JPH0437814A - 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、レーザプリンタやデジタル複写機
、レーザープロッタ、レーザーファクシミリ、レーザー
製版機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開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、光源である半導体レー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体面湾曲の除去・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ｋ）Ｉｚ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、能動源として用いられる電
磁アクチュエーターへの電圧印加方法を考慮し、周波数
応答性、追従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への電圧印加方法の改善により、変
位拡大装置の周波数応答性及び追従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ｒ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ＣＩと０２
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０２．　Ｄ３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Ｃ１，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Ｃ１，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、ブロック部輻方向における応力集中
部ＤＩ、　Ｃ２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Ｂ１１で表し、この変形に
伴うＸ、Ｙ軸上の変位をｕ８゜Ｕ、とする。

このとき、明らかに次の関係が成り立つ。

ａ”、＋ｂ”＝（ａ−ｕ、）”＋（ｂ＋ｕ、）”＝ａ”
＋ｂ”＋ｕＩｌ”＋ｕ、２−２ａｕｘ＋２ｂｕ。

ｕ、、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、１−ｂｕ、）：０ これから変位の拡大率（ミｕｙ／ｕｊは（ａ／ｂ”）と
なることが分かる。

ここで、ａ＝９．０ｍｍ、　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開動周波数特性
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、駆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
０から３０００Ｈｚまで略１０μｍ程度で安定している
。

周波数Ｏ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、駆動周波数３００（ｌＨｚ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おいては。

変位拡大機構の両側の力作用部Ｃ１，Ｃ２に作用力を与
える電磁アクチュエーターへの電圧印加方法を考慮する
必要があり、電磁アクチュエーターとして圧電アクチュ
エーターを使用した場合には、その電圧印加方法に特に
考慮する必要がある。

すなわち、上述の構成の変位拡大機構の駆動源に用いら
れる圧電アクチュエーターへの電圧印加方法としては、
例えば所定周波数の矩形波電圧を印加する方法があるが
、この方式では、駆動系（電装系）の時定数が小さい（
応答性が速い）場合に変位拡大機構の変位に要求値以上
の行き過ぎ量を生じてしまうことが分かっており問題と
なる。

そこで、本発明では、変位拡大装置の電磁アクチュエー
ターを含めた電装系の時定数を小さくすることによって
周波数応答性を向上させた場合に生じる駆動変位のオー
バーシュート及び／又はアンダーシュートの抑制を図る
ために、電磁アクチュエーターに印加する電圧を台形波
とし、上記変位拡大機構の変位の行き過ぎ量を減少させ
る。

〔実　施　例〕

以下、具体的な実施例について詳細に説明する。

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Ｗｔ１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２人により回転多面鏡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＃！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２Ａ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、 ０．１３２２・ｃｏｓ（１３＋０．５０３３）ｍｍ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＠　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ＩＯ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１０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の周波数で駆動して、シリンダーレンズ
２人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、上述の変位拡大装置において、変位拡大機構
１０に作用力を及ぼす圧電アクチュエーター１３．１５
に印加する電圧波形としては種々のものが考えられる。

そこで、−例として、第６図に示すように、２．８ｋＨ
ｚに相当する正弦波を圧電アクチュエーターに印加した
場合を考える。

通常、圧電アクチュエーターには、電気的な応答特性と
機械的な応答特性とがあり、能動周波数が高くなるほど
、その遅れ特性は顕著になる。

また、圧電アクチュエーターは、圧電素子を数１００枚
積層した横進を持つため、コンデンサのように、印加し
た電圧に応じた電荷の蓄積が起こり、この蓄積電荷を除
去しなければ所定の動作が得られない。

第６図に示す電圧印加方法は、応答遅れがＯで圧電アク
チュエーター１３．１５が動作すれば、変位拡大機構１
０及びシリンダーレンズ２Ａは所定の動きをするため、
最も望ましい電圧印加方法である。

しかしながら、第６図に示すような正弦波電圧を印加す
る方法では、前述の蓄積電荷の問題が発生し、圧電アク
チュエーターは所定の動きをしないという問題が生じる
。すなわち、正弦波的な電圧を圧電アクチュエーターに
印加した場合、蓄積電荷の除去は印加電圧が０となる瞬
間の間に行われることになり、完全には除去されない、
従って、連続運転中、常にある程度電荷を蓄積したまま
動作をするため、圧電アクチュエーターは第７図に示す
ような動作をする。但し、第７図に示す振動変位の浮き
上がりＸは、圧電アクチュエーター自体が高周波の交流
電圧に対して、線形性が保たれないという特性にも起因
している。

そこで、このような不具合を改善する方法として、印加
電圧を矩形波電圧とし、駆動電装系の時定数を操作する
ことにより、略正弦的な変位を得る方法がある。この方
法によれば、電圧がロウレベルの期間に圧電アクチュエ
ーターが放電を完了するので、電荷蓄積による変位の浮
き上がりは生じない。しかしながら、この方法において
も、駆動周波数によっては１時定数とのマツチングがと
れなくなり、第８図に示すように、機械的振動を起こす
ことがある。

そこで本発明では、電磁アクチュエーターに印加する電
圧として矩形波の代わりに台形波を用いて、立上り及び
立下がりの部分に傾きを持たせ、急激な立上りによる機
械的振動を発生しにくくすることを特徴としている。

したがって、本発明によれば、圧電アクチュエーターを
良好に放電させ、且つ機械的振動が起こりにくく変位拡
大機構を振動させることができ、周波数応答性、追従性
の良い変位拡大装置を提供することができる。

〔発明の効果〕

以上、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、駆動源として用いられる電磁ア
クチュエーターへの電圧印加方法を考慮したことにより
周波数応答性及び機構系の追従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５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、第６図乃至第８図は電磁アクチュエーターへの
電圧印加方法と問題点の説明図である。 １０・・・・変位拡大機構、１３．１５・・・・電磁ア
クチュエーター、１７・・・・固定部材、Ｂｌ、　Ｂ２
．　Ｂ３・・・・ブロック部、Ｃ１，Ｃ２・・・・力作
用部、ＤＩ、Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４・・・・応力集中部。 （Ｇ）

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印加する電圧を台形波にす
   ることにより、上記変位拡大機構の変位の行き過ぎ量を
   減少させることを特徴とする変位拡大装置。