JP5025949B2

JP5025949B2 - 変位拡大装置

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Publication number: JP5025949B2
Application number: JP2005356656A
Authority: JP
Inventors: 嗣渋谷; 英季森; 明大長縄; 五郎大日方
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; Akita University NUC; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; Akita University NUC; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2005-12-09
Filing date: 2005-12-09
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2025-12-09
Also published as: JP2007166714A

Description

この発明は、圧電素子および変位拡大機構を備えた変位拡大装置に関する。

近年、磁気記録装置として、例えば、ハードディスクドライブ（以下、ＨＤＤと称する）は、急速に磁気ディスクの大容量化、小型化、高速化が進んでいる。磁気記録装置の高性能化を実現するためにディスクの磁性体や磁気ヘッドの改良が行われ、ディスクの記録密度が高くなってきている。

通常、ＨＤＤは、情報を記録するトラックが設けられた磁気ディスク、およびこの磁気ディスクに対して情報の書込み、読出しを行う磁気ヘッド、および磁気ヘッドを支持したアクチュエータを備えている。磁気ディスクは、磁気記録を高密度化するため、トラック間隔を非常に小さくした狭トラック化が急速に進んできている。例えば、記録密度が２００Gbit／in^２以上の磁気ディスクでは、許容される位置誤差は５nmになり、磁気ヘッドはそれに対応する位置決め精度が要求される。

また、磁気ディスクおよび磁気ヘッドの記録・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。このような評価装置は実際の磁気記録に対する誤差を評価する必要性から、さらに高精度な位置決め精度が要求されている。そのため、高性能な磁気記録評価装置は、磁気ヘッドを高精細に位置決めするために、粗動機構としてＸ−Ｙステージを用い、微動機構として、ナノオーダーで精密位置決めするためのＮＭＡ（ナノ・モーション・アクチュエータ）を用いている。

しかし、上記のような評価装置では、複雑な粗動機構および微動機構の二重構造の制御を簡素化することや、スタンド装置から排出される発熱や周囲温度の変化による温度ドリフトやＲＲＯ（リピータブル・ラン・アウト）、ＮＲＲＯ（アンリピータブル・ラン・アウト）のスピンドルモータの回転振れ等に対応する必要がある。このような磁気ディスクに対する磁気ヘッドの相対位置の変化に対して、微動機構に使われるＮＭＡの拡大変位量をさらに大きくすることへの期待が高まっている。

従来、磁気記録評価装置の微動機構に使われているＮＭＡは、圧電素子と、圧電素子の変位を拡大する拡大機構とを有している。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（変位拡大部）と、それぞれ可動部と固定部とを連結しているとともに前記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、を備えている。圧電素子としては、ＰＺＴ（ＰｂＺｒＯ３−ＰｂＴｉＯ３）に代表される圧電材料を多層に積層した積層型圧電素子が用いられている。この圧電素子は、一対のリンク部間に配設され、一端が固定部に、他端が一方のリンク部に連結されている（例えば、特許文献１）。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４つの弾性ヒンジの部分で回動し、磁気ヘッドの取り付けられた可動部を平行移動させて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倍に変位拡大して以下の式（１）で示すような拡大変位量ｕを得ることができる。
ｕ＝（Ａ／Ｂ）δｐ …（１）
特開２００５−２６１１６７号公報

上記のように、理想的には、理想的にはリンク部の長さＡを大きくすると拡大変位量ｕが増大するが、共振周波数が低下する問題がある。ＮＭＡを動作させる周波数を変えて、拡大変位振幅(ゲイン）の変化を調べた。周波数を増加させるとある周波数で急激に振動振幅（ゲイン)が増加する。このピークの周波数を共振周波数という。共振周波数では振動が大変大きくなり、制御が困難になる。そのため、高速、高精度な位置決めには高い共振周波数を持つ構造が要求される。

このように、拡大変位量が大きく、高い共振周波数を持つ構造の最適な設計を得るため、リンク部の長さＡを変えて、拡大変位量と共振周波数との関係について有限要素解析によって調査した。その結果、おおよそ拡大変位量が１０μm、共振周波数が５ｋHzの構造が採用されている。

しかし、前述した変位拡大装置の構造では、それ以上の大幅な性能向上が困難になっている。すなわち、上記変位拡大装置は、４個の弾性ヒンジを用いた平行リンクと、その内側に配置された圧電素子とを備えた機構を採用している。このような平行リンクを用いた拡大変位機構は、平行リンクのリンク部の長さＡを大きくすると、拡大変位量は増加するが、共振周波数が低下する。そのため、リンク全体の剛性を高めて共振周波数を高く維持する必要がある。しかし、弾性ヒンジの剛性を大きくすると、弾性ヒンジへの応力集中により、大きな応力が発生する。そのため、大きな変位を生じる構造に対して、剛性を大きくすることが困難になる。

また、拡大変位量を大きくするためには、大きな圧電素子を使用することが有効である。しかし、平行リンクの内側に圧電素子設置用のスペースを確保すると、平行リンク移動部の質量の増加に伴い、結果として共振周波数を低下させることになる。そのため、圧電素子の選択に制約が生じる。

この発明の以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、高い共振周波数を維持し拡大変位量を増大することができるとともに、圧電素子の選択の自由度が向上した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変位拡大装置は、圧電素子と、前記圧電素子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、前記圧電素子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圧電素子の変位に応じて変形する一対の平行なリンク部と、を有し、
前記圧電素子は、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、前記リンク部の一方は、板ばねにより構成され、前記リンク部の他方は、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す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増大することができるとともに、圧電素子の選択の自由度が向上した高剛性の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、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、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Ｌ字の枠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、それぞれ幅の細い弾性ヒンジ２２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ている。また、リンク部２０ｂは板ばね２１により構成されている。

リンク部２０ａ、２０ｂは平行リンクを構成し、弾性ヒンジ２２の弾性変形および板ばね２１の弾性変形により、弾性ヒンジおよび板ばねを支点とする等価的な回動運動等が可能となっている。

支持部１６には、この支持部を所望の部位、例えば、磁気記録評価装置の本体へねじ止め固定するためのねじ孔１１が形成されている。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。すなわち、支持部１６の端部には可動部１８側に突出した台座部２４が一体形成され、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、リンク部２０ａに接続された弾性ヒンジ２３を有するてこ機構２６を介して、リンク部２０ａに連結されている。
可動部１８には、例えば、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。

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２２、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２２、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。

圧電素子１２が微小変位すると、この変位はてこ機構２６により増大されてリンク部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Ｃ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Ｃ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２２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２２とのリンク部２０ａの長手方向に沿った距離をＢとした場合、前述の式（１）で示したように、圧電素子１２の微小変位は可動部１８においてＡ／Ｂ倍の変位量に拡大される。

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を考えることができる。Ａはリンク部２０ａの長さ、Ｂは弾性ヒンジ２２から圧電素子１２の支点となる弾性ヒンジ２３までの長さで拡大率に大きく関連する。弾性ヒンジ２２、２３の回転に関するばね定数をｋ_θ、板ばね２０ｂのばね定数をｋ_ｓ、そして、圧電素子１２を、ばね定数ｋｐのばねと電圧によりδｐの伸びを生じる伸び要素とによってモデル化する。磁気ヘッドを取り付ける可動部１８に相当する運動部分の質量を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（２）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（３）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（有限要素解析）の結果を示している。この結果は、１次共振のモード形状、およびその周波数が５．１９ＫHzになることを示している。また、図５は、圧電素子１２に１５０Ｖの電圧を印加したときの拡大変位量ｕを示している。１５０Ｖで伸びδｐ＝９．１μmを発生する圧電素子１２を使用して、最大拡大変位量２９．８μmを得ることができる。

一方、変位拡大装置１０に生じる応力は、弾性ヒンジ２２、２３の分で大きな応力集中を発生する。図６は、変位拡大装置１０の応力分布を示している。図において、無色の領域（ハッチングのない領域）は応力の小さい部分であるが、弾性ヒンジ２２、２３と板ばねの両端部とで濃さが変化している。濃い部分（ハッチングが細かい部分）になるほど大きな応力が生じていることを示している。

図６（ａ）、（ｂ）は、応力集中が明確となるように、弾性ヒンジ２２と板ばねの下端部分を拡大して示している。弾性ヒンジ２２では、黒色の部分もあり、非常に大きな応力が集中し、逆に、板ばね２１部分の応力集中は小さいことが分かる。このことから、弾性ヒンジ２２、２３のみで構成した平行リンクは、許容応力の制限により剛性を高めることが困難であるが分かる。一方、板ばね部分の応力集中は小さいことから、リンク部の一方に剛性の高い板ばねを用いることにより、装置全体の剛性ｋａを高め、共振周波数ｆをさらに大きくすることが可能となる。上記構成の変位拡大装置を試作して測定したところ、圧電素子１２に１５０Ｖの電圧を印加した場合における拡大変位量ｕは２７．５μｍ、一次共振周波数は４．７ＫHzであり、おおよそ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１つのリンク部に剛性の高い板ばねを用いることと、圧電素子を平行リンクの外側に配置することにより、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出来る。これにより、高い共振周波数を維持して、大きな拡大変位を発生する高剛性の変位拡大装置を提供が得られる。

本実施形態に係る変位拡大装置１０は、ＦＥＭ解析では従来と同じ５ＫHzの共振周波数を維持して、従来の2倍に相当するおよそ３０μｍの拡大変位量を達成することができる。また、平行リンクの剛性と圧電素子の選択の自由度が高いことから、板ばねの剛性を高めることにより、さらに高い共振周波数を持つ変位拡大機構の実現が可能となる。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。このように、変位拡大装置を磁気記録評価装置に適用することにより、磁気記録評価装置の飛躍的な性能向上に貢献できる。

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。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。圧電素子は積層型に限らず、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。

この発明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各部の変位量を示す図。上記変位拡大装置の応力分布を示す図。

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、２２、２３…弾性ヒンジ、２６…てこ機構

Claims

圧電素子と、前記圧電素子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、前記圧電素子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圧電素子の変位に応じて変形する一対の平行なリンク部と、を有し、
前記圧電素子は、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、前記リンク部の一方は、板ばねにより構成され、前記リンク部の他方は、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する変位拡大装置。
前記支持部は台座部を有し、前記圧電素子は、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他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に記載の変位拡大装置。
圧電素子と、前記圧電素子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、前記圧電素子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圧電素子の変位に応じて変形する一対の平行なリンク部と、を有し、
前記圧電素子は、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、前記リンク部の一方は、板ばねにより構成され、前記圧電素子は、前記支持部の台座部に固定された一端部と、弾性ヒンジを介して他方のリンク部に接続された他端部とを有する変位拡大装置。