以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
なお、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対しては同一の符号を付しており、重複する説明は省略または簡略化される場合がある。
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。
(実施の形態1)
[構成]
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
次に、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5に模式的に示されるように、制御回路40は、制御部41を有する。図5では、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。
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。
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。
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。
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7は、回路基板32の表面の別の例を示す平面図であり、図8は、回路基板32の裏面の別の例を示す平面図である。図7及び図8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。
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。
[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9は、可動子20を吸引力によって移動させる例を示す図である。
図9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。
なお、図9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。
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10は、可動子20を反発力によって移動させる例を示す図である。
図10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。
なお、図10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。
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11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図である。
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。
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。
なお、図11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。
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。
[変形例]
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12は、磁性体を含む基板の平面図であり、図13は、磁性体を含む基板の模式断面図である。
図12及び図13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。
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。
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14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32の平面図であり、図15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。
図14及び図15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。
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。
[効果等]
以上説明したように、平面モータ10は、永久磁石21(または電磁石)を有する可動子20と、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を有する固定子30と、複数のパターンコイル33の駆動を制御する制御回路40とを備える。
これにより、薄膜状のパターンコイル33によって可動子20が移動されるため、平面モータ10(固定子30)の小型化及び薄型化が容易となる。
また、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51を有してもよい。
これにより、複数のパターンコイル33の磁力を強めることができる。
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。
これにより、複数のパターンコイル33の磁力を強めることができる。
また、固定子30は、複数のパターンコイル33が形成された回路基板32を有し、回路基板32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、スルーホールが設けられ、磁性体52は、スルーホールに埋め込まれてもよい。
これにより、回路基板32のスルーホールを利用して複数のパターンコイル33の磁力を強めることができる。
また、可動子20は、永久磁石21を有し、永久磁石21のS極及びN極の並び方向は、主面31aと交差してもよい。
これにより、平面モータ10は、S極及びN極が主面31aと交差するように配置された永久磁石21を有する可動子20を移動させることができる。
また、可動子20は、永久磁石21を有し、永久磁石21のS極及びN極の並び方向は、主面31aに沿ってもよい。
これにより、平面モータ10は、S極及びN極が主面31aに沿うように配置された永久磁石21を有する可動子20を移動させることができる。
また、制御回路40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てもよい。
これにより、平面モータ10は、複数のパターンコイル33のそれぞれを、主面31a側がS極の電磁石として機能させるか、主面31a側がN極の電磁石として機能させるかを切り替えることができる。
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の第一方向側に位置する第一のパターンコイルに第一の極性の直流電圧を供給し、かつ、複数のパターンコイル33のうち可動子20の第一方向と反対の第二方向側に位置する第二のパターンコイルに第一の極性と逆の第二の極性の直流電圧を供給することにより、可動子20を第一方向に移動させてもよい。
これにより、平面モータ10は、パターンコイル33及び永久磁石21の間に反発力、及び、パターンコイル33及び永久磁石21の間の吸引力を同時に使用して可動子20の推力を高めることができる。
(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16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。
図16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16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。
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。
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。
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。
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。
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。
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16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。
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16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。
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。
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。
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。
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。
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。
[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17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。
図17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17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。
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41cを有する。制御部41c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。
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る。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。
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。
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。
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。
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。
(実施の形態3)
[制御回路の具体的構成1]
実施の形態3では、マトリクス状に配置された複数のパターンコイル33を駆動するためのより具体的な制御回路について説明する。図18は、実施の形態3に係る第一の制御回路の具体的構成を示す図である。
図18において、複数のパターンコイル33は、4行×7列にマトリクス状に配置されている。以下の実施の形態3では、4行は数字によって区別され、行1〜行4のように記載される。7列はアルファベットによって区別され、列A〜列Gのように記載される。複数のパターンコイル33は、行を示す数字及び列を示すアルファベットによって定められるアドレスによって区別される。例えば、行1に属し、かつ、列Aに属するパターンコイル33には、アドレス1−Aに対応するパターンコイル33である。
図18に示される制御回路60は、第一配線R1〜R4と、第二配線CA〜CGと、複数のスイッチング素子(第一スイッチング素子s1〜s4及び第二スイッチング素子SA〜SG)と、第一デコーダ61と、第二デコーダ62と、制御部63と、直流電源64とを備える。
第一配線R1〜R4は、行ごとに1つずつ配置される、行方向に延在する配線である。第一配線R1〜R4は、例えば、回路基板32(図18では図示せず)上に、銅などの金属材料によってパターン形成される。
第一配線R1〜R4のそれぞれは、複数のパターンコイル33のうち同一の行に属する第一コイル群に電気的に接続される。例えば、第一配線R1は、行1に属する第一コイル群に電気的に接続される。行1に属する第一コイル群は、アドレス1−A〜アドレス1−Gに対応する7つのパターンコイル33によって構成される。
第二配線CA〜CGは、列ごとに1つずつ配置される、列方向に延在する配線である。第二配線CA〜CGは、例えば、回路基板32(図18では図示せず)上に、銅などの金属材料によってパターン形成される。
第二配線CA〜CGのそれぞれは、複数のパターンコイル33のうち同一の列に属する第二コイル群に電気的に接続される。例えば、第二配線CAは、列Aに属する第二コイル群に電気的に接続される。列Aに属する第二コイル群は、アドレス1−A〜アドレス4−Aに対応する4つのパターンコイル33によって構成される。
このように、マトリクス状に配置された複数のパターンコイル33のそれぞれは、一端が当該パターンコイル33が属する行に対応する第一配線に電気的に接続され、他端が当該パターンコイル33が属する列に対応する第二配線に電気的に接続される。
また、制御回路60は、複数のパターンコイル33への電力供給をオン及びオフするための複数のスイッチング素子を有する。複数のスイッチング素子には、複数のコイルのうち同一の行に属する第一コイル群への電力供給をオン及びオフするための第一スイッチング素子s1〜s4と、複数のパターンコイル33のうち同一の列に属する第二コイル群への電力供給をオン及びオフするための第二スイッチング素子SA〜SGが含まれる。
例えば、第一スイッチング素子s1は、第一配線R1及び直流電源64の間に位置し、第一配線R1と直流電源64の負極端子との電気的な接続をオン及びオフする。第二スイッチング素子SAは、第二配線CA及び直流電源64の間に位置し、第二配線CAと直流電源64の正極端子との電気的な接続をオン及びオフする。
以上のような第一スイッチング素子s1〜s4及び第二スイッチング素子SA〜SGのそれぞれは、例えば、FET(Field Effect Transistor)であるが、その他のスイッチング素子(トランジスタ)であってもよい。第一スイッチング素子s1〜s4及び第二スイッチング素子SA〜SGは、回路基板32上に配置されてもよいし、回路基板32外に配置されてもよい。なお、第一スイッチング素子s1〜s4及び第二スイッチング素子SA〜SGが回路基板32上に配置される場合、第一スイッチング素子s1〜s4及び第二スイッチング素子SA〜SGのそれぞれは、薄膜トランジスタ(TFT:Thin Film Transistor)であってもよい。この場合、回路基板32は、複数のパターンコイル33及び複数のスイッチング素子(薄膜トランジスタ)を含む薄膜状の基板となる。
第一デコーダ61は、制御部63から通知されたアドレスに対応する第一スイッチング素子をオンする。第一デコーダ61は、第一スイッチング素子s1〜s4の制御端子(ゲート)に電気的に接続される。第一デコーダ61は、例えば、回路によって実現されるが、プロセッサまたはマイクロコンピュータを含んでもよい。
第二デコーダ62は、制御部63から通知されたアドレスに対応する第二スイッチング素子をオンする。第二デコーダ62は、第二スイッチング素子SA〜SGの制御端子(ゲート)に電気的に接続される。第二デコーダ62は、例えば、回路によって実現されるが、プロセッサまたはマイクロコンピュータを含んでもよい。
制御部63は、第一デコーダ61及び第二デコーダ62にアドレスを通知する制御装置である。制御部63は、例えば、マイクロコンピュータによって実現されるが、プロセッサまたは回路によって実現されてもよい。制御部63は、マイクロコンピュータ、プロセッサ、及び、回路のうち2つ以上の組み合わせによって実現されてもよい。
図19は、制御部63(制御回路60)の動作を説明するための図である。例えば、制御部63は、第一デコーダ61及び第二デコーダ62のそれぞれに、アドレス2−Eを通知する。アドレス2−Eは、行アドレスが2であり、列アドレスがEであることを意味する。そうすると、第一デコーダ61は、行アドレス2に対応する第一スイッチング素子s2をオンし、第二デコーダ62は、列アドレスEに対応する第二スイッチング素子SEをオンする。この結果、図19に示されるように、第一配線R2が直流電源64の負極に電気的に接続され、第二配線CEが直流電源64の正極に電気的に接続される。そうすると、一端が第一配線R2に電気的に接続され、他端が第二配線CEに電気的に接続されたアドレス2−Eに対応するパターンコイル33に電流が流れ、当該パターンコイル33が電磁石として機能する。
このように、制御回路60は、マトリクス状に配置された複数のパターンコイル33の駆動を制御することができ、可動子20を移動させることができる。なお、制御回路60には、直流電源64に代えて、図5に示される極性の切り替えが可能な直流電源が用いられてもよい。これにより、制御回路60は、パターンコイル33を、主面31a側がS極の電磁石として機能させるか、主面31a側がN極の電磁石として機能させるかを切り替えることができる。また、制御回路60が実施の形態2の変形例と組み合わされる場合には、制御回路60には、直流電源64に代えて、直流及び交流の切り替えが可能な電源が用いられてもよい。
また、制御回路60は、複数のパターンコイル33を同時に駆動(オン)してもよい。つまり、制御回路60は、一つの可動子20を移動させるために2つ以上のパターンコイル33に同時に電力を供給してもよい。
これにより、大きな推力を得ることができる。なお、この場合、平面視における一つの永久磁石21(または一つの電磁石21b)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。
[制御回路の具体例2]
図20は、実施の形態3に係る第二の制御回路の具体的構成を示す図である。図20に示される制御回路70は、複数のスイッチング素子Sと、第一配線R1〜R4と、第二配線CA〜CGと、第一デコーダ71と、第二デコーダ72と、制御部73とを備える。
制御回路70において、複数のスイッチング素子Sは、複数のパターンコイル33に1対1で対応する。複数のスイッチング素子Sは、マトリクス状に配置される。複数のスイッチング素子Sは、複数のパターンコイル33と同様に、行を示す数字及び列を示すアルファベットによって定められるアドレスによって区別される。例えば、行1に属し、かつ、列Aに属するスイッチング素子Sは、アドレス1−Aに対応するスイッチング素子Sである。
制御回路70において、第一配線R1〜R4のそれぞれは、複数のスイッチング素子Sのうち同一の行に属するスイッチング素子群に電気的に接続される。例えば、第一配線R1は、行1に属するスイッチング素子群に電気的に接続される。行1に属するスイッチング素子群は、アドレス1−A〜アドレス1−Gに対応する7つのスイッチング素子Sによって構成される。
また、第二配線CA〜CGのそれぞれは、複数のスイッチング素子Sのうち同一の列に属するスイッチング素子群に電気的に接続される。例えば、第二配線CAは、列Aに属するスイッチング素子群に電気的に接続される。列Aに属するスイッチング素子群は、アドレス1−A〜アドレス4−Aに対応する4つのスイッチング素子Sによって構成される。
第一配線R1〜R4のそれぞれは、具体的には、スイッチング素子Sの制御端子(ゲート)に電気的に接続され、第二配線CA〜CGのそれぞれは、具体的には、スイッチング素子Sのソースに電気的に接続される。なお、スイッチング素子Sのドレインには、パターンコイル33が電気的に接続される。
以上のような複数のスイッチング素子Sのそれぞれは、例えば、FETであるが、その他のスイッチング素子(トランジスタ)であってもよい。複数のスイッチング素子Sは、回路基板32上に配置されてもよいし、回路基板32外に配置されてもよい。なお、複数のスイッチング素子Sが回路基板32上に配置される場合、複数のスイッチング素子Sのそれぞれは、薄膜トランジスタ(TFT)であってもよい。この場合、回路基板32は、複数のパターンコイル33及び複数のスイッチング素子Sを含む薄膜状の基板となる。
第一デコーダ71は、複数のスイッチング素子Sの制御端子(ゲート)に第一配線R1〜R4を介して電気的に接続され、制御部73から通知されたアドレスに対応する第一配線にゲート電圧を供給する。第一デコーダ71は、例えば、回路によって実現されるが、プロセッサまたはマイクロコンピュータを含んでもよい。
第二デコーダ72は、複数のスイッチング素子Sのソースに第二配線CA〜CGを介して電気的に接続され、制御部73から通知されたアドレスに対応する第二配線に直流電力を供給する。第二デコーダ72は、例えば、回路によって実現されるが、プロセッサまたはマイクロコンピュータを含んでもよい。
制御部73は、第一デコーダ71及び第二デコーダ72にアドレスを通知する制御装置である。制御部73は、例えば、マイクロコンピュータによって実現されるが、プロセッサまたは回路によって実現されてもよい。制御部73は、マイクロコンピュータ、プロセッサ、及び、回路のうち2つ以上の組み合わせによって実現されてもよい。
図21は、制御部73(制御回路70)の動作を説明するための図である。例えば、制御部73は、第一デコーダ71及び第二デコーダ72のそれぞれに、アドレス2−Eを通知する。そうすると、第一デコーダ71は、行アドレス2に対応する第一配線R2にゲート電圧を供給し、第二デコーダ72は、列アドレスEに対応する第二配線CEに直流電力を供給する。この結果、図21に示されるように、アドレス2−Eに対応するスイッチング素子Sがオンし、アドレス2−Eに対応するパターンコイル33に電流が流れ、当該パターンコイル33が電磁石として機能する。
このように、制御回路70において、複数のスイッチング素子Sのそれぞれは、複数のパターンコイル33のうち当該スイッチング素子Sに対応するパターンコイル33への電力供給をオン及びオフする。したがって、制御回路70は、マトリクス状に配置された複数のパターンコイル33の駆動を制御し、可動子20を移動させることができる。
なお、制御回路70において、第二デコーダ72が供給する直流電力(直流電圧)は、極性が切り替え可能であってもよい。これにより、制御回路70は、パターンコイル33を、主面31a側がS極の電磁石として機能させるか主面31a側がN極の電磁石として機能させるかを切り替えることができる。この場合、行アドレス及び列アドレスがいずれも異なる2つのパターンコイル33については、一方を主面31a側がS極の電磁石として機能させ、他方を主面31a側がN極の電磁石として機能させることもできる。つまり、図11に示されるように、制御回路70は、吸引力及び反発力を同時に使用して可動子20を移動させることができる。
また、制御回路70が実施の形態2の変形例と組み合わされる場合には、第二デコーダ72は、直流電力(直流電圧)及び交流電力(交流電圧)を切り替えて供給してもよい。
また、制御回路70は、複数のパターンコイル33を同時に駆動(オン)してもよい。つまり、制御回路70は、一つの可動子20を移動させるために2つ以上のパターンコイル33に同時に電力を供給してもよい。
これにより、大きな推力を得ることができる。なお、この場合、平面視における一つの永久磁石21(または一つの電磁石21b)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。
[制御回路の具体例3]
図22は、実施の形態3に係る第三の制御回路の具体的構成を示す図である。図22に示される制御回路80は、制御回路70に、第一検出抵抗r1〜r4、及び、第二検出抵抗rA〜rGが追加された構成の回路である。制御回路80は、複数のスイッチング素子Sと、第一配線R1〜R4と、第二配線CA〜CGと、第一デコーダ81と、第二デコーダ82と、制御部83とを備え、制御回路70と同様の動作によって可動子20を移動させることができる。
また、制御回路80は、第一検出抵抗r1〜r4、及び、第二検出抵抗rA〜rGを用いて可動子20の位置検出を行うことができる。
第一検出抵抗r1〜r4は、第一配線R1〜R4に流れる電流を検出するための第一検出素子の一例である。第一検出抵抗r1〜r4は、第一配線R1〜R4に1対1で対応する。例えば、第一検出抵抗r1は、第一配線R1に対応し、第一配線R1及び第一デコーダ81の間に配置される。第一デコーダ81は、第一検出抵抗r1の両端の電圧値(以下、単に第一検出抵抗r1の電圧値とも記載する)に基づいて第一配線R1に流れる電流を検出することができる。第一検出抵抗r1〜r4は、例えば、同じ抵抗値である。
第二検出抵抗rA〜rGは、第二配線CA〜CGに流れる電流を検出するための第二検出素子の一例である。第二検出抵抗rA〜rGは、第二配線CA〜CGに1対1で対応する。例えば、第二検出抵抗rAは、第二配線CAに対応し、第二配線CA及び第二デコーダ82の間に配置される。第二デコーダ82は、第二検出抵抗rAの両端の電圧値(以下、単に第二検出抵抗rAの電圧値とも記載する)に基づいて第二配線CAに流れる電流を検出することができる。第二検出抵抗rA〜rGは、例えば、同じ抵抗値である。
次に、可動子20の位置検出動作について説明する。制御部83は、まず、同一行に属する複数のパターンコイル33に電力供給を行い、当該行に対応する第一検出抵抗の電圧値を記憶する。例えば、制御部83によって第一デコーダ81及び第二デコーダ82に行アドレス1が通知されることにより、アドレス1−A〜1−Gの7つのパターンコイル33に電力供給を行う。制御部83は、このときの第一検出抵抗r1の電圧値V1を取得し、半導体メモリなどの記憶部(図示せず)に記憶する。なお、電圧値V1は、第一配線R1に流れる電流値を示す。行2〜行4についても同様の動作が行われ、第一検出抵抗r2の電圧値V2、第一検出抵抗r3の電圧値V3、及び、第一検出抵抗r4の電圧値V4が記憶部に記憶される。
次に、制御部83は、同一列に属する複数のパターンコイル33に電力供給を行い、当該列に対応する第二検出抵抗の電圧値を記憶する。例えば、制御部83によって第一デコーダ81及び第二デコーダ82に列アドレスAが通知されることにより、アドレス1−A〜4−Aの4つのパターンコイル33に電力供給を行う。制御部83は、このときの第二検出抵抗rAの電圧値VAを取得し、記憶部に記憶する。なお、電圧値VAは、第二配線CAに流れる電流値を示す。列B〜列Gについても同様の動作が行われ、第二検出抵抗rBの電圧値VB、第二検出抵抗rCの電圧値VC、第二検出抵抗rDの電圧値VD、第二検出抵抗rEの電圧値VE、第二検出抵抗rFの電圧値VF、及び、第二検出抵抗rGの電圧値VGが記憶部に記憶される。
ここで、固定子30上に可動子20が配置されていないときには、V1、V2、V3、及び、V4はほぼ等しくなり、VA、VB、VC、VD、VE、VF、及び、VGは、ほぼ等しくなる。
一方、図23に示されるように、固定子30上のアドレス2−Dに可動子20が配置されていると、行2に属する複数のパターンコイル33に電力供給を行ったときの電流、及び、列Dに属する複数のパターンコイル33に電力供給を行ったときの電流が比較的小さくなる。図23は、位置検出動作において各配線に流れる電流量を模式的に示す図である。したがって、固定子30上のアドレス2−Dに可動子20が配置されていると、V1、V3、及び、V4に比べてV2が小さくなり、VA、VB、VC、VE、VF、及び、VGに比べてVDが小さくなる。
そこで、制御部83は、記憶部に記憶されたV1、V2、V3、及び、V4を比較し、最も低い(あるいは、平均値よりも所定値以上低い)電圧値に対応する行の近傍に可動子20が位置することを検出することができる。同様に、制御部83は、記憶部に記憶されたVA、VB、VC、VD、VE、VF、及び、VGを比較し、最も低い(あるいは、平均値よりも所定値以上低い)電圧値に対応する列の近傍に可動子20が位置することを検出することができる。
なお、値の小さい電圧値の特定方法は、複数の電圧値の相対比較に限定されない。例えば、閾値と複数の電圧値のそれぞれとの比較により、値の小さい電圧値(閾値を下回った電圧値)が特定されてもよい。
また、第一検出抵抗r1〜r4は、第一配線R1〜R4に流れる電流を検出するための第一検出素子の一例である。第一検出素子は、抵抗以外の電流検出素子であってもよい。第二検出素子についても同様である。
[実施の形態3の効果等]
実施の形態1及び2で説明した平面モータ10(または、平面モータ10b、平面モータ10c)は、制御回路60、制御回路70、及び、制御回路80のいずれの制御回路を備えてもよい。また、制御回路60、制御回路70、及び、制御回路80は、パターンコイル33ではなく巻線コイルなどの他のコイルの駆動にも適用できる。
例えば、平面モータ10は、永久磁石21または電磁石21bを有する可動子20と、可動子20と対向する主面31a、及び、主面31aに沿ってマトリクス状に配置される複数のコイルを有する固定子30と、複数のコイルへの電力供給をオン及びオフするための複数のスイッチング素子を有する制御回路60(または、制御回路70、制御回路80)とを備える。
これにより、マトリクス状に配置された複数のコイルをスイッチング素子のスイッチングによって駆動することにより、制御回路60の簡素化を図ることができる。
また、制御回路60において、複数のスイッチング素子には、複数のコイルのうち同一の行に属する第一コイル群への電力供給をオン及びオフするための第一スイッチング素子s1〜s4と、複数のコイルのうち同一の列に属する第二コイル群への電力供給をオン及びオフするための第二スイッチング素子SA〜SGとが含まれる。
これにより、制御回路60においては、複数のコイルに1対1で対応する複数のスイッチング素子が配置される回路よりも、スイッチング素子の数が低減される。スイッチング素子の数が低減されるため、回路構成が簡素化された制御回路60が実現される。
また、制御回路60は、さらに、直流電源64と、第一コイル群に電気的に接続された第一配線R1〜R4と、第二コイル群に電気的に接続された第二配線CA〜CGとを有する。第一スイッチング素子s1〜s4は、第一配線R1〜R4及び直流電源64の電気的な接続をオン及びオフし、第二スイッチング素子SA〜SGは、第二配線CA〜CG及び直流電源64の電気的な接続をオン及びオフする。
これにより、制御回路60においては、複数のコイルのそれぞれに対応して直流電源64が配置される回路よりも、直流電源64の数が低減される。直流電源の数が低減されるため、回路構成が簡素化された制御回路60が実現される。
また、制御回路70において、複数のスイッチング素子Sは、複数のコイルに1対1で対応し、複数のスイッチング素子Sのそれぞれは、複数のコイルのうち当該スイッチング素子Sに対応するコイルへの電力供給をオン及びオフする。
これにより、複数のコイルに1対1で対応する複数のスイッチング素子Sによって複数のコイルへの電力供給をオン及びオフすることができる。
また、制御回路70において、複数のコイルのそれぞれは、薄膜状のパターンコイル33であり、複数のスイッチング素子Sのそれぞれは、薄膜トランジスタであり、固定子30は、複数のコイル及び複数のスイッチング素子Sを含む薄膜状の回路基板32を有してもよい。
これにより、複数のコイル及び複数のスイッチング素子を回路基板32の一部として一体形成することができる。
また、制御回路80は、さらに、複数のスイッチング素子Sのうち同一の行に属するスイッチング素子群に電気的に接続された第一配線R1〜R4と、第一配線R1〜R4に流れる電流を検出するための第一検出抵抗r1〜r4と、複数のスイッチング素子Sのうち同一の列に属するスイッチング素子群に電気的に接続された第二配線CA〜CGと、第二配線CA〜CGに流れる電流を検出するための第二検出抵抗rA〜rGとを有する。第一検出抵抗r1〜r4は、第一検出素子の一例であり、第二検出抵抗rA〜rGは、第二検出素子の一例である。
これにより、制御回路80は、ホール素子などのセンシングデバイスを使用せずに可動子20の位置検出を行うことができる。
また、制御回路60(または、制御回路70、制御回路80)は、一つの可動子20を移動させるために2つ以上のコイルに電力を供給してもよい。
これにより、一つの可動子20に対して比較的大きな推力を与えることができる。
(その他の実施の形態)
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。
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。
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。
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。
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。
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、平面モータに含まれる制御回路単体として実現されてもよいし、上記実施の形態の可動子の位置検出方法として実現されてもよい。