(57)【要約】【課題】本願は、消費電力を低減しながら単発の動作を実現するアクチュエータデバイスを提供することを課題とする。【解決手段】アクチュエータデバイスであり、永久磁石が固定された作動部と、温度に応じて前記永久磁石に反応しない非磁性と前記永久磁石を引き寄せる強磁性とに相変態するメタ磁性体と、前記作動部を前記メタ磁性体から離間する方向へ付勢する弾性体と、前記メタ磁性体の温度調整に伴う相変態によって前記作動部を動かす温度調整部と、を備える。【選択図】図３
2015220797.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石が固定された作動部と、
温度に応じて前記永久磁石に反応しない非磁性と前記永久磁石を引き寄せる強磁性とに相変態するメタ磁性体と、
前記作動部を前記メタ磁性体から離間する方向へ付勢する弾性体と、
前記メタ磁性体の温度調整に伴う相変態によって前記作動部を動かす温度調整部と、を備える、
アクチュエータデバイス。
【請求項２】
前記作動部は、筐体の内部に収容されており、
前記温度調整部は、前記メタ磁性体の温度調整に伴う相変態によって動く前記作動部で前記筐体を打撃する、
請求項１に記載のアクチュエータデバイス。
【請求項３】
前記作動部は、筐体の内部に収容されており、
前記温度調整部は、前記メタ磁性体の温度調整に伴う非磁性から強磁性への相変態によって前記メタ磁性体側へ動く前記作動部で前記筐体を打撃する、
請求項１に記載のアクチュエータデバイス。
【請求項４】
前記温度調整部は、前記メタ磁性体の温度調整に伴う相変態によって動く前記作動部でスイッチの接点を開閉する、
請求項１に記載のアクチュエータデバイス。
【請求項５】
前記メタ磁性体は、前記アクチュエータデバイスの環境温度において非磁性または強磁性を呈し、前記環境温度よりも高い温度で相変態する性質を有しており、
前記温度調整部は、前記メタ磁性体を加熱するヒータの通電状態によって前記メタ磁性体を温度調整する、
請求項１から４の何れか一項に記載のアクチュエータデバイス。
【請求項６】
前記メタ磁性体は、前記ヒータの表面に成膜されたメタ磁性薄膜によって形成される、
請求項５に記載のアクチュエータデバイス。
【請求項７】
前記ヒータは、基板の表面に成膜されたヒータ薄膜によって形成される、
請求項５または６に記載のアクチュエータデバイス。
【請求項８】
前記ヒータは、線状のヒータ線であり、
前記メタ磁性体は、前記ヒータ線の表面に付着させたメタ磁性粉体によって形成される、
請求項５に記載のアクチュエータデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、アクチュエータデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話やスマートフォン、タブレットＰＣ（Personal Computer）といった各
種の電子機器が普及している。ユーザは、電子機器を携帯している場合、電子機器の振動を触知することができる。そこで、電子機器は、内蔵しているアクチュエータデバイスで自身を振動させることにより、各種の情報をユーザに提示する。電子機器がユーザに触覚を通じて提示する情報としては、例えば、タッチパネルがタッチ操作されたことに対する応答、電話の着信やメールの受信があったことの通知等が挙げられる。
【０００３】
電子機器を振動させるアクチュエータデバイスには、消費電力の低減や小型化、発生する振動の強化が求められる。小型でありながら比較的強い振動が得られるアクチュエータデバイスとしては、例えば、共振型のリニア振動アクチュエータ（ＬＲＡ：ｌｉｎｅａｒ
ｒｅｓｏｎａｎｔ  ａｃｔｕａｔｏｒ）等が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−０１４６６０号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】A. Barcza, Z. Gercsi, H. Michor, K. Suzuki, W. Kockelmann, K. S. Knight, and K. G. Sandeman 著、「Magnetoelastic coupling and competing entropy changes in substituted CoMnSi metamagnets」、（アメリカ合衆国）、Physical Review B、Vol 87、2013年2月8日、064410-1―064410-11
【非特許文献２】Y. Nishihara 著、「Magnetic properties of Laves phase compounds with iron」、（オランダ）、Journal of Magnetism and Magnetic Materials、Vol 70、1987年12月1日、p.75-80
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
共振型の振動子は、バネに連結された磁石を電磁コイルで振動させることで、比較的強い振動を発生できる。しかし、共振型の振動子は、残留振動が大きく、振動子停止後も振動が続く。よって、共振型の振動子は、例えば、押しボタンを押した時に指に伝わる衝撃のような、いわゆる単発の歯切れの良い振動を実現することが難しい。そこで、振動子を振動させる電磁コイルに対し、例えば、逆起電力のフィードバック制御や逆位相入力といった様々な残留振動の低減技術を適用することも考えられる。しかし、共振型の振動子は、残留振動を可及的に抑制しても、残留振動そのものを解消することは難しい。
【０００７】
そこで、本願は、消費電力を低減しながら単発の動作を実現するアクチュエータデバイスを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本願は、次のようなアクチュエータデバイスを開示する。
永久磁石が固定された作動部と、
温度に応じて前記永久磁石に反応しない非磁性と前記永久磁石を引き寄せる強磁性とに相変態するメタ磁性体と、
前記作動部を前記メタ磁性体から離間する方向へ付勢する弾性体と、
前記メタ磁性体の温度調整に伴う相変態によって前記作動部を動かす温度調整部と、を備える、
アクチュエータデバイス。
【発明の効果】
【０００９】
上記アクチュエータデバイスであれば、消費電力を低減しつつ単発の振動を発生できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、実施形態に係るアクチュエータデバイスの構成図の一例である。
【図２】図２は、ＮｉＣｏＭｎＩｎ合金の相変態をイメージした図の一例である。
【図３】図３は、実施形態に係るアクチュエータデバイスの動作状態を示した図の一例である。
【図４】図４は、比較例に係るアクチュエータデバイスの動作状態を示した図の一例である。
【図５】図５は、アクチュエータデバイスの振動を表したグラフの一例である。
【図６】図６は、メタ磁性体およびヒータの構造を示した図の第１例である。
【図７】図７は、メタ磁性体およびヒータの構造を示した図の第２例である。
【図８】図８は、メタ磁性体およびヒータの構造を示した図の第３例である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、実施形態について説明する。以下に示す実施形態は、単なる例示であり、本開示の技術的範囲を以下の態様に限定するものではない。
【００１２】
図１は、実施形態に係るアクチュエータデバイスの構成図の一例である。アクチュエータデバイス１は、図１に示すように、ハンマ２、メタ磁性体３、バネ４、ヒータ５を備える。ハンマ２やメタ磁性体３、バネ４、ヒータ５は、筒状の外装６に収容されている。ハンマ２は、本願でいう「作動部」の一例である。外装６は、本願でいう「筐体」の一例である。ヒータ５は、本願でいう「温度調整部」の一例である。
【００１３】
ハンマ２は、外装６の内部で揺り動くことが可能な振動子の一種であり、外装６を打撃して振動を発生させる。アクチュエータデバイス１が発生する振動の強さは、外装６が打撃された際の衝撃力に比例する。よって、ハンマ２は、外装６を打撃した際に所望の衝撃力が得られる適度な質量の材料が選択されることが好ましい。
【００１４】
メタ磁性体３は、温度に応じて永久磁石に反応しない非磁性（例えば、常磁性もしくは反磁性が挙げられる。以下、同様）と永久磁石を引き寄せる強磁性とに相変態する部材である。ここで、本願でいう「永久磁石に反応しない非磁性」とは、永久磁石に何ら反応しない性質に限定されるものでなく、永久磁石に殆ど反応しない性質を含む概念であり、例えば、非磁性の状態にあるメタ磁性体３がハンマ２に取り付けられた永久磁石に反応してもハンマ２を引き寄せることができない程度の反応度合いを含む。永久磁石に反応しない非磁性としては、例えば、常磁性もしくは反磁性を例示できる。メタ磁性体３は、ヒータ５の通電状態に応じて相変態する材料で形成されている。すなわち、メタ磁性体３は、ヒータ５が非通電状態において非磁性を呈し、ヒータ５が通電状態において強磁性を呈する材料、或いは、ヒータ５が非通電状態において強磁性を呈し、ヒータ５が通電状態において非磁性を呈する材料で形成されている。メタ磁性体３が強磁性を呈すると、ハンマ２に固定された永久磁石７の磁気誘引力がメタ磁性体３に作用する。
【００１５】
バネ４は、押圧されると反発力を発揮する弾性体の一種であり、ハンマ２をメタ磁性体
３から離間する方向へ付勢する。バネ４の付勢により、ハンマ２は、外装６の内壁に押し付けられる。バネ４は、メタ磁性体３が強磁性を呈していない状態において、ハンマ２をメタ磁性体３から離間させる程度の力をハンマ２に加える。しかし、バネ４がハンマ２に加える力は、強磁性を呈している状態のメタ磁性体３に作用する永久磁石７の磁気吸引力よりも弱い。よって、メタ磁性体３が強磁性を呈する状態において、ハンマ２は、メタ磁性体３側に引き寄せられることになる。
【００１６】
ところで、強磁性を呈している状態のメタ磁性体３に永久磁石７の磁気誘引力を効果的に作用させるには、バネ４や外装６、ヒータ５、ハンマ２といったメタ磁性体３と永久磁石７の周辺にある部材が磁石につきにくいいわゆる非磁性材料と呼ばれるもので形成されていることが好ましい。バネ４や外装６、ヒータ５の形成に好適な非磁性の材料としては、例えば、ＳＵＳ３０４といったオーステナイト系のステンレス材が挙げられる。また、ハンマ２の形成に好適な非磁性の材料としては、例えば、質量が比較的大きく非磁性の銅が挙げられる。
【００１７】
アクチュエータデバイス１が、例えば、携帯電話やスマートフォン、タブレットＰＣといった携帯可能な電子機器に内蔵される場合、ヒータ５が非通電状態になるとメタ磁性体３は概ね環境温度（常温という場合もある）になると考えられる。そこで、アクチュエータデバイス１が携帯電話やスマートフォン、タブレットＰＣといった携帯可能な電子機器に内蔵される場合には、メタ磁性体３を形成する材料として、例えば、ＮｉＣｏＭｎＩｎ合金、ＣｏＭｎＳｉ合金、或いは（Ｈｆ，Ｔａ）Ｆｅ2合金が好適である。メタ磁性体３
をＮｉＣｏＭｎＩｎ合金で形成した場合、ヒータ５が非通電状態の温度で常磁性を呈し、ヒータ５が通電状態の高温で強磁性を呈する。また、メタ磁性体３をＣｏＭｎＳｉ合金で形成した場合、ヒータ５が非通電状態の温度で反磁性を呈し、ヒータ５が通電状態の高温で強磁性を呈する。また、メタ磁性体３を（Ｈｆ，Ｔａ）Ｆｅ2合金で形成した場合、ヒ
ータ５が非通電状態の温度で強磁性を呈し、ヒータ５が通電状態の高温で反磁性を呈する。よって、ＮｉＣｏＭｎＩｎ合金、ＣｏＭｎＳｉ合金、でメタ磁性体３を形成すれば、ヒータ５を非通電状態にするだけでメタ磁性体３が降温し、メタ磁性体３が非磁性を呈する状態にすることができる。また、（Ｈｆ,Ｔａ）Ｆｅ2合金でメタ磁性体３を形成すれば、ヒータ５を非通電状態にするだけでメタ磁性体３が降温し、メタ磁性体３が磁性を呈する状態にすることができる。
【００１８】
なお、ヒータ５が非通電状態の温度で常磁性を呈し、ヒータ５が通電状態の高温で強磁性を呈するＮｉＣｏＭｎＩｎ合金以外の材料としては、例えば、ＮｉＭｎＩｎやＮｉＣｏＭｎＳｎがある。また、ヒータ５が非通電状態の温度で反磁性を呈し、ヒータ５が通電状態の高温で強磁性を呈するＣｏＭｎＳｉ合金以外の材料としては、例えば、ＣｏＮｉＭｎＳｉ、ＣｏＭｎＦｅＳｉ、ＣｏＭｎＣｒＳｉがある。また、ヒータ５が非通電状態の温度で強磁性を呈し、ヒータ５が通電状態の高温で反磁性を呈する（Ｈｆ，Ｔａ）Ｆｅ2以外
の材料としては、例えば、（Ｓｃ，Ｔｉ）Ｆｅ2がある。
【００１９】
ところで、メタ磁性体３及びヒータ５は、図１に示されるように、空冷の促進や機械的なダメージに伴う損傷の防止を図るために、外装６の内壁面に形成された凹状の窪みに内置されたメタ磁性体３の上側とヒータ５の下側にスペースが確保されている。しかし、アクチュエータデバイス１は、メタ磁性体３及びヒータ５をこのように配置したものに限定されるものではない。アクチュエータデバイス１は、メタ磁性体３がハンマ２に接触する構造を有していてもよいし、ヒータ５の下側が外装６に密着する構造を有していてもよい。
【００２０】
図２は、ＮｉＣｏＭｎＩｎ合金の相変態をイメージした図の一例である。ＮｉＣｏＭｎＩｎ合金は、マルテンサイト変態温度（ＴＭ）以下になると原子中の電子スピンの向きが
互い違いとなり、常磁性を呈する。また、ＮｉＣｏＭｎＩｎ合金は、オーステナイト変態温度（ＴＡ）以上になると原子中の電子スピンが同一の向きに揃い、強磁性を呈する。
【００２１】
図３は、実施形態に係るアクチュエータデバイス１の動作状態を示した図の一例である。上記アクチュエータデバイス１は、ハンマ２が外装６を打撃して振動を発生しているため、残留振動の無い単発の振動を発生できる。
【００２２】
例えば、メタ磁性体３をＮｉＣｏＭｎＩｎ合金あるいはＣｏＭｎＳｉ合金で形成したアクチュエータデバイス１の場合、ヒータ５を通電すると、永久磁石７がメタ磁性体３側に磁気誘引力で引き寄せられてハンマ２が外装６を打撃し、アクチュエータデバイス１が単発の振動を発生する。すなわち、図３の（１）に示す状態から（２）に示す状態へ遷移する。また、ヒータ５の通電を停止すると、ハンマ２をメタ磁性体３から離間する方向へ付勢するバネ４の力でハンマ２が押し戻される。すなわち、図３の（２）に示す状態から（１）に示す状態へ遷移する。
【００２３】
また、メタ磁性体３を（Ｈｆ，Ｔａ）Ｆｅ2合金で形成したアクチュエータデバイス１
の場合、ヒータ５の通電を停止すると、永久磁石７がメタ磁性体３側に磁気誘引力で引き寄せられてハンマ２が外装６を打撃し、アクチュエータデバイス１が単発の振動を発生する。すなわち、図３の（１）に示す状態から（２）に示す状態へ遷移する。また、ヒータ５を通電すると、ハンマ２をメタ磁性体３から離間する方向へ付勢するバネ４の力でハンマ２が押し戻される。すなわち、図３の（２）に示す状態から（１）に示す状態へ遷移する。
【００２４】
バネ４がハンマ２に及ぼす力の強さは、ハンマ２の移動距離に正比例する。一方、永久磁石７とメタ磁性体３との間に作用する磁力の強さは、相対距離の２乗に比例する。よって、メタ磁性体３の非磁性から強磁性体への相変態に伴ってメタ磁性体３側に移動するハンマ２は、移動が進むに従って徐々に加速することになる。従って、ハンマ２は、バネ４の力に打ち勝って外装６を十分に打撃可能である。しかし、本実施形態に係るアクチュエータデバイス１は、ハンマ２がメタ磁性体３側に移動して外装６を打撃した際に発生する振動を発生する使用態様に限定されるものではない。例えば、本実施形態に係るアクチュエータデバイス１は、ヒータ５の通電を停止することにより、バネ４に押し戻されたハンマ２が外装６を打撃して単発の振動を発生するようにしてもよい。
【００２５】
上記実施形態に係るアクチュエータデバイス１の効果を検証したので、その結果を以下に説明する。
【００２６】
図４は、比較例に係るアクチュエータデバイスの動作状態を示した図の一例である。比較例に係るアクチュエータデバイス１０１は、図４に示すように、振動子１０２や電磁石１０３、バネ１０４を備える。振動子１０２や電磁石１０３、バネ１０４は、筒状の外装１０６に収容されている。振動子１０２は、外装１０６を起振させるのに十分な質量を有しており、電磁石１０３の磁力で動く材料（例えば、永久磁石）で形成されている。振動子１０２は、バネ１０４に支持されているため、バネ１０４が伸縮すると揺り動く。比較例に係るアクチュエータデバイス１０１は、電磁石１０３に交流波形の電流を通電して振動子１０２を揺り動かし、外装１０６を起振する。
【００２７】
図５は、アクチュエータデバイスの振動を表したグラフの一例である。図５に示す各グラフは、縦軸が加速度、横軸が時間を示している。図５（１）に示すグラフは、機械式の押しボタンを押した際に発生する衝撃の振動を表したグラフの一例である。図５（２）に示すグラフは、比較例に係るアクチュエータデバイス１０１のように、バネ１０４に支持される振動子１０２を電磁石１０３で振動させ、残留振動を逆起電力のフィードバック制
御で抑制した場合の振動を表したグラフの一例である。
【００２８】
上記実施形態に係るアクチュエータデバイス１は、ハンマ２が外装６を打撃して振動を発生しているため、押しボタンを押した際に発生する衝撃に近似する振動を生じ、振動図５（１）のグラフが示す波形のような残留振動の無い単発の振動を発生すると考えられる。実施形態に係るアクチュエータデバイス１は、ハンマ２が外装６を打撃して振動を発生しているため、図５（１）のグラフと図５（２）のグラフとを見比べると明らかなように、残留振動の無い単発の歯切れの良い振動を実現できることが判る。
【００２９】
また、上記アクチュエータデバイス１の振動は、永久磁石７の磁気誘引力によって発生している。すなわち、上記アクチュエータデバイス１は、単にメタ磁性体３の磁相を相変態させる電力を消費するに過ぎない。よって、アクチュエータデバイス１は、例えば、電磁石で振動子を動かすものよりも低い消費電力で振動を発生することができる。一般的な電磁石が発生可能な磁力は、メタ磁性体３の材料の一例として挙げたＮｉＣｏＭｎＩｎ合金の磁力の４０乃至５０分の１程度しか無い。よって、厳密な比較は現実的に困難であるが、仮に上記実施形態に係るアクチュエータデバイス１の永久磁石７とメタ磁性体３とが協働して行うのと同等の動作を電磁石で実現する場合、電磁石の消費電力は、ヒータ５の消費電力の概ね１００倍以上という試算結果が得られている。
【００３０】
なお、メタ磁性体３やヒータ５は、熱容量の比較的小さい材料で形成されることが好ましい。メタ磁性体３やヒータ５を形成する材料の熱容量が小さいと、加熱による昇温や放熱による降温が速やかに行われるため、ヒータ５の通電制御によってメタ磁性体３の速やかな相変態を実現できる。すなわち、例えば、単発の振動を発生させる場合に、ヒータ５に通電して単発の振動を発生させた後に通電を直ちに停止することにより、外装６を打撃したハンマ２を元の位置に速やかに戻すことができる。
【００３１】
なお、メタ磁性体３およびヒータ５は、例えば、以下のようにして形成することができる。
【００３２】
図６は、メタ磁性体３およびヒータ５の構造を示した図の第１例である。ヒータ５は、例えば、図６に示すように、ガラス等によって形成される基板８Ａの表面に、Ｐｔ等によって線状に成膜したヒータ薄膜５Ａによって実現することができる。ヒータ５が基板８Ａの表面に形成したヒータ薄膜５Ａによって実現されていれば、メタ磁性体３を実現するメタ磁性薄膜３Ａを、シリカ等によって形成される絶縁薄膜９Ａを介して基板８Ａの表面に成膜することができる。すなわち、メタ磁性体３およびヒータ５を極めて薄く形成できるので、熱容量の削減が容易である。
【００３３】
図７は、メタ磁性体３およびヒータ５の構造を示した図の第２例である。ヒータ５は、例えば、図７に示すように、ＳＯＧ（Silicon-on-glass）技術を使ってＳｉやＳｉＯ2等
により作成したブリッジ構造を有する基板８Ｂの表面に絶縁薄膜９ＢＢを介して線状に成膜したヒータ薄膜５Ｂによって実現することもできる。そして、メタ磁性体３は、ヒータ薄膜５Ｂの表面に絶縁薄膜９ＢＵを介して線状に成膜したメタ磁性薄膜３Ｂによって実現することもできる。ブリッジ構造を有する基板８Ｂであれば、基板８Ｂの減肉が容易である。よって、メタ磁性体３およびヒータ５を形成する材料全体の熱容量の削減が容易である。
【００３４】
図８は、メタ磁性体３およびヒータ５の構造を示した図の第３例である。ヒータ５は、例えば、図８に示すように、ヒータ線５Ｃによって実現することもできる。そして、メタ磁性体３は、ヒータ線５Ｃの表面を覆う絶縁薄膜９Ｃの表面に耐熱性の接着剤等で付着させたメタ磁性粉体３Ｃによって実現することもできる。メタ磁性体３およびヒータ５が、
ヒータ線５Ｃを母材として線状に形成されていれば、基板８Ａ，８Ｂに支持された状態で実現される場合よりも基板８Ａ，８Ｂの熱容量の削減が図られるため、メタ磁性体３およびヒータ５を形成する材料全体の熱容量の削減が容易である。
【００３５】
なお、アクチュエータデバイス１は、ヒータ５の通電を繰り返すことにより、連続的な振動を発生することもできる。また、上記アクチュエータデバイス１は、外装６の内部に設けたスイッチの接点を、永久磁石７が固定された導電性の部材（本願でいう「作動部」の一例である）で開閉するスイッチとして機能させてもよい。
【符号の説明】
【００３６】
１，１０１・・アクチュエータデバイス：２・・ハンマ：３・・メタ磁性体：３Ａ，３Ｂ・・メタ磁性薄膜：３Ｃ・・メタ磁性粉体：４，１０４・・バネ：５・・ヒータ：５Ａ，５Ｂ・・ヒータ薄膜Ｃ：５Ｃ・・ヒータ線：６，１０６・・外装：７・・永久磁石：８Ａ，８Ｂ・・基板：９Ａ，９ＢＢ，９ＢＵ，９Ｃ・・絶縁薄膜：１０２・・振動子：１０３・・電磁石
【図１】
2015220797.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2015220797.tif 000007
【図６】
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【図７】
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【図８】
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