JP2016101546A - Vibration actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、往復回転振動を行う振動アクチュエータに関するものである。 The present invention relates to a vibration actuator that performs reciprocating rotational vibration.
振動アクチュエータは、通信機器の着信や各種電子機器のアラーム発信などによって振動を発生させ、通信機器の携帯者や各種電子機器に触れる操作者に対して振動によって信号入力の状況を伝えるものであり、携帯電話を含む携帯情報端末などの各種電子機器に装備されている。 Vibrating actuators generate vibrations by receiving incoming communications equipment or sending alarms from various electronic devices, etc., and communicating the signal input status by vibration to operators who touch communication equipment carriers and various electronic devices. It is equipped in various electronic devices such as portable information terminals including mobile phones.
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番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。また、別の形態の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。
As a vibration actuator, a linear resonance actuator (LRA) is known (see Patent Document 1 below). In the LRA, an alternating current equal to the natural frequency of a weight suspended by a spring is passed through the winding to cause the weight to reciprocate linearly in a linear direction by interaction with the magnet. As another type of vibration actuator, there is also known a DC motor type (ERM: Eccentric Rotating Mass) (see
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。 Since the vibration value of the LRA is determined by the mass of the mover and its vibration amplitude, when trying to obtain the maximum vibration value in a limited space for incorporation in a portable electronic device, the maximum range of the internal space dimension of the housing is reached. The vibration amplitude is set, and the contact between the mover and the housing is inevitable. When the mover and the housing come into contact with each other, a collision sound at that time and a chatter sound due to the collision are generated, and the original purpose of the vibration actuator provided to transmit the signal generation to the user without sound is reduced. Problems that cannot be achieved.
これに対しては、可動子を往復回転振動させることで、可動子と筐体との接触を回避することが可能になる。この際、捻りコイルバネを用いて往復回転振動の弾性復元力を得ようとすると、捻りコイルバネは、捻り角ゼロの状態から一方向への捻りに対しては効果的な弾性復元力が得られるが、捻り角ゼロの状態から他方向への捻りに対しては効果的な弾性復元力を得ることができない特性がある。これによって、往復回転振動を行う際に回転方向の正逆で弾性復元力がアンバランスになり、バランスの良い大きな回転振幅を得ることができない問題があった。 On the other hand, it is possible to avoid contact between the mover and the housing by vibrating the mover back and forth. At this time, if an attempt is made to obtain the elastic restoring force of the reciprocating rotational vibration using the torsion coil spring, the torsion coil spring can obtain an effective elastic restoring force for twisting in one direction from a state where the torsion angle is zero. There is a characteristic that an effective elastic restoring force cannot be obtained with respect to twisting in the other direction from a state where the twist angle is zero. As a result, when performing reciprocating rotational vibration, there is a problem that the elastic restoring force becomes unbalanced depending on whether the rotational direction is normal or reversed, and a well-balanced large rotational amplitude cannot be obtained.
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ために必要な薄厚を得るには構造上の限界があった。 In addition, portable electronic devices are increasingly required to be thin, such as support for wearable devices. On the other hand, since the conventional LRA is based on a structure in which a coil is wound around a magnet that is a part of a mover, a thin thickness necessary for incorporation in a thinner portable electronic device is obtained. Had structural limitations.
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往復回転振動を得ることで、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、往復回転振動を行う際に、捻り弾性部材の弾性復元力を回転方向の正逆に拘わらず効果的に作用させ、バランスの良い大きな回転振幅を得ること、等が本発明の目的である。 This invention makes it an example of a subject to cope with such a problem. In other words, while taking advantage of the LRA without a contact commutator in order to obtain high reliability and durability, in principle, by obtaining a reciprocating rotational vibration that does not cause a collision between the mover and the housing, it is possible to reduce the size. Providing a vibration actuator capable of obtaining a larger vibration amplitude, and effectively performing the elastic restoring force of the torsional elastic member regardless of whether the rotational direction is normal or not when performing reciprocating rotational vibration, providing a large rotational amplitude with good balance It is an object of the present invention.
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、以下の構成を具備するものである。
軸受に回転自在に軸支された回転軸と、前記回転軸に固定され、当該回転軸周りに異なる磁極を有する磁石と、前記回転軸に固定される分銅と、前記軸受を支持する筐体部と、初期捻れ角で捻れた状態で前記筐体部と前記回転軸との間に固定される捻り弾性部材と、交番電流が供給されるコイルと、前記磁石の周囲に配置され前記コイルに供給される交番電流によって互いに異なる磁極に着磁される複数の磁極片を有する磁極部材とを備え、前記磁石と前記磁極部材との磁気反発力と前記捻り弾性部材の弾性復元力によって、前記回転軸を往復回転振動させることを特徴とする振動アクチュエータ。
In order to achieve such an object, the vibration actuator according to the present invention has the following configuration.
A rotating shaft rotatably supported by a bearing, a magnet fixed to the rotating shaft and having different magnetic poles around the rotating shaft, a weight fixed to the rotating shaft, and a housing portion that supports the bearing And a torsion elastic member fixed between the casing and the rotating shaft in a state of being twisted at an initial twist angle, a coil to which an alternating current is supplied, and a coil disposed around the magnet and supplied to the coil A magnetic pole member having a plurality of magnetic pole pieces magnetized to different magnetic poles by an alternating current, and the rotating shaft by a magnetic repulsive force between the magnet and the magnetic pole member and an elastic restoring force of the torsion elastic member A vibration actuator characterized by reciprocally rotating and vibrating.
このような特徴を有する振動アクチュエータは、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ができ、往復回転振動を行う際に、捻り弾性部材の弾性復元力を回転方向の正逆に拘わらず効果的に作用させ、バランスの良い大きな回転振幅を得ることができる。 The vibration actuator having such characteristics can provide a vibration actuator that is smaller and can obtain a larger vibration amplitude. When performing reciprocating rotational vibration, the elastic restoring force of the torsional elastic member is reversed in the forward and reverse directions. Regardless of this, it is possible to obtain an effective rotation amplitude with good balance.
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図1及び図2に示すように、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、回転軸11の駆動回転に対して弾性復元力を付与する捻り弾性部材(捻りコイルバネ)4と、回転軸11と捻り弾性部材4とを連結する中間位置支持部材19を備える可動子10を具備している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. As shown in FIGS. 1 and 2, the vibration actuator 1 is fixed to the rotating
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と捻り弾性部材4と分銅3が並べて配置されている。また、磁石2と捻り弾性部材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。
In the illustrated example, the
捻り弾性部材4としての捻りコイルバネは、初期捻れ角θ0で捻れた状態で一端が端部支持部材17を介して軸受支持部材14或いは枠体16に固定され、他端が端部支持部材18を介して枠体16或いは磁極片60Aに固定されている。そして、捻り弾性部材4の両端の中間位置には中間位置支持部材19を介して回転軸11が固定されている。この捻り弾性部材4は、一端から中間位置までと中間位置から他端までを分割して2つの捻り弾性部材にしてもよい。
The torsion coil spring as the torsion
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、引出端子51に接続される交番電流発生源21から可動子10の共振周波数と同等の周波数の交番電流が供給される。可動子10の共振周波数は、可動子10のイナーシャJと捻り弾性部材4の捻り方向のバネ定数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。
The
磁極部材6は、磁石2の周囲に配置され、回転軸11の周りに異なる磁極を有する磁石2の磁極に対向する複数の磁極片60A,60Bを有しており、コイル5に流れる交番電流によって磁極を変化させて、磁石2と磁極部材6との磁気反発力により、磁石2が固定された回転軸11に異なる方向の回転トルクを交互に付与する。
The magnetic pole member 6 has a plurality of magnetic pole pieces 60 </ b> A and 60 </ b> B arranged around the
コイル5は、コイル保持部材50に巻かれることで軸Pの周りに巻回されている。磁極部材6における複数の磁極片60A,60Bは、それぞれ連結部61A,61Bを介してコイル保持部材50を支持すると共に、磁石2の外側に沿って延設されている。コイル保持部材50の芯部には磁極部材6を構成するコア62が配置され、その両端がそれぞれ連結部61A,61Bを介して磁極片60A,60Bに連結されている。
The
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(クローポール)6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に沿って並べて配置する構造が可能になる。
Here, the
回転軸11を支持する軸受12,13はそれぞれ軸受支持部材14,15に固定され、この軸受支持部材14は枠体16を介して磁極片60A,60Bに溶接などで固定され、軸受支持部材15が磁極片60Aに固定されている。ここでの軸受支持部材14,15,枠体16,磁極片60A,60Bが軸受12,13或いは捻り弾性部材4を支持する筐体部30となっている。
The
この筐体部30の内部には、磁石2や捻り弾性部材4の収容空間が形成されており、筐体部30の外側には分銅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筐体部30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。図示の例では、軸受支持部材14,15を磁極片60A,60Bに直接又は間接的に連結固定しているが、軸受支持部材14,15を磁極片60A,60Bと一体に形成してもよい。
A housing space for the
前述した捻り弾性部材4は、初期捻れ角θ0で捻れた状態で筐体部30と回転軸11との間に固定されており、前述した例では、捻り弾性部材4の両端が筐体部30に固定され、捻り弾性部材4における両端の中間位置が回転軸11に固定されているが、捻り弾性部材4の両端が筐体部30又は回転軸11のいずれか一方に固定され、その両端の中間位置が筐体部30又は回転軸11のいずれか他方に固定されていればよい。
The above-described twisted
図3は、振動アクチュエータ1の駆動部20の動作と捻り弾性部材4の捻り状態の変化を示している。(a)が無通電状態、(b)がコイルに流れる電流の方向が+の場合、(c)がコイルに流れる電流の方向が−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に交番電流を流すことで、(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に作用する磁気反発力の方向が反転することになり、可動子10(回転軸11)に交互に異なる方向の回転トルクが作用する。
FIG. 3 shows the operation of the
回転軸11に回転トルクが作用すると、捻り弾性部材(捻りコイルバネ)4に捻りが加わり回転軸11には捻り弾性部材4の弾性復元力が作用する。ここで、筐体部30に両端が固定されている捻り弾性部材4は、その一端Aと他端Bが、(a)に示す無通電状態で初期捻れ角θ0だけ捻れた状態で固定されている。したがって、捻り弾性部材4の一端Aと他端Bの中間位置Cは、一端Aから中間位置Cまでが(1/2)θ0だけ捻れており、中間位置Cから他端Bまでが更に(1/2)θ0だけ捻れている。
When rotational torque acts on the
このような無通電時の捻り弾性部材4の捻れ状態に対して、(b)に示すようにコイル5に+方向の電流が流れて、回転軸11が一方向に片側振れ角θだけ回転すると、捻り弾性部材4は、一端Aから中間位置Cまでが(1/2)θ0+θだけ捻れた状態になり、中間位置Cから他端Bまでが(1/2)θ0−θだけ捻れた状態になる。また、(c)に示すようにコイル5に−方向の電流が流れて、回転軸11が他方向に片側振れ角θだけ回転すると、捻り弾性部材4は、一端Aから中間位置Cまでが(1/2)θ0−θだけ捻れた状態になり、中間位置Cから他端Bまでが(1/2)θ0+θだけ捻れた状態になる。
With respect to such a twisted state of the torsion
ここで、初期捻れ角θ0を回転軸11の往復回転振動における片側振れ角θの2倍より大きく設定することで、捻り弾性部材4が常に効果的な弾性復元力を発揮することができる一方向の捻りの範囲内で、回転軸11(可動子10)を往復回転振動させることができる。これによって、可動子10を往復回転振動させる際に、捻り弾性部材4の弾性復元力を回転方向の正逆に拘わらず効果的に作用させることができ、バランスの良い大きな回転振幅を得ることができる。
Here, by setting the initial twist angle θ 0 to be larger than twice the one-side swing angle θ in the reciprocating vibration of the
図4及び図5は、本発明の実施形態に係る振動アクチュエータ1の他の構成例を示しており、前述した捻り弾性部材4を中間位置で2つに分割した例を示している。前述した実施形態と同一部位には同一符号を付して重複説明を省略する。
4 and 5 show another configuration example of the vibration actuator 1 according to the embodiment of the present invention, in which the above-described torsional
図4に示した例は、捻り弾性部材4を2つの捻り弾性部材4A,4Bに分割し、捻り弾性部材4A,4Bをいずれも筐体部30の内部に配備している。捻り弾性部材4Aの一端側は端部支持部材17Aを介して筐体部30(軸受支持部材14)に固定されており、その他端側(中間位置)が端部支持部材18Aを介して回転軸11又は磁石2に固定されている。また、捻り弾性部材4Bの一端側は端部支持部材17Bを介して筐体部30(磁極片60A,60B)に固定されており、その他端側(中間位置)は端部支持部材18Bを介して回転軸11又は磁石2に固定されている。
In the example shown in FIG. 4, the torsion
図5に示した例も、捻り弾性部材4を2つの捻り弾性部材4C,4Dに分割して配備しており、この例では、捻り弾性部材4Cを筐体部30内に配備し、捻り弾性部材4Dを筐体部30の外側に配備している。そして、捻り弾性部材4Cの一端側(中間位置)は端部支持部材17Cを介して筐体部30(軸受支持部材14)に固定されており、その他端側は端部支持部材18Cを介して回転軸11又は磁石2に固定されている。また、捻り弾性部材4Cの一端側は分銅3(回転軸11)に固定されており、その他端側(中間位置)は端部支持部材18Dを介して筐体部30(軸受支持部材14)に固定されている。
In the example shown in FIG. 5 as well, the torsion
そして、これらの例においても、2つの捻り弾性部材4A,4B或いは4C,4Dは、それぞれ初期捻れ角で捻れた状態で筐体部30と回転軸11との間に固定されている。具体的には、2つの捻り弾性部材4A,4B或いは4C,4Dをそれぞれ初期捻れ角1/2θ0だけ捻った状態で固定して、2つの捻り弾性部材4A,4B或いは4C,4Dの初期捻り角1/2θ0を合わせて初期捻り角θ0とする。これによっても、前述した例と同様に、初期捻れ角θ0を回転軸11の往復回転振動における片側振れ角θの2倍より大きく設定することで、捻り弾性部材4が常に効果的な弾性復元力を発揮することができる一方向の捻りの範囲内で、回転軸11(可動子10)を往復回転振動させることができる。
In these examples as well, the two torsion elastic members 4A, 4B or 4C, 4D are fixed between the
この振動アクチュエータ1は、可動子10を軸P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10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10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、振動アクチュエータ1は、磁石2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10を往復回転振動させる駆動部20を、可動子10の共振周波数と同等の周波数の交番電流が供給されるコイル5と、コイル5に流れる交番電流によって磁極を変化させる磁極部材6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。
The vibration actuator 1 reciprocally vibrates the
そして、一対の軸受12,13に回転自在に支持された回転軸11に沿ってコイル5と磁石2と分銅3を並列配置しているので、磁石2の周囲にコイル5を巻回すものと比較して、振動アクチュエータ1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1を提供することができる。
And since the
更に、捻り弾性部材4に初期捻り角θ0を付与して、これを筐体部30と回転軸11との間に固定しているので、可動子10(回転軸11)の往復回転振動を捻り弾性部材4の一方向捻りの範囲内で行わせることができ、これによって、可動子10を正逆バランス良く往復回転振動させることができる。
Further, since the initial twist angle θ 0 is given to the torsion
図6は、振動アクチュエータ1を備えた携帯型電子機器100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。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と筐体部30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。
FIG. 6 shows a portable
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。
The portable
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。 As described above, the embodiments of the present invention have been described in detail with reference to the drawings. However, the specific configuration is not limited to these embodiments, and the design can be changed without departing from the scope of the present invention. Is included in the present invention. In addition, the above-described embodiments can be combined by utilizing each other's technology as long as there is no particular contradiction or problem in the purpose and configuration.
1:振動アクチュエータ,2:磁石,3:分銅,
4,4A,4B,4C,4D:捻り弾性部材(捻りコイルバネ),5:コイル,
50:コイル保持部材,51:引出端子,
6:磁極部材,60A,60B:磁極片,
61A,61B:連結部,62:コア,
10:可動子,11:回転軸,12,13:軸受,
14,15:軸受支持部材,16:枠体,
17,17A,17B,17C,18,18A,18B,18C,18D:端部支持部材,19:中間位置支持部材,
20:駆動部,21:交番電流発生源,30:筐体部,
P:軸
1: Vibration actuator, 2: Magnet, 3: Weight
4, 4A, 4B, 4C, 4D: Torsion elastic member (torsion coil spring), 5: Coil,
50: Coil holding member, 51: Lead terminal,
6: Magnetic pole member, 60A, 60B: Magnetic pole piece,
61A, 61B: connecting portion, 62: core,
10: mover, 11: rotating shaft, 12, 13: bearing,
14, 15: bearing support member, 16: frame body,
17, 17A, 17B, 17C, 18, 18A, 18B, 18C, 18D: end support member, 19: intermediate position support member,
20: drive unit, 21: alternating current generation source, 30: housing unit,
P: axis
Claims (8)
前記回転軸に固定され、当該回転軸周りに異なる磁極を有する磁石と、
前記回転軸に固定される分銅と、
前記軸受を支持する筐体部と、
初期捻れ角で捻れた状態で前記筐体部と前記回転軸との間に固定される捻り弾性部材と、
交番電流が供給されるコイルと、
前記磁石の周囲に配置され前記コイルに供給される交番電流によって互いに異なる磁極に着磁される複数の磁極片を有する磁極部材とを備え、
前記磁石と前記磁極部材との磁気反発力と前記捻り弾性部材の弾性復元力によって、前記回転軸を往復回転振動させることを特徴とする振動アクチュエータ。 A rotating shaft rotatably supported on the bearing;
A magnet fixed to the rotating shaft and having different magnetic poles around the rotating shaft;
A weight fixed to the rotating shaft;
A housing for supporting the bearing;
A torsion elastic member fixed between the casing and the rotating shaft in a state of being twisted at an initial twist angle;
A coil to which an alternating current is supplied;
A magnetic pole member having a plurality of magnetic pole pieces that are arranged around the magnet and magnetized to different magnetic poles by an alternating current supplied to the coil;
A vibration actuator characterized in that the rotary shaft is reciprocally rotated by a magnetic repulsive force between the magnet and the magnetic pole member and an elastic restoring force of the torsion elastic member.
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN114244053A (en) * | 2021-12-21 | 2022-03-25 | 朱忠磊 | Vibration device |
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2014
- 2014-11-27 JP JP2014240085A patent/JP2016101546A/en active Pending
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CN114244053A (en) * | 2021-12-21 | 2022-03-25 | 朱忠磊 | Vibration device |
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