JPH06121515A - 誘導ボイスコイルモータおよびその駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 誘導ボイスコイルモータにおいて低周波駆動
特性を改善することを目的としてなされた。 【構成】 誘導ボイスコイルモータの電機子導体に非線
形抵抗を使用する。非線形抵抗として、整流子等のよう
に電流の方向で抵抗値が異なるもの、ツェナーダイオー
ドのようにある電圧以上で抵抗値が小さくなるものであ
る。入力巻線に入力される電圧の平均値をゼロになるよ
うにする。パルス駆動で電圧高さ、幅および数で制御す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は電気エネルギーから機械
エネルギーへの変換装置である、いわゆるボイスコイル
モータと称する直線運動のアクチュエータとして用いら
れるものに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】電動機や発電機には、界磁と電機子から
構成され、界磁源として、磁石を使用する場合と電流に
よるものがある。小型モータのブラシ付き直流モータや
ブラシレスモータそれに同期機などは、界磁として磁石
が数多く使用される。誘導型の電動機では、界磁は電流
を使用している。電機子コイルには、一般に直接回路か
ら供給されるものが多いが、誘導型では可動側に電磁誘
導で電流を誘導している。

【０００３】最近、電動機は高速応答性、高出力小型化
の要求が高くなってきている。応答性をよくする方法と
しては、可動部の負荷を軽減し応答性を改善する方法と
制御による方法とがある。しかし、制御により応答性を
よくするにも、負荷が大きければ電源電圧の制限などか
ら限界がある。従って、応答性を非常に要求される場合
には、負荷を軽減するしかなく、可動部の軽量化が重要
になっている。このため、コアレスモータやボイスコイ
ルモータのように、可動部が電機子巻線だけで、磁心を
使用しないものやさらにはコイルボビンも使用しない機
種が使われている。

【０００４】高出力小型化に対しては、希土類磁石など
の高エネルギー積の磁石を使用したり、加工精度を高く
して、可動側と固定側の間のギャップを小さくしたりし
ている。コアレスモータやボイスコイルモータでは、電
機子コイル巻線では高寸法精度のコイルを使用してい
る。また、コイル電流を高くするために、高温度に耐え
る絶縁皮膜の導線や接着剤を使用し、高出力小型化して
いる。

【０００５】このように、従来の電磁駆動方法では、高
応答性で高出力小型化のためにいろいろな方法がなされ
ているが、可動部の軽量化、高寸法精度のコイルやコイ
ルの絶縁や接着の耐熱性の改善など難しい問題が多い。
特に、軽量で、高寸法精度が得られ、かつ耐熱性でもあ
るコイルは得難い。

【０００６】そこで本発明者は先に可動コイルを軽量化
し、寸法精度、高耐熱性を実現した電磁駆動方法ないし
電磁発電方法を発明した（特願平２−９３１２５号）。
上記発明は入出力巻線と電機子導体と界磁源により構成
され、入出力巻線と電機子導体との間では電磁誘導で電
力伝達がなされ、界磁源より生じる磁束と電機子導体と
の間で、可動側の変位を通して電力と機械エネルギーの
変換が行なわれるものである。

【０００７】図２および図３はその具体的構成例を示す
ものであり、図２は一部断面を示す平面図、図３は図２
のＡ−Ａ′断面図である。磁心４ａ，４ｂには入出力巻
線１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄが巻かれ、この４つのコイル
は磁心の磁束が強め合う向きに接続されている。さらに
磁心４ａ、４ｂの中央脚４ｐには電機子導体２が貫通し
ている。

【０００８】電機子導体２は２つの部材２ａ、２ｂより
なり、たとえばアルミニウムのブロックで作られ、１タ
ーンのコイルを形成する。電機子導体２ａ、２ｂにはア
ーム７が結合されており、機械エネルギーを伝達する。

【０００９】また、永久磁石からなる２つの界磁源３
ａ、３ｂが図中Ｎ極として示した方向に着磁されて取り
付けられている。界磁源３ａ、３ｂの一端はそれぞれ磁
心４ａ、４ｂに接し、磁心は界磁の磁束を通すヨークの
働きもしている。

【００１０】ここにおいて、電磁駆動方式として使用さ
れる場合には、入出力巻線１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄに駆
動回路より電圧が印加され、電流が流れ、磁心４ａ、４
ｂに磁束が発生する。その磁束変化で、電機子導体２
ａ、２ｂに誘起電圧が発生し電流が流れる。その電機子
導体２ａ、２ｂに流れる誘起電流と界磁源である永久磁
石３ａ、３ｂから出る磁束の作用により、可動部である
電機子導体２ａ、２ｂに誘起力が矢印６の方向に発生
し、アーム７を通して負荷が伝えられる。

【００１１】電磁発電方法として使用する場合には、こ
の逆にアーム７を駆動すれば入出力巻線１ａ、１ｂ、１
ｃ、１ｄから出力がとり出せることになる。

【００１２】図２、図３の例において磁心４ａ、４ｂは
珪素鋼板等を打ち抜いた継ぎ目なしのものを積み重ねて
形成している。したがって入出力コイル１ａ、１ｂ、１
ｃ、１ｄは磁心に直接巻込むことになる。また電機子導
体は２つの部分２ａ、２ｂに分割できるようにし、磁心
を挿入してねじ止めして組立てる。

【００１３】上記の装置はボイスコイルモータとして使
用した場合に実用上多くの利点があるが、可動部分とし
て細い巻線を多数回巻いたものでなく、導体のブロック
が使用できるので加工精度が得られ易く、固定側と可動
側のギャップを小さくできるので高エネルギー密度が可
能となる。また電機子導体として軽量のアルミニウムや
アルミニウム合金を使用すれば応答性を良くでき、従来
のような巻線の発熱による絶縁物の劣化の問題で出力の
制限を受けるということもない。界磁源として希土類磁
石など高性能のものを使用すれば、小型のものでもエネ
ルギー密度は低下せず、従来は誘導型の電磁駆動方法は
小型になるとエネルギー密度が低下するとされていた
が、この問題はなくなる。これらの利点のためたとえば
磁気ディスクデータ記録装置や光ディスクデータ記録装
置のヘッドの駆動など往復運動で特に高速応答性を要求
される用途に適している。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上記の新しい電磁駆動
方法は従来にない優れた特性を持ったものであるが、従
来のボイスコイルモータと異なり低周波側に限界周波数
を有する。すなわち入力巻線の電流により磁心に磁束を
発生させ、磁束の微分に比例した電圧を電機子導体に発
生させてこれの電流と界磁との作用により駆動するもの
だからである。図１は入力巻線の電流Ｉと電機子導体の
変位Ｘとの比率が入力周波数で変わる様子を示したもの
である。応答性としてω² Ｘ／Ｉで示しているが１０ヘ
ルツ以下になると悪くなってくることがわかる。なお図
中２本の曲線は可動部分の重量を変えたもので、いずれ
も変位Ｘが一定（０．２ｍｍ）になる電流値Ｉを求めて
いる。

【００１５】上記の周波数特性の問題は一般的な用途に
ついては特に障害となるものではないが、長いストロー
クを駆動するときや低速で駆動するときなどに問題にな
ることがある。低周波特性の改善には高誘磁率の磁性材
料を使用するなどの対策が有効であるが限界がある。そ
こで本発明は装置や駆動方法を変えることにより低周波
特性の改善を図ることを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明は前記課題を解決
するものであって、入力巻線と電機子導体とを貫通する
閉磁路の磁心を有し、前記電機子導体と磁束が鎖交する
界磁源を有し、前記入力巻線への入力によって発生する
電機子導体の誘導電流によって電機子導体を駆動せしめ
る誘導ボイスコイルモータにおいて、前記電機子導体は
非線形抵抗を有するものであることを特徴とする誘導ボ
イスコイルモータである。ここにおいて非線形抵抗は電
流の方向によって抵抗値の異なるものであること、整流
子であることを特徴とし、またこれらにおいて非線形抵
抗に容易に電流が流れる方向に電流を流して電機子導体
が駆動されるのと反対方向に電機子導体にばねで力を加
えておくことも特徴とする。また非線形抵抗は正負のあ
る電圧以上で抵抗値が小さくなるものであること、非線
形抵抗はツェナーダイオードを逆方向に直列に接続した
ものであることも特徴とする。

【００１７】また入力巻線へ入力する正負電圧の平均値
がゼロになるように制御すること、入力巻線への入力は
パルスであり、これの電圧高さ、幅および数で制御する
ことを特徴とする誘導ボイスコイルモータの駆動方法で
ある。またさらに電機子導体に誘起される電圧のピーク
値が、正負いずれか一方はその非線形抵抗の抵抗値が低
くなる限界を超えており、他方は前記限界以下であるこ
とも特徴とする。

【００１８】

【作用】本発明においては、前記した従来の本発明の装
置において電機子導体に非線形抵抗を有するもの使用す
る。非線形抵抗とは入力電圧の変化に対して一定の抵抗
値の素子としての挙動を示さないものであり、たとえば
整流子のように電流の方向によって抵抗値の異なるも
の、電流方向にはよらず印加電圧によって抵抗値が変化
するものなどがある。

【００１９】本発明は上記の電機子導体として非線形抵
抗を有するものを用いた誘導ボイスコイルモータに対し
てそれに応じた駆動方法を適用することにより、低周波
側の限界周波数の問題を解決するものである。すなわち
低周波特性の改善手段としてまず考えられるのは正、負
いずれかの極性の電圧を断続的に入力巻線に印加して実
質的に周波数を上げる方法である。パルス列を用いる方
法や簡単には交流を半波整流したものを用いる方法等が
これに該当する。しかしながらこの方法には大きな問題
がある。すなわち同じ極性の電圧を印加していると磁心
が直流磁化により磁気飽和してしまうことである。

【００２０】この対策として本発明においては電機子導
体に非線形抵抗、たとえば整流子のような電流の方向で
抵抗値が異なるものを使用する。整流子のある場合電機
子電流は一方向のみに流れるから、入力巻線には交流を
入力しても一方向への駆動力を得ることができる。これ
により磁心の磁気飽和を防止しつつ低周波側の応答性の
問題を解決することができる。この場合負荷によって電
機子導体に電流が流れ、これによる磁心の直流磁化はあ
るが、相対的にこれの影響は小さく目的を達することが
できる。

【００２１】上記の例では電機子導体に整流子を有する
ものを使用したので駆動方向は一方向に限られることに
なり、ばねなどで戻してもとの位置に復元させるような
用途に適用される。これに対し非線形抵抗として正負の
ある電圧以上で抵抗値が小さくなるもの、たとえばツェ
ナーダイオードを直列接続したものを用いると両方向に
駆動させることも可能となる。すなわち正負の矩形波で
あって電圧×時間は正負等しいがピーク電圧は正負で異
なるものを入力巻線に印加した場合、電機子に誘起され
た正負いずれかのピーク電圧はツェナーダイオードのツ
ェナ−電圧を超えており、他方はツェナー電圧以下とす
れば、電機子には一方向の電流のみが流れる。一方入力
巻線に加わる正負の電圧の平均値はゼロであるから磁心
の直流磁化の問題は生じない。

【００２２】上記のように本発明は入力巻線へ入力する
正負電圧の平均値がほぼゼロになるように制御して駆動
することにより、磁心の直流磁化による磁気飽和を防止
するものである。この場合パルスの電圧高さ、幅および
数で制御すると自由な制御ができて好ましい。前記の非
線形抵抗としてツェナーダイオードを使用した場合に述
べた矩形波も広い意味でのパルスとみなせる。

【００２３】

【実施例】図１は本発明の誘導ボイスコイルモータの構
造を示す図で、図３と同じく電機子導体と平行な面で切
断した断面図を示しており、電機子導体にかかわる部分
以外は図３と同様である。電機子導体は３つの部材２
ｃ、２ｄ、２ｅで構成されて、部材２ｄと２ｅの間に整
流子１０が設けられ、この両端をループ状に短絡するよ
うに電機子導体２ｃ、２ｄ、２ｅが構成されている。な
お８は電機子導体が運動する回転軸であり、部材２ｄ、
２ｅ間を直接短絡しないように絶縁スリーブ９が挿入さ
れている。

【００２４】ここにおいて図５に示すような入力電圧が
入力巻線に印加されると電機子導体には整流子の極性に
応じてこの図に示すような電機子電流が流れる。このよ
うにして入力巻線には正負の入力電圧に対応して正負の
励磁電流が流れ直流磁化が防止されるが、電機子導体に
は一方向の電流のみが断続的に流れて低周波域の制限な
く一方向に運動させることができる。上記は入力巻線に
パルス電圧を印加した場合を説明したが、普通の正弦波
の交流電圧を加えた場合も同様に一方向に運動させるこ
とができる。

【００２５】この装置においては整流子の順方向にしか
電機子電流が流れないので往復運動をさせるには電機子
導体がばねで戻るようにすればよい。図６はこれを示す
もので図１に対してこれの上方から見た図になってお
り、ばね１１により電機子電流により駆動力が生ずるの
と反対方向に引っ張っておくようになっている。

【００２６】図７は他の実施例で、２個のツェナーダイ
オードを逆方向に直列になるように電機子導体に設けた
誘導ボイスコイルモータの構造を示している。すなわち
図面の方向は図１と同じであり、電機子導体２ｆ、２ｇ
とこれに続くアーム７の部分の機構以外は図１と同様で
ある。この例においては電機子導体は動力を伝達するア
ーム７と一体となっている２ｆの部材と２ｇの部材とに
よって構成されているが、これらの間に特性の等しい２
個のツェナーダイオード１２ａ、１２ｂが逆方向に直列
になるように接続されている。

【００２７】ここにおいて図８に示すような波形の入力
電圧を入力巻線に印加すると、電機子にはこれと同様の
電圧が誘起されるが、図に示すようにツェナー電圧を超
えたときだけ電機子電流が流れる。すなわちこの図にお
いてＶｚは電機子に設けられたツェナーダイオードのツ
ェナー電圧に対応する入力巻線の電圧を示している。し
たがって入力電圧のピーク値が正負いずれか一方でＶｚ
以上になるような波形で入力すれば所望の方向に駆動さ
せることができる。一方入力巻線には電圧×時間が正負
で等しくなるような波形の電圧を印加すれば、これに見
合った励磁電流が流れ、磁心の直流磁化による磁気飽和
が防止できる。すなわち図８の場合では面積Ｓ₁ とＳ₂
とは等しいことになる。なお上記の例においては２個の
ツェナーダイオードを逆方向に直列になるように電機子
導体に設けたが、単一の素子で双方向にブレークダウン
特性を有するものを使用してもよいことは当然である。

【００２８】

【発明の効果】本発明は誘導ボイスコイルモータにおい
て一方向のみに駆動したり長いストロークを駆動したり
する場合に、一方向の極性の入力を続けて加えたときに
問題となる磁心の直流磁化による磁気飽和を防止するも
のである。すなわち非線形抵抗を利用することにより入
力巻線には正負交番電圧を印加しても電機子導体には一
方向の電流を流すことが可能となり、これにより一方向
の駆動を可能とする。これにより誘導ボイスコイルモー
タの適用範囲が広がり、たとえば一方向にばねで引っ張
りつつ駆動する磁気ディスク装置の機構などにも使用可
能となった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の誘導ボイスコイルモータの例を示す断
面図

【図２】従来の誘導ボイスコイルモータを示す図

【図３】図２の装置のＡ−Ａ′断面図

【図４】誘導ボイスコイルモータの周波数特性を示すグ
ラフ

【図５】図１の装置を駆動するときの入力電圧および電
機子電流の波形を示す図

【図６】図１の装置を上面から見た図

【図７】本発明の誘導ボイスコイルモータの例を示す断
面図

【図８】図７の装置を駆動するときの入力電圧および電
機子電流の波形を示す図

【符号の説明】 １ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ 入出力巻線 ２、２ａ、２ｂ、２ｃ、２ｄ、２ｅ、２ｆ、２ｇ
電機子導体 ３ａ、３ｂ 界磁源 ４ａ、４ｂ 磁心 ４ｐ 磁心の中央脚 １０ 整流子 １２ａ、１２ｂ ツェナーダイオード

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力巻線と電機子導体とを貫通する閉磁
   路の磁心を有し、前記電機子導体と磁束が鎖交する界磁
   源を有し、前記入力巻線への入力によって発生する電機
   子導体の誘導電流によって電機子導体を駆動せしめる誘
   導ボイスコイルモータにおいて、前記電機子導体は非線
   形抵抗を有するものであることを特徴とする誘導ボイス
   コイルモータ。
2. 【請求項２】 非線形抵抗は電流の方向で抵抗値が異な
   るものであることを特徴とする請求項１記載の誘導ボイ
   スコイルモータ。
3. 【請求項３】 非線形抵抗は整流子であることを特徴と
   する請求項２記載の誘導ボイスコイルモータ。
4. 【請求項４】 非線形抵抗に容易に電流が流れる方向に
   電流を流して電機子導体が駆動されるのと反対方向に電
   機子導体にばねで力を加えておくことを特徴とする請求
   項２または３記載の誘導ボイスコイルモータ。
5. 【請求項５】 非線形抵抗は正負のある電圧以上で抵抗
   値が小さくなるものであることを特徴とする請求項１記
   載の誘導ボイスコイルモータ。
6. 【請求項６】 非線形抵抗はツェナーダイオードを逆方
   向に直列に接続したものであることを特徴とする請求項
   ５記載の誘導ボイスコイルモータ。
7. 【請求項７】 入力巻線へ入力する正負電圧の平均値が
   ゼロになるように制御することを特徴とする請求項１な
   いし６記載の誘導ボイスコイルモータの駆動方法。
8. 【請求項８】 入力巻線への入力はパルスであり、これ
   の電圧高さ、幅および数で制御することを特徴とする請
   求項１ないし６記載の誘導ボイスコイルモータの駆動方
   法。
9. 【請求項９】 電機子導体に誘起される電圧のピーク値
   が、正負いずれか一方はその非線形抵抗の抵抗値が低く
   なる限界を超えており、他方は前記限界以下であること
   を特徴とする請求項５または６記載の誘導ボイスコイル
   モータの駆動方法。