特開 2022-139828 振動デバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022139828

(43)【公開日】2022-09-26

(54)【発明の名称】振動デバイス

(51)【国際特許分類】

   H02N 10/00 20060101AFI20220915BHJP

   B06B 1/02 20060101ALI20220915BHJP

   F03G 7/06 20060101ALI20220915BHJP

【ＦＩ】

H02N10/00

B06B1/02 Z

F03G7/06 E

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021040376

(22)【出願日】2021-03-12

(71)【出願人】

【識別番号】000001225

【氏名又は名称】日本電産コパル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002066

【氏名又は名称】弁理士法人筒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】鶴岡 恭生

【テーマコード（参考）】

5D107

【Ｆターム（参考）】

5D107CC10

5D107FF10

(57)【要約】

【課題】振動デバイスの低背化を実現する。
【解決手段】振動デバイス１Ａは、２つの固定子１０と、２つの固定子１０の互いに対向する端面１１，１１の間に、一列に配置される複数の可動リング２０と、２つの固定子１０及び複数の可動子２０を一連に貫く金属線３０と、を有する。金属線３０は、形状記憶合金によって形成され、抵抗加熱によって長手方向に収縮する。それぞれの固定子１０は、金属線３０に固定されている。それぞれの可動子２０は、互いに固定されておらず、かつ、金属線３０にも固定されておらず、２つの固定子１０の互いに対向する端面同士の間隔変化に伴って変位する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

２つの固定子と、
２つの前記固定子の互いに対向する端面の間に、一列に配置される複数の可動子と、
２つの前記固定子及び複数の前記可動子を一連に貫く金属線と、を有し、
前記金属線は、形状記憶合金によって形成され、抵抗加熱によって長手方向に収縮し、
それぞれの前記固定子は、前記金属線に固定されており、
それぞれの前記可動子は、互いに固定されておらず、かつ、前記金属線にも固定されておらず、
２つの前記固定子の互いに対向する端面同士の間隔変化に伴って、複数の前記可動子が変位する、振動デバイス。

【請求項2】

前記固定子は導電性を有し、かつ、前記金属線に圧着されて前記金属線と電気的に導通しており、
前記固定子を介して前記金属線に通電が可能である、請求項１に記載の振動デバイス。

【請求項3】

前記金属線に張力を付与する付勢体を有し、
前記付勢体は、抵抗加熱によって生じる収縮力よりも小さな張力を前記金属線に常に付与する、請求項１又は２に記載の振動デバイス。

【請求項4】

２つの前記固定子の一方及び前記付勢体の一端側が接続された支持部材を有し、
前記支持部材に接続されていない前記付勢体の他端側が２つの前記固定子の他方に接続されている、請求項３に記載の振動デバイス。

【請求項5】

２つの前記固定子の一方が固定されている前記金属線の一端側が接続された第１の支持部材と、２つの前記固定子の他方が固定されている前記金属線の他端側が接続された第２の支持部材と、を有し、
前記付勢体の一端側が前記第１の支持部材に接続され、前記付勢体の他端側が前記第２の支持部材に接続されている、請求項３に記載の振動デバイス。

【請求項6】

請求項１から５のいずれか一項に記載の振動デバイスを有する、電子機器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、振動デバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

今日、振動を発生させるデバイスが様々な機器に搭載されている。例えば、携帯電話には、着信を知らせるための振動を発生させる振動デバイスが搭載されている。また、ゲーム機器には、遊戯性を高めるための振動を発生させる振動デバイスが搭載されている。このような振動デバイスの１つである振動モータが特許文献１に記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１３－１５７９２５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

振動デバイスが搭載される機器の小型化や薄型化を実現するために、振動デバイスの小型化が求められている。特に、振動デバイスの高さを低くしたり、厚みを薄くしたりすることが求められている。つまり、振動デバイスの低背化が求められている。

【0005】

本発明の目的は、振動デバイスの低背化を実現することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

一実施形態に係る振動デバイスは、２つの固定子と、２つの前記固定子の互いに対向する端面の間に、一列に配置される複数の可動子と、２つの前記固定子及び複数の前記可動子を一連に貫く金属線と、を有する。そして、前記金属線は、形状記憶合金によって形成され、抵抗加熱によって長手方向に収縮する。それぞれの前記固定子は、前記金属線に固定される。それぞれの前記可動子は、互いに固定されず、かつ、前記金属線にも固定されず、２つの前記固定子の互いに対向する端面同士の間隔変化に伴って変位する。

【発明の効果】

【0007】

本発明によれば、振動デバイスの低背化が実現される。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施形態１に係る振動デバイスの平面図である。

【図2】図１に示されている固定子と金属線との固定方法を示す説明図である。

【図3】実施形態２に係る振動デバイスの斜視図である。

【図4】図３に示されている振動デバイスの変形例を示す斜視図である。

【図5】実施形態３に係る振動デバイスの斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本発明の実施形態の幾つかについて図面を参照しながら詳細に説明する。尚、実施形態を説明するための全ての図面において、同一の構成や要素には同一の符号を用い、原則として再度の説明は行わない。

【0010】

（実施形態１）
＜全体構成＞
図１（ａ），（ｂ）は、本実施形態に係る振動デバイス１Ａの平面図である。振動デバイス１Ａは、対向する２つの固定子１０と、２つの固定子１０の間に配置された複数の可動子２０と、２つの固定子１０及び複数の可動子２０を貫く金属線３０と、を有する。以下の説明では、２つの固定子１０の一方を“固定子１０ａ”と呼び、２つの固定子１０の他方を“固定子１０ｂ”と呼んで区別する場合がある。もっとも、かかる区別は説明の便宜上の区別に過ぎない。

【0011】

詳細は後に改めて説明するが、金属線３０は、温度に応じて長手方向に伸縮する性質を有する。金属線３０が長手方向に伸縮すると、２つの固定子１０が移動し、それら固定子１０の対向する端面同士の間隔が変化する。そして、２つの固定子１０の端面同士の間隔変化に伴って複数の可動子２０が変位し、振動が発生する。

【0012】

図１（ａ）には、金属線３０が伸びているときの振動デバイス１Ａが示されている。一方、図１（ｂ）には、金属線３０が縮んでいるときの振動デバイス１Ａが示されている。尚、以下の説明では、金属線３０の長手方向（伸縮方向）を“軸方向”と呼び、軸方向と直交する方向を“径方向”と呼ぶ場合がある。

【0013】

＜固定子＞
固定子１０ａ，１０ｂは、それぞれの端面１１が互いに対向するように一列に配置されている。それぞれの固定子１０ａ，１０ｂは、導電性を有する材料によって形成されている。また、固定子１０ａ，１０ｂは、円柱形状を有し、その直径（外径）、数mmである。さらに、それぞれの固定子１０ａ，１０ｂの中心には、金属線３０を挿通可能な貫通孔が設けられている。

【0014】

＜可動子＞
それぞれの可動子２０は、高抵抗の材料や絶縁性の材料によって形成されており、金属線３０を挿通可能な形状を有する。より特定的には、可動子２０は、エボナイト等の合成樹脂によって形成されている。また、可動子２０は、金属線３０を挿通可能な内径を有する円環形状に形成されている。

【0015】

可動子２０の内径は、金属線３０の外径（線径）よりも大きく、固定子１０の内径（金属線３０が挿通される貫通孔の直径）よりも大きい。つまり、可動子２０は、固定子１０の内径よりも大きな内径を有する円形のリングである。

【0016】

もっとも、可動子２０の内径は、固定子１０の外径よりは小さい。よって、可動子２０の内側に固定子１０が入り込むことはない。つまり、可動子２０が２つの固定子１０ａ，１０ｂの間から抜け出ることはない。また、可動子２０の外径は、固定子１０の外径と同一又は略同一である。別の見方をすると、固定子１０や可動子２０の外径は、本実施形態に係る振動デバイス１Ａの最大高さに相当する。

【0017】

尚、以下の説明では、可動子２０を“可動リング２０”と呼ぶ場合がある。また、上述した「高抵抗の材料」とは、金属線３０の電気抵抗よりも大きな電気抵抗を有する材料を意味する。

【0018】

＜金属線＞
金属線３０は、形状記憶合金（SMA／Shape Memory Alloy）によって形成されている。より特定的には、金属線３０は、Ni-Ti系の形状記憶合金によって形成されている。金属線３０に通電すると、ジュール熱によって金属線３０の温度が上昇する。一方、金属線３０に対する通電を停止すると、放熱によって金属線３０の温度が低下する。金属線３０は、温度が所定温度（変態点）を上回ると、長手方向に収縮して記憶形状に戻る。一方、金属線３０は、温度が所定温度（変態点）を下回ると、長手方向に伸長（弛緩）する。

【0019】

金属線３０は、２つの固定子１０ａ，１０ｂ及び複数の可動リング２０に挿通され、これらを一連に貫いている。言い換えれば、２つの固定子１０ａ，１０ｂ及び複数の可動リング２０は、金属線３０によって串刺しにされている。

【0020】

＜固定子と金属線の関係＞
２つの固定子１０ａ，１０ｂは、それぞれ金属線３０に固定されている。図２に示されるように、径方向において対向する固定子１０の外周面上の二点が、径方向内側に向けて潰されている。別の見方をすると、金属線３０が挿通されている固定子１０の貫通孔が部分的に狭窄している。この結果、貫通孔の内周面が金属線３０の外周面に圧接している。つまり、２つの固定子１０ａ，１０ｂは、金属線３０に圧着されており、金属線３０に対して軸方向に移動不能である。

【0021】

図２に示されている圧着点１２の位置は一例である。圧着点１２の位置は、例えば、固定子１０の長手方向中央であってもよく、長手方向端部であってもよく、その他の位置であってもよい。尚、図２では、それぞれの固定子１０上にある二点の圧着点１２のうちの一方のみが表れている。

【0022】

固定子１０を金属線３０に固定する方法は、圧着（カシメ）に限られない。例えば、接着，半田付け，ネジ止めなどの他の固定方法によって固定子１０を金属線３０に固定してもよい。この場合の固定点の位置も特定の位置に限定されない。

【0023】

もっとも、圧着によれば、接着，半田付け，ネジ止めなどの他の固定方法よりも、容易かつ確実に固定子１０を金属線３０に固定することができ、振動デバイス１Ａの生産性を向上させることができる。

【0024】

尚、作図の便宜上の理由により、図２では可動リング２０の図示が省略されており、図１では圧着点１２の図示が省略されている。

【0025】

＜可動リングと金属線の関係＞
図１に示されている複数の可動リング２０は、互いに固定されておらず、かつ、金属線３０にも固定されていない。言い換えれば、それぞれの可動リング２０は、互いにフリーであり、かつ、金属線３０に対してもフリーである。別の見方をすると、それぞれの可動リング２０は、金属線３０に対して軸方向及び径方向に移動可能である。もっとも、可動リング２０は、軸方向及び径方向に無制限に移動できるわけではない。可動リング２０は、対向する２つの固定子１０の間で軸方向に移動可能である。より特定的には、可動リング２０は、固定子１０ａの端面１１と固定子１０ｂの端面１１との間で軸方向に移動可能である。また、可動リング２０は、当該可動リング２０の内周面と金属線３０の外周面との間のクリアランスの範囲内で径方向に移動可能である。

【0026】

＜動作＞
図１に示されている振動デバイス１Ａを作動させるときには、金属線３０に電圧を印加し、金属線３０に電流を通す。金属線３０に通電すると、ジュール熱による加熱（抵抗加熱）によって金属線３０の温度が上昇する。そして、金属線３０の温度が変態点を上回ると、金属線３０が軸方向に収縮する（図１（ａ）⇒図１（ｂ））。さらに、金属線３０が軸方向に収縮すると、金属線３０に固定されている固定子１０ａと固定子１０ｂとが互いに近接する方向に移動し、これら固定子１０ａ，１０ｂの対向する端面同士の間隔が狭まる。

【0027】

すると、固定子１０ａの端面１１と固定子１０ｂの端面１１との間に配置されている複数の可動リング２０が、それら端面１１，１１に押されて変位する。具体的には、それぞれの可動リング２０が、隣接する可動リング２０と接触しながら起き上がったり、隣接する可動リング２０に近接したり、隣接する可動リング２０に衝突したりする。このとき、金属線３０に固定されていない複数の可動リング２０の全部又は一部は、径方向（接線方向）にも移動する。このように、複数の可動リング２０が変位することによって振動が発生する。さらに、複数の可動リング２０が一様ではない動きを示すことにより、全方位への振動が発生する。

【0028】

その後、金属線３０への通電が停止され、金属線３０の温度が変態点を下回ると、金属線３０が軸方向に伸長する（図１（ｂ）⇒図１（ａ））。すると、金属線３０に固定されている固定子１０ａと固定子１０ｂとが互いに離間する方向に移動し、これら固定子１０ａ，１０ｂの対向する端面同士の間隔が広がる。このときにも、複数の可動リング２０の変位に伴って全方位への振動が発生する。

【0029】

図１（ａ），（ｂ）に示されている例では、金属線３０に直接電圧が印加されている。しかし、固定子１０は導電性を有しており、かつ、金属線３０に圧着されている。つまり、固定子１０は、金属線３０と電気的に導通している。よって、固定子１０を介して金属線３０に電圧を印加してもよい。言い換えれば、固定子１０を介して金属線３０に通電してもよい。この場合、固定子１０は、金属線３０に電圧を印加するための電極としても機能する。一方、固定子１０を電極として機能させない場合には、固定子１０を高抵抗の材料や絶縁性の材料によって形成してもよい。つまり、固定子１０の材料は特定の材料に限定されない。また、固定子１０を電極として機能させる場合であっても、導電性を確保する必要がある部分以外の部分には、酸化膜などの絶縁膜を形成してもよい。

【0030】

可動リング２０は、高抵抗の材料や絶縁性の材料によって形成されている。よって、金属線３０に電圧が印加されても、金属線３０と接している可動リング２０に電流が通ることはないか、通ったとしてもその電流量は極めて少ない。

【0031】

一方、金属線３０と接している可動リング２０には、金属線３０から熱が伝わる。よって、可動リング２０は、100℃以上の熱に耐え得る材料（高耐熱性材料）によって形成されていることが好ましく、熱容量が大きな材料や熱伝導率が高い材料によって形成されていることがさらに好ましい。

【0032】

これまでの説明から、金属線３０にパルス電圧を印加すると、連続振動が得られることがわかる。例えば、パルス幅が60msのパルス電圧を240ms周期で金属線３０に印加すると、連続振動が得られる。また、パルス幅や周期を変化させることにより、振動の特性を変化させることもできる。例えば、パルス幅を5ms～100msの範囲内で変化させたり、周期を50ms～500msの範囲内で変化させたりすることにより、振動デバイス１Ａが発生する振動が人間の触覚に与える影響を変化させることができる。また、振動の立ち上がりを早くする観点からは、パルス電圧のキャリア波の周波数が高いことが好ましい（例えば、1kHz以上）。

【0033】

金属線３０に印加する電圧の大きさ（高さ）も適宜に設定することができる。もっとも、金属線３０に印加される電圧が大きすぎると、金属線３０が断線する虞がある。一方、断線を回避するために金属線３０を太くしすぎると、振動デバイス１Ａの消費電力が増大する。そこで、金属線３０に印加する電圧は、金属線３０の線径を踏まえて設定することが好ましく、金属線３０の線径は、金属線３０に印加される電圧を踏まえて設定することが好ましい。かかる観点からは、金属線３０に印加する電圧は、金属線３０を軸方向に2.0％～5.0％収縮させる大きさであることが好ましい。また、金属線３０の線径は、0.03mm～0.2mmであることが好ましい。

【0034】

既述のとおり、固定子１０や可動リング２０の外径は、振動デバイス１Ａの最大高さに相当する。ここで、２つの固定子１０は、それらの間に可動リング２０を保持可能な内外径を有している必要がある。また、可動リング２０は、２つの固定子１０の間に保持され得る内外径を有している必要がある。別の見方をすると、振動デバイス１Ａの最大高さに相当する固定子１０の外径を決定する際に求められる条件は、可動リング２０を保持し得ることである。また、振動デバイス１Ａの最大高さに相当する可動リング２０の外径を決定する際に求められる条件は、可動リング２０に保持され得ることである。よって、上記条件を満たした上で固定子１０や可動リング２０の外径の最小化を図ることにより、振動デバイス１Ａの低背化を実現し得る。

【0035】

また、振動デバイス１Ａは、永久磁石や電磁石などの磁力を帯びる部品を用いずに振動を発生させる。よって、振動デバイス１Ａを機器に搭載するに際に磁力の影響を考慮する必要がない。したがって、振動デバイス１Ａが搭載される機器（特に、磁力の影響を受けやすい精密機器）の設計の自由度を高めることができる。

【0036】

（実施形態２）
図３（ａ），（ｂ）は、本実施形態に係る振動デバイス１Ｂの斜視図である。図３（ａ）には、金属線３０が伸びているときの振動デバイス１Ｂが示されている。一方、図３（ｂ）には、金属線３０が縮んでいるときの振動デバイス１Ｂが示されている。

【0037】

振動デバイス１Ｂは、固定子１０，可動子２０及び金属線３０に加えて、付勢体としてのトーションバネ４０と、支持部材５０と、を有する。トーションバネ４０は金属によって形成されており、導電性を有する。支持部材５０は合成樹脂によって形成されており、絶縁性を有する。

【0038】

トーションバネ４０の一端側は支持部材５０に接続されているが、他端側は支持部材５０に接続されていない。別の見方とすると、トーションバネ４０は、支持部材５０に接続されている右腕４１と、支持部材５０に接続されていない左腕４２と、コイル４３と、を有する。

【0039】

固定子１０ｂ及びトーションバネ４０の右腕４１は支持部材５０に接続され、トーションバネ４０の左腕４２は固定子１０ａに接続されている。具体的には、固定子１０ｂの端部及びトーションバネ４０の右腕４１の端部は、支持部材５０に埋め込まれている。一方、トーションバネ４０の左腕４２の端部は、固定子１０ａの端部に係止されている。より具体的には、左腕４２の端部は、固定子１０ａの端部に設けられている係合孔１３に挿入され、かつ、略９０度折り曲げられている。

【0040】

つまり、トーションバネ４０の右腕４１は支持部材５０に固定され、トーションバネ４０の左腕４２は、固定子１０ａを介して金属線３０に接続されている。この結果、金属線３０には、トーションバネ４０によって常に張力が付与される。トーションバネ４０によって張力が付与されている金属線３０は、直線状に伸びた状態に維持される。これにより、可動リング２０の偏在が防止又は抑制される。また、金属線３０の軸方向への伸長がトーションバネ４０によって行われる。

【0041】

尚、振動デバイス１Ｂにおける固定子１０も金属線３０と電気的に導通しており、電極として機能する。もっとも、固定子１０ｂには直接電圧が印加される一方、固定子１０ａにはトーションバネ４０を介して電圧が印加される。

【0042】

また、トーションバネ４０が金属線３０に付与する張力は、抵抗加熱によって金属線３０に生じる収縮力よりも小さい。よって、トーションバネ４０が付与する張力によって金属線３０の収縮が阻害されることはない。

【0043】

図３（ａ），（ｂ）に示されているトーションバネ４０は、図４に示されているコイルバネ４４に置換することができる。また、図３（ａ），（ｂ）に示されている支持部材５０は、図４に示されている支持部材５１に置換することができる。

【0044】

支持部材５１は、一対の支持部５１ａ，５１ｂを備え、全体として略コ字形の平面形状を呈する。固定子１０，可動子２０，金属線３０及びコイルバネ４４は、一対の支持部５１ａ，５１ｂの間に配置されている。

【0045】

固定子１０ｂは、支持部材５１の支持部５１ｂに接続されている。一方、固定子１０ａは、コイルバネ４４の一端に接続され、コイルバネ４４の他端は、支持部材５１の支持部５１ａに接続されている。具体的には、固定子１０ｂの端部は支持部５１ｂに埋め込まれている。一方、コイルバネ４４の一端は固定子１０ａの端部に係止され、コイルバネ４４の他端は支持部５１ａに係止されている。

【0046】

（実施形態３）
図５は、本実施形態に係る振動デバイス１Ｃの斜視図である。振動デバイス１Ｃは、固定子１０，可動子２０及び金属線３０に加えて、付勢体としてのトーションバネ４５と、第１の支持部材５２ａと、第２の支持部材５２ｂと、を有する。トーションバネ４５は金属によって形成されており、導電性を有する。支持部材５２ａ，５２ｂは合成樹脂によって形成されており、絶縁性を有する。

【0047】

固定子１０ａが固定されている金属線３０の一端側は、固定子１０ａから突出して支持部材５２ａに接続（固定）されている。固定子１０ｂが固定されている金属線３０の他端側は、固定子１０ｂから突出して支持部材５２ｂに接続（固定）されている。

【0048】

トーションバネ４５の一端側は、支持部材５２ａに接続され、トーションバネ４５の他端側は、支持部材５２ｂに接続されている。具体的には、トーションバネ４５の左腕４６の端部は、支持部材５２ａに設けられている係合溝５３に挿入され、かつ、略９０度折り曲げられている。トーションバネ４５の右腕４７の端部は、支持部材５２ｂに設けられている係合溝５３に挿入され、かつ、略９０度折り曲げられている。

【0049】

つまり、トーションバネ４５の左腕４６は、支持部材５２ａを介して金属線３０の一端側に接続されており、トーションバネ４５の右腕４７は、支持部材５２ｂを介して金属線３０の他端側に接続されている。この結果、金属線３０には、トーションバネ４５によって常に張力が付与される。トーションバネ４５によって張力が付与されている金属線３０は、直線状に伸びた状態に維持される。これにより、可動リング２０の偏在が防止又は抑制される。また、金属線３０の軸方向への伸長がトーションバネ４５によって行われる。

【0050】

本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。例えば、可動子の数，大きさ，厚み、形状、材料などは特に限定されない。例えば、可動子の形状は、楕円形であってもよく、多角形であってもよい。複数の可動子の厚みは、同一であってもよく、異なっていてもよい。可動子の表面は、平坦であってもよく、湾曲していてもよい。

【0051】

本発明における付勢体は、本明細書に記載されているバネやスプリングに限られず、収縮した金属線を伸長させることができる押しバネや引きバネであってもよい。さらに、本発明における付勢体には、磁力や重力を利用して金属線に引張力を与える付勢体も含まれる。

【0052】

本発明が適用された振動デバイスの用途は特に限定されない。本発明が適用された振動デバイスは、例えば、携帯型情報端末，家電用リモコン，照明スイッチ，眼鏡型告知フレーム，ウェアラブル端末，インシュリンポンプのような携帯型の精密機器などの電子機器に搭載することができる。本発明が適用された振動デバイスを何らかの機器に搭載する際には、PETフィルム等の樹脂フィルムで全体を覆うことにより、防塵性や防水性を高めることが好ましい。

【符号の説明】

【0053】

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ:振動デバイス、１０，１０ａ，１０ｂ:固定子、１１:端面，１２:圧着点，１３:係合孔，２０:可動子（可動リング），３０:金属線，４０，４４，４５:トーションバネ、４１，４６:右腕、４２，４７:左腕、４３:コイル、４４:コイルバネ、５０，５１，５２ａ，５２ｂ:支持部材、５１ａ，５１ｂ:支持部、５３:係合溝

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】