JP7322340B2 - 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、移動部材を固定子側から離反、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及び２が存在する。

特許文献１及び２は導電性の形状記憶合金からなるワイヤを有し、通電での発熱、非通電での冷却によるワイヤの伸縮作用によって固定子に対し移動子を離反させたり、元の位置に復帰させたりすることにより振動を発生させる。

特許第６０４６９８０号 特開２０１９－２３７３号公報

このようなアクチュエータは、ワイヤの収縮により固定子から離反した移動子を元の位置に復帰させるために、移動子を固定子側に押さえ付ける方向に付勢力を与える。

例えば特許文献１では、移動子の両端部において、段付きネジを固定子に螺着して、段付きネジに挿通される圧縮コイルバネを圧縮することで、移動子を固定子側に押し付ける付勢力を与えている。

また、特許文献２では、固定子が長手方向両端部に移動子（可動子）より長いはみ出し部を備え、はみ出し部において付勢部材（板ばね）の一端を雄ねじ部材により固定し、付勢部材の他端において移動子を押さえることで付勢力を与えている。

しかし、特許文献１や特許文献２では、移動子の片側を押えるために、特許文献１では段付きネジと圧縮コイルバネの２部品を、特許文献２では付勢部材と雄ねじ部材の２部品を、それぞれ必要とする。このため、部品点数が多く、組み立て工数も増加し、部品の取り扱いに伴う工程が複雑化する。また、特許文献１や特許文献２の構成では、段付きネジや雄ねじ部材を取り付けるためのスペースを確保するため、アクチュエータが長手方向や短手方向に大型化する。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、大型化を抑え、部品点数及び組み立て工数を削減し、且つ容易に組み立てることができるアクチュエータを提供することにある。

上記した目的を達成するために、本発明に係るアクチュエータでは、固定子と、この固定子と対向し、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配置された形状記憶合金からなる収縮可能なワイヤと、前記移動子を前記固定子側に付勢する付勢部が一体に形成され、前記固定子に係止され、前記移動子と前記固定子の側面を覆うカバーと、を備えることを特徴とする。

上記アクチュエータにおいて、前記カバーは、前記固定子側が開放した形状であってもよい。

上記アクチュエータにおいて、前記カバーは、前記固定子と前記移動子との対向部分を覆っていてもよい。

上記アクチュエータにおいて、前記カバーは、前記移動子の短手方向の移動を制限してもよい。

上記アクチュエータにおいて、前記カバーは、前記固定子に形成された突起部と係合する係止孔が形成されてもよい。

上記アクチュエータにおいて、前記カバーは、前記固定子に形成された貫通孔と連通する連通孔が形成されてもよい。

上記アクチュエータにおいて、前記カバーは、プレス成型品でもよい。

上記手段を用いる本発明によれば、アクチュエータの大型化を抑え、部品点数及び組み立て工数を削減し、且つ容易に組み立てることができる。

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であってワイヤが冷却され移動子に働く付勢力により移動子が元の位置に戻った状態を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係るアクチュエータの組立斜視図である。 本発明の一実施形態に係るアクチュエータの分解斜視図である。 本発明の一実施形態に係るアクチュエータの分解正面図である。 本発明の一実施形態に係るアクチュエータの組立断面図である。

まず本発明の実施形態に先立ち、図１～図３に添って本実施形態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、１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、２は移動子である。３は形状記憶合金からなるワイヤであり、固定子１と移動子２との間に配置される。４は形状記憶合金からなるワイヤ３に接続された電線、５は電源、６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３は通電される。図１はスイッチ６がオフとなっており、移動子２が固定子１側に近接している状態を示す。

図２ではスイッチ６がオンされワイヤ３が通電された状態を示す。ワイヤ３に電流が流れてワイヤ３が発熱することでワイヤ３は縮み、白抜き矢印で示すように、移動子２を固定子１から離反させる方向の推力が発生し、移動子２が固定子１から離れる方向に移動する。

スイッチ６をオフにすればワイヤ３に電流が流れなくなりワイヤ３が冷却される。図３に示すように、移動子２には白抜き矢印の方向に付勢力が働いているのでワイヤ３が伸び、再び移動子２は固定子１側に移動し、図１に示す元の状態となる。これらの一連の動作を繰り返すことにより振動が発生する。

図４は本発明の一実施形態に係るアクチュエータＡの組立斜視図、図５は分解斜視図、図６は分解正面図、図７は組立断面図である。これらの図に基づきアクチュエータＡの構成について説明する。

図中の１０は固定子で、２０は図示の状態において前記固定子１０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３０が設けられている。これは図１～図３に示した固定子１、移動子２、ワイヤ３に対応し、これらを組み立てた状態が図４、図７に示されている。また、５０は、固定子１０、および移動子２０のそれぞれ長手方向に広い面積を有する面（側面）を覆うカバーである。

固定子１０及び移動子２０は絶縁性熱伝導体であり、絶縁性のある合成樹脂材料等からなる。固定子１０及び移動子２０を構成する材料は、絶縁性及び放熱性の高い材料を用いるのが好ましい。固定子１０及び移動子２０には、特に耐熱性が高く耐摩耗性、寸法安定性に優れた熱可塑性樹脂であるポリフェニレンサルファイド（以下、ＰＰＳ）が好適である。さらに、ＰＰＳを固定子１０や移動子２０に用いる場合は、ＰＰＳに熱伝導性を高める熱伝導性フィラーの微粒子を分散させて使用すると、ワイヤ３０の放熱性が向上しアクチュエータＡの繰り返し反応速度の向上に効果的である。なお、固定子１０及び移動子２０を構成する材料として、放熱性の良いアルミニウムなどの金属材料に絶縁処理を施したものを用いてもよい。合成樹脂材料としては、前記ＰＰＳの他にポリアミド系合成樹脂を使用してもよい。

図４及び図５に示すように、固定子１０は、Ｙ方向（長手方向）に細長い略直方体の形状をなしている。また、固定子１０の上面（移動子２０と対向する面）は、固定子側窪み部１１と固定子側突起部１２とがＹ方向に交互に形成された固定子側波状部１０ａを有している。なお、本実施形態では固定子側窪み部１１が６つ、固定子側突起部１２が５つ形成されているが、固定子側窪み部１１及び固定子側突起部１２の数はこれに限られるものではない。

図５に示すように、固定子側窪み部１１は底面１１ａが固定子１０のＹ方向に第１の曲率で湾曲した凹弧状に形成されている。さらに固定子側窪み部１１には、Ｙ方向に直行するＸ方向（短手方向）の中央部に、底面１１ａから突出した固定子側突出片１１ｂが形成されている。この固定子側突出片１１ｂの頂面は、固定子１０のＹ方向に底面１１ａと同じ第１の曲率で湾曲した凹弧状をなしている。

また、固定子側突起部１２は頂面１２ａが固定子１０のＹ方向に第１の曲率よりも大きい（即ち、曲率半径が小さい）第２の曲率で湾曲した凸弧状に形成されている。さらに固定子側突起部１２には、Ｘ方向の中央部に、頂面１２ａから窪んだ固定子側溝部１２ｂが形成されている。この固定子側溝部１２ｂの底面は、固定子１０の長手方向に頂面１２ａと同じ第２の曲率で湾曲した凸弧状をなしている。

このように固定子１０の固定子側波状部１０ａには、Ｘ方向中央部に固定子側突出片１１ｂと固定子側溝部１２ｂとが交互に形成され、Ｘ方向両側部の底面１１ａと頂面１２ａとが形成する固定子側波状部１０ａの波形状よりも高低差の小さい波形状が形成されている。なお、固定子側突出片１１ｂ及び固定子側溝部１２ｂの各角部分はＲ面取り加工及びＲ溝加工が施されている。

移動子２０もまた、固定子１０と同様にＹ方向に細長い略直方体の形状をなしている。また、移動子２０の下面（固定子１０と対向する面）には、移動子側窪み部２１及び移動子側突起部２２がＹ方向に交互に形成された移動子側波状部２０ａを有している。なお、本実施形態では移動子側窪み部２１が５つ、移動子側突起部２２が６つ形成されているが、移動子側窪み部２１及び移動子側突起部２２の数はこれに限られるものではない。

また、移動子側窪み部２１は、固定子側窪み部１１と同様に、底面２１ａが移動子２０のＹ方向に固定子１０の底面１１ａと同じ第１の曲率で湾曲した凹弧状に形成されている。さらに移動子側窪み部２１には、Ｘ方向の中央部に、底面２１ａから突出した移動子側突出片２１ｂ（移動子側突出片２１ｂは図７に図示）が形成されている。この移動子側突出片２１ｂの頂面は、移動子２０のＹ方向に底面２１ａと同じ第１の曲率で湾曲した凹弧状をなしている。

移動子側突起部２２は、頂面２２ａが移動子２０のＹ方向に固定子１０の頂面１２ａと同じ第２の曲率で湾曲した凸弧状に形成されている。さらに、移動子側突起部２２には、Ｘ方向の中央部に、頂面２２ａから窪んだ移動子側溝部２２ｂが形成されている。この移動子側溝部２２ｂの底面は、移動子２０のＹ方向に頂面２２ａと同じ第２の曲率で湾曲した凹弧状をなしている。

このように移動子２０の移動子側波状部２０ａには、Ｘ方向中央部に移動子側突出片２１ｂと移動子側溝部２２ｂとが交互に形成され、Ｘ方向両側部の底面２１ａと頂面２２ａとが形成する波状部分の波形状よりも高低差の小さい波形状が形成されている。なお、移動子側突出片２１ｂ及び移動子側溝部２２ｂの各角部分はＲ面取り加工及びＲ溝加工が施されている。

固定子側波状部１０ａと移動子側波状部２０ａはワイヤ３０を間に挟持して互いに係合可能である。具体的には図６に示すように、固定子側窪み部１１に移動子側突起部２２が係合し、移動子側窪み部２１に固定子側突起部１２が係合する。こうして、ワイヤ３０は、図７に示すように、固定子側窪み部１１の固定子側突出片１１ｂと移動子側突起部２２の移動子側溝部２２ｂとの間、及び、移動子側窪み部２１の移動子側突出片２１ｂと固定子側突起部１２の固定子側溝部１２ｂとの間に収容される。また、このように固定子側窪み部１１と移動子側突起部２２、及び移動子側窪み部２１と固定子側突起部１２が係合することで、固定子１０と移動子２０との間のＸ方向及びＹ方向の動きが規制され、固定子１０に対する移動子２０のＺ方向の移動が円滑に案内される。

ワイヤ３０はニッケル・チタン合金やニッケル・チタン・銅合金のような形状記憶合金からなる。図５に示すように、ワイヤ３０は、固定子１０及び移動子２０の各突出片１１ｂ、２１ｂ及び各溝部１２ｂ、２２ｂの間に位置するように配置され、固定子１０と移動子２０とに挟持されることにより、非通電状態において、これらの波形状に対応した波形状となる。

ワイヤ３０の両端部は、固定子１０のＹ方向両端部に形成された端子台部１３にて端子４０を介し取り付けられる。端子４０は導体とされる。４１は端子４０の一端側に設けられたワイヤ取付部である。このワイヤ取付部４１にはワイヤ３０を挿通して固定する溝ａが形成されている。

また、ワイヤ取付部４１はワイヤ３０を溝aに挿通した状態でクランク状にカシメることによってワイヤ３０を固定しており、このクランク状の形状によりワイヤ３０が伸縮動作する際のゆるみを防止する。

端子４０の他端側は端子台部１３に固定される端子基部４２が形成されている。端子基部４２にはネジ挿通用の孔ｂが２つ形成されているとともに、電線（図示せず）を通して接続するための電線接続孔４３が形成されている。

また、固定子１０の各端子台部１３にも同じくネジ挿通用の孔ｃが２つ形成されている。そして、ネジ４４が端子４０の孔ｂ及び端子台部１３の孔ｃに挿通され、端子台部１３の下面側に位置するネジ固定部材４５のネジ孔ｄに螺着される。

なお、１４は固定子１０の端子台部１３のＹ方向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１４は一対の突部からなり、突部間にワイヤ３０の直線部分が挿通、案内され、ワイヤ取付部４１側に引き出される。

図５に示すように、固定子１０のＹ方向両側には、ワイヤガイド部１４やワイヤ取付部４１が設けられる範囲、つまり固定子側波状部１０ａの両端から端子台部１３までの間に、固定子側波状部１０ａの側面１０１よりもＸ方向内側にオフセットした固定子側幅狭部１０ｂが形成されている。

固定子側幅狭部１０ｂの両側面１０２には、端子台部１３側に係止用突起部１５が形成され、固定子側波状部１０ａ側に貫通孔１６が形成されている。係止用突起部１５はＸ方向から視て矩形をなしており、上部がＺ方向上方に向けて突出量が少なくなるテーパ状に形成された突起である。貫通孔１６は、固定子１０をＸ方向に貫通した円孔である。

また固定子側波状部１０ａの両側面１０１において、Ｙ方向の両側には、位置決め用突起部１７が形成されている。位置決め用突起部１７は、Ｘ方向から視て矩形をなしており、且つ突出量が一律の突起である。

移動子２０のＹ方向両側には、固定子１０の固定子側幅狭部１０ｂに対応して、移動子２０の移動子側波状部２０ａの側面２０１よりもＸ方向内側にオフセットした移動子側幅狭部２０ｂが形成されている。また、移動子２０のＹ方向両側の上面には、移動子側波状部２０ａの上面２００よりもＺ方向下側にオフセットしたばね受け部２０ｃが形成されている。

カバー５０は、固定子１０及び移動子２０の両側面を覆う一対のカバー側部５１と、カバー５０のＹ方向の両端であってＺ方向の上部にて一対のカバー側部５１を連結する一対のカバー連結部５２から構成されている。なお、カバー５０はプレス成形品である。

カバー側部５１は、固定子側波状部１０ａの側面１０１及び移動子側波状部２０ａの側面２０１を覆う中央部５１ａと、当該中央部５１ａのＹ方向両側にて固定子１０の両幅狭部１０ｂの側面１０２、移動子２０の両幅狭部２０ｂの側面２０２、及び各ワイヤ取付部４１を覆う端部５１ｂから構成されている。端部５１ｂは、中央部５１ａよりもＸ方向内側にオフセットしている。

端部５１ｂのＹ方向外側には、係止用突起部１５と係合可能な矩形状の係止孔５３が形成されている。端部５１ｂのＹ方向内側には、固定子１０の貫通孔１６と連通可能な連通孔５４が形成されている。また、中央部５１ａのＹ方向両側には、固定子１０の位置決め用突起部１７と係合可能な位置決め用溝５５が形成されている。当該位置決め用溝５５はＺ方向下側に開放し、開放側にＹ方向に徐々に幅が広がった面取形状を有する略矩形状の溝である。

また、カバー連結部５２には付勢部５６が一体に形成されている。付勢部５６は、カバー連結部５２からＹ方向内側且つＺ方向下側に延び、先端部分がＺ方向上側に向けて屈曲した形状をなしている。このような形状の付勢部５６は、カバー５０を固定子１０及び移動子２０の組立体に装着することで、移動子２０を固定子１０側に付勢する板ばねとして機能する。

以下、特に図６、図７を参照してアクチュエータＡのカバー５０の取り付け方法や作用効果について説明する。

図６に示すように、カバー５０は、固定子１０に移動子２０が組み付けられた組立体に、移動子２０のＺ方向上方（固定子１０との対向面とは逆側）から固定子１０側に向けて移動させることで取り付けられる。

具体的には、カバー５０の位置決め用溝５５が、固定子１０の位置決め用突起部１７に係合するように、カバー５０を組立体に向けて移動させる。位置決め用溝５５は、開放端の幅が広がっていることで、位置決め用突起部１７が円滑に係合するよう案内される。

そして、この位置決め用溝５５を位置決め用突起部１７に係合させると、それと同時にカバー５０の係止孔５３が固定子１０の係止用突起部１５に係止される。係止用突起部１５の上部はテーパ状であるので、端部５１ｂの下部を突起部１５のテーパ状の上部に沿って移動させることで容易に係止用突起部１５を乗り越えさせることができ、係止孔５３は円滑に係止用突起部１５と係合する。係止孔５３が係止用突起部１５に係合することでカバー５０は組立体に係止され、付勢部５６の先端部分がばね受け部２０ｃに当接し、移動子２０が固定子１０側に付勢される。また、係止孔５３と係止用突起部１５との係合により、固定子１０に対するカバー５０のＹ方向及びＺ方向上側への動きが規制され、カバー５０の組立体に対する取付状態が安定する。

また、カバー５０の係止孔５３が固定子１０の係止用突起部１５に係合すると、固定子１０の貫通孔１６とカバー５０の連通孔５４が連通する。これにより、貫通孔１６及び連通孔５４にボルト等の締結部材が挿入可能となり、当該締結部材が挿入され他の製品等へ組み付けられるのと同時に、組立体に対してカバー５０が強固に固定される。

また、固定子１０及び移動子２０のそれぞれに波状部１０ａ、２０ａと幅狭部１０ｂ、２０ｂが形成されていることで、それぞれの波状部１０ａ、２０ａと幅狭部１０ｂ、２０ｂとの間にＺ方向に延びる段差が形成されている。カバー５０の中央部５１ａと端部５１ｂとの間にもＺ方向に伸びる段差が形成されているので、これらの段差がカバー５０を組立体に取り付ける際のガイドとなるとともに、カバー５０のＹ方向の動きを規制するガイドともなる。

また、図７に示すように、カバー５０が組立体に取り付けられると、付勢部５６の先端部分が移動子２０のばね受け部２０ｃと接触し、付勢部５６はカバー連結部５２との接続部分を支点として先端部分がＺ方向上側に押し上げられる。これにより、付勢部５６は、図７の白抜き矢印で示すように弾性力により移動子２０を固定子１０側に押圧する。このように、付勢部５６はカバー５０と一体に形成されていることで、カバー５０の取り付け作業と同時に移動子２０を押圧し、付勢部５６により移動子２０に固定子１０側に向けた付勢力を付与することができる。つまり、従来の独立した付勢部材のように別途固定部品を必要としないため部品点数を削減することができ、また、アクチュエータＡの組み立ての作業性が向上する。さらに、付勢部５６に比して大きいカバー５０と一体であることで、従来の独立した付勢部材よりも部品としての取扱性を向上させることができる。

また、カバー５０は、固定子１０側が開放した形状をなしていることで、組立体に対してＺ方向上側から下側の一方向にカバー５０を移動させるだけの簡単な作業で、カバー５０の取り付け及び移動子２０の押圧を実現できる。

また、カバー５０は、カバー側部５１の中央部５１ａにて、固定子１０と移動子２０との対向部分、即ちワイヤ３０が介在する固定子側波状部１０ａと移動子側波状部２０ａとの間の隙間を覆っている。これにより、組立体からのワイヤ３０の脱落や、隙間への外部からの異物の侵入を防ぐことができる。また、内部の部品（固定子１０、移動子２０、ワイヤ３０等）がカバー５０で保護されているので、外部からの内部の部品への接触を防止でき、アクチュエータＡの取扱性が向上する。特に、アクチュエータＡにおいては、カバー５０の両カバー側部５１ａの間に各付勢部５６が配置されているので、外部からの付勢部５６への接触を防止でき、付勢部５６により移動子２０への安定した付勢力を付与できる。さらに、カバー５０で組立体の両側面が覆われているので、固定子１０と移動子２０との間のＸ方向の動きを規制でき、固定子１０に対する移動子２０のＺ方向への移動を円滑に案内できる。したがって、アクチュエータＡの製品の信頼性、すなわち長期使用安定性を向上させることができる。

また、カバー５０は金属のプレス成型品であるので、樹脂部品に比べて薄型に形成でき、アクチュエータＡを小型化できる。

以上で本発明の実施形態の説明を終えるが、本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。

上記実施形態では、カバー５０の付勢部５６はＹ方向両端のカバー連結部５２からＹ方向内側に延びた板ばねであるが、付勢部はカバーと一体に形成されていればよく、他の形状であってもよい。例えばカバーのＹ方向中央部に連結部を形成し、当該連結部からＹ方向外側にそれぞれ延びた付勢部であってもよい。

Ａ アクチュエータ
１、１０ 固定子
２、２０ 移動子
３、３０ ワイヤ
１０ａ ：固定子側波状部
１０ｂ ：固定子側幅狭部
１１ ：固定子側窪み部
１２ ：固定子側突起部
１５ ：係止用突起部
１６ ：貫通孔
１７ ：位置決め用突起部
２０ａ ：移動子側波状部
２０ｂ ：移動子側幅狭部
２０ｃ ：ばね受け部
２１ ：移動子側窪み部
２２ ：移動子側突起部
５０ ：カバー
５１ ：カバー側部
５１ａ ：中央部
５１ｂ ：端部
５２ ：カバー連結部
５３ ：係止孔
５４ ：連通孔
５５ ：位置決め用溝
５６ ：付勢部

Claims (9)

1. 長手方向に長い固定子と、
   この固定子と対向し、当該対向方向において前記固定子に対し近接、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配置された形状記憶合金からなる収縮可能なワイヤと、
   前記移動子を前記固定子側に付勢する付勢部が一体に形成され、前記固定子に係止され、前記移動子と前記固定子の側面を覆うカバーと、
   を備え、
   前記カバーは、前記固定子の両側面及び前記移動子の両側面を覆う一対のカバー側部と、前記カバーの前記長手方向両端部であって前記対向方向の前記移動子側端部にて前記一対のカバー側部を連結している一対のカバー連結部とを有し、前記対向方向の前記移動子側端部にて前記一対のカバー連結部よりも前記長手方向中央側で開口しており、
   前記付勢部は、前記一対のカバー連結部からそれぞれ前記長手方向中央側に向かって延びていることを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記付勢部は、それぞれ前記一対のカバー側部の間に配置されている請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記一対のカバー側部それぞれは、前記長手方向中央側に形成された側部中央部と、前記側部中央部に対して前記長手方向両側にて前記固定子の短手方向中央側にオフセットした側部端部とを有している請求項１又は２に記載のアクチュエータ。
4. 前記カバーは、前記固定子側が開放した形状である請求項１から３のいずれかに記載のアクチュエータ。
5. 前記カバーは、前記固定子と前記移動子との対向部分を覆っている請求項１から４のいずれかに記載のアクチュエータ。
6. 前記カバーは、前記移動子の短手方向の移動を制限する請求項１から５のいずれかに記載のアクチュエータ。
7. 前記カバーは、前記固定子に形成された係止用突起部と係合する係止孔が形成されている請求項１から６のいずれかに記載のアクチュエータ。
8. 前記カバーは、前記固定子に形成された貫通孔と連通する連通孔が形成されている請求項１から７のいずれかに記載のアクチュエータ。
9. 前記カバーは、プレス成型品である請求項１から８のいずれかに記載のアクチュエータ。

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