JPH0438053B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は対物レンズ、超音波振動子等の二次
元駆動装置に関し、小型且つ簡単な構造で効率よ
く二次元駆動が実現できる二次元駆動装置の改良
に関するものである。

二次元駆動装置は種々の技術分野にわたつて、
ひろく利用されているが、特に近年ビデオデイス
クや超音波顕微鏡などの技術分野において、小
型、軽量、低コストの二次元駆動装置の実現が切
望されている。

光学方式ビデオデイスクプレーヤを例にとる
と、レーザ光を微少スポツトに集光して情報記録
担体にらせん又は同心円状に記録されたピツト情
報を読み取る際次の様な課題があつた。即ち情報
記録担体を回転させたとき、情報記録担体の凹
凸、偏心、あるいは振動のために、ピツト情報位
置が二次元的に変動するため、光スポツトの焦点
を情報記録担体上に合わせるフオーカシング制
御、並びに光スポツトを常に正しい信号トラツク
に追従させるトラツキング制御をいかに行なうか
という点である。

そこで従来第１図で示す二次元駆動装置が提案
されてきた。

１は透明なプラスチツク等で形成された円盤状
の情報記録担体、２はこの情報記録担体１にらせ
ん又は同心円状に情報として記録されたピツトで
ある。

二次元駆動装置３の対物レンズ４はレーザ光束
５を情報記録担体１のピツト上に集束させるため
のものである。この対物レンズ４は板バネ６，７
を介してフオーカス用ムービングコイル機構９に
連結され、コイル１０への通電により上下方向に
移動する。更に対物レンズ４は板バネ８を介して
トラツキング用ムービングコイル機構１１に連結
されコイル１２への通電により、フオーカス方向
の移動と別個に、左右方向に移動する。

情報記録担体１の偏心回転や上下の振れが検出
されるとトラツキング用ムービングコイル機構１
１、フオーカス用ムービングコイル機構９がそれ
ぞれ独立に作動し、ビームスポツトは常に情報ト
ラツクに対し集束した状態を保ちながら追従す
る。

しかし、上記構成の二次元駆動装置において
は、対物レンズ４を二次元的に作動させるため
に、フオーカス用ムービングコイル機構９とトラ
ツキング用ムービングコイル機構１１の原理構成
が同一な装置を２個運動方向が互に直角となるよ
うに配設するため、対物レンズと駆動部を近接さ
せることができず、装置が大型化、複雑化し、動
作能率が劣るという欠点があつた。

この発明は上記欠点を除去した小型で、構成が
簡単な二次元駆動装置を提供することを目的とす
る。

この発明の一実施例を図面を参照しながら以下
説明する。

第２図はこの発明の二次元駆動装置の原理を模
式的に説明したもので、ここで二次元駆動を行う
対象は可動部材１３である。この可動部材１３を
挾むように中間部材１４及び１５が配置され、可
動部材１３と中間部材１４，１５とは長さａの板
ばね１７，１８，１９，２０により連結されてい
る。再に詳細に説明すると、各板バネ１７，１
８，１９，２０はｘ方向に任意角度α₁傾けて、そ
の一端が可動部材１３に固定され、他端が中間部
材１４，１５に固定されている。

この様な構成により、中間部材１４，１５がｚ
方向に移動すると、各板バネ１７〜２０の連結部
近傍が変形し、可動部材ｘ，ｚの方向に二次元的
に移動させる。

一方中間部材１４，１５はｚ方向に移動可能
で、中立点が維持されるようにそれぞれその両端
がベース１６と板バネ２１〜２４によつて連結さ
れている。

以上の構成において、中間部材１４，１５を例
えばｚ方向にそれぞれ独立にS₄，S₅移動させる
と、可動部材１３はS₄，S₅と一定関係において、
ｘ並びにｚ方向に移動する。即ち、可動部材１３
をｘ並びにｚ方向に所定距離変位させたい場合、
中間部材１４，１５をそれぞれ所定距離ｚ方向に
移動させるだけで可動部材１３を変位させること
ができる。

この理由を以下説明する。

第３図は支持部材１７，１８を更に模式的に示
した図で、この支持部材１７，１８とｚ方向の破
線Ｔとにより二等辺三角形A₁，B₁，C₂が形成さ
れる。いま中間部材１４，１５をそれぞれｚ方向
にS₄，S₅微少変位させたとすると、三角形
A₁B₁C₁は三角形A₂B₂C₂に変形する。

このとき頂点A₁に着目して、その変位量がｚ
方向にΔz，ｘ方向にΔxあつたする。

ここで∠A₁C₁B₁＝∠A₁B₁C₁＝π／２−α₁＝θ₁， _{1 1}＝ｌ A₁よりB₁C₁に下した垂線_{1 1}＝d₁ ∠A₂C₂B₂＝∠A₂B₂C₂＝π／２−α₂＝θ₂，_{2 2}＝d₂ とすると、Δz，Δxは以下で示される。

Δz＝S₄＋S₅／２ Δx＝d₁−d₂ ＝d₁−S₄−S₅＋ｌ／２tanθ₂ ここでsinθ₁＝d₁／ａ，sinθ₂＝d₂／ａ＝d₁−Δx／ａ ∴sinθ₁／sinθ₂＝d₁／d₁−Δx＝１／１−Δx／d₁ Δxはd₁に比較して非常に小さいから Δx／d₁≒０ ∴θ₁≒θ₂ ∴Δx＝d₁−S₄−S₅＋ｌ／２tanθ₁ ＝d₁−ｌ／２tanθ₁−（tanθ₁／２）（S₄−S₅） ＝d₁−d₁−（tanθ₁／２）（S₄−S₅） ＝C₀（S₄−S₅）（C₀＝−tanθ₁／２＝定数） 以上より中間部材１４，１５をそれぞれｚ方向
に微少変位S₄，S₅させたとき、可動部材１３のｚ
方向並びにｘ方向のそれぞれの変位量Δz，Δxは
次式で示される。

Δz＝S₄＋S₅／２ Δx＝C₀（S₄−S₅）（C₀は定数） (1) (1)式から中間部材１４，１５を別々に何らかの
駆動手段でｚ方向に移動させてやれば、可動部材
１３のｘ並びにｚ方向に所定量移動可能な二次駆
動装置を実現することができる。

次に上記二次元駆動の原理を実際の製品に利用
した二次元駆動装置の一実施例について説明す
る。

第４図はビデオデイスクプレーヤー、CDプレ
ーヤー等に使用される光学式ピツクアツプ装置を
示したものである。

まずピツクアツプ装置のアクチユエイター部３
８について説明する。

ここで可動部材１３′、中間部材１４′，１５′、
板バネ１７〜２０、板バネ２１′，２２′の構成は
第２図の構成とほぼ同一である。

ｚ軸方向に光軸を有する対物レンズ２５が固定
されたレンズ鏡筒２６は、中間部材１４′，１
５′のそれぞれに形成された開口２７，２８を貫
通した状態で、可動部材１３′に固定されている。
非磁性材からなる円筒パイプ２９，３０は対物レ
ンズ光軸と同心的にそれぞれ中間部材１４′，１
５′に固定されており、この円筒パイプ２９，３
０にはそれぞれ可動コイル３６，３７が巻装され
ている。

ベース３５には環状永久磁石３３とこれを挾む
ようにヨーク３１ａ，３１ｂが固定されている。
ヨーク３１ａとヨーク３１ｂは間隙を介して可動
コイル３６並びに円筒パイプ２９を挾むように配
設されており、環状永久磁石３３→ヨーク３１ａ
→間隙→ヨーク３１ｂ→環状永久磁石３３からな
る第１の磁気回路を形成している。

一方、上記第１の磁気回路と同様な構成並びに
機能を有する第２の磁気回路が可動部材１３′に
関して対称な位置にベース３５に固定された環状
永久磁石３４、ヨーク３２ａ，３２ｂによつて形
成されている。

また中間部材１４′，１５′はベース３５に対し
てｚ方向に移動可能となるようそれぞれ板バネ２
１′，２２′によつてベース３５に連結されてい
る。

次にトラツキング並びにフオーカシングの誤差
検出を行うためのピツクアツプ装置における検出
部３９を説明する。この検出部３９は従来提案さ
れている方式を利用できる。

レーザー光源４０を出た光は、直線偏光のほと
んどが平行光線で回折格子４１に入射し、ここで
０次、±１次光の３つの光束に分割され拡大レン
ズ４２に向う。この±１次光はトラツキング信号
に用いられ、０次光は焦点位置の検出及び情報信
号検出のために用いられる。

拡大レンズ４２で拡大された光は、偏光分割プ
リズム４３を通り、1/4波長板４４を通過した後、
対物レンズ２５によつて情報記録担体１上に結像
される。正常位置状態では０次光はピツト２上
に、±１次光はピツト２にかからない状態で、こ
の両側に結像される。光は情報記録担体１面上で
反射され、再び対物レンズ２５，1/4波長板４４
を通つて偏光分割プリズム４３に入いる。このと
き光は行きと帰りで1/4波長板４４を２度通過す
ることにより、行きの光と戻りの光の位相は180゜
変化する。この位相差のために、戻り光は偏光分
割プリズム４３において、シリンドリカルレンズ
４５へ向う光路に切り換えられる。その後０次光
は４個のフオトダイオード４６ａ，４６ｂ，４６
ｃ，４６ｄからなる４分割フオトダイオード４６
上に結像される。一方±１次光の２つの光束はそ
れぞれ４分割フオトダイオード４６の両側に配設
された第１のフオトダイオード４７及び第２のフ
オトダイオード４８に結像される。

第１のフオトダイオード４７と第２のフオトダ
イオード４８のそれぞれの出力は差動増巾器４９
に入力され、両者の出力値の差がトラツキング信
号e_xとして出力される。一方４分割フオトダイオ
ード４６の各フオトダイオードの出力は、差動増
巾器５０において（４６ａ＋４６ｃ）−（４６ｂ＋
４６ｄ）の演算増巾を行いフオーカシング信号e_z
として出力される。

情報記録担体１上に光スポツトが焦点を結んだ
状態とそうでないときでは、シリンドリカルレン
ズ４５の性質により、４分割フオトダイオード４
６上での結像パターンが変化する。即ち焦点が合
つたときは円形、そうでないときは情報記録担体
１が対物レンズ２５に近ずくか、遠ざかるかで縦
長又は横長の楕円形のパターンが結像される。

従つて、フオーカシング信号e_zは焦点があつた
ときはゼロ、そうでないときはプラス又はマイナ
スの値が出力されるため、この出力値により焦点
の位置ずれ量と方向を判別することができる。

一方情報記録担体１が正常位置から偏心により
半径方向にずれを生じると、±１次光のいずれか
一方の光スポツトがピツト２にかかり、回折現象
により、それまで第１及び第２のフオトダイオー
ド４７，４８に均等に入射していた光量の関係が
崩れ、トラツキング信号e_zはゼロからプラス又は
マイナスの出力値に変化する。

この出力値を検出することによりトラツキング
の位置ずれ量とその方向を判別することができ
る。

次に上記ピツクアツプ装置の二次元駆動の動作
について説明する。

いま情報記録担１に関し集束したビームスポツ
トの位置が正常位置よりずれており、そのずれ量
が対物レンズ２５の移動量にしてトラツク方向と
直角方向、即ちｘ方向に関してΔx、フオーカス
方向、即ちｚ方向に関しΔzであるとする。

このずれ量Δx，Δzはそれぞれトラツキング信
号e_x、フオーカシング信号e_zの電圧値として差動
増巾器４９，５０より算出される。この位置ずれ
量Δx，Δzはそれぞれ、トラツク及びフオーカス
の信号出力電圧e_x，e_zと正比例の関係を有するか
ら次式が成立する。

Δx＝C₁e_x Δz＝C₂e_z（C₁，C₂は定数） (2) 次に可動コイル３６，３７に制御信号を通電し
て対物レンズ２５をｘ方向にΔx，ｚ方向にΔz戻
すことにより、ビームスポツトを正常位置に戻す
ことを考える。

そこで、可動コイル３６に電流i₁、可動コイル
３７に電流i₂を通電したとき、対物レンズ２５が
ｘ，ｚ方向にそれぞれΔx，Δz移動し、ビームス
ポツトが正常位置に戻つたものとする。

可動コイル３６，３７への通電量と中間部材１
４′，１５′のｚ方向への移動量は正比例するか
ら、可動コイル３６，３７のそれぞれにi₁及びi₂
を通電したとき、中間部材１４′，１５′のｚ方向
の移動量をS₄，S₅とすれば次式が成立する。

S₄＝k₄i₁ S₅＝k₅i₂k₄，k₅はそれぞれ板 バネ２１′，２２′のバネ定数 (3) 従つて(1)〜(3)式より となる。(4)式よりトラツキング及びフオーカシン
グ信号としての出力電圧e_x及びe_zによつて、ビー
ムスポツトを正常位置に戻すための対物レンズ移
動に必要な可動コイル３６，３７への通電量i₁，
i₂が定まる。

第５図は(4)式をブロツク回路で表わしたもので
ある。５１〜５４は乗算回路、５５は加算回路、
５６は減算回路である。

第６図はこの発明の二次元駆動装置を組込んだ
光学式ピツクアツプ装置の第２実施例を示したも
のである。

この第２実施例は第４図の板バネ２１′，２
２′を片持形式にした点で第１実施例の構成と異
なる。即ち中間部材１４′，１５′のそれぞれをベ
ース３５と板バネ５７及び５８により連結してい
る。

第７図は第３実施例を示したもので、第２実施
例での可動コイル型駆動手段のかわりに圧電素子
による駆動手段５９，６０をそれぞれ板バネ５
７，５８に固定したものである。この圧電素子駆
動手段５９，６０への通電により、板バネ５７，
５８はｚ方向に移動し結果として、対物レンズ２
５はｘ，ｚ方向に移動される。第８図は第１実施
例における２組の環状永久磁石３３，３４及びヨ
ーク３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂを１組で兼
用できる構成の第４実施例を示したものである。
即ち、ベース３５に環状永久磁石６１、ヨーク６
２ａ，６２ｂが固定されており、ヨーク６２ａと
ヨーク６２ｂとにより、磁気ギヤツプ６５が形成
されている。

大径と小径の円筒パイプ６３及び６４はそれぞ
れ中間部材１４′並びに１５′の下面に固定されて
おり、その両円筒パイプ６３，６４に巻装された
可動コイル６６及びび６７は共に磁気ギヤツプ６
５中に配設されている。

ここで中間部材１５′のベース３５への支持は、
円筒パイプ６８に形成された複数個の開口６８を
貫通するように配設された板バネ２２′によつて
行われる。

次にこの発明の二次元駆動装置を超音波顕微鏡
装置に使用した第９図の第５実施例について説明
する。

この場合の二次元駆動装置７０の構成は第８図
の第４実施例の構成と近似している。異なる点は
対物レンズ鏡筒２６のかわりに可動部材１３′に
棒状のホルダー７１が配設された点である。

このホルダー７１には支持腕７２がその一端に
固定され、他端にはサフアイヤ等の超音波伝搬媒
体材からなる円柱状の超音波集束レンズ７３が固
定されている。可動コイル６６，６７のそれぞれ
にi₁，i₂を通電することにより、前述した原理に
基づき超音波集束レンズ７３はｘ及びｚ方向に二
次元駆動を行う。

一方第１０図は、二次元駆動装置７０を組込ん
だ超音波顕微鏡装置の全体図を示したものであ
る。

この超音波顕微鏡の原理は、細く絞つた超高周
波超音波ビームを試料面に放射すると同時に、二
次元的に機械的走査を行い、その試料により散乱
された超音波を集音して電気信号に変換し、その
後、その信号を陰極線管の表示面に二次元的に表
示し、顕微鏡像を得ようとするものである 高周波発振器７４からの信号は方向性結合器７
５により超音波集束レンズ７３の上表面に貼着さ
れた送受兼用トランスジユーサ７６に供給され
る。この信号は超音波に変換されて超音波集束レ
ンズ７３の上面より内部に放射される。

この超音波集束レンズ７３の下表面の一部には
球面状にえぐられた球面レンズ部７７が形成され
ている。

この球面レンズ部７７と対向して試料保持台７
８が配置されていて、これに載置された試料７９
は超音波集束レンズ７３の下表面と試料保持台７
８の間隙に表面張力により保持された水からなる
音場媒体８０に包囲されている。

このとき、超音波集束レンズ７３は二次元駆動
装置７０により紙面垂直方向のｘ方向（第１０
図）並びに紙面横方向のｚ方向に二次元的に駆動
されている。

超音波集束レンズ７３に入射された超音波は集
束されて試料７９に達する。この試料での反射波
は再び超音波集束レンズ７３で集束され、トラン
スジユーサ７６で電気信号に変換されて、方向性
結合器７５を通つて表示装置８１へ供給される。

走査装置８２は走査回路８３から発する同期信
号に査づき、二次元駆動装置７０の可動コイル６
６，６７のそれぞれに入力される電流i₁，i₂をコ
ントロールすることにより、超音波集束レンズ７
３をｘ，ｚ方向に二次元的に走査させる。

可動コイル６６への通電i₁による中間部材１
４′のｚ方向への移動量をS₄、可動コイル６７へ
の通電i₂による中間部材１５′のｚ方向への移動
量をS₅とすると、中間部材の移動量と通電量は正
比例の関係にあるから次式が成立する。

S₄＝ki₁ S₅＝ki₂（ｋ：板バネ２１′，２２′のバネ定数） (5) 超音波集束レンズ７３のｘ，ｚ方向のそれぞれ
の移動量Δx，Δzと上記S₄，S₅との関係は(1)式よ
り Δz＝S₄＋S₅／２｝ (6) Δx＝C₀（S₄−S₅）（C₀は定数） となるから、(5)と(6)式より Δz＝ｋ／２（i₁＋i₂） Δx＝kC₀（i₁−i₂）（ｋ：板バネ２１′，２２′の
バネ定数） (7) この(7)式に基づき可動コイル６６，６７にそれ
ぞれ電流i₁，i₂を第１１図のように時間的に変化
させてやれば超音波集束レンズ７３から発射され
る超音波ビームは第１１図のような二次元走査を
行うことになる。

即ち第１１，１２図のように走査１＝｛（i₁）₁，
（i₂）₁｝は電流i₁，i₂を時間経過と共に、同一変化
率で増加させることにより行われる。従つて(7)式
よりΔzは時間に比例して直線的に増加するがΔx
は全く変化しない。走査２＝｛（i₁）₂，（i₂）₂｝走査
３＝｛（i₁）₃，（i₂）₃｝……走査ｎ＝｛（i₁）_o，（i
₂）_o｝
は時間ｔ＝０でのi₁の初期値を一定電流値ΔIずつ
プラスしながら走査１と同様な走査を繰り返せば
よい。このようにｚ方向を主走査、ｘ方向を副走
査として超音波集束レンズ７３を二次元駆動す
る。

以上のようにこの発明の二次元駆動装置によれ
ば、一方向のみの駆動手段で可動部材を二次元的
に駆動することができるので、駆動手段と可動物
を近接して配設することが可能となる。この結果
装置は著しく小型となり、構造も簡単となり、且
つ動作効率も向上するという効果が得られる。

第６図の第２実施例は可動部、即ちレンズ鏡筒
２６のまわりに空間スペースがない場合には効果
的である。

第７図の第３実施例は駆動源に圧電素子を使用
することにより第１，２実施例に比較し、装置が
著しく小型にできる利点がある。

第８，９図の第４，５実施例は永久磁石とヨー
クが１組で足りるから第１，２実施例に比較し装
置が小型となり、構造が簡単となる効果が得られ
る。

この発明の実施例において、二次元駆動装置
を、ビデオデイスクの対物レンズと超音波顕微鏡
の超音波集束レンズの二次元駆動に利用した例と
して述べたが、この発明はこれらの技術分野に限
定されるものではなく、二次元駆動が要求される
あらゆる技術分野に適用されるものである。

また板バネ１７〜２０はバネ材として説明した
が必ずしもこの構成に限定されるものではない。
即ち板バネ１７〜２０のかわりに板又は棒状の剛
体を配置し、この剛体と中間部材並びに可動部材
を紙面に垂直な回動支軸を介して連結する構成と
してもよい。要するに、中間部材１４′，１５′の
移動が、(1)式を満たすように中間部材１３′に伝
達される構成のものは全て板バネ１７〜２０と同
じ概念に含まれると解すべきである。

また、板バネ１７〜２０と可動部材１３′は実
施例の様に別個のものである必要はなく第１３図
の様にひとつの部材で形成してもよい。

更に実施例において、中間部材１５′，１４′と
ベース３５を板バネにより連結すると説明した
が、必ずしも板バネに限定されるものではなく、
例えば合成樹脂、コイルバネ、ワイヤなど弾性を
有し且つ中間部材の中立点を維持する部材であれ
ば全て上記板バネの概念の中に含まれると解すべ
きである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来の二次元駆動装置の正面断面
図、第２，３図はこの発明の二次元駆動装置の原
理を説明するための図、第４図はこの発明の第１
実施例の正面断面図、第５図は第１実施例におけ
るブロツク回路図、第６，７，８，９図はそれぞ
れ第２，３，４，５実施例の正面断面図、第１
０，１１，１２図は第５実施例を説明するための
図、第１３図はこの発明における板バネと可動部
を一体化した場合の斜視図である。 １…情報記録担体、１３，１３′…可動部材、
１４，１４′，１５，１５′…中間部材、１７〜２
４…板バネ、２５…対物レンズ、２６…レンズ鏡
筒、３１ａ，３１ｂ…ヨーク、３３，３４…環状
永久磁石、３６，３７…可動コイル、３８…アク
チユエーター部、３９…検出部、４０…レーザー
光源、５７，５８…板バネ、５９，６０…圧電素
子、７１…ホルダー、７３…超音波集束レンズ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 二次元的に駆動を行うための可動部材と、こ
   の可動部材を挾むように配置された第１及び第２
   の中間部材と、該第１の中間部材、前記可動部
   材、前記第２の中間部材が配列される方向、即ち
   第１の方向に前記第１及び第２の中間部材をそれ
   ぞれ互に独立に移動可能なようにベースに対して
   支持する支持手段と、前記第１の方向と直角な方
   向、即ち第２の方向のうち定められた一方向に向
   つて傾くように配設され、且つこの傾きの角度を
   変えることにより、前記第１及び第２の中間部材
   の移動を前記可動部材に伝達可能なように前記可
   動部材と前記第１並びに第２の中間部材を連結す
   る連結部材と、前記第１及び第２の中間部材をそ
   れぞれ独立して移動させる駆動手段とからなるこ
   とを特徴とする二次元駆動装置。