JP6075984B2 - アクチュエータ及びアクチュエータの制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、アクチュエータ及びアクチュエータの制御方法に関する。

回転型アクチュエータは、例えば光スキャナーなどにおいて光の方向を変えるために用いられている。このような用途の回転型アクチュエータは、可動部である可動電極及び固定電極を有している。可動電極は、可動電極と固定電極の間の電圧によってその回転角度が制御される（例えば特許文献１，２参照）。

特開２００６−４７８９７号公報 特開２００７−１７８７１１号公報

C. Ataman, H. Urey, "Modeling and characterization of comb-actuated resonant microscanners", J. Micromech. Microeng. 16(2006)9-16

可動電極及び固定電極を有している回転型アクチュエータにおいて、これらの間に交流電圧と直流電圧とを重畳させた電圧を印加する場合が多い。ここで交流電圧の周波数は、可動電極の共振周波数、または、その高調波の周波数近傍である。このようにすると、可動電極が共振するため大きく振動する。しかし、交流電圧と直流電圧とを重畳させた電圧を印加する場合、交流電圧の周波数を制御することにより、可動電極の回転角度を制御していた。このため、可動電極の制御部は、交流電圧の周波数を掃引するための回路が必要となっていた。この場合、制御部の回路構成が複雑になってしまう。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、制御部の回路構成を単純化することができるアクチュエータ及びアクチュエータの制御方法を提供することにある。

本発明によれば、アクチュエータは、可動電極、枠体、保持部材、固定電極、及び制御部を備えている。保持部材は、可動電極を枠体に取り付けている。また保持部材は、可動電極の回転軸となる。固定電極は、平面視で可動電極に対向している。制御部は、固定電極と可動電極の間に、交流電圧と直流電圧とを重畳させた電圧を印加し、かつ直流電圧を制御することにより、可動電極の角度を制御する。

本発明によれば、アクチュエータの制御部の回路構成を単純化することができる。

第１の実施形態に係る回転型アクチュエータの構成を示す図である。 可動電極と固定電極の間に印加する電圧において、交流電圧の周波数を上げていったときの可動電極の回転角度を示す図である。 可動電極と固定電極の間に印加する電圧において、直流電圧Ｖ_ＤＣを上げていったときの可動電極の回転角度を示す図である。 制御部の回路構成の第１例を示す図である。 制御部の回路構成の第２例を示す図である。 制御部の回路構成の第３例を示す図である。 制御部の回路構成の第４例を示す図である。 制御部の回路構成の第５例を示す図である。 制御部の回路構成の第６例を示す図である。 第２の実施形態に係る回転型アクチュエータの構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る回転型アクチュエータ１００の構成を示す図である。本実施形態に係る回転型アクチュエータ１００は、可動電極１２０、枠体１１０、保持部材１３０、固定電極１４０、及び制御部２００を有している。保持部材１３０は、可動電極１２０を枠体１１０に取り付けており、かつ可動電極１２０の回転軸となる。固定電極１４０は、平面視で可動電極１２０に対向している。制御部２００は、固定電極１４０と可動電極１２０の間に、交流電圧と直流電圧とを重畳させた電圧を印加する。そして制御部２００は、この直流電圧を制御することにより、可動電極１２０の角度を制御する。以下、詳細に説明する。

可動電極１２０の平面形状は矩形である。そして固定電極１４０は、平面視で可動電極１２０を挟むように２つ設けられている。可動電極１２０のうち固定電極１４０と対向する辺（図１においてＸ方向に伸びている辺）は、櫛歯形状となっている。枠体１１０は、可動電極１２０の４辺のうち固定電極１４０と対向していない２つの辺（図１においてＹ方向に伸びている辺）それぞれに対向している。保持部材１３０は、可動電極１２０のうち枠体１１０と対向している２辺それぞれに対して設けられている。詳細には、保持部材１３０は、可動電極１２０のうち枠体１１０と対向している辺の中心に接続している。そして２つの保持部材１３０を結ぶ線が、可動電極１２０の回転軸となっている。本実施形態では、枠体１１０、可動電極１２０、及び保持部材１３０は一体的に形成されている。

固定電極１４０のうち可動電極１２０と対向する辺は、櫛歯形状となっており、可動電極１２０の櫛歯部分とかみ合っている。このため、固定電極１４０と可動電極１２０は、互いに対向する部分の面積が大きくなり、その結果、可動電極１２０の駆動力は大きくなる。

回転型アクチュエータ１００の可動電極１２０は、例えば上面が鏡面になっている。この鏡面は、例えば可動電極１２０の上面に金属膜（例えばＡｌ膜）を形成することにより、形成されている。そして可動電極１２０の角度を変えることにより、可動電極１２０に入射してきた光の反射角を変える。回転型アクチュエータ１００は、例えば光スキャナーやモーションセンサに用いられる。

制御部２００は、可動電極１２０の動きを制御する。具体的には、可動電極１２０を回転させるとき、制御部２００は、可動電極１２０と固定電極１４０の間に、交流電圧と直流電圧とを重畳させた電圧を印加する。交流電圧の周波数は、例えば可動電極１２０の基本共振周波数、又はその高調波近傍である。本実施形態において制御部２００は、可動電極１２０の動きを制御している間、交流電圧の周波数を変化させない。その代わりに、制御部２００は、直流電圧を制御することにより、可動電極１２０の回転角度を制御する。

図２は、可動電極１２０と固定電極１４０の間に印加する電圧において、交流電圧の周波数を上げていったときの可動電極１２０の回転角度を示す図である。直流電圧Ｖが閾値Ｖｍ未満の場合、交流電圧の周波数を上げていっても可動電極１２０は回転しない。これに対して直流電圧Ｖが閾値Ｖｍ以上では、交流電圧の周波数を上げていくと、閾値周波数ｆで可動電極１２０は回転し始める。その後、交流電圧の周波数を上げていくと、可動電極１２０の回転角度は小さくなる。一方、閾値周波数fよりも十分高い周波数から、もしくは、可動電極１２０が回転している状態で交流電圧の周波数を下げていくと、可動電極１２０の回転角度は大きくなる。そして、交流電圧の周波数が基準周波数ｆ_０になると、可動電極１２０の回転角度は０に戻る。基準周波数ｆ_０は、一般的に閾値周波数ｆよりも小さい。そして閾値周波数ｆは、直流電圧Ｖを大きくしていくと、高くなっていく。一方、基準周波数ｆ０は、直流電圧Ｖによらず一定である。

図３は、可動電極１２０と固定電極１４０の間に印加する電圧において、直流電圧Ｖ_ＤＣを上げていったときの可動電極１２０の回転角度を示す図である。直流電圧Ｖ_ＤＣが閾値電圧Ｖｍ未満の場合、可動電極１２０は回転しない。一方、直流電圧Ｖ_ＤＣが閾値Ｖｍになると、可動電極１２０は回転する。そして直流電圧Ｖ_ＤＣを上げていくと、可動電極１２０の回転角度は、閾値Ｖｍのときの回転角度θ_ｍから徐々に大きくなる。このように、制御部２００は、直流電圧Ｖ_ＤＣの値を制御することにより、可動電極１２０の回転角度θを制御することができる。

図４は、制御部２００の回路構成の第１例を示す図である。本図に示す例において、制御部２００は、交流電圧発生部２１０及び直流電圧発生部２２０を有している。交流電圧発生部２１０は、２つの固定電極１４０に交流電圧を印加する。直流電圧発生部２２０は、枠体１１０及び保持部材１３０を介して、可動電極１２０に直流電圧を印加する。これにより、可動電極１２０と固定電極１４０の間には、交流電圧と直流電圧とを重畳させた電圧が印加される。

図５は、制御部２００の回路構成の第２例を示す図である。本図に示す例において、交流電圧発生部２１０は、枠体１１０及び保持部材１３０を介して、可動電極１２０に交流電圧を印加する。直流電圧発生部２２０は、２つの固定電極１４０に直流電圧を印加する。これにより、可動電極１２０と固定電極１４０の間には、交流電圧と直流電圧とを重畳させた電圧が印加される。

図６は、制御部２００の回路構成の第３例を示す図である。本図に示す例において、交流電圧発生部２１０及び直流電圧発生部２２０は、いずれも枠体１１０及び保持部材１３０を介して、可動電極１２０に電圧を印加する。一方、２つの固定電極１４０は接地されている。これにより、可動電極１２０と固定電極１４０の間には、交流電圧と直流電圧とを重畳させた電圧が印加される。

図７は、制御部２００の回路構成の第４例を示す図である。本図に示す例において、交流電圧発生部２１０及び直流電圧発生部２２０は、いずれも２つの固定電極１４０に電圧を印加する。一方、可動電極１２０は、枠体１１０及び保持部材１３０を介して接地されている。これにより、可動電極１２０と固定電極１４０の間には、交流電圧と直流電圧とを重畳させた電圧が印加される。

図８は、制御部２００の回路構成の第５例を示す図である。本図に示す例において、交流電圧発生部２１０及び直流電圧発生部２２０は、いずれも枠体１１０及び保持部材１３０を介して、可動電極１２０に電圧を印加する。一方、２つの固定電極１４０は、直流電圧発生部２３０によって直流の固定電圧が印加されている。これにより、可動電極１２０と固定電極１４０の間には、交流電圧と直流電圧とを重畳させた電圧が印加される。

図９は、制御部２００の回路構成の第６例を示す図である。本図に示す例において、交流電圧発生部２１０及び直流電圧発生部２２０は、いずれも２つの固定電極１４０に電圧を印加する。一方、可動電極１２０は、枠体１１０及び保持部材１３０を介して、直流電圧発生部２３０によって直流の固定電圧が印加されている。これにより、可動電極１２０と固定電極１４０の間には、交流電圧と直流電圧とを重畳させた電圧が印加される。

なお、制御部２００の回路構成は、上記した例に限定されない。

以上、本実施形態によれば、制御部２００は、直流電圧を制御することにより、可動電極１２０の角度を制御する。直流電圧の制御回路は、交流電圧の周波数制御回路よりも構成が簡単である。このため、回転型アクチュエータの制御部の回路構成を単純化することができる。

（第２の実施形態）
図１０は、第２の実施形態に係る回転型アクチュエータ１００の構成を示す図である。本実施形態に係る回転型アクチュエータ１００は、検出用電極１５０を有している点を除いて、第１の実施形態に係る回転型アクチュエータ１００と同様の構成である。

検出用電極１５０は、固定電極１４０と並んでおり、可動電極１２０のうち固定電極１４０と対向している辺に対向している。本図に示す例では、固定電極１４０は、可動電極１２０の辺の中心部分に対向している。そして検出用電極１５０は、固定電極１４０を挟むように設けられており、可動電極１２０の辺の両端それぞれに対向している。固定電極１４０は、検出用電極１５０よりも大きい。本図に示す例では、検出用電極１５０は、可動電極１２０のうち対向する２辺に設けられている。すなわち検出用電極１５０は、保持部材１３０を基準として線対称となるように設けられている。ただし、検出用電極１５０は、可動電極１２０の一辺にのみ設けられていても良い。

可動電極１２０が回転すると、可動電極１２０と検出用電極１５０の間に生じる静電容量が変化する。このため、制御部２００は、この静電容量の大きさに基づいて可動電極１２０の回転角度を算出することができる。すなわち制御部２００は、可動電極１２０と検出用電極１５０の間の静電容量を検出し、検出した静電容量の大きさに基づいて直流電圧を制御する。これにより、制御部２００は、可動電極１２０の回転角度を所望の値に制御することができる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

１００ 回転型アクチュエータ
１１０ 枠体
１２０ 可動電極
１３０ 保持部材
１４０ 固定電極
１５０ 検出用電極
２００ 制御部
２１０ 交流電圧発生部
２２０ 直流電圧発生部
２３０ 直流電圧発生部

Claims (4)

1. 可動電極と、
   平面視で前記可動電極に対向している固定電極と、
   前記可動電極及び前記固定電極から絶縁されており、平面視において該可動電極の一辺に対向している検出用電極と、
   枠体と、
   前記可動電極を前記枠体に取り付け、前記可動電極の回転軸となる保持部材と、
   前記可動電極又は前記固定電極に交流電圧を該固定電極に直流電圧を少なくとも印加する制御部と、
   を備え、
   前記制御部は、前記可動電極と前記検出用電極との間の静電容量を検出し、該静電容量の大きさに基づいて前記交流電圧の周波数を変更せずに前記固定電極への直流電圧を制御することにより、該可動電極の角度を制御するアクチュエータ。
2. 請求項１に記載のアクチュエータにおいて、
   前記制御部は、前記可動電極に前記交流電圧を印加するアクチュエータ。
3. 請求項１に記載のアクチュエータにおいて、
   前記制御部は、前記固定電極に前記交流電圧を印加するアクチュエータ。
4. 可動電極と、
   平面視で前記可動電極に対向している固定電極と、
   前記可動電極及び前記固定電極から絶縁されており、平面視において該可動電極の一辺に対向している検出用電極と、
   枠体と、
   前記可動電極を前記枠体に取り付け、前記可動電極の回転軸となる保持部材と、
   を有するアクチュエータを準備し、
   前記可動電極又は前記固定電極に交流電圧を該固定電極に直流電圧を少なくとも印加し、
   前記可動電極と前記検出用電極との間の静電容量を検出し、該静電容量の大きさに基づいて前記交流電圧の周波数を変更せずに前記固定電極への直流電圧を制御することにより、該可動電極の角度を制御するアクチュエータの制御方法。

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