(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
相対するように１組のコイルを構成し、この１組のコイルの相対する向きと直交する向きに１対のコイルを構成し、前記１組のコイルの間に、ロータを設け、前記１組のコイルと前記１対のコイルに通電を行うことで、前記ロータが回転する２軸アクチュエータにおいて、
前記１対のコイルは前記ロータのＺ軸方向の一端に位置し、前記ロータのＸ軸方向及びＹ軸方向に位置するとともに、前記ロータの回転軸になるようにＸシャフトとＹシャフトを設け、これらＸシャフトとＹシャフトの２軸のシャフトに支持された前記ロータが回転してジンバル機構を構成することを特徴とする２軸アクチュエータ。
【請求項２】
前記ロータは球状の面を有することを特徴とする請求項１記載の２軸アクチュエータ。
【請求項３】
前記ロータのＺ軸方向の一端、且つ、前記１対のコイル間に共通磁極を設けるとともに、前記ロータの前記Ｘ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ１対の固定磁極を有し、前記共通磁極と前記固定磁極の前記ロータとの相対する面は凹球状面に加工されていることを特徴とする請求項２記載の２軸アクチュエータ。
【請求項４】
前記共通磁極には永久磁石が接続されていることを特徴とする請求項３記載の２軸アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、互いに直交する２軸を有し、２軸周りに回転するジンバル機構を有する２軸アクチュエータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の２軸アクチュエータを図５に示す。図５において、101は基台、102は外枠、103は内板、104はシャフト、105は第1のアクチュエータ、106は第2のアクチュエータ、107は取り付け板、108は鏡である。
【０００３】
基台101は略コの字型をしており、両方の翼部には挿入孔101a及び101a’が設けられている。
外枠102は枠形状をしており、対向する一組の辺の一方には外枠シャフト102aが設けられ、反対側の辺には第1アクチュエータシャフト固定部102dが設けられている。
【０００４】
また、外枠102の他の対向する一組の辺の一方には、取り付け孔102bが設けられ、反対側の辺には第2のアクチュエータ貫通孔102eが設けられている。
第２のアクチュエータ106は取り付け板107に固定され、第2のアクチュエータ貫通孔102eを介して、第2のアクチュエータ106の出力軸が内板103に固定されている。反対側の対向する辺にはシャフト104が第2のアクチュエータの出力軸と同軸上に固定されている。
【０００５】
基台101の挿入孔101aには、ボールベアリング等の軸受101bが挿入され、ここに外枠シャフト102aが貫通されている。また、挿入孔101aとは反対側の挿入孔101a’を介して、第1のアクチュエータ105の出力軸が第1アクチュエータシャフト固定部102dに固定されている。
これによって、第1のアクチュエータの出力軸と共に外枠102は基台101の軸周りに回転可能に支持されている。
【０００６】
内板103の表面には、中央に鏡108が配置されている。内板103の対向する一組の辺には、それぞれの中点を通る同軸上に、片側にシャフト104、反対側には外枠に固定された第2のアクチュエータの出力軸が固定されている。
【０００７】
前記シャフト104は、外枠102に設けられた取り付け孔102bに嵌合された軸受102cに挿入され、内板103は第2のアクチュエータ106の出力軸と共に、シャフト104の軸周りに回転可能なように、外枠102に支持されている。
【０００８】
シャフト104及び第2のアクチュエータの出力軸を結ぶ仮想的な軸をX軸、外枠102の外枠シャフト部102a及び第1のアクチュエータの出力軸を結ぶ仮想的な軸をY軸とすると、両軸は互いに直交する。外枠102と内板103はジンバル機構を形成している。
【０００９】
次に本従来例の動作について説明する。
通常、第1及び第2のどちらのアクチュエータにも通電していない状態では、外枠102はX軸に対して平行位置にあり、内板103はY軸に対して平行位置を保っている。
【００１０】
第1のアクチュエータ105に通電を行うことにより、外枠102はY軸を中心として一定角度を回転する。
通電方向を逆にすると、外枠102は先程とは反対方向にY軸を中心として一定角度を回転する。
【００１１】
第2のアクチュエータ106に通電を行うことにより、内板103はX軸を中心として一定角度を回転する。
通電方向を逆にすると、内板103は先程とは反対方向にX軸を中心として一定角度を回転する。
【００１２】
第1のアクチュエータ105と第2のアクチュエータ106に同時に通電を行うと、外枠102と内板103はジンバル機構上でそれぞれ独立して動作を行い、これにより鏡108は第1のアクチュエータ105と第2のアクチュエータ106のそれぞれの作動角によって決まる角度まで変位する。従って、鏡108に入射された光を所望の方向に反射させることができる。
【００１３】
ところで、上述した従来の技術では、２軸周りにロータを回転させるためには、2個のアクチュエータを必要としていた。そのために、装置全体が大きくなり、小型化が困難であった。
【００１４】
更に、第1のアクチュエータ105は、制御対象である第2のアクチュエータ106が固定された外枠102を駆動する必要がある。そのため、可動部質量の増加が避けられないので、応答速度が悪かった。また、大きな回転トルクが必要とされ、第1のアクチュエータ105を駆動するために、大きな電力が消費されていた。
【００１５】
また、部品点数が多いために、個々の部品の寸法バラツキの和で算出される装置全体の寸法バラツキも大きくなり、回転角度の精度が出しにくいといった問題があった。更に、製造コストが掛かるので、生産性が低下していた。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記問題に鑑み、ただ一つのアクチュエータのみを用いて、２軸周りに駆動可能な２軸アクチュエータを提供し、可動部の質量増加を抑えることで、応答速度の向上を図りつつ2軸アクチュエータの駆動電力を削減することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、ＸシャフトとＹシャフトの２軸のシャフトに支持されたロータが回転してジンバル機構を構成することで、唯一つのアクチュエータのみで、単一のロータを直交する２軸周りに回転動作させることを可能にし、更に、可動部の質量を減少させることで、駆動電力の削減及び応答速度の高速化を可能にした。
【００１８】
請求項２の発明は、ロータの磁極面を略球状とし、適切な面積を有させることで、直交する二軸方向に回転しても、相互の干渉を避けることを可能にした。
【００１９】
請求項３の発明は、共通磁極と固定磁極のロータとの相対する面は凹球状面に加工されてことで、両軸の有効回転角度の範囲内ではロータが回転しても、ロータと共通磁極との対向面積及び相対距離を変化させず、ロータと共通磁極との間には一定の磁気抵抗を確保されることを可能にした。
【００２０】
請求項４の発明は、共通磁極に永久磁石を接続することで、更に磁力を強め、発生トルクを増加させると共に、コイルに通電を行っていない状態では、ロータは常に所定の一定位置に静止することを可能にした。
【００２２】
【実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は本発明の一実施例である。図１(a)は本発明のY軸方向断面図、図１(b)は本発明のX軸方向断面図である。
図２は本発明の分解斜視図である。
【００２３】
図１において、1はケース、2は磁石保持器、3は永久磁石、4は共通磁極、5a及び5bは固定磁極、6a及び6bはボビン、７a及び7bはコイル、8a及び8bは軸受、9a及び9bは固定磁極、10a及び10bはボビン、11a及び11bはコイル、12はロータ、13はシャフト支持台、14は軸受ブロック、15はX軸シャフト、16はY軸シャフト、17は鏡支持枠、18は鏡である。
【００２４】
ケース1は箱型形状をしている。ケース1の底部の中央には、磁石保持器2と永久磁石3と共通磁極4が設置されている。磁石保持器の内側には上側がN極に下側がS極に着磁された永久磁石3が組み付けられている。
永久磁石3の上には、磁性材料からなる共通磁極4が戴置されている。共通磁極4の上面は、ジンバル機構の回転中心と同一点を中心とする略凹球状に加工されている。
【００２５】
また、ケース1の底部には、固定磁極5a及び固定磁極5bが共通磁極4を挟んで、対向して配置されている。固定磁極5a及び固定磁極5bにおけるロータの駆動磁極との対向面は、それぞれジンバル機構の回転中心と同一点を中心とする略凹球状面になるように加工されている。
【００２６】
ボビン6a及びボビン6bの胴部には、コイル7a及びコイル7bが巻回され、ボビン6a及びボビン6bの中空部には、固定磁極5a及び固定磁極5bが貫通されている。
【００２７】
ケース1の対向する一対の内側面には、軸受8a及び軸受8bが互いに対向するように設置されている。
また、ケース1の他の一対の対向する内側面には、固定磁極9a及び固定磁極9bが設置されている。固定磁極9a及び固定磁極9bにおけるロータの駆動磁極との対向面は、それぞれジンバル機構の回転中心と同一点を中心とする略凹球状面になるように加工されている。
【００２８】
ボビン10a及びボビン10bの胴部には、コイル11a及びコイル11bが巻回され、ボビン10a及びボビン10bの中空部には、固定磁極9a及び固定磁極9bが貫通されている。
【００２９】
軸受8a及び8bを結ぶ仮想的な軸をX軸、固定磁極9a及び9bを結ぶ仮想的な軸をY軸と定義する。
【００３０】
ロータ12は磁性材料からなり、共通磁極4、固定磁極5a及び5b、固定磁極9a及び9bと、それぞれ対向する対向面を有している。前記各対向面は、ジンバル機構の回転中心と同一点を中心とする球面に加工されている。
ロータ12はシャフト支持台13を嵌合させるための凹部を有している。
【００３１】
ロータ12において、固定磁極5aと対向する面をロータ下側部磁極12a、固定磁極5bと対向する面をロータ下側部磁極12bと定義する。ロータ下側部磁極12aとロータ下側部磁極12bは、Y軸側の駆動磁極である。
固定磁極9aと対向する面をロータ上側部磁極12c、固定磁極9bと対向する面をロータ上側部磁極12dと定義する。ロータ上側部磁極12cとロータ上側部磁極12dはX極側の駆動磁極である。
共通磁極4と対向する面をロータ共通磁極12eと定義する。
【００３２】
シャフト支持台13はコの字型をしており、それぞれの脚部には孔が互いに対向するごとく設けられている。
【００３３】
軸受ブロック14は直方体形状で、軸受ブロック14の内部には軸受14a、軸受14b及び14b’が挿入されている。軸受14aはY軸方向に貫通し、軸受14b及び14b’は軸受ブロック14の対向する側面から、X軸方向にそれぞれ挿入され、X軸上に配置されている。
【００３４】
軸受ブロック14は、シャフト支持台13のコの字型の２つの脚部によって形成される空隙に配置され、Yシャフト16はシャフト支持台13の片方の孔から、軸受14aを貫通してシャフト支持台13の他方の孔に設置される。これにより、軸受ブロック14はシャフト支持台13を介してロータ12にY軸周りに回転自在に支持されている。
ロータ12の上には、鏡支持枠17が接続され、鏡支持枠17には鏡18が固着されている。
【００３５】
Xシャフト15は一端が軸受8aに他端が軸受14bが挿入された軸受ブロック14接続されている。また、Xシャフト15’は一端が軸受8bに他端が軸受14b’が挿入された軸受ブロック14に接続されている。
これにより、軸受ブロック14は、ケース1の対向する1組の辺に、X軸周りに回転可能に支持されている。
軸受ブロック14及び鏡支持枠17及び鏡18は、X軸方向にはケース1に、Y軸方向にはロータ12に支持されている。
【００３６】
次に、本発明の２軸アクチュエータの動作について説明する。図3は本発明の部分斜視図である。
通常、コイルに通電を行っていない状態では、ロータ12はX軸方向、Y軸方向共にほぼ中央で静止している。
【００３７】
永久磁石3からの磁束は、共通磁極4からロータ共通磁極12eに供給され、更にロータ12内で磁束はX軸駆動側とY軸駆動側とに分かれる。
X軸駆動磁極では、ロータ上側部磁極12cから固定磁極9aを経由する磁路と、ロータ上側部磁極12dから固定磁極9bを経由する磁路とに分かれ、それぞれが等しい大きさで均衡する。
【００３８】
また、Y軸駆動磁極では、ロータ下側部磁極12aから固定磁極5aを経由する磁路と、ロータ上側部磁極12bから固定磁極5bを経由する磁路とに分かれ、それぞれが等しい大きさで均衡する。
このように、各コイルに通電を行っていない状態では、ロータ12は各軸のほぼ中央で静止している。
【００３９】
コイル7aに通電を行うとコイルの発生する起磁力で、固定磁極5a、ロータ下部磁極12a、ロータ共通磁極12e、共通磁極4、ケース1の底部で構成された磁気回路に磁束が供給される。永久磁石3は、コイルに発生した磁力を強める方向に着磁されている。
【００４０】
このとき、固定磁極5aは磁性を帯び、ロータ下側部磁極12aは固定磁極5aとは逆の極の磁性を帯びる。このため、固定磁極5aとロータ下側部磁極12aの間で吸引力が発生し、ロータ12は固定磁極5aに引き付けられ、X軸を中心に図において右回りに回転する。
【００４１】
次に、コイル7aへの通電を解除した後に、コイル7bに通電を行うとコイルの発生する起磁力で、固定磁極5b、ロータ下側部磁極12b、ロータ共通磁極12e、共通磁極4、ケース1の底部で構成された磁気回路に磁束が供給される。永久磁石3は、コイルに発生した磁力を強める方向に着磁されている。
【００４２】
このとき、固定磁極5bは磁性を帯び、ロータ下側部磁極12bは固定磁極5bとは逆の極の磁性を帯びる。このため、固定磁極5bとロータ下側部磁極12bの間で吸引力が発生し、ロータ12は固定磁極5bに引き付けられ、X軸を中心に図において左回りに回転する。
従って、X軸周りの回転方向及びトルクを発生方向は、コイル7aもしくはコイル7bのいずれかに通電を行うことによって、所望の方向に選択が可能となる。
【００４３】
また、コイル11aに通電を行うとコイル11aの発生する起磁力で、固定磁極9a、ロータ上側部磁極12c、ロータ共通磁極12e、共通磁極4、ケース1の底部で構成された磁気回路に磁束が供給される。永久磁石3は、コイルに発生した磁力を強める方向に着磁されている。
【００４４】
このとき、固定磁極9aは磁性を帯び、ロータ上側部磁極12cは固定磁極9aとは逆の極の磁性を帯びる。このため、固定磁極9aとロータ上側部磁極12cの間で吸引力が発生し、ロータ12は固定磁極9aに引き付けられ、Y軸を中心に図において右回りに回転する。図３はこの時の状態の部分斜視図である。図３(a)はY軸方向から見た正面図、図３(b)は斜め方向から見た図である。
【００４５】
次に、コイル11aへの通電を解除した後に、コイル11bに通電を行うと、コイル11bに発生する起磁力で、固定磁極9b、ロータ上部磁極12d、ロータ共通磁極12e、共通磁極4、ケース1の底部で構成された磁気回路に磁束が供給される。永久磁石3は、コイルに発生した磁力を強める方向に着磁されている。
【００４６】
このとき、固定磁極9bは磁性を帯び、ロータ上側部磁極12dは固定磁極9bとは逆の極の磁性を帯びる。このため、固定磁極9bとロータ上部磁極12dの間で吸引力が発生し、ロータ12は固定磁極9bに引き付けられ、Y軸を中心に図において左回りに回転する。
従って、Y軸周りの回転方向及びトルクを発生方向は、コイル11aもしくはコイル11bのいずれかに通電を行うことによって、所望の方向に選択が可能となる。
【００４７】
以上のX方向の回転動作とY方向の回転動作は、単独に行うことも同時に行うことも可能である。
これにより、本発明の２軸アクチュエータは、互いに直交する２軸の周りに回転駆動を行うことができる。そのため、鏡18の位置が変化し、鏡18に入射された光を所望の方向に反射させることが可能になる。
【００４８】
また本発明は、一実施例として鏡を例に挙げたが、鏡以外でも受光素子等の光を感知するもの、また発光するもの、その他指向性を有する装置の駆動などを、本実施例の鏡の代わりに置き変えても差し支えない。
また、本発明の２軸アクチュエータのロータに出力軸を設ければ、外部に設置した装置に対して、２軸方向の変位を与えることが可能となる。
【００４９】
図４は本発明の請求項６の実施例である。図４において、19は支持台、20はダイオード固定基板、21はレーザーダイオードである。図４において、図1〜図３との同符号は同一部品を示す。
請求項6の実施例では、ロータ12上に支持台19が固定され、支持台上にレーザーダイオード21が接続されたダイオード固定基板20が戴置されている。
そのため、2軸周りの所望の方向へのレーザー光の選択照射が可能になった。
【００５０】
【発明の効果】
請求項１の発明により、ＸシャフトとＹシャフトの２軸のシャフトに支持されたロータが回転してジンバル機構を構成することで、唯一つのアクチュエータのみで、単一のロータを直交する２軸周りに回転動作させることを可能にし、可動部の質量を減少させることで、駆動電力の削減及び応答速度の高速化を可能にした。
【００５１】
請求項２の発明により、ロータに略球状の面を有させることで、直交する二軸方向に回転しても、相互の干渉を避けることが可能になった。
【００５２】
請求項３の発明により、共通磁極と固定磁極のロータとの相対する面は凹球状面に加工されてことで、両軸の有効回転角度の範囲内ではロータが回転しても、ロータと共通磁極との対向面積及び相対距離を変化させず、ロータと共通磁極との間には一定の磁気抵抗を確保され、Ｘ軸、Ｙ軸の各軸の駆動磁極は他方の軸の回転角度に影響されず、それぞれの駆動コイルへの通電によって独立して動作を行うことと同時に動作させることとの選択が可能になった。
【００５３】
請求項４の発明により、共通磁極に永久磁石を接続することで、更に磁力を強め、且つコイルに通電を行っていない状態では、ロータは常に所定の一定位置に静止することが可能になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】(a) 本発明のY軸方向断面図
(b) 本発明のX軸方向断面図
【図２】本発明の分解斜視図
【図３】本発明の動作説明図
【図４】請求項６の実施例
【図５】従来例
【符号の簡単な説明】
１．ケース
２．磁石保持器
３．永久磁石
４．共通磁極
５a．固定磁極
５b．固定磁極
６a．ボビン
６b．ボビン
７a．コイル
７b．コイル
８a．軸受
８b．軸受
９a．固定磁極
９b．固定磁極
１０a．ボビン
１０b．ボビン
１１a．コイル
１１b．コイル
１２．ロータ
１２a．ロータ下側部磁極
１２b．ロータ下側部磁極
１２c．ロータ上側部磁極
１２d．ロータ上側部磁極
１２e．ロータ共通磁極
１３．シャフト支持台
１４．軸受ブロック
１４a．軸受
１４b．軸受
１４b’．軸受
１５．Xシャフト
１６．Yシャフト
１７．鏡支持枠
１８．鏡
１９．支持台
２０．ダイオード固定基板
２１．レーザーダイオード
１０１．基台
１０１b．軸受
１０１b’．軸受’
１０２．外枠
１０２a．外枠シャフト
１０２b．取り付け穴
１０２c．軸受
１０２d．第１アクチュエータシャフト固定部
１０２e．第２アクチュエータシャフト貫通孔
１０３．内板
１０４．シャフト
１０５．第1のアクチュエータ
１０６．第2のアクチュエータ
１０７．取り付け板
１０８．鏡
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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