JP6427446B2

JP6427446B2 - アクチュエータ

Info

Publication number: JP6427446B2
Application number: JP2015058707A
Authority: JP
Inventors: 光樹土屋; 塚原　真一郎; 真一郎塚原
Original assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Heavy Industries Ltd
Priority date: 2015-03-20
Filing date: 2015-03-20
Publication date: 2018-11-21
Anticipated expiration: 2035-03-20
Also published as: JP2016178835A

Description

本発明は、変位拡大機構を備えるアクチュエータに関する。

チタン酸ジルコン酸鉛（ＬｅａｄＺｉｒｃｏｎａｔｅＴｉｔａｎａｔｅ（ＰＺＴ））等の圧電材料で構成されたピエゾ素子（圧電素子）を用いたアクチュエータ（ピエゾアクチュエータ）は、非常に高いエネルギ効率を有することが知られている。即ち、ピエゾ素子は、例えば、電磁アクチュエータと異なり、電圧の印加により伸張した（電気エネルギを機械エネルギに変換した）後に、その伸張を維持するための電気エネルギを必要とせず、発熱量は電磁アクチュエータに比べて非常に小さく、冷却システムを必要としないため、エネルギ消費量が非常に小さい。

しかしながら、ピエゾ素子は、電圧の印加により最大０．１％の変位（動作歪み）しかもたらさないため、そのまま用いたのでは実用的ではない場合がある。

そのため、従来からピエゾ素子の小さい変位を拡大（増幅）して出力する座屈式変位拡大機構を備えるアクチュエータが知られている（例えば、特許文献１）。

特許文献１の座屈式変位拡大機構は、フレーム内に一対のピエゾ素子と、ピエゾ素子の両端面に接合された２対のキャップ、ピエゾ素子の外側の端面に配置されるサイドブロック、２つのサイドブロックを係合する１つのフレーム、ピエゾ素子の動作によって拡大された変位を出力する出力部とを有している。また、前記したフレームは、１対のサイドブロックを拘束する長円形のオーバルフレームが用いられている。

特開２０１４−８２９３０号公報

ところで、アクチュエータの構成として、フレームとサイドブロックの嵌め合いにより、フレームと座屈式変位拡大機構の構成部材を係合する際、アクチュエータの動作中にフレームとサイドブロックとの当接部で滑り変位と摩擦力が生じてしまう。この滑り変位と摩擦力は、ヒステリシスの要因となり、出力エネルギを低下させてしまう問題となる。上記の特許文献１には、サイドブロックとオーバルフレームについて、高弾性化させる構成について記載されているが、ヒステリシスを低下させる構成について全く検討がなされていない。

そこで、上記課題に鑑み、ヒステシリスを確実に低下させて、出力エネルギを向上できるアクチュエータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、一実施形態において、アクチュエータは、
容量的アクチュエータと、
凸半円弧面を有し前記容量的アクチュエータを支持する支持部材と、
前記凸半円弧面と対する凹半円弧面を有し前記容量的アクチュエータと前記支持部材とを収容する収容部材と、
前記凸半円弧面と前記凹半円弧面との間に介在する緩衝材と、を備えることを特徴とする。

上述の手段により、ヒステシリスを確実に低下させて、出力エネルギを向上できるアクチュエータを提供することができる。

本実施形態に係るアクチュエータを搭載したユニットアクチュエータの概略構成図である。本実施形態に係るアクチュエータを構成する座屈式変位拡大機構の動作を説明する概念図である。座屈式変位拡大機構の動作及び構成の一例を示す概念図である。アクチュエータの一部透過断面図である。アクチュエータの平面図である。アクチュエータの一部拡大平面図である。アクチュエータの変形例１を示す一部拡大平面図である。

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。

図１は、圧電アクチュエータ型直動モータに使用される複数のユニットアクチュエータのうち一つを取り出したユニットアクチュエータの概略構成を示している。図１のユニットアクチュエータ１００は、座屈式変位拡大機構４０を搭載している。

本実施形態に係るアクチュエータ１は、座屈式変位拡大機構４０を有し、ユニットアクチュエータ１００内に搭載されている。

ユニットアクチュエータ１００は、アクチュエータ１と、座屈式変位拡大機構４０と、当該座屈式変位拡大機構４０と接続され不図示の成形ギア出力ロッド（ＰＡＳ機構）のＤ２方向への移動を許容する貫通孔を有する接合器３と、接合器３の両側側面に取付けられた板バネ１８とを有する基本構成を有している。

本実施形態に係るアクチュエータ１は、座屈現象を利用した非線形変位拡大機構（以下、座屈式変位拡大機構と表記する）を有する座屈式ピエゾアクチュエータである。

アクチュエータ１は、座屈式変位拡大機構４０を長円形のフレーム２内に有している。座屈式変位拡大機構４０は、一対のピエゾ素子（容量的アクチュエータに相当）１０Ｌ、１０Ｒ、ピエゾ素子１０Ｌの両端面と接合される１対のキャップＣＰ１、ＣＰ２、ピエゾ素子１０Ｒの両端面と接合される１対のキャップＣＰ３、ＣＰ４、一対のピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒの外側の端面の動作を規制する１対の対称なサイドブロック１２Ｌ、１２Ｒ、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒの内側の側面の動作によって拡大された変位を出力する出力部１４等から構成される。上記出力部１４は変位をＤ１方向へ出力する。

なお、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒは、キャップＣＰ２、ＣＰ３により出力部１４との接続点を中心とした回転動作が可能な態様で、出力部１４と接続される。また、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒは、それぞれ、キャップＣＰ１、ＣＰ４によりサイドブロック１２Ｌ、１２Ｒとの接続点を中心とした回転動作が可能な態様で、サイドブロック１２Ｌ、１２Ｒと接続される。また、２つのサイドブロック１２Ｌ、１２Ｒは、ベース構造を介して互いに剛結合される
次に、図２に基づいてアクチュエータ１の基本的動作を説明する。図２は、アクチュエータ１を構成する座屈式変位拡大機構の動作を説明する概念図である。また、図２は説明の関係上、キャップＣＰ１〜ＣＰ４は省略した。

上記構成の座屈式変位拡大機構４０は、図２に示すように、２つのピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒの双方に電圧が印加されるとそれらは伸張する。そのため、アクチュエータ１は、一直線上に並ぶ一対のピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒの長手方向に垂直な出力軸Ｄ１の方向（ｙ方向）に座屈し、出力ノード（出力部１４）で出力としての推力Ｆｂｕｃｋｌｅが発生する。この座屈による変位ｙは、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒによりもたらされる変位xよりも二桁のオーダーで大きい。

また、座屈式ピエゾアクチュエータとしてのアクチュエータ１は、適切な機構を用いることにより、一対のピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒが一直線上に並ぶ特異点の両側（図２の上下方向、下方向は図示せず）に向かう動作（双極性動作）を生み出すことができ、それによって変位（ストローク）を倍増することができる。

従って、本実施形態に係るアクチュエータ１は、ピエゾ素子単体の変位の１００倍以上の変位を実現することが可能である。

次に、本実施形態に係るアクチュエータ１を構成する座屈式変位拡大機構４０、特に、転がりジョイントの構成、作用の概要を説明する。図３は、座屈式変位拡大機構４０の動作及び構成の一例を示す概略図である。

本実施形態に係るアクチュエータ１では、座屈式変位拡大機構４０においてピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒとサイドブロック１２Ｌ、１２Ｒ、及び、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒと出力部１４の回転案内要素として、転がりジョイントが用いられる。

具体的には、ピエゾ素子１０Ｌ、及び、ピエゾ素子１０Ｒのそれぞれの両端は、半径Ｒの円筒形状（円形断面）を有する。また、サイドブロック１２Ｌ、１２Ｒのそれぞれの接触面、及び、出力部１４における２つの接触面のそれぞれは、半径ｒの円筒形状（円形断面）を有する。また、中央にある出力部１４は、回転することなく、垂直方向（図の上下方向）のみに移動可能となるように拘束される。

図３（ａ）に示すように、電圧が印加されないときに２つのピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒが中心線ＣＬ上に完全に一直線に並ぶ場合を想定する。この配置において、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒの双方に高電圧が印加されると、図３（ｂ）に示すように、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒは、それぞれ、Δｘだけ伸張し、出力部１４を垂直方向（図の上方）に押し、出力軸Ｄ１に沿った出力変位Δｙを発生させる配置に至る。なお、図中の距離ｚは、点Ａと点Ｂとの距離であり、点Ａ、Ｂは、それぞれ、ピエゾ素子１０Ｌの両端に設けられる円形断面が描く曲率円の曲率中心である。

図３（ｂ）に示すように、垂直方向における出力ノード（出力部１４）で外力Ｆｌｏａｄが作用すると、４つの接触部分としてのキャップＣＰ１〜ＣＰ４のそれぞれで内力（接触力）Ｆｉ１〜Ｆｉ４が生成される。

この際、図３（ｂ）に示すように、ｚ＝０の場合、４つの接触部分（キャップＣＰ１〜ＣＰ４）のそれぞれで摩擦力が完全に消失する。即ち、ピエゾ素子１０Ｌの両端の２つの円形断面の円（半径Ｒ）が同心であれば、接触力Ｆｉ１、Ｆｉ２の方向は、関連する２つの接触部分としてのキャップＣＰ１、ＣＰ２を結ぶ線分の方向（接触面に垂直な方向）と一致する。そのため、接線力、即ち、摩擦力は、接触部分としてのキャップＣＰ１、ＣＰ２では発生しない。また、ピエゾ素子１０Ｒに関する接触部分としてのキャップＣＰ３、ＣＰ４についても同様である。

次に、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒに付与される予荷重について説明をする。
ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒに対して、予荷重（圧縮力）を付与した場合、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒは、圧縮反力と引張反力の双方を生成することが可能となる。そのため、アクチュエータ１から取り出すことが可能な出力変位を増大させることができる。

具体的には、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒに予荷重が与えられている場合、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒは、電圧が印加されていない状態では自然長Ｌ_０よりも短い長さＬ_ＰＬに圧縮され、電圧が印加されると、Ｌ_ＰＬから伸張し、印加電圧が消失するとＬ_ＰＬに戻る。なお、ピエゾ素子１０Ｌの自然長とは、ピエゾ素子１０Ｌに電圧が印加されておらず、かつ、ピエゾ素子１０Ｌの構造全体が軸力を受けない力学的平衡状態にある仮定条件におけるピエゾ素子１０Ｌの長さを意味する。ピエゾ素子１０Ｒの自然長についても同様である。

その結果、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒは、見かけ上、電圧が印加されたときに伸張力を発生させ、印加電圧が消失したときに復元力（圧縮力）を発生させることができる。そして、予荷重の大きさが、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒが発生させる力の最大値以上であれば、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒは、伸張力と同じ大きさの復元力を発生させることができる。また、予荷重（圧縮力）を利用する構成では、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒに対して引っ張り力が実際に適用されることはない。そのため、圧電セラミックス及び電極の薄い層の積み重ねにより形成される一般的な積層型ピエゾ素子を適用する場合においても、構造に悪影響を及ぼすことはない。

次に、図４〜図６に基づいてユニットアクチュエータ１００を構成するアクチュエータ１の構成を詳しく説明する。図４は、アクチュエータ１の一部透過断面図である。図５は、アクチュエータ１の平面図である。図６は、アクチュエータ１の一部拡大平面図である。

本実施形態に係るアクチュエータ１は、図１で説明した通り、長円形のフレーム２内に座屈式変位拡大機構４０を有している。即ち、座屈式変位拡大機構４０は、対称に配置された一対のピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒと、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒの各両端面に接続されているキャップＣＰ１、ＣＰ２と、キャップＣＰ３、ＣＰ４と、２つのピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒの外側の端面の動作を規制する一対のサイドブロック１２Ｌ、１２Ｒ、２つのピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒの内側の側面の動作によって拡大された変位を出力する出力部１４とを有している。

前記したフレーム２は、長円形（オーバルフレーム）とされ、座屈式変位拡大機構４０はストレートスロット形状のスロット部２０内に配置される。フレーム２のスロット部２０の両端に位置するスロット端面２Ｌ、２Ｒは半円弧形状であり、サイドブロック１２Ｌ、１２Ｒの半円弧面と当接される構成とされている。

本発明のアクチュエータ１の最大出力エネルギＥＡとピエゾ素子の最大出力エネルギＥＰとの比ＲＥは、ピエゾ素子の動作方向の剛性ＫＰ、ピエゾ素子以外の各主応力方向の総合剛性ＫＳ、により式（１）で表される。

即ち、ＫＰに対して、ＫＳが大きいほど、大きなＥＡを得ることができる。
なお、式（１）において、複数の転がり面の総合圧縮剛性ＫＪ、フレームのＤ３方向引張等価剛性ＫＦ、サイドブロックと出力部のＤ３方向総合圧縮剛性ＫＢ、とすると、ＫＳは式（２）で表される。

即ち、ＫＰに対して、ＫＪ、ＫＦ、ＫＢが大きいほど、大きなＥＡを得ることができる。

上記の機構は、前述したようにピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒの伸縮動作が、回転動作に変換されて、出力部１４に変位拡大された直動往復動作（Ｄ１方向）を引き起こす。ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒの回転動作は、キャップＣＰ１、ＣＰ４とサイドブロック１２Ｌ、１２Ｒ、ＣＰ２、ＣＰ３と出力部１４にそれぞれ設けた転がり接触する回転ジョイント（図３参照）によって案内される。また回転ジョイントの転がり接触を保持するために、転がり面に一定以上の予荷重が常に付与されている。

転がり面とピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒに対する予荷重と、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒの推力によるフレーム２の長軸方向Ｄ３への荷重の変動は最大でピエゾ素子の最大発生力の２倍以上になり、フレーム２のスロット端面２Ｌ、２Ｒとサイドブロック１２Ｌ、１２Ｒとの当接部において微小な滑り変位を生じる。また滑り変位と同時にフレーム２のスロット端面２Ｌ、２Ｒとサイドブロック１２Ｌ、１２Ｒとの間に摩擦力も生じる。この滑りと摩擦力が、アクチュエータ１の変位−推力特性のヒステリシスに表れるエネルギ損失の要因の一つであると考えられる。エネルギ損失は、滑り変位と摩擦力の積に依存する。したがって、滑り変位と摩擦力のうち、少なくとも一方を低減することによってエネルギ損失を低減することができる。

本発明のアクチュエータ１は、図６に示すように、フレーム２の半円弧形状のスロット端面２Ｌと半円弧形状のサイドブロック１２Ｌとの間に、薄膜状の緩衝材１６を介在させて、滑り変位及び／又は摩擦力を低減させることを特長としている。図示していないが、反対側のスロット端面２Ｒと、サイドブロック１２Ｒとの間にも、薄膜状の緩衝材１６が介在されている。

緩衝材１６は、サイドブロック１２Ｌ、１２Ｒとフレーム２のスロット端面２Ｌ、２Ｒとの間で発生する滑り変位と摩擦力により生じるエネルギ損失が、緩衝材１６を介在させていない状態での、サイドブロック１２Ｌ、１２Ｒとフレーム２のスロット端面２Ｌ、２Ｒとが当接する際に発生する滑り変位と摩擦力により生じるエネルギ損失よりも小さい部材である。

具体的に云うと、本実施形態に係るアクチュエータ１を構成する緩衝材１６は、少なくとも１２Ｌ、１２Ｒと２Ｌ、２Ｒとの当接面の滑り変位方向の弾性率が、フレーム２とサイドブロック１２Ｌ、１２Ｒの滑り変位方向の弾性率よりも低い部材や構造が使用できる。

緩衝材を用いる場合、緩衝材のＤ３方向の総合圧縮剛性をＫＫとすると、ＫＳは式（３）となる。

よって、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒのエネルギを十分に出力するためには、フレーム２、サイドブロック１２Ｌ、１２Ｒには、フレーム２の長軸方向Ｄ３への剛性が高いことが求められている。したがってフレーム２とサイドブロック１２Ｌ、１２Ｒには、ヤング率（圧縮弾性率）の高い材料が選定されており、滑り変位方向のヤング率も高くなっている。そこで、本実施形態の緩衝材１６は、上記したフレーム２とサイドブロック１２Ｌ、１２Ｒより低いヤング率（圧縮弾性率）を有する薄板部材を使用して良い。すると、緩衝材１６のＤ３方向の剛性は高い事が維持されたまま、スロット端面２Ｌ、２Ｒとサイドブロック１２Ｌ、１２Ｒ間のせん断応力を優先的に受けてせん断変形を生じることで、滑り変位量が減少されるので、エネルギ損失を確実に低減できる。また、弾性率の低い緩衝材１６を使用することにより、フレーム２とサイドブロック１２Ｌ、１２Ｒの滑り変位が小さくなり、各部材の亀裂発生要因の成長（疲労強度の低下）を抑制できる効果がある。

本実施形態に係るアクチュエータ１を構成する緩衝材１６は、上記の限りではなく、フレーム２のスロット端面２Ｌ、２Ｒとサイドブロック１２Ｌ、１２Ｒよりも低い摩擦係数を有することが好ましい。即ち、緩衝材１６とフレーム２（スロット端面２Ｌ、２Ｒ）もしくはサイドブロック１２Ｌ、１２Ｒとの間の滑り変位方向の摩擦係数の少なくとも一方が、フレーム２（スロット端面２Ｌ、２Ｒ）とサイドブロック１２Ｌ、１２Ｒとの間の滑り変位方向の摩擦係数よりも低くなるように構成されている。すると、サイドブロック１２Ｌ、１２Ｒと緩衝材１６、及びスロット端面２Ｌ、２Ｒと緩衝材１６との間での摩擦力が低下するので、エネルギ損失を確実に低減できる。また、摩擦係数の低い緩衝材１６を使用することにより、当接部の表面の損傷を効果的に抑制できる効果がある。

本実施形態の緩衝材１６は、滑り変位方向の低弾性率と低摩擦係数の両方を満たすフッ素樹脂フィルムを使用した。厚みは、フレーム２の長軸方向Ｄ３の剛性を低減しないフレーム２のＤ３方向寸法の１／１０００とした。

本実施形態において緩衝材１６は、滑り変位方向の低弾性率と低摩擦係数の両方を有する部材を使用したが、この限りではなく、何れか一を有する部材であっても良い。その場合、ＫＳを著しく低減しない板厚と部材であり、スロット端面２Ｌ、２Ｒの形状に広く接触が可能な部材であることが求められる。

以下に、本発明の実施例を説明するが、本発明はこれらの例によって限定されるものではない。

本発明者らは、フレームの左右のスロット端面と左右のサイドブロックとの間に、フレーム２のＤ３方向寸法の１／１０００のフッ素樹脂フィルムを用いた緩衝材をそれぞれ介在させたユニットアクチュエータ（実施例１）を用意した。

また、比較例として、フレームの左右のスロット端面と左右のサイドブロックとの間に緩衝材を介在させないユニットクチュエータ（比較例）を用意した。

そして、実施例１のアクチュエータと、比較例１のアクチュエータに対して、変位−荷重特性評価試験をそれぞれに行った。

その結果、実施例１のアクチュエータは、緩衝材を介在させない比較例１のアクチュエータと比較して、約２５％以上のヒステリシス値の低下が確認された。また、実施例１のアクチュエータは、比較例１のアクチュエータに比して、出力エネルギも飛躍的に増加することも確認された。

したがって、本実施形態に係るアクチュエータ１は、フレーム２とサイドブロック１２Ｌ、１２Ｒとの間に緩衝材１６を介在させる構成としたので、緩衝材１６がフレーム２とサイドブロックの滑り変位方向の荷重を優先的に受けて弾性変形が生じ、フレーム２とサイドブロック１２Ｌ、１２Ｒ間の滑り変位量と摩擦力が減少されることでエネルギ損失を低減できる。斯すると、アクチュエータの変位−推力特性におけるヒステリシスを確実に低下させて、出力エネルギを飛躍的に向上できる。

以上、本発明を実施するための形態について詳述したが、本発明は係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。

例えば座屈型アクチュエータ以外にも、締結部材を使用せず、部材間の形状により係合する構造を有し、部材間の当接部に荷重が作用するような機構に適用した場合でも、当接部の滑り変位と摩擦力を低減してエネルギ損失を低減できる。また、容量的アクチュエータとしてピエゾ素子を使用したが、推力と変位を発生させるアクチュエータ材料として磁歪素子を使用しても良い。

（変形例１）
また、本実施形態に係るアクチュエータ１を構成する緩衝材１６は、図６の限りではない。図６の緩衝材１６は、略同径に形成されたフレーム２のスロット端面２Ｌ、２Ｒとサイドブロック１２Ｌ、１２Ｒとの間に介在される構成であり、緩衝材１６が半円弧形状のサイドブロック１２Ｌの両端部には配置されていない。しかし、図７に示すように、スロット端面２Ｌ、２Ｒとサイドブロック１２Ｌ、１２Ｒが、スロット端面凹径＞サイドブロック凸径に形成されている場合においても、同様に緩衝材１６をスロット端面２Ｌ、２Ｒとサイドブロック１２Ｌ、１２Ｒとの間に介在でき、緩衝材１６が半円弧形状のサイドブロック１２Ｌ（１２Ｒも同じ）の全面を覆う様態で設置できる。

１アクチュエータ
２フレーム
３接合器
１０Ｌ、１０Ｒピエゾ素子
１２Ｌ、１２Ｒサイドブロック
１４出力部
１６緩衝材
１８板バネ
２０スロット部
４０座屈式変位拡大機構
１００ユニットアクチュエータ
ＣＰ１〜ＣＰ４キャップ

Claims

容量的アクチュエータと、
凸半円弧面を有し前記容量的アクチュエータを支持する支持部材と、
前記凸半円弧面と対する凹半円弧面を有し前記容量的アクチュエータと前記支持部材とを収容する収容部材と、
前記凸半円弧面と前記凹半円弧面との間に介在する緩衝材と、を備えることを特徴とするアクチュエータ。
前記緩衝材は、
前記支持部材と前記収容部材との間で発生する滑り変位と摩擦力のうち少なくとも一方が、前記支持部材と前記収容部材とが当接する際に発生する滑り変位または摩擦力よりも小さい部材であることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
前記緩衝材の滑り変位方向弾性率は、前記収容部材と前記支持部材の滑り変位方向弾性率よりも低いことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のアクチュエータ。
前記緩衝材と前記収容部材もしくは前記支持部材との間の摩擦係数の少なくとも一方は、前記収容部材と前記支持部材との間の摩擦係数よりも低いことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のアクチュエータ。