KR20050099490A - 자속 누설을 저감한 자기 액추에이터 및 촉각 정시 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 교호로 다른 자극을 향하여 자석(10a~10d)을 병설한 제 1 자석 어레이와, 제 1 자석 어레이의 복수의 자극을 걸쳐 설치한 평면 코일(12a~12d)을 구비하고, 평면 코일(12a~12d)에 전류를 흐르게 함으로써 구동력을 얻는 자기 액추에이터로서, 제 1 자석 어레이에 대해서 소정의 간격을 갖고 자석(24a~24d)을 배치하여 제 2 자석 어레이로 하고, 제 2 자석 어레이는 제 1 자석 어레이의 자석(10a~10d)의 자극에 대해서 서로 다른 자극을 서로 마주하여 자석(24a~24d)을 병설하여 되는 자기 액추에이터에 관한 것이다.

Description

자속 누설을 저감한 자기 액추에이터 및 촉각 정시 장치{MAGNETIC ACTUATOR WITH REDUCED MAGNETIC FLUX LEAKAGE AND HAPTIC SENSE PRESENTING DEVICE}
본 발명은 장치 외부로의 자속 누설을 저감하고, 또한, 안정 동작을 가능하게 한 자기 액추에이터 및 촉각 정시 장치에 관한 것이다.
근년, 전기 자기적 상호작용을 구동력으로서 이용한 자기 액추에이터가 널리 사용되고 있다. 예를 들어, 정보 전달 장치의 발달에 수반하여, 시각, 청각에 더하여 촉각을 통하여 정보를 전달하는 수단이 필요하게 되어, 소형의 자기 액추에이터를 마우스 등의 포인팅 디바이스에 넣어, 손가락 끝으로 진동을 줄 수 있는 촉각 정시 장치가 실현되어 있다.
일본국 특개2000-330688호 공보에는 자기 액추에이터를 넣은 촉각 정시 장치가 개시되어 있다. 도 16의 (A)와 같이, 포인팅 디바이스(100)내에 자기 액추에이터를 구비하고, 그 자기 액추에이터에 연결된 전달부(18)를 설치한다. 사용시에는, 도 16의 (B)와 같이, 전달부(18)에 손가락 끝을 접촉시킴으로써, 자기 액추에이터로부터의 진동을 손가락 끝으로 전할 수 있다
도 17 및 도 18에, 당해 촉각 정시 장치에 내장된 자기 액추에이터의 측면도 및 주요부의 전개 사시도를 각각 나타낸다.
자기 액추에이터는 도 17과 같이, 자석 어레이(10), 평면 코일(12), 요크판(yoke plate)(14a,14b), 스터드(stud)(16), 전달부(18), 접동부(20) 및 연결부(22)로 구성된다. 또한, 도 18과 같이, 자석 어레이(10)는 자석(10a~10d), 및 평면 코일(12)은 평면 코일(12a~12d)을 포함하여 된다.
자석(10a~10d)은 요크판(14a)상에 교호로 다른 극성을 향하여 병설된다. 평면 코일(12a~12d)은 각각 자석(10a~10d)에 대해서 소정의 간극만큼 떨어져서, 복수의 자석을 걸치도록 설치된다. 그 평면 코일(12)를 덮도록 요크판(14b)이 설치된다. 요크판(14a)과 요크판(14b)의 사이는 스터드(16)에 의해서 일정한 간격이 되도록 지지된다.
전달부(18)는 도 17과 같이, 연결부(22)를 통하여, 평면 코일(12a~12d)과 공통으로 결합되어 있다. 한편, 전달부(18)는 접동부(20)에 의해서, 외부재(26)에 대해서 상대적으로 접동 가능하게 결합되어 있다.
요크판(14a) 및 요크판(14b) 사이에는 자석(10a~10d)에 의해서 자장이 발생하고 있다. 이 자장 내에서 평면 코일(12a~12d)에 전류를 흐르게 함으로써, 평면 코일(12a~12d)에 대해서 전자력이 생겨서 전달부(18)가 구동된다. 예를 들어, 도 18과 같이, 자석(10a~10d)의 N극 및 S극을 Z축 방향을 향하여 배치하고, 평면 코일(12)을 X-Y 평면내에 설치한 경우에는, X-Y 평면내에서 구동력을 발생시킬 수 있다.
이러한 포인팅 디바이스 등에 내장되는 자기 액추에이터는, 가능한 한 소형으로 할 필요가 있고, 한편, 가능한 한 가동 범위를 크게 하려는 요망이 있다. 또한, 사이즈에 대해서, 가능한 한 큰 구동력을 얻기 위해서, 외부로의 누설 자속을 막고, 자장과 코일 전류와의 상호작용을 크게 함이 필요하다. 또한, 외부의 기기(예를 들어, 디스플레이나 자기 카드 등)로의 영향을 피하기 위해, 자기 액추에이터내의 자석으로부터 외부로의 누설 자장을 충분히 낮게 할 필요가 있다.
그러나, 상기 종래의 자기 액추에이터는 이하의 문제를 갖고 있다.
(A) 자기 액추에이터의 상부와 하부에서는 요크판(14a) 및 요크판(14b)에 의해서 자장이 차단되기 때문에, 외부로 누설되는 자장은 억제된다. 그러나, 자기 액추에이터의 측부에는, 평면 코일(12)이 이동했을 때에 부재 끼리가 간섭하는 것을 회피하기 때문에 요크를 설치할 수 없어, 측부로부터 외부로 누설되는 자장은 상하부에 비해서 크게 된다. 그 때문에, 구동력 발생에 유효한 자장이 감소하여, 외부의 기기로의 영향이 크게 되는 문제가 있다. 또한 평면 코일(12)이 자기 액추에이터의 중심부로부터 멀어짐에 따라서, 측부로부터의 누설 자속에 의한 자장의 감소의 영향을 받기 쉬워, 충분한 구동력을 얻을 수 없게 되는 문제가 발생한다.
(B) 상기(A)의 문제를 회피하기 위하여, 자기 액추에이터의 측부에 요크를 설치한 경우에는, 종래와 동일한 가동 범위를 얻기 위해서, 자기 액추에이터 자체를 크게 할 필요가 있어, 소형화 및 경량화의 요청을 만족할 수 없다.
(C) 자기 액추에이터에서, 도 19와 같이, 평면 코일(12)을 자석(10)의 단부 부근까지 이동시킨 경우, 평면 코일(12)의 편측이 2개의 자석의 경계 부근에 가까워진다. 인접하는 자석의 경계 부근에서는 N극과 S극이 접근하고 있기 때문에, N극으로부터 S극으로 향한 수평 자장이 발생한다. 이 자장은, 도 19에 나타내는 바와 같이, 본래 필요로 하는 평면 코일(12)의 면내 방향으로의 구동력으로부터 벗어난 방향으로 구동력을 발생시킨다.
따라서, 자석의 경계 부근에 가까워지면, 평면 코일(12)이 기울거나, 또는 평면 코일(12)이 다른 부재와 얽키거나 하는 문제가 있다. 특히, 평면 코일(12)이 X방향 및 Y방향의 단부까지 이동한 경우에는, 모든 평면 코일(12)에 대해서 거의 수직 방향의 구동력이 발생하는 문제를 일으킨다.
본 발명은 상기 종래 기술의 문제를 감안하여, 측부에 새로운 부재를 설치하지 않고 사이즈와 중량을 종래와 동일하게 유지한 채, 측부로부터의 누설 자장을 저감하고, 가동 범위 전체에 있어서 안정 동작하는 자기 액추에이터 및 촉각 정시 장치를 제공하는 것이다.
하기와 같은 구성을 채용함으로써, 상기의 과제를 해결함에 성공했다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 서로 다른 자극을 서로 마주하여 배치된 자석과, 당해 자극간에 적어도 일부를 삽입하여 이루어지는 코일을 포함하며, 상기 자석에 의해 발생된 자장 내에서 상기 코일에 전류를 흐르게 함으로써, 당해 코일에 대한 구동력을 얻는 것을 특징으로 하는 자속 누설을 저감한 자기 액추에이터이다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명은, 진동에 의해 동물의 촉각에 대해서 자극을 주는 촉각 정시 장치로서, 서로 다른 자극을 서로 마주하여 배치된 자석과, 당해 자극간에 적어도 일부를 삽입하여 이루어지는 코일을 포함하며, 상기 자석에 의해 발생된 자장 내에서 상기 코일에 전류를 흐르게 함으로써, 당해 코일에 대한 구동력을 얻는 것을 특징으로 하는 자속 누설을 저감한 자기 액추에이터를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 액추에이터는, 제 1 면 및 제 2 면을 갖는 대략 평판상의 하측 요크판과, 제 3 면 및 제 4 면을 갖고, 하측 요크판의 제 2 면에 제 3 면이 대향하도록 설치된 대략 평판상의 상측 요크판과, 하측 요크판의 제 2 면에 고정되어 설치된 복수의 자석과, 복수의 자석과 상측 요크판 사이에, 상측 요크판의 제 3 면에 평행하게 설치된 복수의 코일과, 복수의 코일을 일체로 고정하는 연결부와, 하측 요크판의 제 2 면 및 상측 요크판의 제 3 면 모두 또는 어느 하나의 주변부에 설치된 자성체로 되는 자기 차폐부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
발명의 실시 형태
이하에 본 발명의 실시 형태에 의한 자기 액추에이터를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
<제 1 실시 형태>
도 1 및 도 2에, 본 실시 형태에서의 자기 액추에이터의 측면도 및 주요부의 전개 사시도를 각각 나타낸다.
본 실시 형태에서의 자기 액추에이터는 도 1과 같이, 자석 어레이(10,24), 평면 코일(12), 요크판(14a,14b), 스터드(16), 전달부(18), 접동부(20) 및 연결부(22)로 기본적으로 구성된다. 자석 어레이(10, 24)는 도 2와 같이, 각각 4개의 자석(10a~10d) 및 자석(24a~24d)를 포함해서 이루어진다. 또한, 평면 코일(12)은 4개의 평면 코일(12a~12d)를 포함해서 이루어진다. 본 실시 형태의 자기 액추에이터는 하측 요크판(14a)에 자석(10a~10d)이 배치되어 있는 것에 더하여, 상측 요크판(14b)에도 새로 자석(24a~24d)이 설치되어 있는 것이 특징적이다.
자석(10a~10d)은 하측 요크판(14a)상에, Z축 방향으로 교호로 다른 자극을 향하여 병설된다. 예를 들어, 도 2와 같이, 자석(10a)의 N극을 자기 액추에이터 내부를 향하여 설치한 경우에는, 자석(10b)의 S극, 자석(10c)의 S극 및 자석(10d)의 N극을 자기 액추에이터 내부를 향하여 설치한다. 본 실시 형태에서는 자석(10a~10d)으로서, 각각 별개의 영구 자석을 사용하고 있지만, 1개의 자석에 대해서, 부분적으로 교호로 다른 자극이 향하도록 착자(着磁)해도 좋다.
평면 코일(12a~12d)은 도 1과 같이, 자석(10a~10d)상에 소정의 간극을 갖고, 자석(10a~10d)과 평행하게 설치된다. 평면 코일(12a~12d)은 자석(10a~10d)에 대해서 상대적으로 이동 가능하게 설치된다.
또한, 평면 코일(12a~12d)은, 각각이 자석(10a~10d)의 어느 2개를 걸치도록 배치된다. 예를 들어, 평면 코일(12a)은 자석(10a) 및 자석(10b)을 X향으로 걸치도록 배치된다. 이와 마찬가지로, 평면 코일(12b)은 자석(10c) 및 자석(10d)을 X방향으로, 평면 코일(12c)은 자석(10a) 및 자석(10c)를 Y방향으로, 및, 평면 코일(12d)은 자석(10b) 및 자석(10d)를 Y방향으로 걸치도록 배치된다.
평면 코일(12a,12b)은 도 3의 (B)와 같이, 공통의 전류가 8자를 그려 흐르도록 서로 접속된다. 평면 코일(12c, 12d)도, 도 3의 (C)와 같이, 서로 접속된다. 이들 코일 전류에 의한 작용은 후에 상세하게 설명한다.
평면 코일(12a~12d)의 권선에는, 일반적으로는 동선이 사용되지만, 자기 액추에이터를 경량화하기 위해서 동클래드(copper-clad) 알루미늄 등의 재료를 사용하는 것도 적합하다.
자석(24a~24d)은, 도 2와 같이, 상측 요크판(14b)에 고정되고, 각각 자석(10a~10d)에 대향하도록, 평면 코일(12a~12d)로부터 소정의 간극을 갖고 설치된다. 자석(24a~24d)과 자석(10a~10d)은, 각각의 서로 마주하는 자극이 다르도록 배치된다. 예를 들어, 자석(10a)의 N극을 자기 액추에이터의 내측을 향해 배치한 경우는, 자석(24a)의 S극을 자기 액추에이터의 내측을 향해 배치한다. 이와 마찬가지로, 자석(10b)과 자석(24b), 자석(10c)과 자석(24c), 및 자석(10d)과 자석(24d)을 서로 다른 자극이 서로 마주하도록 설치한다. 자석 어레이(24)와 자석 어레이(10)의 간극은 소정의 거리로 설정되며, 상측 요크판(14b)과 하측 요크판(14a)를 접속하는 스터드(16)에 의해서 일정하게 지지된다.
자석 어레이(10) 및 자석 어레이(24) 간의 거리는, 각 자석의 폭의 1/2이하로 함이 적합하다. 또한 각 자석의 폭의 1/5이하로 함이 보다 적합하다. 또한, 각 자석의 서로 마주하는 면이 구형(矩形)이 아니고, 원형 등인 경우에는 자석 어레이(10) 및 자석 어레이(24) 간의 거리는, 서로 마주한 면의 면적의 평방근의 1/2이하로 함이 적합하다. 또한 서로 마주한 면의 면적의 평방근의 1/5이하로 함이 적합하다.
자석(10a~10d) 및 자석(24a~24d)에는 영구 자석을 사용할 수 있다. 영구 자석은 일반적인 페라이트계 자석이라도 좋지만, 보다 자력이 강한 네오듐 자석 등의 희토류 자석을 사용함이 적합하다. 또한, 자기 액추에이터의 중량을 문제로 하지 않는 경우에는 코일에 의한 전자석으로 하는 구성에 의해서도 본 실시 형태와 같은 효과를 얻을 수 있다.
전달부(18)는 도 1과 같이, 연결부(22)를 통하여, 평면 코일(12a~12d)의 모두와 공통으로 고정된다. 또한, 전달부(18)는 접동부(20)에 의해서, 외부재(26)에 대해서 상대적으로 이동 가능하게 결합된다. 즉, X-Y 평면내에서, 요크판(14a,14b)에 고정된 자석(10a~10d) 및 자석(24a~24d)에 대해서 상대적으로 이동 가능하게 결합된다. 접동부(20)에는 예를 들어, 고무, 스프링 등의 탄성체나 볼베어링 등을 사용하는 것이 적합하다.
이하에, 도 3의 (A)~(D)를 참조하여, 본 실시 형태에서의 자기 액추에이터의 동작 및 작용을 상세하게 설명한다. 설명을 간단하게 하기 위해서, 도 3의 (A)~(D)에는, 하측 요크판(14a)에 배치된 자석(10a~10b)와 평면 코일(12a~12d)의 배치만을 나타낸다.
구동전은, 도 3의 (A)와 같이, 평면 코일(12a~12d)의 어디에도 전류가 흐르지 않고, 평면 코일(12a~12d)의 중심점은 접동부(20)의 부세(付勢) 작용에 의해서 자기 액추에이터의 중심 부근에 유지된다.
구동시에는, 평면 코일(12a) 및 평면 코일(12b)에 대해서, 도 3의 (B)와 같이, 외부 전원(도시하지 않음)으로부터 전류를 8자를 그리도록 흘린다. 자석(10a~10d) 및 자석(24a~24d)(도시하지 않음)에 의한 자장과 코일 전류와의 전기 자기적인 상호 작용에 의해, X방향으로의 구동력이 발생한다. 이때, 평면 코일(12a~12d)과 공통으로 고정된 전달부(18)(도시하지 않음)는 평면 코일(12a~12d)과 함께 X방향으로 구동된다.
마찬가지로, 평면 코일(12c) 및 평면 코일(12d)에 대해서, 도 3의 ( C)와 같이, 외부 전원으로부터 전류를 8자로 흘리면, 전자적인 상호작용에 의해, Y방향으로의 구동력이 발생한다. 따라서, 전달부(18)(도시하지 않음)는 평면 코일(12a~12d)과 함께 Y방향으로 구동된다.
또한, 평면 코일(12a) 및 평면 코일(12b)과 평면 코일(12c) 및 평면 코일(12d)에 대하여, 도 3의 (D)와 같이, 동시에 전류를 흘리는 경우는, 각각의 평면 코일의 조합에 대한 전류의 크기에 따라서, 평면 코일은 X방향 및 Y방향으로 동시에 이동한다.
이때, 본 실시 형태에서는 자석(10a~10d)에 더하여, 자석(24a~24d)이 더 설치되어 있기 때문에, 도 4와 같이, 자기 액추에이터 내부 전체에서 X-Y 평면에 대해서 수직 방향으로 자장(점선 화살표)을 발생시킬 수 있다. 따라서, 평면 코일(12)이 자석(10a~10d) 및 자석(24a~24d)의 단부 부근까지 구동된 경우라도, 평면 코일(12)에 대한 수직 방향(Z방향)으로의 힘 발생을 큰폭으로 저감할 수 있다. 또한, 자기 액추에이터를 안정적으로 구동시킬 수 있다.
또한, 수평 방향으로의 자장을 저감함으로써, 동시에 수직 방향으로의 자장의 강도를 증가시킬 수 있다. 그 결과, 평면 코일(12)에 대해서 평행 방향(X 또는 Y방향)으로의 구동력을 증가시킬 수 있다.
또한, 자석 단부에서도 자장이 수직 방향을 향하기 때문에, 자기 액추에이터의 측면으로부터의 누설 자장이 저감된다. 그 결과, 외부 기기로의 자장의 영향을 큰폭으로 저감할 수 있다.
이때, 새로 설치된 자석(24a~24d)의 두께분만큼 자석(10a~10d)의 두께를 삭감함으로써, 자기 액추에이터의 사이즈 및 중량을, 적어도 종래 기술과 동일한 정도로 유지할 수 있다. 또한, 자석으로부터 발생하는 자장을 수직 방향으로 유효하게 이용할 수 있기 때문에, 자기 액추에이터의 사이즈 및 중량을 저감할 수도 있다.
본 실시 형태에서는 자석 어레이(10) 및 자석 어레이(24)를, 각각 4개의 자석(10a~10d) 및 자석(24a~24d)에 의해서 구성했지만, 자석의 개수는 이것에 한정되는 것이 아니다. 예를 들어, X방향 또는 Y방향의 어느 하나에만 구동시키는 경우에는, 자석 어레이(10) 및 자석 어레이(24)를 각각 2개의 자석에 의해서 구성하고, 그 자석의 간극에 평면 코일을 1개 설치하면 좋다.
도 8에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태에서의 자기 액추에이터를, 포인팅 디바이스 내에 넣어서 촉각 정시 장치를 구성할 수도 있다. 누설 자속을 저감할 수 있기 때문에, 디스플레이 등의 다른 장치로의 자장의 영향을 작게할 수 있다. 또한, 효율적으로 구동력을 얻을 수 있기 때문에, 촉각 정시 장치를 소형화할 수도 있다.
(비교예)
이하에, 도 9 및 도 10에 나타낸 종래 기술의 형태를 따른 비교예를 나타낸다.
요크판(14a,14b)은 재료를 철로, 형상은 구형으로 구성하고 자석의 크기에 따른 각변의 길이를 적절히 설정했다. 요크판(14a,14b)에는 구성상, 개구부를 설치했다.
자석(10a~10d)에는 네오듐 자석을 사용했다. 또한, 두께는 1~10mm의 수준으로부터 소정의 하나의 수준을, 각변의 길이는 5~50mm의 수준으로부터 소정의 하나의 수준을 선택하고, 스터드(16)가 설치되는 부분을 원호상으로 잘라낸 것을 사용했다.
자석(10a~10d)은 하측 요크판(14a)에, 자극이 교호로 향하도록 밀착시켜 설치했다. 이때, 요크판(14a)의 개구부에 맞추어, 일부를 잘라내 설치했다.
평면 코일(12a~12d)은 각각 대략 구형(矩形)의 주위에 도전선을 50~300턴의 수준 중에서 소정의 턴 수로 감고, 두께는 1~5mm의 수준으로부터 소정의 두께의 것을 사용했다. 도전선에는 동선을 사용하였다.
스터드(16)는 요크판(14a)과 요크판(14b)을 소정의 간극에서 대략 평행하게 유지하기 위하여 요크판의 4 귀퉁이에 설치했다.
평면 코일(12a~12d)은 자석(10a~10d)과 접촉하지 않을 정도의 간극을 유지하여 보지하도록 하였다.
(실시예)
이하에 도 1 및 도 2에 나타낸 상기 제 1 실시 형태에 의한 구체예를 나타낸다.
요크판(14a,14b)은 재료를 철로 하고, 두께, 길이 모두 비교예의 구성과 동일하게 했다. 요크판(14a,14b)에는, 구성상, 구형의 개구부를 설치하였다.
자석(10a~10d) 및 자석(24a~24d)에는 네오듐 자석을 사용했다. 또한, 두께는 비교 예의 1/2의 두께로 하고, 각변의 길이는 비교예와 동일하게 하고, 스터드(16)가 설치되는 부분을 원호상으로 잘라낸 것을 사용했다.
자석(10a~10d) 및 자석(24a~24d)은, 각각 하측 요크판(14a)과 상측 요크판(14b)에, 자극이 교호로 향하도록 밀착시켜 설치했다. 이때, 요크판(14a,14b)의 개구부에 맞추어, 일부를 잘라내서 설치하였다.
평면 코일(12a~12d)은 비교예와 동일 조건의 것을 사용했다.
스터드(16)는 요크판(14a)과 요크판(14b)을 소정의 간극으로 대략 평행하게 유지하기 위해서 요크판의 4 귀퉁이에 설치했다.
평면 코일(12a~12d)은 자석(10a~10d) 및 자석(24a~24d) 사이에 삽입하고, 각각 접촉하지 않을 정도의 간극을 유지하여 보지하도록 하였다.
(외부 누설 자속의 측정)
상기 비교예 및 실시예에 대해서, 자기 액추에이터 외부로의 자속 누설에 대하여 측정했다. 측정은, 도 5와 같이, 자기 액추에이터 상측 요크판(14b)으로부터 5mm 만큼 떨어진 장소(도 5의 파선 a), 하측 요크판(14a)으로부터 5mm 만큼 떨어진 장소(도 5의 파선 b), 및 자기 액추에이터의 측부로부터 5mm 만큼 떨어진 장소(도 5의 파선 c)에서, 최대의 누설 자속을 측정했다.
각 장소에서의 자속 누설의 측정 결과를 도 20에 나타낸다. 상측 요크판(14b)(도 5의 파선 a)과 하측 요크판(14a)(도 5의 파선 b)의 부근에서는, 비교예에서의 최대 누설 자속과 비교하여, 실시예에서는 모두 약40％ 감소했다. 측부 부근(도 5의 파선 c)에서는, 비교예서의 최대 누설 자속과 비교하여, 실시예에서는 약 10~20％까지 감소하여, 효과가 높음을 검증할 수 있었다.
(구동력의 측정)
또한, 비교예 및 실시예에서, 평면 코일(12a) 및 평면 코일(12b)에 동일 전류를 흘린 경우의 구동력에 대해서 측정한 결과를 나타낸다.
평면 코일에 대해서 평행 방향(X방향)으로의 구동력은 도 6에 나타내는 바와 같이, 비교예와 비교하여 실시예에서는 증가했다. 한편, 평면 코일에 대해서 수직 방향(Z방향)으로의 구동력은 도 6에 나타내는 바와 같이, 비교예와 비교하여 실시예에서는 큰폭으로 감소하였다.
또한 비교예 및 실시예에서, 평면 코일(12a) 및 평면 코일(12b)과 평면 코일(12c) 및 평면 코일(12d)에 동일 전류를 흘린 경우의 구동력에 대해서 측정한 결과를 나타낸다.
평면 코일에 대해서 수평 방향(X-Y 방향)으로의 구동력은 도 7에 나타내는 바와 같이, 비교예와 비교하여 실시예에서는 증가하였다. 한편, 평면 코일에 대해서 수직 방향(Z방향)으로의 구동력은 도 7에 나타내는 바와 같이, 비교예와 비교하여 실시예에서는 큰폭으로 감소했다.
(제 2 실시 형태)
본 발명에 의한 액추에이터의 제 2 실시 형태에 대해서 설명한다.
도 8 및 도 9에 나타내는 바와 같이, 이 액추에이터(1)는 하측 요크판(14a) 및 상측 요크판(14b)을 구비하고 있다. 하측 요크판(14a) 및 상측 요크판(14b)은 자성체로 된다. 하측 요크판(14a)의 형상은 대략 정방형의 평판상이고, 제 1 면(30a)과, 제 1 면(30a)의 반대측에 있는 면인 제 2 면(30b)를 갖는다. 상측 요크판(14b)은 대략 정방형의 평판의 4귀퉁이를 비스듬하게 노치한 형상이다. 상측 요크판(14b)은 제 3 면(40a)와, 제 3 면(40a)의 반대측의 면인 제 4 면(40b)를 갖는다. 또한, 상측 요크판(14b)의 4 귀퉁이를 노치하는 것은, 부착시의 간섭을 방지하기 위함이다. 하측 요크판(14a) 및 상측 요크판(14b)은 제 2 면(30b)과 제 3 면(40a)이 대향하도록 서로 대략 평행한 위치에 설치되어 있고, 4개의 스터드(16)에 의해서 서로의 네 귀퉁이가 고정되어 있다. 또한, 도 9에 나타내는 바와 같이, 상측 요크판(14b)은 대략 중앙 부분에 개구부(40c)를 갖는다.
또한, 하측 요크판(14a)에는 자기 차폐부(31~34)가 설치되어 있다. 자기 차폐부(31~34)는 하측 요크판(14a)의 제 2 면(30b)의 주변부에 설치되어 있다. 구체적으로는 자기 차폐부(31~34)는 하측 요크판(14a)의 단부를 제 2 면(30b)측에 절곡하여 형성되어 있다. 자기 차폐부(31~34)는 하측 요크판(14a)에 대해서 대략 직각으로 굴곡되어 있고, 하측 요크판(14a)의 제 2 면(30b)로부터의 높이는 자기 차폐부(31~34) 각각이 서로 대략 같게 형성되어 있다.
또한, 액추에이터(1)는 전달부(18) 및 연결부(22)를 구비한다. 연결부(22)는 하측 요크판(14a)과 상측 요크판(14b) 사이에, 제 3 면(40a)과 평행하게 동작할 수 있도록 설치된다. 연결부(22)는 제 3 면(40a)과 대략 평행이고 서로 직교하는 2방향으로 뻗는 판상 부분을 갖고 있다. 또한, 연결부(22)는 판상 부분의 대략 중앙으로부터 상측 요크판(14b)의 개구부(40c)를 관통하도록 각기둥 형상으로 돌출한 기둥 형상부(22a)를 갖는다. 전달부(18)는 기둥 형상부(22a)의 선단에 고정되며, 상측 요크판(14b)의 제 4 면(40b)에, 연결부(22)와 함께 변위 가능하게 설치된다. 전달부(18)의 형상은 중앙 부근이 두꺼운 원반 형상이다.
도 11에, 4개의 자기 차폐부(31~34), 4개의 자석(10a~10d), 및 4개의 코일(12a~12d) 각각의 상대적 위치 관계가 나타나 있다. 이 도면 중에 나타나 있는 바와 같이, 하측 요크판(14a)의 중심 위치를 원점으로 하는 XYZ 직교 좌표계를 상정한다. X축 및 Y축 각각은 하측 요크판(14a)의 외부 프레임의 각변과 평행하다.
자기 차폐부(31~34)는 하측 요크판(14a)의 주변부에 설치되어 있다. 자기 차폐부(31) 및 자기 차폐부(33)는 그 길이 방향이 서로 대략 평행이 되도록 설치되어 있다. 자기 차폐부(32) 및 자기 차폐부(34)는 그 길이 방향이 서로 대략 평행이 되도록, 또한, 그 길이 방향이 자기 차폐부(31) 및 자기 차폐부(33)의 길이 방향과 대략 직각이 되도록 설치되어 있다. 또한, 도 11에 나타내는 바와 같이, 자기 차폐부(31)는 자기 차폐부(31)의 길이 방향의 길이(d1)가 자석(10b) 및 자석(10d) 각각의 자기 차폐부(31)에 가장 가까운 변의 길이의 합(d2)보다도 길게 되도록 구성되어 있다. 자기 차폐부(32)와 자석(10b) 및 자석(10a), 자기 차폐부(33)와 자석(10a) 및 자석(10c), 자기 차폐부(34)와 자석(10c) 및 자석(10d) 각각의 관계에 대해서도 같다.
코일(12a~12d) 각각은 서로 독립적으로 전류를 흐르게 할 수 있다. 또한, 코일(12a~12d) 각각에 흐르는 전류의 크기 및 방향에 따라서, 자석(10a~10d) 각각이 만드는 자계와 코일(12a~12d) 각각의 도선 간에, 프레밍의 왼손의 법칙에 따른 전자력이 생긴다. 이것에 의하여, 코일(12a~12d)각각에 추진력이 생긴다. 그리고, 자석(10a~10d)이 고정된 하측 요크판(14a)에 대해, 코일(12a~12d) 및 연결부(22)가 이동한다. 그리고, 이 코일(12a~12d) 및 연결부(22)가 이동함으로써, 기둥 형상부(22a)에 고정된 전달부(18)에 손을 대고 있는 조작자의 손가락 등에 촉각이 정시(呈示)된다.
도 12에 액추에이터(1)의 측면도가 나타나 있다. 이 도면은 액추에이터(1)를 Y축 방향에서 보았을 때의 것이다. 이 도면에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태의 액추에이터(1)는 하측 요크판(14a)의 제 2 면(30b)으로부터의 자기 차폐부(31~34)의 높이(d3)가 하측 요크판(14a)의 제 2 면(30b)으로부터 코일(12a~12d)까지의 거리(d4)보다 작게 되도록 구성되어 있다. 또한, 하측 요크판(14a)의 4 귀퉁이에 설치되어 있는 스터드(16)는 각각의 일단이 하측 요크판(14a)에, 타단이 상측 요크판(14b)에 고정되어, 하측 요크판(14a)과 상측 요크판(14b)을 고정하는 것이다.
본 실시 형태에 의한 액추에이터(1)는 이하의 효과를 갖는다. 액추에이터(1)의 측면 방향으로 뻗는 자속이 하측 요크판(14a)의 제 2 면(30b)의 주변부에 설치된 자기 차폐부(31~34)에 의해서 차폐된다. 또한, 자기 차폐부(31~34)가 제 2 면(30b)에 설치됨으로써, 복수의 코일(12a~12d) 및 연결부(22)에 자기 차폐부(31~34)가 접촉하지 않도록 액추에이터를 구성할 수 있다. 이에 의하여, 소형의 기기에 수용될 때 액추에이터의 사이즈가 제약된다 하여도, 복수의 코일(12a~12d) 및 연결부(22)의 가동 범위를 좁히는 일은 없다. 이와 같이, 하측 요크판(14a), 상측 요크판(14b), 및 자기 차폐부(31~34)를 구비함으로써, 액추에이터의 사이즈가 제약되어도 복수의 코일(12a~12d) 및 연결부(22)의 가동 범위를 좁히지 않고, 액추에이터 외부로의 자속의 누설을 저감할 수 있다.
특히, 자석이 하측 요크판(14a)의 단부에 접근하고 있는 개소에서는 자속의 누설이 많기 때문에, 본 실시 형태와 같이, 자기 차폐부(31~34)의 길이 방향의 길이(d1)가 4개의 자석 각각의 자기 차폐부에 가장 가까운 변의 길이의 합(d2)보다도 길게 되도록 구성하면 좋다. 이에 의하여, 액추에이터 외부로의 자속의 누설을 더욱 저감할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에 의한 액추에이터(1)는 자기 차폐부(31~34)의 제 2 면(30b)으로부터의 높이(d3)가 제 2 면(30b)으로부터 복수의 코일(12a~12d)까지의 거리(d4)보다도 작게 구성되어 있다. 자기 차폐부(31~34)는 이와 같이 구성되는 것이 바람직하다. 이에 의하여, 자기 차폐부(31~34)와 복수의 코일(12a~12d)이 접촉하지 않는 구성을 적합하게 실현할 수 있으므로, 액추에이터의 사이즈가 제약되어도 복수의 코일(12a~12d)의 가동 범위를 좁히지 않고, 자속의 누설을 저감할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는 하측 요크판(14a)의 단부를 절곡하여 자기 차폐부(31~34)를 형성하고 있다. 자기 차폐부(31~34)를 이와 같이 형성하면, 제작 공정이 간단 용이하고, 자기 차폐부를 용이하게 설치할 수 있다. 또한, 부품 점수가 증가하지 않기 때문에 자기 차폐부(31~34)를 설치함에 의한 비용 상승을 억제할 수 있다.
또한, 하측 요크판(14a) 전체의 중량에서 차지하는 자기 차폐부(31~34)의 중량은 조금이고, 또한, 자기 차폐부(31~34)를 설치하여도 액추에이터의 외형 치수는 변화하지 않는다. 따라서, 자기 차폐부(31~34)를 설치함으로써, 자속의 누설을 저감할 수 있는 구조를 약간의 중량 증가로 실현할 수 있다.
(변형예)
본 발명에 의한 액추에이터의 변형예에 대해서 설명한다. 액추에이터(2)는 도 8에 나타내는 액추에이터(1)와 동일한 외관을 갖고 있다. 도 13은 액추에이터(2)의 도 8에서의 I-I 단면과 같은 단면을 나타내는 측면 단면도이다. 도 14은 코일(12a~12d)과 자석(24a~24d)의 위치 관계를 나타내는 저면도이다. 도 14에서는 도 11에서 상정한 XYZ 직교 좌표계를 재차 사용한다.
도 13 및 도 14에 나타내는 바와 같이, 액추에이터(2)는 하측 요크판(14a), 상측 요크판(14b), 4개의 자석(10a~10d), 4개의 코일(12a~12d), 전달부(18), 및 연결부(22)을 구비하고 있다.
액추에이터(2)는 4개의 자석(24a~24d)을 구비하고 있다. 자석(24a~24d)는 제 1 실시 형태와 동일하게 배치된다.
또한, 하측 요크판(14a) 및 상측 요크판(14b) 각각에는 자기 차폐부(31~34) 및 자기 차폐부(35~38) 각각이 설치되어 있다. 자기 차폐부(31~34)의 구성은 제 2 실시 형태의 것과 같다. 자기 차폐부(35~38)는 상측 요크판(14b)의 제 3 면(40a)의 주변부에 설치되어 있다. 자기 차폐부(35~38)는 자기 차폐부(31~34)와 마찬가지로 상측 요크판(14b)의 단부를 제 3 면(40a)측으로 절곡하여 형성되어 있다. 자기 차폐부(35~38)는 상측 요크판(14b)에 대해 대략 직각으로 굴곡되어 있고, 상측 요크판(14b)의 제 3 면(40a)으로부터의 높이는 자기 차폐부(35~38) 각각이 서로 대략 같게 형성되어 있다. 본 실시 형태의 액추에이터(2)는 상측 요크판(14b)의 제 3 면(40a)으로부터의 자기 차폐부(35~38)의 높이(d7)가 상측 요크판(14b)의 제 3 면(40a)로부터 코일(12a~12d)까지의 거리(d8)보다 작게 되도록 구성되어 있다.
도 14을 참조하면, 자기 차폐부(35~38)는 상측 요크판(14b)의 주변부에 설치되어 있다. 자기 차폐부(35) 및 자기 차폐부(37)는 그 길이 방향이 서로 대략 평행이 되도록 설치되어 있다. 자기 차폐부(36) 및 자기 차폐부(38)는 그 길이 방향이 서로 대략 평행이 되도록, 또한, 그 길이 방향이 자기 차폐부(35) 및 자기 차폐부(37)의 길이 방향과 대략 직각이 되도록 설치되어 있다. 또한, 자기 차폐부(35)는, 자기 차폐부(35)의 길이 방향의 길이(d5)가 자석(24a) 및 자석(24d) 각각의 자기 차폐부(35)에 가장 가까운 변의 길이의 합(d6)보다도 길게 되도록 구성되어 있다. 자기 차폐부(36)와 자석(24a) 및 자석(24b), 자기 차폐부(37)과 자석(24b) 및 자석(24c), 자기 차폐부(38)와 자석(24c) 및 자석(24d) 각각의 관계에 대해서도 같다.
액추에이터(2)는 이하의 효과를 갖는다. 액추에이터(2)의 측면 방향에 뻗는 자속이, 하측 요크판(14a)의 제 2 면(30b)의 주변부에 설치된 자기 차폐부(31~34), 및 상측 요크판(14b)의 제 3 면(40a)의 주변부에 설치된 자기 차폐부(35~38)에 의해서 차폐된다. 또한, 자기 차폐부(31~34)는 제 2 면(30b)에 설치되고, 자기 차폐부(35~38)는 제 3 면(40a)에 설치됨으로써, 복수의 코일(12a~12d) 및 연결부(22)에 자기 차폐부(31~34) 및 자기 차폐부(35~38)가 접촉하지 않도록 액추에이터를 구성할 수 있다. 이것에 의해, 소형의 기기에 수용될 때에 액추에이터의 사이즈가 제약된다 하여도, 복수의 코일(12a~12d) 및 연결부(22)의 가동 범위를 좁히는 일은 없다. 이와 같이, 본 실시 형태에 의한 액추에이터에 의하면, 액추에이터의 사이즈가 제약되어도 복수의 코일(12a~12d) 및 연결부(22)의 가동 범위를 좁히지 않고, 액추에이터 외부로의 자속의 누설을 저감할 수 있다.
또한, 액추에이터는 자기 차폐부(31~34)를 제거한 구성이라도 좋고, 하측 요크판(14a), 상측 요크판(14b), 및 자기 차폐부(35~38)를 구비함으로써, 액추에이터의 사이즈가 제약되어도 복수의 코일(12a~12d) 및 연결부(22)의 가동 범위를 좁히지 않고 액추에이터 외부로의 자속의 누설을 저감할 수 있다.
또한, 액추에이터(2)는 자기 차폐부(31~34)의 제 2 면(30b)으로부터의 높이(d3)가 제 2 면(30b)으로부터 복수의 코일(12a~12d)까지의 거리(d4)보다 도 작다. 또, 자기 차폐부(35~38)의 제 3 면(40a)으로부터의 높이(d7)가 제 3 면(40a)으로부터 복수의 코일(12a~12d)까지의 거리(d8)보다도 작다. 자기 차폐부(31~34) 및 자기 차폐부(35~38)는 이와 같이 구성되는 것이 바람직하고, 이에 의하여, 자기 차폐부(31~34) 및 자기 차폐부(35~38)와 복수의 코일(12a~12d)이 접촉하지 않는 구성을 적합하게 실현할 수 있으므로, 액추에이터의 사이즈가 제약되어도 복수의 코일(12a~12d)의 가동 범위를 좁히지 않고 자속의 누설을 저감할 수 있다.
(실시예)
여기서, 본 발명에 의한 액추에이터의 실시예를 설명한다. 실시예는 상기한 제 2 실시 형태를 실시한 것이다. 실시예에서는 자기 차폐부(31~34)의 높이(d3)를, 자석(10a~10d)의 두께와 같게 될 때까지 자석(10a~10d)의 두께의 1/4씩 변화시켜, 액추에이터의 외부로 누설되는 자속을 해석했다. 그리고, 액추에이터의 측면으로부터 5mm 떨어진 위치에서의 자속의 누설을 평가하였다.
도 15는 액추에이터로부터의 자속의 누설을 평가한 그래프이다. 도 15에 나타내는 그래프는 횡축에 자기 차폐부(31~34)의 높이(d3)의, 자석(10a~10d)의 두께에 대한 비율을 백분율로 표시하고 있다. 또한, 종축에 액추에이터의 측면으로부터 5mm 떨어진 위치에서의 자속의 누설의 최대치를 표시하고 있다.
도 15에 나타내는 그래프를 참조하면, 액추에이터 측면으로부터의 자속 누설 최대치는 자기 차폐부(31~34)의 높이(d3)를 높게 할수록 감소하고 있다. 특히, 자기 차폐부(31~34)의 높이(d3)를 자석(10a~10d)의 두께의 50~100％으로 했을 때(도면 중 A)에, 액추에이터 측면으로부터의 자속 누설을 저감하는 효과가 높음을 알았다. 또한, 자기 차폐부(31~34)의 높이(d3)를 자석 높이와 같게(1OO％)한 액추에이터는, 자기 차폐부(31~34)의 높이가0％, 즉 자기 차폐부를 구비하지 않은 액추에이터에 비해서 자기 누설 최대치는 약 반으로 저감되어 있음을 알았다.
본 발명에 의한 액추에이터는, 상기한 각 실시 형태에 한정되는 것이 아니고, 여러가지 변형이 가능하다. 예를 들어, 자기 차폐부는 하측 요크판이나 상측 요크판의 단부를 절곡하여 형성하는 것 외에도, 하측 요크판 및 상측 요크판을 다른 자성체를 사용하여 구성할 수도 있다. 일례로는, 가늘고 긴 각(角) 기둥상의 자성체를, 하측 요크판 또는 상측 요크판의 4변을 따르도록 제 2 면상 또는 제 3 면상에 자기 차폐부로서 설치함으로써, 액추에이터의 사이즈가 제약되어도 복수의 코일 및 연결부의 가동 범위를 좁히지 않고 외부로의 자속의 누설을 저감할 수 있다.
본 발명에 의하면, 자기 액추에이터 내부 전체에서 평면 코일에 대해서 수직 방향으로 자장을 발생시킬 수 있다. 그 결과, 평면 코일에 대해서 수직 방향(Z방향)으로의 힘의 발생을 큰폭으로 저감할 수 있고, 동시에 평면 코일에 대해서 평행 방향(X 또는 Y방향)으로의 구동력을 증가시킬 수 있다. 따라서, 자기 액추에이터를 안정하게 동작시킬 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 자석 단부에서도 자장이 수직 방향으로 향하기 때문에, 자기 액추에이터의 측면으로부터의 누설 자속을 저감할 수 있다. 그 결과, 외부 기기으로의 자장의 영향을 큰폭으로 저감할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 자기 액추에이터의 사이즈 및 중량을 종래와 동일하게 유지한 채로, 상기의 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시 형태에서의 자기 액추에이터의 구성을 나타내는 측면도.
도 2는 본 발명의 제 1 실시 형태에서의 자기 액추에이터의 주요부의 전개 사시도.
도 3의 (A)~(D)는 본 발명의 제 1 실시 형태에서의 자기 액추에이터의 평면 코일의 전류와 구동 방향과의 관계를 설명하는 도면.
도 4는 본 발명의 제 1 실시 형태에서의 자기 액추에이터의 평면 코일에 발생하는 구동력의 설명도.
도 5는 비교예 및 본 발명의 실시예에서의 외부 누설 자속의 측정 개소를 나타내는 도면.
도 6은 비교예 및 본 발명의 실시예에서의 코일에 생기는 구동력의 측정 결과를 나타내는 도면.
도 7은 비교예 및 본 발명의 실시예에서의 코일에 생기는 구동력의 측정 결과를 나타내는 도면.
도 8은 제 2 실시 형태에 의한 액추에이터의 전체 사시도.
도 9는 도 8에 나타내는 액추에이터의 I-I 단면을 나타내는 측면 단면도.
도 10은 제 2 실시 형태에 의한 액추에이터로부터 전달부 및 상측 요크판이 제거된 것의 사시도.
도 11은 제 2 실시 형태에 의한 액추에이터의, 코일과 자석과의 위치 관계를 나타내는 평면도.
도 12는 제 2 실시 형태에 의한 액추에이터의 측면도.
도 13은 변형예에 의한 액추에이터의 도 8에서의 I-I 단면과 동일한 단면을 나타내는 측면 단면도.
도 14는 변형예에 의한 액추에이터의, 코일과 자석과의 위치 관계를 나타내는 저면도.
도 15는 제 2 실시예에서, 액추에이터로부터의 자속 누설을 평가한 그래프.
도 16의 (A)는 자기 액추에이터를 내장하는 촉각 정시 장치의 외관 및 사용 태양을 나타내는 도면이고, 도 16의 (B)는 자기 액추에이터를 내장하는 촉각 정시 장치를 사용하고 있는 예를 나타내는 도면.
도 17은 종래의 자기 액추에이터의 구성을 나타내는 측면도.
도 18은 종래의 자기 액추에이터의 주요부의 전개 사시도.
도 19는 종래의 자기 액추에이터의 평면 코일에 생기는 구동력을 설명하는 도면.
도 20은 비교예 및 본 발명의 실시예에서의 외부 누설 자속의 측정 결과를 나타내는 도면.
주요 부호의 설명
10, 24 : 자석 코일
10a, 10b, 10c, 10d, 24a, 24b, 24c, 24d : 자석
12, 12a, 12b, 12d : 평면 코일
14a,14b : 요크판
16 : 스터드
18 : 전달부
22 : 연결부

Claims (4)

  1. 자석과,
    당해 자극 사이에 적어도 일부를 삽입하여 이루어지는 코일을 포함하고,
    상기 자석은 서로 다른 자극을 상기 코일의 평면에 대하여 수직 방향으로 서로 마주하여 배치되어 있고,
    상기 자석에 의해 발생된 자장 내에서 상기 코일에 전류를 흐르게 함으로써, 당해 코일에 대한 구동력을 얻는 것을 특징으로 하는 자속 누설을 저감한 자기 액추에이터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 자석은,
    교호로 다른 자극으로 착자(着磁)된 제 1 자석 어레이와,
    상기 제 1 자석 어레이와 서로 마주하여 배치된 제 2 자석 어레이로서, 상기 제 1 자석 어레이의 각 자극에 대해서, 각각 다른 자극이 서로 마주하도록 착자된 제 2 자석 어레이,
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 자속 누설을 저감한 자기 액추에이터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 서로 마주한 자극 사이의 거리는, 상기 서로 마주한 자극 면적의 평방근의 1/2 이하인 것을 특징으로 하는 자속 누설을 저감한 자기 액추에이터.
  4. 진동에 의해 동물의 촉각에 대하여 자극을 주는 촉각 정시(呈示) 장치로서,
    자석과,
    당해 자극 사이에 적어도 일부를 삽입하여 이루어지는 코일을 포함하고,
    상기 자석은 서로 다른 자극을 상기 코일의 평면에 대하여 수직 방향으로 서로 마주하여 배치되어 있고,
    상기 자석에 의해 발생된 자장 내에서 상기 코일에 전류를 흐르게 함으로써, 당해 코일에 대한 구동력을 얻는 자속 누설을 저감한 자기 액추에이터를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 촉각 정시 장치.
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