JP6498485B2 - アクチュエータ及び直動モータ - Google Patents

Description

本発明は、座屈型変位拡大機構を備えるアクチュエータ及び直動モータに関する。

チタン酸ジルコン酸鉛（Ｌｅａｄ Ｚｉｒｃｏｎａｔｅ Ｔｉｔａｎａｔｅ（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）して出力する座屈型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の座屈型変位拡大機構は、フレーム部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つのフレーム部、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。

特開２０１４−８２９３０号公報

ところで、座屈型変位拡大機構を備えたピエゾアクチュエータユニットを複数用いてモータを構成する場合、各ピエゾアクチュエータユニット間の出力特性誤差は、モータの推力リップルを発生させる要因となる。そのためピエゾアクチュエータの出力特性を高精度に調整することが非常に重要である。

ピエゾアクチュエータの出力特性を調整する方法として、ピエゾ素子へ予荷重を付与する方法がある。例えばバネ材によりピエゾ素子の出力軸方向への荷重を予め付与する。しかし、この方法は、適度な予圧力を付与されていればよい構造とされ、高精度な出力特性の調整が可能な機構にはなっていない。また、このような機構の場合、バネ材の設置によるアクチュエータの大型化や、ピエゾ素子の推力に反するバネ材の剛性により出力変位の低下が生じてしまい、ピエゾアクチュエータの出力密度を低下させる要因になり得る。したがって、ピエゾアクチュエータにおける高精度な出力特性の調整が可能な機構とは言えない。

そこで、上記課題に鑑み、出力特性を高精度に調整可能なアクチュエータ及び直動モ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、
一対の容量的アクチュエータと、
前記容量的アクチュエータの伸縮の変位を拡大する座屈型変位拡大機構と、を備えたアクチュエータにおいて、
前記座屈型変位拡大機構は、
一対の前記容量的アクチュエータの間に配置される出力部と、
一対の前記容量的アクチュエータの外側の端面の動作を規制する一対のサイドブロックと、
出力特性を調整する出力特性調整手段と、を有することを特徴とする。

上述の手段により、出力特性を高精度に調整可能なアクチュエータ及び直動モータを提供できる。特に、与える調整量（変位量）から、アクチュエータユニットの出力特性の変化を、予め数値として得ることができる高精度な出力特性調整手段を備えたアクチュエータを提供できる。したがって、前記アクチュエータを搭載した複数のアクチュエータユニットを用いてモータを構成する際、モータの推力リップルの低減が可能となる。

圧電アクチュエータ型直動モータの構成の一例を示す全体斜視図である。 本実施形態に係るアクチュエータが搭載されたアクチュエータユニットの概略構成図である。 アクチュエータを構成する座屈型変位拡大機構の動作を説明する概念図である。 座屈型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。 転がり接触式座屈型アクチュエータの動作機構の一例を示す模式図である。 転がり接触式座屈型アクチュエータに搭載される２種類の出力特性調整機構を説明する模式図である。 ＰＣＳ予圧機構を備えたアクチュエータユニットの一例を示す全体斜視図である。 ＰＣＳ予圧機構を備えたアクチュエータユニットの一例を示す縦断面図である。 ＰＣＳ予圧機構を備えたアクチュエータユニットの他の例を示す一部透過正面図である。 図９の縦断面図である。 ピエゾ予圧機構を備えたアクチュエータユニットの縦断面図である。 転がり接触式座屈型アクチュエータの各構成要素に作用する具体的な力を示す模式図である。 転がり接触式座屈型アクチュエータにおける出力特性（出力部の変位（拡大出力）と推力との関係）を示す図である。 ＰＣＳ予圧機構を備えた転がり接触式座屈型アクチュエータの各構成要素に作用する具体的な力を示す模式図である。 ＰＣＳ予圧機構の予荷重を変化させた際の、変位−推力特性を示すグラフである。 ＰＣＳ予圧機構の予荷重を変化させた際の、スペーサの厚さと荷重オフセット量との関係を示すグラフである。 ピエゾ予圧機構を備えた転がり接触式座屈型アクチュエータの各構成要素に作用する具体的な力を示す模式図である。 ピエゾ予圧機構の予荷重を変化させた際の、ピエゾ素子に電圧を印加した（ＰＺＴ−ＯＮ）状態における変位−推力特性を示すグラフである。 ピエゾ予圧機構の予荷重を変化させた際の、ピエゾ素子に電圧を印加しない（ＰＺＴ−ＯＦＦ）状態における変位−推力特性を示すグラフである。

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の全体斜視図を示した。図２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アクチュエータユニットのうち一つを取り出したアクチュエータユニットの概略構成を示している。また、説明の関係上、フレーム部２の正面側を省略して示している。

圧電アクチュエータ型直動モータ１０００は、主にアクチュエータユニット１００及び接合器３、モータ出力ロッド（ＰＳＰ機構）２０を含む。

アクチュエータユニット１００は容量的性質を有する伸縮素子を用いて駆動力を発生させるアクチュエータである。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る。但し、伸縮素子は磁歪素子であっても良い。なお、実施例では圧電アクチュエータ型直動モータ１０００は、線形ガイド２１に案内されて、モータ出力ロッド２０（ＰＡＳ機構）に沿った出力方向Ｄ２へ移動し、その変位は、ＰＳＰ移動センサ２２によって検出される。モータ出力ロッド２０は、上下面に波形形状のカム部を有しているが、この限りではなく、上下面の何れか一方にカム部が設けられるものが使用されても良い。

アクチュエータユニット１００は、座屈型変位拡大機構４０と、フレーム２、出力部１４の挙動を安定化させる弾性体（図２では板バネ１８）を基本構成として有する。また、モータを構成するユニットとして使用する場合は、モータ出力ロッド２０のＤ２方向への移動を許容する略十字形状の挿入孔を有する接合器３が当該座屈型変位拡大機構４０と接続した構成とされる。

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４０（以下、座屈型変位拡大機構４０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。

アクチュエータユニット１００は、座屈型変位拡大機構４０を長円形のフレーム部２内に有する構成とされている。座屈型変位拡大機構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。因みに、アクチュエータ１とは、特に前記した座屈型変位拡大機構４０と、フレーム２、及び後述するベース部１５を指している。

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（不図示）を介して互いに剛結合される
次に、図３に基づいてアクチュエータ１を構成する座屈型変位拡大機構４０の基本的動作を説明する。図３は、座屈型変位拡大機構４０の基本的動作を説明する概念図である。また、図３は説明の関係上、キャップＣＰ１〜ＣＰ４は省略した。

上記構成の座屈型変位拡大機構４０は、図３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３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、座屈型変位拡大機構４０の転がりジョイントの構成、作用の概要を説明する。図４は、座屈型変位拡大機構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ユニット１００では、座屈型変位拡大機構４０としてピエゾ素子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４（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４（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４（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４（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。

なお、図４（ｃ）に示すように、ｚ≠０の場合は、摩擦角μが生じ、接触力Ｆｉ１〜Ｆｉ４の接線成分として摩擦力が生じる。この場合、距離ｚが小さくても、後述する予荷重が大きいため、出力が大きく減少する。

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。

座屈型変位拡大機構４０は、回転ジョイント部の転がり面が常に一定以上の予荷重をもって接触するために、両端の回転ジョイント部の間の距離は自然長よりも短くなる調整が可能な構成である。但し、予荷重は、出力部１４の動作方向に対して出力部１４の挙動を不安定化させ、さらに回転ジョイント部以外の拘束が無い状態で出力部１４を変位させると、予荷重が無くなるまで変位するために、ジョイント部の転がり接触を維持できなくなる。

そこで、回転ジョイント部に対する予荷重による転がり接触の維持と、出力部１４の挙動を安定化させるため、図５に示すように、出力部１４のベース部１５を弾性体１９（ＰＣＳ）により弾性結合させ、出力部１４の動作方向を図５のＤ１方向に拘束する構成が望ましい。因みに、ｙは、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒの座屈により生じる出力部１４の変位（拡大出力）であり、Ｆｙはアクチュエータユニット１００が出力する推力を示している。

さて、上記構成のアクチュエータユニット１００を複数搭載して圧電アクチュエータ型直動モータ１０００を構成する場合、各アクチュエータユニット１００間の出力特性誤差は、モータ１０００の推力リップルを発生させる要因となっている。推力リップルを低減するには各アクチュエータユニット１００の出力特性を高精度に調整することが重要となっている。

ピエゾ座屈型のアクチュエータユニット１００の出力特性は、出力変位の３次多項式によって表される（下記の式（１）参照）。

従来、上記のように予荷重を補償し、出力部１４の挙動を安定化させる弾性体を用いているが、弾性体による出力方向への予荷重を調整する方法は提案されていない。特にピエゾ座屈型のアクチュエータユニット１００では、変位−推力特性（出力特性）の３次多項式が原点に対して点対称であることが求められるため、特に高精度な予荷重の調整が求められている。一方、部品の製造誤差や組立誤差に起因して、出力推力のオフセットが生じるので、１次項の調整結果を考慮したうえで、出力方向に対する予荷重の調整を可能にする機構が重要となる。

また、複数のアクチュエータユニットの出力特性を一致させる場合、与える調整量（変位量）から、アクチュエータユニット１００の出力特性の変化を、予め数値として得ることができる高精度な出力特性調整手段を備えたアクチュエータが所望されているが、未だ見聞きしない。

本発明のアクチュエータは、アクチュエータユニット１００の変位−推力特性（出力特性）を、以下に示す２つの出力特性調整機構（出力特性調整手段に相当）により高精度に調整することを特長としている。また、以下の出力特性調整機構によって、それぞれの方向に対して付加する調整量（変位量）から、アクチュエータユニット１００の出力特性の変化を、予め数値として得ることができる
図６は、座屈型変位拡大機構４０に予荷重の高精度な調整を可能にする２種類の出力特性調整機構を説明する模式図である。因みに、図６は転がり接触式座屈型アクチュエータを示している。図６に示すように、本発明は、第１の機構として出力部１４の変位ｙ以外に、弾性体１９（ＰＣＳ）に対して出力軸方向に一定の変位ｙ_０を与えることで、出力部１４の変位−推力特性の推力オフセット量を調整する機構を有する。以下、第１の機構をＰＣＳ予圧機構６０と表記する。

第２の機構として、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒに、Ｆ_ＰＬ以外に、ピエゾ素子の伸縮方向への一定の圧縮量_ＺＰＬを与えることで、ピエゾ素子と転がりジョイントへの予荷重を付与及び調整する機構を有している。以下、第２の機構をピエゾ予圧機構７０と表記する。因みに、Ｆ_ＰＬは、出力部１４とサイドブロック１２Ｌ、１２Ｒのそれぞれとの距離を強制変位させることで与えられる。

したがって、本実施形態の出力特性調整機構とは、ＰＣＳ予圧機構６０とピエゾ予圧機構７０を指している。図６に表記したＰＣＳ予圧機構６０とピエゾ予圧機構７０の作用する力に関する論理的説明については後述する。以下に、先ずそれぞれの機構の具体的な実施形態を説明する。

＜ＰＣＳ予圧機構６０＞
ＰＣＳ予圧機構６０について説明する。出力部１４（弾性体１９）に対して一定の変位を可変可能に与える予圧機構として、図７に示すくさび形の変位調整手段を利用して実施できる。
図７はＰＣＳ予圧機構６０を備えたアクチュエータユニット１００の斜視図である。図８は図７とは異なる構造ＳＨ１でＰＣＳ予圧機構６０を実現した場合の縦断面図である。

図７に示すアクチュエータユニット１００の基本動作機構は、図２に示したアクチュエータユニット１００の動作機構と同じであり、説明は省略する。端的に云うと、図２の構成にくさび形の変位調整手段５０とＰＣＳ予圧機構６０が付加される構成である。図７、図８は、弾性体１９（ＰＣＳ）を含むアクチュエータユニット１００の要部のみを示し,接合器３は搭載されていない状態を示す。また、図７、図８において、弾性体１９は板バネ５１に相当する。

くさび形の変位調整手段５０は、出力部１４の出力軸方向への予荷重を調整するべく、板バネ５１と荷重調整部５２、支持部５３とから構成されている。荷重調整部５２は、長円形のフレーム部２の長軸方向の両端部の上部位置に設けられており、板バネ５１は、左右一対の荷重調整部５２と、中央部に配置された支持部５３とをそれぞれ繋ぐ形態で設けられている。即ち、図示右側（矢印Ｘ２側）の荷重調整部５２Ｒと支持部５３とを繋ぐ板バネ５１Ｒと、図示左側（矢印氏Ｘ１側）の荷重調整部５２Ｌと支持部５３とを繋ぐ板バネ５１Ｌとを有する。また、図８に示すように、板バネ５１は上下方向（矢印Ｙ１−Ｙ２方向）に２段設けられても良い。

荷重調整部５２（５２Ｌ、５２Ｒを含む）は、離間方向（矢印Ｘ１−Ｘ２方向）に移動が可能な一対の台座５２ａと、一対の台座の上面に載置される滑り部５２ｂと、一対の台座５２ａと滑り部５２ｂを貫通して、台座５２ａと滑り部５２ｂの位置を固定するボルト５２ｃとを有している。

一対の台座５２ａは、それぞれの上面が傾斜しており、一対の台座５２ａを対峙させるとその上面がＶ字形状になるように、線対称な傾斜面とされている。また、一対の台座５２ａはそれぞれ離間する方向へ又は接近する方向への移動を調整する調整手段５４が設けられている。また、滑り部５２ｂの下面は、一対の台座５２ａの傾斜面に対応するＶ字形状の傾斜面を有している。上面はボルト５２ｃを貫通させる貫通孔が設けられた水平面とされている。また、滑り部５２ｂの一側側面は板バネ５１の両端に繋がっている。

したがって、一対の台座５２ａ間の距離を調整手段５４によって離間及び接近方向（矢印Ｘ１−Ｘ２方向）に調整すると、載置されている滑り部５２ｂが上下方向（矢印Ｙ１−Ｙ２方向）に移動する。板バネ５１の両端に位置する滑り部５２ｂの高さ調整により、滑り部５２ｂ（ベース部１５に相当）と支持部５３間の相対変位が変わり、板バネ５１のたわみ量が変化する。このたわみ量によるバネ５１の復元力により、出力部１４への予荷重を調整することができる。滑り部５２ｂが適切な高さ位置（出力部１４への予荷重）となったらボルト５２ｃにより固定する。

次に、スペーサＳＨ１を利用したＰＣＳ予圧機構６０を説明する。図８に示すように、ＰＣＳ予圧機構６０は、出力部１４の上面と、当該出力部１４の直上位置に位置する支持部５３の下面との間に介在されたスペーサＳＨ１である。このスペーサＳＨ１の厚み、枚数を適宜変えることにより、弾性体１９に対して一定の付加的な変位を可変可能に与えることができる。スペーサＳＨ１は、例えば厚さ１ｍｍ以下の鋼製や樹脂製の薄板である。

ＰＣＳ予圧機構６０の実施形態は、図示の限りではない。例えば図９に示す機構であっても良い。図９は、ＰＣＳ予圧機構６０を備えたアクチュエータユニットの他の例を示す一部透過正面図であり、座屈型変位拡大機構４０の部分は縦断面として示した。

図９に示すＰＣＳ予圧機構６００は、所謂コイルバネを使用した予荷重付与手段５００を利用して出力部１４への予荷重を可変可能に与える構成である。図９のアクチュエータユニット１００の基本的な動作機構は、図２のアクチュエータユニット１００と同じであり、説明することは省略する。また、コイルバネを使用した予荷重付与手段５００は、図５、図６の弾性体１９の他の実施形態である。

図９のアクチュエータユニット１００は、フレーム部２の上部位置に出力部１４の直上位置に空間を有する上部フレーム部２００が設けられている。

コイルバネを使用した予荷重付与手段５００としては、出力部１４の直上位置に設けられたホルダー部５１０と、ホルダー部５１０の上面に複数配置されたコイルバネ５２０とで構成されている。上記コイルバネ５２０により出力部１４に対して予荷重が与えられている。

次に、上記構成のコイルバネを使用した予荷重付与手段５００の予圧力を利用したＰＣＳ予圧機構６００を説明する。

端的に云うと、ＰＣＳ予圧機構６００は、コイルバネ５２０の上面と上部フレーム部２００の内壁面との間に介在されたスペーサＳＨ２である。

出力部１４へ出力軸方向（矢印Ｙ２−Ｙ１）方向に加える予荷重を調整するには、スペーサＳＨ２の厚み、又は枚数を可変することで調整することができる。予荷重を調整する際には、図１０に示す上部フレーム部２００を固定するボルト２１０などを緩めて、スペーサＳＨ２を取り替えたり加えたりして行える。スペーサＳＨ２は、例えば一般的なシムやワッシャである。

したがって、ＰＣＳ予圧機構６０を実施可能な弾性体１９（変位調整手段５０、予荷重付与手段５００）は、その形態は問わない。例えば、板バネを出力部１４の両端に配置させる形態や、一端に重ねて配置させる形態（図８）、またコイルバネを並列に複数配置させる形態（図９、図１０）などを実施可能である。出力部１４の変位ｙ以外に弾性体１９（ＰＣＳ）に対して一定の変位ｙ_０を与えることで出力部１４の変位−推力特性の推力オフセット量を調整可能な弾性体であれば良い。

上記してきたように本実施形態のアクチュエータユニット１００は、ＰＣＳ予圧機構６０により弾性体１９（ＰＣＳ）に対して出力軸方向に与える変位ｙ_０を調整することで、出力部１４の変位−推力特性の推力オフセット量を任意に決定できる。

＜ピエゾ予圧機構７０＞
次に、ピエゾ予圧機構７０について説明する。
ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒに、その伸縮方向に対して一定の圧縮量（_ＺＰＬ）を可変可能に与える予圧機構として、図１１に示す手段により実施できる。

ピエゾ予圧機構７０を搭載した図１１に示すアクチュエータユニット１００は、図８で説明した構成と略同様の構成を有している。重複する説明は省略する。

図１１に示すように、ピエゾ予圧機構７０は、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒのピエゾ素子出力方向の端部にあり、ＣＰ１と１０Ｌ及びＣＰ４と１０Ｒの間にスペーサＳＨ３を介在することにより構成される。スペーサの介在位置は上記に限らず、ＣＰ２と１０ＬおよびＣＰ３と１０Ｒの間でも構わない。

ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒへ加える予荷重を調整するには、スペーサＳＨ３の厚み、又は枚数を可変することで調整することができる。また、ピエゾ素子１０ＬとキャップＣＰ１、ＣＰ２、およびピエゾ素子１０ＲとキャップＣＰ３、ＣＰ４は接触しているだけで接着はされていなくても良い。接着されない場合はスペーサＳＨ３の調整回数に制限が無い。更に、スペーサＳＨ３の厚さは、数百μｍ以下程度であり、出力特性の調整前後でアクチュエータユニット１００の大きさに影響しない配置で実施できる。

上記してきたように本実施形態のアクチュエータユニット１００は、ピエゾ予圧機構７０によりピエゾ素子の伸縮方向に与える圧縮量_ＺＰＬを調整することで、ピエゾ素子への予荷重を任意に決定できる。

従来、座屈型変位拡大機構の出力特性の調整機構を設けた構成として、一対のピエゾ素子の間に一対の斜板を介在させるくさび型機構がある。しかし、このくさび型機構は、ピエゾ素子への予荷重と出力変位のオフセット（下記の式（１）の０次項（Ｆ_ｙ０））のみを調整する役割のみを有している。また出力される荷重と変位量とに同時に影響するため、調整するうえでは荷重と変位との間で最適解を見つける必要がある。

本発明では、ピエゾ予圧機構７０により、１次項（下記の式（１）のａ_１）のみの調整を行うことができる。また、上記したＰＣＳ予圧機構６０により、０次項のみの調整を行うことができる。

したがって、それぞれの方向に対して与える調整量から、アクチュエータユニット１００の出力特性の変化を、予め数値として得ることができる。すると、複数のアクチュエータユニット１００を搭載したモータを構成する際、各アクチュエータユニット１００の出力特性を高精度に調整して、各アクチュエータユニット１００間の誤差を最小限に抑えられる。すると、モータの推力リップルを確実に低減できる。

＜論理式展開＞
以下、その点を論理的に説明する。
図１２に、ＰＣＳ予圧機構６０、ピエゾ予圧機構７０を備え、転がりジョイントを用いて構成された転がり接触式座屈型アクチュエータの各構成要素に作用する力を示す模式図を示した。

図１３に、図１２の転がり接触式座屈型アクチュエータによる出力部１４の変位（拡大出力）ｙと推力Ｆ_ｙとの変位−推力特性を示す図である。拡大出力の変位をｙ、推力をＦ_ｙとするとＦ_ｙは式（１）で表される。Ｆｙ_０は、荷重オフセットである。

ｙの０次項はＰＣＳ予圧機構６０による成分である。ｙの１次項はピエゾ予圧機構７０と弾性体１９の剛性、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒの電気的推力に依存する成分である。ｙの３次項は転がり接触式座屈型変位拡大機構の機械特性に依存する成分である。

さらに、図１２に示した構成のアクチュエータユニット１００の出力特性は、アクチュエータ特性と座屈型変位拡大機構４０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。

式（２）の第１式は、出力部１４のｙ軸方向の力の釣り合いを示している。第２式は座屈型変位拡大機構４０による運動変換特性、第３式は、ピエゾ素子の出力軸方向の力の釣り合いを示している。なお、Ｆ_ＰＺＴはピエゾ素子への印加電圧に応じて発生する機械的推力（ピエゾ推力と呼ぶ）。ｋ_Ｓは転がりジョイント部とフレーム部の機械剛性の合成値をそれぞれ表している。ｋ_ＰＺＴはピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒの機械剛性を表す。また、ｋ_Ｆはフレーム部２の機械剛性を表し、ｋ_Ｊは転がりジョイントの機械剛性を表し、ｋ_ＰＣＳは弾性体１９（ＰＣＳ）の剛性を表す。また、フレーム部２の機械剛性ｋ_Ｆ、及び、転がりジョイントの機械剛性ｋ_Ｊに依存し、Ｌはサイドブロック１２Ｌ又は１２Ｒに関する転がりジョイントの回転中心と出力部１４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_ＰＬは予圧力を表し、Ｆ_Ｚは、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒの変形量に依存し、ピエゾ素子の出力方向の合力を表す。

なお、第２式ではピエゾ素子の伸縮の影響を、ピエゾ素子に接合しているキャップの径の微小変化に近似している。これは、それぞれのピエゾ素子のキャップは同心円になるように設計する場合に採用可能な近似である。

式（２）を整理し、三角関数をテイラー展開によって近似することで、座屈型変位拡大機構４０の出力方向ｙの変位−推力特性を表す式（３）を得る。

この式は、第１項が出力変位ｙに比例した推力を表す項になっており、弾性体（ＰＣＳ）の剛性に加えて、予荷重、ピエゾ推力によって構成される。第２項は出力変位ｙの３乗に比例した推力を表す項であり、ピエゾ素子及び座屈型変位拡大機構の機構部の剛性とジョイントの回転中心間距離Ｌに依存する特性となっている。

（ＰＣＳ予圧機構６０）
次に、ＰＣＳ予圧機構６０により、予荷重を調整可能な論理を説明する。ここで、図１４に示すようにＰＣＳ予圧機構６０（スペーサＳＨ１）により弾性体１９に対する一定の変位量ｙ_０が与えられる。即ち、式（３）に対して、弾性体１９（ＰＣＳ）に対する一定の変位量ｙ_０（予荷重）が作用した場合、推力Ｆ_ｙは式（４）で表される。

式（４）における第３項は式（１）の第３項に対応し、荷重オフセットＦ_ｙ０は式（５）で表される。

即ち、弾性体１９（ＰＣＳ）によって弾性結合されている出力部１４とベース部１５（例えば図８の締結部５５、図９、図１０のフレーム部２００に相当）との相対距離をＰＣＳ予圧機構６０により調整することで、式（１）で表される荷重オフセットＦ_ｙ０のみを変化させることができる。

式（５）に示すＦ_ｙ０を３段階に変化させるべく、上記したＰＣＳ予圧機構６０として、厚さの異なる３つのスペーサＳＨ１を用意して行った実験結果を図１５に示す。
図１５は、ＰＣＳ予圧機構６０の予荷重を３段階変化させた際の、変位−推力特性の変化の例を示すグラフである。

図１５は、ピエゾ素子に電圧が印加されていない状態（以下、ＰＺＴ−ＯＦＦ）における、厚さの異なる３つのスペーサＳＨ１毎の変位−推力特性の変化の例を示している。図示から明らかなようにスペーサＳＨ１の厚みが増えると、推力Ｆ_ｙが上昇してゆくことが分かる。

図１６は、ＰＣＳ予圧機構６０の予荷重を変化させた際の、スペーサの厚さと、荷重オフセット変化量Ｆ_ｙ０との関係を示すグラフである。図１６において、スペーサＳＨ１の厚みｙ_０に対する荷重オフセットＦ_ｙ０の傾きは、弾性体１９（ＰＣＳ）の剛性ｋ_ＰＣＳと略一致することが確認された。これにより任意のＦ_ｙ０は、弾性体１９（ＰＣＳ）の剛性ｋ_ＰＣＳと、弾性体１９に対する変位量ｙ_０から算出できることが分かった。したがって、出力軸方向へ与える調整量（変位量ｙ_０）から、アクチュエータユニット１００の出力特性の変化を、予め数値として得ることができる。

（ピエゾ予圧機構７０）
次に、ピエゾ予圧機構７０により、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒの伸縮方向に対する予荷重を調整可能な論理を説明する。ピエゾ予圧機構７０とは、図１１で説明した通り、ピエゾ素子１０Ｌおよび１０Ｒの外側の端部とキャップＣＰ１、ＣＰ２およびＣＰ３、ＣＰ４との間にスペーサＳＨ３を介在させることで、ピエゾ素子に一定の変位量_ＺＰＬを付与させる機構である。ここで、図１７に示すようにピエゾ予圧機構７０（スペーサＳＨ３）によりピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒに対して伸縮方向に一定の変位量ｚ_ＰＬが与えられる。

一対のピエゾ素子１０Ｌおよび１０ＲとキャップＣＰ１、ＣＰ２およびＣＰ３、ＣＰ４に対して介在させるスペーサＳＨ３の厚さをｚ_ＰＬとする。スペーサＳＨ３を介在させることで、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒ以外にもジョイント部とフレーム部に圧縮変位が生じるため、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒの実際の変位量Δｚ_ＰＺＴは、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒの剛性ｋ_ＰＺＴ及びジョイント部とフレーム部の機械剛性の合成値ｋ_Ｓを用いて、式（６）として表される。

ピエゾ素子の出力軸方向の力の関係を示す式（２）の第３式において、出力部１４の変位ｙが０即ちα＝０のときを考える。ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒに変位量Δｚ_ＰＺＴが付与された場合、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒの出力軸方向の力のつり合い関係は、式（７）、式（８）として表される。

上記式（８）の第３項は変位量Δｚ_ＰＺＴが付与された場合におけるピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒと転がりジョイントへの予圧力を示し、式（８）の第４項のＦ_ＰＬとの合力が、スペーサＳＨ３を介在させた場合の予荷重ΔＦ_ＰＬとなり、式（９）のように表される。

式（９）のΔＦ_ＰＬを、式（３）における予荷重Ｆ_ＰＬへ置換すると、式（１０）のように表される。

また、式（６）を式（１０）に適用すると、式（１１）のように表すことができる。

上記の式（１１）により、ピエゾ素子１０Ｌおよび１０ＲとキャップＣＰ１、ＣＰ２およびＣＰ３、ＣＰ４との間に介在させたスペーサＳＨ３の厚さ_ＺＰＬにより推力Ｆ_ｙの出力変位ｙの１次項係数を調整できることが分かる。

即ち、ピエゾ素子１０Ｌおよび１０ＲとキャップＣＰ１、ＣＰ２およびＣＰ３、ＣＰ４との間にスペーサＳＨ３を介在させることで、式（１）で表される出力変位ｙの１次項の係数ａ_１のみを変化させることができる。介在させるスペーサＳＨ３の厚みは、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒとジョイント部の圧縮量となり、アクチュエータの出力変位ｙには直接影響を与えない。

ピエゾ予圧機構７０により、１次項のみの調整を行うことができるため、従来ではできなかったピエゾアクチュエータの剛性を下げる、又は上げるなどの調整が容易に可能となり、ＰＣＳ予圧機構６０と併用すると、アクチュエータユニット１００の出力特性を高精度に調整できる。斯すると、複数のアクチュエータユニット１００を用いてモータ１０００を構成する際に生じる、モータ１０００の推力リップルを低減できる。

ｚ_ＰＬを３段階に変化させるべく、上記したピエゾ予圧機構７０として、厚さの異なる３つのスペーサＳＨ３を用意して行った場合の例を図１８、図１９に示す。
図１８は、ピエゾ素子に電圧が印加された状態（以下、ＰＺＴ−ＯＮ）における、厚さの異なる３つのスペーサＳＨ３（ｚ_ＰＬ）毎の変位−推力特性の例を示している。図１９は、ピエゾ素子に電圧が印加されていない状態（以下、ＰＺＴ−ＯＦＦ）における、厚さの異なる３つのスペーサＳＨ３（ｚ_ＰＬ）毎の変位−推力特性の例を示している。

図示から明らかなように、ＰＺＴ−ＯＮとＰＺＴ−ＯＦＦにおいて、スペーサＳＨ３の厚さｚ_ＰＬの増加に伴い、出力特性曲線の傾き（ａ_１）の増加が確認できる。また、実験で得た変位−推力特性の３次近似多項式のｙの３次項の係数から、ジョイント部とフレーム部の機械剛性の合成値ｋ_Ｓが算出され、ｚ_ＰＬに対する出力変位ｙの係数ａ_１の変化量を計算できることが確認できた。したがって、ピエゾ素子の伸縮方向へ与える調整量（変位量Δｚ_ＰＬ）から、アクチュエータユニット１００の出力特性の変化を、予め数値として得ることができる。

上記してきたように、本実施形態に係る座屈型変位拡大機構４０を搭載した各アクチュエータユニット１００において、出力特性を調整する出力特性調整機構を有する構成とした。具体的に出力特性調整機構としては、２種類の機構があり、座屈型変位拡大機構４０の出力軸方向の予荷重をのみを調整するＰＣＳ予圧機構６０と、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒの伸縮方向における予荷重をのみを調整するピエゾ予圧機構７０である。

ＰＣＳ予圧機構６０は、弾性体１９（ＰＣＳ）に与える変位（ｙ_０）を調整することで、出力変位特性を表す式（１）の３次多項式の０次項である荷重オフセット量（Ｆ_ｙ０）のみを変化させることができる。

ピエゾ予圧機構７０は、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒに一定の圧縮量ｚ_ＰＬを調整することで、出力変位特性を表す式（１）の３次多項式の１次項係数ａ_１のみを変化させることができる。

したがって、ＰＣＳ予圧機構６０、ピエゾ予圧機構７０は、それぞれの方向に対して与える調整量（変位量ｙ_０、ｚ_ＰＬ）から、アクチュエータユニット１００の出力特性の変化を、予め数値として得ることができる。斯すると、複数のアクチュエータユニット１００を用いてモータを構成する際、各アクチュエータユニット１００の出力特性を高精度に調整でき、各アクチュエータユニット１００間の誤差を最小限に抑えて、モータの推力リップルを確実に低減できる。

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。

例えばピエゾ座屈型アクチュエータ以外にも、ピエゾ素子に予圧を与えた状態で動作するアクチュエータに対しても、本発明を実施して出力特性の調整が可能である。また、ピエゾアクチュエータを調整することで、ピエゾアクチュエータを用いたピエゾモータやクランプ、ブレーキ、クラッチ、バルブなどの出力特性の調整にも適用できる。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、推力と変位を発生す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。

１ アクチュエータ
１００ アクチュエータユニット
１０００ 圧電アクチュエータ型直動モータ
２ フレーム部
３ 接合器
１０Ｌ、１０Ｒ ピエゾ素子
１２Ｌ、１２Ｒ サイドブロック
１４ 出力部
１５ ベース部
１８ 板バネ
４０ 座屈型変位拡大機構
５０ 変位調整手段
５００ 予圧付与手段
５１ 板バネ
５２ 荷重調整部
５２ａ 台座
５２ｂ 滑り部
５２ｃ ボルト
５３ 支持部
５４ 調整手段
５５ 締結部
５１０ ホルダー部
５２０ コイルバネ
６０、６００ ＰＣＳ予圧機構
ＳＨ１ スペーサ
ＳＨ２ スペーサ
７０ ピエゾ予圧機構
ＳＨ３ スペーサ

Claims (4)

1. 一対の容量的アクチュエータと、
   前記容量的アクチュエータの伸縮の変位を拡大する座屈型変位拡大機構と、を備えたアクチュエータにおいて、
   前記座屈型変位拡大機構は、
   一対の前記容量的アクチュエータの間に配置される出力部と、
   一対の前記容量的アクチュエータの外側の端面の動作を規制する一対のサイドブロックと、
   出力特性を調整する出力特性調整手段と、を有することを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記出力特性調整手段は、
   前記容量的アクチュエータの伸縮方向における予荷重を調整する、及び、
   前記座屈型変位拡大機構の出力軸方向の予荷重を調整する、のうち少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記出力特性調整手段は、
   前記容量的アクチュエータに対して、前記前記容量的アクチュエータの伸縮方向に圧縮量を与える、及び、
   前記座屈型変位拡大機構の出力部と前記アクチュエータのベース部とを弾性結合する弾性体に対して、前記座屈型変位拡大機構の出力軸方向に変位を与える、のうち少なくとも一方を含むことを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
4. 複数のアクチュエータと、
   出力ロッドと、を備え、
   複数の前記アクチュエータの動作により、前記出力ロッドを移動させる直動モータであって、
   前記アクチュエータは、
   容量的アクチュエータと、
   前記容量的アクチュエータの伸縮の変位を拡大する座屈型変位拡大機構と、を備え、
   前記座屈型変位拡大機構は、出力特性を調整する出力特性調整手段を有する、ことを特徴とする直動モータ。

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