JP2016152685A - 振動アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】センサ設置のスペースを取ることなく、微細な振動に対して大きな信号を出力でき、また、残留振動を抑制できる振動アクチュエータを提供する。
【解決手段】可動部１０と、可動部１０を支持する筐体４０と、可動部１０と筐体４０の間に配置され、筐体４０に対して可動部１０を移動可能に支持する板バネ２１、２２で構成される支持機構部２０と、筐体４０から可動部１０を非接触により駆動する駆動部５０と、支持機構部２０の板バネ２１、２２の表面に貼り付けられ、可動部１０の移動で変形することにより可動部１０の変位状態に基づく出力を、駆動部５０にモーションフィードバックする圧電素子３１、３２と、を有して振動アクチュエータ１を構成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、振動アクチュエータに関し、特に、モーションフィードバックシステムを備えた振動アクチュエータに関する。

従来の技術として、マグネットと、このマグネットを介して対向させた第１及び第２のヨークとによって磁気回路部が形成され、マグネットと第１のヨークとの間には磁界の方向に直交する方向に電流を流す駆動コイルが挿入され、駆動コイルへの電流は、電流制御部によって制御される振動アクチュエータが知られている。マグネットの外周には重りを固定させ、重りはバネ部材で支持される。そのため、駆動コイルに一定周期で電流が流れると、駆動力とバネ部材の付勢力との協働により、マグネットと重りと第２のヨークは、並設方向で往復直線振動をするとされている（例えば、特許文献１参照）。

また、従来、モーションフィードバックシステムを備えたスピーカ装置が知られている。モーションフィードバックスピーカは、スピーカ振動板に圧電素子の加速度センサをリング状部材を介して固定し、加速度センサの信号をスピーカフレームに固定されたヘッドアンプに入力し、ヘッドアンプの出力をスピーカ駆動アンプに帰還させるように構成されている。このような構成により、良好な加速度信号が得られ、高域までモーションフィードバックが可能になるとされている（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１３−６６８４６号公報 特開平０４−１０５４９９号公報

しかし、特許文献１の技術では、駆動用の入力信号を停止しても慣性により残留振動を起こす。そのため触覚付与のための振動呈示用アクチュエータとした場合に、切れのある触感を呈示することができないという問題がある。また、特許文献２の技術では、比較的大きな振動板を有するスピーカには適用できるが、小型の水平振動アクチュエータに適用することは難しいという問題があった。

従って、本発明の目的は、センサ設置のスペースを取ることなく、微細な振動に対して大きな信号を出力でき、また、残留振動を抑制できる振動アクチュエータを提供することにある。

［１］本発明は、上記目的を達成するために、可動部と、前記可動部を支持する筐体と、前記可動部と前記筐体間に配置され、前記筐体に対して前記可動部を移動可能に支持する板バネで構成される支持機構部と、前記筐体から前記可動部を非接触により駆動する駆動部と、前記支持機構部の前記板バネの表面に貼り付けられ、前記可動部の移動で変形することにより前記可動部の変位状態に基づく出力を、前記駆動部にモーションフィードバックする圧電素子と、を有することを特徴とする振動アクチュエータを提供する。

［２］前記変位状態に基づく出力は、加速度であることを特徴とする上記［１］に記載の振動アクチュエータであってもよい。

［３］また、前記モーションフィードバックは、ネガティブフィードバックである上記［１］又は［２］に記載の振動アクチュエータであってもよい。

［４］また、前記支持機構部は、前記可動部を水平振動の方向に支持する平行バネで構成されていることを特徴とする上記［１］から［３］のいずれか１に記載の振動アクチュエータであってもよい。

［５］また、前記圧電素子は、モルフ型加速度センサであることを特徴とする上記［１］から［４］のいずれか１に記載の振動アクチュエータであってもよい。

［６］また、前記駆動部は、前記可動部側に装着されたマグネットと、前記筐体側に装着された電磁コイルにより構成されていることを特徴とする上記［１］から［５］のいずれか１に記載の振動アクチュエータであってもよい。

本発明によれば、センサ設置のスペースを取ることなく、微細な振動に対して大きな信号を出力でき、また、残留振動を抑制できる。

図１（ａ）は、本発明の実施の形態に係る振動アクチュエータの上平面図であり、図１（ｂ）は、振動アクチュエータの正面図である。 図２は、本発明の実施の形態に係る振動アクチュエータの分解斜視図である。 図３（ａ）は、本発明の実施の形態に係る振動アクチュエータの上平面図であり、図３（ｂ）は、振動アクチュエータの正面図であって、可動部が振動により移動した場合の図である。 図４は、本発明の実施の形態に係る振動アクチュエータの構成ブロック図である。 図５（ａ）は、図１（ａ）で示した可動部と支持機構部の上平面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）を等価質量、バネ係数、粘性係数によりモデル化した図であり、図５（ｃ）は、Duhamel積分を説明する力Ｐ（τ）〜時間ｔのグラフである。

（本発明の実施の形態）
本発明の実施の形態に係る振動アクチュエータは、可動部を水平振動させる振動アクチュエータであって、可動部を支持する板バネにモルフ型加速度センサが貼り付け装着されている。このモルフ型加速度センサで検出した加速度をモーションフィードバックすることにより制御性に優れた振動アクチュエータが可能になる。例えば、可動部にタッチセンサが装着されている場合に、タッチセンサに指等がタッチしたときに振動アクチュエータで可動部を振動させる。この振動はモーションフィードバックにより制御されたものであるので、残留振動が抑制されて、切れのある触感を呈示することができるようになる。

図１（ａ）は、本発明の実施の形態に係る振動アクチュエータの上平面図であり、図１（ｂ）は、振動アクチュエータの正面図である。図２は、本発明の実施の形態に係る振動アクチュエータの分解斜視図である。また、図３（ａ）は、本発明の実施の形態に係る振動アクチュエータの上平面図であり、図３（ｂ）は、振動アクチュエータの正面図であって、可動部が振動により移動した場合の図である。

本発明の実施の形態に係る振動アクチュエータ１は、可動部１０と、可動部１０を支持する筐体４０と、可動部１０と筐体４０の間に配置され、筐体４０に対して可動部１０を移動可能に支持する板バネ２１、２２で構成される支持機構部２０と、筐体４０から可動部１０を非接触により駆動する駆動部５０と、支持機構部２０の板バネ２１、２２の表面に貼り付けられ、可動部１０の移動で変形することにより可動部１０の変位状態に基づく出力を、駆動部５０にモーションフィードバックする圧電素子３１、３２と、を有して構成されている。

（可動部１０）
図１、図２に示すように、可動部１０は、ホルダ１１、磁性板１２、マグネット５１から構成されている。

ホルダ１１は、樹脂、アルミニウム等の非磁性の材料で形成され、磁性板１２、マグネット５１が固定されている。ホルダ１１は、図２に示すように、枠状とされ、上側には磁性板１２が載置されて固定されている。また、この磁性板１２には、マグネット５１が吸着された状態で固定されている。

ホルダ１１の枠状（矩形）の対向する２つの隅部には、後述する板バネ２１、２２のそれぞれの一端が固定されるための取付部１３、１４が形成されている。この取付部１３、１４には、図２に示すように、ネジ７０が取付可能なように雌ネジ部１３ａ、１４ａが形成されている。

磁性板１２は、電磁鋼板、軟鉄板等の材料により形成され、マグネット５１に吸着することにより磁路の一部を形成するヨークとして機能する。なお、この磁性板１２は必須のものではなく、可動部１０がマグネット５１のみを備えていても機能するが、磁性板１２を備えることにより、生成される磁界の強度が大きくなり、駆動効率が向上する。マグネット５１は後述する。

（支持機構部２０）
支持機構部２０は、板バネ２１、２２で構成され、この板バネ２１、２２のそれぞれの端部は、可動部１０、筐体４０に取り付けられて固定される。

板バネ２１、２２は、短冊状の板バネを使用する。板バネ２１、２２は、弾性材料であれば使用可能であるが、特に、ステンレス、りん青銅等の金属板バネが好ましい。

板バネ２１、２２は、図１、図２に示すように、それぞれの一端がネジ７０によりホルダ１１の取付部１３、１４に固定されている。また、板バネ２１、２２のそれぞれの他端は、ネジ７０により筐体４０の取付部４１、４２に固定されている。したがって、支持機構部２０は、可動部１０を水平振動の方向に支持する平行バネで構成されていることになる。なお、水平振動の方向とは、板バネ２１、２２が板厚方向にたわむことにより可動部１０が移動できる方向であって、図１（ｂ）、図２で示す矢印Ａを含む平面内の方向である。

（圧電素子３１、３２）
圧電素子３１、３２は、例えば、板と、圧電素子と、を備えたモルフ型の圧電素子である。このモルフ型圧電素子は、層状又は板状の圧電素子が屈曲する構造の圧電素子である。板は、例えば、導電性を有するアルミニウム、ニッケル、銅、鉄等の金属材料、それらを含有する合金材料、或いはステンレス等の合金材料を用いて形成される。なお、板は、板バネ２１、２２を利用することもでき、また、板バネ２１、２２とは別の板としても良い。

圧電素子３１、３２は、図３（ａ）に示すように、例えば、板バネ２１、２２の引張又は圧縮による変形に応じて引張応力、圧縮応力に基づく電圧が発生する。本実施の形態では、この発生電圧は、加速度に比例したものであり、圧電素子３１、３２は加速度センサとして機能する。これにより、可動部１０の微細な振動に対しても大きな信号を出力することができる。

圧電素子３１、３２の材料としては、例えば、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、メタニオブ酸鉛、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリ乳酸等が用いられる。圧電素子３１、３２は、例えば、金属板の片面に、上記の材料を用いて形成された膜が形成される単層ユニモルフ型、上記の材料を用いて形成された膜を積層して形成された積層ユニモルフ型の圧電素子である。

（筐体４０）
筐体４０は、支持機構部２０を介して可動部１０を支持するためのベース部となるものである。また、駆動部５０を構成する電磁コイル５２を固定するベース部となるものである。筐体４０は、例えば、アルミ、銅系の金属材料、又は樹脂で形成することができる。

図１、図２に示すように、筐体４０は、電磁コイル５２が載置されて固定される板状部４３と、板バネ２１、２２のそれぞれの他端をネジ７０により固定するために、板状部４３から立設して形成された取付部４１、４２を有している。

（駆動部５０）
駆動部５０は、可動部１０側に装着されたマグネット５１と、筐体４０側に装着された電磁コイル５２により構成されている。電磁コイル５２に通電することにより磁界（磁束）を発生させ、この磁界とマグネット５１の磁界との吸着又は反発による相互作用により、非接触で可動部１０を駆動することができる。なお、電磁コイル５２を可動部１０側に装着し、マグネット５１を筐体４０側に装着する構成であっても駆動部として機能する。

マグネット５１は、図１（ｂ）、図２で示すように、両面４極配向マグネットである。マグネット５１は、板状とされ、その片面側にＮ極、Ｓ極が着磁され、反対側の面がＳ極、Ｎ極に着磁された両面４極配向とされている。なお、上記の着磁パターンは一例であって、他の着磁パターンであってもよい。

電磁コイル５２は、エナメル線等のマグネットワイヤを複数回だけコイル状に巻回させて形成したものである。通電することによりアンペアの右ねじの法則により電磁コイル５２に磁界（磁束）が発生する。本実施の形態では、電磁コイルの中心にコア（鉄心）を有しない構成としたが、コアを有する構成としてもよい。

図１（ｂ）で示すように、電磁コイル５２に通電していない状態では、電磁コイル５２とマグネット５１の中心が一致するように構成されている。電磁コイル５２に通電することにより、電磁コイル５２のＰ１側がＮ極、Ｐ２側がＳ極になったとすると、マグネット５１のＮ極が反発すると共にＳ極が吸着される方向に駆動される。通電方向が反転して電磁コイル５２のＰ１側がＳ極、Ｐ２側がＮ極になったとすると、マグネット５１のＳ極が反発すると共にＮ極が吸着される方向に駆動される。このように、電磁コイル５２にプラス、マイナス側に振幅を持つ正弦波、パルス波等を通電させることにより、図１（ｂ）、図２で示すＡ方向に水平振動させることができる。

（モーションフィードバックの構成）
図４は、本発明の実施の形態に係る振動アクチュエータの構成ブロック図である。振動アクチュエータ１は、可動部１０の変位状態に基づく出力としての加速度を、駆動部５０にモーションフィードバックするシステムとして図４に示すように構成されて制御される。

駆動信号発生部１００は、基準信号Ｖ_０としての正弦波、矩形波、台形波等のパルスを発生させるもので、オンオフ制御により、例えば、正弦波の出力をオン又はオフする。正弦波の出力オンにより、電磁コイル５２に通電されて可動部１０（マグネット５１）を振動させる。一方、正弦波の出力オフにより、電磁コイル５２を非通電状態として可動部１０（マグネット５１）を停止状態にする。

加算器１０２は、駆動信号発生部１００からの入力信号とフィードバック信号Ｖｆを加算する。駆動信号発生部１００からの入力信号は正で入力され、フィードバック信号Ｖｆは負で入力される。すなわち、フィードバック信号Ｖｆはネガティブフィードバックされる構成となっている。

アンプ１０４は、電磁コイル５２を駆動するための電流アンプである。加算器１０２から入力される基準信号Ｖ_０とフィードバック信号Ｖｆの差分を電流増幅して電磁コイル５２に通電することにより、振動アクチュエータ１を振動させる。

帰還回路１０６は、振動アクチュエータ１の圧電素子３１、３２から出力された加速度信号Ｖａをゲイン（利得）βで負帰還させる回路である。なお、帰還回路１０６は、積分回路（例えば、ＣＲ回路）を入れて加速度を積分した速度信号として帰還させる構成としてもよい。

上記示した、駆動信号発生部１００、加算器１０２、アンプ１０４、帰還回路１０６により振動アクチュエータ１がモーションフィードバックにより制御される。これにより、振動アクチュエータ１の振動は、モーションフィードバック（ネガティブフィードバック）された状態で制御される。

したがって、帰還回路１０６において、ゲイン（利得）βを適切に設定することにより、発振することなく、加算器１０２から入力される基準信号Ｖ_０と相似な振動波形で可動部１０を振動させることができる。すなわち、可動部１０は、基準信号Ｖ_０に所定の位相遅れの相似な振動波形で振動する。よって、駆動信号発生部１００の出力オフにより電磁コイル５２を非通電状態として可動部１０（マグネット５１）を停止状態にする場合、残留振動を抑えた状態で整定性よく振動を停止できる。

図５（ａ）は、図１（ａ）で示した可動部と支持機構部の上平面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）を等価質量、バネ係数、粘性係数によりモデル化した図であり、図５（ｃ）は、Duhamel積分を説明する力Ｐ（τ）〜時間ｔのグラフである。

図５（ｂ）において、Ｆはコイルに電流（Ｉ）を流すと可動部に働く力で、Ｆ＝ＢＬＩ，Ｂ：コイルに働く平均磁束密度、Ｌ：コイル長さ、コイル抵抗をＲ、時間ｔでのコイルへの信号電圧をｅ（ｔ）とすると、Ｆ＝Ｂｌｅ（ｔ）／Ｒとなる。可動部が変位（Ｘ_ｍ）すると、フレミングの右手の法則によりコイルに逆起電力（Ｖ）が生じる。
よってＦは、

ここで、加速度センサからの出力電圧を利得βで帰還すると、

よって、運動方程式は、

Ｘ_ａ＝Ｘ_ｍとすると、

よって加速度信号をフィードバックすることは等価質量を変更することに等しい。
同様に、速度信号をフィードバックすることは、粘性抵抗を変更することに等しい。

とおくと、

Duhamel積分を利用して解く。
図５（ｃ）で示す、時刻τにおいて力Ｐ（τ）が微小時間ｄτ作用したときの（ｔ−τ）後における応答は、

となる。
ここで、

である。
上記の式から、力Ｐ、すなわち、駆動部５０から可動部１０に付与される外力Ｐによる変位Ｘｍ（ｔ）が求められることになる。

（本発明の実施の形態の効果）
上記のような構成により、次のような効果を有する。
（１）本発明の実施の形態では、加速度センサとして、モルフ型の圧電素子を使用する。圧電素子３１、３２は、図３（ａ）に示すように、例えば、板バネ２１、２２の引張又は圧縮による変形に応じて引張応力、圧縮応力に基づく電圧が発生する。これにより、可動部１０の微細な振動に対しても大きな信号を出力することができる。
（２）上記（１）で説明したように、本発明の実施の形態ではモルフ型の圧電素子を使用し、この圧電素子３１、３２は、板バネ２１、２２の表面に貼り付けて配置することができる。したがって、センサ設置のスペースを取ることなく、振動アクチュエータの小型化を図ることが可能になる。
（３）本発明の実施の形態では、駆動信号発生部１００、加算器１０２、アンプ１０４、帰還回路１０６により振動アクチュエータ１がモーションフィードバックにより制御される。これにより、振動アクチュエータ１の振動は、モーションフィードバック（ネガティブフィードバック）された状態で制御される。よって、駆動信号発生部１００の出力オフにより電磁コイル５２を非通電状態として可動部１０（マグネット５１）を停止状態にする場合、残留振動を抑えた状態で整定性よく振動を停止できる。すなわち、モーションフィードバックにより、残留振動を抑制できる。
（４）以上から、本発明の実施の形態により、センサ設置のスペースを取ることなく、微細な振動に対して大きな信号を出力でき、また、残留振動を抑制できる振動アクチュエータを提供することが可能となる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、この実施の形態は、一例に過ぎず、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。この新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更等を行うことができる。また、実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。さらに、実施の形態は、発明の範囲及び要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…振動アクチュエータ
１０…可動部
１１…ホルダ
１２…磁性板
１３…取付部
１３ａ、１４ａ…雌ネジ部
２０…支持機構部
２１、２２…板バネ
３１、３２…圧電素子
４０…筐体
４１、４２…取付部
４３…板状部
５０…駆動部
５１…マグネット
５２…電磁コイル
７０…ネジ
１００…駆動信号発生部
１０２…加算器
１０４…アンプ
１０６…帰還回路

Claims (6)

1. 可動部と、
   前記可動部を支持する筐体と、
   前記可動部と前記筐体間に配置され、前記筐体に対して前記可動部を移動可能に支持する板バネで構成される支持機構部と、
   前記筐体から前記可動部を非接触により駆動する駆動部と、
   前記支持機構部の前記板バネの表面に貼り付けられ、前記可動部の移動で変形することにより前記可動部の変位状態に基づく出力を、前記駆動部にモーションフィードバックする圧電素子と、
   を有することを特徴とする振動アクチュエータ。
2. 前記変位状態に基づく出力は、加速度であることを特徴とする請求項１に記載の振動アクチュエータ。
3. 前記モーションフィードバックは、ネガティブフィードバックである請求項１又は２に記載の振動アクチュエータ。
4. 前記支持機構部は、前記可動部を水平振動の方向に支持する平行バネで構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の振動アクチュエータ。
5. 前記圧電素子は、モルフ型加速度センサであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の振動アクチュエータ。
6. 前記駆動部は、前記可動部側に装着されたマグネットと、前記筐体側に装着された電磁コイルにより構成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の振動アクチュエータ。

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