JP2014121663A - 共振装置、振動装置およびベル鳴動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バネを使わず故障が少なく長寿命の振動装置等を提供する。
【解決手段】 可動鉄心２との共振用としたリング磁石４の内部にその軸方向に移動可能に可動鉄心２を設けて共振装置を構成し、リング磁石４の可動鉄心２の移動方向一方側もしくは両側に、振動附勢用のソレノイド１２（および１３）を並べて配置して振動装置を構成した。振動を持続するには、振動附勢用のソレノイド１２（および１３）を毎振動周期中に所定の位相で短時間励磁する。
【選択図】図２

Description

本発明は、共振装置、これを使用した振動装置、および、この振動装置を利用したベル鳴動装置に関する。

ある質量を持った可動子を振動させる装置は、携帯電話の呼び出し装置、ベルの打棒駆動装置、篩い装置など広い用途を持つ。

従来、この種の装置は偏心モータ、モータの回転をクランクで直線運動に変えるもの、振動部をその質量とバネの弾力とで共振装置とし電磁石の磁力で駆動して振動させるもの（特許文献１参照）等がある。

しかし、モータとクランクを使用するものは摩擦が大きく振動の振幅を変化することが困難であるなどの欠点があり、また、バネと質量による共振を使用するものは、効率はよいがバネが折れやすいという問題を有していたりする。

一例として、従来の、振動部を質量とバネの弾力とで共振装置を構成させると共に電磁石の磁力で振動を附勢する振動装置について説明すると、上記振動装置は、図７の平面図および図８の縦断面図に示すように、ケース５２の中途高さ位置にコイル４６を固定して設け、このコイル４６を内部に収容する状態で振動部４２をケース５２内に横方向移動自在に配置するともに、ケース５２と振動部４２との間にバネ４４を介装したものである。振動部４２は、コイル４６を挟む上下のマグネット８０、８２と、可動ヨーク６６、６８と、ウェイト９０、９２とを一体化したものである。

上記振動装置において、コイル４６に正負の電流を流すことで、マグネット８０、８２を含む振動部４２の質量がバネ４４の弾性力と共振して振動し、この振動の反動でケース５２およびその周りの固定部材が振動する。振動部４２は、その質量とバネ４４とが共振して振動するが、その振動は、コイル４６に共振周波数の電流を与えることで、持続させるようになっている。

しかしながら、上記の振動装置では、振動部４２の質量とバネ４４からなる共振装置を利用するので、電気／機械のエネルギー変換効率がよいが、バネ４４を使用しているので、頻繁に動作させるものでは、バネの疲労や破損が生じやすくて寿命が短い。

特許第３８５５７３８号公報

本発明は、バネを使用せず故障が少なくて長年月使用できる共振装置、振動装置およびベル鳴動装置を提供することを課題とする。

本発明の発明者が、リング磁石と、その中に置かれたリング磁石の軸方向に動きうる棒状の可動鉄心とに着目してその動作作用を検討したところ、リング磁石が可動鉄心に与える磁気吸引力は可動鉄心の変位に比例し、機械的な共振機構でのバネの復元力と同じ特性を持っており、リング磁石と可動鉄心とが共振装置を構成していることが判明した。

本発明に係る共振装置は、上記判明した事実に基づいて為されたもので、軸方向に貫通した貫通穴を有するリング磁石と、前記貫通穴内を軸方向移動可能に配置された可動鉄心とを備え、前記リング磁石の軸方向の中心位置と前記可動鉄心の軸方向の静止位置とを一致ないしほぼ一致させ、前記リング磁石の磁気吸引力と前記可動鉄心の質量とで軸方向において共振装置とすることを特徴とする。

また、本発明に係る振動装置は、前記共振装置と、前記共振装置のリング磁石と軸を共通にして軸方向に並置されたソレノイドとを備え、前記共振装置の可動鉄心の振動周期のうち特定の期間、前記ソレノイドを励磁して、前記可動鉄心の振動を附勢することを特徴とするものである。この場合、可動鉄心は、リング磁石の内部に軸方向に移動可能であり、ソレノイドを、リング磁石の可動鉄心移動方向一方側もしくは両側に、上記可動鉄心の振動附勢用として並置したことを特徴とする。

上記振動装置においては、共振装置内の可動鉄心に初動を与えると、この可動鉄心の質量と可動鉄心に作用するリング磁石の磁気吸引力との間で共振周波数の過渡振動が生じる。振動により可動鉄心が一方側に移動している期間、その側の振動附勢用のソレノイドが通電により励磁され磁気吸引力を生じることで、可動鉄心の振動が維持される。

本発明の共振装置によれば、共振用バネの代わりにリング磁石の磁気吸引力を利用するので、バネを使わずに済み、バネの疲労、破損等による機械的な故障がなく長年月使用できる。

つぎに、本発明の振動装置によれば、前記共振装置に振動附勢用としてソレノイドを並置しており，共振を利用するので電気／機械エネルギー変換効率が高い。また、ソレノイドに流す電流の位相と大きさによって可動鉄心の振幅を調節できる。この場合、第１のソレノイドと逆方向に振動を附勢する第２の振動附勢用ソレノイドを設置し、励磁することによってさらに強く振動を附勢することができる。

さらに、本発明のベル鳴動装置によれば、前記振動装置の可動鉄心を打棒として半サイクルごとに附勢して、その可動鉄心を強力に振動させてベルを連打すれば、強いベル音を発生させることができる。

図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る共振装置の構成図、図１（ｂ）は、リング磁石の磁気吸引力を示す特性図である。 図２（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る振動装置の構成を示す構成図、図２（ｂ）は、リング磁石およびソレノイドの磁気吸引力を示す特性図である。 図３は、図２の振動装置に用いられるソレノイド励磁回路の回路図である。 図４は、本発明の第３の実施形態に係る図２の振動装置を用いたベル鳴動装置の構成図である。 図５（ａ）は、本発明の第２、第３の他の実施形態に係る振動装置およびベル鳴動装置の構成図、図５（ｂ）は、リング磁石およびソレノイドの磁気吸引力を示す特性図である。 図６は、図５の振動装置に用いられるソレノイド励磁回路の回路図である。 図７は、従来のバネを用いた振動装置の平面図である。 図８は、図７の振動装置の縦断面図である。

添付した図面を参照して、本発明の各実施形態を説明する。なお、各図中、同一ないし対応する部分には同一の符号を付している。

〔第１の実施形態〕
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態を示すものである。

２は、可動鉄心であって、軸方向に所定長で延びた円柱形状をなしている。

３は、断面円形の中空のパイプであって、非磁性体材料からなり、かつ、軸方向直線的に延在して配置されている。パイプ３内には前記可動鉄心２が軸方向において自由に移動可能に配置されている。

４は、リング磁石であり、フェライトやネオジム等の永久磁石材料からなりかつ中央が軸方向に円形に貫通した貫通穴４ａを有したリング状になって、貫通穴４ａの貫通方向である軸方向においてＮＳに着磁されている。このリング磁石４の貫通穴４ａに、パイプ３が軸方向に沿って挿通されている。

なお、リング磁石４の外径をｒ１、内径をｒ２、パイプ３内の直径をｒ３、可動鉄心２の直径をｒ４とし、また、リング磁石４の軸方向長さをＬ１、可動鉄心２の軸方向長さをＬ２とすると、ｒ１＞ｒ２＞ｒ３＞ｒ４であり、Ｌ１＜Ｌ２である。

特に、リング磁石４の貫通穴４ａの内径ｒ２は、可動鉄心２の直径ｒ４と比較して十分に大きい。これにより、リング磁石４は、可動鉄心２に対して前記軸方向に直交する方向である半径方向において磁気吸引力が作用しないか、または、作用することを実用上無視できる程度に低減できるようにしている。なお、リング磁石４の外形は、実施形態では円形であるが、これに限定されず、矩形であってもよい。

また、図中、Ｐ０をリング磁石４の軸方向の中心位置とすると、可動鉄心２の軸方向中心位置Ｐ１は、前記中心位置Ｐ０と一致して描いている。可動鉄心２の軸方向中心位置Ｐ１がリング磁石４の中心位置Ｐ０にあるときの該可動鉄心２の軸方向中心位置Ｐ１は、静止位置０（軸方向における振動中心位置：磁気抵抗最小位置）となる。この静止位置０は、前記中心位置Ｐ０と一致している。この場合の可動鉄心２の軸方向中心位置Ｐ１が静止位置０にあるときの該可動鉄心２の軸方向右側半分の長さと左側半分の長さは等長Ｌ２／２である。

もし可動鉄心２が軸方向均質でない場合、可動鉄心２が静止位置にあっても、可動鉄心２の軸方向中心位置Ｐ１とリング磁石４の中心位置Ｐ０とが一致しない場合があるが、以下可動鉄心２の静止位置０でＰ１とＰ０とは一致するものとしておく。

以上の構成により、第１の実施形態では、軸方向に貫通した貫通穴４ａを有するリング磁石４と、前記貫通穴４ａ内を軸方向移動可能に配置された可動鉄心２とを備え、リング磁石４の軸方向中心位置Ｐ０と可動鉄心２の静止位置０とが一致した共振装置を構成しており、可動鉄心２に初動を与えて振動附勢すると、可動鉄心２が、パイプ３内を軸方向に振動することを可能としたものである。

図１（ｂ）を参照して、可動鉄心２のパイプ３中における軸方向位置に対し可動鉄心２に作用するリング磁石４の磁気吸引力の特性を説明する。Ｌ３は、その磁気吸引力の特性を示す特性線である。図１（ｂ）において、横軸は、可動鉄心２のパイプ３内における軸方向位置を示し、横軸上の０は、可動鉄心２の静止位置を示す。横軸上の「→右」は、可動鉄心２の中心位置Ｐ１が静止位置０に対して右側の位置にあることを示し、横軸上の「左←」は、可動鉄心２の中心位置Ｐ１が静止位置０に対して左側の位置にあることを示す。また、縦軸は、可動鉄心２に作用するリング磁石４の磁気吸引力を示し、「０」は磁気吸引力がゼロであり、縦軸上の「→右」は、リング磁石４から可動鉄心２に作用する磁気吸引力の方向が「右」であって、かつ、その強さを示し、縦軸上の「←左」は、リング磁石４から可動鉄心２に作用する磁気吸引力の方向が「左」であって、かつその強さを示す。図１（ｂ）に示すように、可動鉄心２の中心位置Ｐ１が静止位置０にあるときは、リング磁石４から可動鉄心２に作用する磁気吸引力は０である。

このような可動鉄心２に作用するリング磁石４の磁気吸引力は、磁気抵抗が最小になるように可動鉄心２に作用し（リラクタンス力）、これにより可動鉄心２の中心位置Ｐ１が、リング磁石４の中心位置Ｐ０と一致するように作用し、つねに可動鉄心２を静止位置０に引き戻すような磁気吸引力を生じる。なお、図１（ａ）のリング磁石４は、軸方向に着磁されているが、半径方向に着磁されている場合でも同様のリラクタンス力を示す。

図１（ｂ）に示すように、磁気吸引力は、所定範囲で可動鉄心２の位置に比例し、可動鉄心２を静止位置０に戻すように働く。例えば、可動鉄心２の軸方向中心位置Ｐ１が横軸上の静止位置０より右方（→右）になるほど、可動鉄心２をリング磁石４が左方向に吸引する磁気吸引力は大きくなり、可動鉄心２の中心位置Ｐ１が横軸上の静止位置０より左方（左←）になるほど、可動鉄心２をリング磁石４が右方向に吸引する磁気吸引力は大きくなる。そして、この磁気吸引力特性を示す特性線Ｌ３は、静止位置０を中心として右方（→右）および左方（左←）において所定範囲ではほぼ直線的つまり一定の傾斜勾配になっている。すなわち、第１の実施形態では、機械的なバネと同じ力―位置特性を持っており、バネと同様に、リング磁石４は、可動鉄心２の質量とともに共振装置を構成する。第１の実施形態における共振装置では、可動鉄心２に初動を与えて振動附勢すると、この可動鉄心２には共振周波数の過渡振動が生じる。

〔第２の実施形態〕
図２（ａ）は、本発明の第２の実施形態を示すものである。第２の実施形態では、図１（ａ）の可動鉄心２とリング磁石４とよりなる共振装置に、可動鉄心２の前記振動付勢用として第１のソレノイド１２を加えた振動装置の構成となっている。第１のソレノイド１２は、リング磁石４に対して図中、右方においてパイプ３の外周囲を包囲して配置されている。また、第１のソレノイド１２の軸は、リング磁石４、可動鉄心２の軸と共通となっているが、第１のソレノイド１２の軸方向の中心位置は可動鉄心２の静止位置と異なっている。

第１のソレノイド１２が可動鉄心２に与える力は、可動鉄心２が第１のソレノイド１２の発生する磁力に対して磁気抵抗最小の位置に移動するように働く（リラクタンス力）。これにより、第１のソレノイド１２から可動鉄心２には、可動鉄心２を第１のソレノイド１２の中心に移動させるように磁気吸引力が作用する。

図２（ｂ）は、図２（ａ）の振動装置における可動鉄心２に働く力を表したものであり、横軸および縦軸は、図１（ｂ）の横軸および縦軸と同様である。図２（ｂ）中、実線の特性線Ｌ３は図１（ｂ）のそれと同様にリング磁石４によるものであり、破線の特性線Ｌ４は第１のソレノイド１２により可動鉄心２に作用する磁気吸引力の特性を示す線である。特性線Ｌ４に示すように、第１のソレノイド１２は、静止位置０付近にある可動鉄心２に対しては右方向に磁気吸引力を及ぼす。第１のソレノイド１２は可動鉄心２が静止しているときは右方向に初動を与え、可動鉄心２が右方向に移動している間に第１のソレノイド１２を励磁すると、右方向への移動速度が増大し、可動鉄心２の振動が附勢されて振幅が増大する。

リング磁石４により可動鉄心２内を通過する磁力線も、第１のソレノイド１２の電流と作用して電磁力を生じるが、その電磁力はリラクタンス力ほど大きくはない。リラクタンス力は磁界の極性に無関係であるが、電磁力の方向はフレミングの左手の法則により磁界と電流の方向で決まる。第１のソレノイド１２の電流の方向は、リング磁石４による可動鉄心２中の磁力線と同極性の磁力線が発生する方向とすれば、電磁力はリラクタンス力に加算される。

図２（ｂ）に示すように、第１のソレノイド１２の磁気吸引力は、当該第１のソレノイド１２の中心位置に可動鉄心２を引き込むように作用し、可動鉄心２が静止位置０付近にあるときは右方向に可動鉄心２を駆動する。

このように、共振装置に第１のソレノイド１２を加えて共振装置の振動を附勢することが出来、振動を持続するには、振動附勢用のソレノイド１２を毎振動周期中に所定の位相で短時間励磁する。これにより、持続振動する振動装置を構成することができる。

なお、第１のソレノイド１２は、リング磁石４に対して図中、右方においてパイプ３の外周囲を包囲して配置されているが、リング磁石４に対して左方に配置されてもよい。

図３は、図２（ａ）の振動装置において、第１のソレノイド１２の励磁回路の一例を示す。図３において、Ｅ１は直流電源、Ｔｒ１はｎｐｎ型のトランジスタである。第１のソレノイド１２は、励振用として直流電源Ｅ１の正極とトランジスタＴｒ１のコレクタとの間に直列に接続されている。１４は、附勢用の第１のソレノイド１２と電磁結合したフィードバックコイルであり、トランジスタＴｒ１のベースとエミッタとの間に接続されている。励振用の第１のソレノイド１２は、可動鉄心２に対して右方向に磁気吸引力を作用するので、可動鉄心２が右方向に移動している期間に励磁することによって振動を附勢することができる。第１のソレノイド１２は、トランジスタＴｒ１のオンオフによって、所定の期間、可動鉄心２を励磁する。

トランジスタＴｒ１の駆動信号は、信号発生回路（図示せず）によって与えても良いが、第１のソレノイド１２と結合したフィードバックコイル１４によって与えることができる。

可動鉄心２が軸方向右方に移動するときは、第１のソレノイド１２中の磁束が増加し、第１のソレノイド１２にＥ１側正，フィードバックコイル１４にベース側正の電圧を誘起する。これにより、トランジスタＴｒ１がオンに駆動され、第１のソレノイド１２が直流電源Ｅ１より通電され、可動鉄心２に右方向の磁気吸引力が作用する。可動鉄心２が左方に移動するときは、フィードバックコイル１４の誘起電圧が負となり、トランジスタＴｒ１はオフである。その結果、振動が附勢される。

〔第３の実施形態〕
図４は、本発明の第３の実施形態を示すものである。図４では、図中の上下方向を重力が作用する向きとする。パイプ３は、軸方向を上下方向に一致させて配置すると共に、可動鉄心２を内部に挿入したパイプ３の外周囲にリング磁石４を配置し、リング磁石４より上側に第１のソレノイド１２を配置する。この配置構成により、可動鉄心２は、図４中、上下方向に振動してベル５を連打してベル音を発生させる。第１のソレノイド１２の磁気吸引力は強く、振動は正弦波状である必要はないので、ベル５の打棒となる可動鉄心２を駆動するのに適する。第１のソレノイド１２の励磁期間と励磁周期とを制御することにより、ベル音の強さを調節することができる。パイプ３の前記した上下方向の配置は、パイプ３と可動鉄心２との摩擦を小さくする効果があり、下方向の励振には可動鉄心２に作用する重力を利用できる。

〔第２の他の実施形態〕
図５（ａ）は、本発明の第２の他の実施形態を示すものである。図５（ａ）では、図２のリング磁石４と可動鉄心２とよりなる共振装置に第１のソレノイド１２を加えたものに、さらに第２のソレノイド１３が加えられている。第２のソレノイド１３は、リング磁石４、第１のソレノイド１２と可動鉄心２と軸を共通にするが、その中心位置はリング磁石４を挟んで第１のソレノイド１２とは対称の位置にある。すなわち、第１のソレノイド１２が可動鉄心２の静止位置の右にあれば、第２のソレノイド１３は可動鉄心２の静止位置の左に配置される。

〔第３の他の実施形態〕
図５（ａ）はまた、本発明の第３の他の実施形態を示すものである。パイプ３は図中、その長手方向を軸方向に一致させて配置され、これにより、可動鉄心２は左右方向に振動してベル５を連打する。第１のソレノイド１２および第２のソレノイド１３の磁気吸引力は強く、振動は正弦波状である必要はないので、ベルの打棒を駆動するのに適する。第１のソレノイド１２と共に第２のソレノイド１３の励磁期間で音の強さを調節することができる。可動鉄心２は半サイクルごとに附勢されるので強力に振動し、強いベル音を発生することができる。

図５（ｂ）は、Ｌ３：リング磁石４、Ｌ４：第１のソレノイド１２、Ｌ５：第２のソレノイド１３の可動鉄心２に与える磁気吸引力特性を示す。第２のソレノイド１３の磁気吸引力は、その中心位置に可動鉄心２を引き込むように作用し、可動鉄心２が静止位置付近にあるときは左方向に鉄心を駆動する。

図６は、図５（ａ）の振動装置において第１、第２のソレノイド１２、１３の励磁回路の例を示す。励振用の第２のソレノイド１３は、可動鉄心２に対して左方向に磁気吸引力を作用するので、可動鉄心２が左方向に移動している期間に励磁することによって振動を附勢することができる。第２のソレノイド１３は、直列に接続されたトランジスタＴｒ２のオンオフによって第１のソレノイド１２とは逆の位相で所定の期間励磁する。

なお、実施形態では、リング磁石４は、１個であったが、起磁力を強くするうえでは、複数個とし、軸方向に密接して並置し等価的に図１（ａ）のＬ１を大きくしてもよい。

２ 可動鉄心
３ パイプ
４ リング磁石
５ ベル
１２ 第１のソレノイド（励振用）
１３ 第２のソレノイド（励振用）
１４ フィードバックコイル（発振用）

Claims (3)

1. 軸方向に貫通した貫通穴を有するリング磁石と、前記貫通穴内を軸方向移動可能に配置された可動鉄心とを備え、前記リング磁石の軸方向の中心位置と前記可動鉄心の軸方向の静止位置とが一致ないしほぼ一致し、前記リング磁石の磁気吸引力と前記可動鉄心の質量とで共振状態となることが可能となっていることを特徴とする共振装置。
2. 請求項１に記載の共振装置と、前記共振装置のリング磁石と軸を共通にして軸方向一方側または両側に並置されたソレノイドとを備え、前記共振装置の可動鉄心の振動周期のうち特定の期間、前記ソレノイドを励磁して、前記可動鉄心の振動を附勢することが可能となっていることを特徴とする振動装置。
3. 請求項２に記載の振動装置と、前記振動装置の可動鉄心を打棒としたベルとを含み、前記可動鉄心により前記ベルを連打することが可能となっていることを特徴とするベル鳴動装置。

Images