JP2021191209A - Displacement expansion mechanism and actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、変位拡大機構及びアクチュエータに関する。 The present invention relates to a displacement expanding mechanism and an actuator.
ピエゾ素子(圧電素子)の小さい変位を拡大して出力する変位拡大機構が知られている。 A displacement expansion mechanism that expands and outputs a small displacement of a piezo element (piezoelectric element) is known.
特許文献1には、容量的性質を有する伸縮素子と、前記伸縮素子の一端と接触し、前記伸縮素子の伸縮に応じて前記伸縮素子の伸縮方向とは異なる方向に変位する出力部と、前記伸縮素子の他端と接触し、前記伸縮素子の伸縮によっては変位しない固定部と、前記出力部の出力変位に対する推力の変化率を0に近づけるように、前記出力部に外力を加える外力印加部と、を備える変位拡大機構が開示されている。
ところで、特許文献1で提案されている変位拡大機構では、出力部の変位に伴って、外力印加部としての非線形バネの中央部も変位する。また、非線形バネの変位の増加に伴い、非線形バネは長軸方向に広がろうとする。このため、非線形バネの両端部と固定部との間に滑りが生じ、所望のバネ特性が得られないおそれがある。
By the way, in the displacement expanding mechanism proposed in
そこで、本発明は、所望の出力特性が得られる変位拡大機構及びアクチュエータを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a displacement expanding mechanism and an actuator that can obtain desired output characteristics.
本発明の一態様に係る変位拡大機構は、容量的性質を有する伸縮素子と、前記伸縮素子の一端と接触し、前記伸縮素子の伸縮に応じて前記伸縮素子の伸縮方向とは異なる方向に変位する出力部と、前記伸縮素子の他端と接触し、前記伸縮素子の伸縮によっては変位しない固定部と、前記出力部の出力変位に対する推力の変化率を0に近づけるように、前記出力部に外力を加える外力印加部と、前記外力印加部を前記固定部に固定する拘束部と、を備える。 The displacement expansion mechanism according to one aspect of the present invention is in contact with an elastic element having a capacitive property and one end of the elastic element, and is displaced in a direction different from the expansion / contraction direction of the elastic element according to the expansion / contraction of the elastic element. The output unit is in contact with the other end of the expansion / contraction element, and the fixed portion is not displaced by the expansion / contraction of the expansion / contraction element. It is provided with an external force applying portion for applying an external force and a restraining portion for fixing the external force applying portion to the fixing portion.
本発明によれば、所望の出力特性が得られる変位拡大機構及びアクチュエータを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a displacement expanding mechanism and an actuator that can obtain desired output characteristics.
以下、図面を参照して本開示を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present disclosure will be described with reference to the drawings. In each drawing, the same components may be designated by the same reference numerals and duplicate explanations may be omitted.
本実施形態に係る変位拡大機構10について、図1を用いて説明する。図1は、本実施形態に係る変位拡大機構10の概略構成を説明する図である。図1(a)は、本実施形態に係る変位拡大機構10の斜視図である。図1(b)は、一方のバネ拘束部16を取り外し、外殻14の一部を切断した本実施形態に係る変位拡大機構10の斜視図である。図1(c)は、本実施形態に係る変位拡大機構10の断面図である。
The
変位拡大機構10は、座屈現象を利用して容量的性質を有する伸縮素子の変位を拡大する機構である。本実施形態では、容量的性質を有する伸縮素子はピエゾ素子であり、例えば積層セラミクスで構成される。但し、伸縮素子は、磁歪素子、油圧シリンダ、空気圧シリンダ等であってもよい。
The
変位拡大機構10は、一対のピエゾ素子(伸縮素子)11と、一対の固定部(「サイドブロック」とも称する。)12と、出力部(「センターブロック」とも称する。)13と、外殻(「フレーム」とも称する。)14と、予圧調整バネ(外力印加部)15と、バネ拘束部16と、バネ予圧調整機構17と、ピエゾ予圧調整機構18と、を有する。
The
一対のピエゾ素子11は、それぞれ、一端が転がりジョイントを介して固定部12に連結され、且つ、他端が転がりジョイントを介して出力部13に連結される。ピエゾ素子11の長手方向の両端面には、キャップ111,112が接合される。なお、本実施形態では、キャップ111,112は、ピエゾ素子11とは別個独立の部材として存在するが、ピエゾ素子11と一体的に形成されてもよい。ピエゾ素子11と固定部12との転がりジョイントは、ピエゾ素子11の一端に接合されたキャップ111の端部曲面(転がり面)と、固定部12の端部曲面(転がり面)との転がり接触(線接触または点接触)を介した連結により構成される。また、ピエゾ素子11と出力部13との転がりジョイントは、ピエゾ素子11の他端に接合されたキャップ112の端部曲面(転がり面)と、固定部12の端部曲面(転がり面)との転がり接触(線接触または点接触)を介した連結により構成される。
One end of each pair of
なお、図1(c)に示す変位拡大機構10の例において、キャップ111の転がり面は円筒面を有し、固定部12の転がり面は傾斜面を有している。また、キャップ112の転がり面は円筒面を有し、出力部13の転がり面は傾斜面を有している。即ち、ピエゾ素子11と固定部12との転がりジョイントは、キャップ111の円筒面及び傾斜面によって、その動作が規定される。また、ピエゾ素子11と出力部13との転がりジョイントは、キャップ112の円筒面及び傾斜面によって、その動作が規定される。
In the example of the
一対のピエゾ素子11はそれぞれ、電圧が印加された場合に長手方向に伸張して座屈現象を引き起こし、その伸張変位よりも大きい変位で出力部13を長手方向に垂直な方向(y軸方向)に変位させる。すなわち、ピエゾ素子11の伸縮運動は転がりジョイントで回転運動に変換されてその伸縮変位が拡大される。そして、出力部13における直動往復動作をもたらす。このように、変位拡大機構10は、一対のピエゾ素子11のそれぞれの出力を変換し、ピエゾ素子11の伸縮方向とは異なる方向である所定の出力方向に出力部13を付勢して変位させる。なお、以下では出力部13の変位を「拡大変位」と称する。
Each of the pair of
出力部13は、変位拡大機構10の出力を外部に伝達する機能要素である。本実施形態では、出力部13は、−y側の端部が予圧調整バネ15に接続され、+y側の端部が出力ジョイント(図示せず)に接続される。
The
外殻14は、一対の固定部12の間の距離を固定する機能要素である。本実施形態では、外殻14は、一対のピエゾ素子11、一対の固定部12、及び出力部13を取り囲むように形成される部材であり、変位拡大機構10で座屈現象が生じる場合に一対の固定部12の間の距離が拡がるのを防止する。
The
予圧調整バネ(「PCS(Preload Compensation Spring)」とも称する。)15は、変位拡大機構10の出力部13を一定の特性で付勢する付勢手段の一例である。本実施形態では、予圧調整バネ15は、出力部13の拡大変位とその拡大変位によってもたらされる推力との関係である拡大変位−推力特性を調整する。具体的には、予圧調整バネ15は、中央部151と、両端部152と、接続部153と、を有する。予圧調整バネ15は、中央部151が−y方向に膨らむように湾曲した板バネで構成される。中央部151は出力部13に接続され、両端部152は外殻14に接続される。予圧調整バネ15は、出力部13の拡大変位によってもたらされる推力をオフセットするy軸方向の力を発生させる。以下では、予圧調整バネ15が発生させる力を「オフセット力」と称する。この構成により、予圧調整バネ15は、出力部13の拡大変位の方向を決定付けて出力部13の挙動を安定化させることができる。
The preload adjusting spring (also referred to as “PCS (Preload Compensation Spring)”) 15 is an example of an urging means for urging the
図1に示す例において、予圧調整バネ15は、複数(図1では4枚)の板バネを有する。予圧調整バネ15の中央部151には、ボルト191を挿通する貫通孔(図示せず)が設けられている。出力部13には、ボルト191と螺合するねじ穴(図示せず)が設けられている。ボルト191は、予圧調整バネ15の中央部151を挿通し、出力部13のねじ穴と螺合する。これにより、中央部151と出力部13とが接続されている。予圧調整バネ15の両端部152には、ボルト194を挿通する貫通孔(図示せず)が設けられている。ブロック192,193には、ボルト194を挿通する貫通孔(図示せず)が設けられている。外殻14には、ボルト194と螺合するねじ穴(図示せず)が形成されている。ボルト194は、ブロック192、予圧調整バネ15の両端部152、ブロック193の順に挿通し、外殻14のねじ穴と螺合する。これにより、両端部152と外殻14(固定部12)とが接続されている。
In the example shown in FIG. 1, the
バネ拘束部16は、予圧調整バネ15の両端部152が長手方向(z軸方向)に拡がることを阻止するように拘束する機械要素である。図1に示す例において、バネ拘束部16は、外殻14にボルト195で締結されている。両端部152の端面がバネ拘束部16と当接している。これにより、両端部152が外殻14上で滑ることを防止する。
The
バネ予圧調整機構17は、予圧調整バネ15によるオフセット力を調整する機構である。図1(c)の例において、バネ予圧調整機構17は、中央部151と出力部13との間に配置されるシム(図示せず)で構成されていてもよい。また、両端部152とブロック193との間および/またはブロック193と外殻14との間に配置されるシム(図示せず)で構成されていてもよい。
The spring
ピエゾ予圧調整機構18は、変位拡大機構10における4つの転がりジョイントに対する予圧の付与及び調整を行う機構である。本実施形態では、ピエゾ素子11に関するピエゾ予圧調整機構18は、キャップ112とピエゾ素子11との間に配置されるシムで構成される。なお、ピエゾ予圧調整機構18は、ピエゾ素子11の一端(固定部12の側)に配置されるものとして説明したが、ピエゾ素子11の他端(出力部13の側)に配置されてもよい。
The piezo
ピエゾ予圧調整機構18により、左端の接触点と右端の接触点との間の距離は自然長よりも短くなるように調整される。そのため、転がりジョイントの転がり面は、常に所定値以上の力(予圧)を受けた状態で転がり接触する。
The piezo
以上の構成により、変位拡大機構10は、ピエゾ素子11の変位を100倍以上に拡大可能であり、且つ、出力エネルギを70%以上伝達可能な特性を有する。また、静推力維持に伴うエネルギロスが無く且つ拡大変位が比較的大きいという特性を備えていることから、変位拡大機構10は、例えば、クランプ動作が求められるブレーキアクチュエータに適用され得る。
With the above configuration, the
<拡大変位Y−推力fy特性>
次に、変位拡大機構10において、出力部13の拡大変位Y−推力fy特性について図2から図8を用いて説明する。
<Expanded displacement Y-thrust fy characteristics>
Next, in the
図2は、変位拡大機構10の転がり部の概略構成を示す模式図である。図2(a)は、予圧調整バネ15として用いる非線形バネの形状を示す。図2(b)は、図2(a)に示す予圧調整バネ15を組み付けた転がり部の基準位置(Y=0)における姿勢を示す。図2(c)は、図2(a)に示す予圧調整バネ15を組み付けた転がり部の最大変位位置(Y=Ymax)における姿勢を示す。
FIG. 2 is a schematic diagram showing a schematic configuration of a rolling portion of the
図2に示す変位拡大機構10では、固定部12および出力部13の転がり面形状を、図2(b)及び図2(c)に示すような平面形状とすることも可能である。平面は変位拡大後の出力軸方向(y軸)に対して傾きα0をもつ。さらに、ピエゾ素子11のキャップ111,112が同心円となる設計において、転がり面の接点間を結ぶ線のz軸に対する角度はα0となる。図2(b)及び図2(c)に示す構成において.sinα0≒α0、cosα0≒1が成り立つ範囲で、変位Y−推力fy特性は式(1)のように表わされる。ただし、式(1)では予圧調整バネ15の剛性を含まない。なお、kSはピエゾ素子11の変位方向における変位拡大機構10の総合機械剛性を表し、kPZTはピエゾ素子11の機械的圧縮剛性を表し、FPLはピエゾ予圧調整機構18によるピエゾ予圧力を表し、dは圧電歪定数であり、VPZTはピエゾ素子11に印加される電圧を表す。
In the
さらに、ピエゾ素子11に電圧VPZTを印加したとき(図2(c)の状態)と、電圧を印加しないとき(図2(b)の状態)の変位Y−推力fy特性をそれぞれ式(2)及び式(3)に示す。 Further, the displacement Y-thrust fy characteristics when the voltage V PZT is applied to the piezo element 11 (state in FIG. 2 (c)) and when no voltage is applied (state in FIG. 2 (b)) are expressed by the equations (state). It is shown in 2) and the formula (3).
式(2)及び式(3)より、電圧印加による発生力fyON−fyOFFは式(4)で表され、yによらないことがわかる。 From the equations (2) and (3), it can be seen that the force generated by applying a voltage f yON − f yOFF is expressed by the equation (4) and does not depend on y.
次に、予圧調整バネ15の特徴を述べる。図2(a)に予圧調整バネ15の模式図を示す。図2(a)の予圧調整バネ15は板バネであり、構成の一例として、両端部152が変位拡大機構10の固定部12に固定され、中央部151が変位拡大機構10の出力部13と固定される。予圧調整バネ15の変位ypの方向は、変位拡大機構10の出力部13の出力方向Yに一致する。予圧調整バネ15は、図2(a)に示すように、Y方向に対して中央部151と両端部152との間に距離ydが設けられている。自然長の状態においてyd=yd0とすると、自然長の状態からyd<yd0となる向きに、予圧調整バネ15の中央部151が変位するとき、剛性が一定値にならない非線形な変位yp−荷重fp特性を示す。
Next, the characteristics of the
予圧調整バネ15として用いる予圧調整バネ15の形状は、例えば、Y方向と直交する平板状の中央部151と、この中央部151の両側に設けられ、自然長のときY方向にyd0のオフセットをとって配置され、中央部151と同様にY方向と直交する平板状の一対の両端部152と、Y方向に対して傾斜して設けられ、中央部151と一対の両端部152とを接続する一対の接続部153とを有する形状をとる。
The shape of the
図3は、予圧調整バネ15を含めない変位拡大機構10における変位Y−推力fy特性を示すグラフである。図3の太い実線はピエゾ素子11に最大電圧Vmaxを印加したとき、点線はピエゾ素子11に電圧Vmax/2を印加したとき、細い実線はピエゾ素子11への印加電圧が0のときの、それぞれの変位Y−推力fy特性を示す。Vmax/2を印加したときの変位Y−推力fy特性は、式(1)より次の式(5)のように表わされる。
FIG. 3 is a graph showing the displacement Y-thrust fy characteristics in the
図4は、予圧調整バネ15の変位(撓み量)yp−荷重fp特性を示すグラフである。図4より、予圧調整バネ15の変位yp=0〜yppの範囲では、バネ剛性は正の値を示すが、ypの増加に伴い、バネ剛性が小さくなる傾向がみられ、さらに、yp=ypp〜ypeの範囲ではバネ剛性が負の値を示す。ここで、バネ剛性とは、変位ypに対する荷重fpの変化率(dfp/dyp)を意味する。
4, displacement (deflection amount) of the preload adjusting spring 15 y p - is a graph showing a load f p characteristics. From FIG. 4, the spring rigidity shows a positive value in the range of the displacement y p = 0 to y pp of the
本実施形態では、図3(b)及び図3(c)に示すように、図4の特性を有する予圧調整バネ15は、中央部151と出力部13との間にY方向に所定の変位オフセット量ypOをとって変位拡大機構10に設置される。この場合、図4に示すypOの位置が、アクチュエータの出力変位が0のときの予圧調整バネ15の変位量を示す。このとき、アクチュエータの動作範囲に対して、予圧調整バネ15の変位の範囲はyp=ypO〜ypeとなる。なお、オフセット量ypOは、例えば中央部151と出力部13との間にスペーサなどのバネ予圧調整機構17を設置することにより適宜調整できる。
In the present embodiment, as shown in FIGS. 3 (b) and 3 (c), the
図5は、Y=yp−ypOとするY軸上での予圧調整バネ15の変位Y−荷重fpOe特性を示すグラフである。つまり図5は、図4に示した特性をもつ予圧調整バネ15を所定のオフセット量ypOで出力部13に取り付けた状態における特性である。図4に示した予圧調整バネ15の特性は、バネ荷重が最大となる変位yppよりバネ変位が増えると、変位増加に応じてバネ荷重が略均等に減少する傾向があり、線形に近い挙動となる。本実施形態では、オフセット量ypOは、yppより大きくとられ、出力部13の動作範囲において予圧調整バネ15の特性が線形近似できる範囲となるように調整される。
Figure 5 is a graph showing the displacement Y- load f POE characteristics of the
図5で、Y=0〜yeにおける線形近似の直線は、次の式(6)で表わされる。 In Figure 5, the linear linear approximation in Y = 0 to y e is expressed by the following equation (6).
また、変位拡大機構10の出力部13の推力Fyは、予圧調整バネ15の剛性を含まない推力fy及び予圧調整バネ15の剛性による推力fpOeを用いて、以下の式(7)で表される。
Further, the thrust F y of the
また、式(1)及び式(6)を式(7)に代入して、変位Yについて整理すると、式(8)で表される。 Further, when the equations (1) and (6) are substituted into the equation (7) and the displacement Y is arranged, it is expressed by the equation (8).
ここで、上述した変位Yによる推力Fyの変化を小さくするという目的を果たすためには、式(8)の第1項の係数がゼロに近くなることが求められ、バネ剛性kOeは以下の式(9)を満たすことが求められる。 Here, in order to serve the purpose of reducing the change in thrust F y due to the displacement Y described above, it is required that the coefficient of the first term of equation (8) is close to zero, spring stiffness k Oe below It is required to satisfy the equation (9) of.
また、式(8)の第2項より、入力電圧に対する推力Fyの中間値が決まる。例えば、同じ大きさで両極性に推力Fyを得たい構成において、バネオフセット荷重fpOは以下の式(10)を満たすことが求められる。 Further, from the second term of the equation (8), the intermediate value of the thrust Fy with respect to the input voltage is determined. For example, in a configuration in which thrust Fy is desired to be obtained in both polarities with the same magnitude, the spring offset load f pO is required to satisfy the following equation (10).
式(8)について、式(9)及び式(10)が成り立つ条件では、予圧調整バネ15を含めたアクチュエータの変位Y−推力Fy特性として、次の式(11)が得られる。
For formula (8), under the condition that the formula (9) and (10) holds, as a displacement Y- thrust F y characteristics of the actuator including the
即ち、推力Fyは変位Yによらず、印加電圧VPZTで定められる。また、式(11)の特性では、印加電圧がVmax/2のときに推力Fy=0となり、±の二方向の推力を得ることができる。 That is, the thrust F y regardless of the displacement Y, defined by the applied voltage V PZT. Further, in the characteristic of the equation (11), when the applied voltage is V max / 2, the thrust Fy = 0, and the thrust in two directions of ± can be obtained.
本実施形態では、式(9)、(10)の関係に近くなるように予圧調整バネ15の特性を設計した。図6は、変位拡大機構10における予圧調整バネ15を含まない変位Y−推力fy特性と、予圧調整バネ15の変位yp−荷重fp特性と、を示すグラフである。図7は、これらの特性を合成した本実施形態に係る変位拡大機構10の変位Y−推力Fy特性を示すグラフである。なお、図7では、推力Fyを、バネ特性を含まない推力fyとバネ荷重との和(推力fy+バネ荷重[N])として表記している。
In this embodiment, the characteristics of the
図8は、比較例に係る変位拡大機構の変位Y−推力Fy特性の一例を示すグラフである。図8に示すように、比較例に係る変位拡大機構の変位Y−推力Fy特性は、一定印加電圧における推力の変動が大きい非線形関係となるため、変位拡大機構の出力可能エネルギに対して、実効範囲AAは格段に小さくなる。 Figure 8 is a graph showing an example of a displacement Y- thrust F y characteristics of the displacement magnifying mechanism according to the comparative example. As shown in FIG. 8, the displacement Y- thrust F y characteristics of the displacement magnifying mechanism according to the comparative example, since the non-linear relationship variation of thrust is greater at a constant applied voltage, the output enable energy of the displacement magnifying mechanism, The effective range AA becomes much smaller.
図7に示す特性では、一定印加電圧における推力の変動が、25N程度であり、図8に示す従来アクチュエータの変動よりも小さい。これにより、変位Y−推力Fy特性は、推力変動が印加電圧のみに依存する関係(Fy=C・V:Cは係数)に近づけることができている。この結果、第1実施形態の変位拡大機構10は、出力可能エネルギに対して実効範囲AAを充分に大きくとることができ、出力可能エネルギを実効範囲AAとして有効に利用でき、高出力化が可能となる。
In the characteristics shown in FIG. 7, the fluctuation of the thrust at a constant applied voltage is about 25N, which is smaller than the fluctuation of the conventional actuator shown in FIG. Thus, the displacement Y- thrust F y characteristic relationship thrust force variation depends only on the voltage applied (F y = C · V: C is a coefficient) are able to approach the. As a result, the
さらに、図7に示す、一定印加電圧における変位Y−推力Fy特性カーブの線形近似曲線の傾きは1.7〜2.0N/mmと小さく、推力が印加電圧のみに依存する関係(Fy=C・V:Cは係数)に近い特性が得られていることを確認できた。これにより、アクチュエータユニットの理論上の出力範囲に対する実効範囲AAの比率を大きくできる。 Further, shown in FIG. 7, the slope of the linear approximation curve of displacement Y- thrust F y characteristic curve at a constant applied voltage is as small as 1.7~2.0N / mm, relationship thrust depends only on the voltage applied (F y = C · V: C is a coefficient) It was confirmed that the characteristics close to were obtained. As a result, the ratio of the effective range AA to the theoretical output range of the actuator unit can be increased.
このように、第1実施形態の変位拡大機構10では、予圧調整バネ15として適用する非線形バネが、さらに、出力部13の出力変位Yに対する推力Fyの変化率を0に近づけるように、出力部13に外力(バネ荷重fp)を加える外力印加部としても機能する。この予圧調整バネ15は、バネの撓み量ypに対するバネ荷重fpの変化率が、撓み量ypの増加に応じて正から徐々に低減して負に変わり、略一定の負の値に収束する非線形特性(図4参照)を有する。
Thus, the
また本実施形態では、出力部13の表面のうちピエゾ素子11が接触する接触部分、及び、固定部12の表面のうちピエゾ素子11が接触する接触部分が平面形状であり、変位拡大機構10のうち予圧調整バネ15を除く変位Y−推力fy特性は、図3に示すように単調減少の線形特性となる。また、予圧調整バネ15は、出力部13の動作範囲における非線形特性が、バネの撓み量に対するバネ荷重の変化率が略一定の負の値となる領域(図4のypO〜ypeの範囲)となるように、出力部13が初期位置にあるときの撓み量(すなわちオフセット量ypO)が調整される。
Further, in the present embodiment, the contact portion with which the
これらの構成により、変位拡大機構10のうち予圧調整バネ15を除く変位Y−推力fy特性の傾きは、予圧調整バネ15の変位(撓み量)yp−荷重fp特性の傾きと正反対となるため相殺されて、この結果、変位拡大機構10の全体の変位Y−推力Fy特性は、例えば図7に示すような特性となり、傾きが0に近く、推力Fyの変動は出力変位Yの変動に依存しにくくなる。これにより、変位拡大機構10の出力可能エネルギに対して実効範囲AAを充分に大きくとることができ、出力可能エネルギを実効範囲AAとして有効に利用でき、高出力化が可能となる。
With these configurations, the slope of the displacement Y- thrust f y characteristics except
なお、上記の実施形態の説明では、転がり部のうち固定部12および出力部13の転がり面形状を、図2(b)及び図2(c)に示すような平面形状とする構成を例示したが、非円筒面や部分円筒面など他の形状でもよい。
In the description of the above embodiment, a configuration is exemplified in which the rolling surface shapes of the fixed
また、上記の実施形態では、外力印加部(予圧調整バネ15)として、ばね変位の増加に応じてバネ剛性が正から負に遷移する変位yp−荷重fp特性を持つ非線形バネ(図4参照)を用いる構成を例示したが、変位拡大機構10のうち予圧調整バネ15を除く変位Y−推力fy特性の傾き(すなわち、出力変位Yに対する推力Fyの変化率)を0に近づけることができる特性であればよく、他の特性をもつ非線形バネも適用できる。図9は、非線形バネの他の特性の一例を示すグラフである。図9(a)に示すように、ばね変位の増加に応じてバネ剛性(k=dfp/dyp)が正の大きい値から正の小さい値へ遷移する特性の非線形バネを用いてもよいし、図9(b)に示すように、ばね変位の増加に応じてバネ剛性が正から0に遷移する特性の非線形バネを用いてもよい。 Further, in the above embodiment, the external force applying unit as (preload adjusting spring 15), the displacement y p spring stiffness in response to an increase of the spring displacement is changed from positive to negative - non-linear spring (Fig. 4 with a load f p characteristics has been exemplified a configuration in which using the reference), be close to 0 the gradient of the displacement Y- thrust f y characteristics except preload adjusting spring 15 (i.e., the rate of change of the thrust F y for the output displacement Y) of the displacement magnifying mechanism 10 A non-linear spring having other characteristics can be applied as long as it has the characteristics that can be achieved. FIG. 9 is a graph showing an example of other characteristics of the nonlinear spring. As shown in FIG. 9A, a non-linear spring having a characteristic that the spring rigidity (k = df p / dy p ) changes from a positively large value to a positively small value according to an increase in spring displacement may be used. However, as shown in FIG. 9B, a non-linear spring having a characteristic that the spring rigidity changes from positive to 0 as the spring displacement increases may be used.
同様に、変位拡大機構10のうち予圧調整バネ15を除く変位Y−推力fy特性の傾きを0に近づけることができれば、例えば線形の変位―荷重特性を有する線形バネなど、非線形バネ以外の要素を予圧調整バネ15として用いることもできる。
Similarly, if the inclination of the displacement Y-thrust fy characteristic of the
また、図1に示す変位拡大機構10では、外力印加部として複数枚の予圧調整バネ15を組み合わせる構成を例示したが、これに限られるものではない。外力印加部の所望の変位yp−荷重fp特性を出力するために、単一の非線形バネを用いる構成であってもよい。
Further, in the
次に、本実施形態に係る変位拡大機構10が備えるバネ拘束部16について、さらに説明する。図10は、予圧調整バネ15の変位を模式的に示す図である。具体的には、図10(a)はバネ拘束部16で拘束されている予圧調整バネ15における変位を模式的に示す図である。図10(b)は滑りを伴う予圧調整バネ15における変位を模式的に示す図である。なお、変位前の予圧調整バネ15を二点鎖線で示し、変位後の予圧調整バネ15を実線で図示している。
Next, the
まず、図10(b)に示すように、出力部13の変位(図10において白抜き矢印で示す。)によって、両端部152と外殻14との間に滑り(図10において黒塗り矢印で示す。)を伴う変位をした場合について説明する。図11は、予圧調整バネ15が滑りを伴う変位をした場合における予圧調整バネ15の変位yp−荷重fp特性を示すグラフである。図11において、実線は、測定結果による予圧調整バネ15の変位yp−荷重fp特性を示す。破線は、FEM構造解析による予圧調整バネ15の変位yp−荷重fp特性を示す。図11の測定結果(実線)と解析結果(破線)とを対比して示すように、予圧調整バネ15の両端部152と外殻14との間に滑りが生じることにより、解析結果のバネ特性(破線)に対して、測定結果のバネ特性(実線)は大きく乖離している。これは、解析ツールを用いた設計においては、両端に理想的な固定条件を設定できるのに対し、実機では予圧調整バネ15の両端部152と外殻14との間に滑りが生じることにより、バネ特性に乖離が生じている。
First, as shown in FIG. 10 (b), due to the displacement of the output unit 13 (indicated by the white arrow in FIG. 10), it slides between both end
これに対し、本実施形態の変位拡大機構10は、バネ拘束部16を備えている。ここで、出力部13の出力変位は+y方向に増加し、出力部13と接続された中央部151も同じ分変位する。予圧調整バネ15の変位に伴い、予圧調整バネ15は長軸方向(z軸方向)に拡がろうとする。これに対し、バネ拘束部16は、外殻14に固定されている。また、外殻14は予圧調整バネ15の拡がりを抑える拘束力を発生しうる剛性を有している。これにより、図10(a)に示すように、バネ拘束部16は、予圧調整バネ15の拡がりを拘束することにより、予圧調整バネ15の滑りを抑制する。
On the other hand, the
図12は、バネ拘束部16が設けられた予圧調整バネ15の変位yp−荷重fp特性を示すグラフである。図12において、実線は、測定結果による予圧調整バネ15の変位yp−荷重fp特性を示す。破線は、FEM構造解析による予圧調整バネ15の変位yp−荷重fp特性を示す。図12の測定結果(実線)と解析結果(破線)とを対比して示すように、バネ拘束部16を備えることにより、予圧調整バネ15の両端部152における滑りを抑制することができ、解析結果のバネ特性(破線)と同様の測定結果のバネ特性(実線)が得られる。
12, the displacement y p of the
図1(c)において、バネ予圧調整機構17は、中央部151と出力部13との間に配置されるシム(図示せず)で構成されるものとして説明したが、これに限られるものではない。図13は、他のバネ予圧調整機構17を含む変位拡大機構10の断面図である。
In FIG. 1 (c), the spring
図13(a)に示す変位拡大機構10では、バネ予圧調整機構17として、バネ拘束部16と予圧調整バネ15との間に配置されるシム171を備えている。シム171を設けることにより、一対のバネ拘束部16の間隔を調整(狭める)ことができる。図13(b)に示す変位拡大機構10では、バネ予圧調整機構17として、バネ拘束部16と外殻14との間に配置されるシム172を備えている。シム172を設けることにより、一対のバネ拘束部16の間隔を調整(拡げる)ことができる。即ち、シム171,172を設けることにより、一対のバネ拘束部16の間隔と、予圧調整バネ15の長軸方向の寸法と、の寸法差を補間することができる。
The
図14は、シム171の効果を説明する予圧調整バネ15の変位yp−荷重fp特性を示すグラフである。図14において、実線は、シム171を設けた際の測定結果を示す。破線は、シム171を設けない場合の測定結果を示す。
14, the displacement y p of the
図14の破線に示すように、シム171を設けない構成においては、滑りに伴う摩擦損によってヒステリシスループがみられる。即ち、予圧調整バネ15の両端とバネ拘束部16との間に僅かな隙間があり、隙間分の滑りが生じていると考えられる。
As shown by the broken line in FIG. 14, in the configuration in which the shim 171 is not provided, a hysteresis loop is observed due to friction loss due to slippage. That is, it is considered that there is a slight gap between both ends of the
これに対し、図14の実線に示すように、シム171を設ける構成においては、ヒステリシスループが解消されている。即ち、予圧調整バネ15の両端とバネ拘束部16との間の隙間を埋めることができ、予圧調整バネ15の滑りを抑制することができる。
On the other hand, as shown by the solid line in FIG. 14, in the configuration in which the shim 171 is provided, the hysteresis loop is eliminated. That is, the gap between both ends of the
また、図14において、実線と破線を比較して示すように、負の剛性の大きさや最大荷重が異なっている。換言すれば、シム171を挿入することで予圧調整バネ15の長軸方向に予圧力が与えられ、バネ特性を調整することができる。
Further, in FIG. 14, as shown by comparing the solid line and the broken line, the magnitude of the negative rigidity and the maximum load are different. In other words, by inserting the shim 171 the preload is applied in the long axis direction of the
シム171の調整効果について、図15を用いてさらに説明する。図15は、シム171の厚さと、バネ特性との関係を示すグラフである。図15において、バネ変位のオフセット位置を一点鎖線で示す。(a)は、シム171を挿入しない(合計シム厚さ=0)としたときのバネ変位−バネ荷重特性を太実線で示す。(b)は、シム171の合計シム厚さを0.1mmとしたときのバネ変位−バネ荷重特性を実線で示す。(c)は、シム171の合計シム厚さを0.2mmとしたときのバネ変位−バネ荷重特性を細実線で示す。
また、線形近似した直線を破線で図示する。
The adjustment effect of the shim 171 will be further described with reference to FIG. FIG. 15 is a graph showing the relationship between the thickness of the shim 171 and the spring characteristics. In FIG. 15, the offset position of the spring displacement is shown by the alternate long and short dash line. In (a), the spring displacement-spring load characteristic when the shim 171 is not inserted (total shim thickness = 0) is shown by a thick solid line. (B) shows the spring displacement-spring load characteristics when the total shim thickness of the shims 171 is 0.1 mm by a solid line. In (c), the spring displacement-spring load characteristic when the total shim thickness of the shim 171 is 0.2 mm is shown by a fine solid line.
In addition, a straight line that is linearly approximated is shown by a broken line.
(a)において、線形近似した破線の傾きであるバネ剛性をkoeaとし、一点鎖線で示すオフセット位置と線形近似した破線との交点の値であるオフセット荷重をfsoとする。(a)から(c)における合計シム厚さ、バネ剛性、オフセット荷重を図15の表に示す。 In (a), the spring rigidity, which is the slope of the linearly approximated broken line, is koea, and the offset load, which is the value of the intersection of the offset position indicated by the alternate long and short dash line and the linearly approximated dashed line, is f so . The total shim thickness, spring rigidity, and offset load in (a) to (c) are shown in the table of FIG.
図15の表に示すように、シム171の合計シム厚さを増加させると、バネ剛性とオフセット荷重が増加することが確認できた。このように、シムの厚さによるバネ特性の変化により、式(9)及び式(10)を満たすような微調整が可能となる。 As shown in the table of FIG. 15, it was confirmed that the spring rigidity and the offset load increased when the total shim thickness of the shims 171 was increased. As described above, the change in the spring characteristics depending on the thickness of the shim enables fine adjustment so as to satisfy the equations (9) and (10).
また、一対のバネ拘束部16の間隔よりも予圧調整バネ15の長軸方向の寸法が長い構成においては、シム172を挿入することで予圧調整バネ15の長軸方向に予圧力を減少させて、バネ特性を調整することができる。
Further, in a configuration in which the dimension of the
以上、本実施形態に係る変位拡大機構10について説明したが、本開示は上記実施形態等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開示の要旨の範囲内において、種々の変形、改良が可能である。
Although the
10 変位拡大機構
11 ピエゾ素子(伸縮素子)
111,112 キャップ
12 固定部
13 出力部
14 外殻
15 予圧調整バネ(外力印加部)
151 中央部
152 両端部
153 接続部
16 バネ拘束部(拘束部)
17 バネ予圧調整機構(予圧調整機構)
171,172 シム
18 ピエゾ予圧調整機構
10
111, 112
151
17 Spring preload adjustment mechanism (preload adjustment mechanism)
171,172
Claims (8)
前記伸縮素子の一端と接触し、前記伸縮素子の伸縮に応じて前記伸縮素子の伸縮方向とは異なる方向に変位する出力部と、
前記伸縮素子の他端と接触し、前記伸縮素子の伸縮によっては変位しない固定部と、
前記出力部の出力変位に対する推力の変化率を0に近づけるように、前記出力部に外力を加える外力印加部と、
前記外力印加部を拘束する拘束部と、を備える、
変位拡大機構。 Telescopic elements with capacitive properties and
An output unit that comes into contact with one end of the expansion / contraction element and is displaced in a direction different from the expansion / contraction direction of the expansion / contraction element according to the expansion / contraction of the expansion / contraction element.
A fixed portion that comes into contact with the other end of the telescopic element and is not displaced by the expansion and contraction of the telescopic element.
An external force application unit that applies an external force to the output unit so that the rate of change of the thrust with respect to the output displacement of the output unit approaches 0.
A restraining portion for restraining the external force applying portion, and a restraining portion.
Displacement expansion mechanism.
前記外力印加部の長軸方向の滑りを拘束する、
請求項1に記載の変位拡大機構。 The restraint portion is
Restrains the sliding of the external force applying portion in the long axis direction.
The displacement expansion mechanism according to claim 1.
前記拘束部は、前記両端部の滑りを拘束する、
請求項1または請求項2に記載の変位拡大機構。 The external force applying portion has a central portion and both end portions that are displaced together with the output portion.
The restraint restrains the slip of both ends.
The displacement expansion mechanism according to claim 1 or 2.
請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の変位拡大機構。 A preload adjusting mechanism for adjusting the preload of the external force applying portion is provided.
The displacement expanding mechanism according to any one of claims 1 to 3.
請求項4に記載の変位拡大機構。 The preload adjusting mechanism has a shim arranged between the restraining portion and the external force applying portion.
The displacement expansion mechanism according to claim 4.
請求項4または請求項5に記載の変位拡大機構。 The preload adjusting mechanism has a shim arranged between the restraining portion and the fixing portion.
The displacement expansion mechanism according to claim 4 or 5.
前記非線形バネは、バネの撓み量に対するバネ荷重の変化率が、前記撓み量の増加に応じて小さくなる特性を有する、
請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の変位拡大機構。 The external force application portion is a non-linear spring.
The non-linear spring has a characteristic that the rate of change of the spring load with respect to the amount of deflection of the spring decreases as the amount of deflection increases.
The displacement expanding mechanism according to any one of claims 1 to 6.
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