JP2021191209A - Displacement expansion mechanism and actuator - Google Patents

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光樹 土屋
Koki Tsuchiya
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Abstract

To provide a displacement expansion mechanism and an actuator that can obtain desired output characteristics.SOLUTION: A displacement expansion mechanism includes an expansion element having capacitive properties, an output unit that is in contact with one end of the expansion element and displaces in a direction different from an expansion direction of the expansion element in response to expansion and contraction of the expansion element, a fixed unit that is in contact with the other end of the expansion element and is not displaced by the expansion and contraction of the expansion element, an external force application unit that applies an external force to the output unit so that the rate of change of a thrust force to an output displacement of the output unit is close to zero, and a restraining unit that restrains the external force application unit.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、変位拡大機構及びアクチュエータに関する。 The present invention relates to a displacement expanding mechanism and an actuator.

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。 A displacement expansion mechanism that expands and outputs a small displacement of a piezo element (piezoelectric element) is known.

特許文献1には、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、前記出力部の出力変位に対する推力の変化率を0に近づけるように、前記出力部に外力を加える外力印加部と、を備える変位拡大機構が開示されている。 Patent Document 1 describes an expansion / contraction element having a capacitive property, an output unit that comes into contact with one end of the expansion / contraction element and is displaced in a direction different from the expansion / contraction direction of the expansion / contraction element according to the expansion / contraction of the expansion / contraction element. A fixed portion that comes into contact with the other end of the telescopic element and is not displaced by the expansion and contraction of the telescopic element, and an external force applying portion that applies an external force to the output portion so that the rate of change of the thrust with respect to the output displacement of the output portion approaches zero. A displacement expansion mechanism comprising the above is disclosed.

特開2018−12773号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2018-12773

ところで、特許文献1で提案されている変位拡大機構では、出力部の変位に伴って、外力印加部としての非線形バネの中央部も変位する。また、非線形バネの変位の増加に伴い、非線形バネは長軸方向に広がろうとする。このため、非線形バネの両端部と固定部との間に滑りが生じ、所望のバネ特性が得られないおそれがある。 By the way, in the displacement expanding mechanism proposed in Patent Document 1, the central portion of the nonlinear spring as the external force applying portion is also displaced with the displacement of the output portion. Further, as the displacement of the nonlinear spring increases, the nonlinear spring tends to spread in the long axis direction. Therefore, slippage may occur between both ends of the nonlinear spring and the fixed portion, and the desired spring characteristics may not be obtained.

そこで、本発明は、所望の出力特性が得られる変位拡大機構及びアクチュエータを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a displacement expanding mechanism and an actuator that can obtain desired output characteristics.

本発明の一態様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、前記出力部の出力変位に対する推力の変化率を0に近づけるように、前記出力部に外力を加える外力印加部と、前記外力印加部を前記固定部に固定する拘束部と、を備える。 The displacement expansion mechanism according to one aspect of the present invention is in contact with an elastic element having a capacitive property and one end of the elastic element, and is displaced in a direction different from the expansion / contraction direction of the elastic element according to the expansion / contraction of the elastic element. The output unit is in contact with the other end of the expansion / contraction element, and the fixed portion is not displaced by the expansion / contraction of the expansion / contraction element. It is provided with an external force applying portion for applying an external force and a restraining portion for fixing the external force applying portion to the fixing portion.

本発明によれば、所望の出力特性が得られる変位拡大機構及びアクチュエータを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a displacement expanding mechanism and an actuator that can obtain desired output characteristics.

本実施形態に係る変位拡大機構の概略構成を説明する図。The figure explaining the schematic structure of the displacement expansion mechanism which concerns on this embodiment. 変位拡大機構の転がり部の概略構成を示す模式図。The schematic diagram which shows the schematic structure of the rolling part of the displacement expansion mechanism. 予圧調整バネを含めない変位拡大機構における変位Y−推力f特性を示すグラフ。The graph which shows the displacement Y-thrust fy characteristic in the displacement expansion mechanism which does not include a preload adjustment spring. 予圧調整バネの変位(撓み量)y−荷重f特性を示すグラフ。Displacement of the preload adjusting spring (deflection amount) y p - a graph showing a load f p characteristics. Y=y−ypOとするY軸上での予圧調整バネの変位Y−荷重fpOe特性を示すグラフ。Y = a graph showing the displacement Y- load f POE characteristics of the preload adjustment spring on the Y-axis to y p -y pO. 変位拡大機構における予圧調整バネを含まない変位Y−推力f特性と、予圧調整バネ15の変位y−荷重f特性と、を示すグラフ。Graph showing the load f p characteristics, - a displacement Y- thrust f y properties without the preload adjusting spring in displacement magnifying mechanism, displacement y p of the preload adjustment spring 15. 本実施形態に係る変位拡大機構の変位Y−推力F特性を示すグラフ。Graph showing the displacement Y- thrust F y characteristics of the displacement magnifying mechanism according to the present embodiment. 比較例に係る変位拡大機構の変位Y−推力F特性の一例を示すグラフ。Graph showing an example of a displacement Y- thrust F y characteristics of the displacement magnifying mechanism according to the comparative example. 非線形バネの他の特性の一例を示すグラフ。A graph showing an example of other characteristics of a nonlinear spring. 予圧調整バネの変位を模式的に示す図。The figure which shows the displacement of the preload adjustment spring schematically. 予圧調整バネが滑りを伴う変位をした場合における予圧調整バネの変位y−荷重f特性を示すグラフ。Graph showing a load f p characteristics - displacement y p of the preload adjusting spring in the case of pre-load adjustment spring has a displacement with sliding. バネ拘束部が設けられた予圧調整バネの変位y−荷重f特性を示すグラフ。The graph which shows the displacement y p -load f p characteristic of the preload adjustment spring provided with the spring restraint part. 他のバネ予圧調整機構を含む変位拡大機構の断面図。Sectional drawing of the displacement expansion mechanism including other spring preload adjustment mechanisms. シムの効果を説明する予圧調整バネの変位y−荷重f特性を示すグラフ。The graph which shows the displacement y p -load f p characteristic of the preload adjustment spring explaining the effect of a shim. シムの厚さと、バネ特性との関係を示すグラフ。A graph showing the relationship between shim thickness and spring characteristics.

以下、図面を参照して本開示を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present disclosure will be described with reference to the drawings. In each drawing, the same components may be designated by the same reference numerals and duplicate explanations may be omitted.

本実施形態に係る変位拡大機構10について、図1を用いて説明する。図1は、本実施形態に係る変位拡大機構10の概略構成を説明する図である。図1(a)は、本実施形態に係る変位拡大機構10の斜視図である。図1(b)は、一方のバネ拘束部16を取り外し、外殻14の一部を切断した本実施形態に係る変位拡大機構10の斜視図である。図1(c)は、本実施形態に係る変位拡大機構10の断面図である。 The displacement expanding mechanism 10 according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a diagram illustrating a schematic configuration of a displacement expanding mechanism 10 according to the present embodiment. FIG. 1A is a perspective view of the displacement expanding mechanism 10 according to the present embodiment. FIG. 1B is a perspective view of the displacement expanding mechanism 10 according to the present embodiment in which one of the spring restraining portions 16 is removed and a part of the outer shell 14 is cut off. FIG. 1 (c) is a cross-sectional view of the displacement expanding mechanism 10 according to the present embodiment.

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。 The displacement expansion mechanism 10 is a mechanism that expands the displacement of the telescopic element having a capacitive property by utilizing the buckling phenomenon. In the present embodiment, the telescopic element having a capacitive property is a piezo element, and is composed of, for example, laminated ceramics. However, the expansion / contraction element may be a magnetostrictive element, a hydraulic cylinder, a pneumatic cylinder, or the like.

変位拡大機構10は、一対のピエゾ素子(伸縮素子)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、外殻(「フレーム」とも称する。)14と、予圧調整バネ(外力印加部)15と、バネ拘束部16と、バネ予圧調整機構17と、ピエゾ予圧調整機構18と、を有する。 The displacement expansion mechanism 10 includes a pair of piezo elements (expandable elements) 11, a pair of fixed portions (also referred to as “side blocks”) 12, an output portion (also referred to as “center block”) 13, and an outer shell (also referred to as “center block”) 13. It also has a "frame") 14, a preload adjusting spring (external force applying portion) 15, a spring restraining portion 16, a spring preload adjusting mechanism 17, and a piezo preload adjusting mechanism 18.

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111,112が接合される。なお、本実施形態では、キャップ111,112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111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112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。 One end of each pair of piezo elements 11 is connected to the fixing portion 12 via a rolling joint, and the other end is connected to the output portion 13 via a rolling joint. Caps 111 and 112 are joined to both end faces in the longitudinal direction of the piezo element 11. In the present embodiment, the caps 111 and 112 exist as separate and independent members from the piezo element 11, but may be integrally formed with the piezo element 11. The rolling joint between the piezo element 11 and the fixed portion 12 is a rolling contact between the end curved surface (rolling surface) of the cap 111 joined to one end of the piezo element 11 and the end curved surface (rolling surface) of the fixed portion 12. It is composed of connections via line contact or point contact). Further, the rolling joint between the piezo element 11 and the output unit 13 is formed by the end curved surface (rolling surface) of the cap 112 joined to the other end of the piezo element 11 and the end curved surface (rolling surface) of the fixed portion 12. It is composed of connections via rolling contact (line contact or point contact).

なお、図1(c)に示す変位拡大機構10の例において、キャップ111の転がり面は円筒面を有し、固定部12の転がり面は傾斜面を有している。また、キャップ112の転がり面は円筒面を有し、出力部13の転がり面は傾斜面を有している。即ち、ピエゾ素子11と固定部12との転がりジョイントは、キャップ111の円筒面及び傾斜面によって、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、キャップ112の円筒面及び傾斜面によって、その動作が規定される。 In the example of the displacement expanding mechanism 10 shown in FIG. 1 (c), the rolling surface of the cap 111 has a cylindrical surface, and the rolling surface of the fixing portion 12 has an inclined surface. Further, the rolling surface of the cap 112 has a cylindrical surface, and the rolling surface of the output unit 13 has an inclined surface. That is, the operation of the rolling joint between the piezo element 11 and the fixing portion 12 is defined by the cylindrical surface and the inclined surface of the cap 111. Further, the operation of the rolling joint between the piezo element 11 and the output unit 13 is defined by the cylindrical surface and the inclined surface of the cap 112.

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。 Each of the pair of piezo elements 11 expands in the longitudinal direction when a voltage is applied to cause a buckling phenomenon, and the output unit 13 is oriented in the direction perpendicular to the longitudinal direction (y-axis direction) with a displacement larger than the extension displacement. Displace to. That is, the expansion / contraction motion of the piezo element 11 is converted into a rotational motion by the rolling joint, and the expansion / contraction displacement is expanded. Then, a linear reciprocating operation in the output unit 13 is brought about. In this way, the displacement expanding mechanism 10 converts the outputs of the pair of piezo elements 11 and urges and displaces the output unit 13 in a predetermined output direction different from the expansion / contraction direction of the piezo elements 11. .. In the following, the displacement of the output unit 13 will be referred to as “enlarged displacement”.

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15に接続され、+y側の端部が出力ジョイント(図示せず)に接続される。 The output unit 13 is a functional element that transmits the output of the displacement expansion mechanism 10 to the outside. In the present embodiment, the end portion on the −y side of the output unit 13 is connected to the preload adjusting spring 15, and the end portion on the + y side is connected to the output joint (not shown).

外殻14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14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。 The outer shell 14 is a functional element that fixes the distance between the pair of fixing portions 12. In the present embodiment, the outer shell 14 is a member formed so as to surround a pair of piezo elements 11, a pair of fixing portions 12, and an output portion 13, and is a pair when a buckling phenomenon occurs in the displacement expanding mechanism 10. Prevents the distance between the fixing portions 12 of the above from increasing.

予圧調整バネ(「PCS(Preload Compensation Spring)」とも称する。)15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15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15は、中央部151と、両端部152と、接続部153と、を有する。予圧調整バネ15は、中央部151が−y方向に膨らむように湾曲した板バネで構成される。中央部151は出力部13に接続され、両端部152は外殻14に接続される。予圧調整バネ15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15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15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。 The preload adjusting spring (also referred to as “PCS (Preload Compensation Spring)”) 15 is an example of an urging means for urging the output unit 13 of the displacement expanding mechanism 10 with a certain characteristic. In the present embodiment, the preload adjusting spring 15 adjusts the expansion displacement-thrust characteristic, which is the relationship between the expansion displacement of the output unit 13 and the thrust caused by the expansion displacement. Specifically, the preload adjusting spring 15 has a central portion 151, both end portions 152, and a connection portion 153. The preload adjusting spring 15 is composed of a leaf spring whose central portion 151 is curved so as to bulge in the −y direction. The central portion 151 is connected to the output portion 13, and the both end portions 152 are connected to the outer shell 14. The preload adjusting spring 15 generates a force in the y-axis direction that offsets the thrust caused by the expanded displacement of the output unit 13. Hereinafter, the force generated by the preload adjusting spring 15 is referred to as an “offset force”. With this configuration, the preload adjusting spring 15 can determine the direction of the expansion and displacement of the output unit 13 and stabilize the behavior of the output unit 13.

図1に示す例において、予圧調整バネ15は、複数(図1では4枚)の板バネを有する。予圧調整バネ15の中央部151には、ボルト191を挿通する貫通孔(図示せず)が設けられている。出力部13には、ボルト191と螺合するねじ穴(図示せず)が設けられている。ボルト191は、予圧調整バネ15の中央部151を挿通し、出力部13のねじ穴と螺合する。これにより、中央部151と出力部13とが接続されている。予圧調整バネ15の両端部152には、ボルト194を挿通する貫通孔(図示せず)が設けられている。ブロック192,193には、ボルト194を挿通する貫通孔(図示せず)が設けられている。外殻14には、ボルト194と螺合するねじ穴(図示せず)が形成されている。ボルト194は、ブロック192、予圧調整バネ15の両端部152、ブロック193の順に挿通し、外殻14のねじ穴と螺合する。これにより、両端部152と外殻14(固定部12)とが接続されている。 In the example shown in FIG. 1, the preload adjusting spring 15 has a plurality of (four in FIG. 1) leaf springs. The central portion 151 of the preload adjusting spring 15 is provided with a through hole (not shown) through which the bolt 191 is inserted. The output unit 13 is provided with a screw hole (not shown) for screwing with the bolt 191. The bolt 191 is screwed into the screw hole of the output portion 13 through the central portion 151 of the preload adjusting spring 15. As a result, the central portion 151 and the output portion 13 are connected. Both ends 152 of the preload adjusting spring 15 are provided with through holes (not shown) through which bolts 194 are inserted. The blocks 192 and 193 are provided with through holes (not shown) through which the bolts 194 are inserted. The outer shell 14 is formed with a screw hole (not shown) for screwing with the bolt 194. The bolt 194 is inserted in the order of the block 192, both ends 152 of the preload adjusting spring 15, and the block 193, and is screwed into the screw hole of the outer shell 14. As a result, both end portions 152 and the outer shell 14 (fixing portion 12) are connected.

バネ拘束部16は、予圧調整バネ15の両端部152が長手方向(z軸方向)に拡がることを阻止するように拘束する機械要素である。図1に示す例において、バネ拘束部16は、外殻14にボルト195で締結されている。両端部152の端面がバネ拘束部16と当接している。これにより、両端部152が外殻14上で滑ることを防止する。 The spring restraining portion 16 is a mechanical element that restrains both end portions 152 of the preload adjusting spring 15 from expanding in the longitudinal direction (z-axis direction). In the example shown in FIG. 1, the spring restraint portion 16 is fastened to the outer shell 14 with bolts 195. The end faces of both end portions 152 are in contact with the spring restraint portion 16. This prevents the ends 152 from slipping on the outer shell 14.

バネ予圧調整機構17は、予圧調整バネ15によるオフセット力を調整する機構である。図1(c)の例において、バネ予圧調整機構17は、中央部151と出力部13との間に配置されるシム(図示せず)で構成されていてもよい。また、両端部152とブロック193との間および/またはブロック193と外殻14との間に配置されるシム(図示せず)で構成されていてもよい。 The spring preload adjusting mechanism 17 is a mechanism for adjusting the offset force by the preload adjusting spring 15. In the example of FIG. 1 (c), the spring preload adjusting mechanism 17 may be composed of a shim (not shown) arranged between the central portion 151 and the output portion 13. Further, it may be composed of shims (not shown) arranged between both ends 152 and the block 193 and / or between the block 193 and the outer shell 14.

ピエゾ予圧調整機構18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18は、キャップ112とピエゾ素子11との間に配置されるシムで構成される。なお、ピエゾ予圧調整機構18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。 The piezo preload adjusting mechanism 18 is a mechanism for applying and adjusting preload to the four rolling joints in the displacement expanding mechanism 10. In the present embodiment, the piezo preload adjusting mechanism 18 for the piezo element 11 is composed of a shim arranged between the cap 112 and the piezo element 11. Although the piezo preload adjusting mechanism 18 has been described as being arranged at one end of the piezo element 11 (on the side of the fixed portion 12), it may be arranged on the other end of the piezo element 11 (on the side of the output portion 13). ..

ピエゾ予圧調整機構18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(予圧)を受けた状態で転がり接触する。 The piezo preload adjusting mechanism 18 adjusts the distance between the leftmost contact point and the rightmost contact point so as to be shorter than the natural length. Therefore, the rolling surface of the rolling joint always makes rolling contact with a force (preload) equal to or higher than a predetermined value.

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。 With the above configuration, the displacement expanding mechanism 10 has a characteristic that the displacement of the piezo element 11 can be expanded 100 times or more and the output energy can be transmitted by 70% or more. Further, since it has the characteristics that there is no energy loss due to the maintenance of static thrust and the expansion displacement is relatively large, the displacement expansion mechanism 10 can be applied to, for example, a brake actuator that requires a clamping operation.

<拡大変位Y−推力f特性>
次に、変位拡大機構10において、出力部13の拡大変位Y−推力f特性について図2から図8を用いて説明する。
<Expanded displacement Y-thrust fy characteristics>
Next, in the displacement expansion mechanism 10, the expansion displacement Y-thrust fy characteristic of the output unit 13 will be described with reference to FIGS. 2 to 8.

図2は、変位拡大機構10の転がり部の概略構成を示す模式図である。図2(a)は、予圧調整バネ15として用いる非線形バネの形状を示す。図2(b)は、図2(a)に示す予圧調整バネ15を組み付けた転がり部の基準位置(Y=0)における姿勢を示す。図2(c)は、図2(a)に示す予圧調整バネ15を組み付けた転がり部の最大変位位置(Y=Ymax)における姿勢を示す。 FIG. 2 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a rolling portion of the displacement expansion mechanism 10. FIG. 2A shows the shape of the non-linear spring used as the preload adjusting spring 15. FIG. 2B shows the posture of the rolling portion to which the preload adjusting spring 15 shown in FIG. 2A is assembled at the reference position (Y = 0). FIG. 2C shows the posture at the maximum displacement position (Y = Y max ) of the rolling portion to which the preload adjusting spring 15 shown in FIG. 2A is assembled.

図2に示す変位拡大機構10では、固定部12および出力部13の転がり面形状を、図2(b)及び図2(c)に示すような平面形状とすることも可能である。平面は変位拡大後の出力軸方向(y軸)に対して傾きαをもつ。さらに、ピエゾ素子11のキャップ111,112が同心円となる設計において、転がり面の接点間を結ぶ線のz軸に対する角度はαとなる。図2(b)及び図2(c)に示す構成において.sinα≒α、cosα≒1が成り立つ範囲で、変位Y−推力f特性は式(1)のように表わされる。ただし、式(1)では予圧調整バネ15の剛性を含まない。なお、k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、kPZTはピエゾ素子11の機械的圧縮剛性を表し、FPLはピエゾ予圧調整機構18によるピエゾ予圧力を表し、dは圧電歪定数であり、VPZTはピエゾ素子11に印加される電圧を表す。 In the displacement expanding mechanism 10 shown in FIG. 2, the rolling surface shapes of the fixing portion 12 and the output portion 13 can be made into a planar shape as shown in FIGS. 2 (b) and 2 (c). The plane has an inclination α 0 with respect to the output axis direction (y-axis) after the displacement is expanded. Further, in the design in which the caps 111 and 112 of the piezo element 11 are concentric circles, the angle of the line connecting the contacts of the rolling surface with respect to the z-axis is α 0 . In the configurations shown in FIGS. 2 (b) and 2 (c). The displacement Y-thrust fy characteristic is expressed by Eq. (1) in the range where sin α 0 ≈ α 0 and cos α 0 ≈ 1 hold. However, the equation (1) does not include the rigidity of the preload adjusting spring 15. Incidentally, k S represents the overall mechanical rigidity of the displacement magnifying mechanism 10 in the direction of displacement of the piezoelectric element 11, k PZT represents mechanical compression rigidity of the piezoelectric element 11, F PL is a piezo preload by the piezoelectric preload adjusting mechanism 18 Represented by d is the piezoelectric strain constant, and VPZT represents the voltage applied to the piezo element 11.

Figure 2021191209
Figure 2021191209

さらに、ピエゾ素子11に電圧VPZTを印加したとき(図2(c)の状態)と、電圧を印加しないとき(図2(b)の状態)の変位Y−推力f特性をそれぞれ式(2)及び式(3)に示す。 Further, the displacement Y-thrust fy characteristics when the voltage V PZT is applied to the piezo element 11 (state in FIG. 2 (c)) and when no voltage is applied (state in FIG. 2 (b)) are expressed by the equations (state). It is shown in 2) and the formula (3).

Figure 2021191209
Figure 2021191209

式(2)及び式(3)より、電圧印加による発生力fyON−fyOFFは式(4)で表され、yによらないことがわかる。 From the equations (2) and (3), it can be seen that the force generated by applying a voltage f yON − f yOFF is expressed by the equation (4) and does not depend on y.

Figure 2021191209
Figure 2021191209

次に、予圧調整バネ15の特徴を述べる。図2(a)に予圧調整バネ15の模式図を示す。図2(a)の予圧調整バネ15は板バネであり、構成の一例として、両端部152が変位拡大機構10の固定部12に固定され、中央部151が変位拡大機構10の出力部13と固定される。予圧調整バネ15の変位yの方向は、変位拡大機構10の出力部13の出力方向Yに一致する。予圧調整バネ15は、図2(a)に示すように、Y方向に対して中央部151と両端部152との間に距離yが設けられている。自然長の状態においてy=yd0とすると、自然長の状態からy<yd0となる向きに、予圧調整バネ15の中央部151が変位するとき、剛性が一定値にならない非線形な変位y−荷重f特性を示す。 Next, the characteristics of the preload adjusting spring 15 will be described. FIG. 2A shows a schematic diagram of the preload adjusting spring 15. The preload adjusting spring 15 in FIG. 2A is a leaf spring, and as an example of the configuration, both end portions 152 are fixed to the fixing portion 12 of the displacement expanding mechanism 10, and the central portion 151 is the output portion 13 of the displacement expanding mechanism 10. It is fixed. Direction of displacement y p of the preload adjustment spring 15 corresponds to the output direction Y of the output portion 13 of the displacement enlarging mechanism 10. Preload adjusting spring 15, as shown in FIG. 2 (a), the distance y d is provided between the central portion 151 and both end portions 152 with respect to the Y direction. If y d = y d0 in the natural length state, the rigidity does not become a constant value when the central portion 151 of the preload adjusting spring 15 is displaced in the direction of y d < yd 0 from the natural length state. shows a load f p characteristics - y p.

予圧調整バネ15として用いる予圧調整バネ15の形状は、例えば、Y方向と直交する平板状の中央部151と、この中央部151の両側に設けられ、自然長のときY方向にyd0のオフセットをとって配置され、中央部151と同様にY方向と直交する平板状の一対の両端部152と、Y方向に対して傾斜して設けられ、中央部151と一対の両端部152とを接続する一対の接続部153とを有する形状をとる。 The shape of the preload adjusting spring 15 used as the preload adjusting spring 15 is, for example, a flat plate-shaped central portion 151 orthogonal to the Y direction and both sides of the central portion 151, and is offset by y d0 in the Y direction when the natural length is used. A pair of flat plate-shaped both end portions 152 that are orthogonal to the Y direction as in the central portion 151, and a pair of both end portions 152 that are inclined with respect to the Y direction and are connected to each other. It takes a shape having a pair of connecting portions 153.

図3は、予圧調整バネ15を含めない変位拡大機構10における変位Y−推力f特性を示すグラフである。図3の太い実線はピエゾ素子11に最大電圧Vmaxを印加したとき、点線はピエゾ素子11に電圧Vmax/2を印加したとき、細い実線はピエゾ素子11への印加電圧が0のときの、それぞれの変位Y−推力f特性を示す。Vmax/2を印加したときの変位Y−推力f特性は、式(1)より次の式(5)のように表わされる。 FIG. 3 is a graph showing the displacement Y-thrust fy characteristics in the displacement expanding mechanism 10 not including the preload adjusting spring 15. The thick solid line in FIG. 3 is when the maximum voltage V max is applied to the piezo element 11, the dotted line is when the voltage V max / 2 is applied to the piezo element 11, and the thin solid line is when the applied voltage to the piezo element 11 is 0. , Each displacement Y-thrust fy characteristic is shown. The displacement Y-thrust fy characteristic when V max / 2 is applied is expressed by the following equation (5) from the equation (1).

Figure 2021191209
Figure 2021191209

図4は、予圧調整バネ15の変位(撓み量)y−荷重f特性を示すグラフである。図4より、予圧調整バネ15の変位y=0〜yppの範囲では、バネ剛性は正の値を示すが、yの増加に伴い、バネ剛性が小さくなる傾向がみられ、さらに、y=ypp〜ypeの範囲ではバネ剛性が負の値を示す。ここで、バネ剛性とは、変位yに対する荷重fの変化率(df/dy)を意味する。 4, displacement (deflection amount) of the preload adjusting spring 15 y p - is a graph showing a load f p characteristics. From FIG. 4, the spring rigidity shows a positive value in the range of the displacement y p = 0 to y pp of the preload adjusting spring 15, but the spring rigidity tends to decrease as y p increases, and further. In the range of y p = y pp to y pe , the spring rigidity shows a negative value. Here, the spring stiffness is meant the rate of change of load f p with respect to the displacement y p a (df p / dy p).

本実施形態では、図3(b)及び図3(c)に示すように、図4の特性を有する予圧調整バネ15は、中央部151と出力部13との間にY方向に所定の変位オフセット量ypOをとって変位拡大機構10に設置される。この場合、図4に示すypOの位置が、アクチュエータの出力変位が0のときの予圧調整バネ15の変位量を示す。このとき、アクチュエータの動作範囲に対して、予圧調整バネ15の変位の範囲はy=ypO〜ypeとなる。なお、オフセット量ypOは、例えば中央部151と出力部13との間にスペーサなどのバネ予圧調整機構17を設置することにより適宜調整できる。 In the present embodiment, as shown in FIGS. 3 (b) and 3 (c), the preload adjusting spring 15 having the characteristics of FIG. 4 is displaced in the Y direction between the central portion 151 and the output portion 13. The offset amount y pO is taken and installed in the displacement expansion mechanism 10. In this case, the position of y pO shown in FIG. 4 indicates the displacement amount of the preload adjusting spring 15 when the output displacement of the actuator is 0. At this time, the displacement range of the preload adjusting spring 15 with respect to the operating range of the actuator is y p = y pO to y pe . The offset amount y pO can be appropriately adjusted by, for example, installing a spring preload adjusting mechanism 17 such as a spacer between the central portion 151 and the output portion 13.

図5は、Y=y−ypOとするY軸上での予圧調整バネ15の変位Y−荷重fpOe特性を示すグラフである。つまり図5は、図4に示した特性をもつ予圧調整バネ15を所定のオフセット量ypOで出力部13に取り付けた状態における特性である。図4に示した予圧調整バネ15の特性は、バネ荷重が最大となる変位yppよりバネ変位が増えると、変位増加に応じてバネ荷重が略均等に減少する傾向があり、線形に近い挙動となる。本実施形態では、オフセット量ypOは、yppより大きくとられ、出力部13の動作範囲において予圧調整バネ15の特性が線形近似できる範囲となるように調整される。 Figure 5 is a graph showing the displacement Y- load f POE characteristics of the preload adjustment spring 15 on the Y-axis to Y = y p -y pO. That is, FIG. 5 shows the characteristics in a state where the preload adjusting spring 15 having the characteristics shown in FIG. 4 is attached to the output unit 13 with a predetermined offset amount y pO. The characteristics of the preload adjusting spring 15 shown in FIG. 4 are that when the spring displacement increases from the displacement y pp at which the spring load is maximum, the spring load tends to decrease substantially evenly as the displacement increases, and the behavior is close to linear. Will be. In the present embodiment, the offset amount y pO is set to be larger than y pp , and is adjusted so that the characteristics of the preload adjusting spring 15 can be linearly approximated in the operating range of the output unit 13.

図5で、Y=0〜yにおける線形近似の直線は、次の式(6)で表わされる。 In Figure 5, the linear linear approximation in Y = 0 to y e is expressed by the following equation (6).

Figure 2021191209
Figure 2021191209

また、変位拡大機構10の出力部13の推力Fは、予圧調整バネ15の剛性を含まない推力f及び予圧調整バネ15の剛性による推力fpOeを用いて、以下の式(7)で表される。 Further, the thrust F y of the output portion 13 of the displacement magnifying mechanism 10, using the thrust f POE by the rigidity of the thrust f y and preload adjustment spring 15 that does not include the rigidity of the preload adjusting spring 15, the following equation (7) expressed.

Figure 2021191209
Figure 2021191209

また、式(1)及び式(6)を式(7)に代入して、変位Yについて整理すると、式(8)で表される。 Further, when the equations (1) and (6) are substituted into the equation (7) and the displacement Y is arranged, it is expressed by the equation (8).

Figure 2021191209
Figure 2021191209

ここで、上述した変位Yによる推力Fの変化を小さくするという目的を果たすためには、式(8)の第1項の係数がゼロに近くなることが求められ、バネ剛性kOeは以下の式(9)を満たすことが求められる。 Here, in order to serve the purpose of reducing the change in thrust F y due to the displacement Y described above, it is required that the coefficient of the first term of equation (8) is close to zero, spring stiffness k Oe below It is required to satisfy the equation (9) of.

Figure 2021191209
Figure 2021191209

また、式(8)の第2項より、入力電圧に対する推力Fyの中間値が決まる。例えば、同じ大きさで両極性に推力Fyを得たい構成において、バネオフセット荷重fpOは以下の式(10)を満たすことが求められる。 Further, from the second term of the equation (8), the intermediate value of the thrust Fy with respect to the input voltage is determined. For example, in a configuration in which thrust Fy is desired to be obtained in both polarities with the same magnitude, the spring offset load f pO is required to satisfy the following equation (10).

Figure 2021191209
Figure 2021191209

式(8)について、式(9)及び式(10)が成り立つ条件では、予圧調整バネ15を含めたアクチュエータの変位Y−推力F特性として、次の式(11)が得られる。 For formula (8), under the condition that the formula (9) and (10) holds, as a displacement Y- thrust F y characteristics of the actuator including the preload adjusting spring 15, the following equation (11) is obtained.

Figure 2021191209
Figure 2021191209

即ち、推力Fは変位Yによらず、印加電圧VPZTで定められる。また、式(11)の特性では、印加電圧がVmax/2のときに推力F=0となり、±の二方向の推力を得ることができる。 That is, the thrust F y regardless of the displacement Y, defined by the applied voltage V PZT. Further, in the characteristic of the equation (11), when the applied voltage is V max / 2, the thrust Fy = 0, and the thrust in two directions of ± can be obtained.

本実施形態では、式(9)、(10)の関係に近くなるように予圧調整バネ15の特性を設計した。図6は、変位拡大機構10における予圧調整バネ15を含まない変位Y−推力f特性と、予圧調整バネ15の変位y−荷重f特性と、を示すグラフである。図7は、これらの特性を合成した本実施形態に係る変位拡大機構10の変位Y−推力F特性を示すグラフである。なお、図7では、推力Fを、バネ特性を含まない推力fとバネ荷重との和(推力f+バネ荷重[N])として表記している。 In this embodiment, the characteristics of the preload adjusting spring 15 are designed so as to be close to the relationship of the equations (9) and (10). 6, a displacement Y- thrust f y properties without the preload adjusting spring 15 in the displacement enlarging mechanism 10, the displacement y p of the preload adjustment spring 15 - is a graph showing a load f p characteristics, a. Figure 7 is a graph showing the displacement Y- thrust F y characteristics of the displacement magnifying mechanism 10 according to this embodiment obtained by combining those properties. In FIG. 7, the thrust F y is expressed as the sum of the thrust f y not including the spring characteristic and the spring load (thrust f y + spring load [N]).

図8は、比較例に係る変位拡大機構の変位Y−推力F特性の一例を示すグラフである。図8に示すように、比較例に係る変位拡大機構の変位Y−推力F特性は、一定印加電圧における推力の変動が大きい非線形関係となるため、変位拡大機構の出力可能エネルギに対して、実効範囲AAは格段に小さくなる。 Figure 8 is a graph showing an example of a displacement Y- thrust F y characteristics of the displacement magnifying mechanism according to the comparative example. As shown in FIG. 8, the displacement Y- thrust F y characteristics of the displacement magnifying mechanism according to the comparative example, since the non-linear relationship variation of thrust is greater at a constant applied voltage, the output enable energy of the displacement magnifying mechanism, The effective range AA becomes much smaller.

図7に示す特性では、一定印加電圧における推力の変動が、25N程度であり、図8に示す従来アクチュエータの変動よりも小さい。これにより、変位Y−推力F特性は、推力変動が印加電圧のみに依存する関係(F=C・V:Cは係数)に近づけることができている。この結果、第1実施形態の変位拡大機構10は、出力可能エネルギに対して実効範囲AAを充分に大きくとることができ、出力可能エネルギを実効範囲AAとして有効に利用でき、高出力化が可能となる。 In the characteristics shown in FIG. 7, the fluctuation of the thrust at a constant applied voltage is about 25N, which is smaller than the fluctuation of the conventional actuator shown in FIG. Thus, the displacement Y- thrust F y characteristic relationship thrust force variation depends only on the voltage applied (F y = C · V: C is a coefficient) are able to approach the. As a result, the displacement expansion mechanism 10 of the first embodiment can have a sufficiently large effective range AA with respect to the outputable energy, can effectively use the outputable energy as the effective range AA, and can increase the output. It becomes.

さらに、図7に示す、一定印加電圧における変位Y−推力F特性カーブの線形近似曲線の傾きは1.7〜2.0N/mmと小さく、推力が印加電圧のみに依存する関係(F=C・V:Cは係数)に近い特性が得られていることを確認できた。これにより、アクチュエータユニットの理論上の出力範囲に対する実効範囲AAの比率を大きくできる。 Further, shown in FIG. 7, the slope of the linear approximation curve of displacement Y- thrust F y characteristic curve at a constant applied voltage is as small as 1.7~2.0N / mm, relationship thrust depends only on the voltage applied (F y = C · V: C is a coefficient) It was confirmed that the characteristics close to were obtained. As a result, the ratio of the effective range AA to the theoretical output range of the actuator unit can be increased.

このように、第1実施形態の変位拡大機構10では、予圧調整バネ15として適用する非線形バネが、さらに、出力部13の出力変位Yに対する推力Fの変化率を0に近づけるように、出力部13に外力(バネ荷重f)を加える外力印加部としても機能する。この予圧調整バネ15は、バネの撓み量yに対するバネ荷重fの変化率が、撓み量yの増加に応じて正から徐々に低減して負に変わり、略一定の負の値に収束する非線形特性(図4参照)を有する。 Thus, the displacement enlarging mechanism 10 of the first embodiment, as a non-linear spring to apply a preload adjusting spring 15, further, closer to the rate of change of the thrust F y with respect to the output displacement Y of the output section 13 to 0, the output also functions as an external force applying portion applying an external force (spring load f p) to the unit (13). The preload adjusting spring 15, the rate of change of the spring load f p for deflection amount y p of spring, it changes to the negative gradually reduced from a positive with the increase of the deflection amount y p, a negative value of approximately constant It has a non-convergent characteristic (see FIG. 4) that converges.

また本実施形態では、出力部13の表面のうちピエゾ素子11が接触する接触部分、及び、固定部12の表面のうちピエゾ素子11が接触する接触部分が平面形状であり、変位拡大機構10のうち予圧調整バネ15を除く変位Y−推力f特性は、図3に示すように単調減少の線形特性となる。また、予圧調整バネ15は、出力部13の動作範囲における非線形特性が、バネの撓み量に対するバネ荷重の変化率が略一定の負の値となる領域(図4のypO〜yeの範囲)となるように、出力部13が初期位置にあるときの撓み量(すなわちオフセット量ypO)が調整される。 Further, in the present embodiment, the contact portion with which the piezo element 11 contacts on the surface of the output unit 13 and the contact portion with which the piezo element 11 contacts on the surface of the fixed portion 12 have a planar shape, and the displacement expanding mechanism 10 has a planar shape. Of these, the displacement Y-thrust fy characteristics excluding the preload adjusting spring 15 are monotonically decreasing linear characteristics as shown in FIG. Further, the preload adjusting spring 15 has a non-linear characteristic in the operating range of the output unit 13 in a region where the rate of change of the spring load with respect to the amount of deflection of the spring is a substantially constant negative value (y pO to y p e in FIG. 4). The amount of deflection (that is, the amount of offset y pO ) when the output unit 13 is in the initial position is adjusted so as to be within the range).

これらの構成により、変位拡大機構10のうち予圧調整バネ15を除く変位Y−推力f特性の傾きは、予圧調整バネ15の変位(撓み量)y−荷重f特性の傾きと正反対となるため相殺されて、この結果、変位拡大機構10の全体の変位Y−推力F特性は、例えば図7に示すような特性となり、傾きが0に近く、推力Fの変動は出力変位Yの変動に依存しにくくなる。これにより、変位拡大機構10の出力可能エネルギに対して実効範囲AAを充分に大きくとることができ、出力可能エネルギを実効範囲AAとして有効に利用でき、高出力化が可能となる。 With these configurations, the slope of the displacement Y- thrust f y characteristics except preload adjusting spring 15 of the displacement magnifying mechanism 10, the displacement of the preload adjustment spring 15 (deflection amount) y p - directly opposite the inclination of the load f p characteristics made for being canceled, as a result, displacement Y- thrust F y characteristic of the whole of the displacement magnifying mechanism 10, for example, the characteristics shown in FIG. 7, the slope is close to zero, the thrust F fluctuation of y output displacement Y It becomes less dependent on the fluctuation of. As a result, the effective range AA can be sufficiently large with respect to the outputable energy of the displacement expansion mechanism 10, the outputable energy can be effectively used as the effective range AA, and the output can be increased.

なお、上記の実施形態の説明では、転がり部のうち固定部12および出力部13の転がり面形状を、図2(b)及び図2(c)に示すような平面形状とする構成を例示したが、非円筒面や部分円筒面など他の形状でもよい。 In the description of the above embodiment, a configuration is exemplified in which the rolling surface shapes of the fixed portion 12 and the output portion 13 of the rolling portions are planar shapes as shown in FIGS. 2 (b) and 2 (c). However, other shapes such as a non-cylindrical surface and a partially cylindrical surface may be used.

また、上記の実施形態では、外力印加部(予圧調整バネ15)として、ばね変位の増加に応じてバネ剛性が正から負に遷移する変位y−荷重f特性を持つ非線形バネ(図4参照)を用いる構成を例示したが、変位拡大機構10のうち予圧調整バネ15を除く変位Y−推力f特性の傾き(すなわち、出力変位Yに対する推力Fの変化率)を0に近づけることができる特性であればよく、他の特性をもつ非線形バネも適用できる。図9は、非線形バネの他の特性の一例を示すグラフである。図9(a)に示すように、ばね変位の増加に応じてバネ剛性(k=df/dy)が正の大きい値から正の小さい値へ遷移する特性の非線形バネを用いてもよいし、図9(b)に示すように、ばね変位の増加に応じてバネ剛性が正から0に遷移する特性の非線形バネを用いてもよい。 Further, in the above embodiment, the external force applying unit as (preload adjusting spring 15), the displacement y p spring stiffness in response to an increase of the spring displacement is changed from positive to negative - non-linear spring (Fig. 4 with a load f p characteristics has been exemplified a configuration in which using the reference), be close to 0 the gradient of the displacement Y- thrust f y characteristics except preload adjusting spring 15 (i.e., the rate of change of the thrust F y for the output displacement Y) of the displacement magnifying mechanism 10 A non-linear spring having other characteristics can be applied as long as it has the characteristics that can be achieved. FIG. 9 is a graph showing an example of other characteristics of the nonlinear spring. As shown in FIG. 9A, a non-linear spring having a characteristic that the spring rigidity (k = df p / dy p ) changes from a positively large value to a positively small value according to an increase in spring displacement may be used. However, as shown in FIG. 9B, a non-linear spring having a characteristic that the spring rigidity changes from positive to 0 as the spring displacement increases may be used.

同様に、変位拡大機構10のうち予圧調整バネ15を除く変位Y−推力f特性の傾きを0に近づけることができれば、例えば線形の変位―荷重特性を有する線形バネなど、非線形バネ以外の要素を予圧調整バネ15として用いることもできる。 Similarly, if the inclination of the displacement Y-thrust fy characteristic of the displacement expansion mechanism 10 excluding the preload adjusting spring 15 can be brought close to 0, an element other than the non-linear spring, for example, a linear spring having a linear displacement-load characteristic. Can also be used as the preload adjusting spring 15.

また、図1に示す変位拡大機構10では、外力印加部として複数枚の予圧調整バネ15を組み合わせる構成を例示したが、これに限られるものではない。外力印加部の所望の変位y−荷重f特性を出力するために、単一の非線形バネを用いる構成であってもよい。 Further, in the displacement expanding mechanism 10 shown in FIG. 1, a configuration in which a plurality of preload adjusting springs 15 are combined as an external force applying portion is illustrated, but the configuration is not limited to this. Desired displacement y p of the external force applying unit - to output a load f p characteristics may be configured using a single non-linear spring.

次に、本実施形態に係る変位拡大機構10が備えるバネ拘束部16について、さらに説明する。図10は、予圧調整バネ15の変位を模式的に示す図である。具体的には、図10(a)はバネ拘束部16で拘束されている予圧調整バネ15における変位を模式的に示す図である。図10(b)は滑りを伴う予圧調整バネ15における変位を模式的に示す図である。なお、変位前の予圧調整バネ15を二点鎖線で示し、変位後の予圧調整バネ15を実線で図示している。 Next, the spring restraint portion 16 included in the displacement expanding mechanism 10 according to the present embodiment will be further described. FIG. 10 is a diagram schematically showing the displacement of the preload adjusting spring 15. Specifically, FIG. 10A is a diagram schematically showing the displacement of the preload adjusting spring 15 restrained by the spring restraining portion 16. FIG. 10B is a diagram schematically showing the displacement of the preload adjusting spring 15 accompanied by slippage. The preload adjusting spring 15 before displacement is shown by a two-dot chain line, and the preload adjusting spring 15 after displacement is shown by a solid line.

まず、図10(b)に示すように、出力部13の変位(図10において白抜き矢印で示す。)によって、両端部152と外殻14との間に滑り(図10において黒塗り矢印で示す。)を伴う変位をした場合について説明する。図11は、予圧調整バネ15が滑りを伴う変位をした場合における予圧調整バネ15の変位y−荷重f特性を示すグラフである。図11において、実線は、測定結果による予圧調整バネ15の変位y−荷重f特性を示す。破線は、FEM構造解析による予圧調整バネ15の変位y−荷重f特性を示す。図11の測定結果(実線)と解析結果(破線)とを対比して示すように、予圧調整バネ15の両端部152と外殻14との間に滑りが生じることにより、解析結果のバネ特性(破線)に対して、測定結果のバネ特性(実線)は大きく乖離している。これは、解析ツールを用いた設計においては、両端に理想的な固定条件を設定できるのに対し、実機では予圧調整バネ15の両端部152と外殻14との間に滑りが生じることにより、バネ特性に乖離が生じている。 First, as shown in FIG. 10 (b), due to the displacement of the output unit 13 (indicated by the white arrow in FIG. 10), it slides between both end portions 152 and the outer shell 14 (indicated by the black arrow in FIG. 10). The case of displacement accompanied by) will be described. 11, the displacement y p of the preload adjustment spring 15 when the preload adjusting spring 15 has the displacement with sliding - is a graph showing a load f p characteristics. 11, the solid line, the displacement y p of the preload adjusting spring 15 by the measurement results - indicating a load f p characteristics. Dashed line, the displacement y p of the preload adjusting spring 15 by FEM structural analysis - shows a load f p characteristics. As shown in comparison between the measurement result (solid line) and the analysis result (dashed line) in FIG. 11, the spring characteristics of the analysis result are caused by slippage between both ends 152 of the preload adjusting spring 15 and the outer shell 14. The spring characteristics (solid line) of the measurement result deviate greatly from the (broken line). This is because, in the design using the analysis tool, ideal fixing conditions can be set at both ends, but in the actual machine, slippage occurs between both ends 152 of the preload adjustment spring 15 and the outer shell 14. There is a discrepancy in the spring characteristics.

これに対し、本実施形態の変位拡大機構10は、バネ拘束部16を備えている。ここで、出力部13の出力変位は+y方向に増加し、出力部13と接続された中央部151も同じ分変位する。予圧調整バネ15の変位に伴い、予圧調整バネ15は長軸方向(z軸方向)に拡がろうとする。これに対し、バネ拘束部16は、外殻14に固定されている。また、外殻14は予圧調整バネ15の拡がりを抑える拘束力を発生しうる剛性を有している。これにより、図10(a)に示すように、バネ拘束部16は、予圧調整バネ15の拡がりを拘束することにより、予圧調整バネ15の滑りを抑制する。 On the other hand, the displacement expanding mechanism 10 of the present embodiment includes a spring restraining portion 16. Here, the output displacement of the output unit 13 increases in the + y direction, and the central portion 151 connected to the output unit 13 is also displaced by the same amount. With the displacement of the preload adjusting spring 15, the preload adjusting spring 15 tends to expand in the major axis direction (z-axis direction). On the other hand, the spring restraint portion 16 is fixed to the outer shell 14. Further, the outer shell 14 has a rigidity capable of generating a binding force that suppresses the expansion of the preload adjusting spring 15. As a result, as shown in FIG. 10A, the spring restraining portion 16 restrains the expansion of the preload adjusting spring 15 to suppress the slip of the preload adjusting spring 15.

図12は、バネ拘束部16が設けられた予圧調整バネ15の変位y−荷重f特性を示すグラフである。図12において、実線は、測定結果による予圧調整バネ15の変位y−荷重f特性を示す。破線は、FEM構造解析による予圧調整バネ15の変位y−荷重f特性を示す。図12の測定結果(実線)と解析結果(破線)とを対比して示すように、バネ拘束部16を備えることにより、予圧調整バネ15の両端部152における滑りを抑制することができ、解析結果のバネ特性(破線)と同様の測定結果のバネ特性(実線)が得られる。 12, the displacement y p of the preload adjustment spring 15 the spring restraining portion 16 is provided - is a graph showing a load f p characteristics. 12, the solid line, the displacement y p of the preload adjusting spring 15 by the measurement results - indicating a load f p characteristics. Dashed line, the displacement y p of the preload adjusting spring 15 by FEM structural analysis - shows a load f p characteristics. As shown in comparison between the measurement result (solid line) and the analysis result (broken line) in FIG. 12, by providing the spring restraint portion 16, slippage at both end portions 152 of the preload adjustment spring 15 can be suppressed, and analysis can be performed. The spring characteristics (solid line) of the measurement result similar to the spring characteristics (dashed line) of the result can be obtained.

図1(c)において、バネ予圧調整機構17は、中央部151と出力部13との間に配置されるシム(図示せず)で構成されるものとして説明したが、これに限られるものではない。図13は、他のバネ予圧調整機構17を含む変位拡大機構10の断面図である。 In FIG. 1 (c), the spring preload adjusting mechanism 17 has been described as being composed of a shim (not shown) arranged between the central portion 151 and the output portion 13, but is not limited to this. No. FIG. 13 is a cross-sectional view of a displacement expanding mechanism 10 including another spring preload adjusting mechanism 17.

図13(a)に示す変位拡大機構10では、バネ予圧調整機構17として、バネ拘束部16と予圧調整バネ15との間に配置されるシム171を備えている。シム171を設けることにより、一対のバネ拘束部16の間隔を調整(狭める)ことができる。図13(b)に示す変位拡大機構10では、バネ予圧調整機構17として、バネ拘束部16と外殻14との間に配置されるシム172を備えている。シム172を設けることにより、一対のバネ拘束部16の間隔を調整(拡げる)ことができる。即ち、シム171,172を設けることにより、一対のバネ拘束部16の間隔と、予圧調整バネ15の長軸方向の寸法と、の寸法差を補間することができる。 The displacement expanding mechanism 10 shown in FIG. 13A includes a shim 171 arranged between the spring restraining portion 16 and the preload adjusting spring 15 as the spring preload adjusting mechanism 17. By providing the shim 171 it is possible to adjust (narrow) the distance between the pair of spring restraint portions 16. The displacement expanding mechanism 10 shown in FIG. 13B includes a shim 172 arranged between the spring restraining portion 16 and the outer shell 14 as the spring preload adjusting mechanism 17. By providing the shim 172, the distance between the pair of spring restraint portions 16 can be adjusted (expanded). That is, by providing the shims 171 and 172, it is possible to interpolate the dimensional difference between the distance between the pair of spring restraining portions 16 and the dimension of the preload adjusting spring 15 in the long axis direction.

図14は、シム171の効果を説明する予圧調整バネ15の変位y−荷重f特性を示すグラフである。図14において、実線は、シム171を設けた際の測定結果を示す。破線は、シム171を設けない場合の測定結果を示す。 14, the displacement y p of the preload adjustment spring 15 for describing the effect of the shim 171 - is a graph showing a load f p characteristics. In FIG. 14, the solid line shows the measurement result when the shim 171 is provided. The broken line shows the measurement result when the shim 171 is not provided.

図14の破線に示すように、シム171を設けない構成においては、滑りに伴う摩擦損によってヒステリシスループがみられる。即ち、予圧調整バネ15の両端とバネ拘束部16との間に僅かな隙間があり、隙間分の滑りが生じていると考えられる。 As shown by the broken line in FIG. 14, in the configuration in which the shim 171 is not provided, a hysteresis loop is observed due to friction loss due to slippage. That is, it is considered that there is a slight gap between both ends of the preload adjusting spring 15 and the spring restraint portion 16, and slippage is caused by the gap.

これに対し、図14の実線に示すように、シム171を設ける構成においては、ヒステリシスループが解消されている。即ち、予圧調整バネ15の両端とバネ拘束部16との間の隙間を埋めることができ、予圧調整バネ15の滑りを抑制することができる。 On the other hand, as shown by the solid line in FIG. 14, in the configuration in which the shim 171 is provided, the hysteresis loop is eliminated. That is, the gap between both ends of the preload adjusting spring 15 and the spring restraint portion 16 can be filled, and slippage of the preload adjusting spring 15 can be suppressed.

また、図14において、実線と破線を比較して示すように、負の剛性の大きさや最大荷重が異なっている。換言すれば、シム171を挿入することで予圧調整バネ15の長軸方向に予圧力が与えられ、バネ特性を調整することができる。 Further, in FIG. 14, as shown by comparing the solid line and the broken line, the magnitude of the negative rigidity and the maximum load are different. In other words, by inserting the shim 171 the preload is applied in the long axis direction of the preload adjusting spring 15, and the spring characteristics can be adjusted.

シム171の調整効果について、図15を用いてさらに説明する。図15は、シム171の厚さと、バネ特性との関係を示すグラフである。図15において、バネ変位のオフセット位置を一点鎖線で示す。(a)は、シム171を挿入しない(合計シム厚さ=0)としたときのバネ変位−バネ荷重特性を太実線で示す。(b)は、シム171の合計シム厚さを0.1mmとしたときのバネ変位−バネ荷重特性を実線で示す。(c)は、シム171の合計シム厚さを0.2mmとしたときのバネ変位−バネ荷重特性を細実線で示す。
また、線形近似した直線を破線で図示する。
The adjustment effect of the shim 171 will be further described with reference to FIG. FIG. 15 is a graph showing the relationship between the thickness of the shim 171 and the spring characteristics. In FIG. 15, the offset position of the spring displacement is shown by the alternate long and short dash line. In (a), the spring displacement-spring load characteristic when the shim 171 is not inserted (total shim thickness = 0) is shown by a thick solid line. (B) shows the spring displacement-spring load characteristics when the total shim thickness of the shims 171 is 0.1 mm by a solid line. In (c), the spring displacement-spring load characteristic when the total shim thickness of the shim 171 is 0.2 mm is shown by a fine solid line.
In addition, a straight line that is linearly approximated is shown by a broken line.

(a)において、線形近似した破線の傾きであるバネ剛性をkoeaとし、一点鎖線で示すオフセット位置と線形近似した破線との交点の値であるオフセット荷重をfsoとする。(a)から(c)における合計シム厚さ、バネ剛性、オフセット荷重を図15の表に示す。 In (a), the spring rigidity, which is the slope of the linearly approximated broken line, is koea, and the offset load, which is the value of the intersection of the offset position indicated by the alternate long and short dash line and the linearly approximated dashed line, is f so . The total shim thickness, spring rigidity, and offset load in (a) to (c) are shown in the table of FIG.

図15の表に示すように、シム171の合計シム厚さを増加させると、バネ剛性とオフセット荷重が増加することが確認できた。このように、シムの厚さによるバネ特性の変化により、式(9)及び式(10)を満たすような微調整が可能となる。 As shown in the table of FIG. 15, it was confirmed that the spring rigidity and the offset load increased when the total shim thickness of the shims 171 was increased. As described above, the change in the spring characteristics depending on the thickness of the shim enables fine adjustment so as to satisfy the equations (9) and (10).

また、一対のバネ拘束部16の間隔よりも予圧調整バネ15の長軸方向の寸法が長い構成においては、シム172を挿入することで予圧調整バネ15の長軸方向に予圧力を減少させて、バネ特性を調整することができる。 Further, in a configuration in which the dimension of the preload adjusting spring 15 in the major axis direction is longer than the distance between the pair of spring restraint portions 16, the preload is reduced in the major axis direction of the preload adjustment spring 15 by inserting the shim 172. , Spring characteristics can be adjusted.

以上、本実施形態に係る変位拡大機構10について説明したが、本開示は上記実施形態等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開示の要旨の範囲内において、種々の変形、改良が可能である。 Although the displacement expanding mechanism 10 according to the present embodiment has been described above, the present disclosure is not limited to the above-described embodiment and the like, and various types are within the scope of the gist of the present disclosure described in the claims. It can be transformed and improved.

10 変位拡大機構
11 ピエゾ素子(伸縮素子)
111,112 キャップ
12 固定部
13 出力部
14 外殻
15 予圧調整バネ(外力印加部)
151 中央部
152 両端部
153 接続部
16 バネ拘束部(拘束部)
17 バネ予圧調整機構(予圧調整機構)
171,172 シム
18 ピエゾ予圧調整機構
10 Displacement expansion mechanism 11 Piezo element (expansion / contraction element)
111, 112 Cap 12 Fixed part 13 Output part 14 Outer shell 15 Preload adjustment spring (external force application part)
151 Central part 152 Both ends 153 Connection part 16 Spring restraint part (restraint part)
17 Spring preload adjustment mechanism (preload adjustment mechanism)
171,172 Sim 18 Piezo preload adjustment mechanism

Claims (8)

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、
前記出力部の出力変位に対する推力の変化率を0に近づけるように、前記出力部に外力を加える外力印加部と、
前記外力印加部を拘束する拘束部と、を備える、
変位拡大機構。
Telescopic elements with capacitive properties and
An output unit that comes into contact with one end of the expansion / contraction element and is displaced in a direction different from the expansion / contraction direction of the expansion / contraction element according to the expansion / contraction of the expansion / contraction element.
A fixed portion that comes into contact with the other end of the telescopic element and is not displaced by the expansion and contraction of the telescopic element.
An external force application unit that applies an external force to the output unit so that the rate of change of the thrust with respect to the output displacement of the output unit approaches 0.
A restraining portion for restraining the external force applying portion, and a restraining portion.
Displacement expansion mechanism.
前記拘束部は、
前記外力印加部の長軸方向の滑りを拘束する、
請求項1に記載の変位拡大機構。
The restraint portion is
Restrains the sliding of the external force applying portion in the long axis direction.
The displacement expansion mechanism according to claim 1.
前記外力印加部は、出力部とともに変位する中央部と、両端部と、を有し、
前記拘束部は、前記両端部の滑りを拘束する、
請求項1または請求項2に記載の変位拡大機構。
The external force applying portion has a central portion and both end portions that are displaced together with the output portion.
The restraint restrains the slip of both ends.
The displacement expansion mechanism according to claim 1 or 2.
前記外力印加部の予圧を調整する予圧調整機構を備える、
請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の変位拡大機構。
A preload adjusting mechanism for adjusting the preload of the external force applying portion is provided.
The displacement expanding mechanism according to any one of claims 1 to 3.
前記予圧調整機構は、前記拘束部と前記外力印加部との間に配置されるシムを有する、
請求項4に記載の変位拡大機構。
The preload adjusting mechanism has a shim arranged between the restraining portion and the external force applying portion.
The displacement expansion mechanism according to claim 4.
前記予圧調整機構は、前記拘束部と前記固定部との間に配置されるシムを有する、
請求項4または請求項5に記載の変位拡大機構。
The preload adjusting mechanism has a shim arranged between the restraining portion and the fixing portion.
The displacement expansion mechanism according to claim 4 or 5.
前記外力印加部は非線形バネであり、
前記非線形バネは、バネの撓み量に対するバネ荷重の変化率が、前記撓み量の増加に応じて小さくなる特性を有する、
請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の変位拡大機構。
The external force application portion is a non-linear spring.
The non-linear spring has a characteristic that the rate of change of the spring load with respect to the amount of deflection of the spring decreases as the amount of deflection increases.
The displacement expanding mechanism according to any one of claims 1 to 6.
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。 The actuator provided with the displacement expanding mechanism according to any one of claims 1 to 7.
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