JP2020054228A - Drive mechanism - Google Patents

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Yoshiaki Hata
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Abstract

To provide a driving device applicable to fine precision operation.SOLUTION: The driving device includes: a movable unit having a vibrator fixed to one end of an output shaft; a guide member for supporting the movable unit with the output shaft; and a restraining member for restraining the output shaft together with the guide member so as to have a degree of freedom with respect to a moving direction of the movable unit. By vibrating the vibrator, the movable unit moves relative to the guide member and the restraining member with an axial direction of the output shaft as a moving direction. An output member to which a tip tool can be attached is fixed to an end of the output shaft opposite to the vibrator.SELECTED DRAWING: Figure 15

Description

本発明は、電気エネルギーを駆動力に変換する装置に関する。   The present invention relates to a device for converting electric energy into driving force.

従来、圧電素子を利用して電気エネルギーを機械的仕事に変換する装置として、圧電インパクト駆動機構がある(たとえば特許文献1、2参照)。   2. Description of the Related Art Conventionally, there is a piezoelectric impact drive mechanism as a device that converts electric energy into mechanical work using a piezoelectric element (for example, see Patent Documents 1 and 2).

特許文献1においては、圧電素子の一端に移動体を、他端に慣性体を固定し移動体を微小ステップ駆動できるようにしている。特許文献2においては圧電素子を固定した移動体により移動体に接続された微小レンズを動かすようにしている。   In Patent Literature 1, a moving body is fixed to one end of a piezoelectric element, and an inertial body is fixed to the other end, so that the moving body can be driven in minute steps. In Patent Literature 2, a microlens connected to a moving body is moved by a moving body having a fixed piezoelectric element.

特開昭63−299785号公報JP-A-63-299785 特開平6−315282号公報JP-A-6-315282

従来の機構として、移動体に圧電素子の一端を取り付け、圧電素子を急速に変形させることにより移動体に衝撃(インパクト)を与えて移動体を移動させる機構がある。特許文献1の例では圧電素子の他端には慣性体を取り付けて圧電素子と慣性体により衝撃を発生させるようにしている。この機構は圧電素子を駆動源としているため小型の直動機構を実現でき、移動ユニットの移動距離は任意に延長することができる利点があるが、リニアアクチュエータ、電動シリンダーアクチュエータのような汎用的な機構要素として使おうとすると、特許文献1の例では移動方向のガイドがないか拘束が弱いため、移動体の移動方向が変化したり、姿勢が外力で変化し回転したりする可能性がある。   As a conventional mechanism, there is a mechanism that attaches one end of a piezoelectric element to a moving body and rapidly deforms the piezoelectric element to apply an impact to the moving body to move the moving body. In the example of Patent Literature 1, an inertial body is attached to the other end of the piezoelectric element so that an impact is generated by the piezoelectric element and the inertial body. Since this mechanism uses a piezoelectric element as a drive source, a small linear motion mechanism can be realized, and the moving distance of the moving unit can be arbitrarily extended. If an attempt is made to use it as a mechanism element, in the example of Patent Document 1, there is no guide in the moving direction or the constraint is weak, so that the moving direction of the moving body may change or the posture may change due to external force and rotate.

特許文献2の例では移動体は周囲の部材に対して、移動体から突き出した梁や突起を突っ張って圧接し、適当な摩擦が得られるようにしている。アクチュエータ単体として移動体の直進性を確保したり移動体の回転を防ぐ特段の対策がなされていず、外力に対して、移動方向を一定に保ったり姿勢を一定にして回転を防いだりする能力が低い。   In the example of Patent Literature 2, the moving body stretches a beam or a projection protruding from the moving body against a surrounding member and presses the member so as to obtain appropriate friction. No special measures have been taken to ensure the straightness of the moving body or prevent the rotation of the moving body as a single actuator, and the ability to keep the moving direction constant and the posture constant to prevent rotation against external force. Low.

これら例は微小ステップの駆動や微小光学系の駆動など特殊用途を目的とするもので、発生する力により対象物から受ける反力や、外力への対策がなされていない。このため、反力や外力により移動体の移動の方向が変化しやすかったり、移動体の姿勢が変化し回転しやすかったりするという課題がある。また移動方向を一定に保ったり姿勢を一定にして回転を防いだりする能力が低いため、発生力の反作用として力を作用させる対象物から受ける反力に弱く、発生力も大きくできないという課題がある。   These examples are intended for special applications such as driving of a minute step and driving of a minute optical system, and no measures are taken against the reaction force received from the object by the generated force or the external force. For this reason, there is a problem that the direction of movement of the moving body is easily changed by a reaction force or an external force, and the posture of the moving body is easily changed and rotated. In addition, since the ability to keep the moving direction constant or prevent the rotation by keeping the posture constant is low, there is a problem that the reaction force of the object to which the force is applied is weak as a reaction of the generated force, and the generated force cannot be increased.

本発明の駆動機構は、出力軸の一端に振動子が固定された移動ユニットと、前記移動ユニットを前記出力軸で支持するガイド部材と、前記移動ユニットを移動方向に対して自由度を有するように前記ガイド部材とともに前記出力軸を拘束する拘束部材を有しており、前記振動子を振動させることにより前記移動ユニットが前記出力軸の軸方向を移動方向として前記ガイド部材と前記拘束部材に対して移動する駆動機構であって、前記出力軸の振動子と反対側の端に、先端ツールを取付可能な出力部材が固定されているものである。   The drive mechanism of the present invention has a moving unit having a vibrator fixed to one end of an output shaft, a guide member supporting the moving unit on the output shaft, and a degree of freedom in moving the moving unit in a moving direction. A guide member and a restraining member for restraining the output shaft, and by vibrating the vibrator, the moving unit causes the axial direction of the output shaft to be a moving direction with respect to the guide member and the restraining member. An output member to which a tip tool can be attached is fixed to an end of the output shaft opposite to the vibrator.

本発明の駆動機構は、小型で堅牢性が高く、駆動力の高い汎用的な機構要素として使用できる力発生機やリニアアクチュエータ、電動シリンダーを安価な製造コストで提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION The drive mechanism of this invention can provide a force generator, a linear actuator, and an electric cylinder which can be used as a general-purpose mechanism element which is small, has high robustness, and has high drive force at low manufacturing cost.

本発明の実施形態を示す駆動機構の側面図FIG. 2 is a side view of the driving mechanism according to the embodiment of the present invention. 同駆動機構の平面図Top view of the drive mechanism 同駆動機構の底面図Bottom view of the drive mechanism 同駆動機構の正面図Front view of the drive mechanism 同駆動機構の背面図Rear view of the drive mechanism 同駆動機構の側面一部断面図Partial sectional side view of the drive mechanism 同駆動機構の正面一部断面図Partial front sectional view of the drive mechanism 同駆動機構の最も突き出した時の側面一部断面図Partial cross-sectional side view of the drive mechanism when it protrudes most 同駆動機構の最も引き込んだ時の側面一部断面図Partial cross-sectional side view of the drive mechanism when retracted most 同駆動機構の側面図(カバーなし状態)Side view of the drive mechanism (without cover) 同駆動機構の側面図(出力部材付)Side view of the drive mechanism (with output member) 同駆動機構の平面図(出力部材付)Top view of the drive mechanism (with output member) 同駆動機構の底面図(出力部材付)Bottom view of the drive mechanism (with output member) 同駆動機構の正面図(出力部材付)Front view of the drive mechanism (with output member) 同駆動機構の側面一部断面図(出力部材付)Partial side sectional view of the drive mechanism (with output member) 発生力グラフPower graph 本発明の実施形態を示す駆動機構のツール装着側面図FIG. 3 is a side view of the drive mechanism according to the embodiment of the present invention. 同駆動機構のツール装着正面図Tool mounting front view of the drive mechanism 同駆動機構による押し込み作業の例Example of pushing work by the same drive mechanism 同駆動機構による押し込み作業の変形例Modified example of pushing work by the same drive mechanism 同駆動機構によるシート貼り作業例Sheet attaching work example by the same drive mechanism 同駆動機構の変形例Modification of the drive mechanism 同駆動機構の変形例Modification of the drive mechanism 同駆動機構の変形例Modification of the drive mechanism 駆動回路Drive circuit 駆動波形Drive waveform

本発明の駆動機構は、出力軸の一端に振動子が固定された移動ユニットと、前記移動ユニットを前記出力軸で支持するガイド部材と、前記ガイド部材に固定されて前記移動ユニットを前記移動方向に対して自由度を有するように前記ガイド部材とともに前記出力軸を拘束する拘束部材を有しており、前記振動子を振動させることにより前記移動ユニットが前記出力軸の両端の中心を結ぶ方向を移動方向として前記ガイド部材と前記拘束部材に対して移動する駆動機構であって、前記ガイド部材は、上部を前記出力軸をガイドするガイド部とする一方、下部を前記駆動機構を外部機器に固定するためのインターフェース部としており、前記出力軸が、前記移動方向に沿う前後方向を長手方向とする直方体形状で構成されており、前記ガイド部材の前記ガイド部及び前記拘束部材それぞれが、断面L字状で構成されており、前記ガイド部が前記出力軸の外周面のうちの下面と左右一方の面の2面と接触する二つの摩擦平面を有する一方で、前記拘束部材が前記出力軸の外周面のうちの上面と左右他方の面の2面と接触する二つの摩擦平面を有するものである。   The drive mechanism of the present invention includes a moving unit having a vibrator fixed to one end of an output shaft, a guide member supporting the moving unit with the output shaft, and a moving unit fixed to the guide member and moving the moving unit in the moving direction. And a restraining member for restraining the output shaft together with the guide member so as to have a degree of freedom with respect to a direction in which the moving unit connects the centers of both ends of the output shaft by vibrating the vibrator. A driving mechanism that moves with respect to the guide member and the restraining member as a moving direction, wherein the guide member has an upper portion as a guide portion for guiding the output shaft, and a lower portion fixes the drive mechanism to an external device. The output shaft is configured in a rectangular parallelepiped shape having a longitudinal direction as a longitudinal direction along the moving direction, and the guide member Each of the guide portion and the restraining member has an L-shaped cross section, and the guide portion defines two friction planes in contact with two of a lower surface and one of right and left surfaces of an outer peripheral surface of the output shaft. On the other hand, the restraining member has two friction planes that come into contact with two of the upper surface and the other left and right surfaces of the outer peripheral surface of the output shaft.

すなわち、一端に圧電素子を取り付けた直方体形状からなる剛性、熱伝導度、潤滑性の高い出力軸を、ガイド部材に対して、拘束部材で自由度を1自由度に限定するように押さえ込むことにより汎用的な機構要素として使え小型であり、少量生産においても低コストで製造可能で、発生力も大きく、直進性にもすぐれた直進性能の高いリニアアクチュエータ、電動シリンダーや力発生機を実現する。   That is, the rigidity, heat conductivity, and lubricity of the output shaft having a rectangular parallelepiped shape with a piezoelectric element attached to one end are pressed against the guide member so that the degree of freedom is limited to one degree of freedom by the restraining member. It can be used as a general-purpose mechanical element, is small, can be manufactured at low cost even in small-quantity production, has a large generating force, and has a high linearity performance with excellent linearity, electric cylinders and force generators.

ガイド部材にねじ止めされる拘束部材によって出力軸が、ガイド部材に強固に押さえつけられ、出力軸とガイド部材、拘束部材が出力軸の力を出す方向に長い四つの平面接触領域で密着するようにし、出力軸の直進性と姿勢の安定性が単純な構成で確保でき、拘束部材による押さえ力を大きくすることで発生力を大きくすることができる。   The output shaft is firmly pressed against the guide member by the restraining member screwed to the guide member, so that the output shaft, the guide member, and the restraining member come into close contact with each other in four long plane contact areas in the direction in which the output shaft exerts the force. The straightness of the output shaft and the stability of the posture can be ensured with a simple configuration, and the generated force can be increased by increasing the pressing force by the restraining member.

出力軸の出力端に圧電素子の質量に見合う質量を有する出力部材をとりつけ、出力端の損傷や磨耗を防止したり、先端ツールが取り付けやすくしたりし、本考案の駆動機構の発生力を高め、さらに出力部材に先端ツールを取り付けたときに、本駆動機構の振動特性に対する影響を少なくすることができ、先端ツールを取り付けても、本発明の駆動機構を安定的に動作させることができる。   Attach an output member with a mass commensurate with the mass of the piezoelectric element to the output end of the output shaft to prevent damage and wear of the output end and to make it easier to attach the tip tool, and to increase the power generated by the drive mechanism of the present invention. Further, when the tip tool is attached to the output member, the influence on the vibration characteristics of the drive mechanism can be reduced, and the drive mechanism of the present invention can be operated stably even when the tip tool is attached.

出力軸には炭素繊維強化樹脂(CFRP)を使用し、ガイド部材と拘束部材には銅合金やステンレスを使用することで、潤滑剤なしで使用する場合も耐酸化特性の優れたパーフルオロポリエーテルやクロロトリフルオロエチレンなどのフッ素系の潤滑剤を使用する場合も出力軸とガイド部材、拘束部材の間の摩擦を炭素繊維の自己潤滑性や潤滑剤の特性を利用して低く抑え、さらに平面接触領域を大きくすることで、出力軸がガイド部材、拘束部材に対して外見上動いていない状態でも、力を作用させる対象物が駆動機構の発生力よりも強い力で動く場合も連続駆動できるようにし、対象物に押し付け力や引張り力を加え続けることのできる力発生機を実現する。   By using carbon fiber reinforced resin (CFRP) for the output shaft and using copper alloy or stainless steel for the guide member and restraint member, perfluoropolyether with excellent oxidation resistance even when used without a lubricant. When using a fluorine-based lubricant such as chlorofluoroethylene or chlorotrifluoroethylene, the friction between the output shaft, guide member, and restraint member is kept low by utilizing the self-lubricating properties of carbon fiber and the properties of the lubricant, and the surface is flat. By increasing the contact area, even when the output shaft does not seem to move with respect to the guide member and the restraining member, it can be continuously driven even when the object on which the force is applied moves with a force greater than the force generated by the drive mechanism. In this way, a force generator capable of continuously applying a pressing force or a pulling force to an object is realized.

図1は本駆動機構の側面図、図2は平面図、図3は底面図、図4は正面図、図5は背面図である。図1から5において1は出力軸、2はガイド部材、3、4は側板、5はカバー、6はカバー取り付けねじ、7は底板、8は側板取り付けねじ、9は外部の装置の一部、10は外部の装置の取り付けねじ、11はリード線である。   1 is a side view of the drive mechanism, FIG. 2 is a plan view, FIG. 3 is a bottom view, FIG. 4 is a front view, and FIG. 5 is a rear view. 1 to 5, 1 is an output shaft, 2 is a guide member, 3 and 4 are side plates, 5 is a cover, 6 is a cover mounting screw, 7 is a bottom plate, 8 is a side plate mounting screw, 9 is a part of an external device, 10 is a mounting screw of an external device, and 11 is a lead wire.

図6、図7は本駆動機構の側面図と前面図において、一部の部品を断面にした図である。断面にした部品にはハッチングを施している。   6 and 7 are side and front views of the present drive mechanism, in which some parts are shown in cross section. The cross-sectioned parts are hatched.

図6において、出力軸1の一つの外面に圧電素子12が接着により取り付けられている。出力軸1は直方体の形状を持ち、駆動機構全体が長細いスリムな形状にできるようにしているため、種々の機械装置に組み込みがしやすいようにできている。圧電素子12は正負の電圧を印加されると、出力軸1の出力方向に伸び縮みするように構成されている。圧電素子のかわりに他の電歪素子や磁歪素子などの振動子を使用してもよい。   In FIG. 6, a piezoelectric element 12 is attached to one outer surface of the output shaft 1 by bonding. The output shaft 1 has a rectangular parallelepiped shape, and the entire drive mechanism can be formed into a slender and slender shape, so that it can be easily incorporated into various mechanical devices. The piezoelectric element 12 is configured to expand and contract in the output direction of the output shaft 1 when positive and negative voltages are applied. A vibrator such as another electrostrictive element or magnetostrictive element may be used instead of the piezoelectric element.

出力軸の圧電素子が取り付けられた面の中心と対向する面の中心を結んだ方向が出力軸の力を出す方向となる。Lはガイド部材2、拘束部材14が出力軸の力を出す方向に出力軸と接する部分の長さである。ガイド部材2には側板3と底板7が側板取り付けねじ8、底板取り付けねじ16によりねじ止めされている。底板には側板取り付けねじ8により側板4がねじ止めされている。側板3には出力軸よりも大きめの穴があけられ、出力軸が側板3に接触することなく移動できるようになっている。   The direction connecting the center of the surface of the output shaft on which the piezoelectric element is mounted and the center of the surface facing the center is the direction in which the force of the output shaft is generated. L is the length of a portion that comes into contact with the output shaft in the direction in which the guide member 2 and the restraining member 14 exert the output shaft force. The side plate 3 and the bottom plate 7 are screwed to the guide member 2 by side plate mounting screws 8 and bottom plate mounting screws 16. The side plate 4 is screwed to the bottom plate with side plate mounting screws 8. A hole larger than the output shaft is formed in the side plate 3 so that the output shaft can move without contacting the side plate 3.

図7において、出力軸1はガイド部材2とガイド部材2に拘束部材取り付けねじ13でねじ止めされた拘束部材14に挟み込まれた状態で保持されている。取り付けねじ13により、拘束部材14にある傾斜面14aはガイド部材2の傾斜面2aに押し付けられ、傾斜面2aの高さの低い側に移動していこうとする。この作用により拘束部材14とガイド部材2で囲まれた空間は狭められるため、拘束部材14は出力軸1をガイド部材2に押し付ける働きをする。   In FIG. 7, the output shaft 1 is held in a state of being sandwiched between a guide member 2 and a constraint member 14 screwed to the guide member 2 with a constraint member mounting screw 13. The inclined surface 14a of the restraining member 14 is pressed against the inclined surface 2a of the guide member 2 by the mounting screw 13, and tends to move to the lower side of the inclined surface 2a. Since the space surrounded by the restricting member 14 and the guide member 2 is narrowed by this action, the restricting member 14 functions to press the output shaft 1 against the guide member 2.

出力軸1の六つの外面のうち、圧電素子12が取り付けられる面に隣接する四つの面は隣り合う二つの面がガイド部材2に、残りの隣り合う二つの面が拘束部材14に押し付けられる。   Of the six outer surfaces of the output shaft 1, two adjacent surfaces of the four surfaces adjacent to the surface on which the piezoelectric element 12 is mounted are pressed against the guide member 2, and the remaining two adjacent surfaces are pressed against the constraint member 14.

拘束部材14は2つの摩擦平面14b、14cを持ち、出力軸1の隣り合う二つの平面との間で摩擦を発生する働きと、出力軸1の残りの隣り合う二つの平面をガイド部材2の2つの摩擦平面2b、2cに押し付けて摩擦を発生する働きと、出力軸1の出力方向以外の自由度を拘束する働きをする。拘束部材取り付けねじ13の締め付けトルクを調節することで、所望の力で出力軸をガイド部材に押しつけることができる。W1、W2はガイド部材2と拘束部材14が出力軸1と接する部分の出力軸が力を出す方向に直角方向の幅である。   The restraining member 14 has two friction planes 14b and 14c, and functions to generate friction between two adjacent planes of the output shaft 1 and to connect the remaining two planes of the output shaft 1 to the guide member 2. It functions to generate friction by pressing against the two friction planes 2b and 2c and to restrict the degree of freedom of the output shaft 1 other than the output direction. By adjusting the tightening torque of the restricting member mounting screw 13, the output shaft can be pressed against the guide member with a desired force. W1 and W2 are widths in a direction perpendicular to the direction in which the output shaft exerts a force at a portion where the guide member 2 and the restraining member 14 are in contact with the output shaft 1.

拘束部材14の摩擦平面14b、14cを出力軸1に沿わせやすくするために溝部14dを設けてもよい。拘束部材取り付けねじ13のねじ頭と拘束部材14の間にスプリングワッシャーや波ワッシャーを挟みこんで、締め付けトルクの調整をしやすくしてもよい。   A groove 14d may be provided to facilitate aligning the friction planes 14b and 14c of the restraining member 14 with the output shaft 1. A spring washer or a wave washer may be inserted between the screw head of the restraining member mounting screw 13 and the restraining member 14 to facilitate adjustment of the tightening torque.

ガイド部材2、拘束部材14は出力軸1の出力方向にある長さをもって出力軸1と接している。この長さが小さすぎると、出力軸1の出力方向以外の動きである出力軸1のピッチやヨーを防ぐ効果が出にくくなる。   The guide member 2 and the restraint member 14 are in contact with the output shaft 1 with a length in the output direction of the output shaft 1. If the length is too small, the effect of preventing the pitch and yaw of the output shaft 1, which are movements other than the output direction of the output shaft 1, becomes difficult to be obtained.

出力軸1の出す力を有効に作用させるために、対象物は出力軸1に対して正対した姿勢に近い姿勢、形状を持たせるのが望ましいが、対象物と出力軸1の接する部分の法線の方向が出力軸1の力fを出す方向と45°の角度までずれがあり得ると考えられる。45°以上の角度のずれが生じる場合は、対象物に対して出力軸1の向きを変更するのが合理的である。   In order to effectively apply the force generated by the output shaft 1, it is desirable that the object has a posture and shape close to the posture directly facing the output shaft 1. It is considered that the direction of the normal can deviate from the direction in which the force f of the output shaft 1 exerts an angle of up to 45 °. When an angle shift of 45 ° or more occurs, it is reasonable to change the direction of the output shaft 1 with respect to the object.

図8は出力軸1が最も突き出た状態での側面図の一部部品を断面にした図である。Lは出力軸1が力を出す方向に、出力軸1とガイド部材2、拘束部材14が接触する長さになっている。Sは出力軸1がガイド部材2、拘束部材14から最も突き出す長さである。出力軸1がガイド部材2、拘束部材14と接触する出力軸の出力方向の長さLは、出力軸1がガイド部材2、拘束部材14から突き出す長さSに応じて設定するのがよい。   FIG. 8 is a sectional view of a part of the side view in a state where the output shaft 1 is most protruded. L is a length in which the output shaft 1 contacts the guide member 2 and the restraining member 14 in the direction in which the output shaft 1 applies a force. S is the length that the output shaft 1 protrudes the most from the guide member 2 and the constraint member 14. The length L in the output direction of the output shaft 1 where the output shaft 1 contacts the guide member 2 and the restraining member 14 is preferably set according to the length S of the output shaft 1 protruding from the guide member 2 and the restraining member 14.

図8に示すように対象物15と出力軸1の接する部分の法線の方向が出力軸1の力fを出す方向と45°のずれがある場合、出力軸1には接触部の法線の方向に−f/√2の反力が作用する。この反力の出力軸1が力を出す方向に直角の分力は−f/2となり、出力軸1にはガイド部材2の外側の端部E1を回転中心として−Sf/2の回転モーメントが働く。   As shown in FIG. 8, when the direction of the normal line of the portion where the object 15 contacts the output shaft 1 is shifted by 45 ° from the direction in which the force f of the output shaft 1 is output, the output shaft 1 has the normal line of the contact portion. The reaction force of -f / √2 acts in the direction of. The component force of the reaction force perpendicular to the direction in which the output shaft 1 outputs a force is -f / 2, and the output shaft 1 has a rotational moment of -Sf / 2 about the outer end E1 of the guide member 2 as the center of rotation. work.

−Sf/2の回転モーメントにより出力軸1はガイド部材2の外側の端部E1を支点として拘束部材14の内側の端部E2を持ち上げようとする。持ち上げようとする力は−Sf/2Lとなる。後述するように、拘束部材14は出力軸1の出す力の7倍以上の力で出力軸1を押さえつけているので、7f以上の力で出力軸1を押さえつけていることになる。   The output shaft 1 attempts to lift the inner end E2 of the restraining member 14 with the outer end E1 of the guide member 2 as a fulcrum due to the rotational moment of -Sf / 2. The lifting force is -Sf / 2L. As will be described later, since the restraining member 14 presses the output shaft 1 with a force of seven times or more the force output from the output shaft 1, it means that the output shaft 1 is pressed with a force of 7f or more.

この押さえつける力は拘束部材14が出力軸1と接している面全体に分散して働いているが、拘束部材14の内側の端部が持ち上げられようとすると、この端部に集中する。したがって7f−Sf/2L>0となるようにLとSの関係がなっていれば、出力軸1が回転することはない。この不等式から14L>Sであれば出力軸1が、対象物15からの反力により回転することはない。SがLの14倍であると力が釣り合うことになるため回転を防止するための約30%の力の余裕分を確保して、LをSの10分の1以上の長さに設定するのがよい。   The pressing force is distributed and acts on the entire surface of the restricting member 14 in contact with the output shaft 1, but concentrates on the inner end of the restricting member 14 when the end is to be lifted. Therefore, if the relationship between L and S is established so that 7f-Sf / 2L> 0, the output shaft 1 does not rotate. From this inequality, if 14L> S, the output shaft 1 will not rotate due to the reaction force from the object 15. When S is 14 times L, the forces are balanced, so that a margin of about 30% of the force for preventing rotation is secured, and L is set to a length of 1/10 or more of S. Is good.

出力軸1の回転のうちのロールは、長方形または正方形の断面を持つ出力軸1の四つの外面を、ガイド部材2と拘束部材14で4方向から締め付けられていることで防止されている。ロールの防止については、図7中の出力軸1の力を出す方向と直角の方向の幅W1、W2が重要になるが、出力軸1の出す力の方向から考えて、実際の作業において出力軸1をロールさせるモーメントは大きくは働きにくいため、ピッチやヨーの防止のためのLのような大きな長さにする必要はない。本駆動機構の用途、サイズ、デザイン等に合わせて許容される範囲で大きな幅を設定する。   The roll of the rotation of the output shaft 1 is prevented by tightening the four outer surfaces of the output shaft 1 having a rectangular or square cross section from four directions by the guide member 2 and the restraining member 14. In order to prevent the roll, widths W1 and W2 in a direction perpendicular to the direction in which the force of the output shaft 1 in FIG. Since the moment for rolling the shaft 1 is hard to work so much, it is not necessary to make the length large like L for preventing pitch and yaw. A large width is set within an allowable range according to the use, size, design, and the like of the driving mechanism.

図1、図2、図7において、ガイド部材2と側板4にはカバー取り付けねじ6により薄板を2箇所で曲げて作ったカバー5がねじ止めされている。ガイド部材2、側板3、底板7、側板4、カバー5が相互にねじ止めされ、箱型構造を形成するため、最小限の肉厚の部品によって、構造全体を堅牢にすることができる。このことにより本駆動機構を堅牢にしながら、軽量化、低コスト化を実現することができる。   In FIGS. 1, 2 and 7, a cover 5 formed by bending a thin plate at two places with cover mounting screws 6 is screwed to the guide member 2 and the side plate 4. Since the guide member 2, the side plate 3, the bottom plate 7, the side plate 4, and the cover 5 are screwed to each other to form a box-shaped structure, the entire structure can be made robust with a minimum thickness of parts. This makes it possible to reduce the weight and cost while making the drive mechanism robust.

図6、図7においてガイド部材2は上部が出力軸1をガイドする機能をもつガイド部となり、下部が外部機器とのインターフェース部になる。ガイド部材2のガイド部と拘束部材14は出力軸1の外周の四面のまわりにほぼ均等の厚みのスペースに配置されているため、図4、図2に示すように本駆動機構を正面や上面からみたときに出力軸1は本駆動機構のインターフェース部を除いた部分の中央部から出入りするように配置され、使いやすく、外観デザイン的にも良好な形態にすることができる。   6 and 7, the upper portion of the guide member 2 serves as a guide portion having a function of guiding the output shaft 1, and the lower portion serves as an interface portion with an external device. Since the guide portion of the guide member 2 and the restraining member 14 are arranged in a space having a substantially uniform thickness around the four surfaces on the outer periphery of the output shaft 1, as shown in FIGS. When viewed from the outside, the output shaft 1 is arranged so as to enter and exit from the central portion of the drive mechanism excluding the interface portion, so that the output shaft 1 can be easily used and have a good appearance design.

図6において圧電素子12からは駆動用の2本のリード線11が引き出されていて、本駆動機構にらせん状に巻かれた状態で収納され、側板4の中央部にあけられた穴17から外部に出されている。リード線は側板4とは穴17で接着されている。本駆動機構の内部で圧電素子12の位置が変わるとリード線11のらせん状に巻かれた部分が伸び縮みし、圧電素子12がどの位置にあっても、圧電素子12に駆動信号が印加される。図8に出力軸1の位置が変化したときのリード線11のらせん部分の状態を示す。側板から引き出されたリード線11は駆動回路に接続され、圧電素子12に駆動信号が印加されることにより、出力軸1がガイド部材2、拘束部材14に対して動こうとする力が発生する。   In FIG. 6, two lead wires 11 for driving are drawn out from the piezoelectric element 12, are housed in a spirally wound state around the driving mechanism, and are accommodated in a hole 17 formed in the center of the side plate 4. Being outside. The lead wire is bonded to the side plate 4 through a hole 17. When the position of the piezoelectric element 12 changes inside the present driving mechanism, the spirally wound portion of the lead wire 11 expands and contracts, and a driving signal is applied to the piezoelectric element 12 regardless of the position of the piezoelectric element 12. You. FIG. 8 shows the state of the spiral portion of the lead wire 11 when the position of the output shaft 1 changes. The lead wire 11 drawn out from the side plate is connected to a drive circuit, and a drive signal is applied to the piezoelectric element 12, so that a force is generated that causes the output shaft 1 to move with respect to the guide member 2 and the constraint member 14. .

図7において、出力軸1は拘束部材14に押さえつけられ、ガイド部材2の2つの摩擦平面2b、2cに沿って移動するように拘束されるため、出力軸1の動きの直進性を高くすることができる。上記の押し付け力は、拘束部材取り付けねじ13の締め付けの程度により調節することができ、通電時の駆動力、非通電時の出力軸1の保持力や、出力軸1が外力を受けたときに回転するのを防止する能力を高くしたいときは、拘束部材取り付けねじ13の締め付けを強くすることで達成される。出力軸1の移動速度を速くしたいときは拘束部材取り付けねじ13の締め付けを弱くすることで達成される。   In FIG. 7, the output shaft 1 is pressed by the restraining member 14 and is restrained so as to move along the two friction planes 2b and 2c of the guide member 2, so that the linearity of the movement of the output shaft 1 is increased. Can be. The above-mentioned pressing force can be adjusted by the degree of tightening of the restraining member mounting screw 13. The pressing force can be adjusted when the power is supplied, when the output shaft 1 receives an external force, or when the output shaft 1 receives an external force. When it is desired to increase the ability to prevent rotation, the tightening of the restraining member mounting screw 13 is achieved. When it is desired to increase the moving speed of the output shaft 1, it is achieved by weakening the tightening of the restraining member mounting screw 13.

仕様の一例として本駆動機構で出力軸が出す力を10Nにしようとすると、出力軸1の四つの面の各面で2.5Nの力を発生させることになる。後述する本駆動機構に使用する材料と仕上げ条件では、出力軸1とガイド部材2、拘束部材14の間の動摩擦係数は潤滑剤の有無により変化はあるが、0.1から0.15になる。2.5Nの力を発生させるためには、出力軸1がガイド部材2、押さえ板35、36と接触する四つの面の間で2.5Nを動摩擦係数0.15で割った16.7N以上の押し付け力が作用する必要がある。この押しつけ力を出すだけの強い力で拘束部材14はねじ止めされるため、出力軸1の回転など出力方向への移動以外の自由度はなくなっている。   As an example of the specification, if the output shaft is to have a force of 10 N in this drive mechanism, a 2.5 N force is generated on each of the four surfaces of the output shaft 1. With the materials and finishing conditions used in the present drive mechanism, which will be described later, the dynamic friction coefficient between the output shaft 1, the guide member 2, and the restraint member 14 varies depending on the presence or absence of the lubricant, but ranges from 0.1 to 0.15. . In order to generate a 2.5N force, the output shaft 1 divides 2.5N by a kinetic friction coefficient of 0.15 between four surfaces where the output shaft 1 comes into contact with the guide member 2 and the holding plates 35 and 36, and is 16.7N or more. Pressing force must be applied. Since the restraining member 14 is screwed with a strong force enough to generate the pressing force, the degree of freedom other than movement in the output direction such as rotation of the output shaft 1 is eliminated.

ガイド部材2は本駆動機構を外部の装置に固定するためのインターフェース機能も持つ。図6、7においてガイド部材2にはねじ穴18が設けられ、ねじ10によって外部の装置9にガイド部材2をねじ止めすることにより、本駆動機構全体を外部の装置9に固定する。ガイド部材2は本駆動機構の出力軸1の移動の基準となる摩擦平面2b、2cを有し、出力軸1は常に摩擦平面2b、2cに押し付けられた状態で作動するためガイド部材2を保持することで、精度よく出力軸1の位置決めができ、外部装置は出力軸1に発生す力を正確に対象物に作用させることができる。   The guide member 2 also has an interface function for fixing the drive mechanism to an external device. 6 and 7, the guide member 2 is provided with a screw hole 18, and the entire drive mechanism is fixed to the external device 9 by screwing the guide member 2 to the external device 9 with the screw 10. The guide member 2 has friction planes 2b and 2c serving as a reference for the movement of the output shaft 1 of the present drive mechanism. The output shaft 1 always operates while being pressed against the friction planes 2b and 2c. By doing so, the output shaft 1 can be accurately positioned, and the external device can accurately apply the force generated on the output shaft 1 to the object.

出力軸1とガイド部材2、拘束部材14の接触部で出力軸1を駆動する力が発生するので、力の発生場所であるガイド部材2を本駆動機構全体の保持に使うことで、本駆動機構を動作させたときに外部の装置に加わる回転モーメントを小さくし、外部の装置の変形など外部の装置への影響を少なくすることができる。   Since a driving force for driving the output shaft 1 is generated at a contact portion between the output shaft 1, the guide member 2, and the restraint member 14, the guide member 2 where the force is generated is used for holding the entire driving mechanism. The rotational moment applied to the external device when the mechanism is operated can be reduced, and the influence on the external device such as deformation of the external device can be reduced.

またガイド部材2は、本駆動機構の構成部品の中で最も肉厚で、剛性が高く堅牢な部品であるので本駆動機構全体の保持に使用することで、本駆動機構の動作時に、外力による構成部品のひずみの影響からくる性能の低下を防ぐことができる。   The guide member 2 is the thickest, most rigid and robust component among the components of the present drive mechanism, and is used to hold the entire drive mechanism. It is possible to prevent the performance from being lowered due to the influence of the distortion of the components.

図6において出力軸1と圧電素子12の接合部の近傍で、出力軸1に出力軸1を囲むように板状のストッパー19が、底板7、カバー5に対して微小な隙間をもって接着されている。ストッパー19は出力軸1が最も外側に出たときにガイド部材2に当たって出力軸1の動きを止める働きをする。底板には棒状の規制部材20が接着され、出力軸1が側板4に当たるのを防止する働きをする。図9にストッパー18が規制部材20に当たった状態を示す。板状の部品19は出力軸1と圧電素子12の両方と接着されるようにして、出力軸1と圧電素子12の接着を補強するようにしてもよい。   In FIG. 6, a plate-shaped stopper 19 is adhered to the bottom plate 7 and the cover 5 with a small gap around the output shaft 1 so as to surround the output shaft 1 near the joint between the output shaft 1 and the piezoelectric element 12. I have. The stopper 19 serves to stop the movement of the output shaft 1 by hitting the guide member 2 when the output shaft 1 comes out most. A bar-shaped regulating member 20 is adhered to the bottom plate, and serves to prevent the output shaft 1 from hitting the side plate 4. FIG. 9 shows a state where the stopper 18 has hit the regulating member 20. The plate-shaped component 19 may be bonded to both the output shaft 1 and the piezoelectric element 12 to reinforce the bonding between the output shaft 1 and the piezoelectric element 12.

ストッパー19は出力軸1に強い衝撃などの外力がかかったときに、ガイド部材2近傍を回転中心として出力軸1が回転しようとする動きを、底板7やカバー5に当たることにより規制し、圧電素子12が底板7やカバー5に当たって壊れるのを防止する。   When an external force such as a strong impact is applied to the output shaft 1, the stopper 19 restricts the movement of the output shaft 1 about the guide member 2 to rotate about the rotation center by hitting the bottom plate 7 and the cover 5. 12 is prevented from hitting the bottom plate 7 or the cover 5 and being broken.

出力軸1には炭素繊維強化樹脂(CFRP)を使用し、ガイド部材2と拘束部材14には銅合金やステンレスを使用することで、潤滑剤なしでの使用においても出力軸1とガイド部材2、拘束部材14の間の摩擦を炭素繊維の自己潤滑性を利用して低く抑え、さらに平面接触により圧力を分散することで、出力軸1がガイド部材2、拘束部材14に対して外見上動いていない状態でも連続駆動することで、対象物に押し付け力や引張り力を加え続けることのできる力発生機を実現できる。   By using carbon fiber reinforced resin (CFRP) for the output shaft 1 and using a copper alloy or stainless steel for the guide member 2 and the restraining member 14, the output shaft 1 and the guide member 2 can be used without using a lubricant. The output shaft 1 moves outwardly with respect to the guide member 2 and the restraint member 14 by suppressing the friction between the restraint members 14 by using the self-lubricating property of the carbon fiber and dispersing the pressure by planar contact. By continuously driving even in a state where the object is not in use, a force generator capable of continuously applying a pressing force or a pulling force to the object can be realized.

出力軸1に使用する炭素繊維強化樹脂は、出力軸1が力を出す方向に長繊維の炭素繊維が平行に配向され、ガイド部材2と拘束部材14との相対的な運動の方向に長く接触領域が確保されるため、滑らかに相対運動をさせる効果を高めている。   In the carbon fiber reinforced resin used for the output shaft 1, the long fiber carbon fibers are oriented in parallel in the direction in which the output shaft 1 applies force, and the carbon fiber reinforced resin is in long contact with the direction of relative movement between the guide member 2 and the restraining member 14. Since the area is secured, the effect of smoothly performing relative motion is enhanced.

図10は出力位置が中間位置にある本駆動機構のカバー5を外した状態の側面図である。ガイド部材2の側面と側板4の側面にはカバー5をねじ止めするためのねじ穴18が設けられている。   FIG. 10 is a side view of the drive mechanism in which the output position is at the intermediate position with the cover 5 removed. Screw holes 18 for screwing the cover 5 are provided on the side surface of the guide member 2 and the side surface of the side plate 4.

本駆動機構では、出力軸1の先端にニードルやグリッパー、インジェクターなどの先端ツールを取り付けて作業する際に、先端ツールを正確に操作できるようにする必要があるため、出力軸1がガイド部材2に対して回転しないように構成する。   In this drive mechanism, it is necessary to attach the tip tool such as a needle, gripper, or injector to the tip of the output shaft 1 so that the tip tool can be operated accurately. It does not rotate with respect to.

本駆動機構ではガイド部材2に対して出力軸1が回転しないようにするためと、本駆動機構の特徴の一つである、対象物15が停止した状態でも対象物15固有の力で移動する場合でも、押し付け力や引張り力を対象物15に作用させ続けることのできる力発生器としての機能を実現するために、出力軸1が外見上動いていない状態あるいは出力軸1が対象物固有の力で強制的に移動させられる状態で連続駆動させても、接触部の局所的な摩耗や表面状態が変化することにより性能が劣化するのを防げるよう、出力軸1とガイド部材2、拘束部材14は精密に仕上げられた平面と平面での摺動をするようする。   In this drive mechanism, the output shaft 1 is prevented from rotating with respect to the guide member 2, and one of the features of this drive mechanism is that the object 15 moves with its own force even in a stopped state. Even in such a case, in order to realize a function as a force generator capable of continuously applying a pressing force or a pulling force to the object 15, the output shaft 1 does not seem to move or the output shaft 1 is unique to the object. The output shaft 1, the guide member 2, and the restraint member can prevent the performance from being deteriorated due to the local wear of the contact portion or the change of the surface state even when the drive portion is continuously driven while being forcibly moved by force. Numeral 14 slides on a precisely finished plane.

本考案の駆動機構は振動子12のサブミクロンの振幅の振動を用いた駆動機構であるため、出力軸1とガイド部材2、拘束部材14の摺動面は面間のサブミクロンのすべり相対運動を妨げず、面間の圧力を分散させて局所的な摩耗や表面状態の変化を防止できるレベルの滑らかな面であることが必要である。このため出力軸1とガイド部材2、拘束部材14の摺動面は研削、ラッピングなどの平面度と面粗さのよい平面が得られる加工法で加工する必要がある。   Since the drive mechanism of the present invention is a drive mechanism using the vibration of the submicron amplitude of the vibrator 12, the sliding surfaces of the output shaft 1, the guide member 2, and the restraint member 14 have a submicron sliding relative motion between the surfaces. It is necessary that the surface be smooth without disturbing the pressure and dispersing the pressure between the surfaces to prevent local wear and changes in the surface state. For this reason, the sliding surfaces of the output shaft 1, the guide member 2, and the restraining member 14 need to be processed by a processing method such as grinding and lapping that can obtain a flat surface having good flatness and surface roughness.

加工精度は高ければ高いほど面間圧力の分散に有利であるが、本駆動機構は汎用的な機械要素として使用するため現実的な製造コストを考慮して、平面度はガイド部材2、拘束部材14の一つ一つの摺動面全域にわたって1マイクロメートル以下、面粗さはRa0.4以下の精度とする。出力軸1はガイド部材2、拘束部材14の摺動面に対面する部分ごとに平面度が1マイクロメートル以下、面粗さはRa0.4以下の精度とする。出力軸1の摺動面全体については、局所的な段差やねじれがないように平滑な仕上げをする。   The higher the processing accuracy is, the more advantageous the dispersion of the inter-surface pressure is. However, since this drive mechanism is used as a general-purpose mechanical element, the flatness is determined by the guide member 2 and the constraint member in consideration of the actual manufacturing cost. No. 14 has an accuracy of 1 micrometer or less over the entire sliding surface and a surface roughness of Ra 0.4 or less. The output shaft 1 has a flatness of 1 micrometer or less and a surface roughness of Ra 0.4 or less for each portion facing the sliding surface of the guide member 2 and the restraining member 14. The entire sliding surface of the output shaft 1 is smooth-finished so that there is no local step or twist.

出力軸1とガイド部材2、拘束部材14は、必要に応じてすり合わせを行い、出力軸1の摺動面とガイド部材2、拘束部材14の摺動面の密着度を上げるようにしてもよい。本動機構では、出力軸1が微小振動すること、出力軸1とガイド部材2、拘束部材14の材料が異種材料であること、出力軸1の材料が摺動性のよい材料であることから、摺動面の平面度、面粗さを上げ密着度を上げることで摺動面どうしが吸着するような不具合が起きることはない。   The output shaft 1, the guide member 2, and the restraint member 14 may be rubbed as necessary to increase the degree of adhesion between the sliding surface of the output shaft 1 and the guide member 2, the restraint member 14. . In the main driving mechanism, the output shaft 1 vibrates minutely, the output shaft 1, the guide member 2, and the restraining member 14 are made of different materials, and the output shaft 1 is made of a material having good slidability. By increasing the degree of flatness and surface roughness of the sliding surfaces and increasing the degree of adhesion, there is no problem that the sliding surfaces are attracted to each other.

面粗さ測定の基準長は、ガイド部材2、拘束部材14については、一つの摺動面を横断するほぼ全長とする。出力軸1についてはガイド部材2、拘束部材14の摺動面に対面する部分部分を横断するほぼ全長とする。   The reference length of the surface roughness measurement is substantially the entire length of the guide member 2 and the restraint member 14 across one sliding surface. The output shaft 1 has substantially the entire length crossing a portion facing the sliding surface of the guide member 2 and the restraining member 14.

ガイド部材2、拘束部材14と平面と平面での摺動をさせるために、出力軸1は三角柱以上の多角柱の形状をとる必要がある。   In order to slide the guide member 2 and the constraint member 14 in a plane-to-plane manner, the output shaft 1 needs to take the shape of a polygonal prism having a shape of a triangular prism or more.

三角柱は面の数が少なく、形状の粗取りでは加工コストを下げられる利点があるが、面と面のなす角が直角でない箇所ができるため、すべての面を加工するときに、ワークの固定角度を精度よく変える作業に手間と時間がかかり、コスト増の要因となる。5軸フライスなどの多軸加工機を使う方法も考えられるが、設備費や加工チャージが大きくなり、少量生産ではコスト増の要因となる。さらに面を研削やラッピングで仕上げる際も、ワークの保持の難しさや2面同時仕上げができないことから、仕上げ加工のコストも大きくなる。また出来上がった部品の面と面のなす角度の測定も直方体と比べて困難になり、コスト増の要因となる。   Triangular prisms have a small number of surfaces and have the advantage of reducing machining costs when roughing the shape.However, because there are places where the angle between the surfaces is not a right angle, when machining all surfaces, the fixed angle of the work It takes time and effort to accurately change the position, which causes an increase in cost. A method using a multi-axis processing machine such as a 5-axis milling machine is also conceivable, but equipment costs and processing charges increase, and small-lot production causes an increase in cost. Furthermore, when finishing the surface by grinding or lapping, the difficulty of holding the work and the inability to finish two surfaces at the same time increase the cost of the finishing process. In addition, it is more difficult to measure the angle between the surfaces of the completed component as compared with a rectangular parallelepiped, which causes an increase in cost.

五角柱以上の多角柱は、三角柱の場合と同じように製作、角度検査が直方体と比べて困難である。摩擦保持をするガイド部材2、拘束部材14の構成が複雑になり製作も困難になる。また五角柱以上であると三角柱や四角柱とくらべて、断面形状が円に近付いていくため出力軸1の回転、特にロールを防止する作用が働きにくくなる欠点がでてくる。   As with triangular prisms, pentagonal prisms or more are more difficult to manufacture and inspect at angles than rectangular prisms. The configurations of the guide member 2 and the restraining member 14 for holding the friction are complicated, and the manufacturing becomes difficult. Further, if the number of pentagonal prisms or more is larger than that of triangular or quadrangular prisms, the cross-sectional shape becomes closer to a circle.

したがって、出力軸1として使用する多角柱は四角柱がよく、さらに製造コストを下げるために直方体の形状にするのがよい。   Therefore, the polygonal prism used as the output shaft 1 is preferably a quadratic prism, and is preferably in the shape of a rectangular parallelepiped to further reduce the manufacturing cost.

直方体でない一般的な四角柱の場合は底面の形状が長方形や正方形でないため、面と面のなす角が直角でない箇所がでてくるため、製作、角度検査が直方体と比べて困難でコスト増の要因となる。またガイド部材2、拘束部材14の製作コストが上がり、機構の構成が複雑になる。   In the case of a general quadrangular prism that is not a rectangular parallelepiped, the shape of the bottom is not rectangular or square, so there are places where the angle between the surfaces is not a right angle. It becomes a factor. Further, the manufacturing cost of the guide member 2 and the restraining member 14 increases, and the configuration of the mechanism becomes complicated.

直方体の出力軸1においては、平面摺動に使われない残りの2面も側面と直角になるため、製作が容易になり、角度検査も容易になる効果がある。   In the rectangular parallelepiped output shaft 1, the remaining two surfaces that are not used for planar sliding are also at right angles to the side surfaces, so that the production is facilitated and the angle inspection is facilitated.

これらの面の一つに振動子12を固定するが、振動子12の振動は面の法線方向に加えられため、振動は、出力軸1が自由度を持つ軸の方向に、効率的に加えられ、本駆動機構の効率を上げることができる。振動子12を固定するのと反対側の面はそのままで出力端としてしようするか、出力部材を固定して使用する。出力端として使用する場合は出力軸1の発生する力の方向に直角の面が出力端となるが、これは物体を押したりするのに適した形状である。   The vibrator 12 is fixed to one of these surfaces, but since the vibration of the vibrator 12 is applied in the normal direction of the surface, the vibration is efficiently generated in the direction of the axis where the output shaft 1 has a degree of freedom. In addition, the efficiency of the present driving mechanism can be increased. The surface opposite to the side on which the vibrator 12 is fixed may be used as it is as an output end, or the output member may be fixed and used. When used as an output end, a surface perpendicular to the direction of the force generated by the output shaft 1 is an output end, which has a shape suitable for pushing an object.

後述するように出力部材を出力軸1の一端に固定して使用する場合も、この面を出力部材の受け面に当てて接着するなど、固定を容易に確実に行え、出力部材の受け面の法線方向が、出力軸1の出す力の方向になるため、出力軸1の出す力が効率的に出力部材に伝達される効果がある。   When the output member is used by fixing it to one end of the output shaft 1 as described later, this surface can be easily and reliably fixed by, for example, contacting and adhering to the receiving surface of the output member. Since the normal direction is the direction of the force output from the output shaft 1, there is an effect that the force output from the output shaft 1 is efficiently transmitted to the output member.

上記の事情から、低コストで少量生産も可能で、安定した動作が可能なリニアアクチュエータ、力発生機を実現するために、出力軸1の形状を直方体にすることが有効である。   In view of the above circumstances, it is effective to make the shape of the output shaft 1 a rectangular parallelepiped in order to realize a linear actuator and a force generator capable of low-cost, small-volume production and stable operation.

出力軸1の出力端となる面は、対象物15の形状や必要な圧力の大きさあるいは取り付ける出力部材の形状などに応じて完全な平面ではなく凸部や凹部を持つなどの変形を加えてもよい。出力部材を固定する場合も出力部材の受け面が加工都合上平面にできない場合などは、受け面の加工形状などに応じて変形を加えてもよい。   The surface serving as the output end of the output shaft 1 is not completely flat but has a deformation such as having a convex portion or a concave portion depending on the shape of the object 15, the required pressure or the shape of the output member to be attached. Is also good. Even when the output member is fixed, when the receiving surface of the output member cannot be made flat due to processing, the deformation may be added according to the processing shape of the receiving surface.

また直方体のエッジ部は面取りをして、エッジ部の微小な損傷の発生を防いだり、出力軸1と組み合わせるガイド部材2や拘束部材14のコーナー部のR形状を許容して加工を容易にしたりするようにしてもよい。   In addition, the edge of the rectangular parallelepiped is chamfered to prevent the occurrence of minute damage to the edge, and the processing is facilitated by allowing the guide member 2 combined with the output shaft 1 and the R shape of the corner of the restraining member 14. You may make it.

出力軸1は拘束部材14とガイド部材2による押し付け力によって変形しないためと、発生した力を対象物15に効率的に作用させるために高い剛性を持つ必要がある。また圧電素子12による加振により出力軸1が効率的に振動できるためと、駆動機構の軽量化のために軽量であることが必要である。さらに拘束部材14とガイド部材2との接触においてサブミクロンの振幅の相対的な振動を可能にするために、低摩擦の材料であることが必要である。   The output shaft 1 needs to have high rigidity so that it is not deformed by the pressing force of the restraining member 14 and the guide member 2 and that the generated force acts on the object 15 efficiently. In addition, the output shaft 1 needs to be light in weight so that the output shaft 1 can be efficiently vibrated by the vibration by the piezoelectric element 12 and in order to reduce the weight of the drive mechanism. Furthermore, in order to enable relative vibration of submicron amplitude in contact between the restraining member 14 and the guide member 2, it is necessary to use a material having low friction.

これらの要求を満たす材料として、炭素繊維強化樹脂が適している。炭素繊維は軽量で弾性係数が高く、摩擦係数も低いため、前記の要求を満たすことができる。炭素繊維は長繊維のものを、出力軸1の出力方向に配向させた出力軸1を用いる。出力軸1が力を出す方向の縦弾性係数が大きくでき、圧電素子12からの振動が出力軸1に効率よく伝わる。また、炭素繊維が、出力軸1とガイド部材2、拘束部材14の相対移動方向に配向されるので、繊維の方向に長い距離にわたってガイド部材2、拘束部材14が接することになり、炭素繊維の潤滑性のよさを有効に活用できる。拘束部材14とガイド部材2の押し付けに対しては、炭素繊維の配向方向と直角方向の圧力になるが、炭素繊維強化樹脂中の炭素繊維の体積比率を60%以上にすることにより、必要な圧縮剛性を得ることができる。   As a material satisfying these requirements, carbon fiber reinforced resin is suitable. Since the carbon fiber is lightweight, has a high elastic coefficient and a low friction coefficient, it can satisfy the above requirements. As the carbon fiber, an output shaft 1 in which a long fiber is oriented in the output direction of the output shaft 1 is used. The longitudinal elastic modulus in the direction in which the output shaft 1 exerts a force can be increased, and the vibration from the piezoelectric element 12 is transmitted to the output shaft 1 efficiently. In addition, since the carbon fibers are oriented in the direction of relative movement between the output shaft 1, the guide member 2, and the restraining member 14, the guide member 2 and the restraining member 14 come into contact with each other over a long distance in the fiber direction. The good lubricity can be used effectively. When the restraining member 14 and the guide member 2 are pressed against each other, a pressure is applied in a direction perpendicular to the orientation direction of the carbon fibers. However, the pressure is required by setting the volume ratio of the carbon fibers in the carbon fiber reinforced resin to 60% or more. Compressive rigidity can be obtained.

出力軸1がガイド部材2、拘束部材14に対して外見上動いていない状態で連続駆動する場合には、出力軸1とガイド部材2、拘束部材14は同じ場所でサブミクロンの振幅の微小な相対運動を5KHz以上の高周波で繰り返すことになるため、継続的に局所的に発生する摩擦熱の放散も重要になる。   When the output shaft 1 is continuously driven in a state where the output shaft 1 is not moved with respect to the guide member 2 and the restraining member 14, the output shaft 1, the guide member 2 and the restraint member 14 are in the same place and have a minute amplitude of submicron. Since the relative motion is repeated at a high frequency of 5 KHz or more, it is important to continuously dissipate locally generated frictional heat.

出力軸1の材料として配向性ピッチ系炭素繊維を使用した炭素繊維強化樹脂を使用すると摩擦熱の放散に有利である。配向性ピッチ系炭素繊維は熱伝導率が80から800W/m・Kであり、10W/m・K程度のPAN系炭素繊維よりも高く、摩擦熱を発生場所から出力軸1や出力部材を介して放散し、出力軸1とガイド部材2、押さえ板の接触部が摩擦熱により高温になり、表面状態の劣化から性能劣化につながることを防止する効果が高い。   The use of a carbon fiber reinforced resin using oriented pitch-based carbon fibers as the material of the output shaft 1 is advantageous in dissipating frictional heat. Oriented pitch-based carbon fiber has a thermal conductivity of 80 to 800 W / m · K, which is higher than that of PAN-based carbon fiber of about 10 W / m · K. The contact portion between the output shaft 1, the guide member 2, and the holding plate becomes hot due to frictional heat, and the effect of preventing the deterioration of the surface state to the performance deterioration is high.

また配向性ピッチ系炭素繊維は引っ張り弾性率が640から935GPa程度あり、PAN系炭素繊維の230から650GPa程度よりも大きく出力軸の剛性を高め、本駆動機構の性能を上げるのにも有効である。   In addition, the oriented pitch-based carbon fiber has a tensile modulus of about 640 to 935 GPa, which is more effective than the PAN-based carbon fiber of about 230 to 650 GPa, and is effective in increasing the rigidity of the output shaft and improving the performance of the present drive mechanism. .

前述のように、炭素繊維は長繊維のものを用い、出力軸1の出力方向に配向させた炭素繊維強化樹脂を出力軸1として使用する。こうすることにより、摩擦部からの熱と圧電素子12からの熱を炭素繊維の配向している方向に効率的に拡散させ、連続駆動する場合も熱による性能の低下がないようにすることができる。   As described above, the carbon fiber is a long fiber, and the carbon fiber reinforced resin oriented in the output direction of the output shaft 1 is used as the output shaft 1. By doing so, the heat from the friction portion and the heat from the piezoelectric element 12 are efficiently diffused in the direction in which the carbon fibers are oriented, so that the performance is not deteriorated even in the case of continuous driving. it can.

後述するように、出力軸1先端に出力部材を取り付けて使用する場合は、出力軸1を伝わってきた熱を出力部材から放散させる効果ももたせることができる。   As will be described later, when an output member is attached to the tip of the output shaft 1 for use, an effect of dissipating heat transmitted through the output shaft 1 from the output member can also be provided.

ピッチ系炭素繊維の一種である等方性ピッチ系炭素繊維は引っ張り弾性率が40GPaまでしかなく、短繊維しかないため出力軸1の剛性を高くすることができないので不適当である。   An isotropic pitch-based carbon fiber, which is a kind of pitch-based carbon fiber, is inappropriate because it has a tensile modulus of elasticity of only up to 40 GPa and has only short fibers so that the rigidity of the output shaft 1 cannot be increased.

またガイド部材2を保持部材に使っていることにより、保持部から放散が促進され、性能の劣化を防止する効果が実現されている。   In addition, since the guide member 2 is used as the holding member, radiation from the holding portion is promoted, and an effect of preventing performance deterioration is realized.

出力軸1のガイド部材2への押し付け力を大きくして出力軸1の出す力を大きくする場合は、潤滑剤を使用することもできる。潤滑剤を使用する場合は強い力で押し付けられた二つの平面に潤滑剤が介在した状態からの起動が必用になる。このような状態からの起動では、潤滑剤の酸化による潤滑剤粘度が増加すると起動がしにくくなる恐れがある。起動を容易にするために耐酸化特性がよく、酸化による粘度増加の少ないパーフルオロポリエーテルやクロロトリフルオロエチレンなどのフッ素系の潤滑油を使用する。潤滑油が酸化して潤滑特性が低下し、振動子の微小振動で励起される出力軸1とガイド部材2、押さえ板間の微小な相対運動が阻害され、起動に障害が起きるのを防ぐことができる。潤滑油は綿棒で出力軸の表面に塗布するなどの方法で使用できる。   When increasing the pressing force of the output shaft 1 against the guide member 2 to increase the output force of the output shaft 1, a lubricant may be used. When a lubricant is used, it is necessary to start from a state in which the lubricant is interposed between the two planes pressed with strong force. When starting from such a state, there is a possibility that starting may be difficult if the viscosity of the lubricant increases due to oxidation of the lubricant. Use a fluorine-based lubricating oil, such as perfluoropolyether or chlorotrifluoroethylene, which has good oxidation resistance and has a small increase in viscosity due to oxidation to facilitate startup. Lubricating oil is oxidized and the lubrication characteristics are reduced, and the minute relative movement between the output shaft 1, the guide member 2, and the holding plate, which is excited by the minute vibration of the vibrator, is prevented, thereby preventing the starting from being disturbed. Can be. The lubricating oil can be used by, for example, applying it to the surface of the output shaft with a cotton swab.

増ちょう剤を潤滑油に付加すると増ちょう剤が平面間に強い圧力ではさみこまれ出力軸1とガイド部材2、押さえ板間の微小な相対運動を阻害することになるため、増ちょう剤は使用しない。   When the thickener is added to the lubricating oil, the thickener is sandwiched between the planes by a strong pressure, which impedes minute relative movement between the output shaft 1, the guide member 2, and the holding plate. do not use.

出力軸1の出力端は、対象物15と接触することにより損傷を受けたり、磨耗したりする可能性があり、使用上の問題となる場合がある。また出力端に用途に応じたロッドや、インジェクタ、グリッパーのような先端ツールを取り付ける必要がある場合もある。   The output end of the output shaft 1 may be damaged or worn by coming into contact with the object 15, which may cause a problem in use. In some cases, it is necessary to attach a tip tool such as a rod, an injector, or a gripper to the output end according to the application.

出力端の損傷や磨耗を防止したり、アダプターや先端ツールを取り付けたりするために、出力端に出力部材を取り付けた場合について説明する。   A case where an output member is attached to the output end in order to prevent the output end from being damaged or worn, and to attach an adapter or a tip tool will be described.

図11は出力部材21を取り付けた場合の本駆動機構の側面図、図12は平面図、図13は底面図、図14は正面図である。図11から図14において、出力部材21が出力軸1の先端部に取り付けられている。図13において22は出力部材取り付けねじである。   11 is a side view of the present drive mechanism when the output member 21 is attached, FIG. 12 is a plan view, FIG. 13 is a bottom view, and FIG. 14 is a front view. 11 to 14, the output member 21 is attached to the tip of the output shaft 1. In FIG. 13, reference numeral 22 denotes an output member mounting screw.

出力部材21は対象物15との接触で損傷したり磨耗したりしにくく、アダプターや先端ツールの取り付けに適した堅牢性の高い材料を用いる。具体的には金属、セラミック、繊維強化プラスチックなどが適している。出力部材21にはアダプターや先端ツール取り付け用のねじ穴や植え込みボルトを設けてもよい。図14において出力部材21の先端部に、ツール取り付けねじ穴23が設けられている。   The output member 21 is made of a highly robust material that is not easily damaged or worn by contact with the object 15 and is suitable for attaching an adapter or a tip tool. Specifically, metals, ceramics, fiber-reinforced plastics and the like are suitable. The output member 21 may be provided with a screw hole or a stud for mounting an adapter or a tip tool. In FIG. 14, a tool mounting screw hole 23 is provided at the tip of the output member 21.

図15は出力部材21を取り付けた本駆動機構の側面図において、一部の部品を断面にした図である。断面にした部品にはハッチングを施している。出力部材取り付けねじ22を締め付けることによって出力部材21が出力軸1に取り付けられている。出力部材21は出力軸1と接触する部分で接着することで、結合強度を高くするようにしてもよい。   FIG. 15 is a side view of the present drive mechanism to which the output member 21 is attached, and is a diagram in which some components are sectioned. The cross-sectioned parts are hatched. The output member 21 is mounted on the output shaft 1 by tightening the output member mounting screw 22. The output member 21 may be bonded at a portion that comes into contact with the output shaft 1 to increase the bonding strength.

出力部材21が取り付けることにより、出力端の損傷や磨耗を防止したり、先端ツールが取り付けやすくなることに加えて、本考案の駆動機構の性能を向上させる効果がある。その効果のひとつは、出力部材21を取り付けることにより、本考案の駆動機構の発生力を高めることができることである。   The attachment of the output member 21 has the effects of preventing the output end from being damaged or worn, making it easier to attach the tip tool, and improving the performance of the drive mechanism of the present invention. One of the effects is that the mounting force of the driving mechanism of the present invention can be increased by attaching the output member 21.

もうひとつの効果は、先端ツールを取り付けたときに、先端ツールの質量が出力軸1、圧電素子12、出力部材21からなる振動ユニットに追加されることによる振動ユニットの振動特性に対する影響を少なくすることができ、先端ツールを取り付けても、本発明の駆動機構を安定的に動作させることができる効果である。   Another effect is that when the tip tool is attached, the mass of the tip tool is added to the vibration unit including the output shaft 1, the piezoelectric element 12, and the output member 21 so as to reduce the influence on the vibration characteristics of the vibration unit. This makes it possible to stably operate the drive mechanism of the present invention even when the tip tool is attached.

図16は出力部材21の質量を変えたときに、駆動機構の発生力がどう変化するかを測定したグラフである。測定に使用した駆動機構は出力軸1の長さが30mm、ガイド部材2と拘束部材14の出力軸の力を出す方向の長さが10mm、圧電素子12の質量が1.3gのものを使用している。グラフの横軸は出力軸1の位置を示す。出力軸1が最も引き込まれた状態を1mm、最も突き出た状態を19mmとしている。縦軸は出力軸1が出す押し出し力をフォースゲージで測定した値である。グラフ中に各条件での測定値と近似曲線を記入している。   FIG. 16 is a graph showing how the generated force of the drive mechanism changes when the mass of the output member 21 is changed. The drive mechanism used for the measurement has a length of the output shaft 1 of 30 mm, a length of the guide member 2 and the restraining member 14 in a direction in which the output shaft exerts a force of 10 mm, and a mass of the piezoelectric element 12 of 1.3 g. doing. The horizontal axis of the graph indicates the position of the output shaft 1. The state where the output shaft 1 is most retracted is 1 mm, and the state where the output shaft 1 is most protruded is 19 mm. The vertical axis is a value obtained by measuring a pushing force output from the output shaft 1 with a force gauge. The measured value and the approximate curve under each condition are entered in the graph.

質量が0のときは出力部材21をつけない場合であり、発生力も小さく、周波数により特性が変化しやすくなっている。出力部材21の質量が振動子12の質量の二倍程度の2.5gでは、発生力が小さく力の方向が反対方向になる。出力部材21の質量を大きくしていくと発生力が大きくなり、5g以上になると発生力が大きくなり、出力軸1の位置による発生力の変動も小さくなる。   When the mass is 0, the output member 21 is not attached, the generated force is small, and the characteristics easily change depending on the frequency. When the mass of the output member 21 is 2.5 g, which is about twice the mass of the vibrator 12, the generated force is small and the direction of the force is opposite. As the mass of the output member 21 increases, the generated force increases, and when it is 5 g or more, the generated force increases, and the fluctuation of the generated force due to the position of the output shaft 1 also decreases.

このように振動子12の質量に見合う質量の出力部材21を取り付けることにより、駆動機構の発生力を高くし、安定的に動作させることができる。測定結果から出力部材21の質量は振動子12の四倍以上がよい。この条件では先端ツールを取り付けても本駆動装置を安定的に動作させることができる。   By attaching the output member 21 having a mass corresponding to the mass of the vibrator 12 in this manner, it is possible to increase the generated force of the drive mechanism and to operate it stably. From the measurement results, the mass of the output member 21 is preferably four times or more that of the vibrator 12. Under this condition, the driving device can be operated stably even when the tip tool is attached.

図17、図18は出力部材21に先端ツールとしてグリッパーを取り付けた場合の側面図と正面図である。グリッパーユニット24はツール取り付けねじ25により出力部材21に取り付けられている。グリッパーユニット24からはグリップ用のアーム26と駆動信号を供給するリード線27が2本ずつ出ていて、駆動信号を入力することによりアーム26を開閉して、対象物をつかんだり、離したりすることができる。対象物をつかんでから本駆動機構を動作させることで、対象物を移動させ、希望の位置で対象物を離すという作業が可能になる。グリッパーユニット24は電磁コイルによるもの、モーターによるものなど種々のものが利用できる。   FIG. 17 and FIG. 18 are a side view and a front view when a gripper is attached to the output member 21 as a tip tool. The gripper unit 24 is attached to the output member 21 by a tool attachment screw 25. A grip arm 26 and two lead wires 27 for supplying a drive signal are output from the gripper unit 24. The drive signal is input to open and close the arm 26 to grasp or separate an object. be able to. By operating the drive mechanism after grasping the object, the operation of moving the object and releasing the object at a desired position becomes possible. As the gripper unit 24, various units such as those using an electromagnetic coil and those using a motor can be used.

図19は本駆動機構を部品の押し込みや圧入作業に使用する場合の駆動方法を示す。作業は棒状部品28を穴29に押し込無作業である。   FIG. 19 shows a driving method in a case where the present driving mechanism is used for pushing or press-fitting parts. The work is performed without pushing the rod-shaped part 28 into the hole 29.

出力部材には押し込みツール30がツール取り付けねじ23によりねじ止めされている。本駆動機構を動作させる前に、穴29と棒状部品28と押し込みツール30の位置を合わせる(Aの状態)。棒状部品28は不図示の保持具で穴の上方に位置決めされ、保持されている。本駆動機構は外部の装置により棒状部品28の上方に位置決めされ、保持されている。   A pressing tool 30 is screwed to the output member with a tool mounting screw 23. Before operating this drive mechanism, the positions of the hole 29, the rod-shaped part 28 and the pushing tool 30 are adjusted (state A). The rod-shaped part 28 is positioned above the hole and held by a holder (not shown). This drive mechanism is positioned and held above the rod-shaped component 28 by an external device.

この後、本駆動機構は押す力(f)と引く力(−f)を交互に出力し、対象の棒状部品28を間欠的な力で押し込んでいく。引く力を出す時間は押す力を出す時間はよりも短く設定され、引く力を出す間に押し込みツール30がわずかに後退し、押し込みツール30との間に隙間ができ、次に押す力を出すと押し込みツール30が棒状部品28に衝突して押し込んでいく動作が連続し、押し込みや圧入作業をよりなめらかに行うことができる。   Thereafter, the present driving mechanism alternately outputs the pushing force (f) and the pulling force (-f), and pushes the target rod-shaped component 28 with an intermittent force. The time for applying the pulling force is set to be shorter than the time for applying the pushing force. During the application of the pulling force, the pushing tool 30 is slightly retracted, and a gap is formed between the pushing tool 30 and the next pushing force. And the pushing tool 30 collides with the rod-shaped component 28 and pushes the same, and the pushing and press-fitting operations can be performed more smoothly.

本駆動機構を動作させると出力部材21が所定の力で押し込みツール30を動かしていき、棒状部品28は押し込みツールに押されて穴29の入り口に押し付けられる(Bの状態)。本駆動機構を引き続き動作させると棒状部品28は、穴29とのはめあいの抵抗力に抗して、穴29の中ごろまで押し込まれる(Cの状態)。本駆動機構の動作を継続すると棒状部品28は穴29の底に到達する(Dの状態)。押し込み完了後も本駆動機構の動作は継続され、押し込みの完了を確実にして作業が完了する(Eの状態)。作業が完了すると本駆動機構の動作を終了する。図19の下側のグラフは、本駆動機構の出力軸1、出力部材21、押し込みツール30が出力する力を示す。   When this drive mechanism is operated, the output member 21 moves the pushing tool 30 with a predetermined force, and the bar-shaped component 28 is pushed by the pushing tool and pressed against the entrance of the hole 29 (state B). When this drive mechanism is continuously operated, the rod-shaped part 28 is pushed into the middle of the hole 29 against the resistance of the fitting with the hole 29 (state C). When the operation of the present driving mechanism is continued, the rod-shaped component 28 reaches the bottom of the hole 29 (state D). The operation of this drive mechanism is continued even after the pressing is completed, and the completion of the pressing is ensured to complete the operation (state E). When the operation is completed, the operation of the drive mechanism ends. The lower graph in FIG. 19 shows the force output by the output shaft 1, the output member 21, and the pushing tool 30 of the present driving mechanism.

本駆動機構では出力軸1がガイド部材2、拘束部材14に対して外見上動いていない状態でも連続駆動することができる、エンコーダーやロードセルで対象物の位置や負荷を測定して作業の状態を監視しながら、本駆動装置の出力を制御する必要はなく、使いやすい装置システムが低コストで実現できる。本駆動機構を応用できる作業は押し込みや圧入作業に限られず、所定の引っ張り力が必要な作業、所定の圧力を保持する作業など広い範囲に及ぶ。   In this drive mechanism, the output shaft 1 can be continuously driven even in a state where the output shaft 1 is not apparently moved with respect to the guide member 2 and the constraint member 14. The encoder and the load cell measure the position and load of the object to determine the work state. It is not necessary to control the output of the present driving device while monitoring, and an easy-to-use device system can be realized at low cost. The work to which the present drive mechanism can be applied is not limited to the pushing or press-fitting work, but covers a wide range such as a work requiring a predetermined pulling force and a work maintaining a predetermined pressure.

図20はAの状態からCの状態まではfの力で押し続け、その後はEの状態まで押す力(f)と引く力(−f)を交互に出力し、対象の棒状部品28を間欠的な力で押し込んでいく例である。このようにすると、棒状部品28と穴29の位置合わせ精度が重要で作業の負荷が小さい間は一定の力で押して、棒状部品28の位置合わせがずれないようにし、棒状部品28が穴29に入り込んでからは間欠的に衝撃力を加えることで押し込みを確実にすることができる。   FIG. 20 shows that the pushing force (f) and the pulling force (-f) are alternately output from the state A to the state C to the state E, and the rod-like part 28 is intermittently output. This is an example of pushing with a natural force. In this way, the positioning accuracy of the rod-shaped part 28 and the hole 29 is important, and while the work load is small, the rod-shaped part 28 is pushed with a constant force so that the positioning of the rod-shaped part 28 is not shifted. It is possible to ensure the pushing by intermittently applying an impact force after entering.

図21は本駆動装置を曲面へのシート貼り付けに利用する例である。   FIG. 21 shows an example in which the present driving device is used for attaching a sheet to a curved surface.

出力部材21には押さえローラーツール31がツール取り付けねじ23によりねじ止めされている。押さえローラーツールは先端に回転するローラーが取り付けられ、ローラーが回転しながら対象物を押さえていくことができる。シート32は曲面を持つ台座33の表面に貼り付けられる。台座の表面には接着剤が塗布され、シート32が貼り付け位置に仮置きされている。   A holding roller tool 31 is screwed to the output member 21 with a tool mounting screw 23. The holding roller tool has a rotating roller attached to the tip, and can hold down the object while the roller rotates. The sheet 32 is attached to the surface of a pedestal 33 having a curved surface. An adhesive is applied to the surface of the pedestal, and the sheet 32 is temporarily placed at the sticking position.

台座は移動台34に乗せられ本駆動装置の下方に移動させて停止する(Aの状態)。本駆動装置を動作させ、出力軸に押しの力を発生させると押さえローラーツール31はシート32の端の部分を台座に押さえつける(Bの状態)。移動台34の移動を再開すると、シート32と台座は押さえローラーに押さえられながら移動し、シート32が台座に強固に接着されるよう、シート32の全長にわたって台座に押し付けられる(CからEの状態)。シート全長の押さえつけが完了すると出力軸に−fの力を発生させ、押さえローラーはシート32から離れる(Fの状態)。   The pedestal is placed on the movable base 34, moved below the present driving device, and stopped (state A). When the driving device is operated to generate a pressing force on the output shaft, the pressing roller tool 31 presses the end portion of the sheet 32 against the pedestal (state B). When the movement of the moving table 34 is resumed, the sheet 32 and the pedestal move while being pressed by the pressing roller, and are pressed against the pedestal over the entire length of the sheet 32 so that the sheet 32 is firmly adhered to the pedestal (states C to E). ). When the pressing of the entire length of the sheet is completed, a force of −f is generated on the output shaft, and the pressing roller is separated from the sheet 32 (state F).

この作業では、出力軸1は上述したような押し引き交互動作や、一定の力での押しなどの設定された力出力モードで押さえローラーツール31を対象物に押し付けるが、対象物の凹凸に追従して出力軸1が本駆動装置の側板3から出たり入ったりして位置を変化させる。この動作により対象物に凹凸があっても、対象物に一定のモードでの力を加え続けることができる。この場合も本駆動機構ではエンコーダーやロードセルで対象物の位置や負荷を測定して作業の状態を監視しながら、本駆動装置の出力を制御する必要はなく、使いやすい装置システムが低コストで実現できる。   In this operation, the output shaft 1 presses the pressing roller tool 31 against the target in the set force output mode such as the above-described alternating push-pull operation or pressing with a constant force, but follows the unevenness of the target. Then, the output shaft 1 moves in and out of the side plate 3 of the present driving device to change the position. By this operation, even if the object has irregularities, it is possible to continue to apply a force in a certain mode to the object. In this case as well, the drive mechanism does not need to control the output of this drive device while monitoring the work status by measuring the position and load of the target object with the encoder and load cell, realizing an easy-to-use device system at low cost. it can.

出力軸1に出力部材21を取り付けた場合や、出力部材21に先端ツールを取り付けた場合は、出力軸1が最も突き出した状態で、ガイド部材2、拘束部材14の外側エッジから出力部材21や先端ツールの先端までの距離をSとして、ガイド部材2、拘束部材14の出力軸1の力を出す方向の長さLがSの10分の1以上の長さに設定するのがよい。   When the output member 21 is attached to the output shaft 1 or when the tip tool is attached to the output member 21, the output member 21 and the output member 21 are moved from the outer edges of the guide member 2 and the restraining member 14 with the output shaft 1 most protruding. Assuming that the distance to the tip of the tip tool is S, the length L of the guide member 2 and the restraining member 14 in the direction in which the force of the output shaft 1 is exerted is preferably set to be 1/10 or more of S.

図22は本駆動機構のガイド部材2の別の形態を示す。この形態では、拘束部材がガイド部材2に一体化されている。ガイド部材2の内径寸法は出力軸1の外形寸法よりもわずかに小さめに作成し、出力軸1を挿入することで、ガイド部材2の押さえ面2d、2eにより出力軸1の移動の基準となる摩擦平面2b、2cに出力軸1が押し付けられガイド部材2と出力軸1間で摩擦が発生し、出力軸1の出力方向以外の自由度がなくなるように拘束される。   FIG. 22 shows another embodiment of the guide member 2 of the present driving mechanism. In this embodiment, the restraining member is integrated with the guide member 2. The inner diameter of the guide member 2 is made slightly smaller than the outer dimension of the output shaft 1, and by inserting the output shaft 1, the pressing surfaces 2 d and 2 e of the guide member 2 serve as a reference for the movement of the output shaft 1. The output shaft 1 is pressed against the friction planes 2b and 2c, friction is generated between the guide member 2 and the output shaft 1, and the output shaft 1 is restrained so that there is no degree of freedom other than the output direction of the output shaft 1.

ガイド部材2の一部に溝部2fを設け、ガイド部材2の拘束部材に相当する部分を出力軸1に沿いやすくしてもよい。この形態では、出力軸1を挟み込む力を所定の値にするため高精度の加工が必要で、出力軸1との当たり面の加工も難度が高くなるが、部品点数の削減、組み立て工数の削減が可能になる。   A groove 2f may be provided in a part of the guide member 2 so that a portion of the guide member 2 corresponding to the restraining member can be easily formed along the output shaft 1. In this embodiment, high-precision machining is required to set the force for sandwiching the output shaft 1 to a predetermined value, and the machining of the contact surface with the output shaft 1 becomes more difficult. However, the number of parts and the number of assembly steps are reduced. Becomes possible.

図23に示すように拘束部材を拘束部材14と押さえ板35、36に分割することも可能である。出力軸1は、ガイド部材2と、ガイド部材2に拘束部材取り付けねじ13でねじ止めされた拘束部材14、押さえ板35、36に挟み込まれた状態で保持されている。   As shown in FIG. 23, the restraining member can be divided into the restraining member 14 and the pressing plates 35 and 36. The output shaft 1 is held in a state of being sandwiched between the guide member 2, the constraint member 14 screwed to the guide member 2 with the constraint member mounting screw 13, and the holding plates 35 and 36.

拘束部材14は先端が曲がっていて、出力軸1との間に挿入された押さえ板35、36の摩擦平面35a、36aを出力軸1に押し付ける。拘束部材14は、押さえ板35、36と出力軸1の2つの平面との間で摩擦を発生する働きと、出力軸1の残りの2つの平面をガイド部材2の2つの摩擦平面2b、2cに押し付けて摩擦を発生する働きと、出力軸1の出力方向以外の自由度を拘束する働きをする。   The restraining member 14 has a bent tip, and presses the friction planes 35 a and 36 a of the holding plates 35 and 36 inserted between the restraining member 14 and the output shaft 1 against the output shaft 1. The restraining member 14 functions to generate friction between the holding plates 35 and 36 and the two planes of the output shaft 1, and the two remaining planes of the output shaft 1 are used as two friction planes 2 b and 2 c of the guide member 2. And a function of restricting the degree of freedom of the output shaft 1 other than the output direction.

拘束部材14と押さえ板35、36の接触面は研削やラッピングなど特段の平滑化は施さないため、拘束部材14と押さえ板35、36の間の摩擦力は、押さえ板35、36と出力軸1の間の摩擦力より2倍以上大きくなり、本駆動機構を動作させたときに、押さえ板35、36と拘束部材14は相対的に動くことはない。これにより、押さえ板35、36と出力軸1との間に発生する力は、出力軸1がガイド部材2に対して動こうとする力に加えて、出力軸1から取り出せる力として有効に利用できる。   Since the contact surface between the restraining member 14 and the pressing plates 35 and 36 is not subjected to any particular smoothing such as grinding or lapping, the frictional force between the restraining member 14 and the pressing plates 35 and 36 is reduced by the pressing plates 35 and 36 and the output shaft. The frictional force is more than twice as large as that during the period 1, and when the present driving mechanism is operated, the pressing plates 35 and 36 and the restraining member 14 do not relatively move. Thus, the force generated between the holding plates 35 and 36 and the output shaft 1 is effectively used as a force that can be taken out from the output shaft 1 in addition to the force that the output shaft 1 tends to move with respect to the guide member 2. it can.

仕様の一例として本駆動機構で出力軸の出力を10Nにしようとすると、出力軸1の四つの面の各面で2.5Nの力を発生させることになる。出力軸1とガイド部材2、押さえ板35、36の間の動摩擦係数は潤滑剤の有無により変化はあるが、0.1から0.15程度になる。2.5Nの力を発生させるためには、出力軸1がガイド部材2、押さえ板35、36と接触する四つの面で2.5Nを動摩擦係数0.15で割った17N程度以上の押し付け力が作用する必要がある。   As an example of the specification, when the output of the output shaft is set to 10 N by the present drive mechanism, a force of 2.5 N is generated on each of the four surfaces of the output shaft 1. The coefficient of kinetic friction between the output shaft 1, the guide member 2, and the holding plates 35 and 36 varies depending on the presence or absence of the lubricant, but is about 0.1 to 0.15. In order to generate a force of 2.5N, a pressing force of about 17N or more obtained by dividing 2.5N by a dynamic friction coefficient of 0.15 on four surfaces of the output shaft 1 in contact with the guide member 2 and the holding plates 35 and 36 is used. Need to work.

拘束部材14は押さえ板を17N以上の力で押さえつけることになり、押さえ板35、36と拘束部材端面の間には強い摩擦が発生する。鉄系や銅系合金の材料でこのような接触条件の場合には、摩擦係数は0.5以上になると考えられ、押さえ板35、36と拘束部材14端面の間の摩擦力は8N以上になる。この摩擦力は押さえ板35、36と出力軸1の間で発生する2.5Nの力よりもはるかに大きく、押さえ板35、36と拘束部材14は相対的に動くことはない。   The restricting member 14 presses the pressing plate with a force of 17 N or more, and strong friction is generated between the pressing plates 35 and 36 and the end surfaces of the restricting member. In the case of such a contact condition in a material of an iron-based or copper-based alloy, the friction coefficient is considered to be 0.5 or more, and the frictional force between the holding plates 35 and 36 and the end face of the restraining member 14 is 8 N or more. Become. This frictional force is much larger than the 2.5 N force generated between the holding plates 35, 36 and the output shaft 1, and the holding plates 35, 36 and the restraint member 14 do not move relatively.

この構成では部品点数が増え、組み立てコストなどコスト増の要因となるが、部品の加工や仕上げが容易になる。   In this configuration, the number of parts increases, which causes an increase in cost such as assembly cost, but processing and finishing of the parts become easy.

図7の例と同じように、拘束部材14とガイド部材2に傾斜面を設け、取り付けねじ13により拘束部材14の傾斜面がガイド部材2の傾斜面に押し付けられ、傾斜面の高さの低い側に移動していこうとするようにしてもよい。   As in the example of FIG. 7, an inclined surface is provided on the constraint member 14 and the guide member 2, and the inclined surface of the constraint member 14 is pressed against the inclined surface of the guide member 2 by the mounting screw 13, and the height of the inclined surface is low You may make it try to move to the side.

図24は、ガイド部材2を二体に分けた例である。ガイド部材をガイド部材2とガイド部材37に分割して作成し、ガイド部材の生産コストを下げることができる。分割したガイド部材はガイド部材結合ねじ38で結合され一体の部品として機能する。   FIG. 24 is an example in which the guide member 2 is divided into two parts. The guide member is divided into the guide member 2 and the guide member 37, and the production cost of the guide member can be reduced. The divided guide members are joined by guide member joining screws 38 and function as an integral part.

図25は本発明において圧電素子12を駆動する駆動回路の一例の回路図である。圧電素子12は回路図中に記載している。回路は3つのブロックに分かれていて、それぞれのブロックを破線の枠で囲んでいる。左上のブロックはパルスジェネレータ、右上のブロックはワンショットマルチバイブレータ、下部のブロックは圧電素子12の駆動部になっている。以下の回路の説明では圧電素子12を圧電素子P1と呼ぶ。   FIG. 25 is a circuit diagram of an example of a drive circuit for driving the piezoelectric element 12 in the present invention. The piezoelectric element 12 is shown in the circuit diagram. The circuit is divided into three blocks, each of which is surrounded by a dashed box. The upper left block is a pulse generator, the upper right block is a one-shot multivibrator, and the lower block is a drive unit of the piezoelectric element 12. In the following description of the circuit, the piezoelectric element 12 is referred to as a piezoelectric element P1.

パルスジェネレータはアナログのコンパレータを利用したもので、抵抗R1、R2とコンデンサーC1の値に従って一定の周波数とデューティ比のパルスを連続的に出力する。   The pulse generator utilizes an analog comparator, and continuously outputs pulses having a constant frequency and a duty ratio according to the values of the resistors R1 and R2 and the capacitor C1.

図25においてスイッチS1を閉にすると、パルスジェネレータが動作を開始し、圧電素子P1を駆動する波形の基本周波数を持つパルス波形を発生する。このパルス波形のデューティ比は0.5〜0.99程度が好ましく、圧電素子P1を急速充電または急速放電するのに十分な時間、波形がゼロレベルになるようにする。   When the switch S1 is closed in FIG. 25, the pulse generator starts operating, and generates a pulse waveform having a fundamental frequency of a waveform for driving the piezoelectric element P1. The duty ratio of this pulse waveform is preferably about 0.5 to 0.99, and the waveform is set to zero level for a time sufficient for rapid charging or rapid discharging of the piezoelectric element P1.

ワンショットマルチバイブレータは、パルスジェネレータの出力がハイレベルからゼロレベルに変化すると、所定の時間幅のパルスを一つ発生する。パルスの時間幅は抵抗R3とコンデンサーC2の値によって決定される。このパルスの時間幅はパルスジェネレータから出される連続パルス波形のハイレベルの時間よりも小さく設定する。   The one-shot multivibrator generates one pulse having a predetermined time width when the output of the pulse generator changes from high level to zero level. The time width of the pulse is determined by the values of the resistor R3 and the capacitor C2. The time width of this pulse is set shorter than the high-level time of the continuous pulse waveform output from the pulse generator.

圧電素子12の駆動部はPchのCMOS FETQ1、Q2とNchのCMOS FETQ3、Q4からなるブリッジ回路に、圧電素子P1を低速で充電または放電させるための抵抗R4と、本駆動機構の動作方向を切り替えるための方向切換スイッチS2を付加したものである。   The drive unit of the piezoelectric element 12 switches a resistor R4 for charging or discharging the piezoelectric element P1 at a low speed and a movement direction of the drive mechanism to a bridge circuit including Pch CMOS FETs Q1 and Q2 and Nch CMOS FETs Q3 and Q4. Directional change switch S2 is added.

図26は駆動回路中のA点からE点における、電圧波形の説明図である。   FIG. 26 is an explanatory diagram of voltage waveforms at points A to E in the drive circuit.

パルスジェネレータからの出力波形は図26中のA点の波形となり、図25の圧電素子12駆動回路の左側のPch FETQ1とNch FETQ3のゲートに入力される。ワンショットマルチバイブレータからはパルスジェネレータの出力がハイレベルからゼロレベルに変化するときに抵抗R3とコンデンサーC2の値によって決定される時間幅のパルスが出力される。ワンショットマルチバイブレータの出力は圧電素子12駆動回路の右側のPch FETQ2とNch FETQ4のゲートに入力される。   The output waveform from the pulse generator becomes the waveform at the point A in FIG. 26, and is input to the gates of the Pch FET Q1 and the Nch FET Q3 on the left side of the piezoelectric element 12 drive circuit in FIG. When the output of the pulse generator changes from the high level to the zero level, the one-shot multivibrator outputs a pulse having a time width determined by the values of the resistor R3 and the capacitor C2. The output of the one-shot multivibrator is input to the gates of the Pch FET Q2 and Nch FET Q4 on the right side of the piezoelectric element 12 drive circuit.

パルスジェネレータからの出力がハイレベルからゼロレベルに変化すると、Pch FETQ1がオンになり、Nch FETQ3がオフになる。このときにワンショットマルチバイブレータからの出力はゼロレベルからハイレベルに変化するためNch FETQ4がオンになり、Pch FETQ2がオフになる。圧電素子P1はPch FETQ1とNch FETQ4を通じて、電源電圧Vで急速に充電される。   When the output from the pulse generator changes from high level to zero level, the Pch FET Q1 turns on and the Nch FET Q3 turns off. At this time, the output from the one-shot multivibrator changes from zero level to high level, so that the Nch FET Q4 is turned on and the Pch FET Q2 is turned off. The piezoelectric element P1 is rapidly charged with the power supply voltage V through the Pch FET Q1 and the Nch FET Q4.

パルスジェネレータからの出力は、圧電素子P1の急速充電が完了するのに十分な時間が経過すると、ゼロレベルからハイレベルに変化するようにデューティ比が設定されている。パルスジェネレータからのの出力がゼロレベルからハイレベルに変化すると、Pch FETQ1がオフになり、Nch FETQ3がオンになる。   The duty ratio of the output from the pulse generator is set so that it changes from a zero level to a high level after a sufficient time has elapsed for completing the rapid charging of the piezoelectric element P1. When the output from the pulse generator changes from zero level to high level, the Pch FET Q1 turns off and the Nch FET Q3 turns on.

急速充電されていた圧電素子P1の電荷は抵抗R4とNch FETQ3を通して放電を開始するが、抵抗R4が介在しているため緩やかに放電が行われる。ワンショットマルチバイブレータからのパルスは、パルスジェネレータ出力の1周期の半分程度のあいだハイレベルであり、この間に圧電素子12が放電するように抵抗R4の値は設定されている。   The charge of the piezoelectric element P1, which has been rapidly charged, starts discharging through the resistor R4 and the Nch FET Q3. However, the discharging is performed slowly because the resistor R4 is interposed. The pulse from the one-shot multivibrator is at a high level for about half of one cycle of the pulse generator output, and the value of the resistor R4 is set so that the piezoelectric element 12 is discharged during this period.

ワンショットマルチバイブレータの出力がハイレベルからゼロレベルに変化すると、Pch FETQ2がオンになり、Nch FETQ4がオフになる。これにより圧電素子P1はPch FETQ2、抵抗R4、Nch FETQ3を通して逆極性での充電が開始される。このときも抵抗R4が介在しているため緩やかに充電が行われる。ワンショットマルチバイブレータの出力はパルスジェネレータ出力の1周期の半分程度のあいだゼロレベルであり、この間に圧電素子12の逆極性での充電が完了する。   When the output of the one-shot multivibrator changes from high level to zero level, the Pch FET Q2 turns on and the Nch FET Q4 turns off. As a result, charging of the piezoelectric element P1 with the opposite polarity is started through the Pch FET Q2, the resistor R4, and the Nch FET Q3. Also at this time, the charging is performed slowly because the resistor R4 is interposed. The output of the one-shot multivibrator is at the zero level for about half of one cycle of the pulse generator output, during which time the charging of the piezoelectric element 12 with the opposite polarity is completed.

パルスジェネレータから出される連続パルスの1周期の時間が経過するとパルスジェネレータの出力はふたたびハイレベルからゼロレベルに変化し、再びPcn FETQ1がオン、Nch FETQ3がオフになる。このときにワンショットマルチバイブレータからの出力も再びゼロレベルからハイレベルに変化するためNch FETQ4がオンになり、Pch FETQ3がオフになる。以下、上記の回路動作が繰り返されることにより圧電素子12は時間的に非対称な電圧波形で駆動され、本発明の駆動機構が力発生機やリニアアクチュエータ、電動シリンダーとして動作する。   When the time of one cycle of the continuous pulse output from the pulse generator elapses, the output of the pulse generator changes from the high level to the zero level again, and the Pcn FET Q1 turns on again and the Nch FET Q3 turns off again. At this time, the output from the one-shot multivibrator also changes from zero level to high level again, so that the Nch FET Q4 turns on and the Pch FET Q3 turns off. Hereinafter, by repeating the above-described circuit operation, the piezoelectric element 12 is driven with a temporally asymmetric voltage waveform, and the driving mechanism of the present invention operates as a force generator, a linear actuator, and an electric cylinder.

パルスジェネレータからの波形の1周期分だけ、本発明の駆動機構を動作させることも可能である。このときには、パルスジェネレータのブロックを修正してワンショットマルチバイブレータとして動作させればよい。   It is also possible to operate the driving mechanism of the present invention for one cycle of the waveform from the pulse generator. In this case, the pulse generator block may be modified to operate as a one-shot multivibrator.

スイッチS2は、ブリッジ回路のなかで圧電素子P1の接続を逆にするスイッチで、このスイッチを切り替えることにより本発明の駆動機構の動作方向、力を出す方向を切り替えることができる。スイッチS2を設けるかわりに、電子的なスイッチ素子と抵抗の追加と駆動波形の調整で方向の切り替えをすることもできる。   The switch S2 is a switch for reversing the connection of the piezoelectric element P1 in the bridge circuit, and by switching this switch, it is possible to switch the operation direction of the drive mechanism of the present invention and the direction in which force is applied. Instead of providing the switch S2, the direction can be switched by adding an electronic switch element and a resistor and adjusting the drive waveform.

図26においてAはパルスジェネレータからの出力であり、ブリッジ回路の左半分のPch FETQ1とNch FETQ3のゲートに入力される。Bはワンショットマルチバイブレータの出力で、ブリッジ回路の右側のPch FETQ2とNch FETQ4のゲートに入力される。Cは圧電素子P1の一方の電極の電圧で、Dは圧電素子12のもう一方の電極の電圧である。EはNch FETQ3のソース電圧である。   In FIG. 26, A is an output from the pulse generator and is input to the gates of the Pch FET Q1 and the Nch FET Q3 in the left half of the bridge circuit. B is the output of the one-shot multivibrator and is input to the gates of the Pch FET Q2 and Nch FET Q4 on the right side of the bridge circuit. C is the voltage of one electrode of the piezoelectric element P1, and D is the voltage of the other electrode of the piezoelectric element 12. E is the source voltage of the Nch FET Q3.

D-Cは圧電素子12の二つの電極間の電圧を計算したもので、圧電素子P1が+Vから-Vの電圧範囲で急速放電と緩やかな充電をされていることがわかる。   DC is the calculated voltage between the two electrodes of the piezoelectric element 12, and it can be seen that the piezoelectric element P1 is rapidly discharged and gently charged within a voltage range of + V to -V.

駆動回路により圧電素子P1が非対称な電圧波形で駆動されると、圧電素子P1は伸縮運動をする。この伸縮運動は伸びと縮みの速度が異なるため、出力軸1には非対称な加振が行われ、出力軸1がガイド部材2、拘束部材14に対して動こうとする力が発生し、対象物を移動させたり、対象物が駆動機構の発生する力では動かない場合や駆動機構の発生力に抗して出力軸1を動かす場合にも、対象物に力を加え続けたりすることができる。   When the piezoelectric element P1 is driven by an asymmetric voltage waveform by the drive circuit, the piezoelectric element P1 expands and contracts. Since the expansion and contraction movements have different speeds of expansion and contraction, an asymmetrical vibration is applied to the output shaft 1, and a force is generated that causes the output shaft 1 to move with respect to the guide member 2 and the restraining member 14. Even when the object is moved, the object does not move with the force generated by the drive mechanism, or when the output shaft 1 is moved against the force generated by the drive mechanism, the force can be continuously applied to the object. .

1 出力軸
2 ガイド部材
3 側板
4 側板
5 カバー
7 底板
9 外部の装置
11 リード線
12 圧電素子
14 拘束部材
15 対象物
19 ストッパー
20 規制部材
21 出力部材
23 ツール取り付けねじ穴
30 押し込みツール
32 押さえローラーツール
35 押さえ板
36 押さえ板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Output shaft 2 Guide member 3 Side plate 4 Side plate 5 Cover 7 Bottom plate 9 External device 11 Lead wire 12 Piezoelectric element 14 Restriction member 15 Object 19 Stopper 20 Restriction member 21 Output member 23 Tool mounting screw hole 30 Press-in tool 32 Pressing roller tool 35 holding plate 36 holding plate

Claims (2)

出力軸の一端に振動子が固定された移動ユニットと、前記移動ユニットを前記出力軸で支持するガイド部材と、前記移動ユニットを移動方向に対して自由度を有するように前記ガイド部材とともに前記出力軸を拘束する拘束部材を有しており、前記振動子を振動させることにより前記移動ユニットが前記出力軸の軸方向を移動方向として前記ガイド部材と前記拘束部材に対して移動する駆動機構であって、
前記出力軸の振動子と反対側の端に、先端ツールを取付可能な出力部材が固定されている、駆動機構。
A moving unit having a vibrator fixed to one end of an output shaft, a guide member supporting the moving unit on the output shaft, and the output together with the guide member so that the moving unit has a degree of freedom in a moving direction. A drive mechanism that has a restraint member that restrains a shaft, and that moves the movable unit with respect to the guide member and the restraint member by moving the vibrator with the axial direction of the output shaft as a movement direction. hand,
A drive mechanism, wherein an output member to which a tip tool can be attached is fixed to an end of the output shaft opposite to the vibrator.
前記出力軸は、前記移動方向に沿う前後方向を長手方向とする直方体形状で構成されており、
前記ガイド部材は、前記移動方向と平行な前記出力軸の4つの外周面のうちの隣り合う2面と接触する2つの摩擦平面を有する一方、前記拘束部材は、前記出力軸の4つの外周面のうちの残りの2面それぞれに対して前記出力軸を前記ガイド部材側へ押し付ける2つの拘束部を有している、請求項1に記載の駆動機構。
The output shaft is configured in a rectangular parallelepiped shape having a longitudinal direction in a front-rear direction along the moving direction,
The guide member has two friction planes that are in contact with two adjacent surfaces of the four outer surfaces of the output shaft that are parallel to the moving direction, while the restraining member has four outer surfaces of the output shaft. 2. The drive mechanism according to claim 1, further comprising two restricting portions that press the output shaft toward the guide member on each of the remaining two surfaces.
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