CN113490553B - 直线振动电机和直线振动系统 - Google Patents

直线振动电机和直线振动系统 Download PDF

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    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/04—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with electromagnetism

Abstract

为了提供能够利用1个电机在各种频率下都产生足够强的振动的直线振动电机和直线振动系统，提供一种直线振动电机(2)和直线振动系统，直线振动电机(2)具备壳体(3)、可动件(8)、具有驱动用线圈(12)和驱动用磁体(14A、14B)的驱动部(10)、以及具有施力用电磁体(22)和施力用磁体(26A、26B)的施力部(20)，其中，通过在驱动用线圈(12)所形成的磁场和驱动用磁体(14A、14B)所形成的磁场下产生的洛伦兹力，可动件(8)在与驱动用线圈(12)的卷绕轴大致正交的第一(X轴)方向上振动，施力用电磁体(22)和施力用磁体(26A、26B)被配置成相同的极大致相向，通过基于在施力用电磁体(22)与施力用磁体(26A、26B)之间产生的互斥力的磁性弹簧，沿第一(X轴)方向对可动件(8)施力，通过使向施力用线圈(22B)流通的电流值发生变化，来使磁性弹簧的磁性弹簧常数发生变化。

Description

直线振动电机和直线振动系统
技术领域
本发明涉及一种向线圈通电来使可动件振动的直线振动电机以及使用该直线振动电机的直线振动系统。
背景技术
已知如下一种直线振动电机或致动器：通过由于被通电的线圈所形成的磁场与永磁体所形成的磁场的相互作用而产生的洛伦兹力，来使可动件振动。其中，提出了一种通过使用了在2个永磁体之间产生的互斥力的磁性弹簧来沿振动方向对可动件施力的直线振动电机(例如，参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利公开2016/0226363号
发明内容
发明要解决的问题
在专利文献1所记载的直线振动电机中，通过利用磁性弹簧施力来以规定的频率发生谐振，由此能够得到大的振动。但是，若是使用永磁体的磁性弹簧，则弹簧常数是固定的，因此无法在预先设定的频率(谐振频率)以外的频率下得到足够强的振动。因此，为了在各种频率下都产生足够强的振动，需要使用具有互不相同的谐振频率的多个直线振动电机，从而难以使装置小型化。
因而，本发明的目的在于解决上述的问题，提供一种能够利用1个电机产生各种频率的足够强度的振动的直线振动电机以及使用该直线振动电机的直线振动系统。
用于解决问题的方案
本发明的一个方式所涉及的直线振动电机具备：
壳体；
可动件，其收容于所述壳体内的空间；
驱动部，其具有配置于所述壳体内的驱动用线圈和安装于所述可动件的驱动用磁体；以及
施力部，其具有配置于所述壳体内的施力用电磁体和安装于所述可动件的施力用磁体，所述施力用电磁体由芯和施力用线圈构成，
其中，通过由于被通电的所述驱动用线圈所形成的磁场与所述驱动用磁体所形成的磁场的相互作用而产生的洛伦兹力，所述可动件在与所述驱动用线圈的卷绕轴大致正交的第一方向上振动，
所述施力用电磁体和所述施力用磁体被配置成在所述施力用电磁体被通电时所述施力用电磁体和所述施力用磁体的相同的极大致相向，通过基于在被通电的所述施力用电磁体与所述施力用磁体之间产生的互斥力的磁性弹簧，沿所述第一方向对所述可动件施力，
通过使向所述施力用线圈流通的电流值发生变化，来使所述磁性弹簧的磁性弹簧常数发生变化。
本发明的一个方式所涉及的直线振动系统具备直线振动电机和外部电路，
所述直线振动电机具备：
壳体；
可动件，其收容于所述壳体内的空间；
驱动部，其具有配置于所述壳体内的驱动用线圈和安装于所述可动件的驱动用磁体；以及
施力部，其具有配置于所述壳体内的施力用电磁体和安装于所述可动件的施力用磁体，所述施力用电磁体由芯和施力用线圈构成，
所述外部电路向所述驱动用线圈和所述施力用线圈通电，
其中，通过由于被所述外部电路通电的所述驱动用线圈所形成的磁场与所述驱动用磁体所形成的磁场的相互作用而产生的洛伦兹力，所述可动件在与所述驱动用线圈的卷绕轴大致正交的第一方向上振动，
所述施力用电磁体和所述施力用磁体被配置成在所述施力用电磁体被通电时所述施力用电磁体和所述施力用磁体的相同的极大致相向，通过基于在被所述外部电路通电的所述施力用电磁体与所述施力用磁体之间产生的互斥力的磁性弹簧，沿所述第一方向对所述可动件施力，
通过使向所述施力用线圈流通的电流值发生变化，来使所述磁性弹簧的磁性弹簧常数发生变化。
发明的效果
根据本发明，能够提供能够利用1个电机在各种频率下都产生足够强的振动的直线振动电机以及使用该直线振动电机的直线振动系统。
附图说明
图1是示意性地示出本发明的第一实施方式所涉及的直线振动电机的构造的分解立体图。
图2是表示图1的A-A截面的、示意性地示出本发明的第一实施方式所涉及的直线振动电机的侧视截面图。
图3是示意性地示出本发明的第一实施方式所涉及的直线振动电机的磁性弹簧的图。
图4是表示根据流向施力用线圈的电流在不同的频率下发生谐振的图表。
图5是示意性地示出本发明的第二实施方式所涉及的直线振动电机的侧视截面图。
图6是示意性地示出本发明的第三实施方式所涉及的直线振动电机的侧视截面图。
图7是示意性地示出本发明的第二或第三实施方式所涉及的直线振动电机的磁性弹簧的图。
图8是用于说明磁性弹簧的线性近似的示意图。
图9是表示本发明的1个实施方式所涉及的直线振动系统的框图。
图10是表示图9所示的直线振动系统中的向驱动用线圈和施力用线圈供给电流的电流供给模式的一例的时序图。
图11是示意性地示出本发明的第四实施方式所涉及的直线振动电机的侧视截面图。
图12A是表示本发明的其它实施方式所涉及的直线振动系统的框图。
图12B是表示图12A所示的直线振动系统中的向驱动用线圈和施力用线圈供给电流的电流供给模式的一例的时序图。
图13A是示意性地示出用于可靠地使可动件稳定地振动的移动支承机构的第一例的侧视截面图。
图13B是表示图13A的B-B截面的截面图。
图14A是示意性地示出用于可靠地使可动件稳定地振动的移动支承机构的第二例的侧视截面图。
图14B是表示图14A的C-C截面的截面图。
图15是示意性地示出用于可靠地使可动件稳定地振动的移动支承机构的第三例的截面图。
具体实施方式
下面，参照附图来说明用于实施本发明的各种实施方式、实施例。在各附图中，对具有同一功能的对应的构件标注同一标记。考虑到易于说明要点或者易于理解要点，为了方便而将实施方式分开表示，但是能够进行在不同的实施方式中示出的结构的局部置换或者组合。在第二实施方式(第二例)以后，省略关于与第一实施方式(第一例)共同的情况的描述，仅对不同点进行说明。特别是，对于相同的结构所带来的相同的作用效果，不会每个实施方式(实施例)都逐次提及。
在所有图中，呈现将直线振动电机置于水平面的状态，在水平面上，以可动件的振动方向为X轴方向，以与其正交的横向为Y轴方向，以与水平面正交的高度方向为Z轴方向。此外，也能够将作为可动件的振动方向的X轴方向称为第一方向。
(第一实施方式所涉及的直线振动电机)
首先，参照图1和图2来对本发明的第一实施方式所涉及的直线振动电机进行说明。图1是示意性地示出本发明的第一实施方式所涉及的直线振动电机的构造的分解立体图。图2是表示图1的A-A截面的、示意性地示出本发明的第一实施方式所涉及的直线振动电机的侧视截面图。
本实施方式所涉及的直线振动电机2具备上表面开口的箱状的容器部4以及收容在该容器部4内的空间中的可动件8。容器部4具有由底板以及包围底板的四方的4个侧板构成的大致长方体的外形和内部空间。在容器部4的上表面安装有覆盖容器部4内的空间的盖40。容器部4和盖40由以树脂材料为代表的非磁性的材料形成。由容器部4和盖40构成壳体3(参照图2)。因此，在收容于被盖40覆盖的容器部4内(或容器4内的空间)的情况下，能够说是收容于壳体3内(或壳体3内的空间)。
在容器部4内的可动件8的上侧配置驱动用线圈12。在本实施方式中，驱动用线圈12安装于盖40的内表面40a。但是，不限于此，也能够将驱动用线圈12安装于容器部4侧。驱动用线圈12是卷绕轴朝向大致Z轴方向的空芯的线圈。驱动用线圈12被配置成驱动用线圈12的下侧的端部(一方的端部)12a与可动件8的主体6的上表面(一方的面)6c相向。此外，在容器部4设置有用于向驱动用线圈12通电的未图示的电极和通电路径。
另外，在容器部4的X轴方向上的第一内侧面4a安装有由芯22A和施力用线圈22B构成的施力用电磁体22，该芯22A由强磁性体形成，该施力用线圈22B卷绕于芯22A的周围。施力用线圈22B的卷绕轴朝向大致X轴方向。施力用电磁体22以如下方式被通电：在通电时，施力用电磁体22的与容器部4的第一内侧面4a相向的端部为S极，与其相反侧的可动件8的主体6的第一端面6a相向的侧为N极。此外，在容器部4设置有用于向施力用电磁体22通电的未图示的电极和通电路径。
在容器部4的X轴方向上的第二内侧面4b安装有壳体侧磁体24。壳体侧磁体24被配置成：将壳体侧磁体24的两极连结的线为大致X轴方向。壳体侧磁体24被配置成：壳体侧磁体24的与容器部4的第二内侧面4b相向的端部为S极，与其相反侧的可动件8的主体6的第二端面6b相向的侧为N极。
可动件8由主体以及安装于主体6的磁体、托架8A等构成，该主体由以树脂材料为代表的非磁性的材料形成。也就是说，主体6相当于可动件8的用于安装磁体等的构造体部分、框架部分。
在可动件8的主体6的上表面(一方的面)6c形成有在X轴方向上前后配置的2个凹部。在这2个凹部之中分别配置并固定驱动用磁体14A及14B。驱动用磁体14A及14B的将驱动用磁体的两极连结的方向与驱动用线圈12的卷绕轴方向(大致Z轴方向)大致一致，驱动用磁体14A及14B配置于使驱动用磁体的从上表面(一方的面)6c暴露出来的一方的极与驱动用线圈12的下侧的端部(一方的端部)12a的绕线相向的位置。更详细地叙述，配置于图2的附图左侧的驱动用磁体14A的S极从上表面(一方的面)6c暴露出来，该驱动用磁体14A配置于与驱动用线圈12的位于附图左侧的绕线相向的位置。另一方面，配置于图2的附图右侧的驱动用磁体14B的N极从上表面(一方的面)6c暴露出来，该驱动用磁体14B配置于与驱动用线圈12的位于附图右侧的绕线相向的位置。但是，也可能存在以下情况：S极、N极不暴露而被可动件8的主体6覆盖。
在可动件8的X轴方向上的两端部形成有凹部。在这些凹部分别配置并固定施力用磁体26A、26B。更详细地叙述，配置于图2的附图左侧的施力用磁体26A被配置成：将施力用磁体26A的两极连结的线与施力用线圈22B的卷绕轴的方向(大致X轴方向)大致一致，施力用磁体26A的N极与施力用电磁体22的端部(通电时的N极)相向。配置于图2的附图右侧的施力用磁体26B被配置成：将施力用磁体26B的两极连结的线与将壳体侧磁体24的两极连结的线(大致X轴方向)大致一致，施力用磁体26B的N极与壳体侧磁体24的端部(N极)相向。
如图1所示，在主体6的Y轴方向上的两个侧面分别接合有2个托架8A。在各侧面，在X轴方向上前后并排地配置有2个托架8A。托架8A开设有以大致X轴方向为轴向的孔部34，位于相同的侧面侧的2个托架8A的孔部34的中心轴大致一致。
另一方面，在容器部4内的空间，以沿大致X轴方向延伸的方式配置有2根轴32。2根轴32分别被插入到前后并排的托架8A的孔部34。而且，轴32的两个端部固定于容器部4的X轴方向上的两侧的内侧面4a、4b。
托架8A的孔部34具有以能够移动的方式与轴32的外表面接触的接触面。由此，可动件8能够以配置于两侧的轴32为支承构件来在容器部4内的空间沿大致X轴方向移动。如下述说明的那样，通过由驱动用线圈12和驱动用磁体14A、14B构成的驱动部10，可动件8在轴32的轴向即大致X轴方向上振动。通过由图1所示的轴32和孔部34构成的移动支承机构，能够可靠地使可动件8在大致X轴方向上稳定地振动。
<驱动部10>
接着，对具有配置于容器部4(壳体3)内的驱动用线圈12以及安装于可动件8的驱动用磁体14A、14B的驱动部10进行说明。
当驱动用线圈12被供给电流时，形成磁场。由于由驱动用线圈12形成的磁场与由驱动用磁体14A、14B形成的磁场的相互作用而产生洛伦兹力。驱动用线圈12的卷绕轴和将驱动用磁体14A、14B的两极连结的线朝向大致Z轴方向，因此按照弗莱明左手定则，洛伦兹力在与驱动用线圈12的卷绕轴大致正交的大致X轴方向上产生。
在被通电的驱动用线圈12中，在位于图2的附图左侧的绕线的区域和位于附图右侧的绕线的区域，所产生的磁场的朝向为相反的朝向，与各绕线相向的驱动用磁体14A、14B的极性相反，因此在大致X轴方向的相同的朝向上产生洛伦兹力。驱动用线圈12固定于壳体3侧(盖40)，驱动用磁体14A、14B安装于可动件8侧，因此通过洛伦兹力使可动件8沿大致X轴方向移动。
此时，通过向驱动用线圈12以规定的频率交替地流通相反方向的直流电流、或者流通交流电流，可动件8在大致X轴方向上振动。通过像这样对驱动用线圈12通电，能够可靠地使可动件8振动。此时，驱动用线圈12配置于在大致X轴方向(第一方向)上振动的可动件8的主体6的上侧(与X轴正交的Z轴方向上的侧方)，因此能够得到在抑制装置在X轴(第一方向)上的总长的同时赋予足够的驱动力的驱动部10。
<施力部20>
接着，对具有安装于容器部4的施力用电磁体22及安装于可动件8的施力用磁体26A、以及安装于容器部4的壳体侧磁体24及安装于可动件8的施力用磁体26B的施力部20进行说明。此外，将由施力用电磁体22和施力用磁体26A形成的施力部称为第一施力部，将由壳体侧磁体24和施力用磁体26B形成的施力部称为第二施力部。
在本实施方式中，特别是以如下方式进行配置：在从X轴方向观察时，第一施力部及第二施力部与可动件8的主体6重叠。也就是说，在图2中，第一施力部配置于可动件8的主体6的附图左侧，第二施力部配置于可动件8的主体6的附图右侧。通过像这样配置，能够从X轴方向的两侧对在大致X轴方向上振动的可动件8的主体6施力。
但是不限于此，例如，第一施力部和第二施力部也能够设置成使施力用磁体26A、26B从主体6向与X轴方向正交的Y轴方向或Z轴方向的侧方突出。还能够与此对应地使施力用电磁体22和壳体侧磁体24的位置也移动，来将第一施力部和第二施力部配置于主体6的侧方。
第一施力部的施力用电磁体22和施力用磁体26A被配置成在施力用电磁体22被通电时施力用电磁体22和施力用磁体26A的相同的极即N极相向，因此产生与施力用电磁体22同施力用磁体26A之间的距离相应的互斥力。同样地，壳体侧磁体24和施力用磁体26B也被配置成相同的极即N极相向，因此产生与壳体侧磁体24同施力用磁体26B之间的距离相应的互斥力。通过这种电磁体-磁体间和磁体-磁体间的互斥力，第一施力部和第二施力部作为磁性弹簧来发挥功能。通过第一施力部的磁性弹簧对可动件8施力的朝向与通过第二施力部的磁性弹簧对可动件8施力的朝向为相反的朝向。如后所述，在使得谐振发生的微小的移动距离下，能够对基于电磁体-磁体间或磁体-磁体间的互斥力的磁性弹簧进行线性近似。
如以上那样，能够如图3那样示意性地示出第一实施方式所涉及的直线振动电机的施力部20。图3是示意性地示出本发明的第一实施方式所涉及的直线振动电机的磁性弹簧的图。在图3所示的模型中，质量M的可动件8被由施力用电磁体22和施力用磁体26A形成的弹簧常数k1的可变弹簧从X轴方向的附图左侧向右侧施力。另一方面，可动件8被由壳体侧磁体24和施力用磁体26B形成的弹簧常数k2的稳定弹簧从X轴方向的附图右侧向左侧施力。
此时，在通过由驱动用线圈12和驱动用磁体14A、14B构成的驱动部10使可动件8在X轴方向上振动的情况下，当振动的频率达到基于质量M、弹簧常数k1、k2的固有频率时，振动被放大从而发生伴有强振的谐振。
假如只利用稳定弹簧对可动件8施力，则只会在预先决定的频率下发生谐振。另一方面，在本实施方式中，通过使向施力用电磁体22的施力用线圈22B流通的电流值发生变化，能够使由施力用电磁体22和施力用磁体26A产生的弹簧常数k1发生变化，因此能够改变发生谐振的固有频率。
参照图4来进一步详细地说明该情况。图4是表示根据流向驱动用线圈12的电流在不同的频率下发生谐振的图表。图4的纵轴表示可动件8的加速度，横轴表示振动的频率。
根据该图表可知以下情况。在向驱动用线圈12流通电流值I1的情况下，在频率S1(例如，150Hz)处发生谐振。在向驱动用线圈12流通小于电流值I1的电流值I2的情况下，磁性弹簧常数变小，在比频率S1低的频率S2(例如100Hz)处发生谐振。在向驱动用线圈12流通比电流值I1大的电流值I3的情况下，磁性弹簧常数变大，在比频率S1高的频率S3(例如200Hz)处发生谐振。
如以上那样，在通过驱动部10使可动件8在X轴方向(第一方向)上振动时，可动件8被通过由施力用电磁体22和施力用磁体26A形成的第一施力部以及由壳体侧磁体24和施力用磁体26B形成的第二施力部构成的磁性弹簧施力，因此可动件在规定的振动频率下发生谐振。通过使向施力用线圈22B流通的电流值发生变化，能够变更磁力弹簧的弹簧常数k1，由此能够改变可动件8的谐振频率。因此，能够提供能够利用1个直线振动电机产生各种频率的足够强度的振动的直线振动电机2。
在第一实施方式中，能够独立地配置由施力用电磁体22和施力用磁体26A构成的第一施力部以及由壳体侧磁体24和施力用磁体26B构成的第二施力部，因此能够实现各种设计、配置。特别是，在以在从X轴方向观察时第一施力部及第二施力部与可动件8的主体6重叠的方式配置的情况下，被直接施力的位置与可动件8的主体6重叠，因此能够得到稳定的振动特性。
此外，当向施力用线圈22B流通的电流值发生变化时，第一施力部的磁性弹簧常数k1发生变化从而第一施力部处的互斥力发生变化，但是以第一施力部处的互斥力与第二施力部处的互斥力相平衡的位置为振动中心发生振动。即，通过使第一施力部的磁性弹簧常数k1发生变化，可动件8的振动中心能够在X方向上变化。
(第二实施方式所涉及的直线振动电机)
接着，参照图5来对本发明的第二实施方式所涉及的直线振动电机进行说明。图5是示意性地示出本发明的第二实施方式所涉及的直线振动电机的侧视截面图。图5与图2同样地，相当于图1的A-A截面处的侧视截面图。
在第二实施方式中，在施力部20的构造和安装位置上不同于上述的第一实施方式。但是，容器部4、盖40的构造、具有驱动用线圈12和驱动用磁体14A、14B的驱动部10基本上与上述的第一实施方式相同。
<施力部20>
在本实施方式所涉及的直线振动电机2中，以如下方式进行配置：在从X轴方向观察时，施力用电磁体22的卷绕在芯22A的周围的施力用线圈22B的卷绕轴不与可动件8的主体6重叠。更详细地叙述，以如下方式进行配置：在从X轴方向观察时，施力用线圈22B的卷绕轴同从可动件8的主体6向与X轴方向大致正交的方向(在图5中，Z轴方向的主体6的下侧)突出设置的施力用磁体26A、26B重叠。而且，在X轴方向上，施力用电磁体22配置于2个施力用磁体26A、26B之间。
在图5中，施力用磁体26A、26B被设置成向作为Z轴方向的、可动件8的主体6的下侧突出，但是不限于此。只要使施力用磁体26A、26B向与X轴方向大致正交的方向突出即可，例如也能够设置成使施力用磁体26A、26B向可动件8的主体6的Y轴方向上的侧方突出。
关于施力部20的极性，以如下方式进行配置：X轴方向上的附图左侧的施力用磁体26A的S极与施力用电磁体22的芯22A的端部相向。另一方面，以如下方式进行配置：X轴方向上的附图右侧的施力用磁体26B的N极与施力用电磁体22的芯22A的端部相向。
在此，如果以使附图左侧的端部为S极并且使附图右侧的端部为N极的方式向施力用电磁体22的施力用线圈22B流通电流，则在施力用电磁体22的左侧的端部与施力用磁体26A之间产生反作用力从而作为磁性弹簧发挥功能，在施力用电磁体22的右侧的端部与施力用磁体26B之间产生反作用力而作为磁性弹簧发挥功能。
能够如图7那样示意性地示出如以上那样的第二实施方式所涉及的直线振动电机2的施力部20。图7是示意性地示出本发明的第二实施方式或后述的第三实施方式所涉及的直线振动电机的磁性弹簧的图。在图7所示的模型中，质量M的可动件8被由施力用电磁体22和施力用磁体26A形成的弹簧常数k1的可变弹簧从X轴方向的附图左侧向右侧施力，另一方面，质量M的可动件8被由施力用电磁体22和施力用磁体26B形成的弹簧常数k1的可变弹簧从X轴方向的附图右侧向左侧施力。也就是说，在本实施方式中，质量M的可动件8的两侧被施加相同的弹簧常数k1的可变弹簧的力。
通过使向施力用电磁体22的施力用线圈22B流通的电流值发生变化，能够使由施力用电磁体22和施力用磁体26A、26B形成的弹簧常数k1发生变化，因此能够改变发生谐振的固有频率。由此，在第二实施方式中，也如图4的图表所示那样，能够通过改变向施力用线圈12流通的电流值来改变可动件8的谐振频率。因此，能够提供能够利用1个装置产生各种频率的足够强度的振动的小型的直线振动电机2。
在第二实施方式中，在从X轴方向(第一方向)观察时，施力用线圈22B的卷绕轴不与可动件8的主体6重叠，因此能够将施力用线圈22配置于与主体6的X轴正交的方向的侧方区域(在图5中为下侧)。因此，能够在抑制直线振动电机2的X轴方向上的总长度的同时得到足够的施力。另外，也能够根据需要使施力用线圈22的长度(卷绕轴长度)长。
特别是，以在从X轴方向(第一方向)观察时施力用线圈22B的卷绕轴与从可动件8的主体6突出设置的施力用磁体26A、26B重叠的方式进行配置，因此能够在抑制直线振动电机2的X轴方向上的总长度的同时可靠地得到足够的施力。
并且，在可动件8的主体6的侧方区域，在2个施力用磁体26A、26B之间配置施力用线圈22B，因此能够使直线振动电机2的X轴方向(第一方向)上的总长度足够短。
(第三实施方式所涉及的直线振动电机)
接着，参照图6来对本发明的第三实施方式所涉及的直线振动电机进行说明。图6是示意性地示出本发明的第三实施方式所涉及的直线振动电机的侧视截面图。图6与图2同样地，相当于图1的A-A截面处的侧视截面图。
在第三实施方式中，在以下方面与上述的第二实施方式相同：以在从X轴方向观察时施力用线圈22B的卷绕轴不与可动件8的主体6重叠的方式进行配置。但是，施力部20的详细构造和安装位置不同于第二实施方式。此外，容器部4、盖40的构造、具有驱动用线圈12和驱动用磁体14A、14B的驱动部10基本上与上述的第一及第二实施方式相同。
<施力部20>
在本实施方式所涉及的直线振动电机2中，与上述的第二实施方式同样地以如下方式进行配置：在从X轴方向观察时，施力用电磁体22的卷绕在芯22A的周围的施力用线圈22B的卷绕轴不与可动件8的主体6重叠。但是，在第三实施方式中，在以下方面与上述的第二实施方式不同：在施力用电磁体22的芯22A的长边方向上，在用于卷绕施力用线圈22B的中间区域22A1的两侧，具有在从X轴方向观察时与可动件8的主体6重叠的2个端部区域22A2、22A2’。
与此相伴地，在可动件8的主体6的X轴方向上的两端安装有施力用磁体26A和施力用磁体26B。以如下方式进行配置：施力用电磁体22的芯22A的2个端部区域22A2、22A2’分别与配置于可动件8的主体6的两端的施力用磁体26A、26B相向。更详细地叙述，以如下方式进行配置：配置于可动件8的主体6的附图左侧的端部的施力用磁体26A的N极与施力用电磁体22的芯22A的端部区域22A2相向。另一方面，以如下方式进行配置：配置于可动件8的主体6的附图右侧的端部的施力用磁体26B的S极与施力用电磁体22的芯22A的端部区域22A2’相向。
在此，如果以使端部区域22A2为N极并且使端部区域22A2’为S极的方式向施力用电磁体22的施力用线圈22B流通电流，则在施力用电磁体22的端部区域22A2与施力用磁体26A之间产生反作用力从而作为磁性弹簧来发挥功能。同样地，在施力用电磁体22的端部区域22A2’与施力用磁体26B之间产生反作用力从而作为磁性弹簧来发挥功能。
与第二实施方式同样地，能够如图7那样示意性地示出如以上那样的第三实施方式所涉及的直线振动电机2的施力部20。也就是说，在第三实施方式中也是，质量M的可动件8的两侧被施加相同的弹簧常数k1的可变弹簧的力。
因此，通过使向施力用电磁体22的施力用线圈22B流通的电流值发生变化，能够使由施力用电磁体22和施力用磁体26A、26B形成的弹簧常数k1发生变化，因此能够改变发生谐振的固有频率。由此，在第三实施方式中，也如图4的图表所示那样，能够通过改变向施力用线圈12流通的电流值来改变可动件8的谐振频率。因此，能够提供能够利用1个直线振动电机产生各种频率的足够强度的振动的直线振动电机2。
在第三实施方式中，在可动件8的主体6的侧方区域不存在施力用磁体26A、26B，因此能够使施力用线圈22B的卷绕空间大，能够使线圈长度、卷绕轴长度长。根据情况，也能够配置与可动件8的主体6的X轴方向上的长度相同程度的卷绕轴长度的施力用线圈22B。由此，能够配置卷绕轴长度长的施力用线圈22B，因此能够赋予更大的施力，或者能够使得到磁性弹簧的该互斥力所需的向施力用线圈12流通的电流值低。并且，在从X轴方向(第一方向)观察时，施加施力的施力用电磁体22的芯22A的端部区域22A2、22A2’的位置与可动件8的主体6重叠，因此能够得到稳定的振动特性。
在图6中，在从Y轴方向观察时，芯22A形成为大致コ字形(弯折区域为直角的U字形)，但是不限于此。只要是在不与可动件8的主体6重叠的用于卷绕施力用线圈22B的芯22A的中间区域22A1的长边方向两侧(或第一方向两侧)具有与主体6重叠的端部区域22A2、A2’的形状即可，能够采用以大致C字形、大致U字形为代表的任意的形状。
(磁性弹簧的线性近似)
如上所述，在使得谐振发生的微小的移动距离下，能够对基于电磁体-磁体间或磁体-磁体间的互斥力的磁性弹簧进行线性近似。接着，参照图8来更详细地说明磁性弹簧的线性近似。图8是用于说明磁性弹簧的线性近似的示意图。在此，以如图7所示的以下情况为例来进行说明：在质量M的可动件8的两侧施加相同的弹簧常数k1的可变弹簧的力。此外，在如图4所示的使用弹簧常数k1的可变弹簧和弹簧常数k2的稳定弹簧的情况下，也能够在两方的弹簧的互斥力相平衡的位置处进行同样的线性近似。
在图8的模型中，当将可动件的质量设为M、将壳体侧的施力用电磁体的S极侧与可动件侧的施力用磁体的S极之间的互斥力设为F1、将壳体侧的施力用电磁体的N极侧与可动件侧的施力用磁体的N极之间的互斥力设为F2、将可动件侧的施力用磁体的磁量设为m0、将壳体侧的施力用电磁体的磁量设为m1、将比例常数设为km时，根据可动件(质点)的运动方程式，如下所述那样数式1成立。另外，互斥力F1及F2能够如数式2那样表示，因此根据数式1和数式2，得到数式3。
(数式1)
Figure GDA0003217955580000151
(数式2)
Figure GDA0003217955580000152
Figure GDA0003217955580000153
(数式3)
Figure GDA0003217955580000154
当假设可动件在相比于与施力用电磁体之间的距离而言足够小的范围内振动时，x<<a，因此能够如下述的数式4那样对数式3进行近似。
(数式4)
Figure GDA0003217955580000155
如果如下述的数式5那样定义“k”，则“k”相当于磁性弹簧的弹簧常数，能够如数式6那样表示。因此，能够将磁性弹簧线性近似为弹簧常数k的线性弹簧。
(数式5)
Figure GDA0003217955580000156
(数式6)
Figure GDA0003217955580000157
向施力用电磁体流通的电流值与施力用电磁体的磁量m1具有正相关性，因此根据数式5可知，向施力用电磁体流通的电流值与磁性弹簧的弹簧常数k具有正相关性。当将该磁性弹簧系统的固有频率(谐振频率)设为ω时，数式7和数式8成立。
向施力用电磁体流通的电流值与施力用电磁体的磁量m1具有正相关性，因此根据数式8可知，向施力用电磁体流通的电流值与谐振频率ω具有正相关性。因此，如图4的图表所示，在例如提高向施力用电磁体流通的电流值的情况下，谐振频率ω变高。通过使用向施力用电磁体流通的电流值与施力用电磁体的磁量m1之间的相关函数，能够计算出谐振频率ω。
(数式7)
Figure GDA0003217955580000161
(数式8)
Figure GDA0003217955580000162
(1个实施方式所涉及的直线振动系统)
接着，参照图9来对本发明的1个实施方式所涉及的直线振动系统进行说明。图9是表示本发明的1个实施方式所涉及的直线振动系统的框图。
在本实施方式所涉及的直线振动系统200中，具备外部电路100以及上述的任一个实施方式所涉及的直线振动电机2，该外部电路100向直线振动电机2所具备的驱动用线圈12和施力用电磁体22的施力用线圈22B通电。
外部电路100具备向驱动用线圈12供给电流的驱动用线圈驱动器60、向施力用线圈22B供给电流的施力用线圈驱动器70以及对驱动用线圈驱动器60和施力用线圈驱动器70进行控制的控制部50。控制部50具备对从驱动用线圈驱动器60向驱动用线圈12供给的电流值进行控制的第一控制部52以及对从施力用线圈驱动器70向施力用线圈22B供给电流的电流值进行控制的第二控制部54。
接着，参照图10来说明被第一控制部52控制的向驱动用线圈12的供给电流以及被第二控制部54控制的向施力用线圈22B的供给电流。图10是表示图9所示的直线振动系统中的向驱动用线圈和施力用线圈供给电流的电流供给模式的一例的时序图。图9的横轴表示时间，纵轴表示电流值(A)。相对于0，上侧表示正，下侧表示负。
在图9所示的例子中，示出以下情况：通过第一控制部52，向驱动用线圈12交替地流通相反方向的直流电流。例如，能够通过以下控制来进行输出：通过PWM(Pulse WidthModulation：脉宽调制)控制，将正电流和负电流分别交替地反复接通和断开。
示出以下情况：首先以150Hz的频率流通正负的脉冲电流，之后以100Hz的频率流通正负的脉冲电流。由此，可动件8以150Hz的频率振动，之后以100Hz的频率振动。此外，150Hz的频率与图4的图表的S1对应，100Hz的频率与图4的图表的S2对应。
示出以下情况：在向驱动用线圈12以150Hz(＝S1)的频率流通脉冲电流的期间，通过第二控制部54进行控制使得向施力用线圈22B流通形成在150Hz(＝S1)下发生谐振的磁性弹簧常数的电流值I1的电流。之后，示出以下情况：在向驱动用线圈12以100Hz(＝S2)的频率流通脉冲电流的期间，通过第二控制部54进行控制使得向施力用线圈22B流通形成在100Hz(＝S2)下发生谐振的磁性弹簧常数的电流值I2的电流。
通过如以上那样的控制，能够提供具有能够利用1个电机赋予各种频率的振动的直线振动电机2的直线振动系统。特别是，通过利用第一控制部52和第二控制部54适当地控制向驱动用线圈12和施力用线圈22B供给的电流，能够利用1个直线振动电机可靠地赋予各种频率的振动。
(其它实施方式所涉及的直线振动系统)
接着，参照图11、图12A及图12B对本发明的第四实施方式所涉及的直线振动电机以及具备该直线振动电机的本发明的其它实施方式所涉及的直线振动系统进行说明。图11是示意性地示出本发明的第四实施方式所涉及的直线振动电机的侧视截面图。图12A是表示本发明的其它实施方式所涉及的直线振动系统的框图。图12B是表示图12A所示的直线振动系统中的向驱动用线圈和施力用线圈供给电流的电流供给模式的一例的时序图。图12B的时序图的纵横轴与图10的时序图相同。
在本发明的第四实施方式所涉及的直线振动电机2中，在容器部4安装有振动传感器42。在此，作为一例，示出上述的第一实施方式所涉及的直线振动电机具备振动传感器42的情况。但是不限于此，例如，也可能存在第二或第三实施方式所涉及的直线振动电机具备振动传感器42的情况。
在上述的图9所示的1个实施方式所涉及的直线振动系统中进行前馈控制，但是在图12A所示的本实施方式所涉及的直线振动系统中，进行基于来自振动传感器42的信号的反馈控制。
直线振动电机2所具备的振动传感器42检测直线振动电机2的实际的振动，将其振动波形以电信号的形式传递到控制部50。作为振动传感器42，例如能够使用加速度传感器。来自振动传感器42的信号例如图12所示那样经过噪声过滤器46并被放大器48放大后被发送到控制部50。控制部50能够基于来自振动传感器42的信号来进行对提供给驱动用线圈驱动器、施力用线圈驱动器的信号波形进行校正的反馈控制。
作为具体的控制例，能够例示下述控制例。
在控制部50以向驱动用线圈12提供150Hz的波形、且向施力用线圈22提供电流值I1的电流的方式输出电信号之后，控制部50在基于来自振动传感器42的信号而判别为作为直线振动电机2的实际振动的、振动传感器42的波形的频率偏离于150Hz时，对第二控制部54的输出信号进行校正以改变施力用线圈22的电流值。例如，如果需要提高谐振频率，则控制部50以使去向施力用线圈22的电流值I1提高的方式校正第二控制部54的输出信号，如果需要降低谐振频率，则控制部50以使去向施力用线圈22的电流值I1降低的方式校正第二控制部54的输出信号。
另外，控制部50在基于来自振动传感器42的信号判别为振动传感器42的波形的振幅处于规定的范围外时、对第一控制部52的输出信号进行校正以改变向驱动用线圈12提供的电流。例如，在直线振动电机2无法得到期望的振动振幅时，对提供给驱动用线圈12的电流进行校正。更具体地说，在振动振幅小的情况下，控制部50以使提供给驱动用线圈12的电流增加的方式校正第一控制部52的输出信号，在振动振幅大的情况下，控制部50以使提供给驱动用线圈12的电流减少的方式校正第一控制部52的输出信号。
在图12B下侧的施力用线圈的时序图中，细线(直线)表示向驱动用线圈12提供150Hz或100Hz的波形时的向施力用线圈22提供的最佳电流值(设计值)I1、I2，粗线表示通过反馈控制得到的实际的电流值。细线所表示的最佳电流值(设计值)I1、I2与图10所示的时序图相同。在图12B所示的例子中，示出了以下情况：若是最佳电流的设计值，则从振动传感器42检测出的直线振动电机2的振动频率达不到目标的振动频率，因此I1(I2)+ΔI(ΔI为校正量)为实质上的最佳电流值。示出以下情况：在各振动频率的控制的开始初期，稍微发生时间上的延迟，但是逐渐趋于稳定。
通过实施如以上那样的反馈控制，对于安装有直线振动电机2的装置的使用者而言，能够可靠地传递期望的振动。此时，在使用了机械式弹簧、不可变的磁性弹簧的情况下，即使能够通过反馈控制来改变向驱动用线圈驱动器提供的电流波形，也无法进行改变谐振点的施力用线圈的调整。通过如上述的实施方式所涉及的直线振动电机2那样使磁性弹簧的磁力可变，首先能够实现能够传递期望的振动的反馈控制。
(移动支承机构)
接着，使用几个例子来说明用于可靠地使可动件8稳定地振动的移动支承机构的构造。也能够使用下面示出的第一例至第三例来代替第一实施方式中公开的移动支承机构。无论在哪个例子中，移动支承机构都具有在容器部4(壳体)内的空间被固定于容器部4(壳体3)且沿X轴方向延伸的支承构件、以及设置于可动件8的以能够移动的方式与支承构件接触的接触面。通过这种结构，能够可靠地使可动件8在X轴方向(第一方向)上稳定地振动，因此得到稳定的谐振频率特性。
<移动支承机构的第一例>
首先，参照图13A和图13B来说明移动支承机构的第一例。图13A是示意性地示出用于可靠地使可动件稳定地振动的移动支承机构的第一例的侧视截面图。图13B是表示图13A的B-B截面的截面图。
作为第一例示出的移动支承机构30的支承构件由沿X轴方向延伸的轴32构成，接触面由在可动件8的主体6设置的孔部34的内表面34A形成。以使可动件8的主体6能够在轴32上移动的方式设定了轴32的外径和孔部34的内径。第一例例如考虑以下情况：在图2所示的直线振动电机2的容器部4内，使轴32贯通可动件8的主体6的下侧的空间。
通过这种由轴32和可动件8构成的移动支承机构30，能够可靠地使可动件8在X轴方向(第一方向)上稳定地振动。
<移动支承机构的第二例>
接着，参照图14A和图14B来说明移动支承机构的第二例。图14A是示意性地示出用于可靠地使可动件稳定地振动的移动支承机构的第二例的侧视截面图。图14B是表示图14A的C-C截面的截面图。
作为第二例示出的移动支承机构30的支承构件由沿X轴方向延伸的轴32构成，接触面由在安装于可动件8的主体6的托架8A处设置的凹部34’的内表面34A’形成。以使可动件8的主体6能够在轴32上移动的方式设定了轴32的外径和凹部34’的内径。通过这种由轴32和凹部34’构成的移动支承机构30，能够可靠地使可动件8在X轴方向(第一方向)上稳定地振动。
在上述的第一实施方式、第一例、第二例所示的移动支承机构30中，例如能够在轴32与孔部34(凹部34’)之间安装滑动轴承，来减轻轴32的外表面与孔部34(凹部34’)的内表面34A(34A’)之间的摩擦。滑动轴承既能够使用自润滑式的滑动轴承，也能够设置强制润滑机构，还能够预先注入润滑脂或润滑油。并且，不仅能够使用滑动轴承，还能够使用其它任意的直线轴承。
<移动支承机构的第三例>
接着，参照图15来说明第三例所示的移动支承机构。图15是示意性地示出用于可靠地使可动件稳定地振动的移动支承机构的第三例的截面图。图15示出了与图14B同样的位置的截面。
作为第三例示出的移动支承机构30的支承构件由沿X轴方向延伸的轨道36构成。在可动件8的主体6的两个侧面安装有承受构件38，接触面由设置于承受构件38的承受面38A形成。以使可动件8的主体6能够沿X轴方向在轨道36上移动的方式配置轨道36和承受面38A。优选的是，在轨道36与承受面38A之间实施减轻摩擦的润滑手段。通过这种由轨道36和承受构件38构成的移动支承机构30，能够可靠地使可动件8在X轴方向(第一方向)上稳定地振动。
(其它实施方式)
上述的实施方式所涉及的驱动部10配置于可动件8的主体6的上侧，但是不限于此。只要通过与驱动用磁体14A、14B之间的关系而被赋予洛伦兹力即可，能够将驱动部10配置于可动件8的主体6的以下侧的面、左侧的面、右侧的面为代表的其它任意的侧面侧。只要与其对应地配置驱动用磁体14A、14B，就能够实现使可动件8在X轴方向上振动的驱动部10。在驱动部10配置于可动件8的主体6的上侧的情况下，驱动用线圈12安装于盖40。另一方面，在驱动部10配置于可动件8的主体6的下侧、横侧的情况下，驱动用线圈12安装于容器部4的底面、内侧面。无论在哪个情况下，驱动用线圈12都配置于壳体3内。
在上述的实施方式所涉及的驱动部10中，以与驱动用线圈12的X轴方向上的前后的绕线分别相向的方式配置有极性相反的驱动用磁体14A、14B，但是不限于此。在利用1个驱动用磁体就能够得到足够的驱动力的情况下，也可能存在具备以与某一个绕线相向的方式配置的1个驱动用磁体的情况。反之，在需要更大的驱动力的情况下，也能够具备多个驱动用线圈12。
即使是具备1个驱动用线圈12的情况，也能够通过使用配置有磁化方向互不相同的多个磁体的哈尔巴赫阵列的驱动用磁体14来使与驱动用线圈12相向的一侧的极的磁力比相反侧的极的磁力强。由此，虽然总磁能相同，但是能够通过高效地使用磁能来得到更大的驱动力。因此，能够实现小型且具有大驱动力的直线振动电机2。
上述的实施方式的说明在所有方面都是例示性的而不是限制性的。对于本领域技术人员来说，能够适当地进行变形和变更。本发明的范围是由权利要求书表示，而不是由上述的实施方式表示。并且，本发明的范围包括与权利要求书等同的范围内的基于实施方式的变更。
附图标记说明
2：直线振动电机；3：壳体；4：容器部；4a：第一内侧面；4b：第二内侧面；6：主体；6a：第一端面；6b：第二端面；6c：上表面(一方的面)；8：可动件；8A：托架；10：驱动部；12：驱动用线圈；12a：下侧的端部(一方的端部)；14A、14B：驱动用磁体；20：施力部；22：施力用电磁体；22A：芯；22A1：中间区域；22A2、A2’：端部区域；22B：施力用线圈；24：壳体侧磁体；26A、26B：施力用磁体；30：移动支承机构；32：轴(支承构件)；34、34’：孔部、凹部；34A、34A’：内表面；36：轨道(支承构件)；38：承受构件；38A：承受面；40：盖；40a：内表面；42：振动传感器；46：噪声过滤器；48：放大器；50：控制部；52：第一控制部；54：第二控制部；60：驱动用线圈驱动器；70：施力用线圈驱动器；100：外部电路。

Claims (14)

1.一种直线振动电机，其特征在于，具备：
壳体；
可动件，其收容于所述壳体内的空间；
驱动部，其具有配置于所述壳体内的驱动用线圈和安装于所述可动件的驱动用磁体；以及
施力部，其具有配置于所述壳体内的施力用电磁体和安装于所述可动件的施力用磁体，所述施力用电磁体由芯和施力用线圈构成，
其中，通过由于被通电的所述驱动用线圈所形成的磁场与所述驱动用磁体所形成的磁场的相互作用而产生的洛伦兹力，所述可动件在与所述驱动用线圈的卷绕轴大致正交的第一方向上振动，
所述施力用电磁体和所述施力用磁体被配置成在所述施力用电磁体被通电时所述施力用电磁体和所述施力用磁体的相同的极大致相向，通过基于在被通电的所述施力用电磁体与所述施力用磁体之间产生的互斥力的磁性弹簧，沿所述第一方向对所述可动件施力，
通过使向所述施力用线圈流通的电流值发生变化，来使所述磁性弹簧的磁性弹簧常数发生变化。
2.根据权利要求1所述的直线振动电机，其特征在于，
所述施力部还具有安装于所述壳体的壳体侧磁体，
所述直线振动电机具备由所述施力用电磁体和所述施力用磁体构成的第一施力部以及由所述壳体侧磁体和所述施力用磁体构成的第二施力部，
通过所述第一施力部对所述可动件施力的朝向与通过所述第二施力部对所述可动件施力的朝向是相反朝向。
3.根据权利要求2所述的直线振动电机，其特征在于，
以如下方式进行配置：在从所述第一方向观察时，所述第一施力部及所述第二施力部与所述可动件的主体重叠。
4.根据权利要求1所述的直线振动电机，其特征在于，
以如下方式进行配置：在从所述第一方向观察时，所述施力用线圈的卷绕轴不与所述可动件的主体重叠。
5.根据权利要求4所述的直线振动电机，其特征在于，
以如下方式进行配置：在从所述第一方向观察时，所述施力用线圈的卷绕轴与从所述可动件的主体向同所述第一方向大致正交的方向突出设置的所述施力用磁体重叠。
6.根据权利要求5所述的直线振动电机，其特征在于，
所述施力用磁体由2个磁体构成，
在所述第一方向上，在所述2个磁体之间配置有所述施力用电磁体。
7.根据权利要求4所述的直线振动电机，其特征在于，
所述施力用磁体包括在所述可动件的主体的所述第一方向上的两端配置的2个磁体，
在所述第一方向上，所述芯包括用于卷绕所述施力用线圈的中间区域以及所述中间区域的两侧的2个端部区域，
在从所述第一方向观察时，所述2个端部区域与所述可动件的主体重叠，
所述2个端部区域被配置成分别与所述2个磁体大致相向。
8.根据权利要求1～7中的任一项所述的直线振动电机，其特征在于，
向所述驱动用线圈交替地流通相反方向的直流电流，或者向所述驱动用线圈流通交流电流。
9.根据权利要求8所述的直线振动电机，其特征在于，
以如下方式进行配置：所述驱动用线圈的一方的端部与所述可动件的主体的一方的面相向，
安装于所述主体的所述驱动用磁体的将所述驱动用磁体的两极连结的方向与所述驱动用线圈的卷绕轴方向大致一致，安装于所述主体的所述驱动用磁体配置于使所述驱动用磁体的朝向所述一方的面的一方的极与所述驱动用线圈的一方的端部的绕线相向的位置。
10.根据权利要求1～7中的任一项所述的直线振动电机，其特征在于，
还具备移动支承机构，所述移动支承机构具有支承构件和接触面，所述支承构件在所述壳体内的空间被固定于所述壳体且沿所述第一方向延伸，所述接触面设置于所述可动件，以能够移动的方式与所述支承构件接触。
11.根据权利要求10所述的直线振动电机，其特征在于，
所述支承构件由沿所述第一方向延伸的轴构成，
所述接触面由在所述可动件的主体或安装于所述主体的构件设置的、供所述轴插入的孔部或凹部的内表面形成。
12.一种直线振动系统，其特征在于，
具备直线振动电机和外部电路，
所述直线振动电机具备：
壳体；
可动件，其收容于所述壳体内的空间；
驱动部，其具有配置于所述壳体内的驱动用线圈和安装于所述可动件的驱动用磁体；以及
施力部，其具有配置于所述壳体内的施力用电磁体和安装于所述可动件的施力用磁体，所述施力用电磁体由芯和施力用线圈构成，
所述外部电路向所述驱动用线圈和所述施力用线圈供给电力，
其中，通过由于被所述外部电路通电的所述驱动用线圈所形成的磁场与所述驱动用磁体所形成的磁场的相互作用而产生的洛伦兹力，所述可动件在与所述驱动用线圈的卷绕轴大致正交的第一方向上振动，
所述施力用电磁体和所述施力用磁体被配置成在所述施力用电磁体被通电时所述施力用电磁体和所述施力用磁体的相同的极大致相向，通过基于在被所述外部电路通电的所述施力用电磁体与所述施力用磁体之间产生的互斥力的磁性弹簧，沿所述第一方向对所述可动件施力，
通过使向所述施力用线圈流通的电流值发生变化，来使所述磁性弹簧的磁性弹簧常数发生变化。
13.根据权利要求12所述的直线振动系统，其特征在于，
所述外部电路还具有控制部，
所述控制部具有控制向所述驱动用线圈供给的电流的第一控制部以及控制向所述施力用线圈供给的电流的第二控制部。
14.根据权利要求13所述的直线振动系统，其特征在于，
所述直线振动电机具备振动传感器，
所述控制部基于来自所述振动传感器的信号来进行反馈控制。
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