JP2013128367A - 振動装置、ベル鳴動装置および共振装置 - Google Patents

Abstract

【課題】バネを使わず故障が少なく長寿命で、かつ効率的に使用でき、汎用性の高い振動装置を提供する。
【解決手段】 可動鉄心との共振用とした第１のソレノイド１１の内部に一定方向に移動可能な可動鉄心２を設け、第１のソレノイド１１の可動鉄心移動方向一方側もしくは両側に、振動附勢用のソレノイド１２(１３)を並べて配置して振動装置を構成した。第１のソレノイド１１は継続して一定の電流で励磁し、振動附勢用のソレノイド１２(１３)は、当該ソレノイドの側に可動鉄心２が動いているとき短時間励磁する。
【選択図】図３

Description

本発明は、ソレノイドと可動鉄心とを使用した振動装置、この振動装置を利用したベル鳴動装置、および共振装置に関する。

ある質量を持った可動子を振動させる振動装置は、携帯電話の呼び出し装置、ベル鳴動装置、ふるい装置など広い用途を持つ。

従来、この種の振動装置には、偏心モータを使用するものや、モータの回転をクランクで往復直線運動に変えるもの、電磁石の磁力により可動子を動かすとともにその可動子の動きで電磁石の通電用接点をオンオフさせるもの、振動部を電磁石の磁力とバネの反発力とで振動させるもの(特許文献１参照)等がある。

しかし、上記した従来の振動装置は、それぞれ問題を有しており、例えば、振動の振幅や振動周波数の変更が困難で、そのため、使用態様に応じて構成部材の寸法を調整する等の設計変更が必要で、汎用性に乏しいという問題を有していたり、また、電気／機械のエネルギー変換効率が悪いという問題を有していたりする。

一例として、従来の、振動部を電磁石の磁力とバネの反発力とで振動させる振動装置について説明すると、上記振動装置は、図１２の平面図および図１３の縦断面図に示すように、ケース５２の中途高さ位置にコイル４６を固定して設け、このコイル４６を内部に収容する状態で振動部４２をケース５２内に横方向移動自在に配置するともに、ケース５２と振動部４２との間にバネ４４を介装したものである。振動部４２は、コイル４６を挟む上下のマグネット８０、８２と、可動ヨーク６６、６８と、ウェイト９０、９２とを一体化したものである。

上記振動装置において、コイル４６に正負の電流を流すことで、マグネット８０、８２を含む振動部４２がバネ４４の弾性力に抗して左右方向に振動し、この振動の反動でケース５２およびその周りの固定部材が振動する。振動部４２は、その質量とバネ４４とが共振して振動するが、その振動は、コイル４６に共振周波数の電流を与えることで、持続させるようになっている。

上記の振動装置では、振動部４２の質量とバネ４４との共振を利用するので、電気／機械のエネルギー変換効率がよいが、バネ４４を使用しているので、頻繁に動作させるものでは、バネの疲労や破損が生じやすくて寿命が短く、また、振幅や振動周波数を変化することが困難である。

特許第３８５５７３８号公報

本発明は、電気／機械のエネルギー変換効率がよく、バネを使用せず故障が少なくて長年月使用でき、かつ振幅や振動周波数の調整が容易で汎用性が高い振動装置を提供することを課題とする。

本発明の発明者が、上記課題を達成すべく、ベルの単打装置に使用されているソレノイド装置に着目してその動作作用を検討したところ、一定電流で励磁したソレノイドが可動鉄心に与える吸引力は可動鉄心の変位に比例し、機械的な共振機構でのバネの復元力と同じ特性を持っており、ソレノイドと可動鉄心とが一種の共振装置を構成しているという知見を得た。

本発明は、発明者が得た上記知見に基づいて為されたもので、本発明に係る振動装置は、可動鉄心とソレノイドとを使用した振動装置であって、可動鉄心との共振用で、継続して一定電流で励磁する第１のソレノイドの内部に一定方向に移動可能に可動鉄心を設け、上記第１のソレノイドの可動鉄心移動方向一方側もしくは両側に、上記可動鉄心の振動附勢用のソレノイドを並べて配置したことを特徴とするものである。

上記構成において、第１のソレノイドが一定電流で励磁された状態の下で、可動鉄心に初動を与えると、この可動鉄心の質量と可動鉄心に作用する第１のソレノイドの吸引力との間で共振周波数の過渡振動が生じる。振動により可動鉄心が一方側に移動している期間、その側の振動附勢用のソレノイドが通電により励磁されることで、可動鉄心の振動が維持される。可動鉄心の過渡振動は，第１のソレノイドに最初に励磁電流を与えたときにも生じるので，必ずしも初動のための装置が必要なわけではない。

本発明によれば、可動鉄心の質量とソレノイド(第１のソレノイド)の吸引力との共振を利用するので、電気／機械エネルギー変換効率が高く、小電力で効率的に振動を発生することができる。また、復元バネの替わりにソレノイドの吸引力を利用するので、バネを使わずに済み、バネの疲労、破損等による機械的な故障が少なく長年月使用できる。

さらに、共振用の第１のソレノイドの励磁電流を変えて吸引力を増減変化させることによって、共振周波数すなわち振動周波数を変えることができ、また、振動附勢用のソレノイドに流す電流の位相と大きさによって可動鉄心の振幅を調節でき、このように、電気的な設定の変更により振動周波数や振幅を変えられるから、構成部材の寸法変更等の設計変更が不要で、汎用性が高い。

共振装置の構成図。 図１の装置におけるソレノイドの吸引力を示す特性図。 本発明の第１の実施形態に係る振動装置の構成を示す構成図。 図３の振動装置におけるソレノイドの吸引力を示す特性図。 図３の振動装置に用いられるソレノイド励磁回路の回路図。 図３の振動装置を用いたベル鳴動装置の構成図。 本発明の第２の実施形態に係る振動装置の構成図。 図７の振動装置におけるソレノイドの吸引力を示す特性図。 図７の振動装置に用いられるソレノイド励磁回路の回路図。 図７の振動装置を用いたベル鳴動装置の構成図。 他のソレノイド励磁回路の回路図で、(a)は図３の振動装置に対応する励磁回路を、(b)は図７の振動装置の励磁回路をそれぞれ示している。 従来のバネを用いた振動装置の平面図。 図１２の振動装置の縦断面図。

ここでは、まず、〔課題を解決するための手段〕で述べた共振装置について、図１および図２を参照して説明する。

図１は、上記共振装置の構成を示しており、符号１１はソレノイド、２は可動鉄心、３は非磁性体のパイプである。可動鉄心３は、非動作状態では、ほぼソレノイド１１の中心(吸引の中心となる位置で、通常、ソレノイド１１の幅方向中心)に静止していて、パイプ３の中を一定方向に自由に動けるようになっている。ソレノイド１１は、一定の電流で励磁される。

図２は、ソレノイド１１の吸引力を示す特性図で、横軸に可動鉄心２の位置をとり、縦軸に、その可動鉄心２に作用する吸引力の大きさを示している。

この特性図から分るように、ソレノイド１１が一定電流で励磁されているとき、吸引力は静止位置Ｏを中心としたある範囲で可動鉄心２の位置に比例し、可動鉄心２を静止位置に戻すように働く。すなわち、磁気的な吸引力は、機械的なバネと同じ力-位置特性を持っており、バネと同様に可動鉄心２の質量と共振する。

また、図２から分るように、ソレノイド１１の吸引力はその励磁電流(電流ａ１，ａ２，ａ３)の大きさ(電流ａ１<ａ２<ａ３)によって変化し、励磁電流の増減変化はバネ定数を変えたのと同等の効果を持つので、上記の可動鉄心２の質量との共振周波数は励磁電流によって可変である。

〔第１の実施形態〕
図３は、本発明の第１の実施形態に係る振動装置を示しており、この振動装置は、図１に図示のソレノイドに、もう一つのソレノイドを付け加えたものである。

すなわち、図１に示されているソレノイド１１を第１のソレノイドとし、この第１のソレノイド１１の内部に一定方向に移動可能に可動鉄心２を設け、第１のソレノイド１１の可動鉄心２移動方向の一方側（図面では右側）に第２のソレノイド１２を並べて配置したものである。第２のソレノイド１２は、第１のソレノイド１１と可動鉄心２を共通にするが、その中心位置は可動鉄心２の静止位置とは異なっている。可動鉄心２の移動は、非磁性体のパイプ３によりガイドされる。

第１のソレノイド１１は可動鉄心との共振用で、振動装置の動作中には常時、一定電流で励磁される。第２のソレノイド１２は振動附勢用で、可動鉄心２がこの第２のソレノイド１２の側に移動するのに関連して励磁される。

図４は、第２のソレノイド１２の可動鉄心２に与える吸引力特性を示す。第２のソレノイド１２の吸引力は、その中心位置に可動鉄心２を引き込むように作用し、可動鉄心２が静止位置付近にあるときは、右方向に可動鉄心２を駆動する。

図５は、第１の実施形態の振動装置において第１および第２のソレノイド１１、１２の励磁回路の一例を示す。符号４は直流電源で、第１のソレノイド１１は抵抗５を通じて一定電流で励磁する。振動附勢用の第２のソレノイド１２は、可動鉄心２に対して右方向に吸引力を作用するので、可動鉄心２が右方向に移動している期間に励磁することによって振動を附勢することができる。第２のソレノイド１２は、スイッチングトランジスタ６のオンオフによって所定の期間励磁する。

トランジスタ６の駆動信号は、信号発生回路（図示せず）によって与えても良いが、第２のソレノイド１２と結合したフィードバックコイル７によって与えることもできる。可動鉄心２が右に移動するときは、第２のソレノイド１２中の磁束が増加し、第２のソレノイド１２およびフィードバックコイル７に正の電圧を誘起し、スイッチングトランジスタ６をオンに駆動する。可動鉄心２が左に移動するときは誘起電圧が負となり、スイッチングトランジスタ６はオフである。その結果、振動が附勢される。

図６は、図３に示した第１の実施形態に係る振動装置を用いたベル鳴動装置を示している。このベル鳴動装置では、可動鉄心２が上下に振動するよう縦型に配置され、可動鉄心２は上下方向に振動し、ベル８、８（一部を描いている）を連打するようになっている。可動鉄心２の上下に設けられたベル８、８を連打するようになっている。

各ソレノイド１１、１２の吸引力は充分に強力であり、振動は正弦波状である必要はないので、ベル８を連打するのに適する。第１のソレノイド１１の励磁の強さ、第２のソレノイド１２の励磁期間と周期で音の強さを調節することができる。パイプ３の上下方向配置は、パイプ３と可動鉄心２の摩擦を小さくする効果があり、下方向の励振には重力を利用できる。

〔第２の実施形態〕
図７は、本発明の第２の実施形態に係る振動装置を示すものである。この振動装置は、図３の振動装置にさらに振動附勢用の第３のソレノイド１３を加えたものである。第３のソレノイド１３は、第１、第２のソレノイド１１、１２と可動鉄心２を共通にするが、その中心位置は第１のソレノイド１１を挟んで第２のソレノイド１２と対称の位置にある。すなわち、第２のソレノイド１２が可動鉄心２の静止位置の右にあれば、第３のソレノイド１３は可動鉄心２の静止位置の左に配置される。

図８は、図７に示した第２の実施形態の振動装置における各ソレノイド１１、１２、１３の可動鉄心２に与える吸引力の特性を示す。第３のソレノイド１３の吸引力は、その中心位置に可動鉄心２を引き込むように作用し、可動鉄心２が静止位置付近にあるときは左方向に可動鉄心２を駆動する。

図９は、図７の振動装置における第１、第２、第３のソレノイド１１、１２、１３の励磁回路の例を示す。前掲の図５の励磁回路と同様に、第１のソレノイド１１には直列に抵抗５が接続され、第２のソレノイド１２にはスイッチングトランジスタ６が直列に接続されるほか、第３のソレノイド１３にもスイッチトランジスタ９が直列に接続される。

振動附勢用の第３のソレノイド１３は、可動鉄心２に対して左方向に吸引力を作用するので、可動鉄心２が左方向に移動している期間に励磁することによって振動を附勢することができる。第３のソレノイド１３は、これに直列に接続されたスイッチトランジスタ９のオンオフによって第２のソレノイド１２とは逆の位相で所定の期間励磁する。

各トランジスタ６、９の駆動信号は、第１の実施形態について図５を参照して説明したように、信号発生回路によって与えても良いし、第２のソレノイド１２、もしくは第３のソレノイドと結合したフィードバックコイルによって与えることもできる。

図１０は、図７に示した第２の実施形態に係る振動装置を用いたベル鳴動装置を示しており、このベル鳴動装置では、可動鉄心２は左右方向に振動してベル８（一部を描いている）を連打するようになっている。

このベル鳴動装置でも、各ソレノイド１１、１２、１３の吸引力は強く、振動は正弦波状である必要はないので、ベル８を連打するのに適する。第１のソレノイド１１の励磁の強さおよび、第２のソレノイド１２と共に第３のソレノイド１３の励磁期間で音の強さを調節することができる。可動鉄心２は半サイクルごとに附勢されるので強力に振動し、強いベル音を発生することができる。

図１１(a)(b)は、ソレノイドの励磁回路の他の例を示すもので、(a)は第１の実施形態の振動装置に対応する励磁回路を、(b)は第２の実施形態の振動装置の励磁回路をそれぞれ示している。

(a)の励磁回路では、第１のソレノイド１１と第２のソレノイド１２とスイッチトランジスタ６とが直列に接続されており、第２のソレノイド１２を励磁したとき、その励磁電流が第１のソレノイド１１を通る。そのため、第１のソレノイド１１＋第２のソレノイド１２が振動附勢用のソレノイドとして働き、実効的なコイル巻き数が多くなり、電流を小さくできる。(b)の励磁回路では、第１のソレノイド１１には、第２のソレノイド１２とそのスイッチトランジスタ６が縦続接続されるとともに、第３のソレノイド１３とそのスイッチングトランジスタ９が縦続接続されており、第２のソレノイドおよび第３のソレノイドの励磁電流が共に第１のソレノイド１１を通り、電源電流を小さくできる。なお、(a)(b)において、符号１０は、第１のソレノイド１１に並列に設けたダイオードである。

１１ 第１のソレノイド（可動鉄心との共振用）
１２ 第２のソレノイド（可動鉄心の振動附勢用）
１３ 第３のソレノイド（可動鉄心の振動附勢用）
２ 可動鉄心
３ パイプ
８ ベル

Claims (3)

1. 可動鉄心とソレノイドとを使用した振動装置であって、
   可動鉄心との共振用で，継続して一定電流で励磁する第１のソレノイドの内部に一定方向に移動可能な可動鉄心を設け、上記第１のソレノイドの可動鉄心移動方向一方側もしくは両側に、振動附勢用のソレノイドを並べて配置したことを特徴とする振動装置。
2. 請求項１に記載の振動装置を備え、上記振動装置の可動鉄心を打棒としてベルを連打することを特徴とするベル鳴動装置。
3. 継続して一定電流で励磁するソレノイドと可動鉄心を備え、上記ソレノイドの中心と上記可動鉄心の静止位置を一致させ、ソレノイドの吸引力と可動鉄心の質量とで共振状態とすることを特徴とする共振装置。

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