JPH0744848B2

JPH0744848B2 - 角度調節装置

Info

Publication number: JPH0744848B2
Application number: JP2160529A
Authority: JP
Inventors: 美穂杉原
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1990-06-19
Filing date: 1990-06-19
Publication date: 1995-05-15
Anticipated expiration: 2010-05-15
Also published as: JPH0449876A

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
取り付け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、
取り付け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
回転中心がズレてしまうので、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割するよう
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、精度良い角度調節ができ
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る。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（11）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。（12）は圧電体の他方の側を示す（圧電
体（11）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（11），（12）は互いに逆方向に
分極してある一方は伸び、一方は縮みの効果を持たせ
る。

（13）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（11）と圧電体（1
3）、及び圧電体（12）と圧電体（13）とに印加する。

結果として圧電体（11）と圧電体（12）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（14）と、第２の片持ち梁を構成する圧電体（15）
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（16）
は、第２の片持ち梁を構成する圧電体（15）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（17）で固定された第１の片持ち梁を形成す
る圧電体（14）はコの字状のスリット（18）により分割
され、第２の片持ち梁を構成する圧電体（15）が分離さ
れ、圧電体（14）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（15）は、スリッ
ト（19），（20）の２つの平行なスリットにより、第３
の片持ち梁を構成する圧電体（16）が分離され、圧電体
（15）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
（14）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
（15）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（16）も第２の片持ち梁を構成する圧電体
（15）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組の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、一辺が25mm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0.15mm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（14），（15），
（16）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Hz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（ｂ）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ェックできる構成も実
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回転角度
調節装置の基本構成部を示す斜視図、第２図（ａ）〜
（ｃ）は同実施例の複数の片持ち梁の撓みの状態を、各
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（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（ｂ）は同実施例の印加電圧波形図、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、13……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、18,19,20……スリット。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一端が固定された片持ち梁の撓みによる変
形が、前記片持ち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
節装置であって、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、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ことを特徴
とする角度調節装置。