DE602006000015T2

DE602006000015T2 - Vibrierender Linearaktuator und elektrische Zahnbürste mit diesem Aktuator

Info

Publication number: DE602006000015T2
Application number: DE602006000015T
Authority: DE
Inventors: Noboru Kobayashi; Takahiro Nishinaka; Kensaku Kanada; Hiroaki Shimizu; Ryo Motohashi; Hidekazu Yabuuchi
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-01-19
Filing date: 2006-01-17
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2026-01-18
Also published as: JP4400463B2; CN100522103C; KR100664638B1; US7495358B2; KR20060084369A; US20060158048A1; DE602006000015D1; EP1684402B1; CN2932818Y; JP2006204003A; ATE364255T1; CN1817321A; EP1684402A1

Description

1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Vibrationslinearaktuator und eine elektrische Zahnbürste, die denselben verwendet.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Ein Beispiel eines Vibrationslinearaktuator speziell zur vorzugsweisen Verwendung als Antriebsquelle einer elektrischen Zahnbürste ist als aus einem zylindrischen Stator, der einen Wickeldraht aufweist, einem zylindrischen beweglichen Element, das mit einem Element versehen ist, das aus einem magnetischen Werkstoff hergestellt und innerhalb des Stators angeordnet ist, und einer Welle zusammengesetzt bekannt gewesen, die auf dem beweglichen Element angebracht ist (siehe japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift Nr. 2002-176758).
Darüber hinaus ist ein anderer Vibrationslinearaktuator bekannt gewesen, der mit einem vibrationsabsorbierenden Gewicht versehen ist, das sich unabhängig vom beweglichen Element bewegt, um unerwünschte Vibrationen zu verringern oder auszugleichen, um einen Nachteil von Vibration zu beseitigen, die durch Trägheitskraft des beweglichen Elements verursacht ist (siehe Japanische Patentschrift Nr. 3475949).
Jedoch wird, wenn das vibrationsabsorbierende Gewicht, das sich gegenphasig zum beweglichen Element bewegt, verwendet wird, um Vibration zu verringern, der Vibrationslinearaktuator unweigerlich größer. Darüber hinaus wird, da die Verwendung des vibrationsabsorbierenden Gewichts zu einem erhöhten Gewicht sich bewegender Komponenten einschließlich des beweglichen Elements und des Gewichts führt, mehr Energie benötigt, um die Komponenten hin- und herzubewegen.
Daher weist eine elektrische Zahnbürste, die einen derartigen Vibrationslinearaktuator verwendet, auch Nachteile im Hinblick auf Verkleinerung und Energieeinsparung auf.
Dokument EP 1 193 844 A1 beschreibt einen Linearoszillator, der ein sich bewegendes Teil, das sich hin- und herbewegt, ein Gehäuse, das den sich bewegenden Teil enthält, und eine Amplitudensteuerspindel umfaßt, die in dem Gehäuse derart gelagert ist, daß sie beweglich ist, wobei sich das sich bewegende Teil und die Vibrationssteuerspindel mit einer Resonanzfrequenz oder in deren Nähe hin- und herbewegen.
Dokument EP 1 329 203 A1 beschreibt eine elektrische Zahnbürste und einen Linearoszillator für dieselbe, wobei die elektrische Zahnbürste einen Antriebsteil, ein Antriebselement, einen Bürstenteil und einen Vibrationsabsorber beinhaltet. Das Antriebselement ist konfiguriert, um wechselseitige Kraft auf die Antriebswelle auszuüben, um die Antriebswelle wechselseitig linear zu bewegen. Der Vibrationsabsorber ist mit der Antriebswelle über eine zweite Feder verbunden, um entlang der Antriebswelle linear beweglich zu sein.
Aus der japanischen Zusammenfassung JP 2001-314 070 ist ein Hochleistungs-Elektromagnet bekannt, der einen Stößel in einer stabilen Position hält und ferner Größenverringerung ermöglicht.
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen kompakten und effizienten Vibrationslinearaktuator und eine elektrische Zahnbürste bereitzustellen, die denselben verwendet.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die oben erwähnte Aufgabe wird durch einen Vibrationslinearaktuator oder ein Vibrationslinears-Stellglied nach Anspruch 1 und eine elektrische Zahnbürste nach Anspruch 8 mit einem derartigen Aktuator gelöst. Die Ansprüche 2 bis 7 betreffen speziell vorteilhafte Ausführungsformen des Vibrationslinearaktuators nach Anspruch 1.
Um das obige Ziel zu erreichen, umfaßt ein Vibrationslinearaktuator einen Stator, der eine Durchgangsbohrung und einen Wickeldraht dortherum aufweist; ein bewegliches Element, das eine Durchgangsbohrung darin und ein Element aufweist, das aus einem magnetischen Material hergestellt ist, wobei das bewegliche Element innerhalb der Durchgangsbohrung des Stators bereitgestellt ist, um sich so auf Anlegen von elektrischem Strom an den Wickeldraht hin in einer Achsenrichtung hin- und herzubewegen; eine Welle, die in die Durchgangsbohrung des beweglichen Elements eingesetzt ist, um so relativ zu dem beweglichen Element hin- und herbewegbar zu sein; und ein Koordinationselement, das es ermöglicht, daß sich die Welle gegenphasig zum beweglichen Element hin- und herbewegt.
In dem Vibrationslinearaktuator dient die Welle als ein vibrationsabsorbierendes Element zum Ausgleichen oder Verringern von Vibration, die durch Trägheit des beweglichen Elements verursacht ist.
In diesem Fall ist es vorteilhaft, wenn das obige bewegliche Element durch die Lagerung gelagert ist, die zwischen der Welle und dem beweglichen Element bereitgestellt ist, den äußeren Durchmesser des Vibrationslinearaktuators als Ganzes zu verringern. Andererseits wird, wenn das bewegliche Element durch die Lagerung gelagert ist, die zwischen dem Stator und dem beweglichen Element bereitgestellt ist, der Magnetspalt zwischen dem Stator und dem beweglichen Element konstant gehalten, ohne durch Ablenkung der Welle oder dergleichen beeinflußt zu sein, wodurch höhere magnetische Antriebskraft erzeugt wird.
Darüber hinaus wird, wenn das obige Lager aus dem Rollelement und dem Halteelement zusammengesetzt ist, das das Rollelement hält und aus einem nichtmagnetischen Werkstoff hergestellt ist, das Rollelement, das sogar aus einem magnetischen Werkstoff hergestellt ist, nicht direkt von der magnetischen Kraft angezogen, die durch einen Magnetkreis erzeugt wird, wodurch der Antriebsverlust verringert wird.
Wenn das obige Lager aus dem Rollelement, das aus einem nichtmagnetischen Werkstoff hergestellt ist, und dem Halteelement zusammengesetzt ist, das das Rollelement hält, wird das Rollelement nicht direkt von der magnetischen Kraft angezogen, die durch den Magnetkreis erzeugt wird, wodurch der Antriebsverlust verringert wird.
Als das obige Koordinationselement wird vorzugsweise das Federelement eingesetzt, das das bewegliche Element und die Welle verbindet. In diesem Fall bilden das bewegliche Element und die Welle ein Federschwingungssystem, wodurch es erleichtert wird, höhere Leistung abzugeben.
Als das Koordinationselement kann das Verbindungselement eingesetzt werden, das das bewegliche Element und die Welle verbindet, wodurch lineare hin- und herbewegende Bewegung der Welle sichergestellt ist.
Die elektrische Zahnbürste gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie den obigen Vibrationslinearaktuator als Antriebsquelle und die Bürste zum Zähneputzen umfaßt, wodurch eine kompakte, leichte und vibrationsarme elektrische Zahnbürste bereitgestellt ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung dient die Welle dadurch als das vibrationsabsorbierende Element, daß sie gegenphasig zum beweglichen Element durch magnetische Kraft hin- und herbewegt wird. Da kein zusätzliches vibrationsabsorbierendes Gewicht nötig ist, um unerwünschte Vibration zu verhindern, sind dadurch Vorteile im Hinblick auf Verkleinerung und Gewichtseinsparung bereitgestellt. Darüber hinaus ist, da kein großer Betrag an Antriebsenergie nötig ist, der Vibrationslinearaktuator ferner im Hinblick auf Verkleinerung vorteilhaft.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den beiliegenden Zeichnungen:
1 ist eine Schnittansicht eines Vibrationslinearaktuators gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine perspektivische Explosionsdarstellung des in 1 dargestellten Vibrationslinearaktuators;
3 ist eine Schnittansicht eines Vibrationslinearaktuators gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
4 ist eine Schnittansicht eines Vibrationslinearaktuators gemäß noch einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und
5 ist eine Schnittansicht einer elektrischen Zahnbürste gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bezug nehmend auf beiliegende Zeichnungen werden bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben. 1 und 2 sind eine Schnittansicht bzw. eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Vibrationslinearaktuators 30 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Wie dargestellt, ist innerhalb eines zylindrischen Schutzgehäuses 1 ein zylindrischer Stator 2 bereitgestellt, und eine Welle 13 ist durch Lager 14, 14 derart angebracht, daß sie sich linear entlang einer Achsenrichtung A hin- und herbewegen kann. Der Stator 2 ist aus einem Spulenelement, das durch Wickeldraht 4 (nachstehend einem Wickeldraht 4) um eine Wicklungsspule 3 hergestellt ist, und zylindrischen stationären Teilen 5, 5 zusammengesetzt, die auf beiden Seiten der Wicklungsspule 3 bereitgestellt sind.
Innerhalb des Stators 2 ist ein zylindrisches bewegliches Element 6 bereitgestellt. Insbesondere ist das bewegliche Element 6 durch Lager 20, 20 gelagert, die auf der Welle 13 in einer derartigen Weise befestigt sind, daß zwischen der äußeren Oberfläche des beweglichen Elements 6 und der inneren Oberfläche des Stators 2 ein vorgegebener Magnetspalt 7 aufrechterhalten wird. Das bewegliche Element 6 ist aus einem zylindrischen Joch 8, das aus einem magnetischen Werkstoff hergestellt ist, und zylindrischen Dauermagneten 9, 9 zusammengesetzt, die auf beiden Seiten des Jochs 8 in der Achsenrichtung A bereitgestellt sind. Die Dauermagnete 9, 9 sind derart gelegen, daß der Umfang derselben der inneren Oberfläche der stationären Teile 5 gegenüberliegt. Darüber hinaus weist jeder der Dauermagnete 9, 9 unterschiedliche Magnetpole auf einer jeden Seite auf. Auch weist die äußere Oberfläche eines der Dauermagnete 9, 9 denselben Magnetpol wie die äußere Oberfläche des anderen der Dauermagnete 9, 9 auf, wobei die äußere Oberfläche eine Oberfläche des Dauermagneten 9, 9 ist, die nicht auf das Joch 8 trifft. Ferner sind nahe den äußeren Oberflächen der Dauermagnete 9, 9 die Lager 20, 20 und die Gewichtseinstellgewichte 10, 10 mit einem Verbindungselement 11 zwischen dem Dauermagneten 9 und dem Lager 20 angeordnet. Übrigens kann, obgleich hier beispielhaft das bewegliche Element 6 die Dauermagnete 9, 9 beinhaltend gezeigt ist, das bewegliche Element 6 statt der Dauermagnete 9, 9 ein alternatives Element aufweisen, das aus einem magnetischen Werkstoff hergestellt ist.
Die Welle 13 ist in eine Durchgangsbohrung 12 eingesetzt, die das zylindrische bewegliche Element 6 durchdringt. Es ist anzumerken, daß das bewegliche Element 6 entlang der Achsenrichtung A durch die Lager 20, 20 beweglich ist. Zwischen einem Ende des beweglichen Elements 6 und einem Ende (in 1 dem rechten Ende) des Schutzgehäuses 1 ist ein Federelement 15 angeordnet, das aus einer Schraubenfeder hergestellt ist; zwischen dem anderen Ende des beweglichen Elements 6 und einem Federhalteelement 19, das auf der Welle 13 angebracht ist, ist ein Federelement 17 angeordnet, das aus einer Schraubenfeder hergestellt ist; und zwischen dem Federhalteelement 19 und anderen Ende des Schutzgehäuses 1 ist ein Federelement 16 angeordnet, das aus einer Schraubenfeder hergestellt ist.
Diese Federelemente 15, 16, 17 bilden zusammen mit dem beweglichen Element 6 und der Welle 13 ein Federschwingungssystem und dienen als Koordinationselement, das es ermöglicht, daß sich die Welle 13 gegenphasig zum beweglichen Element 6 hin- und herbewegt. Wenn das bewegliche Element 6 wechselseitig durch einen Magnetkreis angetrieben ist, der durch den Wickeldraht 4 des Stators 2 und die Dauermagnete 9, 9 des beweglichen Elements 6 geschaffen ist, kann sich die Welle 13 nämlich unter Resonanzbedingung wechselseitig gegenphasig zum beweglichen Element 6 bewegen, indem eine Frequenz des Wechselstroms, der an den Wickeldraht 4 gelegt ist, mit einer Resonanzfrequenz im wesentlichen in Übereinstimmung gebracht wird, die gemäß einer Federkonstanten der Federelemente 15, 16, 17 und einer Gesamtmasse des beweglichen Elements 6 und der Welle 13 ermittelt wird, die beide zum Federschwingungssystem gehören.
Da die Welle 13 und das bewegliche Element 6 die unerwünschte Vibration ausgleichen, die gegenseitig verursacht wird, besteht keine Notwendigkeit, ein getrenntes vibrationsabsorbierendes Gewicht bereitzustellen. Darüber hinaus ist, da die Welle 13 in die Durchgangsbohrung 12 des beweglichen Element 6 eingesetzt ist, der Vibrationslinearaktuator 30 verkleinert, während unerwünschte Vibration verringert ist. Da es möglich ist, die Masse des beweglichen Anteils als Ganzes zu verringern, wird ferner der Vibrationslinearaktuator 30 hocheffizient.
Obgleich die Lager 20, 20 zum Lagern der Welle 13 von der Innenseite des Stators 2 fort angeordnet sind, um so den Vibrationslinearaktuator 30 in der radialen Richtung B in dieser Ausführungsform zu verkleinern, können die Lager 20, 20 zwischen der inneren Oberfläche des Stators 2 und der äußeren Oberfläche des beweglichen Elements 6 angeordnet sein, wie in einem Vibrationslinearaktuator 301, der in 3 dargestellt ist. In diesem Fall wird der Magnetspalt 7 zwischen dem beweglichen Element 6 und dem Stator 7 konstant gehalten, ohne durch Ablenkung der Welle 2 oder dergleichen beeinflußt zu sein, wodurch eine stabile magnetische Kraft erreicht wird. Darüber hinaus kann das Lager 20 zwischen dem beweglichen Element 6 und dem Schutzgehäuse 1 angeordnet sein, auf dem der Stator 2 sicher befestigt ist.
Übrigens ist, wenn die Lager 20, 20 aus einem Rollelement 21 (in 1, 3 und 4 eine Kugel) und einem Halteelement 22 zum Halten des Rollelements 21 zusammengesetzt sind, eines von dem Rollelement 21 und dem Halteelement 22 vorzugsweise aus einem nichtmagnetischen Werkstoff hergestellt. Deswegen ist das Rollelement 21 nicht durch die magnetische Kraft beeinflußt, die durch den Magnetkreis ausgeübt wird, wodurch Antriebsverlust verringert wird.
4 stellt einen Vibrationslinearaktuator 302 gemäß einer anderen Ausführungsform dar. In dieser Ausführungsform ist ein Koordinationselement zum Bewegen der Welle 13 gegenphasig zum beweglichen Element 2 aus einem Verbindungselement 23 zusammengesetzt. Ein Ende des Verbindungselements 23 ist mit dem beweglichen Element 6 verbunden; das andere Ende des Verbindungselements 23 ist mit der Welle 13 verbunden; und ein mittlerer Abschnitt des Verbindungselements 23 ist durch das Schutzgehäuse 1 gelagert. Wenn sich das bewegliche Element 6 hin- und herbewegt, kann sich die Welle 13 ungeachtet der Vibrationsfrequenz gegenphasig zum beweglichen Element 6 hin- und herbewegen.
Obgleich der Stator 2, das bewegliche Element 6 und die Welle 13 in den obigen Ausführungsformen eine Form eines Zylinders aufweisen, sind sie nicht notwendigerweise zu dieser Form geformt. Beispielsweise können sie zu der Form eines Polygonstabs geformt sein. Auch in diesem Fall muß der Stator 2 natürlich eine Durchgangsbohrung (oder einen Hohlraum) aufwei sen, um darin das bewegliche Element 6 aufzuweisen, und in ähnlicher Weise muß das bewegliche Element 6 eine Durchgangsbohrung aufweisen, in die die Welle 13 eingesetzt ist.
Der Vibrationslinearaktuator gemäß der vorliegenden Erfindung kann als verschiedene Arten von Antriebsquellen eingesetzt werden, von denen ein Beispiel in 5 als eine elektrische Zahnbürste dargestellt ist. Wie dargestellt, beinhaltet eine elektrische Zahnbürste 100 ein Gehäuse 31, einen Vibrationslinearaktuator 30, der nach den vorstehenden Ausführungsformen aufgebaut ist, eine Batterie 32 als Stromquelle, eine Steuerschaltung 33 zum Bereitstellen von Wechselstrom für den Wickeldraht 4 des Vibrationslinearaktuators 30 und eine Bürste 34 zum Zähneputzen. Der Vibrationslinearaktuator 30 und die Batterie 32 sind nebeneinander entlang einer Längsrichtung C innerhalb des Gehäuses 31 angeordnet. Die Bürste 34 ist am distalen Ende der Welle 13 angebracht, wobei sie in der Längsrichtung C vom Gehäuse 31 hervorragt und durch die Welle 13 wechselseitig angetrieben ist. Die elektrische Zahnbürste 100 stellt ihren Benutzern eine komfortable Verwendung bereit, weil der Vibrationslinearaktuator als Antriebsquelle nicht nur kompakt ist, sondern auch fähig ist, unerwünschte Vibration zu verringern und wegen seines verringerten Gewichts höhere Ausgangsleistung zu erzeugen.
Obgleich die elektrische Zahnbürste 100 den Vibrationslinearaktuator 30 umfaßt, versteht es sich offensichtlich, daß eine elektrische Zahnbürste gemäß der vorliegenden Erfindung die vorgenannten Vibrationslinearaktuatoren 300, 301 umfassen kann.
Zusätzliche Vorteile und Modifikationen werden dem Fachmann leicht in den Sinn kommen. Daher ist die Erfindung nicht auf die speziellen Details und repräsentativen Ausführungsformen begrenzt, die hierin gezeigt und beschrieben sind. Dementsprechend können verschiedene Modifikationen innerhalb des Schutzumfangs vorgenommen werden, der durch die angehängten Ansprüche definiert ist.

Claims

Vibrationslinearaktuator (30, 301, 302), der umfaßt: einen Stator (2), der eine Durchgangsbohrung und einen Wickeldraht (4) um diesen aufweist, ein bewegliches Element (6), das eine Durchgangsbohrung und ein Element (8) aufweist, das aus einem magnetischen Material hergestellt ist, wobei das bewegliche Element (6) innerhalb der Durchgangsbohrung des Stators (2) zur Verfügung gestellt ist, so daß es sich bei einem Anlegen eines elektrischen Stroms an den Wickeldraht (4) in einer Achsenrichtung hin- und herbewegen kann, gekennzeichnet durch eine Welle (13), die so in die Durchgangsbohrung des beweglichen Elements (6) eingesetzt ist, daß sie relativ zu dem beweglichen Element (6) hin- und herbewegbar ist, und ein Koordinationselement (15, 16, 17), das es ermöglicht, daß sich die Welle (13) in einer entgegengesetzten Phase zum beweglichen Element (6) hin- und herbewegt.
Vibrationslinearaktuator (30, 301, 302) nach Anspruch 1, wobei das bewegliche Element (6) von einem Lagerelement (20) gelagert ist, das zwischen der Welle (13) und dem beweglichen Element (6) angeordnet ist.
Vibrationslinearaktuator (30, 301, 302) nach Anspruch 1, wobei das bewegliche Element (6) von einem Lagerelement (20) gelagert ist, das zwischen dem Stator (2) und dem beweglichen Element (5) angeordnet ist.
Vibrationslinearaktuator (30, 301, 302) nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Lagerelement (20) ein Rollelement (21) und ein Halteelement (22), das aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt ist, zum Halten des Rollelements (21) umfaßt.
Vibrationslinearaktuator (30, 301, 302) nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Lagerelement (20) ein Rollelement (21), das aus einem nichtmagnetischen Material hergestellt ist, und ein Halteelement (22) zum Halten des Rollelements (21) beinhaltet.
Vibrationslinearaktuator (30, 301, 302) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Koordinationselement (15, 16, 17) ein Federelement (15, 16, 17) ist, das das bewegliche Element (6) und die Welle (13) verbindet.
Vibrationslinearaktuator (30, 301, 302) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Koordinationselement (15, 16, 17) ein Verbindungselement (23) ist, das das bewegliche Element (6) und die Welle (13) verbindet.
Elektrische Zahnbürste (100), die einen Vibrationslinearaktuator (30, 301, 302) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als Antriebsquelle und eine Bürste (34) zum Zähneputzen umfaßt, wobei die Bürste durch die Welle (13) angetrieben ist.