特開 2023-10016 振動アクチュエータ

(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】P2023010016

(43)【公開日】2023-01-20

(54)【発明の名称】振動アクチュエータ

(51)【国際特許分類】

   B06B 1/04 20060101AFI20230113BHJP

【ＦＩ】

B06B1/04 S

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021113759

(22)【出願日】2021-07-08

(71)【出願人】

【識別番号】000112565

【氏名又は名称】フォスター電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】種村 雄太

【テーマコード（参考）】

5D107

【Ｆターム（参考）】

5D107AA04

5D107BB08

5D107CC08

5D107CC10

5D107FF10

(57)【要約】

【課題】加速度特性におけるピークを下げることができる振動アクチュエータを提供する
【解決手段】振動アクチュエータ１０は、磁界を発生させるマグネット２０と、磁界中に配置されると共に、通電されることでマグネット２０を相対移動させ、又はマグネット２０に対して相対移動する駆動用コイル２８と、磁界中に配置されると共に、短絡された制動用コイル３０と、を有する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

磁界を発生させるマグネットと、
前記磁界中に配置されると共に、通電されることで前記マグネットを相対移動させ、又は前記マグネットに対して相対移動する駆動用コイルと、
前記磁界中に配置されると共に、短絡された制動用コイルと、
を有する振動アクチュエータ。

【請求項2】

前記駆動用コイル及び前記制動用コイルは、径方向に重ね合わせて巻回されており、前記駆動用コイル及び前記制動用コイルのうち一方のコイルが内周側に配置され、他方のコイルが外周側に配置されている請求項１に記載の振動アクチュエータ。

【請求項3】

内周側に配置された前記一方のコイルは、外周側に配置された前記他方のコイルよりも線径が小さくなっている請求項２に記載の振動アクチュエータ。

【請求項4】

前記駆動用コイル及び前記制動用コイルは、径方向に重ね合わせて巻回されており、前記制動用コイルは、前記駆動用コイルを内周側及び外周側から挟むように前記駆動用コイルの径方向両側に配置されている請求項１に記載の振動アクチュエータ。

【請求項5】

前記駆動用コイル及び前記制動用コイルは、フレームに取り付けられたボビンの外周面に巻回されており、
前記マグネットは、前記フレームに対して相対変位可能な可動子を構成している請求項１～４の何れか１項に記載の振動アクチュエータ。

【請求項6】

前記マグネットはフレームに固定されており、
前記駆動用コイル及び前記制動用コイルは、前記フレームに対して相対変位可能な可動子を構成している請求項１～４の何れか１項に記載の振動アクチュエータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、振動アクチュエータに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、携帯端末機の着信報知手段である振動発生装置が開示されている。この特許文献１の振動発生装置は、ダイヤフラム、磁気回路部、スプリング、ハウジング及びボイルコイルを備えている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００２－１０２７９９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載された発明のように電磁力によって可動子を上下運動させる振動アクチュエータでは、共振周波数でボイスコイルの変位が大きくなる。このため、加速度特性におけるピークを下げるには改善の余地がある。

【0005】

そこで、本発明は、加速度特性におけるピークを下げることができる振動アクチュエータを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

第１の態様に係る振動アクチュエータは、磁界を発生させるマグネットと、前記磁界中に配置されると共に、通電されることで前記マグネットを相対移動させ、又は前記マグネットに対して相対移動する駆動用コイルと、前記磁界中に配置されると共に、短絡された制動用コイルと、を有する。

【0007】

上記態様では、マグネットによって発生した磁界中に駆動用コイルが配置されている。このため、駆動用コイルに通電すると、フレミングの左手の法則に従い、電磁力が作用して、マグネット又は駆動用コイルが可動子として上下運動する。この結果、振動力を発生させることができる。

【0008】

また、磁界中には制動用コイルが配置されており、この制動用コイルは短絡されているため逆起電力が発生して電磁制動が得られる。これにより、動作時の変位が大きい共振周波数において電磁制動が増加し、加速度特性におけるピークを下げることができる。

【0009】

第２の態様に係る振動アクチュエータは、第１の態様において、前記駆動用コイル及び前記制動用コイルは、径方向に重ね合わせて巻回されており、前記駆動用コイル及び前記制動用コイルのうち一方のコイルが内周側に配置され、他方のコイルが外周側に配置されている。

【0010】

上記態様では、駆動用コイル及び制動用コイルが径方向に重ね合わされている。これにより、駆動コイルと制動用コイルとを軸方向に配置した構成と比較して、可動子が上下運動する際に、広い範囲で電磁制動を得ることができる。

【0011】

第３の態様に係る振動アクチュエータは、第２の態様において、内周側に配置された前記一方のコイルは、外周側に配置された前記他方のコイルよりも線径が小さくなっている。

【0012】

上記態様では、内周側に線径が小さいコイルを配置することにより、外周側に配置されたコイルが内周側へ入り込むのを抑制することができる。これにより、駆動用コイル及び制動用コイルを巻回する際の作業効率が向上する。また、線径が小さいコイルを用いることで、線径が大きいコイルと比較して隣り合うコイルの隙間を小さくすることができるため、限られたスペース内でより多くのコイルを巻回させることができる。さらに、コイルの線径を小さくした分だけ振動アクチュエータを小型化することができる。

【0013】

第４の態様に係る振動アクチュエータは、第１の態様において、前記駆動用コイル及び前記制動用コイルは、径方向に重ね合わせて巻回されており、前記制動用コイルは、前記駆動用コイルを内周側及び外周側から挟むように前記駆動用コイルの径方向両側に配置されている。

【0014】

上記態様では、制動用コイルを駆動用コイルの方側のみに配置した場合と比較して、より電磁制動を増加させることができる。

【0015】

第５の態様に係る振動アクチュエータは、第１から第４の何れか１の態様において、前記駆動用コイル及び前記制動用コイルは、フレームに取り付けられたボビンの外周面に巻回されており、前記マグネットは、前記フレームに対して相対変位可能な可動子を構成している。

【0016】

上記態様では、マグネットが可動子となり、このマグネットがフレームに対して上下運動する。これにより、駆動用コイル及び制動用コイルは上下運動せず、駆動用コイル及び制動用コイルの位置がずれるのを抑制することができる。

【0017】

第６の態様に係る振動アクチュエータは、第１から第４の何れか１の態様において、前記マグネットはフレームに固定されており、前記駆動用コイル及び前記制動用コイルは、前記フレームに対して相対変位可能な可動子を構成している。

【0018】

上記態様では、駆動用コイル及び制動用コイルが可動子となり、この駆動用コイル及び制動用コイルがフレームに対して上下運動する。これにより、比較的重量が小さいコイルが可動子となるため、高速で移動させることができる。

【発明の効果】

【0019】

本発明に振動アクチュエータによれば、加速度特性におけるピークを下げることができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】第１実施形態に係る振動アクチュエータの概略断面図である。

【図2】図１の一部を拡大して示す拡大断面図である。

【図3】第１実施形態に係る振動アクチュエータと比較例の振動アクチュエータにおける周波数と加速度との関係を示すグラフである。

【図4】第１変形例に係る振動アクチュエータの要部拡大断面図である。

【図5】第２変形例に係る振動アクチュエータの要部拡大断面図である。

【図6】第２実施形態に係る振動アクチュエータの概略断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

＜第１実施形態＞
第１実施形態に係る振動アクチュエータ１０について図面を参照して説明する。なお、各図に適宜示す矢印Ｚは、振動アクチュエータ１０における軸方向一方向を示している。以下の説明において、Ｚ方向側を軸方向一方側という。

【0022】

（全体構成）
図１に示されるように、振動アクチュエータ１０は、主として、フレーム１２、ヨーク１８、マグネット２０、ポールピース２２及びコイル群２６を含んで構成されている。

【0023】

フレーム１２は、振動アクチュエータ１０の外殻を構成しており、上側フレーム１４と下側フレーム１６とを備えている。上側フレーム１４は、軸方向一方側（Ｚ方向側）に配置されており、上下逆さにした扁平の略Ｕ字状に形成されている。また、上側フレーム１４の中央部には、平面視で円形の段差部１４Ａが形成されており、この段差部１４Ａにボビン２４の軸方向一端部が嵌入されている。ボビン２４の詳細については後述する。

【0024】

下側フレーム１６は、軸方向他端側に配置されており、略円筒状に形成されている。また、下側フレーム１６の軸方向一方側の面に上側フレーム１４の周縁部が接合されている。さらに、下側フレーム１６の中央部には貫通孔１６Ａが形成されており、この貫通孔１６Ａの内側にヨーク１８、マグネット２０及びポールピース２２が配置されている。

【0025】

ヨーク１８は、軸方向他方側が底部とされた有底円筒状に形成されており、径方向から見た断面形状は、軸方向一方側が開放された略コの字状（略Ｕ字状）となっている。また、ヨーク１８の軸方向一方側の面には上側板バネ３２が固定されており、この上側板バネ３２によってヨーク１８と下側フレーム１６の上面とが弾性的に連結されている。具体的には、上側板バネ３２は、中央に貫通孔が形成された略円板状とされており、上側板バネ３２の内周端部がヨーク１８の軸方向一方側の端面に取り付けられている。また、上側板バネ３２の外周端部が下側フレーム１６の軸方向一方側の端面に取り付けられている。

【0026】

一方、ヨーク１８の軸方向他方側の面には下側板バネ３４が固定されており、この下側板バネ３４によってヨーク１８と下側フレーム１６の下面とが弾性的に連結されている。具体的には、下側板バネ３４は、上側板バネ３２と略同一の形状に形成されており、下側板バネ３４の内周端部がヨーク１８の軸方向他方側の端面に取り付けられている。また、下側板バネ３４の外周端部が下側フレーム１６の軸方向他方側の端面に取り付けられている。

【0027】

ヨーク１８の底部には、磁界を発生させるマグネット２０が固定されている。マグネット２０は、軸方向の長さがヨーク１８よりも短い略円柱状に形成されており、ヨーク１８と同軸上に配置されている。また、マグネット２０における軸方向一方側の面には、ポールピース２２が固定されている。

【0028】

ポールピース２２は、マグネット２０よりも厚みが薄く、マグネット２０よりも僅かに大径の略円板状に形成されている。また、ポールピース２２は、マグネット２０と同軸上に配置されている。そして、ヨーク１８、マグネット２０及びポールピース２２を含んで磁気回路が形成されており、ポールピース２２とヨーク１８との隙間（ギャップ）に強い磁場が発生する。

【0029】

また、ヨーク１８、マグネット２０及びポールピース２２は、フレーム１２に対して相対移動可能な可動子Ｍを構成している。

【0030】

マグネット２０の一部及びポールピース２２は、ボビン２４の内側に位置している。ボビン２４は、軸方向両側が開放された略円筒状に形成されており、ボビン２４の外周面には、コイル群２６が配置されている。

【0031】

（コイル群２６）
図２に示されるように、コイル群２６は、駆動用コイル２８と制動用コイル３０とを含んで構成されている。駆動用コイル２８及び制動用コイル３０は、径方向に重ね合わせて配置されており、駆動用コイル２８及び制動用コイル３０のうち一方の制動用コイル３０が内周側に配置され、他方の駆動用コイル２８が外周側に配置されている。

【0032】

制動用コイル３０は、ボビン２４の外周面に電線を巻回させることで形成されている。また、本実施形態の制動用コイル３０は一例として、電線が４層巻回された４層コイルとされている。制動用コイル３０の軸方向一方側の端部は、段差部１４Ａよりもやや軸方向他方側に位置しており、制動用コイル３０の軸方向他方側の端部は、初期状態（無負荷の状態）におけるマグネット２０の軸方向中央部に位置している。さらに、制動用コイル３０を構成している電線の線径は、駆動用コイル２８よりも小径となっている。

【0033】

駆動用コイル２８は、制動用コイル３０の外周側に重ね合わされており、制動用コイル３０の外周面に電線を巻回することで形成されている。また、本実施形態の駆動用コイル２８は一例として、電線が２層巻回された２層コイルとされている。

【0034】

ここで、駆動用コイル２８には、図示しない電源から駆動信号が入力される。一方、制動用コイル３０は短絡されて閉回路となっている。

【0035】

以上のように、コイル群２６は、磁気回路中（磁界中）に配置されている。このため、駆動用コイル２８に通電されることで、可動子Ｍに推力が作用し、可動子Ｍが軸方向に沿って上下運動を行う。また、可動子Ｍは、上側板バネ３２及び下側板バネ３４によって下側フレーム１６と弾性的に連結されているため、運動する方向とは逆向きの付勢力を受ける。

【0036】

（加速度特性の一例）
図３は、第１実施形態に係る振動アクチュエータ１０と比較例の振動アクチュエータにおける加速度特性を示すグラフである。

【0037】

図３に示されるグラフでは、横軸が周波数となっており、縦軸が加速度となっている。また、Ｃ１は、本実施形態に係る振動アクチュエータ１０の加速度特性が示され、Ｃ２は、比較例における振動アクチュエータの加速度特性が示されている。比較例に係る振動アクチュエータは、駆動用コイル２８のみを備えており、制動用コイル３０を備えていない。

【0038】

なお、本実施形態における振動アクチュエータ１０は、マッサージ機などの比較的低い周波数で使用されるものであり、図３には、周波数が１０～１００Ｈｚまでの範囲における加速度特性が示されている。

【0039】

ここで、図３を見ると、駆動用コイル２８のみで駆動する比較例の構成よりも、制動用コイル３０を備えた本実施形態に係る振動アクチュエータ１０の方が共振周波数における加速度のピークが下がっていることが分かる。これは、短絡している制動用コイル３０によって逆起電力が発生し、電磁制動が得られるためである。

【0040】

（作用）
次に、本実施形態の作用を説明する。

【0041】

本実施形態に係る振動アクチュエータ１０では、図１に示されるように、ヨーク１８、マグネット２０及びポールピース２２を含んで磁気回路が構成されている。また、図２に示されるように、磁気回路中に駆動用コイル２８が配置されている。このため、駆動用コイル２８に通電すると、フレミングの左手の法則に従い、電磁力が作用して、可動子Ｍが上下運動する。この結果、振動力を発生させることができる。

【0042】

また、本実施形態では、磁気回路中には制動用コイル３０が配置されており、この制動用コイル３０は短絡されているため逆起電力が発生して電磁制動が得られる。これにより、動作時の変位が大きい共振周波数において電磁制動が増加し、加速度特性におけるピークを下げることができる（図３参照）。

【0043】

さらに、本実施形態では、駆動用コイル２８及び制動用コイル３０が径方向に重ね合わされている。これにより、駆動用コイル２８と制動用コイル３０とを軸方向に配置した構成と比較して、可動子Ｍが上下運動する際に、広い範囲で電磁制動を得ることができる。本実施形態では、可動子Ｍの範囲の全域に駆動用コイル２８及び制動用コイル３０が配置されているため、可動子Ｍが上下運動している間、常に電磁制動を得ることができる。

【0044】

さらにまた、本実施形態では、内周側の制動用コイル３０の線径を小さくすることにより、外周側に配置された駆動用コイル２８が内周側へ入り込むのを抑制することができる。これにより、駆動用コイル２８を巻回する際に、駆動用コイル２８の電線が制動用コイル３０の電線の間に入り込むのを抑制することができ、駆動用コイル２８及び制動用コイル３０を巻回する際の作業効率が向上する。

【0045】

また、本実施形態では、マグネット２０が可動子Ｍを構成しているため、フレーム１２に取り付けられた駆動用コイル２８及び制動用コイル３０は上下運動しない。これにより、駆動用コイル２８及び制動用コイル３０の位置がずれるのを抑制することができる。

【0046】

なお、上記実施形態では、４層の制動用コイル３０を内周側に配置し、２層の駆動用コイル２８を外周側に配置したが、これに限定されない。例えば、図４に示される第１変形例、及び図５に示される第２変形例の構成を採用してもよい。

【0047】

（第１変形例）
図４に示されるように、本変形例におけるコイル群４２は、駆動用コイル４６、第１制動用コイル４４及び第２制動用コイル４８が径方向に重ね合わされることで構成されている。第１制動用コイル４４は、ボビン２４の外周面に駆動用コイル４６よりも小径の電線を巻回することで形成されており、４層コイルとなっている。

【0048】

第１制動用コイル４４の外周側には、駆動用コイル４６が配置されている。駆動用コイル４６は、第１制動用コイル４４の外周側に重ね合わされており、第１制動用コイル４４の外周面に電線を巻回することで形成されている。また、本変形例の駆動用コイル４６は２層コイルとされている。

【0049】

また、駆動用コイル４６の外周側には第２制動用コイル４８が配置されている。第２制動用コイル４８は、駆動用コイル４６の外周側に重ね合わされており、駆動用コイル４６の外周面に駆動用コイル４６よりも小径の電線を巻回することで形成されている。また、本変形例の第２制動用コイル４８は４層コイルとされている。

【0050】

このように、本変形例では、第１制動用コイル４４及び第２制動用コイル４８は、駆動用コイル４６を内周側及び外周側から挟むように駆動用コイル４６の径方向両側に配置されている。本変形例の構成によれば、第１実施形態と比較して、より電磁制動を増加させることができる。

【0051】

（第２変形例）
図５に示されるように、本変形例におけるコイル群５２は、駆動用コイル５６、第１制動用コイル５４及び第２制動用コイル５８が軸方向に沿って配置されている。第１制動用コイル５４は、ボビン２４の外周面に電線を巻回することで形成されており、４層コイルとなっている。ここで、第１制動用コイル５４の軸方向の長さは、第１変形例よりも短くなっている。

【0052】

第１制動用コイル５４の軸方向他方側には、駆動用コイル５６が配置されている。駆動用コイル５６は、ボビン２４の外周面に電線を巻回することで構成されており、２層コイルとなっている。また、駆動用コイル５６の軸方向の長さは、実施形態及び第１変形例よりも短くなっている。

【0053】

駆動用コイル５６の軸方向他方側には、第２制動用コイル５８が配置されている。第２制動用コイル５８は、ボビン２４の外周面に電線を巻回することで形成されており、４層コイルとなっている。また、第２制動用コイル５８の軸方向の長さは、第１変形例よりも短くなっている。

【0054】

このように、本変形例では、駆動用コイル５６、第１制動用コイル５４及び第２制動用コイル５８が軸方向に沿って配置されているため、コイル群５２の径方向の厚みを抑えることができる。

【0055】

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態に係る振動アクチュエータ６０について説明する。なお、第１実施形態と同様の構成については同じ符号を付し、適宜説明を省略する。

【0056】

図６に示されるように、本実施形態の振動アクチュエータ６０は、コイル群２６が可動子Ｍを構成するムービングコイル型のアクチュエータとなっている点で第１実施形態と異なる。

【0057】

具体的には、本実施形態の振動アクチュエータ６０は、主として、フレーム６２、ヨーク１８、マグネット２０、ポールピース２２及びコイル群２６を含んで構成されている。

【0058】

フレーム６２は、振動アクチュエータ６０の外殻を構成しており、軸方向他方側が底部とされた有底円筒状に形成されている。このため、フレーム６２を径方向から見た断面形状は、軸方向一方側が開放された略コの字状（略Ｕ字状）となっている。

【0059】

フレーム６２の底部にはヨーク１８が取り付けられており、ヨーク１８の底部にはマグネット２０が固定されている。また、マグネット２０における軸方向一方側の面には、ポールピース２２が固定されている。

【0060】

ここで、ポールピース２２よりも軸方向一方側には可動子本体６４が設けられている。可動子本体６４は、平面視で略円板状に形成されており、可動子本体６４の軸方向他方側の面には、段差部６４Ａが形成されている。そして、段差部６４Ａにボビン２４の軸方向一端部が嵌入されている。また、ボビン２４の外周面には、コイル群２６が配置されている。コイル群２６の構成は、第１実施形態と同様である。

【0061】

可動子本体６４の周端部には、板バネ６６が取り付けられている。板バネ６６は、中央に貫通孔が形成された略円板状とされており、この板バネ６６の内周端部が可動子本体６４の軸方向一方側の面に固定されている。また、板バネ６６の外周端部がフレーム６２の軸方向一方側の端面に固定されている。

【0062】

このように、コイル群２６は、可動子本体６４と共に板バネ６６によって軸方向に変位可能に支持された可動子Ｍを構成している。そして、コイル群２６の駆動用コイル２８（図２参照）に通電されることで、可動子Ｍに推力が作用し、可動子Ｍが軸方向に沿って上下運動を行う。また、可動子Ｍは、板バネ６６によってフレーム６２と弾性的に連結されているため、運動する方向とは逆向きの付勢力を受ける。

【0063】

（作用）
次に、本実施形態の作用を説明する。

【0064】

本実施形態に係る振動アクチュエータ６０では、第１実施形態と比較して可動子Ｍを軽量に設計することが可能となるため、作動時の静音性を良好に維持することができる。また、ムービングマグネット方式と比較して、高速で移動させることができる。その他の作用については第１実施形態と同様である。

【0065】

〔補足説明〕
以上、第１実施形態、第１変形例、第２変形例及び第２実施形態に係る振動アクチュエータ１０について説明したが、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。上記実施形態の振動アクチュエータ１０は、軸方向よりも径方向が大きい扁平状に形成したが、これに限定されない。例えば、軸方向を長手方向とするシリンダ型の振動アクチュエータを用いてもよい。すなわち、駆動用コイル及び制動用コイルを備えた構成であれば、フレーム、ヨーク、マグネット及びポールピースの形状及び構成は限定されない。

【0066】

さらに、上記実施形態では、図２に示されるように、制動用コイル３０を内周側に配置し、駆動用コイル２８を外周側に配置したが、これに限定されず、逆に配置してもよい。すなわち、駆動用コイル２８を内周側に配置し、制動用コイル３０を外周側に配置してもよい。

【0067】

さらにまた、本実施形態では、制動用コイル３０は、駆動用コイル２８よりも小径の電線を巻回して４層コイルとしたが、これに限定されない。すなわち、駆動用コイル２８及び制動用コイル３０の巻き数、総数、及び電線の径は適宜変更してもよい。例えば、駆動用コイル２８と制動用コイル３０とを同じ径の電線を用いて形成してもよい。

【0068】

また、本実施形態の振動アクチュエータ１０の用途についても特に限定しない。例えば、マッサージ機などの人体に対して用いる場合、加速度特性のピークが下がることで、使用者に対して過度な刺激が入力されるのを抑制することができる。

【符号の説明】

【0069】

１０、６０ 振動アクチュエータ
１２、６２ フレーム
２０ マグネット
２４ ボビン
２８ 駆動用コイル
３０ 制動用コイル
Ｍ 可動子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】