(57)【要約】【課題】ボイルコイルモータにおいて、部品点数を増加させず且つコイルの円滑な運動を妨げずに、コイル移動方向に均一な推力を得る。【解決手段】ボイスコイルモータ３０は、互いに対向する２つの外ヨーク３４とその両端部を互いに接続する２つのサイドヨーク３６とを備えたモータハウジング３２と、外ヨーク３４の内側表面上に配設された磁石４４と、２つのサイドヨーク３６によって両端部を支持された内ヨーク３８と、内ヨーク３８周りに挿入されているコイル４２とを備える。内ヨーク３８の断面形状はコイル４２の移動方向に一定であり、内ヨーク３８の厚さは、内ヨーク３８と磁石４４との間の磁束密度分布がコイル４２の移動方向に略均一となるように選択されている。また、２つのサイドヨーク３６の各々の内側表面には凸部４０が形成されており、磁石４４は凸部４０と外ヨーク３４との間に挟持されている。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する２つのサイドヨークと該２つのサイドヨークの間を接続する外ヨークとを備えたモータハウジングと、前記外ヨークの内側表面上に配設された磁石と、前記２つのサイドヨークによって両端部を支持され且つ前記モータハウジングの内部に前記磁石と離間して配置された内ヨークと、該内ヨーク周りに挿入されているコイルとを備え、該コイルに通電することによって前記コイルを前記内ヨークに沿って移動させるボイスコイルモータにおいて、
前記内ヨークの断面形状がコイルの移動方向に一定であり、前記内ヨークと前記磁石との間の磁束密度分布が前記コイルの移動方向に略均一となるように、前記内ヨークの厚さ又は直径を選択したことを特徴とするボイスコイルモータ。
【請求項２】
前記内ヨークの厚さ又は直径は、前記コイル移動方向単位長さ当たりの前記内ヨークの磁気抵抗が該単位長さ当たりの前記内ヨークと前記磁石の対応する部分との間の空間の磁気抵抗の２０００分の１より大きくなるように選択されている、請求項１に記載のボイスコイルモータ。
【請求項３】
互いに対向する２つの外ヨークと、互いに対向し且つ前記２つの外ヨークの両端部を互いに接続する２つのサイドヨークとを備えたモータハウジングと、前記２つの外ヨークの各々の内側表面上に配設された磁石と、前記２つのサイドヨークによって両端部を支持され且つ前記モータハウジングの内部に前記磁石と離間して配置された内ヨークと、該内ヨーク周りに挿入されているコイルとを備え、該コイルに通電することによって前記コイルを前記内ヨークに沿って移動させるボイスコイルモータにおいて、
前記２つのサイドヨークの各々の内側表面には凸部が形成されており、前記磁石は、その端部が前記凸部と前記外ヨークとの間に挟持されるようになっていることを特徴とするボイスコイルモータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、モータハウジング内で内ヨークに沿って移動可能なコイルを有し、コイルが内ヨークに沿って均一な推力を得ることができるボイスコイルモータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ボイスコイルモータは、互いに対向する２つのサイドヨークと該２つのサイドヨークの間を接続する外ヨークとを備えた略円筒形又は箱形のモータハウジングと、外ヨークの内側表面に取り付けられた永久磁石と、２つのサイドヨークによって両端部を支持されており、モータハウジングの内部に永久磁石と離間して配置された内ヨークとを備える。内ヨーク周りには、ボビンが挿入され、ボビンに巻かれた巻線によってコイルが形成される。そして、コイルは、通電されることにより、永久磁石と内ヨークとの間に生じた磁界の作用で内ヨークに沿って移動できるようになっている。
【０００３】
このようなボイスコイルモータでは、永久磁石から発せられる磁束が透過しやすいように、外ヨーク、サイドヨーク、内ヨークが軟磁性体により形成され、特に、内ヨークは、図３に示されているように、磁束が透過しやすいように断面積を大きくすべく直径（内ヨークが円形の場合）又は厚さ（内ヨークが平板状の場合）を大きくすることが一般的である。また、組み立ての便宜上、永久磁石とサイドヨークとの間に空間が形成されるようになっている。
【０００４】
ところが、内ヨークの断面積を大きくすると、磁石と内ヨークとの間におけるコイル移動方向の磁束密度分布は、内ヨーク中央付近を頂点とする山形になる傾向がある（図３参照）。また、永久磁石の端部とサイドヨークとの間隙により磁束漏れが生じて、コイルのストロークの両端部で永久磁石と内ヨークとの間の磁束密度が低下してしまう。このため、コイルの移動方向に一定の推力を得ることができないという問題が生じる。
【０００５】
これらの問題を解決するために、特許文献１では、外径が両端から中央に向かうにしたがって大きくなるように内ヨークの形状を形成し、内ヨークと永久磁石との間隙が中心に近づくほど狭くなるようにして、コイルのストローク内での磁束密度分布の均一化を図っている。また、特許文献２では、永久磁石の磁束と直交する向きに磁化した補助磁石を配置して、コイルストローク端部における磁束密度分布の低下を補うようにしている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−８９６４号公報（第４頁、図３）
【特許文献２】
特開２００２−２８１７２６号公報（第２頁、図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、特許文献１に記載のボイスコイルモータでは、内ヨークの外径が均一ではないために、ストローク方向におけるコイルの位置によってコイルに傾きを生じさせてコイルの円滑な運動を妨げる恐れがあると共に、小型ボイスコイルモータでは異形内ヨークを適用するだけの十分なスペースの確保が困難であり、適用が困難であるという問題がある。さらに、内ヨークの端部における永久磁石と内ヨークとの間隙が大きくならざるを得ず、得られる推力が低下するという欠点も有している。
【０００８】
また、特許文献２に記載のボイスコイルモータでは、補助磁石を使用するために使用部品点数が増加して製造工数及びコストの増加につながると共に、小型ボイスコイルモータに適用すると補助磁石も小さくなってその効果がほとんどなくなるという欠点を有している。
【０００９】
さらに、永久磁石の端部とサイドヨークとの間隙は、永久磁石端部付近における磁束分布に乱れを生じさせ、コイルストロークの両端部における磁束密度を低下させる。この結果、コイルストローク端部において推力が低下するという問題が生じる。
【００１０】
よって、本発明の目的は、上記従来技術に存する問題を解消して、ボイルコイルモータにおいて、部品点数を増加させず且つコイルの円滑な運動を妨げずに、コイル移動方向に均一な推力を得ることである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的に鑑み、互いに対向する２つのサイドヨークと該２つのサイドヨークの間を接続する外ヨークとを備えたモータハウジングと、前記外ヨークの内側表面に取り付けられた磁石と、前記２つのサイドヨークによって両端部を支持され且つ前記モータハウジングの内部に前記磁石と離間して配置された内ヨークと、該内ヨーク周りに挿入されているコイルとを備え、該コイルに通電することによって前記コイルを前記内ヨークに沿って移動させるボイスコイルモータにおいて、前記内ヨークの断面形状がコイルの移動方向に一定であり、前記内ヨークと前記磁石との間の磁束密度分布が前記コイルの移動方向に略均一となるように、前記内ヨークの厚さ又は直径を選択したボイスコイルモータを提供する。
【００１２】
例えば、前記内ヨークの厚さ又は直径は、前記コイル移動方向単位長さ当たりの前記内ヨークの磁気抵抗が該単位長さ当たりの前記内ヨークと前記磁石の対応する部分との間の空間の磁気抵抗の２０００分の１より大きくなるように選択される。
【００１３】
本願の発明者は、従来のボイスコイルモータの設計と逆に内ヨークの厚さ又は直径を所定の値以下にすることで、内ヨークと磁石との間の磁束密度分布に関するコイル移動方向の変動が抑制されることを見出した。これを利用して、磁束密度分布をコイル移動方向に均一化させ、コイルの位置と無関係に安定した推力を得ることを可能とさせた。また、本発明のボイスコイルモータでは、磁束密度分布をコイル移動方向に均一化させながらも、内ヨークの断面形状がコイルの移動方向に一定であるので、コイルの位置によってコイルにがたつきが生じることがなく、コイルの円滑な運動を妨げることがない。さらに、内ヨークを小型にすることになるので、ボイスコイルモータの小型化にも有効であり、小型ボイスコイルモータに対しても適用が可能である。これの効果は、モータハウジングの輪郭が全体として直方体形に形成されている場合でも、モータハウジングが円筒形状に形成されている場合でも同じである。なお、内ヨークは、モータハウジングの輪郭が直方体形の場合には平板状となり、モータハウジングが円筒形状の場合には円柱棒状となる。
【００１４】
単位長さ当たりの内ヨークの磁気抵抗が当該内ヨークと磁石の対応する部分との間の空間の磁気抵抗の２０００分の１より大きくなるような薄さに内ヨークを形成すれば、内ヨークの端部側で磁石との間の磁束が増加し、内ヨーク端部から中央部まで到達する磁束が減少する。その結果、内ヨークと磁石との間の磁束密度分布がコイル移動方向に略均一となる。
【００１５】
さらに、本発明は、互いに対向する２つの外ヨークと、互いに対向し且つ前記２つの外ヨークの両端部を互いに接続する２つのサイドヨークとを備えたモータハウジングと、前記２つの外ヨークの各々の内側表面上に配設された磁石と、前記２つのサイドヨークによって両端部を支持され且つ前記モータハウジングの内部に前記磁石と離間して配置された内ヨークと、該内ヨーク周りに挿入されているコイルとを備え、該コイルに通電することによって前記コイルを前記内ヨークに沿って移動させるボイスコイルモータにおいて、前記２つのサイドヨークの各々の内側表面には凸部が形成されており、前記磁石は、その端部が前記凸部と前記外ヨークとの間に挟持されたボイスコイルモータを提供する。
【００１６】
このような構成のボイスコイルモータでは、サイドヨークの内側表面に形成された凸部に磁石を当接して配置することによって、磁石の端部から発する磁束が凸部を通って内ヨークに伝わり易くなり、間隙を通る磁束が減少するので、磁石端部における磁束分布の乱れが減少する。これにより、コイル移動方向端部における磁束密度が増加し、磁束密度分布の変動が抑制されるので、コイルの位置に無関係に安定した推力が得られるようになる。
【００１７】
また、サイドヨークの凸部と外ヨークとの間に磁石が挟持されるので、接着剤層や締結具を用いて磁石を外ヨークやサイドヨークに固定することなく、内ヨークと磁石とを一定の間隔に保持することができる。これによって、従来、磁石を外ヨークに固定するために使用された接着剤層が不要になるので、磁束が磁石から外ヨークへ通り易くなり、内ヨークへ到達する磁束が増加してコイルの推力を増加させる効果も得られる。また、接着剤や締結具を不要とさせるので、ボイスコイルモータの組み立ても容易となる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
【００１９】
図１は本発明の第１の実施形態の側面図、図２は本発明の第２の実施形態の側面図、図３は本発明と比較するための従来のボイスコイルモータの側面図である。
【００２０】
最初に、図１を参照して、本発明のボイスコイルモータの第１の実施形態について説明する。
【００２１】
本発明のボイスコイルモータ１０のモータハウジング１２は、互いに対向する２つの外ヨーク１４と、互いに対向し且つ２つの外ヨーク１４の両端部を互いに接続する２つのサイドヨーク１６とを備える。２つのサイドヨーク１６の間には、軸方向に一定の断面形状を有した平板状の内ヨーク１８が延びており、内ヨーク１８の各端部は、各サイドヨーク１６の内側表面に設けられた凹部１９に挿入され、各サイドヨーク１６に支持されている。また、各外ヨーク１４の内側表面には、磁石２２が接着剤層２０を介して取り付けられており、内ヨーク１８と平行に離間して配置されている。これら外ヨーク１４、サイドヨーク１６及び内ヨーク１８は磁石２２から発せられる磁束が通りやすいように、強磁性材料、特に好ましくは純鉄などの軟磁性体から形成されており、磁気回路を構成するようになっている。また、磁石２２としては、永久磁石や電磁石などを使用することが可能である。
【００２２】
内ヨーク１８周りには、ボビン２４ａの周囲に巻線２４ｂを巻き付けることによって形成されたコイル２４が挿入されており、コイル２４は内ヨーク１８と磁石２２との間隙内に配置された構成となっている。ボビン２４ａは非磁性体であることが望ましい。また、ボビン２４ａがなく巻線２４ｂのみでコイル２４を構成することも可能である。
【００２３】
このようにして、構成されたボイスコイルモータ１０では、内ヨーク１８と磁石２２との間に形成された磁界が、通電されたコイル２４に力を作用させることによって、内ヨーク１８に沿ってコイル２４を動かすようになっており、コイルストロークの或る領域におけるコイル２４の推力は、その領域における内ヨーク１８と磁石２２との間の磁束密度によって定まる。ところが、一般に、内ヨーク１８の磁気抵抗を低下させるべく大きな断面積を有した内ヨーク１８では、内ヨーク１８の中央部において最も磁束密度が高くなり両端で低くなる山形の磁束密度分布を有している。このため、コイル２４のストローク内で一定の推力を得ることができなかった。
【００２４】
しかしながら、本願の発明者は、通常の内ヨーク１８の設計と逆に、内ヨーク１８の磁気抵抗をある程度高くすると、内ヨーク１８の端部（すなわち、サイドヨーク１６と内ヨーク１８との接続部分）と磁石２２との間の領域における磁束密度が高まり、内ヨーク１８の中央部と磁石２２との間の領域における磁束密度が小さくなって、内ヨーク１８と磁石２２との間の磁束密度分布のコイル２４の移動方向に沿った変動が小さくなることを見出した。
【００２５】
そこで、本発明のボイスコイルモータ１０では、内ヨーク１８の断面形状を軸方向に一定に保ったまま、内ヨーク１８と磁石２２との間の磁束密度分布がコイル２４の移動方向に略均一となるように内ヨーク１８の厚さを選択し、内ヨーク１８の厚さを一般に使用される内ヨークの厚さよりも薄くするように設計する。
【００２６】
例えば、図１において、内ヨーク１８が幅（紙面垂直方向）Ｌ、厚さ（図中上下方向）ｄ、長さ（図中左右方向）Ｌ、透磁率μの板状部材からなり、内ヨーク１８と磁石２２との距離をｐ、空気の透磁率をμ０、コイル移動方向の長さΔｘ当たりの内ヨーク１８の磁気抵抗をＲ、このコイル移動方向方向の長さΔｘの内ヨーク１８からこれと対向する領域の磁石２２まで延びる部分空間の磁気抵抗をＧとしたとき、以下のようにして内ヨーク１８の厚さｄを定める。
【００２７】
まず、Ｒ及びＧは以下の式により求められる。
【００２８】
Ｒ＝Δｘ／（μＬｄ）
Ｇ＝ｐ／（μ０ＬΔｘ）
一方、実験により、以下の式を満たすときに、内ヨーク１８と磁石２２との間の磁束密度分布がコイル２４の移動方向に略均一（この場合、変動率が１％以下となる状態）となることが分かった。
【００２９】
Ｒ≧（１／２０００）・Ｇ
また、内ヨーク１８の磁気抵抗が高くなると磁束が内ヨーク１８を通りにくくなり、内ヨーク１８と磁石２２との間の空間における磁束密度が全体として低下し、モータとして機能できなくなることから、以下の制約が必要となる。
【００３０】
Ｒ≦（１／５０）・Ｇ
以上４つの式を連立させ、その他の設計上の制約を考慮することにより、内ヨーク１８と磁石２２との間の磁束密度分布をコイル２４の移動方向に略均一とさせるのに適した内ヨーク１８の厚さｄが求められる。
【００３１】
次に、図２を参照して、略均一の推力を実現するための本発明の他の実施形態について説明する。
【００３２】
図２に示されているボイスコイルモータ３０のモータハウジング３２は、図１に示されているものと同様に、互いに対向する２つの外ヨーク３４と、互いに対向し且つ２つの外ヨーク３４の両端部を互いに接続する２つのサイドヨーク３６とを備えている。一方、２つのサイドヨーク３６の間には、軸方向に一定の断面形状を有した板状の内ヨーク３８が延びているが、図１に示されている実施形態と異なり、内ヨーク３８の各端部は、各サイドヨーク３６の内側表面に形成された互いに平行に延びる２つの凸部４０の間に挿入された状態で、サイドヨーク３６に支持されている。これら外ヨーク３４、サイドヨーク３６、内ヨーク３８は、いずれも、軟磁性体などの強磁性材料から形成されている。そして、内ヨーク３８周りには、図１の実施形態と同様にして形成されたコイル４２が挿入され、内ヨーク３８に沿って移動可能になっている。
【００３３】
また、外ヨーク３４と内ヨーク３８との間には、サイドヨーク３６の凸部４０に当接した状態で磁石４４が載置されている。磁石４４は、その磁力により磁石４４と内ヨーク３８とが互いに引き付け合うことから、磁石４４の端部と内ヨーク３８の端部との間にサイドヨーク３６の凸部４０を挟んだ状態でサイドヨーク３６の凸部４０上に固定され、内ヨーク３８と一定の間隔を維持する。一方、磁石４４の外側表面（外ヨーク３４側の表面）はサイドヨーク３６の端面と面一となるようになっており、サイドヨーク３６に外ヨーク３４を取り付けたときに、磁石４４の外側表面と外ヨーク３４の内側表面とが密着するように構成されている。すなわち、磁石４４は、その端部がサイドヨーク３６の凸部４０と外ヨーク３４の内側表面との間に挟持されるようになっている。
【００３４】
このように磁石４４をサイドヨーク３６の凸部４０と外ヨーク３４との間に挟持する構成をとることにより、磁石４４を外ヨーク３４に固定するための接着剤層やネジが不要になり、組み立てが簡単化される。また、接着剤層を使用する場合と比較して、磁束が磁石４４から外ヨーク３４へ通り易くなる利点を有する。
【００３５】
さらに、図１から分かるように、サイドヨーク１６の間へ磁石２２を挿入したときに、寸法誤差を考慮した設計に起因して磁石２２とサイドヨーク１６との間には隙間が生じるが、この隙間は磁石２２の端部付近における磁束分布を乱し、コイル移動方向端部の磁束密度を低下させる原因となる。ところが、図２に示されている実施形態では、磁石４４の端部に強磁性材料からなるサイドヨーク３６の凸部４０が接触していることから、磁束は主として凸部４０を通り、凸部４０が補助磁石として機能するので、磁石４４の端部における磁束の乱れを減少させ、内ヨーク３８と磁石４４との間の空間のコイル移動方向端部において磁束密度を増加させる。したがって、この構成は、内ヨーク３８と磁石４４との間の磁束密度分布の変動を抑制し、磁束密度分布を均一化させる効果を奏する。
【００３６】
なお、内ヨーク３８の厚さは、図１の実施形態について説明したように、内ヨーク３８と磁石４４との間の磁束密度分布がコイル４２の移動方向に略均一となるように選択されることが好ましい。
【００３７】
以上、図１及び図２に示されている実施形態を例にして本発明のボイスコイルモータ１０、３０を説明したが、本発明は図示されている実施形態に限定されるものではない。例えば、図１に示されている実施形態では、モータハウジング１２が直方体形状となっているが、モータハウジング１２は略円筒形状であってもよい。モータハウジング１２が円筒状の場合には、内ヨーク１８は、棒状に形成され、コイル２４の移動を外部に伝達するために、モータハウジング１２の一部に開口部を設ける必要があることはいうまでもない。
【００３８】
また、図２に示されている実施形態では、サイドヨーク３６に２つの凸部４０が形成され、２つの凸部の間に内ヨーク３８が支持されているが、サイドヨーク３６に１つの凸部を設け、この凸部の中央に内ヨーク３８を接着したり凸部の中央部に凹部を設けて内ヨーク３８を挿入したりすることによって内ヨーク３８をサイドヨーク３６に支持させることも可能である。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のボイスコイルモータは、内ヨークの厚さをある程度薄くして磁気抵抗を高めることによって、内ヨークと磁石との間の磁束密度分布をコイルの移動方向に略均一となるようにしている。また、本発明のボイスコイルモータは、サイドヨークに凸部を設け、その凸部と外ヨークとの間に磁石を挟持することによって、磁石端部から内ヨークへ磁束を伝わり易くして磁石端部の磁束分布の乱れを低減させ、内ヨークと磁石との間の磁束密度分布の変動を抑制している。これにより、ボイスコイルモータは、コイル移動方向に均一な推力を得ることができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の側面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態の側面図である。
【図３】本発明と比較するための従来のボイスコイルモータの側面図である。
【符号の説明】
１０…ボイスコイルモータ
１４…外ヨーク
１６…サイドヨーク
１８…内ヨーク
２２…磁石
２４…コイル
３０…ボイスコイルモータ
３４…外ヨーク
３６…サイドヨーク
３８…内ヨーク
４０…凸部
４２…コイル
４４…磁石
【図１】
2005012970.tif 000003
【図２】
2005012970.tif 000004
【図３】
2005012970.tif 000005