特許 5656902 アクチュエータ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5656902

(24)【登録日】2014年12月5日

(45)【発行日】2015年1月21日

(54)【発明の名称】アクチュエータ

(51)【国際特許分類】

   H02K 41/03 20060101AFI20141225BHJP

【ＦＩ】

   H02K41/03 A

【請求項の数】5

【全頁数】15

(21)【出願番号】特願2012-76171(P2012-76171)

(22)【出願日】2012年3月29日

(65)【公開番号】特開2013-207966(P2013-207966A)

(43)【公開日】2013年10月7日

【審査請求日】2013年10月10日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】304021417

【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学

(74)【代理人】

【識別番号】100089118

【弁理士】

【氏名又は名称】酒井 宏明

(72)【発明者】

【氏名】今城 昭彦

(72)【発明者】

【氏名】福岡 輝章

(72)【発明者】

【氏名】中井 孝洋

(72)【発明者】

【氏名】藤川 周一

(72)【発明者】

【氏名】何 冬覚

(72)【発明者】

【氏名】進士 忠彦

【審査官】 田村 耕作

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１０−２６２９６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００９／１２８３２１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００５−０５７２８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００３／０１１１９１２（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｋ ４１／０３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の平面が巻平面である第１のラジアルボイスコイルおよび前記第１の平面に垂直な第２の平面が巻平面である第１のスラストボイスコイルを備えた第１のボイスコイル固定子と、
前記第１のラジアルボイスコイルおよび前記第１のスラストボイスコイルを貫通する第１の磁束を発生させるとともに、前記第１のラジアルボイスコイルに第１のコイル電流が流されることおよび前記第１のスラストボイスコイルに第２のコイル電流が流されることによって動かされる第１の永久磁石可動子と、
前記第１および第２の平面に垂直な第３の平面が巻平面である第２のラジアルボイスコイルおよび前記第２の平面が巻平面である第２のスラストボイスコイルを備えた第２のボイスコイル固定子と、
前記第２のラジアルボイスコイルおよび前記第２のスラストボイスコイルを貫通する第２の磁束を発生させるとともに、前記第２のラジアルボイスコイルに第３のコイル電流が流されることおよび前記第２のスラストボイスコイルに第４のコイル電流が流されることによって動かされる第２の永久磁石可動子と、
前記第１および第２の永久磁石可動子の移動によって位置決めされるアクチュエータ可動子と、
を有し、
前記第１の永久磁石可動子は、前記第１の磁束および前記第１および第２のコイル電流によって発生するローレンツ力によって動かされ、
前記第２の永久磁石可動子は、前記第２の磁束および前記第３および第４のコイル電流によって発生するローレンツ力によって動かされ、
前記アクチュエータ可動子は、前記第１および第２の永久磁石可動子の移動によって３つの軸方向の回転角度および３方向の並進変位の６自由度が駆動制御されることを特徴とするアクチュエータ。

【請求項2】

前記第１の永久磁石可動子は、前記第１のスラストボイスコイルを貫通するよう配置されていることを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。

【請求項3】

前記第１のスラストボイスコイルは、前記第１のラジアルボイスコイルの内環部を通過するよう配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載のアクチュエータ。

【請求項4】

前記第１のボイスコイル固定子および前記第１の永久磁石可動子と、前記第２のボイスコイル固定子および前記第２の永久磁石可動子とは、それぞれ前記アクチュエータ可動子の外周部に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のアクチュエータ。

【請求項5】

前記第１のラジアルボイスコイルは、前記第１の平面内に複数配置されるとともに、前記第２のラジアルボイスコイルは、前記第３の平面内に複数配置され、
前記アクチュエータ可動子を、前記第２の平面に垂直な軸方向に回転させる際には、
前記第１のコイル電流が、前記第１のラジアルボイスコイル毎に異なる方向に流されるとともに、前記第３のコイル電流が、前記第２のラジアルボイスコイル毎に異なる方向に流されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のアクチュエータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、可動部分を電磁力で浮上させて位置決めするアクチュエータに関する。

【背景技術】

【0002】

可動部分を電磁力で浮上させて位置決めする装置の１つにアクチュエータ（電磁アクチュエータ）がある。このアクチュエータは、例えばレーザ加工機のビーム集光レンズや放電加工機の電極を可動部分とし、可動部分を電磁力で浮上させて位置決めを行う。

【0003】

アクチュエータには、ＸＹＺ並進とＸＹＺまわり回転の６自由度を駆動制御する６自由度アクチュエータがある。例えば、特許文献１に記載の６自由度アクチュエータは、電磁石の吸引力によって可動部分を非接触で浮上させ、これにより可動部分のＺ方向への位置決めを行っている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平６−２７３２８５号公報（段落番号「００５３」〜「００７０」、図１４〜１８）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、上記従来の技術では、超伝導磁気浮上特性試験装置において、可動部分を電磁石で保持してのＺ方向の位置決めを行っているので、Ｚ方向のストロークを大きくとれないという問題があった。さらに、Ｚ方向とＸＹ方向の磁気回路が分離されているので、装置の全体サイズが大きくなるという問題があった。

【0006】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、大きなストロークで位置決めを行うことができる小さな構成のアクチュエータを得ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、第１の平面が巻平面である第１のラジアルボイスコイルおよび前記第１の平面に垂直な第２の平面が巻平面である第１のスラストボイスコイルを備えた第１のボイスコイル固定子と、前記第１のラジアルボイスコイルおよび前記第１のスラストボイスコイルを貫通する第１の磁束を発生させるとともに、前記第１のラジアルボイスコイルに第１のコイル電流が流されることおよび前記第１のスラストボイスコイルに第２のコイル電流が流されることによって動かされる第１の永久磁石可動子と、前記第１および第２の平面に垂直な第３の平面が巻平面である第２のラジアルボイスコイルおよび前記第２の平面が巻平面である第２のスラストボイスコイルを備えた第２のボイスコイル固定子と、前記第２のラジアルボイスコイルおよび前記第２のスラストボイスコイルを貫通する第２の磁束を発生させるとともに、前記第２のラジアルボイスコイルに第３のコイル電流が流されることおよび前記第２のスラストボイスコイルに第４のコイル電流が流されることによって動かされる第２の永久磁石可動子と、前記第１および第２の永久磁石可動子の移動によって位置決めされるアクチュエータ可動子と、を有し、前記第１の永久磁石可動子は、前記第１の磁束および前記第１および第２のコイル電流によって発生するローレンツ力によって動かされ、前記第２の永久磁石可動子は、前記第２の磁束および前記第３および第４のコイル電流によって発生するローレンツ力によって動かされ、前記アクチュエータ可動子は、前記第１および第２の永久磁石可動子の移動によって３つの軸方向の回転角度および３方向の並進変位の６自由度が駆動制御されることを特徴とする。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、小さな構成のアクチュエータで位置決めのストロークを大きくとれるという効果を奏する。また、アクチュエータによって可動させる可動部分を小さく構成することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、実施の形態に係るアクチュエータを示す一部透視図を含む斜視図である。

【図2】図２は、実施の形態に係るアクチュエータの永久磁石可動子とボイスコイル固定子の構成を示す図である。

【図3】図３は、ラジアルボイスコイルの形状を説明するための図である。

【図4】図４は、スラストボイスコイルの形状を説明するための図である。

【図5】図５は、永久磁石可動子の着磁極性と磁路を説明するための図である。

【図6】図６は、実施形態のアクチュエータが有しているセンサの配置位置を説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下に、本発明の実施の形態に係るアクチュエータを図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

【0011】

実施の形態．
図１は、実施の形態に係るアクチュエータを示す一部透視図を含む斜視図である。本実施形態のアクチュエータ１００は、ＸＹＺ並進とＸＹＺまわり回転の６自由度（３つの軸方向の回転角度および３方向の並進変位）を全てボイスコイルのローレンツ力で駆動制御する６自由度アクチュエータである。

【0012】

アクチュエータ１００は、レーザ加工機のビーム集光レンズや放電加工機の電極などを位置決めするために、可動部分（ビーム集光レンズや電極などの被駆動体）を電磁力で浮上させて位置決めを行う。アクチュエータ１００は、磁気回路をアクチュエータ１００の外周部分に設けることでアクチュエータ１００の中央に別部品を取り付けられる構造となっている。

【0013】

アクチュエータ１００は、アクチュエータ可動子１と、永久磁石可動子２ａ〜２ｄと、ボイスコイル固定子３ａ〜３ｄと、ベースプレート４と、センサ７ａ〜７ｆと、を備えている。なお、図１では、センサ７ａ，７ｃ，７ｄを図示しており、センサ７ｂ，７ｅ，７ｆの図示を省略している。

【0014】

アクチュエータ可動子１は、永久磁石可動子２ａ〜２ｄに接合されており、永久磁石可動子２ａ〜２ｄが移動することによって位置決めされる。アクチュエータ可動子１は、その中央部でビーム集光レンズ（図示せず）や電極（図示せず）等の可動部分を保持する。ここでのアクチュエータ可動子１は、概略平板状の部材であり、その中央部に可動部分を配設するための例えば円板状の空間が設けられている。図１では、アクチュエータ可動子１の主面がＸＹ平面と略平行になるよう、アクチュエータ可動子１が配置されている場合を図示している。

【0015】

ビーム集光レンズなどの可動部分は、アクチュエータ可動子１に固定された状態で、ＸＹＺ並進とＸＹＺまわり回転を行う。ＸＹＺ並進は、Ｘ方向への位置移動、Ｙ方向への位置移動、およびＺ方向への位置移動である。ＸＹＺまわり回転は、Ｘ軸を回転軸とした回転移動（回転角度θ）、Ｙ軸を回転軸とした回転移動（回転角度φ）、およびＺ軸を回転軸とした回転移動（回転角度ψ）である。

【0016】

ボイスコイル固定子３ａ〜３ｄは、それぞれ永久磁石可動子２ａ〜２ｄに並進力、回転力を発生させる。ボイスコイル固定子３ａ〜３ｄは、それぞれ複数のスラストボイスコイルと複数のラジアルボイスコイルを有している。スラストボイスコイルは、スラスト方向駆動のボイスコイルであり、ラジアルボイスコイルは、ラジアル方向駆動のボイスコイルである。

【0017】

ボイスコイル固定子３ａ，３ｃは、それぞれアクチュエータ可動子１の＋Ｘ方向の端部側、−Ｘ方向の端部側に配置されている。また、ボイスコイル固定子３ｂ，３ｄは、それぞれアクチュエータ可動子１の−Ｙ方向の端部側、＋Ｙ方向の端部側に配置されている。

【0018】

永久磁石可動子２ａ〜２ｄは、概略平板状の形状を有しており、アクチュエータ可動子１に対して垂直に結合されている。永久磁石可動子２ａ，２ｃは、それぞれ主面がＹＺ平面に対して略平行になるよう配置され、永久磁石可動子２ｂ，２ｄは、それぞれ主面がＺＸ平面に対して略平行になるよう配置されている。

【0019】

永久磁石可動子２ａ，２ｃは、それぞれアクチュエータ可動子１の＋Ｘ方向の端部側、−Ｘ方向の端部側で、アクチュエータ可動子１に接合されている。また、永久磁石可動子２ｂ，２ｄは、それぞれアクチュエータ可動子１の−Ｙ方向の端部側、＋Ｙ方向の端部側で、アクチュエータ可動子１に接合されている。

【0020】

永久磁石可動子２ａ〜２ｄは、それぞれボイスコイル固定子３ａ〜３ｄが有している複数のスラストボイスコイルを貫通し、かつ複数のラジアルボイスコイルに挟まれるよう配置される。

【0021】

このように、本実施の形態の永久磁石可動子２ａ〜２ｄとボイスコイル固定子３ａ〜３ｄは、それぞれアクチュエータ可動子１の外周部に配置されており、アクチュエータ可動子１の中央部が空けられている。ベースプレート４は、ボイスコイル固定子３ａ〜３ｄを固定した状態で保持する。

【0022】

センサ７ａ〜７ｆは、センサ７ａ〜７ｆとアクチュエータ可動子１との間のギャップを検出する。アクチュエータ１００は、永久磁石可動子２ａ〜２ｄに流す電流量および電流方向を制御する制御装置（図示せず）に接続されている。制御装置は、センサ７ａ〜７ｆで検出されたギャップに基づいて、可動部分のＸＹＺ並進とＸＹＺまわり回転を算出し、算出結果を用いて永久磁石可動子２ａ〜２ｄへのフィードバック制御を行う。

【0023】

具体的には、制御装置は、算出したＸＹＺ並進とＸＹＺまわり回転とに基づいて、所望位置へ可動部分を移動させるために必要なＸＹＺ方向への移動量とＸＹＺ軸まわりの回転量を算出し、算出結果に応じた電流をボイスコイル固定子３ａ，３ｃに流す。

【0024】

つぎに、図１に示したアクチュエータ１００の構成要素である永久磁石可動子２ａ〜２ｄとボイスコイル固定子３ａ〜３ｄの構成について説明する。図２は、実施の形態に係るアクチュエータの永久磁石可動子とボイスコイル固定子の構成を示す図である。また、図３は、ラジアルボイスコイルの形状を説明するための図であり、図４は、スラストボイスコイルの形状を説明するための図である。

【0025】

なお、図１に示したアクチュエータ１００の構成要素である永久磁石可動子２ａ〜２ｄは、何れも同様の構成を有しているので、ここでは、永久磁石可動子２ｂの構成について説明する。また、図１に示したアクチュエータ１００の構成要素であるボイスコイル固定子３ａ〜３ｄは、何れも同様の構成を有しているので、ここでは、ボイスコイル固定子３ｂの構成について説明する。

【0026】

図２では、ボイスコイル固定子３ｂの正面図と、ボイスコイル固定子３ｂのＡＡ断面図と、を示している。また、図３では、図２のボイスコイル固定子３ｂをＡＡ線で切断した場合のボイスコイル固定子３ｂの斜視図を示している。また、図４では、ボイスコイル固定子３ｂの一部を透視図および斜視図として示している。

【0027】

ボイスコイル固定子３ｂは、ラジアルボイスコイル５ｂ，６ｂ，８ｂ，９ｂを備えている。また、永久磁石可動子２ｂは、スラストボイスコイル１０ｂ，１１ｂ，１２ｂを備えている。

【0028】

ラジアルボイスコイル５ｂ，６ｂ，８ｂ，９ｂの巻平面は何れもＺＸ面であり、スラストボイスコイル１０ｂ，１１ｂ，１２ｂの巻平面は何れもＸＹ面である。これにより、ラジアルボイスコイル５ｂ，６ｂ，８ｂ，９ｂの巻平面とスラストボイスコイル１０ｂ，１１ｂ，１２ｂの巻平面は直交している。

【0029】

ボイスコイル固定子３ｂでは、ラジアルボイスコイル６ｂの上側にラジアルボイスコイル５ｂが配置され、ラジアルボイスコイル９ｂの上側にラジアルボイスコイル８ｂが配置されている。

【0030】

そして、ボイスコイル固定子３ｂでは、永久磁石可動子２ｂを挟んで対向するよう、ボイスコイル固定子３ｂの上部側にラジアルボイスコイル５ｂ，８ｂが配設されている。同様に、ボイスコイル固定子３ｂでは、永久磁石可動子２ｂを挟んで対向するよう、ボイスコイル固定子３ｂの下部側にラジアルボイスコイル６ｂ，９ｂが配設されている。ラジアルボイスコイル５ｂ，６ｂ，８ｂ，９ｂは、永久磁石可動子２ｂにＹ方向の推力を発生させる。

【0031】

ラジアルボイスコイル５ｂ，６ｂ，８ｂ，９ｂは、Ｙ方向から見た場合にロの字形状（矩形環状）となっている。具体的には、ラジアルボイスコイル５ｂ，６ｂ，８ｂ，９ｂは、ロの字形状の上面および底面を有した柱体（矩形環状柱体）である。換言すると、ラジアルボイスコイル５ｂ，６ｂ，８ｂ，９ｂは、４本の柱状体がロの字形状に並ぶよう接合されている。このように、ラジアルボイスコイル５ｂ，６ｂ，８ｂ，９ｂは、所定の高さ（柱状体の高さ）を有した概略筒状をなしている。

【0032】

また、ボイスコイル固定子３ｂでは、スラストボイスコイル１０ｂ，１１ｂ，１２ｂのロの字形状の内部側（内環部）を永久磁石可動子２ｂが貫通するようスラストボイスコイル１０ｂ，１１ｂ，１２ｂが配置されている。これにより、スラストボイスコイル１０ｂ，１１ｂ，１２ｂは、ロの字形状の各主面がＸＹ平面と平行になるようボイスコイル固定子３ｂ内に配置されている。

【0033】

また、スラストボイスコイル１０ｂ，１１ｂ，１２ｂは、ラジアルボイスコイル５ｂ，６ｂ，８ｂ，９ｂと同様の形状を有している。スラストボイスコイル１０ｂ，１１ｂ，１２ｂは、永久磁石可動子２ｂにＺ方向の推力を発生させる。

【0034】

ボイスコイル固定子３ｂでは、永久磁石可動子２ｂがＺＸ平面内に配置され、永久磁石可動子２ｂを囲うようにしてＸＹ平面内にスラストボイスコイル１０ｂ，１１ｂ，１２ｂが配置される。

【0035】

図４では、ラジアルボイスコイル５ｂ，８ｂとスラストボイスコイル１０ｂの配置関係を示している。スラストボイスコイル１０ｂが有している４本の柱状部のうち、Ｘ方向に延びる一方の柱状部がラジアルボイスコイル５ｂの内壁面（内環部）によって囲まれ、他方の柱状部がラジアルボイスコイル８ｂの内壁面によって囲まれるよう、ラジアルボイスコイル５ｂ，８ｂが配置される。

【0036】

同様に、スラストボイスコイル１２ｂが有している４本の柱状部のうち、Ｘ方向に延びる一方の柱状部がラジアルボイスコイル６ｂの内壁面によって囲まれ、他方の柱状部がラジアルボイスコイル９ｂの内壁面によって囲まれるよう、ラジアルボイスコイル６ｂ，９ｂが配置される。

【0037】

換言すると、スラストボイスコイル１０ｂは、ラジアルボイスコイル５ｂ，８ｂの内環部を通過するよう配置されており、スラストボイスコイル１２ｂは、ラジアルボイスコイル６ｂ，９ｂの内環部を通過するよう配置されている。

【0038】

そして、スラストボイスコイル１１ｂが有している４本の柱状部のうち、Ｘ方向に延びる一方の柱状部がラジアルボイスコイル５ｂ，６ｂの外壁面（外環部）によって挟まれ、他方の柱状部がラジアルボイスコイル８ｂ，９ｂの外壁面によって挟まれるよう、ラジアルボイスコイル５ｂ，６ｂ，８ｂ，９ｂが配置される。

【0039】

永久磁石可動子２ｂは、ラジアル推力を発生させる永久磁石セグメントと、スラスト推力を発生させる永久磁石セグメントと、磁束を通す磁性部材と、を有しており、永久磁石可動子２ｂでは、これらが一体成形されている。

【0040】

ラジアル推力を発生させる永久磁石セグメントは、ラジアルボイスコイル５ｂ，８ｂの間と、ラジアルボイスコイル６ｂ，９ｂの間と、に配置されている。また、磁性部材は、スラスト推力を発生させる永久磁石セグメントに挟まれている。そして、永久磁石可動子２ｂのうち、スラスト推力を発生させる永久磁石セグメントおよび磁性部材からなる部分は、スラストボイスコイル１０ｂ間、スラストボイスコイル１１ｂ間、スラストボイスコイル１２ｂ間に囲まれるよう配置される。

【0041】

ボイスコイル固定子３ｂには、＋Ｘ方向である方向Ｄ１または−Ｘ方向である方向Ｄ２に電流（コイル電流）が流される。例えば、ラジアルボイスコイル５ｂへは、上側の柱状部に方向Ｄ１の電流が流される。これにより、ラジアルボイスコイル５ｂの下側の柱状部には、方向Ｄ２の電流が流れる。換言すると、−Ｙ方向から＋Ｙ方向に向かってラジアルボイスコイル５ｂを見た場合に、ラジアルボイスコイル５ｂへはＺＸ平面内で左回りに電流が流される。

【0042】

同様に、ラジアルボイスコイル６ｂ，８ｂ，９ｂへは、上側の柱状部に方向Ｄ１の電流が流される。これにより、ラジアルボイスコイル６ｂ，８ｂ，９ｂの下側の柱状部には、方向Ｄ２の電流が流れる。換言すると、−Ｙ方向から＋Ｙ方向に向かってラジアルボイスコイル６ｂ，８ｂ，９ｂを見た場合に、ラジアルボイスコイル６ｂ，８ｂ，９ｂへはＺＸ平面内で左回りに電流が流される。

【0043】

これにより、ラジアルボイスコイル５ｂ，６ｂ，８ｂ，９ｂは、永久磁石可動子２ｂに＋Ｙ方向の推力を発生させることができる。また、ラジアルボイスコイル５ｂ，６ｂ，８ｂ，９ｂにおいて、電流方向を逆にすることで、ラジアルボイスコイル５ｂ，６ｂ，８ｂ，９ｂは、永久磁石可動子２ｂにＸ軸まわりのΘ方向の回転力を発生させることができる。

【0044】

また、永久磁石可動子２ａ〜２ｄには、＋Ｘ方向である方向Ｄ１または−Ｘ方向である方向Ｄ２に電流（コイル電流）が流される。例えば、スラストボイスコイル１０ｂ，１２ｂへは、左側の柱状部に方向Ｄ１の電流が流される。これにより、スラストボイスコイル１０ｂ，１２ｂの右側の柱状部には、方向Ｄ２の電流が流れる。換言すると、＋Ｚ方向から−Ｚ方向に向かってスラストボイスコイル１０ｂ，１２ｂを見た場合に、スラストボイスコイル１０ｂ，１２ｂへはＸＹ平面内で左回りに電流が流される。

【0045】

また、スラストボイスコイル１１ｂへは、左側の柱状部に方向Ｄ２の電流が流される。これにより、スラストボイスコイル１１ｂの右側の柱状部には、方向Ｄ１の電流が流れる。換言すると、＋Ｚ方向から−Ｚ方向に向かってスラストボイスコイル１０ｂ，１２ｂを見た場合に、スラストボイスコイル１１ｂへはＸＹ平面内で右回りに電流が流される。

【0046】

これにより、スラストボイスコイル１０ｂ，１１ｂ，１２ｂは、永久磁石可動子２ｂに＋Ｚ方向の推力を発生させることができる。このように、永久磁石可動子２ｂを取り囲むようにスラストボイスコイル１０ｂ〜１２ｂを配置しているので、スラストボイスコイル１０ｂ〜１２ｂは、Ｚ方向の推力を発生させることができる。

【0047】

このように、本実施形態では、永久磁石可動子２ｂにおいて、ラジアルボイスコイル５ｂ，６ｂ，８ｂ，９ｂと、スラストボイスコイル１０ｂ〜１２ｂと、の両者が直交するよう配置され、且つ両者が交互に並ぶよう配置されている。さらに、ラジアルボイスコイル５ｂ，６ｂ，８ｂ，９ｂの内側にスラストボイスコイル１０ｂ，１１ｂ，１２ｂが配置されている。この構成により、アクチュエータ１００を小型・軽量に構成することが可能となる。

【0048】

つぎに、永久磁石可動子２ａ〜２ｄの着磁極性と磁路について説明する。図５は、永久磁石可動子の着磁極性と磁路を説明するための図である。図５では、図２と同様に、ボイスコイル固定子３ｂのＡＡ断面図を示している。なお、永久磁石可動子２ａ〜２ｄを用いた磁路は、何れも同様の磁路であるので、ここでは永久磁石可動子２ｂを用いた磁路について説明する。

【0049】

永久磁石可動子２ｂは、ラジアル推力を発生させる永久磁石セグメント１３ｂ，１７ｂ，２１ｂ，２５ｂと、スラスト推力を発生させる永久磁石セグメント１４ｂ，１５ｂ，１８ｂ，１９ｂ，２２ｂ，２３ｂと、磁束を通す磁性部材１６ｂ，２０ｂ，２４ｂと、を有している。

【0050】

永久磁石セグメント１３ｂ，１７ｂ，２１ｂ，２５ｂは、ＺＸ平面に平行な主面を有した板状の部材である。また、永久磁石セグメント１４ｂ，１５ｂ，１８ｂ，１９ｂ，２２ｂ，２３ｂは、ＺＸ平面に平行な主面を有した板状の部材である。そして、磁性部材１６ｂは、ＺＸ平面に平行な主面を有した板状の部材であり、永久磁石セグメント１４ｂ，１５ｂに挟まれるよう配置されている。同様に、磁性部材２０ｂは、ＺＸ平面に平行な主面を有した板状の部材であり、永久磁石セグメント１８ｂ，１９ｂに挟まれるよう配置されている。同様に、磁性部材２４ｂは、ＺＸ平面に平行な主面を有した板状の部材であり、永久磁石セグメント２２ｂ，２３ｂに挟まれるよう配置されている。なお、以下の説明では、永久磁石セグメント１４ｂ，１５ｂと磁性部材１６ｂとからなる部材、永久磁石セグメント１８ｂ，１９ｂと磁性部材２０ｂとからなる部材、永久磁石セグメント２２ｂ，２３ｂと磁性部材２４ｂとからなる部材を、それぞれスラスト推力発生部Ｐ，Ｑ，Ｒ（図示せず）という。

【0051】

永久磁石可動子２ｂでは、＋Ｚ方向から−Ｚ方向に向かって、永久磁石セグメント１３ｂ、スラスト推力発生部Ｐ、永久磁石セグメント１７ｂ、スラスト推力発生部Ｑ、永久磁石セグメント２１ｂ、スラスト推力発生部Ｒ、永久磁石セグメント２５ｂの順番でこれらが配置されている。

【0052】

具体的には、上側（＋Ｚ側）のラジアルボイスコイル５ｂ，８ｂの間に永久磁石セグメント１３ｂが配置され、下側（−Ｚ側）のラジアルボイスコイル５ｂ，８ｂの間に永久磁石セグメント１７ｂが配置される。そして、スラストボイスコイル１０ｂの間に磁性部材１６ｂを有したスラスト推力発生部Ｐが配置される。

【0053】

同様に、上側のラジアルボイスコイル６ｂ，９ｂの間に永久磁石セグメント２１ｂが配置され、下側のラジアルボイスコイル６ｂ，９ｂの間に永久磁石セグメント２５ｂが配置される。そして、スラストボイスコイル１２ｂの間に磁性部材２４ｂを有したスラスト推力発生部Ｒが配置される。また、スラストボイスコイル１１ｂの間に磁性部材２０ｂを有したスラスト推力発生部Ｑが配置される。

【0054】

まず、磁路Ａについて説明する。磁路Ａは、ラジアルボイスコイル５ｂの上側、永久磁石セグメント１３ｂ、磁性部材１６ｂ、永久磁石セグメント１４ｂ、スラストボイスコイル１０ｂの左側によって形成される磁路である。

【0055】

磁路Ａでは、永久磁石セグメント１３ｂのＮ極から出た磁束が、磁性部材１６ｂに入る。この磁束は、永久磁石セグメント１４ｂを貫通するとともに、永久磁石セグメント１４ｂの起磁力で磁束を増やしてスラストボイスコイル１０ｂに入り、ラジアルボイスコイル５ｂの上側を経て永久磁石セグメント１３ｂのＳ極に戻る。

【0056】

ラジアルボイスコイル５ｂの上側に対して、＋Ｘ方向である方向Ｄ１の電流を流すことにより、−Ｙ方向である方向Ｄ３にローレンツ力を発生させることができる。また、スラストボイスコイル１０ｂの左側（−Ｙ側）に対して、＋Ｘ方向である方向Ｄ１の電流を流すことにより、磁路Ａの磁束によって−Ｚ方向である方向Ｄ４にローレンツ力を発生させることができる。このように磁路Ａの磁束は、ラジアルボイスコイル５ｂとスラストボイスコイル１０ｂの両方の推力に寄与することが可能となる。磁路Ｂについても磁路Ａと同様である。

【0057】

つぎに、磁路Ｃについて説明する。磁路Ｃは、永久磁石セグメント１７ｂ、磁性部材１６ｂ、永久磁石セグメント１４ｂ、スラストボイスコイル１０ｂ、ラジアルボイスコイル５ｂの下側、スラストボイスコイル１１ｂ、永久磁石セグメント１８ｂ、磁性部材２０ｂによって形成される磁路である。

【0058】

磁路Ｃでは、永久磁石セグメント１７ｂのＮ極から出た磁束が、磁性部材１６ｂに入る。この磁束は、永久磁石セグメント１４ｂを貫通するとともに、永久磁石セグメント１４ｂの起磁力で磁束を増やしてスラストボイスコイル１０ｂに入り、ラジアルボイスコイル５ｂの下側を貫通し、スラストボイスコイル１１ｂに入る。そして、スラストボイスコイル１１ｂを出た磁束は、永久磁石セグメント１８ｂのＳ極に入り、永久磁石セグメント１８ｂの起磁力で磁束を増やして磁性部材２０ｂに入る。さらに、磁性部材２０ｂを出た磁束は、永久磁石セグメント１７ｂのＳ極に戻る。

【0059】

ラジアルボイスコイル５ｂの下側に対して、−Ｘ方向である方向Ｄ２の電流を流すことにより、−Ｙ方向である方向Ｄ３にローレンツ力を発生させることができる。また、スラストボイスコイル１０ｂの左側（−Ｙ側）に対して＋Ｘ方向である方向Ｄ１の電流を流し、スラストボイスコイル１１ｂに−Ｘ方向である方向Ｄ２の電流を流すことにより、磁路Ｃの磁束によって−Ｚ方向である方向Ｄ４にローレンツ力を発生させることができる。このように磁路Ｃの磁束は、ラジアルボイスコイル５ｂとスラストボイスコイル１１ｂの両方の推力に寄与することが可能となる。磁路Ｄについても磁路Ｃと同様である。

【0060】

つぎに、磁路Ｅについて説明する。磁路Ｅは、ラジアルボイスコイル６ｂの上側へ流す電流の向きがラジアルボイスコイル５ｂ下側の電流の向きに対して逆向きであるが、その他は磁路Ｃと同様である。また、磁路Ｆについては、磁路Ｅと同様である。これにより、磁路Ｅ，Ｆの磁束は、ラジアルボイスコイル６ｂとスラストボイスコイル１２ｂの両方の推力に寄与することが可能となる。

【0061】

つぎに、磁路Ｇについて説明する。磁路Ｇは、ラジアルボイスコイル６ｂの下側へ流す電流の向きがラジアルボイスコイル５ｂの上側の電流の向きに対して逆向きであるが、その他は磁路Ａと同様である。また、磁路Ｈについては、磁路Ｇと同様である。これにより、磁路Ｇ，Ｈの磁束は、ラジアルボイスコイル６ｂとスラストボイスコイル１２ｂの両方の推力に寄与することが可能となる。

【0062】

ラジアルボイスコイル５ｂ，６ｂ，８ｂ，９ｂとスラストボイスコイル１０ｂ，１１ｂ，１２ｂへ流す電流の向きおよび大きさを制御することにより、永久磁石可動子２ｂの移動方向および移動距離を制御することが可能となる。

【0063】

例えば、永久磁石可動子２ｂをＺ方向に移動させる場合には、スラストボイスコイル１０ｂ，１１ｂ，１２ｂへ流す電流の向きおよび大きさが制御される。また、永久磁石可動子２ｂをＹ方向に移動させる場合には、ラジアルボイスコイル５ｂ，６ｂ，８ｂ，９ｂへ流す電流の向きおよび大きさが制御される。また、永久磁石可動子２ｂをＸ軸まわりのΘ方向に回転させる場合には、ラジアルボイスコイル５ｂ，６ｂへの電流方向とラジアルボイスコイル８ｂ，９ｂへの電流方向とを異なる方向とする。

【0064】

同様に、ボイスコイル固定子３ｄを用いることにより、永久磁石可動子２ｄを、Ｚ方向およびＹ方向へ移動させることができるとともに、Ｘ軸まわりのΘ方向に回転させることができる。

【0065】

また、ボイスコイル固定子３ａを用いることにより、永久磁石可動子２ａを、Ｚ方向およびＸ方向へ移動させることができるとともに、Ｙ軸まわりのΦ方向に回転させることができる。

【0066】

同様に、ボイスコイル固定子３ｃを用いることにより、永久磁石可動子２ｃを、Ｚ方向およびＸ方向へ移動させることができるとともに、Ｙ軸まわりのΦ方向に回転させることができる。

【0067】

また、ボイスコイル固定子３ａ，３ｃの少なくとも一方と、ボイスコイル固定子３ｂ，３ｄの少なくとも一方と、を用いることにより、可動部分をＺ軸まわりのψ方向に回転させることができる。

【0068】

このように、本実施形態の永久磁石可動子２ｂ、ボイスコイル固定子３ｂは、ラジアル推力とスラスト推力の磁束を兼用しているので、アクチュエータ１００を小型化、軽量化することが可能となる。換言すると、永久磁石可動子２ｂによる磁路を、ラジアルボイスコイル５ｂ，６ｂ，８ｂ，９ｂとスラストボイスコイル１０ｂ〜１２ｂで共用することによって、アクチュエータ１００の小型化、軽量化を実現している。

【0069】

また、ラジアルボイスコイル５ｂ，８ｂやラジアルボイスコイル６ｂ，９ｂの内側にスラストボイスコイル１０ｂ，１２ｂを配置するとともに、ラジアルボイスコイル５ｂ，８ｂとラジアルボイスコイル６ｂ，９ｂの間にスラストボイスコイル１１ｂを配置しているので、アクチュエータ１００を小型化、軽量化することが可能となる。

【0070】

図６は、実施形態のアクチュエータが有しているセンサの配置位置を説明するための図である。図６では、永久磁石可動子２ｂ、ボイスコイル固定子３ｂ、センサ７ａ〜７ｆを上面側（＋Ｚ方向から−Ｚ方向）から見た場合の、センサ７ａ〜７ｆの配置位置を示している。

【0071】

センサ７ａ〜７ｆは、例えば渦電流式変位計であり、導電性（例えばアルミニウム）のアクチュエータ可動子１との間のギャップ（距離）を検出する。センサ７ａ，７ｅは、アクチュエータ可動子１のＸ方向の変位を検出し、センサ７ｃは、アクチュエータ可動子１のＹ方向の変位を検出する。また、センサ７ｆは、アクチュエータ可動子１のＺ方向の変位を検出する。

【0072】

センサ７ａ，７ｅは、ともにアクチュエータ可動子１の中心ＣｘからＹ方向にオフセット配置されている。具体的には、センサ７ａは、アクチュエータ可動子１の中心Ｃｘから距離Ｌ_Rだけ−Ｙ方向にオフセット配置され、センサ７ｅは、アクチュエータ可動子１の中心Ｃｘから距離Ｌ_Rだけ＋Ｙ方向にオフセット配置されている。この配置により、センサ７ａ，７ｅは、Ｚ軸まわりのΨ方向の回転角度ψを検出することができる。

【0073】

また、センサ７ａの下方（−Ｚ方向）には、センサ７ｂが配置されている。センサ７ｂは、センサ７ａとの組み合わせにより、Ｙ軸まわりのΦ方向の回転角度φを検出することができる。同様に、センサ７ｃの下方（−Ｚ方向）には、センサ７ｄが配置されている。センサ７ｄは、センサ７ｃとの組み合わせにより、Ｘ軸まわりのΘ方向の回転角度θを検出することができる。

【0074】

センサ７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆの各検出変位を、変位Ｓ₁，Ｓ₂，Ｓ₃，Ｓ₄，Ｓ₅，Ｓ₆とすると、アクチュエータ可動子１の回転角度θ，φ，ψと並進変位ｘ，ｙ，ｚを、以下の式（１）〜（６）で表すことができる。

【0075】

θ＝（Ｓ₄−Ｓ₃）／（２Ｌ_T）・・・（１）
φ＝（Ｓ₂−Ｓ₁）／（２Ｌ_T）・・・（２）
ψ＝（Ｓ₁＋Ｓ₂）／（−２Ｌ_R）・・・（３）
ｘ＝（Ｓ₂−Ｓ₅）／２・・・（４）
ｙ＝（Ｓ₃＋Ｓ₄−Ｓ₁−Ｓ₅）／２・・・（５）
ｚ＝Ｓ₆−（Ｌ_YZ(Ｓ₄−Ｓ₃）−Ｌ_ＺＸ(Ｓ₂−Ｓ₁））／（２Ｌ_T）・・・（６）

【0076】

なお、ここでの２Ｌ_Tは、センサ７ｃ，７ｄのＺ方向の配置間隔（距離）である。また、Ｌ_Rは、センサ７ａとアクチュエータ可動子１のＹＺ面内の距離、センサ７ｃとアクチュエータ可動子１のＺＸ面内の距離、またはセンサ７ｅとアクチュエータ可動子１のＹＺ面内の距離である。なお、Ｌ_Rは、センサ７ｂとアクチュエータ可動子１のＹＺ面内の距離、センサ７ｄとアクチュエータ可動子１のＺＸ面内の距離であってもよい。

【0077】

アクチュエータ１００の制御装置は、上述した式（１）〜（６）を用いてアクチュエータ可動子１の回転角度θ，φ，ψ、並進変位ｘ，ｙ，ｚを検出する。そして、制御装置は、ボイスコイル（ラジアルボイスコイル５ｂ，６ｂ，８ｂ，９ｂ、スラストボイスコイル１０ｂ，１１ｂ，１２ｂ）を電流制御することによって、アクチュエータ可動子１（ビーム集光レンズなどの可動部分）を、所望の値（位置）にフィードバック制御する。

【0078】

なお、本実施の形態では、ボイスコイル固定子３ｂがラジアルボイスコイル５ｂ，８ｂを備える場合について説明したが、ボイスコイル固定子３ｂの構成は、ラジアルボイスコイル５ｂ，８ｂの一方を備える構成であってもよい。

【0079】

また、ボイスコイル固定子３ｂがラジアルボイスコイル６ｂ，９ｂを備える場合について説明したが、ボイスコイル固定子３ｂの構成は、ラジアルボイスコイル６ｂ，９ｂの一方を備える構成であってもよい。

【0080】

また、ボイスコイル固定子３ｂが４つのラジアルボイスコイル５ｂ，６ｂ，８ｂ，９ｂを備える場合について説明したが、ボイスコイル固定子３ｂは、５つ以上のラジアルボイスコイルを有していてもよい。この場合も、ラジアルボイスコイルは、ＺＸ面内に配置され、ラジアルボイスコイルの間に永久磁石可動子２ｂが配置される。

【0081】

また、本実施の形態では、アクチュエータ１００が、４つのボイスコイル固定子３ａ〜３ｄを備える場合について説明したが、アクチュエータ１００の構成は、ボイスコイル固定子３ａ，３ｃの何れか一方を備える構成であってもよい。同様に、アクチュエータ１００の構成は、ボイスコイル固定子３ｂ，３ｄの何れか一方を備える構成であってもよい。

【0082】

また、アクチュエータ１００の構成は、永久磁石可動子２ａ，２ｃの何れか一方を備える構成であってもよい。同様に、アクチュエータ１００の構成は、永久磁石可動子２ｂ，２ｄの何れか一方を備える構成であってもよい。また、永久磁石可動子２ａ〜２ｄやボイスコイル固定子３ａ〜３ｄを、アクチュエータ可動子１の中央部に配置してもよい。

【0083】

本実施形態のアクチュエータ１００は、全ての６自由度を電磁力でフィードバック制御するので、可動部分に対して完全非接触となる。これにより、機械的な保持機構が不要になり、アクチュエータ１００を小型、軽量に構成できる。

【0084】

また、可動部分に対して完全非接触であるので、機械的な摺動を伴わずに可動部分を動作させることが可能になる。したがって、アクチュエータ１００の寿命が長くなり、潤滑油の追加等の保守を簡素化できる。

【0085】

このように実施の形態によれば、ＸＹＺ並進とＸＹＺまわり回転の６自由度を全てボイスコイルのローレンツ力で駆動制御するので、可動部分のストロークを大きくとることが可能となる。

【0086】

また、Ｚ方向とＸＹ方向の磁気回路を分離することなく配置できるので、アクチュエータ１００の全体サイズを小さくすることが可能となる。また、アクチュエータ１００の中央部を囲うように永久磁石可動子２ａ〜２ｄとボイスコイル固定子３ａ〜３ｄが配置されているので、アクチュエータ１００の中央部に可動部分を配置することが可能となる。

【0087】

また、機械的な摺動を伴わずに可動部分を動作させることができるので、消費電力量の削減量が１４〜２５％となって数値最適解に近い効果が得られ、かつ、数値最適解では困難なリアルタイム・オンラインの実装が可能な近似解を与えることが可能となる。

【産業上の利用可能性】

【0088】

以上のように、本発明に係るアクチュエータは、可動部分を電磁力で浮上させて行う位置決めに適している。

【符号の説明】

【0089】

１ アクチュエータ可動子
２ａ〜２ｄ 永久磁石可動子
３ａ〜３ｄ ボイスコイル固定子
５ｂ，６ｂ，８ｂ，９ｂ ラジアルボイスコイル
７ａ〜７ｆ センサ
１０ｂ〜１２ｂ スラストボイスコイル
１３ｂ〜１５ｂ，１７ｂ〜１９ｂ，２１ｂ〜２３ｂ，２５ｂ 永久磁石セグメント
１６ｂ，２０ｂ，２４ｂ 磁性部材
１００ アクチュエータ
Ａ〜Ｈ 磁路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】