JP3337200B2 - リニア電磁型マイクロアクチュエータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、電磁力を利用し
直線運動するリニアモータ、特に数ｍｍ程度のマイクロ
マシン部品を二次元的に搬送するリニア電磁型マイクロ
アクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】マイクロマシンの分野で二次元的搬送を
実現するためには、リニアベアリングやリニアガイド等
の支持機構を用いることは難しい。可動子上にマイクロ
パーツ等の負荷を搭載して搬送動作を実現するために
は、可動子と固定子間の垂直方向の磁気吸引力の発生を
防ぎ、高推力が得られる駆動方式を提案する必要があ
る。そこで、開ループ制御が可能であることから、リニ
アパルスモータ（ＬＰＭ）方式の原理を応用し、可動子
に磁性体または永久磁石を用いて、可動子の進行方向手
前の平面コイルのみを一相励磁して駆動する方法を提案
している（特開平８−２８６３０６号：提案装置ともい
う）。

【０００３】図７，図８に提案装置を示す。磁気回路
は、図７では励磁コイル２（Ｕ１）と磁性体可動子１よ
りなり、図８では平面コイルアレイ３と垂直方向に着磁
された永久磁石可動子５よりなり、ＸＹ方向のいずれに
も同じ推力が発生するように構成する。いま、可動子１
または５がそれぞれ図示の位置にあるものとし、図中の
Ｕ１コイルのみを１相励磁すると、Ｘ軸方向に移動させ
ることができる。そして、可動子がＵ１コイル上を進ん
できてその推力がゼロになる手前で、Ｕ２コイルに励磁
を切り換え、Ｕ１コイルの励磁を止める。このような動
作を順次繰り返すことにより、可動子をＸ軸方向に連続
して移動させるようにしている。この方式によれば、常
に、可動子の進行方向手前の平面コイル（図８の例では
５個：各コイルの寸法は例えば１ｍｍ×１ｍｍ）のみを
励磁し、可動子直下の平面コイルは励磁しないため、垂
直方向下向きの大きな磁気吸引力の発生を防ぐことがで
きる。また、可動子に永久磁石を用いた場合には、高推
力を期待できる。

【０００４】図９に垂直方向に着磁した（例えば５ｍｍ
×５ｍｍ×１ｍｍ，１１０ｍｇ）のＮｄＦｅＢ磁石を永
久磁石可動子として用いた場合の、印加電流に対する推
力特性例を示す。図示のように、推力は印加電流に比例
して増加し、０．５Ａ／相（０．１Ａ／コイル）時の平
均推力は実線で示すように２０ｍＮ（ミリニュート
ン）、最大推力は４４ｍＮ（点線参照）で、図８の例で
は永久磁石可動子５の端部９での表面磁束密度測定値は
約０．１Ｔ（テスラ）である。

【０００５】図１０に摩擦係数を０．４とし、図８のよ
うな永久磁石可動子５を用いた場合の搬送特性例を示
す。同図に従来例として点線で示すように、搬送可能な
質量は電流の増加によって増大する。例えば、永久磁石
可動子５が平均推力で動作し、０．５Ａ／相（０．１Ａ
／コイル）で摩擦係数を０．４とすれば、約２ｇの負荷
（マイクロパーツ）を搬送できることになる。なお、図
１０の最大搬質量には、可動子の自重は含まれていな
い。

【０００６】図７や図８では、可動子を角型（□型）形
状としたが、円形（○型）としてもよい。進行方向手前
の平面コイルのみを励磁する方式では、円形（○型）の
可動子の場合は推力に寄与する領域が少なくなるため、
推力，搬送質量は少々低下するが、搬送動作は角型（□
型）形状のものよりも安定している。すなわち、角型
（□型）の場合は、搬送ステージ（図８（ｂ）の保護膜
６参照）上を走行中に搬送ステージに突起物があったり
すると、可動子の形状が例えば菱形（◇型）に変形して
移動する可能性がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】つまり、図７や図８の
励磁方式では、下記のような問題がある。 （１）進行方向手前の平面コイルの可動子の磁束だけを
有効利用しているためＸ，Ｙどちらの方向に励磁した場
合でも、可動子の中央部の磁束は無駄に利用されてい
る。そのため、可動子の中央部領域が搬送可能な質量を
増大させるに当たり無駄な領域となる。また、外部への
漏れ磁束の影響が大きい。換言すれば、可動子の自重が
重いため、可動子に載せられる部品の搬送可能な質量が
減ることになる。 （２）磁気回路が永久磁石と励磁コイルのみで構成され
ているため推力が小さく、搬送可能な質量がが小さい。
そのため、搬送可能な質量を大きくしようとすると、大
電力が必要となる。 したがって、この発明の課題は、可動子により搬送可能
な質量の増大化を図ることにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
べく、請求項１の発明では、一次元的または二次元的に
配置された複数個の平面コイルを保護膜により覆ってな
る固定子と、磁性体または垂直方向に着磁した永久磁石
よりなる可動子とからなり、可動子を移動させる方向に
位置する１つまたは複数個の平面コイルを１相励磁する
ことにより可動子を駆動するリニア電磁型マイクロアク
チュエータにおいて、中央部を切り抜いた永久磁石を可
動子として用いるようにしている。

【０００９】 上記請求項１の発明においては、前記中
央部を切り抜いた永久磁石の代わりに、中央部を切り抜
いた永久磁石とその上部に設けたヨークとからなる可動
子を用いることができ（請求項２の発明）、中央部を切
り抜いた永久磁石とその外周を覆うように設けたヨーク
とからなる可動子を用いることができ（請求項３の発
明）、または、中央部を切り抜いた永久磁石とその上部
を覆うように設けたヨークと前記永久磁石の外周を覆う
ように設けたヨークとからなる可動子を用いることがで
き（請求項４の発明）、もしくは、中央部を切り抜いた
永久磁石とその上部を覆うように設けたヨークと前記永
久磁石の外周を覆うように設けたヨークと前記永久磁石
の内周を覆うように設けたヨークとからなる可動子を用
いることができる（請求項５の発明）。

【００１０】また、請求項６の発明では、一次元的また
は二次元的に配置された複数個の平面コイルを保護膜に
より覆ってなる固定子と、磁性体または垂直方向に着磁
した磁性体よりなる可動子とからなり、可動子を移動さ
せる方向に位置する１つまたは複数個の平面コイルを１
相励磁することにより可動子を駆動するリニア電磁型マ
イクロアクチュエータにおいて、中央部を切り抜いた磁
性体を可動子として用いるようにしている。すなわち、
中央部を切り抜いた磁性体または永久磁石を可動子とし
て用いることで、可動子の自重を減らし、可動子に載せ
られる部品の搬送質量を従来よりも向上させ、低電力で
搬送能力を上げるようにしている。また、永久磁石の
上，外周または内周にヨークを設けることにより、外部
への漏れ磁束を少なくし、推力を従来よりも向上させる
ものである。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１はこの発明の第１の実施の形
態を示す構成図で、（ａ）はその斜視図、（ｂ）は磁束
分布とともに示す側面図である。動作原理は従来と同様
なので、その説明は省略する。ここでは、磁気回路が複
数個の平面コイルアレイ３を保護膜６により覆って形成
される固定子と、符号８の磁束分布として示すように垂
直方向に着磁した永久磁石１０（重さ例えば５３ｍｇ）
よりなる可動子とから構成される。構造的には従来例の
永久磁石中央部を切り抜いただけであるが、中央部を切
り抜いた永久磁石端部９での表面磁束密度は、従来の中
央部を切り抜かない板状の永久磁石の端部の値と略同じ
０．１（Ｔ）である。また、推力特性も図９に示すもの
と同等の特性を示し、例えば０．５Ａ／相（０．１Ａ／
コイル）時の平均推力は実線で示す２０ｍＮである。

【００１２】これに対し、搬送質量は図１０に実施例１
として一点鎖線で示すように０．５Ａ／相で２．０８ｇ
となり、従来例として示す点線で示す０．５Ａ／相で
２．０２ｇの場合よりも大きくなっており、搬送質量を
より向上させることができる、というわけである。すな
わち、中央部を切り抜いた分だけ永久磁石の自重が減
り、電流が同一ならば、少ない電力で多くの部品または
重い部品を搬送することができる。さらに、中央部を切
り抜いた永久磁石可動子を用いることで、永久磁石の上
に載せる部品に対する漏れ磁束の影響を低減することが
できる。なお、中央部を切り抜いた永久磁石可動子の形
状としては、リング状でもよい。

【００１３】図２はこの発明の第２の実施の形態を示す
側面図で、磁束分布とともに示している。動作原理は従
来と同様である。可動子１２を、中央部を切り抜いた永
久磁石１２４（その重さは例えば５３ｍｇ）と、その上
部に設けた可動子ヨーク１２１（その寸法は例えば６ｍ
ｍ×６ｍｍ×０．１ｍｍ，重さは２８ｍｇ）とから構成
する。したがって、磁気回路はこの可動子１２と励磁コ
イル（Ｕ１）とから構成される。かかる構成により外部
への漏れ磁束が少なくなるため、推力に寄与する部分の
磁束量を増加させることができ、推力を向上させること
ができる。例えば、０．５Ａ／相（０．１Ａ／コイル）
時の平均推力は２０．１ｍＮで、従来例よりも１０ｍｇ
ｆ向上している。搬送質量は図１０に実施例２として二
点鎖線で示すように０．５Ａ／相で２．１５ｇとなり、
従来例の２．０２ｇに対して搬送質量を向上させること
ができる。

【００１４】可動子の自重が減って推力も向上し、同一
電流での可動子上に載せられる部品の搬送質量を、従来
よりも向上させることが可能となる。また、中央部を切
り抜いた永久磁石１２４の上部に可動子ヨーク１２１を
配置していることから、可動子１２の上に載せる部品や
外部に対する漏れ磁束の影響を低減できるというわけで
ある。なお、中央部を切り抜いた永久磁石可動子の形状
としては、リング状でもよい。また、永久磁石の上部に
設ける可動子ヨークの形状は、永久磁石の形状がリング
形状であれば、円板状（○型）や中央部を切り抜いた永
久磁石の内径よりも小さいドーナツ型形状（◎型）でも
よい。

【００１５】図３はこの発明の第３の実施の形態を示す
側面図で、磁束分布とともに示している。動作原理は従
来と同様である。可動子１２を、中央部を切り抜いた永
久磁石１２４（重さは例えば５３ｍｇ）と、その外周を
覆うように設けた可動子ヨーク１２３（例えば厚さ０．
４ｍｍ，重さ３５ｍｇ）とから構成する。したがって、
磁気回路はこの可動子１２と励磁コイル（Ｕ１）とから
構成される。かかる構成により外部への漏れ磁束が少な
くなるため、推力に寄与する部分の磁束量を増加させる
ことができ、推力を向上させることができる。例えば、
０．５Ａ／相（０．１Ａ／コイル）時の平均推力は２
０．２ｍＮで、従来例よりも２０ｍｇｆ向上している。
搬送質量は図１０に実施例３として点線で示すように
０．５Ａ／相で２．１７ｇとなり、従来例の２．０２ｇ
に対して搬送質量を向上させることができる。

【００１６】可動子の自重が減って推力も向上し、同一
電流での可動子上に載せられる部品の搬送質量を、従来
よりも向上させることが可能となる。また、中央部を切
り抜いた永久磁石１２４の外周を覆うように可動子ヨー
ク１２３を配置していることから、可動子１２の上に載
せる部品や外部に対する漏れ磁束の影響を低減できると
いうわけである。なお、中央部を切り抜いた永久磁石可
動子の形状としては、リング状でもよい。また、永久磁
石の外周を覆うように設ける可動子ヨークの形状は、永
久磁石の形状がリング形状であれば、リング状でもよ
い。さらに、推力に寄与する部分の磁束量を多くするこ
とができるならば、図３（ｂ）のように、中央部を切り
抜いた永久磁石１２４と可動子ヨーク１２３との間に、
例えば０．１ｍｍ幅程度の非磁性体のスペーサ２１を挿
入するようにしてもよい。

【００１７】図４はこの発明の第４の実施の形態を示す
側面図で、磁束分布とともに示している。動作原理は従
来と同様である。可動子１２を、中央部を切り抜いた永
久磁石１２４（重さ例えば５３ｍｇ）と、その上部に設
けた可動子ヨーク１２１と、永久磁石１２４の外周を覆
うように設けた可動子ヨーク１２３（例えば厚さ０．４
ｍｍ，重さ３５ｍｇ）とから構成する。したがって、磁
気回路はこの可動子１２と励磁コイル（Ｕ１）とから構
成する。かかる構成により外部への漏れ磁束が少なくな
るため、推力に寄与する部分の磁束量を増加させること
ができ、推力を向上させることができる。例えば、０．
５Ａ／相（０．１Ａ／コイル）時の平均推力は２０．６
ｍＮで、従来例よりも６０ｍｇｆ向上している。搬送質
量は図１０に実施例４として点線で示すように０．５Ａ
／相で２．２３ｇとなり、従来例の２．０２ｇに対して
搬送質量を向上させることができる。

【００１８】可動子の形状によっては従来例よりも自重
が増えるが（この例では６ｍｇ程度）、それ以上に推力
の向上が大きいため、同一電流での可動子上に載せられ
る部品の搬送質量を、従来よりも向上させることが可能
となる。また、中央部を切り抜いた永久磁石１２４の上
部に可動子ヨーク１２１と外周部に可動子ヨーク１２３
を配置していることから、可動子１２上への漏れ磁束量
も減り、可動子１２の上に載せる部品や外部に対する漏
れ磁束の影響を低減できるというわけである。なお、中
央部を切り抜いた永久磁石可動子の形状としては、リン
グ状でもよい。また、永久磁石の上部に設ける可動子ヨ
ークの形状は、永久磁石の形状がリング形状であれば、
円板状（○型）や中央部を切り抜いた永久磁石の内径よ
りも小さいドーナツ型形状（◎型）でもよい。さらに、
永久磁石の外周を覆うように設ける可動子ヨークの形状
は、永久磁石の形状がリング形状であれば、リング状で
もよい。加えて、推力に寄与する部分の磁束量を多くす
ることができるならば、図４（ｂ）のように、中央部を
切り抜いた永久磁石１２４と可動子ヨーク１２３との間
に、例えば０．１ｍｍ幅程度の非磁性体のスペーサ２１
を挿入するようにしてもよい。

【００１９】図５はこの発明の第５の実施の形態を示す
構成図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は磁束分布とともに
示す側面図、（ｃ）は磁性体を示す部分側面図である。
可動子１２を、中央部を切り抜いた永久磁石１２４（重
さ例えば５３ｍｇ）と、その上部に設けた可動子ヨーク
１２１と、永久磁石１２４の外周を覆うように設けた可
動子ヨーク１２３と、永久磁石１２４の内周を覆うよう
に設けた可動子ヨーク１２２（例えば厚さ０．４ｍｍ，
重さ７ｍｇ）とから構成する。この場合、磁気回路１１
１が永久磁石１２４と可動子ヨーク１２１，１２３と励
磁コイル（Ｕ１）とから構成され、磁気回路１１２が可
動子ヨーク１２１，１２２，１２３と励磁コイル（Ｕ
１）とから構成される。可動子ヨーク１２２はここでは
その中央部が切り抜かれているが、切り抜かれない角板
でもよい。

【００２０】かかる構成による可動子１２の端部９での
表面磁束密度は、中央部を切り抜かない従来例の値
（０．１Ｔ）よりも大きい０．１２Ｔを示す。すなわ
ち、外部への漏れ磁束が少なくなるため、推力に寄与す
る部分の磁束量を増加させることができ、推力を向上さ
せることができることになる。例えば、０．５Ａ／相
（０．１Ａ／コイル）時の平均推力は２１ｍＮで、従来
例よりも１００ｍｇｆ向上している。搬送質量は図１０
に実施例５として実線で示すように０．５Ａ／相で２．
３３ｇとなり、従来例の２．０２ｇに対して搬送質量を
より向上させることができる。

【００２１】可動子の形状によっては従来例よりも自重
が増えるが（この例では１４ｍｇ程度）、それ以上に推
力の向上が大きいため、同一電流での可動子上に載せら
れる部品の搬送質量を、従来よりも向上させることが可
能となる。また、中央部を切り抜いた永久磁石１２４の
上部に可動子ヨーク１２１と外周部に可動子ヨーク１２
３、さらには内周部に可動子ヨーク１２２を配置してい
ることから、可動子１２上への漏れ磁束量も減り、可動
子１２の上に載せる部品や外部に対する漏れ磁束の影響
を低減することができる。なお、中央部を切り抜いた永
久磁石可動子の形状としては、リング状でもよい。ま
た、永久磁石の上部に設ける可動子ヨークの形状は、永
久磁石の形状がリング形状であれば、円板状（○型）や
中央部を切り抜いた永久磁石の内径よりも小さいドーナ
ツ型形状（◎型）でもよい。永久磁石の外周を覆うよう
に設ける可動子ヨークの形状は、永久磁石の形状がリン
グ形状であれば、リング状でもよい。さらに、永久磁石
の内周を覆うように設ける可動子ヨークの形状も、永久
磁石の形状がリング形状であれば、リング状でもよく、
中を切り抜かない円板（○型）でもよい。加えて、推力
に寄与する部分の磁束量を多くすることができるなら
ば、図５（ｂ）のように、中央部を切り抜いた永久磁石
１２４と可動子ヨーク１２３との間に、例えば０．１ｍ
ｍ幅程度の非磁性体のスペーサ２１を挿入するようにし
てもよい。

【００２２】なお、上記いずれの実施の形態において
も、可動子として永久磁石を用いているが、特に図１の
例では中央部を切り抜いた方形状または円板状の磁性体
を用いることができ、場合によっては図６（ａ）に示す
ような中央部を切り抜いた船型の磁性体１Ａ、または図
６（ｂ）に示すような中央部を切り抜いた箱型の磁性体
１Ｂを用いることができるのは言うまでもない。

【００２３】

【発明の効果】この発明によれば、低電力で重い部品を
搬送することができ、特別な支持機構を用いることな
く、可動子の二次元的な直線駆動を可能にし得る利点が
もたらされる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施の形態を示す構成図であ
る。

【図２】この発明の第２の実施の形態を示す構成図であ
る。

【図３】この発明の第３の実施の形態を示す構成図であ
る。

【図４】この発明の第４の実施の形態を示す構成図であ
る。

【図５】この発明の第５の実施の形態を示す構成図であ
る。

【図６】中空磁性体例を示す断面図である。

【図７】第１の従来例を示す構成図である。

【図８】第２の従来例を示す構成図である。

【図９】電流に対する推力特性図である。

【図１０】電流に対する搬送質量特性図である。

【符号の説明】

１…磁性体可動子、１Ａ，１Ｂ…中空磁性体、２…励磁
コイル、３…平面コイルアレイ、４…平面コイル、５…
永久磁石可動子、６…保護膜、７…基板、８…磁束分
布、９…表面磁束密度測定部、１０…中空磁性体可動
子、１１…磁気回路、１２…可動子、１２１〜１２３…
可動子ヨーク、１２４…中空永久磁石、２１…非磁性体
スペーサ。

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一次元的または二次元的に配置された複
   数個の平面コイルを保護膜により覆ってなる固定子と、
   磁性体または垂直方向に着磁した永久磁石よりなる可動
   子とからなり、可動子を移動させる方向に位置する１つ
   または複数個の平面コイルを１相励磁することにより可
   動子を駆動するリニア電磁型マイクロアクチュエータに
   おいて、 中央部を切り抜いた永久磁石を可動子として用いること
   を特徴とするリニア電磁型マイクロアクチュエータ。
2. 【請求項２】 前記中央部を切り抜いた永久磁石の代わ
   りに、中央部を切り抜いた永久磁石とその上部に設けた
   ヨークとからなる可動子を用いることを特徴とする請求
   項１に記載のリニア電磁型マイクロアクチュエータ。
3. 【請求項３】 前記中央部を切り抜いた永久磁石の代わ
   りに、中央部を切り抜いた永久磁石とその外周を覆うよ
   うに設けたヨークとからなる可動子を用いることを特徴
   とする請求項１に記載のリニア電磁型マイクロアクチュ
   エータ。
4. 【請求項４】 前記中央部を切り抜いた永久磁石の代わ
   りに、中央部を切り抜いた永久磁石とその上部を覆うよ
   うに設けたヨークと前記永久磁石の外周を覆うように設
   けたヨークとからなる可動子を用いることを特徴とする
   請求項１に記載のリニア電磁型マイクロアクチュエー
   タ。
5. 【請求項５】 前記中央部を切り欠いた永久磁石の代わ
   りに、中央部を切り抜いた永久磁石とその上部を覆うよ
   うに設けたヨークと前記永久磁石の外周を覆うように設
   けたヨークと前記永久磁石の内周を覆うように設けたヨ
   ークとからなる可動子を用いることを特徴とする請求項
   １に記載のリニア電磁型マイクロアクチュエータ。
6. 【請求項６】 一次元的または二次元的に配置された複
   数個の平面コイルを保護膜により覆ってなる固定子と、
   磁性体または垂直方向に着磁した永久磁石よりなる可動
   子とからなり、可動子を移動させる方向に位置する１つ
   または複数個の平面コイルを１相励磁することにより可
   動子を駆動するリニア電磁型マイクロアクチュエータに
   おいて、 中央部を切り抜いた磁性体を可動子として用いることを
   特徴とするリニア電磁型マイクロアクチュエータ。