JP2016140225A - ボイスコイルモータ及びこのボイスコイルモータを用いた直動型サーボ弁 - Google Patents

Abstract

【課題】内側マグネットアレーにおける半径方向着磁マグネットの飛び出しを防止し、磁気効率の高いボイスコイルモータを提供する。【解決手段】デュアル・ハルバッハ・マグネット・アレーを用いたボイスコイルモータ２であって、内側マグネットアレー６の軸方向着磁マグネット６Ａ、６Ｃ、６Ｅは一体のリング状マグネットであり、内側マグネットアレー６の半径方向着磁マグネット６Ｂ、６Ｄは周方向に分割された複数の分割マグネットで構成される。内側マグネットアレーの半径方向着磁マグネットと軸方向着磁マグネットとを軸方向に圧着固定する固定手段１３が設けられる。固定手段１３は、例えば内側マグネットアレーの一端側を支える内筒４のフランジ部４ａと内筒４のねじ部４ｃに螺着された締結具９とで構成される。【選択図】 図２

Description

本発明は、ボイスコイルモータ及びこのボイスコイルモータを用いた直動型サーボ弁に関する。

ボイスコイルモータは、周知のように円筒状のマグネットと外側ヨークと内側ヨークとを備え、磁界の集中した環状空間に円筒状のコイルを配置し、コイルに電流を供給することによりコイルを軸方向に駆動するものである。このようなボイスコイルモータを用いた直動型サーボ弁が知られている。直動型サーボ弁は、ボイスコイルモータによって弁本体に配置されたスプールをその軸方向に駆動し、弁本体に設けられたポートを開閉すると共に、ポート同士の連絡を切り替えるものである。それによって、ポートに流れる流体の流量を加減し、シリンダあるいは流体モータなどの負荷装置の速度、位置あるいは力を制御する。サーボ弁は、プレス機械、工作機械、鉄鋼設備、航空機、あるいは疲労試験機などの重要な機械・設備であり、即応性と同時に比較的大きなパワーを必要とする分野に使用される。

特許文献１では、スプールの軸方向駆動力を大きくするために、縦断面Ｅ形ヨーク（特許文献１の図３を参照）を用いたボイスコイルモータをスプールの軸方向両側に配置した構造が提案されている。ボイスコイルモータを２個設ける事でスプールの駆動力は２倍になるが、ボイスコイルモータの質量も倍になるから、幾らかの応答性低下を招く。さらに、ボイスコイルモータを駆動するためのアンプも２個必要となって、ボイスコイルモータで生じる発熱の問題のみならず、費用も高くなる。

一方、スプールの一端側に特許文献２や特許文献３で開示されているようなボイスコイルモータを設けることが可能である。即ち、このボイスコイルモータは一般に「デュアル・ハルバッハ・マグネット・アレー」と称される磁気回路を用いたものであり、ボイスコイルモータの駆動磁界を強くすることで、スプールに対する大きな軸方向駆動力を発生できる。従って、ボイスコイルモータは１個で済み、応答性が向上し、しかもアンプも１個で済む。なお、デュアル・ハルバッハ・マグネット・アレーを用いてコイルに鎖交する磁界を強くし、駆動効率を向上させるボイスコイルモータ構造は、特許文献２、３以外にも特許文献４、５、６などで既に公知である。

デュアル・ハルバッハ・マグネット・アレーを用いたボイスコイルモータの原理を図１１に示す。デュアル・ハルバッハ・マグネット・アレーは、円筒状の外側マグネットアレー１００と内側マグネットアレー１１０との環状空間に円筒状のコイル１２０を配置し、コイル１２０に供給する電流の向きを変えることによってコイル１２０を軸方向左右自在に移動させることができる。外側マグネットアレー１００は、リング状の半径方向着磁マグネット１０１と軸方向着磁マグネット１０２とを、その中心軸を含む面内において磁極が９０度ずつ回転するよう軸方向に積層したものである。内側マグネットアレー１１０は、外側マグネットアレー１００の半径方向着磁マグネット１０１と同じ向きの磁極を有するリング状の半径方向着磁マグネット１１１と外側マグネットアレー１００の軸方向着磁マグネット１０２と逆向きの磁極を有するリング状の軸方向着磁マグネット１１２とを、軸方向に積層したものである。外側マグネットアレー１００の外周側は外筒１０５で保持され、内側マグネットアレー１１０の内周側は内筒１１５で支持されている。なお、１２１はコイルボビン、１２５、１２６は側板である。

軸方向に着磁されたリング状マグネット１０２、１１２は、現状の技術で容易に製作が可能であるが、半径方向に着磁された良好なリング状マグネット１０１、１１１を製作することは困難である。なぜなら、リング状マグネットの内周面と外周面との面積差のために、半径方向に効果的でかつ高い磁束密度となる着磁を行うことが難しいからである。特に、内径と外径とに大きな差のあるリング状マグネットに対して効果的な半径方向着磁を行うことは、なおさら難しい。

そこで、リング状マグネット（未着磁）を周方向に複数個に分割し、各分割マグネットに対して半径方向に着磁した後、着磁された分割マグネットをリング状に組み合わせて、半径方向着磁マグネットを構成する方法が考えられる。図１２は複数の分割マグネット１３１をリング状に組み合わせた半径方向着磁マグネット１３０の一例を軸方向から見たものである。個別の分割マグネット１３１に対して半径方向に着磁することは、現状の技術で比較的容易に実施できる。このように分割マグネット１３１をリング状に固定すれば、半径方向に効果的で、かつ高い磁束密度を有する半径方向着磁マグネット１３０を製作できる。

複数の分割マグネット１３１をリング状に固定するために接着剤を用いることが考えられるが、周方向に隣り合う分割マグネット１３１の内周側同士、外周側同士が同極であるため、常時反発力が作用している。そのため、周囲温度の変化や振動などの外乱により接着部が破壊されやすく、分割マグネット１３１が外周方向へ飛び出すことがある。その結果、半径方向着磁マグネット１３０はもはやその機能を果たせなくなる。

分割型の半径方向着磁マグネット１３０は、外側マグネットアレー１００でも内側マグネットアレー１１０でも適用可能である。外側マグネットアレー１００においては、外周側が外筒１０５によって取り囲まれているため、外周方向への飛び出しはなく、分割マグネット１３１の周方向両側面が半径方向の傾斜面であり、それらの傾斜面が楔作用をするため、内周方向への飛び出しもない。一方、内側マグネットアレー１１０については、その内周側が内筒１１５で支持されているので、分割マグネット１３１の内周方向への飛び出しはないが、その外周側は何も囲われていないため、分割マグネット１３１の外周方向への飛び出しを防止し得ない。分割マグネット１３１が外周方向へ飛び出すと、コイルと干渉し、ボイスコイルモータとしての動作に支障をきたす可能性がある。

特開２０１２−５７７７６号公報 特開２０１０−１５４６８８号公報 特開２０１３−２１５０２１号公報 特開昭６２−９２７５７号公報 特開２００３−３３３８２３号公報 米国特許第７，３６８，８３８号公報

本発明の目的は、内側マグネットアレーにおける半径方向着磁マグネットの飛び出しを防止し、磁気効率の高いボイスコイルモータ、及びそのボイスコイルモータを用いた直動型サーボ弁を提供することにある。

本発明にかかるボイスコイルモータは、リング状の半径方向着磁マグネットと軸方向着磁マグネットとを、その中心軸を含む面内において磁極が９０度ずつ回転するよう、軸方向に積層した外側マグネットアレーと、前記外側マグネットアレーの半径方向着磁マグネットと同じ向きの磁極を有するリング状の半径方向着磁マグネットと前記外側マグネットアレーの軸方向着磁マグネットと逆向きの磁極を有するリング状の軸方向着磁マグネットとを、軸方向に積層した内側マグネットアレーと、前記外側マグネットアレーの外周を支持する外筒と、前記内側マグネットアレーの内周を支持する内筒と、前記外筒及び前記内筒の少なくとも軸方向一端側同士を連結する側部材と、前記外側マグネットアレーと前記内側マグネットアレーとの間の環状空間に、軸方向に移動自在に配置されたコイルと、を備え、前記コイルへ電流を供給することにより前記コイルを軸方向に作動させるボイスコイルモータである。前記内側マグネットアレーの前記軸方向着磁マグネットは、一体のリング状マグネットであり、前記内側マグネットアレーの前記半径方向着磁マグネットは、周方向に分割された複数の分割マグネットで構成されており、前記内側マグネットアレーの半径方向着磁マグネットと軸方向着磁マグネットとを軸方向に圧着固定する固定手段が設けられている。

本発明では、内側マグネットアレーの軸方向着磁マグネットとして、一体のリング状マグネットを使用し、内側マグネットアレーの半径方向着磁マグネットとして、周方向に分割された複数の分割マグネットを使用している。半径方向着磁マグネットを構成する分割マグネット同士は反発しあうので、温度変化や振動などにより接着部が破壊されると分割マグネットが外周方向へ飛び出してしまう。そこで、本発明では、軸方向に積層した内側マグネットアレーの半径方向着磁マグネットと軸方向着磁マグネットとを軸方向に圧着する固定手段を設けてある。分割マグネットで構成された半径方向着磁マグネットとリング状の軸方向着磁マグネットとが軸方向に圧着するので、接着剤が破壊しても分割マグネットの飛び出しを防ぐことができる。そのため、半径方向に高い磁束密度を有する半径方向着磁マグネットを構成できる。なお、分割マグネット同士は必ずしも接着されている必要はない。本明細書において、マグネットとは永久磁石のことを指している。

分割マグネットの少なくとも一方の軸方向側面に傾斜面を形成し、分割マグネットの傾斜面と軸方向着磁マグネットの対向面との間に、内径側よりも外径側が厚肉な楔形リングを配置し、固定手段の軸方向の圧着力により分割マグネットを内径方向に付勢してもよい。この場合は、軸方向の圧着力と傾斜面との相互作用によって分割マグネットを内径方向に付勢する力が発生し、分割マグネットの外周方向への飛び出しを一層効果的に防止できる。楔形リングとしては、非磁性体を使用してもよい。

さらに、分割マグネットの少なくとも一方の軸方向側面に傾斜面を形成し、分割マグネットの傾斜面と接触する軸方向着磁マグネットの対向面に、傾斜面と対応した傾きのテーパ面を形成し、固定手段の軸方向の圧着力により分割マグネットを内径方向に付勢してもよい。この場合も、上記と同様に、軸方向の圧着力と傾斜面との相互作用によって分割マグネットを内径方向に付勢する力が発生し、分割マグネットの外周方向への飛び出しを効果的に防止できる。

内側マグネットアレーの半径方向着磁マグネットと軸方向着磁マグネットとの外周を連続的に取り囲む非磁性のチューブを設けてもよい。これによって、内側マグネットアレーの半径方向着磁マグネットを構成する分割マグネットの外周方向への飛び出しを効果的に防止できる。チューブは非磁性体であるから、半径方向着磁マグネット及び軸方向着磁マグネットが発生する磁界を乱すことがない。

固定手段として、内側マグネットアレーの軸方向一端側を支えるため内筒の軸方向一端側に設けられたフランジ部と、内筒の軸方向他端側に設けられたねじ部と、ねじ部に螺合し、内側マグネットアレーの軸方向他端側を加圧する締結具とを備え、締結具を締め付けることにより、フランジ部と締結具との間で内側マグネットアレーを軸方向に圧着するようにしてもよい。この場合には、締結具の締め付け力により内側マグネットアレーを強力に圧着できるので、分割マグネットの飛び出しを防止できる。この明細書で「フランジ部」とは、内側マグネットアレーの軸方向一端側を支える部分のことであり、内筒の軸方向一端側の外周に一体に形成された部分に限らず、スナップリングのような別部品を内筒の外周に装着したものでもよい。側部材が内筒に一体に形成されている場合には、側部材がフランジ部を兼ねても良い。内筒の軸方向他端側に設けられた「ねじ部」とは、雄ねじでもよいし、雌ねじでもよい。「締結具」とは、ねじ部に螺合するねじ部品のことであり、ナット状部品でもよいし、ボルト状部品でもよい。側部材が内筒とは別体に形成されている場合には、側部材が締結具を兼ねても良い。

さらに固定手段として、内側マグネットアレーの軸方向一端側を支えるため内筒の軸方向一端側に設けられたフランジ部と、内筒の軸方向他端側に設けられた外周に雄ねじを有する軸部と、軸部を挿通するために側部材に設けられた貫通孔と、軸部の雄ねじに螺合する締結具とを備え、締結具を締め付けることにより、フランジ部と締結具との間で内側マグネットアレー及び側部材を軸方向に圧着するようにしてもよい。この場合には、締結具が内側マグネットアレーを軸方向に圧着して分割マグネットの飛び出しを防止する固定手段と、内筒を側部材に固定するための固定手段を兼ねるので、ボイスコイルモータの構造が簡単になり、しかも小型化できる。なお、軸部とは、中実状の軸部でもよいし、中空状の軸部でもよい。

外筒、内筒及び側部材はそれぞれ磁性体からなり、外筒から側部材を介して内筒へと連続した磁路を構成してもよい。この場合は、外筒及び内筒を非磁性体で形成した場合に比べて磁気効率が向上し、コイルに供給する電流を増大させずにコイルの軸方向駆動力を大きくできる。

上述のデュアル・ハルバッハ・マグネット・アレーを用いたボイスコイルモータを直動型サーボ弁に適用してもよい。すなわち、直動型サーボ弁は、前述のボイスコイルモータと、複数のポートを有する弁本体と、弁本体に軸方向移動自在に配置されたスプールとを備え、ボイスコイルモータによってスプールをその軸方向に駆動し、ポート間の連絡通路を切り替えるものである。この場合には、ボイスコイルモータの駆動磁界を強くできるので、ボイスコイルモータは１個で済み、スプールの応答性が向上し、しかもその駆動力を大きくできる。

ボイスコイルモータをサーボ弁に適用した場合、スプールの一方の軸方向端部に検出用マグネットを固定し、その近傍の固定位置にスプールの変位と速度とを検出するホール素子とコイルとを設け、その検出信号をフィードバック信号として取り出すようにしてもよい。従来技術ではスプールの変位を差動トランスやポテンショメータなどで検出することが多く、スプールの速度を得たいときは変位信号を微分するしかなく、微分による電気的ノイズの影響を無視しえなかった。これに対し、ホール素子による変位信号に加えて、コイルによる速度信号を得れば、ノイズの影響を受けずにスプールの速度を検出でき、スプールの応答性を改善できる。

以上のように、本発明によれば、内側マグネットアレーの軸方向着磁マグネットを一体のリング状マグネットとし、内側マグネットアレーの半径方向着磁マグネットを周方向に分割された複数の分割マグネットで構成し、内側マグネットアレーの半径方向着磁マグネットと軸方向着磁マグネットとを軸方向に圧着固定する固定手段を設けたので、周方向に隣り合う分割マグネット同士が反発しあっても、分割マグネットが外周方向へ飛び出すのを抑制できる。そのため、磁気効率が高く、耐久性に優れたボイスコイルモータを実現できる。

本発明にかかるボイスコイルモータの第１実施例を適用した直動型サーボ弁の断面図である。 図１に示されたボイスコイルモータの拡大断面図である。 図１に示されたボイスコイルモータの内側マグネットアレーを構成する部品の分解斜視図である。 締結具の締結力によって分割マグネットに内径方向の分力を発生させる原理を示す図である。 ボイスコイルモータの第２実施例の断面図である。 ボイスコイルモータの第３実施例の断面図である。 図６に示すボイスコイルモータの内側マグネットアレーの半径方向着磁マグネットを軸方向から見た図である。 ボイスコイルモータの第４実施例の半断面図である。 ボイスコイルモータの第５実施例の半断面図である。 ボイスコイルモータの第６実施例の半断面図である。 デュアル・ハルバッハ・マグネット・アレーを用いたボイスコイルモータの原理図である。 複数の分割マグネットをリング状に組み合わせた半径方向着磁マグネットの一例を軸方向から見た図である。

−第１実施例−
図１に本発明の第１実施例であるボイスコイルモータを用いた直動型サーボ弁１を示す。ボイスコイルモータ２については図２で詳細を述べ、図１では代表的な構成部品の機能を説明するにとどめる。サーボ弁１の弁本体３０の中心部にはスリーブ３１が挿入され、弁本体３０の両端に設けられた側板３２、３３によってスリーブ３１は固定されている。

スリーブ３１の中心部にスプール３４が軸方向移動自在に挿入されている。スプール３４の軸方向一端部は、後述するボイスコイルモータ２のコイルボビン７にナット３５で固定され、軸方向他端部にはマグネット３６が取り付けられている。図１のスプール３４はスリーブ３１に対して中立位置にある状態を示しており、弁本体３０に設けられた入力ポートＰに加えられた加圧流体（例えば作動油）は、図示しないシリンダなどの負荷装置に接続される出力ポートＡと出力ポートＢへは流れ込まない。たとえばスプール３４が当該中立位置から右方向に駆動されたとすると、ポートＰに加えられた加圧流体はポートＢに流れ、シリンダなどの負荷装置を駆動し、当該負荷装置からの戻り流体はポートＡを経てタンクポートＴに到達する。スプール３４が当該中立位置から左方向に駆動されると、加圧流体の流れ方向は逆になる。

ドレーンポートＤはスプール３４の両側に作用する圧力が高くならないように設けたもので、ドレーンポートＤは大気に解放するのが望ましいが、タンクポートＴと接続されていてもよい。ダイアフラム３７はドレーンポートＤに漏れ出た流体がボイスコイルモータ２の内部に侵入するのを防ぐために設けたもので、ボイスコイルモータ２の内部に流体の侵入を許す場合は無くても良い。

弁本体３０の左側端部に固定された側板３３の近傍には、変位検出用のホール素子３８と速度検出用のコイル３９とが固定されている。上述のようにスプール３４の左端にはマグネット３６が固定されているので、ホール素子３８によってスプール３４の変位を非接触で検出でき、さらにコイル３９によって、タコメータの原理によりスプール３４の速度を非接触で直接検出することができる。

ホール素子３８とコイル３９とによって検出された変位信号と速度信号はコントローラ４０にフィードバックされる。また、コントローラ４０はリード線４１を経てボイスコイルモータ２のコイル８ａ，８ｂに電流を供給する役割を有する。コントローラ４０の回路は従来技術で容易に設計できるので、省略する。従来技術ではスプール３４の変位を差動トランスあるいはポテンショメータなどで検出することが多く、スプール３４の速度を得たいときは変位信号を微分するしかなく、微分による電気的ノイズの影響を無視しえなかった。これに対し、図１に示すサーボ弁１では、ホール素子３８による変位信号に加えて、コイル３９による速度信号を得ているので、ノイズの影響を受けずにスプール３４の速度を検出でき、スプール３４の応答性を改善できる。必要に応じて速度信号を微分して加速度信号も容易に取ることができ、スプール３４の応答性をさらに大きく改善できる。

図２はボイスコイルモータ２の拡大図である。図１と同じ構成部品には同じ番号を付した。ボイスコイルモータ２は、ハウジングを兼ねる外筒３を備えており、外筒３と側板３２とは互いに結合され、弁本体３０の一方の側面に固定されている。外筒３の内側には内筒４が配置されており、外筒３の軸方向一端側（図２の右側）に一体に形成された側部材３ａを介して、内筒４は外筒３と同軸上に支持されている。外筒３の内周には外側マグネットアレー５が配置され、内筒４の外周には内側マグネットアレー６が配置されている。後述するように、内側マグネットアレー６は内筒４に組み込まれ、外筒３（側部材３ａ）にナット（締結具）９で締結されている。外側マグネットアレー５と内側マグネットアレー６とが構成する環状空間に、コイルボビン７が軸方向移動自在に挿入されている。

内筒４と外筒３の材質は非磁性、磁性を問わないが、発明者らの実験では、内筒４と外筒３（側部材３ａを含む）の両方を磁性材にすると、非磁性材の場合に比べ１８．２％の推力増加を得ることができた。そのため、磁気効率を高めるためには外筒３及び内筒４として磁性材を使用するのが望ましい。この場合は、外筒３と内筒４とがいわゆる磁性体ヨークの働きをなす。なお、磁気効率よりも軽量化を重視する場合には、外筒３と内筒４を非磁性体で形成してもよい。

コイルボビン７には、直列に接続されたコイル８ａとコイル８ｂとが互いに逆方向巻きで、かつ軸方向に所定間隔をあけて巻回されている。コイル８ａ，８ｂの両端はリード線４１と接続されている。リード線４１に流れる電流の方向に応じてコイルボビン７は左右に駆動され、それに応じてスプール３４も軸方向へ駆動される。２つのコイル８ａと８ｂの中心距離は、後述する半径方向着磁マグネット同士の軸方向距離にほぼ等しく設定されている。この実施例ではコイルボビン７に互いに逆向きに２つのコイル８ａ、８ｂを巻回したが、１つのコイル又は３つ以上のコイルを用いても良い。

内筒４の内周には、ばね受けネジ１０が螺合している。上述のスプール３４にコイルボビン７を固定するためのナット３５と、ばね受けネジ１０との間に、コイルばね１１が介装されている。コイルボビン７の軸方向中立位置、つまりスプール３４の軸方向中立位置は、コイルばね１１とネジ１０とによって調整される。ネジ１０は外部から工具によって操作できる。コイルボビン７の中立位置では、２つのコイル８ａ、コイル８ｂが外側マグネットアレー５と内側マグネットアレー６の半径方向着磁マグネットの間に配置される。スプール３４の中立位置では、スプール３４のランド部が両方の出力ポートＡ、Ｂをほぼ閉じている。なお、コイルボビン７の軸方向中立位置とスプール３４の軸方向中立位置とが一致している必要はない。

外側マグネットアレー５は、複数のリング状マグネット５Ａ〜５Ｅを軸方向に積層することによって構成されている。各々のマグネットに示した矢印は磁化方向を示し、矢印の先端がＮ極を示す。なお、当然ながら、リング状マグネットの積層数は５に限らない。リング状マグネット５Ａ、５Ｃ、５Ｅは、厚み方向、つまりリング状マグネットの軸方向に着磁されている。リング状マグネット５Ｂ、５Ｄの着磁方向は半径方向であり、マグネット５Ｂは中心に向かってＮ極、マグネット５Ｄは外周方向に向かってＮ極になっている。

内側マグネットアレー６も、外側マグネットアレー５と同様に、複数のリング状マグネット６Ａ〜６Ｅを軸方向に積層することによって構成されている。各々のマグネットに示した矢印は磁化方向を示し、矢印の先端がＮ極を示す。リング状マグネット６Ａ、６Ｃ、６Ｅは、厚み方向、つまりリング状マグネットの軸方向に着磁されている。リング状マグネット６Ｂ、６Ｄの着磁方向は半径方向であり、マグネット６Ｂは中心に向かってＮ極、マグネット６Ｄは外周方向に向かってＮ極になっている。

外側マグネットアレー５と内側マグネットアレー６のそれぞれは典型的な「ハルバッハ・マグネット・アレー」であり、当該マグネットアレーを同心に組み立てたものを「デュアル・ハルバッハ・マグネット・アレー」と呼ぶことができる。以下では、厚み方向に着磁されたマグネット５Ａ、５Ｃ、５Ｅ、６Ａ、６Ｃ、６Ｅを軸方向着磁マグネットと呼び、半径方向に着磁されたマグネット５Ｂ、５Ｄ、６Ｂ、６Ｄを半径方向着磁マグネットと呼ぶ。

上述の通り、外側マグネットアレー５と内側マグネットアレー６が構成する環状空間にコイルボビン７が軸方向移動自在に挿入され、コイル８ａとコイル８ｂに流れる電流の方向に応じて当該コイルボビン７が左右に駆動される。コイルボビン７の中立位置では、一方のコイル８ａは半径方向着磁マグネット５Ｂと６Ｂとに挟まれる空間の近傍に配置され、他方のコイル８ｂは半径方向着磁マグネット５Ｄと６Ｄとに挟まれる空間の近傍に配置される。コイル８ａとコイル８ｂは互いに逆方向巻きであるから、インダクタンスが小さくなり、応答性が向上する。しかも、コイルボビン７の軸方向推力は１個のコイルを用いた場合に比べて約２倍になる。

外側マグネットアレー５と内側マグネットアレー６が構成する環状空間に発現する磁界については、上述の「デュアル・ハルバッハ・マグネット・アレー」の作用により、半径方向着磁マグネット５Ｂ、５Ｄ、６Ｂ、６Ｄによって挟まれる空間に生じる磁界が集中的に強くなり、コイル８ａとコイル８ｂに鎖交する磁束密度を大きくできる。発明者らの磁場解析シミュレーションでは、同一寸法の縦断面Ｅ形ヨークに較べ、本実施例による磁気回路では約２．３倍の磁極中心磁束密度を得ることができた。

さて、既述の通り、軸方向着磁されたリング状マグネットは現在の技術で容易に製作が可能であるが、半径方向着磁されたリング状マグネットの製作は困難である。そのため、図９に示したように、周方向に複数に分割した分割マグネットをリング状に接着することになるが、周囲温度の変化あるいは振動などで接着部が破壊されると、分割マグネットは外側へ飛び出してしまう。特に、内側マグネットアレー６の半径方向着磁マグネット６Ｂ、６Ｄとして分割マグネットを使用した場合に問題が生じる。

第１実施例では、図３、図４に示すように、内側マグネットアレー６の半径方向着磁マグネット６Ｂ、６Ｄが複数個の分割マグネットで構成され、接着剤によってリング状に固定されている。図３では分割マグネット６Ｂ、６Ｄが８分割のマグネットで構成されているが、８分割に限る必要はなく、効果的な着磁が得られるように最適な分割数を決めたらよい。分割マグネット６Ｂ、６Ｄの飛び出しを防ぐために、分割マグネットの軸方向両側面に傾斜面６０、６１を形成し、分割マグネット６Ｂ、６Ｄの断面を上底が下底より短い台形にしてある。さらに、分割マグネット６Ｂ、６Ｄの傾斜面６０、６１と軸方向着磁マグネット６Ａ、６Ｃ、６Ｅの対向面との間に、内径側よりも外径側が厚肉な楔形リング１２を配置している。楔形リング１２の内径および外径は、内側マグネットアレー６の内径及び外径とほぼ等しい。楔形リング１２の半径方向着磁マグネット側の側面にはテーパ面１２ａが形成され、軸方向着磁マグネット側の側面１２ｂは中心軸に対して垂直な面である。楔形リング１２の断面形状は三角形状でも台形状でもよい。楔形リング１２の材質としては非磁性体を使用するのが望ましい。当然のことながら、軸方向着磁マグネット６Ａ、６Ｃ、６Ｅの断面は矩形で良いが、分割マグネット６Ｂ、６Ｄと同様な上底が下底より短い台形状としてもよい。この場合には、楔形リング１２の両側面にテーパ面を形成する必要がある。

なお、外側マグネットアレー５については、分割マグネットの飛び出しという課題がないので、軸方向着磁マグネット５Ａ、５Ｃ、５Ｅ及び半径方向着磁マグネット５Ｂ、５Ｄの断面形状は、従来と同様に矩形でよい。

さらに、内筒４には、内側マグネットアレー６の半径方向着磁マグネット６Ｂ、６Ｄと軸方向着磁マグネット６Ａ、６Ｃ、６Ｅとを軸方向に圧着するための固定手段１３が設けられている。この実施例の固定手段１３は、内側マグネットアレー６の左端側を支えるために内筒４の左端部外周に形成された円環状のフランジ部４ａと、内筒４の右端部に形成された外周に雄ねじ４ｃを有する軸部４ｂと、雄ねじ４ｃに螺合するナット（締結具）９とで構成されている。内筒４の軸部４ｂを側部材３ａの貫通孔３ｂに挿通し、外部に突出した軸部４ｂの雄ねじ４ｃにナット９を締結することにより、内側マグネットアレー６の軸方向両側をフランジ部４ａと側部材３ａとで圧着固定している。貫通孔３ｂは外筒３と同軸に形成されているため、内筒４は外筒３と同軸上に正確に固定される。なお、この実施例のナット９は、内側マグネットアレー６を軸方向に圧着するための締結具と、内筒４を外筒３（側部材３ａ）に固定するための締結具とを兼ねているが、個別の締結具を用いても良い。

固定手段１３が発生する軸方向の圧着力と、分割マグネット６Ｂ、６Ｄの傾斜面６０、６１及び楔形リング１２のテーパ面１２ａとの相互作用によって、分割マグネット６Ｂ、６Ｄは内径方向に付勢される。図４に示す力Ｆ_Aは、固定手段１３による軸方向圧着力であり、力Ｆ_Rは分割マグネット６Ｂ、６Ｄに加わる内径方向の力である。上述のように、固定手段１３の軸方向圧着力Ｆ_Aによって、軸方向に積層したマグネット６Ａ〜６Ｅと４枚の楔形リング１２とが軸方向に強固に圧着するため、接着剤が破壊しても分割マグネット６Ｂ、６Ｄの飛び出しを防ぐことができる。しかも、分割マグネット６Ｂ、６Ｄの傾斜面６０、６１と楔形リング１２のテーパ面１２ａとによって、分割マグネット６Ｂ、６Ｄには内径方向の力Ｆ_Rが作用するので、分割マグネット６Ｂ、６Ｄの外周方向への飛び出しを一層効果的に防止できる。

−第２実施例−
図５は、本発明のボイスコイルモータの第２実施例を示す。第１実施例と同一又は対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。

この実施例では、内側マグネットアレー６の半径方向着磁マグネット（分割マグネット）６Ｂ、６Ｄの断面形状を第１実施例と同様に、上底が下底より短い台形にすると共に、隣接するリング状の軸方向着磁マグネット６Ａ、６Ｃ、６Ｅの断面形状を、上底が下底より長い台形にする。すなわち、分割マグネット６Ｂ、６Ｄの軸方向両側面を傾斜面６０、６１とし、これと対向する軸方向着磁マグネット６Ａ、６Ｃ、６Ｅの側面にテーパ面６２を設けてある。この場合も、第１実施例と同様に、締結具（ナット）９の締め付け力によって分割マグネット６Ｂ、６Ｄが内径方向に押されるので、分割マグネット６Ｂ、６Ｄの飛び出しを防ぐことができる。この実施例では、第１実施例のような楔形リング１２を必要としないので、内側マグネットアレー６の構成部品を少なくできる。

−第３実施例−
図６、図７は、本発明のボイスコイルモータの第３実施例を示す。第１実施例と同一又は対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この実施例では、複数個の半径方向に着磁された分割マグネット６Ｂ、６Ｄをリング状に組み上げて、その外周を肉厚の薄い非磁性チューブ１４で取り囲んでいる。なお、半径方向着磁マグネット（分割マグネット）６Ｂ、６Ｄの断面形状及び軸方向着磁マグネット６Ａ、６Ｃ、６Ｅの断面形状を台形にする必要はなく、一般的な矩形で良い。

これによって、内側マグネットアレー６の半径方向着磁マグネット６Ｂ、６Ｄを構成する分割マグネットの外周方向への飛び出しを効果的に防止できる。チューブ１４は非磁性体であるから、半径方向着磁マグネット６Ｂ、６Ｄ及び軸方向着磁マグネット６Ａ、６Ｃ、６Ｅが発生する磁界を乱すことがない。なお、チューブ１４が内径方向への収縮力を有している場合には、温度変化や振動などによる分割マグネットのずれをより確実に防止できる。また、チューブ１４はできるだけ肉厚が薄く、かつコイルボビン７との摺動性に優れた材料が望ましい。

−第４実施例−
図８は、本発明のボイスコイルモータの第４実施例を示す。第１実施例と同一又は対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この実施例では、固定手段１３として、側部材３ａの貫通孔３ｂの内周に雌ねじ３ｃを形成し、この側部材３ａの雌ねじ３ｃに内筒４の雄ねじ部４ｃを螺着することで、内側マグネットアレー６を軸方向に圧着したものである。この場合は、側部材３ａが締結具を兼ねることになる。

図８では、半径方向着磁マグネット（分割マグネット）６Ｂ、６Ｄ及び軸方向着磁マグネット６Ａ、６Ｃ、６Ｅの断面形状は矩形であるが、第１、第２実施例のような台形としてもよいし、第３実施例のように非磁性チューブ１４で取り囲んでも良い。

−第５実施例−
図９は、本発明のボイスコイルモータの第５実施例を示す。第１実施例と同一又は対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この実施例では、固定手段１３として、内筒４の右端側にフランジ部４ａを形成し、内筒４の左端側に雄ねじ部４ｃを形成してある。内筒４を側部材３ａの貫通孔３ｂに右方向から挿入し、フランジ部４ａを側部材３ａの右側面に当接させた後、内側マグネットアレー６を内筒４の外周に左方向から挿通し、ワッシャ１５を介して締結具９を雄ねじ部４ｃに螺着することにより、内側マグネットアレー６を軸方向に圧着したものである。この場合も、締結具９を締め付けることにより、内側マグネットアレー６の圧着と、内筒４と側部材３ａとの固定とを同時に行うことができる。

−第６実施例−
図１０は、本発明のボイスコイルモータの第６実施例を示す。第１実施例と同一又は対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この実施例では、固定手段１３として、内筒４の右端側に側部材を兼ねるフランジ部４ａを形成し、内筒４の左端側に雄ねじ部４ｃを形成してある。まず内側マグネットアレー６を内筒４の外周に嵌合し、ワッシャ１５を介して締結具９を雄ねじ部４ｃに螺着することにより、内側マグネットアレー６を内筒４に固定する。その後、内筒４のフランジ部４ａの外周に、内つば３ｄがフランジ部４ａの外側面に当接するまで外筒３を挿通することにより、外筒３と内筒４とを組み付けることができる。この場合には、内筒４と外筒３とを組み付ける前に、内側マグネットアレー６を内筒４に固定することが可能になるので、内筒４と外筒３との組み付け作業が一層容易になる。

−他の変形例−
上述のように第１〜第６実施例を示したが、ほんの数例を示したに過ぎず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。また、第１〜第６実施例の特徴を組み合わせて、新たな実施例を構成することもできる。例えば、図６に記載の非磁性チューブ１４を、図２や図５の実施例に適用することもできる。

本発明におけるサーボ弁とは、電気入力信号に応じて流体圧又は出力流量を制御する弁の総称であり、油圧、水圧あるいは空圧のいずれでも使用可能である。本発明のサーボ弁は負荷装置に直接接続されている必要はなく、例えば本発明をパイロット弁に用いて大流量タイプのサーボ弁を構成することも可能である。本発明のサーボ弁は、例えばリニアソレノイド弁として構成することもできる。その場合、弁本体のポートは図１のような構造に限らず、例えば出力ポートを間にしてその両側に入力ポートとドレーンポートとを備えた構成としてもよい。さらに、出力ポートから出力圧がフィードバックされるフィードバックポートを一方側に備えていてもよい。

実施例では、ボイスコイルモータのコイルボビン７とスプール３４とを機械的に結合したが、コイルボビンとスプールとを当接させるようにばねで付勢してもよい。

第１〜第５実施例では、内側マグネットアレー６を軸方向に圧着する固定手段１３が、内筒４を外筒３（側部材３ａ）に固定するための固定手段を兼ねる例を示したが、第６実施例のように両者は別であってもよい。つまり、内側マグネットアレー６を軸方向に圧着する固定手段と、内筒４を外筒３に固定するための固定手段とを別に設けることも可能である。

実施例では、側部材３ａ、４ａが外筒３又は内筒４に一体に形成（又は固定）された例を示したが、外筒３及び内筒４と別体であってもよい。

例えば、締結具９と側部材３ａとの間、締結具９と内側マグネットアレー６との間、又はフランジ部４ａと内側マグネットアレー６との間にばね座金や板ばねなどのばね部材を配置し、温度変化による内側マグネットアレー６の熱膨張の影響を軽減するようにしてもよい。

内筒４のフランジ部４ａは、内筒４に一体に形成されたものに限らず、内筒４の外周に例えばスナップリングのような別部材を装着することで、フランジ部としてもよい。内筒は全体が筒形状である必要はなく、一部が中実形状であってもよい。実施例では、内筒４の内周にばね受けネジ１０が螺合しており、このネジ１０によってコイルボビン７の中立位置、つまりスプール３４の中立位置を外部から調整可能としたが、ネジ１０は必要に応じて設けられる。

第１実施例では楔形リング１２を使用したが、楔形リング１２に代えて一定厚みの非磁性リング部材を用いてもよい。その場合には、分割マグネットの少なくとも一方の軸方向側面に周方向の段差面又は溝を形成し、この段差面又は溝にリング部材を嵌合させ、固定手段の圧着力によりリング部材を分割マグネットと軸方向着磁マグネットとの間で圧着してもよい。この場合も、リング部材によって分割マグネットの外周方向への飛び出しを防止できる。

１ サーボ弁
２ ボイスコイルモータ
３ 外筒
３ａ 側部材
３ｂ 貫通孔
４ 内筒
４ａ フランジ部
４ｂ 軸部
４ｃ 雄ねじ
５ 外側マグネットアレー
５Ａ、５Ｃ、５Ｅ 軸方向着磁マグネット
５Ｂ、５Ｄ 半径方向着磁マグネット
６ 内側マグネットアレー
６Ａ、６Ｃ、６Ｅ 軸方向着磁マグネット
６Ｂ、６Ｄ 半径方向着磁マグネット（分割マグネット）
７ コイルボビン
８ａ、８ｂ コイル
９ 締結具（ナット）
１２ 楔形リング
１３ 固定手段
３０ 弁本体
３４ スプール
３６ 検出用マグネット
３８ 変位検出用ホール素子
３９ 速度検出用コイル

第１実施例では楔形リング１２を使用したが、楔形リング１２に代えて一定厚みのリング部材を用いてもよい。その場合には、分割マグネットの少なくとも一方の軸方向側面に周方向の段差面又は溝を形成し、この段差面又は溝にリング部材を嵌合させ、固定手段の圧着力によりリング部材を分割マグネットと軸方向着磁マグネットとの間で圧着してもよい。この場合も、リング部材によって分割マグネットの外周方向への飛び出しを防止できる。

Claims (9)

1. リング状の半径方向着磁マグネットと軸方向着磁マグネットとを、その中心軸を含む面内において磁極が９０度ずつ回転するよう、軸方向に積層した外側マグネットアレーと、
   前記外側マグネットアレーの半径方向着磁マグネットと同じ向きの磁極を有するリング状の半径方向着磁マグネットと前記外側マグネットアレーの軸方向着磁マグネットと逆向きの磁極を有するリング状の軸方向着磁マグネットとを、軸方向に積層した内側マグネットアレーと、
   前記外側マグネットアレーの外周を支持する外筒と、
   前記内側マグネットアレーの内周を支持する内筒と、
   前記外筒及び前記内筒の少なくとも軸方向一端側同士を連結する側部材と、
   前記外側マグネットアレーと前記内側マグネットアレーとの間の環状空間に、軸方向に移動自在に配置されたコイルと、を備え、
   前記コイルへ電流を供給することにより前記コイルを軸方向に作動させるボイスコイルモータにおいて、
   前記内側マグネットアレーの前記軸方向着磁マグネットは、一体のリング状マグネットであり、
   前記内側マグネットアレーの前記半径方向着磁マグネットは、周方向に分割された複数の分割マグネットで構成されており、
   前記内側マグネットアレーの半径方向着磁マグネットと軸方向着磁マグネットとを軸方向に圧着固定する固定手段が設けられていることを特徴とする、ボイスコイルモータ。
2. 前記分割マグネットの少なくとも一方の軸方向側面に傾斜面を形成し、
   前記分割マグネットの傾斜面と前記軸方向着磁マグネットの対向面との間に、内径側よりも外径側が厚肉な楔形リングを配置し、
   前記固定手段の軸方向の圧着力により前記分割マグネットは内径方向に付勢されてい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. 前記分割マグネットの少なくとも一方の軸方向側面に傾斜面を形成し、
   前記分割マグネットの傾斜面と接触する前記軸方向着磁マグネットの対向面に、前記傾斜面と対応した傾きのテーパ面を形成し、
   前記固定手段の軸方向の圧着力により前記分割マグネットは内径方向に付勢されてい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。
4. 前記内側マグネットアレーの半径方向着磁マグネットと軸方向着磁マグネットとの外周を連続的に取り囲む非磁性のチューブを設けたことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載のボイスコイルモータ。
5. 前記固定手段は、
   前記内側マグネットアレーの軸方向一端側を支えるため前記内筒の軸方向一端側に設けられたフランジ部と、
   前記内筒の軸方向他端側に設けられたねじ部と、
   前記ねじ部に螺合し、前記内側マグネットアレーの軸方向他端側を加圧する締結具とを備え、
   前記締結具を締め付けることにより、前記フランジ部と前記締結具との間で前記内側マグネットアレーを軸方向に圧着することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のボイスコイルモータ。
6. 前記固定手段は、
   前記内側マグネットアレーの軸方向一端側を支えるため前記内筒の軸方向一端側に設けられたフランジ部と、
   前記内筒の軸方向他端側に設けられた外周に雄ねじを有する軸部と、
   前記軸部を挿通するために前記側部材に設けられた貫通孔と、
   前記軸部の雄ねじに螺合する締結具とを備え、
   前記締結具を締め付けることにより、前記フランジ部と前記締結具との間で前記内側マグネットアレー及び前記側部材を軸方向に圧着することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のボイスコイルモータ。
7. 前記外筒、前記内筒及び前記側部材はそれぞれ磁性体からなり、
   前記外筒から前記側部材を介して前記内筒へと連続した磁路を構成している、請求項１〜６のいずれか１項に記載のボイスコイルモータ。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のボイスコイルモータと、複数のポートを有する弁本体と、前記弁本体に軸方向移動自在に配置されたスプールとを備え、前記ボイスコイルモータによって前記スプールをその軸方向に駆動し、前記ポート間の連絡通路を切り替える直動型サーボ弁。
9. 前記スプールの一方の軸方向端部に検出用マグネットを固定し、その近傍の固定位置にホール素子とコイルとを設け、前記ホール素子とコイルとによって前記スプールの変位と速度を検出し、その検出信号をフィードバック信号として取り出すことを特徴とする、請求項８に記載の直動型サーボ弁。

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