JP6245913B2 - 振動アクチュエータ - Google Patents

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    • B06B1/00Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/04Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with electromagnetism
    • B06B1/045Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with electromagnetism using vibrating magnet, armature or coil system

Description

本発明は、可動子の衝突により振動を発生させる振動アクチュエータに関する。
従来、このような分野の技術として特許文献1がある。特許文献1には、携帯電話等の無線通信端末装置に利用される振動器が記載されている。この振動器では、コイルが巻き付けられた筒体の内部に永久磁石を有する振動子が収容されている。振動子は筒体の中心軸線方向に沿って往復移動し、筒体の両端部に配置された打点部材を叩いて振動を発生させている。
特開2001―347227号公報
しかし、特許文献1の振動器では、コイルが無通電状態であるとき、振動子が筒体の内部において自由に移動することができる。このため、駆動開始時における振動子の位置と振動子の移動方向との関係によっては、駆動信号が有する最先の信号成分で振動子が移動せず振動が発生しない場合も生じ得る。
そこで、本発明は、駆動信号の入力に対して振動の立ち上げを確実に行うことが可能な振動アクチュエータを提供することを目的とする。
本発明の振動アクチュエータは、マグネットを有し、往復移動する可動子と、マグネットを包囲するように配置されたコイルと、可動子の移動方向において対向する一対の壁部を有し、可動子とコイルを収容するハウジングと、一対の壁部のいずれか一方に配置され、マグネットとの間で磁気吸引力を生じさせて可動子を壁部の一方側に引き寄せる磁性体と、を備えたことを特徴とする。
本発明の振動アクチュエータは、ハウジングが一対の壁部を有し、一方の壁部には磁性体が配置されている。この磁性体とマグネットとの間には磁気吸引力が発生し、可動子は磁性体が配置された壁部側に引き寄せられる。このため、コイルが無通電状態であるときに振動アクチュエータの姿勢が変化しても、可動子の位置は常に磁性体が配置された壁部側に維持されるため、駆動開始時における可動子の位置と、可動子の移動方向との関係が保たれる。従って、駆動信号が有する最先の信号成分で可動子を確実に移動させて、駆動信号の入力に対して振動の立ち上げを確実に行うことができる。
また、磁性体は、可動子の移動方向における可動子の端面と対面する対面部分以外の壁部の非対面部分に配置されたことを特徴とする。マグネットに作用する磁気吸引力の大きさは、マグネットと磁性体との間の距離によって調整することが可能である。また、マグネットと磁性体との間に作用する磁気吸引力は、駆動力を低減する成分を有している。この構成によれば、マグネットと磁性体との間の距離が大きくなり可動子に作用する磁気吸引力の大きさが低減するため、可動子に作用する駆動力の低下を抑制できる。
また、コイルには、磁性体が配置された一方の壁部から他方の壁部へ可動子を移動させる駆動信号が入力されることを特徴とする。このような駆動信号がコイルに入力されることにより、駆動信号の入力に対して振動の立ち上げを更に確実に行うことができる。
本発明の振動アクチュエータによれば、駆動信号の入力に対して振動の立ち上げを確実に行うことができる。
本発明に係る振動アクチュエータを備えた情報端末処理装置を示す外観斜視図である。 図1に示された振動アクチュエータを示す断面斜視図である。 図2のIII―III線に沿う振動アクチュエータの断面図である。 図3のIV―IV線に沿う振動アクチュエータの動作を示す断面図である。 駆動パルス信号の波形とタッチパネルに伝達される振動波形とを示すグラフである。 第1の変形例に係る振動アクチュエータを示す断面図である。 第2及び第3の変形例に係る振動アクチュエータを示す断面図である。 第4及び第5の変形例に係る振動アクチュエータを示す断面図である。
以下、本発明に係る振動アクチュエータの好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図1に示されるように、情報端末処理装置1Aは、スマートフォン等の情報端末である。情報端末処理装置1Aは、回路基板Cや電池などを収容する筐体2を有し、筐体2は、情報表示及び情報入力のための感知パネルとしてのタッチパネル3と、タッチパネル3を取り囲み情報端末処理装置1Aの強度部材をなすフレーム4とを有している。この情報端末処理装置1Aは、タッチパネル3の表示画面側とは反対側に取り付けられた振動アクチュエータ6Aと振動伝達部7とを有している。これら振動アクチュエータ6Aと振動伝達部7とは、操作者が指先でタッチパネル3を触れて操作したとき、正常な入力操作が実行されたことを操作者に知覚させるための振動を発生させる。
図2及び図3に示されるように、振動アクチュエータ6Aのハウジング8は、略直方体の箱状をなす本体ケース部9と本体ケース部9の開放側を閉鎖するための蓋部11とを有している。これら本体ケース部9と蓋部11とは、非磁性材料としてのステンレス鋼からなる。本体ケース部9には開放側にフランジ部9aが設けられ、蓋部11は開口9b(図3参照)とフランジ部9aとを覆うように本体ケース部9に固定されて開口9bを閉鎖する。
ハウジング8の略中央には、ガイドシャフト12が配置されている。ガイドシャフト12は、軸線方向が蓋部11から本体ケース部9の底部9cに向かう方向へ沿うように配置されている。ガイドシャフト12は、下端が本体ケース部9の底部9cに設けられた圧入穴13に嵌め込まれ、上端が蓋部11に設けられた圧入穴14に嵌め込まれている。また、本体ケース部9の底部9cと蓋部11とはガイドシャフト12の軸線方向において対向する一対の壁部をなしている。
ムービングマグネット型の構成を有する振動アクチュエータ6Aは、可動子16と固定子23を有している。可動子16は、ガイドシャフト12の軸線方向に沿って往復移動するように、ガイドシャフト12を取り囲んでハウジング8内に配置されている。
可動子16は、ガイドシャフト12の軸線方向にN極とS極とを有するように一極着磁されたマグネット17を有し、このマグネット17には、軸線方向に延びた貫通穴17aが設けられ、ガイドシャフト12が挿通されている。また、可動子16は、マグネット17の下端面に接着された第1のヨーク18と、マグネット17の上端面に接着された第2のヨーク19とを有している。薄板円板状である第1及び第2のヨーク18,19は、マグネット17の両端面の全体を覆うようにして、ガイドシャフト12の軸線方向においてマグネット17を挟むように固定されている。また、第1及び第2のヨーク18,19には、ガイドシャフト12と協働して可動子16をガイドシャフト12の軸線方向に案内するガイド穴18a,19aが形成されている。従って、可動子16が直線状に往復移動する振動方向は、ガイドシャフト12の軸線方向と一致する。
この可動子16によれば、マグネット17と第1及び第2のヨーク18,19とを有しているため質量が大きくなり、可動子16の移動により生じる運動量を増大することができる。
本体ケース部9の底部9cにおいて、第1のヨーク18とガイドシャフト12の軸線方向に対面する対面部分A1(図4(a)参照)には、クッション21が取り付けられている。また、蓋部11において、第2のヨーク19とガイドシャフト12の軸線方向に対面する部分には、クッション22が取り付けられている。それぞれのクッション21,22の形状は、ガイドシャフト12が挿通される穴21a,22aを有する環状である。このクッション22によれば、衝撃からマグネット17を保護することができる。また、クッション22によって衝突時に発生する衝撃音を低減することもできる。
固定子23は、可動子16を取り囲むようにハウジング8内に配置されている。固定子23は、ボビン24を有している。ボビン24は、ガイドシャフト12の軸線方向に延びた開口24aと、蓋部11側に設けられた上側フランジ部24bと、底部9c側に設けられた下側フランジ部24cと、上側フランジ部24bと下側フランジ部24cとの間に設けられた仕切り部24dとを有している。下側フランジ部24cと仕切り部24dとの間で第1のボビン部24eを形成し、上側フランジ部24bと仕切り部24dとの間で第2のボビン部24fを形成している。これら第1及び第2のボビン部24e,24fはガイドシャフト12の軸線方向に並設されている。
また、固定子23は、直列接続された2個のコイル部26,27を有している。第1のコイル部26は、第1のヨーク18に対応するように第1のボビン部24eにコイル線が巻き回されて形成されている。第2のコイル部27は、第2のヨーク19に対応するように第2のボビン部24fにコイル線が巻き回されて形成されている。これら第1及び第2のコイル部26,27はガイドシャフト12の軸線方向に並設されている。コイル線の巻方向は互いに逆向きであり、コイル線の端部は本体ケース部9の側面に設けられた引出開口9dからハウジング8の外部に引き出されている。
ハウジング8内には、第1及び第2のコイル部26,27と本体ケース部9の内壁面9fとの間の空間を埋めるように、錘28が配置されている。ガイドシャフト12の軸線方向における錘28の上端面28bにはボビン24の上側フランジ部24bが当接して、上側フランジ部24bによって錘28が本体ケース部9の底部9c側に押し付けられて固定されている。ガイドシャフト12の軸線に対して点対称の形状である錘28は、ボビン24と第1及び第2のコイル部26,27を差し込み可能な円形の開口28aを有し、錘28の重心がガイドシャフト12の軸線上に位置するようにハウジング8内に配置されている。錘28は、比較的密度の大きい材料(例えばタングステン)からなる。
この錘28によれば、振動アクチュエータ6Aの全体質量が大きくなり、振動アクチュエータ6Aと振動伝達部7とにより構成される振動系の共振周波数が低くなる。従って、衝撃により発生する振動の周波数を低下させることができる。
一対の壁部における一方の壁部をなす底部9cと、ガイドシャフト12の軸線方向における錘28の下端面28cとの間には、板状磁性体29が挟み込まれている。矩形薄板形状の鉄板である板状磁性体29には、底部9cにおける可動子16が対面する対面部分A1の全体を露出させる開口29a(図4(a)参照)が形成されている。従って、板状磁性体29は、対面部分A1上に配置されていない。一方、板状磁性体29は、底部9cにおける対面部分A1以外であり、可動子16の端面と対向しない非対面部分A2上に配置されている。
振動アクチュエータ6Aとタッチパネル3との間には、弾性部材からなる振動伝達部7が挟み込まれている。振動伝達部7は、振動アクチュエータ6Aとタッチパネル3とに接着されている。この振動伝達部7は、振動アクチュエータ6Aで発生した振動の周波数を、操作者が知覚しやすい150Hz〜500Hzの周波数帯域にまで低減することにより、振動波形を鋭いピークを有する衝撃波形から正弦波振動に近い振動波形に変化させてタッチパネル3へ伝達するものである。この振動伝達部7には、特に、0.3〜1.0g/cm程度の密度を有するゴム製部材が好適である。
次に、情報端末処理装置1Aの動作について説明する。
タッチパネル3に操作者が触れていない状態では、第1及び第2のコイル部26,27には駆動パルス信号は入力されておらず、無通電状態である。このとき、図4(a)に示されるように、可動子16は、板状磁性体29とマグネット17との間に発生する磁気吸引力によって本体ケース部9の底部9c側に引き寄せられている。
タッチパネル3に操作者が触れて、データ入力が正常に実行されたと判断された場合、制御部(不図示)が第1及び第2のコイル部26,27に駆動パルス信号を入力する。この駆動パルス信号は、タッチパネル3の共振周波数(数百Hz程度)付近の周波数に設定される。駆動パルス信号の周波数をタッチパネル3の共振周波数付近に設定することにより、共振現象によってタッチパネル3の振動振幅を大きくすることができる。また、駆動パルス信号は、可動子16を板状磁性体29が配置された底部9cから蓋部11側へ移動させる方向に電流の向きが設定されている。
図4(b)に示されるように、駆動パルス信号が第1及び第2のコイル部26,27に入力されると、駆動パルス信号が有する最先の信号成分S1a(図5(a)参照)によって可動子16がガイドシャフト12の軸線方向に沿って蓋部11に向かって移動し、蓋部11のクッション22に衝突する。この衝突によって、振動アクチュエータ6Aの全体が軸線方向に沿って移動して振動波が発生し、振動波が振動伝達部7を介しタッチパネル3へ伝達される。このタッチパネル3へ伝達された振動波が操作者に知覚されると、操作者は操作感を感じる。
振動アクチュエータ6Aは、ハウジング8が底部9cと蓋部11とを有し、底部9cには板状磁性体29が配置されている。この板状磁性体29とマグネット17との間には磁気吸引力が発生し、可動子16は板状磁性体29が配置された底部9c側に引き寄せられる。このため、第1及び第2のコイル部26,27が無通電状態であるときに振動アクチュエータ6Aの姿勢が変化しても、可動子16の位置は常に板状磁性体29が配置された底部9c側に維持されるため、駆動開始時における可動子16の位置と、可動子16の移動方向との関係が保たれる。従って、駆動パルス信号が有する最先の信号成分S1aで可動子16を確実に直線状に移動させて、駆動パルス信号の入力に対して振動の立ち上げを確実に行うことができる。
また、板状磁性体29は、可動子16の移動方向における可動子16の端面16aと対面する対面部分A1以外の底部9cの非対面部分A2に配置されている。マグネット17に作用する磁気吸引力の大きさは、マグネット17と板状磁性体29との間の距離によって調整することが可能である。また、マグネット17と板状磁性体29との間に作用する磁気吸引力は、第1及び第2のコイル部26,27とマグネット17との協働により生じる駆動力を低減する成分を有している。この構成によれば、マグネット17と板状磁性体29との間の距離が大きくなり可動子16に作用する磁気吸引力の大きさが低減するため、可動子16に作用する駆動力の低下を抑制できる。
また、第1及び第2のコイル部26,27には、板状磁性体29が配置された底部9cから蓋部11へ可動子16を移動させる駆動信号が入力される。このような駆動信号が第1及び第2のコイル部26,27に入力されることにより、駆動信号の入力に対して振動の立ち上げを更に確実に行うことができる。
また、振動アクチュエータ6Aは、可動子16をハウジング8に衝突させて振動を発生させているため、タッチパネル3の操作に対して応答性の高い振動を生じさせることができる。また、情報端末処理装置1Aは、振動アクチュエータ6Aとタッチパネル3との間に振動伝達部7を挟み込んでいるため、衝撃により生じた振動の周波数が低下されて、タッチパネル3に振動が伝達される。従って、情報端末処理装置1Aによれば、操作者が知覚し易く且つ応答性の高い振動をタッチパネル3に与えることが可能であるため、タッチパネル3の操作に対応した操作感を向上させることができる。
ここで、情報端末処理装置1Aの効果を確認するために、情報端末処理装置1Aと、錘28を有していない振動アクチュエータをタッチパネル3へ直接に取り付けた比較例に係る情報端末処理装置とを作製し、それぞれのタッチパネル3に伝達された振動の波形を確認した。なお、情報端末処理装置1Aと比較例に係る情報端末処理装置とには、同一振幅であり同一周波数である駆動パルス信号を入力した。具体的には、図5(a)に示されるように、駆動パルス信号S1は、周波数が440Hzである一周期の信号とした。
図5(b)に示されるように、比較例の情報端末処理装置においてタッチパネル3に伝達された振動波形S2は、周波数が高く、鋭いピークを複数有することが確認できた。
一方、図5(c)に示されるように、錘28を有する振動アクチュエータ6Aを、振動伝達部7を介してタッチパネル3に取り付けた場合には、図5(b)に示された比較例の振動波形S2よりも周波数が低く、正弦波振動に近い振動波形S3が確認できた。従って、振動アクチュエータ6Aに錘28を配置して質量を増加させ、且つ振動伝達部7を介して振動アクチュエータ6Aをタッチパネル3に取り付けた情報端末処理装置1Aによれば、操作者に知覚されやすい振動を発生させ得ることがわかった。
また、情報端末処理装置1Aによれば、可動子16をクッション22に衝突させて振動を発生させているため、回転モーターに偏心錘を取り付けた振動アクチュエータ(比較例1)や、バネの共振を利用した振動アクチュエータ(比較例2)と比較すると、振動の起動及び停止の時間が短いため、触覚フィードバックとして振動のキレや使用感を高めることができる。また、圧電素子を利用した振動アクチュエータ(比較例3)によれば応答速度を高めることが可能であるが、操作者に知覚させ得る振動振幅を得るためには圧電素子が大型化する。これに対して、本実施形態の情報端末処理装置1Aでは、圧電素子を利用した振動アクチュエータ(比較例3)と比較して小型化できる。
本発明は、前述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸
脱しない範囲で、下記のような種々の変形が可能である。
図6に示されるように、情報端末処理装置1Bは、第1の変形例に係る振動アクチュエータ6Bを備えていてもよい。振動アクチュエータ6Bでは、板状磁性体29がボビン24の上側フランジ部24bと蓋部11との間に挟み込まれるように配置されている。この構成によれば、無通電状態における可動子16の位置を蓋部11側に設定することができる。このように、無通電状態における可動子16の位置は、タッチパネル3への振動アクチュエータ6Aの取付姿勢や振動方向に応じて底部9c側(図4(a)参照)或いは蓋部11側に設定することができる。
また、図7(a)に示されるように、情報端末処理装置1Cは、第2の変形例に係る振動アクチュエータ6Cを備えていてもよい。振動アクチュエータ6Cでは、板状磁性体29が底部9cと第1のコイル部26との間に配置されている。また、図7(b)に示されるように、情報端末処理装置1Dは、第3の変形例に係る振動アクチュエータ6Dを備えていてもよい。振動アクチュエータ6Dでは、蓋部11と第2のコイル部27との間に配置されている。
振動アクチュエータ6C,6Dによれば、板状磁性体29を錘28と対面するように配置した場合よりも板状磁性体29とマグネット17との間の距離が短くなるため、可動子16に作用する磁気吸引力が大きくなる。従って、情報端末処理装置1C,1Dに外部から激しい振動や衝撃が加わる場合であっても、第1及び第2のコイル部26,27の無通電状態において可動子16を確実に底面29c側又は蓋部11側に引き寄せておくことができる。
また、図8(a)に示されるように、情報端末処理装置1Eは、第4の変形例に係る振動アクチュエータ6Eを備えていてもよい。振動アクチュエータ6Eでは、板状磁性体29が底部9cとクッション21との間に配置されている。また、図8(b)に示されるように、情報端末処理装置1Fは、第5の変形例に係る振動アクチュエータ6Fを備えていてもよい。振動アクチュエータ6Fでは、蓋部11とクッション22との間に配置されている。
振動アクチュエータ6E,6Fによれば、板状磁性体29とマグネット17との間の距離が一層短くなるため、可動子16に作用する磁気吸引力が更に大きくなる。従って、情報端末処理装置1E,1Fに外部から激しい振動や衝撃が加わる場合であっても、第1及び第2のコイル部26,27の無通電状態において可動子16を一層確実に底面29c側又は蓋部11側に引き寄せておくことができる。
また、振動アクチュエータ6A〜6Fの錘28は可動子16に設けられていてもよい。また、振動アクチュエータ6A〜6Fはガイドシャフト12を備えておらず、円柱状の可動子を備えていてもよい。円柱状の可動子によれば、可動子16のガイド穴18a,19a(図2参照)とガイドシャフト12との接触がなくなるため、可動子16の移動速度を高めて可動子16の運動量を増加させることができる。
また、可動子16は、ハウジング8の底部9c側から蓋部11側に移動して蓋部11のクッション22に衝突させた後に、更に底部9c側に駆動して底部9cのクッション21に衝突させてもよい。また、可動子16は、クッション21とクッション22との間において往復動作させて、複数回の衝突を発生させてもよい。
また、振動アクチュエータ6A〜6Fは、ガイドシャフト12に代えて、可動子16,16Bを収容して振動方向に案内するガイド筒(不図示)を備えていてもよい。
また、振動アクチュエータ6A〜6Fのコイルの数は、2個に限定されることはなく、1個であってもよく、2個以上であってもよい。また、振動アクチュエータ6A〜6Fのクッション21,22は、第2のヨーク19の上面と、第1のヨーク18の下面とに接着されていてもよい。
また、情報端末処理装置1A〜1Fは、携帯電話やスマートフォンといった通信端末に限定されることはなく、タッチパネル3を備えた自動販売機、自動券売機、パーソナルコンピュータ、情報キオスクなどの装置に用いられてもよい。
また、本実施例にあたっては、感知パネルとして直接触れるパネルにおいて説明しているが、例えば、感知パネルは、接近することで操作するパネルであってもよい。また、感知パネルは、ペン型入力手段を用いて、接触あるいは接近することで操作するパネルであってもよい。また、装置に複数個の振動アクチュエータ6A,6Bを配置することで、複数の振動パターンを得られる。
[実施例]
ここで、振動伝達部7に用いる弾性部材として好適に用いることができる材料を説明する。
本発明では、振動伝達部7の好適な材料として、スチレンゲル(北川工業株式会社製KGゲル、型番:YMG90V、密度:1.29g/cm)や、シリコーンゲル(株式会社タイカ製シリコーンフィルム、型番:θ―7、密度:1.06g/cm)、ウレタンフォーム(株式会社イノアック製、型番:SR−S15P、密度:0.15g/cm)などがある。これらの材料からなる振動伝達部7によれば、振動アクチュエータ6Aをタッチパネル3に直接に取り付けた場合よりも、タッチパネル3に伝達される振動の周波数を低下させることができる。
本発明では、振動伝達部7のより好適な材料として、天然ゴム(密度0.93g/cm)、スチレンゲル(北川工業株式会社製KGゲル、型番:YMG80BK、密度:0.87g/cm)、ウレタンフォーム(株式会社イノアック製、型番:WP−32P、密度:0.32g/cm、型番:WP−40P、密度:0.40g/cm、型番:SR−S48P、密度:0.48g/cm)などがある。これらの材料からなる振動伝達部7によれば、振動アクチュエータ6Aをタッチパネル3に直接に取り付けた場合よりも、タッチパネル3に伝達される振動の周波数を低下させることができる。更に、振動の振幅の低減を抑制して、操作者の知覚に適する振動の振幅を確保することができる。
一方、エーテル系ポリウレタン(三進興産株式会社製、型番:ソルボS、密度:1.38g/cm)(三進興産株式会社製、型番:ソルボM、密度:1.38g/cm)は、振動アクチュエータ6Aをタッチパネル3に直接に取り付けた場合と同様に、タッチパネル3に伝達される振動の周波数が高くなるため不適である。
1A〜1F…情報端末処理装置、2…筐体、3…タッチパネル、4…フレーム、6A〜6F…振動アクチュエータ、7…振動伝達部、8…ハウジング、12…ガイドシャフト、16…可動子、17…マグネット、18…第1のヨーク、19…第2のヨーク、21,22…クッション、26…第1のコイル部、27…第2のコイル部、28…錘、29…板状磁性体、C…回路基板。

Claims (2)

  1. マグネットを有し、往復移動する可動子と、
    前記マグネットを包囲するように配置されたコイルと、
    前記可動子の移動方向において対向する一対の壁部を有し、前記可動子と前記コイルを収容するハウジングと、
    一対の前記壁部のいずれか一方に配置され、前記マグネットとの間で磁気吸引力を生じさせて前記可動子を前記壁部の一方側に引き寄せる磁性体と、を備え
    前記磁性体は、前記可動子の移動方向における前記可動子の端面と対面する対面部分以外の前記壁部の非対面部分に配置されたことを特徴とする振動アクチュエータ。
  2. 前記コイルには、前記磁性体が配置された一方の前記壁部から他方の前記壁部へ前記可動子を移動させる駆動信号が入力され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。
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