JP7193952B2 - アクチュエータ - Google Patents

Description

この発明は、形状記憶合金の熱による収縮性を利用して振動を発生させるアクチュエータ、詳しくは予め与圧バネが一体的に組み込まれ与圧バネをユニット化したアクチュエータに関する。

例えば、スマートフォンのような携帯端末や、いわゆるVR（仮想現実）のゲーム機器等において使用者に振動を伝達するアクチュエータ（振動装置）が搭載されているものがある。皮膚の触感を利用したユーザーインターフェースとしてのこの種のアクチュエータは小型軽量であって、加速度が大きいとユーザーに対し強い触感を与えることができるので、大きな加速度が得られることが望ましい。

この種のアクチュエータとしては形状記憶合金を用い、移動部材を固定側から離反、近接させ振動を発生させるものがある。

上記のアクチュエータとしては、例えば特許文献１、２が存在する。

特許文献１、２は導電性のワイヤ状形状記憶合金を有し、通電での発熱、非通電での冷却によるワイヤ状形状記憶合金の伸縮作用によって固定側の部材に対し移動部材を離反させたり、元の位置に復帰させ、タッチパネルを操作した時に振動によるクリック感を与えるように構成されている。

特許第５８７８８６９号 特許第５８３６２７６号

特許文献１では移動部材を付勢するバネ材が設けられている。また、特許文献２でも移動部材であるパネルを付勢するバネ材が設けられ、ワイヤ状形状記憶合金が非通電になり冷却されるとパネルが元の位置に戻るように構成されている。

これら従来例においてバネ部材は、アクチュエータの主要構成部材である固定部材または可動部材に対し別体構造となっており、アクチュエータで振動させるタッチパッド等の筺体側に与圧バネを設けるように構成されている。

したがって、アクチュエータが搭載される製品を設計する際に最適な加速度を得るための付勢手段（与圧バネ）を筺体設計側で検討しなければならず、設計工数がかかる。

製品の組立にあたっては、現場側では各部品をそれぞれ個別に調達する必要があり煩雑である。組立時には非常に小さな部品であるバネ材のバネ力を調整しながら組み立てる必要があり、組み合わせた場合の加速度の管理が難しく、組立後は製品毎にバラツキが生じるおそれがある。

また、アクチュエータが故障した際、与圧バネが筺体とアクチュエータ間に設けられ、与圧バネの一端がアクチュエータに連結されているので、与圧バネまで分解しないと修理が難しいという課題がある。

この発明は上記のことに鑑み提案されたもので、その目的とするところは、アクチュエータの主要構成部品である固定子または移動子に、バネ力を容易に調整可能とした与圧バネを組み込み一体化し、そのユニット化された組立体（アクチュエータ）を筺体内に組み込むようにしたため、組立性が良好となり、製品毎の性能のバラツキも防止でき、また、故障時にはアクチュエータを交換するだけで対応可能としたものである。

上記目的を達成するために請求項１に係る本発明は、固定子と、この固定子の上部に、固定子に対し近接、離反自在に設けられた移動子と、この移動子と前記固定子との間に挟持された形状記憶合金からなり収縮可能であって前記移動子を移動可能とするワイヤとを備えたアクチュエータであって、前記移動子に与圧バネを取付け、前記移動子の一方の側面から他方の側面に向かって長さ方向に貫通する与圧バネ挿通孔を形成し、この与圧バネ挿通孔に前記与圧バネを貫設したことを特徴とする。
上記目的を達成するために請求項２に係る発明は、固定子と、この固定子の上部に、固定子に対し近接、離反自在に設けられた移動子と、この移動子と前記固定子との間に挟持された形状記憶合金からなり収縮可能であって前記移動子を移動可能とするワイヤとを備えたアクチュエータであって、前記固定子に与圧バネを取付け、前記固定子の底部側に長さ方向に延びる与圧バネ挿通孔を形成し、この与圧バネ挿通孔に前記与圧バネを貫設したことを特徴とする。
請求項３に係る発明は、請求項１または２記載のアクチュエータにおいて、前記移動子と前記固定子とは両側部側に設けられ、前記移動子と前記固定子とを連結する連結部材にて連結され、この連結部材は前記与圧バネの与圧調整部材としての役割もなすことを特徴とする。
請求項４に係る発明は、請求項３記載のアクチュエータにおいて、前記連結部材兼与圧調整部材はボルトおよびナットからなることを特徴とする。
請求項５に係る発明は、請求項４記載のアクチュエータにおいて、前記移動子に設けられた前記与圧バネの両端部にはリング状の係合部が形成され、前記固定子の両側部には外側に向かって延びるアーム状をなし外端部にボルト挿通孔を有する支持板が設けられ、前記係合部に挿通された前記ボルトの先端部が前記ボルト挿通孔に挿通され、その突出部にナットを螺着し、ナットの締付により前記移動子に作用する前記与圧バネのバネ力を調整可能としたことを特徴とする。
請求項６に係る発明は、請求項４記載のアクチュエータにおいて、前記固定子底部に外側に向かって延びる前記与圧バネが設けられ、前記移動子の両側面に外側に向かってアーム状に延び外端部にボルト挿通孔を有する支持板が設けられ、前記ボルトに形成した係合部に前記与圧バネの両端部を係合させ、前記ボルトの先端部を前記支持板のボルト挿通孔に挿通させその突出部に前記ナットを螺着し、ナットの締付により前記固定子に作用する前記与圧バネのバネ力を調整可能としたことを特徴とする。

以上のように本発明によれば、アクチュエータの主要構成部材である固定子または移動子に与圧バネを予め調整可能とした与圧バネを設けてアクチュエータを構成したため、製品組立時にいちいち与圧バネの付勢力を調整する必要がないので、製品の組立性が良好となり、かつ製品毎のバラツキも防止でき、故障時にはアクチュエータのみ交換するだけで対応できるので経済的である。

本発明の動作原理であって形状記憶合金からなるワイヤが冷えた状態を示す説明図である。 同本発明の動作原理であってワイヤが熱により縮み移動子を押し上げた状態を示す説明図である。 同本発明の動作原理を示す説明図である。 同本発明の動作原理であってワイヤが固定子によって冷却され移動子が元の位置に戻った状態を示す説明図である。 本発明の第１実施例の平面図。 本発明の第１実施例の正面図。 本発明の第１実施例の底面図。 本発明の第１実施例の右側面図。 本発明の第１実施例の斜視図。 本発明の第１実施例の要部の分解斜視図。 本発明の第１実施例のアクチュエータをタッチパッドに組み込んだ状態を示す概略斜視図を示す。 本発明の第２実施例の平面図。 本発明の第２実施例の正面図。 本発明の第２実施例の底面図。 本発明の第２実施例の右側面図。 本発明の第２実施例のアクチュエータをタッチパネルに組み込んだ状態を示す概略斜視図である。

まず本発明の実施例に先立ち、図１～図４に添って本発明に用いられるアクチュエータの動作原理について説明する。

図１において、１０はアクチュエータを構成する主要部材の一つである固定子、２０は移動子である。３０は形状記憶合金からなるワイヤであり、固定子１０と移動子２０との間に配置される。４０は形状記憶合金からなるワイヤ３０に接続された電線、５０は電源、６０はオン、オフ用の電源スイッチで、オンすれば形状記憶合金からなるワイヤ３０は通電される。図１はスイッチ６０がオフとなっており、電流がオフであって移動子２０が固定子１０側に位置している状態を示す。

図２ではスイッチ６０がオンされワイヤ３０が通電された状態を示す。ワイヤ３０に電流が流れてワイヤ３０が発熱することでワイヤ３０は縮み、矢印で示すように、移動子２０を固定子１０から離反させる方向の推力が発生する。

スイッチ６０をオフにすればワイヤ３０に電流が流れなくなり固定子１０によって冷却される。図３はその状態を示す。冷却されると図４に示すようにワイヤ３０が伸び、再び移動子２０は矢印で示すように固定子１０側に位置し、元の状態となる。これらの一連の動作により振動が発生する。

図５は本発明の第１実施例の平面図、図６はその正面図、図７は底面図、図８は右側面図、図９は斜視図である。また、図１０は部分分解斜視図である。

まず、正面図を示す図６および分解斜視図である図１０を参照して本発明のアクチュエータAを説明する。図中１は絶縁性熱伝導体からなる固定子で放熱性を有するアルミのような金属または樹脂からなる。２は図示の状態においてその上方に対向配置された移動子であり、その間に形状記憶合金からなるワイヤ３が設けられている。これは図１～図４に示した固定子１０、移動子２０、ワイヤ３０に対応する。

移動子２のほぼ中央部の長さ方向には与圧バネ挿通孔２１ａが貫設され、棒バネからなる丸棒状の与圧バネ４が挿通される。与圧バネ４としてはその他板バネ、あるいはクリップバネなどを用いても良い。この場合、与圧バネ挿通孔ａの形状はそれらに対応した形状となる。

固定子１は図示の状態において、横方向に細長い直方体の形状をなし、かつその上面の長さ方向には波状をなす複数個の固定子側突起部１ａが間隔をあけて突設されている。固定子側突起部１ａの形状は頂部が丸味をなし弧状に形成されている。また、固定子側突起部１ａの厚み方向の中央部は凹んでおり、長さ方向に延びる溝１ｂが形成されている。この溝１ｂの頂部もまた弧状に形成されている。固定子側突起部１ａの間には固定子側窪み部１ｃが形成され、その底面は下方に向かって凹んで弧状に形成されている。

移動子２も絶縁性熱伝導体からなる。この移動子２もまた図示の状態において、横方向に細長い直方体の形状をなし、かつ底部であって長さ方向には波状をなす複数個の移動子側突起部２ａが間隔をあけて突設されている。また、移動子側突起部２ａの間にも移動子側窪み部２ｃが形成されている。

移動子側突起部２ａの形状は、頂部は丸味をなし弧状に形成されている。また、中央部は凹んでおり、溝２ｂが形成されている。この溝２ｂの頂部もまた弧状に形成されている。

固定子１と移動子２の固定子側突起部１ａと移動子側突起部２ａは互い違いの位置にそれぞれ突設され、各突起部１ａ、２ａはそれぞれの窪み部１ｃ、２ｃに配置されるようになっている。

ワイヤ３はニッケル・チタン合金のような形状記憶合金効果のある合金からなり、固定子１の固定子側突起部１ａおよび固定子側窪み部１ｃの形状に対応して波状に形成されている。この波状のワイヤ３は、図１０においてその波状形状に対応して同じく波状に形成された固定子１の上面中央部の溝１ｂ、移動子２の窪み部２ｃの溝（図示せず）の部分に位置される。すなわち、移動子２の窪み部２ｃの厚み方向の中央部には山形状（図示せず）が形成され、固定子１の溝１ｂに移動子２の山形状が嵌まり込むようになっている。

次に移動子２、与圧バネ４について、図６、図９および図１０を参照して更に説明する。

図示の状態において移動子２の一方の側部から他方の側部にかけて直線状に貫通する与圧用の与圧バネ４を挿通する与圧バネ挿通孔２１ａが形成され、この予圧バネ挿通孔２１ａに与圧バネ４が挿通され取付けられる。

ワイヤ３は固定子１と与圧バネ４が組み込まれた移動子２との間に挟み込まれる。

ワイヤ３の一端部は、固定子１の一端部に設けられた端子台１ｄ側に端子部５を介し取付けられる。ワイヤ３の他端部も同様に固定子１の他端部に設けられた端子台１ｄ側に端子部５を介し取付けられる。これについては追って詳述する。

固定子１の各側部の底部には、図６、図７、図８、図９に示すように、外側に向かって延びるアーム状の支持板１ｅが設けられている。

６、７は与圧調整部材として機能するボルトおよびナットである。ボルト６は、与圧バネ４と支持板１ｅとを連結するように設けられる。すなわち与圧バネ４の両端部にはそれぞれリング状の係合部４ａが設けられ、これらの係合部４ａにボルト６を挿通するようになっている。

ボルト６の頭部６ａの外径は係合部４ａの内径より大きく、与圧バネ４の抜けを防止し、かつ与圧バネ４を押さえるようになしている。

図６や図９の図示の状態において、ボルト６の先端部にはネジが切られており、先端部は支持板１ｅの外端部に形成されたボルト挿通孔として機能する孔１ｆに挿通され、ボルト６の先端部は支持板１ｅの背面から下方に突出し、その突出した先端部にナット７が進退自在に螺着され、これらボルト６やナット７は与圧の付勢力調整手段として機能する。

すなわち、移動子２のほぼ中央部に貫設された与圧バネ４のバネ力の調整はナット７を締めつければ移動子２が固定子１側に向かう付勢力を強めることができる。逆に緩めれば弱めることができる。なお、ボルト６およびナット７は固定子１と与圧バネ４を有する移動子２とを一体化する連結部材としての役割もなす。

再び図１０において、５ａ～５ｃは端子部５の内側に設けられたワイヤ取付部である。このワイヤ取付部５ａ～５ｃは例えば第１～第３の３分割構造をなし、各取付部５ａ～５ｃにはワイヤ３を挿通して固定する溝ｂが形成されている。

これらのうち第１、第３の取付部５ａ、５ｃは同位置に形成され、中央の第２の取付部５ｂは位置がズレている。これはワイヤ３をクランク状に取付けてカシメることによって簡単に固定できるようにし、また、ワイヤ３が伸縮動作する際のゆるみを防止するようにしたものである。

８は端子部５の上面に設けられる移動子押さえ板である。この移動子押さえ板８はほぼL字状に折曲形成され、ネジ挿通孔ｄが形成された端子部５の上面側に取付けられる。この移動子押さえ板８は端子部５の本体上に取付けられる移動子押さえ板外端部８ａと、ワイヤ取付部５ａ～５ｃの上面側に位置する移動子押さえ板内端部８ｂにて形成されている。

移動子押さえ板外端部８ａにもネジ９を挿通する孔ｃが形成されている。また、固定子１の端子台１ｄにも同じくネジ挿通用の孔ｅが形成されている。そして、ネジ９は押さえ板８の孔ｃと、端子部５の孔ｄ及び端子台１ｄの孔ｅに挿通され、端子台１ｄの背面に位置するネジ固定部１ｇのネジ穴ｆに螺着される。

なお、１ｆ´は固定子１の端子台１ｄの内側上部に形成されたワイヤガイド部である。このワイヤガイド部１ｆ´は一対の突部からなり、突部間にワイヤ３の直線部分が挿通、案内され、ワイヤ取付部５ａ～５ｃ側に引き出される。

また、５ｄは端子部５の外端部に形成された電線（図示せず）を通して接続するための孔である。

また、図５、図８、図９、図１０等に示すように、移動子２の一方の面２Ａの上部の背面側には切欠き状の段部２Ｂが形成されている。この段部２Ｂの部分はタッチパッド（図示せず）取付部であり、タッチパッドが取付けられる。２００は移動子２の上部に形成されたタッチパッド取付用のネジ孔である。

組み立てにあたっては、固定子１の端子台１ｄの上には端子部５が設けられる。

ワイヤ３の直線部分側の両端部は、上述のようにワイヤガイド部１ｆ´、ワイヤ取付部５ａ～５ｃの各溝ｂ内に挿通されカシメられる。ついで、移動子２の側面に設けられた移動子押さえ板支持部２ｄに形成された移動子側窪み部２ｃに移動子押さえ板内端部８ｂを取付た後に移動子押さえ板８を端子部５の上面に形成された取付部５０A上に配置し、ネジ９が各孔ｃ、ｄ、ｅに挿通され、ネジ９の先端部はネジ固定部１ｇのネジ穴ｆに螺着され各部材は一体化される。

固定子１の上方には移動子２に与圧バネ４が取付けられ、与圧バネ４はボルト６、ナット７等によって取付けられる。これについては後述する。

なお、移動子押さえ板８の内端部８ｂは移動子２の側部に設けられた移動子押さえ板支持部２ｄの溝２ｅに挿通され、移動子押さえ板８の内端部８ｂは固定される。この移動子押さえ板支持部２ｄは与圧バネ挿通孔ａの下側に位置する。

しかる後、与圧バネ４のリング状の係合部４ａに与圧バネ４の付勢力の調整部材として機能するボルト６を挿通し、ボルト６の下端部を固定子１側の支持板１ｅの孔１ｆに挿通し、支持板１ｅの背面に突出したネジ下端部にナット７を螺着し、ナット７の締め具合いを調整し、製品について要求される所望の付勢力を移動子２に付与させれば良い。また、ボルト６およびナット７等によって固定子１と移動子２とは一体化されアクチュエータＡが構成される。

前述のように、移動子押さえ板８は、与圧バネ４を移動子２の与圧バネ挿通孔ａに通し、ボルト６とナット７によって固定子と移動子に与圧を掛けるまでの間、移動子２と固定子１とが外れないように移動子２と固定子１とを密着させる役割をなすため、組み立てる上で移動子２と固定子１が外れなければ後述する第２実施例のように移動子押さえ板８はなくても良い。

動作にあたっては、ワイヤ３が通電され、発熱するとワイヤ３は縮み、その推力により
移動子２は与圧バネ４のバネ力に抗して固定子１から離反する動きをする。ワイヤ３が非通電になるとワイヤ３は固定子１、移動子２等を介し冷却され、与圧バネ４のバネ力が加わって瞬時に移動子２は固定子１側の位置に戻る。

本発明ではアクチュエータＡを付圧バネ４が予め組み込まれた組立体としたことに特徴を有している。

換言すれば、与圧バネ４が予め組み込まれユニット化されており、付勢力調整部材を介し製品に対応した付勢力が予め調整された、アクチュエータＡを構成することができ、アクチュエータ単体で与圧の管理ができる。

したがって、アクチュエータアＡを製品に組み込む際に付勢力を調整することは可能であるが、事前に調整しておけばわざわざ付勢力を調整する必要はない。仮に調整するにしても微調整ですみ、短時間で終了する。

また、動作不良の場合、アクチュエータＡを適正なものに交換すれば容易に動作不良を解決できる。

図１１はアクチュエータＡにタッチパッドＴを取付けた状態を示す。図示の状態においてタッチパッドＴの右端部側には取付部（図示せず）が設けられ、この取付部は移動子の段部２Ｂの部分に位置し、かつネジＮを用いて取付けられる。そして、アクチュエータＡを駆動させることによりタッチパッドＴは図１１に白抜き矢印で示すように移動する。

なお、固定子１は特に図示しないが適宜の手段により筺体側に固定される。

図１２～図１６は本発明の第２実施例を示す。

この実施例では、与圧バネ４を固定子１側に設けたことに特徴を有している。

すなわち固定子１の底部側の背面に与圧バネ取付部１０Ａが設けられている。この予圧バネ取付部１０Ａは固定子１の背面において固定子１の長さ方向に沿って設けられ、かつそのほぼ中央部には一端から他端に向かって貫通する与圧バネ挿通孔１０Ｂが形成され、そこに棒状の与圧バネ４が挿通されている。

また、移動子２の両側面には外端に向かって延びるアーム状の支持板２Ａ´がそれぞれ設けられ、これらの支持板２Ａ´の外端部にはボルト挿通孔が設けられている。

この実施例でも与圧バネ４と支持板２Ａ´との間に、予圧調整部材として機能するボルト６´、ナット７が設けられるが、ボルト６´の頭部にはリング状の係合部６Ａが形成され、その係合部６Ａに与圧バネ４が挿通される。ボルト６´の端部は支持板２Ａ´のボルト挿通孔に挿通され、その突出部にナット７が螺着される。

このナット７の締付具合を調整することにより容易に与圧バネ４のバネ力を調整することができる。

なお、固定子１の背面に与圧バネ取付部１０Ａを設けているが、この予圧バネ取付部１０Ａは固定子１の底部の一部を下方に向かって膨設して形成すれば良い。あるいは別体の与圧バネ取付部１０Ａを固定子１の底部に一体化させても良い。

他の構成、動作は前述の第１実施例と同様であるので説明は省略する。

１０ 固定子
２０ 移動子
３０ ワイヤ
４０ 電線
５０ 電源
６０ 電源スイッチ
Ａ アクチュエータ
Ｔ タッチパッド
Ｎ ネジ
１ 固定子
１ａ 固定子側突起部
１ｂ 溝
１ｃ 固定子側窪み部
１ｄ 端子台
１ｅ 支持板
１ｆ 孔（ボルト挿通孔）
１ｆ´ ワイヤガイド部
１ｇ ネジ固定部
１０Ａ 与圧バネ取付部
１０Ｂ 与圧バネ挿通孔
２ 移動子
２Ａ 移動子の一方の面
２Ｂ 段部（タッチパッド取付部）
２Ｃ ネジ孔（タッチパッド取付用）
２Ａ‘ 支持板
ａ 与圧バネ挿通孔
２ａ 移動子側突起部
２ｂ 溝
２ｃ 移動子側窪み部
２ｄ 移動子押さえ板支持部
２ｅ 溝
２１ａ 与圧バネ挿通孔
２Ｂ 段部
２００ タッチパッド取付用ネジ孔
３ ワイヤ
４ 与圧バネ
４ａ 係合部
５ 端子部
５ａ～５ｃ 第１～第３のワイヤ取付部
ｂ 溝
６ ボルト
６‘ ボルト
６ａ 頭部
６Ａ 係合部
７ ナット
８ 移動子押さえ板
８ａ 移動子押さえ板外端部
８ｂ 移動子押さえ板内端部
９ ネジ
ｃ ネジ挿通孔
ｄ ネジ挿通孔
ｅ ネジ挿通孔
ｆ ネジ穴

Claims (6)

1. 固定子と、
   この固定子の上部に、固定子に対し近接、離反自在に設けられた移動子と、
   この移動子と前記固定子との間に挟持された形状記憶合金からなり収縮可能であって前記移動子を移動可能とするワイヤと
   を備えたアクチュエータであって、
   前記移動子に与圧バネを取付け、
   前記移動子の一方の側面から他方の側面に向かって長さ方向に貫通する与圧バネ挿通孔を形成し、
   この与圧バネ挿通孔に前記与圧バネを貫設したこと
   を特徴とするアクチュエータ。
2. 固定子と、
   この固定子の上部に、固定子に対し近接、離反自在に設けられた移動子と、
   この移動子と前記固定子との間に挟持された形状記憶合金からなり収縮可能であって前記移動子を移動可能とするワイヤと
   を備えたアクチュエータであって、
   前記固定子に与圧バネを取付け、
   前記固定子の底部側に長さ方向に延びる与圧バネ挿通孔を形成し、
   この与圧バネ挿通孔に前記与圧バネを貫設したこと
   を特徴とするアクチュエータ。
3. 請求項１または２に記載のアクチュエータにおいて、前記移動子と前記固定子とは両側部側に設けられ、前記移動子と前記固定子とを連結する連結部材にて連結され、この連結部材は前記与圧バネの与圧調整部材としての役割もなすことを特徴とするアクチュエータ。
4. 請求項３記載のアクチュエータにおいて、前記連結部材兼与圧調整部材はボルトおよびナットからなることを特徴とするアクチュエータ。
5. 請求項４記載のアクチュエータにおいて、前記移動子に設けられた前記与圧バネの両端部にはリング状の係合部が形成され、前記固定子の両側部には外側に向かって延びるアーム状をなし外端部にボルト挿通孔を有する支持板が設けられ、前記係合部に挿通された前記ボルトの先端部が前記ボルト挿通孔に挿通され、その突出部にナットを螺着し、ナットの締付により前記移動子に作用する前記与圧バネのバネ力を調整可能としたことを特徴とするアクチュエータ。
6. 請求項４記載のアクチュエータにおいて、前記固定子底部に外側に向かって延びる前記与圧バネが設けられ、前記移動子の両側面に外側に向かってアーム状に延び外端部にボルト挿通孔を有する支持板が設けられ、前記ボルトに形成した係合部に前記与圧バネの両端部を係合させ、前記ボルトの先端部を前記支持板のボルト挿通孔に挿通させその突出部に前記ナットを螺着し、ナットの締付により前記固定子に作用する前記与圧バネのバネ力を調整可能としたことを特徴とするアクチュエータ。
   

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