(57)【要約】      （修正有）【課題】永久磁石を用いて高推力が得られる電磁石形アクチュエータ及びこれを用いた平面モータを提供する。【解決手段】固定子コア１ａはその両面にＸ方向に配列されかつＹ方向に延在する複数のコア歯１１を有し、固定子コア１ｂはその両面にＸ方向に配列されかつＹ方向に延在する複数のコア歯１２を有する。各固定子コア１ａ、１ｂのコア歯１１、１２間の溝には磁束を発生するためのコイル２ａ、２ｂが巻回される。可動子３は固定子コア１ａ、１ｂ間にＸ方向に移動可能に設けられ、Ｘ方向に配列されかつＹ方向に交互に延在する磁性体３１、非磁性体３２を有する。制御回路４は可動子現在位置x及び可動子移動位置xaに応じて駆動電流I2a、I2bをコイル２ａ、２ｂに供給し、磁束を可動子３の磁性体３１に対して垂直に作用させる垂直磁束作用駆動状態と、磁束を可動子３の磁性体３１に対して平行に作用させる平行磁束作用駆動状態とを交互に繰返す。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向に配列されかつ該第１の方向にほぼ直交する第２の方向に延在する複数の第１のコア歯を有する第１の固定子コアと、
前記第１の方向に配列されかつ前記第２の方向に延在し前記第１のコア歯に対向する複数の第２のコア歯を有する第２の固定子コアと、
前記第１の固定子コアの前記第１のコア歯と前記第２の固定子コアの前記第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、
前記第１、第２の固定子コアに対して第１、第２の磁束を発生するための第１、第２のコイルと、
前記第１、第２のコイルに第１、第２の駆動電流を供給して、前記第１、第２の磁束を前記可動子の磁性体の前記第３の方向に流れるようにする垂直磁束作用駆動状態と、前記第１、第２の磁束を前記可動子の磁性体の前記第１の方向に流れるようにする平行磁束作用駆動状態とを交互に繰返させる制御回路と
を具備する電磁石形アクチュエータ。
【請求項２】
前記制御回路は前記第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前記第１、第２の駆動信号を制御する請求項１に記載の電磁石形アクチュエータ。
【請求項３】
前記第１、第２のコア歯は前記各第１、第２の固定子コアの両面に設けられた請求項１に記載の電磁石形アクチュエータ。
【請求項４】
前記第１のコイルは前記第１の固定子コアの両面の前記第１のコア歯のスロットに設けられ、
前記第２のコイルは前記第２の固定子コアの両面の前記第２のコア歯のスロットに設けられた請求項３に記載の電磁石形アクチュエータ。
【請求項５】
前記各第１、第２のコイルは、幅方向に平行に配列された複数の導体と、該複数の導体の端部を除いて該複数の導体を被覆しＬ字状に束ねるための絶縁体とを具備し、前記第１、第２のコア歯のスロットに嵌め込まれたものである請求項４に記載の電磁石形アクチュエータ。
【請求項６】
前記各第１、第２のコイルは、幅方向に平行に配列された複数の導体と、該複数の導体の端部を除いて該複数の導体を被覆しＵ字状に束ねるための絶縁体とを具備し、前記第１、第２のコア歯のスロットに嵌め込まれたものである請求項４に記載の電磁石形アクチュエータ。
【請求項７】
前記各第１、第２のコイルは、幅方向に平行に配列された複数の導体と、該複数の導体の端部を除いて該複数の導体を被覆し前記第１、第２のコア歯のスロットの形状に束ねるための絶縁体とを具備し、前記第１、第２のコア歯のスロットに嵌め込まれたものである請求項４に記載の電磁石形アクチュエータ。
【請求項８】
前記第１、第２のコア歯は前記可動子が存在する側の前記各第１、第２の固定子コアの面のみに設けられた請求項１に記載の電磁石形アクチュエータ。
【請求項９】
前記第１のコイルは前記可動子が存在する側の前記第１の固定子コアの面の前記第１のコア歯のスロットに設けられ、
前記第２のコイルは前記可動子が存在する側の前記第２の固定子コアの面の前記第２のコア歯のスロットに設けられた請求項８に記載の電磁石形アクチュエータ。
【請求項１０】
前記各第１、第２のコイルは、幅方向に平行に配列された複数の導体と、該複数の導体の端部を除いて該複数の導体を被覆しＵ字状に束ねるための絶縁体とを具備し、前記第１、第２のコア歯のスロットに嵌め込まれたものである請求項９に記載の電磁石形アクチュエータ。
【請求項１１】
前記各第１、第２のコイルは、幅方向に平行に配列された複数の導体と、該複数の導体の端部を除いて該複数の導体を被覆し前記第１、第２のコア歯のスロットの形状に束ねるための絶縁体とを具備し、前記第１、第２のコア歯のスロットに嵌め込まれたものである請求項９に記載の電磁石形アクチュエータ。
【請求項１２】
請求項１〜請求項１１のいずれかに記載の電磁石形アクチュエータをA相、B相及びC相の各相に設けた電磁石形アクチュエータ。
【請求項１３】
前記A相、B相及びC相の前記第１の固定子コアの前記第１のコイルにA相駆動電流、B相駆動電流及びC相駆動電流を供給し、
前記A相、B相及びC相の前記第２の固定子コアの前記第２のコイルに一定のD相駆動電流を供給する
請求項１２に記載の電磁石形アクチュエータ。
【請求項１４】
前記各A相、B相及びC相の可動子は２つよりなる構造であり、
前記D相駆動電流が供給される前記第２の固定子コア、前記A相駆動電流が供給される前記第１の固定子コア、前記D相駆動電流が供給される前記第２の固定子コア、前記B相駆動電流が供給される前記第１の固定子コア、前記D相駆動電流が供給される前記第２の固定子コア、前記C相駆動電流が供給される前記第１の固定子コア、前記D相駆動電流が供給される前記第２の固定子コアの順に積層された
請求項１３に記載の電磁石形アクチュエータ。
【請求項１５】
前記各A相、B相及びC相の可動子数が2n(n=1,2,…)の場合、
前記D相駆動電流が供給される前記第２の固定子コアを外側として、前記D相駆動電流が供給される前記第２の固定子コアと、前記A相駆動電流、前記B相駆動電流、前記C相駆動電流が供給される前記第１の固定子コアのいずれか１つとを交互に配列した
請求項１３に記載の電磁石形アクチュエータ。
【請求項１６】
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１〜１５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】
従来のＥＭ形アクチュエータは、複数の並列配列されコイルが巻回されたコア歯を有する固定子と、磁性体と非磁性体（あるいは空隙）とが交互に配列された可動子とによって構成されている（参照：特許文献１、２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２３７６４号公報
【特許文献２】特開２００１−６９７４６号公報
【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、上述の従来のＥＭ形アクチュエータにおいては、永久磁石を用いない可動子の場合には、駆動電流をコイルに供給して可動子を吸引力の推力のみで進行させる必要があり、この結果、駆動電流をコイルに供給しない休止期間が発生し、従って、平均推力が低下するという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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の方向に配列されかつ該第１の方向にほぼ直交する第２の方向に延在する複数の第１のコア歯を有する第１の固定子コアと、第１の方向に配列されかつ第２の方向に延在し第１のコア歯に対向する複数の第２のコア歯を有する第２の固定子コアと、第１の固定子コアの第１のコア歯と第２の固定子コアの第２のコア歯との間に第１の方向に移動可能に設けられ、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、第１、第２の固定子コアに対して第１、第２の磁束を発生するための第１、第２のコイルと、第１、第２のコイルに第１、第２の駆動電流を供給して、第１、第２の磁束を可動子の磁性体の第３の方向に流れるようにする垂直磁束作用駆動状態と、第１、第２の磁束を可動子の磁性体の第１の方向に流れるようにする平行磁束作用駆動状態とを交互に繰返させる制御回路とを具備するものである。これにより、駆動状態の休止期間がなくなる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、休止期間がなくなったので、平均推力を大きくできる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【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）はコイルの一部を取除いた斜視図である。
【図２】図１のＥＭ形アクチュエータの垂直磁束作用駆動状態を説明するための断面図である。
【図３】図２の１つの磁路の磁気等価回路を示す回路図である。
【図４】図１のＥＭ形アクチュエータの平行磁束作用駆動状態を説明するための断面図である。
【図５】図４の２つの磁路の磁気等価回路を示す回路図である。
【図６】図１のＥＭ形アクチュエータの２つの駆動状態を説明するもので、（Ａ）は形状パラメータ値を説明する図、（Ｂ）は推力波形を示す図である。
【図７】図１のＥＭ形アクチュエータの駆動方法を説明するための図である。
【図８】図１のＥＭ形アクチュエータの最適形状パラメータ決定ルーチンである。
【図９】図８の選択モデルの例を示すテーブルである。
【図１０】図８の最適形状パラメータ決定ルーチンによって得られた最適形状パラメータの例を示す図である。
【図１１】図１０の最適形状パラメータを有する図１のＥＭ形アクチュエータにおける可動子の右方向移動を説明するための図である。
【図１２】図１０の最適形状パラメータを有する図１のＥＭ形アクチュエータにおける可動子の左方向移動を説明するための図である。
【図１３】図１のＥＭ形アクチュエータの変更例を示す全体斜視図である。
【図１４】図１３のＥＭ形アクチュエータの可動子の磁性体数の効果を説明するためのグラフである。
【図１５】図１３のＥＭ形アクチュエータの可動子の積層効果を説明するためのグラフである。
【図１６】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１７】図１６のＥＭ形アクチュエータの参考駆動状態として垂直磁束作用駆動状態のみを行った場合を説明する図である。
【図１８】図１６のＥＭ形アクチュエータの参考駆動状態として平行磁束作用駆動状態のみを行った場合を説明する図である。
【図１９】図１６のＥＭ形アクチュエータの本発明の駆動状態として垂直磁束作用駆動状態及び平行磁束作用駆動状態の両方を行った場合を説明する図である。
【図２０】図１９のA相、B相、C相、D相の電流IA、IB、IC、IDを示す図である。
【図２１】図１９の変更例を示す図である。
【図２２】図１６のＥＭ形アクチュエータの変更例を示す全体斜視図である。
【図２３】図２２のＥＭ形アクチュエータの本発明の駆動状態として垂直磁束作用駆動状態及び平行磁束作用駆動状態の両方を行った場合を説明する図である。
【図２４】図１、図１３、図１６、図２２のコイルの第１の例を示し、（Ａ）は組立前の平面図、（Ｂ）は組立を説明するための斜視図である。
【図２５Ａ】図１、図１３、図１６、図２２のコイルの第２の例を示す平面図である。
【図２５Ｂ】図２５Ａのコイルの変更例を示す平面図である。
【図２６】図１、図１３、図１６、図２２のコイルの第３の例を示し、（Ａ）は全体斜視図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ部拡大平面図、（Ｃ）は（Ａ）のＣ部拡大平面図である。
【図２７】図２６のコイルの組立を説明するための斜視図である。
【図２８】図２５、図２６の導体の端部の変更例を示す斜視図である。
【図２９】図２、図４の変更例を示す断面図である。
【図３０】本発明に係る平面モータを示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は平面図である。
【図３１】図３０のリニアアクチュエータのサイズの例を説明するもので、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は側面図である。
【図３２】図３０のリニアアクチュエータのサイズの他の例を説明するもので、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は側面図である。
【図３３】図３０、図３１あるいは図３２の平面モータの動作を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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）はコイルの一部を取除いた斜視図である。尚、図１のＥＭ形アクチュエータは単相型で、可動子が１つである一層構造である。
【００１０】
図１において、固定子コア１ａはその両面にＸ方向に配列されかつＹ方向に延在する複数のコア歯１１を有し、また、固定子コア１ｂはその両面にＸ方向に配列されかつＹ方向に延在する複数のコア歯１２を有する。この場合、固定子コア１ａの各コア歯１１と固定子コア１ｂの各コア歯１２とは対向している。
【００１１】
各固定子コア１ａ、１ｂのコア歯１１、１２間の溝（スロット）には磁束を発生するためのコイル２ａ、２ｂが巻回されている。コイル２ａ、２ｂの巻回方法については後述する。各コイル２ａ、２ｂには駆動電流I2a、I2bが供給される。
【００１２】
他方、可動子３は固定子コア１ａ、１ｂ間にＸ方向に駆動可能に設けられ、Ｘ方向に配列されかつＹ方向に交互に延在する磁性体３１、非磁性体（スペーサ）３２を有する。また、可動子３はＹ方向にも移動可能であり、これにより、図１のＥＭ形アクチュエータは平面モータに適用し得る。
【００１３】
図１のＥＭ形アクチュエータの駆動状態には、コイル２ａ、２ｂへ供給される駆動電流I2a、I2bの組合せに応じて、磁束を可動子３の磁性体３１に対してつまり可動子３の移動のＸ方向に対して垂直に作用させる垂直磁束作用駆動状態SVと、磁束を可動子３の磁性体３１に対してつまり可動子３の移動方向に対して平行に作用させる平行磁束作用駆動状態SPとがある。
【００１４】
制御回路４たとえばマイクロコンピュータは、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）xaを受取り、可動子移動位置xa及び可動子現在位置xに応じた駆動電流I2a、I2bをコイル２ａ、２ｂに供給して可動子現在位置xが可動子移動位置xaとなるようにフィードバック制御する。たとえば、xa<xのときには、可動子３はＸ方向のマイナス側つまり右方向に移動し、他方、xa>xのときには、可動子３はＸ方向のプラス側つまり左方向に移動する。この場合、可動子現在位置xは可動子３に設けられた可動子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。
【００１５】
次に、図２を参照して図１の右方向移動の垂直磁束作用駆動状態SVを説明する。
【００１６】
xa<xのときには、図２に示すごとく、制御回路はたとえば駆動電流I2a=4A、I2b=4Aをコイル２ａ、２ｂに供給する。この結果、コイル２ａ、２ｂによって発生する磁束φ1、φ2、φ3、φ4、φ5は、矢印に示すごとく、固定子コア１ａのコア歯１１→空隙Ga1→可動子３の磁性体３１→空隙Gb1→固定子コア１ｂのコア歯１２→空隙Gb2→可動子３の磁性体３１→空隙Ga2→固定子コア１ａのコア歯１１のように流れる。この場合、磁束φ1、φ2、φ3、φ4、φ5は可動子３の磁性体３１に対してつまり可動子３の移動のＸ方向に対して垂直となっている。
【００１７】
図２の１つの磁束φ1の磁気等価回路は図３のごとくなる。図３において、
Ni(2a)：コイル２ａの起磁力
Ni(2b)：コイル２ｂの起磁力
Rm(1a)；Rm’(1a)：固定子コア１ａの磁気抵抗（この場合、Rm(1a)≒Rm’(1a)）
Rm(1b)；Rm’(1b)：固定子コア１ｂの磁気抵抗（この場合、Rm(1b) ≒Rm’(1b)）
R1(x)；R1’(x)：可動子現在位置xの関数である可動子３の磁性体３１及び空隙Ga1、Gb1；Ga2、Gb2の磁気抵抗（この場合、R1(x) ≒R1’(x)）
【００１８】
尚、磁気抵抗Rは、一般的に次式で表わせる。
R = L / μS
但し、L：磁路長
μ：透磁率
S：磁路断面積
【００１９】
従って、図２においては、常に、可動子３の各磁性体３１の中心が固定子コア１ａ（１ｂ）の各コア歯１１（１２）（両端のコア歯１１（１２）を除く）の中心となるように、言い換えると、図３の磁気抵抗R1(x)、R1’(x)が小さくなって全磁気抵抗が小さくなるように、つまり、可動子現在位置xが可動子移動位置xa=0に近づくように、推力Tが移動のＸ方向、図２の場合、右方向に発生することになる。
【００２０】
次に、図４を参照して図１の右方向移動の平行磁束作用駆動状態SPを説明する。
【００２１】
xa<xのときには、図４に示すごとく、制御回路はたとえば駆動電流I2a=-4A、I2b=4Aをコイル２ａ、２ｂに供給する。この結果、コイル２ａ、２ｂによって磁束φ1a、φ2a、φ3a、φ4a、φ5a；φ1b、φ2b、φ3b、φ4b、φ5bが発生する。この磁束φ1a（φ1b）、φ2a（φ2b）、φ3a（φ3b）、φ4a（φ4b）、φ5a（φ5b）は、矢印に示すごとく、固定子コア１ａ（１ｂ）のコア歯１１（１２）→空隙Ga1（Gb1）→可動子３の磁性体３１→空隙Ga2（Gb2）→固定子コア１ａ（１ｂ）のコア歯１１（１２）のように流れる。この場合、磁束φ1a（φ1b）、φ2a（φ2b）、φ3a（φ3b）、φ4a（φ4b）、φ5a（φ5b）は可動子３の磁性体３１に対してつまり可動子３の移動のＸ方向に対して平行となっている。
【００２２】
図４の２つの磁束φ1a、φ1bの磁気等価回路は図５のごとくなる。図５において、
Ni(2a)：コイル２ａの起磁力
Ni(2b)：コイル２ｂの起磁力
Rm(1a)；Rm’(1a)：固定子コア１ａの磁気抵抗（この場合、Rm(1a)≒Rm’(1a)）
Rm(1b)；Rm’(1b)：固定子コア１ｂの磁気抵抗（この場合、Rm(1b) ≒Rm’(1b)）
R2(x)；R2’(x)：可動子現在位置xの関数である空隙Ga1あるいはGb1の磁気抵抗（この場合、R2(x) ≒R2’(x)）
R3(x)； R3’(x)：可動子現在位置xの関数である空隙Ga1あるいはGb2の磁気抵抗（この場合、R3(x) ≒R3’(x)）
【００２３】
従って、図４においては、常に、可動子３の各磁性体３１の中心が固定子コア１ａ（１ｂ）のコイル２ａ（２ｂ）（スロット）の中心となるように、言い換えると、図５の磁気抵抗R2(x)（R2’(x)）が、R3(x)（R3’(x)）に等しくなって全磁気抵抗が小さくなるように、つまり、可動子現在位置xが可動子移動位置xa=0に近づくように、推力Tが移動のＸ方向、図４の場合、右方向に発生することになる。
【００２４】
尚、左方向移動の場合には、垂直磁束作用駆動状態SVに対しては、I2a=-4A、I2b=4Aとなり、他方、平行磁束作用駆動状態SPに対しては、I2a=4A、I2b=4Aとなる。
【００２５】
次に、垂直磁束作用駆動状態SV及び平行磁束作用駆動状態SPにおける推力Tについて図６を参照して説明する。
【００２６】
図６の（Ａ）に示すように、図１のＥＭ形アクチュエータのパラメータを次のごとく仮定する。
全長L：20mm 
固定子コア１ａ（固定子コア１ｂも同一）について
コア歯１１（１２）の歯幅tc：2mm 
コア歯１１（１２）のスロット幅ts：2mm 
コア歯１１（１２）の周期Pi：4mm 
コア厚さhc：1mm 
コア全厚さh：5mm 
可動子３について
磁性体３１の幅tm：2mm 
非磁性体３２の幅tms：2mm 
【００２７】
図６の（Ｂ）に示すように、垂直磁束作用駆動状態SVと平行磁束作用駆動状態SPとでは、推力Tの方向が反対であることが分かる。尚、垂直磁束作用駆動状態SVの推力Tの絶対値が平行磁束作用駆動状態SPの推力Tより小さいのは、図２の空隙Ga1、Gb1の和（空隙Ga2、Gb2の和）が図４の空隙Ga1、Ga2の和（空隙Gb1、Gb2の和）より小さいので、図３の磁気抵抗R1(x)、R1’(x)が図５の磁気抵抗R2(x)（R2’(x)）、R3(x)（R3’(x)）の和より小さいからである。
【００２８】
図６の（Ｂ）から分かるように、垂直磁束作用駆動状態SVと平行磁束作用駆動状態SPとを併用することにより、推力Tの増進が図れる。たとえば、右方向移動の場合、制御回路４は図７の（Ａ）、（Ｂ）に示す駆動電流I2a、I2bをコイル２ａ、２ｂに供給して垂直磁束作用駆動状態SV（I2a=4A、I2b=4A）と平行磁束作用駆動状態SP（I2a=-4A、I2b=4A）とを、休止期間を設けずに、可動子現在位置xに同期させて繰返す。この結果、図７の（Ｃ）に示すごとく、推力Tの平均推力が大きくなり、従って、大きな推力Tが得られる。また、休止期間がない分、推力リップルも小さくなる。尚、左方向移動の場合には、駆動電流I2aは反転し、推力Tは負となる。
【００２９】
次に、図１のＥＭ形アクチュエータの形状パラメータ決定を図８のルーチンを参照して説明する。
【００３０】
始めに、ステップ８０１において、固定子コア１ａ、１ｂのコア歯１１、１２の歯幅tc／スロット幅ts比の適値を選択する。たとえば、
L=20mm 
h=5mm 
とし、平均推力密度が大きい複数のモデル、たとえば、
モデル１：tc／ts=0.43（hc=tc）
モデル２：tc／ts=0.25（hc=tc）
モデル３：tc／ts=0.67（hc=tc/2）
モデル４：tc／ts=0.43（hc=tc/2）
を選択する。尚、平均推力密度は、
平均推力／（可動子質量＋可動子に備えられたステージの質量）
で与えられる。
【００３１】
次に、ステップ８０２において、ステップ８０１にて選択された各モデル１、２、３、４に対して可動子３の磁性体３１の幅tm／非磁性体３２の幅tms比の適値を選択する。たとえば、モデル１に対して、平均推力密度が大きくかつ推力リップルが小さい
tm／tms =1
を適値として選択する。同様に、モデル２に対しては、tm／tms =1を適値として選択し、モデル３に対しては、tm／tms =1.5を適値として選択し、モデル４に対しては、tm／tms =1を適値として選択する。尚、推力リップルは、
（推力波形の最大値−推力波形の最小値）／推力波形の平均値
で与えられる。
【００３２】
ステップ８０１、８０２にて選択されたモデル１、モデル２、モデル３、モデル４を図９のテーブルに示す。
【００３３】
次に、ステップ８０３にて、図９のモデル１、２、３、４から平均推力密度及び推力リップルに応じて最適モデルを決定する。平均推力密度の各モデル１、２、３、４間の差は小さいが、推力リップルについては、モデル１が最も小さかったので、モデル１を最適モデルとして決定する。
【００３４】
次に、ステップ８０４において、ステップ８０３にて決定された最適モデル１に対して可動子３の厚さhmを決定する。つまり、最適モデル１に対して可動子３の厚さhmを変化させた場合、可動子３の厚さhmの増加と共に、平均推力は増加するが、平均推力密度はhm=0.5mmで最大となったので、可動子３の厚さhmとして0.5mmを決定する。
【００３５】
ステップ８０５にて図８のルーチンは終了し、図１のＥＭ形アクチュエータの最適形状パラメータは図１０に示すごとくなる。尚、図１０において、エアギャップG=0.1mmである。
【００３６】
図１１は図１０の最適形状パラメータを有する図１のＥＭ形アクチュエータにおける可動子３のＸ方向のマイナス側つまり右方向移動を説明する図である。
【００３７】
すなわち、可動子現在位置x=-2mmのときに、平行磁束作用駆動状態SPから垂直磁束作用駆動状態SVへ切替わる。
【００３８】
次に、可動子現在位置x=-1mmを含む-2mm<x<0のときに、垂直磁束作用駆動状態SVの図１１の右方向の推力Tは大きくなる。
【００３９】
次に、可動子現在位置x=0のときに、垂直磁束作用駆動状態SVから平行磁束作用駆動状態SPへ切替わる。
【００４０】
次に、可動子現在位置x=1mmを含む0<x<2mmのときに、平行磁束作用駆動状態SPの図１１の右方向の推力Tは大きくなる。
【００４１】
次に、可動子現在位置x=2mmのときに、平行磁束作用駆動状態SPから垂直磁束作用駆動状態SVへ切替わる。
【００４２】
このように、垂直磁束作用駆動状態SV及び平行磁束作用駆動状態SPを反復繰返すことによる大きな平均推力によって可動子３は図１１の右方向に移動することになる。
【００４３】
図１２は図１０の最適形状パラメータを有する図１のＥＭ形アクチュエータにおける可動子３のＸ方向のプラス側つまり左方向移動を説明する図である。
【００４４】
すなわち、可動子現在位置x=2mmのときに、平行磁束作用駆動状態SPから垂直磁束作用駆動状態SVへ切替わる。
【００４５】
次に、可動子現在位置x=1mmを含む0<x<2mmのときに、垂直磁束作用駆動状態SVの図１２の左方向の推力Tは大きくなる。
【００４６】
次に、可動子現在位置x=0のときに、垂直磁束作用駆動状態SVから平行磁束作用駆動状態SPへ切替わる。
【００４７】
次に、可動子現在位置x=-1mmを含む-2mm<x<0のときに、平行磁束作用駆動状態SPの図１２の左方向の推力Tは大きくなる。
【００４８】
次に、可動子現在位置x=-2mmのときに、平行磁束作用駆動状態SPから垂直磁束作用駆動状態SVへ切替わる。
【００４９】
このように、垂直磁束作用駆動状態SV及び平行磁束作用駆動状態SPを反復繰返すことによる大きな平均推力によって可動子３は図１２の左方向に移動することになる。
【００５０】
図１３は図１のＥＭ形アクチュエータの変更例を示す全体斜視図である。図１３のＥＭ形アクチュエータは単相可動子多層形である。図１３のＥＭ形アクチュエータの平均推力は、
奥行方向長さLY、
可動子３の磁性体３１の数nm、
可動子３の積層数nL、
に依存する。たとえば、図１０の最適形状パラメータを用いた図１３のEM型アクチュエータにおいて、奥行方向長さLYが30mm、可動子３の磁性体３１の数nmが15、可動子３の積層数nLが2の場合には、コイル２ａ、２ｂのコイル占有率を60％、電流密度を56A/mm2とすれば、平均推力は約72N、平均推力密度は約191.7N/kgとなった。
【００５１】
図１４は、図１３のＥＭ形アクチュエータにおいて、図１０の最適形状パラメータを用いて可動子３の磁性体３１の数nmを1から5に変化させた場合の平均推力を示す。すなわち、垂直磁束作用駆動状態SVのみによって駆動した場合の平均推力、平行磁束作用駆動状態SPのみによって駆動した場合の平均推力、及び垂直磁束作用駆動状態SVと平行磁束作用駆動状態SPとによって駆動した場合の平均推力は、いずれも、可動子３の磁性体３１の数nmの増加と共に増加する。つまり、可動子３の磁性体３１の数nmの効果がある。この場合、全長L=20mmの場合、その効果はnm=5が最大である。また、可動子３の磁性体３１の数nmがいずれの値でも、垂直磁束作用駆動状態SV及び平行磁束作用駆動状態SPによって駆動した場合の平均推力は、垂直磁束作用駆動状態SVのみによって駆動した場合の平均推力と、平行磁束作用駆動状態SPによって駆動した場合の平均推力との和となっており、大きくなっていることが分かる。尚、図１４の効果は図１の単相型で可動子が１つの構造の場合にも当てはまる。
【００５２】
図１５は、図１３のＥＭ形アクチュエータにおいて、図１０の最適形状パラメータを用いて可動子３の数nLを1から3に変化させた場合の平均推力を示す。すなわち、垂直磁束作用駆動状態SVのみによって駆動した場合の平均推力、平行磁束作用駆動状態SPのみによって駆動した場合の平均推力、及び垂直磁束作用駆動状態SVと平行磁束作用駆動状態SPとによって駆動した場合の平均推力は、いずれも、可動子３の数nLの増加と共に増加する。つまり、可動子３の数nLの積層効果がある。また、可動子３の数nLがいずれの値でも、垂直磁束作用駆動状態SV及び平行磁束作用駆動状態SPによって駆動した場合の平均推力は、垂直磁束作用駆動状態SVのみによって駆動した場合の平均推力と、平行磁束作用駆動状態SPによって駆動した場合の平均推力との和となっており、大きくなっていることが分かる。
【００５３】
図１６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。尚、図１６のＥＭ形アクチュエータは三相型で各A相、B相及びC相の可動子が２つの構造であり、可動子３はＸ方向に駆動可能である。また、可動子３はＹ方向にも移動容易となっている。これにより、平面モータにも適用し得る。
【００５４】
図１６のＥＭ形アクチュエータにおいても、９個の固定子１及び８個の可動子３は図１０の最適形状パラメータを採用する。尚、この場合、A相の３つの固定子１は、A相電流IAが供給される中央の固定子１（コイル）を挟んで両側の固定子１（コイル）にはD相（Da層）電流ID（IDa）が供給される。各B相、C相の３つの固定子１も同様である。
【００５５】
図１６のＥＭ形アクチュエータの参考駆動状態として右方向の垂直磁束作用駆動状態SVのみを行った場合について図１７を参照して説明する。尚、図１７においては、説明を単純化するために、各A相、B相、C相の可動子３は１つとする。
【００５６】
図１７においては、A相、B相及びC相の可動子３がＸ方向のプラス側つまり右方向に移動して可動子現在位置xがx=0mmからx=1mmに変化している。この場合、x=0mmのときには、A相、B相のみが垂直磁束作用駆動状態SVとなり、C相は休止状態となり、また、x=0.33mmのときには、A相のみが垂直磁束作用駆動状態SVとなり、B相、C相は休止状態となり、さらに、x=0.67mmのときには、A相、C相のみが垂直磁束作用駆動状態SVとなり、B相は休止状態となり、さらにまた、x=1.0mmのときには、C相のみが垂直磁束作用駆動状態SVとなり、A相、B相は休止状態となる。この結果、休止期間の存在のために、１相の推力TVもしくは２相の推力TVの合成力である推力Tは比較的小さくなるが、推力TV自体が大きいので、A相、B相及びC相の合計の平均推力は20N程度となる。尚、各A相、B相、C相の電流はたとえば4Aであり、これに対応する各Da相、Db相、Dc相の電流の位相変化はなく、振幅のみがA相、B相、C相の電流と同一である。
【００５７】
図１６のＥＭ形アクチュエータの参考駆動状態として右方向の平行磁束作用駆動状態SPのみを行った場合について図１８を参照して説明する。尚、図１８においても、説明を単純化するために、各A相、B相及びC相の可動子３は１つとする。
【００５８】
図１８においても、A相、B相及びC相の可動子３がＸ方向のプラス側つまり右方向に移動して可動子現在位置xがx=0mmからx=1mmに変化している。この場合、x=0mmのときには、C相のみが平行磁束作用駆動状態SPとなり、A相、B相は休止状態となり、また、x=0.33mmのときには、B相、C相のみが平行磁束作用駆動状態SPとなり、A相は休止状態となり、さらに、x=0.67mmのときには、B相のみが平行磁束作用駆動状態SPとなり、A相、C相は休止状態となり、さらにまた、x=1.0mmのときには、A相、B相のみが平行磁束作用駆動状態SPとなり、C相は休止状態となる。この結果、さらに、休止期間の存在のために、１相の推力TPもしくは２相の推力TPの合成力である推力Tは比較的小さくなり、推力TP自体も小さいので、A相、B相及びC相の合計の平均推力は3N程度である。尚、各A相、B相、C相の電流はたとえば-4Aであり、これに対応する各Da相、Db相、Dc相の電流はA相、B相、C相の電流と逆相の電流である。
【００５９】
図１６のＥＭ形アクチュエータの本発明の駆動状態として右方向の垂直磁束作用駆動状態SV及び右方向の平行磁束作用駆動状態SPの両方を行った場合について図１９を参照して説明する。尚、図１９においても、説明を単純化するために、各A相、B相及びC相の可動子３は１つとする。
【００６０】
図１９においては、A相、B相及びC相の可動子３がＸ方向のプラス側つまり右方向に移動して可動子現在位置xがx=0mmからx=1mmに変化している。この場合、x=0mmのときには、A相、B相が垂直磁束作用駆動状態SVとなり、C相が平行磁束作用駆動状態SPとなり、また、x=0.33mmのときには、A相が垂直磁束作用駆動状態SVとなり、B相、C相が平行磁束作用駆動状態SPとなり、さらに、x=0.67mmのときには、A相、C相が垂直磁束作用駆動状態SVとなり、B相が平行磁束作用駆動状態SPとなり、さらにまた、x=1.0mmのときには、C相が垂直磁束作用駆動状態SVとなり、A相、B相が平行磁束作用駆動状態SPとなる。この結果、３相の合成力、つまり、１相の推力TV及び２相の推力TPの合成力または２相の推力TV及び１相の推力TPの合成力である推力Tは非常に大きくなり、さらに、休止期間が存在しないので、A相、B相及びC相の合計の平均推力は25N程度となる。この場合、各A相、B相、C相の電流は、図２０に示すように、垂直磁束作用駆動状態SVではたとえば4Aであり、平行磁束作用駆動状態SPではたとえば-4Aであり、D相の電流IDは常に4Aである。
【００６１】
図２１は図１９の変更例を示し、各A相、B相及びC相毎に２つの可動子３が設けられているものとする。この場合も、図１９の場合と同様に、図２０の各A相、B相、C相、D相の電流IA、IB、IC、IDの基で休止期間がなく、垂直磁束作用駆動状態SV及び平行磁束作用駆動状態SPのいずれかとなり、推力TV及び推力TPの合成力である推力Tは非常に大きくなる。たとえば、図１９の場合の推力に比較して2倍程度大きくなり、可動子３の積層効果を発揮できる。
【００６２】
図２２は図１６のＥＭ形アクチュエータの変更例を示す全体斜視図である。図１６においては、A相、B相及びC相の各相に対して３個の固定子１を設け、つまり、合計９個の固定子１を設けているが、図２２においては、A相、B相及びC相の各相に対して３個の固定子１を設けるが、A相、B相間のD相用固定子１は共用とし、B相、C相間のD相用固定子１は共用とし、つまり、合計７個の固定子１を設けてある。従って、図２２のＥＭ形アクチュエータは図１６のＥＭ形アクチュエータより小型化でき、かつ製造コストを低減できる。
【００６３】
図２３は図２２のＥＭ形アクチュエータの駆動状態として右方向の垂直磁束作用駆動状態SV及び右方向の平行磁束作用駆動状態SPの両方を行った場合を説明する図であって、図２１に対応する。すなわち、図２１の場合と同様の推力Tが得られる。
【００６４】
一般に、可動子３を2n(n=2,3,…)積層した場合には、たとえば、各A相、B相及びC相の可動子３を4個積層した場合には、
D相固定子コア（コイル）
A相固定子コア（コイル）
D相固定子コア（コイル）
A相固定子コア（コイル）
D相固定子コア（コイル）
A相固定子コア（コイル）
D相固定子コア（コイル）
A相固定子コア（コイル）
D相固定子コア（コイル）
B相固定子コア（コイル）
D相固定子コア（コイル）
B相固定子コア（コイル）
D相固定子コア（コイル）
B相固定子コア（コイル）
D相固定子コア（コイル）
B相固定子コア（コイル）
D相固定子コア（コイル）
C相固定子コア（コイル）
D相固定子コア（コイル）
C相固定子コア（コイル）
D相固定子コア（コイル）
C相固定子コア（コイル）
D相固定子コア（コイル）
C相固定子コア（コイル）
D相固定子コア（コイル）
のごとく、積層すればよい。つまり、D相固定子コアを外側として、D相固定子コア（コイル）と、A相固定子コア（コイル）、B相固定子コア（コイル）及びC相固定子コア（コイル）のいずれか１つとを交互に配列すればよい。
【００６５】
図２４は図１、図１３、図１６、図２２のコイルたとえば２ａ、２ｂの第１の例を示し、（Ａ）は組立前の平面図、（Ｂ）は組立を説明するための斜視図である。すなわち、図２４の（Ａ）に示すごとく、幅方向に平行に配列された複数の導体２４１を、フラットケーブルのごとく、Ｌ字状に束ねて絶縁体２４２で覆う。この場合、導体２４１の各端部には導体面層２４１ａあるいは２４１ｂが形成されており、導体面層２４１ａ、２４１ｂは絶縁体２４２によって被覆されていない。従って、図２４の（Ｂ）に示すごとく、図２４の（Ａ）のコイルを、固定子コア１ａ（１ｂ）のスロットに巻回して導体面層２４１ｂが形成された部分を折り曲げた後に、導体面層２４１ａと導体面層２４１ｂとを対応させて接続する。この場合、導体面層２４１ａの全体と導体面層２４１ｂの全体とを導体１個分だけずらして接続し、１本の電気的に接続された導線とする。接続されなかった１つの導体面層２４１ａ及び１つの導体面層２４１ｂから配線を引出す。これにより、コイルの巻回作業の時間及び労力を軽減できる。尚、必要に応じて図２４のコイルを複数個積層することもできる。
【００６６】
図２５Ａは図１、図１３、図１６、図２２のコイルたとえば２ａ、２ｂの第２の例を示す。すなわち、図２５Ａに示すごとく、幅方向に平行に配列された複数の導体２５１を、フラットケーブルのごとく、Ｕ字状に束ねて絶縁体２５２で覆う。この場合、導体２５１の端部には導体面層２５１ａ、２５１ｂが形成されており、導体面層２５１ａ、２５１ｂは絶縁体２５２によって被覆されていない。従って、図２５Ａのコイルを、固定子コア１ａ（１ｂ）の２つのスロットに嵌め込み、さらに、図２５Ａのもう１つのコイルを裏返して固定子コア１ａ（１ｂ）の隣の２つのスロットに巻回した後に、一方のコイルの導体面層２５１ａ（２５１ｂ）と他方のコイルの導体面層２５１ｂ（２５１ａ）とを対応させれば容易に接続できる。この場合、最左の導体面層２５１ａ（２５１ｂ）及び最右の導体面層２５１ａ（２５１ｂ）から配線を引出す。これにより、コイルの巻回作業の時間及び労力を軽減できる。尚、必要に応じて図２５Ａのコイルを複数個積層することもできる。また、図２５ＡのコイルはＥＭ形アクチュエータの固定子コアのスロットが偶数個の場合に適するが、固定子コアのスロットが奇数個の場合には、図２４のコイルを組合わせればよい。尚、図２５Ｂに示すごとく、図２５Ａの導体面層２５１ａ、２５１ｂを導体面層２５１ａ’、２５１ｂ’としても、同様である。
【００６７】
図２６は図１、図１３、図１６、図２２のコイルたとえば２ａ、２ｂの第３の例を示し、（Ａ）は全体斜視図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ部拡大平面図、（Ｃ）は（Ａ）のＣ部拡大平面図である。図２、図４のＸＹ面上を見ると、コイルの電流方向は常に交互に逆向きになっている。すなわち、図２６の（Ａ）に示すごとく、コイル２６においては、幅方向に平行に配列された複数の導体２６１を、フラットケーブルのごとく、蛇行形状に束ねて絶縁体２６２で覆う。この場合、図２６（Ｂ）、（Ｃ）に示すごとく、導体２６１の端部２６１ｂ、２６１ｃは絶縁体２６２によって被覆されていない。従って、図２７に示すごとく、図２６のコイルを、固定子コア１ａ（１ｂ）の５つのスロットに嵌め込む。この場合、絶縁体２６２によって被覆されていない導体２６１ｂ及び導体２６１ｃから配線を引出す。これにより、コイルの巻回作業の時間及び労力を軽減できる。また、必要に応じて図２６のコイル２６を積層することもできる。たとえば、コイル２６’、２６”、２６’’’をさらに積層する場合には、コイル２６、２６”に対してコイル２６’、２６’’’を裏返すことにより、コイル２６の端部２６１ｂ、２６１ｃとコイル２６’の端部２６１ｃ、２６１ｂとが接続され、コイル２６”の端部２６１ｂ、２６１ｃとコイル２６’’’の端部２６１ｃ、２６１ｂとが接続され、コイル２６、２６’、２６”、２６’’’が１つのコイルとなる。
【００６８】
また、図２６、図２７においては、導体２６１の端部全体を絶縁体２６２で被覆していないが、図２８に示すごとく、導体２６１の必要最小限のみを露出させることにより短絡を防止することができる。
【００６９】
図１、図１３、図１６、図２２のＥＭ形アクチュエータにおいては、コア歯が固定子コアの両面に設けられ、コイルはこれらの固定子コアの両面のコア歯のスロットに設けられている。しかし、図１、図１３、図１６、図２２のＥＭ形アクチュエータにおいて、図２５もしくは図２６、図２７のコイルを設ける場合には、たとえば、図２及び図４に対応する図２９の（Ａ）、（Ｂ）に示すごとく、可動子が存在する側の固定子コアの面のみに設ければよい。これにより、ＥＭ形アクチュエータの小型化が図れる。
【００７０】
図３０は図１６、図２２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し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は平面図である。図３０の平面モータのサイズは、たとえば、横×縦×高さ=276mm×276mm×59.2mmである。
【００７１】
図３０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１６、図２２のＥＭ形アクチュエータを構成する。
【００７２】
図３１は図３０のリニアアクチュエータ５３Ｘ（５３Ｙ）のサイズの例を説明するものであり、（Ａ）は縦断面図、（Ｂ）は側面図である。
【００７３】
図３１に示すように、リニアアクチュエータ５３Ｘ（５３Ｙ）は、幅tc=1.2mm及びスロット幅ts=2.8mmの24個のコア歯よりなる固定子コア１及びコイル２よりなり、奥行方向長さは114.8mmである。A相、B相、C相の各固定子コア１の厚さは5mmであり、固定子コア１は厚さ0.7mmの接着層４によって接着されている。従って、固定子コアの全厚さは59.2mmとなる。
【００７４】
図３２は図３１の変更例を示し、図２２、図２３の場合と同様に、A相、B相、C相間のD相を１つにしたものである。これにより、固定子コアの全厚さは50.6mmとなり、平面モータの小型化が図れる。
【００７５】
図３０、図３１もしくは図３２に示す平面モータは、図３３に示すごとく、駆動する。たとえば、図３３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３３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。
【００７６】
図３０、図３１もしくは図３２に示すごとく、構成された平面モータは、
ステージストローク：±19.6mm
平均推力：約144N
ステージ推力密度：約191.7N/kg
を達成できた。
【符号の説明】
【００７７】
１ａ、１ｂ、１：固定子コア
１１、１２：コア歯
２ａ、２ｂ、２、：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】
2014007825.tif 000003
【図２】
2014007825.tif 000004
【図３】
2014007825.tif 000005
【図４】
2014007825.tif 000006
【図５】
2014007825.tif 000007
【図６】
2014007825.tif 000008
【図７】
2014007825.tif 000009
【図８】
2014007825.tif 000010
【図９】
2014007825.tif 000011
【図１０】
2014007825.tif 000012
【図１１】
2014007825.tif 000013
【図１２】
2014007825.tif 000014
【図１４】
2014007825.tif 000015
【図１５】
2014007825.tif 000016
【図１７】
2014007825.tif 000017
【図１８】
2014007825.tif 000018
【図１９】
2014007825.tif 000019
【図２０】
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【図２１】
2014007825.tif 000021
【図２２】
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【図２３】
2014007825.tif 000023
【図２４】
2014007825.tif 000024
【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図１３】
2014007825.tif 000034
【図１６】
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【図３０】
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