JP3341687B2

JP3341687B2 - リニア電磁型マイクロアクチュエータ

Info

Publication number: JP3341687B2
Application number: JP29571498A
Authority: JP
Inventors: 修森田
Original assignee: 株式会社富士電機総合研究所
Priority date: 1998-10-16
Filing date: 1998-10-16
Publication date: 2002-11-05
Anticipated expiration: 2018-10-16
Also published as: JP2000125536A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、コイルの励磁によ
り発生する電磁力を利用して可動子をＸ−Ｙテーブル上
で二次元方向に移動させ、例えば数mm程度の微小な部品
を搬送するようにしたリニア電磁型マイクロアクチュエ
ータに関する。

【０００２】

【従来の技術】まず、本発明の実施対象となるリニア電
磁型マイクロアクチュエータの構成，動作原理を図９
(a）〜(c) で説明する。図において、１は同一面上に並
べて多数の微小な平面コイル２を碁盤目状に配列した固
定子テーブル（Ｘ−Ｙテーブル）、３は平面コイル２の
上面を覆って固定子テーブル１の上面に成層した摩擦抵
抗の小さな絶縁体層、４は固定子テーブル１の上面に搭
載した磁性体からなる可動子（図示例は円形であるが、
角形のものもある）である。ここで、平面コイル２は１
mm角程度の微小な膜コイルであり、図示例では平面コイ
ル２を横（Ｘ，Ｘ’軸方向）に７個，縦（Ｙ，Ｙ’軸方
向）に１１個ずつアレイ状に並べ、合計７７個のコイル
で固定子テーブル１を構成している。なお、可動子４と
しては、図９(c) のように磁性体の上下面がＳ，Ｎ極と
なるように着磁したものもある。

【０００３】かかる構成で、１ないし隣り合う複数の平
面コイル２を単位領域として同一方向に流れる電流で励
磁（以下「１相励磁」と称する）すると、これにより発
生する電磁力で可動子４を引き寄せる。そして、可動子
４の移動経路に合わせて選択した平面コイル２の励磁を
順次切換えることにより、可動子４が固定子テーブル１
の上面をＸ，Ｘ’，Ｙ，Ｙ’軸で表す二次元方向に走行
移動する。なお、前記のリニア電磁型マイクロアクチュ
エータについては、本発明と同一出願人より特願平８−
２８６３０６号として先に提案されている。

【０００４】次に、前記マイクロアクチュエータに適用
する平面コイルのドライブ回路として、本発明と同一出
願人より特願平９−２２４１３６号として提案されてい
るドライブ回路を図１０に示す。このドライブ回路にお
いては、直流電源とグランドとの間で網目状に配線した
給電フィーダの「列」配線８と「行」配線９の間の各交
差部分に跨がって平面コイル２を１個ずつ介装接続して
コイル・マトリクス７を組むとともに、コイル・マトリ
クス７の「列」，「行」を構成する各配線８，９の入出
力端にスイッチング素子（ＰＮＰトランジスタ）５，ス
イッチング素子（ＮＰＮトランジスタ）６を接続してド
ライブ回路を構成している。

【０００５】かかる構成で、同時に１ないし複数の平面
コイル２を選択してこにれ対応する「列」，「行」の配
線８，９に接続したスイッチング素子５，６に信号を与
えてＯＮとすることにより、その「行」，「列」間に接
続した平面コイル２が励磁され、その発生電磁力が固定
子テーブル１に搭載した可動子４（図９参照）を吸引す
る。そして、可動子４の移動にタイミングを合わせて平
面コイル２の励磁を順次切換えることにより、固定子テ
ーブル１の上で指定した移動経路に沿って可動子４が移
動する。なお、図１０のドライブ回路において、各平面
コイル２と直列に接続したダイオード１０は、選択され
たコイル以外のコイルを経由して流れる不要なループ電
流を防ぐ役目を果している。

【０００６】上記のようにコイル・マトリクスでドライ
ブ回路を構築することにより、例えばマトリクス配線で
はなく、各コイルと個々にスイッチング素子を対応させ
て構築したドライブ回路と比べて、ドライブ回路を構成
する供給フィーダの配線本数，およびスイッチング素子
の個数を大幅に削減できる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記した従
来のマイクロアクチュエータでは、その動作，制御面で
次記のような問題点がある。 (1) 図１０に示したドライブ回路を採用した固定子テー
ブル１に複数（２個）の可動子４を搭載して、各可動子
４を別々な移動経路に沿って駆動しようとすると、動作
面で次に記すような不具合が派生する。

【０００８】すなわち、図１１で表すように、固定子テ
ーブル１に碁盤目状に配列した平面コイル２のアレイに
対して、固定子テーブル上に搭載した２個の可動子４に
対応する指定コイルＡ（実線の円形で囲んで範囲）を励
磁すると、一方の指定コイルＡに対応する「行」，
「列」と、他方の指定コイルＡに対応する「列」と
「行」のフィーダ配線８，９との間にまたがって接続し
た指定以外のコイルＢ（点線の楕円形で囲んだ範囲）に
も同時に通電されて余分な電力が消費される。

【０００９】このために、図１２，および図１３のよう
に、固定子テーブル１の上に搭載した２個の可動子４を
それぞれ異なる方向Ｐ，Ｐ’に移動する場合（図１２の
移動方向Ｐ，Ｐ’は図９ａの固定子テーブル１に表した
座標軸Ｙ，Ｙ’に対応し、図１３の移動方向Ｐ，Ｐ’は
座標軸Ｙ，Ｘに対応する）を想定し、各可動子４の移動
方向の前方に並ぶ平面コイル（指定コイルＡ）を選択し
て励磁すると、不要な領域のコイルＢも同時に励磁れ
さ、このために可動子４はコイルＢの通電で発生する電
磁吸引力の干渉を受けて正常に動作しなくなるおそれが
ある。

【００１０】(2) また、固定子テーブル１の上で可動子
４を走行させる場合に、可動子４の方位（固定子テーブ
ル１に対する相対的な向き）を保って走行させる，ある
いは逆に移動経路途中で方向転換する場合には可動子４
の方位を方向転換に合わせて強制的に変更させるなどの
機能が要求されることがある。

【００１１】かかる点、図９(c) のように可動子４が上
下方向でＮ，Ｓ極に着磁されているものでは、固定子テ
ーブル１の平面コイル２との対向面全域が同じ極（Ｎ
極）となることから、可動子４に平面コイル２の電磁力
が作用した状態でも周方向には電磁的な拘束力を受けず
にフリーである。このために、図１４で示すように固定
子テーブル１の上で可動子４を左から右へＰ方向に移動
した場合に、その移動経路で固定子テーブル１と可動子
４との間に作用する接触摩擦抵抗が部分的に異なるなど
の外乱要因が加わると、可動子４が移動する途中で回転
（自転）してその方位が不規則に変化してしまうことが
ある。すなわち、スタート地点での可動子４の方位ｐが
移動中に不規則に変化し、移動終了位置では方位がｐ’
（向きｐ’は一定しない）に変わってしまう。

【００１２】本発明は上記の点に鑑みなされたものであ
り、その第１の目的は固定子テーブルの上に複数の可動
子を搭載して別々に移動する場合でも、無駄な電力消
費，不当な電磁力の干渉を抑えて各可動子を安定よく駆
動することかできようにし、また、第２の目的は固定子
テーブル上を走行する可動子の方位が不規則に変化する
のを抑えることができるように改良した電磁型マイクロ
アクチュエータを提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、この発明によれば、面上に多数の平面コイルを碁盤
目状に配列した固定子テーブルの上に磁性体の可動子を
搭載し、可動子の移動経路に合わせて選択した平面コイ
ルの励磁を順次切換えることにより、可動子を固定子テ
ーブル上で二次元方向に移動させるようにしたリニア電
磁型マイクロアクチュエータにおいて、 (1) 第１の目的を達成するために、ドライブ回路を、網
目状に配線した給電フィーダの各「行」，各「列」の配
線間に平面コイルを接続してコイル・マトリクスを組
み、かつ該コイル・マトリクスの「行」，「列」の各配
線ごとにスイッチング素子を接続し、可動子の移動に合
わせて前記スイッチング素子を選択的にＯＮ／ＯＦＦ制
御して平面コイルの励磁領域を順次切り換えるようにす
るとともに、前記コイル・マトリクスの各「行」，各
「列」ごとに電源フィーダの配線を２本ずつ引出して各
配線にスイッチング素子を接続すとともに、「行」，
「列」間に沿って配列した平面コイルを一つおきに前記
２本の配線へ交互に接続する（請求項１）。

【００１４】かかる構成のドライブ回路を採用し、固定
子テーブル上に２個の可動子を搭載して別々に駆動する
場合に、各可動子の移動経路に対応して選択する平面コ
イルを異なるフィーダ配線を通じて励磁することによ
り、図１１〜図１３で述べたような指定以外のコイルが
励磁されたり、そのコイルの電磁力が可動子に干渉して
可動子の走行を阻害することがなくなって各可動子の走
行が安定する。

【００１５】(2) また、第２の目的を達成するために、
参考手段として、可動子の固定テーブルとの対向面（可
動子の底面）を、その中心に対し対称となる複数の領域
に区分した上で、各領域を交互にＮ極，Ｓ極に着磁す
る。

【００１６】上記のように着磁して複数の磁極を対称位
置に分散形成した可動子を用いて固定子テーブル上で走
行させると、可動子の各磁極と選択，励磁された平面コ
イルとの間に働く電磁力の作用で可動子自身の方位が拘
束されようになる。これにより、固定子テーブルとの間
の接触摩擦抵抗などので可動子の方位が走行中に不規則
に変化することが防げて安定した走行を確保できるほ
か、移動経路の途中で方向転換する場合にはこの方向転
換に合わせて可動子の方位も同時に変更する制御も可能
となる。

【００１７】(3) さらに、前項(1) のドライブ回路と
(2) 項の可動子を組合せて、可動子の固定テーブルとの
対向面を複数の領域に区分し、かつ各領域を交互にＮ
極，Ｓ極に着磁した構成した（請求項２）ことにより、
固定子テーブル上で可動子を駆動する際に、その移動途
上で可動子を方位を任意な向きに回転できるなど、より
きめ細かな姿勢制御が行える。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図示
の実施例に基づいて説明する。なお、各実施例の図中で
図９，図１０に対応する同一部材には同じ符号が付して
その説明は省略する。

【００１９】〔実施例１〕図１は本発明の請求項１に対応するドライブ回路の実施
例を示すものである。この実施例においては、マイクロ
アクチュエータのドライブ回路が次のように構成されて
いる。すなわち、基本的には図１０に示した従来のコイ
ル・マトリクス７と同様に、電源とグランドとの間で網
目状に配線した給電フィーダ７の「列」配線８と「行」
配線９の間の各交点部分に平面コイル２を１個ずつ介装
接続するとともに、該コイル・マトリクス７の「列」，
「行」を構成する各配線８，９と個々に対応して入出力
端側にスイッチング素子（ＰＮＰトランジスタ）５，ス
イッチング素子（ＮＰＮトランジスタ）６が接続されて
いるが、図１の構成では各「列」，各「行」ごとに、電
源フィーダとしてそれぞれ２本の配線８ａ，８ｂ，およ
び９ａ，９ｂが引き出されており、かつ各配線８ａ，８
ｂ，および９ａ，９ｂごとにスイッチング素子５，６が
接続されている。そして、「列」および「行」の配線
８，９に沿って配列した平面コイル２は、図示のように
一つおきに異なる配線８ａ，８ｂ，および９ａ，９ｂへ
交互に接続されている。

【００２０】次に前記ドライブ回路の動作を説明する。
まず、図２は実腺の円形Ａ1 〜Ａ4で囲んだ平面コイル
２を選択して励磁した状態をイメージ化した図であり、
図中に表した記号「＋」，「−」は電圧を印加したフィ
ーダ配線、「ＯＮ」は励磁状態の平面コイルを表してい
る。図示から判るように、指定のコイルＡ1,Ａ2 をフィ
ーダ配線８ａ，９ａを通じて励磁し、コイルＡ3,Ａ4 を
別なフィーダ配線８ｂ，９ｂを通じて励磁することによ
り、図１１で述べたように指定以外の不必要なコイルが
励磁されることがない。

【００２１】そして、固定子テーブル１に２個の可動子
４を搭載して別々に駆動する場合を想定し、図３(a) の
ように２個の可動子４Ａ，４Ｂを逆方向Ｐ，Ｐ’からす
れ違いに移動する場合、あるいは図３(b) のように２個
の可動子４Ａ，４Ｂを異なる方向Ｐ，Ｐ’に移動する場
合に、励磁する平面コイル２を図示のコイル枠内に表示
した数字１〜５の選択順序で切換え、ここで可動子４Ａ
に対応するコイル２を図１に示したドライブ回路のフィ
ーダ配線８ａ，９ａを通じて励磁し、可動子４Ｂをフィ
ーダ配線８ｂ，９ｂを通じて励磁することにより、指定
コイル以外のコイルが励磁されないので、図１２，図１
３で述べたような不当な電磁力の干渉を受けることなし
に各可動子４Ａ，４Ｂがそれぞれの移動経路に沿って正
常に走行する。

【００２２】また、図４は図１のドライブ回路を使って
可動子３を固定子テーブル１の上で斜めに移動させる場
合の平面コイル２の選択順序（図中のコイル枠内に表示
した数字１〜５が選択順序を表している）を示す図であ
る。図示のように可動子４の移動方向に合わせて励磁す
る平面コイル２を、可動子の円弧周面を挟むようにＬ字
状パターンに選択し、かつ図２で述べた手法で指定コイ
ルを通電制御することにより不当な電磁力の干渉を伴わ
ず、かつ指定以外のコイルで余分な電力を消費すること
なく、可動子４を斜め方向に安定走行させることがてき
る。

【００２３】〔参考手段〕次に本発明の参考手段に対応する例を図５〜図７で説明
する。この例においては、磁性体で作られた可動子４の
底面（固定子テーブル１との対向面）が図５(a），ある
いは(b) に示すようなパターンで着磁されている。すな
わち、図５(a)では可動４の底面を左右に二区分してそ
の一方がＮ極，他方がＳ極となるように着磁されてい
る。一方、図５(b) の例では底面を中心対称に四つの領
域に区分してＮ極とＳ極が交互に並ぶように４極に着磁
されている。

【００２４】そして、図５(a),(b) のようなパターンに
着磁した可動子４を固定子テーブル１に搭載し、図６
(a),(b) のように可動子４を左から右に向けてＸ軸方向
に駆動する場合に、表面コイル２は固定子テーブル１の
表面側がＳ極となるように「１相励磁」した上で、可動
子４をＮ極部が進行方向の先端側に位置するような方位
にセットして駆動すれば、走行中は平面コイル２の電磁
吸引力を受けて常に可動子４のＮ極部分が進行方向に向
いて移動するので、図１４で述べたような外乱に起因す
る不規則な方位のずれの発生なしに所定の方位ｐを保っ
た走行が可能となる。

【００２５】また、図５(b) に示した４極着磁の可動子
４を採用することにより、固定子テーブル１の上で可動
子４の進行方向を移動経路の途中で転換し、この方向転
換に合わせて可動子４の方位も強制的に変更させること
ができる。次にその動作を図７(a),(b) で説明する。す
なわち、可動子４の移動経路上に指定した方向転換地点
で、ここに並ぶ平面コイル２を図７(a) で表すような選
択順序で切り換えて励磁制御することにより、可動子４
は図７(b) の移動軌跡Ｔに沿って９０°方向転換すると
ともに、可動子４が回転（自転）してその方位ｐも９０
°変わるようになる。

【００２６】〔実施例２〕次に、本発明の請求項２に対応する実施例の動作を図８
で説明する。この実施例においては、図１に示したドラ
イブ回路を採用した固定子テーブル１と図５のように底
面に複数の磁極を形成した可動子４を組合せて電磁型マ
イクロアクチュエータを構成している。

【００２７】この構成において、可動子４を図８(b) の
ように固定子テーブル１の上に搭載した状態で、可動子
４の周域に並ぶ平面コイル２を図８(a) のコイル枠内に
表示した数字で表す選択順序にしたがって順に励磁制御
すると、可動子４はその位置で図８(b) の矢印で表す方
向（反時計方向）に回転する。なお、図８(a) でコイル
の励磁順序「２」と「４」を逆にすれば、可動子４が時
計方向に回転する。

【００２８】なお、前記の可動子４の回転動作は、図１
０に示した従来のドライブ回路では、図１１で述べたよ
うに指定コイルＡ以外に不必要なコイルＢが励磁される
ために不可能であり、図１のドライブ回路を採用するこ
とで始めて可能となる。

【００２９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、次
記の効果を奏する。 (1) 電磁型マイクロアクチュエータのドライブ回路を請
求項１のように構成することにより、固定子テーブルに
複数個の可動子を搭載して別々な方向に駆動する場合で
も、不当な電磁力の干渉を受けずに各可動子を正常に走
行移動させることができる。また、固定子テーブル上で
選択した平面コイルの励磁パターンを様々に変えること
が可能で、可動子を安定よく斜め走行させることもでき
る。

【００３０】(2) 参考手段のように着磁した可動子を採
用することにより、可動子の方位を走行中に安定維持で
きるほか、走行経路の方向転換に合わせて可動子の方位
も強制的な変更も可能となるなど、可動子の方位に関し
ての姿勢制御が行える。

【００３１】(3) 請求項１のドライブ回路と参考手段の
可動子を組合せた請求項２の発明によれば、固定子テー
ブル上で可動子をその位置で回転（自転）させるなど、
従来では実現し得なかったきめ複雑な動作制御が可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１に対応するマイクロアクチュ
エータのドライブ回路図

【図２】図１の回路で特定した複数の平面コイルを選択
して通電制御した際のコイル・マトリクスの各コイルの
励磁状態を表す図

【図３】図１のドライブ回路を採用した固定子テーブル
の上に２個の可動子を搭載して別々に移動経路に沿って
駆動する際の平面コイルの選択順序を表す図であり、
(a) は２個の可動子を逆方向へすれ違い移動する場合、
(b) は２個の可動子を異なる軸方向に移動する場合の図

【図４】図１のドライブ回路を採用した固定子テーブル
の上に搭載した可動子を斜め方向の移動経路に沿って駆
動する際の平面コイルの選択順序を表す図

【図５】本発明の参考手段に対応する可動子の着磁状態
を模式的に表した図であり、(a),(b) はそれぞれ２極，
４極に着磁した磁極面のパターン図

【図６】図５の可動子を固定子テーブルに搭載して直線
方向に駆動する際の動作説明図であり、(a),(b) はそれ
ぞれ可動子の磁極面を２極，４極に着磁した場合の走行
状態を表す図

【図７】図５(b) の可動子を固定子テーブルに搭載して
その移動経路，および可動子自身の方位を方向転換する
場合の動作説明図であり、(a) は平面コイルの選択順序
を表す図、(b) は(a) 図に対応した可動子の走行状態を
表す図

【図８】本発明の実施例２に対応するマイクロアクチュ
エータで、図５(b) の可動子を固定子テーブルの上で回
転させる場合の動作説明図であり、(a) は平面コイルの
選択順序を表す図、(b) は(a) 図に対応した可動子の回
転方向を表す図

【図９】この発明の実施対象となるリニア電磁型マイク
ロアクチュエータの構成原理図であり、(a) は斜視図、
(b) は側面図、(c) は従来の着磁型可動子の側面図

【図１０】従来におけるマイクロアクチュエータのドラ
イブ回路図

【図１１】図１０のドライブ回路で、コイルアレイ上の
２領域を指定して通電した場合の各平面コイルの励磁状
態を表す図

【図１２】図１０のドライブ回路で、固定子テーブル上
に搭載した２個の可動子を逆方向にすれ違い移動する場
合の各平面コイルの励磁状態を表す図

【図１３】図１０のドライブ回路で、固定子テーブル上
に搭載した２個の可動子を異なる軸方向に移動する場合
の各平面コイルの励磁状態を表す図

【図１４】図１０のドライブ回路で、固定子テーブル上
に搭載した可動子を直線方向に移動する途上で可動子の
方位が変化する状態を表す図

【符号の説明】

１固定子テーブル２平面コイル４，４Ａ，４Ｂ可動子５，６スイッチング素子７コイル・マトリクス８電源フィーダの「列」配線８ａ，８ｂ各「列」の配線９電源フィーダの「行」配線９ａ，９ｂ各「行」の配線Ｎ，Ｓ可動子の着磁磁極

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】面上に多数の微小な平面コイルを碁盤目状
に配列した固定子テーブルの上に磁性体の可動子を搭載
し、可動子の移動経路に合わせて選択した平面コイルの
励磁を順次切換えることにより、可動子を固定子テーブ
ル上で二次元方向に移動させるようにしたリニア電磁型
マイクロアクチュエータであって、網目状に配線した給
電フィーダの各「行」，各「列」の配線間に平面コイル
を接続してコイル・マトリクスを組み、かつ該コイル・
マトリクスの「行」，「列」の各配線ごとにスイッチン
グ素子を接続してドライブ回路を構成し、可動子の移動
に合わせて前記スイッチング素子を選択的にＯＮ／ＯＦ
Ｆ制御して平面コイルの励磁領域を順次切り換えるよう
にしたものにおいて、前記コイル・マトリクスの各
「行」，各「列」ごとに電源フィーダの配線を２本ずつ
引出して各配線にスイッチング素子を接続すとともに、
「行」，「列」間に沿って配列した平面コイルを一つお
きに前記２本の配線へ交互に接続したことを特徴とする
リニア電磁型マイクロアクチュエータ。
【請求項２】請求項１記載のリニア電磁型マイクロアク
チュエータにおいて、可動子が固定テーブルとの対向面
を複数の領域に区分し、かつ各領域を交互にＮ極，Ｓ極
に着磁した構成になることを特徴とするリニア電磁型マ
イクロアクチュエータ。