ピエゾ駆動アクチュエータ
【課題】梃子の原理を応用した機械的拡大機構を用いた場合よりも更に十分な変位量が得られるピエゾ駆動アクチュエータを得る。
【解決手段】大経の開口部２Ａと小経の開口部２Ｂとを有すると共に、開口部２Ａ、２Ｂが連通する導管２Ｃを有するシリンダ２と、シリンダ２の大経の開口部２Ａからシリンダ２の導管２Ｃに出入りする入力ピストン４と、シンリダ２の大経の開口部２Ａ側で入力ピストン４を支持する円板バネ３と、シリンダ２の小径の開口部２Ｂからシリンダ２の導管２Ｃに出入りする出力ピストン５と、シリンダ２の小経の開口部２Ｂ側で出力ピストン５を支持する円板バネ６と、複数のピエゾ素子を積層して構成したピエゾアクチュエータ７とを備えた。
【解決手段】大経の開口部２Ａと小経の開口部２Ｂとを有すると共に、開口部２Ａ、２Ｂが連通する導管２Ｃを有するシリンダ２と、シリンダ２の大経の開口部２Ａからシリンダ２の導管２Ｃに出入りする入力ピストン４と、シンリダ２の大経の開口部２Ａ側で入力ピストン４を支持する円板バネ３と、シリンダ２の小径の開口部２Ｂからシリンダ２の導管２Ｃに出入りする出力ピストン５と、シリンダ２の小経の開口部２Ｂ側で出力ピストン５を支持する円板バネ６と、複数のピエゾ素子を積層して構成したピエゾアクチュエータ７とを備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピエゾ素子を用いたピエゾ駆動アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ピエゾ素子を用いた機器として、例えば特許文献１に記載された「微少変位装置」や特許文献２に記載された「ディジタル弁」などが知られている。
【０００３】
ピエゾ素子を位置決めに用いることで、ナノメータ程度の極めて微少な範囲から数百ミクロンメータまでの位置決めを行うことができる。ピエゾ素子はセラミックでできているので、非常に硬く大きな力を発生させることができる。また、応答速度が速く、電力消費が小さいという利点も有している。しかしその反面、変位量を多くとることができず、例えば素子長の約１０００分の１程度しかとれないという欠点がある。
【０００４】
ピエゾ素子は、その発生力の大きさから位置決め用の他に切削加工やプレス加工等の機械加工用としても期待されるようになってきている。例えば特許文献３に記載された「加工機の調整方法及び調整装置」がある。機械加工用として実現するためには少ない変位量を拡大する必要があるため、近年、機械的拡大機構を備えたモデルが考案されている。考案された機械的拡大機構の殆どが梃子の原理を応用したものである。
【０００５】
図８の（ａ）〜（ｃ）の各々は機械的拡大機構の原理を示す図である。図８の（ａ）に示す機械的拡大機構［１］は、支点１００を中心に、両側に力点１０１と作用点１０２を置いたものである。この図に示す機械的拡大機構［１］では、作用点１０２における力の方向が力点１０１における力の方向と逆になる。図８の（ｂ）に示す機械的拡大機構［２］は、支点１００から一方の側に力点１０１と作用点１０２を置いたものである。この図に示す機械的拡大機構［２］では、作用点１０２における力の方向と力点１０１における力の方向とが同じになる。図８の（ｃ）に示す機械的拡大機構［３］は、梃子腕にＬ字状のものを使用し、その角部分に支点１００を置くとともに、その両側に力点１０１と作用点１０２を置いたものである。この図に示す機械的拡大機構［３］では、作用点１０２における力の方向に対して、力点１０１における力の方向は９０度異なる。なお、以上の３つの機械的拡大機構［１］〜［３］は拡大比を大きくしたものであるが、逆に拡大比を１以下にすることも勿論可能である。拡大比を１以下にすることで変位量を抑えて、押力を増大させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１９４９７６号公報
【特許文献２】特開２００１−０８２４１１号公報
【特許文献３】特開２００４−３１４２３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した梃子の原理を応用した機械的拡大機構は、拡大比が梃子腕の材料の強度に依存することから大きいものでも１０倍程度しか得られない。すなわち、ピエゾ素子の発生力が非常に大きいために、（１）梃子腕のピエゾ素子が当たる面が凹む、（２）梃子腕を長くすることで曲がってしまう、（３）作用点での発生力を変化させるために梃子腕を振る場合に梃子腕の共振周波数以上の速さで振ることができない、（４）支点部分が金属疲労を起こす、といった様々な現象が生じ、これらの現象が生じない範囲内で使用する必要があることから、拡大比が大きいものでも１０倍程度しか得られない。勿論、前記各現象が梃子棒の材質に依存することから、これらの現象が最も小さくなる材質を選択する必要があるが、コスト面を考慮すれば１０倍程度が限度である。このように、従来の機械的拡大機構は切削加工やプレス加工等の機械加工用としては不十分である。
【０００８】
本発明は係る事情に鑑みてなされたものであり、梃子の原理を応用した機械的拡大機構を用いた場合よりも更に十分な変位量が得られるピエゾ駆動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】
【０００９】
本発明のピエゾ駆動アクチュエータは、２つの開口部を有する導管が形成され、前記導管内に液体が充填されるシリンダと、前記シリンダの導管の２つの開口部のうち第１の開口部側に配置され、前記第１の開口部から前記導管内に入る第１のピストンを有し、前記第１の開口部を塞ぐ第１の円板バネと、前記シリンダの導管の２つの開口部のうち第２の開口部側に配置され、前記第２の開口部から前記導管内に入る第２のピストンを有し、前記第２の開口部を塞ぐ第２の円板バネと、一端が前記第１の円板バネに設けられた前記第１のピストンの前記シリンダ側と逆側の面に当接して配置されるピエゾ素子と、を備えた。
【００１０】
上記構成によれば、ピエゾ素子に通電を行うことで、ピエゾ素子が電圧値に応じた長さだけ伸張し第１の円板バネをシリンダ側へ押し込み、第１の円板バネに設けられた第１のピストンがシリンダ側へ変位する。これにより、シリンダ内の液体を介して第２の円板バネに圧力がかかり、第２の円板バネに設けられた第２のピストンがシリンダの外側へ変位する。このとき、第２のピストンの変位量はピエゾ素子の伸張量に比例する。また、第１の開口部の径を第２の開口部の径より大きくすることで、ピエゾ素子によって生ずる変位が拡大する。しかもこのときの変位量は、従来の梃子の原理を応用した機械的拡大機構と比べて、前述した様々な現象（梃子腕のピエゾ素子が当たる面が凹む、梃子腕を長くすることで曲がってしまう、作用点での発生力を変化させるために梃子腕を振る場合に梃子腕の共振周波数以上の速さで振ることができない、支点部分が金属疲労を起こすといった現象）が生じない分、大きくとることができる。したがって、切削加工やプレス加工等の機械加工用として十分に使用することができる。
【００１１】
また、第１の円板バネで第１のピストンを支持するとともに、第２の円板バネで第２のピストンを支持し、さらに、第１の開口部を第１の円板バネで塞ぐとともに、第２の開口部を第２の円板バネで塞ぐようにして、第１のピストン及び第２のピストンをシリンダの内面に接触させないようにしたので、第１のピストン及び第２のピストンのそれぞれとシリンダの内面との間での摩擦が発生しない。この摩擦が発生しない分、高い応答性が得られる。
【００１２】
また、第１の開口部と第２の開口部とを接続する構造を採ることから、第１の開口部と第２の開口部の位置関係を自由に設定することができる。すなわち、ピエゾ素子によって生ずる変位の方向を自在に設定することができる。
【００１３】
上記構成において、前記シリンダの第１の開口部が第２の開口部よりも径が大である。
【００１４】
上記構成によれば、第１のピストンの変位に対して第２のピストンの変位を大きくとることができる。すなわち、ピエゾ素子によって生ずる変位を拡大できる。
【００１５】
上記構成において、前記シリンダの第１の開口部が第２の開口部よりも径が小である。
【００１６】
上記構成によれば、第１のピストンの変位に対して第２のピストンの変位を小さくとることができる。すなわち、ピエゾ素子によって生ずる変位を縮小できる。
【００１７】
本発明のピエゾ駆動アクチュエータは、一方が開口し、他方が閉口した第１の導管が形成され、前記第１の導管内に液体が充填される第１のシリンダと、前記第１のシリンダの第１の導管の開口部側に配置され、前記開口部から前記第１の導管内に入る第１のピストンを有し、前記開口部を塞ぐ第１の円板バネと、一端が前記第１の円板バネに設けられた前記第１のピストンの前記シリンダ側と逆側の面に当接して配置されるピエゾ素子と、前記第１のシリンダの第１の導管の開口部と連通する少なくとも２つの金属管と、一方が開口し、他方が開口した第２の導管が形成され、閉口部に前記金属管の先端部が連通し、前記第２の導管内に液体が充填される第２のシリンダと、前記第２のシリンダの第２の導管の開口部側に配置され、前記開口部から前記第２の導管内に入る第２のピストンを有し、前記開口部を塞ぐ第２の円板バネと、を備えた。
【００１８】
上記構成によれば、ピエゾ素子に通電を行うことで、ピエゾ素子が電圧値に応じた長さだけ伸張し第１の円板バネを第１のシリンダ側へ押し込み、第１の円板バネに設けられた第１のピストンがシリンダ側へ変位する。これにより、第１のシリンダ内の液体が各金属管を通って第２のシリンダまで流れる。このとき、第２のシリンダが複数有れば、第１のシリンダ内の液体が各第２のシリンダまで流れる。
【００１９】
第２のシリンダに第１のシリンダ内の液体が流れると、第２の円板バネに圧力がかかり、第２の円板バネに設けられた第２のピストンが第２のシリンダの外側へ変位する。このとき、第２のピストンの変位量はピエゾ素子の伸張量に比例する。この発明においても、従来の梃子の原理を応用した機械的拡大機構と比べて、前述した様々な現象（梃子腕のピエゾ素子が当たる面が凹む、梃子腕を長くすることで曲がってしまう、作用点での発生力を変化させるために梃子腕を振る場合に梃子腕の共振周波数以上の速さで振ることができない、支点部分が金属疲労を起こすといった現象）が生じないので、変位量を大きくとることができる。したがって、切削加工やプレス加工等の機械加工用として十分に使用することができる。
【００２０】
上記構成において、前記第１のシリンダの開口部が前記第２のシリンダの開口部よりも径が大である。
【００２１】
上記構成によれば、第１のシリンダの第１の開口部の径を第２のシリンダの第２の開口部の径より大きくすることで、第１のピストンの変位に対して第２のピストンの変位を大きくとることができる。すなわち、ピエゾ素子によって生ずる変位を拡大できる。
【００２２】
上記構成において、前記第２のシリンダ及び第２の円板バネを前記金属管の数と同数備えた。
【００２３】
上記構成によれば、第２のシリンダ及び第２の円板バネを金属管の数と同数備えることで、物を持ち上げたり、挟んだりすることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明は、ピエゾ素子を用いたピエゾ駆動アクチュエータであって、梃子の原理を応用した機械的拡大機構を用いた場合よりも更に十分な変位量を得ることができるので、切削加工やプレス加工等の機械加工用として十分に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態１に係るピエゾ駆動アクチュエータの概略構成を示す図
【図２】図１のピエゾ駆動アクチュエータの円板バネと入力ピストンを示す図
【図３】図１のピエゾ駆動アクチュエータの円板バネとパッキンを示す図
【図４】本発明の実施の形態２に係るピエゾ駆動アクチュエータの概略構成を示す図
【図５】本発明の実施の形態３に係るピエゾ駆動アクチュエータの概略構成を示す図
【図６】図５のピエゾ駆動アクチュエータの応用例の概略構成を示す図
【図７】本発明の実施の形態４に係るピエゾ駆動アクチュエータの概略構成を示す図
【図８】梃子を利用した従来の機械的拡大機構［１］〜［３］の原理を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明を実施するための好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るピエゾ駆動アクチュエータの概略構成を示す図である。なお、図１は断面図であり、ハッチングは省略している。
【００２７】
図１において、本実施の形態に係るピエゾ駆動アクチュエータ１は、大小２つの開口部２Ａ、２Ｂを有し、大経の開口部（第１の開口部）２Ａと小経の開口部（第２の開口部）２Ｂとが連通する導管２Ｃを有するシリンダ２と、シリンダ２の大経の開口部２Ａからシリンダ２の導管２Ｃ内に出入りする入力ピストン（第１のピストン）４と、シンリダ２の大経の開口部２Ａ側に配置され、入力ピストン４を支持するとともに、大経の開口部２Ａを塞ぐ板状の円板バネ（第１の円板バネ）３と、シリンダ２の小径の開口部２Ｂからシリンダ２の導管２Ｃ内に出入りする出力ピストン（第２のピストン）５と、シリンダ２の小経の開口部２Ｂ側に配置され、出力ピストン５を支持するとともに、小経の開口部２Ｂを塞ぐ板状の円板バネ（第２の円板バネ）６と、複数のピエゾ素子を積層して構成され、先端部７ａが入力ピストン４のシリンダ２側と反対側の面に当接して配置されるピエゾアクチュエータ７と、ピエゾアクチュエータ７を支持するフレーム８と、シリンダ２と円板バネ３の間及び円板バネ３とフレーム８の間のそれぞれに設けられる金属製のパッキン９と、円板バネ６をシンリダ２の小経の開口部２Ｂ側に固定するための蓋１０と、シリンダ２と円板バネ６の間及び円板バネ６と蓋１０の間のそれぞれに設けられる金属製のパッキン１１と、を備える。
【００２８】
シリンダ２の導管２Ｃは、大経の開口部２Ａから入力ピストン４の可動範囲までは一定の大きさの径の円筒状に形成され、入力ピストン４の可動範囲を超える位置から小径の開口部２Ｂまでは経が徐々に小さくなるテーパ状に形成され、さらに、出力ピストン５の可動範囲において一定の大きさの径の円筒状に形成されている。シリンダ２の導管２Ｃをテーパ状に形成することで導管２Ｃ内の油１２を円滑に流すことができる。つまり、導管２Ｃ内に角などの突起があると、その部分で油の渦ができて油の流れを阻害するが、導管２Ｃをテーパ状に形成することで油の流れを阻害することがない。したがって、導管２Ｃ内の油１２を円滑に流すことができる。
【００２９】
シリンダ２の導管２Ｃとシリンダ２の表面との間に油注入路２Ｄが形成されており、この油注入路２Ｄを通して導管２Ｃ内に油１２が注入される。油注入路２Ｄのシリンダ表面側には油注入路２Ｄを塞ぐ栓１３がねじ込み式に取り付けられる。
【００３０】
円板バネ３は、弾性を有する鋼からなり、シリンダ２の大経の開口部２Ａ側とフレーム８との間に配置される。円板バネ３は、入力ピストン４を、その中心軸方向に揺動自在に支持する。
【００３１】
図２は、円板バネ３に入力ピストン４が取り付けられた状態を示す図である。同図において、入力ピストン４は、硬質の鋼からなる２つの部分４ａ，４ｂで構成され、円板バネ３を両側から挟み込むようにして円板バネ３に取り付けられる。入力ピストン４の部分４ａにはネジ１５の軸部（頭部を除く部分）のみが通過する径の貫通孔が複数形成されており、入力ピストン４の部分４ｂには入力ピストン４の部分４ａに開けられた複数の貫通孔のそれぞれに対向する位置にネジ穴が形成されている。入力ピストン４の部分４ａに形成された複数の貫通孔のそれぞれと、それぞれの貫通孔に対応して入力ピストン４の部分４ｂに形成されたネジ穴の間にネジ１５が入れられて、入力ピストン４が円板バネ３に取り付けられる。すなわち、入力ピストン４は、入力ピストン４の部分４ａと部分４ｂとの間に円板バネ３を挟み込んだ状態で円板バネ３に取り付けられる。
【００３２】
図１に戻り、円板バネ３がシリンダ２とフレーム８との間に取り付けられる際に、その両側にパッキン９が配置される。図３は、入力ピストン４が取り付けられた円板バネ３とパッキン９を示す図である。同図に示すように、パッキン９は、平板のリング状に形成されている。パッキン９を設けることで、シリンダ２内の油１２が円板バネ３を通して外に漏れるのを防止することができる。
【００３３】
ピエゾアクチュエータ７の先端部分７ａが当接する入力ピストン４の部分４ｂは、ピエゾアクチュエータ７の先端部分７ａが完全に密着するように面出しされる。ピエゾアクチュエータ７の先端部分７ａを入力ピストン４に完全に密着させることで、ピエゾアクチュエータ７の発生力を確実に入力ピストン４に伝えることができる。
【００３４】
円板バネ６は、弾性を有する鋼からなり、シリンダ２の小径の開口部２Ｂ側と蓋１０との間に配置される。円板バネ６は、出力ピストン５を、その中心軸方向に揺動自在に支持する。出力ピストン５は、入力ピストン４と同様に硬質の鋼からなる２つの部分で構成され、円板バネ６を両側から挟み込むようにして円板バネ６に取り付けられる。出力ピストン５の円板バネ６への取り付けには入力ピストン４の場合と同様にネジ（図示略）が用いられる。出力ピストン５の円板バネ６への取り付けの詳細は省略する。
【００３５】
円板バネ６がシリンダ２と蓋１０との間に取り付けられる際に、その両側にパッキン１１が配置される。パッキン１１は、パッキン９と同様にリング状に形成されており、シリンダ２内の油１２が円板バネ６を通して外に漏れるのを防止する。
【００３６】
このように構成されたピエゾ駆動アクチュエータ１において、ピエゾアクチュエータ７に電圧を印加すると、ピエゾアクチュエータ７が電圧値に応じた長さだけ伸張し、入力ピストン４をシリンダ２側へ押し出す。このとき、入力ピストン４の変位に応じた容積に比例した距離だけ出力ピストン５がシリンダ２の外側へ変位する。そして、出力ピストン５がシリンダ２の外側へ変位した状態でピエゾアクチュエータ７への電圧印加を止めると、ピエゾアクチュエータ７が電圧印加前の状態まで収縮し、それに伴って入力ピストン４が円板バネ３の復元力によってピエゾアクチュエータ７に追従してシリンダ２の外側へ変位する。また、入力ピストン４がシリンダ２の外側へ変位することによって出力ピストン５に圧力がかからなくなり、円板バネ６の復元力によって出力ピストン５がシリンダ２側へ変位する。
【００３７】
ここで、本実施の形態のピエゾ駆動アクチュエータ１の変位量の拡大比は、入力ピストン４及び出力ピストン５それぞれの断面積の比によって決まる。すなわち、入力ピストン４の断面積をＳ１、出力ピストン５の断面積をＳ２とすると、拡大比はＳ１／Ｓ２で決まる。
【００３８】
また、本実施の形態のピエゾ駆動アクチュエータ１を例えば切削加工の工作機械に用いた場合、出力ピストン５にはバイス（図示略）が装着される。このデバイスは、ピエゾアクチュエータ７に印加する電圧を制御することで、直線方向に限定されるものの、所望の動きをさせることができ、切削対象のワークを所望の形状に切削することができる。
【００３９】
本実施の形態のピエゾ駆動アクチュエータ１では、円板バネ３で入力ピストン４を支持するとともに、円板バネ６で出力ピストン５を支持し、さらに、大径の開口部２Ａを円板バネ３で塞ぐとともに、小径の開口部２Ｂを円板バネ６で塞いで入力ピストン４及び出力ピストン５をシリンダ２の内面に接触させないようにしているので、入力ピストン４及び出力ピストン５のそれぞれとシリンダ２の内面との間で摩擦が発生せず、これにより高速で高い応答性が得られる。この応答性はシリンダ２の導管２Ｃをテーパ状に形成したことでも高めることができる。なお、この応答性はピエゾアクチュエータ７を伸張させた時点から出力ピストン５が変位を開始するまでの時間であり、この時間が短い程応答性が高くなる。
【００４０】
また、シンリダ２の大経の開口部２Ａを円板バネ３で塞ぐとともに、小経の開口部２Ｂを円板バネ６で塞ぐことで、シリンダ２内からの油漏れが殆ど発生せず、油の補充等の保守作業の省力化が図れる。
【００４１】
このように本実施の形態のピエゾ駆動アクチュエータ１によれば、大経の開口部２Ａと小経の開口部２Ｂとを有するとともに、これらの開口部２Ａ、２Ｂが連通する導管２Ｃを有するシリンダ２と、シリンダ２の大経の開口部２Ａからシリンダ２の導管２Ｃに出入りする入力ピストン４と、シンリダ２の大経の開口部２Ａ側で入力ピストン４を支持する円板バネ３と、シリンダ２の小径の開口部２Ｂからシリンダ２の導管２Ｃに出入りする出力ピストン５と、シリンダ２の小経の開口部２Ｂ側で出力ピストン５を支持する円板バネ６と、複数のピエゾ素子を積層して構成したピエゾアクチュエータ７とを備え、ピエゾアクチュエータ７を伸張させることで、円板バネ３に支持された入力ピストン４をシリンダ２側へ変位させ、シリンダ２内の油１２を介して円板バネ６に支持された出力ピストン５をシリンダ２の外側へ変位させるように構成したので、円板バネ６に設けた出力ピストン５の変位量を、従来の梃子の原理を応用した機械的拡大機構と比べて、様々な現象（梃子腕のピエゾ素子が当たる面が凹む、梃子腕を長くすることで曲がってしまう、作用点での発生力を変化させるために梃子腕を振る場合に梃子腕の共振周波数以上の速さで振ることができない、支点部分が金属疲労を起こすといった現象）を生じることなく大きくとることができ、切削加工やプレス加工等の機械加工用として十分に使用することができる。
【００４２】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２に係るピエゾ駆動アクチュエータの概略構成を示す図である。なお、図４は断面図であり、ハッチングは省略している。また、図４において前述した図１と共通する部分には同一の符号を付けてその説明を省略する。
【００４３】
図４において、本実施の形態のピエゾ駆動アクチュエータ２０は、大経の開口部３０Ａの位置と小径の開口部３０Ｂの位置を９０度違えた導管３０Ｃを形成したシリンダ３０を備え、ピエゾアクチュエータ７によって生ずる変位の方向を９０度異なる方向に変換するものである。シリンダ３０の導管３０Ｃは、大経の開口部３０Ａから入力ピストン４の可動範囲までは一定の大きさの径の円筒状に形成され、入力ピストン４の可動範囲を超える位置から小径の開口部３０Ｂまでは経が徐々に小さくなる形状に形成され、さらに、出力ピストン５の可動範囲において一定の大きさの径の円筒状に形成されている。
【００４４】
なお、ピエゾアクチュエータ７によって生ずる変位の方向を変えることは９０度に限定されるものではなく任意である。このように、シリンダの導管の形状を変えることで、変位方向を如何なる方向へも自由自在に変換することができる。
【００４５】
（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３に係るピエゾ駆動アクチュエータの概略構成を示す図である。なお、図５は断面図であり、ハッチングは省略している。また、図５において前述した図１と共通する部分には同一の符号を付けてその説明を省略する。
【００４６】
上記実施の形態１、２では、２次側である出力ピストン５を１つ設けた１軸構造としたが、本実施の形態では、２次側に出力ピストンを３つ設けた多軸構造としたものである。本実施の形態のピエゾ駆動アクチュエータ４０は、シリンダ２の２次側先端部に３つの金属管４１の一端が連通し、各金属管４１の他端が出力ピストン部４２に連通したものである。各出力ピストン部４２は、シリンダ４３と、シリンダ４３内の導管４３Ｃ内に出入りする出力ピストン４４と、出力ピストン４４を、その中心軸方向に揺動自在に支持する円板バネ４５と、円板バネ４５を出力ピストン４４との間で固定するための蓋４６と、シリンダ４３を支持する基台４７と、を備える。なお、シリンダ４３と円板バネ４５の間及び円板バネ４５と蓋４６の間のそれぞれに金属製のパッキン（図示略）が設けられている。
【００４７】
なお、シリンダ２は第１のシリンダに対応し、導管２Ｃは第１の導管に対応する。また、入力ピストン４は第１のピストンに対応し、円板バネ３は第１の円板バネに対応する。また、シリンダ４３は第２のシリンダに対応し、導管４３Ｃは第２の導管に対応する。また、円板バネ４５は第２の円板バネに対応する。
【００４８】
このような構成において、ピエゾアクチュエータ７に電圧を印加すると、ピエゾアクチュエータ７が電圧値に応じた長さだけ伸張し、入力ピストン４をシリンダ２側へ押し出す。このとき、入力ピストン４の変位に応じた容積の油１２が各金属管４１に流入する。そして、油１２が各出力ピストン部４３に到達することで各出力ピストン部４３の出力ピストン４４がシリンダ４３の外側へ変位する。
【００４９】
そして、各出力ピストン部４３の出力ピストン４４がシリンダ４３の外側へ変位した状態でピエゾアクチュエータ７への電圧印加を止めると、ピエゾアクチュエータ７が電圧印加前の状態まで収縮し、それに伴って入力ピストン４が円板バネ３の復元力によってピエゾアクチュエータ７に追従してシリンダ２から離れる方向に変位する。また同時に、各出力ピストン部４３に到達した油１２が金属管４１を通ってシリンダ２側に戻る。これにより各出力ピストン部４３の出力ピストン４４に圧力がかからなくなり、円板バネ４５の復元力によって出力ピストン４４がシリンダ４３内に入る方向に変位する。
【００５０】
このように、ピエゾアクチュエータ７が伸張することで、各出力ピストン部４３の出力ピストン４４がシリンダ４３の外側へ変位し、ピエゾアクチュエータ７が収縮することで、各出力ピストン部４３の出力ピストン４４がシリンダ４３内に入る方向に変位する。
【００５１】
２次側を多軸構造とすることで、ある広がりを持ったものを持ち上げたり、挟んだりすることが可能となる。図６は、平板５０を挟む場合の応用例を示す図である。同図に示すように、平板５０の両側に２つずつ出力ピストン部４２を配置する。この状態でピエゾアクチュエータ７に電圧を印加すると、ピエゾアクチュエータ７が電圧値に応じた長さだけ伸張する。ピエゾアクチュエータ７が伸張することで４個の出力ピストン部４２の出力ピストン４４が一斉にシリンダ４３の外側へ変位し、平板５０を挟み込む。そして、この状態でピエゾアクチュエータ７が収縮すると、４個の出力ピストン部４２の出力ピストン４４が一斉にシリンダ４３側へ変位し、平板５０を離す。このように、ピエゾアクチュエータ７の伸張と収縮により、平板５０を挟み込んだり、離したりすることができる。
【００５２】
（実施の形態４）
図７は、本発明の実施の形態４に係るピエゾ駆動アクチュエータの概略構成を示す図である。なお、図７は断面図であり、ハッチングは省略している。また、図７において前述した図１と共通する部分には同一の符号を付けてその説明を省略する。
【００５３】
上記実施の形態１〜３では、ピエゾアクチュエータ７によって生ずる変位を拡大する構造を採ったものであったが、逆の構造即ち変位を縮小する構造を採ってもよい。変位を縮小するには、例えば実施の形態１のピエゾ駆動アクチュエータ１において大径の開口部２Ａと小径の開口部２Ｂとを逆にすることで実現できる。図７に示す本実施の形態のピエゾ駆動アクチュエータ６０はそのような構造を採ったものであり、以下、図７を参照してその構造の詳細について説明する。
【００５４】
図７において、本実施の形態に係るピエゾ駆動アクチュエータ６０は、大小２つの開口部６１Ａ、６１Ｂを有し、大経の開口部６１Ａと小経の開口部６１Ｂとが連通する導管６１Ｃを有するシリンダ６１と、シリンダ６１の小経の開口部６１Ｂからシリンダ６１の導管６１Ｃ内に出入りする入力ピストン６２と、シンリダ６１の小径の開口部６１Ｂ側に配置され、入力ピストン６２を支持するとともに、小径の開口部６１Ｂを塞ぐ板状の円板バネ６３と、シリンダ６１の大径の開口部６１Ａからシリンダ６１の導管６１Ｃ内に出入りする出力ピストン６４と、シリンダ６１の大経の開口部６１Ａ側に配置され、出力ピストン６４を支持するとともに、大経の開口部６１Ａを塞ぐ板状の円板バネ６５と、先端部７ａが入力ピストン６２のシリンダ６１側と反対側の面に当接して配置されるピエゾアクチュエータ７と、ピエゾアクチュエータ７を支持するフレーム６６と、シリンダ６１と円板バネ６３の間及び円板バネ６３とフレーム６６の間のそれぞれに設けられる金属製のパッキン１１と、円板バネ６５をシンリダ６１の大経の開口部６１Ａ側に固定するための蓋６７と、シリンダ６１と円板バネ６５の間及び円板バネ６５と蓋６７の間のそれぞれに設けられる金属製のパッキン９と、を備える。
【００５５】
シリンダ６１の導管６１Ｃは、小経の開口部６１Ｂから入力ピストン６２の可動範囲までは一定の大きさの径の円筒状に形成され、入力ピストン６２の可動範囲を超える位置から大径の開口部６１Ａまでは経が徐々に大きくなるテーパ状に形成され、さらに、出力ピストン６４の可動範囲において一定の大きさの径の円筒状に形成されている。シリンダ６１の導管６１Ｃをテーパ状に形成することは、実施の形態１のピエゾ駆動アクチュエータ１で説明した通りであり、導管６１Ｃ内の油１２を円滑に流して応答性を高めるためである。
【００５６】
シリンダ６１の導管６１Ｃとシリンダ６１の表面との間に油注入路６１Ｄが形成されており、この油注入路６１Ｄを通して導管６１Ｃ内に油１２が注入される。油注入路６１Ｄのシリンダ表面側には油注入路６１Ｄを塞ぐ栓６８がねじ込み式に取り付けられる。
【００５７】
円板バネ６３は、弾性を有する鋼からなり、シリンダ６１の小経の開口部６１Ｂ側とフレーム６６との間に配置される。円板バネ６３は、入力ピストン６２を、その中心軸方向に揺動自在に支持する。入力ピストン６２は、硬質の鋼からなる２つの部分で構成され、円板バネ６３を両側から挟み込むようにして円板バネ６３に取り付けられる。円板バネ６３がシリンダ６１とフレーム６６との間に取り付けられる際に、その両側にパッキン１１が配置される。パッキン１１は、平板のリング状に形成されており、シリンダ６１内の油１２が円板バネ６３を通して外に漏れるのを防止する。
【００５８】
円板バネ６５は、弾性を有する鋼からなり、シリンダ６１の大径の開口部６１Ａ側と蓋６７との間に配置される。円板バネ６５は、出力ピストン６４を、その中心軸方向に揺動自在に支持する。出力ピストン６４は、入力ピストン６２と同様に硬質の鋼からなる２つの部分で構成され、円板バネ６５を両側から挟み込むようにして円板バネ６５に取り付けられる。円板バネ６５がシリンダ６１と蓋６７との間に取り付けられる際に、その両側にパッキン９が配置される。このパッキン９は、パッキン１１と同様にリング状に形成されており、シリンダ６１内の油１２が円板バネ６５を通して外に漏れるのを防止する。
【００５９】
このように構成されたピエゾ駆動アクチュエータ６０において、ピエゾアクチュエータ７に電圧を印加すると、ピエゾアクチュエータ７が電圧値に応じた長さだけ伸張し、入力ピストン６２をシリンダ６１側へ押し出す。このとき、入力ピストン６２の変位に応じた容積に比例した距離だけ出力ピストン６４がシリンダ６１の外側へ変位する。そして、出力ピストン６４がシリンダ６１の外側へ変位した状態でピエゾアクチュエータ７への電圧印加を止めると、ピエゾアクチュエータ７が電圧印加前の状態まで収縮し、それに伴って入力ピストン６２が円板バネ６３の復元力によってピエゾアクチュエータ７に追従してシリンダ６１から離れる方向に変位する。また、入力ピストン６２がシリンダ６１から離れる方向に変位することによって出力ピストン６４に圧力がかからなくなり、円板バネ６５の復元力によって出力ピストン６４がシリンダ６１内に入る方向に変位する。
【００６０】
このように本実施の形態のピエゾ駆動アクチュエータ６０によれば、実施の形態１のピエゾ駆動アクチュエータ１の構造を逆にして、入力ピストン６２の変位に対して出力ピストン６４の変位を小さくとるようにしたので、ピエゾアクチュエータ７によって生ずる変位を縮小することができる。
【００６１】
なお、上記実施の形態１〜４では、出力ピストン５、４４、６４を前後に変位させる直進運動を行うものであったが、例えば直進共役カム（図示略）を用いることで、直進運動を回転運動に変換することもできる。
【００６２】
また、上記実施の形態１〜４では、シリンダ２、３０、６１の導管２Ｃ、３０Ｃ、６１Ｃ内に油１２を充填させたが、油に限定することがなく、例えば水であってもよい。
【００６３】
また、上記実施の形態１〜４では、複数のピエゾ素子を積層して構成したピエゾアクチュエータ７を用いたが、積層構成しない単一のピエゾ素子を用いることも勿論可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は、ピエゾ素子を用いたピエゾ駆動アクチュエータであって、梃子の原理を応用した機械的拡大機構を用いた場合よりも更に十分な変位量を得ることができるといった効果を有し、切削加工やプレス加工等の機械加工用として使用することができる。
【符号の説明】
【００６５】
１、２０、４０、６０ ピエゾ駆動アクチュエータ
２、３０、４３、６１ シリンダ
２Ａ、３０Ａ、６１Ａ 大径の開口部
２Ｂ、３０Ｂ、６１Ｂ 小径の開口部
２Ｃ、３０Ｃ、４３Ｃ、６１Ｃ 導管
２Ｄ、６１Ｄ 油注入路
３、６、４５、６３、６５ 円板バネ
４、６２ 入力ピストン
５、４４、６４ 出力ピストン
７ ピエゾアクチュエータ
８、６６ フレーム
９、１１ パッキン
１０、６７ 蓋
１２ 油
１３、６８ 栓
１５ ネジ
４１ 金属管
４２ 出力ピストン部
４７ 基台
５０ 平板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ピエゾ素子を用いたピエゾ駆動アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ピエゾ素子を用いた機器として、例えば特許文献１に記載された「微少変位装置」や特許文献２に記載された「ディジタル弁」などが知られている。
【０００３】
ピエゾ素子を位置決めに用いることで、ナノメータ程度の極めて微少な範囲から数百ミクロンメータまでの位置決めを行うことができる。ピエゾ素子はセラミックでできているので、非常に硬く大きな力を発生させることができる。また、応答速度が速く、電力消費が小さいという利点も有している。しかしその反面、変位量を多くとることができず、例えば素子長の約１０００分の１程度しかとれないという欠点がある。
【０００４】
ピエゾ素子は、その発生力の大きさから位置決め用の他に切削加工やプレス加工等の機械加工用としても期待されるようになってきている。例えば特許文献３に記載された「加工機の調整方法及び調整装置」がある。機械加工用として実現するためには少ない変位量を拡大する必要があるため、近年、機械的拡大機構を備えたモデルが考案されている。考案された機械的拡大機構の殆どが梃子の原理を応用したものである。
【０００５】
図８の（ａ）〜（ｃ）の各々は機械的拡大機構の原理を示す図である。図８の（ａ）に示す機械的拡大機構［１］は、支点１００を中心に、両側に力点１０１と作用点１０２を置いたものである。この図に示す機械的拡大機構［１］では、作用点１０２における力の方向が力点１０１における力の方向と逆になる。図８の（ｂ）に示す機械的拡大機構［２］は、支点１００から一方の側に力点１０１と作用点１０２を置いたものである。この図に示す機械的拡大機構［２］では、作用点１０２における力の方向と力点１０１における力の方向とが同じになる。図８の（ｃ）に示す機械的拡大機構［３］は、梃子腕にＬ字状のものを使用し、その角部分に支点１００を置くとともに、その両側に力点１０１と作用点１０２を置いたものである。この図に示す機械的拡大機構［３］では、作用点１０２における力の方向に対して、力点１０１における力の方向は９０度異なる。なお、以上の３つの機械的拡大機構［１］〜［３］は拡大比を大きくしたものであるが、逆に拡大比を１以下にすることも勿論可能である。拡大比を１以下にすることで変位量を抑えて、押力を増大させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１９４９７６号公報
【特許文献２】特開２００１−０８２４１１号公報
【特許文献３】特開２００４−３１４２３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した梃子の原理を応用した機械的拡大機構は、拡大比が梃子腕の材料の強度に依存することから大きいものでも１０倍程度しか得られない。すなわち、ピエゾ素子の発生力が非常に大きいために、（１）梃子腕のピエゾ素子が当たる面が凹む、（２）梃子腕を長くすることで曲がってしまう、（３）作用点での発生力を変化させるために梃子腕を振る場合に梃子腕の共振周波数以上の速さで振ることができない、（４）支点部分が金属疲労を起こす、といった様々な現象が生じ、これらの現象が生じない範囲内で使用する必要があることから、拡大比が大きいものでも１０倍程度しか得られない。勿論、前記各現象が梃子棒の材質に依存することから、これらの現象が最も小さくなる材質を選択する必要があるが、コスト面を考慮すれば１０倍程度が限度である。このように、従来の機械的拡大機構は切削加工やプレス加工等の機械加工用としては不十分である。
【０００８】
本発明は係る事情に鑑みてなされたものであり、梃子の原理を応用した機械的拡大機構を用いた場合よりも更に十分な変位量が得られるピエゾ駆動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】
【０００９】
本発明のピエゾ駆動アクチュエータは、２つの開口部を有する導管が形成され、前記導管内に液体が充填されるシリンダと、前記シリンダの導管の２つの開口部のうち第１の開口部側に配置され、前記第１の開口部から前記導管内に入る第１のピストンを有し、前記第１の開口部を塞ぐ第１の円板バネと、前記シリンダの導管の２つの開口部のうち第２の開口部側に配置され、前記第２の開口部から前記導管内に入る第２のピストンを有し、前記第２の開口部を塞ぐ第２の円板バネと、一端が前記第１の円板バネに設けられた前記第１のピストンの前記シリンダ側と逆側の面に当接して配置されるピエゾ素子と、を備えた。
【００１０】
上記構成によれば、ピエゾ素子に通電を行うことで、ピエゾ素子が電圧値に応じた長さだけ伸張し第１の円板バネをシリンダ側へ押し込み、第１の円板バネに設けられた第１のピストンがシリンダ側へ変位する。これにより、シリンダ内の液体を介して第２の円板バネに圧力がかかり、第２の円板バネに設けられた第２のピストンがシリンダの外側へ変位する。このとき、第２のピストンの変位量はピエゾ素子の伸張量に比例する。また、第１の開口部の径を第２の開口部の径より大きくすることで、ピエゾ素子によって生ずる変位が拡大する。しかもこのときの変位量は、従来の梃子の原理を応用した機械的拡大機構と比べて、前述した様々な現象（梃子腕のピエゾ素子が当たる面が凹む、梃子腕を長くすることで曲がってしまう、作用点での発生力を変化させるために梃子腕を振る場合に梃子腕の共振周波数以上の速さで振ることができない、支点部分が金属疲労を起こすといった現象）が生じない分、大きくとることができる。したがって、切削加工やプレス加工等の機械加工用として十分に使用することができる。
【００１１】
また、第１の円板バネで第１のピストンを支持するとともに、第２の円板バネで第２のピストンを支持し、さらに、第１の開口部を第１の円板バネで塞ぐとともに、第２の開口部を第２の円板バネで塞ぐようにして、第１のピストン及び第２のピストンをシリンダの内面に接触させないようにしたので、第１のピストン及び第２のピストンのそれぞれとシリンダの内面との間での摩擦が発生しない。この摩擦が発生しない分、高い応答性が得られる。
【００１２】
また、第１の開口部と第２の開口部とを接続する構造を採ることから、第１の開口部と第２の開口部の位置関係を自由に設定することができる。すなわち、ピエゾ素子によって生ずる変位の方向を自在に設定することができる。
【００１３】
上記構成において、前記シリンダの第１の開口部が第２の開口部よりも径が大である。
【００１４】
上記構成によれば、第１のピストンの変位に対して第２のピストンの変位を大きくとることができる。すなわち、ピエゾ素子によって生ずる変位を拡大できる。
【００１５】
上記構成において、前記シリンダの第１の開口部が第２の開口部よりも径が小である。
【００１６】
上記構成によれば、第１のピストンの変位に対して第２のピストンの変位を小さくとることができる。すなわち、ピエゾ素子によって生ずる変位を縮小できる。
【００１７】
本発明のピエゾ駆動アクチュエータは、一方が開口し、他方が閉口した第１の導管が形成され、前記第１の導管内に液体が充填される第１のシリンダと、前記第１のシリンダの第１の導管の開口部側に配置され、前記開口部から前記第１の導管内に入る第１のピストンを有し、前記開口部を塞ぐ第１の円板バネと、一端が前記第１の円板バネに設けられた前記第１のピストンの前記シリンダ側と逆側の面に当接して配置されるピエゾ素子と、前記第１のシリンダの第１の導管の開口部と連通する少なくとも２つの金属管と、一方が開口し、他方が開口した第２の導管が形成され、閉口部に前記金属管の先端部が連通し、前記第２の導管内に液体が充填される第２のシリンダと、前記第２のシリンダの第２の導管の開口部側に配置され、前記開口部から前記第２の導管内に入る第２のピストンを有し、前記開口部を塞ぐ第２の円板バネと、を備えた。
【００１８】
上記構成によれば、ピエゾ素子に通電を行うことで、ピエゾ素子が電圧値に応じた長さだけ伸張し第１の円板バネを第１のシリンダ側へ押し込み、第１の円板バネに設けられた第１のピストンがシリンダ側へ変位する。これにより、第１のシリンダ内の液体が各金属管を通って第２のシリンダまで流れる。このとき、第２のシリンダが複数有れば、第１のシリンダ内の液体が各第２のシリンダまで流れる。
【００１９】
第２のシリンダに第１のシリンダ内の液体が流れると、第２の円板バネに圧力がかかり、第２の円板バネに設けられた第２のピストンが第２のシリンダの外側へ変位する。このとき、第２のピストンの変位量はピエゾ素子の伸張量に比例する。この発明においても、従来の梃子の原理を応用した機械的拡大機構と比べて、前述した様々な現象（梃子腕のピエゾ素子が当たる面が凹む、梃子腕を長くすることで曲がってしまう、作用点での発生力を変化させるために梃子腕を振る場合に梃子腕の共振周波数以上の速さで振ることができない、支点部分が金属疲労を起こすといった現象）が生じないので、変位量を大きくとることができる。したがって、切削加工やプレス加工等の機械加工用として十分に使用することができる。
【００２０】
上記構成において、前記第１のシリンダの開口部が前記第２のシリンダの開口部よりも径が大である。
【００２１】
上記構成によれば、第１のシリンダの第１の開口部の径を第２のシリンダの第２の開口部の径より大きくすることで、第１のピストンの変位に対して第２のピストンの変位を大きくとることができる。すなわち、ピエゾ素子によって生ずる変位を拡大できる。
【００２２】
上記構成において、前記第２のシリンダ及び第２の円板バネを前記金属管の数と同数備えた。
【００２３】
上記構成によれば、第２のシリンダ及び第２の円板バネを金属管の数と同数備えることで、物を持ち上げたり、挟んだりすることができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明は、ピエゾ素子を用いたピエゾ駆動アクチュエータであって、梃子の原理を応用した機械的拡大機構を用いた場合よりも更に十分な変位量を得ることができるので、切削加工やプレス加工等の機械加工用として十分に使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の実施の形態１に係るピエゾ駆動アクチュエータの概略構成を示す図
【図２】図１のピエゾ駆動アクチュエータの円板バネと入力ピストンを示す図
【図３】図１のピエゾ駆動アクチュエータの円板バネとパッキンを示す図
【図４】本発明の実施の形態２に係るピエゾ駆動アクチュエータの概略構成を示す図
【図５】本発明の実施の形態３に係るピエゾ駆動アクチュエータの概略構成を示す図
【図６】図５のピエゾ駆動アクチュエータの応用例の概略構成を示す図
【図７】本発明の実施の形態４に係るピエゾ駆動アクチュエータの概略構成を示す図
【図８】梃子を利用した従来の機械的拡大機構［１］〜［３］の原理を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明を実施するための好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るピエゾ駆動アクチュエータの概略構成を示す図である。なお、図１は断面図であり、ハッチングは省略している。
【００２７】
図１において、本実施の形態に係るピエゾ駆動アクチュエータ１は、大小２つの開口部２Ａ、２Ｂを有し、大経の開口部（第１の開口部）２Ａと小経の開口部（第２の開口部）２Ｂとが連通する導管２Ｃを有するシリンダ２と、シリンダ２の大経の開口部２Ａからシリンダ２の導管２Ｃ内に出入りする入力ピストン（第１のピストン）４と、シンリダ２の大経の開口部２Ａ側に配置され、入力ピストン４を支持するとともに、大経の開口部２Ａを塞ぐ板状の円板バネ（第１の円板バネ）３と、シリンダ２の小径の開口部２Ｂからシリンダ２の導管２Ｃ内に出入りする出力ピストン（第２のピストン）５と、シリンダ２の小経の開口部２Ｂ側に配置され、出力ピストン５を支持するとともに、小経の開口部２Ｂを塞ぐ板状の円板バネ（第２の円板バネ）６と、複数のピエゾ素子を積層して構成され、先端部７ａが入力ピストン４のシリンダ２側と反対側の面に当接して配置されるピエゾアクチュエータ７と、ピエゾアクチュエータ７を支持するフレーム８と、シリンダ２と円板バネ３の間及び円板バネ３とフレーム８の間のそれぞれに設けられる金属製のパッキン９と、円板バネ６をシンリダ２の小経の開口部２Ｂ側に固定するための蓋１０と、シリンダ２と円板バネ６の間及び円板バネ６と蓋１０の間のそれぞれに設けられる金属製のパッキン１１と、を備える。
【００２８】
シリンダ２の導管２Ｃは、大経の開口部２Ａから入力ピストン４の可動範囲までは一定の大きさの径の円筒状に形成され、入力ピストン４の可動範囲を超える位置から小径の開口部２Ｂまでは経が徐々に小さくなるテーパ状に形成され、さらに、出力ピストン５の可動範囲において一定の大きさの径の円筒状に形成されている。シリンダ２の導管２Ｃをテーパ状に形成することで導管２Ｃ内の油１２を円滑に流すことができる。つまり、導管２Ｃ内に角などの突起があると、その部分で油の渦ができて油の流れを阻害するが、導管２Ｃをテーパ状に形成することで油の流れを阻害することがない。したがって、導管２Ｃ内の油１２を円滑に流すことができる。
【００２９】
シリンダ２の導管２Ｃとシリンダ２の表面との間に油注入路２Ｄが形成されており、この油注入路２Ｄを通して導管２Ｃ内に油１２が注入される。油注入路２Ｄのシリンダ表面側には油注入路２Ｄを塞ぐ栓１３がねじ込み式に取り付けられる。
【００３０】
円板バネ３は、弾性を有する鋼からなり、シリンダ２の大経の開口部２Ａ側とフレーム８との間に配置される。円板バネ３は、入力ピストン４を、その中心軸方向に揺動自在に支持する。
【００３１】
図２は、円板バネ３に入力ピストン４が取り付けられた状態を示す図である。同図において、入力ピストン４は、硬質の鋼からなる２つの部分４ａ，４ｂで構成され、円板バネ３を両側から挟み込むようにして円板バネ３に取り付けられる。入力ピストン４の部分４ａにはネジ１５の軸部（頭部を除く部分）のみが通過する径の貫通孔が複数形成されており、入力ピストン４の部分４ｂには入力ピストン４の部分４ａに開けられた複数の貫通孔のそれぞれに対向する位置にネジ穴が形成されている。入力ピストン４の部分４ａに形成された複数の貫通孔のそれぞれと、それぞれの貫通孔に対応して入力ピストン４の部分４ｂに形成されたネジ穴の間にネジ１５が入れられて、入力ピストン４が円板バネ３に取り付けられる。すなわち、入力ピストン４は、入力ピストン４の部分４ａと部分４ｂとの間に円板バネ３を挟み込んだ状態で円板バネ３に取り付けられる。
【００３２】
図１に戻り、円板バネ３がシリンダ２とフレーム８との間に取り付けられる際に、その両側にパッキン９が配置される。図３は、入力ピストン４が取り付けられた円板バネ３とパッキン９を示す図である。同図に示すように、パッキン９は、平板のリング状に形成されている。パッキン９を設けることで、シリンダ２内の油１２が円板バネ３を通して外に漏れるのを防止することができる。
【００３３】
ピエゾアクチュエータ７の先端部分７ａが当接する入力ピストン４の部分４ｂは、ピエゾアクチュエータ７の先端部分７ａが完全に密着するように面出しされる。ピエゾアクチュエータ７の先端部分７ａを入力ピストン４に完全に密着させることで、ピエゾアクチュエータ７の発生力を確実に入力ピストン４に伝えることができる。
【００３４】
円板バネ６は、弾性を有する鋼からなり、シリンダ２の小径の開口部２Ｂ側と蓋１０との間に配置される。円板バネ６は、出力ピストン５を、その中心軸方向に揺動自在に支持する。出力ピストン５は、入力ピストン４と同様に硬質の鋼からなる２つの部分で構成され、円板バネ６を両側から挟み込むようにして円板バネ６に取り付けられる。出力ピストン５の円板バネ６への取り付けには入力ピストン４の場合と同様にネジ（図示略）が用いられる。出力ピストン５の円板バネ６への取り付けの詳細は省略する。
【００３５】
円板バネ６がシリンダ２と蓋１０との間に取り付けられる際に、その両側にパッキン１１が配置される。パッキン１１は、パッキン９と同様にリング状に形成されており、シリンダ２内の油１２が円板バネ６を通して外に漏れるのを防止する。
【００３６】
このように構成されたピエゾ駆動アクチュエータ１において、ピエゾアクチュエータ７に電圧を印加すると、ピエゾアクチュエータ７が電圧値に応じた長さだけ伸張し、入力ピストン４をシリンダ２側へ押し出す。このとき、入力ピストン４の変位に応じた容積に比例した距離だけ出力ピストン５がシリンダ２の外側へ変位する。そして、出力ピストン５がシリンダ２の外側へ変位した状態でピエゾアクチュエータ７への電圧印加を止めると、ピエゾアクチュエータ７が電圧印加前の状態まで収縮し、それに伴って入力ピストン４が円板バネ３の復元力によってピエゾアクチュエータ７に追従してシリンダ２の外側へ変位する。また、入力ピストン４がシリンダ２の外側へ変位することによって出力ピストン５に圧力がかからなくなり、円板バネ６の復元力によって出力ピストン５がシリンダ２側へ変位する。
【００３７】
ここで、本実施の形態のピエゾ駆動アクチュエータ１の変位量の拡大比は、入力ピストン４及び出力ピストン５それぞれの断面積の比によって決まる。すなわち、入力ピストン４の断面積をＳ１、出力ピストン５の断面積をＳ２とすると、拡大比はＳ１／Ｓ２で決まる。
【００３８】
また、本実施の形態のピエゾ駆動アクチュエータ１を例えば切削加工の工作機械に用いた場合、出力ピストン５にはバイス（図示略）が装着される。このデバイスは、ピエゾアクチュエータ７に印加する電圧を制御することで、直線方向に限定されるものの、所望の動きをさせることができ、切削対象のワークを所望の形状に切削することができる。
【００３９】
本実施の形態のピエゾ駆動アクチュエータ１では、円板バネ３で入力ピストン４を支持するとともに、円板バネ６で出力ピストン５を支持し、さらに、大径の開口部２Ａを円板バネ３で塞ぐとともに、小径の開口部２Ｂを円板バネ６で塞いで入力ピストン４及び出力ピストン５をシリンダ２の内面に接触させないようにしているので、入力ピストン４及び出力ピストン５のそれぞれとシリンダ２の内面との間で摩擦が発生せず、これにより高速で高い応答性が得られる。この応答性はシリンダ２の導管２Ｃをテーパ状に形成したことでも高めることができる。なお、この応答性はピエゾアクチュエータ７を伸張させた時点から出力ピストン５が変位を開始するまでの時間であり、この時間が短い程応答性が高くなる。
【００４０】
また、シンリダ２の大経の開口部２Ａを円板バネ３で塞ぐとともに、小経の開口部２Ｂを円板バネ６で塞ぐことで、シリンダ２内からの油漏れが殆ど発生せず、油の補充等の保守作業の省力化が図れる。
【００４１】
このように本実施の形態のピエゾ駆動アクチュエータ１によれば、大経の開口部２Ａと小経の開口部２Ｂとを有するとともに、これらの開口部２Ａ、２Ｂが連通する導管２Ｃを有するシリンダ２と、シリンダ２の大経の開口部２Ａからシリンダ２の導管２Ｃに出入りする入力ピストン４と、シンリダ２の大経の開口部２Ａ側で入力ピストン４を支持する円板バネ３と、シリンダ２の小径の開口部２Ｂからシリンダ２の導管２Ｃに出入りする出力ピストン５と、シリンダ２の小経の開口部２Ｂ側で出力ピストン５を支持する円板バネ６と、複数のピエゾ素子を積層して構成したピエゾアクチュエータ７とを備え、ピエゾアクチュエータ７を伸張させることで、円板バネ３に支持された入力ピストン４をシリンダ２側へ変位させ、シリンダ２内の油１２を介して円板バネ６に支持された出力ピストン５をシリンダ２の外側へ変位させるように構成したので、円板バネ６に設けた出力ピストン５の変位量を、従来の梃子の原理を応用した機械的拡大機構と比べて、様々な現象（梃子腕のピエゾ素子が当たる面が凹む、梃子腕を長くすることで曲がってしまう、作用点での発生力を変化させるために梃子腕を振る場合に梃子腕の共振周波数以上の速さで振ることができない、支点部分が金属疲労を起こすといった現象）を生じることなく大きくとることができ、切削加工やプレス加工等の機械加工用として十分に使用することができる。
【００４２】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２に係るピエゾ駆動アクチュエータの概略構成を示す図である。なお、図４は断面図であり、ハッチングは省略している。また、図４において前述した図１と共通する部分には同一の符号を付けてその説明を省略する。
【００４３】
図４において、本実施の形態のピエゾ駆動アクチュエータ２０は、大経の開口部３０Ａの位置と小径の開口部３０Ｂの位置を９０度違えた導管３０Ｃを形成したシリンダ３０を備え、ピエゾアクチュエータ７によって生ずる変位の方向を９０度異なる方向に変換するものである。シリンダ３０の導管３０Ｃは、大経の開口部３０Ａから入力ピストン４の可動範囲までは一定の大きさの径の円筒状に形成され、入力ピストン４の可動範囲を超える位置から小径の開口部３０Ｂまでは経が徐々に小さくなる形状に形成され、さらに、出力ピストン５の可動範囲において一定の大きさの径の円筒状に形成されている。
【００４４】
なお、ピエゾアクチュエータ７によって生ずる変位の方向を変えることは９０度に限定されるものではなく任意である。このように、シリンダの導管の形状を変えることで、変位方向を如何なる方向へも自由自在に変換することができる。
【００４５】
（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３に係るピエゾ駆動アクチュエータの概略構成を示す図である。なお、図５は断面図であり、ハッチングは省略している。また、図５において前述した図１と共通する部分には同一の符号を付けてその説明を省略する。
【００４６】
上記実施の形態１、２では、２次側である出力ピストン５を１つ設けた１軸構造としたが、本実施の形態では、２次側に出力ピストンを３つ設けた多軸構造としたものである。本実施の形態のピエゾ駆動アクチュエータ４０は、シリンダ２の２次側先端部に３つの金属管４１の一端が連通し、各金属管４１の他端が出力ピストン部４２に連通したものである。各出力ピストン部４２は、シリンダ４３と、シリンダ４３内の導管４３Ｃ内に出入りする出力ピストン４４と、出力ピストン４４を、その中心軸方向に揺動自在に支持する円板バネ４５と、円板バネ４５を出力ピストン４４との間で固定するための蓋４６と、シリンダ４３を支持する基台４７と、を備える。なお、シリンダ４３と円板バネ４５の間及び円板バネ４５と蓋４６の間のそれぞれに金属製のパッキン（図示略）が設けられている。
【００４７】
なお、シリンダ２は第１のシリンダに対応し、導管２Ｃは第１の導管に対応する。また、入力ピストン４は第１のピストンに対応し、円板バネ３は第１の円板バネに対応する。また、シリンダ４３は第２のシリンダに対応し、導管４３Ｃは第２の導管に対応する。また、円板バネ４５は第２の円板バネに対応する。
【００４８】
このような構成において、ピエゾアクチュエータ７に電圧を印加すると、ピエゾアクチュエータ７が電圧値に応じた長さだけ伸張し、入力ピストン４をシリンダ２側へ押し出す。このとき、入力ピストン４の変位に応じた容積の油１２が各金属管４１に流入する。そして、油１２が各出力ピストン部４３に到達することで各出力ピストン部４３の出力ピストン４４がシリンダ４３の外側へ変位する。
【００４９】
そして、各出力ピストン部４３の出力ピストン４４がシリンダ４３の外側へ変位した状態でピエゾアクチュエータ７への電圧印加を止めると、ピエゾアクチュエータ７が電圧印加前の状態まで収縮し、それに伴って入力ピストン４が円板バネ３の復元力によってピエゾアクチュエータ７に追従してシリンダ２から離れる方向に変位する。また同時に、各出力ピストン部４３に到達した油１２が金属管４１を通ってシリンダ２側に戻る。これにより各出力ピストン部４３の出力ピストン４４に圧力がかからなくなり、円板バネ４５の復元力によって出力ピストン４４がシリンダ４３内に入る方向に変位する。
【００５０】
このように、ピエゾアクチュエータ７が伸張することで、各出力ピストン部４３の出力ピストン４４がシリンダ４３の外側へ変位し、ピエゾアクチュエータ７が収縮することで、各出力ピストン部４３の出力ピストン４４がシリンダ４３内に入る方向に変位する。
【００５１】
２次側を多軸構造とすることで、ある広がりを持ったものを持ち上げたり、挟んだりすることが可能となる。図６は、平板５０を挟む場合の応用例を示す図である。同図に示すように、平板５０の両側に２つずつ出力ピストン部４２を配置する。この状態でピエゾアクチュエータ７に電圧を印加すると、ピエゾアクチュエータ７が電圧値に応じた長さだけ伸張する。ピエゾアクチュエータ７が伸張することで４個の出力ピストン部４２の出力ピストン４４が一斉にシリンダ４３の外側へ変位し、平板５０を挟み込む。そして、この状態でピエゾアクチュエータ７が収縮すると、４個の出力ピストン部４２の出力ピストン４４が一斉にシリンダ４３側へ変位し、平板５０を離す。このように、ピエゾアクチュエータ７の伸張と収縮により、平板５０を挟み込んだり、離したりすることができる。
【００５２】
（実施の形態４）
図７は、本発明の実施の形態４に係るピエゾ駆動アクチュエータの概略構成を示す図である。なお、図７は断面図であり、ハッチングは省略している。また、図７において前述した図１と共通する部分には同一の符号を付けてその説明を省略する。
【００５３】
上記実施の形態１〜３では、ピエゾアクチュエータ７によって生ずる変位を拡大する構造を採ったものであったが、逆の構造即ち変位を縮小する構造を採ってもよい。変位を縮小するには、例えば実施の形態１のピエゾ駆動アクチュエータ１において大径の開口部２Ａと小径の開口部２Ｂとを逆にすることで実現できる。図７に示す本実施の形態のピエゾ駆動アクチュエータ６０はそのような構造を採ったものであり、以下、図７を参照してその構造の詳細について説明する。
【００５４】
図７において、本実施の形態に係るピエゾ駆動アクチュエータ６０は、大小２つの開口部６１Ａ、６１Ｂを有し、大経の開口部６１Ａと小経の開口部６１Ｂとが連通する導管６１Ｃを有するシリンダ６１と、シリンダ６１の小経の開口部６１Ｂからシリンダ６１の導管６１Ｃ内に出入りする入力ピストン６２と、シンリダ６１の小径の開口部６１Ｂ側に配置され、入力ピストン６２を支持するとともに、小径の開口部６１Ｂを塞ぐ板状の円板バネ６３と、シリンダ６１の大径の開口部６１Ａからシリンダ６１の導管６１Ｃ内に出入りする出力ピストン６４と、シリンダ６１の大経の開口部６１Ａ側に配置され、出力ピストン６４を支持するとともに、大経の開口部６１Ａを塞ぐ板状の円板バネ６５と、先端部７ａが入力ピストン６２のシリンダ６１側と反対側の面に当接して配置されるピエゾアクチュエータ７と、ピエゾアクチュエータ７を支持するフレーム６６と、シリンダ６１と円板バネ６３の間及び円板バネ６３とフレーム６６の間のそれぞれに設けられる金属製のパッキン１１と、円板バネ６５をシンリダ６１の大経の開口部６１Ａ側に固定するための蓋６７と、シリンダ６１と円板バネ６５の間及び円板バネ６５と蓋６７の間のそれぞれに設けられる金属製のパッキン９と、を備える。
【００５５】
シリンダ６１の導管６１Ｃは、小経の開口部６１Ｂから入力ピストン６２の可動範囲までは一定の大きさの径の円筒状に形成され、入力ピストン６２の可動範囲を超える位置から大径の開口部６１Ａまでは経が徐々に大きくなるテーパ状に形成され、さらに、出力ピストン６４の可動範囲において一定の大きさの径の円筒状に形成されている。シリンダ６１の導管６１Ｃをテーパ状に形成することは、実施の形態１のピエゾ駆動アクチュエータ１で説明した通りであり、導管６１Ｃ内の油１２を円滑に流して応答性を高めるためである。
【００５６】
シリンダ６１の導管６１Ｃとシリンダ６１の表面との間に油注入路６１Ｄが形成されており、この油注入路６１Ｄを通して導管６１Ｃ内に油１２が注入される。油注入路６１Ｄのシリンダ表面側には油注入路６１Ｄを塞ぐ栓６８がねじ込み式に取り付けられる。
【００５７】
円板バネ６３は、弾性を有する鋼からなり、シリンダ６１の小経の開口部６１Ｂ側とフレーム６６との間に配置される。円板バネ６３は、入力ピストン６２を、その中心軸方向に揺動自在に支持する。入力ピストン６２は、硬質の鋼からなる２つの部分で構成され、円板バネ６３を両側から挟み込むようにして円板バネ６３に取り付けられる。円板バネ６３がシリンダ６１とフレーム６６との間に取り付けられる際に、その両側にパッキン１１が配置される。パッキン１１は、平板のリング状に形成されており、シリンダ６１内の油１２が円板バネ６３を通して外に漏れるのを防止する。
【００５８】
円板バネ６５は、弾性を有する鋼からなり、シリンダ６１の大径の開口部６１Ａ側と蓋６７との間に配置される。円板バネ６５は、出力ピストン６４を、その中心軸方向に揺動自在に支持する。出力ピストン６４は、入力ピストン６２と同様に硬質の鋼からなる２つの部分で構成され、円板バネ６５を両側から挟み込むようにして円板バネ６５に取り付けられる。円板バネ６５がシリンダ６１と蓋６７との間に取り付けられる際に、その両側にパッキン９が配置される。このパッキン９は、パッキン１１と同様にリング状に形成されており、シリンダ６１内の油１２が円板バネ６５を通して外に漏れるのを防止する。
【００５９】
このように構成されたピエゾ駆動アクチュエータ６０において、ピエゾアクチュエータ７に電圧を印加すると、ピエゾアクチュエータ７が電圧値に応じた長さだけ伸張し、入力ピストン６２をシリンダ６１側へ押し出す。このとき、入力ピストン６２の変位に応じた容積に比例した距離だけ出力ピストン６４がシリンダ６１の外側へ変位する。そして、出力ピストン６４がシリンダ６１の外側へ変位した状態でピエゾアクチュエータ７への電圧印加を止めると、ピエゾアクチュエータ７が電圧印加前の状態まで収縮し、それに伴って入力ピストン６２が円板バネ６３の復元力によってピエゾアクチュエータ７に追従してシリンダ６１から離れる方向に変位する。また、入力ピストン６２がシリンダ６１から離れる方向に変位することによって出力ピストン６４に圧力がかからなくなり、円板バネ６５の復元力によって出力ピストン６４がシリンダ６１内に入る方向に変位する。
【００６０】
このように本実施の形態のピエゾ駆動アクチュエータ６０によれば、実施の形態１のピエゾ駆動アクチュエータ１の構造を逆にして、入力ピストン６２の変位に対して出力ピストン６４の変位を小さくとるようにしたので、ピエゾアクチュエータ７によって生ずる変位を縮小することができる。
【００６１】
なお、上記実施の形態１〜４では、出力ピストン５、４４、６４を前後に変位させる直進運動を行うものであったが、例えば直進共役カム（図示略）を用いることで、直進運動を回転運動に変換することもできる。
【００６２】
また、上記実施の形態１〜４では、シリンダ２、３０、６１の導管２Ｃ、３０Ｃ、６１Ｃ内に油１２を充填させたが、油に限定することがなく、例えば水であってもよい。
【００６３】
また、上記実施の形態１〜４では、複数のピエゾ素子を積層して構成したピエゾアクチュエータ７を用いたが、積層構成しない単一のピエゾ素子を用いることも勿論可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明は、ピエゾ素子を用いたピエゾ駆動アクチュエータであって、梃子の原理を応用した機械的拡大機構を用いた場合よりも更に十分な変位量を得ることができるといった効果を有し、切削加工やプレス加工等の機械加工用として使用することができる。
【符号の説明】
【００６５】
１、２０、４０、６０ ピエゾ駆動アクチュエータ
２、３０、４３、６１ シリンダ
２Ａ、３０Ａ、６１Ａ 大径の開口部
２Ｂ、３０Ｂ、６１Ｂ 小径の開口部
２Ｃ、３０Ｃ、４３Ｃ、６１Ｃ 導管
２Ｄ、６１Ｄ 油注入路
３、６、４５、６３、６５ 円板バネ
４、６２ 入力ピストン
５、４４、６４ 出力ピストン
７ ピエゾアクチュエータ
８、６６ フレーム
９、１１ パッキン
１０、６７ 蓋
１２ 油
１３、６８ 栓
１５ ネジ
４１ 金属管
４２ 出力ピストン部
４７ 基台
５０ 平板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの開口部を有する導管が形成され、前記導管内に液体が充填されるシリンダと、
前記シリンダの導管の２つの開口部のうち第１の開口部側に配置され、前記第１の開口部から前記導管内に入る第１のピストンを有し、前記第１の開口部を塞ぐ第１の円板バネと、
前記シリンダの導管の２つの開口部のうち第２の開口部側に配置され、前記第２の開口部から前記導管内に入る第２のピストンを有し、前記第２の開口部を塞ぐ第２の円板バネと、
一端が前記第１の円板バネに設けられた前記第１のピストンの前記シリンダ側と逆側の面に当接して配置されるピエゾ素子と、
を備えたピエゾ駆動アクチュエータ。
【請求項２】
前記シリンダの第１の開口部が第２の開口部よりも径が大である請求項１に記載のピエゾ駆動アクチュエータ。
【請求項３】
前記シリンダの第１の開口部が第２の開口部よりも径が小である請求項１に記載のピエゾ駆動アクチュエータ。
【請求項４】
一方が開口し、他方が閉口した第１の導管が形成され、前記第１の導管内に液体が充填される第１のシリンダと、
前記第１のシリンダの第１の導管の開口部側に配置され、前記開口部から前記第１の導管内に入る第１のピストンを有し、前記開口部を塞ぐ第１の円板バネと、
一端が前記第１の円板バネに設けられた前記第１のピストンの前記シリンダ側と逆側の面に当接して配置されるピエゾ素子と、
前記第１のシリンダの第１の導管の開口部と連通する少なくとも２つの金属管と、
一方が開口し、他方が開口した第２の導管が形成され、閉口部に前記金属管の先端部が連通し、前記第２の導管内に液体が充填される第２のシリンダと、
前記第２のシリンダの第２の導管の開口部側に配置され、前記開口部から前記第２の導管内に入る第２のピストンを有し、前記開口部を塞ぐ第２の円板バネと、
を備えたピエゾ駆動アクチュエータ。
【請求項５】
前記第１のシリンダの開口部が前記第２のシリンダの開口部よりも径が大である請求項４に記載のピエゾ駆動アクチュエータ。
【請求項６】
前記第２のシリンダ及び第２の円板バネを前記金属管の数と同数備えた請求項４又は請求項５に記載のピエゾ駆動アクチュエータ。
【請求項１】
２つの開口部を有する導管が形成され、前記導管内に液体が充填されるシリンダと、
前記シリンダの導管の２つの開口部のうち第１の開口部側に配置され、前記第１の開口部から前記導管内に入る第１のピストンを有し、前記第１の開口部を塞ぐ第１の円板バネと、
前記シリンダの導管の２つの開口部のうち第２の開口部側に配置され、前記第２の開口部から前記導管内に入る第２のピストンを有し、前記第２の開口部を塞ぐ第２の円板バネと、
一端が前記第１の円板バネに設けられた前記第１のピストンの前記シリンダ側と逆側の面に当接して配置されるピエゾ素子と、
を備えたピエゾ駆動アクチュエータ。
【請求項２】
前記シリンダの第１の開口部が第２の開口部よりも径が大である請求項１に記載のピエゾ駆動アクチュエータ。
【請求項３】
前記シリンダの第１の開口部が第２の開口部よりも径が小である請求項１に記載のピエゾ駆動アクチュエータ。
【請求項４】
一方が開口し、他方が閉口した第１の導管が形成され、前記第１の導管内に液体が充填される第１のシリンダと、
前記第１のシリンダの第１の導管の開口部側に配置され、前記開口部から前記第１の導管内に入る第１のピストンを有し、前記開口部を塞ぐ第１の円板バネと、
一端が前記第１の円板バネに設けられた前記第１のピストンの前記シリンダ側と逆側の面に当接して配置されるピエゾ素子と、
前記第１のシリンダの第１の導管の開口部と連通する少なくとも２つの金属管と、
一方が開口し、他方が開口した第２の導管が形成され、閉口部に前記金属管の先端部が連通し、前記第２の導管内に液体が充填される第２のシリンダと、
前記第２のシリンダの第２の導管の開口部側に配置され、前記開口部から前記第２の導管内に入る第２のピストンを有し、前記開口部を塞ぐ第２の円板バネと、
を備えたピエゾ駆動アクチュエータ。
【請求項５】
前記第１のシリンダの開口部が前記第２のシリンダの開口部よりも径が大である請求項４に記載のピエゾ駆動アクチュエータ。
【請求項６】
前記第２のシリンダ及び第２の円板バネを前記金属管の数と同数備えた請求項４又は請求項５に記載のピエゾ駆動アクチュエータ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−５０３０９（Ｐ２０１２−５０３０９Ａ）
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０４９０５（Ｐ２０１０−２０４９０５）
【出願日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【出願人】（５１０２４６７８１）翔栄システム株式会社 (1)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【出願人】（５１０２４６７８１）翔栄システム株式会社 (1)
【Ｆターム（参考）】
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