JPH05268783A - マイクロ・アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】高出力・高精度で、微小化に適し、かつ自己状
態の保持が可能であるマイクロ・アクチュエータを提供
する。 【構成】起磁力の発生源たる棒形永久磁石２ａと、当該
棒形永久磁石２ａの磁路中に感温磁性体２ｃを各々に保
有するとともに等間隔一直線状に又は等間隔円環状に配
列した固定磁極２群と、当該固定磁極２に臨みこれに対
応する複数の磁極１ａとを等間隔に突設する被駆動体Ａ
と、前記固定磁極２群中の各感温磁性体２ｃを固定磁極
２群の配列順に逐次加熱及び冷却の両方又はどちらか一
方を行なう温度制御手段３，３′〜１３とを具備するこ
とを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、精密機械，精密計測，
スイッチ，マイクロマシン等に供されるマイクロ・アク
チュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、磁気特性の温度変化を利用したモ
ータとしては、『光熱モータ』［対馬国郎“磁性体のス
ピン再配列とその応用”，応用物理，４５巻，１０号，
９６２（１９７６）］やあるいは『熱磁気駆動装置』
（特開昭５４−１４５９０８号公報に記載のもの）があ
る。

【０００３】前者はある温度で磁化配列が９０度回転す
る希土類オーソフェライト材料を用い、後者は感温磁性
体のキュリー温度点（以下、キュリー点とする）付近の
透磁率変化を利用したもので、いずれもこれらの感温磁
性片を多数配置した回転子を永久磁石の固定ヨークで挟
まれた一様磁場中におき、回転子上の感温磁性片の一部
を光照射により温度を上げてヨークにより形成される方
向の磁化を弱め、回転子に発生する磁力に非対称性を生
ぜしめて、これを回転力に変換したものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の『光熱
モータ』や『熱磁気駆動装置』の動きは、いずれも連続
的で、所望の一定回転角を動かしたり、ロータ位置を保
持することができない。また、構造的にみても、一様磁
場中における磁化変化物体の動きを利用したもので、ス
テータ磁極の磁路でオン・オフ動作を行っているもので
はない。ここにおいて、本発明は、高出力・高精度で、
微小化に適し、かつ自己状態の保持が可能であるマイク
ロ・アクチュエータを提供せんとするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記課題の解決は、本発
明の次に列挙する新規な特徴的構成手段を採用すること
により達成される。即ち、本発明の第１の特徴は、起磁
力の発生源たる磁力発生手段と、当該磁力発生手段で発
生した磁力の磁路中に感温磁性体を各々に保有するとと
もに等間隔一直線状に又は等間隔円環状に配列した固定
磁極と、当該固定磁極群に臨みこれに対応する複数の可
動性磁極を等間隔に突設する被駆動体と、前記固定磁極
群中の前記各感温磁性体を当該固定磁極群の配列順に逐
次加熱と冷却の両方又はどちらか一方を行なう温度制御
手段とを具備することを特徴とするマイクロ・アクチュ
エータである。

【０００６】本発明の第２の特徴は、前記第１の特徴に
おける磁力発生手段が棒形永久磁石であるとともに、固
定磁極が磁路を形成するヨークで当該永久磁石と感温磁
性体を上下に中に挟んだ枠形に形成してなるマイクロ・
アクチュエータである。

【０００７】本発明の第３の特徴は、前記第１の特徴に
おける磁力発生手段が棒形永久磁石であるとともに、固
定磁極が当該永久磁石上に一体に直接感温磁性体を複数
等間隔一直線状に突立配列して形成してなるマイクロ・
アクチュエータである。

【０００８】本発明の第４の特徴は、前記第１の特徴に
おける磁力発生手段が円筒形永久磁石であるとともに、
固定磁極が軟磁性基板上に載着された当該円筒形磁石上
端に内端を内方に突出して内周方向等間隔に複数感温温
磁性体を載着し、被駆動体が前記円筒形磁石内中心の前
記軟磁性基板上に載定した軸受中心に空転自在に縦挿し
た磁性ロータ軸の上端に前記感温磁性体群の突出内端に
対応して臨む複数の磁極を周方向等間隔に突出したロー
タを一体固設してなるマイクロ・アクチュエータであ
る。

【０００９】本発明の第５の特徴は、前記第１，２，３
又は４の特徴における感温磁性体の温度制御手段が、レ
ーザ等の発光手段と集光光学手段と感温磁性体への反射
手段と前記発光手段及び反射手段を制御する手段とで構
成される光学的加熱手段であるマイクロ・アクチュエー
タである。

【００１０】本発明の第６の特徴は、前記第１，２，３
又は４の特徴における感温磁性体の温度制御手段が、通
電により熱を発生する電熱手段と当該電熱手段を制御す
る手段とで構成される電気的加熱手段であるマイクロ・
アクチュエータである。

【００１１】

【作用】本発明は前記のような手段を講ずるので、固定
磁極中の感温磁性体を加熱手段又は冷却手段によって温
度を制御して磁路の開通閉鎖をもたらすから、所望の回
転角を得ることが可能であり、また、磁路が開通閉鎖す
る固定磁極以外は一定の状態を保持しているので、それ
に対応して被駆動体も、自己状態を保持することが可能
となる。

【００１２】

【実施例】（実施例１）本発明の第１の実施例を図面に
つき説明する。図１（ａ）及び（ｂ）は、本実施例のマ
イクロ・アクチュエータの構成及び動作原理を示す要部
拡大断面概略図である。図１を、回転モータとして見た
場合は円周部の一部を展開して示したものであり、リニ
アモータとして見た場合は被駆動体の一部を示したもの
である。

【００１３】図中、Ａは本実施例のマイクロ・アクチュ
エータ、１は被駆動体、２は棒形永久磁石２ａと両側ヨ
ーク２ｂ，２ｂと感温磁性体２ｃとからなる枠形固定磁
極であって、３つの固定磁極２α，２β，２γが示され
ている。

【００１４】被駆動体１は、軟磁性体材料よりなり、幅
Ｗの磁極１ａが、幅２Ｗの凹陥部１ｂを挟んで周期的に
並んだ構造となっている。一方、３つの固定磁極２α，
２β，２γは、感温磁性体２ｃを磁路中に形成し、ヨー
ク２ｂの材料の透磁率は感温磁性体２ｃの透磁率よりも
大きい。固定磁極２α単体でみるとヨーク２ｂの幅はＷ
であり、棒形永久磁石２ａ及び感温磁性体２ｃの幅は２
Ｗである。各固定磁極２α，２β，２γは間隔Ｗごとに
非磁性基板Ｘ上に設置する。

【００１５】本実施例の仕様は、このような具体的実施
態様を呈するので次に、その動作を説明する。以下の動
作説明においては、室温がキュリー点以下であることを
想定している。まず、図１（ａ）は、固定磁極２βの感
温磁性体２ｃの中の感温磁路がキュリー点以上に熱せら
れて磁化が消されて磁路オフとなった状態で、固定磁極
２βに被駆動体１の磁極１ａが吸引されている状態を示
す図である。

【００１６】この状態から、例えば、固定磁極２βの感
温磁性体２ｃの加熱を止めてオン状態に復帰させ、固定
磁極２γの感温磁性体２ｃ中の磁路を加熱によりオフ状
態にすると、図１（ｂ）中の点線矢印で示すよう、固定
磁極２γの両側ヨーク２ｂからのフラックスが増加して
被駆動体１の近接する磁極１ａが固定磁極２γに吸引さ
れ、その結果、被駆動体１は図１（ｂ）に示す矢印Ｍ方
向へ１ステップ移動する。

【００１７】次に、固定磁極２γの感温磁性体２ｃの加
熱を止めてオン状態に復帰させ、固定磁極２αの感温磁
性体２ｃをキュリー点以上にして磁路をオフ状態にする
と、被駆動体１はさらに矢印Ｍ方向へ移動する。

【００１８】以下、固定磁極２β→２γ→２α....の配
列順に、逐次感温磁性体２ｃをそれぞれ加熱して磁路を
次々にオフ状態にすることにより、矢印Ｍ方向へ連続し
た所望のステップ数の移動が可能となる。

【００１９】本実施例のマイクロ・アクチュエータＡ
は、駆動時に固定磁極２α，２β，２γと被駆動体１に
より閉磁路が形成される方向に駆動されるので、駆動力
が大きい。さらに、被駆動体１が移動後に、感温磁性体
２ｃが冷却されて磁路がオン状態になっても、両側ヨー
ク２ｂの材質と感温磁性体２ｃの材質の透磁率の差によ
り、両側ヨーク２ｂからの漏れ磁界があるため、磁極１
ａは吸引され、被駆動体１がその位置状態を保持するこ
ととなる。

【００２０】（応用例１）次に、前記第１実施例のマイ
クロ・アクチュエータＡを実際のシステムに組み込んだ
応用構成例を図面につき説明する。図２は前記第１実施
例のマイクロ・アクチュエータを光学的加熱手段又は冷
却手段を用いて駆動するシステムの概略構成図である。

【００２１】図中、Ｂはマイクロ・アクチュエータＡを
適用するステッピングモータ、３はパソコン等の各種ド
ライバの制御を行うコントロール部、４はコントロール
部３からの制御によりレーザ等の光源５の制御を行う光
源用ドライバ、６はコントロール部３からの制御により
光源５からレンズ７ａ等で構成される集光光学系７を通
して送られてくる光をステッピングモータＢへ反射させ
る角回転自在なミラー８の反射角制御を行うミラー用ド
ライバ、９はコントロール部３からの制御により冷却装
置１０の制御を行う冷却装置ドライバである。

【００２２】本応用例は、このようにシステム構成され
るので、固定磁極２のキュリー点が室温以上であればコ
ントロール部３から光源用ドライバ４を介してレーザ等
の光源５を制御し、ミラー用ドライバ９を介して集光光
学系７を通過してくる光を反射させるミラー８を制御し
て固定磁極２を加熱し、固定磁極２のキュリー点が室温
以下であれば冷却装置ドライバ９を介して冷却装置１０
を制御して固定磁極２を冷却して、ステッピングモータ
Ｂの駆動力を得る。

【００２３】本応用例においては、加熱に対する電気的
な布線は不要であり、たとえ、コントロール部３及び光
源用ドライバ４，ミラー用ドライバ９がステッピングモ
ータから離れていても遠隔制御が自在であるという利点
を有する。

【００２４】（応用例２）前記第１実施例のマイクロ・
アクチュエータＡを実際のシステムに組み込んだ第２の
応用構成例を図面につき説明する。図３はマイクロ・ア
クチュエータＡをヒータ加熱装置を用いて駆動するシス
テムの概略構成図である。

【００２５】図中、Ｂ′は前記第１実施例のマイクロ・
アクチュエータＡを適用するステッピングモータ、３′
はパソコン等の各種ドライバの制御を行うコントロール
部、１１はコントロール部３′からの制御により、アン
プ１２を介してヒータ１３を作動するヒータドライバで
ある。なお、前記第１の応用例と同一の部品について
は、同一の符号を付した。

【００２６】本応用例は、このように構成されるので、
固定磁極２のキュリー点が室温以上であればコントロー
ル部３′からヒータドライバ１１及びアンプ１２を介し
てヒータ１３を制御して固定磁極２を加熱し、固定磁極
２のキュリー点が室温以下であれば冷却装置ドライバ９
を介して冷却装置１０を制御して固定磁極２を冷却し
て、ステッピングモータＢ′の駆動力を得る。本応用例
は、このように比較的簡易な構成であるので、前記第１
応用例と比較して、各種ドライバ９，１１を比較的容易
に構成できるという利点を有する。

【００２７】（実施例２）次に本発明の第２の実施例を
図面につき説明する。図４（ａ）及び（ｂ）は、本実施
例のマイクロ・アクチュエータの構成及び動作原理を示
す要部拡大断面概略図である。

【００２８】図中、Ａ′は本実施例のマイクロ・アクチ
ュエータ、１′は軟磁性体からなり磁極１ａ′と凹嵌部
１ｂ′を有する被駆動体、２′は直立形感温磁性体２
ｃ′と共通の磁力発生源たる長尺棒形永久磁石２ａ′よ
りなる固定磁極であって、３つの固定磁極２α′，２
β′，２γ′が示されている。本実施例は、前記第１実
施例より小型のステッピングモータに適用しようとする
ものである。

【００２９】共有する一つの長尺棒形永久磁石２ａ′の
Ｎ極又はＳ極の表面上長手方向に幅Ｗの感温磁性体２
ｃ′が間隔Ｗで３つ配置されて３つの固定磁極２α′，
２β′，２γ′を構成している。一方、軟磁性体からな
る被駆動体１′は、幅Ｗの磁極１ａ′が、間隔Ｗ／２の
凹陥部１ｂを挟んで周期的に突出配置されている。

【００３０】本実施例の仕様はこのような具体的実施態
様を呈するので次にその動作を説明する。以下の説明に
おいては、前記第１実施例と同様に、室温がキュリー点
以下であることを想定している。まず、図４（ａ）は固
定磁極２α′及び２γ′を加熱してキュリー点以上にし
て磁路をオフ状態にして、被駆動体１′の磁極１ａ′が
固定磁極２β′に吸引されている状態を示す図である。

【００３１】次に、図４（ｂ）に示すように、固定磁極
２α′及び２β′の感温磁性体２ｃ′を加熱すると、固
定磁極２α′及び２β′の磁路はオフ状態となり、固定
磁極２γ′に被駆動体１′の磁極１ａ′が吸引され、被
駆動体１′は全体として矢印Ｍの方向へ移動する。

【００３２】同様に、感温磁性体２ｃ′の加熱シークエ
ンスを［２β′，２γ′］→［２γ′，２α′］→［２
α′，２β′］→［２β′，２γ′］→....と繰り返す
ことにより、被駆動体１′がステップ幅Ｗ／２で次々に
間歇移動する。移動後の位置は、各固定磁極２α′ある
いは２β′あるいは２γ′がオン状態になっているの
で、そのままの位置が保持される。

【００３３】また、ファンあるいはペルチェ素子等を付
随させて固定磁極２α′，２β′，２γ′を強制冷却さ
せることによりステップ移動動作の高速化が可能とな
る。さらにリニアモータの場合、固定磁極２α′，２
β′，２γ′を平面のそれぞれ直交する軸方向に３極配
置し、被駆動体１′の磁極１ａ′もこれに対応して２次
元配列状態とすることにより、２次元平面駆動が可能と
なる。

【００３４】本実施例においては、発散磁界を利用して
いるので、前記第１実施例と異なり閉磁路を形成してい
ないが、被駆動体１′の磁極１ａ′同士のギャップが小
さく、被駆動体１′が微小なときはその質量が小さくな
るためにそれを駆動するには充分な駆動力が得られる。
また、固定磁極２′が非常に単純（凹凸のみ）であるた
め、フォトリソグラフィー技術等により容易に形成可能
で、量産化・マイクロ化に適している。

【００３５】（実施例３）本発明の第３の実施例を図面
につき説明する。図５は本実施例の構成を説明する図
で、（ａ）は平面図、（ｂ）は図５（ａ）中のＶ−Ｖ線
視断面図である。図中、１″は軟磁性体からなる被駆動
体たるロータ、１ａ″はロータ１″の磁極、１ｂ″はロ
ータ軸、１４はロータ軸１ｂ″の軸受、２α″，２
β″，２γ″は固定磁極であって、それぞれの感温磁性
体２ｃ″と一つの共通する円筒形永久磁石２ａ″と３つ
の感温磁性体２ｃ″と一つの共通する軟磁性基板１５と
で構成される。

【００３６】本実施例は、円筒形永久磁石（以下、円筒
磁石とする）２ａ″を用いた３極ステッピングモータに
おけるマイクロ・アクチュエータである。感温磁性体２
ｃ″と、軟磁性体からなるロータ１″と、ロータ軸１
ｂ″と、軟磁性基板１５と、円筒磁石２ａ″により、図
５（ｂ）の断面中に示すように、磁力点線が循環する閉
磁路が形成されて、強いトルク及び自己保持力が得られ
る構造となっている。

【００３７】本実施例の仕様はこのような具体的実施態
様を呈するので、次にその動作を説明する。図５（ａ）
の状態から、固定磁極２α″，２β″の感温磁性体２
ｃ″を光あるいはヒータ等の適宜加熱手段によりキュリ
ー点付近まで加熱して磁路をオフ状態にすると、ロータ
１″は固定磁極２γ″の感温磁性体２ｃ″に吸引され、
時計方向に３０°回転する。次に、固定磁極２α″，２
γ″の感温磁性体２ｃ″を加熱すると磁路がオフ状態に
なり、ロータ１″は固定磁極２β″の感温磁性体で２
ｃ″に吸引され、さらに時計方向に３０°回転する。

【００３８】同様に、感温磁性体２ｃ″の加熱シーケン
スを［２β″，２γ″］→［２α″，２β″］→［２
γ″，２α″］→［２β″，２γ″］→....とすること
により、時計方向への３０°ごとのステッピング動作を
行う。なお、反時計方向の回転についても、加熱シーケ
ンスを逆転することにより可能であることはいうまでも
ない。

【００３９】本実施例の場合には、ロータ１″の磁極１
ａ″歯数が４個で１回転におけるステップ数が１２，回
転分解能は３０°／ステップであるが、ステップ数及び
回転分解能はロータ１″の磁極１ａ″歯数により決定さ
れ、一般に歯数Ｎの時の１回転におけるステップ数は３
Ｎとなり、回転分解能（角分解能）は１ステップあたり
９０／Ｎ［°］となる（ただし、Ｎ≦４の整数）。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ステッピング動作可能で自己保持機能を持ち、駆動力が
大きく、かつ微小なマイクロマシンに適用可能なマイク
ロ・アクチュエータが可能となる。また、光学的手段に
よる制御の場合は、電気的布線が不要で遠隔操作に適す
るだけではなく、マイクロ・アクチュエータの小型化・
形状最適化が可能であり、自己保持機能を保有すること
により、システムの省力化が図れる等、優れた至便性・
有用性を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のマイクロ・アクチュエータの第１の実
施例を示す要部拡大断面図であって（ａ）は静止保持状
態、（ｂ）は動作状態をそれぞれ示す。

【図２】同上のシステムへの応用例を示す、概略構成図
である。

【図３】同上、別の応用例を示す概略構成図である。

【図４】本発明のマイクロ・アクチュエータの第２の実
施例を示す要部拡大断面図であって、（ａ）は静止保持
状態、（ｂ）は動作状態をそれぞれ示す。

【図５】本発明のマイクロ・アクチュエータの第３の実
施例を示す図で、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）中の
Ｖ−Ｖ線視断面図である。

【符号の説明】

Ａ，Ａ′，Ａ″…マイクロ・アクチュエータ Ｂ，Ｂ′…ステッピングモータ Ｘ…基板 １，１′…被駆動体 １ａ，１ａ′，１ａ″…磁極 １ｂ，１ｂ′…凹嵌部 １ｂ″…ロータ軸 １″…ロータ ２，２α，２α′，２α″，２β，２β′，２β″，２
γ，２γ′，２γ″…固定磁極 ２ａ，２ａ′…棒形永久磁石 ２ａ″…円筒形永久磁石 ２ｂ…ヨーク ２ｃ，２ｃ′，２ｃ″…感温磁性体 ３，３′…コントロール部 ４…光源用ドライバ ５…光源 ６…ミラー用ドライバ ７…集光光学系 ７ａ…レンズ ８…ミラー ９…冷却装置ドライバ １０…冷却装置 １１…ヒータドライバ １２…アンプ １３…ヒータ １４…軸受 １５…軟磁性基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡部 昭憲 東京都千代田区内幸町１丁目１番６号 日 本電信電話株式会社内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】起磁力の発生源たる磁力発生手段と、当該
   磁力発生手段で発生した磁力の磁路中に感温磁性体を各
   々に保有するとともに等間隔一直線状に又は等間隔円環
   状に配列した固定磁極群と、当該固定磁極群に臨みこれ
   に対応する複数の磁極を等間隔に突設する被駆動体と、
   前記固定磁極群中の前記各感温磁性体を当該固定磁極群
   の配列順に逐次加熱と冷却の両方又はどちらか一方を行
   なう温度制御手段とを具備することを特徴とするマイク
   ロ・アクチュエータ
2. 【請求項２】磁力発生手段は棒形永久磁石であるととも
   に、固定磁極は磁路を形成するヨークで当該永久磁石と
   感温磁性体を上下に中に挟んだ枠形に形成したことを特
   徴とする請求項１記載のマイクロ・アクチュエータ
3. 【請求項３】磁力発生手段は、棒形永久磁石であるとと
   もに、固定磁極は当該永久磁石上に一体に直接感温磁性
   体を複数等間隔一直線状に突立配列して形成したことを
   特徴とする請求項１記載のマイクロ・アクチュエータ
4. 【請求項４】磁力発生手段は、円筒形永久磁石であると
   ともに、固定磁極は軟磁性基板上に載設された当該円筒
   形磁石上端に内端を内方に突出して内周方向等間隔に複
   数感温磁性体を載着し、被駆動体は前記円筒形磁石内中
   心の前記軟磁性基板上に載置した軸受中心に空転自在に
   縦挿した磁性ロータ軸の上端に前記感温磁性体群の突出
   内端に対応して臨む複数の対極を周方向等間隔に突出し
   たロータを一体固設したことを特徴とする請求項１記載
   のマイクロ・アクチュエータ
5. 【請求項５】感温磁性体の温度制御手段は、レーザ等の
   発光手段と集光光学手段と感温磁性体への反射手段と前
   記発光手段及び反射手段を制御する手段とで構成される
   光学的加熱手段であることを特徴とする請求項１，２，
   ３又は４記載のマイクロ・アクチュエータ
6. 【請求項６】感温磁性体の温度制御手段は、通電により
   熱を発生する電熱手段と当該電熱手段を制御する手段と
   で構成される電気的加熱手段であることを特徴とする請
   求項１，２，３又は４記載のマイクロ・アクチュエータ