(57)【要約】  本明細書は、平面基板上に構成されたモータ及びモータ構成要素を開示する。一部の実施では、平面基板は、プリント回路基板（「ＰＣＢ」）のような硬質又は半硬質シート材料から製造される。１又は２以上のコイルが、基板の前面及び／又は裏面の上に重なる螺旋状導電トレースを使用して形成される。一実施では、複数の交互する右巻き及び左巻き螺旋状導電トレースは、絶縁層によって分離され、かつ導電ビアを用いて接続されて誘導コイルを形成する。代替コイル構成は、単一駆動逆巻きコイルと中心鉄心又は磁心を有するコイルとを含む。【選択図】図４Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面基板と、
前記平面基板の上に重なり、かつ開口部の周りに巻かれた螺旋状導電トレースと、
振動電流が前記螺旋状導電トレースに印加されたときに前記開口部内で振動する磁気電機子と、
を含む、モータアセンブリ。
【請求項２】
前記平面基板は、前面及び裏面を有し、
前記螺旋状導電トレースは、前記前面の上に重なり、
前記モータアセンブリは、
前記螺旋状導電トレースと反対の回転方向を有し、かつ前記裏面の上に重なる第２の螺旋状導電トレースと、
前記螺旋状導電トレース及び前記第２の螺旋状導電トレースを接続する第１の導電ビアと、
を更に含む、請求項１に記載のモータアセンブリ。
【請求項３】
前記螺旋状導電トレースの上に重なる第１の絶縁層と、
前記螺旋状導電トレースとは反対に巻かれ、かつ前記第１の絶縁層の上に重なる第３の螺旋状導電トレースと、
前記第２の螺旋状導電トレースの上に重なる第２の絶縁層と、
前記第２の螺旋状導電トレースとは反対に巻かれ、かつ前記第２の絶縁層の上に重なる第４の螺旋状導電トレースと、
前記螺旋状導電トレース及び前記第３の螺旋状導電トレースを接続する第２の導電ビアと、
前記第２の螺旋状導電トレース及び前記第４の螺旋状導電トレースを接続する第３の導電ビアと、
を更に含む、請求項２に記載のモータアセンブリ。
【請求項４】
電流が前記第３の螺旋状導電トレースに印加されたときに、該電流は、前記第４の螺旋状導電トレースを通って共通の巻き方向に流れる、請求項３に記載のモータアセンブリ。
【請求項５】
電流が前記第３の螺旋状導電トレースに印加されたときに、該電流は、前記螺旋状導電トレース及び前記第３の螺旋状導電トレースを通って第１の巻き方向に、かつ前記第２の螺旋状導電トレース及び前記第４の螺旋状導電トレースを通って第２の巻き方向に流れる、請求項３に記載のモータアセンブリ。
【請求項６】
前記磁気電機子を中央の位置に戻す保持バネ、
を更に含む、請求項１に記載のモータアセンブリ。
【請求項７】
前記保持バネは、空隙を前記平面基板と前記磁気電機子との間に保持しながら該磁気電機子の上に及び該平面基板の上に成形された可撓性ポリマーから作られる、請求項６に記載のモータアセンブリ。
【請求項８】
前記保持バネは、
第１の上側端部、第２の上側端部、及び中心上側部分を有する上側保持バネと、
第１の下側端部、第２の下側端部、及び中心下側部分を有する下側保持バネと、
前記基板を貫通し、かつ前記第１の下側端部を前記第１の上側端部に接続する第１のタイと、
前記基板を貫通し、かつ前記第２の下側端部を前記第２の上側端部に接続する第２のタイと、
を含む、請求項６に記載のモータアセンブリ。
【請求項９】
前記磁気電機子から離して位置決めされ、かつ該磁気電機子の磁気方位の反対である磁気方位を有する磁気保持器、
を更に含む、請求項１に記載のモータアセンブリ。
【請求項１０】
前記磁気保持器は、前記螺旋状導電トレースを取り囲む、請求項９に記載のモータアセンブリ。
【請求項１１】
前記モータを取り囲むコアを更に含む、請求項１に記載のモータアセンブリ。
【請求項１２】
平面基板と、
前記平面基板の上に重なる螺旋状導電トレースと、
振動電流が前記螺旋状導電トレースに印加されたときに前記平面基板の上方で振動する磁気電機子と、
を含む、モータアセンブリ。
【請求項１３】
前記磁気電機子に取り付けられた保持バネ、
を更に含む、請求項１２に記載のモータ。
【請求項１４】
前記平面基板の下に位置決めされる第２の磁気電機子と、
前記平面基板における開口部と、
前記開口部に位置決めされて前記磁気電機子を前記第２の磁気電機子に接続するタイと、
を更に含む、請求項１３に記載のモータアセンブリ。
【請求項１５】
前記平面基板における前記開口部を埋める鉄スリーブ、
を更に含む、請求項１４に記載のモータアセンブリ。
【請求項１６】
前記磁気電機子に積層され、かつ前記タイの第１の端部に接続された第１の末端キャップと、
前記第２の磁気電機子に積層され、かつ前記タイの第２の端部に接続された第２の末端キャップと、
を更に含む、請求項１５に記載のモータアセンブリ。
【請求項１７】
平面基板と、
前記平面基板の上に重なる螺旋状導電トレースと、
前記螺旋状導電トレースの周りに形成された外側脚部及び前記平面基板における開口部に位置決めされた中心脚部を有するＥ型コアと、
前記Ｅ型コアの２つの前記外側脚部の間に位置決めされ、かつタイを用いて接続された第１の磁石及び第２の磁石を有する電機子アセンブリと、
前記電機子アセンブリに接続された保持バネと、
を含む、モータアセンブリ。
【請求項１８】
平面基板と、
前記基板に取り付けられ、該平面基板とほぼ垂直な振動運動を生成し、かつ独立に作動可能である複数の振動モータと、
を含む、モータアレイ。
【請求項１９】
前記平面基板は、携帯電話ケースである、請求項１８に記載のモータアレイ。
【請求項２０】
前記携帯電話からの通知が、隣接する振動モータの連続的起動を引き起こして振動波を生成する、請求項１９に記載のモータアレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
〔関連出願への相互参照〕
本出願は、２０１３年９月１３日出願の米国特許仮出願第６１／８８７，６０２号の利益を主張するものである。
【０００２】
本発明の開示は、電気モータの分野、特に、振動電気モータに関する。
【背景技術】
【０００３】
振動の形態の触覚フィードバックは、ユーザが彼らの電子デバイスと相互作用するような役割を果たす。例えば、携帯電話の振動は、到着メッセージ又は警報をユーザに通知する。小型形状因子モバイルデバイスにおいて振動を発生するモータは、制限された範囲の振動周波数を生成する傾向がある。現在のモータ技術は、不均衡負荷を回転させることによって振動を発生する小型ＤＣ回転モータ、及び典型的に単一共振周波数の近くで振動する圧電振動子を含む。その結果、モバイルデバイス設計者は、ＯＮ−ＯＦＦ及びＯＮ−ＯＦＦ−ＯＮ−ＯＦＦのような振動パターンを使用して異なるタイプのデバイス通知を区別することに制限される。ほとんどの人の能力は、３から４よりも多い異なるタイプの単一周波数ＯＮ−ＯＦＦ振動パターンを確実に覚えて、それらを与えられた通知タイプに適合させることに制限されている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本明細書は、平面基板上に構成されたモータ及びモータ構成要素を開示する。一部の実施では、平面基板は、プリント回路基板（「ＰＣＢ」）のような硬質又は半硬質シート材料から製造される。１又は複数のコイルが、基板の前面及び／又は裏面の上に重なる螺旋状導電トレース(spiral-shaped conductive trace)を使用して形成される。一実施では、複数の交替する右巻き及び左巻き螺旋状導電トレースは、絶縁層によって分離され、かつ導電ビアを用いて接続されて誘導コイルを形成する。代替コイル構成は、単一駆動逆巻きコイル、及び中心鉄心又は磁心を有するコイルを含む。
【０００５】
ある実施では、このコイル構造は、固定子として用いられる。一実施では、固定子は、基板において開口部の周りに形成され、磁気駆動要素が、開口部に保持され、かつ固定子に印加される信号に応答して基板の面と垂直に移動する。別の実施では、基板の面上の駆動要素は、基板の面と平行に移動する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１のコイル層を示す図である。
【図２】第２のコイル層を示す図である。
【図３Ａ】２つのコイル層を有する固定子の断面図である。
【図３Ｂ】４つのコイル層を有する固定子の断面図である。
【図３Ｃ】２つのコイル層を有する固定子の断面図である。
【図４Ａ】基板の面と垂直な駆動力を有するモータを示す図である。
【図４Ｂ】磁気電機子が上方位置にある状態でのモータを示す図である。
【図４Ｃ】磁気電機子が下方位置にある状態でのモータを示す図である。
【図４Ｄ】８層ＰＣＢ上に構成されたモータを示す図である。
【図５】保持バネ要素を有するモータを示す図である。
【図６】オーバーモールドされた保持要素を有するモータを示す図である。
【図７Ａ】対称磁石保持要素を有するモータを示す図である。
【図７Ｂ】非対称磁石保持要素を有するモータを示す図である。
【図８】磁心材料でカプセル封入されたモータを示す図である。
【図９Ａ】円盤状磁気電機子を有するモータを示す図である。
【図９Ｂ】円盤状磁気電機子を有するモータを示す図である。
【図１０Ａ】円盤状磁気電機子が中心タイによって保持されたモータを示す図である。
【図１０Ｂ】円盤状磁気電機子が中心タイによって保持されたモータを示す図である。
【図１０Ｃ】磁気的に位置合わせした磁気電機子が中心タイによって保持されたモータを示す図である。
【図１１】ワッシャー状磁気電機子が保持キャップを有する中心タイによって保持されたモータを示す図である。
【図１２Ａ】ＰＣＢの面と平行な駆動力を有するモータを示す図である。
【図１２Ｂ】ＰＣＢの面と平行な駆動力を有するモータの上面図である。
【図１３】モータアレイを示す図である。
【図１４】モータアレイの作動モードを示す図である。
【図１５】スマートフォン上に設置されたモータアレイを示す図である。
【図１６Ａ】電流を発生させるための第１のコイル構成を示す図である。
【図１６Ｂ】電流を発生させるための第２のコイル構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本明細書は、平面基板上に構成されたモータ及びモータ構成要素を開示する。ある実施では、モータは、携帯電話のようなパーソナルモバイルデバイスで用いられ、異なる周波数で振動して異なるタイプの通知をユーザに指示することができる。一部のモバイルデバイス上では、人間のユーザが識別することができる振動の特徴的なパターンを生成するためにいくつかのモータがアレイで用いられる。本明細書は、４つの節に編成されている。第１の節は、１又は複数の螺旋状導電トレースから構成されるコイルを含むモータ構成要素を説明する。第２の節は、線形振動運動を生成することができる様々なモータを説明する。第３の節は、モータの様々な用途を説明する。最後の節は、モータが発電機として適用される方法を説明する。
【０００８】
モータ構成要素
モータは、電磁力を通して相互作用して運動を生成する可動及び不動構成要素を含む。不動構成要素は、磁場を生成する固定子を含む。固定子は、１又は複数のコイルを使用することによって作成することができる。ある実施では、平面基板と一体化するようになった固定子は、１又は複数の螺旋状導電トレースの組合せを使用して生成される。
【０００９】
図１は、第１のコイル層を示している。第１のコイル層１００は、基板１０２と、螺旋外側から螺旋内側に時計回り方向に巻かれた螺旋状トレース１０４とを含む。螺旋状トレース１０４は、中心コアを取り囲み、基板１０２の上に重なっている。一部の実施では、基板１０２は、プリント回路基板である。トレースの幅及び厚みは、得られるコイルの導電性に影響を与える。一般的に、より厚くかつより幅広のトレースは、より小さい電気抵抗を有し、より小さい抵抗及びより高い送電容量を有するコイルをもたらす。より広いコア径を有する螺旋及びより多い巻き数を有する螺旋は、それに応じてより大きいインダクタンスを有するコイルを生成する。螺旋の中心にある空芯を有する螺旋状トレース１０４のインダクタンスは、
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のように表され、ここで、ｒは、インチでのコア半径であり、Ｎは、巻き数であり、Ｗは、インチでの巻き線の全体幅である。得られるコイルのインダクタンスは、本明細書において後に示すように、上述のパラメータを変更することにより、及びコア材料の選択により調節することができる。
【００１０】
第１の接続パッド１０６及び第２の接続パッド１０８が、螺旋状トレース１０４の端部を終端する。ある実施では、第１の接続パッド１０６及び／又は第２の接続パッド１０８は、第１のコイル層を他のコイル層に又は基板上に構成された電気回路に接続する１又は複数の導電ビアに組み込まれる。追加の接続パッド１１０、１１２、１１４、及び１１６は、接続点を提供することができ、又はトレースの複数の層を接続するビアに組み込むことができる。
【００１１】
図１は、これに加えて、特定のモータ実施におけるいくつかのモータ要素の配置を示している。円形開口部１１８が、螺旋状トレース１０４の中心にある。円形開口部は、電機子(armature)１２０のための空間を提供する。電機子１２０は、鉄金属又は磁性材料から製造することができ、かつコイル層に印加される駆動電流に応答して基板１０２の面と実質的に垂直な方向に移動する。センタリングバネ(centering spring)１２２が、基板１０２内の円形開口部１１８に電機子１２０を保持し、かつ基板と垂直な制限された移動を可能にする。
【００１２】
ある実施では、トレース及び接続パッドは、金属、銅、アルミニウム、又は導電性合金のような導電材料から製造される。第１のコイル層１００上のトレース及び接続パッドは、公知のプリント回路基板（「ＰＣＢ」）製造技術を使用して製作することができる。一部の実施では、ホイルデカール(foil decal)が、作成されて基板１０２上に積層される。多層コイルの構成は、多層ＰＣＢ構成、絶縁層によって分離された積層ホイルデカール、及び２面ＰＣＢ構成を含むいくつかの技術を使用して達成される。一部の実施では、トレース及び接続パッドは、基板１０２内に埋め込まれる。
【００１３】
図２は、第２のコイル層を示している。第２のコイル層２００は、第１のコイル層１００の構成に関して既に説明した技術を使用して構成される。螺旋状トレース２０２は、開始接続パッド２０４から終了接続パッド２０６まで時計回り方向に巻かれる。図１のコイル層は、図２のコイル層の上に位置決めされ、これら２つの層は、図１での第２の接続パッド１０８が図２での開始接続パッド２０４の上に重なり、図１での接続パッド１１０が図２での終了接続パッド２０６に位置合わせするように互いに位置合わせされる。ＰＣＢビアは、図１での第２の接続パッド１０８と開始接続パッド２０４の間の電気接続を形成する。図１での第１のコイル層１００及び図２での第２のコイル層２００がこのようにして接続されて通電されるときに、これらの層のインダクタンスは加算的である。一作動モードでは、電流は、第１の接続パッド１０６から開始して図１のコイル層内に、コイルの周りを時計回りに第２の接続パッド１０８に、ビアを通って開始接続パッド２０４に、かつ時計回りに終了接続パッド２０６に流れる。追加コイル層の追加により、得られるコイルの総計インダクタンスが大きくなる。追加接続パッド２０８、２１０、２１２、及び２１４は、追加コイル層に接続するビアのための接続点及び支持体を提供する。ある実施では、上述したものと同様の方法を使用して追加コイル層をコイルに追加することができる。追加コイル層は、絶縁層によって分離されるか、又は絶縁基板の両側に置かれる。ある実施では、多層コイルが、モータ内の固定子として使用される。
【００１４】
図３Ａは、２つのコイル層を有する固定子の断面図である。第１のコイル層３０２及び第２のコイル層３０４は、ＰＣＢのような絶縁平面基板３０６に積層される。第１及び第２のコイル層３０２及び３０４は、絶縁層によって分離され、かつビア３０８を用いて互いに電気的に接続される。固定子は、第１の接続パッド３１０及び第２の接続パッド３１２によって駆動される。ある実施では、第２の接続パッド３１２は、ビアを使用してＰＣＢの前面に経路指定される。固定子を通電することに応答して基板の面と垂直に移動する電機子のための開口部３１４が設けられる。第１及び第２のコイル層は、図１及び２に示されているコイル層を使用して、又はコイル層が開口部３１４の周りで単一回転方向をもたらすように配列された同様のトレースパターンを用いて構成することができる。図３Ａに示されている実施は、平面基板の両面に積層された追加コイル層を含むように拡張することができる。
【００１５】
図３Ｂは、４つのコイル層を有する固定子の断面図である。第１の前面コイル層３５０及び第２の前面コイル層３５２は、ＰＣＢのような絶縁平面基板３５４の前面に積層される。第１の裏面コイル層３５６及び第２の裏面コイル層３５８は、絶縁平面基板３５４の裏面に積層される。第１のビア３６０は、第１の前面コイル層３５０の端部を第２の前面コイル層３５２の開始部に電気的に接続する。第２のビア３６２は、第１の裏面コイル層３５６の端部を第２の裏面コイル層３５８の開始部に電気的に接続する。基板交差ビア３６４は、第１の前面コイル層３５０の端部を第１の裏面コイル層３５６の端部に接続する。電流が、入口接続パッド３６６に入って４つのコイル層を通過するときに、電流は、電流が出口接続パッド３６８から出るまで単一回転方向に進行する。図３Ｂでの固定子のインダクタンスは、図３Ａに示されている固定子のインダクタンスのほぼ２倍である。
【００１６】
図３Ｃは、２つのコイル層を有する固定子の断面図である。前面コイル層３８０及び裏面コイル層３８２は、ＰＣＢのような絶縁平面基板３８４の両面上に積層される。ビア３８８は、前面コイル層３８０を裏面コイル層３８２に電気的に接続し、開口部３９０の周りで単一方向に巻かれたコイルを形成する。接続パッド３９２及び３９４は、コイルを駆動電流に接続するための電気接点を提供する。
【００１７】
一部の実施では、固定子を構成するコイル層は、単一コイルを形成するように相互接続されない。例えば、基板交差ビア３６４は省略することができ、２つの前面コイル層３５０及び３５２は、２つの裏面コイル層３５６及び３５８と無関係に電気的に駆動される。他の実施では、２つの前面コイル層３５０及び３５２は、２つの裏面コイル層３５６及び３５８に対して逆に巻かれる。この構成では、２つの前面コイル層によって開口部３７０に発生された磁場は、２つの裏面コイル層によって発生された磁場と反対である。
【００１８】
ＰＣＢは、本明細書に説明されるコイル及びモータを製造するのに適切な基板である。ＰＣＢは、印刷された銅層が、例えば、ＦＲ−４ガラス強化エポキシを使用して硬質の積層コアによって分離されるＰＣＢ工程を使用して構成することができる。ポリイミドから製造されたＰＣＢは、より高密度なコイル及び高められた機械的柔軟性をサポートすることができる。酸化アルミニウムのようなセラミックから製造されたＰＣＢは、高められた耐熱性を提供する。上述の固定子は、これらのＰＣＢ材料のいずれかで構成することができる。
【００１９】
モータ
ある実施では、上述のコイル層は、ＰＣＢの前面及び／又は裏面の上に重なる１又は複数のコイルを形成するように配列される。コイルは、モータの電機子を駆動する固定子を形成する。
【００２０】
図４Ａは、基板の面と垂直な駆動力を有するモータを示している。モータ４００は、ＰＣＢのような基板４０２上に構成される。第１の前面コイル層４０４及び第２の前面コイル層４０６は、基板４０２の前面の上に重なっている。第１の裏面コイル層４０８及び第２の裏面コイル層４１０は、基板４０２の裏面の上に重なっている。第１のビア４１２は、第１の前面コイル層４０４を第２の前面コイル層４０６に電気的に接続して前面コイルを形成し、第２のビア４１４は、第１の裏面コイル層４０８を第２の裏面コイル層４１０に電気的に接続して裏面コイルを形成する。前面コイル接続部４１６及び４１８は、前面コイルを駆動するための電気接続性を提供し、裏面コイル接続部４２０及び４２２は、裏面コイルを駆動するための電気接続性を提供する。
【００２１】
Ｎ極４２６及びＳ極４２８を有する磁気電機子４２４は、前面及び裏面コイルの中心を通る基板４０２内の開口部に位置決めされる。磁気電機子４２４を駆動して振動させるように、第１の振動電流(oscillating current)が、前面コイル接続部４１６及び４１８に印加され、第２の振動電流が、裏面コイル接続部４２０及び４２２に印加される。モータが作動しているときに、前面コイルを通って流れる電流及び裏面コイルを通って流れる電流は、反対方向回転状態で流れる。ある実施では、これは、コイルが逆に巻かれている場合に、前面コイル及び裏面コイルの両方に同じ振動電流を印加することによって達成される。コイルが逆に巻かれていない代替実施では、第２の振動電流は、第１の振動電流と１８０度位相がずれている。得られる振動磁場は、同調してＮ極４２６及びＳ極４２８に起磁力を与え、磁気電機子４２４は、振動電流が印加された周波数に比例した周波数で振動するように駆動される。代替実施では、第２の前面コイル層４０６は、第３の導電ビアを用いて第１の裏面コイル層４０８に接続され、電機子の振動運動を生成するように単一振動電流で駆動される単一駆動逆巻固定子が形成される。
【００２２】
磁気電機子は、軸線方向に分極した磁石から構成される。一実施では、この磁石は、ネオジム等級Ｎ−４２円盤磁石である。磁石の大きさ及び形状は、部分的にモータの望ましい振動特性に基づいて適応化される。
【００２３】
図４Ｂは、磁気電機子が上方位置にある状態でのモータを示している。第１の駆動電流が前面コイル４３０に印加されたときに、前面コイル４３０は、下向き磁束４３２を生成する。下向き磁束４３２に応答して、垂直上方の力がＮ極４３６に作用する。第１の駆動電流が印加されるときに、第２の駆動電流が裏面コイル４３８に印加され、上向き磁束４４０が生成される。上向き磁束４４０に応答して、垂直上方の力が磁石のＳ極４４２に作用する。上方の力に応答して、磁気電機子４３４は、図４Ｂに示すように上向きに移動する。
【００２４】
図４Ｃは、磁気電機子が下方位置にある状態でのモータを示している。第１及び第２の駆動電流の方向が逆転されるときに、Ｎ極４６０及びＳ極４６２に対する力も逆転される。第１の逆転電流が前面コイル４６４に印加されるときに、前面コイル４６４は、上向き磁束４６６を生成し、垂直下向きの力がＮ極４６０に作用する。第２の逆転電流が裏面コイル４６８に印加されるときに、下向き磁束４７０が生成される。垂直下向きの力が、磁気電機子４７２のＳ極４６２に作用する。これら２つの力に応答して、磁気電機子４７２は、図４Ｃに示すように下向きに移動する。
【００２５】
駆動電流は、選択された周波数で磁気電機子に基板の面と垂直に振動させるように交番される。一実施では、前面コイル及び裏面コイルは、互いに対して逆に巻かれる。前面コイル及び裏面コイルは、導電ビア又はワイヤで接続され、１つの駆動電流で駆動される。この配列は、前面及び裏面コイルに反対方向での同時磁束信号を発生させ、それは、次に、磁気電機子を駆動して振動させるように磁気電機子のＮ極及びＳ極に作用する。
【００２６】
代替実施では、追加コイル層が用いられる。例えば、８層ＰＣＢは、４つの前面コイル層及び４つの裏面コイル層を有することができる。４つの前面コイル層は、前面コイルを形成するように接続され、４つの裏面コイル層は、裏面コイルを形成するように接続される。ある実施では、前面コイル及び裏面コイルは逆に巻かれ、上述のように単一駆動電流で駆動される。
【００２７】
図４Ｄは、８層ＰＣＢ上に構成されたモータを示している。４つの前面コイル層４８０、４８１、４８２、及び４８３は、３つの前面コイルビア４８４、４８５、及び４８６を用いて互いに接続される。一緒に、前面コイル層は、前面接続パッド４８７及び４８８を有する前面コイルを形成する。４つの裏面コイル層４９０、４９１、４９２、及び４９３は、３つの裏面コイルビア４９４、４９５、及び４９６を用いて互いに接続される。一緒に、裏面コイル層は、裏面接続パッド４９７及び４９８を有する裏面コイルを形成する。図４に示されているコイル積み重ね技術を利用して、モータは、他の数のコイル層を備えた固定子アセンブリを有して構成することができる。
【００２８】
図５は、保持バネ要素を有するモータを示している。モータ５００は、前面保持バネ５０４及び裏面保持バネ５０６を用いて開口部に保持された磁気電機子５０２を含む。磁気電機子５０２は、通常、開口部内に留められているが、前面及び裏面保持バネ５０４及び５０６によって与えられるセンタリング力(centering force)を克服する駆動力が電機子に加えられたときに、垂直に移動することが可能になる。一部の実施では、前面保持バネ５０４又は裏面保持バネ５０６のいずれかが省略され、磁気電機子は、残りの保持バネに取り付けられる。一部の実施では、前面及び裏面保持バネは、タイ５０８及び５１０を用いて互いに接続される。このタイは、事前負荷されたバネ力を支え、モータが作動状態にあるときにＰＣＢに対する力を低減する。
【００２９】
前面及び裏面保持バネ５０４及び５０６は、固定子の電源が断たれたときに開口部内で磁気電機子５０２を再度中央に置く。一実施では、バネは、シリコーンのようなゴム加工ポリマーから製造され、図５に示されているような形状に成形され、磁気電機子５０２に対するセンタリング力を与えるが、基板の平面と垂直な方向での磁気電機子５０２の変位も可能にする。前面及び裏面保持バネ５０４及び５０６、並びに磁気電機子５０２は、質量−バネ系を形成する。質量−バネ系は、基板と垂直な方向に自由度を有する。質量−バネ系は、質量−バネ系の品質係数によってこの系の出力がブーストされる共振周波数を有する。この共振周波数は、モータに加えられる負荷に基づいて変化する。ある実施では、この系は、質量−バネ系の固有周波数の外側で作動する。この場合に、出力される力は、入力電力にほぼ比例し、周波数と無関係であり、それによって広範囲の振動周波数の生成が可能になる。
【００３０】
図６は、オーバーモールドされた(over-moulded)保持要素を有するモータを示している。モータ６００は、基板６０６内の開口部に磁気電機子６０４を保持する成形された保持器６０２で覆われる。成形保持器６０２は、プラスチック、シリコーン、ゴム、又はゴム加工ポリマーのような成形可能な可撓性材料から製造される。示されている実施では、成形保持器６０２は、モータ６００をほぼ取り囲む。他の実施では、成形保持器は、基板６０６内の開口部に磁気電機子６０４を保持するような大きさに形成され、モータ全体を取り囲むものではない。オーバーモールド工程のパラメータは、空隙６０８及び６１０が磁気電機子６０４と基板６０６の間に保持されるように調節される。成形保持器６０２は、モータの固定子が通電されていないときに、磁気電機子６０４を中立位置に戻すセンタリングバネとして機能する。成形保持器は、可撓性であり、基板と略垂直な方向６１２での磁気電機子６０４の制限された運動を可能にする。一部の実施では、図５に示されている保持バネ及び図６に示されている成形保持器は、モータの内部と外部環境の間の空気交換を可能にして内部及び外部空気圧を等しくするための孔又は開口部を有する。
【００３１】
図７Ａは、対称磁石保持要素を有するモータを示している。モータ７００は、第１の磁気保持器７０４及び第２の磁気保持器７０６からの力が作用する磁気電機子７０２を有する。第１及び第２の磁気保持器は、電機子が基板７０８内の開口部に位置決めされたときに磁気電機子に対する正味の横方向磁力がほぼゼロになるように、電機子の周りで対称に位置決めされる。第１及び第２の磁気保持器７０４及び７０６の磁気方向は、磁気電機子７０２の磁気方向の反対である。磁気保持器が作用する垂直力は、基板７０８の開口部内に磁気電機子７０２を移動可能に保持する。代替実施では、モータの固定子を取り囲む単一リング状磁気保持器が、第１及び第２の磁気保持器７０４及び７０６の代わりに用いられる。
【００３２】
図７Ｂは、非対称磁石保持要素を有するモータを示している。モータ７５０は、磁気保持器７５６によって基板７５４内の開口部に保持された磁気電機子７５２を有する。磁気保持器は、磁気電機子７５２を基板７５４内の開口部の側面に引きつける横方向力を磁気電機子７５２に作用する。モータが作動するときに、磁気電機子７５２は、開口部の側面に沿って垂直に滑るように進む。より効率的なモータ作動を容易にするために、一部の実施では、開口部の側面は、テフロン（登録商標）のような低摩擦コーティングで被覆される。一実施では、磁気電機子７５２は、低摩擦コーティングで処理される。磁気保持器７５６が作用する垂直力は、基板７５４の開口部内に磁気電機子７５２を移動可能に保持する。
【００３３】
図８は、磁心材料でカプセル封入されたモータを示している。磁心８００、８０２、及び８０４の追加により、モータ８０６によって使用される磁路における磁気抵抗が小さくなる。磁心は、鉄、フェライト、又はスチールのような実質的な透磁率を有する材料から製造される。磁心が使用されるときに、モータ８０６からの磁束は、磁心によって定められる低磁気抵抗経路にほぼ限定され、したがって、磁束を磁気電機子８０８上に集束させ、モータ８０６の全体効率性を高める。ある実施では、磁心８００、８０２、及び８０４は、積層構成を利用して渦電流を低減する。
【００３４】
図９Ａ及び９Ｂは、円盤状磁気電機子を有するモータを示している。図９Ａは、円盤状磁気電機子が下方位置にある状態でのモータ９００を示している。固定子９０４は、コイル層が単一回転方向に巻かれるように、直列に配線された４つのコイル層９０６、９０８、９１０、及び９１２から形成される。第１の駆動電流が、接続端子９１４及び９１６において固定子に印加されたときに、この固定子は、円盤状磁気電機子のＳ極の近くにＮ極を発生させる。その結果、円盤状磁気電機子は、図９Ａに示すように固定子に引きつけられる。第１の電流が逆になるとき、円盤状磁気電機子に対する力も逆になり、円盤状磁気電機子は、図９Ｂに示すように移動する。
【００３５】
図９Ｂは、円盤状磁気電機子９５２が上方位置にある状態でのモータ９５０を示している。固定子９５４は、図９Ａでの固定子９０４と同様に配列される。固定子９５４が、接続端子９５６及び９５８において逆転された第１の電流で通電されたときに、Ｓ磁極が、円盤状磁気電機子９５２の近くに発生され、円盤状磁気電機子９５２は、図９Ｂに示すように上方に反発する。
【００３６】
固定子は、本明細書に説明される様々な技術を利用して製造することができ、基板の片面又は両面上のより多いか又はより少ない数のコイル層を含むことができる。図９Ａ及び９Ｂに示されているモータでは、コイル層は、単一回転方向に電流を向ける単一コイルを形成するように向けられ、かつ相互接続される。一部の実施では、鉄心は、固定子の中心に置かれ、電機子に加えられる力が大きくなる。ある実施では、適切なコアは、鉄、スチール、又はフェライトから製造される。これに代えて、固定子内の開口部は存在しない。
【００３７】
図１０Ａ及び１０Ｂは、円盤状磁気電機子が中心タイによって保持されたモータを示している。図１０Ａは、タイ１００４の通過を可能にする開口部を含む固定子１００２を有するモータ１０００を示している。第１の磁気電機子１００６は、タイ１００４の第１の端部に取り付けられる。第２の磁気電機子１００８は、タイ１００４の第２の端部に取り付けられる。第１及び第２の磁気電機子１００６及び１００８は、同じ磁極が固定子１００２に面するように向けられる。固定子１００２は、電流が単一回転方向で回りを流れるようになった単一コイルである。駆動電流が、接続端子１０１０及び１０１２を通して固定子１００２に印加されたとき、固定子１００２は、第１の磁気電機子１００６を反発し、第２の磁気電機子１００８を引きつける磁場を生成する。これらの力に応答して、電機子は、図１０Ａに示すように上向きに移動する。図１０Ｂは、タイ１０５３を用いて第２の磁気電機子１０５４に接続された第１の磁気電機子１０５２が下方駆動位置にある状態でのモータ１０５０を示している。駆動電流が逆転され、接続パッド１０５８及び１０６０を通して固定子１０５６に印加されたときに、第１の磁気電機子１０５２を引きつけ、第２の磁気電機子を反発する磁場が生成される。ある実施では、磁気電機子は、上記で既に説明した磁性材料から製造され、タイは、非導電性非磁性材料から製造される。タイが導電材料から製造されるとき、積層構造は、モータが作動状態にあるときにタイにおいて誘導される渦電流を制限することになる。
【００３８】
図１０Ｃは、磁気的に位置合わせした磁気電機子が中心タイによって保持されたモータを示している。固定子１０８０は、逆巻きコイルから製造され、第１の電機子１０８２及び第２の磁気電機子１０８４は、同じ磁気方向を有する。この実施では、タイ１０８６は、磁性材料又は非磁性材料のいずれかから製造される。タイ１０８６が、磁性材料から製造されるとき、タイは、磁気電機子と同じ磁気方向を有する。一部の実施では、タイ１０８６は、鉄又はスチールのような磁気的に透過性のある材料から製造される。
【００３９】
図１１は、ワッシャー状磁気電機子が中心タイによって保持キャップで保持されたモータを示している。モータ１１００は、固定子１１０２を含む。固定子は、単一巻き方向を有する単一コイルを有する。第１の磁気電機子１１０４及び第２の磁気電機子１１０６は、対向する北／南軸方向磁気方位を有する。別の実施では、第１の磁気電機子１１０４及び第２の磁気電機子１１０６は、同一の軸方向磁気方位を有する。固定子１１０２は、上部コイル層が底部コイル層の反対回転方向に巻かれた逆巻きコイルである。絶縁非磁性タイ１１０８が、第１の磁気電機子と第２の磁気電機子を接続する。第１及び第２の磁気電機子は、第１及び第２の末端キャップ１１１０及び１１１２を用いて更に固定される。ある実施では、末端キャップは、磁気的に透過性のある材料から製造され、モータから発生される磁束の閉じ込めを容易にする。鉄又はスチールのような鉄材料から製造された任意的なコアスリーブ１１１４が、固定子１１０２のコア内に固定される。
【００４０】
第１の作動モードでは、振動する駆動電流は、接続パッド１１１６及び１１１８を通して固定子に印加される。磁気電機子１１０４及び１１０６は、振動電流と同期して垂直に振動するように駆動される。末端キャップ１１１０及び１１１２は、磁気的に透過性のある材料から製造され、モータの作動によって発生された磁束を拘束することができる。
【００４１】
第２の作動モードでは、モータ１１００は、双方向双安定型ソレノイドとして作動する。コアスリーブ１１１４は、通電された固定子１１０２によって発生された磁場を増幅する。磁気電機子１１０４及び１１０６は、発生された磁場に応答して垂直に移動する。電流が固定子から取り除かれたときに、発生された磁場は弱くなり、コアスリーブ１１１４に最も近い磁気電機子は、コアスリーブに引きつけられて定位置に保持される。
【００４２】
図９Ａから１１に示されているモータの駆動力の方向は、固定子のコイル巻き線の方向、磁気電機子の磁気方向、及びコイルを通る駆動電流の方向によって決定される。モータの駆動力は、これらのパラメータのうちのいずれか１つを逆にすることによって逆転される。
【００４３】
図１２Ａは、ＰＣＢの面と平行な駆動力を有するモータを示している。モータ１２００は、単一巻き方向を備えた４つの接続したコイル層を有する４層ＰＣＢから製造された固定子１２０２を含む。Ｅ型コア１２０４が、固定子によって発生された磁束を電機子アセンブリ１２０６に向ける。電機子アセンブリ１２０６は、第１の磁石１２０８及び第２の磁石１２１０を含む。振動電流が固定子に印加されたとき、磁場は、電機子アセンブリ１２０６をＰＣＢの面と平行に振動するように駆動する。センタリングバネ１２１２は、電機子アセンブリ１２０６に取り付けられ、駆動力が取り除かれたときに電機子アセンブリ１２０６を中央に置く。Ｅ型コア１２０４は、鉄、スチール、又はフェライトのような透過性のある磁性材料から製造される。
【００４４】
図１２Ｂは、ＰＣＢの面と平行な駆動力を有する図１２Ａに示されているモータの上面図である。モータ１２５０は、ＰＣＢ上に構成された固定子１２５２と、電機子アセンブリ１２５４とを有する。電機子アセンブリ１２５４は、第１の磁石１２５６及び第２の磁石１２５８を有する。Ｅ型コア１２６０が、磁束を電機子アセンブリ１２５４に向ける。振動電流が固定子１２５２に印加されたとき、磁場は、電機子アセンブリ１２５４をＰＣＢの面と平行な方向に振動するように駆動する。センタリングバネ１２６２は、電機子アセンブリに取り付けられ、固定子からの駆動力が存在しないときに、電機子アセンブリ１２５４を固定子１２５２の上の中央の位置に戻す。
【００４５】
図１２Ａ及び１２ｂに示されているセンタリングバネは、導電性ワイヤであるが、他の実施では、非導電性ファイバ、ポリマー、エラストマー、又は本明細書に説明される他のセンタリングバネ構造である。
【００４６】
モータ用途
本明細書に説明されるモータは、空間が制限されている環境に適用することができる。このような環境は、振動が人間のユーザに通知を伝達するのに使用される携帯電話のようなモバイルデバイスを含む。
【００４７】
図１３は、モータアレイを示している。モータアレイ１３００は、多層ＰＣＢのような基板１３０２上に構成される。複数のモータ１３０４、１３０６、１３０８、１３１０、１３１２、１３１４、及び１３１６が、基板上に矩形パターンに配列される。他の実施では、モータは、六角形又は他の選択されたパターンに配列される。モータが調和して作動されるとき、モータアレイは、相応により強力な振動を生成する。一部の用途では、モータは、基板１３０２を横切って移動する振動波又はパターンを生成するように同期様式で作動される。モータアレイ１３００は、ブライユ点字読取機又は視覚障害者のための視覚補充システムに使用されるもののような振動パターンを提示することができる。
【００４８】
図１４は、モータアレイの作動モードを示している。人間の皮膚又は衣類のような感知面１０２６が、モータアレイ１４００と接触する。モータ１４０２、１４０４、１４０６、１４０８、及び１４１０は、図１４での矢印に示すように、連続的な順番で振動して左から右に進行する振動波を発生させる。振動波は、モータアレイ１４００の長さを進行し、この波がモータアレイの最右端部に到達したときに逆転されて右から左に進行することができる。このようにして形成された振動波は、人間のユーザに対して独特かつ識別可能である。
【００４９】
図１５は、スマートフォン上に設置されたモータアレイを示している。モータアレイ１５０４は、図１５に示すように、モバイルデバイス１５００の裏面１５０２上に一体化される。一実施では、モータアレイ１５０４をスマートフォンカバー内に一体化することにより、振動通知機能は、既存のモバイルデバイスに追加される。モータアレイ１５０４は、電子メール又は電話呼び出しの受信のようなモバイルデバイス１５００上の事象又は通知に応答して、振動の独特かつ識別可能な周波数及びパターンを発生させる。
【００５０】
発電機用途
少なくとも１つの構成では、本明細書に説明されるコイル及びモータは、振動又は電磁誘導から電力を発生させるのに使用される。一部の実施では、モータは、運動センサとして使用される。
【００５１】
図１６Ａは、振動運動から電流を発生させるための構成を示している。ピックアップコイル１６００が、単一巻き方向を備えた４つの接続したコイル層を有する４層ＰＣＢ上に形成される。磁気要素１６０２は、ピックアップコイル１６００の中心にある開口部の上方に懸架されている。磁気要素１６０２は、外部刺激に応答してＰＣＢと垂直に振動するプランジャ１６０４に接続される。磁気要素１６０２の運動は、ピックアップコイル１６００を通して可変磁束を生成し、対応する電気信号が、接続パッド１６０６及び１６０８に現れる。ある用途では、図１６Ａに示されているコイル構成は、運動センサ、マイクロフォンとして、又は振動運動を電気エネルギに変換する方法として使用される。
【００５２】
図１６Ｂは、電流を伝達するための構成を示している。ピックアップコイル１６５０が、単一巻き方向を有するコイルを形成する４つの接続したコイル層を有する４層ＰＣＢ上に形成される。フェライト又は他の磁性材料から製造された連結コア１６５２が、ピックアップコイル１６５０の中心を通ってかつ電力コイル１６５４の中心を通って延びている。電力コイル１６５４及びピックアップコイル１６５０は、ほぼ同じ磁束が両方のコイルを通過するように磁気的に連結される。電力は、ピックアップコイル１６５０に対応する電流を誘導する電力コイル１６５４に振動電流を印加することにより、コイル間で伝達される。ある実施では、電気エネルギは、電気負荷を接続パッド１６５６及び１６５８に接続することにより、ピックアップコイルから採取される。一部の実施では、空芯が、連結コア１６５２の代わりに用いられる。
【００５３】
開示した実施形態の以上の説明は、あらゆる当業者に本発明の開示を実施又は使用することを可能にするために提供されたものであることは認められる。これらの実施形態に対する様々な修正は、当業者に容易に明らかであろうし、本明細書に定められた一般原理は、本発明の開示の精神又は範囲から逸脱することなく他の実施形態に適用することができる。すなわち、本発明の開示には、本明細書に示す実施形態に限定されるように意図されておらず、かつ本明細書に開示する原理及び新規な特徴と整合する最大範囲が与えられるものとする。
【図１】
2016530873.tif 000004
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
2016530873.tif 000007
【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2016530873.tif 000010
【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５】
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【図６】
2016530873.tif 000014
【図７Ａ】
2016530873.tif 000015
【図７Ｂ】
2016530873.tif 000016
【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
2016530873.tif 000020
【図１０Ｂ】
2016530873.tif 000021
【図１０Ｃ】
2016530873.tif 000022
【図１１】
2016530873.tif 000023
【図１２Ａ】
2016530873.tif 000024
【図１２Ｂ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2016530873.tif 000028
【図１６Ａ】
2016530873.tif 000029
【図１６Ｂ】
2016530873.tif 000030
【国際調査報告】
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2016530873.tif 000032
2016530873.tif 000033