JP5370960B2 - 電磁アクチュエータ装置、電磁アクチュエータの駆動装置、その駆動方法及び電磁アクチュエータを搭載した装置 - Google Patents

Description

本発明は、電磁作用を利用して駆動される電磁アクチュエータ、これを駆動する駆動装置、その駆動方法、及びその電磁アクチュエータを搭載した装置に関する。

産業ロボットや人型ロボット等で応用される二自由度以上の駆動を実現するデバイスとして、一自由度アクチュエータを複数備える構造が多く用いられている。このような一自由度アクチュエータが複数設けられるアクチュエータでは、デバイスが大型化する等の問題がある。そこで、１つの可動子で三自由度の駆動が可能なアクチュエータがある（例えば、非特許文献１参照。）。

非特許文献１に記載されたアクチュエータは、側面が球面の一部として構成された可動子と、可動子の周囲に配置された複数の電磁石を有する固定子とを備えている。可動子は、その周方向に複数の磁極対が並ぶように着磁されている。固定子の複数の電磁石は、上下２段に配置されており、上段に６つの電磁石が配置され、下段にも同じく６つの電磁石が配置されている。これら複数の電磁石の、可動子の側面と対向する面（コアの端面）の形状は、球面となっている。このように構成されたアクチュエータでは、合計１２個の電磁石のそれぞれ所定の極に励磁されることにより、可動子が、可動子の複数の磁極対が並ぶ周方向に（ｘ及びｙ軸水平面内で）回転したり、上記上下方向（ｚ軸方向）に揺動したりする。

電気学会研究会資料LD-08-46「３自由度球面電磁アクチュエータの研究」加嶋俊大、山本匡史、平田勝弘

非特許文献１に記載のアクチュエータは、その図２（Ｂ）に示されるように、ｘまたはｙ軸周りに可動子を回転させようとする場合、ｚ軸周りで１８０°離れた位置にある２つの電磁石が互いに反対の極となるようにそれら電磁石を励磁する。しかしながら、可動子のｚ軸周りの１８０°離れた位置にある磁極は同じ極となるように予め決まっている。したがって、アクチュエータが可動子をｘまたはｙ軸周りに回転させようとする場合、ｚ軸周りに所定の回転角で確実にその回転を規制することができないおそれがある。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、電磁アクチュエータを可動子の磁極が並ぶ周方向での回転と、その周方向での回転とは異なる少なくとも一方向の回転（傾動）の、少なくとも二自由度で高精度に駆動することができる駆動装置、それを含む電磁アクチュエータ装置、その駆動方法及び電磁アクチュエータを搭載した装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る電磁アクチュエータ装置は、電磁アクチュエータと、駆動ユニットとを具備する。
前記電磁アクチュエータは、可動子と固定子とを有する。
前記可動子は、円周状に配置された複数の磁極対を有する。
前記固定子は、複数の第１の電磁石と、複数の第２の電磁石とを有する。
前記複数の第１の電磁石は、前記可動子の外周に沿って配置されている。
前記複数の第２の電磁石は、前記複数の第１の電磁石にそれぞれ対応するように、前記可動子に対して前記各第１の電磁石とそれぞれ対称位置に配置されている。
前記駆動ユニットは、前記複数の第１の電磁石及び前記複数の第２の電磁石のうち、前記円周上の所定の角度位置に配置された前記第１の電磁石及び前記所定の角度位置と同じ角度位置に配置された前記第２の電磁石を同じ極性方向で励磁することで、前記可動子を前記円周に沿って所定の角度回転させるように、前記電磁アクチュエータを駆動する。また、前記駆動ユニットは、前記励磁された前記第１及び前記第２の電磁石の極性を保持した状態で、前記所定の角度位置に配置された第１及び第２の電磁石を互いに異なる電流値で励磁することで前記可動子を傾けるように、前記電磁アクチュエータを駆動する。

駆動ユニットは、対応する第１の電磁石及び第２の電磁石を励磁することにより、可動子を円周に沿って回転させる。また、駆動ユニットは、そのように可動子を回転させた後、あるいは可動子が回転し終える直前に、その励磁された第１及び第２の電磁石の極性を維持した状態で、それらを互いに異なる電流値で励磁することで、可動子を傾ける。すなわち、可動子は、円周方向に沿って位置決めされつつ傾くように駆動されるので、可動子の少なくとも二自由度での高精度な駆動が可能となる。

例えば、前記可動子は、２つの前記磁極対を有してもよい。その場合、前記複数の第１の電磁石は、３相の駆動電流でそれぞれ駆動される３つの電磁石を有し、同相の駆動電流で駆動される前記第１の電磁石が前記可動子の外周に沿って１８０°ずつ離れて配置されるように、前記３つの電磁石がそれぞれ２組ずつ設けられている。また、前記複数の第２の電磁石は、前記複数の第１の電磁石の前記３つの電磁石にそれぞれ対応するように、３相の駆動電流でそれぞれ駆動される３つの電磁石を有し、同相の駆動電流で駆動される前記第２の電磁石が前記可動子の外周に沿って１８０°ずつ離れて配置されるように、前記３つの電磁石がそれぞれ２組ずつ設けられている。

その場合、前記駆動ユニットは、前記複数の第１の電磁石及び前記複数の第２の電磁石のうち、前記可動子の外周に沿って１８０°離れた、互いに同相の駆動電流で第１の組の第１及び第２の電磁石を励磁し、かつ、前記第１の組の前記第１及び前記第２の電磁石が配置された前記円周上の角度位置と同じ角度位置に対応するように配置された第２の組の第１及び第２の電磁石を、前記第１の組と同相の駆動電流で励磁することで、前記可動子を前記所定の角度回転させてもよい。また、前記駆動ユニットは、前記第１の組の前記第１及び前記第２の電磁石を第１の電流値でそれぞれ励磁し、かつ、前記第２の組の前記第１及び前記第２の電磁石を、前記第１の電流値とは異なる第２の電流値でそれぞれ励磁することで、前記可動子を所定の角度傾けてもよい。

第１の組（または第２の組）の第１及び第２の電磁石、つまり、上段及び下段にそれぞれ設けられた、互いに対向する第１及び第２の電磁石が励磁されることにより、高レスポンスで確実に可動子を傾けることができる。

あるいは、前記駆動ユニットは、前記複数の第１の電磁石及び前記複数の第２の電磁石のうち、前記第１の組及び前記第２の組とは異なる、前記可動子の外周に沿って１８０°離れた第３の組の第１及び第２の電磁石を第１の電流値でそれぞれ励磁し、かつ、前記第１、前記第２及び前記第３の組とは異なる、前記可動子の外周に沿って１８０°離れた第４の組の第１及び第２の電磁石を、前記第１の電流値とは異なる第２の電流値でそれぞれ励磁することで、前記可動子を所定の角度傾けてもよい。

前記第１の組の前記第１及び前記第２の電磁石の各コイルが接続され、かつ、前記第２の組の前記第１及び前記第２の電磁石の各コイルが接続されてもよい。
その場合、前記駆動ユニットは、第１の発生器と、第２の発生器と、反転器と、第１の加算器と、第２の加算器と、第１のドライバと、第２のドライバとを有してもよい。
前記第１の発生器は、前記可動子を前記円周に沿って回転させるための、前記駆動電流の第１の波形パターンでなる第１の駆動信号を発生する。
前記第２の発生器は、前記可動子を傾けるための、前記駆動電流の第２の波形パターンでなる第２の駆動信号を発生する。
前記反転器は、前記発せられた第２の駆動信号の極性を反転させる。
前記第１の加算器は、前記発せられた第１及び第２の駆動信号を加算する。
前記第２の加算器は、前記発せられた第１の駆動信号及び前記反転した第２の駆動信号を加算する。
前記第１のドライバは、前記第１の加算器により加算された信号に基づき、前記第１の組の前記第１及び前記第２の電磁石を駆動する。
前記第２のドライバは、前記第２の加算器により加算された信号に基づき、前記第２の組の前記第１及び前記第２の電磁石を駆動する。

駆動ユニットが、可動子を円周に沿って回転させるときの励磁の電流値は、可動子を傾けるときの、互いに異なる電流値のうちいずれか一方の電流値と同じであってもよいし、異なっていてもよい。後者の場合、駆動ユニットは、互いに異なる電流値のうちの一方を他方と異なるように設定するだけで可動子を傾けることができ、制御が容易になる。

本発明の一形態に係る駆動装置は、上述の電磁アクチュエータを駆動するものであり、回転指令手段と、傾動指令手段とを具備する。
前記回転指令手段は、前記複数の第１の電磁石及び前記複数の第２の電磁石のうち、前記円周上の所定の角度位置に配置された前記第１の電磁石及び前記所定の角度位置と同じ角度位置に配置された前記第２の電磁石を同じ極性方向で励磁することで、前記可動子を前記円周に沿って所定の角度回転させる。
前記傾動指令手段は、前記励磁された前記第１及び前記第２の電磁石の極性を保持した状態で、前記所定の角度位置に配置された第１及び第２の電磁石を互いに異なる電流値で励磁することで前記可動子を傾ける。

本発明の一形態に係る電磁アクチュエータの駆動方法は、前記複数の第１の電磁石及び前記複数の第２の電磁石のうち、前記円周上の所定の角度位置に配置された前記第１の電磁石及び前記所定の角度位置と同じ角度位置に配置された前記第２の電磁石を同じ極性方向で励磁することで、前記可動子を前記円周に沿って所定の角度回転させる。
また、前記励磁された前記第１及び前記第２の電磁石の極性を保持した状態で、前記所定の角度位置に配置された第１及び第２の電磁石が互いに異なる電流値で励磁されることで前記可動子が傾けられる。

本発明の一形態に係る装置は、上記した電磁アクチュエータ装置を搭載した装置である。このような装置としては、例えば、ロボット装置、電子機器等が挙げられる。

本発明によれば、電磁アクチュエータを可動子の磁極が並ぶ周方向での回転と、その周方向での回転とは異なる少なくとも一方向の回転（傾動）の、少なくとも二自由度で高精度に駆動することができる。

本発明の一実施形態に係る電磁アクチュエータを示す斜視図である。 上記電磁アクチュエータにおける永久磁石の着磁方向を示す斜視図である。 （Ａ）は可動子をｘ軸周りに回転させる場合の駆動原理を示す断面図であり、（Ｂ）は可動子をｙ軸周りに回転させる場合の駆動原理を示す断面図であり、（Ｃ）は可動子をｚ軸周りに回転させる場合の駆動原理を示す平面図である。 本発明の一実施形態に係る、電磁アクチュエータの駆動ユニットの構成を示す図である。 ３相の駆動電流が印加されるときのコイルの配置関係を説明するための図である。 ｚ軸周りの可動子の回転動作を説明するための電磁アクチュエータの模式図である。 ｘ軸周りの可動子の回転（傾動）動作を説明するための図である。 ｙ軸周りの可動子１の回転（傾動）動作を説明するための図である。 （Ａ）は、初期状態において、可動子に負荷が取り付けられた電磁アクチュエータを示す平面図である。に示すような状態になる。（Ｂ）は、図６（Ｃ）及び（Ｄ）に示した状態の電磁アクチュエータを示す平面図である。（Ｃ）は、図６（Ｅ）及び（Ｆ）に示した状態の電磁アクチュエータを示す平面図である。 （Ａ）は、図９（Ｂ）に対応する電磁アクチュエータを示す断面図である。（Ｂ）及び（Ｃ）は、（Ａ）に示した状態から、ｘ軸周りに可動子が動く様子を示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、図９（Ｃ）に示した状態から、可動子がｘ軸周り及びｙ軸周りに動く様子をそれぞれ示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

[電磁アクチュエータの構成]
図１は、本発明の一実施形態に係る電磁アクチュエータを示す斜視図である。図１では、互いに直交するｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸を有するｘｙｚ空間において、電磁アクチュエータ１００を図示している。なお、本発明の一実施形態に係る電磁アクチュエータ１００は、可動子をｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸の各軸周りに回転駆動可能な球面アクチュエータの一種として構成されている。

電磁アクチュエータ１００は、図１に示すように、可動子１と固定子２とを備える。可動子１は、ｘｙ平面内の円周方向に沿って４つの分割された磁性体１１と、隣接する２つの磁性体１１の各間に等ピッチ(９０°間隔)で挿入された４つの永久磁石１２(例えば、Br=１．４T)とを有している。すなわち、可動子１は、円周方向に２つの磁極対を有する。永久磁石１２は、図２に示す矢印ｄの向きに着磁されている。

固定子２は、可動子１を駆動するための複数の電磁石３を有する。これら電磁石３は、コア３２及びこのコア３２に巻かれたコイル３１で構成されている。電磁石３は、上段及び下段にそれぞれ６個ずつ設けられている。下段の複数の電磁石３とは、ｚ軸方向で対称位置となるように、それぞれ対応するように配置されている。

各コア３２は、それぞれ可動子１に向けて突出するように、円周形状である固定子２の外枠部２１の内周面側に等ピッチ（６０°間隔）取り付けられている。コア３２の端部である磁極３２１の先端面は、可動子１の外周面と対向している。可動子１と固定子２との対向面は球面にそれぞれカットされ、所定のギャップ(例えば、０．５mm)を有するように支持されている。

各コイル３１に供給される電流は独立して制御することが可能であり、１２個の磁極３２１のそれぞれにおける励磁量も独立に制御することが可能である。

[電磁アクチュエータの動作原理]
以下、電磁アクチュエータ１００の動作原理を説明する。

まず、ｘ軸周りの回転運動について動作原理を説明する。図３（Ａ）は、図２で示したｘ軸に垂直な断面、すなわち断面Ａを表している。ここで、断面Ａ内には４つの磁極３２１が存在している。また、これら４つの磁極３２１に対向する磁性体１１は、永久磁石１２の着磁方向により、Ｓ極の磁性を示している。

今、図３（Ａ）で示した磁極が現れるようにコイル３１が励磁されると、可動子１は図中の矢印方向にトルクを得ることができる。また、コイル３１の電流を反転させると、可動子１は図３（Ａ）とは反対方向にトルクを得ることになる。ｘ軸周りの回転におけるトルク量は、断面Ａ内に存在するコア３２に巻かれたコイル３１への電流量を調整することによって制御可能である。

次に、ｙ軸周りの回転運動について、図３（Ｂ）をもとに説明する。図３（Ｂ）は断面Ａをｚ軸周りに６０°回転させた断面、すなわち断面Ｂまたは断面Ｃを示している。ここで、断面Ｂ及び断面Ｃにおいても、その断面内には４つの磁極３２１が存在している。また、これら４つの磁極３２１に対向する磁性体１１は、永久磁石１２の着磁方向により、Ｎ極の磁性を示している。

今、図３（Ｂ）で示した磁極が現れるようにコイル３１が励磁されると、可動子１は図中の矢印方向にトルクを得ることができる。また、コイル３１の電流を反転させると、可動子１は図３（Ｂ）とは反対方向にトルクを得ることになる。すなわち、断面Ｂ及び断面Ｃの両方において、同様の作用によって同じ大きさのトルクを作用させれば、可動子に働く合力はｙ軸周りの回転トルクとなる。ｙ軸周りの回転におけるトルク量は、断面ＢまたはＣ内に存在するコア３２に巻かれたコイル３１への電流量を調整することによって制御可能である。

最後に、ｚ軸周りの回転について、図３（Ｃ）をもとに動作原理を説明する。図３（Ｃ）はｚ軸に垂直な断面図を示している。今、図３（Ｃ）で示した磁極が現れるようコイル３１が励磁され、つまり、ｚ軸周りの方向で１８０°離れた各電磁石が同相となるように、コイル３１が励磁され、可動子１は図中の矢印方向にトルクを得ることができる。ｚ軸に沿って配置された２つの固定子についてそれぞれ同じ磁極を発生させれば、ｚ軸以外の軸にはトルクは発生しないことになる。また、コイル３１の電流を反転させると、可動子１は反対方向にトルクを得ることになる。ｚ軸周りの回転におけるトルク量は、コア３２に巻かれたコイル３１への電流量を調整することによって制御可能である。

[電磁アクチュエータの駆動ユニットの構成]
図４は、本発明の一実施形態に係る、電磁アクチュエータ１００の駆動ユニットの構成を示す図である。

駆動ユニット５は、ｘ、ｙ、ｚ軸周りの駆動電流の波形パターンを生成する駆動信号生成部５１と、その駆動電流に基づき各電磁石３のコイル３１をそれぞれ駆動するドライバ５２とを有する。

駆動信号生成部５１は、ｘ、ｙ、ｚ軸周りの駆動電流の波形パターンをそれぞれ生成するｘパターン発生器５１ｘ、ｙパターン発生器５１ｙ、ｚパターン発生器５１ｚを有する。ｚパターン発生器５１ｚは、Ｕ、Ｖ、Ｗの３相の交流電流を発生する。ｘ、ｙパターン発生器５１ｘ、５１ｙは、交流及び直流電流の両方をそれぞれ発生することが可能となっている。

駆動ユニット５は、典型的には６つのドライバ５２を有し、１つのドライバ５２には２つのコイル３１が直列接続されている。これら２つのコイル３１は並列に接続されてもよい。各ドライバ５２には、それぞれ、Ｕ（（Ｕ₁₁、Ｕ₁₂）、（Ｕ₂₁、Ｕ₂₂））、Ｖ（（Ｖ₁₁、Ｖ₁₂）、（Ｖ₂₁、Ｖ₂₂））、Ｗ（（Ｗ₁₁、Ｗ₁₂）、（Ｗ₂₁、Ｗ₂₂））の３相の駆動電流で励磁されるコイル３１がそれぞれ接続されている。

以降の説明では、例えばドライバＤ１に接続された各コイル３１を、コイルＷ₁₁、コイルＷ₁₂と表し、この１組のコイルをＷ₁（Ｗ₁₁、Ｗ₁₂）と表し、１組のコイル（Ｗ₂₁、Ｗ₂₂）を、Ｗ₂（Ｗ₂₁、Ｗ₂₂）と表す。また、例えばＷ相の同相で駆動されるコイル３１を、コイルＷと表す。

[電磁アクチュエータの一実施形態に係る駆動方法]
図５（Ａ）及び（Ｂ）は、３相の駆動電流が印加されるときのコイル３１の配置関係を説明するための図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）において、一例としてコイルＶの位置におけるＶ−Ｖ線断面図である。

固定子２の上段側に配置されたＵ、Ｖ、Ｗ相のコイル３１は、コイルＵ₁₁、Ｖ₁₁、Ｗ₁₁、Ｕ₂₁、Ｖ₂₁、Ｗ₂₁である。また、下段側に配置されたコイル３１は、Ｕ₁₂、Ｖ₁₂、Ｗ₁₂、Ｕ₂₂、Ｖ₂₂、Ｗ₂₂である。このような配置により、同相で駆動される２つコイル３１、例えば、コイルＷ₁₁、Ｗ₂₁は、１８０°間隔で配置されている。

ｘパターン発生器５１ｘの出力電流のうちの一方５１１ｘは、例えば加算器５３ａにより、ｚパターン発生器５１ｚのＷ相の出力電流５１１ｚと加算される。加算された電流はドライバＤ１に入力される。ｘパターン発生器５１ｘの出力電流のうちの他方５１２ｘは、反転器５４ａで反転され、加算器５３ｂにより出力電流５１１ｚと加算される。加算された電流はドライバＤ２に入力される。

つまり、本実施形態では、ｘパターン発生器５１ｘの出力電流は、ｚパターン発生器５１ｚからのＷ相で駆動される電流に重畳される。

ｙパターン発生器５１ｙの出力電流のうち第１の出力電流５１１ｙは、例えば加算器５３ｃにより、ｚパターン発生器５１ｚのＵ相の出力電流５１２ｚと加算され、かつ、加算器５３ｅにより、ｚパターン発生器５１ｚのＶ相の出力電流５１３ｚと加算される。加算された各電流は、ドライバＤ３及びＤ５にそれぞれ入力される。

ｙパターン発生器５１ｙの第２の出力電流５１２ｙは、反転器５４ｂで反転され、反転された電流が加算器５３ｄにより上記Ｕ相の出力電流５１２ｚと加算される。加算された電流はドライバＤ４に入力される。また、その第２の出力電流５１２ｙは、加算器５３ｆにより上記Ｖ相の出力電流５１３ｚと加算され、加算された電流はドライバＤ６に入力される。

つまり、本実施形態では、ｙパターン発生器５１ｙの出力電流は、ｚパターン発生器５１ｚからのＵ及びＶ相で駆動される電流に重畳される。

各ドライバ５２は、この電磁アクチュエータ１００が適用される装置のアプリケーションプログラムにしたがって、各種の動作を実行する。例えば、これらのドライバ５２は、駆動信号生成部５１からの駆動電流を所定の値でホールドしたり、駆動電流の振幅を変化させたり、直流または交流のバイアス電流を駆動信号生成部５１からの電流に付加したりする。

また、例えば、駆動信号生成部５１が各パターンの駆動電流を発生した状態を定常的に続ける場合、ドライバ５２は、駆動信号生成部５１からの駆動電流のＯＮ／ＯＦＦを切り替えるようにしてもよい。あるいは、そのＯＮ／ＯＦＦのスイッチングは、駆動信号生成部５１が実行してもよい。

なお、各ドライバ５２は、典型的には図示しない電源に並列接続される。

次に、電磁アクチュエータ１００の一実施形態に係る駆動方法について説明する。

図６は、ｚ軸周りの可動子１の回転動作を説明するための電磁アクチュエータ１００の模式図である。

基本的に、ｚ軸周りの駆動では、式（１）〜（３）の３相の駆動電流により電磁アクチュエータ１００が駆動される。

U= asin(θ＋120)・・・（１）
V= asin(θ＋240)・・・（２）
W= asinθ・・・（３）

説明の便宜上、図６（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、電気角θ＝０°のとき、機械角０°（可動子１の回転角）となり、この状態を初期状態と定義する。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）のＷ−Ｗ線断面図である。図９（Ａ）は、この初期状態において、可動子１に負荷６が取り付けられた電磁アクチュエータ１００を示す平面図である。なお、この負荷６は、例えば多関節アーム型搬送ロボットのハンド（エンドエフェクタ）の一部を示すものである。

図６（Ａ）及び（Ｂ）に示した初期状態では、式（１）〜（３）より電流値の配分が、式（４）（図６（Ａ）参照）となる。この初期状態では、コイルＷは励磁されず、すなわち駆動電流が０であり、コイルＵ及びＶが、同じ大きさの駆動電流で励磁される。つまり、コイルＵ（（Ｕ₁₁、Ｕ₁₂）、（Ｕ₂₁、Ｕ₂₂））に流れる電流は、すべて同じ大きさとなり、コイルＶ（（Ｖ₁₁、Ｖ₁₂）、（Ｖ₂₁、Ｖ₂₂））に流れる電流もすべてそれと同じ大きさとなる。

初期状態から電気角θ＝９０°のとき、機械角は４５°、電流値の配分が式（５）となり、電磁アクチュエータ１００は図６（Ｃ）及び（Ｄ）に示すような状態になる。図６（Ｄ）は、図６（Ｃ）のＷ−Ｗ線断面図である。図９（Ｂ）は、このときの電磁アクチュエータ１００を示す平面図である。ドライバＤ１及びＤ２は、このようなコイルＷへの電流値をホールドすることにより、可動子１がこの位置で安定する。なお、本実施形態では、可動子１の磁極対の数が２であるので、電気角θ＝９０°の場合、機械角が４５°となる。電磁アクチュエータ１００は、このような図６（Ｃ）及び（Ｄ）に示した状態から、ドライバＤ３〜Ｄ６の駆動により、例えばｘ軸周りの可動子１を傾けることが可能となる。

図６（Ｅ）及び（Ｆ）に示すように、初期状態から電気角θ＝２７０°の場合、機械角は１３５°となり、電流値の配分が式（６）となる。図９（Ｃ）は、このときの電磁アクチュエータ１００を示す平面図である。この場合、図６（Ｃ）及び（Ｄ）に示した状態から見ると、電気角は１８０°進み、つまり反転し、機械角は９０°進む。ドライバＤ１及びＤ２は、このようなコイルＷへの電流値をホールドすることにより、可動子１がこの位置で安定する。電磁アクチュエータ１００は、このような図６（Ｅ）及び（Ｆ）に示した状態から、ドライバＤ３〜Ｄ６の駆動により、例えばｙ軸周りの可動子１を傾けることが可能となる。

図７は、ｘ軸周りの可動子１の回転（傾動）動作を説明するための図である。

図７（Ａ）及び（Ｂ）は、図６（Ｃ）及び（Ｄ）と同じ状態を示している。図７（Ａ）及び（Ｂ）に示した状態（θ＝９０°の状態）から、ｘパターン発生器５１ｘによる駆動電流の発生、及び、ドライバＤ１及びＤ２の駆動により、例えばコイルＷに直流電流であるバイアス電流ｂが印加される。このときの３相の駆動電流は、次式（７）〜（９）で表せる。

U= asin(90°＋120°)・・・（７）
V= asin(90°＋240°)・・・（８）
W= asin90°±b・・・（９）

バイアス電流+ｂは、ｘパターン発生器５１ｘからの出力電流５１１ｘであり、この出力電流５１１ｘがＷ相の駆動電流と加算され、ドライバＤ１がその加算信号に基づいて、１組のコイルＷ₁（Ｗ₁₁、Ｗ₁₂）を励磁する。

バイアス電流-ｂは、ｘパターン発生器５１ｘからの出力電流５１２ｘが反転されたものであり、この反転された電流がＷ相の駆動電流と加算され、ドライバＤ１がその加算信号に基づいて、１組のコイルＷ₂（Ｗ₂₁、Ｗ₂₂）を励磁する。

このようなコイルＷの励磁により、図７（Ａ）及び（Ｂ）に示した状態から、コイルＷ₁（Ｗ₁₁、Ｗ₁₂）に流れる電流が増え、コイルＷ₂（Ｗ₂₁、Ｗ₂₂）に流れる電流が減る。これにより、駆動ユニット５は、図７（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように、ｚ軸周りの可動子１の位置を固定させながら、つまり、コイルＷ（（Ｗ₁₁、Ｗ₁₂）、（Ｗ₂₁、Ｗ₂₂））による４つの電磁石３の極性を保持した状態で、ｘ軸周りに可動子１を傾けることができる。この場合、ｂの値は、コイルＷ（（Ｗ₁₁、Ｗ₁₂）、（Ｗ₂₁、Ｗ₂₂））の駆動電流の極性が変わらないように予め設定されている。

図１０（Ａ）は、図９（Ｂ）に対応する電磁アクチュエータを示す断面図である。図１０（Ｂ）及び（Ｃ）は、図１０（Ａ）に示した状態から、ｘ軸周りに可動子１が動く様子を示す図である。

ここで、式（９）の代わりに、次式（９’）が用いられてもよい。

W= asinθ±bsin(2πft)・・・（９’）。

式（９’）では、ｘパターン発生器５１ｘは、バイアス電流として交流電流（周波数ｆ）を発生する。この場合、１組のコイルＷ₁（Ｗ₁₁、Ｗ₁₂）の極性と、もう１組のコイルＷ₂（Ｗ₂₁、Ｗ₂₂）の極性とが周期的に入れ替わり、可動子１は、傾き角を周期的に反転させる揺動状態となる。

図８は、ｙ軸周りの可動子１の回転（傾動）動作を説明するための図である。図８（Ａ）及び（Ｂ）は、図６（Ｅ）及び（Ｆ）と同じ状態を示しており、例えばコイルＶの位置における断面を示している。図８（Ａ）及び（Ｂ）に示した状態（θ＝２７０°の状態）から、ｙパターン発生器５１ｙによる駆動電流の発生、及び、ドライバＤ３及びＤ６の駆動により、例えばコイルＵ、Ｖに直流電流であるバイアス電流ｂが印加される。このときの３相の駆動電流は、次式（７）〜（９）で表せる。

U= asin(270°＋120°)±b・・・（１０）
V= asin(270°＋240°)±b・・・（１１）
W= asin270°・・・（１２）

バイアス電流+ｂは、ｙパターン発生器５１ｙからの第１及び第２の出力電流５１１ｙ及び５１２ｙであり、これらの出力電流５１１ｙ及び５１２ｙがｚパターン発生器５１ｚからのＵ相及びＶ相の駆動電流とそれぞれ加算される。ドライバＤ３及びＤ５がそれらの加算信号に基づいて、１組のコイルＵ₁（Ｕ₁₁、Ｕ₁₂）及び１組のコイルＶ₁（Ｖ₁₁、Ｖ₁₂）をそれぞれ励磁する。

バイアス電流-ｂは、ｙパターン発生器５１ｙからの第２の出力電流５１２ｙが反転されたものであり、これら反転された出力電流がｚパターン発生器５１ｚからのＵ相及びＶ相の駆動電流とそれぞれ加算される。ドライバＤ４及びＤ６がそれらの加算信号に基づいて、１組のコイルＵ₂（Ｕ₂₁、Ｕ₂₂）及び１組のコイルＶ₂（Ｖ₂₁、Ｖ₂₂）をそれぞれ励磁する。

このようなコイルＵ、Ｗの励磁により、図８（Ａ）及び（Ｂ）に示した状態から、例えば、コイルＵ₂（Ｕ₂₁、Ｕ₂₂）及びコイルＶ₂（Ｖ₂₁、Ｖ₂₂）に流れる電流が増え、コイルＵ₁（Ｕ₁₁、Ｕ₁₂）及びコイルＶ₁（Ｖ₁₁、Ｖ₁₂）に流れる電流が減る。これにより、駆動ユニット５は、図８（Ｃ）及び（Ｄ）に示すように、ｚ軸周りの可動子１の位置を固定させながら、つまり、コイルＷ（（Ｗ₁₁、Ｗ₁₂）、（Ｗ₂₁、Ｗ₂₂））による４つの電磁石３の極性を保持した状態で、ｙ軸周りに可動子１を傾けることができる。この場合、ｂの値は、コイルＵ、Ｖの駆動電流の極性が変わらないように予め設定されている。

図１１（Ａ）及び（Ｂ）は、図９（Ｃ）に示した状態から、可動子１がｘ軸周り及びｙ軸周りに動く様子をそれぞれ示す図である。

ここで、式（１０）及び（１１）の代わりに、次式（１０’）及び（１１’）が用いられてもよい。

U= asin(270°＋120°)±bsin(2πft)・・・（１０’）
V= asin(270°＋240°)±bsin(2πft)・・・（１１’）

式（１０’）及び（１１’）では、ｙパターン発生器５１ｙは、バイアス電流として交流電流（周波数ｆ）を発生する。この場合、コイルＵ₁（Ｕ₁₁、Ｕ₁₂）及びコイルＶ₁（Ｖ₁₁、Ｖ₁₂）の極性と、コイルＵ₂（Ｕ₂₁、Ｕ₂₂）及びコイルＶ₂（Ｖ₂₁、Ｖ₂₂）の極性とが周期的に入れ替わり、可動子１は、傾き角を周期的に反転させる揺動状態となる。

以上のように、本実施形態では、駆動ユニット５は、可動子１をｚ軸周りに回転させた後、あるいは回転し終える直前に、励磁されたコイルＷの電磁石の極性を維持した状態で、それらを互いに異なる電流値で励磁することで、可動子１を傾ける。あるいは、駆動ユニット５は、可動子１をｚ軸周りに回転させた後、あるいは回転し終える直前に、励磁されたコイルＷの電磁石の極性を維持した状態で、コイル（Ｕ₁、Ｖ₁）及びコイル（Ｕ₂、Ｖ₂）を互いに異なる電流値で励磁することで、可動子１を傾ける。すなわち、可動子１は、円周方向に沿って位置決めされつつ傾くように駆動されるので、可動子１の少なくとも二自由度での高精度な駆動が可能となる。

また、本実施形態では、ｚ軸周りに可動子１の回転角が決定されるので、その可動子１のｚ軸周りの回転角の検出が不要であり、オープンループでの制御が可能となる。

また、本実施形態では、図７（Ｄ）に示すように、上段及び下段にそれぞれ設けられた、１８０°離れた１組のコイルＷ₁（Ｗ₁₁、Ｗ₁₂）（または、１組のコイルＷ₂（Ｗ₂₁、Ｗ₂₂））がそれぞれ励磁されるので、高レスポンスで確実に可動子１を傾けることができる。このことは、図８（Ｄ）に示したコイルＵ、Ｖについても同様である。

以上説明した電磁アクチュエータ１００は、様々な装置に搭載され得る。例えばその装置としては、産業用ロボット、その他のロボット、電子機器がある。産業用ロボットとしては、例えば半導体ウェハやディスプレイ用のガラス基板等を搬送する搬送装置、例えば多関節アーム型搬送ロボットが一例として挙げられる。電子機器として例えばカメラに電磁アクチュエータ１００が搭載される場合、電磁アクチュエータ１００は、カメラの受光光学系を駆動するアクチュエータとして用いられる。

[その他の実施形態]
本発明に係る実施形態は、以上説明した実施形態に限定されず、他の種々の実施形態が考えられる。

駆動ユニット５は、図４に示した構成に限られない。例えば、ドライバ５２は６個でなくてもよく、例えば１２個のドライバが１２個の各コイル３１をそれぞれ駆動してもよい。この場合も、１２個のドライバの前段の回路構成は、駆動ユニット５のそれと同じでよい。

あるいは、反転器５４ａまたは５４ｂがなくても、ドライバ５２が駆動電流の振幅等を制御することで、ｘ及び／またはｙ軸周りでの可動子１の傾動（または揺動）動作が可能となる。一例として、例えばｚ軸周りに可動子１が回転した後、例えばコイルＷの極性が維持された状態で、１組のＷ₁（Ｗ₁₁、Ｗ₁₂）はそのままの電流値が維持され、１組のコイルＷ₂（Ｗ₂₁、Ｗ₂₂）がそれとは異なる電流値で駆動されてもよい。このことは、コイルＵ、Ｖについても同様である。

上記実施形態では、１つのドライバ５２に接続された２つのコイル３１は直列接続であったが、並列接続であってもよい。
式（７）〜（９）、（９’）、（１０）〜（１２）、（１０’）及び（１１’）において、必ずしもsin波でなくても、ステップ状波、三角波、台形波等であってもよい。

電磁アクチュエータ１００は、上記説明の構造例に限定されるものではない。例えば、図１に示す電磁アクチュエータ１００では、可動子における磁性体及び永久磁石の分割数を４、固定子における磁極の数を１２(２つの固定子に対して６個ずつ)としている。しかし、原理的には、可動子における磁性体及び永久磁石の分割数を４Ｎ個、固定子における磁極の数を１２Ｎ個とする構成であっても、同様の動作原理によって電磁アクチュエータ１００を実現することができる。

１…可動子
２…固定子
３…電磁石
５…駆動ユニット
３１…コイル
３２…コア（磁極３２１）
５１ｘ…ｘパターン発生器
５１ｙ…ｙパターン発生器
５１ｚ…ｚパターン発生器
５２…ドライバ
５３ａ〜５３ｆ…加算器
５４ａ、５４ｂ…反転器
５４ｂ…反転器
１００…電磁アクチュエータ

Claims (9)

1. 円周状に配置された複数の磁極対を有する可動子と、複数の第１の電磁石及び複数の第２の電磁石を有する固定子であって、前記可動子の外周に沿って配置された複数の第１の電磁石と、前記複数の第１の電磁石にそれぞれ対応するように、前記可動子に対して前記各第１の電磁石とそれぞれ対称位置に配置された複数の第２の電磁石とを有する固定子とを有する電磁アクチュエータと、
   前記複数の第１の電磁石及び前記複数の第２の電磁石のうち、前記円周上の所定の角度位置に配置された前記第１の電磁石及び前記所定の角度位置と同じ角度位置に配置された前記第２の電磁石を同じ極性方向で励磁することで、前記可動子を前記円周に沿って所定の角度回転させ、前記励磁された前記第１及び前記第２の電磁石の極性を保持した状態で、前記所定の角度位置に配置された第１及び第２の電磁石を互いに異なる電流値で励磁することで前記可動子を傾けるように、前記電磁アクチュエータを駆動する駆動ユニットと
   を具備する電磁アクチュエータ装置。
2. 請求項１に記載の電磁アクチュエータ装置であって、
   前記可動子は、２つの前記磁極対を有し、
   前記複数の第１の電磁石は、３相の駆動電流でそれぞれ駆動される３つの電磁石を有し、同相の駆動電流で駆動される前記第１の電磁石が前記可動子の外周に沿って１８０°ずつ離れて配置されるように、前記３つの電磁石がそれぞれ２組ずつ設けられ、
   前記複数の第２の電磁石は、前記複数の第１の電磁石の前記３つの電磁石にそれぞれ対応するように、３相の駆動電流でそれぞれ駆動される３つの電磁石を有し、同相の駆動電流で駆動される前記第２の電磁石が前記可動子の外周に沿って１８０°ずつ離れて配置されるように、前記３つの電磁石がそれぞれ２組ずつ設けられている電磁アクチュエータ装置。
3. 請求項２に記載の電磁アクチュエータ装置であって、
   前記駆動ユニットは、
   前記複数の第１の電磁石及び前記複数の第２の電磁石のうち、前記可動子の外周に沿って１８０°離れた、互いに同相の駆動電流で第１の組の第１及び第２の電磁石を励磁し、かつ、前記第１の組の前記第１及び前記第２の電磁石が配置された前記円周上の角度位置と同じ角度位置に対応するように配置された第２の組の第１及び第２の電磁石を、前記第１の組と同相の駆動電流で励磁することで、前記可動子を前記所定の角度回転させ、
   前記第１の組の前記第１及び前記第２の電磁石を第１の電流値でそれぞれ励磁し、かつ、前記第２の組の前記第１及び前記第２の電磁石を、前記第１の電流値とは異なる第２の電流値でそれぞれ励磁することで、前記可動子を所定の角度傾ける
   電磁アクチュエータ装置。
4. 請求項２に記載の電磁アクチュエータ装置であって、
   前記駆動ユニットは、
   前記複数の第１の電磁石及び前記複数の第２の電磁石のうち、前記可動子の外周に沿って１８０°離れた、互いに同相の駆動電流で第１の組の第１及び第２の電磁石を励磁し、かつ、前記第１の組の前記第１及び前記第２の電磁石が配置された前記円周上の角度位置と同じ角度位置に対応するように配置された第２の組の第１及び第２の電磁石を、前記第１の組と同相の駆動電流で励磁することで、前記可動子を前記所定の角度回転させ、
   前記複数の第１の電磁石及び前記複数の第２の電磁石のうち、前記第１の組及び前記第２の組とは異なる、前記可動子の外周に沿って１８０°離れた第３の組の第１及び第２の電磁石を第１の電流値でそれぞれ励磁し、かつ、前記第１、前記第２及び前記第３の組とは異なる、前記可動子の外周に沿って１８０°離れた第４の組の第１及び第２の電磁石を、前記第１の電流値とは異なる第２の電流値でそれぞれ励磁することで、前記可動子を所定の角度傾ける
   電磁アクチュエータ装置。
5. 請求項３または４に記載の電磁アクチュエータ装置であって、
   前記第１の組の前記第１及び前記第２の電磁石の各コイルが接続され、かつ、前記第２の組の前記第１及び前記第２の電磁石の各コイルが接続され、
   前記駆動ユニットは、
   前記可動子を前記円周に沿って回転させるための、前記駆動電流の第１の波形パターンでなる第１の駆動信号、及び、前記可動子を傾けるための、前記駆動電流の第２の波形パターンでなる第２の駆動信号を発生する発生器と、
   前記発せられた第２の駆動信号の極性を反転させる反転器と
   前記発せられた第１及び第２の駆動信号を加算する第１の加算器と、
   前記発せられた第１の駆動信号及び前記反転した第２の駆動信号を加算する第２の加算器と、
   前記第１の加算器により加算された信号に基づき、前記第１の組の前記第１及び前記第２の電磁石を駆動する第１のドライバと、
   前記第２の加算器により加算された信号に基づき、前記第２の組の前記第１及び前記第２の電磁石を駆動する第２のドライバと
   を有する電磁アクチュエータ装置。
6. 請求項１から５のうち何れか１項に記載の電磁アクチュエータ装置であって、
   前記駆動ユニットは、前記可動子を前記円周に沿って回転させるときの前記励磁のための電流値を、前記可動子を傾けるときの前記励磁のための前記互いに異なる電流値のうちのいずれか一方と同じに設定する電磁アクチュエータ装置。
7. 円周状に配置された複数の磁極対を有する可動子と、複数の第１の電磁石及び複数の第２の電磁石を有する固定子であって、前記可動子の外周に沿って配置された複数の第１の電磁石と、前記複数の第１の電磁石にそれぞれ対応するように、前記可動子に対して前記各第１の電磁石とそれぞれ対称位置に配置された複数の第２の電磁石とを有する固定子とを有する電磁アクチュエータの駆動装置であって、
   前記複数の第１の電磁石及び前記複数の第２の電磁石のうち、前記円周上の所定の角度位置に配置された前記第１の電磁石及び前記所定の角度位置と同じ角度位置に配置された前記第２の電磁石を同じ極性方向で励磁することで、前記可動子を前記円周に沿って所定の角度回転させる回転指令手段と、
   前記励磁された前記第１及び前記第２の電磁石の極性を保持した状態で、前記所定の角度位置に配置された第１及び第２の電磁石を互いに異なる電流値で励磁することで前記可動子を傾ける傾動指令手段と
   を具備する電磁アクチュエータの駆動装置。
8. 円周状に配置された複数の磁極対を有する可動子と、複数の第１の電磁石及び複数の第２の電磁石を有する固定子であって、前記可動子の外周に沿って配置された複数の第１の電磁石と、前記複数の第１の電磁石にそれぞれ対応するように、前記可動子に対して前記各第１の電磁石とそれぞれ対称位置に配置された複数の第２の電磁石とを有する固定子とを有する電磁アクチュエータの駆動方法であって、
   前記複数の第１の電磁石及び前記複数の第２の電磁石のうち、前記円周上の所定の角度位置に配置された前記第１の電磁石及び前記所定の角度位置と同じ角度位置に配置された前記第２の電磁石を同じ極性方向で励磁することで、前記可動子を前記円周に沿って所定の角度回転させ、
   前記励磁された前記第１及び前記第２の電磁石の極性を保持した状態で、前記所定の角度位置に配置された第１及び第２の電磁石を互いに異なる電流値で励磁することで前記可動子を傾ける
   電磁アクチュエータの駆動方法。
9. 円周状に配置された複数の磁極対を有する可動子と、複数の第１の電磁石及び複数の第２の電磁石を有する固定子であって、前記可動子の外周に沿って配置された複数の第１の電磁石と、前記複数の第１の電磁石にそれぞれ対応するように、前記可動子に対して前記各第１の電磁石とそれぞれ対称位置に配置された複数の第２の電磁石とを有する固定子とを有する電磁アクチュエータと、
   前記複数の第１の電磁石及び前記複数の第２の電磁石のうち、前記円周上の所定の角度位置に配置された前記第１の電磁石及び前記所定の角度位置と同じ角度位置に配置された前記第２の電磁石を同じ極性方向で励磁することで、前記可動子を前記円周に沿って所定の角度回転させ、前記励磁された前記第１及び前記第２の電磁石の極性を保持した状態で、前記所定の角度位置に配置された第１及び第２の電磁石を互いに異なる電流値で励磁することで前記可動子を傾けるように、前記電磁アクチュエータを駆動する駆動ユニットと
   を具備する電磁アクチュエータ装置を搭載した装置。