特許 6061372 電磁石形アクチュエータ及びこれを用いた平面モータ

(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】6061372

(24)【登録日】2016年12月22日

(45)【発行日】2017年1月18日

(54)【発明の名称】電磁石形アクチュエータ及びこれを用いた平面モータ

(51)【国際特許分類】

   H01F 7/08 20060101AFI20170106BHJP

   H02K 41/03 20060101ALI20170106BHJP

【ＦＩ】

   H01F7/08 Z

   H02K41/03 Z

【請求項の数】12

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2012-145303(P2012-145303)

(22)【出願日】2012年6月28日

(65)【公開番号】特開2014-11235(P2014-11235A)

(43)【公開日】2014年1月20日

【審査請求日】2015年6月12日

(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】100100011

【弁理士】

【氏名又は名称】五十嵐 省三

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 海二

【審査官】 池田 安希子

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１０／０５８５００（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００９−１８１９９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−１４２４３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００２／００５３８３５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特表２００９−５４３５３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１１／０１６９３５０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開平１１−２７５８９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１１２８６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平０４−０６４９８６（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｆ ７／０８

Ｈ０２Ｋ ４１／０３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の方向に配列された第１、第２の固定子コア、及び該第１、第２の固定子コアの間に結合され該第１の方向にほぼ直交する第２の方向に配列された少なくとも第１、第２、第３のコア歯を有する固定子と、
前記第２のコア歯の少なくとも一方側に巻回されたコイルと、
前記第１、第２、第３のコア歯上に前記第１の方向に駆動可能に設けられ、前記第２の方向に延在し交互に配列された磁性体及び非磁性体を有する可動子と
を具備する電磁石形アクチュエータ。

【請求項2】

第１の方向に配列された第１、第２の固定子コア、及び該第１、第２の固定子コアの間に結合され該第１の方向にほぼ直交する第２の方向に配列された少なくとも第１、第２、第３のコア歯を有する第１の固定子と、
前記第１の方向に配列された第３、第４の固定子コア、及び該第３、第４の固定子コアの間に結合され前記第２の方向に配列された少なくとも第４、第５、第６のコア歯を有する第２の固定子と、
前記第２、第４のコア歯の少なくとも一方側に巻回されたコイルと、
前記第１、第２、第３のコア歯と前記第４、第５、第６のコア歯との間に前記第１の方向に駆動可能に設けられ、前記第２の方向に延在し交互に配列された磁性体及び非磁性体を有する可動子と
を具備し、
前記各第１、第２、第３のコア歯は前記第４、第５、第６のコア歯に対向した電磁石形アクチュエータ。

【請求項3】

さらに、前記第１、第２の固定子コアに対する前記可動子の現在位置及び前記可動子の移動位置に応じて駆動電流を前記コイルに供給する制御回路を具備する請求項１又は２に記載の電磁石形アクチュエータ。

【請求項4】

前記コイルは、幅方向に平行に配列された複数の導体を第１、第２、第３のコア歯のスロットに交互に上下に巻回したものである請求項１に記載の電磁石形アクチュエータ。

【請求項5】

前記コイルは、幅方向に平行に配列された複数の導体を第１、第２、第３のコア歯のスロット及び前記第４、第５、第６のコア歯のスロットに交互に上下に巻回したものである請求項２に記載の電磁石形アクチュエータ。

【請求項6】

第１の方向に配列された第１、第２の固定子コア、及び該第１、第２の固定子コアの間に結合され該第１の方向にほぼ直交する第２の方向に配列された少なくとも５つのコア歯を有する固定子と、
前記５つのコア歯の偶数番目のコア歯の少なくとも一方側に巻回された少なくとも２つのコイルと、
前記５つのコア歯上に前記第１の方向に移動可能に設けられ、前記第２の方向に延在し交互に配列された磁性体及び非磁性体を有する可動子と
を具備する電磁石形アクチュエータ。

【請求項7】

第１の方向に配列された第１、第２の固定子コア、及び該第１、第２の固定子コアの間に結合され該第１の方向にほぼ直交する第２の方向に配列された少なくとも５つの第１のコア歯を有する第１の固定子と、
前記第１の方向に配列された第３、第４の固定子コア、及び該第３、第４の固定子コアの間に結合され前記第２の方向に配列された少なくとも第２のコア歯を有する第２の固定子と、
前記第１のコア歯の偶数番目のコア歯及び前記第２のコア歯の偶数番目のコア歯の少なくとも一方側に巻回された少なくとも２つのコイルと、
前記第１のコア歯と前記第２のコア歯との間に前記第１の方向に移動可能に設けられ、前記第２の方向に延在し交互に配列された磁性体及び非磁性体を有する可動子と
を具備し、
前記第１の固定子の前記第１のコア歯は前記第２の固定子の前記第２のコア歯に対向した電磁石形アクチュエータ。

【請求項8】

さらに、前記第１、第２の固定子コアに対する前記可動子の現在位置及び前記可動子の移動位置に応じて駆動電流を前記コイルに供給する制御回路を具備する請求項６又は７に記載の電磁石形アクチュエータ。

【請求項9】

前記制御回路は前記可動子の現在位置に同期して駆動電流を前記２つのコイルに供給する請求項８に記載の電磁石形アクチュエータ。

【請求項10】

前記２つのコイルに供給される各駆動電流がオーバラップしている請求項９に記載の電磁石形アクチュエータ。

【請求項11】

前記駆動電流の前縁部のオーバラップした延長部分の極性と該駆動電流の非オーバラップ部分の極性とは反転している請求項１０に記載の電磁石形アクチュエータ。

【請求項12】

ステージと、
該ステージの第１の方向の両端に固定された第１の可動子と、
前記ステージの前記第１の方向にほぼ直交する第２の方向の両端に固定された第２の可動子と、
前記第１の可動子に対して固定子コアとして作用する少なくとも１つの第１のリニアアクチュエータと、
前記第２の可動子に対して固定子コアとして作用する少なくとも１つの第２のリニアアクチュエータと
を具備し、
前記第１の可動子と前記第１のリニアアクチュエータ、及び前記第２の可動子と前記第２のリニアアクチュエータは請求項１〜１１のいずれかに記載の電磁石形アクチュエータよりなる平面モータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は電磁石（ＥＭ）形アクチュエータ及びこれを用いた平面モータに関する。

【背景技術】

【0002】

永久磁石形アクチュエータに比較して、積層化が容易にできるＥＭ形アクチュエータは高推力の点で着目されている。

【0003】

図２５は従来のＥＭ形アクチュエータを示し、（Ａ）は全体斜視図、（Ｂ）は部分断面斜視図である（参照：特許文献１）。図２５において、固定子コア１０１ａは、Ｘ方向に配列されかつＹ方向に延在する複数のコア歯１０１１を有し、また、固定子コア１０１ｂも、Ｘ方向に配列されかつＹ方向に延在する複数のコア歯１０１２を有する。この場合、固定子コア１０１ａの各コア歯１０１１は固定子コア１０１ｂの各コア歯１０１２に対向している。フレームコア１０１ｃは固定子コア１０１ａ、１０１ｂと共に磁路を形成するためのものである。つまり、磁束は、主に、固定子コア１０１ａ、１０１ｂ及びフレームコア１０１ｃが形成する磁路を通過する。

【0004】

コイル１０２ａ、１０２ｂは固定子コア１０１ａ、１０１ｂのコア歯１０１１、１０１２に対してＹ方向の磁束を発生するためのものである。この場合、コイル１０２ａ、１０２ｂはフレームコア１０１ｃの固定子コア１０１ａ、１０１ｂの固定部に巻回される。この結果、上記の磁束はフレームコア１０１ｃをもＹ方向に沿って通過するが、固定子コア１０１ａ、１０１ｂのコア歯１０１１、１０１２内の磁束の方向と反対である。尚、コイル１０２ａ、１０２ｂの一方を省略することができ、この場合、ＥＭ形アクチュエータの小型化ができる。

【0005】

他方、可動子１０３は固定子コア１０１ａ、１０１ｂ間にＸ方向に駆動可能に設けられ、Ｘ方向に交互に配列されＹ方向に延在する磁性体及び非磁性体を有する。この場合、可動子１０３の一部は上記磁路の中に存在する。尚、図２５においては、非磁性体は省略してある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２００９−１８１９９５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、上述の図２５に示す従来のＥＭ形アクチュエータにおいては、図２６、図２７に示すごとく可動子１０３の１つの磁性体を通過する磁束φは、固定子コア１０１ａのコア歯１０１１→空隙→可動子１０３の磁性体→空隙→固定子コア１０１ｂのコア歯１０１２の単一方向であるので、構造上、律速則によって磁気飽和の影響を受け易い。従って、平均推力が低下するという課題がある。

【0008】

また、上述の従来のＥＭ形アクチュエータにおいては、各コア歯１０１１、１０１２は片持構造となるので、製造が困難となり、製造コストの上昇を招くという課題もある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

上述の課題を解決するために、本発明に係るＥＭ形アクチュエータは、第１の方向に配列された第１、第２の固定子コア、及び第１、第２の固定子コアの間に結合され第１の方向にほぼ直交する第２の方向に配列された少なくとも第１、第２、第３のコア歯を有する固定子と、第２のコア歯の少なくとも一方側に巻回されたコイルと、第１、第２、第３のコア歯の中央部上に第１の方向に駆動可能に設けられ、第２の方向に延在し交互に配列された磁性体及び非磁性体を有する可動子とを具備する。これにより、コイルに駆動電流が供給されると、磁束が第２のコア歯から可動子の磁性体を介して第１、第２のコア歯へ戻り、コア歯の中央部における磁気飽和が緩和される。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、磁気飽和の緩和により平均推力を高めることができる。また、コア歯は両持構造を有するので、製造が容易となり、製造コストを低減できる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明に係るＥＭ形アクチュエータの第１の実施の形態を示し、（Ａ）は全体斜視図、（Ｂ）は平面図である。

【図2】図１のＥＭ形アクチュエータの固定子の平面図である。

【図3】図１のＥＭ形アクチュエータの最適形状パラメータの決定を説明するための断面図である。

【図4】図１のＥＭ形アクチュエータの第１の駆動方法を説明するための３相駆動電流の波形図である。

【図5】図４の第１の駆動方法による推力発生を説明するための断面図である。

【図6】図４の第１の駆動方法による推力発生を説明するための断面図である。

【図7】図４の第１の駆動方法による推力発生を説明するための断面図である。

【図8】図４の第１の駆動方法によって得られる推力波形図である。

【図9】図１のＥＭ形アクチュエータの第２の駆動方法を説明するための３相駆動電流の波形図である。

【図10】図９の第２の駆動方法による推力発生を説明するための断面図である。

【図11】図９の第２の駆動方法による推力発生を説明するための断面図である。

【図12】図９の第２の駆動方法による推力発生を説明するための断面図である。

【図13】図９の第２の駆動方法によって得られる推力波形図である。

【図14】図１のＥＭ形アクチュエータの第３の駆動方法を説明するための３相駆動電流の波形図である。

【図15】図１４の第３の駆動方法による推力発生を説明するための断面図である。

【図16】図１４の第３の駆動方法による推力発生を説明するための断面図である。

【図17】図１４の第３の駆動方法による推力発生を説明するための断面図である。

【図18】図１４の第３の駆動方法によって得られる推力波形図である。

【図19】図１のＥＭ形アクチュエータのコイルの巻回方法を説明するための断面図である。

【図20】本発明に係るＥＭ形アクチュエータの第２の実施の形態を示す全体斜視図である。

【図21】図２０のＥＭ形アクチュエータの他の固定子の平面図である。

【図22】図２０のＥＭ形アクチュエータの垂直推力の相殺を説明するための断面図である。

【図23】本発明に係るＥＭ形アクチュエータの第３の実施の形態を示す全体斜視図である。

【図24】本発明に係る平面モータを示す図である。

【図25】従来のＥＭ形アクチュエータを示し、（Ａ）は全体斜視図、（Ｂ）は部分断面斜視図である。

【図26】図２５のＥＭ形アクチュエータの課題を説明するための図である。

【図27】図２５のＥＭ形アクチュエータの課題を説明するための平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

図１は本発明に係るＥＭ形アクチュエータの第１の実施の形態を示し、（Ａ）は全体斜視図、（Ｂ）は平面図である。尚、図１のＥＭ形アクチュエータは三相型であって可動子が１つの構造である。

【0013】

図１において、固定子１は、Ｘ方向に延在する２つの固定子コア１１、１２と、２つの固定子コア１１、１２間に設けられ、Ｘ方向に配列されかつＹ方向に延在するコア歯１３−１〜１３−１３とから構成されている。この場合、コア歯１３−１、１３−２、…、１３−１３は両持構造を有する。

【0014】

また、コア歯１３−２、１３−４、…、１３−１２には、これらの両側にコイル２ａ−１、２ａ−２、２ａ−３、２ａ−４、２ａ−５、２ａ−６；２ｂ−１、２ｂ−２、２ｂ−３、２ｂ−４、２ｂ−５、２ｂ−６が巻回されている。ここで、コイル２ａ−１、２ａ−４、２ｂ−１、２ｂ−４はA相用であって、駆動電流I_Aが供給され、コイル２ａ−２、２ａ−５、２ｂ−２、２ｂ−５はB相用であって、駆動電流I_Bが供給され、コイル２ａ−３、２ａ−６、２ｂ−３、２ｂ−６はC相用であって、駆動電流I_Cが供給されている。

【0015】

他方、可動子３は固定子１のコア歯１３−１、１３−２、…、１３−１３の中央上にＸ方向に駆動可能に設けられ、Ｘ方向に交互に配列された磁性体３１及び非磁性体（スペーサ）３２を有する。また、可動子３はＹ方向にも移動容易であり、従って、図１のＥＭ形アクチュエータは平面モータに適用しうる。尚、図１の（Ａ）においては、非磁性体３２の図示は省略してある。

【0016】

制御回路４たとえばマイクロコンピュータは、固定子１に対する可動子３の相対位置（以下、可動子現在位置とする）x及び可動子３の移動位置（以下、可動子移動位置）x_aを受取り、可動子現在位置x及び可動子移動位置x_aに応じて駆動電流I_A、I_B、I_Cをコイル２ａ−１、２ａ−２、２ａ−３、２ａ−４、２ａ−５、２ａ−６；２ｂ−１、２ｂ−２、２ｂ−３、２ｂ−４、２ｂ−５、２ｂ−６に供給して可動子現在位置xが可動子移動位置x_aとなるようにフィードバック制御する。たとえば、x_a<xのときには、可動子３はＸ方向のマイナス側、つまり、図１の上方向に移動し、x_a>xのときには、可動子３はＸ方向のプラス側、つまり、図１の下方向に移動する。尚、可動子現在位置xは可動子３の磁性体３１の位相を検出する位置検出センサ（図示せず）から得られる。

【0017】

たとえば、A相コイル駆動電流I_Aをコイル２ａ−１、２ａ−４、２ｂ−１、２ｂ−４に供給すると、図１の固定子１のみを示す図２に示すように、固定子１の固定子コア１１、１２の間のコア歯１３−１、１３−２、１３−３及びコア歯１３−７、１３−８、１３−９において、磁束φ_Aは、コア歯１３−２、１３−８の両端から流れ、コア歯１３−２、１３−８の中央部上の図２に図示しない可動子３の磁性体３１を介して折返し、コア歯１３−１、１３−３及び１３−７、１３−９に戻る。この結果、コア歯１３−１、１３−２、１３−３及び１３−７、１３−８、１３−９の中央部における磁気飽和が緩和される。

【0018】

図３は図１のＥＭ形アクチュエータの最適形状パラメータの一例を決定するための断面図である。前提として、磁気回路等の磁気特性を考慮して、固定子１のコア歯１３−１、１３−２、…、１３−１３の歯幅t_c及びコア歯間のスロット幅t_sは、
t_c = 1.2mm
t_s = 0.8mm
とし、従って、コア歯１３−１、１３−２、…、１３−１３のコア歯ピッチPicは、
Pic = t_c+ t_s = 2.0mm
とする。この場合、3相分の全長Lは、
L = Pic・6
= 12mm
となる。他方、可動子３の磁性体３１の幅をt_m、非磁性体３２の幅をt_msとすれば、可動子３の磁性体３１のピッチ（以下、可動子ピッチ）Pimは、
Pim = t_m+ t_ms
となる。この場合、t_m=1.2mmとし、固定子１のスロット幅t_sより大きくすることにより、固定子１のコア歯１３−１、１３−２、…、１３−１３から磁束が可動子３の磁性体３１へ流れ易くする。

【0019】

上述の前提条件の基で可動子３の非磁性体３２の幅t_msを決定する。永久磁石を用いていない場合、固定子と可動子との間には吸引力しか作用しないので、可動子３の磁性体３１のピッチPimは固定子１のコア歯ピッチPicより大きくしなければならない。つまり、
Pim > Pic = 2.0mm
である。この条件の基で、Pimの整数倍が3相分の全長L=12mmを満足するのは、Pim=12/5=2.4mm、Pim=12/4=3mm、Pim=12/3=4mm、Pim=12/2=6mmであるが、Pim=3mm、4mm、6mmでは、連続的な推力が得られないので、Pim=2.4mmとする。この結果、
t_ms = 1.2mm
とする。

【0020】

次に、図１のＥＭ形アクチュエータの第１の駆動方法を図４、図５、図６、図７、図８を参照して説明する。尚、図４は３相駆動電流I_A、I_B、I_Cの波形図、図５、図６、図７は推力発生を説明するための断面図、図８は推力波形図である。

【0021】

始めに、図４のx=0mmにおいて、コイル２ａ−３の正の駆動電流I_Cからコイル２ａ−１の正の駆動電流I_Aに切換る前の図５の（Ａ）の状態では、正の駆動電流I_Cがコイル２ａ−３に供給されている。この場合、磁束φ_C1、φ_C2がコア歯１３−６から磁性体３１−５、３１−６を介してコア歯１３−５、１３−７に流れる。しかし、コア歯１３−６が可動子３の磁性体３１−５、３１−６の中間位置に位置し、この結果、可動子３の磁性体３１−５、３１−６の平行吸引力は固定子１のコア歯１３−６に対して反対方向に釣り合っている。従って、これらの合成力である平行推力はほぼ零となる。このとき、磁気抵抗が最小となるので、磁束φ_C1、φ_C2は大きくなり、この結果、垂直推力は増加傾向にある。

【0022】

次に、図４のx=0mmにおいて、コイル２ａ−３の正の駆動電流I_Cからコイル２ａ−１の正の駆動電流I_Aに切換った後の図５の（Ｂ）の状態では、正の駆動電流I_Aがコイル２ａ−１に供給される。この結果、コア歯１３−２から磁性体３１−２を介してコア歯１３−１へ磁束φ_A1が増加し始め、従って、可動子３の磁性体３１−２の平行吸引力によって平行推力T_Pが増加し始め、可動子３は左方向へ移動する。このとき、磁束φ_A2もコア歯１３−２からもコア歯１３−３へ流れるが、コア歯１３−２とコア歯１３−３とのエアギャップが大きいので、この磁束φ_A2は小さい。また、固定子１のコア歯１３−２への垂直吸引力によって磁性体３１の垂直推力T_Vも増加し始める。

【0023】

可動子３が左方向に移動すると、図４のx=0.4mmにおいて、図６の（Ａ）の状態となる。すなわち、可動子３の磁性体３１−２の先端がコア歯１３−１の端部にオーバラップする。従って、コア歯１３−２から磁性体３１−２を介してコア歯１３−１へ流れる磁束φ_A1が急激に増加する。また、同様に、コア歯１３−２から磁性体３１−３を介してコア歯１３−２へ流れる磁束φ_A2も増加する。この結果、可動子３の磁性体３１−２、３１−３の平行吸引力によって平行推力T_Pが急激に増加する。このとき、磁性体３１−２、３１−３の固定子１のコア歯１３−２、１３−３への垂直吸引力によって垂直推力T_Vも急激に増加する。

【0024】

可動子３がさらに左方向に移動すると、図４のx=0.6mmにおいて、図６の（Ｂ）の状態となる。すなわち、可動子３の磁性体３１−２がコア歯１３−１、１３−２に跨り、また、可動子３の磁性体３１−３の先端はコア歯１３−２に到達していないので、可動子３の磁性体３１−２、３１−３の平行吸引力による平行推力T_Pは低下する。他方、磁性体３１−２、３１−３の固定子１のコア歯１３−１、１３−２、１３−３への垂直吸引力によって垂直推力T_Vはさらに増加する。

【0025】

最後に、図４のx=0.8mmになると、コイル２ａ−１の正の駆動電流I_Aからコイル２ａ−２の正の駆動電流I_Bに切換る前の図７の状態では、コア歯１３−２が可動子３の磁性体３１−２、３１−３の中間位置に位置し、この結果、可動子３の磁性体３１−２、３１−３の平行吸引力は固定子１のコア歯１３−２に対して反対方向に釣り合っているので、これらの合成力である平行推力T_Pはほぼ零となる。このとき、磁気抵抗が最小となるので、磁束φ_A1、φ_A2は大きくなり、この結果、垂直推力は増加傾向にある。

【0026】

以後、図４のx=0.8mmにおいて、コイル２ａ−１の正の駆動電流I_Aからコイル２ａ−２の正の駆動電流I_Bに切換り、上述と同様の駆動が繰返されることになる。

【0027】

このようにして、第１の駆動方法によれば、図８に示すような平行推力T_P及び垂直推力T_Vが得られる。尚、垂直推力T_Vが大きいと、摩擦力が増加して発生推力を実質的に低下させるので、垂直推力T_Vは小さい方がよい。

【0028】

次に、図１のＥＭ形アクチュエータの第２の駆動方法を図９、図１０、図１１、図１２、図１３を参照して説明する。尚、図９は３相駆動電流I_A、I_B、I_Cの波形図、図１０、図１１、図１２は推力発生を説明するための断面図、図１３は推力波形図である。

【0029】

始めに、図９のx=0mmにおいて、コイル２ａ−３の正の駆動電流I_Cが終了する前の図１０の（Ａ）の状態では、正の駆動電流I_Aが既にコイル２ａ−１に供給されている。つまり、駆動電流I_Aのリーディング部分が駆動電流I_Cにオーバラップしている。この結果、コア歯１３−２から磁性体３１−２を介してコア歯１３−１へ磁束φ_A1が増加しており、従って、可動子３の磁性体３１−２の平行吸引力によって平行推力T_Pが増加しており、可動子３は左方向へ移動する。このとき、磁束φ_A2もコア歯１３−２からも磁性体３１−３を介してコア歯１３−３へ流れるが、コア歯１３−２と磁性体３１−３とのエアギャップが大きいので、この磁束φ_A2は小さい。また、固定子１のコア歯１３−２への垂直吸引力によって磁性体３１の垂直推力T_Vも増加している。他方、正の駆動電流I_Cがコイル２ａ−３に供給されているが、可動子３の磁性体３１−５、３１−６の平行吸引力は固定子１のコア歯１３−６に対して反対方向に釣り合っているので、これに伴う平行推力はほぼ零となる。このとき、磁気抵抗が最小となるので、磁束φ_C1、φ_C2は大きくなり、この結果、垂直推力は増加傾向にある。

【0030】

次に、図９のx=0mmにおいて、コイル２ａ−３の正の駆動電流I_Cが終了し、図５の（Ｂ）と同一の図１０の（Ｂ）の状態となる。

【0031】

可動子３が左方向に移動すると、図９のx=0.4mmにおいて、図６の（Ａ）と同一の図１１の（Ａ）の状態となる。すなわち、可動子３の磁性体３１−２の先端がコア歯１３−１の端部にオーバラップする。従って、コア歯１３−２から磁性体３１−２を介してコア歯１３−１へ流れる磁束φ_A1が急激に増加する。また、同様に、コア歯１３−２から磁性体３１−３を介してコア歯１３−２へ流れる磁束φ_A2も増加する。この結果、可動子３の磁性体３１−２、３１−３の平行吸引力によって平行推力T_Pが急激に増加する。このとき、磁性体３１−２、３１−３の固定子１のコア歯１３−２、１３−３への垂直吸引力によって垂直推力T_Vも急激に増加する。

【0032】

可動子３がさらに左方向に移動すると、図９のx=0.6mmにおいて、図１１の（Ｂ）の状態となる。すなわち、可動子３の磁性体３１−２がコア歯１３−１、１３−２に跨り、また、可動子３の磁性体３１−３の先端はコア歯１３−２に到達していないので、可動子３の磁性体３１−２、３１−３の平行吸引力は低下する。また、同時に、正の駆動電流I_Bがコイル２ａ−２に供給し始める。つまり、駆動電流I_Bの前縁部の延長部分が駆動電流I_Aにオーバラップしている。この結果、コア歯１３−４から磁性体３１−４を介してコア歯１３−３への磁束φ_B1が増加し始める。従って、可動子３の磁性体３１−４の平行吸引力によって平行推力が増加し始める。このように、可動子３の磁性体３１−２、３１−３、３１−４の平行吸引力によって平行推力T_Pの低下は小さくなる。他方、可動子３の磁性体３１−２、３１−３の垂直吸引力に可動子３の磁性体３１−４の垂直吸引力が加わり、この結果、垂直推力T_Vはさらに増加する。

【0033】

最後に、図９のx=0.8mmになると、コイル２ａ−１の正の駆動電流I_Aが終了する前の図１２の状態では、コア歯１３−２が可動子３の磁性体３１−２、３１−３の中間位置に位置し、この結果、可動子３の磁性体３１−２、３１−３の平行吸引力は固定子１のコア歯１３−２に対して反対方向に釣り合っているので、これらの合成力である平行推力はほぼ零となる。このとき、磁気抵抗が最小となるので、磁束φ_A1、φ_A2は大きくなり、この結果、垂直推力は増加傾向にある。

【0034】

以後、図９のx=0.8mmにおいて、コイル２ａ−２の正の駆動電流I_Bのみの制御となり、上述と同様の駆動が繰返されることになる。

【0035】

このようにして、第２の駆動方法によれば、図１３に示すような平行推力T_P及び垂直推力T_Vが得られる。図１３に示すように、図９の第２の駆動方法によれば、図４の第１の駆動方法に比較して、平行推力T_Pが大きくなるも、垂直推力T_Vが大きくなる。

【0036】

次に、図１のＥＭ形アクチュエータの第３の駆動方法を図１４、図１５、図１６、図１７、図１８を参照して説明する。尚、図１４は３相駆動電流I_A、I_B、I_Cの波形図、図１５、図１６、図１７は推力発生を説明するための断面図、図１８は推力波形図である。

【0037】

始めに、図１４のx=0mmにおいて、コイル２ａ−３の正の駆動電流I_Cが終了する前の図１５の（Ａ）の状態では、負の駆動電流I_Aが既にコイル２ａ−１に供給されている。つまり、駆動電流I_Aのリーディング部分が正の駆動電流I_Cにオーバラップしており、この部分の極性は非リーディング部分の極性と反対である。この結果、コア歯１３−１から磁性体３１−２を介してコア歯１３−２へ磁束φ_A1’が増加しており、従って、可動子３の磁性体３１−２の平行吸引力によって平行推力T_Pが増加しており、可動子３は左方向へ移動する。このとき、磁束φ_A2’もコア歯１３−３からもコア歯１３−２へ流れるが、コア歯１３−２とコア歯１３−３とのエアギャップが大きいので、この磁束φ_A2’は小さい。また、固定子１のコア歯１３−２への垂直吸引力によって磁性体３１の垂直推力T_Vも増加している。他方、正の駆動電流I_Cがコイル２ａ−３に供給されているが、可動子３の磁性体３１−５、３１−６の平行吸引力は固定子１のコア歯１３−６に対して反対方向に釣り合っているので、これに伴う平行推力はほぼ零となる。このとき、磁気抵抗が最小となるので、磁束φ_C1、φ_C2は大きくなり、この結果、垂直推力は増加傾向にある。

【0038】

次に、図１４のx=0mmにおいて、コイル２ａ−３の正の駆動電流I_Cが終了し、図１５の（Ｂ）の状態となる。すなわち、負の駆動電流I_Aから正の駆動電流I_Aに切換る。このとき、駆動電流I_Aの絶対値は変化しないものとすれば、平行吸引力はほとんど変化せず、従って、平行推力T_Pはほとんど変化しないが、駆動電流I_Aの極性変化により以後の垂直吸引力に影響して垂直吸引力は小さくなり、垂直推力T_Vは小さくなる傾向になる。

【0039】

可動子３が左方向に移動すると、図１４のx=0.4mmにおいて、図１１の（Ａ）と同一の図１６の（Ａ）の状態となる。すなわち、可動子３の磁性体３１−２の先端がコア歯１３−１の端部にオーバラップする。従って、コア歯１３−２から磁性体３１−２を介してコア歯１３−１へ流れる磁束φ_A1が急激に増加する。また、同様に、コア歯１３−２から磁性体３１−３を介してコア歯１３−２へ流れる磁束φ_A2も増加する。この結果、可動子３の磁性体３１−２、３１−３の平行吸引力によって平行推力T_Pが急激に増加する。このとき、磁性体３１−２、３１−３の固定子１のコア歯１３−２、１３−３への垂直吸引力によって垂直推力T_Vも急激に増加する。

【0040】

可動子３がさらに左方向に移動すると、図１４のx=0.6mmにおいて、図１６の（Ｂ）の状態となる。すなわち、可動子３の磁性体３１−２がコア歯１３−１、１３−２に跨り、また、可動子３の磁性体３１−３の先端はコア歯１３−２に到達していないので、可動子３の磁性体３１−２、３１−３の平行吸引力は低下する。また、同時に、負の駆動電流I_Bがコイル２ａ−２に供給し始める。つまり、駆動電流I_Bのリーディング部分が駆動電流I_Aにオーバラップしており、この部分の極性は非リーディング部分の極性と反対である。この結果、コア歯１３−３から磁性体３１−４を介してコア歯１３−４への磁束φ_C1’が増加し始める。従って、可動子３の磁性体３１−４の平行吸引力によって平行推力が増加し始める。このように、可動子３の磁性体３１−２、３１−３、３１−４の平行吸引力によって平行推力T_Pの低下は小さくなる。他方、可動子３の磁性体３１−２、３１−３の垂直吸引力に可動子３の磁性体３１−４の垂直吸引力が加わり、この結果、垂直推力T_Vはさらに増加するが、上述のごとく、駆動電流I_Aの極性変化により第２の駆動方法の場合に比較して小さくなる。

【0041】

最後に、図１４のx=0.8mmになると、コイル２ａ−１の正の駆動電流I_Aが終了する前の図１７の状態では、コア歯１３−２が可動子３の磁性体３１−２、３１−３の中間位置に位置し、この結果、可動子３の磁性体３１−２、３１−３の平行吸引力は固定子１のコア歯１３−２に対して反対方向に釣り合っているので、これらの合成力である平行推力T_Pはほぼ零となる。このとき、磁気抵抗が最小となるので、磁束φ_A1、φ_A2は大きくなり、この結果、垂直推力は増加傾向にある。しかし、コイル２ａ−２の負の駆動電流I_Bによる磁性体３１−４の吸引力による平行吸引力による平行推力T_Pが存在する。

【0042】

以後、図１４のx=0.8mmにおいて、コイル２ａ−２の正の駆動電流I_Bのみの制御となり、上述と同様の駆動が繰返されることになる。

【0043】

このようにして、第３の駆動方法によれば、図１８に示すような平行推力T_P及び垂直推力T_Vが得られる。図１８に示すように、図１４の第３の駆動方法によれば、図４の第１の駆動方法に比較して、平行推力T_Pが大きくなると共に、図９の第２の駆動方法に比較して、垂直推力T_Vも小さくなる。従って、第３の駆動方法は第１、第２の駆動方法より優れていることが分かる。

【0044】

図１９は図１のＥＭ形アクチュエータのコイル２ａ−１、２ａ−２、…、２ａ−６、２ｂ−１、２ｂ−２、…、２ｂ−６の巻回方法を説明するための断面図である。

【0045】

図１９の（Ａ）に示すごとく、導体１９−１、１９−２、…、１９−６を各コア歯１３−２、１３−４、…、１３−１２に巻回することによりコイル２ａ−１、２ａ−２、…、２ａ−６（２ｂ−１、２ｂ−２、…、２ｂ−６）を形成する。

【0046】

あるいは、図１９の（Ｂ）に示すごとく、幅方向に平行に配列された複数の導体１９をコア歯１３−２、１３−４、…、１３−１２のスロットに交互に上下に編むように巻回することによりコイル２ａ−１、２ａ−２、…、２ａ−６（２ｂ−１、２ｂ−２、…、２ｂ−６）を形成する。これにより、図１９の（Ａ）の場合に比較してコイルの巻回作業の時間及び労力を軽減できる。

【0047】

図２０は本発明に係るＥＭ形アクチュエータの第２の実施の形態を示す全体斜視図である。

【0048】

図２０においては、固定子２層構造を採用している。すなわち、図１の固定子１と同一構造を有する固定子１ａを固定子１に所定エアギャップで重ねてある。

【0049】

図２１に示すごとく、固定子１ａは、Ｘ方向に延在する２つの固定子コア１１ａ、１２ａと、２つの固定子コア１１ａ、１２ａ間に設けられ、Ｘ方向に配列されかつＹ方向に延在するコア歯１３ａ−１〜１３ａ−１３とから構成されている。この場合も、コア歯１３ａ−１〜１３a−１３は両持構造を有する。

【0050】

また、図２０に戻ると、コア歯１３−２及び１３ａ−２、１３−４及び１３ａ−４、…、１３−１２及び１３ａ−１２には、これらの両側にコイル２ａ−１、２ａ−２、２ａ−３、２ａ−４、２ａ−５、２ａ−６；２ｂ−１、２ｂ−２、２ｂ−３、２ｂ−４、２ｂ−５、２ｂ−６が巻回されている。

【0051】

他方、可動子３は固定子１ａのコア歯１３−１、１３−２、…、１３−１３と固定子１ａのコア歯１３ａ−１、１３ａ−２、…、１３ａ−１３の間にあってこれらのコア歯の中央をＸ方向に駆動可能に設けられ、Ｘ方向に交互に配列された磁性体３１及び非磁性体（スペーサ）３２を有する。また、可動子３はＹ方向にも移動容易であり、従って、図２０のＥＭ形アクチュエータは平面モータに適用しうる。尚、図２０においても、非磁性体３２の図示は省略してある。

【0052】

図２１においても、たとえば、A相コイル駆動電流I_Aをコイル２ａ−１、２ａ−４、２ｂ−１、２ｂ−４に供給すると、固定子１ａの固定子コア１１ａ、１２ａの間のコア歯１３ａ−１、１３ａ−２、１３ａ−３及びコア歯１３ａ−７、１３ａ−８、１３ａ−９において、磁束φ_Aaは、コア歯１３ａ−２、１３ａ−８の両端から流れ、コア歯１３ａ−２、１３ａ−８の中央下の図２１に図示しない可動子３の磁性体３１を介して折返し、コア歯１３ａ−１、１３ａ−３及び１３ａ−７、１３ａ−９に戻る。この結果、コア歯１３ａ−１、１３ａ−２、１３ａ−３及び１３ａ−７、１３ａ−８、１３ａ−９の中央部における磁気飽和が緩和される。

【0053】

図２０のＥＭ形アクチュエータの動作は図１のＥＭ形アクチュエータの動作と同一であるが、図１のＥＭ形アクチュエータに比較して垂直推力の相殺効果があり、従って、摩擦力が減少して発生推力を実質的に増加できる。

【0054】

すなわち、図２０のＥＭ形アクチュエータに駆動電流I_Aを供給すると、図２２の（Ａ）に示すごとく、コア歯１３−２から磁性体３１−２を介してコア歯１３−１への磁束φ_A1により垂直推力T_V1が磁性体３１−２に発生し、また、コア歯１３ａ−２から磁性体３１−２を介してコア歯１３−１への磁束φ_A1aにより垂直推力T_V1aが磁性体３１−２に発生する。この場合、垂直推力T_V1と垂直推力T_V1aとは反対方向であるので、これらの合成力はほぼ零となる。つまり、垂直推力T_V1、T_V1aは相殺される。同様に、コア歯１３−２から磁性体３１−３を介してコア歯１３−３への磁束φ_A2により垂直推力T_V2が磁性体３１−３に発生し、また、コア歯１３ａ−２から磁性体３１−３を介してコア歯１３−３への磁束φ_A2aにより垂直推力T_V2aが磁性体３１−３に発生する。この場合、垂直推力T_V2と垂直推力T_V2aとは反対方向であるので、これらの合成力はほぼ零となる。つまり、垂直推力T_V2、T_V2aは相殺される。

【0055】

参考として図１のＥＭ形アクチュエータに駆動電流I_Aを供給すると、図２２の（Ｂ）に示すごとく、コア歯１３−２から磁性体３１−２を介してコア歯１３−１への磁束φ_A1により垂直推力T_V1が磁性体３１−２に発生する。この場合、垂直推力T_V1は相殺されない。同様に、コア歯１３−２から磁性体３１−３を介してコア歯１３−２への磁束φ_A1により垂直推力T_V2が磁性体３１−２に発生する。この場合、垂直推力T_V2は相殺されない。

【0056】

尚、図２０のＥＭ形アクチュエータのコイル２ａ−１、２ａ−２、…、２ａ−６、２ｂ−１、２ｂ−２、…、２ｂ−６の巻回方法は図１９に示す方法と同一である。

【0057】

図２３は本発明に係るＥＭ形アクチュエータの第３の実施の形態を示す全体斜視図である。

【0058】

図２３においては、m個（m≧3）の固定子１を設け、m個の固定子１の１個置きのコア歯の両側に共通にコイル２ａ、２ｂが巻回されている。（m-1）個の可動子３がm個の固定子１の間にあって、固定子１のコア歯の中央にＸ方向に駆動可能に設けられている。制御回路４は可動子現在位置x及び可動子移動位置x_aに応じて駆動電流I_A、I_B、I_Cをコイル２ａ、２ｂに供給する。図２３のＥＭ形アクチュエータの動作は図１、図２０のＥＭ形アクチュエータの動作と同一である。

【0059】

尚、図２３のＥＭ形アクチュエータのコイル２ａ−１、２ａ−２、…、２ａ−６、２ｂ−１、２ｂ−２、…、２ｂ−６の巻回方法は図１９に示す方法と同一である。

【0060】

図２４は図１、図２０、図２３のＥＭ形アクチュエータをリニアアクチュエータとして用いた平面モータを示す平面図である。

【0061】

図２４に示すように、平面モータは、エンコーダスケール５１ａを備えたステージ５１、ステージ５１のＸ方向の両端に固定された可動子５１Ｘ、ステージ５１のＹ方向の両端に固定された可動子５１Ｙ、可動子５１Ｘに対して固定子として作用する少なくとも１つのリニアアクチュエータ５３Ｘ、可動子５１Ｙに対して固定子として作用する少なくとも１つのリニアアクチュエータ５３Ｙを備えている。ここで、可動子５２Ｘ（５２Ｙ）とリニアアクチュエータ５３Ｘ（５３Ｙ）とは組合されて図１、図２０、図２３のＥＭ形アクチュエータを構成する。

【0062】

たとえば、図２４の（Ａ）に示すごとく、２つのリニアアクチュエータ５３ＹによってＹ方向のプラス側つまり右方向に推力Tが可動子５２Ｙに発生すると、図２４の（Ｂ）に示すごとく、リニアアクチュエータ５３Ｘと共に、ステージ５１が右方向へ移動する。このようにして、ステージ５１はＸＹ面上を移動できる。

【0063】

尚、上述の実施の形態においては、ＥＭ形アクチュエータは３相であるが、本発明は３相以外の２相もしくは４相以上のＥＭ形アクチュエータに適用し得る。従って、コア歯の数は少なくとも５であり、コイルは偶数番目のコア歯に設けられる。

【0064】

また、上述の実施の形態においては、コア歯１３−２、１３−４、…、１３−１２、１３ａ−２、１３ａ−４、…、１３ａ−１２の両側にコイル２ａ−１、２ａ−２、…、２ａ−６、２ｂ−１、２ｂ−２、…、２ｂ−６を設けているが、少なくとも一方側のコイルたとえば２ａ−１、２ａ−２、…、２ａ−６のみを設ければよい。

【0065】

さらに、上述の実施の形態においては、可動子はコア歯の中央部に設けているが、コア歯の任意の部分たとえば端部に設けてもよい。

【符号の説明】

【0066】

１、１ａ：固定子
１１、１２、１１ａ、１１ｂ：固定子コア
１３−１、１３−２、…、１３−１３、１３ａ−１、１３ａ−２、…、１３ａ−１３：コア歯
２ａ−１、２ａ−２、…、２ａ−６、２ｂ−１、２ｂ−２、…、２ｂ−６：コイル
３：可動子
３１：磁性体
３２：非磁性体
４：制御回路
５１：ステージ
５２Ｘ、５２Ｙ：可動子
５３Ｘ、５３Ｙ：リニアアクチュエータ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図23】