(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
容量性アクチュエータと、出力カムと、を有し、
前記容量性アクチュエータは、
容量的性質を有する伸縮素子と、
前記伸縮素子の変位を所定方向の変位に拡大変換する変位拡大機構と、
前記伸縮素子の変位に応じて、前記所定方向に変位する出力伝達部と、を備え、
前記出力カムは、前記出力伝達部が接触している周期的形状部を備え、
更に、前記周期的形状部と前記出力伝達部とを接触させる方向に常に付勢力を生じさせる付勢手段を有する、
アクチュエータ。
【請求項２】
前記容量性アクチュエータは、複数のアクチュエータユニットを含み、
前記複数のアクチュエータユニットのそれぞれは前記出力伝達部を前記出力カムの方向に押し付けて或いは引っ張ることでユニットモータ推力を発生させ、
前記複数のアクチュエータユニットのそれぞれが発生させたユニットモータ推力の合力であるモータ推力のうち、前記伸縮素子の外部からの入力による推力成分以外の推力成分が、前記複数のアクチュエータユニットの間で打ち消し合うように、前記複数のアクチュエータユニットのそれぞれは、前記周期的形状部に関する位相間隔で配置される、
請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記容量性アクチュエータは、複数のアクチュエータユニットを含み、
前記複数のアクチュエータユニットのそれぞれは前記出力伝達部を前記出力カムの方向に押し付けて或いは引っ張ることでユニットモータ推力を発生させ、
前記複数のアクチュエータユニットのそれぞれが発生させたユニットモータ推力の合力であるモータ推力のうち、前記伸縮素子の外部からの入力による推力成分と前記付勢手段による推力成分以外の推力成分が、前記複数のアクチュエータユニットの間で打ち消し合うように、前記複数のアクチュエータユニットのそれぞれは、前記周期的形状部に関する位相間隔で配置される、
請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記複数のアクチュエータユニットのそれぞれの、前記周期的形状部に関する位相間隔の配置は、前記周期的形状部の１以上の周期を等分割する配置を含む、
請求項２又は３に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記容量性アクチュエータは、前記伸縮素子の外部からの入力による推力成分以外の推力成分が打ち消し合うように前記周期的形状部に関して所定の位相間隔で配置された複数のアクチュエータユニットを含む、
請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記容量性アクチュエータは、前記伸縮素子の外部からの入力による推力成分と前記付勢手段による推力成分以外の推力成分が打ち消し合うように前記周期的形状部に関して所定の位相間隔で配置された複数のアクチュエータユニットを含む、
請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項７】
前記容量性アクチュエータは、複数のアクチュエータユニットを含み、
前記複数のアクチュエータユニットのそれぞれが、前記伸縮素子と、前記変位拡大機構と、前記出力伝達部と、を備えている、
請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項８】
前記出力伝達部は、前記出力伝達部が前記所定方向における一方の側に変位する場合、及び、前記所定方向における他方の側に変位する場合の何れにおいても、常に前記周期的形状部に接触している、
請求項１乃至７の何れか一項に記載のアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、容量性アクチュエータと、出力カムと、を有するアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、側面視で周期的な波状の輪郭を有する上面を備えた全体的に直線状のレール上を移動する多対座屈型アクチュエータが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
この多対座屈型アクチュエータは、一直線上に対向するように配置される一対のピエゾ素子の伸張をその伸張方向に垂直な出力方向に拡大して出力部の変位として出力する変位拡大機構としての座屈機構を備える。そして、座屈機構は出力方向に変位する出力部をレールに押し付けることで推進力を発生させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１３−５１１２５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述の多対座屈型アクチュエータは座屈機構の出力部をレールに押し付ける場合に限って推進力を発生させることができるのみであり、その出力部をレールから遠ざける場合に推進力を発生させることができない。そのため、ピエゾ素子が出力可能なエネルギを十分に利用できない。
【０００６】
上述に鑑み、容量的性質を有する伸縮素子が出力可能なエネルギをより効率的に利用できるアクチュエータを提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施例に係るアクチュエータは、容量性アクチュエータと、出力カムと、を有し、前記容量性アクチュエータは、容量的性質を有する伸縮素子と、前記伸縮素子の変位を所定方向の変位に拡大変換する変位拡大機構と、前記伸縮素子の変位に応じて、前記所定方向に変位する出力伝達部と、を備え、前記出力カムは、前記出力伝達部が接触している周期的形状部を備え、更に、前記周期的形状部と前記出力伝達部とを接触させる方向に常に付勢力を生じさせる付勢手段を有する。
【発明の効果】
【０００８】
上述の手段により、容量的性質を有する伸縮素子が出力可能なエネルギをより効率的に利用できる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１】本発明の実施例に係る容量性アクチュエータモータの構成例を示す図である。
【図２】図１の容量性アクチュエータモータの要部構成例を示す図である。
【図３】アクチュエータユニットの詳細について説明する図である。
【図４】ピエゾ素子の変位と推力との関係を示す図である。
【図５】座屈式変位拡大機構の各構成要素に作用する力を示す模式図である。
【図６】座屈式変位拡大機構における出力部の変位（拡大出力）と推力との関係を示す図である。
【図７】モータ出力カムの周期的形状部と転がり接触するフォロワローラの動きを説明する図である。
【図８】ユニットモータ推力の推移を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施例について説明する。図１は本発明の実施例に係る容量性アクチュエータモータ１００の構成例を示す図である。具体的には、図１（Ａ）は容量性アクチュエータモータ１００の斜視図であり、図１（Ｂ）は容量性アクチュエータモータ１００の側面図であり、図１（Ｃ）は容量性アクチュエータモータ１００の上面図である。また、図２は図１の容量性アクチュエータモータ１００の要部構成例を示す図である。具体的には、図２（Ａ）は図１（Ｂ）の一点鎖線で示す断面をＩＩＡ方向から見た図であり、図２（Ｂ）は図１（Ｃ）の一点鎖線で示す断面をＩＩＢ方向から見た図である。
【００１１】
容量性アクチュエータモータ１００は、主に、容量性アクチュエータ１及びモータ出力カム２を含む。
【００１２】
容量性アクチュエータ１は、容量的性質を有する伸縮素子を用いて駆動力を発生させるアクチュエータであり、主に、モータフレーム１０、アクチュエータユニット１１、モータガイド１２、及び拡大出力直線ガイド１３を含む。本実施例では、容量的性質を有する伸縮素子はピエゾ素子である。但し、伸縮素子は油圧シリンダ、空気圧シリンダ等であってもよい。
【００１３】
モータフレーム１０は、複数のアクチュエータユニット１１のそれぞれを束ねる機能要素である。本実施例では、モータフレーム１０は、上面視で枠状の部材であり、６つのアクチュエータユニット１１のそれぞれを枠内で固定する。
【００１４】
アクチュエータユニット１１は、容量性アクチュエータ１を構成する駆動ユニットである。本実施例では、アクチュエータユニット１１は、主に、座屈式変位拡大機構１１ａ、出力ジョイント１１ｂ、バネ予圧調整機構１１ｃ、ピエゾ予圧調整機構１１ｄ、及び外殻１１ｅを含む。
【００１５】
座屈式変位拡大機構１１ａは、座屈現象を利用して伸縮素子の変位を拡大する機構である。本実施例では、座屈式変位拡大機構１１ａは、主に、一対のピエゾ素子１１ａ１、一対の固定部１１ａ２、出力部１１ａ３、及び予圧調整バネ１１ａ４を含む。
【００１６】
ここで、図３を参照し、アクチュエータユニット１１の詳細について説明する。なお、図３（Ａ）はアクチュエータユニット１１の斜視図であり、図３（Ｂ）は外殻１１ｅの一部を切り欠いた状態のアクチュエータユニット１１の斜視図である。また、図３（Ｃ）は、一対のピエゾ素子１１ａ１、一対の固定部１１ａ２、及び出力部１１ａ３の断面図である。
【００１７】
一対のピエゾ素子１１ａ１はそれぞれ、一端が転がりジョイントを介して固定部１１ａ２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１１ａ３に連結される。本実施例では、ピエゾ素子１１ａ１は積層セラミクスで構成される。転がりジョイントは、図３（Ｃ）に示すように、左側のピエゾ素子１１ａ１の左端にあるキャップＣＰ１の端部球面と左側の固定部１１ａ２の端部球面との転がり接触を介した連結、及び、左側のピエゾ素子１１ａ１の右端にあるキャップＣＰ２の端部球面と出力部１１ａ３の左側の端部球面との転がり接触を介した連結を意味する。また、図３（Ｃ）の円Ｃ１は左側の固定部１１ａ２の端部球面の輪郭を含む円を表し、円Ｃ２はキャップＣＰ１、ＣＰ２の端部球面の輪郭を含む円を表し、円Ｃ３は出力部１１ａ３の左側の端部球面の輪郭を含む円を表す。なお、右側のピエゾ素子１１ａ１についても同様である。
【００１８】
一対のピエゾ素子１１ａ１はそれぞれ、電圧が印加された場合に長手方向（Ｙ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１１ａ３を長手方向に垂直な方向（Ｚ軸方向）に変位させる。このように、座屈式変位拡大機構１１ａは、一対のピエゾ素子１１ａ１のそれぞれの出力を変換し、所定の出力方向に出力部１１ａ３を付勢して変位させる。なお、以下では出力部１１ａ３の変位を「拡大出力」と称する。
【００１９】
一対の固定部１１ａ２は、モータフレーム１０に固定される部材である。本実施例では、図２（Ａ）に示すように、モータフレーム１０に対してボルトで締結固定される。
【００２０】
出力部１１ａ３は、座屈式変位拡大機構１１ａの出力を外部に伝達する機能要素である。本実施例では、出力部１１ａ３は、＋Ｚ側の端部が予圧調整バネ１１ａ４に接続され、−Ｚ側の端部が出力ジョイント１１ｂに接続される。
【００２１】
予圧調整バネ１１ａ４は、座屈式変位拡大機構１１ａの出力部１１ａ３を一定の特性で付勢する付勢手段の一例である。本実施例では、予圧調整バネ１１ａ４は、モータ出力カム２と出力ジョイント１１ｂとを接触させる方向に出力部１１ａ３を付勢し、出力部１１ａ３の拡大出力とその拡大出力によってもたらされる推力との関係である変位−推力特性を調整する。具体的には、予圧調整バネ１１ａ４は、−Ｚ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１１ａ３に固定され、その両端部がバネ予圧調整機構１１ｃを介して一対の固定部１１ａ２に接続される。予圧調整バネ１１ａ４は、出力部１１ａ３の拡大出力によってもたらされる推力をオフセットするＺ軸方向の力を発生させる。以下では、予圧調整バネ１１ａ４が発生させる力を「オフセット力」と称する。
【００２２】
出力ジョイント１１ｂは、座屈式変位拡大機構１１ａの出力をモータ出力カム２に伝達する出力伝達部の一例である。本実施例では、出力ジョイント１１ｂは、主に、フォロワローラ１１ｂ１及びローラベアリング１１ｂ２を含み、フォロワローラ１１ｂ１をモータ出力カム２の周期的形状部２０に押し付けることで出力部１１ａ３の拡大出力をモータ出力カム２に伝達する。なお、フォロワローラ１１ｂ１は、モータ出力カム２の周期的形状部２０と転がり接触する部材である。また、ローラベアリング１１ｂ２は、フォロワローラ１１ｂ１をＹ軸方向に延びる回転軸回りで回転可能に支持する部材である。
【００２３】
バネ予圧調整機構１１ｃは、予圧調整バネ１１ａ４によるオフセット力を調整する機構である。本実施例では、バネ予圧調整機構１１ｃ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１１ａ４の両端部のＺ軸方向における位置を調整することで予圧調整バネ１１ａ４の中央部が−Ｚ方向に出力部１１ａ３を押し付ける力であるオフセット力を調整できる。
【００２４】
ピエゾ予圧調整機構１１ｄは、座屈式変位拡大機構１１ａ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。本実施例では、ピエゾ予圧調整機構１１ｄは、図３（Ｃ）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。
【００２５】
キャップＣＰ１は、左側のピエゾ素子１１ａ１と左側の固定部１１ａ２との間の転がりジョイントを構成するために左側のピエゾ素子１１ａ１の左端に取り付けられる部材である。
【００２６】
ガイドＧＤ１は、キャップＣＰ１が左側のピエゾ素子１１ａ１の左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１１ａ１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、ＣＰ２及びピエゾ素子１１ａ１のアライメントを確保すると共にピエゾ素子１１ａ１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１１ａ１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。
【００２７】
シムＳＨ１は、ガイドＧＤ１内でキャップＣＰ１と左側のピエゾ素子１１ａ１の左端との間に配置可能な部材であり、キャップＣＰ１と左側のピエゾ素子１１ａ１の左端との間隔を調整するために用いられる。シムＳＨ１のＹ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い。
【００２８】
なお、ピエゾ予圧調整機構１１ｄは、左側のピエゾ素子１１ａ１の左端ばかりでなく、左側のピエゾ素子１１ａ１の右端に配置されてもよい。右側のピエゾ素子１１ａ１についても同様である。
【００２９】
外殻１１ｅは、一対の固定部１１ａ２の間の距離を固定する機能要素である。本実施例では、外殻１１ｅは、一対のピエゾ素子１１ａ１、一対の固定部１１ａ２、及び出力部１１ａ３を取り囲むように形成される部材であり、座屈式変位拡大機構１１ａで座屈現象が生じた場合に一対の固定部１１ａ２の間の距離が拡がるのを防止する。
【００３０】
モータガイド１２は、容量性アクチュエータ１のモータ出力カム２に沿った直動を案内する部材である。本実施例では、モータガイド１２は、モータフレーム１０に固定され、モータ出力カム２に形成されるモータガイドレール２１とかみ合う。
【００３１】
拡大出力直線ガイド１３（図２（Ｂ）参照。）は、座屈式変位拡大機構１１ａの出力部１１ａ３の拡大出力の方向を案内する機能要素である。本実施例では、拡大出力直線ガイド１３は、６つのアクチュエータユニット１１のそれぞれの間に配置される５つのガイドと、両端の２つのアクチュエータユニット１１のそれぞれとモータフレーム１０との間に配置される２つのガイドとを含む。そして、出力部１１ａ３の拡大出力が最大となるようにＺ軸方向における出力部１１ａ３の直線動作を案内する。
【００３２】
具体的には、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように、拡大出力直線ガイド１３は、何れの部材にも固定されずに、２つの出力ジョイント１１ｂの間、又は、出力ジョイント１１ｂとモータフレーム１０との間に挟まれた状態で保持される。また、拡大出力直線ガイド１３は、ガイドブロック１３ａ、ボールリテーナ１３ｂ、及びガイドボール１３ｃで構成される。ガイドボール１３ｃは、ガイドブロック１３ａに取り付けられたボールリテーナ１３ｂに形成されたボール受け穴と、出力ジョイント１１ｂの表面に形成された溝１１ｂ３との間に挟まれて保持され、且つ、溝１１ｂ３に沿って摺動可能である。この構成により、拡大出力直線ガイド１３は、出力ジョイント１１ｂのＺ軸方向に沿った直動を案内できる。
【００３３】
モータ出力カム２は、容量性アクチュエータ１における複数のアクチュエータユニット１１の拡大出力を１つの連続的なモータ出力に統合する機能要素であり、主に、周期的形状部２０及びモータガイドレール２１を含む。
【００３４】
周期的形状部２０は、アクチュエータユニット１１の出力ジョイント１１ｂを構成するフォロワローラ１１ｂ１が接触する機能要素である。本実施例では、周期的形状部２０は、図１（Ｂ）に示すように、側面視で周期的な波状の輪郭を有する上面を備えた部材である。具体的には、周期的形状部２０は、容量性アクチュエータ１がモータ出力カム２に沿って直動する際のフォロワローラ１１ｂ１の回転中心が描く軌跡が側面視で正弦波状となるように構成される。
【００３５】
モータガイドレール２１は、モータ出力カム２に沿った容量性アクチュエータ１の移動を案内する機能要素である。本実施例では、モータガイドレール２１は、容量性アクチュエータ１のモータガイド１２とかみ合うように構成される。そして、モータガイド１２はモータガイドレール２１に案内されて動作する。
【００３６】
次に、図４を参照し、ピエゾ素子１１ａ１の出力特性について説明する。図４は、ピエゾ素子１１ａ１の変位ZPZTと推力FPZTとの関係を示す図である。また、線分Ｌ１は電圧を印加しないときの関係を表し、線分Ｌ２は電圧を印加したときの関係を表す。また、線分Ｌ１と線分Ｌ２との間の縦軸方向の差Ｄは、印加電圧に依存してピエゾ素子１１ａ１の内部で発生する電気的推力を表す。なお、ピエゾ素子１１ａ１による推力は、電気的推力と、ピエゾ素子１１ａ１の変形量に依存してピエゾ素子１１ａ１の内部で発生する機械的推力とを含む。また、ブロッキング力FBlockは電圧が印加されたピエゾ素子１１ａ１の伸張をゼロにするために必要な外力を表す。また、無負荷変位ZFreeは、無負荷状態のピエゾ素子１１ａ１に電圧を印加したときの変位を表す。また、点Ｐ１は、電圧が印加されていないピエゾ素子１１ａ１をｘ１［μｍ］だけ圧縮してブロッキング力FBlockと同じ大きさの予圧を加えたときの状態に対応する。また、点Ｐ２は、電圧が印加されていないピエゾ素子１１ａ１をｘ２［μｍ］だけ圧縮してブロッキング力FBlockより大きい予圧を加えたときの状態に対応する。なお、図４の斜線領域は使用不可領域を表す。積層セラミクス式のピエゾ素子は、電極とピエゾセラミクスとが交互に積層される構造であり、引っ張り許容応力が低く、この領域で使用された場合には素子寿命を縮めるおそれがあるためである。
【００３７】
また、ピエゾ素子１１ａ１は大きな推力を容易に発生させることができるが、変位が極めて小さい。そのため、座屈式変位拡大機構１１ａを用いてその変位を拡大させる。本実施例では、座屈式変位拡大機構１１ａは、ピエゾ素子１１ａ１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。
【００３８】
次に、図５及び図６を参照し、座屈式変位拡大機構１１ａの出力特性について説明する。図５は、座屈式変位拡大機構１１ａの各構成要素に作用する力を示す模式図である。また、図６は、座屈式変位拡大機構１１ａにおける出力部１１ａ３の変位（拡大出力）ｙと推力Fyとの関係を示す図である。
【００３９】
出力部１１ａ３の推力Fyは以下の式（１）で表される。
【００４０】
【数１】
0006453123.tif 000002
なお、kPCSはバネ予圧調整機構１１ｃの機械的圧縮剛性を表し、kPZTはピエゾ素子１１ａ１の機械的圧縮剛性を表す。また、kFは外殻１１ｅの機械的圧縮剛性を表し、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１１ａ１の変位方向における座屈式変位拡大機構１１ａの総合機械剛性を表し、外殻１１ｅの機械的圧縮剛性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、y0はバネ予圧調整機構１１ｃのオフセット変位を表し、Lは固定部１１ａ２に関する転がりジョイントの回転中心と出力部１１ａ３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はピエゾ素子１１ａ１の電気的推力を表し、FPLはピエゾ予圧調整機構１１ｄによるピエゾ予圧力を表し、FZは、ピエゾ素子１１ａ１の変形量に依存してピエゾ素子１１ａ１の内部で発生する機械的推力を表す。
【００４１】
ピエゾ予圧力FPLが以下の式（２）で表す値となるように各種機械的剛性を設定すると、推力Fyは以下の式（３）で表される。
【００４２】
【数２】
0006453123.tif 000003
【００４３】
【数３】
0006453123.tif 000004
また、変位yのゼロ次項Fy0、変位yの１次項のFVに対する係数C1、及び変位yの３次項係数C3をそれぞれ、以下の式（４）のように定義すると、推力Fyは以下の式（５）で表される。
【００４４】
【数４】
0006453123.tif 000005
【００４５】
【数５】
0006453123.tif 000006
なお、変位yのゼロ次項Fy0はバネ予圧調整機構１１ｃによるバネ予圧力の変位y方向における成分である。また、変位yの１次項C1FVyは、バネ予圧調整機構１１ｃによって調整されるバネ予圧力、ピエゾ予圧調整機構１１ｄによって調整されるピエゾ予圧力FPL、及びピエゾ素子１１ａ１の電気的推力FVに依存する。また、式（５）ではピエゾ予圧力FPL及びバネ予圧力が現れることはない。式（２）のように設定されたピエゾ予圧力FPLとバネ予圧力とが相殺されるためである。
【００４６】
このように、出力部１１ａ３の推力Fyは、ピエゾ素子１１ａ１の電気的推力FVに依存せず且つ変位yにも依存しない特性を有する定常項Fy0と、ピエゾ素子１１ａ１の電気的推力FVに依存する特性を有する入力項C1FVyと、ピエゾ素子１１ａ１の電気的推力FVに依存しないが変位yに依存する特性を有する弾性項C3y3との合力として表される。
【００４７】
図６は、出力部１１ａ３の推力Fyと変位yとの関係を示すグラフである。また、図６の実線はピエゾ素子１１ａ１に電圧を印加しない場合の関係を示し、点線はピエゾ素子１１ａ１に電圧を印加した場合の関係を示す。
【００４８】
図６に示すように、出力部１１ａ３は、変位yの大きさ及び印加電圧の有無にかかわらず、常に出力ジョイント１１ｂをモータ出力カム２の周期的形状部２０に押し付ける推力Fyを発生させる。
【００４９】
次に、図７を参照して複数の座屈式変位拡大機構１１ａのそれぞれがモータ出力カム２に伝達するユニットモータ推力Fx(x)について説明する。図７は、モータ出力カム２の周期的形状部２０と転がり接触するフォロワローラ１１ｂ１の動きを説明する図である。
【００５０】
具体的には、図７の一点鎖線は、容量性アクチュエータ１が+x方向に移動する際に、+y方向及び−y方向の双方向に座屈する座屈式変位拡大機構１１ａの出力部１１ａ３に取り付けられた出力ジョイント１１ｂのフォロワローラ１１ｂ１が描く軌跡を示す。
【００５１】
本実施例では、６つのアクチュエータユニット１１のそれぞれの拡大出力は、出力ジョイント１１ｂのフォロワローラ１１ｂ１と周期的形状部２０とを介してモータ出力カム２に伝達される。そして、容量性アクチュエータ１がモータ出力カム２に沿って+x方向に直動する際のフォロワローラ１１ｂ１が描く軌跡は側面視で正弦波となるように構成される。
【００５２】
フォロワローラ１１ｂ１の拡大出力方向の変位をｙとし、モータ出力カム２に対する容量性アクチュエータ１の相対位置をｘとすると、フォロワローラ１１ｂ１が描く軌跡y(x)は以下の式（６）で表され、軌跡y(x)の相対位置ｘによる微分値である、相対位置ｘにおけるフォロワローラ１１ｂ１と周期的形状部２０の接線の傾きは式（７）で表される。
【００５３】
【数６】
0006453123.tif 000007
【００５４】
【数７】
0006453123.tif 000008
なお、yaはフォロワローラ１１ｂ１が描く軌跡である正弦波の半振幅を表し、λはその１波長を表す。
【００５５】
また、６つのアクチュエータユニット１１のそれぞれがモータ出力カム２に伝達するユニットモータ推力Fx(x)は、以下の式（８）のように、出力部１１ａ３の推力Fy(x)と相対位置ｘにおける接線の傾きdy(x)/dxとの積で表される。
【００５６】
【数８】
0006453123.tif 000009
また、式（８）は式（５）及び式（７）を用いて以下の式（９）で表される。
【００５７】
【数９】
0006453123.tif 000010
すなわち、ユニットモータ推力Fx(x)の定常項はcosで表され、入力項はFv・cos・sinで表され、弾性項は−cos・sin3で表される。
【００５８】
さらに、フォロワローラ１１ｂ１が描く正弦波の半振幅yaを値yFreeとすると、式（９）は以下の式（１０）で表される。なお、係数AFC、AFx、及びyFreeはそれぞれ以下の式（１１）で表される。この場合、ユニットモータ推力Fx(x)は、１倍波（基本波）、２倍波、及び４倍波の３つの周波数に関する三角関数成分で表される。
【００５９】
【数１０】
0006453123.tif 000011
【００６０】
【数１１】
0006453123.tif 000012
図８は、式（１０）で表されたユニットモータ推力Fx(x)の相対位置xに対する推移を示すグラフであり、その推移をフォロワローラ１１ｂ１が描く正弦波Ｗと対応付けて示す。また、図８の推移Ｔ１はピエゾ素子１１ａ１に電圧が印加されない場合の推移を示し、推移Ｔ２はピエゾ素子１１ａ１に電圧が印加された場合の推移を示す。
【００６１】
図８に示すように、ユニットモータ推力Fx(x)の推移は、印加電圧の有無にかかわらず、ゼロ点に関して点対称の関係を有する。
【００６２】
モータ出力カム２は、上述のような特性を有する複数のユニットモータ推力Fx(x)を統合し、その合力をモータ推力FM(x)とする。そして、フォロワローラ１１ｂ１が描く正弦波の１波長以上の長さにおいて等位相間隔となるようにＮ個のアクチュエータユニット１１をモータ出力カム２に対して配置する場合、相対位置ｘに関するモータ推力FM(x)は以下の式（１２）で表される。
【００６３】
【数１２】
0006453123.tif 000013
なお、φkは１番目のアクチュエータユニット１１（フォロワローラ１１ｂ１の回転中心）の位置に対するｋ番目のアクチュエータユニット１１（フォロワローラ１１ｂ１の回転中心）の位置の相対位相角を表し、FVkはｋ番目のアクチュエータユニット１１におけるピエゾ素子１１ａ１の電気的推力FVを表す。
【００６４】
また、Ｎ個のアクチュエータユニット１１（フォロワローラ１１ｂ１の回転中心）が以下の式（１３）を満たす位相配置の場合、モータ推力FM(x)は、以下の式（１４）のように、電気的推力FVkを含む入力項だけで表される。すなわち、アクチュエータユニット１１のそれぞれによるモータ出力カム２に対する作用力のうちの定常項と弾性項がアクチュエータユニット１１のそれぞれの間で相殺される。以下の式（１５）に示すような三角関数に関する定理によって他の項が消去されるためである。
【００６５】
【数１３】
0006453123.tif 000014
【００６６】
【数１４】
0006453123.tif 000015
【００６７】
【数１５】
0006453123.tif 000016
また、Ｎ個のアクチュエータユニット１１（フォロワローラ１１ｂ１の回転中心）が以下の式（１６）を満たす位相配置の場合、モータ推力FM(x)は、以下の式（１７）のように、定常項と入力項だけで表される。すなわち、アクチュエータユニット１１のそれぞれによるモータ出力カム２に対する作用力のうちの弾性項がアクチュエータユニット１１のそれぞれの間で相殺される。
【００６８】
【数１６】
0006453123.tif 000017
【００６９】
【数１７】
0006453123.tif 000018
また、Ｎ個のアクチュエータユニット１１のそれぞれにおけるピエゾ素子１１ａ１の電気的推力FVkが以下の式（１８）に示すような正弦波となるように印加電圧が調整される場合、式（１３）を満たす位相配置にした容量性アクチュエータモータ１００のモータ推力FM(x)は式（１９）で表される。なお、FWは印加電圧の波形（正弦波）の全振幅である入力振幅を表し、Pcomは印加電圧の波形（正弦波）とフォロワローラ１１ｂ１が描く軌跡である正弦波の２倍波との位相差である入力位相を表す。
【００７０】
【数１８】
0006453123.tif 000019
【００７１】
【数１９】
0006453123.tif 000020
式（１９）に示すように、式（１３）を満たす位相配置にした容量性アクチュエータモータ１００のモータ推力FM(x)は、入力振幅FWに比例し、且つ、入力位相Pcomに依存して±１の範囲で変動するcos(2Pcom)に比例する。なお、ピエゾ素子１１ａ１の分極特性を考慮すると入力振幅に負値を与えるのは望ましくない。そのため、望ましくは、入力振幅がモータ推力FM(x)の絶対値の制御に利用される。
【００７２】
また、入力位相は、上述のような制限を受けないため、振幅及び極性を自由に設定可能である。また、小さいモータ推力FM(x)が求められる場合に入力振幅を大きくしたときには、個々のユニットモータ推力Fx(x)がモータ出力カム２によって相殺されて所望のモータ推力FM(x)が得られるものの、容量性アクチュエータ１の内部でのエネルギ損失が増大してしまう。そのため、望ましくは、入力位相が主としてモータ推力FM(x)の極性の制御に利用され、入力振幅が主としてモータ推力FM(x)の絶対値の制御に利用される。
【００７３】
また、Ｎ個のアクチュエータユニット１１のそれぞれにおけるピエゾ素子１１ａ１の電気的推力FVkが式（１８）に示すような正弦波となるように印加電圧が調整される場合、式（１３）を満たす位相配置にした容量性アクチュエータモータ１００のモータ推力FM(x)は以下の式（２０）で表される。
【００７４】
【数２０】
0006453123.tif 000021
式（２０）に示すように、式（１６）を満たす位相配置にした容量性アクチュエータモータ１００のモータ推力FM(x)は、右辺第１項の特性に右辺第２項の特性を重畳させたものとして表される。なお、右辺第１項の特性は式（１９）の右辺と同じ特性であり、右辺第２項の特性は係数AFCで表されるアクチュエータユニット１１の電気的推力FVのゼロ次項に依存する特性である。そのため、モータ推力の発生に電力供給を必要としない。したがって、例えば重力を支持しながら駆動する用途等では、落下防止機能として利用できる。
【００７５】
また、上述の通り、式（１３）又は式（１６）を満たす位相配置にした容量性アクチュエータモータ１００の何れの場合においても、Ｎ個のアクチュエータユニット１１のそれぞれは、相対位置ｘとは無関係に、常に、モータ出力カム２の周期的形状部２０の表面に出力部１１ａ３を押し付ける。具体的には、出力部１１ａ３がモータ出力カム２から遠ざかる方向に変位する場合も含め、常に、周期的形状部２０の表面に出力部１１ａ３を押し付ける。そのため、容量性アクチュエータモータ１００はピエゾ素子１１ａ１が出力可能なエネルギの全てをモータ出力カム２に作用させることができる。
【００７６】
また、式（１３）のように周期的形状部２０の位相を考慮して複数のアクチュエータユニット１１を適切に配置する構成により、容量性アクチュエータモータ１００は、ピエゾ素子１１ａ１の外部からの入力による推力成分（例えば電気的推力FVに依存する特性を有する入力項）以外の推力成分をアクチュエータユニット１１間で打ち消し合わせることができる。そのため、ピエゾ素子１１ａ１に対する印加電圧を制御するだけで高い精度と高い制御性を実現できる。
【００７７】
また、式（１６）のように周期的形状部２０の位相を考慮して複数のアクチュエータユニット１１を適切に配置する構成により、容量性アクチュエータモータ１００は、ピエゾ素子１１ａ１の外部からの入力による推力成分（例えば電気的推力FVとアクチュエータユニット１１の推力Fyのゼロ次項とに依存する特性を有する入力項）以外の推力成分をアクチュエータユニット１１間で打ち消し合わせることができる。そのため、ピエゾ素子１１ａ１に対する印加電圧を制御するだけで高い精度と高い制御性を実現できることに加え、無給電時の位置保持推力を実現できる。
【００７８】
また、推力Fyが常に同じ極性となるように予圧調整バネ１１ａ４によるオフセット力を調整することで、使用者は、出力ジョイント１１ｂのフォロワローラ１１ｂ１とモータ出力カム２の周期的形状部２０とを常に接触させることができる。そのため、容量性アクチュエータモータ１００は、ピエゾ素子１１ａ１の出力エネルギの全てをモータ出力カム２に伝達可能な状態を維持することができ、バックラッシュのない駆動を実現できる。
【００７９】
また、容量性アクチュエータモータ１００は、上面のみに周期的形状部２０を有するモータ出力カム２を用いた単純な構成を有する。そのため、容量性アクチュエータモータ１００の小型化、軽量化が比較的容易に実現される。また、小型化によりモータ駆動時のピッチングモーメントが抑制され、動作精度の向上、動作ノイズの低減、並びに、モータガイド１２及びモータガイドレール２１における振動に対する負荷の軽減等の効果が実現される。
【００８０】
以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は特定の実施例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、種々の変形及び変更が可能である。
【００８１】
例えば、上述の実施例は直動モータに関するが、本発明は回転型モータに適用されてもよい。
【００８２】
また、上述の実施例では、付勢手段の一例として予圧調整バネ１１ａ４が採用されるが、容量性アクチュエータ１の自重が付勢手段として採用されてもよい。
【００８３】
また、上述の実施例では、予圧調整バネ１１ａ４は、座屈式変位拡大機構１１ａの出力部１１ａ３を介して出力ジョイント１１ｂのフォロワローラ１１ｂ１をモータ出力カム２の周期的形状部２０に押し付ける。しかしながら、予圧調整バネ１１ａ４は、フォロワローラ１１ｂ１を周期的形状部２０の方向に引っ張るようにしてフォロワローラ１１ｂ１を周期的形状部２０に接触させる構成であってもよい。
【００８４】
また、上述の実施例では、モータ出力カム２は水平方向に延びるように配置されるが、鉛直方向に延びるように配置されてもよい。
【００８５】
また、上述の実施例では、出力部１１ａ３の出力方向は、モータ出力カム２の延在方向（水平方向）と直交する方向（鉛直方向）となるように設定される。しかしながら、出力部１１ａ３の出力方向は、モータ出力カム２の延在方向と直交する方向である必要はなく、モータ出力カム２の延在方向に対して傾斜していてもよい。
【符号の説明】
【００８６】
１・・・容量性アクチュエータ  ２・・・モータ出力カム  １０・・・モータフレーム  １１・・・アクチュエータユニット  １１ａ・・・座屈式変位拡大機構  １１ａ１・・・ピエゾ素子  １１ａ２・・・固定部  １１ａ３・・・出力部  １１ａ４・・・予圧調整バネ  １１ｂ・・・出力ジョイント  １１ｂ１・・・フォロワローラ  １１ｂ２・・・ローラベアリング  １１ｂ３・・・溝  １１ｃ・・・バネ予圧調整機構  １１ｄ・・・ピエゾ予圧調整機構  １１ｅ・・・外殻  １２・・・モータガイド  １３・・・拡大出力直線ガイド  １３ａ・・・ガイドブロック  １３ｂ・・・ボールリテーナ  １３ｃ・・・ガイドボール  ２０・・・周期的形状部  ２１・・・モータガイドレール  １００・・・容量性アクチュエータモータ  ＣＰ１、ＣＰ２・・・キャップ  ＧＤ１・・・ガイド  ＳＨ１・・・シム
【図１】
0006453123.tif 000022
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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