JP7346450B2 - Displacement magnification mechanism and actuator - Google Patents

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    • H02N2/02Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
    • H02N2/04Constructional details

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 magnifying 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。 2. Description of the Related Art Displacement magnification mechanisms are known that magnify and output small displacements of piezo elements (piezoelectric elements).

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。 Patent Document 1 describes an output section, a piezoelectric element arranged symmetrically with respect to the output section, caps arranged on both sides of the piezoelectric element, and sides that roll into contact with caps other than the caps that roll into contact with the output section. A buckling type actuator is disclosed that includes a block and a frame that rigidly connects the side blocks.

特開2014-82930号公報Japanese Patent Application Publication No. 2014-82930

ところで、圧電素子の一方側のキャップとサイドブロックの間、圧電素子の他方側のキャップと出力部との間は、部品間の摩擦により位置が保持される。しかしながら、組立誤差、部品交差誤差によるアクチュエータの内部に起因する荷重や、外力などの外部起因の荷重により、微小な滑りが生じる。この微小な滑りが動作サイクル数の増加に伴って蓄積され、部品に位置ずれが発生するおそれがある。例えば、両側にキャップを有する圧電素子とフレームとの間には隙間が設けられているが、キャップの位置ずれにより、キャップや圧電素子がフレームと接触するおそれがある。 By the way, the positions between the cap on one side of the piezoelectric element and the side block and between the cap on the other side of the piezoelectric element and the output section are maintained by friction between the parts. However, minute slippage occurs due to loads originating inside the actuator due to assembly errors and parts intersection errors, and external loads such as external forces. This minute slippage accumulates as the number of operating cycles increases, and there is a risk that the components may become misaligned. For example, although a gap is provided between a piezoelectric element having caps on both sides and the frame, misalignment of the cap may cause the cap or the piezoelectric element to come into contact with the frame.

そこで、本発明は、部品の位置ずれを抑制す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。 SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, an object of the present invention is to provide a displacement magnification mechanism and an actuator that suppress positional displacement of components.

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出力方向に変位する出力部と、前記出力部の前記出力方向及び前記伸縮素子の前記伸縮方向からなる平面と垂直な方向に対して、前記伸縮素子の位置ずれを抑制する位置ずれ抑制構造と、を備え、前記位置ずれ抑制構造は、前記固定部と前記伸縮素子を転がり可能に連結する連結構造および前記出力部と前記伸縮素子を転がり可能に連結する連結構造のうち少なくとも1つの連結構造に形成され、前記固定部および前記出力部の少なくとも1つの転がり面は、前記出力部の前記出力方向及び前記伸縮素子の前記伸縮方向からなる平面と垂直な方向にみて転がり接点の軌跡が第1の曲率を有する凸状の第1円弧と、前記出力部の前記出力方向にみて第2の曲率を有する凹状の第2円弧と、で規定される前記凹曲面であり、前記凹曲面と接触する前記伸縮素子の転がり面は、前記出力部の前記出力方向及び前記伸縮素子の前記伸縮方向からなる平面と垂直な方向にみて転がり接点の軌跡が第3の曲率を有する凸状の第3円弧と、前記出力部の前記出力方向にみて第4の曲率を有する凸状の第4円弧と、で規定される前記凸曲面である
A displacement magnifying mechanism according to one aspect of the embodiment includes a telescopic element having capacitive properties, a fixed part that rolls into contact with one end of the telescopic element, and a fixed part that rolls into contact with the other end of the telescopic element, and expands and contracts the telescopic element. an output section that is displaced in an output direction different from the expansion/contraction direction of the expansion/contraction element; a positional displacement suppressing structure for suppressing positional displacement, the positional displacement suppressing structure includes a connecting structure that rollably connects the fixing part and the elastic element, and a connecting structure that rollably connects the output part and the elastic element. At least one of the connecting structures is formed in at least one connecting structure, and at least one rolling surface of the fixed part and the output part is in a direction perpendicular to a plane consisting of the output direction of the output part and the stretching direction of the elastic element. The concave curved surface is defined by a convex first circular arc in which the locus of the rolling contact has a first curvature when viewed from above, and a concave second circular arc having a second curvature when viewed in the output direction of the output section. The rolling surface of the elastic element that comes into contact with the concave curved surface has a locus of rolling contact that has a third curvature when viewed in a direction perpendicular to a plane consisting of the output direction of the output section and the elastic direction of the elastic element. The convex curved surface is defined by a third convex arc having a curve, and a fourth convex arc having a fourth curvature when viewed in the output direction of the output section.

本発明によれば、部品の位置ずれを抑制す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 magnifying mechanism and an actuator that suppress positional displacement of components.

アクチュエータユニットの斜視図。FIG. 3 is a perspective view of an actuator unit. 外殻の一部を切り欠いた状態のアクチュエータユニットの斜視図。FIG. 3 is a perspective view of the actuator unit with a portion of the outer shell cut away. アクチュエータユニットの部分断面図。FIG. 3 is a partial cross-sectional view of the actuator unit. 変位拡大機構の断面図。A sectional view of the displacement magnification mechanism. 変位拡大機構の各構成要素に作用する力を示す模式図。FIG. 3 is a schematic diagram showing the forces acting on each component of the displacement magnification mechanism. 変位拡大機構の斜視図。FIG. 3 is a perspective view of a displacement magnification mechanism. 変位拡大機構の正面図。FIG. 3 is a front view of the displacement magnification mechanism. 変位拡大機構の平面図。FIG. 3 is a plan view of the displacement magnification mechanism. 第1実施形態に係る変位拡大機構の固定部の斜視図。FIG. 3 is a perspective view of a fixing portion of the displacement magnification mechanism according to the first embodiment. 第1実施形態に係る変位拡大機構のキャップの斜視図。FIG. 3 is a perspective view of a cap of the displacement magnifying mechanism according to the first embodiment. 第1実施形態に係る変位拡大機構の平面図。FIG. 3 is a plan view of the displacement magnification mechanism according to the first embodiment. yc軸周りの回転による位置ずれを説明する模式図。FIG. 3 is a schematic diagram illustrating positional displacement due to rotation around the yc axis. yc軸周りの回転による位置ずれを説明する模式図。FIG. 3 is a schematic diagram illustrating positional displacement due to rotation around the yc axis. yp軸周りの回転による位置ずれを説明する模式図。FIG. 3 is a schematic diagram illustrating positional displacement due to rotation around the yp axis. yp軸周りの回転による位置ずれを説明する模式図。FIG. 3 is a schematic diagram illustrating positional displacement due to rotation around the yp axis. yp軸周りの回転による位置ずれを説明する模式図。FIG. 3 is a schematic diagram illustrating positional displacement due to rotation around the yp axis. 第1実施形態に係る変位拡大機構における各曲率半径の組み合わせとずれ抑制の効果を説明する表。7 is a table illustrating the combination of each radius of curvature and the effect of suppressing deviation in the displacement magnification mechanism according to the first embodiment. FIG. 第2実施形態に係る変位拡大機構の固定部の斜視図。FIG. 7 is a perspective view of a fixing part of a displacement magnification mechanism according to a second embodiment. 第2実施形態に係る変位拡大機構のキャップの斜視図。FIG. 7 is a perspective view of a cap of a displacement magnification mechanism according to a second embodiment. 第2実施形態に係る変位拡大機構の平面図。FIG. 7 is a plan view of a displacement magnification mechanism according to a second embodiment. 第2実施形態に係る変位拡大機構における各曲率半径の組み合わせとずれ抑制の効果を説明する表。7 is a table illustrating the combination of each radius of curvature and the effect of suppressing deviation in the displacement magnifying mechanism according to the second embodiment. 変形例に係る変位拡大機構の構成を説明する図。FIG. 7 is a diagram illustrating the configuration of a displacement magnifying mechanism according to a modification. 変形例に係る変位拡大機構の構成を説明する図。FIG. 7 is a diagram illustrating the configuration of a displacement magnifying mechanism according to a modification.

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。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. In each drawing, the same or corresponding configurations are designated by the same or corresponding symbols, and the description thereof will be omitted.

アクチュエータユニット1について図1Aから図1Dを用いて説明する。図1Aから図1D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1Aはアクチュエータユニット1の斜視図である。図1B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1C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1Dはy-z平面における変位拡大機構10の断面図である。 The actuator unit 1 will be explained using FIGS. 1A to 1D. 1A to 1D are diagrams showing the configuration of the actuator unit 1. FIG. Specifically, FIG. 1A is a perspective view of the actuator unit 1. FIG. 1B is a perspective view of the actuator unit 1 with a portion of the outer shell 15 cut away. FIG. 1C is a partial cross-sectional view of the actuator unit 1 in the yz plane. FIG. 1D is a cross-sectional view of the displacement magnification mechanism 10 in the yz plane.

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。 The actuator unit 1 is a drive unit that constitutes a capacitive actuator. The actuator unit 1 mainly includes a displacement magnification mechanism 10, an output joint 20, a spring preload adjustment mechanism 30, and a piezo preload adjustment mechanism 40.

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。 The displacement magnifying mechanism 10 is a mechanism that magnifies the displacement of an elastic element having capacitive properties by utilizing a buckling phenomenon. In this embodiment, the expandable element having capacitive properties is a piezo element, and is made of, for example, laminated ceramics. However, the elastic element may be a magnetostrictive element, a hydraulic cylinder, a pneumatic cylinder, or the like. The displacement magnification mechanism 10 mainly includes a pair of piezo elements 11, a pair of fixed parts (also referred to as "side blocks") 12, an output part (also referred to as "center block") 13, and a preload adjustment. It has a spring 14 and an outer shell (also referred to as a "frame") 15.

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。即ち、ピエゾ素子11と固定部12との連結構造は、固定部12の端部曲面(転がり面)に対してピエゾ素子11の端部曲面(転がり面)が転がり可能に連結する。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。即ち、ピエゾ素子11と出力部13との連結構造は、出力部13の端部曲面(転がり面)に対してピエゾ素子11の端部曲面(転がり面)が転がり可能に連結する。また、図1D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。 Each of the pair of piezo elements 11 has one end connected to the fixed part 12 via a rolling joint, and the other end connected to the output part 13 via a rolling joint. Caps CP1 and CP2 are joined to both end surfaces of the piezo element 11 in the longitudinal direction. Note that in this embodiment, the caps CP1 and CP2 exist as separate and independent members from the piezo element 11, but they may be formed integrally with the piezo element 11. The rolling joint between the piezo element 11 and the fixed part 12 is a rolling contact between the curved end surface (rolling surface) of the cap CP1 joined to one end of the piezo element 11 and the curved end surface (rolling surface) of the fixed part 12 ( connection via line or point contact). That is, in the connection structure between the piezo element 11 and the fixed part 12, the end curved surface (rolling surface) of the piezo element 11 is coupled to the end curved surface (rolling surface) of the fixed part 12 so that it can roll. Further, the rolling joint between the piezo element 11 and the output section 13 is formed by the curved end surface (rolling surface) of the cap CP2 joined to the other end of the piezo element 11 and the curved end surface (rolling surface) of the fixed section 12. Consists of a connection via rolling contact (line contact or point contact). That is, the connection structure between the piezo element 11 and the output section 13 is such that the end curved surface (rolling surface) of the piezo element 11 is connected to the end curved surface (rolling surface) of the output section 13 such that it can roll. In addition, in FIG. 1D, a circle C1 represents a circle including a locus of a contact point that contacts the end curved surface of the cap CP1 on the end curved surface of the fixing part 12, and a circle C2 represents a circle that includes the locus of the contact point that contacts the end curved surface of the cap CP1 on the end curved surface of the fixing part 12. Alternatively, the circle C3 represents a circle including the locus of the contact position that contacts the curved end surface of the output section 13, and the circle C3 represents a circle that includes the locus of the contact point that contacts the curved end surface of the cap CP2 on the curved end surface of the output section 13. That is, the operation of the rolling joint between the piezo element 11 and the fixed part 12 is defined by the circle C1 and the circle C2. Further, the operation of the rolling joint between the piezo element 11 and the output section 13 is defined by the circle C2 and the circle C3.

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。 Each of the pair of piezo elements 11 expands in the longitudinal direction (z-axis direction) when a voltage is applied, causing a buckling phenomenon, and causes the output section 13 to move in a direction perpendicular to the longitudinal direction with a displacement larger than the elongation displacement. (y-axis direction). That is, the expansion and contraction movement of the piezo element 11 is converted into rotational movement by the rolling joint, and the expansion and contraction displacement is expanded. This results in a linear reciprocating motion in the output section 13. In this way, the displacement magnification mechanism 10 converts the output of each of the pair of piezo elements 11, and biases and displaces the output section 13 in a predetermined output direction that is different from the expansion and contraction direction of the piezo elements 11. . Note that the displacement of the output section 13 will be referred to as "enlarged displacement" below.

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。 The output unit 13 is a functional element that transmits the output of the displacement amplifying mechanism 10 to the outside. In this embodiment, the output section 13 has its +y side end connected to the preload adjustment spring 14 and its -y side end connected to the output joint 20.

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。 The preload adjustment spring (also referred to as "PCS (Preload Compensation Spring)") 14 is an example of a biasing means that biases the output section 13 of the displacement magnifying mechanism 10 with a constant characteristic. In the present embodiment, the preload adjustment spring 14 adjusts the expansion displacement-thrust force characteristic, which is the relationship between the expansion displacement of the output section 13 and the thrust generated by the expansion displacement. Specifically, the preload adjustment spring 14 is composed of a plate spring including a pair of curved parts curved so as to bulge in the -y direction, the center part of which is fixed to the output part 13, and both ends of which are used for adjusting the spring preload. It is connected to a pair of fixed parts 12 via a mechanism 30. The preload adjustment spring 14 generates a force in the y-axis direction that offsets the thrust caused by the enlarged displacement of the output section 13. Hereinafter, the force generated by the preload adjustment spring 14 will be referred to as "offset force." With this configuration, the preload adjustment spring 14 can determine the direction of expansion displacement of the output section 13 and stabilize the behavior of the output section 13.

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。 The spring preload adjustment mechanism 30 is a mechanism that adjusts the offset force produced by the preload adjustment spring 14. In this embodiment, the spring preload adjustment mechanism 30 is composed of a wedge block. By adjusting the positions of both ends of the preload adjustment spring 14 in the y-axis direction, the user can adjust the offset force, which is the force with which the central portion of the preload adjustment spring 14 presses the output section 13 in the -y direction.

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1D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。 The piezo preload adjustment mechanism 40 is a mechanism that applies and adjusts preload to the four rolling joints in the displacement amplification mechanism 10. In this embodiment, the piezo preload adjustment mechanism 40 regarding the piezo element 11 is configured with a cap CP1, a guide GD1, and a shim SH1, as shown in FIG. 1D.

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。 The cap CP1 is a member attached to one end of the piezo element 11 to form a rolling joint between the piezo element 11 and the fixed part 12.

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。 The guide GD1 is a member that guides the cap CP1 to be removably attached to one end of the piezo element 11, and is fixed to the cap CP1. The cap CP1 and the shim SH1 are configured to transmit the thrust generated by the piezo element 11 with high efficiency. Therefore, it is preferably made of a material with high elasticity and strength, such as steel or ceramics. The guide GD1 is configured to ensure alignment of the cap CP1 and the piezo element 11 and to protect the outer surface of the piezo element 11. Therefore, it is preferably made of a material with lower elasticity than the piezo element 11, or has a structure with lower elasticity. Note that the cap CP1 and the guide GD1 may be integrally formed.

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。 The shim SH1 is a member that can be placed between the cap CP1 and one end of the piezo element 11 within the guide GD1, and is used to adjust the distance between the cap CP1 and one end of the piezo element 11. That is, the greater the width of the shim SH1 in the z-axis direction, the greater the preload on the four rolling joints.

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。 Although the piezo preload adjustment mechanism 40 has been described as being disposed at one end of the piezo element 11 (on the fixed part 12 side), it may be disposed on the other end of the piezo element 11 (on the output part 13 side). .

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。 The piezo preload adjustment mechanism 40 adjusts the distance between the left end contact point and the right end contact point to be shorter than the natural length. Therefore, the rolling surfaces of the rolling joint always come into rolling contact while being subjected to a force greater than a predetermined value. Note that the contact point at the left end is the contact point between the end curved surface of the left cap CP1 and the end curved surface of the left fixing part 12, and the right end contact point is the contact point between the end curved surface of the right cap CP1 and the right end curved surface. This is the point of contact with the curved end surface of the fixed part 12. In addition, the natural length of each member arranged in a straight line in the z-axis direction under no load (cap CP1, left piezo element 11, cap CP2, output section 13, cap CP2, right piezo element 11, cap CP1 ) in the z-axis direction.

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。 The outer shell 15 is a functional element that fixes the distance between the pair of fixing parts 12. In this embodiment, the outer shell 15 is a member formed to surround the pair of piezo elements 11, the pair of fixing parts 12, and the output part 13, and when a buckling phenomenon occurs in the displacement magnification mechanism 10, the outer shell 15 This prevents the distance between the fixed parts 12 from increasing.

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

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。 Next, the output characteristics of the displacement magnification mechanism 10 will be explained using FIG. 2. FIG. 2 is a schematic diagram showing the forces acting on each component of the displacement magnification mechanism 10.

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。 The output characteristic of the displacement magnification mechanism 10 is expressed as shown in equation (1), taking into account the actuator characteristics of the piezo element 11 and the motion conversion characteristics by the displacement magnification mechanism 10.

Figure 0007346450000001
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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。 Note that kPCS represents the mechanical compression rigidity of the spring preload adjustment mechanism 30, and kPZT represents the mechanical compression rigidity of the piezo element 11. Moreover, kF represents the mechanical tensile rigidity of the outer shell 15 in the longitudinal direction, and kJ represents the mechanical compressive rigidity of the rolling joint. Further, kS represents the overall mechanical rigidity of the displacement magnifying mechanism 10 in the displacement direction of the piezo element 11, and depends on the mechanical tensile rigidity kF of the outer shell 15 and the mechanical compressive rigidity kJ of the rolling joint. Further, L represents the distance between the rotation center of the rolling joint regarding the fixed part 12 and the rotation center of the rolling joint regarding the output part 13. Further, FV represents a piezo thrust force, FPL represents a piezo preload force by the piezo preload adjustment mechanism 40, and FZ represents a mechanical thrust force generated inside the piezo element 11 depending on the amount of displacement of the piezo element 11. Further, zPZT represents the displacement of the piezo element 11, and zS represents the total displacement of the rolling joint and the outer shell 15 in the displacement direction of the piezo element 11. Further, d is a piezoelectric constant, and VPZT represents a voltage applied to the piezo element 11. Further, α represents the angle between the contact points. The inter-contact angle α is the angle of a line segment connecting the contact point between the piezo element 11 and the fixed part 12 and the contact point between the piezo element 11 and the output part 13 with respect to the reference line. The reference line is a straight line that connects the center of rotation of the rolling joint with respect to the fixed part 12 and the center of rotation of the rolling joint with respect to the output part 13 when the enlarged displacement Y is zero. Note that y0 in FIG. 2 represents a constant amount of displacement (preload) with respect to the preload adjustment spring 14.

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1D参照。)となるように設計された場合に採用可能である。 The first equation of equation (1) indicates the balance of forces in the direction of the enlarged displacement Y of the output section 13. The second equation shows the motion conversion characteristic by the displacement magnifying mechanism 10. The third equation shows the balance of forces in the direction of displacement of the piezo element 11. Note that z is the center of the arc where the cap CP1 makes rolling contact (line contact or point contact) with the curved end surface of the fixed part 12, and the center of the arc where the cap CP2 makes rolling contact (line contact or point contact) with the curved end surface of the output part 13. ) represents the distance from the center of the arc. Furthermore, in the second equation, the influence of expansion and contraction of the piezo element 11 is approximated by a minute change in the diameter of the cap. This approximation is adopted, for example, when a circle including the outline of the curved end surface of the cap CP1 and a circle including the outline of the curved end surface of the cap CP2 are designed to be concentric circles C2 (see FIG. 1D). It is possible.

次に、変位拡大機構10について、図3Aから図3Cを用いて更に説明する。図3Aから図3Cは、変位拡大機構10の構成を示す模式図である。具体的には、図3Aは変位拡大機構10の斜視図である。図3Bはy-z平面と垂直な方向から見た変位拡大機構10の正面図である。図3Cはz-x平面と垂直な方向から見た変位拡大機構10の平面図である。なお、図3Aから図3C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。また、図3Aでは外殻15を透過して図示しており、図3Bでは外殻15の図示を省略している。なお、図3Aから図3Cの例では、キャップCP1,CP2の転がり面、固定部12の転がり面、出力部13の転がり面が円筒面の場合を例に図示している。 Next, the displacement magnification mechanism 10 will be further explained using FIGS. 3A to 3C. 3A to 3C are schematic diagrams showing the configuration of the displacement magnification mechanism 10. Specifically, FIG. 3A is a perspective view of the displacement magnification mechanism 10. FIG. 3B is a front view of the displacement magnification mechanism 10 viewed from a direction perpendicular to the yz plane. FIG. 3C is a plan view of the displacement magnification mechanism 10 viewed from a direction perpendicular to the zx plane. Note that in FIGS. 3A to 3C, the output joint 20, spring preload adjustment mechanism 30, preload adjustment spring 14, etc. are omitted from illustration. Further, in FIG. 3A, the outer shell 15 is shown transparently, and in FIG. 3B, illustration of the outer shell 15 is omitted. In the examples of FIGS. 3A to 3C, the rolling surfaces of the caps CP1 and CP2, the rolling surface of the fixed part 12, and the rolling surface of the output part 13 are illustrated as cylindrical surfaces.

図3Aに示すように、yc軸は、出力部13の出力方向を示し、出力部13の中心を通るy軸と平行な軸である。変位拡大機構10は、yc軸を通りx-y面に平行な面を基準として、対象構造を有している。zp軸は、ピエゾ素子11の伸長方向と一致し、ピエゾ素子11の中心を通る軸である。yp軸は、zp軸に対して垂直であり、x軸とz-x平面と垂直であり、ピエゾ素子11の中心を通る軸である。 As shown in FIG. 3A, the yc axis indicates the output direction of the output section 13 and is an axis parallel to the y axis passing through the center of the output section 13. The displacement magnification mechanism 10 has a symmetrical structure with respect to a plane passing through the yc axis and parallel to the xy plane. The zp axis is an axis that coincides with the extension direction of the piezo element 11 and passes through the center of the piezo element 11. The yp axis is perpendicular to the zp axis, perpendicular to the x axis and the zx plane, and is an axis passing through the center of the piezo element 11.

図3Bに示すように、Rsは、固定部12の転がり面の曲率半径を示す。Rcは、出力部13の転がり面の曲率半径を示す。Rpは、ピエゾ素子11のキャップの転がり面の曲率半径を示す。 As shown in FIG. 3B, Rs indicates the radius of curvature of the rolling surface of the fixed part 12. Rc indicates the radius of curvature of the rolling surface of the output section 13. Rp indicates the radius of curvature of the rolling surface of the cap of the piezo element 11.

ここで、図3Cに示すように、キャップCP1,CP2の転がり面、固定部12の転がり面、出力部13の転がり面が円筒面の場合、ピエゾ素子11はx軸方向に対して、幾何学的に拘束されていない。即ち、出力部13の出力方向(y軸方向)及びピエゾ素子11の伸縮方向(z軸方向)からなる平面(y-z平面)と垂直な方向(x軸方向)に対して、幾何学的に拘束されていない。このため、ピエゾ素子11にx軸方向へのずれが発生すると、ピエゾ素子11が外殻15と接触するおそれがある。ピエゾ素子11が外殻15と接触することにより、アクチュエータユニット1の性能の低下や摩耗による寿命低下を招く。 Here, as shown in FIG. 3C, when the rolling surfaces of the caps CP1 and CP2, the rolling surface of the fixed part 12, and the rolling surface of the output part 13 are cylindrical surfaces, the piezo element 11 is geometrically Not restricted. In other words, the geometrical not bound by. Therefore, if the piezo element 11 is displaced in the x-axis direction, there is a risk that the piezo element 11 will come into contact with the outer shell 15. When the piezo element 11 comes into contact with the outer shell 15, the performance of the actuator unit 1 is degraded and the life of the actuator unit 1 is shortened due to wear.

次に、第1実施形態に係る変位拡大機構10について、図4Aから図4Cを用いて説明する。図4Aから図4Cは、第1実施形態に係る変位拡大機構10の構成を説明する図である。具体的には、図4Aは、第1実施形態に係る変位拡大機構10の固定部12の斜視図である。図4Bは、第1実施形態に係る変位拡大機構10のキャップCP1の斜視図である。図4Cは、z-x平面における第1実施形態に係る変位拡大機構10の平面図である。第1実施形態に係る変位拡大機構10は、図3Aから図3Cに示す変位拡大機構10と比較して、転がりジョイントの転がり面の形状が異なっている。 Next, the displacement magnifying mechanism 10 according to the first embodiment will be described using FIGS. 4A to 4C. 4A to 4C are diagrams illustrating the configuration of the displacement magnifying mechanism 10 according to the first embodiment. Specifically, FIG. 4A is a perspective view of the fixing part 12 of the displacement amplifying mechanism 10 according to the first embodiment. FIG. 4B is a perspective view of the cap CP1 of the displacement magnification mechanism 10 according to the first embodiment. FIG. 4C is a plan view of the displacement magnification mechanism 10 according to the first embodiment in the zx plane. The displacement magnifying mechanism 10 according to the first embodiment is different from the displacement magnifying mechanism 10 shown in FIGS. 3A to 3C in the shape of the rolling surface of the rolling joint.

また、第1実施形態に係る変位拡大機構10は、x方向の部品の位置ずれを抑制する位置ずれ抑制構造を有している。即ち、位置ずれ抑制構造は、出力部13の出力方向(y軸方向)及びピエゾ素子11の伸縮方向(z軸方向)からなる平面(y-z平面)と垂直な方向(x軸方向)に対して、部品(ピエゾ素子11)のずれを抑制する。位置ずれ抑制構造は、固定部12の転がり面の形状及びキャップCP1の転がり面の形状によって構成される。また、位置ずれ抑制構造は、出力部13の転がり面の形状及びキャップCP2の転がり面の形状によって構成される。 Further, the displacement magnification mechanism 10 according to the first embodiment has a positional displacement suppressing structure that suppresses positional displacement of components in the x direction. That is, the positional displacement suppressing structure is arranged in a direction (x-axis direction) perpendicular to a plane (yz plane) consisting of the output direction of the output section 13 (y-axis direction) and the expansion/contraction direction (z-axis direction) of the piezo element 11. On the other hand, displacement of the component (piezo element 11) is suppressed. The positional displacement suppressing structure is configured by the shape of the rolling surface of the fixed portion 12 and the shape of the rolling surface of the cap CP1. Further, the positional displacement suppressing structure is configured by the shape of the rolling surface of the output portion 13 and the shape of the rolling surface of the cap CP2.

図4Aに示すように、固定部12は、鞍型形状の転がり面、換言すれば凹曲面となる転がり面を有している。ここで、凹曲面とは、転がり接点の軌跡に対して垂直な面で切断した際、凹円弧となるような曲面である。また、Rsは、転がり円の曲率半径を示す。固定部12の転がり円とは、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であり、y-z平面と平行な面上の円である。rsは、固定部12の曲面の曲率半径を示す。また、図4Aにおいて、曲率半径rsの円の中心の軌跡をcsで示す。軌跡csは、曲率半径Rsの円と同一平面上であって、曲率半径Rsの円と同心で、半径Rs+rsの円弧となる。また、曲率半径Rsの円の平面と曲率半径rsの円の平面とは、2円の中心を結ぶ線を軸として90°回転した平面となっている。固定部12の転がり面は、曲率半径Rsの転がり円に沿って、曲率半径rsの円弧をスイープすることによって形成される曲面である。 As shown in FIG. 4A, the fixed portion 12 has a saddle-shaped rolling surface, in other words, a concavely curved rolling surface. Here, the concave curved surface is a curved surface that forms a concave arc when cut along a plane perpendicular to the locus of the rolling contact. Moreover, Rs indicates the radius of curvature of the rolling circle. The rolling circle of the fixing part 12 is a circle that includes the locus of the contact point that contacts the end curved surface of the cap CP1 on the end curved surface of the fixing part 12, and is a circle on a plane parallel to the yz plane. rs indicates the radius of curvature of the curved surface of the fixed portion 12. In addition, in FIG. 4A, the locus of the center of a circle with a radius of curvature rs is indicated by cs. The locus cs is on the same plane as the circle with the radius of curvature Rs, is concentric with the circle with the radius of curvature Rs, and is a circular arc with the radius Rs+rs. Further, the plane of the circle with the radius of curvature Rs and the plane of the circle with the radius of curvature rs are planes rotated by 90° about the line connecting the centers of the two circles. The rolling surface of the fixed portion 12 is a curved surface formed by sweeping a circular arc with a radius of curvature rs along a rolling circle with a radius of curvature Rs.

図4Bに示すように、キャップCP1は、凸曲面となる転がり面を有している。ここで、凸曲面とは、転がり接点の軌跡に対して垂直な面で切断した際、凸円弧となるような曲面である。また、Rpは、転がり円の曲率半径を示す。キャップCP1の転がり円とは、キャップCP1の端部曲面において固定部12の端部曲面と接触する接点の軌跡を含む円であり、y-z平面と平行な面上の円である。rpは、キャップCP1の曲面の曲率半径を示す。また、図4Bにおいて、曲率半径rpの円の中心の軌跡をcpで示す。軌跡cpは、曲率半径Rpの円と同一平面上であって、曲率半径Rpの円と同心で、半径Rp-rpの円弧となる。また、曲率半径Rpの円の平面と曲率半径rpの円の平面とは、2円の中心を結ぶ線を軸として90°回転した平面となっている。キャップCP1の転がり面は、曲率半径Rpの転がり円に沿って、曲率半径rpの円弧をスイープすることによって形成される曲面である。 As shown in FIG. 4B, the cap CP1 has a rolling surface that is a convex curved surface. Here, the convex curved surface is a curved surface that forms a convex circular arc when cut along a plane perpendicular to the locus of the rolling contact. Moreover, Rp indicates the radius of curvature of the rolling circle. The rolling circle of the cap CP1 is a circle that includes the locus of the contact point of the end curved surface of the cap CP1 that contacts the end curved surface of the fixed part 12, and is a circle on a plane parallel to the yz plane. rp indicates the radius of curvature of the curved surface of the cap CP1. Further, in FIG. 4B, the locus of the center of the circle with the radius of curvature rp is indicated by cp. The locus cp is on the same plane as the circle with the radius of curvature Rp, is concentric with the circle with the radius of curvature Rp, and is a circular arc with the radius Rp−rp. Further, the plane of the circle with the radius of curvature Rp and the plane of the circle with the radius of curvature rp are planes rotated by 90° about the line connecting the centers of the two circles. The rolling surface of the cap CP1 is a curved surface formed by sweeping an arc with a radius of curvature rp along a rolling circle with a radius of curvature Rp.

出力部13の転がり面は、固定部12の転がり面と同様に、転がり円の曲率半径Rc及び曲面の曲率半径rcで規定される凹曲面となる転がり面を有している。また、キャップCP2の転がり面は、キャップCP1の転がり面と同様に、転がり円の曲率半径Rp及び曲面の曲率半径rpで規定される凸曲面となる転がり面を有している。 The rolling surface of the output part 13 has a rolling surface that is a concave curved surface defined by the radius of curvature Rc of the rolling circle and the radius of curvature rc of the curved surface, similarly to the rolling surface of the fixed part 12. Further, the rolling surface of the cap CP2 has a rolling surface that is a convex curved surface defined by the radius of curvature Rp of the rolling circle and the radius of curvature rp of the curved surface, similar to the rolling surface of the cap CP1.

また、左右の固定部12でのジョイント接点を通る円の曲率半径をrssとする。また、固定部12でのジョイント接点と出力部13でのジョイント接点を通る円の曲率半径をrscとする。なお、1つのピエゾ素子11の両端のキャップCP1,CP2のRpを同一円とする場合、rscは、Rpとほぼ同値となる。 Further, the radius of curvature of a circle passing through the joint contact points in the left and right fixing parts 12 is assumed to be rss. Further, the radius of curvature of a circle passing through the joint contact point in the fixed part 12 and the joint contact point in the output part 13 is assumed to be rsc. Note that when the Rp of the caps CP1 and CP2 at both ends of one piezo element 11 are the same circle, rsc has approximately the same value as Rp.

このような構成により、ピエゾ素子11のキャップCP1と固定部12との転がりジョイントは、曲率半径Rsの転がり円及び曲率半径Rpの転がり円によって、その動作が規定される。また、ピエゾ素子11のキャップCP2と出力部13との転がりジョイントは、曲率半径Rpの転がり円及び曲率半径Rcの転がり円によって、その動作が規定される。よって、第1実施形態に係る変位拡大機構10は、図3Aから図3Cに示す端部曲面が円筒面の場合の変位拡大機構10と同様に、変位拡大動作をすることができる。 With such a configuration, the operation of the rolling joint between the cap CP1 of the piezo element 11 and the fixed part 12 is defined by a rolling circle with a radius of curvature Rs and a rolling circle with a radius of curvature Rp. Further, the operation of the rolling joint between the cap CP2 of the piezo element 11 and the output section 13 is defined by a rolling circle with a radius of curvature Rp and a rolling circle with a radius of curvature Rc. Therefore, the displacement magnification mechanism 10 according to the first embodiment can perform a displacement magnification operation similarly to the displacement magnification mechanism 10 shown in FIGS. 3A to 3C in which the end curved surface is a cylindrical surface.

次に、第1実施形態に係る変位拡大機構10について、各曲率半径の組み合わせとずれの抑制効果について説明する。 Next, regarding the displacement magnifying mechanism 10 according to the first embodiment, the combination of each radius of curvature and the effect of suppressing deviation will be described.

なお、以下の説明では、前提条件として、固定部12の曲面の曲率半径rsと出力部13の曲面の曲率半径rcとは等しい(rs=rc)ものとして説明する。また、各キャップCP1,CP2の曲面の曲率半径rpは等しいものとして説明する。また、転がりジョイントが幾何学的に成立するために、rp≦rsとしている。 In the following description, as a precondition, the radius of curvature rs of the curved surface of the fixed part 12 and the radius of curvature rc of the curved surface of the output part 13 will be explained as being equal (rs=rc). Further, the description will be made assuming that the radius of curvature rp of the curved surface of each cap CP1, CP2 is equal. Further, since the rolling joint is geometrically established, rp≦rs is satisfied.

第1実施形態に係る変位拡大機構10は、図4Cに示すように、固定部12の端部曲面が凹曲面となり、ピエゾ素子11のキャップCP1の端部曲面が凸曲面となる。また、出力部13の端部曲面が凹曲面となり、ピエゾ素子11のキャップCP2の端部曲面が凸曲面となる。これにより、ピエゾ素子11がx軸方向にずれることを抑制することができる。 In the displacement magnifying mechanism 10 according to the first embodiment, as shown in FIG. 4C, the end curved surface of the fixing portion 12 is a concave curved surface, and the end curved surface of the cap CP1 of the piezo element 11 is a convex curved surface. Further, the end curved surface of the output section 13 becomes a concave curved surface, and the end curved surface of the cap CP2 of the piezo element 11 becomes a convex curved surface. Thereby, displacement of the piezo element 11 in the x-axis direction can be suppressed.

図5Aから図5Bは、yc軸周りの回転による位置ずれを説明する模式図である。なお、rs1は左側の固定部12の曲面の曲率半径を表す。rs2は右側の固定部12の曲面の曲率半径を表す。rps1は左側の固定部12と接触するキャップCP1の曲面の曲率半径を表す。rps2は右側の固定部12と接触するキャップCP1の曲面の曲率半径を表す。 5A to 5B are schematic diagrams illustrating positional deviation due to rotation around the yc axis. Note that rs1 represents the radius of curvature of the curved surface of the left fixed portion 12. rs2 represents the radius of curvature of the curved surface of the right fixed portion 12. rps1 represents the radius of curvature of the curved surface of the cap CP1 that contacts the left fixed part 12. rps2 represents the radius of curvature of the curved surface of the cap CP1 that contacts the fixing part 12 on the right side.

図5Aでは、固定部12の曲率半径rsが左右の固定部12でのジョイント接点を通る円の曲率半径rss以上の場合(rss≦rs)を示す。曲率半径rs1の円と曲率半径rs2の円との重なり部分に曲率半径rssの円が含まれる。このため、曲率半径rs1の円と曲率半径rs2の円との重なり部分内で曲率半径rssの円が回転することができる。よって、左右のピエゾ素子11と出力部13のアセンブリがyc軸を回転軸として回転することができる。 FIG. 5A shows a case where the radius of curvature rs of the fixed part 12 is greater than or equal to the radius of curvature rss of a circle passing through the joint contact points of the left and right fixed parts 12 (rss≦rs). A circle with a radius of curvature rss is included in the overlap between a circle with a radius of curvature rs1 and a circle with a radius of curvature rs2. Therefore, the circle with the radius of curvature rss can rotate within the overlap between the circle with the radius of curvature rs1 and the circle with the radius of curvature rs2. Therefore, the assembly of the left and right piezo elements 11 and the output section 13 can rotate about the yc axis as the rotation axis.

図5Bでは、固定部12の曲率半径rsが左右の固定部12でのジョイント接点を通る円の曲率半径rss未満の場合(rs<rss)を示す。曲率半径rs1の円と曲率半径rs2の円との重なり部分よりも曲率半径rssの円が飛び出している。このため、曲率半径rs1の円と曲率半径rs2の円との重なり部分内で曲率半径rssの円が回転することができない。よって、左右のピエゾ素子11と出力部13のアセンブリが、yc軸を回転軸として回転することを抑制することができる。 FIG. 5B shows a case where the radius of curvature rs of the fixed part 12 is less than the radius of curvature rss of a circle passing through the joint contact points of the left and right fixed parts 12 (rs<rss). The circle with the radius of curvature rss protrudes from the overlapping portion of the circle with the radius of curvature rs1 and the circle with the radius of curvature rs2. Therefore, the circle with the radius of curvature rss cannot rotate within the overlap between the circle with the radius of curvature rs1 and the circle with the radius of curvature rs2. Therefore, it is possible to suppress the assembly of the left and right piezo elements 11 and the output section 13 from rotating about the yc axis as the rotation axis.

図6Aから図6Cは、yp軸周りの回転による位置ずれを説明する模式図である。rpsは、固定部12と接触するキャップCP1の曲面の曲率半径を表す。rpcは、出力部13と接触するキャップCP2の曲面の曲率半径を表す。 FIGS. 6A to 6C are schematic diagrams illustrating positional deviation due to rotation around the yp axis. rps represents the radius of curvature of the curved surface of the cap CP1 that contacts the fixed part 12. rpc represents the radius of curvature of the curved surface of the cap CP2 that contacts the output part 13.

図6Aでは、固定部12の曲率半径rsが固定部12でのジョイント接点と出力部13でのジョイント接点を通る円の曲率半径rsc以上、かつ、キャップCPの曲率半径rpが曲率半径rsc以下の場合(rp≦rsc≦rs)を示す。この場合、曲率半径rsの円と曲率半径rcの円との重なり部分に曲率半径rscの円が含まれる。このため、曲率半径rsの円と曲率半径rcの円との重なり部分内で曲率半径rscの円が回転することができる。また、キャップCP1,CP2を含んだピエゾ素子11は曲率半径rscの円内に収まる。よって、ピエゾ素子11がyp軸を回転軸として回転することができる。 In FIG. 6A, the radius of curvature rs of the fixed part 12 is greater than or equal to the radius of curvature rsc of a circle passing through the joint contact point in the fixed part 12 and the joint contact point in the output part 13, and the radius of curvature rp of the cap CP is less than or equal to the radius of curvature rsc. The case (rp≦rsc≦rs) is shown. In this case, a circle with a radius of curvature rsc is included in the overlap between a circle with a radius of curvature rs and a circle with a radius of curvature rc. Therefore, the circle with the radius of curvature rsc can rotate within the overlap between the circle with the radius of curvature rs and the circle with the radius of curvature rc. Furthermore, the piezo element 11 including the caps CP1 and CP2 fits within a circle with a radius of curvature rsc. Therefore, the piezo element 11 can rotate about the yp axis as the rotation axis.

図6Bでは、固定部12の曲率半径rsが固定部12でのジョイント接点と出力部13でのジョイント接点を通る円の曲率半径rsc以上、かつ、キャップCPの曲率半径rpが曲率半径rsc以上の場合(rsc≦rp≦rs)を示す。この場合、キャップCP1,CP2を含んだピエゾ素子11は曲率半径rscの円よりも飛び出している。しかしながら、「曲率半径rsの円と曲率半径rcの円との重なり部分」に「曲率半径rpcの円と曲率半径rpsの円との重なり部分」が含まれる。このため、「曲率半径rsの円と曲率半径rcの円との重なり部分」内で「曲率半径rpcの円と曲率半径rpsの円との重なり部分」が回転することができる。よって、ピエゾ素子11がyp軸を回転軸として回転することができる。 In FIG. 6B, the radius of curvature rs of the fixed part 12 is greater than or equal to the radius of curvature rsc of a circle passing through the joint contact point in the fixed part 12 and the joint contact point in the output part 13, and the radius of curvature rp of the cap CP is greater than or equal to the radius of curvature rsc. The case (rsc≦rp≦rs) is shown. In this case, the piezo element 11 including the caps CP1 and CP2 protrudes beyond the circle with the radius of curvature rsc. However, the "overlapping part between the circle with the radius of curvature rs and the circle with the radius of curvature rc" includes the "overlapping part between the circle with the radius of curvature rpc and the circle with the radius of curvature rps". Therefore, the "overlapping part between the circle with the radius of curvature rpc and the circle with the radius of curvature rps" can rotate within the "overlapping part between the circle with the radius of curvature rs and the circle with the radius of curvature rc". Therefore, the piezo element 11 can rotate about the yp axis as the rotation axis.

図6Cでは、固定部12の曲率半径rsが固定部12でのジョイント接点と出力部13でのジョイント接点を通る円の曲率半径rsc未満の場合(rp≦rs<rsc)を示す。曲率半径rsの円と曲率半径rcの円との重なり部分よりも曲率半径rscの円が飛び出している。このため、曲率半径rsの円と曲率半径rcの円との重なり部分内で曲率半径rscの円が回転することができない。よって、ピエゾ素子11がyp軸を回転軸として回転することを抑制することができる。 FIG. 6C shows a case where the radius of curvature rs of the fixed part 12 is less than the radius of curvature rsc of a circle passing through the joint contact point in the fixed part 12 and the joint contact point in the output part 13 (rp≦rs<rsc). The circle with the radius of curvature rsc protrudes from the overlapping portion of the circle with the radius of curvature rs and the circle with the radius of curvature rc. Therefore, the circle with the radius of curvature rsc cannot rotate within the overlap between the circle with the radius of curvature rs and the circle with the radius of curvature rc. Therefore, it is possible to suppress the piezo element 11 from rotating about the yp axis as the rotation axis.

次に、zp軸周りの回転による位置ずれを説明する。固定部12の曲率半径rsが固定部12でのジョイント接点と出力部13でのジョイント接点を通る円の曲率半径rsc以上の場合(rsc≦rs)、ピエゾ素子11がzp軸を回転軸として回転することができる。一方、固定部12の曲率半径rsが固定部12でのジョイント接点と出力部13でのジョイント接点を通る円の曲率半径rsc未満の場合(rs<rsc)、ピエゾ素子11がzp軸を回転軸として回転することを抑制することができる。 Next, positional deviation due to rotation around the zp axis will be explained. When the radius of curvature rs of the fixed part 12 is greater than or equal to the radius of curvature rsc of the circle passing through the joint contact point in the fixed part 12 and the joint contact point in the output part 13 (rsc≦rs), the piezo element 11 rotates about the zp axis as the rotation axis. can do. On the other hand, when the radius of curvature rs of the fixed part 12 is less than the radius of curvature rsc of the circle passing through the joint contact point in the fixed part 12 and the joint contact point in the output part 13 (rs<rsc), the piezo element 11 rotates the zp axis as the rotation axis. It is possible to suppress rotation as follows.

図7は、第1実施形態に係る変位拡大機構10における各曲率半径の組み合わせとずれ抑制の効果を説明する表である。なお、表において、バツ印は幾何学的条件(rp≦rs)を満たさない範囲である。黒塗りの三角は、x方向のずれを抑制する範囲である。白抜きの三角印は、x方向のずれを抑制し、yc軸周りの回転を抑制する範囲である。二重丸印は、x方向のずれを抑制し、yc軸周りの回転を抑制し、yp軸周りの回転を抑制し、yz軸周りの回転を抑制する範囲である。このように、固定部12の曲率半径rs(出力部13の曲率半径rc)とキャップCPの曲率半径rpを適宜選択することにより、変位拡大機構10内の部品の位置ずれを抑制することができる。なお、ジョイント接触応力が許容値以下に収まるように、ピエゾ素子11の予圧力と各曲面の曲率半径を設計する。 FIG. 7 is a table explaining the combination of each radius of curvature and the effect of suppressing deviation in the displacement magnifying mechanism 10 according to the first embodiment. Note that in the table, the cross marks indicate ranges that do not satisfy the geometric condition (rp≦rs). The black triangle is the range in which displacement in the x direction is suppressed. The white triangle mark is the range in which displacement in the x direction is suppressed and rotation around the yc axis is suppressed. The double circles indicate the range in which displacement in the x direction is suppressed, rotation around the yc axis is suppressed, rotation around the yp axis is suppressed, and rotation around the yz axis is suppressed. In this way, by appropriately selecting the radius of curvature rs of the fixed part 12 (the radius of curvature rc of the output part 13) and the radius of curvature rp of the cap CP, it is possible to suppress misalignment of components within the displacement magnifying mechanism 10. . Note that the preload force of the piezo element 11 and the radius of curvature of each curved surface are designed so that the joint contact stress is within an allowable value.

次に、第2実施形態に係る変位拡大機構10について、図8Aから図8Cを用いて説明する。図8Aから図8Cは、第2実施形態に係る変位拡大機構10の構成を説明する図である。具体的には、図8Aは、第2実施形態に係る変位拡大機構10の固定部12の斜視図である。図8Bは、第2実施形態に係る変位拡大機構10のキャップCP1の斜視図である。図8Cは、z-x平面における第2実施形態に係る変位拡大機構10の平面図である。第2実施形態に係る変位拡大機構10は、図3Aから図3Cに示す変位拡大機構10、及び、図4Aから図4Cに示す第1実施形態に係る変位拡大機構10と比較して、転がりジョイントの転がり面の形状が異なっている。 Next, the displacement magnification mechanism 10 according to the second embodiment will be described using FIGS. 8A to 8C. 8A to 8C are diagrams illustrating the configuration of the displacement magnifying mechanism 10 according to the second embodiment. Specifically, FIG. 8A is a perspective view of the fixing part 12 of the displacement amplifying mechanism 10 according to the second embodiment. FIG. 8B is a perspective view of the cap CP1 of the displacement magnifying mechanism 10 according to the second embodiment. FIG. 8C is a plan view of the displacement magnification mechanism 10 according to the second embodiment on the zx plane. The displacement magnification mechanism 10 according to the second embodiment has a rolling joint, compared with the displacement magnification mechanism 10 shown in FIGS. 3A to 3C and the displacement magnification mechanism 10 according to the first embodiment shown in FIGS. 4A to 4C. The shapes of the rolling surfaces are different.

図8Aに示すように、固定部12は、凸曲面となる転がり面を有している。ここで、Rsは、転がり円の曲率半径を示す。固定部12の転がり円とは、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であり、y-z平面と平行な面上の円である。rsは、固定部12の曲面の曲率半径を示す。また、図8Aにおいて、曲率半径rsの円の中心の軌跡をcsで示す。軌跡csは、曲率半径Rsの円と同一平面上であって、曲率半径Rsの円と同心で、半径Rs-rsの円弧となる。また、曲率半径Rsの円の平面と曲率半径rsの円の平面とは、2円の中心を結ぶ線を軸として90°回転した平面となっている。固定部12の転がり面は、曲率半径Rsの転がり円に沿って、曲率半径rsの円弧をスイープすることによって形成される曲面である。 As shown in FIG. 8A, the fixed portion 12 has a rolling surface that is a convex curved surface. Here, Rs indicates the radius of curvature of the rolling circle. The rolling circle of the fixing part 12 is a circle that includes the locus of the contact point that contacts the end curved surface of the cap CP1 on the end curved surface of the fixing part 12, and is a circle on a plane parallel to the yz plane. rs indicates the radius of curvature of the curved surface of the fixed portion 12. Further, in FIG. 8A, the locus of the center of the circle with the radius of curvature rs is indicated by cs. The locus cs is on the same plane as the circle with the radius of curvature Rs, is concentric with the circle with the radius of curvature Rs, and is a circular arc with the radius Rs-rs. Further, the plane of the circle with the radius of curvature Rs and the plane of the circle with the radius of curvature rs are planes rotated by 90° about the line connecting the centers of the two circles. The rolling surface of the fixed portion 12 is a curved surface formed by sweeping a circular arc with a radius of curvature rs along a rolling circle with a radius of curvature Rs.

図8Bに示すように、キャップCP1は、鞍型形状の転がり面、換言すれば凹曲面となる転がり面を有している。ここで、Rpは、転がり円の曲率半径を示す。キャップCP1の転がり円とは、キャップCP1の端部曲面において固定部12の端部曲面と接触する接点の軌跡を含む円であり、y-z平面と平行な面上の円である。rpは、キャップCP1の曲面の曲率半径を示す。また、図8Bにおいて、曲率半径rpの円の中心の軌跡をcpで示す。軌跡cpは、曲率半径Rpの円と同一平面上であって、曲率半径Rpの円と同心で、半径Rp+rpの円弧となる。また、曲率半径Rpの円の平面と曲率半径rpの円の平面とは、2円の中心を結ぶ線を軸として90°回転した平面となっている。キャップCP1の転がり面は、曲率半径Rpの転がり円に沿って、曲率半径rpの円弧をスイープすることによって形成される曲面である。 As shown in FIG. 8B, the cap CP1 has a saddle-shaped rolling surface, in other words, a concavely curved rolling surface. Here, Rp indicates the radius of curvature of the rolling circle. The rolling circle of the cap CP1 is a circle that includes the locus of the contact point of the end curved surface of the cap CP1 that contacts the end curved surface of the fixed part 12, and is a circle on a plane parallel to the yz plane. rp indicates the radius of curvature of the curved surface of the cap CP1. Further, in FIG. 8B, the locus of the center of the circle with the radius of curvature rp is indicated by cp. The locus cp is on the same plane as the circle with the radius of curvature Rp, is concentric with the circle with the radius of curvature Rp, and is a circular arc with the radius Rp+rp. Further, the plane of the circle with the radius of curvature Rp and the plane of the circle with the radius of curvature rp are planes rotated by 90° about the line connecting the centers of the two circles. The rolling surface of the cap CP1 is a curved surface formed by sweeping an arc with a radius of curvature rp along a rolling circle with a radius of curvature Rp.

出力部13の転がり面は、固定部12の転がり面と同様に、転がり円の曲率半径Rc及び曲面の曲率半径rcで規定される凸曲面となる転がり面を有している。また、キャップCP2の転がり面は、キャップCP1の転がり面と同様に、転がり円の曲率半径Rp及び曲面の曲率半径rpで規定される凹曲面となる転がり面を有している。 The rolling surface of the output part 13 has a rolling surface that is a convex curved surface defined by the radius of curvature Rc of the rolling circle and the radius of curvature rc of the curved surface, similarly to the rolling surface of the fixed part 12. Further, the rolling surface of the cap CP2 has a rolling surface that is a concave curved surface defined by the radius of curvature Rp of the rolling circle and the radius of curvature rp of the curved surface, similarly to the rolling surface of the cap CP1.

また、左右の固定部12でのジョイント接点を通る円の曲率半径をrssとする。また、固定部12でのジョイント接点と出力部13でのジョイント接点を通る円の曲率半径をrscとする。なお、1つのピエゾ素子11の両端のキャップCP1,CP2のRpを同一円とする場合、rscは、Rpとほぼ同値となる。 Further, the radius of curvature of a circle passing through the joint contact points in the left and right fixing parts 12 is assumed to be rss. Further, the radius of curvature of a circle passing through the joint contact point in the fixed part 12 and the joint contact point in the output part 13 is assumed to be rsc. Note that when the Rp of the caps CP1 and CP2 at both ends of one piezo element 11 are the same circle, rsc has approximately the same value as Rp.

このような構成により、ピエゾ素子11のキャップCP1と固定部12との転がりジョイントは、曲率半径Rsの転がり円及び曲率半径Rpの転がり円によって、その動作が規定される。また、ピエゾ素子11のキャップCP2と出力部13との転がりジョイントは、曲率半径Rpの転がり円及び曲率半径Rcの転がり円によって、その動作が規定される。よって、第2実施形態に係る変位拡大機構10は、図3Aから図3Cに示す端部曲面が円筒面の場合の変位拡大機構10と同様に、変位拡大動作をすることができる。 With such a configuration, the operation of the rolling joint between the cap CP1 of the piezo element 11 and the fixed part 12 is defined by a rolling circle with a radius of curvature Rs and a rolling circle with a radius of curvature Rp. Further, the operation of the rolling joint between the cap CP2 of the piezo element 11 and the output section 13 is defined by a rolling circle with a radius of curvature Rp and a rolling circle with a radius of curvature Rc. Therefore, the displacement magnification mechanism 10 according to the second embodiment can perform a displacement magnification operation similarly to the displacement magnification mechanism 10 shown in FIGS. 3A to 3C in which the end curved surface is a cylindrical surface.

次に、第2実施形態に係る変位拡大機構10について、各曲率半径の組み合わせとずれの抑制効果について説明する。 Next, regarding the displacement magnification mechanism 10 according to the second embodiment, the combination of each radius of curvature and the effect of suppressing deviation will be described.

なお、以下の説明では、前提条件として、固定部12の曲面の曲率半径rsと出力部13の曲面の曲率半径rcとは等しい(rs=rc)ものとして説明する。また、各キャップCP1,CP2の曲面の曲率半径rpは等しいものとして説明する。また、転がりジョイントが幾何学的に成立するために、rs≦rpとしている。 In the following description, as a precondition, the radius of curvature rs of the curved surface of the fixed part 12 and the radius of curvature rc of the curved surface of the output part 13 will be explained as being equal (rs=rc). Further, the description will be made assuming that the radius of curvature rp of the curved surface of each cap CP1, CP2 is equal. In addition, since the rolling joint is geometrically established, rs≦rp is satisfied.

第2実施形態に係る変位拡大機構10は、図8Cに示すように、固定部12の端部曲面が凸曲面となり、ピエゾ素子11のキャップCP1の端部曲面が凹曲面となる。また、出力部13の端部曲面が凸曲面となり、ピエゾ素子11のキャップCP2の端部曲面が凹曲面となる。これにより、ピエゾ素子11がx軸方向にずれることを抑制することができる。また、左右のピエゾ素子11と出力部13のアセンブリが、yc軸を回転軸として回転することを抑制することができる。また、ピエゾ素子11がyp軸を回転軸として回転することを抑制することができる。 In the displacement magnifying mechanism 10 according to the second embodiment, as shown in FIG. 8C, the end curved surface of the fixing portion 12 is a convex curved surface, and the end curved surface of the cap CP1 of the piezo element 11 is a concave curved surface. Further, the end curved surface of the output section 13 becomes a convex curved surface, and the end curved surface of the cap CP2 of the piezo element 11 becomes a concave curved surface. Thereby, displacement of the piezo element 11 in the x-axis direction can be suppressed. Further, it is possible to suppress the assembly of the left and right piezo elements 11 and the output section 13 from rotating about the yc axis. Further, it is possible to suppress the piezo element 11 from rotating about the yp axis as the rotation axis.

次に、zp軸周りの回転による位置ずれを説明する。キャップCP1の曲率半径rpが固定部12の転がり円の曲率半径Rs以上の場合(Rs≦rp)、ピエゾ素子11がxp軸を回転軸として回転することができる。一方、キャップCP1の曲率半径rpが固定部12の転がり円の曲率半径Rs未満の場合(rp<Rs)、ピエゾ素子11がzp軸を回転軸として回転することを抑制することができる。 Next, positional deviation due to rotation around the zp axis will be explained. When the radius of curvature rp of the cap CP1 is greater than or equal to the radius of curvature Rs of the rolling circle of the fixed portion 12 (Rs≦rp), the piezo element 11 can rotate about the xp axis as the rotation axis. On the other hand, when the radius of curvature rp of the cap CP1 is less than the radius of curvature Rs of the rolling circle of the fixed part 12 (rp<Rs), it is possible to suppress the piezo element 11 from rotating about the zp axis.

図9は、第2実施形態に係る変位拡大機構10における各曲率半径の組み合わせとずれ抑制の効果を説明する表である。なお、表において、バツ印は幾何学的条件(rp≦rs)を満たさない範囲である。丸印は、x方向のずれを抑制し、yc軸周りの回転を抑制し、yp軸周りの回転を抑制する範囲である。二重丸印は、x方向のずれを抑制し、yc軸周りの回転を抑制し、yp軸周りの回転を抑制し、zp軸周りの回転を抑制する範囲である。このように、固定部12の曲率半径rs(出力部13の曲率半径rc)とキャップCPの曲率半径rpを適宜選択することにより、変位拡大機構10内の部品の位置ずれを抑制することができる。なお、ジョイント接触応力が許容値以下に収まるように、ピエゾ素子11の予圧力と各曲面の曲率半径を設計する。 FIG. 9 is a table explaining the combination of each radius of curvature and the effect of suppressing deviation in the displacement magnification mechanism 10 according to the second embodiment. Note that in the table, the cross marks indicate ranges that do not satisfy the geometric condition (rp≦rs). The circles indicate ranges in which displacement in the x direction is suppressed, rotation around the yc axis is suppressed, and rotation around the yp axis is suppressed. The double circles indicate the range in which displacement in the x direction is suppressed, rotation around the yc axis is suppressed, rotation around the yp axis is suppressed, and rotation around the zp axis is suppressed. In this way, by appropriately selecting the radius of curvature rs of the fixed part 12 (the radius of curvature rc of the output part 13) and the radius of curvature rp of the cap CP, it is possible to suppress misalignment of components within the displacement magnifying mechanism 10. . Note that the preload force of the piezo element 11 and the radius of curvature of each curved surface are designed so that the joint contact stress is within an allowable value.

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。 Although the displacement magnification mechanism according to the present embodiment has been described in detail above, the present invention is not limited to such a specific embodiment, and various modifications may be made within the scope of the gist of the present invention as described in the claims. It is possible to transform and change.

第1実施形態に係る変位拡大機構10において固定部12の端部曲面及び出力部13の端部曲面は凹曲面であり、第2実施形態に係る変位拡大機構10において固定部12の端部曲面及び出力部13の端部曲面は凸曲面であるものとして説明したが、これに限られるものではない。例えば、固定部12とキャップCP1の端部曲面は図4Aから図4Cまたは図8Aから図8Cに示す凹凸曲面を有し、出力部13とキャップCP2の端部曲面は円筒面としてもよい。また、出力部13とキャップCP2の端部曲面は図4Aから図4Cまたは図8Aから図8Cにに示す凹凸曲面を有し、固定部12とキャップCP1の端部曲面は円筒面としてもよい。この場合でも、各曲面の曲率半径を適宜選択することにより、ずれ抑制の効果を奏する。また、一方を円筒面とすることにより、加工コストを低減することができる。 In the displacement magnification mechanism 10 according to the first embodiment, the end curved surface of the fixed part 12 and the end curved surface of the output part 13 are concave curved surfaces, and in the displacement magnification mechanism 10 according to the second embodiment, the end curved surface of the fixed part 12 is a concave curved surface. Although the end curved surface of the output section 13 has been described as being a convex curved surface, it is not limited to this. For example, the curved end surfaces of the fixing portion 12 and the cap CP1 may have uneven curved surfaces shown in FIGS. 4A to 4C or FIGS. 8A to 8C, and the curved end surfaces of the output portion 13 and the cap CP2 may have cylindrical surfaces. Further, the curved end surfaces of the output portion 13 and the cap CP2 may have uneven curved surfaces shown in FIGS. 4A to 4C or FIGS. 8A to 8C, and the curved end surfaces of the fixing portion 12 and the cap CP1 may be cylindrical surfaces. Even in this case, by appropriately selecting the radius of curvature of each curved surface, the effect of suppressing deviation can be achieved. Moreover, by forming one side into a cylindrical surface, processing costs can be reduced.

また、第1実施形態及び第2実施形態に係る変位拡大機構10において、固定部12の曲面の曲率半径rsと出力部13の曲面の曲率半径rcとは等しい(rs=rc)ものとして説明したが、これに限られるものではなく、異なっていてもよい。また、キャップCP1,CP2の曲面の曲率半径rpも等しいものとして説明したが、これに限られるものではなく、異なっていてもよい。 Furthermore, in the displacement magnification mechanism 10 according to the first embodiment and the second embodiment, the radius of curvature rs of the curved surface of the fixed part 12 and the radius of curvature rc of the curved surface of the output part 13 are described as being equal (rs=rc). However, it is not limited to this, and may be different. Further, although the radius of curvature rp of the curved surfaces of the caps CP1 and CP2 has been described as being equal, the radius of curvature rp is not limited to this, and may be different.

また、固定部12及び出力部13における転がり接点の軌跡は、凸円弧(曲率半径Rsの円、曲率半径Rcの円)であるものとして説明したが、これに限られるものではない。転がり接点の軌跡は、直線であってもよく、凹円弧であってもよく、非円形状曲線であってもよく、限定されるものではない。 Further, although the locus of the rolling contacts in the fixed part 12 and the output part 13 has been described as a convex arc (a circle with a radius of curvature Rs, a circle with a radius of curvature Rc), it is not limited to this. The locus of the rolling contact may be a straight line, a concave arc, or a non-circular curve, and is not limited to this.

転がり接点の軌跡が直線の場合を一例として、図10Aから図10Bを用いて説明する。図10Aから図10Bは、変形例に係る変位拡大機構10の構成を説明する図である。図10Aは、転がり接点の軌跡Lsが直線であって、鞍型形状(凹曲面)の転がり面となる固定部12の一例を示す。なお、この固定部12と接触するキャップCP1は、図4Bに示す転がり面が凸曲面となるキャップCP1となる。また、図10Bは、転がり接点の軌跡Lsが直線であって、凸曲面となる固定部12の一例を示す。なお、この固定部12と接触するキャップCP1は、図8Bに示す転がり面が鞍型形状(凹曲面)となるキャップCP1となる。このように、転がり接点の軌跡が直線であっても、ずれを抑制する構成とすることができる。 An example in which the locus of the rolling contact is a straight line will be explained using FIGS. 10A to 10B. 10A to 10B are diagrams illustrating the configuration of a displacement magnification mechanism 10 according to a modification. FIG. 10A shows an example of a fixed portion 12 in which the locus Ls of the rolling contact is a straight line and forms a saddle-shaped (concave curved) rolling surface. Note that the cap CP1 that comes into contact with the fixed portion 12 is the cap CP1 whose rolling surface is a convex curved surface as shown in FIG. 4B. Further, FIG. 10B shows an example of the fixed portion 12 in which the locus Ls of the rolling contact is a straight line and has a convex curved surface. Note that the cap CP1 that comes into contact with this fixing portion 12 becomes the cap CP1 whose rolling surface has a saddle-shaped shape (concave curved surface) as shown in FIG. 8B. In this way, even if the locus of the rolling contact is a straight line, it is possible to have a configuration that suppresses displacement.

尚、本願は、2018年12月20日に出願した日本国特許出願2018-238656号に基づく優先権を主張するものであり、これらの日本国特許出願の全内容を本願に参照により援用する。 This application claims priority based on Japanese patent application No. 2018-238656 filed on December 20, 2018, and the entire contents of these Japanese patent applications are incorporated by reference into this application.

1 アクチュエータユニット(アクチュエータ)
10 変位拡大機構
11 ピエゾ素子
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
CP1、CP2 キャップ
1 Actuator unit (actuator)
10 Displacement magnification mechanism 11 Piezo element 12 Fixed part 13 Output part 14 Preload adjustment spring 15 Outer shell 20 Output joint 30 Spring preload adjustment mechanism 40 Piezo preload adjustment mechanism CP1, CP2 Cap

Claims (7)

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出力方向に変位する出力部と、
前記出力部の前記出力方向及び前記伸縮素子の前記伸縮方向からなる平面と垂直な方向に対して、前記伸縮素子の位置ずれを抑制する位置ずれ抑制構造と、を備え
前記位置ずれ抑制構造は、
前記固定部と前記伸縮素子を転がり可能に連結する連結構造および前記出力部と前記伸縮素子を転がり可能に連結する連結構造のうち少なくとも1つの連結構造に形成され、
前記固定部および前記出力部の少なくとも1つの転がり面は、
前記出力部の前記出力方向及び前記伸縮素子の前記伸縮方向からなる平面と垂直な方向にみて転がり接点の軌跡が第1の曲率を有する凸状の第1円弧と、
前記出力部の前記出力方向にみて第2の曲率を有する凹状の第2円弧と、で規定される凹曲面であり、
前記凹曲面と接触する前記伸縮素子の転がり面は、
前記出力部の前記出力方向及び前記伸縮素子の前記伸縮方向からなる平面と垂直な方向にみて転がり接点の軌跡が第3の曲率を有する凸状の第3円弧と、
前記出力部の前記出力方向にみて第4の曲率を有する凸状の第4円弧と、で規定される凸曲面である、
変位拡大機構。
a stretchable element having capacitive properties;
a fixed part that rolls into contact with one end of the elastic element;
an output part that rolls into contact with the other end of the elastic element and is displaced in an output direction different from the expansion and contraction direction of the elastic element according to the expansion and contraction of the elastic element;
a positional displacement suppressing structure that suppresses positional displacement of the elastic element with respect to a direction perpendicular to a plane consisting of the output direction of the output section and the elastic direction of the elastic element ;
The positional displacement suppressing structure is
formed into at least one connection structure of a connection structure that rollably connects the fixing part and the elastic element and a connection structure that rollably connects the output part and the expansion and contraction element,
At least one rolling surface of the fixed part and the output part is
a convex first circular arc in which the locus of the rolling contact has a first curvature when viewed in a direction perpendicular to a plane consisting of the output direction of the output section and the expansion/contraction direction of the expansion/contraction element;
a concave curved surface defined by a second concave arc having a second curvature when viewed in the output direction of the output section;
The rolling surface of the elastic element that comes into contact with the concave curved surface is
a convex third circular arc in which the locus of the rolling contact has a third curvature when viewed in a direction perpendicular to a plane consisting of the output direction of the output section and the expansion/contraction direction of the expansion/contraction element;
a convex curved surface defined by a fourth convex arc having a fourth curvature when viewed in the output direction of the output section;
Displacement magnification mechanism.
前記凸曲面の前記第4の曲率は、前記凹曲面の前記第2の曲率以下であり、 The fourth curvature of the convex curved surface is equal to or less than the second curvature of the concave curved surface,
前記凹曲面の前記第2の曲率は、前記固定部と前記伸縮素子の一端との接点と前記出力部と前記伸縮素子の他端との接点を通る円の曲率よりも小さく、 The second curvature of the concave curved surface is smaller than the curvature of a circle passing through a contact point between the fixed part and one end of the elastic element and a contact point between the output part and the other end of the elastic element,
前記凸曲面の前記第4の曲率は、前記固定部と前記伸縮素子の一端との接点と前記出力部と前記伸縮素子の他端との接点を通る円の曲率よりも小さい、 The fourth curvature of the convex curved surface is smaller than the curvature of a circle passing through a contact point between the fixed part and one end of the elastic element and a contact point between the output part and the other end of the elastic element.
請求項1に記載の変位拡大機構。The displacement magnifying mechanism according to claim 1.
前記凹曲面は、前記第1円弧に沿って前記第2円弧をスイープすることによって形成され、 前記凸曲面は、前記第3円弧に沿って前記第4円弧をスイープすることによって形成される、 The concave curved surface is formed by sweeping the second circular arc along the first circular arc, and the convex curved surface is formed by sweeping the fourth circular arc along the third circular arc.
請求項1または請求項2に記載の変位拡大機構。The displacement magnification mechanism according to claim 1 or claim 2.
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出力方向に変位する出力部と、
前記出力部の前記出力方向及び前記伸縮素子の前記伸縮方向からなる平面と垂直な方向に対して、前記伸縮素子の位置ずれを抑制する位置ずれ抑制構造と、を備え
前記位置ずれ抑制構造は、
前記固定部と前記伸縮素子を転がり可能に連結する連結構造および前記出力部と前記伸縮素子を転がり可能に連結する連結構造のうち少なくとも1つの連結構造に形成され、
前記固定部および前記出力部の少なくとも1つの転がり面は、
前記出力部の前記出力方向及び前記伸縮素子の前記伸縮方向からなる平面と垂直な方向にみて転がり接点の軌跡が第1の曲率を有する凸状の第1円弧と、
前記出力部の前記出力方向にみて第2の曲率を有する凸状の第2円弧と、で規定される凸曲面であり、
前記凸曲面と接触する前記伸縮素子の転がり面は、
前記出力部の前記出力方向及び前記伸縮素子の前記伸縮方向からなる平面と垂直な方向にみて転がり接点の軌跡が第3の曲率を有する凸状の第3円弧と、
前記出力部の前記出力方向にみて第4の曲率を有する凹状の第4円弧と、で規定される凹曲面である、
変位拡大機構。
a stretchable element having capacitive properties;
a fixed part that rolls into contact with one end of the elastic element;
an output part that rolls into contact with the other end of the elastic element and is displaced in an output direction different from the expansion and contraction direction of the elastic element according to the expansion and contraction of the elastic element;
a positional displacement suppressing structure that suppresses positional displacement of the elastic element with respect to a direction perpendicular to a plane consisting of the output direction of the output section and the elastic direction of the elastic element ;
The positional displacement suppressing structure is
formed into at least one connection structure of a connection structure that rollably connects the fixing part and the elastic element and a connection structure that rollably connects the output part and the expansion and contraction element,
At least one rolling surface of the fixed part and the output part is
a convex first circular arc in which the locus of the rolling contact has a first curvature when viewed in a direction perpendicular to a plane consisting of the output direction of the output section and the expansion/contraction direction of the expansion/contraction element;
a convex curved surface defined by a second convex arc having a second curvature when viewed in the output direction of the output section;
The rolling surface of the elastic element that comes into contact with the convex curved surface is
a convex third circular arc in which the locus of the rolling contact has a third curvature when viewed in a direction perpendicular to a plane consisting of the output direction of the output section and the expansion/contraction direction of the expansion/contraction element;
a concave curved surface defined by a fourth concave arc having a fourth curvature when viewed in the output direction of the output section;
Displacement magnification mechanism.
前記凸曲面の前記第2の曲率は、前記凹曲面の前記第4の曲率以下であり、 The second curvature of the convex curved surface is equal to or less than the fourth curvature of the concave curved surface,
前記凸曲面の前記第2の曲率は、前記第1の曲率よりも小さく、 the second curvature of the convex curved surface is smaller than the first curvature;
前記凹曲面の前記第4の曲率は、前記第1の曲率よりも小さい、 the fourth curvature of the concave curved surface is smaller than the first curvature;
請求項4に記載の変位拡大機構。The displacement magnifying mechanism according to claim 4.
前記凸曲面は、前記第1円弧に沿って前記第2円弧をスイープすることによって形成され、 The convex curved surface is formed by sweeping the second circular arc along the first circular arc,
前記凹曲面は、前記第3円弧に沿って前記第4円弧をスイープすることによって形成される、 The concave curved surface is formed by sweeping the fourth arc along the third arc,
請求項4または請求項5に記載の変位拡大機構。The displacement magnification mechanism according to claim 4 or claim 5.
請求項1乃至請求項のいずれか1項に記載の変位拡大機構を備えるアクチュエータ。 An actuator comprising the displacement magnifying mechanism according to any one of claims 1 to 6 .
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