JAMES MITCHELL
ボイスコイルアクチュエータは、非整流型 DC リニアアクチュエータとも呼ばれ、ダイレクトドライブリニアモータの一種である。 ボイスコイル」という言葉は、歴史的に最初のアプリケーションの1つである、スピーカーのペーパーコーンの振動に由来しています。 現在では、より大きな質量を動かすなど、さまざまな用途に使われている。 たとえば、光学分野では、ボイスコイルアクチュエーターは通常、焦点合わせアプリケーション、振動システム、ミラーチルト、最大3軸の小型位置制御で使用されます。
このタイプのアクチュエーターは、永久磁石と鉄の組み合わせである磁界アセンブリとコイルアセンブリで構成されています。 コイル・アセンブリを流れる電流は永久磁場と相互作用し、電流の方向に垂直な力ベクトルを発生させる。 コイルを流れる電流の極性を変えることで、力のベクトルを反転させることができます。
非整流式DCリニアアクチュエータは、最大5インチの変位が可能で、数オンスの力を発生するデバイスから数百ポンドの力を発生するものまでさまざまなサイズがあります（表1参照）。 さらに、ボイスコイルアクチュエーターは双方向に動くことができ、ストローク全体にわたって比較的一定の力を持ち、開ループまたは閉ループの位置または力のアプリケーションに使用することができます。 ボイスの代表的な仕様コイルアクチュエータ
|
タイプ |
ストローク |
ピーク荷重 |
直径 消費電力 |
周波数範囲 |
|||
|
可動コイル |
0.1～5.2 in. 0.1～134 mm |
0.1～1755 lbs 0.1～7020 N |
0.4～10 in. |
0.2～1.5 mm |
0.1～1.5 kg 0.1～1.5 kg 10 ～ 254 mm |
1 ～ 2700 W |
1 ～ 500 Hz |
|
移動磁石 |
0.0 ～ 1.0 mm
1 ～ 2.0 mm |
0.1～419 lbs 0.1～1865 N |
0.4 to 6.5 in. 10 to 164 mm |
1 to 3400 W |
1 to 500 Hz |
ボイスコイルのアクチュエーターは永久磁界中の通電コンダクターの相互作用に基づいて力を生成するものである。 ボイスコイルによって発生する力は、ローレンツの力方程式によって指示されるように、コイルを流れる電流と永久磁場中の磁束の積に比例します。 簡単な例では、電流Iを運ぶ長さLの直線ワイヤで、磁界Bに垂直に配向した場合に生じる力F（F、I、Bはベクトル）は、
F = IL × B
（実際のデバイスでは、非直線ワイヤ形状や磁界に対するボイスコイル・ワイヤの方向が異なるので計算はより複雑となります。)
発生する力は、ストロークの始めと終わりに力がわずかに減少するものの、アクチュエータのストローク全体を通じて比較的一定である。 ボイスコイルアクチュエーターでは、コイルアセンブリまたは永久磁石磁場アセンブリのどちらかを可動部材として使用することができます。 これらは通常、ボビンに巻かれたコイルから成り、ボビンは多くの非磁性材料から作ることができ、その中心に同心の永久磁石アセンブリがあるスチール製ハウジングから成る永久磁石フィールドアセンブリの中を出入りします（図 1 参照）
Moving Magnet
もう 1 つの共通のタイプのアクチュエータは移動磁石設計で、コイルは固定されていて磁石アセンブリが動きます。 この構造変更により、動作中に移動が必要なコイルリードを防ぐことができます。 このパッケージは、ムービングコイル設計と同様に動作しますが、磁石アセンブリを出入りする露出したコイルの代わりに、円筒形のコイルチューブ内を移動する永久磁石アセンブリのピストンを備えています（図2参照）。 このスタイルは、永久磁石アセンブリがシャフトとベアリングを含むエンドキャップに取り付けられていることが多いので、このスタイルは統合されたベアリングシステムで供給されることが最も一般的です。図2.永久磁石アセンブリがシャフトに取り付けられている。 ムービングマグネットタイプのボイスコイルアクチュエータは、最も一般的に統合されたベアリングシステムとともに供給されます。 可動磁石タイプのボイスコイルアクチュエーターは、統合されたベアリングシステムと一緒に供給されるのが最も一般的です。
これらのアクチュエーター設計には、独自の形状を可能にするバリエーションがあり、多くのタイプのアプリケーションにボイスコイルアクチュエーターを組み込むことができます。 カスタマイズの例としては、以下のようなものがあります。
- ボイスコイルを回転制限のあるアプリケーションで使用できるように、半径方向のクリアランスを大きくする
- ボイスコイル モーターを意図的に円弧状に動作させる設計（これは通常、ロータリー ボイスコイルと呼ばれます）
- ボイスコイル モーターを回転させる設計（これは一般に、回転式ボイスコイルとして知られています）。ボイスコイルアクチュエーター）
- 真空環境での使用を可能にする低アウトガス材料の使用
- 閉ループ制御のためのフィードバック装置の統合
ボイスコイルアクチュエーターの利点は以下のとおりです。
- 構造が簡単
- 非常に低いヒステリシス
- 小型
- 高い加速度
- コギング（優先位置）または整流がない
アンプ選択
目的の動きをするために必要な電流および電圧を供給できるアンプが必要です。 アンプをボイスコイルアクチュエータに適合させるために、連続電流とピーク電流、逆起電力（必要なDCバス電圧を決定するため）、およびアクチュエータ抵抗とインダクタンスを知る必要があります。
ブラシタイプのアンプは単相（2リード）アクチュエータの動作に使用します。 これらのアンプは、ある程度のインテリジェンスを内蔵することができ、追加のソフトウェアを必要とする場合もあります。
ボイスコイルアクチュエータとソレノイド
別のタイプのモーション・デバイスであるソレノイドは、ボイスコイルアクチュエータと混同されることがあります。 しかし、ボイスコイルが永久磁場中の通電導体の相互作用に基づいて力を発生させるのに対し、ソレノイドは通電導体によって作られる電磁場に基づいて力を発生させます
ソレノイドは鉄鋼ハウジングと可動スチールスラグまたはワッシャに含まれるコイルから構成されています。 コイルに電流を流すと電磁場が発生します。 磁界の強さによって、ソレノイドが発生させることができる力の大きさが決まります。 電源を切ると力はゼロになり、スプリングによって伸びた位置に戻る。 ソレノイドは通常、ラッチを開くかバルブを開閉するために使用され、保持力またはラッチ力を加えるために使用されます。
小変位モーション制御アプリケーションにボイスコイルアクチュエーターまたはソレノイドを使用するかという問題は、しばしば出てくるものです。 単にバルブを開閉するだけのアプリケーションであれば、ソレノイドを選択することができます。 しかし、ソレノイドには、力の直線性とストローク長に関して制限があります。
ボイスコイルアクチュエーターは通常、市販のソレノイドよりもコストが高いため、多くのお客様は、ボイスコイルアクチュエーターがより適切なソリューションである場合にソレノイドを使用しようとされます。 アプリケーションによっては、移動距離を通じて一定の力が必要な場合があり、このような場合、ソレノイドでは移動距離を通じて力が減少するため不十分ですが、ボイスコイルアクチュエータでは一定の力が得られます（表2参照）。 このことは、振動系では特に重要です。 ボイスコイルが提供するもう一つの利点は、出力される力（ストロークのどの位置でも）が電流入力に直接比例するため、フィードバック装置なしで力を制御できることです
TABLE 2. ボイスコイルアクチュエータとソレノイドの比較
ボイスコイル・アクチュエータcoil actuator
Solenoid
力
低～中
高
ストローク
5インチ
高
。 最大
1/4 in. 最大
定常荷重
あり
なし
。
リバーシブル
はい
いいえ
の場合 Position/force control
Yes
No
。 コスト
Moderate
Low
Voice- (音声)コイルアクチュエータは、一般的に力密度が高くなる傾向があります。 ソレノイドに比べ、より小さなパッケージでより大きなストロークと力を得ることができます。
James Mitchell は、カリフォルニア州サンタクラリタにある H2W Technologies のシニア エンジニアです。電子メール: [email protected]; www.h2wtech.com.