JP2020102920A - 変位拡大機構、アクチュエータ、及び、変位拡大機構の調整方法 - Google Patents

Abstract

【課題】伸縮素子の予圧力を調整できる変位拡大機構、アクチュエータ、及び、変位拡大機構の調整方法を提供する。【解決手段】容量的性質を有する伸縮素子１１と、伸縮素子１１の一端と転がり接触する固定部１２と、伸縮素子１１の他端と転がり接触し、伸縮素子１１の伸縮に応じて伸縮素子１１の伸縮方向とは異なる方向に変位する出力部１３と、出力部１３の出力特性を調整する出力特性調整部５０と、を備え、出力特性調整部５０は、伸縮素子１１の予圧力を調整することで出力部１３の出力特性を調整する。【選択図】図３

Description

本発明は、変位拡大機構、アクチュエータ、及び、変位拡大機構の調整方法に関する。

ピエゾ素子（圧電素子）の小さい変位を拡大して出力する変位拡大機構が知られている。

特許文献１には、出力部と、出力部に関して対称に配置される圧電素子と、圧電素子のそれぞれの両側に配置されるキャップと、出力部と転がり接触するキャップ以外のキャップと転がり接触するサイドブロックと、サイドブロックを剛結合するフレームと、を有する座屈型アクチュエータが開示されている。

特開２０１４−８２９３０号公報

ところで、アクチュエータの運用時間の増加に伴って、アクチュエータを構成する部品の材料劣化や、摩耗等による寸法変化等が発生した場合、ピエゾ素子の予圧力が減少するおそれがある。予圧力の減少によりアクチュエータの出力特性が変化する。また、アクチュエータを取り付けた装置の性能が劣化する。このため、ピエゾ素子の予圧力を容易に調整できる構成が求められている。

そこで、本発明は、伸縮素子の予圧力を調整できる変位拡大機構、アクチュエータ、及び、変位拡大機構の調整方法を提供することを目的とする。

実施形態の一態様の変位拡大機構は、容量的性質を有する伸縮素子と、前記伸縮素子の一端と転がり接触する固定部と、前記伸縮素子の他端と転がり接触し、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、前記出力部の出力特性を調整する出力特性調整部と、を備え、前記出力特性調整部は、前記伸縮素子の予圧力を調整することで前記出力部の出力特性を調整する。

本発明によれば、伸縮素子の予圧力を調整できる変位拡大機構、アクチュエータ、及び、変位拡大機構の調整方法を提供することができる。

アクチュエータユニットの概略構成を示す図。 変位拡大機構の各構成要素に作用する力を示す模式図。 本実施形態に係る変位拡大機構の平面図。 予圧力に対する印加電圧と出力特性との関係を示すグラフ。 予圧力による変位拡大機構の出力特性の変化を説明する模式図。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。各図面において、同一の又は対応する構成については同一の又は対応する符号を付して説明を省略する。

アクチュエータユニット１について図１を用いて説明する。図１は、アクチュエータユニット１の構成を示す図である。具体的には、図１（Ａ）はアクチュエータユニット１の斜視図である。図１（Ｂ）は外殻１５の一部を切り欠いた状態のアクチュエータユニット１の斜視図である。図１（Ｃ）はｙ−ｚ平面におけるアクチュエータユニット１の部分断面図である。図１（Ｄ）はｙ−ｚ平面における変位拡大機構１０の断面図である。

アクチュエータユニット１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。アクチュエータユニット１は、主に、変位拡大機構１０と、出力ジョイント２０と、バネ予圧調整機構３０と、ピエゾ予圧調整機構４０と、を有している。

変位拡大機構１０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。本実施形態では、容量的性質を有する伸縮素子はピエゾ素子であり、例えば積層セラミクスで構成される。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、変位拡大機構１０は、主に、一対のピエゾ素子１１と、一対の固定部（「サイドブロック」とも称する。）１２と、出力部（「センターブロック」とも称する。）１３と、予圧調整バネ１４と、外殻（「フレーム」とも称する。）１５と、を有する。

一対のピエゾ素子１１は、それぞれ、一端が転がりジョイントを介して固定部１２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１３に連結される。ピエゾ素子１１の長手方向の両端面には、キャップＣＰ１、ＣＰ２が接合される。なお、本実施形態では、キャップＣＰ１、ＣＰ２は、ピエゾ素子１１とは別個独立の部材として存在するが、ピエゾ素子１１と一体的に形成されてもよい。ピエゾ素子１１と固定部１２との転がりジョイントは、ピエゾ素子１１の一端に接合されたキャップＣＰ１の端部曲面（転がり面）と、固定部１２の端部曲面（転がり面）との転がり接触（線接触または点接触）を介した連結により構成される。また、ピエゾ素子１１と出力部１３との転がりジョイントは、ピエゾ素子１１の他端に接合されたキャップＣＰ２の端部曲面（転がり面）と、固定部１２の端部曲面（転がり面）との転がり接触（線接触または点接触）を介した連結により構成される。また、図１（Ｄ）において、円Ｃ１は固定部１２の端部曲面においてキャップＣＰ１の端部曲面と接触する接点の軌跡を含む円を表し、円Ｃ２はキャップＣＰ１、ＣＰ２の端部曲面において固定部１２または出力部１３の端部曲面と接触する接触位置の軌跡を含む円を表し、円Ｃ３は出力部１３の端部曲面においてキャップＣＰ２の端部曲面と接触する接点の軌跡を含む円を表す。即ち、ピエゾ素子１１と固定部１２との転がりジョイントは、円Ｃ１及び円Ｃ２によって、その動作が規定される。また、ピエゾ素子１１と出力部１３との転がりジョイントは、円Ｃ２及び円Ｃ３によって、その動作が規定される。

一対のピエゾ素子１１はそれぞれ、電圧が印加された場合に長手方向（ｚ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１３を長手方向に垂直な方向（ｙ軸方向）に変位させる。すなわち、ピエゾ素子１１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１３における直動往復動作をもたらす。このように、変位拡大機構１０は、一対のピエゾ素子１１のそれぞれの出力を変換し、ピエゾ素子１１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１３を付勢して変位させる。なお、以下では出力部１３の変位を「拡大変位」と称する。

出力部１３は、変位拡大機構１０の出力を外部に伝達する機能要素である。本実施形態では、出力部１３は、＋ｙ側の端部が予圧調整バネ１４に接続され、−ｙ側の端部が出力ジョイント２０に接続される。

予圧調整バネ（「ＰＣＳ(Preload Compensation Spring)」とも称する。）１４は、変位拡大機構１０の出力部１３を一定の特性で付勢する付勢手段の一例である。本実施形態では、予圧調整バネ１４は、出力部１３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１４は、−ｙ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１３に固定され、その両端部がバネ予圧調整機構３０を介して一対の固定部１２に接続される。予圧調整バネ１４は、出力部１３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ｙ軸方向の力を発生させる。以下では、予圧調整バネ１４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１４は、出力部１３の拡大変位の方向を決定付けて出力部１３の挙動を安定化させることができる。

バネ予圧調整機構３０は、予圧調整バネ１４によるオフセット力を調整する機構である。本実施形態では、バネ予圧調整機構３０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１４の両端部のｙ軸方向における位置を調整することで予圧調整バネ１４の中央部が−ｙ方向に出力部１３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４０は、変位拡大機構１０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。本実施形態では、ピエゾ素子１１に関するピエゾ予圧調整機構４０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、ピエゾ素子１１と固定部１２との間の転がりジョイントを構成するためにピエゾ素子１１の一端に取り付けられる部材である。

ガイドＧＤ１は、キャップＣＰ１がピエゾ素子１１の一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１１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１１のアライメントを確保すると共にピエゾ素子１１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１１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とピエゾ素子１１の一端との間に配置可能な部材であり、キャップＣＰ１とピエゾ素子１１の一端との間隔を調整するために用いられる。即ち、シムＳＨ１のｚ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くなる。

なお、ピエゾ予圧調整機構４０は、ピエゾ素子１１の一端（固定部１２の側）に配置されるものとして説明したが、ピエゾ素子１１の他端（出力部１３の側）に配置されてもよい。

ピエゾ予圧調整機構４０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、左側のキャップＣＰ１の端部曲面と左側の固定部１２の端部曲面との接触点であり、右端の接触点は、右側のキャップＣＰ１の端部曲面と右側の固定部１２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ｚ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１１、キャップＣＰ２、出力部１３、キャップＣＰ２、右側のピエゾ素子１１、キャップＣＰ１）のｚ軸方向における合計長さである。

外殻１５は、一対の固定部１２の間の距離を固定する機能要素である。本実施形態では、外殻１５は、一対のピエゾ素子１１、一対の固定部１２、及び出力部１３を取り囲むように形成される部材であり、変位拡大機構１０で座屈現象が生じる場合に一対の固定部１２の間の距離が拡がるのを防止する。

以上の構成により、変位拡大機構１０は、ピエゾ素子１１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、変位拡大機構１０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。

次に、変位拡大機構１０の出力特性について図２を用いて説明する。図２は、変位拡大機構１０の各構成要素に作用する力を示す模式図である。

変位拡大機構１０の出力特性は、ピエゾ素子１１のアクチュエータ特性と、変位拡大機構１０による運動変換特性を考慮すると、式（１）のように表される。

なお、ｋＰＣＳはバネ予圧調整機構３０の機械的圧縮剛性を表し、ｋＰＺＴはピエゾ素子１１の機械的圧縮剛性を表す。また、ｋＦは外殻１５の長手方向の機械的引張剛性を表し、ｋＪは転がりジョイントの機械的圧縮剛性を表す。また、ｋＳはピエゾ素子１１の変位方向における変位拡大機構１０の総合機械剛性を表し、外殻１５の機械的引張剛性ｋＦ、及び、転がりジョイントの機械的圧縮剛性ｋＪに依存する。また、Ｌは固定部１２に関する転がりジョイントの回転中心と出力部１３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、ＦＶはピエゾ推力を表し、ＦＰＬはピエゾ予圧調整機構４０によるピエゾ予圧力を表し、ＦＺはピエゾ素子１１の変位量に依存してピエゾ素子１１の内部で発生する機械的推力を表す。また、ｚＰＺＴはピエゾ素子１１の変位を表し、ｚＳはピエゾ素子１１の変位方向における転がりジョイントと外殻１５との総合変位を表す。また、ｄは圧電定数であり、ＶＰＺＴはピエゾ素子１１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１１と固定部１２との接点と、ピエゾ素子１１と出力部１３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１２に関する転がりジョイントの回転中心と出力部１３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。なお、図２のｙ０は、予圧調整バネ１４に対する一定の変位量（予荷重）を表す。

式（１）の第１式は出力部１３の拡大変位Ｙの方向における力のつり合いを示す。第２式は変位拡大機構１０による運動変換特性を示す。第３式はピエゾ素子１１の変位方向における力のつり合いを示す。なお、ｚは、キャップＣＰ１が固定部１２の端部曲面と転がり接触（線接触または点接触）する円弧の中心と、キャップＣＰ２が出力部１３の端部曲面と転がり接触（線接触または点接触）する円弧の中心との距離を表す。また、第２式では、ピエゾ素子１１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の端部曲面の輪郭を含む円と、キャップＣＰ２の端部曲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。

式（１）より、外部拘束により、変位Ｙ＝Ｙｄに拘束されているときの推力Ｆｙｄは、式（２）のようになる。

また、アクチュエータユニット１の出力部１３への外力が０のときには、運動変換後のピエゾ素子１１の推力と、予圧調整バネ１４の弾性力がつり合い、Ｆｙ＝０となる。そのときの変位をＹ＝Ｙｆとすると、出力変位Ｙｆは式（３）で表すことができる。

以上の式（２）及び式（３）から、推力Ｆｙｄ及び出力変位Ｙｆについては、ピエゾ素子１１の予圧力ＦＰＬに依存することがわかる。

次に、本実施形態に係る変位拡大機構１０について、図３を用いて更に説明する。図３は、本実施形態に係る変位拡大機構１０の平面図である。具体的には、図３（Ａ）は変位拡大機構１０の全体の平面図であり、図３（Ｂ）は変位拡大機構１０の部分拡大図である。なお、図３において、出力ジョイント２０、バネ予圧調整機構３０、予圧調整バネ１４等は省略して図示している。

固定部１２は、サイドブロック１２０と、第１くさび部材１２１と、第２くさび部材１２２と、を含む。サイドブロック１２０は、ピエゾ素子１１のキャップＣＰ１と転がり接触する転がり面と、第１くさび部材１２１と当接する円弧面と、を有する部材である。第１くさび部材１２１は、サイドブロック１２０と当接する円弧面と、第２くさび部材１２２と当接する傾斜角度θの傾斜面と、を有するくさび状の部材である。なお、ピエゾ素子１１の伸縮方向（ｚ軸方向）にみて、第１くさび部材１２１の一方側に円弧面が形成され、第１くさび部材１２１の他方側に傾斜面が形成される。第２くさび部材１２２は、第１くさび部材１２１と当接する傾斜角度θの傾斜面と、外殻１５と当接する当接面と、を有するくさび状の部材である。なお、ピエゾ素子１１の伸縮方向（ｚ軸方向）にみて、第２くさび部材１２２の一方側に傾斜面が形成され、第２くさび部材１２２の他方側に当接面が形成される。また、固定部１２は、第１くさび部材１２１の傾斜面と第２くさび部材１２２の傾斜面とが当接する当接部１２３を有する。また、固定部１２は、外殻１５と当接する当接部１２４を有する。

第１くさび部材１２１は、第１くさび部材１２１の側面（ｙ−ｚ面と平行な面）と外殻１５の内側面とが摺動する摺動部１２５を有する。摺動部１２５によって、第１くさび部材１２１は、ｚ軸方向の移動を可能とするとともに、ｘ軸方向の移動が規制される。なお、摺動部１２５における外殻１５と第１くさび部材１２１とのはめ合いは、例えば、精転合から滑合の間のはめ合いとすることが好ましい。なお、精転合及び滑合とは、はめ合いにおける公差の組み合わせを説明するものであり、例えば、「ＪＩＳ使い方シリーズ製図マニュアル（精度編）」日本規格協会、に定義されており、ほとんどガタのない精密なしゅう動部分に用いる。

なお、第１くさび部材１２１のｙ軸方向の移動は、第１くさび部材１２１と第２くさび部材１２２との当接部１２３における摩擦によって抑えられている。また、第２くさび部材１２２のｙ軸方向の移動は、第２くさび部材１２２と外殻１５との当接部１２４における摩擦によって抑えられている。

このように、第１くさび部材１２１は、摺動部１２５によって、ｚ軸方向のみ移動が可能となるように構成されている。

一方、第２くさび部材１２２の側面（ｙｚ平面と平行な面）と外殻１５の側面との間は、わずかに隙間１２７（例えば、１〜２ｍｍ程度）を有している。これにより、第２くさび部材１２２は、ｘ軸方向に移動することができるように構成されている。

外殻１５は、−ｘ方向から第２くさび部材１２２を＋ｘ方向に押すための穴部１５１と、＋ｘ方向から第２くさび部材１２２を−ｘ方向に押すための穴部１５２と、を有している。穴部１５１及び穴部１５２は、第２くさび部材１２２を基準として対向配置するように配置されている。なお、穴部１５１，１５２は、雌ネジ加工されたネジ穴であってもよく、通し穴であってもよく、穴の形状は問わない。図３の例において、穴部１５１，１５２はネジ穴であるものとして説明する。また、図３に示すように、穴部１５１，１５２にはザグリ加工されていてもよい。

穴部１５１にボルト６０を螺合させることにより、ボルト６０の軸部先端が第２くさび部材１２２を押し、第２くさび部材１２２を＋ｘ方向に移動させることができる。また、穴部１５２にボルト６０を螺合させることにより、ボルト６０の軸部先端が第２くさび部材１２２を押し、第２くさび部材１２２を−ｘ方向に移動させることができる。

また、外殻１５には、ｙ軸方向に貫通する取付穴部１５３が形成されている。なお、取付穴部１５３は、ネジ穴であってもよく、通し穴であってもよく、穴の形状は問わない。取付穴部１５３は、アクチュエータユニット１を装置（不図示）に取り付けるための取付部である。なお、アクチュエータユニット１を取り付ける装置としては、例えば、射出成形機の型締装置、半導体製造装置のクランプ装置、共振振動を用いて液滴を吐出するインクジェットヘッドの共振装置、ブレーキ装置、バルブ装置、ロボットハンド装置等に適用することができる。

ここで、アクチュエータユニット１の運用時間の増加に伴う出力特性の変化について図４を用いて説明する。図４は、予圧力に対する印加電圧と出力特性との関係を示すグラフである。なお、横軸はピエゾ素子１１への印加電圧を示し、縦軸はアクチュエータユニット１の出力特性（推力Ｆｙｄまたは出力変位Ｙｆ）を示す。また、初期状態（アクチュエータユニット１の組立直後）の予圧力をＦＰＬ１とし、運用時間経過後の予圧力をＦＰＬ２とする。

アクチュエータユニット１の運用時間の増加に伴って、固定部１２とキャップＣＰ１との転がり面、出力部１３とキャップＣＰ２との転がり面が摩耗する等により、ピエゾ素子１１の予圧力ＦＰＬがＦＰＬ１からＦＰＬ２へと低下する。上述の式（２）及び式（３）に示すように、ピエゾ素子１１の予圧力ＦＰＬが変化することにより、変位拡大機構１０の出力特性も変化する。変位拡大機構１０の出力特性が（ａ）に示す初期状態から（ｂ）に示す運用時間経過後の状態へと変化した際、本実施形態に係る変位拡大機構１０は、ピエゾ素子１１の予圧力を調整することにより、変位拡大機構１０の出力特性が初期状態へと復元するように調整する。

図３に戻り、本実施形態に係る変位拡大機構１０は、ピエゾ素子１１の予圧力を調整することにより変位拡大機構１０の出力特性を調整する出力特性調整機構５０を有している。

出力特性調整機構５０は、第１くさび部材１２１及び第２くさび部材１２２を有するくさび機構と、第２くさび部材１２２の位置を調整する位置調整部と、第２くさび部材１２２を調整された位置で維持させる位置維持部と、第１くさび部材１２１の移動をガイドするガイド部と、を備える。

くさび機構は、第２くさび部材１２２を第２の方向（ｘ軸方向）に移動させることにより、第１くさび部材１２１を第１の方向（ｚ軸方向）に移動させる機構である。図３（Ｂ）の黒塗り矢印に示すように、第２くさび部材１２２を＋ｙ方向に移動させることにより、第１くさび部材１２１が出力部１３に近づき、一対のサイドブロック１２０の間の距離が短くなり、ピエゾ素子１１の予圧力が増加する。また、図３（Ｂ）の白抜き矢印に示すように、第２くさび部材１２２を−ｙ方向に移動させることにより、第１くさび部材１２１が出力部１３から遠ざかり、一対のサイドブロック１２０の間の距離が長くなり、ピエゾ素子１１の予圧力が減少する。また、図３（Ａ）に示すように、くさび機構は、出力部１３の中心を通りｘ−ｙ面に平行な面を基準として、対称に配置されている。

位置調整部は、第２くさび部材１２２における第２の方向（ｘ軸方向）の位置を調整する機構である。図３に示す例において、位置調整部は、外殻１５に形成された穴部１５１，１５２として構成される。ネジ穴である穴部１５１，１５２にボルト６０を螺合させることにより、第２くさび部材１２２のｘ軸方向の位置を調整することができる。なお、穴部１５１，１５２が通し穴である場合、穴部１５１，１５２から治具（不図示）を挿入して第２くさび部材１２２を押すことにより、第２くさび部材１２２のｘ軸方向の位置を調整することができる。なお、第２くさび部材１２２の位置を調整する際の調整の容易性から、穴部１５１，１５２はネジ穴であることが好ましい。

位置維持部は、第２くさび部材１２２の位置を維持させる機構である。図３に示す例において、位置維持部は、外殻１５と第２くさび部材１２２とが接触する当接部１２４によって構成される。ここで、外殻１５と第２くさび部材１２２とが接触する当接部１２４の静止摩擦係数をμとする。また、第１くさび部材１２１と第２くさび部材１２２とが接触する傾斜面（当接部１２３）の傾斜角度をθ［ｒａｄ］とする。第１くさび部材１２１にｚ軸方向の力Ｆ（例えば予圧力）を付与した場合、第１くさび部材１２１が第２くさび部材１２２をｘ軸方向に押す力はＦｔａｎθとなる。また、当接部１２４における静止摩擦力は、Ｆμとなる。また、θは充分に小さい（例えばθ≦０．１［ｒａｄ］）とすればｔａｎθはθで近似することができる。このため、変位拡大機構１０において、θ＜μの関係を有することにより、第１くさび部材１２１のｘ軸方向の位置を維持（静止）させることができる。

ガイド部は、第１くさび部材１２１における第１の方向（ｚ軸方向）への移動をガイドするとともに、他の方向（ｘ軸方向）への移動を規制する。図３に示す例において、ガイド部は、摺動部１２５によって構成される。ガイド部は、ピエゾ素子１１の予圧力を増加させるため第１くさび部材１２１を第１の方向（ｚ軸方向）に動かした際、第１くさび部材１２１及びサイドブロック１２０の転がり面が他の方向（ｘ軸方向）にずれるのを防止する。これにより、ピエゾ素子１１や転がりジョイントにおけるアライメントに与える影響を抑制することができる。

以上、本実施形態に係る変位拡大機構１０は、出力特性調整機構５０を有することにより、位置調整部により第２くさび部材１２２の第２の方向（ｘ軸方向）の位置を調整することで、くさび機構を介して、第１くさび部材１２１の第１の方向（ｚ軸方向）の位置を調整し、ピエゾ素子１１の予圧力を調整することができる。これにより、変位拡大機構１０の出力特性を調整することができる。

ここで、図１に示すピエゾ予圧調整機構４０は、シムＳＨ１の幅（厚さ）で予圧力を調整する。このため、ピエゾ予圧調整機構４０において予圧力を調整するためには、シムＳＨ１を交換する必要がある。換言すれば、ピエゾ予圧調整機構４０において予圧力を調整するためには、アクチュエータユニット１を装置（不図示）から取り外し、変位拡大機構１０を分解して、シムＳＨ１を交換する必要がある。また、ピエゾ予圧調整機構４０では、用意されているシムＳＨ１の幅によって、不連続な（段階的な）予圧力の調整しか行うことができない。

これに対し、図３に示す出力特性調整機構５０は、位置調整部によって第２くさび部材１２２の第２の方向（ｘ軸方向）の位置を連続的に（無段階に）調整することができる。これにより、ピエゾ素子１１の予圧力を連続的に調整することができる。よって、変位拡大機構１０の出力特性を連続的に調整することができる。

また、出力特性調整機構５０の位置調整部は、アクチュエータユニット１を装置（不図示）に取り付ける方向（取付穴部１５３の方向、ｙ軸方向）とは異なる方向に設けられている。このため、本実施形態に係る変位拡大機構１０は、アクチュエータユニット１を装置から取り外すことなく、また、変位拡大機構１０を分解することなく、ピエゾ素子１１の予圧力を調整することができる。

また、位置調整部によって調整された第２くさび部材１２２の位置は、位置維持部によって維持される。このため、ピエゾ素子１１の予圧力の調整が完了した後は、ボルト６０を変位拡大機構１０から取り外しても、第２くさび部材１２２の位置は位置維持部によって維持され、ピエゾ素子１１の予圧力も維持される。なお、ボルト６０は、変位拡大機構１０におけるピエゾ素子１１の予圧力調整終了後、取り外してもよい。これにより、変位拡大機構１０が動作する際の振動によりボルト６０が緩み、装置（不図示）内でボルト６０が脱落することを防止することができる。

また、アクチュエータユニット１を装置（不図示）に取り付けるための取付部（取付穴部１５３）を外殻１５に設けられている。換言すれば、固定部１２（サイドブロック１２０、第１くさび部材１２１及び第２くさび部材１２２）と装置（不図示）とは、係合されていない。これにより、アクチュエータユニット１を装置（不図示）に取り付けた状態のまま、サイドブロック１２０、第１くさび部材１２１及び第２くさび部材１２２をスライドさせることができる。

また、出力特性調整機構５０は、出力部１３の中心を通りｘ−ｙ面に平行な面を基準として、対称に配置されている。これにより、出力部１３の位置を維持しつつ、予圧力を調整することができる。

＜出力特性の調整方法＞
次に、本実施形態に係る変位拡大機構１０の出力特性調整方法について、図５を用いて説明する。図５は、予圧力による変位拡大機構１０の出力特性の変化を説明する模式図である。図５（Ａ）は、横軸を出力変位とし、縦軸を推力とする。また、ピエゾ素子１１の予圧力が初期状態（ＦＰＬ＝ＦＰＬ１）において、ピエゾ素子１１に所定の電圧（ＶＰＺＴ＝Ｖ１）を印加した際の出力変位−推力特性を実線で示す。また、ピエゾ素子１１の予圧力が運用時間経過後の状態（ＦＰＬ＝ＦＰＬ２）において、ピエゾ素子１１に所定の電圧（ＶＰＺＴ＝Ｖ１）を印加した際の出力変位−推力特性を破線で示す。図５（Ａ）は、推力が０となる出力変位と予圧力の関係を示す。

本実施形態に係る変位拡大機構１０の出力特性を調整する際、前述のように、アクチュエータユニット１は装置（不図示）に取り付けられたままとなっている。

ここで、アクチュエータユニット１が取り付けられた装置（不図示）には、ピエゾ素子１１に電圧を印加する電源（不図示）が設けられている。この電源に設けられた電圧センサにより、ピエゾ素子１１の印加電圧を取得することができる。また、装置の制御部から電源に指令される指令電圧をピエゾ素子１１の印加電圧として用いてもよい。

また、アクチュエータユニット１が取り付けられた装置（不図示）には、アクチュエータユニット１の状態を測定するセンサ（不図示）が設けられている。例えば、アクチュエータユニット１により動作する機構の位置をフィードバック制御するためには、変位センサが設けられている。これらセンサの出力値から出力部１３の出力変位を取得することができる。

このように、変位拡大機構１０の出力特性を調整する際、装置（不図示）に設けられたセンサ等により、ピエゾ素子１１の印加電圧と、出力部１３の出力変位を取得することができる。

また、予め、初期状態における印加電圧Ｖ１に対する出力変位Ｙｆ１を取得している。運用時間が経過するにつれ、印加電圧Ｖ１に対する出力変位が出力変位Ｙｆ２へと減少する。アクチュエータユニット１の出力変位が装置の要求仕様を満たさなくなった場合、変位拡大機構１０の出力特性の調整が行われる。

調整する際は、ピエゾ素子１１に印加電圧Ｖ１にを印加した状態で、出力変位Ｙｆ２を取得する。取得された出力変位が初期状態における出力変位Ｙｆ１となるようにボルト６０を介して、第２くさび部材１２２のｘ方向の位置を調整して、ピエゾ素子１１の予圧力を調整する。

以上、本実施形態に係る変位拡大機構について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態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・変更が可能である。

１ アクチュエータユニット
１０ 変位拡大機構
１１ ピエゾ素子（伸縮素子）
１２ 固定部
１３ 出力部
１４ 予圧調整バネ
１５ 外殻
２０ 出力ジョイント
３０ バネ予圧調整機構
４０ ピエゾ予圧調整機構
５０ 出力特性調整機構（出力特性調整部）
６０ ボルト（位置調整部）
１２１ 第１くさび部材（くさび機構）
１２２ 第２くさび部材（くさび機構）
１２３ 当接部
１２４ 当接部（位置維持部）
１２５ 摺動部（ガイド部）
１２７ 隙間
１５１，１５２ 穴部（位置調整部）
１５３ 取付穴部
ＣＰ１、ＣＰ２ キャップ

Claims (9)

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転がり接触する固定部と、
   前記伸縮素子の他端と転がり接触し、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、
   前記出力部の出力特性を調整する出力特性調整部と、を備え、
   前記出力特性調整部は、
   前記伸縮素子の予圧力を調整することで前記出力部の出力特性を調整する、変位拡大機構。
2. 前記固定部は、
   第１くさび部材及び第２くさび部材を有し、
   前記出力特性調整部は、
   前記第２くさび部材を第２の方向に移動させることにより、前記第１くさび部材を第１の方向に移動させるくさび機構と、
   前記第２くさび部材の位置を調整する位置調整部と、
   前記第２くさび部材の位置を維持する位置維持部と、を有する、
   請求項１に記載の変位拡大機構。
3. 内部に前記伸縮素子、前記固定部、及び、前記出力部を配置する外殻を備え、
   前記位置調整部は、前記外殻の外から前記第２くさび部材の位置を調整する、
   請求項２に記載の変位拡大機構。
4. 前記位置調整部は、前記外殻に形成された穴である、
   請求項３に記載の変位拡大機構。
5. 前記位置維持部は、
   前記第２くさび部材と前記外殻との当接部の摩擦力により、前記第２くさび部材の位置を維持する、
   請求項３または請求項４に記載の変位拡大機構。
6. 前記当接部の静止摩擦係数は、前記第１くさび部材および前記第２くさび部材の傾斜面の傾斜角度よりも大きい、
   請求項５に記載の変位拡大機構。
7. 前記出力特性調整部は、
   前記第１くさび部材の移動をガイドするガイド部を更に有する、
   請求項２乃至請求項６のいずれか１項に記載の変位拡大機構。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の変位拡大機構を備える、アクチュエータ。
9. 容量的性質を有する一対の伸縮素子と、第１くさび部材及び第２くさび部材を有し、前記伸縮素子の一端と転がり接触する一対の固定部と、前記伸縮素子の他端と転がり接触し、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、前記伸縮素子の予圧力を調整する出力特性調整部と、を備える変位拡大機構の調整方法であって、
   前記出力特性調整部は、
   前記第２くさび部材を第２の方向に移動させることにより、前記第１くさび部材を第１の方向に移動させるくさび機構と、
   前記第２くさび部材の位置を調整する位置調整部と、
   前記第２くさび部材の位置を維持する位置維持部と、を有し、
   前記伸縮素子に所定の電圧を印加した際の前記出力部の変位に基づいて、前記位置調整部により前記第２くさび部材の位置を調整する、
   変位拡大機構の調整方法。