JP2010136551A - ボイスコイルモータ - Google Patents

Abstract

【課題】電磁コイルと外ヨークとを密着させ、また、電磁コイルとマグネットとのエアギャップを小さくすることにより効率よく動作することができ、極低温冷凍機の駆動源に適したボイスコイルモータを得る。
【解決手段】円筒状の外ヨーク２０と、平角線を巻回して円環状に形成し該円環の外周部位を前記外ヨーク２０の内壁に密着させた電磁コイル２３ａ，２３ｂと、前記外ヨーク２１の円筒内でストロークするように備えられて前記電磁コイル２３ａ，２３ｂの内周部位と対向する部位にマグネット２２ａ，２２ｂを配設した可動ヨーク２１とを有し、前記電磁コイル２３ａ，２３ｂは、前記内周部位が滑らかとなるように前記平角線を巻回して該電磁コイル２３ａ，２３ｂと前記可動ヨーク２１のマグネット２２ａ，２２ｂとのエアクリアランス３０が極めて小さくなるように形成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えば極低温冷凍機用コンプレッサを駆動するボイスコイルモータに関する。

ボイスコイルモータは、一般的に外ヨークと、当該外ヨークに挿入される可動ヨークとを有しており、外ヨークの内部に配置された電磁コイル等を用いて電磁力を発生させ、この電磁力とマグネットの磁力とを用いて可動ヨークを駆動している。
上記のように動作するボイスコイルモータは、例えば特許文献１に記載されているように、可動ヨークにマグネットを配設し、外ヨークの内壁に電磁コイルを配設している。

前述の電磁コイルは、巻線の外周部位を外ヨークの内壁に固定しており、外ヨークの電磁コイルと可動ヨークのマグネットとの間にエアギャップを設けて、当該可動ヨークの駆動を行うようにしている。
上記のような構成において、大きな駆動力を得るためには、電磁コイルの巻回数を多くするとともに、電磁コイルとマグネットとの距離を近付ける、即ち上記のエアギャップを小さくする必要がある。

特開２００３−２６４２０７号公報

しかしながら、断面形状が円形の丸線を電磁コイルの巻線として使用すると、巻線の表面が曲面であることからコイルの表面を滑らかにすることができず、外周部位ならびに内周部位等に凹凸が生じる。
そのため、当該電磁コイルの内周部位と可動ヨークに固定されているマグネットとの間のエアギャップを小さくすることが難しく、また、電磁コイルと外ヨークとを密着させることが困難であるという問題点があった。

本発明は上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、電磁コイルと外ヨークとを密着させ、また、電磁コイルとマグネットとのエアギャップを小さくして効率よく動作することができるボイスコイルモータを得ることにある。

本発明の第１の観点によるボイスコイルモータは、円筒状の外ヨークと、平角線を巻回して円環状に形成し該円環の外周部位を前記外ヨークの内壁に密着させた電磁コイルと、前記外ヨークの円筒内でストロークするように備えられて前記電磁コイルの内周部位と対向する部位にマグネットを配設した可動ヨークとを有し、前記電磁コイルは、前記内周部位が滑らかとなるように前記平角線を巻回して該電磁コイルと前記可動ヨークのマグネットとのエアクリアランスが極めて小さくなるように形成されている。

好適には、前記可動ヨークは、少なくとも二極分の前記マグネットを該可動ヨークのストローク方向に並べて配設し、前記外ヨークは、前記複数のマグネットに各々対向する複数の前記電磁コイルを配設し、前記電磁コイルと前記マグネットとの間に磁気回路を形成する。

好適には、前記外ヨークは珪素鋼からなる。

本発明によれば、電磁コイルを外ヨークの内壁に密着させるとともに、電磁コイルとマグネットとのエアギャップを小さくして、電磁力による駆動効率を向上させることができる。

以下、この発明の実施の一形態を説明する。
＜実施形態＞
本発明のボイスコイルモータは、例えば極低温冷凍機のコンプレッサの駆動源として使用される。
図１は、本発明の実施形態によるボイスコイルモータを使用する極低温冷凍機の概略構成を示す説明図である。図示した極低温冷凍機１は、ボイスコイルモータ１０、コンプレッサ１１、蓄冷器１２、オリフィス１３、および、タンク１４によって構成されている。

コンプレッサ１１は、冷媒であるヘリウムガスを圧縮するように構成されており、ボイスコイルモータ１０によって駆動される。
蓄冷器１２は、コンプレッサ１１によって圧縮されたヘリウムガスを用いて放熱ならびに吸熱を行うように構成されている。

タンク１４は、蓄冷器１２との接続部分にオリフィス１３を備えており、コンプレッサ１１が圧縮行程のときに、蓄冷器１２において放熱が行われたヘリウムガスを、オリフィス１３を介して蓄えるように構成されている。
また、タンク１４は、コンプレッサ１１が膨張行程になったとき、即ち、圧縮されたヘリウムガスが吸熱を行った後、自らに蓄えていたヘリウムガスをオリフィス１３を介して蓄冷器１２へ送出するように構成されている。
上述のコンプレッサ１１を駆動するボイスコイルモータ１０は、次のように構成されている。

図２は、図１のボイスコイルモータの概略構成を示す説明図である。この図は、ボイスコイルモータ１０の構成の一例を示しており、図２（ａ）は、図１のボイスコイルモータ１０の縦断面を示している。また、図２（ｂ）は、ボイスコイルモータ１０を例えば上方から視たときの、当該ボイスコイルモータ１０の内部に備えられる各部の配置構成を示している。

ボイスコイルモータ１０は、固定子である外ヨーク２０を有する。また、ボイスコイルモータ１０の内部には、可動ヨーク２１、電磁コイル２３ａ，２３ｂ、マグネット２２ａ，２２ｂを備えている。
外ヨーク２０は、珪素鋼によって構成されており、例えば、複数の珪素鋼板を積層させて上記のように円筒状に形成している。
外ヨーク２０の筒状の内部には、円環状の電磁コイル２３ａ，２３ｂが備えられている。

電磁コイル２３ａと電磁コイル２３ｂは、外ヨーク２０の円筒形状の上下方向において離間して配設されている。
また、電磁コイル２３ａ，２３ｂは、自らの外周部位を外ヨーク２０の内壁に密着させて固定されている。

可動ヨーク２１は、ボイスコイルモータ１０の可動子を成し、例えば円柱状に形成されている。また、円環状のマグネット２２ａ，２２ｂを自らの円周部位に固定して備えている。
また、可動ヨーク２１は、外ヨーク２０の内部において、図中上下方向、即ち可動ヨーク２１の軸方向にストロークすることができるように、例えば図示されないボールスプライン等を用いて外ヨーク２０の円筒内部の中央部位に支持されている。

可動ヨーク２１に固定されるマグネット２２ａ，２２ｂは、ネオジム磁石等の永久磁石を前述のように円環状に形成したものである。
図２に例示したマグネット２２ａは、外側の円周部位がＳ極となるように構成されている。また、マグネット２２ｂは、外側の円周部位がＮ極となるように構成されている。
即ち、マグネット２２ａとマグネット２２ｂとは、互いに異なる磁極を外周部位に備えており、これらの磁極を外ヨーク２０の内壁に対向させている。
外ヨーク２０の内壁には、前述のように電磁コイル２３ａ，２３ｂが固定されており、例えば、電磁コイル２３ａがマグネット２２ａと対向するように配設されている。また、電磁コイル２３ｂがマグネット２２ｂと対向するように配設されている。

ボイスコイルモータ１０は、前述のように可動ヨーク２１に電気的な配線接続を要しない永久磁石であるマグネット２２ａ，２２ｂを備えている。このような構成では、外ヨーク２０と可動ヨーク２１との間に一か所のエアギャップ３０を設けるだけでよい。
また、上記のように構成すると、ボイスコイルモータ１０の寿命、もしくはメンテナンスの間隔を延伸し、また故障発生率の低減を図ることが可能である。

前述のように配設されているマグネット２２ａと電磁コイル２３ａとの間、ならびにマグネット２２ｂと電磁コイル２３ｂとの間には、可動ヨーク２１のストローク動作を妨げないようにエアギャップ３０が設けられている。

ボイスコイルモータ１０は、外部から電磁コイル２３ａおよび電磁コイル２３ｂに電流が供給されるように構成されている。詳しくは、各電磁コイル２３ａ，２３ｂが発生する電磁力の強さ、ならびに当該電磁力が作用する方向を、外部から制御することができるように構成されている。
ボイスコイルモータ１０は、上記のように電気的に構成されており、電磁コイル２３ａ，２３ｂが発生する電磁力の作用方向を所定のタイミングで変化させることにより、可動ヨーク２１が図中上下方向にストロークするように、当該可動ヨーク２１を駆動する。

図３は、図２のボイスコイルモータの構成を示す説明図である。この図は、ボイスコイルモータ１０の内部に生じる磁気回路を示しており、図２に示したものと同一部分に同じ符号を使用している。
図３には、図２（ａ）と同様にボイスコイルモータ１０の縦断面における各部の配置構成を示し、これら部分に対応させて磁気回路を図示している。

前述のように外ヨーク２０の内部において、マグネット２２ａ，２２ｂおよび電磁コイル２３ａ，２３ｂを配置／構成することにより、これらの部分には図中破線で示した磁気回路３１が形成される。
図３に示した磁気回路３１は、ボイスコイルモータ１０の縦断面において、マグネット２２ａ，２２ｂおよび磁気コイル２３ａ，２３ｂの各間に生じる状態を表している。

磁気回路３１は、ボイスコイルモータ１０を上方から視たとき、マグネット２２ａ，２２ｂおよび電磁コイル２３ａ，２３ｂと同様に円環状となっている。
即ち、磁気回路３１は、外ヨーク２０の内部において円筒状を成しており、磁気漏洩が少なくエネルギ効率が高い状態になっている。

図４は、図２のボイスコイルモータに備えられる電磁コイルの構成を示す説明図である。図４では、図２等に示した部分と同一あるいは相当する部分に同じ符号を使用し、これらの部分の重複説明を省略する。

図４（ａ）は、図２等に示した本実施形態によるボイスコイルモータ１０の縦断面のうち、外ヨーク２０の内壁に固定されている電磁コイル２３ａの断面部分を拡大して図示している。
本実施形態によるボイスコイルモータ１０の電磁コイル２３ａ，２３ｂは、図４（ａ）に例示した電磁コイル２３ａのように、平角線である巻線を重ねて巻回するとき当該巻線を密着させて巻回し、巻線間に空隙が極力生じないように構成している。

図４（ｂ）は、一般的な丸線を用いて構成した電磁コイル１０３を、外ヨーク２０に備えた場合の断面形状を示している。
丸線を巻回したときには、各巻線の接触部分が曲面であることから、巻線間に空隙が生じるとともに、当該コイル表面には凹凸が生じる。
そのため、丸線を巻回させて電磁コイルを構成した場合には、当該電磁コイルの表面を滑らかに形成することが難しい。
上記のようにコイル表面に凹凸が生じていると、可動ヨーク２１が動作したときに、電磁コイル１０３と例えばマグネット２２ａとが接触しないように、図２に示したエアギャップ３０を適当な大きさに設定することが必要になる。

また、図４（ｂ）に示したように、電磁コイル１０３を外ヨーク２０の内壁に接触させて固定したときには、前述のようにコイル表面に凹凸を有することから電磁コイル１０３の外周部位と外ヨーク２０の内壁との間に、多数の隙間が生じる。即ち、電磁コイル１０３と外ヨーク２０とを良好に密着させることが難しくなる。
このように電磁コイル１０３の外ヨーク２０に対する密着の度合が好ましくない場合には、ある程度の漏れ磁束が生じて外ヨーク２０内を透過する磁束が少なくなり、図３に示した磁気回路３１等の作用が弱くなる。即ち、可動ヨーク２１もしくはマグネット２２ａ等に作用する電磁力が低減する。

図４（ａ）に示したように、平角線を巻線に用いて電磁コイル２３ａと、図示されない電磁コイル２３ｂを構成したときには、電磁コイル２３ａ，２３ｂの表面の凹凸が微細なものとなって、当該コイル表面を滑らかに形成することができる。
即ち、巻線間に隙間が生じることを抑制することができ、丸線を用いた場合に比べて各巻線を密着させることができる。

電磁コイル２３ａ，２３ｂは、電磁力を発生する際には、コイル巻線に生じる渦電流によって発熱する。前述のように電磁コイル２３ａ，２３ｂを外ヨーク２０に密着させると、電磁コイル２３ａ，２３ｂの熱が効率よく外ヨーク２０へ放熱される。
特に、前述のように外ヨーク２０を珪素鋼合金によって構成すると、さらに放熱効果が向上し、ボイスコイルモータ１０を連続動作させる場合に電磁コイル２３ａ，２３ｂを効果的に冷却することが可能になる。

また、前述のように電磁コイル２３ａ，２３ｂのコイル表面を滑らかに構成することにより、エアギャップ３０を極めて小さく設けることが可能になる。
即ち、例えば電磁コイル２３ａとマグネット２２ａとを極めて接近させて配設したときでも、当該電磁コイル２３ａとマグネット２２ａが接触することなく可動ヨーク２１をストロークさせることが可能になる。

また、上記のようにエアギャップ３０を小さくすることにより、電磁コイル２３ａとマグネット２２ａとの間の磁束密度が高くなり、可動ヨーク２１に作用する電磁力を強めることが可能になる。
電磁コイル２３ｂおよびマグネット２２ｂに関しても、上述の電磁コイル２３ａおよびマグネット２２ａと同様に構成してエアギャップ３０を小さく設けることが可能であり、また同様な作用効果が得られる。

また、図４（ａ）に示したように、巻線に平角線を使用して電磁コイル２３ａ，２３ｂを構成すると、コイルの例えば二層目以降の巻回において生じるターンオーバー部の張り出しを抑えることができる。即ち、巻線の乗り越え部分（クロス部）に生じる、コイル表面の隆起を小さく抑えることができる。

また、電磁コイル２３ａ，２３ｂの巻線に平角線を使用すると、丸線を巻線に用いた場合に比べて、所望のサイズを有するように当該コイルを生成する精度が向上する。
例えば、外径が１３０［ｍｍ］の電磁コイルの場合、丸線を巻回して構成すると、１［ｍｍ］以上の誤差を含むものとなる。
これに対し、上記のサイズの電磁コイルを、平角線を巻回して構成すると、ｎ／１００［ｍｍ］程度（ｎは１桁の整数）の誤差になる。
上記のように、平角線を巻線として使用すると、１３０［ｍｍ］の外径において０．１［ｍｍ］よりも充分誤差が小さくなり、真円度がｎ／１００よりも良好になる。このように、巻線に丸線を用いた場合に比べて真円度が向上する。

上述のようにコイル表面が滑らかになり、また真円度が良好になることにより、電磁コイル２３ａ，２３ｂが好ましい状態で外ヨーク２０の内壁に密着する。
このように、電磁コイル２３ａ，２３ｂと外ヨーク２０が良好に密着すると、図２に示した磁気回路３１における漏れ磁束が抑制され、可動ヨーク２１もしくはマグネット２２ａ，２２ｂに作用する電磁力の効率が向上する。
即ち、可動ヨーク２１をストロークさせる駆動力が強くなり、可動ヨーク２１を大きくストロークさせることが可能になる。

前述のように構成されたボイスコイルモータ１０は、例えば、±１０[ｍｍ]のストローク長を５０[Ｈｚ]の速さで稼働することが可能である。
ボイスコイルモータ１０は、前述のように可動ヨーク２１のストローク長を大きくすることが可能であり、また電磁コイル２３ａ，２３ｂが効率よく冷却される。
そのため、本実施形態によるボイスコイルモータ１０は、冷媒の圧縮ならびに膨張を連続して繰り返す極低温冷凍機１の駆動源、即ちコンプレッサ１１の駆動源に適している。

図５は、本実施形態によるボイスコイルモータの他の構成を示す説明図である。この図は、ボイスコイルモータ１０の他の構成例を示しており、当該他の構成例であるボイスコイルモータ１０の縦断面図である。

図５に示したボイスコイルモータ１０は、可動ヨーク２１の延設方向の両端部に各々接する二つの板バネ４０を備えている。他の部分は、図２等に示したボイスコイルモータ１０と同様に構成されている。

板バネ４０は、縁端部を外ヨーク２０に固定しており、外ヨーク２０の開口部側から円筒内に向かって付勢するように備えられている。
板バネ４０は、電磁コイル２３ａ，２３ｂが発生した電磁力により可動ヨーク２１がストロークすることが可能な程度のバネ力を有している。
詳しくは、電磁コイル２３ａ，２３ｂが電磁力を発生しているときには、当該電磁作用により可動ヨーク２１が駆動され、上記の電磁力が作用しなくなったときには、可動ヨーク２１を外ヨーク２０の円筒内部へ押し戻す程度の強さ／バネ力を有している。

また、板バネ４０は、可動ヨーク２１がストロークした際に、当該可動ヨーク２１の中心軸が変動しないように配置構成されている。
上記のように、可動ヨーク２１の両端に接する板バネ４０を外ヨーク２０の内部に配設し、可動ヨーク２１を大きなストローク長で俊敏に動作させることも可能である。

以上のように本実施形態によれば、平角線を巻線に用いて円環状の電磁コイル２３ａ，２３ｂを構成し、外ヨーク２０の円筒内に密着させて固定した。また、外ヨーク２０の内部に配設される可動ヨーク２１に円環状のマグネット２２ａ，２２ｂを電磁コイル２３ａ，２３ｂと対向するように備えた。

このようにすることによって、電磁コイル２３ａ，２３ｂのコイル表面を滑らかに形成することができ、電磁コイル２３ａ，２３ｂを外ヨーク２０に密着させることができる。
また、上記のように電磁コイル２３ａ，２３ｂが外ヨーク２０に密着することにより、電磁コイル２３ａ，２３ｂが渦電流によって発熱したとき、当該熱を外ヨーク２０へ効率よく放熱することができる。また、電磁コイル２３ａ，２３ｂが高温になることによって不具合が生じることを防ぐことができる。

また、電磁コイル２３ａ，２３ｂの表面を滑らかにすることにより、可動ヨーク２１のマグネット２２ａと電磁コイル２３ａとの間、および、マグネット２２ｂと電磁コイル２３ｂとの間に設けられるエアギャップ３０を極めて小さくすることができる。
上記のようにエアギャップ３０を小さくすることにより、電磁コイル２３ａとマグネット２２ａとの間の磁束密度、および、電磁コイル２３ｂとマグネット２２ｂとの間の磁束密度を高めることができる。
また、上記のように磁束密度が高くなることにより、可動ヨーク２１に作用する電磁力の効率を向上させて、大きな駆動力で当該可動ヨーク２１をストロークさせることができる。

また、電磁コイル２３ａ，２３ｂとマグネット２２ａ，２２ｂとの間に円筒状の磁気回路３１を形成することができ、可動ヨーク２１に電磁力を効率よく作用させることができる。

また、外ヨーク２０を、珪素鋼板を用いて形成したので、当該外ヨーク２０の内壁に密着している電磁コイル２３ａ，２３ｂが発熱したとき、この熱を効率よく放熱して電磁コイル２３ａ，２３ｂを冷却することができる。
また、上記のように電磁コイル２３ａ，２３ｂを効果的に冷却することにより、ボイスコイルモータ１０の耐久性を向上させることができる。

本発明の実施形態によるボイスコイルモータを使用する極低温冷凍機の概略構成を示す説明図である。 図１のボイスコイルモータの概略構成を示す説明図である。 図２のボイスコイルモータの構成を示す説明図である。 図２のボイスコイルモータに備えられる電磁コイルの構成を示す説明図である。 本実施形態によるボイスコイルモータの他の構成を示す説明図である。

符号の説明

１…極低温冷凍機、１０…ボイスコイルモータ、１１…コンプレッサ、１２…蓄冷器、１３…オリフィス、１４…タンク、２０…外ヨーク、２１…可動ヨーク、２２ａ，２２ｂ，１０３…電磁コイル、２３ａ，２３ｂ…マグネット、３０…エアギャップ、３１…磁気回路、４０…板バネ。

Claims (3)

1. 円筒状の外ヨークと、
   平角線を巻回して円環状に形成し該円環の外周部位を前記外ヨークの内壁に密着させた電磁コイルと、
   前記外ヨークの円筒内でストロークするように備えられて前記電磁コイルの内周部位と対向する部位にマグネットを配設した可動ヨークと、
   を有し、
   前記電磁コイルは、前記内周部位が滑らかとなるように前記平角線を巻回して該電磁コイルと前記可動ヨークのマグネットとのエアクリアランスが極めて小さくなるように形成されている
   ことを特徴とするボイスコイルモータ。
2. 前記可動ヨークは、少なくとも二極分の前記マグネットを該可動ヨークのストローク方向に並べて配設し、
   前記外ヨークは、前記複数のマグネットに各々対向する複数の前記電磁コイルを配設し、
   前記電磁コイルと前記マグネットとの間に磁気回路を形成する
   ことを特徴とする請求項１に記載のボイスコイルモータ。
3. 前記外ヨークは、珪素鋼からなる
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のボイスコイルモータ。

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