JP2006007161A - 振動リニアアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 構造が単純で耐久性に優れ、かつ、限られたハウジング本体内のスペースを効率よく最大限活用して、可動子を揺動させ、使用者がはっきりと認識できる程の振動力を発することのできる振動リニアアクチュエータを提供する。
【解決手段】 永久磁石を備える可動子と、前記可動子を収納するハウジング本体と、前記可動子と前記ハウジング本体とを連結して支持する薄板状の弾性体と、前記可動子を駆動させるための固定子側コイルと、を備える振動デバイスにおいて、
永久磁石は、可動子の振幅方向に着磁され、かつ外周には分銅となる重量体を一体に備え、また対向するコイルは、永久磁石の内径側に僅かな隙間を介して位置し、その円筒状に巻回されたコイル内径には、柱状のポールピースが中心を貫通する形で設けられている振動リニアアクチュエータ。
【選択図】 図１

Description

本発明は、振動アラーム装置としての小型振動デバイスに係り、特に、携帯電話、携帯電子機器、及び携帯液晶ＴＶゲーム機等の情報端末機器に搭載される振動リニアアクチュエータに関する。

現在、携帯電話に代表される携帯情報端末機において、体感振動により使用者に着信を知らせる振動呼び出し機能（サイレントモード、マナーモード等のバイブ機能）は、社会的に、またマナーの面から必要不可欠なものとなっており、これに合わせて様々な機構の小型振動発生装置が開発されている。

振動発生装置には、例えば、偏心分銅を回転させる円筒又は偏平型の小型振動モータや、スピーカー駆動型のマルチファンクションデバイス（ＭＦＤ）等を用いて、振動と音と音声を発生させる応用装置が一般的に周知であるが、近年の携帯情報端末機本体の小型化への傾向に伴い、機器内部の振動発生装置が取り得るスペースも年々限られたものとなってきている。

このような制限の中で、振動発生装置の小型化を図り、消費電力を抑えつつも、使用者にあっては確実に着信が認識できる程度の振動力を発生させる新規な構造の振動デバイスの開発が望まれている。

上記課題を解決するため、例えば、特許文献１に示される振動発生装置においては、シャフトを中心とした内ヨークとコイルとを固定子とし、その外周に配置された外ヨークを可動子とした振動発生装置が開発されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１５４３１４号公報

しかしながら、上記特許文献１に代表される振動発生装置にあっては、可動子である外ヨークは円板を中抜きした環状に形成されているため、振動を発生させるのに十分な可動子としての重量を得ることが難しく、発振効率が低く、振動力が必ずしも十分とは言えない。また、上述のような一般的な振動モータにあっては、部品点数が多く、構造が複雑な上に高速回転で振動するため、摺動部の信頼性に問題が残る。また、前記マルチファンクションデバイス（ＭＦＤ）は、スピーカの基本構造を採用しているために、可動子の磁気回路の振幅と、音又は音声のダイアフラムの振幅との領域が少なからず重なり合うようになり、限られた厚み寸法の範囲内では十分な振動力、又は音響特性が得られないという問題があった。

そこで本発明は、薄型の振動デバイスとしての振動発生機能に特化し、構造が単純で耐久性に優れ、かつ限られたスペースを最大限活用して、使用者がはっきりと認識できる振動力を発することのできる小径偏平型の振動リニアアクチュエータを提供することを目的とする。

前記課題を解決するため、請求項１に記載の発明では、
永久磁石を備える可動子と、前記可動子を収納するハウジング本体と、前記可動子と前記ハウジング本体とを連結して支持する薄板状の弾性体と、前記可動子を駆動させるための固定子側コイルと、を備える振動デバイスにおいて、
前記永久磁石は、可動子の振幅方向に着磁され、かつ永久磁石外周には分銅となる重量体を一体に備えており、また対向する前記コイルは、前記永久磁石の内径側に僅かな隙間を介して位置し、その円筒状に巻回されたコイル内径には、柱状のポールピースが中心を貫通する形で設けられていることを特徴としている。

また請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の発明において、
前記永久磁石の厚み方向中心となる磁界の中心位置と、前記コイルに通電された時に発生する磁界の中心位置とを振幅方向で一致させず、振幅方向での双方の位置関係が、コイル一端部側寄りにオフセットさせて配置したことを特徴としている。

また請求項３に記載の発明では、請求項１または請求項２に記載の発明において、
前記可動子の外周面と前記ハウジング本体の側壁内面との隙間、及び前記可動子の内周面と前記コイルの外周面との隙間、を共に0.08mm〜0.15mmの範囲内で幅狭にし、可動子の動きによって変化する前記可動子の上面側と前記ハウジング本体の上面内壁とで形成される空間と、前記可動子の下面側と前記ハウジング本体の蓋部となる端子基板とで形成される空間、との間の空気の移動量を制限するためのエアーダンパー構造を備えたことを特徴としている。

また請求項４に記載の発明は、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発明において、
前記重量体は、タングステン、タンタル等の比重10以上の高比重合金を主成分とする非磁性材料の重りにより形成されていることを特徴としている。

また請求項５に記載の発明では、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発明において、
前記重量体は、黄銅、銅等の比重8以上10未満の比重の大きい一般非磁性体材料の重りにより形成されていることを特徴としている。

また請求項６に記載の発明は、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の発明において、
前記端子基板の底面側が、半田リフロー対応の端子基板構造であることを特徴としている。

また請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、
前記端子基板の半田リフロー対応の端子形状が、同心円状に区切られた中心に位置する正極（又は負極）とその外周に位置する環状帯体の負極（又は正極）領域とにより構成されていることを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、
弾性体により支持された可動子と、前記可動子を振動させる磁界を発生する固定子側コイルとを、ハウジング本体内部で対向配置し、前記コイルに電流が流れた時に生ずる磁界と、前記永久磁石の発生する磁界との間に作用する磁気反発力又は磁気吸引力により、前記可動子部分が共振して円筒状ハウジング本体の厚み方向であるスラスト方向に振動する。この時、前記コイルの外周面と前記永久磁石の内周面とが僅かな間隙を有するように配設し、さらに前記円筒状コイルの中心を貫通するポールピースを設けることにより、駆動力を得る磁気的な効率の向上が望める。

さらに加えると、可動する永久磁石外周には、分銅（重り）となる重量体を一体に備えており、限られたハウジング本体内のスペース中で、十分な振動力を得るための可動子としての重りの役割を果たしている。また振幅方向に着磁された永久磁石に対し、対向する固定子側の円筒状コイルは、前記永久磁石の内径側に僅かな隙間を介して位置し、またその円筒状に巻回されたコイル内径には、柱状のポールピースが中心を貫通する形で設けられているので、磁気的に磁束がポールピース内を集中的に通過し、ギャップを狭くすることにより、部分的な磁束密度が向上し、前記固定子側コイルからの磁束が、可動子側の永久磁石に効率よく作用する。

このため前記コイルに電流が流された時、前記永久磁石と重量体とを有して構成される可動子の加速度が増し、振動方向に対して、より大きな力、すなわち振動力が得られる。これにより超小型サイズの振動デバイスを搭載した携帯情報機器の使用者が、着信時にはっきりと認識できる程度の十分な振動力を得ることができる。

また、請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明と同様の効果を得ることができる他、
前記永久磁石の磁界の中心位置とコイルに通電された時に生じる磁界の中心位置とが異なるように構成されているため、前記永久磁石の磁界と前記コイルに電流が流された時に生じる磁界との間に作用される磁気的な力がその位置で均衡することがなく、前記コイルに通電されると同時に、前記可動子が、一方の振幅方向に速やかに移動し、確実に起動して振動を繰り返す。

つまり前記永久磁石から生じるN-S磁界が、前記円筒状に巻回したコイル両端の磁極の反転に対し、例えば図６で示すような位置関係で、永久磁石2の磁界中心位置Mとコイル5の磁界中心位置Cとが一致した無通電の初期状態では、電流起動時において磁気的なバランスの均衡が保たれてしまい、可動子9は動作しない。これに対し図５で示す位置関係では、特に軸方向に平行移動する可動子9の永久磁石2の磁界中心位置Mは、コイル5の磁界中心位置Cに対しオフセットされており、これにより前記コイル5の両端位置のN-S磁束発生によって、永久磁石2自身は、軸方向にリニアな力を受け、無負荷の弾性体平面を基準面として振幅方向に起動し、弾性体4に支持された状態の共振点領域で、可動子9が直線上を往復振動し、それにより振動力を発生させることが可能となる。

また、請求項３に記載の発明によれば、請求項１及び請求項２に記載の発明と同様の効果を得ることができる他、
寸法的に前記可動子の外周面と前記ハウジング本体の側壁内面との隙間、及び前記可動子の内周面と前記コイルの外周面との隙間、を共に0.08mm〜0.15mmの範囲内で幅狭に設定することにより、前記可動子の上面側と前記ハウジング本体の上面内壁とで形成される空間と、前記可動子の下面と前記端子基板とで形成される空間、との空気の移動量を制限することができ、この構造によりエアーダンパー効果が働き、前記可動子が最適な振動を得るための共振周波数帯域が拡大できる。これにより例えば、落下や衝突により携帯情報端末機器の固有振動数が変化することによって共振周波数が僅かに変化した場合であっても、前記共振周波数帯域が広ければ、得られるピークの振動力が急激に減少することがなく、常に安定した振動力を得ることができる。さらに耐久性及びライフ等の信頼性が向上する。

尚この時、前記可動子の外周面と前記ハウジング本体の側壁内面との隙間、及び前記可動子の内周面と前記コイルの外周面との隙間、を共に0.08mm〜0.15mmの範囲内にする理由として、隙間の幅が0.08mm以下であると可動子側と固定子側で、動作時に緩衝してしまい、逆に隙間の幅が0.15mmより大きいと、エアーダンパーの効果が得られないためである。

また、請求項４に記載の発明によれば、請求項１〜請求項３に記載の発明と同様の効果を得ることができる他、
タングステン、タンタル等を主成分とする非磁性材料を含む高比重の金属体によって形成された前記重量体の重りが、可動子として永久磁石と一体に往復運動することにより、より大きな振動力が得られるものである。特に、前記重量体は、タングステン、タンタル等の比重10以上の高比重合金を主成分とする非磁性材料を含む金属体の重りにより形成するため、限られた小さなスペース内において、最大限の可動子としての重量を得ることができる。生産性やコストを考え、工業的に使用できる金属材料の範囲の中で、タングステン合金、タンタル合金、コバルト合金等の使用が可能である。

また、請求項５に記載の発明によれば、請求項１〜請求項３に記載の発明と同様の効果を得ることができる他、
黄銅、銅等の比重8以上10未満の比較的比重の大きい非磁性体材料の金属体によって形成された前記重量体の重りが、可動子として永久磁石と一体に往復運動することにより、大きな振動力が得られるものである。特に、前記重量体は、黄銅、銅等の比重8以上10未満の比重の大きい一般的な非磁性体材料の金属体の重りにより形成されるため、限られたスペース内において安価な材料を用いて最良の可動子としての重量を得ることができる。

また、請求項６に記載の発明によれば、請求項１〜請求項５に記載の発明と同様の効果を得ることができる他、
携帯情報端末機側の回路基板面に対し、ハウジング本体底部の端子基板面を前記回路基板上に直接的に半田リフロー固定ができ、前記回路基板の給電ランドへの通電が容易に行える。これにより組み立て作業工程における工数を削減でき、量産工程における半田リフロー自動化ラインに載せることも可能となる。

また、請求項７に記載の発明によれば、請求項６に記載の発明と同様の効果を得ることができる他、
前記半田リフロー工程におけるリフロー部品の回路基板上への配置が容易になる。通常はロボットなどによる自動機あるいはオペレータが手動で配置を行うが、配置するリフロー部品が円盤状の場合、その底面側の端子位置の方向の識別が難しく、例えば回転方向に向きがズレた場合などは、半田固定した状態でも導通が得られないなどの不良問題があり、配置する側の回路基板上の給電ランド位置との一致が難しい。このため本発明のように、前記端子基板の円形位置の中心部分と、その同心円状外方の環状帯体部分とを分けて給電ランドに対応させ、円形形状のリフロー部品が、回転方向に無関係に位置合わせができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態に係る振動リニアアクチュエータについて説明する。

＜実施形態＞
図２に示すように、本実施形態に係る振動リニアアクチュエータ1は、中心部に凹部7aを有する略円筒形状のハウジング本体7を備え、ハウジング本体7の開口する一端側に、リブ11を嵌め合いのガイドとして基台プレート10が組み込まれて外枠の筐体が構成され、端子基板14が底部に配置されている。外観寸法的には、外径φ15mm〜10mm程度、厚み5mm〜3mm程度の小型偏平形状の振動デバイスとして設計されている。

また内部構成は、前記ハウジング本体7内側の凹部7aの底面に相当する円環面に、図１に示すような、ハウジング本体7の内径側枠に近接する外径寸法を有する略円板状の弾性体4が、前記凹部7a円環面の内径穴8で、円柱状の主軸12の先端凸部によって同心状に固着されている。前記主軸12は、前記基台プレート10の板面の中心軸受穴10aに垂直に立てられるポールピース3と一体に、同軸同径で形成されており、主軸12部分は非磁性の樹脂体により形成されている。また主軸12は前記弾性体4を前記基台プレート10の基準面に対し、弾性体4の板面の水平を保つように支持固定する構造を有している。

また弾性体4の下面側の外周縁には、前記弾性体4と等しい外径寸法を有する断面略凹環状に形成された重量体6が、釣り下げられるように取り付けられ、その重量体6の内径側には、スラスト配向型の円環状永久磁石2が、前記重量体6の略凹形状底面部と同一な厚み範囲内で嵌合固定され、可動子9全体を構成している。前記永久磁石2は、例えば、その上面側がN極で下面側がS極となるように軸方向に着磁されている。この可動子9の構造において、主軸12を中心に可動子9全体の組み込み精度、取り付けバランス等の仕上がりは、装置固有の振動特性を左右するため、部品寸法公差を厳密にする必要があり、量産時の個々の製品のバラツキを最小限に抑える必要がある。

また一方、可動子9側の永久磁石2に対向する固定子側コイル5は、前記磁性材料からなる円柱状ポールピース3の外周に巻回され、ポールピース3と組み合わせた状態で、実質的に円筒状コイル5の軸方向両端付近にN-S磁束が集中するようになる。またポールピース3は、強磁性材料であることが好ましく、本実施形態においてはステンレス鋼（SUS420J）を採用した。ただし材料はこれに限定されるものではなく、例えば、鉄、コバルト、ニッケルを主成分とする金属又は合金であってもよい。さらにポールピース3自身は、略円板状の基台プレート10の中央部の軸受穴10aで支持され、固定子側コイル5と前記可動子側永久磁石2との配置関係を保ちつつ、その先端側に位置する主軸12と共に、ハウジング本体7と基台プレート10を嵌め合わせた筐体内の中心軸的な役割を果たしてる。

図１に示す構造断面図からわかるように、コイル5の外周には、環状に形成された永久磁石2が、前記コイル5の外周面から僅かな間隙、つまり磁気ギャップを介して取り付けられている。このため動作時に可動子側永久磁石2と固定子側コイル5との間で物理的な緩衝が出ないように、ハウジング本体7に対し基台プレート10をバラツキ無く正確に組み込む必要がある。

また、前記可動子9の外周面と前記ハウジング本体7の側壁内面との隙間、及び前記可動子9の内周面と前記コイル5の外周面との隙間、を共に0.08mm〜0.15mmの範囲内で幅狭にし、可動子9の動きによって変化する前記可動子9の上面側と前記ハウジング本体7の上面内壁とで形成される空間と、前記可動子9の下面側と前記ハウジング本体7の蓋部となる基台プレート10とで形成される空間、との間の空気の移動量を制限するためのエアーダンパー構造を備えている。

この時、前記可動子の外周面と前記ハウジング本体の側壁内面との隙間、及び前記可動子の内周面と前記コイルの外周面との隙間、を共に0.08mm〜0.15mmの範囲内にする必要がある。理由としては、隙間の幅が0.08mm以下であると可動子側と固定子側で、動作時に緩衝してしまい、逆に隙間の幅が0.15mmより大きいと、本発明のエアーダンパーの効果が得られないためである。

寸法的に前記可動子と前記固定子との対向する隙間を0.08mm〜0.15mmの範囲内で幅狭に設計することにより、前記可動子9を挟んだ上下にある前記空間の空気は、可動子9の上下動を抑制する形で、空間から空間への空気の移動量を制限することができる。この構造によりエアーダンパー効果が働き、前記可動子9が必要レベル以上の振動力を得るために必要とされる共振周波数帯域が実質的に拡大する。

図１０は、前記エアーダンパー構造を採用したのものとそうでないものを比較したグラフであり、横軸に入力周波数（Hz）、縦軸に加速度（G）の関係を示している。図において曲線Fがエアーダンパー構造のものである。グラフにおいてQ値が低いなだらかな曲線Fと、Q値が高い鋭い曲線Pとを比較すると、例えば落下や衝突により可動子部分が変形したり、携帯情報端末機器の固有振動数が変化することなどによって振動デバイス装置の共振周波数が変化（共振周波数域が変動）した場合、当然ながら前記FとPの二つの曲線の違いによる加速度（＝振動力）Gの変化の違いが現れる。

図１０における曲線Fと曲線Pの共振周波数を仮に140Hzと同一とみなし、その共振周波数F0からの変動の幅を仮に破線で示すF1とF2とした場合、ピークF0における加速度Gは、曲線Pが1.0Gであるのに対し、曲線Fは0.9Gと、多少加速度の数値が劣る。しかし共振周波数が変動してしまうと、例えば、F1又はF2の共振周波数までズレたとすると、その時の加速度Gは、曲線Fの方が逆に0.8Gで大きく、曲線Pは0.6Gと大幅に下がり、ピークF0値との落差が激しくなる。このように、F1とF2の破線部領域を見ると、エアーダンパー構造である曲線Fの加速度（＝振動力）Gは、入力周波数帯域の破線部領域全体において、広く安定した特性が得られ、ピークF0から外れた時の加速度の急激な減少は少なく、周波数の変化に対し常に安定した振動力を得ることができる。

さらに図１又はそれを拡大した図５で示すように、本発明の振動リニアアクチュエータを組み込む場合、永久磁石2とコイル5との間には、次のような位置関係であることが設計上望ましい。例えば、前記永久磁石2の厚み方向の中心となる磁界の中心位置Mと、前記コイル5に通電された時に発生する磁界の中心位置Cとを、振幅方向で一致させずに、振幅方向での双方の位置関係が、一方のコイル5端部側寄りにオフセットさせて配置する必要がある。

これは前記永久磁石2の磁界と前記コイル5に電流が流された時に生じる磁界との間に作用する磁気的な力が、その無通電の初期状態の位置で可動子9が均衡することがないように、前記コイル5に通電されると同時に、前記可動子9が一方の振幅方向に速やかに移動し、確実に起動して、振動を繰り返すための構造設計である。

つまり前記永久磁石2から生じるN-S磁界が、前記円筒状に巻回したコイル5の両端のN-S磁極の反転に対し、例えば図６で示すような位置関係である場合、永久磁石2の磁界中心位置Mとコイル5の磁界中心位置Cとが一致した無通電の初期状態では、電流起動時において、磁気的なバランスの均衡が常に保たれてしまい、可動子9は動作しない。これに対し図５で示す位置関係のように、コイル5の磁界中心位置Cの高さを構造的に下げ、軸方向に平行移動する可動子9の永久磁石2の磁界中心位置Mを、図のように段違いにオフセットすることにより、電流起動時に磁気的な吸引反発力がすぐに働く。

図５に示すように、前記コイル5の両端位置でのN-S磁束発生による磁気的な吸引力、反発力は、可動子9の永久磁石2側の磁界に作用し、軸方向に動くリニアな力を与え、無負荷状態の弾性体4平面を基準面として、図の矢印方向下側に起動し、弾性体4と共に可動子9全体が共振しながら直線上を往復振動し、振動力を発生する。

実際の可動子9部分の動きは、図１に示す無通電状態から図３に示す最下点位置に移動し、次に図１の姿勢に戻ってから反対位置に移動し、図４に示す最上点位置までの振幅範囲を往復運動する。ここで図１に示す符号S1とS2とは、共に可動子9が無通電状態の時の最大振幅許容範囲を示すものであり、可動子9が振動した時に筐体側との緩衝を考慮して、ストッパー手段等を配置するなどして、ストロークが上下均等にかつ最大になるようにS1とS2が設計されている。また符号S3は、円環状の重量体6上面側の凹形状に抉れた深さ寸法を示し、この抉れが可動子9の上下動によって弾性変形する時の弾性体4のアーム部4aとの接触や緩衝を避ける構造となっている。

また本実施形態に係る重量体6は、非磁性材料で高比重な、比重18のタングステン焼結合金を採用している。可動子9の永久磁石2に付加する重量体6は、比重の大きい材料が好ましく、タングステン、タンタル等の比重10以上の高比重合金を主成分とする非磁性材料の重りは、装置自身の振動力アップにつながる重要な要素である。本実施形態においては、黄銅、銅等の比重8以上10未満の一般非磁性体材料に対して、より重量増を実現している。

また前記ハウジング本体7の開放端側に取り付けられる基台プレート10の背面側には、前記コイル5に電流を通電するための端子基板14が備えられており、端子基板14の底面側が半田リフロー対応の平面端子構造である。さらに前記端子基板14の半田リフロー対応の平面端子14A、14Bの形状が、同心円状に区切られた中心に位置する正極（又は負極）と、その外周に位置する環状帯体の負極（又は正極）領域と、により平面端子部が構成されている。

図７(A)に示すように、ハウジング本体7の底部に取り付ける端子基板14は、同心円状に区切られた中心に位置する平面端子14Aと、その外周に位置する環状帯体の平面端子14Bとにより、二つの領域が半田リフローにより固定される形状を有している。ちなみに、端子基板14の前記平面端子14A、14Bは、スルーホールHにより、表裏の配線パターンが導通可能に設けられており、前記コイル5の巻線材の端部を、図７(B)に示す、一方の予備配線端子面14A、14Bに接続すると、その裏面の前記平面端子14A、14Bに同時に配線される。

又、半田リフローによる固定の際、接合強度を考慮して、端子基板14の平面端子14A、14Bの接合面積のみならず、ハウジング本体7の外周に延長部を設け、その部分を折り曲げて、半田リフロー時にハウジング本体7も同時に固定することも、接合強度アップになる。

また、別の形状の多少違う端子基板の一例としては、図８に示す端子基板13のものがある。形状は、前記端子基板14が全くの円形状であるのに対し、図８に示す端子基板13は中心に位置する正極（又は負極）の平面端子13Aと、その外周の一方向に位置する負極（又は正極）の平面端子13B領域と、により平面端子13A、13Bが構成され、この場合、外周側の平面端子13Bの取り付け方向を回路基板の給電ランドパターンと合わせて置くだけでよい。

これらの端子基板13、14を用いて振動リニアアクチュエータ1を、図９に示す機器筐体100内に取り付ける回路基板50の板面上の給電ランド面に、直接、半田固定することができ、他の一般電子部品と同様に、半田リフローでの熱処理が同時に行える。このため、機器筐体100側への取り付けスペースの問題が無くなり、また取り付けるための保持付属部品が不要となり、製造工程においての自動化ラインでの組み込みが可能となる。

次に、図面を参照して本発明の実施形態に係る振動リニアアクチュエータの作用動作について説明する。

図１、図３、図４、及び図５に示すように、本実施形態に係る振動リニアアクチュエータ1は、可動子9側が永久磁石2、重量体6、弾性体4からなり、固定子側がコイル5、ポールピース3、ハウジング本体7、基台プレート10、主軸12及び端子基板14とから構成されている。 図５に、内部構造と磁束発生による可動子9の動きを拡大したものを示す。各図において、永久磁石2は、説明の簡易上、上方がN極、下方がS極となるように振幅する軸方向に着磁されているものとする。

円柱状ポールピース3の外周方向に巻回された円筒状のコイル5に対し、弾性体4により支持されている永久磁石2が、図１に示すように、磁界中心位置Mより下方側のCの位置で段違いに配置される。図１と図５は共に、コイル5が無通電時のもので、前記弾性体4が弾性変形の動作をする前の無負荷の初期状態を示している。

このコイル5に、例えば正弦波または矩形波等の周波数特性を有する交流電流が流されると、ポールピース3に巻回された前記円筒状コイル5の円筒両端にはS極とN極の磁束が生じる。この時、コイル5に流れる電流の向きにより、前記コイル5の円筒両端にはS極とN極が交互に反転しながら磁束の発生が繰り返される。

図５においては、仮にコイル5上方がS極、下方がN極とした場合、初期状態の永久磁石2の磁極との位置関係は、コイル5上方では、コイル5側のS極と永久磁石側のN極が磁気吸引し、下方では、コイル5側N極と永久磁石側のS極が磁気吸引し、結果的に、可動子9全体が図の矢印下方側へ起動する。この時、可動子9の移動幅は、その磁気吸引力と弾性体4の弾性変形保持力との力のバランスにより支持され、動作的には図３に示すように、基台プレート10の面に最も近接した位置まで可動子9が下がる。

続いてコイル5の磁極が入れ替わり、上方がN極、下方がS極となった場合、永久磁石2の磁極との位置関係は、コイル5に対しお互い同極同士の並びになり、磁気反発力と弾性体4の弾性変形保持力が作用し合い、可動子9は逆に急激に上昇し、上側の頂点位置で再び弾性体4の弾性保持力との力のバランスにより支持され、図４の動作状態となる。このとき、コイル5側上方のN極と永久磁石2側のS極が磁気吸引力で引き合う位置になる。

そして、前記コイル5に流れる電流の周波数が、前記永久磁石2及び重量体6を備える可動子9の総重量と、弾性体4のバネ定数とによって定まる固有振動数（共振周波数）と等しくチューニング調整できた時に、本実施形態の振動リニアアクチュエータ1は、振動デバイスとして最大の加速度、すなわち振動量を得ることができる。

つまり、コイル5には前述のように正弦波あるいは矩形波等の周波数特性を有する交流電流が流れ、永久磁石2と重量体6を備える可動子9の総重量と、弾性体4のバネ定数、さらには、振動リニアアクチュエータ1を組み立てた後の全体の固有振動数により定まる共振周波数と、の相互関係において、最大の振動力を得ることができる。携帯電話等の通信機器においては、機器自体の総重量が100G以下であり、一般的に、共振周波数140Hz前後の振動が、最も体感的に好ましく感じられる。

このように、重りを備えた可動子9全体が一連の磁気的作用・反作用によるリニアな往復動作を繰り返すことにより、ハウジング本体7と基台プレート10からなる限られた筐体内部のスペースの中で、可動子9の重心点が、最大加速度を得ながら上下動し、その力のモーメントが可動子9側からそれを支える主軸12に伝わり、また主軸12から筐体全体に伝わり、最終的に振動リニアアクチュエータ1が力強く振動する。

すなわち、本実施形態に係る振動リニアアクチュエータ1では、高比重合金からなる重量体6を可動子9の一部とし、前記ハウジング本体7の内部における可動子9の取り得る移動領域を拡大することができ、限られた小さなスペースであっても、無駄なく、最大限の可動子9のストロークを確保することができ、装置全体が小さいながらも、使用者がはっきりと認識できる十分な振動力を得ることができる。

例えば前述のように、中心軸となるポールピース3先端の主軸12と、ハウジング本体7の円環面に形成された凹部7aの底面内径穴8とで弾性体4を挟持することによって、可動子9を支持する構成としたので、ハウジン本体7側内部の空間に占める可動子9が移動できる空間の体積を大きく取ることができ、装置本体を小型化しつつも、可動子9の振幅を大きくすることができ、最大の振動力を得ることができる。

また、本実施形態に係る振動リニアアクチュエータ1では、限られた小さなスペースの中で、前記永久磁石2の磁界と、前記コイル5に通電された時に生じる磁界と、の間に作用される磁気的な力が均衡することなく配置され、前記コイル5に通電されると同時に、速やかに、かつ確実に、起動して立ち上がり、常にバラツキのない良好な振動力を得ることができる。

また、本実施形態に係る振動リニアアクチュエータ1では、ハウジング本体7と基台プレート10により密閉される空間内を移動する可動子9に対し、可動子9を挟む前記密閉された上下二つの空間を行き来して移動する空気の量を制限することにより、図１０の曲線Fの共振周波数特性に見られるような、周波数帯域を拡大したなだらかな曲線の周波数帯域を実現できる。これにより共振周波数の値が僅かに変化したとしても、得られる振動力が急激に減少することがなく、安定して所定の振動を得ることができる。

さらに、本実施形態に係る振動リニアアクチュエータでは、構造が簡単で、耐久性に優れ、効率の良い磁気駆動部品の配置が可能となり、さらに部品点数を必要最小限に抑えることにより、組み立て製造工程における工数、および製造コスト、部品管理の手間を大幅に減少させることができる。

本発明に係る振動リニアアクチュエータの内部構造の概略を示す断面図である。 本発明に係る振動リニアアクチュエータの内部構造と部品構成の概略を示す斜視分解図である。 本発明に係る振動リニアアクチュエータの内部構造における可動子の動きの概略を示す断面図である。 本発明に係る振動リニアアクチュエータの内部構造における可動子の動きの概略を示す断面図である。 本発明に係る振動リニアアクチュエータの内部構造における可動子とコイルとの位置関係、及び可動子の動きの概略を示す拡大断面図である。 本発明に係る振動リニアアクチュエータの内部構造における可動子とコイルとの位置関係における悪い例としての概略を示す拡大断面図である。 本発明に係る振動リニアアクチュエータの底部から見た端子基板における平面端子形状を示す概略図(A)、と端子基板の予備配線端子側の概略図(B)。 本発明に係る振動リニアアクチュエータの底部から見た端子基板における平面端子形状を示す概略図。 本発明に係る振動リニアアクチュエータを、携帯機器筐体内部の回路基板上に取り付けたときのイメージ図。 本発明に係る振動リニアアクチュエータについて、共振周波数帯域140Hz付近での入力周波数に対する加速度を概略的に示した図。

符号の説明

1 振動リニアアクチュエータ
2 永久磁石
3 ポールピース
4 弾性体
5 コイル
6 重量体
7 ハウジング本体
8 内径穴
9 可動子
10 基台プレート
11 リブ
12 主軸
13、14 端子基板
14a、14b 予備配線端子
14A、14B 平面端子
50 回路基板
100 機器筐体

Claims (7)

1. 永久磁石を備える可動子と、前記可動子を収納するハウジング本体と、前記可動子と前記ハウジング本体とを連結して支持する薄板状の弾性体と、前記可動子を駆動させるための固定子側コイルと、を備える振動デバイスにおいて、
   前記永久磁石は、可動子の振幅方向に着磁され、かつ永久磁石外周には分銅となる重量体を一体に備えており、また対向する前記コイルは、前記永久磁石の内径側に隙間を介して位置し、その円筒状に巻回されたコイル内径には、柱状のポールピースが中心を貫通する形で設けられていることを特徴とする振動リニアアクチュエータ。
2. 前記永久磁石の厚み方向中心となる磁界の中心位置と、前記コイルに通電された時に発生する磁界の中心位置とを振幅方向で一致させず、振幅方向での双方の位置関係が、一方のコイル端部側寄りにオフセットさせて配置したことを特徴とする請求項１に記載の振動リニアアクチュエータ。
3. 前記可動子の外周面と前記ハウジング本体の側壁内面との隙間、及び前記可動子の内周面と前記コイルの外周面との隙間、を共に0.08mm〜0.15mmの範囲内で幅狭にし、可動子の動きによって変化する前記可動子の上面側と前記ハウジング本体の上面内壁とで形成される空間と、前記可動子の下面側と前記ハウジング本体の蓋部となる端子基板とで形成される空間、との間の空気の移動量を制限するためのエアーダンパー構造を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の振動リニアアクチュエータ。
4. 前記重量体は、タングステン、タンタル等の比重10以上の高比重合金を主成分とする非磁性材料の重りにより形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の振動リニアアクチュエータ。
5. 前記重量体は、黄銅、銅等の比重8以上10未満の非磁性体材料の重りにより形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の振動リニアアクチュエータ。
6. 前記端子基板の底面側が、半田リフロー対応の端子基板構造であることを特徴とする請求項１〜請求項５に記載の振動リニアアクチュエータ。
7. 前記端子基板の半田リフロー対応の端子形状が、同心円状に区切られた中心に位置する正極（又は負極）と、その外周に位置する環状帯体の負極（又は正極）領域と、により構成されていることを特徴とする請求項６に記載の振動リニアアクチュエータ。
   

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