JPH08290114A - アクチュエータのダンパー構造 - Google Patents
アクチュエータのダンパー構造Info
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- JPH08290114A JPH08290114A JP7095081A JP9508195A JPH08290114A JP H08290114 A JPH08290114 A JP H08290114A JP 7095081 A JP7095081 A JP 7095081A JP 9508195 A JP9508195 A JP 9508195A JP H08290114 A JPH08290114 A JP H08290114A
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- Japan
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- tube scanner
- piezoelectric actuator
- cylindrical ring
- cylindrical
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Abstract
(57)【要約】
【目的】圧電アクチュエータの減衰率を高め、共振点付
近でのインピーダンスの低下を抑える。 【構成】円筒型圧電アクチュエータ（いわゆるチューブ
スキャナー）１２の周りには、これを取り囲む円筒状リ
ング１４が配置されている。チューブスキャナー１２と
円筒状リング１４の間は、高減衰能を有する粘弾性物質
１６が充填されており、この粘弾性物質１６により円筒
状リング１４は支持されている。
近でのインピーダンスの低下を抑える。 【構成】円筒型圧電アクチュエータ（いわゆるチューブ
スキャナー）１２の周りには、これを取り囲む円筒状リ
ング１４が配置されている。チューブスキャナー１２と
円筒状リング１４の間は、高減衰能を有する粘弾性物質
１６が充填されており、この粘弾性物質１６により円筒
状リング１４は支持されている。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、圧電素子で構成された
アクチュエータの改良に関する。
アクチュエータの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）におい
ては、圧電素子からなる微小変位アクチュエータが広く
使用されている。このような微小変位アクチュエータと
しては、例えば、トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や原子間力
顕微鏡（ＡＦＭ）では、各部材の微小な位置制御やプロ
ーブまたは試料の走査を行なうために、円筒型圧電アク
チュエータいわゆるチューブスキャナが良く使用され
る。円筒型圧電アクチュエータは、三方向に変位可能
で、構造が比較的簡単な上に剛性が高く、センサのレイ
アウトの自由度も高い。
ては、圧電素子からなる微小変位アクチュエータが広く
使用されている。このような微小変位アクチュエータと
しては、例えば、トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）や原子間力
顕微鏡（ＡＦＭ）では、各部材の微小な位置制御やプロ
ーブまたは試料の走査を行なうために、円筒型圧電アク
チュエータいわゆるチューブスキャナが良く使用され
る。円筒型圧電アクチュエータは、三方向に変位可能
で、構造が比較的簡単な上に剛性が高く、センサのレイ
アウトの自由度も高い。
【０００３】また、レーザ走査型顕微鏡（ＬＳＭ）で
は、対物レンズや観察試料を光軸方向に高精度で移動さ
せるために、積層型圧電アクチュエータが良く使用され
る。積層型圧電アクチュエータは、変位方向は一方向で
あるが、ストロークが長く、応用範囲も広い。このた
め、ＳＴＭやＡＭＦにおいても頻繁に使用されている。
は、対物レンズや観察試料を光軸方向に高精度で移動さ
せるために、積層型圧電アクチュエータが良く使用され
る。積層型圧電アクチュエータは、変位方向は一方向で
あるが、ストロークが長く、応用範囲も広い。このた
め、ＳＴＭやＡＭＦにおいても頻繁に使用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】圧電アクチュエータを
構成する圧電材料は減衰率が小さい。このため、圧電ア
クチュエータは共振点付近での制御性が非常に悪い。つ
まり、周波数帯域を拡げるために高ゲインで制御を行う
と、共振点付近で発振する可能性が非常に高くなる。ま
た、急激に変位させると、圧電体自身の振動が容易に収
まらない。これは、積層型圧電アクチュエータでは、そ
の変位方向に多数の圧電素子が積層されているため、特
に顕著である。
構成する圧電材料は減衰率が小さい。このため、圧電ア
クチュエータは共振点付近での制御性が非常に悪い。つ
まり、周波数帯域を拡げるために高ゲインで制御を行う
と、共振点付近で発振する可能性が非常に高くなる。ま
た、急激に変位させると、圧電体自身の振動が容易に収
まらない。これは、積層型圧電アクチュエータでは、そ
の変位方向に多数の圧電素子が積層されているため、特
に顕著である。
【０００５】また、圧電材料は共振点付近におけるイン
ピーダンスが非常に低い。このため、圧電アクチュエー
タへ流れ込む電流が非常に大きくなり、増幅器の負担が
非常に大きくなったり、圧電体の温度上昇を招いたりす
る。このような現象はシステムの信頼性を低下させる。
本発明は、圧電アクチュエータの減衰率を高め、共振点
付近でのインピーダンスの低下を抑えることを目的とす
る。
ピーダンスが非常に低い。このため、圧電アクチュエー
タへ流れ込む電流が非常に大きくなり、増幅器の負担が
非常に大きくなったり、圧電体の温度上昇を招いたりす
る。このような現象はシステムの信頼性を低下させる。
本発明は、圧電アクチュエータの減衰率を高め、共振点
付近でのインピーダンスの低下を抑えることを目的とす
る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を
達成するアクチュエータのダンパー構造であり、圧電素
子からなるアクチュエータを取り囲む閉じた形状の囲み
部材と、アクチュエータと囲み部材の間に介在し、囲み
部材を支持する高粘弾性物質とで構成される。
達成するアクチュエータのダンパー構造であり、圧電素
子からなるアクチュエータを取り囲む閉じた形状の囲み
部材と、アクチュエータと囲み部材の間に介在し、囲み
部材を支持する高粘弾性物質とで構成される。
【０００７】
【作用】アクチュエータと囲み部材の間に粘弾性物質が
存在するため、アクチュエータの変位時や振動時に、ア
クチュエータと囲み部材に速度差が生じる。粘弾性物質
は内部摩擦によりアクチュエータのエネルギを消費す
る。これにより、アクチュエータの共振点での振幅の増
大が抑えられる。このため、振幅の増大に起因するイン
ピーダンスの低下も抑えられる。
存在するため、アクチュエータの変位時や振動時に、ア
クチュエータと囲み部材に速度差が生じる。粘弾性物質
は内部摩擦によりアクチュエータのエネルギを消費す
る。これにより、アクチュエータの共振点での振幅の増
大が抑えられる。このため、振幅の増大に起因するイン
ピーダンスの低下も抑えられる。
【０００８】
【実施例】本発明の実施例について図１を用いて説明す
る。図１に示すように、円筒型圧電アクチュエータ（い
わゆるチューブスキャナー）１２の周りには、これを取
り囲む円筒状リング１４が配置されている。チューブス
キャナー１２と円筒状リング１４の間は、高減衰能を有
する粘弾性物質１６が充填されており、この粘弾性物質
１６により円筒状リング１４は支持されている。
る。図１に示すように、円筒型圧電アクチュエータ（い
わゆるチューブスキャナー）１２の周りには、これを取
り囲む円筒状リング１４が配置されている。チューブス
キャナー１２と円筒状リング１４の間は、高減衰能を有
する粘弾性物質１６が充填されており、この粘弾性物質
１６により円筒状リング１４は支持されている。
【０００９】例えば、粘弾性物質１６としては、ゲル状
物質や、ゴム系の物質が考えられる。具体的なゲル状物
質としては、オウガノゲル、ゲルゴム、ポリマー系ゲ
ル、シリコン系ゲル、フッ素イオン交換樹脂などがあげ
られる。好ましくはシリコン系ゲルを用いるのがよい。
また、ゴム系の物質としては、天然ゴムや合成ゴムが知
られている。
物質や、ゴム系の物質が考えられる。具体的なゲル状物
質としては、オウガノゲル、ゲルゴム、ポリマー系ゲ
ル、シリコン系ゲル、フッ素イオン交換樹脂などがあげ
られる。好ましくはシリコン系ゲルを用いるのがよい。
また、ゴム系の物質としては、天然ゴムや合成ゴムが知
られている。
【００１０】図１（Ｂ）に示す状態からチューブスキャ
ナ１２を急激に走査させると、円筒状リング１４は、ば
ね定数の低い粘弾性物質１６で支えられているため、チ
ューブスキャナ１２の動きに遅れて移動し始める。この
とき、チューブスキャナ１２と円筒状リング１４の間に
速度差が生じ、両者の位置関係は図１（Ｃ）に示す状態
となる。やがて、チューブスキャナ１２が定速状態にな
ると、チューブスキャナ１２と円筒状リング１４の速度
差はなくなり、両者の位置関係は再び図１（Ｂ）に示す
状態に戻る。チューブスキャナ１２を急激に停止させる
と、円筒状リング１４はチューブスキャナ１２に遅れて
停止する。このときにもチューブスキャナ１２と円筒状
リング１４の間に速度差が生じる。
ナ１２を急激に走査させると、円筒状リング１４は、ば
ね定数の低い粘弾性物質１６で支えられているため、チ
ューブスキャナ１２の動きに遅れて移動し始める。この
とき、チューブスキャナ１２と円筒状リング１４の間に
速度差が生じ、両者の位置関係は図１（Ｃ）に示す状態
となる。やがて、チューブスキャナ１２が定速状態にな
ると、チューブスキャナ１２と円筒状リング１４の速度
差はなくなり、両者の位置関係は再び図１（Ｂ）に示す
状態に戻る。チューブスキャナ１２を急激に停止させる
と、円筒状リング１４はチューブスキャナ１２に遅れて
停止する。このときにもチューブスキャナ１２と円筒状
リング１４の間に速度差が生じる。
【００１１】従って、過渡状態で発生する比較的高い振
動成分を吸収してやることにより、チューブスキャナ１
２の挙動を滑らかになる。ここで、チューブスキャナ１
２と円筒状リング１４の間に介在する粘弾性物質１６の
働きについて考えてみる。チューブスキャナ１２と円筒
状リング１４の間に速度差が生じるのは、粘弾性物質１
６のばね特性の項であり、そのばね特性が現れるとき同
時に生じる粘性抵抗特性によって、エネルギが消費され
る。この粘性抵抗特性は速度差が大きければ大きいほど
エネルギを消費するので、急峻な立ち上がり、立ち下が
り動作時の振動を効率的に低減する。
動成分を吸収してやることにより、チューブスキャナ１
２の挙動を滑らかになる。ここで、チューブスキャナ１
２と円筒状リング１４の間に介在する粘弾性物質１６の
働きについて考えてみる。チューブスキャナ１２と円筒
状リング１４の間に速度差が生じるのは、粘弾性物質１
６のばね特性の項であり、そのばね特性が現れるとき同
時に生じる粘性抵抗特性によって、エネルギが消費され
る。この粘性抵抗特性は速度差が大きければ大きいほど
エネルギを消費するので、急峻な立ち上がり、立ち下が
り動作時の振動を効率的に低減する。
【００１２】次に、実際に得られたデータに基づいて説
明する。チューブスキャナ１２の振動特性を図２に、イ
ンピーダンス特性を図３に示す。図中、実線は通常のチ
ューブスキャナの特性を示し、破線は本実施例によるチ
ューブスキャナーの特性を示している。
明する。チューブスキャナ１２の振動特性を図２に、イ
ンピーダンス特性を図３に示す。図中、実線は通常のチ
ューブスキャナの特性を示し、破線は本実施例によるチ
ューブスキャナーの特性を示している。
【００１３】通常、チューブスキャナは、Ｚ方向、Ｘ−
Ｙ方向自在に動くので、それぞれの方向の特性が揃って
いる方が好ましい。従って、Ｚ軸方向の慣性力とＸ−Ｙ
軸方向の慣性力が同様になるように、円筒状リングと粘
弾性物質の大きさ、質量を選択する必要がある。具体的
には、図６のように極端に円筒状リングの長さが長いと
Ｚ軸方向の粘弾性物質の長さも長くなり、バネ定数も高
くなり、減衰特性も低くなる。したがって、Ｚ軸、Ｘ−
Ｙ軸方向の特性が一致するように最適寸法、材料を決め
る。
Ｙ方向自在に動くので、それぞれの方向の特性が揃って
いる方が好ましい。従って、Ｚ軸方向の慣性力とＸ−Ｙ
軸方向の慣性力が同様になるように、円筒状リングと粘
弾性物質の大きさ、質量を選択する必要がある。具体的
には、図６のように極端に円筒状リングの長さが長いと
Ｚ軸方向の粘弾性物質の長さも長くなり、バネ定数も高
くなり、減衰特性も低くなる。したがって、Ｚ軸、Ｘ−
Ｙ軸方向の特性が一致するように最適寸法、材料を決め
る。
【００１４】実験を行ない、良好な結果を得た構成の例
を以下に示す。なお、カッコ内に示した数字は、通常使
用されるチューブスキャナの一般的な数値である。直径
約１０（１０〜３０）ミリメータ、長さ約１００（３０
〜１６０）ミリメータのチューブスキャナを使用した。
このとき、粘弾性物質は、チューブスキャナを変位させ
た時の最大変位を生じるチューブスキャナの外周位置を
中心としてその長さの約１／５程度を覆うように構成し
た。
を以下に示す。なお、カッコ内に示した数字は、通常使
用されるチューブスキャナの一般的な数値である。直径
約１０（１０〜３０）ミリメータ、長さ約１００（３０
〜１６０）ミリメータのチューブスキャナを使用した。
このとき、粘弾性物質は、チューブスキャナを変位させ
た時の最大変位を生じるチューブスキャナの外周位置を
中心としてその長さの約１／５程度を覆うように構成し
た。
【００１５】チューブスキャナ１２は、一方向に振動さ
せた場合、周波数が共振点に近いところでは、様々なモ
ードで振動する。このため、周波数ｆと振幅Ａの関係
は、図２に実線で示される曲線となる。本実施例のよう
に、チューブスキャナ１２に高粘弾性物質１６を介して
適切な形状と重量の円筒状リング１４を設けると、減衰
率が大きくなるため、周波数ｆと振幅Ａの関係は、図２
に破線で示される曲線となる。この結果、共振点付近で
の制御性が良くなる。
せた場合、周波数が共振点に近いところでは、様々なモ
ードで振動する。このため、周波数ｆと振幅Ａの関係
は、図２に実線で示される曲線となる。本実施例のよう
に、チューブスキャナ１２に高粘弾性物質１６を介して
適切な形状と重量の円筒状リング１４を設けると、減衰
率が大きくなるため、周波数ｆと振幅Ａの関係は、図２
に破線で示される曲線となる。この結果、共振点付近で
の制御性が良くなる。
【００１６】また、インピーダンス特性は、図３から分
かるように、機械的共振レベルが低下することにより、
インピーダンス｜Ｚ｜の極端な低下がなくなる。この結
果、駆動電流が大量にチューブスキャナに流れ込むとい
った事態はなくなり、チューブスキャナの圧電特性の劣
化やチューブスキャナを駆動する増幅器の損傷を防止で
きる。
かるように、機械的共振レベルが低下することにより、
インピーダンス｜Ｚ｜の極端な低下がなくなる。この結
果、駆動電流が大量にチューブスキャナに流れ込むとい
った事態はなくなり、チューブスキャナの圧電特性の劣
化やチューブスキャナを駆動する増幅器の損傷を防止で
きる。
【００１７】ところで、チューブスキャナに円筒状リン
グを設けることにより、共振点は若干低下するが、その
共振周波数の低下に比べて、減衰特性の上昇が大きいの
で、激しい共振を嫌う制御ループでは、共振周波数を越
えたところまで制御帯域にすることができるようにな
り、結果として、図４に示すように、制御帯域が広がる
ことになる。
グを設けることにより、共振点は若干低下するが、その
共振周波数の低下に比べて、減衰特性の上昇が大きいの
で、激しい共振を嫌う制御ループでは、共振周波数を越
えたところまで制御帯域にすることができるようにな
り、結果として、図４に示すように、制御帯域が広がる
ことになる。
【００１８】以上、実施例に基づいて本発明を説明した
が、本発明は上記の実施例に何等限定されるものではな
く、様々な変形や応用が可能である。実施例ではチュー
ブスキャナーを例にあげて説明したが、本発明は、勿
論、他のアクチュエータにも適用できる。例えば、図５
に示すように、積層型圧電アクチュエータ２２に高粘弾
性物質２６を介して矩形状リング２４を設けた構成とし
ても一向に構わない。
が、本発明は上記の実施例に何等限定されるものではな
く、様々な変形や応用が可能である。実施例ではチュー
ブスキャナーを例にあげて説明したが、本発明は、勿
論、他のアクチュエータにも適用できる。例えば、図５
に示すように、積層型圧電アクチュエータ２２に高粘弾
性物質２６を介して矩形状リング２４を設けた構成とし
ても一向に構わない。
【００１９】
【発明の効果】本発明によれば、圧電アクチュエータの
減衰率が高まり、共振点付近でのインピーダンスの低下
が抑えられる。これにより、共振点付近での制御性が向
上するとともに、制御帯域も広がり、更に高速での走査
も可能となる。また、大量の電流が圧電アクチュエータ
に流れ込んだり、増幅器の負担が急に増大したりするこ
とがなくなるので、システムの信頼性も向上する。
減衰率が高まり、共振点付近でのインピーダンスの低下
が抑えられる。これにより、共振点付近での制御性が向
上するとともに、制御帯域も広がり、更に高速での走査
も可能となる。また、大量の電流が圧電アクチュエータ
に流れ込んだり、増幅器の負担が急に増大したりするこ
とがなくなるので、システムの信頼性も向上する。
【図１】本発明の実施例のダンパー構造を備えた円筒型
圧電アクチュエータを示す図で、（Ａ）はその斜視図、
（Ｂ）と（Ｃ）は上から見た図である。
圧電アクチュエータを示す図で、（Ａ）はその斜視図、
（Ｂ）と（Ｃ）は上から見た図である。
【図２】本発明の実施例の振動特性を示すグラフであ
る。
る。
【図３】本発明の実施例のインピーダンス特性を示すグ
ラフである。
ラフである。
【図４】本発明による制御帯域を従来と比較して示すグ
ラフである。
ラフである。
【図５】本発明を積層型圧電アクチュエータに適用した
構成を示す斜視図である。
構成を示す斜視図である。
【図６】本発明の実施例のダンパー構造において好まし
くない形態を示す図である。
くない形態を示す図である。
１２…円筒型圧電アクチュエータ、１４…円筒状リン
グ、１６…高粘弾性物質。
グ、１６…高粘弾性物質。
Claims (1)
- 【請求項１】圧電素子からなるアクチュエータを取り囲
む閉じた形状の囲み部材と、アクチュエータと囲み部材
の間に介在し、囲み部材を支持する高粘弾性物質とを有
するアクチュエータのダンパー構造。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7095081A JPH08290114A (ja) | 1995-04-20 | 1995-04-20 | アクチュエータのダンパー構造 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7095081A JPH08290114A (ja) | 1995-04-20 | 1995-04-20 | アクチュエータのダンパー構造 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08290114A true JPH08290114A (ja) | 1996-11-05 |
Family
ID=14128006
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7095081A Pending JPH08290114A (ja) | 1995-04-20 | 1995-04-20 | アクチュエータのダンパー構造 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08290114A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001320105A (ja) * | 1999-10-01 | 2001-11-16 | Ngk Insulators Ltd | 圧電／電歪デバイス及びその製造方法 |
| JP2001320104A (ja) * | 1999-10-01 | 2001-11-16 | Ngk Insulators Ltd | 圧電／電歪デバイス及びその製造方法 |
| WO2005088824A1 (ja) * | 2004-03-15 | 2005-09-22 | Akita Prefecture | アクチュエータの減衰方法およびアクチュエータ |
| JP2009508457A (ja) * | 2005-09-08 | 2009-02-26 | ショット アクチエンゲゼルシャフト | 工具移動アクチュエータ |
| KR20120056967A (ko) * | 2010-11-26 | 2012-06-05 | 현대자동차주식회사 | 점탄성 물질을 이용한 변속 케이블 |
-
1995
- 1995-04-20 JP JP7095081A patent/JPH08290114A/ja active Pending
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001320105A (ja) * | 1999-10-01 | 2001-11-16 | Ngk Insulators Ltd | 圧電／電歪デバイス及びその製造方法 |
| JP2001320104A (ja) * | 1999-10-01 | 2001-11-16 | Ngk Insulators Ltd | 圧電／電歪デバイス及びその製造方法 |
| WO2005088824A1 (ja) * | 2004-03-15 | 2005-09-22 | Akita Prefecture | アクチュエータの減衰方法およびアクチュエータ |
| US7332848B2 (en) | 2004-03-15 | 2008-02-19 | Akita Prefecture | Method of damping actuator and actuator |
| JP2009508457A (ja) * | 2005-09-08 | 2009-02-26 | ショット アクチエンゲゼルシャフト | 工具移動アクチュエータ |
| KR20120056967A (ko) * | 2010-11-26 | 2012-06-05 | 현대자동차주식회사 | 점탄성 물질을 이용한 변속 케이블 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20030107 |