(57)【要約】【課題】マグネット投入量及びモータの大きさを変更せずにサイドフォースを低減したボイスコイルアクチュエータを提供する。【解決手段】  センターヨーク１と、センターヨーク１を挟んで両側に配置された一対の外側ヨーク２と、センターヨーク１と外側ヨーク２と対向する面のそれぞれに設置されたマグネット３と、各ヨーク１，２の両端部を磁気的結合する一対の端部外ヨーク４と、マグネット３から構成される２組の磁気空隙に移動可能に挿入された１個の電機子コイル６から構成されたボイスコイルアクチュエータにおいて、対向する２枚のマグネット３，３を磁気空隙に垂直かつ推力発生方向に互いにずらして設置して磁気空隙に分布する磁束密度に任意の角度を持たせ、かつマグネット３、３をセンターヨーク１に対し線対称となるように設置した。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
センターヨークと、このセンターヨークを挟むように両側に配置された一対の外側ヨークと、前記センターヨークと前記外側ヨークと対向する面のそれぞれに設置されたマグネットと、前記各ヨークの両端部を磁気的に結合する一対の端部外ヨークと、前記マグネットから構成される２組の磁気空隙に移動可能に挿入された１個の電機子コイルから構成されたボイスコイルアクチュエータにおいて、
対向する２枚の前記マグネットを前記磁気空隙に垂直方向に互いにずらして設置することで、磁気空隙に分布する磁束密度に任意の角度を持たせ、且つ前記マグネットが前記センターヨーク中心に対称となるように設置することを特徴とするボイスコイルアクチュエータ。
【請求項２】
センターヨークと、このセンターヨークを挟むように両側に配置された一対の外側ヨークと、前記センターヨークと前記外側ヨークと対向する面のそれぞれに設置されたマグネットと、前記各ヨークの両端部を磁気的に結合する一対の端部外ヨークと、前記マグネットから構成される２組の磁気空隙に移動可能に挿入された１個の電機子コイルから構成されたボイスコイルアクチュエータにおいて、
対向する２枚の前記マグネットを前記磁気空隙に垂直且つ推力発生方向に互いにずらして設置することで、磁気空隙に分布する磁束密度に任意の角度を持たせ、且つ前記マグネットが前記センターヨーク中心に対称となるように設置することを特徴とするボイスコイルアクチュエータ。
【請求項３】
センターヨークと、このセンターヨークを挟むように両側に配置された一対の外側ヨークと、前記センターヨークと前記外側ヨークと対向する面のそれぞれに設置されたマグネットと、前記各ヨークの両端部を磁気的に結合する一対の端部外ヨークと、前記マグネットから構成される２組の磁気空隙に移動可能に挿入された１個の電機子コイルから構成されたボイスコイルアクチュエータにおいて、
対向する２枚の前記マグネットの大きさが異なる構成とすることで、磁気空隙に分布する磁束密度に任意の角度を持たせ、且つ前記マグネットが前記センターヨーク中心に対称となるように設置することを特徴とするボイスコイルアクチュエータ。
【請求項４】
前記電機子コイルを巻回するボビンをジャケットで覆い、そのボビンとジャケットの接合部をシーリング材またはＯリングによってシールし、前記電機子コイルと前記ジャケットの間に冷媒を流して前記電機子コイルを直接冷却するようにしたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載のボイスコイルアクチュエータ。
【請求項５】
前記Ｏリングを面配置としたことを特徴とする請求項４記載のボイスコイルアクチュエータ。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項記載のボイスコイルアクチュエータを複数、推力発生方向に互いに連結したことを特徴とするボイスコイルアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶露光装置、半導体製造装置の制振動装置、加工機械などの産業用装置に用いられる、ボイスコイルアクチュエータの漏れ磁束および過熱防止に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のボイスコイルアクチュエータのマグネット配置として、同じ形状のマグネットを磁気空隙に垂直且つ推力発生方向にそろえて対向させ配置しているものは公知である（例えば、特許文献１および２参照）。
また、センターヨークと外ヨークのどちらか一方のみにマグネットを配置しているものも公知である（例えば、特許文献３参照）。
【特許文献１】特許第３２９６５３０号公報
【特許文献２】特許第３３６９３２８号公報
【特許文献３】特開平１０−１５４７２１号公報
【０００３】
特許文献１記載の発明は、対向する磁極間を流れる磁束の収束度がよく、ヨークに流れる磁束が均一になり、全ストロークに渡り電機子反作用が有効に働く省スペースのボイスコイル形リニアモータを提供するもので、そのために、外ヨークに設けた第１マグネットを隣同士の極性を逆にした同じ幅の複数のマグネットとし、内ヨークに設けた第２マグネットを隣同士の極性を逆にした同じ幅の複数のマグネットとし、第１マグネットと第２マグネットの対向するもの同士を異極性となるように配置し、コイルを第１マグネットのピッチと等しいピッチに分割し、隣同志の巻き方向を逆にした直列のコイルとし、ボビンの側面・軸方向端部に軸方向と直角方向に折り曲げたフランジを有する非磁性体よりなるスラスト板を固定し、かつ第１マグネットと第２マグネットの対向・軸方向・端部に小さな面取りを設けるようにしている。
また、特許文献２記載の発明は、コイル端の面取りが一方側だけに設けてあるので、コイルエンドの面取りの無い端部と有る端部から外ヨークおよび中央ヨークへの漏洩磁束にアンバランスが生じ、縦方向の電磁力（サイドフォース）が不均一になり、ピッチングを起こし易かったのを、端部で漏洩磁束が生じ難くして、縦方向の磁束分布が均一になるようにしてピッチングの起き難いリニアモータを提供するもので、そのためにマグネット間の内、軸方向両端部に配置するものの外側端部に面取りを設け、コイルの内径もしくは外径に絶縁材のボビンを嵌合すると共に、ボビンのコイル嵌合部にコイル形状に合わせた係止め部を設けるようにしている。
また、特許文献３記載の発明は、外側ヨークにマグネットを固着し、センタヨークの外側にはボビを挿入し、ボビンにコイルを巻装して、コイルを通電すると、ボビンに推力が作用し、ボンディングヘッドが軸受を中心に回動するが、この場合、外側ヨークおよびセンタヨークの上下端部を底部ヨークおよび天井部ヨークで連結して磁気回路を閉塞し、これによって装置が小形化されると共に効率が向上するというものである。
【０００４】
ところが特許文献１〜３記載のいずれの発明にも共通して次のような問題があることに本出願人は気がついた。これについて図６および図７を用いて説明する。
図６は特許文献１および２が対象としているマグネット両面配置型、図７は特許文献３が対象としているマグネット片面配置型のボイスコイルアクチュエータの縦断面図である。両図において、１はセンターヨーク、２は外ヨーク、３はマグネット、４は端部外ヨーク、５はボビン、６は電機子コイルである。
センターヨーク１に対し対称となる位置にマグネット３及び電機子コイル６が配置されているボイスコイルアクチュエータでは、電機子コイル６が磁気的中心にある場合は、電機子コイル６が挿入された２組の磁気空隙で発生するサイドフォースの大きさが等しく、且つ発生方向が互いに打ち消す方向であるため、サイドフォースが相殺される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、推力方向及び非推力方向に電機子コイル６が移動し、電機子コイル６がマグネット３の端部からの漏れ磁束に鎖交する場合は、漏れ磁束がマグネット３より外側に広がり、電機子コイル６が挿入された２組の磁気空隙で発生するサイドフォースの大きさ、及び発生方向が変化し、サイドフォースが相殺されずに残ってしまう。
従来のボイスコイルアクチュエータにおいて、サイドフォースを低減するのためには、電機子コイルに漏れ磁束が鎖交しない様に、マグネット３の大きさを電機子コイル６に対し十分大きくする必要があった。そのため、閉磁路を構成するために必要なセンターヨーク１、２の厚みが増加し、モータの大きさが増加してしまうという問題があった。
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、マグネット量及びモータの大きさを増加せずにサイドフォースを低減することができるボイスコイルアクチェータを提供することを第１の目的とする。
【０００６】
また、従来のボイスコイルアクチュエータの電機子コイルの冷却について、その一例を図８により説明する。
図８において、図２と同じ符号は同一部品を指すので、重複説明は省略する。
１２は冷却管である。冷却管１２は電機子コイル６に接触しており、この状態で冷却管１２内に冷媒を循環させることによって電機子コイル６から発生する熱量を吸収している。
しかしながら、いままでの低出力のボイスコイルアクチュエータであればこのような冷却方法で十分であったが、近年の高出力のボイスコイルアクチュエータの冷却要求を満足できるレベルではなかった。
また、従来のボイスコイルアクチュエータは、一部熱回収によりモータ性能を上げることは可能であるが、近年の高性能要求に対しては熱回収が不十分であり限界があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、熱回収効率をよくしてより高性能なボイスコイルアクチェータを提供することを第２の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記問題を解決するため、請求項１記載の発明は、ボイスコイルアクチュエータに関するもので、センターヨークと、このセンターヨークを挟むように両側に配置された一対の外側ヨークと、前記センターヨークと前記外側ヨークと対向する面のそれぞれに設置されたマグネットと、前記各ヨークの両端部を磁気的に結合する一対の端部外ヨークと、前記マグネットから構成される２組の磁気空隙に移動可能に挿入された１個の電機子コイルから構成されたボイスコイルアクチュエータにおいて、対向する２枚の前記マグネットを前記磁気空隙に垂直方向に互いにずらして設置することで、磁気空隙に分布する磁束密度に任意の角度を持たせ、且つ前記マグネットが前記センターヨーク中心に対称となるように設置することを特徴としている。
請求項２記載の発明も、ボイスコイルアクチュエータに関するもので、センターヨークと、このセンターヨークを挟むように両側に配置された一対の外側ヨークと、前記センターヨークと前記外側ヨークと対向する面のそれぞれに設置されたマグネットと、前記各ヨークの両端部を磁気的に結合する一対の端部外ヨークと、前記マグネットから構成される２組の磁気空隙に移動可能に挿入された１個の電機子コイルから構成されたボイスコイルアクチュエータにおいて、対向する２枚の前記マグネットを前記磁気空隙に垂直且つ推力発生方向に互いにずらして設置することで、磁気空隙に分布する磁束密度に任意の角度を持たせ、且つ前記マグネットが前記センターヨーク中心に対称となるように設置することを特徴としている。
請求項３記載の発明は、ボイスコイルアクチュエータに関するもので、センターヨークと、このセンターヨークを挟むように両側に配置された一対の外側ヨークと、前記センターヨークと前記外側ヨークと対向する面のそれぞれに設置されたマグネットと、前記各ヨークの両端部を磁気的に結合する一対の端部外ヨークと、前記マグネットから構成される２組の磁気空隙に移動可能に挿入された１個の電機子コイルから構成されたボイスコイルアクチュエータにおいて、対向する２枚の前記マグネットの大きさが異なる構成とすることで、磁気空隙に分布する磁束密度に任意の角度を持たせ、且つ前記マグネットが前記センターヨーク中心に対称となるように設置することを特徴としている。
請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項記載のボイスコイルアクチュエータにおいて、前記電機子コイルを巻回するボビンをジャケットで覆い、そのボビンとジャケットの接合部をシーリング材またはＯリングによって完全にシールし、前記電機子コイルと前記ジャケットの間に冷媒を流して前記電機子コイルを直接冷却するようにしたことを特徴としている。
請求項５記載の発明は、請求項４記載のボイスコイルアクチュエータにおいて、Ｏリングを面配置としたことを特徴としている。
請求項６記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項記載のボイスコイルアクチュエータを複数、推力発生方向に互いに連結することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によると、次のような効果がある。
（１）対向する２枚のマグネットを磁気空隙に垂直且つ推力発生方向にずらして設置し、磁気空隙に分布する磁束密度に任意の角度をもたすことで、従来構造に比べ、マグネット端での漏れ磁束の広がりを抑制することができるため、マグネット量及びモータの大きさを増加せず、サイドフォースを低減することができる。
（２）対向する２枚のマグネットの大きさ異なる構成とし、磁気空隙に分布する磁束密度に任意の角度をもたすことで、従来構造に比べ、マグネット端での漏れ磁束の広がりを抑制することができるため、マグネット量及びモータの大きさを増加せず、サイドフォースを低減することができる。
（３）コイルの直接冷却による発熱回収量の大幅な向上により、ボイスコイルアクチュエータの高性能化を図ることができる。
（４）ジャケットのシール性能を確保するため、Ｏリングを使用しその配置を面としたものであり、シール性能の信頼性向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
［実施例１］
【００１０】
以下、本発明の実施例を図１および図２に基づいて説明する。
図１はサイドフォースを低減した本発明の第１の実施例に係るボイスコイルアクチュエータの正面図である。図２は図１のＡ−Ａにおける断面図である。
図２において、図３と同じ符号は同一部品を指すので、重複説明は省略する。
７は外カバーである。対向するマグネット３は任意の距離で磁気空隙に垂直且つ推力発生方向にずらして設置されており、且つセンターヨーク１を中心とし、対称となる様に配置されている。
本発明が特許文献１と異なる部分は、対向するマグネット３が任意の距離で磁気空隙に垂直且つ推力発生方向にずらして設置されていることである。
［実施例２］
【００１１】
次ぎに、本発明の第２の実施例を図３に基づいて説明する。
図３はサイドフォースを低減した本発明の第２の実施例に係るボイスコイルアクチュエータの断面図である。
図３において、図２と同じ符号は同一部品を指すので、重複説明は省略する。
対向するマグネット３の大きさが異なる構成となっており、且つセンターヨーク１を中心とし、対称となる様に配置されている。
本発明が特許文献１と異なる部分は、対向するマグネット３の大きさが異なる構成となっていることである。
【００１２】
以下に、解析を基に本発明の効果の一例を示す。
図４は本発明を適用した事例の解析による磁束密度分布図である。
図５は従来構造を適用した事例の解析による磁束密度分布図である。
両図において、図２と同じ符号は同一部品を指すので、重複説明は省略する。
図４において、電機子コイル６と鎖交するマグネット３端からの漏れ磁束は、図５における電機子コイル６と鎖交するマグネット３端からの漏れ磁束に比べ、外側への広がりが抑制されていることが判る。このため、本発明ではサイドフォースが低減されている。
図４及び図５において磁気的中心の座標を（Ｘ，Ｙ）＝（０ｍｍ,０ｍｍ）とし、図で電機子コイル上のある一点が座標（Ｘ，Ｙ）＝（３ｍｍ,２ｍｍ）となる位置にあるとするとき、電機子コイルに３０００アンペアターンの通電をし、その位置での発生推力に対するサイドフォースは表１の最下段にあるように本発明では３．０６％、従来構造では２．４４％である。
【００１３】
【表１】
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ところが、その位置から電機子コイルをＹ方向にのみ１ｍｍ相対移動させ、Ｘ方向は２ｍｍでそのままとしたと移動させた場合（（Ｘ，Ｙ）＝（３ｍｍ,１ｍｍ）のサイドフォースは本発明では１．３５％、従来構造では１．７７％である。
さらに、その位置から電機子コイルをＹ方向にのみ１ｍｍ相対移動させ、Ｘ方向は２ｍｍでそのままとしたと移動させた場合場合（（Ｘ，Ｙ）＝（３ｍｍ,０ｍｍ）のサイドフォースは本発明では０．３１％、従来構造では０．３８％である。
このように、表１によると、本発明のものが従来構造に比べサイドフォースが低減されていることがよく判る。
［実施例３］
【００１４】
さらに、本発明の第３の実施例について図８に基づいて説明する。
図８において、図２と同じ符号は同一部品を指すので、重複説明は省略する。
図８は第３の実施例に係るボイスコイルアクチュエータの断面図であり、固定子にマグネット３を配置した一例であるが、もちろんこれに限定されるものではなく、逆（すなわち、固定子に電機子コイル）であってもかまわない。８は電機子コイル６を直接冷却するために構成したジャケットである。ボビン５とジャケット８はエンジニアリングプラスチックやセラミックスなどの非磁性材料から構成して渦電流が発生しないようにする。１０はジャケット８と電機子コイル６との間にできる空隙であり、冷媒通路となる。９はジャケットのシール性能を確保するＯリングであるが、この場合、Ｏリング９はシーリング材であっても構わない。１１はシール溝である。図９は電機子コイル６、ボビン５、ジャケット８が１つのユニットとなった状態を示す。このユニットは、図８に示されていないボルトにて固定子側へ締結されている。
本発明の第３実施例に係るボイスコイルアクチュエータが図１１の従来技術のそれと異なる点は、従来技術のものが電機子コイル６（図１１）に冷却管１２を接触させ、冷却管１２内を循環する冷媒で間接的に熱回収を行っているのに対し、本発明の第３実施例では、電機子コイル６（図９）をジャケット８で覆い、電機子コイル６を直接冷媒で循環冷却する点である。なお、冷媒の注入口および抽出口は公知技術の転用で可能であるので説明図から省略する。
なお、本発明の第３実施例に係るボイスコイルアクチュエータは、冷媒通路１０となる空隙を配置するため、磁気空隙の拡大による特性低下を伴なうが、直接冷却による熱量回収効果のほうが断然に大きい。
このように、電機子コイル６をジャケット８で覆い冷媒で直接冷却することにより冷却効率が格段に向上し、ボイスコイルアクチュエータの高出力化（言いかえれば、低発熱化）に貢献することが可能となった。
［実施例４］
【００１５】
図１０は本発明の第４実施例に係るコイルユニットを説明する図で、（ａ）は縦一部断面図（ｂ）は斜視図である。第４実施例に係るコイルユニットは、基本的には図９の構成と変わらないが、シール性能を左右するＯリング９を面配置としたことが特徴である。
図１０において、Ｏリング９は周状に配置されており、シール性能はボビン５とジャケット８の嵌合状態により大きく左右される。ボビン５および電機子コイル６が円筒状であれば比較的嵌合の寸法管理は容易であるが、図に示す角筒状の場合は非常に難しい。図１０のように、ボビン５およびジャケット８の形状を見直し、それぞれの上下面にシール溝１１を周状に配置し、このシール溝１１にＯリング９を埋め込む（ただし、図では、下面のシール溝１１にＯリング９を埋め込み、上面のシール溝１１にはＯリング９は未だ埋めていない状態を示している。）ことで、ボビン５とジャケット８の嵌合状態に左右されることがなくなった。すなわち、Ｏリング９を面配置とすることで安定したシール性能を確保でき信頼性向上を図ることが可能となった。
【００１６】
以上、本発明によれば、コイルを直接冷却することによって、ボイスコイルアクチュエータの高性能化、高出力化、小型化を図ることができ、従って、半導体関連装置、実装機械、加工機械などの産業機械の高性能化、小型化に貢献することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１実施例を示すボイスコイルアクチュエータの正面図である。
【図２】本発明の第１実施例を示すボイスコイルアクチュエータの断面図である。
【図３】本発明の第２実施例を示すボイスコイルアクチュエータの断面図である。
【図４】本発明構造におけるマグネット端部の解析による磁束密度分布図である。
【図５】従来構造におけるマグネット端部の解析による磁束密度分布図である。
【図６】従来構造のボイスコイルアクチュエータ例１の断面図である。
【図７】従来構造のボイスコイルアクチュエータ例２の断面図である。
【図８】本発明の第３実施例を示すボイスコイルアクチュエータの断面図である。
【図９】本発明のボイスコイルアクチュエータのコイルユニットを示す部分断面図である。
【図１０】第４実施例のコイルユニットを示す図で、（ａ）は部分断面図、（ｂ）は斜視図である。
【図１１】従来のボイスコイルアクチュエータを示す断面図である。
【符号の説明】
【００１８】
１  センターヨーク
２  外ヨーク
３  マグネット
４  端部外ヨーク
５  ボビン
６  電機子コイル
７  外カバー
８  ジャケット
９  Ｏリング
１０  冷媒流路
１１  シール溝
１２  冷却管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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