JP6782892B2 - 立体形状表現装置 - Google Patents

Description

本発明は、立体形状を表現する装置に関する。より具体的には、本発明は、格子状に配置され、長さ方向に変位可能に支持された複数のロッドを変位させることによって、立体表面形状を表現する立体形状表現装置に関する。

従来、複数のロッドを昇降させて立体形状を表現する装置として、ロッドを個別の駆動装置で駆動することによって所望の形状パターンを形成する方式の装置が知られている。例えば、特許文献１（特開昭６２−２７８５８７号公報）には、一方向に移動駆動自在に支持された変位体を有する直線変位表示装置を格子状に配列し、変位体間に変位体の動きに追従し得る材料からなる表面材を設置して構成した三次元立体生成装置が開示されている。また、特許文献２（特開２００６−２４３３０７号公報）には、高弾性シートと、各々別々に任意のストローク量で伸退縮動作を行う多数の伸縮ロッドを装備して成るシート起伏機構部と、このシート起伏機構部の各伸縮ロッドの伸退縮量を数値制御可能な制御機構部とを少なくとも含んで構成される３次曲面表現装置が開示されている。

別の方式の装置として、コントロールロッド全体を持ち上げた後、一部のコントロールロッドを最下部まで落下させ、これを繰り返すことによって所望の形状パターンを形成し、これをメモリロッドに転写することによって、立体形状を表現する方式の装置が知られている。例えば、特許文献３（特開２００７−００４５２９号公報）には、可撓性と弾性を有するシートと、前記シートの下側にマトリックス状に配置された、前記シートに所望の形状を形作るためのメモリロッドと、前記メモリロッドの下方にマトリックス状に配置され、入力される制御信号に基づいて、前記メモリロッドに接近する方向及び離間する方向に移動可能なコントロールロッドと、コンピュータからのデータを用いて前記コントロールロッドの各ロッドの位置を制御する手段と、を含む形状更新可能な３次元表面作成装置が開示されている。

さらに別の方式の装置として、一列のリフターピンを駆動し、リフターピンでモデリングピンを一列分ごとに持ち上げて所望の形状パターンを形成する方式の装置が知られている。例えば、特許文献４（特開２００８−２６２１２４号公報）には、所定のデータに基づく３次元形状を表示する３次元形状表示装置であって、上下動可能に２次元配置された複数の第１モデリングピンと、前記第１モデリングピンそれぞれに対応して、上下動可能に配置された複数の第２モデリングピンと、第１のデータ、及び前記第１のデータと異なる第２のデータに基づいて、対応する前記複数の第１モデリングピン及び前記複数の第２モデリングピンをそれぞれ位置決めする位置決め機構と、を備える３次元形状表示装置が開示されている。

特開昭６２−２７８５８７号公報 特開２００６−２４３３０７号公報 特開２００７−００４５２９号公報 特開２００８−２６２１２４号公報

特許文献１及び特許文献２に示されているような、ロッドごとに駆動装置を備える装置においては、例えば特許文献１の図１に示されるように、ロッドの数と同数の駆動装置を必要とするため、装置全体の大きさが大きく、重量も重くなり、さらにロッド間の距離も小さくできないという問題がある。

特許文献３に示されているような、ロッドを下げるときにロックを解除して最下部まで落下させる方式の装置おいては、特定のロッドを少しだけ上げたり下げたりする操作はできないため、立体形状をわずかに変化させたい場合でも最初から作り直すことになり、リアルタイムな変化ができない。また、表現できる高低差はエレベータの可動長を超えられない。さらに、ロックには直交する流体チューブが用いられており、縦又は横の一列全体をロックすることになるため、ロックを任意のロッドの組み合わせについて解除することができず、これも更新に時間がかかる要因となる。加えて、ロックが解除されたロッドを下げるときには重力が利用されるため、装置を横向きに設置することができない。

特許文献４に示されているような、ロッドを一列ごとに駆動する方式の装置においては、ロッド全体を一斉に動かすことができないため、リアルタイム性に欠けるという問題がある。

以上に説明したように、従来の立体形状表現装置は、大掛かりなものであるか、さもなくばリアルタイム性に欠けるものであった。そこで、本発明においては、小型軽量で、かつリアルタイム性に優れた立体形状表現装置を提供する。

本発明は、その一態様において、立体表面形状を表現する立体形状表現装置を提供する。立体形状表現装置は、それぞれ長さ方向に変位可能な、先端部が立体形状を表現する、複数のロッドを備える。さらに、立体形状表現装置は、固定された位置に設けられた不動支持部材と、それぞれが個別にロッドの長さ方向に往復移動可能な１つ又は複数の可動支持部材とからなる、支持部材を備える。さらに、立体形状表現装置は、可動支持部材を移動させる、可動支持部材駆動部を備える。支持部材のそれぞれは、ロッドのそれぞれに対応する位置に、該ロッドを該支持部材に対して固定することが可能な、固定機構を備える。可動支持部材が移動しているときには、ロッドのそれぞれが、可動支持部材の１つが備える該ロッドに対応する前記固定機構によって該可動支持部材に対して固定されて該可動支持部材の移動に伴って変位するか、又は、前記不動支持部材が備える該ロッドに対応する前記固定機構によって前記不動支持部材に対して固定されて静止するように構成される。

一実施形態においては、支持部材のそれぞれが備える前記固定機構は、対応するロッドを該支持部材に対して固定する固定状態と、対応するロッドを該支持部材から解放する解放状態とを切り替えることができる切換型固定機構である。

一実施形態においては、いずれか１つの支持部材が備える固定機構は、対応するロッドに対して常に一定の抵抗力を及ぼす定常型固定機構であり、前記いずれか１つの支持部材以外の支持部材が備える固定機構は、対応するロッドを該支持部材に対して前記抵抗力より強い力で固定する固定状態と、対応するロッドを該支持部材から解放する解放状態とを切り替えることができる切換型固定機構であり、ロッドのそれぞれに対応する切換型固定機構のいずれかが固定状態であるときには、該ロッドは、固定状態の切換型固定機構を備える支持部材に対して固定され、ロッドのそれぞれに対応する切換型固定機構の全てが解放状態であるときには、該ロッドは、定常型固定機構を備える支持部材に対して固定されるように構成される。一実施形態においては、定常型固定機構を備える支持部材は、不動支持部材である。

一実施形態においては、定常型固定機構は、ねじりばねの一端を支持部材に固定し、他端をロッドに当接させることによって、摺動するロッドに対して摩擦力を生ずることにより一定の抵抗力を有するように構成されたものである。また、一実施形態においては、切換型固定機構は、ロッドを把持することによって該ロッドを該支持部材に対して固定すること及び該ロッドの把持を解除することによって該ロッドを該支持部材から解放することができる把持機構である。

一実施形態においては、立体形状表現装置は、前記可動支持部材を１つのみ備える。固定機構が、ロッドの変位すべき向きと同じ向きに該可動支持部材が移動しているときには該ロッドを該可動支持部材に対して固定し、それ以外のときにはロッドを該可動支持部材から解放することによって、前記ロッドを所望の位置に変位させる。

一実施形態においては、立体形状表現装置は、随時互いに逆向きに移動するように構成された２つの可動支持部材を備える。固定機構が、ロッドの変位すべき向きと同じ向きに移動している一方の可動支持部材においてロッドを固定し、他方の可動支持部材においてはロッドを解放することによって、ロッドを所望の位置に変位させる。

一実施形態においては、立体形状表現装置は、移動速度の異なる複数の前記可動支持部材を備える。

一実施形態においては、可動支持部材のそれぞれは、１回の往復移動の移動距離が単位長の２のべき乗倍となるように構成される。

一実施形態においては、可動支持部材のそれぞれは、移動と停止とを繰り返すように構成される。該可動支持部材が備える固定機構の固定状態及び解放状態の切替えは、該可動支持部材が停止しているときに、不動支持部材に固定されて静止した状態のロッドに対して行われるように構成される。

一実施形態においては、立体形状表現装置は、往復移動の位相が互いに異なる少なくとも３つの可動支持部材を備える。可動支持部材のそれぞれが備える固定機構の固定状態及び解放状態の切替えは、該可動支持部材が移動しているときに、同じ向きに移動している別の可動支持部材に固定されている状態の前記ロッドに対して行われるように構成される。さらに一実施形態においては、立体形状表現装置は、往復移動の位相が互いに３分の１周期分異なる、３つの可動支持部材を備える。

一実施形態においては、立体形状表現装置は、所与の形状データに基づいて、ロッドの先端部が形状データに従った立体形状を表現するようにロッドの変位を制御する、制御部をさらに備える。

一実施形態においては、ロッドは、格子状に配置される。

一実施形態においては、支持部材のそれぞれは、板状であり、ロッドを貫通させる孔を有し、法線の方向が前記ロッドの長さ方向に一致するように互いに平行に設けられる。

一実施形態においては、立体形状表現装置は、ロッドの先端部に追随して変形するシートをさらに備える。一実施形態においては、立体形状表現装置は、シートに画像を投影する投影部をさらに備える。

一実施形態においては、立体形状表現装置は、メインのマイクロプロセッサと、それぞれが複数の切換型固定機構を制御するための複数の個別のマイクロプロセッサとを含む、制御機構をさらに備える。個別のマイクロプロセッサのそれぞれは、メインのマイクロプロセッサからの指令に基づき、該個別のマイクロプロセッサが制御する切換型固定機構の数に相当する数の信号を連続的に出力することによって、切換型固定機構のそれぞれをリアルタイムに制御する。

本発明による立体形状表現装置は、ロッドは可動支持部材に備えられた固定機構によって固定され、可動支持部材の移動に伴って変位されるため、駆動装置をロッドごとに備える必要はない。そのため、特許文献１及び特許文献２に示されるような、ロッドごとに駆動装置を備える装置と比較して、大幅な小型化及び軽量化が達成される。また、特許文献３に示される装置とは異なり、本発明による立体形状表現装置は、ロッドを可動支持部材の複数回の往復に亘って変位させることができるため、表現可能な高低差は可動支持部材の可動域の長さによる制限を受けない。したがって、立体表現の能力を変えずに可動支持部材の可動域を短くするような設計も可能であり、この点においても小型化に優れる。

さらに、本発明による立体形状表現装置は、可動支持部材を用いて全てのロッドを一斉に変位させることが可能であり、任意に選択したロッドのみを一斉に変位させることも可能であるため、特許文献４に示されるような、一列ごとに駆動する装置と比較して、圧倒的に素早く所望の形状を表現することが可能であり、リアルタイム性に勝る。特に、可動支持部材を複数備える実施形態においては、ロッドごとに前進・後退・静止を任意に選択して同時に行うことや、可動支持部材の可動域長を超えて連続的にロッドを前進及び後退させることが可能となるため、リアルタイム性にさらに優れる。

本発明の一実施形態による立体形状表現装置の全体構造の概念図である。 可動支持部材を１つのみ備える立体形状表現装置の模式図である。 可動支持部材を用いてロッドを変位させる方法の工程図である。 ２つの可動支持部材を備える立体形状表現装置の可動支持部材の移動のタイミング図である。 ３つの可動支持部材を備える立体形状表現装置の可動支持部材の移動のタイミング図である。 ロッドが固定される支持部材の切り替えの方法の工程図である。 複数の可動支持部材を備える立体形状表現装置の可動支持部材の移動のタイミング図である。 可動支持部材駆動部の構造の具体例を示す側面図である。 把持機構の構造を示す概念図である。 把持機構の固定状態と解放状態とを切り替える方法の工程図である。

以下に、図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。本発明は、これらの実施形態に限定されるものではない。以下の説明においては、立体形状表現装置がロッドの先端側が真上を向くように設置された状態を想定し、ロッドの長さ方向を上下方向と表現し、上下方向におけるロッドの先端の向きを上向きと表現する。しかし、立体形状表現装置は必ずしもロッドの先端側が真上を向くように設置せずとも良い。

図１は、本発明の一実施形態による立体形状表現装置１（以下、装置１）の全体構造の概念図である。

装置１は、先端部において立体形状を表現するための、上下方向に延びる複数のロッド２を備える。ロッド２は格子状に規則的に配置することが好ましく、特に四角形格子を構成するように配置することが好ましいが、これに限らず、例えば三角形格子を構成するように配置しても良い。

［可動支持部材及び不動支持部材］
装置１は、複数の支持部材を備える。それらのうち１つは、ロッド２の位置を一定に保ちながら支持するための不動支持部材３であり、装置１において固定された位置に設けられている。不動支持部材３以外の支持部材は、ロッド２を変位させながら支持するための可動支持部材４であり、それぞれが上下方向に往復移動することができる。

本実施形態における支持部材のそれぞれは、概ね板形状をしており、ロッド２を貫通させるための孔を有する。孔にはそれぞれ固定機構５が備えられており、対応するロッド２を支持部材に固定することができる。固定機構５の詳細については後述する。これにより、ロッド２は、不動支持部材３に固定されているときには位置が保たれ、可動支持部材４に固定されているときには可動支持部材４の移動に伴って変位することになる。なお、装置１の小型化の観点からは、支持部材は概ね板形状であることが好ましいが、そうでなくとも、複数のロッド２を支持できる部材であれば良い。

［可動支持部材の数及び移動様式］
装置１は、初期状態においては、全てのロッド２が最下部に変位されており、このときロッド２の先端部は一定の高さに揃い、平面形状を表現する。ロッド２の先端部２１が表現する立体形状を変化させるときには、可動支持部材駆動部６を作動させ、それによって、装置１が備える１つ又は複数の可動支持部材４を、ロッド２の長さ方向に往復移動さる。その状態で、可動支持部材４が備える固定機構５を制御して、ロッド２を可動支持部材４に経時的に固定し又は解放することによって、ロッド２を所望の位置にまで変位させる。ロッド２を可動支持部材４に固定させるときには、その可動支持部材４に備えられたそのロッド２に対応する固定機構５を固定状態にする。ロッドを可動支持部材４から解放するときには、固定機構５を解放状態にする。ロッドを不動支持部材３に対して固定し又は解除するときも、不動支持部材３に備えられたそのロッド２に対応する固定機構５を同様に制御する。可動支持部材４の数及び移動の様式については様々な実施形態が考えられる。それらの実施形態のいくつかを以下に説明する。

図２に示されるように、本発明の一実施形態である実施形態Ａ１においては、装置１は、可動支持部材４を１つのみ備える。可動支持部材４は、その可動範囲を上下に往復移動するように構成される。ロッド２を上向きに変位させるときには、可動支持部材４が上向きに移動している間にロッド２を不動支持部材３から解放して可動支持部材４に固定する。これによって、ロッド２は、上向きに移動している可動支持部材４に伴って上向きに変位する。同様に、ロッドを下向きに変位させるときには、可動支持部材４が下向きに移動している間にロッドを不動支持部材３から解放して可動支持部材４に固定する。ロッドを変位させないときは、可動支持部材４がいずれの向きに移動している間も、ロッド２を可動支持部材４から解放して不動支持部材３に固定する。このとき、不動支持部材３は常に装置１に対して固定されているため、ロッド２は静止することになる。

実施形態Ａ１において、ロッド２が固定される支持部材の切り替えは、可動支持部材４を一時停止させ、その間に、固定機構５の固定状態と解放状態とを切り替えることによって行われる。より具体的には、不動支持部材３に固定され可動支持部材４から解放されているロッドを、不動支持部材３から解放し可動支持部材４に固定するときには、可動支持部材４が一時停止している状態において、まず、ロッド２を可動支持部材４に固定する。これにより、一時的に、ロッド２は不動支持部材３及び可動支持部材４の両方に固定された状態となる。次いで、ロッドを不動支持部材３から解放する。その後、可動支持部材４の移動を再開させる。このようにすれば、ロッド２が全ての支持部材から解放されてしまう瞬間がない。

可動支持部材４の上下の移動は、後述する可動支持部材駆動部６によって駆動される。可動支持部材駆動部６は、例えば、ステッピングモータ６０２を備え、可動支持部材を任意の距離だけ上昇又は下降させることができる。

実施形態Ａ１において、初期状態にあるロッド２のそれぞれを所望の位置に変位させて、目的のパターンが形成された最終状態に到達するための、装置１の制御方法の具体例を、図３の模式図を用いて説明する。この具体例においては、説明を簡潔にするため、ロッドは２本のみ示されている。図３（Ａ）に示されるように、初期状態においては、２本のロッド２（ａ）及び２（ｂ）は最下位に位置している。この状態から、図３（Ｄ）に示されるように、左側のロッド２（ａ）が初期状態から上に１ｃｍ変位し、右側のロッド２０２が初期状態から上に２ｃｍ変位した最終状態に到達させる。

まず、工程１として、図３（Ｂ）に示されるように、可動支持部材４が備える固定機構５（４ａ）及び５（４ｂ）を固定状態に切り替えることによってロッド２（ａ）及び２（ｂ）を可動支持部材４に固定し、固定機構５（３ａ）及び５（３ｂ）を解放状態に切り替えることによってロッド２（ａ）及び２（ｂ）を不動支持部材３から解放する。この状態で、可動支持部材４を１ｃｍ上昇させる。すると、ロッド２（ａ）及び２（ｂ）は、可動支持部材４の上昇に伴って上昇し、最下位から上に１ｃｍの位置に変位する。

次に、工程２として、図３（Ｃ）に示されるように、固定機構５（３ａ）を固定状態に切り替えることによってロッド２（ａ）を不動支持部材３に固定した上で、固定機構５（４ａ）を解放状態に切り替えることによってロッド２（ａ）を可動支持部材４から解放する。この状態で、可動支持部材４をさらに１ｃｍ上昇させる。すると、ロッド２（ｂ）は、可動支持部材４の上昇に伴ってさらに上昇し、最下位から上に２ｃｍの位置に変位するが、その間、ロッド２（ａ）は、最下位から上に１ｃｍの位置に静止している。これにより、図３（Ｄ）に示される最終状態に到達することができる。

なお、上記工程１と上記工程２との間に、ロッド２（ａ）及び２（ｂ）を制止させたまま可動支持部材４を下降させる工程を追加してもよい。具体的には、工程１の後、固定機構５（３ａ）及び５（３ｂ）を固定状態に切り替えることによってロッド２（ａ）及び２（ｂ）を不動支持部材３に固定し、固定機構５（４ａ）及び５（４ｂ）を解放状態に切り替えることによってロッド２（ａ）及び２（ｂ）を可動支持部材４から解放する。この状態で、可動支持部材４を最初の位置にまで下降させる。すると、ロッド２（ａ）及び２（ｂ）は最下位から上に１ｃｍの位置に静止したまま、可動支持部材４を下降させることができる。その後、工程２を行い、最終状態に到達することができる。このように、途中でロッド２を制止させたまま可動支持部材４を移動させることによって、可動支持部材４の可動域の長さに制約されることなく、ロッド２を変位させて立体形状を表現することができる。

実施形態Ａ１における、装置１の制御方法の別の例を説明する。この例においては、可動支持部材４の移動の往復距離が、適宜設定した単位長に対して２のべき乗倍（１倍、２倍、４倍、８倍、……）となるように制御される。倍率の上限も適宜設け、例えば３２倍までとする。より具体的な制御方法は、次の通りである。最初、可動支持部材４を可動範囲の下端に位置させる。その後、単位長の１倍だけ上昇させてから、下端まで下降させる。次に、単位長の２倍だけ上昇させ、再び下端まで下降させる。これを同様に、倍率の上限の距離まで繰り返す。その間、各固定機構５の状態を適時制御することによって、各ロッド２を単位長の任意の倍数だけ上昇させることができる。例えば、単位長の１０倍だけ上昇させたいロッド２は、可動支持部材４が単位長の２倍上昇するときと８倍上昇するときに可動支持部材４に固定して上昇させ、それ以外のときには不動支持部材３に固定して静止させておけば良い。より一般に、ロッド２をいつ可動支持部材４に固定して上昇させるべきかは、そのロッド２を単位長の何倍上昇させたいかを二進数で表現することにより自然に決定する。この制御方法によって、倍率の上限を３２倍とした場合においては、ロッド２を単位長の６３（＝１＋２＋４＋８＋１６＋３２）倍まで上昇させることができる。なお、単位長の６３倍を超えてロッド２を上昇させたい場合には、可動支持部材４を単位長の３２倍の距離移動させることを必要な回数だけ繰り返せば良い。また、倍率の上限となる距離を変えずに単位長を小さくすれば、移動回数をほとんど犠牲にせずに、高さの分解能を上げることができる。なお、上記の説明においては、可動支持部材４を小さい倍率から順に移動させるようにしたが、これに限らず、任意の順序で良い。

別の実施形態（実施形態Ａ２）においては、装置１は、２つの可動支持部材４を備える。各可動支持部材４は、その可動範囲を上下に往復移動するが、一方の可動支持部材４１と他方の可動支持部材４２とは随時互いに逆向きに移動するように構成されている。図４は、本実施形態における可動支持部材４１及び４２の移動のタイミング図であり、横軸は時間を表し、縦軸は可動支持部材の位置を表す。本実施形態において、ロッド２を上向きに変位させるときには、ロッド２を２つの可動支持部材４１、４２のうち上向きに移動している一方に固定し、他方及び不動支持部材３からは解放する。これによって、ロッド２は、上向きに移動している可動支持部材４に伴って上向きに変位する。同様に、ロッド２を下向きに変位させるときには、ロッド２を２つの可動支持部材４のうち下向きに移動している一方に固定し、他方及び不動支持部材３からは解放する。ロッド２を変位させないときは、ロッドを両方の可動支持部材４から解放して不動支持部材３に固定する。このとき、不動支持部材３は常に装置１に対して固定されているため、ロッドは静止することになる。ロッド２が固定される支持部材の切り替えは、実施形態Ａ１の場合と同様に、可動支持部材４が一時停止している間に行われる。本実施形態によれば、可動支持部材４が移動しているときには、必ずどちらかの可動支持部材４は各ロッド２にとって所望の向きに移動しているため、実施形態Ａ１のように逆向きに移動している間待つ必要がなく、したがって、実施形態Ａ１と比較すると半分程の時間で所望の形状を表現することができる。

別の実施形態（実施形態Ａ３）においては、装置１は、３つの可動支持部材４を備える。３つの可動支持部材４は、往復移動の位相が互いに３分の１周期分異なる（即ち、１往復にかかる時間の３分の１ずつ往復移動のタイミングがずれている）ように構成されている。図５は、本実施形態における可動支持部材４１、４２及び４３の移動のタイミング図であり、横軸は時間を表し、縦軸は可動支持部材の位置を表す。横軸におけるＴは、往復移動の１周期を表す。この例においては、可動支持部材４２は可動支持部材４１から３分の１周期分遅延して動いており、可動支持部材４３は可動支持部材４２から３分の１周期分遅延して動いている。可動支持部材４１は可動支持部材４３から３分の１周期分遅延して動いていることになる。本実施形態においては、ロッド２が固定される支持部材の切り替えは、ロッド２の上昇中及び下降中にも行うことができる。例えば、図６（Ａ）に示されるように、ロッド２が上昇中の可動支持部材４１に固定されて上昇している。可動支持部材４２は、可動支持部材４１から３分の１周期分遅延して動いているため、可動支持部材４１の上昇中に上昇を開始する。即ち、可動支持部材４２が上昇を開始してから可動支持部材４１が上昇を終了するまでの間は、可動支持部材４１及び４２は共に上昇している状態にある。この状態において、まず、図６（Ｂ）に示されるように、固定機構５（４２）を固定状態にすることによって、ロッド２は一時的に可動支持部材４１及び４２の両方に固定されて上昇している状態となる。次いで、図６（Ｃ）に示されるように、固定機構５（４１）を解放状態とすることによって、ロッド２は可動支持部材４１から解放されるが、可動支持部材４２に固定されているため、上昇を続ける。このように、ロッド２が固定される支持部材の切り替えをロッドの上昇中に行うことによって、ロッド２を途中で静止させることなく、連続的に上昇させることができる。ロッド２を下降させる場合においても同様である。

別の実施形態（実施形態Ａ４）においては、装置１は、複数の可動支持部材４を備え、それぞれの可動支持部材４は、随時、同じ向きに異なる速度で移動する。図７は、一例として４つの可動支持部材４１〜４４を備える装置１における、可動支持部材４１〜４４の移動のタイミング図であり、横軸は時間を表し、縦軸は可動支持部材の位置を表す。この例においては、可動支持部材４１〜４４は、それぞれ、単位速度の１倍、２倍、３倍、及び４倍で移動する。ロッド２を変位させるときには、ロッド２を、選択されたいずれか１つの可動支持部材４に固定し、可動支持部材４の移動に伴ってロッド２を変位させる。可動支持部材４の移動に伴ってロッド２を変位させる具体的な制御方法は、上述の実施形態Ａ１における制御方法と同様である。変位させたい距離が小さいロッド２については、移動速度の遅い可動支持部材４を選択し、反対に、変位させたい距離が大きいロッド２については、移動速度の速い可動支持部材４を選択する。そうすることによって、一度の移動で様々な距離の変位を各ロッド２にもたらすことができ、その結果、所望の形状を表現するまでの時間を短縮することができる。

［可動支持部材駆動部］
一実施形態としての装置１が備える可動支持部材駆動部６は、図８に示されるように、次の機構から成る。可動支持部材４の４隅にはめねじ状の孔４０１が設けられ、それぞれに螺合するように、ロッド２と平行に設けられた４本のおねじ状の支柱６０１が貫通している。可動支持部材４は、支柱６０１によって支持されており、支柱６０１を同期して回転させることによって上下に移動する。支柱６０１は、下端部において１本のベルト６０３で連結されている。ベルト６０３をステッピングモータ６０２で駆動することによって、支柱６０１が同期して回転する。図８に示される実施形態においては、装置１は、２つの可動支持部材４を備え、それぞれの可動支持部材４ごとに４本の支柱６０１が設けられているため、装置１全体では８本の支柱６０１（図の奥行方向に２本ずつ重なって示されている）を備える。可動支持部材駆動部６に関する別の実施形態においては、支柱６０１のうちのいくつかをおねじ状の支柱として孔４０１に螺合させて可動支持部材４を支持し、それ以外の支柱６０１はガイド用のただの棒状の支柱として可動支持部材４が昇降自在となるように構成しても良い。この場合には、ステッピングモータ６０２によっておねじ状の支柱のみを回転させるように構成すれば十分である。一実施形態においては、装置１が備える支柱６０１は可動支持部材４ごとに４本であることが望ましいが、これに限らず、装置の規模等に応じて適切な数の支柱６０１を備えるように設計すれば良い。

［固定機構］
支持部材が備える固定機構５について説明する。

固定機構５に関する一実施形態（実施形態Ｂ１）においては、固定機構５は、ロッド２を支持部材に対して固定する固定状態と、ロッド２を支持部材から解放する解放状態とを切り替えることができる、切換型固定機構であり、より具体的には、ロッド２を把持することによってロッド２を支持部材に対して固定すること及びロッド２の把持を解除することによってロッド２を支持部材から解放することができる、把持機構である。把持機構は、図９に示されるように、複数の把持機構で共有されるアーム５２０と、把持機構ごとのソレノイド５１１及びねじりばね５１２で構成されるラチェット機構５１０とを備える。

ねじりばね５１２は、ループ５１２１の中にロッド２を貫通させるように配置されており、一端５１２２が支持部材に固定されている。ねじりばね５１２を締めると、ループ５１２１の内径が狭まり、ロッド２の外周面を締め付けて把持することによって、ロッド２を支持部材に固定する。反対に、ねじりばね５１２を緩めると、ループ５１２１の内径が広がり、ロッド２との間に隙間ができることによって、ロッド２を支持部材から解放する。

ソレノイド５１１は、通電されていない状態においてはプランジャ５１１１が突出しており、図１０（Ｅ）に示されるように、プランジャ５１１１がねじりばねの他端５１２３に当接することによって、締まった状態のねじりばね５１２が緩むのを妨げる。ソレノイド５１１に通電された状態においては、プランジャ５１１１は退避し、図１０（Ｂ）及び（Ｃ）に示されるように、ねじりばねの他端５１２３がソレノイド５１１の傍を通過することができる。

アーム５２０は、図９に示されるように、一端がクランク機構５２１を介して回転機構５２２に接続されており、図９における左右方向に往復移動するようになっている。アーム５２０に設けられた孔５２３には、ねじりばねの他端５１２３の先端が係合しており、アーム５２０が右に移動したときには、アーム５２０は、ねじりばねの他端５１２３を右に引くことによって、ねじりばね５１２を締める

把持機構の解放状態と固定状態とを切り替える方法について、図１０を参照しながら説明する。まず、把持機構を解放状態から固定状態に切り替える方法について説明する。図１０（Ａ）は、解放状態の把持機構を表す。アーム５２０は図１０における左側に移動しており、ソレノイド５１１のプランジャ５１１１は突出している。最初に、図１０（Ｂ）に示されるように、ソレノイド５１１に通電し、プランジャ５１１１を退避させる（図１０（Ｂ）及び（Ｃ）において破線で示されるプランジャ５１１１は、退避した状態であることを表す）。次に、図１０（Ｃ）に示されるように、アーム５２０を右側に移動させる。すると、ねじりばねの他端５１２３がアーム５２０に引かれて、プランジャ５１１１の位置を越える。この状態で、図１０（Ｄ）に示されるように、ソレノイド５１１への通電を停止し、プランジャ５１１１を突出させる。最後に、図１０（Ｅ）に示されるように、アーム５２０を左側へ戻す。すると、ねじりばねの他端５１２３は、突出したプランジャ５１１１に当接するため、当初の位置にまで戻ることがない。このとき、ねじりばねのループ５１２１の内径は狭まった状態となっており、ロッド２（図１０において省略されている）を締め付けて固定する。以上の工程により、把持機構を解放状態から固定状態に切り替えることができる。

反対に、把持機構を固定状態から解放状態に切り替える方法について説明する。これは、図１０（Ａ）〜（Ｅ）の状態を逆向きに辿れば良い。図１０（Ｅ）は、固定状態の把持機構を表す。アーム５２０は図における左側に移動しており、ソレノイド５１１のプランジャ５１１１は突出している。最初に、図１０（Ｄ）に示されるように、アーム５２０を右側に移動させる。すると、ねじりばねの他端５１２３がアーム５２０に引かれて、プランジャ５１１１から離間し、プランジャ５１１１が移動可能となる。この状態で、図１０（Ｃ）に示されるように、ソレノイド５１１に通電し、プランジャ５１１１を退避させる。次に、図１０（Ｂ）に示されるように、アーム５２０を左側へ戻す。すると、ねじりばねの他端５１２３がプランジャ５１１１の位置を越えて、解放状態の位置にまで戻る。このとき、ねじりばねのループ５１２１の内径は広がった状態となり、ロッド２との間に隙間ができ、ロッド２を解放する。図９（Ａ）に示されるように、最後に、ソレノイド５１１への通電を停止し、プランジャ５１１１を突出させる。以上の工程により、把持機構を固定状態から解放状態に切り替えることができる。

固定機構５に関する別の実施形態（実施形態Ｂ２）においては、支持部材のうちの１つが備える固定機構５は定常型固定機構であり、それ以外の支持部材が備える固定機構５は、実施形態Ｂ１と同様の切換型固定機構である。定常型固定機構は、常に、切換型固定機構がロッド２を固定する力より弱い一定の抵抗力をもって、ロッド２を支持部材に固定しようとする機構である。ロッド２が切換型固定機構によって他の支持部材に固定されていない状態においては、ロッド２は、定常型固定機構の抵抗力によって、定常型固定機構を備える支持部材に固定される。一方、ロッド２が切換型固定機構によって他の支持部材に固定されている状態においては、ロッド２は、定常型固定機構の抵抗力に逆らって、定常型固定機構を備える支持部材に対して相対的に移動することになる。

より具体的には、定常型固定機構は、ねじりばねの一端を支持部材に固定し、他端をロッド２に当接させることによって、摺動するロッド２に対して摩擦力を生ずることにより一定の抵抗力を有するように構成されたものである。

実施形態Ｂ２においては、不動支持部材３が定常型固定機構を備え、可動支持部材４が切換型固定機構を備えるように構成することが好ましい。

なお、本発明の実施形態としては、これらに限られるものではないが、可動支持部材４に関する実施形態Ａ１〜Ａ４と、固定機構５に関する実施形態Ｂ１〜Ｂ２とを任意に組み合わせたものとすることができる。

［制御機構］
装置１は、入力された形状データに基づいて、装置１が表現する立体形状を制御する、マイクロプロセッサを含む制御機構を備える。具体的には、制御機構は、形状データを処理して、各ロッド２が変位すべき位置を求め、現在の位置から移動すべき量を計算する。さらに、制御機構は、可動支持部材駆動部６を作動させ、切換型固定機構の状態を適時切り替えることによって、各ロッド２を所望の位置に変位させ、立体形状を表現する。さらに、制御機構は、装置１の使用者からの入力その他の外部からの入力信号に基づいて、形状データのうち装置１が表現する部分を拡大又は縮小させたり、平行移動させたり、回転させたりといった処理を施した結果に応じて、各ロッド２の変位すべき位置を再計算し、それに基づいて、表現する立体形状をリアルタイムに変更することができる。さらに、装置１は、各ロッド２の位置を検測する高さセンサを備えることができ、その場合には、制御機構は、高さセンサからの入力に応じて各ロッド２の位置を補正するように移動させることができる。さらに、装置１は、触覚フィードバック機構を備えることができ、その場合には、制御機構は、触覚フィードバック機構の制御を行うことができる。

一実施形態においては、制御機構は、装置全体を制御するためのメインのマイクロプロセッサの他に、複数（例えば、４つ又は８つ）の切換型固定機構ごとに、その状態を制御するための個別のマイクロプロセッサを備える。この実施形態においては、個別のマイクロプロセッサのそれぞれは、制御する切換型固定機構の数に相当する数の信号を連続的に出力することによって、切換型固定機構のそれぞれをリアルタイムに制御するように構成される。さらに、一実施形態においては、メインのマイクロプロセッサと個別のマイクロプロセッサとの間はシリアル通信によって接続することができ、メインのプロセッサは、個別のマイクロプロセッサのそれぞれに付与された固有の識別子（即ち、アドレス）を指定することによって個別のプロセッサの１つを特定してデータを送信することにより、個別のプロセッサに指令を送ることができる。

［立体形状の表現］
装置１は、ロッド２の先端部に追随して変形する、立体の表面形状を表現するシート８をさらに備えることができる。装置１は、シート８の上方に、シート８に映像を投写することができるプロジェクタ９を含む投影部さらに備えることができる。別の実施形態においては、立体形状表現装置は、シート８を備えないものとすることができる。この場合には、変位したロッド２自体が立体形状を表現する。この実施形態においては、ロッド２の先端を発光するようにしても良く、又は、プロジェクタ９からロッド２に映像を投写するようにしても良い。

１ 立体形状表現装置
２ ロッド
２１ 先端部
３ 不動支持部材
４ 可動支持部材
４０１ 孔
５ 固定機構
５１０ ラチェット機構
５１１ ソレノイド
５１１１ プランジャ
５１２ ねじりばね
５１２１ ねじりばねのループ
５１２２ ねじりばねの一端
５１２３ ねじりばねの他端
５２０ アーム
５２１ クランク機構
５２２ 回転機構
６ 可動支持部材駆動部
６０１ 支柱
６０２ ステッピングモータ
６０３ ベルト
８ シート
９ プロジェクタ

Claims (6)

1. 立体表面形状を表現する立体形状表現装置であって、
   それぞれ長さ方向に変位可能な、先端部が立体形状を表現する、複数のロッドと、
   固定された位置に設けられた不動支持部材と、それぞれが個別に前記ロッドの長さ方向に往復移動可能な複数の可動支持部材とからなる、支持部材と、
   前記可動支持部材を移動させる、可動支持部材駆動部と、
   を備え、
   前記支持部材のそれぞれは、前記ロッドのそれぞれに対応する位置に、該ロッドを該支持部材に対して固定することが可能な、固定機構を備え、
   前記可動支持部材が移動しているときには、前記ロッドのそれぞれが、前記可動支持部材の１つが備える該ロッドに対応する前記固定機構によって該可動支持部材に対して固定されて該可動支持部材の移動に伴って変位するか、又は、前記不動支持部材が備える該ロッドに対応する前記固定機構によって前記不動支持部材に対して固定されて静止するように構成された、
   立体形状表現装置。
2. 随時互いに逆向きに移動するように構成された２つの前記可動支持部材を備え、
   前記固定機構が、前記ロッドの変位すべき向きと同じ向きに移動している一方の前記可動支持部材において前記ロッドを固定し、他方の前記可動支持部材においてはロッドを解放することによって、前記ロッドを所望の位置に変位させるように構成された、
   請求項１に記載の立体形状表現装置。
3. 移動速度の異なる複数の前記可動支持部材を備える、請求項１に記載の立体形状表現装置。
4. 往復移動の位相が互いに異なる少なくとも３つの前記可動支持部材を備え、
   前記可動支持部材のそれぞれが備える前記固定機構の固定状態及び解放状態の切替えは、該可動支持部材が移動しているときに、同じ向きに移動している別の前記可動支持部材に固定されている状態の前記ロッドに対して行われるように構成された、
   請求項１に記載の立体形状表現装置。
5. 往復移動の位相が互いに３分の１周期分異なる３つの前記可動支持部材を備えた、請求項４に記載の立体形状表現装置。
6. 立体表面形状を表現する立体形状表現装置であって、
   それぞれ長さ方向に変位可能な、先端部が立体形状を表現する、複数のロッドと、
   固定された位置に設けられた不動支持部材と、それぞれが個別に前記ロッドの長さ方向に往復移動可能な可動支持部材とからなる、支持部材と、
   前記可動支持部材を移動させる、可動支持部材駆動部と、
   を備え、
   前記支持部材のそれぞれは、前記ロッドのそれぞれに対応する位置に、該ロッドを該支持部材に対して固定することが可能な、固定機構を備え、
   前記可動支持部材が移動しているときには、前記ロッドのそれぞれが、前記可動支持部材が備える該ロッドに対応する前記固定機構によって前記可動支持部材に対して固定されて前記可動支持部材の移動に伴って変位するか、又は、前記不動支持部材が備える該ロッドに対応する前記固定機構によって前記不動支持部材に対して固定されて静止するように構成され、
   前記可動支持部材は、１回の往復移動の移動距離が単位長の２のべき乗倍となるように構成された、
   立体形状表現装置。
   

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