JP2018019532A - 可動コイル型ボイスコイルモータ - Google Patents

Abstract

【課題】渦電流の発生を防止するためのショートリングを設けた場合であっても永久磁石の製造コストを抑えることができ、さらに永久磁石の上下面に発生する渦電流が防止された可動コイル型ボイスコイルモータを提供する【解決手段】円筒状又は円柱状のセンターヨークと、その径方向に磁界を印加するようセンターヨークの外周面に対向して空隙部を設けて円筒状に配置された複数の永久磁石と、複数の永久磁石の外周に配置され、複数の永久磁石を固定する円筒状のサイドヨークと、センターヨークとサイドヨークとを磁気的に結合するボトムヨークと、空隙部に軸方向に移動可能に配置されたコイルと、センターヨークの外周面に設けられた非磁性の導電リングと、複数の永久磁石のセンターヨークと対向する磁極面、上面及び下面を覆うように設けられた非磁性の導電板とを有することを特徴とする可動コイル型ボイスコイルモータ。【選択図】図１

Description

本発明は、渦電流を低減し、製造容易な磁石形状を実現できる可動コイル型ボイスコイルモータに関する。

加振機などに使用される大型の可動コイル型ボイスコイルモータ（VCMとも言う。）は大電流を用いて制御され、その制御電流の大きさ及び制御周波数に比例して、VCMに使用されている磁気回路に発生する渦電流も大きくなる。大きな渦電流が発生することにより、制御性に影響を及ぼすだけでなく、渦電流による発熱により磁気回路が加熱され、磁気回路が性能低下を引き起こすため、磁気回路を冷却するための様々な冷却方法が検討されている。

磁気回路で発生する渦電流により発生した熱やコイルで発生した熱（銅損）は、磁気回路にファンを設置し空冷によって除去する方法が一般的に行なわれている。また、VCMでは、応答性を向上するため、ショートリングと言われる銅製の部材を磁気回路の磁性体表面に配置し、渦電流の発生を抑制している。しかしながら、大推力が必要な大型加振機などで使用されるVCMでは、磁気回路も発生推力に比例して大きくなるため、このショートリングも大口径になる。ショートリングは円柱状の銅の素材から薄肉のリング形状の一体物の部品として製作するため、VMCの大型化に伴い製作費用の増大を招いている。

特開2014−74612号（特許文献１）は、円筒状のヨーク部材と円盤状のボトムプレートと円柱状のセンターヨークとを有し、円筒状のヨーク部材と円柱状のセンターヨークとは夫々の一端側で円盤状のボトムプレートに接合され、円筒状のヨーク部材のセンターヨーク対向面側には径方向に磁化したリング状の磁石が配置されており、磁石とセンターヨークとの間にはコイルが配置され、コイルに流した電流と磁石とによる磁界の相互作用により、コイルを軸方向に駆動する可動コイル型ボイスコイルモータを開示している。特許文献１に記載の可動コイル型ボイスコイルモータのセンターヨーク外周面及びリング状磁石内周面には、コイルの立ち上がり特性を改善するための銅製のショートリングが密着して配置されている。

ここでショートリングはコイルにより発生した磁界の変化による渦電流がヨークや磁石表面にて発生しないように、導電性の高い銅などの金属材料からなる薄板等をコイルの近傍でありヨークや磁石の表面に貼りつけたものである。銅などの薄板の機械的強度を確保するため、銅のリングはセンターヨークの外周面に沿う様に配置されるとともに、リング状の磁石の内周面に沿うように配置される。このためリング磁石の内周面は、図９に示すように、円弧状に研削加工する必要がある。しかしながら、磁石を円弧状に研削加工することは、専用の加工砥石の作製が必要であり、コストの上昇を招く。また、特許文献１に記載されたショートリングでは、永久磁石の上下面に発生する渦電流に対しての防止効果がなく、さらなる改良が望まれている。

特開2014−74612号公報

従って、本発明の目的は、渦電流の発生を防止するためのショートリングを設けた場合であっても永久磁石の製造コストを抑えることができ、さらに永久磁石の上下面に発生する渦電流が防止された可動コイル型ボイスコイルモータを提供することである。

上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者らは、センターヨークと、前記センターヨークの外周面に対向して円筒状に配置された永久磁石とを有する可動コイル型ボイスコイルモータにおいて、複数の前記永久磁石を円筒状に配置して構成し、各永久磁石の磁極面、上面及び下面を覆うように非磁性の導電板を設けることにより、前記センターヨークに対向する磁極面を円弧状に加工する必要がなくなり、さらに永久磁石の上下面に発生する渦電流を防止できることを見出し、本発明に想到した。

すなわち、本発明の可動コイル型ボイスコイルモータは、
円筒状又は円柱状のセンターヨークと、
前記センターヨークの径方向に磁界を印加するよう前記センターヨークの外周面に対向して空隙部を設けて円筒状に配置された複数の永久磁石と、
前記複数の永久磁石の外周に配置され、前記複数の永久磁石を固定する円筒状のサイドヨークと、
前記センターヨークの軸方向端部を前記サイドヨークに磁気的に結合するボトムヨークと、
前記空隙部に軸方向に移動可能に配置されたコイルと、
前記複数の永久磁石の磁極面と対向する前記センターヨークの外周面に設けられた非磁性の導電リングと、
前記複数の永久磁石のそれぞれに、前記センターヨークと対向する磁極面、上面及び下面を覆うように設けられた非磁性の導電板と
を有することを特徴とする。

前記永久磁石は、軸方向視で台形状又は矩形形状であるのが好ましい。

前記永久磁石は、ラジアル方向に分割された複数の部分からなるのが好ましい。

前記非磁性の導電板は前記サイドヨークを覆うよう設けられているのが好ましい。

前記永久磁石のそれぞれに設けられた前記非磁性の導電板は、導通部材によって電気的に接続されているのが好ましい。

前記サイドヨークの内周面は前記複数の永久磁石の数に合わせた多角形であるのが好ましい。

前記永久磁石が取り付けヨークを介してサイドヨークに固定されているのが好ましい。

前記取り付けヨークは円弧状の外周面を有するのが好ましい。

本発明の可動コイル型ボイスコイルモータは、従来、一体で製作されていたショートリングを分割構成にしたことにより、ショートリングの製造コストが低減できるとともに、最適なショートリングの設計が容易に行えるようになる。

さらに、磁気回路に使用する永久磁石の形状も従来、ショートリングの固定強度を確保するために、シヨートリングに沿った形状（円弧状）にする必要があったが、ショートリングを分割構成することにより、永久磁石の形状の一部を円弧状にする必要がなくなり、矩形形状で製作することが可能となり、また永久磁石の円弧状部分の製作に必要な砥石の必要がなくなるため、安価な永久磁石で磁気回路を構成することが可能となる。これにより、可動コイル型ボイスコイルモータの製造コストの大幅な削減が可能となる。

分割構成するショートリングは、各永久磁石の形状に合わせた形状にし、例えば、永久磁石を固定するヨークの側面でネジ止め等にて固定することができる。この構成にすることで、従来構成ではできなかった、永久磁石の上下面をコイル磁界が通過するときに生じる渦電流の発生も抑制することが可能となり、磁気回路の発熱を抑えることが可能となる。

本発明の可動コイル型ボイスコイルモータの一例を示す(a)正面図、及び(b)A-A切断端面図である。 本発明の可動コイル型ボイスコイルモータの他の一例を示す(a)正面図、及び(b)B-B切断端面図である。 本発明の可動コイル型ボイスコイルモータのさらに他の一例を示す(a)正面図、及び(b)C-C切断端面図である。 図3の可動コイル型ボイスコイルモータの１つの磁石部分を抜き出して示す(a)正面図、及び(b)D-D切断端面図である。 本発明の可動コイル型ボイスコイルモータのさらに他の一例を示す(a)正面図、及び(b)E-E切断端面図である。 本発明の可動コイル型ボイスコイルモータのさらに他の一例を示す(a)正面図、及び(b)F-F切断端面図である。 (a)図5の可動コイル型ボイスコイルモータの１つの磁石部分を抜き出して示す模式図、及び(b)図6の可動コイル型ボイスコイルモータの１つの磁石部分を抜き出して示す模式図である。 本発明の可動コイル型ボイスコイルモータを組み立てる方法を示す模式図である。 従来の可動コイル型ボイスコイルモータの一例を示す(a)正面図、及び(b)G-G切断端面図である。

[1] 可動コイル型ボイスコイルモータ
(1)従来の可動コイル型ボイスコイルモータ
従来の可動コイル型ボイスコイルモータを図9に示す。従来の可動コイル型ボイスコイルモータ9は、円柱状のセンターヨーク10と、前記センターヨーク10の径方向に磁界を印加するよう前記センターヨーク10の外周面に対向して空隙部20を設けて円筒状に配置された複数の永久磁石39と、前記複数の永久磁石39の外周に配置され、前記複数の永久磁石39を固定する円筒状のサイドヨーク49と、前記センターヨーク10の軸方向端部を前記サイドヨーク49に磁気的に結合するボトムヨーク50と、前記空隙部20に軸方向に移動可能に配置されたコイル60と、前記複数の永久磁石39の磁極面39aと対向する前記センターヨーク10の外周面に設けられた非磁性の導電リング70と、前記複数の永久磁石39の前記センターヨーク10と対向する磁極面39aに設けられた非磁性の導電リング89とを有する。

永久磁石39は、フェライト系焼結磁石又はNd-Fe-B系焼結磁石等の希土類系磁石からなるのが好ましい。複数の永久磁石39は、円筒状に配置したときに全体としてラジアル異方性を有するように構成されており、例えばセンターヨーク10に対向する側（磁極面39a側）がN極でサイドヨーク49側端面39dがS極となるように着磁されている。センターヨーク10及びサイドヨーク49は、軟鉄や鋼等の強磁性体で形成されているとともに、コイル60は、複数の永久磁石39の磁極面39aとそれに対向するセンターヨーク10の外周面との間の磁束と鎖交する向きに巻回されている。コイル60に交流電流を給電すると、複数の永久磁石39の磁極面39aとそれに対向するセンターヨーク10の外周面との間の磁界中でコイル60が上下に振動する。このコイル60に接続された可動台（図示せず）等に被試験体（図示せず）を配置することにより、被試験体の振動試験を行うことができる。

従来の可動コイル型ボイスコイルモータ9は、渦電流の発生を抑制するために、センターヨーク10の外周面及び永久磁石39のセンターヨーク10と対向する磁極面39aに、それぞれ円環状の非磁性の導電リング70及び導電リング89が設けられている。このため、各永久磁石39のセンターヨーク10と対向する磁極面39aは円弧状に加工されている。さらに複数の永久磁石39は円弧状の内周面を有するサイドヨーク49に固定されているため、各永久磁石39のサイドヨーク49側端面39dも円弧状に加工されている。このように永久磁石39の磁極面39a及び端面39dを円弧状に研削加工することは、専用の加工砥石の作製が必要であり、コストの上昇を招く。また、従来の可動コイル型ボイスコイルモータ9は、永久磁石39の上面39b及び下面39cに発生する渦電流に対しての低減効果がない。

(2)本発明の可動コイル型ボイスコイルモータ
(a)第1実施形態
本発明の可動コイル型ボイスコイルモータの第1実施形態を図1に示す。本発明の可動コイル型ボイスコイルモータ1は、円柱状のセンターヨーク10と、前記センターヨーク10の径方向に磁界を印加するよう前記センターヨーク10の外周面に対向して空隙部20を設けて円筒状に配置された複数の永久磁石30と、前記複数の永久磁石30の外周に配置され、前記複数の永久磁石30を固定する円筒状のサイドヨーク40と前記センターヨーク10の軸方向端部を前記サイドヨーク40に磁気的に結合するボトムヨーク50と、前記空隙部20に軸方向に移動可能に配置されたコイル60と、前記複数の永久磁石30の磁極面30aと対向する前記センターヨーク10の外周面に設けられた非磁性の導電リング70と、前記複数の永久磁石30のそれぞれに、前記センターヨーク10と対向する磁極面30a、上面30b及び下面30cを覆うように設けられた非磁性の導電板80とを有することを特徴とする。

本発明の可動コイル型ボイスコイルモータ1は、永久磁石の形状が異なる点、導電リング89の代わりに非磁性の導電板80を用いる点及び多角形の内周面を構成するサイドヨーク40を用いた点以外は、従来の可動コイル型ボイスコイルモータ9と基本構造は同様である。

可動コイル型ボイスコイルモータ1は、円柱状のセンターヨーク10に対向するように、平面視（可動コイル型ボイスコイルモータ1の軸方向視）で台形の永久磁石30を20個円筒状に配列させ、永久磁石30とセンターヨーク10との間をサイドヨーク40及びボトムヨーク50を介して磁気的に結合して、磁気回路を形成して構成される。永久磁石30のセンターヨーク10に対向する側の磁極（図ではN極）は平坦面であり、もう一方の磁極（図ではS極）は、永久磁石30の個数（例では20個）に合わせた多角形の内周面を構成するサイドヨーク40に固定されている。図1に示す可動コイル型ボイスコイルモータ1は、円柱状のセンターヨーク10を用いて構成されているが、センターヨーク10の形状は円筒状であっても良い。

各永久磁石30のセンターヨーク10と対向する磁極面30a、上面30b及び下面30cには、非磁性の導電板80（例えば、銅板）が貼り付けられており、従来の可動コイル型ボイスコイルモータに用いる磁気回路のショートリングと同様に、渦電流の低減効果を発揮する。各永久磁石30において、磁極面30a、上面30b及び下面30cを覆う非磁性の導電板80は一体に形成されるのが好ましい。図1においては非磁性の導電板80はサイドヨーク40の上端面をほぼ全て覆うように設けられている。また永久磁石30とそれに隣接する永久磁石30にそれぞれ設けられた非磁性の導電板80,80同士は接触し導通している。渦電流は平面視で可動コイル型ボイスコイルモータ1の周方向に流れようとするため、隣接する非磁性の導電板80,80同士を導通することにより渦電流が周回して流れる様に構成する。

(b)第2実施形態
本発明の可動コイル型ボイスコイルモータの第2実施形態を図2に示す。なお図2(b)に示すB-B切断端面図は、永久磁石31が存在する部分（図の右側）と存在しない部分（図の左側）とを示した。第2実施形態の可動コイル型ボイスコイルモータ2は、平面視で台形の永久磁石30の代わりに平面視で矩形の永久磁石31を使用し、前記永久磁石31のそれぞれに、磁極面31a（センターヨーク10に対向する側）、上面31b及び下面31cを覆うように非磁性の導電板81を設け、さらに各導電板81を電気的に接続する導通ワイヤ81aを設けた以外、第1実施形態の可動コイル型ボイスコイルモータ1と同様である。図２においては非磁性の導電板81はサイドヨーク40の上端面の一部を覆うように設けられている。

第1実施形態の可動コイル型ボイスコイルモータ1と同様、渦電流は平面視で可動コイル型ボイスコイルモータ2の周方向に流れようとするため、隣接する非磁性の導電板81,81同士を導通ワイヤ81aで導通することにより渦電流が周回して流れる様に構成する。第2実施形態の可動コイル型ボイスコイルモータ2は、永久磁石31として平面視矩形のものを使用しているため、さらにコストの削減を図ることができる。なお導通ワイヤと表記したがワイヤにとらわれず導電性を有する板状あるいは棒状の導通部材を円環状に構成しても良い。隣り合う導電板がそれぞれ導通することで周回する全ての導電板が導通していれば良い。

(c)第3実施形態
本発明の可動コイル型ボイスコイルモータの第3実施形態を図3に示す。第3実施形態の可動コイル型ボイスコイルモータ3は、平面視で台形の永久磁石30の代わりに平面視で矩形部分と台形部分とが結合した形状の永久磁石32を使用し、永久磁石32とサイドヨーク41との間に平面視台形の取り付けヨーク90を永久磁石32ごとに設け、前記永久磁石32のそれぞれに、前記永久磁石32の磁極面32a（センターヨーク10に対向する側）、上面32b及び下面32c並びに取り付けヨーク90の上面90a及び下面90bを覆うように非磁性の導電板82を設け、サイドヨーク40の取付ヨーク90に対向する側に段差部を設けた以外、第1実施形態の可動コイル型ボイスコイルモータ1と同様である。なお、前記第3実施形態においては、サイドヨーク40の取付ヨーク90に対向する側に段差部を設ける構成としたが、図1に示す第1実施形態及び図2に示す第2実施形態のように段差部を設けない構成としてもよい。段差部を設けない構成とした場合は、後述する図6に示す第5実施形態のような構成となる。

図4は可動コイル型ボイスコイルモータ3に用いる磁石ユニット132を示す。磁石ユニット132は、永久磁石32と、永久磁石32に結合された取り付けヨーク90と、前記永久磁石32の磁極面32a（センターヨーク10に対向する側）、上面32b及び下面32c並びに取り付けヨーク90の上面90a及び下面90bを覆うように設けられた非磁性の導電板82とからなる。前記永久磁石32は、平面視でセンターヨーク10と対向する側にテーパが形成された永久磁石321と矩形状の永久磁石322とを貼り合わせて形成されたものである。このように２つの部分からなる永久磁石32を使用することにより、比較的小型の磁石素材を用いて可動コイル型ボイスコイルモータの磁気回路を構成することが可能となる。

また各永久磁石32とサイドヨーク41との間に平面視台形の取り付けヨーク90を設けることで、磁気回路の組立てを容易にするとともに、取り付けヨーク90を有することで組立時の永久磁石32とサイドヨーク41との接触による永久磁石32の割れや欠けを防止することが可能となる。なお取り付けヨーク90と永久磁石32との接合は接着によるものでも良いが、永久磁石32及び取り付けヨーク90にそれぞれアリ溝及びアリほぞを設けて接合しても良い。

(d)第4実施形態
本発明の可動コイル型ボイスコイルモータの第4実施形態を図5に示す。第4実施形態の可動コイル型ボイスコイルモータ4は、永久磁石321と永久磁石322とを貼り合わせてなる永久磁石32の代わりに、一体で作製した永久磁石33を使用した以外、第3実施形態の可動コイル型ボイスコイルモータ3と同様である。

(e)第5実施形態
本発明の可動コイル型ボイスコイルモータの第5実施形態を図6に示す。第5実施形態の可動コイル型ボイスコイルモータ5は、円弧状の外周面を有する取り付けヨーク91を使用し、断面円形の内周面を有するサイドヨーク42を使用した以外、第4実施形態の可動コイル型ボイスコイルモータ4と同様である。

図7(a)は第4実施形態の可動コイル型ボイスコイルモータ4に用いる磁石ユニット133を示し、図7(b)は第5実施形態の可動コイル型ボイスコイルモータ5に用いる磁石ユニット233を示す。図7に示すように、可動コイル型ボイスコイルモータ4の外周面が平面状である取り付けヨーク90に対して、可動コイル型ボイスコイルモータ5の取り付けヨーク91は、外周面が円弧状になるように形成したものである。このように取り付けヨーク91の外周面を円弧状に形成することにより、サイドヨーク42の内周面を断面円形に形成することができ、第4実施形態の可動コイル型ボイスコイルモータ4の断面多角形の内周面を有するサイドヨーク41に比べてサイドヨーク42の内周面の加工が容易となる。

[2] 可動コイル型ボイスコイルモータの組立過程
第5実施形態の可動コイル型ボイスコイルモータ5の組立過程を図8に示す。図7(b)に示す着磁後の磁石ユニット233を組立治具（図示せず）を用いてサイドヨーク42の内周面側に接着又は機械的に固定する。磁石ユニット233は、永久磁石33と、永久磁石33に結合された取り付けヨーク91と、永久磁石33の磁極面33a（センターヨーク10に対向する側）、上面33b及び下面33c並びに取り付けヨーク91の上面91a及び下面91bを覆うように設けられた非磁性の導電板82とからなる。非磁性の導電板82は、例えば銅板からなり、永久磁石33及び取り付けヨーク91に接着固定したものでも良いし機械的に固定したものでも良い。

1、2、3、4、5・・・可動コイル型ボイスコイルモータ
9・・・従来の可動コイル型ボイスコイルモータ
10・・・センターヨーク
20・・・空隙部
30、31、32、33、39・・・永久磁石
321、322・・・永久磁石
30a、31a、32a、33a、39a・・・磁極面
30b、31b、32b、33b、39b・・・上面
30c、31c、32c、33c、39c・・・下面
40、41、42、49・・・サイドヨーク
50・・・ボトムヨーク
60・・・コイル
70・・・非磁性の導電リング
80、81、82、89・・・非磁性の導電板
81a・・・導通ワイヤ
90、91・・・取り付けヨーク
90a、91a・・・上面
90b、91b・・・下面
132、133、233・・・磁石ユニット

Claims (9)

1. 円筒状又は円柱状のセンターヨークと、
   前記センターヨークの径方向に磁界を印加するよう前記センターヨークの外周面に対向して空隙部を設けて円筒状に配置された複数の永久磁石と、
   前記複数の永久磁石の外周に配置され、前記複数の永久磁石を固定する円筒状のサイドヨークと、
   前記センターヨークの軸方向端部を前記サイドヨークに磁気的に結合するボトムヨークと、
   前記空隙部に軸方向に移動可能に配置されたコイルと、
   前記複数の永久磁石の磁極面と対向する前記センターヨークの外周面に設けられた非磁性の導電リングと、
   前記複数の永久磁石のそれぞれに、前記センターヨークと対向する磁極面、上面及び下面を覆うように設けられた非磁性の導電板と
   を有することを特徴とする可動コイル型ボイスコイルモータ。
2. 請求項１に記載のボイスコイルモータにおいて、
   前記永久磁石が軸方向視で台形状であることを特徴とする可動コイル型ボイスコイルモータ。
3. 請求項１に記載のボイスコイルモータにおいて、
   前記永久磁石が軸方向視で矩形形状であることを特徴とする可動コイル型ボイスコイルモータ。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載のボイスコイルモータにおいて、
   前記永久磁石が、ラジアル方向に分割された複数の部分からなることを特徴とする可動コイル型ボイスコイルモータ。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のボイスコイルモータにおいて、
   前記非磁性の導電板が前記サイドヨークを覆うよう設けられていることを特徴とする可動コイル型ボイスコイルモータ。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載のボイスコイルモータにおいて、
   前記永久磁石のそれぞれに設けられた前記非磁性の導電板が、導通部材によって電気的に接続されていることを特徴とする可動コイル型ボイスコイルモータ。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載のボイスコイルモータにおいて、
   前記サイドヨークの内周面が前記複数の永久磁石の数に合わせた多角形であることを特徴とする可動コイル型ボイスコイルモータ。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載のボイスコイルモータにおいて、
   前記永久磁石が取り付けヨークを介してサイドヨークに固定されていることを特徴とする可動コイル型ボイスコイルモータ。
9. 請求項８に記載のボイスコイルモータにおいて、
   前記取り付けヨークが円弧状の外周面を有することを特徴とする可動コイル型ボイスコイルモータ。

Images