CN101615837A - 驱动器以及使用它的电动牙刷 - Google Patents

Abstract

本发明涉及驱动器及使用它的电动牙刷。本发明不必使用与驱动源分开的驱动传递机构便可完成电动牙刷等的往复旋转运动，所以可实现小型化的驱动器及电动牙刷。就可动体(110)而言，外磁轭(150)具有空出规定间隙相对配置的侧壁部(152、153)。磁铁(160)借助于非磁性体(170)设于外磁轭上，且在外磁轭的相对的内壁面使各不相同的磁极相对，并借助于空隙进行配置。在可动体(110)上设有轴(180)。固定体(120)配置于空隙中且具有围绕磁铁的卷材(128)。固定体借助于弹性体(130)可动自如地支撑可动体。交流电供给部(140)对卷材(128)供给与可动体的共振频率大致相等的频率的交流电。

Description

驱动器以及使用它的电动牙刷

技术领域

本发明涉及电动牙刷或电动声波牙刷等所使用的驱动器。

背景技术

一直以来，就包含电动声波牙刷的电动牙刷而言，已知有通过往复直线运动在牙和牙龈的边界部分倾斜地(约45度的角度)接触并在左右振动的线性刷牙用的牙刷；以及在绕轴的规定角度范围内进行往复(正反)旋转运动并以从牙龈向牙旋转的方式动作的转动刷牙用的牙刷。

这种牙刷的驱动大多使用将进行通常的绕轴旋转的旋转式直流马达的旋转通过运动方向转换机构变为直线往复运动或者往复旋转运动的构造。另外，这种结构以外还已知有通过直线驱动驱动器使牙刷进行往复直线运动的构造或者通过驱动器的振动使与驱动源分开设置的共振振动机构共振，使牙刷进行往复旋转运动的构造。

通过直线驱动驱动器使牙刷进行往复直线运动的构造，如专利文献1(日本特开2002-078310号公报)所示，通过直线驱动驱动器直接发生直接连接在牙刷部上的输出轴的轴向的往复振动，实现线性刷牙。在这种构造中，没有由运动转换机构引起的动力损失，还能够使牙刷进行高速的振动。

另外，作为具有驱动器和与驱动源分开设置的共振振动机构的构造，如专利文献2(日本专利第3243529号公报)所示，由具有电磁铁和永久磁铁的驱动机构对具备杆臂的共振振动机构进行激振，使同轴连接在牙刷部上的杆臂进行摇头振动而实现转动刷牙。

但是，就电动牙刷而言，为了能够实现转动刷牙的同时还想要使驱动转动刷牙用牙刷的驱动机构所存放的柄的部分尽可能地细，而期望牙刷的驱动部分的小型化。

但是，为了使用通常的绕轴旋转的马达实现转动刷牙，需要与马达分开的用于将该马达的旋转转换为往复旋转运动的运动方向转换机构。另外，如专利文献1所示，为了使用直线驱动驱动器实现转动刷牙，需要与直线驱动驱动器分开的转矩发生机构(驱动源)。

另外，在专利文献2所示的构造中，需要驱动源和与驱动源分开的共振振动机构。

因此，在现有的结构中，在试着将马达或者直线驱动驱动器作为电动牙刷的驱动源的场合，由于需要确保驱动源和与驱动源分开的运动方向转换机构或者转矩发生机构或者共振振动机构的配置空间，所以存在很难实现牙刷的小型化的问题。

再有，作为牙刷的驱动部分，具备与马达等的驱动器分开的运动方向转换机构的所谓的驱动传递机构的场合，就驱动传递机构而言，有可能发生噪声以及因传递的动力损失发生而导致的效率劣化，有必要考虑应对这些问题的对策。

发明内容

本发明鉴于上述问题而提出，目的在于提供不必使用与驱动源分开的驱动传递机构便能够实现电动牙刷等的往复旋转运动的小型化的驱动器以及电动牙刷。

本发明的驱动器采用如下结构：即、具有：包括具有空出规定间隔相对的内壁的外磁轭、和设置在上述外磁轭上且在上述相对的内壁面的各个上借助于空隙将不同的磁极相对的磁铁的可动体；设置在上述可动体上的输出轴；配置在上述空隙中且具有围绕上述磁铁的卷材的固定体；将上述可动体可动自如地支撑在上述固定体上的弹性支撑部；以及对上述卷材供给与上述可动体的共振频率大致相等的频率的交流电的交流电供给部。

本发明的电动牙刷采用如下结构：即、具有上述结构的驱动器、和牙刷部，该牙刷部在上述驱动器的输出轴上以与该输出轴在同一轴心上的方式连接且在头部具备与轴向正交地设置的刷毛部。

本发明的效果如下。

根据本发明，由于不必使用与驱动源分开的驱动传递机构便能够完成电动牙刷等的往复旋转运动，所以能够实现小型化的驱动器以及电动牙刷。

附图说明

图1是表示涉及本发明的实施方式1的驱动器的立体图。

图2是该驱动器的主要部分分解立体图。

图3是表示该驱动器上的可动体及固定体的结构的概要剖视图。

图4是用于说明该驱动器的动作的模式图。

图5是表示在该驱动器中向卷材供给的交流电的周期的图。

图6是表示涉及本发明的实施方式2的驱动器的立体图。

图7是该驱动器的分解立体图。

图8是表示涉及本发明的实施方式3的驱动器的立体图。

图9是该驱动器的分解立体图。

图10是表示用于该驱动器的粘弹性体即弹性材料的图。

图中：

100、100A、100B-驱动器，110-可动体，120-固定体，128-卷材，130-磁性体，140-交流电供给部，150-外磁轭，160-磁铁，170-非弹性体，180-轴，172a-支撑轴部，124a-轴承，197-弹性材料。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。

对实施方式1进行说明。

图1是表示涉及本发明的实施方式1的驱动器100的立体图。图2是该驱动器的主要部分分解立体图。图3是表示驱动器100上的可动体以及固定体的结构的概要剖视图。

如图1所示，驱动器100具有：可动体110；固定体120；在固定体120上可动自如地支撑可动体110的弹性体130；以及交流电供给部140(图2及图3)。

可动体110具有：外磁轭150；磁铁160；弹性体连接部172、174；以及设置在可动体110上的旋转往复振动传递轴(以下称之为“轴”)180。

固定体120具有：基座122；支撑壁124、126；以及卷材128(参照图2)。在固定体120中，在做成沿着轴180的延长方向较长的矩形形状的基座122的表面中央部上配置卷材128。另外，从在基座122的长度方向分离的端边部竖立设支撑壁124、126。再有，对卷材128如图2所示，从交流电供给部140供给交流电源。

如图2及图3所示，外磁轭150这里做成剖面大致呈U字状，通过将板状磁性体折弯而形成。外磁轭150具有：矩形板状的磁轭中央部151、和分别从磁轭中央部151的两侧边部垂下且彼此相对的侧壁部152、153。

外磁轭150如图1及图2所示，在外磁轭150的长度方向(相当于轴180的延长方向)分离的端部(在两侧边部的延长方向上分离的端部)上通过弹性体130安装与支撑壁部124、126连接的弹性体连接部172、174。

在弹性体连接部172、174的一个上安装有在与外磁轭150的延长方向相同的方向突出的轴180。即、轴180从安装在外磁轭150上的弹性体连接部174向与磁铁160和侧壁部152、153相对的方向大致正交的方向突出地设置。再有，弹性体连接部172、174期望为非磁性体。

这样，轴180借助于弹性体连接部174固定在外磁轭150上，从而处于以位于通过可动体110重心的轴线上的方式安装在可动体110上的状态。由此，轴180与可动体110一起进行旋转往复振动，并将该振动传递到外部。

再有，在驱动器100用于电动牙刷的场合，在轴180上连结与轴180在相同轴心上且在头部具备与轴向正交地设置的刷毛部的牙刷部。由此，牙刷部进行与轴180同样的运动，这里进行旋转往复运动的转动。

磁铁160如图3所示，以在外磁轭150的相对的侧壁部152、153之间形成空隙的方式，借助于非磁性体170安装在外磁轭150的磁轭中央部151的里面中央部分。再有，就磁铁160而言，也可以在外磁轭150上不介入非磁性体170而在外磁轭150的相对的侧壁部152、153之间形成空隙。

磁铁160以从磁轭中央部151垂下的方式设置，并相对侧壁部152、153的各内壁面使互不相同的磁极相对。

这里，磁铁160的N极侧与外磁轭150的侧壁部152的内壁面相对，S极侧与外磁轭150的侧壁部153的内壁面相对。

另外，磁铁160是具有与外磁轭150的延长方向的长度相对应的长度的长方体，借助于外形为相同形状的非磁性体170并沿着该磁轭中央部151的延长方向安装在在磁轭中央部151上。

由此，磁铁160具有与外磁轭150的长度方向的长度相同的长度，并相对于相对的侧壁部152、153的内壁面的全面使不同的磁极的面分别相对。

在磁铁160和外磁轭150的侧壁部152、153之间的空隙中，与磁铁160的两侧壁面(磁极面)160a、160b、侧壁部152、153的内壁面以及磁轭中央部151的里面的各个分离地配置围绕磁铁160的卷材128。

卷材128这里是音圈，以围住磁铁160的周围的方式卷绕。具体地说，卷材128在空隙内，并向与磁铁160和与侧壁部152、153的相对方向正交的方向卷绕。

竖立设置于设有该卷材128的基座122上的支撑壁部124、126如图1及图2所示，配设在从在基座122的长度方向分离的两端边部立起的肋122a、122b上。支撑壁部126具有可动体110的轴180插通的开口部126a。

使轴180插通到该支撑壁部126的开口部126a中，支撑壁部124、126借助于在与弹性体连接部172、174之间架设的弹性体130在通常状态下将可动体110保持为大致水平方向(与基座122大致平行)。

弹性体130在支撑壁部124、126的相对区域中，在左右前后方向上变位自如地支撑可动体110，并在磁铁160及轴180的扭转方向支撑可动体110。这里，弹性体130在支撑壁部124、126彼此相对的面的上下端部中由大致水平地向相对方向突出设置的板状蛇形弹簧构成。也就是，弹性体130是从一端侧向另一端侧反复地将细带状的金属板在一方的宽度方向延长并在另一方的宽度方向折返从而配置成蛇形，弹性体130自身如果固定一端部和另一端部，则在扭转方向伸缩。

通过这样构成的弹性体130，可动体110利用与侧边部正交的端部的上下边部分，并在扭转方向可动自如地支撑在固定体120的支撑壁部124、126的各个上。

在可动体110的惯性系数为J、扭转方向的弹簧常数为ksp的场合，可动体110相对固定体120，以由下式(1)算出的共振频率振动。

(数学式1)

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{K_{\mathrm{sp}}}{J}}--\left(1\right)$

本实施方式的驱动器100通过交流电供给部140对卷材128供给与可动体110的共振频率f₀大致相同频率的交流电。由此，能够高效地驱动可动体110。

就可动体110及固定体120而言，外磁轭150、磁铁160、及卷材128形成磁回路。

如图3所示，就驱动器100而言，从磁铁160产生的磁通量(用空心箭头所示)以配置有卷材128的空隙、外磁轭150的侧壁部152、磁轭中央部151、侧壁部153、相反侧的空隙为顺序通过形成磁回路。

其次，对驱动器100的动作进行说明。

本驱动器100上的可动体110是通过弹性体130由固定体120支撑的弹性集体结构。当对卷材128供给与可动体110的共振频率f₀相等的频率的交流电，则可动体110以共振状态被驱动。这时产生的旋转往复振动传递到可动体110的轴180。

驱动器100基于用下式(2)所示的运动方程以及下式(3)所示的电路方程式进行驱动。

(数学式2)

$J\frac{d^2\mathrm{\θ}\left(t\right)}{{\mathrm{dt}}^2}=K_{t}i\left(t\right)-K_{\mathrm{sp}}\mathrm{\θ}\left(t\right)-D\frac{\mathrm{d\θ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}-T_{\mathrm{Load}}--\left(2\right)$

其中：J为惯性力矩[Kgm²]

θ(t)为角度[rad]

K_t为转矩常数[Nm/A]

i(t)为电流[A]

K_sp为弹簧常数[Nm/rad]

D为衰减系数[Nm/(rad/s)]

T_Load为负荷转矩[Nm]

(数学式3)

$e\left(t\right)=\mathrm{Ri}\left(t\right)+L\frac{\mathrm{di}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}+K_e\frac{\mathrm{d\θ}\left(t\right)}{\mathrm{dt}}$ ——式(3)

其中：e(t)为电压[V]

R为电阻[Ω]

L为电感[H]

K_e为反电动热乘数

即、驱动器100的惯性力矩、旋转角度、转矩常数、电流、弹簧常数、衰减系数、负荷转矩等在满足式(2)的范围内能够适当变更，电压、电阻、电感、反电动热乘数在满足式(3)的范围内能够适当变更。

图4是用于说明涉及本实施方式1的驱动器的动作的模式图。再有，在图4(a)中，用空心箭头表示由磁铁得到磁回路的磁通量的流动，在图4(b)～图4(d)中，由于是相同的流动，所以省略图示。

当从交流电供给部140对卷材128供给交流电时，则按照弗来明左手定律，在卷材128中产生如图中箭头F1、F2、F3、F4所示的推力。由此，在具有卷材128的基座122以及在支撑壁部124、126上通过弹性体130安装着的可动体110上发生以旋转重心为轴中心的旋转力。

对驱动器100的一个周期的动作进行说明。

以图4(a)所示的朝向在卷材128中流动电流(将该方向称之为“顺时针方向电流”)时，则在与磁铁160的N极面160a相对的卷材128的部分128a上向上(外磁轭150侧的方向)产生推力F1，在与磁铁160的S极面相对的卷材128的部分128b上向下产生(基座122侧的方向)推力F2。

由此，在从具有卷材128的基座122立起的支撑壁部124、126(参照图1及图2)上通过弹性体130支撑的可动体110上产生相对旋转的力，可动体110可动到位于图4(b)所示的位置上。

在图4(b)所示状态的驱动器100中，通过弹性体130的恢复力产生箭头R1、R2的反作用力。在从图4(b)所示的状态到图4(d)所示的状态中，对卷材128供给与图4(a)反方向的电流。由此，可动体110在从图4(b)所示的状态到图4(c)所示的状态中，通过用箭头R1、R2所示的反作用力和箭头F3、F4所示的推力相对固定体120绕顺时针方向旋转。另外，可动体110在从图4(c)所示的状态到图4(d)所示的状态中，通过用箭头F3、F4所示的推力相对固定体120绕顺时针方向旋转。

在图4(d)所示状态的驱动器100中，通过弹性体130的恢复力产生箭头R3、R4的反作用力。在从图4(d)所示的状态经由图4(a)所示的状态直到图4(b)所示的状态中，对卷材128供给顺时针方向电流。由此，可动体110在从图4(d)至图4(a)的状态中，通过用箭头R3、R4所示的反作用力和用箭头F1、F2所示的推力相对固定体120绕逆时针方向旋转。另外，可动体110从图4(a)状态至图4(b)的状态中，通过箭头F1、F2所示的推力相对固定体120绕逆时针方向旋转。

其次，对在图4的各状态中供给的交流电流简单地进行说明。

流动在卷材中的交流电可以是如图5(a)所示的频率f₀的脉冲波，也可以是如图5(b)所示的频率f₀的正弦波。

在图4(a)的状态中，供给图5所示时刻t1的顺时针方向的电流，在图4(b)的状态中，如图4的时刻t2所示那样转换电流的方向，在图4(c)的状态中，供给如图5所示时刻t3的逆时针方向电流。另外，在图4(d)的状态中，如图5的时刻t4所示那样转换电流的方向，在图4(d)的状态中，供给图5所示时刻t5的顺时针方向的电流。这是一个周期的动作，通过反复这样的动作，从而可动体110进行旋转往复振动。

就驱动器100而言，可动体110进行旋转往复运动也就是旋转往复振动，该旋转往复振动通过轴180输出到外部。在轴180上连接在头部具备与轴向正交地设置的刷毛部的牙刷部的场合，牙刷部进行旋转往复运动能够进行转动刷牙。

这样，驱动器100满足式(2)、(3)，通过使用了用式(1)所示的共振频率的共振现象进行驱动。由此，就驱动器100而言，在稳定状态中消耗的电力仅是由负荷转矩引起的损失以及摩擦等引起的损失，能够以低消耗电力驱动也就是能够以低消耗电力对可动体110进行旋转往复振动。如上所说明的那样，在本实施方式的驱动器100中，不必使用与驱动源分开的驱动传递机构便能够实现电动牙刷等的往复旋转运动，能够实现小型化，再有，能够以低消耗电力实现往复旋转运动。

另外，在驱动器100中，磁铁160相对于外磁轭150在侧壁部152、153之间以使不同的磁极面与各侧壁部152、153相对的方式设置，并通过配置于卷材128的内部形成磁回路。形成本实施方式的磁回路的场合，与将多个磁铁安装在侧壁部152、153的内壁上的场合相比，能够减少磁铁的个数，并能够实现组装性的提高以及成本的削减。再有，即便是具有驱动器100的电动牙刷也能够得到与上述相同的效果，还能够实现牙刷自身的小型化。

对实施方式2进行说明。

图6是表示涉及本发明的实施方式2的驱动器的立体图。图7是该驱动器的分解立体图。再有，该驱动器100A具有与图1所示的实施方式1对应的驱动器100相同的基本结构，对相同的构成要素附注相同的符号，省略其说明。

驱动器100A是在驱动器100中将可动体110可动自如地以轴支撑在固定体120上的结构。这里，在驱动器100的结构中，以与轴180在同一轴心上的方式自如转动地以轴支撑。

即、驱动器100A在驱动器100的结构中，在插通轴180的支撑壁部126的开口部126a上安装轴承126b。支撑壁部126通过轴承126b自如转动地支撑着轴180。另外，在轴180中的在从支撑壁部126突出的部位上外嵌有轴衬126c。

再有，在安装在外磁轭150上的弹性体连接部172上，在与轴180的突出方向相反的方向上突出设有与轴180同轴心上地配置的支撑轴部172a。支撑轴部172a具有与轴大致相同的外径。

在对该弹性体连接部172通过弹性体130连接的支撑壁部124上安装插通支撑轴部172a的轴承124a。在插通到支撑壁部124的轴承124a的支撑轴部172a的端部上在支撑壁部124的后面侧外嵌有轴衬124b。

这样地，在驱动器100A中，可动体110用支撑轴部172a及轴180自如转动地以轴支撑在支撑壁部124、126上。由此，在驱动器100A中，从交流电供给部140对卷材128供给交流电，并相对固定体120以轴180的轴心为中心稳定地进行旋转往复振动。

由此，仅具有旋转及轴向自由度，就可提高驱动器100A自身的耐冲击性并且使可动体110稳定地进行旋转往复振动。

另外，在驱动器100A中，传递并输出可动体110的可动运动的轴180作为使可动体110以轴支撑在固定体120上的轴部使用。

对实施方式3进行说明。

图8是表示涉及本发明的实施方式3的驱动器的图，图9是该驱动器的分解立体图，图10是表示作为用于该驱动器的粘弹性体的弹性材料的图。再有，图8及图9所示的驱动器100B是在图6及图7所示的实施方式2所对应的驱动器100A中，替换了弹性体130的结构，其它结构是相同的结构。由此，对于相同的结构要素附注相同的符号，省略其说明。

在驱动器100B中，在驱动器100A的结构中，替换与实施方式1的驱动器100的弹性体130相同的作为蛇形弹簧的弹性体130而使用自身衰减较大的粘弹性体，这里使用弹性材料197。

弹性材料197如图10所示，具备：具有支撑轴部172a和轴180插通的插通口198的中央部197a；以及从中央部197a向与支撑轴部172a及轴180的轴心正交的方向上突出的臂部197b。

弹性材料197配置在支撑壁部124(126)和弹性体连接部172(174)之间并作为弹簧发挥作用。弹性材料197在形成于偏离臂197b的延长方向的位置的孔部198a、198b中嵌入支撑壁部124(126)和弹性体连接部172(174)。再有，图9仅表示嵌入到弹性材料197的孔部198a、198b中的突起中的形成于支撑壁部124的突起124c及形成于弹性体连接部174的突起174c。虽然未图示，但与支撑壁部124的突起124c相同的突起形成于支撑壁部126，与弹性体连接部174的突起174c相同的突起形成于弹性体连接部172。这里，在弹性材料197的臂部197b中，通过在靠近中央部197a的位置的孔部198a中压入弹性体连接部174(172)的突起174a而嵌合。另外，通过在比中央部197a远的位置的孔部198b中压入支撑壁部124(126)的突起124b而嵌合。

根据驱动器100B，能够得到与实施方式2相同的效果的同时，弹性材料197配置在支撑壁部124(126)和弹性体连接部172(174)之间，通过仅将支撑壁部124(126)和弹性体连接部172(174)的突起(在图中仅表示124a、174c)压入到孔部198a、198b中，安装在两部件上。由此，与使用蛇形弹簧等的金属弹簧的场合不同，无需由螺钉等进行的紧固或者粘接等的复杂的安装工序，就能够实现驱动器100B自身的组装性的提高。

另外，上述各实施方式中的外磁轭150具有以磁铁160的不同磁极分别相对的内壁面，只要用卷材128和磁铁160形成磁回路，则如何构成都可以，既可以将外磁轭150整体形成为剖面圆弧状，也可以将磁轭主体部形成为圆弧状。

再有，上述本发明只要不脱离本发明的精神，能够进行各种改变，并且本发明当然也涵盖该改变的结构。

产业上的可利用性

涉及本发明的驱动器具有不必使用与驱动源分开的驱动传递机构便能够完成电动牙刷等的往复旋转运动并实现小型化的效果，作为用于电动牙刷等的进行往复旋转振动的驱动器是有用的。

Claims (5)

1.一种驱动器，其特征在于，具有：

包括具有空出规定间隔相对的内壁面的外磁轭、和设于上述外磁轭上且在上述相对的内壁面的各个上借助于空隙将不同的磁极面相对的磁铁的可动体；

设置在上述可动体上的输出轴；

配置在上述空隙中且具有围绕上述磁铁的卷材的固定体；

将上述可动体可动自如地支撑在上述固定体上的弹性支撑部；以及

对上述卷材供给与上述可动体的共振频率大致相等的频率的交流电的交流电供给部。

2.根据权利要求1所述的驱动器，其特征在于，

上述磁铁借助于非磁性体设于上述外磁轭上。

3.根据权利要求1所述的驱动器，其特征在于，

上述可动体以上述输出轴为中心旋转自如地以轴支撑在上述固定体上。

4.根据权利要求1所述的驱动器，其特征在于，

上述弹性支撑部是介于上述固定体和上述可动体之间而设置且在上述可动体和上述固定体之间自由变形的粘弹性体。

5.一种电动牙刷，其特征在于，

具有权利要求1～4任一项所述的驱动器；以及

在上述驱动器的输出轴上以与该输出轴为相同轴心上的方式连接且在头部具备与轴向正交地设置的刷毛部的牙刷部。

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