JPH0821405A - 流動体・柔軟物質を媒介させた変位拡大機構 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 この発明は、固体素子に対する変位拡大機構
に関するものであり、容器に内封した流動体を媒介させ
て、入力変位をその１乗以上の体積移動に変換してから
再び出力変位に戻すことで、入力変位の２乗を上回る大
きな変位拡大を１段で得る。 【構成】 入出力端で断面積が異なる入力室、およびこ
の入力室を軸方向と座屈の利用によって軸直角方向に伸
縮して体積移動を増す出力室を結合して、流動体を内封
した容器と入力端を変位させる固体素子から成る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】圧電素子・電歪素子・磁歪素子・
形状記憶合金素子のように、出力変位が微小なために何
等かの変位拡大を必要とする固体アクチュエータの変位
を拡大する機構に関するもの。

【０００２】

【従来の技術】振動による増幅では得られない静的ある
いは直流変位に対しては、レバーを直列多段に組合せて
レバー比の積の変位拡大を得ようとした機構がよく用い
られている。それ以外では、レバーではりを座屈させて
拡大率を大きくする機構がある。

【０００３】

【発明が解決しょうとする課題】超精密微細加工、精密
位置決め、マイクロメカニズムなどを始めとして、機械
システムの高精度化・小型化・高応答性の追及のため
に、各種の固体素子を用いた新しいアクチュエータの応
用が数多く試みられている。しかし固体素子のひずみは
微小なために、ひずみによって素子から得られた変位そ
のままでは、アクチュエータとして用いるには微小過ぎ
て汎用的に利用できないので、何等かの拡大機構を必要
とする。縦効果型圧電素子のような薄い素子を多数積層
して変位を累積する積層型厚電素子でも、発生変位は１
０μｍのオーダであり、さらに拡大せねばならない。こ
のために、多くは多段のレバー機構に接続するが、機構
全体が大きなスペースを占める、大きな慣性を有するた
めに応答性が悪くなる、レバーを結合・支持する弾性関
節に伝達エネルギが吸収されるためにかなりの伝達損失
が出るという問題点があった。

【０００４】本発明は、固体素子の変位を拡大して出力
するアクチュエータに関するが、固体素子の寸法よりも
あまり大きく違わない程度にコンパクトに構成するこ
と、固体素子の出力の伝達に目立った損失を生じないこ
と、固体素子の高応答性を損わないことを目的としてい
る。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明においては、断面積の大きな入力室２ｄと
小さな出力室２ｅの２つの室を結合した容器２をその結
合壁２ｃで固定し、容器に気体・液体・ゾルのような流
動体およびゲル状のブヨブヨした柔軟物質を内封する。

【０００６】出力室２ｅの側壁の周方向には波状折返し
を付けて、軸方向の伸縮が容易なようにしてある。

【０００７】固体素子の出力伝達に損失を生じないよう
にするために、入力端２ａを固体素子１２の出力端に密
着固定する。

【０００８】入力室２ｄが圧縮されて軸方向に縮んだと
き入力室２ｄの側壁２ｃが内側に座屈するように、予め
内側にやや凸に変形させておく。

【０００９】

【作用】容器２の入力室２ｄと出力室２ｅを連結する結
合壁２ｃを固定し、入力端２ａを固体素子１２の出力端
に密着させる。固体素子を励起して得られた出力で入力
端２ａを押して入力室２ｄを圧縮することで、入力室２
ｄの部分の内容積を減少させる。その減少によって入力
室２ｄ内から溢れた流動媒体が出力室２ｅに流入する。
そして出力室２ｅを伸して出力端２ｂに出力が得られ
る。このとき出力室２ｅの断面積を入力室２ｄのそれよ
りも小さく設定しておけば、入力端２ａへの入力変位が
拡大されて出力端２ｂに現れる。

【００１０】出力端２ｂの変位拡大率を大きくするに
は、入力室２ｄの部分の内容積の減少率を大きくするの
が有効である。そのために、入力端２ａを押したときの
入力室２ｄの軸方向の圧縮量だけでなく、側壁２ｃを内
側に張り出させて側面から圧縮して、内容積の減少を増
大させる。入力端２ａの軸方向の変位によって、大きく
側壁２ｃを内側に張り出させるために、やや内側に湾曲
させた枠５を側壁支持に用い、この枠を座屈させると効
果的である。

【００１１】

【実施例】この発明の変位拡大機構を、実施例について
図面を参照して説明すると、図１において、入力室２ｄ
と出力室２ｅとの結合壁２ｃをケーシング６の上部の肩
に当て、入力室２ｄの入力端２ａを積層型圧電素子１２
に押しつける。出力室２ｅの出力端２ｂをはずし、注入
口から内部が多少加圧される程度まで充分に流動体１を
注入する。これで入力端２ａは積層型圧電素子１２の端
面に密着してセッティングが完了する。

【００１２】図２に示される実施例では、機構全体が入
ったケーシング６の設置位置が出力端２ｂの付近では何
等かの不都合がある場合、出力室２ｅを延長して軸を曲
げて作り、都合の良い位置に設置できるようにした。

【００１３】図３に示される実施例では、出力端２ｂの
位置を変更したり、ケーシング６を取り付けた後、組み
立て合せで出力端２ｂをセッティングすることができる
ようにした。

【００１４】図４に示される実施例では、入力室２ｄと
出力室２ｅを別個に作って接合するのを避けるために、
入力室２ｄの断面積を徐々に変化させて結合壁を無くし
た。

【００１５】図５および図６に示される実施例では、入
力室２ｄを矩形断面の膜構造とする。膜４はバイアス繊
維で補強され、軸方向には伸縮するが膨張は抑えられて
いる。あるいは次の図７の実施例のように周囲を流動体
１で満たして膨張を抑える。入力室２ｄをばね板材で一
体成形した枠５に入れる。枠５の側壁３はわずかに内側
に凸に反っている。積層型圧電素子１２で枠５が押され
ると、枠５の側壁３が大きく座屈して、破線のように内
側に変形して入力室２ｄを側面からも圧縮する。

【００１６】図７に示される実施例では、注入弁１０か
ら流動体１を注入して入力室２ｄとケーシング６との隙
間を流動体１で満たして入力室２ｄの膨張を抑えたり、
あるいは周囲から加圧して入力室２ｄさらには出力室２
ｅを軸方向に伸して、次の図８の実施例のように容器２
の入出力端面を積層型圧電素子１２の端面および負荷端
面と密着させてセッティングするバックアップ作用をも
兼ね備えるようにした。

【００１７】図８に示される実施例では、調節ねじで押
し板１１を押し込んで入力室２ｄの側面を押し、入力室
２ｄが膨張するのを抑えるとともに、入力室２ｄおよび
出力室２ｅを軸方向に伸して入出力端面での相手側端面
とのガタを無くして密着させるバックアップ作用をさせ
る。

【００１８】図９に示される実施例では、補助室７を導
通管８で容器２に接続し、補助室７の加圧調節つまみ９
を回転して補助室内の流動体１を容器２に押込む。そし
て入力室２ｄおよび出力室２ｅを軸方向に伸して入出力
端面を相手側端面に密着させるバックアップ機構を備え
た。

【００１９】図１０に示される実施例では、複数の出力
室を設けて出力室２ｅの断面積の割合で入力を配分し、
入力を同時に異なった場所に伝達することができるよう
にした。

【００２０】図１１に示される実施例では、複数の入力
室を結合し、複数の入力端２ａを並列に取り付けて積層
型圧電素子１２の出力を入力室２ｄで加え合わせ、出力
端２ｂの変位および発生力を増倍できるようにした。

【００２１】図１２および図１３に示される実施例で
は、入力室２ｄの両端間に張った形状記憶合金素子１３
に駆動制御回路１６を介して電池１７を接続して通電加
熱し、急速に収縮させて入力端２ａを引っ込めるととも
に、出力室２ｅを伸して出力端２ｂを前方に押出し、出
力端入力端ともに一方向の変位を得て柔軟な表皮１５で
覆われた本体を前進させる。形状記憶合金素子１３への
通電を止めて冷却回復させるときに出力端２ｂ、入力端
２ａおよび結合壁２ｃに取り付けた羽根状の薄く柔軟な
推進翼１４で周囲の液体を把持して後退を抑え、自走あ
るいは泳動する。

【００２２】図１４に示される実施例では、収縮すると
外側に張り出す側壁３１を有する入力室と中側に入り込
む側壁３２を有する入力室の二つを背中合せに直列接続
し、全体を形状記憶合金素子１３で収縮させ、二つの入
力室の容積を増加および減少させて両端の出力端とも一
方向の変位を得ることで前進する。形状記憶合金素子１
３が回復するときの後退は羽根状の推進翼１４で抑え、
自走あるいは泳動させる。

【００２３】図１５に示される実施例は、形状記憶合金
素子１３で収縮させる二つの入力室を入れ子にして並列
接続することで、内側の側壁３２の両面を利用したこと
によって中側に入り込んで外側の入力室の容積変化を増
加させたこと、および全長を短く抑えたことを特長とす
る、両端の出力端とも一方向の変位を得て本体を前進さ
せ、自走あるいは泳動する機構である。

【００２４】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、以下に記載されるような効果を奏する。

【００２５】従来のリンク・レバーの組合せによる変位
拡大機構の変位拡大率はレバー比で決まり、長さの１乗
に比例した量であるが、本発明は断面積比に加えて入力
室側壁が内側に座屈することで、長さの２乗に比例した
量以上となるので、１段の拡大だけで容易に大きな変位
拡大率を実現できる。

【００２６】容器内容積の必要量は容積変化量の数倍あ
れば十分であり、大幅に上回らずともよいことと、容器
の形状に制限がないことおよび前項の特長から、変位拡
大機構全体を小型にすることができる。

【００２７】変位拡大機構が小型であり、構造が簡単な
ために、機構全体の慣性を小さく抑えることが可能であ
る。したがって使用する固体素子の高応答性を損うこと
なく、変位拡大ができる。

【００２８】流動体や柔軟物質の動きを用いるので、入
力端に対する出力端の位置や変位軸方向を任意に設定で
きるとともに、可変にすることもできる。

【００２９】接続した固体素子も含めて全体をケーシン
グに納めて密封し、隙間に流動体や柔軟物質を充填する
ことで、剛性の小さな容器側壁であっても、入力室が縮
められたときに側壁が周方向に延びて内容積の減少を減
らすことを防ぐことができる。

【００３０】容器に導通管で補助室を接続し、補助室か
ら容器内へ流動体を出し入れする量によって、入力端と
出力端の距離を調整するバックアップ機構にすることが
できる。したがって補助室に流動体を抜いて距離を縮
め、機構全体を容易に挿入することができるとともに、
補助室から流動体を押込んで、セッティングのための隙
間の除去が容易にできる。

【００３１】複数の出力端は出力室を枝分れさせるだけ
で容易に構成することができ、入力室が縮められて溢れ
た媒体をそれぞれの出力室に導いて、複数の出力を同時
に得ることができる。

【００３２】入力室に複数の入力端を並列に取り付ける
ことで、固体素子の出力を加え合わせ、出力端面積は増
さずに変位および発生力を増倍することができる。これ
によって固体素子個々の能力を上回る出力を得ることが
可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】変位拡大機構と積層型圧電素子をケーシングに
組込んだ状態を示す縦断面図である。

【図２】入力軸に対して、出力軸の位置と方向を違えた
実施例を示す縦断面図である。

【図３】出力軸の位置と方向を任意に変更できる実施例
を示す縦断面図である。

【図４】断面積が徐々に変化した容器とすることで入力
室と出力室との結合壁を省略した実施例を示す縦断面図
である。

【図５】膜構造の入力室側壁枠を座屈させて内容積変化
を増大させた実施例を示す縦断面図である。

【図６】膜構造の入力室側壁枠を座屈させて内容積変化
を増大させた実施例を示す横断面図である。

【図７】入力室とケーシングとの隙間に流動体を充填し
て入力室の側壁が伸縮する膜のような材料の膨張を抑え
る実施例を示す縦断面図である。

【図８】伸縮する膜のような材料を用いた入力室の側壁
を押し板で押して膜の膨張を抑えたり、バックアップ作
用を得た実施例を示す縦断面図である。

【図９】容器に補助室を接続してバックアップ機構とし
て作用させる実施例を示す縦断面図である。

【図１０】複数の出力室を有する実施例を示す縦断面図
である。

【図１１】複数の入力室を有する実施例を示す縦断面図
である。

【図１２】入力室を形状記憶合金素子で収縮させ、両端
の出力端と入力端ともに一方向の変位を得て泳動する実
施例を示す縦断面図である。

【図１３】入力室を形状記憶合金素子で収縮させ、両端
の出力端と入力端ともに一方向の変位を得て泳動する実
施例を示す横断面図である。

【図１４】背中合せに直列接続した二つの入力室を形状
記憶合金素子で収縮させ、両端の出力端とも一方向の変
位を得て泳動する実施例を示す縦断面図である。

【図１５】形状記憶合金素子で収縮させる二つの入力室
を入れ子にして並列接続することで、座屈する側壁の両
面を入力室の容積変化に利用した、両端の出力端とも一
方向の変位を得て泳動する実施例を示す縦断面図であ
る。

【符号の説明】

１ 流動体あるいは柔軟物質 ２ 容器 ２ａ 入力端 ２ｂ 出力端 ２ｃ 結合壁 ２ｄ 入力室 ２ｅ 出力室 ３，３１，３２ 側壁 ４ 膜 ５ 枠 ６ ケーシング ７ 補助室 ８ 導通管 ９ 加圧調節つまみ １０ 注入弁 １１ 押し板 １２ 積層型圧電素子 １３ 形状記憶合金素子 １４ 推進翼 １５ 表皮 １６ 駆動制御回路 １７ 電池

【手続補正書】

【提出日】平成７年４月２０日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１５

【補正方法】追加

【補正内容】

【図１５】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 笹木 亮 石川県河北郡津幡町北中条ヌ50−５

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 容器（２）の入力端（２ａ）が押される
   と、入力室（２ｄ）の側壁（３）がたわんで内側に座屈
   することで、入力室（２ｄ）を潰して容積変化を増大さ
   せ、容器（２）に内封された流動体や柔軟物質（１）を
   入力室（２ｄ）から出力室（２ｅ）に排除して、入力端
   （２ａ）に対する出力端（２ｂ）の変位を拡大する機
   構。
2. 【請求項２】 入力端（２ａ）の変位軸に対して出力端
   （２ｂ）の変位軸の方向あるいは位置を違えた特許請求
   の範囲第１項に記載の変位拡大機構。
3. 【請求項３】 入力端（２ａ）の変位軸に対して出力端
   （２ｂ）の変位軸の方向あるいは位置を任意に変えるこ
   とができる特許請求の範囲第１項に記載の変位拡大機
   構。
4. 【請求項４】 容器（２）の入力室（２ｄ）の断面積を
   徐々に絞って出力室（２ｅ）の断面積まで滑らかに変化
   させることで結合壁（２ｃ）を省略した特許請求の範囲
   第１項に記載の変位拡大機構。
5. 【請求項５】 容器（２）の周囲を流動体や柔軟物質
   （１）の封入で加圧した特許請求の範囲第１項に記載の
   変位拡大機構。
6. 【請求項６】 容器（２）に接続した補助室（７）から
   流動体（１）を出し入れして、出力端（２ｂ）の平衡位
   置を可変にした特許請求の範囲第１項に記載の変位拡大
   機構。
7. 【請求項７】 複数の出力室（２ｅ）を入力室（２ｄ）
   に接続した特許請求の範囲第１項に記載の変位拡大機
   構。
8. 【請求項８】 複数の入力室（２ｄ）を出力室（２ｅ）
   に接続した特許請求の範囲第１項に記載の変位拡大機
   構。