JP2010036131A - リニアモータおよびリニアモータを備えた携帯機器 - Google Patents

Abstract

【課題】薄型化を図ることが可能なリニアモータを提供する。
【解決手段】このリニアモータ１０は、互いに離間して配列されたコイル部４ａおよび４ｂを有する固定部２と、コイル部４ａおよびコイル部４ｂと対向する磁極面を有し、コイル部４ａおよびコイル部４ｂの配列方向に沿ってコイル部４ａおよびコイル部４ｂ上を移動可能に設けられた磁石１と、コイル部４ａおよびコイル部４ｂの配列の両端部に設けられ、磁石１を初期の位置（枠部２ａ内の中間部分）に支持する板バネ部３と、磁石１の表面に配置された磁性流体５と、磁石１を往復移動させる制御部１５と、を備える。そして、制御部１５は、磁石１を板バネ部３の復元力に抗する方向に初期の位置から移動した状態に保持した後、磁石１の往復移動を開始するように制御する。
【選択図】図２

Description

本発明は、リニアモータおよびリニアモータを備えた携帯機器に関する。

従来、コイルからの電磁力により振動する可動部を備えた振動モータが知られている（たとえば、特許文献１参照）。

上記特許文献１には、円板状のマグネットからなる可動子と、可動子を取り囲むように配置されたコイルとを備えた振動アクチュエータ（振動モータ）が開示されている。上記特許文献１に記載の振動アクチュエータでは、円板状の可動部を取り囲むように上下方向に厚みが大きいコイルが配置されているとともに、そのコイルからの電磁力により円板状の可動部を上下方向（可動部の厚み方向）に直線移動させるように構成されている。
特開２００６−６８６８８号公報

上記特許文献１に開示された振動アクチュエータでは、上下方向に厚みが大きいコイルを用いて円板状の可動部が上下方向（可動部の厚み方向）に移動するように構成されているので、装置の薄型化を図ることが困難であるという問題点がある。

この発明は、薄型化を図ることが可能な振動アクチュエータ（リニアモータ）を提供することである。

上記目的を達成するために、この発明の第１の局面によるリニアモータは、互いに離間して配列された電流線を有する固定部と、電流線と対向する磁極面を有し、電流線の配列方向に沿って電流線上を移動可能に設けられた可動部と、可動部を往復移動させる移動手段と、可動部の往復移動の際に、可動部を移動方向に付勢する弾性部材と、可動部をその初期の位置から弾性部材の復元力に抗する方向に移動した状態に保持する保持手段と、を備えることを特徴とする。

この発明の第２の局面による携帯機器は、上記第１の局面によるリニアモータを備えることを特徴とする。

この発明の第１の局面によるリニアモータでは、上記の構成により、薄型化を図ることを可能にしながら、可動部の応答時間を短縮することができる。

この発明の第２の局面による携帯機器では、上記のリニアモータを備えることにより、携帯機器の薄型化および振動の応答時間の短縮を図ることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態によるリニアモータを説明するための斜視図である。図２〜図４は、本発明の第１実施形態によるリニアモータを説明するための図である。図５
は、本発明の第１実施形態によるリニアモータの動作制御を説明するための図である。図６は、本発明の第１実施形態によるリニアモータの可動部が所定量移動して保持された状態を示す図である。

リニアモータ（リニア駆動型振動モータ）１０は、図１〜図３に示すように、可動部を構成する磁石１と、固定部２とを備えている。固定部２は、磁石１を内部に配置する枠部２ａと、枠部２ａの開口部分を塞ぐようにそれぞれ配置される第１基板２ｂおよび第２基板２ｃとを備えている。また、磁石１は、枠部２ａの内部側において２つの板バネ部３により移動可能に支持されている。つまり、磁石１は、固定部２内の密閉された空間に２つの板バネ部３の付勢力により往復移動可能に保持されている。なお、固定部２は本発明の「固定部」および磁石１は本発明の「可動部」の一例である。

磁石１は、フェライトやネオジウムなどの強磁性材料からなる磁石（永久磁石）で構成され、約１０ｍｍの直径と、約１．５ｍｍの厚みとを有する円板形状に形成されている。

２つの板バネ部３は、それぞれ、一方端部が枠部２ａの内側面側の角部分に設けられた切込み部２ｄにより保持されている。また、各板バネ部３の他方端部側の部分により磁石１を挟むように構成されている。このようにすることで、各板バネ部３は、それぞれ、枠部２ａの取り付け部を支持点として撓み変形可能になり、磁石１を互いに他方の板バネ部３側に付勢する機能を有する。さらに、２つの板バネ部３は、その形状やバネ定数などの特性が略同等に形成されているので、後述する平面コイル４に電流を流していない状態で、磁石１は枠部２ａ内の中間部分で挟持されている。なお、板バネ部３は本発明の「弾性部材」の一例である。

第１基板２ｂおよび第２基板２ｃには、それぞれ、扁平状に形成されるとともに、互いにＹ方向に離間して配列されたコイル部４ａおよびコイル部４ｂからなる平面コイル４が設けられている。平面コイル４は、約０．２ｍｍの厚みを有する。コイル部４ａおよびコイル部４ｂは、それぞれ、平面的に見て、略矩形状の渦巻形状を有するとともに、コイル部４ａおよびコイル部４ｂに電流が印加された際には互いに逆方向の磁界が発生するように構成されている。上述の板バネ部３は、平面コイル４の配列の両端部側に位置し、両端部の２つの板バネ部３により磁石１を枠部２ａの中間部分に挟持している。なお、平面コイル４は本発明の「電流線」、Ｙ方向は本発明の「配列方向」、及びコイル部４ａとコイル部４ｂは本発明の「一対の平面コイル」の一例である。

また、リニアモータ１０には、図５に示すように、リニアモータ１０の動作を制御するための制御ＩＣを有する制御部１５が接続さている。この制御部１５は、電流線１５ａを介してリニアモータ１０の平面コイル４（コイル部４ａ、コイル部４ｂ）に対して、磁石１を駆動するための電流（駆動電流）を供給する機能を有する。特に、本実施形態では、制御部１５は、駆動電流として直流電流と交流電流を切り替えて供給できるように構成されている。すなわち、リニアモータ１０には、制御部１５から、直流電流として、たとえば、矢印Ａ方向（図５参照）の駆動電流が供給され、さらに交流電流として、矢印Ａ方向の駆動電流と、矢印Ａ方向とは反対方向の駆動電流とが交互に供給される。なお、制御部１５は本発明の「移動手段」および「保持手段」の一例である。

こうした制御部１５は、リニアモータ１０の外部に別途設けてもよいが、第１基板２ｂまたは第２基板２ｃに搭載してリニアモータ１０と一体的に設けることが好ましい。このようにすることで、電流線１５ａの配線長が短くなり、制御部１５から平面コイル４に流す電流を増加させることができる。このため、平面コイル４により発生する電磁力が増大し、その結果、磁石１の駆動力を増大させることができるとともに、磁石１の応答時間を短縮することができる。

磁石１は、図４に示すように、永久磁石の厚み方向に着磁されており、上面１ａ側はＮ極に、下面１ｂ側はＳ極に着磁されている。また、磁石１の上面１ａおよび下面１ｂと平面コイル４とは互いに対向するように配置されている。これにより、平面コイル４に電流が流れた際に、平面コイル４に発生する磁場と磁石１から発生する磁場とにより、引力または斥力が発生して、磁石１が第１基板２ｂおよび第２基板２ｃに対してＹ方向（図３参照）に移動する。

特に、平面コイル４に交流電流が流れる場合には、電流の流れる方向によって磁石１の移動する方向が切り替わるので、電流が流れている間、磁石１はＹ方向に往復移動する。これにより、リニアモータ１０は振動する。

一方、平面コイル４に直流電流が流れる場合には、電流が流れている間、磁石１はＹ方向のいずれか一方に移動する電磁力が作用する。そして、図６に示すように、磁石１は、板バネ部３の復元力に抗する方向に移動量Ｓだけ移動した位置で保持（ラッチ）される。この移動量Ｓは平面コイル４に流す電流量などで容易に制御することができる。なお、移動量Ｓは、たとえば、磁石１の中心点が移動した量（平面コイル４に電流を流していない状態における磁石１の中心Ｍ０から平面コイル４に直流電流を流した状態における中心Ｍ１に磁石１が移動した量）で規定される。また、平面コイル４に電流を流していない状態における磁石１の中心Ｍ０の位置が本発明の「初期の位置」である。

磁石１が配置される枠部２ａの内側面のＸ方向に沿った長さＬは約１２ｍｍ程度の大きさを有し、内側面のＹ方向に沿った長さＷは約１６ｍｍ程度の大きさを有する。したがって、直径約１０ｍｍの磁石１は、移動方向と直交する方向（Ｘ方向）において、枠部２ａの内側面との間に片側約１ｍｍずつの隙間を有し、移動方向（Ｙ方向）において、枠部２ａの内側面との間に片側約３ｍｍずつの隙間を有する。

磁石１には、磁石１と板バネ部３との間の側面を含む表面（上面１ａ、下面１ｂおよび側面１ｃ）の全域を覆うように磁性流体５が配置されている。磁性流体５は、たとえば、ナノメートルオーダーの鉄などの強磁性材料と、油などの溶媒とを混合することにより形成されている。磁性流体５は、磁場の分布に応じて磁石１に配置されるものであり、磁石１の磁場が強い部分においてより多く保持される。つまり、磁性流体５は、磁石１の上面１ａおよび下面１ｂの中央部分よりも、磁石１の角部１ｄに対応する位置（磁石１の磁場が強い部分）により多く保持されている。また、磁石１は、移動方向（Ｙ方向）に延びる中心線Ｃ１（図３参照）に対して磁場が左右対称に発生するように構成されているとともに、磁性流体５は磁石１の磁場を反映して配置されることから、磁石１の移動方向（Ｙ方向）の中心線Ｃ１に対して左右対称に配置される。同様に、磁性流体５は、磁石の移動方向（Ｙ方向）とは垂直方向（Ｚ方向）の中心線Ｃ２に対しても左右対称に配置される。

リニアモータ１０では、制御部１５を用いて平面コイル４（コイル部４ａ、コイル部４ｂ）に直流電流を流し続け、図６に示したように、磁石１を移動量Ｓだけ移動した位置で保持した後、制御部１５にて平面コイル４に流す電流を直流電流から交流電流に切り替えて、磁石１をＹ方向に往復移動させる。これにより、往復移動の開始時点での磁石１の駆動力として板バネ部３の復元力が加わるので、磁石１の加速度が増強され、所定の振動量に達するまでの時間（起動時間）が短縮される。

ここで、リニアモータ１０について、磁石１の起動時間を算出するために行ったシミュレーションの結果について説明する。図７は、リニアモータ１０のシミュレーション結果を説明するための図である。シミュレーションでは、磁石１の半径を５ｍｍ、磁石１の質量を０．８３６ｇ、磁石１と枠部２ａとの間隔を２ｍｍ、板バネ部３の厚さを０．１ｍｍ
、板バネ部３のバネ定数を０．３９Ｎ／ｍｍ、角振動数（交流電流の周波数）を１５０Ｈｚと設定し、さらにリニアモータ１０が所定の振動量に達するのに必要な加速度を１．５Ｇと設定した。その上で、磁石１のラッチ量（磁石１の初期位置からの移動量）を０ｍｍとした比較例に対して、磁石１のラッチ量を０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍと変動させてシミュレーションを行った。なお、図７では、横軸を磁石１のラッチ初期位置（磁石１のラッチ量に相当し、磁石１の初期位置からの移動量をマイナス表記した値）とし、縦軸を起動時間（比較例を用いて規格化した値）としている。

リニアモータ１０では、図７に示すように、磁石１のラッチ量が増加するにともない、起動時間が短縮されている。たとえば、磁石１を枠部２ａ側に１．０ｍｍ移動させてラッチした状態から往復移動（振動）を開始した場合には、起動時間が磁石１を移動させていない場合の約３５％にまで短縮される。このように、磁石１を所定の位置に移動させてラッチした状態から往復移動を開始することは、磁石１の起動時間の短縮に有効であることが分かる。

本発明の第１実施形態によるリニアモータ１０では、以下の効果を得ることができる。

（１）横振動型（Ｙ方向への振動）のリニアモータ１０を構成することにより、縦振動型（Ｚ方向への振動）のリニアモータに比べて、薄型化が図りやすい。

（２）第１基板２ｂおよび第２基板２ｃに扁平状の平面コイル４を配置するとともに、平面コイル４と対向する磁極面を有し、平面コイル４上をコイル部４ａおよびコイル部４ｂの配列方向に沿って直線移動するように振動する磁石１を設ける。これによって、上下方向に厚みが大きいコイルを用いて上下方向に磁石を直線移動させる場合に比べて、磁石１の上下方向（Ｚ方向）への移動範囲（移動空間）を設ける必要がなくなり、Ｚ方向の厚みを小さくすることができる。その結果、リニアモータ１０の薄型化を図ることができる。

（３）磁石１を板バネ部３の復元力に抗する方向に初期の位置（枠部２ａの中間部分）から移動した状態に保持できるようにした。これにより、磁石１を往復移動させる際に、往復移動の開始時点での磁石１の駆動力として板バネ部３の復元力を加え、磁石１の加速度を増強させることができるようになる。

（４）磁石１を板バネ部３の復元力に抗して初期の位置（枠部２ａの中間部分）から移動した状態に保持した後、磁石１の往復移動を開始するようにした。これにより、往復移動の開始時点での磁石１の駆動力として板バネ部３の復元力が加わり、磁石１の加速度が増強される。その結果、磁石１の起動時間が短縮され、リニアモータ１０における振動動作の応答時間を短縮することができる。

（５）平面コイル４に直流電流を流した状態から、平面コイル４に流す電流を交流電流に切り替えて磁石１の往復移動を行うようにしたことで、容易に上記（４）の効果を享受することができる。

（６）平面コイル４に電流が印加された際に、コイル部４ａとコイル部４ｂとでは互いに逆方向の磁界が形成されるように構成したことで、コイル部４ａと磁石１との間、および、コイル部４ｂと磁石１との間に、容易に引力および斥力を加えることができる。

（７）磁石１の表面を覆うように磁性流体５を配置することで、磁性流体５の潤滑作用によって磁石１の固定部２に対する摩擦を低減することができる。その結果、磁石１をスムースに往復移動させることができ、磁石１の応答時間をさらに短縮することができる。

（８）磁性流体５は、磁石１を覆うように配置されていることから磁石１の緩衝部材として機能させることができる。これにより、磁石１の移動時に発生する音を低減することができる。

（９）可動部を構成する磁石１が円板形状であり、磁石１は枠部２ａの内側面と対向する凸状の曲面を有するので、外力を受けて磁石１が傾斜して枠部２ａの内側面と接触する状態となっても、磁石１はスムースに安定して移動させることができる。また、磁石１は枠部２ａの内側面と対向する凸状の曲面を有するので、磁石１が傾斜して枠部２ａの内側面と接触しても、矩形形状の磁石（直方体形状からなる薄板磁石）を採用した場合のように角接触することはない。すなわち、枠部２ａの内側面と凸状の曲面との接触に起因する抵抗は、角接触に起因する抵抗に比べて小さい。そのため、角接触による摩擦抵抗の増加に対抗するに足りる推力を発生させる電流をコイルにさらに印加して磁石１の推力を増加させる必要はなく、消費電力の増加を抑制することができる。この結果、消費電力の増加が抑制され、駆動信頼性の向上したリニアモータが提供される。

（１０）磁石１が枠部２ａの内側面と対向する凸状の曲面を有するので、外力を受けて位置ずれした場合であっても、磁石１と枠部２ａの内側面との接触部分は線接触となり、矩形形状の磁石を採用した場合のように平面同士の面接触とはならない。そのため、接触時の摩擦抵抗が矩形形状の磁石を採用した場合に比べて小さく、消費電力の増加をさらに抑制することができる。

（第２実施形態）
図８および図９は、それぞれ、本発明の第２実施形態におけるリニアモータを用いた携帯機器の一例を説明するための図である。なお、図９は、図８のリニアモータを含む部分の一断面である。

第２実施形態において、本発明の第１実施形態によるリニアモータ１０は、図８および図９に示すように、携帯電話５０などに用いることが可能である。携帯電話５０は、リニアモータ１０と、ＣＰＵ２０と、表示部３０とを備えている。リニアモータ１０は、携帯電話５０の表示部３０が配置された側とは反対側の面に配置されている。表示部３０は、タッチパネル方式のパネルにより構成されているとともに、表示部３０に表示されたボタン部３０ａを押圧することにより携帯電話５０を操作するように構成されている。そして、リニアモータ１０は、表示部３０に表示されたボタン部３０ａが押圧されたことを検知した場合や、電話を着信した際にマナーモードに設定されている場合などに振動するようにＣＰＵ２０で制御される。

特に、表示部３０に表示されたボタン部３０ａが押圧されたことを検知してリニアモータ１０を振動させる場合には、表示部３０がアクティブな状態（ボタン部３０ａが視認できる状態）を維持している間中、リニアモータ１０の平面コイル４に直流電流を流し、ボタン部３０ａが押圧された直後に、平面コイル４に交流電流を所定の時間だけ流すように制御される。

本発明の第２実施形態によるリニアモータを備えた携帯機器（リニアモータ１０を備えた携帯電話５０）では、以下の効果を得ることができる。

（１１）上記のリニアモータ１０を備えることによって、携帯電話５０の薄型化および振動の応答時間の短縮を図ることができる。

（１２）表示部３０がアクティブな状態の間中のみ、リニアモータ１０の平面コイル４
に直流電流を流すようにしたことで、表示部３０の状態に関係なく直流電流を流す場合に比べて、携帯電話５０の消費電力の低減することができる。

（１３）上記のリニアモータ１０を備えることによって、上記（１１）の効果に加え、さらに消費電力の増加の抑制と駆動信頼性の向上を図ることができる。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

上記第１実施形態では、２つの平面コイル（コイル部４ａおよびコイル部４ｂ）により磁石１を振動（往復移動）させる例を示したが、本発明はこれに限らない。たとえば、３つ以上の平面コイルを並べた状態で磁石１を振動（往復移動）させるようにしてもよい。

上記第１実施形態では、弾性部材の一例として２つの板バネ部３により磁石１を移動可能に支持する例を示したが、本発明はこれに限らず、コイルバネまたはゴム部材などの板バネ以外の弾性部材を使用してもよい。また、３つ以上の板バネ部３により磁石１を支持してもよい。

上記第１実施形態では、第１基板２ｂおよび第２基板２ｃの両方の基板に平面コイル４を配置する例を示したが、本発明はこれに限らず、平面コイル４は第１基板２ｂおよび第２基板２ｃの一方の基板のみに配置されていてもよい。

上記第１実施形態では、ナノメートルオーダーの強磁性材料である鉄に油を混合した磁性流体５を用いる例を示したが、本発明ではこれに限らず、鉄以外の強磁性材料により磁性流体５を構成してもよい。

上記第１実施形態では、磁性流体５を磁石１の表面の全域を覆うように配置する例を示したが、本発明はこれに限らない。たとえば、磁石１の角部分など、磁石１の表面の少なくとも一部を覆うように配置されていてもよい。

上記第１実施形態において、第１基板２ｂおよび第２基板２ｃの磁石１と対向する側の表面に対して、低摩擦材料を形成しておいてもよい。あるいは、枠部２ａの内側壁に低摩擦材料を形成しておいてもよい。こうした低摩擦材料としては、炭素系材料であるダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）やフラーレンなど、フッ素樹脂であるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）など、ポリオレフィン樹脂であるポリエチレン、ポリプロピレンなど、チタン系材料であるチタン、窒化チタン、酸化チタンなど、が挙げられる。このような構成とした場合には、磁石１と固定部２との間の摩擦抵抗がさらに低減されるために、磁石１の応答時間をさらに短縮することができる。

上記第１実施形態では、可動部を構成する磁石１として円板形状のものを採用した例を示したが、本発明はこれに限らない。たとえば、互いに反対側にある２つの凸状の曲面と、互いに反対側にある２つの平坦側面とを有する平坦な樽形状の磁石を採用し、この磁石の平坦側面を板バネ部３が弾性的に押圧するように配置してもよい。

本発明の第１実施形態によるリニアモータについて説明するための斜視図である。 本発明の第１実施形態によるリニアモータについて説明するための分解斜視図である。 本発明の第１実施形態によるリニアモータについて説明するための平面図である。 図３の１００−１００線に沿った断面図である。 本発明の第１実施形態によるリニアモータを説明するための図である。 本発明の第１実施形態によるリニアモータの可動部が所定量移動して保持された状態を示す図である。 本発明の第１実施形態によるリニアモータのシミュレーション結果を説明するための図である。 本発明の第２実施形態におけるリニアモータを備えた携帯電話について説明するための平面図である。 本発明の第２実施形態におけるリニアモータを備えた携帯電話について説明するための断面図である。

符号の説明

１ 磁石（可動部）、２ 固定部、２ａ 枠部、２ｂ 第１基板、２ｃ 第２基板、４ 平面コイル（電流線）、４ａ コイル部、４ｂ コイル部、５ 磁性流体、１０ リニアモータ。

Claims (6)

1. 互いに離間して配列された電流線を有する固定部と、
   前記電流線と対向する磁極面を有し、前記電流線の配列方向に沿って前記電流線上を移動可能に設けられた可動部と、
   前記可動部を往復移動させる移動手段と、
   前記可動部の往復移動の際に、前記可動部を移動方向に付勢する弾性部材と、
   前記可動部をその初期の位置から前記弾性部材の復元力に抗する方向に移動した状態に保持する保持手段と、を備えるリニアモータ。
2. 前記電流線は、一対の平面コイルを含み、
   前記一対の平面コイルは電流が印加された際に、互いに逆方向の磁界を形成するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のリニアモータ。
3. 前記保持手段は、前記電流線に直流電流を流して前記可動部を前記状態に保持することを特徴とする請求項１または２に記載のリニアモータ。
4. 前記移動手段は、前記可動部を前記状態に保持した後、前記電流線に交流電流を流して前記可動部の往復移動を開始することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のリニアモータ。
5. 前記可動部は、その表面の少なくとも一部に配置された磁性流体を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のリニアモータ。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載のリニアモータを備えた携帯機器。

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