(57)【要約】モータの固定部に固定された取り付けシャフトが不要な可動部を有するリラクタンスモータ。一実施形態では、本発明のモータは、その中に回転子が挿入される円筒形の空洞を画定する固定部を有し、空洞の内部壁は非磁性ライニングで覆われる。固定部は、それぞれ磁性コアを有する電気コイルによって画定された複数の固定子磁極を有する。回転子は、スペーサ及び複数の軸受を有し、各軸受はスペーサとライニングの間に少なくとも部分的に閉じ込められる。回転子は、１以上の固定子磁極の励磁に応答して空洞内でスピンし、軸受がライニングとスペーサの間でローリングするように適合される。モータをＭＥＭＳデバイスとして実装することができ、モータの固定子は、単一基板を使用して形成される実質的にモノリシック構造であり、サイズが約１ｍｍの構造である。
2009518999.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電動モータであって、
ライニング及び複数の磁極を含む固定部、及び
スペーサ及び複数の軸受を含む可動部からなり、
前記ライニングが前記磁極と前記可動部の間に配置され、
各軸受が前記スペーサと前記ライニングの間に少なくとも部分的に閉じ込められ、
前記可動部が１以上の前記磁極の励磁に応答して前記固定部に対して移動するように適合され、
前記軸受が、前記可動部が前記固定部に対して移動する場合に前記ライニングと前記スペーサの間でローリングするように適合される電動モータ。
【請求項２】
請求項１記載の電動モータにおいて、
前記ライニングが非磁性材料を含み、
前記軸受の少なくとも一部が、前記軸受が前記励磁に応答して前記固定部に対して移動することができるようにする磁性材料を含み、
前記スペーサが非磁性材料を含む電動モータ。
【請求項３】
請求項１記載の電動モータにおいて、
前記スペーサが磁性材料を含み、前記スペーサが前記励磁に応答して前記固定部に対して移動することができる形状を有し、
各軸受が非磁性材料を含む電動モータ。
【請求項４】
請求項１記載の電動モータにおいて、
各磁極が磁性コアを有する電気コイルによって画定され、
前記固定部が３相を含み、各相が複数の直列接続された電機コイルを有し、各相が磁極ごとにコイルを有し、
前記可動部がそれぞれ前記３相の１つに与えられた３つの正弦波電流に応答して前記固定部に対して回転するように適合され、それぞれ前記電流が他の２つの正弦波電流に対して約１２０度の移相を有する電動モータ。
【請求項５】
請求項１記載の電動モータにおいて、前記スペーサが前記固定部に対して並進するように適合される電動モータ。
【請求項６】
請求項１記載の電動モータにおいて、
前記固定部が空洞を画定し、前記ライニングが前記空洞の内部壁を覆い、
前記可動部が前記空洞内で前記固定部に対して回転するように適合され、
前記スペーサが切欠き付き円板を含み、
各軸受がそれぞれ前記円板の切欠き内に配置された球状のボールであり、
前記スペーサがそれぞれボールを前記ライニングに押し付けるように適合された１以上のばねをさらに含み、
前記モータがＭＥＭＳデバイスとして実装され、
前記固定部が単一基板を使用して形成された実質的にモノリシック構造である電動モータ。
【請求項７】
電動モータであって、
複数の磁極を含む固定部、及び
１以上の前記磁極の励磁に応答して前記固定部に対して回転するように適合された回転子からなり、前記固定部が、前記回転子がシャフトの周りで回転することができるように前記回転子を取り付けるための固定シャフトを有さない電動モータ。
【請求項８】
請求項７記載の電動モータにおいて、
前記固定部が壁を有する空洞を画定し、
前記回転子が前記空洞内で前記固定部に対して回転するように適合され、スペーサ及び複数の軸受を含み、
各軸受が前記スペーサと前記壁の間に少なくとも部分的に閉じ込められ、
前記軸受が、前記回転子が回転するときに前記壁と前記スペーサの間でローリングするように適合される電動モータ。
【請求項９】
請求項８記載の電動モータにおいて、
前記壁が連続したライニングを含み、
前記軸受が、前記回転子が回転する場合に前記ライニングと前記スペーサの間でローリングするように適合される電動モータ。
【請求項１０】
請求項８記載の電動モータにおいて、
各磁極が磁性コアを有する電気コイルによって画定され、
前記壁が前記磁性コアの終端部分によって実質的に形成される電動モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般にリラクタンスモータに関し、より詳細には、少なくともその一部がＭＥＭＳ製造技術を使用して形成された小型に設計されたリラクタンスモータに関する。
【背景技術】
【０００２】
リラクタンスモータは電動モータであり、モータの可動部が、励磁されたモータの巻線のインダクタンスが最大になる位置に移動する傾向によって、トルクが生成される。リラクタンスモータの一特徴は、モータの可動部（例えば回転子）に永久磁石が不要なことである。代わりに、モータを磁性材料で作製し、回転子の磁極を画定する歯付き形状を有するように構成することができる。モータの固定子（即ちモータの固定部の電磁的作動部分）も磁極を有し、磁極は回転子を収容する空洞の周囲に配置されたコイル巻線と関連する。構成によって、各モータの巻線は、１、２、又は３つ以上の固定子の磁極を画定することができる。
【０００３】
電流が巻線を通過するときに、各対応する固定子の磁極が励磁され、最も近い回転子の磁極を引き寄せる。その結果、回転子の磁極が励磁された固定子の磁極に向かって移動し、それによって回転子が回転される。固定子の磁極が、例えば巻線に与えられる適切に形付けられた駆動パルスなどによって特定のシーケンスで励磁されると、なめらかな連続した回転子の回転が得られる。リラクタンスモータの操作及び制御の原理に関するさらなる詳細は、例えば、参照により本明細書に組み込まれている、Ｔ．Ｊ．Ｅ．Ｍｉｌｌｅｒの本「Ｓｗｉｔｃｈｅｄ  Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ  Ｍｏｔｏｒｓ  ａｎｄ  Ｔｈｅｉｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌ」、Ｃｌａｒｅｎｄｏｎ  Ｐｒｅｓｓ、Ｏｘｆｏｒｄ、１９９３年、１〜７０頁で見ることができる。
【０００４】
小型磁気ディスク・ドライブ、液体ポンプ、及びジャイロスコープなど、多く重要な用途に小型モータが必要とされる。ＭＥＭＳベースのモータは、こうしたモータの製造が超小形電子回路の製造と両立するため、上記の用途に特に魅力的である。その結果、ＭＥＭＳベースのモータ及び関連する制御電子装置を、非統合型の類似物よりも全般的に信頼性があり低コストの単一の統合デバイスとして有利に作製することができる。しかし、従来技術のＭＥＭＳベースのモータの一問題は、モータのサイズが比較的小さいため、こうしたモータの潤滑が実行不可能であり、そのために比較的大きい摩擦が生じ、寿命が短縮されることである。
【非特許文献１】Ｔ．Ｊ．Ｅ．Ｍｉｌｌｅｒ、「Ｓｗｉｔｃｈｅｄ  Ｒｅｌｕｃｔａｎｃｅ  Ｍｏｔｏｒｓ  ａｎｄ  Ｔｈｅｉｒ  Ｃｏｎｔｒｏｌ」、Ｃｌａｒｅｎｄｏｎ  Ｐｒｅｓｓ、Ｏｘｆｏｒｄ、１９９３年、１〜７０頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
モータの固定部に固定された取り付けシャフトが不要な回転子を有するリラクタンスモータの様々な実施形態によって、従来技術の問題に対処する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態では、本発明のモータは、その中に回転子が挿入される円筒形の空洞を画定する固定部を有し、空洞の内部壁は非磁性ライニングで覆われる。固定部は、それぞれ磁性コアを有する電気コイルによって画定された複数の固定子磁極を有する。回転子は、スペーサ及び複数の軸受を有し、各軸受はスペーサとライニングの間に少なくとも部分的に閉じ込められる。回転子は、１以上の固定子磁極の励磁に応答して空洞内でスピンし、軸受がライニングとスペーサの間でローリングするように適合される。モータをＭＥＭＳデバイスとして実装することができ、モータの固定子は、単一基板を使用して形成される実質的にモノリシック構造であり、サイズが約１ｍｍの構造である。
【０００７】
有利には、本発明のモータは、同種の従来技術のモータよりも摩擦が小さい。なぜなら、本発明のモータでは、軸受がライニングに対してローリングするが、従来技術のモータでは回転子がシャフトに対してこすりつけられるからである。回転摩擦は一般にこすりつけ摩擦よりもかなり小さいため、従来技術のモータの摩擦と比較して本発明のモータの摩擦を大幅に低減することができる。
【０００８】
一実施形態によれば、本発明は電動モータであり、ライニング及び複数の磁極を含む固定部と、スペーサ及び複数の軸受を含む可動部とを備え、ライニングが磁極と可動部の間に配置され、各軸受がスペーサとライニングの間に少なくとも部分的に閉じ込められ、可動部が１以上の磁極の励磁に応答して固定部に対して移動するように適合され、軸受は、可動部が固定部に対して移動する場合にライニングとスペーサの間でローリングするように適合される。
【０００９】
他の実施形態によれば、本発明は電動モータの製造方法であり、単一基板を使用してモータの固定部を形成し、前記固定部が実質的にモノリシック構造であるステップ、及びモータの可動部を固定部によって画定された空洞内に挿入するステップを含み、固定部がライニング及び複数の磁極を含み、可動部がスペーサ及び複数の軸受を含み、ライニングが磁極と可動部の間に配置され、各軸受がスペーサとライニングの間に少なくとも部分的に閉じ込められ、可動部が１以上の磁極の励磁に応答して固定部に対して移動するように適合され、軸受は、可動部が固定部に対して移動する場合にライニングとスペーサの間でローリングするように適合される。
【００１０】
他の実施形態によれば、本発明は電動モータであり、複数の磁極を含む固定部、及び１以上の磁極の励磁に応答して固定部に対して回転するように適合された回転子を備え、固定部が、回転子がシャフトの周りで回転することができるように回転子を取り付けるための固定シャフトを有さない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１〜２は、それぞれ従来技術のリラクタンスモータ１００及び２００を示す断面図である。より具体的には、モータ１００は４相８／６リラクタンスモータ、即ち４つの独立した巻線（相）、８つの固定子磁極、及び６つの回転子磁極を有するモータである。同様に、モータ２００は３相１２／１０リラクタンスモータである。
【００１２】
図１を参照すると、モータ１００は、Ａ〜Ｄのラベルが付けられた４つの独立した固定子の巻線（相）を有する。各相は、直列接続され、モータの内部空洞の両側に配置された２つのコイルを有する。例えば、相Ａは、コイル１０２のＮ極とコイル１０４のＳ極が内部空洞に面するように位置付けられたコイル１０２及び１０４を有する。コイル１０２のＮ極及びコイル１０４のＳ極は、モータ１００の２つの固定子磁極である。それぞれ相Ｂ〜Ｄはコイル１０２及び１０４と類似の２つのコイルを有し、モータ１００は合計８つの固定子磁極を有する。モータ１００の各コイルは、異なるコイルの強磁性コアが円形強磁性要素１１０にスパイクとホイールのパターンで連結された状態で、強磁性コアを有する。
【００１３】
モータ１００の回転子１２０は、強磁性材料で作製され、モータの内部空洞の軸心に配置された固定シャフト１３０上に回転可能に取り付けられた歯付き円板である。回転子１２０は、中心に軸方向の穴を有し、回転子が取り付けられるシャフト１３０が軸方向の穴を通過する。回転子１２０は、図１で１〜６のラベルが付けられた６つの歯も有する。これらの歯１〜６はモータの６つの回転子磁極を画定する。モータ１００は６つの回転子磁極及び８つの固定子磁極を有するため、回転子磁極の少なくとも一部は、回転子と固定子の相対的な向きに関わらず、常に固定子磁極と位置がずれている。以下でさらに説明するように、この常に存在するずれを使用して、シャフト１３０の周りで回転子１２０を回転させる。
【００１４】
コイルの強磁性コア、強磁性要素１１０、及び回転子１２０は、実質的に連続した磁束経路を各相Ａ〜Ｄに提供することができる。具体的には、強磁性要素１１０は、モータ１００の周囲の磁束経路の一部を提供し、回転子１２０は、特定の相に対して適切に方向付けられたときに、その相にモータの内部空洞を通して磁束経路の一部を提供する。例えば、回転子１２０の歯１及び４がコイル１０２及び１０４の磁性コアと整列した場合、回転子はこれらのコアの間の空隙をブリッジし、図１の磁束線１４０で示した磁束経路を生成する。この回転子の方向は相Ａのインダクタンスを実質的に最大にする。同時に、回転子１２０の歯２〜３及び５〜６は相Ｂ〜Ｄの磁性コアとずれて、こうした相に対応する磁束経路に比較的広い空隙が生成され、それらが比較的低いインダクタンスを有するようになる。
【００１５】
モータ１００の回転子１２０の回転を、例えば以下のようにもたらすことができる。相Ａが励磁されると、図１で示したように、その結果得られる電磁力によって、回転子１２０の歯１及び４がコイル１０２及び１０４の磁性コアと整列するように引き寄せられる。次いで、相Ａの励磁が停止され、相Ｂが励磁され、それによって歯２及び５が相Ｂの磁性コアと整列するように引き寄せられて、相Ｂのインダクタンスが最大になる。その後、相Ｂの励磁が停止され、相Ｃが励磁され、それによって歯３及び６が相Ｃの磁性コアと整列するように引き寄せられて、相Ｃのインダクタンスが最大になる。次いで、相Ｃの励磁が停止され、相Ｄが励磁され、それによって歯１及び４が相Ｄの磁性コアと整列するように引き寄せられて、相Ｄのインダクタンスが最大になり、以下同様になされる。このＡ−Ｂ−Ｃ−Ｄの励磁のシーケンスが繰り返されて回転子１２０が時計回りに回転される。当然、励磁のシーケンスをＡ−Ｄ−Ｃ−Ｂに変更すると、回転子１２０の反時計回りの回転がもたらされる。モータ１００の次の相が励磁されるたびに、回転子１２０は１５度だけ回転する。この回転の増分はモータのストロークと呼ばれることが多い。１励磁サイクル又は４ストロークで、回転子１２０は６０度回転し、１つの完全な回転子の回転は６励磁サイクルで行われる。
【００１６】
次に図２を参照すると、モータ２００は、モータ１００と実質的に類似しており、同様の方法で作動する。しかし、モータ１００と２００の１つの違いは、モータ１００に２つのコイルがあるのとは対照的に、モータ２００の各相は４つのコイルを有する。例えば、モータ２００の相Ａはコイル２０２、２０４、２０６、及び２０８を有し、コイルは、（ｉ）コイル２０２及び２０６がモータ２００の内部空洞に面するＳ極を有し、（ｉｉ）コイル２０４及び２０８がその空洞に面するＮ極を有するように接続される。その結果、磁束線２４０で示されたモータ２００の相Ａの磁束経路は、モータ１００の相Ａの磁束線（図１の磁束線１４０を参照）よりもかなり短い。より短い磁束経路を有すると、それによって磁路損が低減されるために有利である。１励磁サイクル又は３ストロークで、モータ２００の回転子２２０は３６度回転し、１つの完全な回転子の回転は１０励磁サイクルで行われる。
【００１７】
モータ１００及び２００の一問題は、小型の形態で実装されると、こうしたモータは不安定な回転子の挙動を示すことがあり、一般に耐久性が比較的低いことである。例えば、モータ１００の回転子１２０の径が約１ｍｍの場合、シャフト１３０の径は通常約１００μｍである。実用的な理由で、こうしたサイズでは、約１０μｍ未満の回転子１２０とシャフト１３０の間隙を有することが非常に難しい。この間隙の大きさによってシャフトの径の比較的大部分が構成されるため、回転子１２０はシャフト１３０の周りで回転するときに比較的大きい偏心運動を行う。こうした運動によりモータの性能に悪影響を与える振動が生じる。さらに、このサイズでは、シャフト１３０と回転子１２０の間への潤滑剤の付着は比較的難しく、通常は不可能である。その結果、偏心運動が比較的小さい場合でも、シャフト１３０と回転子１２０の間の摩擦は比較的大きい。偏心運動は、このすでに大きい摩擦の悪影響をさらに悪化させる。また、シャフト１３０の径が比較的小さいと、シャフトの構造強度が比較的低くなり、例えば、回転子１２０がシャフトを励磁されたコイルに引き寄せるようにさせる、そのコイルの回転子への電磁引力によって変形されやすくなる。以下でさらに詳細に説明するように、本発明の原理によって構築された小型モータの様々な実施形態を提供することによって、こうした問題の少なくとも一部が対処される。
【００１８】
図３は、本発明の一実施形態によるモータ３００を示す上面図である。モータ３００は、Ａ〜Ｃのラベルが付けられた３相を有する。各相は、直列接続され、馬蹄形磁性コアを共用する２つのコイルを有する。例えば、モータ３００の相Ａは、馬蹄形磁性コア３１４を共用するコイル３０２及び３０４を有する。コイル３０２及び３０４は接触パッド３１２に接続され、かつ互いに接続されて、コイル３０２のＮ極とコイル３０４のＳ極がモータの内部空洞に面するようになされる。それぞれモータ３００の相Ｂ〜Ｃは相Ａに類似しているため、このモータは合計６つの固定子磁極を有する。
【００１９】
モータ３００の回転子３２０は、（ｉ）モータの内部空洞内に挿入された切欠き付きスペーサ３２２、及び（ｉｉ）スペーサの切欠き内に挿入された２つの球状のボール３２４ａ〜ｂを備える。ボール３２４を有するスペーサ３２２の各切欠きは全般的に開放形状であって、ボールを収容し、スペーサの周囲の外側に配置されたボールの少なくとも一部を露出して、内部空洞の非磁性ライニング３２６と接触させるようになされている。切欠き付きスペーサ３２２は、非磁性材料（例えばケイ素）で作製され、ライニング３２６と共にボール３２４ａ〜ｂを適切に物理的に閉じ込めるように形付けられる。回転子３２０の回転中、ボール３２４ａ〜ｂはライニング３２６に対してローリングし、スペーサ３２２の軸受として機能する。
【００２０】
ボール３２４ａ〜ｂは磁性材料（例えばステンレス鋼）で作製され、それ自体で回転子３２０の回転子の磁極を画定する。回転子３２０が特定の相に対して適切に方向付けられると、ボール３２４ａ〜ｂの１つがその相の固定子磁極の間の磁性材料の間隙を実質的にブリッジし、それぞれ馬蹄形磁性コアと共に、その相に実質的に連続した磁束経路を提供する。例えば、図３で示した回転子の方向では、ボール３２４ａはコイル３０２及び３０４に対応する固定子磁極の間の磁性材料の間隙を実質的にブリッジし、馬蹄形磁性コア３１４と共に、モータ３００の相Ａに実質的に連続した磁束経路を提供する。この磁束経路が図３に磁束線３４０で示されている。磁束線３４０と図２の磁束線２４０を比較すると、ボール３２４ａが回転子２２０の２つの回転子の歯と磁性的に等価であることが明らかである。各ボール３２４ａ〜ｂは、それ自体で２つの回転子の磁極を画定し、回転子３２０に合計４つの回転子磁極が画定される。従って、モータ３００は３相６／４リラクタンスモータである。
【００２１】
モータ３００の回転子３２０の回転を、例えば以下のように行うことができる。相Ａが励磁されると、図３で示したように、その結果得られる電磁力が、ボール３２４、例えばボール３２４ａを馬蹄形磁性コア３１４と整列するように引き寄せる。次いで、相Ａの励磁が停止され、相Ｂが励磁され、それによってボール３２４ｂが相Ｂの馬蹄形磁性コアと整列するように引き寄せられる。その後、相Ｂの励磁が停止され、相Ｃが励磁され、それによってボール３２４ａが相Ｃの馬蹄形磁性コアと整列するように引き寄せられ、以下同様になされる。このＡ−Ｂ−Ｃ−の励磁のシーケンスが繰り返されて、回転子３２０が時計回りに回転される。同様に、Ａ−Ｃ−Ｂの励磁のシーケンスを与えると、回転子３２０の反時計回りの回転が行われる。モータ３００の次の相が励磁されるたびに、回転子３２０は６０度だけ回転する。１励磁サイクル又は３ストロークで、回転子３２０は１８０度回転し、１つの完全な回転子の回転は２励磁サイクルで行われる。
【００２２】
一実施形態では、回転子３２０の垂直の閉じ込め（即ち、図３の平面に直交の方向の閉じ込め）が、回転運動を回転子３２０からモータ３００の外部の回転可能な構造（図示せず）に伝達することができるようにする幾らかの余地を有して回転子の空洞を密閉する頂部と底部のプレートを提供することによって行われる。別法として、又は追加で、空洞の下に配置された弱い永久磁石を使用して、ボール３２４を定位置に保持することができる。ボール３２４の径が空洞の深さよりも小さい場合は、ボールを空洞内で浮揚させるようにモータ３００を構成することができる。
【００２３】
一実施形態では、各ボール３２４ａ〜ｂは、市販の径約０．００６ミクロンインチ（又は１５０μｍ）を有する４４０ステンレス鋼の球状のボールであり、スペーサ３２２は径約３５０μｍを有し、モータ３００の固定子の横方向のサイズは約１．５ｍｍである。当業者には理解されるように、モータ３００の固定子は寸法変更可能であり、約１〜２０ｍｍ、好ましくは約１〜５ｍｍの任意の横方向のサイズを有するように実装することができる。
【００２４】
モータ３００に回転子３２０を有することによって、上記で示した従来技術のモータの問題の少なくとも一部に対処することができる。なぜなら回転子３２０は、シャフトをモータの内部空洞内に取り付ける必要がないからである。有利には、モータ３００で生成される力がボール３２４ａ〜ｂに作用する。ボール３２４ａ〜ｂは構造的に頑丈であり、例えばモータ１００のシャフト１３０（図１）に影響を与える変形しやすいタイプではない。さらに、モータ３００の回転子３２０は、例えばモータ１００の回転子１２０よりも摩擦が小さい。なぜなら、モータ３００では、作用を受ける要素、即ちボール３２４ａ〜ｂがライニング３２６に対してローリングするが、モータ１００では、作用を受ける要素、即ち回転子１２０がシャフト１３０にこすりつけられる。回転摩擦は、一般に、こすりつけ／摺動摩擦よりもかなり小さいため、モータ３００はモータ１００よりも小さい摩擦を有する。
【００２５】
図４は、本発明の他の実施形態によるモータ４００を示す上面図である。モータ４００は図３のモータ３００に全般的に類似している。しかし、モータ４００と３００の１つの違いは、モータ４００が４相８／６モータであることである。従って、モータ４００は、（ｉ）Ａ〜Ｄのラベルが付けられた４相、並びに（ｉｉ）３つのボール４２４を有する回転子４２０、及び適合できるように形付けられたスペーサ４２２を有する。モータ３００のスペーサ３２２と比較して、スペーサ４２２は３つの新しい要素を有する。即ち、３つのばね４２６である。各ばね４２６はスペーサ４２２の切欠きに配置され、外側半径方向の力の成分でそれぞれボール４２４を軽く押し付けるように構成される。ばね４２６の組み合わせた作用により、スペーサ４２２がモータ４００の内部空洞内の中心に有効に配置され、空洞内部の回転子の遊びが低減される。さらに、ばね４２６の作用により、スペーサ４２２と各ボール４２４の有効接触面積が縮小され、それによってボールとスペーサの間の摩擦が低減される。モータ４００のストロークは３０度であり、１つの完全な回転子の回転は３励磁サイクルで行われる。
【００２６】
一構成では、モータ４００はスイッチ・モータとして作動される。より具体的には、モータ４００に回転子の向きのフィードバック回路（図示せず）が設けられて、相駆動電流の切替えが一定の回転子の位置と同期される。このタイプの動作が意図される場合、モータ４００の設計は、電力を回転子４２０の運動エネルギに有効に変換するように最適化される。
【００２７】
他の構成では、モータ４００はステッパ・モータとして作動される。より具体的には、モータ４００は、開ループで、即ち回転子の向きのフィードバックなしで稼働される。このタイプの動作が意図される場合、モータ４００の設計は、有効な電力変換ではなく、ステップの完全性／正確さが維持されるように最適化される。
【００２８】
図５は、本発明の他の実施形態によるモータ５００を示す上面図である。モータ５００は、モータ４００の固定子構造と実質的に同一の固定子構造を有するが、好ましい構成では、対応する接触パッドの間に適した電機接続（図５で図示せず）を設けることによって、モータ５００の回転子の空洞の両側に配置された馬蹄形磁性コアに対応する固定子コイルが、共に有線接続されて、図５のＡ及びＢのラベルが付けられた２つの固定子相が形成される。従って、モータ５００は２相モータである。
【００２９】
モータ４００の回転子４２０と同様に、モータ５００の回転子５２０は、３つのボール５２４及び対応する切欠き付きスペーサ５２２を備える。しかし、ボール５２４はボール４２４とは違い、非磁性（例えばセラミック）材料で作製される。それ自体で、ボール５２４は回転子の磁極を全く画定せず、スペーサ５２２の軸受としてのみ働く。対照的に、スペーサ５２２自体は磁性材料で作製され、例えば回転子１２０（図１）の形状に類似した歯付き円板の形状を有する。それ自体で、スペーサ５２２は６つの回転子磁極を画定する。それぞれモータ５００の相Ａ及びＢは４つの固定子磁極を有するため、モータ５００は２相８／６リラクタンスモータである。
【００３０】
モータ５００の相Ａが励磁されると、その結果として得られる力がスペーサ５２２に作用し、回転子５２０を図５で示したように方向付ける。スペーサ５２２は、この方向で、相Ａの固定子磁極の間の磁性材料の間隙を実質的にブリッジし、図５の磁束線５４０で示した磁束経路を生成する。回転子５２０の回転は、モータ５００の２つの相を順に励磁することによって行われる。モータ５００は２相モータであるため、通常の実施形態では、このモータに、駐車機構及び／又は開始を助ける機構（図５で示さず）が設けられ、それによって回転子の回転方向が決定される。多様なタイプのこうした機構がリラクタンスモータの技術分野で周知であり、例えば上記で参照したＴ．Ｊ．Ｅ．Ｍｉｌｌｅｒの本に記載されている。モータ５００のストロークは３０度であり、１つの完全な回転子の回転は６励磁サイクルで行われる。
【００３１】
図６は、本発明の他の実施形態によるモータ６００を示す上面図である。それぞれモータ３００、４００、及び５００がスイッチ、及び／又はステッパ、リラクタンスモータであるのに対して、モータ６００は同期リラクタンスモータである点で、モータ６００は上記のモータ３００、４００、及び５００とは異なる。スイッチ・リラクタンスモータのように固定子の磁極ごとに別個のコイルを有するのではなく、モータ６００は、通常の工業製品の複数相インダクタンス・モータのコイルの巻線と同様の、モータの様々な相に対応する重ねられたコイルを有する。具体的には、モータ６００は１２の固定子磁極を有し、それぞれ（Ａ〜Ｃのラベルが付けられた）モータの３相が固定子磁極ごとにコイルを有する。例えば、相Ａは、図６の太い（ワイヤ）線で示した１２の直列接続されたコイルを有する。それぞれ相Ｂ及びＣも、相Ａと同様であるが移動した位置に配置された１２の直列接続されたコイルを有する。より具体的には、相Ｂのコイルは対応する相Ａのコイルの位置に対して１つの固定子磁極によって反時計回りの方向に移動された位置を有する。同様に、相Ｃのコイルは、対応する相Ａのコイルの位置に対して２つの固定子磁極によって反時計回りの方向に移動された位置を有する。
【００３２】
モータ６００の回転子６２０は、モータ５００の回転子５２０と実質的に類似している。しかし、回転子６２０は、回転子５２０の３つの非磁性ボール５２４及びマッチする磁性スペーサ５２２とは対照的に、４つの非磁性ボール６２４及びマッチする磁性スペーサ６２２を有する。
【００３３】
例えば、それぞれモータの相Ａ〜Ｃに対して互いに１２０度離れた３つの正弦波電流を与えることによって、モータ６００の回転子の空洞内に回転磁界が生成される。図６の磁束線６４０は、相Ａに与えられる正弦波電流が最大のときに生成される磁界構成を示す。相Ｂに与えられる正弦波電流が最大のときに、図６で示した構成と同様であるが、その構成に対して半時計回りの方向に３０度回転された磁界構成が生成される。磁界構成は、相Ｃに与えられる正弦波電流が最大のときに、また３０度回転され、以下同様になされる。モータ６００の相Ａ〜Ｃに与えられる正弦波電流の相対相位により、磁界の回転方向、従って回転子６２０の回転方向が制御される。例えば、正弦波電流の相が、磁界が反時計回りの方向に回転されるようになされた場合、得られるトルクによりスペーサ６２２（従って回転子６２０全体）も反時計回りの方向に回転される。同様に、例えば、正弦波電流の相が、磁界が時計回りの方向に回転されるようになされた場合、回転子６２０も時計回りの方向に回転される。
【００３４】
図７は、本発明の一実施形態によるリニアモータ７００を示す上面図である。モータ７００の物理的原理は、モータ７００がシャトル７２０を並進させるように適合されているが、モータ４００が回転子４２０を回転させるように適合されていること以外は、例えばモータ４００（図４）と同様である。モータ７００の固定子は複数の相を有し、そのうちの（Ａ〜Ｅのラベルが付けられた）５つだけが図７で示されている。こうした相はそれぞれ、モータの内部空洞の両側に配置された２つの馬蹄形磁性コア上に４つのコイルを備える。必要に応じて、追加のコイルをモータの内部空洞に沿って配置することができる。シャトル７２０は、非磁性スペーサ７２２及び８つの磁性ボール７２４を備える。
【００３５】
シャトル７２０の移動方向は、相の励磁順序によって決定され、シャトルの移動の接近可能な距離はモータ７００のコイルの数によって決定される。例えば、モータ７００にＡ―Ｂ−Ｃ−Ｄ相の励磁シーケンスを与えると、シャトル７２０は図７で示した位置に対して右に移動され、２つの最も左のボール７２４が相Ｄのコイルと整列するシャトル位置がもたらされる。その位置では、２つの最も右のボール７２４は相Ａのコイルを越えた位置に移動している。同様にモータ７００にＥ―Ｄ−Ｃ−Ｂ相の励磁のシーケンスを与えると、シャトル７２０は図で示した位置に対して左に移動される。従って、通常の実施形態では、モータ７００の固定子コイルの数、シャトル７２０を含む空洞に沿ったコイルの位置、及びその空洞の長さが、空洞に沿ってシャトルが両方向に可逆に移動されるように選択される。
【００３６】
図８Ａ〜Ｉは、本発明の一実施形態によるモータの作製に使用することができる代表的な製造プロセスを示す。より具体的には、各図８Ａ〜Ｈは、モータの１つの固定子コイルの初期の構造を示す１つの上面図及び２つの側断面図であり、図８Ｉは最終固定子構造を示す上面図である。図で示す目的で、図８のプロセスを、実質的に矩形の磁性コアを有する単一の固定子コイルに関して概説する。当業者には理解されるように、例えば馬蹄形磁性コアを有するように構成された固定子コイルを有するモータを同様の方法で作製することができる。
【００３７】
図８Ａを参照すると、製造プロセスは、非磁性、非導電性基板８１０で開始される。一実施形態では、基板８１０は、比較的薄い（例えば約０．５μｍの）酸化ケイ素層８１４で覆われた比較的厚い（例えば約７００μｍの）ケイ素層８１２を含む。次いで、金属の析出と剥離プロセスを使用して、コイル巻線の底部８１６、及び接触パッド８１８に至る導電トラックが作製される。必要に応じて、部分８１６、導電トラック、及び接触パッド８１８を電気めっきで厚くする。
【００３８】
図８Ｂを参照すると、図８Ａの構造が先ず薄い（例えば約０．５μｍの）酸化ケイ素層８２０で覆われる。次いで、層８２０にパターンが付けられ、エッチングされて、（ｉ）部分８１６への通路８２２、及び（ｉｉ）接触パッド８１８への通路８２４が作製される。
【００３９】
図８Ｃを参照すると、次いで金属析出及び剥離プロセスが使用されて、電気めっき電極８３０が作製される。電極８３０の一部が通路８２２に充填されることを留意されたい。一実施形態では、電極８３０はチタンからなる。
【００４０】
図８Ｄを参照すると、図８Ｃの構造が、スピン・コーティングを使用して、先ずポジ型フォトレジストの比較的厚い（例えば約１５０μｍの）層８４０で覆われる。次いで、層８４０にパターンが付けられ、エッチングされて、コイルのコア用の型８４２及びコイルの垂直（即ち基板８１０の平面に直交の）セグメントを形成するポスト用の型８４４が作製される。一実施形態では、型８４４の縦横（即ち深さ対幅）比は約２０である。
【００４１】
図８Ｅを参照すると、電気めっきを使用して、型８４２及び８４４に導電性磁性材料、例えばＮｉ−Ｆｅ（８１％−１９％）合金が充填される。この合金は電気的に導電性であるため、コイルの磁性コア８５２と垂直セグメント８５４の両方の形成に使用されることを留意されたい。一代替実施形態では、適した様々な材料をそれぞれ型８４２及び８４４の充填に使用することができる。通常は電気めっきステップ後に、研磨ステップが続き、図８Ｅで示した実質的に平坦な構造になる。
【００４２】
図８Ｆを参照すると、図８Ｅの構造が、スピン・コーティングを使用して、先ずポジ型フォトレジストの比較的薄い（例えば約１μｍの）層８６０で覆われる。次いで、相８６０にパターンが付けられ、エッチングされて、垂直セグメント８５４の頂部に通路８６４が作製される。
【００４３】
図８Ｇを参照すると、シャドウ・マスクを使用して、導電性材料（例えば金）が図８Ｆの構造上に析出されてコイル巻線の頂部８７６が作製される。必要に応じて、部分８７６を電気めっきで厚くする。
【００４４】
図８Ｈを参照すると、フォトレジスト層８４０及び８６０が露出され、エッチングされて、モータの内部空洞８８０が作製され、接触パッド８１８の覆いが除去される。層８４０及び８６０の残りの材料が空洞８８０の非磁性ライニング８８６を作製することを留意されたい（図８Ｉも参照）。
【００４５】
図８Ｉは、図８Ａ〜Ｈで概説した製造ステップを使用して作製された固定子８９０を示す上面図である。図８Ｉで見ることができるように、固定子８９０は、単一基板を使用して製造された実質的にモノリシック構造である。モータ製造プロセスは、回転子（図示せず）を固定子８９０の空洞８８０内に配置することによって完了する。この回転子は、回転子３２０（図３）と同様の回転子、又は回転子５２０（図５）と同様の回転子でもよい。いずれの場合も、回転子は、回転子が空洞内部でスピンするときに、空洞８８０のライニング８８６に対してローリングするローラ（例えば球状のボール又は円筒形の軸受）を有する。
【００４６】
例示の実施形態を参照して本発明を記載したが、この記載は限定的ではないと考えられるものとする。本発明の幾つかのモータを、スイッチ・モータとして、かつステップ・モータとして実装することができる。本発明のモータを、任意の所望の数の相、固定子の磁極、及び／又は回転子の磁極を有するように設計することができる。回転子の磁気素子を当技術分野で周知の方法で薄膜を重ねて作製することができる。様々な表面を、例えば、導電性を向上させるための金属析出、又は機械的強度を向上させるためのイオン注入などによって変更することができる。
【００４７】
多様な適した材料を使用してモータ部品を製造することができる。一般に、磁性材料は磁石に引きつけられるものである。一部の磁性材料は、例えば約１００以上の比較的高い透磁率を有する。こうした磁性材料の一例は、鉄、コバルト、ニッケル、クロム、モリブデン、及び／又はその組合せを有する強磁性材料である。幾つかの材料、例えば、ステンレス鋼を磁性又は非磁性になるように加工することができる。磁性ステンレス鋼の適した一タイプは、いわゆる「軟磁性」ステンレス鋼である。このタイプのステンレス鋼は、もとはソレノイド・プランジャ用に開発されたものである。ソレノイド・プランジャは、通常、電流のスイッチが入ったときに周囲のコイルからの磁界に有効に応答するが、電流のスイッチが切られたときは、プランジャ材料内に誘導された磁界が急速に崩壊して、プランジャが元の位置に戻ることができるように設計される。同様に、非磁性材料は磁石に引きつけられないものである。通常の非磁性材料は、例えば約２未満の比較的低い透磁率を有する。
【００４８】
様々な形状のコイル、コア、回転子、シャトル、スペーサ、ばね、空洞、電極、パッド、及び／又はトラックを、本発明の範囲及び原理から逸脱することなく実装することができる。回転子の軸受として球状のボールを使用する文脈で本発明の回転子を記載したが、任意の適したローラ（例えば円筒形のローラ）をボール軸受の代わりに使用することができる。本発明の固定子を馬蹄形磁性コアを有するものとして記載したが、他の形状の磁性コア／磁束経路要素を使用することもできる。こうした他の形状の一例が、例えば図１のホイールとスパイク構成によって提供されている。記載した実施形態の様々な変更形態、並びに本発明の他の実施形態は、本発明に関連する技術分野の当業者には明らかであろうが、添付の特許請求の範囲に記載した本発明の原理及び範囲内に包含されるものである。
【００４９】
本明細書の目的では、ＭＥＭＳデバイスは、互いに連動して移動するように適合された２つ以上の部分を有するデバイスであり、移動は、機械的、熱的、電気的、磁気的、光学的、及び／又は化学的相互作用など、任意の適した相互作用又は相互作用の組合せに基づく。ＭＥＭＳデバイスは、（ナノ製造技術を含む）マイクロ以下の製造技術を使用して製造され、この技術には、必ずしも限定的ではないが、（１）例えば、自己集合単層、所望の化学物質に対する高親和性を有する化学コーティング、及びダングリング化学結合の生成及び飽和を使用する自己集合技術、並びに（２）例えば、リソグラフィ、化学蒸着めっき、材料のパターン付けと選択的エッチング、及び表面の処理、形付け、めっき、及びテクスチャ付けを使用するウェーハ／材料加工技術が含まれる。ＭＥＭＳデバイスの幾つかの要素のスケール／サイズは、量子効果が明らかになるものでもよい。ＭＥＭＳデバイスの例には、限定的ではないが、ＭＥＭＳ（ナノ電気機械システム）デバイス、ＭＯＥＭＳ（マイクロ光電子機械システム）デバイス、マイクロマシン、マイクロシステム、及びマイクロシステム技術又はマイクロシステム集積化を使用して作製されたデバイスが含まれる。
【００５０】
本発明をＭＥＭＳデバイスとして実装する文脈で記載したが、本発明は、理論的には、マイクロスケールよりも大きいスケールを含む任意のスケールで実装することもできる。
【００５１】
特に明記されていない限り、それぞれ数値及び範囲は、値又は値の範囲の前に単語「約」又は「概ね」が記載されていると考えられたい。
【００５２】
本明細書での「１つの実施形態」又は「一実施形態」の記載は、その実施形態に関連して記載された特定の特徴、構造、又は特性を本発明の少なくとも１つの実施形態に含めることができることを指す。本明細書の様々な箇所での句「一実施形態では」の記載は、必ずしも全て同じ実施形態を指すものではなく、相互に他の実施形態を除外して、別々又は代替の実施形態を指すものでもない。同じことが用語「実装」にも当てはまる。
【００５３】
添付の方法クレームのステップがある場合は、対応するラベル付けと共に特定のシーケンスで記載されているが、クレームにこうしたステップの一部又は全てを実装するための特定のシーケンスが別段に示されていない場合でも、こうしたステップは必ずしもその特定のシーケンスでの実装に限定されないものとする。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】２つの従来技術のリラクタンスモータを示す断面図である。
【図２】２つの従来技術のリラクタンスモータを示す断面図である。
【図３】本発明の一実施形態によるモータを示す上面図である。
【図４】本発明の他の実施形態によるモータを示す上面図である。
【図５】本発明の他の実施形態によるモータを示す上面図である。
【図６】本発明の他の実施形態によるモータを示す上面図である。
【図７】本発明の一実施形態によるリニアモータを示す上面図である。
【図８Ａ】本発明の他の実施形態によるモータの作製に使用することができる代表的な製造プロセスを示す図である。
【図８Ｂ】本発明の他の実施形態によるモータの作製に使用することができる代表的な製造プロセスを示す図である。
【図８Ｃ】本発明の他の実施形態によるモータの作製に使用することができる代表的な製造プロセスを示す図である。
【図８Ｄ】本発明の他の実施形態によるモータの作製に使用することができる代表的な製造プロセスを示す図である。
【図８Ｅ】本発明の他の実施形態によるモータの作製に使用することができる代表的な製造プロセスを示す図である。
【図８Ｆ】本発明の他の実施形態によるモータの作製に使用することができる代表的な製造プロセスを示す図である。
【図８Ｇ】本発明の他の実施形態によるモータの作製に使用することができる代表的な製造プロセスを示す図である。
【図８Ｈ】本発明の他の実施形態によるモータの作製に使用することができる代表的な製造プロセスを示す図である。
【図８Ｉ】本発明の他の実施形態によるモータの作製に使用することができる代表的な製造プロセスを示す図である。
【図１】
2009518999.tif 000003
【図２】
2009518999.tif 000004
【図３】
2009518999.tif 000005
【図４】
2009518999.tif 000006
【図５】
2009518999.tif 000007
【図６】
2009518999.tif 000008
【図７】
2009518999.tif 000009
【図８Ａ】
2009518999.tif 000010
【図８Ｂ】
2009518999.tif 000011
【図８Ｃ】
2009518999.tif 000012
【図８Ｄ】
2009518999.tif 000013
【図８Ｅ】
2009518999.tif 000014
【図８Ｆ】
2009518999.tif 000015
【図８Ｇ】
2009518999.tif 000016
【図８Ｈ】
2009518999.tif 000017
【図８Ｉ】
2009518999.tif 000018
【国際調査報告】
2009518999.tif 000019
2009518999.tif 000020
2009518999.tif 000021