JPH06210585A - 球面アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 球面体の回転角度を高精度に検出及び制御で
き、球面体の１８０°以上の回転角度にも対応できる小
型軽量で構造も簡単な球面アクチュエータを提供する。 【構成】 球殻状の球面体１を支持部材６によって回転
自在に支持する。歪ゲージ３ａ，３ｂと板バネ２ａ，２
ｂ；４ａ，４ｂを備えた２つの屈曲素子２，４は、屈曲
方向を互いに直交させるようにして端部同志を接続す
る。さらに、接続された屈曲素子２，４を球面体１内に
納め、屈曲素子２の端部を球面体１の内面天頂部に固定
接続し、屈曲素子４の端部を支持部材６に固定接続す
る。球面体１が回転すると、屈曲素子２，４が屈曲し、
その屈曲度合いを歪ゲージ３ａ，３ｂで検出することに
より球面体１の回転角度θX，θYを検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は球面アクチュエータに関
する。具体的にいうと、本発明は球面体を回動自在に支
持した球面アクチュエータにおいて、球面体の回転角度
を検出するための技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】球殻状をした球面体を支持部材により回
転自在に支持した球面アクチュエータにおいては、球面
体の回転角度を精度良くコントロールするために球面体
の回転角度を高精度に検出する必要がある。

【０００３】従来の球面アクチュエータにおける回転角
度検出方法としては、特開昭６２−２２８３９２号公報
に開示されたものがある。これは回転する球面体の一部
（球面体の中心）に発光ダイオードなどの点光源を固定
しておき、当該球面体を回転自在に支持している支持部
材との位置関係が一定となるように固定されたモニター
用カメラにより点光源の位置を検出し、当該カメラによ
る画像処理により回転球面体の緯度及び経度に相当する
回転位置を検出する方法である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来方法にあっては、理想的な点光源が存在しな
いため、あるいは、モニター用カメラの画素分解能の制
限により、球面体の回転角度検出精度が低いという問題
があった。また、１つの点光源では、１８０゜以上の
回転角度に対応することができないので、１８０゜以上
の回転角度を検出することが不可能であった。さらに、
モニター用カメラが必要であるため、ロボット関節や
マニピュレータ等に当該球面アクチュエータを用いた場
合、ロボット関節やマニピュレータ等としては寸法や重
量が増大し、構造が複雑になるといった欠点があった。

【０００５】本発明は叙上の従来例の欠点に鑑みてなさ
れたものであり、その目的とするところは、１８０°以
上の回転角度にも対応でき、高精度に球面体の回転角度
を検出できる小型軽量で構造も簡単な球面アクチュエー
タを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の球面アク
チュエータは、球面体を回転自在に支持させた球面アク
チュエ−タにおいて、歪検出子を取り付けられた２つの
屈曲素子を屈曲方向が互いに直交するように接続し、接
続された２つの屈曲素子の一方端部を球面体の内面に固
定し、他方端部を球面体以外の静止部分に固定したこと
を特徴としている。

【０００７】本発明の第２の球面アクチュエータは、球
面体を回転自在に支持させた球面アクチュエ−タにおい
て、前記球面体の底部を切欠して切欠部を設け、球面体
の底部と対向させて直交２方向にそれぞれ電極を配置
し、当該各電極と球面体との間に静電容量を構成したこ
とを特徴としている。

【０００８】本発明の第３の球面アクチュエータは、球
面体を回転自在に支持させた球面アクチュエータにおい
て、磁束が前記球面体のほぼ回転中心を通過するように
少なくとも１つの磁石を球面体の内面に取り付け、検出
面が互いに直交する少なくとも２つの磁束検出器を前記
球面体のほぼ回転中心に配置したことを特徴としてい
る。

【０００９】また、上記第３の球面アクチュエータにお
いては、磁石を電磁石によって構成してもよい。

【００１０】本発明の第４の球面アクチュエータは、球
面体を回転自在に支持させた球面アクチュエータにおい
て、前記球面体に突起部を設け、当該突起部とほぼ等し
い幅の長孔を有する一対の位置検出板をそれぞれ球面体
の近傍で回動自在に枢支し、各位置検出板の回動角度を
検出する角度検出手段を設け、両位置検出板の交差部分
で前記突起部を両長孔に摺動自在に挿通させたことを特
徴としている。

【００１１】また、上記第４の球面アクチュエータにお
いては、前記位置検出板を球面体の表面に沿わせて円弧
状に形成し、前記球面体を回転駆動するための一対の駆
動ステータと同軸状に一対の前記角度検出手段を配置
し、各位置検出板をそれぞれの位置検出手段によって回
動自在に枢支させてもよい。

【００１２】

【作用】本発明の第１の球面アクチュエ−タにあって
は、球面体が回転すると、球面体の回転方向及び回転角
度に応じて２つの屈曲素子のうちのいずれか一方、もし
くは両方が屈曲する。これらの屈曲素子の屈曲度はそれ
ぞれの歪検出子によって検出することができるので、各
屈曲素子の屈曲度を検出することによって球面体の回転
方向及び回転角度を検出することができる。

【００１３】また、本発明の第２の球面アクチュエータ
にあっては、球面体の切欠部に対向させて電極を配置し
ているので、球面体が回転すると各電極と球面体との間
の静電容量が変化する。従って、各電極と球面体との間
の静電容量を検出することにより球面体の回転方向およ
び回転角度を検出することができる。

【００１４】また、本発明の第３の球面アクチュエータ
にあっては、球面体の内面に取り付けた磁石によって磁
束を発生させ、複数個の磁束検出器によって各磁束検出
器を通過する磁束を検出しているので、球面体が回転す
ると各磁束検出器を通過する磁束が変化する。従って、
各磁束検出器の出力により球面体の回転方向及び回転角
度を検出することができる。

【００１５】また、本発明の第４の球面アクチュエータ
にあっては、一対の位置検出板を球面体の近傍で回動自
在に枢支し、両位置検出板の交差部分で球面体の突起部
を両長孔に摺動自在に挿通させているので、球面体が回
転することによって位置検出板がそれぞれ突起部によっ
て強制的に回動させられ、球面体の回転方向及び回転角
度に応じて各位置検出板が回動する。従って、角度検出
手段によって位置検出板の回転角度を検知することによ
り、球面体の回転方向及び回転角度を検出することがで
きる。

【００１６】

【実施例】図１は本発明の第１の実施例による球面アク
チュエータＡを示す断面図である。この球面アクチュエ
ータＡにおいては、支持部材６によって球殻状をした球
面体１が回転自在に支持されている。球殻状をした球面
体１は、内部に空洞１ａを有し、底部を平面で切断開放
されており、外面天頂部にはア−ム等の出力部を取り付
けるための軸部１ｂが突設されている。支持部材６は、
球面体１の外面に沿って湾曲しており、軸部１ｂを有す
る球面体１の回転を妨げないよう例えば十文字状に形成
されている。また、この支持部材６には、直交２方向に
沿って圧電素子（図示せず）等の駆動系が設けられてお
り、これらの駆動系を駆動すると、超音波モータと同じ
原理により球面体１を任意の回転方向に任意の角度回転
させることができるようになっている。また、球面体１
の回転方向及び回転角度は歪ゲージ３ａ，３ｂを備えた
２つの板状をした屈曲素子２，４によって検出すること
ができるようになっている。

【００１７】図２（ａ）（ｂ）は１つの屈曲素子２，４
を示す斜視図及び側面図であって、２枚の板バネ２ａ，
２ｂ；４ａ，４ｂが比較的剛性の高いブロック５ａ，５
ｂで平行に接続されており、ブロック５ａ，５ｂの表面
には歪ゲ−ジ３ａ，３ｂが貼着されている。この２枚の
屈曲素子２，４は、板バネ２ｂ及び４ｂの端部同志を互
いに直交させて溶接固着されている。つまり、互いに屈
曲方向を直交させるようにして接続されている。この接
続された屈曲素子２，４は、球面体１の空洞１ａ内の中
央に納められており、一方の屈曲素子２の板バネ２ａの
端部を球面体１の内面天頂部に固定接続されており、他
方の屈曲素子４の板バネ４ａの端部を支持部材６に固定
接続されており、板バネ２ｂ及び４ｂの接続の中点が球
面体１の回転中心Ｐに位置するように配置されている。
この２つの屈曲素子２，４の各歪ゲージ３ａ，３ｂの出
力は、個別に検出できるようになっている。

【００１８】図４（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は上記球面
アクチュエータＡにおいて球面体１の回転角度θX，θY
を検出する原理を示す概略断面図であって、一方の屈曲
素子２の屈曲方向をＸＺ平面内にとり、他方の屈曲素子
４の屈曲方向をＹＺ平面内にとっている。図４（ａ）の
ような初期位置（基準位置）にあった球面体１が、図４
（ｂ）のようにＸ軸の回りにθXだけ回転する場合に
は、屈曲素子２はＹＺ平面内では変形しにくいので、屈
曲素子２の歪ゲージ３ａの出力は屈曲素子２の長手方向
に対しては無視できる。一方、球面体１がＸ軸の回りに
回転するとき、屈曲素子４はＹＺ平面内で変形し、歪ゲ
ージ３ｂは屈曲素子４の長手方向に伸縮するので、歪ゲ
ージ３ｂは屈曲素子４の歪量に応じた出力を発生する。
球面体１の回転角度θXと屈曲素子４の歪量ε_Xとの間に
は一定の関係があり、例えば図３に示すような直線関係
が存在するので、歪ゲージ３ｂによって屈曲素子４の歪
量ε_Xを検出すれば、その歪量ε_Xから球面体１のＸ軸回
りにおける回転角度θXを知ることができる。なお、図
３は球面体１の回転角度θXと屈曲素子４の歪量ε_Xとの
間に直線関係があるとしたグラフであり、実際には非線
形要素を含むと考えられるから、補正が必要になること
はいうまでもない。

【００１９】同様に、図４（ｃ）のような基準位置にあ
った球面体１が、図４（ｄ）のようにＹ軸の回りにθY
だけ回転する場合には、屈曲素子４はＸＺ平面内では変
形しにくいので、屈曲素子４の歪ゲージ３ｂの出力は屈
曲素子４の長手方向に対しては無視できる。一方、球面
体１がＹ軸の回りに回転するとき、屈曲素子２はＸＺ平
面内で変形し、歪ゲージ３ａは屈曲素子２の長手方向に
伸縮するので、歪ゲージ３ａは屈曲素子２の歪量ε_Yに
応じた出力を発生する。球面体１の回転角度θYと屈曲
素子２の歪量ε_Yとの間にも例えば図３と同様な一定の
関係があるので、歪ゲージ３ａによって屈曲素子２の歪
量ε_Yを検出すれば、その歪量ε_Yから球面体１のＹ軸回
りにおける回転角度θYを知ることができる。

【００２０】したがって、２つの屈曲素子２，４の各歪
ゲージ３ａ，３ｂの出力から球面体１の回転方向及び回
転角度θX，θYを高精度に検出することができる。ま
た、球面体１の回転角度等を検出するための機構を簡略
化でき、小型軽量化することができる。また、球面体１
の底部の開口面積を広くすれば、球面体１の回転角度を
大きくすることができ、１８０゜以上の回転角度も可能
になる。

【００２１】図５（ａ）（ｂ）は本発明の第２の実施例
による球面アクチュエータＢとその動作を示す一部省略
した概略正面図である。この球面アクチュエータＢにお
いても、球面体１は適当な支持部材（図示せず）によっ
て回転自在に支持されている。球面体１は、金属等の導
電体によってほぼ中実球体状に形成されており、球面体
１の下部底面は平面状に切欠されている。この平面状の
切欠面１ｃの下方には、２組の電極７，９；８，１０を
互いに直交させるように配置してあり、球面体１と各電
極７，８，９，１０との間に静電容量が構成されてい
る。例えば、各電極７，８，９，１０は球面体１の球面
部分と同心球面状となるように曲成されていてもよく、
平面状に形成されていてもよいが、これらの電極８，１
０；７，９をＸ軸の正負各方向及びＹ軸の正負各方向に
沿って配置し、各電極７，８，９，１０と球面体１との
間をエアギャップもしくは絶縁膜等によって絶縁してい
る。また、各電極７，８，９，１０は、球面体１の回転
角度θX，θYが０のとき、球面体１の球面部分との重な
りがほぼ０となるように配置されている。

【００２２】図６は球面アクチュエータＢを下面側から
見たようすと、各電極７，８，９，１０と球面体１の間
の静電容量を検出するための測定回路Ｃを示す図であ
る。この測定回路Ｃは２組のブリッジ回路１６ａ，１６
ｂを基本として構成されている。一方のブリッジ回路１
６ａは、抵抗１２ａと、抵抗１５ｂ及びキャパシタ１１
ｂの直列接続体とを対向させ、また、抵抗１２ｂと、抵
抗１５ａ及びキャパシタ１１ａの直列接続体とを対向さ
せて構成されており、抵抗１２ａ及び１２ｂの中点と、
前記直列接続体（抵抗１５ａとキャパシタ１１ａ；抵抗
１５ｂとキャパシタ１１ｂ）の中点とに電流制限抵抗１
４を介して交流電源１３を接続されている。同様に、他
方のブリッジ回路１６ｂは、抵抗１２ｃと、抵抗１５ｄ
及びキャパシタ１１ｄの直列接続体とを対向させ、ま
た、抵抗１２ｄと、抵抗１５ｃ及びキャパシタ１１ｃの
直列接続体とを対向させて構成されており、抵抗１２ｃ
及び１２ｄの中点と、前記直列接続体（抵抗１５ｃとキ
ャパシタ１１ｃ；抵抗１５ｄとキャパシタ１１ｄ）の中
点とに同じ電流制限抵抗１４を介して交流電源１３を接
続されている。

【００２３】また、抵抗１５ｃとキャパシタ１１ｃの中
点は電極７に接続され、抵抗１５ａとキャパシタ１１ａ
の中点は電極８に接続され、抵抗１５ｄとキャパシタ１
１ｄの中点は電極９に接続され、抵抗１５ｂとキャパシ
タ１１ｂの中点は電極１０に接続されており、さらに、
電流制限抵抗１４のブリッジ回路１６ａ，１６ｂ側は球
面体１に電気的に接続されている。よって、電極７と球
面体１の間の静電容量Ｃ7はキャパシタ１１ｃと並列に
なっており、電極８と球面体１の間の静電容量Ｃ8はキ
ャパシタ１１ａと並列になり、電極９と球面体１の間の
静電容量Ｃ9はキャパシタ１１ｄと並列になり、電極１
０と球面体１の間の静電容量Ｃ10はキャパシタ１１ｂと
並列になっている。従って、電極７と球面体１の間の静
電容量Ｃ7をキャパシタ１７ｃで表わし、電極８と球面
体１の間の静電容量Ｃ8をキャパシタ１７ａで表わし、
電極９と球面体１の間の静電容量Ｃ9をキャパシタ１７
ｄで表わし、電極１０と球面体１の間の静電容量Ｃ10を
キャパシタ１７ｂで表わすと、上記球面アクチュエータ
Ｂの測定回路Ｃは図７のような等価回路で表わされる。
図７において、ＺC7，ＺC8，ＺC9，ＺC10は、球面体１
と各電極７，８，９，１０との間の静電容量Ｃ7，Ｃ8，
Ｃ9，Ｃ10によるインピーダンスである。また、ブリッ
ジ回路１６ａにおいては、抵抗１２ａ及び抵抗１５ａの
中点と、抵抗１２ｂ及び抵抗１５ｂの中点とからそれぞ
れ検出用のａ端子とｂ端子とが取り出されている。同様
に、ブリッジ回路１６ｂにおいては、抵抗１２ｃ及び抵
抗１５ｃの中点と、抵抗１２ｄ及び抵抗１５ｄの中点と
からそれぞれ検出用のｃ端子とｄ端子とが取り出されて
いる。

【００２４】なお、測定側のブリッジ回路１６ａ，１６
ｂにおいて、抵抗１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄとキ
ャパシタ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄを直列に接続
し、さらに電極７，８，９，１０及び球面体１間のキャ
パシタ１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄをキャパシタ１
１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄと並列に接続したのは、
電極７，８，９，１０側のキャパシタ１７ａ，１７ｂ，
１７ｃ，１７ｄが空気コンデンサに相当し、微小である
ことから、測定の安定性を高めるためと、球面体１の回
転によってキャパシタ１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ
の静電容量Ｃ7，Ｃ8，Ｃ9，Ｃ10が０になった場合の補
償を目的としている。

【００２５】つぎに、図６及び図７に示したような測定
回路Ｃにより球面体１の回転角度を検出する原理を説明
する。図５（ａ）のような球面アクチュエータＢが、図
５（ｂ）に示すようにＸ軸の回りにθXだけ回転したと
する。この時、電極８，１０と球面体１の間に構成され
たキャパシタ１７ａ，１７ｂの各静電容量Ｃ8，Ｃ10は
等しいから、ブリッジ回路１６ａは平衡し、ａ端子−ｂ
端子間には出力Ｖabは表われない。しかし、電極７，９
と球面体１の間に構成されたキャパシタ１７ｃ，１７ｄ
の静電容量Ｃ7，Ｃ9については、電極９の方が球面体１
の球面部分との対向面積が少なくなるため（あるいは、
球面体１との距離が大きくなるため）、平行平板コンデ
ンサの原理により、静電容量Ｃ9が静電容量Ｃ7よりも小
さくなり、ブリッジ回路１６ｂの平衡が崩れ、ｃ端子−
ｄ端子間に電圧出力Ｖcdが表われ、この出力Ｖcdの値か
ら回転角度θXを求めることができる。

【００２６】同様に、球面アクチュエータＢがＹ軸の回
りにθYだけ回転した場合には、ブリッジ回路１６ｂは
平衡し、ｃ端子及びｄ端子間には出力Ｖcdは表われない
が、ブリッジ回路１６ａの平衡が崩れるので、ａ端子及
びｂ端子間に出力Ｖabが表われ、この出力Ｖabの値から
回転角度θYを求めることができる。

【００２７】このように球面体１の回転角度θX及びθY
は、ｃ端子−ｄ端子間の出力Ｖcdと、ａ端子−ｂ端子間
の出力Ｖabから求めることができるが、この回転角度θ
Xと出力Ｖcdの関係、および回転角度θYと出力Ｖabの関
係をそれぞれ数式により説明する。図６及び図７に示す
ように、各ブリッジ回路１６ａ，１６ｂにおける抵抗１
５ａ、１５ｂ，１２ａ，１２ｂ；１５ｃ，１５ｄ，１２
ｃ，１２ｄの抵抗値をそれぞれＲX1，ＲX2，ＲX3，ＲX
4；ＲY1，ＲY2，ＲY3，ＲY4とし、キャパシタ１１ａ，
１１ｂ；１１ｃ，１１ｄの静電容量ＣX1，ＣX2；ＣY1，
ＣY2によるインピーダンスをＺCX1，ＺCX2；ＺCY1，ＺC
Y2とすると、ブリッジ回路１６ａの平衡条件は、 ＲX3・（ＲX2＋ＺCX2＋ＺC10）＝ＲX4・（ＲX1＋ＺCX1＋ＺC8） …(1) で表わされ、ブリッジ回路１６ｂの平衡条件は、 ＲY3・（ＲY2＋ＺCY2＋ＺC9）＝ＲY4・（ＲY1＋ＺCY1＋ＺC7） …(2) で表わされる。また、交流電源１３の電圧をＶ₀とすれ
ば、ブリッジ回路１６ａのａ端子−ｂ端子間の出力電圧
Ｖabは次の(3a)式で表わされ、ブリッジ回路１６ｂのｃ
端子−ｄ端子間の出力電圧Ｖcdは次の(4a)式で表わされ
る。

【００２８】

【数１】

【００２９】ここで、 ＲX3＋ＲX2＋ＺCX2＝ＲX4＋ＲX1＋ＺCX1＝Ｚａ …(5) ＲX3＝ＲX4＝ＲX …(6) ＲY3＋ＲY2＋ＺCY2＝ＲY4＋ＲY1＋ＺCY1＝Ｚｂ …(7) ＲY3＝ＲY4＝ＲY …(8) と仮定すると、(3a)式及び(4a)式は、それぞれ次の(3b)
式及び(4b)式となる。

【００３０】

【数２】

【００３１】さらに、簡単のため、 ＲX／Ｚa＝Ｋa …(9) ＲY／Ｚb＝Ｋb …(10) と書くと、上記(3b)式及び(4b)式は次の(3c)式及び(4c)
式のように書き換えられる。

【００３２】

【数３】

【００３３】いま、球面体１をＸ軸及びＹ軸の回りに回
転させるとき、キャパシタ１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１
７ｄの静電容量Ｃ7，Ｃ8，Ｃ9，Ｃ10が、大略図８
（ａ）に示すように変化するとした場合、それぞれのイ
ンピーダンスＺC7，ＺC8，ＺC9，ＺC10は大略図８
（ｂ）に示すように変化し、各出力Ｖab，Ｖcd（実効
値）はだいたい図８（ｃ）のように変化する。図８
（ｂ）においてインピーダンスＺC7，ＺC8，ＺC9，ＺC1
0が変化している領域（−９０°≦θX，θY≦９０°）
において、各インピーダンスＺC7，ＺC8，ＺC9，ＺC10
を ＺC8／Ｚａ＝−Ｋ１・θX＋Ｋ２ …(11) ＺC10／Ｚａ＝Ｋ１・θX＋Ｋ２ …(12) ＺC7／Ｚｂ＝−Ｋ１・θY＋Ｋ２ …(13) ＺC9／Ｚｂ＝Ｋ１・θY＋Ｋ２ …(14) で表わされるとすると、上記（3c）式及び（4c）式は、
次の（3d）式及び（4d）式のようになる。

【００３４】

【数４】

【００３５】ここで、Ｋ１＜Ｋ２とすると、上記（3d）
式は、 Ｖab＝−２｛Ｋａ・Ｋ１・Ｖ₀／（１＋Ｋ２）²｝・θX …（3e） となり、（4c）式は、 Ｖcd＝−２｛Ｋｂ・Ｋ１・Ｖ₀／（１＋Ｋ２）²｝・θY …（4e） となり、図６（ｃ）の関係はほぼ直線的な関係に置き換
えることができる。従って、ａ端子−ｂ端子間の出力Ｖ
abは回転角度θXに比例するとみなすことができ、ｃ端
子−ｄ端子間の出力Ｖcdも回転角度θYに比例するとみ
なすことができ、出力Ｖab及びＶcdを検出することによ
り簡単に回転角度θX，θYを検出することができる。

【００３６】図９（ａ）（ｂ）は本発明の第３の実施例
による球面アクチュエータＤを示す断面図である。この
球面アクチュエータＤにあっては、球殻状をした球面体
１の空洞１ａ内に、球面体１の回転中心Ｐを通過する軸
心方向（回転していない時のＺ軸方向）の磁束Ｈを発生
するように一対の永久磁石１８ａ，１８ｂを取り付け、
３つのホール素子１９X，１９Y，１９Zを一体にしたも
のを球面体１の回転中心Ｐ付近に配置している。これら
のホール素子１９X，１９Y，１９Zは、コーナーキュー
ブ状に組み合わされており、それぞれの検出面をＸ軸、
Ｙ軸及びＺ軸と直交する方向に向けて配置され、球面体
１の回転と無関係となるように固定されている。

【００３７】この球面アクチュエータＤにはＸ軸及びＹ
軸の回りに回転させる駆動系が存在し、ホール素子１９
X，１９Y，１９Zの位置を通過する磁束密度がφ₀である
とする。いま、球面体１がＸ軸の回りに回転角度θXだ
け回転したとすると、図１０（ａ）の説明図から分かる
ように、ホール素子１９Yの出力ΨYは、比例定数をκと
して、 ΨY＝κ・φ₀・cosθX …(15) となり、ホール素子１９Zの出力ΨZは、 ΨZ＝κ・φ₀・sinθX …(16) となる。また、ホール素子１９Xの出力ΨXは、球面体１
のＹ軸回りでの回転角度θYが０で、鎖交する磁束Ｈが
存在しないため、ΨX＝０となる。従って、回転角度θX
は、(15)式及び(16)式から容易に求めることができ、 θX＝arctan（ΨZ／ΨY） …(17) となる。同様に、球面体１がＹ軸の回りに回転した場合
には、ホール素子１９Yの出力ΨY＝０となり、回転角度
θYは、 θY＝arctan（ΨZ／ΨX） …(18) となる。

【００３８】また、球面体１がＸ軸の回りにθXだけ回
転し、同時にＹ軸の回りにθYだけ回転した場合にも同
様に回転角度θX，θYを求めることができる。例えば、
磁束密度φ₀を表わすベクトルが、Ｘ軸，Ｙ軸及びＺ軸
に対して図１０（ｂ）に示す向きを向いている場合を考
えると、磁束密度φ₀を示すベクトルのＹＺ平面、ＺＸ
平面及びＸＹ平面への分ベクトルをそれぞれφZY，φX
Z，φXYとするとき、球面体１のＸ軸回りでの回転角度
θXは分ベクトルφZYとＺ軸とのなす角度と等しく、Ｙ
軸回りでの回転角度θYは分ベクトルφXZとＺ軸とのな
す角度と等しい。そして、これらの回転角θX，θYの値
は、ホール素子１９X，１９Y，１９Zの出力ΨX，ΨY，
ΨZを用いて上記（17）式及び（18）式から演算するこ
とができる。

【００３９】図１１に示すものは本発明の第４の実施例
による球面アクチュエータＥを示す断面図であって、こ
の球面アクチュエータＥにあっては、図９に示した球面
アクチュエータＤの永久磁石１８ａ，１８ｂの代りに電
磁石２０ａ，２０ｂを用いたものである。このような球
面アクチュエータＥにおいても、図９の球面アクチュエ
ータＤと同様な原理によって球面体１の回転方向及び回
転角度θX，θYを検出することができる。

【００４０】しかも、この球面アクチュエータＥにあっ
ては、周辺の磁気ノイズ（例えば、地磁気や、電磁モー
タから発する磁界によるもの）の影響を避けるため、電
磁石２０ａ，２０ｂによって一定の周波数の交流磁界を
かけ、その周波数成分のみをバンドパスフィルタ等で取
り出すことにより、外部磁界による測定誤差を取り除く
ことができる。

【００４１】図１２（ａ）（ｂ）に示すものは本発明の
第５の実施例による球面アクチュエータＦを示す平面図
及び正面図である。この球面アクチュエータＦにあって
は、球面体１は容器状をした支持部材６内に回転自在に
納められており、球面体１の支持部材６から露出してい
る部分にはピン状ないし棒状の突起部２１が突設されて
いる。また、球面体１の上方には、長孔２４ａ，２４ｂ
を穿設された薄平板状の位置検出板２２ａ，２２ｂが２
つ互いに直交させるように配置されており、各位置検出
板２２ａ，２２ｂの端部は支持部材６の上面に設置され
たロータリーエンコーダ２３ａ，２３ｂの回転軸２５
ａ，２５ｂに固定されている。各位置検出板２２ａ，２
２ｂは水平面内で自由に回動できるようになっており、
位置検出板２２ａ，２２ｂの回動角はロータリーエンコ
ーダ２３ａ，２３ｂによって精密に検出される。また、
位置検出板２２ａ，２２ｂの長孔２４ａ，２４ｂは、突
起部２１の直径と等しい幅を有し、球面体１の直径程度
の長さを有しており、両位置検出板２２ａ，２２ｂの長
孔２４ａ，２４ｂの交差部分に球面体１の突起部２１が
スライド自在に挿通されている。

【００４２】しかして、突起部２１の位置、すなわち球
面体１の回転方向及び回転角度θX，θYと両位置検出板
２２ａ，２２ｂの回転角度とは１対１に対応しているか
ら、ロータリーエンコーダ２３ａ，２３ｂによって両位
置検出板２２ａ，２２ｂの回転角度を検出することによ
り、球面体１の回転方向及び回転角度θX，θYを検出す
ることができる。しかも、この球面アクチュエータＦに
あっては、位置検出板２２ａ，２２ｂが平板状をしてお
り、また、検出用のロータリーエンコーダ２３ａ，２３
ｂが支持部材６の上面に取り付けられているので、組立
て性と保守性がよい利点がある。

【００４３】図１３は本発明の第６の実施例による球面
アクチュエータＧを示す斜視図である。この球面アクチ
ュエータＧの球面体駆動機構は、１９９１年度精密工学
会秋季大会講演論文集に掲載されているものであって、
球面体１の表面に直交する方向から２つの駆動ステータ
２６ａ，２６ｂを接触させ、駆動ステータ２６ａ，２６
ｂを駆動することによって球面体１を回動させるように
したものである。さらに、この球面アクチュエータＧに
あっては、図１３及び図１４（ａ）（ｂ）に示すよう
に、各駆動ステータ２６ａ，２６ｂと同心状に検出用の
ロータリーエンコーダ２３ａ，２３ｂを配置してあり、
長孔２４ａ，２４ｂを有する薄板状の位置検出板２２
ａ，２２ｂを球面体１の表面に沿って円弧状に曲成し、
球面体１の表面に沿って直交させるように配置した位置
検出板２２ａ，２２ｂの端部をロータリーエンコーダ２
３ａ，２３ｂの回転軸２５ａ，２５ｂに固定し、長孔２
４ａ，２４ｂの交差部分に球面体１から突出させた突起
部２１を挿通させてある。

【００４４】この球面アクチュエータＧにあっても、突
起部２１の位置と両位置検出板２２ａ，２２ｂの回転角
度とは１対１に対応しているから、ロータリーエンコー
ダ２３ａ，２３ｂによって両位置検出板２２ａ，２２ｂ
の回転角度を検出することにより、球面体１の回転方向
及び回転角度θX，θYを検出することができる。しか
も、この球面アクチュエータＧにあっては、位置検出板
２２ａ，２２ｂを屈曲させ、ロータリーエンコーダ２３
ａ，２３ｂとステータ２６ａ，２６ｂとを同心状に配置
しているので、回転角度θX，θYの検出精度やスペース
効率、組立て性等を向上させることができる。さらに、
ロータリーエンコーダ２３ａ，２３ｂの回転軸２５ａ，
２５ｂをＸ軸及びＹ軸と一致させて配置すれば、回転軸
２５ａ，２５ｂの回転角度そのものが球面体１の回転角
度θX，θYとなるので、ロータリーエンコーダ２３ａ，
２３ｂによって直接回転角度θX，θYを検出することが
でき、検出のための演算回路を省略可能であるという利
点がある。

【００４５】

【発明の効果】本発明の第１の球面アクチュエ−タにあ
っては、歪検出子によって２つの屈曲素子の屈曲度を検
出することにより、球面体の回転方向及び回転角度を検
出できる。また、本発明の第２の球面アクチュエータに
あっては、各電極と球面体の間の静電容量を検出するこ
とにより、球面体の回転方向および回転角度を検出する
ことができる。さらに、本発明の第３の球面アクチュエ
ータにあっては、静止している磁束検出器によって球面
体とともに回転する磁束を検出することにより、球面体
の回転方向及び回転角度を検出することができる。さら
に、本発明の第４の球面アクチュエータにあっては、球
面体の回転に伴って回動する各位置検出板の回転角度を
検出することにより、球面体の回転方向及び回転角度を
検出することができる。

【００４６】これらの球面アクチュエータによれば、従
来よりも高精度で球面体の回転位置検出ができ、球面ア
クチュエータを高精度で制御することが可能となる。ま
た、球面体の回転位置検出が可能な球面アクチュエータ
の構造を簡略化でき、回転位置検出のための構成をコン
パクトに納めることができ、小型軽量の球面アクチュエ
ータを製作することができる。さらに、基本的には、球
面体を１８０°以上の回転角度で回転させた場合にも、
球面体の回転角度を検出できるようにすることも可能と
なる。

【００４７】また、第３の球面アクチュエータにおい
て、磁石として電磁石を用いた場合には、例えば電磁石
によって一定の周波数の交流磁束を発生させ、その周波
数成分のみをバンドパスフィルタ等で取り出すことによ
り、外部磁界による測定誤差を取り除くことができ、周
辺の磁気ノイズ（例えば、地磁気や、電磁モータから発
する磁界によるもの）の影響を避けることができる。

【００４８】また、第４の球面アクチュエータにおい
て、位置検出板を球面体の表面に沿わせて円弧状に形成
し、駆動ステータと同軸状に各角度検出手段を配置し、
各位置検出板をそれぞれの位置検出手段によって回動自
在に枢支させているので、球面体の回転角度の検出精度
やスペース効率、組立て性等を向上させることができ
る。しかも、角度検出手段の回転角度そのものが球面体
の回転角度となるので、角度検出手段によって直接回転
角度を検出することができ、検出のための演算回路を省
略可能であるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例による球面アクチュエー
タを示す断面図である。

【図２】（ａ）（ｂ）は同上の屈曲素子を示す斜視図及
び側面図である。

【図３】屈曲素子の歪量と球面体の回転角度との関係を
示す図である。

【図４】（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）は同上の動作説明の
ための概略断面図である。

【図５】（ａ）（ｂ）は本発明の第２の実施例における
球面アクチュエータを示す一部省略した概略正面図であ
る。

【図６】同上の球面アクチュエータ及びその球面体の回
転角度を検出するための測定回路を示す図である。

【図７】上記測定回路の等価回路を示す回路図である。

【図８】（ａ）（ｂ）（ｃ）は同上の測定回路の説明図
である。

【図９】（ａ）は本発明の第３の実施例による球面アク
チュエータを示す断面図、（ｂ）は（ａ）のＱ−Ｑ線断
面図である。

【図１０】（ａ）（ｂ）は同上の球面アクチュエータに
おける回転角度検出の原理を示す説明図である。

【図１１】本発明の第４の実施例による球面アクチュエ
ータを示す断面図である。

【図１２】（ａ）（ｂ）は本発明の第５の実施例による
球面アクチュエータを示す平面図及び正面図である。

【図１３】本発明の第６の実施例による球面アクチュエ
ータを示す斜視図である。

【図１４】（ａ）（ｂ）は同上の球面アクチュエータの
平面図及び正面図である。

【符号の説明】

１ 球面体 ２，４ 屈曲素子 ３ａ，３ｂ 歪ゲージ（歪検出子） ７，８，９，１０ 電極 Ｃ 測定回路 １８ａ，１８ｂ 永久磁石 １９X，１９Y，１９Z ホール素子（磁束検出器） ２０ａ，２０ｂ 電磁石 ２１ 突起部 ２２ａ，２２ｂ 位置検出板 ２３ａ，２３ｂ ロータリーエンコーダ（角度検出手
段） ２４ａ，２４ｂ 長孔 ２６ａ，２６ｂ 駆動ステータ

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 球面体を回転自在に支持させた球面アク
   チュエ−タにおいて、 歪検出子を取着された２つの屈曲素子を屈曲方向が互い
   に直交するように接続し、接続された２つの屈曲素子の
   一方端部を球面体の内面に固定し、他方端部を球面体以
   外の静止部分に固定したことを特徴とする球面アクチュ
   エータ。
2. 【請求項２】 球面体を回転自在に支持させた球面アク
   チュエ−タにおいて、 前記球面体の底部を切欠して切欠部を設け、球面体の底
   部と対向させて直交２方向にそれぞれ電極を配置し、当
   該各電極と球面体との間に静電容量を構成したことを特
   徴とする球面アクチュエータ。
3. 【請求項３】 球面体を回転自在に支持させた球面アク
   チュエータにおいて、 磁束が前記球面体のほぼ回転中心を通過するように少な
   くとも１つの磁石を球面体の内面に取り付け、検出面が
   互いに直交する少なくとも２つの磁束検出器を前記球面
   体のほぼ回転中心に配置したことを特徴とする球面アク
   チュエータ。
4. 【請求項４】 前記磁石を電磁石によって構成したこと
   を特徴とする請求項３に記載の球面アクチュエータ。
5. 【請求項５】 球面体を回転自在に支持させた球面アク
   チュエータにおいて、 前記球面体に突起部を設け、当該突起部とほぼ等しい幅
   の長孔を有する一対の位置検出板をそれぞれ球面体の近
   傍で回動自在に枢支し、各位置検出板の回動角度を検出
   する角度検出手段を設け、両位置検出板の交差部分で前
   記突起部を両長孔に摺動自在に挿通させたことを特徴と
   する球面アクチュエータ。
6. 【請求項６】 前記位置検出板を球面体の表面に沿わせ
   て円弧状に形成し、前記球面体を回転駆動するための一
   対の駆動ステータと同軸状に一対の前記角度検出手段を
   配置し、各位置検出板をそれぞれの位置検出手段によっ
   て回動自在に枢支させたことを特徴とする請求項５に記
   載の球面アクチュエータ。