JP2017051080A - 変位拡大機構 - Google Patents

Abstract

【課題】出力特性をより柔軟に設計可能な変位拡大機構を提供すること。
【解決手段】本発明の実施例に係る座屈式変位拡大機構１１ａは、ピエゾ素子１１ａ１と、ピエゾ素子１１ａ１の一端と接触し、ピエゾ素子１１ａ１の伸縮に応じてピエゾ素子１１ａ１の伸縮方向とは異なる方向に変位する出力部１１ａ３と、ピエゾ素子１１ａ１の他端と接触し、ピエゾ素子１１ａ１の伸縮によっては変位しない固定部１１ａ２と、を有する。ピエゾ素子１１ａ１の表面のうち出力部１１ａ３が接触する接触部分、ピエゾ素子１１ａ１の表面のうち固定部１１ａ２が接触する接触部分、出力部１１ａ３の表面のうちピエゾ素子１１ａ１が接触する接触部分、及び、固定部１１ａ２の表面のうちピエゾ素子１１ａ１が接触する接触部分の少なくとも１つの接触部分は少なくとも部分的に非円筒面を含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、容量的性質を有する伸縮素子を含む変位拡大機構に関する。

従来、座屈現象を利用する変位拡大機構が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この変位拡大機構は、一直線上に配置される一対のピエゾ素子のそれぞれの伸張による変位をその伸張方向に垂直な出力方向に拡大して出力部の変位として出力する。

具体的には、一対（２つ）のピエゾ素子は、２つの剛壁としてのサイドブロックの間に配置され、且つ、２つのピエゾ素子の間には出力部が配置される。すなわち、この変位拡大機構では、一方のサイドブロックと一方のピエゾ素子の一端との間、一方のピエゾ素子の他端と出力部の一端との間、出力部の他端と他方のピエゾ素子の一端との間、及び、他方のピエゾ素子の他端と他方のサイドブロックとの間の４箇所で接触するように各部材が配置される。また、接触部分では部分円筒面を介した転がり接触が行われるように構成される。

特開２０１４−０８２９３０号公報

しかしながら、上述の変位拡大機構は、各部材間の接触部分で部分円筒面を介した転がり接触を利用するため、出力特性（出力部の変位と出力部による推力との関係）の設計自由度を制限してしまっている。

上述に鑑み、出力特性をより柔軟に設計可能な変位拡大機構を提供することが望ましい。

本発明の実施例に係る変位拡大機構は、容量的性質を有する伸縮素子と、前記伸縮素子の一端と接触し、前記伸縮素子の伸縮に応じて前記伸縮素子の伸縮方向とは異なる方向に変位する出力部と、前記伸縮素子の他端と接触し、前記伸縮素子の伸縮によっては変位しない固定部と、を有する変位拡大機構であって、前記伸縮素子の表面のうち前記出力部が接触する接触部分、前記伸縮素子の表面のうち前記固定部が接触する接触部分、前記出力部の表面のうち前記伸縮素子が接触する接触部分、及び、前記固定部の表面のうち前記伸縮素子が接触する接触部分の少なくとも１つの接触部分は少なくとも部分的に非円筒面を含む。

上述の手段により、出力特性をより柔軟に設計可能な変位拡大機構を提供することができる。

アクチュエータユニットの詳細について説明する図である。 座屈式変位拡大機構の各構成要素に作用する力を示す模式図である。 座屈式変位拡大機構の転がり動作に関する幾何学関係を説明する図である。 様々な輪郭を形成する固定部の端部曲面によってもたらされる拡大変位と推力の関係を示す図である。 ピエゾ素子と固定部との接触部分の拡大図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。最初に、図１を参照し、アクチュエータユニット１１の詳細について説明する。図１は、アクチュエータユニット１１の概略構成を示す。具体的には、図１（Ａ）はアクチュエータユニット１１の斜視図であり、図１（Ｂ）は外殻１１ｅの一部を切り欠いた状態のアクチュエータユニット１１の斜視図である。また、図１（Ｃ）はＹ−Ｚ平面におけるアクチュエータユニット１１の部分断面図であり、図１（Ｄ）はＹ−Ｚ平面における座屈式変位拡大機構１１ａの断面図である。

アクチュエータユニット１１は、容量性アクチュエータを構成する駆動ユニットである。本実施例では、アクチュエータユニット１１は、主に、座屈式変位拡大機構１１ａ、出力ジョイント１１ｂ、バネ予圧調整機構１１ｃ、ピエゾ予圧調整機構１１ｄ、及び外殻１１ｅを含む。

座屈式変位拡大機構１１ａは、座屈現象を利用して容量的性質を有する伸縮素子の変位を拡大する機構である。本実施例では、容量的性質を有する伸縮素子はピエゾ素子である。但し、伸縮素子は、磁歪素子、油圧シリンダ、空気圧シリンダ等であってもよい。また、座屈式変位拡大機構１１ａは、主に、一対のピエゾ素子１１ａ１、一対の固定部１１ａ２、出力部１１ａ３、及び予圧調整バネ１１ａ４を含む。

一対のピエゾ素子１１ａ１はそれぞれ、一端が転がりジョイントを介して固定部１１ａ２に連結され、且つ、他端が転がりジョイントを介して出力部１１ａ３に連結される。本実施例では、ピエゾ素子１１ａ１は積層セラミクスで構成される。左側のピエゾ素子１１ａ１に関する転がりジョイントは、図１（Ｄ）に示すように、左側のピエゾ素子１１ａ１の左端にあるキャップＣＰ１の端部曲面（転がり面）と左側の固定部１１ａ２の端部曲面（転がり面）との転がり接触（線接触）を介した連結、及び、左側のピエゾ素子１１ａ１の右端にあるキャップＣＰ２の端部曲面（転がり面）と出力部１１ａ３の左側の端部曲面（転がり面）との転がり接触（線接触）を介した連結を意味する。なお、転がり接触が点接触となる転がり面であってもよい。また、図１（Ｄ）の円Ｃ１は左側の固定部１１ａ２の端部曲面（部分円筒面）の輪郭を含む円を表し、円Ｃ２はキャップＣＰ１、ＣＰ２の端部曲面（部分円筒面）の輪郭を含む円を表し、円Ｃ３は出力部１１ａ３の左側の端部曲面（部分円筒面）の輪郭を含む円を表す。また、本実施例では、キャップＣＰ１、ＣＰ２は、ピエゾ素子１１ａ１とは別個独立の部材として存在するが、ピエゾ素子１１ａ１と一体的に形成されてもよい。右側のピエゾ素子１１ａ１に関する転がりジョイントについても同様である。

一対のピエゾ素子１１ａ１はそれぞれ、電圧が印加された場合に長手方向（Ｙ軸方向）に伸張して座屈現象を引き起こし、その伸張変位よりも大きい変位で出力部１１ａ３を長手方向に垂直な方向（Ｚ軸方向）に変位させる。すなわち、ピエゾ素子１１ａ１の伸縮運動は転がりジョイントで回転運動に変換されてその伸縮変位が拡大される。そして、出力部１１ａ３における直動往復動作をもたらす。このように、座屈式変位拡大機構１１ａは、一対のピエゾ素子１１ａ１のそれぞれの出力を変換し、ピエゾ素子１１ａ１の伸縮方向とは異なる方向である所定の出力方向に出力部１１ａ３を付勢して変位させる。なお、以下では出力部１１ａ３の変位を「拡大変位」と称する。

出力部１１ａ３は、座屈式変位拡大機構１１ａの出力を外部に伝達する機能要素である。本実施例では、出力部１１ａ３は、＋Ｚ側の端部が予圧調整バネ１１ａ４に接続され、−Ｚ側の端部が出力ジョイント１１ｂに接続される。

予圧調整バネ１１ａ４は、座屈式変位拡大機構１１ａの出力部１１ａ３を一定の特性で付勢する付勢手段の一例である。本実施例では、予圧調整バネ１１ａ４は、出力部１１ａ３の拡大変位とその拡大変位によってもたらされる推力との関係である拡大変位−推力特性を調整する。具体的には、予圧調整バネ１１ａ４は、−Ｚ方向に膨らむように湾曲した一対の湾曲部を含む板バネで構成され、その中央部が出力部１１ａ３に固定され、その両端部がバネ予圧調整機構１１ｃを介して一対の固定部１１ａ２に接続される。予圧調整バネ１１ａ４は、出力部１１ａ３の拡大変位によってもたらされる推力をオフセットするＺ軸方向の力を発生させる。以下では、予圧調整バネ１１ａ４が発生させる力を「オフセット力」と称する。この構成により、予圧調整バネ１１ａ４は、出力部１１ａ３の拡大変位の方向を決定付けて出力部１１ａ３の挙動を安定化させることができる。

バネ予圧調整機構１１ｃは、予圧調整バネ１１ａ４によるオフセット力を調整する機構である。本実施例では、バネ予圧調整機構１１ｃはウェッジブロックで構成される。使用者は、予圧調整バネ１１ａ４の両端部のＺ軸方向における位置を調整することで予圧調整バネ１１ａ４の中央部が−Ｚ方向に出力部１１ａ３を押し付ける力であるオフセット力を調整できる。

ピエゾ予圧調整機構１１ｄは、座屈式変位拡大機構１１ａにおける４つの転がりジョイントに対する予圧の付与及び調整を行う機構である。本実施例では、左側のピエゾ素子１１ａ１に関するピエゾ予圧調整機構１１ｄは、図１（Ｄ）に示すように、キャップＣＰ１、ガイドＧＤ１、及びシムＳＨ１で構成される。

キャップＣＰ１は、左側のピエゾ素子１１ａ１と左側の固定部１１ａ２との間の転がりジョイントを構成するために左側のピエゾ素子１１ａ１の左端に取り付けられる部材である。

ガイドＧＤ１は、キャップＣＰ１が左側のピエゾ素子１１ａ１の左端に取り外し可能に取り付けられるように案内する部材であり、キャップＣＰ１に固定される。キャップＣＰ１及びシムＳＨ１はピエゾ素子１１ａ１で発生した推力を高効率で伝達するように構成される。そのため、望ましくは、鋼材、セラミクス等、高い弾性と強度を備える材料で形成される。ガイドＧＤ１は、キャップＣＰ１及びピエゾ素子１１ａ１のアライメントを確保すると共にピエゾ素子１１ａ１の外面を保護するように構成される。そのため、望ましくは、ピエゾ素子１１ａ１よりも低い弾性の材料で形成され、或いは、低い弾性の構造を有する。なお、キャップＣＰ１とガイドＧＤ１は一体的に形成されてもよい。

シムＳＨ１は、ガイドＧＤ１内でキャップＣＰ１と左側のピエゾ素子１１ａ１の左端との間に配置可能な部材であり、キャップＣＰ１と左側のピエゾ素子１１ａ１の左端との間隔を調整するために用いられる。シムＳＨ１のＹ軸方向の幅が大きいほど、４つの転がりジョイントに対する予圧は大きい。

なお、ピエゾ予圧調整機構１１ｄは、左側のピエゾ素子１１ａ１の左端ばかりでなく、左側のピエゾ素子１１ａ１の右端に配置されてもよい。右側のピエゾ素子１１ａ１についても同様である。

ピエゾ予圧調整機構１１ｄにより、左端の接触点と右端の接触点との間の距離は自然長よりも短くなるように調整される。そのため、転がりジョイントの転がり面は、常に所定値以上の力を受けた状態で転がり接触する。なお、左端の接触点は、キャップＣＰ１の端部曲面と左側の固定部１１ａ２の端部曲面との接触点であり、右端の接触点は、キャップＣＰ４の端部曲面と右側の固定部１１ａ２の端部曲面との接触点である。また、自然長は、無負荷状態でＹ軸方向に一直線上に並べられた各部材（キャップＣＰ１、左側のピエゾ素子１１ａ１、キャップＣＰ２、出力部１１ａ３、キャップＣＰ３、右側のピエゾ素子１１ａ１、及びキャップＣＰ４）のＹ軸方向における合計長さである。

また、左側のピエゾ素子１１ａ１に関する転がり面は、キャップＣＰ１の表面のうち左側の固定部１１ａ２が接触する接触部分、左側の固定部１１ａ２の表面のうちキャップＣＰ１が接触する接触部分、キャップＣＰ２の表面のうち出力部１１ａ３が接触する接触部分、及び、出力部１１ａ３の表面のうちキャップＣＰ２が接触する接触部分を含む。右側のピエゾ素子１１ａ１に関する転がり面についても同様である。

外殻１１ｅは、一対の固定部１１ａ２の間の距離を固定する機能要素である。本実施例では、外殻１１ｅは、一対のピエゾ素子１１ａ１、一対の固定部１１ａ２、及び出力部１１ａ３を取り囲むように形成される部材であり、座屈式変位拡大機構１１ａで座屈現象が生じる場合に一対の固定部１１ａ２の間の距離が拡がるのを防止する。

以上の構成により、座屈式変位拡大機構１１ａは、ピエゾ素子１１ａ１の変位を１００倍以上に拡大可能であり、且つ、出力エネルギを７０％以上伝達可能な特性を有する。また、静推力維持に伴うエネルギロスが無く且つ拡大変位が比較的大きいという特性を備えていることから、座屈式変位拡大機構１１ａは、例えば、クランプ動作が求められるブレーキアクチュエータに適用され得る。

しかしながら、転がり面で部分円筒面を介した転がり接触を利用する場合、出力特性（出力部の変位と出力部による推力との関係）の設計自由度が制限され、ピエゾ素子１１ａ１が出力可能なエネルギを有効利用できない場合がある。

そこで、転がり面の少なくとも一部に非円筒面を採用することで、座屈式変位拡大機構１１ａの出力特性の設計自由度を拡大させる。非円筒面は、円筒面以外の面であり、典型的には円筒面以外の曲面である。具体的には、所定平面（ＹＺ平面に平行な面）における円筒面の輪郭線上の各点は所定点（ＹＺ平面と円筒中心軸の交点）からの距離（半径）が一定（曲率が一定）となるのに対し、その所定平面における非円筒面の輪郭線上の各点は所定点からの距離がそれぞれ異なる（曲率がそれぞれ異なる）。そして、出力特性はその曲率に応じて変化するため、非円筒面の輪郭線上の各点における曲率の変化は、所望の出力特性の実現をもたらす。また、転がり面は典型的にはＸ軸に平行に延びる面であり、所定平面における転がり面（非円筒面）の輪郭線の形状はＸ軸上の所定平面の位置にかかわらず同じである。この場合、転がり面同士の接触は線接触となり、転がり面での接触応力は点接触の場合に比べて小さくなる。そのため、転がり面同士の線接触は、点接触の場合に比べて転がり面の寿命を延長でき、且つ、座屈式変位拡大機構１１ａの動作安定性を高めることができる。

ここで、図２を参照し、座屈式変位拡大機構１１ａの出力特性について説明する。図２は、座屈式変位拡大機構１１ａの各構成要素に作用する力を示す模式図である。

座屈式変位拡大機構１１ａにおいて、出力部１１ａ３の拡大変位−推力特性は、拡大変位をY、推力をF_Yとすると、推力F_Yは、式（１）のように拡大変位Yの三次関数で表される。なお、拡大変位Yの一次項は、ピエゾ予圧調整機構１１ｄによるピエゾ予圧力、ピエゾ予圧調整機構１１ｄの機械的圧縮剛性、ピエゾ素子１１ａ１に対する印加電圧に応じて発生する推力（ピエゾ推力）に依存する成分である。また、拡大変位Yの三次項は、座屈式変位拡大機構１１ａの機械特性に依存する成分である。また、a₃、a₁はそれぞれ三次項、一次項の係数である。

また、座屈式変位拡大機構１１ａの出力特性は、ピエゾ素子１１ａ１のアクチュエータ特性と、座屈式変位拡大機構１１ａによる運動変換特性を考慮すると、式（２）のように表される。

なお、k_PCSはバネ予圧調整機構１１ｃの機械的圧縮剛性を表し、k_PZTはピエゾ素子１１ａ１の機械的圧縮剛性を表す。また、k_Fは外殻１１ｅの長手方向の機械的引張剛性を表し、k_Jは転がりジョイントの機械的圧縮剛性を表す。また、k_Sはピエゾ素子１１ａ１の変位方向における座屈式変位拡大機構１１ａの総合機械剛性を表し、外殻１１ｅの機械的引張剛性k_F、及び、転がりジョイントの機械的圧縮剛性k_Jに依存する。また、Lは固定部１１ａ２に関する転がりジョイントの回転中心と出力部１１ａ３に関する転がりジョイントの回転中心との間の距離を表す。また、F_Vはピエゾ推力を表し、F_PLはピエゾ予圧調整機構１１ｄによるピエゾ予圧力を表し、F_Zはピエゾ素子１１ａ１の変位量に依存してピエゾ素子１１ａ１の内部で発生する機械的推力を表す。また、Z_PZTはピエゾ素子１１ａ１の変位を表し、Z_Sはピエゾ素子１１ａ１の変位方向における転がりジョイントと外殻１１ｅとの総合変位を表す。また、dは圧電定数であり、V_PZTはピエゾ素子１１ａ１に印加される電圧を表す。また、αは接点間角度を表す。接点間角度αは、ピエゾ素子１１ａ１と固定部１１ａ２との接点と、ピエゾ素子１１ａ１と出力部１１ａ３との接点とを結ぶ線分の基準線に対する角度である。基準線は、拡大変位Yがゼロのときの固定部１１ａ２に関する転がりジョイントの回転中心と出力部１１ａ３に関する転がりジョイントの回転中心とを繋ぐ直線である。

式（２）の第１式は出力部１１ａ３の拡大変位Yの方向における力のつり合いを示す。また、第２式は座屈式変位拡大機構１１ａによる運動変換特性を示し、第３式はピエゾ素子１１ａ１の変位方向における力のつり合いを示す。なお、第２式では、ピエゾ素子１１ａ１の伸縮の影響をキャップの径の微小変化で近似している。この近似は、例えば、キャップＣＰ１の端部曲面（部分円筒面）の輪郭を含む円と、キャップＣＰ２の端部曲面（部分円筒面）の輪郭を含む円とが同心円Ｃ２（図１（Ｄ）参照。）となるように設計された場合に採用可能である。

また、式（２）を整理し、三角関数を３次のテイラー展開によって近似することで、出力部１１ａ３の拡大変位−推力特性は式（３）で表される。

式（３）では、第１項は、拡大変位Yの３乗に比例した推力を表す項であり、総合機械剛性k_S、機械的圧縮剛性k_PZT、及び距離Lに依存する。第２項は、拡大変位Yに比例した推力を表す項であり、総合機械剛性k_S、機械的圧縮剛性k_PZT、及び距離Lに加え、機械的圧縮剛性k_PCS、ピエゾ予圧力F_PL、及びピエゾ推力F_Vにも依存する。

ここで、図１（Ｄ）に示すようなシムＳＨ１を用いてピエゾ予圧力F_PLを調整する方法について説明する。図１（Ｄ）に示すように、シムＳＨ１をピエゾ素子１１ａ１とキャップＣＰ１との間に介在させることでピエゾ素子１１ａ１を所定量だけ予め圧縮できる。シムＳＨ１の厚さをZ_PLとすると、ピエゾ素子１１ａ１の圧縮量ΔZ_PZTは、総合機械剛性k_S及び機械的圧縮剛性k_PZTを用いて式（４）で表される。総合機械剛性k_Sを用いるのは、外殻１１ｅ及び転がりジョイントにも圧縮変位が生じるためである。

ここで、ピエゾ素子１１ａ１の変位方向における力のつり合いを表す式（２）の第３式において、拡大変位Yがゼロすなわち接点間角度αがゼロの場合にピエゾ素子１１ａ１に圧縮量ΔZ_PZTが付与されたとき、第３式は以下の式（５）で表される。

式（５）の第３項はピエゾ素子１１ａ１と転がりジョイントへの予圧力を表し、第３項の予圧力と第４項のピエゾ予圧力F_PLとの合力（k_PZTΔZ_PZT+F_PL）がシムＳＨ１を介在させたときのピエゾ予圧力ΔF_PLとされる。そして、式（３）のピエゾ予圧力F_PLをピエゾ予圧力ΔF_PLに置換すると、出力部１１ａ３の拡大変位−推力特性は式（６）で表される。

以上の関係から、ピエゾ予圧力ΔF_PLの調整により、式（１）における一次項の係数a₁を調整できることが分かる。

次に、図３を参照し、座屈式変位拡大機構１１ａの転がり動作に関する幾何学関係について説明する。図３（Ａ）は拡大変位Yがゼロのときの幾何学モデルを示し、図３（Ｂ）は出力部１１ａ３が基準線の上方に拡大変位Yだけ変位したときの幾何学モデルを示し、図３（Ｃ）は出力部１１ａ３が基準線の下方に拡大変位Yだけ変位したときの幾何学モデルを示す。また、図３は、左側のピエゾ素子１１ａ１に関する幾何学モデルを示すが、右側のピエゾ素子１１ａ１に関しても同様（左右対称）の転がり動作が行われる。また、図３は、明瞭化のため、キャップＣＰ１、ＣＰ２をピエゾ素子１１ａ１に統合し、その図示を省略する。また、以下の説明では、特に明示しない限り、ピエゾ素子１１ａ１は、キャップＣＰ１、ＣＰ２が一体化された部材を意味する。

図３（Ａ）に示す状態において、ピエゾ素子１１ａ１と固定部１１ａ２との接点P_Sにおける固定部１１ａ２の端部曲面の曲率半径は、点O_RSを原点とする円Ｃ１の半径と同じである。同様に、図３（Ａ）に示す状態において、ピエゾ素子１１ａ１と出力部１１ａ３との接点P_Kにおける出力部１１ａ３の端部曲面の曲率半径は、点O_RKを原点とする円Ｃ３の半径と同じである。また、円Ｃ２Ｌは、ピエゾ素子１１ａ１の左側の端部曲面（部分円筒面）の輪郭を含む円であり、点O_CSを原点とする。また、円Ｃ２Ｒは、ピエゾ素子１１ａ１の右側の端部曲面（部分円筒面）の輪郭を含む円であり、点O_CKを原点とする。また、図３（Ａ）に示す状態では点O_CS及び点O_CKは、ピエゾ素子１１ａ１の中心点である点O_Zと同じ位置にあり、点O_RS、点P_S、点O_Z、点P_K、及び点O_RKは同一直線上（基準線上）にある。また、図３（Ａ）に示す状態では、ピエゾ素子１１ａ１の変位量z、接点P_Sと接点P_Kとを結ぶ線分P_S−P_Kの基準線に対する角度である接点間角度α、及び、出力部１１ａ３の出力である拡大変位Yは何れもゼロである。

また、図３では、固定部１１ａ２は、点O_RSを基準とする距離r(φ)で表される一点鎖線で示す輪郭を形成する端部曲面を有する。距離r(φ)は、式（７）に示すような２次元極座標系における三次関数で表される。

角度φは、点O_RSと接点P_Sとを結ぶ線分O_RS−P_Sの基準線に対する角度である。また、r₃は角度φの三次項の係数であり、r₀は角度φの零次項の係数である。r₃をゼロとした場合、固定部１１ａ２の端部曲面は半径r₀の円弧で表される輪郭を有する部分円筒面となる。

同様に、出力部１１ａ３も距離r(φ)で表される一点鎖線で示す輪郭を形成する端部曲面を有する。この場合、距離r(φ)は点O_RKを基準とする距離であり、角度φは点O_RKと接点P_Kとを結ぶ線分O_RK−P_Kの基準線に対する角度である。

また、固定部１１ａ２の端部曲面と出力部１１ａ３の端部曲面とは、点O_Zに関して点対称となるように配置されている。図３の例では、図３（Ａ）に示す状態において、固定部１１ａ２の端部曲面は基準線の上側で非円筒面となり基準線の下側で部分円筒面となる。そして、非円筒面と部分円筒面との境目となる基準線のところで曲面同士が滑らかに接続されるように構成されている。但し、非円筒面と部分円筒面との境目は基準線以外のところにあってもよい。同様に、出力部１１ａ３の端部曲面は基準線の上側で部分円筒面となり基準線の下側で非円筒面となる。そして、非円筒面と部分円筒面との境目となる基準線のところで曲面同士が滑らかに接続されるように構成されている。但し、非円筒面と部分円筒面との境目は基準線以外のところにあってもよい。

ここで、図３（Ｂ）を参照し、出力部１１ａ３が基準線の上方に拡大変位Yだけ変位した場合について説明する。ここでは、転がり動作ではすべりが生じず、固定部１１ａ２の端部曲面（非円筒面）上の接点P_Sの移動距離が、出力部１１ａ３の端部曲面（非円筒面）上の接点P_Kの移動距離に等しい。すなわち、出力部１１ａ３が所定区間（基準線の上側の区間）を変位する際にピエゾ素子１１ａ１の部分円筒面と固定部１１ａ２及び出力部１１ａ３のそれぞれの非円筒面とが接触する。また、点O_RS、点P_Sと点O_RK、点P_Kとはピエゾ素子１１ａ１の中心点O_Zに関して点対称となる関係を維持する。

ピエゾ素子１１ａ１に電圧が印加されると、ピエゾ素子１１ａ１は、図３（Ｂ）に示すように変位量zだけ伸張し、接点間角度α及び拡大変位Yは何れも増大する。このとき、変位量zは点O_CSと点O_CKとの間の距離に相当し、接点間角度αは式（８）で表され、拡大変位Yは式（９）で表される。

また、角度φのときの推力F_Yは、式（１０）を用いて算出される。

また、角度φを媒介変数とすると、拡大変位Yと推力F_Yとが対応付けられ、拡大変位−推力特性が求められる。

次に図３（Ｃ）を参照し、出力部１１ａ３が基準線の下方に拡大変位Yだけ変位した場合について説明する。ここでは、転がり動作ではすべりが生じず、固定部１１ａ２の端部曲面（部分円筒面）上の接点P_Sの移動距離が、出力部１１ａ３の端部曲面（部分円筒面）上の接点P_Kの移動距離に等しい。すなわち、出力部１１ａ３が所定区間（基準線の下側の区間）を変位する際にピエゾ素子１１ａ１と固定部１１ａ２及び出力部１１ａ３のそれぞれとが部分円筒面同士で接触する。また、図３（Ｃ）に示す状態では点O_RS、点P_S、点O_CS、点O_Z、点O_CK、点P_K、及び点O_RKは同一直線上にある。接点間角度α、及び、拡大変位Yは図３（Ｂ）の場合と同様に導き出される。また、角度φは接点間角度αと等しい。

図４は、様々な輪郭を形成する固定部１１ａ２及び出力部１１ａ３の端部曲面によってもたらされる拡大変位−推力特性を示す図である。具体的には、図４は、式（７）の係数r₃、r₀をパラメータとして変化させることで得られる４つの異なる輪郭を形成する端部曲面を有する固定部１１ａ２及び出力部１１ａ３を含む座屈式変位拡大機構１１ａの拡大変位−推力特性を示す。なお、黒色及び灰色の実線はピエゾ素子１１ａ１に電圧を印加したときの拡大変位Yに対する推力F_Yの推移（F_YON）を示し、黒色及び灰色の破線はその電圧の印加を停止したときの拡大変位Yに対する推力F_Yの推移（F_YOFF）を示す。また、黒色及び灰色の一点鎖線は、ピエゾ素子１１ａ１に電圧を印加したときの推力F_Yと、その電圧の印加を停止したときの推力F_Yとの差（推力差）の推移を示す。また、比較対象として表される灰色の実線、破線、一点鎖線は、零次項の係数r₀を変えずに三次項の係数r₃のみをゼロとしたとき、すなわち、端部曲面として部分円筒面を採用したときの推移を示す。

具体的には、図４（Ａ）は係数r₃を２００とし、係数r₀を１４としたときの特性を示し、図４（Ｂ）は係数r₃を２００とし、係数r₀を３０としたときの特性を示す。また、図４（Ｃ）は係数r₃を−２０００とし、係数r₀を１４としたときの特性を示し、図４（Ｂ）は係数r₃を−２０００とし、係数r₀を３０としたときの特性を示す。

また、図５は、ピエゾ素子１１ａ１と固定部１１ａ２との接触部分の拡大図を示す。具体的には、図５（Ａ）では、固定部１１ａ２の端部曲面の輪郭のうち破線で示す部分が式（７）の係数r₃、r₀を−２０００、１４としたときの距離r(φ)で表され、その輪郭のうち太実線で示す部分が式（７）の係数r₃、r₀を０、１４としたときの距離r(φ)で表される。これは、図３の固定部１１ａ２の端部曲面に対応する。そして、図５（Ａ）における固定部１１ａ２の端部曲面の輪郭のうち破線で示す部分（基準線より上の部分）がピエゾ素子１１ａ１の部分円筒面と接触する際（図３（Ｂ）に示すように出力部１１ａ３が上方に移動する際）の拡大変位−推力特性は図４（Ｃ）の黒色の実線、破線、一点鎖線で示す推移によって表される。また、図５（Ａ）における固定部１１ａ２の端部曲面の輪郭のうち太実線で示す部分（基準線より下の部分）がピエゾ素子１１ａ１の部分円筒面と接触する際（図３（Ｃ）に示すように出力部１１ａ３が下方に移動する際）の拡大変位−推力特性は図４（Ｃ）の灰色の実線、破線、一点鎖線で示す推移によって表される。但し、図４（Ｃ）はY−F_Y平面の第一象限における推移を示すのみであるため、灰色の実線、破線、一点鎖線で示す推移に関しては、拡大変位Y及び推力F_Yのそれぞれの符号は反転させられている。

また、図５（Ｂ）では、固定部１１ａ２の端部曲面の輪郭のうち破線で示す部分が式（７）の係数r₃、r₀を０、１４としたときの距離r(φ)で表される。そして、図５（Ｂ）の構成によって実現される拡大変位−推力特性は、図４（Ａ）及び図４（Ｃ）の灰色の実線、破線、一点鎖線で示す推移によって表される。但し、図４（Ａ）及び図４（Ｃ）はY−F_Y平面の第一象限における推移を示すのみであるため、図５（Ｂ）における固定部１１ａ２の端部曲面の輪郭のうち基準線より上の部分がピエゾ素子１１ａ１の部分円筒面と接触する際の推移のみを示す。但し、固定部１１ａ２の端部曲面の輪郭のうち基準線より下の部分がピエゾ素子１１ａ１の部分円筒面と接触する際の推移は、基準線より上の部分がピエゾ素子１１ａ１の部分円筒面と接触する際の推移との関係において、Y−F_Y平面の原点に対して点対称である。そのため、両者は拡大変位Y及び推力F_Yの符号を反転させたときに重なり合う。

図４（Ａ）〜図４（Ｄ）に示すように、係数r₃が負値の場合、端部曲面として部分円筒面を採用した場合に比べ、推力F_Yのピーク値は増大する。

また、端部曲面として部分円筒面を採用した場合、拡大変位Yに対する推力差の変化は図４（Ａ）〜図４（Ｄ）の灰色の一点鎖線で示すように線形であるが、端部曲面として非円筒面を採用し且つ係数r₃を正値とした場合にはその推力差の変化は図４（Ａ）及び図４（Ｂ）の黒色の一点鎖線で示すように非線形となる。これは、端部曲面として部分円筒面を採用した場合には推力差が拡大変位Yに依存するのに対し、端部曲面として非円筒面を採用し且つ係数r₃を正値とした場合にはその推力差を拡大変位Yの大きさとは無関係に設計できることを意味する。

このように、座屈式変位拡大機構１１ａの拡大変位−推力特性の設計自由度は、固定部１１ａ２及び出力部１１ａ３のそれぞれの端部曲面として非円筒面を採用することによって拡大される。そのため、端部曲面として非円筒面を採用することは、ピエゾ素子１１ａ１が出力可能なエネルギの更なる有効利用を可能にする。また、座屈式変位拡大機構１１ａの拡大変位−推力特性は、角度φの三次項を含む関数である距離r(φ)で表される輪郭を有する端部曲面を採用することでより安定的に実現される。三次項の代わりに一次項又は二次項を含む関数としての距離r(φ)で表される輪郭を有する端部曲面を採用した場合、角度φの変化に対する端部曲面の曲率半径の変化が小さくなるためである。

また、座屈式変位拡大機構１１ａの拡大変位−推力特性は、シムＳＨ１を用いたピエゾ予圧力F_PLの調整により変更され得る。言い換えれば、作業者は、現在の座屈式変位拡大機構１１ａの拡大変位−推力特性に関するデータを取得することで、所望の拡大変位−推力特性を実現するために必要なピエゾ予圧力F_PL、ひいてはシムＳＨ１の厚さZ_PLを導き出すことができる。

具体的には、シムＳＨ１の厚さZ_PLを変更してピエゾ予圧力ΔF_PLを調整することで式（１）における一次項の係数a₁を調整できる。一次項の係数a₁は、拡大変位−推力特性を表す曲線に関する、拡大変位がゼロのときの接線の傾きを表す。作業者は、例えば、現在の座屈式変位拡大機構１１ａの拡大変位−推力特性を見て、接線の傾きが小さいと判断した場合には、接線の傾きが大きくなるようにシムＳＨ１の厚さZ_PLを変更する。拡大変位−推力特性を表す曲線は、例えば、ピエゾ素子１１ａ１に対する電圧の印加を停止したときの拡大変位Yに対する推力F_Yの推移（F_YOFF）を表す曲線である。望ましくは、拡大変位−推力特性を表す曲線は、ピエゾ素子１１ａ１と固定部１１ａ２及び出力部１１ａ３のそれぞれとが部分円筒面同士で接触する場合の曲線（図４（Ｃ）の灰色の破線で示す曲線）である。ピエゾ素子１１ａ１の部分円筒面と固定部１１ａ２及び出力部１１ａ３のそれぞれの非円筒面とが接触する場合の拡大変位−推力特性は、部分円筒面同士が接触する場合に比べ、ピエゾ素子１１ａ１のアライメント誤差等、ピエゾ予圧力ΔF_PL以外の影響を受け易いためである。なお、ピエゾ素子１１ａ１のアライメント誤差は、例えば、ピエゾ素子１１ａ１の中心線と基準線とのずれを含む。

そのため、出力部１１ａ３が所定区間（例えば基準線の上側）を変位する際に非円筒面を用いた接触を行い、出力部１１ａ３が別の所定区間（例えば基準線の下側）を変位する際に部分円筒面同士が接触する構成は、非円筒面による効果を実現しながらも、シムＳＨ１を用いたピエゾ予圧力F_PLの調整による拡大変位−推力特性の調整を容易に実現できる点で有効である。すなわち、部分円筒面同士が接触する場合の拡大変位−推力特性の調整結果を、非円筒面を用いた接触の場合の拡大変位−推力特性の調整に利用できる点で有効である。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。

例えば、上述の実施例では、固定部１１ａ２の表面のうちピエゾ素子１１ａ１が接触する接触部分、及び、出力部１１ａ３の表面のうちピエゾ素子１１ａ１が接触する接触部分のそれぞれが非円筒面を含むように構成される。また、ピエゾ素子１１ａ１の表面のうち出力部１１ａ３が接触する接触部分、及び、ピエゾ素子１１ａ１の表面のうち固定部１１ａ２が接触する接触部分のそれぞれが部分円筒面で構成される。しかしながら、本発明はこの構成に限定されるものではない。具体的には、ピエゾ素子１１ａ１の表面のうち出力部１１ａ３が接触する接触部分、ピエゾ素子１１ａ１の表面のうち固定部１１ａ２が接触する接触部分、出力部１１ａ３の表面のうちピエゾ素子１１ａ１が接触する接触部分、及び、固定部１１ａ２の表面のうちピエゾ素子１１ａ１が接触する接触部分の少なくとも１つの接触部分が少なくとも部分的に非円筒面を含む構成であればよい。例えば、固定部１１ａ２の表面のうちピエゾ素子１１ａ１が接触する接触部分、及び、出力部１１ａ３の表面のうちピエゾ素子１１ａ１が接触する接触部分のそれぞれが部分円筒面で構成され、ピエゾ素子１１ａ１の表面のうち出力部１１ａ３が接触する接触部分、及び、ピエゾ素子１１ａ１の表面のうち固定部１１ａ２が接触する接触部分のそれぞれが非円筒面を含むように構成されてもよい。

また、上述の実施例では、固定部１１ａ２の端部曲面と出力部１１ａ３の端部曲面とは、点O_Zに関して点対称となるように配置されている。しかしながら、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、固定部１１ａ２の端部曲面が非円筒面を含むように構成され、対応する出力部１１ａ３の端部曲面が部分円筒面で構成されてもよい。

また、上述の実施例では、非円筒面を含む端部曲面と部分円筒面で構成される端部曲面とが接触するように構成される。しかしながら、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、非円筒面を含む端部曲面と非円筒面を含む別の端部曲面とが接触するように構成されてもよい。

また、上述の実施例では、座屈式変位拡大機構１１ａは、基本的に、一対のピエゾ素子１１ａ１と一対の固定部１１ａ２と１つの出力部１１ａ３とで構成される。しかしながら、本発明はこの構成に限定されるものではない。例えば、変位拡大機構は、基本的に、１つのピエゾ素子と１つの固定部と１つの出力部で構成されてもよい。

１１・・・アクチュエータユニット １１ａ・・・座屈式変位拡大機構 １１ａ１・・・ピエゾ素子 １１ａ２・・・固定部 １１ａ３・・・出力部 １１ａ４・・・予圧調整バネ １１ｂ・・・出力ジョイント １１ｃ・・・バネ予圧調整機構 １１ｄ・・・ピエゾ予圧調整機構 １１ｅ・・・外殻 １００・・・容量性アクチュエータモータ ＣＰ１、ＣＰ２、ＣＰ３、ＣＰ４・・・キャップ ＧＤ１・・・ガイド ＳＨ１・・・シム

Claims (6)

1. 容量的性質を有する伸縮素子と、
   前記伸縮素子の一端と接触し、前記伸縮素子の伸縮に応じて前記伸縮素子の伸縮方向とは異なる方向に変位する出力部と、
   前記伸縮素子の他端と接触し、前記伸縮素子の伸縮によっては変位しない固定部と、
   を有する変位拡大機構であって、
   前記伸縮素子の表面のうち前記出力部が接触する接触部分、前記伸縮素子の表面のうち前記固定部が接触する接触部分、前記出力部の表面のうち前記伸縮素子が接触する接触部分、及び、前記固定部の表面のうち前記伸縮素子が接触する接触部分の少なくとも１つの接触部分は少なくとも部分的に非円筒面を含む、
   変位拡大機構。
2. 前記伸縮素子と前記出力部及び前記固定部のそれぞれとの接触は転がり接触である、
   請求項１に記載の変位拡大機構。
3. 前記伸縮素子と前記出力部及び前記固定部のそれぞれとの接触は線接触である、
   請求項１又は２に記載の変位拡大機構。
4. 前記非円筒面の輪郭は三次関数で表される、
   請求項１乃至３の何れかに記載の変位拡大機構。
5. 前記伸縮素子の表面のうち前記出力部が接触する接触部分、及び、前記伸縮素子の表面のうち前記固定部が接触する接触部分のそれぞれは部分円筒面であり、
   前記出力部の表面のうち前記伸縮素子が接触する接触部分、及び、前記固定部の表面のうち前記伸縮素子が接触する接触部分のそれぞれは少なくとも部分的に非円筒面を含む、
   請求項１乃至４の何れかに記載の変位拡大機構。
6. 前記伸縮素子の表面のうち前記出力部が接触する接触部分、前記伸縮素子の表面のうち前記固定部が接触する接触部分、前記出力部の表面のうち前記伸縮素子が接触する接触部分、及び、前記固定部の表面のうち前記伸縮素子が接触する接触部分はいずれも、少なくとも部分的に部分円筒面を含み、
   前記出力部が所定区間を変位する際に前記伸縮素子と前記出力部及び前記固定部のそれぞれとは前記部分円筒面同士で接触する、
   請求項１乃至５の何れかに記載の変位拡大機構。