JP2009254152A

JP2009254152A - 駆動装置

Info

Publication number: JP2009254152A
Application number: JP2008100091A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Shibatani; 一弘柴谷
Original assignee: Konica Minolta Opto Inc
Current assignee: Konica Minolta Opto Inc
Priority date: 2008-04-08
Filing date: 2008-04-08
Publication date: 2009-10-29
Also published as: US8068296B2; US20090251804A1

Abstract

【課題】駆動回路が簡単で、配線の少ない駆動装置を提供する
【解決手段】それぞれ、電力を振動に変換する振動発生部と、振動発生部に摩擦係合する被駆動部とを有する複数の振動型アクチュエータ６，７と、複数の振動型アクチュエータ６，７が並列に接続された駆動回路８とを有する駆動装置において、少なくとも１つの振動型アクチュエータ６が、他の振動型アクチュエータ７と振動発生部１４，１５，１６の周波数特性が異なり、駆動回路８が、少なくとも周波数が異なる複数の矩形波状の駆動電圧を出力可能である。
【選択図】図４

Description

本発明は、駆動装置、特に、複数の振動型アクチュエータを含む駆動装置に関する。

例えば、直交座標系の駆動装置では、Ｘ軸方向のアクチュエータと、Ｙ軸方向のアクチュエータとの２つのアクチュエータを駆動する必要がある。そのためには、２組の駆動回路を設けて、それぞれの駆動回路から２つのアクチュエータにそれぞれリード配線する必要がある。

特許文献１には、２つの駆動回路の一部を共通化することで、駆動回路を簡略化した発明が記載されているが、駆動回路とアクチュエータの圧電素子の間の配線は、依然として、独立して個別になされており、さらなる簡略化、小型化および低コスト化が望まれる。
特開２００３−１８９６４５号公報

以上より、本発明は、駆動回路が簡単で、配線の少ない駆動装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するために、本発明による駆動装置は、それぞれ、電力を振動に変換する振動発生部と、前記振動発生部に摩擦係合する被駆動部とを有する複数の振動型アクチュエータと、前記複数の振動型アクチュエータが並列に接続された駆動回路とを有し、少なくとも１つの前記振動型アクチュエータは、他の前記振動型アクチュエータと振動発生部の周波数特性が異なり、前記駆動回路は、波形の異なる複数の駆動電圧を出力可能であることを特徴とする駆動装置。

この構成によれば、いずれかの振動型アクチュエータの駆動に適した波形の駆動電圧を入力することで、特定の振動型アクチュエータを大きく駆動し、他の振動型アクチュエータは不動または微動するに留めることができる。これによって、駆動回路が１つだけでよく、駆動回路から引き出されるリードも２本だけで済む。

また、本発明の駆動装置において、前記複数の駆動電圧は、それぞれ、矩形波であって、少なくとも周波数が異なってもよく、さらにデューティ比が異なってもよい。

この構成によれば、振動型アクチュエータをブリッジ回路によって駆動でき、マイコン制御によって容易に駆動電圧を選択することができる。

また、本発明の駆動装置において、前記デューティ比は、前記駆動電圧の周波数が高いときにオン時間とオフ時間との差が大きくなり、周波数が低いときにオン時間とオフ時間との差が小さくなるような値にするとよい。

この構成によれば、デューティ比の違いにより、共振点の高い振動型アクチュエータの駆動速度がピークになる周波数をより高く、共振点の低い振動型アクチュエータの駆動速度がピークになる周波数をより低くすることができ、選択した振動型アクチュエータ以外の振動型アクチュエータの駆動を抑制できる。

また、本発明の駆動装置において、前記振動部は、圧電素子と、前記圧電素子の一端に接続され、前記被駆動部が摩擦係合する駆動軸とからなってもよく、前記少なくとも１つの前記振動型アクチュエータは、前記圧電素子の質量、前記駆動軸の質量および前記圧電素子のばね定数の少なくともいずれかが他の前記振動型アクチュエータと異なってもよい。

また、本発明の駆動装置において、前記振動部は、圧電素子と、前記圧電素子の一端に接続された錘と、前記圧電素子の他端に接続され、前記被駆動部が摩擦係合する駆動軸とからなってもよく、前記少なくとも１つの前記振動型アクチュエータは、前記圧電素子の質量、前記錘の質量、前記駆動軸の質量および前記圧電素子のばね定数の少なくともいずれかが他の前記振動型アクチュエータと異なってもよい。

本発明によれば、複数の振動型アクチュエータを並列に接続し、駆動電圧の波形によって主として駆動する振動型アクチュエータを選択するので、駆動回路が１つでよく、駆動回路から引き出されるリードも２本だけで済む。

これより、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
図１に、本発明の第１実施形態の駆動装置を含むレーザモジュール１を示す。レーザモジュール１は、波長１０６４ｎｍの赤外レーザ光を発生するレーザダイオード２と、赤外レーザ光に直交するＸ方向に移動可能なＸ軸補正レンズ３と、赤外レーザ光およびＸ方向に直交するＹ方向に移動可能なＹ軸補正レンズ４と第二次高調波発生素子（Second Harmonic Generation）５とを有している。Ｘ軸補正レンズ３は、Ｘ軸アクチュエータ６によってＸ方向に位置決めされ、Ｙ軸補正レンズ４は、Ｙ軸アクチュエータ７によってＹ方向に位置決めされる。Ｘ軸アクチュエータ６およびＹ軸アクチュエータ７は、並列に接続されており、駆動回路８から出力される駆動電圧によって駆動される。

第二次高調波発生素子５は、入力されたレーザ光から半波長（５３２ｎｍ）のグリーンレーザ光を生成して出力する。第二次高調波発生素子５から出力されたグリーンレーザ光は、投光レンズ９によって平行光線に調整され、ビームスプリッタ１０によって一部が分光されてフォトダイオードからなるパワーモニタ１１に入力され、残る大半のグリーンレーザ光が外部に射出される。パワーモニタ１１は、受光したグリーンレーザ光の強度に応じた電圧信号を生成し、マイコンからなる制御装置１２に入力する。制御装置１２は、パワーモニタ１０の出力に基づいて、駆動回路８を制御する。

第二次高調波発生素子５は、受光部の口径が１〜３μｍ程度である。Ｘ軸補正レンズ３およびＹ軸補正レンズ４は、赤外レーザ光を第二次高調波発生素子５の受光部と同程度の径になるように集光するとともに、Ｘ方向およびＹ方向に赤外レーザ光の光軸を移動させることで、第二次高調波発生素子５の受光部の中心に赤外レーザ光の光軸を芯合わせする。第二次高調波発生素子５に入射する赤外レーザ光の光軸が芯ずれしていると、第二次高調波発生素子５から出力されるグリーンレーザ光の出力が低下する。制御装置１２は、グリーンレーザ光の出力が最大になるように、つまり、赤外レーザ光を第二次高調波発生素子５に調芯するように、Ｘ軸アクチュエータ６およびＹ軸アクチュエータ７を駆動する駆動電圧を駆動回路８に生成させる。

図２に、赤外レーザ光の第二次高調波発生素子５に対するＸ−Ｙ方向位置と、パワーモニタ１１の出力との関係を示す。図示するように、パワーモニタ１１の出力は、赤外レーザ光の第二次高調波発生素子５に対する芯ずれ量について、その方向を問わず、ガウス分布を示す。制御装置１２は、パワーモニタ１１の出力が最大になるように、公知のウォブリング制御や山登り制御などの方法で、Ｘ軸アクチュエータ６およびＹ軸アクチュエータ７を駆動する。

図３に、Ｘ軸アクチュエータ６およびＹ軸アクチュエータ７の構成を示す。Ｘ軸アクチュエータ６は、レーザモジュール１の筐体１３に固定された錘１４と、錘１４に一端が固定された圧電素子１５と、圧電素子１５の他端に一端が固定された駆動軸１６と、駆動軸１６に摩擦係合する移動部材１７とからなり、移動部材１７は、Ｘ軸補正レンズ４を保持している。錘１４、圧電素子１５および駆動軸１６は、圧電素子１５に駆動電圧が印加されることによって、駆動軸１６をＸ方向に振動させる振動発生部を構成する。また、移動部材１７およびＸ軸補正レンズ４は、振動発生部に摩擦係合して、Ｘ軸方向にすべり移動させられ得る被駆動部を構成する。

同様に、Ｙ軸アクチュエータ７は、レーザモジュール１の筐体１３に固定された錘１８と、錘１８に一端が固定された圧電素子１９と、圧電素子１９の他端に一端が固定された駆動軸２０と、駆動軸２０に摩擦係合する移動部材２１とからなり、移動部材２１がＹ軸補正レンズ５を保持している。錘１８、圧電素子１９および駆動軸２０は、駆動軸２０をＹ方向に振動させる振動発生部を構成し、移動部材２１およびＹ軸補正レンズ５は、振動発生部に摩擦係合して、Ｙ軸方向に駆動され得る被駆動部を構成する。これらのＸ軸アクチュエータ６およびＹ軸アクチュエータ７は、振動発生部の振動により被駆動部をすべり変位させる振動型アクチュエータの一種である。

図４に、駆動回路８の回路構成を示す。駆動回路８は、制御回路１２から入力される制御信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４によってオン／オフさせられる４つのトランジスタ２２，２３，２４，２５と、電源２６とを備え、トランジスタ２２および２５またはトランジスタ２３および２４をオンすることで、圧電素子１５および１９の一方の電極を電源２６に接続し、他方の電極を接地するフルブリッジ回路である。圧電素子１５，１９は、駆動回路８に対して並列に接続されており、駆動回路８からは、１対（２本）のリードだけが引き出されている。実際には、駆動回路８から延伸するリードは、一方の圧電素子１５にのみ接続され、圧電素子１５，１９の電極間には、別のリードによる渡り配線がなされる。

さらに図５に、駆動回路８から入力される駆動電圧に対するＸ軸アクチュエータ６およびＹ軸アクチュエータ７の振動発生部材の、つまり、駆動軸１６，２０の変位量（振幅）の周波数特性を示す。Ｘ軸アクチュエータ６の駆動軸１６の正弦波電圧に対する変位量は、正弦波電圧の周波数が５００ｋＨｚのときに最大となり、Ｙ軸アクチュエータ７の駆動軸２０の変位量は、正弦波電圧の周波数が３５０ｋＨｚのときに最大となっている。

図６に、以上のような周波数特性を有するＸ軸アクチュエータ６およびＹ軸アクチュエータ７にデューティ比３０％の矩形波電圧を入力したときの移動部材１７，２１の移動速度を示す。Ｘ軸アクチュエータ６およびＹ軸アクチュエータ７は、正弦波電圧に対する駆動軸１６，２０の変位量が最大になる周波数の０．７倍の３５０ｋＨｚおよび２４５ｋＨｚで移動部材１７，２１の移動速度が最大になる。

従って、レーザモジュール１において、駆動回路８が周波数３５０ｋＨｚ、デューティ比３０％または７０％の矩形波状の駆動電圧を出力するとき、Ｘ軸アクチュエータ６はＸ軸補正レンズ３を効率よく移動させる。しかしながら、この駆動電圧では、Ｙ軸アクチュエータ７は移動部材２１を駆動できず、Ｙ軸補正レンズ４を移動できない。また、駆動回路８が周波数２４５ｋＨｚ、デューティ比３０％または７０％の矩形波状の駆動電圧を出力するとき、Ｘ軸アクチュエータ６はＸ軸補正レンズ３を移動させないが、Ｙ軸アクチュエータ７はＹ軸補正レンズ４を効率よく移動させる。つまり、制御回路１２の制御信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の出力サイクルの周波数を選択することで、Ｘ軸アクチュエータ６およびＹ軸アクチュエータ７のいずれか一方だけを駆動することができる。

図７に、Ｘ軸アクチュエータ６およびＹ軸アクチュエータ７の振動発生部の振動モデルを示す。Ｘ軸アクチュエータ６およびＹ軸アクチュエータ７の振動発生部（錘１４，１８、圧電素子１５，１９および駆動軸１６，２０）の重心Ｇを境に両側が反対向きに伸縮運動をするものとして近似できる。詳しく説明すると、駆動軸１６，２０の質量をｍ１、圧電素子１５，１９の重心Ｇより駆動軸１６，２０側の部分の質量をｍ２、圧電素子１５，１９の重心Ｇより錘１４，１８側の部分の質量をｍ３、錘１４，１８の質量をｍ４とし、圧電素子１５，１９のばね定数をＫとすると、その共振周波数ｆは、ｆ＝１／（２π）・ｓｑｒｔ（（（ｍ１＋ｍ２）＋（ｍ３＋ｍ４））／（（ｍ１＋ｍ２）・（ｍ３＋ｍ４））・Ｋ）となる。

質量をｍ２と質量をｍ３との比は、圧電素子１５，１９の重心Ｇからのそれぞれの端部までの長さの比に一致する。よって、Ｘ軸アクチュエータ６およびＹ軸アクチュエータ７の振動発生部の周波数特性が、図５に示したように、異なる共振点を有するものとするために、駆動軸１６，２０の質量ｍ１、圧電素子１５，１９の質量（ｍ２＋ｍ３）、錘１４，１８の質量ｍ４、および、圧電素子１５，１９のばね定数Ｋの少なくともいずれかを互いに異ならせることで、所望の共振点を有するように設計できる。

具体的には、Ｘ軸アクチュエータ６の駆動軸１６の質量ｍ１または錘１４の質量ｍ４をＹ軸アクチュエータ７のものよりも小さくすれば、Ｘ軸アクチュエータ６の駆動部の共振周波数がＹ軸アクチュエータ７の駆動部の共振周波数よりも高くなる。また、Ｘ軸アクチュエータ６の圧電素子１５をＹ軸アクチュエータ７の圧電素子１９よりも短くすると、質量（ｍ２＋ｍ３）が小さくなり、且つ、ばね定数Ｋが大きくなるので、Ｘ軸アクチュエータ６の駆動部の共振周波数がＹ軸アクチュエータ７の駆動部の共振周波数よりも低くなる。

このように、本発明によれば、振動発生部の共振点が異なるＸ軸アクチュエータ６およびＹ軸アクチュエータ７を並列に接続し、駆動回路８の出力する駆動電圧の周波数（波形）を選択することによって、Ｘ軸アクチュエータ６およびＹ軸アクチュエータ７のいずれか一方だけを駆動することができるので、駆動回路８が簡単になり、また、駆動回路８から駆動電圧を導出するリード線が１対（２本）だけでよく、組立が容易である。また、制御装置１２はマイコンからなっているため、プログラムを変更するだけで、その制御信号Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４の出力サイクルを変更することができる。

図８に、Ｘ軸アクチュエータ６およびＹ軸アクチュエータ７にデューティ比３０％の矩形波電圧を入力したときの移動部材１７，２１の移動速度の差が小さい場合を示す。この例では、Ｘ軸アクチュエータ６は、駆動電圧の周波数が３０１ｋＨｚのときに移動部材１７の移動速度が最大になり（振動発生部の共振点が４３０ｋＨｚ）、Ｙ軸アクチュエータ７は、駆動電圧の周波数が２４５ｋＨｚのときに移動部材２１の移動速度が最大になっている（振動発生部の共振点が３５０ｋＨｚ）。

この場合、周波数３０１ｋＨｚの駆動電圧を印加してＸ軸アクチュエータ６を駆動する際、Ｙ軸アクチュエータ７が僅かに動いてしまう場合がある。しかしながら、Ｘ軸アクチュエータ６とＹ軸アクチュエータ７とを交互に駆動、つまり、赤外レーザ光をＸ方向およびＹ方向に交互に調芯すれば、Ｘ軸アクチュエータ６を駆動する際のＹ軸アクチュエータ７の意図しない駆動、および、Ｙ軸アクチュエータ７を駆動する際のＸ軸アクチュエータ６の意図しない駆動は、ごく僅かであるため、実質的に第二次高調波発生素子５から出力されるグリーンレーザ光の出力に影響を与えることがない。

さらに、図９に、デューティ比３０％の矩形波電圧に対して、Ｘ軸アクチュエータ６の移動部材１７の移動速度が最大となる周波数が２６６ｋＨｚ（振動発生部の共振点が３９０ｋＨｚ）であり、Ｙ軸アクチュエータ７の移動部材２１の移動速度が最大となる周波数が２４５ｋＨｚ（振動発生部の共振点が３５０ｋＨｚ）である場合を示す。この例では、駆動回路８が、Ｘ軸アクチュエータ６の駆動速度が最大となるデューティ比が３０％で２６６ｋＨｚの駆動電圧を出力したとき、Ｙ軸アクチュエータ７の駆動速度も無視できない大きさとなる。

この場合、駆動電圧の周波数だけでなく、駆動電圧のデューティ比を変化させることで、移動部材１７，２１の移動速度の周波数特性を変化させることができる。一般に、駆動電圧のデューティ比がおよそ３０％または７０％のとき、移動部材１７，２１の移動速度のピーク値が最大化される。デューティ比をこの最適値（３０％または７０％）から意図的にずらすことで、図示するように、ピーク値はやや小さくなるが、移動部材１７，２１の移動速度がピークとなる周波数をずらすことができる。具体的には、駆動電圧のオン時間とオフ時間との差を大きくすると、ピーク周波数が上昇し、駆動電圧のオン時間とオフ時間との差を小さくすると、ピーク周波数が低下する。このようなデューティ比による周波数特性の変化は、移動部材１７，２１を移動できる周波数範囲を大きく変化させるものではなく、そのプロファイルを鋸歯状に歪ませるものである。

このため、振動発生部の共振点が高いＸ軸アクチュエータ６をデューティ比２０％で、このデューティ比におけるピーク周波数２９２ｋＨｚで駆動すると、Ｙ軸アクチュエータ７の駆動速度は実質的に無視できるものとなる。逆に、振動発生部の共振点が低いＹ軸アクチュエータ７をデューティ比４０％で、このときのピーク周波数２２７ｋＨｚで駆動すると、Ｘ軸アクチュエータ６の駆動速度は実質的に無視できるものとなる。

図１０に、本発明の第２実施形態のレーザモジュール１ａを示す。本実施形態の説明では、第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して、重複する説明を省略する。レーザモジュール１ａは、固定された固定レンズ３ａとＸ−Ｙ方向に移動可能な補正レンズ４ａとを有し、補正レンズ４ａが、２つのアクチュエータを内蔵し、Ｘ−Ｙ方向に駆動可能な位置決め装置２７によって位置決めされる。

位置決め装置２７は、図１１に示すように、Ｘ軸アクチュエータ６ａの移動部材１７が、補正レンズ４ａをＹ方向に位置決めするＹ軸アクチュエータ７ａを保持している。本実施形態のＸ軸アクチュエータ６ａおよびＹ軸アクチュエータ７ａは、錘を有していないが、このような構成であっても、第１実施形態と同様に、駆動電圧の周波数（およびデューティ比）の選択によって、Ｘ軸アクチュエータ６ａまたはＹ軸アクチュエータ７ａを選択的に駆動することができる。

本発明の第１実施形態の駆動装置を含むレーザモジュールの概略構成図。図１のレーザモジュールの出力のプロファイル。図１の駆動装置のアクチュエータの構成図。図１の駆動装置の駆動回路の回路図。図３のアクチュエータの振動発生部の周波数特性を示す図。図３のアクチュエータの駆動速度の周波数特性を示す図。図３のアクチュエータの振動モデルを示す図。図３のアクチュエータと異なる駆動速度の周波数特性を示す図。図３のアクチュエータとさらに異なる駆動速度の周波数特性を示す図。本発明の第２実施形態の駆動装置を含むレーザモジュールの概略構成図。図１０の駆動装置のアクチュエータの構成図。

符号の説明

１…レーザモジュール
６…Ｘ軸アクチュエータ
７…Ｙ軸アクチュエータ
８…駆動回路
１４，１８…錘
１５，１９…圧電素子
１６，２０…駆動軸
１７，２１…移動部材

Claims

それぞれ、電力を振動に変換する振動発生部と、前記振動発生部に摩擦係合する被駆動部とを有する複数の振動型アクチュエータと、
前記複数の振動型アクチュエータが並列に接続された駆動回路とを有し、
少なくとも１つの前記振動型アクチュエータは、他の前記振動型アクチュエータと振動発生部の周波数特性が異なり、
前記駆動回路は、波形の異なる複数の駆動電圧を出力可能であることを特徴とする駆動装置。
前記複数の駆動電圧は、それぞれ、矩形波であって、少なくとも周波数が異なることを特徴とする請求項１に記載の駆動装置。
前記複数の駆動電圧は、さらに、デューティ比が異なることを特徴とする請求項２に記載の駆動装置。
前記デューティ比は、前記駆動電圧の周波数が高いときにオン時間とオフ時間との差が大きくなり、周波数が低いときにオン時間とオフ時間との差が小さくなるような値であることを特徴とする請求項３に記載の駆動装置。
前記振動部は、圧電素子と、前記圧電素子の一端に接続され、前記被駆動部が摩擦係合する駆動軸とからなることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の駆動装置。
前記少なくとも１つの前記振動型アクチュエータは、前記圧電素子の質量、前記駆動軸の質量および前記圧電素子のばね定数の少なくともいずれかが他の前記振動型アクチュエータと異なることを特徴とする請求項５に記載の駆動装置。
前記振動部は、圧電素子と、前記圧電素子の一端に接続された錘と、前記圧電素子の他端に接続され、前記被駆動部が摩擦係合する駆動軸とからなることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の駆動装置。
前記少なくとも１つの前記振動型アクチュエータは、前記圧電素子の質量、前記錘の質量、前記駆動軸の質量および前記圧電素子のばね定数の少なくともいずれかが他の前記振動型アクチュエータと異なることを特徴とする請求項７に記載の駆動装置。