(57)【要約】  平面モータ（１０）は、可動子（２０）と、固定子（３０）と、制御回路（４０）と、を備える。可動子（２０）は、永久磁石（２１）又は電磁石（２１ｂ）を有する。固定子（３０）は、可動子（２０）と対向する主面（３１ａ）、及び、主面（３１ａ）に沿って配置される薄膜状の複数のパターンコイル（３３）を有する。制御回路（４０）は、ハーフブリッジ回路又はフルブリッジ回路で構成され、複数のパターンコイル（３３）への電力供給を制御するための複数のスイッチング素子を有する。制御回路（４０）は、ハイサイド及びローサイドに配置されたスイッチング素子を制御し、パターンコイル（３３）に流れる電流方向を切り替えることで、パターンコイル（３３）の磁極を変化させる。
2019142605.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石又は電磁石を有する可動子と、
前記可動子と対向する主面、及び、前記主面に沿って配置される複数のコイルを有する固定子と、
ハーフブリッジ回路又はフルブリッジ回路で構成され、前記複数のコイルへの電力供給を制御するための複数のスイッチング素子を有する制御回路と、を備え、
前記制御回路は、ハイサイド及びローサイドに配置された前記スイッチング素子を制御し、前記コイルに流れる電流方向を切り替えることで、前記コイルの磁極を変化させる、
平面モータ。
【請求項２】
前記制御回路は、ハイサイドに配置された前記スイッチング素子をオフにし、ローサイドに配置された前記スイッチング素子をオンにし、前記コイルに逆起電力を発生させることで、前記可動子を制動動作させる、
請求項１記載の平面モータ。
【請求項３】
前記制御回路は、前記スイッチング素子を交流信号によって制御し、
前記可動子は、前記交流信号の周波数に応じた移動速度で移動する、
請求項１又は２記載の平面モータ。
【請求項４】
前記交流信号には、前記可動子の進行方向前側に配置された前記コイルに対する第１交流信号と、前記可動子の進行方向後側に配置された前記コイルに対する第２交流信号と、が含まれ、
前記第１交流信号と、前記第２交流信号とは位相が３／８波長〜５／８波長分ずれている、
請求項３記載の平面モータ。
【請求項５】
前記交流信号は、パルス信号であり、
前記制御回路は、ＰＷＭ制御と、ＰＦＭ制御と、ＰＦＷＭ制御と、からなる群から選ばれる１つの制御方法によって、前記コイルに流れる電流を制御することで、前記可動子の推進力を制御する、
請求項３又は４記載の平面モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可動子を平面に沿って二次元的に移動させる平面モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、可動子を平面に沿って二次元的に移動させる平面モータが知られている。例えば、特許文献１には、複数の可動子を別々に移動させることができるリニア電磁型マイクロアクチュエータが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１２５５３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、特許文献１に係るリニア電磁型マイクロアクチュエータでは、配線毎にスイッチング素子を接続してドライブ回路を構成している。そして、可動子の移動に合わせてスイッチング素子を選択的にＯＮ／ＯＦＦ制御して平面コイルの励磁領域を順次切り替えるようにしている。【０００５】
つまり、配線毎にスイッチング素子を接続してドライブ回路を構成しているため、平面コイルの磁極の切り替えを行っていない。そして、平面コイルの磁極の切り替えを行おうとすれば、構成がより複雑になってしまう。【０００６】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものである。その目的は、簡素な構成でパターンコイルの極性を切り替え可能な平面モータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明に係る平面モータは、永久磁石又は電磁石を有する可動子と、前記可動子と対向する主面、及び、前記主面に沿って配置される複数のコイルを有する固定子と、ハーフブリッジ回路又はフルブリッジ回路で構成され、前記複数のパターンコイルへの電力供給を制御するための複数のスイッチング素子を有する制御回路と、を備え、前記制御回路は、ハイサイド及びローサイドに配置された前記スイッチング素子を制御し、前記パターンコイルに流れる電流方向を切り替えることで、前記パターンコイルの磁極を変化させる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る平面モータを用いれば、簡素な構成でパターンコイルの極性を切り替えることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、実施の形態１に係る平面モータの概略構成を示す平面図である。
【図２】図２は、実施の形態１に係る平面モータの模式断面図である。
【図３】図３は、可動子が有する永久磁石のＳ極及びＮ極の並び方向が、固定子の主面に沿う配置例を示す模式断面図である。
【図４】図４は、可動子が２つの永久磁石を有する場合の永久磁石の配置の一例を示す平面図である。
【図５】図５は、回路基板の表面を示す平面図である。
【図６】図６は、回路基板の裏面を示す平面図である。
【図７】図７は、フルブリッジ回路で構成した制御回路の例を示す模式回路図である。
【図８】図８は、ハーフブリッジ回路で構成した制御回路の例を示す模式回路図である。
【図９】図９は、回路基板の表面の別の例を示す平面図である。
【図１０】図１０は、回路基板の裏面の別の例を示す平面図である。
【図１１】図１１は、可動子を吸引力によって移動させる例を示す模式断面図である。
【図１２】図１２は、可動子を反発力によって移動させる例を示す模式断面図である。
【図１３】図１３は、可動子を吸引力及び反発力によって移動させる例を示す模式断面図である。
【図１４】図１４は、磁性体を含む基板の平面図である。
【図１５】図１５は、磁性体を含む基板の模式断面図である。
【図１６】図１６は、中心部に磁性体が配置されたパターンコイルを有する回路基板の平面図である。
【図１７】図１７は、中心部に磁性体が配置されたパターンコイルの模式断面図である。
【図１８】図１８の（ａ）は、パターンコイルが形成された回路基板が複数積層された固定子の構造を示す模式平面図であり、図１８の（ｂ）は、パターンコイルが形成された回路基板が複数積層された固定子の構造を示す模式断面図である。
【図１９】図１９は、３つの基板層の積層体の上方にさらに磁性体が配置された固定子の模式断面図である。
【図２０】図２０は、磁性体及び導電ビア構造の間、並びに、磁性体及び基板層の間に、絶縁膜が配置された固定子の模式断面図である。
【図２１】図２１は、実施の形態２に係る平面モータの構成を示す斜視図である。
【図２２】図２２は、実施の形態２の変形例に係る平面モータの構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下では、実施の形態に係る平面モータについて、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本発明の一例を示すものであって、数値、構成要素、動作等についても一例に過ぎず、本発明を限定する趣旨のものではない。
【００１１】
また、各図は模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。また、各図において、実質的に同一の構成については、同一の符号を付しており、重複する説明は省略又は簡略化することがある。
【００１２】
また、以下の実施の形態で説明に用いられる図面においては座標軸が示される場合がある。座標軸におけるＺ軸方向は、例えば、鉛直方向であり、Ｚ軸＋側は、上側（上方）と表現され、Ｚ軸−側は、下側（下方）と表現される。Ｚ軸方向は、言い換えれば、固定子が有する主面に垂直な方向である。また、Ｘ軸方向及びＹ軸方向は、Ｚ軸方向に垂直な平面（水平面）上において、互いに直交する方向である。Ｘ−Ｙ平面は、固定子が有する主面に平行な平面である。例えば、以下の実施の形態において、「平面視」とは、Ｚ軸方向から見ることを意味する。また、図面において、永久磁石または電磁石のＮ極は、「Ｎ」と記載され、永久磁石または電磁石のＳ極は、「Ｓ」と記載される。
【００１３】
（実施の形態１）
以下、実施の形態１に係る平面モータの構成について図面を用いて説明する。図１は、実施の形態１に係る平面モータの概略構成を示す平面図である。図２は、実施の形態１に係る平面モータの模式断面図である。
【００１４】
図１及び図２に示されるように、実施の形態１に係る平面モータ１０は、可動子２０と、固定子３０と、制御回路４０とを備える。平面モータ１０は、固定子３０が有する主面３１ａに沿って可動子２０を２次元的に移動させるリニアモータ（電磁アクチュエータ）である。
【００１５】
まず、可動子２０について説明する。可動子２０は、平面モータ１０における移動対象物である。可動子２０は、永久磁石２１を有する。永久磁石２１は、例えば、フェライト磁石であるが、アルニコ磁石、または、ネオジム磁石などであってもよく、永久磁石２１を形成する磁性材料は特に限定されない。
【００１６】
図２の例では、永久磁石２１は、Ｓ極及びＮ極の並び方向が主面３１ａに交差し、Ｎ極がＳ極よりも主面３１ａ寄りに位置するように配置されている。しかしながら、永久磁石２１は、Ｓ極がＮ極よりも主面３１ａ寄りに位置するように配置されてもよい。永久磁石２１は、永久磁石２１のＳ極及びＮ極の並び方向が主面３１ａと交差するように配置されればよい。
【００１７】
また、永久磁石２１は、永久磁石２１のＳ極及びＮ極の並び方向が、主面３１ａに沿うように配置されてもよい。図３は、可動子２０が有する永久磁石２１のＳ極及びＮ極の並び方向が、主面３１ａに沿う配置例を示す模式断面図である。
【００１８】
なお、可動子２０は、少なくとも１つの永久磁石２１を有していればよく、可動子２０が有する永久磁石２１の個数は特に限定されない。例えば、可動子２０が２つの永久磁石２１を有する場合、２つの永久磁石２１のそれぞれは、例えば、図４に示されるように、Ｓ極及びＮ極の並び方向が主面３１ａに沿うように配置される。図４は、可動子２０が２つの永久磁石２１を有する場合の永久磁石の配置の一例を示す平面図である。
【００１９】
次に、固定子３０について説明する。固定子３０は、可動子２０を移動させるための構造体であり、建築物などに固定される。固定子３０は、カバー部材３１と、回路基板３２とを有する。
【００２０】
カバー部材３１は、回路基板３２を覆う板状またはシート状の部材である。カバー部材３１の平面視形状は、矩形であるが、円形等その他の形状であってもよい。カバー部材３１の上面は、固定子３０が有する主面３１ａとなる。主面３１ａは、可動子２０と対向する。主面３１ａは、可動子２０（永久磁石２１）が固定子３０に吸着してしまうことを抑制するために、透磁率が無い、若しくは低い材料によって形成される。カバー部材３１は、具体的には、樹脂材料などの非金属材料（絶縁性を有する材料）によって形成される。
【００２１】
回路基板３２は、表面に薄膜状のパターンコイル３３が複数形成される薄膜状（シート状）の基板である。回路基板３２の平面視形状は、矩形であるが、円形等その他の形状であってもよい。回路基板３２の基材は、例えば、ガラエポなどの樹脂材料によって形成される。回路基板３２の厚みは、例えば、１７０μｍ〜２００μｍ程度である。
【００２２】
回路基板３２の表面には、複数のパターンコイル３３が形成される。図５は、回路基板３２の表面を示す平面図である。なお、図５は、模式図であり、図５に示される複数のパターンコイル３３の数は一例である。
【００２３】
図５に示されるように、回路基板３２の表面には、複数のパターンコイル３３がマトリクス状に配置される。複数のパターンコイル３３のそれぞれは、巻回軸が主面３１ａに垂直な方向に沿う矩形巻回状の配線であるが、円形巻回状等、他の巻回状であってもよい。複数のパターンコイル３３の巻回方向は、同一であるが、異なってもよい。
【００２４】
パターンコイル３３の巻回中心付近に位置する一方の端部（内周側に位置する一方の端部）は、導電ビア構造３５によって回路基板３２の裏面に形成された配線３６に電気的に接続される。図６は、回路基板３２の裏面を示す平面図である。パターンコイル３３の外周側に位置する他方の端部は、制御回路４０に電気的に接続される。
【００２５】
パターンコイル３３、導電ビア構造３５、及び、配線３６は、例えば、銅などの金属材料によって形成される。パターンコイル３３及び配線３６は、例えば、エッチングによって形成される。
【００２６】
次に、図７及び図８を用いて、制御回路４０について説明する。制御回路４０は、複数のパターンコイル３３の駆動を制御する回路である。図７は、フルブリッジ回路で構成した制御回路の例を示す模式回路図である。また、図８は、ハーフブリッジ回路で構成した制御回路の例を示す模式回路図である。
【００２７】
なお、図５及び図６においては、制御回路４０の詳細については省略して記載しており、制御回路４０（制御部４１）は、一つのパターンコイル３３の駆動を制御するように図示されているが、実際には、複数のパターンコイル３３の駆動を制御する。
【００２８】
制御部４１は、例えば、複数のパターンコイル３３のそれぞれに対して、（ａ）電力を供給しない、（ｂ）第一の極性（例えば、正極性）の直流電圧を供給する、及び、（ｃ）第一の極性の逆の第二の極性（例えば、負極性）の直流電圧を供給する、のいずれかを行う。第一の極性の直流電圧が供給されたパターンコイル３３は、例えば、主面３１ａ側がＳ極の電磁石として機能し、第二の極性の直流電圧が供給されたパターンコイル３３は、例えば、主面３１ａ側がＮ極の電磁石として機能する。
【００２９】
図７に示したようなフルブリッジ回路４２を用いた制御回路４０の、パターンコイル３３の制御動作について説明する。フルブリッジ回路４２は、図７に示すように、４つのスイッチング素子４３ａ、４３ｂ、４３ｃ及び４３ｄを備える。
【００３０】
以下において、「ハイサイド」に配置されたスイッチング素子とは、電流の上流側の２つのスイッチング素子４３ａ及び４３ｂである。また、「ローサイド」に配置されたスイッチング素子とは、電流の下流側の２つのスイッチング素子４３ｃ及び４３ｄである。
【００３１】
制御部４１は、パターンコイル３３に電力を供給しない場合、スイッチング素子４３ａ及び４３ｂをオフにする。スイッチング素子４３ａ及び４３ｂをオフにした場合、そのフルブリッジ回路４２に接続されたパターンコイル３３には、電力が供給されなくなる。
【００３２】
制御部４１は、パターンコイル３３に第一の極性の直流電圧を供給する場合、スイッチング素子４３ａ及び４３ｄをオンにし、スイッチング素子４３ｂ及び４３ｃをオフにする。スイッチング素子４３ａ及び４３ｄをオンにし、スイッチング素子４３ｂ及び４３ｃをオフにした場合、そのフルブリッジ回路４２に接続されたパターンコイル３３には、第一の極性の直流電圧が供給される。
【００３３】
制御部４１は、パターンコイル３３に第二の極性の直流電圧を供給する場合、スイッチング素子４３ｂ及び４３ｃをオンにし、スイッチング素子４３ａ及び４３ｄをオフにする。スイッチング素子４３ｂ及び４３ｃをオンにし、スイッチング素子４３ａ及び４３ｄをオフにした場合、そのフルブリッジ回路４２に接続されたパターンコイル３３には、第二の極性の直流電圧が供給される。
【００３４】
上記のようにフルブリッジ回路４２で制御回路を構成することで、１つの回路でパターンコイル３３の磁極の切り替えを行うことができる。つまり、より簡素な構成でコイルの極性を切り替えることができる。
【００３５】
また、制御部４１は、動いている可動子２０の動作を制動する場合、可動子２０の下方にあるパターンコイル３３の、ハイサイドに配置されたスイッチング素子４３ａ及び４３ｂをオフにし、ローサイドに配置されたスイッチング素子４３ｃ及び４３ｄをオンにする。ハイサイドに配置されたスイッチング素子４３ａ及び４３ｂをオフにし、ローサイドに配置されたスイッチング素子４３ｃ及び４３ｄをオンにし、パターンコイル３３への電力供給が停止することで、逆起電力が可動子２０に生じる。その逆起電力を用いて可動子２０を制動することができる。
【００３６】
図８に示したようなハーフブリッジ回路４４を用いた制御回路４０の、パターンコイル３３の制御動作について説明する。ハーフブリッジ回路４４は、図８に示すように、２つのスイッチング素子４５ａ及び４５ｂと、２つのコンデンサ４６ａ及び４６ｂと、を備える。
【００３７】
以下において、「ハイサイド」に配置されたスイッチング素子とは、電流の上流側のスイッチング素子４５ａである。また、「ローサイド」に配置されたスイッチング素子とは、電流の下流側のスイッチング素子４５ｂである。
【００３８】
制御部４１は、パターンコイル３３に電力を供給しない場合、スイッチング素子４５ａをオフにする。スイッチング素子４５ａをオフにした場合、コンデンサ４６ａが充電状態となり、そのハーフブリッジ回路４４に接続されたパターンコイル３３には、電力が供給されなくなる。
【００３９】
制御部４１は、パターンコイル３３に第一の極性の直流電圧を供給する場合、スイッチング素子４５ａをオンにし、スイッチング素子４５ｂをオフにする。スイッチング素子４５ａをオンにし、スイッチング素子４５ｂをオフにした場合、そのハーフブリッジ回路４４に接続されたパターンコイル３３には、コンデンサ４６ｂが充電状態になるまでの間、第一の極性の直流電圧が供給される。また、この際、コンデンサ４６ａは放電される。
【００４０】
制御部４１は、パターンコイル３３に第二の極性の直流電圧を供給する場合、スイッチング素子４５ｂをオンにし、スイッチング素子４５ａをオフにする。スイッチング素子４５ｂをオンにし、スイッチング素子４５ａをオフにした場合、そのハーフブリッジ回路４４に接続されたパターンコイル３３には、コンデンサ４６ａが充電状態になるまでの間、第二の極性の直流電圧が供給される。また、この際、コンデンサ４６ｂは放電される。
【００４１】
上記のようにハーフブリッジ回路４４で制御回路を構成することで、フルブリッジ回路４２を用いた場合と同様に、１つの回路でパターンコイル３３の磁極の切り替えを行うことができる。つまり、より簡素な構成でコイルの極性を切り替えることができる。
【００４２】
また、制御部４１は、動いている可動子２０の動作を制動する場合、可動子２０の下方にあるパターンコイル３３の、ハイサイドに配置されたスイッチング素子４５ａをオフにし、ローサイドに配置されたスイッチング素子４５ｂをオンにする。ハイサイドに配置されたスイッチング素子４５ａをオフにし、ローサイドに配置されたスイッチング素子４５ｂをオンに、パターンコイル３３への電力供給が停止することで、逆起電力が可動子２０に生じる。その逆起電力を用いて可動子２０を制動することができる。
【００４３】
ここで、フルブリッジ回路４２とハーフブリッジ回路４４のどちらを用いた場合でも、制御回路４０（制御部４１）は、交流信号で各スイッチング素子を制御することが好ましい。後述するように、平面モータ１０では、パターンコイル３３の磁極を切り替えていくことで、可動子２０の移動を制御する。故に、交流信号を用いて各スイッチング素子を制御すれば、可動子２０の移動速度を、その交流信号の周波数に応じた移動速度に制御することができる。
【００４４】
また、可動子２０の進行方向前側のパターンコイル３３に対する交流信号（第１交流信号）と、可動子２０の進行方向後側のパターンコイル３３に対する交流信号（第２交流信号）とが、位相が３／８波長〜５／８波長分ずれていることが好ましい。特に、第１交流信号と第２交流信号とは、位相が半波長分ずれていることがより好ましい。
【００４５】
後述するように、可動子２０の進行方向前側と後側の磁極は反対の磁極とすれば、可動子２０が比較的大きな推力を得ることができる。そのため、第１交流信号及び第２交流信号の位相が３／８波長〜５／８波長分ずれていれば、進行方向前側と後側の磁極は反対の磁極となるため、可動子２０が比較的大きな推力を得ることができる。特に、第１交流信号及び第２交流信号の位相が半波長分ずれていれば、進行方向前側と後側の磁極が常に反対の磁極となるため、可動子２０に比較的大きな推力を与えるのに好ましい。
【００４６】
さらに、この交流信号は、パルス信号であることが好ましい。交流信号がパルス信号であれば、パルス幅やパルスの周波数を制御することによって積算電流量が調整できるため、パルスを制御することで可動子２０に与える推力を容易に調整することができる。
【００４７】
なお、パルス信号を制御する方法としては、例えば、ＰＷＭ制御や、ＰＦＭ制御や、ＰＦＷＭ制御等があげられる。ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御とは、パルス周波数一定の条件下で、パルス幅を調整する制御である。ＰＦＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御とは、パルス幅一定の条件下で、パルス周波数を調整する制御である。ＰＦＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御とは、パルス幅及びパルス周波数の両方を調整する制御である。
【００４８】
このように、制御回路４０（制御部４１）は、複数のパターンコイル３３のそれぞれに直流電圧を供給し、当該直流電圧の極性を切り替えることができる。なお、直流電圧の極性を切り替えることは必須ではなく、制御回路４０は、少なくとも直流電圧の供給をオン及びオフできればよい。
【００４９】
制御部４１は、具体的には、プロセッサ、マイクロコンピュータ、及び、回路の少なくとも１つ以上によって実現される。図２では、制御回路４０は、回路基板３２の下方に配置されているが、回路基板３２の側方に配置されてもよい。
【００５０】
なお、図５及び図６に示される例では、制御回路４０（制御部４１）は、複数のパターンコイル３３のそれぞれを個別に制御するが、複数のパターンコイル３３をグループごとに制御してもよい。図９は、回路基板３２の表面の別の例を示す平面図であり、図１０は、回路基板３２の裏面の別の例を示す平面図である。図９及び図１０に示される回路基板３２に対しては、制御回路４０は、４つのパターンコイル３３からなるグループを一括して制御する。
【００５１】
一般に、小さなパターンコイル３３をマトリクス状に敷き詰めることで可動子２０の細かい移動が可能である。このとき、一つのパターンコイル３３の磁力が弱いような場合に、複数のパターンコイル３３を一つのグループとして制御することで、可動子２０の細かい移動を実現しつつ、磁力を高めることができる。
【００５２】
［動作］
次に、平面モータ１０の動作について説明する。平面モータ１０において、制御回路４０は、永久磁石２１及びパターンコイル３３の間に生じる吸引力によって可動子２０を移動させる。図１１は、可動子２０を吸引力によって移動させる例を示す模式断面図である。
【００５３】
図１１に示されるように、Ｎ極が主面３１ａに対向する永久磁石２１を有する可動子２０をＸ軸＋方向に移動させる場合、制御回路４０は、複数のパターンコイル３３のうち可動子２０のＸ軸＋方向側に位置するパターンコイル３３に第一の極性の直流電圧を供給する。これにより、第一の極性の直流電圧が供給されたパターンコイル３３は、主面３１ａ側がＳ極の電磁石として機能し、パターンコイル３３及び永久磁石２１の間に吸引力が発生する。可動子２０は、このような吸引力によってＸ軸＋方向に移動する。
【００５４】
なお、図１１では、１つの可動子２０（永久磁石）を移動させるために、可動子２０のＸ軸＋方向側に位置する２つ以上のパターンコイル３３に第一の極性の直流電圧が同時に供給されている。これにより、可動子２０に対して比較的大きな推力を与えることができる。
【００５５】
また、制御回路４０は、永久磁石２１及びパターンコイル３３の間に生じる反発力によって可動子２０を移動させてもよい。図１２は、可動子２０を反発力によって移動させる例を示す模式断面図である。
【００５６】
図１２に示されるように、Ｎ極が主面３１ａに対向する永久磁石２１を有する可動子２０をＸ軸＋方向に移動させる場合、制御回路４０は、複数のパターンコイル３３のうち可動子２０のＸ軸−方向側に位置するパターンコイル３３に第二の極性の直流電圧を供給する。これにより、第二の極性の直流電圧が供給されたパターンコイル３３は、主面３１ａ側がＮ極の電磁石として機能し、パターンコイル３３及び永久磁石２１の間に反発力が発生する。可動子２０は、このような反発力によってＸ軸＋方向に移動する。
【００５７】
なお、図１２では、１つの可動子２０（永久磁石）を移動させるために、可動子２０のＸ軸−方向側に位置する２つ以上のパターンコイル３３に第二の極性の直流電圧が同時に供給されている。これにより、可動子２０に対して比較的大きな推力を与えることができる。なお、平面視における一つの永久磁石２１の大きさは、例えば、一つのパターンコイル３３の大きさよりも大きい。
【００５８】
また、制御回路４０は、永久磁石２１及びパターンコイル３３の間に生じる吸引力、並びに、永久磁石２１及びパターンコイル３３の間に生じる反発力によって可動子２０を移動させてもよい。図１３は、可動子２０を吸引力及び反発力によって移動させる例を示す模式断面図である。
【００５９】
図１３に示されるように、Ｎ極が主面３１ａに対向する永久磁石２１を有する可動子２０をＸ軸＋方向に移動させる場合、制御回路４０は、複数のパターンコイル３３のうち可動子２０のＸ軸＋方向側に位置するパターンコイル３３に第一の極性の直流電圧を供給する。これにより、第一の極性の直流電圧が供給されたパターンコイル３３は、主面３１ａ側がＳ極の電磁石として機能し、パターンコイル３３及び永久磁石２１の間に吸引力が発生する。
【００６０】
また、制御回路４０は、複数のパターンコイル３３のうち可動子２０のＸ軸−方向側に位置するパターンコイル３３に第二の極性の直流電圧を供給する。これにより、第二の極性の直流電圧が供給されたパターンコイル３３は、主面３１ａ側がＮ極の電磁石として機能し、パターンコイル３３及び永久磁石２１の間に反発力が発生する。これにより、制御回路４０は、吸引力及び反発力を同時に使用して可動子２０をＸ軸＋方向に移動させることができる。
【００６１】
なお、図１３では、可動子２０のＸ軸＋方向側に位置する２つ以上のパターンコイル３３に第一の極性の直流電圧が同時に供給され、かつ、可動子２０のＸ軸−方向側に位置する２つ以上のパターンコイル３３に第二の極性の直流電圧が同時に供給されている。これにより、可動子２０に対して比較的大きな推力を与えることができる。
【００６２】
以上説明したように、平面モータ１０は、固定子３０が有する複数のパターンコイル３３を用いて可動子２０を移動させる。平面モータ１０においては、巻線コイルを使用した平面モータよりも固定子３０の小型化及び薄型化が容易となる。
【００６３】
［変形例１］
固定子３０は、さらに、複数のパターンコイル３３及び主面３１ａの間に磁性体を有してもよい。例えば、回路基板３２の上方には、磁性体を含む基板が配置されてもよい。図１４は、磁性体を含む基板の平面図であり、図１５は、磁性体を含む基板の模式断面図である。
【００６４】
図１４及び図１５に示されるように、基板５０では、パターンコイル３３に対応する位置に磁性体５１が配置されている。複数の磁性体５１は、複数のパターンコイル３３に１対１で対応する。磁性体５１は、平たい円柱状である。磁性体５１は、例えば、フェライト、ケイ素鋼板、酸化鉄、酸化クロム、または、コバルトなどである。基板５０の基材は、樹脂材料などの絶縁性を有する材料である。
【００６５】
このように、複数のパターンコイル３３のそれぞれの上方に磁性体５１が配置されれば、複数のパターンコイル３３の磁力を強めることができる。なお、基板５０は、例えば、カバー部材３１及び回路基板３２の間に配置されるが、基板５０に代えて、磁性体５１が埋め込まれたカバー部材３１が用いられてもよい。また、基板５０の全体が磁性体であってもよい。
【００６６】
また、固定子３０は、複数のパターンコイル３３の各中心部に磁性体を有してもよい。図１６は、中心部に磁性体が配置されたパターンコイル３３を有する回路基板３２ａの平面図であり、図１７は、中心部に磁性体が配置されたパターンコイル３３の模式断面図である。
【００６７】
図１６及び図１７に示されるように、回路基板３２ａでは、パターンコイル３３の中心部に磁性体５２が配置されている。回路基板３２ａの複数のパターンコイル３３の中心部に対応する位置には、スルーホールを含む導電ビア構造３５が設けられ、磁性体５２は、スルーホールに埋め込まれている。磁性体５２は、具体的には、樹脂バインダーに微粉末状の磁性体を混ぜたもの（例えば、ペースト状のフェライトなど）がスクリーン印刷されることにより、スルーホール内に配置される。なお、あらかじめスルーホール内に樹脂接着剤がコーティングされ、回路基板３２上に微粉末状の磁性体が配置された状態で回路基板３２に微細な振動を与えることによりスルーホール内に磁性体５２を配置することもできる。スルーホールには、固体のフェライトまたはケイ素鋼板などがはめ込まれていてもよい。
【００６８】
このように、複数のパターンコイル３３の中心部に磁性体５２が配置されれば、複数のパターンコイル３３の磁力を強めることができる。なお、磁性体５２が導電ビア構造３５に含まれるスルーホールに埋め込まれることは必須ではなく、磁性体５２は、どのような態様でパターンコイル３３の中心部に配置されてもよい。
【００６９】
［変形例２］
固定子３０は、回路基板３２が複数積層された構造を有していてもよい。図１８は、パターンコイル３３が形成された回路基板３２が複数積層された固定子の構造を示す模式平面図及び模式断面図である。
【００７０】
図１８の（ｂ）に示される固定子３０ａは、回路基板３２に相当する基板層が３つ積層された構造を有する。具体的には、基板層Ｌ１、Ｌ２、及び、Ｌ３が積層されている。３つの基板層のそれぞれは、基材層、基材層の表面に形成されたパターンコイル層、及び、基材層の裏面に形成された配線層を有する。また、固定子３０ａは、基板層Ｌ１及びＬ２の間に、層間絶縁膜Ｆ１を有し、基板層Ｌ２及びＬ３の間に、層間絶縁膜Ｆ２を有する。層間絶縁膜Ｆ１及びＦ２には、例えば、プリント基板の中間材料であるプリブレグなどを利用することができる。図１８の（ａ）に示されるように、パターンコイル層に形成されたパターンコイルの平面視形状は、例えば、円形巻回状である。
【００７１】
このような固定子３０ａでは、基板層の積層により磁力を強めることができるが、磁力が中間層である基板層Ｌ２に集まり、可動子２０に磁力が伝わりにくい場合がある。ここで、上記変形例１と同様に導電ビア構造３５に含まれるスルーホールであって、基板層Ｌ１、Ｌ２、及び、Ｌ３の積層体を貫通するスルーホールに磁性体５２が配置されれば、固定子３０ａのうち可動子２０側の磁力を強めることができる。
【００７２】
また、図１９に示されるように、固定子３０ａは、基板層Ｌ１、Ｌ２、及び、Ｌ３の積層構造の上方にさらに磁性体５３を有していてもよい。図１９は、基板層Ｌ１、Ｌ２、及び、Ｌ３の積層体の上方にさらに磁性体５３が配置された固定子３０ａの模式断面図である。これにより、固定子３０ａのうち可動子２０側の磁力を強めることができる。また、固定子３０ａの可動子と対向する主面における磁力の均一化を図ることができる。なお、磁性体５２及び５３は、一体的に形成されてもよいし、別体であってもよい。
【００７３】
なお、磁性体５２が導電性を有する場合、磁性体５２及び導電ビア構造３５の間には、絶縁膜が配置されてもよい。同様に、磁性体５３が絶縁性を有する場合、磁性体５３及び基板層Ｌ１の間には、絶縁膜が配置されてもよい。図２０は、磁性体５２及び導電ビア構造３５の間、並びに、磁性体５３及び基板層Ｌ１の間に、絶縁膜Ｆ３が配置された固定子３０ａの模式断面図である。絶縁膜Ｆ３には、例えば、プリント基板の中間材料であるプリブレグなどを利用することができる。
【００７４】
このような絶縁膜Ｆ３によれば、磁性体５２及び５３へ流れ込む漏れ電流を減らすことができる。
【００７５】
［効果等］
以上説明したように、平面モータ１０は、可動子２０と、固定子３０と、制御回路４０と、を備える。可動子２０は、永久磁石２１を有する。固定子３０は、可動子２０と対向する主面３１ａ、及び、主面３１ａに沿って配置される複数のパターンコイル３３を有する。制御回路４０は、ハーフブリッジ回路４４又はフルブリッジ回路４２で構成され、複数のパターンコイル３３への電力供給を制御するための複数のスイッチング素子を有する。制御回路４０は、ハイサイド及びローサイドに配置されたスイッチング素子を制御し、パターンコイル３３に流れる電流方向を切り替えることで、パターンコイル３３の磁極を変化させる。
【００７６】
これにより、１つの回路でパターンコイル３３の磁極の切り替えを行うことができる。つまり、より簡素な構成でコイルの極性を切り替えることができる。
【００７７】
また、制御回路４０は、ハイサイドに配置されたスイッチング素子をオフにし、ローサイドに配置されたスイッチング素子をオンにし、パターンコイル３３に逆起電力を発生させることで、可動子２０を制動動作させることが好ましい。
【００７８】
これにより、ひとつの回路で制動動作も可能となるため、移動動作と制動動作を含めた可動子２０の動作をより簡素な構成で制御することができる。
【００７９】
また、制御回路４０は、スイッチング素子を交流信号によって制御し、可動子２０は、交流信号の周波数に応じた移動速度で移動することが好ましい。
【００８０】
これにより、可動子２０の移動速度を、その交流信号の周波数に応じた移動速度に制御することができる。
【００８１】
また、第１交流信号と、第２交流信号とは位相が３／８波長〜５／８波長分ずれていることが好ましい。ここで、第１交流信号とは、可動子２０の進行方向前側に配置されたパターンコイル３３に対して、制御回路４０（制御部４１）から出力される交流信号である。また、第２交流信号とは、可動子２０の進行方向後側に配置されたパターンコイル３３に対して、制御回路４０（制御部４１）から出力される交流信号である。
【００８２】
これによって、進行方向前側と後側の磁極が反対の磁極となるため、可動子２０に比較的大きな推力を与えることができる。
【００８３】
また、交流信号は、パルス信号であり、制御回路４０は、ＰＷＭ制御と、ＰＦＭ制御と、ＰＦＷＭ制御と、からなる群から選ばれる１つの制御方法によって、パターンコイル３３に流れる電流を制御することで、前記可動子の推進力を制御することが好ましい。
【００８４】
これによって、交流信号がパルス信号であれば、パルス幅やパルスの周波数を制御することによって積算電流量が調整できるため、パルスを制御することで可動子２０に与える推力を容易に調整することができる。
【００８５】
（実施の形態２）
実施の形態１に係る平面モータ１０においては、可動子２０は、永久磁石２１を有していたが、可動子２０は、永久磁石２１に代えて電磁石を有してもよい。以下、このような実施の形態２に係る平面モータの構成について説明する。図２１は、実施の形態２に係る平面モータの構成を示す斜視図である。なお、以下の実施の形態２では、実施の形態１との相違点を中心に説明が行われ、既出事項についての説明は省略される。
【００８６】
図２１に示されるように、実施の形態２に係る平面モータ１０ｂは、可動子２０ｂと、固定子３０ｂと、制御回路４０ｂとを備える。図２１では、制御回路４０ｂの詳細については省略して記載しているが、実施の形態１と同様にフルブリッジ回路４２またはハーフブリッジ回路４４を用いて構成される。また、図２１では、制御回路４０ｂは、一つのパターンコイル３３及び一つの給電用コイル３４の駆動を制御するように図示されているが、実際には、複数のパターンコイル３３及び複数の給電用コイル３４の駆動を制御する。
【００８７】
まず、可動子２０ｂについて説明する。可動子２０ｂは、平面モータ１０ｂにおける移動対象物である。可動子２０ｂは、電磁石２１ｂと、受電コイル２２ｂと、駆動回路２３ｂとを有する。電磁石２１ｂは、具体的には、磁性体により形成された芯材に、電線が巻きつけられることによって形成される。芯材は、例えば、鉄であり、電線は、例えば、銅の芯線がエナメルで絶縁被覆されたエナメル線であるが、芯材として採用される材料及び電線として採用される材料は、特に限定されない。また、芯材の形状なども特に限定されない。
【００８８】
電磁石２１ｂは、巻回軸が主面３１ａに沿うように配置されるが、巻回軸が主面３１ａと交差するように配置されてもよい。
【００８９】
受電コイル２２ｂは、給電用コイル３４から非接触で給電を受ける。受電コイル２２ｂは、具体的には、コイルボビンに電線が巻きつけられることによって形成される。コイルボビンは、例えば、樹脂または磁性体により形成され、電線は、例えば、銅の芯線がエナメルで絶縁被覆されたエナメル線である。
【００９０】
受電コイル２２ｂは、巻回軸が主面３１ａと垂直に交差するように配置される。このような配置により、受電コイル２２ｂは、電磁誘導によって給電用コイル３４から交流電力を受電することができる。
【００９１】
駆動回路２３ｂは、受電コイル２２ｂを通じて得られる交流電力を用いて電磁石２１ｂを駆動する。駆動回路２３ｂは、具体的には、交流電力を整流する整流回路などを含む。
【００９２】
次に、固定子３０ｂについて説明する。固定子３０ｂは、固定子３０と同様に、可動子２０ｂと対向する主面３１ａ、及び、主面３１ａに沿って複数配置される薄膜状のパターンコイル３３を有する。なお、図２１においては、パターンコイル３３は、円形巻回状に図示されている。
【００９３】
また、固定子３０ｂは、さらに、可動子２０ｂに非接触給電を行う給電用コイル３４（図２１でパターンコイル３３よりも小さく図示されているコイル）を有する。給電用コイル３４は、薄膜状の給電用パターンコイルであり、主面３１ａに沿って複数配置される。複数の給電用コイル３４は、平面視においてパターンコイル３３に重ならないようにマトリクス状に配置される。複数の給電用コイル３４のそれぞれは、巻回軸が主面３１ａに垂直な方向に沿う円形巻回状の配線であるが、矩形巻回状等、他の巻回状であってもよい。複数の給電用コイル３４の巻回方向は、同一であるが、異なってもよい。
【００９４】
制御回路４０ｂは、複数のパターンコイル３３の駆動制御に加えて、給電用コイル３４に交流電力を供給する。給電用コイル３４に供給される交流電力の周波数は、数ｋＨｚ〜数ＭＨｚ程度である。なお、給電用コイル３４への交流電力の供給は、制御回路４０ｂとは別の交流電源回路によって行われてもよい。給電用コイル３４への交流電力の供給は、定常的に行われてもよいし、間欠的に行われてもよい。
【００９５】
以上説明したように、平面モータ１０ｂでは、可動子２０ｂは、電磁石２１ｂを有し、固定子３０ｂは、さらに、可動子２０ｂに非接触給電を行う給電用コイル３４を有する。
【００９６】
このように、可動子２０ｂが永久磁石ではなく電磁石２１ｂを有していれば、可動子２０ｂ側で電磁石２１ｂの駆動制御が行われることにより、可動子２０ｂにブレーキをかけるなどの細かい制御が可能となる。つまり、可動子２０をより細かく制御することができる。
【００９７】
また、給電用コイル３４は、薄膜状の給電用パターンコイルであり、主面３１ａに沿って複数配置される。
【００９８】
これにより、給電用コイル３４が配置されることによる固定子３０の大型化（厚型化）が抑制される。
【００９９】
［実施の形態２の変形例］
可動子２０ｂ（電磁石２１ｂ）への給電は、パターンコイル３３を介して行われてもよい。図２２は、このような実施の形態２の変形例に係る平面モータの構成を示す斜視図である。
【０１００】
図２２に示されるように、実施の形態２の変形例に係る平面モータ１０ｃは、可動子２０ｂと、固定子３０と、制御回路４０ｃとを備える。実施の形態１で説明されたように、固定子３０は、給電用コイル３４を有していない。図２２では、制御回路４０ｃの詳細については省略して記載しているが、実施の形態１と同様にフルブリッジ回路４２またはハーフブリッジ回路４４を用いて構成される。また、図２２では、制御回路４０ｃは、一つのパターンコイル３３の駆動を制御するように図示されているが、実際には、複数のパターンコイル３３の駆動を制御する。
【０１０１】
制御回路４０ｃは、複数のパターンコイル３３の駆動を制御する回路である。制御回路４０ｃは、制御部４１を有する。制御部４１は、例えば、複数のパターンコイル３３のそれぞれに対して、（ａ）電力を供給しない、（ｂ）第一の極性（例えば、正極性）の直流電圧を供給する、（ｃ）第一の極性の逆の第二の極性（例えば、負極性）の直流電圧を供給する、及び、（ｄ）交流電力を供給する、のいずれかを行う。
【０１０２】
制御回路４０ｃは、実施の形態１で説明したものに加え、さらに、フルブリッジ回路４２（ハーフブリッジ回路４４）と交流電源との接続を変更するためのスイッチング素子４７を備える。制御回路４０ｃ（制御部４１）は、スイッチング素子４７をさらに制御することで、パターンコイル３３に交流電力を供給することで、可動子２０ｂへの非接触給電を行う。
【０１０３】
例えば、可動子２０ｂをＸ軸＋方向に移動させる場合、制御回路４０ｃは、複数のパターンコイル３３のうち可動子２０ｂのＸ軸＋方向側に位置するパターンコイル３３に第一の極性の直流電圧を供給する。これにより、第一の極性の直流電圧が供給されたパターンコイル３３は、主面３１ａ側がＳ極の電磁石として機能し、パターンコイル３３及び電磁石２１ｂの間に吸引力が発生すれば、可動子２０ｂは、このような吸引力によってＸ軸＋方向に移動する。
【０１０４】
一方で、制御回路４０ｃは、複数のパターンコイル３３のうち可動子２０ｂの近傍に位置するパターンコイル３３には、交流電力を供給する。これにより、制御回路４０ｃは、可動子２０ｂへの非接触給電を行うことができる。
【０１０５】
このように、平面モータ１０ｃにおいて、制御回路４０ｃは、一つのパターンコイル３３に交流電力を供給することにより可動子２０ｂに非接触給電を行う第一制御、及び、当該一つのパターンコイル３３に直流電力を供給することにより可動子２０ｂを移動させる第二制御を選択的に実行する。
【０１０６】
これにより、平面モータ１０ｃは、パターンコイル３３を、可動子２０ｂの移動、及び、可動子２０ｂへの非接触給電に共用することができる。
【０１０７】
なお、可動子２０ｂが電磁石２１ｂを備える場合、可動子２０ｂは、電磁石２１ｂを駆動するための電源となる電池、または、蓄電池を有していてもよい。この場合、固定子３０または固定子３０ｂから可動子２０ｂへの非接触給電は省略されてもよい。
【０１０８】
（他の実施の形態）
以上、実施の形態に係る平面モータについて説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。
【０１０９】
例えば、上記実施の形態では、固定子は薄膜状のパターンコイルを有していたが、固定子が備えるコイルは、パターンコイルに限定されない。固定子は、パターンコイルに代えて複数の巻線コイルを備えてもよい。また、上記実施の形態では、複数のパターンコイルは、マトリクス状に配置されたが、マトリクス状以外のレイアウトで配置されてもよい。
【０１１０】
また、上記実施の形態の固定子の模式断面図に示される積層構造は一例である。平面モータは、本発明の特徴的な機能を実現できる他の積層構造を有する固定子を備えてもよい。平面モータは、例えば、上記実施の形態で説明された積層構造と同様の機能を実現できる範囲で、上記実施の形態の積層構造の層間に別の層が設けられた固定子を備えてもよい。
【０１１１】
また、上記実施の形態では、固定子が有する積層構造の各層を構成する主たる材料について例示しているが、固定子が有する積層構造の各層には、上記実施の形態の積層構造と同様の機能を実現できる範囲で他の材料が含まれてもよい。
【０１１２】
また、上記実施の形態において、制御部等の構成要素は、専用のハードウェアで構成されるか、各構成要素に適したソフトウェアプログラムを実行することによって実現されてもよい。各構成要素は、ＣＰＵまたはプロセッサなどのプログラム実行部が、ハードディスクまたは半導体メモリなどの記録媒体に記録されたソフトウェアプログラムを読み出して実行することによって実現されてもよい。
【０１１３】
その他、各実施の形態に対して当業者が思いつく各種変形を施して得られる形態、または、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で各実施の形態における構成要素及び機能を任意に組み合わせることで実現される形態も本発明に含まれる。例えば、本発明は、スルーホール内への磁性体の配置方法として実現されてもよい。
【符号の説明】
【０１１４】
１０、１０ｂ、１０ｃ    平面モータ
２０、２０ｂ    可動子
２１    永久磁石
２１ｂ    電磁石
３０、３０ａ、３０ｂ    固定子
３１ａ    主面
３２、３２ａ    回路基板
３３    パターンコイル
３４    給電用コイル
４０、４０ｂ、４０ｃ    制御回路
４２    フルブリッジ回路
４４    ハーフブリッジ回路
４３ａ、４３ｂ、４３ｃ、４３ｄ、４５ａ、４５ｂ、４７    スイッチング素子
５１、５２、５３    磁性体
【図１】
2019142605.tif 000003
【図２】
2019142605.tif 000004
【図３】
2019142605.tif 000005
【図４】
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【図５】
2019142605.tif 000007
【図６】
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【図７】
2019142605.tif 000009
【図８】
2019142605.tif 000010
【図９】
2019142605.tif 000011
【図１０】
2019142605.tif 000012
【図１１】
2019142605.tif 000013
【図１２】
2019142605.tif 000014
【図１３】
2019142605.tif 000015
【図１４】
2019142605.tif 000016
【図１５】
2019142605.tif 000017
【図１６】
2019142605.tif 000018
【図１７】
2019142605.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
2019142605.tif 000021
【図２０】
2019142605.tif 000022
【図２１】
2019142605.tif 000023
【図２２】
2019142605.tif 000024
【国際調査報告】
2019142605.tif 000025
2019142605.tif 000026