JP2005312208A - Recoilless displacement enlarging/positioning apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、例えば、磁気ディスクへの磁気記録の評価を行う磁気記録評価装置に利用されて有効であり、この場合、磁気ヘッドを磁気ディスク上の所定のトラック位置へ高速・高精度で位置決めすることができる無反動型変位拡大位置決め装置に関する。 The present invention is effective when used, for example, in a magnetic recording evaluation apparatus that evaluates magnetic recording on a magnetic disk. In this case, the magnetic head is positioned at a predetermined track position on the magnetic disk with high speed and high accuracy. TECHNICAL FIELD The present invention relates to a reactionless displacement magnifying positioning device.
ハードディスクドライブの著しい高記録密度化および高速化に伴い、磁気ディスクへの磁気記録の記録再生評価を行う磁気記録評価装置は、磁気ヘッドの高速・高精度な位置決め技術が要求されている。また、この磁気記録評価装置では、多様なヘッドジンバルスアッセンブリ(HGA)に対応するためのアライメント機構が要求されるが、大きなシーク動作は必要とされていない。 Along with a marked increase in recording density and speed of a hard disk drive, a magnetic recording evaluation apparatus that performs recording / reproduction evaluation of magnetic recording on a magnetic disk is required to have a high-speed and high-precision positioning technology for the magnetic head. In addition, this magnetic recording evaluation apparatus requires an alignment mechanism for dealing with various head gimbal assemblies (HGA), but does not require a large seek operation.
これらの要求に対して、最大変位は小さいが高い応答性を有するPZT(圧電素子)と、PZTの変位を拡大する機構とで構成されるPZTアクチュエータを搭載し、HGA近傍でこのアクチュエータを駆動して制御帯域を上げることによって、トラック追従性を向上させる方式の変位拡大機構が採用されている。 In response to these requirements, a PZT actuator composed of a PZT (piezoelectric element) with a small maximum displacement but high response and a mechanism for expanding the displacement of the PZT is mounted, and this actuator is driven in the vicinity of the HGA. Thus, a displacement magnifying mechanism that improves track followability by increasing the control band is employed.
図1には、従来の変位拡大機構を示している。1はPZT、2は取り付け部、3はHGA支持部、4は変位拡大部、5、6はアーム(リンク)、7、8はPZT支持部、9は切り欠き部である。 FIG. 1 shows a conventional displacement enlarging mechanism. 1 is a PZT, 2 is a mounting portion, 3 is an HGA support portion, 4 is a displacement enlargement portion, 5 and 6 are arms (links), 7 and 8 are PZT support portions, and 9 is a notch portion.
この機構は、平行リンク機構を採用したものである。装置本体への取り付けは、取り付け部2の二つの穴2a、2bにボルトなどを挿入して装置本体への取り付け部へ取り付ける。HGA支持部3には、HGAがネジを利用して固定される。この機構は、平行リンク形状のバネにテコの機構を組み合わせたもので、弾性変形を応用したヒンジが採用されている。PZT1の微小変位は、HGA支持部3においてA/B倍に拡大されて現われる。しかし、この機構は以下に示す四つの問題点がある。
This mechanism employs a parallel link mechanism. For attachment to the apparatus main body, bolts or the like are inserted into the two holes 2a, 2b of the
(1)PZT1の伸縮力はアーム5の切り欠き部9の位置に集中して働く。アーム5の剛性はこの力に対して十分に高くとることができないため、アーム5は弾性変形する。また、PZT1に伸縮力を直接受けるPZT支持部8の剛性も、PZT支持部8が片持ち梁の形状をしているため、PZT1の発生力に対して十分に高くとることができず、PZT支持部8は弾性変形する。これにより、変位拡大率が想定した値A/Bより小さくなってしまい、PZT1の微小な変位を効率的に拡大することができない。
(1) The expansion and contraction force of
(2)PZT1を高速に動作させると、PZT取り付け部8は振動し、その反力が装置本体への取り付け部2を加振し、機構全体の振動を誘発し、高速・高精度な位置決めの大きな障害となる。
(2) When the
(3)PZT1の伸縮力により運動するHGA支持部3へ作用する慣性力は、PZT1を高速に動作させることにより極めて大きくなり、この慣性力を受ける装置本体の直動ステージへの取り付け部2は加振され,機構全体の振動を誘発し、高速・高精度な位置決めの大きな障害となる。
(3) The inertial force acting on the
(4)機構の変位拡大率と共振周波数が二律背反の関係にあり、制御性の向上のための共振周波数の飛躍的向上が望めない。
上記したように従来の機構であると、アーム5、PZT支持部8が弾性変形することがある。この場合、変位拡大率が想定した値A/Bより小さくなってしまい、PZT1の微小な変位を効率的に拡大することができない。PZT1の高速で、PZT取り付け部8の振動が、取り付け部2を加振し、機構全体の振動を誘発し、高速・高精度な位置決めの大きな障害となることがある。PZT1を高速に動作させると、HGA支持部3へ作用する慣性力が極めて大きくなり、装置本体の直動ステージへの取り付け部2が加振され,機構全体の振動を誘発し、高速・高精度な位置決めの大きな障害となることがある。機構の変位拡大率と共振周波数が二律背反の関係にあり、制御性の向上のための共振周波数の飛躍的向上が望めない。
As described above, with the conventional mechanism, the
そこでこの発明は、上記の問題点を解決すべくなされたもので、変位機構に対称性を持たせて、変位拡大率を向上し、且つ、不要な共振が発生しにくいようにし、高速・高精度の変位が可能な無反動型変位拡大位置決め装置を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems. By providing symmetry to the displacement mechanism, the displacement magnification rate is improved and unnecessary resonance is less likely to occur. It is an object of the present invention to provide a reactionless displacement magnifying positioning device capable of accurate displacement.
この発明は、上記の課題を解決するために、第1と第2のアームが鋭角を作る配置関係にあり、それぞれの一端部がそれぞれヒンジ部を介して結合した第1の連結部分と、第3のアームと第4のアームが鋭角を作る配置関係であり、それぞれの一端部がそれぞれヒンジ部を介して結合した第2の連結部と、前記第1のアームと前記第3のアームが鈍角を作る配置関係であり、それぞれの他端部がそれぞれヒンジ部を介して結合した第3の連結部分と、前記第2のアームと前記第4のアームが鈍角を作る配置関係であり、それぞれの他端部がそれぞれヒンジ部を介して結合した第4の連結部と、前記第1、第2の連結部を結ぶ線と、前記第3、第4の連結部を結ぶ線の交点を含む位置に配置された装置本体への取り付け部と、この装置本体への取り付け部と前記第1の連結部との間に取り付けられた第1のPZT,前記装置本体への取り付け部と前記第2の連結部との間に取り付けられた第2のPZTとを具備している。 In order to solve the above-mentioned problem, the present invention has an arrangement relationship in which the first and second arms form an acute angle, and each of the one end portions is connected via a hinge portion, The third arm and the fourth arm form an acute angle, each of which has an end portion coupled via a hinge portion, and the first arm and the third arm have an obtuse angle. Each of the other end portions of the third connecting portions connected via hinges, and the second arm and the fourth arm are obtuse angles. A position including an intersection of a fourth connecting part, the other end part of which is connected via a hinge part, a line connecting the first and second connecting parts, and a line connecting the third and fourth connecting parts The attachment part to the device main body and the attachment to the device main body A first PZT attached between the attaching portion and the first connecting portion, and a second PZT attached between the attaching portion to the apparatus main body and the second connecting portion. ing.
上記の手段によると、第1と第2のPZTの伸縮に応じて、前記第3と第4の連結部が拡大変位することができる。 According to said means, the said 3rd and 4th connection part can carry out expansion displacement according to expansion-contraction of 1st and 2nd PZT.
以下、本発明の一実施の形態を図面を参照して説明する。図2(A)、図2(B)はこの発明の一実施の形態である。図2(A)は、平面図、図2(B)は外観斜視図である。図に示すように、第1〜第4のアーム21,22,23,24を有し、これらはほぼひし形の配置関係にある。そして、X軸,Y軸に対称な形状である。
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 2A and 2B are one embodiment of the present invention. 2A is a plan view, and FIG. 2B is an external perspective view. As shown in the figure, the first to
ここで、第1と第2のアーム21、22が鋭角(例えば36.87度)を作る配置関係にあり、それぞれの一端部がそれぞれヒンジ部31,32を介して第1の連結部分41に結合している。また、第3のアーム23と第4のアーム24が鋭角(例えば36.87度)を作る配置関係であり、それぞれの一端部がそれぞれヒンジ部33、34を介して第2の連結部42に結合している。
Here, the first and
さらに第1のアーム21と第3のアーム23が鈍角を作る配置関係であり、それぞれの他端がそれぞれヒンジ部31a,33aを介して第3の連結部分43に結合している。そして、第2のアーム22と第4のアーム24が鈍角を作る配置関係であり、それぞれ一端部がそれぞれヒンジ部32a,34aを介して第4の連結部44に結合している。
Further, the
第1、第2の連結部41,42を結ぶ線(Y軸)と、第3、第4の連結部43、44を結ぶ線(X軸)の交点を含むように、装置本体への取り付け部55が配置されている。この装置本体への取り付け部55と第1の連結部41との間には、第1のPZT56が取り付けられ、装置本体への取り付け部55と第2の連結部42との間には、第2のPZT57が取り付けられている。また、上記の装置で、長手方向の最大長は、例えば49.96mm、短辺方向の最大長は例えば26.0mmである。またヒンジ部を形成するために設けられた切り欠き幅は1mm程度である。アーム21−24の各長さは同じ長さである。
Mounting to the apparatus body so as to include the intersection of the line connecting the first and second connecting
上記のようにこの実施の形態では、弾性変形を応用したヒンジを採用し、PZT微動アクチュエータの形状として、機構全体が直交する対角軸X,Yに対して対称となる形状(菱形)を採用している点に特徴がある。装置本体への取り付け部55の中心は、対角軸の交点の位置とし、装置本体への取り付け部55の形状は直行するX,Y軸に対して対称としている。
As described above, this embodiment employs a hinge that applies elastic deformation, and adopts a shape (diamond) that is symmetrical with respect to the diagonal axes X and Y that are orthogonal to each other as the shape of the PZT fine actuator. There is a feature in the point. The center of the
特性の等しい二つのPZT56,57は、Y軸を中心線とし、装置本体への取り付け部55を挟むように対向させて配置している。PZT56,57の微小変位を拡大する変位拡大部(第1乃至第4のアーム及び第1乃至第4の連結部を結ぶ線で囲むエリア)の形状は,直行するX,Y軸に対して対称な機構である。
Two
これにより,特性の等しい二つのPT56,57に等しい電圧を印加するとき、PZT56,57の伸縮による機構各部の変位はX軸,Y軸に対して対称となり,Y軸上の機構各部のX軸方向変位およびX軸上の機構各部のY軸方向変位はそれぞれ振動の節となり、振動の節では現代制御理論で言うところの不可制御な点となっている(制御の影響を受けない)。したがって、PZT56,57を高速に動作させても、(HGA支持部(例えば第3の連結部43)はX軸方向にのみ変位し、PZT56,57の発生力や機構各部が発生する慣性力は相殺され、装置本体への取り付け部55に不要な力を及ぼし難い機構となっており、上記した従来の変位拡大機構の問題点(2)、(3)を回避した機構になっている。
As a result, when an equal voltage is applied to two
また,機構の対称性により成立する不可制御の実現により、PZT56,57の曲げモードを伴うX,Y軸に非対称な低次の振動モードをPZT56,57の発生力から不可制御にすることにより、機構の共振周波数を飛躍的に向上させた機構となっており、上記した従来の変位拡大機構の問題点(4)を回避した機構になっている.さらに,本発明の機構(軸対称(菱形)機構)は、PZT56,57発生力を直接受ける部分55,41,42に十分な剛性をもたせることができ,弾性変形による変位拡大率の減少を及ぼし難い機構となっており,上記した従来の変位拡大機構の問題点(1)を回避した機構になっている。
In addition, by realizing the uncontrollable control established by the symmetry of the mechanism, the low-order vibration mode asymmetrical to the X and Y axes with the bending modes of the
本発明の構成についてのさらに具体的な説明を行う。本発明は、装置本体への取り付け部55、特性の等しい二つのPZT56,57、変位拡大部を有する。装置本体への取り付けは,X軸とY軸の交点付近で装置本体への取り付け部55の二つの円形の穴にボルトなどを用いて行い、HGA支持部(第3の連結部43)にHGAをネジで固定する。
A more specific description of the configuration of the present invention will be given. The present invention has an
この構成は、軸対称(菱形)リンク形状のバネにテコの機構を組み合わせたもので、弾性変形を応用したヒンジが採用されている。PZT56,57は、電極にリード線を介して電圧を印加することにより、Y軸方向に伸縮する。PZT56,57の変位に対するHGAの変位は,変位拡大部によりA/B倍に拡大される。本発明は、特性の等しい二つのPZT56,57が装置本体直動ステージへの取り付け部55を挟んで直列に配置され、機構全体がY,X軸に対して対称な機構となっている。HGA支持部(第3の連結部43)にHGAを取り付ける際には、Y軸に対して質量の対称性を保つため、HGAと同質量のCounterweight(カウンターウエイト)をCounterweight取り付け部(第4の連結部44)にネジで固定する。
In this configuration, a lever mechanism is combined with an axisymmetric (rhombus) link-shaped spring, and a hinge using elastic deformation is employed. The
上記の装置のさらに具体的動作、具体的作用について説明する。今、A/B=3として作製した本アクチュエータの静特性の測定結果として、PZT56,57に周波数100Hzで入力電圧50Vの台形波を入力した際のPZT56,57の発生力を直接受ける部分(第1の連結部41又は第2の連結部42)のY方向変位を図3(A)に示し、HGA支持部(第3の連結部43)のX方向変位を図3(B)に示す。
More specific operation and specific action of the above apparatus will be described. As a result of measuring the static characteristics of this actuator manufactured with A / B = 3, the part directly receiving the generated force of
PZT56,57の発生力を直接受ける部分(第1の連結部41又は第2の連結部42)のY方向変位は2μmであり、HGA支持部(第3の連結部43)のX方向変位は5.8μmであった。これにより変位拡大率は2.9であり、想定した値A/Bとほぼ等しい値となった。
The displacement in the Y direction of the portion (the
図4は、また、本アクチュエータの動特性の測定結果として、図2中のPZT56,57への入力電圧からHGA支持部(第3の連結部43)のX方向変位までの伝達関数の周波数特性を示している。共振周波数9.9kHzの典型的な1自由度2次遅れ要素の性質を有していることがわかる。図4の上の段は、周波数対位相特性であり、下の段は周波数対振幅特性である。
FIG. 4 also shows the frequency characteristics of the transfer function from the input voltage to the
PZT56,57には、50Vのオフセット電圧を加えた状態で、周波数100Hz−50kHzでスイープする振幅±5Vの正弦波を入力したときの振幅±5Vの1/100の値を入力信号とし、HGA支持部のX軸方向変位(μm)の1/17.5の値を出力信号としたときの入出力間の周波数応答である。
The
図5には、本発明の装置の使用例を示している。PZT56,57としては、積層型のものが使用されている。リード線61、62、63、64を介して入力信号が与えられ、HGA支持部(第3の連結部43)のX方向変位が得られる。HGA支持部43には、HGA71が取り付けられ、この先端に磁気ヘッド72が取り付けられている。この磁気ヘッド72は、磁気ディスク74の記録トラック75上に対向している。取り付け部55は、ネジ81、82により装置本体の固定部に取り付けられている。
FIG. 5 shows an example of use of the apparatus of the present invention. As the
上記したように本実施例は、従来の平行リンク機構の共振周波数が3.3kHzなのに対して、本実施例の軸対称(菱形)機構の共振周波数は従来の3倍と飛躍的な向上を実現した。本実施例によると、先に述べたようにヘッドを高速駆動した際に,運動部が発生する全ての慣性力は、機構の完全な対称性により、機構内部で全てキャンセルされ(合力がゼロとなる)、装置本体への取り付け部には、駆動による力は一切作用しないという無反動駆動が実現されている。 As described above, in this embodiment, the resonance frequency of the conventional parallel link mechanism is 3.3 kHz, whereas the resonance frequency of the axially symmetric (diamond) mechanism of this embodiment is three times that of the conventional structure. did. According to the present embodiment, as described above, when the head is driven at a high speed, all the inertial force generated by the moving part is canceled inside the mechanism due to the complete symmetry of the mechanism (the resultant force is zero). Thus, a reactionless drive in which no driving force is applied to the attachment portion to the apparatus main body is realized.
なおこの発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能であるが、この変形の範囲も本発明の範疇である。例えば、必ずしも完全なY軸対称の形状をとらなくてもよい。拡大率、カウンターウエイト、使用条件などにより対称性が完全になるとはかぎらない。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made. The scope of this modification is also within the scope of the present invention. For example, it is not always necessary to take a perfect Y-axis symmetrical shape. The symmetry may not be perfect due to factors such as magnification, counterweight, and usage conditions.
21−24…第1〜第4のアーム、31,31,33,34,31a,32a,33a,34a…ヒンジ部、41−44…第1〜第4の連結部、55…装置本体への取り付け部、56,57…PZT(圧電素子)。 21-24 ... 1st to 4th arm, 31, 31, 33, 34, 31a, 32a, 33a, 34a ... Hinge part, 41-44 ... 1st to 4th connecting part, 55 ... to the apparatus main body Attachment part, 56, 57 ... PZT (piezoelectric element).
Claims (5)
前記第1と第2のアームが鋭角を作る配置関係にあり、それぞれの一端部がそれぞれヒンジ部を介して結合した第1の連結部分と、
前記第3のアームと第4のアームが鋭角を作る配置関係であり、それぞれの一端部がそれぞれヒンジ部を介して結合した第2の連結部と、
前記第1のアームと前記第3のアームが鈍角を作る配置関係であり、それぞれの他端部がそれぞれヒンジ部を介して結合した第3の連結部分と、
前記第2のアームと前記第4のアームが鈍角を作る配置関係であり、それぞれの他端部がそれぞれヒンジ部を介して結合した第4の連結部と、
前記第1、第2の連結部を結ぶ線と、前記第3、第4の連結部を結ぶ線の交点を含む位置に配置された装置本体への取り付け部と、
この装置本体への取り付け部と前記第1の連結部との間に取り付けられた第1の圧電素子,前記装置本体への取り付け部と前記第2の連結部との間に取り付けられた第2の圧電素子とを具備したことを特徴とする無反動型変位拡大位置決め装置。 First to fourth arms;
A first connecting portion in which the first and second arms are in an arrangement relationship that forms an acute angle, and each one end portion is coupled via a hinge portion;
The third arm and the fourth arm are in an arrangement relationship that forms an acute angle, and each of the one end portions is coupled via a hinge portion;
The first arm and the third arm are in an arrangement relationship that makes an obtuse angle, and each of the other end portions is coupled via a hinge portion, a third connecting portion,
The second arm and the fourth arm are in an arrangement relationship that makes an obtuse angle, and each of the other end portions is coupled via a hinge portion, a fourth connecting portion;
An attachment portion to the apparatus main body disposed at a position including an intersection of a line connecting the first and second connecting portions and a line connecting the third and fourth connecting portions;
A first piezoelectric element attached between the attachment portion to the apparatus main body and the first connection portion, and a second piezoelectric element attached between the attachment portion to the apparatus main body and the second connection portion. A non-reaction type displacement enlarging positioning apparatus comprising: a piezoelectric element.
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