(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定方向に伸縮変位する伸縮素子と、
前記伸縮素子が装着されて伸縮素子の伸縮変位を移動対象物に伝達する変位伝達機構と、
前記変位伝達機構において前記伸縮素子の変位にともなう歪が発生する部位に設けられた歪みゲージと、
前記伸縮素子を伸縮させる駆動部と
を備え、
前記歪みゲージの検出値に基づいて前記伸縮素子の伸縮を補正するとともに、前記歪みゲージの検出値に基づいて前記伸縮素子または前記変位伝達機構の異常を把握し、
前記変位伝達機構は、
前記伸縮素子の伸縮変位方向の一端面および他端面に固定される一対のヘッドピースと、前記ヘッドピースと一体に、前記ヘッドピース間に架け渡されるように設けられた直線状をなす圧縮力付与部とを有し、前記伸縮素子の伸縮方向に圧縮力を与える与圧機構を有し、
前記圧縮力付与部の前記一対のヘッドピースの間が一つの直線をなし、前記一つの直線をなす部分は、前記伸縮素子の伸縮方向に対応して前記一つの直線の方向に歪み、
前記歪ゲージは、前記圧縮力付与部の前記一つの直線をなす部分に設けられることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記駆動部は、前記伸縮素子に駆動信号を与えるドライバーと、ドライバーを制御する制御部とを有し、
前記制御部は、前記歪みゲージの検出値に基づいて、入力される目標位置を補正するとともに、前記歪みゲージの検出値が前記伸縮素子または前記変位伝達機構の異常を示すものである場合に、前記ドライバーを停止させるか、または警報を発生させることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記伸縮素子は、圧電素子、磁歪素子、形状記憶合金素子のいずれかであることを特徴とする請求項１または請求項２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、圧電素子のような伸縮素子と、伸縮素子の変位を他の部材へ伝達する変位伝達機構とを有するアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
何かを「動かす」ための機構であるアクチュエータは、各種産業機械、自動車、航空機、医療関連機器を始め、身の回りの電気製品に至るまで、あらゆるものに利用されている。アクチュエータは、例えば、産業機構においてはソレノイドやエアバルプ等、パソコンにおいてはハードディスクドライブに対して読み取りおよび書き込みを行うための磁気チップを移動させる移動機構等、また、携帯電話においては振動を発生するバイブレーションモータ等として利用されている。
【０００３】
アクチュエータとしては、駆動素子としては圧電素子を用いた圧電アクチュエータが注目されている。圧電アクチュエータは、（１）投入される電気エネルギーに対して実に６０％以上が機械エネルギーに変換され、例えば断面が１０ｍｍ×１０ｍｍの素子で発生する力が３００ｋｇｆに達し、エネルギー効率が極めて高い、（２）数ｋＨｚ以上の高速応答が可能である、（３）物体を一定の位置で保持する場合に、電圧を印加する必要はあるが、電流は流れなくて済むため、電気エネルギー消費を抑えることができる、（４）小型化、薄型化に適している、等の優れた点を有している。
【０００４】
圧電素子を実際のアクチュエータ等に適用する場合、変位伝達機構に装着された状態で適用されることが多い。例えば、圧電素子は発生する変位が数μｍから数十μｍと小さいため、変位伝達機構として圧電素子の変位を拡大して伝達する変位拡大機構が用いられている（例えば特許文献１）。また、圧電素子は一般的にセラミック材料からなるため、陶器のように脆性を有しており、圧縮に対しては強いが引張に対しては弱い。このため、圧電素子をアクチュエータとして用いる場合には、圧電素子から生じる力に対して１／５〜１／２程度の圧縮力を与えるために、変位伝達機構として、圧電素子に圧縮力を与える与圧機構が用いられている（例えば非特許文献１）。
【０００５】
一方、圧電素子をアクチュエータに用いる場合、圧電素子の変位の異常を検出したり、圧電素子の変位を補正する等の目的で圧電素子に歪みゲージを貼る技術が知られている（例えば非特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−４８９５５号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】CEDRAT TECHNOLOGIES - PIEZO PRODUCTS CATALOGUE - Version 2.2 - September 2001
【非特許文献２】ソーラボジャパン株式会社ホームページ  製品情報  アクチュエータ（ピエゾアクチュエータＰＺＳ００１）、［平成２７年３月３０日検索］、インターネット＜URL:http://www.thorlabs.co.jp/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=61＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、非特許文献２のような圧電素子に歪みゲージを貼る技術の場合、以下のような不都合がある。
【０００９】
(1)圧電素子の寸法によっては、面積または長さが小さすぎて貼れない場合もある。
(2)歪みゲージを圧電素子の表面に貼るので、圧電素子に曲げ応力を加える動作になり、脆い圧電素子を破損させてしまうおそれがある。
(3)歪みゲージから配線を取り出す必要があり、その場合、半田でリードを歪みゲージに接続するが、半田は伸縮性がないので、圧電素子の動作を妨げるだけでなく、接続部分の応力が集中してしまい、圧電素子の破損に繋がる。
(4)圧電素子の駆動を妨げないようにするため、歪みゲージを貼り付ける接着剤も限られており、特に硬化後の硬度が高い、高温の環境に耐えられる接着剤を使用することができない。
(5)環境温度の変化によって、温度の影響による歪み量を補償して正確に歪みを計測するため、貼り付ける相手の熱膨張係数に合わせた熱膨張係数を持つ歪みゲージを利用する必要があるが、マイナス熱膨張係数である圧電素子に対応する熱膨張係数の歪みゲージが存在せず、温度の影響を除く正確な計測を実施し難い。
(6)圧電素子の表面上には圧電素子の内部電極および外部電極が露出している。圧電素子上に歪みゲージを接着した場合に、電気的絶縁は施されていても絶縁膜を介した静電誘導による結合は避けられない。したがって、圧電素子駆動電圧が歪みゲージ内に誘導起電力を生じ、歪みゲージの読みに誤差を与える。
(7)圧電素子の表面には必ず皮膜が存在しており、歪みゲージを圧電素子に直接貼り付ける場合、圧電素子の表面の皮膜に貼り付けすることになり、圧電素子の本体そのものに貼り付けすることはできない。そのため、高速な動作の場合、圧電素子と皮膜との間で滑りが生じ、圧電素子の真の変位と歪み量が１：１ではなくなり、高速駆動に対応することは困難である。
【００１０】
また、圧電素子の表面に歪みゲージを貼り付けて歪を検出しただけでは、アクチュエータの異常を検出できない場合が生じる。
【００１１】
本発明は、このような点に鑑みてなされたものであり、圧電素子のような伸縮素子に歪みゲージを直接貼る場合の不都合が生じず、異常を十分に検出することができるアクチュエータを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明は、以下の（１）〜（３）を提供する。
【００１３】
（１）所定方向に伸縮変位する伸縮素子と、
前記伸縮素子が装着されて伸縮素子の伸縮変位を移動対象物に伝達する変位伝達機構と、
前記変位伝達機構において前記伸縮素子の変位にともなう歪が発生する部位に設けられた歪みゲージと、
前記伸縮素子を伸縮させる駆動部と
を備え、
前記歪みゲージの検出値に基づいて前記伸縮素子の伸縮を補正するとともに、前記歪みゲージの検出値に基づいて前記伸縮素子または前記変位伝達機構の異常を把握し、
前記変位伝達機構は、
前記伸縮素子の伸縮変位方向の一端面および他端面に固定される一対のヘッドピースと、前記ヘッドピースと一体に、前記ヘッドピース間に架け渡されるように設けられた直線状をなす圧縮力付与部とを有し、前記伸縮素子の伸縮方向に圧縮力を与える与圧機構を有し、
前記圧縮力付与部の前記一対のヘッドピースの間が一つの直線をなし、前記一つの直線をなす部分は、前記伸縮素子の伸縮方向に対応して前記一つの直線の方向に歪み、
前記歪ゲージは、前記圧縮力付与部の前記一つの直線をなす部分に設けられることを特徴とするアクチュエータ。
【００１４】
（２）前記駆動部は、前記伸縮素子に駆動信号を与えるドライバーと、ドライバーを制御する制御部とを有し、
前記制御部は、前記歪みゲージの検出値に基づいて、入力される目標位置を補正するとともに、前記歪みゲージの検出値が前記伸縮素子または前記変位伝達機構の異常を示すものである場合に、前記ドライバーを停止させるか、または警報を発生させることを特徴とする（１）に記載のアクチュエータ。
【００１９】
（３）前記伸縮素子は、圧電素子、磁歪素子、形状記憶合金素子のいずれかであることを特徴とする（１）または（２）に記載のアクチュエータ。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、変位伝達機構に歪みゲージを設けるので、伸縮素子に歪みゲージを直接貼る場合の不都合が生じない。また、伸縮素子に異常があった場合のみならず、変位伝達機構の異常も検出することができ、アクチュエータの異常を十分に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータを示す正面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータを示す正面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータにおいて歪みゲージを設けるのに適した他の位置を示す正面図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係るアクチュエータを示す正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
＜第１の実施形態＞
図１は本発明の第１の実施形態に係るアクチュエータを示す正面図である。
アクチュエータ１００は、図１に示すように、所定方向に伸縮する伸縮素子１と、伸縮素子１の変位を伝達する変位伝達機構としての変位拡大機構２と、変位拡大機構２に装着された歪みゲージ３と、伸縮素子１を駆動する駆動部４とを有する。
【００２３】
伸縮素子１は、例えば、１０ｍｍ×１０ｍｍの板状の圧電体が電極を挟んで複数積層されて例えば４０ｍｍの長さにされた直方体をなす圧電素子として構成されている。伸縮素子１を構成する圧電素子は、側面に電圧を印加するための電気端子（図示せず）を備えており、この電気端子間に電圧が印加されることにより、図１の矢印Ａで示す長さ方向（図１のＹ方向）に伸縮するように構成されている。圧電体を構成する圧電材料としては、圧電効果を有するセラミック材料が用いられ、そのような材料として、典型的にはチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３；ＰＺＴ）を挙げることができる。伸縮素子１の形状は直方体に限らず、例えば三角柱や六角柱等の多角柱であっても、円柱であってもよい。なお、伸縮素子１としては圧電素子に限らず、所定方向に伸縮する素子であればよく、磁界に応じて変位する磁歪素子、温度に応じて変位する形状記憶合金素子等を用いることができる。これらを用いる場合は、電圧を適宜の手段で磁界や温度に変換して用いることにより電圧に応じた変位を実現することができる。
【００２４】
伸縮素子１は、変位拡大機構に装着された状態で、適宜の方法により予め圧縮力が与えられるようになっている。特に、伸縮素子として圧電素子を用いた場合には、圧電素子が脆性材料であるセラミックス材料で構成されており、引張り力に対して弱いことから、予め圧縮力を与えることが重要である。伸縮素子に予め圧縮力を与える方法としては、特開２００８−９９３９９号公報、特開２０１２−１３９０２８号公報に記載された方法を挙げることができる。
【００２５】
変位拡大機構２は、可撓性を有するヒンジを備えたヒンジ機構として構成され、伸縮素子１のＹ方向の変位が伝達され、拡大されたＸ方向の変位として出力し、その拡大された変位を移動対象部材（図示せず）に伝達するものであり、伸縮素子１の外側を覆うように設けられている。変位拡大機構２は、伸縮素子１の長さ方向（Ｙ方向）の一端面および他端面にそれぞれ固定された第１ヘッドピース１１および第２ヘッドピース１２を有し、これら第１ヘッドピース１１および第２ヘッドピース１２の間の伸縮素子１の一方側および他方側には、それぞれ第１変位伝達部１０ａおよび第２変位伝達部１０ｂを有している。
【００２６】
第１変位伝達部１０ａは、第１ヒンジ１３ａと、第１中間部材１４ａと、第２ヒンジ１５ａと、第１出力部材１６ａと、第３ヒンジ１７ａと、第２中間部材１８ａと、第４ヒンジ１９ａとを有し、第１中間部材１４ａが第１ヒンジ１３ａを介して第１ヘッドピース１１に連結され、第２中間部材１８ａが第４ヒンジ１９ａを介して第２ヘッドピース１２に連結されており、第１出力部材１６ａは、それぞれ第２ヒンジ１５ａおよび第３ヒンジ１７ａを介して第１中間部材１４ａおよび第２中間部材１８ａに連結されている。第１ヒンジ１３ａと、第１中間部材１４ａと、第２ヒンジ１５ａと、第１出力部材１６ａと、第３ヒンジ１７ａと、第２中間部材１８ａと、第４ヒンジ１９ａの外側の面は、同一平面となっている。これにより歪みゲージ３が形成されやすくなる。
【００２７】
一方、第２変位伝達部１０ｂは、第５ヒンジ１３ｂと、第３中間部材１４ｂと、第６ヒンジ１５ｂと、第２出力部材１６ｂと、第７ヒンジ１７ｂと、第４中間部材１８ｂと、第８ヒンジ１９ｂとを有し、第３中間部材１４ｂが第５ヒンジ１３ｂを介して第１ヘッドピース１１に連結され、第４中間部材１８ｂが第８ヒンジ１９ｂを介して第２ヘッドピース１２に連結されており、第２出力部材１６ｂは、それぞれ第６ヒンジ１５ｂおよび第７ヒンジ１７ｂを介して第３中間部材１４ｂおよび第４中間部材１８ｂに連結されている。第５ヒンジ１３ｂと、第３中間部材１４ｂと、第６ヒンジ１５ｂと、第２出力部材１６ｂと、第７ヒンジ１７ｂと、第４中間部材１８ｂと、第８ヒンジ１９ｂの外側の面も同一平面となっている。
【００２８】
第１出力部材１６ａおよび第２出力部材１６ｂは、伸縮素子１の長さ方向（Ｙ方向）中央部に伸縮素子１を挟んで対向するように設けられている。第１出力部材１６ａには、移動対象部材（図示せず）が装着される。一方、第２出力部材１６ｂは、固定治具９に固定されている。
【００２９】
第１中間部材１４ａと第２中間部材１８ａは、第１出力部材１６ａを挟んで対称に配置され、第１中間部材１４ａおよび第２中間部材１８ａと、第３中間部材１４ｂおよび第４中間部材１８ｂとは、伸縮素子１を挟んで対称に配置される。また、第１〜第８ヒンジ１３ａ，１５ａ，１７ａ，１９ａ，１３ｂ，１５ｂ，１７ｂ，１９ｂは可撓性を有し、伸縮素子１の伸縮により撓んで伸縮素子１の変位を第１出力部材１６ａおよび第２出力部材１６ｂに伝達可能となっており、伸縮素子１がＹ方向に伸縮変位することにより、第１出力部材１６ａおよび第２出力部材１６ｂから拡大されたＸ方向の変位が出力されるようになっている。
【００３０】
そして、第１ヒンジ１３ａ、第４ヒンジ１９ａ、第５ヒンジ１３ｂ、および第８ヒンジ１９ｂは、第２ヒンジ１５ａ、第３ヒンジ１７ａ、第６ヒンジ１５ｂ、第７ヒンジ１７ｂよりも外側に設けられているため、伸縮素子１が伸長した際に、第１出力部材１６ａおよび第２出力部材１６ｂが伸縮素子１に対し相対的に外側へ変位するようになっている。このとき、第２出力部材１６ｂは固定治具９で固定されているため、第２出力部材１６ｂは実際には不動部である。このため、伸縮素子１が伸長した際には、第２出力部材１６ｂ以外の部分が伸縮素子とともに図１の矢印Ｂの方向へ変位し、その変位が移動対象部材に伝達される。
【００３１】
なお、移動対象部材を第１出力部材１６ａに装着して第２出力部材１６ｂを固定する代わりに、移動対象部材を第２出力部材１６ｂに装着して第１出力部材１６ａを固定してもよいし、第１出力部材１６ａおよび第２出力部材１６ｂの両方に移動対象部材を装着して、両方を動作させてもよい。
【００３２】
このようにして変位拡大機構２に、伸縮素子１のＹ方向の伸縮変位が伝達され、１０〜３０倍程度に拡大してＸ方向の変位として移動対象部材に伝達することができる。
【００３３】
歪みゲージ３は、一般に細線または箔形状のゲージ材の電気抵抗が弾性歪によって変化する現象を利用し、その電気抵抗の変化を測定することにより歪を検出するものであり、樹脂基板の上に歪センサとしてのＣｕＮｉやＮｉＣｒ等の金属箔が形成されてなる。樹脂基板は変位拡大機構２に接着剤を用いて貼り付けてもよいし、変位拡大機構２に厚膜印刷や蒸着によって形成してもよい。
【００３４】
歪みゲージ３は、変位伝達機構である変位拡大機構２の歪を検出するものである。変位拡大機構２は伸縮素子１の変位が伝達されるものであるから、歪みゲージ３により検出される歪は伸縮素子１の変位に対応したものとなる。
【００３５】
歪みゲージ３は、伸縮素子１の伸縮変位により歪が生じる部位に設ければよいが、歪が大きい部分、例えばヒンジに対応する部分またはその近傍に設けることが好ましい。歪が大きいことにより、良好な感度を得ることができる。図１の例では第１ヒンジ１３ａに対応する部分（表面）に設けた例を示しているが、第２〜第８ヒンジ１５ａ、１７ａ、１９ａ、１３ｂ、１５ｂ、１７ｂ、１９ｂに対応する部分であってもよい。また、歪みゲージ３は複数設けてもよい。
【００３６】
駆動部４は、伸縮素子１に電圧を与えて伸縮素子１を駆動するドライバー４１と、伸縮素子１の駆動等を制御する制御部４２と、異常があった場合に警報（アラーム）を発生する警報器４３とを有している。
【００３７】
制御部４２は、設定器等から目標位置が入力され、それに基づいてドライバー４１に制御信号を出力し、ドライバー４１はその制御信号に基づいて伸縮素子１に所定の電圧を与え伸縮素子１を伸縮させる。
【００３８】
また、制御部４２には歪みゲージ３の検出値が入力され、その検出値によって算出される伸縮素子１の変位または位置が目標からずれている場合には、それに基づいて目標位置が補正され、補正された制御信号がドライバー４１に出力される。また、伸縮素子１に過剰変位があった場合や、伸縮素子１が短絡等により伸縮変位しない場合等、伸縮変位１に異常があった場合に、警報器４３に信号を送って警報（アラーム）を発する、またはドライバー４１に停止信号を出力する等の措置を講ずることができるようになっている。
【００３９】
また、変位拡大機構２自体に大きい外力が加わる等、変位拡大機構２に異常があった場合にも、警報器４３に信号を送って警報（アラーム）を発する、またはドライバー４１に停止信号を出力する等の措置を講ずることができる。
【００４０】
このように構成されたアクチュエータ１００においては、駆動部４の制御部４２からの指令に基づきドライバー４１が伸縮素子１に所定の電圧を与えることにより、伸縮素子１がＹ方向に伸長変位すると、それにともなって、変位伝達機構である変位拡大機構２にその変位が伝達される。変位拡大機構２においては、伸縮素子１の伸長変位が第１ヘッドピース１１および第２ヘッドピース１２に伝達され、第１変位伝達部１０ａの第１〜第４ヒンジ１３ａ，１５ａ，１７ａ，１９ａおよび第２変位伝達部１０ｂの第５〜第８ヒンジ１３ｂ，１５ｂ，１７ｂ，１９ｂを介して第１出力部材１６ａおよび第２出力部材１６ｂが、矢印Ｂに示すようにＸ方向に沿って外側に変位し、１０〜３０倍程度に拡大されたＸ方向の変位として出力される。そして、その拡大された変位が移動対象部材（図示せず）に伝達される。伸縮素子１が伸長した状態から縮退する場合には、逆の動作により第１出力部材１６ａおよび第２出力部材１６ｂが内側に変位する。
【００４１】
このようにアクチュエータ１００を用いて移動対象部材を移動させる際に、歪みゲージ３により変位伝達機構としての変位拡大機構２の歪を検出する。このとき、歪みゲージ３により変位拡大機構２自体の歪が検出されるが、これは伸縮素子１の伸縮による歪を反映したものとなる。したがって、歪みゲージ３の検出値によって算出される伸縮素子１の変位または位置が目標からずれている場合には、歪みゲージ３からの検出信号に基づいて、制御部４２に送られた目標位置を補正し、それに基づいて補正された制御信号がドライバー４１に出力され、伸縮素子１の変位を補正することができる。また、伸縮素子１に過剰変位があった場合や、伸縮素子１が短絡等により伸縮変位しない場合等、伸縮素子１に異常があった場合に、警報器４３に信号を送って警報（アラーム）を発する、またはドライバー４１に停止信号を出力する等の措置を講じて伸縮素子１の破壊を回避することができる。
【００４２】
従来は、伸縮素子である圧電素子の変位の異常を検出したり、圧電素子の変位を補正する等の目的で圧電素子に歪みゲージを貼ることが行われていたが（上記非特許文献２）、以下のような不都合があった。
【００４３】
(1)圧電素子の寸法によっては、面積または長さが小さすぎて貼れない場合もある。
(2)歪みゲージを圧電素子の表面に貼るので、圧電素子に曲げ応力を加える動作になり、脆い圧電素子を破損させてしまうおそれがある。
(3)歪みゲージから配線を取り出す必要があり、その場合、半田でリードを歪みゲージに接続するが、半田は伸縮性がないので、圧電素子の動作を妨げるだけでなく、接続部分の応力が集中してしまい、圧電素子の破損に繋がる。
(4)圧電素子の駆動を妨げないようにするため、歪みゲージを貼り付ける接着剤も限られており、特に硬化後の硬度が高い、高温の環境に耐えられる接着剤を使用することができない。
(5)環境温度の変化によって、温度の影響による歪み量を補償して正確に歪みを計測するため、貼り付ける相手の熱膨張係数に合わせた熱膨張係数を持つ歪みゲージを利用する必要があるが、マイナス熱膨張係数である圧電素子に対応する熱膨張係数の歪みゲージが存在せず、温度の影響を除く正確な計測を実施し難い。
(6)圧電素子の表面上には圧電素子の内部電極および外部電極が露出している。圧電素子上に歪みゲージを接着した場合に、電気的絶縁は施されていても絶縁膜を介した静電誘導による結合は避けられない。したがって、圧電素子駆動電圧が歪みゲージ内に誘導起電力を生じ、歪みゲージの読みに誤差を与える。
(7)圧電素子の表面には必ず皮膜が存在しており、歪みゲージを圧電素子に直接貼り付ける場合、圧電素子の表面の皮膜に貼り付けすることになり、圧電素子の本体そのものに貼り付けすることはできない。そのため、高速な動作の場合、圧電素子と皮膜との間で滑りが生じ、圧電素子の真の変位と歪み量が１：１ではなくなり、高速駆動に対応することは困難である。
【００４４】
これに対して、変位伝達機構である変位拡大機構２に歪みゲージ３を設けることにより、上記(1)〜(7)の不都合を生じさせることなく、伸縮素子の変位の異常を検出したり、伸縮素子の変位を補正することができる。
【００４５】
また、伸縮素子の表面に歪みゲージを貼り付けて歪を検出しただけでは、変位伝達機構である変位拡大機構２に外力が加わった場合等、変位拡大機構２に異常が生じた場合に、それを検知できないおそれがあるが、変位拡大機構２に歪みゲージ３を設けることにより、変位拡大機構２の異常も確実に検知することができる。具体的には、変位伝達機構である変位拡大機構２の破壊を未然に防止することができ、また、外力により変位伝達機構である変位拡大機構２の位置がずれた場合でも、それを検出して変位拡大機構２の位置を戻すことができる。
【００４６】
さらに、歪みゲージ３を変位拡大機構２のヒンジの部分またはその近傍部分に設けることにより、大きな変位を検出することができ、より精度の高い歪検出を行うことができる。
【００４７】
＜第２の実施形態＞
図２は本発明の第２の実施形態に係るアクチュエータを示す正面図である。
本実施形態では、変位伝達機構として第１の実施形態とは別のタイプの変位拡大機構２′を設けた例を示す。
【００４８】
アクチュエータ１０１は、図２に示すように、伸縮素子１と、変位伝達機構としての変位拡大機構２′と、変位拡大機構２′に装着された歪みゲージ３と、伸縮素子１を駆動する駆動部４とを有する。伸縮素子１、歪みゲージ３、駆動部４の構成は第１の実施形態と同じなので説明を省略する。
【００４９】
変位伝達機構である変位拡大機構２′は、可撓性を有するヒンジを備えたヒンジ機構として構成され、伸縮素子１が装着される第１部分２０と、伸縮素子１の変位を拡大する動作を行う第２部分３０とを有する。伸縮素子１の変位は、第１部分２０に伝達され、さらに第２部分３０に伝達されるとともに拡大される。
【００５０】
第１部分２０は、伸縮素子１が挿入される切り欠き２３を有するＵ字状に形成された固定部２１と、伸縮素子１の伸縮によって移動する移動部２２とを有する。固定部２１には伸縮素子１の一端が接続され、移動部２２には伸縮素子１の他端が接続されており、伸縮素子１が長手方向に伸縮する際に、伸縮素子１の一端が固定され、他端の移動にともなって移動部２２が移動するようになっている。移動部２２は、切り欠き部２３に入り込むように設けられている。なお、固定部２１には、ボルト等によって基材に取り付けるための厚さ方向に貫通する取り付け穴２４が複数形成されている。
【００５１】
第２部分３０は、一端部が固定部２１および移動部２２にそれぞれヒンジ結合され、他端部が変位対象物を変位させる一対のアーム３１ａ、３１ｂを有している。すなわち、アーム３１ａの基端部は、固定部２１の一方側の上端から延びるヒンジ３２ａと、移動部２２の上端から延びるヒンジ３３ａに接続されており、アーム３１ｂの基端部は、固定部２１の他方側の上端から延びるヒンジ３２ｂと、移動部２２の上端から延びるヒンジ３３ｂに接続されている。これらアーム３１ａ、３１ｂは、湾曲して、それぞれ固定部２１の一方の側面および他方の側面に沿うように延びている。アーム３１ａ、３１ｂの先端部には、それぞれ板ばね３４ａ、３４ｂの一端が接合され、板ばね３４ａおよび３４ｂの他端どうしは、対象物を取り付けるための取り付け孔３６を有するセンターピース３５を介して連結されている。変位対象物はこのセンターピース３５に取り付けられる。
【００５２】
ヒンジ３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂは可撓性材料によって形成され、ヒンジ３２ａはアーム３１ａおよび固定部２１と一体的に設けられ、ヒンジ３３ａはアーム３１ａおよび移動部２２と一体的に設けられ、ヒンジ３２ｂはアーム３１ｂおよび固定部２１と一体的に設けられ、ヒンジ３３ｂはアーム３１ｂおよび移動部２２と一体的に設けられている。そして、ヒンジ３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂが伸縮素子１の伸縮によって撓みまたは曲げ変形することにより、移動部２２の移動およびアーム３１ａ、３１ｂの回動が許容される。
【００５３】
これにより、伸縮素子１の伸縮変位による移動部２２の移動によってアーム３１ａ、３１ｂがヒンジ３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂを介して回動することにより、センターピース３５から拡大された変位が出力されるようになっている。
【００５４】
このようにして変位拡大機構２′に、伸縮素子１の伸縮変位が伝達され、１０〜３０倍程度に拡大して移動対象部材（図示せず）に伝達することができる。
【００５５】
具体的には、伸縮素子１の下端部は固定部２１に取り付けられており、伸縮素子１の上端部は移動部２２に取り付けられていて、電圧が印加されていない状態で固定部２１と移動部２２の上端の高さ位置は一致しており、伸縮素子１が伸長変位した場合に、移動部２２が固定部２１に対して上昇し、その変位は、ヒンジ３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂを介して第２部分３０のアーム３１ａ、３１ｂに伝達され、アーム３１ａ、３１ｂは、固定部２１に近接するように回動し、板バネ３４ａ、３４ｂを介してセンターピース３５およびセンターピース３５に取り付けられた移動対象部材に下方に向かう拡大された変位が生じる。逆に、伸縮素子１が縮退変位した場合に、移動部２２が固定部２１に対して下降し、その変位は、ヒンジ３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂを介して第２部材３０のアーム３１ａ、３１ｂに伝達され、アーム３１ａ、３１ｂは、固定部２１に対して離間するように回動し、板バネ３４ａ、３４ｂを介してセンターピース３５に上方に向かう拡大された変位が生じる。
【００５６】
なお、板ばね３４ａ、３４ｂは、一端側および他端側にそれぞれ薄肉部を有し、中間部に薄肉部よりも厚い厚肉部を有しており、この厚肉部によって撓みまたは曲げ変形した際の座屈の発生が防止される。
【００５７】
第１の実施形態と同様、歪みゲージ３は伸縮素子１の伸縮変位により歪が生じる部位に設ければよいが、歪が大きい部分、例えばヒンジに対応する部分またはその近傍に設けることが好ましい。歪が大きいことにより、良好な感度を得ることができる。図２の例ではヒンジ３２ａに対応する部分（表面）に設けた例を示しているが、ヒンジ３２ｂ，３３ａ，３３ｂに対応する部分であってもよい。また、歪みゲージ３を設けるのにより適した場所として、板ばねを挙げることができる。図３は、板ばね３４ｂの薄肉部に歪みゲージ３を設けた例を示している。板ばね３４ａ，３４ｂは歪量が拡大されているため良好な感度を得ることができる。また、薄肉部は厚肉部よりも歪が大きいので、板ばねの薄肉部に歪みゲージ３を設けることによりさらに良好な感度を得ることができる。また、板ばね３４ａ，３４ｂの表面は面積が大きいので歪みゲージ３を設けやすい。
【００５８】
このように構成されたアクチュエータ１０１においては、第１の実施形態と同様、駆動部４の制御部４２からの指令に基づきドライバー４１が伸縮素子１に所定の電圧を与えることにより、伸縮素子１が伸縮変位すると、それにともなって、変位伝達機構である変位拡大機構２′にその変位が伝達される。変位拡大機構２′においては、伸縮素子１の変位が第１部材２０の移動部２２、第２部材３０のヒンジ３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂを介してアーム３１ａ、３１ｂの回動変位に変換され、その回動変位が板ばね３４ａ、３４ｂを介してヘッドピース３５が伸縮素子の長手方向に変位し、１０〜３０倍程度に拡大された変位として出力される。そして、その拡大された変位が移動対象部材（図示せず）に伝達される。
【００５９】
このようにアクチュエータ１０１を用いて移動対象部材を移動させる際に、歪みゲージ３により変位伝達機構としての変位拡大機構２′の歪を検出する。このとき、歪みゲージ３により変位拡大機構２′自体の歪が検出されるが、これは伸縮素子１の伸縮による歪を反映したものとなる。したがって、歪みゲージ３の検出値によって算出される伸縮素子１の変位または位置が目標からずれている場合には、歪みゲージ３からの検出信号に基づいて、制御部４２に送られた目標位置を補正し、それに基づいて補正された制御信号がドライバー４１に出力され、伸縮素子１の変位を補正することができる。また、伸縮素子１に過剰変位があった場合や、伸縮素子１が短絡等により伸縮変位しない場合等、伸縮素子１に異常があった場合に、警報器４３に信号を送って警報（アラーム）を発する、またはドライバー４１に停止信号を出力する等の措置を講じて伸縮素子１の破壊を回避することができる。
【００６０】
このとき、第１の実施形態と同様、伸縮素子に歪みゲージを貼る場合のような不都合が生じず、かつ、変位拡大機構２′の異常を確実に検知することができ、変位伝達機構である変位拡大機構２′の破壊を未然に防止することや、外力により変位伝達機構である変位拡大機構２′の位置がずれた際に、それを検出して変位拡大機構２′の位置を戻すことができる。さらに、歪みゲージ３を変位拡大機構２′のヒンジの部分またはその近傍部分に設けることにより、大きな変位を検出することができ、より精度の高い歪検出を行うことができる。
【００６１】
＜第３の実施形態＞
図４は本発明の第３の実施形態に係るアクチュエータを示す正面図である。
本実施形態では、変位伝達機構として与圧機構５を設けた例を示す。
【００６２】
アクチュエータ１０２は、図４に示すように、伸縮素子と、変位伝達機構としての与圧機構５と、与圧機構に装着された歪みゲージ３と、伸縮素子１を駆動する駆動部４とを有する。伸縮素子１、歪みゲージ３、駆動部４の構成は第１の実施形態と同じなので説明を省略する。
【００６３】
変位伝達機構である与圧機構５は、伸縮素子１が圧電素子のように引張力に対して弱いセラミック材料からなる場合に、伸縮素子１から生じる力に対して１／５〜１／２程度の圧縮力を伸縮素子１の伸縮方向に与えておくためのものであり、伸縮素子１の伸縮方向（長さ方向）の一端面および他端面に接着により固定された一対のヘッドピース５１および５２と、これら一対のヘッドピース５１および５２間に架け渡されるように設けられた直線状をなす２本の圧縮力付与部５３とを有している。ヘッドピース５１および５２と圧縮力付与部５３とは一体となっている。ヘッドピース５１には移動対象部材（図示せず）が装着され、ヘッドピース５２は固定治具５４により固定されている。ヘッドピース５１および５２の形状は直方体となっているが、その形状は特に限定されず、例えば伸縮素子１の形状に応じて適宜設定することができる。また、圧縮力付与部５３の本数は２本に限らず、３本または４本であってもよく、さらに、例えば伸縮素子１がドーナツ状等の真ん中に空間を有する場合は、空間中を貫通する１本であってもよい。
【００６４】
伸縮素子１を与圧機構５に装着する際には、与圧機構５に対して、伸縮素子１の伸縮方向に引張力を作用させて圧縮力付与部５３を伸長させた状態で伸縮素子１を一対のヘッドピース５１および５２間に装着し、その後、引張力を解除する。これにより、伸縮素子１に引張力に対応する圧縮力が付与された状態とされる。
【００６５】
そして、与圧機構５は、伸縮素子１の長手方向に沿った伸縮変位が伝達されてヘッドピース５１および５２からその変位が出力される。このとき、ヘッドピース５２は固定治具５４で固定されているため、ヘッドピース５２は不動部である。このため、伸縮素子１が伸縮した際には、ヘッドピース５１のみが図４の矢印のように伸縮素子１の変位方向と同じ方向に変位する。そして、その変位を移動対象部材（図示せず）に伝達することができる。
【００６６】
なお、移動対象部材をヘッドピース５１に装着してヘッドピース５２を固定する代わりに、移動対象部材をヘッドピース５２に装着してヘッドピースを固定してもよいし、ヘッドピース５１および５２の両方に移動対象部材を装着して、両方を動作させてもよい。
【００６７】
与圧機構５において、伸縮素子１の伸縮による歪は圧縮力付与部５３に生じるから、歪みゲージ３は圧縮力付与部５３に設けられている。圧縮力付与部５３は、実質的に一様に歪むので、歪みゲージ３をいずれの位置に設けてもほぼ同じひずみ量が得られる。
【００６８】
このように構成されたアクチュエータ１０２においては、第１の実施形態と同様、駆動部４の制御部４２からの指令に基づきドライバー４１が伸縮素子１に所定の電圧を与えることにより、伸縮素子１が伸縮変位すると、それにともなって、変位伝達機構である与圧機構５にその変位が伝達される。与圧機構５においては、伸縮素子１の変位が伝達されて、その変位がヘッドピース５１および５２から出力される。そして、その変位が移動対象部材（図示せず）に伝達される。
【００６９】
このようにアクチュエータ１０２を用いて移動対象部材を移動させる際に、歪みゲージ３により変位伝達機構としての与圧機構５の歪を検出する。このとき、歪みゲージ３により与圧機構５自体の歪が検出されるが、これは伸縮素子１の伸縮による歪を反映したものとなる。したがって、歪みゲージ３の検出値によって算出される伸縮素子１の変位または位置が目標からずれている場合には、歪みゲージ３からの検出信号に基づいて、制御部４２に送られた目標位置を補正し、それに基づいて補正された制御信号がドライバー４１に出力され、伸縮素子１の変位を補正することができる。また、伸縮素子１に過剰変位があった場合や、伸縮素子１が短絡等により伸縮変位しない場合等、伸縮素子１に異常があった場合に、警報器４３に信号を送って警報（アラーム）を発する、またはドライバー４１に停止信号を出力する等の措置を講じて伸縮素子１の破壊を回避することができる。
【００７０】
このとき、第１の実施形態と同様、伸縮素子に歪みゲージを貼る場合のような不都合が生じず、かつ、与圧機構５の異常を確実に検知することができ、変位伝達機構である与圧機構５の破壊を未然に防止することや、外力により変位伝達機構である与圧機構５の位置がずれた際に、それを検出して与圧機構５の位置を戻すことができる。
【００７１】
＜他の適用＞
以上、本発明のいくつかの実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々変形可能である。例えば、変位伝達機構は、上記実施形態に限定されるものではない。具体的には、第１の実施形態および第２の実施形態では、変位伝達機構としてヒンジを備えたヒンジ機構としてそれぞれ異なるタイプの変位拡大機構を用いた例を示したが、ヒンジを備えたヒンジ機構であれば、上記２つの変位拡大機構に限定されず、あらゆるタイプの変位拡大機構を用いることができるし、また、変位拡大機構に限らず、あらゆるタイプの変位縮小機構を用いることもできる。また、変位伝達機構として用いられる与圧機構に関しても変位を伝達する機能を有している限り、上記構成に限定されない。
【００７２】
また、上記実施形態では、それぞれ単独の変位伝達機構を用いた例を示したが、複数の変位伝達機構を用いてもよい。例えば、第３の実施形態のように、伸縮素子を与圧機構に装着し、伸縮素子が装着された与圧機構をヒンジ機構、例えば第１の実施形態や第２の実施形態のような変位拡大機構に装着する構成をとってもよい。この場合には、変位伝達機構として与圧機構とヒンジ機構の両方が用いられることとなり、歪みゲージをこれらのいずれか、または両方に用いるようにすることができる。
【符号の説明】
【００７３】
１；伸縮素子
２，２′；変位拡大機構（変位伝達機構）
３；歪みゲージ
４；駆動部
５；与圧機構（変位伝達機構）
１１，１２；ヘッドピース
１３ａ，１３ｂ，１５ａ，１５ｂ，１７ａ，１７ｂ，１９ａ，１９ｂ，３１ａ，３２ｂ，３３ａ，３３ｂ；ヒンジ
１６ａ，１６ｂ；出力部材
２０；第１部分
３０；第２部分
２１；固定部
２２；移動部
３１ａ，３１ｂ；アーム
３４ａ，３４ｂ；板ばね
３５；ヘッドピース
４１；ドライバー
４２；制御部
４３；警報器
５１，５２；ヘッドピース
５３；圧縮力付与部
１００，１０１，１０２；アクチュエータ
【図１】
0006673579.tif 000002
【図２】
0006673579.tif 000003
【図３】
0006673579.tif 000004
【図４】
0006673579.tif 000005