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JP2014204666A - Motor, control system and control method - Google Patents

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JP2014204666A
JP2014204666A JP2014074603A JP2014074603A JP2014204666A JP 2014204666 A JP2014204666 A JP 2014204666A JP 2014074603 A JP2014074603 A JP 2014074603A JP 2014074603 A JP2014074603 A JP 2014074603A JP 2014204666 A JP2014204666 A JP 2014204666A
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真一郎 塚原
ハルヒコ ハリー アサダ
Harry Asada Haruhiko
ハルヒコ ハリー アサダ
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    • H02N2/02Electric machines in general using piezoelectric effect, electrostriction or magnetostriction producing linear motion, e.g. actuators; Linear positioners ; Linear motors
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  • General Electrical Machinery Utilizing Piezoelectricity, Electrostriction Or Magnetostriction (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To improve thrust controllability of a piezoelectric motor.SOLUTION: A motor includes: a plurality of actuators having elastic characteristics and including a plurality of quantitative actuators; and a gear which converts output of the plurality of actuators into the output of a motor. The gear is formed so as to have a shape in which the movement locus with respect to the gear of an engagement part of the plurality of actuators engaged with the gear contains at least a sine wave component. The plurality of actuators are arranged at a phase interval such that at least a part of the elastic characteristics is cancelled.

Description

本発明は、モータ、制御システム及び制御方法に係り、特に圧電モータなどのモータを駆動するのに適したモータ、制御システム及び制御方法に関する。   The present invention relates to a motor, a control system, and a control method, and more particularly, to a motor, a control system, and a control method suitable for driving a motor such as a piezoelectric motor.

容量性アクチュエータは、ロボットに適用した場合にエネルギ損失を低減できる可能性がある。特にロボットの肢の場合、アクチュエータは重力荷重を支える必要がある。運動時のみに発生する運動学的な荷重に比べ、重力荷重は定常条件下であっても運動にかかわらず長時間の間連続的に作用する。   Capacitive actuators may reduce energy loss when applied to robots. Especially in the case of robot limbs, the actuator needs to support gravity loads. Compared to kinematic loads that occur only during movement, gravity loads work continuously for a long time regardless of movement, even under steady-state conditions.

電磁力などの誘導性アクチュエータは、電流が力に対応するのでエネルギを力の関数として消費する。この観点から、電磁力モータは、エネルギ効率からするとロボットの肢への適用には適していない。このような荷重条件とアクチュエータ特性との不整合が、ロボットの肢における不十分なエネルギ利用効率の原因となる。エネルギ効率は、様々な分野への適用が増加している移動型ロボットには重要である。   Inductive actuators such as electromagnetic force consume energy as a function of force because the current corresponds to the force. From this point of view, the electromagnetic force motor is not suitable for application to the limb of the robot in terms of energy efficiency. Such mismatch between the load condition and the actuator characteristics causes insufficient energy utilization efficiency in the limb of the robot. Energy efficiency is important for mobile robots that are increasingly being applied in various fields.

油圧または空気アクチュエータ及び圧電アクチュエータは、圧力や電圧などの作用状態値に応じて力またはトルクを生成する容量性アクチュエータとして捉えることができる。多くの場合、エネルギ散逸は、流体の流量や流れなどの流動状態値により生じる。これは、容量性アクチュエータにおけるエネルギ散逸が、出力される力に密接に対応しないことを意味する。このため、容量性アクチュエータは、例えばロボットの肢において十分に荷重を支えることができる。   Hydraulic or pneumatic actuators and piezoelectric actuators can be viewed as capacitive actuators that generate force or torque according to action state values such as pressure and voltage. In many cases, energy dissipation is caused by flow state values such as fluid flow and flow. This means that the energy dissipation in the capacitive actuator does not closely correspond to the output force. For this reason, the capacitive actuator can sufficiently support the load, for example, on the limb of the robot.

しかし、油圧または空気アクチュエータを駆動するのに必要なポンプのエネルギ散逸は、一般的には非常に大きい。また、空気の弾性特性のため、油圧及び空気アクチュエータは、いずれも例えば50Hzのような高速で応答して運動することは難しい。   However, the energy dissipation of the pump required to drive a hydraulic or pneumatic actuator is generally very large. Also, because of the elastic properties of air, it is difficult for both the hydraulic and pneumatic actuators to respond and move at a high speed, such as 50 Hz.

圧電素子に基づく超音波モータを含む圧電モータは、電源により効率良く駆動でき、高い力及び出力密度を有する。しかし、圧電モータの推力制御性は必ずしも満足のいくものではない。   Piezoelectric motors including ultrasonic motors based on piezoelectric elements can be efficiently driven by a power source and have high force and power density. However, the thrust controllability of a piezoelectric motor is not always satisfactory.

特開2007−120749号公報JP 2007-12049 A 特開2008−271667号公報JP 2008-271667 A

J. Torres and H. Asada, "A Non-Flexure Type Displacement Amplification Mechanism for Piezoelectric Stack Actuators Utilizing Rolling Contact Joints", 2013 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA)J. Torres and H. Asada, "A Non-Flexure Type Displacement Amplification Mechanism for Piezoelectric Stack Actuators Utilizing Rolling Contact Joints", 2013 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA)

従来、圧電モータの推力制御性は必ずしも満足のいくものではない。   Conventionally, the thrust controllability of a piezoelectric motor is not always satisfactory.

そこで、本発明は、圧電モータの推力制御性を向上できるモータ、モータ制御システム及び制御方法を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a motor, a motor control system, and a control method that can improve thrust controllability of a piezoelectric motor.

本発明の一観点によれば、弾性特性を有し複数の容量的アクチュエータを含む複数のアクチュエータと、前記複数のアクチュエータの出力をモータ出力に変換するギアを備え、前記ギアは、前記ギアと係合する前記複数のアクチュエータの係合部の前記ギアに対する移動軌跡が少なくとも正弦波成分を含む形状を有するように形成され、前記複数のアクチュエータは、前記弾性特性の少なくとも一部を打ち消すような位相間隔で配置されているモータが提供される。   According to an aspect of the present invention, the apparatus includes a plurality of actuators having elastic characteristics and including a plurality of capacitive actuators, and a gear that converts outputs of the plurality of actuators into motor outputs, and the gear is associated with the gear. A phase interval that cancels at least a part of the elastic characteristics, and the movement trajectory of the engaging portions of the plurality of actuators to be combined has a shape including at least a sine wave component. A motor arranged in is provided.

本発明の他の観点によれば、上述のモータを制御する制御システムであって、前記複数のアクチュエータに、対応する前記ギアの位相角度に応じた電圧を入力する制御システムが提供される。   According to another aspect of the present invention, there is provided a control system for controlling the motor described above, wherein a control system for inputting a voltage corresponding to a phase angle of the corresponding gear to the plurality of actuators.

本発明の更に他の観点によれば、上述のモータを制御する制御方法であって、前記複数のアクチュエータに、対応する前記ギアの位相角度に応じた電圧を入力する制御方法が提供される。   According to still another aspect of the present invention, there is provided a control method for controlling the motor described above, wherein a control method for inputting a voltage corresponding to a phase angle of the corresponding gear to the plurality of actuators.

一実施例によれば、圧電モータの推力制御性を向上できる。   According to one embodiment, the thrust controllability of the piezoelectric motor can be improved.

座屈型アクチュエータの一例を示す図、The figure which shows an example of a buckling type actuator, 一実施例における直動圧電モータの第1の例を示す図、The figure which shows the 1st example of the linear motion piezoelectric motor in one Example. ジョイント角度θに対する瞬間的変位増幅率の一例を示す図、The figure which shows an example of the instantaneous displacement gain with respect to joint angle (theta), 座屈型アクチュエータの構成を説明する図、The figure explaining the structure of a buckling type actuator, 図4に示す座屈型アクチュエータの表記を説明する図、The figure explaining the description of the buckling type actuator shown in FIG. 図4に示す座屈型アクチュエータの表記を説明する図、The figure explaining the description of the buckling type actuator shown in FIG. 機械モデルにおける座屈型アクチュエータの弾性特性を説明する図、The figure explaining the elastic characteristic of the buckling actuator in the machine model, 座屈型アクチュエータの出力特性の一例を示す図、The figure which shows an example of the output characteristic of a buckling type actuator, 接触剛性変動の一例を示す図、The figure which shows an example of contact rigidity fluctuation, ギア出力ロッドにより変換された座屈型アクチュエータの力特性の一例を示す図、The figure which shows an example of the force characteristic of the buckling type actuator converted by the gear output rod, 使用される座屈型アクチュエータ数に応じた直動圧電モータの最大出力特性の一例を示す図、The figure which shows an example of the maximum output characteristic of the linear motion piezoelectric motor according to the number of buckling type actuators used, 一実施例における制御システムの一例を示すブロック図、The block diagram which shows an example of the control system in one Example, 一実施例における制御方法を採用する制御処理の一例を説明するフローチャート、The flowchart explaining an example of the control processing which employ | adopts the control method in one Example, 一実施例における直動圧電モータの第2の例を示す図、The figure which shows the 2nd example of the linear motion piezoelectric motor in one Example. 一実施例における直動圧電モータの第3の例を示す図である。It is a figure which shows the 3rd example of the linear motion piezoelectric motor in one Example.

以下に、本発明の各実施例におけるモータ、制御システム及び制御方法を図面と共に説明する。   Hereinafter, a motor, a control system, and a control method in each embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

アクチュエータの設計時の目標の1つは、与えられた適用例に対して十分な力、変位及び速度を提供することにある。また、他も目標の1つは、出力または力密度、応答性及びエネルギ消費特性を考慮してシステム性能を向上することにある。これらの既定の特性は、典型的にはアクチュエータの設計を支配するが、アクチュエータのエネルギ消費を抑制することで大規模なエネルギ源への依存度が低くなり、余分なエネルギを消費することなく多くのアクチュエータを協調動作させることができる。これらの目標のバランスを取ることは、特定の力及び変位出力が望まれるメカトロニクス及びロボットシステムの場合特に重要であるが、モバイル装置の場合には電源が限られたエネルギ供給しかできないことがある。アクチュエータの設計のこれらの目標を同時に満足することは難しい。   One of the goals when designing an actuator is to provide sufficient force, displacement and speed for a given application. Another goal is to improve system performance considering power or force density, responsiveness and energy consumption characteristics. These predefined characteristics typically dominate the actuator design, but reducing actuator energy consumption makes it less dependent on large energy sources and much without consuming excess energy. These actuators can be coordinated. Balancing these goals is particularly important for mechatronics and robotic systems where a specific force and displacement output is desired, but in the case of mobile devices, the power supply may only provide a limited energy supply. It is difficult to satisfy these goals of actuator design at the same time.

ロボット及びメカトロニクスシステム用に開発された、力及び変位の密度を最大化する多くの従来のアクチュエータは、同時に高速応答性と低消費電力を同時に実現できない。これらの従来のアクチュエータは、一般的には誘電性または容量性のアクチュエータとみなされる。典型的には高い帯域幅を有する磁気力モータなどの誘電性のアクチュエータでは、トルク出力は電流の関数であり、アクチュエータ速度にかかわらず大きなトルクが提供される場合には消費電力が高くなる。代わりに、油圧及び空気アクチュエータなどの容量性のアクチュエータは、典型的には低い帯域幅で動作するものの、圧力などの作用変数の関数として力を出力する。従って、これらのアクチュエータは、小またはゼロ変位量の力を提供する場合は限られたエネルギしか消費しない。これにより、例えば、大きな重力または他の静的荷重を動作中長期間支えなければならない地上設置型ロボットのエネルギ効率を向上できる。   Many conventional actuators developed for robots and mechatronic systems that maximize the density of forces and displacements cannot simultaneously achieve high speed response and low power consumption. These conventional actuators are generally regarded as dielectric or capacitive actuators. For dielectric actuators such as magnetic force motors that typically have a high bandwidth, the torque output is a function of current and power consumption is high when large torque is provided regardless of actuator speed. Instead, capacitive actuators such as hydraulic and pneumatic actuators typically operate at a low bandwidth, but output force as a function of an action variable such as pressure. Thus, these actuators consume limited energy when providing a small or zero displacement amount of force. This can improve, for example, the energy efficiency of a ground-mounted robot that must support large gravity or other static loads for long periods of time during operation.

圧電アクチュエータは、10kHzを超える高い動作帯域幅及び約10W/mの出力密度を提供可能な容量性のアクチュエータの一種である。圧電アクチュエータのこれらの重要な性能のため、音響、振動制御及び精密位置決めのような小規模な適用例で圧電アクチュエータを使用する機会が増えている。一方、圧電アクチュエータの出力ストロークは、依然として極めて小さい。例えばPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)などの圧電スタックアクチュエータで実現できる増幅されないひずみは、0.1%のオーダである。このような小さなひずみのため、実現できる変位量は4×10−2mmのオーダであり、典型的なロボットまたはメカトロニクスへの適用には不十分であり、変位増幅装置を使用する必要がある。 Piezoelectric actuators are a type of capacitive actuator that can provide a high operating bandwidth in excess of 10 kHz and a power density of about 10 8 W / m. Because of these important performances of piezoelectric actuators, there are increasing opportunities to use piezoelectric actuators in small applications such as acoustics, vibration control and precision positioning. On the other hand, the output stroke of the piezoelectric actuator is still very small. The unamplified strain that can be achieved with a piezoelectric stack actuator such as PZT (lead zirconate titanate) is on the order of 0.1%. Due to such a small strain, the amount of displacement that can be realized is on the order of 4 × 10 −2 mm, which is insufficient for application to a typical robot or mechatronics, and it is necessary to use a displacement amplifier.

圧電ひずみの増幅は、一般的には内的レバレッジ設計、外的レバレッジ設計及び周波数レバレッジ設計に分類される。スタック、ベンダ及びユニモルフアクチュエータなどの内的レバレッジアクチュエータは、変位増幅のために圧電材料の幾何学的配置を適切に選定している。ストローク出力は、アクチュエータの内部剛性により制限される。スタックアクチュエータは、高出力密度を維持できる、構成が簡単であり効果的な内的レバレッジアクチュエータであり、外的レバレッジ機構及び周波数レバレッジ機構の両方の構成ブロックとして使用できる。   Piezoelectric strain amplification is generally classified into internal leverage design, external leverage design, and frequency leverage design. Internal leverage actuators such as stack, vendor and unimorph actuators have appropriately selected the piezoelectric material geometry for displacement amplification. Stroke output is limited by the internal stiffness of the actuator. A stack actuator is a simple and effective internal leverage actuator that can maintain a high power density and can be used as a building block for both external and frequency leverage mechanisms.

USM(超音波モータ)としても知られている周波数レバレッジ機構では、圧電アクチュエータは摩擦駆動によりアクチュエータ出力に動きを加えるために共振周波数で駆動される。回転型USMの場合、この出力は制限のない回転となる一方、直動装置においては「インチワーム」運動を用いてトラックに沿って摺動するように変位量を増幅する。USMは、直接駆動モータとして動作するため、一般的には低速であり高トルクである。しかし、駆動力及びトルクは、摩擦駆動材料の摩耗による悪影響を受ける可能性がある。   In a frequency leverage mechanism, also known as USM (ultrasonic motor), the piezoelectric actuator is driven at a resonant frequency to add motion to the actuator output by friction drive. In the case of the rotary USM, this output is an unrestricted rotation, while the linear motion device uses an “inch worm” motion to amplify the displacement so as to slide along the track. Since USM operates as a direct drive motor, it is generally low speed and high torque. However, the driving force and torque can be adversely affected by wear of the friction drive material.

フレクステンショナルアクチュエータを含む、数種類の外的レバレッジまたは機械的増幅アクチュエータが提案されている。これらのアクチュエータは、典型的にはスタックアクチュエータ構成ブロックの変位増幅量より振幅のオーダが1桁大きい変位増幅を生成できる。近年の外的レバレッジの研究は、非線形構造の座屈を有効利用する増幅機構について行われており、このような非線形構造の座屈によればアクチュエータ1段により振幅のオーダが2桁大きい変位増幅を実現できる。   Several types of external leverage or mechanical amplification actuators have been proposed, including flexural actuators. These actuators are typically capable of generating displacement amplification that is an order of magnitude larger in magnitude than the displacement amplification amount of the stack actuator building block. In recent years, external leverage research has been conducted on an amplification mechanism that effectively utilizes the buckling of a nonlinear structure. According to such a buckling of a nonlinear structure, a displacement amplification in which the order of amplitude is two orders of magnitude larger by one stage of the actuator. Can be realized.

図1は、座屈型アクチュエータの一例を示す図である。座屈型アクチュエータ500は、一対の圧電素子501、サイドブロック600及び出力ノード(または、キーストーン)514を含む。各圧電素子501は、一端がサイドブロック600に連結され、他端が出力ノード514を介して他の圧電素子501に連結されている。圧電素子501とサイドブロック600との間のジョイントは、ローリングジョイント(または、回転継ぎ手)であり、圧電素子501と出力ノード514との間のジョイントは、ローリングジョイントである。圧電素子501は、説明の便宜上、円柱で示されている。   FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a buckling actuator. The buckling actuator 500 includes a pair of piezoelectric elements 501, a side block 600 and an output node (or keystone) 514. Each piezoelectric element 501 has one end connected to the side block 600 and the other end connected to another piezoelectric element 501 via an output node 514. The joint between the piezoelectric element 501 and the side block 600 is a rolling joint (or a rotary joint), and the joint between the piezoelectric element 501 and the output node 514 is a rolling joint. The piezoelectric element 501 is shown as a cylinder for convenience of explanation.

圧電素子501は、活性化されると図1中破線で示す位置まで移動し、出力ノード514をy方向へ移動する。これにより、座屈型アクチュエータ500は、出力ノード514の単極性ストローク505または双極性ストローク506を生成して後述する非線形な力出力を生成する座屈型増幅機構を形成する。出力変位方向の制御は、後述する追加の制約により管理可能である。   When activated, the piezoelectric element 501 moves to the position indicated by the broken line in FIG. 1 and moves the output node 514 in the y direction. Thereby, the buckling actuator 500 forms a buckling amplification mechanism that generates a unipolar stroke 505 or a bipolar stroke 506 of the output node 514 and generates a non-linear force output described later. Control of the output displacement direction can be managed by additional restrictions described later.

圧電素子501は、従来の容量性アクチュエータと同様の制約を生じさせる。しかし、座屈型増幅機構を形成する圧電素子501は、1つ上のレベルの性能を示す。一実施例における効率的で力密度の高い直動圧電モータの設計及び解析について、以下に説明する。直動圧電モータは、ギア歯を有するロッド(以下、「ギア出力ロッド」とも言う)と係合する複数の座屈型アクチュエータ500を用いて構成される。ギア出力ロッドについては、図2と共に後述する。複数の座屈型アクチュエータ500は、ギア出力ロッドに沿って所定の位相差で配置されており、複数の座屈型アクチュエータ500の動きを調整することでロッド位置にかかわらず略一定の力を発生する。複数の座屈型アクチュエータ500により形成された転がり接触座屈型機構は、高エネルギ伝達率で座屈型アクチュエータ500からギア出力ロッドへの損失が低い特性を持ち、大きな変位増幅量を提供できる。この直動圧電モータは、容量性アクチュエータの特性を有し、効率的に静的荷重を支えることができる。また、ポリアクチュエータアーキテキチャを含む直動圧電モータのアクチュエータアーキテキチャは、モジュラな設計により柔軟に機能や性能を向上できる。   The piezoelectric element 501 causes the same restrictions as the conventional capacitive actuator. However, the piezoelectric element 501 that forms the buckling type amplification mechanism exhibits a level of performance that is one level higher. The design and analysis of an efficient, high force density linear motion piezoelectric motor in one embodiment is described below. The linear motion piezoelectric motor includes a plurality of buckling actuators 500 that engage with rods having gear teeth (hereinafter also referred to as “gear output rods”). The gear output rod will be described later with reference to FIG. The plurality of buckling actuators 500 are arranged with a predetermined phase difference along the gear output rod, and a substantially constant force is generated regardless of the rod position by adjusting the movement of the plurality of buckling actuators 500. To do. The rolling contact buckling mechanism formed by a plurality of buckling actuators 500 has a high energy transfer rate and low loss from the buckling actuators 500 to the gear output rod, and can provide a large displacement amplification amount. This direct acting piezoelectric motor has the characteristics of a capacitive actuator and can efficiently support a static load. In addition, the actuator architecture of the direct acting piezoelectric motor including the polyactuator architecture can be flexibly improved in function and performance by a modular design.

先ず、座屈型増幅機構のPAS(Phased Array Shaped)ギア出力ロッドへの係合について、出力される力と変位特性の解析と共に説明する。   First, engagement of the buckling type amplification mechanism with a PAS (Phased Array Shaped) gear output rod will be described together with an analysis of output force and displacement characteristics.

直動圧電モータは、好ましくは出力密度の高い圧電素子を含むアクチュエータにより駆動され、標準的なロボット及びメカトロニクスで求められる力の要件、大きな変位量及び静的荷重保持時の低エネルギ消費を実現する。直動圧電モータは、好ましくは以下の追加の制約i)乃至vi)を満足する。   Direct-acting piezoelectric motors are preferably driven by actuators containing piezoelectric elements with high power density to achieve the force requirements, large displacements and low energy consumption when holding static loads required by standard robots and mechatronics . The direct acting piezoelectric motor preferably satisfies the following additional constraints i) to vi).

i) 長いストローク出力、
ii) 高い出力密度の出力、
iii)電力を略使用することなく、どのアクチュエータ出力位置においても静的荷重を支えることのできる高エネルギ効率、
iv) 典型的な周波数レバレッジアクチュエータを超える力の制御性、
v) 個々の機械的仕事素子の故障によりアクチュエータ機能が損なわれない故障許容力、及び
vi) 逆駆動の際のモータストロークインピーダンスが最小化される逆駆動性。
i) Long stroke output,
ii) High power density output,
iii) High energy efficiency that can support static load at any actuator output position without using almost electric power,
iv) Force controllability over typical frequency leverage actuators,
v) Fault tolerance that does not impair actuator function due to individual mechanical work element failures, and
vi) Reverse drive performance that minimizes motor stroke impedance during reverse drive.

直動圧電モータは、線形形状のギア出力ロッドと接続する転がり接触座屈型機構の位相を有する双極性の活性化により動作する。座屈型機構を介した座屈型アクチュエータの往復力により、図2に示すように、線形形状のギア出力ロッドの波状溝に垂直な力入力を印加する。   Linear motion piezoelectric motors operate by bipolar activation with the phase of a rolling contact buckling mechanism connected to a linear shaped gear output rod. As shown in FIG. 2, a force input perpendicular to the wavy groove of the linear gear output rod is applied by the reciprocating force of the buckling actuator via the buckling mechanism.

図2は、一実施例における直動圧電モータの第1の例を示す図である。直動圧電モータは、図2に示すように、正弦波形状のギア(または、カム)を有するPAS線形ギア出力ロッド520に接続された複数の座屈型アクチュエータ500乃至500を含み、座屈型アクチュエータ500乃至500の位相を有する双極性アクチュエータにより駆動される。複数の座屈型アクチュエータ500乃至500は、座屈型アクチュエータ500乃至500の出力をモータ出力に変換するギア出力ロッド520のギア(または、カム)に対して一定の位相間隔で配置されている。 FIG. 2 is a diagram illustrating a first example of a linear motion piezoelectric motor in one embodiment. The linear motion piezoelectric motor includes a plurality of buckling actuators 500 1 to 500 N connected to a PAS linear gear output rod 520 having a sinusoidal gear (or cam) as shown in FIG. It is driven by a bipolar actuator having a phase of the bent actuator 500 1 to 500 N. The plurality of buckling actuators 500 1 to 500 N are arranged at a constant phase interval with respect to the gear (or cam) of the gear output rod 520 that converts the output of the buckling actuators 500 1 to 500 N into a motor output. Has been.

座屈型アクチュエータ500を形成する複数の圧電素子501の力に基づく出力ノード514の往復運動は、出力ノード514のフォロワ522を介してギア出力ロッド520の波状溝に垂直な力Fyiを印加する。ギア出力ロッド520のギア(または、カム)は、ギア出力ロッド520のギア(または、カム)と係合する座屈型アクチュエータ500の係合部の一例である出力ノード514の移動軌跡が、ギア出力ロッド520のギア(または、カム)に対して正弦波形状となるような形状を有する。座屈型アクチュエータ500乃至500とギア出力ロッド520の組み合わせにより、動作時に高いモータ出力効率を得ることができ、その容量的性質により静的保持時のエネルギ消費を低くすることもできる。座屈型アクチュエータ500からギア出力ロッド520に伝達される力Fxiに含まれる力のリップルまたは非線形性は、他の座屈型アクチュエータの位相制御により打ち消すことが可能である。つまり、ゼロの力を伝達するノードと、出力される力が変化する領域とを、強める干渉または弱める干渉を用いる方法により組み合わせることで、有効出力の力を円滑なものとすることができる。また、複数の座屈型アクチュエータ500乃至500を並行して動作させることで、出力される力を増大させると共に、圧電素子510、座屈型アクチュエータ500または力伝達部品の一部が故障した場合に、冗長性と故障許容力を提供できる。 The reciprocating motion of the output node 514 based on the force of the plurality of piezoelectric elements 501 forming the buckling actuator 500 i causes a force F yi perpendicular to the wavy groove of the gear output rod 520 via the follower 522 i of the output node 514. Apply. The gear (or cam) of the gear output rod 520 has a movement locus of an output node 514 i that is an example of an engagement portion of the buckling actuator 500 i that engages with the gear (or cam) of the gear output rod 520. The gear output rod 520 has a shape that is sinusoidal with respect to the gear (or cam). By combining the buckling actuators 500 1 to 500 N and the gear output rod 520, high motor output efficiency can be obtained during operation, and energy consumption during static holding can be reduced due to its capacitive properties. The ripple or non-linearity of the force included in the force F xi transmitted from the buckling actuator 500 i to the gear output rod 520 can be canceled by phase control of other buckling actuators. In other words, the effective output force can be made smooth by combining the node transmitting zero force and the region where the output force changes by a method using the interference that increases or decreases. Further, by operating the plurality of buckling actuators 500 1 to 500 N in parallel, the output force is increased, and part of the piezoelectric element 510, the buckling actuator 500, or the force transmission component has failed. In some cases, redundancy and fault tolerance can be provided.

図2中、φ(i=2についてのみ示す)は、i番目の座屈型アクチュエータ500のレイアウト位置を示し、xは直動圧電モータのギア位置を示し、yは座屈型アクチュエータ500の出力変位量を示し、Ψは直動圧電モータの出力位置を示し、λはフォロワ522の中心の移動軌跡の1サイクルの長さを示し、Fは右方向へ連続したギア力を示す。 In FIG. 2, φ i (shown only for i = 2) indicates the layout position of the i-th buckling actuator 500 i , x indicates the gear position of the direct-acting piezoelectric motor, and y indicates the buckling actuator 500. i represents the output displacement amount, Ψ represents the output position of the linear motion piezoelectric motor, λ represents the length of one cycle of the movement trajectory of the center of the follower 522 i , and F x represents the continuous gear force in the right direction. Show.

アクチュエータアーキテキチャの構成ブロックには、上記非特許文献1にて提案されている転がり接触、座屈及び変位増幅機構を用いることができる。この提案されている変位増幅機構は、圧電素子とモータの外部負荷との間で機械的仕事を高い割合で伝達できる。この提案されている変位増幅機構と上記の如き形状のギア出力ロッド520をと組み合わせることで、動作時の線形モータ出力の効率を高くすることができ、容量的性質は静的保持時のエネルギ消費を低くすることができる
上記非特許文献1は、転がり接触ジョイント及び提案されている変位増幅機構のフレーム構造の構造上の弾性の悪影響についても説明している。本実施例では、転がり接触の剛性は、座屈型アクチュエータによる力の出力及びフレーム剛性を向上するために向上させる。以下に、いくつかの転がり接触の幾何学的配置について検討する。
As the constituent blocks of the actuator architecture, the rolling contact, buckling and displacement amplification mechanisms proposed in Non-Patent Document 1 can be used. This proposed displacement amplification mechanism can transmit mechanical work at a high rate between the piezoelectric element and the external load of the motor. By combining this proposed displacement amplification mechanism with the gear output rod 520 having the shape as described above, the efficiency of linear motor output during operation can be increased, and the capacitive property is energy consumption during static holding. The above-mentioned Non-Patent Document 1 also describes the adverse effects of the structural elasticity of the rolling contact joint and the frame structure of the proposed displacement amplification mechanism. In this embodiment, the rigidity of the rolling contact is improved in order to improve the force output by the buckling actuator and the frame rigidity. In the following, some rolling contact geometries are considered.

フレーム構造に起因する2次的な構造弾性は、荷重方向に沿って材料の剛性が増加する非等方性材料を用いることで向上できる。本実施例は、高弾性率のカーボンファイバの主荷重構造を用いる。   Secondary structural elasticity resulting from the frame structure can be improved by using an anisotropic material that increases the stiffness of the material along the load direction. This embodiment uses a main load structure of a carbon fiber having a high elastic modulus.

圧電モータのモジュラなポリアクチュエータアーキテキチャは、以下の機能を提供することができる。第1に、複数の座屈型アクチュエータを並行に使用することで、線形モータ力の出力を高解像度で制御することができる。座屈型アクチュエータに伝達される力のリップルまたは非線形性は、他の座屈型アクチュエータの位相制御により打ち消すことが可能である。つまり、ゼロの力を伝達するノードと、出力される力が変化する領域とを、強める干渉または弱める干渉を用いる方法により組み合わせることで、有効出力の力を円滑なものとすることができる。第2に、複数の座屈型アクチュエータを並行して動作させることで、出力される力を増大させると共に、圧電素子、座屈型アクチュエータまたは力伝達部品の一部が故障した場合に、冗長性と故障許容力を提供できる。   The modular polyactuator architecture of a piezoelectric motor can provide the following functions: First, by using a plurality of buckling actuators in parallel, the output of the linear motor force can be controlled with high resolution. The ripple or non-linearity of the force transmitted to the buckling actuator can be canceled out by phase control of other buckling actuators. In other words, the effective output force can be made smooth by combining the node transmitting zero force and the region where the output force changes by a method using the interference that increases or decreases. Secondly, by operating a plurality of buckling actuators in parallel, the output force is increased, and when some of the piezoelectric elements, buckling actuators or force transmission components fail, the redundancy is increased. And can provide fault tolerance.

座屈増幅機構の双極性の動きを有効利用するには、出力ノードにおける往復変位とギア出力ロッドへの非線形な力の印加を処理する必要がある。ギア出力ロッドへの力のリップルを最小化して駆動するべき負荷に円滑な力を入力するために、ギア出力ロッドの位相形状のパラメータを制御する。また、アクチュエータの力の出力と座屈型機構の力の出力との間で座屈増幅機構において機械的な伝動が起こるが、ギア出力ロッドのギアのピッチの長さと振幅を調整することで、さらに向上された機械的な伝動が可能となる。   In order to effectively use the bipolar movement of the buckling amplification mechanism, it is necessary to handle the reciprocal displacement at the output node and the application of a non-linear force to the gear output rod. In order to input a smooth force to the load to be driven while minimizing the ripple of force on the gear output rod, the phase shape parameter of the gear output rod is controlled. In addition, mechanical transmission occurs in the buckling amplification mechanism between the output of the force of the actuator and the output of the force of the buckling type mechanism, but by adjusting the length and amplitude of the gear pitch of the gear output rod, Further improved mechanical transmission is possible.

ギア出力ロッドを駆動するには座屈増幅機構の双極性の動きが必要となるため、座屈型アクチュエータの出力方向は、適切なロッド位置で所定方向に移動するように制御する必要がある。各座屈型機構における運動特異点、即ち、座屈特異点は、決定論的なものとはならないため、上記所定方向または方向性は、外部から制御しなければならない。外部制御は、座屈型機構の出力とギア出力ロッドの形状面との間の連続的な接触係合により実現できる。座屈特異点から離れた領域では、座屈型機構の動きは決定論的でありギア出力ロッドを駆動する。座屈特異点では、ギア出力ロッドの動きが特異点を横切って略ゼロのインピーダンスで座屈型機構を付勢する。座屈型アクチュエータの出力方向は、その後再度決定論的となる。   Since the bipolar output of the buckling amplification mechanism is required to drive the gear output rod, the output direction of the buckling actuator needs to be controlled to move in a predetermined direction at an appropriate rod position. Since the motion singularity in each buckling mechanism, that is, the buckling singularity, is not deterministic, the predetermined direction or direction must be controlled from the outside. External control can be achieved by continuous contact engagement between the output of the buckling mechanism and the shape surface of the gear output rod. In the region away from the buckling singularity, the movement of the buckling mechanism is deterministic and drives the gear output rod. At the buckling singularity, the gear output rod moves across the singularity to energize the buckling mechanism with substantially zero impedance. The output direction of the buckling actuator then becomes deterministic again.

次に、図2に示す直動圧電モータの座屈型アクチュエータの力特性について、図2と共に説明する。直動圧電モータの静的出力の力Fは、一般的には次式(1)で表すことができ、ここで、iはi番目の座屈型アクチュエータ500、Nは座屈型アクチュエータ500乃至500の数の最大値、Ψはギア出力ロッド520の位相角度で表される直動圧電モータの出力位置、φはギア出力ロッド520の位相角度におけるi番目の座屈型アクチュエータ500のレイアウト位置、Fxiはi番目の座屈型アクチュエータ500の直動圧電モータの出力する力への付勢力、Gはギア出力ロッド520のプロファイルに沿った座屈型アクチュエータ500のフォロワ522の中心の移動軌跡、Rは直動圧電モータの実際の出力位置xに対する移動軌跡Gの傾斜角度、Fyiはi番目の座屈型アクチュエータ500の出力する力、uはi番目の座屈型アクチュエータ500に対する入力、λは実際の出力位置の移動軌跡Gの1サイクルの長さを示す。 Next, force characteristics of the buckling actuator of the direct acting piezoelectric motor shown in FIG. 2 will be described with reference to FIG. The force F x of the static output of the direct acting piezoelectric motor can be generally expressed by the following equation (1), where i is the i-th buckling actuator 500 i and N is the buckling actuator. The maximum value of the numbers 500 1 to 500 N , Ψ is the output position of the linear motion piezoelectric motor represented by the phase angle of the gear output rod 520, and φ i is the i th buckling actuator at the phase angle of the gear output rod 520 The layout position of 500 i , F xi is the biasing force of the i-th buckling actuator 500 i to the output force of the linear motion piezoelectric motor, and G is the follower of the buckling actuator 500 along the profile of the gear output rod 520. 522 i , the movement locus of the center of i , R is the inclination angle of the movement locus G with respect to the actual output position x of the linear motion piezoelectric motor, F yi is the output of the i-th buckling actuator 500 i , U i is an input to the i-th buckling actuator 500 i , and λ is the length of one cycle of the movement locus G of the actual output position.

Figure 2014204666
座屈型アクチュエータ500乃至500は、ギア出力ロッド520を介して並行に接続されているので、座屈型アクチュエータ500乃至500の全ての出力はギア出力ロッド520による変換後に加算される。上記の式(1)は、直動圧電モータの設計に以下の4つの自由度a)乃至d)があることを表している。
Figure 2014204666
Since the buckling actuators 500 1 to 500 N are connected in parallel via the gear output rod 520, all outputs of the buckling actuators 500 1 to 500 N are added after conversion by the gear output rod 520. . The above equation (1) indicates that the linear motion piezoelectric motor has the following four degrees of freedom a) to d).

a) 座屈型アクチュエータ500乃至500の特性、
b) ギア出力ロッド520のギア形状により決定される移動軌跡G、
c) ギア出力ロッド520に対する座屈型アクチュエータ500乃至500のレイアウト、
d) 座屈型アクチュエータ500乃至500への入力。
a) Characteristics of buckling actuators 500 1 to 500 N ;
b) A movement locus G determined by the gear shape of the gear output rod 520,
c) layout of buckling actuators 500 1 to 500 N for gear output rod 520;
d) Input to buckling actuators 500 1 to 500 N.

上記の式(1)は、全ての座屈型アクチュエータ500乃至500がギア出力ロッド520を介して相互作用を有することも表している。例えば、Nの値が小さいと、ギア出力ロッド520を介した座屈型アクチュエータ500乃至500の相互作用を考慮する。一方、Nの値が大きいと、座屈型アクチュエータ500乃至500のグループのインピーダンスは各座屈型アクチュエータ500乃至500の個々のインピーダンスより大きいので、各座屈型アクチュエータ500乃至500とギア出力ロッド520の個々の相互作用を考慮する。 The above formula (1) also indicates that all buckling actuators 500 1 to 500 N have an interaction through the gear output rod 520. For example, when the value of N is small, the interaction of the buckling actuators 500 1 to 500 N via the gear output rod 520 is considered. On the other hand, when the value of N is large, the impedance of a group of seats屈型actuator 500 1 through 500 N is greater than the individual impedances of the seat屈型actuators 500 1 to 500 N, each seat屈型actuators 500 1 to 500 Consider the individual interaction between N and the gear output rod 520.

次に、座屈型アクチュエータの幾何学的特性について説明する。座屈型アクチュエータは、例えば上記非特許文献1に説明された解析方法により解析することができる。図1に示す座屈型アクチュエータにおいて、理想的な強固なベース構造及び理想的なジョイントを有すると仮定すると、ジョイント角度θに対する瞬間的変位増幅率Rは、次式(2)に基づいて求めることができる。 Next, the geometric characteristics of the buckling actuator will be described. The buckling actuator can be analyzed by the analysis method described in Non-Patent Document 1, for example. In the seat屈型actuator shown in FIG. 1, assuming to have an ideal rigid base structure and an ideal joint, the instantaneous displacement amplification factor R B for the joint angle θ is determined based on the following equation (2) be able to.

Figure 2014204666
図3は、ジョイント角度θに対する瞬間的変位増幅率Rの一例を示す図である。
Figure 2014204666
Figure 3 is a diagram showing an example of instantaneous displacement amplification factor R B for a joint angle theta.

特異点の存在により、局所的に無限の増幅が理論的にはゼロ角度/変位量の構成において発生する。この直動圧電モータの構成によれば、特異点の近傍では、他の1段のレバレッジ機構と比べて非常に大きな増幅率を得ることができる。   Due to the presence of singularities, locally infinite amplification theoretically occurs in a zero angle / displacement configuration. According to the configuration of this linear motion piezoelectric motor, a very large amplification factor can be obtained in the vicinity of the singular point as compared with the other one-stage leverage mechanism.

次に、図1において出力ノード514と圧電素子501との間、及び圧電素子501と各再度ブロック600との間に設けられたジョイント機構について、図4、図5A及び図5Bと共に説明する。図4は、座屈型アクチュエータ500の構成を説明する図である。図4中、図1と同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。説明の便宜上、ジョイント501Rc,501Re,501Le,501Lcは同じ半径rの丸い、または、半球状の形状を有し、出力ノード514及びサイドブロック600R,600Lは同じ半径rの丸い、または、半球状の形状を有する。対称的なアクチュエータ構造のため、出力ノード514は図4において回転することなく出力軸D1の方向に移動することができる。 Next, a joint mechanism provided between the output node 514 and the piezoelectric element 501 in FIG. 1 and between the piezoelectric element 501 and each block 600 will be described with reference to FIGS. 4, 5A, and 5B. FIG. 4 is a diagram illustrating the configuration of the buckling actuator 500. 4, the same parts as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted. For convenience of explanation, the joint 501Rc, 501Re, 501Le, 501Lc round is of the same radius r 2, or have a hemispherical shape, the output node 514 and the side blocks 600R, 600L round is of the same radius r 1, or, a hemispherical It has a shape. Due to the symmetrical actuator structure, the output node 514 can move in the direction of the output axis D1 without rotating in FIG.

図5A及び図5Bは、図4に示す座屈型アクチュエータ500の表記を説明する図である。図5Aは圧電素子501Lの水平状態を示し、図5は圧電素子501Lの活性化された、傾斜状態を示す。図5A及び図5Bにおいて、dはジョイント501Le,501Lcの曲率半径の中心間の距離を示し、zは圧電素子501Lの変位量を示し、bはジョイント501Le,501Lcの接触点CP1,CP2における垂線間の距離を示す。   5A and 5B are diagrams for explaining the notation of the buckling actuator 500 shown in FIG. 5A shows the horizontal state of the piezoelectric element 501L, and FIG. 5 shows the activated and inclined state of the piezoelectric element 501L. 5A and 5B, d indicates the distance between the centers of the curvature radii of the joints 501Le and 501Lc, z indicates the amount of displacement of the piezoelectric element 501L, and b indicates the distance between the perpendiculars at the contact points CP1 and CP2 of the joints 501Le and 501Lc. Indicates the distance.

距離dと変位量zの和がゼロ(0)であると、距離bも同じくゼロ(0)になる。しかし、変位量zは圧電素子501Lの活性化に応じて変化し、距離dは一定であるため、全ての動作状態において距離bをゼロ(0)に保つことはできない。距離bはゼロ(0)ではなく、システムにおける相互作用の力がゼロ(0)ではないと、ジョイント501Leとサイドブロック600Lとの間及びジョイント501Lcと出力ノード514との間の接触点CP1,CP2において摩擦力が発生し、接触点CP1,CP2に作用する垂線方向の力と距離bにより、モーメントと力のバランスを維持することができる。結果的に得られる相互作用の力をF、接触点CP1,CP2間の距離をL、接触点CP1とサイドブロック600Lの曲率半径の中心を繋ぐ仮想線と水平軸とがなす角度をθで示すと、摩擦力FFricは次式(3)から求めることができる。 If the sum of the distance d and the displacement amount z is zero (0), the distance b is also zero (0). However, since the displacement amount z changes according to the activation of the piezoelectric element 501L and the distance d is constant, the distance b cannot be kept at zero (0) in all operating states. If the distance b is not zero (0) and the interaction force in the system is not zero (0), the contact points CP1, CP2 between the joint 501Le and the side block 600L and between the joint 501Lc and the output node 514 A frictional force is generated at, and the balance between the moment and the force can be maintained by the normal force and the distance b acting on the contact points CP1 and CP2. The resulting interaction force is F z , the distance between the contact points CP1 and CP2 is L, and the angle between the imaginary line connecting the contact point CP1 and the center of the radius of curvature of the side block 600L and the horizontal axis is θ. As shown, the frictional force F Fric can be obtained from the following equation (3).

Figure 2014204666
摩擦は、接触点CP1,CP2における滑りを引き起こすモーメントを打ち消すことができる。しかし、転がり接触の場合は微小な滑りが起こること、及び、微小な滑りは各動作毎に蓄積されることは、既に知られている。座屈動作を不安定にする滑りを防止するため、距離dをゼロ(0)に設定してz<<Lにより摩擦を無視できる程度に小さいθの領域に低減しても良い。この条件が、ジョイント501Le,501Lcの曲率半径の中心が同一であることを表すことは、次式(4)から確認することができる。次式(4)は、例えば0.1ラジアン未満といった、無視できる程度に小さいθの領域において、三角関数の近似により定義することができる。
Figure 2014204666
Friction can counteract the moment that causes slip at the contact points CP1, CP2. However, it is already known that a minute slip occurs in the case of rolling contact, and that a minute slip is accumulated for each operation. In order to prevent slippage that makes the buckling operation unstable, the distance d may be set to zero (0) and reduced to a region of θ that is small enough to ignore friction by z << L. It can be confirmed from the following formula (4) that this condition represents that the centers of the curvature radii of the joints 501Le and 501Lc are the same. The following equation (4) can be defined by approximation of a trigonometric function in a region of θ that is negligibly small, for example, less than 0.1 radians.

Figure 2014204666
座屈型アクチュエータ500における予荷重については、関連した制約がある。第1の制約は、圧電素子501R,501Lの出力を最大化することである。この例において用いられている圧電素子501R,501Lは、圧電セラミックと電極の薄膜が積層されているので、圧電素子501R,501Lは、許容圧縮力に比べて大きな引張力に対する耐性が不十分である可能性がある。しかし、十分に大きな予荷重の力が印加されると、結果的に得られる圧電素子501R,501Lの力及び予荷重の力により、高い引張力及び高い圧縮力を許容し、座屈型アクチュエータ500から圧縮力及び引張力の両方を出力させることができる。第2の制約は、各圧電素子501R,501Lの全ての変位領域において一定の力を維持することであり、これは、予荷重の剛性が出力変位量を減少させ、各圧電素子501R,501Lから抽出可能な仕事が減少してしまうからである。第3の制約は、各接触面に作用する圧縮力を維持することであり、これは、各接触面に作用する圧縮力を維持することで摩擦力により圧電素子501R,501L及び出力ノード514の位置を保持できるからである。第4の制約は、接触面における非線形剛性を利用して直列的な弾性を低減することである。
Figure 2014204666
There are related constraints on the preload in the buckling actuator 500. The first constraint is to maximize the output of the piezoelectric elements 501R and 501L. Since the piezoelectric elements 501R and 501L used in this example are formed by laminating a piezoelectric ceramic and an electrode thin film, the piezoelectric elements 501R and 501L have insufficient resistance to a large tensile force as compared with an allowable compressive force. there is a possibility. However, if a sufficiently large preload force is applied, the resulting piezoelectric elements 501R and 501L and the preload force allow a high tensile force and a high compressive force, and the buckling actuator 500 Thus, both the compressive force and the tensile force can be output. The second constraint is that a constant force is maintained in all the displacement regions of the piezoelectric elements 501R and 501L. This is because the rigidity of the preload decreases the output displacement amount, and the piezoelectric elements 501R and 501L This is because the work that can be extracted is reduced. The third constraint is to maintain the compressive force acting on each contact surface. This is because the friction force causes the piezoelectric elements 501R and 501L and the output node 514 to maintain the compressive force acting on each contact surface. This is because the position can be maintained. The fourth constraint is to reduce the series elasticity by using the non-linear stiffness at the contact surface.

上記の各制約を満足させるには、図6に示すように、線形予荷重補償バネ(PCS)kPCSを機械モデルにおける出力ノード514に接続し、フレーム624と各サイドブロック600R,600Lとの間に水平に予荷重の力FPLを印加する。図6は、機械モデルにおける座屈型アクチュエータ500の弾性特性を説明する図である。 To satisfy each of the above constraints, as shown in FIG. 6, a linear preload compensation spring (PCS) k PCS is connected to the output node 514 in the machine model, and between the frame 624 and each side block 600R, 600L. A preload force FPL is applied horizontally to. FIG. 6 is a diagram illustrating the elastic characteristics of the buckling actuator 500 in the machine model.

予荷重は、出力ノード514とサイドブロック600R,600L間の短縮された距離により生成される。圧電素子501R,501Lの変位量は、出力ノード514とサイドブロック600R,600L間の距離に比べると小さいので、ジョイント501Le,501Lc,501Re,501Rcの変位量は、曲率半径の中心が同一であるジョイント501Le,501Lc,501Re,501Rcの直径の変化とみなすことができる。この結果、予荷重の力FPLとPCSkPCSにより生成された力との間の力のバランスは、次式(5)で表すことができる。ここで、Lは出力ノード514の中心と各サイドブロック600R,600Lの中心との間の距離を示す。予荷重の力FPLとPCSkPCSとの間の関係は、三角関数の近似により次式(6)で表すことができる。 The preload is generated by the shortened distance between the output node 514 and the side blocks 600R and 600L. Since the displacement amounts of the piezoelectric elements 501R and 501L are smaller than the distance between the output node 514 and the side blocks 600R and 600L, the displacement amounts of the joints 501Le, 501Lc, 501Re, and 501Rc are joints having the same center of curvature radius. It can be regarded as a change in the diameter of 501Le, 501Lc, 501Re, and 501Rc. As a result, the balance of forces between the forces generated by the preload force F PL and PCSK PCS can be expressed by the following equation (5). Here, L represents the distance between the center of the output node 514 and the center of each side block 600R, 600L. Relationship between the preload force F PL and PCSK PCS may be due approximation of a trigonometric function expressed by the following equation (6).

Figure 2014204666
Figure 2014204666

Figure 2014204666
図6に示す弾性の、機械モデルは、圧電素子501R,501Lにより駆動される座屈型アクチュエータ500の静的出力特性を計算するのに用いることができる。PCSkPCSと、各圧電素子501R,501Lと、各ジョイント501Le,501Lc,501Re,501Rcと、フレーム624とには、4つの弾性特性が存在する。次式(7)で表される基本的な関係から、静的出力特性を表し座屈型アクチュエータ500から出力される力Fは、次式(8)から求めることができる。
Figure 2014204666
The elastic mechanical model shown in FIG. 6 can be used to calculate the static output characteristics of the buckling actuator 500 driven by the piezoelectric elements 501R and 501L. The PCSK PCS , the piezoelectric elements 501R and 501L, the joints 501Le, 501Lc, 501Re, and 501Rc, and the frame 624 have four elastic characteristics. From the basic relationship expressed by the following equation (7), the force F y that represents the static output characteristic and is output from the buckling actuator 500 can be obtained from the following equation (8).

Figure 2014204666
Figure 2014204666

Figure 2014204666
上記の式(7)及び式(8)において、FPZTは圧電素子501R,501Lへの入力電圧VPZTにより定義され、圧電素子501R,501Lの逆圧電効果を表す係数ePZTは次式(9)で表すことができる。
Figure 2014204666
In the above equations (7) and (8), F PZT is defined by the input voltage V PZT to the piezoelectric elements 501R and 501L, and the coefficient e PZT representing the inverse piezoelectric effect of the piezoelectric elements 501R and 501L is expressed by the following equation (9) ).

Figure 2014204666
上記の式(8)における予荷重の力FPLとPCSkPCSとの間の関係は、弾性特性により上記の式(6)の関係から変化する。
Figure 2014204666
Relationship between the preload force F PL and PCSK PCS in the above formula (8) is changed from the relationship of the above formula (6) by the elastic properties.

上記の式(8)に基づき、座屈型アクチュエータ500の出力特性は図7に示すようになる。図7は、座屈型アクチュエータ500の出力特性の一例を示す図である。図7中、縦軸は座屈型アクチュエータ500の圧電素子501R,501Lの推力を示し、横軸は圧電素子501R,501Lの変位量を示す。また、図7中、実線は圧電素子501R,50Lが活性化されてオンである状態を示し、破線は圧電素子501R,501Lが非活性化されてオフである状態を示す。図7及び後述する図8乃至図10中、「a.u.」は任意単位を示す。   Based on the above equation (8), the output characteristics of the buckling actuator 500 are as shown in FIG. FIG. 7 is a diagram illustrating an example of output characteristics of the buckling actuator 500. In FIG. 7, the vertical axis indicates the thrust of the piezoelectric elements 501R and 501L of the buckling actuator 500, and the horizontal axis indicates the displacement amount of the piezoelectric elements 501R and 501L. In FIG. 7, solid lines indicate a state where the piezoelectric elements 501R and 50L are activated and turned on, and broken lines indicate a state where the piezoelectric elements 501R and 501L are deactivated and turned off. In FIG. 7 and FIGS. 8 to 10 described later, “a.u.” represents an arbitrary unit.

座屈型アクチュエータ500の1つの特徴的な特性は、圧電素子501R,501Lが、全てのジョイント501Le,501Lc,501Re,501Rcが図1において水平方向に一列に整列した「ゼロ出力位置」から、図1において自然に上下の両方向に移動する所謂「双方向移動」である。座屈型アクチュエータ500の双方向移動は、上述の特異点がゼロ出力位置で発生することで可能となる。この特異性により、座屈型アクチュエータ500は変位量を例えば50倍に増幅することができる。双方向移動は、ストロークを2倍として、例えば約100倍の変位増幅を作り上げる。最大出力変位量ymaxは、圧電素子500R,500Lへの最小入力(FPZT=0)及び最大入力FPZT=FPZTmax)で出力される力がゼロになる位置間の距離で定義され、次式(10)から求めることができる。 One characteristic characteristic of the buckling actuator 500 is that the piezoelectric elements 501R and 501L are shown in FIG. 1 from the “zero output position” in which all the joints 501Le, 501Lc, 501Re, and 501Rc are aligned in a horizontal line in FIG. 1 is a so-called “bidirectional movement” that naturally moves in both the upper and lower directions. Bidirectional movement of the buckling actuator 500 is possible when the above-mentioned singular point is generated at the zero output position. Due to this specificity, the buckling actuator 500 can amplify the displacement amount by, for example, 50 times. Bidirectional movement creates a displacement amplification of approximately 100 times, for example, by doubling the stroke. The maximum output displacement y max is defined by a distance between positions at which the force output at the minimum input (F PZT = 0) and the maximum input F PZT = F PZTmax ) to the piezoelectric elements 500R and 500L becomes zero. It can be obtained from equation (10).

Figure 2014204666
ヘルツの接触定理によれば、転がり接触ジョイントの剛性kは、曲面間の接触剛性として次式(11)で表すことができる。ここで、Fは接触力を示し、δは接触線近傍に主に発生する変形を示し、Lは各圧電素子501R,501Lを表す円柱の長さを示し、Eは円柱材料のヤング率を示し、vはポアソン比を表す。
Figure 2014204666
According to Hertz's contact theorem, the stiffness k J of the rolling contact joint can be expressed as the following equation (11) as the contact stiffness between the curved surfaces. Here, F J represents a contact force, δ represents a deformation mainly occurring near the contact line, L J represents a length of a cylinder representing each of the piezoelectric elements 501R and 501L, and E represents a Young's modulus of the column material. Where v represents the Poisson's ratio.

Figure 2014204666
上記の式(11)で表されているように、転がり接触ジョイントの剛性kは、圧電素子501R,501L及び予荷重の力FPLの合力と等しい接触力Fに応じて変動する。しかし、座屈増幅機構を介して印加される予荷重により、動作状態における転がり接触ジョイントの剛性kの変動は極めて小さく、図8に示すように例えば10%のオーダである。図8は、転がり接触ジョイントの剛性k、即ち、接触剛性変動の一例を示す図である。図8中、縦軸は接触剛性を示し、横軸は接触力を示す。図8において、梨地で示す領域は、動作状態で使用される領域を示す。
Figure 2014204666
As represented by the above formula (11), the stiffness k J of rolling contact joint, varies depending on the piezoelectric element 501R, 501L and preload force equal contact force F J heavy force F PL. However, the preload applied through the seat屈増width mechanism, the variation of stiffness k J Contact joint rolling in operative position is extremely small, for example 10% of the order as shown in FIG. FIG. 8 is a diagram illustrating an example of the stiffness k J of the rolling contact joint, that is, the contact stiffness variation. In FIG. 8, the vertical axis indicates the contact rigidity, and the horizontal axis indicates the contact force. In FIG. 8, a region indicated by a satin surface indicates a region that is used in an operating state.

上記の式(1)で表される静的出力の力Fを生成する直動圧電モータの一般的な特性に応じて、各種PASギア出力ロッドを使用することができる。本実施例では、使用されるギア出力ロッド520は、図2に示すギア及びローラフォロワのタイプである。従来の設計方法と同様にして、ギア及びフォロワ514の両方の移動方向が変わる時に連続的な遷移を可能とするために、フォロワの軌跡の最小曲率半径はフォロワ514の半径より大きくなければならない。さらに、本実施例では、ギアとフォロワ514との間の円滑なエネルギ伝達及びフォロワ514の自然な往復運動を可能とするために、ギア出力ロッド520はフォロワ514の中心の移動軌跡を正弦波形状にする。フォロワ中心の移動軌跡は、次式(12)で表すことができる。ここで、yFCは直動圧電モータの出力方向に向かうギア出力ロッド520に沿った位置を示し、yFCmaxはフォロワ中心の最大変位量を示し、λはギア出力ロッド520の波長を示し、xは直動圧電モータの出力方向に向かう座屈型アクチュエータ500とギア出力ロッド520との間の相対変位量を示す。 Various PAS gear output rods can be used depending on the general characteristics of the linear motion piezoelectric motor that generates the static output force F x represented by the above formula (1). In this embodiment, the gear output rod 520 used is of the gear and roller follower type shown in FIG. Similar to conventional design methods, the minimum radius of curvature of the follower trajectory must be greater than the radius of the follower 514 in order to allow continuous transitions when the direction of movement of both the gear and follower 514 changes. Further, in this embodiment, in order to enable smooth energy transfer between the gear and the follower 514 and natural reciprocation of the follower 514, the gear output rod 520 has a sinusoidal movement path at the center of the follower 514. To. The movement locus of the follower center can be expressed by the following equation (12). Here, y FC indicates a position along the gear output rod 520 in the output direction of the linear motion piezoelectric motor, y FCmax indicates the maximum displacement amount of the follower center, λ indicates the wavelength of the gear output rod 520, x Indicates a relative displacement amount between the buckling actuator 500 and the gear output rod 520 in the output direction of the linear motion piezoelectric motor.

Figure 2014204666
上記の式(8)及び式(12)を考慮すると、ギア出力ロッド520により変換された座屈型アクチュエータ500の力特性は、次式(13)で表すことができる。
Figure 2014204666
Considering the above formulas (8) and (12), the force characteristics of the buckling actuator 500 converted by the gear output rod 520 can be expressed by the following formula (13).

Figure 2014204666
図9は、ギア出力ロッド520により変換された座屈型アクチュエータ500の力特性の一例を示す図である。図9において、左側の縦軸は直動圧電モータの推力を示し、右側の縦軸は図2中y方向へのフォロワの軌跡を示し、横軸はフォロワ中心の図2中x方向への変位量を示す。また、図9において、実線は圧電素子501R,501Lが活性化されてオンである状態を示し、一転鎖線は圧電素子501R,501Lが非活性化されてオフである状態を示し、破線はフォロワの軌跡を示す。
Figure 2014204666
FIG. 9 is a diagram illustrating an example of force characteristics of the buckling actuator 500 converted by the gear output rod 520. In FIG. 9, the left vertical axis indicates the thrust of the linear motion piezoelectric motor, the right vertical axis indicates the locus of the follower in the y direction in FIG. 2, and the horizontal axis indicates the displacement of the follower center in the x direction in FIG. Indicates the amount. In FIG. 9, the solid line indicates that the piezoelectric elements 501R and 501L are activated and turned on, the alternate long and short dash line indicates that the piezoelectric elements 501R and 501L are deactivated and turned off, and the broken line indicates the follower Show the trajectory.

上記の式(13)中、FPZTを含む項は、圧電素子501R,501Lを介して入力される電源からのエネルギの作用を表す。式(13)中の他の項は、座屈型アクチュエータ500の弾性特性により蓄積されたエネルギの作用を表す。弾性特性の作用は、ギア出力ロッド520の波形サイクルの2倍と4倍である2つの周期的成分に分離される。 The term including the above formulas (13), the F PZT represents the effect of the energy from the power supply inputted via the piezoelectric element 501R, the 501L. The other term in equation (13) represents the action of the energy stored by the elastic characteristics of the buckling actuator 500. The effect of the elastic properties is separated into two periodic components that are twice and four times the wave cycle of the gear output rod 520.

上記式(13)の係数AFx,AFpztは、次式(14)で表すこともできる。 The coefficients A Fx and A Fpzt in the above equation (13) can also be expressed by the following equation (14).

Figure 2014204666
FCmaxがymaxと等しい場合、FPZTがFPZTmaxと等しいと、(AFpzt・FPZT)は4になり、図9に示すように圧電素子501R,501Lのオン状態とオフ状態の間で水平及び垂直方向に対称なFxu特性が得られる。係数AFxはR と共に増加するが、これと同時に、弾性特性の静的出力の力Fに対する影響もR と共に増加する。従って、パラメータRが大きくなるにつれて、静的出力の力Fの制御がより難しくなることがわかる。
Figure 2014204666
When y FCmax is equal to y max and F PZT is equal to F PZTmax , (A Fpzt · F PZT ) becomes 4, and between the on-state and off-state of the piezoelectric elements 501R and 501L as shown in FIG. F xu characteristics that are symmetrical in the horizontal and vertical directions are obtained. The coefficient A Fx increases with R y 2 , but at the same time, the influence of the elastic properties on the static output force F x also increases with R y 4 . Therefore, it can be seen that the control of the static output force F x becomes more difficult as the parameter R y increases.

上記の式(13)を上記の式(1)に代入することで、座屈型アクチュエータ500の力特性は次式(15)から求めることができる。   By substituting the above equation (13) into the above equation (1), the force characteristics of the buckling actuator 500 can be obtained from the following equation (15).

Figure 2014204666
上記の式(15)から、静的出力の力Fは1PAS波長λ内で2サイクル及び4サイクルの成分を含み、PASの波形サイクルに対してπ/2ラジアンの距離を有する二(2)つの座屈型アクチュエータ500により、効率的にギア出力ロッド520の位置にかかわらず静的出力の力Fを生成できることがわかる。
Figure 2014204666
From equation (15) above, the static output force F x includes components of 2 and 4 cycles within 1 PAS wavelength λ, and has a distance of π / 2 radians with respect to the PAS waveform cycle. It can be seen that the two buckled actuators 500 can efficiently generate the static output force F x regardless of the position of the gear output rod 520.

正弦と余弦の和の定理から、次式(16)が得られる。ここで、k=1,...,Nである。   From the sine and cosine theorem, the following equation (16) is obtained. Here, k = 1,. . . , N.

Figure 2014204666
上記の式(16)は、次式(17)に一般化することができる。
Figure 2014204666
The above equation (16) can be generalized to the following equation (17).

Figure 2014204666
上記の式(17)は、式(17)の位相セットから発生する剰余を2πラジアンで除算すると、上記の式(16)の位相セットと同じになることを示している。
Figure 2014204666
The above equation (17) indicates that when the remainder generated from the phase set of equation (17) is divided by 2π radians, the phase set of equation (16) is the same.

上記の式(15)及び式(17)を考慮すると、以下に示すように、異なる静的出力の力Fを生成する数種類のレイアウト設計を得ることができる。 Considering the above equations (15) and (17), several types of layout designs can be obtained that produce different static output forces F x as shown below.

ケース1.弾性作用の完全な打ち消し:
φがPAS波形サイクルに対してラジアンで示される位相セットのみを有する場合、FPZT,iを含む項以外の項は、次式(18)からもわかるように、座屈型アクチュエータ500間で打ち消し合う。
Case 1. Complete cancellation of elastic action:
When φ i has only a phase set expressed in radians with respect to the PAS waveform cycle, terms other than the term including FPZT , i are between the buckling actuators 500, as can be seen from the following equation (18). Negate each other.

Figure 2014204666
この場合、静的出力の力Fは、次式(19)で表すことができる。
Figure 2014204666
In this case, the force F x of the static output can be expressed by the following equation (19).

Figure 2014204666
上記の式(19)は、PAS波形の位相のみに依存する他の出力の項を考慮するだけで、FPZT,iを調整することで静的出力の力Fを制御できることを表している。直動圧電モータからのモータ出力が不要である場合には、大きなエネルギ損失を発生することなくFPZT,iを一定に維持することができる。
Figure 2014204666
The above equation (19) indicates that the static output force F x can be controlled by adjusting FPZT, i only by considering other output terms that depend only on the phase of the PAS waveform. . When the motor output from the direct acting piezoelectric motor is unnecessary, FPZT, i can be kept constant without generating a large energy loss.

上述の力特性は、次式(20)で表されるように、元の位相セット及び位相シフトを有する他の位相セットを含むPAS波形のサイクルに対するラジアンで示される位相セットの各種組み合わせから求めることができる。   The force characteristics described above are obtained from various combinations of phase sets expressed in radians for a cycle of a PAS waveform including the original phase set and other phase sets having a phase shift, as represented by the following equation (20). Can do.

Figure 2014204666
ケース2.弾性作用の部分的な打ち消し:
φがPAS波形サイクルに対してラジアンで示される位相セットのみを有する場合、FPZT,iを含む項以外の項は、次式(21)からもわかるように、座屈型アクチュエータ500間で打ち消し合う。
Figure 2014204666
Case 2. Partial cancellation of elastic action:
When φ i has only a phase set expressed in radians with respect to the PAS waveform cycle, terms other than the term including FPZT , i are between the buckling actuators 500, as can be seen from the following equation (21). Negate each other.

Figure 2014204666
この場合、静的出力の力Fは、次式(22)で表すことができる。
Figure 2014204666
In this case, the force F x of the static output can be expressed by the following equation (22).

Figure 2014204666
上記の式(22)は、直動圧電モータが圧電素子501からの力の入力を受けることなく周期的な力を生成することを示している。このような力特性により、直動圧電モータは、自己の位置を自己で保持する自己保持機能を有する。
Figure 2014204666
The above equation (22) indicates that the linear motion piezoelectric motor generates a periodic force without receiving the force input from the piezoelectric element 501. Due to such force characteristics, the direct acting piezoelectric motor has a self-holding function of holding its own position by itself.

上述の力特性は、次式(23)で表されるように、元の位相セット及び位相シフトを有する他の位相セットを含むPAS波形のサイクルに対するラジアンで示される位相セットの各種組み合わせから求めることができる。   The above-mentioned force characteristics are obtained from various combinations of phase sets expressed in radians for a cycle of a PAS waveform including the original phase set and another phase set having a phase shift, as represented by the following equation (23). Can do.

Figure 2014204666
他のレイアウト設計では、モータ出力にPAS波形サイクルに対して4倍のサイクル成分を含んでも良い。しかし、4倍成分の蓄積は、力に大きなリップルを発生させる可能性があり、モータ出力の制御を難しくする。このため、本実施例で用いられているようなタイプの直動圧電モータの場合は、上述のレイアウト設計が好ましい。
Figure 2014204666
In other layout designs, the motor output may include four times as many cycle components as the PAS waveform cycle. However, the accumulation of quadruple components can cause large ripples in the force, making it difficult to control the motor output. For this reason, in the case of the direct acting piezoelectric motor of the type used in this embodiment, the above layout design is preferable.

図9から、各座屈型アクチュエータ500は、PAS波形の位相に対して各λ/4位置で圧電素子への入力をオン状態からオフ状態に切り替え、オフ状態からオン状態に切り替えることで、直動圧電モータのモータ出力として常に正方向及び負方向の両方向の力を出力可能であることがわかる。また、予荷重の力とPCS力の座屈型アクチュエータの力出力への作用の打ち消しにより、圧電素子がオンであり出力ノードがPAS波形の山から谷といったゼロから終点まで移動する場合の力の遷移と、圧電素子がオフであり出力ノードがPAS波形の終点からゼロまで移動する場合の力の遷移とは、同じになる。   From FIG. 9, each buckling actuator 500 directly switches the input to the piezoelectric element from the on state to the off state at each λ / 4 position with respect to the phase of the PAS waveform, and from the off state to the on state. It can be seen that forces in both the positive and negative directions can always be output as the motor output of the dynamic piezoelectric motor. Also, by canceling the action of the preload force and the PCS force on the force output of the buckling actuator, the force when the piezoelectric element is on and the output node moves from zero to the end point, such as from the peak to the valley of the PAS waveform, The transition is the same as the force transition when the piezoelectric element is off and the output node moves from the end point of the PAS waveform to zero.

直動圧電モータの全ての座屈型アクチュエータから出力される力の正の合力により、直動圧電モータから最大出力を得ることができる。図10は、使用される座屈型アクチュエータ数に応じた直動圧電モータの最大出力特性の一例を示す図である。図10において、左側の縦軸は直動圧電モータの最大推力を示し、右側の縦軸はy方向に沿ったフォロワ軌跡を示し、横軸はx方向に沿ったフォロワ中心の変位量を示す。また、図10において、実線は六(6)つの座屈型アクチュエータ500を使用した場合を示し、粗い破線は四(4)つの座屈型アクチュエータ500を使用した場合を示し、細かい破線はフォロワ軌跡を示す。六(6)つの座屈型アクチュエータ500が使用される場合と四(4)つの座屈型アクチュエータ500が使用される場合の両方では、上述の位相レイアウトを採用した。使用する座屈型アクチュエータ500の数が大きくなる程、直動圧電モータから出力される推力の平均値が大きくなり、直動圧電モータの最大推力の変動が小さくなる。   The maximum output from the direct acting piezoelectric motor can be obtained by the positive resultant force of the forces output from all the buckling actuators of the direct acting piezoelectric motor. FIG. 10 is a diagram illustrating an example of the maximum output characteristic of the linear motion piezoelectric motor according to the number of buckling actuators used. In FIG. 10, the left vertical axis represents the maximum thrust of the linear motion piezoelectric motor, the right vertical axis represents the follower locus along the y direction, and the horizontal axis represents the displacement amount of the follower center along the x direction. In FIG. 10, the solid line indicates the case where six (6) buckling actuators 500 are used, the rough broken line indicates the case where four (4) buckling actuators 500 are used, and the fine broken line indicates the follower locus. Indicates. The above-described phase layout was employed both when six (6) buckling actuators 500 were used and when four (4) buckling actuators 500 were used. As the number of buckling type actuators 500 used increases, the average value of the thrust output from the direct acting piezoelectric motor increases, and the fluctuation of the maximum thrust of the direct acting piezoelectric motor decreases.

圧電素子への入力がオン状態からオフ状態に、そしてオフ状態からオン状態に切り替えられる切り替え位置を、PAS波形の位相に対する各λ/4位置から変えることで、直動圧電モータから出力される平均推力を制御することができる。   The average output from the linear motion piezoelectric motor by changing the switching position at which the input to the piezoelectric element is switched from the on state to the off state and from the off state to the on state from each λ / 4 position with respect to the phase of the PAS waveform. Thrust can be controlled.

次に、直動圧電モータの連続電圧駆動制御について説明する。   Next, continuous voltage drive control of the direct acting piezoelectric motor will be described.

直動圧電モータの各圧電素子に供給される電圧が連続的に変えられると、直動圧電モータは特定の力特性を示す。上記の式(9)と共に説明したように、解析は、圧電素子の入力電圧がFPZTに比例している点を考慮しても良い。このため、以下の説明では、入力電圧の代わりにFPZTのパターンについて説明する。FPZTのある特定のパターンは、次式(24)で表すことができる。ここで、FPZTinは、圧電素子の力入力の振幅(以下、「圧電力入力」とも言う)を示し、Pinは位相コマンドで指定される位相を示す。 When the voltage supplied to each piezoelectric element of the direct acting piezoelectric motor is continuously changed, the direct acting piezoelectric motor exhibits a specific force characteristic. As described above with Equation (9), the analysis may take into account that the input voltage of the piezoelectric element is proportional to FPZT . For this reason, in the following description, a pattern of FPZT will be described instead of the input voltage. A specific pattern of FPZT can be expressed by the following formula (24). Here, F PZTin the amplitude of the force of the piezoelectric element input (hereinafter, also referred to as "piezoelectric force Input") indicates, P in denotes a phase specified by the phase command.

Figure 2014204666
上記の式(24)を上記の式(15)に代入することで、静的出力の力Fは次式(25)で表すことができる。
Figure 2014204666
By substituting the above equation (24) into the above equation (15), the static output force F x can be expressed by the following equation (25).

Figure 2014204666
上記の式(25)中、3番目の和の項は一定入力条件と全く同じであり、これは、3番目の和の項に依存する力が上述のレイアウト設計に依存する力とは多少異なる性質を有することを表す。この違いにより、圧電素子の力入力FPZTinによる作用が1/2になる。上記の式(25)の1番目の項は、位相Pinによりλ/2波長に対して制御可能な静的出力の力Fを生成する直動圧電モータから出力される力の平均出力を決定する。上記の式(25)の1番目の項における位相Pinの役割を考慮すると、位相Pinは好ましくは上記の式(25)の2番目の項と3番目の和の項のバランスを制御するのには使用されない。さらに、座屈型アクチュエータが上述のケース1またはケース2のレイアウト設計に応じて配置されており、正弦波成分のサイクルがPAS波形の4倍である場合、レイアウト位相は互いに打ち消し合う。
Figure 2014204666
In the above equation (25), the third sum term is exactly the same as the constant input condition, which is that the force depending on the third sum term is slightly different from the force depending on the layout design described above. It represents having properties. Due to this difference, the action of the force input FPZTin of the piezoelectric element is halved. The first term of the above equation (25), the average output of the force output from the linear piezoelectric motor for generating a force F x of the controllable static output to lambda / 2 wavelength by the phase P in decide. Considering the role of phase P in in the first term of equation (25) above, phase P in preferably controls the balance of the second and third sum terms of equation (25) above. Not used for. Further, when the buckling actuator is arranged according to the layout design of the case 1 or the case 2 described above and the cycle of the sine wave component is four times the PAS waveform, the layout phases cancel each other.

この場合、静的出力の力Fは、以下のようにレイアウト設計を考慮して定義することができる。 In this case, the static output force F x can be defined in consideration of the layout design as follows.

ケース1.弾性作用の完全な打ち消し:
このレイアウト設計では、静的出力の力Fは、次式(26)から求めることができる。
Case 1. Complete cancellation of elastic action:
In this layout design, the static output force F x can be obtained from the following equation (26).

Figure 2014204666
上記の式(26)は、静的出力の力Fが、力のリップルを生じることなく、圧電力入力FPZTin及び位相Pinの両方により制御可能であることを表している。
Figure 2014204666
Equation (26), the force F x static output, without causing ripples of force, indicating that is controllable by both the piezoelectric force input F PZTin and phase P in.

ケース2.弾性作用の部分的な打ち消し:
このレイアウト設計では、静的出力の力Fは、次式(27)から求めることができる。
Case 2. Partial cancellation of elastic action:
In this layout design, the static output force F x can be obtained from the following equation (27).

Figure 2014204666
上記の式(27)は、圧電力入力FPZTIinがFPZTmaxと等しくRがAFpztとFPZTinの積を2にする場合、静的出力の力Fが、力のリップルを生じることなく、位相Pinのみにより制御可能であることを表している。その他の場合には、上記の式(27)の2番目の項がある程度のレベルを有し、力のリップルを発生する可能性がある。
Figure 2014204666
When the piezoelectric power input F PZTIin is equal to F PZTmax and R y is set to 2 as the product of A Fpzt and F PZTin , the force F x of the static output does not cause a force ripple. , it indicates that is controllable only by the phase P in. In other cases, the second term of the above equation (27) has a certain level and may generate a force ripple.

図11は、一実施例における制御システム50の一例を示すブロック図である。図11に示す制御システム50は、電源51、駆動装置52、複数の圧電素子53、座屈型機構54、ギア55、負荷56及びコントローラ57を含む。駆動装置52は、電源52からの電源電圧を供給され、圧電素子53を駆動する。圧電素子53は、上述の直動圧電モータの圧電素子501(501R,501L)に相当するものであっても良く、上述の座屈型アクチュエータ500を形成しても良い。駆動装置52は、コントローラ57からのコマンドに基づいて、例えばオン及びオフ状態或いは正弦波状の遷移などの、各圧電素子53の電圧条件を制御する。   FIG. 11 is a block diagram illustrating an example of the control system 50 in one embodiment. A control system 50 shown in FIG. 11 includes a power source 51, a driving device 52, a plurality of piezoelectric elements 53, a buckling type mechanism 54, a gear 55, a load 56, and a controller 57. The driving device 52 is supplied with a power supply voltage from the power supply 52 and drives the piezoelectric element 53. The piezoelectric element 53 may correspond to the piezoelectric element 501 (501R, 501L) of the above-described direct acting piezoelectric motor, and may form the above-described buckled actuator 500. Based on the command from the controller 57, the driving device 52 controls the voltage condition of each piezoelectric element 53, such as an on and off state or a sinusoidal transition.

座屈型機構54は、上述の座屈型アクチュエータ500のような、弾性特性を有する複数の座屈型アクチュエータを含んでも良い。複数の座屈型アクチュエータは、ギア55に対して一定の位相間隔で配置されており、位相間隔は弾性特性の少なくとも一部を打ち消す。弾性特性の非線形成分が多項式で近似される場合、位相間隔は多項式の高調波成分により発生されるモータ推力の高調波成分の少なくとも一部を打ち消しても良い。従って、駆動装置52は、座屈型機構54の座屈型アクチュエータを形成する圧電素子53を駆動することで座屈型機構54を駆動する。ギア55は、上述の線形ギア出力ロッド520に相当するものであっても良く、複数の座屈型アクチュエータの出力をモータ出力に変換する。ギア55は、ギア55と係合する複数の座屈型アクチュエータの係合部の移動軌跡がギア55に対して正弦波形状となるような形状を有する。   The buckling mechanism 54 may include a plurality of buckling actuators having elastic characteristics, such as the buckling actuator 500 described above. The plurality of buckling actuators are arranged at a constant phase interval with respect to the gear 55, and the phase interval cancels at least part of the elastic characteristics. When the nonlinear component of the elastic characteristic is approximated by a polynomial, the phase interval may cancel at least a part of the harmonic component of the motor thrust generated by the harmonic component of the polynomial. Therefore, the driving device 52 drives the buckling mechanism 54 by driving the piezoelectric element 53 that forms the buckling actuator of the buckling mechanism 54. The gear 55 may correspond to the linear gear output rod 520 described above, and converts the outputs of a plurality of buckling actuators into motor outputs. The gear 55 has a shape such that the movement locus of the engaging portions of the plurality of buckling actuators that engage with the gear 55 has a sine wave shape with respect to the gear 55.

駆動装置52、圧電素子53、座屈型機構54及びギア55は、直動圧電モータを形成可能である。負荷56は、直動圧電モータのギア55により駆動される駆動対象であっても良い。負荷56は、直動圧電モータの一部を含んでも良い。コントローラ57は、CPU(Central Processing Unit)などのプロセッサにより形成可能である。   The drive device 52, the piezoelectric element 53, the buckling type mechanism 54, and the gear 55 can form a direct-acting piezoelectric motor. The load 56 may be a drive target driven by a gear 55 of a direct acting piezoelectric motor. The load 56 may include a part of a direct acting piezoelectric motor. The controller 57 can be formed by a processor such as a CPU (Central Processing Unit).

図11に示す例では、負荷56がセンサ部560を含む。しかし、センサ部560は、ギア55に対して設けられて直動圧電モータの一部を形成するものであっても良い。例えば、センサ部560は周知の手段でギア55の速度を検出する速度センサと、ギア55のギア位相角度を周知の手段で検出する位相センサを含んでも良い。速度センサが用いる構成と方法は、特定の種類に限定されず、速度センサの出力からギア55の速度、そして直動圧電モータの速度が検出可能であれば良い。また、例えば位置センサなどのその他の種類のセンサを用いる場合には、これらのセンサからの信号に基づいて、ギア55の速度、そして直動圧電モータの速度を観測可能であれば良い。位相センサが用いる構成と方法は、特定の種類に限定されず、速度センサの出力からギア55のギア位相角度、そして直動圧電モータの回転位相角度が検出可能であれば良い。また、例えば位置センサなどのその他の種類のセンサを用いる場合には、これらのセンサからの信号に基づいて、ギア55のギア位相角度、そして直動圧電モータの回転位相角度を観測可能であれば良い。   In the example illustrated in FIG. 11, the load 56 includes a sensor unit 560. However, the sensor unit 560 may be provided with respect to the gear 55 to form a part of the direct acting piezoelectric motor. For example, the sensor unit 560 may include a speed sensor that detects the speed of the gear 55 by a known means and a phase sensor that detects the gear phase angle of the gear 55 by a known means. The configuration and method used by the speed sensor are not limited to a specific type, and it is sufficient that the speed of the gear 55 and the speed of the linear motion piezoelectric motor can be detected from the output of the speed sensor. For example, when other types of sensors such as a position sensor are used, it is sufficient that the speed of the gear 55 and the speed of the direct-acting piezoelectric motor can be observed based on signals from these sensors. The configuration and method used by the phase sensor are not limited to a specific type, and it is sufficient that the gear phase angle of the gear 55 and the rotational phase angle of the direct acting piezoelectric motor can be detected from the output of the speed sensor. For example, when other types of sensors such as a position sensor are used, the gear phase angle of the gear 55 and the rotational phase angle of the linear motion piezoelectric motor can be observed based on signals from these sensors. good.

コントローラ57は、直動圧電モータの目標速度とセンサ部560から受信する直動圧電モータの速度に基づいて、直動圧電モータの目標推力を生成することができる。コントローラ57は、ギア55のギア位相角度とセンサ部560から受信するギア55のギア位相角度に基づいて、目標ギア位相角度と圧電素子に入力する電圧の目標振幅を生成することができる。従って、コントローラ57は、目標推力に基づいて、座屈型機構54を形成する座屈型アクチュエータの各圧電素子53の電圧を調整する第1の位相と、目標ギア位相角度とギア55のギア位相角度に基づいて、各圧電素子53に対する第2の位相を求めることができる。さらに、コントローラ57は、第1位相と第2の位相を比較して、第1及び第2の位相の比較結果を示す、座屈型機構54の座屈型アクチュエータの電圧条件を生成することができる。   The controller 57 can generate the target thrust of the direct acting piezoelectric motor based on the target speed of the direct acting piezoelectric motor and the speed of the direct acting piezoelectric motor received from the sensor unit 560. The controller 57 can generate the target gear phase angle and the target amplitude of the voltage input to the piezoelectric element based on the gear phase angle of the gear 55 and the gear phase angle of the gear 55 received from the sensor unit 560. Therefore, the controller 57 adjusts the voltage of each piezoelectric element 53 of the buckling actuator that forms the buckling mechanism 54 based on the target thrust, the target gear phase angle, and the gear phase of the gear 55. Based on the angle, the second phase for each piezoelectric element 53 can be determined. Further, the controller 57 may compare the first phase and the second phase to generate a voltage condition for the buckling actuator of the buckling mechanism 54 that indicates the comparison result of the first and second phases. it can.

従って、コントローラ57は、駆動装置52にコマンドを出力して、電圧条件に基づいて複数の圧電素子53への電圧入力を制御することができる。この結果、駆動装置52は、複数の圧電素子53に、ギア55の対応する位相角度に応じた、例えば正弦波成分を含む電圧を入力する。このような複数の圧電素子53への電圧入力は、正弦波成分の振幅、及び/または、ギア55の形状と波形形状の違いに応じてモータ推力を調整するように決定することができる。このようにして、座屈型機構54の各座屈型アクチュエータは座屈力を出力するように駆動され、その後各座屈力は各ギア位相におけるギア55の傾斜に応じて変換される。座屈型機構54の複数の座屈型アクチュエータの合力は、ギア55を駆動し、さらに負荷56を駆動することができる。   Therefore, the controller 57 can output a command to the driving device 52 and control voltage input to the plurality of piezoelectric elements 53 based on the voltage condition. As a result, the driving device 52 inputs a voltage including, for example, a sine wave component corresponding to the corresponding phase angle of the gear 55 to the plurality of piezoelectric elements 53. The voltage input to the plurality of piezoelectric elements 53 can be determined so as to adjust the motor thrust according to the amplitude of the sine wave component and / or the difference between the shape of the gear 55 and the waveform shape. In this way, each buckling actuator of the buckling mechanism 54 is driven to output a buckling force, and then each buckling force is converted according to the inclination of the gear 55 at each gear phase. The resultant force of the plurality of buckling actuators of the buckling mechanism 54 can drive the gear 55 and further drive the load 56.

図12は、一実施例における制御方法を採用する制御処理の一例を説明するフローチャートである。図12に示す制御処理は、弾性特性を有し複数の圧電素子を含む複数の座屈型アクチュエータと、複数の座屈型アクチュエータの出力をモータ出力に変換するギアを備えた直動圧電モータを制御する。制御処理は、例えば図11に示す制御システム500により実行されても良い。   FIG. 12 is a flowchart illustrating an example of a control process that employs a control method according to an embodiment. The control process shown in FIG. 12 includes a linear motion piezoelectric motor having a plurality of buckling actuators having elastic characteristics and including a plurality of piezoelectric elements, and a gear for converting outputs of the plurality of buckling actuators into motor outputs. Control. The control process may be executed by, for example, the control system 500 illustrated in FIG.

図12に示すステップS101において、コントローラ57は、座屈型機構54の座屈型アクチュエータの電圧条件を、図11と共に説明した方法で生成する。ステップS102において、コントローラ57は、電圧条件に基づいて複数の圧電素子53への電圧入力を制御するコマンドを駆動装置52へ出力する。具体的には、コントローラ57は、駆動装置52を制御して、複数の圧電素子53に、ギア55の対応する位相角度に応じた、例えば正弦波成分を含む電圧を入力させる。このような複数の圧電素子53への電圧入力は、正弦波成分の振幅、及び/または、ギア55の形状と波形形状の違いに応じてモータ推力を調整するように決定することができる。このようにして、座屈型機構54の各座屈型アクチュエータは座屈力を出力するように駆動され、その後各座屈力は各ギア位相におけるギア55の傾斜に応じて変換される。座屈型機構54の複数の座屈型アクチュエータの合力は、ギア55を駆動し、さらに負荷56を駆動することができる。   In step S101 shown in FIG. 12, the controller 57 generates the voltage condition of the buckling actuator of the buckling mechanism 54 by the method described in conjunction with FIG. In step S <b> 102, the controller 57 outputs a command for controlling voltage input to the plurality of piezoelectric elements 53 to the driving device 52 based on the voltage condition. Specifically, the controller 57 controls the driving device 52 to input a voltage including, for example, a sine wave component corresponding to the phase angle corresponding to the gear 55 to the plurality of piezoelectric elements 53. The voltage input to the plurality of piezoelectric elements 53 can be determined so as to adjust the motor thrust according to the amplitude of the sine wave component and / or the difference between the shape of the gear 55 and the waveform shape. In this way, each buckling actuator of the buckling mechanism 54 is driven to output a buckling force, and then each buckling force is converted according to the inclination of the gear 55 at each gear phase. The resultant force of the plurality of buckling actuators of the buckling mechanism 54 can drive the gear 55 and further drive the load 56.

コントローラ57は、駆動装置52を制御して、複数の圧電素子53に、ギア55の対応する位相角度に応じた、例えば矩形波成分を含む電圧を入力させても良い。   The controller 57 may control the driving device 52 to input a voltage including, for example, a rectangular wave component according to the phase angle corresponding to the gear 55 to the plurality of piezoelectric elements 53.

上述の制御システム及び制御方法は、例えば図2に示す直動圧電モータ(または、アクチュエータ)以外の直動圧電モータを同様にして駆動及び制御することができる。直動圧電モータの例は、以下に図13及び図14と共に説明するものを含んでも良い。   The above-described control system and control method can drive and control a direct-acting piezoelectric motor other than the direct-acting piezoelectric motor (or actuator) shown in FIG. 2, for example. Examples of linear motion piezoelectric motors may include those described below in conjunction with FIGS.

図13は、一実施例における直動圧電モータの第2の例を示す図である。直動圧電モータは、図13に示すように、改良された正弦波形状のギアを有する線形ギア出力ロッド520に接続された複数の座屈型アクチュエータ500を含み、複数の座屈型アクチュエータ500の位相を有する双極性アクチュエータにより駆動される。   FIG. 13 is a diagram illustrating a second example of the direct acting piezoelectric motor in the embodiment. The linear motion piezoelectric motor includes a plurality of buckling actuators 500 connected to a linear gear output rod 520 having an improved sinusoidal gear, as shown in FIG. Driven by a bipolar actuator with phase.

座屈型アクチュエータを形成する複数の圧電素子の力に基づく出力ノードの方向D1に沿った往復運動は、フォロワを介してギア出力ロッド520の波状溝に垂直な力を印加する。これにより、直動圧電モータまたはギア出力ロッド520が線形ガイド521に案内されて出力方向D3に移動し、モータの変位がセンサ523を用いた周知の手段により検出される。   The reciprocating motion along the direction D1 of the output node based on the force of the plurality of piezoelectric elements forming the buckling actuator applies a force perpendicular to the wavy groove of the gear output rod 520 via the follower. Accordingly, the linear motion piezoelectric motor or gear output rod 520 is guided by the linear guide 521 and moved in the output direction D3, and the displacement of the motor is detected by a known means using the sensor 523.

最大定格速度vxmaxは、圧電素子の熱特性を考慮して設定できる。電圧及び周波数は、座屈型アクチュエータ500におけるエネルギ損失と熱的励起に影響を及ぼす。圧電素子に用いられる材料は、材料のキュリー温度を超えると圧電特性を失う。これらの理由で、直動圧電モータの実用的な動作条件は、温度を考慮して決定しても良い。 The maximum rated speed v xmax can be set in consideration of the thermal characteristics of the piezoelectric element. The voltage and frequency affect energy loss and thermal excitation in the buckled actuator 500. The material used for the piezoelectric element loses its piezoelectric properties when it exceeds the Curie temperature of the material. For these reasons, the practical operating conditions of the direct acting piezoelectric motor may be determined in consideration of temperature.

PASの波長λは、PASと座屈型アクチュエータ500により駆動されるフォロワとの接触応力を考慮して決定できる。最大接触応力は、PASの歯の山で発生するため、ジョイントの曲率半径はある半径より大きく、ジョイントは例えば硬化工具鋼で形成されることが好ましい。   The wavelength λ of the PAS can be determined in consideration of the contact stress between the PAS and the follower driven by the buckling actuator 500. Since the maximum contact stress occurs at the tooth ridge of the PAS, the radius of curvature of the joint is greater than a certain radius, and the joint is preferably formed of hardened tool steel, for example.

図14は、一実施例における直動圧電モータの第3の例を示す図である。直動圧電モータは、座屈型アクチュエータ500を含む。座屈型アクチュエータ500は、フレーム524と、圧電素子510R,510Lを含む。圧電素子510Rは、第1及び第2の回転ジョイントを介して、フレーム524上のサイドブロック512Rと出力部514との間に接続される。第1の回転ジョイントは、サイドブロック512R上の支持部511により支持された回動可能な部材510Reを含み、第2の回転ジョイントは、出力部514により支持された回転可能な部材510Rcを含む。同様に、圧電素子510Lは、第3及び第4の回転ジョイントを介して、フレーム524上のサイドブロック512Lと出力部514との間に接続される。第3の回転ジョイントは、サイドブロック512L上の支持部511により支持された回動可能な部材510Leを含み、第4の回転ジョイントは、出力部514により支持された回転可能な部材510Lcを含む。図14中、CP1,CP2は圧電素子510Lの接触位置を示し、CP3,CP4は圧電素子510Rの接触位置を示す。   FIG. 14 is a diagram illustrating a third example of the direct acting piezoelectric motor in the embodiment. The direct acting piezoelectric motor includes a buckling actuator 500. The buckling actuator 500 includes a frame 524 and piezoelectric elements 510R and 510L. The piezoelectric element 510R is connected between the side block 512R on the frame 524 and the output unit 514 via the first and second rotary joints. The first rotary joint includes a rotatable member 510Re supported by the support portion 511 on the side block 512R, and the second rotary joint includes a rotatable member 510Rc supported by the output portion 514. Similarly, the piezoelectric element 510L is connected between the side block 512L on the frame 524 and the output unit 514 via the third and fourth rotary joints. The third rotation joint includes a rotatable member 510Le supported by the support portion 511 on the side block 512L, and the fourth rotation joint includes a rotatable member 510Lc supported by the output portion 514. In FIG. 14, CP1 and CP2 indicate contact positions of the piezoelectric element 510L, and CP3 and CP4 indicate contact positions of the piezoelectric element 510R.

出力部514は、一対の円柱フォロワ522が設けられる開口部を有するフレーム526を含む。六角形状を有するPCS(Preload Compensation Spring)518は、フレーム526の両側に設けられている。各PCSは、支持部(図示ぜず)などに固定されても良い。線形ギア出力ロッド(図示せず)は、出力部514のフレーム526に設けられた開口部を貫通、フォロワ522と係合する。座屈型アクチュエータ500を形成する圧電素子510R,510Lの力に基づく出力部514の方向D1に沿った往復運動は、フォロワ522を介してギア出力ロッドの波状溝に垂直な力を印加する。これにより、直動圧電モータまたはギア出力ロッドが出力方向D3に移動する。   The output unit 514 includes a frame 526 having an opening in which a pair of cylindrical followers 522 are provided. PCS (Preload Compensation Spring) 518 having a hexagonal shape is provided on both sides of the frame 526. Each PCS may be fixed to a support portion (not shown) or the like. A linear gear output rod (not shown) passes through an opening provided in the frame 526 of the output portion 514 and engages with the follower 522. The reciprocating motion along the direction D1 of the output portion 514 based on the force of the piezoelectric elements 510R and 510L forming the buckling actuator 500 applies a force perpendicular to the wave-like groove of the gear output rod via the follower 522. Thereby, the linear motion piezoelectric motor or the gear output rod moves in the output direction D3.

上記実施例は線形型アクチュエータに適用されているが、上記実施例は同様にして回転型アクチュエータに適用可能である。   Although the above embodiment is applied to a linear actuator, the above embodiment can be similarly applied to a rotary actuator.

以上、本発明を実施例により説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能であることは言うまでもない。   While the present invention has been described with reference to the embodiments, it is needless to say that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and improvements can be made within the scope of the present invention.

50 制御システム
51 電源
52 駆動装置
53,501,501R,501L 圧電素子
54 座屈型機構
55 ギア
56 負荷
57 制御部
500,500〜500 座屈型アクチュエータ
514 出力ノード
520 線形ギア出力ロッド
560 センサ部
50 control system 51 power supply 52 drives 53,501,501R, 501L piezoelectric element 54 seats屈型mechanism 55 gear 56 load 57 control unit 500, 500 1 to 500 N seat屈型actuator 514 output node 520 linear gear output rod 560 sensor Part

Claims (10)

弾性特性を有し複数の容量的アクチュエータを含む複数のアクチュエータと、
前記複数のアクチュエータの出力をモータ出力に変換するギアを備え、
前記ギアは、前記ギアと係合する前記複数のアクチュエータの係合部の前記ギアに対する移動軌跡が少なくとも正弦波成分を含む形状を有するように形成され、
前記複数のアクチュエータは、前記弾性特性の少なくとも一部を打ち消すような位相間隔で配置されていることを特徴とする、モータ。
A plurality of actuators having elastic properties and including a plurality of capacitive actuators;
A gear for converting the outputs of the plurality of actuators into motor outputs;
The gear is formed such that a movement locus of the engaging portions of the plurality of actuators engaged with the gear with respect to the gear has a shape including at least a sine wave component,
The motor is characterized in that the plurality of actuators are arranged at a phase interval that cancels at least a part of the elastic characteristics.
前記複数のアクチュエータの少なくとも一部は、前記ギアに対して一定間隔で配置されていることを特徴とする、請求項1記載のモータ。   The motor according to claim 1, wherein at least some of the plurality of actuators are arranged at a constant interval with respect to the gear. 前記弾性特性の非線形成分は多項式で近似され、
前記位相間隔は、前記多項式の高次成分によって生じるモータ推力の高調波成分の少なくとも一部を打ち消すことを特徴とする、請求項1または2記載のモータ。
The nonlinear component of the elastic property is approximated by a polynomial,
3. The motor according to claim 1, wherein the phase interval cancels at least a part of a harmonic component of a motor thrust generated by a higher-order component of the polynomial.
請求項1乃至3のいずれか1項記載のモータを制御する制御システムであって、
前記複数のアクチュエータに、対応する前記ギアの位相角度に応じた電圧を入力することを特徴とする、制御システム。
A control system for controlling the motor according to any one of claims 1 to 3,
A voltage according to a phase angle of the corresponding gear is input to the plurality of actuators.
前記電圧は、正弦波成分を含む波形を有することを特徴とする、請求項4記載の制御システム。   The control system according to claim 4, wherein the voltage has a waveform including a sine wave component. 前記電圧は、矩形波成分を含む波形を有することを特徴とする、請求項4記載の制御システム。   The control system according to claim 4, wherein the voltage has a waveform including a rectangular wave component. 前記電圧は、前記正弦波成分の振幅によってモータ推力を調整するように決定されることを特徴とする、請求項4乃至6のいずれか1項記載の制御システム。   The control system according to claim 4, wherein the voltage is determined so as to adjust a motor thrust according to an amplitude of the sine wave component. 前記電圧は、前記ギアの形状と前記正弦波成分の位相差によってモータ推力を調整するように決定されることを特徴とする、請求項4乃至6のいずれか1項記載の制御システム。   The control system according to claim 4, wherein the voltage is determined so as to adjust a motor thrust according to a phase difference between the shape of the gear and the sine wave component. 前記電圧は、前記正弦波成分の振幅と、前記ギアの形状と前記正弦波成分の位相差との組み合わせによってモータ推力を調整するように決定されることを特徴とする、請求項4乃至6のいずれか1項記載の制御システム。   7. The voltage according to claim 4, wherein the voltage is determined so as to adjust a motor thrust by a combination of an amplitude of the sine wave component and a shape of the gear and a phase difference of the sine wave component. The control system according to any one of claims. 請求項1乃至3のいずれか1項記載のモータを制御する制御方法であって、
前記複数のアクチュエータに、対応する前記ギアの位相角度に応じた電圧を入力することを特徴とする、制御方法。
A control method for controlling the motor according to any one of claims 1 to 3,
A voltage according to a phase angle of the corresponding gear is input to the plurality of actuators.
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