CN1756054A - 共振驱动致动器 - Google Patents

Abstract

一种共振驱动致动器，起包括一壳体；一支承在该壳体的内部的电磁驱动部分段；一由该电磁驱动部分段至少在转动方向或者轴向方向上往复地驱动的柱塞；一输出轴，将柱塞固定在该轴上；以及在输出轴与壳体之间起作用的弹簧。制动器共振地驱动一连接到输出轴一端上的负载。弹簧是平板弹簧，它整体地包括一固定地压靠着壳体的内表面的壳体内表面压靠部分，一固定地压靠输出轴的外表面的输出轴压靠部分，以及一连接部分，此部分有条带的形状，并且将输出轴压靠部分与壳体内表面压靠部分连接起来。把平板弹簧既固定到壳体的内表面上又固定到输出轴上。

Description

共振驱动致动器

技术领域

本发明涉及一种共振驱动致动器，它通过电磁驱动作用力往复地驱动一输出轴，负载连接到该输出轴上，至少在轴向方向上以轴向的共振频率驱动输出轴运动，此轴向的共振频率由一个弹簧件的弹簧作用力和一个可运动部分段的质量确定，或者在转动的方向上以一个圆周共振频率驱动输出轴运动，此圆周共振频率由弹簧作用力和可运动部分段的惯性确定。

背景技术

可以用作电动剃须器或者电动牙刷的驱动部分段的致动器借助于电磁驱动作用力使一个可运动部分段在轴向的方向上和转动的方向上往复地运动。这时，可运动部分段产生以轴向的共振频率并且以圆周共振频率的往复运动，该轴向的共振频率由一个弹簧件的弹簧作用力和一个可运动部分段的质量确定，而圆周共振频率由弹簧作用力和可运动部分段的惯性确定。

图8示出了这样的一个传统制动器的一个示例。该致动器的一个可运动部分段包括输出驱动作用力的一根输出轴和由磁体做成的一个圆柱形的柱塞，将该柱塞以沿着圆周分开的方式磁化。对可运动部分段进行支承，其方式使得它靠两个轴承可以在转动的方向上并且在轴向的方向上相对于不动的壳体往复地运动，这两个轴承容纳在固定到不动的壳体上的两个相应的轴承保持部分中。围绕着柱塞的外圆周表面设置形成磁极的一个芯和缠绕在该芯上的线圈，芯的磁极的数目等于或者大于磁体的磁极数目，从而形成固定到不动的壳体的内表面上的一个电磁驱动部分段。把不动的电磁驱动部分段的磁极和可运动部分段的磁体的磁极安排成当把电流施加到线圈上时可以在沿圆周的方向上产生旋转驱动作用力，并且使这些磁极在轴向上彼此偏置，从而在轴向的方向上产生驱动作用力。将一个螺旋弹簧设置在输出轴的一端，在固定到输出轴上的一个可运动的弹簧保持装置与固定到壳体上的一个不动的弹簧保持装置之间。

当交变电流施加到线圈上时，电磁驱动部分段克服螺旋弹簧的恢复作用力在轴向上吸引可运动磁体(以及固定到该可运动磁体上的输出轴)，或者在相反的方向上排斥可运动磁体，同时在预定的沿圆周方向转动的方向上吸引可运动磁体，或者在相反的转动方向上排斥可运动磁体。因此，柱塞在轴向方向上和在转动方向上产生往复的运动。

螺旋弹簧必须在它的相反的端部牢固地紧固到相关的被驱动件上，比如可以运动的件和不动的件上。然而，克服轴向作用力和转动作用力牢固地紧固螺旋弹簧是很困难的。另外，螺旋弹簧还有一个问题，即它有较长的长度。还有，因为很难以高的同轴度安装螺旋弹簧，所以会出现损失，比如轴承的摩擦损失，增加获得共振的困难。

为了解决上述问题，已经知道使用平板弹簧代替螺旋弹簧。图9示出了另一种传统的致动器，它使用了平板弹簧(参见日本专利No.3475949)。使用第一到第三平板弹簧使得减小弹簧件的重量和致动器的总长度变得容易。

可运动部分段包括由一种磁性材料比如铁质材料制成的一个圆柱形的柱塞和输出驱动作用力的一根输出轴。把一个环形的线圈以围绕着柱塞的方式固定到壳体的内表面上，并且用作电磁驱动部分段。在线圈的相应的轴向上相反的侧面上设置两个环形的磁体，并且相对于线圈把这两个磁体对称地磁化。把两个架设置在每个磁体的相应的相反侧面上。将第一平板弹簧设置在壳体与输出轴的一端之间；并且在输出轴的另一端与壳体之间以给定的次序设置第二平板弹簧，一个控制振幅的重物，以及第三平板弹簧。

当没有电流施加到线圈上时，柱塞在所画出的位置保持不动，在该位置，磁体通过架加到柱塞上的磁作用力与第一到第三平板弹簧的弹簧作用力平衡。当在一个方向上将电流施加到线圈上时，在柱塞中产生的磁通量与磁体的磁通量产生的磁作用力使得柱塞克服第一平板弹簧的恢复作用力朝向一个磁体运动。当在相反的方向上将电流施加到线圈上时，柱塞克服第一平板弹簧的恢复作用力在相反的方向上运动。因此，将交变电流施加到线圈上使得柱塞产生在轴向上的往复运动。

然而平板弹簧可以产生可运动部分段的轴向往复运动所要求的弹簧作用力，但是不能产生转动驱动作用力所要求的弹簧作用力，可运动部分段靠这种转动驱动作用力才能够相对于不动的段在圆周方向上往复地运动。换句话说，没有将图9中示出的平板弹簧设计成用于可运动部分段在圆周方向上往复运动的应用。

发明内容

本发明的一个目的是解决在传统的致动器中的上面提到的问题，并且提供一种往复驱动的致动器，它使得可以使用通过冲切制成的平板弹簧，从而可以减少共振机构部分段的长度，并且可以以高的同轴度安装该共振机构部分段。

本发明的另一个目的是提供一种致动器，它不仅能够对轴向的往复驱动、而且能够对于转动的往复驱动提供任意的弹簧常数，并且使得位移的不平衡可以相互抵消，否则这种不平衡会使得不能建立同轴的状态。

本发明的一种共振驱动致动器包括一个壳体；一个支承在该壳体内部的电磁驱动部分段；一个由该电磁驱动部分段至少在转动方向上或者在轴向方向上往复地驱动的柱塞；一根输出轴，将柱塞固定在该轴上；以及一个在输出轴与壳体之间起作用的弹簧。制动器共振地驱动一连接到输出轴一端上的负载。弹簧是平板弹簧，它整体地包括固定地压靠着壳体的内表面的壳体内表面压靠部分，固定地压靠着输出轴的外表面的输出轴压靠部分，以及一个连接部分，此部分有条带的形状，并且将输出轴压靠部分与壳体内表面压靠部分连接起来。把平板弹簧既固定到壳体的内表面上又固定到输出轴上。

因为本发明采用通过冲切制成的平板弹簧，所以可以减小共振机构部分段的长度(尺寸)，并且可以使以高的同轴度安装共振机构部分段变得容易。因此，不大可能出现轴承的摩擦损失。并且比较容易获得共振。

按照本发明，可以通过结合使用有不同厚度的平板弹簧或者通过改变要使用的平板弹簧的数目获得任意大小的弹簧常数，并且可以通过使用单一的冲切模具制作出平板弹簧。

按照本发明，结合使用朝向相反方向或者有不同圆周相位的平板弹簧实现了位移不平衡的相互抵消，否则这种位移的不平衡会使得不能建立同轴的条件。

附图说明

图1为一个剖面图，示出了按照本发明的致动器的第一实施例；

图2为图1的致动器的部件分解透视图；

图3为一个剖面图，示出了按照本发明的致动器的第二实施例；

图4为一个放大的透视图，示出了可以在图1和3的致动器中使用的第一示例性平板弹簧；

图5A为一个放大的透视图，示出了第二示例性平板弹簧，它的形状与图4的平板弹簧的形状不同；

图5B为一个放大的透视图，示出了第三示例性平板弹簧，它的形状与图4的平板弹簧的形状不同；

图6A为一个放大的平面图，示出了第四示例性平板弹簧；

图6为一个放大的平面图，示出了第五示例性平板弹簧；

图7用来解释六个平板弹簧的作用，它们设置成使得它们的圆周相位与图2中所示的相位有移动；

图8示出了一种传统的致动器；以及

图9示出了使用平板弹簧的另一种传统的致动器。

具体实施方式

下面将参考着图详细地描述本发明的实施例。图1为一个剖面图，示出了按照本发明的致动器的第一实施例。图2为图1的致动器的部件分解透视图。如在图1和2中所示，该致动器的一个可运动部分段包括一个输出一驱动作用力的输出轴和一个固定到该输出轴上的圆柱形的柱塞，该柱塞由一个磁体做成，以沿圆周分开的方式将该磁体磁化。一个负载(未示出)连接到输出轴的一端上，并且以轴向共振频率和圆周共振频率共振地驱动该负载，此轴向共振频率由一个弹簧件的弹簧作用力和一个可运动部分段的质量确定，而圆周共振频率由弹簧作用力和可运动部分段的惯性确定。例如，当把一牙刷头作为一个负载装接到输出轴的端部上时，就形成了一个电动牙刷。用容纳在固定到一个壳体上的两个对应的轴承保持部分中并且彼此间隔开的两个轴承来支承该可运动部分段，从而使得可运动部分段可以在转动方向上和轴向方向上相对于壳体往复地运动。围绕着磁体的外圆周表面设置形成磁极的一个芯和缠绕在该芯上的线圈，形成磁极的芯的数目等于或者大于磁体的磁极的数目，从而形成一个固定到壳体的内表面上的电磁驱动部分段。使固定到壳体上的电磁驱动部分段的磁极和可运动部分段的磁体的磁极在圆周上彼此偏置，从而当把电流施加到线圈上时在圆周方向上产生一个转动驱动作用力。同样，将电磁驱动部分段的磁极和可运动部分段的磁体的磁极在轴向上彼此偏置，从而在轴向方向上产生一个驱动作用力。在图1中，将由芯和线圈形成的磁极由磁体的磁极稍微向左偏置。在输出轴的一端，在壳体的内表面与输出轴的外表面之间并列设置多个(在图1中为六个)平板弹簧，这些弹簧有特殊的构形，后面将详细地描述它们。这些平板弹簧固定到输出轴上，使得通过使用一个键可以防止它们在输出轴上转动，并且使得通过使用两块固定板(转子衬套)防止它们在输出轴上进行轴向运动，这两块固定板固定地压配合到输出轴上，从而把平板弹簧夹在它们之间。进而，设置用于把平板弹簧固定到壳体的内表面上的装置，从而防止平板弹簧相对于壳体运动，对此后面将详细地描述。

在本实施例中，磁体用作柱塞，并且芯和线圈构成电磁驱动部分段。然而，由于驱动机构的构形不是本发明的特点，所以对它不作进一步的描述。除了本发明的驱动机构以外，可以采用各种传统上已经知道的驱动机构。

当在一个方向上将电流施加到线圈上时，电磁驱动部分段在轴向上克服平板弹簧的恢复作用力而吸引可运动磁体(以及固定到该可运动磁体上的输出轴)，同时在一个预定的在圆周上转动的方向上吸引可运动磁体。当在相反的方向上将电流施加到线圈上时，电磁驱动部分段轴向上在相反的方向上排斥该可运动磁体，同时在圆周上相反的转动方向上排斥可运动磁体。因此，将交变电流施加到线圈上使柱塞产生在轴向上和圆周上的往复运动。

本实施例采用平板弹簧和两个轴承。然而，可以去掉在朝向平板弹簧的侧面上的轴承。在这种情况下，由壳体在它的一侧通过平板弹簧并且在它的另一侧通过轴承支承输出轴。进而，如在图3中所示出的那样，可以用平板弹簧将两个轴承都替代掉。

图3示出了按照本发明的致动器的第二实施例。第二实施例与第一实施例的不同在于，多个平板弹簧替代了第一实施例的两个轴承中的每个轴承，从而在壳体的相反侧面(在相反的端部)支承着输出轴。以与第一实施例类似的方式把平板弹簧固定到输出轴的外表面和壳体的内表面上。因为通过使用平板弹簧在壳体的相反侧面支承着输出轴，所以在图1的致动器中使用的轴承变得不必要。即使在这样的构形中，把交变电流施加到线圈上依然可以使柱塞产生轴向以及圆周的往复运动，如第一实施例的情况那样。

图4示出了可以在上面描述的致动器中使用的第一示例平板弹簧。可以通过冲切由有弹簧性能的平板比如用于弹簧的不锈钢条带(比如SUS304或者SUS301)制成这样的平板弹簧。图4的平板弹簧整体地包括壳体内表面压靠部分、壳体内表面接合部分、有键槽的输出轴压靠部分以及用于连接输出轴压靠部分和壳体内表面压靠部分的两个条带状的连接部分。壳体内表面压靠部分固定地压靠着壳体的内表面。在壳体的内表面为圆形截面的情况下，壳体内表面压靠部分具有一个圆形的形状，如在图4中所示出的那样。把壳体内表面接合部分(突出部)装配到在壳体的内表面上形成的对应的凹槽(凹入部)中。通过压配合或者夹紧靠把在壳体上形成的凹入部与平板弹簧的对应的突出部接合在一起而将平板弹簧固定到壳体上。凹入部和突出部用作固定装置，为的是防止压靠着壳体的内表面的平板弹簧沿圆周和在轴向上运动。

输出轴压靠部分为一个大致圆形的部分，并且它固定地压靠着通常有圆形截面的输出轴的外表面。输出轴压靠部分有一个与输出轴的界面形状相对应的中心孔以及与该中心孔整体地形成的一个或者多个键槽。在图4中，为了校正相位偏移，设置有三个键槽，对此在后面将详细地描述。一个键装配到在输出轴上设置的一个键槽(见图2)中，并且装配到处于输出轴的键槽的相对位置的三个键槽中的一个键槽中，从而防止平板弹簧在输出轴上沿圆周方向的运动。

如上面提到过的那样，图4的平板弹簧有两个条带状的连接部分，用来连接具有大致圆形的壳体内表面压靠部分和具有大致圆形的输出轴压靠部分。两个条带状的连接部分是平板弹簧的主要部分，并且它们像弹簧那样起作用。为了获得所希望的弹簧作用力，使得两个条带状的连接部分中的每一部分有一种非线性的形状；具体地为图示出的弧形，从而延长这两个条带状的连接部分，为的是增加弹簧的有效长度。对称地布置如此构形成的两个条带状的连接部分。把这样一个平板弹簧结合到致动器中。因此，当相对于壳体内表面压靠部分可旋转地驱动输出轴压靠部分时，以很高的同轴度缠绕地扭转这两个对称布置的条带状的连接部分。另外，将用于平板弹簧的材料、条带状的连接部分的宽度和厚度以及要结合的平板弹簧的数目选择成使得对于轴向的往复驱动也提供所要求的弹簧常数。

图5A示出了第二示例性平板弹簧，它的形状与图4的平板弹簧不同，图5B示出了第三示例性平板弹簧，它的形状也与图4的平板弹簧不同。如在图4的平板弹簧的情况那样，在图4和5的每个图中的平板弹簧整体地包括壳体内表面压靠部分、壳体内表面接合部分、有键槽的输出轴压靠部分以及用于连接输出轴压靠部分和壳体内表面压靠部分的条带状的连接部分，并且通过冲切制成该平板弹簧。图5A的平板弹簧与图4的平板弹簧的不同在于，仅设置了两个壳体内表面接合部分，并且仅设置一个键槽。图5B的平板弹簧仅有一个条带状的连接部分，它有基本上圆形的形状，并且通过对应的在径向上伸展的直的部分把它连接到壳体内表面压靠部分和输出轴压靠部分上。图5B的平板弹簧与图4和5A的平板弹簧的不同在于，仅设置一个连接部分。在图5B中示出的连接部分在圆周方向上没有完全对称的形状，而是有基本上圆形的形状，其围绕着输出轴压靠部分，从而增大了弹簧的有效长度。

图6A示出了第四示例性平板弹簧，而图7A示出了第五示例性平板弹簧。类似地，图6A和6B的平板弹簧中的每一个整体地包括壳体内表面压靠部分、壳体内表面接合部分，有一个D形切去部分的输出轴接合孔的输出轴压靠部分以及用于连接输出轴压靠部分和壳体内表面压靠部分的条带状的连接部分。有D形切去部分的输出轴的一部分被切去，从而获得像字母D的截面。使平板弹簧的中心孔有类似字母D并且与有D形切去部分的输出轴的D形切去部分相对应的形状，从而形成D形切去部分的输出轴接合孔。当平板弹簧装配到输出轴上时，D形切去部分的功能为停止旋转的装置，为的是防止平板弹簧旋转。图6A和6B的平板弹簧使用停止旋转的装置代替使用键的以及在图4、5A和5B的平板弹簧中采用的固定装置。对称地形成在图6A和6B中示出的弧形连接部分，当由平板弹簧的任何一侧看时，每个连接部分有相同的形状。因此，在组装时，不需要考虑平板弹簧的取向。在图6A中，对称地布置弧形的连接部分，并且通过对应的在径向上伸展的直的部分把它们连接到壳体内表面压靠部分和输出轴压靠部分上。在图6B中，对称地并且同圆心地布置弧形的连接部分，并且通过对应的在径向上伸展的直的部分把它们连接到壳体内表面压靠部分和输出轴压靠部分上。进而，通过一个径向伸展的直的部分把内弧形连接部分与外弧形连接部分连接起来。此直的部分指的是用于在径向上进行连接的部分。在图6A和6B的任何一种情况下，起弹簧作用的主要部分为弧形的形状。如前面提到过的那样，弧形的形状的采用加长了弹簧的有效长度。

图7用来解释六个平板弹簧的作用，这些平板弹簧布置成使得它们的圆周相位与图2中所示的相位有移动。在图7的六个平板弹簧中，将每一对平板弹簧(1)和(2)，(3)和(4)，以及(5)和(6)布置成使得两个平板弹簧面向相反的方向，并且有相同的圆周相位。还有，将平板弹簧(1)到(6)设置成使得中间的那对平板弹簧(3)和(4)与第一对平板弹簧(1)和(2)的相位有120度的圆周相位偏移，并且使得最后一对平板弹簧(5)和(6)与第一对平板弹簧(1)和(2)的相位有240度的圆周相位偏移。为了建立这样的相位偏移，平板弹簧(1)到(6)中的每个平板弹簧有三个键槽，使用这些键槽固定输出轴。

如在图7中所示，平板弹簧的条带状的连接部分有弧形的形状，从而平板弹簧在顺时针方向旋转与逆时针旋转之间呈现出不同的弹簧常数。可以如下地校正由旋转方向产生的弹簧常数的差别，以面向相反方向的方式结合起来使用相同形状的两个平板弹簧。在沿着转动方向的变形中，图7中示出的每个平板弹簧在基本上同轴的条件下变形，但是包括与同轴条件的微小偏离。这种离开同轴条件的偏离可以通过将多个有不同圆周相位的平板弹簧结合起来进行校正。因此，通过面向相反方向的两个平板弹簧的结合使用或者不同的圆周相位的平板弹簧的结合使用可以相互抵消个别平板弹簧的位移的不平衡，这种位移的不平衡是由圆周方向上形状的不对称产生的。

已经描述了本发明，并且提到致动器同时实现在转动方向上和轴向方向上往复的运动。然而，本发明不限于此。例如，本发明可以用于或者在转动方向上或者在轴向方向上实现往复运动的致动器。

Claims (7)

1.一种共振驱动致动器，它包括：

壳体；

支承在所述壳体的内部的电磁驱动部分段；

由所述电磁驱动部分段至少在转动方向上或者在轴向方向上往复地驱动的柱塞；

输出轴，所述柱塞固定在所述输出轴上；以及

在所述输出轴与所述壳体之间起作用的弹簧；

致动器共振地驱动连接到所述输出轴的一端上的负载；

其中，所述弹簧是平板弹簧，它整体地包括固定地压靠着所述壳体的内表面的壳体内表面压靠部分，固定地压靠着所述输出轴的外表面的输出轴压靠部分，以及连接部分，所述连接部分具有条带的形状，并且将所述输出轴压靠部分与所述壳体内表面压靠部分连接起来；以及

所述平板弹簧既固定到所述壳体的所述内表面上又固定到所述输出轴上。

2.按照权利要求1所述的共振驱动致动器，其特征在于，所述连接部分的主要部分为弧形的形状。

3.按照权利要求1所述的共振驱动致动器，其特征在于，所述壳体通过所述平板弹簧和轴承支承所述输出轴。

4.按照权利要求1所述的共振驱动致动器，其特征在于，所述壳体在一端通过所述平板弹簧而在另一端通过轴承支承所述输出轴。

5.按照权利要求1所述的共振驱动致动器，其特征在于，所述平板弹簧至少在两个位置支承所述输出轴，从而不再需要使用轴承。

6.按照权利要求1所述的共振驱动致动器，其特征在于，将多个所述平板弹簧设置成使得所述平板弹簧交替地朝向相反的方向，或者使得所述平板弹簧具有不同的圆周相位。

7.按照权利要求1所述的共振驱动致动器，其特征在于，通过冲切形成所述平板弹簧。

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