JP2017221009A - 振動アクチュエーター及び振動アクチュエーター内蔵機器 - Google Patents

Abstract

【課題】高品位な振動触覚をユーザーに提示でき、かつ構成や駆動回路が簡単な振動アクチュエーターを提供する。【解決手段】コイルが取り付けられたシャフト１３０と、コイルの周囲に配置されたＳ極及びＮ極の磁石と、磁石を固定した状態で保持する第１筐体１１０と、第１筐体１１０の外側に配置されシャフト１３０に固定された第２筐体１２０とを備える。駆動信号として交流信号を供給して、その交流信号の周波数及び強度に応じて、第１筐体１１０側を交互回転させる。このとき、シャフト１３０及び第２筐体１２０は固定側となり、第１筐体１１０に取り付けられた磁石などが第１筐体１１０と共に交互回転して、効率的に振動触覚をユーザーに提示する。【選択図】図１

Description

本発明は、外部に振動を与える振動アクチュエーター及びその振動アクチュエーターを内蔵した振動アクチュエーター内蔵機器に関する。

近年、携帯電話端末やゲームコントローラーなどにおいて、振動アクチュエーターを内蔵して、その振動アクチュエーターによる振動触覚をユーザーに提示するものが多々製品化されている。
振動アクチュエーターには、回転式と直動式とがある。従来の回転型の振動アクチュエーターは、モーターの回転軸から偏心した位置を重心とした偏心モーターを利用したものである。一方、直動式の振動アクチュエーターは、スピーカーのボイスコイルの原理を利用して、錘を往復動させるものである。

特許文献１には、振動モーターを使用した振動アクチュエーターを内蔵させた電子機器の一例が記載されている。

特開２００９−１５７９１号公報

回転式の振動アクチュエーターは、一般的なモーターに錘を取り付ける構成であるため、構成が簡単であり、小型で低コスト化が図れるという利点がある。しかしながら、回転式の振動アクチュエーターによる振動は、回転している錘の遠心力によって生じるため、モーターの回転数から決まる振動の周波数と振動の強さを独立して制御することができず、常に一定の振動触覚しか発生できない。したがって、従来の回転式の振動アクチュエーターでは、高品位な振動触覚をユーザーに提示することができないという問題があった。

また、直動式の振動アクチュエーターについても、錘を固定するためにバネやゴムなどの部材を用いる必要があり、それらの部材に起因する共振が生じて、振動状態の制御が難しいという問題がある。特に低周波領域で一定の加速度を生じさせようとすると、振動体が壁にぶつかるため、低周波での振動発生が得意でないという問題があった。

本発明は、高品位な振動触覚をユーザーに提示でき、かつ構成や駆動回路が簡単な振動アクチュエーター及びその振動アクチュエーターを内蔵した機器を提供することを目的とする。

本発明の振動アクチュエーターは、コイルが取り付けられたシャフトと、コイルの周囲に配置されたＳ極及びＮ極の磁石と、磁石を固定した状態で保持する第１筐体と、コイルと電気的に接続されシャフトに取り付けられた整流子と、シャフトの整流子と接触し第１筐体に取り付けられた導電ラインに接続された第１ブラシと、第１筐体の外側に配置されシャフトに固定された第２筐体と、第１筐体に取り付けられ導電ラインに電気的に接続された導電端子と、第２筐体に取り付けられ導電端子と接触した第２ブラシと、第２ブラシと電気的に接続された給電部とを備える。
そして、給電部に交流信号を供給することで、第１筐体及び磁石が、交流信号の周波数及び強度に対応した周期及び強度で往復回転を行い、振動触覚を発生するようにした。

また本発明の振動アクチュエーター内蔵機器は、上述した構成の振動アクチュエーターを内蔵した機器である。

本発明によると、小型な構成で強度の強い振動を発生させることができる。また、給電部に供給する交流信号の周波数及び強度を調整することで、発生する振動触覚の周波数及び強度を効率的に調整することができ、高品位な振動触覚をユーザーに提示できるようになる。

本発明の一実施の形態例による振動アクチュエーターを示す構成図である。 本発明の一実施の形態例による振動アクチュエーターの断面図である。 本発明の一実施の形態例による第１筐体の構成を示す斜視図である。 本発明の一実施の形態例による振動触覚の強度と従来の振動触覚の強度とを比較した特性図である。 本発明の一実施の形態例による振動アクチュエーター内蔵機器の装着例を示す斜視図である。

［１．振動アクチュエーターの構成］
以下、本発明の一実施の形態例（以下、「本例」と称する。）を、添付図面を参照して説明する。
図１は、本例の振動アクチュエーター１００の全体構成を示す図である。図２は、振動アクチュエーター１００の第１筐体１１０の内部を示す断面図である。図３は、振動アクチュエーター１００の第１筐体１１０を示す斜視図である。

本例の振動アクチュエーター１００は、いわゆる直流モーターに改良を加えたものである。すなわち、振動アクチュエーター１００は、円筒形状の第１筐体１１０を備え、第１筐体１１０のシャフト支持部１１１，１１２に、シャフト１３０の一端部１３１及び他端部１３２が回転可能に支持される。なお、本例の振動アクチュエーター１００による振動発生時には、第１筐体１１０側が回転し、シャフト１３０は回転しない。つまり、本例の振動アクチュエーター１００は、一般的な直流モーターとは回転側と固定側が逆になる。なお、以下の説明で回転側と述べた場合には第１筐体１１０側を示し、固定側と述べた場合にはシャフト１３０側を示す。

図２に示すように、シャフト１３０にはコイル１４１が取り付けられる。このコイル１４１の周囲の第１筐体１１０内には、コイル１４１側にＮ極が配置された磁石１４３Ｎとコイル１４１側にＳ極が配置された磁石１４３Ｓとが対向して配置される。コイル１４１の巻線の一端及び他端は、シャフト１３０の一端部１３１側に取り付けられた整流子１４２ａ，１４２ｂに接続される。２つの整流子１４２ａ，１４２ｂは、シャフト１３０に対向して取り付けられる。

２つの整流子１４２ａ，１４２ｂは、図２に示すように、第１筐体１１０の内部で、２つの第１ブラシ１４４ａ，１４４ｂに接触する。例えば、一方の整流子１４２ａが一方の第１ブラシ１４４ａと接触した状態のとき、他方の整流子１４２ｂが他方の第１ブラシ１４４ｂと接触する。また、第１筐体１１０が１８０°回転して、一方の整流子１４２ａが他方の第１ブラシ１４４ｂと接触した状態のとき、他方の整流子１４２ｂが一方の第１ブラシ１４４ａと接触する。なお、本明細書で述べるブラシ（第１ブラシ１４４ａ，１４４ｂ及び後述する第２ブラシ１５１ａ，１５１ｂ）は、直流モーターの構成部品として一般的な部品の１つとしてのブラシであり、相手側と常時接触する導電部材であれば、様々な形状のものが適用可能である。

第１筐体１１０内の２つの第１ブラシ１４４ａ，１４４ｂは、導電ライン１４５ａ，１４５ｂに接続される。それぞれの導電ライン１４５ａ，１４５ｂは、孔１１３ａ，１１３ｂから第１筐体１１０の外側に引き出される。一方の導電ライン１４５ａは、シャフト支持部１１２の周囲に取り付けられた第１筒状導電端子１４６に接続される。他方の導電ライン１４５ｂは、第１筒状導電端子１４６の外側に絶縁材１４７を介して配置された第２筒状導電端子１４８に接続される。

第１筐体１１０の外周部には、第２筐体１２０が配置される。第２筐体１２０は、第１筐体１１０の約半分（図１での左半分）を覆う円筒形状である。この第２筐体１２０は、図２に示すように、シャフト連結部１２１を備え、シャフト連結部１２１にシャフト１３０の他端部１３２が固定される。したがって、第２筐体１２０も固定側である。振動アクチュエーター１００を機器（後述する振動触覚提示装置２００など）に取り付ける際には、この第２筐体１２０が機器に固定される。

第２筐体１２０の内部には、２つの第２ブラシ１５１ａ，１５１ｂが固定される。図２及び図３に示すように、２つの第２ブラシ１５１ａ，１５１ｂの内で、一方の第２ブラシ１５１ａは、第１筒状導電端子１４６と接触し、他方の第２ブラシ１５１ｂは、第２筒状導電端子１４８と接触する。

また、図１及び図２に示すように、第２筐体１２０の表面の対向した箇所（図１での上側及び下側）に、給電部１５３ａ及び１５３ｂが配置される。そして、２つの第２ブラシ１５１ａ，１５１ｂは、導電ライン１５２ａ，１５２ｂを介して第２筐体１２０の表面側の給電部１５３ａ，１５３ｂに接続される。導電ライン１５２ａ，１５２ｂは、図２に示すように、第２筐体１２０に設けた孔１２２ａ，１２２ｂを介して第２筐体１２０の内部から表面に引き出される。
一方の給電部１５３ａは、外部の信号線と接続する端子１５４ａを備え、端子１５４ａが、導電ライン１５２ａを介して一方の第２ブラシ１５１ａに接続される。
他方の給電部１５３ｂは、外部の信号線と接続する端子１５４ｂを備え、端子１５４ｂが、導電ライン１５２ｂを介して他方の第２ブラシ１５１ｂに接続される。
給電部１５３ａ，１５３ｂの端子１５４ａ，１５４ｂには、駆動回路部１６０から交流信号が供給される。

［２．駆動回路の構成例］
次に、図１に示す駆動回路部１６０の構成について説明する。駆動回路部１６０は、電池１６１，電源部１６２，スイッチ１６３、交流信号生成部１６４，制御部１６５及び受信部１６６から構成される。

電池１６１は、電源部１６２が接続され、電源部１６２によって、電池１６１から得た直流電源が一定の電圧として安定化される。電源部１６２で得た直流電源は、スイッチ１６３を介して交流電源生成部１６４に供給される。交流電源生成部１６４では、所定の周波数の交流信号が生成され、生成された交流信号が給電部１５３ａ，１５３ｂの端子１５４ａ，１５４ｂに供給される。

受信部１６６は、有線又は無線で外部から振動を発生させる指令を受信し、受信した指令を制御部１６５に伝送する。
そして、制御部１６５は、受信部１６６を通して外部から受信した指令に応じて、スイッチ１６３の開閉を制御するとともに、交流電源生成部１６４が生成する交流信号の周波数及び強度を制御する。ここでの強度の制御とは、交流信号の電圧又は電流、あるいは電圧と電流の双方を制御することである。なお、交流電源生成部１６４が生成する交流信号の周波数及び強度を可変に設定するのは一例であり、交流電源生成部１６４が生成する交流信号の周波数及び強度は一定の値に固定してもよく、また、周波数及び強度のいずれか一方を一定の値に固定し他方を可変としてもよい。また、制御部１６５からの指令で、交流電源生成部１６４が生成する交流信号の電力を可変させるようにしてもよい。

このように構成した振動アクチュエーター１００に、駆動回路部１６０から駆動信号が供給されると、回転側である第１筐体１１０が回転する。すなわち、第１筐体１１０の内部の構成は、いわゆる直流モーターの内部構成と同様の構成になっており、図２に示すように、シャフト１３０がシャフト連結部１２１で第２筐体１２０と一体に接続されている。このため、本例の振動アクチュエーター１００では、駆動回路部１６０から駆動信号の供給によって第１筐体が回転する際に、シャフト１３０や第２筐体１２０が固定側となり、第１筐体１１０と内部の磁石１４３Ｎ，１４３Ｓが回転側になる。
したがって、例えば振動アクチュエーター１００に直流信号に供給される場合には、回転側である第１筐体１１０側が一方向に連続して回転することになる。

しかし、本例においては、駆動回路部１６０から給電部１５３ａ，１５３ｂに供給される駆動信号が交流信号であるため、第１筐体１１０は、その交流信号の極性の反転により、一方向の回転と他方向の回転を繰り返す。つまり、図１に示すように、θ１方向への回転と、θ２方向への回転とを、交流信号の周波数及び強度に対応した周期で繰り返すようになる。このとき、第１筐体１１０内に配置された磁石１４３Ｎ，１４３Ｓも第１筐体１１０と連動して回転するため、比較的重量を持つ回転体が駆動信号に応じて交互の回転を繰り返すようになり、力の強い振動が発生する。

また、本例においては、駆動回路部１６０内の交流電源生成部１６４で生成される交流信号の周波数及び強度が、制御部１６５によって調整されるため、振動発生時の力を調整することができる。したがって、本例の振動アクチュエーター１００によると、ユーザーに提示する振動触覚の周波数及び強度を簡単かつ効率的に調整することが可能になる。

［３．振動アクチュエーターの特性例］
図４は、本例の振動アクチュエーター１００により発生する加速度ｇ１と、通常の直流モーターにより発生する加速度ｇ２とを比較した特性図である。
加速度ｇ２は、本例の振動アクチュエーター１００と回転側と固定側の重量が逆になるように構成した直流モーターによって測定した値である。すなわち、加速度ｇ２は、第１筐体１１０と第２筐体１２０を備えた構成において、第１筐体１１０が固定側、第２筐体１２０が回転側となるようにして測定した値を示している。

図４の横軸は、印加する駆動信号の周波数を示す。ここで供給した交流信号はサイン波形であり、電力が０．３Ｗとなるようにして、１０Ｈｚから２００Ｈｚまで周波数を変化させて測定した。つまり、上述の本例の振動アクチュエーター１００と、本例の振動アクチュエーター１００と回転側と固定側の重量が逆になるように構成した通常の直流モーターのそれぞれに供給した交流信号の周波数および強度は同一である。加速度ｇ１，ｇ２は、それぞれ加速度センサーを機器の固定側に取り付けて測定したものである。

図４に示すように、加速度ｇ１及び加速度ｇ２のいずれも、最も高いピークとなる位置が約５０Ｈｚであり、そのピーク位置から周波数が変化することで、徐々に加速度が低下することが分かる。そして、全周波数領域において、本例の振動アクチュエーター１００による加速度ｇ１の方が、通常の直流モーターによる加速度ｇ２よりも高いことが判明した。

図４では、回転側と固定側の重量バランスが完全に逆になるようにして、２つの加速度ｇ１，ｇ２の差を示しているため、加速度ｇ１の方が強いが、２つの加速度ｇ１，ｇ２にそれほど大きな差がないように見える。しかしながら、実際の従来の直流モーターの場合には、第２筐体１２０に相当する部材がないため、加速度ｇ２として示した例よりも回転側の重量が軽く、発生する加速度は特性ｇ２よりも大幅に小さくなる。したがって、供給する交流信号の周波数及び強度を同一とした場合、本例の振動アクチュエーター１００による振動触覚の強度と、従来の直流モーターに単純に交流信号を印加した場合の振動触覚の強度とには、図４に示す特性差以上に大きな強度差があると考えられる。

また、本例の振動アクチュエーター１００の場合には、１Ｈｚのような低周波数領域でも、適正な振動提示が可能である。つまり、従来の直流モーターによる加速度ｇ２については、約１５Ｈｚ以下の低周波数領域では誤差が大きく測定が不能であったのに対して、本例の振動アクチュエーター１００の場合には、１Ｈｚのような低周波数の交流信号を供給した場合でも、その周波数及び強度に応じた振動触覚を効率的に与えることができる。
実際に実験した例では、本例の振動アクチュエーター１００に、例えば１Ｗの電力で１Ｈｚの交流信号を与えた場合、ユーザーが装着した箇所（図５の例では指先）が前後に押されるような感覚をユーザーに対して与えることができ、従来の振動アクチュエーターでは不可能であった高品位の触覚をユーザーに提供することができることが判明した。

［４．振動アクチュエーター内蔵機器の例］
図５は、本例の振動アクチュエーター１００を振動触覚提示装置２００に取り付けた例を示す。
振動触覚提示装置２００は、ユーザーの指Ｆの先端に装着されるクリップ部２１０を備え、そのクリップ部２１０の表面部２１１に、振動アクチュエーター１００が固定される。また、図５に示すように、クリップ部２１０には、駆動回路部１６０が取り付けられ、駆動回路部１６０から振動アクチュエーター１００の内部に交流信号が供給される。

この図５に示す構成とすることで、振動アクチュエーター１００に交流信号が供給される間、振動アクチュエーター１００の第１筐体１１０側が交互に回転することによる振動触覚を指Ｆに提示することができる。本例の振動アクチュエーター１００の場合には、上述したように通常の直流モーターと比較して振動触覚の強度が強いため、振動アクチュエーター１００を小型に構成した場合でも、十分な強度の振動触覚をユーザーに提示することができる。また、その振動触覚を交流信号の周波数や強度により効率的に調整できるため、高品位の振動触覚をユーザーに提示できるようになる。

［５．変形例］
なお、図１及び図２に示す第２筐体１２０は、第１筐体１１０の約半分のみを覆う形状としたが、これは一例であり、例えば第２筐体１２０として、第１筐体１１０の全体を覆う形状としてもよい。

また、第２筐体１２０に２つの給電部１５３ａ，１５３ｂが配置される位置についても、図１の例は一例であり、２つの給電部１５３ａ，１５３ｂとして近接した位置に配置してもよい。また、給電部１５３ａ，１５３ｂとして端子１５４ａ，１５４ｂを備える構成とした点についても一例を示したものであり、例えば給電部１５３ａ，１５３ｂとして、端子を介さずに、第２筐体１２０の内部の導電ライン１５２ａ，１５２ｂを直接外部に引き出す信号線を備える構成としてもよい。

また、振動アクチュエーター１００が装着される装置として、図５に示す振動触覚提示装置２００は一例であり、その他の各種装置（電子機器）にこの振動アクチュエーター１００を内蔵するようにしてもよい。例えば、スマートフォンなどの携帯通信端末や、ビデオゲーム機器のコントローラーに、振動アクチュエーター１００を内蔵するようにしてもよい。
駆動回路部１６０の構成についても、図１に示す構成はあくまでも一例であり、その他の回路構成とすることも可能である。

１００…振動アクチュエーター、１１０…第１筐体、１１１，１１２…シャフト支持部、１１３ａ，１１３ｂ…孔、１２０…第２筐体、１２１…シャフト連結部、１２２ａ，１２２ｂ…孔、１３０…シャフト、１３１…一端部、１３２…他端部、１４１…コイル、１４２ａ，１４２ｂ…整流子、１４３Ｎ，１４３Ｓ…磁石、１４４ａ，１４４ｂ…第１ブラシ、１４５ａ，１４５ｂ…導電ライン、１４６…第１筒状導電端子、１４７…絶縁材、１４８…第２筒状導電端子、１５１ａ，１５１ｂ…第２ブラシ、１５２ａ，１５２ｂ…導電ライン、１５３ａ，１５３ｂ…給電部、１５４ａ，１５４ｂ…端子、１６０…駆動回路部、１６１…電池、１６２…電源部、１６３…スイッチ、１６４…交流信号生成部、１６５…制御部、１６６…受信部、２００…振動触覚提示装置、２１０…クリップ部、２１１…表面部

Claims (3)

1. コイルが取り付けられたシャフトと、
   前記コイルの周囲に配置されたＳ極及びＮ極の磁石と、
   前記磁石を固定した状態で保持する第１筐体と、
   前記コイルと電気的に接続され、前記シャフトに取り付けられた整流子と、
   前記シャフトの前記整流子と接触し、前記第１筐体に取り付けられた導電ラインに接続された第１ブラシと、
   前記第１筐体の外側に配置され、前記シャフトに固定された第２筐体と、
   前記第１筐体に取り付けられ、前記導電ラインに電気的に接続された導電端子と、
   前記第２筐体に取り付けられ、前記導電端子と接触した第２ブラシと、
   前記第２ブラシと電気的に接続された給電部とを備え、
   前記給電部に交流信号を供給することで、前記第１筐体及び前記磁石が、交流信号の周波数及び強度に対応した周期及び強度で往復回転を行い、振動触覚を発生するようにした
   振動アクチュエーター。
2. 前記給電部に供給する交流信号を生成する駆動部を備え、
   前記駆動部が生成する交流信号の周波数及び強度により、発生する振動触覚の周波数及び強度を調整できるようにした
   請求項１に記載の振動アクチュエーター。
3. 振動アクチュエーターを内蔵した振動アクチュエーター内蔵機器において、
   前記振動アクチュエーターは、
   コイルが取り付けられたシャフトと、
   前記コイルの周囲に配置されたＳ極及びＮ極の磁石と、
   前記磁石を固定した状態で保持する第１筐体と、
   前記コイルと電気的に接続され、前記シャフトに取り付けられた整流子と、
   前記シャフトの前記整流子と接触し、前記第１筐体に取り付けられた導電ラインに接続された第１ブラシと、
   前記第１筐体の外側に配置され、前記シャフトに固定された第２筐体と、
   前記第１筐体に取り付けられ、前記導電ラインに電気的に接続された導電端子と、
   前記第２筐体に取り付けられ、前記導電端子と接触した第２ブラシと、
   前記第２ブラシと電気的に接続された給電部と、
   前記給電部に交流信号を供給する駆動部とを備え、
   前記給電部に交流信号を供給することで、前記第１筐体及び前記磁石が、交流信号の周波数及び強度に対応した周期及び強度で往復回転を行い、振動触覚を発生するようにした
   振動アクチュエーター内蔵機器。

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