JP5487462B2 - 作動変換型変位拡大装置 - Google Patents

Description

この発明は、圧電素子および変位拡大機構を備えた作動変換型変位拡大装置に関する。

近年、ディジタル技術の進歩と共に情報の蓄積を担うストレージ装置の高容量化と高速化が進んでいる。ストレージ装置として、例えば、ハードディスクドライブ（以下、ＨＤＤと称する）においては、高容量化として、記録密度を高めるために磁気ディスク面上の記録トラック一周内に記録できる密度の向上、および、磁気ディスク半径内に書き込まれる記録トラック数の増大を図っている。また、ＨＤＤは、高速化として、データの書き込み及び読み出し速度を上げるため、データの転送レートの向上、および、磁気ディスクそのものの高速回転化が図られている。

ＨＤＤの高速化や高密度化に伴い、磁気ディスクや磁気ヘッドの記録・再生性能を評価する磁気記録評価装置（スピンスタンド）が提供されている。このような記録評価装置は、記録・再生特性を高精度かつ高分解能で評価する必要性から、高速で高精度な位置決め精度が要求されている。

磁気ディスクの記録トラック数の密度が、１Ｔbit／in²（１インチ平方に１０の１２乗bit記録できる能力）に達する場合、記録再生評価を行うには、磁気ヘッドと磁気ディスクとの間の隙間を３．５nm以下で安定に浮上させながら、磁気ヘッドを±３．７５nmで追従することが求められる。磁気ヘッドは、それに対応した位置決め精度が要求される。また高速化によって、磁気ディスクの回転速度は、20000rpmとなり、３．５インチディスクの外周側における周速は８３．７ｍ／ｓとなるので、高速な応答性が必要となる。

このような高記録密度化および高速化された記録媒体の記録、再生特性を評価するため、高性能な磁気記録評価装置は、高速で高精度なサーボモータがビルトインされたエアースピンドルと、非常に高剛性なＸ−Ｙステージと、を備えている。上記のような磁気記録評価装置において、スピンドル自身が有する数ナノメータレベルの非同期な回転振れＮＲＲＯ（アンリピータブル・ラン・アウト）を抑えることは、困難となる。また、Ｘ−Ｙステージにおいても、機械剛性や機械精度の向上だけでは、必要とされる磁気ヘッドの位置決め精度や追従性には対応できない状況にある。

そこで、磁気ヘッドを高精度に位置決めするため、粗動機構として用いられるＸ−Ｙステージに、微動機構として、高速にナノメータオーダで精密位置決め可能なＮＭＡ（ナノモーションアクチュエータ）を設けた装置が提供されている。磁気記録評価装置の微動機構に用いられるＮＭＡは、積層型の圧電素子と、圧電素子の変位を拡大する拡大機構とから構成されている(例えば、特許文献１、２）。

拡大機構は、圧電素子が取り付けられた固定部と、固定部に対向して設けられた可動部と、それぞれ可動部と固定部とを連結しているとともに圧電素子の変位に応じて移動する一対の平行なリンク部と、てこ機構部と、を備えている。各リンク部の両端は弾性ヒンジを介して固定部および可動部に連結されている。可動部には、磁気ヘッドが設けられている。

圧電素子の変位により、一対のリンク部が弾性ヒンジの部分で回動し、磁気ヘッドが取り付けられた可動部を平行移動させて磁気ヘッドの精密位置決めを行う。このような平行リンク機構は、理想的には圧電素子の微少な伸びδｐをＡ／Ｂ倍（てこ比）に変位拡大して拡大変位量を得ることができる。
特許第３６１２６７０号 特開２００７−１６６７１４号公報

可動範囲の大きなＮＭＡを用いる要求が高くなっている。上記のように、理想的には、リンク部の長さを大きくすると拡大変位量が増大するが、この場合、共振周波数が低下する問題がある。一般に、高速、高精度な位置決めには高い共振周波数を持つ剛性の高い構造が有利であり、必要以上にリンク部の長さを大きくすることはできない。そのため、このような要求を満たそうとする場合、変位量の大きな圧電素子を利用することが有効となる。前述したＮＭＡ（特許文献２）においては、圧電素子は平行リンクの外側に配置していることから、大きな変位量を有する圧電素子を配置することができる。

しかしながら、ＮＭＡにおいて、従来の拡大機構は、可動部の移動方向と、圧電素子の変位方向とが直交するように構成され、リンク部と圧電素子とがほぼＬ字型となるように配置されている。そのため、従来のＮＭＡでは、磁気記録評価装置を構成する機構部や他の測定機器と干渉を生じる可能性があり、配置の制約を受けるとともに、より変位量の大きな圧電素子を選択することが困難となる場合がある。

この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、拡大変位量を増大することができるとともに、装置の空間的な配置の自由度を高めることができる作動変換型変位拡大装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、この発明の態様に係る作動変換型変位拡大装置は、所定方向に沿って変位可能なアクチュエータと、前記アクチュエータの変位量を拡大する変位拡大機構と、を備え、
前記変位拡大機構は、前記アクチュエータを支持した支持部と、この支持部に隙間をおいて対向した可動部と、それぞれ前記支持部と可動部とを連結しているとともに前記アクチュエータの変位に応じて変形し前記支持部に対して前記可動部を平行移動させる平行リンクを構成する一対のリンク部と、一方のリンク部と前記アクチュエータとの間に設けられ前記アクチュエータの変位を拡大するてこ機構と、を有し、
前記アクチュエータは、このアクチュエータの変位方向と前記可動部の直線運動の移動方向とが交差する向きで、かつ、前記一対のリンク部の外側で前記支持部に取り付けられていることを特徴としている。

本発明によれば、高い共振周波数を維持しつつ拡大変位量を効率的に増大することができるとともに、空間的な配置の自由度およびアクチュエータの選択の自由度が向上した高剛性の作動変換型変位拡大装置を提供することができる。

以下図面を参照しながら、この発明の実施形態に係る作動変換型の変位拡大装置について詳細に説明する。
図１および図２は、第１の実施形態に係る変位拡大装置１０を示す平面図および斜視図である。これらの図に示すように、変位拡大装置１０は、アクチュエータとして機能する例えば、積層型の圧電素子１２と、圧電素子１２の変位を拡大する変位拡大機構１４とを備えている。変位拡大機構１４は、角柱形状の支持部（固定部）１６、この支持部１６の長手方向一端部と隙間を置いてほぼ平行に対向した角柱形状の可動部（変位拡大部）１８、および支持部１６と可動部１８との間を延びた互いに平行な一対のリンク部２０ａ、２０ｂを有し、全体としてほぼＩ字形状に形成されている。リンク部２０ａは、角柱形状に形成され、その両端は、スリット状の切欠きを入れてそれぞれ幅を狭めることで構成される弾性ヒンジ２２ａ、２２ｂを介して支持部１６および可動部１８に連結されている。リンク部２０ａは、可動部１８側が細い段付の柱状に形成され、支持部１６側が幅広に形成されている。そして、リンク部２０ａは、支持部１６の長手方向（可動部の移動方向と交差する方向）とほぼ平行に延びている。

リンク部２０ｂは板ばね２１により構成されている。リンク部２０ｂは、支持部１６の長手方向とほぼ平行に延び、その両端はそれぞれ支持部１６および可動部１８に連結されている。リンク部２０ｂは、支持部１６の長手方向とほぼ平行に延びている。

リンク部２０ａ、２０ｂは平行リンクを構成し、弾性ヒンジ２２ａ、２２ｂの弾性変形および板ばね２１の弾性変形（たわみ）により、可動部１８は、弾性ヒンジおよび板ばねを支点とする等価的な直線運動等が可能となっている。これにより、可動部１８は、支持部１６に対して図１の矢印Ｄ１方向に沿って移動可能に支持されている。なお、可動部１８には、例えば、図示しない磁気ヘッドを含む評価装置のヘッドジンバルアッセンブリ（ＨＧＡ）が取り付けられ、可動部と一体に移動可能となっている。

圧電素子１２は、全体としてほぼ角柱形状に形成され、その動作軸方向に沿って変位可能に形成されている。圧電素子１２は、平行リンクの外側で支持部１６に取り付けられている。支持部１６の下端部、すなわち、リンク部と反対側に位置した端部には、支持部１６の長手方向に対して直交する方向に突出した台座部２４が支持部１６の一部として一体形成され、この台座部２４に圧電素子１２の一端が固定されている。圧電素子１２の他端は、弾性ヒンジ２３を有するてこ機構２６を介して、リンク部２０ａの下端に連結されている。また、リンク部２０ａの下端は、弾性ヒンジ２２ｂを介して、支持部１６に連結され支持され、弾性ヒンジ２２ｂ、２３は、リンク部２０ａの弾性ヒンジ２２ｂに対して、可動部１８の移動方向Ｄ１に沿って並んで位置している。

これにより、圧電素子１２は、その変位方向Ｄ２と可動部１８の移動方向Ｄ１とが交差する向きで支持部１６に取り付けられている。交差する角度θは、０＜θ＜１８０度の範囲に設定されている。本実施形態では、圧電素子１２は、その変位方向Ｄ２が支持部１６の長手方向とほぼ平行となるように取り付けられ、可動部１８の移動方向Ｄ１と９０度の角度で交差するように、すなわち、直交する向きに配設されている。

変位拡大機構１４の支持部１６、可動部１８、リンク部２０ａ、２０ｂ、弾性ヒンジ２２ａ、２２ｂ、２３、およびてこ機構２６は、例えば、ジュラルミン（高力アルミニウム）、ステンレス鋼、チタン合金等の金属あるいはセラミックス等の剛性の高い材料により一体的に成形されている。そして、可動部１８、リンク部２０ａ、２０ｂ、弾性ヒンジ２２ａ、２２ｂ、２３、およびてこ機構２６は、変位拡大機構１４の可動機構として機能している。

上記のように構成された変位拡大装置１０において、圧電素子１２が矢印Ｄ２方向に微小変位すると、この変位はてこ機構２６により増幅されてリンク部２０ａに伝達される。すると、リンク部２０ａは支持部１６に対して矢印Ｄ１方向に移動する。これに伴い、可動部１８および他方のリンク部２０ｂが矢印Ｄ１方向に移動する。その結果、支持部１６、リンク部２０ａ、２０ｂおよび可動部１８により形成されたほぼ矩形枠状の変位拡大機構１４は、平行四辺形の枠状に変位する。このようにして、圧電素子１２の変位は、変位拡大機構１４により拡大され、可動部１８の拡大変位として出力される。

弾性ヒンジ２２ａ、２２ｂそれぞれの中心間におけるリンク部２０ａの長手方向の長さをＡ、てこ機構２６の弾性ヒンジ２３と支持部１６側の弾性ヒンジ２２ｂとの中心間距離をＢとした場合、圧電素子１２の微小変位は可動部１８においてＡ／Ｂのてこ比で拡大される。

上記変位拡大装置１０のおおよその性能を評価する場合、図３に示すような簡単化したモデルで考えることができる。図３において、Ａはリンク部２０ａの長手方向長さ、Ｂは弾性ヒンジ２２ｂから圧電素子１２の支点となる弾性ヒンジ２３までの中心間の長さで、拡大率に大きく関連する寸法緒元となる。弾性ヒンジ２２ａ、２２ｂ、２３の回転に関するばね定数をｋ_θ、板ばね２１のばね定数をｋ_ｓ、そして、圧電素子１２を、ばね定数ｋｐのばね定数を有し、電圧によりδｐ伸長する伸び要素としてモデル化する。磁気ヘッドが取り付けられる可動部１８の質量をｍとする。このような簡単化したモデルを解析すると、可動部１８の拡大変位量ｕと共振周波数ｆを次のように導くことができる。

ただし、

ここで、ｋａは変位拡大装置全体のばね定数に相当している。

上記の式から、変位拡大装置１０の拡大変位量ｕを大きくするためには、式（１）から拡大率Ａ／Ｂを大きく、ばね定数ｋｐおよび伸びδｐの大きな圧電素子１２を選択すること、そして、装置全体のばね定数ｋａを小さくする必要があることがわかる。

一方、共振周波数ｆを大きくするには、式（２）から、運動部分の質量ｍを小さく、装置全体のばね定数ｋａを大きく、更に、拡大率Ａ／Ｂを小さくすればよいことがわかる。本実施形態に係る変位拡大装置１０は，基本的に装置全体のばね定数ｋａを大きく、運動部分の質量ｍを小さくした高剛性変位構造とすることにより、共振周波数ｆを高く維持して、かつ、変位量の拡大率Ａ／Ｂ、ばね定数ｋｐ、および伸びδｐの大きな圧電素子１２を選択することにより、大きな拡大変位量ｕを得るものである。

図４（ａ）は変位拡大装置１０の性能評価のために行ったＦＥＭ解析（有限要素法解析）の結果を示している。この結果は、１次振動モードの周波数が４．７ＫＨｚになることを示している。また、図４（ｂ）は、圧電素子１２に電圧を印加して変位を与えた状態を示し、変位拡大装置により発生する最大変位量は６８μｍを得ることを示している。

上記構成の変位拡大装置１０を試作して測定した。圧電素子に１５０Ｖの電圧を印可した場合の拡大変位量ｕは、図５に示すように、６４．４μｍであり、一次共振は、図６に示すように、４．６７ｋＨｚとなったので、期待した性能を得ることができた。

以上のように構成された変位拡大装置によれば、平行リンクの剛性向上と圧電素子の選択の自由度を高めることができ、最大変位量を増加させながら、必要な設計剛性を確保することができる。圧電素子は、リンク部の外側で、かつ、その変位方向が可動部の変位方向と交差するように配置することができるため、装置全体をほぼ矩形状とすることができる。これにより、Ｌ字状をしていた従来の変位拡大装置に比較して、空間的な配置において自由度の高い変位拡大装置が得られる。従って、高い共振周波数を維持しながら拡大変位量を増大することができるとともに、空間的な配置の自由度および圧電素子の選択の自由度を向上可能とする作動変換型の変位拡大装置が得られる。

本実施形態に係る変位拡大装置１０は、ＦＥＭ解析および実測値で検証されたように、従来の変位拡大機構と同じ４．７ｋＨｚの共振周波数を維持しながら、従来の２倍に相当するおよそ６０μｍの拡大変位量を達成することができる。従って、例えば、磁気記録評価装置の種々の仕様に対応した変位拡大装置を提供することができる。更に、本変位拡大装置は、高い共振周波数と大きな変位拡大が可能であり、磁気記録評価装置の粗動機構の簡素化や温度ドリフトや外乱の補償を容易にすることができる。また、本変位拡大装置は、磁気記録評価装置に限らず、高速で高精度な位置決めが要求される、例えば、半導体の製造および検査装置等に応用することも可能となる。

図７は、第２の実施形態に係る変位拡大装置を示している。第２の実施形態によれば、変位拡大装置の圧電素子１２は、その変位方向Ｄ２が、可動部１８の移動方向Ｄ１に対して、約１０５度の角度θで交差する向きで、支持部１６に取付けられている。角度θは、共振周波数と最大変位量を要求仕様に合わせて任意に設定することができる。また、圧電素子１２に合わせて、支持部１６は、その長手方向が可動部１８の移動方向Ｄ１に対し傾斜し、圧電素子１２の変位方向Ｄ２と平行に延びている。

図８に示すように、第３の実施形態に係る変位拡大装置によれば、リンク部２０ｂは、板ばねに代えて、リンクの両端に弾性ヒンジを設けるためスリット状の切欠きを入れて構成されている。すなわち、リンク部２０ａは、角柱形状に形成され、その両端は、それぞれ幅の細い弾性ヒンジ３０ａ、３０ｂを介して支持部１６および可動部１８に連結されている。

第２および第３の実施形態において、他の構成は前述した第１の実施形態と同一であり、同一の部分には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。そして、第２および第３の実施形態においても、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施の形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

例えば、変位拡大機構を構成する支持部、可動部、リンク部の形状は上述した実施形態に限らず、必要に応じて変形可能である。リンク部を構成する板ばねは、必ずしも一様な板ばねに限らず、長さ方向あるいは幅方向に断面形状が変化する板ばねを用いてもよい。圧電素子の取付け方向は、前述した９０度あるいは１５度に限らず、他の角度としてもよい。リンク部の長さＡに係らず、支持部において、板ばねとの接続部を可動部側に延長し、板ばねの長さを調整する構成としてもよい。

アクチュエータは、積層型の圧電素子に限らず、他の圧電素子、磁歪素子等の同様な特性を有する駆動素子を用いることもできる。また、アクチュエータは、駆動素子に限らず、てこ機構やリンク部等を動作させるに必要充分な推力発生装置であればよく、電磁型駆動装置、空気又は油等の静圧型駆動装置（シリンダ）等を用いることもできる。

前述した実施形態において、圧電素子１２の他端を支持している弾性ヒンジ２３は、リンク部２０ａの弾性ヒンジ２２ｂに対して、可動部１８の移動方向Ｄ１に沿って平行に並んで位置している構成としたが、図９に示すように、この弾性ヒンジ２３は、弾性ヒンジ２２ｂに対し、圧電素子１２の移動方向、あるいは、圧電素子１２の変位方向Ｄ２に対してある角度γと有する他の方向に、例えば距離Ｃだけオフセットして設けてもよい。図９では、弾性ヒンジ２３は、弾性ヒンジ２２ｂに対して、マイナス方向にオフセットしているが、プラス方向にオフセットした構成としてもよい。

この発明の第１の実施形態に係る変位拡大装置を示す平面図。 上記変位拡大装置を示す斜視図。 上記変位拡大装置を簡素化したモデルを概略的に示す図。 上記変位拡大装置のＦＥＭ解析結果を示す図。 上記変位拡大装置の圧電素子に電圧を印加した場合の可動部の変位量を示す図。 上記変位拡大装置の振動特性を示す図。 この発明の第２の実施形態に係る変位拡大装置を示す平面図。 この発明の第３の実施形態に係る変位拡大装置を示す平面図。 この発明の変形例に係る変位拡大装置を示す平面図。

符号の説明

１０…変位拡大装置、 １２…圧電素子、 １４…変位拡大機構、
１６…支持部、 １８…可動部、 ２０ａ、２０ｂ…リンク部、
２１…板ばね、 ２２ａ、２２ｂ、２３…弾性ヒンジ、 ２６…てこ機構

Claims (6)

1. 所定方向に沿って変位可能なアクチュエータと、前記アクチュエータの変位量を拡大する変位拡大機構と、を備え、
   前記変位拡大機構は、前記アクチュエータを支持した支持部と、この支持部に隙間をおいて対向した可動部と、それぞれ前記支持部と可動部とを連結しているとともに前記アクチュエータの変位に応じて変形し前記支持部に対して前記可動部を平行移動させる平行リンクを構成する一対のリンク部と、一方のリンク部と前記アクチュエータとの間に設けられ前記アクチュエータの変位を拡大するてこ機構と、を有し、
   前記アクチュエータは、このアクチュエータの変位方向と前記可動部の直線運動の移動方向とが交差する向きで、かつ、前記一対のリンク部の外側で前記支持部に取り付けられている作動変換型変位拡大装置。
2. 前記リンク部の一方は、板バネにより形成されている請求項１に記載の作動変換型変位拡大装置。
3. 前記リンク部の各々は、それぞれ弾性ヒンジにより前記支持部および可動部に連結された両端部を有している請求項１に記載の作動変換型変位拡大装置。
4. 前記支持部は台座部を有し、前記アクチュエータは、前記台座部に固定された一端部と、弾性ヒンジを介して前記一方のリンク部に接続された他端部とを有している請求項１ないし３のいずれか１項に記載の作動変換型変位拡大装置。
5. 前記アクチュエータは、このアクチュエータの変位方向と前記可動部の移動方向とが直交する向きで前記支持部に取り付けられている請求項１に記載の作動変換型変位拡大装置。
6. 前記アクチュエータは、積層型の圧電素子である請求項１ないし５のいずれか１項に記載の作動変換型変位拡大装置。

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