(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光線を反射又は回折する光学部材を回転揺動して前記光線を偏向するガルバノミラーアクチュエータにおいて、
前記光学部材、前記光学部材を保持する保持部材、及び、前記保持部材に固定された永久磁石を含む可動部と、
軸受け面上が開放されており、空気膜を介して前記可動部を回転可能に支持する空気軸受けと、
磁性材料を含み、前記空気軸受けを保持するベース部材と、
前記ベース部材と前記空気軸受けとの間に配置され、通電により前記永久磁石に力を与えて前記可動部を回転駆動するためのコイルとを有し、
前記可動部が、前記ベース部材と前記永久磁石との磁気吸引力により前記空気軸受け側に引き付けられ、前記空気膜の剛性により支持されることを特徴とするガルバノミラーアクチュエータ。
【請求項２】
前記保持部材は磁性材料を含み、前記保持部材、前記永久磁石及び前記ベース部材が磁気回路を構成することを特徴とする請求項１記載のガルバノミラーアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学部材を回転駆動して光線を反射あるいは回折偏向するガルバノミラーアクチュエータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、レーザマーカあるいは光造形装置など、レーザ等の光線を走査したり高精度に位置決めしてそのレーザエネルギーを利用する加工技術が拡大しつつあり、また、レーザディスプレイなどのレーザ光線を高速に偏向して画像を描画する装置がある。
【０００３】
これらの装置は、反射ミラーや回折格子などの光学部材を回転駆動して光線の光軸を所望の位置に偏向あるいは走査するものであり、光学部材回転駆動装置として、ガルバノミラーアクチュエータが数多く用いられている。これらのガルバノミラーアクチュエータの中には、用途に応じてある角度範囲のみ光学部材を回転揺動させて使うものがあり、その描画あるいは位置決め精度および高速作動性の要求は高まる傾向にある。
【０００４】
従来のガルバノミラーアクチュエータは、図５ないし図７に例示するような構成を備えている。図５ないし図７において、反射ミラー１０１は、ベース部材１０５に保持された板ばね１０２にそのくびれ部１０２ａを介して回転可能に支持され、反射ミラー１０１の下面には一対の磁石１０３、１０３とヨーク１０４が取り付けられ、磁石１０３はヨーク１０４およびベース部材１０５とともに磁気回路を構成する。そして、ベース部材１０５には、磁石１０３と協働して反射ミラー１０１を回転駆動するコイル１０６が取り付けられている。
【０００５】
このような構成により、コイル１０６に電流を通電することにより回転方向のモーメントが発生し、反射ミラー１０１を支持する板ばね１０２のくびれ部１０２ａがねじれて、反射ミラー１０１を回転させ、反射ミラー１０１に入射した光線を偏向する。この時の回転中心は図７に示すように板ばね１０２のくびれ部１０２ａ内の点Ｐである。
【０００６】
また、上記のような構成の他にも、反射ミラーの保持および回転案内手段としてボールベアリング等の転がり軸受けを用いるガルバノミラーアクチュエータも知られている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような従来のガルバノミラーアクチュエータには次のような改善すべき課題があった。
【０００８】
(1) 被駆動部を板ばねで支持するガルバノミラーアクチュエータにおいては、板ばねのくびれ部はある幅を持つため、その幅や板厚のばらつきのために、被駆動部の回転中心を所定の位置に定めることが困難であり、また、板ばねは、ねじれ変形をさせるためにそのねじれの回転方向以外の剛性も低下してしまい、このため回転中に被駆動部の重心が移動するとその影響で回転中心が移動してしまい、反射した光線の角度誤差やオフセットずれ等の誤差が発生して位置決め性能が低下する。
【０００９】
(2) 被駆動部を転がり軸受けで支持したガルバノミラーアクチュエータにおいては、ラジアル剛性を高くできるが、微小送り動作を連続的に行なうと、軸受けのボールとその保持器の位置関係がずれて回転摩擦トルクが急増して制御性が悪化してしまう。また、決まった角度範囲で連続して回転揺動動作を行なうと、軸受け内で局所的な油膜切れが発生して軸受けが損傷しやすいため、給油機構や定期的な給油などが必要となり、装置が大型化したりメンテナンスが必要となってしまう。
【００１０】
そこで、本発明は、上記の従来技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであって、高精度で高速な動作をメンテナンスフリーで行なうことができかつ小型化も可能なガルバノミラーアクチュエータを提供することを目的とするものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のガルバノミラーアクチュエータは、光線を反射又は回折する光学部材を回転揺動して前記光線を偏向するガルバノミラーアクチュエータにおいて、前記光学部材、前記光学部材を保持する保持部材、及び、前記保持部材に固定された永久磁石を含む可動部と、軸受け面上が開放されており、空気膜を介して前記可動部を回転可能に支持する空気軸受けと、磁性材料を含み、前記空気軸受けを保持するベース部材と、前記ベース部材と前記空気軸受けとの間に配置され、通電により前記永久磁石に力を与えて前記可動部を回転駆動するためのコイルとを有し、前記可動部が、前記ベース部材と前記永久磁石との磁気吸引力により前記空気軸受け側に引き付けられ、前記空気膜の剛性により支持されることを特徴とする。
【００１２】
本発明のガルバノミラーアクチュエータにおいては、前記保持部材は磁性材料を含み、前記保持部材、前記永久磁石及び前記ベース部材が磁気回路を構成することが好ましい。
【００１３】
【作用】
本発明によれば、永久磁石による与圧と空気軸受けを用いることによって、回転部を非接触で保持しかつ案内することができ、軸受け剛性を高めて、反射ミラー等の光学部材の回転軸中心の振れを小さくして反射した光線の角度誤差やオフセットを改善でき、反射光線の反射角度の精度を向上させることができる。また、軸受けおよび駆動部ならびに与圧が完全非接触であるのでスムーズな回転摩擦トルク特性を保つことができるため、微少送り動作から高速揺動動作まで制御性が良好である上、メンテナンスをなんら必要としない。
【００１４】
さらに、駆動用の永久磁石を軸受けの一部として用いるとともに、与圧手段としても用いるため、部品点数の削減とアクチュエータの小型化が行なえる。そして、固定側の軸受け構造を半径方向に開放型としているため、一方向からの組み立てが行なえるので、組み立て作業性が非常に良好である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１６】
図１の（ａ）は、本発明のガルバノミラーアクチュエータの一実施例の斜視図であり、（ｂ）はその分解斜視図であり、図２は、図１に図示するガルバノミラーアクチュエータの要部の断面図であり、図３は、同じく図１に図示するガルバノミラーアクチュエータの動作を説明するための要部の断面図である。
【００１７】
図１ないし図３において、１は光学部材としての反射ミラーであり、保持部材２の上面に固定されており、保持部材２は後述するように磁気回路としても利用するために磁性材料で構成する。保持部材２の下面には反射ミラー１を駆動するための永久磁石３ｐと３ｑが並列して固定され、これらの永久磁石３ｐと３ｑからなる永久磁石３の外側（下側）の表面３ａは半円筒状に形成され、その曲率中心Ｏが反射ミラー１の表面に位置するように形成されており（図２および図３参照）、この反射ミラー１の表面に位置する曲率中心Ｏが、図３に図示するように、可動部側の中心軸芯として作用する。そして、永久磁石３の半円筒状の表面３ａは鏡面に仕上げられ、また、永久磁石３の軸方向両端面３ｂ、３ｂも軸方向の位置規制のために鏡面に仕上げられている。なお、本実施例においては、永久磁石３の外側表面を半円筒状に形成しているけれども、外側表面を半円筒状とした部材を永久磁石とは別部材として作製し、これを永久磁石の下面に固定して用いることも可能である。
【００１８】
４は半円筒状に凹んだ軸受け面４ａを有する多孔質材料製の空気軸受けであり、この空気軸受け４は、裏面４ｂ側から供給される圧縮空気を軸受け面４ａからにじみ出すことができるように多孔質材料で作製されている。これにより、供給される圧縮空気によって軸受け面４ａ上に空気膜を形成し、永久磁石３を回転案内するとともに、軸方向端部の内面４ｃ、４ｃにおいても空気膜を形成して半円筒形永久磁石３の両端面３ｂ、３ｂの軸方向の変位を規制する。空気軸受け４の多孔質材料として、本実施例においてはグラファイトなどの多孔質材料を用いた。
【００１９】
５は空気軸受け４を保持するベース部材であり、６は永久磁石３と協働して反射ミラー１を駆動するコイルであって、ベース部材５と空気軸受け４との間隙に固定される。ベース部材５は、保持部材２および永久磁石３とともに磁気回路を構成するために磁性材料で作製され、そして、ベース部材５には、コイル６を受け入れるための凹部５ａが形成され、さらに、空気軸受け４の裏面４ｂの両側部を保持する側部保持面５ｂ、５ｂおよびコイル６の中央穴が位置する部位に空気軸受け４の裏面４ｂの中央部を保持する中央保持面５ｃ、５ｃが形成されている。また、外部から圧縮空気を空気軸受け４の裏面４ｂに供給するための空気供給孔５ｄが中央保持面５ｃ、５ｃの間に開口するように形成されている。したがって、ベース部材５の凹部５ａにコイル６を挿入固定し、そして、側部保持面５ｂおよび中央保持面５ｃ上に空気軸受け４を配置することにより、外部から空気供給孔５ｄを介して圧縮空気を供給すると、圧縮空気は、ベース部材５とコイル６および空気軸受け４の隙間を通り、空気軸受け４の裏面４ｂから多孔質の空気軸受け４を通り抜け、軸受け面４ａおよび軸方向端部の内面４ｃからにじみ出し、これらの表面に空気膜を形成する。なお、図１において、７は供給された圧縮空気を空気軸受け４以外から外部へ漏洩しないようにベース部材５を封止する封止部材である。
【００２０】
以上のように構成されたガルバノミラーアクチュエータにおいて、２個の永久磁石３ｐ、３ｑを並列して構成する永久磁石３を、例えば、図２に図示するように、一方の永久磁石３ｐは保持部材２に対向する面をＮ極、空気軸受け４に対向する面をＳ極となるように、そして、他方の永久磁石３ｑは逆に保持部材２に対向する面をＳ極、空気軸受け４に対向する面をＮ極となるように配置することにより、永久磁石３は磁性材料で作製されている保持部材２およびベース部材５とともに図２に矢印で図示するような磁気回路ｍを構成する。
【００２１】
ところで、永久磁石３と空気軸受け４は、永久磁石３とベース部材５の磁気的な吸引力の作用により、互いに引き合い密着しようとする。しかし、圧縮空気の供給により、空気軸受け４の軸受け面４ａの全面からしみだす圧縮空気によって永久磁石３と空気軸受け４の間に空気膜が形成されており、この空気膜の厚さは、図４に示すように、厚さを０に近付けると厚さ方向の剛性が急激に上昇するという空気膜剛性−空気膜厚さの特性を持っている。逆に空気膜の厚さを厚くして両者を離そうとすると、磁力により引き合う力に抗しなければならない。この磁力による吸引力は、図４に図示するように、空気膜の厚さの範囲では比較的緩やかな磁気吸引力−磁気ギャップの特性を持っている。このため、磁気ギャップを適切に設定して磁力による吸引力を所望の空気膜剛性と釣り合わせることにより、空気膜の厚さは一定の厚みに保たれ、かつラジアル方向の軸受け剛性の高い空気軸受けを得ることができる。さらに、永久磁石３の両端面３ｂ、３ｂと空気軸受け４の端部内面４ｃ、４ｃとのクリアランスを適切に保つことにより、空気膜によってスラスト方向の変位が高い剛性をもって規制される。この空気膜の厚さは、供給される空気圧や使用目的に応じて適宜設定でき、通常２〜５μｍ程度に設定して用いられる。
【００２２】
次に、本発明のガルバノミラーアクチュエータの動作について説明する。永久磁石３は、前述したように図２に示すような磁極に配置され、保持部材２およびベース部材６とともに図２に矢印で図示するような磁気回路ｍを構成している。ここで、永久磁石３（３ｐと３ｑ）とベース部材６との間に配置されているコイル６に電流を流すことにより、永久磁石３は磁路と直交する方向に力を受ける。そして、ラジアル方向には磁力と空気膜によって変位が規制されているため、永久磁石３は、その半円筒面３ａが空気軸受け４の軸受け面４ａに沿って図３に示すように回転する。このとき、空気軸受け４は機械的な接触部が全くないため、非常に滑らかな回転動作が得られる。また、高い剛性をもつ空気膜によって保持されているため、回転軸の振れが小さい。このため、反射ミラ−１の反射面の回転位置再現性がよく、また、可動部の回転軸中心は、回転中常に図２および図３に図示する点Ｏの一点になるように保たれる。なお、磁石表面と軸受け面表面は、円筒研磨や内筒研磨というワークまたは砥石等を回転させる研磨加工機を用いて作製すれば、サブミクロンからミクロンオーダの良好な加工精度を得ることができる。
【００２３】
以上にように、本実施例のガルバノミラーアクチュエータによれば、永久磁石による与圧と空気軸受けを用いることによって軸受け剛性を高めることができ、これにより、反射ミラーの回転軸中心の振れを小さくして反射した光線の角度誤差やオフセットの発生を小さくでき、反射光線の反射角度の精度を向上させることができる。また、軸受けおよび駆動部ならびに与圧が完全非接触であるのでスムーズな回転摩擦トルク特性を保つことができるため、微少送り動作から高速揺動動作まで制御性が良好である上、メンテナンスをなんら必要としない。
【００２４】
さらに、本実施例においては、駆動用の磁石を軸受けの一部として用いるとともに、与圧手段としても用いるため、部品点数の削減とアクチュエータの小型化が行なえる。そして、固定側の軸受け構造を半径方向に開放型としているため、一方向からの組み立てが行なえるので、組み立て作業性が非常に良好である。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のガルバノミラーアクチュエータによれば、ベース部材と永久磁石との磁気吸引力によって可動部が空気軸受け側に引き付けられ、磁気吸引力と釣り合う空気膜の剛性によって非接触に回転部の保持と案内を行なう。そのため、従来の板ばね支持方式に比較して、軸受け剛性が高められるので、回転精度が向上し、反射光線の角度誤差やオフセットが改善できる。また、転がり軸受け方式に比較しても、完全非接触の軸受けを用いるため、メンテナンスをなんら必要とすることなく半永久的に使用することができ、さらに、組み立てが一方向から行なえるので組み立て作業性が非常に良好である。
【００２６】
また、永久磁石の表面を半円筒面に形成することにより、半円筒面を構成する部材を別途必要とせず、部品点数の削減と小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明に係るガルバノミラーアクチュエータの一実施例の斜視図であり、（ｂ）はその分解斜視図である。
【図２】図１に図示するガルバノミラーアクチュエータの要部の模式断面図である。
【図３】図１に図示するガルバノミラーアクチュエータの動作を説明するための要部の模式断面図である。
【図４】本発明に係るガルバノミラーアクチュエータの一実施例における空気軸受けの空気膜剛性と磁力の関係を説明するための図表である。
【図５】（ａ）は従来のガルバノミラーアクチュエータの斜視図であり、（ｂ）はその分解斜視図である。
【図６】図５に図示する従来のガルバノミラーアクチュエータの要部の模式断面図である。
【図７】図５に図示する従来のガルバノミラーアクチュエータの動作を説明するための要部の模式断面図である。
【符号の説明】
１    反射ミラー（光学部材）
２    保持部材
３（３ｐ、３ｑ）    永久磁石
３ａ    半円筒面
４    空気軸受け
４ａ    軸受け面
５    ベース部材
５ｄ    空気供給孔
６    コイル
【図１】
0004428741.tif 000002
【図２】
0004428741.tif 000003
【図３】
0004428741.tif 000004
【図４】
0004428741.tif 000005
【図５】
0004428741.tif 000006
【図６】
0004428741.tif 000007
【図７】
0004428741.tif 000008