JPH0449876A - 角度調節装置 - 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 本発明は光学部品あるいは、その他の精密部品の位置決
めに関して、その回転角度を調節するための角度調節装
置に関する。

従来の技術 光学部品において、たとえば回折格子、プリズムレンズ
、反射鏡など、これらの光学部品は常に光軸に対して取
り付は位置が正しく合致させることが重要である。その
ために多くの努力が払われており、その一つとして、取
り付は部品の機械精度の確保が挙げられる。しかし機械
精度の確保はコストの上昇を招くことが一般的である。

さらに角度を変化させて調節機能を持たせたい場合には
精度の確保以外に調節機能が要求される。

そのためには位置合わせ、回転機構の調整用の機構を付
加する。そのための部品としてマイクロメータ、あるい
はウオームギヤなどを用いるのが一般的な技術であった
。

さらに電気的な調整が必要とする場合には、モータなど
で駆動することが一般的である。ごく限られた用途には
、圧電体の歪みを多段に重ねて、ミクロンオーダの位置
調節などの応用例がある。

しかし小型でかつ精度の高い、調節装置は今のところ存
在しない。

発明が解決しようとする課題 しかしながら、精度を要求される光学部品や精密部品の
取り付けの際の角度調節に、従来の回転機構を用いた場
合は調節が複雑で時間がかかり、電気的に高精度で角度
調節をする場合は、大型で高価な装置となる。また片持
ち梁のたわみを利用することにより構成は簡単になるが
、片持ち梁のたわみは、その支持点からの梁の長さ方向
の距離とともに近似的には放物線の形で、その位置はず
れて来る。その結果、回転角度調節のために、その先端
部に光学部品を置いた場合には、梁の撓みと共にその回
転中心がズしてしまうので、常に位置の修正が必要とな
り、その操作が煩雑なために用いられて来なかった。

本発明は上記課題に留意し、構造が簡単で、高精度で、
かつ調節範囲の広い角度調節装置を提供しようとするも
のである。

課題を解決するための手段 本発明の上記目的を達成するために、一端が固定された
、いわゆる片持ち梁の撓みを角度調節に用いるもので、
片持ち梁が複数の片持ち梁の組み合せで構成され、各々
の片持ち梁の撓みが加算されるように、かつ各々の片持
ち梁の移動端の回転中心が一致し、安定している角度調
節装置である。

また片持ち梁の撓みの発生素子として圧電体または磁性
体を用い、その駆動源が、直流電源に交流信号を重畳さ
せ、微少振動を与え、最適角度を検出する検出平段を有
する角度調節装置である。

作用 上記構成の本発明の角度調節装置は、片持ち梁が複数の
片持ち梁の組み合せで、各々の片持ち梁の撓みが加算さ
れるように構成されているため、変位できる角度が、そ
の組み合された片持ち梁の各々が変位できる角度が加算
された角度となり大幅に可変できる角度範囲が拡大する
。また一端が固定された第１の片持ち梁の面に、コの字
状のスリットを設け、第１の片持ち梁の移動端付近に固
定端を有する第２の片持ち梁を形成し、この第２の片持
ち梁の面に、第１の片持ち梁の移動端を分ν１するよう
に２本の平行スリットを設け、第２の片持ち梁の移動端
付近に固定端を有する第３の片持ち梁を形成するように
順次互い違いに複数の片持ち梁を形成することにより、
変位できる角度範囲が拡大するとともに、その角度の変
位の回転中心が、これら複数の片持ち梁の回転中心を一
致させることにより、固定され安定する。これにより、
この回転中心に、この角度調節装置に取りつける光学部
品に入射する光の光学軸を一致させると、理想的な角度
のみの変位が、その光学部品に与えられることになり、
いろいろの補正が不要となり、精度良い角度［ｆｆがで
きる。

さらに、たとえば、この片持ち梁の撓みを、圧電素子を
用いて行った場合、この圧電素子を駆動する電圧が、直
流電圧に、わずかな交流電圧を重畳し、微少振動をこの
角度調節装置に与えろ。この交流電圧による交流信号と
、角度調節したい光学部品などの出力信号（光を用いて
いる場合は光受信信号出力）から、最も大きな出力信号
が得られる交流信号の位相と電圧値が検出できるので、
最終的には、交流信号を零とし、直流信号を微調して検
出された電圧値に自動的に合わすことにより、誤差なく
最適な角度に容易に設定できる。

実施例 以下に本発明の角度調節装置の一実施例について、図面
を参照しながら説明する。

第１図に本発明の片持ち梁の複数の片持ち梁の組合わせ
による、角度調節装置の構造を示す斜視図を示す。

圧電体を２枚張り合わせたいわゆるバイモルフ構造を構
成してその両面に電界が発生するように電圧を印加した
さいに、片持ち梁はその支持固定部分から曲がる撓みが
発生し、先端部が移動する。

第１図に示すように、構成要素として００は圧電体の一
方の分極側を示し、圧電体は伸び（あるいはその逆）の
効果を示す。０２）は圧電体の他方の側を示す（圧電体
０１）とは逆の効果を示し互いに逆方向の力を発生させ
る）。

これらの２枚の圧電体０１）、　Ｑ７Ｊは互いに逆方向
に分極しである一方は伸び、一方は縮みの効果を持たせ
る。

側は共通電極であり、かつ梁のたわみの中性面となる部
分を示す。電界の印加は圧電体ＯＤと圧電体０３）、及
び圧電体θ′ＩＪと圧電体０３）とに印加する。

結果として圧電体ＯＤと圧電体０２）の伸びおよび縮み
の効果がこの片持ち梁のたわみを発生をさせる。

本発明は片持ち梁が複数個の片持ち梁の組合わせで構成
されるが、第１図の一実施例として３組の片持ち梁の組
合わせによる構成例を示す。第１片持ち梁を構成する圧
電体０４）と、第２の片持ち梁を構成する圧電体０９と
は、その固定端の支持部分は互いに上下の異なる位置で
支持する。

同じように、第３の片持ち梁を構成する圧電体０ωは、
第２の片持ち梁を構成する圧電体０５）とは、その固定
端は互いに上下の異なる位置となっている。すなわち、
固定端０７）で固定された第１の片持ち梁を形成する圧
電体０滲はコの字状のスリットａ印により分割され、第
２の片持ち梁を構成する圧電体０５）が分離され、圧電
体側の移動端が、固定端となるように片持ち梁が形成さ
れる。さらにこの圧電体０５）は、スリット０９）、１
２Φの２つの平行なス１，１ットにより、第３の片持ち
梁を構成する圧電体Ｑ６）が分離され、圧電体０５）の
移動端が固定端となるように片持ち梁が形成される。

つぎに、その構成要素のお互いの関連動作について説明
する。

いま第１図に示す構成で、電圧を印加したときのこれら
複数の片持ち梁の撓みの状態を第２図に示す。第２図（
ａ）に示すように第１の片持ち梁を構成する圧電体（ロ
）の撓んだ上端の接線方向は接線（２１）に示されてい
る。第２図ｂ）に示すように第２を構成する圧電体０９
の撓んだ先端はたわみ方向を逆方向に取り、その先端部
分の接線方向は接線（２２）に示す。その際第２の片持
ち梁の接続点は第１の片持ち梁の移動点の先端部分に接
続されていることに注意して欲しい。

さらに第２図（Ｃ）に示すように第３の片持ち梁を構成
する圧電体０６）も第２の片持ち梁を構成する圧電体０
５）の反対方向に接続し、反対方向に撓ませる（第１の
片持ち梁の撓み方向と同一方向）。その接線方向を接線
（２３）に示す。

以上３＆ｌＩＯ片持ち梁の合成の結果、接線方向を示す
接線（２１）　、　（２２）　、　（２３）を比べると
、３倍の変位量が取れたことになる。しかもその回転中
心は互いに位置の移動を補正しあって、片持ち梁の長さ
の中心部分に来ることがこの際非常に重要なこととなる
。結果としてこの回転中心に、光学部品に入射する光の
光学軸を合わせると光学軸からの移動は無いことが分か
る。

実施例として、第１図に示す構成で、−辺が２５閣角の
大きさで、圧電体に０．２ｍｍ厚みのチタンジルコン酸
鉛（松下電器製商品ＰＣＭ−５）を用いて、さらに中心
部分の金属板に０．１５ａｎ厚みのステンレスを用いて
実験を行った。

この角度調節装置による角度調節精度を確認するため、
角度測定は、レーザ光を照射してその反射角度を、印加
電圧の変化として測定した。結果を第３図のグラフに示
す。

さらにレーザ光を、第１図の圧電体Ｑ４）、　０５）、
　０６）の各々の上下部分で移動させて回転中心がほぼ
中心部分に存在することを確認した。

つぎに、上記駆動角度調整装置に一定の電圧を印加した
場合に、通常その角度設定精度は、角度変化可能範囲の
１％程度が上限となる。それ以上の精度を保証したい場
合には、フィードバック信号受けた、サーボ系を構成し
なければならない。

本発明の他の実施例は第３図に示す実験結果の、印加電
圧（第３図の印加電圧は直流電圧）に、交流信号を重畳
させて、移動角度も交流的に振動させる。

第４図に示す実施例では、第３図に示す角度保証用の印
加電圧に通常数％程度の交流電圧を印加して、角度にや
はり数％程度の最適点を中心とする変化を与える。その
フィードバック信号の制御によってシステムの最適点を
追尾する。

具体的には、数十Ｈ２程度の三角波あるいは、サイン波
、あるいは鋸歯状波などの電圧を印加する。

第４図（６）に印加電圧を制御装置（４１）により交流
的に変化させたときの、片持ち梁（４３）の撓みによる
、光の入射と、反射との関係図を示す。第４図（ａ）に
示すように入射光が反射し、その反射光を検出する、検
出器（４２）の最適角度で受光させる場合に、印加電圧
を交流的に変化させることにより、検出器（４２）の信
号を検出手段により検出するとともに信号の最大点とな
る角度を検出する。その値に片持ち梁の撓み角度を設定
する。

すなわち、反射光は、片持ち梁（４３）によって反射し
たものであり、その片持ち梁（４３）が制御装置（４１
）により第４図ら）の交流成分を含む印加電圧で駆動さ
れているため、当然ある角度で振れた光となる。この反
射光を検出器（４２）で検出するが、ある角度でこの反
射光が振れているので、その検出出力は第５図に示す波
形のように、第４図（ｂ）の印加電圧の交流成分の周期
と同じ周期で変動する出力が得られる。この検出電圧の
最大値が存在する位相の印加電圧値を検出する。この検
出された電圧値を制御回路（４１）により直流電圧だけ
で印加することにより理想とする角度調節が完了するこ
とになる。

この重畳する交流信号は、充分圧電素子が応答できる低
い周波数であることは言うまでもない。

また、この検出器（４２）で検出する反射光は、その反
射する片持ち梁（４３）の材質や、または特別に光学部
品を設けて反射させると、入射光のｎ次の回折光や、ｎ
次の反射光を用いることにより、信号。

伝達の光軸とは別に、検出器（４２）を設けて、角度調
節を自動的にチエツクできる構成も実現できる。

片持ち梁のたわみの発生には、圧電体以外に磁性体の磁
歪効果も用いることができる。磁歪効果の際には電界の
代わりに磁界を必要とするがその効果は全く同一である
。

発明の効果 以上の説明より明らかなように複数組の片持ち梁のたわ
みを利用することによって、構造の単純な、そして調節
精度の高い角度調節装置が実現でき、さらに段数を多く
することによって、角度調節範囲も任意に範囲に拡大す
ることが可能な、高精度な角度調節が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の片持ち梁を用いた（ａ）は
本発明の他の実施例の角度調節装置の動作説明のための
模式図、第４図ら）は同実施例のＥワ加電圧波形図、第
５図は同実施例の検出電圧波形図である。 １１・・・・・・圧電体、１２・・・・・・圧電体、１
３・・・・・・共通電極、１４・・・・・・第１の片持
ち梁を構成する圧電体、１５・・・・・・第２の片持ち
梁を構成する圧電体、１６・・・・・・第３の片持ち梁
を構成する圧電体、１７・・・・・・固定端、１８．１
９゜２０・・・・・・スリット。 代理人の氏名　弁理士　粟野重孝　はか１名答片持ち梁
の位置で異なることを示す説明図、第３図は同実施例の
実験結果を示すグラフ、第４図第 第 図 図 Ｉｌ、　　／２ 反ｔ４Ｘ １７−−　岨り噛 ｔａ　、　ｒｑπ−゛スリット 叩　力σ　電 圧− （Ｖ） 第 図 ｆ 第 図 絣間

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）一端が固定された片持ち梁の撓みによる変形が、
   前記片持梁を含む複数の片持ち梁の撓みが加算されるよ
   うに構成するとともに、前記複数個の片持ち梁の撓みに
   よる移動端の回転中心が一致させてなる角度調節装置。
2. （２）一端が固定された片持ち梁による第１の片持ち梁
   の面にコの字状スリットを設け、前記第１の片持ち粱の
   移動端付近に固定端を有する第２の片持ち梁を形成し、
   さらに前記第２の片持ち梁の面に、前記第１の片持ち梁
   の移動端を分割するように２本の平行スリットを設け、
   前記第２の片持ち梁の移動端付近に固定端を有する第３
   の片持ち梁を形成するように順次前記第１の片持ち梁の
   面の一部分に互い違いに複数の片持ち梁を構成する請求
   項１記載の角度調節装置。
3. （３）片持ち梁の撓みの発生素子が、圧電体または磁性
   体よりなる請求項１または２記載の角度調節装置。
4. （４）片持ち梁に、微少振動を加えて、最適角度を検出
   する検出手段を有する請求項１、２、３のいずれかに記
   載の角度調節装置。
5. （５）片持ち梁の撓みの駆動源が、直流電源に交流信号
   を重畳させてなる請求項３記載の角度調節装置。
6. （６）角度調節のための角度検出に、入射光のｎ次の回
   折光または前記入射光のｎ次の反射光を用いてなる請求
   項４または５記載の角度調節装置。