JP2015198490A - Displacement expansion piezoelectric actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ピエゾ素子の変位を拡大して出力する変位拡大機構を備える変位拡大ピエゾアクチュエータに関する。 The present invention relates to a displacement magnifying piezo actuator including a displacement magnifying mechanism that magnifies and outputs a displacement of a piezo element.
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ー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（電気エネルギーを機械エネルギーに変換した）後に、その伸張を維持するための電気エネルギーを必要とせず、発熱もないため、非常に高いエネルギー効率を有する。 It is known that an actuator (piezoactuator) using a piezoelectric element (piezoelectric element) made of a piezoelectric material such as lead zirconate titanate (PZT) has very high energy efficiency. . That is, unlike an electromagnetic actuator, for example, a piezo element does not require electrical energy to maintain its extension after it is expanded by applying a voltage (converting electrical energy into mechanical energy), and does not generate heat. Has very high energy efficiency.
しかしながら、ピエゾ素子は、電圧の印加により最大０．１％オーダーの変位（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。 However, since the piezo element only brings a displacement (strain) of the order of 0.1% at the maximum by applying a voltage, it may not be practical to use it as it is.
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、出力する変位拡大機構を備えるピエゾアクチュエータが知られている（例えば、特許文献１）。 Therefore, a piezo actuator having a displacement magnifying mechanism that magnifies (amplifies) and outputs a small displacement of the piezo element is conventionally known (for example, Patent Document 1).
特許文献１では、一対のピエゾ素子と、一対のピエゾ素子それぞれの一端を繋ぐ出力節点と、一対のピエゾ素子の各他端に設けられた回転接合部であって、支持部を介して構造体にマウントされた回転接合部とを有するピエゾアクチュエータが開示されている。当該ピエゾアクチュエータは、座屈現象を利用して、ピエゾ素子の変位を拡大する座屈式変位拡大機構を備え、ピエゾ素子の両端は、回転接合により、その回転動作が案内される構造となっている。
In
ところで、回転動作が案内されるピエゾ素子の回転接合の実施態様として、転がりジョイントが用いられる場合がある。転がりジョイントは、固体接触により回転径方向に対して高い剛性を得ることが可能であり、ピエゾ素子から出力されるエネルギーのジョイント部の撓み等による減衰を抑制し、高いエネルギー伝達効率でピエゾ素子の変位を拡大して出力することができる。 By the way, a rolling joint may be used as an embodiment of the rotational joining of the piezoelectric element guided by the rotational operation. A rolling joint can obtain high rigidity in the radial direction by solid contact, suppresses the attenuation of energy output from the piezo element due to bending of the joint part, etc., and the piezo element has high energy transfer efficiency. Displacement can be enlarged and output.
しかしながら、転がりジョイントの接線方向は、接触部の摩擦力のみで接合されているため、ピエゾアクチュエータの出力部等への外力の作用やピエゾ素子の繰り返し動作による微小なずれの蓄積等により、所望の接触位置からのずれが発生する可能性がある。そのため、ピエゾアクチュエータは、適切な動作が困難となるおそれがある。 However, since the tangential direction of the rolling joint is joined only by the frictional force of the contact part, it can be obtained by the action of external force on the output part of the piezo actuator and the accumulation of minute deviations due to repeated operation of the piezo element. Deviation from the contact position may occur. Therefore, the piezo actuator may be difficult to operate properly.
また、予め十分大きな圧縮力（予荷重）を付与することで、ずれが生じにくくすることも考えられるが、あまり大きな予荷重を付与すると出力特性が悪化し、ピエゾアクチュエータから取り出すことが可能な出力が減少するおそれがある。 In addition, it is conceivable that the shift is less likely to occur by applying a sufficiently large compressive force (preload) in advance. However, if a too large preload is applied, the output characteristics deteriorate, and output that can be taken out from the piezo actuator is possible. May decrease.
そこで、上記課題に鑑み、転がりジョイントによりピエゾ素子の回転動作を案内する場合に、取り出すことが可能な出力を減少させることなく、転がりジョイントの接線方向における接触部の接触位置のずれを防止することが可能な変位拡大ピエゾアクチュエータを提供することを目的とする。 Therefore, in view of the above-mentioned problems, when the rotation operation of the piezo element is guided by the rolling joint, the displacement of the contact position of the contact portion in the tangential direction of the rolling joint is prevented without reducing the output that can be taken out. It is an object of the present invention to provide a displacement magnifying piezo actuator capable of performing
上記目的を達成するため、一実施形態において、変位拡大ピエゾアクチュエータは、
転がりジョイントによって回転動作が案内されるピエゾ素子の変位を拡大して出力する変位拡大ピエゾアクチュエータであって、
前記転がりジョイントに歯車形状を付加することを特徴とする。
In order to achieve the above object, in one embodiment, a displacement expanding piezo actuator comprises:
A displacement magnifying piezo actuator that magnifies and outputs the displacement of a piezo element whose rotational motion is guided by a rolling joint,
A gear shape is added to the rolling joint.
上述の手段により、転がりジョイントによりピエゾ素子の回転動作を案内する場合に、取り出すことが可能な出力を減少させることなく、転がりジョイントの接線方向における接触部の接触位置のずれを防止することが可能な変位拡大ピエゾアクチュエータを提供することができる。 With the above-mentioned means, when the rotation operation of the piezo element is guided by the rolling joint, it is possible to prevent the displacement of the contact position of the contact portion in the tangential direction of the rolling joint without reducing the output that can be taken out. A displacement magnifying piezo actuator can be provided.
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。 Hereinafter, embodiments for carrying out the invention will be described with reference to the drawings.
まず、本実施形態に係る変位拡大ピエゾアクチュエータ１の動作について説明する。
First, the operation of the displacement magnifying
図１は、変位拡大ピエゾアクチュエータ１の動作を説明する概念図である。本実施形態に係る変位拡大ピエゾアクチュエータ１は、座屈現象を利用した非線形変位拡大機構を有する座屈式ピエゾアクチュエータである。
FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating the operation of the displacement
変位拡大ピエゾアクチュエータ１は、一対のピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒ、一対のピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒそれぞれに対応するサイドブロック１２Ｌ、１２Ｒ、出力部１４等から構成される。
The displacement
一対のピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒは、それぞれの一端（それぞれの中央）で出力部１４と接続する。また、一対のピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒは、２つの剛壁としてのサイドブロック１２Ｌ、１２Ｒの間に配置され、それぞれの他端で、サイドブロック１２Ｌ、１２Ｒと接続する。なお、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒは、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、サイドブロック１２Ｌ、１２Ｒとの接続点を中心とした回転動作が可能な態様で、サイドブロック１２Ｌ、１２Ｒと接続される。また、２つのサイドブロック１２Ｌ、１２Ｒは、ベース構造を介して互いに剛結合される。
The pair of
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、変位拡大ピエゾアクチュエータ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）に座屈する。この座屈による変位は、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒによりもたらされる変位よりも二桁のオーダーで大きい。
When a voltage is applied to both of the two
また、座屈式ピエゾアクチュエータとしての変位拡大ピエゾアクチュエータ１は、適切な機構を用いることにより、特異点の両側（図の上下方向）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。
Further, the displacement magnifying
従って、本実施形態に係る変位拡大ピエゾアクチュエータ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。
Therefore, the displacement magnifying
次に、本実施形態に係る変位拡大ピエゾアクチュエータ１の変位拡大機構、特に、転がりジョイントの構成、作用について説明する。
Next, the displacement enlarging mechanism of the displacement enlarging
図２は、本実施形態に係る変位拡大ピエゾアクチュエータ１の概略図である。
FIG. 2 is a schematic diagram of the displacement
本実施形態に係る変位拡大ピエゾアクチュエータ１では、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。
In the displacement
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。
Specifically, both ends of the
図２（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２（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。
As shown in FIG. 2A, it is assumed that two
図２（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。 As shown in FIG. 2B, when an external force Fload is applied to the output node (output unit 14) in the vertical direction, internal forces (contact forces) Fi1 to Fi4 are generated by the caps CP1 to CP4 as the four contact portions. Is done.
この際、図２（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。従って、より大きな出力をピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒから取り出すことができる。
At this time, as shown in FIG. 2B, when z = 0, the frictional force disappears completely at each of the four contact portions (caps CP1 to CP4). That is, if the two circular cross-sectional circles (radius R) at both ends of the
なお、図２（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。 As shown in FIG. 2C, when z ≠ 0, a friction angle μ is generated, and a frictional force is generated as a tangential component of the contact forces Fi1 to Fi4. In this case, even if the distance z is small, the output is greatly reduced because the preload described later is large.
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。
Next, the preload applied to the
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、変位拡大ピエゾアクチュエータ１から取り出すことが可能な出力仕事を増大させることができる。
When a preload (compression force) is applied to the
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、電圧が印加されると、自然長を超えて伸張し、印加電圧が消失すると自然長より短い長さに戻る（圧縮される）。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。
Specifically, when a preload is applied to the
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、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒが発生させる力と予荷重の大きさが同じであれば、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。
As a result, the
図３は、変位拡大ピエゾアクチュエータ１（座屈式ピエゾアクチュエータ）に予荷重を掛けるための標準的な機構を示す。図３において、変位拡大ピエゾアクチュエータ１（座屈式ピエゾアクチュエータ）のサイドブロック１２Ｌ、１２Ｒの一方（本図では、サイドブロック１２Ｒ）に、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒが発生可能な最大の力以上の予荷重を掛けるために押込まれる。なお、この間、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒの電圧は、０Ｖに保持される。
FIG. 3 shows a standard mechanism for preloading the displacement magnifying piezo actuator 1 (buckling piezo actuator). In FIG. 3, it is predicted that one of the side blocks 12L and 12R (the
ここで、予荷重は、図中に示す特異姿勢（特異点）において適用されるので座屈を引き起こし、出力部１４を垂直方向（出力軸Ｄ１の方向）のいずれかの向きに変位させる。その結果、予荷重は減少してしまう。この予荷重の減少を防止するため、弾性部材としての安定化ばね１８が出力部１４に取り付けられる。
Here, since the preload is applied in the singular posture (singular point) shown in the figure, it causes buckling and displaces the
予荷重は、電圧を印加するのと同様にピエゾ素子の圧縮抵抗力を引き起こすので、図中に示す特異姿勢（特異点）において、出力部１４が出力軸Ｄ１の方向に不安定である。
The preload causes the compressive resistance of the piezo element in the same way as the voltage is applied, so that the
これに対して、安定化ばね１８は、出力部１４を中心（特異点）に戻す傾向を有する復元力を生成する。そのため、安定化ばね１８を用いる構成により、実用上の領域において、予荷重を略一定に維持させることが可能となる。
In contrast, the stabilizing
次に、上述した特徴を有する変位拡大ピエゾアクチュエータ１（座屈式ピエゾアクチュエータ）の具体的な構成について説明をする。 Next, a specific configuration of the displacement magnifying piezo actuator 1 (buckling piezo actuator) having the above-described features will be described.
図４は、変位拡大ピエゾアクチュエータ１（座屈式ピエゾアクチュエータ）の構成の一例を示す外観図である。また、図５は、図４に示す変位拡大ピエゾアクチュエータ（座屈式ピエゾアクチュエータ）の断面図である。 FIG. 4 is an external view showing an example of the configuration of the displacement magnifying piezo actuator 1 (buckling piezo actuator). FIG. 5 is a cross-sectional view of the displacement magnifying piezo actuator (buckling piezo actuator) shown in FIG.
図４、図５に示す変位拡大ピエゾアクチュエータ１は、図１〜図３を用いて説明したものと同様、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒの変位を座屈現象を用いて拡大し、出力部１４から取り出す座屈式ピエゾアクチュエータである。具体的には、電動モータの回転を減速させるブレーキに適用され、図４、図５において、出力部１４の上端にパッド（不図示）が取り付けられ、出力部１４の上方移動により電動モータの出力端に設けられたディスクにパッドが押し付けられ電動モータの回転が減速される。
4 and 5, the displacement magnifying
図４を参照するに、図２で説明したとおり、サイドブロック１２Ｌ、１２Ｒは、一対のフレーム１６により剛結合される。これにより、サイドブロック１２Ｌ、１２Ｒによる一定の予荷重が付与された状態で、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒの外端の動作を規制し、座屈現象による出力部１４の大変位を発生させることができる。
Referring to FIG. 4, as described in FIG. 2, the side blocks 12 </ b> L and 12 </ b> R are rigidly coupled by a pair of
フレーム１６のコンプライアンスは、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒから出力部１４へのエネルギー伝達効率を低減させるため、高い剛性の材料の使用が好ましい。例えば、鋼鉄製であってもよいし、予荷重及びピエゾ素子から発生する力により作用する荷重方向は、一方向に限られるため、当該方向にのみ高い剛性を有する材料（炭素繊維強化プラスチック等）が適用されてもよい。
Since the compliance of the
図５を参照するに、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒに付与された予荷重による出力部１４の特異点における出力方向への不安定動作を安定化させるため、サイドブロック１２Ｌ、１２Ｒと出力部１４とを結ぶ板バネとして安定化ばね１８が設けられる。
Referring to FIG. 5, in order to stabilize the unstable operation in the output direction at the singular point of the
なお、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒは、図３に示したものと同様、サイドブロック１２Ｌ、１２Ｒの一方を押込む（サイドブロック１２Ｌ、１２Ｒ間の距離を縮める）ことにより、予荷重が付与されている。その結果、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒは、自然長よりも短い状態で実装されている。
In addition, the
また、本例における変位拡大ピエゾアクチュエータ１は、図２に示したように、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒの両端が、転がりジョイントにより回転動作が案内される構造になっている。具体的には、ピエゾ素子１０Ｌ、及び、ピエゾ素子１０Ｒのそれぞれの両端には、半径Ｒの円筒面を有するキャップＣＰ１、ＣＰ２、及びキャップＣＰ３、ＣＰ４が設けられる。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の円筒面を有する。
In addition, as shown in FIG. 2, the displacement magnifying
また、図２（ｂ）と同様、ピエゾ素子１０Ｌの両端に設けられるキャップＣＰ１、ＣＰ２の２つの円筒面（円形断面）の円（半径Ｒ）が同心となっており、ピエゾ素子１０Ｒの両端に設けられるキャップＣＰ３、ＣＰ４に関しても同様である。そのため、上述したとおり、特段の乱れがない限り、キャップＣＰ１〜ＣＰ４に法線方向の力（摩擦力）が発生せず、変位拡大ピエゾアクチュエータ１は、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒからより大きな出力を取り出すことができる。
Similarly to FIG. 2B, the circles (radius R) of the two cylindrical surfaces (circular cross sections) of the caps CP1 and CP2 provided at both ends of the
本例において、サイドブロック１２Ｌの接触面とキャップＣＰ１、サイドブロック１２Ｒの接触面とキャップＣＰ４、又は、出力部１４の両端の接触面とキャップＣＰ２、ＣＰ３で構成される転がりジョイントの接触面では、予荷重により静的に圧縮力が付与され、摩擦力が発生して滑りの発生が抑制される。しかしながら、本例の変位拡大ピエゾアクチュエータ１のように、出力部１４から負荷（電動モータからの入力荷重）が入力されうる構成では、想定外の大きな入力が出力部１４にあった場合、各転がりジョイントの接触面に作用する圧縮力が低下することで、摩擦力が低下し、滑り（ずれ）が生じる可能性がある。また、各転がりジョイントにおける滑り量（ずれ量）が微小であっても、繰り返して滑りが発生することによる蓄積で、大きなずれに発展する可能性もある。
In this example, the contact surface of the side block 12L and the cap CP1, the contact surface of the side block 12R and the cap CP4, or the contact surface of both ends of the
そこで、本実施例に係る変位拡大ピエゾアクチュエータ１では、転がりジョイントに噛み合い可能な歯車形状（一対の歯車面）を付加することにより、転がりジョイントにおける接触面同士のずれ（滑り）を抑制する。
Therefore, in the displacement magnifying
図５に示すように、ピエゾ素子１０Ｌの外側の端面における転がりジョイントを構成するＣＰ１とサイドブロック１２Ｌの各接触面（各円筒面）の上下に隣接して、一対の歯車部ＣＰ１ａ、１２Ｌａ、及び、一対の歯車部ＣＰ１ｂ、１２Ｌｂが設けられる。また、ピエゾ素子１０Ｌの内側の端面における転がりジョイントを構成するＣＰ２と出力部１４の各接触面（各円筒面）の上下に隣接して、一対の歯車部ＣＰ２ａ、１４Ｌａ、及び、一対の歯車部ＣＰ２ｂ、１４Ｌｂが設けられる。また、ピエゾ素子１０Ｒの内側の端面における転がりジョイントを構成するＣＰ３と出力部１４の各接触面（各円筒面）の上下に隣接して、一対の歯車部ＣＰ３ａ、１４Ｒａ、及び、一対の歯車部ＣＰ３ｂ、１４Ｒｂが設けられる。また、ピエゾ素子１０Ｒの外側の端面とサイドブロック１２Ｒの内側の端面における転がりジョイントを構成するＣＰ４と出力部１４の各接触面（各円筒面）の上下に隣接して、一対の歯車部ＣＰ４ａ、１２Ｒａ、及び、一対の歯車部ＣＰ４ｂ、１２Ｒｂが設けられる。以下、各転がりジョイントに設けられた一対の歯車部に含まれる歯車形状について、図６を用いて具体的に説明をする。
As shown in FIG. 5, a pair of gear portions CP1a, 12La, and CP1 adjacent to the upper and lower sides of each contact surface (each cylindrical surface) of CP1 and
図６は、変位拡大ピエゾアクチュエータ１の転がりジョイント部分を拡大して示した断面図であり、具体的には、ピエゾ素子１０Ｌの外側の端面における転がりジョイント部分を拡大して示した断面図である。
FIG. 6 is an enlarged cross-sectional view showing a rolling joint portion of the displacement magnifying
当該転がりジョイントは、キャップＣＰ１とサイドブロック１２Ｌの各接触面ＣＰ１Ｆ、１２ＬＦにおける線接触により実現される。
The rolling joint is realized by line contact on the contact surfaces CP1F and 12LF of the cap CP1 and the
キャップＣＰ１には、接触面ＣＰ１Ｆの上側に隣接して凹部としての歯車部ＣＰ１ａ（凹歯車部）が設けられ、接触面ＣＰ１Ｆの下側に隣接して凹部としての歯車部ＣＰ１ｂ（凹歯車部）が設けられる。また、これらに対応して、サイドブロック１２Ｌには、接触面１２ＬＦの上側に隣接して凸部としての歯車部１２Ｌａ（凸歯車部）が設けられ、接触面１２ＬＦの下側に隣接して凸部としての歯車部１２Ｌｂ（凸歯車部）が設けられる。歯車部ＣＰ１ａ、１２Ｌａは、一対の歯車部を構成し、歯車部ＣＰ１ａの凹みに凸部としての歯車部１２Ｌａの少なくとも一部が含まれるように配置される。同様に、歯車部ＣＰ１ｂ、１２Ｌｂは、一対の歯車部を構成し、歯車部ＣＰ１ｂの凹みに凸部としての歯車部１２Ｌｂの少なくとも一部が含まれるように配置される。
The cap CP1 is provided with a gear portion CP1a (concave gear portion) as a recess adjacent to the upper side of the contact surface CP1F, and a gear portion CP1b (concave gear portion) as a recess adjacent to the lower side of the contact surface CP1F. Is provided. Correspondingly, the
凹部としての歯車部ＣＰ１ａの外縁を構成する面のうち、接触面ＣＰ１Ｆと隣接しない側（上側）の側面に歯車形状を有する歯車面ＣＰ１ａＦ（図中太線）が設けられる。これに対応して、凸部としての歯車部１２Ｌａの外縁を構成する面のうち、接触面１２ＬＦに隣接しない側（上側）の側面に歯車形状を有する歯車面１２ＬａＦ（図中太線）が設けられる。当該一対の歯車面ＣＰ１ａＦ、１２ＬａＦは、接触面１２ＬＦに対して、キャップＣＰ１が接触面ＣＰ１Ｆの周方向（接線方向）下方に滑りを生じた場合に、噛み合い可能な態様で上下に近接して設けられている。 A gear surface CP1aF (thick line in the figure) having a gear shape is provided on the side surface (upper side) not adjacent to the contact surface CP1F among the surfaces constituting the outer edge of the gear portion CP1a as the recess. Correspondingly, a gear surface 12LaF (thick line in the figure) having a gear shape is provided on the side surface (upper side) not adjacent to the contact surface 12LF among the surfaces constituting the outer edge of the gear portion 12La as the convex portion. . The pair of gear surfaces CP1aF and 12LaF are provided close to each other in such a manner that the cap CP1 can mesh with the contact surface 12LF when the cap CP1 slides downward in the circumferential direction (tangential direction) of the contact surface CP1F. It has been.
同様に、凹部としての歯車部ＣＰ１ｂの外縁を構成する面のうち、接触面ＣＰ１Ｆと隣接しない側（下側）の側面に歯車形状を有する歯車面ＣＰ１ｂＦ（図中太線）が設けられる。これに対応して、凸部としての歯車部１２Ｌｂの外縁を構成する面のうち、接触面１２ＬＦに隣接しない側（下側）の側面に歯車形状を有する歯車面１２ＬｂＦ（図中太線）が設けられる。当該一対の歯車面ＣＰ１ｂＦ、１２ＬｂＦは、接触面１２ＬＦに対して、キャップＣＰ１が接触面ＣＰ１Ｆの周方向（接線方向）上方に滑りを生じた場合に、噛み合い可能な態様で上下に近接して設けられている。 Similarly, a gear surface CP1bF (thick line in the drawing) having a gear shape is provided on a side surface (lower side) that is not adjacent to the contact surface CP1F among the surfaces constituting the outer edge of the gear portion CP1b as a recess. Correspondingly, a gear surface 12LbF (thick line in the figure) having a gear shape is provided on the side surface (lower side) not adjacent to the contact surface 12LF among the surfaces constituting the outer edge of the gear portion 12Lb as the convex portion. It is done. The pair of gear surfaces CP1bF and 12LbF are provided close to each other in such a manner that the cap CP1 can mesh with the contact surface 12LF when the cap CP1 slips upward in the circumferential direction (tangential direction) of the contact surface CP1F. It has been.
即ち、接触面ＣＰ１Ｆ、１２ＬＦの上側に隣接して設けられた一対の歯車部ＣＰ１ａ、１２Ｌａには、接触面１２ＬＦに対して接触面ＣＰ１Ｆが周方向下方に滑りを生じた場合に噛み合い可能な一対の歯車面ＣＰ１ａＦ、１２ＬａＦが設けられる。また、接触面ＣＰ１Ｆ、１２ＬＦの下方に隣接して設けられた一対の歯車部ＣＰ１ｂ、１２Ｌｂには、接触面１２ＬＦに対して接触面ＣＰ１Ｆが周方向上方に滑りを生じた場合に噛み合い可能な一対の歯車面ＣＰ１ｂＦ、１２ＬｂＦが設けられる。各歯車面を構成する歯車形状は、例えば、インボリュート曲線、サイクロイド曲線等によるものであってよい。 That is, a pair of gear portions CP1a and 12La provided adjacent to the upper side of the contact surfaces CP1F and 12LF can engage with each other when the contact surface CP1F slides downward in the circumferential direction with respect to the contact surface 12LF. Gear surfaces CP1aF and 12LaF are provided. In addition, a pair of gear portions CP1b and 12Lb provided adjacently below the contact surfaces CP1F and 12LF can engage with each other when the contact surface CP1F slips upward in the circumferential direction with respect to the contact surface 12LF. Gear surfaces CP1bF and 12LbF are provided. The gear shape constituting each gear surface may be, for example, an involute curve, a cycloid curve, or the like.
図５に示す他の転がりジョイント（出力部１４とキャップＣＰ２、出力部１４とキャップＣＰ３、及び、サイドブロック１２ＲとキャップＣＰ４）においても、同様に、一対の歯車面が設けられる。そして、一対の歯車面の噛み合いにより同様の作用・効果が得られる。
Similarly, in the other rolling joints shown in FIG. 5 (the
このように、転がりジョイントに噛み合い可能な歯車形状（一対の歯車面）を付加することにより、転がりジョイントの接触部における摩擦力が低下した場合に、接触面同士の滑りを、歯車面（歯車形状）同士の噛み合いにより防止することができる。 In this way, when the frictional force at the contact portion of the rolling joint is reduced by adding a gear shape (a pair of gear surfaces) that can mesh with the rolling joint, the sliding between the contact surfaces is reduced to the gear surface (gear shape). ) Can be prevented by the mutual engagement.
また、本例では、キャップＣＰ１側の歯車面ＣＰ１ａＦ、ＣＰ１ｂＦは、キャップＣＰ１の接触面としての円筒面の断面円（半径Ｒ）をピッチ円とする。また、サイドブロック１２Ｌ側の歯車面１２ＬａＦ、１２ＬｂＦは、サイドブロック１２Ｌの接触面としての円筒面の断面円（半径ｒ）をピッチ円とする。そのため、キャップＣＰ１とサイドブロック１２Ｌの各円筒面上で滑りが生じうる条件下において、一対の歯車面ＣＰ１ａＦ、１２ＬａＦ、又は、ＣＰ１ｂＦ、１２ＬｂＦがスムーズに噛み合い、円筒面上での滑りを確実に抑制することができる。
In this example, the gear surfaces CP1aF and CP1bF on the side of the cap CP1 have a circular cross section (radius R) of a cylindrical surface as a contact surface of the cap CP1 as a pitch circle. Further, the gear surfaces 12LaF and 12LbF on the side block 12L side have a circular circle (radius r) of a cylindrical surface as a contact surface of the
図５に示す他の転がりジョイントについても同様に、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒの端面に設けられたキャップＣＰ２〜ＣＰ４側に凹歯車部が設けられ、出力部１４、或いは、サイドブロック１２Ｒ側に凸歯車部が設けられる。また、キャップＣＰ２〜ＣＰ４側に設けられた凹歯車部に含まれる歯車面は、それぞれ、キャップＣＰ２〜ＣＰ４の接触面としての円筒面の断面円（半径Ｒ）をピッチ円とする。また、出力部１４、或いは、サイドブロック１２Ｒ側に設けられた凸歯車部に含まれる歯車面は、それぞれ、出力部１４、或いは、サイドブロック１２Ｒの接触面としての円筒面の断面円（半径ｒ）をピッチ円とする。そのため、他の転がりジョイントについても同様に、接触面としての各円筒面に滑りが生じうる条件下において、接触面の上下に隣接して設けられた一対の歯車面の一方がスムーズに噛み合い、円筒面上での滑りを確実に抑制することができる。
Similarly for the other rolling joints shown in FIG. 5, concave gears are provided on the caps CP2 to CP4 provided on the end faces of the
また、変位拡大ピエゾアクチュエータ１の通常動作時において、上述した各一対の歯車面は、各転がりジョイントの転がり動作を干渉しない。具体的には、一対の歯車面ＣＰ１ａＦ、１２ＬａＦは、転がりジョイントの接触面同士に滑りが生じていない動作状態では、接触していないことが好ましく、接触している場合であっても、転がり動作による歯車面同士の力の伝達が無視できるほどに小さければよい。一対の歯車面ＣＰ１ｂＦ、１２ＬｂＦ、及び、他の転がりジョイントに設けられる各一対の歯車面についても同様である。これにより、歯車形状が付加されることによる出力部１４からの出力の低下を避けることができる。
Further, during the normal operation of the displacement enlarging
また、上述した各一対の歯車面のそれぞれは、各転がりジョイントにおける接触面（各円筒面）の幅内に少なくともその一部が含まれるように配置される。特に、本実施例では、一対の歯車面のそれぞれが、各転がりジョイントにおける接触面の幅内に収まるように配置される。これにより、変位拡大ピエゾアクチュエータ１の幅を維持しつつ、上述の歯車形状（一対の歯車面）を付加し、転がりジョイントの接触面同士の滑りを抑制することができる。
Further, each of the pair of gear surfaces described above is arranged so that at least a part thereof is included in the width of the contact surface (each cylindrical surface) in each rolling joint. In particular, in the present embodiment, each of the pair of gear surfaces is disposed so as to be within the width of the contact surface in each rolling joint. Thereby, the above-mentioned gear shape (a pair of gear surfaces) can be added and the slip of the contact surfaces of the rolling joint can be suppressed while maintaining the width of the displacement magnifying
なお、転がりジョイントの接触面同士に滑りが発生する場合に、凸歯車部と凹歯車部のぞれぞれに設けられた歯車面が噛み合うことで滑りが抑制されればよく、転がりジョイントの接触面を構成する構成要素のいずれの側に凸歯車部、又は、凹歯車部を配置するかについては、任意であってよい。 In addition, when slip occurs between the contact surfaces of the rolling joint, it is sufficient that the slippage is suppressed by meshing the gear surfaces provided on the convex gear portion and the concave gear portion, respectively. It may be arbitrary about which side of the component which comprises a surface arrange | positions a convex gear part or a concave gear part.
また、本例では、転がりジョイントの接触面に隣接して、一対の歯車部を上下に２つ設けたが、１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。即ち、接触面の周方向（法線方向）上方、及び、下方への滑りを噛み合いにより抑制可能な歯車形状が含まれれば、転がりジョイントの接触面に隣接して設けられる一対の歯車部の数は、任意に設定されてよい。 In this example, two pairs of gear portions are provided on the upper and lower sides adjacent to the contact surface of the rolling joint. However, one or three or more gear portions may be provided. That is, the number of a pair of gear portions provided adjacent to the contact surface of the rolling joint is included if a gear shape that can suppress slipping upward and downward in the circumferential direction (normal direction) of the contact surface is included. May be set arbitrarily.
このように、本実施形態に係る変位拡大ピエゾアクチュエータ１では、ピエゾ素子１０Ｌ、１０Ｒの回転動作を案内する転がりジョイントに噛み合い可能な歯車形状（一対の歯車面）が付加される。具体的には、転がりジョイントの各接触面の上下（回動方向）に隣接して噛み合い可能な一対の歯車面を含む一対の歯車部（一方の接触面側に凸歯車部、他方の接触面側に凹歯車部）が設けられる。これにより、出力部１４に想定外の大きな外力が作用することで、各転がりジョイントの摩擦力が低下して、接触面同士の滑りが発生する状況下であっても、それぞれの一対の歯車面同士が噛み合うことで、各転がりジョイントにおける滑りを抑制することができる。また、接触面同士の滑りを抑制するために、予荷重を必要以上に高める必要がないため、出力部１４からの出力特性を悪化させることもない。即ち、出力特性に対して最適化した予荷重を設定することができ、変位拡大ピエゾアクチュエータ１から取り出すことが可能な出力を減少させることなく、転がりジョイントの接線方向における接触部同士の接触位置のずれを防止することができる。
As described above, in the displacement magnifying
また、本実施形態にかかる変位拡大ピエゾアクチュエータ１では、転がりジョイントに付加された歯車形状（一対の歯車面）が、転がりジョイントの接触面としての円筒面の断面円をピッチ円とする。即ち、転がりジョイントを構成する一方の接触面側に隣接して設けられる歯車面は、当該一方の接触面（円筒面）の断面円をピッチ円とし、他方の接触面側に隣接して設けられる歯車面は、当該他方の接触面（円筒面）の断面円をピッチ円とする。これにより、転がりジョイントの各円筒面に滑りが生じうる条件下において、一対の歯車面がスムーズに噛み合い、円筒面上での滑りを確実に抑制することができる。
Further, in the displacement magnifying
また、本実施形態に係る変位拡大ピエゾアクチュエータ１では、転がりジョイントに付加された歯車形状（歯車面）が、転がりジョイントの接触面の幅内に少なくとも一部が含まれる。これにより、変位拡大ピエゾアクチュエータ１の幅を維持しつつ、上述の歯車形状（一対の歯車面）を付加することができる。
In the displacement magnifying
また、本実施形態に係る変位拡大ピエゾアクチュエータ１では、転がりジョイントに付加された噛み合い可能な歯車形状が、転がりジョイントの転がり動作を干渉しない。具体的には、一対の歯車面を構成する、一方の接触面側に設けられる歯車面と他方の接触面側に設けられる歯車面とが、接触面同士に滑りが生じていない動作状態で、接触していないことが好ましい。また、接触している場合であっても、転がり動作による歯車面同士の力の伝達が無視できるほどに小さければよい。これにより、歯車形状が付加されることによる出力部１４からの出力の低下を避けることができる。
In the displacement magnifying
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。 As mentioned above, although the form for implementing this invention was explained in full detail, this invention is not limited to this specific embodiment, In the range of the summary of this invention described in the claim, various Can be modified or changed.
例えば、上述した実施形態において、転がりジョイントは、円筒面同士の接触により回転動作を実現するものであったが、互いに転がり接触を実現できる接触面を構成することが可能な態様であれば、円筒面以外の形状を有していてもよい。例えば、転がり接触する２つの構成要素の一方の接触面は、平坦面であってよい。この場合、接触面として平坦面を有する構成要素側に設けられる歯車形状（歯車面）は、ラック形状であってよい。これにより、上述の実施形態と同様、接触面としての円筒面を有する構成要素側に設けられる歯車形状（例えば、インボリュート曲線等）とラック形状との噛み合いにより接触面同士の滑りを抑制することができる。また、転がりジョイントの一方の接触面は、転がり接触が可能な凸曲面であってよく、他方の接触面は、凹曲面であってもよい。 For example, in the above-described embodiment, the rolling joint realizes a rotating operation by contact between cylindrical surfaces, but if it is an aspect capable of constituting a contact surface that can realize a rolling contact with each other, the cylindrical joint is a cylinder. You may have shapes other than a surface. For example, one contact surface of two components that are in rolling contact may be a flat surface. In this case, the gear shape (gear surface) provided on the component side having a flat surface as the contact surface may be a rack shape. Thereby, like the above-mentioned embodiment, it is possible to suppress slippage between the contact surfaces by meshing between a gear shape (for example, an involute curve) provided on the component side having a cylindrical surface as a contact surface and a rack shape. it can. Further, one contact surface of the rolling joint may be a convex curved surface capable of rolling contact, and the other contact surface may be a concave curved surface.
また、上述の実施形態において、ピエゾ素子の回転動作を案内する転がりジョイントに歯車形状を付加する構成に関して、座屈式ピエゾアクチュエータを用いて説明したが、本構成は、座屈式ピエゾアクチュエータへの適用に限定されることはない。例えば、ピエゾ素子の変位を撓み機構により拡大して取り出すピエゾアクチュエータ等、ピエゾ素子の回転動作を案内する転がりジョイントを有する任意の変位拡大ピエゾアクチュエータに対して、歯車形状が付加されてよく、上述した実施形態と同様の作用、効果を奏する。即ち、転がりジョイントの接触部の摩擦力の低下等による接触面同士の滑り（ずれ）を抑制することができる。 Further, in the above-described embodiment, the configuration in which the gear shape is added to the rolling joint that guides the rotation operation of the piezo element has been described using the buckling piezo actuator, but this configuration is applied to the buckling piezo actuator. The application is not limited. For example, a gear shape may be added to any displacement magnifying piezo actuator having a rolling joint that guides the rotation operation of the piezo element, such as a piezo actuator that enlarges and extracts the displacement of the piezo element by a flexure mechanism, as described above. The same operations and effects as the embodiment are exhibited. That is, it is possible to suppress slippage (displacement) between the contact surfaces due to a decrease in frictional force at the contact portion of the rolling joint.
また、上述の実施形態において、変位拡大ピエゾアクチュエータ（座屈式ピエゾアクチュエータ）は、電動モータのブレーキに適用されるものであったが、上述した変位拡大ピエゾアクチュエータの適用が電動モータのブレーキに限定されることはない。例えば、上述した変位拡大ピエゾアクチュエータを複数用いて、直動モータや回転モータにおける動作を実現してもよい。直動モータや回転モータの場合についても、外部からの入力荷重を考慮する必要があり、想定外の外部入力により、変位拡大ピエゾアクチュエータの転がりジョイントの接触部の摩擦力が低下する可能性がある。そのため、上述した実施形態のように、転がりジョイントに歯車形状を付加することにより、転がりジョイントの接触部の摩擦力の低下等による接触面同士の滑り（ずれ）を抑制することができる。 In the above-described embodiment, the displacement magnifying piezo actuator (buckling piezo actuator) is applied to the brake of the electric motor. However, the application of the displacement magnifying piezo actuator described above is limited to the brake of the electric motor. It will never be done. For example, a plurality of displacement magnifying piezo actuators described above may be used to realize an operation in a linear motor or a rotary motor. Even in the case of linear motion motors and rotary motors, it is necessary to consider the external input load. The friction force at the contact part of the rolling joint of the displacement expansion piezo actuator may be reduced by an unexpected external input. . Therefore, as in the above-described embodiment, by adding a gear shape to the rolling joint, it is possible to suppress slippage (displacement) between the contact surfaces due to a decrease in the frictional force of the contact portion of the rolling joint.
１ 変位拡大ピエゾアクチュエータ
１０Ｌ、１０Ｒ ピエゾ素子
１２Ｌ、１２Ｒ サイドブロック
１２Ｌａ、１２Ｌｂ、１２Ｒａ、１２Ｒｂ 歯車部
１２ＬａＦ、１２ＬｂＦ 歯車面（歯車形状）
１４ 出力部
１４Ｌａ、１４Ｌｂ、１４Ｒａ、１４Ｒｂ 歯車部
１６ フレーム
１８ 安定化ばね
ＣＰ１〜ＣＰ４ キャップ
ＣＰ１ａ、ＣＰ１ｂ 歯車部
ＣＰ１ａＦ、ＣＰ１ｂＦ 歯車面（歯車形状）
ＣＰ２ａ、ＣＰ２ｂ 歯車部
ＣＰ３ａ、ＣＰ３ｂ 歯車部
ＣＰ４ａ、ＣＰ４ｂ 歯車部
DESCRIPTION OF
14 Output part 14La, 14Lb, 14Ra,
CP2a, CP2b Gear part CP3a, CP3b Gear part CP4a, CP4b Gear part
Claims (4)
前記転がりジョイントに歯車形状を付加することを特徴とする、
変位拡大ピエゾアクチュエータ。 A displacement magnifying piezo actuator that magnifies and outputs the displacement of a piezo element whose rotational motion is guided by a rolling joint,
A gear shape is added to the rolling joint,
Displacement expansion piezo actuator.
前記転がりジョイントの転がり接触面が円筒面である場合、前記円筒面の断面円をピッチ円とすることを特徴とする、
請求項１に記載の変位拡大ピエゾアクチュエータ。 The gear shape is
When the rolling contact surface of the rolling joint is a cylindrical surface, the cross-sectional circle of the cylindrical surface is a pitch circle,
The displacement magnifying piezo actuator according to claim 1.
前記転がりジョイントの転がり接触面の幅内に少なくとも一部が含まれることを特徴とする、
請求項１又は２に記載の変位拡大ピエゾアクチュエータ。 The gear shape is
At least a part is included in the width of the rolling contact surface of the rolling joint,
The displacement expansion piezoelectric actuator according to claim 1 or 2.
前記転がりジョイントによる転がり動作を干渉しないことを特徴とする、
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の変位拡大ピエゾアクチュエータ。 The gear shape is
It does not interfere with the rolling operation by the rolling joint,
The displacement expansion piezo actuator according to any one of claims 1 to 3.
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