JP2535636B2 - ボイスコイル型リニアモ―タ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は，磁気ディスク装置における磁気ヘッドの位
置決め手段等に使用されるボイスコイル型リニアモータ
に関し、特に磁気空隙内における磁束密度分布を改良し
たボイスコイル型リニアモータに関する。

〔従来の技術〕

従来からボイスコイル型リニアモータは構造が簡単で
あり，しかも高速直線運動の駆動源として優れているた
め多くの用途に使用されている。特に磁気ディスク装置
においては，磁気ヘッドを磁気ディスクの任意のトラッ
ク位置から他のトラック位置へ高速かつ高精度で移動さ
せることが必要であるため，磁気ヘッドの位置決め手段
として他の型式のモータよりもアクセスタイムの短いボ
イスコイル型リニアモータが多用されている。

一般にこのようなボイスコイル型リニアモータは，円
筒状外周ヨークと，センターヨークと，外周ヨークの内
周面に固着された永久磁石と，可動コイルとから構成さ
れている（例えば特公昭50−4241号，特開昭58−123361
号公報等参照）。

第６図は上記従来のボイスコイル型リニアモータの一
例を示す要部縦断面図である。第６図において１は外周
ヨークであり，軟鉄，鋼等の強磁性材料により中空円筒
状に形成する。２は後部ヨーク,3はセンターヨークであ
り，何れも前記外周ヨーク１と同様の強磁性材料によっ
て各々円板状および円柱状に形成する。そして外周ヨー
ク１の右端に後部ヨーク２を固着し，かつ後部ヨーク２
の中央部に外周ヨーク１と同軸的にセンターヨーク３を
固着する。次に４は永久磁石であり，半径方向に異方性
を有しかつ中空円筒状に形成して外周ヨーク１の内面に
固着する。永久磁石４と前記センターヨーク３との間に
形成される磁気空隙６内には，磁気ヘッドを支持するキ
ャリッジ（何れも図示せず）と接続されるべきボイスコ
イル７を設ける。ボイスコイル７は，例えばプラスチッ
ク等の絶縁材料からなるボビン８にコイル９を巻回して
形成する。

上記の構成により，ボイスコイル７を構成するコイル
９に電流を流すと，永久磁石４によって生ずる磁束線
（図中破線で示す）と電流とが直交するため，フレミン
グの左手の法則に基いてボイスコイル７は軸方向に直線
運動を行なう。この直線運動の向きはコイル９に流す電
流の向きを反転することによって変え得るので、ボイス
コイル７の前進および後退が可能となるのである。

上記構成のボイスコイル型リニアモータにおいて，永
久磁石４としては，アルニコ磁石，フェライト磁石若し
くは希土類コバルト磁石等が一般に使用されている。な
おボイスコイル型リニアモータにおいては，永久磁石４
の肉厚寸法が制限されて動作点を高く設定できない（磁
気回路の構成によって異なるが，パーミアンス係数は一
般に0.8〜３程度である）ので，保磁力の大なるフェラ
イト磁石若しくは希土類コバルト磁石を使用することが
必要となる。特に磁気ディスク装置の小型化および高性
能化に伴なって，同装置における駆動源としてのボイス
コイル型リニアモータに対しても上記同様の要請がある
ため，希土類コバルト磁石が使用されている（例えば特
開昭56−74077号公報参照）。更に近年に至っては，ボ
イスコイル型リニアモータのより一層の小型化および高
性能化が要求されるようになってきたため，磁気空隙６
内に高い磁束密度を得る目的でＲ−Fe−Ｂ系の永久磁石
（例えば特公昭61−34242号公報参照）を使用したボイ
スコイル型モータ若しくはリニアモータが使用されるよ
うになってきている（特開昭61−210862号，同61−2660
56号公報参照）。

〔発明が解決しようとする課題〕 上記のようなＲ−Fe−Ｂ系の永久磁石４は，半径方向
に異方性を有するものであるが，成形時における材料粉
末の充填密度の若干の相違が存在しても，着磁後の磁気
特性のバラツキが増大される傾向があり，永久磁石４の
円周方向における磁力のバラツキが発生し，これが磁気
空隙６内の磁束密度のバラツキとなって現われる。従っ
て軸線を含む平面の一方の側における推力と他方の側に
おける推力との相違が発生し，ボイスコイル７の直線運
動のリニアバランスを阻害するという問題点がある。

また上記のようなＲ−Fe−Ｂ系の材料による永久磁石
４は，軸方向長さの大なるものを製作することが困難で
あるため，通常は第６図に示すように軸方向に複数個
（例えば３個）に分割して成形し，外周ヨーク１内に接
合する構成としている。このため軸方向に永久磁石4,4
間の継目が存在することとなり，軸方向位置において磁
気空隙６内の磁束密度にバラツキ（８〜10％）を生じ，
ボイスコイル７の駆動性能が低下するという問題点があ
る。

更にＲ−Fe−Ｂ系材料によって形成した永久磁石４は
優れた磁気特性を有する反面において，大気中において
酸化し易い希土類元素（特にNd）と鉄を大量に含有する
ため，そのまま外周ヨーク１に固着すると，永久磁石４
の表面に酸化物が生成し，磁気空隙６内の磁束密度の低
下を招来する。このためＲ−Fe−Ｂ系の永久磁石４を使
用する場合には，その表面に種々の方法によって酸化防
止膜を形成するのが一般的である（例えば特開昭60−15
3109号，同61−130453号，同61−150201号公報等参
照）。しかしながら，ボイスコイル型リニアモータにお
いては，磁気空隙６は数mm程度の寸法に留まるため，上
記のように永久磁石４の表面に酸化防止膜を形成したと
しても，モータ組立時においてボビン８若しくはコイル
９と永久磁石４とが干渉して，永久磁石４に欠けが生ず
ることがある。このため組立作業が極めて煩雑であると
共に多大の工数と時間を要するという問題点も併存して
いる。

本発明は上記従来技術に存在する問題点を解消し，永
久磁石の円周方向および軸線方向における磁気空隙の磁
束密度のバラツキを大幅に低減させ，推力モーメントの
バラツキを解消し，推力リニアリティが優れたボイスコ
イル型リニアモータを提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために，本発明においては，強磁
性材料により中空円筒状に形成した外周ヨーク内に，強
磁性材料により円筒状に形成したセンターヨークを外周
ヨークと磁気的に結合して設け，外周ヨーク内面に半径
方向に異方性を有しかつ中空円筒状に形成した永久磁石
を固着し，この永久磁石と前記センターヨークとの間に
形成される磁気空隙内に中空円筒状に形成したコイルを
軸方向移動可能に設けてなるボイスコイル型リニアモー
タにおいて，永久磁石をＲ（ＲはNd,Pr,Dy等の希土類元
素の１種以上）−Fe−Ｂ系材料によって形成すると共
に、複数個の前記永久磁石を外周ヨークの内面に軸方向
に沿って固着した構成とし、これらの永久磁石の内面に
強磁性材料により肉厚0.4〜0.9mmの中空円筒状に形成し
た補助リングを固着する，という技術的手段を採用し
た。

本発明において永久磁石を構成するＲ−Fe−Ｂ系材料
中の希土類元素Ｒの含有量は10〜30原子％の範囲が望ま
しい。Ｒが10原子％より少ないと磁気特性（特に保磁
力）が低下し，一方30原子％より多いとＲリッチな非磁
性相が多くなり，残留磁束密度が低下するため好ましく
ない。この場合希土類元素Ｒとしては，通常Nd,Prのよ
うな希土類元素が使用されるが，特に資源的に豊富に存
在し，比較的安価なNdが最も一般的である。また保磁力
を向上させるために,Rの一部（１〜30％程度）をDy,Ho,
Tbのような重希土類元素で置換することができる。更に
ＲはLa,Ce,Sm,Gd,Er,Eu,Tm,Tb,Yのうち少なくとも１種
を含むことができる。

Feの含有量は65〜85原子％の範囲が望ましい。Feが65
原子％より少ないと残留磁束密度が低下し,85原子％よ
り多いと保磁力が低下するため好ましくない。

Ｂの含有量は２〜28原子％の範囲が望ましい。Ｂが２
原子％より少ないと保磁力が低下し,28原子％より多い
とＢリッチな非磁性相が多くなり，残留磁束密度が低下
するため好ましくない。

なお上記必須成分の他，製造上不可避の不純物（例え
ばO₂）が含まれる場合もある。またＲ−Fe−Ｂ系材料に
おいて公知の添加元素（例えばCo,Al,Ti等）を含有する
こともできる。このような添加元素は，例えば特開昭60
−162754号，同61−87825号公報に開示されている。

本発明における中空円筒状の永久磁石は，例えば次の
ようにして作製することができる。まずＲ−Fe−Ｂ系合
金を通常の方法でAr中若しくは真空中で溶解するが,Bは
フェロボロンとして添加してもよい。希土類元素は最後
に投入するのが好ましい。溶解後のインゴットの粉砕は
粗粉砕および微粉砕されるが，粗粉砕はスタンプミル，
ジョークラッシャー，ブラウンミル，ディスクミル等に
より，また微粉砕はジェットミル，振動ミル，ボールミ
ル等によって行なう。何れも酸化防止のために，非酸化
性雰囲気中において行ない，このため有機溶媒や不活性
ガスを使用するのが好ましい。粉砕後の粒径は２〜５μ
ｍ（Fischer Subsive Sizerによる測定）とするのがよ
い。上記のようにして作製した磁粉を磁場中成形装置に
よって所定の中空円筒状の成形体とする。この成形体を
次に焼結するのであるが，焼結はAr,He等の不活性ガス
中若しくは真空中または水素中において950〜1150℃の
温度で20分ないし２時間行なう。焼結後，必要に応じて
不活性ガス雰囲気中において熱処理を施す。好ましい熱
処理条件は500〜700℃において30分ないし３時間であ
る。最後に磁粉の配向方向（この場合は半径方向）と揃
えて着磁を行なう。着磁磁場強度は５〜30kOeの範囲が
よい。

〔作用〕

上記の構成により，永久磁石に円周方向および／また
は軸線方向の磁気特性のバラツキが存在しても，強磁性
材料からなる補助リングによって磁気空隙内における磁
束密度分布を均一化させ得るのである。

〔実施例〕

第１図は本発明の実施例を示す要部縦断面図であり，
同一部分は前記第６図と同一の参照符号で示す。第１図
において５は補助リングであり，例えば軟鉄，軟鋼等の
強磁性材料により中空円筒状に形成し，永久磁石４の内
面に固着する。なお本実施例においては，永久磁石４は
下記のようにして形成した。すなわち原子％において夫
々Nd13％,Dy2％,B7％,Fe78％からなる組成の合金を真空
溶解によって鋳造した後,N₂ガス雰囲気中において粗粉
砕および微粉砕を行ない，平均粒度３μｍの合金粉末を
得た。得られた合金粉末を磁場中成形装置により，成形
キャビティに半径方向に20kOeのパルス磁場を印加しな
がら1t/cm²の圧力でプレス成形した。次に真空中で1100
℃の温度で２時間焼結し,Arガス雰囲気中で600℃の温度
で１時間の熱処理を行なった。この焼結体の内外周を研
磨加工した後，着磁を行なって，外径99mm,内径92mm,長
さ23mmの中空円筒状の永久磁石４を得た。この永久磁石
４は，残留磁束密度Br＝11,000G,保持力_IH_C＝10,000 O
e,最大磁気エネルギー積（BH）max＝26MGOeの磁気特性
を示した。上記の永久磁石４を３個使用して第１図に示
すような磁気回路を組立てた。なお各ヨークは軟鉄によ
り形成し，外周ヨーク１の外径を117mm,センターヨーク
３は外径を84mm,内径を60mmとした。また鉄板からなる
補助リング５の肉厚を変えて，諸特性を評価した。

第２図（ａ）（ｂ）は各々永久磁石の軸方向位置と磁
気空隙の磁束密度との関係を示す図であり，右側は前記
第１図および第６図に示す後部ヨーク２の側である。ま
ず第２図（ｂ）に示すものは，第６図に示す従来構造の
ものであり，永久磁石４の軸方向位置によって磁気空隙
６内の磁束密度にバラツキが存在することが認められ
る。これに対して第２図（ａ）に示すものは，前記第１
図におけるように永久磁石４の内面に補助リング５（肉
圧0.9mm）を固着した構成にすることにより，永久磁石
４の軸方向位置によるバラツキが激減し，略直線に近い
磁束密度を示すものであることが認められる。すなわち
補助リング５の固着により，永久磁石4,4間の継目の影
響が殆どなくなることが明らかである。なお第２図
（ａ）（ｂ）における磁束密度は，第１図に示す外周ヨ
ーク１の開口部端面に，外周ヨーク１と同様の強磁性材
料からなるカウンターヨークを固着して（例えば実開昭
60−82979号公報参照）測定したものである。

第３図（ａ）（ｂ）は，各々永久磁石の円周方向位置
と磁気空隙の磁束密度との関係を示すものであり，各々
前記第１図および第６図に示すものに対応する。なおこ
れらの場合において，センターヨーク３には軸線方向の
スリット（図示せず）を円周方向に６等分して配設した
ものであり,aがスリットに対応する位置である。まず第
３図（ｂ）は前記第６図に対応するものであるが，空隙
６の磁束密度のピーク値の差△Brが500Gあり，円周方向
におけるバラツキが大きいことが認められる。これは永
久磁石４の成形時における充填密度の差および配向の差
がそのまま空隙６における磁束密度のバラツキとなって
現われるものと推定される。これに対して第３図（ａ）
に示すものは，前記第１図に示すように永久磁石４の内
周面に補助リング５（肉厚0.9mm）を固着した構成によ
り，空隙６の磁束密度のピーク値の差△Brは僅かに50G
に留まり，円周方向におけるバラツキが大幅に低減して
いることがわかる。

第４図は肉厚と推力モーメントの差との関係を示す図
であり，前記第１図における補助リング５の肉厚を変化
させた場合の軸線を含む平面の上下部の推力モーメント
の差（絶対値）の変化状態を示している。第４図におい
て曲線F,Rは各々第１図においてボイスコイル（図入せ
ず）の抜出方向および進入方向に対応する。第４図から
明らかなように，肉厚0,すなわち第１図における補助リ
ング５を欠如するもの（第６図に示す従来構造に相当）
においては，推力モーメントの差が各々50gf−cmおよび
80gf−cmあるが，補助リング５を設けることおよびその
肉厚を増大させることにより，推力モーメントの差が激
減することが認められる。但し補助リング５の肉厚を1m
m以上に増大させること，第１図に示す空隙６の寸法が
狭小となり，ボイスコイル（図示省略，第６図の符号７
参照）と永久磁石４との干渉が発生し易いこと，若しく
は空隙６を所定寸法に確保するためには永久磁石４の肉
厚を減少せざるを得なくなって，磁気特性低下を招来す
ることとなるため好ましくない。

第５図は肉厚と推力リニアリティとの関係を示す図で
ある。第５図から明らかなように、第１図に示す補助リ
ング５を設けることにより，推力リニアリティを大幅に
向上させ得ることがわかる。なお推力リニアリティは補
助リング５の肉厚を増大させることにより向上するが，
肉厚が0.5mmを超えると略飽和する傾向が認められる。

なお上記の実験においては，ボイスコイルとしてボビ
ンに幅1mm,厚さ0.3mmのアルミ角線を163ターン巻回した
もの（長さ30mm）を使用し，コイルへの入力電流を1A,
ストロークを38.7mmとした。

本実施例においては永久磁石をNd−Fe−Ｂ系材料によ
って形成した例について記述したが，他の希土類元素を
含有するものであってもよく，またフェライト磁石であ
っても作用は同様である。更に補助リングの一部が永久
磁石の端面まで延長した構成であってもよい。

〔発明の効果〕

本発明は以上記述するような構成および作用であるか
ら，永久磁石の円周方向および／または軸方向における
磁気空隙のバラツキを大幅に低減させることができ，推
力モーメントの差を減少させ，推力リニアリティを大幅
に向上させ得るという効果を期待できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例を示す要部縦断面図，第２図
（ａ）（ｂ）は各々永久磁石の軸方向位置と磁気空隙の
磁束密度との関係を示す図，第３図（ａ）（ｂ）は各々
永久磁石の円周方向位置と磁気空隙の磁束密度との関係
を示す図，第４図は肉厚と推力モーメントの差との関係
を示す図，第５図は肉厚と推力リニアリティとの関係を
示す図，第６図は従来のボイスコイル型リニアモータの
一例を示す要部縦断面図である。 1:外周ヨーク,3:センターヨーク,4:永久磁石,5:補助リ
ング,6:磁気空隙,9:コイル。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】強磁性材料により中空円筒状に形成した外
   周ヨーク内に、強磁性材料により円筒状に形成したセン
   ターヨークを外周ヨークと磁気的に結合して設け、外周
   ヨーク内面に半径方向に異方性を有しかつ中空円筒状に
   形成した永久磁石を固着し、この永久磁石と前記センタ
   ーヨークとの間に形成される磁気空隙内に中空円筒状に
   形成したコイルを軸方向移動可能に設けてなるボイスコ
   イル型リニアモータにおいて、 永久磁石をＲ（ＲはNd,Pr,Dy等の希土類元素の１種以
   上）−Fe−Ｂ系材料によって形成すると共に、複数個の
   前記永久磁石を外周ヨークの内面に軸方向に沿って固着
   した構成とし、これらの永久磁石の内面に強磁性材料に
   より肉厚0.4〜0.9mmの中空円筒状に形成した補助リング
   を固着したことを特徴とするボイスコイル型リニアモー
   タ。