JP4099646B2 - ボイスコイルモータ - Google Patents
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- H02K33/16—Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system with polarised armatures moving in alternate directions by reversal or energisation of a single coil system
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に半導体関連装置や工作機械に使用される可動コイル型ボイスコイルモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ボイスコイルモータは、界磁となる永久磁石を固定子に、電機子巻線を可動子に備えた可動コイル型のものが主流である。
固定子としては、（１）側面から見た形状が「Ｅ」字状をし、ヨークの一端が開放状態であり、可動子の取外しが可能なものと、（２）側面から見た形状が「日」字状をし、ヨークが閉じており、可動子の取外しができないものとに大別される。
可動子としては、円筒状あるいは角筒状に成形した空心コイル、または、エンジニアリングプラスチック、軽量金属等で成形された非磁性薄肉ボビンに巻回したコイルを有している。
図４は固定子側面形状が「日」字状をしたボイスコイルモータの従来技術を示す投影図で、（ａ）は一部断面正面図、（ｂ）は側面図である。
図４において、固定子４１は、鉄系部材であるヨーク４２と永久磁石４３とセンターヨーク４４から構成される。また、センターヨーク４４にはインダクタンスを低減させるため、薄肉銅板４６が巻かれることが多い。
可動子４７は、コイル４８と可動子取付部材４９から構成される。また、コイル４８を巻き付けるためのボビン５２（図５参照）を有する場合もある。
可動子４７は、図示しない直動可能な軸受けにより保持されており、コイル４８に直流通電することでフレミングの左手の法則により矢印（図４（ａ））の方向へ可動する。また、電流極性の反転により移動方向が逆転する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の従来技術のボイスコイルモータには次のような問題があった。
図５は従来のボイスコイルモータの可動子の斜視図を示している。図５において、コイル４８の積み方向の厚みｔは固定子の磁気回路に大きく影響するため、極端に厚くすることはできない。従って、可動子の剛性は非磁性薄肉のボビン５２またはコイル巻き付け時のワニス、含浸樹脂に頼るしかなく、比較的低剛性であり、ボイスコイルモータの制御特性向上の妨げとなっていた。
そこで本発明の目的は、近年高まりつつあるボイスコイルモータの剛性特性を磁気回路に影響させずに向上させることにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本願請求項１記載のボイスコイルモータの発明は、円筒状の空間を内部に形成して成る二分割構造のヨークと該二分割構造ヨークの内側面に取り付けた永久磁石とから成る固定子と、前記固定子の前記円筒状空間内に収納されたコイル状の電機子巻線から成る可動子と、を備えた可動コイル型ボイスコイルモータにおいて、前記電機子巻線のストローク方向の一方側の端面に、前記電機子巻線のコイル状断面と同等形状を備えてかつ前記二分割構造ヨークの当該分割された隙間まで延設した突起部を備えた高剛性補強部材製の可動子取付部材を固着し、前記電機子巻線のストローク方向の他方側の端面に、前記コイル状断面と同等形状を備えた高剛性補強部材製の補強リングを固着し、横幅が前記電機子巻線の内側から前記電機子巻線のほぼ中心を通り他方の内側にまで直線状に延びかつストローク方向の縦幅が前記可動子取付部材から前記補強リングまで延びた非磁性で高剛性材料製の補強梁を前記電機子巻線の内側および前記可動子取付部材の前記突起部の内側に固着したことを特徴としている。
このような構成により、可動子の高剛性化を図ることができる。
コイルの空洞部のほぼ中央に配置した非磁性高剛性で形成した補強梁は、コイルのつぶれ、ねじれを防止する効果がある。
また、コイル両端面に配置した高剛性補強部材も、同様にコイルのつぶれを防止する効果がある。その結果、可動コイルの剛性が向上する。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について図面に基づいて詳しく説明する。
図１は、本発明の第１実施の形態におけるボイスコイルモータ全体の投影図で、（ａ）は側面図、（ｂ）は一部断面正面図である。図２は図１のボイスコイルモータの可動子の斜視図を示す。従来技術の図４および図５では可動子を角筒状コイルで説明したが、図１における実施例は円筒状コイルにて説明する。
図１において、１は固定子、２はヨーク、３は永久磁石、４はセンターヨーク、５は空隙、６は薄肉銅板、７は可動子、８はコイル、９は可動子取付部材、１０は補強梁、１１は補強リングである。
固定子１はヨーク２と永久磁石３とセンターヨーク４と薄肉銅板６により構成されている。本発明によると、センターヨーク４は、補強梁１０の通路となる空隙５を確保するため、二分割構造となっている。
可動子７はコイル８と可動子取付部材９と補強梁１０と補強リング１１により構成される。本実施の形態では、可動子取付部材９はコイル端面における高剛性補強部材を兼ねている。
また、可動子取付部材９、補強梁１０、補強リング１１はコイル８に対し接着あるいは巻き付け時のワニス、含浸樹脂によって強固に固着している。
このように、本実施の形態によれば、電機子巻線（可動子７）を空洞部のあるコイル状に形成し、その空洞部のほぼ中心に非磁性かつ高剛性材料で形成した補強梁１０を設けることによって、補強梁１０が可動コイル８の変形を防止するため、可動コイル８の剛性向上に大きく貢献することとなる。
また、コイル８の端面にコイル断面と同等形状の高剛性補強部材１１を配置することによって、補強梁１０や補強リング１１がコイル８の変形を防止するため、可動コイル８の剛性向上に大きく貢献することとなる。
【０００６】
図３は本発明の第２の実施の形態に係るボイスコイルモータ可動子の斜視図を示す。図３において、８’は可動子はコイル、１０’は補強梁、１１’は補強リングである。可動子７は、コイル８’と補強梁１０’と補強リング１１’によって構成されており、それぞれは接着あるいは巻き付け時のワニス、含浸樹脂により強固に固着されている。図３では、補強梁１０’が補強リング１１’、１１’の範囲を超えてストローク方向に延長しており、直接、被可動体と締結されるため図２のような可動子取付部材９を必要としない。
以上のようにすることにより、補強梁１０、補強リング１１がコイル８の変形を防止するため、可動コイルの剛性向上に大きく貢献する。
なお、ここでは、非磁性高剛性部材である必要性から、可動子リング９をアルミナセラミックスで、補強梁１０と補強リング１１を炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）で構成させた。
このように、本実施の形態によれば、電機子巻線（可動子７’）を空洞部のあるコイル状に形成し、その空洞部のほぼ中心に非磁性かつ高剛性材料で形成した補強梁１０’を設けることによって、補強梁１０’が可動コイル８’の変形を防止するため、可動コイル８’の剛性向上に大きく貢献することとなる。
また、コイル８’の両端面にコイル断面と同等形状の高剛性補強部材１１’、１１’を配置することによって、補強梁１０’や補強リング１１’がコイル８’の変形を防止するため、可動コイル８’の剛性向上に大きく貢献することとなる。
【０００７】
図６は本発明を実施したボイスコイルモータ可動子の自由振動における固有振動数結果を示す。縦軸はゲイン、横軸は周波数をそれぞれ示している。
また、図７は従来技術のボイスコイルモータ可動子の自由振動における固有振動数結果を示す。縦軸はゲイン、横軸は周波数をそれぞれ示している。
両者を比較すると、モータ諸特性は両者ほぼ同等であるが、一次固有振動数については、本発明を実施した図６では一次固有振動数は１２７５Ｈz、最大ゲインの周波数は２９７５Ｈzである。
一方、従来技術のボイスコイルモータ可動子に関する図７では、一次固有振動数は７００Ｈz、最大ゲインの周波数は９６２．５Ｈzであり、したがって、本発明に係るボイスコイルモータ可動子（図６）は、従来のもの（図７）と比較して、大きな剛性の向上が得られることが分かる。ただし、ここでは測定時の加振力が異なるため、ゲインの比較はできない。
【０００８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、電機子巻線のストローク方向の一方側の端面に、前記電機子巻線のコイル状断面と同等形状を備えてかつ前記二分割構造ヨークの当該分割された隙間まで延設した突起部を備えた高剛性補強部材製の可動子取付部材を固着し、前記電機子巻線のストローク方向の他方側の端面に、前記コイル状断面と同等形状を備えた高剛性補強部材製の補強リングを固着し、横幅が前記電機子巻線の内側から前記電機子巻線のほぼ中心を通り他方の内側にまで直線状に延びかつストローク方向の縦幅が前記可動子取付部材から前記補強リングまで延びた非磁性で高剛性材料製の補強梁を前記電機子巻線の内側および前記可動子取付部材の前記突起部の内側に固着したことにより、補強梁や高剛性補強部材がコイルの変形を防止するため、可動コイルの剛性向上に大きく貢献することとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施の形態におけるボイスコイルモータ全体の投影図で、（ａ）は側面図、（ｂ）は一部断面正面図である。
【図２】図１のボイスコイルモータ可動子の斜視図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態を示すボイスコイルモータ可動子の斜視図である。
【図４】固定子側面形状が「日」字状をしたボイスコイルモータの従来技術を示す投影図で、（ａ）は一部断面正面図、（ｂ）は側面図である。
【図５】図４のボイスコイルモータ可動子の斜視図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る可動子の固有振動数の測定結果である。
【図７】従来技術に係る可動子の固有振動数の測定結果である。
【符号の説明】
１ 固定子
２ ヨーク
３ 永久磁石
４ センターヨーク
５ 空隙
６ 薄肉銅板
７、７’ 可動子
８、８’ コイル
９ 可動子取付部材
１０、１０’ 補強梁
１１、１１’ 補強リング
１２ ボビン
【発明の属する技術分野】
本発明は、特に半導体関連装置や工作機械に使用される可動コイル型ボイスコイルモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ボイスコイルモータは、界磁となる永久磁石を固定子に、電機子巻線を可動子に備えた可動コイル型のものが主流である。
固定子としては、（１）側面から見た形状が「Ｅ」字状をし、ヨークの一端が開放状態であり、可動子の取外しが可能なものと、（２）側面から見た形状が「日」字状をし、ヨークが閉じており、可動子の取外しができないものとに大別される。
可動子としては、円筒状あるいは角筒状に成形した空心コイル、または、エンジニアリングプラスチック、軽量金属等で成形された非磁性薄肉ボビンに巻回したコイルを有している。
図４は固定子側面形状が「日」字状をしたボイスコイルモータの従来技術を示す投影図で、（ａ）は一部断面正面図、（ｂ）は側面図である。
図４において、固定子４１は、鉄系部材であるヨーク４２と永久磁石４３とセンターヨーク４４から構成される。また、センターヨーク４４にはインダクタンスを低減させるため、薄肉銅板４６が巻かれることが多い。
可動子４７は、コイル４８と可動子取付部材４９から構成される。また、コイル４８を巻き付けるためのボビン５２（図５参照）を有する場合もある。
可動子４７は、図示しない直動可能な軸受けにより保持されており、コイル４８に直流通電することでフレミングの左手の法則により矢印（図４（ａ））の方向へ可動する。また、電流極性の反転により移動方向が逆転する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の従来技術のボイスコイルモータには次のような問題があった。
図５は従来のボイスコイルモータの可動子の斜視図を示している。図５において、コイル４８の積み方向の厚みｔは固定子の磁気回路に大きく影響するため、極端に厚くすることはできない。従って、可動子の剛性は非磁性薄肉のボビン５２またはコイル巻き付け時のワニス、含浸樹脂に頼るしかなく、比較的低剛性であり、ボイスコイルモータの制御特性向上の妨げとなっていた。
そこで本発明の目的は、近年高まりつつあるボイスコイルモータの剛性特性を磁気回路に影響させずに向上させることにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、本願請求項１記載のボイスコイルモータの発明は、円筒状の空間を内部に形成して成る二分割構造のヨークと該二分割構造ヨークの内側面に取り付けた永久磁石とから成る固定子と、前記固定子の前記円筒状空間内に収納されたコイル状の電機子巻線から成る可動子と、を備えた可動コイル型ボイスコイルモータにおいて、前記電機子巻線のストローク方向の一方側の端面に、前記電機子巻線のコイル状断面と同等形状を備えてかつ前記二分割構造ヨークの当該分割された隙間まで延設した突起部を備えた高剛性補強部材製の可動子取付部材を固着し、前記電機子巻線のストローク方向の他方側の端面に、前記コイル状断面と同等形状を備えた高剛性補強部材製の補強リングを固着し、横幅が前記電機子巻線の内側から前記電機子巻線のほぼ中心を通り他方の内側にまで直線状に延びかつストローク方向の縦幅が前記可動子取付部材から前記補強リングまで延びた非磁性で高剛性材料製の補強梁を前記電機子巻線の内側および前記可動子取付部材の前記突起部の内側に固着したことを特徴としている。
このような構成により、可動子の高剛性化を図ることができる。
コイルの空洞部のほぼ中央に配置した非磁性高剛性で形成した補強梁は、コイルのつぶれ、ねじれを防止する効果がある。
また、コイル両端面に配置した高剛性補強部材も、同様にコイルのつぶれを防止する効果がある。その結果、可動コイルの剛性が向上する。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について図面に基づいて詳しく説明する。
図１は、本発明の第１実施の形態におけるボイスコイルモータ全体の投影図で、（ａ）は側面図、（ｂ）は一部断面正面図である。図２は図１のボイスコイルモータの可動子の斜視図を示す。従来技術の図４および図５では可動子を角筒状コイルで説明したが、図１における実施例は円筒状コイルにて説明する。
図１において、１は固定子、２はヨーク、３は永久磁石、４はセンターヨーク、５は空隙、６は薄肉銅板、７は可動子、８はコイル、９は可動子取付部材、１０は補強梁、１１は補強リングである。
固定子１はヨーク２と永久磁石３とセンターヨーク４と薄肉銅板６により構成されている。本発明によると、センターヨーク４は、補強梁１０の通路となる空隙５を確保するため、二分割構造となっている。
可動子７はコイル８と可動子取付部材９と補強梁１０と補強リング１１により構成される。本実施の形態では、可動子取付部材９はコイル端面における高剛性補強部材を兼ねている。
また、可動子取付部材９、補強梁１０、補強リング１１はコイル８に対し接着あるいは巻き付け時のワニス、含浸樹脂によって強固に固着している。
このように、本実施の形態によれば、電機子巻線（可動子７）を空洞部のあるコイル状に形成し、その空洞部のほぼ中心に非磁性かつ高剛性材料で形成した補強梁１０を設けることによって、補強梁１０が可動コイル８の変形を防止するため、可動コイル８の剛性向上に大きく貢献することとなる。
また、コイル８の端面にコイル断面と同等形状の高剛性補強部材１１を配置することによって、補強梁１０や補強リング１１がコイル８の変形を防止するため、可動コイル８の剛性向上に大きく貢献することとなる。
【０００６】
図３は本発明の第２の実施の形態に係るボイスコイルモータ可動子の斜視図を示す。図３において、８’は可動子はコイル、１０’は補強梁、１１’は補強リングである。可動子７は、コイル８’と補強梁１０’と補強リング１１’によって構成されており、それぞれは接着あるいは巻き付け時のワニス、含浸樹脂により強固に固着されている。図３では、補強梁１０’が補強リング１１’、１１’の範囲を超えてストローク方向に延長しており、直接、被可動体と締結されるため図２のような可動子取付部材９を必要としない。
以上のようにすることにより、補強梁１０、補強リング１１がコイル８の変形を防止するため、可動コイルの剛性向上に大きく貢献する。
なお、ここでは、非磁性高剛性部材である必要性から、可動子リング９をアルミナセラミックスで、補強梁１０と補強リング１１を炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）で構成させた。
このように、本実施の形態によれば、電機子巻線（可動子７’）を空洞部のあるコイル状に形成し、その空洞部のほぼ中心に非磁性かつ高剛性材料で形成した補強梁１０’を設けることによって、補強梁１０’が可動コイル８’の変形を防止するため、可動コイル８’の剛性向上に大きく貢献することとなる。
また、コイル８’の両端面にコイル断面と同等形状の高剛性補強部材１１’、１１’を配置することによって、補強梁１０’や補強リング１１’がコイル８’の変形を防止するため、可動コイル８’の剛性向上に大きく貢献することとなる。
【０００７】
図６は本発明を実施したボイスコイルモータ可動子の自由振動における固有振動数結果を示す。縦軸はゲイン、横軸は周波数をそれぞれ示している。
また、図７は従来技術のボイスコイルモータ可動子の自由振動における固有振動数結果を示す。縦軸はゲイン、横軸は周波数をそれぞれ示している。
両者を比較すると、モータ諸特性は両者ほぼ同等であるが、一次固有振動数については、本発明を実施した図６では一次固有振動数は１２７５Ｈz、最大ゲインの周波数は２９７５Ｈzである。
一方、従来技術のボイスコイルモータ可動子に関する図７では、一次固有振動数は７００Ｈz、最大ゲインの周波数は９６２．５Ｈzであり、したがって、本発明に係るボイスコイルモータ可動子（図６）は、従来のもの（図７）と比較して、大きな剛性の向上が得られることが分かる。ただし、ここでは測定時の加振力が異なるため、ゲインの比較はできない。
【０００８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、電機子巻線のストローク方向の一方側の端面に、前記電機子巻線のコイル状断面と同等形状を備えてかつ前記二分割構造ヨークの当該分割された隙間まで延設した突起部を備えた高剛性補強部材製の可動子取付部材を固着し、前記電機子巻線のストローク方向の他方側の端面に、前記コイル状断面と同等形状を備えた高剛性補強部材製の補強リングを固着し、横幅が前記電機子巻線の内側から前記電機子巻線のほぼ中心を通り他方の内側にまで直線状に延びかつストローク方向の縦幅が前記可動子取付部材から前記補強リングまで延びた非磁性で高剛性材料製の補強梁を前記電機子巻線の内側および前記可動子取付部材の前記突起部の内側に固着したことにより、補強梁や高剛性補強部材がコイルの変形を防止するため、可動コイルの剛性向上に大きく貢献することとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施の形態におけるボイスコイルモータ全体の投影図で、（ａ）は側面図、（ｂ）は一部断面正面図である。
【図２】図１のボイスコイルモータ可動子の斜視図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態を示すボイスコイルモータ可動子の斜視図である。
【図４】固定子側面形状が「日」字状をしたボイスコイルモータの従来技術を示す投影図で、（ａ）は一部断面正面図、（ｂ）は側面図である。
【図５】図４のボイスコイルモータ可動子の斜視図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る可動子の固有振動数の測定結果である。
【図７】従来技術に係る可動子の固有振動数の測定結果である。
【符号の説明】
１ 固定子
２ ヨーク
３ 永久磁石
４ センターヨーク
５ 空隙
６ 薄肉銅板
７、７’ 可動子
８、８’ コイル
９ 可動子取付部材
１０、１０’ 補強梁
１１、１１’ 補強リング
１２ ボビン
Claims (1)
- 円筒状の空間を内部に形成して成る二分割構造のヨークと該二分割構造ヨークの内側面に取り付けた永久磁石とから成る固定子と、前記固定子の前記円筒状空間内に収納されたコイル状の電機子巻線から成る可動子と、を備えた可動コイル型ボイスコイルモータにおいて、
前記電機子巻線のストローク方向の一方側の端面に、前記電機子巻線のコイル状断面と同等形状を備えてかつ前記二分割構造ヨークの当該分割された隙間まで延設した突起部を備えた高剛性補強部材製の可動子取付部材を固着し、
前記電機子巻線のストローク方向の他方側の端面に、前記コイル状断面と同等形状を備えた高剛性補強部材製の補強リングを固着し、
横幅が前記電機子巻線の内側から前記電機子巻線のほぼ中心を通り他方の内側にまで直線状に延びかつストローク方向の縦幅が前記可動子取付部材から前記補強リングまで延びた非磁性で高剛性材料製の補強梁を前記電機子巻線の内側および前記可動子取付部材の前記突起部の内側に固着したことを特徴とするボイスコイルモータ。
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