JP3824032B2 - ボイスコイルモータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直線運動用のアクチュエータとして用いられるボイスコイルモータに関し、更に詳しくは、磁路の飽和を防ぎ、コイル電流の変化に対する追従性を向上させるための改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
磁気ディスク装置や光ディスク装置の磁気ヘッドやピックアップを高速且つ高精度に位置決めするためのものにボイスコイルモータ（又は、リニアモータ）がある。ボイスコイルモータは、スピーカと同様の原理で動作するもので、ボイスコイルをギャップに挿入し、ボイスコイルを横切る磁束を永久磁石からなる磁気回路により形成し、ボイスコイルに流す電流を変化させることにより、ボイスコイルの軸方向の推力を得る。
この種のボイスコイル形リニアモータで永久磁石の磁束とコイルの磁束との鎖交磁束を少なくしてサイドフォースの発生を軽減したものとして例えば特開平８−９８４９６号公報記載のものを図５に基づき説明する。ヨーク１は、上下の外ヨーク３、３と、この外ヨーク３、３の両端を閉鎖する左右の側ヨーク５、５と、側ヨーク５、５の中央部を連結する中央ヨーク７とからなり、閉じた磁路を構成する。外ヨーク３、３の内面と、中央ヨーク７の外面には、隣合うもの及び対向するものの磁極を交互に入れ換えた永久磁石９、９と１１、１１とを設けてある。この永久磁石９、９の両端内側と、永久磁石１１、１１の両端外側には、面取りＣ１を設けてある。永久磁石９、９と１１、１１との間には軸方向外側に面取りＣ２を設けた筒状のコイル１３、１３を設けてあり、コイル１３、１３は隣合うコイルを流れる電流が逆になるように結線してある。
このように構成したボイスコイル形リニアモータによれば、永久磁石９、１１の端部で起磁力分布が軸方向外側に向かい小さくなり、且つコイル１３の端部と外ヨーク３、３及び中央ヨーク７との空隙が大きくなるので、端部の漏洩磁束が減少し、端部付近での磁石磁束とコイル磁束の鎖交が少なくなり、サイドフォースの発生を軽減させることができた。
一方、特開平４−１５０７６０号公報記載の図６に示す可動コイル型リニアモータでは、上下の外ヨーク１５、１５と、この外ヨーク１５、１５の両端を閉鎖する左右の側ヨーク１７、１７と、側ヨーク１７、１７の中央部を連結する中央ヨーク１９とからヨーク２１を構成し、厚み方向に着磁され長手方向に着磁方向を交互に反転させた複数の永久磁石２３を中央ヨーク１９の片面及び下側の外ヨーク１５の片面に取り付け、中央ヨーク１９に貫通して中央ヨーク１９の軸方向に移動可能な可動コイル２５を備え、永久磁石２３を片面に取り付けた中央ヨーク１９の表面に複数のショートリング（短絡環）２７を設けてある。
この可動コイル型リニアモータによれば、ショートリング２７により電流の変化速度を速めることができ、可動コイル型リニアモータの応答速度を向上させることができた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の特開平８−９８４９６号公報に記載された図５に示すボイスコイル形リニアモータでは、コイルの磁束によりヨークが飽和してしまうため、瞬時最大推力を大きくできない問題があった。
また、特開平８−９８４９６号公報に記載された図６に示す可動コイル型リニアモータでは、ショートリングで渦電流が発生し、損失が増加してしまう問題があった。
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、ヨークが飽和し難く、且つ損失を小さく抑えることができ、しかも、良好な応答性を得ることのできるボイスコイルモータを提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明に係るボイスコイルモータは、対向する辺部が平行な四角枠体部及び該四角枠体部の対向する一方の一対の内側面に亘って設けたセンターコア部を有するヨークと、前記センターコア部の一部の外周に移動可能に設けられる可動コイルと、前記四角枠体部の対向する一対の内側面にそれぞれ同極が対向するように設けられる２つの永久磁石とを備えたボイスコイルモータにおいて、前記センターコア部の両端と前記四角枠体部との間にそれぞれ同極が対向するようにさらに２つの永久磁石を設けたことを特徴とするものである。
また、請求項２記載の発明に係るボイスコイルモータは、対向する辺部が平行な四角枠体部及び該四角枠体部の対向する一方の一対の内側面に亘って設けたセンターコア部を有するヨークと、前記センターコア部の一部の外周に移動可能に設けられる可動コイルとを備えたボイスコイルモータにおいて、前記センターコア部の両端と前記四角枠体部との間にそれぞれ同極が対向するように２つの永久磁石を設け、前記センターコア部の形状が、前記四角枠体部の対向する他方の一対の内側面と前記センターコア部との間隔が中心に近づくほど狭くなるように形成されることを特徴とするものである。
このように構成したボイスコイルモータでは、センターコア部の両端と四角枠体部との間に２つの永久磁石が設けられるとともに、四角枠体部の対向する他方の一対の内側面に２つの永久磁石が設けられ、コイル電流により発生するコイル磁束が永久磁石又はセンターコア部と上下辺部又は左右辺部の間の空隙を通り、これにより、ヨークの飽和が発生しにくく、可動コイルから見た磁気抵抗も大きくなり、可動コイルのインダクタンスが小さくなって、急激な電流変化に対する追従性が向上する。
また、四角枠体部の対向する他方の一対の内側面とセンターコア部との間隔が中心に近づくほど狭くなるようにセンターコア部の形状を形成したボイスコイルモータでは、四角枠体部の上下辺部とセンターコア部の間の空隙が短くなり、空隙の磁束分布が平均化する。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るボイスコイルモータの実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明に係るボイスコイルモータの第１実施形態を示す概略構成図である。
磁気回路を構成するヨーク４１は、対向する平行な上下辺部４３、４３及び左右辺部４５、４５からなる四角枠体部４７と、この四角枠体部４７の対向する一方の一対の内側面である左右辺部４５、４５に亘って設けたセンターコア部４９とにより構成してある。ヨーク４１の上下辺部４３、４３、左右辺部４５、４５及びセンターコア部４９は、軟磁性材料で構成してあり、例えば珪素鋼板のような磁気特性の優れた薄板を積層して構成するものであってもよい。
センターコア部４９の両端と四角枠体部４７の左右辺部４５、４５との間には、２つの永久磁石５１、５３を設けてある。永久磁石５１、５３は、センターコア部４９を挟んで同極が互いに対向するように配置してある。この実施形態では、永久磁石５１、５３のＮ極同士が対向するように配置してある。また、四角枠体部４７の対向する他方の一対の内側面である上下辺部４３、４３の中心付近には、２つの永久磁石５５、５７を同極が対向するように設けてある。この実施形態では、永久磁石５５、５７のＳ極同士が対向している。永久磁石５１、５３、５５、５７の材料としては高エネルギー積を有するＮｄＦｅＢ系磁石や抵抗率の大きなプラスチック磁石などを用いることができる。
センターコア部４９の一部の外周には、可動コイル５９をコイル軸方向に移動可能に設けてある。可動コイル５９は、例えば芯金にボビンを挿入し、このボビンの外周に巻線を円筒状に巻き、巻線部にガラス材や樹脂材等の補強材を含浸させて巻線を固め、その後にボビンから芯金を抜き取ることにより形成することができる。
ヨーク４１、永久磁石５１、５３、５５、５７、可動コイル５９を主な構成部材としてボイスコイルモータ６１が構成されている。
次に、このように構成したボイスコイルモータ６１の作用を説明する。
永久磁石５１、５３による磁束は、可動コイル５９と鎖交し空隙を通って上下辺部４３、４３に入り、左右辺部４５、４５を経て永久磁石５１、５３に戻る。また、中心付近の磁束は、永久磁石５５、５７を通って上下辺部４３、４３に入り、左右辺部４５、４５を経て永久磁石５１、５３に戻る。
このように可動コイル５９には永久磁石５１、５３による磁束が鎖交する。可動コイル５９に電流Ｉを流すと永久磁石５１、５３による磁束とコイル電流Ｉとにより鎖交磁束とコイル電流に比例した推力が発生する。コイル電流により発生するコイル磁束は永久磁石５１、５３又はセンターコア部４９と上下辺部４３、４３又は左右辺部４５、４５の間の空隙を通る。これにより、ヨーク４１の飽和が発生しにくく、可動コイル５９から見た磁気抵抗も大きくなり、可動コイル５９のインダクタンスが小さくなって、急激な電流変化に対する追従性が向上する。また、ショートリングが不要なのでショートリングに起因する抵抗損も発生しない。
また、図２（Ａ）に示す比較例の場合、磁石の幅をＷｙとし、コイル長をＬｃとすれば、コイル部のギャップ磁束密度Ｂｇは、次式で表すことができる。
Ｂｇ＝（Ｗｙ／Ｌｃ）×Ｂｄ
但し、Ｂｄ；磁石動作点
従って、推力を出すためにはＷｙをＬｃに対して大きくする必要があり、Ｗｙを大きくすると、コイルエンド長が長くなるので、損失が増加する。
更に、コイル回りのみに磁石を設けた図２（Ｂ）に示す比較例の場合、ＢｇとＢｄとが略等しくなり、ギャップ磁束密度を高くできる一方、コイル磁束によりコアが飽和するため、従来技術でも述べたようにこの飽和を防ぐために短絡板が必要となり、短絡板に渦電流が流れ、損失が発生することとなる。
これに対し、上述のボイスコイルモータ６１では、永久磁石５５、５７を追加することにより、ギャップ磁束分布のバラツキが低減され、推力リップルが小さくなる。即ち、ボイスコイルモータ６１では、永久磁石５１、５３、５５、５７の磁束を適宜に調整することで、磁束成分のバランスが容易にとれ、ギャップ磁束分布の均一化が可能となる。
このように上述のボイスコイルモータ６１によれば、急激な電流変化に対する追従性を向上させることができるとともに、ショートリングが不要なのでショートリングに起因する抵抗損も発生せず、しかも、ギャップ磁束分布を均一化させることにより、推力リップルも低減させることができる。
次に、本発明に係るボイスコイルモータの第２の実施形態を説明する。図３は本発明に係るボイスコイルモータの第２実施形態を示す概略構成図である。
この実施形態によるボイスコイルモータ７１は、上述の永久磁石５５、５７を設けていない。一方、四角枠体部４７の対向する他方の一対の内側面である上下辺部４３、４３とセンターコア部７３との間隔が中心に近づくほど狭くなるように、センターコア部７３の形状を形成してある。この例によるセンターコア部７３は、両端より中央に向かうにしたがって、外径を大きく形成した図３に示す形状に形成してある。他の部分は、上述のボイスコイルモータ６１と同様に構成してある。
このように構成したボイスコイルモータ７１では、センターコア部７３の端部でのパーミアンス係数が大きいことから、センターコア部７３の中央から上下辺部４３、４３に向かう磁束量に比べて、端部から上下辺部４３、４３に向かう磁束量の方が大きくなる。このため、コイル長が長く磁石磁束の大部分がコイルに鎖交する場合は問題とならないが、（磁石の厚さ＋センターコア部長）＞（２×コイル全長）となるような場合、コイルの位置により発生推力が変化することが考えられる。即ち、次式の関係により電気装荷Ａｃはコイル分布に比例する。
Ｆ＝Ｂｇ×Ａｃ×Ｌ
ここで、ギャップ磁束密度Ｂｇは、図４に示すように可動コイル５９の位置で変化するので、その変化を平均化するためコイル分布はＢｇ変化の半周期分以上必要になる。
従って、コイル分布（＝コイル長）がＸ／２＜コイル長であれば、コイルに鎖交する磁束がコイル位置に対して平均化されると考えられる。
このボイスコイルモータ７１によれば、センターコア部７３の外径を端部に比べ中央部で大きくとり、上下辺部４３、４３とセンターコア部７３の間の空隙を短くすることで空隙の磁束分布を平均化することができる。
【０００６】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係るボイスコイルモータによれば、センターコア部の両端と四角枠体部との間に２つの永久磁石を設けるとともに、四角枠体部の対向する他方の一対の内側面に２つの永久磁石を設けたので、急激な電流変化に対する追従性を向上させることができるとともに、ショートリングが不要なのでショートリングに起因する抵抗損も発生せず、しかも、ギャップ磁束分布を均一化させることにより、推力リップルも低減させることができる。
また、四角枠体部の対向する他方の一対の内側面とセンターコア部との間隔が中心に近づくほど狭くなるようにセンターコア部の形状を形成したボイスコイルモータによれば、四角枠体部の上下辺部とセンターコア部の間の空隙を短くすることで空隙の磁束分布を平均化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るボイスコイルモータの第１実施形態を示す概略構成図である。
【図２】第１実施形態に対する比較例を示す説明図である。
【図３】本発明に係るボイスコイルモータの第２実施形態を示す概略構成図である。
【図４】磁束密度分布の説明図である。
【図５】従来のボイスコイル形リニアモータを示す概略構成図である。
【図６】従来の可動コイル型リニアモータを示す概略構成図である。
【符号の説明】
４１ ヨーク
４７ 四角枠体部
４９ センターコア部
５１、５３、５５、５７ 永久磁石
５９ 可動コイル
６１ ボイスコイルモータ
７３ センターコア部

Claims (2)

1. 対向する辺部が平行な四角枠体部及び該四角枠体部の対向する一方の一対の内側面に亘って設けたセンターコア部を有するヨークと、前記センターコア部の一部の外周に移動可能に設けられる可動コイルと、前記四角枠体部の対向する一対の内側面にそれぞれ同極が対向するように設けられる２つの永久磁石とを備えたボイスコイルモータにおいて、
   前記センターコア部の両端と前記四角枠体部との間にそれぞれ同極が対向するようにさらに２つの永久磁石を設けたことを特徴とするボイスコイルモータ。
2. 対向する辺部が平行な四角枠体部及び該四角枠体部の対向する一方の一対の内側面に亘って設けたセンターコア部を有するヨークと、前記センターコア部の一部の外周に移動可能に設けられる可動コイルとを備えたボイスコイルモータにおいて、
   前記センターコア部の両端と前記四角枠体部との間にそれぞれ同極が対向するように２つの永久磁石を設け、前記センターコア部の形状が、前記四角枠体部の対向する他方の一対の内側面と前記センターコア部との間隔が中心に近づくほど狭くなるように形成されることを特徴とするボイスコイルモータ。

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