JP2017208933A - リニア振動モータ - Google Patents

Abstract

【課題】フル振動までの立ち上がりの時間が短いリニア振動モータを得る。【解決手段】錘７とマグネット４Ａ，４Ｂ，４Ｃを備える可動子１０と、通電によって可動子１０を一軸方向に沿って振動させる駆動力をマグネット４Ａ，４Ｂ，４Ｃに付与するコイル３と、コイル３が固定される枠体２とを備え、可動子１０には、可動子１０の静止時には枠体２から離間しており、可動子１０の振動時に枠体２から一軸方向に沿った反力を受けるバネ（第１バネ６Ａ）が装着されている。【選択図】図１

Description

本発明は、リニア振動モータに関するものである。

振動モータ（或いは振動アクチュエータ）は、携帯電子機器に内蔵され、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装置として広く普及しており、携帯者が身につけて持ち運ぶウエアラブル電子機器においては、不可欠な装置になっている。また、振動モータは、タッチパネルなどのヒューマン・インターフェイスにおけるハプティクス（皮膚感覚フィードバック）を実現する装置として、近年注目されている。

振動モータは、各種の形態が開発されている中で、可動子の直線的な往復振動によって比較的大きな振動を発生させることができるリニア振動モータが注目されている。従来のリニア振動モータは、可動子側に錘とマグネットを設け、固定子側に設けたコイルに通電することでマグネットに作用するローレンツ力が駆動力となり、振動方向に沿って弾性支持される可動子を一軸方向に往復振動させるものである（下記特許文献１参照）。

特開２０１６−１３５５４号公報

このようなリニア振動モータは、コイルに通電する駆動信号を、可動子の質量と可動子を弾性支持するバネのバネ定数とで決まる共振周波数の信号とすることで、大きな振幅の振動を得ることができる。ここで共振周波数を高めるためには、バネのバネ定数を大きく設定する必要がある。この際、可動子を弾性支持するバネのバネ定数を大きくすると、可動子が振動を始める初期振動で可動子はバネの大きな反発力を受けながら動き始めることになるので、可動子が共振周波数でフル振動を始めるまでの立ち上がり時間が長くなってしまう問題がある。携帯電子機器やウエアラブル電子機器に装備されるリニア振動モータでは、信号発生を即座に操作者の皮膚感覚に反映させる必要があるので、信号発生後にリニア振動モータがフル振動を始めるまでの立ち上がり時間を極力短くすることが求められている。

このような課題を解決するために、本発明によるリニア振動モータは、以下の構成を具備するものである。

錘とマグネットを備える可動子と、通電によって可動子を一軸方向に沿って振動させる駆動力を前記マグネットに付与するコイルと、前記コイルが固定される枠体とを備え、前記可動子には、当該可動子の静止時には前記枠体から離間しており、当該可動子の振動時に前記枠体から前記一軸方向に沿った反力を受けるバネが装着されていることを特徴とするリニア振動モータ。

本発明の実施形態に係るリニア振動モータの全体構成を示した説明図（内部平面図）である。 本発明の実施形態に係るリニア振動モータの全体構成を示した説明図（図１におけるＡ−Ａ断面図）である。 本発明の他の実施形態に係るリニア振動モータの全体構成を示した説明図（内部平面図）である。 本発明の実施形態に係るリニア振動モータを備える携帯電子機器（携帯情報端末）を示した説明図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。以下の異なる図における同一符号は同一機能の部位を示しており、各図における重複説明は適宜省略する。図１及び図２は、本発明の一実施形態に係るリニア振動モータの全体構成を示している。各図におけるＸ方向が振動方向（一軸方向）を示しており、Ｙ方向が幅方向、Ｚ方向が厚さ（高さ）方向を示している。

本発明の実施形態に係るリニア振動モータ１は、錘７とマグネット４Ａ，４Ｂ，４Ｃを備える可動子１０と、通電によって可動子１０を一軸方向（図示Ｘ方向）に沿って振動させる駆動力をマグネット４Ａ，４Ｂ，４Ｃに付与するコイル３と、コイル３が固定される枠体２とを備えている。

枠体２は、図示の例では、一軸方向に沿った底板部２Ａを有する底枠体２０と、一軸方向に面する側板部２Ｂ，２Ｃを有する一対の側枠体２１とを備えている。側枠体２１は底枠体２０に溶接などで一体に接合されて、枠体２を構成する。底枠体２０は、底板部２Ａとの両側縁に一軸方向に沿った側板部２Ｄ，２Ｅを一体に備えている。

枠体２は、金属板を加工（プレス加工など）することで形成することができる。図示の例では、枠体２は、幅方向（図示Ｙ方向）の寸法に対して、厚さ方向（図示Ｚ方向）の寸法を小さく、振動方向（図示Ｘ方向）の寸法を大きくした薄厚状の略直方体形状（箱形形状）になっている。また、枠体２は、枠体２内の収容物を覆う図示省略した蓋板を必要に応じて備えている。

リニア振動モータ１は、コイル３とマグネット４Ａ，４Ｂ，４Ｃを含むマグネット部４によって駆動部が構成されている。コイル３に、枠体２に設けた信号入力部２Ａ１から振動発生電流を入力することで、マグネット部４に一軸方向（図示Ｘ方向）に沿ったローレンツ力（駆動力）が作用する。

マグネット部４は、一軸方向（図示Ｘ方向）に沿って着磁された偏平矩形状のマグネット４Ａ，４Ｂ，４Ｃを互いに同極が近接するように複数配置して、スペーサ４Ｄ，４Ｅを間に挟んで結合したものである。ここでの、スペーサ４Ｄ，４Ｅは、磁性体、非磁性体のどちらであっても良く、マグネット４Ａ，４Ｂ，４Ｃの近接配置される同極間の距離を適正な距離に設定できるものであればよい。図示の例では、マグネット４Ａ，４Ｂ，４Ｃを３個連ねているが、２個であってもよいし、４個以上であってもよい。マグネット部４は必要に応じて補強部材５によって一体化されている。

コイル３は、磁極の向きをＸ方向に向けたマグネット部４の回りに、Ｙ，Ｚ方向に沿って電線を巻いたものであり、その上面と下面の一方又は両方、更には必要に応じて側面を、枠体２の内面に固定している。コイル３の枠体２への固定は、枠体２に直接固定してもよいし、コイル３をコイルボビンに巻いてコイルボビンを枠体２に固定してもよい。

可動子１０は、錘７がマグネット部４の一軸方向（図示Ｘ方向）両端部に連結されている。錘７は、密度の高い金属材料（例えば、タングステン）などによって構成することができ、図示の例では、マグネット部４の厚さよりも大きいＺ方向高さを有すると共にマグネット部４の幅より大きいＹ方向の幅を有する矩形断面形状を有している。マグネット部４は、補強部材５と連結部材１１を介して、その一軸方向（図示Ｘ方向）両端部に錘７が連結されている。

可動子１０は、図示の例では、一軸方向両側に突設したガイドシャフト８を備えている。ガイドシャフト８は、例えば、一軸方向（図示Ｘ方向）に沿って分割配置されており、その一端側が錘７に固定され、他端側が互いに逆向きに突出して自由端を形成している。ガイドシャフト８は、可動子１０の重心軸と同軸に配置されることが好ましく、可動子１０の振動を一軸方向に沿って案内している。図示の例では、錘７は、ガイドシャフト８を支持するためのガイドシャフト支持部７Ｂを備えている。ガイドシャフト支持部７Ｂは、錘７の端部７Ａから一軸方向に沿って凹んだ部分である。

ガイドシャフト８は、枠体２に保持される軸受９に軸支される。軸受９は、側枠体２１における軸受保持部２Ｓに保持されている。側枠体２１は、この軸受保持部２Ｓと、軸受保持部２Ｓを側板部２Ｂ，２Ｃに連結する連結部２Ｑとを備えており、側板部２Ｂ（２Ｃ）と軸受保持部２Ｓと連結部２Ｑが一体に構成されている。側板部２Ｂ，２Ｃの内面には、ガイドシャフト８の端部が衝突したときの衝撃を吸収する緩衝部材１４が設けられている。

可動子１０には、バネ６が装着されている。図示の例では、バネ６は、第１バネ６Ａと第２バネ６Ｂを備えている。ここで、第１バネ６Ａは、可動子１０側に一端が装着され、他端側は可動子１０の静止時には枠体２から間隔Ｌだけ離間している。そして、可動子１０の振動時には、第１バネ６Ａは枠体２から一軸方向に沿った反力を受ける。また、可動子１０に一端側が装着された第２バネ６Ｂは、可動子１０の静止時に枠体２に他端部が支持され、可動子１０の振動時に枠体２から一軸方向に沿った反力を受ける。

このように、リニア振動モータ１は、停止時に枠体２からの反力を受けない第１バネ６Ａを備えることで、可動子１０の振動が始まる初期振動では、可動子１０が受ける反力を比較的小さくすることができ、可動子１０がフル振動を始めるまでの立ち上がり時間を短くすることができる。ここで、第１バネ６Ａは、可動子１０側に片持ち支持されている。これは、可動子１０における錘７の端部７Ａは、第１バネ６Ａの端部を受ける面積が枠体２の側板部２Ｂ（２Ｃ）に対して比較的小さいからであり、受ける面積が小さい端部７Ａ側で第１バネ６Ａを常時支持し、第１バネ６Ａの自由端側を比較的面積が大きい側板部２Ｂ（２Ｃ）とすることで、第１バネ６Ａは振動時に安定した反力を受けて伸縮動作することができる。これによってリニア振動モータ１は、フル振動までの立ち上がりが短く且つ安定した振動を得ることができる。

図示の例では、第１バネ６Ａと第２バネ６Ｂは、一軸方向に沿って並列配置され、ガイドシャフト８と平行に配置されている。また、第１バネ６Ａと第２バネ６Ｂの一端側は、可動子１０における錘７の端部７Ａに係止されている。また、第１バネ６Ａと第２バネ６Ｂは、一軸方向に沿った可動子１０の端部に一対配置され、第１バネ６Ａと第２バネ６Ｂが同軸になるように配置されている。

このようなリニア振動モータ１によると、コイル３への通電で可動子１０が振動し始める初期振動では、第２バネ６Ｂのみが枠体２からの反力を受けることになり、第１バネ６Ａと第２バネ６Ｂの両方が枠体２から反力を受ける場合と比較すると、可動子１０の弾性反力を低く抑えることができる。これによって、可動子１０は、比較的早期にフル振動を行うことになり、フル振動が行われるまでの立ち上がり時間を短縮することが可能になる。

ここで、コイル３に通電される駆動信号は、第１バネ６Ａのバネ定数と第２バネ６Ｂのバネ定数を加算したバネ定数によって求められる共振周波数の信号（パルス信号又は交流信号）にすることが好ましい。また、コイル３への通電開始直後の初期段階は、第２バネ６Ｂのバネ定数によって求められる共振周波数の信号にして、その後、第１バネ６Ａのバネ定数と第２バネ６Ｂのバネ定数を加算したバネ定数によって求められる共振周波数の信号に切り替えるようにしてもよい。

図示の例では、錘７に端部７Ａから凹んだガイドシャフト支持部７Ｂを設けて、そこからガイドシャフト８を突出させている。これにより、十分な振幅を確保しながら、リニア振動モータ１の一軸方向長さを抑え、小型化を可能にしている。錘７のガイドシャフト支持部７Ｂは、軸受保持部２Ｓを収容するだけの幅を備えており、ガイドシャフト支持部７Ｂ内に軸受保持部２Ｓが入り込むことで、可動子１０の大きな振幅を確保している。この例では、リニア振動モータ１における可動子１０の振幅は、ガイドシャフト支持部７Ｂの端部と軸受９の間の距離、又は個々のガイドシャフト８の突出長さによって制限されることになる。

図３には、本発明の他の実施形態に係るリニア振動モータ１Ａを備えている。前述の実施形態と共通する部位は同一符号を付して重複説明を省略する。この例では、可動子１０の錘７が矩形状の一体物であり、錘７の内部に空間を設けてそこにマグネット部４を取り付けている。また、ガイドシャフト８の両端は枠体２に固定されており、中間部は錘７内の図示省略した軸受に軸支されている。尚、ガイドシャフト８の一端は枠体２に固定されており、他端は、錘７内の図示省略した軸受に軸支されていてもよい。

このような実施形態において、可動子１０には第１バネ６Ｃと第２バネ６Ｄが装着されている。ここでは、第１バネ６Ｃは、可動子１０の一軸方向に沿った中心軸Ｏと同軸に、振動方向両側に配置され、第２バネ６Ｄは、可動子１０の一軸方向に沿った中心軸Ｏと同軸に、振動方向片側のみに配置されている。第２バネ６Ｄは、これに限らず、振動方向両側に配置するようにしてもよい。

この例においても、第１バネ６Ｃは、可動子１０の静止時には枠体２から距離Ｌだけ離間しており、可動子１０の振動時に枠体２から一軸方向に沿った反力を受ける。また、枠体２の端面には、第１バネ６Ｃの端部が衝突したときの衝撃を緩和するための緩衝部材３０が取り付けられている。第２バネ６Ｄは、第１バネ６Ｃの内側に配置され、第１バネ６Ｃのバネ定数が第２バネ６Ｄのバネ定数より大きく設定されている。

このようなリニア振動モータ１Ａにおいても、コイル３への通電で可動子１０が振動し始める初期振動では、第２バネ６Ｄのみが枠体２からの反力を受けることになり、第１バネ６Ｃと第２バネ６Ｄの両方が枠体２から反力を受ける場合と比較すると、可動子１０の弾性反力を低く抑えることができる。これによって、可動子１０は、比較的早期にフル振動を行うことになり、フル振動が行われるまでの立ち上がり時間を短縮することが可能になる。

ここでも、コイル３に通電される駆動信号は、第１バネ６Ｃのバネ定数と第２バネ６Ｄのバネ定数を加算したバネ定数によって求められる共振周波数の信号（パルス信号又は交流信号）にすることが好ましい。また、コイル３への通電開始直後の初期段階は、第２バネ６Ｄのバネ定数によって求められる共振周波数の信号にして、その後、第１バネ６Ｃのバネ定数と第２バネ６Ｄのバネ定数を加算したバネ定数によって求められる共振周波数の信号に切り替えるようにしてもよい。

以上説明したように、本発明の実施形態に係るリニア振動モータ１，１Ａは、コイルへの通電後、短い立ち上がり時間でフル振動を得ることができる。これによって、リニア振動モータ１，１Ａが装備される携帯電子機器の操作者に対して振動による信号発生を効果的に知らせることができる。また、感度の高いハプティクスを実現する上で、応答性の高い皮膚感覚フィードバックを行うことができる。なお、前述した実施形態では、バネ６は第１バネ６Ａ（６Ｃ）と第２バネ６Ｂ（６Ｄ）の両方を備える例を示しているが、バネ６の配置バランスを考慮して、第１バネ６Ａ（６Ｃ）のみを配置したものであってもよい。

図４は、本発明の実施形態に係るリニア振動モータ１，１Ａを装備した電子機器の一例として、携帯情報端末１００を示している。フル振動までの立ち上がり時間が短く薄型化や小型化が可能なリニア振動モータ１，１Ａを備える携帯情報端末１００は、通信機能における着信やアラーム機能などの動作開始を速やかに使用者に伝えることができる。また、リニア振動モータ１，１Ａの薄型化・小型化によって高い携帯性或いはデザイン性を追求した携帯情報端末１００を得ることができる。更に、リニア振動モータ１，１Ａは、厚さを抑えた直方体形状の枠体２内に各部を収容したコンパクト形状であるから、薄型化された携帯情報端末１００の内部にスペース効率よく装備することができる。

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。

１，１Ａ：リニア振動モータ，
２：枠体，２０：底枠体，２１：側枠体，
２Ａ：底板部，２Ａ１：信号入力部，
２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ，２Ｅ：側板部，
２Ｓ：軸受支持部，２Ｑ：連結部，
３：コイル，４：マグネット部，
４Ａ，４Ｂ，４Ｃ：マグネット，
４Ｄ，４Ｅ：スペーサ，
５：補強部材，６：バネ，６Ａ，６Ｃ：第１バネ，６Ｂ，６Ｄ：第２バネ，
７：錘，７Ａ：端部，７Ｂ：ガイドシャフト支持部，
８：ガイドシャフト，９：軸受，１０：可動子，
１１：連結部材，１４：緩衝部材，
１００：携帯情報端末

Claims (8)

1. 錘とマグネットを備える可動子と、
   通電によって可動子を一軸方向に沿って振動させる駆動力を前記マグネットに付与するコイルと、
   前記コイルが固定される枠体とを備え、
   前記可動子には、当該可動子の静止時には前記枠体から離間しており、当該可動子の振動時に前記枠体から前記一軸方向に沿った反力を受けるバネが装着されていることを特徴とするリニア振動モータ。
2. 前記バネを第１バネとして、
   前記可動子は、当該可動子の静止時に前記枠体に端部が支持され、当該可動子の振動時に前記枠体から前記一軸方向に沿った反力を受ける第２バネが装着されていることを特徴とする請求項１記載のリニア振動モータ。
3. 前記第１バネと前記第２バネは、前記一軸方向に沿って並列配置されていることを特徴とする請求項２記載のリニア振動モータ。
4. 前記第１バネと前記第２バネは、前記一軸方向に沿って同軸に配置されていることを特徴とする請求項２記載のリニア振動モータ。
5. 前記第１バネのバネ定数は、前記第２バネのバネ定数より大きいことを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載のリニア振動モータ。
6. 前記第１バネと前記第２バネは、前記一軸方向に沿った前記可動子の端部に一対配置されていることを特徴とする請求項２〜５のいずれか１項に記載のリニア振動モータ。
7. 前記コイルには、前記第１バネのバネ定数と前記第２バネのバネ定数を加算したバネ定数によって求められる共振周波数の信号が通電されることを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載されたリニア振動モータ。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のリニア振動モータを備えた携帯電子機器。

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