JP7093013B2 - 振動アクチュエータ、ウェアラブル端末及び着信通知機能デバイス - Google Patents

振動アクチュエータ、ウェアラブル端末及び着信通知機能デバイス Download PDF

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Description

本発明は、振動アクチュエータ、ウェアラブル端末及び着信通知機能デバイスに関する。
従来、携帯電話等の携帯情報端末の着信等を利用者に報知するための振動発生源として、或いは、タッチパネルの操作感触やゲーム機のコントローラ等の遊戯装置における遊戯の臨場感を指や手足等に伝達する振動発生源として、振動アクチュエータが知られている(例えば、特許文献1~3参照)。
特許文献1に示す振動アクチュエータは、平板状に形成して小型化が図られている。特許文献1の振動アクチュエータは、支軸された可動部をシャフトにより摺動自在に支持した平板形状を有している。
特許文献2に示す振動アクチュエータは、筐体及びコイルを備えた固定子と、筐体内に配置されたマグネットおよび錘部を有する可動子と、を有し、コイルとマグネットの協働により、シャフトに対して摺動自在な可動子が固定子に対して振動方向にリニアに振動する。コイルは、マグネットを含む可動部の外側に巻かれている。
また、特許文献3は、対向配置された扁平コイルと、扁平コイル上に配置される扁平マグネットとを有するVCM(Voice Coil Motor)原理のアクチュエータである。
これらのどの振動アクチュエータにおいても可動子は、シャフトに摺動自在に設けられており、バネにより振動方向で振動可能に弾性支持される。VCMを駆動原理とした振動アクチュエータでは、通常時においてその磁気回路構成上、磁気吸引力が働かない。このため、可動部を弾性保持するのは主に金属ばねで構成される。
特開2015-095943号公報 特開2015-112013号公報 特許第4875133号公報
近年、これら振動アクチュエータは、例えば、携帯端末、或いは、腕時計、指輪等の使用者の体に装着して利用する形態の機器であるウェアラブル端末に着信通知機能デバイス等として搭載されることが考えられている。
携帯端末或いはウェアラブル端末等における着信通知機能デバイスでは、使用者に十分な体感を得る振動を発生させるためには、振動が大きいデバイスが求められる。
特許文献1~3に示す従来の振動アクチュエータは、平板状の直方体状の筐体内で長手方向に駆動して、振動を大きくしやすい構造である。
これらをウェアラブル端末に搭載して体表面等の実装面上に配置する際には、振動方向が実装面に対して平行となり、可動体が平行方向に駆動する振動アクチュエータでは体感振動を得にくいという問題がある。
本発明の目的は、小型化を図ることができるとともに、体感振動を好適に得ることができる振動アクチュエータ、ウェアラブル端末及び着信通知機能デバイスを提供することである。
本発明の振動アクチュエータの一つの態様は、
グネットを有する固定体と、
コイルホルダ、コイル並びにウェイトを有し、給電される前記コイルと前記マグネットの協働により、前記固定体に対して振動方向に往復動する可動体と、
前記可動体を前記固定体に対して可動自在に支持する弾性体と、
を有し、
前記コイルホルダは、前記コイルを内側に配置して前記コイルの外周面を保持し、
前記コイルホルダの一側面で前記弾性体が固定され、前記弾性体と反対側の他側面で前記ウェイトが固定されており、
前記コイル及び前記マグネットは、前記固定体及び前記可動体に、前記振動方向で前記コイル内に前記マグネットが挿脱可能に設けられ、
前記弾性体は、全長に渡って、前記振動方向に交差する方向において、前記コイルに対し、前記ウエイトの反対側に配置され、
前記弾性体は、前記固定体に一端が固定されるとともに、前記コイルホルダに他端が固定され、前記可動体を片持ち構造で前記振動方向に往復揺動可能に支持する板状の弾性体であり、
前記ウェイトは、一端が自由端であり、前記コイルホルダに他端が固定される構成を採る。
本発明のウェアラブル端末の一つの態様は、上記構成の振動アクチュエータを実装した構成を採る。また、本発明の着信通知機能デバイスは、上記構成の振動アクチュエータを実装した構成を採る。
本発明によれば、小型化を図ることができ、組立性、耐久性に優れて好適に振動する振動アクチュエータを実現できる。
本発明に係る実施の形態1の振動アクチュエータの構成を示す外観図 同振動アクチュエータにおいてカバーを外した状態を示す斜視図 同振動アクチュエータの分解斜視図 同振動アクチュエータの要部構成の縦断面図 同振動アクチュエータの磁気回路構造を示す図 同振動アクチュエータにおいて可動体の動作を示す縦断面図 本発明に係る実施の形態2の振動アクチュエータの構成を示す外観図 同振動アクチュエータにおいてカバーを外した状態を示す斜視図 同振動アクチュエータの分解斜視図 同振動アクチュエータの要部構成を示す縦断面図 同振動アクチュエータの磁気回路構造を示す図 同振動アクチュエータにおいて可動体の動作を示す縦断面図 本発明に係る実施の形態3の振動アクチュエータの構成を示す外観図 同振動アクチュエータにおいてカバーを外した状態を示す斜視図 同振動アクチュエータの分解斜視図 同振動アクチュエータの要部構成の縦断面図 同振動アクチュエータにおいて可動体の動作を示す縦断面図 本発明に係る実施の形態4のウェアラブル端末を模式的に示す図 本発明に係る実施の形態4の変形例としての携帯端末を模式的に示す図
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
(実施の形態1)
図1は、本発明に係る実施の形態1の振動アクチュエータの構成を示す外観図であり、図2は、同振動アクチュエータにおいてカバーを外した状態を示す斜視図であり、図3は、同振動アクチュエータの分解斜視図である。また、図4は、同振動アクチュエータの要部構成を示す縦断面図であり、図5は、同振動アクチュエータの磁気回路構造を示す図であり、図6は、同振動アクチュエータにおいて可動体の動作を示す縦断面図である。
図1及び図2に示す振動アクチュエータ100は、ベースプレート12とカバー13とからなる直方体形状の外形の筐体11を有する。なお、筐体11の形状は、どのような寸法でもよいが、本実施の形態の振動アクチュエータ100では、高さ、幅、奥行きのうち、奥行きが最も長く、高さが最も短くなるように形成されている。なお、筐体11は、直方体形状でなく、立方体形状等のように可動体30を可動可能に収容する形状であればどのような形状でもよい。
振動アクチュエータ100は、筐体11を含む固定体10と、筐体11内で固定体10に対して振動(一端側を支点に他端側が往復揺動)する可動体30と、板状の弾性体として板ばね部50と、を有する。
振動アクチュエータ100では、ベースプレート12に対向配置され、且つ、一端部を板ばね部50で支持される可動体30の他端部が自由端となり、ベースプレート12に対して高さ方向に往復振動する。
具体的には、固定体10は、ベースプレート12、カバー13、第1マグネットホルダ14、第2マグネットホルダ15、第1マグネット21、及び第2マグネット22を有し、可動体30は、コイル40、本体部31(コイルホルダ32、ウェイト34)及び接触部81を有する。
ベースプレート12は、矩形状に形成され、表面側に可動体30が離間して配置され、カバー13とともに筐体11を構成する。
ベースプレート12は、後述するカバー13とともに導電性を有する板材料により形成され、電磁シールドとして機能する。
ベースプレート12には、第1マグネットホルダ14を介して第1マグネット21が固定されている。
第1マグネットホルダ14は、ベースプレート12に第1マグネット21を位置決め固定する。第1マグネットホルダ14は、本実施の形態では、第1マグネット21を囲む扁平の矩形枠状に形成され、その内側に第1マグネット21が配置される。第1マグネットホルダ14は、本実施の形態では、第1マグネット21を可動体30の基端部側部分30aに位置するように配置されている。
第1マグネットホルダ14は、例えば、金属、樹脂等、どのような材料で形成されてもよいが、マグネット(特に第1マグネット21)の磁極から出る磁束の分布を歪める等のように磁束の流れに影響を与えないように、非磁性体であることが好ましい。本実施の形態の第1マグネットホルダ14は、第2マグネットホルダ15とともに、非磁性ステンレスにより形成されている。なお、第1マグネットホルダ14が非磁性体であるため、振動アクチュエータ100の組立時においても、第1マグネットホルダ14が第1マグネット21及び第2マグネット22に吸引されることなく、好適に所定に位置に配置して、振動アクチュエータ100を容易に組み立てることができる。
第1マグネット21は、ベースプレート12に対して着磁方向を垂直方向となるように固定されている。本実施の形態では、第1マグネット21は、S極をベースプレート12側にし、N極を上面側に配置した矩形状に形成されている。
第1マグネット21は、第2マグネット22とともに可動体30のコイル40内に挿入される。
カバー13は、ベースプレート12に覆うように取り付けられており、ベースプレート12とともに形成した筐体11の内部に、可動体30を収容する。筐体11は、可動体30を可動自在に収容する。
カバー13の内側に可動体30が可動自在に配置される。本実施の形態では、カバー13の天板131は、可動体30を挟み、ベースプレート12に対向して配置される。
カバー13には、天板131に第2マグネットホルダ15により位置決めされた第2マグネット22が固定されている。なお、天板131において第2マグネット22が固定される部分と、ベースプレート12において第1マグネット21が固定される部分は、ヨークとしても機能する。
第2マグネットホルダ15は、第1マグネットホルダ14と同様に形成される。本実施の形態では、第2マグネットホルダ15は、第2マグネット22を囲む扁平の矩形枠状に形成され、その内側に第2マグネット22が配置される。第2マグネットホルダ15は、第1マグネットホルダ14に対向して配置される。第2マグネットホルダ15は、第1マグネット21と同様に形成された第2マグネット22を、第1マグネット21と対向する位置に位置決めする。
第2マグネット22は、図4に示すように、第1マグネット21の真上に、第1マグネット21とは着磁方向を異なる方向にして対向して配置される。
すなわち、第2マグネット22は、第1マグネット21と、同磁極で対向して配置されている。
第2マグネット22の下面は、本実施の形態では、図4及び図5に示すように、N極面であり、第1マグネット21のN極の上面との間に隙間を設けて配置される。第2マグネット22は、可動体30のコイル40内にコイル40の内周面から離間した状態で挿入されている。
可動体30では、コイル40と本体部31とが、第1マグネット21及び第2マグネット22の着磁方向と直交する方向(図4では前後方向)に並んで接合されている。
コイル40は、第1マグネット21及び第2マグネット22とともに、磁力を発生して、可動体30を電磁駆動する。コイル40は、互いに対向する第1マグネット21の上面及び第2マグネット22の下面を囲むように、第1マグネット21及び第2マグネット22の外周側に所定間隔を空けて配置される。
コイル40は、第1マグネット21及び第2マグネット22の外形に対応する形状を有する。本実施の形態では、コイル40は、第1マグネット21及び第2マグネット22の外形に対応して、正方形枠状に形成され、第1マグネット21及び第2マグネット22の着磁方向と直交する方向で第1マグネット21及び第2マグネット22の周囲を巻回するように、配置される。
すなわち、コイル40の巻回軸は、固定体10の第1マグネット21及び第2マグネット22の着磁方向と平行であることが好ましい。本実施の形態では、コイル40は、非駆動時において、コイル40の巻回軸が、第1マグネット21及び第2マグネット22の中心軸に重なり、かつ、第1マグネット21及び第2マグネット22に対して、所定間隔を空けて幅方向及び奥行き方向で対向している。ここでいう所定間隔は、第1マグネット21及び第2マグネット22に対してコイル40が厚み方向に移動可能な間隔であり、より詳細には可動体30の揺動に伴いコイル40が厚み方向で揺動可能な間隔である。
コイル40には、コイル巻回部分から基端側に導出されるコイル線40aに電源供給部(図示省略)が接続される。電源供給部は、外部電源に接続され、コイル40に電力供給して、磁力を発生させる。
コイル40は、コイルホルダ32を介して可動体30の本体部31に取り付けられている。
本体部31は、弾性体である板ばね部50が取り付けられる一端部と、自由端である他端部とを有する。本体部31は、本実施の形態では、コイルホルダ32と、ウェイト34とにより構成される。
コイルホルダ32は、可動体30に板ばね部50の他端部としての可動体固定部55を固定するとともにコイル40を保持する。
コイルホルダ32は、本実施の形態では、矩形枠状に形成され、コイル40を枠状部の内側に配置してコイル40の外周面で固定している。コイルホルダ32は、本実施の形態では、ステンレス材からなる板金を加工して形成されている。なお、コイルホルダ32は、形状寸法として製造上可能であれば、比重の高いタングステン等の高比重(比重が16~19程度)の材料により形成されてもよい。この場合、高比重である分、可動体質量を増加させることができる。
コイルホルダ32の一側面で板ばね部50が固定され、板ばね部50と反対側の他側面で、ウェイト34が隣接して固定されている。可動体30は、コイル40を可動体30の一端側に有し、他端側にウェイト34を有する。
ウェイト34は、錘であり、板状の弾性体である板ばね部50で支持される可動体30に設けることにより、可動体30の振動出力を増加させる。ウェイト34は、本実施の形態では、コイルホルダ32からコイルの軸と直交する方向に、且つ、板ばね部50が固定体10側に延在する方向とは逆側に延在するように取り付けられている。
なお、ウェイト34は、例えば、SECC等の材料よりも比重の高いタングステン等の高比重の材料により形成される。これにより、外形寸法が設計等において設定された可動体30の質量を増加させたい場合、ウェイト34を、比重が16~19程度の高比重材で形成する場合、その比重分の質量を可動体の質量に含ませることができ、その結果、可動体30の振動出力を増加できる。
ウェイト34は、板状の直方体状をなしており、本実施の形態では、コイルホルダ32の高さと同じ厚みで形成される。これにより、コイルホルダ32とウェイト34の上端面のそれぞれと、下端面のそれぞれは面一となっている。
ウェイト34の先端部には、揺動方向、ここでは、ベースプレート12に対する接離方向に接触部81が取り付けられている。接触部81は、天板131と、ベースプレート12とのそれぞれに振動方向で対向する。
接触部81は、ダンパー(緩衝材)であり、可動体30が揺動した際に、ベースプレート12とカバー13の天板131に当接する。接触部81は、ここでは、エラストマー、ゴム、樹脂、スポンジなどの多孔質弾性体といった軟質材料により形成される。これにより、可動体30を駆動時に、ベースプレート12或いは天板131に接触する場合、接触時の衝撃を緩和し、接触音や振動ノイズの発生を低減して、接触の際の衝撃を筐体11に伝達できる。
板ばね部50は、固定体10に一端が固定されるとともに、可動体30に他端が固定され、可動体30を片持ち構造で振動方向に往復揺動可能に支持する。板ばね部50は、可動体30を筐体11の長手方向と交差(ここでは直交)する方向で揺動可能に支持する。
板ばね部50は、本実施の形態では、板ばねにより形成される。板ばね部50は、長尺板状板を屈曲して形成され、固定体10に固定する固定体固定部51と、弾性変形するアーム部53と、可動体30に固定される可動体固定部55とを有する。
固定体固定部51は、ベースプレート12の表面の一端部側で接着或いは溶接等で固定される。アーム部53は、固定体固定部51から上方に立ち上がるように延出する立ち上がり板部531と、立ち上がり板部531からベースプレート12に沿うように屈曲する屈曲板部533とを有する。屈曲板部533には、屈曲板部533の先端からベースプレート12側に垂下するように可動体固定部55が形成されている。可動体固定部55は、コイルホルダ32の一側面に面接触して接着或いは溶接等により固定される。
この板ばね部50により、可動体30は、筐体11の内部で、ベースプレート12と、カバー13の天板131との間の中間の位置に、それぞれに略平行に片持ち支持された状態で配置されている。
<振動アクチュエータ100の動作>
コイル40には、コイル40に電力を供給する電源供給部(図示省略)を介して外部電源が接続される。
振動アクチュエータ100では、固定体10のベースプレート12とカバー13の天板131との間に、可動体30が、板ばね部50により一端側で弾性支持されて揺動可能に配置されている。加えて、第1マグネット21及び第2マグネット22が、可動体30のコイル40内に配置され、且つ、互いに同極性の磁極面(図5ではN極同士)を対向させてベースプレート12及び天板131に固定されている。
可動体30は、コイル40に電源供給部から電源が供給されて励磁されることにより、高さ方向(短手方向)つまり、ベースプレート12及び天板131に対して接離方向に往復振動し、これにより、可動体30の他端部が揺動する。
例えば、振動アクチュエータ100では、図5に示す磁束の流れBとなる。振動アクチュエータ100において、コイル40に給電すると、第1マグネット21及び第2マグネット22からの磁束に直交するように配置されたコイル40に電流が流れるので、そこで発生するローレンツ力により、フレミング左手の法則に基づいてコイル40に推力Fが発生し、可動体30は、F方向に駆動する。これにより、可動体30は、一端部側で板ばね部50により支持されているので、図6に示すように、可動体30の他端部、つまり、ウェイト34側が揺動して、F方向に移動して、接触部81を介してカバー13の天板131に接触(具体的には、衝突)する。
また、コイル40に電流を逆方向に切り替えて供給する(図5における電流の流れる方向を逆にする)と、切替時にコイル40は基準位置に戻り、ローレンツ力によりコイル40に力-Fが発生し、可動体30は、F方向とは真逆の-F方向に駆動する。可動体30は、一端部側で板ばね部50により支持されているので、可動体30の他端部、つまり、ウェイト34側が揺動して、F方向に移動して、接触部81を介してベースプレート12に衝突する(破線で示す可動体30の状態)。
振動アクチュエータ100では、電源供給部からコイル40へ入力される交流波によりコイル40が励磁され、固定体10側の第1マグネット21及び第2マグネット22に対して、効果的にローレンツ力を発生する。これにより、可動体30のコイル40は、駆動基準位置となる位置(ここではコイル40の高さ方向の中心位置が、第1マグネット21及び第2マグネット22の対向する同磁性の磁極面との間の中間位置と略同一水平面となる位置)を基準にして、F方向、-F方向の推力を得る。
これにより可動体30のコイル40は、高さ方向に沿って、F方向、-F方向に往復振動する。つまり、可動体30は、固定体10に対して、ベースプレート12に対して直交する方向で円弧状に往復振動する。この駆動原理を以下に示す。なお、本実施の形態の振動アクチュエータ100の駆動原理は、以下の各実施の形態の振動アクチュエータ全てで実現される。
本実施の形態の振動アクチュエータ100では、可動体30の慣性モーメントJ[Kgm]m[kg]、板ばね部50のねじり方向のバネ定数Kspとした場合、可動体30は、固定体10に対して、下記式(1)によって算出される共振周波数f[Hz]で振動する。
Figure 0007093013000001
本実施の形態の振動アクチュエータ100は、電源供給部からコイル40に,可動体30の共振周波数fと略等しい周波数の交流を供給する。これによりコイル40は励磁され、可動体30を効率良く可動される。
本振動アクチュエータ100における可動体30は、板ばね部50を介して固定体10により支持されるバネマス系構造で支持された状態となっている。よって、コイル40に可動体30の共振周波数fに等しい周波数の交流が供給されると、可動体30は高効率な共振状態で駆動される。
振動アクチュエータ100の駆動原理を示す運動方程式及び回路方程式を以下に示す。振動アクチュエータ100は、下記式(2)で示す運動方程式及び下記式(3)で示す回路方程式に基づいて駆動する。
Figure 0007093013000002
Figure 0007093013000003
すなわち、アクチュエータ100における慣性モーメントJ[Kgm]、回転角度θ(t)[rad]、トルク定数K[Nm/A]、電流i(t)[A]、バネ定数Ksp[Nm/rad]、減衰係数D[Nm/(rad/s)]等は、式(2)を満たす範囲内で適宜変更できる。また、電圧e(t)[V]、抵抗R[Ω]、インダクタンスL[H]、逆起電力定数K[V/(rad/s)]は、式(3)を満たす範囲内で適宜変更できる。
このように、アクチュエータ100は、可動体30の慣性モーメントJと板ばね(弾性体)50のバネ定数Kspにより決まる共振周波数fにおいて駆動した場合、効率的に大きな出力を得ることができる。
従来、板ばねを用いて固定体に対し可動体を揺動可能に支持する構造では、板ばねは、可動体の振動方向で離間する両端部の外縁から、固定体の底面と平行な振動方向と直交する方向(交差する方向)に延在するように取り付けられる。この構成の場合、可動体を安定して揺動させるために、少なくとも、両端部のそれぞれから振動方向と直交する方向に延在するように設けて、固定体に支持させる。すなわち、従来の板ばね支持構造の振動アクチュエータは、固定体に対して、可動体を揺動可能に支持する板ばねは、固定体および可動体のそれぞれに複数個所で接続されるため、構造上、板ばね設計スペースが多く必要であり、アクチュエータの小型化には困難である。また、板ばねの構造も複雑となり、効率良く製造しにくくなる。
これに対し、本実施の形態の振動アクチュエータ100では、1つの板ばね部50の一端に可動体30を固定し、板ばね部50の他端で固定して、可動体30を揺動可能、つまり、振動可能に支持している。これにより、可動体及び固定体に対して複数箇所で固定する従来の構造と比較して、構造が単純であり、設計がシンプルになるとともに、省スペース化を図ることができ、振動アクチュエータ100自体の小型化を図ることができる。
また、従来の振動アクチュエータは、搭載される製品形状や実装スペースによって、実装方向の制約を受ける。例えば、振動アクチュエータが、ユーザが製品を装着した際に、ユーザの皮膚上に載置するように、製品に搭載される場合、実際に実装される皮膚に対する振動アクチュエータの高さは、製品の装着感の観点から極力低くなるように構成される。すなわち、第1マグネット21、第2マグネット22及びコイル40の協働による可動体30への加振方向も、製品の実装方向の制約を受けることになる。特に、実装面である皮膚に対して垂直な方向となる短手方向に振動発生可能な振動アクチュエータにおいては、ばねの設計制約があるため、可動部質量の確保や、ばね設計スペースに設計制約があり、高出力化が困難となる。
この点に対して、振動アクチュエータ100の可動体30は、揺動する度に、接触部81で、ベースプレート12と、カバー13の天板131とに交互に接触(具体的には衝突)して、振動アクチュエータ100の筐体11自体を振動させる。
これにより、振動アクチュエータ100は、筐体11を介して、実際の可動体30への加振力よる振動よりも大きな振動を、ユーザに体感させることができる。
よって、振動アクチュエータ100によれば、加振方向を短手方向とした振動アクチュエータであっても、搭載する製品への実装方向に対して、垂直方向へ加振して、実装対象となる皮膚に好適な振動を付与できるというメリットを有する。
また、可動体30では、第1マグネット21、第2マグネット22及びコイル40が、可動体30全体の基端側(板ばね部50が接合する端部側)部分30a(図4参照)に配置され、可動体30の先端側部分30bにウェイト34が配置されている。つまり、可動体30において、可動体30Bの駆動トルクを発生させる磁気回路が揺動支点側に配置され、揺動する際に最も変位範囲が大きい可動体30Aの先端側に錘が配置された構成となっている。これにより、第1マグネット21、第2マグネット22及びコイル40を可動体30の先端側に配置した構成と比較して、先端側のウェイト34の占める割合が大きくなり、可動体30に付与する回転モーメント(回転系における質量)が増加し、振動の高出力化を図ることができる。
また、振動アクチュエータ100では、コイル40を可動体30に配置し、第1マグネット21及び第2マグネット22を固定体10に配置し、フレミング左手の法則に則って発生するローレンツ力により可動体30は駆動する。これにより、振動アクチュエータ100の筐体11の外形寸法が規制されても、規制される寸法で最小限のスペースで磁力を発生できる。例えば、マグネットを可動体側に配置して、所謂、マグネット可動にした構成では、コイル及びコイルが巻回されるコアを設ける場合、コイル及びコアは、可動体に配置したマグネットを囲むように配置、或いは、マグネットの可動体側に配置する必要が生じる。いずれのコイル・コアの配置でも、外形が規制された筐体内では、コイル・コアの配置スペースのスペースが大きくなることで、可動体の占めるスペースが小さくなり、可動体が軽くなるため、出力が低下する場合もありうる。
更に、可動体の振動に固定体との摺動を伴う従来の振動アクチュエータと比較して、可動体30が固定体10の一部に摺動することなく振動するので、振動の際に固定体との摩擦抵抗による推力の減衰は発生せず、好適な振幅を得ることができる。
(実施の形態2)
図7は、本発明に係る実施の形態2の振動アクチュエータの構成を示す外観図であり、図8は、同振動アクチュエータにおいてカバーを外した状態を示す斜視図であり、図9は、同振動アクチュエータの分解斜視図である。また、図10は、同振動アクチュエータの要部構成を縦断面図であり、図11は、同振動アクチュエータの磁気回路構造を示す図であり、図12は、同振動アクチュエータにおいて可動体の動作を示す縦断面図である。
図7及び図8に示す振動アクチュエータ100Aは、ベースプレート12Aとカバー13Aとからなる直方体形状の外形の筐体11Aを有する。筐体11Aの形状は、どのような寸法でもよいが、本実施の形態の振動アクチュエータ100Aでは、高さ、幅、奥行きのうち、奥行きが最も長く、高さが最も短くなるように形成されている。なお、筐体11Aは、筐体11と同様に、直方体形状でなく、立方体形状等のように可動体30Aを可動可能に収容する形状であればどのような形状でもよい。
振動アクチュエータ100Aは、筐体11Aを含む固定体10Aと、筐体11A内で固定体10Aに対して振動(一端側が往復揺動)する可動体30Aと、板状の弾性体として板ばね部50Aと、を有する。
なお、この振動アクチュエータ100Aは、実施の形態1の振動アクチュエータ100と同様の基本的構成を有しており、振動アクチュエータ100と比較して、板ばね部50Aの形状、ダンバー形状が主に異なる。よって、以下では、振動アクチュエータ100の構成要素と同一の構成要素には、同一名称、同一符号にAを付して、その説明を適宜省略する。
振動アクチュエータ100Aでは、ベースプレート12Aに対向配置され、且つ、一端部を板ばね部50Aで支持される可動体30Aの他端部が、ベースプレート12Aに対して高さ方向に往復振動する。
具体的には、固定体10Aは、ベースプレート12A、カバー13A、第1マグネットホルダ14A、第2マグネットホルダ15A、第1マグネット21A、及び第2マグネット22Aを有する。可動体30Aは、コイル40A、本体部31A(コイルホルダ32A、ウェイト34A)及び接触部81Aを有し、固定体10Aと可動体30Aとの間に設けられる板ばね部50Aを介して、可動体30Aは、固定体10Aに揺動自在に設けられている。
ベースプレート12Aは、矩形状に形成され、表面側に可動体30Aが離間して配置され、カバー13Aとともに中空の筐体11Aを構成する。本実施の形態のベースプレート12Aの一端部122は筐体11Aから外部に突出し、一端側で筐体11Aの内部でコイル40Aに接続される電源供給部41の他端部が配置される。電源供給部41は、コイル40Aに電力供給する基板であり、筐体11Aの外部に露出する他端部を介して外部電源に接続される基板、例えば、フレキシブル回路基板(FPC:Flexible printed circuits)等で形成される。
ベースプレート12Aは、後述するカバー13Aとともに板材料により形成され、電磁シールドとして機能する。
ベースプレート12Aには、第1マグネットホルダ14Aを介して第1マグネット21Aが固定されている。
第1マグネットホルダ14Aは、アクチュエータ100の第1マグネットホルダ14と同様の機能を有し、ベースプレート12Aに第1マグネット21Aを位置決め固定する。第1マグネットホルダ14Aは、本実施の形態では、第1マグネット21Aを囲む扁平の矩形枠状に形成され、その内側に第1マグネット21Aが配置される。第1マグネットホルダ14Aは、本実施の形態では、第1マグネット21Aを可動体30Aの基端部30Aa側に位置するように配置されている。このように構成される第1マグネット21Aは、実施の形態1のアクチュエータ100における第1マグネット21と同様に、可動体30Aのコイル40A内に挿入される。
カバー13Aは、ベースプレート12Aとともに、実施の形態1のアクチュエータ100のカバー13、ベースプレート12同様の機能を有する。カバー13Aは、ベースプレート12Aに覆うように取り付けられ、ベースプレート12Aとともに形成した筐体11の内部に、可動体30Aを可動自在に収容する。カバー13Aの天板131Aは、可動体30Aを挟み、ベースプレート12Aに対向して配置される。
カバー13Aでは、天板131Aには、第2マグネットホルダ15Aにより位置決めされた第2マグネット22Aが固定されている。なお、天板131Aにおけるヨークとしての機能は天板131と同様である。
第2マグネットホルダ15Aは、アクチュエータ100のマグネットホルダ15と同様に、第1マグネット21Aと同様に形成された第2マグネット22Aを、第1マグネット21Aと対向する位置に位置決めする。
第2マグネット22Aは、アクチュエータ100における第2マグネット22と同様に、図10及び図11に示すように、第1マグネット21Aの真上に、第1マグネット21Aとは着磁方向を異なる方向にして対向して、且つ、隙間を空けて配置される。すなわち、第2マグネット22Aは、第1マグネット21Aと、同磁極で対向して配置されている。また、本実施の形態では、第2マグネット22Aと第1マグネット21Aとの対向部分が、可動体30Aのコイル40A内に、コイル40Aの内周面から離間した状態で挿入されている。
可動体30Aは、可動体30と比較して、主に、板ばね部50A及び板ばね部50Aの取り付き構造、接触部81Aが異なる。すなわち、可動体30Aでは、コイル40Aと本体部31Aとが、第1マグネット21A及び第2マグネット22Aの着磁方向と直交する方向(図10では前後方向)に並んで接合されている。
コイル40Aは、第1マグネット21A及び第2マグネット22Aとともに、磁力を発生して、可動体30Aを電磁駆動する。コイル40Aは、互いに対向する第1マグネット21Aの上面及び第2マグネット22Aの下面を囲むように、第1マグネット21A及び第2マグネット22Aの外周側に所定間隔を空けて配置される。
コイル40Aは、アクチュエータ100でのコイル40と同様に、第1マグネット21A及び第2マグネット22Aの外形に対応する形状を有し、第1マグネット21A及び第2マグネット22Aの着磁方向と直交する方向で第1マグネット21A及び第2マグネット22Aの周囲を巻回するように、配置される。コイル40Aと、第1マグネット21A及び第2マグネット22Aとの位置関係は、実施の形態1と同様であるので説明は省略する。
コイル40Aには、電源供給部41が接続される。コイル40Aは、コイルホルダ32Aを介して可動体30Aの本体部31Aに取り付けられている。
電源供給部41は、コイル40に電力供給する基板である。電源供給部41は、ここではフレキシブル基板(Flexible Printed Circuits:FPC)である。本実施の形態では、電源供給部41は、可動体30Aの基端側で、フレキ部分が、板ばね部50Aの上方で重なるように、配置されている。フレキ部分の一方側の一端部411が可動体30A側でワイヤ49を介してコイル40に接続されている。電源供給部41においてフレキ部分の他方側の他端部412は、ベースプレート12Aの一端部122上に配設され、筐体11Aの外部に長手方向で露出している。なお、電源供給部41は、駆動回路が実装されてもよく、外部で接続される外部電源から供給される電力をコイル40に供給して磁力を発生させる。電源供給部41はフレキ部分で、可動体30の可動に追従する。
本体部31Aは、弾性体である板ばね部50Aが取り付けられる一端部と、自由端である他端部とを有する。本体部31Aは、本実施の形態では、コイルホルダ32Aと、ウェイト34Aとにより構成される。
コイルホルダ32Aは、可動体30Aに板ばね部50Aの他端部である可動体固定部55Aを固定するとともにコイル40Aを保持する。
コイルホルダ32Aは、本実施の形態では、矩形枠状に形成され、コイル40Aを枠状部の内側に配置してコイル40Aの外周面で固定している。コイルホルダ32Aは、本実施の形態1のコイルホルダ32と同様に、ステンレス材からなる板金を加工して形成されている。なお、コイルホルダ32Aは、コイルホルダ32と同様に、形状寸法として製造上可能であれば、比重の高いタングステン等の高比重(比重が16~19程度)の材料により形成されてもよい。この場合、高比重である分、可動体質量を増加させることができる。
コイルホルダ32Aは、上端面で板ばね部50Aの可動体固定部55Aが固定され、板ばね部50Aが導出する側とは反対側の他側面にウェイト34Aが隣接して固定されている。可動体30Aは、コイル40を可動体30Aの一端側に有し、他端側にウェイト34Aを有する。
ウェイト34Aは、ウェイト34と同様に、錘であり、板状の弾性体である板ばね部50Aで支持される可動体30Aに設けることにより、可動体30Aの振動出力を増加させる。ウェイト34Aは、本実施の形態では、コイルホルダ32Aからコイルの軸と直交する方向に、且つ、板ばね部50Aが固定体10A側に延在する方向とは逆側に延在するように取り付けられている。
なお、ウェイト34Aは、例えば、SECC等の材料よりも比重の高いタングステン等の高比重の材料により形成される。これにより、外形寸法が設計等において設定された可動体30Aの質量を増加させたい場合、ウェイト34Aを、比重が16~19程度の高比重材で形成する場合、その比重分の質量を可動体の質量に含ませることができ、その結果、可動体30Aの振動出力を増加できる。
ウェイト34Aは、板状の直方体状をなしており、本実施の形態では、コイルホルダ32Aの高さと同じ厚みで形成される。これにより、コイルホルダ32Aとウェイト34Aの上端面のそれぞれと、下端面のそれぞれは面一となっている。
ウェイト34Aの先端部には、揺動方向、ここでは、ベースプレート12A及び天板131Aに対する接離方向の端面(先端部の上下面)に、ベースプレート12A及び天板131Aに対向して接触部81Aが取り付けられている。
接触部81Aは、ダンパーであり、可動体30Aが揺動した際に、ベースプレート12Aとカバー13Aの天板131Aに当接する。
板ばね部50Aは、板状の弾性体で形成され、本実施の形態では、板ばねにより形成される。板ばね部50Aは、固定体10Aに固定される一端と、可動体30Aに固定される他端とが互いに離間して対向するように断面略U字状に形成される。
板ばね部50Aは、本実施の形態では、長尺板状板をU字状に屈曲して形成されており、固定体10Aに固定する固定体固定部51Aと、弾性変形するアーム部53Aと、可動体30Aに固定される可動体固定部55Aとを有する。
固定体固定部51Aは、図10に示すように、カバー13A内において、ベースプレート12Aの表面の一端部側で接着或いは溶接等で固定されている。アーム部53Aは、固定体固定部51Aにおいてアクチュエータ100Aの基端側から上方に立ち上がるように延出する立ち上がり板部531Aと、立ち上がり板部531Aからアクチュエータ100Aの先端側に屈曲してベースプレート12Aに沿う屈曲板部533Aとを有する。屈曲板部533Aの先端から連続して屈曲板部533Aと同一平面で可動体固定部55Aが形成されている。屈曲板部533A及び可動体固定部55Aの少なくとも一方が固定体固定部51Aに対向する。
可動体固定部55Aは、コイルホルダ32Aの形状に対応した枠状に形成され、固定体固定部51Aと対向配置されている。可動体固定部55Aは、コイルホルダ32Aの枠状の上端面に面接触して接着或いは溶接等により固定される。枠状の可動体固定部55Aの内部には、コイルホルダ32Aに固定されるコイル40Aの内側に挿入される第2マグネット22Aが抜き差しされる。
この板ばね部50Aにより、可動体30Aは、筐体11Aの内部で、ベースプレート12Aと、カバー13Aの天板131Aとの間の中間の位置に、それぞれに略平行に片持ち支持された状態で配置されている。
すなわち、本実施の形態の板ばね部50Aは、固定体固定部51Aと、屈曲板部533A及び可動体固定部55Aの少なくとも一方とが平行に対向して配置されている。これにより、板ばね部50Aを固定体10Aに取り付ける際に、板ばね部50A自体は、アクチュエータ100の長手方向、つまり前後方向に設置スペースを確保する必要がなく、駆動性能を低減させることなく、アクチュエータ100A自体の更なる小型化が図られている。
このように本実施の形態2の振動アクチュエータ100Aでは、固定体10Aのベースプレート12Aとカバー13Aの天板131Aとの間に、可動体30Aが、板ばね部50Aにより一端側で弾性支持されて揺動可能に配置されている。加えて、第1マグネット21A及び第2マグネット22Aが、可動体30Aのコイル40内に配置され、且つ、互いに同極性の磁極面(図11ではN極同士)を対向させてベースプレート12A及び天板131Aに固定されている。
<振動アクチュエータ100Aの動作>
振動アクチュエータ100Aは、振動アクチュエータ100と同様の磁気回路を有しており、振動アクチュエータ100と同様に電磁駆動する。
可動体30Aは、コイル40に電源供給部から電源が供給されて励磁されることにより、高さ方向(短手方向)つまり、ベースプレート12Aに対して接離方向に往復振動し、これにより、可動体30Aの他端部が揺動する。
例えば、振動アクチュエータ100Aでは、図11に示す磁束の流れBとなる。振動アクチュエータ100Aにおいて、コイル40Aに給電すると、第1マグネット21A及び第2マグネット22Aからの磁束に直交するように配置されたコイル40Aに電流が流れるので、そこで発生するローレンツ力により、フレミング左手の法則に基づいてコイル40Aに推力Fが発生し、可動体30Aは、F方向に駆動する。これにより、可動体30Aは、一端部側で板ばね部50Aにより支持されているので、図12に破線で示す可動体300Aのように、可動体30Aの他端部、つまり、一端側部側を支点としてウェイト34A側が揺動(ここではF1方向に揺動)して、可動体は破線300Aで示す状態となり、接触部81Aを介してカバー13Aの天板131Aに接触(具体的には衝突)する。
また、コイル40Aに電流を逆方向に切り替えて供給する(図11における電流の流れる方向を逆にする)と、切替時にコイル40Aは基準位置に戻り、ローレンツ力によりコイル40Aに推力-Fが発生し、可動体30Aは、F1方向とは真逆の-F1方向に移動するように駆動する。可動体30Aは、一端部側で板ばね部Aにより支持されているので、可動体30Aの他端部、つまり、ウェイト34A側が揺動(-F1方向に移動)して、接触部81Aを介してベースプレート12Aに衝突する(図12に破線で示す可動体300Bの状態)。
すなわち、振動アクチュエータ100Aでは、電源供給部41からコイル40Aへ入力される交流波によりコイル40Aが励磁され、固定体10A側の第1マグネット21A及び第2マグネット22Aに対して、効果的に磁気吸引力及び反発力を発生する。これにより、可動体30A側のコイル40Aは、駆動基準位置となる位置(ここではコイル40Aの高さ方向の中心位置が、第1マグネット21A及び第2マグネット22Aの対向する同磁性の磁極面との間の中間位置と略同一水平面となる位置)を基準にして、F方向、-F方向の推力を得る(図11参照)。コイル40Aが、高さ方向に沿って、F方向、-F方向に往復振動することにより、つまり、可動体30Aは、固定体10Aに対して、ベースプレート12Aに対して直交する方向で円弧状に往復振動する。この駆動原理は、実施の形態1のアクチュエータ100と同様であり、上記(1)-(3)式により実現されるので、説明は省略する。
本実施の形態によれば、実施の形態1のアクチュエータ100と同様の効果を得ることができる。
特に、アクチュエータ100Aでは、1つの板ばね部50Aの一端に可動体30Aを固定し、板ばね部50Aの他端で固定して、可動体30Aを揺動可能、つまり、振動可能に支持している。これにより、可動体及び固定体に対して複数箇所で固定する従来の構造と比較して、構造が単純であり、設計がシンプルになるとともに、省スペース化を図ることができ、振動アクチュエータ100A自体の小型化を図ることができる。
また、振動アクチュエータ100Aの可動体30Aは、揺動する度に、接触部81Aを介して、ベースプレート12Aと、カバー13Aの天板131Aとに交互に接触(具体的には衝突)させて、振動アクチュエータ100Aの筐体11A自体を振動させることができる。
これにより、振動アクチュエータ100Aは、筐体11を介して、実際の可動体30Aへの加振力よる振動よりも大きな振動を、ユーザに体感させることができる。よって、振動アクチュエータ100Aによれば、加振方向を短手方向とした振動アクチュエータであっても、搭載する製品への実装方向に対して、垂直方向へ加振して、実装対象となる皮膚に好適な振動を付与できるというメリットを有する。
また、振動アクチュエータ100Aでも、振動アクチュエータ100と同様に、可動体30Aにおいて、第1及び第2マグネット21A、22Aとコイル40Aが、可動体30A全体の基端側(板ばね部50Aが接合する端部側)部分30aA(図10参照)に配置される。なお、第1及び第2マグネット21A、22Aとコイル40Aは、可動体30Aの駆動トルクを発生させる電磁駆動部としての磁気回路を構成する。ウェイト34Aが可動体30Aの先端側部分30bAに配置されている。これにより、第1マグネット21A、第2マグネット22A及びコイル40Aを可動体30Aの先端側に配置した構成と比較して、可動体30Aに付与する回転モーメント(回転系における質量)が増加し、振動の高出力化を図ることができる。
また、振動アクチュエータ100Aは、振動アクチュエータ100と同様に、筐体11Aの外形寸法が規制されても、規制される寸法で最小限のスペースで磁力を発生できる。一方、可動体30Aでは、先端側のウェイト34Aの占める割合が大きくなり回転モーメントが増加するので、高出力化を図ることができる。さらに、振動の際に固定体との摩擦抵抗による推力の減衰は発生せず、好適な振幅を得ることができる。
これらに加えて、アクチュエータ100Aでは、板ばね部50AはU字状に形成されている。すなわち、板ばね部50Aは、可動体固定部55Aと固定体固定部51Aとの間のアーム部53Aよりも、固定体固定部51Aを、可動体固定部55A側に配置して、ベースプレート12Aに固定している。これにより、固定体固定部51Aをアーム部53Aよりも基端側に配置した構成よりも、ベースプレート12A、板ばね部50A及び可動体30Aの振動発生系の長手方向の長さを短くすることができる。
(実施の形態3)
図13は、本発明に係る実施の形態3の振動アクチュエータの構成を示す外観図であり、図14は、同振動アクチュエータにおいてカバーを外した状態を示す斜視図であり、図15は、同振動アクチュエータの分解斜視図である。また、図16は、同振動アクチュエータの要部構成を示す縦断面図であり、図17は、同振動アクチュエータにおいて可動体の動作を示す縦断面図である。
図13~図17に示す本実施の形態3のアクチュエータ100Bは、アクチュエータ100、100Aと基本的な構成の相違は、コイル40Bを固定体10Bに設け、マグネット25を可動体30Bに設けた点である。
振動アクチュエータ100Bは、実施の形態1の振動アクチュエータ100と同様の基本的構成を有しており、コイル40B及びマグネット25の取り付け箇所の相違以外では、振動アクチュエータ100と比較して、コイル40B、板ばね部50Bの形状、ダンバー形状が主に異なる。よって、以下では、振動アクチュエータ100の構成要素と同様の構成要素には、同一名称、同一符号にBを付して、その説明を適宜省略する。
図13及び図14に示す振動アクチュエータ100Bは、ベースプレート12Bとカバー13Bとからなる直体方形状の外形の筐体11Bを有する。筐体11Bの形状は、どのような寸法でもよいが、本実施の形態の振動アクチュエータ100Bでは、高さ、幅、奥行きのうち、奥行きが最も長く、高さが最も短くなるように形成されている。なお、筐体11Bは、筐体11と同様に、直方体形状でなく、立方体形状等のように可動体30Bを可動可能に収容する形状であればどのような形状でもよい。
振動アクチュエータ100Bは、筐体11Bを含む固定体10Bと、筐体11B内で固定体10Bに対して振動(一端側が往復揺動)する可動体30Bと、板状の弾性体として板ばね部50Bと、を有する。
振動アクチュエータ100Bでは、振動アクチュエータ100、100Aと同様に、ベースプレート12Bに対向配置され、且つ、一端部を板ばね部50Bで支持される可動体30Bの他端部が、ベースプレート12Bに対して高さ方向に往復振動する。
固定体10Bは、ベースプレート12B、カバー13B及びコイル40Bを有する。可動体30Bは、マグネット25、本体部31B(ヨーク32B、ウェイト34B)及び接触部81Bを有し、固定体10Bと可動体30Bとの間に設けられる板ばね部50Bを介して、固定体10Bに対して揺動自在に設けられている。
ベースプレート12Bは、奥行き方向に長い矩形状に形成され、表面側で可動体30Bが離間して配置され、可動体30Bを覆うカバー13Bとともに中空の筐体11Bを構成する。本実施の形態のベースプレート12Bの一端部122Bは筐体11Bから外部に突出されており、コイル40Bから導出させたコイル線40aを、一端部122B上で図示しない電源供給部に接続させて,電源供給部からコイル40Bへの電力供給を行うようにしてもよい。なお、ベースプレート12Bは、アクチュエータ100と同様に、後述するカバー13Bとともに導電性を有する板材料により形成され、電磁シールドとして機能する。
ベースプレート12Bの表面には、一端部側に、ベースプレート12Bの表面に対して巻回方向を垂直方向に向けてコイル40Bが固定されている。
コイル40Bは、マグネット25とともに、磁力を発生して、可動体30Bを電磁駆動する。コイル40Bは、可動体30B側のマグネット25の下部を囲むように、マグネット25の外周側に所定間隔を空けて配置される。コイル40Bは、アクチュエータ100でのコイル40と同様に、マグネット25の外形に対応する形状を有し、ここでは角筒状に形成される。
カバー13Bは、ベースプレート12Bとともに、実施の形態1のアクチュエータ100のカバー13、ベースプレート12同様の機能を有する。カバー13Bは、ベースプレート12Bに覆うように取り付けられ、ベースプレート12Bとともに形成した筐体11Bの内部に、可動体30Bを可動自在に収容する。カバー13Bの天板131Bは、可動体30Bを挟み、ベースプレート12Bに対向して配置される。ここでは、天板131Bは、ベースプレート12Bと平行に配置されている。
可動体30Bは、可動体30と比較して、主に、板ばね部50B及び板ばね部50Bの取り付き構造、接触部81Bが異なるとともに、コイルに替えてマグネットを有する。すなわち、可動体30Bは、マグネット25と、本体部31Bとを有する。
本体部31Bでは、弾性体である板ばね部50Bが取り付けられる一端部を有するヨーク32Bと、自由端側を構成するウェイト34Bとが隣接して配置され、互いを接着しても良い。ヨーク32Bと、ウェイト34Bとは、マグネット25とともに、固定体側固定部55Bに、前後方向で隣接した状態で接合される。
ヨーク32Bは、マグネット25とともに、可動体30Bの一端部側で可動体固定部55Bに接合されている。ヨーク32Bは、矩形枠状に形成され、開口方向をベースプレート12Bと対向する方向に向けて配置される。ヨーク32Bは、その上端開口縁部で、板ばね部50Bの他端部である可動体固定部55Bに固定され、下端開口縁部をベースプレート12B側に向けて配置されている。ヨーク32Bは、可動体固定部55Bに、内部に配置されるマグネット25から所定間隔を空けて囲むように固定されている。ヨーク32Bとマグネット25の周囲との間の所定間隔は、コイル40Bが上下方向、つまり、移動方向で、挿入可能な間隔である。詳細には、可動体30Bが円弧運動した際に、コイル40Bがヨーク32B及びマグネット25の間に挿入可能であり、それぞれに接触しない間隔である。ヨーク32Bの下端部は、図16に示すように、コイル40の上端部の外周と水平方向で所定間隔を空けて対向する。なお、ヨーク32Bは、ウェイト34Bと同じ厚み(振動方向の長さ)で形成されている。
マグネット25は、コイル40B内に挿抜可能に配置されるものであり、可動体30Bにおいて、ヨーク32Bの内側に、可動体固定部55Bを介して配置されている。
マグネット25は、着磁方向をコイル40Bの巻回軸と平行或いは同一に配置されることが好ましい。
ウェイト34Bは、ウェイト34と同様に、錘であり、板状の弾性体である板ばね部50Bで支持される可動体30Bに設けることにより、可動体30Bの振動出力を増加させる。ウェイト34Bは、本実施の形態では、ヨーク32Bに、コイル40Bの巻回軸と直交する方向で、且つ、板ばね部50Bが固定体10B側に延出する方向とは逆側に延在するように取り付けられている。
なお、ウェイト34Bは、例えば、SECC等の材料よりも比重の高いタングステン等の高比重の材料により形成される。これにより、外形寸法が設計等において設定された可動体30Bの質量を増加させたい場合、ウェイト34Bを、比重が16~19程度の高比重材で形成する場合、その比重分の質量を可動体の質量に含ませることができ、その結果、可動体30Bの振動出力を増加できる。
ウェイト34Bは、可動体固定部55Bの先端部(他端部)に溶接されている。
ウェイト34Bの先端部には、アクチュエータ100及びアクチュエータ100Bと同様に、揺動方向、ここでは、ベースプレート12B及び天板131Bに対する接離方向の端面(先端部の上下面)にベースプレート12B及び天板131Bに対向して接触部81Bが取り付けられている。
接触部81Bは、ダンパーであり、可動体30Bが揺動した際に、ベースプレート12Bとカバー13Bの天板131Bに当接する。接触部81Bの作用及び効果は、接触部81、81Aと同様であるので説明は省略する。
板ばね部50Bは、板状の弾性体で形成され、本実施の形態では、板ばねにより形成される。
具体的には、板ばね部50Bは、長尺板状板を屈曲して形成され、固定体10Bに固定する固定体固定部51Bと、弾性変形するアーム部53Bと、可動体30Bに固定される可動体固定部55Bとを有する。
固定体固定部51Bは、図15に示すように、カバー13B内において、ベースプレート12Bの表面の一端部側で接着或いは溶接等で固定されている。アーム部53Bは、固定体固定部51Bにおいてアクチュエータ100Bの基端側から上方に立ち上がるように延出する立ち上がり板部531Bと、立ち上がり板部531Bからアクチュエータ100Bの先端側に屈曲してベースプレート12Bに沿う屈曲板部533Bとを有する。屈曲板部533の先端から連続して屈曲板部533Bと同一平面で可動体固定部55Bが形成されている。
可動体固定部55Bは、ヨーク32Bの外形状に対応した板状をなす。可動体固定部55B及び屈曲板部533Bの少なくとも一方が、固定体固定部51Bに対向する。
可動体固定部55Bは、ヨーク32Bの枠状の上端面に面接触して接着或いは溶接等により固定され、ヨーク32Bの内側でマグネット25を着磁方向の一端部(上端部)で固定する。
この板ばね部50Bにより、可動体30Bは、筐体11Bの内部で、ベースプレート12Bと、カバー13Bの天板131Bとの間の中間の位置に、それぞれに略平行に片持ち支持された状態で配置されている。
すなわち、本実施の形態の板ばね部50Bは、固定体固定部51Bと、屈曲板部533B及び可動体固定部55Bの少なくとも一方とが平行で対向して配設されている。これにより、板ばね部50Bを固定体10Bに取り付ける際に、板ばね部50B自体は、アクチュエータ100の長手方向、つまり前後方向に設置スペースを確保する必要がなく、駆動性能を低減させることなく、アクチュエータ100B自体の更なる小型化が図られている。
<振動アクチュエータ100Bの動作>
振動アクチュエータ100Bは、振動アクチュエータ100と同様の磁気回路を有しており、振動アクチュエータ100と同様に電磁駆動する。
可動体30Bは、コイル40Bに電源供給部から電源が供給されて励磁されることにより、高さ方向(短手方向)つまり、ベースプレート12Bに対して接離方向に往復振動し、これにより、可動体30Bの他端部が揺動する。
例えば、振動アクチュエータ100Bでは、図16に示す磁束の流れB2となる。振動アクチュエータ100Bにおいて、コイル40Bに給電すると、第1マグネット21B及び第2マグネット22Bからの磁束に直交するように配置されたコイル40Bに電流が流れる。これにより発生するローレンツ力によりフレミング左手の法則に基づいて、コイル40Bに発生する力の反作用力が、可動体30Bのマグネット25にF方向の推力として作用し、可動体30Bは、F方向に駆動する。
可動体30Bは、一端部側で板ばね部50Bにより支持されているので、図17に破線で示す可動体300Bのように、可動体30Bにおいてウェイト34B側の他端部、つまり先端部が、つまり、一端側部、基端部側を支点としてF2方向に揺動する。これにより、可動体30Bの自由端側の先端部は、接触部81Bを介してカバー13Bの天板131Bに衝突する(図17では、破線で示す可動体300Cが、接触部81Bを介して天板131に衝突している状態、つまり接触している状態を示している)。
また、コイル40Bに電流を逆方向に切り替えて供給する(図16における電流の流れる方向を逆にする)と、切替時にコイル40Bは基準位置に戻り、ローレンツ力によりコイル40Bに発生する推力の反作用力が、マグネット25に推力-Fとして作用する。これにより、可動体30Bは、F方向とは真逆の-F方向に駆動する。可動体30Bは、一端部側で板ばね部50Bにより支持されているので、可動体30Bの他端部、つまり、ウェイト34側が揺動して、-F1方向に移動して、接触部81Bを介してベースプレート12Bに衝突する(図17に破線で示す可動体300Dの状態)。
すなわち、振動アクチュエータ100Bでは、電源供給部41からコイル40Bへ入力される交流波によりコイル40Bが励磁され、可動体30B側のマグネット25に効果的に磁気吸引力及び反発力を発生する。これにより、可動体30B側のマグネット25は、駆動基準位置となる位置(ここではコイル40Bの上面が、マグネット25の着磁方向の中間位置近傍の位置)を基準にして、F方向、-F方向の推力を得る(図16参照)。コイル40Bが、高さ方向に沿って、F方向、-F方向に往復振動することにより、つまり、可動体30Bは、固定体10Bに対して、ベースプレート12Bに対して直交する方向で円弧状に往復振動する。この駆動原理は、実施の形態1のアクチュエータ100と同様であり、上記(1)-(3)式により実現されるので、説明は省略する。
本実施の形態によれば、実施の形態1のアクチュエータ100と同様の効果を得ることができる。
特に、アクチュエータ100Bでは、1つの板ばね部50Bの一端に可動体30Bを固定し、板ばね部50Bの他端で固定して、可動体30Bを揺動可能、つまり、振動可能に支持している。これにより、可動体及び固定体に対して複数箇所で固定する従来の構造と比較して、構造が単純であり、設計がシンプルになるとともに、省スペース化を図ることができ、振動アクチュエータ100B自体の小型化を図ることができる。
また、振動アクチュエータ100Bの可動体30Bは、揺動する度に、接触部81Bを介して、ベースプレート12Bと、カバー13Bの天板131Bとに交互に衝突(接触)させて、振動アクチュエータ100Bの筐体11B自体を振動させることができる。
これにより、振動アクチュエータ100Bは、筐体11Bを介して、実際の可動体30Bへの加振力よる振動よりも大きな振動を、ユーザに体感させることができる。よって、振動アクチュエータ100Bによれば、加振方向を短手方向とした振動アクチュエータであっても、搭載する製品への実装方向に対して、垂直方向へ加振して、実装対象となる皮膚に好適な振動を付与できるというメリットを有する。
また、振動アクチュエータ100Bでも、振動アクチュエータ100と同様に、マグネット25、ヨーク32B及びコイル40B(可動体30Bの駆動トルクを発生させる電磁駆動部としての磁気回路)が、可動体30B全体の基端側(板ばね部50Bが接合する端部側)部分30aB(図16参照)に配置される。一方、可動体30Bでは、ウェイト34Bが可動体30Bの先端側部分30bBに配置されている。これにより、可動体30Bを駆動する電磁駆動部を可動体30Bの先端側に配置した構成と比較して、可動体30Bに付与する回転モーメント(回転系における質量)が増加し、振動の高出力化を図ることができる。
これらに加えて、アクチュエータ100Bでは、板ばね部50Bは、U字状に形成されている。すなわち、板ばね部50Bは、可動体固定部55Bと固定体固定部51Bとの間のアーム部53Bよりも、固定体固定部51Bを、可動体固定部55B側に配置して、ベースプレート12Bに固定している。これにより、固定体固定部51Bをアーム部53Bよりも基端側に配置した構成よりも、ベースプレート12B、板ばね部50B及び可動体30Bの振動発生系の長手方向の長さを短くすることができる。
更に、アクチュエータ100Bは、可動体30Bにマグネット25を配設し、固定体10Bにコイル40Bを配置して、電磁力または、フレミング左手の法則による力の反作用力を駆動源として、マグネット25側を可動させている。これにより、コイルを可動体に配設して可動体を可動させる場合に必要なコイルと電源供給部との接続が不要となる。
(実施の形態4)
図18は、本発明に係る実施の形態4のウェアラブル端末200の要部構成を模式的に示す図である。ウェアラブル端末200は、ユーザが身につけて使用するものである。ここでは、ウェアラブル端末200は、接続された通信端末の着信の通知を装着したユーザに振動により通知する所謂ウェアラブルインプットデバイスとして機能する。
図18に示すウェアラブル端末200は、通信装置210と、処理装置220と、駆動装置としての振動アクチュエータ230と、筐体240と、有する。振動アクチュエータ230は、各実施の形態1~3に示す振動アクチュエータ100、100A、100Bのいずれかを適用している。振動アクチュエータ230の底面は、筐体240の内周面242に近接或いは密着して配置される。ウェアラブル端末200は、各実施の形態1~3に示す振動アクチュエータ100、100A、100Bを実装している。
筐体240は、リング状に形成され、ここでは、ユーザの指に装着する。このとき、振動アクチュエータ230の底面を、装着部位である指の腹部分に重なるように位置させる。これにより、機械受容体が密集する部位に密着するように振動アクチュエータ230が装着される。
通信装置210は、図示しない携帯電話、スマートフォン、携帯型遊技機等の無線通信端末と、無線通信により接続され、例えば、無線通信端末からの信号を受信して、処理装置220に出力する。
通信装置210は、例えば、無線通信端末からの信号は、例えば、Bluetooth(登録商標)等の通信方式で受信する無線通信端末の着信信号等である。
処理装置220では、入力された信号を、変換回路部(図示省略)にて振動アクチュエータ230の駆動信号に変換して駆動回路部225に出力する。駆動回路部225は、振動アクチュエータ230(100、100A、100B)の電源供給部(コイル線40a、の電力供給部41)に接続されており、振動アクチュエータ230を駆動する回路が実装されている。駆動回路部225から駆動信号を振動アクチュエータ230に供給することによって、振動アクチュエータ230は、駆動する。
これにより、可動体30、30A、30B(図1~図17参照)が振動してウェアラブル端末200は振動する。ウェアラブル端末200の筐体240内において、可動体30、30A、30Bは、振動アクチュエータ230の底面(ベースプレート12、12A、12Bの底面に相当)と交差する方向、具体的には直交する方向で往復振動する。振動アクチュエータ100、100A、100Bでは、可動体30、30A、30Bは、振動する度に、ベースプレート12、12A、12B(図1~図17参照)に接触する。これにより、可動体30、30A、30Bの振動とともに、振動する際に接触するベースプレート12、12A、12Bへの衝撃が底面を介して、よりダイレクトにユーザの指に振動として伝達される。すなわち、装着される指などの皮膚表面に対して垂直な振動を与えることができ、振動アクチュエータが指の背上に沿って振動する構成と比較して、外形形状を変更することなく、振動デバイス自体を大きくすること無く、所定の大きさで、ユーザの体感振動を一層大きくできる。
また、可動体30、30A、30Bは振動する度に、接触部81、81A、81Bを介して固定体10、10A、10Bに接触させている。これにより、大きな振動を発生させることができる。また、可動体30、30A、30Bは、往復揺動して固定体10、10A、10Bに接触するため、これにより発生する振動量も一定となり安定した振動出力の製品を供給できる。
なお、ウェアラブル端末200を、通信装置210と、処理装置220と、駆動装置としての振動アクチュエータ230と、を有する着信通知機能デバイスとしてもよい。これにより、着信機能デバイスは、携帯電話、スマートフォン、携帯型遊技機等の無線通信端末で取得した外部からの着信を、振動アクチュエータを駆動させてユーザに報知する構成としても良い。また、振動アクチュエータ230の振動を着信信号の他に、メール等の外部装置から情報通信端末への信号入力に対応する振動、或いは、ゲームの操作に応じた振動を体感振動として増加させてユーザに付与できる。また、このウェアラブル端末200に、ウェアラブル端末200の位置情報を検出する加速度センサ等の位置検出部を設け、位置検出部が検出するウェアラブル端末200の位置情報に応じて処理装置220が振動アクチュエータ230を振動させるとともに処理装置220がウェアラブル端末200の位置情報を、通信装置210を介して外部に送信するようにしてもよい。これにより、例えば、ウェアラブル端末200をユーザの手首或いは指に装着して、ユーザが手首或いは指を、空中で文字を描くように動かすだけで、その動きに応じて、つまり、ウェアラブル端末200の位置に応じて、ウェアラブル端末200が振動するとともに、無線で接続される装置に、検出した位置情報に基づいて形成される文字や数字として入力できる。また、表示器を接続して、外部からの着信を、接続されたディスプレイ等の表示器に表示し、表示器に表示された情報を選択したりすることができる機能を設け、処理装置20により、選択に対応して振動アクチュエータ230を駆動するようにしても良い。
例えば、図19に示すように、各実施の形態1~3に示す振動アクチュエータ100、100A、100Bのいずれかを適用したアクチュエータ230を、携帯端末300に実装しても同様の効果を奏することができる。携帯端末300は、筐体340内に、ウェアラブル端末200と同様に、通信装置210と、処理装置220と、駆動回路部225と、駆動装置としての振動アクチュエータ230と有する。携帯端末300では、振動アクチュエータ230を振動させることにより、携帯電話、スマートフォン、携帯型遊技機等の無線通信端末で取得した外部からの着信に加えて、携帯端末300の各機能の信号を処理装置220で処理し、駆動回路部225を介して振動アクチュエータ230を振動してユーザに報知できる。
各実施の形態1、3の振動アクチュエータ100、100Aでは、マグネットを2つ用いて構成(第1マグネット21、21A及び第2マグネット22、22A)されているが、これに限らず、互いに同磁極を対向配置した第1マグネット21、21A及び第2マグネット22、22Aの一方だけ用いた構成としてもよい。
各振動アクチュエータ100、100A、100Bにおいて、天板131、131A、131Bに相当する部位を有しない筐体11、11A、11Bとした場合、可動体30、30A、30Bは、ベースプレート12、12A、12Bに相当する部位に対して接離方向に往復振動する構成となる。
今回開示された実施の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説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、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ことが意図される。以上、本発明の実施の形態について説明した。なお、以上の説明は本発明の好適な実施の形態の例証であり、本発明の範囲はこれに限定されない。つまり、上記装置の構成や各部分の形状についての説明は一例であり、本発明の範囲においてこれらの例に対する様々な変更や追加が可能であることは明らかである。
2017年1月13日出願の特願2017-004663の日本出願に含まれる明細書、図面および要約書の開示内容は、すべて本願に援用される。
本発明に係る振動アクチュエータは、小型化可能であり、小型化な扁平形状化されても、組立性、耐久性に優れて好適に振動する効果を有し、情報通信端末と通信可能なウェアラブル端末及び、携帯電話等の情報通信端末の着信通知をユーザに体感させることで報知する着信通知機能デバイスとして有用である。
10、10A、10B 固定体
11、11A、11B 筐体
12、12A、12B ベースプレート
13、13A、13B カバー
14、14A 第1マグネットホルダ
15、15A 第2マグネットホルダ
21、21A、21B 第1マグネット(マグネット)
22、22A、22B 第2マグネット(マグネット)
25 マグネット
30、30A、30B、300A、300B、300C、300D 可動体
31、31A、31B 本体部
32、32A コイルホルダ
32B ヨーク
34、34A、34B ウェイト
40、40A、40B コイル
40a コイル線
41 電源供給部
49 ワイヤ
50、50A、50B 板ばね部(弾性体)
51、51A、51B 固定体固定部
53、53A、53B アーム部
55、55A、55B 可動体固定部
81、81A、81B 接触部
100、100A、100B、230 振動アクチュエータ
122、122B 一端部
131、131A、131B 天板
200 ウェアラブル端末
300 携帯端末
531、531A、531B 立ち上がり板部
533、533A、533B 屈曲板部

Claims (8)

  1. グネットを有する固定体と、
    コイルホルダ、コイル並びにウェイトを有し、給電される前記コイルと前記マグネットの協働により、前記固定体に対して振動方向に往復動する可動体と、
    前記可動体を前記固定体に対して可動自在に支持する弾性体と、
    を有し、
    前記コイルホルダは、前記コイルを内側に配置して前記コイルの外周面を保持し、
    前記コイルホルダの一側面で前記弾性体が固定され、前記弾性体と反対側の他側面で前記ウェイトが固定されており、
    前記コイル及び前記マグネットは、前記固定体及び前記可動体に、前記振動方向で前記コイル内に前記マグネットが挿脱可能に設けられ、
    前記弾性体は、全長に渡って、前記振動方向に交差する方向において、前記コイルに対し、前記ウエイトの反対側に配置され、
    前記弾性体は、前記固定体に一端が固定されるとともに、前記コイルホルダに他端が固定され、前記可動体を片持ち構造で前記振動方向に往復揺動可能に支持する板状の弾性体であり、
    前記ウェイトは、一端が自由端であり、前記コイルホルダに他端が固定される、
    振動アクチュエータ。
  2. 前記固定体は、前記可動体を可動自在に収容する筐体を有し、
    前記弾性体は、前記筐体の長手方向に沿って前記固定体と前記可動体に固定され、前記可動体を前記長手方向と交差する方向で揺動可能に支持する、
    請求項1に記載の振動アクチュエータ。
  3. 前記筐体は、直方体形状である、
    請求項に記載の振動アクチュエータ。
  4. 前記弾性体は、前記一端と前記他端とが離間して対向するように断面略U字状に形成される、
    請求項1に記載の振動アクチュエータ。
  5. 前記可動体は、揺動する際に前記固定体に接触し、振動を伝達する接触部を備える、
    請求項1に記載の振動アクチュエータ。
  6. 前記接触部は、接触時の衝撃を緩和する緩衝材である、
    請求項5に記載の振動アクチュエータ。
  7. 請求項1に記載の振動アクチュエータを実装した、
    ウェアラブル端末。
  8. 請求項1に記載の振動アクチュエータを実装した、
    着信通知機能デバイス。
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