JPH06210585A - Spherical actuator - Google Patents

Spherical actuator

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Publication number
JPH06210585A
JPH06210585A JP2181193A JP2181193A JPH06210585A JP H06210585 A JPH06210585 A JP H06210585A JP 2181193 A JP2181193 A JP 2181193A JP 2181193 A JP2181193 A JP 2181193A JP H06210585 A JPH06210585 A JP H06210585A
Authority
JP
Japan
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spherical body
spherical
actuator
rotation
rotation angle
Prior art date
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Pending
Application number
JP2181193A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Shigeki Toyama
茂樹 遠山
Kazuto Nakamura
和人 中村
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Omron Corp
Toyama Shigeki
Original Assignee
Omron Corp
Toyama Shigeki
Omron Tateisi Electronics Co
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Filing date
Publication date
Application filed by Omron Corp, Toyama Shigeki, Omron Tateisi Electronics Co filed Critical Omron Corp
Priority to JP2181193A priority Critical patent/JPH06210585A/en
Publication of JPH06210585A publication Critical patent/JPH06210585A/en
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Abstract

PURPOSE:To provide a miniature and lightweight spherical actuator which can detect and control a rotating angle of a spherical body with a high degree of accuracy, and which can cope with a rotating angle of the spherical body. CONSTITUTION:A spherical shell-like spherical body 1 is rotatably supported by a support member 6. Two bendable elements incorporating strain gages 3a, 3b, and leaf springs 2a, 2b; 4a, 4b are connected at their ends with each other so that their bending directions are orthogonal to each other. Further, the connected bendable elements 2, 4 are stored in the spherical body, the free end of the bendable element 2 are secured and connected to the top part of the inner surface of the spherical body 1, while the free end of the bendable element 4 is secured and connected to the support member 6. When the spherical body 1 is rotated, the bendable elements 2, 4 are bent so that the degrees of bending thereof are detected by the strain gages 3a, 3b, thereby it is possible to detect a rotating angle of the spherical body 1.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[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。
FIELD OF THE INVENTION This invention relates to spherical actuators. More specifically, the present invention relates to a technique for detecting a rotation angle of a spherical body in a spherical actuator that rotatably supports the spherical body.

【0002】[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。
2. Description of the Related Art In a spherical actuator in which a spherical shell-shaped spherical body is rotatably supported by a supporting member, it is necessary to detect the rotational angle of the spherical body with high accuracy in order to control the rotational angle of the spherical body with high accuracy. There is.

【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。
A conventional rotation angle detecting method for a spherical actuator is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 62-228392. This is because a point light source such as a light emitting diode is fixed to a part of the rotating spherical body (center of the spherical body) so that the positional relationship with the support member that rotatably supports the spherical body becomes constant. In this method, the position of the point light source is detected by a monitor camera fixed to and the rotational position corresponding to the latitude and longitude of the rotating spherical body is detected by image processing by the camera.

【0004】[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。
However, in such a conventional method, since the ideal point light source does not exist or the pixel resolution of the monitor camera is limited, the accuracy of detecting the rotation angle of the spherical body is reduced. There was a problem of low. Further, since one point light source cannot cope with a rotation angle of 180 ° or more, it is impossible to detect a rotation angle of 180 ° or more. further,
Since a monitor camera is required, when the spherical actuator is used for a robot joint, a manipulator, etc., the robot joint, the manipulator, etc. have the drawbacks of increased size and weight and a complicated structure.

【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。
The present invention has been made in view of the drawbacks of the above-mentioned conventional examples, and the object thereof is to cope with a rotation angle of 180 ° or more and to detect the rotation angle of a spherical body with high accuracy. It is to provide a spherical actuator that is small, lightweight, and has a simple structure.

【0006】[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。
According to a first spherical actuator of the present invention, in a spherical actuator in which a spherical body is rotatably supported, two bending elements to which a strain detector is attached are bent in mutually different directions. It is characterized in that they are connected so as to be orthogonal to each other, and one end portion of the two connected bending elements is fixed to the inner surface of the spherical body, and the other end portion is fixed to a stationary portion other than the spherical body.

【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。
According to a second spherical actuator of the present invention, in a spherical actuator in which a spherical body is rotatably supported, the bottom of the spherical body is cut out to form a notch, and the spherical body is opposed to the bottom of the spherical body. It is characterized in that electrodes are respectively arranged in two orthogonal directions and a capacitance is formed between each of the electrodes and the spherical body.

【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。
The third spherical actuator of the present invention is a spherical actuator in which a spherical body is rotatably supported, and at least one magnet is provided on the inner surface of the spherical body so that the magnetic flux passes through substantially the center of rotation of the spherical body. At least two magnetic flux detectors whose mounting and detecting surfaces are orthogonal to each other are arranged at substantially the center of rotation of the spherical body.

【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。
In the third spherical actuator, the magnet may be an electromagnet.

【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。
A fourth spherical actuator of the present invention is a spherical actuator in which a spherical body is rotatably supported, and a projection portion is provided on the spherical body, and a pair of positions having a slot having a width substantially equal to that of the projection portion. Each of the detection plates is rotatably supported near the spherical body, and angle detection means for detecting the rotation angle of each position detection plate is provided, and the protrusion is formed in both elongated holes at the intersection of both position detection plates. The feature is that it is slidably inserted.

【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。
In the fourth spherical actuator, the position detecting plate is formed in an arc shape along the surface of the spherical body, and is coaxial with a pair of drive stators for rotationally driving the spherical body. You may arrange | position a pair of said angle detection means, and each position detection plate may be rotatably supported by each position detection means.

【0012】[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。
In the first spherical actuator of the present invention, when the spherical body is rotated, one or both of the two bending elements are bent depending on the rotation direction and the rotation angle of the spherical body. To do. Since the bending degree of these bending elements can be detected by the respective strain detectors, the rotation direction and the rotation angle of the spherical body can be detected by detecting the bending degree of each bending element.

【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。
Further, in the second spherical actuator of the present invention, since the electrodes are arranged so as to face the notches of the spherical body, when the spherical body rotates, the static electricity between each electrode and the spherical body is reduced. The capacitance changes. Therefore, the rotation direction and the rotation angle of the spherical body can be detected by detecting the electrostatic capacitance between each electrode and the spherical body.

【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。
Further, in the third spherical actuator of the present invention, the magnetic flux is generated by the magnet attached to the inner surface of the spherical body, and the magnetic flux passing through each magnetic flux detector is detected by the plurality of magnetic flux detectors. Therefore, when the spherical body rotates, the magnetic flux passing through each magnetic flux detector changes. Therefore,
The rotation direction and rotation angle of the spherical body can be detected by the output of each magnetic flux detector.

【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。
Further, in the fourth spherical actuator of the present invention, the pair of position detecting plates are rotatably supported near the spherical body, and the protrusion of the spherical body is formed at the intersection of both the position detecting plates. As the spherical body rotates, the position detecting plate is forcibly rotated by the protrusions, respectively, according to the rotation direction and the rotation angle of the spherical body. The position detection plate rotates. Therefore, the rotation direction and the rotation angle of the spherical body can be detected by detecting the rotation angle of the position detection plate by the angle detection means.

【0016】[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。
1 is a sectional view showing a spherical actuator A according to a first embodiment of the present invention. In the spherical actuator A, a spherical member 1 having a spherical shell shape is rotatably supported by a supporting member 6. A spherical shell-shaped spherical body 1 has a cavity 1a inside and has a bottom portion cut open by a flat surface, and a shaft portion 1b for attaching an output portion such as an arm is protrudingly provided on the outer surface zenith portion. Has been done. The support member 6 is
It is curved along the outer surface of the spherical body 1, and is formed in, for example, a cross shape so as not to hinder the rotation of the spherical body 1 having the shaft portion 1b. Further, the support member 6 is provided with drive systems such as piezoelectric elements (not shown) along the two orthogonal directions. When these drive systems are driven, the spherical body 1 is driven by the same principle as the ultrasonic motor. Can be rotated at any angle in any rotation direction. In addition, spherical body 1
The rotation direction and the rotation angle can be detected by the two plate-shaped bending elements 2 and 4 provided with the strain gauges 3a and 3b.

【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。
FIGS. 2A and 2B show one bending element 2, 4
FIG. 3 is a perspective view and a side view showing the two leaf springs 2a,
2b; 4a and 4b are blocks 5a and 5 having relatively high rigidity
They are connected in parallel at b, and strain gauges 3a and 3b are attached to the surfaces of the blocks 5a and 5b. The two bending elements 2 and 4 are welded and fixed by making the ends of the leaf springs 2b and 4b orthogonal to each other. That is, they are connected so that their bending directions are orthogonal to each other. The connected bending elements 2 and 4 are housed in the center of the cavity 1a of the spherical body 1, and the end of the leaf spring 2a of one bending element 2 is fixedly connected to the inner surface zenith of the spherical body 1. And the end of the leaf spring 4a of the other bending element 4 is fixedly connected to the support member 6 and arranged so that the midpoint of the connection between the leaf springs 2b and 4b is located at the rotation center P of the spherical body 1. Has been done.
The outputs of the strain gauges 3a and 3b of the two bending elements 2 and 4 can be individually detected.

【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εX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εXを検出すれば、その歪量εX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εX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。
4 (a), (b), (c) and (d) show the rotation angles θX, θY of the spherical body 1 in the spherical actuator A.
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the principle of detecting the bending angle, in which the bending direction of one bending element 2 is in the XZ plane and the bending direction of the other bending element 4 is in the YZ plane. The spherical body 1 located at the initial position (reference position) as shown in FIG.
When rotating about the X axis by θX as in (b), the bending element 2 is less likely to be deformed in the YZ plane, so that the output of the strain gauge 3a of the bending element 2 is relative to the longitudinal direction of the bending element 2. Can be ignored. On the other hand, when the spherical body 1 rotates around the X axis, the bending element 4 deforms in the YZ plane and the strain gauge 3b expands and contracts in the longitudinal direction of the bending element 4, so that the strain gauge 3b strains the bending element 4. Generates output according to the amount.
Since there is a fixed relationship between the rotation angle θ X of the spherical body 1 and the strain amount ε X of the bending element 4, for example, a linear relationship as shown in FIG. If the amount ε X is detected, the rotation angle θ X of the spherical body 1 about the X axis can be known from the strain amount ε X. It should be noted that FIG. 3 is a graph showing that there is a linear relationship between the rotation angle θ X of the spherical body 1 and the strain amount ε X of the bending element 4, and it is considered that a nonlinear element is actually included, so correction is necessary. Needless to say.

【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εY
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εY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εYを検出すれば、その歪量εY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。
Similarly, the spherical body 1 located at the reference position as shown in FIG. 4 (c) is rotated about the Y axis by θY as shown in FIG. 4 (d).
When the bending element 4 is rotated by only, the bending element 4 does not easily deform in the XZ plane, so that the output of the strain gauge 3b of the bending element 4 can be ignored in the longitudinal direction of the bending element 4. On the other hand, when the spherical body 1 rotates around the Y axis, the bending element 2 deforms in the XZ plane, and the strain gauge 3a expands and contracts in the longitudinal direction of the bending element 2, so that the strain gauge 3a strains the bending element 2. Generate an output according to the quantity ε Y. Since the rotation angle θ Y of the spherical body 1 and the strain amount ε Y of the bending element 2 have the same fixed relationship as in FIG. 3, for example, if the strain amount ε Y of the bending element 2 is detected by the strain gauge 3a. From the strain amount ε Y, the rotation angle θ Y about the Y axis of the spherical body 1 can be known.

【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。
Therefore, the rotation direction and the rotation angles θX and θY of the spherical body 1 can be detected with high accuracy from the outputs of the strain gauges 3a and 3b of the two bending elements 2 and 4. Further, the mechanism for detecting the rotation angle of the spherical body 1 can be simplified, and the size and weight can be reduced. In addition, spherical body 1
By increasing the opening area of the bottom of the spherical body 1, the rotation angle of the spherical body 1 can be increased, and a rotation angle of 180 ° or more is also possible.

【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。
FIGS. 5 (a) and 5 (b) are schematic front views showing a spherical actuator B according to the second embodiment of the present invention and its operation with a part thereof omitted. Also in this spherical actuator B, the spherical body 1 is rotatably supported by an appropriate supporting member (not shown). The spherical body 1 is formed of a conductor such as metal into a substantially solid spherical shape, and the lower bottom surface of the spherical body 1 is cut out in a plane shape. Two sets of electrodes 7, 9; 8, 10 are arranged below the plane cutout surface 1c so as to be orthogonal to each other, and between the spherical body 1 and each electrode 7, 8, 9, 10. Capacitance is configured in. For example, each of the electrodes 7, 8, 9 and 10 may be curved so as to be concentric with the spherical portion of the spherical body 1,
These electrodes 8, 1 may be formed in a planar shape.
0; 7, 9 are arranged along the positive and negative directions of the X axis and the positive and negative directions of the Y axis, and the electrodes 7, 8, 9, 10 and the spherical body 1 are insulated by an air gap or an insulating film. is doing. The electrodes 7, 8, 9 and 10 are arranged so that when the rotation angles θX and θY of the spherical body 1 are 0, the overlap with the spherical portion of the spherical body 1 is almost 0.

【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。
FIG. 6 is a view showing a measuring circuit C for detecting the electrostatic capacitance between each electrode 7, 8, 9, 10 and the spherical body 1 when the spherical actuator B is viewed from the lower surface side. . This measuring circuit C includes two sets of bridge circuits 16a and 16a.
It is configured on the basis of b. One bridge circuit 1
6a is a resistor 12a, a resistor 15b and a capacitor 11
The series connection body of b is made to oppose, and the series connection body of the resistor 15a and the capacitor 11a is made to oppose, and the middle point of the resistances 12a and 12b,
A current limiting resistor 1 is provided at the midpoint of the series connection (resistor 15a and capacitor 11a; resistor 15b and capacitor 11b).
An AC power supply 13 is connected via 4. Similarly, the other bridge circuit 16b includes a resistor 12c and a resistor 15d.
And a series connection body of the capacitor 11d and a resistor 12d and a series connection body of the resistor 15c and the capacitor 11c are faced to each other.
An alternating current power supply 13 is connected to the middle point of 12 and 12d and the middle point of the series connection body (resistor 15c and capacitor 11c; resistor 15d and capacitor 11d) via the same current limiting resistor 14.

【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。
The middle point of the resistor 15c and the capacitor 11c is connected to the electrode 7, and the resistor 15a and the capacitor 11a are connected.
The middle point is connected to the electrode 8, the resistor 15d and the capacitor 1
The midpoint of 1d is connected to the electrode 9, the midpoint of the resistor 15b and the capacitor 11b is connected to the electrode 10, and
The bridge circuits 16 a and 16 b of the current limiting resistor 14 are electrically connected to the spherical body 1. Therefore, the capacitance C7 between the electrode 7 and the spherical body 1 is in parallel with the capacitor 11c, the capacitance C8 between the electrode 8 and the spherical body 1 is in parallel with the capacitor 11a, and the electrode 9 and the spherical surface are Capacitance C9 between body 1 is in parallel with capacitor 11d,
The capacitance C10 between 0 and the spherical body 1 is in parallel with the capacitor 11b. Therefore, the capacitance C7 between the electrode 7 and the spherical body 1 is represented by the capacitor 17c, and the capacitance C8 between the electrode 8 and the spherical body 1 is represented by the capacitor 17a.
The capacitance C9 between the electrode 9 and the spherical body 1 is changed to the capacitor 17
When the electrostatic capacitance C10 between the electrode 10 and the spherical body 1 is represented by a capacitor 17b, the measuring circuit C of the spherical actuator B is represented by an equivalent circuit as shown in FIG.
In FIG. 7, ZC7, ZC8, ZC9 and ZC10 are spherical bodies 1
Between each of the electrodes 7, 8, 9, 10 and C7, C8,
Impedance due to C9 and C10. In the bridge circuit 16a, the a terminal and the b terminal for detection are taken out from the middle point of the resistors 12a and 15a and the middle point of the resistors 12b and 15b, respectively. Similarly, in the bridge circuit 16b, the c terminal and the d terminal for detection are taken out from the midpoints of the resistors 12c and 15c and the midpoints of the resistors 12d and 15d, respectively.

【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。
The bridge circuits 16a, 16 on the measuring side
In b, the resistors 15a, 15b, 15c and 15d and the capacitors 11a, 11b, 11c and 11d are connected in series, and the capacitors 17a, 17b, 17c and 17d between the electrodes 7, 8, 9 and 10 and the spherical body 1 are connected. Capacitor 1
Connected in parallel with 1a, 11b, 11c, 11d is
Capacitors 17a, 17b on the side of electrodes 7, 8, 9, 10;
Since 17c and 17d correspond to air capacitors and are minute, the capacitors 17a, 17b, 17c and 17d are rotated by the rotation of the spherical body 1 in order to improve the stability of measurement.
The purpose is to compensate when the electrostatic capacitances C7, C8, C9, and C10 of 0 become 0.

【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。
Next, the principle of detecting the rotation angle of the spherical body 1 by the measuring circuit C as shown in FIGS. 6 and 7 will be described. It is assumed that the spherical actuator B as shown in FIG. 5A is rotated by θX around the X axis as shown in FIG. 5B. At this time, since the capacitances C8 and C10 of the capacitors 17a and 17b formed between the electrodes 8 and 10 and the spherical body 1 are equal, the bridge circuit 16a is balanced and the terminal a-b.
The output Vab does not appear between the terminals. However, the electrodes 7, 9
17c, 17d formed between the spherical body 1 and the spherical body 1
Regarding the electrostatic capacitances C7 and C9 of the electrode 9, the electrode 9 is more spherical body 1.
Since the facing area of the spherical part of is small (or
Due to the large distance from the spherical body 1), the capacitance C9 becomes smaller than the capacitance C7 due to the principle of the parallel plate capacitor, the balance of the bridge circuit 16b is lost, and the c terminal-
The voltage output Vcd appears between the d terminals, and the rotation angle θX can be obtained from the value of the output Vcd.

【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。
Similarly, when the spherical actuator B rotates about the Y axis by θY, the bridge circuit 16b is balanced and the output Vcd does not appear between the c terminal and the d terminal, but the bridge circuit 16a has Since the balance is lost, the output Vab appears between the terminals a and b, and the rotation angle θY can be obtained from the value of the output Vab.

【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。
Thus, the rotation angles θX and θY of the spherical body 1
Can be obtained from the output Vcd between the c terminal and the d terminal and the output Vab between the a terminal and the b terminal.
The relationship between X and the output Vcd and the relationship between the rotation angle θY and the output Vab will be described using mathematical expressions. As shown in FIGS. 6 and 7, the resistance 1 in each bridge circuit 16a, 16b
5a, 15b, 12a, 12b; 15c, 15d, 12
The resistance values of c and 12d are RX1, RX2, RX3 and RX respectively.
4; RY1, RY2, RY3, RY4, capacitors 11a,
11b; 11c, 11d capacitance CX1, CX2; CY1,
The impedance due to CY2 is ZCX1, ZCX2; ZCY1, ZC
If Y2, the balance condition of the bridge circuit 16a is represented by RX3. (RX2 + ZCX2 + ZC10) = RX4. (RX1 + ZCX1 + ZC8) (1), and the balance condition of the bridge circuit 16b is RY3. (RY2 + ZCY2 + ZC9) = RY4. (RZ1 + ZC1). )… (2) If the voltage of the AC power supply 13 is V 0 , the output voltage Vab between the a terminal and the b terminal of the bridge circuit 16a is expressed by the following equation (3a), and the output voltage Vab of the bridge circuit 16b is c.
The output voltage Vcd between the terminal and the d terminal is expressed by the following equation (4a).

【0028】[0028]

【数1】 [Equation 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。
Here, RX3 + RX2 + ZCX2 = RX4 + RX1 + ZCX1 = Za ... (5) RX3 = RX4 = RX ... (6) RY3 + RY2 + ZCY2 = RY4 + RY1 + ZCY1 = Zb ... (7) If RY3 = RY4 = RY ... And (4a) are the following (3b)
Equation (4b) is obtained.

【0030】[0030]

【数2】 [Equation 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。
Further, for simplification, if it is written that RX / Za = Ka (9) RY / Zb = Kb (10), the above formulas (3b) and (4b) are expressed by the following formulas (3c) and (3c). 4c)
It can be rewritten as an expression.

【0032】[0032]

【数3】 [Equation 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。
Now, when the spherical body 1 is rotated around the X axis and the Y axis, the capacitors 17a, 17b, 17c, 1
The capacitances C7, C8, C9, C10 of 7d are roughly as shown in FIG.
If it changes as shown in (a), the respective impedances ZC7, ZC8, ZC9, and ZC10 are roughly as shown in FIG.
As shown in FIG. 8B, the outputs Vab and Vcd (effective value) change as shown in FIG. 8C. Figure 8
Impedance ZC7, ZC8, ZC9, ZC1 in (b)
Area where 0 changes (-90 ° ≤ θX, θY ≤ 90 °)
At impedances ZC7, ZC8, ZC9, ZC10
ZC8 / Za = -K1 · θX + K2 (11) ZC10 / Za = K1 · θX + K2 (12) ZC7 / Zb = -K1 · θY + K2 (13) ZC9 / Zb = K1 · θY + K2 (14) Then, the above equations (3c) and (4c) are
The following equations (3d) and (4d) are obtained.

【0034】[0034]

【数4】 [Equation 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。
Here, if K1 <K2, the above (3d)
Expression, Vab = -2 {Ka · K1 · V 0 / (1 + K2) 2} · θX ... (3e) becomes, (4c) equation, Vcd = -2 {Kb · K1 · V 0 / (1 + K2) 2 } · ΘY (4e), and the relationship in FIG. 6C can be replaced with a substantially linear relationship. Therefore, the output V between the a terminal and the b terminal
It can be considered that ab is proportional to the rotation angle θX, the output Vcd between the c terminal and the d terminal can also be considered to be proportional to the rotation angle θY, and the rotation angles θX and θY can be easily detected by detecting the outputs Vab and Vcd. Can be detected.

【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。
9A and 9B are sectional views showing a spherical actuator D according to the third embodiment of the present invention. In this spherical actuator D, a magnetic flux H in the axial direction (Z-axis direction when not rotating) passing through the rotation center P of the spherical body 1 is provided in the cavity 1a of the spherical body 1 having a spherical shell shape. To attach a pair of permanent magnets 18a, 18b,
The three Hall elements 19X, 19Y, and 19Z that are integrated are arranged near the rotation center P of the spherical body 1. These Hall elements 19X, 19Y, 19Z are combined in the shape of a corner cube, and their respective detection surfaces are on the X axis,
It is arranged in a direction orthogonal to the Y axis and the Z axis, and is fixed so as to be independent of the rotation of the spherical body 1.

【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。
The spherical actuator D has an X-axis and a Y-axis.
There is a drive system that rotates around the axis, and Hall element 19
It is assumed that the magnetic flux density passing through the positions of X, 19Y and 19Z is φ 0 . Assuming now that the spherical body 1 is rotated about the X axis by a rotation angle θX, the output ΨY of the Hall element 19Y is ΨY = κ, where the proportional constant is κ, as can be seen from the explanatory view of FIG. 10A. · φ 0 · cosθX ... (15 ) and the output PusaiZ of the Hall element 19Z becomes ΨZ = κ · φ 0 · sinθX ... (16). The output ΨX of the Hall element 19X is the spherical body 1
Since the rotation angle θY about the Y axis is 0 and there is no interlinking magnetic flux H, ΨX = 0. Therefore, the rotation angle θX
Can be easily obtained from Eqs. (15) and (16), and θX = arctan (ΨZ / ΨY) (17) Similarly, when the spherical body 1 rotates around the Y-axis, the output ΨY of the Hall element 19Y is ΨY = 0, and the rotation angle θY is θY = arctan (ΨZ / ΨX) (18).

【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。
Further, when the spherical body 1 rotates about the X axis by θX and simultaneously rotates about the Y axis by θY, the rotation angles θX and θY can be similarly obtained. For example,
Considering a case where the vector representing the magnetic flux density φ 0 is oriented in the direction shown in FIG. 10B with respect to the X axis, the Y axis and the Z axis, the YZ plane of the vector representing the magnetic flux density φ 0 , ZX.
ΦZY and φX are the division vectors to the plane and the XY plane, respectively.
When Z and φXY are set, the rotation angle θX of the spherical body 1 around the X axis is equal to the angle formed by the division vector φZY and the Z axis, and Y
The rotation angle θY about the axis is equal to the angle formed by the division vector φXZ and the Z axis. Then, the values of these rotation angles θX and θY are the outputs ΨX and ΨY of the Hall elements 19X, 19Y and 19Z, respectively.
ΨZ can be used to perform calculations from the above equations (17) and (18).

【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。
FIG. 11 is a sectional view showing a spherical actuator E according to a fourth embodiment of the present invention. In this spherical actuator E, the permanent magnet 18a of the spherical actuator D shown in FIG. 9 is used. , 18b are replaced by electromagnets 20a, 20b. Also in such a spherical actuator E, the rotation direction and the rotation angles θX and θY of the spherical body 1 can be detected by the same principle as the spherical actuator D of FIG.

【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。
Moreover, in this spherical actuator E, in order to avoid the influence of magnetic noise in the surroundings (for example, due to the earth magnetism or the magnetic field generated from the electromagnetic motor), an alternating magnetic field having a constant frequency is generated by the electromagnets 20a and 20b. Then, the measurement error due to the external magnetic field can be removed by taking out only the frequency component with a bandpass filter or the like.

【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。
FIGS. 12A and 12B are a plan view and a front view showing a spherical actuator F according to the fifth embodiment of the present invention. In this spherical actuator F, the spherical body 1 is rotatably housed in a supporting member 6 having a container shape, and a portion of the spherical body 1 exposed from the supporting member 6 has a pin shape or a rod shape. The protruding portion 21 is provided so as to project. Further, above the spherical body 1, elongated holes 24a, 24b are provided.
The thin flat plate-shaped position detection plates 22a and 22b are
Are arranged so as to be orthogonal to each other, and the end portions of the position detection plates 22a and 22b have rotary shafts 25 of rotary encoders 23a and 23b installed on the upper surface of the support member 6.
It is fixed to a and 25b. Each position detection plate 22a, 2
2b can be freely rotated in a horizontal plane,
The rotary angles of the position detection plates 22a and 22b are precisely detected by the rotary encoders 23a and 23b. Also,
The long holes 24a, 24b of the position detection plates 22a, 22b have a width equal to the diameter of the protrusion 21 and have a length about the diameter of the spherical body 1, and the lengths of the position detection plates 22a, 22b are long. The projection 21 of the spherical body 1 is slidably inserted at the intersection of the holes 24a and 24b.

【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。
However, since the position of the projection 21, that is, the rotation direction and the rotation angles θX and θY of the spherical body 1 and the rotation angles of both the position detection plates 22a and 22b have a one-to-one correspondence, the rotary encoder By detecting the rotation angles of both position detection plates 22a and 22b by 23a and 23b, the rotation direction and rotation angles θX and θY of the spherical body 1 can be detected. Moreover, in this spherical actuator F, the position detection plates 22a and 22b are flat, and the rotary encoders 23a and 23 for detection are used.
Since b is attached to the upper surface of the support member 6, there is an advantage that the assemblability and maintainability are good.

【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。
FIG. 13 is a perspective view showing a spherical actuator G according to a sixth embodiment of the present invention. The spherical body driving mechanism of the spherical actuator G is published in the proceedings of the 1991 Autumn Meeting of the Japan Society for Precision Engineering,
The two drive stators 26a, 26b are brought into contact with each other from the direction orthogonal to the surface of the spherical body 1 to drive the drive stators 26a, 26
The spherical body 1 is rotated by driving b. Further, in this spherical actuator G, as shown in FIGS. 13 and 14A and 14B, rotary encoders 23a and 23b for detection are arranged concentrically with the drive stators 26a and 26b. ,
Position detection plate 22 in the shape of a thin plate having long holes 24a and 24b
a and 22b are curved along the surface of the spherical body 1 in an arc shape,
The rotary encoder 2 is provided with the end portions of the position detection plates 22a and 22b arranged so as to be orthogonal to each other along the surface of the spherical body 1.
3a, 23b fixed to the rotary shaft 25a, 25b, the long hole 2
A projecting portion 21 projecting from the spherical body 1 is inserted at the intersection of 4a and 24b.

【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。
Even in this spherical actuator G, since the position of the protrusion 21 and the rotation angle of both position detection plates 22a and 22b have a one-to-one correspondence, both position detection plates are rotated by the rotary encoders 23a and 23b. 22a, 22b
The rotation direction and the rotation angles θX and θY of the spherical body 1 can be detected by detecting the rotation angle of. Moreover, in this spherical actuator G, the position detection plates 22a and 22b are bent and the rotary encoder 23
Since the a and 23b are arranged concentrically with the stators 26a and 26b, it is possible to improve the detection accuracy of the rotation angles θX and θY, space efficiency, and assemblability. further,
The rotary shafts 25a of the rotary encoders 23a, 23b,
If 25b is arranged so as to coincide with the X axis and the Y axis, the rotation angles of the rotation shafts 25a and 25b become the rotation angles θX and θY of the spherical body 1, so that the rotary encoder 23a,
The rotation angles θX and θY can be directly detected by 23b, and there is an advantage that a calculation circuit for detection can be omitted.

【0045】[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。
According to the first spherical actuator of the present invention, the rotation direction and the rotation angle of the spherical body can be detected by detecting the bending degrees of the two bending elements by the strain detector. Further, in the second spherical actuator of the present invention, the rotation direction and the rotation angle of the spherical body can be detected by detecting the capacitance between each electrode and the spherical body. Further, in the third spherical actuator of the present invention, the rotating direction and the rotating angle of the spherical body can be detected by detecting the magnetic flux rotating with the spherical body by the stationary magnetic flux detector. Further, in the fourth spherical actuator of the present invention, the rotation direction and the rotation angle of the spherical body are detected by detecting the rotation angle of each position detection plate that rotates with the rotation of the spherical body. You can

【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。
According to these spherical actuators, the rotational position of the spherical body can be detected with higher accuracy than before, and the spherical actuator can be controlled with high accuracy. Further, the structure of the spherical actuator capable of detecting the rotational position of the spherical body can be simplified, the structure for detecting the rotational position can be compactly housed, and a small and lightweight spherical actuator can be manufactured. Furthermore, basically, even when the spherical body is rotated at a rotation angle of 180 ° or more,
It also becomes possible to detect the rotation angle of the spherical body.

【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。
When an electromagnet is used as the magnet in the third spherical actuator, for example, an AC magnetic flux having a constant frequency is generated by the electromagnet, and only the frequency component is taken out by a bandpass filter or the like. The measurement error due to the magnetic field can be removed, and the influence of the surrounding magnetic noise (for example, due to the geomagnetism or the magnetic field generated from the electromagnetic motor) can be avoided.

【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。
Further, in the fourth spherical actuator, the position detecting plate is formed in an arc shape along the surface of the spherical body, and each angle detecting means is arranged coaxially with the driving stator,
Since each position detecting plate is rotatably supported by each position detecting means, it is possible to improve the detection accuracy of the rotation angle of the spherical body, space efficiency, and assemblability. Moreover, since the rotation angle of the angle detecting means itself becomes the rotation angle of the spherical body, there is an advantage that the rotation angle can be directly detected by the angle detecting means and the arithmetic circuit for the detection can be omitted.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【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。
FIG. 1 is a sectional view showing a spherical actuator according to a first embodiment of the present invention.

【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。
2A and 2B are a perspective view and a side view showing a bending element of the above.

【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。
FIG. 3 is a diagram showing a relationship between a strain amount of a bending element and a rotation angle of a spherical body.

【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。
4 (a), (b), (c) and (d) are schematic sectional views for explaining the operation of the same.

【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。
5 (a) and 5 (b) are schematic front views showing a spherical actuator according to a second embodiment of the present invention with a part thereof omitted.

【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。
FIG. 6 is a diagram showing a spherical actuator and a measuring circuit for detecting a rotation angle of the spherical body.

【図7】上記測定回路の等価回路を示す回路図である。FIG. 7 is a circuit diagram showing an equivalent circuit of the measurement circuit.

【図8】(a)(b)(c)は同上の測定回路の説明図
である。
8 (a), (b) and (c) are explanatory views of the measurement circuit of the above.

【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。
9A is a sectional view showing a spherical actuator according to a third embodiment of the present invention, and FIG. 9B is a sectional view taken along line QQ of FIG. 9A.

【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。
10A and 10B are explanatory views showing the principle of rotation angle detection in the spherical actuator of the same.

【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。
FIG. 11 is a sectional view showing a spherical actuator according to a fourth embodiment of the present invention.

【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。
12A and 12B are a plan view and a front view showing a spherical actuator according to a fifth embodiment of the present invention.

【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。
FIG. 13 is a perspective view showing a spherical actuator according to a sixth embodiment of the present invention.

【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。
14 (a) and 14 (b) are a plan view and a front view of the same spherical actuator.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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
1 Spherical body 2,4 Bending element 3a, 3b Strain gauge (strain detector) 7, 8, 9, 10 Electrode C measurement circuit 18a, 18b Permanent magnet 19X, 19Y, 19Z Hall element (flux detector) 20a, 20b Electromagnet 21 Protrusions 22a, 22b Position Detection Plates 23a, 23b Rotary Encoders (Angle Detection Means) 24a, 24b Long Holes 26a, 26b Drive Stator

Claims (6)

【特許請求の範囲】[Claims] 【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。
1. A spherical actuator in which a spherical body is rotatably supported, wherein two bending elements to which strain detectors are attached are connected so that their bending directions are orthogonal to each other, and two connected bending elements are connected. A spherical actuator characterized in that one end of the element is fixed to an inner surface of a spherical body and the other end is fixed to a stationary portion other than the spherical body.
【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。
2. A spherical actuator in which a spherical body is rotatably supported, a bottom portion of the spherical body is cut out to form a cutout portion, and electrodes are arranged in two orthogonal directions facing the bottom portion of the spherical body. Then, a spherical actuator comprising a capacitance between each of the electrodes and the spherical body.
【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。
3. A spherical actuator in which a spherical body is rotatably supported, wherein at least one magnet is attached to an inner surface of the spherical body so that magnetic flux passes through substantially the center of rotation of the spherical body, and detection surfaces are orthogonal to each other. A spherical actuator characterized in that at least two magnetic flux detectors are arranged substantially at the center of rotation of the spherical body.
【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。
4. The spherical actuator according to claim 3, wherein the magnet is an electromagnet.
【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。
5. A spherical actuator in which a spherical body is rotatably supported, wherein a projection is provided on the spherical body, and a pair of position detection plates each having a slot having a width substantially equal to the projection are provided near the spherical body. An angle detection means for detecting the rotation angle of each position detection plate is provided, and the protrusion is slidably inserted into both elongated holes at the intersection of both position detection plates. A spherical actuator characterized by.
【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。
6. The position detecting plate is formed in an arc shape along the surface of a spherical body, and a pair of the angle detecting means is arranged coaxially with a pair of drive stators for rotationally driving the spherical body. 6. The spherical actuator according to claim 5, wherein each position detecting plate is rotatably supported by each position detecting means.
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