JPH0437813A - 変位拡大装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は電磁アクチュエーターを駆動源として用い、こ
の電磁アクチュエーターの微小な変位を拡大する変位拡
大装置に関し、特に、レーザプリンタ等の光走査装置に
おける像面湾曲補正機構等に応用するのに最適な変位拡
大装置に関する。

〔従来の技術〕

圧電素子、電歪素子、磁歪素子等の電磁アクチュエータ
ーは応答が正確で且つ高速の駆動が可能であり種々の分
野に変位手段として使用されている。

しかし、これらの電磁アクチュエーターは変位量が小さ
いので、使用目的によっては電磁アクチュエーターの変
位量を拡大して変位する変位拡大装置が必要となる。

例えば、光走査装置において被走査面上における光スポ
ツト径の変動の原因となる結像光学系の像面湾曲を除去
するために、光源である半道体し−ザーや結像レンズ等
を光走査に同期して変位することが知られているし、最
近では光源と光偏向装置の間にあるシリンダーレンズを
光軸方向へ変位させて像面湾曲の除去・軽減を行うこと
が提案されている。

このような像面湾曲の補正に必要なシリンダーレンズ等
の変位量は通常数１００μｍであるが、電磁アクチュエ
ーターの変位量は通常数１０μｍ程度であり、数倍ない
し数１０倍の変位拡大が必要となる。

〔発明が解決しようとする課題〕

電磁アクチュエーターの変位量を拡大する変位拡大装置
としては種々のものが知られ、また提案されているが、
何れも構成の複雑なものが多く実用的でない。また、従
来の種々の変位拡大装置は周波数応答性も悪く、前述の
像面湾曲の補正時における数ｋＨｚの駆動周波数では追
従性が悪く問題となる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、比較
的簡単な構成で変位の拡大が可能な新規な変位拡大装置
の提供を目的とする。また、駆動源として用いられる電
磁アクチュエーターの周波数応答性を改善し、周波数応
答性が向上された変位拡大装置を提供することを目的と
する。

〔課題を解決するための手段及び作用〕以下、本発明に
よる変位拡大装置の構成、動作について説明する。

本発明による変位拡大装置は、「電磁アクチュエーター
を駆動源として用い、この電磁アクチュエーターの微小
な変位を拡大する装置」であり、発明の主要部は、新規
な構造の変位拡大機構の提供と、駆動源として用いる電
磁アクチュエーターの周波数応答性を改善し変位拡大装
置の周波数応答性を向上することにある。

この変位拡大装置の変位拡大機構は、「矩形形状を有す
る複数のブロック部」が直線状に配されるとともに、ブ
ロック部配列の長手方向両端部に変形力を受けるための
「力作用部」を有する。

各ブロック部間及びブロック部と力作用部との間は「応
力集中部」により連結されて、全体が一体的に形成され
る。

各応力集中部の配置は「両端部の力作用部に上記電磁ア
クチュエータによって互いに逆向きの１対の変形力を長
手方向へ作用させたとき、応力集中部の変形により全体
が弓なりに変形するように」定められる。

そして、変形力の作用による両端部の変位が、上記弓な
りの変形の振幅として並進運動に変換され変位が拡大さ
れる。

ここで、第１図（Ａ）は本発明の変位拡大装置の変位拡
大機構の一例を示している。

この例では、変位拡大機構は３つのブロック部８１〜Ｂ
３と力作用部Ｃ１，Ｃ２と応力集中部Ｄ１〜Ｄ４とを有
する。

ブロック部８１〜Ｂ３は矩形形状で直線状に配列され、
さらにその配列の長手方向両端部に力作用部Ｃ１とＣ２
とが配備されている。

これらブロック部８１〜Ｂ３と力作用部ＣＩ、Ｃ２相互
の間は応力集中部Ｄ１〜Ｄ４により連結されている。

これらブロック部８１〜Ｂ３、力作用部Ｃ１，Ｃ２、応
力集中部Ｄ１〜Ｄ４は全体が単一の材料で一体的に構成
されている。変位の拡大は以下に説明するように応力集
中部の変形により行われるので、変位拡大機構の構成材
料としては変位拡大に必要な応力集中部の変形が弾性変
形として実現されるような材料が用いられる。

応力集中部ＤＩ、Ｄ４とＣ２，Ｃ３とはブロック部の幅
方向即ち第１図（Ａ）の上下方向で形成位置が異なって
いる。このため、変位拡大機構の長手方向において互い
に逆向きの力を力作用部ＣＩ、　Ｃ２に作用させるとブ
ロック部Ｂ１と８３には、互いに逆向きの偶力が作用す
ることになる。

例えば上記逆向きの力が引っ張り力であると、第１図（
Ｂ）に示すようにブロック部Ｂ１は時計回り、ブロック
部Ｂ３は反時計回りに回転し、変位拡大機構の全体は図
のように下向きの弓形に変形する。

逆に、力作用部ＣＩ、　Ｃ２に一対の圧縮力を作用する
と、変形は第１図（Ｃ）に示すように上向きの弓形にな
る。

従って、この弓なりの変形を利用して力作用部の変位を
この変位と直交する方向の変位に変換し且つ拡大するこ
とができ、中央のブロック部Ｂ２を並進運動することが
できる。

尚、この第１図の例ではブロック部は３つであるが、こ
れに限らずブロック部は５個でも良いし、７個以上の奇
数個のブロック部を有するように変位拡大機構を構成す
ることもできる。

また、移動物体を中央のブロック位置に直接配置すれば
、ブロックの個数は偶数個に構成することもできる。

さて、上述の変位拡大機構の力作用部に変形力を作用さ
せる手段として電磁アクチュエーターが少なくとも一方
側の力作用部に連結され、変位拡大装置が構成される。

次に、第１図に示す変位拡大機構の例に即して、変位の
拡大率を説明する。

上に説明した例において拡大された変位量はブロック部
Ｂ１と８３の互いに逆向きの回転により生じていること
は明らかである。

そこで、第２図（Ａ）に示すようにブロック部Ｂ１に就
き、その長さをａ、ブロック部幅方向における応力集中
部Ｄｉ、　０２間の距離をｂとし、第２図（Ｂ）に示す
ようにブロック部Ｂ１を、その両端を夫々Ｘ、Ｙ軸上に
拘束された棒状体として考える。

ここで、力作用部に力の作用していない状態を符号Ｂ１
゜（第１図（Ａ）の状態に対応）とし、圧縮力の作用に
より変位拡大機構が第１図（Ｃ）のように上向き弓なり
に変形したときの状態を符号Ｂ１□で表し、この変形に
伴うＸ、Ｙ軸上の変位をｕ、。

Ｕアとする。

このとき、明らかに次の関係が成り立つ。

ａ”　＋　ｂ”＝（ａ　　ｕｘ’）２＋　（ｂ　＋　ｕ
ｙ）２：ａ”＋ｂ２＋ｕ、”＋ｕ、”−２ａｕ、！＋２
ｂｕ。

ｕｘ、ｕ、がａ、ｂに比して微小量であることを考慮し
、ｕ、、ｕアの２乗の項を他の項に対して無視すると、
次の関係が得られる。

２（ａｕ、−ｂｕ、）＝０ これから変位の拡大率（Ｅｕア／ｕ８）は（ａ／ｂ）と
なることが分かる。

ここで、ａ＝９．０ｍａ＋、　ｂ：１．５ｍｍとした場
合の第１図の変位拡大機構の拡大変位量の駆動周波数特
性を有限要素法によりシミュレーションした結果を第２
図（Ｃ）に示す。尚、即動源すなわち変位拡大機構の両
端部の力作用部に変位を与える電磁アクチュエーターと
しては積層型圧電アクチュエーターを用いた。この積層
型圧電アクチュエーターの変位量は図に示すように周波
数Ｏから３０００Ｈｚまで略１０μｍ程度で安定してい
る。

周波数０のときの拡大変位量Ｕ、は５１．３μｍである
。一方、理論的に求めた拡大率（ａ／ｂ）は、９．０／
１．５＝６であり、積層型圧電アクチュエーターの変位
量ｕ、＝９．３を用いると、理論上の拡大変位量は５５
．８μｍとなりシミュレーションの結果と良く一致する
。

また、即動周波数３０００Ｈｚに対しては、シミュレー
ションによる拡大変位量６１μｍに対して理論上の値は
６０μｍで両者は極めて良く一致する。このことは本発
明の変位拡大装置の設計が容易であることを意味してい
る。

ところで、以上述べた変位拡大装置にも欠点がある。す
なわち、第１図に示す構成の変位拡大機構に駆動源とし
て電磁アクチュエーターを取り付けた場合の周波数応答
性等の問題である。特に、変位拡大機構の両側の力作用
部ＣＩ、　Ｃ２の夫々に電磁アクチュエーターを取り付
けた場合、両側のアクチュエーターの個体差により変位
拡大機構には左右不均一な力が加わり、所定の振動が得
られなくなるという問題が生じる。

そこで、本発明では、この問題を解消するため、変位拡
大機構の一方側の力作用部に電磁アクチュエーターを取
付け、他方側の力作用部は固定部材に固定し、電磁アク
チュエーターによる作用力と固定部材側からの反作用力
とにより変位拡大装置の両刃作用部に一対の平行力を作
用させ、変位を拡大する。また、このとき、電磁アクチ
ュエーターにコンデンサを直列に接続して、電磁アクチ
ュエーターの周波数応答性を向上する。

〔実　施　例〕

以下、具体的な実施例について一詳細に説明する。

尚、第４図に示すような公知の光走査装置における像面
湾曲の補正に本発明の変位拡大装置を利用する場合の実
施例について説明する。

第４図において、半導体レーザーＬＤとコリメートレン
ズＣＬにより構成される光源装置１からの平行な光束は
アパーチュア８でビーム形状を整形された後、副走査対
応方向（図面に直交する方向）にのみパワーを持つシリ
ンダーレンズ２Ａにより回転多面鏡３の偏向反射面４の
近傍に主走査対応方向に長い線像として結像する。偏向
反射面４により反射された光束は回転多面鏡３の回転に
より偏向され、レンズ５，６により構成されるｆθレン
ズに入射し同ｆθレンズの作用により被走査面７上に光
スポットとして結像して被走査面７を光走査する。

ｆθレンズは主走査方向の像面湾曲を極めて良好に補正
されているが、副走査方向には第５図（Ａ）に示すよう
な像面湾曲を有する。

このときシリンダーレンズ２人を、第５図（Ｂ）に示す
ような正弦曲線に従って変位させると副走査方向の像面
湾曲を第５図（Ｃ）のように軽減できる。

尚、第５図（Ｂ）でβはｆθレンズの副走査方向の結像
倍率である。

第５図（Ｂ）の正弦曲線は、偏向光束の偏向角をθとし
て、 ０．１３２：’ｃｏｓ（θ十０．５０３３）ｏ＋ｍと表
すことができ、その周波数は光走査速度から２．８ｋＨ
ｚとなる。

従って、シリンダーレンズ２Ａに周波数２．８ｋＨｚで
振幅２６４μｍの単振動を行わせれば、副走査方向の像
面湾曲を第５図（Ｃ）のように改良できる。

この単振動を実現するために、第３図に示す構成の変位
拡大装置を使用した。

第３図において、符号１０は第１図及び第２図に即して
説明した変位拡大機構を示す。尚、拡大倍率は６倍であ
る。

図中符号１３．１５は変位拡大機構１０の力作用部と固
定部材１７との間に装着された電磁アクチュエーターを
夫々示しており、この電磁アクチュエーター１３．１５
は何れも先に説明した変位量略１０μｍの積層型圧電ア
クチュエーターを２つずつ直列に組み合わせて変位量４
０μｍを実現したものである。

尚、像面湾曲補正用のシリンダーレンズ２Ａは変位拡大
装置１１１０の中央のブロック部に固定した。

さて、第３図に示す構成の変位拡大装置においては、積
層型圧電アクチュエーター１３．１５を光走査に同期し
て２．８ｋＨｚの周波数で能動して、シリンダーレンズ
２Ａを光軸方向へ振輻略２４０μｍで単振動させること
ができ、第５図（Ｃ）に近い副走査方向の像面湾曲補正
を実現できる。

ところで、第３図に示す構成の変位拡大装置の欠点は、
圧電アクチュエーターを変位拡大機構の両刃作用部に接
着により固定するため、接着時の位置精度が振動に大き
な影響を与えるということである。

また、圧電アクチュエーター及び変位拡大機構の寸法精
度、さらに、変位拡大機構の両側から圧電アクチュエー
ターにより力を加えているので、両側のアクチュエータ
ー間の個体差により、変位拡大機構には左右不均一な力
が加わり、所定の振動が得られないことが多いという問
題もある。

また、両側に圧電アクチュエーターを設けているので、
振動系が大きくなり、周波数応答性に対しては安定性の
点で改良の余地がある。

本発明はこのような点に注目し、種々の外乱によっても
比較的安定な振動が得られる変位拡大装置を提供するも
のである。

ここで、本発明による変位拡大装置の実施例を第６図に
示す。

第６図において、符号１０は第１図に示したものと同様
の変位拡大機構であり、この変位拡大機構の一方側の力
作用部Ｃ２は固定部材２１に固定され、他方側の力作用
部Ｃ１と固定部材２１との間に積層型圧電アクチュエー
ター２０が装着され、変位拡大装置が構成される。

第６図に示す構成の本発明の変位拡大装＝においては、
前述の接着、寸法等における誤差、振動系の大きさを改
良するために、変位拡大機構１０の片側のみに圧電アク
チュエーター２０を配置している。

この方式で問題となるのは、圧電アクチュエーター２０
を１つ単独で用いるため、圧電アクチュエーター２０の
周波数応答性が悪いという問題である。

先の第３図に示す方式では、図示していないが、電磁ア
クチュエーター１３．１５を夫々構成する２つの圧電ア
クチュエーターは直列に接続されている。

この場合、圧電アクチュエーターの容量性負荷により、
個々の圧電アクチュエーターは、その周波数特性が向上
する。

これに対して、第６図に示す方式では、前述のように、
外乱の影響を少なくするために圧電アクチュエーターを
単独で用いるので、周波数応答性を向上させるために、
圧電アクチュエーター２０と駆動電源２２との間にコン
デンサー２３を直列に接続している。

このようにすることにより、第３図に示した構成の圧電
アクチュエーターを２つ直列に接続する場合と同様の効
果が得られ、外乱の影響を最小限に抑えることができ、
副走査方向の像面湾曲補正用シリンダーレンズ２Ａを光
軸ｒ方向に所定の周波数で振動させることができる。

以上のように、第６図に示す構成の本発明による変位拡
大装置を用いれば、所定の周波数で周波数応答性良くシ
リンダーレンズを単振動することができ、第４図に示す
ような光走査装置における副走査方向の像面湾曲補正を
有効に行うことができる。

〔発明の効果〕

以上１本発明によれば新規な構成及び駆動方法の変位拡
大装置が提供できる。

また、本発明によれば、暉動源として用いられる電磁ア
クチュエーターの周波数応答性を改善し、周波数応答性
が向上された変位拡大装置を提供することができる。

この装置は前述の如く構成が極めて簡単であるから低コ
ストで製造でき、しかも設計上の拡大倍率を周波数特性
良く実現できるため、光走査装置における副走査方向の
像面湾曲補正用アクチュエーター等に用いるのに実用的
である。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の変位拡大装置の変位拡大機
構部を具体的−例に即して説明するための図、第３図乃
至第６図は本発明の変位拡大装置の実施例を説明するた
めの図である。 １０・・・・変位拡大機構、１３．１５．２０・・・・
電磁アクチュエーター、　１７．２１・・・・固定部材
、２２・・・・駆動電源、２３・・・・コンデンサー、
Ｂｌ、、Ｂ２．　Ｂ３・・・・ブロック部、Ｃ１，Ｃ２
・・・・力作用部、ＤＩ、Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４・・・・応
力集中部。 （Ｃ）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 電磁アクチュエーターを駆動源として用い、この電磁ア
   クチュエーターの微小な変位を拡大する装置であって、 矩形形状を有する複数のブロック部が直線状に配される
   とともに、ブロック部配列の長手方向両端部に変形力を
   受けるための力作用部を有し、各ブロック部間及びブロ
   ック部と力作用部との間が応力集中部により連結されて
   、全体が一体的に形成され、上記電磁アクチュエーター
   によって力作用部に互いに逆向きの一対の変形力を長手
   方向へ作用させたとき、応力集中部の変形により全体が
   弓なりに変形するように、各応力集中部の位置が定めら
   れ、変形力の作用による両端部の変位を、上記弓なりの
   変形の振幅として拡大するように構成された変位拡大機
   構を有すると共に、 上記電磁アクチュエーターにコンデンサを直列に接続し
   たことを特徴とする変位拡大装置。