JP2018019514A - 振動アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】リニア振動を行う振動アクチュエータにおいて、薄型化に対応しながら組み立て作業の繁雑さを解消でき、立ち下がりや立ち上がり時間を短縮して、歯切れの良い情報伝達を可能にする。【解決手段】振動アクチュエータ１は、枠体（固定子）２と、枠体（固定子）２に対して一軸方向に沿って振動自在に弾性支持される可動子３とを備え、枠体（固定子）２には、両端部に一対の磁極部１０Ａ，１０Ｂを有するコア１０と、コア１０の一軸方向周りに巻回されたコイル１１とが設けられ、可動子３には、一対の磁極部１０Ａ，１０Ｂにそれぞれ近接して配置され、コイル１１への通電で生じる磁極部１０Ａ，１０Ｂの交番磁界によって一軸方向に沿った往復推力を得るマグネット部１２と、マグネット部２１に固定される錘部１４とが設けられ、可動子３は、一軸方向に交差する幅方向の長さに対して厚さ方向の長さが短い。【選択図】図１

Description

本発明は、振動アクチュエータに関するものである。

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、振動アクチュエータは、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。

振動アクチュエータは、各種の形態が開発されている中で、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アクチュエータが注目されている。従来のリニア振動アクチュエータは、枠体（固定子）と、枠体に固定されるコイルと、コイルの空芯部に挿入されるマグネットと、マグネットに固定される錘と、マグネットと錘からなる可動子を枠体に弾性支持するバネとを備えている。このようなリニア振動アクチュエータは、可動子の質量とバネの弾性係数によって決まる共振周波数（固有振動数）の交番電流をコイルに通電することによりマグネットに推力を与え、可動子を一軸方向に沿って往復振動させている（下記特許文献１参照）。

特開２０１４−２８３４９号公報

携帯電子機器やウエアラブル電子機器の小型化・薄型化に伴い、それに装備される振動アクチュエータには一層の小型化・薄型化の要求がなされている。特に、スマートホンなどのフラットパネル表示部を備える電子機器においては、表示面と直交する厚さ方向の機器内スペースが限られているので、そこに配備される振動アクチュエータには薄型化の高い要求がある。この要求に応じて、前述した従来のリニア振動アクチュエータの薄型化を図ろうとすると、コイルを扁平にしてその空芯部に平板状のマグネットを挿入することが必要になるので、組み立て作業が繁雑になる問題がある。

また、従来のリニア振動アクチュエータは、コイルへの通電を止めるとマグネットに作用する推力は消失するが、可動子はその後も錘の慣性で減衰振動する。これにより、通電オフから可動子が停止するまでにある程度の時間（立ち下がり時間）を要することになる。また、コイルへの通電開始から可動子が共振振動を始めるまでの間もある程度の時間（立ち上がり時間）を要する。このように従来のリニア振動アクチュエータは、前述した立ち下がり時間や立ち上がり時間が比較的長くなるので、ハプティクスにおける情報伝達を歯切れ良く振動によって人に伝え難い問題がある。

本発明は、このような問題に対処するために提案されたものである。すなわち、リニア振動を行う振動アクチュエータにおいて、薄型化に対応しながら組み立て作業の繁雑さを解消できること、立ち下がりや立ち上がり時間を短縮して、歯切れの良い情報伝達を可能にすること、振動の騒音を抑止して安定振動を得ること、などが本発明の課題である。

このような課題を解決するために、本発明の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。
固定子と、該固定子に対して一軸方向に沿って振動自在に弾性支持される可動子とを備え、前記固定子には、両端部に一対の磁極部を有するコアと、該コアに巻回されたコイルとが設けられ、前記可動子には、前記一対の磁極部にそれぞれ近接して配置され、前記コイルへの通電で生じる前記磁極部の交番磁界によって前記一軸方向に沿った往復推力を得るマグネット部と、該マグネット部に固定される錘部とが設けられ、前記可動子は、前記一軸方向に交差する幅方向の長さに対して厚さ方向の長さが短いことを特徴とする振動アクチュエータ。

本発明の実施形態（第１の実施形態）に係る振動アクチュエータの分解斜視図である。 本発明の実施形態（第１の実施形態）に係る振動アクチュエータの組み立て平面図（蓋体なし）である。 振動アクチュエータの往復推力の発生を説明する説明図である（（ａ）が一方向の推力の発生例であり、（ｂ）が逆向きの推力の発生例である。）。 本発明の実施形態（第１の実施形態）に係る振動アクチュエータの断面図（（ａ）が外力によって可動子が傾斜した状態、（ｂ）が可動子の姿勢が戻された状態）である。 本発明の実施形態（第２の実施形態）に係る振動アクチュエータの分解斜視図である。 本発明の実施形態（第２の実施形態）に係る振動アクチュエータの組み立て平面図（蓋体なし）である。 本発明の実施形態（第３の実施形態）に係る振動アクチュエータの分解斜視図である。 本発明の実施形態（第３の実施形態）に係る振動アクチュエータの組み立て平面図（蓋体なし）である。 本発明の実施形態（第４の実施形態）に係る振動アクチュエータの分解斜視図である。 本発明の実施形態（第４の実施形態）に係る振動アクチュエータの組み立て平面図（蓋体なし）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電子機器を示した説明図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の説明で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。各図における矢印Ｘ方向は、可動子の振動方向（一軸方向）を指し、矢印Ｙ方向は、Ｘ方向に交差する幅方向を指し、矢印Ｚ方向は、Ｘ，Ｙ方向に交差する厚さ方向を指している。

図１〜図１０に示した振動アクチュエータ１（１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ）は、全ての実施形態において、枠体２からなる固定子と、枠体（固定子）２に対して一軸方向（図示Ｘ方向）に沿って振動自在に弾性支持される可動子３とを備え、枠体（固定子）２には、両端部に一対の磁極部１０Ａ，１０Ｂを有するコア１０と、コア１０に巻回されたコイル１１とが設けられ、可動子３には、一対の磁極部１０Ａ，１０Ｂにそれぞれ近接して配置され、コイル１１への通電で生じる磁極部１０Ａ，１０Ｂの交番磁界によって一軸方向（図示Ｘ方向）に沿った往復推力を得るマグネット部１２と、マグネット部２に固定される錘部１４とが設けられている。そして、振動アクチュエータ１の可動子３は、一軸方向（図示Ｘ方向）に交差する幅方向（図示Ｙ方向）の長さに対して厚さ方向（図示Ｚ方向）の長さが短く構成されている。

図１及び図２に示した第１の実施形態に係る振動アクチュエータ１（１Ａ）は、枠体２に固定されるコア１０が、一軸方向（図示Ｘ方向）に沿って延設されており、且つ平行に一対配置されている。平行に配置された一対のコア１０の一方の磁極部１０Ａは、互いに対向するように突出した爪部を有しており、他方の磁極部１０Ｂも、互いに対向するように突出した爪部を有している。これにより、磁極部１０Ａ，１０Ｂは、近接するマグネット部１２に向かって幅小になっている。

コア１０に巻かれたコイル１１は、枠体２の底面に取り付けられた配線基板に接続されている。配線基板６には、コイル１１の端部に接続された入力端子６Ａ，６Ｂが設けられている。

振動アクチュエータ１（１Ａ）は、一対のコア１０の間に可動子３が配置されている。可動子３の錘部１４には軸受１５が設けられている。錘部１４を貫通して一対の軸受１５に摺動自在に軸支されるシャフト５は、一軸方向（図示Ｘ方向）に沿って延設され、その両端が枠体２に固定されている。可動子３は、シャフト５に沿って振動自在に軸支され、錘部１４のＸ方向両端は、弾性部材４であるコイルバネ４Ａを介して枠体２に弾性支持されている。

この際、可動子３の両側に位置する磁極部１０Ａ（１０Ｂ）は、可動子３の振動方向に直交する方向において同軸上にあり、一方の磁極部１０Ａ（１０Ｂ）とこれに近接するマグネット部１２との間隙と、他方の磁極部１０Ａ（１０Ｂ）とこれに近接するマグネット部１２との間隙が同等になっている。可動子３はシャフト５に沿って振動しても、この間隙が一定に維持されている。前述した間隙にばらつきがあると、可動子３は、間隙の狭い方に引き寄せられて安定した振動が得られなくなるが、前述した間隙を可動子の両側で同等に維持することで、安定した振動を得ることができる。

振動アクチュエータ１（１Ａ）のマグネット部１２は、バックヨーク１３を介して錘部１４の両側面にそれぞれ固定されている。図示の例では、錘部１４の両端部に支持枠１４Ａが取り付けられており、錘部１４のＸ方向長さより長いマグネット部１２を取り付けることができるようになっている。それぞれのマグネット部１２は、一軸方向（図示Ｘ方向）に沿って配列された複数のマグネット片１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄを備えている。一対のマグネット部１２は、一対のコア１０にそれぞれ対向して配置されている。

図３は、振動アクチュエータ１（１Ａ）を駆動する際の推力の発生状態を示している。コア１０に巻かれたコイル１１には、弾性部材４の弾性係数と錘部１４を含む可動子３の質量に応じて決まる共振周波数（固有振動数）の交番電流（交流或いはパルス電流）が駆動信号として入力される。これによって、コア１０の磁極部１０Ａ，１０Ｂには、それぞれが逆極に着磁される図３（ａ）に示す状態から図３（ｂ）に示す状態になる磁極反転を一定周期毎に繰り返す交番磁界が生じる。

コア１０に対面するマグネット部１２（マグネット片１２Ａ〜１２Ｄ）の磁極は、マグネット片１２ＡがＮ極、マグネット片１２ＢがＳ極、マグネット片１２ＣがＳ極、マグネット片１２ＤがＮ極のように配置され、コア１０の一方の磁極部１０Ａに対向するマグネット片１２Ａ，１２Ｂの着磁方向と、コア１０の他方の磁極部１０Ｂに対向するマグネット片１２Ｃ，１２Ｄの着磁方向が逆向きになるように配置されている。

そして、可動子３の静止時には、コア１０の一方の磁極部１０Ａがマグネット片１２Ａ，１２Ｂの異極接合部に近接し、コア１０の他方の磁極部１０Ｂがマグネット片１２Ｃ，１２Ｄの異極接合部に近接するように配置されている。このようにコア１０とマグネット部１２との位置を設定して、前述した駆動信号をコイルに通電することで、図３（ａ），（ｂ）の矢印で示すように、図示Ｘ方向に沿って可動子３を往復振動させる推力が得られる。

このような振動アクチュエータ１（１Ａ）は、コア１０及びコイル１１を枠体２の底面に固定し、錘部１４にマグネット部１２を固定した可動子３を一対のコア１０間に配置して、錘部１４の端面と枠体２との間にコイルバネ４Ａを配置し、その後に、シャフト５を錘部１４の軸受１５に通して、シャフト５の両端を枠体２に固定すれば、枠体２に蓋体７を取り付ける前の組み立て作業が完了する。このように、振動アクチュエータ１（１Ａ）は、枠体２の厚さを薄厚にした場合にも、扁平なコイルに可動子を通すような煩雑な組み立て作業が不要になり、作業性良く組み立てを行うことが可能になる。

また、振動アクチュエータ１（１Ａ）は、コイル１１への通電を止めて推力が消失すると、磁性体であるコア１０の磁極部１０Ａ，１０Ｂとマグネット部１２との間に生じる磁気吸引力が可動子３に停止負荷として加わるので、立ち下がり時間を短縮することができる。更に、振動アクチュエータ１（１Ａ）は、コイル１１への通電開始時には、直ちにコア１０の磁極部１０Ａ，１０Ｂが着磁され、磁極部１０Ａ，１０Ｂに近接したマグネット部１２に大きな推力を付与するので、立ち上がり時間を短縮することができる。これによって、振動アクチュエータ１（１Ａ）を用いて情報伝達の皮膚感覚フィードバックを行うと、歯切れの良い情報伝達が可能になる。

また、図４（ａ）に示すように、可動子３を傾斜させるような外力が加わった場合にも、図４（ｂ）に示すように、コア１０の磁極部１０Ａ，１０Ｂとマグネット部１２との磁気吸引力が働いて、可動子３は水平姿勢を維持する。これによって、振動アクチュエータ１（１Ａ）は、可動子３の回転方向の暴れが抑えられ、騒音（異音）の少ない静かな振動を得ることができる。

磁極部１０Ａ，１０Ｂとマグネット部１２との間に生じる磁気吸引力は、磁極部１０Ａ，１０Ｂを近接するマグネット部１２に向かって幅小にすることで、より大きく作用させることができる。また、このように磁極部１０Ａ，１０Ｂを幅小にすることで、可動子３の停止位置を精度良く定めることができる。

図５及び図６は、第２の実施形態に係る振動アクチュエータ１（１Ｂ）を示している。この例は、前述した第１の実施形態の変形例であり、シャフト５及び軸受１５を省いて、弾性部材４としてコイルバネ４Ａの換わりに板バネ４Ｂを用いている。板バネ４Ｂは、一軸方向（図示Ｘ方向）に沿って弾性変形すると共に一軸方向（図示Ｘ方向）周りの捻れに対して剛性を有する構造を有している。これによって、板バネ４Ｂに弾性支持される可動子３は、一軸周りの回転が抑えられるので、振動アクチュエータ１（１Ｂ）は、更に騒音の少ない静かな振動が可能になる。また、シャフト５の挿通が省けるので、更に良好な組み立て作業性を得ることができる。

図７及び図８は、第３の実施形態に係る振動アクチュエータ１（１Ｃ）を示している。この振動アクチュエータ１（１Ｃ）は、錘部１４が、一軸方向（図示Ｘ方向）に沿った空間部１４Ｂを内部に備え、空間部１４Ｂ内に、コア１０とマグネット部１２が配置されている。また、振動アクチュエータ１（１Ｃ）は、可動子３を弾性支持する弾性部材４として、平板状の板バネ４Ｃを用いている。

振動アクチュエータ１（１Ｃ）は、単体のコア１０が枠体（固定子）２の底面に固定されている。コア１０は、図示Ｘ方向に延設され、その両端に磁極部１０Ａ，１０Ｂが設けられており、そのコア１０のＸ方向周りにコイル１１が巻き回されている。これに対して、可動子３の錘部１４には、Ｘ方向に沿った空間部１４Ｂが設けられ、その内面にＸ方向に延設されたマグネット部１２とバックヨーク１３が一対固定されている。そして、空間部１４Ｂにコア１０を収容するように、可動子３を枠体２に配置することで、一対のマグネット部１２がコア１０を挟むように配置される。なお、図示の例では、空間部１４Ｂが、図示Ｚ方向両側に開放されているが、コア１０を挿入する側のみを開放して他方の側を錘部で塞いだ構造であってもよい。また、この例においても、前述した例にように、磁極部１０Ａ，１０Ｂを近接するマグネット部１２に向けて幅小にすることができる。

振動アクチュエータ１（１Ｃ）の組み立ては、コイル１１が巻かれた単体のコア１０を枠体２の底面に固定し、錘部１４の空間部１４Ｂに一対のマグネット部１２とバックヨーク１３を固定した可動子３を、空間部１４Ｂ内にコア１０が収容されるように、枠体２内に配置する。そして、錘部１４の端部と枠体２との間に平板状の板バネ４Ｃを配置することで、枠体２に蓋体７を取り付ける前の組み立て作業が完了する。このように、振動アクチュエータ１（１Ｃ）は、前述した実施形態と同様に、枠体２の厚さを薄厚にした場合にも、扁平なコイルに可動子を通すような煩雑な組み立て作業が不要になり、作業性良く組み立てを行うことが可能になる。

また、振動アクチュエータ１（１Ｃ）は、コア１０を単体にすることで、部品点数を削減することができると共に、枠体２内のスペースに効率よく錘部１４を配置することができる。これによって、可動子３の質量を高めて効果的な共振振動を得ることができる。

図９及び図１０は、第４の実施形態に係る振動アクチュエータ１（１Ｄ）を示している。この振動アクチュエータ１（１Ｄ）は、錘部１４が、一軸方向（図示Ｘ方向）に沿った空間部１４Ｂを内部に備え、空間部１４Ｂ内に、コア１０とマグネット部１２が配置されている点で、第３の実施形態と同様である。また、振動アクチュエータ１（１Ｄ）は、可動子３を弾性支持する弾性部材４として、中抜きのある平板状の板バネ４Ｄを用いている。

振動アクチュエータ１（１Ｄ）は、コア１０が図示Ｙ方向（振動方向と交差する方向）に延設されており、その両端に磁極部１０Ａ，１０Ｂが設けられている。また、空間部１４Ｂ内にバックヨーク１３を介して固定されるマグネット部１２は、磁極部１０Ａ，１０Ｂに近接するように、一対設けられており、磁極部１０Ａに近接するマグネット部１２は、互いに逆磁極のマグネット片１２Ｘ１，１２Ｙ１が図示Ｘ方向に沿って配置され、磁極部１０Ｂに近接するマグネット部１２は、互いに逆磁極のマグネット片１２Ｘ２，１２Ｙ２が図示Ｘ方向に沿って配置されている。ここで、磁極部１０Ａ，１０Ｂに対面するマグネット部１２の磁極は、マグネット片１２Ｘ１とマグネット片１２Ｙ２が同磁極であり、マグネット片１２Ｙ１とマグネット片１２Ｘ２が同磁極になっている。これによって、コイル１１に交番電流を通電して磁極部１０Ａ，１０Ｂに交番磁界を生じさせることで、可動子３を図示Ｘ方向に往復振動させる推力が得られる。また、この例においても、前述した例にように、磁極部１０Ａ，１０Ｂを近接するマグネット部１２に向けて幅小にすることができる。

振動アクチュエータ１（１Ｄ）も、前述した振動アクチュエータ１（１Ｃ）と同様に、組み立て作業性が良く、錘部１４をスペース効率良く枠体２内に配置することができる。

以上説明したように、振動アクチュエータ１（１Ａ〜１Ｄ）は、煩雑な組み立て工程を省いて作業性良く組み立てることができる。また、振動アクチュエータ１（１Ａ〜１Ｄ）は、コア１０の磁極部１０Ａ，１０Ｂとマグネット部１２とを近接配置することで、高い推力で振動の立ち上がり時間を早めることができ、無通電時の磁極部１０Ａ，１０Ｂとマグネット部１２との磁気吸引力が停止負荷になることで、通電停止時の立ち下がり時間を短縮することができる。そして、マグネット部１２に向かう磁極部１０Ａ，１０Ｂの先端部を幅小にすることで、このような効果を更に高めることができる。

また、振動アクチュエータ１（１Ａ〜１Ｄ）は、近接配置された磁極部１０Ａ，１０Ｂとマグネット部１２との磁気吸引力が、可動子３の回転に対する戻り力となって可動子３を安定振動させるので、可動子３が薄厚形状になっていても、厚み方向の暴れが少なく、静かな振動を得ることができる。特に、可動子３の両側に位置する磁極部１０Ａ（１０Ｂ）を、可動子３の振動方向に直交する方向において同軸上にして、一方の磁極部１０Ａ（１０Ｂ）とこれに近接するマグネット部１２との間隙と、他方の磁極部１０Ａ（１０Ｂ）とこれに近接するマグネット部２１との間隙を同等にすることで、より安定した振動を得ることができる。

図１１は、本発明の実施形態に係る振動アクチュエータ１（１Ａ〜１Ｄ）を装備した携帯電子機器の一例として、携帯情報端末１００を示している。安定した振動が得られ薄型化や幅方向のコンパクト化が可能な振動アクチュエータ１（１Ａ〜１Ｄ）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・終了時を異音が発生しにくい安定した振動で使用者に伝えることができる。また、振動アクチュエータ１（１Ａ〜１Ｄ）の薄型化・幅方向のコンパクト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、振動アクチュエータ１（１Ａ〜１Ｄ）は、厚さを抑えた枠体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。また、振動アクチュエータ１（１Ａ〜１Ｄ）は、立ち上がり時間と立ち下がり時間を短縮することができるので、皮膚感覚フィードバックにおいて歯切れの良い情報伝達を可能にすることができ、効果的なハプティクスを実現することができる。

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，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ）：振動アクチュエータ，
２：枠体（固定子），３：可動子，
４：弾性部材，４Ａ：コイルバネ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ：板バネ，
５：シャフト，６：配線基板，６Ａ，６Ｂ：入力端子，７：蓋体，
１０：コア，１０Ａ，１０Ｂ：磁極部，１１：コイル，
１２：マグネット部，
１２Ａ〜１２Ｄ，１２Ｘ１，１２Ｙ１，１２Ｘ２，１２Ｙ２：マグネット片，
１３：バックヨーク，
１４：錘部，１４Ａ：支持枠，１４Ｂ：空間部，
１５：軸受，１００：携帯電子機器（携帯情報端末）

Claims (9)

1. 固定子と、該固定子に対して一軸方向に沿って振動自在に弾性支持される可動子とを備え、
   前記固定子には、両端部に一対の磁極部を有するコアと、該コアに巻回されたコイルとが設けられ、
   前記可動子には、前記一対の磁極部にそれぞれ近接して配置され、前記コイルへの通電で生じる前記磁極部の交番磁界によって前記一軸方向に沿った往復推力を得るマグネット部と、該マグネット部に固定される錘部とが設けられ、
   前記可動子は、前記一軸方向に交差する幅方向の長さに対して厚さ方向の長さが短いことを特徴とする振動アクチュエータ。
2. 前記コアは前記一軸方向に沿って延設され、前記マグネット部は、複数のマグネット片が前記一軸方向に沿って配列されており、前記可動子の静止時には、前記磁極部は前記マグネット片の異極接合部に近接す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。
3. 平行に配置された一対の前記コアの間に、前記可動子が配置され、一対の前記マグネット部が一対の前記コアにそれぞれ対向して配置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。
4. 前記錘部は、前記一軸方向に沿った空間部を内部に備え、
   前記空間部内に、前記コアと前記マグネット部が配置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。
5. 前記可動子は、前記一軸方向に延設されるシャフトに沿って振動することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の振動アクチュエータ。
6. 前記可動子は、前記一軸方向に沿って弾性変形すると共に前記一軸方向周りの捻れに対して剛性を有する板バネによって弾性支持されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の振動アクチュエータ。
7. 前記可動子の両側に位置する前記磁極部は、前記可動子の振動方向に直交する方向において同軸上にあり、一方の前記磁極部とこれに近接する前記マグネット部との間隙と、他方の前記磁極部とこれに近接する前記マグネット部との間隙が同等であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の振動アクチュエータ。
8. 前記磁極部は、近接する前記マグネット部に向かって幅小になっていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の振動アクチュエータ。
9. 請求項１〜８のいずれか１項の振動アクチュエータを備えた携帯電子機器。

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