JP4518086B2 - 位置決め装置 - Google Patents

Description

本発明は位置決め装置に関する。

例えば、特許文献１に、レーザ発振器などの投光部から発せられたレーザ光をレンズなどの光学部材（移動部材）によって、光ファイバのような受光部材に芯合わせして導くレーザ装置が記載されている。特許文献１では、光学部材を一定振幅で微小振動させ、光ファイバにおけるレーザ光の強度（検出出力）の変化を測定して、レーザ光の芯ずれ量を検出し、光学部材をレーザ光の受光強度を最大にする位置に移動させるウォブリング（wobbling）と呼ばれる手法により、レーザ光を光ファイバに対して調芯位置決めしている。

移動部材を摩擦駆動方式の駆動装置で駆動する場合、駆動方向によって移動部材の移動量に差が生じる場合がある。その場合、移動部材を微少量だけ前進させたときに移動量と、微少量だけ後退させたときの移動量とが異なり、レーザ光の強度の変化から算出した移動部材のレーザ光の強度が最大になる位置からのずれ量に誤差が生じる。このような誤差は、正確な調芯が達成されるまでに数多くのウォブリングを繰り返す必要を生じさせたり、ウォブリングのゲインによっては解消できないオフセットを生じさせたりするという問題があった。

また、摩擦駆動方式の駆動装置において、微小領域ですべり変位を繰り返すと、摩擦接触部が異常摩耗して、駆動特性が変化してしまうという問題もあった。
特開２００３−３３８７９５号公報 特開平６−２６５７５９号公報

前記問題点に鑑みて、摩擦駆動方式の駆動装置によって、誤差のないウォブリングを行い、検出出力が最大となるように移動部材を正確に位置決めできる位置決め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、本発明による位置決め装置は、電圧が印加されると伸縮する圧電素子と、前記圧電素子に一端が固定され、前記圧電素子の伸縮によって、軸方向に往復変位可能な振動部材と、前記振動部材に摩擦係合し、前記振動部材の往復移動によって前記振動部材に対してすべり変位可能な摩擦係合部材とを備える駆動装置と、前記圧電素子に駆動電圧を印加する駆動回路と、前記摩擦係合部材に保持された移動部材と、前記移動部材が所定位置にあるときに検出出力が最大となる位置検出手段とを有し、前記駆動回路は、前記摩擦係合部材が前記振動部材に対してすべり変位しないように緩慢に電圧を変化させて正方向および負方向に所定の電圧を印加させ、前記正方向の電圧を印加したときの前記検出出力と前記負方向の電圧を印加したときの前記検出出力との差分に所定の係数をかけた移動量だけ前記摩擦係合部材を前記振動部材に対してすべり変位させられる駆動電圧を前記圧電素子に印加するものとする。

この構成によれば、移動部材を前後に微小量だけ移動して検出出力の変化に応じて駆動量を定めるウォブリングにおいて、微少量の移動に際して摩擦係合部材を振動部材に対してすべり移動させず、圧電素子の伸長と収縮とで摩擦係合部材が保持する移動部材を微小移動させる。このとき、摩擦係合部材がすべり移動しないので、駆動方向による移動量の差がなく、検出出力を最大にするために必要な移動部材の移動量を正確に算出することができる。

また、本発明の位置決め装置において、前記正方向および負方向の所定の電圧を、正弦波のピークとして印加すれば、電圧の変化率を小さくして摩擦係合部材のすべり変位を抑制することが容易である。

また、本発明の位置決め装置において、前記正方向および負方向の所定の電圧を印加するときは、前記圧電素子に直列に制限抵抗を挿入するようにすれば、前記制限抵抗によって前記圧電素子の充電に遅れを生じさせることで駆動が緩慢に変化する。その場合、前記駆動回路を、前記圧電素子の両電極を、それぞれ、電源に接続する２つの充電スイッチとグランドに接地する２つの放電スイッチとを備えるフルブリッジ回路として構成すれば構成が簡単である。

また、本発明の位置決め装置において、前記正方向および負方向の所定の電圧は、瞬間的な電圧変化が前記摩擦係合部材が前記振動部材に対してすべり移動するステップ入力の最小電圧である最低起動電圧未満になるように、段階的に電圧を変化させて印加してもよい。

その場合、前記駆動回路を、前記最低起動電圧の１／２以上、前記最低起動電圧未満の電圧を有する電源と、前記圧電素子の両電極をそれぞれ前記電源に接続する２つの充電スイッチおよびグランドに接地する２つの放電スイッチとを備えるフルブリッジ回路とし、前記放電スイッチをオンしてから、前記充電スイッチを遅れてオンすることで、前記圧電素子に印加される電圧を、ゼロ、正の電源電圧、ゼロ、負の電源電圧、ゼロの順に段階的に変化させることができる。これにより、電圧変化を前記最低起動電圧以下に低減し、正確なウォブリングを行うことができ、摩擦係合部材をすべり変位させる際は、前記充電スイッチと前記放電スイッチとを同時にオンすることで、前記最低起動電圧を超える駆動電圧を圧電素子に印加することができる。

また、本発明の位置決め装置において、前記圧電素子の前記振動部材と反対側の端部を錘に固定すれば、錘の慣性力によって、振動部材の往復変位を大きくして、摩擦係合部材のすべり変位を大きくできる。

本発明によれば、ウォブリングを行うときは、圧電素子に変化率の小さい電圧を印加して、摩擦係合部材をすべり変位させることなく、圧電素子の伸縮長だけ移動部材を前後に変位させて移動部材の検出出力のピーク位置からのずれを算出するので、ウォブリングの誤差がなく、正確な位置決めができる。

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実施形態の位置決め装置１を示す。位置決め装置１は、レーザ光を発生するレーザダイオード２と、固定された投光レンズ３と、駆動装置４によってレーザ光に直交するＸ−Ｙの２方向に移動可能な移動レンズ（移動部材）５と、レーザ光が投光レンズ３および移動レンズ５を介して入射する第二高調波発生素子（Second Harmonic Generation）６と、第二高調波発生素子６の出力を射出する射出レンズ７と、第二高調波発生素子６の出力を分光するハーフミラー８と、分光した第二高調波発生素子６の出力レベルを電圧信号（検出出力）に変換するパワーモニタ（位置検出手段）９と、パワーモニタ９の検出出力に応じて、移動レンズ４をＹ−Ｙ方向に移動させる制御装置（制御手段）１０と、制御装置１に制御され、駆動装置４に駆動電圧を印加する駆動回路１１とを有している。

第二高調波発生素子６は、受光部の口径が１〜３μｍ程度である。移動レンズ５は、レーザ光を第二高調波発生素子６の受光部と同程度の径になるように集光するとともに、第二高調波発生素子６の受光部の中心にレーザ光の光軸を芯合わせする。

移動レンズ５によってレーザ光の光軸が第二高調波発生素子６の中心に一致している場合、レーザ光のエネルギーが全て第二高調波発生素子６に入力されるので、第二高調波発生素子６の出力が最大になり、パワーモニタ９の検出出力も最大になる。

図２に、移動レンズ５を移動させる駆動装置４の構成を示す。駆動装置４は、筐体１２に固定された錘１３に一端が固定され、電圧が印加されるとＸ軸方向に伸縮する圧電素子１４と、圧電素子１４の伸縮によってＸ軸方向に往復移動する振動部材１５と、振動部材１５に摩擦係合し、移動レンズ５を保持する摩擦係合部材１６と、振動部材１５の先端に設けられたストッパ１６とからなる。摩擦係合部材１６は、圧電素子１４とストッパ１７との間で移動可能である。

図３に、駆動回路１１の構成を示す。駆動回路１１は、パルス発生器１８と、正弦波発生器１９とを有し、切替器２０で、パルス発生器１８または正弦波発生器１９の出力を選択し、パワーアンプ２１で増幅して圧電素子１４に印加するようになっている。パルス発生器１８は、駆動装置４の摩擦係合部材１６を振動部材１５に対してすべり移動させるための駆動電圧波形を生成する。正弦波発生器１９は、パルス発生器１８の発生するパルスに比べて周期の長い正弦波を生成する。

図４に、駆動回路１１が出力する駆動電圧波形と、その駆動電圧波形が駆動装置４に印加されたときの移動レンズ５の変位との関係を示す。駆動回路１１は、先ず、正弦波発生器１９が生成する正弦波をパワーアンプ２１で増幅して出力する。このとき、圧電素子１４は、駆動電圧に同期した正弦波状に伸縮する。

制御装置１０は、図５に示すように、駆動電圧が最大になる瞬間の検出出力Ｖ１および駆動電圧が最低（負の最大値）になる瞬間の検出出力Ｖ２を確認し、その差分（Ｖ１−Ｖ２）を算出する。

続いて、制御装置１０は、駆動回路１１の切替器２０を操作し、パルス発生器１８に、正弦波状の駆動電圧を印加したときに算出した検出出力の差分に所定の係数を乗じた数のパルスを出力させる。正弦波の電圧最大時の検出出力Ｖ１が電圧最低時の検出出力Ｖ２より大きいときは、移動レンズ５を正方向にすべり移動させる所定のパルス（例えばデューティ比０．７）を出力し、正弦波の電圧最大時の検出出力Ｖ１が電圧最低時の検出出力Ｖ２より小さいときは、移動レンズ５を負方向にすべり移動させる所定のパルス（例えばデューティ比０．３）を出力する。

移動レンズ５の位置に応じて、検出出力が図５に示すような変化をする場合、移動レンズ５が、検出出力が最大となるピーク位置の近傍にあるとき、検出出力の差分（Ｖ１−Ｖ２）は、移動レンズ５のピーク位置からのずれ量とほぼ比例する値になる。よって、検出出力の差分に比例する量だけ移動レンズ５を駆動することで、移動レンズ５を検出出力が最大となるピーク位置に近づけることができ、このような制御方法は、ウォブリング（woblling）と呼ばれている。

本実施形態では、検出出力の差分（Ｖ１−Ｖ２）を求める際、摩擦係合部材１６を振動部材１５に対してすべり移動させることなく、圧電素子１４の伸縮によって、移動レンズ５を保持する摩擦係合部材１６を前進方向および後退方向に、等しい量だけ微小移動させる。このため、駆動装置４の駆動力に前進方向と後退方向とで差があったとしても、ウォブリングにおいて移動量を定めるための微小移動には前進方向と後退方向で差が生じない。よって、本実施形態の位置決め装置は、移動レンズ５を検出出力が最大となる位置に正確に位置決めすることができる。

図６に、本発明の第２実施形態の位置決め装置の駆動回路１１を示す。本実施形態の位置決め装置の全体構成は、第１実施形態と同じであるので、重複する説明は省略する。

本実施形態の駆動回路１１は、圧電素子１４の両電極をそれぞれ電圧ＶＭ（Ｖ）の電源に接続する充電スイッチＳＷ１，ＳＷ２と、圧電素子１４の両電極をそれぞれグランドに接地する放電スイッチＳＷ３，ＳＷ４とを備えるフルブリッジ回路であり、挿入スイッチＳＷ５をオフすることで、電源ＶＭと充電スイッチＳＷ１，ＳＷ２との間に制限抵抗Ｒを挿入することができるようになっている。

駆動回路１１は、充電スイッチＳＷ１と放電スイッチＳＷ４とを同時にオンすることで、圧電素子１４に電源電圧ＶＭ（Ｖ）を正方向に印加する。充電スイッチＳＷ２と放電スイッチＳＷ３とは、充電スイッチＳＷ１および放電スイッチＳＷ４と逆動作し、オンすることで圧電素子１４に電源電圧ＶＭ（Ｖ）を負方向に印加する。つまり、充電スイッチＳＷ１および放電スイッチＳＷ４と、充電スイッチＳＷ２および放電スイッチＳＷ３とを切り換えることで、圧電素子１４には、２ＶＭ（Ｖ）の電圧変動が印加される。

駆動装置４の摩擦係合部材１６を振動部材１５に対してすべり移動させる場合、制御装置１０は、挿入スイッチＳＷ５を閉じ、制限抵抗Ｒをバイパスした状態で、充電スイッチＳＷ１，ＳＷ２および放電スイッチＳＷ３，ＳＷ４を動作させる。制御装置１０は、移動レンズ５を保持する摩擦係合部材１６正方向に移動させる場合、充電スイッチＳＷ１および放電スイッチＳＷ４を、短い周期で、例えばデューティ比０．７でオンさせる。摩擦係合部材１６を正方向に移動させる場合は、充電スイッチＳＷ１および放電スイッチＳＷ４のデューティ比を、例えば０．３にする。

本実施形態の位置決め装置において、移動レンズ５を微小移動させて検出出力のピーク位置からのずれ量を算出するウォブリングを行う場合、制御装置１０は、挿入スイッチＳＷ５を開放し、電源と充電スイッチＳＷ１，ＳＷ２との間に制限抵抗Ｒを挿入する。そして、制御装置１０は、充電スイッチＳＷ１および放電スイッチＳＷ４を、摩擦係合部材１６をすべり移動させるときより十分に長い周期で、例えばデューティ比０．５でオンする。

圧電素子１４は、電気的にはキャパシタと同視できるので、制限抵抗Ｒが挿入されたことでＲＣ回路が構成される。図７に示すように、圧電素子１４には、充電スイッチＳＷ１またはＳＷ２がオンしてから、１次遅れで電圧変動する駆動電圧が印加される。これにより、圧電素子１４は、緩慢に伸縮するので、摩擦係合部材１６が振動部材１５に対してすべり移動せず、移動レンズ５が圧電素子１４の伸縮により前後に微小移動する。

制御装置１０は、圧電素子１４が十分に充電される（駆動電圧が略最大および略最小となる）タイミングで検出出力Ｖ１，Ｖ２を測定して、検出出力の差分（Ｖ１−Ｖ２）を求めることで、移動レンズ５のピーク位置からのずれ量を精度よく算出することができる。

図８に、本発明の第３実施形態の位置決め装置の駆動回路１１を示す。本実施形態の位置決め装置の全体構成は、第２実施形態と同じであるので、重複する説明は省略する。

本実施形態の駆動装置は、充電スイッチＳＷ１，ＳＷ２および放電スイッチＳＷ３，ＳＷ４のみからなるフルブリッジ回路であるが、電源電圧ＶＭ（Ｖ）が、駆動装置４の最低起動電圧をＶｍｉｎ（Ｖ）として、１／２Ｖｍｉｎ≦ＶＭ＜Ｖｍｉｎの条件を満たすように設定されている。最低起動電圧Ｖｍｉｎは、駆動装置４の圧電素子１４にステップ状の駆動電圧を入力したときに、摩擦係合部材１６を振動部材１５に対してすべり移動させることができる最も低い電圧である。

本実施形態において、制御装置１０は、移動レンズ５を保持する摩擦係合部材１６を振動部材１５に対してすべり移動させる場合は、第２実施形態と同様に充電スイッチＳＷ１，ＳＷ２および放電スイッチＳＷ３，ＳＷ４を駆動する。

しかしながら、移動レンズ５を微小移動させて検出出力のピーク位置からのずれ量を算出するウォブリングを行う場合、制御装置１０は、図９に示すように、先ず、充電スイッチＳＷ１と放電スイッチＳＷ４とをオンし、移動レンズ５を前進方向に微小移動させる。続いて、移動レンズ５を後退方向に微小移動させるときは、充電スイッチＳＷ１をオフすると同時に放電スイッチＳＷ３をオンし、所定の遅延時間ｄＴだけ遅れて放電スイッチＳＷ４をオフするとともに、充電スイッチＳＷ２をオンする。つまり、圧電素子１４に＋ＶＭ（Ｖ）の電圧を印加してから−ＶＭ（Ｖ）の電圧を印加するまでの間に、遅延時間ｄＴだけ圧電素子１４の両電極をショートさせて、０（Ｖ）を印加する。

このように駆動回路１１を制御することで、圧電素子１４に印加される駆動電圧の瞬間的な変化が、それぞれ、最低起動電圧Ｖｍｉｎより小さくなる。これにより、摩擦係合部材１６を振動部材１５に対してすべり移動させず、圧電素子１４の伸縮によって微小移動させ、正確なウォブリングを行うことができる。

駆動回路１１の構成によっては、ウォブリング時の駆動電圧をさらに多段の階段状の波形とすることで、電源電圧ＶＭを大きくすることが可能になる。

以上の実施形態は、１軸にのみ位置決めを行うものであるが、本発明は、２軸以上に位置決めできる位置決め装置にも適用可能である。

また、レーザ光の調芯だけでなく、例えばホール素子の出力に基づいてアクチュエータを原点復帰させる場合などにも適用可能である。

本発明の第１実施形態の位置決め装置の概略図。 図１の位置決め装置の駆動装置の概略図。 図１の位置決め装置の駆動回路の構成図。 図１の位置決め装置のウォブリングにおける駆動電圧波形と移動部材の変位とを示す図。 図１の位置決め装置における検出出力のプロファイルとウォブリング制御における差分との関係を示す図。 本発明の第２実施形態の位置決め装置の駆動回路の回路図。 図６の位置決め装置のウォブリングにおける駆動電圧波形と移動部材の変位とを示す図。 本発明の第３実施形態の位置決め装置の駆動回路の回路図。 図８の位置決め装置のウォブリングにおける駆動電圧波形と移動部材の変位とを示す図。

符号の説明

１ 位置決め装置
２ レーザダイオード
４ 駆動装置
５ 移動レンズ（移動部材）
６ 第二高調波発生素子
９ パワーモニタ（位置検出手段）
１０ 制御装置（制御手段）
１１ 駆動回路
１２ 筐体
１３ 錘
１４ 圧電素子
１５ 振動部材
１６ 摩擦係合部材
１８ パルス発生器
１９ 正弦波発生器
２０ 切替器
ＳＷ１，ＳＷ２ 充電スイッチ
ＳＷ３，ＳＷ４ 放電スイッチ
ＳＷ５ 挿入スイッチ
Ｒ 制限抵抗
ＶＭ 電源電圧

Claims (7)

1. 電圧が印加されると伸縮する圧電素子と、前記圧電素子に一端が固定され、前記圧電素子の伸縮によって、軸方向に往復変位可能な振動部材と、前記振動部材に摩擦係合し、前記振動部材の往復移動によって前記振動部材に対してすべり変位可能な摩擦係合部材とを備える駆動装置と、
   前記圧電素子に駆動電圧を印加する駆動回路と、
   前記摩擦係合部材に保持された移動部材と、
   前記移動部材が所定位置にあるときに検出出力が最大となる位置検出手段とを有し、
   前記駆動回路は、前記摩擦係合部材が前記振動部材に対してすべり変位しないように緩慢に電圧を変化させて正方向および負方向に所定の電圧を印加させ、
   前記正方向の電圧を印加したときの前記検出出力と前記負方向の電圧を印加したときの前記検出出力との差分に所定の係数をかけた移動量だけ前記摩擦係合部材を前記振動部材に対してすべり変位させられる駆動電圧を前記圧電素子に印加することを特徴とする位置決め装置。
2. 前記正方向および負方向の所定の電圧は、正弦波のピークとして印加されることを特徴とする請求項１に記載の位置決め装置。
3. 前記正方向および負方向の所定の電圧を印加するときは、前記圧電素子に直列に制限抵抗を挿入することを特徴とする請求項１に記載の位置決め装置。
4. 前記駆動回路は、前記圧電素子の両電極を、それぞれ、電源に接続する２つの充電スイッチとグランドに接地する２つの放電スイッチとを備えるフルブリッジ回路であることを特徴とする請求項３に記載の位置決め装置。
5. 前記正方向および負方向の所定の電圧は、瞬間的な電圧変化が前記摩擦係合部材が前記振動部材に対してすべり移動するステップ入力の最小電圧である最低起動電圧未満になるように、段階的に電圧を変化させて印加されることを特徴とする請求項１に記載の位置決め装置。
6. 前記駆動回路は、前記最低起動電圧の１／２以上、前記最低起動電圧未満の電圧を有する電源と、前記圧電素子の両電極をそれぞれ前記電源に接続する２つの充電スイッチおよびグランドに接地する２つの放電スイッチとを備えるフルブリッジ回路であり、
   前記正方向および負方向の所定の電圧は、前記放電スイッチをオンしてから、前記充電スイッチを遅れてオンすることで段階的に変化することを特徴とする請求項５に記載の位置決め装置。
7. 前記圧電素子は、前記振動部材と反対側の端部が錘に固定されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の位置決め装置。

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