JP2017163653A - リニアアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】消費電力の少ないリニアアクチュエータを提供する。【解決手段】開ループコイル１に近接して閉ループコイル２を配置し、開ループコイル１及び閉ループコイル２のループ内に振動軸Ａに沿って直線移動可能な振動子３を備え、開ループコイル１及び閉ループコイル２に接続する抵抗Ｒ１，Ｒ２とキャパシタＣ１，Ｃ２を適切な値に設定する。これにより、閉ループコイル２は開ループコイル１と共振し、閉ループコイル２には入力した電流よりも大きな電流を流すことができるので、閉ループコイル２が強力な磁場を発生し、従来のリニアアクチュエータと比較して同じ振幅を得るために必要な消費電力を小さくすることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、リニアアクチュエータの技術に関する。

スマートフォンやヘッドマウントディスプレイなどのモバイルデバイスやウェアラブルデバイスのバイブレータとしてリニアアクチュエータが用いられる。小型のリニアアクチュエータは、バイブレータのように単一の振動を発生させる振動手段としてだけでなく、触覚を模擬する擬似触覚出力手段としても使われている（特許文献１参照）。

特許文献１のリニアアクチュエータは、コイルに電流を流すことで電流の向きに応じた磁界を発生させ、コイル内に配置された振動子（可動鉄芯）を周期的に振動させる。

国際公開第２００７／０８６４２６号パンフレット

しかしながら、従来のリニアアクチュエータは消費電力が大きく、モバイル用途では長時間の使用ができないという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、消費電力の少ないリニアアクチュエータを提供することを目的とする。

本発明に係るリニアアクチュエータは、筐体と、前記筐体内に配置され、電源に接続される開ループコイルと、前記開ループコイルに近接して配置された閉ループコイルと、前記開ループコイル及び前記閉ループコイルのループ内に配置され、前記閉ループコイルが発生する磁場により振動軸に沿って直線移動可能な可動部と、前記可動部と前記筐体とを接続する弾性体と、を有し、前記開ループコイルと前記閉ループコイルの共振周波数が前記可動部の共振周波数と一致するように前記開ループコイル及び前記閉ループコイルのそれぞれに抵抗及びキャパシタを接続することを特徴とする。

本発明によれば、消費電力の少ないリニアアクチュエータを提供することができる。

本実施の形態におけるリニアアクチュエータの内部の構成を示す内部側面図である。 図１の開ループコイルと閉ループコイルで構成される電気回路図である。 本実施の形態におけるリニアアクチュエータの変形例を示す図である。 図３のリニアアクチュエータにおいて、開ループコイル及び閉ループコイルの位置を変更した例を示す図である。 本実施の形態におけるリニアアクチュエータの別の変形例を示す図である。 本実施の形態におけるリニアアクチュエータの別の変形例を示す図である。 本実施の形態におけるリニアアクチュエータのさらに別の変形例を示す図である。 本実施の形態におけるリニアアクチュエータのさらに別の変形例を示す図である。 本実施の形態におけるリニアアクチュエータのさらに別の変形例を示す図である。 本実施の形態におけるリニアアクチュエータのさらに別の変形例を示す図である。 本実施の形態におけるリニアアクチュエータのさらに別の変形例を示す図である。 本実施の形態におけるリニアアクチュエータのさらに別の変形例を示す図である。 図１２の開ループコイルと閉ループコイルで構成される電気回路図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

図１は、本実施の形態におけるリニアアクチュエータの内部の構成を示す内部側面図である。本実施の形態におけるリニアアクチュエータは、筐体１０内に、開ループコイル１と、開ループコイル１に近接して配置された閉ループコイル２と、開ループコイル１及び閉ループコイル２のループ内に挿入され、振動軸Ａに沿って直線移動可能な強磁性体である可動鉄芯（振動子）３と、振動子３が移動して接触可能な範囲内に配置された鉄芯（磁石）４Ａ，４Ｂ、及び磁石４Ａ，４Ｂと筐体１０を繋ぐバネ５Ａ，５Ｂを備える。振動子３が磁石４Ａ，４Ｂに衝突すると、振動子３と磁石４Ａ，４Ｂが一体となって振動軸Ａに沿って直線移動する。

開ループコイル１には抵抗Ｒ１とキャパシタＣ１が直列に接続される。開ループコイル１の両端は筐体１０の外部に延びて信号源（図示せず）に接続される。閉ループコイル２には抵抗Ｒ２とキャパシタＣ２が直列に接続される。閉ループコイル２の両端は短絡されて閉ループとなっている。図２に開ループコイル１と閉ループコイル２で構成される電気回路図を示す。開ループコイル１と閉ループコイル２との間の共振周波数を一致させる。開ループコイル１に交流電流が流れることにより発生した磁場の振動が、同じ周波数で共振する閉ループコイル２に伝わり、閉ループコイル２にはより大きな電流が流れる。開ループコイル１と閉ループコイル２の結合度を高くすると、共振したときに閉ループコイル２に流れる電流Ｉ２が大きくなるので、できるだけ近接させるとよい。抵抗Ｒ１，Ｒ２、キャパシタＣ１，Ｃ２、開ループコイル１と閉ループコイル２のインダクタンスＬは、後述の計算式を用いて決定する。なお、抵抗Ｒ１，Ｒ２は、信号源の内部抵抗もしくはコイル自身の抵抗に代替することも可能である。

信号源から開ループコイル１に交流電流Ｉ１が供給されると、閉ループコイル２が共振してより大きな電流Ｉ２が流れ、閉ループコイル２を流れる電流Ｉ２の向きに応じた磁場が発生し、振動子３が磁化される。磁化された振動子３は、一方の磁石４Ａに吸引され、もう一方の磁石４Ｂに反発され、結果として図上の左方向に移動する。ここでは、磁石４Ａに吸引され、磁石４Ｂに反発されるように電流が供給されたものとする。

振動子３が磁石４Ａに衝突すると、磁石４Ａに接続されたバネ５Ａが縮められる。縮められたバネ５Ａが発生させた弾性力を磁石４Ａが振動子３に対して右方向に加える。振動子３は、この力を受け、振動軸Ａ上を右方向に移動する。

右方向に移動した振動子３が磁石４Ｂに衝突すると、磁石４Ｂに接続されたバネ５Ｂが縮められる。縮められたバネ５Ｂが発生させた弾性力を磁石４Ｂが振動子３に対して左方向に加える。振動子３は、この力を受け、振動軸Ａ上を左方向に移動する。

このような動作を繰り返すことにより、振動子３は振動軸Ａ上で周期的に直進振動する。振動子３の移動方向に合わせて振動子３を磁化する周波数の電流を流すことで、振動子３を効率的に振動させることができる。振動子３を効率的に振動させる振動子の共振周波数は、振動子３、磁石４Ａ，４Ｂの重さとバネ５Ａ，５Ｂのバネ定数によって決まる。コイル間の共振周波数と振動子の共振周波数とを一致させると良い。バネ５Ａ，５Ｂのバネ定数を異ならせて、一方向にすばやく、反対方向にゆっくりと振動させることで、牽引力を発生させることができる。リニアアクチュエータは手の感受性が高い８０Ｈｚ〜２００Ｈｚ程度の低い周波数で振動させる。

本実施の形態では、リニアアクチュエータに磁界共鳴の考え方を適用し、共振によって入力電流よりも大きな電流が得られる。

次式（１）は、所望の周波数で磁界を共振させるために必要なキャパシタＣ１，Ｃ２を導出する式である。

ここで、Ｃ１は開ループコイル１に接続するキャパシタ、Ｃ２は閉ループコイル２に接続するキャパシタ、Ｒ１は開ループコイル１に接続する抵抗、Ｒ２は閉ループコイル２に接続する抵抗、ｆは開ループコイル１に印加する信号の周波数（リニアアクチュエータの共振周波数）、Ｌは開ループコイル１及び閉ループコイル２のインダクタンスである。開ループコイル１及び閉ループコイル２のインダクタンスＬは一致させる。

式（１）のルート内の成分は正の値をとる必要がある。以下の式（２）を満たすときに、開ループコイル１と閉ループコイル２の間で磁界の共振が発生する。

この時、開ループコイル１に印加する入力電圧をＶｉｎとすると、開ループコイル１と閉ループコイル２のそれぞれに流れる電流Ｉ１，Ｉ２は次式（３）となる。

Ｒ１とＲ２の比が大きいほど閉ループコイル２に流れる電流Ｉ２は大きくなるが、開ループコイル１及び閉ループコイル２のインダクタンスＬを大きくする必要がある。

例えば、閉ループコイル２に流れる電流Ｉ２を開ループコイル１に流れる電流Ｉ１の１０倍とするためには、Ｒ１を１００Ω、Ｒ２を１Ω、ｆを２００Ｈｚとすると、式（２）よりＬは８．０ｍＨとなる。開ループコイル１及び閉ループコイル２のインダクタンスＬが８．０ｍＨ以上となるように巻き数を設定するとよい。安定性を考慮してインダクタンスＬを１０．０ｍＨとすると、式（１）より、Ｃ１は９．０μＦ、Ｃ２は６０μＦとなる。式（１）により計算したキャパシタＣ１，Ｃ２を開ループコイル１と閉ループコイル２に接続することで、閉ループコイル２に流れる電流Ｉ２を最大にでき、最大の増強効果が得られる。

（変形例１）
図３は、本実施の形態におけるリニアアクチュエータの変形例を示す図である。

図３に示すリニアアクチュエータは、図１の開ループコイル１、閉ループコイル２はそのままにして、振動子３を変更した。図３では、振動子３に磁石を用いて、振動子３と筐体１０とを直接バネ５Ａ，５Ｂで接続した。図３のリニアアクチュエータにおいても、開ループコイル１に電流を流すことで閉ループコイル２に電流が流れる。閉ループコイル２が発生した磁場によって振動子３が振動軸Ａ方向に移動し、周期的に直進振動する。振動子３に磁石を用いて筐体１０とバネ５Ａ，５Ｂで接続することにより、図１よりも簡易な構成でリニアアクチュエータを実現できる。

図４は、図３のリニアアクチュエータから、開ループコイル１及び閉ループコイル２の位置を変更した例である。図３では、静止状態の振動子３の振動軸Ａ方向の中心に開ループコイル１を配置しているが、図４では、振動子３の中心に閉ループコイル２を配置している。図４では、磁場の主発生源となる閉ループコイル２を振動子３の中心に配置しているので、図３よりも強力な振動が得られる。

（変形例２）
図５，６は、本実施の形態におけるリニアアクチュエータの別の変形例を示す図である。

図５，６に示すリニアアクチュエータは、変形例１から、開ループコイル１及び閉ループコイル２の配置を変更したものである。

図５は、開ループコイル１を振動子３の中心に配置し、開ループコイル１を挟んで左右かつ対称に閉ループコイル２Ａ，２Ｂを配置した。

図６は、閉ループコイル２を振動子３の中心に配置し、閉ループコイル２を挟んで左右かつ対称に開ループコイル１Ａ，１Ｂを配置した。

閉ループコイル２Ａ，２Ｂが開ループコイル１を挟んで左右対称、あるいは開ループコイル１Ａ，１Ｂが閉ループコイル２を挟んで左右対称に配置されているので、開ループコイル１と閉ループコイル２間の結合度が高まり、強く磁界共鳴するので、変形例１よりも強力な振動が得られる。

なお、開ループコイル１と閉ループコイル２間の結合度を高くできれば、コイルの各ループの並び順は図示した以外の任意の並びを適用可能である。巻き数は、インダクタンスが所望のレベルになれば良い。また、開ループコイル１と閉ループコイル２の巻き数が異なっていてもよい。

（変形例３）
図７は、本実施の形態におけるリニアアクチュエータのさらに別の変形例を示す図である。

図７に示すリニアアクチュエータは、開ループコイル１及び閉ループコイル２を、共に振動子３の中心に、開ループコイル１が閉ループコイル２を内包するように配置したものである。

開ループコイル１と閉ループコイル２が振動子３の振動軸Ａ方向に対して同じ位置となるので、開ループコイル１と閉ループコイル２間の結合度が高まり、強く磁界共鳴し、強力な振動が得られる。

なお、閉ループコイル２が開ループコイル１を内包するように配置してもよい。

（変形例４）
図８は、本実施の形態におけるリニアアクチュエータのさらに別の変形例を示す図である。

図８に示すリニアアクチュエータは、振動子を、２つの磁石である振動子３Ａ，３Ｂの同極を対向させて非磁性体３Ｃで接続した構成である。

振動子３Ａ，３Ｂのそれぞれに対応させて開ループコイル１Ａ，１Ｂと閉ループコイル２Ａ，２Ｂを配置する。

図８で示すように、振動子３を複数の磁石で構成してもよい。

（変形例５）
図９は、本実施の形態におけるリニアアクチュエータのさらに別の変形例を示す図である。

図９に示すリニアアクチュエータは、大きな振動子３の振動を安定させるためのシャフト６を備えた構成である。シャフト６を備えることで、大きな振動子３を支えて、振動軸Ａ方向に安定して振動させることができる。なお、シャフト６以外の構造物で振動子３の振動を安定させてもよい。

（変形例６）
図１０は、本実施の形態におけるリニアアクチュエータのさらに別の変形例を示す図である。

図１０に示すリニアアクチュエータは、振動子３に振動子３と共に振動するシャフト７を備え、シャフト７を筐体１０の外部に露出させて、筐体１０の外部にあるシャフト７の作用点７Ａを通して振動を伝達する。

（変形例７）
図１１は、本実施の形態におけるリニアアクチュエータのさらに別の変形例を示す図である。

図１１に示すリニアアクチュエータは、開ループコイル１と閉ループコイル２を上下に並べて、振動子３が鉛直方向に移動するように構成した。振動子３の下側にバネ５を配置して筐体１０と接続し、振動子３の上側は筐体１０に接続していない。

バネ５は、弾性体であればよく、ソレノイド状のばね、板ばね、ゴム等が適用可能である。

（変形例８）
図１２は、本実施の形態におけるリニアアクチュエータのさらに別の変形例を示す図である。

図１２に示すリニアアクチュエータは、図１のリニアアクチュエータの筐体１０に端子８Ａ，８Ｂを備えて、開ループコイル１及び閉ループコイル２に接続する抵抗Ｒ１，Ｒ２とキャパシタＣ１，Ｃ２を筐体１０の外部に配置できるようにしたものである。図１３に開ループコイル１と閉ループコイル２で構成される電気回路図を示す。端子８Ａに抵抗Ｒ１とキャパシタＣ１を直列に接続して信号源に接続し、開ループコイル１を構成する。端子８Ｂに抵抗Ｒ２とキャパシタＣ２を直列に接続して閉ループコイル２を構成する。

筐体１０内に抵抗Ｒ１，Ｒ２とキャパシタＣ１，Ｃ２を配置する場合は、リニアアクチュエータの製造時に共振周波数を決定する必要がある。端子８Ａ，８Ｂを備えて後から抵抗Ｒ１，Ｒ２とキャパシタＣ１，Ｃ２を接続できるようにしたことで、使用者が所望の電流増強倍率及び共振周波数を設定することができる。

なお、これまで説明した変形例は組み合わせてもよい。

以上説明したように、本実施の形態によれば、開ループコイル１に近接して閉ループコイル２を配置し、開ループコイル１及び閉ループコイル２のループ内に振動軸Ａに沿って直線移動可能な振動子３を備え、開ループコイル１及び閉ループコイル２に接続する抵抗Ｒ１，Ｒ２とキャパシタＣ１，Ｃ２を適切な値に設定することにより、閉ループコイル２は開ループコイル１と共振し、閉ループコイル２には入力した電流よりも大きな電流を流すことができるので、閉ループコイル２が強力な磁場を発生し、従来のリニアアクチュエータと比較して同じ振幅を得るために必要な消費電力を小さくすることができる。結果として、モバイルデバイス及びウェアラブルデバイスにおける連続使用時間を長くできる。

本実施の形態によれば、抵抗Ｒ１，Ｒ２とキャパシタＣ１，Ｃ２を筐体１０の外部において開ループコイル１及び閉ループコイル２に接続できるようにすることで、使用者が所望の電流増強倍率及び共振周波数を設定することができる。

１，１Ａ，１Ｂ…開ループコイル
２，２Ａ，２Ｂ…閉ループコイル
３，３Ａ，３Ｂ…振動子
３Ｃ…非磁性体
４Ａ，４Ｂ…磁石
５，５Ａ，５Ｂ…バネ
６…シャフト
７…シャフト
７Ａ…作用点
８Ａ，８Ｂ…端子
１０…筐体

Claims (3)

1. 筐体と、
   前記筐体内に配置され、電源に接続される開ループコイルと、
   前記開ループコイルに近接して配置された閉ループコイルと、
   前記開ループコイル及び前記閉ループコイルのループ内に配置され、前記閉ループコイルが発生する磁場により振動軸に沿って直線移動可能な可動部と、
   前記可動部と前記筐体とを接続する弾性体と、を有し、
   前記開ループコイルと前記閉ループコイルの共振周波数が前記可動部の共振周波数と一致するように前記開ループコイル及び前記閉ループコイルのそれぞれに抵抗及びキャパシタを接続することを特徴とするリニアアクチュエータ。
2. 前記可動部は、磁石と磁性体で構成され、
   前記磁石は、前記弾性体によって前記筐体に接続され、
   前記磁性体は、前記磁石と離間して前記開ループコイル及び前記閉ループコイルのループ内に配置され、
   前記閉ループコイルが発生する磁場により前記磁性体が前記磁石に吸引又は反発されて移動することを特徴とする請求項１に記載のリニアアクチュエータ。
3. 前記開ループコイル及び前記閉ループコイルのそれぞれに接続される抵抗及びキャパシタの少なくとも一部は、前記筐体の外側に配置されることを特徴とする請求項１又は２に記載のリニアアクチュエータ。

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