CN1998125A - 强磁场音圈电机 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例是永久磁铁的一种特殊排列，可为音圈电机生成比现有永久磁铁排列强度更高和更均匀的磁场。实施例的永久磁铁排列是基于永久磁铁的Halbach排列。增大的磁场强度和均匀性可实现既能够更高频率激励又能够在激励的全程有更均匀力的音圈电机。

Description

强磁场音圈电机

优先权声明

本申请涉及2004年5月12日提交的临时申请号60/570579，并要求该申请的权益。

技术领域

本发明的实施例涉及音圈电机，并且更具体地说，涉及驱动音圈电机的磁铁排列。

背景技术

除其它标准外，速度、效率和精度是制造的最低标准。在竞争日益激烈的制造市场，更有效率地利用资源，以更少的时间制造更高质量部件的公司将在与能力更差的竞争对手的竞争中获得胜利。一个此类行业是半导体行业。半导体行业的工程师，特别是涉及晶片和芯片处理与控制设备的那些工程师具有许多可选择用于运动控制设备的装置。一个此类装置是音圈电机，也称为音圈激励器。

原来在扬声器中使用的音圈电机是受限的运动装置，利用永久磁场内的线圈产生与应用到线圈的电流成正比的机械力。电机为线性或旋转电机，而旋转电机一般以扭矩与力测量性能。任一取向的特征是高加速(例如，50倍重力或更高)和高频激励。

音圈电机可由闭环或开环控制系统控制。在闭环系统中，位置传感器可提供反馈到电机驱动电子装置以控制音圈电机的激励。在开环系统中，只需通过更改应用到线圈的电流便可控制音圈电机的激励，其中，众所周知的是例如特殊的电流产生特殊的激励、力或扭矩。对于任一排列，均匀性和可控制性是重要的。

半导体行业的音圈电机经常显示为控制丝焊机中的z轴(即，垂直于包含半导体晶体表面的平面)。丝焊机以类似于缝纫机的方式操作，连接其它集成电路、电路元件之间和之中的集成电路芯片，并且电路衬底具有十分精细的导线(例如，一般直径为0.001英寸或更小)。

由于半导体装置大小降低，并且装置密度增大，因此，丝焊机同时具有高精度和快速变得更重要。此外，由于丝焊机将丝线互连粘附到的层变得更薄，并且经常更易破碎，因此，对于通过例如施加力、超声振动和热将丝线粘附到半导体装置而不损坏装置表面，z轴控制是关键。除其它特性外，音圈电机的可控制性、速度和效率在一定程度上取决于线圈操作时所处的永久磁铁和结果永久磁场的配置。

附图说明

本专利或申请文件包含至少一个以彩色执行的图。专利局在收到请求和必要的费用款时可提供具有彩色图的本专利或专利申请出版物副本。

图1：两个先有技术音圈电机永久磁铁配置的横截面图。

图2：另一个先有技术音圈电机永久磁铁配置的横截面图。

图3：永久磁铁的Halbach排列和生成图4的修改的图。

图4：修改音圈电机的Halbach永久磁铁排列的实施例的横截面图。

图5：修改音圈电机的Halbach永久磁铁排列的实施例的横截面图。

图6：图4和图5实施例的顶视图。

图7：应用到旋转运动音圈电机的图4永久磁铁排列的透视图。

图8：应用到旋转运动音圈电机的图5永久磁铁排列的透视图。

图9：显示居中于永久磁铁排列的音圈的图4旋转运动音圈电机的顶视图。

图10：显示在永久磁铁排列中旋转最大量的线圈的图4旋转运动音圈电机的顶视图。

图11：显示永久磁铁排列产生的以高斯为单位磁通量密度的图4旋转运动音圈电机的顶视图。

图12：应用到旋转运动音圈电机的图2先有技术永久磁铁排列的透视图。

图13：显示永久磁铁排列产生的以高斯为单位磁通量密度的图2旋转运动音圈电机的顶视图。

图14：与图2旋转运动音圈电机相比，图4旋转运动音圈电机的增大的扭矩和均匀性图。

具体实施方式

下面将描述永久磁铁排列和包括该永久磁铁排列的强磁场音圈电机的实施例。现在将详细地参照如图所示的这些实施例的说明。虽然实施例将结合这些图进行描述，但无意将它们限于本文公开的图。相反，有意涵盖在以下论述精神和范围内的所有替代方案、修改和等同物。

简单地说，本发明的实施例是永久磁铁的一种特殊排列，可为音圈电机生成比现有永久磁铁排列强度更高和更均匀的磁场。实施例的永久磁铁排列是基于永久磁铁的Halbach排列。增大的磁场强度和均匀性可实现既能够更高频率激励又能够在激励的全程有更均匀力的音圈电机。

如上所述，音圈电机、特别是具有旋转运动的那些音圈电机的一个值得注意的使用是在丝焊机上驱动z轴运动。形成适当丝焊的重要参数包括毛细管施加的压力、衬底热量和应用于洗擦碎片焊盘及在丝线与焊盘之间形成冶金焊(即，低共熔焊)的超声力。如本领域众所周知的一样，丝焊机的z轴激励器必须能够很精确地应用所需的压力以形成适当的焊接，而不会例如应用太大压力使衬底凹陷。

又一考虑事项是丝焊机可形成丝焊的速度。z轴音圈激励器中更强的磁场可导致例如毛细管单元更高的加速，使得丝焊机能够更高频焊接(即，每秒焊接增多)。然而，z轴激励器也可能在x和y轴中移动。相应地，通过例如增大永久磁铁的大小以生成更强磁场而增加z轴激励器质量可对x和y轴运动产生更低加速和结果速度。高性能z轴激励器因此将还可提供强磁场而不会增加烦人的质量。

如下面等式所述，音圈电机产生的力随磁场中导体的长度、磁场强度和导体中承载的电流而变化，其中，i是通过与丝线垂直的磁场B中长度L的直丝线的电流。

$\stackrel{\‾}{F}=i\stackrel{\‾}{L}\×\stackrel{\‾}{B}$ 增大电流、丝线长度或垂直于丝线的磁场强度可增大力。如下面将更全面论述的一样，实施例的音圈电机通过增大永久磁铁排列气隙中的B而增大力(或者在配置为产生有关支点的旋转运动时增大扭矩)。增大的B产生了改善的音圈电机性能。

图1显示在音圈电机中利用的永久磁铁的两种先有技术配置。如磁铁排列100和磁铁排列101所示的先有技术设计中的磁通量密度低，在利用48兆高斯奥斯特(MGOe)钕铁硼(NdFeB)磁铁时一般小于10000高斯。先有技术磁铁排列100和磁铁排列101一般还在力(或扭矩)重量比方面效率低。

图2显示在音圈电机中利用的另一先有技术永久磁铁配置。如图2所示，组成磁铁201-206的磁极取向可参照相临于磁铁排列并只用于说明目的的笛卡尔轴进行描述。图2的先有技术磁铁排列包括由一个间隙分开的两个不同部分，而音圈将穿过该间隙。第一部分包括底板200和磁铁201-203，磁铁201-203分别具有在-y、-x和+y方向上的磁极取向。第二部分包括底板207和磁铁204-206，磁铁204-206分别具有在+y、+x和-y方向上的磁极取向。

图2所示的此先有技术排列具有好的效率，但有一些缺陷。例如，电机组件需要固定结构保持两个不同部分之间的气隙。此外，磁通量密度在间隙边缘(即，朝向磁铁201、203、204和206的末端边缘)降低。磁通量密度降低使得在音圈旋转到永久磁铁间隙内的两个移动极端时磁铁排列和音圈(未显示)生成的扭矩大幅降低。

图3显示用于Halbach圆柱体的永久磁铁排列。为劳伦斯伯克利国家实验室命名的Halbach圆柱体是在空心圆柱体的腔中生成均匀场的磁铁排列。具体而言，Halbach圆柱体在至腔轴线的垂直角度生成均匀磁场。在一定程度上由于现代稀土和铁氧体磁铁基本上对相邻磁铁生成的通量透明的原因，磁铁组合在圆柱体腔中生成均匀磁场，在圆柱体外生成零磁场。使Halbach圆柱体成为实施例永久磁铁排列所需基础的是腔磁场的均匀性和强度。

图4显示修改Halbach永久磁铁排列以形成实施例的永久磁铁排列和结果音圈电机的实施例的横截面。组成磁铁401-412可参照与磁铁排列相邻且只用于说明目的的笛卡尔轴进行描述。例如，磁铁401-405分别具有在-x、+y、+x、-y和-x方向上的磁极取向。磁铁407-411分别具有在+x、-y、-x、+y、+x方向上的磁极取向。磁铁406和412确定磁铁401-405与407-411之间的间隙厚度，而音圈将在该间隙中操作。此外，不同于图2所示的先有技术磁铁排列，间隙由磁铁(即，磁铁406和412)与非磁性隔离物保持，允许整个磁铁排列的更多部分对间隙中生成的永久磁场起作用。磁铁405具有在+y方向上的磁极取向，并且磁铁412具有在-y方向上的磁极取向。

或者，图3 Halbach圆柱体中的某些单独磁铁如在图中所示一样进行组合，并且其它磁铁(特别是中心的两个磁铁)被删除以加工成图4所示的永久磁铁排列。另外，实施例磁铁排列的整个横截面形状是矩形，便于在其中形成的音圈间隙中无阻碍的音圈移动。组件的顶部和底部由小块碳钢支撑板400和413组成。钢支撑板用做实施例排列的磁铁401-412生成的磁通量的返回路径的一部分。

此外，包括实施例磁铁组件的磁铁的磁极取向可描述为形成间隙的磁铁序列。从显露间隙的一端观看时(如图4)，各个磁铁均具有与相邻磁铁大致90度旋转偏移的磁极取向。例如，描述围绕通过磁铁序列的间隙顺时针前进的各个磁铁时，每个磁铁具有与正好前一磁铁的磁极顺时针(-90度)旋转的磁极取向。

与图1和图2所示先有技术磁铁排列相比，图4的永久磁铁排列增大了间隙的磁通量密度。增大的磁通量密度又改善了包含实施例的磁铁排列的音圈电机性能(例如，可控制性、速度和效率)。另一种说法是由于增大的磁通量密度是基于磁铁配置与增大的磁铁大小，因此，与先有技术磁铁组件相比，实施例的音圈电机改善了力(或扭矩)重量比。实施例的另一优点是在间隙内关注区域上的磁场均匀性，磁场均匀性可在整个音圈电机行程上生成更均匀的力(或扭矩)。又一优点是永久磁铁组件是自架的，它不需要固定结构保持间隙。

图4的永久磁铁排列可通过将例如具有结构胶的磁铁与钢支撑板焊接在一起而加工成。另外，使用类似的焊接技术将相邻磁铁相互焊接在一起。磁铁材料可以为产生高磁通量的任一磁铁材料。在一个实施例中，磁铁材料为高质量的钕铁硼(NdFeB)。

图5显示另一实施例的横截面，其中，如图4所示实施例一样，永久磁铁排列包含经修改并应用到音圈电机的Halbach圆柱体设计特性。组成磁铁401-412可参照与磁铁排列相邻且只用于说明目的的笛卡尔轴进行描述。例如，磁铁401-405分别具有在-x、+y、+x、-y和-x方向上的磁极取向。磁铁407-411分别具有在+x、-y、-x、+y、+x方向上的磁极取向。各个磁铁的排列(即，位置、形状和极取向)基本上与图4所示实施例相同；然而，磁铁组件不是自架的，它不包括定义间隙厚度并对间隙中生成的磁场起作用的磁铁406和412。图5的永久磁铁排列将需要隔离物以保持音圈操作所处的间隙。磁铁排列500是同一磁铁排列的透视图。

图6显示图4和图5实施例的顶视图，包括源自每个图为磁铁401-405所列取向的磁极取向。间隙的形状由磁铁406和412定义，这两个磁铁分别与上覆的磁铁401和405具有相同的形状。从顶部观看大致梯形的间隙对实施例磁铁排列形成的扭矩均匀性起作用，这将由图9和图10进一步显示。

在实施例(假设为图4或图5所示实施例)的音圈电机设计中，音圈围绕包含在永久磁铁组件内的间隙外的枢轴点旋转。图7和图8显示分别包含图4和图5所示永久磁铁排列的实施例音圈电机。

图9和图10显示图4所示永久磁铁排列的顶视图。具体地说，图9显示居中于间隙和下层磁铁402-404的音圈900。为简明起见，只显示此视图的磁铁顶层(即，磁铁401-405)。音圈900如上所述响应施加的电流而围绕枢轴点901旋转。图10显示最大位移的音圈900。要理解的是，最大位移也可在与所示相反方向上从间隙中心偏移。如上所述，并且为了提高效率，在结构上使用了梯形磁铁，以便在最大位移的音圈900边缘与定义音圈900操作所处间隙的磁铁边缘平行。图11显示图4实施例永久磁铁排列的相同顶视图和由此在间隙中形成的以高斯为单位的磁通量密度。

图12显示包含图2所示永久磁铁排列的音圈电机透视图。图13显示图2实施例永久磁铁排列的顶视图和由此在间隙中形成的以高斯为单位的磁通量密度。

如上所述，图11和图13分别显示在音圈间隙中由图4实施例永久磁铁排列和图2先有技术永久磁铁排列形成的以高斯为单位的磁通量密度。在间隙的外边缘，图4永久磁铁排列的磁通量密度高于图2先有技术永久磁铁排列。与图2先有技术磁铁排列相比，在间隙外边缘实施例(即，如图4所示)磁铁排列形成的更高磁通量密度使得间隙内在音圈运动或旋转限制的力或扭矩增大。

或者，图14显示了对于图2先有技术磁铁组件与如图4所示实施例的磁铁组件，相对于居中于间隙的扭矩与音圈旋转角度测量。如图所示，图4永久磁铁排列与图2先有技术磁铁组件相比，在音圈运动范围内具有增大的扭矩和扭矩均匀性。此外，图4实施例的永久磁铁排列在扭矩重量比方面比图2先有技术永久磁铁排列更有效。还有，在音圈旋转限制的扭矩(即，相对于间隙中心的-4度旋转和+4度旋转)比在间隙中心的更高。这与在音圈旋转限制呈现降低扭矩的图2先有技术排列的角度与扭矩曲线形状形成对比。要理解的是，虽然提供有特殊的扭矩值，但图14中包括的扭矩值并无意限制。

本领域的技术人员将认识到公开实施例的精致之处在于它改善了音圈电机的性能。

Claims (14)

1.一种磁铁组件，包括：

第一部分，包括

第一底板以及

第一批多个磁铁，耦合到所述第一底板；

第二部分，包括

第二底板以及

第二批多个磁铁；以及

第三批多个磁铁，耦合到所述第一部分和所述第二部分以定义所述第一部分与所述第二部分之间的间隙，所述间隙具有基本上为矩形的横截面；

其中每个磁铁在相同平面内具有极取向，旋转偏移相邻磁铁的磁极取向，相邻磁铁之间旋转偏移的绝对值大约为90度。

2.如权利要求1所述的磁铁组件，所述第一部分还包括：

第一中心磁铁，耦合到所述第一底板，所述第一中心磁铁具有与所述第一底板基本平行并定向在第一方向的磁极取向；

第一磁铁，在所述第一方向上耦合到与所述第一中心磁铁相邻的所述第一底板，所述第一磁铁具有与所述第一底板基本正交并在远离所述第一底板方向上的磁极取向；

第二磁铁，在所述第一方向上耦合到与所述第一磁铁相邻的所述第一底板，所述第二磁铁具有与所述第一中心磁铁的磁极取向基本反平行的磁极取向；

第三磁铁，在第二方向上耦合到与所述第一中心磁铁相邻的所述第一底板，所述第二方向与所述第一方向反平行，所述第三磁铁具有与所述第一底板基本正交并在朝向所述第一底板方向上的磁极取向；以及

第四磁铁，在所述第二方向上耦合到与所述第三磁铁相邻的所述第一底板，所述第四磁铁具有与所述第一底板基本平行并定向在所述第二方向的磁极取向。

3.如权利要求2所述的磁铁组件，所述第二部分还包括：

第二中心磁铁，耦合到所述第二底板，所述第二中心磁铁具有与所述第二底板基本平行并定向在所述第二方向的磁极取向；

第五磁铁，在所述第一方向上耦合到与所述第二中心磁铁相邻的所述第二底板，所述第五磁铁具有与所述第二底板基本正交并在朝向所述第二底板方向上的磁极取向；

第六磁铁，在所述第一方向上耦合到与所述第五磁铁相邻的所述第二底板，所述第六磁铁具有与所述第二底板基本平行并定向在所述第一方向的磁极取向；

第七磁铁，在所述第二方向上耦合到与所述第二中心磁铁相邻的所述第二底板，所述第七磁铁具有与所述第二底板基本正交并在远离所述第二底板方向上的磁极取向；以及

第八磁铁，在所述第二方向上耦合到与所述第七磁铁相邻的所述第二底板，所述第八磁铁具有与所述第二底板的表面基本平行并定向在所述第一方向的磁极取向。

4.如权利要求3所述的磁铁组件，所述第三批多个磁铁还包括：

第九磁铁，耦合到所述第二磁铁和所述第六磁铁，所述第九磁铁具有与所述第一底板和所述第二底板基本正交并在朝向所述第一底板方向上的磁极取向；以及

第十磁铁，耦合到所述第八磁铁和所述第四磁铁，所述第十磁铁具有与所述第一底板和所述第二底板基本正交并在朝向所述第二底板方向上的磁极取向。

5.如权利要求4所述的磁铁组件，所述磁铁还包括钕铁硼。

6.如权利要求5所述的磁铁组件，所述第一底板和所述第二底板还包括低碳钢。

7.一种磁铁组件，包括：

底板；

中心磁铁，耦合到所述底板，所述中心磁铁具有与所述底板的表面基本平行并定向在第一方向的磁极取向；

第一磁铁，在所述第一方向上耦合到与所述中心磁铁相邻的所述底板，所述第一磁铁具有与所述底板基本正交并在远离所述底板方向上的磁极取向；

第二磁铁，在所述第一方向上耦合到与所述第一磁铁相邻的所述底板，所述第二磁铁具有与所述中心磁铁的磁极取向基本反平行的磁极取向；

第三磁铁，在第二方向上耦合到与所述中心磁铁相邻的所述底板，所述第二方向与所述第一方向反平行，所述第三磁铁具有与所述底板基本正交并在朝向所述底板方向上的磁极取向；以及

第四磁铁，在所述第二方向上耦合到与所述第三磁铁相邻的所述底板，所述第四磁铁具有与所述底板的表面基本平行并定向在所述第二方向的磁极取向。

8.一种磁铁组件，包括：

定义间隙的多个磁铁，所述间隙具有矩形横截面，所述磁铁的每一个具有与所述矩形横截面基本在相同平面内的磁极，并且所述磁铁的每一个具有与每个相邻磁铁在所述平面内旋转偏移的磁极取向，其中每个相邻磁铁之间所述磁极取向偏移的绝对值基本为90度。

9.一种音圈电机，包括：

音圈；以及

磁铁组件，包括

第一部分，包括

第一底板以及

第一批多个磁铁，耦合到所述第一底板；

第二部分，包括

第二底板以及

第二批多个磁铁；以及

第三批多个磁铁，耦合到所述第一部分和所述第二部分以定义所述第一部分与所述第二部分之间的间隙，所述间隙具有基本上为矩形的横截面；

其中每个磁铁在相同平面内具有极取向，旋转偏移相邻磁铁的磁极取向，相邻磁铁之间旋转偏移的绝对值大约为90度。

10.如权利要求9所述的音圈电机，所述第一部分还包括：

第一中心磁铁，耦合到所述第一底板，所述第一中心磁铁具有与所述第一底板基本平行并定向在第一方向的磁极取向；

第一磁铁，在所述第一方向上耦合到与所述第一中心磁铁相邻的所述第一底板，所述第一磁铁具有与所述第一底板基本正交并在远离所述第一底板方向上的磁极取向；

第二磁铁，在所述第一方向上耦合到与所述第一磁铁相邻的所述第一底板，所述第二磁铁具有与所述第一中心磁铁的磁极取向基本反平行的磁极取向；

第三磁铁，在第二方向上耦合到与所述第一中心磁铁相邻的所述第一底板，所述第二方向与所述第一方向反平行，所述第三磁铁具有与所述第一底板基本正交并在朝向所述第一底板方向上的磁极取向；以及

第四磁铁，在所述第二方向上耦合到与所述第三磁铁相邻的所述第一底板，所述第四磁铁具有与所述第一底板基本平行并定向在所述第二方向的磁极取向。

11.如权利要求10所述的音圈电机，所述第二部分还包括：

第二中心磁铁，耦合到所述第二底板，所述第二中心磁铁具有与所述第二底板基本平行并定向在所述第二方向的磁极取向；

第五磁铁，在所述第一方向上耦合到与所述第二中心磁铁相邻的所述第二底板，所述第五磁铁具有与所述第二底板基本正交并在朝向所述第二底板方向上的磁极取向；

第六磁铁，在所述第一方向上耦合到与所述第五磁铁相邻的所述第二底板，所述第六磁铁具有与所述第二底板基本平行并定向在所述第一方向的磁极取向；

第七磁铁，在所述第二方向上耦合到与所述第二中心磁铁相邻的所述第二底板，所述第七磁铁具有与所述第二底板基本正交并在远离所述第二底板方向上的磁极取向；以及

第八磁铁，在所述第二方向上耦合到与所述第七磁铁相邻的所述第二底板，所述第八磁铁具有与所述第二底板的表面基本平行并定向在所述第一方向的磁极取向。

12.如权利要求11所述的音圈电机，所述第三批多个磁铁还包括：

第九磁铁，耦合到所述第二磁铁和所述第六磁铁，所述第九磁铁具有与所述第一底板和所述第二底板基本正交并在朝向所述第一底板方向上的磁极取向；以及

第十磁铁，耦合到所述第八磁铁和所述第四磁铁，所述第十磁铁具有与所述第一底板和所述第二底板基本正交并在朝向所述第二底板方向上的磁极取向。

13.如权利要求12所述的音圈电机，所述磁铁还包括钕铁硼。

14.如权利要求13所述的音圈电机，所述第一底板和所述第二底板还包括低碳钢。

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