JP4085936B2 - レバーアーム変位拡大装置 - Google Patents

Description

この発明は、レバーアーム変位拡大装置に関するもので、自動車、航空機、精密加工、精密測定器具、電子機器等の分野で利用され、例えば、精密位置決め装置、音波発生用アクチュエータなどに用いられる。

音、振動や変位発生用のアクチュエータにおいては、小型で高出力が得られる強力なアクチュエータが望まれている。かかる要求を満たす変位発生素子としては、ＰＺＴなどの圧電材料より剛性が大きい磁歪性を有する磁性体、つまり磁歪材料を用いた磁歪式アクチュエータが注目されている。
前記磁歪式アクチュエータにおいて、強力な音波あるいは振動波を発生しようとすると、前記磁歪材料を大きく変位させる必要がある。しかしながら、前記磁歪材料を大きく変位させるには、制御電流を増大させる必要があり、投入パワーが大きくなるという問題があり、その上、アクチュエータ自体も大型化するという問題があった。

上記問題を解決するために、特許文献１に記載の変位拡大装置が開示されている。
特許文献１には、高出力、大変位を効率良く発生させることが可能な磁歪式変位発生装置を提供することを目的とした発明が記されており、実施例の一例として記されている記載内容を、図６を用い簡単に説明する。
磁歪性を有する変位発生素子５１と、その長手方向に配設された駆動コイル５２と、磁極あるいは永久磁石からなる支持材５３による磁界発生部材とによって駆動機構が構成される。駆動コイル５２は図示しない変位制御回路が発生する制御電流を印加することにより制御磁界を生じ、この磁界変化に伴って前記変位発生素子５１が伸縮する。さらに、支持材５３が鉄製の磁極の場合は、印加磁界の効率を高めることが可能であり、また、鉄材と永久磁石との積層構造にすれば、前記変位発生素子５１への磁気バイアスを加えることが可能であり、制御性が良好となる。
駆動機構は容器５４に固定された構造であり、前記変位発生素子５１の変化発生方向の変位部に、変位拡大機構の変位伝達治具６０の力点６１が可動的に固定されており、テコ比を考慮した変位伝達治具６０の支点６２はピン等で自在に動くように軸支され、作用点６３に出力部の振動部材５５が接触固定され、大変位、高出力を可能としている。

しかしながら、特許文献１に記載の変位拡大機構は、駆動コイル、支持材、変位発生素子、変位伝達治具と、多くの部材が使用されており、構造が複雑になり、コストもかかってしまう。
また、支点、力点、作用点の観点から動作状態を考慮した時の動きを図８に示し、図８を用いて説明すると、特許文献１に記載の変位拡大機構はテコを用いているが、このテコの支点は図８に示すように、アクチュエータ素子５１の前方に存在しており、このテコの支点位置はアクチュエータ素子５１の周壁及び後端に移動することはできない。つまり、自由にテコの支点を動かす事はできないのである。

特許文献１の技術的課題を解決するために、構造を簡単にし、テコの支点を力点の後方に配置した案件として、特許文献２に記載の変位拡大機構が開示されている。
特許文献２には、出力変位部がアクチュエータ素子の変位方向と直角方向に変位できるようにするとともに、出力変位部の力を大きくすることを目的とした発明が記されており、実施例としての記載内容を、図７を用い簡単に説明する。
基体１００の中心方向に形成された収容部１０４内にアクチュエータ素子３を収納し、そのアクチュエータ素子３に電圧を印加することにより、アクチュエータ素子３の発生する振動的変位及び力で、レバー１０９の力点１１８が押圧される。力点１１８に加えられた変位及び力は、テコの原理により、レバー１０９の作用点ヒンジ１１７に拡大されて伝達され、基体の中心軸に直交する方向に形成されている出力変位部１１２を、支点ヒンジ１１６を中心として引き上げるので、出力変位部１１２は、基体１００の中心軸と直角方向に変位するという内容が記載されている。

特開平５−２３６５９５号公報 特開平１０−２０１２５６号公報

この特許文献２に示されている変位拡大機構において、支点、力点、作用点の観点から動作状態を考慮した時の動きを図９に示し、図９を用いて説明する。
この構造において、支点を力点の後方に設けるにはどうしても作用点ヒンジが必要となり、その結果、線状部材によって変位拡大機構を構成することができず、箱形に形成せざるを得なかった。そして、支点に対して自由度を持たせようとすると、箱形をそのまま大きくしなければならない。換言すれば、筐体を大きくせざるを得ず、その大きな筐体を動かすためには、制御電流を増大させるか、若しくはアクチュエータ素子自体を大型化する必要があった。

そこで、本発明は、支点を自由に動かした時に起こる筐体の拡大、それに伴う筐体動作の難点を鑑みてなされたものであり、出力変位部の変位をアクチュエータ素子の変位方向と直角方向にするとともに、出力変位を該アクチュエータ素子の変位よりも大きくする変位拡大装置を提供するとともに、この変位拡大装置の支点位置は自由に設置することができることを目的とする。

本発明は、アクチュエータ素子と、前記アクチュエータ素子の後端を固定する固定部と、前記アクチュエータ素子の先端に接続部により一端が接続された第１のレバーアームと、一端が、前記アクチュエータ素子の後端側に位置する支点部と接続された第２のレバーアームと、前記第１のレバーアームの他端側と、前記第２のレバーアームの他端側とを接合する接合部とを有し、前記アクチュエータ素子の変位する方向と直交する方向に前記接合部の変位方向を変換するように構成される。

また、前記接合部は、変位部である。
また、前記第２のレバーアームは、前記接合部から該接合部方向に突出した突出部を有し、該突出部を変位部とするように構成される。
さらに、前記支点部は前記固定部に固定されるように構成される。
さらに、前記第１のレバーアームと前記第２のレバーアームとが平行であるように構成される。
さらに、前記第１のレバーアームと前記第２のレバーアームと前記接合部とからなる対を複数有するように構成される。

この発明により、出力変位部を、アクチュエータ素子の変位方向と直角方向に対し、大きな変位を作り出すことができる。更に、装置全体を一体構造にしているため、容易に作製することができ、且つ、作製する際のコストダウンをもたらすことができる。
また、本発明の変位拡大装置は、テコの原理では無く、アームの長さにより変位を大きくするため、支点位置を自由設定することができ、設計自由度が増し、応用範囲が広がるものである。

以下、本発明の実施の形態として、図面に示す実施例に沿って説明する。全図を通し、同一符号が付された部材は同等あるいは対応の部材を示す。
図１は、本発明による実施の形態の例を示し、図１（ａ）は正面図を、図１（ｂ）は斜視図を示している。
レバーアーム変位拡大装置１は、本拡大装置の中心軸２に沿った方向に変位するアクチュエータ素子３を収納する収納部を備えている。このアクチュエータ素子３として、例えば、圧電、電歪、磁歪などの素子が用いられる。
また、レバーアームとして、上部第１レバーアーム５及び上部第２レバーアーム６による対と、下部第１レバーアーム７及び下部第２レバーアーム８による対を備えている。

アクチュエータ素子３は、レバーアーム変位拡大装置１に設けられた収納部１４に収納される。アクチュエータ素子３の後端は、レバーアーム変位拡大装置１に設けられた固定部４に固定される。この固定部４の強度は強いほど好ましく、厚さとしては、レバーアーム（５，６，７，８）の２倍以上が好ましい。
アクチュエータ素子３の先端は、レバーアーム（５，６，７，８）の強度よりも強い剛体からなる接続部９に接合される。
なお、図１において、上記したアクチュエータ素子３の後端と上記固定部４との接続部分、及び上記接続部９は、アクチュエータ素子３の縦幅より細く描かれているが、この幅はアクチュエータ素子３の縦幅と同等でも良い。

固定部４には、上部第２レバーアーム６、下部第２レバーアーム８の片端が接続されており、また、剛体からなる接続部９には、上部第１レバーアーム５、下部第１レバーアーム７の片端が接続されている。
なお、固定部４と、上部第２レバーアーム６、下部第２レバーアーム８との接続箇所には、本発明の動作における支点１５が設けられている。詳しくは後述する。
上記固定部４に接続された上部第２レバーアーム６の他端側と、上記接続部９に接続された上部第１レバーアーム５の他端側は、厚さがレバーアーム（５，６，７，８）よりも厚く、強度の大きい接合部１０を介して接合されている。また、上記固定部４に接続された下部第２レバーアーム８の他端側と、上記接続部９に接続された下部第１レバーアーム７の他端側も同様に接合部１１を介して接合されている。

次に本発明の動作について説明する。
アクチュエータ素子３から中心軸２に沿った方向に発生する変位及び力が、剛体により形成されている接続部９に伝達される。この接続部９に伝達された変位及び力は、接続部９に接合されている上部第１レバーアーム５、下部第１レバーアーム７の長さ方向を介して、接合部１０及び１１に伝達される。
例えば、アクチュエータ素子３に電圧を印加すると、左右方向外側に変位及び力が発生し、剛体からなる接続部９は、その発生した変位及び力により、図１の図面上で右方向に変位する。この変位は上部第１レバーアーム５、下部第１レバーアーム７を介して、接合部１０及び１１に伝達される。
この時、上部第１レバーアーム５、上部第２レバーアーム６の接合部１０を介して、アクチュエータ素子３の変位と力は、上方向１２に９０度変換されるとともに、変位の大きさが拡大される。また同時に、下部第１レバーアーム７、下部第２レバーアーム８の接合部１１を介して、アクチュエータ素子３の変位と力は、下方向１３に９０度変換されるとともに変位の大きさが拡大される。つまり、接合部１０、１１が変位部となり、変位を拡大させている。
このように、伝達された変位及び力は上下方向に力が働くため、アクチュエータ素子３の僅かな変位に対しても、大きな変位を生み出すことができるようになる。

本発明において、上部第２レバーアーム６及び下部第２レバーアーム８と固定部４との接続部分は支点１５の役割を果たし、また、アクチュエータ素子３と上部第１レバーアーム５及び下部第１レバーアーム７との接続部材である接続部９は力点、上部第１レバーアーム５と上部第２レバーアーム６の接合部１０は作用点の働きをする。また、下部第１レバーアーム７と下部第２レバーアームの接合部１１も同様に作用点の働きをする。
詳しい動作状況を図２を用いて説明する。なお、図２に示す動作状況は上部のみを示したものであり、下部も同様の動作をするものとする。

図２（ａ）において、アクチュエータ素子の後端を固定している固定部４に、第２レバーアーム６が接続されており、アクチュエータ素子３に電圧を印加した時、接続部９（力点９）に伝達された変位は、接合されている第１レバーアーム５を介して、接合部１０をアクチュエータ素子３の変位方向に変位しようとする。しかし、接合部１０は、固定部４に接続されている第２レバーアーム６とも接合されているため、第２レバーアーム６が接合部１０（作用点１０）を引っ張る形で上方向１２に変位される。つまり、第２レバーアーム６と固定部４との接続部分が支点１５となり、その結果、作用点１０は、１０’に変位し、第１レバーアーム５、第２レバーアーム６もまた５’、６’へと変位する。
図２（ａ）から分かるように、第１レバーアーム５、第２レバーアーム６が歪むことにより、横方向に働く変位及び力を縦方向へと変位させることになる。そのため、図２（ｂ）のように、アクチュエータ素子の後方に支点１５を設けても、アームを歪めることのできる位置に支点が存在すれば、横変位を縦変位に変換可能である。要は、支点の自由度が高いため、支点を自由に設置することができるということである。

本実施の形態の変形例を図３及び図４に示す。
図３に示す変形例は、上記図１の実施の形態におけるレバーアームを１対取り外した形状をしており、出力方向を１方向に発生させる際に使用される。なお、図３（ａ）には正面図を、図３（ｂ）には斜視図を示している。
図３に示された変形例の動作状況としては、アクチュエータ素子３から中心軸２に沿った方向に発生する変位及び力が剛体により形成されている接続部９に伝達され、この接続部９に伝達された変位及び力は、接続部９に接合されている上部第１レバーアーム５の長さ方向を介して、接合部１０に伝達される。
この時、上部第１レバーアーム５、上部第２レバーアーム６の接合部１０を介して、アクチュエータ素子３の変位と力は、上方向１２に９０度変換されるとともに、変位の大きさが拡大される。つまり、接合部１０が変位部となり、変位を拡大させることになる。

図４に示す変形例は、上部第２レバーアーム１７及び下部第２レバーアーム１８が、接続部９から見て接合部１０、１１の方向である接合部方向へ突出した形状をしており、上部第２レバーアーム１７及び下部第２レバーアーム１８を突出させたことにより、作用点は、接合部１０、１１から上部第２レバーアーム１７及び下部第２レバーアーム１８の端部である変位部１９、２０へと変位するため、僅かな変位からより大きな変位を作り出すことができる。
また、上述の変形例では、各第２レバーアームを突出させ、変位部１９、２０を形成させたが、上部第１レバーアーム及び下部第１レバーアームを接合部方向へ突出させ、変位部１９、２０を形成させても良い。

なお、上記した実施の形態における実施例において、変位拡大比（出力部変位／アクチュエータ素子変位）を大きくするには、２本並んで構成される第１レバーアーム５，７、第２レバーアーム６，８の間隔をレバーアームの厚さ以下にし、平行にすることが肝要である。また、図４において提示したように、レバーアーム（５，６，７，８）の長さを長くすることでさらなる変位を得ることが可能となる。
さらに、図５に示すように、第１レバーアーム（５又は７）と第２レバーアーム（６又は８）と接合部（１０又は１１）とからなる対を複数個積層することで、変位拡大比をさらに大きくすることが可能である。
なお、この変位装置は、直流による静的変位、交流による動的変位と状況に応じて印加する電圧を使い分けることが可能である。

本発明の実施形態１を示す正面図及び斜視図である。 本発明の実施形態の動作状況を表した図であり、（ａ）は支点の位置とアクチュエータ素子の後端の位置が同じ時の図、（ｂ）は支点をずらした時の図である。 本発明の実施形態２を示す正面図及び斜視図である。 本発明の実施形態３を示す斜視図である。 本発明の実施形態における複数個積層した状態を示す斜視図である。 特許文献１に示す従来例の変位拡大装置を示した図である。 特許文献２に示す従来例の変位拡大装置を示した図である。 特許文献１に示す従来例の動作状況を表した図である。 特許文献２に示す従来例の動作状況を表した図である。

符号の説明

１，１６，２１ レバーアーム変位拡大装置、２ 拡大装置の中心軸、３ アクチュエータ素子、４ 固定部、５ 上部第１レバーアーム、６，１７ 上部第２レバーアーム、７ 下部第１レバーアーム、８，１８ 下部第２レバーアーム、９ 剛体からなる接続部、１０ 接合部、１１ 接合部、１２ 上方向、１３ 下方向、１４ 収納部、１５ 支点、１９，２０ 変位部

Claims (6)

1. アクチュエータ素子と、
   前記アクチュエータ素子の後端を固定する固定部と、
   前記アクチュエータ素子の先端に接続部により一端が接続された第１のレバーアームと、
   一端が、前記アクチュエータ素子の後端側に位置する支点部と接続された第２のレバーアームと、
   前記第１のレバーアームの他端側と、前記第２のレバーアームの他端側とを接合する接合部とを有し、
   前記アクチュエータ素子の変位する方向と直交する方向に前記接合部の変位方向を変換すること
   を特徴とするレバーアーム変位拡大装置。
2. 前記接合部は、変位部であることを特徴とする請求項１に記載のレバーアーム変位拡大装置。
3. 前記第２のレバーアームは、前記接合部から該接合部方向に突出した突出部を有し、該突出部を変位部とすることを特徴とする請求項１に記載のレバーアーム変位拡大装置。
4. 前記支点部は前記固定部に固定されていることを特徴とする請求項１に記載のレバーアーム変位拡大装置。
5. 前記第１のレバーアームと前記第２のレバーアームとが平行であることを特徴とする請求項１に記載のレバーアーム変位拡大装置。
6. 前記第１のレバーアームと前記第２のレバーアームと前記接合部とからなる対を複数有することを特徴とする請求項１に記載のレバーアーム変位拡大装置。

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