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特許7176701トランデューサ並びにこれを用いたアクチュエータ及びエネルギハーベスタ
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-11-14
(45)【発行日】2022-11-22
(54)【発明の名称】トランデューサ並びにこれを用いたアクチュエータ及びエネルギハーベスタ
(51)【国際特許分類】
H02K 33/16 20060101AFI20221115BHJP
H02K 41/03 20060101ALI20221115BHJP
【ＦＩ】
H02K33/16 A
H02K41/03 A
【請求項の数】
12
(21)【出願番号】P 2020503507
(86)(22)【出願日】2019-02-26
(86)【国際出願番号】 JP2019007193
(87)【国際公開番号】W WO2019167913
(87)【国際公開日】2019-09-06
【審査請求日】2021-11-11
(31)【優先権主張番号】P 2018034551
(32)【優先日】2018-02-28
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000003067
【氏名又は名称】ＴＤＫ株式会社
(73)【特許権者】
【識別番号】304021417
【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学
(74)【代理人】
【識別番号】100115738
【弁理士】
【氏名又は名称】鷲頭 光宏
(74)【代理人】
【識別番号】100121681
【弁理士】
【氏名又は名称】緒方 和文
(72)【発明者】
【氏名】鈴木 健一
(72)【発明者】
【氏名】門田 祥悟
(72)【発明者】
【氏名】進士 忠彦
(72)【発明者】
【氏名】吾妻 範栄
【審査官】池田 貴俊
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１７／１２６５７７（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１５－１６３００４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００６－１３６１５４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００２－１１２５２６（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１５／１６５３３５（ＷＯ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｋ ３３／１６
Ｈ０２Ｋ ４１／０３
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１の方向及び前記第１の方向と直交する第２の方向に延在する第１の平面に位置する磁極面がＮ極である複数の第１の磁石と、前記第１の平面に位置する磁極面がＳ極である複数の第２の磁石とを含む磁石構造体と、前記磁石構造体の前記第１の平面と重なる第１及び第２の配線が形成された回路基板と、
前記磁石構造体と前記回路基板を相対的に前記第１の方向に滑動させる第１の滑動機構と、
前記磁石構造体と前記回路基板を相対的に前記第２の方向に滑動させる第２の滑動機構と、を備え、
前記磁石構造体は、前記第１の磁石と前記第２の磁石が前記第１の方向に交互に配列された第１の配列部分と、前記第１の磁石と前記第２の磁石が前記第２の方向に交互に配列された第２の配列部分とを含み、
前記第１の配線は、前記第１の配列部分に含まれる前記第１及び第２の磁石の少なくとも一部を前記第２の方向に横断し、
前記第２の配線は、前記第２の配列部分に含まれる前記第１及び第２の磁石の少なくとも一部を前記第１の方向に横断し、
前記磁石構造体と前記回路基板は、前記第１及び第２の滑動機構を挟んで、互いに磁気吸引されていることを特徴とするトランデューサ。
【請求項2】
前記第１の滑動機構は、前記第１の方向に転動自在な第１のマイクロボールを含み、前記第２の滑動機構は、前記第２の方向に転動自在な第２のマイクロボールを含むことを特徴とする請求項１に記載のトランデューサ。
【請求項3】
前記第１の方向に延在する第１の案内溝と前記第２の方向に延在する第２の案内溝が形成された支持体をさらに備え、前記第１のマイクロボールは前記第１の案内溝に沿って転動し、前記第２のマイクロボールは前記第２の案内溝に沿って転動することを特徴とする請求項２に記載のトランデューサ。
【請求項4】
前記磁石構造体又はこれに固定された支持体には、前記第１の方向に延在する第３の案内溝が形成され、前記回路基板又はこれに固定された支持体には、前記第２の方向に延在する第４の案内溝が形成され、
前記第１のマイクロボールは前記第１及び第３の案内溝に沿って転動し、前記第２のマイクロボールは前記第２及び第４の案内溝に沿って転動することを特徴とする請求項３に記載のトランデューサ。
【請求項5】
前記回路基板に固定された軟磁性体をさらに備え、前記磁石構造体と前記回路基板は、前記磁石構造体と前記軟磁性体との間に作用する磁気吸引力によって互いに吸引されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のトランデューサ。
【請求項6】
前記回路基板は、前記第１の平面と平行な第２及び第３の平面を有し、前記第１の配線は前記第２の平面に形成され、前記第２の配線は前記第３の平面に形成され、
前記第１の平面と前記第３の平面の距離は、前記第１の平面と前記第２の平面の距離よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のトランデューサ。
【請求項7】
前記第２及び第３の平面は、前記回路基板の表裏であることを特徴とする請求項６に記載のトランデューサ。【請求項8】
前記第１の滑動機構は、前記磁石構造体及び前記第２の滑動機構を前記回路基板に対して相対的に前記第１の方向に滑動させ、前記第２の滑動機構は、前記第１の滑動機構を前記回路基板に対して相対的に前記第２の方向に滑動させることなく、前記磁石構造体を前記回路基板に対して相対的に前記第２の方向に滑動させることを特徴とする請求項６又は７に記載のトランデューサ。
【請求項9】
前記第１の配線よりも前記第２の配線の方が、導体厚が大きいことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載のトランデューサ。【請求項10】
請求項１乃至９のいずれか一項に記載のトランデューサと、前記第１及び第２の配線に駆動電流を供給する駆動回路とを備えることを特徴とするアクチュエータ。【請求項11】
前記駆動回路が前記第１の配線に供給する単位滑動量当たりの駆動電流よりも、前記駆動回路が前記第２の配線に供給する単位滑動量当たりの駆動電流の方が大きいことを特徴とする請求項１０に記載のアクチュエータ。【請求項12】
請求項１乃至９のいずれか一項に記載のトランデューサと、前記第１及び第２の配線に流れる誘導電流に基づいて出力電圧を生成する整流変圧回路とを備えることを特徴とするエネルギーハーベスタ。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は電磁誘導デバイスであるトランデューサに関し、特に、２次元的な動作が可能なアクチュエータ又はエネルギハーベスタとして利用できるトランデューサに関する。
【背景技術】
【0002】
電磁力を用いたアクチュエータとしては、１軸方向に往復運動可能なものが一般的であるが、特許文献１には、磁石をマトリクス状に配列することによって２次元的な動作を可能としたアクチュエータが記載されている。特許文献１に記載されたアクチュエータは、１個の磁石に対して４個のコイルを割り当て、これらのコイルに流す電流の向きを制御することによって２次元的な動作を実現している。
【0003】
しかしながら、特許文献１に記載されたアクチュエータは、１個の磁石に対して４個のコイルを割り当てていることから、小型化することが困難であるという問題がある。特に、駆動平面に対して垂直な厚さ方向におけるサイズを縮小することは困難であり、携帯型デバイスのように低背化が求められる用途には不向きである。
【0004】
低背化が可能なアクチュエータとしては、非特許文献１に記載されたリニアモータが知られている。しかしながら、非特許文献１に記載されたリニアモータは、１軸方向に往復運動するだけであり、２次元的な動作はできない。
【0005】
これに対し、特許文献２に記載されたアクチュエータは、２次元的な動作が可能であり、且つ、低背であるという優れた特徴を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開平１１－１９６５６０号公報
【文献】国際公開第２０１７／１２６５７７号
【非特許文献】
【0007】
【文献】薄膜ネオジム磁石の交番着磁とそれを用いたＭＥＭＳリニアモータの試作（精密工学会誌, Vol. 79, No8, 2013, p773-p778）
【文献】市松模様微細着磁磁石を用いた２自由度マイクロ電磁アクチュエータ（第29回電磁力関連のダイナミクスシンポジウム 講演論文集, p411-p414, 2017年5月21日）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
特許文献２に記載されたアクチュエータは、回路基板と磁石構造体が互いに向かい合うように配置され、この状態で両者が相対的に２次元動作することが可能である。このような２次元動作をスムーズに行うためには、回路基板と磁石構造体を相対的にどのように滑動させるかが問題となる。この点に関し、非特許文献２には、シリコンをミアンダ状に加工した弾性ヒンジによって磁石構造体を支持する方法が提案されている。
【0009】
しかしながら、非特許文献２に記載された支持方法では、ｘｙ平面方向への変位量が不十分であるとともに、弾性ヒンジがｚ方向へ変形することから磁石構造体と回路基板との距離を一定に保つことができないという問題があった。
【0010】
また、アクチュエータは、外力を加えることにより微弱な発電を行うエネルギーハーベスタとして機能する。つまり、アクチュエータは、電気と力を相互に変換するトランデューサであると言える。しかしながら、特許文献２に記載されたアクチュエータをエネルギーハーベスタとして用いる場合においても、やはり、外力によって回路基板と磁石構造体を相対的にどのように滑動させるかが問題となる。
【0011】
したがって、本発明の目的は、磁石構造体と回路基板との距離を一定に保ちつつ、ｘｙ平面方向への変位量を十分に確保することが可能なトランデューサ並びにこれを用いたアクチュエータ及びエネルギハーベスタを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0012】
本発明によるトランデューサは、第１の方向及び第１の方向と直交する第２の方向に延在する第１の平面に位置する磁極面がＮ極である複数の第１の磁石と、第１の平面に位置する磁極面がＳ極である複数の第２の磁石とを含む磁石構造体と、磁石構造体の第１の平面と重なる第１及び第２の配線が形成された回路基板と、磁石構造体と回路基板を相対的に第１の方向に滑動させる第１の滑動機構と、磁石構造体と回路基板を相対的に第２の方向に滑動させる第２の滑動機構とを備え、磁石構造体は、第１の磁石と第２の磁石が第１の方向に交互に配列された第１の配列部分と、第１の磁石と第２の磁石が第２の方向に交互に配列された第２の配列部分とを含み、第１の配線は、第１の配列部分に含まれる第１及び第２の磁石の少なくとも一部を第２の方向に横断し、第２の配線は、第２の配列部分に含まれる第１及び第２の磁石の少なくとも一部を第１の方向に横断し、磁石構造体と回路基板は、第１及び第２の滑動機構を挟んで、互いに磁気吸引されていることを特徴とする。
【0013】
本発明によれば、第１及び第２の滑動機構を備えていることから、回路基板と磁石構造体の相対的な二次元動作をスムーズに行うことができるとともに、十分な変位量を確保することが可能となる。また、弾性ヒンジなどを用いないことから、ｚ方向への変形も生じない。しかも、磁石構造体と回路基板が互いに磁気吸引されていることから、実使用時において各部材が分離することなく、一体化された状態を保持することが可能となる。
【0014】
本発明において、第１の滑動機構は第１の方向に転動自在な第１のマイクロボールを含み、第２の滑動機構は第２の方向に転動自在な第２のマイクロボールを含むものであっても構わない。これによれば、低背化を達成することができるとともに、磁気吸引による与圧によってマイクロボールが脱落することもない。
【0015】
本発明によるトランデューサは、第１の方向に延在する第１の案内溝と第２の方向に延在する第２の案内溝が形成された支持体をさらに備え、第１のマイクロボールは第１の案内溝に沿って転動し、第２のマイクロボールは第２の案内溝に沿って転動するものであっても構わない。これによれば、磁石構造体と回路基板の間に支持体を介在させることによって、スムーズな２次元的な動作を実現することが可能となる。
【0016】
本発明において、磁石構造体又はこれに固定された支持体には、第１の方向に延在する第３の案内溝が形成され、回路基板又はこれに固定された支持体には、第２の方向に延在する第４の案内溝が形成され、第１のマイクロボールは第１及び第３の案内溝に沿って転動し、第２のマイクロボールは第２及び第４の案内溝に沿って転動するものであっても構わない。これによれば、磁石構造体と支持体との間で第１の方向における一次元動作を行い、回路基板と支持体との間で第２の方向における一次元動作を行うことができる。
【0017】
本発明によるトランデューサは、回路基板に固定された軟磁性体をさらに備え、磁石構造体と回路基板は、磁石構造体と軟磁性体との間に作用する磁気吸引力によって互いに吸引されるものであっても構わない。これによれば、磁石構造体の他に永久磁石などを別途用いることなく、磁石構造体と回路基板を互いに磁気吸引させることが可能となる。
【0018】
本発明において、回路基板は、第１の平面と平行な第２及び第３の平面を有し、第１の配線は第２の平面に形成され、第２の配線は第３の平面に形成され、第１の平面と第３の平面の距離は、第１の平面と第２の平面の距離よりも大きくても構わない。これによれば、第１の配線の方が第２の配線よりも磁石構造体に近くなることから、第１の方向における駆動力が高められる。
【0019】
本発明において、第２及び第３の平面は、回路基板の表裏であっても構わない。これによれば、多層配線基板を用いることなく、第１及び第２の配線を回路基板上に形成することが可能となる。
【0020】
本発明において、第１の滑動機構は、磁石構造体及び第２の滑動機構を回路基板に対して相対的に第１の方向に滑動させ、第２の滑動機構は、第１の滑動機構を回路基板に対して相対的に第２の方向に滑動させることなく、磁石構造体を回路基板に対して相対的に第２の方向に滑動させるものであっても構わない。これによれば、第１の方向への駆動により大きな駆動力が必要となることから、第１の配線をより磁石構造体に近づけることにより、大きな駆動力を得ることが可能となる。
【0021】
本発明によるトランデューサは、第１及び第２の配線に駆動電流を供給する駆動回路をさらに備えるものであっても構わない。これによれば、本発明によるトランデューサをアクチュエータとして用いることが可能となる。この場合、駆動回路が第１の配線に供給する単位滑動量当たりの駆動電流よりも、駆動回路が第２の配線に供給する単位滑動量当たりの駆動電流の方が大きくても構わない。これによれば、磁石構造体からの距離が第１の配線に比べて第２の配線の方が遠く、このため第２の方向への駆動力が相対的に弱い場合であっても、第２の配線により多くの駆動電流を与えることによって、駆動力を増加させることが可能となる。
【0022】
本発明において、第１の配線よりも第２の配線の方が、導体厚が大きくても構わない。これによれば、本発明によるトランデューサをアクチュエータとして用いる場合、より大きな駆動電流の流れる第２の配線の配線抵抗を低下させることができるとともに、第１の配線の導体厚が薄いことから、磁石構造体と第２の配線との距離をより近づけることが可能となる。
【0023】
本発明によるトランデューサは、第１及び第２の配線に流れる誘導電流に基づいて出力電圧を生成する整流変圧回路をさらに備えるるものであっても構わない。これによれば、本発明によるトランデューサをエネルギーハーベスタとして用いることが可能となる。
【発明の効果】
【0024】
このように、本発明によるトランデューサは、２次元的な動作を案内する２つの滑動機構を備えていることから、磁石構造体と回路基板との距離を一定に保ちつつ、ｘｙ平面方向への変位量を十分に確保することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0025】
【発明を実施するための形態】
【0026】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。
【0027】
【0028】
本実施形態によるトランデューサ１００は、アクチュエータ又はエネルギーハーベスタとして用いることができる装置であり、図１及び図２に示すように、磁石構造体１０と、磁石構造体１０の第１の平面Ｓ１と向かい合う回路基板２０と、回路基板２０に固定された鋼板３０と、支持体４０，５０，６０と、マイクロボールＢ１，Ｂ２とを備えている。磁石構造体１０は支持体４０に固定され、回路基板２０及び鋼板３０は支持体６０に固定されている。また、支持体５０は、支持体４０と支持体６０の間に挟まれるように位置し、これにより、磁石構造体１０と回路基板２０のｚ方向における間隔が一定に保たれている。支持体５０と支持体６０の間には、ｘ方向への移動を案内するマイクロボールＢ１が介在し、支持体５０と支持体４０の間には、ｙ方向への移動を案内するマイクロボールＢ２が介在している。磁石構造体１０と回路基板２０は、磁石構造体１０と鋼板３０との間に作用する磁気吸引力ＡＦによって互いに吸引されており、これにより、各部材が分離することなく、一体化された状態が保持される。尚、鋼板３０の代わりに他の軟磁性体を用いても構わない。
【0029】
図３は、磁石構造体１０を第１の平面Ｓ１側から見た略平面図である。
【0030】
図３に示すように、磁石構造体１０は、ｘ方向及びｙ方向にマトリクス状に配列された複数の第１及び第２の磁石１１，１２を備えている。磁石１１，１２は、ガラスや軟磁性体などからなる支持基板１３上に設けられており、ｘｙ方向に延在する第１の平面Ｓ１に磁極面が位置している。尚、図面の見やすさを考慮して、図３においては支持基板１３が図示されていない。磁石構造体１０を構成する磁石１１，１２のうち、第１の磁石１１は第１の平面Ｓ１に位置する磁極面がＮ極であり、逆に、第２の磁石１２は第１の平面Ｓ１に位置する磁極面がＳ極である。そして、これら第１の磁石１１と第２の磁石１２が市松模様にマトリクス配列されている。つまり、ｘ方向に延在する各行は、第１の磁石１１と第２の磁石１２がｘ方向に交互に配列された第１の配列部分Ｌｘを構成し、ｙ方向に延在する各列は、第１の磁石１１と第２の磁石１２がｙ方向に交互に配列された第２の配列部分Ｌｙを構成する。
【0031】
図３に示すように、本実施形態においては、隣接する第１の磁石１１と第２の磁石１２がスリットＳＬを介して分離しており、かかるスリットＳＬは支持基板１３の表層に達している。但し、本発明においてこのようなスリットＳＬを設けることは必須でない。尚、スリットＳＬを形成しない場合、支持基板１３は必ずしも必要ではない。
【0032】
図４は、回路基板２０をｙ方向から見た断面図である。
【0033】
図４に示すように、回路基板２０は、基板２３と、基板２３の一方の表面２４に形成された第１の配線２１と、基板２３の他方の表面２５に形成された第２の配線２２とを備えている。表面２４は第２の平面Ｓ２を構成し、表面２５は第３の平面Ｓ３を構成している。第２及び第３の平面Ｓ２，Ｓ３は、磁石構造体１０の第１の平面Ｓ１と重なるｘｙ面であり、第２の平面Ｓ２の方が第３の平面Ｓ３よりも第１の平面Ｓ１に近い。つまり、磁石構造体１０と基板２３の表面２４が互いに向かい合うように配置される。このように、第１の配線２１と第２の配線２２を基板２３の表裏に形成すれば、多層配線基板などを使用する必要がない。
【0034】
但し、第１の配線２１と第２の配線２２を基板２３の表裏に形成することは必須でなく、図５に示す変形例による回路基板２０のように、基板２３の表面２４に絶縁膜２６を介して第１の配線２１と第２の配線２２を積層しても構わない。この場合、第２の平面Ｓ２と第３の平面Ｓ３の距離が近くなることから、磁石構造体１０と第１の配線２１のｚ方向における距離と、磁石構造体１０と第２の配線２２のｚ方向における距離の差を縮小することが可能となる。
【0035】
【0036】
図６に示すように、第１の配線２１は、一筆書き可能な１本の配線であり、ミアンダ状に蛇行する平面形状を有している。より具体的に説明すると、第１の配線２１は、第１の磁石１１をｙ方向に横断する第１の配線部分２１ｙ１と、第２の磁石１２をｙ方向に横断する第２の配線部分２１ｙ２と、両者を接続するようｘ方向に延在する接続部分２１ｘとを含んでいる。
【0037】
かかる構成により、第１の配線２１に電流を流すと、第１の配線部分２１ｙ１と第２の配線部分２１ｙ２には、互いに逆方向の電流が流れる。図６に示す例では、第１の配線２１の一端Ａから他端Ｂに向かって電流を流すと、第１の配線部分２１ｙ１には下方向（－ｙ方向）に電流が流れ、第２の配線部分２１ｙ２には上方向（＋ｙ方向）に電流が流れることになる。
【0038】
【0039】
図７に示すように、第２の配線２２は、一筆書き可能な１本の配線であり、ミアンダ状に蛇行する平面形状を有している。より具体的に説明すると、第２の配線２２は、第１の磁石１１をｘ方向に横断する第３の配線部分２２ｘ１と、第２の磁石１２をｘ方向に横断する第４の配線部分２２ｘ２と、両者を接続するようｙ方向に延在する接続部分２２ｙとを含んでいる。
【0040】
かかる構成により、第２の配線２２に電流を流すと、第３の配線部分２２ｘ１と第４の配線部分２２ｘ２には、互いに逆方向の電流が流れる。図７に示す例では、第２の配線２２の一端Ｃから他端Ｄに向かって電流を流すと、第３の配線部分２２ｘ１には右方向（＋ｘ方向）に電流が流れ、第４の配線部分２２ｘ２には左方向（－ｘ方向）に電流が流れることになる。
【0041】
図８は、第１の配線２１に流れる電流が磁石構造体１０に与える影響を説明するための図である。
【0042】
図８に示すように、第１の配線２１に電流Ｉ１又はＩ２が流れると、磁石構造体１０と第１の配線２１との間にはｘ方向のローレンツ力ＦＬ１又はＦＬ２が働く。
【0043】
具体的には、第１の配線２１に電流Ｉ１が流れた場合、第１の磁石１１に対しては電流の方向が下方向（－ｙ方向）であることから、第１の配線２１には右方向（＋ｘ方向）のローレンツ力ＦＬ１が作用する。一方、第２の磁石１２に対しては電流の方向が上方向（＋ｙ方向）であることから、第１の配線２１には右方向（＋ｘ方向）のローレンツ力ＦＬ１が作用する。つまり、第１及び第２の磁石１１，１２のいずれに対しても、第１の配線２１には右方向（＋ｘ方向）のローレンツ力ＦＬ１が作用することになる。
【0044】
逆に、第１の配線２１に電流Ｉ２が流れた場合、第１の磁石１１に対しては電流の方向が上方向（＋ｙ方向）であることから、第１の配線２１には左方向（－ｘ方向）のローレンツ力ＦＬ２が作用する。一方、第２の磁石１２に対しては電流の方向が下方向（－ｙ方向）であることから、第１の配線２１には左方向（－ｘ方向）のローレンツ力ＦＬ２が作用する。つまり、第１及び第２の磁石１１，１２のいずれに対しても、第１の配線２１には左方向（－ｘ方向）のローレンツ力ＦＬ２が作用することになる。
【0045】
したがって、本実施形態によるトランデューサ１００をアクチュエータとして用いる場合、電流Ｉ１又はＩ２を流すことにより、磁石構造体１０と回路基板２０のｘ方向における相対的な位置関係を変化させることができる。変化の大きさ及び速度は、電流Ｉ１又はＩ２によって制御することができる。
【0046】
図９は、第２の配線２２に流れる電流が磁石構造体１０に与える影響を説明するための図である。
【0047】
図９に示すように、第２の配線２２に電流Ｉ３又はＩ４が流れると、磁石構造体１０と第２の配線２２との間にはｙ方向のローレンツ力ＦＬ３又はＦＬ４が働く。
【0048】
具体的には、第２の配線２２に電流Ｉ３が流れた場合、第１の磁石１１に対しては電流の方向が右方向（＋ｘ方向）であることから、第２の配線２２には上方向（＋ｙ方向）のローレンツ力ＦＬ３が作用する。一方、第２の磁石１２に対しては電流の方向が左方向（－ｘ方向）であることから、第２の配線２２には上方向（＋ｙ方向）のローレンツ力ＦＬ３が作用する。つまり、第１及び第２の磁石１１，１２のいずれに対しても、第２の配線２２には上方向（＋ｙ方向）のローレンツ力ＦＬ３が作用することになる。
【0049】
逆に、第２の配線２２に電流Ｉ４が流れた場合、第１の磁石１１に対しては電流の方向が左方向（－ｘ方向）であることから、第２の配線２２には下方向（－ｙ方向）のローレンツ力ＦＬ４が作用する。一方、第２の磁石１２に対しては電流の方向が右方向（＋ｘ方向）であることから、第２の配線２２には下方向（－ｙ方向）のローレンツ力ＦＬ４が作用する。つまり、第１及び第２の磁石１１，１２のいずれに対しても、第２の配線２２には下方向（－ｙ方向）のローレンツ力ＦＬ４が作用することになる。
【0050】
したがって、本実施形態によるトランデューサ１００をアクチュエータとして用いる場合、電流Ｉ３又はＩ４を流すことにより、磁石構造体１０と回路基板２０のｙ方向における相対的な位置関係を変化させることができる。変化の大きさ及び速度は、電流Ｉ３又はＩ４によって制御することができる。
【0051】
このように、本実施形態によるトランデューサ１００をアクチュエータとして用いる場合、第１の配線２１に電流Ｉ１又はＩ２を流すことによって磁石構造体１０と回路基板２０のｘ方向における相対的な位置関係を変化させることができ、第２の配線２２に電流Ｉ３又はＩ４を流すことによって磁石構造体１０と回路基板２０のｙ方向における相対的な位置関係を変化させることができることから、電流Ｉ１～Ｉ４によって磁石構造体１０と回路基板２０の平面的な位置関係を変化させることができる。つまり、磁石構造体１０と回路基板２０を相対的に２次元動作させることが可能となる。
【0052】
一方、外力が作用することによって、磁石構造体１０と回路基板２０の相対的な位置が変化すると、第１及び第２の配線２１，２２には誘導電流が発生する。したがって、本実施形態によるトランデューサ１００は、エネルギーハーベスタとして用いることができる。具体的には、図１０に示すように、外力ＦＥ１が作用すると第１の配線２１に電流Ｉ１が流れ、外力ＦＥ２が作用すると第１の配線２１に電流Ｉ２が流れる。また、図１１に示すように、外力ＦＥ３が作用すると第２の配線２２に電流Ｉ３が流れ、外力ＦＥ４が作用すると２１の配線２２に電流Ｉ４が流れる。このように、外力による磁石構造体１０と回路基板２０の相対的な２次元動作によって、誘導電流を発生させることが可能となる。
【0053】
ここで、磁石構造体１０と回路基板２０のｘ方向における相対的な移動は、図１に示すマイクロボールＢ１の転動によって案内され、磁石構造体１０と回路基板２０のｙ方向における相対的な移動は、図１に示すマイクロボールＢ２の転動によって案内される。
【0054】
図１２は、支持体４０の構成を説明するための略透視斜視図である。
【0055】
図１２に示すように、支持体４０は開口部４０ａを有する枠状体であり、開口部４０ａに磁石構造体１０が固定される。支持体４０は、ｚ方向における一方側の表面４１と他方側の表面４２を有し、他方側の表面４２には４つの案内溝Ｇ４が形成されている。拡大図である図１３に示すように、案内溝Ｇ４は、支持体４０の角部近傍に配置されたＶ字型の溝であり、その延在方向はｙ方向である。
【0056】
図１４は、支持体５０の構成を説明するための略透視斜視図である。
【0057】
図１４に示すように、支持体５０は開口部５０ａを有する枠状体であり、トランデューサ１００を組み立てると、開口部５０ａに磁石構造体１０及び回路基板２０が露出し、両者が互いに向かい合う。支持体５０は、ｚ方向における一方側の表面５１と他方側の表面５２を有し、一方側の表面５１には４つの案内溝Ｇ２が形成され、他方側の表面５２には４つの案内溝Ｇ１が形成されている。拡大図である図１５に示すように、案内溝Ｇ１，Ｇ２はいずれも支持体５０の角部近傍に配置されたＶ字型の溝であり、案内溝Ｇ１はｘ方向に延在し、案内溝Ｇ２はｙ方向に延在している。そして、支持体４０と支持体５０を重ねると、ｚ方向から見て案内溝Ｇ４と案内溝Ｇ２が互いに重なり、これら案内溝Ｇ４，Ｇ２にマイクロボールＢ２が挟み込まれる。これにより、マイクロボールＢ２は案内溝Ｇ４，Ｇ２に沿ってｙ方向に転動自在となり、支持体４０と支持体５０を相対的にｙ方向に滑動させる滑動機構が構成される。
【0058】
図１６は、支持体６０の構成を説明するための略透視斜視図である。
【0059】
図１６に示すように、支持体６０は板状体であり、その一方側の表面６１に回路基板２０が固定され、他方側の表面６２に鋼板３０が固定される。さらに、支持体６０の一方側の表面６１には４つの案内溝Ｇ３が形成されている。拡大図である図１７に示すように、案内溝Ｇ３は支持体６０の角部近傍に配置されたＶ字型の溝であり、その延在方向はｘ方向である。そして、支持体５０と支持体６０を重ねると、ｚ方向から見て案内溝Ｇ１と案内溝Ｇ３が互いに重なり、これら案内溝Ｇ１，Ｇ３にはマイクロボールＢ１が挟み込まれる。これにより、マイクロボールＢ１は案内溝Ｇ１，Ｇ３に沿ってｘ方向に転動自在となり、支持体５０と支持体６０を相対的にｘ方向に滑動させる滑動機構が構成される。
【0060】
したがって、マイクロボールＢ１，Ｂ２を介して支持体４０，５０，６０を重ねることによりトランデューサ１００を組み立てると、磁石構造体１０と回路基板２０は、相対的にｘｙ方向に滑動自在となる。つまり、磁石構造体１０と回路基板２０のｚ方向における間隔を一定に保ったまま、ｘ方向における相対的な動きは案内溝Ｇ１，Ｇ３に沿ったマイクロボールＢ１の転動によって案内され、ｙ方向における相対的な動きは案内溝Ｇ２，Ｇ４に沿ったマイクロボールＢ２の転動によって案内されるため、スムーズな２次元動作が可能となる。また、変位量は、案内溝Ｇ１～Ｇ４の長さによって決まることから、十分な変位量を確保することも可能となる。
【0061】
本実施形態によるトランデューサ１００は、支持体４０又は支持体６０を機器の筐体に固定して使用することができる。例えば、支持体６０を機器の筐体に固定すれば、配線２１，２２に電流を流すことにより、筐体に対して磁石構造体１０を２次元的に駆動することが可能となる。この場合、例えば筐体に撮像素子を固定し、磁石構造体１０に光学レンズを固定すれば、光学レンズを２次元的に駆動することによって手ぶれ補正を行うことも可能である。
【0062】
また、支持体６０を筐体に固定する場合、磁石構造体１０をｘ方向に滑動させる際には、磁石構造体１０だけでなく支持体５０についてもｘ方向に滑動させる必要があるのに対し、磁石構造体１０をｙ方向に滑動させる際には、支持体５０を滑動させることなく、磁石構造体１０をｙ方向に滑動させれば足りる。このことは、ｘ方向の滑動に必要な駆動力がｙ方向の滑動に必要な駆動力よりも大きいことを意味する。しかしながら、本実施形態においては、ｘ方向への駆動力を生じさせる第１の配線２１がより磁石構造体１０に近い第２の平面Ｓ２に位置し、ｙ方向への駆動力を生じさせる第２の配線２２がより磁石構造体１０から遠い第３の平面Ｓ３に位置していることから、単位電流量当たりの駆動力は、ｙ方向よりもｘ方向の方が大きくなる。つまり、必要な駆動力が大きいｘ方向への滑動に寄与する第１の配線２１を磁石構造体１０に近い第２の平面Ｓ２に配置し、必要な駆動力が小さいｙ方向への滑動に寄与する第２の配線２２を磁石構造体１０から遠い第３の平面Ｓ３に配置することで、発生する駆動力と滑動に必要な駆動力のバランスを確保することが可能となる。
【0063】
図１８は、本実施形態によるトランデューサ１００をアクチュエータとして用いる場合の駆動回路７０の回路図である。
【0064】
図１８に示す駆動回路７０は、制御信号ＣＮＴに基づいて駆動信号Ｄｘ，Ｄｙを生成する制御回路７１と、駆動信号Ｄｘを駆動電流Ｉｘに変換するアンプ７２と、駆動信号Ｄｙを駆動電流Ｉｙに変換するアンプ７３とを有している。制御信号ＣＮＴは、アクチュエータであるトランデューサ１００の動作方向及び動作量を指示する信号であり、例えばアクチュエータであるトランデューサ１００を手ぶれ補正機構として使用する場合には、加速度センサなどから供給される手ぶれ検出信号が該当する。制御回路７１は、制御信号ＣＮＴに基づき、ｘ方向への駆動量を示す駆動信号Ｄｘと、ｙ方向への駆動量を示す駆動信号Ｄｙを生成し、これらをアンプ７２，７３にそれぞれ供給する。そして、アンプ７２，７３によって駆動信号Ｄｘ，Ｄｙが駆動電流Ｉｘ１，Ｉｙ１に変換され、それぞれ第１及び第２の配線２１，２２に供給される。これにより、制御信号ＣＮＴに基づいて、磁石構造体１０と回路基板２０を相対的に２次元滑動させることが可能となる。
【0065】
単位滑動量当たりの駆動電流Ｉｘ１，Ｉｙ１は互いに同じであっても構わないが、ｙ方向への滑動に寄与する第２の配線２２が磁石構造体１０から遠い第３の平面Ｓ３に配置されているため、基板２３の厚さによっては、ｙ方向への駆動力が不足する可能性がある。このような場合には、駆動信号Ｄｘと駆動信号Ｄｙのゲインに差を設け、単位滑動量当たりの駆動信号Ｄｘの指示値よりも、単位滑動量当たりの駆動信号Ｄｙの指示値が大きくなるよう、制御回路７１を設計することによって、ｙ方向への駆動力を増大させても構わない。或いは、制御回路７１による駆動信号Ｄｘと駆動信号Ｄｙのゲインは一定とし、駆動信号Ｄｘの単位指示値当たりの駆動電流Ｉｘ１よりも、駆動信号Ｄｙの単位指示値当たりの駆動電流Ｉｙ１の方が大きくなるよう、アンプ７２，７３を設計しても構わない。
【0066】
これによれば、単位滑動量当たりの駆動電流Ｉｘ１よりも単位滑動量当たりの駆動電流Ｉｙ１の方が大きくなるため、磁石構造体１０からの距離が遠いことによる駆動力の低下を補うことが可能となる。この場合、ｘ方向の滑動に寄与する第１の配線２１よりも、ｙ方向の滑動に寄与する第２の配線２２の方がより大きな電流が流れることから、図１９に示すように、第１の配線２１の導体厚Ｔ１をより薄く設計し、第２の配線２２の導体厚Ｔ２をより厚く設計しても構わない（Ｔ１＜Ｔ２）。これによれば、より大きな電流が流れる第２の配線２２の抵抗値を下げることができるとともに、第１の配線２１の導体厚Ｔ１が薄いことから、磁石構造体１０と第２の配線２２の距離をより近づけることが可能となる。
【0067】
図２０は、本実施形態によるトランデューサ１００をエネルギーハーベスタとして用いる場合に必要な回路を示すブロック図である。
【0068】
本実施形態によるトランデューサ１００をエネルギーハーベスタとして用いる場合、整流変圧回路８０に誘導電流Ｉｘ２及びＩｙ２を入力する。整流変圧回路８０は、誘導電流Ｉｘ２及びＩｙ２を整流し、出力電圧ＯＵＴを生成する。これにより、トランデューサ１００に外力が作用すると、出力電圧ＯＵＴを得ることが可能となる。
【0069】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【0070】
例えば、上記実施形態では、第１及び第２の磁石１１，１２の全てに第１及び第２の配線２１，２２が割り当てられているが、本発明においてこのような構成とすることは必須でない。したがって、第１の配線２１については、第１の配列部分Ｌｘを構成する第１の磁石１１及び第２の磁石１２の少なくとも一部をｙ方向に横断すれば足り、第２の配線２２については、第２の配列部分Ｌｙを構成する第１の磁石１１及び第２の磁石１２の少なくとも一部をｘ方向に横断すれば足りる。
【0071】
また、上記実施形態では、支持体４０，６０を用いているが、磁石構造体１０自体に案内溝Ｇ４を設けることにより支持体４０を省略しても構わないし、回路基板２０自体に案内溝Ｇ３を設けることにより支持体６０を省略しても構わない。
【0072】
また、上記実施形態では、ｘ方向への滑動機構を構成するマイクロボールＢ１及び案内溝Ｇ１，Ｇ３を４セット用い、ｙ方向への滑動機構を構成するマイクロボールＢ２及び案内溝Ｇ２，Ｇ４を４セット用いているが、これらの数については特に限定されない。
【符号の説明】
【0073】
１０ 磁石構造体
１１ 第１の磁石
１２ 第２の磁石
１３ 支持基板
２０ 回路基板
２１ 第１の配線
２１ｘ 接続部分
２１ｙ１ 第１の配線部分
２１ｙ２ 第２の配線部分
２２ 第２の配線
２２ｘ１ 第３の配線部分
２２ｘ２ 第４の配線部分
２２ｙ 接続部分
２３ 基板
２４ 基板の一方の表面
２５ 基板の他方の表面
２６ 絶縁膜
３０ 鋼板
４０ 支持体
４０ａ 開口部
４１ 支持体の一方の表面
４２ 支持体の他方の表面
５０ 支持体
５０ａ 開口部
５１ 支持体の一方の表面
５２ 支持体の他方の表面
６０ 支持体
６１ 支持体の一方の表面
６２ 支持体の一方の表面
７０ 駆動回路
７１ 制御回路
７２，７３ アンプ
８０ 整流変圧回路
１００ トランデューサ
ＡＦ 磁気吸引力
Ｂ１，Ｂ２ マイクロボール
ＣＮＴ 制御信号
Ｄｘ，Ｄｙ 駆動信号
ＦＬ１～ＦＬ４ ローレンツ力
ＦＥ１～ＦＥ４ 外力
Ｇ１～Ｇ４ 案内溝
Ｉ１～Ｉ４ 電流
Ｉｘ１，Ｉｙ１ 駆動電流
Ｉｘ２，Ｉｙ２ 誘導電流
ＯＵＴ 出力信号
Ｓ１ 第１の平面
Ｓ２ 第２の平面
Ｓ３ 第３の平面
ＳＬ スリット
１１ 第１の磁石
１２ 第２の磁石
１３ 支持基板
２０ 回路基板
２１ 第１の配線
２１ｘ 接続部分
２１ｙ１ 第１の配線部分
２１ｙ２ 第２の配線部分
２２ 第２の配線
２２ｘ１ 第３の配線部分
２２ｘ２ 第４の配線部分
２２ｙ 接続部分
２３ 基板
２４ 基板の一方の表面
２５ 基板の他方の表面
２６ 絶縁膜
３０ 鋼板
４０ 支持体
４０ａ 開口部
４１ 支持体の一方の表面
４２ 支持体の他方の表面
５０ 支持体
５０ａ 開口部
５１ 支持体の一方の表面
５２ 支持体の他方の表面
６０ 支持体
６１ 支持体の一方の表面
６２ 支持体の一方の表面
７０ 駆動回路
７１ 制御回路
７２，７３ アンプ
８０ 整流変圧回路
１００ トランデューサ
ＡＦ 磁気吸引力
Ｂ１，Ｂ２ マイクロボール
ＣＮＴ 制御信号
Ｄｘ，Ｄｙ 駆動信号
ＦＬ１～ＦＬ４ ローレンツ力
ＦＥ１～ＦＥ４ 外力
Ｇ１～Ｇ４ 案内溝
Ｉ１～Ｉ４ 電流
Ｉｘ１，Ｉｙ１ 駆動電流
Ｉｘ２，Ｉｙ２ 誘導電流
ＯＵＴ 出力信号
Ｓ１ 第１の平面
Ｓ２ 第２の平面
Ｓ３ 第３の平面
ＳＬ スリット
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】