JP2008029111A - センサー機能付アクチュエータ装置および粘弾性測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】センサー機能とアクチュエータ機能とを備え、変位量出力と応力入力を同時に測定でき、また、変位を生じさせた結果生ずる歪みや応力などを検知するセンサーとして用いることもできる、センサー機能付アクチュエータ装置および粘弾性測定装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、２つの積層型ピエゾ素子を、中間体を介して、変位発生方向に直列的に接続した駆動部を備えたセンサー機能付アクチュエータ装置であって、駆動部の２つの積層型ピエゾ素子において、一方の積層型ピエゾ素子は、電圧を印加することによって変位を生じさせることによりアクチュエータとして機能するよう構成し、他方の積層型ピエゾ素子は、他方の積層型ピエゾ素子内部の圧力変化によって圧電電荷を発生させることによりセンサーとして機能するよう構成すること、を特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、センサー機能付アクチュエータ装置および粘弾性測定装置に関し、特に、２つの積層型ピエゾ素子を利用したセンサー機能付アクチュエータ装置および粘弾性測定装置に関する。

近年、食品等の品質管理として、力学的性質の評価の社会的必要性が高まってきている。しかし、単純な液体や固形物の物質は少なく、多くの物質は、粘性液体、懸濁液、ゲルなど複合的な組成、構造を持つため、物質の力学的性質の評価は容易ではない。

これらの物質は、液体成分の示す粘性と固体成分の示す弾性の両方を併せ持ち、製造工程中に液状から固形、またその逆に変化する場合もある。さらに、接着剤や塗料などのように使用時に硬化する化成品もある。このような物質の力学特性を評価するためには動的粘弾性測定装置が必要である。

粘弾性測定等のためのアクチュエータ装置としてピエゾ素子を利用することが考えられている。しかし、ピエゾ素子には、ヒステリシス特性やクリープ特性があるため、直接印加電圧を計測することで変位を測定することはできず、これら特性による変位差を軽減または補正する手段が必要となる。すなわち、静電容量変位センサーや歪ゲージ変位センサーなどの変位センサーを用いて、実際の変位量を測定し補正する変位フィードバック制御が必要になる。

ここで、特許文献１は、ピエゾ素子に電圧を印加するための対向電極の外側に検出電極を配置し、検出電極に発生する誘導電荷量を測定することにより、誘導電荷量と線形な変位量を測定する装置である。

また、特許文献２は、チタン基盤上に圧電結晶膜が形成されたピエゾ材料に、電圧印加により変位を発生させるための電極と歪み（荷重）を圧電電荷により検知するための電極とが付与されているセンサー機能を有するアクチュエータである。

特開平１０−２０９５１６号公報 特開平１０−２５７７８５号公報

しかしながら、従来のピエゾ素子を利用したアクチュエータでは、別に荷重や変位を測定するためのセンサーを設置する必要があり、装置全体の複雑化、大型化、高価格化につながるという問題がある。

また、特許文献１の変位量測定装置においては、変位量出力をピエゾ素子から検出できるものの、その変位によって生じた応力までは検出できないという問題点がある。

また、特許文献２のセンサー機能付アクチュエータにおいては、荷重をピエゾ素子から検出できるものの、依然として印加電圧による変位のヒステリシス特性等を除去する方法については開示されておらず、その正確な変位を測定することはできないという問題点がある。

さらに、特許文献２のセンサー機能付アクチュエータは、センサーとして歪み（荷重）を検知してアクチュエータとして変位を生じさせるための装置であって、変位を生じさせた結果生ずる歪みや応力などを検知するセンサーとして用いることは想定されておらず、粘弾性測定や微小構造の評価に利用することができないという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、振動生成源として軽いピエゾ素子を利用した、小型かつ軽量で、持ち運び可能な、センサー機能付アクチュエータ装置および粘弾性測定装置を提供することを目的とする。また、変位と同時に、変位を生じさせた結果生ずる歪みや応力などを検知するセンサーとして用いることもできる、センサー機能付アクチュエータ装置及びその粘弾性測定装置を提供することを目的とする。

このような目的を達成するため、請求項１に記載のセンサー機能付アクチュエータ装置は、２つの積層型ピエゾ素子を、中間体を介して、変位発生方向に直列的に接続した駆動部を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、圧電効果・逆圧電効果を有する、小型で軽量な、積層型ピエゾ素子を、中間体を介して、変位発生方向に直列に接続したので、アクチュエータとして使用すると同時に、センサーとしても使用することができ、小型かつ軽量なセンサー機能付アクチュエータ装置を提供することができる。

また、請求項２に記載のセンサー機能付アクチュエータ装置は、請求項１に記載の発明において、上記駆動部の２つの積層型ピエゾ素子における、一方の積層型ピエゾ素子は、電圧を印加することによって変位を生じさせることによりアクチュエータとして機能するよう構成し、他方の積層型ピエゾ素子は、該他方の積層型ピエゾ素子内部の圧力変化によって圧電電荷を発生させることによりセンサーとして機能するよう構成すること、を特徴とする。

この発明によれば、さらに駆動部の２つの積層型ピエゾ素子における、一方の積層型ピエゾ素子は、電圧を印加することによって変位を生じさせることによりアクチュエータとして機能するよう構成し、他方の積層型ピエゾ素子は、積層型ピエゾ素子内部の圧力変化によって圧電電荷を発生させることによりセンサーとして機能するよう構成するので、変位量出力と応力入力を同時に測定でき、また、変位を生じさせた結果生ずる歪みや応力などを検知するセンサーとして用いることもできる。

また、請求項３に記載のセンサー機能付アクチュエータ装置は、請求項２に記載の発明において、上記一方の積層型ピエゾ素子に電圧を印加するための電圧印加用端子と、上記一方の積層型ピエゾ素子に電圧を印加することによって、該上記一方の積層型ピエゾ素子に発生した誘導電荷を測定するための誘導電荷測定用端子と、上記他方の積層型ピエゾ素子内部の圧力変化によって発生した圧電電荷を測定するための圧電電荷測定用端子と、を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、さらに一方の積層型ピエゾ素子に電圧を印加するための電圧印加用端子と、一方の積層型ピエゾ素子に電圧を印加することによって、一方の積層型ピエゾ素子に発生した誘導電荷を測定するための誘導電荷測定用端子と、他方の積層型ピエゾ素子内部の圧力変化によって発生した圧電電荷を測定するための圧電電荷測定用端子と、を備えたので、より適式に、アクチュエータとして機能させるための電圧の印加と、センサーとして機能させるための電荷の測定をすることができる。

また、請求項４に記載のセンサー機能付アクチュエータ装置は、請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載のセンサー機能付アクチュエータ装置において、上記センサー機能付アクチュエータ装置は、力点を駆動部側に配し、作用点を測定の対象物側に配する、てこの原理を応用した直動型変位拡大機構を備えたことを特徴とする。

この発明によれば、さらにセンサー機能付アクチュエータ装置は、力点を駆動部側に配し、作用点を測定の対象物側に配する、てこの原理を応用した直動型変位拡大機構を備えたので、ピエゾ素子の変位が小さい場合であっても、変位を増幅させて伝達することができる。

また、請求項５に記載のセンサー機能付アクチュエータ装置は、請求項１乃至請求項４のいずれか一つに記載のセンサー機能付アクチュエータ装置において、上記センサー機能付アクチュエータ装置は、上記誘導電荷測定用端子または上記圧電電荷測定用端子に接続したチャージアンプ装置を備え、上記チャージアンプ装置は、上記一方の積層型ピエゾ素子の両端に発生する誘導電荷、または、上記他方の積層型ピエゾ素子の両端に発生する上記圧電電荷、を増幅することを特徴とする。

この発明によれば、さらに、センサー機能付アクチュエータ装置は、誘導電荷測定用端子または圧電電荷測定用端子に接続したチャージアンプ装置を備え、チャージアンプ装置は、一方の積層型ピエゾ素子の両端に発生する誘導電荷、または、他方の積層型ピエゾ素子の両端に発生する圧電電荷を増幅するよう構成したので、誘導電荷または圧電電荷が検出限界を下回るときでも、これら電荷を増幅させて検出することができる。

また、請求項６に記載のセンサー機能付アクチュエータ装置は、請求項１乃至請求項６のいずれか一つに記載のセンサー機能付アクチュエータ装置において、上記中間体は、良導電材料から成り、上記電圧印加用端子、上記誘導電荷測定用端子および上記圧電電荷測定用端子、並びに、上記２つの積層型ピエゾ素子以外から絶縁するよう構成されることを特徴とする。

この発明によれば、さらに、中間体は、良導電材料から成り、電圧印加用端子、誘導電荷測定用端子および圧電電荷測定用端子、並びに、２つの積層型ピエゾ素子以外から絶縁するよう構成したので、電圧印加用端子、誘導電荷測定用端子または圧電電荷測定用端子は、積層型ピエゾ素子の両端から接続されることを要せず、中間体の任意の位置に接続させることができ、装置の組み立てが容易になる。

また、請求項７に記載のセンサー機能付アクチュエータ装置は、請求項４または請求項６に記載のセンサー機能付アクチュエータ装置において、上記直動型変位拡大機構の少なくとも一部は、良導電材料から成ることを特徴とする。

この発明によれば、さらに、電圧印加用端子、誘導電荷測定用端子または圧電電荷測定用端子は、積層型ピエゾ素子の両端から接続されることを要せず、良導電材料でできた変位拡大機構の任意の位置に接続させることができ、装置の組み立てが容易になる。

また、請求項８に記載のセンサー機能付アクチュエータ装置は、請求項１乃至請求項７のいずれか一つに記載のセンサー機能付アクチュエータ装置に接続される、粘弾性測定装置であって、上記粘弾性測定装置は、少なくとも記憶装置と制御装置とを有しており、上記記憶装置は、上記一方の積層型ピエゾ素子に発生する上記誘導電荷と、上記直動型変位拡大機構の増幅部の変位量と、の関係を表す校正式を記憶する変位量校正式記憶手段と、上記他方の積層型ピエゾ素子に発生する上記圧電電荷と、上記測定の対象物の応力と、の関係を表す校正式を記憶する応力校正式記憶手段と、を備え、上記制御装置は、上記一方の積層型ピエゾ素子に電圧を印加して変位させるよう制御する変位制御手段と、上記印加制御手段によって、上記直動型変位拡大機構の上記増幅部に伝達される変位量を、上記一方の積層型ピエゾ素子に発生した上記誘導電荷を検出し、上記変位量校正式記憶手段に記憶された上記校正式を用いて校正することにより測定する変位量測定手段と、上記印加制御手段により上記増幅部の変位によって発生した応力を、上記他方の積層型ピエゾ素子に発生した上記圧電電荷を検出し、上記応力校正式記憶手段に記憶された上記校正式を用いて校正することにより測定する応力測定手段と、を備えたことにより、試料の粘弾性に関する指標値を算出することを特徴とする。

この発明によれば、センサー機能付アクチュエータ装置に接続される粘弾性測定装置であって、粘弾性測定装置は、少なくとも記憶装置と制御装置とを有しており、記憶装置は、一方の積層型ピエゾ素子に発生する誘導電荷と直動型変位拡大機構の増幅部の変位量との関係を表す校正式を記憶する変位量校正式記憶手段と、他方の積層型ピエゾ素子に発生する圧電電荷と測定の対象物の応力との関係を表す校正式を記憶する応力校正式記憶手段と、を備え、制御装置は、一方の積層型ピエゾ素子に電圧を印加して変位させるよう制御する変位制御手段と、印加制御手段によって、直動型変位拡大機構の増幅部に伝達される変位量を、一方の積層型ピエゾ素子に発生した誘導電荷を検出し、変位量校正式記憶手段に記憶された校正式を用いて校正することにより測定する変位量測定手段と、印加制御手段により増幅部の変位によって発生した応力を、他方の積層型ピエゾ素子に発生した圧電電荷を検出し、応力校正式記憶手段に記憶された校正式を用いて校正することにより測定する応力測定手段と、を備えたことにより、試料の粘弾性に関する指標値を算出するので、変位を発生させながら同時に応力を測定し、正確に動的粘弾性測定を行うことができる。

また、センサー付アクチュエータ装置をコンピュータなどの制御装置と組み合わせるだけで、動的粘弾性測定などの動的物性試験のみならず、圧縮緩和試験、引っ張り試験、曲げ試験等の静的物性測定が可能になり、応力緩和試験、クリープ試験等の高度な制御と解析が必要な装置を校正する際にも有効となる。また、簡素化された装置で、大幅な小型軽量化が可能になる。

また、請求項９に記載のセンサー機能付アクチュエータ装置は、請求項８に記載の粘弾性測定装置において、上記変位制御手段は、正弦波形振動の変位を起こすよう上記電圧を制御し、上記制御装置は、上記変位量測定手段によって測定された上記変位量の位相と同位相である、上記応力測定手段によって測定された上記応力を、弾性応答として取得する弾性応答取得手段と、上記変位量測定手段によって測定された上記変位量の位相と異なる位相である、上記応力測定手段によって測定された上記応力を、粘性応答として取得する粘性応答取得手段と、を更に備えたことを特徴とする。

これにより、さらに、変位の制御の際に、正弦波形振動の変位を起こすよう電圧を制御し、制御装置は、測定された変位量の位相と同位相である、測定された応力を、弾性応答として取得し、測定された変位量の位相と異なる位相である、測定された応力を、粘性応答として取得するので、物質に正弦波形の振動を加えたとき、弾性成分と粘性成分の応答が異なる位相（例えば、π／２位相進んだ位相）で検出されることを利用して、粘性と弾性をそれぞれ同時に評価することができる。

この発明によれば、ピエゾ素子に圧電素子にセンサー機能とアクチュエータ機能を同時に兼ね備えさせることができ、小型かつ軽量な装置で、変位量出力と応力入力を同時に測定できるという効果を奏する。また、変位を生じさせた結果生ずる歪みや応力などを検知するセンサーとして用いることもできる。

すなわち、本発明によれば、小型かつ軽量で、持ち運び可能な、センサー機能付アクチュエータ装置及びその粘弾性測定装置を提供することができ、また、変位と同時に、変位を生じさせた結果生ずる歪みや応力などを検知するセンサーとして用いることもできる、センサー機能付アクチュエータ装置及びその粘弾性測定装置を提供することができる。

以下に、本発明にかかるセンサー機能付アクチュエータ装置および粘弾性測定装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

特に以下の実施の形態においては、本発明を粘弾性測定に適用した例について説明するが、この場合に限られず、微小構造評価、柔軟物質の微細形成、対人間動作ロボットなどの技術分野において、同様に適用することができる。

［本発明の概要］
以下、本発明の概要について説明し、その後、本発明の構成および処理等について詳細に説明する。図１は、本発明のセンサー機能付アクチュエータ装置の駆動部の基本原理を示す原理構成図である。

本発明は、概略的に、以下の基本的特徴を有する。

図１に示すように、本発明は、２つの積層型ピエゾ素子１を、中間体２を介して、変位発生方向に直列的に接続した駆動部１０を備えたセンサー機能付アクチュエータ装置である。

すなわち、本発明は、駆動部１０の２つの積層型ピエゾ素子１における、一方の積層型ピエゾ素子１Ｂは、電圧を印加することによって変位を生じさせることによりアクチュエータとして機能するよう構成し、他方の積層型ピエゾ素子１Ａは、他方の積層型ピエゾ素子内部の圧力変化によって圧電電荷を発生させることによりセンサーとして機能するよう構成すること、を特徴とする。

例えば図１に示すように、一方の積層型ピエゾ素子１Ｂは、（１）のように電圧を印加するように構成し、変位を生じさせることによりアクチュエータとして機能するよう構成する。

ここで、変位量は、積層型ピエゾ素子１Ｂ両端電極から（１）による充電電荷によって発生した誘導電荷を計測することにより検知する（２）。ここで、印加電圧と変形量との関係には、ヒステリシスが存在するが、（１）による充電電荷と変形量との間にはヒステリシスが存在しない。そのため誘導電荷を計測することにより、比例する積層型ピエゾ素子１Ｂの変化量を測定することができる。

これにより、アクチュエータとして機能する積層型ピエゾ素子１Ｂの正確な変位量を測定することができる。

また、例えば図１に示すように、他方の積層型ピエゾ素子１Ａは、（３）のように、他方の積層型ピエゾ素子内部の圧力変化によって圧電電荷を発生させることによりセンサーとして機能するよう構成する。

すなわち、（１）によって電圧が印加された一方の積層型ピエゾ素子１Ｂの変位により、応力（内部応力と外部応力を含む）が発生し、これにより他方の積層型ピエゾ素子１Ａ両端に圧電効果による圧電電荷が発生する。圧電電荷と荷重（応力）との関係は、線形であるので、圧電電荷を検出することにより、比例する積層型ピエゾ素子１Ｂの荷重（応力）を測定することができる。

これにより、センサーとして機能する積層型ピエゾ素子１Ａの圧電電荷から正確な応力（荷重）を計測することができる（３）。

ここで、図２は、本発明の実施の形態であるセンサー付アクチュエータ装置の構成の一例を示す断面図である。

図２に示すように、本発明の本実施の形態に係る本センサー付アクチュエータ装置は、駆動部１０と直動型変位拡大機構２０(斜線で図示する部分)を備えて構成される。

ここで、本センサー機能付アクチュエータ装置の直動型変位拡大機構２０は、力点を駆動部１０側に配し、作用点を測定の対象物３０側に配する、てこの原理を応用する。これにより、積層型ピエゾ素子１の変位が少ない場合であっても、測定の対象には大きな変位を伝達することができる。

また、本発明は、図２に示すように、上記のセンサー機能付アクチュエータ装置において、一方の積層型ピエゾ素子１Ｂに電圧を印加するための電圧印加用端子Ｐ＋，Ｐ−と、一方の積層型ピエゾ素子１Ｂに電圧を印加することによって発生した誘導電荷を測定するための誘導電荷測定用端子Ｓ２＋，Ｓ２−と、他方の積層型ピエゾ素子１Ａ内部の圧力変化によって発生した圧電電荷を測定するための圧電電荷測定用端子Ｓ１＋、Ｓ１−と、を備えて構成してもよい。また、変位拡大機構については、変位拡大機構の先端に加えられた力は、変位拡大倍率だけ拡大された力となって圧電素子に伝えられる。従って圧電素荷を計測することにより力を計測する方法は、変位拡大機構との組み合わせにより、より有効に機能する。

ここで、各端子は、図２に示す接続箇所に限られず、積層型ピエゾ素子１の構成、または、後述する変位拡大機構の構成によって、適当な箇所に接続してもよい。

また、本発明の本センサー機能付アクチュエータ装置において、誘導電荷測定用端子Ｓ２＋，Ｓ２−または圧電電荷測定用端子Ｓ１＋，Ｓ１−に接続したチャージアンプ装置４００を備え、チャージアンプ装置４００は、一方の積層型ピエゾ素子１Ｂの両端に発生する誘導電荷、または、他方の積層型ピエゾ素子１Ａの両端に発生する圧電電荷、を増幅するよう構成してもよい。

また、本発明の本センサー機能付アクチュエータ装置において、中間体２は、ステンレス、鉄、アルミ、銅などの良導電材料から成り、電圧印加用端子Ｐ＋、Ｐ−、誘導電荷測定用端子Ｓ２＋、Ｓ２−および圧電電荷測定用端子Ｓ１＋、Ｓ１−、並びに、２つの積層型ピエゾ素子１Ａ，１Ｂ以外から絶縁するよう構成してもよい。これにより、例えば図２に示すように、誘導電荷測定用端子Ｓ２＋は、中間体２と接地させることにより、容易に誘導電荷を測定することができる。

また、本発明の本センサー機能付アクチュエータ装置において、直動型変位拡大機構２０の少なくとも一部は、ステンレス、鉄、アルミ、銅などの良導電材料から成るよう構成してもよい。これにより、例えば図２に示すように、誘導電荷測定用端子Ｓ２−は、直動型変位拡大機構２０と接地させることにより、容易に誘導電荷を測定することができる。

以上が、本発明の本センサー機能付アクチュエータ装置の概要である。

次に、本発明の、上記センサー機能付アクチュエータ装置に接続される粘弾性測定装置５００についての概要を説明する。

ここで、本システムを用いた粘弾性測定の基本原理について説明する。

粘弾性材料の品質評価に適した動的粘弾性測定の原理について説明する。動的粘弾性測定では、正弦波形の歪みを材料に与えながらロードセルなどで材料からの応力を検出し、歪みの波形と応力の波形から動的粘弾性の指標である貯蔵弾性率および損失弾性率を測定する。これにより、材料の特性に関する高度な品質管理に必要な各種情報を得ることができる。具体的には、材料の粘性や弾性や構造特性など物性に関する広範な特性の情報を得ることができ、得られた情報から時間変化（経時変化）特性や温度変化特性（温度分散や歪み分散、周波数分散など）などの高度な解析を行うことができる。動的粘弾性測定は、微小変形で測定するので、非破壊的な測定であり、固形材料、液状材料ともに測定対象とできる。

ピエゾ素子は、電界変化により変形する性質（逆圧電効果）および変形により電界を発生する性質(圧電効果)を持つ圧電材料であり、このような性質を持つため、トランスデューサ、アクチュエータ、センサー、振動発生器およびマイクロマニピュレーションなどとして利用されうるが、ここで、ヒステリシス特性は、積層型ピエゾ素子の温度変化や積層型ピエゾ素子に加える圧力変化などの影響を受けて変化し、積層型ピエゾ素子に対して与える指令値（印加電圧信号など）と指令値により変形する積層型ピエゾ素子の変位量との関係は非線形であるので、他に変位量測定手段が必要となる。

そこで、ヒステリシス特性やクリープ特性を軽減または補正するために、本発明に係る本実施の形態では、中間体を介して、変位発生方向に直列的に接続した２つの積層型ピエゾ素子のうち、一方の積層型ピエゾ素子を、電圧を印加することによって変位を生じさせることによりアクチュエータとして機能させ、他方の積層型ピエゾ素子は、内部の圧力変化によって圧電電荷を発生させることによりセンサーとして機能させる。

これにより、誘導電位もしくは圧電電荷と変位量は線形なので、一方の積層型ピエゾ素子の両極から誘導電荷を計測することにより変位量を求めることができ、同時に、他方の積層型ピエゾ素子の両極から圧電電荷を計測することにより応力を求めることができる。また、予め内部応力を計測し校正式で差し引いておくことで、測定に際しては、外部応力だけを検知することができる。

次に、上記基本原理に基づいた、本発明の、上記センサー機能付アクチュエータ装置に接続される粘弾性測定装置５００についての制御の概要を説明する。

すなわち、本発明の本センサー機能付アクチュエータ装置に接続される、本粘弾性測定装置は、少なくとも記憶装置と制御装置とを有しており、記憶装置は、一方の積層型ピエゾ素子１Ｂに発生する誘導電荷と、直動型変位拡大機構２０の増幅部の変位量と、の関係を表す校正式を記憶する変位量校正式記憶手段と、他方の積層型ピエゾ素子１Ａに発生する圧電電荷と、測定の対象物３０の応力と、の関係を表す校正式を記憶する応力校正式記憶手段と、を備える。

つぎに、本粘弾性測定装置の制御装置は、一方の積層型ピエゾ素子１Ｂに電圧を印加して変位させるよう制御する。

また、直動型変位拡大機構２０の増幅部に伝達される変位量を、一方の積層型ピエゾ素子１Ｂに発生した誘導電荷を検出し、記憶手段に記憶された校正式を用いて校正することにより測定する。

さらに、電圧を印加したことにより増幅部２４の変位によって発生した応力を、他方の積層型ピエゾ素子１Ａに発生した圧電電荷を検出し、記憶手段に記憶された校正式を用いて校正することにより測定する。これにより、試料の粘弾性に関する指標値を算出することができる。

ここで、本粘弾性測定装置の制御装置は、さらに、変位を制御する場合に、正弦波形振動の変位を起こすよう電圧を制御し、測定された変位量の位相と同位相である、応力測定手段によって測定された応力を、弾性応答として取得し、測定された変位量の位相と異なる位相、例えばπ／２位相進んだ位相である、測定された応力を、粘性応答として取得する。

以上が本発明の概要である。

［システム構成］
まず、本システムの構成について説明する。図３は、本発明が適用される本システム構成の一例を示すブロック図であり、該構成のうち本発明に関係する部分のみを概念的に示している。本システムは、概略的に駆動部１０と、駆動部１０の変位を増大させる直動型変位拡大機構２０と、駆動部１０に電圧を印加する電圧印加装置２００と、駆動部１０に発生した電荷を増大させるチャージアンプ装置４００と、電圧印加装置２００を制御しチャージアンプ装置４００から電荷データを入手する粘弾性測定装置５００とを、接続して構成される。

図３において、駆動部１０は、２つの積層型ピエゾ素子１を、中間体２を介して変位発生方向に接続された駆動手段である。また、中間体２は、良導電材料から成り、電圧印加用端子、誘導電荷測定用端子および圧電電荷測定用端子、並びに、２つの積層型ピエゾ素子１Ａ，１Ｂ以外から絶縁するよう構成してもよい。

また、図３において、直動型変位拡大機構２０は、力点を駆動部側に配し、作用点を測定の対象物側に配する、てこの原理を応用した直動型変位拡大機構である。ここで、図４を参照して、本実施の形態における本センサー付アクチュエータ装置の本直動型変位拡大機構２０の構成の一例について説明する。図４は、本実施の形態における本センサー付アクチュエータ装置の本直動型変位拡大機構２０の一例を示す構成図である。

すなわち、図４に示すように、駆動部１０は、ほぼ英文字のＵ形状をなすベース２１の底部に固定されている。駆動部１０の他の一端には、駆動部１０の発生する変位を第２、第４のヒンジ２７−１，２７−２に伝えるためのキャップ２５が取り付けられている。

また、Ｕ形状のベース２１の上端の一方には第１のヒンジ２６−１の一端が接合されている。第１のヒンジ２６−１の他端は、ほぼギリシャ文字のΓ形状をなす第１のアーム２２−１の上部内側に接合されている。第１のアーム２２−１の上部内側には第１のヒンジ２６−１と所定の距離を保つ位置に第２のヒンジ２７−１が接合されている。第２のヒンジ２７−１の他端はキャップ２５に接合されている。

また同様にして、これらと左右対称な構造を持つように、第３のヒンジ２６−２、第２のアーム２２−２、および第４のヒンジ２７−２が配置されている。第１のアーム２２−１および第２のアーム２２−２の先端の間には、ハの字を上下逆にした位置関係で第１の板ばね２３−１および第２の板ばね２３−２が配置されている。また、第１の板ばね２３−１と第２の板ばね２３−２が接合される逆ハの字の先端部分には増幅部２４が接合されている。

上記構成により、駆動部１０の駆動により変位が発生すると、第１のアーム２２−１および第２のアーム２２−２は、各々てこ機構として動作し、第１のアーム２２−１と第２のアーム２２−２の先端間の距離を互いに狭めるように変位する。すると、逆ハの字をなす第１の板ばね２３−１および第２の板ばね２３−２は増幅部２４を下方向に突き出すように変位する。したがって、増幅部２４に対象物３０を接触させることにより、約４０倍に増幅した変位を対象物に伝達することができ、逆に増幅した変位により発生した対象物３０の応力を駆動部１０に伝達することができる。

以上が、本実施の形態における直動型変位拡大機構２０の詳細である。この実施の形態に示した直動型変位拡大機構２０により、センサー付アクチュエータ装置全体として小型かつ軽量で、持ち運びが可能となる。ここで、直動型変位拡大機構２０の構成は、上記したものに限らず、力点を駆動部側に配し、作用点を測定の対象物側に配した、てこ機構を利用していればよい。例えば、アームを３本以上とする構成としてもよい。

再び図３の説明に戻って、電圧印加装置２００は、電圧印加用端子Ｐ＋，Ｐ−を介して駆動部１０と接続され、さらに粘弾性測定装置５００と相互に接続される、電圧印加手段である。

また、図３において、チャージアンプ装置４００は、誘導電荷測定用端子Ｓ２＋、Ｓ２−を介して、一方の積層型ピエゾ素子１Ｂの両端に発生する誘導電荷、または、圧電電荷測定用端子Ｓ１＋，Ｓ１−を介して、他方の積層型ピエゾ素子１Ａの両端に発生する圧電電荷を増幅し、増幅した電荷信号を粘弾性測定装置５００に送信する電荷増幅手段である。

また、図３において、粘弾性測定装置５００は、入出力インターフェース部を介して、電圧印加装置２００とチャージアンプ装置４００を制御することにより、駆動部１０の誘導電荷または圧電電荷を検知し、変位または応力を測定する粘弾性測定制御手段である。ここで、粘弾性測定装置５００の内部論理構成を、図５を参照して説明する。図５は、粘弾性測定装置５００の内部論理構成を示す論理ブロック図である。

図５に示すように、粘弾性測定装置５００は、概略的に、粘弾性測定装置５００の全体を統括的に制御するＣＰＵ等の制御装置５０２、入力手段や出力手段に接続される入出力インターフェース部５０８、および、各種のデータベースやテーブルなどを格納する記憶装置５０６を備えて構成されており、これら各部は任意の通信路を介して通信可能に接続されている。

ここで、記憶装置５０６に格納される各種のデータベースやテーブル（変位量校正式記憶手段５０６ａ、応力校正式記憶手段５０６ｂ）は、固定ディスク装置等のストレージ手段であり、各種処理に用いる各種のプログラムやテーブルやファイルやデータベースを格納する。

これら記憶装置５０６の各構成要素のうち、変位量校正式記憶手段５０６ａは、一方の積層型ピエゾ素子１Ｂに発生する誘導電荷と、直動型変位拡大機構２０の増幅部２４の変位量と、の関係を表す校正式を記憶する変位量校正式記憶手段である。

また、応力校正式記憶手段５０６ｂは、測定の対象物の応力と、の関係を表す校正式を記憶する応力校正式記憶手段である。ここで、外部応力を測定するために、予め計測した内部応力値を校正しておいてもよい。

また、図５において、入出力インターフェース部５０８は、入力手段や出力手段の制御を行う。ここで、出力手段としては、モニタ（家庭用テレビを含む）の他、スピーカを用いることができる。また、入力手段としては、キーボード、マウス、およびマイク等を用いることができる。

また、図５において、制御装置５０２は、ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）等の制御プログラム、各種の処理手順等を規定したプログラム、および所要データを格納するための内部メモリを有し、これらのプログラム等により、種々の処理を実行するための情報処理を行う。制御装置５０２は、機能概念的に、変位制御手段５０２ａ、変位量測定手段５０２ｂ、応力測定手段５０２ｃ、弾性応答取得手段５０２ｄ、粘性応答取得手段５０２ｅ、を備えて構成されている。

このうち、変位制御手段５０２ａは、電圧印加装置広告配信サーバ装置２００を制御することにより一方の積層型ピエゾ素子１Ａに電圧を印加し、変位を起こさせるよう制御する変位制御手段である。ここで、変位制御手段５０２ａは、正弦波形振動の変位を起こさせるよう電圧を制御してもよい。また、変位量測定手段５０２ｂの処理により得られた変位量に基づいて、変位が目標変位量に近づくようフィードバック制御を行ってもよい。

また、変位量測定手段５０２ｂは、直動型変位拡大機構２０の増幅部２４に伝達される変位量を、一方の積層型ピエゾ素子１Ｂに発生した誘導電荷を検出し、変位量校正式記憶手段５０６ａに記憶された校正式を用いて校正することにより測定する変位量測定手段である。

また、応力測定手段５０２ｃは、伝達された増幅部２４の変位によって発生した応力を、他方の積層型ピエゾ素子１Ａに発生した圧電電荷を検出し、応力校正式記憶手段５０６ｂに記憶された校正式を用いて校正することにより測定する応力測定手段である。

また、弾性応答取得手段５０２ｄは、変位量測定手段５０２ｂによって測定された変位量の位相と同位相である、応力測定手段５０２ｃによって測定された応力を、弾性応答として取得する弾性応答取得手段である。

また、粘性応答取得手段５０２ｅは、変位量測定手段５０２ｂによって測定された変位量の位相と異なる位相である、応力測定手段５０２ｃによって測定された応力を、粘性応答として取得する粘性応答取得手段である。ここで、粘性応答取得手段５０２ｅは、変位量測定手段５０２ｂによって測定された変位量の位相からπ／２位相進んだ位相である、応力測定手段５０２ｃによって測定された応力を、粘性応答として取得するよう構成してもよい。

以上で、本発明の本システム構成の説明を終える。

［システムの処理］
次に、このように構成された本実施の形態における本システムの処理の一例について、以下に図６〜図８を参照して詳細に説明する。ここで、本実施の形態における処理においては、特に本発明に係る本駆動部を粘弾性測定に用いた態様で、説明を行うが、これに限らず、本駆動部を微小構造評価、柔軟物質の微細形成、対人間動作ロボットなどに用いるための制御装置の処理としても応用できる。

［フィードバック制御処理］
まず、フィードバック処理の詳細について図６を参照して説明する。図６は、本実施の形態における本粘弾性測定装置５００のフィードバック制御処理の一例を示すフローチャートである。

まず、粘弾性測定装置５００は、変位制御手段５０２ａの処理により、電圧印加装置２００を制御して、駆動部１０に電圧を印加する（ステップＳＡ−１）。

つぎに、粘弾性測定装置５００は、変位量測定手段５０２ｂの処理により、チャージアンプ装置４００から増幅された誘導電荷による信号を読み取り、検出した電荷に基づいて、変位量を計測する（ステップＳＡ−２）。ここで、電荷から変位量の算出に当たっては、変位量校正式記憶手段５０６ａに記憶された変位量校正式を用いる。

そして、粘弾性測定装置５００は、変位制御手段５０２ａの処理により、フィードバック制御を行う（ステップＳＡ−３）。

具体的には、粘弾性測定装置５００は、変位制御手段５０２ａの処理により、検出した変位量が許容範囲でないと判定した場合に、増幅部２４が所望の波形（例えば、正弦波形）で振動するための目標となる電圧および時間の関係を表す式を作成し、増幅部２４が所望の正弦波形で振動するための目標となる電流値を決定する。

図６の説明に戻って、決定された電圧値をもとに、粘弾性測定装置５００は、変位制御手段５０２ａの処理により、電圧印加装置２００を制御し、電圧印加により、駆動部１０を変位させる（ステップＳＡ−１）。

この処理を繰り返すことにより、変位量フィードバック制御を行う。これにより、粘弾性測定装置５００は、変位制御手段５０２ａの処理により、目標となる電圧値に基づいて積層型ピエゾ素子１の変位を精度よく制御することができ、増幅部２４を所望の波形で振動させることができる。粘弾性測定装置５００は、所望の波形で粘弾性測定を行うことができ、続く応力測定手段５０２ｃの処理により、貯蔵弾性率および損失弾性率などの粘弾性に関する指標値を正確に測定することができる。

［粘弾性測定処理］
次に、粘弾性測定処理の詳細について図７を参照して説明する。

センサー付アクチュエータ装置は変位を発生させながら、同時に応力を測定できるため、物質に変形や荷重を加えたときの応答から物質の物理的特性値を求める力学物性測定に適しており、特に正確に微小な正弦波形振動を用いる動的粘弾性測定でその特性を最も発揮することができる。

図７は、本実施の形態における本粘弾性測定装置５００の粘弾性処理の一例を示すフローチャートである。ここで、粘弾性測定処理の前提として、前述したフィードバック制御処理により適切に変位量の制御が行われているものとする。

まず、粘弾性測定装置５００は、応力測定手段５０２ｃの処理により、チャージアンプ装置４００から増幅された圧電電荷と誘導電荷による信号を読み取る（ステップＳＢ−１）。
つぎに、粘弾性測定装置５００は、変位量測定手段５０２ｂの処理により、変位量校正式記憶手段５０６ａに記憶された変位量校正式を用いて、読み取った誘導電荷から変位量を算出する（ステップＳＢ−２）。

次に、粘弾性測定装置５００は、応力測定手段５０２ｃの処理により、応力校正式記憶手段５０６ｂに記憶された応力校正式を用いて、読み取った電荷から応力を算出する（ステップＳＢ−３）。この応力校正式を用いることにより、外部応力が求められる。

そして、粘弾性測定装置５００は、弾性応答取得手段５０２ｄの処理により、算出した応力から弾性応力成分だけを取得し、他方、粘性応答取得手段５０２ｅの処理により、算出した応力から粘性応力成分だけを取得する（ステップＳＢ−４）。ここで、図８は、算出された応力から、弾性応力成分と粘性応力成分とに分離する原理を示す原理図である。

図８に示すように、弾性応答は、入力された変位と同位相であるが、粘性応答は、変位とπ／２位相のずれが生じる。すなわち、弾性は変位の大きさに比例して、変位量が最大となるとき弾性応答が最大となるが（フックの法則）、粘性は変位の速さに比例して、変位速度が最大となるときに（＋π／２）弾性応答が最大となる（ニュートンの法則）。そのため、粘弾性物質では、観測される応力波形はこれらを複合した波形となり、その位相は粘性応答と弾性応答の比によって変わることになる。

すなわち、動的粘弾性測定では、物質に正弦波形の振動を加えたとき弾性成分と粘性成分の応答に位相差が生ずることを利用して粘性と弾性を別に評価することができる。すなわち、粘弾性測定装置５００は、弾性応答取得手段５０２ｄの処理により、算出された応力から、算出された変位と同位相の成分を弾性応答として抽出し、粘性応答取得手段５０２ｅの処理により、算出された応力から、算出された変位と異なる位相、例えばπ／２位相進んだ位相の成分を粘性応答として抽出する。

これにて、粘弾性測定処理が終了する。

[実施例]
本発明を、持ち運び型の簡易粘弾性測定システムとして応用した実施例を以下に示す。

[変位量と応力値との検出]
まず、変位量測定手段５０２ｂは、経時的に誘導電荷を検出し、粘弾性測定装置５００に入出力インターフェース部５０８を介して誘導電荷が入力されると、変位量校正式記憶手段５０６ａに記憶された変位量校正式から変位量を求め、変位量測定手段５０２ｂは、クロックからシステムの時刻を取得し、入力された変位量と取得した時刻とを相互に関連付けて記憶装置記憶装置５０６の所定の記憶領域に記憶する。

また、応力測定手段５０２ｃは、経時的に圧電電荷を検出し、粘弾性測定装置５００に入出力インターフェース部５０８を介して圧電電荷が入力されると、応力校正式記憶手段５０６ｂに記憶された応力校正式から応力を求め、応力測定手段５０２ｃは、クロックからシステムの時刻を取得し、入力された応力値と取得した時刻とを相互に関連付けて記憶装置５０６の所定の記憶領域に記憶する。

[積層型ピエゾ素子の変位の制御]
つぎに、本実施例におけるフィードバック制御処理の詳細について説明する。

制御装置５０２は、変位制御手段５０２ａの処理により、駆動部１０が正弦波形で周期的に振動するように、検出した変位量に基づいて積層型ピエゾ素子１の変位量を制御する（フィードバック制御処理）。ここで、積層型ピエゾ素子の変位の制御を行う積層型ピエゾ素子制御処理の詳細について説明する。図９は、変位制御手段５０２ａの処理による積層型ピエゾ素子制御処理の一例を示すフローチャートである。

まず、変位制御手段５０２ａは、変位量測定手段５０２ｂで検出した変位量と所定の目標変位量とを比較して、変位量が許容可能であるか否かを判定する（ステップＳＣ−１）。具体的には、変位量と所定の目標変位量との標準誤差に基づいて、変位量が許容可能であるか否かを判定する。ここで、目標変位量は、予め定めた目標変位量・時間関係式で算出された変位量であり、当該目標変位量・時間関係式は、所定の波形で周期的に振動させるための目標となる変位量および時間の関係を表す式である。

ステップＳＣ−２の判定結果が許容範囲でないと判定された場合（ステップＳＣ−２：ＮＯ）、変位制御手段５０２ａは、検出した変位量に基づいて、印加電圧と変位量の関係を表す印加電圧・変位量関係式を作成し、作成した印加電圧・変位量関係式を記憶装置５０６の所定の記憶領域に格納する（ステップＳＣ−３）。具体的には、検出した変位量に基づいて、予め定めた印加電圧・変位量関係式の係数を決定して、印加電圧・変位量関係式を作成し、作成した変位量関係式を記憶装置５０６の所定の記憶領域に格納する。ここで、Ｌｅｖｅｎｂｅｒｇ−Ｍａｒｑｕａｒｄｔ法を用いてもよい。これにより、積層型ピエゾ素子１の逆圧電挙動時（変位時）における印加電圧と変位量の関係のような非線形な関係を近似的に表す関数（近似式）を効率よく求めることができる。なお、積層型ピエゾ素子１のヒステリシス特性を考慮するために、印加電圧値の波形および変位量の波形の位相差を考慮して、積層型ピエゾ素子１の伸長時、積層型ピエゾ素子１の収縮時のそれぞれに対応する印加電圧・変位量関係式を作成してもよい。

変位制御手段５０２ａは、予め定めた目標変位量・時間関係式およびステップＳＣ−３で作成した印加電圧・変位量関係式に基づいて、駆動部１０を正弦波形で周期的に振動させるための目標となる印加電圧値および時間の関係を表す目標印加電圧・時間関係式を作成し、目標印加電圧・時間関係式を記憶装置５０６の所定の記憶領域に格納する（ステップＳＣ−４）。具体的には、印加電圧・変位量関係式および目標変位量・時間関係式から変位量を消去して目標印加電圧・時間関係式を作成し、目標印加電圧・時間関係式を記憶装置５０６の所定の記憶領域に格納する。

変位制御手段５０２ａは、ステップＳＣ−４で作成した目標印加電圧・時間関係式に基づいて、最適な印加電圧値が出力されるように電圧印加装置を制御する（ステップＳＣ−５）。変位制御手段５０２ａは、駆動部１０が所望の正弦波形で周期的に振動するようになるまで積層型ピエゾ素子制御処理（ステップＳＣ−１〜ステップＳＣ−５）を実行する。具体的には、ステップＳＣ−５で出力した最適な印加電圧値が増幅部２４の振動動作の各動作を経て駆動部１０の振動に反映されると、許容可能判定部４０１ａ−１は、ステップＳＣ−１と同様の判定を行う。ステップＳＣ−２の判定結果が許容範囲であると判定された場合（ステップＳＣ−２：ＹＥＳ）、変位制御手段５０２ａは処理を終了し、そうでない場合（ステップＳＣ−２：ＮＯ）、変位制御手段５０２ａの各部はステップＳＣ−３〜ステップＳＣ−５の処理を行う。これにより、駆動部１０は、所望の正弦波形で周期的に振動するようになる。これにて、変位制御手段５０２ａで行われる積層型ピエゾ素子制御処理(フィードバック処理)が終了する。

上記の変位制御手段５０２ａは、駆動部１０を周期的に振動させる波形（駆動部１０の目標とする波形）を正弦波形に設定したが、かかる場合に限定されることなく、周波数の異なる正弦波形を複合させた波形や三角波形や矩形波形などを設定してもよい。これにより、駆動部１０を様々な波形で周期的に振動させることができ、各波形での対象物３０の指標値を測定することができる。また、変位制御手段５０２ａは、記憶装置５０６の所定の記憶領域に予め格納したデータ−ベースから変位量に対応する最適な印加電圧値を取得し、取得した印加電圧値が出力されるように電圧印加装置を制御してもよい。ここで、当該データベースは、使用する各々の積層型ピエゾ素子１に対してヒステリシス特性に影響を与える温度条件ごとに、駆動部１０が正弦波形で周期的に振動するための目標となる変位量および印加電圧値とを相互に関連付けて格納する。

[粘弾性測定]
上述の積層型ピエゾ素子制御処理(フィードバック制御処理)を１回乃至複数回繰り返して駆動部１０が正弦波形で周期的に振動するようになった後、弾性応答取得手段５０２ｄおよび粘性応答取得手段５０２ｅは、変位量および応力測定手段５０２ｃで検出した応力値を解析して対象物３０の弾性応答に係る損失弾性率および粘性応答に係る貯蔵弾性率を測定し、測定された損失弾性率および貯蔵弾性率を記憶装置５０６の所定の記憶領域に格納する。具体的には、変位量の波形と応力値の波形との位相差、変位量の波形の振幅および応力値の波形の振幅を用いて、貯蔵弾性率および損失弾性率を測定する。

[測定結果出力]
弾性応答取得手段５０２ｄおよび粘性応答取得手段５０２ｅは、応力測定手段５０２ｃで測定した貯蔵弾性率および損失弾性率をモニタに出力する。ここで、図１０は、本実施例に係るピエゾアクチュエータ制御用ＰＣアプリケーションの表示例を示す図である。

図１０に示すように、主に計測量画面は、測定実行ボタンＭＡ−１、システム終了ボタンＭＡ−２、モニター波形表示画面ＭＡ−３、歪振幅設定入力欄ＭＡ−４、周波数設定入力欄ＭＡ−５、温度設定入力欄ＭＡ−６、センサー面積入力欄ＭＡ−７、試料厚さ入力欄ＮＡ−８、センサー荷重表示欄ＭＡ−９、ゼロ復帰ボタンＭＡ−１０、荷重表示欄ＭＡ−１１、振幅表示欄ＭＡ−１２、変位表示欄ＭＡ−１３、周波数表示欄ＭＡ−１４、振幅表示欄ＭＡ−１５、温度表示欄ＭＡ−１６、通常感度ボタンＭＡ−１７、登録ボタンＭＡ−１８から構成される。

設定に際して、粘弾性測定装置５００は、制御装置５０２の処理により、操作者に、歪振幅設定入力欄ＭＡ−４に変位させる振幅を入力させ、周波数設定入力欄ＭＡ−５に変位させる周波数を入力させ、温度設定入力欄ＭＡ−６に補正のための温度を設定させ、センサー面積入力欄ＭＡ−７にセンサー面積を入力させ、試料厚さ入力欄ＭＡ−８に試料（対象物３０）の厚さを入力させるよう制御する。

また、粘弾性測定装置５００は、制御装置５０２の処理により、操作者に、予め試料（対象物３０）がない場合で稼動させ、ゼロ復帰ボタンＭＡ−１０をクリック等することにより、内部応力を控除する（センサー荷重表示欄ＭＡ−９で表示）よう制御する。

以上の設定が終わると、粘弾性測定装置５００は、制御装置５０２の処理により、操作者に、測定実行ボタンＭＡ−１をクリック等させ、応力測定手段５０２ｃの処理により、測定を実行する。

測定を始めると、粘弾性測定装置５００は、制御装置５０２の処理により、測定値をモニター波形表示画面ＭＡ−３に出力する。また、粘弾性測定装置５００は、制御装置５０２の処理により、操作者に通常感度ボタンＭＡ−１７をクリック等させることにより、通常感度と増幅感度を選択させ、測定する。

また、粘弾性測定装置５００は、制御装置５０２の処理により、センサー荷重表示欄ＭＡ−９、ゼロ復帰ボタンＭＡ−１０、荷重表示欄ＭＡ−１１、振幅表示欄ＭＡ−１２、変位表示欄ＭＡ−１３、周波数表示欄ＭＡ−１４、振幅表示欄ＭＡ−１５、および温度表示欄ＭＡ−１６に、得られた各種データを表示する。

そして、粘弾性測定装置５００は、制御装置５０２の処理により、操作者に、登録ボタンＭＡ−１８をクリック等させることにより、各種設定値・測定値を記憶装置５０６に格納し、操作者に、システム終了ボタンＭＡ−２をクリック等させることにより、システムの処理を終了する。

[検出結果]
実施例の結果例を図１１から図１３に示す。図１１は、正弦波形のアクチュエータ制御信号に対して検出されるセンサー波形を示す図である。図１２は、制御信号振幅を変化させたときのセンサー信号振幅の変化を示す図である。また、図１３は、それぞれ発生荷重を変化させたときのＳ１センサー信号振幅と、発生変位を変化させたときのＳ２センサー振幅の変化を示す実験データ図である。

図１１に示すように、正弦波形のアクチュエータ制御信号（信号電圧）を与えた場合、制御に基づいて正弦波形の振動（変位）が生成される。また、振動（変位）に基づいた正弦波形の荷重を測定することができる。

図１２に示すように、このシステムにおいて、制御信号振幅（信号電圧）を変化させたとき（０〜１Ｖ）、変位振幅と荷重振幅はそれぞれ制御信号振幅に対して線形となる（荷重振幅は一部プラトーに達している）。これにより、変位振幅（Ｓ１検出信号）、荷重振幅（Ｓ２検出信号）とも新しいセンサーとして利用できることがわかった。

また図１３上図に示すように、発生荷重を変化させたとき（０〜２０００ｍｇ）、発生荷重と圧電電荷を示すＳ１検出信号は比例することが、実証された。これにより、この系では、応力校正式として、「y=0.002x+0.3776」を用いることができる。

また図１３下図に示すように、発生変位を変化させたとき（０〜６００μｇ）、発生変位と圧電電荷を示すＳ２検出信号は比例することが、実証された。これにより、この系では、変位量校正式として、「y=0.0022x+0.1133」を用いることができる。

以上をまとめると、まず、実施例の粘弾性測定装置５００は、変位量測定手段５０２ｂの処理により、増幅部２４の変位量を積層型ピエゾ素子１への印加電圧値を電圧印加装置２００で検出する。

つぎに、粘弾性測定装置５００は、変位制御手段５０２ａの処理により、検出した変位量が許容範囲でないと判定した場合、検出した印加電圧値および検出した変位量に基づいて変位量および印加電圧値の関係を表す式を変位制御手段５０２ａの処理により作成する。

そして、粘弾性測定装置５００は、増幅部２４が所望の正弦波形で振動するための目標となる印加電圧値および時間の関係を表す式を変位制御手段５０２ａで作成し、増幅部２４が所望の正弦波形で振動するための目標となる印加電圧値を決定する。

これにより、粘弾性測定装置５００は、目標となる印加電圧値に基づいて積層型ピエゾ素子１の変位を精度よく制御することができ、増幅部２４を所望の正弦波形で振動させることができる。

粘弾性測定装置５００は、所望の正弦波形で粘弾性測定を行うことができ、貯蔵弾性率および損失弾性率などの粘弾性に関する指標値を正確に測定することができる。

また、粘弾性測定装置５００は、使用する部品や環境などの様々な影響を受けずに増幅部２４の変位を所望な正弦波形にすることができ、高精度の粘弾性測定ができる。

これにて、本実施例にかかる粘弾性測定装置５００の動作の説明を終了する。

［他の実施の形態］
さて、これまで本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上述した実施の形態以外にも、上記特許請求の範囲に記載した技術的思想の範囲内において種々の異なる実施の形態にて実施されてよいものである。

特に、実施の形態においては、本発明を粘弾性測定に適用した例について説明したが、これに限られず、微小構造評価、柔軟物質の微細形成、対人間動作ロボットなどの技術分野において、同様に適用することができる。

また、本実施の形態においては、圧電素子として、特に、積層型ピエゾ素子を用いたが、積層型に限らず、バイモルフタイプ、チューブタイプ等の圧電素子を用いることができる。

また、粘弾性測定装置５００がスタンドアローンの形態で処理を行う場合を一例に説明したが、粘弾性測定装置５００とは別筐体で構成されるクライアント端末からの要求に応じて処理を行い、その処理結果を当該クライアント端末に返却するように構成してもよい。

また、実施の形態において説明した各処理のうち、自動的に行われるものとして説明した処理の全部または一部を手動的に行うこともでき、あるいは、手動的に行われるものとして説明した処理の全部または一部を公知の方法で自動的に行うこともできる。

このほか、上記文献中や図面中で示した処理手順、制御手順、具体的名称、各処理の登録データや検索条件等のパラメータを含む情報、画面例、データベース構成については、特記する場合を除いて任意に変更することができる。

また、粘弾性測定装置５００に関して、図示の各構成要素は機能概略的なものであり、必ずしも物理的に図示の如く構成されていることを要しない。

例えば、粘弾性測定装置５００の各装置が備える処理機能、特に制御装置５０２にて行われる各処理機能については、その全部または任意の一部を、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）および当該ＣＰＵにて解釈実行されるプログラムにて実現することができ、あるいは、ワイヤードロジックによるハードウェアとして実現することも可能である。尚、プログラムは、後述する記録媒体に記録されており、必要に応じて粘弾性測定装置５００に機械的に読み取られる。すなわち、ＲＯＭまたはＨＤなどの記憶装置５０６などは、ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）として協働してＣＰＵに命令を与え、各種処理を行うためのコンピュータプログラムが記録されている。このコンピュータプログラムは、ＲＡＭにロードされることによって実行され、ＣＰＵと協働して制御装置を構成する。

また、このコンピュータプログラムは、粘弾性測定装置５００に対して任意のネットワークを介して接続されたアプリケーションプログラムサーバに記憶されていてもよく、必要に応じてその全部または一部をダウンロードすることも可能である。

また、本発明に係るプログラムを、コンピュータ読み取り可能な記録媒体に格納することもできる。ここで、この「記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ、ＭＯ、ＤＶＤ等の任意の「可搬用の物理媒体」、あるいは、ＬＡＮ、ＷＡＮ、インターネットに代表されるネットワークを介してプログラムを送信する場合の通信回線や搬送波のように、短期にプログラムを保持する「通信媒体」を含むものとする。

また、「プログラム」とは、任意の言語や記述方法にて記述されたデータ処理方法であり、ソースコードやバイナリコード等の形式を問わない。なお、「プログラム」は必ずしも単一的に構成されるものに限られず、複数のモジュールやライブラリとして分散構成されるものや、ＯＳ（Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）に代表される別個のプログラムと協働してその機能を達成するものをも含む。なお、実施の形態に示した各装置において記録媒体を読み取るための具体的な構成、読み取り手順、あるいは、読み取り後のインストール手順等については、周知の構成や手順を用いることができる。

記憶装置５０６に格納される各種のデータベース等（変位量校正式記憶手段５０６ａ、応力校正式記憶手段５０６ｂなど）は、ＲＡＭ、ＲＯＭ等のメモリ装置、ハードディスク等の固定ディスク装置、フレキシブルディスク、光ディスク等のストレージ手段である。

また、粘弾性測定装置５００は、既知のパーソナルコンピュータ、ワークステーション等の情報処理装置を接続し、該情報処理装置に本発明の方法を実現させるソフトウェア（プログラム、データ等を含む）を実装することにより実現してもよい。

更に、装置の分散・統合の具体的形態は図示するものに限られず、その全部または一部を、各種の付加等に応じた任意の単位で、機能的または物理的に分散・統合して構成することができる。

以上詳述に説明したように、本発明によれば、センサー機能とアクチュエータ機能を兼ね備え、小型かつ軽量な装置で、変位量出力と応力入力を同時に測定でき、また、変位を生じさせた結果生ずる歪みや応力などを検知するセンサーとして用いることもできるセンサー機能付アクチュエータ装置および粘弾性測定装置を提供することができるので、粘弾性測定のみならず、微小構造評価、柔軟物質の微細形成、対人間動作ロボットなどのセンサー付動作が必要なアクチュエータの技術分野において利用することができる。

本発明のセンサー機能付アクチュエータ装置の駆動部の基本原理を示す原理構成図である。 本発明の実施の形態であるセンサー付アクチュエータ装置の構成の一例を示す断面図である。 本発明が適用される本システム構成の一例を示すブロック図である。 本実施の形態における本センサー付アクチュエータ装置の本直動型変異拡大機構２０の構成図である。 粘弾性測定装置５００の内部論理構成を示す論理ブロック図である。 本実施の形態における本粘弾性測定装置５００のフィードバック制御処理の一例を示すフローチャートである。 図７は、本実施の形態における本粘弾性測定装置５００の粘弾性処理の一例を示すフローチャートである。 算出された応力から、弾性応力成分と粘性応力成分とに分離する原理を示す原理図である。 変位制御手段５０２ａの処理による積層型ピエゾ素子制御処理の一例を示すフローチャートである。 本実施例に係るピエゾアクチュエータ制御用ＰＣアプリケーションの表示例を示す図である。 正弦波形のアクチュエータ制御信号に対して検出されるセンサー波形を示す図である。 制御信号振幅を変化させたときのセンサー信号振幅の変化を示す図である。 発生荷重を変化させたときのＳ１センサー信号振幅と、発生変位を変化させたときのＳ２センサー振幅の変化を示す実験データ図である。

符号の説明

１ 積層型ピエゾ素子
２ 中間体
１０ 駆動部
２０ 直動型変位拡大機構
２１ ベース
２２ アーム
２３ 板バネ
２４ 増幅部
２５ キャップ
２６、２７ ヒンジ
３０ (測定)対象物
２００ 電圧印加装置
４００ チャージアンプ装置
５００ 粘弾性測定装置
５０２ 制御装置
５０２ａ 変位制御手段
５０２ｂ 変位量測定手段
５０２ｃ 応力測定手段
５０２ｄ 弾性応答取得手段
５０２ｅ 粘性応答取得手段
５０６ 記憶装置
５０６ａ 変位量校正式記憶手段
５０６ｂ 応力校正式記憶手段
５０８ 入出力インターフェース部

Claims (9)

1. ２つの積層型ピエゾ素子を、中間体を介して、変位発生方向に直列的に接続した駆動部を備えたセンサー機能付アクチュエータ装置。
2. 請求項１に記載のセンサー機能付アクチュエータ装置において、
   上記駆動部の２つの積層型ピエゾ素子における、
   一方の積層型ピエゾ素子は、
   電圧を印加することによって変位を生じさせることによりアクチュエータとして機能するよう構成し、
   他方の積層型ピエゾ素子は、
   該他方の積層型ピエゾ素子内部の圧力変化によって圧電電荷を発生させることによりセンサーとして機能するよう構成すること、
   を特徴とするセンサー機能付アクチュエータ装置。
3. 請求項２に記載のセンサー機能付アクチュエータ装置において、
   上記一方の積層型ピエゾ素子に電圧を印加するための電圧印加用端子と、
   上記一方の積層型ピエゾ素子に電圧を印加することによって、該一方の積層型ピエゾ素子に発生した誘導電荷を測定するための誘導電荷測定用端子と、
   上記他方の積層型ピエゾ素子内部の圧力変化によって発生した圧電電荷を測定するための圧電電荷測定用端子と、
   を備えたことを特徴とするセンサー機能付アクチュエータ装置。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれか一つに記載のセンサー機能付アクチュエータ装置は、力点を駆動部側に配し、作用点を測定の対象物側に配する、てこの原理を応用した直動型変位拡大機構を備えたことを特徴とするセンサー機能付アクチュエータ装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか一つに記載のセンサー機能付アクチュエータ装置において、
   上記センサー機能付アクチュエータ装置は、
   上記誘導電荷測定用端子または上記圧電電荷測定用端子に接続したチャージアンプ装置を備え、
   上記チャージアンプ装置は、
   上記一方の積層型ピエゾ素子の両端に発生する誘導電荷、または、上記他方の積層型ピエゾ素子の両端に発生する上記圧電電荷、を増幅することを特徴とするセンサー機能付アクチュエータ装置。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか一つに記載のセンサー機能付アクチュエータ装置において、
   上記中間体は、良導電材料から成り、上記電圧印加用端子、上記誘導電荷測定用端子および上記圧電電荷測定用端子、並びに、上記２つの積層型ピエゾ素子以外から絶縁するよう構成されることを特徴とするセンサー機能付アクチュエータ装置。
7. 請求項４または請求項６に記載のセンサー機能付アクチュエータ装置において、
   上記直動型変位拡大機構の少なくとも一部は、良導電材料から成ることを特徴とするセンサー機能付アクチュエータ装置。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか一つに記載のセンサー機能付アクチュエータ装置に接続される、粘弾性測定装置であって、
   上記粘弾性測定装置は、少なくとも記憶装置と制御装置とを有しており、
   上記記憶装置は、
   上記一方の積層型ピエゾ素子に発生する上記誘導電荷と、上記直動型変位拡大機構の増幅部の変位量と、の関係を表す校正式を記憶する変位量校正式記憶手段と、
   上記他方の積層型ピエゾ素子に発生する上記圧電電荷と、上記測定の対象物の応力と、の関係を表す校正式を記憶する応力校正式記憶手段と、
   を備え、
   上記制御装置は、
   上記一方の積層型ピエゾ素子に電圧を印加して変位させるよう制御する変位制御手段と、
   上記印加制御手段によって、上記直動型変位拡大機構の上記増幅部に伝達される変位量を、上記一方の積層型ピエゾ素子に発生した上記誘導電荷を検出し、上記変位量校正式記憶手段に記憶された上記校正式を用いて校正することにより測定する変位量測定手段と、
   上記印加制御手段により上記増幅部の変位によって発生した応力を、上記他方の積層型ピエゾ素子に発生した上記圧電電荷を検出し、上記応力校正式記憶手段に記憶された上記校正式を用いて校正することにより測定する応力測定手段と、
   を備えたことにより、試料の粘弾性に関する指標値を算出することを特徴とする粘弾性測定装置。
9. 請求項８に記載の粘弾性測定装置において、
   上記変位制御手段は、正弦波形振動の変位を起こすよう上記電圧を制御し、
   上記制御装置は、
   上記変位量測定手段によって測定された上記変位量の位相と同位相である、上記応力測定手段によって測定された上記応力を、弾性応答として取得する弾性応答取得手段と、
   上記変位量測定手段によって測定された上記変位量の位相と異なる位相である、上記応力測定手段によって測定された上記応力を、粘性応答として取得する粘性応答取得手段と、
   を更に備えたことを特徴とする粘弾性測定装置。

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