阅读说明：本技术 往复运动装置 (Reciprocating motion device ) 是由 古贺信明 于 2018-03-01 设计创作，主要内容包括：提供一种即使小型也能够产生大能量的振动的往复运动装置。往复运动装置(10)具备永磁体(20)以及电磁轭部(30a),所述电磁轭部(30a)的两端的磁极面与永磁体(20)的一个磁极面不接触地对置配置,和具有磁性体芯(35)的1个以上的线圈(32)一起通过电磁轭(34)形成磁路,永磁体(20)以及电磁轭部(30a)中的任意一个为动子,另一个为定子,永磁体(20)的一个磁极面(202)在动子的移动方向上的尺寸Tm为包含由对置的电磁轭部(34)的2个磁极面(343a、343b)所隔开的间隙的所述2个磁极面在移动方向上的尺寸Ty以上。(Provided is a reciprocating device which can generate vibration with large energy even if the reciprocating device is small. A reciprocating device (10) is provided with a permanent magnet (20) and an electromagnetic yoke part (30a), wherein magnetic pole surfaces at two ends of the electromagnetic yoke part (30a) are arranged opposite to one magnetic pole surface of the permanent magnet (20) in a non-contact manner, a magnetic circuit is formed by the electromagnetic yoke (34) together with 1 or more coils (32) with a magnetic body core (35), any one of the permanent magnet (20) and the electromagnetic yoke part (30a) is a rotor, the other one is a stator, and the dimension Tm of the one magnetic pole surface (202) of the permanent magnet (20) in the moving direction of the rotor is more than the dimension Ty of the 2 magnetic pole surfaces in the moving direction, wherein the 2 magnetic pole surfaces comprise gaps separated by the 2 magnetic pole surfaces (343a, 343b) of the opposite electromagnetic yoke part (34).)

往复运动装置

技术领域

本发明涉及往复运动装置。

背景技术

利用电磁的往复运动装置的主要手法大致分为以下4个种类：如专利文献1公开的那样，使用永磁体和线圈中不具有芯的音圈的、类似一般的扬声器的构造的类型；如专利文献2公开的那样，类似螺线管的构造的、使通过弹性体悬吊的动子活动的类型；如专利文献3公开的那样，使偏心重物旋转并振动的类型；以及如专利文献4公开的那样，通过在无刷DC马达中所见的那样的电磁轭和永磁体组合而成的构造而振动的类型。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2004-282680号公报

专利文献2：日本特开2013-56309号公报

专利文献3：日本特开2012-175715号公报

专利文献4：日本特开2010-179295号公报

发明内容

专利文献1的音圈方式在想要实现大输出时难以实现小型化。

专利文献2的螺线管方式通过弹性体将动子悬吊而起振，但是在构造上，在开始振动运动的中立位置处的推力最低，为了折返必须减速，但是实际上在去路、返路各自的末端附近(折返点)推力变得最大，因此在振动初期的响应性的方面变得不利。

专利文献3的使偏心重物旋转的方式适于相同振幅的固定间隔的振动，但是不适于像音乐那样的振幅、节奏总是变化的类型的起振。

与通过洛伦兹力驱动的音圈方式相比，专利文献4的电磁轭和永磁体的组合通过电磁力驱动，因此容易做成小型且推力大的装置，但是相对于永磁体的磁极面，当包括2个电磁轭间的间隙和该2个电磁轭的2个电磁轭的磁极面大时，永磁体偏向2个电磁轭磁极中的任意磁极而被吸引。即使在该状态下进行驱动，也无法期待高的振动效果。如果将动子与定子间的间隙设定得大，并以动子相对于定子位于中立位置的方式通过弹簧等弹性体按住动子，则能够避免该问题，但是动子与定子间的间隙设定得大则无法利用永磁体的磁极面附近的强磁场，此外由于使用弹性体，若不超过该弹性体的力则振子不运动，即使运动，弹性体也总是成为妨碍振动的阻力，所以相对于驱动电流的振动的效率被大大损害。

为了得到大能量的振动，需要如下结构/构造：振子的质量大，不输于该质量的瞬间爆发力，并且其推力大且妨碍该推力的阻力少。

以往的扬声器、许多往复运动装置所采用的音圈的线圈中不具有芯，因此轻量因而惯性小、高频的响应特性良好，但另一方面，和具有芯的线圈与磁体间产生的电磁力(节点力、表面力)相比，由洛伦兹力产生的力低，为了得到大能量的振动需要一定程度以上的大小，难以实现小型化。

于是，通过不是音圈，而是具有磁性体芯、轭的线圈与永磁体的组合，只要是2个电磁轭的磁极相对于1个永磁体的磁极具有间隙地对置的构造就能够得到比较大的推力，但是这时，当永磁体与电磁轭间的间隙狭窄、永磁体的磁极面更小时，接近永磁体的磁极面的2个电磁轭的磁极中的任意磁极发生偏向而被吸引。

作为原本的理想的位置的相对于一个永磁体的磁极面的、与2个电磁轭的磁极面的距离在未通电时绝对不会成为相等的中立的位置，在这样的歪斜的位置绝对不会得到与驱动电流对应的足够的振动。

本发明的目的在于提供一种即使小型也能够产生大能量的振动的往复运动装置。

遵循所述目的的第一发明的往复运动装置具备永磁体，所述永磁体的至少1个磁极面与和具有磁性体芯的1个以上的线圈一起通过电磁轭形成磁路的电磁轭部的2个磁极面相互不接触地对置配置，所述永磁体以及所述电磁轭部中的任意一个为动子，另一个为定子，所述永磁体的一个磁极面在动子的移动方向上的尺寸Tm为包含由对置的所述电磁轭部的所述2个磁极面所隔开的间隙的所述2个磁极面在所述移动方向上的尺寸Ty以上。

在第一发明的往复运动装置中，还具备一组磁性体，所述一组磁性体以与所述永磁体的磁极方向正交的方向Y为厚度方向，且在该方向Y的方向上隔着该永磁体，优选在所述一组磁性体之间配置有所述电磁轭部。

遵循所述目的的第二发明的往复运动装置具备永磁体部，所述永磁体部具有和永磁体一起形成磁路的轭，所述永磁体部的至少1个磁极面与和具有磁性体芯的1个以上的线圈一起通过电磁轭形成磁路的电磁轭部的2个磁极面相互不接触地对置配置，所述永磁体部以及所述电磁轭部中的任意一个为动子，另一个为定子，所述永磁体部的一个磁极面在所述移动方向上的尺寸Tmy为包含由对置的所述电磁轭部的所述2个磁极面所隔开的间隙的所述2个磁极面在所述移动方向上的尺寸Ty以上，所述往复运动装置还具备一组磁性体，该一组磁性体以与所述永磁体部的磁极方向正交的方向Y为厚度方向，且在该方向Y的方向上隔着该永磁体部，在所述一组磁性体之间配置有所述电磁轭部。

在第二发明的往复运动装置中，还具备一组磁性体，所述一组磁性体以与所述永磁体部的磁极方向正交的方向Y为厚度方向，且隔着该永磁体部，

优选在所述一组磁性体之间配置有所述电磁轭部。

在第一或者第二发明的往复运动装置中，

所述动子也可以绕在与从所述永磁体产生的磁极方向以及所述方向Y正交的方向上延伸的旋转轴进行旋转往复运动。

遵循所述目的的第三发明的往复运动装置具备：永磁体部，所述永磁体部具有和永磁体一起形成磁路的轭；以及电磁轭部，所述电磁轭部隔着所述轭配置于与所述永磁体相反的一侧，和具有磁性体芯的1个以上的线圈一起通过电磁轭形成磁路，所述轭的磁极面与所述电磁轭部的2个磁极面相互不接触地对置配置，所述永磁体部以及所述电磁轭部中的任意一个为动子，另一个为定子，所述永磁体部的一个磁极面在所述移动方向上的尺寸Tmy为包含由对置的所述电磁轭部的所述2个磁极面所隔开的间隙的所述2个磁极面在所述移动方向上的尺寸Ty以上。

发明的效果

根据本发明，能够提供一种即使小型也能够产生大能量的振动的往复运动装置。

附图说明

图1(A)、(B)分别为示出了本发明的第一实施方式的往复运动装置的外观图以及由节点力产生的推力的图，和示出通过与Z轴正交的面切断而成的剖面的剖视图。

图2(A)、(B)分别为示出了该往复运动装置的变形例的外观图以及由节点力产生的推力的图，和示出通过与Z轴正交的面切断而成的剖面的剖视图。

图3(A)～(H)分别为以往的往复运动装置的说明图。

图4(A)、(B)分别为示出本发明的第一实施方式的往复运动装置及其变形例的基本的样式图。

图5为示出该往复运动装置的间隙与节点力的关系的曲线图。

图6(A)～(D)分别为示出该往复运动装置的变形例的剖视图。

图7(A)～(D)分别为示出该往复运动装置的变形例的剖视图。

图8(A)、(B)分别为第一实施方式的往复运动装置的说明图以及示出第二实施方式的往复运动装置的永磁体产生的磁力线(fluxline)的说明图。

图9为示出在以1.6mm厚的SS400钢的磁性体隔着该往复运动装置的情况和该往复运动装置不被隔着的情况下的、施加的电流和由动子产生的Y方向的节点力的各自的变化的曲线图。

图10为示出在对往复运动装置施加的200mA的直流恒定电流中在以1.6mm厚的SS400钢的磁性体隔着该往复运动装置的情况下和该往复运动装置不被隔着的情况下的、动子的距中立位置的距离和由动子产生的Y方向的节点力的各自的变化的曲线图。

图11(A)、(B)、(C)分别为第一实施方式的往复运动装置、第二实施方式的往复运动装置以及第二实施方式的往复运动装置的变形例的侧剖视图。

图12(A)、(B)、(C)分别为第一实施方式的往复运动装置的变形例、第三实施方式的往复动装置以及第三实施方式的往复动装置的变形例的侧剖视图。

(附图标记的说明)

1a、1b、1o：往复运动装置；2：永磁体；4：电磁轭部；4a：第一电磁轭；4b：第二电磁轭；5：线圈；6a、6b：弹性支承体；7a、7b：弹性支承体；10、10a、10b、10y、10ya、10yb：往复运动装置；20、22：永磁体；24a、24b：轭；30a、30b：电磁轭部；32、32b：线圈；34、34b：电磁轭；35：磁性体芯；80a、80b、80ya、80yb：磁性体板；202、202y：磁极面；342a：第一电磁轭；342b：第二电磁轭；343a、343b：磁极面；400a～400d：往复运动装置；500a～500d：往复运动装置；Axa、Axb：旋转轴；Fx：弹性支承体固定点。

具体实施方式

接下来，参照附图对将本发明具体化而成的实施方式进行说明，以供理解本发明。此外，在图中，存在对与说明无关的部分省略图示的情况。

[第一实施方式]

如图1(A)、(B)所示，本发明的第一实施方式的往复运动装置10具备永磁体(永磁体部的一例)20以及电磁轭部30a、30b，能够通过向线圈32施加交流电流而进行往复运动并产生振动。永磁体20以及电磁轭部30a、30b被容纳于未图示的外壳。

此外，在图1(A)中，坐标系O为由相互正交的X轴、Y轴以及Z轴构成的正交坐标系。但是坐标系O也可以不是严格的正交坐标系。

永磁体20具有以X轴方向为磁极方向的磁极，如图4(A)所示，Y轴方向的厚度为尺寸Tm。尺寸Tm(厚度Tm)例如为10mm。永磁体20例如具有与日立金属株式会社制造的钕磁体NEOMAX42(NEOMAX为注册商标)相当的性能。

此外，如图2(A)、(B)以及图4(B)所示，往复运动装置10也可以为往复动装置10y，代替永磁体20，该往复动装置10y具备永磁体22以及设置于该永磁体22的两磁极面并形成磁路的轭24a、24b。

如图1(B)所示，电磁轭部30a和具有磁性体芯35的1个以上的线圈32一起通过电磁轭形成磁路，并在Y轴方向上为扁平。电磁轭部30a能够以中立位置Pc(参照图4(A))为中心，相对于永磁体20进行相对往复运动。具体而言，如图1(A)的箭头所示，电磁轭部30a绕在Z轴方向上延伸的旋转轴AXa进行旋转往复运动。

此外，中立位置Pc为永磁体的一个磁极面202与电磁轭部30a的2个磁极面342a、343b具有间隙G而对置(参照图4(A))且电磁轭部30a的与电磁轭部30a的移动方向正交而磁性地将电磁轭部30a二等分的面与从永磁体部的一个磁极面中央开始磁力线向无限远延伸的直线上一致的状态下的位置，也是在线圈32未通电时，电磁轭34被永磁体20吸引而静止的位置。

如图1(B)所示，线圈32被卷绕于磁性体芯35，在作为磁性体芯35的轴向的Y轴方向上为扁平。线圈32连接有驱动控制器(未图示)，该驱动控制器施加用于驱动线圈32的交流电流。

电磁轭34和线圈32一起形成磁路。在中立位置Pc处电磁轭34的端面与永磁体20的一个磁极面202(参照图4(A))对置。

详细而言，电磁轭34具有：第一电磁轭342a；以及第二电磁轭342b，该第二电磁轭342b以在与X轴方向正交的Y轴方向(方向Y)上与第一电磁轭342a隔开间隔地配置。第一电磁轭342a以及第二电磁轭342b分别为例如1.6mm厚的SS400钢。

第一电磁轭342a为板状，以覆盖线圈32的一个面的一部分的方式与线圈32接触。

第二电磁轭342b为板状，隔着线圈32而配置于第一电磁轭342a的相反侧。第二电磁轭342b隔着线圈32而与第一电磁轭342a对称，以覆盖线圈32的另一个面的一部分的方式与线圈32接触。

如图4(A)所示，包括与永磁体20的一个磁极面202相对的第一电磁轭342a和第二电磁轭342b的2个磁极面343a、343b和这之间的间隙的Y轴方向或者动子的移动方向上的电磁轭34的两端面间的尺寸Ty(以下，存在称为“厚度Ty”的情况。)为永磁体20在Y轴方向上的厚度Tm以下。此外，在图4(A)的结构的情况下，尺寸Ty为第一电磁轭342a、线圈32以及第一电磁轭342b在Y轴方向上的厚度的合计，例如为4.8mm。

如图1(A)所示，电磁轭部30b隔着永磁体20而配置于与电磁轭部30a相反的一侧，如箭头所示，绕在Z轴方向上延伸的旋转轴AXb移动(或者旋绕)。电磁轭部30b实质上为与电磁轭部30a相同的结构。

另外，往复运动装置也可以不具备电磁轭部30b。即，往复运动装置只要具备电磁轭部30a、30b中的至少一个即可。

因此，以下省略对电磁轭部30b的详细说明，仅针对电磁轭部30a进行说明。

在线圈32未通电的状态下，电磁轭部30a在与一个磁极面202的厚度方向中央部对置的位置，即中立位置Pc处稳定地静止。然后在电磁轭部30a处于该中立位置Pc的状态下，当驱动控制器(未图示)对线圈32施加电流时，第一电磁轭342a以及第二电磁轭342b分别成为N极以及S极，电磁轭部30a稳定地静止的状态崩溃。其结果是相对于磁极面202，第一电磁轭342a产生吸引力时，第二电磁轭342b产生排斥力，作为电磁轭部30a整体产生大的节点力，从而电磁轭部30a移动。

而且，在第一电磁轭342a以及第二电磁轭342b为相同的极性的状态下线圈32被施加电流而电磁轭部30a移动，从而立即产生反方向的节点力，产生电磁轭部30a被向中立位置Pc的方向拉回的力，移动幅度非常小。因此，即使将电流的大小设为恒定也不产生更大的节点力(电磁力)，而产生无用的功耗。于是，通过驱动控制器以脉冲状(pulse)或者冲击(impulse)状施加电流，无用的功耗被抑制。

在此，关于图3(A)所示的往复运动装置1o，节点力根据永磁体2与电磁轭部4之间的间隙G而变化，间隙G越窄，则Y轴方向上的节点力越增大。

但是关于图3(B)所示的往复运动装置1o，永磁体2的厚度Tm小于电磁轭部4的厚度Ty，当间隙G变小时，第一电磁轭4a以及第二电磁轭4b中的任意一个偏向永磁体2的磁极面而被吸引(参照图3(C))，在该状态下即使向线圈5施加电流也无法期望预想的振动。

于是以往为了消除这样的问题，如图3(D)以及图3(E)所示，使用一端固定于弹性支承体固定点Fx的弹簧等具有弹性的弹性支承体6a、6b以压制住作为动子的电磁轭部4的方式进行支承，并且当为了提高节点力而缩小间隙G时，如图3(D)的弹性支承体6a那样必须通过弹性率高的弹簧等弹性体进行支承，但好不容易才提升的节点力的一部分被弹性率高的弹性体消耗了。

反之当如图3(E)的弹性支承体6b那样扩大间隙G时使用弹性率低的弹性体，节点力的损失也减少，但产生的节点力本身也减少了。像这样即使对电磁轭部4施加相同的电流，间隙G和弹性体的弹性率也关于能够得到的节点力存在折衷的关系。

在永磁体侧2可动的往复运动装置1b(参照图3(F))的情况下也是同样的，

在永磁体2的厚度Tm小于电磁轭部4的厚度Ty的情况下，永磁体2被第一电磁轭4a以及第二电磁轭4b中的任意一个吸引，因此如图3(G)以及图3(H)所示，使用弹簧等具有弹性的弹性支承体以压制住永磁体2的方式进行支承，并且当为了提高节点力而缩小间隙G时，如图3(G)的弹性支承体7a那样必须通过弹性率高的弹簧等弹性体进行支承，但好不容易才提升的节点力的一部分被弹性率高的弹性体消耗了。

反之当如图3(H)的弹性支承体7b那样扩大间隙G时使用弹性率低的弹性体，节点力的损失也减少，但产生的节点力本身也减少了。像这样即使对电磁轭部3施加相同的电流，间隙G和弹性体的弹性率也关于能够得到的节点力存在折衷的关系。

发明者为了得到更高的节点力，使用仅具备永磁体20和电磁轭部30a的往复运动装置的模型(不具备电磁轭部30b的往复运动装置的模型)重复实施基于有限元法的模拟。

图5为使用往复运动装置的模型的模拟的结果的一例，横轴示出间隙G[mm]，纵轴示出节点力[N]。模拟条件如下：永磁体20的厚度Tm为10mm，磁化方向的宽度为5mm，电磁轭部30a的厚度Ty为4.8mm，线圈32的匝数为800T，施加于线圈32的电流的大小为100mA。此外，永磁体20具有与日立金属株式会社制造的钕磁体NEOMAX42(NEOMAX为注册商标)相当的性能。另外，磁性体芯35以及电磁轭342a、342b的材质为SS400钢。

根据模拟的结果可知：如果永磁体20的厚度Tm为电磁轭部30a的厚度Ty以上，则即使不使用弹簧等进行矫正，电磁轭部30a也不会偏向永磁体20的磁极面202而被吸引，因此尽可能地缩小间隙G，而且即使是相同的驱动电流，间隙G越窄，则初始运动时的Y轴方向上的节点力越增大。

因此，利用往复运动装置10，即使小型也能够产生大能量的振动。

此外，作为往复运动装置10的变形例，可以列举图6(A)～(D)分别示出的往复运动装置400a～400d以及图7(A)～(D)分别示出的往复运动装置500a～500d。

往复运动装置400a～400d的永磁体的厚度或者电磁轭部的形状不同。

往复运动装置500a～500d的设置于永磁体的两磁极面并形成磁路的轭在Y方向上的厚度或者电磁轭部的形状不同。

关于与永磁体的磁极面的尺寸Tm、尺寸Tmy对置的2个电磁轭的磁极面，也可以如图6(D)以及图7(D)那样，以尺寸Ty变得比尺寸Tm、尺寸Tmy小的方式将电磁轭的磁极面的一部分倒角(斜切)。

[第二实施方式]

接下来，对本发明的第二实施方式的往复运动装置10a(参照图8(B)以及图11(B))进行说明。对于与第一实施方式的往复运动装置10(参照图11(A))相同的结构要素赋予相同的附图标记并省略详细说明。

此外，往复运动装置10a也与第一实施方式的往复运动装置10同样地，也可以具备隔着永磁体20而配置于与电磁轭部30a相反侧的电磁轭部30b。

与往复运动装置10相比，往复运动装置10a还具备隔着永磁体20的一组磁性体板(磁性体的一例)80a、80b。

一组磁性体板80a、80b分别为例如板状的磁性体，为1.6mm厚的SS400钢。各磁性体板80a、80b以与永磁体20的磁极方向正交的Y轴方向(方向Y)为厚度方向。

电磁轭部30a配置于该一组磁性体板80a、80b之间。

往复运动装置10a具备隔着永磁体20的一组磁性体板80a、80b，因此与图8(A)所示的第一实施方式的往复运动装置10相比，大幅地抑制了永磁体20的强磁力泄露至外部。

在此，图9为示出与往复运动装置10a以及第一实施方式的往复运动装置10相关的、电磁轭部30a的距中立位置Pc(参照图4(A))的距离[mm]与电磁轭部产生的节点力[N]的关系的曲线图。如图10所示，与往复运动装置10相比，作为移动范围整体，关于往复运动装置10a的电磁轭部30a产生的节点力，在200mA时往复运动装置10a增大为10的约2倍。但是，虽然节点力随着移动而很快大大减少，但是本实施方式的往复运动装置10a的产生的力依然比第一实施方式的往复运动装置10大，节点力成为零的距离也是往复运动装置10a更远。

即，与往复运动装置10相比，即使是相同的电流，往复运动装置10a也能够得到更大的振动，并且抑制永磁体20的强磁力线泄露至外部。

此外，如图11(C)所示的往复运动装置10b那样，不与永磁体20接触，隔着空气、真空、非磁性体来配置磁性体板80a、80b的方式的防磁效果好。

[第三实施方式]

接下来，对本发明的第三实施方式的往复运动装置10ya(参照图12(B))进行说明。对于与图2(A)、(B)、图4(B)以及图12(A)所示的往复运动装置10y相同的结构要素赋予相同的附图标记并省略详细说明。

此外，往复运动装置10b也与第一实施方式的往复运动装置10、10y同样地，可以具备隔着永磁体22而配置于与电磁轭部30a相反的一侧的电磁轭部30b。

与往复运动装置10y相比，往复运动装置10ya还具备隔着永磁体22的一组磁性体板(磁性体的一例)80ya、80yb。

一组磁性体板80ya、80yb分别为例如板状的磁性体，为1.6mm厚的SS400钢。各磁性体板80ya、80yb以与永磁体22的磁极方向正交的Y轴方向(方向Y)为厚度方向。

电磁轭部30a被配置于该一组磁性体板80ya、80yb之间。

如此，往复运动装置10ya具备隔着永磁体22的一组磁性体板80ya、80yb，因此与图12(A)所示的往复运动装置10y相比，大幅抑制了永磁体22的强磁力泄露至外部。

此外，如图12(C)所示的往复运动装置10yb那样，不与永磁体22接触，隔着空气、真空、非磁性体而配置磁性体板80ya、80yb的防磁效果更好。

以上，说明了本发明的实施方式，但是，本发明不限定于上述的实施方式，不脱离主旨的条件的变更等全部为本发明的适用范围。

在上述的实施方式中，往复运动装置的定子为永磁体部侧，动子为线圈侧，但是替代这些，也可以将定子设为线圈侧，将动子设为永磁体部侧。即，只要电磁轭部能够相对于永磁体部进行相对往复运动即可。

另外，虽然电磁轭部30a、30b以中立位置Pc为中心进行了旋转往复运动，但是也可以在Y轴方向上进行往复运动(平移运动)。

在上述实施方式中所说明的往复运动装置不限定用途。往复运动装置也能够适用于例如用于驱动振动体感装置、按摩器、震动机、泵、模仿鱼的所谓鱼机器人的尾鳍部分的驱动装置。