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。
[振動アクチュエータの全体構成]
図1は、本発明の一実施の形態に係る振動アクチュエータを示す外観斜視図であり、図2は、同振動アクチュエータの縦断面図であり、図3は、同振動アクチュエータにおいてケースを外した状態を示す斜視図である。また、図4は、弾性支持部が固定された可動体を示す斜視図であり、図5は、可動体及び弾性支持部の分解斜視図である。図6は、減衰部を備えた弾性支持部の平面図であり、図7は、減衰部を備えた弾性支持部の部分断面図である。また、図8は、電磁シールド部を外したコイル組立体を示す図であり、図9は、同コイル組立体の分解図である。なお、本実施の形態における「上」側、「下」側は、理解しやすくするために便宜上付与したものであり、振動アクチュエータにおける可動体の振動方向の一方、他方を意味する。すなわち、振動アクチュエータが電子機器(図35及び図36参照)に搭載される際には上下が逆になっても左右になっても構わない。
本実施の形態1に係る振動アクチュエータ1は、携帯型ゲーム端末機器(例えば、図35に示すゲームコントローラGC)等の電子機器に振動発生源として実装され、電子機器の振動機能を実現する。この電子機器としては、スマートフォン等の携帯機器(例えば、図36に示す携帯端末M)も含む。振動アクチュエータ1は、携帯型ゲーム端末機器或いは、携帯機器等の各機器に実装され、駆動することにより振動して、ユーザに対して着信を通知したり、操作感や臨場感を与えたりする。
本実施の形態の振動アクチュエータ1は、図1及び図2に示すように、中空のケース10内に、可動体20を、ケース10の軸方向(上下方向)を振動方向として、上下端面間で振動可能に収容している。ケース10内部の可動体20が可動することにより、振動アクチュエータ1自体が振動体として機能する。
振動アクチュエータ1は、マグネット30及び可動体コア41、42を有する可動体20と、コイル61、62を有する固定体50と、可動体20を固定体50に対して往復動自在に支持させる板状の弾性支持部81、82と、を有する。
振動アクチュエータ1においてコイル61、62、マグネット30及び可動体コア41、42は、可動体20を振動させる磁気回路を構成する。振動アクチュエータ1は、電源供給部(例えば、図35及び図36に示す駆動制御部203)からコイル61、62が通電されることで、コイル61、62とマグネット30とが協働して、ケース10内で、可動体20が振動方向に往復移動する。
本実施の形態の振動アクチュエータ1では、可動体20は、コイルボビン部52に保持されたコイル61、62の内側で、可動体20との間に配置されるボビン本体部(コイル保護壁部)522により、コイル61、62の軸方向、つまり、振動方向で往復移動する。コイル61、62の軸方向は、可動体20の振動方向であり、マグネット30の着磁方向であり、コイルボビン部52の軸方向でもある。
可動体20は、可動していない非振動時において、弾性支持部81、82を介して、振動方向の長さの中心が、コイルボビン部52の振動方向の長さの中心と、可動体20の軸方向と直交する方向で、所定間隔をあけて対向するように配置される。このとき、可動体20は、コイルボビン部52のボビン本体部522に接触しないように、コイル61、62との間で釣り合う位置に位置することが望ましい。本実施の形態では、マグネット30および可動体コア41、42における振動方向の長さの中心が、上下で離間するコイル61、62間の振動方向の長さの中心と、振動方向と直交する方向で対向する位置に配置されることが好ましい。なお、ボビン本体部522と可動体20の間に、磁性流体が介在するようにしてもよい。
振動アクチュエータ1は、本実施の形態では、図3に示すように、ケース本体11及び蓋部12を有するケース10内に、コイル61、62、コイルボビン部52、可動体20及び弾性支持部81、82を有する駆動ユニット13を設けることで構成される。
<可動体20>
可動体20は、固定体50の筒状のコイルボビン部52の内側で、上下端部で接続された弾性支持部81、82により、ボビン本体部522の内周面522aに沿って、往復移動可能に支持される。言い換えれば、可動体20は、振動アクチュエータ1内において、蓋部12と底部114が対向する方向に往復移動可能に支持されている。可動体20は、図3に示す駆動ユニット13に設けられる。
可動体20は、図2、図4及び図5に示すように、マグネット30、可動体コア41、42、及びばね止め部22、24、固定ピン26、28を有する。本実施の形態では、マグネット30を中心に振動方向の両側(図では上下方向)に向かってそれぞれ可動体コア41、42、ばね止め部22、24が連設されている。可動体20では、マグネット30及び可動体コア41、42の外周面20aがボビン本体部522の内周面522aの内側で所定間隔を空けて対向されている。
可動体20が振動方向に移動する際には、外周面20aが内周面522aに沿って接触することなく往復移動する。
マグネット30は、振動方向に着磁される。マグネット30は、本実施の形態では円盤状に形成され、振動方向で離間する表裏面30a、30bがそれぞれ異なる極性を有している。マグネット30の表裏面30a、30bは、コイル61、62の軸の延在方向で離間する2つの着磁面である。
マグネット30は、コイル61、62(詳細は後述する)に対して、コイル61、62の径方向内側で間隔を空けて位置するように配置される。ここで、「径方向」とは、コイル61、62の軸に直交する方向であり、振動方向と直交する方向でもある。この径方向における「間隔」は、ボビン本体部522を含むコイル61,62と、マグネット30との間の間隔であり、可動体20の振動方向に互いに接触することなく移動可能な間隔とする。すなわち、本実施の形態では、「間隔」とは、ボビン本体部522とマグネット30との間の所定間隔を意味している。
マグネット30は、本実施の形態では、径方向外側で、ボビン本体部522の中心と、対向するように配置されている。なお、マグネット30は、コイル61、62の内側で、コイル61、62の軸の延在方向に2つの着磁面をそれぞれ向けて配置されるものであれば、筒状、板形状等のように円盤状以外の形状であってもよい。また、マグネット30の軸方向の中心が、可動体20の軸方向の中心と一致することが望ましい。
マグネット30の表裏面30a、30bには、それぞれ可動体コア41、42が設けられている。
可動体コア41、42は、磁性体であり、ヨークとして機能し、マグネット30、コイル61、62ともに磁気回路を構成する。可動体コア41、42は、マグネット30の磁束を集中させて、漏らすことなく効率良く流し、マグネット30とコイル61、62間に流れる磁束を効果的に分布させる。
また、可動体コア41、42は、磁気回路の一部としての機能の他、可動体20において、可動体20の本体部分としての機能、ばね止め部22、24を固定する機能、及び、ウェイトとしての機能を有する。
可動体コア41、42は、本実施の形態では、マグネット30と同表面形状を有する円環平板状に形成されている。可動体コア41、42は、外周面がマグネットの外周面と面一となるようにマグネット30に固定され、マグネットの外周面とともに可動体20の外周面20aを構成する。
可動体コア41、42は、本実施の形態では同様に形成された同じ部材であり、本実施の形態では、マグネット30を中心に、マグネット30を挟むようにマグネットの上下に対称に設けられている。なお、可動体コア41、42は、マグネット30に吸引されるとともに、例えば、エポキシ樹脂等の熱硬化型接着剤もしくは嫌気性接着剤によりマグネット30に固定される。
可動体コア41、42のそれぞれの中央部には、上下のばね止め部22、24が嵌合する嵌合口411、421が設けられている。嵌合口411、421は、上下のばね止め部22、24のそれぞれの軸、つまり、弾性支持部81、82の中心軸が、可動体20の中心軸上に位置するように設けられている。嵌合口411、421は、挿入されるばね止め部22、24を、その軸上で正確に固定するため三点或いは四点で接触して上下のばね止め部22、24を可動体20の軸上に位置するように支持している。嵌合口411、421は、可動体コア41、42における開口度合いを調整して、可動体20の重さを調整し、好適な振動出力を設定できる。
本実施の形態では、可動体コア41、42は、可動体20の非振動時において、コイル61、62の内側(径方向内側)で、コイル61、62の軸方向と直交する方向で、コイル61、62のそれぞれに対向するように位置する。
可動体コア41、42は、マグネット30とともに可動体側磁気回路を構成する。本実施の形態では、マグネット30の上側の可動体コア41の上面の高さ位置が、上側のコイル61の高さ方向(上下方向)の中心の位置と対向することが好ましい。加えて、マグネット30の下側の可動体コア42の下面の高さ位置が、下側のコイル62の高さ方向(上下方向)の中心の位置と対向することが好ましい。
ばね止め部22、24は、可動体側磁気回路を弾性支持部81、82に固定する機能を有するとともに、可動体20のウェイトとしての機能を有する。ばね止め部22、24は、マグネット30及び可動体コア41、42を挟むように対象に設けられ、可動体20の振動出力を増加させている。
ばね止め部22、24は、本実施の形態では、可動体20の中心軸に沿って配置される軸状体であり、可動体コア41、42と、弾性支持部81、82との間に介設される。
ばね止め部22、24は、本実施の形態では、同形状に形成され、接合部222、242と、ばね固定部224、244とを有する。これら接合部222、242とばね固定部224、244とが、それぞれ振動方向(具体的には上下方向)に連設されている。
ばね止め部22、24は、貫通する貫通孔を有している。なお、ばね止め部22、24は、貫通孔内に錘を追加して重量調整部として機能させてもよい。貫通孔内に錘を追加することにより可動体20を重くして、可動体20の振動出力を大きくすることができる。
接合部222、242は、それぞれ可動体コア41、42に接合する。具体的には、接合部222、242は、一端部側を可動体コア41、42の嵌合口411、421にそれぞれ挿入して内嵌されている。本実施の形態では、ばね止め部22、24は、可動体コア41、42に圧入により固定されているが、これに限らず、例えば、エポキシ樹脂等の熱硬化型接着剤や嫌気性接着剤を用いた接着により固定されてもよい。
上側のばね固定部224は、可動体20の振動方向の一方の端部、つまり、可動体20の上側の端部を構成し、弾性支持部81である上側板ばねの内径側の端部である内周部802に接合されている。一方、下側のばね固定部244は、可動体20の振動方向の他方の端部、つまり、可動体20の下側の端部を構成し、弾性支持部82である下側板ばねの内径側の端部である内周部802に接合されている。
ばね固定部224、244は、それぞれ接合部222、242から上下に突出するように設けられ、その先端で、固定ピン26、28を介して弾性支持部81、82の内周部802、802にそれぞれ接合されている。
固定ピン26、28は、弾性支持部81、82と可動体20とを、可動体20の振動により外れないように強固に固定する。
固定ピン26、28は、本実施の形態では同形状に形成されており、それぞれ、ばね固定部224、244に圧入可能な軸状のピン本体262、282と、ピン本体262、282の一端側の縁部に設けられたフランジ264、284とを有する。
具体的には、固定ピン26、28のそれぞれのピン本体262、282は、弾性支持部81、82のそれぞれの内周部802を、ばね固定部224、244に重ねた状態で、内周部802の開口を介して、ばね固定部224、244の貫通孔に圧入して固定される。これにより、フランジ264、284は、ばね固定部224、244とで弾性支持部81、82の内周部802を挟持して、強固に接合する。なお、弾性支持部81、82の内周部802と、ばね固定部224、244とは、溶接、接着、または、カシメ等により、更には溶接、接着、または、カシメを組み合わせて接合されてもよい。
ばね止め部22、24が、可動体20において、可動体側磁気回路に対して振動方向で離間する両端部(上下端部)に配置されていることにより、可動体20における錘は、可動体磁気回路の外周側に配置されていない。これにより、可動体側磁気回路の外周側、つまり、可動体20の外周側で対向して位置するコイル61、62の配置スペースを制限することがなく、つまり、可動体磁気回路とコイル61、62との距離を離間させることがなく、電磁変換の効率は低下しない。よって、好適に可動体20の重量を増加でき、高振動出力を実現できる。
また、ばね止め部22、24は、錘機能とばね固定機能を有するため、それぞれの機能を有する部材を個々に組み立てる必要が無い。ばね止め部22、24を可動体側磁気回路に設けるだけで、錘とともに、弾性支持部81、82である上側板ばね、下側板ばねを可動体20に対して容易に組み付けることができ、組立性を高めることができる。
なお、ばね止め部22、24は、磁性材料により構成されてもよいが、非磁性材料により構成されることが望ましい。ばね止め部22、24が非磁性材料であれば、可動体コア41からの磁束が上方に流れることがないとともに、可動体コア42からの磁束が下方に流れることがなく、効率良く可動体コア41、42の外周側に位置するコイル61、62側に流すことができる。
また、ばね止め部22、24は、ケイ素鋼板(鋼板の比重は7.70~7.98)等の材料よりも比重の高い材料(例えば、比重が16~19程度)により形成されるのが好ましい。ばね止め部22、24の材料には、例えば、タングステンを適用できる。これにより、設計等において可動体20の外形寸法が設定された場合でも、可動体20の質量を比較的容易に増加させることができ、ユーザに対する十分な体感振動となる所望の振動出力を実現することができる。
<固定体50>
固定体50は、コイル61、62を保持するとともに、コイル61、62の径方向内側で、可動体20を、弾性支持部81、82を介して振動方向(コイル軸方向、可動体20の軸方向)に移動自在に支持する。
固定体50は、ケース10、コイル61、62、コイルボビン部52、及び電磁シールド部58を有する。
コイルボビン部52は、外周面に巻回されるコイル61、62を保持し、内周面522aでマグネット30を囲み、マグネット30を有する可動体20の移動を案内する。
コイルボビン部52は、フェノール樹脂、ポリブチレンテレフタレート(poly butylene terephtalate;PBT)等の樹脂により形成された筒状体である。コイルボビン部52は、本実施の形態では、難燃性の高いベークライト等のフェノール樹脂を含む素材で構成される。
コイルボビン部52が、フェノール樹脂を含む素材で構成されることにより、難燃性が高まり、保持するコイル61、62に電流が流れた際にジュール熱により発熱しても、駆動の際の安全性の向上を図ることができる。また、寸法精度が高まり、コイル61、62の位置精度が高まるため、振動特性のばらつきを低減出来る。
コイルボビン部52は、筒状のボビン本体部522と、ボビン本体部522の外周から放射方向に突出するフランジ部526~528と、端子絡げ部(コイル結線部)53と、可動範囲形成部54と、連絡溝部55を有する。
コイルボビン部52では、フランジ部526~528間(コイル取付部52b、52c)にコイル61、62が巻回される。このコイル61、62は、コイルボビン部52の端子引出部90及び位置決め係合部529を介して位置決めされる電磁シールド部58により覆われる。なお、端子絡げ部(コイル結線部)53は、便宜上、端子絡げ部(コイル結線部)53-1、53-2と図示して説明することもある。
ボビン本体部522の内周面522aは、可動体20の外周面と所定間隔を空けて対向して配置されている。この所定間隔は、可動体20が、振動方向に移動する際に、内周面522aと接触することなく振動方向である軸方向に移動可能な間隔である。ボビン本体部522は、マグネット30とコイル61、62との接触を阻害するように構成され、可動体20は、内周面522aに沿って接触することなく往復移動可能である。
ボビン本体部522は、内側に配置される可動体20の駆動時におけるコイル61、62への衝突を保護する保護壁部として機能している。ボビン本体部522の厚みは、移動する可動体20が接触しても,外周側のコイル61、62に何ら影響を与えない強度をする厚みである。
ボビン本体部522の外周側には、可動体20の可動体コア41、42の外周面(マグネット30及び可動体コア41、42の外周面)を囲むようにコイル61、62が、コイル軸方向に並んで配置されている。
具体的には、ボビン本体部522の外周面には、フランジ部526~528とともに、外周側に径方向外側に開口する凹状のコイル取付部52b、52c(図2及び図9参照)が設けられている。
コイル取付部52b、52cは、フランジ部526~528により仕切られるように設けられている。コイル取付部52b、52cには、コイル61、62が、フランジ部527、528の間で、フランジ部(中央壁部、以下、「中央フランジ部」とも称する)526を振動方向で挟むように、巻回されている。
中央フランジ部526は、環状に設けられ、円状の外周部を有する。
中央フランジ部526の外周部の一部には、コイルの巻線を引き回し、且つ、コイルの端末状態を処理する機能を有する引き回し部9が設けられている。
引き回し部9は、端子絡げ部53が設けられた端子引出部90と、コイル61、62とを連絡するコイルの巻線が配線される連絡溝部55とを含む。
端子絡げ部53は、図8、図9、図15及び図16に示すように、コイル61、62のコイルの巻線を絡げて、外部機器と接続するコネクタ結線部として機能する。端子絡げ部53は、コイル61、62と外部機器(例えば、駆動制御部等の電源供給部)とを接続し、コイル61、62に電力が供給される。
端子絡げ部53は、ボビン本体部522の外周部分に突設された導電性を有する部材であり、本実施の形態では、棒状体である。端子絡げ部53は、本実施の形態では、コイルボビン部52の外周部、具体的には、振動方向の中心に配置される中央のフランジ部526の外周面に、基端部を圧入することにより設けられている。
端子絡げ部53は、振動アクチュエータ1において、振動方向の中央部のフランジ部526の外周面から突出する端子引出部90に設けられている。
端子引出部90は、端子絡げ部53を介して、コイル61、62を形成するコイルの巻線の端部を、振動アクチュエータ1の外部に引き出す。
端子引出部90は、中央フランジ部526の外周面から突出することによりフランジ部526において、径方向の所定の長さと、振動方向の厚みと、周方向の幅とを有し、端子絡げ部53の圧入シロを確保している。これにより、端子引出部90は、端子絡げ部53を強固に保持することができ、端子絡げ部53をコイルボビン部52に組み付ける際に、安定して固定させることができる。
本実施の形態では、端子引出部90は、図17に示すように、中央フランジ部526の外径Rより外方に突出する。この外方に突出する部分に端子絡げ部53が外方に突設されている。
端子引出部90とともに端子絡げ部53が外径Rより外側に突出する。これにより、端子絡げ部53が、組み立て後にコイルボビン部52を囲むように配置される電磁シールド部58に接触することを防ぐことができる。なお、電磁シールド部58についての詳細は後述する。また、本実施の形態では、端子引出部90は、電磁シールド部58の開口部582に篏合する。これにより、端子引出部90は、電磁シールド部58の回転止めとして機能する。
端子引出部90は、中央フランジ部526において、連絡溝部55に近接(ここでは隣接)して設けられている。
連絡溝部55には、コイル61、62を繋ぐコイルの巻線が挿通される。本実施の形態の連絡溝部55では、コイル61及びコイル62を形成するコイルの巻線の巻方向が連絡溝部55の上下で逆方向となるように反転される。
連絡溝部55は、中央フランジ部526の外周部で径方向外方に開口し、且つ、振動方向に貫通する切り欠き状に形成されている。具体的には、連結溝部55は、少なくとも、溝状の底を形成する底壁部55aと、底壁部55aにおいて端子絡げ部53から遠い側壁部(一側壁部)55bとを有し、底壁部55aと、遠い側壁部55bとにより切り欠き状に形成された部位を有する。切り欠き部位は、コイル61或いはコイル62のうちの一方を巻回して配置した後で、巻回方向を逆にして他方を巻回して配置する際に、巻線が外れないように巻線を係止する機能を有する。本実施の形態の連結溝部55は、底壁部55を底面として周方向で離間する両端で両側壁部が立設した平面視U字状に形成されている。
連絡溝部55では、図17に示すように、端子絡げ部53から遠い側壁部55bは、平面視して、遠い側壁部55bと底壁部55aとの接合部を通る中央フランジ部526の外径Rの外周面の法線nに対して端子絡げ部53側で鋭角となるように位置するように形成されている。これにより、連絡溝部55では、端子絡げ部53から遠い側壁部55bと底壁部55aとでなす角度αは、法線nよりも端子絡げ部53側で鋭角を形成するように設けられている。
よって、コイルの巻線をコイル取付部52b、52cに上下反転方向で巻き付けてコイル61、62を配置する際に、コイルの巻線は、連絡溝部55から外れないように確実に連絡溝部55に係合され、所望のコイル取付部52b、52cに好適に案内される。よって、コイルボビン部52へのコイル61、62の組み付けを容易に行うことができる。
また、引き回し部9は、中央フランジ部526において、コイルの巻線を端子絡げ部53からコイルボビン部52のコイル巻回部分(コイル取付部52b、52cの一方)における一巻目の位置(例えば角部)に案内するコイル案内部92を有する。
コイル案内部92は、中央フランジ部526の上下面(振動方向で離間する面)の少なくとも一方の面に設けられている。コイル案内部92は、本実施の形態では、中央フランジ部526において端子引出部90及び連絡溝部55に対し、周方向両側で隣接する部位にそれぞれ形成されている。
コイル案内部92は、中央フランジ部526の上下面の段差により形成される傾斜部93により、コイル取付部52b、52cにおいて中央フランジ部526とボビン本体部522の外周得面との接合部と、端子絡げ部53とを連絡する。
図18は、コイル案内部92のうち、コイル取付部52cにおいてコイル取付部52cと、端子絡げ部53-1との間を案内するコイル案内部92-1を示す。段差Yは、コイル取付部52cにおいてコイル本体部522の外周面との接合位置と略同じ高さ位置である中央フランジ部526の高さレベル(中央フランジ部526の上面の高さレベル)と、これよりも低く端子絡げ部53に近接する高さレベル位置との段差である。
傾斜部93は、段差Yにより、中央フランジ部526の上面と、端子絡げ部53に近接する高さレベル位置の面との間の段差面を有する。この段差面は、端子絡げ部53に近接する高さレベル位置の面から立ち上がるように配置され、端子絡げ部53の基端側から周方向に延在しつつ、コイル取付部52b、52cの底面側に向かって傾斜する。
図18では、コイル案内部92-1は、例えば、コイルの巻線を端子絡げ部53-1に絡げた後、傾斜部93により、コイルの巻線を、コイルボビン部52のコイル取付部52c側へ引き込むように案内する。これにより、端子絡げ部53-1からコイル取付部52cに直接、引き込む場合と比較して、一巻目の巻線の位置を安定させて、好適にコイル62を配置することができる。
コイル案内部93は、端子絡げ部53からのコイルの巻線をコイル取付部52b、52cに巻回する際に、コイル取付部52b、52cにおける一巻目の巻線の位置を安定させることができ、工程での不具合が抑制される。
これにより、端子絡げ部53への巻線の絡げ、上下のコイル形成、及び最後の端子絡げ部53への絡げの各工程を、一連の流れで行い振動アクチュエータ1を組み立てることができる。これにより、コイル形成工程等を容易に自動化でき、効率的な組立構造を有する振動アクチュエータを実現することができる。
フランジ部527、528は、ボビン本体部522の軸方向(本実施の形態では振動方向であり、上下方向でもある)で離間する両端部に設けられ、コイルボビン部52の上下端部を構成する。フランジ部527、528(纏めて「両端フランジ部」とも称し、それぞれを「端フランジ部」とも称する)は、それぞれボビン本体部522の外周から振動方向の両端部に放射方向に張り出して設けられている。両端フランジ部527、528は、図16及び図20に示すように、中央フランジ部526の外周部526aと同一径部分527b、528bを有し、これら同一径部分で電磁シールド部58の内周面に当接する。
コイルボビン部52では、中央フランジ部526の外周部526aと、フランジ部527、528の同一径部分527b、528bとにより、径方向に開口し、電磁シールド部58が嵌まる凹状部を形成している。この凹状部に電磁シールド部58が配置されることにより、電磁シールド部58は、コイル61、62を囲む位置に位置決めされる。また、電磁シールド部58は、外周部526aと、フランジ部527、528の同一径部分527b、528bに当接することにより、コイルボビン部52に安定して固定され、電磁シールド部58の高さ寸法(振動方向の長さ)が大きくなる場合でも、安定して固定させることができる。
フランジ部527、528は、フランジ部526から離間する方向側の端部(本実施の形態では上下端部)で、弾性支持部81、82が固定される。
可動範囲形成部54は、コイルボビン部52の上下端部に設けられ、ケース10内にコイルボビン部52を収容した際に、ケース10の蓋部12及び底部114と、可動体20との間の振動範囲を形成する。
可動範囲形成部54は、フランジ部527、528のそれぞれから振動方向(上下方向)に突設された突状辺部である。可動範囲形成部54は、フランジ部527、528の円環状の上下の開口端面(それぞれ「上端面、下端面」とも称する)527a、528aにおいて、所定間隔を空けて設けられている。上端面527aは、一方側の開口端面であり、下端面528aは、他方側の開口端面を意味している。
フランジ部527は、振動方向に突出する突起状の可動範囲形成部54を有し、可動範囲形成部54を介して蓋部12を受ける天面受部を有する。フランジ部528は、振動方向に突出する突起状の可動範囲形成部54を有し、可動範囲形成部54を介して底部114を受ける底面受部を有する。
また、可動範囲形成部54は、図21に示すように、弾性支持部81、82に設けられた位置決め溝808に嵌合して、弾性支持部81、82の径方向の位置決めを行う。可動範囲形成部54は、周方向の長さと所定の厚みを有し、これに対応して位置決め溝808も形成されている。本実施の形態では、可動範囲形成部54は、位置決め溝808に嵌合することにより、弾性支持部81、82の径方向及び周方向の移動を規制して、弾性支持部81、82の位置決めを行っている。
突起状の可動範囲形成部54を位置決め溝808に嵌合することにより弾性支持部81、82のコイルボビン部52に対する位置出しを行うため、駆動ユニット13の各個体での弾性支持部81、82の位置を一律に設定して、コイルボビン部52に対する弾性支持部81、82の安定した位置出しを行うことができる。これにより、弾性支持部81、82は、回転方向への移動が規制され、製品として、弾性支持部81、82のバラツキを抑制し、安定した特性を実現できる。
また、可動範囲形成部54は、コイルボビン部52の軸を中心に等間隔に間を空けて設けられている。可動範囲形成部54は、本実施の形態では、コイルボビン部52の軸を中心に等間隔を空けて3か所設けられている。
また、3か所の可動範囲形成部54で、弾性支持部81、82のそれぞれを受けることにより、コイルボビン部52内への可動体20の挿入時の引っ掛かりや摩擦を低減し、組立性良く、可動体20及びコイルボビン部52の位置出しを容易に行うことができる。
コイルボビン部52は、ケース10に、上下端部の可動範囲形成部54を、蓋部12の縁部と、底部114の縁部とに当接させた状態で収容され、底部114の縁部に固定される。
フランジ部527、528は、本実施の形態では、電磁シールド部58に係合して、電磁シールド部58をコイル61、62を囲む位置に位置させる位置決め係合部529を有する。
位置決め係合部529は、電磁シールド部58の被係合部589と係合する。位置決め係合部529は、本実施の形態では、それぞれのフランジ部527、528の外周部において、中央フランジ部526側に開口する凹状の溝であり、凸状の被係合部589と係合する。
このように、フランジ部527、528の外周部、つまり、コイルボビン部52の外径部に、電磁シールド部位置出し用の位置決め係合部529が設けられている。位置決め係合部529と被係合部589との係合により、コイルボビン部52に巻回されるコイル61、62に対して電磁シールド部58をずれること無く配置して、安定した磁気特性を得ることができる。また、端子引出部90と開口部582の係合でのみ電磁シールド部58を位置決めしてコイルボビン部52に組み付ける場合と比較して、端子引出部90でのみに組み立ての際に荷重がかかり変形することがない。
このように端子引出部90にかかる荷重により、端子引出部90の端子絡げ部53が変形することがなく、端子絡げ部53の変形を抑制して、振動アクチュエータを安定して製造できる。なお、フランジ部526~528の同一外径の外周面に、接着部を設け、接着部を介して、各フランジ部526~528に電磁シールド部58を固着してもよい。これにより、安定した振動特性を実現できる。
<コイル>
コイル61、62は、振動アクチュエータ1において、コイル61,62の軸方向(マグネット30の着磁方向)を振動方向として、マグネット30及び可動体コア41、42とともに、振動アクチュエータ1の駆動源の発生に用いられる。コイル61、62は、駆動時(振動時)に通電されて、マグネット30とともにボイスコイルモータを構成する。
コイル取付部52b、52cには、コイル61、62が配置され、コイル61、62は、本実施の形態では、可動体コア41、42に対して振動方向と直交する方向で対向する位置に配置されている。
コイル61、62は、コイルボビン部52に、コイル軸方向(振動方向)の長さの中心位置が、可動体20の振動方向の長さの中心位置(マグネット30の振動方向の中心位置)と、振動方向で略同じ位置(同じ位置も含む)となるように、保持されている。なお、本実施の形態のコイル61、62は、互いに逆方向に巻回されて構成され、通電時に逆方向に電流が流れるように構成されている。
コイル61、62のそれぞれの端部は、フランジ部526の端子絡げ部53に絡げて接続されている。コイル61、62は、端子絡げ部53を介して、電源供給部(例えば、図35及び図36に示す駆動制御部203)に接続される。例えば、コイル61、62のそれぞれの端部は、端子絡げ部53を介して、交流供給部に接続され、交流供給部からコイル61、62に交流電源(交流電圧)が供給される。これにより、コイル61、62はマグネットとの間に、互いの軸方向で互いに接離方向に移動可能な推力を発生できる。
コイル61、62は、本実施の形態では、図8及び図16に示すように、まず、端子絡げ部53-1にコイルの巻線の一端部を絡げて接続される。一端部が端子絡げ部53-1に接続された巻線の他端部側は、コイル案内部92-1により(矢印D1)、コイル取付部52cにおいて一巻き目が形成される位置に案内される。この一巻き目の位置で、巻線は、反時計回り(矢印D2)で巻回され、一巻き目を形成し、順次反時計回りで巻回(矢印D2~D3で示す)が繰り返される。これにより、コイル62がコイル取付部52cに配置される。
次いで、コイル62の他端部側の巻線は、連絡溝部55を通して(矢印D4で示す)、連絡溝部55内で巻回方向を逆方向(矢印D5参照)にしてコイル案内部92-2により、コイル取付部52bの一巻き目の位置に案内される。巻線は、コイル取付部52bでは、コイル取付部52cとは逆方向で巻回、ここでは時計回りで巻回(矢印D6~D7で示す)される。巻線を、順次時計周りで巻回することにより、コイル61がコイル取付部52bに配置される。なお、本実施の形態では、コイル61、62を一本の巻線により構成したが、これに限らず、別体のコイル61、62を用いて構成してもよい。この構成では、別体となったコイルどうしが、同じ方向で巻線を巻回して構成されている場合、駆動時には、それぞれ異なる方向電流を供給する。
コイル61、62のコイル軸は、コイルボビン部52の軸、或いは、マグネット30の軸と同軸上に配置されることが好ましい。
コイル61、62は、コイルボビン部52の外側から、コイル取付部52b、52cに、コイル線を巻き付けることにより円筒状に形成されている。この構成により、コイル61、62を有するコイルボビン部52は、コイル61、62の円筒状体をそれぞれ維持するために、コイルを自己融着線を用いずに組み立てることができる。つまり、コイルとして空芯コイルを用いる必要がないので、コイル61、62自体の低コスト化、ひいては、振動アクチュエータ全体を低コスト化できる。
また、コイル61、62は、ケース10の内側で、外周面を電磁シールド部58により囲まれ、コイル取付部内52b、52cで封止され、コイル取付部52b、52c内で接着等により固定される。本実施の形態ではコイル61、62は、ボビン本体部522、フランジ部526~528の全てに接着により固定される。よって、コイル61、62はコイルボビン部52との接合強度を大きくすることができ、大きな衝撃が加わる場合でも、可動体がコイルと直接接触する構成と比較して、コイル61、62が破損することがない。
<電磁シールド部58>
電磁シールド部58は、コイルボビン部52の外周面を囲み、コイル61、62を径方向外側で覆う位置に配置される筒状の磁性体である。電磁シールド部58は、コイル61、62とともに固定体側磁気回路を構成し、可動体側磁気回路、つまり、マグネット30及び可動体コア41、42とともに構成する磁気回路において、振動アクチュエータ1の外部への漏れ磁束を防止する。
電磁シールド部58は、電磁シールド部58の振動方向の長さの中心を、内側に配置されるマグネット30の振動方向の中心と同じ高さとなる位置となるように配置されている。この電磁シールド部58のシールド効果により、振動アクチュエータの外側への漏えい磁束の低減を図ることができる。
また、電磁シールド部58は、磁気回路において、推力定数を大きくして電磁変換効率を高めることができる。電磁シールド部58は、マグネット30の磁気吸引力を利用して、マグネット30とともに磁気ばねとしての機能を有し、弾性支持部81、82を機械バネにした際の応力を低下させることができ、弾性支持部81、82の耐久性を向上させることができる。
電磁シールド部58には、端子絡げ部53が挿通する開口部582が設けられている。
開口部582は、図22及び図23に示すように、端子引出部90に嵌合し、コイルボビン部52に対する電磁シールド部58の周方向への回転止めとして機能する。
開口部582は、本実施の形態では、電磁シールド部58本体の中央部に上下方向よりも周方向に長い形状で形成されている。これにより、開口部582の上下に電磁シールド部58が存在するため、バランス良く、磁気回路における磁気吸引力のアンバランスや漏れ磁束も最小限に抑制することができる。
なお、この開口部582は、本実施の形態では、電磁シールド部58において上下方向(振動方向)の中央部に設けられる構成としたが、収容するコイルボビン部52の端子絡げ部53を外部に突出させる構成であればどのように設けられてもよい。
例えば、図24及び図25に示す駆動ユニット13Aは、駆動ユニット13の構成において、電磁シールド部58Aの構成のみ異なる。
駆動ユニット13Aの電磁シールド部58Aは、開口部582Aを、筒状の電磁シールド部58Aの一方の開口部側を切り欠いた形状で設けられている。
すなわち、電磁シールド部58Aの開口部582Aは、筒状の電磁シールド部58Aにおいて、電磁シールド部58Aを貫通するとともに、片側の開口縁部で開口するように形成されている。このように、電磁シールド部58Aにおいて、開口部582を片側に開口するように形成すると、電磁シールド部58Aを、片側の開口部側から、コイルボビン部52Aに対して、軸方向に外装させて、組み付けることができる。これにより、コイルボビン部52Aへの電磁シールド部58Aの組付けを容易に行うことができる。特に、振動アクチュエータを小型化、薄型化した場合でも、電磁シールド部58Aに開口部を設けることが可能となり、組み立て性の向上を図ることができる。
また、電磁シールド部58において軸方向両側で開口する開口縁部には凸状に形成され、位置決め係合部529と係合する被係合部589が設けられている。
被係合部589は、位置決め係合部529と対応する位置に設けられている。被係合部589が、位置決め係合部529と係合することにより、電磁シールド部58は、コイルボビン部52に対して、周方向及び上下方向への移動が規制され、コイル61、62を囲む位置に位置決めされた状態となる。
<弾性支持部81、82>
弾性支持部81、82は、可動体20を固定体50に対して振動方向に往復移動自在に支持する。
弾性支持部81、82は、可動体20の振動方向で、可動体20を挟み、且つ、可動体20と固定体50との双方に振動方向と交差するように架設されている。弾性支持部81、82は、本実施の形態では、図2~図4に示すように、可動体20において振動方向で離間する両端部(上下端部)で互いに離間して配置され、固定体50と接続する。本実施の形態では、弾性支持部81、82は、それぞれ振動方向と直交する方向で互いに対向して配置されている。
弾性支持部81、82は、可動体20の軸方向(振動方向)で離れる両端部(ばね固定部224、244)にそれぞれの内周部802が嵌合され、可動体20に、外周固定部806側が径方向外側(放射方向)に張り出すように取り付けられる。
弾性支持部81、82は、可動体20を、可動体20の可動体の非振動時及び振動時において、固定体50に接触しないように支持する。なお、弾性支持部81、82は、可動体20の駆動(振動)時において、可動体20のボビン本体部522の内周面522aに接触しても、磁気回路、具体的には、コイル61、62が損傷することはない。弾性支持部81、82は、可動体20を可動自在に弾性支持するものであれば、どのようなもので構成されてもよい。弾性支持部81、82は、本実施の形態では同様の構成を有する同部材である。
弾性支持部81、82は、それぞれ平板状の複数の板ばねである。可動体20は、複数の弾性支持部81、82を3つ以上の板ばねとしてもよい。これら複数の板ばねは、振動方向と直交する方向に沿って取り付けられる。
板ばねである弾性支持部81、82は、内側のばね端部である環状の内周部802と、外側のばね端部である外周固定部806とが、弾性変形する平面視円弧状の変形アーム804により接合された形状を有する。変形アーム804と外周固定部806とで弾性支持部81、82のそれぞれの外周部807を構成する。変形アーム804の変形により、内周部802と外周固定部806とが、軸方向での相対的に変位する。
弾性支持部81、82は、外周固定部806が固定体50に接合され、内周部802が可動体20に接合される。
弾性支持部81、82としての板ばねは、本実施の形態では、ステンレス鋼板を用いて板金加工により形成されており、より具体的には、薄い平板円盤状の渦巻型ばねとしている。弾性支持部81、82は、平板状であるので、円錐状のばねと比較して、位置精度の向上、つまり加工精度の向上を図ることできる。
複数の弾性支持部81、82は、本実施の形態では、渦巻きの向きが同一となる向きで、それぞれ外周側の一端である外周固定部806が固定体50に固定されるとともに、内周側の他端である内周部802が可動体20に固定されている。
このように、本実施の形態では、複数の弾性支持部81、82として、渦巻き形状の板ばねを複数用いて、可動体20において振動方向で離間する両端部にそれぞれ取り付けて、固定体50に対して可動体20を弾性支持している。これにより、可動体20の移動量が大きくなると、可動体は、僅かではあるが回転しながら並進方向(ここでは、振動方向に対して垂直な面上の方向)に移動する。複数の板ばねの渦の方向が反対向きであれば、複数の板ばねは、互いに座屈方向ないし引っ張り方向に動くことになり、円滑な動きが妨げられることになる。
本実施の形態の弾性支持部81、82は、渦巻きの向きが同一となるように可動体20に固定されているので、可動体20の移動量が大きくなったとしても、円滑に動く、つまり、変形することができ、より大きな振幅となり、振動出力を高めることが可能である。
但し、所望の可動体20の振動範囲によっては、複数の弾性支持部81、82の渦巻き方向を互いに反対方向とする設計であってもよい。
板状の弾性支持部81、82は、可動体20に対して、弾性支持部81、82のそれぞれの内周部802を、可動体20の振動方向の端部を構成するばね固定部224、244に重ねて配置されている。弾性支持部81、82の内周部802が、上述したように、固定ピン26、28のフランジ264、284とばね固定部224、244とで挟持されることにより固定されている。
一方、上側の弾性支持部81の外周固定部806は、径方向外側で、コイルボビン部52の上端部に固定されている。具体的には、弾性支持部81の外周固定部806は、コイルボビン部52の上端部を形成する上側のフランジ部527の環状の上端面527aにおいて、可動範囲形成部54を避けた部位に固定される。
弾性支持部81の外周固定部806は、ケース10内において、フランジ部527の環状の上端面527aと蓋部12の押圧部128とに挟持されて固定される。なお、上端面527aは、上側(一方側)のフランジ部527の上側(一方側)において、可動範囲形成部54を避けた部分の上側(一方側)の端面である。
また、下側の弾性支持部82の外周固定部806は、径方向外側で、コイルボビン部52の下端部に固定されている。具体的には、弾性支持部82の外周固定部806は、コイルボビン部52の下端部を形成する下側のフランジ部528の環状の下端面528aにおいて、可動範囲形成部54を避けた部位に固定される。
弾性支持部82の外周固定部806は、ケース10内において、フランジ部528の環状の下端面528aと、底部114の周縁部に設けられた段差部118とに挟持されて固定される。
このように弾性支持部81、82は、コイルボビン部52の上下の開口縁部の開口端面527a、528aと、ケース10の蓋部12及び底部114とにより、振動方向と直交する方向に配置された状態で挟持されている。また、コイル61、62が巻回されたコイルボビン部52内に、可動体20を収容して、可動体20の上下端部に弾性支持部81、82の内周部802を固定するとともに、コイルボビン部52の上端部に弾性支持部81、82の外周固定部806を固定する。これにより、コイル61、62と可動体20との位置関係が規定された駆動ユニット13として構成され、ケース10内に配置し易くなる。
弾性支持部81、82は、本実施の形態では、変形アーム804或いは変形アーム804と外周固定部806に、弾性支持部81において発生する振動を減衰させる減衰手段としての減衰部(ダンパー)72が取り付けられている。減衰手段は、弾性支持部81において、共振峰を抑え、且つ、広範囲にわたる安定した振動を発生させる。
本実施の形態の減衰部72は、例えば、図6及び図7に示すように、断面T型形状のエラストマーであり、板状のフランジ722と、フランジ722の中央部から突出して設けられた押し込み部724とを有する。
減衰部72は、押し込み部724を弾性支持部81(82)の一方の面側からばね部分間、具体的には外周固定部806と変形アーム804との間に挿入して、フランジ722を、ばね部分間に架け渡して位置させている。取付部73は、熱硬化樹脂或いは弾性支持部81(82)に固着しない接着剤等であり、弾性支持部81(82)の裏面側で、押し込み部724がばね部分間から外れないような形状で押し込み部724に固定されている。なお、図2、図12~図14、図20、図34では、減衰部72は、押し込み部724を介して弾性支持部81(82)を両面側から挟持した状態で固定される一つの部材のように図示されている。減衰部72は、減衰機能を有する材料で構成されていれば、エラストマーでなくてもよく、熱硬化樹脂或いは接着材等で形成されていてもよい。減衰部72は、板状のフランジと、このフランジと同様の機能を有する部材に押し込み部で接合された別部材とで、弾性支持部81(82)を両面側から挟み込む形状であれば、どのように構成されてもよい。
この構成により、減衰部72は、弾性支持部81(82)における鋭いばね共振を減衰して、共振周波数付近での振動が著しく大きくなることで周波数による振動の差が大きくことを防止する。これにより、可動体20は、塑性変形する前に、共振峰を抑え、蓋部12及び底部114に接触することなく、広範囲にわたり安定した振動を発生することができ、接触により異音が生じることがない。減衰部72は、弾性支持部81(82)における鋭い振動の発生を防止するものであれば、どのような形状、材料等で形成されてもよい。
<ケース10>
図10は、ケース本体の底面側斜視図であり、図11は、蓋部を裏面側からみた図である。ケース10は、図1、図3、図10及び図11に示すように、周壁部112及び底部114を有する有底筒状のケース本体11と、ケース本体11の開口部115を閉塞する蓋部12とを有する。
蓋部12及び底部114は、本実施の形態における振動アクチュエータ1の天面部122、下面部(底部114)を構成し、駆動ユニット13の可動体20に可動体20の振動方向で所定間隔を空けて対向して配置される。蓋部12は、天面部122の外周の一部から垂下して設けられ、ケース本体11の切り欠き102に係合する垂下部124を有する。
蓋部12及び底部114は、それぞれ可動体20の可動範囲を抑制する。蓋部12及び底部114は、可動体20のハードストップ(可動範囲限定)となる可動範囲抑制部としての機能を有する。
具体的には、蓋部12及び底部114は、可動範囲形成部54により形成される可動範囲を規制する。つまり、蓋部12及び底部114は、蓋部12及び底部114から駆動ユニット13(コイルボビン部52)の上下端部の縁部(上下のフランジ部527、528の開口端面527a、528a)までの長さを規制する。これにより、ケース10の中空は、可動体20が移動する空間である可動体空間を形成している。
このように、可動体空間は、弾性支持部81、82が塑性変形しない範囲の長さに規定されている。よって、可動体20に、可動範囲を超える力が加わる場合でも、弾性支持部81、82は、塑性変形することなく、固定体50(蓋部12及び底部114の少なくとも一方)に接触するので、弾性支持部81、82が破損することなく、信頼性が高めることができる。
また、蓋部12及び底部114は、それぞれ通気孔126、116が貫通して設けられている。通気孔126、116は、それぞれケース10内において、可動体20の往復振動により形成される圧縮空気を外部に放出する。
図26は、本発明の一実施の形態に係る振動アクチュエータ1を切り欠き側から見た外観斜視図である。また、図27は、端子絡げ部53にケーブルWを接続した状態の振動アクチュエータの外観斜視図であり、図28は、図27に示す端子絡げ部53とケーブルWとの接続部分の拡大図である。
図26に示すように、ケース10の切り欠き102には、コイルボビン部52の端子引出部90と、垂下部124とが配置され、これら端子引出部90と垂下部124により閉塞される。
これにより、ケース10の切り欠き102から端子絡げ部53が外方に突出した状態で配設され、端子絡げ部53を介して、外部機器との接続を容易にしている。
また、ケース10の外周面には、配線固定用の突起部119が設けられている。配線固定用の突起部119は、図27及び図28に示すように、端子絡げ部53に接続されるケーブルWを係合可能に構成され、ケーブルWを係合して保持する。これにより突起部119で固定されたケーブルWは、その端部Waを、端子絡げ部53に、精度良く導通するように接続することができる。
突起部119は、端子引出部90が嵌合する開口部582の近傍に形成されていることが好ましい。これにより、端子絡げ部53近傍でケーブルWを保持することができ、ケーブルWを端子絡げ部53に接続する際の作業を容易に行うことができる。
突起部119は、図29に示すように、ケース10の外周面から突出する突出片1192と、突出片1192の先端から突出片1192に対して交差する方向、ここでは、垂直に突出する垂直片1194とを有する。突出片1192と垂直片1194とは、外周面とともに配線可能な溝1190を構成し、この溝1190内に、ケーブルWを内嵌することにより係合して、ケーブルWを固定する。
本実施の形態では、突起部119は、突出片1192の先端から垂直片1194が断面T字状に接続して形成されている。これにより、突起部119は、突出片1192を挟み2つの溝1190を有する。よって、ケーブルWの2本の配線を溝1190にそれぞれ内嵌させて保持することができ、工程の安定化及び配線自体の保持も容易に行うことができる。
なお、突起部119は、ケーブルWの端部Waを、端子絡げ部53に、精度良く導通するように接続できるように、ケーブルWを保持できればよい。例えば、図30に示す配線固定用の突起部119Aは、ケース10の外周面から突出する突出片1196の先端に、突出片1196に対して垂直に接合され、突出片1196とともに断面L字状をなす垂直片1198を有する構成としてもよい。
突起部119Aでは、突出片1196と、外周面と、垂直片1198とで溝1190Aが形成されている。突起部119Aは、この溝1190Aで、ケーブルWの配線を、2本まとめて保持することができ、T字状の突起部119と同様の効果を得ることができる。
ケーブルWの端部Waは、端子絡げ部53に容易に接続可能に構成されることが好ましい。
図31は、ケーブルWの端部Waを示す。
本実施形態では、ケーブルWの端部Waは、ピン状の端子絡げ部53に容易に係合可能な形状を有し、U字状に形成されている。また、図32に示すように、ケーブルWの端部Wa1は、一部切り欠いたリング状に形成されてもよい。
このような形状を有する端部Waは、端子絡げ部53に掛止して保持させることができ、掛止状態、つまり、位置決めした状態で半田付けを行うことができる。よって、端部Waを端子絡げ部53に安定した状態で確実に導通状態で固定することができ、導通工程も容易に行うことができる。
<振動アクチュエータ1の動作>
振動アクチュエータ1の動作について、マグネット30において着磁方向の一方側(本実施の形態では上側)の表面30a側がN極、着磁方向の他方側(本実施の形態では下側)の裏面30b側がS極となるように着磁されている場合を一例に説明する。
振動アクチュエータ1では、可動体20は、ばね-マス系の振動モデルにおけるマス部に相当すると考えられるので、共振が鋭い(急峻なピークを有する)場合、振動を減衰することにより、急峻なピークを抑制する。振動を減衰することにより共振が急峻では無くなり、共振時の可動体20の最大振幅値、最大移動量がばらつくことがなく、好適な安定した最大移動量による振動が出力される。
振動アクチュエータ1では、図12に示す磁気回路が形成される。また、振動アクチュエータ1において、コイル61、62はコイル軸がマグネット30を振動方向で挟む可動体コア41、42らの磁束に直交するように、配置されている。
具体的には、マグネット30の表面30a側から出射し、可動体コア41からコイル61側に放射され、電磁シールド部58を通り、コイル62を介してマグネット30の下側の可動体コア42からマグネット30へ入射する磁束の流れmfが形成される。
したがって、図12に示すように通電が行われると、マグネット30の磁界とコイル61、62に流れる電流との相互作用により、フレミング左手の法則に従ってコイル61、62に-f方向のローレンツ力が生じる。
-f方向のローレンツ力は、磁界の方向とコイル61、62に流れる電流の方向に直交する方向である。コイル61、62は固定体50(コイルボビン部52)に固定されているので、作用反作用の法則に則り、この-f方向のローレンツ力と反対の力が、マグネット30を有する可動体20にF方向の推力として発生する。これにより、マグネット30を有する可動体20側がF方向、つまり蓋部12(蓋部12の天面部122)側に移動する(図13参照)。
また、コイル61、62の通電方向が逆方向に切り替わり、コイル61、62に通電が行われると、逆向きのF方向のローレンツ力が生じる。このF方向のローレンツ力の発生により、作用反作用の法則に則り、このF方向のローレンツ力と反対の力が、可動体20に推力(-F方向の推力)として発生し、可動体20は、-F方向、つまり、固定体50の底部114側に移動する(図14参照)。
振動アクチュエータ1では、通電していない場合の非駆動時(非振動時)においては、マグネット30と電磁シールド部58との間に磁気吸引力がそれぞれ働き磁気バネとして機能する。このマグネット30と電磁シールド部58との間に発生する磁気吸引力と、弾性支持部81、82の元の形状に戻ろうとする復元力により、可動体20は、元の位置に戻る。
振動アクチュエータ1は、コイル61、62を有する固定体50と、コイル61、62の径方向内側に配置され、且つ、コイル61、62の軸方向に磁化されたマグネット30を有する可動体20と、を備える。加えて、振動アクチュエータ1は、可動体20をコイル軸方向である振動方向に、移動自在に弾性保持する平板状の弾性支持部81、82を備える。
また、コイル61、62は、コイルボビン部52のボビン本体部522の外周に配置され、ボビン本体部522の内周側に、間隔を空けて、可動体20の外周面20aが配置され、コイル61、62は、外周面を電磁シールド部58により囲まれている。
弾性支持部81、82は、可動体20を、可動体20の非振動時及び振動時に接触しないようにボビン本体部522の内周面522aから所定の間隔を空けて支持する。
また、コイル61、62はボビン本体部522の外周に配置される、つまり、コイル61、62がボビン本体部522の外周に巻き付けられる構成であるので、空芯コイルを用いた場合と比較して、低コスト化をはかることができる。更に、振動アクチュエータ1では、ケース10内に駆動ユニット13を収容する構造であり、ケース10の周壁部112の外周面を滑らか面に構成できる。これにより、振動アクチュエータ1を電子機器に取り付ける際に、取付箇所との間に介在させるスポンジ等の緩衝材の貼り付けを確実に容易に行うことができる。
コイル61、62は、ケース10内に配置されるコイル保持部であるコイルボビン部52の外周側に配置されている。よって、コイル61、62がコイル保持部の内周側に配置される構成において、組み立ての際の、外部機器と接続するために、コイル線の端部を外側に持ち出す作業を行う必要がない。
また、振動アクチュエータ1は、ケース10内に駆動ユニット13を配置することにより構成されているので、高い寸法精度が必要な弾性支持部81、82の固定は、コイルボビン部52に組み付けることにより行うことができる。これにより、弾性支持部81、82の固定を含む可動体20の配置は、コイルボビン部52を基準として決定させることができ、製品としての振動発生方向の精度を高めることができる。具体的には、例えば樹脂等により一つの部品として形成されるコイルボビン部52の寸法精度を上げるだけで、コイル61、62と、弾性支持部81、82を介して取り付けられる可動体20(マグネット30)とを正確な位置関係で位置させることを容易に行うことができる。
また、ケース10内に配置されるコイルボビン部52に、電磁シールド部58が、コイル61、62を囲むように取り付けられることにより、ケース10における周壁部112の外周面は面精度の良い樹脂となり滑らかな面となる。これにより、緩衝材を取り付ける部材、例えば、両面テープの接合状態が良好となり、接合強度を高めることができる。
また、コイルボビン部52には、端子絡げ部53が外方に突出して設けられているので、コイルのコイル線の絡げと半田付けが容易になり、外部機器とコイル61、62との接続を容易にできる。
また、ケース10は、有底筒状、つまり、カップ状のケース本体11と蓋部12とで形成されている。これにより、周壁部112と底部114とを別体にした構成よりも、部品点数を減らし、組立性の向上を図ることができるとともに、耐衝撃性が向上する。
また、蓋部12は、カップ状のケース本体11の開口部115に溶着することで固定されている。蓋部12は、図34に示すように、ケース本体11内に、弾性支持部81、82を介して可動体20が取り付けられたコイルボビン部52を収容した後、開口部115を閉塞するように、ケース本体11の開口部115に嵌合される。そして、蓋部12の周囲で蓋部12上に延びる開口部115の開口端115aが、カシめられて屈曲されることにより、蓋部12は、ケース本体11に固定される。
また、これら突起部119、119Aは、ケーブルWを接着固定することが好ましい。
例えば、図33に示すように、突起部119では、端部Waが端子絡げ部53に接続された状態で、ケーブルWが接着剤により固定される。図33に示す領域R1は、接着剤が塗布された接着領域を示す。
突起部119にてケーブルWを接着することにより、ケーブルWに外力が掛かる場合でも、ケーブルWが端子絡げ部53から外れることがなくなり、断線などの不具合のリスクを抑制することができる。
また、接着固定と比較して、固定強度が向上し耐衝撃性を高めることができる。さらに、工程も塗布工程から硬化工程と複雑化することがなく、工程も単純でありタクト時間の低減化を図ることができる。
また、振動アクチュエータ1において、可動体20は、固定体50に対して、可動しない状態の非振動時と、可動している状態つまり振動時では、ボビン本体部522との間に隙間を空けて支持される。これにより、可動体20は可動中、つまり、振動中に、固定体50への接触が発生することがない。
また、振動アクチュエータ1を落下した場合等、振動アクチュエータ1自体に衝撃が加わる場合にのみ、可動体20は、ボビン本体部522の内周面522aに接触する。すなわち、衝撃がある場合にのみ、可動体20とボビン本体部522とは、可動体20の外周面20aとボビン本体部522の内周面522aとの間の範囲で相対移動し、可動体20は、コイル61、62に接触することがない。
このように、振動アクチュエータ1によれば、従来の振動アクチュエータと異なり、振動アクチュエータに衝撃が加わることで可動体20が変位して固定体の内壁に接触し、衝撃を与えることがない。つまり、衝撃により、固定体50のコイル61、62が破損することがない。また、衝撃で弾性支持部81、82自体が変形することもなく、弾性支持部81、82の変形により生じる可動体20の可動不能等の不具合を解消できる。
このように振動アクチュエータ1によれば、耐衝撃性を有するとともに、振動表現力の高い好適な体感振動を出力できる。
振動アクチュエータ1は、電源供給部(例えば、図35及び図36に示す駆動制御部203)からコイル61、62へ入力される交流波によって駆動される。つまり、コイル61、62の通電方向は周期的に切り替わり、可動体20には、蓋部12の天面部122側のF方向の推力と底部114側の-F方向の推力が交互に作用する。これにより、可動体20は、振動方向(コイル61、62の径方向と直交するコイル61、62の巻回軸方向、或いは、マグネット30の着磁方向)に振動する。
以下に、振動アクチュエータ1の駆動原理について簡単に説明する。本実施の形態の振動アクチュエータ1では、可動体20の質量をm[kg]、ばね(ばねである弾性支持部81、82)のばね定数をKspとした場合、可動体20は、固定体50に対して、下式(1)によって算出される共振周波数Fr[Hz]で振動する。
可動体20は、ばね-マス系の振動モデルにおけるマス部を構成すると考えられるので、コイル61、62に可動体20の共振周波数Frに等しい周波数の交流波が入力されると、可動体20は共振状態となる。すなわち、電源供給部からコイル61、62に対して、可動体20の共振周波数Frと略等しい周波数の交流波を入力することにより、可動体20を効率良く振動させることができる。
振動アクチュエータ1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1は、下式(2)で示す運動方程式及び下式(3)で示す回路方程式に基づいて駆動する。
すなわち、振動アクチュエータ1における質量m[kg]、変位x(t)[m]、推力定数Kf[N/A]、電流i(t)[A]、ばね定数Ksp[N/m]、減衰係数D[N/(m/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Ke[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、振動アクチュエータ1では、可動体20の質量mと板ばねである弾性支持部81、82のばね定数Kspにより決まる共振周波数Frに対応する交流波によりコイル61、62への通電を行った場合に、効率的に大きな振動出力を得ることができる。
また、振動アクチュエータ1は、式(2)、(3)を満たし、式(1)で示す共振周波数を用いた共振現象により駆動する。これにより、振動アクチュエータ1では、定常状態において消費される電力は減衰部72による損失だけとなり、低消費電力で駆動、つまり、可動体20を低消費電力で直線往復振動させることができる。また、減衰係数Dを大きくすることにより、高帯域に渡り振動を発生させることができる。
本実施の形態によれば、可動体20の上下(振動方向)に板状の弾性支持部81、82を配置しているので、可動体20を上下方向に安定して駆動すると同時に、マグネット30の上下の弾性支持部81、82から効率的にコイル61、62の磁束を分布できる。これにより、振動アクチュエータ1として、高出力の振動を実現することができる。
また、固定体50は、コイル61、62の保持機能、可動体20に対するコイル61、62の保護機能を兼ねたコイルボビン部52を有する。これにより、固定体50が衝撃を受けた場合でも、その衝撃に耐えるとともに、弾性支持部81、82に変形などのダメージを与えない。また、コイル61、62に対しては、樹脂製のボビン本体部522を介して衝撃が伝わるため、ダメージを抑制することができ、信頼性の高い振動アクチュエータ1となっている。
このように、振動アクチュエータ1によれば、低コストで小型化を実現できるとともに、耐衝撃性を有し、高い出力で好適な体感振動を発生することができる。
(電子機器)
図35及び図36は、振動アクチュエータ1の実装形態の一例を示す図である。図35は、振動アクチュエータ1をゲームコントローラGCに実装した例を示し、図36は、振動アクチュエータ1を携帯端末Mに実装した例を示す。
ゲームコントローラGCは、例えば、無線通信によりゲーム機本体に接続され、ユーザが握ったり把持したりすることにより使用される。ゲームコントローラGCは、ここでは矩形板状を有し、ユーザが両手でゲームコントローラGCの左右側を掴み操作するものとしている。
ゲームコントローラGCは、振動により、ゲーム機本体からの指令をユーザに通知する。なお、ゲームコントローラGCは、図示しないが、指令通知以外の機能、例えば、ゲーム機本体に対する入力操作部を備える。
携帯端末Mは、例えば、携帯電話やスマートフォン等の携帯通信端末である。携帯端末Mは、振動により、外部の通信装置からの着信をユーザに通知するとともに、携帯端末Mの各機能(例えば、操作感や臨場感を与える機能)を実現する。
図35及び図36に示すように、ゲームコントローラGC及び携帯端末Mは、それぞれ、通信部201、処理部202、駆動制御部203、及び駆動部としての振動アクチュエータ1である振動アクチュエータ204、205、206を有する。なお、ゲームコントローラGCでは、複数の振動アクチュエータ204、205が実装される。
ゲームコントローラGC及び携帯端末Mにおいて、振動アクチュエータ204、205、206は、例えば、端末の主面と振動アクチュエータ204、205、206の振動方向と直交する面、ここでは底部114の底面とが平行となるように実装されることが好ましい。端末の主面とは、ユーザの体表面に接触する面であり、本実施の形態では、ユーザの体表面に接触して振動を伝達する振動伝達面を意味する。なお、端末の主面と、振動アクチュエータ204、205、206の底部114の底面とが直交するように配置されてもよい。
具体的には、ゲームコントローラGCでは、操作するユーザの指先、指の腹、手の平等が接触する面、或いは、操作部が設けられた面と、振動方向が直交するように振動アクチュエータ204、205が実装される。また、携帯端末Mの場合は、表示画面(タッチパネル面)と振動方向が直交するように振動アクチュエータ206が実装される。これにより、ゲームコントローラGC及び携帯端末Mの主面に対して垂直な方向の振動が、ユーザに伝達される。
通信部201は、外部の通信装置と無線通信により接続され、通信装置からの信号を受信して処理部202に出力する。ゲームコントローラGCの場合、外部の通信装置は、情報通信端末としてのゲーム機本体であり、Bluetooth(登録商標)等の近距離無線通信規格に従って通信が行われる。携帯端末Mの場合、外部の通信装置は、例えば基地局であり、移動体通信規格に従って通信が行われる。
処理部202は、入力された信号を、変換回路部(図示省略)により振動アクチュエータ204、205、206を駆動するための駆動信号に変換して駆動制御部203に出力する。なお、携帯端末Mにおいては、処理部202は、通信部201から入力される信号の他、各種機能部(図示省略、例えばタッチパネル等の操作部)から入力される信号に基づいて、駆動信号を生成する。
駆動制御部203は、振動アクチュエータ204、205、206に接続されており、振動アクチュエータ204、205、206を駆動するための回路が実装されている。駆動制御部203は、振動アクチュエータ204、205、206に対して駆動信号を供給する。
振動アクチュエータ204、205、206は、駆動制御部203からの駆動信号に従って駆動する。具体的には、振動アクチュエータ204、205、206において、可動体20は、ゲームコントローラGC及び携帯端末Mの主面に直交する方向に振動する。
可動体20は、振動する度に、蓋部12の天面部122又は底部114にダンパーを介して接触するようにしてもよい。この場合、可動体20の振動に伴う蓋部12の天面部122又は底部114への衝撃、つまり、筐体への衝撃が、ダイレクトにユーザに振動として伝達される。特に、ゲームコントローラGCでは、複数の振動アクチュエータ204、205が実装されているため、入力される駆動信号に応じて、複数の振動アクチュエータ204、205のうちの一方、または双方を同時に駆動させることができる。
ゲームコントローラGC又は携帯端末Mに接触するユーザの体表面には、体表面に垂直な方向の振動が伝達されるので、ユーザに対して十分な体感振動を与えることができる。ゲームコントローラGCでは、ユーザに対する体感振動を、振動アクチュエータ204、205のうちの一方、または双方で付与でき、少なくとも強弱の振動を選択的に付与するといった表現力の高い振動を付与できる。
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で変更可能である。
また、本発明に係る振動アクチュエータは、ゲームコントローラGC及び携帯端末M以外の携帯機器(例えば、タブレットPCなどの携帯情報端末、携帯型ゲーム端末、ユーザが身につけて使用するウェアラブル端末)に適用する場合に好適である。また、本実施の形態の振動アクチュエータ1は、上述した携帯機器の他、振動を必要とする美顔マッサージ器等の電動理美容器具にも用いることができる。