JP2006081342A - Voice coil actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液晶露光装置、半導体製造装置の制振動装置、加工機械などの産業用装置に用いられる、ボイスコイルアクチュエータの漏れ磁束および過熱防止に関するものである。 The present invention relates to leakage magnetic flux and overheating prevention of a voice coil actuator used in an industrial apparatus such as a liquid crystal exposure apparatus, a vibration damping apparatus of a semiconductor manufacturing apparatus, and a processing machine.
従来のボイスコイルアクチュエータのマグネット配置として、同じ形状のマグネットを磁気空隙に垂直且つ推力発生方向にそろえて対向させ配置しているものは公知である(例えば、特許文献1および2参照)。
また、センターヨークと外ヨークのどちらか一方のみにマグネットを配置しているものも公知である(例えば、特許文献3参照)。
Further, it is also known that a magnet is arranged only in one of the center yoke and the outer yoke (for example, see Patent Document 3).
特許文献1記載の発明は、対向する磁極間を流れる磁束の収束度がよく、ヨークに流れる磁束が均一になり、全ストロークに渡り電機子反作用が有効に働く省スペースのボイスコイル形リニアモータを提供するもので、そのために、外ヨークに設けた第1マグネットを隣同士の極性を逆にした同じ幅の複数のマグネットとし、内ヨークに設けた第2マグネットを隣同士の極性を逆にした同じ幅の複数のマグネットとし、第1マグネットと第2マグネットの対向するもの同士を異極性となるように配置し、コイルを第1マグネットのピッチと等しいピッチに分割し、隣同志の巻き方向を逆にした直列のコイルとし、ボビンの側面・軸方向端部に軸方向と直角方向に折り曲げたフランジを有する非磁性体よりなるスラスト板を固定し、かつ第1マグネットと第2マグネットの対向・軸方向・端部に小さな面取りを設けるようにしている。
また、特許文献2記載の発明は、コイル端の面取りが一方側だけに設けてあるので、コイルエンドの面取りの無い端部と有る端部から外ヨークおよび中央ヨークへの漏洩磁束にアンバランスが生じ、縦方向の電磁力(サイドフォース)が不均一になり、ピッチングを起こし易かったのを、端部で漏洩磁束が生じ難くして、縦方向の磁束分布が均一になるようにしてピッチングの起き難いリニアモータを提供するもので、そのためにマグネット間の内、軸方向両端部に配置するものの外側端部に面取りを設け、コイルの内径もしくは外径に絶縁材のボビンを嵌合すると共に、ボビンのコイル嵌合部にコイル形状に合わせた係止め部を設けるようにしている。
また、特許文献3記載の発明は、外側ヨークにマグネットを固着し、センタヨークの外側にはボビを挿入し、ボビンにコイルを巻装して、コイルを通電すると、ボビンに推力が作用し、ボンディングヘッドが軸受を中心に回動するが、この場合、外側ヨークおよびセンタヨークの上下端部を底部ヨークおよび天井部ヨークで連結して磁気回路を閉塞し、これによって装置が小形化されると共に効率が向上するというものである。
The invention described in
Further, in the invention described in
In the invention described in
ところが特許文献1〜3記載のいずれの発明にも共通して次のような問題があることに本出願人は気がついた。これについて図6および図7を用いて説明する。
図6は特許文献1および2が対象としているマグネット両面配置型、図7は特許文献3が対象としているマグネット片面配置型のボイスコイルアクチュエータの縦断面図である。両図において、1はセンターヨーク、2は外ヨーク、3はマグネット、4は端部外ヨーク、5はボビン、6は電機子コイルである。
センターヨーク1に対し対称となる位置にマグネット3及び電機子コイル6が配置されているボイスコイルアクチュエータでは、電機子コイル6が磁気的中心にある場合は、電機子コイル6が挿入された2組の磁気空隙で発生するサイドフォースの大きさが等しく、且つ発生方向が互いに打ち消す方向であるため、サイドフォースが相殺される。
However, the present applicant has noticed that there are the following problems in common with any of the inventions described in
FIG. 6 is a longitudinal sectional view of a voice coil actuator of a magnet double-sided arrangement type targeted by
In the voice coil actuator in which the
しかし、推力方向及び非推力方向に電機子コイル6が移動し、電機子コイル6がマグネット3の端部からの漏れ磁束に鎖交する場合は、漏れ磁束がマグネット3より外側に広がり、電機子コイル6が挿入された2組の磁気空隙で発生するサイドフォースの大きさ、及び発生方向が変化し、サイドフォースが相殺されずに残ってしまう。
従来のボイスコイルアクチュエータにおいて、サイドフォースを低減するのためには、電機子コイルに漏れ磁束が鎖交しない様に、マグネット3の大きさを電機子コイル6に対し十分大きくする必要があった。そのため、閉磁路を構成するために必要なセンターヨーク1、2の厚みが増加し、モータの大きさが増加してしまうという問題があった。
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、マグネット量及びモータの大きさを増加せずにサイドフォースを低減することができるボイスコイルアクチェータを提供することを第1の目的とする。
However, when the
In the conventional voice coil actuator, in order to reduce the side force, it is necessary to make the size of the
The present invention has been made in view of such problems, and a first object thereof is to provide a voice coil actuator capable of reducing side force without increasing the magnet amount and the size of the motor. .
また、従来のボイスコイルアクチュエータの電機子コイルの冷却について、その一例を図8により説明する。
図8において、図2と同じ符号は同一部品を指すので、重複説明は省略する。
12は冷却管である。冷却管12は電機子コイル6に接触しており、この状態で冷却管12内に冷媒を循環させることによって電機子コイル6から発生する熱量を吸収している。
しかしながら、いままでの低出力のボイスコイルアクチュエータであればこのような冷却方法で十分であったが、近年の高出力のボイスコイルアクチュエータの冷却要求を満足できるレベルではなかった。
また、従来のボイスコイルアクチュエータは、一部熱回収によりモータ性能を上げることは可能であるが、近年の高性能要求に対しては熱回収が不十分であり限界があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、熱回収効率をよくしてより高性能なボイスコイルアクチェータを提供することを第2の目的とする。
An example of cooling the armature coil of a conventional voice coil actuator will be described with reference to FIG.
In FIG. 8, the same reference numerals as those in FIG.
However, such a cooling method has been sufficient for conventional low-power voice coil actuators, but it has not been able to satisfy the recent cooling requirements for high-power voice coil actuators.
In addition, although the conventional voice coil actuator can improve the motor performance by partially recovering heat, there has been a limit to the recent high performance requirement due to insufficient heat recovery.
The present invention has been made in view of such problems, and a second object thereof is to provide a voice coil actuator with higher performance by improving heat recovery efficiency.
上記問題を解決するため、請求項1記載の発明は、ボイスコイルアクチュエータに関するもので、センターヨークと、このセンターヨークを挟むように両側に配置された一対の外側ヨークと、前記センターヨークと前記外側ヨークと対向する面のそれぞれに設置されたマグネットと、前記各ヨークの両端部を磁気的に結合する一対の端部外ヨークと、前記マグネットから構成される2組の磁気空隙に移動可能に挿入された1個の電機子コイルから構成されたボイスコイルアクチュエータにおいて、対向する2枚の前記マグネットを前記磁気空隙に垂直方向に互いにずらして設置することで、磁気空隙に分布する磁束密度に任意の角度を持たせ、且つ前記マグネットが前記センターヨーク中心に対称となるように設置することを特徴としている。
請求項2記載の発明も、ボイスコイルアクチュエータに関するもので、センターヨークと、このセンターヨークを挟むように両側に配置された一対の外側ヨークと、前記センターヨークと前記外側ヨークと対向する面のそれぞれに設置されたマグネットと、前記各ヨークの両端部を磁気的に結合する一対の端部外ヨークと、前記マグネットから構成される2組の磁気空隙に移動可能に挿入された1個の電機子コイルから構成されたボイスコイルアクチュエータにおいて、対向する2枚の前記マグネットを前記磁気空隙に垂直且つ推力発生方向に互いにずらして設置することで、磁気空隙に分布する磁束密度に任意の角度を持たせ、且つ前記マグネットが前記センターヨーク中心に対称となるように設置することを特徴としている。
請求項3記載の発明は、ボイスコイルアクチュエータに関するもので、センターヨークと、このセンターヨークを挟むように両側に配置された一対の外側ヨークと、前記センターヨークと前記外側ヨークと対向する面のそれぞれに設置されたマグネットと、前記各ヨークの両端部を磁気的に結合する一対の端部外ヨークと、前記マグネットから構成される2組の磁気空隙に移動可能に挿入された1個の電機子コイルから構成されたボイスコイルアクチュエータにおいて、対向する2枚の前記マグネットの大きさが異なる構成とすることで、磁気空隙に分布する磁束密度に任意の角度を持たせ、且つ前記マグネットが前記センターヨーク中心に対称となるように設置することを特徴としている。
請求項4記載の発明は、請求項1〜3のいずれか1項記載のボイスコイルアクチュエータにおいて、前記電機子コイルを巻回するボビンをジャケットで覆い、そのボビンとジャケットの接合部をシーリング材またはOリングによって完全にシールし、前記電機子コイルと前記ジャケットの間に冷媒を流して前記電機子コイルを直接冷却するようにしたことを特徴としている。
請求項5記載の発明は、請求項4記載のボイスコイルアクチュエータにおいて、Oリングを面配置としたことを特徴としている。
請求項6記載の発明は、請求項1〜5のいずれか1項記載のボイスコイルアクチュエータを複数、推力発生方向に互いに連結することを特徴としている。
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to
The invention according to
A third aspect of the present invention relates to a voice coil actuator, and includes a center yoke, a pair of outer yokes disposed on both sides so as to sandwich the center yoke, and a surface facing the center yoke and the outer yoke. One armature inserted movably in two sets of magnetic gaps composed of the magnets, a pair of outer yokes that magnetically couples both ends of each yoke, and the magnets In the voice coil actuator composed of coils, the opposing two magnets have different sizes so that the magnetic flux density distributed in the magnetic gap has an arbitrary angle, and the magnet is the center yoke. It is characterized by being installed so as to be symmetrical at the center.
According to a fourth aspect of the present invention, in the voice coil actuator according to any one of the first to third aspects, a bobbin around which the armature coil is wound is covered with a jacket, and a joint between the bobbin and the jacket is a sealing material or The armature coil is completely sealed by an O-ring, and the armature coil is directly cooled by flowing a refrigerant between the armature coil and the jacket.
According to a fifth aspect of the present invention, in the voice coil actuator according to the fourth aspect of the invention, the O-ring has a surface arrangement.
A sixth aspect of the present invention is characterized in that a plurality of voice coil actuators according to any one of the first to fifth aspects are connected to each other in the thrust generation direction.
本発明によると、次のような効果がある。
(1)対向する2枚のマグネットを磁気空隙に垂直且つ推力発生方向にずらして設置し、磁気空隙に分布する磁束密度に任意の角度をもたすことで、従来構造に比べ、マグネット端での漏れ磁束の広がりを抑制することができるため、マグネット量及びモータの大きさを増加せず、サイドフォースを低減することができる。
(2)対向する2枚のマグネットの大きさ異なる構成とし、磁気空隙に分布する磁束密度に任意の角度をもたすことで、従来構造に比べ、マグネット端での漏れ磁束の広がりを抑制することができるため、マグネット量及びモータの大きさを増加せず、サイドフォースを低減することができる。
(3)コイルの直接冷却による発熱回収量の大幅な向上により、ボイスコイルアクチュエータの高性能化を図ることができる。
(4)ジャケットのシール性能を確保するため、Oリングを使用しその配置を面としたものであり、シール性能の信頼性向上を図ることができる。
The present invention has the following effects.
(1) Two opposing magnets are placed perpendicular to the magnetic gap and shifted in the direction of thrust generation, and given an arbitrary angle to the magnetic flux density distributed in the magnetic gap, compared to the conventional structure, at the magnet end Therefore, the side force can be reduced without increasing the magnet amount and the size of the motor.
(2) The two opposing magnets have different sizes and have an arbitrary angle in the magnetic flux density distributed in the magnetic gap, thereby suppressing the spread of leakage magnetic flux at the magnet end compared to the conventional structure. Therefore, the side force can be reduced without increasing the magnet amount and the size of the motor.
(3) The voice coil actuator can be improved in performance by greatly improving the heat recovery amount by direct cooling of the coil.
(4) In order to ensure the sealing performance of the jacket, an O-ring is used and the arrangement is a surface, and the reliability of the sealing performance can be improved.
[実施例1] [Example 1]
以下、本発明の実施例を図1および図2に基づいて説明する。
図1はサイドフォースを低減した本発明の第1の実施例に係るボイスコイルアクチュエータの正面図である。図2は図1のA−Aにおける断面図である。
図2において、図3と同じ符号は同一部品を指すので、重複説明は省略する。
7は外カバーである。対向するマグネット3は任意の距離で磁気空隙に垂直且つ推力発生方向にずらして設置されており、且つセンターヨーク1を中心とし、対称となる様に配置されている。
本発明が特許文献1と異なる部分は、対向するマグネット3が任意の距離で磁気空隙に垂直且つ推力発生方向にずらして設置されていることである。
[実施例2]
Embodiments of the present invention will be described below with reference to FIGS.
FIG. 1 is a front view of a voice coil actuator according to a first embodiment of the present invention with reduced side force. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA of FIG.
In FIG. 2, the same reference numerals as those in FIG.
The difference between the present invention and
[Example 2]
次ぎに、本発明の第2の実施例を図3に基づいて説明する。
図3はサイドフォースを低減した本発明の第2の実施例に係るボイスコイルアクチュエータの断面図である。
図3において、図2と同じ符号は同一部品を指すので、重複説明は省略する。
対向するマグネット3の大きさが異なる構成となっており、且つセンターヨーク1を中心とし、対称となる様に配置されている。
本発明が特許文献1と異なる部分は、対向するマグネット3の大きさが異なる構成となっていることである。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a voice coil actuator according to a second embodiment of the present invention with reduced side force.
In FIG. 3, the same reference numerals as those in FIG.
The
The difference between the present invention and
以下に、解析を基に本発明の効果の一例を示す。
図4は本発明を適用した事例の解析による磁束密度分布図である。
図5は従来構造を適用した事例の解析による磁束密度分布図である。
両図において、図2と同じ符号は同一部品を指すので、重複説明は省略する。
図4において、電機子コイル6と鎖交するマグネット3端からの漏れ磁束は、図5における電機子コイル6と鎖交するマグネット3端からの漏れ磁束に比べ、外側への広がりが抑制されていることが判る。このため、本発明ではサイドフォースが低減されている。
図4及び図5において磁気的中心の座標を(X,Y)=(0mm,0mm)とし、図で電機子コイル上のある一点が座標(X,Y)=(3mm,2mm)となる位置にあるとするとき、電機子コイルに3000アンペアターンの通電をし、その位置での発生推力に対するサイドフォースは表1の最下段にあるように本発明では3.06%、従来構造では2.44%である。
Below, an example of the effect of this invention is shown based on an analysis.
FIG. 4 is a magnetic flux density distribution diagram by analysis of an example to which the present invention is applied.
FIG. 5 is a magnetic flux density distribution diagram obtained by analyzing a case where a conventional structure is applied.
In both figures, the same reference numerals as those in FIG.
In FIG. 4, the leakage magnetic flux from the end of the
4 and 5, the coordinates of the magnetic center are (X, Y) = (0 mm, 0 mm), and a certain point on the armature coil in the figure is a position where the coordinates (X, Y) = (3 mm, 2 mm). , The armature coil is energized for 3000 ampere turns, and the side force against the generated thrust at that position is 3.06% in the present invention as shown in the lowest stage of Table 1, and 2.3 in the conventional structure. 44%.
さらに、その位置から電機子コイルをY方向にのみ1mm相対移動させ、X方向は2mmでそのままとしたと移動させた場合場合((X,Y)=(3mm,0mm)のサイドフォースは本発明では0.31%、従来構造では0.38%である。
このように、表1によると、本発明のものが従来構造に比べサイドフォースが低減されていることがよく判る。
[実施例3]
Further, when the armature coil is moved relative to the Y direction only by 1 mm from that position and moved in the X direction as it is at 2 mm ((X, Y) = (3 mm, 0 mm)), the side force is the present invention. Is 0.31%, and the conventional structure is 0.38%.
Thus, according to Table 1, it can be seen that the side force of the present invention is reduced compared to the conventional structure.
[Example 3]
さらに、本発明の第3の実施例について図8に基づいて説明する。
図8において、図2と同じ符号は同一部品を指すので、重複説明は省略する。
図8は第3の実施例に係るボイスコイルアクチュエータの断面図であり、固定子にマグネット3を配置した一例であるが、もちろんこれに限定されるものではなく、逆(すなわち、固定子に電機子コイル)であってもかまわない。8は電機子コイル6を直接冷却するために構成したジャケットである。ボビン5とジャケット8はエンジニアリングプラスチックやセラミックスなどの非磁性材料から構成して渦電流が発生しないようにする。10はジャケット8と電機子コイル6との間にできる空隙であり、冷媒通路となる。9はジャケットのシール性能を確保するOリングであるが、この場合、Oリング9はシーリング材であっても構わない。11はシール溝である。図9は電機子コイル6、ボビン5、ジャケット8が1つのユニットとなった状態を示す。このユニットは、図8に示されていないボルトにて固定子側へ締結されている。
本発明の第3実施例に係るボイスコイルアクチュエータが図11の従来技術のそれと異なる点は、従来技術のものが電機子コイル6(図11)に冷却管12を接触させ、冷却管12内を循環する冷媒で間接的に熱回収を行っているのに対し、本発明の第3実施例では、電機子コイル6(図9)をジャケット8で覆い、電機子コイル6を直接冷媒で循環冷却する点である。なお、冷媒の注入口および抽出口は公知技術の転用で可能であるので説明図から省略する。
なお、本発明の第3実施例に係るボイスコイルアクチュエータは、冷媒通路10となる空隙を配置するため、磁気空隙の拡大による特性低下を伴なうが、直接冷却による熱量回収効果のほうが断然に大きい。
このように、電機子コイル6をジャケット8で覆い冷媒で直接冷却することにより冷却効率が格段に向上し、ボイスコイルアクチュエータの高出力化(言いかえれば、低発熱化)に貢献することが可能となった。
[実施例4]
Further, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
In FIG. 8, the same reference numerals as those in FIG.
FIG. 8 is a cross-sectional view of the voice coil actuator according to the third embodiment, and is an example in which the
The voice coil actuator according to the third embodiment of the present invention is different from that of the prior art shown in FIG. 11 in that the prior art makes the cooling
Note that the voice coil actuator according to the third embodiment of the present invention is arranged with a gap serving as the
As described above, the
[Example 4]
図10は本発明の第4実施例に係るコイルユニットを説明する図で、(a)は縦一部断面図(b)は斜視図である。第4実施例に係るコイルユニットは、基本的には図9の構成と変わらないが、シール性能を左右するOリング9を面配置としたことが特徴である。
図10において、Oリング9は周状に配置されており、シール性能はボビン5とジャケット8の嵌合状態により大きく左右される。ボビン5および電機子コイル6が円筒状であれば比較的嵌合の寸法管理は容易であるが、図に示す角筒状の場合は非常に難しい。図10のように、ボビン5およびジャケット8の形状を見直し、それぞれの上下面にシール溝11を周状に配置し、このシール溝11にOリング9を埋め込む(ただし、図では、下面のシール溝11にOリング9を埋め込み、上面のシール溝11にはOリング9は未だ埋めていない状態を示している。)ことで、ボビン5とジャケット8の嵌合状態に左右されることがなくなった。すなわち、Oリング9を面配置とすることで安定したシール性能を確保でき信頼性向上を図ることが可能となった。
FIG. 10 is a diagram for explaining a coil unit according to a fourth embodiment of the present invention, in which (a) is a longitudinal sectional view (b) is a perspective view. The coil unit according to the fourth embodiment is basically the same as the configuration of FIG. 9, but is characterized in that the O-ring 9 that affects the sealing performance is arranged in a plane.
In FIG. 10, the O-ring 9 is arranged in a circumferential shape, and the sealing performance greatly depends on the fitting state of the
以上、本発明によれば、コイルを直接冷却することによって、ボイスコイルアクチュエータの高性能化、高出力化、小型化を図ることができ、従って、半導体関連装置、実装機械、加工機械などの産業機械の高性能化、小型化に貢献することができる。 As described above, according to the present invention, by directly cooling the coil, the voice coil actuator can be improved in performance, increased in output, and reduced in size, and accordingly, in industries such as semiconductor-related devices, mounting machines, and processing machines. It can contribute to high performance and downsizing of machines.
1 センターヨーク
2 外ヨーク
3 マグネット
4 端部外ヨーク
5 ボビン
6 電機子コイル
7 外カバー
8 ジャケット
9 Oリング
10 冷媒流路
11 シール溝
12 冷却管
DESCRIPTION OF
Claims (6)
対向する2枚の前記マグネットを前記磁気空隙に垂直方向に互いにずらして設置することで、磁気空隙に分布する磁束密度に任意の角度を持たせ、且つ前記マグネットが前記センターヨーク中心に対称となるように設置することを特徴とするボイスコイルアクチュエータ。 A center yoke, a pair of outer yokes arranged on both sides so as to sandwich the center yoke, magnets installed on the surfaces facing the center yoke and the outer yoke, and both ends of each yoke are magnetized. A voice coil actuator composed of a pair of outer yokes coupled to each other and one armature coil movably inserted into two sets of magnetic gaps composed of the magnets;
By arranging the two opposing magnets to be shifted from each other in the vertical direction in the magnetic gap, the magnetic flux density distributed in the magnetic gap is given an arbitrary angle, and the magnet is symmetric about the center yoke center. The voice coil actuator is characterized by being installed as follows.
対向する2枚の前記マグネットを前記磁気空隙に垂直且つ推力発生方向に互いにずらして設置することで、磁気空隙に分布する磁束密度に任意の角度を持たせ、且つ前記マグネットが前記センターヨーク中心に対称となるように設置することを特徴とするボイスコイルアクチュエータ。 A center yoke, a pair of outer yokes arranged on both sides so as to sandwich the center yoke, magnets installed on the surfaces facing the center yoke and the outer yoke, and both ends of each yoke are magnetized. A voice coil actuator composed of a pair of outer yokes coupled to each other and one armature coil movably inserted into two sets of magnetic gaps composed of the magnets;
The two opposing magnets are installed perpendicular to the magnetic gap and shifted in the direction of thrust generation, so that the magnetic flux density distributed in the magnetic gap has an arbitrary angle, and the magnet is centered on the center yoke. A voice coil actuator that is installed symmetrically.
対向する2枚の前記マグネットの大きさが異なる構成とすることで、磁気空隙に分布する磁束密度に任意の角度を持たせ、且つ前記マグネットが前記センターヨーク中心に対称となるように設置することを特徴とするボイスコイルアクチュエータ。 A center yoke, a pair of outer yokes arranged on both sides so as to sandwich the center yoke, magnets installed on the surfaces facing the center yoke and the outer yoke, and both ends of each yoke are magnetized. A voice coil actuator composed of a pair of outer yokes coupled to each other and one armature coil movably inserted into two sets of magnetic gaps composed of the magnets;
By setting the two opposing magnets to have different sizes, the magnetic flux density distributed in the magnetic gap is given an arbitrary angle, and the magnets are installed so as to be symmetrical about the center yoke. Voice coil actuator characterized by
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