JPH0837754A - 振動発生モータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は不釣り合い錘りを回転させて振動を発
生させる装置に関する。 【構成】本発明は、回転軸方向に磁化した円盤状もしく
は円柱状の永久磁石を回転子とし、これを円環状の転動
輪の内側に自由に移動、回転ができるように配置し、複
数の電磁コイルと鉄心からなる固定子を転動輪の外周に
沿って配置したものを基本的な構成とする。固定子電磁
コイルを順次選択して繰り返し通電することにより回転
子を各電磁コイルの近傍に順次吸引すると、回転子は転
動輪の内側に沿って回転する。その結果、回転子そのも
のが不釣り合い錘として作用して、振動を発生する。

Description

【発明の詳細な説明】

【産業上の利用分野】本発明は振動を発生するための装
置に関する。また特に不釣り合い錘を回転させて振動を
発生する装置に関する。

【従来の技術】従来不釣り合い錘を回転させて振動を発
生させる装置は図１４に示すように電気モータなどの回
転動力源の軸に不釣り合い錘を取り付けた構造のもので
あった。

【発明が解決しようとする課題】従来の装置において
は、まずモータを準備し当該モータの回転軸に不釣り合
い錘をとりつけるものであるために、モータはモータと
しての性能を発揮させるための複雑な機構と高い精度が
必要であった。またモータの部分の重量は振動の発生に
寄与せず全体のごく一部である不釣り合い錘の重量のみ
が振動発生に使われるだけであった。また不釣り合い錘
の重心とモータ回転軸中心の間の距離は全体の寸法上の
制約からあまり大きくできなかった。この結果装置全体
の重量の割には小さな振動力しか発生できなかった。本
発明は電気モータなどにより不釣り合い錘を回転させる
方式の振動発生装置の構造を単純化し、小型化と低価格
化を可能としつつ同時に大きな振動力の発生が可能な振
動発生装置を提供するものである。

【課題を解決するための手段】本発明は上記の問題点を
解決するために、モータの回転子そのものを振動発生の
ための不釣り合い錘とする構造としたものである。これ
により装置全体の重量の内で比較的大きな部分を不釣り
合い錘として作用させられ、また不釣り合い錘の重心の
回転直径を大きくすることができる。また同時に回転子
を保持するための精度の高いモータケースや軸受けを不
要とし、寸法精度の低い部品を使用し、簡便な組み立て
方法により製造できる構造を提供するものである。本発
明の基本的な構成は軸方向に磁化した円盤状もしくは円
柱状の永久磁石を回転子とし、これを円環状の転動輪の
内側に自由に移動、回転ができるように配置し、複数の
電磁コイルと鉄心から構成される固定子を転動輪の外周
に沿って配置したものである。

【作用】前記の構成において、固定子電磁コイルを順次
選択して電流を流すことにより、回転子である永久磁石
は選択された固定子電磁コイルから反発または吸引力を
うけて移動する。この時回転子は円形の転動輪の内側に
あるので回転による遠心力により転動輪の内面に沿って
移動する。転動輪の内径より小さな直径の固定子が内接
して移動するので、固定子の重心は転動輪の内径と固定
子の直径の差を直径とする回転運動を行う。その結果と
して固定子自身が不釣り合い錘となって振動を発生す
る。装置全体の内で比較的重量比率の大きい回転子が大
きな振幅で回転するので、大きな振動力が得られる。ま
た単純で部品点数の少ない構成であり、部品の寸法精度
も低くて良いので低コストの振動発生装置が得られる。

【実施例】図面によって本発明の実施例の構成を説明す
る。図１は本発明の構成を説明するための平面図、図２
は図１をＡ−Ａで切断した断面図である。図１において
回転子１は円盤形状の永久磁石である。回転子１は円柱
を軸に垂直で、お互いに並行な２つの面で切った円盤形
状である。回転子１は円盤の中心軸方向に一様に磁化さ
れている。ここで回転子の外形を形成する円柱面を側面
と呼ぶことにする。転動輪２は円筒を短く切断した円環
形状をしている。転動輪を構成する材料は非磁性体かつ
電気不導体である。回転子１の直径は転動輪２の内径よ
り小さく、回転子１は転動輪２の内側にルーズに設置さ
れており、回転子と転動輪とを物理的につなぐ軸受けの
ような構造は存在しない。外部から回転子に力が作用す
れば転動輪の内側で自由に移動、回転または転動輪に内
接した状態を保ちつつ転がり移動することができる。転
動輪の幅、いいかえれば軸方向の長さは回転子の厚みよ
りわずかに大きい。転動輪の両側面は図２に示すように
側板５によって閉じられており回転子が転動輪の内側か
ら脱落するのを防ぐ。側板５は図１には図示していな
い。側板５を構成する材料は非磁性体かつ電気不導体で
ある。固定子は複数の電磁コイルと鉄心からなる。本実
施例では、４つの電磁コイル３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄと
分離された４つの鉄心４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを備えて
いる。本実施例では鉄心は分離されているが、これは本
発明に必須の要件ではない。図１に示す如く４つに分離
された固定子は転動輪の外周に沿って、９０度づつの回
転対称の位置に設置される。鉄心４は鉄損を減少する為
に電磁鋼板などを積層して形成し、図２に示すごとくそ
の断面はコの字状をなす。鉄心の両端部の間隔距離は回
転子の厚みよりわずかに大きく、転動輪の幅と一致して
おり、図２に示す如く鉄心の両端部が転動輪をはさむよ
うに設置される。また図１の平面図で見た時の鉄心の端
部の形状は転動輪の内周の形状と一致している。まず固
定子電磁コイルに電流を流さない静的な状態について説
明する。本実施例のように構成すると回転子である永久
磁石と固定子の鉄心との間に吸引力が発生する。その結
果回転子の側面は転動輪に押しつけられる状態となり、
回転子の厚みと直径の比、および当該回転子の重量、お
よび当該回転子の磁化の強さが適当であれば、装置全体
がどのような姿勢であっても常に回転子は重力やその他
の外力に逆らって転動輪の内面上で自分の側面上に直立
する。このような条件は通常のサマリウム・コバルト系
磁石やネオジウム系磁石で容易に実現できる。外部から
大きな慣性力などが加わって回転子が倒れた場合でも、
倒れの角度は側板５によって規制されていて、一定以上
とはならないので直ちに自動的に直立状態に復帰する。
側板５には回転子を支持する目的はなく、通常は回転子
とは接触しないが、回転子が大きく倒れてしまい自動的
に直立状態に復帰できなくなったり、また転動輪の内側
から脱落して分離してしまうことを予防する為に設けた
ものである。図１に示すように鉄心の端部の形状が転動
輪の内面の形状と一致することは必須条件ではない。比
較して図３の断面図に固定子と転動輪の片側のみを拡大
して示すように鉄心の端部が転動輪の内周より多少転動
輪の内側にせりだしていても構わない。せりだしがあっ
たほうが回転子と固定子の間に働く電磁力は強くなる。
せりだしがあると回転子の側面と鉄心の端部が吸着し
て、回転子が転がり移動する時に摩擦するが、せりだし
の大きさがわずかであれば本発明の作用には問題が無
い。しかし、あまり大きくせりだすと回転子と鉄心の極
部の間に働く吸引力が大きく、また吸着する面積も大き
いので自由な回転や移動が出来なくなる。本発明の作用
を実現するためには端部がせりだす長さＬはある限界以
下である必要がある。逆に鉄心の端部が転動輪の内周よ
り外側、すなわち比較して図４に示すように引っこんだ
状態にあると回転子と鉄心の間に働く吸引力が弱くな
り、回転子が転動輪の内面に直立しににくなる。また回
転子と固定子の間に働く電磁力が弱くなる。従って鉄心
端部は図１および図２の実施例に示す如く、転動輪の内
側に一致するか、または図３に示すようにわずかにせり
だしている状態が望ましい。上に説明した固定子鉄心と
回転子の間に働く吸引力が、回転子が転動輪内のどの位
置にあっても一定であれば、回転子は転動輪の内面上の
特定の位置に吸着されない。言い換えれば回転子が転動
輪の内面上のどの位置にあっても転動輪の法線方向の力
しか働かない。したがって回転子に対して転動輪の接線
方向に別の力が加われば、回転子は自由に転がり移動す
る。このように回転子がどの位置にあっても、回転子と
鉄心との間に働く吸引力を一定とするには、鉄心の断面
形状を転動輪の中心に関して回転対称とするか、または
回転対称で無い部分については、鉄心の部位により厚み
を変えるか、または鉄心端部が転動輪の内側へ向けてせ
りだす長さを変えるなどの方法がある。図５は鉄心のせ
りだし長さを変えた場合の実施例であり、転動輪の一部
と分離された固定子の一つを拡大して示した平面図であ
る。図５においては固定子の中心部では鉄心の端部が転
動輪の内面より引っ込んでおり、また端の方では鉄心の
端部が転動輪の内面より内側に迫り出している。すでに
述べたように、鉄心が内側にせりだしていれば、吸引力
が強くなり、鉄心がひっこんでいれば、吸引力が弱くな
るので、鉄心極部の形状を適宜に選択すれば回転子と鉄
心との間に働く吸引力が転動輪上のどの位置でも実用上
一定とみなせるようにできる。以上に転動輪の内面の法
線方向に働く力と、転動輪の内面の接線方向に働く力に
ついて説明したが、次に転動輪の軸方向、言い換えれば
回転子の厚み方向に働く力について説明する。本実施例
のように固定子鉄心の端部の間隔、すなわち転動輪の幅
と回転子の厚みをほぼ同一の寸法とすると、回転子は転
動輪の中央付近にある時が最も安定であり、厚み方向に
働く吸引力がバランスしている。回転子の位置が厚み方
向にずれて、回転子の厚みの中心が転動輪の幅の中心か
ら離れると、回転子を転動輪の幅の中心方向に引き戻す
力が働く。したがって回転子が転動輪の内面上を転がり
移動する時は常に転動輪の幅の中央付近に束縛された状
態で移動を行い、一時的に回転子の位置がずれても直ち
に自動的に転動輪の幅の中央付近に復帰する。以上に説
明した如く、回転子は軸受けなどによって転動輪や固定
子に連結されていないにも関わらず、静止状態でも、あ
るいは転がり移動状態でも転動輪の内面に束縛され、か
つ転動輪の内面に対して直立する。次に本実施例におい
て固定子電磁コイルに電流を流して回転子を回転させる
動作について説明する。図１において回転子は電磁コイ
ル３ａの近傍に有る。この時隣接する電磁コイル３ｂに
回転子を吸引する方向の磁界を発生するように電流を流
せば、この吸引力は転動輪のつくる円弧の接線方向の成
分を持っているから、回転子は鉄心４ａの近傍から図１
に破線で示す位置Ｂに向かって移動する。ここで電磁コ
イル３ｂの通電を止めてただちに電磁コイル３ｃに同様
に通電すれば回転子は鉄心４ｂに向かって移動する。か
くの如く４つの電磁コイルを順次選択して、繰り返して
通電すると回転子は連続して転動輪の内側を転がりつつ
移動する。これにより回転子は偏心回転を行うこととな
り、回転子の重心は転動輪の内径と回転子の外径の差を
直径として回転する。この結果、回転子の質量による慣
性力が振動を発生する。このように動作する時の各コイ
ルへの通電のタイミングを図６に示す。この図６に示す
ようなタイミングで、回転子の位置に応じて各コイルを
順次選択して電流を流すためには幾つかの方法がある。
まず回転子が転動輪の特定の位置にある時に回路が閉じ
るような機械的スイッチの例を示す。本発明では回転子
の側面が常に転動輪と一線で接触しているから、これを
スイッチ機構として利用できる。すなわち回転子の側面
を導電性の材料で覆い、一方で絶縁物である転動輪の内
面に導電性の材料で、電気的に分離された特定のパター
ン電極群を形成しておくと、当該転動輪の内面上の電極
群の間を回転子の側面で短絡することとなり、回転子の
移動に伴って特定の回路の開閉を行うことができる。図
７の見取り図に実施例を示す。図７において転動輪２は
平面に展開して描いてある。回転子１の側面に絶縁層６
を介して導電性の材料で電極層７を形成する。このよう
な薄い電極層は金属箔を貼りつけるか、またはメッキな
どによって容易に形成できる。円盤状の回転子の側面を
完全に一周するような電極層を形成すると、電磁誘導に
よる電流が流れるのでこれを阻止するために図示するよ
うに、少なくとも一か所に切れ目を入れて電極層が閉じ
た環を形成しないようにする。図７には、また転動輪２
の内面に導電性の材料で形成した電極パターンと固定子
コイルとの接続回路を示す。このような電極パターンは
あらかじめ当該パターン形状に切り抜いた金属箔を貼り
つけるか、または通常のプリント回路基板を作成するの
と同様の手法などで形成できる。電極８は転動輪の内面
を１周するパターンであり電源の一方に接続されてい
る。４つの電極９ａ〜９ｄはそれぞれ転動輪の内面をほ
ぼ１／４周し、お互いに分離されていると同時に電極８
からも分離されている。４つの電極９ａ〜９ｄはそれぞ
れ４つの固定子電磁コイル３ａ〜３ｄの一方の端子に接
続されている。固定子電磁コイル３ａ〜３ｄの他方の端
子は電源の他方に接続されている。回転子が移動してき
て電極９ａの上に来ると、電極８と電極９ａは回転子側
面の電極層７によって短絡されて固定子コイル３ａに電
流が流れる。回転子と転動輪は一か所でしか接触しない
から、回転子の移動に伴って固定子コイル３ａ、３ｂ、
３ｃ、３ｄが順次繰り返し選択されて通電する。ここで
電極９ａ〜９ｄの位置を、それぞれ固定子電磁コイル３
ａ〜３ｄに対応する鉄心４ａ〜４ｄが回転子に吸引力を
及ぼすように選択すれば当初の目的を達成できる。具体
的には図８に示す如く電極９ａの位置を、転動輪の中心
に対する回転角で鉄心４ａの中央Ｃ点より例えば１２０
度手前から３０度手前までの間とする。図８には便宜
上、固定子電磁コイル３と鉄心４、それに対応する電極
９が一つづつしか描いていないが、以下対応する鉄心４
との位置関係を同じにして４つの電極９ａ〜９ｄを設置
する。電極９ａ〜９ｄを分離する隙間を十分に小さく構
成すると、必ずどれかの固定子電磁コイルが選択される
から回転子は外部からの補助なしに自分で回転を開始す
る。次に同じ目的の機械的スイッチの別の実施例を説明
する。図９は転動輪を形成する円筒の軸に垂直な方向で
転動輪の幅の中央部を切断して、その一部を示す断面図
である。転動輪２は絶縁性の物質で形成され、電極１０
および電極１１は弾性のある金属材料、例えば燐青銅で
作られ、それぞれａ点とｂ点で転動輪に一端を固定され
ている。またそれぞれの電極の先端には接点１２、接点
１３が構成されている。回転子が無い時は図９に示す如
く２つの接点は離れており回路を形成しない。回転子が
電極１０と接触する区間位置に有る時は図１０に示す如
く電極１０は回転子により押し下げられ、２つの接点は
接触する。このようなスイッチ機構を転動輪の４ケ所に
回転角で９０度づつ離れた位置に配置し、かつそれぞれ
を４つの各電磁コイルと直列に接続し、それぞれのスイ
ッチが接続された電磁コイルに対応する鉄心の中央の位
置から回転角で１２０度から３０度程度手前の区間位置
で閉路するように設置する。各スイッチが固定子の移動
によって閉路されることによって適切なタイミングで順
次各コイルへの通電が実現される。上記の説明において
各スイッチが閉路する位置は、必ずしも回転角で１２０
度手前から３０度手前の区間である必要はない。対応す
る鉄心の吸引力の及ぶ位置から、回転子が最も当該鉄心
の中心に近接する位置までの範囲で適切に選択すればよ
い。ただし回転子が自分で起動できるためには回転子が
どの位置にあっても必ず少なくとも一つのスイッチが閉
路している必要がある。このようなスイッチ機構は必ず
しも例示したような機械的なものである必要はなく、ま
たこのスイッチで直接各コイルへの通電を開閉する必要
もない。光、磁気等を利用した公知の近接センサーを使
用して回転子の位置を検知し、またトランジスタやサイ
リスタのような電子的なスイッチを使用して開閉しても
同じように回転子を回転させることができる。またこの
ような検知機構なしでブラシレスモータの駆動に使われ
る公知のセンサーレスの電子駆動回路を使って各コイル
への通電を制御することもできる。以上の説明で明らか
なように、本発明の構成によれば回転子は軸受けなどで
支える必要がない。また例えば回転子や転動輪などの形
状も正確な円形である必要はなく、多少歪んでいてもほ
とんど問題がないので、各部品の寸法や組み立て精度は
従来のモータに比べて格段に低くて良い。以上の実施例
では固定子を形成する電磁コイルが４つであったが、電
磁コイルの数が複数であれば発明の目的を達成できる。
以上の実施例では単一の電磁コイルを選択し、回転子を
吸引する方向に電流を流す例で説明したが、複数の電磁
コイルを同時に選択してもよいし、反発方向に電流を流
してもよい。また電流の方向は吸引方向と反発方向を組
み合わせても回転子を回転させることができる。以上の
実施例では 転動輪の幅は回転子の厚みより若干大きい
ものとしたが、図１１の断面図に示すように転動輪２の
幅とそれを挟む固定子鉄心の端部の厚みの和が回転子１
の厚みと同程度であってもかまわない。この場合は固定
子鉄心の端部が転動輪の一部を構成することになる。さ
らに、図１２に示すように固定子鉄心の端部の断面に段
差をつけることにより固定子鉄心だけに転動輪としての
作用を行わせることにより、転動輪を省略することもで
きる。以上の実施例では回転子は円盤状であるとした
が、本発明の構成において回転子の外周に近い部分の磁
化が主要な作用をなしているので、回転子の中心部に穴
を開けて円環状としても基本的な作用には影響を及ぼさ
ない。なんらかの理由で回転子の重量が小さいことが望
まれる場合などには、回転子の形状を円環状としてもよ
い。また逆に回転子の重量を大きくしたい場合は、この
穴に永久磁石材料より比重の大きな材料を充填すること
もできる。以上の実施例では回転子は円盤状であるとし
たが、回転子の直径に対して厚みが大きく円柱状と呼べ
る形状であっても良い。この場合には 回転子が転動輪
の内面から倒れる状況は発生しない。以上の実施例では
鉄心が複数の電磁コイルに対応して分離していたが、こ
れは本発明の本質ではなく連続した鉄心であっても良
い。図１３に見取り図を例示するような、通常の電気モ
ータに使われる、回転軸と並行な方向にスロットが入っ
ており、このスロットにコイルを巻回する構造の鉄心で
あっても本発明を構成することができる。特に円柱状の
回転子を使用する場合は図１３の如き鉄心構造が適して
いる。ただし円盤状の回転子を使用する場合には、当該
回転子を転動輪の内面に直立させ、また転がり移動する
時に転動輪から逸脱させないためには、鉄心の端が分離
していて、その間隔が回転子の厚みとほぼ同一であるこ
とが要点であるので、図１３の如き鉄心構造の場合も、
その厚みの中央部付近に円周方向に回転子の厚みとほぼ
等しい幅の溝を形成する必要がある。

【発明の効果】モータの回転子そのものを不釣り合い錘
とする構造であり、装置全体の重量のうち不釣り合い部
分の重量比率が大きく、また回転振幅が大きく取れるた
め小型の装置でも大きな振動力を発生する振動発生モー
タが得られる。モータの複雑な機構と高い寸法精度の部
品が不要となり、部品コストや組み立てコストが削減で
きる。構成が簡単であり極めて小型のものも製造でき
る。以上のような特徴から、小型で低コストのコンクリ
ートバイブレータなどが実現できる。また音声の代わり
に振動で着信を知らせる無線式ページャーなどに組み込
める超小型の振動発生装置が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す平面図。

【図２】図１をＡ−Ａの位置で切断した断面図。

【図３】固定子鉄心先端と転動輪の内面の位置関係を説
明する断面図。

【図４】図３におなじ。

【図５】固定子鉄心の先端部の形状を説明する平面図。

【図６】固定子電磁コイルへの通電タイミングを説明す
るグラフ。

【図７】機械的スイッチの例を説明する見取り図。

【図８】機械的スイッチの電極と対応する固定子の位置
関係を説明する平面図

【図９】機械的スイッチの別の例を説明する断面図。

【図１０】図９に同じ。

【図１１】固定子鉄心先端部の間隔と回転子の厚みの関
係を説明する断面図。

【図１２】固定子鉄心が転動輪を兼ねる例の断面図。

【図１３】分離していない鉄心構造の見取り図。

【図１４】従来の不釣り合い錘り回転式振動発生装置の
見取り図。

【符号の説明】

１は回転子 ２は転動輪 ３ａ〜３ｄは固定子を構成する電磁コイル ４ａ〜４ｄは固定子を構成する鉄心 ５は側板 ６は絶縁層 ７は導電層 ８は転動輪上の電極 ９は転動輪上の他方の電極 １０は機械的スイッチの電極 １１は機械的スイッチ他方の電極 １２は電極１０の接点 １３は電極１１の接点 Ａ−Ａは図２の断面位置を示す Ｂは回転子が移動する予定の位置を示す Ｃは鉄心の中央位置を示す点 ａは電極１０の固定位置を示す点 ｂは電極１１の固定位置を示す点

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】転動輪と、円盤状もしくは円環状もしくは
   円柱状もしくは円筒状で軸方向に磁化されており当該転
   動輪に内接して自由に移動、回転できる永久磁石回転子
   と、複数の電磁コイルと鉄心から構成されており、当該
   転動輪の外周に沿って配置されており、当該回転子に電
   磁力をおよぼすことのできる固定子とを備え、当該固定
   子の電磁コイルを順次選択して電流を流すことによって
   当該回転子を当該転動輪に内接して転がり移動させるこ
   とにより振動を発生する振動発生モータ。
2. 【請求項２】絶縁物からなる転動輪の内面に導電材料で
   形成し、お互いに分離された電極群を有し、当該電極群
   がそれぞれ対応する固定子電磁コイルに接続されてお
   り、回転子側面に導電材料で形成した電極を有し、回転
   子が転動輪に内接するときに該両電極が相互に接触し、
   回転子が転がり移動する時に、当該回転子の位置によっ
   て異なる回路を形成することにより固定子電磁コイルを
   順次選択して電流を流すことを特徴とする請求項１に記
   載の振動発生モータ。