JP6521101B2 - 制限変位可撓性機構を有する連結ロッド - Google Patents

制限変位可撓性機構を有する連結ロッド Download PDF

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Description

本発明は、連結ロッドや支持装置で使用可能な制限変位可撓性機構に関する。
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において、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、このような直線移動アクチュエータは、電気機械式または電気油圧式の装置を使用し、この装置は通常、６自由度機構（いわゆるヘキサポッド（六脚台））の各ロッドに設けられる（特許文献１、２参照）。ヘキサポッドシステムでは、６本のロッドのそれぞれが３次元空間内で物体を精密に位置づけるように調整可能である。
６自由度に沿って支持されるべきデバイスの位置を補正可能な載置組立体が特許文献３に開示されている。この載置組立体は３個の載置デバイスを有し、そのそれぞれが２本の辺と１本の可変長アームとからなる変形可能三角形構造を有する。辺のそれぞれは、互いに直交する２枚の平面内に配置された１対の可撓性ストリップを含む無摩擦ヒンジを有する。
特開２０１３−０９６５７４号公報 米国特許第８９７８４８０号明細書 米国特許第６４０２３２９号明細書
しかし、精密位置決めを達成するために高い剛性および強度を有する支持ロッドの場合、複数の部品を用いて機械構造を組み立てる必要があるため、微細化および重量低減が困難となる。他方、上記の載置組立体のように可撓性ストリップが連結ロッドに使用される場合には、重い負荷や厳しい環境下で機械が破損するのを防ぐことが難しい。したがって、従来の技術は、軽量で、微細化され、簡易に製造される高精度のヘキサポッドを実現できない。
本発明の目的は、構造的な堅牢さを達成することができ、重量および大きさの容易な低減と簡易な生産を可能にする新規な制限変位可撓性機構を有する連結ロッドを提供することである。
本発明によれば、制限変位可撓性機構を有する連結ロッドにおいて、前記制限変位可撓性機構は少なくとも１つの制限変位可撓性ジョイントを備え、前記制限変位可撓性ジョイントが、プレート形状の可撓性部材と、前記可撓性部材の屈曲を制限するように前記可撓性部材に平行に配置された少なくとも１つの屈曲制限部と、を備え、前記屈曲制限部が第１の部品と第２の部品とを備え、前記第１の部品が前記第２の部品に対して前記可撓性部材を屈曲させる方向に制限された角の範囲内で回転可能となるように、前記第１の部品と第２の部品とが係合されており、前記第１の部品が、当該第１の部品の端部に設けられた円筒形状の凸部と一対の第１ストッパとを有し、前記一対の第１ストッパが前記連結ロッドの長手方向に対して直交する一対の反対方向にそれぞれ対応する方向に前記第１の部品から外側に突出し、前記第２の部品が、前記一対の第１ストッパにそれぞれ対応する一対の第２ストッパと、当該一対の第２ストッパの間に前記円筒形状の凸部と回転可能に係合する形状の凹部と、を有し、前記第１の部品の前記第２の部品に対する回転が、前記可撓性部材の屈曲に応じて、前記一対の第１ストッパの一方が前記一対の第２ストッパの対応する一方と当接することによって、制限されることを特徴とする。
図１は本発明の一実施形態による多自由度調整機構で用いられる直線移動機構の第１例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は本発明の一実施形態による多自由度調整機構で用いられる直線移動機構の第２例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１の実施形態による多自由度調整機構を例示する斜視図である。 図９は図８に示す多自由度調整機構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に示す多自由度調整機構の側面図である。 図１６Ａは、支持組立体の動作を説明するための、図８に示す支持組立体の模式的側面構造図である。 図１６Ｂは、支持組立体の動作を説明するための、図８に示す支持組立体の模式的側面構造図である。 図１６Ｃは、支持組立体の動作を説明するための、図８に示す支持組立体の模式的側面構造図である。 図１６Ｄは、支持組立体の動作を説明するための、図８に示す支持組立体の模式的側面構造図である。 図１７は本発明の第２の実施形態による制限変位可撓性機構を使用したヘキサポッド機構を例示する側面図である。 図１８は図１７に示すヘキサポッド機構を例示する斜視図である。 図１９は図１７に示すヘキサポッド機構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に示すヘキサポッド機構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に示すヘキサポッド機構を例示する平面図である。
連結ロッドで使用される制限変位可撓性機構は少なくとも１つの制限変位可撓性ジョイントを備え、制限変位可撓性ジョイントは、可撓性ブレードと、可撓性ブレードに平行に配置された少なくとも１つの屈曲制限部とを備える。屈曲制限部は２個の部品を有し、一方の部品が他方の部品に対して可撓性ブレードを屈曲させる方向に制限された角の範囲内で回転可能となるように、前記２個の部品が係合されてもよい。
より詳細には、屈曲制限部の第１の部品は、この第１の部品から外側に突出した１対のストッパを備えた凸部を有する。屈曲制限部の第２の部品は、第１の部品の凸部と回転可能に係合する凹部を有する。第１の部品の回転は、可撓性ブレードの屈曲に応じて、一方のストッパが凹部の一方の上端と当接するによって制限される。好ましくは、第１の部品の凸部は、可撓性ブレードの屈曲方向に応じて回転するような円筒形状を有する。
より好ましくは、連結ロッドは少なくとも１対の制限変位可撓性ジョイントを備え、制限変位可撓性ジョイントの各対はそれぞれ互いに直交する２方向に屈曲可能とされる。さらに好ましくは、連結ロッドは射出成形、３次元プリンタあるいはＭＥＭＳ（Microelectromechanical Systems）等の任意の技術を用いることにより一体形成される。
上記のような２本の連結ロッドを有するバイポッドは、多自由度調整機構を組み立てるために使用可能である。多自由度調整機構は、底板と、上板と、複数の支持組立体とを有し、各支持組立体はバイポッドおよび直線移動機構を有する。バイポッドは２本の連結ロッドを有し、それらの一端は支持部を備えた上側で互いに固定される。支持部は、直線移動機構のそれぞれの直線移動に応じて、連結ロッドによって形成される平面上で所定の範囲内で移動する。
１．直線移動機構の第１例
図１および図２を参照すると、直線移動機構１０は、少なくとも１つのバイポッドを使用する多自由度調整機構で用いられ、固定部１０３に接続された固定点１０２と可動部１０５に接続された可動点１０４とを有する楕円リング１０１を含む。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（ソフトスプリング）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のが好ましい。図１では、軟質ばね部１０６ａおよび１０６ｂは蛇腹形のばねであるが、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（ソフトスプリング）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妨げられるので、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。
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。
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、重量および大きさの低減が容易となり、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使用してもよい。
多自由度調整機構で用いられる上記の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、可動部の変位を精密に測定することなく、軟質ばねの入力変位を精密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る運動の本性に従って移動し、滑り機構による推移がないため、移動の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精密な移動であるため、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．直線移動機構の第２例
図５および図６に示すように、少なくとも１つのバイポッドを使用する多自由度調整機構で用いられる直線移動機構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の長軸が互いに整列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１０５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および可動部４０５に接続された可動点４０４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。
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、それぞれ方向３０９および４０９の方向に可動部３０５および４０５を移動する。
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。
図４に示した第１例と同様に、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１０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使用してもよい。
３．第１の実施形態
３．１）構造
図８を参照すると、本発明の第１の実施形態による２本の連結ロッドからなるバイポッド(二脚台)を用いた支持組立体は、バイポッド６００および上記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、そこに支持部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。
３．２）バイポッド
図９〜図１１を参照すると、支持ロッド６０１は、固定部分６１０、２個の制限変位可撓性ジョイント６１１および６１２、相対的に剛体のロッド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のそれぞれは、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を交互に有し、それらの方向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、相対的に剛体のロッド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を有する脚の形状であり、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、屈曲の度合を制限してジョイントの破損を妨げるように設計される。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、比較的薄い厚さを有する板状部である可撓性ブレード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の一方の上縁に接触する。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の破損を防ぐ。
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の他方の上縁に接触する。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の破損を防ぐ。
３．３）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の支持部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を移動させると、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を移動させると、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させると、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。
３．４）製造
上記のような構造の制限変位可撓性ジョイントを有するバイポッド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。
４．第２の実施形態
４．１）構造
図１７〜図２１を参照すると、６自由度を有する六脚台(ヘキサポッド)装置は、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の支持部に固定される。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の支持部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。
４．２）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、ヘキサポッド装置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を拡大方向に移動させると、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を縮小方向に移動させると、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させると、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を移動させると仮定する。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を移動させると、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させ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させ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。
ヘキサポッド装置は、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。
４．３）効果
既に説明したように、本発明の第２の実施形態による２本の連結ロッドからなるバイポッドを使用した多自由度調整機構で用いられ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、直線移動機構を使用したヘキ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、上板の変位を精密に測定することなく、入力変位を精密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。
５．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自由度調整デバイス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。

Claims (7)

  1. 制限変位可撓性機構を有する連結ロッドにおいて、前記制限変位可撓性機構は少なくとも１つの制限変位可撓性ジョイントを備え、前記制限変位可撓性ジョイントが、
    プレート形状の可撓性部材と、
    前記可撓性部材の屈曲を制限するように前記可撓性部材に平行に配置された少なくとも１つの屈曲制限部と、
    を備え、
    前記屈曲制限部が第１の部品と第２の部品とを備え、前記第１の部品が前記第２の部品に対して前記可撓性部材を屈曲させる方向に制限された角の範囲内で回転可能となるように、前記第１の部品と第２の部品とが係合されており、
    前記第１の部品が、当該第１の部品の端部に設けられた円筒形状の凸部と一対の第１ストッパとを有し、前記一対の第１ストッパが前記連結ロッドの長手方向に対して直交する一対の反対方向にそれぞれ対応する方向に前記第１の部品から外側に突出し、
    前記第２の部品が、前記一対の第１ストッパにそれぞれ対応する一対の第２ストッパと、当該一対の第２ストッパの間に前記円筒形状の凸部と回転可能に係合する形状の凹部と、を有し、
    前記第１の部品の前記第２の部品に対する回転が、前記可撓性部材の屈曲に応じて、前記一対の第１ストッパの一方が前記一対の第２ストッパの対応する一方と当接することによって、制限されることを特徴とする連結ロッド。
  2. 少なくとも１対の制限変位可撓性ジョイントが設けられ、制限変位可撓性ジョイントの各対がそれぞれ互いに直交する２方向に屈曲するように設けられたことを特徴とする請求項１に記載の連結ロッド。
  3. 前記連結ロッドが射出成形、３次元プリンタまたはＭＥＭＳ（Microelectromechanical Systems）を含む技術を用いることにより一体形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の連結ロッド。
  4. 前記可撓性部材が２個の屈曲制限部の間に配置され、前記２個の屈曲制限部が前記可撓性部材の屈曲を制限することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の連結ロッド。
  5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の連結ロッドを２本有し、当該２本の連結ロッドの各々の一端が結合されたことを特徴とするバイポッド。
  6. 前記２本の連結ロッドの結合部を載置部とした逆Ｖ字形状を有することを特徴とする請求項５に記載のバイポッド。
  7. 請求項６に記載のバイポッドを３個有し、各バイポッドにおける前記載置部が載置対象を３点支持することを特徴とする支持装置。
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