(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電素子と、この圧電素子の変位に応じて変位する可動部を有し、前記圧電素子の変位量を拡大する変位拡大機構と、を備えたアクチュエータの共振ピークを低減するアクチュエータの減衰方法において、
前記可動部に弾性体あるいは粘弾性体を介して拘束部材を固定し、前記弾性体あるいは粘弾性体の変形による歪により前記可動部の振動エネルギーを熱エネルギーに変換して前記アクチュエータの共振ピークを低減するアクチュエータの減衰方法。
【請求項２】
前記変位拡大機構は、前記圧電素子が固定された支持部を有し、前記可動部は、前記支持部と対向した可動子と、前記支持部と可動子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リンク部と、を備え、前記拘束部材を前記リンク部と可動子とに架橋して固定することを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータの減衰方法。
【請求項３】
前記変位拡大機構は、前記圧電素子が固定された支持部を有し、前記可動部は、前記支持部と対向した可動子と、前記支持部と可動子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リンク部と、を備え、前記拘束部材を前記支持部、リンク部および可動子に架橋して固定することを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータの減衰方法。
【請求項４】
前記変位拡大機構は、前記圧電素子が固定された支持部を有し、前記可動部は、前記支持部と対向した可動子と、それぞれ前記支持部と可動子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、前記拘束部材を前記一対のリンク部に架橋して固定することを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータの減衰方法。
【請求項５】
前記変位拡大機構は、前記圧電素子が固定された支持部を有し、前記可動部は、前記支持部と対向した可動子と、それぞれ前記支持部と可動子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、前記拘束部材を前記一対のリンク部と可動子とに架橋して固定することを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータの減衰方法。
【請求項６】
前記変位拡大機構は、前記圧電素子が固定された支持部を有し、前記可動部は、前記支持部と対向した可動子と、それぞれ前記支持部と可動子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、前記拘束部材を前記支持部と前記一対のリンク部とに架橋して固定することを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータの減衰方法。
【請求項７】
前記変位拡大機構は、前記圧電素子が固定された支持部を有し、前記可動部は、前記支持部と対向した可動子と、それぞれ前記支持部と可動子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、前記拘束部材を前記支持部、一対のリンク部、および可動子に架橋して固定することを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータの減衰方法。
【請求項８】
前記変位拡大機構は上面およびこの上面と対向した裏面を有し、前記拘束部材を前記変位機構の上面および裏面にそれぞれ固定することを請求項１ないし７のいずれか１項に記載のアクチュエータの減衰方法。
【請求項９】
前記拘束部材として、前記弾性体あるいは粘弾性体よりも剛性の高い金属板あるいはセラミックスからなる平板を用い、アクチュエータの機械剛性を上げることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載のアクチュエータの減衰方法。
【請求項１０】
圧電素子と、
この圧電素子の変位に応じて変位する可動部を有し、前記圧電素子の変位量を拡大する変位拡大機構と、
前記可動部に弾性体あるいは粘弾性体を介して固定され、前記弾性体あるいは粘弾性体の変形により前記可動部の振動エネルギーを熱エネルギーに変換して共振ピークを低減する拘束部材と、を備えたアクチュエータ。
【請求項１１】
前記変位拡大機構は、前記圧電素子が固定された支持部を有し、前記可動部は、前記支持部と対向した可動子と、前記支持部と可動子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リンク部と、を備え、前記拘束部材は前記リンク部と可動子とに架橋して固定されている請求項１０に記載のアクチュエータ。
【請求項１２】
前記変位拡大機構は、前記圧電素子が固定された支持部を有し、前記可動部は、前記支持部と対向した可動子と、前記支持部と可動子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リンク部と、を備え、前記拘束部材は前記支持部、リンク部および可動子に架橋して固定されている請求項１０に記載のアクチュエータ。
【請求項１３】
前記変位拡大機構は、前記圧電素子が固定された支持部を有し、前記可動部は、前記支持部と対向した可動子と、それぞれ前記支持部と可動子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、前記拘束部材は前記一対のリンク部に架橋して固定されている請求項１０に記載のアクチュエータ。
【請求項１４】
前記変位拡大機構は、前記圧電素子が固定された支持部を有し、前記可動部は、前記支持部と対向した可動子と、それぞれ前記支持部と可動子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、前記拘束部材は前記一対のリンク部と可動子とに架橋して固定されている請求項１０に記載のアクチュエータ。
【請求項１５】
前記変位拡大機構は、前記圧電素子が固定された支持部を有し、前記可動部は、前記支持部と対向した可動子と、それぞれ前記支持部と可動子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、前記拘束部材は前記支持部と前記一対のリンク部とに架橋して固定されている請求項１０に記載のアクチュエータ。
【請求項１６】
前記変位拡大機構は、前記圧電素子が固定された支持部を有し、前記可動部は、前記支持部と対向した可動子と、それぞれ前記支持部と可動子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、前記拘束部材は前記支持部、一対のリンク部、および可動子に架橋して固定されている請求項１０に記載のアクチュエータ。
【請求項１７】
前記変位拡大機構は上面およびこの上面と対向した裏面を有し、前記拘束部材は、前記弾性体あるいは粘弾性体を介して前記変位機構の上面および裏面にそれぞれ固定された第１拘束部材および第２拘束部材を含んでいる請求項１０ないし１６のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【請求項１８】
前記拘束部材は前記弾性体あるいは粘弾性体よりも剛性の高い金属板あるいはセラミックスで構成されている請求項１０ないし１７のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、圧電素子および変位拡大機構を備えたアクチュエータの減衰方法および減衰機構を有したアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子として、例えば、高速な応答性に優れ大きな力が発生できる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は、高精度な位置決めに大変有効な駆動素子である。しかし、この圧電素子は、駆動できる変位量が概ね積層高さの１／１０００と非常に小さい。また、圧電素子そのものに大きな剪断荷重が加わると、圧電材料の接着面で破断し易いという問題がある。従って、圧電素子の固定及び支持方法や駆動する部品との取り合いなどを考慮する必要があり、圧電素子単体をアクチュエータとして使用しようとした場合、非常に使い難い側面を持っている。
【０００３】
そこで、圧電素子の発生する小さな変位を幾何学的に拡大し、同時に固定部や駆動する部品への取り付けを容易にする変位拡大機構に、積層型圧電素子を組み合わせたアクチュエータが提案されている。変位拡大機構としては、てこ構造で圧電素子の変位を拡大する機構（非特許文献１）、４つの弾性ヒンジで構成された菱形形状体の対角を伸長することでもう一方の対角の長さを対角の長さの比率で拡大する機構（非特許文献２）や、くさび状の先端を圧電素子の伸長で割り込ませて変位を拡大する機構（非特許文献３）を応用したものが知られている。また、変位拡大機構としてリンク機構を用いたアクチュエータが提案されている（特許文献４）。このようなアクチュエータは、精密位置決めを必要とする産業機器の分野で幅広く用いられている。
【０００４】
変位拡大機構および圧電素子を備えたアクチュエータの最大の利点は、１つのバネとダンパーと質量で表現できるニ次遅れ要素で表現でき、１つの主共振が高い周波数帯域にあるため、制御性に優れていることにある。しかし、応答性を向上させた場合、主共振ピークが高くなる傾向にある。このように共振ピーク値が高い状態でアクチュエータの制御系を構成した場合、開ループ特性においてゼロクロスまでの周波数で示されるサーボ帯域（制御帯域）が制約され、制御性能を悪化させる要因となっている。そのため、一般には、共振周波数がでくるだけ高域となるように制御系を改善し、サーボ帯域を伸ばす努力が試みられている。
【０００５】
二次遅れ要素が示す共振周波数はアクチュエータの質量をｍ、バネ定数をｋとした場合、次式を満足する。なお、次式において、ωｎは系の固有角振動数を示し、共振周波数ｆはｆ＝ωｎ／２πの関係にある。  
【数１】
0003612670.tif 000002
【０００６】
そのため、アクチュエータの質量＝可動部質量が一定であると仮定した場合、アクチュエータの共振周波数を上げるためには、変位拡大機構のバネ剛性を上げることが必要となる。
【０００７】
一方、積層型圧電素子の変位量は、発生力とほぼ反比例の関係にあり、発生力を大きく取ろうとすると、圧電素子の伸長は小さくなる。従って、バネ定数を大きくして共振周波数を上げた場合、アクチュエータの最大変位量は必然的に小さくなる。従って、アクチュエータの共振周波数とその最大変位量とは相反する関係にあり、両立させることは大変難しい。このような機構のアクチュエータは、機構部品として取り扱いが容易になるが、機構学的には変位拡大される構造となっていても高い共振周波数と両立させるため、実質的に使用した積層型圧電素子単体の無負荷時の最大変位量とほぼ等しい最大変位量しか発生できないことも珍しいことではない。このような諸条件から、制御性能を向上するために変位拡大機構と積層型圧電素子とを組み合わせたアクチュエータにおいて、所望の最大変位量を確保しながら同時に共振周波数を上げることは自ずと限界があり、高速で高精度な制御系を構成する上で大きな課題となっている。
【非特許文献１】ドイツ、ＰＩポリテック・カタログ−２００１、頁２−１６      ２０００年７月発行
【非特許文献２】ドイツ、ＰＩポリテックカタログ−２００１、頁２−４２      ２０００年７月発行
【非特許文献３】フランス、カタログ「CEDRAT TECHNOLOGIES」、第５６頁      ２００２年９月発行
【特許文献４】特開平６−２８８０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
積層型圧電素子と変位拡大機構とを備えたアクチュエータにおいて、機構上の改善によって制御系の制御帯域を拡張しようとすると、共振周波数を更に高域に上げるか、減衰性能を高めて共振ピークを下げ、開ループ特性において共振周波数のピークが０ｄＢのクロスラインを越えて系が不安定とならないように設計することになる。
【０００９】
一方、制御系の設計によって改善しようとする場合、一般的なＰＩＤ（比例、積分、微分）制御器では狭帯域のノッチフィルタで反共振特性を持たせ相殺する手法が一般的である。しかし、ノッチフィルタは位相反転も同時に発生させるため、抜本的に制御性能を上げることはできない。
【００１０】
また、ロバスト（Ｒｏｂｕｓｔ）な制御性能を有するＨ∞で周波数整形し、位相特性に影響を与えずに反共振特性で共振ピークを相殺することも可能である。しかし、制御系の次数が高く複雑化し、制御系設計ＣＡＤ（ＭＡＴＬＡＢ）や高速で計算能力はあるが高価なＤＰＳ（デジタルシグナルプロセッサ）などを用いないと実現が難しい。更に、アクチュエータのように高速性が要求される場合、制御系の次数によっては、現状、ＤＳＰの演算能力では実現することができない。また、ＣＡＤを駆使しＤＳＰで実現されるＨ∞などのロバストな制御器は、ＰＩＤ制御器のように人間が経験的または感覚的に調整することが困難であるため、これらの一般的な普及をも阻んでいる。
【００１１】
以上のことからも、アクチュエータ自身の減衰能を向上させて共振ピークを下げることは、制御帯域を上げるために必要な抜本的な改善であり、最も効果的な対策である。しかし、従来、アクチュエータ固定部と支持部分との間にゴムや紙などを減衰材として挟み込み、部品同士や締結ネジ面間の接触摩擦によって、アクチュエータ内部の振動を熱エネルギーに変換することで共振ピークを減衰させている。また、アクチュエータ固定部の締結力を弱めると支持部分の接触摩擦が増加し、共振による振動は熱エネルギーとなって減衰するため、共振ピークを下げることもできるが、その反面、一般に共振周波数も下がってしまう。そのため、本質的な手法ではないものの効果的な方法として固定ネジの締め付けトルク管理し、共振周波数を高く維持させながら共振ピークをできるだけ下げる手法が１つの有効な方法となっている。
【００１２】
しかし、このような手法で発生する減衰力は、差ほど大きなものではなく、必要以上に共振ピークを上げないための調整程度に過ぎない。また、固定部に減衰材等の弾性体または粘弾性体を挟み込むことは、固定面を基準とする取り付けの場合、精度に影響するため、精密位置決めを旨とするアクチュエータの固定方法としては望ましいものではない。
【００１３】
この発明の以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、主に積層型の圧電素子と変位拡大機構とを用いたアクチュエータの特性を何ら妨げることなく、本来アクチュエータが有する共振ピークを充分に減衰することが可能な減衰方法および減衰機構を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
機構部の動作を拘束させるような付加的な機構は、例え減衰性が上がったとしても最大変位を大幅に減少させたり、共振周波数を低域に移動させたりするため、共振ピークの減少と引き換えに別の問題が発生するのが一般的である。しかし、本発明を適用する対象は、一般的な機械機構では歪みと言っても過言でない変位領域で応用される機構であり、通常の機械的な常識が通用しない。また、目標とする共振周波数は、一般的な機械機構の１０倍以上であり、共振ピークも非常に大きな機構となっている。
【００１５】
そこで、この発明の態様に係るアクチュエータの減衰方法は、圧電素子と、この圧電素子の変位に応じて変位する可動部を有し、圧電素子の変位量を拡大する変位拡大機構と、を備えたアクチュエータの共振ピークを低減するアクチュエータの減衰方法において、  
前記可動部の表面に弾性体あるいは粘弾性体を介して拘束部材を固定し、前記弾性体あるいは粘弾性体の変形により前記可動部の振動エネルギーを熱エネルギーに変換して前記アクチュエータの共振ピークを低減することを特徴としている。
【００１６】
また、この発明の態様に係るアクチュエータは、圧電素子と、この圧電素子の変位に応じて変位する可動部を有し、前記圧電素子の変位量を拡大する変位拡大機構と、弾性体あるいは粘弾性体を介して前記可動部に固定され、前記弾性体あるいは粘弾性体の変形により前記可動部の振動エネルギーを熱エネルギーに変換して共振ピークを減衰する拘束部材と、を備えたことを特徴としている。
【００１７】
上記構成の減衰方法およびアクチュエータによれば、拡大変位機構の可動部に弾性体あるいは粘弾性体を介して拘束部材を接合し、共振で生じる振動によって弾性体または粘弾性体が歪むことにより、振動エネルギーを粘性抵抗や内部歪によって熱エネルギー（摩擦熱）に変換し、効率良く共振ピークを低減することができる。
【００１８】
拡大変位機構の可動部に弾性体あるいは粘弾性体を介して接合された拘束部材は、可動部の動作を拘束することでアクチュエータの共振周波数を高め、ねじれモードの共振を抑制する効果を合わせて有している。
【００１９】
リンク部および可動子を備えた変位拡大機構を用いる場合、リンク部間に拘束部材を架橋してリンク部間の動作を意図的に拘束し、また、可動子や支持部にも拘束部材を架橋することで変位拡大機構と拘束部材との間でできるだけ大きな接触面積を設け、弾性体または粘弾性体をできるだけ効率良く歪ませることによって、アクチュエータが本来有している大きな共振ピークを大幅に低減することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、圧電素子と変位拡大機構とを備えたアクチュエータの特性を何ら妨げることなく、アクチュエータが本質的に有する共振ピークを充分に低減することが可能な減衰方法およびアクチュエータを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下図面を参照しながら、この発明の実施形態に係るアクチュエータおよびアクチュエータの減衰方法について詳細に説明する。
【００２２】
図１ないし図３に示すように、アクチュエータ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子１８、および支持部１６と可動子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、全体としてほぼ矩形枠状に形成されている。各リンク部２０ａ、２０ｂの両端は、それぞれ弾性ヒンジ２２を介して支持部１６および可動子１８に連結されている。各リンク部２０ａ、２０ｂは弾性ヒンジ２２の弾性変形により、この弾性ヒンジを支点とする等価的な回動運動等が可能となっている。
【００２３】
支持部１６には、この支持部を所望の部位へねじ止め構成するためのねじ孔１１が形成されている。支持部１６には可動子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、てこ機構２６を介して、一方のリンク部２０ａに接続されている。圧電素子１２が変位すると、この変位はてこ機構２６により増大されて一方のリンク部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Ａ方向に移動する。これに伴い、可動子１８および他方のリンク部２０ｂが矢印Ａ方向に移動する。その結果、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、可動子１８の変位として出力される。
【００２４】
変位拡大機構１４の支持部１６、可動子１８、リンク部２０ａ、２０ｂ、弾性ヒンジ２２、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、可動子１８、リンク部２０ａ、２０ｂ、弾性ヒンジ２２、およびてこ機構２６は、変位拡大機構１４の可動部として機能している。
【００２５】
変位拡大機構１４の可動部には、弾性体あるいは粘弾性体を介して拘束部材３０が固定されている。本実施形態において、拘束部材３０は、アルミニウム、ステンレス鋼等により矩形の平板に形成され、一方の表面全体に弾性体あるいは粘弾性体３２が塗布され、弾粘性体層を形成している。例えば、拘束部材３０の板厚は０．２〜１．０ｍｍ程度に形成され、粘弾性体３２の層厚は０．０４〜０．２ｍｍ程度に形成されている。そして、拘束部材３０は、粘弾性体３２側が変位拡大機構１４の表面に面接触した状態で、変位拡大機構に固定されている。ここでは、拘束部材３０は、一対のリンク部２０ａ、２０ｂの可動子１８側端部に固定され、一対のリンク部に架橋して配置されている。変位拡大機構１４に対する拘束部材３０の固定には、接着剤あるいは粘弾性体３２自体の粘性を用いることができる。
【００２６】
上記構成のアクチュエータ１０によれば、平行なリンク部２０ａ、２０ｂ間に拘束部材３０を架橋してリンク部間の動作を意図的に拘束することにより、変位拡大機構１４の振動に応じて粘弾性体３２が効率良く歪まされる。同時に、拘束部材３０により粘弾性体３２の拘束部材側表面の変形を拘束することにより、粘弾性体３２の歪みを増大させることができる。そして、粘弾性体３２は、歪むことにより振動エネルギーを熱エネルギーに変換し、振動を減衰する。これにより、変位拡大機構１４および積層型の圧電素子１２で構成されるアクチュエータ１０が内在する大きな共振ピークを効果的に減衰させながらも共振周波数を上げることができる。
【００２７】
また、拘束部材３０および粘弾性体をリンク部２０ａ、２０ｂの上面、つまり、可動部の移動方向と平行な平面内に設けることにより、アクチュエータ１０を移動平面内に拘束し、移動方向以外の変位拡大機構１４に生じる不要なねじれ等の変形を効果的に抑制することができる。
【００２８】
なお、拘束部材３０および粘弾性体３２は、アクチュエータ１０の上面側だけではなく、裏面側にも設けてもよい。すなわち、拘束部材３０と同様の拘束部材３４は、アクチュエータ１０の裏面側において、一対のリンク部２０ａ、２０ｂに跨って固定され、拘束部材３０と対向している。拘束部材３４は粘弾性体３６を介して変位拡大機構１４に固定され、その固定には、接着剤あるいは粘弾性体３２自体の粘性を用いることができる。
【００２９】
アクチュエータ１０の上面側および裏面側の両方に粘弾性体あるいは弾性体を介して拘束部材を設けることにより、片面側だけに設けた場合に比較して、アクチュエータの共振ピークを更に約１／２に減衰することができる。
【００３０】
図４および図５に示す第２の実施形態によれば、拘束部材３０および粘弾性体３２は、前述した第１の実施形態よりも大きな矩形板状に形成され、変位拡大機構１４の上面側において、リンク部２０ａ、２０ｂ間だけではなく、可動子１８に渡って固定されている。同様に、拘束部材３４および粘弾性体３６は、変位拡大機構１４の下面側において、リンク部２０ａ、２０ｂ間だけではなく、可動子１８に渡って固定され、拘束部材３０と平行に対向している。拘束部材３０、３４は、それぞれ粘弾性体３２、３６を介在して変位拡大機構１４の表面に貼付されている。  
アクチュエータ１０の他の構成は前述した第１の実施形態と同一であり、その詳細な説明は省略する。
【００３１】
第２の実施形態によれば、変位拡大機構１４の可動部と拘束部材３０、３４および粘弾性体３２、３６との接触面積が増加し、より効果的にアクチュエータ１０の共振ピークを減衰することができる。拘束部材および粘弾性体を変位拡大機構１４の上面側のみに設けた場合、拘束部材および粘弾性体を持たないアクチュエータに比較して、その共振ピークを５／１００に減衰することができる。また、拘束部材および粘弾性体を変位拡大機構１４の両面側に設けることにより、共振ピークを更に１／２に減衰することが可能となる。その他、第２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。
【００３２】
減衰機構を持たない従来のアクチュエータと第２の実施形態に係るアクチュエータ１０とを用意し、その周波数特性を比較した。その結果を図６に示す。この図から分かるように、従来のアクチュエータは、１つのバネとダンパーと質量で表現できる二次遅れ要素を示す機構で、共振周波数３．６ｋＨｚに３９ｄＢの非常に大きな共振ピークが存在している。アクチュエータに粘弾性体が塗布されたアルミニウム製の拘束部材３０が上面に取り付けられた第２の実施形態に係るアクチュエータにおいては、共振周波数は３００Ｈｚ上がって３．９ｋＨｚとなり、共振ピークは２６．３ｄＢ下がって１２．７ｄＢとなっており、アクチュエータの有する共振ピークの振幅は従来の５／１００と大幅に減衰した。
【００３３】
また、拘束部材および粘弾性部材をアクチュエータ１０の裏面側にも固定した場合、アクチュエータの共振周波数は全く変化せずに共振ピークだけが更に従来のアクチュエータの２．５／１００、すなわち、上面だけに拘束部材および粘弾性部材を取り付けた場合の共振ピークを更に１／２にする効果が確認できた。
【００３４】
上記で得られた減衰効果により、アクチュエータの制御性能を飛躍的に改善することができる。図７は、光ファイバ変位計を位置フィードバックとしてアクチュエータの駆動源に高速バイポーラ電源を用いて、ＰＩ制御系を構成した時に測定された系の開ループ特性を示している。従来のアクチュエータを用いて制御系を構成した場合、高い共振ピークが要因となって、制御系の安定の目安となる０ｄＢラインへ容易に到達してしまう。そのため、得られたサーボ帯域（制御帯域）は４９Ｈｚと非常に低い帯域で、制御性能を向上させることができない。
【００３５】
これに対して、アクチュエータの両面に減衰機構、すなわち、粘弾性体および拘束部材を付加した場合、共振ピークにおける周波数を下げることなく、大幅に減衰することができるため、０ｄＢラインに達するまでに大幅なマージンをとることができる。その結果、両面に減衰機構を設けた場合には、制御系のサーボ帯域を７２４ｋＨｚと従来のアクチュエータの１５倍に伸長することができた。
【００３６】
上記のような制御性能の向上が図られた場合でも、積層型の圧電素子と変位拡大機構とを組み合わせたアクチュエータにおいて、実質的に最大変位量の減少は避けなければならない。しかしながら、上述した実施形態によれば、図８に示すように、拘束部材を変位拡大の上面および裏面に付加した場合でも、アクチュエータの最大変位量の減少は、減衰機構を持たないアクチュエータの最大変位量の５％未満であり、測定誤差範囲内であった。また、本実施形態によれば、アクチュエータの共振周波数を上げられることから、共振周波数の上昇分を変位拡大率に振分けて、共振周波数を一定に拡大率を向上させるように最適化することも考えられ、減衰機構を持たないアクチュエータと同等な性能を維持しながら共振ピークを大幅に下げることが可能となる。
【００３７】
次に、この発明の第３の実施形態に係るアクチュエータについて説明する。図９に示すように、第３の実施形態によれば、拘束部材３０および粘弾性体３２は、細長い矩形状に形成され、変位拡大機構１４の側面全体に渡って、つまり、支持部１６の側面、リンク部２０ａの側面、および可動子１８の側面に渡って固定されている。同様に、拘束部材３４および粘弾性体３６は、支持部１６の他側面、リンク部２０ｂの側面、および可動子１８の他側面に渡って固定されている。拘束部材３０、３４は、それぞれ粘弾性体３２、３６を介在して変位拡大機構１４の表面に貼付されている。  
アクチュエータ１０の他の構成は前述した第１の実施形態と同一であり、その詳細な説明は省略する。
【００３８】
第３の実施形態によれば、支持部１６および可動子１８とリンク部２０ａ、２０ｂとを架橋するように拘束部材および粘弾性体を固定することにより、リンク部２０ａ、２０ｂの動作を抑制し、アクチュエータ１０の有する最大変位量、共振周波数、変形などアクチュエータ本来の特性を損なわずに、共振ピークの大きな減衰効果が得られる。なお、変位拡大機構１４を均一に変形させ減衰性を向上させるには、変位拡大機構１４の両側面に弾性体あるいは粘弾性体および拘束部材を配置することが望ましいが、一側面のみに設けた場合でも大きな減衰効果を得ることができる。
【００３９】
図１０に示す第４の実施形態によれば、拘束部材３０および粘弾性体３２は細長い矩形状に形成され、変位拡大機構１４の上面側において、リンク部２０ａおよび可動子１８に渡って固定され、リンク部２０ａと可動子１８とを架橋している。同様に、変位拡大機構１４の裏面側において、拘束部材３４および粘弾性体３６がリンク部２０ａおよび可動子１８に渡って固定され、拘束部材３０と平行に対向している。拘束部材３０、３４は、それぞれ粘弾性体３２、３６を介在して変位拡大機構１４の表面に貼付されている。  
アクチュエータ１０の他の構成は前述した第１の実施形態と同一であり、その詳細な説明は省略する。そして、第４の実施形態においても、アクチュエータ１０のアクチュエータ本来の特性を損なわずに、共振ピークを効率良く減衰することができる。なお、拘束部材および粘弾性体は、アクチュエータの両面に限らず、表面あるいは裏面の一方に設けた場合でも充分な減衰効果が得られる。  
また、図１１に示すように、第４の実施形態において、拘束部材３４および粘弾性体３６を、他方のリンク部２０ｂと可動子１８とに架橋して固定してもよく、あるいは、リンク部と支持部１６とに渡って固定してもよい。更に、図１２に示す第６の実施形態のように、環状の拘束部材３４および粘弾性体３６を、支持部１６、一対のリンク部２０ａ、２０ｂ、および可動子１８に架橋して固定してもよい。
【００４０】
また、第１ないし第５の実施形態において、粘弾性体に代えて弾性体を用いた場合でも上記と同様の作用効果を得ることができる。
【００４１】
以上のように、上述した実施形態に係るアクチュエータおよび減衰方法によれば、アクチュエータの共振周波数の高帯域化を図った上で、減衰性を向上させることができ、アクチュエータ固有の変位量や共振周波数に大幅な影響与えることなく、また同時に駆動方向以外の不必要な挙動を防止することができる。
【００４２】
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。
【００４３】
上述した実施形態では、実証結果を踏まえて、アクチュエータの可動部と拘束部材との間に弾性体あるいは粘弾性体を介在した構造を中心に説明したが、重要なことは機構部を拘束することで、アクチュエータの剛性を上げながら、最大変位量や共振周波数を変えずに共振のピークだけを大幅に低減することにある。従って、減衰効果を得る材料自体は上述した実施形態に限定されるものではなく、例えば、拘束部材自身が減衰能を有するものをネジ等によってアクチュエータの可動部に固定することも可能である。
【００４４】
その他、拘束部材および粘弾性体あるいは弾性体は矩形状板状に限らず、必要に応じて他の形状としてもよい。また、粘弾性体あるいは弾性体は、拘束部材の全面に渡って設けられていなくてもよく、拘束部材よりも小さな面積に形成してもよい。更に、アクチュエータの変位拡大機構の可動部は、リンク部、弾性ヒンジおよび可動子の組合せに限定されるものではなく、圧電素子の変位を拡大する構成であれば、種々の構造を用いることができる。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。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】この発明の第１の実施形態に係るアクチュエータを示す分解斜視図。
【図２】上記アクチュエータの平面図。
【図３】上記アクチュエータの側面図。
【図４】この発明の第２の実施形態に係るアクチュエータを示す斜視図。
【図５】上記第２の実施形態に係るアクチュエータの側面図。
【図６】上記第２の実施形態に係るアクチュエータおよび従来のアクチュエータの周波数特性を比較して示す図。
【図７】上記第２の実施形態に係るアクチュエータおよび従来のアクチュエータにおける制御系の開ループ特性を比較して示す図。
【図８】上記第２の実施形態に係るアクチュエータおよび従来のアクチュエータの変位履歴を比較して示す図。
【図９】この発明の第３の実施形態に係るアクチュエータを示す斜視図。
【図１０】この発明の第４の実施形態に係るアクチュエータを示す斜視図。
【図１１】この発明の第５の実施形態に係るアクチュエータを示す斜視図。
【図１２】この発明の第６の実施形態に係るアクチュエータを示す斜視図。
【符号の説明】
【００４６】
１０…アクチュエータ、  １２…圧電素子、  １４…変位拡大機構、
１６…支持部、  １８…可動子、  ２０ａ、２０ｂ…リンク部、
２２…弾性ヒンジ、  ２６…てこ機構、  ３０、３４…拘束部材、
３２、３６…粘弾性体
【要約】
【課題】積層型圧電素子と変位拡大機構とを用いたアクチュエータの特性を何ら妨げることなく、本来アクチュエータが有する共振ピークを充分に低減することが可能な減衰方法およびアクチュエータを提供する。
【解決手段】  アクチュエータは、圧電素子１２と、この圧電素子の変位に応じて移動する可動部を有し、圧電素子の変位量を拡大する変位拡大機構１４と、を有している。可動部に弾性体あるいは粘弾性体３２を介して拘束部材３０が固定され、弾性体あるいは粘弾性体の変形により可動部の振動エネルギーを熱エネルギーに変換してアクチュエータの共振ピークを低減する。
【選択図】      図１
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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