JP6137100B2 - アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、アクチュエータに関する。

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。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。可動電極の回転量は、可動電極と固定電極の間の電圧によって制御される（例えば特許文献１）。

また特許文献２には、可動電極の共振周波数を検出するために、可動電極を支持するバーにピエゾ抵抗を配置することが記載されている。また特許文献３には、レーザーダイオードとフォトダイオードを用いて回転する部材の振幅を検出することが記載されている。

特開２００４−６９７３１号公報 特開２００９−２２９５１７号公報 特表２００９−５３３２３１号公報

回転型アクチュエータにおいて、可動電極に第２の固定電極（以下、検出用電極と記載）を対向させ、この検出用電極と可動電極の間の容量を検出することにより、可動電極の回転量を検出する技術がある。上記した容量を検出する方法の一つとして、仮想短絡したオペアンプを用いて上記した容量を検出することが考えられる。この場合、検出用電極は、オペアンプの反転入力端子に接続される。一方、オペアンプを仮想短絡するためには、オペアンプの出力端子と反転入力端子を、容量素子を介して接続する必要がある。

この方法において、オペアンプの出力は、容量素子に蓄積されている電荷量によって変化する。この電荷量は、検出用電極と可動電極の間に蓄積されている電荷量が変化すると、変化する。一方、検出用電極と可動電極の間の電荷量は、検出用電極と可動電極の重なり面積（すなわち可動電極の回転量）と、可動電極に印加されている電圧のそれぞれによって変化する。このため、オペアンプの出力から可動電極の回転量を算出するためには、可動電極に印加されている電圧に基づいた補正を加える必要があった。従って、可動電極の回転量を算出するための演算が複雑になっていた。

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、仮想短絡したオペアンプを用いて可動電極の回転量を検出する場合において、少ない演算量で可動電極の回転量を検出することにある。

本発明において、アクチュエータは、可動電極、軸部材、固定電極、検出用電極、第１直流電源、交流電源、容量検出部、及び制御部を備えている。可動電極は軸部材を回転軸として回転する。固定電極及び検出用電極は、平面視で可動電極に対向している。第１直流電源は可動電極に接続されており、交流電源は固定電極に接続されている。容量検出部は可動電極と検出用電極の間の容量を検出する。容量検出部は、オペアンプ及び第２直流電源を備えている。オペアンプは仮想短絡されている。またオペアンプの反転入力端子は検出用電極に接続している。第２直流電源はオペアンプの非反転入力端子に接続している。制御部は、容量検出部の検出結果に基づいて第１直流電源を制御している。制御部は、さらに、検出用電極と可動電極の間の電圧が基準値となるように検出用電極の電圧を制御している。

本発明によれば、少ない演算量で可動電極の回転量を検出することができる。

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。 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１０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１０は、可動電極１２０、軸部材１３０、固定電極１４０、検出用電極１５０、第１直流電源４００、交流電源４１０、容量検出部２００、及び制御部３００を備えている。可動電極１２０は軸部材１３０を回転軸として回転する。固定電極１４０及び検出用電極１５０は、平面視で可動電極１２０に対向している。第１直流電源４００は可動電極１２０に接続されており、交流電源４１０は固定電極１４０に接続されている。容量検出部２００は可動電極１２０と検出用電極１５０の間の容量を検出する。容量検出部２００は、オペアンプ２１０及び第２直流電源２４０を備えている。オペアンプ２１０は仮想短絡されている。またオペアンプ２１０の反転入力端子（−）は検出用電極１５０に接続している。第２直流電源２４０はオペアンプ２１０の非反転入力端子（＋）に接続している。制御部３００は、容量検出部２００の検出結果に基づいて第１直流電源４００を制御している。制御部３００は、さらに、検出用電極１５０と可動電極１２０の間の電圧が基準値となるように検出用電極１５０の電圧を制御している。以下、詳細に説明する。

回転型アクチュエータ１０はアクチュエータ本体１００を有している。アクチュエータ本体１００は、枠体１１０、可動電極１２０、軸部材１３０、固定電極１４０、及び検出用電極１５０を有している。アクチュエータ本体１００は、導電性の部材、例えばシリコン基板を選択的にエッチングすることにより、形成されている。この場合、枠体１１０、可動電極１２０、及び軸部材１３０は一体的になっている。

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。軸部材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、軸部材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つの軸部材１３０を結ぶ線が、可動電極１２０の回転軸となっている。

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。

アクチュエータ本体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。アクチュエータ本体１００は、例えば光スキャナーなどの光走査装置やモーションセンサに用いられる。

アクチュエータ本体１００の駆動電力は、第１直流電源４００及び交流電源４１０によって供給される。

第１直流電源４００は枠体１１０に接続している。上記したように、枠体１１０、可動電極１２０、及び軸部材１３０は一体的になっている。このため、第１直流電源４００は、枠体１１０及び軸部材１３０を介して可動電極１２０に電圧を印加することができる。第１直流電源４００の出力電圧は可変であり、制御部３００によって制御されている。

交流電源４１０は固定電極１４０に接続している。本実施形態において、交流電源４１０の出力は一定である。

また、アクチュエータ本体１００は検出用電極１５０を有している。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、軸部材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。また、検出用電極１５０と固定電極１４０の位置が逆であってもよい。

可動電極１２０の回転量は、容量検出部２００を用いて検出される。具体的には、可動電極１２０と検出用電極１５０の間の容量は、可動電極１２０の回転量によって変化する。容量検出部２００は、この容量を検出することにより、可動電極１２０の回転量を検出する。

本図に示す例において、容量検出部２００はオペアンプ２１０、容量素子２２０、抵抗素子２３０、及び第２直流電源２４０を有している。

容量素子２２０及び抵抗素子２３０は互いに並列であり、かつ、オペアンプ２１０の反転入力端子及びオペアンプ２１０の出力端子に接続されている。言い換えると、オペアンプ２１０の反転入力端子及び出力端子は、容量素子２２０を介して互いに接続しており、かつ抵抗素子２３０を介して互いに接続している。このようにして、オペアンプ２１０は仮想接地されている。

第２直流電源２４０はオペアンプ２１０の非反転入力端子に接続されている。第２直流電源２４０の出力電圧は可変であり、制御部３００によって制御されている。

このような構成において、容量素子２２０に蓄積された電荷量が変化すると、オペアンプ２１０の出力も変化する。ここで、可動電極１２０と検出用電極１５０の間の容量が変化して検出用電極１５０に蓄積された電荷量が変化すると、これに伴って容量素子２２０に蓄積された電荷量も変化する。一方、可動電極１２０の電圧が変化しても検出用電極１５０に蓄積された電荷量が変化するため、容量素子２２０に蓄積された電荷量が変化する。このように、オペアンプ２１０の出力に影響を与える因子には、可動電極１２０と検出用電極１５０の間の容量の他に、可動電極１２０の電圧がある。

制御部３００には、オペアンプ２１０の出力、すなわち可動電極１２０の回転量が入力される。そして制御部３００は、可動電極１２０の回転量に基づいて、第１直流電源４００の出力電圧（すなわち可動電極１２０の電圧）及び第２直流電源２４０の出力電圧を制御する。なお、上記したようにオペアンプ２１０は仮想接地されている。このため、オペアンプ２１０の反転入力端子の電圧は、オペアンプ２１０の非反転入力端子の電圧にほぼ等しくなる。このため、制御部３００は、第２直流電源２４０の出力電圧を制御することにより、検出用電極１５０の電圧を制御することができる。

次に制御部３００の動作について説明する。まず、制御部３００は、可動電極１２０の回転量を所望の値となるように、第１直流電源４００の出力電圧を制御する。ここで、制御部３００は第２直流電源２４０の出力電圧を制御する。具体的には、第１直流電源４００の出力電圧と第２直流電源２４０の出力電圧の差が基準範囲に入るように、第２直流電源２４０の出力電圧を変化させる。上記したように、オペアンプ２１０は仮想接地されているため、第２直流電源２４０の出力電圧は検出用電極１５０の電圧になる。従って、可動電極１２０と検出用電極１５０の間の電圧は基準範囲に入っている。

ここで、可動電極１２０の温度が変わって可動電極１２０の形状が歪むなどの理由により、第１直流電源４００の出力電圧を所望の回転量が得られるはずの値にしても、可動電極１２０の回転量は所望の値にならない場合が出てくる。このような場合、制御部３００は、容量検出部２００からの出力を用いて、可動電極１２０の回転量が指定された量になるように、第１直流電源４００の出力電圧をフィードバック制御する。具体的には、容量検出部２００から出力された回転量（電圧）が基準範囲内にない場合、制御部３００は第１直流電源４００の出力電圧を変化させる。これにより、可動電極１２０の回転量が変化する。また、これに伴い、検出用電極１５０と可動電極１２０の間の容量も変化し、その結果、容量検出部２００の検出値（出力電圧）も変化する。

一般的なオペアンプ２１０の使用方法においては、オペアンプ２１０の非反転入力端子は接地されている。この場合、可動電極１２０の回転量を制御するために可動電極１２０の電圧を変化させると、検出用電極１５０と可動電極１２０の間の電圧も変化する。この場合、容量検出部２００の検出値（出力電圧）の変化の原因となる因子は、検出用電極１５０と可動電極１２０の間の容量と、検出用電極１５０の電圧の２つになる。従って、容量検出部２００の検出値（出力電圧）の変化量から、可動電極１２０の電圧の変化に起因した変化量を除去する必要が出てくる。

これに対して本実施形態では、制御部３００は、第１直流電源４００の出力電圧の変化に合わせて第２直流電源２４０の出力電圧も変化させる。具体的には、第１直流電源４００の出力電圧と第２直流電源２４０の出力電圧の差が基準範囲から出ないように、第２直流電源２４０の出力電圧を変化させる。これにより、制御部３００が可動電極１２０の電圧を変化させても、検出用電極１５０と可動電極１２０の間の電圧は変化しない。従って、容量検出部２００の検出値（出力電圧）の変化の原因となる因子は、検出用電極１５０と可動電極１２０の間の容量のみになる。このため、容量検出部２００の検出値（出力電圧）の変化量から、可動電極１２０の電圧の変化に起因した変化量を補正する必要はなくなる。言い換えると、可動電極１２０と検出用電極１５０の間の電圧は一定になるため、可動電極１２０に蓄積された電荷量に影響を与える因子は、可動電極１２０の回転量のみになる。従って、本実施形態によれば、制御部３００における演算量を少なくすることができる。

（第２の実施形態）
図２は、第２の実施形態に係る回転型アクチュエータ１０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１０は、以下の点を除いて第１の実施形態に係る回転型アクチュエータ１０と同様の構成である。

まず、制御部３００は第２直流電源２４０の出力電圧を制御していない。言い換えると、第２直流電源２４０の出力電圧は固定値である。

また、第２直流電源２４０とオペアンプ２１０の非反転入力端子の間には、加算器２５０が設けられている。加算器２５０は、第２直流電源２４０の出力電圧に第１直流電源４００の出力電圧を加える。言い換えると、オペアンプ２１０の非反転入力端子には、第２直流電源２４０の出力電圧に第１直流電源４００の出力電圧を加えた電圧が印加される。

本実施形態によれば、制御部３００が可動電極１２０の電圧を変化させても、オペアンプ２１０の反転入力端子に印加される電圧と第１直流電源４００の電圧の差は、第２直流電源２４０の出力電圧になっている。このため、制御部３００が可動電極１２０の電圧を変化させても、検出用電極１５０と可動電極１２０の間の電圧は変化しない。従って、第１の実施形態と同様の理由により、制御部３００における演算量を少なくすることができる。

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。

１０ 回転型アクチュエータ
１００ アクチュエータ本体
１１０ 枠体
１２０ 可動電極
１３０ 軸部材
１４０ 固定電極
１５０ 検出用電極
２００ 容量検出部
２１０ オペアンプ
２２０ 容量素子
２３０ 抵抗素子
２４０ 第２直流電源
２５０ 加算器
３００ 制御部
４００ 第１直流電源
４１０ 交流電源

Claims (3)

1. 可動電極と、
   前記可動電極の回転軸となる軸部材と、
   平面視で前記可動電極に対向している固定電極と、
   平面視で前記可動電極に対向している検出用電極と、
   前記可動電極に接続された第１直流電源と、
   前記固定電極に接続された交流電源と、
   前記検出用電極と前記可動電極の間の容量を検出する容量検出部と、
   を備え、
   前記容量検出部は、
   仮想短絡されており、反転入力端子が前記検出用電極に接続しているオペアンプと、
   前記オペアンプの非反転入力端子に接続された第２直流電源と、
   を有し、
   さらに、前記容量検出部の検出結果に応じて前記第１直流電源の出力電圧を制御するとともに、前記第１直流電源の出力電圧に応じて前記検出用電極の電圧を制御する制御部を備えるアクチュエータ。
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、前記第２直流電源を制御することにより前記検出用電極の電圧を制御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、
   前記容量検出部は、前記第２直流電源と前記非反転入力端子の間に位置し、前記第２直流電源の出力電圧に前記第１直流電源の出力電圧を加算する加算器と、
   を備えるアクチュエータ。

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