JP7101604B2 - 振動アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、振動アクチュエータに関し、更に詳しくは、漏洩磁束が少ない振動アクチュエータに関する。

従来、仮想現実を実現するための触感インターフェースとして、回転モータにより偏心マスを回転させて振動を得るという方法が用いられてきた。
しかし、従来の回転モータを利用した方法は、偏心マスの慣性力により振動を発生させるため、偏心マスが回転を始め振動が触感として得られるまでの反応が鈍く、リアリティが損なわれるという欠点があった。

そこで、よりリアルな触感を得るためのアクチュエータとして、ボイスコイル型の振動アクチュエータを用いることが検討されている。
可動磁石型の可動子を有した振動アクチュエータは、金属製の筒状のケースと、このケースの内部に設けられた電磁駆動部と、電磁駆動部の内部に設けられ、振動軸線方向に沿って振動する可動子（磁石）とを有している。

そして、振動（往復運動）をする可動子を支持するのに、振動軸線方向に沿って、可動子に設けられた金属のシャフトをケースの振動軸方向の２つの端面に設けられた軸受けで支持する構造が用いられている。
また、可動子を往復運動の中立位置に位置するように、振動軸線に沿って可動子を挟むように一対のスパイラルスプリングが設けられている。この一対のスパイラルスプリングは、一端部がケースに、他端部が可動子にそれぞれ係合し、振動軸線に沿って可撓可能となっている（例えば、引用文献１参照）。

特許第５３４２５１６号公報

しかし、上記構成の振動アクチュエータでは、以下のような問題点がある。
（１）低い周波数で大きな振動を得るには、可動子の重量を重くする必要がある。そして、重い可動子をリニアに振動（往復運動）させたいので、大きな駆動力が必要である。

特に、上述のボイスコイル型の振動アクチュエータでは、シャフトと軸受けとで可動子を支持しているので、可動子が振動し始める際の抵抗（主に、シャフトと軸受け間に発生する静止摩擦力）が大きく、大きな駆動力が必要となる。
大きな振動力を得るためには大きな駆動力が必要となり、電磁駆動部のコイル、可動子の磁石が大型化し、振動アクチュエータが重く、大型化する。

（２）大型化した電磁駆動部のコイル及び可動子の磁石で発生する磁束の漏れを防ぐために、ケースの材質を透磁率が大きい磁性材料（金属）とすると、振動アクチュエータが重くなる。

（３）上述のボイスコイル型の振動アクチュエータでは、金属のシャフトの振動軸線方向の端部がケースの外部に突出し、突出したシャフトの端部からの磁束が漏れてしまう。すなわち、振動軸線方向の漏洩磁束が大きい。

本発明は、上記問題点に鑑みて成されたもので、その課題は、小型、軽量で、漏洩磁束を低減できる振動アクチュエータを提供することにある。

課題を解決する請求項１に係る発明の振動アクチュエータは、
筒状の非磁性材料からなるケースと、
該ケースの内部に設けられた筒状の電磁駆動部と、
該電磁駆動部の径方向内側に設けられ、振動軸線に沿って振動可能に支持された可動子と、
前記振動軸線方向における前記可動子の一端部と他端部とをそれぞれ支持する一対の板ばねと、
を有し、
前記可動子は、
磁石と、
該磁石を前記振動軸線に沿って両側から挟んだ軟磁性材料からなる一対のポールピースと、
該一対のポールピースを前記振動軸線に沿って両側から挟んだ非磁性材料からなる一対の錘と、
を有し、
前記電磁駆動部は、
前記振動軸線に沿って間隔をおいて配置され、それぞれ筒状に形成された一対のコイルと、
前記一対のコイルの径方向外側に配置され、該一対のコイルよりも前記振動軸線方向の外方に突出して形成された軟磁性材料からなる筒状のヨークと、
を有し、
前記振動軸線方向において、前記ヨークの高さが、前記一対のポールピースの一端部から他端部までの高さよりも大きく、かつ、前記一対の錘の一端部から他端部までの高さよりも小さいことを特徴とする。
又、前記振動アクチュエータは、前記錘の前記振動軸線と直交する面方向の断面積が、前記筒状ケースの端部に向かって漸次狭くなっていてもよい
又、前記振動アクチュエータは、前記振動軸線方向において、前記一対の錘の各錘の高さが、前記一対のポールピースの各ポールピースの高さよりも大きくてもよい。
又、前記振動アクチュエータは、前記ケースが樹脂でなっていてもよい。

本発明の他の特徴は、以下に述べる発明を実施するための形態並びに添付の図面から一層明らかになるであろう。

本発明を実施することにより、電磁駆動部が非磁性材料からなる錘が空間確保部材として機能するので、磁束を発する電磁駆動部から筒状の非磁性材料からなるケース外形（外面）までの距離が確保でき、特別な重い金属性の磁気遮蔽ケースを使用しなくても、軽い非磁性材料からなるケースを使用しても漏洩磁束を低減できるので振動アクチュエータを小型、軽量化できる。

さらに、従来のような可動子にケースの外部に突出する金属のシャフトがないので、振動軸線方向の漏洩磁束も小さくなる。
本発明の他の効果は、以下に述べる発明を実施するための形態並びに添付の図面から一層明らかになるであろう。

本発明の振動アクチュエータの実施形態を説明する分解斜視図である。 図１を組み付けた際の平面図である。 図２の正面図である。 図２の背面図である。 図２の下面図である。 図３の左側面図である。 図３の右側面図である。 図５の切断線ＶＩＩＩ－ＶＩＩＩにおける断面図である。 図１に示す振動アクチュエータの作動を説明する図である。 振動アクチュエータの漏洩磁束の磁束密度分布を示す図である。 図１０のＺ軸方向での振動アクチュエータからの距離と漏洩磁束との関係を示す図である。 図１０のＸ軸方向での振動アクチュエータからの距離と漏洩磁束との関係を示す図である。

図を用いて実施形態を説明する。図１は本発明の振動アクチュエータの実施形態を説明する分解斜視図、図２は図１を組み付けた際の平面図、図３は図２の正面図、図４は図２の背面図、図５は図２の下面図、図６は図３の左側面図、図７は図３の右側面図、図８は図５の切断線ＶＩＩＩ－ＶＩＩＩにおける断面図、図９は図１に示す振動アクチュエータの作動を説明する図である。

（構成）
図１－図８を用いて、実施形態の振動アクチュエータ２の全体構成を説明する。
両端に開口を有する円筒状でＡＢＳ等の樹脂でなるケース１の内部には、筒状のヨーク１１と、コイル２１とからなる電磁駆動部１０が設けられる。

ヨーク１１はケース１の内周面に設けられ、円筒状の透磁率が大きい軟磁性材料でなる。ヨーク１１の内周面には、ヨーク１１と電気的に絶縁された状態で振動軸線Ｏ（円筒状のケース１の軸線であって、後述する可動子１１１の振動方向に沿った線）に沿って２つのコイル２１が取り付けられている。すなわち、ヨーク１１は、一対のコイル２１の径方向の外側に配置されている。

ケース１の一方の開口側の端面には、ＡＢＳ等の樹脂でなる円筒状の第１カバーケース３１が配置される。ケース１の他方の開口側の端面には、ＡＢＳ等の樹脂でなる円筒状の第２カバーケース４１が配置されている。

第１カバーケース３１のケース１と反対側の開口側の端面には、第１サスペンションユニット（板ばね）１５３が配置されている。第１サスペンションユニット１５３は、ステンレス（本実施形態では、ＳＵＳ３０４）の薄板を加工してなり、振動軸線Ｏに沿って中央部が可撓可能な板ばねである第１サスペンション５１と、第１サスペンション５１に設けられた第１弾性材１５０とからなっている。

第２カバーケース４１のケース１と反対側の開口側の端面には、第２サスペンションユニット（板ばね）２５３が配置されている。第２サスペンションユニット２５３は、ステンレス（本実施形態では、ＳＵＳ３０４）の薄板を加工してなり、振動軸線Ｏに沿って中央部が可撓可能な板ばねである第２サスペンション２５１と、第２サスペンション２５１に設けられた第２弾性材２５０とからなっている。

第１カバーケース３１と協働して第１サスペンションユニット１５３を挟むように第１サスペンションカバー７１が配置されている。第２カバーケース４１と協働して第２サスペンションユニット２５３を挟むように第２サスペンションカバー８１が配置されている。

第１サスペンションカバー７１の縁部に沿って１２０°ピッチで３つの貫通した穴７１ａが形成されている。第１カバーケース３１には、第１サスペンションカバー７１の穴７１ａに対向する３つの貫通した穴３１ａが形成されている。ケース１の一方の開口側の端面には、第１カバーケース３１の３つの穴３１ａに対向する３つのめねじ穴１ａが形成されている。

そして、第１サスペンションカバー７１の穴７１ａ、第１カバーケース３１の穴３１ａを挿通し、ケース１のめねじ穴１ａに螺合する３本のねじ９１により、第１サスペンション５１の周縁部が第１サスペンションカバー７１と第１カバーケース３１とに挟持された状態で、第１サスペンションカバー７１、第１サスペンションユニット１５３、第１カバーケース３１は、ケース１の一方の開口側に取り付けられている。即ち、第１サスペンション５１は、カバーケース３１を介してケース１に取り付けられている。

第２サスペンションカバー８１の縁部に沿って１２０°ピッチで３つの貫通した穴８１ａが形成されている。第２カバーケース４１には、第２サスペンションカバー８１の穴８１ａに対向する３つの貫通した穴４１ａが形成されている。ケース１の他方の開口側の端面には、第２カバーケース４１の３つの穴４１ａに対向する３つのめねじ穴（図示せず）が形成されている。

そして、第２サスペンションカバー８１の穴８１ａ、第２カバーケース４１の穴４１ａを挿通し、ケース１の他方の開口側の端面に形成されためねじ穴に螺合する３本のねじ１０１により、第２サスペンション２５１の周縁部が第２サスペンションカバー８１と第２カバーケース４１とに挟持された状態で、第２サスペンションカバー８１、第２サスペンションユニット２５３、第２カバーケース４１は、ケース１の他方の開口側に取り付けられている。即ち、第２サスペンション２５１は、カバーケース４１を介してケース１に取り付けられている。

第１サスペンションユニット１５３と第２サスペンションユニット２５３との間には、コイル２１に包囲され、振動軸線Ｏに沿って振動する可動子１１１が配置される。可動子１１１は、円板状の磁石１１３と、振動軸線Ｏに沿って磁石１１３を挟むように配置された一対の円板状の第１ポールピース１１５、第２ポールピース１１７と、振動軸線Ｏに沿って磁石１１３、第１ポールピース１１５、第２ポールピース１１７を挟むように配置された一対の第１マス（錘）１１９、第２マス（錘）１２１とからなっている。

第１マス１１９、第２マス１２１の振動軸線Ｏ方向と直交する面方向の断面積は、ケース１の端に向かって漸次狭くなる形状となっている。
又、振動軸線Ｏ方向において、ヨーク１１の高さが、一対のポールピース（第１ホールピース１１５、第２ホールピース１１７）の一端部から他端部までの高さよりも大きく、かつ、一対の錘（第１マス１１９、第２マス１２１）の一端部から他端部までの高さよりも小さくなるよう設定されている。

磁石１１３は着磁方向が振動軸線Ｏ方向である。第１ポールピース１１５、第２ポールピース１１７は、透磁率が大きい軟磁性材料でなり、磁石１１３の磁気吸着力及び接着剤等により、磁石１１３に取り付けられている。第１マス１１９、第２マス１２１は、黄銅や亜鉛ダイカストなどの非磁性体でなり、接着剤等により、第１ポールピース１１５、第２ポールピース１１７に取り付けられている。このため、可動子１１１を構成する磁石１１３、第１ポールピース１１５、第２ポールピース１１７、第１マス１１９、第２マス１２１は一体化されている。

第１マス１１９、第２マス１２１には、中心軸に沿って貫通した穴１１９ａ、貫通した穴１２１ａが形成されている。また、第１サスペンション５１、第１弾性材１５０の中心には、第１マス１１９の穴１１９ａに対向し、貫通した穴５１ａ、穴１５０ａが形成されている。同様に、第２サスペンション２５１、第２弾性材２５０の中心には、第２マス１２１の穴１２１ａに対向し、貫通した穴２５１ａ、穴２５０ａが形成されている。

そして、ピン１３１が第１サスペンション５１、第１弾性材１５０の穴５１ａ、穴１５０ａを挿通し、第１マス１１９の穴１１９ａに圧入され、ピン１４１が第２サスペンション２５１、第２弾性材２５０の穴２５１ａ、穴２５０ａを挿通し、第２マス１２１の穴１２１ａに圧入されることにより、第１サスペンション５１、第２サスペンション２５１の中央部が、振動軸線Ｏ方向に撓むことにより、
可動子１１１はケース１の振動軸線Ｏに沿って振動可能に支持されている。

すなわち、可動子１１１の振動軸線Ｏ方向の一方の端部と他方の端部とは、第１サスペンションユニット１５３と、第２サスペンションユニット２５３とに支持され、可動子１１１は振動軸線Ｏに沿って振動可能となっている。
ケース１の周面には、リード線（図示せず）が接続され、コイル２１に電流を供給するターミナル３が形成されている。

コイル２１を図１－図８を用いて説明する。
本実施形態のコイル２１は、振動軸線Ｏに沿って配置され、第１コイル２３と、第２コイル２５とからなっている。第１コイル２３、第２コイル２５は、ヨーク１１の内周面に沿って巻回されている。又、ヨーク１１は、一対のコイル２１（第１コイル２３、第２コイル２５）振動軸線Ｏの外方より突出して形成されている。

（作動）
図９を用いて、本実施形態の振動アクチュエータ２の作動を説明する。
第１コイル２３、第２コイル２５に通電していない状態では、第１サスペンションユニット１５３、第２サスペンションユニット２５３で支持される可動子１１１は、コイル２１の中央に位置している。

第１コイル２３、第２コイル２５には、交互に逆極性の磁界を発生する向きに交流を通電させる。即ち、第１コイル２３、第２コイル２５の隣り合う部分に同極が発生するようになっている。

図９の極性では、可動子１１１には下方（矢印Ａ方向）への推力が発生し、第１コイル２３、第２コイル２５へ流す電流を反転させれば、可動子１１１には上方向（矢印Ｂ方向）への推力が発生し、第１サスペンションユニット１５３、第２サスペンションユニット２５３を弾性変形させながら、上方向に移動する。

このように、第１コイル２３、第２コイル２５に交流を通電させれば、可動子１１１はケース１、第１サスペンションユニット１５３、第２サスペンションユニット２５３よる付勢力を両側から受けながら、振動軸線Ｏに沿って振動する。

ところで、可動子１１１に発生する推力は、基本的にはフレミングの左手の法則に基づいて与えられる推力に準じられる。本実施形態では、第１コイル２３、第２コイル２５が固定されているので、可動子１１１に第１コイル２３、第２コイル２５に発生する力の反力としての推力が発生する。

よって、推力に寄与するのは、可動子１１１の磁石１１３の磁束の水平成分（磁石１１３の軸方向に直交する成分）である。そして、ヨーク１１は磁石１１３の磁束の水平成分を増大するものである。

（実施例の効果）
上記構成によれば、以下のような効果が得られる。
（１）非磁性材料からなる第１マス１１９，第２マス１２１が空間確保部材として機能するので、磁束を発する電磁駆動部１０から筒状の非磁性材料である樹脂からなる筒状ケース１の外形（外面）までの距離が確保でき、特別な重い金属性の磁気遮蔽ケースを使用しなくても、軽い樹脂のケース１を使用して漏洩磁束を低減できるので振動アクチュエータを小型、軽量化できる。

（２）可動子１１１の振動軸線Ｏ方向の一方の端部に、一端部が取り付けられ、他端部がケース１に取り付けられる第１サスペンションユニット５１と、可動子１１１の振動軸線Ｏ方向の他方の端部に、一方の端部が取り付けられ、他端部がケース１に取り付けられる第２サスペンションユニット２５１とにより、可動子１１１は振動軸線Ｏに沿って振動可能に支持されている。
よって、可動子１１１が振動し始める際に必要な力は、第１サスペンションユニット１５３、第２サスペンションユニット２５３を弾性変形させる力である。第１サスペンションユニット１５３、第２サスペンションユニット２５３を弾性変形させる力は、従来の振動アクチュエータでの軸と軸受けとの間に発生する静止摩擦力よりも小さいので、小さな駆動力ですむ。よって、小さな交流信号でも振動力を得ることができるので、触感の再現性が高い振動アクチュエータが実現できる。

（３）従来のような可動子にケースの外部に突出する金属のシャフトがないので、振動軸線Ｏ方向の漏洩磁束も小さくなる。

（４）第１マス１１９、第２マス１２１の振動軸線Ｏ方向と直交する面方向の断面積は、ケース１の端に向かって漸次狭くなる形状としたことにより、可動子１１１が振動軸線Ｏ方向に振動した際に、第１マス１１９と第１サスペンション５１の可撓部分（中央部）、第２マス１２１と第２サスペンション２５１の可撓部分（中央部）が接触して異音の発生や振幅範囲が制限されることがなく空間距離を確保できる。よって、振動軸線Ｏ方向の漏洩磁束が電磁駆動部による磁気遮蔽がある振動軸線Ｏと直交する面方向の漏洩磁束と同程度に低減できるまで、第１マス１１９，第２マス１２１の振動軸線Ｏ方向の長さを長くしても、振動アクチュエータ２の軽量化を図れる。

出願人は、本願発明の効果を確認するために、実施例に示す構造の振動アクチュエータの漏洩磁束を解析した。振動アクチュエータの外形寸法は、直径φ２５ｍｍ、高さ３０ｍｍである。

図１０は振動アクチュエータの漏洩磁束の磁束密度分布を示す図、図１１は図１０でのＺ軸（振動軸線）方向の振動アクチュエータ振動軸方向の中心３００からの距離（ｍｍ）と漏洩磁束密度（ｍＴ）との関係を示す図、図１２は図１０でのＸ軸（振動軸線と直交する面上の軸）方向の振動アクチュエータの外形(外面)３０１からの距離（ｍｍ）と漏洩磁束密度（ｍＴ）との関係を示す図である。

これらの図に示すように、第１マス、第２マスの形状を適宜選択することでＺ軸方向（振動軸線Ｏ方向）の漏洩磁束は、電磁駆動部のヨークによる磁気遮蔽があるＸ軸方向（振動軸線Ｏと直交する面上の軸方向）の漏洩磁束と同程度まで低減できることが確認できた。

１ ケース
２ 振動軸線
１０ 電磁駆動部
１１ ヨーク
２１ コイル
５１ 第１サスペンション（板ばね）
１１１ 可動子
１１３ 磁石
１１５ 第１ポールピース
１１７ 第２ポールピース
１１９ 第１マス（錘）
１２１ 第２マス（錘）
１５３ 第１サスペンションユニット
２５１ 第２サスペンション（板ばね）ばね
２５３ 第２サスペンションユニット
３００ 振動アクチュエータ振動軸方向の中心
３０１ 振動アクチュエータの外形（外面）ばね

Claims (4)

1. 筒状の非磁性材料からなるケースと、
   該ケースの内部に設けられた筒状の電磁駆動部と、
   該電磁駆動部の径方向内側に設けられ、振動軸線に沿って振動可能に支持された可動子と、
   前記振動軸線方向における前記可動子の一端部と他端部とをそれぞれ支持する一対の板ばねと、
   を有し、
   前記可動子は、
   磁石と、
   該磁石を前記振動軸線に沿って両側から挟んだ軟磁性材料からなる一対のポールピースと、
   該一対のポールピースを前記振動軸線に沿って両側から挟んだ非磁性材料からなる一対の錘と、
   を有し、
   前記電磁駆動部は、
   前記振動軸線に沿って間隔をおいて配置され、それぞれ筒状に形成された一対のコイルと、
   前記一対のコイルの径方向外側に配置され、該一対のコイルよりも前記振動軸線方向の外方に突出して形成された軟磁性材料からなる筒状のヨークと、
   を有し、
   前記振動軸線方向において、前記ヨークの高さが、前記一対のポールピースの一端部から他端部までの高さよりも大きく、かつ、前記一対の錘の一端部から他端部までの高さよりも小さい
   ことを特徴とする振動アクチュエータ。
2. 前記錘の前記振動軸線と直交する面方向の断面積は、前記筒状ケースの端部に向かって漸次狭くなることを特徴とする請求項１に記載の振動アクチュエータ。
3. 前記振動軸線方向において、前記一対の錘の各錘の高さが、前記一対のポールピースの各ポールピースの高さよりも大きいことを特徴とする請求項１又は２に記載の振動アクチュエータ。
4. 前記ケースは、
   樹脂でなる
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の振動アクチュエータ。

Images