JP2020184841A - 振動アクチュエータ及び触覚デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】振動アクチュエータの温度変化に対する耐久性を高める。【解決手段】振動アクチュエータ１は、可動体１２と、支持体１１と、接続体１３と、支持体１１に設けられた空芯のコイル４０、およびコイル４０に第１方向Ｚに対向するように可動体１２に設けられた永久磁石６０を有し、可動体１２を支持体１１に対して第２方向Ｘに振動させる磁気駆動回路１４と、コイル４０と電気的に接続された給電基板４１と、を備え、コイル４０が設けられた支持体１１は、非磁性金属材料からなるベースプレート３０を有し、コイル４０及び給電基板４１は、ベースプレート３０に接合されている。【選択図】図３

Description

本発明は、可動体を振動させる振動アクチュエータ及び触覚デバイスに関するものである。

情報を振動によって報知するデバイスとして、永久磁石を有する支持体と、永久磁石と対向するコイルを有する可動体とを備え、コイルに交流電流を流し、コイルに作用するローレンツ力を駆動力として、可動体を振動させるアクチュエータが知られている（特許文献１参照）。

特開２０１６−１２７７８９号公報（段落０１０６−０１２０、図１３−１６）

特許文献１に記載されたアクチュエータでは、支持体及び可動体はケースに収納されており、ケースには、コイルと電気的に接続される給電基板が固定されている。ケースは、互いにネジ止めされる２つのケース部材からなり、一方のケース部材には、ネジ止めのためのボスが複数設けられている。この種のケース部材は、典型的には樹脂材料からなる。

アクチュエータは、動作に伴って昇温する。そして、コイル線は銅等の金属材料からなり、金属材料の線膨張係数と樹脂材料の線膨張係数とは大きく異なる。このため、温度変化に対して、コイル線とケース部材との間に膨張量又は収縮量の差が生じ得る。給電基板は樹脂材料からなるケース部材に固定されており、コイル線とケース部材との間の膨張量又は収縮量の差に起因して、給電基板に接続されるコイルの引き出し線が断線する虞がある。

本発明は、上述した事情に鑑みなされたものであり、温度変化に対する耐久性を高めることができる振動アクチュエータ及び触覚デバイスを提供することを目的とする。

本発明の一態様の振動アクチュエータは、可動体と、支持体と、弾性および粘弾性の少なくとも一方を備え、前記可動体と前記支持体とが対向する位置で前記可動体および前記支持体の双方に接するように配置された接続体と、前記可動体および前記支持体のうちの一方側部材に設けられた空芯のコイル、および前記コイルに対して第１方向の少なくとも一方側で対向するように前記可動体および前記支持体のうちの他方側部材に設けられた永久磁石を有し、前記可動体を前記支持体に対して前記第１方向と交差する第２方向に振動させる磁気駆動回路と、前記コイルと電気的に接続された給電基板と、を備え、前記コイルが設けられた前記可動体および前記支持体のうちの一方側部材は、非磁性金属材料からなるベースプレートを有し、前記コイル及び前記給電基板は、前記ベースプレートに接合されている。

また、本発明の一態様の触覚デバイスは、可動体と、支持体と、弾性および粘弾性の少なくとも一方を備え、前記可動体と前記支持体とが対向する位置で前記可動体および前記支持体の双方に接するように配置された接続体と、前記可動体および前記支持体のうちの一方側部材に設けられた空芯のコイル、および前記コイルに対して第１方向の少なくとも一方側で対向するように前記可動体および前記支持体のうちの他方側部材に設けられた永久磁石を有し、前記可動体を前記支持体に対して前記第１方向と交差する第２方向に振動させる磁気駆動回路と、前記コイルと電気的に接続された給電基板と、を備え、前記コイルが設けられた前記可動体および前記支持体のうちの一方側部材は、非磁性金属材料からなるベースプレートを有し、前記コイル及び前記給電基板は、前記ベースプレートに接合されている。

本発明によれば、温度変化に対する耐久性を高めることができる振動アクチュエータ及び触覚デバイスを提供できる。

本発明の実施形態を説明するための、振動アクチュエータ（触覚デバイス）の一例の斜視図である。 図１の振動アクチュエータの分解斜視図である。 図１の振動アクチュエータのアクチュエータ本体の分解斜視図である。 図３のアクチュエータ本体を支持体と可動体と接続体とに分解した分解斜視図である。 図３のアクチュエータ本体の磁気駆動回路の分解斜視図である。

以下に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の説明において、可動体の振動方向（第２方向）をＸとし、第２方向Ｘの一方側をＸ１とし、他方側をＸ２とする。また、第２方向Ｘと交差する第１方向をＺとし、第１方向Ｚおよび第２方向Ｘと交差する第３方向をＹとする。

（全体構成）
図１に示す振動アクチュエータ１は円柱状を呈し、その軸方向は、可動体の振動方向である第２方向Ｘに一致している。振動アクチュエータ１は、振動アクチュエータ１を手にした利用者に対し、可動体の第２方向Ｘの振動によって情報を報知し、例えばゲーム機の操作部材等として利用可能である。また、振動アクチュエータ１は、振動によって触覚を提示する触覚デバイスとしても利用可能である。

図２に示すように、振動アクチュエータ１は、振動アクチュエータ１の外形を規定する外ケース２と、外ケース２に収容されるアクチュエータ本体１０とを備える。外ケース２は、円筒状の外ケース本体３と、外ケース本体３の軸方向両側の端部を塞ぐ蓋板４，５とを有する。外ケース本体３の外周壁は部分的に切り欠かれており、アクチュエータ本体１０は、外ケース本体３の外周壁の切欠きを通して、部分的に露出している。なお、外ケース２の形状は、振動アクチュエータ１の利用態様に応じて種々に変更できる。

アクチュエータ本体１０は、支持体１１と、可動体１２と、接続体１３とを備える。そして、支持体１１は、内ケース２０と、ベースプレート３０と、コイル４０とを有し、可動体１２は、永久磁石６０と、ヨーク６１とを有する。コイル４０及び永久磁石６０によって磁気駆動回路１４が形成され、磁気駆動回路１４は、可動体１２を支持体１１に対して第２方向Ｘに振動させる。接続体１３は、弾性および粘弾性の少なくとも一方を備え、支持体１１及び可動体１２の双方に接する。接続体１３が支持体１１と可動体１２との間に介在することにより、可動体１２は、第２方向Ｘに振動可能に、支持体１１に支持される。

（支持体１１の構成）
図３から図５に示すように、支持体１１の内ケース２０は角筒状を呈し、その軸方向は、可動体１２の振動方向である第２方向Ｘに一致している。内ケース２０は、第１方向Ｚの一方側Ｚ１に配置される第１ケース部材２１と、他方側Ｚ２に配置される第２ケース部材２２とを有する。

第１ケース部材２１は、第１方向Ｚに対して略垂直に配置される第１平板部２１１と、第１平板部２１１の第３方向Ｙの両端から第１方向Ｚの他方側Ｚ２に延びる一対の第１側板部２１２とを有する。第１側板部２１２の端部には、矩形状の切り欠き部２１４と、一対の第１フランジ部２１３とが形成されおり、一対の第１フランジ部２１３は切り欠き部２１４の両側に隣設されている。

第２ケース部材２２は、第１方向Ｚに対して略垂直に配置される第２平板部２２１と、第２平板部２２１の第３方向Ｙの両端から第１方向Ｚの一方側Ｚ１に延びる一対の第２側板部２２２とを有する。第２側板部２２２の端部には第２フランジ部２２３が形成されている。

第１ケース部材２１の一対の第１フランジ部２１３と、第２ケース部材２２の第２フランジ部２２３とが接合され、筒状の内ケース２０が形成される。支持体１１のベースプレート３０及びコイル４０と、可動体１２の永久磁石６０及びヨーク６１と、接続体１３とは、内ケース２０に収容されている。

ベースプレート３０は、銅、アルミニウム合金等の非磁性金属材料からなる。ベースプレート３０は、コイル４０が固定される矩形状の平板部３１と、一対のフランジ部３２と、一対の側板部３３とを有する。一対のフランジ部３２は、平板部３１の一対の対辺から延設されており、一対の側板部３３は、平板部３１の他の一対の対辺に沿って立設されている。

フランジ部３２は、切り欠き部２１４を通して内ケース２０から突出し、内ケース２０の第２フランジ部２２３に接合されている。したがって、ベースプレート３０は、内ケース２０の内側において、第３方向Ｙに対向する一対の第２側板部２２２に架け渡されている。コイル４０が固定されている平板部３１は、内ケース２０の第１平板部２１１及び第２平板部２２１と第１方向Ｚに対向しており、平板部３１及びコイル４０と第１平板部２１１との間、及び平板部３１及びコイル４０と第２平板部２２１との間には、隙間がおかれている。側板部３３は、平板部３１に固定されたコイル４０を第２方向Ｘに挟んで対向している。側板部３３の高さＨは、コイル４０の厚さＴ以上である。

一方のフランジ部３２には、給電基板４１が固定されている。給電基板４１には、一対の第１ランド４２と、一対の第２ランド４３と、第１ランド４２と第２ランド４３とを接続している回路パターンとが設けられている。第１ランド４２には、コイル４０から引き出されたコイル線の端末部が電気的に接続されており、第２ランド４３には、リード線４４の端末部が電気的に接続されている。リード線４４は、内ケース２０と外ケース本体３との間の隙間を通って第２方向Ｘの他方側Ｘ２に向けて延ばされ、蓋板５を貫いて外ケース２から引き出されている。コイル４０は、リード線４４及び給電基板４１を介して給電される。

（可動体１２の構成）
図３から図５に示すように、可動体１２のヨーク６１もまた角筒状を呈する。ただし、ヨーク６１の軸方向は、第３方向Ｙに一致している。ヨーク６１は、第１方向Ｚの一方側Ｚ１に配置される第１ヨーク６２と、他方側Ｚ２に配置される第２ヨーク６３とを有する。第１ヨーク６２及び第２ヨーク６３は、鋼等の磁性材料からなる。

第１ヨーク６２は平板状に形成されており、ベースプレート３０及びコイル４０と内ケース２０の第１平板部２１１との間で、第１方向Ｚに対して略垂直に配置されている。第２ヨーク６３は、平板部６３１と、一対の側板部６３２とを有する。平板部６３１は、ベースプレート３０及びコイル４０と内ケース２０の第２平板部２２１との間で、第１方向Ｚに対して略垂直に配置されている。側板部６３２は、平板部６３１の第２方向Ｘの両端端から第１方向Ｚの一方側Ｚ１に延びており、ベースプレート３０及びコイル４０を第２方向Ｘに挟んで配置されている。そして、側板部６３２の端部が第１ヨーク６２の第２方向Ｘの両端に接合され、筒状のヨーク６１が形成される。ベースプレート３０及びコイル４０は、筒状のヨーク６１の内側に配置されている。

第１ヨーク６２は、内ケース２０の第１平板部２１１と第１方向Ｚに対向しており、第２ヨーク６３の平板部６３１は、内ケース２０の第２平板部２２１と第１方向Ｚに対向している。第１ヨーク６２と内ケース２０の第１平板部２１１との間、及び第２ヨーク６３の平板部６３１と内ケース２０の第２平板部２２１との間には、接続体１３がそれぞれ設けられている。ヨーク６１は、これらの接続体１３を介して内ケース２０に支持されており、ベースプレート３０及びコイル４０と非接触に配置されている。

なお、本例では、第１ヨーク６２と接続体１３との間にウェイト６４が介装され、ウェイト６４は第１ヨーク６２に固定されている。また、第２ヨーク６３の平板部６３１と接続体１３との間にウェイト６５が介装され、ウェイト６５は第２ヨーク６３の平板部６３１に固定されている。これらのウェイト６４，６５によって、可動体１２の振動特性（例えば共振周波数）が適宜調整されている。

可動体１２の永久磁石６０は、筒状のヨーク６１の内側において、第２ヨーク６３の平板部６３１上に固定されており、コイル４０と第１方向Ｚに対向している。永久磁石６０は、平板状に形成されており、永久磁石６０の厚さ方向両側の表面は、第２方向Ｘに２極に着磁されている。すなわち、永久磁石６０を第２方向に並ぶ第１領域６０１と第２領域６０２とに分け、例えば、第１領域６０１の第１方向Ｚの一方側Ｚ１の表面がＳ極である場合に、第２領域６０２の第１方向Ｚの一方側Ｚ１の表面はＮ極である。そして、第１領域６０１の他方側Ｚ２の表面はＮ極であり、第２領域６０２の他方側Ｚ２の表面はＳ極である。

（磁気駆動回路１４の構成）
コイル４０は、コイル線を長円状に多数巻回してなる空芯のコイルである。コイル線は、永久磁石６０の第１領域６０１を第３方向Ｙの一方側Ｙ１から他方側Ｙ２に向けて横断し、且つ第２領域６０２を第３方向Ｙの他方側Ｙ２から一方側Ｙ１に向けて横断するように巻回されている。

（動作）
交流電流がコイル４０に供給される。コイル４０への給電に伴い、第２方向Ｘのローレンツ力が支持体１１側のコイル４０に作用し、反力が可動体１２側の永久磁石６０に作用する。この永久磁石６０に作用する反力に起因して、接続体１３の第２方向Ｘのせん断変形を伴い、可動体１２が第２方向Ｘに変位する。そして、ローレンツ力の作用方向が交流の半周期毎に逆転する。これにより、可動体１２が第２方向Ｘに振動する。

（作用・効果）
コイル４０への給電に伴い、コイル４０が発熱する。また、コイル４０に生じた熱はベースプレート３０に伝わり、ベースプレート３０の温度が上昇する。ここで、コイル４０は銅等の金属材料からなり、ベースプレート３０もまた金属材料からなる。そして、コイル４０から引き出されたコイル線の端末部が電気的に接続される給電基板４１がベースプレート３０に固定されている。これにより、コイル４０から引き出されたコイル線の端末部の膨張量と、ベースプレート３０におけるコイル４０と給電基板４１との間の領域との膨張量との差が軽減され、コイル線の断線が抑制される。

内ケース２０（第１ケース部材２１及び第２ケース部材２２）の材料は、樹脂材料でもよいが、好ましくは熱伝導率の高い金属材料であり、例えばアルミニウム合金である。これにより、コイル４０に生じた熱をベースプレート３０から内ケース２０に速やかに導いてコイル４０及びベースプレート３０の昇温を抑制でき、コイル線の断線を一層抑制できる。さらに、本例では、外ケース本体３の外周壁の切欠きを通して、内ケース２０が部分的に露出し、内ケース２０による放熱作用が高められているので、コイル４０及びベースプレート３０の昇温を一層抑制できる。

振動アクチュエータ１の通常の使用において、ベースプレート３０及びコイル４０と、ベースプレート３０及びコイル４０を取り囲むヨーク６１とは非接触に保たれるが、振動アクチュエータ１に過大な衝撃が作用した場合に、ベースプレート３０及びコイル４０とヨーク６１とが接触する場合がある。この場合に、ベースプレート３０においてコイル４０の周囲に配置される側板部３３の高さＨがコイル４０の厚みＴ以上であるので、コイル４０とヨーク６１との接触を回避でき、コイル線の断線を一層抑制できる。好ましくは、一対の側板部３３がコイル４０を挟んで対向して配置され、より好ましくは、一対の側板部３３は、可動体１２の振動方向である第２方向Ｘに挟んで対向して配置される。これにより、コイル４０とヨーク６１との接触をより確実に回避できる。

また、永久磁石６０が第２方向Ｘに２極着磁された磁石であり、磁気駆動回路１４を構成する磁石が一つで足りるので、磁石をヨーク６１に固定する作業が容易である。

（他の実施の形態）
なお、第２方向Ｘに２極着磁された永久磁石６０に替えて、コイル４０に対し第１方向Ｚの同じ側で第２方向Ｘに隣り合って配置される一対の永久磁石が用いられてもよい。この場合に、一対の永久磁石それぞれのコイル４０との対向面の磁極は、互いに逆の極性とされる。すなわち、永久磁石６０の第１領域６０１及び第２領域６０２が、領域毎に個別の永久磁石に置換されてもよい。永久磁石６０の第１領域６０１と第２領域６０２との境界近傍では相対的に磁界強度が低下するが、一対の永久磁石が用いられることにより、一対の永久磁石の間の磁界強度を高めることができる。これにより、効率よく可動体１２を振動させることができる。

なお、上述した振動アクチュエータ１では、コイル４０が支持体１１に設けられ、永久磁石６０が可動体１２に設けられているが、コイル４０が可動体１２に設けられ、永久磁石６０が支持体１１に設けられてもよい。

以上、説明したとおり、本明細書に開示された振動アクチュエータは、可動体と、支持体と、弾性および粘弾性の少なくとも一方を備え、前記可動体と前記支持体とが対向する位置で前記可動体および前記支持体の双方に接するように配置された接続体と、前記可動体および前記支持体のうちの一方側部材に設けられた空芯のコイル、および前記コイルに対して第１方向の少なくとも一方側で対向するように前記可動体および前記支持体のうちの他方側部材に設けられた永久磁石を有し、前記可動体を前記支持体に対して前記第１方向と交差する第２方向に振動させる磁気駆動回路と、前記コイルと電気的に接続された給電基板と、を備え、前記コイルが設けられた前記可動体および前記支持体のうちの一方側部材は、非磁性金属材料からなるベースプレートを有し、前記コイル及び前記給電基板は、前記ベースプレートに接合されている。

また、本明細書に開示された振動アクチュエータは、前記ベースプレートが、前記コイルが設置される平板部と、前記平板部に立設され、前記コイルの周囲に配置される一つ以上の側板部と、を有し、前記側板部の高さは、前記コイルの厚み以上である。

また、本明細書に開示された振動アクチュエータは、前記ベースプレートが、前記コイルを挟んで対向して配置される一対の前記側板部を有する。

また、本明細書に開示された振動アクチュエータは、前記一対の側板部が、前記コイルを前記第２方向に挟んで対向して配置されている。

また、本明細書に開示された振動アクチュエータは、前記永久磁石が、前記第２方向に２極着磁された磁石である。

また、本明細書に開示された振動アクチュエータは、前記永久磁石が、前記コイルに対して前記第１方向の同じ側で前記第２方向に隣り合って配置される一対の磁石からなり、前記一対の磁石それぞれの前記コイルとの対向面の磁極は、互いに逆の極性である。

また、本明細書に開示された触覚デバイスは、可動体と、支持体と、弾性および粘弾性の少なくとも一方を備え、前記可動体と前記支持体とが対向する位置で前記可動体および前記支持体の双方に接するように配置された接続体と、前記可動体および前記支持体のうちの一方側部材に設けられた空芯のコイル、および前記コイルに対して第１方向の少なくとも一方側で対向するように前記可動体および前記支持体のうちの他方側部材に設けられた永久磁石を有し、前記可動体を前記支持体に対して前記第１方向と交差する第２方向に振動させる磁気駆動回路と、前記コイルと電気的に接続された給電基板と、を備え、前記コイルが設けられた前記可動体および前記支持体のうちの一方側部材は、非磁性金属材料からなるベースプレートを有し、前記コイル及び前記給電基板は、前記ベースプレートに接合されている。

１ 振動アクチュエータ
２ 外ケース
３ 外ケース本体
４ 蓋板
５ 蓋板
１０ アクチュエータ本体
１１ 支持体
１２ 可動体
１３ 接続体
１４ 磁気駆動回路
２０ 内ケース
２１ 第１ケース部材
２２ 第２ケース部材
３０ ベースプレート
３１ 平板部
３２ フランジ部
３３ 側板部
４０ コイル
４１ 給電基板
４２ 第１ランド
４３ 第２ランド
４４ リード線
６０ 永久磁石
６１ ヨーク
６２ 第１ヨーク
６３ 第２ヨーク
６４ ウェイト
６５ ウェイト
２１１ 第１平板部
２１２ 第１側板部
２１３ 第１フランジ部
２１４ 切り欠き部
２２１ 第２平板部
２２２ 第２側板部
２２３ 第２フランジ部
６０１ 第１領域
６０２ 第２領域
６３１ 平板部
６３２ 側板部
Ｘ 第２方向
Ｙ 第３方向
Ｚ 第１方向

Claims (7)

1. 可動体と、
   支持体と、
   弾性および粘弾性の少なくとも一方を備え、前記可動体と前記支持体とが対向する位置で前記可動体および前記支持体の双方に接するように配置された接続体と、
   前記可動体および前記支持体のうちの一方側部材に設けられた空芯のコイル、および前記コイルに対して第１方向の少なくとも一方側で対向するように前記可動体および前記支持体のうちの他方側部材に設けられた永久磁石を有し、前記可動体を前記支持体に対して前記第１方向と交差する第２方向に振動させる磁気駆動回路と、
   前記コイルと電気的に接続された給電基板と、
   を備え、
   前記コイルが設けられた前記可動体および前記支持体のうちの一方側部材は、非磁性金属材料からなるベースプレートを有し、
   前記コイル及び前記給電基板は、前記ベースプレートに固定されている振動アクチュエータ。
2. 請求項１記載の振動アクチュエータであって、
   前記ベースプレートは、
   前記コイルが設置される平板部と、
   前記平板部に立設され、前記コイルの周囲に配置される一つ以上の側板部と、
   を有し、
   前記側板部の高さは、前記コイルの厚み以上である振動アクチュエータ。
3. 請求項２記載の振動アクチュエータであって、
   前記ベースプレートは、前記コイルを挟んで対向して配置される一対の前記側板部を有する振動アクチュエータ。
4. 請求項３記載の振動アクチュエータであって、
   前記一対の側板部は、前記コイルを前記第２方向に挟んで対向して配置されている振動アクチュエータ。
5. 請求項１から４のいずれか一項記載の振動アクチュエータであって、
   前記永久磁石は、前記第２方向に２極着磁された磁石である振動アクチュエータ。
6. 請求項１から４のいずれか一項記載の振動アクチュエータであって、
   前記永久磁石は、前記コイルに対して前記第１方向の同じ側で前記第２方向に隣り合って配置される一対の磁石からなり、
   前記一対の磁石それぞれの前記コイルとの対向面の磁極は、互いに逆の極性である振動アクチュエータ。
7. 可動体と、
   支持体と、
   弾性および粘弾性の少なくとも一方を備え、前記可動体と前記支持体とが対向する位置で前記可動体および前記支持体の双方に接するように配置された接続体と、
   前記可動体および前記支持体のうちの一方側部材に設けられた空芯のコイル、および前記コイルに対して第１方向の少なくとも一方側で対向するように前記可動体および前記支持体のうちの他方側部材に設けられた永久磁石を有し、前記可動体を前記支持体に対して前記第１方向と交差する第２方向に振動させる磁気駆動回路と、
   前記コイルと電気的に接続された給電基板と、
   を備え、
   前記コイルが設けられた前記可動体および前記支持体のうちの一方側部材は、非磁性金属材料からなるベースプレートを有し、
   前記コイル及び前記給電基板は、前記ベースプレートに固定されている触覚デバイス。

Images