JPH0416819A - 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、圧電素子、電歪素子、磁歪素子等のアクチュ
エータの微小変位を拡大する変位拡大装置に関し、特に
、光走査装置における像面湾曲補正用装置のアクチュエ
ータ部等に用い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、磁歪素子等の伸縮変位するアクチ
ュエータは応答が正確で高速の駆動が可能であり、各種
分野に変位手段として使用されている。

しかしながら、これらアクチュエータは変位量が非常に
小さいので使用目的によってはアクチュエータの変位量
を拡大する変位拡大装置が必要となる。

例えば、レーザプリンタ、デジタル複写機、レーザプロ
ッタ、レーザファクシミリ、レーザ製版機等に装備され
る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、光源である半導体レーザ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おり、最近では光源
と光偏向装置（回転多面鏡等）の間にあるシリンドリカ
ル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九でいるが、このような像面湾曲の
補正に必要なシリンドリカルレンズ等の変位量は通常数
１００μｍであるが、前述の圧電素子、電歪素子、磁歪
素子等のアクチュエータの変位量は通常１（１μｍ程度
であり、数倍乃至数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〕

ところで、変位拡大機構としては種々のものが知られ、
また提案されているが、構成の複雑なものが多く、装置
が大がかりになりやすい。また、前述の光走査装置の像
面湾曲の補正に用いるのに適当な変位拡大装置の具体的
なものは公表されていない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、圧電
素子、電歪素子、磁歪素子等の伸縮変位するアクチュエ
ータの変位量を数倍乃至数１０倍に拡大することができ
、光走査装置の像面湾曲補正用装置のアクチュエータ部
等として用いるのに最適な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〕上記目的を達成
するため１本発明の請求項１記載の変位拡大装置は、駆
動回路からの信号に応じて微小変位するアクチュエータ
の変位を拡大する装置であって、 てこ式に支持さ九たアーム部を有し、該アーム部の一端
側が上記アクチュエータに連結され該アクチュエータの
変位に応じて他端側が揺動変位し変位量を拡大するてこ
式変位拡大機構と、変位すべき物体が取り付けられる動
作部と該動作部の両側に夫々配される偶力による回転運
動を利用した偶力式変位拡大部とを備え、偶力式変位拡
大部に上記で二式変位拡大機構のアーム部揺動端側が接
続され、偶力式変位拡大部にてこ式変位拡大機構のアー
ム部の揺動により偶力が作用したときに偶力式変位拡大
部が回転運動して動作部を並進運動する偶力式変位拡大
機構とを備え、上記アクチュエータの微小変位を上記で
二式変位拡大機構のアーム部を介して上記偶力式変位拡
大機構に作用させ、動作部の並進運動として変位量を拡
大することを特徴とする。

また、請求項２記載の変位拡大装置では、上記変位拡大
装置において、てこ式変位拡大機構のアーム部を、揺動
端側に向かって先細りのテーパ型にしたことを特徴とす
る。

以下、本発明の変位拡大装置について、より詳細に説明
する。

ここで、第５図（ａ）、（ｂ）は本発明の変位拡大装置
のてこ式変位拡大機構の原理説明図であって、図示の例
では、てこ式変位拡大機構は２本のアーム部４ａ、４ｂ
を備えた対称構造を成しており、両アーム部４ａ、４ｂ
の連結部Ａに力を作用させて変位することによって、両
アーム部４ａ。

４ｂがてこの原理によって支点Ｂを中心に揺動され、揺
動端Ｃの変位として変位量を拡大する。この変位量の拡
大率はアーム部を支持する支点Ｂの位置でてこの比を設
定することにより任意に設定可能となる。

次に、第６図は偶力式変位拡大機構の原理説明図であっ
て、この偶力式変位拡大機構は、第６図（ａ）に示すよ
うに、矩形状物体の対角位置に大きさが等しく向きが反
対な一対の平行力（偶力）Ｆを作用させた場合に、物体
が第６図（ｂ）に示すように力の作用点を結ぶ中点を中
心に回転運動を行うことを利用したものであり、この機
構を２つ用いれば、偶力による回転運動を並進運動に変
換することができ、変位の拡大に応用することができる
。

より具体的には、本発明の偶力式変位拡大機構は、第７
図（ａ）に示すように、変位すべき物体が取り付けられ
る動作部３ｃと該動作部３ｃの両側に夫々配される偶力
による回転運動を利用した偶力式変位拡大部３ａ、３ｂ
とを備えた構成となっている。動作部３ｃ及び変位拡大
部３ａ、３ｂは図示の例では矩形状のブロックで構成さ
れており、各ブロックは弾性変形可能な応力集中部ｄ１
゜ｄ２．ｄ３．ｄ４で図示の如く連結されている。

尚、図中ｃｌ、ｃ２は力作用部であり、この部分に第５
図で示したてこ式変位拡大機構の両アーム部の揺動端Ｃ
が接続される。

さて、第７図（ａ）に示すように構成された偶力式変位
拡大機構においては、力作用部ｃｌ、ｃ２に大きさが等
しく向きが反対な一対の平行力が作用した場合、各変位
拡大部３ａ、３ｂには互いに逆向きの偶力が作用して各
変位拡大部３ａ、３ｂが力の向きに応じた回転運動を行
い、第７図（ｂ）、（ｃ）に示すように全体が弓なりに
変形して動作部３ｃを並進運動させることができる。

すなわち、力作用部ｃｌ、ｃ２に第７図（ｂ）のように
引っ張り力が作用すると、一方の変位拡大部３ａは時計
回りに回転し、他方の変位拡大部３ｂは反時計回りに回
転し、全体が下向きの弓形に変形し、動作部３ｃが下方
に変位する。逆に、力作用部ｃｌ、ｃ２に第７図（ｃ）
のように圧縮力が作用すると、全体が上向きの弓形に変
形し、動作部３ｃが上方に変位する。従って、力作用部
Ｃ１、ｃ２に大きさが等しく向きが反対な一対の平行力
を、引っ張り力、圧縮力として交互に作用させれば動作
部３ｃを並進運動させることができ、且つ、変位を拡大
することができる。

尚、第７図の例では、動作部３０両側に変位拡大部とし
て１つずつの矩形状ブロックを配した例を示したが、こ
のブロックの数は複数個ずつでもよい。

次に、第７図に示した偶力式変位拡大機構の変位の拡大
率について説明する。

上述の偶力式変位拡大機構において変位量の拡大は、変
位拡大部３ａ、３ｂの互いに逆向きの回転により生じて
いる。

ここで、第８図（ａ）に示すように、矩形状ブロックか
らなる変位拡大部３ａにつき、その長さをａｔｅ方向に
おける応力集中部ｄｉ、ｄ２間の距離をｂとし、第８図
（ｂ）に示すように変位拡大部３ａ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。

力作用部に力の作用してない状態を符号、３ａ−０（第
７図（ａ）の状態に対応）とし、圧縮力の作用により偶
力式変位拡大機構が第７図（Ｃ）のように上向きの弓な
りに変形した時の状態を符号３ａ−１で表し、この変形
に伴うＸ、Ｙ軸上の変位をｕ、、ｕアとすると、次の関
係が成り立つ。

ａ　２＋　ｂ　２＝（ａ　−ｕ　、）”＋（ｂ　＋　ｕ
　ｙ）”＝ａ”＋ｂ”＋ｕ、”＋ｕ、”−２ａｕ、＋２
ｂｕ。

ここで、Ｕ、、Ｕアがａ、ｂに比べて微小量であること
を考慮し、ｕ、、ｕ、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（ａ　ｕ　ｘ−ｂ　ｕ　、）＝０ これから変位の拡大率（ミＵア／ｕ８）は（ａ／ｂ）と
なることが判る。すなわち、　（ａ／ｂ）を適宜に定め
ることによって変位の拡大率を設定することができる。

ところで、偶力式変位拡大機構は３　ｋ　Ｈｚ程度まで
の周波数応答性を持つが、この周波数応答性での変位拡
大率は約５倍が限度である。したがって、アクチュエー
タとして例えば積層型圧電アクチュエータを用いた場合
、その変位量は約１０μｍであるから、偶力式変位拡大
機構だけを用いた場合、動作部の変位量は約５０μｍと
なり、使用目的によっては変位量が及ばないことがある
。

そこで、本発明ではこの偶力式変位拡大機構に、前述の
てこ式変位拡大機構を接続し、さらに大きな変位量が得
られるようにしたものである。

〔実　施　例〕

以下、本発明の具体的な実施例について詳細に説明する
。

尚、ここでは第９図に示すような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応用する場合の
実施例について説明する。

先ず光走査装置について簡単に説明する。

第９図において、半導体レーザ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１８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
ンドリカルレンズ１２Ａにより回転多面１Ｒ１３の偏向
反射面１４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１４により反射された光束は回転多面鏡１３
の回転により偏向され、レンズ１５．１６により構成さ
れるｆθレンズに入射し、このｆθレンズの作用により
被走査面１７上に光スポットとして結像して被走査面１
７を光走査する。

ここで、ｆθレンズは、主走査方向の像面湾曲を極めて
良く補正されているが、副走査方向には第１０図（ａ）
に示すような像面湾曲を有する。

そこで、この副走査方向の像面湾曲を補正する方法とし
ては、シリンドリカルレンズ１２Ａを第１０ｒｊ！Ｉ（
ａ）の−点鎖線で示すような正弦曲線に従って調和振動
させると副走査方向の像面湾曲を第１０図（ｂ）のよう
に軽減することができる。

ここで、光走査装置の副走査方向の像面湾曲量とそのと
き振動させるシリンドリカルレンズ１２人の調和振動を
表す式は、偏向光束の偏向角をθ（０≦θ≦４π）とし
て、 ｘ　＝＝０．１３２２・ｃｏｓ（θ十０．５０３５）Ｘ
ニジリントリカルレンズの移動量（１）となり、また、
書き込み速度より、調和振動の周波数は４．２５ｋＨｚ
となる。

したがって、シリンドリカルレンズ１２Ａを周波数４．
２５ｋＨｚ、振帽２６４μｍで調和振動させれば副走査
方向の像面湾曲を第１０図（ｂ）のように補正すること
ができる。

本発明は、上述のシリンドリカルレンズの調和振動を実
現するための変位拡大装置を提供するものであり、その
具体的な実施例を第１図に示す。

第１図は本発明による変位拡大装置の平面図であって、
この変位拡大装置は、ｍ動回路からの信号に応じて微小
変位する積層型圧電アクチュエータ１の変位を拡大する
装置であって、てこ式に支持さ九た対称構造のアーム部
４ａ、４ｂを有し、該アーム部４ａ、４ｂの夫々一端側
が上記積層型圧電アクチュエータｌに連結され該アクチ
ュエータ１の変位に応じて他端側揺動端Ｃが揺動変位し
変位量を拡大するてこ式変位拡大機構４と、変位すべき
シリンドリカルレンズＣＬが取り付けられる動作部３ｃ
と該動作部３ｃの両側に夫々配される偶力による回転運
動を利用した偶力式変位拡大部３ａ、３ｂとを備え、偶
力式変位拡大部３ａ。

３ｂに上記で二式変位拡大機構４のアーム部４ａ。

４ｂ揺動端側が接続され、偶力式変位拡大部３ａ。

３ｂにてこ式変位拡大機構４のアーム部４ａ、４ｂの揺
動により偶力が作用したときに偶力式変位拡大部３ａ、
３ｂが回転運動して動作部３ｃを並進運動する偶力式変
位拡大機構３とを備えた構造となっており、上記アクチ
ュエータ１の微小変位を上記で二式変位拡大機構４のア
ーム部４ａ、４ｂを介して上記偶力式変位拡大機＠Ｓに
作用させ、動作部３ｃの並進運動として変位量を拡大し
て、シリンドリカルレンズＣＬを調和振動させるもので
ある。尚１図中符号２は積層型圧電アクチュエータｌ及
びてこ式変位拡大機構のアーム部４ａ。

４ｂを支持する支持部材である。

ここで、てこ式変位拡大機構の構成及び動作は前述の第
５図で説明したものと同様であり、偶力式変位拡大機構
の構成及び動作は前述の第７図で説明したものと同様で
ある。尚、積層型圧電アクチュエータ１が延び方向に変
位したときの変位時の状態を第２図に示す。

さて、前述したように、偶力式変位拡大機構３は３　ｋ
　Ｈｚ程度までの周波数応答性を持つが、この周波数応
答性での変位拡大率は約５倍が限度である。したがって
、アクチュエータとして例えば積層型圧電アクチュエー
タを用いた場合、その変位量は約１０μｍであるから、
偶力式変位拡大機構だけを用いた場合、動作部の変位量
は約５０μｍとなり、目標仕様によっては変位量が及ば
ないことがあり、例えば、第１０図に示すような像面湾
曲量を補正するには偶力式変位拡大機構３の変位量を５
倍拡大しなければならない。

そこで１本発明では、第１図に示すように、偶力式変位
拡大機構３に、てこ式変位拡大機構４を接続し、てこ式
変位拡大機構４によって変位量を拡大し、さらに大きな
変位量が得られるようにしたものである。

すなわち、第１図に示す変位拡大装置では、積層型圧電
アクチュエータ１の変位量を支点Ｂを中心にアーム部４
ａ、４ｂのてこの比で任意に拡大して偶力式変位拡大機
構３に作用させ、さらに偶力式変位拡大機構３により変
位を拡大して動作部のシリンドリカルレンズＣＬを所望
の変位量で変位させるわけである。

ところで、第１図に示す構成の変位拡大装置では、偶力
式変位拡大機構３とてこ式変位拡大機構４を組み合わせ
たことにより、変位量の拡大率を大きくとれ、光走査装
置の像面湾曲補正用装置のアクチュエータ部として十分
な機能を有するが、てこ式変位拡大機構４の部分が拡大
率によっては大きくなり、周波数応答性が悪くなるとい
う問題が生じる。

そこで１本発明ではこのような欠点を補うものとして、
第３図に示す実施例のように、変位拡大装置のてこ式変
位拡大機構４のアーム部４ａ、４ｂを、揺動端側に向か
って先細りのテーパ型に形成する。

有限要素法シミュレーションによれば、第３図に示すよ
うな先細りのテーパ型に形成されたアーム部４ａ、４ｂ
は、周波数応答性が優れていること力を明らかになった
。尚、アーム部をテーパ形状にした場合と、しない場合
の周波数安定性についての有限要素法シミュレーション
結果を第４図に示す。

第４図の結果より明らかなように、アーム部をテーパ形
状にすると、アーム部の質量軽減につながり、また、ア
ーム部の先端にいくほど剛性が小さくなるので周波数安
定性が向上し、しかも、アーム長に比して拡大率の大き
な変位拡大機構が実現できる。

したがって、第３図に示す構造の変位拡大装置を用いる
ことにより、光走査装置の像面湾曲補正用シリンドリカ
ルレンズを所定の周波数、移動量で単振動させることが
可能となる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、圧電素子、電歪
素子、磁歪素子等の伸縮変位するアクチュエータの変位
量を数倍乃至数１０倍に拡大することができ、光走査装
置の像面湾曲補正用装置のアクチュエータ部等として用
いるのに最適な変位拡大装置を提供することができる。

また、この装置は構成が比較的簡単であるから、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。

また、てこ式変位拡大機構のアーム部をテーパ形状にし
た場合には、より周波数特性の安定性を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す変位拡大装置の平面図
、第２図は同上変位拡大装置の変位時の状態を示す平面
図、第３図は本発明の別の実施例を示す変位拡大装置の
平面図、第４図は本発明の変位拡大装置のアーム部をテ
ーパ形状にした場合としない場合の周波数安定性につい
ての有限要素法シミュレーション結果を示す図、第５図
はてこ式変位拡大機構の原理説明図、第６図乃至第８図
は偶力式変位拡大機構の原理説明図、第９図は本発明の
変位拡大装置が適用される光走査装置の説明図、第１０
図は第９図に示す光走査装置における像面湾曲とその補
正方法の説明図である。 １・・・・アクチュエータ、２・・・・支持部材、３・
・・偶力式変位拡大機構、３ａ、３ｂ・・・・偶力式変
位拡大部、３ｃ・・・・動作部、４・・・・てこ式変位
拡大機構、アーム部・・・・４ａ、４ｂ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、駆動回路からの信号に応じて微小変位するアクチュ
   エータの変位を拡大する装置であって、てこ式に支持さ
   れたアーム部を有し、該アーム部の一端側が上記アクチ
   ュエータに連結され該アクチュエータの変位に応じて他
   端側が揺動変位し変位量を拡大するてこ式変位拡大機構
   と、変位すべき物体が取り付けられる動作部と該動作部
   の両側に夫々配される偶力による回転運動を利用した偶
   力式変位拡大部とを備え、偶力式変位拡大部に上記てこ
   式変位拡大機構のアーム部揺動端側が接続され、偶力式
   変位拡大部にてこ式変位拡大機構のアーム部の揺動によ
   り偶力が作用したときに偶力式変位拡大部が回転運動し
   て動作部を並進運動する偶力式変位拡大機構とを備え、 上記アクチュエータの微小変位を上記てこ式変位拡大機
   構のアーム部を介して上記偶力式変位拡大機構に作用さ
   せ、動作部の並進運動として変位量を拡大することを特
   徴とする変位拡大装置。 ２、請求項１記載の変位拡大装置において、てこ式変位
   拡大機構のアーム部を、揺動端側に向かって先細りのテ
   ーパ型にしたことを特徴とする変位拡大装置。