WO2015146874A1 - アクチュエータ、可動子及び電機子 - Google Patents

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WO2015146874A1
WO2015146874A1 PCT/JP2015/058659 JP2015058659W WO2015146874A1 WO 2015146874 A1 WO2015146874 A1 WO 2015146874A1 JP 2015058659 W JP2015058659 W JP 2015058659W WO 2015146874 A1 WO2015146874 A1 WO 2015146874A1
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magnets
core
actuator
core unit
armature
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PCT/JP2015/058659
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English (en)
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Inventor
川上　誠
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日立金属株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K41/00—Propulsion systems in which a rigid body is moved along a path due to dynamo-electric interaction between the body and a magnetic field travelling along the path
    • H02K41/02—Linear motors; Sectional motors
    • H02K41/03—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors
    • H02K41/031—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors of the permanent magnet type
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K41/00—Propulsion systems in which a rigid body is moved along a path due to dynamo-electric interaction between the body and a magnetic field travelling along the path
    • H02K41/02—Linear motors; Sectional motors
    • H02K41/03—Synchronous motors; Motors moving step by step; Reluctance motors

Definitions

  • the present invention relates to an actuator that extracts a linear motion, and a mover and an armature used for the actuator.
  • Patent Document 1 An actuator having a configuration in which a permanent magnet structure having a plurality of flat permanent magnets is used as a mover, an armature having a drive coil is used as a stator, and the mover is passed through the stator.
  • Patent Document 1 The actuator disclosed in Patent Document 1 has a structure in which a magnetic flux that short-circuits magnetic poles of different polarities is unlikely to be generated, and a large maximum thrust can be obtained by bipolar driving, and a thrust magnetomotive force ratio can be increased. .
  • Patent Document 2 a stator in which a plurality of permanent magnets having different magnetic poles are alternately arranged, and a plurality of coils are wound around a core having a slot and the stator arranged through a magnetic gap.
  • a linear motor provided with a mover constituting an armature is disclosed (Patent Document 2).
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and has a structure in which a magnetic flux that short-circuits magnetic poles of different polarities is unlikely to be generated, and obtains a thrust that is continuous over time by using only one armature. It is an object of the present invention to provide an actuator that can be used, and a mover and an armature used for the actuator.
  • Another object of the present invention is that it is not necessary to arrange armatures of each phase in series, the overall length can be shortened, the overall height can be lowered when applied to a vertical actuator, and the flexure of the mover can be reduced, and
  • An object of the present invention is to provide a mover and an armature used for the actuator.
  • a plurality of flat magnets are disposed on each of two planes orthogonal to the cross shape, and the plurality of magnets magnetized in the thickness direction are provided on one of the two planes.
  • the two magnets are arranged in the intersecting direction of the two planes, and the magnetization directions of the adjacent magnets are opposite to each other, and the plurality of magnets magnetized in the thickness direction are on the other plane of the two planes.
  • the magnetization directions of adjacent magnets are opposite to each other, and the arrangement of the plurality of magnets in the one plane and the arrangement of the plurality of magnets in the other plane are the intersecting direction.
  • the first core unit made of a soft magnetic body having a core portion connecting the pole portions, and a cross-shaped opening through which the mover passes, and each of the fractionation areas is A soft part having two magnetic pole parts facing the opening, a yoke part arranged on an outer edge, and a core part connecting the yoke part and the magnetic pole part, and the first core unit and the front and back are reversed.
  • An armature in which second core units made of a magnetic material are alternately stacked with a spacer core unit made of a soft magnetic material sandwiched between them, and the core portions of the first core unit and the second core unit are overlapped. The openings of the first and second core units are penetrated.
  • an independent alternating magnetic field is generated in a cross-shaped gap located in two directions (two directions orthogonal to each other) in one armature, and the phases of these magnetic fields are shifted by 90 °
  • a movable member having a cross-shaped cross section in which the arrangement of the magnets is shifted by 1/4 of the field period in two directions orthogonal to each other is inserted into the cross-shaped gap. Therefore, a thrust that is continuous over time can be obtained even if one armature is used, even though the configuration is a single-phase concentrated concentrated configuration (configuration in which magnetic pole teeth of the same phase are collectively excited by one drive coil).
  • the total length of the actuator is shortened while having the advantage of low copper loss due to the low electrical resistance of the winding wire, which is a feature of the phase collective winding configuration.
  • the actuator according to the present invention has a frame member that supports and fixes the plurality of magnets.
  • the magnet of the mover is supported and fixed by the frame material.
  • an accurate arrangement of the magnets can be reliably obtained.
  • the actuator according to the present invention is characterized in that the core portion has a larger width (thickness) than the yoke portion.
  • the core portion in each fractional region of the armature is larger (width ⁇ thickness) than the yoke portion. Therefore, sufficient magnetic flux can be obtained even in the core portion.
  • the yoke portions of the adjacent fraction regions of the first core unit are connected via a nonmagnetic material
  • the yoke portions of the adjacent fraction regions of the second core unit are made of a nonmagnetic material. It is characterized by being connected via.
  • the yoke portions of the adjacent fraction areas of the armature are connected to each other via a nonmagnetic material. Therefore, a magnetic short circuit between adjacent fractional areas is reliably prevented.
  • the mover according to the present invention is a mover of an actuator having a plurality of plate-like magnets, wherein the plurality of magnets are arranged on two planes orthogonal to each other in a cross shape, and are arranged on one of the two planes.
  • the magnets magnetized in the thickness direction are arranged in the intersecting direction of the two planes, the magnetization directions of adjacent magnets are opposite, and the other plane of the two planes has a thickness.
  • the plurality of magnets magnetized in the direction are arranged in the intersecting direction, and the magnetization directions of the adjacent magnets are opposite directions, and the arrangement of the plurality of magnets in the one plane and the other plane
  • the arrangement of the plurality of magnets is characterized by being shifted by a quarter of the field period in the direction of the intersecting line.
  • the armature according to the present invention is divided into four by a cross-shaped opening through which the mover passes, in a cubic armature of an actuator through which the mover passes, A first core unit made of a soft magnetic material having two magnetic pole parts facing the opening, a yoke part arranged on an outer edge, and a core part connecting the yoke part and the magnetic pole part, and the movable It is divided into four by a cross-shaped opening through which the child penetrates, and each of the divided areas includes two magnetic pole parts facing the opening, a yoke part arranged on the outer edge, the yoke part, A second core unit made of a soft magnetic material having a core portion for connecting the magnetic pole portion, and the first core unit and the second core unit made upside down with the spacer core unit made of a soft magnetic material sandwiched alternately. And the overlapping first core unit And wherein the are subjected to Maki wire in the core portion of the second core unit.
  • the actuator of the present invention has a structure in which a magnetic flux that short-circuits magnetic poles of different polarities is unlikely to be generated, and a thrust can be obtained continuously over time by using only one armature. Since it is not necessary to arrange the armatures of each phase in series, the overall length can be shortened, and the overall height can be lowered when applied to a vertical actuator. As a result, since the overall height can be reduced, the bending moment applied to the mover can be reduced. Therefore, it is possible to reduce the bending and achieve both high precision and downsizing of the processing apparatus. In addition, since downsizing can be realized, driving with high efficiency can be performed and a large thrust magnetomotive force ratio can be obtained.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a mover
  • FIG. 2 is a perspective view showing a configuration of a magnet arrangement frame used for the mover.
  • the mover 1 has a configuration in which a plurality of plate-like permanent magnets are arranged in the magnet arrangement frame 10 shown in FIG.
  • the magnet arrangement frame 10 as a frame material for supporting and fixing the magnet is formed of a non-magnetic material such as aluminum.
  • the magnet arrangement frame 10 is symmetrical with respect to the central axis on one surface (vertical surface in FIG. 2) of two planes orthogonal to each other with the central axis in the movable direction (longitudinal direction) of the mover 1 as an intersecting line.
  • a plurality of frame members 10a are arranged in the movable direction at equal intervals, and the other two surfaces (the left and right surfaces in FIG. 2) are symmetrical with respect to the central axis.
  • 10b are arranged in the movable direction at equal intervals.
  • the plate-like permanent magnet in the mover 1 is magnetized in the thickness direction (see the white arrow in FIG. 1 for the magnetization direction), and between the adjacent frame members 10a and 10a of the magnet array frame 10, 10b and 10b. It is inserted and fixed in each gap. Therefore, the mover 1 has a cross-sectional shape as a whole.
  • One surface (vertical surface in FIG. 1) of two planes orthogonal to each other with the central axis in the movable direction (longitudinal direction) of the mover 1 as an intersection line is symmetrical with respect to the central axis in the thickness direction.
  • Eight first magnets 11a and third magnets 11c each having the magnetization direction (the direction indicated by the white arrow in FIG. 1) in opposite directions are alternately arranged in the movable direction (intersecting direction of two planes).
  • the magnetization directions of the two first magnets 11a and the third magnets 11c that are symmetric with respect to the central axis of the movable direction are the same.
  • the magnetization direction in the thickness direction (the direction of the white arrow in FIG. 1) is reversed on the other surface of the two planes (the surface in the left-right direction in FIG. 1) symmetrically with respect to the central axis.
  • Eight second magnets 11b and four fourth magnets 11d are alternately arranged in the movable direction.
  • the magnetization directions of the two second magnets 11b and the fourth magnets 11d that are symmetric with respect to the central axis of the movable direction are the same.
  • the arrangement of the eight first magnets 11a and the third magnet 11c on one surface and the arrangement of the eight second magnets 11b and the fourth magnet 11d on the other surface are the S pole and N of the permanent magnet.
  • the pole pair has a field period ( ⁇ , 360 °), it is shifted by 1/4 ( ⁇ / 4, 90 °) of the field period in the movable direction (longitudinal direction).
  • the field period is an arrangement period of a pair of magnets of the first magnet 11a and the third magnet 11c or the second magnet 11b and the fourth magnet 11d which are magnetized in opposite directions in the thickness direction. .
  • FIG. 3 is a plan view showing a core unit used in the armature.
  • FIG. 3A shows a first core unit 21a
  • FIG. 3B shows a second core unit 21b
  • FIG. 3C shows a spacer core unit 21c.
  • the first core unit 21a has a cross-shaped opening 22a through which the mover 1 passes.
  • the first core unit 21a is divided into four by the opening 22a.
  • Each fraction area is formed of a soft magnetic material, and includes two magnetic pole portions 23a, 23a facing the opening 22a, a yoke portion 24a disposed on the outer edge, a yoke portion 24a, and magnetic pole portions 23a, 23a.
  • the width of the core portion 25a is longer than the width of the yoke portion 24a, and the width ⁇ thickness of the core portion 25a is larger than the width ⁇ thickness of the yoke portion 24a.
  • Adjacent fractionation regions are configured to be rotated by 90 ° around the center of the cross-shaped opening 22a. Adjacent fractional regions are connected by nonmagnetic spacers 26a at the ends of the yoke portions 24a, 24a. Therefore, adjacent fraction areas are magnetically insulated from each other.
  • the second core unit 21b is reverse to the first core unit 21a.
  • the second core unit 21b has a cross-shaped opening 22b through which the mover 1 passes, and the second core unit 21b is divided into four by the opening 22b.
  • Each fraction area is made of a soft magnetic material, and includes two magnetic pole portions 23b and 23b facing the opening 22b, a yoke portion 24b arranged on the outer edge, a yoke portion 24b and magnetic pole portions 23b and 23b.
  • the width of the core portion 25b is longer than the width of the yoke portion 24b, and the width ⁇ thickness of the core portion 25b is larger than the width ⁇ thickness of the yoke portion 24b.
  • Adjacent fractionation regions are configured to be rotated 90 ° around the center of the cross-shaped opening 22b. Further, the adjacent fraction regions are connected to each other at the end portions of the yoke portions 24b, 24b by a nonmagnetic spacer 26b. Therefore, adjacent fraction areas are magnetically insulated from each other.
  • the spacer core unit 21c has a yoke portion 24c divided into four at the edge.
  • the yoke portion 24c is formed of a soft magnetic material, and the adjacent yoke portions 24c are connected to each other by a nonmagnetic spacer 26c.
  • the central portion of the spacer core unit 21c is a rectangular opening 22c larger than the openings 22a and 22b through which the mover 1 passes.
  • the yoke portion 24c has the same width as the yoke portions 24a and 24b.
  • the openings 22a and 22b are provided at the same position in plan view.
  • the openings 22a and 22b are It overlaps via the opening 22c.
  • the nonmagnetic spacers 26a, 26b, and 26c are provided at the same position in plan view.
  • the nonmagnetic spacers 26a are provided.
  • 26b and 26c overlap each other.
  • the armature core is configured by laminating the first core unit 21a, the spacer core unit 21c, and the second core unit 21b.
  • FIG. 4 is a plan view showing the shape of the armature core
  • FIG. 5 is a perspective view showing a configuration method of the armature core.
  • the armature core 30 is configured by stacking two first core units 21a, 21a, two second core units 21b, 21b, and three spacer core units 21c, 21c, 21c. Specifically, as shown in FIG. 5, the first core unit 21a, the spacer core unit 21c, the second core unit 21b, the spacer core unit 21c, the first core unit 21a, the spacer core unit 21c, and the second core unit 21b.
  • the armature core 30 is configured by stacking in this order.
  • the yoke part 24a and the yoke part 24b are magnetically coupled via the yoke part 24c of the spacer core unit 21c.
  • the magnetic pole portions 23a and 23a and the magnetic pole portions 23b and 23b, and the core portion 25a and the core portion 25b are magnetically insulated with a gap corresponding to the thickness of the spacer core unit 21c.
  • These yoke part 24a, yoke part 24b and yoke part 24c function as a magnetic flux return path.
  • the magnetic pole part 23a and the magnetic pole part 23b, and the core part 25a and the core part 25b are spaced apart from each other to prevent a magnetic short circuit.
  • the openings 22a, 22b, and 22c of each core unit communicate with each other to form a cross-shaped through hole 22 into which the mover 1 is inserted.
  • the nonmagnetic spacers 26a, 26b and 26c of each core unit are connected to form a nonmagnetic spacer support frame 26 having a function of insulating magnetic coupling and a function of holding each core unit.
  • FIG. 6 is a perspective view showing a drive coil used for the armature.
  • As drive coils two drive coils (first drive coil 41a and second drive coil 41b) for applying a sinusoidal current and two drive coils (third drive coil 41c and for applying a cosine wave current)
  • a fourth drive coil 41d The first drive coil 41a and the second drive coil 41b that make a pair are spaced apart in the left-right direction in FIG. 6, and the third drive coil 41c and the fourth drive coil 41d that make a pair are placed in the up-down direction in FIG. They are spaced apart.
  • a current is applied in the same direction to the paired first drive coil 41a and the second drive coil 41b, and a current is applied in the same direction to the paired third drive coil 41c and the fourth drive coil 41d.
  • the armature 2 is configured by arranging the four first to fourth drive coils 41a to 41d on the armature core 30 so as to be wound around the core portions 25a and 25b.
  • FIG. 7 is a perspective view showing the configuration of the armature 2.
  • FIG. 7 is inserted into the cross-shaped through-hole 22 in the center of the armature 2 shown in FIG. 7, and the actuator 3 is configured.
  • FIG. 8 is a perspective view showing the configuration of the actuator 3.
  • FIG. 9 is a perspective view showing a block unit used for the armature core 30, FIG. 9A shows a first block unit 31a, FIG. 9B shows a second block unit 31b, and FIG. 9C shows a feedback block unit 31c.
  • the first block unit 31a corresponds to one fractionation region of the first core knit 21a described above, and is formed of a soft magnetic material.
  • the first block unit 31a includes two magnetic pole portions 33a and 33a, a yoke portion 34a disposed on the outer edge, and a core portion 35a that connects the yoke portion 34a and the magnetic pole portions 33a and 33a.
  • the second block unit 31b is rotated by 90 ° about the normal to the paper surface with the front and back reversed from the first block unit 31a, and corresponds to one fractional area of the second core unit 21b described above. It is made of a soft magnetic material.
  • the second block unit 31b includes two magnetic pole portions 33b and 33b, a yoke portion 34b disposed on the outer edge, and a core portion 35b connecting the yoke portion 34b and the magnetic pole portions 33b and 33b.
  • the feedback block unit 31c corresponds to one fractional area of the spacer core unit 21c described above, and is formed of a soft magnetic material.
  • the return block unit 31c has a yoke part 34c.
  • FIG. 10 shows the configuration of the manufactured quarter block 37.
  • FIG. 11 shows the configuration of the manufactured armature core 30.
  • first to fourth drive coils 41a-41d as shown in FIG. 6 are arranged so as to go around the four corners of the armature core 30, and as shown in FIG. An armature 2 is produced.
  • FIGS. 12A to 12D The flow of magnetic flux generated in the armature when current is applied to the four drive coils is shown in FIGS. 12A to 12D.
  • 12A, 12B, 12C, and 12D show the flow of magnetic flux at an electrical angle of 0 °, an electrical angle of 90 °, an electrical angle of 180 °, and an electrical angle of 270 °, respectively.
  • 12A to 12D each drive coil is shown in cross section and the core unit is shown in a plane.
  • the ⁇ mark in each drive coil represents the direction of current flowing from the back of the paper to the front
  • the x mark represents the direction of current flowing from the front to the back of the paper.
  • the white arrow indicates the flow (path and direction) of the magnetic flux in the core unit (first core unit 21a) on the front side of the page
  • the dotted arrow indicates the core unit (second core unit) on the back side of the page.
  • 21b) shows the flow of magnetic flux (path and direction).
  • the sine wave current flowing through the first drive coil 41a and the second drive coil 41b is zero and flows through the third drive coil 41c and the fourth drive coil 41d.
  • the cosine wave (cos wave) current has a maximum value.
  • magnetic fluxes that are 180 ° different from each other are generated in the gap extending in the vertical direction of the paper surface, but no magnetic flux is generated in the gap extending in the horizontal direction of the paper surface.
  • the sine wave current flowing through the first drive coil 41a and the second drive coil 41b becomes the maximum value, and the cosine flowing through the third drive coil 41c and the fourth drive coil 41d.
  • the wave current becomes zero.
  • magnetic fluxes that are 180 ° different from each other are generated in the gap extending in the left-right direction on the paper surface, but no magnetic flux is generated in the gap extending in the vertical direction on the paper surface.
  • the sine wave current is zero
  • the cosine wave current is the maximum value
  • the magnetic fluxes whose directions are different from each other by 180 ° in the gap extending in the vertical direction on the paper surface.
  • no magnetic flux is generated in the gap extending in the left-right direction on the paper surface.
  • the direction of the magnetic flux generated in this case is 180 ° different from the direction of the magnetic flux when the electrical angle is 0 ° shown in FIG. 12A.
  • the sine wave current becomes the maximum value
  • the cosine wave current becomes zero
  • the magnetic fluxes whose directions are different by 180 ° in the gap extending in the left-right direction on the paper surface.
  • the direction of the magnetic flux generated in this case is 180 ° different from the direction of the magnetic flux in the case of the electrical angle of 90 ° shown in FIG. 12B.
  • the arrangement of the plate-like magnets in the mover 1 is as follows. That is, on the surface in the vertical direction in FIG. 1, the first magnet 11a and the third magnet 11c having the magnetization direction in the thickness direction opposite to each other are movable symmetrically with respect to the central axis of the movable direction (longitudinal direction).
  • the second magnet 11b and the fourth magnet are arranged alternately in the direction, and in the plane in the left-right direction in FIG. 11d are alternately arranged in the movable direction, and the arrangement of the first magnet 11a and the third magnet 11c on the vertical surface and the arrangement of the second magnet 11b and the fourth magnet 11d on the horizontal surface are movable.
  • the direction is shifted by ⁇ / 4 ( ⁇ : field period).
  • the mover 1 After inserting the mover 1 having a cross-shaped cross section into the cross-shaped through hole 22 of the armature 2, first, the magnetic pole teeth (the magnetic pole portion 23a of the first core unit 21a) on the front side in FIG.
  • the mover 1 is arranged so that the first magnet 11a is positioned between the first magnetic pole teeth (the magnetic pole portion 23b of the second core unit 21b).
  • the first magnet 11a when a current having an electrical angle of 0 ° as shown in FIG. 12A is applied to the first to fourth drive coils 41a-41d, the first magnet 11a has a repulsive force between the magnetic pole teeth on the front side of the paper. And an attractive force is generated between the magnetic pole teeth on the rear side of the paper.
  • the mover 1 is moved in the depth direction of the page.
  • the second magnet 11b When the first magnet 11a reaches the same position in the axial direction as the magnetic pole teeth on the rear side of the paper, the second magnet 11b is connected to the magnetic pole teeth on the rear side of the paper (the magnetic pole portion 23b of the second core unit 21b). It is located between the magnetic pole teeth on the front side of the paper (the magnetic pole portion 23a of the first core unit 21a).
  • a current having an electrical angle of 90 ° as shown in FIG. 12B is applied to the first to fourth drive coils 41a-41d, the repulsive force is exerted between the second magnet 11b and the magnetic pole teeth on the front side of the sheet. And an attractive force is generated between the magnetic pole teeth on the rear side of the paper.
  • the mover 1 is moved in the depth direction of the page.
  • the third magnet 11c is connected to the magnetic pole teeth on the rear side of the paper (the magnetic pole portion 23b of the second core unit 21b). It is located between the magnetic pole teeth on the front side of the paper (the magnetic pole portion 23a of the first core unit 21a).
  • a current having an electrical angle of 180 ° as shown in FIG. 12C is applied to the first to fourth drive coils 41a-41d, a magnetic flux in the opposite direction to that in the case of an electrical angle of 0 ° is generated in the armature 2.
  • the magnetization direction of the third magnet 11c is also opposite to that of the first magnet 11a. Therefore, a repulsive force is generated between the third magnet 11c and the magnetic pole teeth on the front side of the paper, An attractive force is generated between the magnetic pole teeth on the rear side. As a result, the mover 1 is moved in the depth direction of the page.
  • the fourth magnet 11d is connected to the magnetic pole teeth on the rear side of the paper surface (the magnetic pole portion 23b of the second core unit 21b). It is located between the magnetic pole teeth on the front side of the paper (the magnetic pole portion 23a of the first core unit 21a).
  • a current having an electrical angle of 270 ° as shown in FIG. 12D is applied to the first to fourth drive coils 41a-41d, a magnetic flux in the opposite direction to that in the case of an electrical angle of 90 ° is generated in the armature 2.
  • the magnetization direction of the fourth magnet 11d is also opposite to that of the second magnet 11b. Therefore, a repulsive force is generated between the fourth magnet 11d and the magnetic pole teeth on the front side of the paper, An attractive force is generated between the magnetic pole teeth on the rear side. As a result, the mover 1 is moved in the depth direction of the page.
  • an independent alternating magnetic field is generated by shifting the phase by 90 ° in the cross-shaped through-holes 22 positioned in two directions (two directions orthogonal to each other) of one armature 2, and this cross
  • the movable member 1 having a cross-shaped cross section in which the arrangement of the magnets is shifted by 1 ⁇ 4 of the field period in two directions orthogonal to each other is inserted into the through hole 22 having a cross shape.
  • the actuator 3 of the present invention even when one armature 2 is used, thrust for moving the mover 1 can be continuously provided over time. Since it is not necessary to arrange the armatures of the respective phases in series as in the prior art, the overall length can be shortened.
  • the overall length of the actuator 3 of the present invention can be shortened, when applied to a vertical actuator, the overall height can be lowered, and the height is lowered. Is obtained. As a result, precise positioning with respect to the workpiece can be performed, and machining accuracy can be improved.
  • the actuator 3 according to the present invention has a configuration in which the phases are collectively concentrated, the electrical resistance of the drive coils 41a to 41d is low, so that the copper loss is small and the overall length can be shortened.
  • the actuator 3 of the present invention can be downsized, it can be driven with high efficiency and a large thrust magnetomotive force ratio can be obtained. Further, the actuator 3 of the present invention has a large linkage surface with the magnetic path, which also contributes to the improvement of the thrust magnetomotive force ratio. Since the thrust magnetomotive force ratio is increased, less current is required to obtain the same thrust, and the amount of heat generation can be kept low.
  • the field period (the length of the period of the S pole N pole pair of the magnet of the mover 1) ⁇ is 24 mm, so the arrangement of the first magnet 11a and the third magnet 11c, the second magnet 11b and the fourth magnet.
  • an armature core 30 was produced.
  • a block unit having a thickness of 10 mm is obtained by cutting 20 pieces of armature material having a shape as shown in FIG. 15A from a 0.5 mm-thick silicon steel plate, and by superposing these 20 cut pieces and integrating them by resin impregnation. Was made. Sixteen block units having the same shape were produced. Eight block units out of the 16 manufactured were directly used as the first block unit 31a (see FIG. 9A), and the remaining eight block units were turned over to form the second block unit 31b (see FIG. 9B).
  • FIG. 15B is cut out from a silicon steel plate having a thickness of 0.5 mm, and the four cut out pieces are overlapped and impregnated with a resin so as to be integrated, thereby returning block unit 31c.
  • two first feedback block units 31d having a thickness of 2 mm are manufactured, and 10 armature materials having a shape as shown in FIG. 15B are cut out from a 0.5 mm-thick silicon steel plate, These 10 cut outs were overlapped and impregnated with resin to integrate them, thereby producing one second feedback block unit 31e having a thickness of 5 mm as a feedback block unit 31c (see FIG. 9C).
  • first block unit 31a, the first feedback block unit 31d, the second block unit 31b, the second feedback block unit 31e, the first block unit 31a, the first feedback block unit 31d, and the second block unit 31b are stacked in this order. And it integrated with the epoxy-type adhesive agent, and produced the 1/4 block 37 as shown in FIG.
  • the four quarter blocks 37 thus produced are arranged by being rotated by 90 ° about the stacking direction, and four aluminum spacer support frames 36 (length: 49 mm, width) are arranged on the outer periphery thereof. : 6 mm, height: 5 mm) was placed and adhered to produce an armature core 30 as shown in FIG.
  • the width (17 mm) of the core part in the block unit is made longer than the width (5 mm) of the yoke part, and the width x thickness of the core part is made larger than the width x thickness of the yoke part. This is because when the layers are stacked, the plurality of yoke portions are continuously stacked, whereas the core portion is stacked with a gap, so that the small thickness is compensated by the width. This is because magnetic flux is obtained at the core.
  • the thickness of the first feedback block unit 31d is 2 mm, whereas the thickness of the second feedback block unit 31e is 5 mm. This is to reduce the detent force.
  • the thickness of the second feedback block unit 31e is made 3 mm longer than the thickness of the first feedback block unit 31d so as to cancel the fourth harmonic component of the detent force at.
  • a guide roller (not shown) is installed at each tip of the cross-shaped through-hole 22 of the armature 2 manufactured as described above, and the mover shown in FIG. 14 is manufactured along the guide roller. 1 was inserted into the cross-shaped through hole 22 of the armature 2 to constitute the actuator 3. By this guide roller, the movable element 1 is held at the center of the cross-shaped through hole 22 of the armature 2, and the movable element 1 can freely move in the axial direction (movable direction) of the through hole 22.
  • the inserted mover 1 has a cross-shaped cross section, each guide roller only needs to restrain movement in one direction other than the movable direction, so a flat guide roller having a simple configuration is used. However, the movable element 1 can be positioned.
  • the center of each pole of the first magnet 11a and the third magnet 11c in the vertical direction of the mover 1 is between the adjacent magnetic pole part 23a and the magnetic pole part 23b of the armature 2 (between the magnetic pole part 23a and the magnetic pole part 23b).
  • the mover 1 is arranged so as to be located in the center of the gap.
  • a sinusoidal current having an electrical angle of 0 ° and a field period of 360 ° is applied to the first drive coil 41a and the second drive coil 411b in the same direction, and a cosine wave current is applied to the third drive coil 41c and
  • a motor driver was connected to each of the drive coils 41a-41d so as to be applied to the fourth drive coil 41d in the same direction.
  • FIG. 20 shows the relationship between the drive magnetomotive force (applied current ⁇ the number of coil turns) per drive coil applied to the drive coil and the generated thrust.
  • graph (a) represents thrust (N)
  • graph (b) represents thrust magnetomotive force ratio (N / A).
  • the actuator 3 having the proportional limit thrust of 120 N is obtained.
  • the thrust magnetomotive force ratio when the proportional thrust was 120 N was 0.24 N / A.
  • FIG. 21 shows the measurement result of the thrust fluctuation when the position of the mover 1 is moved 50 mm from the starting point.
  • graphs (a), (b), (c), and (d) represent measurement results when the drive magnetomotive force applied to each drive coil is 0 A, 100 A, 200 A, and 400 A, respectively.
  • the driving magnetomotive force is 400 A
  • a thrust ripple of about ⁇ 10% can be seen, but it can be seen that a continuous thrust can be obtained within a range where there is no practical problem.
  • FIG. 22 is a perspective view showing the structure of a comparative example actuator that has substantially the same rating as the actuator of the present invention
  • FIG. 23 is a view showing the size of the comparative example actuator.
  • the actuator of the comparative example uses an armature core material and a magnet material equivalent to the present invention, and has three armatures (U-phase unit 53a, V-phase unit 53b, W-phase) having an armature core 51 and drive coils 52a and 52b. Units 53c) are arranged in series at a predetermined distance, and a plate-like magnet 61a (length: 20 mm, width: 4 mm, thickness: 4 mm) and a plate-like iron yoke (long) are arranged in series at a predetermined distance.
  • the magnetization direction of the magnet 61a of the mover 60 is the move direction of the mover 60, and the magnetization directions of the adjacent magnets 61a and 61a via the iron yoke 61b are opposite to each other.
  • FIG. 24 shows the characteristics (thrust force and thrust magnetomotive force ratio) of the actuator of this comparative example.
  • graph (a) represents thrust (N)
  • graph (b) represents thrust magnetomotive force ratio (N / A).
  • the thrust of the proportional limit is 205 N
  • the thrust magnetomotive force ratio is 0 when the proportional thrust is 205 N. 0.08 to 0.09 N / A.
  • the thrust and thrust when the thrust magnetomotive force ratio is the same are the same.
  • the thrust magnetomotive force ratio is superior to the conventional example.
  • the configuration of the armature having a total length of 86 mm is necessary in the comparative example, whereas the configuration of the armature 2 having a total length of 49 mm (see FIG. 19) is sufficient in the example of the present invention. Is obtained.
  • the amount of deflection is proportional to the cube of its height.
  • the total length can be shortened to about 1 ⁇ 2 compared to the comparative example. Therefore, when the example of the present invention is applied to a vertical actuator, the amount of deflection is 1 as compared with the case of applying the comparative example. It becomes possible to reduce to about / 8.
  • the actuator 3 of the present invention can obtain a continuous thrust with one armature 2, the overall length can be reduced to almost half compared to the conventional same rating. For this reason, when the actuator 3 of the present invention is used for a vertical actuator, the overall height can be reduced, the burden of the bending moment on the processing apparatus can be reduced, and the size and weight can be reduced.
  • the cross section of the mover 1 has a cross shape, and the magnetic teeth of the armature 2 surely face the magnet of the mover 1 so that the mover 1 (magnet) and the armature 2 ( Large interlinkage area with magnetic pole teeth) can be secured.
  • the thrust magnetomotive force ratio can be increased by about three times as compared with the actuator of the comparative example (see FIGS. 20 and 24), the drive power can be reduced, and the power use efficiency can be increased and the heat generation can be reduced.
  • the actuator 3 of the present invention is particularly suitable for high-speed continuous driving.
  • the silicon steel plate is used as the nonmagnetic material, the material is not limited to the silicon steel plate.
  • Amorphous metal, iron, or ferrite such as manganese zinc ferrite or nickel zinc ferrite can be selected depending on the application.
  • FIG. 25 is a perspective view showing the configuration of another example of the magnet arrangement frame 10 used for the mover 1.
  • the ends of the plurality of frame members 10a and 10b arranged at equal intervals in the movable direction (longitudinal direction) are integrated with the frame member 10c that is long in the movable direction. It is fixed. By doing in this way, it becomes the structure enclosed by the whole, and the rigidity of the magnet arrangement
  • each of the four frame members 10c is a linear guide rail 10d that is long in the movable direction and has a substantially circular cross section.
  • the linear guide slider for letting this linear guide rail 10d pass is provided in the inner surface side of each spacer support frame 26 (refer FIG. 7) made from the nonmagnetic material of the armature 2.
  • FIG. 26 is a perspective view showing a configuration of still another example of the magnet arrangement frame 10 used for the mover 1.
  • the same components as those of FIG. 25 are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • the surface extending in the longitudinal direction in contact with the magnets of the frame members 10 a and 10 b is slightly shifted (skewed) from the direction perpendicular to the movable direction of the mover 10.
  • Members 10a and 10b are provided.
  • the shift angle (skew angle) is about several degrees.
  • the permanent magnets 11a to 11d can be provided in a skew arrangement that is inclined by a predetermined angle (skew angle) with respect to a direction orthogonal to the moving direction.
  • skew angle a predetermined angle
  • FIG. 27 is a perspective view showing another example of a block unit used for the armature core 30.
  • FIG. 27A shows the first block unit 31a
  • FIG. 27B shows the second block unit 31b
  • FIG. 27C shows the feedback block unit 31c.
  • the inner side surfaces of the core portions 35a, 35b and the yoke portions 34a, 34b, 34c are not flat surfaces but curved surfaces. With such a configuration, the number of windings of each of the first to fourth drive coils 41a to 41d can be increased.

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Abstract

　全長を短くでき、垂直型アクチュエータに適用した場合に全高を低くできるアクチュエータ、並びに、アクチュエータに使用する可動子及び電機子を提供する。直交する一方の平面に設けられた第１磁石１１ａ、第３磁石１１ｃと、他方の平面に設けられた第２磁石１１ｂ、第４磁石１１ｄとで配列を界磁周期の１／４だけすらせた断面十字状の可動子１を、電機子２の中央部の十字状の貫通孔に挿入させて、アクチュエータ３は構成される。４個の第１－第４駆動コイル４１ａ－４１ｄへの電流の印加によって、位相を互いに９０°ずらせて独立した交番磁界を貫通孔に発生させることにより、相一括集中巻きの構成であっても、１つの電機子２にて経時的に連続した推力を得る。

Description

アクチュエータ、可動子及び電機子
　本発明は、直線運動を取り出すアクチュエータ、並びに、該アクチュエータに使用する可動子及び電機子に関する。
　電子回路基板などの孔あけ機に用いるドリルの垂直移動装置、または、ピックアンドプレース（部品を掴んで所定の位置に置く）型ロボットにおける垂直移動機構などにあっては、高速な移動かつ高精度の位置決めが要求される。したがって、回転型モータの出力をボールねじにて直線運動（垂直運動）に変換するような従来の方法では、移動速度が遅いため、そのような要求を満たせない。
　そこで、このような垂直移動には、平行運動出力を直接に取り出し可能なアクチュエータ（リニアモータ）の利用が進められている。例えば、複数の平板状の永久磁石を配設した永久磁石構造体を可動子とし、駆動コイルを有する電機子を固定子として、固定子に可動子を貫通させた構成を有するアクチュエータが提案されている（特許文献１）。この特許文献１に開示されたアクチュエータでは、異極の磁極間を短絡する磁束が発生しにくい構造であるとともに、バイポーラ駆動することによって大きな最大推力を得ることができ、推力起磁力比を高くできる。また、従来技術として、交互に磁極が異なる複数の永久磁石を配置した固定子と、該固定子と磁気的空隙を介して配置されると共にスロットを有するコアに複数のコイルを巻装してなる電機子を構成する可動子とを備えたリニアモータが開示されている（特許文献２）。
国際公開第２０１１／１１８５６８号 特開２００２－１６５４３３号公報
　近年、加工精度の高度化に加えて、垂直型アクチュエータの撓みによる誤差を小さくするための高剛性化が要求されている。このような場合に、アクチュエータの全高が高いとその重心位置も高くなり、曲げモーメントによる可動子の撓みが大きくなって加工精度の悪化の原因となる。そこで、アクチュエータの長さを短くして、垂直型アクチュエータとして使用する場合に、全高を低くし、移動時の曲げモーメントによる可動子の撓みを小さくする要望が高まっている。特許文献１に記載の磁石可動型アクチュエータにあっては、上述したような優れた推力特性を得ることはできるが、３相駆動の場合に、各相の電機子を直列配置した構成になるため、全長が長くなって、垂直型アクチュエータとして使用する場合に、全高を低くすることが困難であるという問題がある。一方、特許文献２の構成では、推力を大きくするためにコイルの巻き数を増やすか巻線を太くする必要があり、その結果可動子が大きく重くなるため、推力体格比が低下するという問題がある。
　本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、異極の磁極間を短絡する磁束が発生しにくい構造であるとともに、１つの電機子を用いるだけで経時的に連続した推力を得ることができるアクチュエータ、並びに、該アクチュエータに使用する可動子及び電機子を提供することを目的とする。
　本発明の他の目的は、各相の電機子を直列配置する必要がなくて全長を短くでき、垂直型アクチュエータに適用した場合に全高を低くし、可動子の撓みを低減できるアクチュエータ、並びに、該アクチュエータに使用する可動子及び電機子を提供することにある。
　本発明に係るアクチュエータは、十字状に直交する２平面それぞれに複数の平板状の磁石が配設されており、前記２平面の一方の平面には厚さ方向に磁化された前記複数の磁石が前記２平面の交線方向に配されてあって、隣り合う磁石の磁化方向は逆方向であり、前記２平面の他方の平面には厚さ方向に磁化された前記複数の磁石が前記交線方向に配されてあって、隣り合う磁石の磁化方向は逆方向であり、前記一方の平面における前記複数の磁石の配列と、前記他方の平面における前記複数の磁石の配列とが前記交線方向に界磁周期の１／４ずれている可動子を、前記可動子が貫通される十字状の開口部により４つに分画されており、各分画領域は、前記開口部に対向する２つの磁極部と、外縁に配したヨーク部と、該ヨーク部及び前記磁極部を接続するコア部とを有する軟質磁性体製の第１コアユニット、並びに、前記可動子が貫通される十字状の開口部により４つに分画されており、各分画領域は、前記開口部に対向する２つの磁極部と、外縁に配したヨーク部と、該ヨーク部及び前記磁極部を接続するコア部とを有し、前記第１コアユニットと表裏を逆にしてある軟質磁性体製の第２コアユニットを、軟質磁性体製のスペーサコアユニットを挟んで交互に重ねてなり、前記重なり合う第１コアユニット及び第２コアユニットのコア部に捲き線を施してある電機子の前記第１及び第２コアユニットの開口部に貫通させてあることを特徴とする。
　本発明のアクチュエータにあっては、１つの電機子内の２方向（互いに直交する２方向）に位置する十字状の隙間に独立した交番磁界を発生させ、これらの磁界の位相を９０°ずらせ、この十字状の隙間に、互いに直交する２方向で界磁周期の１／４だけ磁石の配列をずらせた断面十字状の可動子を挿入している。よって、相一括集中捲き構成（同一相の磁極歯を一つの駆動コイルで一括して励磁する構成）でありながら、１つの電機子を用いても経時的に連続した推力が得られる。相一括集中捲き構成の特徴である捲き線の電気抵抗が低いために銅損が小さいという利点を有しながら、アクチュエータの全長が短くなる。
　本発明に係るアクチュエータは、前記複数の磁石を支持固定する枠材を有することを特徴とする。
　本発明のアクチュエータにあっては、可動子の磁石を枠材にて支持固定している。よって、磁石の正確な配列が確実に得られる。
　本発明に係るアクチュエータは、前記コア部は前記ヨーク部より（幅×厚さ）が大きいことを特徴とする。
　本発明のアクチュエータにあっては、電機子の各分画領域におけるコア部がヨーク部よりも（幅×厚さ）が大きい。よって、コア部でも十分な磁束が得られる。
　本発明に係るアクチュエータは、前記第１コアユニットの隣り合う分画領域のヨーク部は非磁性材を介して接続し、前記第２コアユニットの隣り合う分画領域のヨーク部は非磁性材を介して接続していることを特徴とする。
　本発明のアクチュエータにあっては、電機子の隣り合う分画領域のヨーク部同士が非磁性材を介して接続している。よって、隣り合った分画領域間の磁気短絡が確実に防止される。
　本発明に係る可動子は、複数の平板状の磁石を有するアクチュエータの可動子において、前記複数の磁石は十字状に直交する２平面それぞれに配設されており、前記２平面の一方の平面には厚さ方向に磁化された前記複数の磁石が前記２平面の交線方向に配されてあって、隣り合う磁石の磁化方向は逆方向であり、前記２平面の他方の平面には厚さ方向に磁化された前記複数の磁石が前記交線方向に配されてあって、隣り合う磁石の磁化方向は逆方向であり、前記一方の平面における複数の磁石の配列と、前記他方の平面における複数の磁石の配列とが前記交線方向に界磁周期の１／４ずれていることを特徴とする。
　本発明に係る電機子は、可動子が貫通されるアクチュエータの立方体状の電機子において、前記可動子が貫通される十字状の開口部により４つに分画されており、各分画領域は、前記開口部に対向する２つの磁極部と、外縁に配したヨーク部と、該ヨーク部及び前記磁極部を接続するコア部とを有する軟質磁性体製の第１コアユニット、並びに、前記可動子が貫通される十字状の開口部により４つに分画されており、各分画領域は、前記開口部に対向する２つの磁極部と、外縁に配したヨーク部と、該ヨーク部及び前記磁極部を接続するコア部とを有し、前記第１コアユニットと表裏を逆にしてある軟質磁性体製の第２コアユニットを、軟質磁性体製のスペーサコアユニットを挟んで交互に重ねてなり、前記重なり合う前記第１コアユニット及び第２コアユニットのコア部に捲き線を施してあることを特徴とする。
　本発明のアクチュエータでは、異極の磁極間を短絡する磁束が発生しにくい構造であるとともに、１つの電機子を用いるだけで、経時的に連続して推力を得ることができる。各相の電機子を直列配置する必要がないため全長を短くでき、垂直型アクチュエータに適用した場合に全高を低くすることができる。この結果、全高を低くすることを実現できるので、可動子にかかる曲げモーメントを小さくできるため、撓みを低減して加工装置の高精度化と小型化との両立が可能である。また、小型化を実現できるため、高い効率による駆動を行えて大きな推力起磁力比を得ることができる。
可動子の構成を示す斜視図である。 可動子に使用する磁石配列枠の構成を示す斜視図である。 電機子に使用するコアユニットを示す平面図である。 電機子コアの形状を示す平面図である。 電機子コアの構成方法を示す斜視図である。 電機子に使用する駆動コイルを示す斜視図である。 電機子の構成を示す斜視図である。 アクチュエータの構成を示す斜視図である。 電機子コアに使用するブロックユニットを示す斜視図である。 電機子コアに使用する１／４ブロックを示す斜視図である。 電機子コアの構成を示す斜視図である。 電機子に発生する磁束の流れを示す図である。 磁石配列枠の実施例を示す斜視図である。 可動子の実施例を示す斜視図である。 実施例の電機子の作製に用いる電機子素材を示す平面図である。 １／４ブロックの実施例を示す斜視図である。 電機子コアの実施例を示す斜視図である。 駆動コイルの実施例を示す斜視図である。 電機子の実施例を示す斜視図である。 実施例のアクチュエータにおける駆動コイルの駆動起磁力と発生した推力との関係を示すグラフである。 実施例のアクチュエータにおける推力変動を示すグラフである。 比較例のアクチュエータの構成を示す斜視図である。 比較例のアクチュエータのサイズを示す図である。 比較例のアクチュエータの特性を示すグラフである。 可動子に使用する磁石配列枠の他の例の構成を示す斜視図である。 可動子に使用する磁石配列枠の更に他の例の構成を示す斜視図である。 電機子コアに使用するブロックユニットの他の例を示す斜視図である。
　以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて詳述する。
　まず、可動子の構成について説明する。図１は可動子の構成を示す斜視図、図２は可動子に使用する磁石配列枠の構成を示す斜視図である。可動子１は、図２に示す磁石配列枠１０に、複数の平板状の永久磁石を配列させた構成をなしている。
　磁石を支持固定する枠材としての磁石配列枠１０は、例えばアルミニウムなどの非磁性体にて形成されている。磁石配列枠１０は、可動子１の可動方向（長手方向）の中心軸を交線として直交する２平面の一方の面（図２で上下方向の面）には、中心軸に対して対称的に、複数の枠部材１０ａが等間隔で可動方向に配設され、前記２平面の他方の面（図２で左右方向の面）には、中心軸に対して対称的に、複数の枠部材１０ｂが等間隔で可動方向に配設されている。
　可動子１における平板状の永久磁石は、厚さ方向に磁化されており（磁化方向は図１の白抜矢符参照）、磁石配列枠１０の隣り合う枠部材１０ａ，１０ａ間、１０ｂ，１０ｂ間それぞれの隙間に挿入されて接着固定されている。よって、可動子１は、全体として十字断面形状をなしている。
　可動子１の可動方向（長手方向）の中心軸を交線として直交する２平面の一方の面（図１で上下方向の面）には、中心軸に対して対称的に、厚さ方向における磁化方向（図１の白抜矢符方向）を逆向きとした８個ずつの第１磁石１１ａ、第３磁石１１ｃを可動方向（２平面の交線方向）に交互に配している。可動方向の中心軸に対して対称の位置にある２つの第１磁石１１ａ同士、第３磁石１１ｃ同士の磁化方向は同一である。
　また、２平面の他方の面（図１で左右方向の面）には、中心軸に対して対称的に、厚さ方向における磁化方向（図１の白抜矢符方向）を逆向きとした第２磁石１１ｂ、第４磁石１１ｄを８個ずつ可動方向に交互に配している。可動方向の中心軸に対して対称の位置にある２つの第２磁石１１ｂ同士、第４磁石１１ｄ同士の磁化方向は同一である。
　そして、一方の面における８個の第１磁石１１ａ及び第３磁石１１ｃの配列と、他方の面における８個の第２磁石１１ｂ及び第４磁石１１ｄの配列とは、永久磁石のＳ極、Ｎ極対を界磁周期（λ、３６０°）とした場合に、可動方向（長手方向）に界磁周期の１／４（λ／４、９０°）だけずれている。ここで界磁周期とは、厚さ方向に互いに逆向きに磁化されている第１磁石１１ａ及び第３磁石１１ｃ又は第２磁石１１ｂ及び第４磁石１１ｄの一対の磁石の配列周期のことである。
　次に、電機子の構成について説明する。図３は、電機子に使用するコアユニットを示す平面図であり、図３Ａは第１コアユニット２１ａ、図３Ｂは第２コアユニット２１ｂ、図３Ｃはスペーサコアユニット２１ｃを示している。
　第１コアユニット２１ａは、可動子１が貫通される十字状の開口部２２ａを有している。この開口部２２ａにより、第１コアユニット２１ａは４つに分画されている。各分画領域は、軟質磁性体にて形成されており、開口部２２ａに対向する２つの磁極部２３ａ，２３ａと、外縁に配したヨーク部２４ａと、ヨーク部２４ａ及び磁極部２３ａ，２３ａを接続するコア部２５ａとを有する。コア部２５ａの幅はヨーク部２４ａの幅より長く、コア部２５ａの幅×厚さはヨーク部２４ａの幅×厚さよりも大きい。隣り合う分画領域は、十字状の開口部２２ａの中心周りに９０°回転させた構成をなしている。また、隣り合う分画領域は、そのヨーク部２４ａ，２４ａの端部同士で非磁性スペーサ２６ａにて接続されている。よって、隣り合う分画領域同士は、磁気的に絶縁されている。
　第２コアユニット２１ｂは、第１コアユニット２１ａと表裏を逆にしてある。第２コアユニット２１ｂは、可動子１が貫通される十字状の開口部２２ｂを有しており、この開口部２２ｂにより、第２コアユニット２１ｂは４つに分画されている。各分画領域は、軟質磁性体にて形成されており、開口部２２ｂに対向する２つの磁極部２３ｂ，２３ｂと、外縁に配したヨーク部２４ｂと、ヨーク部２４ｂ及び磁極部２３ｂ，２３ｂを接続するコア部２５ｂとを有する。コア部２５ｂの幅はヨーク部２４ｂの幅より長く、コア部２５ｂの幅×厚さはヨーク部２４ｂの幅×厚さよりも大きい。隣り合う分画領域は、十字状の開口部２２ｂの中心周りに９０°回転させた構成をなしている。また、隣り合う分画領域は、そのヨーク部２４ｂ，２４ｂの端部同士で非磁性スペーサ２６ｂにて接続されている。よって、隣り合う分画領域同士は、磁気的に絶縁されている。
　スペーサコアユニット２１ｃは、４つに分画されたヨーク部２４ｃを辺縁に有している。ヨーク部２４ｃは軟質磁性体にて形成されており、隣り合うヨーク部２４ｃ同士は非磁性スペーサ２６ｃにて接続されている。スペーサコアユニット２１ｃの中央部は、可動子１が貫通される、開口部２２ａ，２２ｂより大きい矩形状の開口部２２ｃとなっている。また、ヨーク部２４ｃはヨーク部２４ａ、２４ｂと同一の幅である。
　なお、開口部２２ａ，２２ｂは平面視で同一位置に設けられており、第１コアユニット２１ａ、スペーサコアユニット２１ｃ、第２コアユニット２１ｂを積層した場合に、これらの開口部２２ａ，２２ｂは、開口部２２ｃを介して重なり合うようになっている。また、非磁性スペーサ２６ａ，２６ｂ，２６ｃは平面視で同一位置に設けられており、第１コアユニット２１ａ、スペーサコアユニット２１ｃ、第２コアユニット２１ｂを積層した場合に、これらの非磁性スペーサ２６ａ，２６ｂ，２６ｃは重なり合うようになっている。
　電機子コアは、このような第１コアニット２１ａ、スペーサコアユニット２１ｃ、第２コアユニット２１ｂを積層して構成される。図４は電機子コアの形状を示す平面図、図５は電機子コアの構成方法を示す斜視図である。
　電機子コア３０は、２つの第１コアユニット２１ａ，２１ａ、２つの第２コアユニット２１ｂ，２１ｂ、３つのスペーサコアユニット２１ｃ，２１ｃ，２１ｃを積層して構成される。具体的には、図５に示すように、第１コアユニット２１ａ、スペーサコアユニット２１ｃ、第２コアユニット２１ｂ、スペーサコアユニット２１ｃ、第１コアユニット２１ａ、スペーサコアユニット２１ｃ、第２コアユニット２１ｂの順に積層して、電機子コア３０は構成される。
　この際、隣り合う第１コアニット２１ａ及び第２コアユニット２１ｂにおいて、それらのヨーク部２４ａとヨーク部２４ｂとは、スペーサコアユニット２１ｃのヨーク部２４ｃを介して磁気的に結合されているが、それらの磁極部２３ａ，２３ａと磁極部２３ｂ，２３ｂ、コア部２５ａとコア部２５ｂとは、スペーサコアユニット２１ｃの厚さ分の空隙があって磁気的に絶縁されている。これらのヨーク部２４ａ、ヨーク部２４ｂ及びヨーク部２４ｃは、磁束の帰還経路として機能する。磁極部２３ａと磁極部２３ｂ、及び、コア部２５ａとコア部２５ｂは、それぞれ隙間をあけて、磁気短絡を防いでいる。
　これらのコアユニットが積層されることにより、各コアユニットの開口部２２ａ，２２ｂ，２２ｃは連通して、可動子１が挿入される十字状の貫通孔２２となる。また、各コアユニットの非磁性スペーサ２６ａ，２６ｂ，２６ｃは連結して、磁気結合を絶縁する機能と各コアユニットを固持する機能とを有する非磁性体製のスペーサ支持枠２６となる。
　図６は、電機子に使用する駆動コイルを示す斜視図である。駆動コイルとして、正弦波状の電流を印加する２個の駆動コイル（第１駆動コイル４１ａ及び第２駆動コイル４１ｂ）と、余弦波状の電流を印加する２個の駆動コイル（第３駆動コイル４１ｃ及び第４駆動コイル４１ｄ）とを用いる。対をなす第１駆動コイル４１ａ及び第２駆動コイル４１ｂは、図６の左右方向に離隔して設けられ、対をなす第３駆動コイル４１ｃ及び第４駆動コイル４１ｄは、図６の上下方向に離隔して設けられている。対をなす第１駆動コイル４１ａ及び第２駆動コイル４１ｂには同一方向に電流を印加し、対をなす第３駆動コイル４１ｃ及び第４駆動コイル４１ｄには同一方向に電流を印加する。
　このような４個の第１－第４駆動コイル４１ａ－４１ｄが、コア部２５ａ，２５ｂを巻回されるように電機子コア３０に配置されて、電機子２は構成される。図７は、電機子２の構成を示す斜視図である。
　そして、図７に示す電機子２の中央の十字状の貫通孔２２に、図１に示す十字断面形状を有する可動子１が挿入されて、アクチュエータ３が構成される。図８は、アクチュエータ３の構成を示す斜視図である。
　ここで、上記のような構成をなす電機子２の作製方法について説明する。
　図９は、電機子コア３０に使用するブロックユニットを示す斜視図であり、図９Ａは第１ブロックユニット３１ａ、図９Ｂは第２ブロックユニット３１ｂ、図９Ｃは帰還ブロックユニット３１ｃを示している。
　第１ブロックユニット３１ａは、前述した第１コアニット２１ａの１つの分画領域に対応しており、軟質磁性体にて形成されている。第１ブロックユニット３１ａは、２つの磁極部３３ａ，３３ａと、外縁に配したヨーク部３４ａと、ヨーク部３４ａ及び磁極部３３ａ，３３ａを接続するコア部３５ａとを有する。
　第２ブロックユニット３１ｂは、第１ブロックユニット３１ａと表裏を逆にして、紙面に対する法線を軸として９０°回転したものであって、前述した第２コアユニット２１ｂの１つの分画領域に対応しており、軟質磁性体にて形成されている。第２ブロックユニット３１ｂは、２つの磁極部３３ｂ，３３ｂと、外縁に配したヨーク部３４ｂと、ヨーク部３４ｂ及び磁極部３３ｂ，３３ｂを接続するコア部３５ｂとを有する。
　帰還ブロックユニット３１ｃは、前述したスペーサコアユニット２１ｃの１つの分画領域に対応しており、軟質磁性体にて形成されている。帰還ブロックユニット３１ｃは、ヨーク部３４ｃを有する。
　そして、第１ブロックユニット３１ａ、帰還ブロックユニット３１ｃ、第２ブロックユニット３１ｂの順に、それらのヨーク部３４ａ，３４ｂ，３４ｃを位置合せして積層し、１／４ブロック３７を作製する。図１０に、作製した１／４ブロック３７の構成を示す。
　次に、８個の１／４ブロック３７を非磁性体製のスペーサ支持枠３６にて結合して、可動子が貫通される十字状の開口部を有するよう電機子コア３０を作製する。図１１に、作製した電機子コア３０の構成を示す。
　最後に、電機子コア３０の４隅の貫通間隙を周回するように、図６に示したような４個の第１－第４駆動コイル４１ａ－４１ｄを配置して、図７に示したような電機子２を作製する。
　以下、本発明におけるアクチュエータ３の動作について説明する。
　４つの駆動コイルに電流を印加した場合に電機子に発生する磁束の流れを、図１２Ａ－Ｄに示す。図１２Ａ、図１２Ｂ、図１２Ｃ、図１２Ｄはそれぞれ、電気角０°、電気角９０°、電気角１８０°、電気角２７０°における磁束の流れを示している。なお、図１２Ａ－Ｄでは、各駆動コイルを断面、コアユニットを平面にて表している。
　図１２Ａ－Ｄにあって、各駆動コイルにおける●印は紙面の裏から表へ流れる電流の方向を表しており、×印は紙面の表から裏へ流れる電流の方向を表している。また、白抜きの矢印は紙面の前方側のコアユニット（第１コアユニット２１ａ）での磁束の流れ（経路及び方向）を示し、点線の矢印は紙面の後方側のコアユニット（第２コアユニット２１ｂ）での磁束の流れ（経路及び方向）を示している。
　図１２Ａに示す電気角０°の状態では、第１駆動コイル４１ａ及び第２駆動コイル４１ｂに流れる正弦波（ｓｉｎ波）電流は零であり、第３駆動コイル４１ｃ及び第４駆動コイル４１ｄに流れる余弦波（ｃｏｓ波）電流は最大値となる。このとき、図１２Ａに示すように、紙面の上下方向に延在する隙間には互いに１８０°向きが異なる磁束が発生するが、紙面の左右方向に延在する隙間には磁束が発生しない。
　次に、図１２Ｂに示す電気角９０°の状態では、第１駆動コイル４１ａ及び第２駆動コイル４１ｂに流れる正弦波電流が最大値となり、第３駆動コイル４１ｃ及び第４駆動コイル４１ｄに流れる余弦波電流は零となる。このとき、図１２Ｂに示すように、紙面の左右方向に延在する隙間には互いに１８０°向きが異なる磁束が発生するが、紙面の上下方向に延在する隙間には磁束が発生しない。
　次に、図１２Ｃに示す電気角１８０°の状態では、正弦波電流が零となって、余弦波電流は最大値となり、紙面の上下方向に延在する隙間には互いに１８０°向きが異なる磁束が発生するが、紙面の左右方向に延在する隙間には磁束が発生しない。この場合に発生する磁束の向きは、図１２Ａに示す電気角０°の場合での磁束の向きと１８０°異なっている。
　次に、図１２Ｄに示す電気角２７０°の状態では、正弦波電流が最大値となって、余弦波電流は零となり、紙面の左右方向に延在する隙間には互いに１８０°向きが異なる磁束が発生するが、紙面の上下方向に延在する隙間には磁束が発生しない。この場合に発生する磁束の向きは、図１２Ｂに示す電気角９０°の場合での磁束の向きと１８０°異なっている。
　電機子２内部では、上述したような磁束の流れの変化が、３６０°を周期として周期的に繰り返される。
　一方、可動子１における板状の磁石の配列は、前述したように、以下のようになっている。即ち、図１における上下方向の面では、可動方向（長手方向）の中心軸に対して対称的に、厚さ方向での磁化方向を逆向きとした第１磁石１１ａ、第３磁石１１ｃが可動方向に交互に配されており、図１における左右方向の面では、可動方向の中心軸に対して対称的に、厚さ方向での磁化方向を逆向きとした第２磁石１１ｂ、第４磁石１１ｄが可動方向に交互に配されており、上下方向の面における第１磁石１１ａ及び第３磁石１１ｃの配列と、左右方向の面における第２磁石１１ｂ及び第４磁石１１ｄの配列とは、可動方向にλ／４（λ：界磁周期）だけずれている。
　このような構成をなす可動子１及び電機子２を組み合せることにより、１つの電機子２を用いた場合であっても、経時的に連続して推力を得ることができる。以下、その作用について説明する。
　断面十字状をなす可動子１を電機子２の十字状の貫通孔２２に挿入した後、まず、図１２での紙面前方側の磁極歯（第１コアユニット２１ａの磁極部２３ａ）と紙面後方側の磁極歯（第２コアユニット２１ｂの磁極部２３ｂ）との間に第１磁石１１ａが位置するように、可動子１を配置する。この状態で、図１２Ａに示すような電気角０°の電流を第１－第４駆動コイル４１ａ－４１ｄに印加すると、第１磁石１１ａには、紙面前方側の磁極歯との間に反発力が生じ、紙面後方側の磁極歯との間に吸引力が生じる。この結果、可動子１は紙面の奥方向へ移動される。
　そして、第１磁石１１ａが紙面後方側の磁極歯と軸心方向で同一位置に達した時点で、第２磁石１１ｂは、紙面後方側の磁極歯（第２コアユニット２１ｂの磁極部２３ｂ）と紙面前方側の磁極歯（第１コアユニット２１ａの磁極部２３ａ）との間に位置することになる。この状態で、図１２Ｂに示すような電気角９０°の電流を第１－第４駆動コイル４１ａ－４１ｄに印加すると、第２磁石１１ｂには、紙面前方側の磁極歯との間に反発力が生じ、紙面後方側の磁極歯との間に吸引力が生じる。この結果、可動子１は紙面の奥方向へ移動される。
　そして、第２磁石１１ｂが紙面後方側の磁極歯と軸心方向で同一位置に達した時点で、第３磁石１１ｃは、紙面後方側の磁極歯（第２コアユニット２１ｂの磁極部２３ｂ）と紙面前方側の磁極歯（第１コアユニット２１ａの磁極部２３ａ）との間に位置することになる。この状態で、図１２Ｃに示すような電気角１８０°の電流を第１－第４駆動コイル４１ａ－４１ｄに印加すると、電気角０°の場合とは逆向きの磁束が電機子２に発生するが（図１２Ｃ参照）、第３磁石１１ｃの磁化方向も第１磁石１１ａとは逆向きであるため、第３磁石１１ｃには、紙面前方側の磁極歯との間に反発力が生じ、紙面後方側の磁極歯との間に吸引力が生じる。この結果、可動子１は紙面の奥方向へ移動される。
　そして、第３磁石１１ｃが紙面後方側の磁極歯と軸心方向で同一位置に達した時点で、第４磁石１１ｄは、紙面後方側の磁極歯（第２コアユニット２１ｂの磁極部２３ｂ）と紙面前方側の磁極歯（第１コアユニット２１ａの磁極部２３ａ）との間に位置することになる。この状態で、図１２Ｄに示すような電気角２７０°の電流を第１－第４駆動コイル４１ａ－４１ｄに印加すると、電気角９０°の場合とは逆向きの磁束が電機子２に発生するが（図１２Ｄ参照）、第４磁石１１ｄの磁化方向も第２磁石１１ｂとは逆向きであるため、第４磁石１１ｄには、紙面前方側の磁極歯との間に反発力が生じ、紙面後方側の磁極歯との間に吸引力が生じる。この結果、可動子１は紙面の奥方向へ移動される。
　以上のようなことを周期的に繰り返すことにより、可動子１の移動に関して経時的に連続した推力を得ることができる。
　なお、第１－第４駆動コイル４１ａ－４１ｄに印加する電流の向きを上述した場合と逆向きにすることにより、上述した場合とは逆向きに、即ち紙面の手前方向へ、可動子１を移動することができる。
　本発明のアクチュエータ３では、１つの電機子２の２方向（互いに直交する２方向）に位置する十字状の貫通孔２２に、位相を９０°ずつずらせて独立した交番磁界を発生させ、この十字状の貫通孔２２に、互いに直交する２方向で界磁周期の１／４だけ磁石の配列をずらせた断面十字状の可動子１を挿入している。
　よって、本発明のアクチュエータ３では、１つの電機子２を使用しても、可動子１を移動させるための推力を経時的に連続して提供することができる。従来のように各相の電機子を直列配置する必要がないため全長を短くできる。
　したがって、本発明のアクチュエータ３の全長を短くできるため、垂直型アクチュエータに適用した場合に、全高を低くすることができ、高さが低くなるため、可動子１の撓み量も少なくなって高い剛性が得られる。この結果、被加工物に対する精密な位置合わせを行えて、加工精度の向上を図れる。
　本発明のアクチュエータ３は、相一括集中捲き構成であるため、駆動コイル４１ａ－４１ｄの電気抵抗が低いために銅損が小さいという利点を有しながら、全長を短くすることができる。
　本発明のアクチュエータ３では、小型化を実現できるため、高い効率による駆動を行えて大きな推力起磁力比を得ることができる。また、本発明のアクチュエータ３では、磁路との鎖交面が大きく、この点でも推力起磁力比の向上に寄与する。推力起磁力比が大きくなるので、同じ推力を得るために必要な電流が少なくて済むため、発熱量を低く抑えることができる。
　後述する比較例の３相構成のアクチュエータでは、各相の電機子のコア部に駆動起磁力（印加電流×コイル巻き数）による磁束が発生する時間帯と発生しない時間帯とが存在する。これに対して、本発明のアクチュエータ３では、電機子２のコア部２５ａ，２５ｂに経時的に常に磁束が発生している（図１２Ａ－Ｄ参照）。よって、本発明では、コア材が常に磁化されているので、コア材の飽和磁化を経時的に有効に利用することができる。この結果、使用するコア材の量を低減できる。
　以下、本発明者が作製したアクチュエータの具体的な構成と、作製したアクチュエータの特性とについて説明する。
　アクチュエータに使用する可動子１の作製例について説明する。まず、図１３に示すようなアルミニウム製の磁石配列枠１０を作製した。
　使用する平板状の永久磁石は、Ｎｄ－Ｆｅ－Ｂ系焼結磁石であって、最大エネルギー積：３７０ｋＪ／ｍ3 、残留磁束密度：Ｂｒ＝１．４Ｔのものを、長さ２４ｍｍ、幅１０ｍｍ、厚さ４．５ｍｍの形状に切り出した。切り出した磁石を厚さ方向に磁化させた後、前述したような配列（図１参照）にて、一面に１６個ずつ合計３２個の磁石（第１磁石１１ａ、第２磁石１１ｂ、第３磁石１１ｃ、第４磁石１１ｄ）を、エポキシ系接着剤にて磁石配列枠１０に接着させて、可動子１を作製した。作製した可動子１の構成を図１４に示す。この場合、界磁周期（可動子１の磁石のＳ極Ｎ極対の周期の長さ）λは２４ｍｍとなるので、第１磁石１１ａ及び第３磁石１１ｃの配列と第２磁石１１ｂ及び第４磁石１１ｄとは、６ｍｍ（＝λ／４）だけずれている。
　次に、電機子コア３０を作製した。図１５Ａに示すような形状をなす電機子素材を０．５ｍｍ厚さの珪素鋼板から２０枚切り出し、切り出したこれらの２０枚を重ねて樹脂含浸して一体化させて、厚さ１０ｍｍのブロックユニットを作製した。同一形状のブロックユニットを１６個作製した。作製した１６個の内の８個のブロックユニットをそのまま第１ブロックユニット３１ａ（図９Ａ参照）とし、残りの８個のブロックユニットは裏返して第２ブロックユニット３１ｂ（図９Ｂ参照）とした。
　また、図１５Ｂに示すような形状をなす電機子素材を０．５ｍｍ厚さの珪素鋼板から４枚切り出し、切り出したこれらの４枚を重ねて樹脂含浸して一体化させて、帰還ブロックユニット３１ｃ（図９Ｃ参照）としての厚さ２ｍｍの第１帰還ブロックユニット３１ｄを２個作製するとともに、図１５Ｂに示すような形状をなす電機子素材を０．５ｍｍ厚さの珪素鋼板から１０枚切り出し、切り出したこれらの１０枚を重ねて樹脂含浸して一体化させて、帰還ブロックユニット３１ｃ（図９Ｃ参照）としての厚さ５ｍｍの第２帰還ブロックユニット３１ｅを１個作製した。
　そして、第１ブロックユニット３１ａ、第１帰還ブロックユニット３１ｄ、第２ブロックユニット３１ｂ、第２帰還ブロックユニット３１ｅ、第１ブロックユニット３１ａ、第１帰還ブロックユニット３１ｄ、第２ブロックユニット３１ｂの順序で積層し、エポキシ系接着剤にて一体化して、図１６に示すような１／４ブロック３７を作製した。
　このようにして作製した４個の１／４ブロック３７を、積層方向を軸として９０°ずつ回転させて配置し、その外周に４個のアルミニウム製のスペーサ支持枠３６（長さ：４９ｍｍ、幅：６ｍｍ、高さ：５ｍｍ）を配置して接着させ、図１７に示すような電機子コア３０を作製した。ここで、電機子コア３０の可動方向（長手方向）の長さは、４９ｍｍ（＝１０ｍｍ＋２ｍｍ＋１０ｍｍ＋５ｍｍ＋１０ｍ＋２ｍｍ＋１０ｍｍ）である。
　ブロックユニットにおけるコア部の幅（１７ｍｍ）をヨーク部の幅（５ｍｍ）より長くして、コア部の幅×厚さをヨーク部の幅×厚さより大きくしている。これは、積層された際に、複数のヨーク部は連続して積層されるのに対して、コア部は隙間をあけて積層されるため、その厚さの少なさを幅で補って十分な磁束をコア部にて得るためである。
　第１帰還ブロックユニット３１ｄの厚さが２ｍｍであるのに対して、第２帰還ブロックユニット３１ｅの厚さを５ｍｍとしている。これは、ディテント力の低減を図るためである。図１７における前方の第１ブロックユニット３１ａ、第１帰還ブロックユニット３１ｄ、第２ブロックユニット３１ｂの組と、後方の第１ブロックユニット３１ａ、第１帰還ブロックユニット３１ｄ、第２ブロックユニット３１ｂの組とにおけるディテント力の４次の高調波成分を相殺するように、第２帰還ブロックユニット３１ｅの厚さを第１帰還ブロックユニット３１ｄの厚さより３ｍｍだけ長くしている。
　次に、図１８に示すような４個の第１―第４駆動コイル４１ａ－４１ｄを作製した。直径０．７ｍｍのエナメル被覆銅線を、図１７に示す電機子コア３０のコア部の貫通空隙に１００回捲いてワニス含浸して固めたものを、第１―第４駆動コイル４１ａ－４１ｄとした。このように、４個の第１―第４駆動コイル４１ａ－４１ｄを電機子コア３０に配置して、電機子２を作製した。作製した電機子２を、図１９に示す。
　上述したようにして作製した電機子２の十字状の貫通孔２２の各先端部にそれぞれガイドローラ（図示せず）を設置し、このガイドローラに沿わせて、作製した図１４に示す可動子１を電機子２の十字状の貫通孔２２に挿入して、アクチュエータ３を構成した。このガイドローラにより、可動子１は電機子２の十字状の貫通孔２２の中央に保持され、貫通孔２２の軸心方向（可動方向）に可動子１が自由に移動できる構造となる。ここで、挿入される可動子１は断面十字状をなしているため、各ガイドローラは可動方向以外の一方向のみの移動を拘束すれば良いので、簡易な構成の平板状ガイドローラを使用しても可動子１の位置決めを行える。
　次に、可動子１の上下方向の第１磁石１１ａ、第３磁石１１ｃの各極の中心が電機子２の隣り合う磁極部２３ａと磁極部２３ｂとの間（磁極部２３ａ、磁極部２３ｂ間の隙間の中央）に位置するように、可動子１を配置する。この位置を電気角０°として界磁周期を３６０°とする正弦波状の電流を第１駆動コイル４１ａ及び第２駆動コイル４１１ｂに同一方向に印加し、余弦波状の電流を第３駆動コイル４１ｃ及び第４駆動コイル４１ｄに同一方向に印加するように、モータドライバを各駆動コイル４１ａ－４１ｄに接続した。
　そして、アクチュエータ３を推力テストベンチに固定して推力特性を測定した。図２０に、駆動コイルに印加する１つの駆動コイル当たりの駆動起磁力（印加電流×コイル巻き数）と発生した推力との関係を示す。図２０において、グラフ（ａ）は推力（Ｎ）を表し、グラフ（ｂ）は推力起磁力比（Ｎ／Ａ）を表している。図２０に示すように、推力起磁力比が１０％低下する点を推力比例限とした場合、比例限の推力が１２０Ｎであるアクチュエータ３が得られている。また、比例限の推力が１２０Ｎであるときの推力起磁力比は０．２４Ｎ／Ａであった。
　また、図２１に、可動子１の位置を起点から５０ｍｍ移動させたときの推力変動の測定結果を示す。図２１において、グラフ（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）はそれぞれ、各駆動コイルに印加する駆動起磁力を０Ａ、１００Ａ、２００Ａ、４００Ａとした場合の測定結果を表している。図２１に示すように、駆動起磁力が４００Ａである場合には、±１０％程度の推力リプルが見られるが、実用上問題がない範囲で連続した推力を得られていることが分かる。
　以下、上述したような本発明のアクチュエータと比較例のアクチュエータとの対比について説明する。
　図２２は、本発明のアクチュエータとほぼ同一定格である比較例のアクチュエータの構成を示す斜視図である、図２３は、この比較例のアクチュエータのサイズを示す図である。比較例のアクチュエータは本発明と同等の電機子コア材質及び磁石材質を用い、電機子コア５１及び駆動コイル５２ａ，５２ｂを有する３個の電機子（Ｕ相ユニット５３ａ、Ｖ相ユニット５３ｂ、Ｗ相ユニット５３ｃ）を所定距離だけ隔てて直列に配置し、この３個の電機子に、平板状の磁石６１ａ（長さ：２０ｍｍ、幅：４ｍｍ、厚さ：４ｍｍ）と平板状の鉄ヨーク（長さ：２６ｍｍ、幅：３．５ｍｍ、厚さ：４ｍｍ）６１ｂとを交互に可動方向に並設してなる可動子６０を貫通させた構成をなす３相駆動方式のアクチュエータである。ここで可動子６０の磁石６１ａの磁化方向は可動子６０の可動方向であり、鉄ヨーク６１ｂを介して隣り合う磁石６１ａ，６１ａの磁化方向は互いに逆方向になっている。
　図２４に、この比較例のアクチュエータの特性（推力及び推力起磁力比）を示す。図２４において、グラフ（ａ）は推力（Ｎ）を表し、グラフ（ｂ）は推力起磁力比（Ｎ／Ａ）を表している。図２４に示すように、推力起磁力比が１０％低下する点を推力比例限とした場合、比例限の推力が２０５Ｎであり、比例限の推力が２０５Ｎであるときの推力起磁力比は０．０８～０．０９Ｎ／Ａであった。
　図２４に示す比較例の特性と、前述した図２０に示す本発明例の特性とを比較した場合、本発明例では、推力起磁力比を同じにした場合の推力及び推力を同じにした場合の推力起磁力比が何れも従来例より優れている。ここで、比較例では全長８６ｍｍの電機子の構成（図２３参照）が必要であるのに対して、本発明例では、全長４９ｍｍの電機子２の構成（図１９参照）にて十分な特性が得られている。
　垂直型アクチュエータにあっては、撓み量がその高さの３乗に比例することが知られている。本発明例では比較例と比べて全長を１／２程度に短縮できているので、垂直型アクチュエータに本発明例を適用する場合には、比較例を適用した場合に比べて、撓み量を１／８程度まで低減することが可能となる。
　このように本発明のアクチュエータ３では、１つの電機子２にて連続した推力を得ることができるため、従来の同一定格と比較して全長をほぼ半分に短縮できる。このため、本発明のアクチュエータ３を垂直型アクチュエータに用いた場合、全高を低くすることを実現でき、加工装置への曲げモーメントの負担を軽減できて小型軽量化を図ることができる。
　また、本発明のアクチュエータ３では、可動子１の断面が十字形状であって、可動子１の磁石に電機子２の磁極歯が確実に対向して可動子１（磁石）と電機子２（磁極歯）との鎖交面積を大きく確保できる。この結果、推力起磁力比を比較例のアクチュエータに比べて３倍程度大きくとれるので（図２０及び図２４参照）、駆動電力が少なくて済み、電力の利用効率を上げるとともに発熱を小さくできるため、本発明のアクチュエータ３は高速な連続駆動に特に適している。
　なお、可動子に平板状の永久磁石を用いる形態について説明したが、例えば棒状の永久磁石を使用するようにしてもよい。また、アクチュエータを駆動した際に、実用上問題がない範囲で経時的に連続した推力を確保できるのであれば、永久磁石の磁化方向に垂直な面が湾曲していても構わない。
　非磁性材として、珪素鋼板を使用することとしたが、材料は珪素鋼板に限定されない。アモルファス金属、鉄、または、マンガン亜鉛フェライト、ニッケル亜鉛フェライト等のフェライトなど、用途に応じて選択することができる。
　図２５は、可動子１に使用する磁石配列枠１０の他の例の構成を示す斜視図である。図２５において、図２と同一の構成要素には同一の番号を付してそれらの説明を省略する。図２５に示す磁石配列枠１０の構成では、可動方向（長手方向）に等間隔で配置されている複数の枠部材１０ａ，１０ｂの端部夫々が、可動方向に長尺な枠部材１０ｃに一体的に固設されている。このようにすることにより、全体が枠で囲まれる構成となって磁石配列枠１０の剛性は高くなる。
　また、図２５の構成例では、４つの枠部材１０ｃ夫々の周縁部は、断面が略円形状をなす可動方向に長尺なリニアガイドレール１０ｄとなっている。なお、図示は省略するが、このリニアガイドレール１０ｄを通すためのリニアガイドスライダが、電機子２の非磁性体製の各スペーサ支持枠２６（図７参照）の内面側に設けられる。このようなリニアガイドレール１０ｄを設けることにより、可動子１の滑らかな移動を実現でき、アクチュエータの高速駆動時であっても大きな振動は生じず、がたつきがない安定した可動子１の高速直線移動を実現できる。
　図２６は、可動子１に使用する磁石配列枠１０の更に他の例の構成を示す斜視図である。図２６において、図２５と同一の構成要素には同一の番号を付してそれらの説明を省略する。図２６に示す磁石配列枠１０の構成では、枠部材１０ａ，１０ｂの磁石と接する長手方向に延在する面を可動子１０の可動方向に垂直な方向から少しずらせて（スキューさせて）、枠部材１０ａ，１０ｂを設けている。ずらせる角度（スキュー角）は数°程度である。このような構成としておくことにより、移動方向と直交する方向に対して所定角（スキュー角）だけ傾いているスキュー配置に永久磁石１１ａ－１１ｄを設けることができる。永久磁石１１ａ－１１ｄをスキュー配置することにより、アクチュエータの駆動時にディテント力に起因して発生する振動を抑制することができる。
　図２７は、電機子コア３０に使用するブロックユニットの他の例を示す斜視図である。図２７Ａは第１ブロックユニット３１ａ、図２７Ｂは第２ブロックユニット３１ｂ、図２７Ｃは帰還ブロックユニット３１ｃを示している。図２７に示す例では、前述した例（図９参照）とは異なり、コア部３５ａ，３５ｂ、ヨーク部３４ａ，３４ｂ，３４ｃの内側面が、平面ではなくて曲面をなしている。このような構成により、第１－第４駆動コイル４１ａ－４１ｄ夫々の巻線数の増加を図れる。
　１　可動子
　２　電機子
　３　アクチュエータ
　１０　磁石配列枠
　１１ａ　第１磁石
　１１ｂ　第２磁石
　１１ｃ　第３磁石
　１１ｄ　第４磁石
　２１ａ　第１コアユニット
　２１ｂ　第２コアユニット
　２１ｃ　スペーサコアユニット
　２２　貫通孔
　２２ａ，２２ｂ　開口部
　２３ａ，２３ｂ　磁極部
　２４ａ，２４ｂ，２４ｃ　ヨーク部
　２５ａ，２５ｂ　コア部
　２６，３６　スペーサ支持枠
　２６ａ，２６ｂ，２６ｃ　非磁性スペーサ
　３０　電機子コア
　３１ａ　第１ブロックユニット
　３１ｂ　第２ブロックユニット
　３１ｃ　帰還ブロックユニット
　３３ａ，３３ｂ　磁極部
　３４ａ，３４ｂ，３４ｃ　ヨーク部
　３５ａ，３５ｂ　コア部
　３７　１／４ブロック
　４１ａ　第１駆動コイル
　４１ｂ　第２駆動コイル
　４１ｃ　第３駆動コイル
　４１ｄ　第４駆動コイル

Claims (6)

  1. 　十字状に直交する２平面それぞれに複数の平板状の磁石が配設されており、前記２平面の一方の平面には厚さ方向に磁化された前記複数の磁石が前記２平面の交線方向に配されてあって、隣り合う磁石の磁化方向は逆方向であり、前記２平面の他方の平面には厚さ方向に磁化された前記複数の磁石が前記交線方向に配されてあって、隣り合う磁石の磁化方向は逆方向であり、前記一方の平面における前記複数の磁石の配列と、前記他方の平面における前記複数の磁石の配列とが前記交線方向に界磁周期の１／４ずれている可動子を、
    　前記可動子が貫通される十字状の開口部により４つに分画されており、各分画領域は、前記開口部に対向する２つの磁極部と、外縁に配したヨーク部と、該ヨーク部及び前記磁極部を接続するコア部とを有する軟質磁性体製の第１コアユニット、並びに、前記可動子が貫通される十字状の開口部により４つに分画されており、各分画領域は、前記開口部に対向する２つの磁極部と、外縁に配したヨーク部と、該ヨーク部及び前記磁極部を接続するコア部とを有し、前記第１コアユニットと表裏を逆にしてある軟質磁性体製の第２コアユニットを、軟質磁性体製のスペーサコアユニットを挟んで交互に重ねてなり、前記重なり合う第１コアユニット及び第２コアユニットのコア部に捲き線を施してある電機子の前記第１及び第２コアユニットの開口部に貫通させてあることを特徴とするアクチュエータ。
  2. 　前記複数の磁石を支持固定する枠材を有することを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
  3. 　前記コア部は前記ヨーク部より（幅×高さ）が大きいことを特徴とする請求項１または２に記載のアクチュエータ。
  4. 　前記第１コアユニットの隣り合う分画領域のヨーク部は非磁性材を介して接続し、前記第２コアユニットの隣り合う分画領域のヨーク部は非磁性材を介して接続していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のアクチュエータ。
  5. 　複数の平板状の磁石を有するアクチュエータの可動子において、
    　前記複数の磁石は十字状に直交する２平面それぞれに配設されており、前記２平面の一方の平面には厚さ方向に磁化された前記複数の磁石が前記２平面の交線方向に配されてあって、隣り合う磁石の磁化方向は逆方向であり、前記２平面の他方の平面には厚さ方向に磁化された前記複数の磁石が前記交線方向に配されてあって、隣り合う磁石の磁化方向は逆方向であり、前記一方の平面における複数の磁石の配列と、前記他方の平面における複数の磁石の配列とが前記交線方向に界磁周期の１／４ずれていることを特徴とする可動子。
  6. 　可動子が貫通されるアクチュエータの立方体状の電機子において、
    　前記可動子が貫通される十字状の開口部により４つに分画されており、各分画領域は、前記開口部に対向する２つの磁極部と、外縁に配したヨーク部と、該ヨーク部及び前記磁極部を接続するコア部とを有する軟質磁性体製の第１コアユニット、並びに、前記可動子が貫通される十字状の開口部により４つに分画されており、各分画領域は、前記開口部に対向する２つの磁極部と、外縁に配したヨーク部と、該ヨーク部及び前記磁極部を接続するコア部とを有し、前記第１コアユニットと表裏を逆にしてある軟質磁性体製の第２コアユニットを、軟質磁性体製のスペーサコアユニットを挟んで交互に重ねてなり、前記重なり合う前記第１コアユニット及び第２コアユニットのコア部に捲き線を施してあることを特徴とする電機子。
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