JP2007000693A - 振動型アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】 電動モータの起動性が向上するようにした振動型アクチュエータを提供する。
【解決手段】 回転可能な回転円板１６と、軸方向に移動可能な軸動円板１７とを対向配置し、これら各円板１６，１７の対向面の円周方向に、交互に異なる磁極の永久磁石１８，１９を配列して、回転円板１６を電動モータ２０で回転させることにより、軸動円板１７に対して磁気的に吸引・反発を行わせることで、軸動円板１７とともに出力軸２１が軸方向に往復動する振動型アクチュエータ２６において、少なくとも一方の永久磁石１８（１９）の表面部分に磁性体４８を設けることで、永久磁石１８，１９間に流れる磁束が磁性体４８にも流れるようになるために、永久磁石１８，１９間の磁束が弱くなって、トルクが大幅に低減することから、電動モータ２０を小電力で起動できるので、起動性が向上するようになる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、起動性が向上するようにした振動型アクチュエータに関する。

従来、電気カミソリや電動歯ブラシ等の駆動部に用いられる振動型アクチュエータ（バイブレータ装置）としては、図８に示すように、回転可能な回転円板１６と、軸方向に移動可能な軸動円板１７とを対向配置し、これら各円板１６，１７の対向面の円周方向に、交互に異なる磁極の永久磁石（本例では、各４極）１８，１９を配列して、回転円板１６を電動モータ２０で回転させることにより、軸動円板１７に対して磁気的に吸引・反発を行わせることで、軸動円板１７とともに出力軸２１が軸方向に往復動（振動…矢印ａ参照）するようにしたものがある（特許文献１参照）。

前記のような振動型アクチュエータで、出力軸２１の推力を大きくするために、永久磁石１８，１９間のギャップを狭くしたり、永久磁石１８，１９を大きくすることが有効である。
特開昭６２−６５７７９号公報

しかしながら、永久磁石１８，１９間のギャップを狭くしたり、永久磁石１８，１９を大きくすると、電動モータ２０の駆動トルクも大きくなるから、電動モータ２０に対する負荷が大きくなり、特に電動モータ２０の起動性が悪くなるという問題があった。

本発明は、前記問題を解消するためになされたもので、電動モータの起動性が向上するようにした振動型アクチュエータを提供することを目的とするものである。

前記課題を解決するために、本発明は、回転可能な回転円板と、軸方向に移動可能な軸動円板とを対向配置し、これら各円板の対向面の円周方向に、交互に異なる磁極の永久磁石を配列して、回転円板を電動モータで回転させることにより、軸動円板に対して磁気的に吸引・反発を行わせることで、軸動円板とともに出力軸が軸方向に往復動する振動型アクチュエータにおいて、少なくとも一方の永久磁石の表面部分に磁性体を設けたことを特徴とする振動型アクチュエータを提供するものである。

永久磁石が軸方向に大きくならないようにするために、前記永久磁石の表面部分は、永久磁石の周面である構成とすることができる。

永久磁石が周方向に大きくならないようにするために、前記永久磁石の表面部分は、永久磁石の対向面である構成とすることができる。

本発明によれば、永久磁石の表面部分に磁性体を設けることで、永久磁石間に流れる磁束が磁性体にも流れるようになるために、永久磁石間の磁束が弱くなって、推力の低減は僅かであるが、トルクが大幅に低減することから、電動モータを小電力で起動できるので、起動性が向上するようになる。したがって、振動型アクチュエータを電池式の電気カミソリ等の駆動部に用いた場合、消費電力が少ないので、小容量の小型電池や起動トルクの小さい小型電動モータの使用が可能になって、電池や電動モータの仕様の選択幅が広がる利点がある。また、永久磁石間のトルクが小さいから、電動モータがロックする電圧が小さくなり、ロックしても、電動モータの温度上昇が少ないので、安全性も向上するようになる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、背景技術と同一構成・作用の箇所は、同一番号を付して詳細な説明を省略する。

図１は、振動型アクチュエータ２６であり、出力軸２１と、この出力軸２１の他端部（後端部）に固定された軸動円板（ヨーク）１７と、この軸動円板１７に固定された、円周方向に交互に異なる磁極の永久磁石１９とで可動部３５が構成され、出力軸２１と軸動円板１７および永久磁石１９とは、円筒状のアクチュエータケース３７内に収納されている。前記出力軸２１は、アクチュエータケース３７内に固定された一対のベアリング３８，３９で往復動可能に支持されて、出力軸２１の一端部（先端部）がアクチュエータケース３７の貫通穴３７ａに往復動可能に貫通されている。

前記アクチュエータケース３７内には、一対のベアリング３８，３９の間に中空部３７ｂが形成され、この中空部３７ｂ内において、前記出力軸２１にセンタープレート４０が固定されるとともに、各ベアリング３８，３９側にばね受け４１ａ，４１ｂがそれぞれ配置されている。各ばね受け４１ａ，４１ｂとセンタープレート４０との間に、ばね４２，４３がそれぞれ介設されて、アクチュエータケース３７内で、出力軸２１を軸方向に往復動可能に弾性支持している。そして、ばね４２，４３のばね力が釣り合う図１の位置で出力軸２１は静止している。

前記アクチュエータケース３７の他端部には電動モータ２０が固定され、この電動モータ２０の出力軸２０ａに固定された回転円板（ヨーク）１６に、前記出力軸２１の永久磁石１９と対向する、円周方向に交互に異なる磁極の永久磁石１８が固定されている。

前記アクチュエータケース３７、電動モータ２０，永久磁石１８、ばね４２，４３等で電磁駆動部３６が構成される。

前記電動モータ２０とともにアクチュエータケース３７は、円筒状の本体ケース４４内に収納されて、可動部３５の出力軸２１の一端部が本体ケース４４の貫通穴４４ａに往復動可能に貫通されている。

前記アクチュエータケース３７の一端部には環状の金属製摺動板４５が嵌装され、この摺動板４５に対応する本体ケース４４内には、図３（ｄ）に示すように、円周上等角度間隔（本例では１２０度間隔）で三角形状のリブ４４ｂが突出されて、各リブ４４ｂで摺動板４５を支承することで、本体ケース４４内で、アクチュエータケース３７を軸方向に往復動可能に支持するようになる。この摺動板４５によって、リブ４４ｂとアクチュエータケース３７との間の摺動がスムーズになり、リブ４４ｂの摩耗も低減することができる。なお、図３（ｅ）に示すように、円周上等角度間隔（本例では９０度間隔）で半円形状のリブ４４ｂを突出して、各リブ４４ｂで摺動板４５を支承するようにしても良い。

前記電動モータ２０は、正面視で小判形状に形成されて、この電動モータ２０に対応する前記本体ケース４４内の上下位置には、図３（ａ）に示すように三角形状のリブ４４ｃが突出されて、各リブ４４ｃで電動モータ２０を回り止めしながら支承することで、本体ケース４４内で、電動モータ２０を軸方向に往復動可能に支持するようになる。

換言すれば、本体ケース４４内で、電動モータ２０を一体化したアクチュエータケース３７が軸方向に往復動可能に支持されることになる。

なお、図３（ｂ）に示すように、本体ケース４４内の左右位置に三角形状のリブ４４ｄを突出して、各リブ４４ｄで電動モータ２０を回り止めしながら支承することもでき、図３（ｃ）のように、本体ケース４４内を小判形状に形成して、電動モータ２０を回り止めしながら支承することもできる。

また、アクチュエータケース３７の一端部と本体ケース４４の一端部の間にばね４６が介設され、電動モータ２０の他端部と本体ケース３０の他端部との間にばね４７が介設されて、本体ケース４４内で、電動モータ２０とともにアクチュエータケース３７を軸方向に往復動可能に弾性支持している。そして、ばね４６，４７のばね力が釣り合う図２（ａ）の位置で電動モータ２０とともにアクチュエータケース３７は静止している。なお、ばね４６，４７をコイルばねでは無く、板ばねやトーションバーとすれば、アクチュエータケース３７を回り止めできるので、前述のような電動モータ２０の回り止めは不要になる。

前記ばね４２，４３は、可動部３５を軸方向に付勢するばね振動系を構成し、前記ばね４６，４７は、電動モータ２０とともにアクチュエータケース３７を軸方向に付勢するばね振動系を構成する。ここで、質量の大きな電磁駆動部３６は、振幅制御錘として機能する。

そして、図２（ａ）の状態から電動モータ２０を回転駆動させると、回転円板１６とともに永久磁石１８が回転して、軸動円板１７の永久磁石１９に対して磁気的に吸引・反発を行わせることで、図２（ｂ）（ｃ）のように、軸動円板１７とともに出力軸２１が軸方向に往復動（振動…矢印ａ参照）するようになる。

この場合、図２（ｂ）のように、永久磁石１８，１９が磁気的に吸引を行う時は、可動部３５は後方に移動すると同時に、電磁駆動部３６が前方に移動し、図２（ｃ）のように、永久磁石１８，１９が磁気的に反発を行う時は、可動部３５は前方に移動すると同時に、電磁駆動部３６が後方に移動する。つまり、可動部３５に軸方向の往復運動を行わせた場合、逆位相の運動を行う電磁駆動部３６は、可動部３５の慣性力を打ち消すことができ、逆に電磁駆動部３６の慣性力を可動部３５が打ち消すことになる。更に、この状態では２つの質点である可動部３５と電磁駆動部３６の慣性力が釣り合うように運動しようとし、カウンタ動作による慣性力の打ち消し合い効果は大きく、このために固定部側へ伝わる２質点（可動部３５と電磁駆動部３６）からの力は極小となり、よって、振動型アクチュエータ２６における振動は極小となる、つまり、低振動の振動型アクチュエータ２６を得ることができる。

一方、図４（ａ）に示すように、前記永久磁石１８，１９の表面部分、例えば永久磁石の周面に磁性体４８を設けている。図４（ｂ）のように、一方の永久磁石１８の周面だけに磁性体４８を設けても良く、図４（ｃ）のように、他方の永久磁石１９の周面だけに磁性体４８を設けても良い。このように、永久磁石１８，１９の周面に磁性体４８を設けると、永久磁石１８，１９の対向面に磁性体４９〔図５（ａ）参照〕を設ける場合と比べて、永久磁石１８，１９が軸方向に大きくならない。

また、図５（ａ）に示すように、前記永久磁石１８，１９の対向面に磁性体４９を設けても良く、図５（ｂ）のように、一方の永久磁石１８の対向面だけに磁性体４９設けても良く、図５（ｃ）のように、他方の永久磁石１９の対向面だけに磁性体４９を設けても良い。このように、永久磁石１８，１９の対向面に磁性体４９を設けると、永久磁石１８，１９の周面に磁性体４８〔図４（ａ）参照〕を設ける場合と比べて、永久磁石１８，１９が周方向に大きくならない。

さらに、図６（ａ）に示すように、前記永久磁石１８，１９の周面と対向面に磁性体４８，４９を設けても良く、図６（ｂ）のように、一方の永久磁石１８の周面と対向面に磁性体４８，４９を設け、他方の永久磁石１９の周面だけに磁性体４８設けても良く、図６（ｃ）のように、一方の永久磁石１８の周面だけに磁性体４８設け、他方の永久磁石１９の周面と対向面に磁性体４８，４９を設けても良い。

図７のグラフは、磁性体４８，４９が無いタイプと有るタイプでの振動型アクチュエータの推力とトルクとの関係を示すもので、４極の永久磁石（外径φ８）１８を１回転させたときの推力とトルクの変化を示している。

図７において、△は磁性体が無いタイプの推力（Ｎ）、□は磁性体が無いタイプのトルク（Ｎ・ｍ）、▲は周面に磁性体が有るタイプの推力（Ｎ）、■は周面に磁性体が有るタイプのトルク（Ｎ・ｍ）である。

推力およびトルクのピーク値を平均化したものを平均推力および平均トルクとすると、図７での平均推力および平均トルクは、下記のようになる。

磁性体が無いタイプ…平均推力２．１２Ｎ、平均トルク４．５２×１０^−３Ｎ・ｍ
磁性体が有るタイプ…平均推力２．２２Ｎ、平均トルク４．３５×１０^−３Ｎ・ｍ
そして、平均推力が同じとなるように補正計算すれば、
磁性体が無いタイプ…平均推力２．１２Ｎ、平均トルク４．５２×１０^−３Ｎ・ｍ
磁性体が有るタイプ…平均推力２．１２Ｎ、平均トルク４．１５×１０^−３Ｎ・ｍ
となり、磁性体が有るタイプでは、平均トルクは８．２％ダウンしていることがわかる。つまり、同じ推力であっても磁性体４８，４９が有る本実施形態のタイプの方がトルクが大幅に低減して、電動モータ２０への負荷が少ないために、起動性が向上することになる。

前記振動型アクチュエータ２６であれば、少なくとも一方の永久磁石１８，１９の表面部分に磁性体４８，４９を設けることで、永久磁石１８，１９間に流れる磁束が磁性体４８，４９にも流れるようになるために、永久磁石１８，１９間の磁束が弱くなって、推力の低減は僅かであるが、トルクが大幅に低減することから、電動モータ２０を小電力で起動できるので、起動性が向上するようになる。したがって、振動型アクチュエータ２６を電池式の電気カミソリ等の駆動部に用いた場合、消費電力が少ないので、小容量の小型電池や起動トルクの小さい小型電動モータの使用が可能になって、電池や電動モータの仕様の選択幅が広がる利点がある。また、永久磁石１８，１９間のトルクが小さいから、電動モータ２０がロックする電圧が小さくなり、ロックしても、電動モータ２０の温度上昇が少ないので、安全性も向上するようになる。

また、電磁駆動部３６が振幅制御錘の役割を兼ねるから、振幅制御錘を別に配置する必要が無くなるので、振幅制御錘を配置するためのスペースが不要となって小型化でき、振幅制御錘自体も不要となって軽量化やコストダウン化が図れるようになる。

前記振動型アクチュエータ２６は、電気カミソリや電動歯ブラシ等の駆動部に用いる他、口腔内衛生装置の駆動部に用いることで、装置本体が軽くなって振動が小さいために、使い回しが良く、使用感に優れたものとなる。

本発明の実施形態に係る振動型アクチュエータであり、（ａ）は断面図、（ｂ）は可動部と電磁駆動部の斜視図である。 （ａ）〜（ｃ）は、可動部と電磁駆動部とが逆位相で往復動する状態示す断面図である。 （ａ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線に相当する断面図、（ｂ）（ｃ）は変形例の図１のＡ−Ａ線に相当する断面図、（ｄ）は図１（ａ）のＢ−Ｂ線に相当する断面図、（ｅ）は変形例の図１（ａ）のＢ−Ｂ線に相当する断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は磁性体の配置例を示す側面図である。 （ａ）〜（ｃ）は磁性体の配置例を示す側面図である。 （ａ）〜（ｃ）は磁性体の配置例を示す側面図である。 磁性体が無い場合と有る場合の振動型アクチュエータの推力とトルクとの関係を示すグラフである。 従来の振動型アクチュエータの斜視図である。

符号の説明

１６ 回転円板（ヨーク）
１７ 軸動円板（ヨーク）
１８，１９ 永久磁石
２０ 電動モータ
２６ 振動型アクチュエータ
３５ 可動部
３６ 電磁駆動部
３７ アクチュエータケース
４０ センタープレート
４２，４３ ばね
４４ 本体ケース
４６，４７ ばね
４８，４９ 磁性体

Claims (3)

1. 回転可能な回転円板と、軸方向に移動可能な軸動円板とを対向配置し、これら各円板の対向面の円周方向に、交互に異なる磁極の永久磁石を配列して、回転円板を電動モータで回転させることにより、軸動円板に対して磁気的に吸引・反発を行わせることで、軸動円板とともに出力軸が軸方向に往復動する振動型アクチュエータにおいて、
   少なくとも一方の永久磁石の表面部分に磁性体を設けたことを特徴とする振動型アクチュエータ。
2. 前記永久磁石の表面部分は、永久磁石の周面であることを特徴とする請求項１に記載の振動型アクチュエータ。
3. 前記永久磁石の表面部分は、永久磁石の対向面であることを特徴とする請求項１に記載の振動型アクチュエータ。

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