JPH11146626A - 振動装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電気から機械振動への変換効率が高く、小型
化・低消費電力化が可能で信頼性が高い振動装置を提供
する。 【解決手段】 振動装置は、中空形状であって磁性材料
から成る固定ヨーク１１と、固定ヨーク１１内の中心軸
Ｘ方向に沿って変位可能なように支持され、変位方向と
平行な方向に磁化され、固定ヨーク１１との磁気作用に
よって復元力が付与された振動子３と、固定ヨーク１１
および振動子３が形成する磁気回路を通過する磁界に対
して駆動磁界を周期的に重畳するための電磁コイル１２
と、電磁コイル１２に駆動電流Ｉを供給する発振器２０
などで構成され、振動子３の共振周波数Ｆｍとほぼ一致
する周波数Ｆａの駆動磁界を印加することによって共振
させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、駆動電流によって
駆動される直線振動型の振動装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電波を用いた無線電話（たとえば
携帯電話やＰＨＳ等）や無線呼出装置（たとえば商品名
ポケットベルやページャー等）などの携帯用端末機器に
おいて、電話や呼出の着信があった場合に、大きな電子
音を発して聴覚的に使用者に告知している。しかし、近
年、携帯電話等が急速に普及して、他人の着信を自己の
着信と誤認したり、電車や映画館等の公共施設で静寂を
妨害する点が社会問題化している。その対策として、着
信があると端末機器が振動を発生して、触覚的に携帯者
に知らせるバイブレータ方式が採用されつつある（たと
えば特開平６−２２４８１６号等）。

【０００３】従来のバイブレータ方式では、小型モータ
の回転軸に偏心錘を取り付けて、回転運動によって振動
を発生する回転振動型の振動装置が採用されている（た
とえば特開平８−１８６６２６号、特開平８−２４２２
７３号等）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
振動装置では大きな重量物を回転させるため、ある程度
大きなトルクを出力するモータが必要になり、モータの
小型化や省電力化に自ずと限界がある。また、偏心回転
によって軸受の負担が大きくなるため、機械的寿命があ
まり長くない。

【０００５】本発明の目的は、電気から機械振動への変
換効率が高く、小型化・低消費電力化が可能で信頼性が
高い振動装置を提供することである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、中空形状であ
って磁性材料から成る固定ヨークと、固定ヨーク内の中
心軸方向に沿って変位可能なように支持され、変位方向
と平行な方向に磁化され、固定ヨークとの磁気作用によ
って復元力が付与された振動子と、固定ヨークおよび振
動子が形成する磁気回路を通過する磁界に対して、駆動
磁界を重畳するための電磁コイルとを備えることを特徴
とする振動装置である。

【０００７】本発明に従えば、中空形状の固定ヨークの
内部に磁化振動子を配置することによって、磁化振動子
のＮ極から出た磁力線が固定ヨークを通過して、磁化振
動子のＳ極に戻る磁気回路が形成される。振動子は、全
体のポテンシャルエネルギーが最も低い状態で安定する
ため、振動子には固定ヨークの対称中心点を原点とした
復元力が作用する。この現象は、振動子がばねによって
支持され、ばねの伸び縮みによる復元力が生じたことに
相当する。

【０００８】この状態で磁気回路を通過する磁界に対し
て電磁コイルからの駆動磁界を周期的に重畳することに
よって、振動子に作用する磁界が周期的に変動するよう
になり、振動子が直線的に往復しながら振動するように
なる。こうして電気的振動を機械的振動に効率良く変換
できる。

【０００９】また本発明は、振動子の復元力によって規
定される機械的共振周波数Ｆｍと駆動磁界の周波数Ｆａ
とが略一致することを特徴とする。

【００１０】本発明に従えば、振動子の質量および復元
力で機械的共振周波数Ｆｍが定まるため、この共振周波
数Ｆｍとほぼ一致する周波数Ｆａの駆動磁界を印加する
ことによって共振現象が発生し、僅かなエネルギー供給
によって大きな振幅の振動が持続するようになる。こう
して電気から機械振動への変換効率が高くなり、少ない
消費電力で大きな振動出力が得られるようになる。

【００１１】また本発明は、前記電磁コイルは、固定ヨ
ークと同軸に配置されていることを特徴とする。

【００１２】本発明に従えば、駆動磁界を発生する電磁
コイルを固定ヨークと同軸で配置することによって、振
動子の磁化方向と駆動磁界の方向とが一致するため、電
磁コイルから振動子への磁界伝達効率が向上する。

【００１３】また本発明は、複数の電磁コイルが振動子
の復元力原点を中心として対称配置されていることを特
徴とする。

【００１４】本発明に従えば、複数の電磁コイルを復元
力原点を中心に対称配置することによって、たとえば振
動子が右側に変位したときは右側の電磁コイルとの相互
作用が強くなり、振動子が左側に変位したときは左側の
電磁コイルとの相互作用が強くなる。したがって、単一
の電磁コイルを使用した場合と比べて振動子へのエネル
ギー伝達効率が格段に向上し、大きな振動を発生でき
る。

【００１５】まず本発明の原理について説明する。振動
子の静止位置を原点Ｏとして、原点Ｏからの変位をｘと
し、振動子に作用する復元力をｆ、振動子の質量をＭと
すると、復元力ｆは変位ｘの関数となり、図１に示すよ
うに、一次近似ではｆ＝ｋ・ｘの線形関数となる。な
お、ｋはばね係数である。この場合、振動子の共振周波
数Ｆｍは次式（１）で表せる。

【００１６】

【数１】

【００１７】この共振周波数Ｆｍと同じ周波数Ｆａの駆
動磁界を電磁コイルで発生させて振動子に印加すると、
振動子は共振振動を始める。電磁コイルの駆動電流波形
は周波数Ｆａの成分を含むもので、たとえば周波数Ｆａ
の正弦波電流やパルス電流が可能であり、また全波駆動
や半波駆動も可能である。

【００１８】図２は、振動子の共振特性を示すグラフで
ある。縦軸は振動子の振幅Ａであり、横軸は駆動磁界の
周波数Ｆａである。グラフにおいて、共振周波数Ｆｍで
最大振幅となり、共振周波数Ｆｍから外れると振幅は減
少する共振カーブが見られ、共振ピークの鋭さを示すＱ
値は摩擦や空気抵抗等のエネルギー損失によって決定さ
れる。

【００１９】一方、復元力ｆと変位ｘとが非線形関係
で、ばね係数ｋが変位ｘの関数である場合は、ｆ＝ｋ
（ｘ）・ｘと表され、機械的周波数Ｆｍは振動子の振幅
に依存することになり、式（１）のように簡単には決ま
らない。しかしながら、このような振動装置に駆動磁界
を周期的に重畳した場合でも、振動子の質量Ｍと復元力
ｋ（ｘ）、振幅Ａに応じて振動子を直線的に往復振動さ
せることが可能である。

【００２０】

【発明の実施の形態】図３は、本発明の第１実施形態を
示す構成図である。振動装置は、中空形状の固定ヨーク
１１と、固定ヨーク１１の内部に中心軸Ｘ方向に沿って
変位可能なように支持された振動子３と、駆動磁界Ｈａ
を発生するための電磁コイル１２と、電磁コイル１２に
交流電流などの正弦波またはパルス波などの駆動電流Ｉ
を供給する発振器２０などで構成される。

【００２１】固定ヨーク１１は、透磁率の大きな磁性材
料で形成され、たとえば円筒状に形成されている。振動
子３は、円柱状の永久磁石で形成され、磁化方向が変位
方向と平行になるように円柱の上面および下面がＮ極、
Ｓ極に着磁されている。また、振動子３の周囲には、振
動子３の直線運動を滑らかに案内するための案内部材
（不図示）が設けられる。

【００２２】こうした中空形状の固定ヨーク１１の内部
に振動子３を配置することによって、振動子３のＮ極か
ら出た磁力線が固定ヨーク１１を通過して、振動子３の
Ｓ極に戻る磁気回路が形成される。磁力線は、固定ヨー
ク１１のＸ軸を中心として回転対称となるように分布
し、振動子３は全体のポテンシャルエネルギーが最も低
くなる位置、すなわち固定ヨークの対称中心点となる点
Ｏで安定する。この状態で、振動子３が原点Ｏから正ま
たは負の方向に変位すると、振動子３には原点Ｏに戻ろ
うとする復元力が作用する。こうした復元力は、振動子
３の振幅範囲において変位量にほぼ比例させることが可
能なため、ちょうど振動子３がＸ軸に沿って線形ばねで
支持された現象に近似できる。

【００２３】この状態で磁気回路を通過する磁界に対し
て電磁コイル１２からの駆動磁界を周期的に重畳するこ
とによって、振動子３に作用する磁界が周期的に変動す
るようになり、振動子３が直線的に往復しながら振動す
るようになる。

【００２４】図３において、電磁コイル１２はＸ軸の周
りに導線を巻回するように構成され、固定ヨーク１１と
同軸に配置することによって、Ｘ軸と平行な駆動磁界Ｈ
ａを発生するため、効率的な磁界重畳が実現している。

【００２５】図４（ａ）は振動子３の運動波形、図４
（ｂ）〜図４（ｅ）は電磁コイル１２の駆動電流波形の
各種例を示すグラフである。静止した振動子３に駆動磁
界Ｈａが作用すると、振動子３が振動を開始し、この振
動周期と同期するように磁界Ｈａが変動すると、共振現
象によって振動振幅が徐々に増加し、摩擦や空気抵抗等
に起因する共振ロスと電磁コイル１２からの注入エネル
ギーとが均衡した状態で振動子３は一定振幅で振動する
ようになる。

【００２６】図４（ｂ）は半波パルス駆動の例を示し、
図４（ａ）に示すように振動子３が周期Ｔの正弦波で振
動している場合、振動子３が原点ＯからＸ軸の正方向に
移動している４分の１周期だけオンとなるパルス電流を
電磁コイル１２に流している。半波パルス駆動は、単極
性の駆動波形で済むためパルス発振器２０の回路構成を
簡略化できる利点がある。

【００２７】図４（ｃ）は全波パルス駆動の例を示し、
図４（ａ）に示すように振動子３が周期Ｔの正弦波で振
動している場合、振動子３が原点ＯからＸ軸の正方向に
移動している４分の１周期だけ正極性となり、振動子３
が正の最大変位から原点Ｏに戻る次の４分の１周期だけ
負極性となるパルス電流を電磁コイル１２に流してい
る。全波パルス駆動は、半波パルス駆動と比べて２倍の
駆動期間を確保できるため、振動開始からの定常振動ま
で立上り時間を短縮できる利点がある。

【００２８】図４（ｄ）は半波パルス駆動の例を示し、
図４（ａ）に示すように振動子３が周期Ｔの正弦波で振
動している場合、振動子３がＸ軸の正方向に移動してい
る２分の１周期だけオンとなるパルス電流を電磁コイル
１２に流している。半波パルス駆動は、単極性の駆動波
形で済むためパルス発振器２０の回路構成を簡略化でき
る利点がある。

【００２９】図４（ｅ）は全波パルス駆動の例を示し、
図４（ａ）に示すように振動子３が周期Ｔの正弦波で振
動している場合、振動子３がＸ軸の正方向に移動してい
る２分の１周期だけ正極性となり、振動子３がＸ軸の負
方向に移動している２分の１周期だけ負極性となるパル
ス電流を電磁コイル１２に流している。この駆動波形
は、図４（ｄ）の半波パルス駆動と比べて２倍の駆動期
間を確保できるため、高効率の駆動を実現できる。

【００３０】なお、図４（ｂ）〜図４（ｅ）に示すパル
ス波形の代わりに、正弦波を４分の１周期あるいは２分
の１周期の単位でオン、オフした波形も使用でき、特に
図４（ｅ）では完全な正弦波駆動となる。

【００３１】こうして振動子３の周期および位相と駆動
電流とが同期することによって、電気的振動から機械的
振動への変換が効率良く行われる。

【００３２】図５は、本発明の第２実施形態を示す構成
図である。ここでは図３の電磁コイル１２の代わりに２
つの電磁コイル１２ａ、１２ｂを左右対称に配置してい
る。この振動装置は、中空形状の固定ヨーク１１と、固
定ヨーク１１の内部に中心軸Ｘ方向に沿って変位可能な
ように支持された振動子３と、駆動磁界Ｈａ、Ｈｂを発
生するための電磁コイル１２ａ、１２ｂと、電磁コイル
１２ａ、１２ｂに正弦波またはパルス波の駆動電流Ｉを
供給する発振器２０などで構成される。

【００３３】電磁コイル１２ａ、１２ｂはＸ軸の周りに
導線を巻回するように構成され、固定ヨーク１１と同軸
かつ原点Ｏを中心として対称配置することによって、Ｘ
軸と平行かつ反対方向の駆動磁界Ｈａ、Ｈｂを同時に発
生するため、効率的で強力な磁界重畳を実現できる。

【００３４】静止した振動子３に駆動磁界Ｈａ、Ｈｂが
作用すると、振動子３が振動を開始し、この振動周期と
同期するように磁界Ｈａ、Ｈｂが変動すると、共振現象
によって振動振幅が徐々に増加し、摩擦や空気抵抗等に
起因する共振ロスと電磁コイル３からの注入エネルギー
とが均衡した状態で振動子３は一定振幅で振動するよう
になる。

【００３５】図５の構成においても、図４の駆動電流波
形が使用可能である。特に、図４（ｅ）に示す全波パル
ス駆動を用いた場合、図４（ａ）に示すように振動子３
が周期Ｔの正弦波で振動している場合、振動子３がＸ軸
の正方向に移動している２分の１周期だけ正極性とな
り、振動子３がＸ軸の負方向に移動している２分の１周
期だけ負極性となるパルス電流を電磁コイル１２ａ、１
２ｂに流している。全波パルス駆動は、半波パルス駆動
と比べて２倍の駆動期間を確保でき、しかも２つの電磁
コイル１２ａ、１２ｂによるプッシュプル駆動となるた
め、極めて高い効率の駆動を実現できる。

【００３６】図６は、本発明の第３実施形態の構成を示
す断面図である。この振動装置は、図３の構成をより具
体化したものであり、円筒形状の固定ヨーク１１と、固
定ヨーク１１の内部に中心軸Ｘ方向に沿って変位可能な
ように支持された振動子３と、振動子３の直線変位を案
内する円筒形状のボビン１３と、駆動磁界を発生するた
めの電磁コイル１２と、電磁コイル１２に正弦波または
パルス波の駆動電流Ｉを供給する発振器（不図示）など
で構成される。装置全体の寸法は、たとえば長さが１０
ｍｍ、外径は６ｍｍである。

【００３７】ボビン１３はプラスチック等の非磁性材料
で形成され、電磁コイル１２の導線を巻回するためのベ
ースとなる。ボビン１３および電磁コイル１２の外周面
に固定ヨーク１１が装着され、さらに固定ヨーク１１の
外径と一致するキャップ１４、１５がボビン１３の両端
に接着剤等によって装着され、固定ヨーク１１を固定す
るとともに装置の気密性、水密性を確保している。

【００３８】振動子３は、磁化方向が変位方向と平行に
なるように上面および下面がＮ極、Ｓ極に着磁された円
柱状の永久磁石４と、透磁率の大きな磁性材料で形成さ
れ、永久磁石４の上面および下面に密着固定された円柱
状の移動ヨーク５、６で構成される。移動ヨーク５、６
の外径は永久磁石４の外径より僅かに大きく、移動ヨー
ク５、６の周面を滑らかにすることによって、ボビン１
３の内面と移動ヨーク５、６との摺動が低摩擦になり、
円滑な振動を実現している。

【００３９】また、永久磁石４および移動ヨーク５、６
には、両側の密閉空間同士を連通するための貫通孔７が
形成され、密閉空間内の気体が自由に移動できる構造に
よって振動子３の自由振動を確保している。

【００４０】こうした構成において、振動子３のＮ極か
ら出た磁力線が固定ヨーク１１を通過して、振動子３の
Ｓ極に戻る磁気回路が形成される。振動子３は全体のポ
テンシャルエネルギーが最も低くなる位置、すなわち固
定ヨーク１１の対称中心点となる点Ｏで安定する。この
状態で、磁気回路を通過する磁界に対して電磁コイル１
２からの駆動磁界を周期的に重畳することによって、振
動子３に作用する磁界が周期的に変動するようになり、
振動子３が直線的に往復しながら振動する。

【００４１】電磁コイル１２の駆動電流波形は、図４
（ｂ）〜図４（ｅ）に示す各種駆動波形が使用可能であ
り、振動子３の共振周波数Ｆｍと駆動磁界の周波数Ｆａ
をほぼ一致させるこによって、エネルギー効率に優れた
機械的振動が得られる。

【００４２】なお、上記実施例では円筒形状の固定ヨー
クおよび振動子等で説明したが円筒形状に限定されるも
のではなく、たとえば断面が四角形状のものやさらに多
角形のもので構成してもよい。

【００４３】

【発明の効果】以上詳説したように本発明によれば、振
動子に固定ヨークの対称中心点を原点とした復元力が作
用するため、この状態で磁気回路を通過する磁界に対し
て電磁コイルからの駆動磁界を周期的に重畳することに
よって、振動子が直線的に振動するようになる。こうし
て電気的振動を機械的振動に効率良く変換できる。

【００４４】また、振動子の機械的共振周波数Ｆｍとほ
ぼ一致する周波数Ｆａの駆動磁界を印加することによっ
て共振現象が発生し、僅かなエネルギー供給によって大
きな振幅の振動が持続するようになる。こうして電気か
ら機械振動への変換効率が高くなり、少ない消費電力で
大きな振動出力が得られる。

【００４５】また、電磁コイルを固定ヨークと同軸で配
置することによって、振動子の磁化方向と交流磁界の方
向とが一致するため、電磁コイルから振動子への磁界伝
達効率が向上する。

【００４６】また、複数の電磁コイルを復元力原点を中
心に対称配置することによって、振動子と電磁コイルと
の相互作用を両側で実現できるため、単一の電磁コイル
を使用した場合と比べて振動子へのエネルギー伝達効率
が格段に向上し、大きな振動を発生できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】振動子の変位と復元力の関係を示すグラフであ
る。

【図２】振動子の共振特性を示すグラフである。

【図３】本発明の第１実施形態を示す構成図である。

【図４】図４（ａ）は振動子３の運動波形、図４（ｂ）
〜図４（ｅ）は電磁コイル１２の駆動電流波形の各種例
を示すグラフである。

【図５】本発明の第２実施形態を示す構成図である。

【図６】本発明の第３実施形態の構成を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

３ 振動子 ４ 永久磁石 ５、６ 移動ヨーク ７ 貫通孔 １１ 固定ヨーク １２、１２ａ、１２ｂ 電磁コイル １３ ボビン １４、１５ キャップ ２０ 発振器

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中空形状であって磁性材料から成る固定
   ヨークと、 固定ヨーク内の中心軸方向に沿って変位可能なように支
   持され、変位方向と平行な方向に磁化され、固定ヨーク
   との磁気作用によって復元力が付与された振動子と、 固定ヨークおよび振動子が形成する磁気回路を通過する
   磁界に対して、駆動磁界を重畳するための電磁コイルと
   を備えることを特徴とする振動装置。
2. 【請求項２】 振動子の復元力によって規定される機械
   的共振周波数Ｆｍと駆動磁界の周波数Ｆａとが略一致す
   ることを特徴とする請求項１記載の振動装置。
3. 【請求項３】 前記電磁コイルは、固定ヨークと同軸に
   配置されていることを特徴とする請求項１記載の振動装
   置。
4. 【請求項４】 複数の電磁コイルが振動子の復元力原点
   を中心として対称配置されていることを特徴とする請求
   項３記載の振動装置。