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技術 振動アクチュエータ

出願人 日本電産コパル株式会社
発明者 小田島慎
出願日 2014年11月27日 (5年7ヶ月経過) 出願番号 2014-240085
公開日 2016年6月2日 (4年0ヶ月経過) 公開番号 2016-101546
状態 未査定
技術分野 機械的振動の発生装置 往復動・振動型電動機
主要キーワード 偏芯錘 捻り状態 端部支持部材 捻り弾性 置支持部材 往復回転振動 回転振幅 アラーム発信
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2016年6月2日)のものです。
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図面 (7)

課題

往復回転振動を行う際に、捻り弾性部材の弾性復元力を回転方向の正逆に拘わらず効果的に作用させ、バランスの良い大きな回転振幅を得る。

解決手段

振動アクチュエータ1は、一対の軸受12,13に回転自在に軸支された回転軸11と、回転軸11に固定され、回転軸11周りに異なる磁極を有する磁石2と、回転軸11に固定される分銅3と、軸受12,13を支持する筐体部30と、初期捻れ角で捻れた状態で筐体部30と回転軸11との間に固定される捻り弾性部材4と、交番電流が供給されるコイル5と、磁石2の周囲に配置されコイル5に供給される交番電流によって互いに異なる磁極に着磁される複数の磁極片60A,60Bを有する磁極部材6とを備え、磁石2と磁極部材6との磁気反発力と捻り弾性部材4の弾性復元力によって、回転軸11を往復回転振動させる。

概要

背景

振動アクチュエータは、通信機器着信や各種電子機器アラーム発信などによって振動を発生させ、通信機器の携帯者や各種電子機器に触れる操作者に対して振動によって信号入力の状況を伝えるものであり、携帯電話を含む携帯情報端末などの各種電子機器に装備されている。

振動アクチュエータとして、リニア共振アクチュエータ(LRA:Linear Resonant Actuator)が知られている(下記特許文献1参照)。LRAは、バネで吊した分銅固有振動数に等しい交番電流巻線通電することにより磁石との相互作用で分銅を直線方向に往復直線振動させるものである。また、別の形態の振動アクチュエータとしては、軸に偏芯分銅を着けて振れ回りの振動を得るDCモータ型のもの(ERM:Eccentric Rotating Mass)も知られている(下記特許文献2参照)が、LRAは、ERMのような接点整流子を持たないので、信頼性や耐久性が高く、着信アラームに加えてタッチパネルハプティックスも兼用するような動作頻度が高い用途に適している。

概要

往復回転振動を行う際に、捻り弾性部材の弾性復元力を回転方向の正逆に拘わらず効果的に作用させ、バランスの良い大きな回転振幅を得る。振動アクチュエータ1は、一対の軸受12,13に回転自在に軸支された回転軸11と、回転軸11に固定され、回転軸11周りに異なる磁極を有する磁石2と、回転軸11に固定される分銅3と、軸受12,13を支持する筐体部30と、初期捻れ角で捻れた状態で筐体部30と回転軸11との間に固定される捻り弾性部材4と、交番電流が供給されるコイル5と、磁石2の周囲に配置されコイル5に供給される交番電流によって互いに異なる磁極に着磁される複数の磁極片60A,60Bを有する磁極部材6とを備え、磁石2と磁極部材6との磁気反発力と捻り弾性部材4の弾性復元力によって、回転軸11を往復回転振動させる。

目的

すなわち、高い信頼性や耐久性を得るために接点整流子を持たないLRAの利点を生かしながら、原理的に可動子と筐体との衝突が起こらない往復回転振動を得ることで、より小型でより大きな振動振幅が得られる振動アクチュエータを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

軸受に回転自在に軸支された回転軸と、前記回転軸に固定され、当該回転軸周りに異なる磁極を有する磁石と、前記回転軸に固定される分銅と、前記軸受を支持する筐体部と、初期捻れ角で捻れた状態で前記筐体部と前記回転軸との間に固定される捻り弾性部材と、交番電流が供給されるコイルと、前記磁石の周囲に配置され前記コイルに供給される交番電流によって互いに異なる磁極に着磁される複数の磁極片を有する磁極部材とを備え、前記磁石と前記磁極部材との磁気反発力と前記捻り弾性部材の弾性復元力によって、前記回転軸を往復回転振動させることを特徴とする振動アクチュエータ

請求項2

前記捻り弾性部材の両端が前記筐体部又は前記回転軸のいずれか一方に固定され、前記両端の中間位置が前記筐体部又は前記回転軸のいずれか他方に固定されることを特徴とする請求項1記載の振動アクチュエータ。

請求項3

前記捻り弾性部材が前記中間位置で2つに分割されていることを特徴とする請求項2記載の振動アクチュエータ。

請求項4

前記コイルと前記磁石と前記分銅を前記回転軸に沿って並べて配置し、一対の前記軸受の一方から突出した前記回転軸に前記分銅が固定されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の振動アクチュエータ。

請求項5

前記筐体部は、前記磁極片と一体に又は前記磁極片に連結して設けられることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の振動アクチュエータ。

請求項6

前記交番電流は、前記磁石と共に往復回転振動する可動子共振周波数と同等の周波数を有することを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載の振動アクチュエータ。

請求項7

前記初期捻れ角θ0を前記回転軸の往復回転振動における片側振れ角θの2倍より大きくすることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項に記載の振動アクチュエータ。

請求項8

請求項1〜7のいずれか1項に記載された振動アクチュエータを備える携帯型電子機器

技術分野

0001

本発明は、往復回転振動を行う振動アクチュエータに関するものである。

背景技術

0002

振動アクチュエータは、通信機器着信や各種電子機器アラーム発信などによって振動を発生させ、通信機器の携帯者や各種電子機器に触れる操作者に対して振動によって信号入力の状況を伝えるものであり、携帯電話を含む携帯情報端末などの各種電子機器に装備されている。

0003

振動アクチュエータとして、リニア共振アクチュエータ(LRA:Linear Resonant Actuator)が知られている(下記特許文献1参照)。LRAは、バネで吊した分銅固有振動数に等しい交番電流巻線通電することにより磁石との相互作用で分銅を直線方向に往復直線振動させるものである。また、別の形態の振動アクチュエータとしては、軸に偏芯分銅を着けて振れ回りの振動を得るDCモータ型のもの(ERM:Eccentric Rotating Mass)も知られている(下記特許文献2参照)が、LRAは、ERMのような接点整流子を持たないので、信頼性や耐久性が高く、着信アラームに加えてタッチパネルハプティックスも兼用するような動作頻度が高い用途に適している。

先行技術

0004

特開2012−016153号公報
特開2006−224068号公報

発明が解決しようとする課題

0005

LRAの振動値可動子質量とその振動振幅で決まるので、携帯型電子機器に内蔵するために限られたスペースで最大の振動値を得ようとすると、筐体の内部空間寸法最大範囲まで振動振幅を設定することになり、可動子と筐体との接触が避けられない。可動子と筐体が接触すると、その際の衝突音衝突が原因のビビリ音が発生することになり、無音で携帯者に信号発生を伝えるために設けられている振動アクチュエータの本来の目的を達成できない問題が生じる。

0006

これに対しては、可動子を往復回転振動させることで、可動子と筐体との接触を回避することが可能になる。この際、捻りコイルバネを用いて往復回転振動の弾性復元力を得ようとすると、捻りコイルバネは、捻り角ゼロの状態から一方向への捻りに対しては効果的な弾性復元力が得られるが、捻り角ゼロの状態から他方向への捻りに対しては効果的な弾性復元力を得ることができない特性がある。これによって、往復回転振動を行う際に回転方向の正逆で弾性復元力がアンバランスになり、バランスの良い大きな回転振幅を得ることができない問題があった。

0007

また、携帯型電子機器は、ウェアラブル(wearable)機器への対応など、薄型化の要求がより高くなっている。これに対して、従来のLRAは、可動子の一部である磁石の周囲にコイルを巻く構造を基本としているため、より薄型化された携帯型電子機器に内蔵するために必要な薄厚を得るには構造上の限界があった。

0008

本発明は、このような問題に対処することを課題の一例とするものである。すなわち、高い信頼性や耐久性を得るために接点整流子を持たないLRAの利点を生かしながら、原理的に可動子と筐体との衝突が起こらない往復回転振動を得ることで、より小型でより大きな振動振幅が得られる振動アクチュエータを提供すること、往復回転振動を行う際に、捻り弾性部材の弾性復元力を回転方向の正逆に拘わらず効果的に作用させ、バランスの良い大きな回転振幅を得ること、等が本発明の目的である。

課題を解決するための手段

0009

このような目的を達成するために、本発明による振動アクチュエータは、以下の構成を具備するものである。
軸受に回転自在に軸支された回転軸と、前記回転軸に固定され、当該回転軸周りに異なる磁極を有する磁石と、前記回転軸に固定される分銅と、前記軸受を支持する筐体部と、初期捻れ角で捻れた状態で前記筐体部と前記回転軸との間に固定される捻り弾性部材と、交番電流が供給されるコイルと、前記磁石の周囲に配置され前記コイルに供給される交番電流によって互いに異なる磁極に着磁される複数の磁極片を有する磁極部材とを備え、前記磁石と前記磁極部材との磁気反発力と前記捻り弾性部材の弾性復元力によって、前記回転軸を往復回転振動させることを特徴とする振動アクチュエータ。

発明の効果

0010

このような特徴を有する振動アクチュエータは、より小型でより大きな振動振幅が得られる振動アクチュエータを提供することができ、往復回転振動を行う際に、捻り弾性部材の弾性復元力を回転方向の正逆に拘わらず効果的に作用させ、バランスの良い大きな回転振幅を得ることができる。

図面の簡単な説明

0011

本発明の実施形態に係る振動アクチュエータの全体構成を示した外観斜視図である。
本発明の実施形態に係る振動アクチュエータの断面図である。
本発明の実施形態に係る振動アクチュエータにおける駆動部の動作と捻り弾性部材の捻り状態の変化を示した説明図である((a)は無通電状態、(b)はコイルに流れる電流の方向が+の場合、(c)はコイルに流れる電流の方向が−の場合)。
本発明の他の実施形態に係る振動アクチュエータの断面図である。
本発明の他の実施形態に係る振動アクチュエータの断面図である。
本発明の実施形態に係る振動アクチュエータを備えた携帯型電子機器を示した説明図である。

実施例

0012

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図1及び図2に示すように、振動アクチュエータ1は、一対の軸受12,13に回転自在に支持された回転軸11と、回転軸11に固定された磁石2と、回転軸11に固定された分銅3と、回転軸11の駆動回転に対して弾性復元力を付与する捻り弾性部材(捻りコイルバネ)4と、回転軸11と捻り弾性部材4とを連結する中間位置支持部材19を備える可動子10を具備している。

0013

図示の例では、一対の軸受12,13にて回転自在に支持された回転軸11に沿って磁石2と捻り弾性部材4と分銅3が並べて配置されている。また、磁石2と捻り弾性部材4は一対の軸受12,13の間に配置されているが、分銅3は一対の軸受12,13の外側に突出した回転軸11に固定されている。

0014

捻り弾性部材4としての捻りコイルバネは、初期捻れ角θ0で捻れた状態で一端が端部支持部材17を介して軸受支持部材14或いは枠体16に固定され、他端が端部支持部材18を介して枠体16或いは磁極片60Aに固定されている。そして、捻り弾性部材4の両端の中間位置には中間位置支持部材19を介して回転軸11が固定されている。この捻り弾性部材4は、一端から中間位置までと中間位置から他端までを分割して2つの捻り弾性部材にしてもよい。

0015

可動子10を回転軸11の回転中心である軸P回りに往復回転振動させる駆動部20は、可動子10の一部でもある磁石2とコイル5と磁極部材6によって構成される。コイル5には、引出端子51に接続される交番電流発生源21から可動子10の共振周波数と同等の周波数の交番電流が供給される。可動子10の共振周波数は、可動子10のイナーシャJと捻り弾性部材4の捻り方向バネ定数kによって決まる固有振動周波数f0であり、f0=(1/2π)・(k/J)1/2によって算出することができる。

0016

磁極部材6は、磁石2の周囲に配置され、回転軸11の周りに異なる磁極を有する磁石2の磁極に対向する複数の磁極片60A,60Bを有しており、コイル5に流れる交番電流によって磁極を変化させて、磁石2と磁極部材6との磁気反発力により、磁石2が固定された回転軸11に異なる方向の回転トルクを交互に付与する。

0017

コイル5は、コイル保持部材50に巻かれることで軸Pの周りに巻回されている。磁極部材6における複数の磁極片60A,60Bは、それぞれ連結部61A,61Bを介してコイル保持部材50を支持すると共に、磁石2の外側に沿って延設されている。コイル保持部材50の芯部には磁極部材6を構成するコア62が配置され、その両端がそれぞれ連結部61A,61Bを介して磁極片60A,60Bに連結されている。

0018

ここで、コイル5は、磁石2の固定位置から軸方向にシフトした位置でコイル保持部材50に保持され、磁極部材(クローポール)6によって形成される磁気回路内に配置されており、コイル5に電流を流すことで磁極片60A,60Bに異なる磁極が誘起されるようになっている。このように、コイル5の位置を磁石2の固定位置に対して軸方向にシフトさせることで、コイル5と磁石2と分銅3を回転軸11に沿って並べて配置する構造が可能になる。

0019

回転軸11を支持する軸受12,13はそれぞれ軸受支持部材14,15に固定され、この軸受支持部材14は枠体16を介して磁極片60A,60Bに溶接などで固定され、軸受支持部材15が磁極片60Aに固定されている。ここでの軸受支持部材14,15,枠体16,磁極片60A,60Bが軸受12,13或いは捻り弾性部材4を支持する筐体部30となっている。

0020

この筐体部30の内部には、磁石2や捻り弾性部材4の収容空間が形成されており、筐体部30の外側には分銅3の振動空間が形成されている。分銅3は、平面視半円状の偏芯錘であるが、その外周面振動軌跡は筐体部30の外径寸法と同等であるかそれより内側に形成することが好ましい。図示の例では、軸受支持部材14,15を磁極片60A,60Bに直接又は間接的に連結固定しているが、軸受支持部材14,15を磁極片60A,60Bと一体に形成してもよい。

0021

前述した捻り弾性部材4は、初期捻れ角θ0で捻れた状態で筐体部30と回転軸11との間に固定されており、前述した例では、捻り弾性部材4の両端が筐体部30に固定され、捻り弾性部材4における両端の中間位置が回転軸11に固定されているが、捻り弾性部材4の両端が筐体部30又は回転軸11のいずれか一方に固定され、その両端の中間位置が筐体部30又は回転軸11のいずれか他方に固定されていればよい。

0022

図3は、振動アクチュエータ1の駆動部20の動作と捻り弾性部材4の捻り状態の変化を示している。(a)が無通電状態、(b)がコイルに流れる電流の方向が+の場合、(c)がコイルに流れる電流の方向が−の場合をそれぞれ示している。図示の例では、円柱状の磁石2は直径方向に1極着磁されており、軸P回りに異なる磁極を備えている。これに限らず、磁石2は周方向に沿って複数極に着磁されているものであってもよい。これに対して、磁石2の磁極に対向した複数の磁極片60A,60Bが磁石2の外周に沿って近接配置されている。(a)に示した無通電状態では、磁極片60A,60Bは着磁していないが、コイル5に電流を流すことによって磁極片60A,60Bが互いに異なる磁極に着磁され、コイル5に交番電流を流すことで、(b),(c)に示すように、電流方向の正負によって磁極片60A,60Bの極性反転する。この磁極片60A,60Bにおける極性の反転によって磁石2に作用する磁気反発力の方向が反転することになり、可動子10(回転軸11)に交互に異なる方向の回転トルクが作用する。

0023

回転軸11に回転トルクが作用すると、捻り弾性部材(捻りコイルバネ)4に捻りが加わり回転軸11には捻り弾性部材4の弾性復元力が作用する。ここで、筐体部30に両端が固定されている捻り弾性部材4は、その一端Aと他端Bが、(a)に示す無通電状態で初期捻れ角θ0だけ捻れた状態で固定されている。したがって、捻り弾性部材4の一端Aと他端Bの中間位置Cは、一端Aから中間位置Cまでが(1/2)θ0だけ捻れており、中間位置Cから他端Bまでが更に(1/2)θ0だけ捻れている。

0024

このような無通電時の捻り弾性部材4の捻れ状態に対して、(b)に示すようにコイル5に+方向の電流が流れて、回転軸11が一方向に片側振れ角θだけ回転すると、捻り弾性部材4は、一端Aから中間位置Cまでが(1/2)θ0+θだけ捻れた状態になり、中間位置Cから他端Bまでが(1/2)θ0−θだけ捻れた状態になる。また、(c)に示すようにコイル5に−方向の電流が流れて、回転軸11が他方向に片側振れ角θだけ回転すると、捻り弾性部材4は、一端Aから中間位置Cまでが(1/2)θ0−θだけ捻れた状態になり、中間位置Cから他端Bまでが(1/2)θ0+θだけ捻れた状態になる。

0025

ここで、初期捻れ角θ0を回転軸11の往復回転振動における片側振れ角θの2倍より大きく設定することで、捻り弾性部材4が常に効果的な弾性復元力を発揮することができる一方向の捻りの範囲内で、回転軸11(可動子10)を往復回転振動させることができる。これによって、可動子10を往復回転振動させる際に、捻り弾性部材4の弾性復元力を回転方向の正逆に拘わらず効果的に作用させることができ、バランスの良い大きな回転振幅を得ることができる。

0026

図4及び図5は、本発明の実施形態に係る振動アクチュエータ1の他の構成例を示しており、前述した捻り弾性部材4を中間位置で2つに分割した例を示している。前述した実施形態と同一部位には同一符号を付して重複説明を省略する。

0027

図4に示した例は、捻り弾性部材4を2つの捻り弾性部材4A,4Bに分割し、捻り弾性部材4A,4Bをいずれも筐体部30の内部に配備している。捻り弾性部材4Aの一端側は端部支持部材17Aを介して筐体部30(軸受支持部材14)に固定されており、その他端側(中間位置)が端部支持部材18Aを介して回転軸11又は磁石2に固定されている。また、捻り弾性部材4Bの一端側は端部支持部材17Bを介して筐体部30(磁極片60A,60B)に固定されており、その他端側(中間位置)は端部支持部材18Bを介して回転軸11又は磁石2に固定されている。

0028

図5に示した例も、捻り弾性部材4を2つの捻り弾性部材4C,4Dに分割して配備しており、この例では、捻り弾性部材4Cを筐体部30内に配備し、捻り弾性部材4Dを筐体部30の外側に配備している。そして、捻り弾性部材4Cの一端側(中間位置)は端部支持部材17Cを介して筐体部30(軸受支持部材14)に固定されており、その他端側は端部支持部材18Cを介して回転軸11又は磁石2に固定されている。また、捻り弾性部材4Cの一端側は分銅3(回転軸11)に固定されており、その他端側(中間位置)は端部支持部材18Dを介して筐体部30(軸受支持部材14)に固定されている。

0029

そして、これらの例においても、2つの捻り弾性部材4A,4B或いは4C,4Dは、それぞれ初期捻れ角で捻れた状態で筐体部30と回転軸11との間に固定されている。具体的には、2つの捻り弾性部材4A,4B或いは4C,4Dをそれぞれ初期捻れ角1/2θ0だけった状態で固定して、2つの捻り弾性部材4A,4B或いは4C,4Dの初期捻り角1/2θ0を合わせて初期捻り角θ0とする。これによっても、前述した例と同様に、初期捻れ角θ0を回転軸11の往復回転振動における片側振れ角θの2倍より大きく設定することで、捻り弾性部材4が常に効果的な弾性復元力を発揮することができる一方向の捻りの範囲内で、回転軸11(可動子10)を往復回転振動させることができる。

0030

この振動アクチュエータ1は、可動子10を軸P回りに往復回転振動させることで、振動振幅を最大にしてこの振動振幅にばらつきが生じた場合にも可動子10の振動が一定の空間内に収まるようにしている。これによって、可動子10がその周囲の筐体に接触して衝突音やビビリ音が発生することを原理的に防止している。また、振動アクチュエータ1は、磁石2に異なる方向の回転トルクを交互に付与することで可動子10を往復回転振動させる駆動部20を、可動子10の共振周波数と同等の周波数の交番電流が供給されるコイル5と、コイル5に流れる交番電流によって磁極を変化させる磁極部材6によって構成している。これによって、ERMのように接点を持つ整流子と比較して高い信頼性と耐久性を得ることができる。

0031

そして、一対の軸受12,13に回転自在に支持された回転軸11に沿ってコイル5と磁石2と分銅3を並列配置しているので、磁石2の周囲にコイル5を巻回すものと比較して、振動アクチュエータ1の薄型化が可能になる。これによって、携帯型電子機器に内蔵するために、より高い薄型化の要求に対応できる振動アクチュエータ1を提供することができる。

0032

更に、捻り弾性部材4に初期捻り角θ0を付与して、これを筐体部30と回転軸11との間に固定しているので、可動子10(回転軸11)の往復回転振動を捻り弾性部材4の一方向捻りの範囲内で行わせることができ、これによって、可動子10を正逆バランス良く往復回転振動させることができる。

0033

図6は、振動アクチュエータ1を備えた携帯型電子機器100を示している。携帯電話や携帯情報端末のような携帯型電子機器100は、薄型化の要求が高く、それに内蔵される振動アクチュエータ1は制限された設置占有スペースに対応できるような小型でありながら大きな振動振幅を有するものが要求されている。振動アクチュエータ1は、接点整流子を持たないことで、高い信頼性や耐久性を備えており、原理的に可動子10と筐体部30との衝突が起こらない機構であるから、衝突音などの異音の発生を抑え、より小型でより大きな振動振幅を得ることが可能になる。また、磁石2とコイル5の位置を回転軸11に沿ってシフトさせることで、より薄厚化することが可能になっている。

0034

このような特徴を有する振動アクチュエータ1を備える携帯型電子機器100は、着信やアラームなどの信号発生を振動によって携帯者に伝える際に、音発生を最小限に抑えることができると共に大きな振動振幅で確実な信号伝達が可能になる。また、携帯型電子機器100の更なる薄型化を可能にすることができる。

0035

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施の形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても本発明に含まれる。また、上述の各実施の形態は、その目的及び構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの技術を流用して組み合わせることが可能である。

0036

1:振動アクチュエータ,2:磁石,3:分銅,
4,4A,4B,4C,4D:捻り弾性部材(捻りコイルバネ),5:コイル,
50:コイル保持部材,51:引出端子,
6:磁極部材,60A,60B:磁極片,
61A,61B:連結部,62:コア,
10:可動子,11:回転軸,12,13:軸受,
14,15:軸受支持部材,16:枠体,
17,17A,17B,17C,18,18A,18B,18C,18D:端部支持部材,19:中間位置支持部材,
20:駆動部,21:交番電流発生源,30:筐体部,
P:軸

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