JP2015157276A

JP2015157276A - 振動アクチュエータ

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Publication number: JP2015157276A
Application number: JP2014163019A
Authority: JP
Inventors: 慎小田島; Shin Odajima; 佳英殿貝; Yoshihide Tonogai
Original assignee: Nidec Copal Corp
Current assignee: Nidec Copal Corp
Priority date: 2014-01-21
Filing date: 2014-08-08
Publication date: 2015-09-03
Anticipated expiration: 2034-08-08
Also published as: JP6297447B2

Abstract

【課題】薄型化が可能な振動アクチュエータを提供する。
【解決手段】振動アクチュエータ１は、一対の軸受に回転自在に支持された回転軸１１と、回転軸１１に固定された磁石２と、回転軸１１に固定された分銅３と、磁石２の回転を弾性自在に支持する弾性支持部材４とを備える可動子１０と、可動子１０の共振周波数と同等の周波数の交流電流が供給されるコイル５と、コイル５に流れる交流電流によって磁極を変化させて磁石２に異なる方向の回転トルクを交互に付与する磁極部材６とを備え、コイル５と磁石２と分銅３を回転軸１１に沿って並列配置した。
【選択図】図１

Description

本発明は、振動を発生させる振動アクチュエータに関するものである。

携帯電話，携帯情報端末などの携帯型電子機器は、着信やアラームなどの信号発生を音を発することなく携帯者に伝える振動発生機能を備えており、この機能を発揮するために、携帯型電子機器には振動アクチュエータが内蔵されている。

このような携帯型電子機器に内蔵される振動アクチュエータとして、リニア共振アクチュエータ（ＬＲＡ：Linear Resonant Actuator）が知られている（下記特許文献１参照）。ＬＲＡは、バネで吊した分銅の固有振動数に等しい交流電流を巻線に通電することにより磁石との相互作用で分銅を直線方向に往復直線振動させるものである。振動アクチュエータとしては、軸に偏芯分銅を着けて振れ回りの振動を得るＤＣモータ型のもの（ＥＲＭ：Eccentric Rotating Mass）も知られている（下記特許文献２参照）が、ＬＲＡは、ＥＲＭのような接点整流子を持たないので、信頼性や耐久性が高く、着信アラームに加えてタッチパネルのハプティックスも兼用するような動作頻度が高い用途に適している。

特開２０１２−０１６１５３号公報特開平１０−３３６９４９号公報

ＬＲＡの振動値は可動子質量とその振動振幅で決まるので、携帯型電子機器に内蔵するために限られたスペースで最大の振動値を得ようとすると、筐体の内部空間寸法の最大範囲まで振動振幅を設定することになり、可動子と筐体との接触が避けられない。可動子と筐体が接触すると、その際の衝突音や衝突が原因のビビリ音が発生することになり、無音で携帯者に信号発生を伝えるために設けられている振動アクチュエータの本来の目的を達成できない問題が生じる。

これに対しては、発生音を和らげるクッション材を可動子と筐体の間に設けることが一般になされているが、発生音を完全に消すことはできず、本質的な解決策にはなり得ない。また、構造上接触を回避しようとすると、可動子の振幅を筐体の内部空間に対して小さくするか、或いは可動子の振幅に対して筐体を大きくすることになり、より小型でより大きな振動振幅を得たいという要求を満たすことができなくなる。

また、携帯型電子機器は、ウェアラブル（wearable）機器への対応など、薄型化の要求がより高くなっている。これに対して、従来のＬＲＡは、可動子の一部である磁石の周囲にコイルを巻く構造を基本としているため、より薄型化された携帯型電子機器に内蔵するのに必要な薄厚を得るには構造上の限界があった。

本発明は、このような問題に対処することを課題の一例とするものである。すなわち、高い信頼性や耐久性を得るために接点整流子を持たないＬＲＡの利点を生かしながら、原理的に可動子と筐体との衝突が起こらない機構とすることで、より小型でより大きな振動振幅が得られる振動アクチュエータを提供すること、より高い薄型化の要求に対応できる薄厚の振動アクチュエータを提供すること、等が本発明の目的である。

このような目的を達成するために、本発明による振動アクチュエータは、明細書に記載された幾つかの発明のうち以下の構成を具備するものである。
一対の軸受に回転自在に支持された回転軸と、前記回転軸に固定された磁石と、前記回転軸に固定された分銅と、前記磁石の回転を弾性自在に支持する弾性支持部材とを備える可動子と、前記可動子の共振周波数と同等の周波数の交流電流が供給されるコイルと、該コイルに流れる交流電流によって磁極を変化させて前記磁石に異なる方向の回転トルクを交互に付与する磁極部材とを備え、前記コイルと前記磁石と前記分銅を前記回転軸に沿って並列配置したことを特徴とする振動アクチュエータ。

本発明の一実施形態に係る振動アクチュエータの全体構成を示した説明図（（ａ）が分解斜視図、（ｂ）が外観側面図）である。本発明の一実施形態に係る振動アクチュエータの断面図である。本発明の実施形態に係る振動アクチュエータの駆動部の動作を示した説明図である。（ａ）が無通電状態、（ｂ）がコイルに流れる電流方向が＋の場合、（ｃ）がコイルに流れる電流方向が−の場合をそれぞれ示している。本発明の実施形態に係る振動アクチュエータの他の形態例を示した説明図である。本発明の実施形態に係る振動アクチュエータの他の形態例を示した説明図である（（ａ）が全体断面図であり、（ｂ）が弾性部材であるぜんまいばねを示した斜視図である。）。本発明の実施形態に係る振動アクチュエータを備えた携帯型電子機器を示した説明図である。

本発明の実施形態に係る振動アクチュエータは、可動子を軸回りに往復回転振動させることで、振動振幅を最大にしてこの振動振幅にばらつきが生じた場合にも可動子の振動が一定の空間内に収まるようにしている。これによって、可動子がその周囲の筐体に接触して衝突音やビビリ音が発生することを原理的に防止している。また、本発明の実施形態に係る振動アクチュエータは、磁石に異なる方向の回転トルクを交互に付与することで可動子を往復回転振動させる駆動部を、可動子の共振周波数と同等の周波数の交流電流が供給されるコイルと、コイルに流れる交流電流によって磁極を変化させる磁極部材によって構成している。これによって、ＥＲＭのように接点を持つ整流子と比較して高い信頼性と耐久性を得ることができる。

そして、一対の軸受に回転自在に支持された回転軸に沿ってコイルと磁石と分銅を並列配置しているので、磁石の周囲にコイルを巻回するものと比較して、振動アクチュエータの薄型化が可能になる。これによって、携帯型電子機器に内蔵するために、より高い薄型化の要求に対応できる振動アクチュエータを提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図１は本発明の一実施形態に係る振動アクチュエータの全体構成を示した説明図（（ａ）が分解斜視図、（ｂ）が外観側面図）であり、図２は本発明の一実施形態に係る振動アクチュエータの断面図を示している。

振動アクチュエータ１は、一対の軸受１２，１３に回転自在に支持された回転軸１１と、回転軸１１に固定された磁石２と、回転軸１１に固定された分銅３と、磁石２の回転を弾性自在に支持する弾性支持部材４とを備える可動子１０を具備している。図示の例では、一対の軸受１２，１３にて回転自在に支持された回転軸１１に沿って磁石２と弾性支持部材４と分銅３が並べて配置されている。また、磁石２と弾性支持部材４は一対の軸受１２，１３の間に配置されているが、分銅３は一対の軸受１２，１３の外側に突出した回転軸１１に固定されている。弾性支持部材４としてのねじりコイルバネは、その一端が磁石２に固定されその他端がバネ止め具１６と軸受１２を介して筐体に固定されており、可動子１０は、後述する駆動部の無通電時には弾性支持部材４であるねじりコイルバネに吊られた状態で往復回転運動が可能な状態になっている。

可動子１０を回転軸１１の回転中心である軸Ｐ回りに往復回転振動させる駆動部２０は、可動子１０の一部でもある磁石２とコイル５と磁極部材６によって構成される。コイル５には、コイル５の引出端子５１に接続される交流電流発生源２１から可動子１０の共振周波数と同等の周波数の交流電流が供給される。可動子１０の共振周波数は、可動子１０のイナーシャＪと弾性支持部材４のねじり方向のバネ定数ｋによって決まる固有振動周波数ｆ₀であり、ｆ₀＝（１／２π）・（ｋ／Ｊ）^1/2によって算出することができる。磁極部材６は、磁石２の磁極に対向する複数の磁極片６０Ａ，６０Ｂを備えており、コイル５に流れる交流電流によって磁極を変化させて磁石２に異なる方向の回転トルクを交互に付与するものである。

コイル５は、回転軸１１が貫通する筒部５０Ａを有するコイル保持部材５０に保持されており、筒部５０Ａに巻かれることで回転軸１１（軸Ｐ）の周りに巻回されている。磁極部材６は、コイル保持部材５０を支持すると共に磁石２の外側に沿って延設される複数の磁極片６０Ａ，６０Ｂを備えている。ここで、コイル５は、磁石２の固定位置から軸方向にシフトした位置でコイル保持部材５０に保持され、磁極部材６（クローポール６Ａ，６Ｂ）によって形成される磁気回路内に配置されており、コイル５に電流を流すことで磁極片６０Ａ，６０Ｂに異なる磁極が誘起されるようになっている。このように、コイル５の位置を磁石２の固定位置に対して軸方向にシフトさせることで、コイル５と磁石２と分銅３を回転軸１１に沿って並列配置する構造が可能になる。

図示の例では、２つの磁極部材６（クローポール６Ａ，６Ｂ）は、コイル保持部材５０の筒部５０Ａの内側に挿入固定される連結部６１Ａを介して連結されている。そして、磁極部材６（クローポール６Ａ，６Ｂ）は、磁石２から離れた位置でコイル保持部材５０を支持すると共に磁石２の外側を回転軸１１に沿って延びる複数の磁極片６０Ａ，６０Ｂを備えている。

また、回転軸１１を支持する軸受１２，１３はそれぞれ軸受ケース１４，１５に固定され、この軸受ケース１４，１５が磁極部材６（クローポール６Ａ，６Ｂ）に溶接などで固定されている。すなわち、軸受１２，１３は軸受ケース１４，１５を介して磁極部材６に固定されている。ここで、軸受ケース１４は、内部に弾性支持部材４を収容する空間を備えた筐体になっており、この軸受ケース１４の外側に分銅３の振動空間が形成されている。分銅３は、平面視半円状の偏芯錘であるが、その外周面の振動軌跡は軸受ケース１４の外径寸法と同等であるかそれより内側に形成することが好ましい。尚、弾性支持部材４は、筐体である軸受ケース１４と分銅３との間に設けてもよい。

図３は、本発明の実施形態に係る振動アクチュエータの駆動部の動作を示している。（ａ）が無通電状態、（ｂ）がコイルに流れる電流方向が＋の場合、（ｃ）がコイルに流れる電流方向が−の場合をそれぞれ示している。図示の例では、円柱状の磁石２は直径方向に１極着磁されており、軸Ｐ回りに異なる磁極を備えている。これに限らず、磁石２は周方向に沿って複数極に着磁されているものであってもよい。これに対して、磁石２の磁極に対向した複数の磁極片６０Ａ，６０Ｂが磁石２の外周に沿って近接配置されている。（ａ）に示した無通電状態では、磁極片６０Ａ，６０Ｂは着磁していないが、コイル５に電流を流すことによって磁極片６０Ａ，６０Ｂが互いに異なる磁極に着磁され、コイル５に交流電流を流すことで、（ｂ），（ｃ）に示すように、電流方向の正負によって磁極片６０Ａ，６０Ｂの極性が反転する。この磁極片６０Ａ，６０Ｂにおける極性の反転によって磁石２に作用する回転トルクの方向が反転することになり、可動子１０を軸Ｐ回りに往復回転振動させる。

図４は、本発明の実施形態に係る振動アクチュエータにおける他の形態例を示している。前述した実施形態と同一の部位には同一符号を付して重複説明を省略する。（ａ），（ｂ）に示した例では、共に磁極片６０Ａ、６０Ｂの一部を加工することでコイル保持部材５０を支持する支持部６０Ａ１，６０Ｂ１を形成している。（ａ）の例では、コイル保持部材５０の筒部５０Ａの両端に係合する支持部６０Ａ１，６０Ｂ１が形成されており、（ｂ）の例では、コイル保持部材５０の筒部５０Ａ内の途中まで挿入される支持部６０Ａ１，６０Ｂ１が形成されている。このように磁極片６０Ａ、６０Ｂの一部を加工してコイル保持部材５０を支持することで、部品点数の削減が可能になる。

図５は、本発明の実施形態に係る振動アクチュエータにおける他の形態例を示している。この例は、磁石２（或いは可動子１０）の回転を弾性自在に支持する弾性支持部材４をぜんまいばね４Ａにしている。全体構成の断面図を（ａ）に示し、ぜんまいばね４Ａの構成を（ｂ）に示すが、図２に示した例と同一の部位には同一符号を付して重複説明を省略する。ぜんまいばね４Ａは薄板状の弾性部材を渦巻き状に巻いたものであり、回転軸１１の一方向の回転に対して捻り弾性を付与するように、その内端部４Ａ１が回転軸１１に固定され、その外端部４Ａ２が軸受ケース１４（筐体）に固定されている。

弾性支持部材４としてぜんまいばね４Ａを用いた振動アクチュエータ１は、ぜんまいばね４Ａが回転方向以外の向きに高い剛性を有することで、回転軸１１の回転に対して歪み無く捻れ、弾性支持部材４のエネルギーロスが少なく安定した回転振動を得ることができる。なお、図５には、図２に示した例の弾性支持部材４をぜんまいばね４Ａに換えた例を示しているが、図４（ａ），（ｂ）に示した例における弾性支持部材４も同様にぜんまいばね４Ａに変更することができる。

図６は、本発明の実施形態に係る振動アクチュエータを備えた携帯型電子機器を示している。携帯電話や携帯情報端末のような携帯型電子機器１００は、薄型化の要求が高く、それに内蔵される振動アクチュエータ１は制限された設置占有スペースに対応できるような小型でありながら大きな振動振幅を有するものが要求されている。本発明の実施形態に係る振動アクチュエータ１は、接点整流子を持たないことで、高い信頼性や耐久性を備えており、原理的に可動子１０と筐体との衝突が起こらない機構であるから、衝突音などの異音の発生を抑え、より小型でより大きな振動振幅を得ることが可能になる。また、磁石２とコイル５の位置を回転軸１１に沿ってシフトさせることで、より薄厚化することが可能になっている。このような特徴を有する振動アクチュエータ１を備える携帯型電子機器１００は、着信やアラームなどの信号発生を振動によって携帯者に伝える際に、音発生を最小限に抑えることができると共に大きな振動振幅で確実な信号伝達が可能になる。また、携帯型電子機器１００の更なる薄型化を可能にすることができる。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。また、上述の各実施の形態は、その目的及び構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの技術を流用して組み合わせることが可能である。

１：振動アクチュエータ，２：磁石，３：分銅，
４：弾性支持部材（ねじりコイルバネ），４Ａ：ぜんまいばね，
５：コイル，５０：コイル保持部材，
５０Ａ：筒部，５１：引出端子，
６：磁極部材，６Ａ，６Ｂ：クローポール，６０Ａ，６０Ｂ：磁極片，
６０Ａ１，６０Ｂ１：支持部，
６１Ａ：連結部，
１０：可動子，１１：回転軸，１２，１３：軸受，
１４，１５：軸受ケース（筐体），
２０：駆動部，２１：交流電流発生源，
Ｐ：軸

Claims

一対の軸受に回転自在に支持された回転軸と、前記回転軸に固定された磁石と、前記回転軸に固定された分銅と、前記磁石の回転を弾性自在に支持する弾性支持部材とを備える可動子と、
前記可動子の共振周波数と同等の周波数の交流電流が供給されるコイルと、
該コイルに流れる交流電流によって磁極を変化させて前記磁石に異なる方向の回転トルクを交互に付与する磁極部材とを備え、
前記コイルと前記磁石と前記分銅を前記回転軸に沿って並列配置したことを特徴とする振動アクチュエータ。
前記回転軸が貫通する筒部に前記コイルを巻回したコイル保持部材を備え、
前記磁極部材は、前記磁石から離れた位置で前記コイル保持部材を支持すると共に前記磁石の外側を前記回転軸に沿って延びる複数の磁極片を備えることを特徴とする請求項１記載の振動アクチュエータ。
前記軸受は前記磁極部材に固定されており、
一対の前記軸受の外側に突出した前記回転軸に前記分銅が固定されていることを特徴とする請求項１又は２記載の振動アクチュエータ。
前記弾性支持部材が、内端部を前記回転軸に固定して外端部を前記軸受を支持する筐体に固定したぜんまいばねであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動アクチュエータ。
請求項１〜４のいずれか１項に記載された振動アクチュエータを備える携帯型電子機器。