JPH10122809A - 球面アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】小型軽量かつ簡単な構成で、球面体の回転角度
を高精度に検出できる球面アクチュエータを提供するこ
と。 【解決手段】絶縁体で形成された球面体１０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
１０の表面上に設けられた電極部（１２）と、この電極
部（１２）に対向するよう設けられ、前記電極部（１
２）とのなす空間に静電容量を構成するよう配置された
電極板１３〜１６と、を具備。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、球面体の回転角度
検出機能を有する球面アクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光通信や半導体関連分野では、微
細な光部品や半導体を高精度に組み立てるために、マイ
クロマニピュレータが必要とされている。そのため、マ
イクロマニピュレータに適用され球面体を回転自在に支
持した球面アクチュエータにおいては、球面体の回転角
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
度の検出方法が、特開平０６−２１０５８５号公報に開
示されている。これは、球面アクチュエータに歪検出子
を取り付けた二つの屈曲素子を屈曲方向に互いに直交す
るよう接続し、球面体が回転すると、球面体の回転方向
および回転角度に応じて二つの屈曲素子の一方あるいは
両方が屈曲し、その屈曲量を歪検出子により検出するこ
とで、球面体の回転方向および回転角度を検出する方法
である。また、球面体の底部に切欠部を設けており、そ
の切欠部に対向させた電極を配置し、球面体と電極との
間で構成された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、上述し
たような従来の方法では、歪ゲージによる屈曲素子の変
形を検出するために、二つの直交している屈曲素子の一
端が支持部材に固定接続されている。そのため、アクチ
ュエータの発生トルクを減少させることになる。また、
歪ゲージ温度ドリフトや貼り方によってアクチェータの
特性が変化しやすく、高精度に検出することが難しい。
また、同公報に提案された静電容量による検出法は、セ
ンサーの出力が非線形になっているため、検出精度が良
くないという問題がある。本発明の目的は、小型軽量か
つ簡単な構成で、球面体の回転角度を高精度に検出でき
る球面アクチュエータを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決し目的を
達成するために、本発明の球面アクチュエータは以下の
如く構成されている。 （１）本発明の球面アクチュエータは、絶縁体で形成さ
れた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、前記球面体の表面上に設けられた電極部と、
この電極部に対向するよう設けられ、前記電極部とのな
す空間に静電容量を構成するよう配置された電極板と、
から構成されている。 （２）本発明の球面アクチュエータは上記（１）に記載
のアクチュエータであり、かつ前記電極部を前記球面体
の底部表面上に設け、かつ前記球面体の球面部分と同心
球面状をなすよう曲成された二組の前記電極板を前記電
極部に対向させ、互いに直交するよう配置した。 （３）本発明の球面アクチュエータは上記（１）に記載
のアクチュエータであり、かつ前記電極部を前記球面体
側面上に互いに直交するよう二つ設け、前記球面体の球
面部分と同心球面状をなすよう曲成された一対の前記電
極板を一組づつ各前記電極部に対向するよう前記球面体
の回転方向に沿って配置した。

【０００６】上記手段を講じた結果、それぞれ次のよう
な作用が生じる。 （１）本発明の球面アクチュエータによれば、球面体の
表面上に設けられた電極部に対向し、前記電極部とのな
す空間に静電容量を構成するよう電極板を配置したの
で、前記球面体が回転すると前記球面体に設けられた前
記電極部と前記電極板との間の静電容量が変化するた
め、この静電容量を検出することにより前記球面体の回
転方向と回転角度を検出することができる。

【０００７】このように、従来のように歪ゲージによる
屈曲素子の変形を検出することがなく、また静電容量を
検出する際、センサーの出力が非線形になることがない
ので、高精度で安定した前記球面体の回転方向および回
転角度の検出を行なえ、球面アクチュエータを高精度に
制御することができる。また、構造的に簡単であるた
め、構成をコンパクトに収めることができ、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。これは、
特にマイクロアクチュエータの位置決め制御の際有効に
なる。 （２）本発明の球面アクチュエータによれば、前記電極
部を前記球面体の底部表面上に設け、かつ前記球面体の
球面部分と同心球面状をなすよう曲成された二組の前記
電極板を前記電極部に対向させ、互いに直交するよう配
置したので、球面アクチュエータをより一層簡単に構成
できる。 （３）本発明の球面アクチュエータによれば、前記電極
部を前記球面体側面上に互いに直交するよう二つ設け、
前記球面体の球面部分と同心球面状をなすよう曲成され
た一対の前記電極板を一組づつ各前記電極部に対向する
よう前記球面体の回転方向に沿って配置したので、前記
球面体の底部が前記電極部や前記電極板に覆われること
なく露出されるため、前記球面体を底部から支持するこ
とが多い球面アクチュエータとして当該球面アクチュエ
ータを有効に活用できる。

【０００８】

【発明の実施の形態】

（第１の実施の形態）図１は、本発明の第１の実施の形
態に係る球面アクチュエータの主要部を示す図であり、
（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）は下面図であ
る。

【０００９】図１に示す球面アクチュエータでは、球面
体１０が図示しない適当な支持部材により回転自在に支
持されている。球面体１０は、セラミック等の絶縁材に
よりほぼ球体状に形成されており、その上面にはアーム
等の出力部を取り付けるための軸部１１が連結されてい
る。

【００１０】また、球面体１０の下面には電極膜１２が
塗布されており、この電極膜１２の形状はほぼ正方形を
なしている。電極膜１２の下方には、球面体１０の下半
球を包み込むように四分割された電極板１３、１４、１
５、１６が配置されている。これにより、電極膜１２と
各電極板１３、１４、１５、１６との間に静電容量が構
成される。そして、各電極板１３、１４、１５、１６と
球面体１０とのなす空間がエアギャップまたは絶縁膜等
により絶縁されている。

【００１１】なお、電極板１３、１４、１５、１６は球
面体１０の球面部分と同心球面状をなすよう曲成されて
おり、電極板１３、１４、１５、１６と球面体１０との
間のギャップが一定になっている。また、電極板１３、
１４、１５、１６は、各々隣接するものとなす間隔が等
間隔になるよう配置されている。

【００１２】図２は、図１に示した球面アクチュエータ
の角度検出測定回路の構成を示すブロック図である。こ
の角度検出測定回路において、静電容量検出回路３０、
３１、３２、３３は、各々演算回路３４に接続されてい
る。静電容量検出回路３０、３１、３２、３３は、電極
膜１２と各電極板１３、１４、１５、１６との間の静電
容量をそれぞれ検出し出力するものである。

【００１３】静電容量検出回路３０、３１、３２、３３
からの各出力ＣＡ，ＣＢ，ＣＣ，ＣＤ，Ｇは、それぞれ
図１の（Ｃ）に示すＣＡ，ＣＢ，ＣＣ，ＣＤ，Ｇに通じ
ている。そして、静電容量検出回路３０、３１、３２、
３３からの各出力ＳＣＡ，ＳＣＢ，ＳＣＣ，ＳＣＤは、
演算回路３４に供給される。そして、演算回路３４では
下式（１）（２）に示す演算を行ない、球面体１０のθ
Ｘ方向の回転角度φｘとθＹ方向の回転角度φｙを算出
する。

【００１４】 φｘ＝ｋ｛（ＳＣＡ＋ＳＣＢ）−（ＳＣＣ＋ＳＣＤ）｝ …（１） φｙ＝ｋ｛（ＳＣＡ＋ＳＣＤ）−（ＳＣＢ＋ＳＣＣ）｝ …（２） 次に、球面体１０の回転角度を検出する原理すなわち上
記式（１）（２）が導かれる過程を説明する。まず、電
極膜１２と各電極板１３、１４、１５、１６とが重なっ
ている部分の面積がそれぞれ等しい状態（初期状態）か
ら、球面体１０がθＸ方向にφｘ回転したものとする。
このとき、球面体１０の半径をａ、電極膜１２の一辺の
長さをＬとし、各電極板間の距離を無視できるものとす
ると、電極膜１２と各電極板１３、１４、１５、１６と
が重なっている部分の各面積ＳＡ、ＳＢ、ＳＣ、ＳＤ
は、下式（３）（４）で表される。

【００１５】 ＳＡ＝ＳＢ＝Ｌ／２（Ｌ／２＋ａ・φｘ） …（３） ＳＣ＝ＳＤ＝Ｌ／２（Ｌ／２−ａ・φｘ） …（４） また、静電容量は電極の面積に比例することから、電極
膜１２と各電極板１３、１４、１５、１６との間の静電
容量ＳＣＡ、ＳＣＢ、ＳＣＣ、ＳＣＤは、比例定数をｋ
１とすると下式（５）〜（８）で表される。

【００１６】 ＳＣＡ＝ｋ１×ＳＡ＝ｋ１・Ｌ／２（Ｌ／２＋ａ・φｘ） …（５） ＳＣＢ＝ｋ１×ＳＢ＝ｋ１・Ｌ／２（Ｌ／２＋ａ・φｘ） …（６） ＳＣＣ＝ｋ１×ＳＣ＝ｋ１・Ｌ／２（Ｌ／２−ａ・φｘ） …（７） ＳＣＤ＝ｋ１×ＳＤ＝ｋ１・Ｌ／２（Ｌ／２−ａ・φｘ） …（８） よって、下式（９）が導かれる。

【００１７】 （ＳＣＡ＋ＳＣＢ）−（ＳＣＣ＋ＳＣＤ）＝ｋ１・２・ａ・Ｌ・φｘ …（９） 上式（９）は、式（１）により回転角度φｘを求めるこ
とができることを示している。

【００１８】また、θＹ方向についても同様に、式
（２）により回転角度φｙを算出することができる。こ
れら式（１）、（２）から分かるように、演算回路３４
の演算結果が回転角度に比例している。したがって、第
１の実施の形態の球体アクチュエータによれば、球面体
の回転角度および回転方向を高精度に検出することが可
能になる。

【００１９】（第２の実施の形態）図３は、本発明の第
２の実施の形態に係る球面アクチュエータの主要部を示
す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図、（ｃ）
は下面図である。図３に示す球面アクチュエータでは、
球面体１０が図示しない適当な支持部材により回転自在
に支持されている。球面体１０は、セラミック等の絶縁
材によりほぼ球体状に形成されており、その上面にはア
ーム等の出力部を取り付けるための軸部１１が連結され
ている。

【００２０】また、球面体１０の下面には電極膜１２が
塗布されており、この電極膜１２の形状はほぼ正方形を
なしている。電極膜１２の下方には、球面体１０の下半
球に沿って２組の電極板２１、２２および２３、２４が
互いに直交するように配置されている。これにより、電
極膜１２と各電極板２１、２２、２３、２４との間に静
電容量が構成される。そして、各電極板２１、２２、２
３、２４と球面体１０とのなす空間がエアギャップまた
は絶縁膜等により絶縁されている。

【００２１】なお、電極板２１、２２、２３、２４は球
面体１０の球面部分と同心球面状をなすよう曲成されて
おり、電極板２１、２２、２３、２４と球面体１０との
間のギャップが一定になっている。また、電極板１３、
１４、１５、１６は、各々隣接するものとなす間隔が等
間隔になるよう配置されている。

【００２２】図４は、図３に示した球面アクチュエータ
の角度検出測定回路の構成を示すブロック図である。こ
の角度検出測定回路において、静電容量検出回路３０、
３１、３２、３３は、各々演算回路３４に接続されてい
る。静電容量検出回路３０、３１、３２、３３は、電極
膜１２と各電極板２１、２２、２３、２４との間の静電
容量をそれぞれ検出し出力するものである。

【００２３】静電容量検出回路３０、３１、３２、３３
からの各出力ＣＸ１，ＣＸ２，ＣＹ１，ＣＹ２、Ｇはそ
れぞれ図３の（Ｃ）に示すＣＸ１，ＣＸ２，ＣＹ１，Ｃ
Ｙ２、Ｇに通じている。そして、静電容量検出回路３
０、３１、３２、３３からの各出力ＳＣＸ１、ＳＣＸ
２、ＳＣＹ１、ＳＣＹ２は演算回路４４に供給される。
そして、演算回路４４では下式（３）（４）の演算を行
ない、球面体１０のθＸ方向の回転角度φｘとθＹ方向
の回転角度φｙを算出する。

【００２４】 φｘ＝ｋ（ＳＣＸ１−ＳＣＸ２） …（３） φｙ＝ｋ（ＳＣＹ１−ＳＣＹ２） …（４） これら式（３）、（４）は、上記第１の実施の形態に示
したと同様の過程で導くことができる。したがって、本
第２の実施の形態の球体アクチュエータによれば、球面
体の回転角度および回転方向を高精度に検出することが
可能になる。

【００２５】（第３の実施の形態）図５は、本発明の第
３の実施の形態に係る球面アクチュエータの主要部を示
す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）
は側面図である。図５に示す球面アクチュエータでは、
球面体１０が図示しない適当な支持部材により回転自在
に支持されている。球面体１０は、セラミック等の絶縁
材によりほぼ球体状に形成されており、その上面にはア
ーム等の出力部を取り付けるための軸部１１が連結され
ている。

【００２６】また、互いに直交する二方向の側面にはそ
れぞれ電極膜５１、電極膜５２が塗布されている。これ
ら電極膜５１、電極膜５２は、それぞれθＸ方向、θＹ
方向の角度を独立に検出するために円形の形状をなして
いる、そして、球面体１０の球面部分と同心球面状をな
すように曲成された二対の電極板５３、５４および５
５、５６が、それぞれ電極膜５１、５２の中心を通るθ
Ｘ方向、θＹ方向に沿い、球面体１０との間のギャップ
が一定になるように配置されている。なお、電極板５
３，５５は球面体１０の上半球に沿って配置されてお
り、電極板５４，５６は球面体１０の下半球に沿って配
置されている。

【００２７】これにより、電極膜５１と各電極板５３、
５４との間、および電極膜５２と電極板５５、５６との
間にそれぞれ静電容量が構成されている。そして、各電
極板５３、５４、５５、５６と球面体１０（電極膜５
１、５２）とのなす空間がエアギャップまたは絶縁膜等
により絶縁されている。なお、本第３の実施の形態の球
面アクチュエータの動作原理は、上記第２の実施の形態
に示したもの同じであり、静電容量検出回路は図４に示
したものを用いる。

【００２８】本第３の実施の形態によれば、球面体１０
の底部を電極膜や電極板が覆うことがなく露出すること
ができるいう点で、従来例および上記第１，第２の実施
の形態に示した構成と異なっている。よって、球面体を
底部から支持することが多い球面アクチュエータとして
有効に活用でき、当該球面アクチュエータにおける球面
体１０の底部に圧電体が接するようにし、マイクロマニ
ピュレータを構成することができる。このように、本第
３の実施の形態の球体アクチュエータにおいても、球面
体の回転角度および回転方向を高精度に検出することが
可能になる。なお、本発明は上記各実施の形態のみに限
定されず、要旨を変更しない範囲で適時変形して実施で
きる。

【００２９】

【発明の効果】本発明によれば、小型軽量かつ簡単な構
成で、球面体の回転角度を高精度に検出できる球面アク
チュエータを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る球面アクチュ
エータの主要部を示す図であり、（ａ）は上面図、
（ｂ）は側面図、（ｃ）は下面図。

【図２】本発明の第１の実施の形態に係る球面アクチュ
エータの角度検出測定回路の構成を示すブロック図。

【図３】本発明の第２の実施の形態に係る球面アクチュ
エータの主要部を示す図であり、（ａ）は上面図、
（ｂ）は側面図、（ｃ）は下面図。

【図４】本発明の第２，第３の実施の形態に係る球面ア
クチュエータの角度検出測定回路の構成を示すブロック
図。

【図５】本発明の第３の実施の形態に係る球面アクチュ
エータの主要部を示す図であり、（ａ）は上面図、
（ｂ）は正面図、（ｃ）は側面図。

【符号の説明】

１０…球面体 １１…軸部 １２…電極膜 １３〜１６…電極板 ２１〜２４…電極板 ３０〜３３…静電容量検出回路 ３４…演算回路 ４４…演算回路 ５１…電極膜 ５２…電極膜 ５３〜５６…電極板

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】絶縁体で形成された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、 前記球面体の表面上に設けられた電極部と、 この電極部に対向するよう設けられ、前記電極部とのな
   す空間に静電容量を構成するよう配置された電極板と、 を具備したことを特徴とする球面アクチュエータ。
2. 【請求項２】前記電極部を前記球面体の底部表面上に設
   け、かつ前記球面体の球面部分と同心球面状をなすよう
   曲成された二組の前記電極板を前記電極部に対向させ、
   互いに直交するよう配置したことを特徴とする請求項１
   に記載の球面アクチュエータ。
3. 【請求項３】前記電極部を前記球面体側面上に互いに直
   交するよう二つ設け、前記球面体の球面部分と同心球面
   状をなすよう曲成された一対の前記電極板を一組づつ各
   前記電極部に対向するよう前記球面体の回転方向に沿っ
   て配置したことを特徴とする請求項１に記載の球面アク
   チュエータ。