(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回動自在に保持されるＸシャフトと、
前記Ｘシャフトと直交する方向に回動自在に保持されるＹシャフトと、
前記Ｘシャフト及び前記Ｙシャフトで構成されたジンバル機構によって、前記Ｘシャフトの回動方向と前記Ｙシャフトの回動方向との双方に回動自在に支持されるロータと、
磁束が供給されたときに、前記ロータの所定部分を磁力によって吸引することによって、前記Ｘシャフトを一方の方向に所定角度回転させる第１の固定磁極と、
磁束が供給されたときに、前記ロータの所定部分を磁力によって吸引することによって、前記Ｘシャフトを他方の方向に所定角度回転させる第２の固定磁極と、
磁束が供給されたときに、前記ロータの所定部分を磁力によって吸引することによって、前記Ｙシャフトを一方の方向に所定角度回転させる第３の固定磁極と、
磁束が供給されたときに、前記ロータの所定部分を磁力によって吸引することによって、前記Ｙシャフトを他方の方向に所定角度回転させる第４の固定磁極と、
前記第１の固定磁極、前記第２の固定磁極、前記第３の固定磁極及び前記第４の固定磁極と磁気回路を形成可能に設けられる共通磁極とを有する２軸アクチュエータにおいて、
前記共通磁極に供給される磁束量を一定に保持し、
前記第１の固定磁極と前記第２の固定磁極、または前記第３の固定磁極と前記第４の固定磁極に供給される磁束量に差を発生させ、発生した磁束量の差に対応して前記ロータを回転させるようになしたことを特徴とする２軸アクチュエータ。
【請求項２】
第１のコイル、該第１のコイルと対をなす第２のコイル、第３のコイル、または該第３のコイルと対をなす第４のコイルに通電して、第１のコイルが巻回された第１の固定磁極、第２のコイルが巻回された第２の固定磁極、第３のコイルが巻回された第３の固定磁極または第４のコイルが巻回された第４の固定磁極に磁束を供給し、
供給された前記磁束によって、前記第１の固定磁極、前記第２の固定磁極、前記第３の固定磁極または前記第４の固定磁極と、これらの近傍に回動自在に設けられたロータの所定部分との間に吸引力を発生させ、
発生した前記吸引力または前記反発力によって前記ロータを回転させて、前記ロータを支持すると共に前記ロータの回転に応じて回転するようになされ且つ互いに直交するように設けられたＸシャフトまたはＹシャフトを回転させる２軸アクチュエータの駆動方法において、
前記第１のコイルと前記第２のコイルに流れる電流の和、及び前記第３のコイルと前記第４のコイルに流れる電流の和を一定値に保持することによって、前記第１の固定磁極、前記第２の固定磁極、前記第３の固定磁極及び前記第４の固定磁極と磁気回路を形成可能な共通磁極に供給される磁束量を一定に保持しつつ、
前記第１のコイルと前記第２のコイル、または前記第３のコイルと前記第４のコイルに流れる電流に、ＸシャフトまたはＹシャフトの回転角度に対応する差を与え、
前記第１の固定磁極と前記第２の固定磁極、または前記第３の固定磁極と前記第４の固定磁極に供給される磁束量に差を発生させ、発生した磁束量の差に対応して前記ロータを回転させることを特徴とする２軸アクチュエータの駆動方法。
【請求項３】
請求項１記載の２軸アクチュエータに設けられたロータの回転角度に対応する信号を発生する第１の発振器及び第２の発振器と、
所定電圧を発生する第１の電圧発生器及び第２の電圧発生器と、
前記第１の発振器から入力された信号の大きさを調整して出力する第１のレベル調整器と、
前記第１の電圧発生器で発生した電圧の大きさを調整して出力する第２のレベル調整器と、
前記第２の発振器から入力された信号の大きさを調整して出力する第３のレベル調整器と、
前記第２の電圧発生器で発生した電圧の大きさを調整して出力する第４のレベル調整器と、
前記第１のレベル調整器から入力された信号の位相を反転して出力する第１の位相反転器と、
前記第３のレベル調整器から入力された信号の位相を反転して出力する第２の位相反転器と、
前記第２のレベル調整器から入力された電圧に、前記第１のレベル調整器から入力された信号に対応するバイアスを加えたバイアス電圧を生成して出力する第１の演算増幅器と、
前記第２のレベル調整器から入力された電圧に、前記第１の位相反転器から入力された信号に対応するバイアスを加えたバイアス電圧を生成して出力する第２の演算増幅器と、
前記第４のレベル調整器から入力された電圧に、前記第３のレベル調整器から入力された信号に対応するバイアスを加えたバイアス電圧を生成して出力する第３の演算増幅器と、
前記第４のレベル調整器から入力された電圧に、前記第２の位相反転器から入力された信号に対応するバイアスを加えたバイアス電圧を生成して出力する第４の演算増幅器と、
前記第１の演算増幅器から入力されたバイアス電圧の大きさを調整して出力する第５のレベル調整器と、
前記第２の演算増幅器から入力されたバイアス電圧の大きさを調整して出力する第６のレベル調整器と、
前記第３の演算増幅器から入力されたバイアス電圧の大きさを調整して出力する第７のレベル調整器と、
前記第４の演算増幅器から入力されたバイアス電圧の大きさを調整して出力する第８のレベル調整器と、
前記第５のレベル調整器から出力されたバイアス電圧を増幅して前記ロータの近傍に設けられた第１のコイルに供給する第１の電力増幅器と、
前記第６のレベル調整器から出力されたバイアス電圧を増幅して前記ロータの近傍に設けられると共に前記第１のコイルと対をなす第２のコイルに供給する第２の電力増幅器と、
前記第７のレベル調整器から出力されたバイアス電圧を増幅して前記ロータの近傍に設けられた第３のコイルに供給する第３の電力増幅器と、
前記第８のレベル調整器から出力されたバイアス電圧を増幅して前記ロータの近傍に設けられると共に前記第３のコイルと対をなす第４のコイルに供給する第４の電力増幅器を有することを特徴とする２軸アクチュエータの駆動回路。
【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軸アクチュエータの駆動方法と駆動回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来技術による２軸アクチュエータの駆動方法を説明する便宜上、先に２軸アクチュエータの構造を説明する。２軸アクチュエータの構造及び従来の駆動方法は、本願出願人により出願された特願2001-149586に開示されている。図１は２軸アクチュエータの一実施例である。図１は、２軸アクチュエータの一例を示す説明図であり、（ａ）は２軸アクチュエータのＹ軸方向に直交する面における断面図、図１（ｂ）は２軸アクチュエータのＸ軸方向に直交する面における断面図である。また、図２は、図１に示した２軸アクチュエータの分解斜視図である。さらに、図３は、Ｙ軸を中心に右回りに回転した状態を示す説明図であり、（ａ）はＹ軸方向から見た正面図、（ｂ）は斜視図である。
【０００３】
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及び１５’はＸシャフト、１６はＹシャフト、１７は鏡支持枠、１８は鏡である。
【０００４】
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が載置されている。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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。また、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。さらに、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。
【００１１】
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。
【００１２】
軸受ブロック１４は、ほぼ直方体形状で、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シャフト１６の方向に貫通され、軸受１４ｂ及び１４ｂ’は軸受ブロック１４の対向する側面から、Ｘシャフト１５及び１５’の方向にそれぞれ挿入して配置されている。
【００１３】
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。
【００１４】
Ｘシャフト１５は、一端が軸受８ａに他端が軸受１４ｂに挿入された軸受ブロック１４に接続されている。また、Ｘシャフト１５’は、一端が軸受８ｂに他端が軸受１４ｂ'に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シャフト１５を中心として回動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シャフト１５の方向にはケース１に、Ｙシャフト１６の方向ではロータ１２に支持されている。
【００１５】
次に、従来技術による２軸アクチュエータの駆動方法について説明する。図３は、Ｙ軸を中心に右回りに回転した状態を示す説明図であり、（ａ）はＹ軸方向から見た正面図、（ｂ）は斜視図である。通常、コイルに通電を行っていない状態では、ロータ１２はＹシャフト１６の方向、Ｙシャフト１６の方向共にほぼ中央で静止している。
【００１６】
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、さらにロータ１２内で磁束はＸ軸駆動磁極側とＹ軸駆動磁極側とに分かれる。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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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、Ｙシャフト１６を中心に図３において左回りに回転する。従って、Ｙシャフト１６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。
【００２２】
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。
【００２３】
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、図３に示すように、Ｙ軸を中心に図において右回りに回転する。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。以上説明したように、この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の向きが変化し、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。
【００２７】
ところで、上述した従来の駆動方法では、対となるコイルのうち、片側にのみ通電する方法であり、この場合の動作は選択的であり、通電されたコイルで定まる方向の回転範囲終端で停止する。その中間位置に静止させようとした場合には、何らかの方法によりロータの位置を検出し、コイルの通電量を加減することが必要となる。そのため、コイルの通電量を加減する方法を実行するために、検出用のセンサを各軸に取り付ける方法がある。一般に知られている方法で、このアクチュエータの各軸の回転角を検出しようとすることは、かなり困難であるが、一般的な回転角センサとして用いられるポテンショメータを組み込んだ例について従来例として説明する。
【００２８】
図１２は、従来例における駆動方法の一例を示す斜視図である。図１２に示した例は、ポテンショメータを利用して駆動するものである。図１２において、２７はＸ軸角度検出用ポテンショメータで、２８はＹ軸角度検出用ポテンショメータである。図１２は内部構造を示すために、１部の部品を省略しているが、基本的な構造と動作原理は既に述べた２軸アクチュエータと同様である。この例では、Ｘ軸を外側に延長して、この先に回転角度を検出するＸ軸角度検出用ポテンショメータ２７を接続することで、Ｘ軸の回転角度を検出している。
【００２９】
また、軸受ブロック(図示省略)の内部には、Ｙ軸角度検出用ポテンショメータ２８が組み込まれ、ロータ１２はＹ軸角度検出用ポテンショメータ２８と共に、Ｙシャフト１６に回転可能に支持されている。このため、ロータ１２のＹシャフト１６を軸とする回転角度は前記Ｙ軸角度検出用ポテンショメータ２８の出力によって、読み取ることが可能になる。軸受ブロック１４（図示省略）とＹ軸角度検出用ポテンショメータ２８はコイル１１ａ及びコイル１１ｂ(図示省略)によって、ロータ１２と共にＸ方向に駆動されることとなる。このため軸受ブロック１４はＹ軸角度検出用ポテンショメータ２８を格納するために、必然的に大きくせざるを得ない。
【００３０】
次に、ポテンショメータを利用して位置制御を行う２軸アクチュエータの駆動回路の従来例について、図１３に基づいて説明する。図１３は、従来技術に係る２軸アクチュエータの駆動回路を示すブロック図である。図１３において、２６ａ〜２６ｄは電流増幅器、２９はＸシャフト位置指令信号発生器、３０はＹシャフト位置指令信号発生器、３１ａ及び３１ｂは比較器、３２ａ及び３２ｂは通電方向判断器、３３ａ〜３３ｄは誤差増幅器である。
【００３１】
Ｘシャフト位置指令信号発生器２９及びＹシャフト位置指令信号発生器３０は独立して設置されている。Ｘシャフト位置指令信号発生器２９には、直列に比較器３１ａが接続され、比較器３１ａはＸシャフト位置検出器２７と通電方向判断器３２ａに接続されている。通電方向判断器３２ａには誤差増幅器３３ａ及び３３ｂがそれぞれ並列に接続されている。誤差増幅器３３ａには、電力増幅器２６ａを介してコイル１１ａが接続されている。誤差増幅器３３ｂには、電力増幅器２６ｂを介してコイル１１ｂが接続されている。
【００３２】
Ｙシャフト位置指令信号発生器３０には、直列に比較器３１ｂが接続され、比較器３１ｂはＹシャフト位置検出器２８と通電方向判断器３２ｂに接続されている。通電方向判断器３２ｂには誤差増幅器３３ｃ及び３３ｄがそれぞれ並列に接続されている。誤差増幅器３３ｃには、電力増幅器２６ｃを介してコイル７ａが接続されている。誤差増幅器３３ｄには、電力増幅器２６ｄを介してコイル７ｂが接続されている。
【００３３】
次に、従来例の駆動回路について説明する。Ｘシャフト位置指令信号２９は、比較器３１ａによって、Ｘシャフト位置検出器２７で検出されたロータの現在位置と比較される。比較器３１ａから出力された信号は、指令値と現在位置との誤差を表すことになる。この誤差を修正するために必要な回転方向が通電方向判断器３２ａによって求められ、誤差増幅器３３ａまたは誤差増幅器３３ｂのいずれかに送られる。誤差増幅器は入力された誤差信号を増幅し、誤差補正信号とする。これを電力増幅器によってコイルを駆動する電力まで増幅した後、コイル１１ａまたはコイル１１ｂを駆動する。そして、ロータは指示位置誤差を補正する方向に回転し、その結果をＸシャフト位置検出器２７によって指令位置と再度比較する、循環動作によって位置制御を行う。
【００３４】
Ｙ軸の動作もＸ軸と同様に、Ｙシャフト位置指令信号３０は、比較器３１ｂによって、Ｙシャフト位置検出器２８で検出されたロータ１２の現在位置と比較される。比較器３１ｂから出力された信号は、指令値と、現在位置との誤差を表すことになる。この誤差を修正するために必要な回転方向が通電方向判断器３２ｂによって求められ、誤差増幅器３３ｃまたは誤差増幅器３３ｄのいずれかに送られる。誤差増幅器は入力された誤差信号を増幅し、誤差補正信号とする。これを電力増幅器によってコイルを駆動する電力まで増幅した後、コイル７ａまたはコイル７ｂを駆動する。そして、コイル７ａ及び７ｂの通電によって、ロータは指示位置誤差を補正する方向に回転し、その結果をＹシャフト位置検出器２７によって指令位置と再度比較する循環動作によって位置制御を行う。Ｘシャフト１５及び１５’とＹシャフト１６は独立して指示が可能で、互いの干渉を避けることができる。なお、Ｘシャフト位置指令信号及びＹシャフト位置指令信号は、外部からの位置指示、または一定パターンの繰り返しであれば内部で発生させたもののいずれでも使用できる。
【００３５】
以上のようにして任意方向への駆動制御が可能となるが、以下のような問題が生じる。まず第１に、小型化が困難である。一方の軸は他方の軸上に乗っているためにセンサも同様に軸上に配置せざるを得ないので、小型化、軽量化を大きく損なう結果となる。第２にコスト的に高価になるという問題を生じる。このような形式のセンサは一般的に高価である。第３に損失の問題がある。機械的な負荷が連続して接続されることとなるために、発生するトルクを該駆動のために損失してしまう問題があった。第４に、接触部分を有するため、機械的な寿命が存在してしまっていた。第５に重量の問題があり、可動部はロータに加えてポテンショメータの質量も加わるので、駆動のためにはより大きな電力を必要とする。また、本形式のアクチュエータは可動部分の重心位置と各軸の交点が一致していることが特徴であり、このために可動部分の設計に大きな制約が発生することになっていた。第６に、駆動回路の構成が複雑になるという問題がある。回転角度の目標値に対して各方向のセンサで検出した位置信号とを比較して作成した誤差信号から、コイルの補正電流を作成する回路は、制御の安定性を確保するためには、一般に知られた古典的な手法によるか、デジタル化して演算で求めることができるが、いずれにしても回路規模はかなり大きなものとなり、高価なものになる。
【００３６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記課題に鑑み、２軸周りに駆動可能な２軸アクチュエータのロータを所望の方向に自由自在に回転制御することができ、高価な位置検出機構を用意することなく、振動等外乱のある環境下においても、高精度な位置制御精度を保持する２軸アクチュエータ及びその駆動方法及びその駆動回路を提供することを目的とする。
【００３７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するための手段として、回動自在に保持されるＸシャフトと、前記Ｘシャフトと直交する方向に回動自在に保持されるＹシャフトと、前記Ｘシャフト及び前記Ｙシャフトで構成されたジンバル機構によって、前記Ｘシャフトの回動方向と前記Ｙシャフトの回動方向との双方に回動自在に支持されるロータと、磁束が供給されたときに、前記ロータの所定部分を磁力によって吸引することによって、前記Ｘシャフトを一方の方向に所定角度回転させる第１の固定磁極と、磁束が供給されたときに、前記ロータの所定部分を磁力によって吸引することによって、前記Ｘシャフトを他方の方向に所定角度回転させる第２の固定磁極と、磁束が供給されたときに、前記ロータの所定部分を磁力によって吸引することによって、前記Ｙシャフトを一方の方向に所定角度回転させる第３の固定磁極と、磁束が供給されたときに、前記ロータの所定部分を磁力によって吸引することによって、前記Ｙシャフトを他方の方向に所定角度回転させる第４の固定磁極と、前記第１の固定磁極、前記第２の固定磁極、前記第３の固定磁極及び前記第４の固定磁極と磁気回路を形成可能に設けられる共通磁極とを有する２軸アクチュエータにおいて、前記共通磁極に供給される磁束量を一定に保持し、前記第１の固定磁極と前記第２の固定磁極、または前記第３の固定磁極と前記第４の固定磁極に供給される磁束量に差を発生させ、発生した磁束量の差に対応して前記ロータを回転させるようになしたことを特徴とするものとした。
【００３８】
したがって、Ｘシャフト及びＹシャフトを回転させる２対のコイルへ印加する電圧差によって、それぞれの固定磁極に供給される磁束量に差ができ、その差に従ってＸシャフト及びＹシャフトに加わるトルクにも差を生じる。よって、ポテンショメータなど機械的な構成を付加することなく、Ｘシャフト及びＹシャフトを任意の角度だけ回転させることが可能になる。
【００３９】
また、本発明は、第１のコイル、該第１のコイルと対をなす第２のコイル、第３のコイル、または該第３のコイルと対をなす第４のコイルに通電して、第１のコイルが巻回された第１の固定磁極、第２のコイルが巻回された第２の固定磁極、第３のコイルが巻回された第３の固定磁極または第４のコイルが巻回された第４の固定磁極に磁束を供給し、供給された前記磁束によって、前記第１の固定磁極、前記第２の固定磁極、前記第３の固定磁極または前記第４の固定磁極と、これらの近傍に回動自在に設けられたロータの所定部分との間に吸引力を発生させ、発生した前記吸引力または前記反発力によって前記ロータを回転させて、前記ロータを支持すると共に前記ロータの回転に応じて回転するようになされ且つ互いに直交するように設けられたＸシャフトまたはＹシャフトを回転させる２軸アクチュエータの駆動方法において、前記第１のコイルと前記第２のコイルに流れる電流の和、及び前記第３のコイルと前記第４のコイルに流れる電流の和を一定値に保持することによって、前記第１の固定磁極、前記第２の固定磁極、前記第３の固定磁極及び前記第４の固定磁極と磁気回路を形成可能な共通磁極に供給される磁束量を一定に保持しつつ、前記第１のコイルと前記第２のコイル、または前記第３のコイルと前記第４のコイルに流れる電流に、ＸシャフトまたはＹシャフトの回転角度に対応する差を与え、前記第１の固定磁極と前記第２の固定磁極、または前記第３の固定磁極と前記第４の固定磁極に供給される磁束量に差を発生させ、発生した磁束量の差に対応して前記ロータを回転させることを特徴とするものとした。
【００４０】
なお、２軸アクチュエータの駆動方法において、前記第１のコイルと前記第２のコイルに流れる電流の和、及び前記第３のコイルと前記第４のコイルに流れる電流の和を一定値に保持することによって、前記第１の固定磁極、前記第２の固定磁極、前記第３の固定磁極及び前記第４の固定磁極と磁気回路を形成可能な共通磁極に供給される磁束量を一定に保持しつつ、前記第１のコイルと前記第２のコイル、または前記第３のコイルと前記第４のコイルに流れる電流にＸシャフトまたはＹシャフトの回転角度に対応する差を与えるようにできる。
【００４１】
さらに、本発明は、２軸アクチュエータの駆動回路において、２軸アクチュエータに設けられたロータの回転角度に対応する信号を発生する第１の発振器及び第２の発振器と、所定電圧を発生する第１の電圧発生器及び第２の電圧発生器と、前記第１の発振器から入力された信号の大きさを調整して出力する第１のレベル調整器と、前記第１の電圧発生器で発生した電圧の大きさを調整して出力する第２のレベル調整器と、前記第２の発振器から入力された信号の大きさを調整して出力する第３のレベル調整器と、前記第２の電圧発生器で発生した電圧の大きさを調整して出力する第４のレベル調整器と、前記第１のレベル調整器から入力された信号の位相を反転して出力する第１の位相反転器と、前記第３のレベル調整器から入力された信号の位相を反転して出力する第２の位相反転器と、前記第２のレベル調整器から入力された電圧に、前記第１のレベル調整器から入力された信号に対応するバイアスを加えたバイアス電圧を生成して出力する第１の演算増幅器と、前記第２のレベル調整器から入力された電圧に、前記第１の位相反転器から入力された信号に対応するバイアスを加えたバイアス電圧を生成して出力する第２の演算増幅器と、前記第４のレベル調整器から入力された電圧に、前記第３のレベル調整器から入力された信号に対応するバイアスを加えたバイアス電圧を生成して出力する第３の演算増幅器と、前記第４のレベル調整器から入力された電圧に、前記第２の位相反転器から入力された信号に対応するバイアスを加えたバイアス電圧を生成して出力する第４の演算増幅器と、前記第１の演算増幅器から入力されたバイアス電圧の大きさを調整して出力する第５のレベル調整器と、前記第２の演算増幅器から入力されたバイアス電圧の大きさを調整して出力する第６のレベル調整器と、前記第３の演算増幅器から入力されたバイアス電圧の大きさを調整して出力する第７のレベル調整器と、前記第４の演算増幅器から入力されたバイアス電圧の大きさを調整して出力する第８のレベル調整器と、前記第５のレベル調整器から出力されたバイアス電圧を増幅して前記ロータの近傍に設けられた第１のコイルに供給する第１の電力増幅器と、前記第６のレベル調整器から出力されたバイアス電圧を増幅して前記ロータの近傍に設けられると共に前記第１のコイルと対をなす第２のコイルに供給する第２の電力増幅器と、前記第７のレベル調整器から出力されたバイアス電圧を増幅して前記ロータの近傍に設けられた第３のコイルに供給する第３の電力増幅器と、前記第８のレベル調整器から出力されたバイアス電圧を増幅して前記ロータの近傍に設けられると共に前記第３のコイルと対をなす第４のコイルに供給する第４の電力増幅器を有することを特徴とするものとした。
【００４２】
したがって、比較的単純な構成によって２軸アクチュエータの駆動回路を実現することができる。
【００４３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。なお、本発明に係る本発明による駆動方法及び駆動回路は、図１に示した２軸アクチュエータに対して適用することが可能であるので、機械的構成については、図１に示したものを前提に説明する。また、永久磁石３は、特に設けなくともよい。
【００４４】
最初に、コイルに通電によって発生するトルクと回転角の関係を図５に示す。図５は、図１に示した２軸アクチュエータのＸシャフトのトルクカーブを示すグラフである。なお、図５では、Ｘ軸を例にとって説明するが、Ｙ軸においても同様である。図において、縦軸は発生するトルク、横軸は回転角である。便宜上、右回りの回転をθ、左回りの回転を−θと定義し、左回りのトルクを＋、右回りのトルクを−と定義する。図５に示すように、コイル１１ａとコイル１１ｂに通電する電流が等しいとき、両者のトルクカーブの形状は同じで、極性が異なる対象形をしている。各コイルに流す電流によってその形は大きく変わらず、絶対値のみが変化する。コイル１１ａとコイル１１ｂに同一の電流が流れているとき、トルクの発生方向を無視して絶対値のみをグラフに示すと図６のようになる。図６は、図１に示した２軸アクチュエータのＸシャフトのトルクカーブの絶対値を示すグラフである。コイル１１ａとコイル１１ｂのトルクは中央で交差する。この点がコイル１１ａとコイル１１ｂの発生するトルクのバランス点で、ロータはこの位置に静止する。
【００４４】
ここで、コイル１１ａの電流を増し、コイル１１ｂの電流を減らした場合を図７に示す。図７は、コイル１１ａの電流を強めたときにおけるＸシャフトの右回転時のトルクカーブを示すグラフである。トルク曲線の交点がΔθだけ移動している。ロータが回転しこの位置に静止する。同様に、コイル１１ｂの電流を増し、コイル１１ａの電流を減らした場合を図８に示す。図８は、コイル１１ｂの電流を強めたときにおけるXシャフトの左回転時のトルクカーブを示すグラフである。図８において、トルク曲線の交点が−Δθだけ移動し、逆方向に回転する。本発明は、このようにして、各コイルの電流値を調整することにより、任意の向きでロータを静止させることを可能にしたことに特徴がある。
【００４５】
なお、２軸アクチュエータは２軸方向に互いに干渉することなく独立して駆動可能なことを大きな特徴とし、その回転角度は前記の方法によって制御することができる。２軸アクチュエータの駆動時に、各駆動コイルによって発生した磁束は一つの共通磁極４を経由する磁路を有する。この経路を図示したものが図４である。図４は、図１に示した２軸アクチュエータの駆動方法を示す磁気回路図であり、（ａ）はＹ軸方向に直交する面における断面図、（ｂ）はＸ軸方向に直交する面における断面図である。図４（ａ）において２つのＸ軸駆動コイル１１ａ（図示省略）及び１１ｂ（図示省略）で発生した磁束はそれぞれφＬ及びφＲの経路を通り、共に共通磁極４を経由する。この磁極内の磁束をまとめてφ０Hとする。同様に、図４（ｂ）において２つのＹ軸駆動コイル７ａ及び７ｂで発生した磁束はそれぞれφT及びφｂの経路を通り、共に共通磁極４を経由する。この磁極内の磁束をまとめてφ０Vとする。このときの共通磁極４は同じものであり、これらの関係は次式で表される。
【数１】
0003780313.tif 000002
共通磁極を通過する磁束の総量はφ０で表される。このとき共通磁極のギャップを通過するφ０によって発生する力は各軸方向の回転トルクには寄与しない方向となるようデザインして、各軸方向への影響を避けている。この力は各軸に対して直角の方向であり、軸の回転抵抗となって現れる。 このため、１軸に対して発生するトルクは、他方の軸周りの位置には影響されなくても、他軸を駆動する磁束が変化すると共通磁極４を通過する磁束量φ０も変化するので、軸受の回転抵抗も変わることとなる。この為結果的に出力トルクが変化し、他軸に影響を及ぼすことになる。
【００４７】
これを避けるには、共通磁極４を通過する磁束の量φ０を常に一定にする必要がある。前述の位置制御方法は、対向コイルの電流比を変化させて、目標回転角度で対向トルクを交差させることで実現している。なお、目標点でトルクが交差する電流比のときの絶対値は一つではなく数多く存在する。そのうちどれを選択しても良いが、交差点でのトルクの絶対値によってその静止精度などの性質が異なるので目的によって選択すればよい。
【００４８】
このとき、対向電流の和が予め決めた一定値になるように電流比を選択することで、目標値をどこにおいても共通磁極を通過する磁束の量を一定に保つことができることになる。この関係はＸシャフト及びＹシャフト共に共通である。両軸の有する各対コイルに同じ関係を持たせた電流で駆動すれば、共通磁極の通過磁束の変化をなくすことができる。
【００４９】
次に、本発明の２軸アクチュエータの駆動回路について図９に基づいて説明する。図９は、本発明の駆動回路の一例を示すブロック図である。図９において、１９は発振器、２０はレベル調整器、２１は電圧発生器、２２はレベル調整器、２３は反転器、２４ａ及び２４ｂは演算増幅器、２５ａ及び２５ｂはレベル調整器、２６ａ及び２６ｂは電力増幅器である。
【００５０】
発振器１９にはレベル調整器２０が直列に接続されている。演算増幅器２４ａにはレベル調整器２０からの信号と電圧発生器２１の電圧がレベル調整器２２を経由して接続されている。演算増幅器２４ｂには、反転器２３を介して発振器１９からの信号と電圧発生器２１の電圧がレベル調整器２２を経由して接続されている。演算増幅器２４ａの出力はレベル調整器２５ａを介して、電力増幅器２６ａに接続され、電力増幅器２６ａの出力はコイル７ａもしくはコイル１１ａに直列に接続される。さらに、演算増幅器２４ｂの出力は、レベル調整器２５ｂを介して電力増幅器２６ｂが接続され、電力増幅器２６ｂの出力はコイル７ｂもしくはコイル１１ｂに直列に接続される。
【００５１】
次に、本発明の２軸アクチュエータの駆動回路の動作について、図９〜図１１に基づいて説明する。図９は、本発明の駆動回路の一例を示すブロック図である。なお、ここでは正弦波状に往復動作を行う場合について記述するもので、本回路の動作は波形に制約されることはなく、あくまでも駆動例の一例として説明する。発振器１９によって作成された信号は、レベル調整器２０により大きさを調整した後、演算増幅器２４ａによってバイアス電圧を加えられる。このバイアスの大きさはレベル調整器２２によって定められている。演算増幅器２４ａの出力は電力増幅器２６ａによって増幅され、コイル７ａを駆動する。一方、レベル調整器２０を通過した信号の１部は、位相反転器２３を経由して演算増幅器２４ｂによりバイアス電圧を加えられる。このバイアスの大きさは演算増幅器２４ａでの値と同じものになる。バイアスを加えられた信号は、電力増幅器２６ｂによって増幅された後、コイル７ｂを駆動する。
【００５２】
このようにして、合成された信号の相互関係は図１０に示すような形状となる。図１０は、本発明の駆動回路においてバイアスを印加したときのＸシャフトの駆動電流波形図である。目標値が変化した際に和が一定となる関係を有する電流を求めるとき、次のような手法を用いることで高精度な電流を容易に得ることができる。電圧として与えられた目標値を増幅してコイルの駆動電流とするまでに一定のバイアスを与える。これに対向するコイルの駆動電流は、目標値信号の位相を反転器で反転してからバイアスを与える。バイアスの量は対向コイルそれぞれに同じ量とする。こうすることにより、目標値の変化を電流比の変化に変換すると共に、その和を一定に保つことができ、前記の各軸間の影響を抑えた駆動が可能となる。なお、発振器１９から出力される信号は、正弦波に限られるものではなく、矩形波、のこぎり波など適宜利用することが可能である。また、外部からの位置指令信号に置き換えることも可能である。
【００５３】
この効果を計測した結果が図１１である。図１１は、本発明の駆動回路においてバイアスを印加しないＸシャフトの駆動電流波形図である。対向コイルに流れる電流が、反転器の効果で位相が１８０°ずれており、その和は変化分がうち消されて一定値となっている。同じ回路において、レベル調整器によってバイアス量を零とした場合の計測結果を図１１に示す。各コイルには正弦波の半周期毎に交互に電流が流れていて、その合成値波はコイル電流と同じ形状をしている。このため、共通磁極に流れる磁束も同じように変動していることになる。
【００５４】
なお、以上説明した２軸アクチュエータの駆動回路は、Ｘシャフト１５及び１５’を回転させる駆動回路とＹシャフト１６を回転させる駆動回路を別に設けて、互いに独立させて駆動させても良いし、Ｘ軸方向に駆動する回路とＹ軸方向に駆動する回路とを接続して、一つの回路として駆動しても良い。
【００５５】
以上のように、本発明に係る２軸アクチュエータの駆動回路は、対となる２組のコイルにはそれぞれ同時に通電を行ない、各対のコイルに流れる電流の和を常に一定となるように制御することを特徴としている。したがって、図１に示した２軸アクチュエータにこの駆動回路を付加することによって、ロータを所望の方向に自由自在に制御することができ、高価な位置検出機構を用意することなく、振動等外乱のある環境下においても、高精度な位置制御精度を保持する駆動方法が実現できる。なお、２軸アクチュエータの機械的構成は、図１に示したものに限定されるものではなく、ジンバル機構を有する２軸アクチュエータに広く適用することが可能である。
【００５６】
【発明の効果】
本発明は、第１のコイルと第２のコイルに流れる電流の和、及び第３のコイルと前記第４のコイルに流れる電流の和を常時一定値に保持することによって、共通磁極に供給される磁束量を一定に保持し、第１のコイルと第２のコイル、または前第３のコイルと第４のコイルに流れる電流に、ＸシャフトまたはＹシャフトの回転角度に対応する差を与えることによって、第１の固定磁極と第２の固定磁極、または第３の固定磁極と第４の固定磁極に供給される磁束量に差を発生させ、発生した磁束量の差に対応してロータを回転させるので、ポテンショメータなどを付加する必要がなく、小型化が容易であり、さらに高価な機械的構成を付加しないので安価に実現できる。また、負荷となる構成を付加しないので損失を小さくすることが可能であり、機械的、電気的損失が小さい。さらに、駆動回路の構成が単純であり、小型化が容易である上に安価に実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ２軸アクチュエータの一例を示す説明図であり、（ａ）は２軸アクチュエータのＹ軸方向に直交する面における断面図、図１（ｂ）は２軸アクチュエータのＸ軸方向に直交する面における断面図である。
【図２】 図１に示した２軸アクチュエータの分解斜視図である。
【図３】 Ｙ軸を中心に右回りに回転した状態を示す説明図であり、（ａ）はＹ軸方向から見た正面図、（ｂ）は斜視図である。
【図４】 図１に示した２軸アクチュエータの駆動方法を示す磁気回路図であり、（ａ）はＹ軸方向に直交する面における断面図、（ｂ）はＸ軸方向に直交する面における断面図である。
【図５】 図１に示した２軸アクチュエータのＹシャフトのトルクカーブを示すグラフである。
【図６】 図１に示した２軸アクチュエータのＹシャフトのトルクカーブの絶対値を示すグラフである。
【図７】 コイル１１ａの電流を強めたときにおけるＹシャフトの右回転時のトルクカーブを示すグラフである。
【図８】 コイル１１ｂの電流を強めたときにおけるＹシャフトの左回転時のトルクカーブを示すグラフである。
【図９】 本発明の駆動回路の一例を示すブロック図である。
【図１０】 本発明の駆動回路においてバイアスを印加したときのＸシャフトの駆動電流波形図である。
【図１１】 本発明の駆動回路においてバイアスを印加しないときのＸシャフトの駆動電流波形図である。
【図１２】 従来例における駆動方法の一例を示す斜視図である。
【図１３】 従来技術に係る２軸アクチュエータの駆動回路を示すブロック図である。
【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．発振器
２０．レベル調整器
２１．電圧発生器
２２．レベル調整器
２３．反転器
２４ａ．演算増幅器
２４ｂ．演算増幅器
２５ａ．レベル調整器
２５ｂ．レベル調整器
２６ａ．電力増幅器
２６ｂ．電力増幅器
２７．Ｘシャフト位置検出用ポテンショメータ
２８．Ｙシャフト位置検出用ポテンショメータ
２９．Ｘシャフト位置指令信号発生器
３０．Ｙシャフト位置指令信号発生器
３１ａ．比較器
３１ｂ．比較器
３２ａ．通電方向判断器
３２ｂ．通電方向判断器
３３ａ．誤差増幅器
３３ｂ．誤差増幅器
３３ｃ．誤差増幅器
３３ｄ．誤差増幅器
【図１】
0003780313.tif 000003
【図２】
0003780313.tif 000004
【図３】
0003780313.tif 000005
【図４】
0003780313.tif 000006
【図５】
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【図６】
0003780313.tif 000008
【図７】
0003780313.tif 000009
【図８】
0003780313.tif 000010
【図９】
0003780313.tif 000011
【図１０】
0003780313.tif 000012
【図１１】
0003780313.tif 000013
【図１２】
0003780313.tif 000014
【図１３】
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