特開 2015-231643 回転型アクチュエータ及び回転型アクチュエータの制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2015-231643(P2015-231643A)

(43)【公開日】2015年12月24日

(54)【発明の名称】回転型アクチュエータ及び回転型アクチュエータの制御方法

(51)【国際特許分類】

   B81B 3/00 20060101AFI20151201BHJP

   G02B 26/10 20060101ALN20151201BHJP

   H02N 1/00 20060101ALN20151201BHJP

【ＦＩ】

   B81B3/00

   G02B26/10 104Z

   H02N1/00

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2014-118511(P2014-118511)

(22)【出願日】2014年6月9日

(71)【出願人】

【識別番号】000005234

【氏名又は名称】富士電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100110928

【弁理士】

【氏名又は名称】速水 進治

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 健

(72)【発明者】

【氏名】石河 範明

(72)【発明者】

【氏名】河村 幸則

【テーマコード（参考）】

2H045

3C081

【Ｆターム（参考）】

2H045AB26

2H045AB44

3C081AA01

3C081AA11

3C081BA07

3C081BA22

3C081BA32

3C081BA33

3C081BA44

3C081BA47

3C081BA53

3C081BA76

3C081EA08

(57)【要約】

【課題】大規模な回路がなくても、固定電極に印加される駆動信号が可動電極の位置検出のノイズになることを抑制できるようにする。
【解決手段】第１固定電極１４２は、可動電極１２０の第１辺に対向している。第２固定電極１４４は、可動電極１２０の第２辺に対向している。第２辺は、可動電極１２０の第１辺とは反対側の辺である。第１検出用電極１５２は、可動電極１２０及び第１固定電極１４２から絶縁されており、可動電極１２０の第１辺に対向している。第２検出用電極１５４は、可動電極１２０及び第２固定電極１４４から絶縁されており、可動電極１２０の第２辺に対向している。そして駆動部２００は、第１固定電極１４２に第１信号を入力するとともに、第２固定電極１４４に、前記第１信号とは位相が逆である第２信号を入力する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

可動電極と、
支持体と、
前記可動電極を前記支持体に取り付け、前記可動電極の回転軸となる固定部材と、
前記可動電極の第１辺に対向している第１固定電極と、
前記可動電極のうち前記第１辺の反対側の辺である第２辺に対向している第２固定電極と、
前記可動電極の第１辺に対向しており、前記可動電極及び前記第１固定電極から絶縁されている第１検出用電極と、
前記可動電極の第２辺に対向しており、前記可動電極及び前記第２固定電極から絶縁されている第２検出用電極と、
前記第１固定電極に第１信号を入力するとともに、前記第２固定電極に、前記第１信号とは位相が逆である第２信号を入力する駆動部と、
を備える回転型アクチュエータ。

【請求項2】

請求項１に記載の回転型アクチュエータにおいて、
前記第２信号は、前記第１信号を逆位相にした信号である回転型アクチュエータ。

【請求項3】

請求項２に記載の回転型アクチュエータにおいて、
前記駆動部は、
基準パルスを増幅することにより前記第１信号を生成するとともに、抵抗素子及び容量素子を有する第１信号生成部と、
前記基準パルスを位相反転することにより前記第２信号を生成するとともに、抵抗素子及び容量素子を有する第２信号生成部と、
を備え、
前記第１信号生成部の抵抗及び容量素子から算出されるインピーダンスは、前記第２信号生成部の抵抗及び容量素子から算出されるインピーダンスとは異なる回転型アクチュエータ。

【請求項4】

可動電極と、
支持体と、
前記可動電極を前記支持体に取り付け、前記可動電極の回転軸となる固定部材と、
平面視で前記可動電極の第１辺に対向している第１固定電極と、
前記可動電極のうち前記第１辺の反対側の辺である第２辺に対向している第２固定電極と、
前記可動電極の第１辺に対向しており、前記可動電極及び前記第１固定電極から絶縁されている第１検出用電極と、
前記可動電極の第２辺に対向しており、前記可動電極及び前記第２固定電極から絶縁されている第２検出用電極と、
を有する回転型アクチュエータを準備し、
前記第１固定電極に第１信号を入力するとともに、前記第２固定電極に、前記第１信号とは位相が逆である第２信号を入力することにより、前記可動電極を駆動し、かつ、前記第１検出用電極の電位及び前記第２検出用電極の電位の和又は平均の変動に基づいて、前記可動電極の位置を検出する、回転型アクチュエータの制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、回転型アクチュエータ及び回転型アクチュエータの制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術の発展に伴い、様々なＭＥＭＳデバイスの開発が進められている。このようなＭＥＭＳデバイスの１つに、光を走査する回転型アクチュエータがある（例えば特許文献１参照）。この回転型アクチュエータは、ミラーである可動電極と、固定電極とを有している。そして、可動電極の傾斜角度は、固定電極に印加する駆動信号によって制御される。

【0003】

光を高い精度で走査するためには、可動電極の傾斜方向及び角度を高い精度で制御する必要がある。特許文献１に示されている回転型アクチュエータは、検出用電極を有している。そして、可動電極と検出用電極との間で生じる容量の変化から、可動電極の角度を検出している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００５−２０８２５１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

可動電極と検出用電極との間で生じる容量は、検出用電極の電位として検出される。しかし、検出用電極は固定電極の近くに位置しているため、検出用電極の電位には、固定電極に印加される駆動信号が混信してしまう。この混信を、回路を用いて除去することも考えられる。しかしこの場合、回転型アクチュエータを小型化しても、回転型アクチュエータに付随する回路が大型化してしまい、結果として回転型アクチュエータの小型化は意味を成さなくなってしまう。

【0006】

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、大規模な回路がなくても、固定電極に印加される駆動信号が可動電極の位置検出のノイズになることを抑制できる回転型アクチュエータ及び回転型アクチュエータの制御方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明に係る回転型アクチュエータは、可動電極、支持体、固定部材、第１固定電極、第２固定電極、第１検出用電極、第２検出用電極、及び駆動部を備えている。固定部材は、可動電極を支持体に取り付け、可動電極の回転軸となる。第１固定電極は、可動電極の第１辺に対向している。第２固定電極は、可動電極のうち第１辺の反対側の辺である第２辺に対向している。第１検出用電極は、可動電極の第１辺に対向しており、可動電極及び第１固定電極から絶縁されている。第２検出用電極は、可動電極の第２辺に対向しており、可動電極及び第２固定電極から絶縁されている。駆動部は、第１固定電極に第１信号を入力するとともに、第２固定電極に、第１信号とは位相が逆である第２信号を入力する。

【0008】

本実施形態に係る回転型アクチュエータの制御方法は、上記した回転型アクチュエータにおいて、第１検出用電極の電位及び第２検出用電極の電位の和又は平均の変動に基づいて、可動電極の位置を検出するものである。

【発明の効果】

【0009】

本発明によれば、大規模な回路がなくても、固定電極に印加される駆動信号が可動電極の位置検出のノイズになることを抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】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。

【図2】回転型アクチュエータの等価回路図である。

【図3】比較例に係る回転型アクチュエータの検出部が検出した電圧の波形を説明するための図である。

【図4】本実施例に係る回転型アクチュエータの検出部が検出した電圧の波形を示す図である。

【図5】第２の実施形態に係る回転型アクチュエータが有する駆動部の構成を示す回路図である。

【図6】第３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。

【図7】第４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。

【発明を実施するための形態】

【0011】

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。

【0012】

（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。回転型アクチュエータ１００は、支持体１１０、可動電極１２０、固定部材１３０、第１固定電極１４２、第２固定電極１４４、第１検出用電極１５２、第２検出用電極１５４、及び駆動部２００を備えている。第１固定電極１４２及び第２固定電極１４４によって回転型アクチュエータ１００の固定電極１４０が構成されており、第１検出用電極１５２及び第２検出用電極１５４によって回転型アクチュエータ１００の検出用電極１５０が構成されている。

【0013】

固定部材１３０は、可動電極１２０を支持体１１０に取り付けることにより、可動電極１２０の回転軸となる。第１固定電極１４２は、可動電極１２０の第１辺に対向している。第２固定電極１４４は、可動電極１２０の第２辺に対向している。第２辺は、可動電極１２０の第１辺とは反対側の辺である。第１検出用電極１５２は、可動電極１２０及び第１固定電極１４２から絶縁されており、可動電極１２０の第１辺に対向している。第２検出用電極１５４は、可動電極１２０及び第２固定電極１４４から絶縁されており、可動電極１２０の第２辺に対向している。そして駆動部２００は、第１固定電極１４２に第１信号を入力するとともに、第２固定電極１４４に、前記第１信号とは位相が逆である第２信号を入力する。第２信号は、例えば第１信号を位相反転した信号である。この場合、第２信号の振幅と第１信号の振幅はほぼ等しくなる。

【0014】

本実施形態によれば、第２固定電極１４４に入力される第２信号の位相は、第１固定電極１４２に入力される位相の逆になっている。このため、第１検出用電極１５２の電位及び第２検出用電極１５４の電位の和（又は平均）の変動に基づいて、可動電極１２０の位置を検出すると、第１固定電極１４２及び第２固定電極１４４に印加される信号が可動電極１２０の位置検出のノイズになることを抑制できる。以下、詳細に説明する。

【0015】

本図に示す例において、可動電極１２０の平面形状は矩形である。そして可動電極１２０の第１辺の中央部には第１固定電極１４２が配置されている。そして第１辺の両端部には、それぞれ第１検出用電極１５２が配置されている。また、可動電極１２０のうち第１辺に対向する辺（第２辺）の中央部には第２固定電極１４４が配置されている。そして第２辺の両端部には、それぞれ第２検出用電極１５４が配置されている。第１固定電極１４２及び第２固定電極１４４は、固定部材１３０を延長した線を基準に、互いに線対称となる位置に配置されている。また、第１検出用電極１５２及び第２検出用電極１５４も、固定部材１３０を延長した線を基準に、互いに線対称となる位置に配置されている。

【0016】

また、可動電極１２０の第１辺及び第２辺はいずれも櫛歯状になっている。そして第１固定電極１４２及び第１検出用電極１５２のうち可動電極１２０に対向する辺も櫛歯状になっており、可動電極１２０の第１辺とかみ合っている。また、第２固定電極１４４及び第１検出用電極１５２のうち可動電極１２０に対向する辺も櫛歯状にあっており、可動電極１２０の第２辺とかみ合っている。このため、第１固定電極１４２及び第２固定電極１４４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。また、第１検出用電極１５２及び第２検出用電極１５４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、第１検出用電極１５２及び第２検出用電極１５４による検出値は大きくなる。

【0017】

支持体１１０は、可動電極１２０の４辺のうち第１辺及び第２辺以外の２つの辺それぞれに対向している。固定部材１３０は、可動電極１２０のうち支持体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、固定部材１３０は、可動電極１２０のうち支持体１１０と対向している辺の中心に接続している。そして２つの固定部材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、支持体１１０、可動電極１２０、及び固定部材１３０は一体的に形成されている。

【0018】

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などに用いられる。

【0019】

駆動部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、駆動部２００は、可動電極１２０と第１固定電極１４２の間に、交流電圧である第１信号を印加し、かつ、可動電極１２０と第２固定電極１４４の間に、交流電圧である第２信号を印加する。第２信号は、例えば第１信号を反転させた信号である。ただし、第１信号の振幅と第２信号の振幅は異なっていても良い。なお、可動電極１２０には、直流電圧源４００によって予め決められた直流電圧が印加されている。この直流電圧の大きさは、第１信号の振幅の２倍及び第２信号の振幅の２倍のいずれよりも大きくなっている。

【0020】

また、回転型アクチュエータ１００はさらに検出部３００を備えている。検出部３００は、第１検出用電極１５２の電位と第２検出用電極１５４の電位の和又は平均の変動に基づいて、可動電極１２０の位置を判断する。検出部３００の検出結果は駆動部２００に出力される。駆動部２００は、検出部３００からの出力を用いて、第１信号及び第２信号を生成する。

【0021】

図２は、回転型アクチュエータ１００の等価回路図である。本図において、第１検出用電極１５２及び第２検出用電極１５４を合わせたものを、検出用電極１５０として記載している。

【0022】

検出部３００は、増幅器、抵抗、及び容量素子を並列に接続したものである。そして検出部３００の入力端子には、検出用電極１５０が接続している。検出用電極１５０は、可動電極１２０とともに可変容量素子を構成している。この可変容量素子は、直流電圧源４００に接続している。

【0023】

また、この可変容量素子は、可動電極１２０と第１固定電極１４２からなる容量素子を介して第２信号生成部２２０に接続しており、かつ、可動電極１２０と第２固定電極１４４からなる容量素子を介して第１信号生成部２１０に接続している。この接続に起因して、検出部３００の入力端子には第１信号に起因したノイズと第２信号に起因したノイズが入り込む。

【0024】

しかし、本実施形態では、第２固定電極１４４に入力される第２信号は、第１固定電極１４２に入力される第１位信号と位相が逆になっている。このため、可変容量素子においては第１信号に起因したノイズと第２信号に起因したノイズが互いに打ち消しあい、その結果、検出部３００に入力端子に入り込むノイズは非常に小さくなる。

【0025】

また、第１検出用電極１５２は第１固定電極１４２に対向しており、第２固定電極１４４は第２検出用電極１５４に対向している。このため、検出部３００は、第２検出用電極１５４及び第２固定電極１４４からなる容量素子、並びに第１検出用電極１５２及び第１固定電極１４２からなる容量素子にも接続している。この接続によっても、検出部３００の入力端子には第１信号に起因したノイズと第２信号に起因したノイズが入り込む。しかし、このノイズも、上記した理由により、非常に小さくなる。

【0026】

図３は、比較例に係る回転型アクチュエータ１００の検出部３００が検出した電圧の波形を説明するための図である。詳細には、図３（ａ）は可動電極１２０の位置（変位角）を示すチャートであり、図３（ｂ）は固定電極１４０に入力する信号を示すチャートである。そして図３（ｃ）は、検出用電極１５０に電圧の波形を示すチャートである。この比較例では、図３（ｂ）に示すように、固定電極１４０を構成する第１固定電極１４２及び第２固定電極１４４には、互いに同一の信号が入力されている。そして図３（ａ）に示すように、可動電極１２０の変位角は正弦波に沿って変化している。しかし、図３（ｃ）に示すように、検出部３００の電圧の波形は正弦波を崩した形になっている。詳細には、この形は、正弦波を、固定電極１４０に入力されている信号の電圧が変化するタイミングで崩した形になっている。このことから、検出部３００の検出電圧には、固定電極１４０に入力されている信号がノイズとして載っていることが分かる。

【0027】

図４は、本実施例に係る回転型アクチュエータ１００の検出部３００が検出した電圧の波形を示す図である。図４（ａ）は可動電極１２０の位置（変位角）を示すチャートであり、図４（ｂ）は固定電極１４０に入力する信号を示すチャートである。そして図４（ｃ）は、検出用電極１５０に電圧の波形を示すチャートである。図４（ｂ）に示すように、本実施形態では、第１固定電極１４２に入力される第１信号と第２固定電極１４４に入力される第２信号の位相は逆になっている。このため、図４（ｃ）に示すように、検出部３００が検出した電圧の波形は、正弦波に近い形になる。

【0028】

以上、本実施形態によれば、第２固定電極１４４に入力される第２信号は、第１固定電極１４２に入力される第１位信号と位相が逆になっているため、検出部３００に入力端子に入り込むノイズは非常に小さくなる。従って、可動電極１２０の位置を高い精度で検出することができる。また、第２信号の位相を第１信号とは逆にすればよいため、大きな回路も必要としないですむ。

【0029】

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態に係る回転型アクチュエータ１００が有する駆動部２００の構成を示す回路図である。本実施形態に係る回転型アクチュエータ１００は、駆動部２００の構成を除いて、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。

【0030】

本実施形態において、第２信号は、第１信号を位相反転した上で、さらに振幅を調整したものである。以下、詳細に説明する。

【0031】

駆動部２００は、基準パルス生成部２０２を有している。基準パルス生成部２０２が生成した基準パルスは、第１信号生成部２１０及び第２信号生成部２２０に入力される。

【0032】

第１信号生成部２１０は、増幅部２１５を有している。増幅部２１５は第１信号を出力する。増幅部２１５の入力端子と基準パルス生成部２０２の間には、容量素子２１１及び第１抵抗２１２がこの順に直列に接続されている。また増幅部２１５の入力端子は、第２抵抗２１３及び第３抵抗２１４を介して接地されている。第３抵抗２１４の抵抗値は、第１抵抗２１２の抵抗値及び第２抵抗２１３の抵抗値よりも大きい（例えば１０倍以上１００倍以下）。そして第２抵抗２１３の抵抗値及び第３抵抗２１４の抵抗値は、例えば互いに等しい。

【0033】

同様に、第２信号生成部２２０は増幅部２２５を有している。増幅部２２５は第２信号を出力する。そして増幅部２２５の入力端子と基準パルス生成部２０２の間には、インバータ２２６、容量素子２２１、及び第４抵抗２２２がこの順に直列に接続されている。また増幅部２２５の入力端子は、第５抵抗２２３及び第６抵抗２２４を介して接地されている。第６抵抗２２４の抵抗値は、第４抵抗２２２の抵抗値及び第５抵抗２２３の抵抗値よりも大きく（例えば１０倍以上１００倍以下）、また、第３抵抗２１４の抵抗値と同じである。

【0034】

上述した回路において、基準パルス生成部２０２から第１固定電極１４２に至るまでの信号の経路のインピーダンスは、基準パルス生成部２０２から第２固定電極１４４に至るまでの信号の経路のインピーダンスと多少異なっている。また、第１検出用電極１５２から検出部３００に至るまでの信号の経路のインピーダンスも、第２検出用電極１５４から検出部３００に至るまでの信号の経路のインピーダンスとは多少異なっている。このため、単純に第１信号を移送反転したものを第２信号として使用しても、検出部３００の検出値にはノイズが残る可能性がある。

【0035】

そこで本実施形態では、第４抵抗２２２の抵抗値及び第５抵抗２２３の抵抗値、並びに第１抵抗２１２及び第４抵抗２２２の抵抗値の少なくとも一方の組を調節することにより、上記したインピーダンスの差を小さくしている。言い換えると、容量素子２１１、第１抵抗２１２、第２抵抗２１３、及び第３抵抗２１４から算出されるインピーダンスは、容量素子２２１、第４抵抗２２２、第５抵抗２２３、及び第６抵抗２２４から算出されるインピーダンスとは異なっている。例えば、第４抵抗２２２の抵抗値と第５抵抗２２３の抵抗値の和が、第１抵抗２１２の抵抗値と第２抵抗２１３の抵抗値の和に等しい範囲内で、第４抵抗２２２の抵抗値と第５抵抗２２３の抵抗値を調節する。その結果、検出部３００の検出値にノイズが残る可能性を低くすることができる。従って、さらに高い精度で可動電極１２０の位置を検出することができる。

【0036】

（第３の実施形態）
図６は、第３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、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１００又は第２の実施形態に係る回転型アクチュエータ１００と同様である。

【0037】

本実施形態において、可動電極１２０の第１辺の中央部には第１検出用電極１５２が配置されている。そして第１辺の両端部には、それぞれ第１固定電極１４２が配置されている。また、可動電極１２０の第２辺の中央部には第２検出用電極１５４が配置されている。そして第２辺の両端部には、それぞれ第２固定電極１４４が配置されている。

【0038】

本実施形態によっても、第１の実施形態又は第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0039】

（第４の実施形態）
図７は、第４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、第１固定電極１４２及び第２固定電極１４４のそれぞれが複数に分割されている点を除いて、第１の実施形態に係る回転型アクチュエータ１００又は第２の実施形態に係る回転型アクチュエータ１００と同様である。

【0040】

本実施形態によっても、第１の実施形態又は第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。

【0041】

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。例えば固定電極１４０及び検出用電極１５０の配置は、上記した実施形態に限定されるものではない。

【符号の説明】

【0042】

１００ 回転型アクチュエータ
１１０ 支持体
１２０ 可動電極
１３０ 固定部材
１４０ 固定電極
１４２ 第１固定電極
１４４ 第２固定電極
１５０ 検出用電極
１５２ 第１検出用電極
１５４ 第２検出用電極
２００ 駆動部
２０２ 基準パルス生成部
２１０ 第１信号生成部
２１１ 容量素子
２１２ 第１抵抗
２１３ 第２抵抗
２１４ 第３抵抗
２１５ 増幅部
２２０ 第２信号生成部
２２１ 容量素子
２２２ 第４抵抗
２２３ 第５抵抗
２２４ 第６抵抗
２２５ 増幅部
２２６ インバータ
３００ 検出部
４００ 直流電圧源

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】