定される付記１に記載の直線移動機構。
（付記３）
前記直線移動機構が、一体形成された２次元構造を有する付記１または２に記載の直線移動機構。
（付記４）
長軸の一端が固定され他端が可動な弾性楕円リングと、
前記弾性楕円リングの短軸の方向に前記弾性楕円リングを変形するように配置された操作部材と、
前記弾性楕円リングの他端に固定された可動部材と、
前記可動部材を弾性支持するように配置された弾性支持部材と、
を備えた直線移動機構。
（付記５）
前記弾性支持部材が、前記可動部材の移動を前記長軸の方向に沿った直線移動に限定する付記４に記載の直線移動機構。
（付記６）
前記操作部材の押圧変位と前記可動部材の直線移動変位との比が、前記弾性楕円リング、前記操作部材および前記弾性支持部材のばね定数の組合せによって決定される付記４または５に記載の直線移動機構。
（付記７）
前記操作部材のばね定数が前記弾性支持部材のばね定数よりも小さい付記６に記載の直線移動機構。
（付記８）
前記操作部材が、前記短軸の方向に前記弾性楕円リングを挟持する１対のばね部を有する付記４ないし７のいずれか１項に記載の直線移動機構。
（付記９）
前記弾性支持部材が、複数の板ばねを介して前記可動部材を挟持する１対の支持部を有する付記４ないし８のいずれか１項に記載の直線移動機構。
（付記１０）
前記直線移動機構が、一体形成された２次元構造を有する付記４ないし９のいずれか１項に記載の直線移動機構。
（付記１１）
第１の直線移動部と、
共通の固定点で前記第１の直線移動部に固定された第２の直線移動部と、
を有し、
前記第１および第２の直線移動部のそれぞれが、
入力方向および入力変位を、前記入力方向に直交する出力方向および出力変位に変換するように配置された弾性装置と、
前記弾性装置を前記入力方向に前記入力変位だけ変形するように配置された操作部材と、
前記弾性装置に固定され、前記出力方向に前記出力変位だけ移動する可動部材と、
を備えた直線移動機構。
（付記１２）
前記第１および第２の直線移動部のそれぞれの前記可動部材が、対応する直線移動部の前記出力方向に独立に移動する付記１１に記載の直線移動機構。
（付記１３）
前記入力変位と前記出力変位との比が、前記弾性装置および前記操作部材のばね定数の組合せによって決定される付記１１または１２に記載の直線移動機構。
（付記１４）
前記直線移動機構が、一体形成された２次元構造を有する付記１１ないし１３のいずれか１項に記載の直線移動機構。
（付記１５）
入力方向に入力変位だけ弾性装置を変形させ、
前記入力方向および前記入力変位を、前記入力方向に直交する出力方向および出力変位に変換し、
前記弾性装置に固定された可動部材を前記出力方向に前記出力変位だけ移動させる、
直線移動方法。
（付記１６）
前記入力変位と前記出力変位との比が、前記弾性装置および前記操作部材のばね定数の組合せによって決定される付記１５に記載の直線移動方法。
（付記１７）
付記１ないし３のいずれか１項に記載の直線移動機構の製造方法であって、
所定厚さの弾性板を用意し、
前記弾性板から前記直線移動機構を切り取る、
直線移動機構の製造方法。
（付記１８）
付記４ないし１０のいずれか１項に記載の直線移動機構の製造方法であって、
所定厚さの弾性板を用意し、
前記弾性板から前記直線移動機構を切り取る、
直線移動機構の製造方法。
（付記１９）
付記１１ないし１４のいずれか１項に記載の直線移動機構の製造方法であって、
所定厚さの弾性板を用意し、
前記弾性板から前記直線移動機構を切り取る、
直線移動機構の製造方法。

Claims

長軸の一端が固定され他端が可動な弾性楕円リングと、
前記弾性楕円リングの短軸の方向に前記弾性楕円リングを変形するように配置された操作部材と、
前記弾性楕円リングの前記他端に固定された可動部材と、
前記可動部材を弾性支持するように配置された弾性支持部材と、
を備えた直線移動機構。
前記弾性支持部材が、前記可動部材の移動を前記長軸の方向に沿った直線移動に限定する請求項１に記載の直線移動機構。
前記操作部材の押圧または引張変位と前記可動部材の直線移動変位との比が、前記弾性楕円リング、前記操作部材および前記弾性支持部材のそれぞれのばね定数の組合せによって決定される請求項１または２に記載の直線移動機構。
前記操作部材のばね定数が前記弾性支持部材のばね定数よりも小さい請求項３に記載の直線移動機構。
前記操作部材が、前記短軸の方向に前記弾性楕円リングを挟持する１対のばね部を有する請求項１ないし４のいずれか１項に記載の直線移動機構。
前記弾性支持部材が、複数の板ばねを介して前記可動部材を挟持する１対の支持部を有する請求項１ないし５のいずれか１項に記載の直線移動機構。
前記弾性楕円リング、前記操作部材、前記可動部材および前記弾性支持部材が、一体形成された２次元構造を有する請求項１ないし６のいずれか１項に記載の直線移動機構。
固定部と、前記固定部を共通の固定点として前記固定部を通る直線移動方向線に沿って反対向きに設けられた第１の直線移動部および第２の直線移動部と、を有し、
前記第１および第２の直線移動部のそれぞれが、
前記直線移動方向線に対して線対称の形状を有し、前記固定部に一端が固定され、前記直線移動方向線に直交する入力方向および入力変位を、前記直線移動方向線に沿った出力方向および出力変位に変換する弾性装置と、
前記弾性装置を前記入力方向に前記入力変位だけ変形するように配置された操作部材と、
前記直線移動方向線上にある前記弾性装置の他端に固定され、前記弾性装置の変形により前記出力方向に前記出力変位だけ移動する可動部材と、
を有し、前記第１および第２の直線移動部のそれぞれの可動部材が独立に、かつ反対向きに直線移動可能である直線移動機構。
固定部と、前記固定部を共通の固定点として、前記固定部に対して反対向きに設けられた第１の直線移動部と第２の直線移動部と、を有し、
前記第１および第２の直線移動部のそれぞれが、
長軸の一端が前記固定部に固定され他端が可動な弾性楕円リングと、
前記弾性楕円リングの短軸の方向に前記弾性楕円リングを変形するように配置された操作部材と、
前記弾性楕円リングの前記長軸の他端に固定された可動部材と、
前記可動部材を弾性支持するように配置された弾性支持部材と、
を備えた直線移動機構。
請求項８または９に記載の直線移動機構の製造方法であって、
所定厚さの弾性板を用意し、
前記弾性板から前記直線移動機構を切り取る、
直線移動機構の製造方法。