JPH0437815A - 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〕 本発明は電磁アクチュエーターを駆動源として用い、こ
の電磁アクチュエーターの微小な変位を拡大する変位拡
大装置に関し、特に、レーザプリンタやデジタル複写機
、レーザープロッタ、レーザーファクシミリ、レーザー
製版機等の光走査装置における像面湾曲補正機構等に応
用す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、磁歪素子等の電磁アクチュエータ
ーは応答が正確で且つ高速の駆動が可能であり種々の分
野に変位手段として使用されている。

しかし、これらの電磁アクチュエーターは変位量が小さ
いので、使用目的によっては電磁アクチュエーターの変
位量を拡大して変位する変位拡大装置が必要となる。

例えば、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
するために、光源である半導体レーザーや結像レンズ等
を光走査に同期して変位することが知られているし、最
近では光源と光偏向装置の間にあるシリンダーレンズを
光軸方向へ変位させて像面湾曲の除去・軽減を行うこと
が提案されている。

このような像面湾曲の補正に必要なシリンダーレンズ等
の変位量は通常数１００μｍであるが、電磁アクチュエ
ーターの変位量は通常数１０μｍ程度であり、数倍ない
し数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〕

電磁アクチュエーターの変位量を拡大する変位拡大装置
としては種々のものが知られ、また提案されているが、
何れも構成の複雑なものが多く実用的でない。また、従
来の種々の変位拡大装置は周波数応答性も悪く、前述の
像面湾曲の補正時における数ｋＨｚの即動周波数では追
従性が悪く問題となる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、比較
的簡単な構成で変位の拡大が可能な新規な変位拡大装置
の提供を目的とする。また、駆動源として用いられる電
磁アクチュエーターを高速で駆動する場合に、電磁アク
チュエーターの変位に応じた拡大変位が得られるような
周波数追従性の高い変位拡大機構を備えた変位拡大装置
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〕以下、本発明に
よる変位拡大装置の構成、動作について説明する。

本発明による変位拡大装置は、「電磁アクチュエーター
を駆動源として用い、この電磁アクチュエーターの微小
な変位を拡大する装置」である。

この変位拡大装置の変位拡大機構は、「矩形形状を有す
る複数のブロック部ノが配されるとともに、ブロック部
配列の長手方向両端部に変形力を受けるための「力作用
部」を有する。

各ブロック部間及びブロック部と力作用部との間は「応
力集中部」により連結されて、全体が一体的に形成され
る。

各応力集中部の配置は「両端部の力作用部に上２！電磁
アクチュエータによって互いに逆向きの１対の変形力を
長手方向へ作用させたとき、応力集中部の変形により全
体が弓なりに変形するように」定められる。

そして、変形力の作用による両端部の変位が、上記弓な
りの変形のｔＩ！幅として並進運動に変換され変位が拡
大される。

尚、本発明では、上記変位拡大機構の応力集中部の一部
若しくは全てに変形力の作用方向に対して斜めに傾斜し
たアームを使用すると共に、各ブロック部両側の応力集
中部は略平行になるように配置し、且つ上記弓なりの変
形振幅の中心に対して全体が左右対称構造となるように
し、上記力作用部に変形力が作用していないときに、変
位波フ（機構の全体が予め弓形になるように構成するこ
とにより、全体の変形に要する力を軽減し、電磁アクチ
ュエーターを小型化する等の手段によって、変位拡大装
置全体の重量の軽減及び周波数追従性の向上を図ってい
る。

以下、本発明をより具体的に説明する。

第１図（Ａ）は本発明の変位拡大装置の変位拡大機構の
一例を示している。

この例では、変位拡大機構は３つのブロック部８１〜Ｂ
３と力作用部Ｃ１，Ｃ２と応力集中部Ｄ１〜Ｄ４とを有
する。

ブロック部８１〜Ｂ３は矩形形状で図示の如く配列され
、さらにその配列の長手方向両端部に力作用部Ｃ１とＣ
２とが配備されている。

これらブロック部８１〜Ｂ３と力作用部ＣＩ、　Ｃ２相
互の間は、両刃作用部への変形力の作用方向に対して斜
めに傾斜したアームからなる応力集中部Ｄ１〜Ｄ４によ
り連結されている。

これらブロック部８１〜Ｂ３、力作用部ＣＩ、　Ｃ２、
応力集中部Ｄ１〜Ｄ４は全体が単一の材料で一体的に構
成されている。変位の拡大は以下に説明するように応力
集中部の変形により行われるので、変位拡大機構の構成
材料としては変位拡大に必要な応力集中部の変形が弾性
変形として実現されるような材料が用いられる。

応力集中部Ｄｉ、　Ｃ４とＣ２，Ｃ３とはブロック部の
幅方向即ち第１図（Ａ）の上下方向で形成位置が異なっ
ている。このため、変位拡大機構の長手方向において互
いに逆向きの力を力作用部Ｃ１，Ｃ２に作用させるとブ
ロック部Ｂ１と８３には、互いに逆向きの偶力が作用す
ることになる。

例えば上記逆向きの力が引っ張り力であると、第１図（
Ｂ）に示すようにブロック部Ｂ１は時計回り、ブロック
部Ｂ３は反時計回りに回転し、変位拡大機構の全体は図
のように下向きの弓形に変形する。

逆に、力作用部ＣＩ、　Ｃ２に一対の圧縮力を作用する
と、変形は第１図（Ｃ）に示すように上向きの弓形にな
る。

従って、この弓なりの変形を利用して力作用部の変位を
この変位と直交する方向の変位に変換し且つ拡大するこ
とができ、中央のブロック部Ｂ２を並進運動することが
できる。

尚、本発明では、上記変位拡大機構の応力集中部Ｄ１〜
Ｄ４の一部若しくは全てに変形力の作用方向に対して斜
めに傾斜したアームを使用すると共に、各ブロック部８
１〜Ｂ３両側の応力集中部は略平行になるように配置し
、且つ上記弓なりの変形振幅の中心に対して全体が左右
対称構造となるようにし、上記力作用部ＣＩ、　Ｃ２に
変形力が作用していないときに、変位拡大機構の全体が
予め弓形になるように構成したことにより、全体の変形
に要する力を軽減することができる。

また、第１図の例ではブロック部は３つであるが、これ
に限らずブロック部は５個でも良いし、７個以上の奇数
個のブロック部を有するように変位拡大機構を構成する
こともできる。

また、移動物体を中央のブロック位置に直接配置すれば
、ブロックの個数は偶数個に構成することもできる。

さて、上述の変位拡大機構の力作用部に変形力を作用さ
せる手段として電磁アクチュエーターが少なくとも一方
側の力作用部に連結され、変位拡大装置が構成される。

次に、第１図に示す変位拡大機構の例に即して、変位の
拡大率を説明する。

上に説明した例において拡大された変位量はブロック部
Ｂ１と８３の互いに逆向きの回転により生じていること
は明らかである。

そこで、第２図（Ａ）に示すようにブロック部Ｂｌに就
き、その長さをａ、ブロック部帽方向における応力集中
部ＤＩ、　Ｃ２間の距離をｂとし、第２図（Ｂ）に示す
ようにブロック部Ｂ１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。

ここで、力作用部に力の作用していない状態を符号Ｂ１
０（第１図（Ａ）の状態に対応）とし、圧縮力の作用に
より変位拡大機構が第１図（Ｃ）のように上向き弓なり
に変形したときの状態を符号Ｂ１□で表し、この変形に
伴うＸ、Ｙ軸上の変位をｕ、、　ｕアとする。

このとき、明らかに次の関係が成り立つ。

ａ　”　＋　ｂ　”　＝　（ａ　−ｕ、）”　＋　（ｂ
　＋ｕ、）”＝ａ２＋ｂ”＋ｕ、”＋ｕ、”−２ａｕ、
＋２ｂｕ。

ｕｘｔ　ｕ、がａ、ｂに比して微小量であることを考慮
し、ｕｘｔ　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（ａｕｘ−ｂｕｙ）＝０ これから変位の拡大率（ミｕｙ／ｕｊは（ａ／ｂ）とな
ることが分かる。

ここで、ａ＝９．０ｍｍ、　ｂ＝１．５ｏ＋ｍとした場
合の第１図の変位拡大機構の拡大変位量の駆動周波数特
性を有限要素法によりシミュレーションした結果を第２
図（Ｃ）に示す。尚、開動源すなわち変位拡大機構の両
端部の力作用部に変位を与える電磁アクチュエーターと
しては積層型圧電アクチュエーターを用いた。この積層
型圧電アクチュエーターの変位量は図に示すように周波
数○から３０００Ｈｚまで略１０μｍ程度で安定してい
る。

周波数Ｏのときの拡大変位量ｕ、は５１．３μｍである
、一方、理論的に求めた拡大＊（ａ／ｂ）は、９．０／
１．５＝６であり、積層型圧電アクチュエーターの変位
量ｕ、＝９．３を用いると、理論上の拡大変位量は５５
．８μｍとなりシミュレーションの結果と良く一致する
。

また、駆動周波数３０００１（ｚに対しては、シミュレ
ーションによる拡大変位量６１μｍに対して理論上の値
は６０μｍで両者は極めて良く一致する。このことは本
発明の変位拡大装置の設計が容易であることを意味して
いる。

〔実　施　例〕

以下、具体的な実施例について詳細に説明する。

尚、第４図に示すような公知の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利用する場合の実
施例について説明する。

第４図において、半導体レーザーＬＤとコリメートレン
ズＣＬにより構成される光源装ｆｉｆｆｉｌからの平行
な光束はアパーチュア８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
持つシリンダーレンズ２Ａにより回転多面鏡３の偏向反
射面４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４により反射された光束は回転多面鏡３
の回転により偏向され、レンズ５，６により構成される
ｆθレンズに入射し同ｆθレンズの作用により被走査面
７上に光スポットとして結像して被走査面７を光走査す
る。

ｆθレンズは主走査方向の像面湾曲を極めて良好に補正
されているが、副走査方向には第５図（Ａ）に示すよう
な像面湾曲を有する。

このときシリンダーレンズ２Ａを、第５図（Ｂ）に示す
ような正弦曲線に従って変位させると副走査方向の像面
湾曲を第５図（Ｃ）のように軽減できる。

尚、第５図（Ｂ）でβはｆθレンズの副走査方向の結像
倍率である。

第５図（Ｂ）の正弦曲線は、偏向光束の偏向角をθとし
て、 （！’Ｃ０８（θ＋φ）［ｍｌｎ］ と表すことができる。ここでαは振＠　［ｍｍｌ　、φ
は位相角［ｒａｄ］とする。また振動の周波数は光走査
速度により決定され、その値は数ｋＨｚに達する。

従って、シリンダーレンズ２Ａに振１１１ｇ２　Ｇ！　
［ｍｍｌ、−。

で数ｋｌ−１ｚオーダーの単振動を行わせれば、副走査
方向の像面湾曲を第５図（Ｃ）のように改良できる。

ところで、上述のように、高速でしかも安定な単振動を
得るためには、変位拡大装置の振動系の共振周波数を駆
動周波数に比べて十分高くなるように設計をしなければ
ならない。そのためには、振動系の質量を下げることが
重要となる。

ここで、第３図は本発明による変位拡大装置の一実施例
を示す図であって、符号１０は第１図及び第２図に即し
て説明した変位拡大機構を示している。また、図中符号
１３．１５は変位拡大機構１０の力作用部Ｃ１，Ｃ２と
固定部材１７との間に装着された電磁アクチュエーター
を夫々示している。

尚、像面湾曲補正用のシリンダーレンズ２人は変位拡大
装置ｉ１０の中央のブロック部Ｂ２に固定されている。

さて、本発明による変位拡大装置では、第３図に示すよ
うに、応力集中部のアームを変形力の作用方向に対して
斜めに傾斜し、各ブロック部８１〜８３両側の応力集中
部は略平行になるように配置し、且つ上記弓なりの変形
振幅の中心に対して全体が左右対称構造となるようにし
、上記力作用部ＣＩ。

Ｃ２に変形力が作用していないときに、変位拡大機構１
０の全体が予め弓形になるように構成したことにより、
変形時に変形に要する力が小さくて済むため、電磁アク
チュエーター１３．１５のサイズ（特に断面積）が小さ
くでき、変位拡大装置全体の小型化と周波数追従性の向
上が可能となる。

したがって、第３図に示す構成の変位拡大装＝において
は、電磁アクチュエーター１３．１５を光走査に同期し
て数ｋＨｚの周波数で駆動して、シリンダーレンズ２人
を光軸方向へ周波数追従性よく単振動させることができ
、第５図（Ｃ）に近い副走査方向の像面湾曲補正を実現
できる。

〔発明の効果〕

以上、本発明によれば新規な構成及び原動方式の変位拡
大装置が提供できる。

この装置は前述の如く構成が極めて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
良く実現できるため、光走査装置における副走査方向の
像面湾曲補正用装置等に用いるのに実用的である。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の変位拡大装置の変位拡大機
構部を具体的−例に即して説明するための図、第３図は
本発明の変位拡大装置の実施例を説明するための図、第
４図は光走査装置の説明図、第５図は第４図に示す光走
査装置における副走査方向の像面湾曲及びその補正方法
を説明するための図である。 １０・・・・変位拡大機構、１３．１５・・・・電磁ア
クチュエーター、１７・・・・固定部材、Ｂｌ、　Ｂ２
．　Ｂ３・・・・ブロック部、ＣＩ、　Ｃ２・・・・力
作用部、Ｄｉ、Ｄ２．Ｄ３．Ｄ４・・・・応力集中部。 １７Ｐ）２ ＣＣ，） 処

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 電磁アクチュエーターを駆動源として用い、この電磁ア
   クチュエーターの微小な変位を拡大する装置であって、 矩形形状を有する複数のブロック部が配されるとともに
   、ブロック部配列の長手方向両端部に変形力を受けるた
   めの力作用部を有し、各ブロック部間及びブロック部と
   力作用部との間が応力集中部により連結されて、全体が
   一体的に形成され、上記電磁アクチュエーターによって
   両端部の力作用部に互いに逆向きの一対の変形力を長手
   方向へ作用させたとき、応力集中部の変形により全体が
   弓なりに変形するように、各応力集中部の位置が定めら
   れ、変形力の作用による両端部の変位を、上記弓なりの
   変形の振幅として拡大するように構成された変位拡大機
   構を備えてなり、 上記応力集中部の一部若しくはその全てに上記変形力の
   作用方向に対して斜めに傾斜したアームを使用すると共
   に、各ブロック部両側の応力集中部は略平行になるよう
   に配置し、且つ上記弓なりの変形振幅の中心に対して全
   体が左右対称構造となるようにし、上記力作用部に変形
   力が作用していないときに変位拡大機構の全体が予め弓
   形になるように構成したことを特徴とする変位拡大装置
   。