ホーム > 特許ランキング > 住友重機械工業株式会社
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-09-08
(45)【発行日】2023-09-19
(54)【発明の名称】変位拡大機構及びアクチュエータ
(51)【国際特許分類】
H02N 2/04 20060101AFI20230911BHJP
【ＦＩ】
H02N2/04
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2020561363
(86)(22)【出願日】2019-12-12
(86)【国際出願番号】 JP2019048743
(87)【国際公開番号】W WO2020129816
(87)【国際公開日】2020-06-25
【審査請求日】2022-06-15
(31)【優先権主張番号】P 2018238656
(32)【優先日】2018-12-20
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000002107
【氏名又は名称】住友重機械工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100107766
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠重
(74)【代理人】
【識別番号】100070150
【弁理士】
【氏名又は名称】伊東 忠彦
(72)【発明者】
【氏名】土屋 光樹
【審査官】服部 俊樹
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１５－１９８４９０（ＪＰ，Ａ）
【文献】実公昭４７－０３２１３１（ＪＰ，Ｙ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｎ ２／０４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
容量的性質を有する伸縮素子と、前記伸縮素子の一端と転がり接触する固定部と、
前記伸縮素子の他端と転がり接触し、前記伸縮素子の伸縮に応じて前記伸縮素子の伸縮方向とは異なる出力方向に変位する出力部と、
前記出力部の前記出力方向及び前記伸縮素子の前記伸縮方向からなる平面と垂直な方向に対して、前記伸縮素子の位置ずれを抑制する位置ずれ抑制構造と、を備え、
前記位置ずれ抑制構造は、
前記固定部と前記伸縮素子を転がり可能に連結する連結構造および前記出力部と前記伸縮素子を転がり可能に連結する連結構造のうち少なくとも１つの連結構造に形成され、
前記固定部および前記出力部の少なくとも１つの転がり面は、
前記出力部の前記出力方向及び前記伸縮素子の前記伸縮方向からなる平面と垂直な方向にみて転がり接点の軌跡が第１の曲率を有する凸状の第１円弧と、
前記出力部の前記出力方向にみて第２の曲率を有する凹状の第２円弧と、で規定される凹曲面であり、
前記凹曲面と接触する前記伸縮素子の転がり面は、
前記出力部の前記出力方向及び前記伸縮素子の前記伸縮方向からなる平面と垂直な方向にみて転がり接点の軌跡が第３の曲率を有する凸状の第３円弧と、
前記出力部の前記出力方向にみて第４の曲率を有する凸状の第４円弧と、で規定される凸曲面である、
変位拡大機構。
【請求項2】
前記凸曲面の前記第４の曲率は、前記凹曲面の前記第２の曲率以下であり、
前記凹曲面の前記第２の曲率は、前記固定部と前記伸縮素子の一端との接点と前記出力部と前記伸縮素子の他端との接点を通る円の曲率よりも小さく、
前記凸曲面の前記第４の曲率は、前記固定部と前記伸縮素子の一端との接点と前記出力部と前記伸縮素子の他端との接点を通る円の曲率よりも小さい、
請求項１に記載の変位拡大機構。
【請求項3】
前記凹曲面は、前記第１円弧に沿って前記第２円弧をスイープすることによって形成され、 前記凸曲面は、前記第３円弧に沿って前記第４円弧をスイープすることによって形成される、
請求項１または請求項２に記載の変位拡大機構。
【請求項4】
容量的性質を有する伸縮素子と、前記伸縮素子の一端と転がり接触する固定部と、
前記伸縮素子の他端と転がり接触し、前記伸縮素子の伸縮に応じて前記伸縮素子の伸縮方向とは異なる出力方向に変位する出力部と、
前記出力部の前記出力方向及び前記伸縮素子の前記伸縮方向からなる平面と垂直な方向に対して、前記伸縮素子の位置ずれを抑制する位置ずれ抑制構造と、を備え、
前記位置ずれ抑制構造は、
前記固定部と前記伸縮素子を転がり可能に連結する連結構造および前記出力部と前記伸縮素子を転がり可能に連結する連結構造のうち少なくとも１つの連結構造に形成され、
前記固定部および前記出力部の少なくとも１つの転がり面は、
前記出力部の前記出力方向及び前記伸縮素子の前記伸縮方向からなる平面と垂直な方向にみて転がり接点の軌跡が第１の曲率を有する凸状の第１円弧と、
前記出力部の前記出力方向にみて第２の曲率を有する凸状の第２円弧と、で規定される凸曲面であり、
前記凸曲面と接触する前記伸縮素子の転がり面は、
前記出力部の前記出力方向及び前記伸縮素子の前記伸縮方向からなる平面と垂直な方向にみて転がり接点の軌跡が第３の曲率を有する凸状の第３円弧と、
前記出力部の前記出力方向にみて第４の曲率を有する凹状の第４円弧と、で規定される凹曲面である、
変位拡大機構。
【請求項5】
前記凸曲面の前記第２の曲率は、前記凹曲面の前記第４の曲率以下であり、
前記凸曲面の前記第２の曲率は、前記第１の曲率よりも小さく、
前記凹曲面の前記第４の曲率は、前記第１の曲率よりも小さい、
請求項４に記載の変位拡大機構。
【請求項6】
前記凸曲面は、前記第１円弧に沿って前記第２円弧をスイープすることによって形成され、
前記凹曲面は、前記第３円弧に沿って前記第４円弧をスイープすることによって形成される、
請求項４または請求項５に記載の変位拡大機構。
【請求項7】
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を備えるアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、変位拡大機構及びアクチュエータに関する。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
特許文献１には、出力部と、出力部に関して対称に配置される圧電素子と、圧電素子のそれぞれの両側に配置されるキャップと、出力部と転がり接触するキャップ以外のキャップと転がり接触するサイドブロックと、サイドブロックを剛結合するフレームと、を有する座屈型アクチュエータが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特開２０１４－８２９３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
ところで、圧電素子の一方側のキャップとサイドブロックの間、圧電素子の他方側のキャップと出力部との間は、部品間の摩擦により位置が保持される。しかしながら、組立誤差、部品交差誤差によるアクチュエータの内部に起因する荷重や、外力などの外部起因の荷重により、微小な滑りが生じる。この微小な滑りが動作サイクル数の増加に伴って蓄積され、部品に位置ずれが発生するおそれがある。例えば、両側にキャップを有する圧電素子とフレームとの間には隙間が設けられているが、キャップの位置ずれにより、キャップや圧電素子がフレームと接触するおそれがある。
【0006】
そこで、本発明は、部品の位置ずれを抑制する変位拡大機構及びアクチュエータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
実施形態の一態様の変位拡大機構は、容量的性質を有する伸縮素子と、前記伸縮素子の一端と転がり接触する固定部と、前記伸縮素子の他端と転がり接触し、前記伸縮素子の伸縮に応じて前記伸縮素子の伸縮方向とは異なる出力方向に変位する出力部と、前記出力部の前記出力方向及び前記伸縮素子の前記伸縮方向からなる平面と垂直な方向に対して、前記伸縮素子の位置ずれを抑制する位置ずれ抑制構造と、を備え、前記位置ずれ抑制構造は、前記固定部と前記伸縮素子を転がり可能に連結する連結構造および前記出力部と前記伸縮素子を転がり可能に連結する連結構造のうち少なくとも１つの連結構造に形成され、前記固定部および前記出力部の少なくとも１つの転がり面は、前記出力部の前記出力方向及び前記伸縮素子の前記伸縮方向からなる平面と垂直な方向にみて転がり接点の軌跡が第１の曲率を有する凸状の第１円弧と、前記出力部の前記出力方向にみて第２の曲率を有する凹状の第２円弧と、で規定される前記凹曲面であり、前記凹曲面と接触する前記伸縮素子の転がり面は、前記出力部の前記出力方向及び前記伸縮素子の前記伸縮方向からなる平面と垂直な方向にみて転がり接点の軌跡が第３の曲率を有する凸状の第３円弧と、前記出力部の前記出力方向にみて第４の曲率を有する凸状の第４円弧と、で規定される前記凸曲面である。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、部品の位置ずれを抑制する変位拡大機構及びアクチュエータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1A】アクチュエータユニットの斜視図。
【図1B】外殻の一部を切り欠いた状態のアクチュエータユニットの斜視図。
【図1C】アクチュエータユニットの部分断面図。
【図1D】変位拡大機構の断面図。
【図2】変位拡大機構の各構成要素に作用する力を示す模式図。
【図3A】変位拡大機構の斜視図。
【図3B】変位拡大機構の正面図。
【図3C】変位拡大機構の平面図。
【図4A】第１実施形態に係る変位拡大機構の固定部の斜視図。
【図4B】第１実施形態に係る変位拡大機構のキャップの斜視図。
【図4C】第１実施形態に係る変位拡大機構の平面図。
【図5A】ｙｃ軸周りの回転による位置ずれを説明する模式図。
【図5B】ｙｃ軸周りの回転による位置ずれを説明する模式図。
【図6A】ｙｐ軸周りの回転による位置ずれを説明する模式図。
【図6B】ｙｐ軸周りの回転による位置ずれを説明する模式図。
【図6C】ｙｐ軸周りの回転による位置ずれを説明する模式図。
【図7】第１実施形態に係る変位拡大機構における各曲率半径の組み合わせとずれ抑制の効果を説明する表。
【図8A】第２実施形態に係る変位拡大機構の固定部の斜視図。
【図8B】第２実施形態に係る変位拡大機構のキャップの斜視図。
【図8C】第２実施形態に係る変位拡大機構の平面図。
【図9】第２実施形態に係る変位拡大機構における各曲率半径の組み合わせとずれ抑制の効果を説明する表。
【図10A】変形例に係る変位拡大機構の構成を説明する図。
【図10B】変形例に係る変位拡大機構の構成を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。各図面において、同一の又は対応する構成については同一の又は対応する符号を付して説明を省略する。
【0011】
アクチュエータユニット１について図１Ａから図１Ｄを用いて説明する。図１Ａから図１Ｄは、アクチュエータユニット１の構成を示す図である。具体的には、図１Ａはアクチュエータユニット１の斜視図である。図１Ｂは外殻１５の一部を切り欠いた状態のアクチュエータユニット１の斜視図である。図１Ｃはｙ－ｚ平面におけるアクチュエータユニット１の部分断面図である。図１Ｄはｙ－ｚ平面における変位拡大機構１０の断面図である。
【0012】
アクチュエータユニット１は、容量性アクチュエータを構成する駆動ユニットである。アクチュエータユニット１は、主に、変位拡大機構１０と、出力ジョイント２０と、バネ予圧調整機構３０と、ピエゾ予圧調整機構４０と、を有している。
【0013】
変位拡大機構１０は、座屈現象を利用して容量的性質を有する伸縮素子の変位を拡大する機構である。本実施形態では、容量的性質を有する伸縮素子はピエゾ素子であり、例えば積層セラミクスで構成される。但し、伸縮素子は、磁歪素子、油圧シリンダ、空気圧シリンダ等であってもよい。また、変位拡大機構１０は、主に、一対のピエゾ素子１１と、一対の固定部（「サイドブロック」とも称する。）１２と、出力部（「センターブロック」とも称する。）１３と、予圧調整バネ１４と、外殻（「フレーム」とも称する。）１５と、を有する。
【0014】
一対のピエゾ素子１１は、それぞれ、一端が転がりジョイントを介して固定部１２に連結され、且つ、他端が転がりジョイントを介して出力部１３に連結される。ピエゾ素子１１の長手方向の両端面には、キャップＣＰ１、ＣＰ２が接合される。なお、本実施形態では、キャップＣＰ１、ＣＰ２は、ピエゾ素子１１とは別個独立の部材として存在するが、ピエゾ素子１１と一体的に形成されてもよい。ピエゾ素子１１と固定部１２との転がりジョイントは、ピエゾ素子１１の一端に接合されたキャップＣＰ１の端部曲面（転がり面）と、固定部１２の端部曲面（転がり面）との転がり接触（線接触または点接触）を介した連結により構成される。即ち、ピエゾ素子１１と固定部１２との連結構造は、固定部１２の端部曲面（転がり面）に対してピエゾ素子１１の端部曲面（転がり面）が転がり可能に連結する。また、ピエゾ素子１１と出力部１３との転がりジョイントは、ピエゾ素子１１の他端に接合されたキャップＣＰ２の端部曲面（転がり面）と、固定部１２の端部曲面（転がり面）との転がり接触（線接触または点接触）を介した連結により構成される。即ち、ピエゾ素子１１と出力部１３との連結構造は、出力部１３の端部曲面（転がり面）に対してピエゾ素子１１の端部曲面（転がり面）が転がり可能に連結する。また、図１Ｄにおいて、円Ｃ１は固定部１２の端部曲面においてキャップＣＰ１の端部曲面と接触する接点の軌跡を含む円を表し、円Ｃ２はキャップＣＰ１、ＣＰ２の端部曲面において固定部１２または出力部１３の端部曲面と接触する接触位置の軌跡を含む円を表し、円Ｃ３は出力部１３の端部曲面においてキャップＣＰ２の端部曲面と接触する接点の軌跡を含む円を表す。即ち、ピエゾ素子１１と固定部１２との転がりジョイントは、円Ｃ１及び円Ｃ２によって、その動作が規定される。また、ピエゾ素子１１と出力部１３との転がりジョイントは、円Ｃ２及び円Ｃ３によって、その動作が規定される。
【0015】
一対のピエゾ素子１１はそれぞれ、電圧が印加された場合に長手方向（ｚ軸方向）に伸張して座屈現象を引き起こし、その伸張変位よりも大きい変位で出力部１３を長手方向に垂直な方向（ｙ軸方向）に変位させる。すなわち、ピエゾ素子１１の伸縮運動は転がりジョイントで回転運動に変換されてその伸縮変位が拡大される。そして、出力部１３における直動往復動作をもたらす。このように、変位拡大機構１０は、一対のピエゾ素子１１のそれぞれの出力を変換し、ピエゾ素子１１の伸縮方向とは異なる方向である所定の出力方向に出力部１３を付勢して変位させる。なお、以下では出力部１３の変位を「拡大変位」と称する。
【0016】
出力部１３は、変位拡大機構１０の出力を外部に伝達する機能要素である。本実施形態では、出力部１３は、＋ｙ側の端部が予圧調整バネ１４に接続され、－ｙ側の端部が出力ジョイント２０に接続される。
【0017】
予圧調整バネ（「ＰＣＳ(Preload Compensation Spring)」とも称する。）１４は、変位拡大機構１０の出力部１３を一定の特性で付勢する付勢手段の一例である。本実施形態では、予圧調整バネ１４は、出力部１３の拡大変位とその拡大変位によってもたらされる推力との関係である拡大変位－推力特性を調整する。具体的には、予圧調整バネ１４は、－ｙ方向に膨らむように湾曲した一対の湾曲部を含む板バネで構成され、その中央部が出力部１３に固定され、その両端部がバネ予圧調整機構３０を介して一対の固定部１２に接続される。予圧調整バネ１４は、出力部１３の拡大変位によってもたらされる推力をオフセットするｙ軸方向の力を発生させる。以下では、予圧調整バネ１４が発生させる力を「オフセット力」と称する。この構成により、予圧調整バネ１４は、出力部１３の拡大変位の方向を決定付けて出力部１３の挙動を安定化させることができる。
【0018】
バネ予圧調整機構３０は、予圧調整バネ１４によるオフセット力を調整する機構である。本実施形態では、バネ予圧調整機構３０はウェッジブロックで構成される。使用者は、予圧調整バネ１４の両端部のｙ軸方向における位置を調整することで予圧調整バネ１４の中央部が－ｙ方向に出力部１３を押し付ける力であるオフセット力を調整できる。
【0019】
ピエゾ予圧調整機構４０は、変位拡大機構１０における４つの転がりジョイントに対する予圧の付与及び調整を行う機構である。本実施形態では、ピエゾ素子１１に関するピエゾ予圧調整機構４０は、図１Ｄに示すように、キャップＣＰ１、ガイドＧＤ１、及びシムＳＨ１で構成される。
【0020】
キャップＣＰ１は、ピエゾ素子１１と固定部１２との間の転がりジョイントを構成するためにピエゾ素子１１の一端に取り付けられる部材である。
【0021】
ガイドＧＤ１は、キャップＣＰ１がピエゾ素子１１の一端に取り外し可能に取り付けられるように案内する部材であり、キャップＣＰ１に固定される。キャップＣＰ１及びシムＳＨ１はピエゾ素子１１で発生した推力を高効率で伝達するように構成される。そのため、望ましくは、鋼材、セラミクス等、高い弾性と強度を備える材料で形成される。ガイドＧＤ１は、キャップＣＰ１及びピエゾ素子１１のアライメントを確保すると共にピエゾ素子１１の外面を保護するように構成される。そのため、望ましくは、ピエゾ素子１１よりも低い弾性の材料で形成され、或いは、低い弾性の構造を有する。なお、キャップＣＰ１とガイドＧＤ１は一体的に形成されてもよい。
【0022】
シムＳＨ１は、ガイドＧＤ１内でキャップＣＰ１とピエゾ素子１１の一端との間に配置可能な部材であり、キャップＣＰ１とピエゾ素子１１の一端との間隔を調整するために用いられる。即ち、シムＳＨ１のｚ軸方向の幅が大きいほど、４つの転がりジョイントに対する予圧は大きくなる。
【0023】
なお、ピエゾ予圧調整機構４０は、ピエゾ素子１１の一端（固定部１２の側）に配置されるものとして説明したが、ピエゾ素子１１の他端（出力部１３の側）に配置されてもよい。
【0024】
ピエゾ予圧調整機構４０により、左端の接触点と右端の接触点との間の距離は自然長よりも短くなるように調整される。そのため、転がりジョイントの転がり面は、常に所定値以上の力を受けた状態で転がり接触する。なお、左端の接触点は、左側のキャップＣＰ１の端部曲面と左側の固定部１２の端部曲面との接触点であり、右端の接触点は、右側のキャップＣＰ１の端部曲面と右側の固定部１２の端部曲面との接触点である。また、自然長は、無負荷状態でｚ軸方向に一直線上に並べられた各部材（キャップＣＰ１、左側のピエゾ素子１１、キャップＣＰ２、出力部１３、キャップＣＰ２、右側のピエゾ素子１１、キャップＣＰ１）のｚ軸方向における合計長さである。
【0025】
外殻１５は、一対の固定部１２の間の距離を固定する機能要素である。本実施形態では、外殻１５は、一対のピエゾ素子１１、一対の固定部１２、及び出力部１３を取り囲むように形成される部材であり、変位拡大機構１０で座屈現象が生じる場合に一対の固定部１２の間の距離が拡がるのを防止する。
【0026】
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。
【0027】
【0028】
変位拡大機構１０の出力特性は、ピエゾ素子１１のアクチュエータ特性と、変位拡大機構１０による運動変換特性を考慮すると、式（１）のように表される。
【0029】
【数1】
【0030】
なお、ｋＰＣＳはバネ予圧調整機構３０の機械的圧縮剛性を表し、ｋＰＺＴはピエゾ素子１１の機械的圧縮剛性を表す。また、ｋＦは外殻１５の長手方向の機械的引張剛性を表し、ｋＪは転がりジョイントの機械的圧縮剛性を表す。また、ｋＳはピエゾ素子１１の変位方向における変位拡大機構１０の総合機械剛性を表し、外殻１５の機械的引張剛性ｋＦ、及び、転がりジョイントの機械的圧縮剛性ｋＪに依存する。また、Ｌは固定部１２に関する転がりジョイントの回転中心と出力部１３に関する転がりジョイントの回転中心との間の距離を表す。また、ＦＶはピエゾ推力を表し、ＦＰＬはピエゾ予圧調整機構４０によるピエゾ予圧力を表し、ＦＺはピエゾ素子１１の変位量に依存してピエゾ素子１１の内部で発生する機械的推力を表す。また、ｚＰＺＴはピエゾ素子１１の変位を表し、ｚＳはピエゾ素子１１の変位方向における転がりジョイントと外殻１５との総合変位を表す。また、ｄは圧電定数であり、ＶＰＺＴはピエゾ素子１１に印加される電圧を表す。また、αは接点間角度を表す。接点間角度αは、ピエゾ素子１１と固定部１２との接点と、ピエゾ素子１１と出力部１３との接点とを結ぶ線分の基準線に対する角度である。基準線は、拡大変位Ｙがゼロのときの固定部１２に関する転がりジョイントの回転中心と出力部１３に関する転がりジョイントの回転中心とを繋ぐ直線である。なお、図２のｙ０は、予圧調整バネ１４に対する一定の変位量（予荷重）を表す。
【0031】
式（１）の第１式は出力部１３の拡大変位Ｙの方向における力のつり合いを示す。第２式は変位拡大機構１０による運動変換特性を示す。第３式はピエゾ素子１１の変位方向における力のつり合いを示す。なお、ｚは、キャップＣＰ１が固定部１２の端部曲面と転がり接触（線接触または点接触）する円弧の中心と、キャップＣＰ２が出力部１３の端部曲面と転がり接触（線接触または点接触）する円弧の中心との距離を表す。また、第２式では、ピエゾ素子１１の伸縮の影響をキャップの径の微小変化で近似している。この近似は、例えば、キャップＣＰ１の端部曲面の輪郭を含む円と、キャップＣＰ２の端部曲面の輪郭を含む円とが同心円Ｃ２（図１Ｄ参照。）となるように設計された場合に採用可能である。
【0032】
次に、変位拡大機構１０について、図３Ａから図３Ｃを用いて更に説明する。図３Ａから図３Ｃは、変位拡大機構１０の構成を示す模式図である。具体的には、図３Ａは変位拡大機構１０の斜視図である。図３Ｂはｙ－ｚ平面と垂直な方向から見た変位拡大機構１０の正面図である。図３Ｃはｚ－ｘ平面と垂直な方向から見た変位拡大機構１０の平面図である。なお、図３Ａから図３Ｃにおいて、出力ジョイント２０、バネ予圧調整機構３０、予圧調整バネ１４等は省略して図示している。また、図３Ａでは外殻１５を透過して図示しており、図３Ｂでは外殻１５の図示を省略している。なお、図３Ａから図３Ｃの例では、キャップＣＰ１，ＣＰ２の転がり面、固定部１２の転がり面、出力部１３の転がり面が円筒面の場合を例に図示している。
【0033】
図３Ａに示すように、ｙｃ軸は、出力部１３の出力方向を示し、出力部１３の中心を通るｙ軸と平行な軸である。変位拡大機構１０は、ｙｃ軸を通りｘ－ｙ面に平行な面を基準として、対象構造を有している。ｚｐ軸は、ピエゾ素子１１の伸長方向と一致し、ピエゾ素子１１の中心を通る軸である。ｙｐ軸は、ｚｐ軸に対して垂直であり、ｘ軸とｚ－ｘ平面と垂直であり、ピエゾ素子１１の中心を通る軸である。
【0034】
図３Ｂに示すように、Ｒｓは、固定部１２の転がり面の曲率半径を示す。Ｒｃは、出力部１３の転がり面の曲率半径を示す。Ｒｐは、ピエゾ素子１１のキャップの転がり面の曲率半径を示す。
【0035】
ここで、図３Ｃに示すように、キャップＣＰ１，ＣＰ２の転がり面、固定部１２の転がり面、出力部１３の転がり面が円筒面の場合、ピエゾ素子１１はｘ軸方向に対して、幾何学的に拘束されていない。即ち、出力部１３の出力方向（ｙ軸方向）及びピエゾ素子１１の伸縮方向（ｚ軸方向）からなる平面（ｙ－ｚ平面）と垂直な方向（ｘ軸方向）に対して、幾何学的に拘束されていない。このため、ピエゾ素子１１にｘ軸方向へのずれが発生すると、ピエゾ素子１１が外殻１５と接触するおそれがある。ピエゾ素子１１が外殻１５と接触することにより、アクチュエータユニット１の性能の低下や摩耗による寿命低下を招く。
【0036】
次に、第１実施形態に係る変位拡大機構１０について、図４Ａから図４Ｃを用いて説明する。図４Ａから図４Ｃは、第１実施形態に係る変位拡大機構１０の構成を説明する図である。具体的には、図４Ａは、第１実施形態に係る変位拡大機構１０の固定部１２の斜視図である。図４Ｂは、第１実施形態に係る変位拡大機構１０のキャップＣＰ１の斜視図である。図４Ｃは、ｚ－ｘ平面における第１実施形態に係る変位拡大機構１０の平面図である。第１実施形態に係る変位拡大機構１０は、図３Ａから図３Ｃに示す変位拡大機構１０と比較して、転がりジョイントの転がり面の形状が異なっている。
【0037】
また、第１実施形態に係る変位拡大機構１０は、ｘ方向の部品の位置ずれを抑制する位置ずれ抑制構造を有している。即ち、位置ずれ抑制構造は、出力部１３の出力方向（ｙ軸方向）及びピエゾ素子１１の伸縮方向（ｚ軸方向）からなる平面（ｙ－ｚ平面）と垂直な方向（ｘ軸方向）に対して、部品（ピエゾ素子１１）のずれを抑制する。位置ずれ抑制構造は、固定部１２の転がり面の形状及びキャップＣＰ１の転がり面の形状によって構成される。また、位置ずれ抑制構造は、出力部１３の転がり面の形状及びキャップＣＰ２の転がり面の形状によって構成される。
【0038】
図４Ａに示すように、固定部１２は、鞍型形状の転がり面、換言すれば凹曲面となる転がり面を有している。ここで、凹曲面とは、転がり接点の軌跡に対して垂直な面で切断した際、凹円弧となるような曲面である。また、Ｒｓは、転がり円の曲率半径を示す。固定部１２の転がり円とは、固定部１２の端部曲面においてキャップＣＰ１の端部曲面と接触する接点の軌跡を含む円であり、ｙ－ｚ平面と平行な面上の円である。ｒｓは、固定部１２の曲面の曲率半径を示す。また、図４Ａにおいて、曲率半径ｒｓの円の中心の軌跡をｃｓで示す。軌跡ｃｓは、曲率半径Ｒｓの円と同一平面上であって、曲率半径Ｒｓの円と同心で、半径Ｒｓ＋ｒｓの円弧となる。また、曲率半径Ｒｓの円の平面と曲率半径ｒｓの円の平面とは、２円の中心を結ぶ線を軸として９０°回転した平面となっている。固定部１２の転がり面は、曲率半径Ｒｓの転がり円に沿って、曲率半径ｒｓの円弧をスイープすることによって形成される曲面である。
【0039】
図４Ｂに示すように、キャップＣＰ１は、凸曲面となる転がり面を有している。ここで、凸曲面とは、転がり接点の軌跡に対して垂直な面で切断した際、凸円弧となるような曲面である。また、Ｒｐは、転がり円の曲率半径を示す。キャップＣＰ１の転がり円とは、キャップＣＰ１の端部曲面において固定部１２の端部曲面と接触する接点の軌跡を含む円であり、ｙ－ｚ平面と平行な面上の円である。ｒｐは、キャップＣＰ１の曲面の曲率半径を示す。また、図４Ｂにおいて、曲率半径ｒｐの円の中心の軌跡をｃｐで示す。軌跡ｃｐは、曲率半径Ｒｐの円と同一平面上であって、曲率半径Ｒｐの円と同心で、半径Ｒｐ－ｒｐの円弧となる。また、曲率半径Ｒｐの円の平面と曲率半径ｒｐの円の平面とは、２円の中心を結ぶ線を軸として９０°回転した平面となっている。キャップＣＰ１の転がり面は、曲率半径Ｒｐの転がり円に沿って、曲率半径ｒｐの円弧をスイープすることによって形成される曲面である。
【0040】
出力部１３の転がり面は、固定部１２の転がり面と同様に、転がり円の曲率半径Ｒｃ及び曲面の曲率半径ｒｃで規定される凹曲面となる転がり面を有している。また、キャップＣＰ２の転がり面は、キャップＣＰ１の転がり面と同様に、転がり円の曲率半径Ｒｐ及び曲面の曲率半径ｒｐで規定される凸曲面となる転がり面を有している。
【0041】
また、左右の固定部１２でのジョイント接点を通る円の曲率半径をｒｓｓとする。また、固定部１２でのジョイント接点と出力部１３でのジョイント接点を通る円の曲率半径をｒｓｃとする。なお、１つのピエゾ素子１１の両端のキャップＣＰ１，ＣＰ２のＲｐを同一円とする場合、ｒｓｃは、Ｒｐとほぼ同値となる。
【0042】
このような構成により、ピエゾ素子１１のキャップＣＰ１と固定部１２との転がりジョイントは、曲率半径Ｒｓの転がり円及び曲率半径Ｒｐの転がり円によって、その動作が規定される。また、ピエゾ素子１１のキャップＣＰ２と出力部１３との転がりジョイントは、曲率半径Ｒｐの転がり円及び曲率半径Ｒｃの転がり円によって、その動作が規定される。よって、第１実施形態に係る変位拡大機構１０は、図３Ａから図３Ｃに示す端部曲面が円筒面の場合の変位拡大機構１０と同様に、変位拡大動作をすることができる。
【0043】
次に、第１実施形態に係る変位拡大機構１０について、各曲率半径の組み合わせとずれの抑制効果について説明する。
【0044】
なお、以下の説明では、前提条件として、固定部１２の曲面の曲率半径ｒｓと出力部１３の曲面の曲率半径ｒｃとは等しい（ｒｓ＝ｒｃ）ものとして説明する。また、各キャップＣＰ１，ＣＰ２の曲面の曲率半径ｒｐは等しいものとして説明する。また、転がりジョイントが幾何学的に成立するために、ｒｐ≦ｒｓとしている。
【0045】
第１実施形態に係る変位拡大機構１０は、図４Ｃに示すように、固定部１２の端部曲面が凹曲面となり、ピエゾ素子１１のキャップＣＰ１の端部曲面が凸曲面となる。また、出力部１３の端部曲面が凹曲面となり、ピエゾ素子１１のキャップＣＰ２の端部曲面が凸曲面となる。これにより、ピエゾ素子１１がｘ軸方向にずれることを抑制することができる。
【0046】
図５Ａから図５Ｂは、ｙｃ軸周りの回転による位置ずれを説明する模式図である。なお、ｒｓ１は左側の固定部１２の曲面の曲率半径を表す。ｒｓ２は右側の固定部１２の曲面の曲率半径を表す。ｒｐｓ１は左側の固定部１２と接触するキャップＣＰ１の曲面の曲率半径を表す。ｒｐｓ２は右側の固定部１２と接触するキャップＣＰ１の曲面の曲率半径を表す。
【0047】
図５Ａでは、固定部１２の曲率半径ｒｓが左右の固定部１２でのジョイント接点を通る円の曲率半径ｒｓｓ以上の場合（ｒｓｓ≦ｒｓ）を示す。曲率半径ｒｓ１の円と曲率半径ｒｓ２の円との重なり部分に曲率半径ｒｓｓの円が含まれる。このため、曲率半径ｒｓ１の円と曲率半径ｒｓ２の円との重なり部分内で曲率半径ｒｓｓの円が回転することができる。よって、左右のピエゾ素子１１と出力部１３のアセンブリがｙｃ軸を回転軸として回転することができる。
【0048】
図５Ｂでは、固定部１２の曲率半径ｒｓが左右の固定部１２でのジョイント接点を通る円の曲率半径ｒｓｓ未満の場合（ｒｓ＜ｒｓｓ）を示す。曲率半径ｒｓ１の円と曲率半径ｒｓ２の円との重なり部分よりも曲率半径ｒｓｓの円が飛び出している。このため、曲率半径ｒｓ１の円と曲率半径ｒｓ２の円との重なり部分内で曲率半径ｒｓｓの円が回転することができない。よって、左右のピエゾ素子１１と出力部１３のアセンブリが、ｙｃ軸を回転軸として回転することを抑制することができる。
【0049】
図６Ａから図６Ｃは、ｙｐ軸周りの回転による位置ずれを説明する模式図である。ｒｐｓは、固定部１２と接触するキャップＣＰ１の曲面の曲率半径を表す。ｒｐｃは、出力部１３と接触するキャップＣＰ２の曲面の曲率半径を表す。
【0050】
図６Ａでは、固定部１２の曲率半径ｒｓが固定部１２でのジョイント接点と出力部１３でのジョイント接点を通る円の曲率半径ｒｓｃ以上、かつ、キャップＣＰの曲率半径ｒｐが曲率半径ｒｓｃ以下の場合（ｒｐ≦ｒｓｃ≦ｒｓ）を示す。この場合、曲率半径ｒｓの円と曲率半径ｒｃの円との重なり部分に曲率半径ｒｓｃの円が含まれる。このため、曲率半径ｒｓの円と曲率半径ｒｃの円との重なり部分内で曲率半径ｒｓｃの円が回転することができる。また、キャップＣＰ１，ＣＰ２を含んだピエゾ素子１１は曲率半径ｒｓｃの円内に収まる。よって、ピエゾ素子１１がｙｐ軸を回転軸として回転することができる。
【0051】
図６Ｂでは、固定部１２の曲率半径ｒｓが固定部１２でのジョイント接点と出力部１３でのジョイント接点を通る円の曲率半径ｒｓｃ以上、かつ、キャップＣＰの曲率半径ｒｐが曲率半径ｒｓｃ以上の場合（ｒｓｃ≦ｒｐ≦ｒｓ）を示す。この場合、キャップＣＰ１，ＣＰ２を含んだピエゾ素子１１は曲率半径ｒｓｃの円よりも飛び出している。しかしながら、「曲率半径ｒｓの円と曲率半径ｒｃの円との重なり部分」に「曲率半径ｒｐｃの円と曲率半径ｒｐｓの円との重なり部分」が含まれる。このため、「曲率半径ｒｓの円と曲率半径ｒｃの円との重なり部分」内で「曲率半径ｒｐｃの円と曲率半径ｒｐｓの円との重なり部分」が回転することができる。よって、ピエゾ素子１１がｙｐ軸を回転軸として回転することができる。
【0052】
図６Ｃでは、固定部１２の曲率半径ｒｓが固定部１２でのジョイント接点と出力部１３でのジョイント接点を通る円の曲率半径ｒｓｃ未満の場合（ｒｐ≦ｒｓ＜ｒｓｃ）を示す。曲率半径ｒｓの円と曲率半径ｒｃの円との重なり部分よりも曲率半径ｒｓｃの円が飛び出している。このため、曲率半径ｒｓの円と曲率半径ｒｃの円との重なり部分内で曲率半径ｒｓｃの円が回転することができない。よって、ピエゾ素子１１がｙｐ軸を回転軸として回転することを抑制することができる。
【0053】
次に、ｚｐ軸周りの回転による位置ずれを説明する。固定部１２の曲率半径ｒｓが固定部１２でのジョイント接点と出力部１３でのジョイント接点を通る円の曲率半径ｒｓｃ以上の場合（ｒｓｃ≦ｒｓ）、ピエゾ素子１１がｚｐ軸を回転軸として回転することができる。一方、固定部１２の曲率半径ｒｓが固定部１２でのジョイント接点と出力部１３でのジョイント接点を通る円の曲率半径ｒｓｃ未満の場合（ｒｓ＜ｒｓｃ）、ピエゾ素子１１がｚｐ軸を回転軸として回転することを抑制することができる。
【0054】
図７は、第１実施形態に係る変位拡大機構１０における各曲率半径の組み合わせとずれ抑制の効果を説明する表である。なお、表において、バツ印は幾何学的条件（ｒｐ≦ｒｓ）を満たさない範囲である。黒塗りの三角は、ｘ方向のずれを抑制する範囲である。白抜きの三角印は、ｘ方向のずれを抑制し、ｙｃ軸周りの回転を抑制する範囲である。二重丸印は、ｘ方向のずれを抑制し、ｙｃ軸周りの回転を抑制し、ｙｐ軸周りの回転を抑制し、ｙｚ軸周りの回転を抑制する範囲である。このように、固定部１２の曲率半径ｒｓ（出力部１３の曲率半径ｒｃ）とキャップＣＰの曲率半径ｒｐを適宜選択することにより、変位拡大機構１０内の部品の位置ずれを抑制することができる。なお、ジョイント接触応力が許容値以下に収まるように、ピエゾ素子１１の予圧力と各曲面の曲率半径を設計する。
【0055】
次に、第２実施形態に係る変位拡大機構１０について、図８Ａから図８Ｃを用いて説明する。図８Ａから図８Ｃは、第２実施形態に係る変位拡大機構１０の構成を説明する図である。具体的には、図８Ａは、第２実施形態に係る変位拡大機構１０の固定部１２の斜視図である。図８Ｂは、第２実施形態に係る変位拡大機構１０のキャップＣＰ１の斜視図である。図８Ｃは、ｚ－ｘ平面における第２実施形態に係る変位拡大機構１０の平面図である。第２実施形態に係る変位拡大機構１０は、図３Ａから図３Ｃに示す変位拡大機構１０、及び、図４Ａから図４Ｃに示す第１実施形態に係る変位拡大機構１０と比較して、転がりジョイントの転がり面の形状が異なっている。
【0056】
図８Ａに示すように、固定部１２は、凸曲面となる転がり面を有している。ここで、Ｒｓは、転がり円の曲率半径を示す。固定部１２の転がり円とは、固定部１２の端部曲面においてキャップＣＰ１の端部曲面と接触する接点の軌跡を含む円であり、ｙ－ｚ平面と平行な面上の円である。ｒｓは、固定部１２の曲面の曲率半径を示す。また、図８Ａにおいて、曲率半径ｒｓの円の中心の軌跡をｃｓで示す。軌跡ｃｓは、曲率半径Ｒｓの円と同一平面上であって、曲率半径Ｒｓの円と同心で、半径Ｒｓ－ｒｓの円弧となる。また、曲率半径Ｒｓの円の平面と曲率半径ｒｓの円の平面とは、２円の中心を結ぶ線を軸として９０°回転した平面となっている。固定部１２の転がり面は、曲率半径Ｒｓの転がり円に沿って、曲率半径ｒｓの円弧をスイープすることによって形成される曲面である。
【0057】
図８Ｂに示すように、キャップＣＰ１は、鞍型形状の転がり面、換言すれば凹曲面となる転がり面を有している。ここで、Ｒｐは、転がり円の曲率半径を示す。キャップＣＰ１の転がり円とは、キャップＣＰ１の端部曲面において固定部１２の端部曲面と接触する接点の軌跡を含む円であり、ｙ－ｚ平面と平行な面上の円である。ｒｐは、キャップＣＰ１の曲面の曲率半径を示す。また、図８Ｂにおいて、曲率半径ｒｐの円の中心の軌跡をｃｐで示す。軌跡ｃｐは、曲率半径Ｒｐの円と同一平面上であって、曲率半径Ｒｐの円と同心で、半径Ｒｐ＋ｒｐの円弧となる。また、曲率半径Ｒｐの円の平面と曲率半径ｒｐの円の平面とは、２円の中心を結ぶ線を軸として９０°回転した平面となっている。キャップＣＰ１の転がり面は、曲率半径Ｒｐの転がり円に沿って、曲率半径ｒｐの円弧をスイープすることによって形成される曲面である。
【0058】
出力部１３の転がり面は、固定部１２の転がり面と同様に、転がり円の曲率半径Ｒｃ及び曲面の曲率半径ｒｃで規定される凸曲面となる転がり面を有している。また、キャップＣＰ２の転がり面は、キャップＣＰ１の転がり面と同様に、転がり円の曲率半径Ｒｐ及び曲面の曲率半径ｒｐで規定される凹曲面となる転がり面を有している。
【0059】
また、左右の固定部１２でのジョイント接点を通る円の曲率半径をｒｓｓとする。また、固定部１２でのジョイント接点と出力部１３でのジョイント接点を通る円の曲率半径をｒｓｃとする。なお、１つのピエゾ素子１１の両端のキャップＣＰ１，ＣＰ２のＲｐを同一円とする場合、ｒｓｃは、Ｒｐとほぼ同値となる。
【0060】
このような構成により、ピエゾ素子１１のキャップＣＰ１と固定部１２との転がりジョイントは、曲率半径Ｒｓの転がり円及び曲率半径Ｒｐの転がり円によって、その動作が規定される。また、ピエゾ素子１１のキャップＣＰ２と出力部１３との転がりジョイントは、曲率半径Ｒｐの転がり円及び曲率半径Ｒｃの転がり円によって、その動作が規定される。よって、第２実施形態に係る変位拡大機構１０は、図３Ａから図３Ｃに示す端部曲面が円筒面の場合の変位拡大機構１０と同様に、変位拡大動作をすることができる。
【0061】
次に、第２実施形態に係る変位拡大機構１０について、各曲率半径の組み合わせとずれの抑制効果について説明する。
【0062】
なお、以下の説明では、前提条件として、固定部１２の曲面の曲率半径ｒｓと出力部１３の曲面の曲率半径ｒｃとは等しい（ｒｓ＝ｒｃ）ものとして説明する。また、各キャップＣＰ１，ＣＰ２の曲面の曲率半径ｒｐは等しいものとして説明する。また、転がりジョイントが幾何学的に成立するために、ｒｓ≦ｒｐとしている。
【0063】
第２実施形態に係る変位拡大機構１０は、図８Ｃに示すように、固定部１２の端部曲面が凸曲面となり、ピエゾ素子１１のキャップＣＰ１の端部曲面が凹曲面となる。また、出力部１３の端部曲面が凸曲面となり、ピエゾ素子１１のキャップＣＰ２の端部曲面が凹曲面となる。これにより、ピエゾ素子１１がｘ軸方向にずれることを抑制することができる。また、左右のピエゾ素子１１と出力部１３のアセンブリが、ｙｃ軸を回転軸として回転することを抑制することができる。また、ピエゾ素子１１がｙｐ軸を回転軸として回転することを抑制することができる。
【0064】
次に、ｚｐ軸周りの回転による位置ずれを説明する。キャップＣＰ１の曲率半径ｒｐが固定部１２の転がり円の曲率半径Ｒｓ以上の場合（Ｒｓ≦ｒｐ）、ピエゾ素子１１がｘｐ軸を回転軸として回転することができる。一方、キャップＣＰ１の曲率半径ｒｐが固定部１２の転がり円の曲率半径Ｒｓ未満の場合（ｒｐ＜Ｒｓ）、ピエゾ素子１１がｚｐ軸を回転軸として回転することを抑制することができる。
【0065】
図９は、第２実施形態に係る変位拡大機構１０における各曲率半径の組み合わせとずれ抑制の効果を説明する表である。なお、表において、バツ印は幾何学的条件（ｒｐ≦ｒｓ）を満たさない範囲である。丸印は、ｘ方向のずれを抑制し、ｙｃ軸周りの回転を抑制し、ｙｐ軸周りの回転を抑制する範囲である。二重丸印は、ｘ方向のずれを抑制し、ｙｃ軸周りの回転を抑制し、ｙｐ軸周りの回転を抑制し、ｚｐ軸周りの回転を抑制する範囲である。このように、固定部１２の曲率半径ｒｓ（出力部１３の曲率半径ｒｃ）とキャップＣＰの曲率半径ｒｐを適宜選択することにより、変位拡大機構１０内の部品の位置ずれを抑制することができる。なお、ジョイント接触応力が許容値以下に収まるように、ピエゾ素子１１の予圧力と各曲面の曲率半径を設計する。
【0066】
以上、本実施形態に係る変位拡大機構について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【0067】
第１実施形態に係る変位拡大機構１０において固定部１２の端部曲面及び出力部１３の端部曲面は凹曲面であり、第２実施形態に係る変位拡大機構１０において固定部１２の端部曲面及び出力部１３の端部曲面は凸曲面であるものとして説明したが、これに限られるものではない。例えば、固定部１２とキャップＣＰ１の端部曲面は図４Ａから図４Ｃまたは図８Ａから図８Ｃに示す凹凸曲面を有し、出力部１３とキャップＣＰ２の端部曲面は円筒面としてもよい。また、出力部１３とキャップＣＰ２の端部曲面は図４Ａから図４Ｃまたは図８Ａから図８Ｃにに示す凹凸曲面を有し、固定部１２とキャップＣＰ１の端部曲面は円筒面としてもよい。この場合でも、各曲面の曲率半径を適宜選択することにより、ずれ抑制の効果を奏する。また、一方を円筒面とすることにより、加工コストを低減することができる。
【0068】
また、第１実施形態及び第２実施形態に係る変位拡大機構１０において、固定部１２の曲面の曲率半径ｒｓと出力部１３の曲面の曲率半径ｒｃとは等しい（ｒｓ＝ｒｃ）ものとして説明したが、これに限られるものではなく、異なっていてもよい。また、キャップＣＰ１，ＣＰ２の曲面の曲率半径ｒｐも等しいものとして説明したが、これに限られるものではなく、異なっていてもよい。
【0069】
また、固定部１２及び出力部１３における転がり接点の軌跡は、凸円弧（曲率半径Ｒｓの円、曲率半径Ｒｃの円）であるものとして説明したが、これに限られるものではない。転がり接点の軌跡は、直線であってもよく、凹円弧であってもよく、非円形状曲線であってもよく、限定されるものではない。
【0070】
転がり接点の軌跡が直線の場合を一例として、図１０Ａから図１０Ｂを用いて説明する。図１０Ａから図１０Ｂは、変形例に係る変位拡大機構１０の構成を説明する図である。図１０Ａは、転がり接点の軌跡Ｌｓが直線であって、鞍型形状（凹曲面）の転がり面となる固定部１２の一例を示す。なお、この固定部１２と接触するキャップＣＰ１は、図４Ｂに示す転がり面が凸曲面となるキャップＣＰ１となる。また、図１０Ｂは、転がり接点の軌跡Ｌｓが直線であって、凸曲面となる固定部１２の一例を示す。なお、この固定部１２と接触するキャップＣＰ１は、図８Ｂに示す転がり面が鞍型形状（凹曲面）となるキャップＣＰ１となる。このように、転がり接点の軌跡が直線であっても、ずれを抑制する構成とすることができる。
【0071】
尚、本願は、２０１８年１２月２０日に出願した日本国特許出願２０１８－２３８６５６号に基づく優先権を主張するものであり、これらの日本国特許出願の全内容を本願に参照により援用する。
【符号の説明】
【0072】
１ アクチュエータユニット（アクチュエータ）
１０ 変位拡大機構
１１ ピエゾ素子
１２ 固定部
１３ 出力部
１４ 予圧調整バネ
１５ 外殻
２０ 出力ジョイント
３０ バネ予圧調整機構
４０ ピエゾ予圧調整機構
ＣＰ１、ＣＰ２ キャップ
１０ 変位拡大機構
１１ ピエゾ素子
１２ 固定部
１３ 出力部
１４ 予圧調整バネ
１５ 外殻
２０ 出力ジョイント
３０ バネ予圧調整機構
４０ ピエゾ予圧調整機構
ＣＰ１、ＣＰ２ キャップ
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図1D】
【図2】
【図3A】
【図3B】
【図3C】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図5A】
【図5B】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図7】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図9】
【図10A】
【図10B】