JP2018042363A - ボイスコイルモータ - Google Patents

Abstract

【課題】渦電流を低減し、コイルに大きな電流を流しコイルを高速で駆動しようとした場合でも、高い推力及び高い応答性能を発揮することのできる可動コイル型ボイスコイルモータを提供する。【解決手段】中央ヨーク１と、前記中央ヨークを取り囲む外側ヨーク２と、前記中央ヨーク及び前記外側ヨークの一端側同士を接続する接続ヨーク３とで形成された軸を含む断面Ｅ字のヨーク部と、前記外側ヨークの前記中央ヨークに対向する面側に配置され、前記中央ヨーク方向に磁化された磁石４と、前記中央ヨークを取り囲むように移動可能に配置されたコイル５とからなるボイスコイルモータにおいて、前記外側ヨーク及び前記接続ヨークは炭素鋼からなり、前記中央ヨークは炭素鋼からなる中心部と珪素鋼板の積層体からなる外周部とで形成されていることを特徴とするボイスコイルモータ。【選択図】図７

Description

本発明は、磁石を固定子側に配置した可動コイル型のボイスコイルモータに関する。

磁性体よりなるヨークと磁石とコイルとからなり、磁石による磁界とコイルに電流を流すことにより発生する磁界との相互作用によりコイルを駆動する可動コイル型のボイスコイルモータが知られている。（例えば、特許文献１）

特許文献１は、磁性体からなる板状の内ヨークと板状の外ヨークと横ヨーク(接続ヨーク）とによりＥ字形状のヨーク部を構成し、外ヨークの内ヨークと対向する面側に磁石を配置するとともに、内ヨークを取り囲むようにコイルを配置してなるボイスコイルモータ（以下、「VCM」とも言う。）を開示している。このような構成を有するボイスコイルモータは、コイル内周側ではコイル外周側に比べて磁界が集中する。言い換えると、コイル内周側に配置した内ヨークを通過する磁界の磁束密度は高くなり、コイル外周側に配置した外ヨークを通過する磁界の磁束密度は相対的に低くなる。このような理由から内周側の内ヨークの材質や寸法はヨークの磁気飽和を考慮した設計とする必要がある。

しかしながら、特許文献１に記載のボイスコイルモータは内ヨーク及び外ヨーク両方に方向性電磁鋼板を積層して用いているが、方向性電磁鋼板は飽和磁化が通常の鋼材に比較して低く、磁石及びコイルの両方の磁束を通過させるための十分な磁路を形成し得ない場合がある。従って、コイルに大きな電流を流し、高速でVCMを駆動しようとした場合、磁石による磁束とコイルによる磁束が同じ磁路を通過し、内ヨークの磁気飽和により、磁束は内ヨーク側の通過が抑制され、その結果としてコイルの駆動力が低下する虞がある。

特許文献１に記載のボイスコイルモータにおいて、ヨーク中により多くの磁束が流れるようにする方法として、例えば、方向性電磁鋼板に変えて炭素鋼等の鋼材を用いてヨークを構成する方法が考えられる。鋼材の飽和磁化は方向性電磁鋼板に比べて大きいため、ヨークに鋼材を用いた場合、ヨーク中に多くの磁束を通すことができ、磁石とコイルにより発生した両方の磁束を通過させる磁路としては十分となる。しかしながら、このように構成したボイスコイルモータにおいて、コイルを高速で動かそうとした場合には、渦電流が発生し磁束が十分にヨークに侵入できず、そのためコイルに流した電流に対するヨーク内の磁束密度変化に遅れが生じコイルを高速で駆動できなくなる場合がある。

特開2004-153898号公報

従って、本発明の目的は、渦電流を低減し、コイルに大きな電流を流しコイルを高速で駆動しようとした場合でも、高い推力及び高い応答性能を発揮することのできる可動コイル型ボイスコイルモータを提供することである。

上記目的に鑑み、鋭意研究の結果、本発明者らは、中央ヨークと外側ヨークと中央ヨーク及び外側ヨークの一端側を接続する接続ヨークとで形成された断面Ｅ字のヨーク部と、外側ヨークの中央ヨーク対向面側に配置され、中央ヨーク方向に磁化された磁石と、中央ヨークを取り囲むように移動可能に配置されたコイルとからなるボイスコイルモータにおいて、外側ヨーク及び接続ヨークが鋼材からなり、中央ヨークが鋼材からなる中心部と珪素鋼板の積層体からなる外周部とで形成することで、中央ヨーク側の磁気飽和を避け磁石とコイルで発生した磁束の磁路を確保するとともに鉄損(ヒステリシス損+渦電流損)を低減でき、ボイスコイルモータの効率を向上できることを見出し、本発明に想到した。

すなわち、本発明のボイスコイルモータは、
中央ヨークと、前記中央ヨークを取り囲む外側ヨークと、前記中央ヨーク及び前記外側ヨークの一端側同士を接続する接続ヨークとで形成された軸を含む断面Ｅ字のヨーク部と、前記外側ヨークの前記中央ヨークに対向する面側に配置され、前記中央ヨーク方向に磁化された磁石と、前記中央ヨークを取り囲むように移動可能に配置されたコイルとからなるボイスコイルモータにおいて、前記外側ヨーク及び前記接続ヨークは炭素鋼からなり、前記中央ヨークは炭素鋼からなる中心部と珪素鋼板の積層体からなる外周部とで形成されていることを特徴とする。

本発明の他のボイスコイルモータは、
円柱状の中央ヨークと、前記中央ヨークを取り囲む円筒状の外側ヨークと、前記中央ヨーク及び前記外側ヨークの一端側同士を接続する円盤状の接続ヨークとで形成されたヨーク部と、前記外側ヨークの前記中央ヨークに対向する面側に配置され前記中央ヨークの径方向に磁化された磁石と、前記中央ヨークを取り囲むように移動可能に配置された円筒状コイルとからなり、前記中央ヨークは炭素鋼からなる中心部と珪素鋼板からなる外周部で形成されていることを特徴とする。本発明において、ボイスコイルモータを円筒形とすることにより、可動軸方向に安定した駆動を実現することができる。

前記外周部の珪素鋼板は前記中央ヨークの軸方向に積層されているのが好ましい。積層体を中央ヨークの軸方向に積層することにより、ヒステリシス損失を効率的に低減することができる。

本発明の可動コイル型ボイスコイルモータは、渦電流損が著しく低減されているので、コイルに大きな電流を流しコイルを高速（高い周波数）で駆動しようとした場合でも、高い推力及び高い応答性能を発揮することができる。従って、ストローク長が40〜100 mmの大型の加振機等にも好適に使用できる。

従来のボイスコイルモータの一例を示す平面図である。 図１のA-A断面図である。 従来のボイスコイルモータにおける磁石による磁束を示す軸を含む断面図である。 従来のボイスコイルモータにおいて、コイルに電流を流した際に発生する磁束を示す軸を含む断面図である。 本発明のボイスコイルモータの一例を示す平面図である。 図５のB-B断面図である。 本発明のボイスコイルモータにおいて、駆動中の磁束を示す軸を含む断面図である。

（従来の実施の形態）
従来のボイスコイルモータ200は、図１及び図２に示すように、例えば、円柱形状の中央ヨーク1と、前記中央ヨーク1を取り囲むように配置された円筒形状の外側ヨーク2と、前記中央ヨーク1及び前記外側ヨーク2の一端側同士を接続する円盤状の接続ヨーク3とで形成された軸を含む断面Ｅ字のヨーク部と、前記外側ヨーク2の前記中央ヨーク1に対向する面側に配置され、前記中央ヨーク1方向に磁化された磁石4と、前記中央ヨークを取り囲むように移動可能に配置されたコイル5とからなる。前記接続ヨーク３の直径と、外側ヨーク2の外径はほぼ同一とし、中央ヨーク1及び外側ヨーク2は接続ヨーク３の一面側に同軸状に配置されている。

外側ヨーク2の中央ヨーク1に対向する面側（内周面側）に配置された複数の弓型磁石4（図では６個）は、外周面側の半径が外側ヨーク2の内周面側の半径とほぼ同じであり、各弓型磁石4は半径方向に磁化方向を同じくして着磁されており、全体としてラジアル異方性を有するリング形状の磁石を形成している。なお図１に示すボイスコイルモータ200は、６個の弓型磁石4でリング形状となるように構成されているが、弓型磁石の個数は限定されず、さらに細かく分割してもよいし、５個以下の弓型磁石で構成してもよい。またリング磁石を一体で形成しても良い。

弓型磁石4と中央ヨーク1の間にリング状のコイル5が軸方向に（図示しない保持装置により）移動可能に配置されている。リング状のコイル5は磁石4による磁界とコイル5に電流を流すことにより発生する磁界との相互作用により図２に示す矢印の方向に移動させることができる。

次に、従来のボイスコイルモータ200において、磁石4により発生する磁束及びコイル5に電流を流した際に発生する磁束について図３及び図４を用いて説明する。なお図３及び図４では、磁束を明確にするために図１及び図２で示していたヨーク断面のハッチングは除いて描いている。図３は磁石4により発生した磁束4a,4bを模式的に示す。

磁石4によって発生する磁束によるループは、図３に示すように、磁石4からコイル5を貫通して中央ヨーク1に入り、下（接続ヨーク3）方向に向かい接続ヨーク3を通って外側ヨーク2に入り外側ヨーク2から磁石4に戻る下側ループ（磁束4b）と、磁石4から出てコイル5を貫通して中央ヨーク1に入り、中央ヨーク1から上に向かい空中に出たのち外側ヨーク2に入り外側ヨーク2から磁石4に戻る上側ループ(磁束4a）とがある。磁束は空気中よりも磁性体中を多く通過するため、下側ループを通過する磁束4bが相対的に上側ループを通過する磁束4aよりも多くなる。

図４は、磁石4による磁束4a,4bに、コイル5に電流を流すことにより発生する磁束5a,5b（点線で示す。）を重ねあわせて模式的に示す。コイルにより発生した磁束5a,5bは、図４に示すように、外側ヨーク2側では、磁石4で発生した磁束4a,4bの外縁部をなぞるように、外側ヨーク2から接続ヨーク3を通過する。接続ヨーク3を通過した後中央ヨーク1を通過し、磁石4及びコイル5の上部を通過した後に外側ヨーク2に戻るループ(磁束5a）と、さらにこのルートの外周側を通過するループ(磁束5b）とがある。磁束5bは磁束5aの外周側を通過するためその一部が外側ヨーク2の更に外側及び接続ヨーク3のさらに下側を通過する。なおコイルに流す電流の向きが逆になったときは、磁束5a,5bは逆向きとなる。

コイル5により形成される磁束は、コイル5内周側(内側ヨーク1側）では通過できる領域が限られている。言い換えるとコイル5により発生する磁束は、コイル5の内周側ではコイル5の内径によって決まる面積の領域しか通過することはできない。それに対してコイル5の外周側は解放されておりまた磁束が通過する領域の断面積も大きい。よって内側ヨーク1側の磁束密度は外側ヨーク2側の磁束密度に比べて高くなっている。言い換えると、コイルにより発生した磁束の影響は内側ヨーク1側により顕著に現れる。

次にコイル5に電流を流した際に発生する高周波の磁束がヨークを通過する際の現象について考える。交流磁界がヨークに印加される際の損失の一つとして、ヒステリシス損失が知られている。ヒステリシス損失は、交流磁界によって磁化されたヨークの磁化方向が変わる際に発生する現象としてとらえられている。このことからヨークの材質として保磁力の小さい材質を使用するのが望ましい。また磁束を多く通す材質を使用するのが望ましい。このような材質としてはパーメンジュール等が知られているが価格が高い。一般的な安価なヨーク材質として使用されているSS400やS10C等の鋼材（炭素鋼）は飽和磁化が大きいと同時に保磁力も大きいことからヒステリシス損失も大きい。結果として、コイルの駆動に損失が発生する虞がある。

（本発明の実施の形態）
次に本発明の実施の形態について説明する。図５及び図６は、それぞれ本発明のボイスコイルモータ100の平面図及びB-B断面図である。本発明のボイスコイルモータ100は、従来のボイスコイルモータ200に対して、中央ヨーク1が炭素鋼等の鋼材からなる中心部11と積層鋼板からなる外周部12とで構成されている点を特徴とする。中央ヨーク1は炭素鋼からなる円柱状の中心部11と積層鋼板からなる円筒状の外周部12とからなるのが好ましい。中心部11の直径は外周部12に嵌入可能な寸法としてある。外周部12は、例えば、珪素鋼板をリング状に打ち抜き加工したプレートを厚さ方向に積層したものが好ましい。中央ヨーク1以外の構成は従来の構成と同じであるので説明を省略する。

図７は、本発明のボイスコイルモータのコイルに高周波電流を流した際に発生する高周波磁束5a,5b（破線）と磁石4による磁束4a,4b（実線）とを重ねて描いて示す。磁石4による磁束は主として飽和磁化の大きい炭素鋼からなる中央ヨーク1の中心部11を通過する。コイル5による磁束は中央ヨーク1の外周面側（外周部12）を主に通過する。外周面側（外周部12）に使用する珪素鋼板の飽和磁束密度はSS400やS10Cに比べて20%程度低く磁束を多く通過させることはできないが、コイル5による磁束は磁石による磁束ほど大きくはないので、この珪素鋼板の有する飽和磁束密度で必要十分といえる。

さらに本発明においては珪素鋼板は炭素鋼等の鋼材に比べて保磁力が小さい上に、外周部12が積層構造を有しているため渦電流が小さく高い周波数でボイスコイルモータ100を駆動することが可能となる。すなわち、本発明のボイスコイルモータ100は、中央ヨーク1の中心部11に磁石による磁束を通過させることが可能であり、同時に外周部（外周部12）に高周波磁束を鉄損（ヒステリシス損失+渦電流損）が少ない状態で通過させることができる。従って与えた電気エネルギーに対する損失の少ない駆動を実現したボイスコイルモータを得ることができる。なお本実施の形態では円柱状のボイスコイルモータを示したが、四角柱状のボイスコイルモータでも構成できる。この場合の軸中心は、コイルが移動する方向に直交する面において四角形の対角線の交点である。

100・・・本発明のボイスコイルモータ
200・・・従来のボイスコイルモータ
1・・・中央ヨーク
11・・・中心部
12・・・外周部
2・・・外側ヨーク
3・・・接続ヨーク
4・・・磁石
4a,4b・・・磁束
5・・・コイル
5a,5b・・・磁束

Claims (3)

1. 中央ヨークと、前記中央ヨークを取り囲む外側ヨークと、前記中央ヨーク及び前記外側ヨークの一端側同士を接続する接続ヨークとで形成された軸を含む断面Ｅ字のヨーク部と、前記外側ヨークの前記中央ヨークに対向する面側に配置され、前記中央ヨーク方向に磁化された磁石と、前記中央ヨークを取り囲むように移動可能に配置されたコイルとからなるボイスコイルモータにおいて、前記外側ヨーク及び前記接続ヨークは炭素鋼からなり、前記中央ヨークは炭素鋼からなる中心部と珪素鋼板の積層体からなる外周部とで形成されていることを特徴とするボイスコイルモータ。
2. 円柱状の中央ヨークと、前記中央ヨークを取り囲む円筒状の外側ヨークと、前記中央ヨーク及び前記外側ヨークの一端側同士を接続する円盤状の接続ヨークとで形成されたヨーク部と、前記外側ヨークの前記中央ヨークに対向する面側に配置され、前記中央ヨークの径方向に磁化された磁石と、前記中央ヨークを取り囲むように移動可能に配置された円筒状コイルとからなり、前記中央ヨークは炭素鋼からなる中心部と珪素鋼板からなる外周部で形成されていることを特徴とするボイスコイルモータ。
3. 請求項１又は２に記載のボイスコイルモータにおいて、前記外周部の珪素鋼板は前記中央ヨークの軸方向に積層されていることを特徴とするボイスコイルモータ。

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