JPH04352120A - 光偏向方法 - Google Patents
光偏向方法Info
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- JPH04352120A JPH04352120A JP12744691A JP12744691A JPH04352120A JP H04352120 A JPH04352120 A JP H04352120A JP 12744691 A JP12744691 A JP 12744691A JP 12744691 A JP12744691 A JP 12744691A JP H04352120 A JPH04352120 A JP H04352120A
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- piezoelectric element
- displacement
- light beam
- reflecting mirror
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Landscapes
- Mechanical Optical Scanning Systems (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、レーザ加工機（レーザ
マーカ，レーザトリマ），ＯＡ機器（レーザプリンタ，
バーコードリーダ），測定器（レーザ顕微鏡，レーザ検
査器）等において、特に高速，高精度で、光ビームの走
査，切り替えを行う光偏向方法に関するものである。
マーカ，レーザトリマ），ＯＡ機器（レーザプリンタ，
バーコードリーダ），測定器（レーザ顕微鏡，レーザ検
査器）等において、特に高速，高精度で、光ビームの走
査，切り替えを行う光偏向方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、光偏向技術は、高速，高精度化の
方向に進んでおり、その従来技術としては、図４に示す
ような、ガルバノ・メータ・スキャナを用いた光偏向方
法が挙げられる。
方向に進んでおり、その従来技術としては、図４に示す
ような、ガルバノ・メータ・スキャナを用いた光偏向方
法が挙げられる。
【０００３】この方法は、ガルバノ・メータ１の回転軸
に、反射ミラー２を固定し、このガルバノ・メータ１の
振れにより、反射ミラー２を回転させることにより、光
ビームの走査，切り替えを行う方法である。
に、反射ミラー２を固定し、このガルバノ・メータ１の
振れにより、反射ミラー２を回転させることにより、光
ビームの走査，切り替えを行う方法である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
光偏向方法（ガルバノ・メータ・スキャナ）では、ガル
バノ・メータの剛性が小さいために、反射ミラーは外部
振動の影響を受けやすく、光路を高度に安定した状態で
維持し続けることが困難であった。更に、固有振動の観
点から、光ビームの走査速度，走査周波数，反射ミラー
の質量等について、数多くの制限が生じていた。
光偏向方法（ガルバノ・メータ・スキャナ）では、ガル
バノ・メータの剛性が小さいために、反射ミラーは外部
振動の影響を受けやすく、光路を高度に安定した状態で
維持し続けることが困難であった。更に、固有振動の観
点から、光ビームの走査速度，走査周波数，反射ミラー
の質量等について、数多くの制限が生じていた。
【０００５】そこで、本発明は上記課題を解決し、簡単
な機構で、高速，高精度に光ビームの走査，切り替えを
行う光偏向方法及びその装置を提供するものである。
な機構で、高速，高精度に光ビームの走査，切り替えを
行う光偏向方法及びその装置を提供するものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
の手段は、あらかじめ、圧電素子のヒステリシス特性の
モデリングを行っておき、そのヒステリシス・モデルを
参考にして、ヒステリシス特性を補正した制御電圧を、
圧電素子へ印加することにより、圧電素子の変位を制御
し、さらに、その変位を、直線運動から回転運動への変
換機構を用いて、反射ミラーを回転させて、光ビームの
走査，切り替えを行う方法である。
の手段は、あらかじめ、圧電素子のヒステリシス特性の
モデリングを行っておき、そのヒステリシス・モデルを
参考にして、ヒステリシス特性を補正した制御電圧を、
圧電素子へ印加することにより、圧電素子の変位を制御
し、さらに、その変位を、直線運動から回転運動への変
換機構を用いて、反射ミラーを回転させて、光ビームの
走査，切り替えを行う方法である。
【０００７】
【作用】まず始めに、圧電素子のヒステリシス特性のモ
デリングを行う。そして、そのヒステリシス・モデルを
参考にして、ヒステリシス特性を補正した制御電圧を、
圧電素子へ印加することにより、圧電素子の変位を制御
する。
デリングを行う。そして、そのヒステリシス・モデルを
参考にして、ヒステリシス特性を補正した制御電圧を、
圧電素子へ印加することにより、圧電素子の変位を制御
する。
【０００８】さらに、圧電素子の変位を、直線運動から
回転運動への変換機構を用いて、反射ミラーを回転させ
ることにより、光ビームの走査，切り替えを行う。
回転運動への変換機構を用いて、反射ミラーを回転させ
ることにより、光ビームの走査，切り替えを行う。
【０００９】圧電素子の変位は、印加する電圧の大きさ
によって正確に変化するため、この印加電圧を最適に制
御することにより、光ビームを正確に走査、及び、切り
替えを行うことができる。また、非線形要素を持つ圧電
素子のヒステリシス特性に対しては、十分に、そのモデ
リングを行うことにより、圧電素子を高精度に制御する
ことができる。更に、圧電素子の応答性は、非常に速い
ため、光ビームを高速に走査、及び、切り替えを行うこ
とができる。
によって正確に変化するため、この印加電圧を最適に制
御することにより、光ビームを正確に走査、及び、切り
替えを行うことができる。また、非線形要素を持つ圧電
素子のヒステリシス特性に対しては、十分に、そのモデ
リングを行うことにより、圧電素子を高精度に制御する
ことができる。更に、圧電素子の応答性は、非常に速い
ため、光ビームを高速に走査、及び、切り替えを行うこ
とができる。
【００１０】
【実施例】以下、図面を参照しながら、本発明を説明す
る。
る。
【００１１】図１は、本発明の一実施例を示す図である
。図１において、４は圧電素子（例えば、積層型圧電素
子）、５は本体ベース、６は支点ベース、７ａ，７ｂは
鋼球、８はコイルバネ、９は反射ミラーである。
。図１において、４は圧電素子（例えば、積層型圧電素
子）、５は本体ベース、６は支点ベース、７ａ，７ｂは
鋼球、８はコイルバネ、９は反射ミラーである。
【００１２】印加電圧に応じて歪（変位）が発生する圧
電素子４には、主に、積層型圧電素子とバイモルフ型圧
電素子の２種類がある。
電素子４には、主に、積層型圧電素子とバイモルフ型圧
電素子の２種類がある。
【００１３】積層型圧電素子はバイモルフ型圧電素子に
比べて、変位量は小さいが、その精度が高く発生力も大
きい、また、熱や騒音の発生が極めて小さく、かつ、入
力電気エネルギの機械エネルギへの変換効率が大きいの
で、消費電力も小さくてすむという長所があり、さらに
電極間距離を小さくすることにより、駆動電圧を低くす
ることができる。従って、光偏向装置に使用する圧電素
子４には、積層型圧電素子を用いるのが多い。
比べて、変位量は小さいが、その精度が高く発生力も大
きい、また、熱や騒音の発生が極めて小さく、かつ、入
力電気エネルギの機械エネルギへの変換効率が大きいの
で、消費電力も小さくてすむという長所があり、さらに
電極間距離を小さくすることにより、駆動電圧を低くす
ることができる。従って、光偏向装置に使用する圧電素
子４には、積層型圧電素子を用いるのが多い。
【００１４】積層型圧電素子は、図２に示すような構造
をしており、表裏両面に電極を形成した薄型の圧電セラ
ミックス３が、分極方向を対向するように何層も積層さ
れ、機械的に直列に配置されている。一方、電極は、一
層おきに取り出して、電気的には、並列構造となってお
り、その両端に電圧を加えると、一枚一枚の圧電セラミ
ックス３の変位が加算され、大きな変位が得られる。
をしており、表裏両面に電極を形成した薄型の圧電セラ
ミックス３が、分極方向を対向するように何層も積層さ
れ、機械的に直列に配置されている。一方、電極は、一
層おきに取り出して、電気的には、並列構造となってお
り、その両端に電圧を加えると、一枚一枚の圧電セラミ
ックス３の変位が加算され、大きな変位が得られる。
【００１５】また、圧電素子４の構成要素である圧電セ
ラミックス３は、強誘電体であるジルコンチタン酸鉛（
ＰＺＴ）にて形成されているため、いわゆる、ヒステリ
シス特性を有している。例えば、圧電素子４への印加電
圧に対する、圧電素子４の変位特性は、図３に示すよう
な非線形要素を持つヒステリシス特性となる。つまり、
印加電圧の増加時の変位と、減少時の変位との間に、誤
差があるため高精度の位置決めには不十分である。
ラミックス３は、強誘電体であるジルコンチタン酸鉛（
ＰＺＴ）にて形成されているため、いわゆる、ヒステリ
シス特性を有している。例えば、圧電素子４への印加電
圧に対する、圧電素子４の変位特性は、図３に示すよう
な非線形要素を持つヒステリシス特性となる。つまり、
印加電圧の増加時の変位と、減少時の変位との間に、誤
差があるため高精度の位置決めには不十分である。
【００１６】つまり、高精度の位置決めを行うためには
、通常、高精度の位置センサーと共に、クローズド・ル
ープ・システムを構成し、上記位置センサーからの信号
に基いてヒステリシスの影響が生じないように、印加電
圧をフィード・バック制御する必要がある。ところが、
印加電圧のフィード・バック制御を行っているため、高
速制御，安定性という面において問題がある。
、通常、高精度の位置センサーと共に、クローズド・ル
ープ・システムを構成し、上記位置センサーからの信号
に基いてヒステリシスの影響が生じないように、印加電
圧をフィード・バック制御する必要がある。ところが、
印加電圧のフィード・バック制御を行っているため、高
速制御，安定性という面において問題がある。
【００１７】そこで、本発明においては、まず始めに、
使用する圧電素子４（あるいは、光偏向装置に組み込ん
だ状態での圧電素子４）のヒステリシス特性の解析を、
十分に行い、そのヒステリシス・モデルを作成する。こ
こで、圧電素子４のヒステリシス特性は、圧電素子４が
置かれている状態によって変化するため注意が必要であ
る。例えば、その状態変数には、圧電素子４の両端にか
けている印加電圧，圧電素子４の変位量，圧電素子４へ
の機械的負荷量、及び現時点までに圧電素子４にかけた
印加電圧の経過等が挙げられる。
使用する圧電素子４（あるいは、光偏向装置に組み込ん
だ状態での圧電素子４）のヒステリシス特性の解析を、
十分に行い、そのヒステリシス・モデルを作成する。こ
こで、圧電素子４のヒステリシス特性は、圧電素子４が
置かれている状態によって変化するため注意が必要であ
る。例えば、その状態変数には、圧電素子４の両端にか
けている印加電圧，圧電素子４の変位量，圧電素子４へ
の機械的負荷量、及び現時点までに圧電素子４にかけた
印加電圧の経過等が挙げられる。
【００１８】そして、このヒステリシス・モデルを参考
にして、ヒステリシス特性を補正した制御電圧を、圧電
素子４の両端に印加することにより、圧電素子４の変位
を高精度に制御することができる。
にして、ヒステリシス特性を補正した制御電圧を、圧電
素子４の両端に印加することにより、圧電素子４の変位
を高精度に制御することができる。
【００１９】次に、図１で示した光偏向装置の機械的動
作を説明する。まず始めに、上記で示したように、ヒス
テリシス特性を補正した制御電圧を、圧電素子４の両端
に印加すると、圧電素子４は高精度に変位する。変位し
た圧電素子４は、一端が本体ベース５で固定されている
ため、その逆方向に変位する。つまり、この変位は、圧
電素子４上の鋼球７ａを介して、反射ミラー９に伝えら
れる。
作を説明する。まず始めに、上記で示したように、ヒス
テリシス特性を補正した制御電圧を、圧電素子４の両端
に印加すると、圧電素子４は高精度に変位する。変位し
た圧電素子４は、一端が本体ベース５で固定されている
ため、その逆方向に変位する。つまり、この変位は、圧
電素子４上の鋼球７ａを介して、反射ミラー９に伝えら
れる。
【００２０】一方、反射ミラー９は、本体ベース５と、
コイルバネ８で固定されている。そのため、圧電素子４
の直線運動（変位）は、本体ベース５に固定された支点
ベース６上の鋼球７ｂを支点として、反射ミラー９への
回転運動に変換される。
コイルバネ８で固定されている。そのため、圧電素子４
の直線運動（変位）は、本体ベース５に固定された支点
ベース６上の鋼球７ｂを支点として、反射ミラー９への
回転運動に変換される。
【００２１】このように、反射ミラー９が回転運動する
ことにより、光ビームの走査，切り替えを行うことがで
きる。
ことにより、光ビームの走査，切り替えを行うことがで
きる。
【００２２】つまり、あらかじめ、圧電素子４のヒステ
リシス特性のモデリングを行い、そのヒステリシス・モ
デルを参考にして、ヒステリシス特性を補正した制御電
圧を、圧電素子４へ印加することにより、圧電素子４の
変位を制御し、さらに、その変位を、直線運動から回転
運動への変換機構を用いて、反射ミラー９を回転させる
ことにより、光ビームを高精度に走査、及び、切り替え
を行うことができる。
リシス特性のモデリングを行い、そのヒステリシス・モ
デルを参考にして、ヒステリシス特性を補正した制御電
圧を、圧電素子４へ印加することにより、圧電素子４の
変位を制御し、さらに、その変位を、直線運動から回転
運動への変換機構を用いて、反射ミラー９を回転させる
ことにより、光ビームを高精度に走査、及び、切り替え
を行うことができる。
【００２３】更に、圧電素子４の応答性は、従来の光偏
向方法（ガルバノ・メータ・スキャナ）に比べて、非常
に速いため、光ビームを高速に走査、及び、切り替えを
行うことができる。
向方法（ガルバノ・メータ・スキャナ）に比べて、非常
に速いため、光ビームを高速に走査、及び、切り替えを
行うことができる。
【００２４】一方、圧電素子４のヒステリシス特性は、
周囲環境（温度等）により変化する場合がある。そのた
め、この光偏向装置を使用しながら、学習制御を用いて
、圧電素子４のヒステリシス・モデルの更新を行う。 この更新されつつあるヒステリシス・モデルを用いるこ
とにより、圧電素子４の制御を行うと、より安定して、
高精度に光ビームを走査、及び、切り替えを行うことが
できる。
周囲環境（温度等）により変化する場合がある。そのた
め、この光偏向装置を使用しながら、学習制御を用いて
、圧電素子４のヒステリシス・モデルの更新を行う。 この更新されつつあるヒステリシス・モデルを用いるこ
とにより、圧電素子４の制御を行うと、より安定して、
高精度に光ビームを走査、及び、切り替えを行うことが
できる。
【００２５】更に、光ビームで偏向するパターンを限定
し、それらのパターンに対して、ヒステリシス特性を補
正した電圧を、圧電素子４へ印加することにより、圧電
素子４の変位を制御することにより、より簡易的に、光
ビームを走査、及び、切り替えを行うことができる。
し、それらのパターンに対して、ヒステリシス特性を補
正した電圧を、圧電素子４へ印加することにより、圧電
素子４の変位を制御することにより、より簡易的に、光
ビームを走査、及び、切り替えを行うことができる。
【００２６】
【発明の効果】以上述べたように、あらかじめ、圧電素
子のヒステリシス特性のモデリングを行い、そのヒステ
リシス・モデルを参考にして、ヒステリシス特性を補正
した電圧を、圧電素子へ印加することにより、圧電素子
の変位を制御し、さらに、その変位を、直線運動から回
転運動への変換機構を用いて、反射ミラーを回転させる
ことにより、光ビームを高速，高精度に走査、及び切り
替えを行うことができる。
子のヒステリシス特性のモデリングを行い、そのヒステ
リシス・モデルを参考にして、ヒステリシス特性を補正
した電圧を、圧電素子へ印加することにより、圧電素子
の変位を制御し、さらに、その変位を、直線運動から回
転運動への変換機構を用いて、反射ミラーを回転させる
ことにより、光ビームを高速，高精度に走査、及び切り
替えを行うことができる。
【００２７】さらに、この圧電素子のヒステリシス・モ
デルの更新を行いながら、圧電素子の直線運動を制御す
ると、より安定して、高精度に光ビームを走査、及び、
切り替えを行うことができる。
デルの更新を行いながら、圧電素子の直線運動を制御す
ると、より安定して、高精度に光ビームを走査、及び、
切り替えを行うことができる。
【００２８】一方、光ビームで偏向するパターンを限定
し、それらのパターンに対して、ヒステリシス特性を補
正した制御電圧を、圧電素子へ印加することにより、圧
電素子の変位を制御することにより、より簡易的に、光
ビームを走査、及び、切り替えを行うことができる。
し、それらのパターンに対して、ヒステリシス特性を補
正した制御電圧を、圧電素子へ印加することにより、圧
電素子の変位を制御することにより、より簡易的に、光
ビームを走査、及び、切り替えを行うことができる。
【図１】本発明の第１の実施例における光偏向装置の構
成図
成図
【図２】積層型圧電素子の構成図
【図３】積層型圧電素子のヒステリシス特性図
【図４】
従来の光偏向装置の構成図
従来の光偏向装置の構成図
４ 圧電素子
９ 反射ミラー
Claims (3)
- 【請求項１】 圧電素子のヒステリシス特性のモデリ
ングを行い、そのヒステリシス・モデルを参考にして、
ヒステリシス特性を補正した制御電圧を、圧電素子へ印
加することにより、圧電素子の変位を制御し、さらに、
その変位を、直線運動から回転運動への変換機構を用い
て、反射ミラーを回転させて、光ビームを偏向させるこ
とを特徴とする光偏向方法。 - 【請求項２】 圧電素子のヒステリシス・モデルの更
新を行いながら、圧電素子の変位を制御することを特徴
とする請求項１記載の光偏向方法。 - 【請求項３】 光ビームで偏向するパターンを限定し
、それらのパターンに対して、ヒステリシス特性を補正
した制御電圧を、圧電素子へ印加することにより、圧電
素子の変位を制御することを特徴とする請求項１記載の
光偏向方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12744691A JPH04352120A (ja) | 1991-05-30 | 1991-05-30 | 光偏向方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12744691A JPH04352120A (ja) | 1991-05-30 | 1991-05-30 | 光偏向方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04352120A true JPH04352120A (ja) | 1992-12-07 |
Family
ID=14960133
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12744691A Pending JPH04352120A (ja) | 1991-05-30 | 1991-05-30 | 光偏向方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH04352120A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2016206541A (ja) * | 2015-04-27 | 2016-12-08 | 株式会社リコー | 光偏向装置、２次元画像表示装置、光走査装置及び画像形成装置 |
-
1991
- 1991-05-30 JP JP12744691A patent/JPH04352120A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2016206541A (ja) * | 2015-04-27 | 2016-12-08 | 株式会社リコー | 光偏向装置、２次元画像表示装置、光走査装置及び画像形成装置 |
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