WO2003103115A1 - ボイスコイルモータ - Google Patents

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WO2003103115A1
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coil
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voice coil
motor
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吉田　秀作
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株式会社安川電機
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K41/00—Propulsion systems in which a rigid body is moved along a path due to dynamo-electric interaction between the body and a magnetic field travelling along the path
    • H02K41/02—Linear motors; Sectional motors
    • H02K41/035—DC motors; Unipolar motors
    • H02K41/0352—Unipolar motors
    • H02K41/0354—Lorentz force motors, e.g. voice coil motors
    • H02K41/0356—Lorentz force motors, e.g. voice coil motors moving along a straight path
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K33/00—Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system
    • H02K33/18—Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system with coil systems moving upon intermittent or reversed energisation thereof by interaction with a fixed field system, e.g. permanent magnets
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02K33/00—Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system
    • 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

Definitions

  • the present invention particularly relates to a movable coil type voice coil motor used for semiconductor-related devices and machine tools.
  • the mainstream voice coil motor is a movable coil type motor having a permanent magnet as a field magnet on a stator and an armature winding on a mover.
  • the shape seen from the side is “E j-shaped, and one end of the yoke is open, and the mover can be removed.
  • the shape seen from the side is It is roughly divided into those that have a “Japanese” character shape, the yoke is closed, and the mover cannot be removed.
  • the mover has an air-core coil formed into a cylindrical shape or a rectangular tube shape, or a coil wound around a non-magnetic thin bobbin made of engineering plastic, lightweight metal, or the like.
  • FIGS. 4A and 4B are projection views showing a conventional technology of a voice coil motor in which the stator side face has a “Japanese” shape, in which FIG. 4A is a partial cross-sectional front view, and FIG. 4B is a side view.
  • the stator 41 is composed of a yoke 42, a permanent magnet 43, and a center yoke 44, which are iron-based members.
  • a thin copper plate 46 is often wound around the center yoke 44 to reduce inductance.
  • the mover 47 includes a coil 48 and a mover mounting member 49. In some cases, a bobbin 52 (see FIG. 5) for winding the coil 48 is provided.
  • the mover 47 is held by a linearly movable bearing (not shown), and moves in the direction of the arrow (FIG. 4 (a)) according to Fleming's left-hand rule by applying DC current to the coil 48.
  • the direction of movement is reversed by the reversal of the current polarity.
  • FIG. 5 is a perspective view of a mover of a conventional voice coil motor.
  • the thickness t of the coil 48 in the stacking direction has a large effect on the magnetic circuit of the stator, and cannot be extremely increased. Therefore, the rigidity of the mover depends only on the non-magnetic thin bobbin 52 or the varnish or impregnated resin when the coil is wound, and has a relatively low rigidity, which hinders the improvement of the control characteristics of the voice coil motor.
  • an object of the present invention is to improve the rigidity characteristics of a voice coil motor, which has been increasing in recent years, without affecting a magnetic circuit.
  • the invention of the voice coil motor according to claim 1 of the present application is directed to a movable coil type voice coil motor having a permanent magnet serving as a field on a stator and an armature winding on a mover.
  • the armature winding is formed in a coil shape having a hollow portion, and a reinforcing beam formed of a non-magnetic and highly rigid material is provided substantially at the center of the hollow portion. like this With such a configuration, the rigidity of the mover can be improved.
  • the invention of a voice coil motor according to claim 2 is a moving coil type voice coil motor having a permanent magnet serving as a field on a stator and an armature winding on a mover, wherein an end face of the coil is provided. And a high-rigidity reinforcing member having the same shape as the coil cross section is disposed.
  • the invention of a voice coil motor according to claim 3 is a movable coil type voice coil motor in which a permanent magnet serving as a field is provided on a stator, and an armature winding is provided on a mover.
  • a high-rigidity reinforcing member that is formed in a coil shape with a ⁇ portion, has a reinforcing beam formed of a non-magnetic and high-rigidity material substantially at the center of the hollow portion, and has an end face of the coil with a high-rigidity reinforcing member having the same shape as the coil section It is characterized by being arranged.
  • a non-magnetic, high-rigidity reinforcing beam placed almost in the center of the coil cavity has the effect of preventing the coil from collapsing and twisting.
  • the high-rigidity strength-carrying members arranged on both end surfaces of the coil also have the effect of preventing the coil from being crushed. As a result, the rigidity of the coil increases.
  • the armature winding is formed in a hollow portion.
  • a coil is formed, and a reinforcing beam made of a non-magnetic and high-rigidity material is provided substantially at the center of the hollow portion, or a high-rigidity reinforcing member having the same shape as the coil cross section is disposed on an end surface of the coil.
  • FIG. 1 is a projection view of the entire voice coil motor according to the first embodiment of the present invention, in which (a) is a side view and (b) is a partial cross-sectional front view.
  • FIG. 2 is a perspective view of the voice coil motor mover of FIG.
  • FIG. 3 is a perspective view of a voice coil motor mover according to a second embodiment of the present invention.
  • FIGS. 4A and 4B are projection views showing a prior art voice coil motor having a stator having a "Japanese" character side shape, in which FIG. 4A is a partial cross-sectional front view, and FIG. 4B is a side view.
  • FIG. 5 is a perspective view of the voice coil motor mover of FIG.
  • FIG. 6 shows a measurement result of the natural frequency of the mover according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 shows the measurement results of the natural frequency of the mover according to the conventional technique. -[Best mode for carrying out the invention]
  • FIG. 1 is a projection view of the entire voice coil motor according to the first embodiment of the present invention, in which (a) is a side view and (b) is a partial cross-sectional front view.
  • FIG. 2 is a perspective view of a mover of the voice coil motor of FIG.
  • the mover has been described as a rectangular cylindrical coil, but the embodiment in FIG. 1 will be described with a cylindrical coil.
  • 1 is a stator
  • 2 is a yoke
  • 3 is a permanent magnet
  • 4 is a center yoke
  • 5 is a gap
  • 6 is a thin copper plate
  • 7 is a mover
  • 8 is a coil
  • 9 is a mover mounting member
  • 10 Is reinforced The beam
  • 11 is a stiffening ring.
  • the stator 1 includes a yoke 2, a permanent magnet 3, a center yoke 4, and a thin copper plate 6.
  • the center yoke 4 has a two-part structure in order to secure the space 5 serving as a passage for the reinforcing beam 10.
  • the mover 7 includes a coil 8, a mover mounting member 9, a reinforcing beam 10, and a reinforcing ring 11.
  • the mover mounting member 9 also serves as a high-rigidity reinforcing member on the coil end surface.
  • the mover mounting member 9, the reinforcing beam 10, and the reinforcing ring 11 are firmly fixed to the coil 8 by a varnish or an impregnated resin at the time of winding or winding.
  • the armature winding (movable element 7) is formed in a coil shape having a hollow portion, and a reinforcement formed of a nonmagnetic and high-rigidity material is provided substantially at the center of the hollow portion.
  • the reinforcing beam 10 prevents the movable coil 8 from being deformed, so that it greatly contributes to improving the rigidity of the movable coil 8.
  • the capturing beam 10 and the reinforcing ring 11 prevent the coil 8 from being deformed. This greatly contributes to the improvement of the rigidity of the tire.
  • FIG. 3 is a perspective view of a voice coil motor mover according to a second embodiment of the present invention.
  • 8 ' is a mover for a coil
  • 10 and 10 are forcing beams
  • 11' is a reinforcing ring.
  • the mover 7 includes a coil 8 ′, a reinforcing beam 10 ′, and a reinforcing ring 11 ′, each of which is firmly fixed with a varnish or an impregnated resin at the time of bonding or winding.
  • the reinforcing beam 10 ′ extends in the stroke direction beyond the range of the reinforcing rings 11 ′ and 11 ′, and is directly connected to the movable body.
  • the mounting member 9 is not required.
  • the reinforcing beam 10 and the reinforcing ring 11 prevent the coil 8 from being deformed, which greatly contributes to improving the rigidity of the movable coil.
  • the mover ring 9 is made of alumina ceramics, and the reinforcing beams 10 and the reinforcing rings 11 are made of carbon fiber reinforced plastic (CFRP) because of the necessity of being a non-magnetic high-rigidity member.
  • CFRP carbon fiber reinforced plastic
  • the armature winding (movable element 7 ′) is formed in a coil shape having a hollow portion, and a non-magnetic and highly rigid material is formed substantially in the center of the hollow portion.
  • the capturing beam 10 ′ prevents the deformation of the movable coil 8 ′, which greatly contributes to the improvement of rigidity of the movable coil 8 ′.
  • FIG. 6 shows the natural frequency results of free vibration of the voice coil motor mover embodying the present invention.
  • the vertical axis indicates gain, and the horizontal axis indicates frequency.
  • FIG. 7 shows the natural frequency results of free vibration of the conventional voice coil motor mover.
  • the vertical axis indicates gain, and the horizontal axis indicates frequency.
  • FIG. 7 relating to the voice coil motor mover of the prior art
  • the primary natural frequency is 700 Hz
  • the frequency of the maximum gain is 962.5 Hz.
  • the motor mover (Fig. 6) has a large improvement in rigidity compared to the conventional one (Fig. 7).
  • the gain cannot be compared here because the excitation force during measurement is different.
  • the present invention is particularly applicable to a moving coil type voice coil motor used for a semiconductor-related device or a machine tool, and manufactures and provides a voice coil motor capable of improving rigidity characteristics without affecting a magnetic circuit. Can be used in the field.

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Abstract

可動コイルの剛性の高いコイル型ボイスコイルモータを提供する。界磁となる永久磁石３を固定子１に、電機子巻線（６）を可動子（７）に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（８）を空洞部（５）のあるコイル状に形成し、該空洞部（５）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）を備えることによって、補強梁（１０）がコイル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。

Description

明 細書 ·
ボイスコィノレモータ
[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ィル型ボイスコイル モータに関する。
[背景技術]
ボイスコィノレモータは、 界磁となる永久磁石を固定子に、 電機子卷線を可動子に備 えた可動コィ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 j 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、 ェンジ二 ァ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卷回したコイル 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 4 1は、 鉄系部材であるヨーク 4 2と永久磁石 4 3とセンタ 一ヨーク 4 4から構成される。 また、 センターヨーク 4 4にはインダクタンスを低減 させるため、 薄肉銅板 4 6が巻かれることが多い。
可動子 4 7は、 コイル 4 8と可動子取付部材 4 9から構成される。 また、 コイル 4 8を巻き付けるためのボビン 5 2 (図 5参照） を有する場合もある。
可動子 4 7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 4 8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。
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 4 8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レ、。 従って、 可動子の剛性は非磁性薄肉のボビン 5 2またはコィ 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、 ボイスコィ ルモータの制御特性向上の妨げとなっていた。
[発明の開示]
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。
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、界磁 となる永久磁石を固定子に、電機子卷線を可動子に備えた可動コィル型ボイスコイル モ タにおいて、 前記電機子卷線を空洞部のあるコイル状に形成し、該空洞部のほぼ 中心に非磁性かつ高剛性材料で形成した補強梁を有することを特徴とする。 このよう な構成により、 可動子の剛性の向上を図ることができる。
また、 請求項 2記載のボイスコイルモータの発明は、界磁となる永久磁石を固定子 に、 電機子卷線を可動子に備えた可動コイル型ボイスコイルモータに いて、前記コ ィルの端面にコィル断面と同等形状の高剛性補強部材を配置したことを特徴とする。 さらに、 請求項 3記載のボイスコイルモータの発明は、界磁となる永久磁石を固定 子に、 電機子卷線を可動子に備えた可動コイル型ボイスコイルモータにおいて、 前記 電機子卷線を空涧部のあるコイル状に形成し、該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を有し、かつ前記コィルの端面にコィル断面と同等形状の高 剛性補強部材を配置したことを特徴とする。
このような構成により、 さらに可動子の高剛性化を図るものである。
コィ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、 コィルの 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捕強部材も、 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 ¾コイルの剛性が向上する。
以上述べたように、 本発明によれば、 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ボイスコイルモータにおいて、前記電機子卷線を空洞 部のあるコィル状に形成し、該空洞部のほぼ中心に非磁性かつ高剛性材料で形成した 補強梁を備えることや、あるいは前記コイルの端面にコイル断面と同等形状の高剛性 補強部材を配置することによって、捕強梁や補強リング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 タ可動子の斜視図である。 図 3は、本宪明の第 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は、 固定子側面形状が 「日」 字状をしたボイスコィ 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は、 図 4のボイスコイルモータ可動子の斜視図である。 図 6は、 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は、従来技術に係る可動子の 固有振動数の測定結果である。 - [発明を実施するための最良の形態]
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およぴ図 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、 1 0は補強 梁、 1 1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 1 0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 1 0と補強リング 1 1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 1 0、 補強リング 1 1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 ) を空洞部のあるコィ 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 1 0 を設けることによって、補強梁 1 0が可動コイル 8の変形を防止するため、 可動コィ 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 1 1を配置するこ とによって、 捕強梁 1 0や補強リング 1 1がコイル 8の変形を防止するため、 可動コ ィル 8の剛性向上に大きく貢献することとなる。
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、 1 0， は捕強梁、 1 1 ' は補強リングで ある。 可動子 7は、 コイル 8 ' と補強梁 1 0 ' と補強リング 1 1 ' によって構成され ており、 それぞれは接着あるいは卷き付け時のワニス、含浸樹脂により強固に固着さ れている。 図 3では、 補強梁 1 0 ' が補強リング 1 1 ' 、 1 1 ' 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 1 0、補強リング 1 1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 1 0と補強リング 1 1を炭素繊維強化プラスチック （C F R P ) で構成させた。
このように、 本実施の形態によれば、 電機子卷線（可動子 7 ' ) を空洞部のあるコ ィル状に形成し、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 1 0， を設けることによって、 捕強梁 1 0 ' が可動コイル 8 ' の変形を防止するため、 可動コィノレ 8 ' の剛个生向上に大きく貢献することとなる。
また、 コイル 8 ' の両端面にコィル断面と同等形状の高剛性補強部材 1 1 ' 、 1 1， を配置することによって、補強梁 1 0， や補強リング 1 1， 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。
図 6は本発明を実施したボイスコィ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ィ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 1 2 7 5 Hz、 最大ゲインの周波 数は 2 9 7 5 Hz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 7 0 0 Hz、最大ゲインの周波数は 9 6 2 . 5 Hzであり、 したが ό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。
[産業上の利用可能性]
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 モータに適用して、剛性特性を磁気回路に影響させずに向上させることができるボイ スコイルモータを製造、 提供する分野に利用することができる。

Claims

請求の範囲
1 . 界磁となる永久磁石を固定子に、電機子卷線を可動子に備えた可動コイル型ボ イスコイルモータにおいて、前霄己電機子卷線を空洞部のあるコイル状に形成し、該空 洞部のほぼ中心に非磁性かつ高剛性材料で形成した捕強梁を有することを特徴とす るボイスコィノレモータ。
2 . 界磁となる永久磁石を固定子に、電機子卷線を可動子に備えた可動コイノレ型ボ イスコィノレモータにおいて、
前記コィルの端面にコィル断面と同等形状の高剛性補強部材を配置したことを特 徴とするボイスコイルモータ。 '
3 . 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ボ イスコイルモータにおいて、前記電機子眷線を空洞部のあるコイル状に形成し、該空 洞部のほぼ中心に非磁性かつ高剛性材料で形成した捕強梁を有し、かつ前記コィルの 端面にコイル断面と同等形状の高剛性捕強部材を配置したことを特徴とするボイス コィノレモータ。
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