JP5338449B2 - アクチュエータおよび光学装置 - Google Patents

Description

本発明は、極座標系のアクチュエータおよび光学部材の位置決めをする光学装置に関する。

特許文献１乃至４には、レンズなどの光学部材を調芯する装置が記載されている。これらの装置は、いずれも、直交座標系において各軸方向の光学部材の芯ずれ量を検出して、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に、それぞれ、リニアアクチュエータによって光学部材の位置を補正している。

特に、特許文献２乃至４には、レンズを前後に所定の微少量だけ変位させ、レーザ光の出力変化を検出するウォブリング（Wobbling）によって各軸方向の芯ずれ量を推定し、レンズを調芯することが記載されている。

さらに、特許文献３および４には、圧電素子によって駆動軸を振動させ、駆動軸に摩擦係合する移動体を滑り変位させる摩擦駆動方式のアクチュエータでレンズをＸ−Ｙ方向に位置決めすることが記載されている。

特開２００５−２２２０４９号公報 特開２００３−３３８７９５号公報 特開２００８−０２６６０９号公報 特開２００８−０４６４６７号公報

これらの直交座標系の位置決めシステムでは、２次元の位置決めに複数のアクチュエータが必要である。さらに、摩擦駆動方式のアクチュエータを用いた装置では、アクチュエータ同士の駆動周波数が近いと、１つのアクチュエータを駆動すると他のアクチュエータまで動いてしまう場合がある。

前記問題点に鑑みて、本発明は、簡単な構成で、２次元の位置決めができるアクチュエータ、および、光学部材を位置決めできる構成の簡単な光学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、本発明によるアクチュエータは、印加された電圧に応じて機械的変位を生じる電気機械変換素子と、前記電気機械変換素子の機械的変位によって軸方向に変位させられるとともに傾斜させられる駆動軸と、前記駆動軸に摩擦係合する移動体と、前記電気機械変換素子に、前記移動体が前記駆動軸に対して滑り変位するように前記駆動軸を軸方向に振動させる交流駆動電圧と、前記移動体が前記駆動軸に対して滑り変位しない低い変化率で前記駆動軸を所望の角度に傾斜させる電圧まで変化可能な直流駆動電圧とを重畳して印加する駆動回路とを有するものとする。

この構成によれば、交流駆動電圧によって、極座標系の動径に対応する移動体の駆動軸上の位置を定め、直流駆動電圧によって、極座標系の偏角に対応する駆動軸の傾斜角度を定められる。これにより、移動体を極座標上の所望の位置に位置決めすることができる。

また、本発明のアクチュエータは、前記電気機械変換素子が圧電素子であって、前記圧電素子の寸法変位を部分的に拘束する拘束部材をさらに有してもよい。

この構成によれば、圧電素子の伸縮を部分的に抑制することで、圧電素子を非対称に伸縮させ、圧電素子の伸縮量に応じて駆動軸を軸方向に変位させながら傾斜させられる。

また、本発明による光学装置は、前記アクチュエータのいずれかによって、光学部材を極座標系の偏角および動径について位置決めするものとする。

この構成によれば、１つのアクチュエータで光学部材を２次元に位置決めできるので、構成が簡単である。

また、本発明の光学装置は、前記光学部材の芯ずれ量に応じて出力が低下するモニタ手段と、前記アクチュエータの動径と偏角とを、交互に、微少量だけ前後に駆動するウォブリングによる前記モニタ手段の出力変化に基づいて、前記モニタ手段の出力を最大化させるように前記アクチュエータの駆動を制御する制御手段とをさらに有し、前記動径のウォブリング時間と、前記偏角のウォブリング時間とが等しくてもよい。

この構成によれば、動径のウォブリング時と偏角のウォブリング時とで、モニタ手段の出力から光学部材の位置ずれ量を算出する処理を共通化できる。

また、本発明による光学装置は、極座標系の動径および偏角を変化させられる１つのアクチュエータによって光学部材を位置決めする光学装置であり、前記アクチュエータは、直流駆動電圧を電気機械変換素子に印加することによって偏角位置を変化させ、交流駆動電圧を前記電気機械変換素子に印加することによって動径位置を変化させるものとする。

この構成によれば、複数のアクチュエータを制御する必要がないため、回路構成が簡単であり、アクチュエータ間のクロストーク等の問題が発生しない。

本発明によれば、直流駆動電圧によって定まる駆動軸の傾斜角度によって駆動軸に摩擦係合する移動体の極座標系の偏角を定め、交流駆動電圧による駆動軸の軸方向の振動によって移動体を滑り移動させて極座標系の動径を変化させることができる。これにより、１つのアクチュエータで２次元の位置決めができる。また、直流駆動電圧と交流駆動電圧とは周波数帯が大きく異なるため、偏角の駆動と動径の駆動とが互いに干渉しない。

本発明の第１実施形態の光学装置の概略構成図である。 図１のアクチュエータの構成図である。 図１の駆動回路の回路図である。 図２のアクチュエータの位置決め状態を示す図である。 図１のレンズの芯ずれに対するモニタ出力のプロファイルを示す図である。 図２のアクチュエータの駆動軸の変位の周波数特性を示す図である。 図１の光学装置における調芯時の駆動電圧変化とモニタ出力変化を示す図である。 本発明の第２実施形態の光学装置の概略構成図である。 図２のアクチュエータの構成の代案を示す断面図である。

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は、本発明の第１実施形態の光学装置であるレーザモジュール１の構成を示す。レーザモジュール１は、赤外色のレーザ光を発生するレーザダイオード２と、レーザ光を案内する移動可能な調芯レンズ３と、レーザ光を受光して半波長の緑色のレーザ光を生成する受光部材である第二次高調波発生素子（Second Harmonic Generator）４と、第二次高調波発生素子４の出力を射出する射出レンズ５とを有する。調芯レンズ３は、アクチュエータ６によって、レーザ光の光軸に直交する平面内で位置決めされる。アクチュエータ６は、駆動回路７から印加される駆動電圧によって駆動される。

また、レーザモジュール１は、第二次高調波発生素子４の出力光を分割するビームスプリッタ８と、分割した第二次高調波発生素子４の出力光の出力レベルを電圧信号に変換するフォトダイオードのようなセンサからなるパワーモニタ（モニタ手段）９と、パワーモニタ９の出力に応じて、駆動回路７の動作を制御する制御回路（制御手段）１０とを有する。

第二次高調波発生素子４は、受光部の口径が１〜３μｍ程度である。調芯レンズ３は、レーザ光を第二次高調波発生素子４の受光部と同程度の径になるように集光するとともに、第二次高調波発生素子４の受光部の中心にレーザ光の光軸を芯合わせする。レーザ光の光軸が第二次高調波発生素子４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次高調波発生素子４に入力されるので、第二次高調波発生素子４の出力が最大になり、パワーモニタ９の出力も最大になる。

図２に、調芯レンズ３を移動させるアクチュエータ６の構成を示す。アクチュエータ６は、伸縮層１１ａと電極層１１ｂとを交互に積層してなり、印加された電圧に応じて積層方向に伸縮する圧電素子（電気機械変換素子）１１と、圧電素子１１に一端が固定され、圧電素子１１の積層方向に延伸する駆動軸１２と、駆動軸１２に摩擦係合し、調芯レンズ３を保持する移動体１３と、圧電素子１１と駆動軸１２の接合部の外周下側に接着固定され、圧電素子１１および駆動軸１２を支持するとともに、圧電素子１１の接着された下側を部分的に拘束して寸法変位を阻害する拘束部材１４とを有する。調芯レンズ３は移動体１３の上側に支持されており、調芯レンズ３の光学中心Ｐは、圧電素子１１および駆動軸１２の断面中心からずらされて保持されている。

図３に、駆動回路７の構成を示す。駆動回路７は、制御回路１０の制御信号に従って電圧３Ｖ、デューティ比０．３または０．７の矩形波からなる交流駆動電圧を生成するパルス発生器（Pulse Width Modulator）１５と、制御回路１０のディジタル信号を電圧０〜３Ｖのアナログ電圧に変換した直流駆動電圧を生成するＤＡ変換器１６と、交流駆動電圧と直流駆動電圧とを１：４の比で足し合わせて（重畳して）０〜１５Ｖの駆動電圧を生成する加算器１７と、加算器１７の出力を電流増幅するパワーアンプ１８とからなる。パワーアンプ１８で増幅された駆動電圧は、アクチュエータ６の圧電素子１１に印加される。この構成において、圧電素子１１に印加される駆動電圧は、０〜１２Ｖの直流駆動電圧と、波高３Ｖの交流駆動電圧とを重畳したものであるといえる。

駆動電圧の直流駆動電圧成分は、圧電素子１１の歪んだ伸縮による図４に示すような、駆動軸１２の傾斜の角度θ、つまり、駆動軸１２の傾斜の中心を極とする極座標系における移動体１３の位置の偏角を定める。また、駆動電圧の交流駆動電圧成分は、駆動軸１２を軸方向に非対称に伸縮させ、そのパルス数に比例した距離だけ、移動体１３を駆動軸１２に対して滑り変位させる。これにより、移動体１３の極座標系における動径ｒが定められる。

尚、駆動軸１２の交流駆動電圧成分のデューティ比が０．７の場合、移動体１３は、圧電素子１１から遠ざかり、交流駆動電圧成分のデューティ比が０．３の場合、移動体１３は、圧電素子１１に近づくように変位する。

このように、アクチュエータ６は、直流駆動電圧と交流駆動電圧とを重畳した駆動電圧によって移動体１３を極座標上で位置決めでき、それによって調芯レンズ３を２次元的に位置決めできる。

図５に、駆動電圧に対するアクチュエータ６の変位量の周波数特性を、ｒ方向およびθ方向についてそれぞれ示す。図示するように、ｒ方向の周波数特性は、約５００ｋＨｚで共振して最大となり、θ方向の周波数特性は、約５ｋＨｚで共振して最大となる。

従来の振動型リニアアクチュエータと同様に、本実施形態のアクチュエータ６においても、圧電素子１１に駆動軸１２の変位が最大となる周波数の約０．７倍の周波数の矩形波電圧を印加すれば、駆動軸１２に対して移動体１３を効率よく滑り変位させられる。このため、アクチュエータ６において、交流駆動電圧の周波数は、約３５０ｋＨｚとする。この交流駆動電圧の周波数は、図５に示すように、駆動軸１２をθ方向に揺動させない周波数域である。

一方、アクチュエータ６において、直流駆動電圧は、駆動軸１２の所望の偏角を生じさせる電圧に設定されるが、その目標値を変更する場合、その変化波形が駆動軸１２の応答性の高い周波数、つまり、周波数応答においてθ方向に十分なゲインがある低い周波数成分で構成されるようにする。例えば、直流駆動電圧の変化率を１Ｖ／ｓｅｃとすると、これは、電圧３Ｖ、周波数１ｋＨｚの正弦波の電圧変化率の最大値に相当する。

このように、駆動軸１２のｒ方向の共振点は、θ方向のゲインの得られる範囲よりも十分に高いため、直流駆動電圧の変化率を駆動軸１２のθ方向に応答性が高い範囲に設定すれば、駆動軸１２のθ方向の駆動によってｒ方向の共振を招いてｒ方向にも振動を生じさせることがない。つまり、アクチュエータ６におけるｒ方向の駆動とθ方向の駆動とは、周波数帯が異なるために互いに干渉しない。

図６に、レーザモジュール１におけるレーザ光の調芯時の駆動電圧の変化を（Ａ）に、それによるパワーモニタ９の出力の変化を（Ｂ）に示す。レーザモジュール１において、駆動回路７は、移動体１３（および調芯レンズ３）を現在の偏角に維持する直流駆動電圧に重畳して、移動体１３を前進させる２パルスの交流駆動電を印加し、５ｍｓｅｃ後に移動体１３を後退させる４パルスの交流駆動電圧を印加し、さらに５ｍｓｅｃ後に移動体１３を前進させる２パルスの交流駆動電を印加することで、１０ｍｓｅｃ（時間Ｔ）の間に、移動体を微少量だけ前後にだけ移動させるウォブリングを行う。尚、移動体１３は、交流駆動電圧の１パルス当たり、約６０ｎｍ移動する。

図７に示すように、パワーモニタ９の出力は、レーザ光のｒ方向およびθ方向のそれぞれの芯ずれ量に応じてガウス曲線を描いて低下する。そこで、制御回路１０は、ウォブリングの間のパワーモニタ９の出力を監視して、移動体１３前進時の出力と後退時の出力との差を算出し、この差に比例して移動体１３を移動させるデューティ比およびパルス数の交流駆動電圧を、駆動回路７に出力させる。これによって、レーザモジュール１は、調芯レンズ３により合焦するレーザ光の光軸を第二次高調波発生素子４の中心に調芯して、パワーモニタ９の出力を最大化することができる。

図６に示すように、前記ｒ方向のウォブリングに基づく移動体１３のｒ方向の調芯のための駆動に続いて、レーザモジュール１では、θ方向のウォブリングを行って、同様に、パワーモニタ９の出力変化に基づいて直流駆動電圧の電圧値を変更することで、駆動軸１２の偏角を調節して移動体１３のθ方向の調芯をする。このθ方向のウォブリングのために、制御回路１０は、駆動回路７の直流駆動電圧を、駆動軸１２の中央（設計上の調芯位置）に移動体１３が係合している場合に、移動体１３を約１２０ｎｍ移動させるように駆動軸１２を揺動させる一定の電圧（０．２Ｖ）だけ上下させる。

つまり、θ方向のウォブリングにおける移動体１３の移動量は、調芯位置の近傍において、ｒ方向のウォブリングにおける移動体１３の移動量と略等しくなる。また、この直流電圧を上下するウォブリング時間Ｔは、前記ｒ方向のウォブリング時間Ｔと同じ時間（１０ｍｓｅｃ）に設定されている。尚、図には、分かりやすいように大きく示しているが、両方向のウォブリングにおける移動体１３の移動時間は殆ど無視できるものである。

これにより、制御装置１０は、ウォブリング時に、パワーモニタ９の出力差を、図６においてハッチングした部分の面積の差分によって算出できる。上述のように、ｒ方向のウォブリングとθ方向のウォブリングとで、移動体１３の移動距離およびウォブリング時間を同じに設定することで、制御装置１０は、同じ演算を用いて両方向の芯ずれ量を算出できる。

図８に、本発明の第２実施形態の光学装置であるレーザモジュール２１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同じ符号を付して、重複する説明を省略する。

このレーザモジュール２１は、レーザダイオード２２の出力光を第１光ファイバ（光学部材）２３および第２光ファイバ２４で案内して、フォトダイオード２５に照射するものである。レーザモジュール２１は、第１光ファイバ２３から射出されたレーザ光を集光して、第２光ファイバ２４に入射させるレンズ２６を有する。

第１光ファイバの射出端は、第１実施形態と同様の極座標系の駆動ができるアクチュエータ６によって、レーザ光の光軸に直交する平面内で２次元的に位置決めされる。アクチュエータ６に駆動電圧を印加する駆動回路７は、制御回路１０によって、フォトダイオード２５の出力に応じて制御される。

レーザモジュール２１においても、第１実施形態と同様に、１つのアクチュエータ６によって、レーザ光を２次元的に調芯することができる。この実施形態が示すように、本発明の光学装置では、極座標系のアクチュエータによって、レンズに限らず、いかなる光学部材を駆動してもよい。

また、本発明の実施形態に係るアクチュエータ６において、圧電素子１１と駆動軸１２とを部分的に拘束する拘束部材１４は、図９に示すように、圧電素子１１および駆動軸１２の全周を取り囲み、それらの上側および側方を接着剤Ｇで固定し、下側を固定しないものとしてもよい。この構成によれば、駆動軸１２の揺動方向が、第１実施形態とは逆になる。

この例において、拘束部材１４は、圧電素子１１の側面をも拘束している。つまり、本発明の極座標アクチュエータの拘束部材は、圧電素子の伸縮を、圧電素子の伸縮方向の軸について非対称に拘束するものであればよく、例えば、側辺の途中までを拘束するように接着してもよい。

また、これらの例は、圧電素子、拘束部材、駆動軸等の断面形状を矩形に限定するものではなく、円形断面や、他の断面形状であってもよい。

１…レーザモジュール（光学装置）
２…レーザダイオード
３…調芯レンズ（光学部材）
６…アクチュエータ
７…駆動回路
９…パワーモニタ（モニタ手段）
１０…制御回路（制御手段）
１１…圧電素子（電気機械変換素子）
１２…駆動軸
１３…移動体
１４…拘束部材
１５…パルス発生器（交流駆動電圧発生源）
１６…ＡＤ変換器（直流駆動電圧発生源）
１７…加算器（重畳手段）

Claims (7)

1. 印加された電圧に応じて機械的変位を生じる電気機械変換素子と、
   前記電気機械変換素子の機械的変位によって軸方向に変位させられるとともに傾斜させられる駆動軸と、
   前記駆動軸に摩擦係合する移動体と、
   前記電気機械変換素子に、前記移動体が前記駆動軸に対して滑り変位するように前記駆動軸を軸方向に振動させる交流駆動電圧と、前記移動体が前記駆動軸に対して滑り変位しない低い変化率で前記駆動軸を所望の角度に傾斜させる電圧まで変化可能な直流駆動電圧とを重畳して印加する駆動回路とを有することを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記電気機械変換素子は、圧電素子であって、
   前記圧電素子の寸法変位を部分的に拘束する拘束部材をさらに有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。
3. 前記アクチュエータは、請求項１または２に記載のアクチュエータによって光学部材を極座標系の偏角および動径について位置決めすることを特徴とする光学装置。
4. 前記光学部材の芯ずれ量に応じて出力が低下するモニタ手段と、
   前記アクチュエータの動径と偏角とを、交互に、微少量だけ前後に駆動するウォブリングによる前記モニタ手段の出力変化に基づいて、前記モニタ手段の出力を最大化させるように前記アクチュエータの駆動を制御する制御手段とをさらに有し、
   前記動径のウォブリング時間と、前記偏角のウォブリング時間とが等しいことを特徴とする請求項３に記載の光学装置。
5. 極座標系の動径および偏角を変化させられる１つのアクチュエータによって光学部材を位置決めする光学装置であり、
   前記アクチュエータは、直流駆動電圧を電気機械変換素子に印加することによって偏角位置を変化させ、交流駆動電圧を前記電気機械変換素子に印加することによって動径位置を変化させることを特徴とする光学装置。
6. 前記アクチュエータは、前記電気機械変換素子によって軸方向に振動する駆動軸と、前記駆動軸に対して滑り変位する移動体とを含むことを特徴とする請求項５に記載の光学装置。
7. 前記光学部材の芯ずれ量に応じて出力が低下するモニタ手段と、
   前記アクチュエータの動径と偏角とを、交互に、微少量だけ前後に駆動するウォブリングによる前記モニタ手段の出力変化に基づいて、前記モニタ手段の出力を最大化させるように前記アクチュエータの駆動を制御する制御手段とをさらに有し、
   前記動径のウォブリング時間と、前記偏角のウォブリング時間とが等しいことを特徴とする請求項５又は６に記載の光学装置。

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