There are a large number of drive systems employing numerous actuators in industry. As such, the performances of these actuators require constant improvement in terms of higher speed and precision, miniaturization, and lower energy consumption. In addition, most of these drive systems need a design that permits MDOF (Multi-Degree-Of-Freedom) motion.Motion controls allowing MDOF have been practically realized by using stacked multiple actuators. However, there are problems in attempting to improve the performance of these types of drive systems such as a larger and more complicated structure, fluctuation of the center of gravity, and Abbe errors in position measurement due to the multiple-moving parts.In order to eliminate these problems, MDOF actuators-which have only a single moving part, but are capable of being directly driven with MDOF-are emerging technologies for future applications.

This study deals with planar actuators, which have a mover capable of traveling over large translational displacements in a plane. Various types of planar actuators have been proposed, and synchronous planar actuators with a permanent-magnet mover are expected to offer good controllability of the motion controls. However, the movable area tends to be quite narrow due to the use of conventional magnetic circuits for the MDOF drives, which are spatially separated from one another, unless the planar actuator has a large number of armature coils as shown in Figs. S-1 and S-2. Table S-1 shows classifications of synchronous planar actuators according to mover type, coil, and degree-of-freedom of controlled motion.

With this in mind, this study is aimed at designing high-performance planar actuators that have the following drive performances:

decoupled control for 3-DOF (Three-Degree-Of-Freedom) motions on a plane.

wide movable area that can be extended regardless of the number of armature coils.

ease of mover miniaturization.

no problematic wiring that can negatively influence drive performance.

small number of armature currents to control.

Next, I propose a design for a novel synchronous planar actuator having spatially superimposed magnetic circuits for the 3-DOF drives as shown in Fig. S-3. The magnetic circuits are a combination of a two-dimensional (2-D) Halbach permanent-magnet mover,and mutually overlapped stationary polyphase armature conductors. The movable area can be easily extended by increasing the length of the armature conductors, regardless of their number. However, independently controlling MDOF driving forces by means of superimposed magnetic circuits is very difficult and an extremely important issue in this study. This thesis demonstrates a design for a planar actuator that enables MDOF driving forces to be controlled by using spatially superimposed magnetic circuits.

First, based on the results of a numerical analysis of the driving forces, I design a decoupled control law for the 3-DOF driving forces on a plane by using two polyphase armature currents. I experimentally demonstrate that the 3-DOF motions of the mover can be independently controlled by using two polyphase armature currents. The movable area in the translational directions is infinitely wide, and that in the yaw direction is in the range within ±26 deg, namely the planar actuator has the widest movable area of all planar actuators that have only two polyphase armature conductors.

Second, in order to further improve drive characteristics, the planar actuator is theoretically redesigned so that the mover can be stably levitated and the 3-DOF motions above a plane can be controlled. The planar actuator can be made quite small because the permanent-magnet array and armature conductors for the MDOF drive are integrated. The planar actuator would provide a significant starting point when used with small electromechanical components in an MDOF drive.

(a) When not displaced in the yaw direction.

(b) When displaced in the yaw direction.

Fig. S-1: Configuration of a fundamental synchronous planar actuator with a permanent-magnet mover. The movable area tends to be quite narrow.

Fig. S-2: Configuration of a synchronous planar actuator with a permanent-magnet mover and numerous armature coils. The power-supply system often becomes complex.

Table S-1: Classification of synchronous planar actuators by mover type, coil, and degree-of-freedom of controlled motion.

Fig. S-3: Configuration of proposed synchronous planar actuator with a permanentmagnet mover and a small number of armature coils.

本論文は「Design and Control of a High-Performance Multi-Degree-of Freedom Planar Actuator(高性能な多自由度平面アクチュエータの設計と制御)」と題し、多自由度駆動システムの構造の簡略化と広い駆動範囲、良好な位置決め特性を可能とする多自由度アクチュエータを実現するために、新しい多自由度平面アクチュエータの駆動制御手法を提案し、その特性を数値解析と実験により検証して有効性を示したものであり、7章から構成される。

第1章は「Introduction」であり、多自由度の駆動システムおよびアクチュエータの研究開発と応用の現状について紹介し、多自由度アクチュエータの特徴と課題、およびそこで必要な要素技術について整理した上で、本研究の目的と論文構成を述べている。

第2章は「Technical Trends in Multi-Degree-of Freedom Actuators」と題し、多自由度アクチュエータとそれを使った駆動システムを分類し、その特徴と技術的課題について詳細に記述して、本研究で対象とするアクチュエータの位置づけを明確にしている。永久磁石を利用した同期形の平面アクチュエータが一般に着目され、本研究のアクチュエータも同じタイプであるが、良好な駆動制御特性、広い駆動エリア、少ない駆動回路数を実現可能である特長を有する。

第3章は「Conceptual Design of the Long-Stroke Planar Actuator」と題し、長ストローク駆動が可能な平面アクチュエータの概念設計について記述している。2組の空心形永久磁石リニア同期モータから構成され、可動子側の永久磁石は2次元に展開したハルバッハ永久磁石配列である。2組の電機子導体も両者が重なり合っているが、互いに直交しているので、平面内の直交する2方向に独立な駆動制御が可能である。駆動制御に必要なアクチュエータの発生力特性を詳細に解析し、制御アルゴリズムを示している。

第4章は「Design of the Experimental System of the Long-Stroke Planar Actuator」と題し、平面アクチュエータの駆動制御特性を検証するために設計、製作した実験システムについて記述している。ハルバッハ永久磁石可動子、電機子導体固定子、3つのレーザ変位センサによる位置検出システム、多数のガラス小球による支持系、パソコンとDSPおよびAD、DAコンバータの制御系とドライブ回路等により構成される。

第5章は「Experimental Motion Control of the Long-Stroke Planar Actuator」と題し、3自由度を有する平面アクチュエータの実験的検証について記述している。2組の直交する電機子導体系に、独立した2つの三相交流電流を供給することにより、並進と回転の3自由度を独立に制御できることを実験的に検証し、駆動エリアは並進運動については制約がなく、回転方向についてはおよそ±30度の範囲で駆動可能であることを示した。さらに90度の回転周期性を利用して、90度のステップ駆動が可能であることも実験的に検証した。

第6章は「Feasibility Study on the Magnetically Levitated Planar Actuator」と題し、平面アクチュエータで重要な課題である可動子の支持法として、磁気浮上技術の適用を理論的に検討し、数値解析によりその有効性を検証している。3組の2相交流電流により、3つの並進自由度と1つの回転自由度を制御し、6自由度の可動子駆動制御特性について数値シミュレーションを行い、提案手法の有効性を示している。

第7章は「Conclusions」であり、本研究の成果を総括している。

以上これを要するに、本論文は、簡素な構造ながらも広い駆動範囲を有する多自由度アクチュエータを実現するため、空心永久磁石形リニア同期モータをベースとするアクチュエータに着目し、その電磁構造を活かした平面3自由度駆動制御手法を提案して数値解析と実験によりその有効性を検証し、さらに磁気支持法の導入による6自由度駆動を可能とするアクチュエータを提案して数値解析によりその実現可能性を示したものであり、電磁エネルギー工学、特に電気機器学に貢献するところが少なくない。

なお、本論文第3章から第6章は、大崎博之との共同研究であるが、論文提出者が主体となって解析と実験および考察を行ったもので、論文提出者の寄与が十分であると判断する。

したがって、博士(科学)の学位を授与できると認める。