WO2020196346A1 - 電磁アクチュエータ - Google Patents
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Abstract
励磁部と、線状配線が形成された基板を備える電機子とを備えた電磁アクチュエータであって、基板は、線状配線に電流を流した際、第1の方向に電流が流れる第1の配線領域と、電流が第1の方向と逆向きの第2の方向に流れる第2の配線領域とが、励磁部と電機子との相対移動方向に沿って交互に配列され、線状配線に電流を流した際に、基板の両面において同じ方向に電流が流れる部分は、基板を挟んで同じ配線領域内に形成される。
Description
本開示は、電磁アクチュエータに関する。
磁極が周期的に配列された励磁部と、コイルを備えた電機子とを備え、磁極の配列方向に沿って、励磁部と電機子とが相対移動する、平面状の電磁アクチュエータが提案されている(特開2010-166704号公報参照)。
電機子を平面状に形成する場合、特開2010-166704号公報のように、各々別体に構成されたコイルと結線用基板とを組み合わせるとコストが高くなる。そのため、コイル用の配線をプリント基板に一体的に形成して、コストを抑えることが考えらえる。
この場合、磁力を集める鉄芯をコイルに組み込むことができないため、アクチュエータのトルクを強くすることが難しい。
上記の問題に鑑み、本開示は、低コストかつ高トルクの電磁アクチュエータを提供することを目的とする。
本開示の一態様に係る電磁アクチュエータは、2つの磁極が交互に配列された励磁部と、直線部と連結部が交互に形成されたコイル部を有する線状配線が形成された基板を備える電機子とを備えた電磁アクチュエータであって、基板は、線状配線に電流を流した際に、第1の方向に電流が流れる直線部が配置される第1の配線領域と、電流が第1の方向と逆向きの第2の方向に流れる直線部が配置される第2の配線領域とが、励磁部と電機子との相対移動方向に沿って交互に配列され、線状配線は、基板の一方の面及び他方の面の両面において、始端部と、コイル部と、終端部とを備え、線状配線に電流を流した際に、同じ方向に電流が流れる一方の面の直線部と他方の面の直線部とは、基板を挟んで同じ配線領域内に形成される。
上記態様の電磁アクチュエータにおいては、一方の面の線状配線の終端部は、他方の面の線状配線の始端部と導通していてもよい。
また、上記態様の電磁アクチュエータにおいては、電機子は、複数の基板が積層された基板ユニットを備えてもよい。
また、上記態様の電磁アクチュエータにおいては、基板は、可撓性を有し、かつ、第1の配線領域と第2の配線領域との間に、直線部の長手方向に沿って伸びるスリットを備え、基板ユニットが備える複数の基板は、相互にスリット内に配線領域を収容してもよい。
また、上記態様の電磁アクチュエータにおいては、電機子は、複数の基板ユニットを備え、複数の基板ユニットは、積層されていてもよい。
また、上記態様の電磁アクチュエータにおいては、電機子を挟んで2つの励磁部を備え、2つの励磁部は、互いに異なる磁極が対向した状態で配置されていてもよい。
また、上記態様の電磁アクチュエータにおいては、相対移動方向と直交する方向を横方向とした場合、励磁部及び電機子の少なくとも1つは、相手の横方向の移動を規制する規制部を備えてもよい。
また、上記態様の電磁アクチュエータにおいては、励磁部及び電機子は、相対移動方向に伸びる凸部を備えてもよい。
また、上記態様の電磁アクチュエータにおいては、励磁部及び電機子は、可撓性を有していてもよい。
また、上記態様の電磁アクチュエータにおいては、電機子に電流を供給する第1の電源部と、励磁部と電機子との相対位置を検出する位置センサとを備え、第1の電源部は、位置センサが検出した相対位置に基づいて電流の位相を変化させてもよい。
また、上記態様の電磁アクチュエータにおいては、電機子に電流を供給する第2の電源部と、第2の電源部から電機子に電流を供給した状態から、一時的に電流の供給を停止させた状態で、電機子が発生する電圧を計測することにより、励磁部と電機子との相対位置を検出する検出部とを備え、第2の電源部は、検出部が検出した相対位置に基づいて電流の位相を変化させてもよい。
また、上記態様の電磁アクチュエータにおいては、励磁部は、相対移動方向に沿って等間隔に配置された複数の端子からなる端子群を、複数の異なる電流の位相に対応して複数備え、端子群を介して電機子に電流を供給する第3の電源部を備え、励磁部と電機子との相対位置に応じて、電機子に異なる位相の電流が供給されてもよい。
この場合、複数の異なる電流の位相は、3以上であることが好ましい。
本開示によれば、低コストかつ高トルクの電磁アクチュエータを提供することができる。
以下、図面を参照して本開示の一実施の形態について説明する。図1は本実施の形態における電磁アクチュエータ1の外観図、図2は上記電磁アクチュエータ1の電機子を上面から見た概略構成図である。
図1に示すように、電磁アクチュエータ1は、2つの磁極が交互に配列された励磁部10と、電機子20とを備える。電機子20に電流を供給することにより、励磁部10と電機子20とが相対移動する。
励磁部10は、可撓性を有する磁性体シートに、S極及びN極の2つの磁極が交互に着磁されたものである。
図2に示すように、電機子20は、励磁部10と対向する対向部21と、励磁部10の横方向(すなわち、励磁部10と電機子20との相対移動方向A-Bと直交する方向)の移動を規制する規制部22とを備える。電機子20の対向部21には、線状配線を備える基板ユニット25と、励磁部10と電機子20との相対位置を検出する位置センサ31とが設けられている。位置センサ31としては、ホールセンサ又は光学式エンコーダ等を用いる。
また、電磁アクチュエータ1は、電機子20に電流を供給する電源部(第1の電源部に相当)30を備える。電源部30は、位置センサ31が検出した相対位置に基づいて電機子20に供給する電流の位相を変化させる。
ここで、基板ユニット25の構成について、詳細に説明する。基板ユニット25は、同様に構成された2枚の基板40A及び40Bが組み合わされて構成される。図3は基板40Aの外観図、図4は基板40Aの上面側の線状配線42Aを上面から見た図、図5は基板40Aの下面側の線状配線42Aを上面から見た図、図6は図3中のM-M線断面図である。また、図7は基板ユニット25の外観図、図8は図7中のN-N線断面図である。
基板ユニット25を構成する2枚の基板40A及び40Bは同じ構成であるため、基板40Aについてのみ説明を行い、基板40Bについての説明は省略する。
図3~6に示すように、基板40Aは、可撓性を有するフレキシブル基板41Aを備える。フレキシブル基板41Aは、並列に配置された複数の線状配線42Aを備える。基板40Aには、線状配線42Aに電流を流した際に、第1の方向に電流が流れる直線部57A及び59Aが配置される第1の配線領域45Aと、電流が第1の方向と逆向きの第2の方向に流れる直線部57A及び59Aが配置される第2の配線領域46Aとが、励磁部10と電機子20との相対移動方向A-Bに沿って交互に配列されている。また、基板40Aは、第1の配線領域45Aと第2の配線領域46Aとの間に、直線部57A及び59Aの長手方向に沿って伸びるスリット43Aを備える。
図4に示すように、線状配線42Aは、フレキシブル基板41Aの上面において、始端部51A、直線部57Aと連結部58Aが交互に形成されたコイル部52A、及び終端部53Aを備える。また、図5に示すように、線状配線42Aは、フレキシブル基板41Aの下面において、始端部54A、直線部59Aと連結部60Aが交互に形成されたコイル部55A、及び終端部56Aを備える。フレキシブル基板41Aの上面の終端部53Aは、フレキシブル基板41Aの下面の始端部54Aと導通している。
複数の線状配線42Aは互いに導通しており、図6に示すように、線状配線42Aに電流を流した際に、同じ方向に電流が流れる上面の直線部57Aと下面の直線部59Aとは、フレキシブル基板41Aを挟んで同じ配線領域内に形成される。フレキシブル基板41Aの両面に形成された線状配線42Aは、絶縁性保護膜44Aで覆われている。
図7に示すように、基板ユニット25は、同様に構成された2枚の基板40A及び40Bが積層されて構成される。図8は基板ユニット25の断面図であるが、分かり易くするため、基板40Aの構成部分のみを網掛け表示している。図8に示すように、基板40Aのスリット43Aに、基板40Bの第1の配線領域45Bまたは第2の配線領域46Bを収容し、基板40Bのスリット43Bに、基板40Aの第1の配線領域45Aまたは第2の配線領域46Aを収容している。
このように、2枚の基板40A及び40Bは、相互にスリット内に相手の配線領域を収容しているため、2枚の基板40A及び40Bを積層しているにも関わらず、配線領域部分の厚さは基板1枚分と同等の厚さとなる。
[動作原理]
図9及び図10は、電磁アクチュエータ1の動作原理の説明図である。なお、図9及び図10中の点線の矢印線は、磁界の方向を表している。
図9及び図10は、電磁アクチュエータ1の動作原理の説明図である。なお、図9及び図10中の点線の矢印線は、磁界の方向を表している。
図9に示すように、基板40Aの第1の配線領域45Aが励磁部10のN極と対向し、基板40Aの第2の配線領域46Aが励磁部10のS極と対向した状態で、基板40Aに電源部30から電流を供給する。図9では、一例として、第1の配線領域45Aにおいて図面に対し手前から奥に向けて電流が流れ、第2の配線領域46Aにおいて図面に対し奥から手前に向けて電流が流れた状態を示している。このとき、フレミングの左手の法則により、第1の配線領域45A及び第2の配線領域46Aともに、図中左側に向けて移動する力が発生する。
そのため、励磁部10と電機子20とが相対的に移動し、図10に示すように、基板40Bの第1の配線領域45Bが励磁部10のN極と対向し、基板40Bの第2の配線領域46Bが励磁部10のS極と対向した状態となる。
位置センサ31により、励磁部10と電機子20との相対位置が上記の状態に変化したことが検出されると、電源部30は、基板40Aに対する電流の供給を停止し、基板40Bに電流を供給する。基板40Aのときと同様に、第1の配線領域45Bにおいて図面に対し手前から奥に向けて電流が流れ、第2の配線領域46Bにおいて図面に対し奥から手前に向けて電流が流れるようにすると、フレミングの左手の法則により、第1の配線領域45B及び第2の配線領域46Bともに、図中左側に向けて移動する力が発生する。
以降は、位置センサ31により励磁部10と電機子20との相対位置を検出しながら、基板40A及び基板40Bの交互に電流を供給することにより、励磁部10と電機子20とを一方向に相対移動させることができる。
[作用効果]
本実施の形態の電磁アクチュエータ1は、基板40Aが備えるフレキシブル基板41Aにコイルとして機能する線状配線42Aを一体的に形成しているため、各々別体に構成されたコイルと結線用基板とを組み合わせる場合と比較してコストを下げることができる。
本実施の形態の電磁アクチュエータ1は、基板40Aが備えるフレキシブル基板41Aにコイルとして機能する線状配線42Aを一体的に形成しているため、各々別体に構成されたコイルと結線用基板とを組み合わせる場合と比較してコストを下げることができる。
また、線状配線42Aに電流を流した際に、同じ方向に電流が流れる上面の直線部57Aと下面の直線部59Aとは、フレキシブル基板41Aを挟んで同じ配線領域内に形成されるため、フレキシブル基板41Aの片面のみにコイルが形成される場合と比較してトルクを2倍に高めることができる。
また、コイルとして機能する線状配線42Aを形成したフレキシブル基板41Aは、コイルの鉄心を持たないため、軽量化及び小型化に寄与し、かつコギングが生じることなく、励磁部10と電機子20の滑らかな相対移動を実現できる。
また、本実施の形態の電磁アクチュエータ1は、線状配線42Aについて、フレキシブル基板41Aの上面の終端部53Aとフレキシブル基板41Aの下面の始端部54Aとを導通させて、フレキシブル基板41Aの上面及び下面で一本の線状配線42Aとしている。これにより、線状配線42Aについて、フレキシブル基板41Aの上面の終端部53Aとフレキシブル基板41Aの下面の始端部54Aとを導通させない場合と比較して、線状配線42Aに電流を供給するための端子の数を半分にできるため、構成を簡素化できる。
また、電磁アクチュエータ1において発生するトルクF(単位:N(ニュートン))は、下記の式で表すことができ、磁界強度B(単位:T(テスラ))、電流I(単位:A(アンペア))、及び線状配線42Aにおいて磁界方向と直交する方向の長さL(単位:m(メートル))に比例することが分かる。本実施の形態の電磁アクチュエータ1において、線状配線42Aは、直線部57A及び直線部59Aを有し、励磁部10が形成する磁界方向と直交する方向の長さLを長くし易いため、トルクを高めるのに有利となる。
F=B・I・L
F=B・I・L
また、電機子20について、本実施の形態の電磁アクチュエータ1のように、同じ構成の2枚の基板40A及び40Bをずらして積層した場合、励磁部10と電機子20との相対移動に伴い、基板40A及び40Bの各々に供給する電流の位相を変化させることができるため、励磁部10と電機子20の滑らかな相対移動を実現できる。なお、同じ構成の2枚の基板40A及び40Bをずらさずに積層した場合、2つの基板で同時に電流を流すことにより、トルクを2倍に高めることができる。また、積層する基板の数は2つに限らず、3つ以上としてもよい。
また、電磁アクチュエータ1において発生するトルクF(単位:N(ニュートン))は、下記の式で表すことができ、励磁部10と電機子20との間の距離r(単位:m(メートル))の2乗に反比例することが分かる。なお、k(単位:N・m2/Wb2)は比例定数、m1(単位:Wb(ウェーバー))は励磁部10の磁界強度、m2(単位:Wb(ウェーバー))は電機子20の磁界強度である。2枚の基板40A及び40Bについて、相互にスリット内に相手の配線領域を収容することにより、2枚の基板40A及び40Bを積層しているにも関わらず、配線領域部分の厚さを基板1枚分と同等の厚さとすることができるため、励磁部10と電機子20との間の距離rを近づけることができるため、トルクを高めるのに有利となる。
F=k・(m1・m2/r2)
F=k・(m1・m2/r2)
また、電機子20は、励磁部10の横方向(すなわち、励磁部10と電機子20との相対移動方向A-Bと直交する方向)の移動を規制する規制部22を設けることにより、励磁部10の横ずれを防ぐことができるため、励磁部10と電機子20の滑らかな相対移動を実現できる。なお、励磁部10に、電機子20の横方向の移動を規制する規制部を設けても、同じ効果を得ることができる。
また、励磁部10及び電機子20に可撓性を持たすことにより、電磁アクチュエータ1を装置に組み込む際の設計自由度を向上させることができる。
また、励磁部10と電機子20との相対位置を検出する位置センサ31と、位置センサ31が検出した相対位置に基づいて電機子20に供給する電流の位相を変化させる電源部(第1の電源部に相当)30とを備えることにより、励磁部10と電機子20の滑らかな相対移動を実現できる。
[変形例]
以上、本開示の技術をその好適な実施の形態に基づいて説明したが、本開示の技術を適用可能な実施の形態は、上述の実施の形態に限定されものではない。
以上、本開示の技術をその好適な実施の形態に基づいて説明したが、本開示の技術を適用可能な実施の形態は、上述の実施の形態に限定されものではない。
例えば、図11に示すように、電機子20は、同じ構成の2つの基板ユニット25A及び25Bを備え、これらの基板ユニット25A及び25Bを積層して構成してもよい。同じ構成の2つの基板ユニット25A及び25Bをずらさずに積層した場合、2つの基板で同時に電流を流すことにより、トルクを2倍に高めることができる。また、同じ構成の2つの基板ユニット25A及び25Bをずらして積層した場合、励磁部10と電機子20との相対移動に伴い、基板40A及び40Bの各々に供給する電流の位相を変化させることができるため、励磁部10と電機子20の滑らかな相対移動を実現できる。なお、積層する基板ユニットの数は2つに限らず、3つ以上としてもよい。
また、図12に示すように、電機子20の基板ユニット25を挟んで2つの励磁部10A及び10Bを備え、2つの励磁部10A及び10Bは、互いに異なる磁極が対向した状態で配置されるようにしてもよい。このような態様とすることにより、トルクを高めるのに有利となる。
また、図13に示すように、励磁部10Cは相対移動方向A-Bに伸びる凸部11を備え、電機子20の基板ユニット25Cは相対移動方向A-Bに伸びる凸部26を備え、励磁部10Cの凸部11と電機子20の凸部26とが重なる状態に構成してもよい。このような態様とすることにより、励磁部10Cと電機子20との横ずれを防ぐことができるため、励磁部10Cと電機子20の滑らかな相対移動を実現できる。
また、図14に示すように、励磁部10Dは相対移動方向A-Bに伸びる凸部12及び凹部13を交互に備え、電機子20の基板ユニット25Dは相対移動方向A-Bに伸びる凸部27及び凹部28を交互に備え、励磁部10Dの凸部12と電機子20の凸部27とが重り、励磁部10Dの凹部13と電機子20の凹部28とが重なる状態に構成してもよい。このような態様とすることにより、励磁部10Dと電機子20との横ずれを防ぐことができるため、励磁部10Dと電機子20の滑らかな相対移動を実現できる。
また、第1の電源部と位置センサに代えて、電機子20に電流を供給する第2の電源部と、第2の電源部から電機子20に電流を供給した状態から、一時的に電流の供給を停止させた状態で、電機子20が発生する電圧を計測することにより、励磁部10と電機子20との相対位置を検出する検出部とを備えてもよい。この場合、第2の電源部は、検出部が検出した相対位置に基づいて電流の位相を変化させる。このような態様とすることにより、位置センサが不要となるため、設計自由度が増し、コストを抑えられる。
また、第1の電源部と位置センサに代えて、励磁部10は、相対移動方向A-Bに沿って等間隔に配置された複数の端子からなる端子群を、複数の異なる電流の位相に対応して複数備え、端子群を介して電機子20に電流を供給する第3の電源部を備えてもよい。この場合、励磁部10と電機子20との相対位置に応じて、電機子20に異なる位相の電流が供給される。このような態様とすることにより、励磁部10に対する電機子20の相対位置の変化により第3の電源部において電流の位相を切り替える必要がなくなるため、コストを抑えられる。この場合、異なる電流の位相は、3以上とすることにより、滑らかな相対移動を実現できる。
上記以外にも、本開示の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能なのは勿論である。
2019年3月28日に出願された日本出願特願2019-064782の開示はその全体が参照により本明細書に取り込まれる。本明細書に記載された全ての文献、特許出願、及び技術規格は、個々の文献、特許出願、及び技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。
Claims (13)
- 2つの磁極が交互に配列された励磁部と、
直線部と連結部が交互に形成されたコイル部を有する線状配線が形成された基板を備える電機子とを備えた電磁アクチュエータであって、
前記基板は、前記線状配線に電流を流した際に、第1の方向に電流が流れる前記直線部が配置される第1の配線領域と、電流が前記第1の方向と逆向きの第2の方向に流れる前記直線部が配置される第2の配線領域とが、前記励磁部と前記電機子との相対移動方向に沿って交互に配列され、
前記線状配線は、前記基板の一方の面及び他方の面の両面において、始端部と、前記コイル部と、終端部とを備え、
前記線状配線に電流を流した際に、同じ方向に電流が流れる前記一方の面の前記直線部と前記他方の面の前記直線部とは、前記基板を挟んで同じ配線領域内に形成される
電磁アクチュエータ。 - 前記一方の面の前記線状配線の終端部は、前記他方の面の前記線状配線の始端部と導通している
請求項1に記載の電磁アクチュエータ。 - 前記電機子は、複数の前記基板が積層された基板ユニットを備える
請求項1または2に記載の電磁アクチュエータ。 - 前記基板は、可撓性を有し、かつ、前記第1の配線領域と前記第2の配線領域との間に、前記直線部の長手方向に沿って伸びるスリットを備え、
前記基板ユニットが備える複数の前記基板は、相互に前記スリット内に配線領域を収容する
請求項3に記載の電磁アクチュエータ。 - 前記電機子は、複数の前記基板ユニットを備え、
前記複数の前記基板ユニットは、積層されている
請求項3または4に記載の電磁アクチュエータ。 - 前記電機子を挟んで2つの前記励磁部を備え、
2つの前記励磁部は、互いに異なる磁極が対向した状態で配置される
請求項1から5のいずれか1項に記載の電磁アクチュエータ。 - 前記相対移動方向と直交する方向を横方向とした場合、
前記励磁部及び前記電機子の少なくとも1つは、相手の前記横方向の移動を規制する規制部を備える
請求項1から6のいずれか1項に記載の電磁アクチュエータ。 - 前記励磁部及び前記電機子は、前記相対移動方向に伸びる凸部を備える
請求項1から7のいずれか1項に記載の電磁アクチュエータ。 - 前記励磁部及び前記電機子は、可撓性を有する
請求項1から8のいずれか1項に記載の電磁アクチュエータ。 - 前記電機子に電流を供給する第1の電源部と、
前記励磁部と前記電機子との相対位置を検出する位置センサとを備え、
前記第1の電源部は、前記位置センサが検出した前記相対位置に基づいて電流の位相を変化させる
請求項1から9のいずれか1項に記載の電磁アクチュエータ。 - 前記電機子に電流を供給する第2の電源部と、
前記第2の電源部から前記電機子に電流を供給した状態から、一時的に電流の供給を停止させた状態で、前記電機子が発生する電圧を計測することにより、前記励磁部と前記電機子との相対位置を検出する検出部とを備え、
前記第2の電源部は、前記検出部が検出した前記相対位置に基づいて電流の位相を変化させる
請求項1から9のいずれか1項に記載の電磁アクチュエータ。 - 前記励磁部は、前記相対移動方向に沿って等間隔に配置された複数の端子からなる端子群を、複数の異なる電流の位相に対応して複数備え、
前記端子群を介して前記電機子に電流を供給する第3の電源部を備え、
前記励磁部と前記電機子との相対位置に応じて、前記電機子に異なる位相の電流が供給される
請求項1から9のいずれか1項に記載の電磁アクチュエータ。 - 前記複数の異なる電流の位相は、3以上である
請求項12に記載の電磁アクチュエータ。
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