JP2011508579A - 共振モータで使用する磁気スプリング系 - Google Patents

Abstract

共振モータ用の磁気スプリング構造は、ハウジング１２と、前記ハウジングの両端１３，１５に位置的に固定された磁石１４，１６と、固定子コイル２４及びＡＣ駆動信号２６により生成された駆動動作による相互の共振動作において前記固定された磁石に向かったり前記固定された磁石から離れたりする運動のためにハウジング内に配置された磁石とを有し、アプリケータ部材３２は、前記アプリケータ部材のワークピース部分３４の対応する運動のために、移動する磁石に取り付け可能である。

Description

この発明は、概して、振動出力動作を生成する共振モータに関し、より詳細には、従来のスプリングの代替手段としての、磁気動作を用いた斯様なモータに関する。

振動出力動作を生成する共振モータにおいて、金属スプリングは、前記動作に寄与するモータの部分である。しかしながら、非常に多くの継続的な使用の後、スプリングは金属疲労を起こし、削減された性能及び最終的な破損をもたらす。スプリングの金属疲労の問題は、高周波で動作しそれ故に非常に多くの応力サイクルをもつ系において特によく見られる。加えて、金属スプリングは、所望の出力ストロークに対して空間制限をもつ。所与の程度の所望の運動、即ち、ワークピースの１ミリメータ等に対して、約５倍の距離が、機械的スプリングの対向する質量間において必要とされる。

それ故、所望のモータ出力を生成するが、疲労応力及び衰弱の影響を受けやすい主要な成分をもたない、モータ構造をもつことが望まれるだろう。

従って、磁気スプリング系を用いた共振線形モータは、ハウジングと、前記ハウジングの両端に固定して配置された２つの永久磁石と、相互の共振動作において各端部磁石に向かったり各端部磁石から離れたりする運動のためにハウジング内に配置された少なくとも１つの永久磁石とを有し、移動する磁石の極性は、固定された磁石の極性に対抗し、ワークピースアッセンブリは、前記移動する磁石に取り付け可能であり、当該モータの駆動動作に応答した線形運動のために、前記固定された磁石のうちの１つを介して外側へ延在する。

また、振動回転動作のための磁気スプリング系を用いた共振モータであって、当該共振モータは、ハウジングと、中心軸まわりの回転のために取り付けられた中心要素とを有し、前記中心要素は、磁石から外側に向かって反対の極性をもつ、前記中心要素の両側に配置された前記磁石をもち、前記中心要素は、ワークピースアセンブリの回転動作のために前記中心要素から延在する前記ワークピースアセンブリをもち、当該共振モータは、前記中心要素の外面に隣接して配置された固定磁石と、前記中心要素を駆動させるためのＡＣ駆動信号をもつ駆動アセンブリとを有し、前記固定磁石の極性は、前記中心要素上の前記磁石の極性に関して、前記固定磁石と取り付けられた磁石との間に磁気インタラクションが存在し、前記中心要素の振動をもたらすようなものであり、当該共振モータは、機械的スプリングの欠如を特徴とする、共振モータが開示される。

スプリングの代替手段として磁気動作を用いたモータシステム及びアプリケーションの一実施形態の斜視図である。 図１のモータシステムの縦断面図である。 モータシステムの他の実施形態の斜視図である。 放射状の磁石配置をもつ磁気動作モータシステムの断面図である。 放射状の磁石配置をもつ磁気動作モータシステムの断面図である。 軸方向に配置された磁石を用いた磁気動作モータの正面図である。 軸方向に配置された磁石を用いた磁気動作モータの正面図である。 軸方向に配置された磁石を用いた磁気動作モータの正面図である。

図１及び図２は、線形出力動作を実現するために、従来の金属スプリング動作の代替手段として磁気動作構造を含む線形モータ１０を示している。モータ１０は、ハウジング１２を含み、これは、示された実施形態においてはチューブの形式であるが、他の横断面形状をもってもよい。永久磁石１４，１６は、示されるように、Ｎ極面及びＳ極面をもつディスクの形式で、ハウジングの各端部１３，１５に固定して取り付けられる。一の磁石１４は、ハウジングの端部１３から外側に向かってＮ極をもつ一方で、反対側の磁石１６は、反対構造、即ちハウジング１２の端部１５の外側に向かってＳ極をもつ。

第３の磁石１８は、磁石１４と磁石１６との間のハウジングの内部に配置される。磁石１８のＮ極面は、反発動作において磁石１６のＮ極と対向し、その一方で、磁石１８のＳ極面は、反発動作において、磁石１４のＳ極と対向する。磁石１４，１６，１８は、一般的な永久磁石であり、示された実施形態においては、約４ｍｍの厚さの磁石材料のディスクであるが、この寸法は変更されてもよい。

磁石１８は、ハウジング１２内におけるスライド運動のために配置される。一実施形態において、スライド線形ベアリング２２が用いられるが、他のタイプの線形ベアリングが用いられてもよい。線形ベアリング２２は、エネルギ損失を削減する、即ち、モータの動作の間のハウジング内の磁石１８の運動の間において、摩擦によるエネルギ損失を削減する。

コイル２４は、移動する磁石１８が停止しているときには移動する磁石１８の近くのハウジング２２の外側の周りに巻き付けられる。例えば、コイル２４は、ハウジングの長さに沿った約中間にあるが、これは装置の動作に必要ではない。コイル２４は、ＡＣ信号供給源２６により駆動され、ＡＣ信号供給源２６は、磁石１４，１６の間のハウジングに沿った振動の態様で、移動する磁石を作動させるが、磁石１８は、典型的には、これらの間の磁石反発動作に起因して磁石１４，１６と接触しないだろう。磁石動作は、ハウジング内の３つの質量（２つが固定され、１つが移動する）間に配置された２つの金属スプリングを擬態する。

それ故、コイル２４は、一般的なモータにおける固定子（stator）のように機能し、その一方で、移動する磁石１８は、電機子（armature）として機能する。ハウジング内において磁石１８を移動させる他の構造が用いられてもよい。動作中において、回路２６により供給されたＡＣ電流は、磁石が、一方向に駆動される際にハウジングの端部の磁石に近づき、そのポイントで反発され、ＡＣ駆動信号が逆転し、移動する磁石１８を他の方向に移動させるように、振動する態様で、移動する磁石１８を作動させる。この動作は、ＡＣ信号が供給される限り、連続的に繰り返される。

ＡＣ信号の周波数は、この場合においては、移動する磁石の質量及び複数のマグネットの反発力であるバネ質量系の共振周波数の近くになるように設定され、これは、動作中のスプリングの圧縮及び拡張のようなスプリング動作と類似する。移動する磁石１８は、系の最も効率のよいポイントで、即ちスプリング質量系のスプリング質量共振周波数で又はその近くで、ピーク振幅（運動）を実現するだろう。典型的には、これは、±３０Ｈｚ又はそれよりも近くなり得る。

前述されたモータは、多くのアプリケーションをもつ。例えば、図１において、複数の磁石のうち１つ、例えば磁石１６は、中心開口部３１をもつリング磁石２９であってもよい。これは、作動アーム３２が移動する磁石１８に接続され、ハウジングの端部から延在するのを可能にする。ワークピース３４は、作動アーム３２の端部にある。作動アーム３２は、典型的には、作動アームの線形動作を可能にするベアリングによりリング磁石１６内に支持される。様々な線形動作アプリケーションは、斯様なアレンジメントで実行され得る。例えば、ワークピース３４は、ブラシヘッドであり、線形歯ブラシ動作を提供する。高速発火動作等の他の線形動作が実現されてもよく、又は、ホッピング（pogo stick）若しくはトランポリンを含む種々の玩具、若しくは、線形運動を必要とする他のアプリケーションにおいて用いられてもよい。前記のモータ構造の顕著な利点は、或るパーツ、例えば、疲労しやすい金属スプリングの除去であるが、線形ベアリングは、多少摩擦の影響を受けるかもしれない。

図３は、ハウジング３３と、ハウジングの両端３９，４１での反対の極性をもつ２つの磁石３５，３７とを含む他の実施形態を示している。しかしながら、この実施形態において、ハウジング３３内に配置された２つの磁石４２，４４が存在する。これは、ハウジング内において３つの磁石スプリングの効果を生成する。また、本実施形態は、ＡＣ駆動信号供給源４５と一緒に、ハウジング３３の外側の周りのコイル４３を含む。磁石の極性は、移動する磁石がその双方の面で反発されるように構成される。この系の利点は、２つの移動する磁石の対抗運動が振動を相殺することである。図３の系は、最も効果的な駆動構造を実現するためにスプリング質量系の共振周波数で又はその近くで（±３０Ｈｚ又はそれよりも近くで）或る周波数で駆動される。

図１〜３のモータは、種々の形態をもち得る。これは、示されるように、多少長尺であってもよく、又は、短くても幅広であってもよい。この磁石モータ構造によれば、ワークピースに対して望まれるストローク長は、おおよそ、磁石スプリングの長さ、即ち移動する磁石と端部磁石との間の距離と同じである。それ故、従来の鋼製のスプリング構造の空間要求はない。

線形ワークピース動作を生成することに加えて、この系は、回転出力動作も実現するように磁気動作とともに構成され得る。２つに斯様な実施形態は、図４及び図５に示される。図４は、磁石が放射状に配置される、回転動作のための１つのアレンジメントの横断面図である。中心要素５０は、その両側に２つの磁石５２，５４をもち、一の磁石５２が外側に向かってＮ極をもつ一方で、反対側の磁石５４が外側に向かってＳ極をもつ。２つの固定された永久磁石５８，６０は、中心要素５０に隣接して配置される。平衡状態において、磁石５８は、磁石５２のＮ極に引き付けられて整列されたＳ極をもち、その一方で、固定された磁石６０は、磁石５４のＳ極に引き付けられて整列されたＮ極をもつ。この構造は、磁石の引力、即ち、これらの磁石が示されたように整列させる傾向にあることに基づいている。固定子アセンブリ及びＡＣ信号回路（図示省略）は、図４に示された平衡位置から離れて、中心軸６２まわりの振動の態様で、中心要素５２を回転駆動させる。ＡＣ駆動信号の周波数は、最大の効率を与えるためにスプリング質量系の共振周波数に又はその近くに設定される。

図５は、他の回転構造を示す。２つの対向する永久磁石６８，７０は、軸７２での回転のために取り付けられた中心要素６６上に取り付けられる。磁石６８は、外側に向かってＮ極をもち、その一方で、磁石７０は、外側に向かってＳ極をもつ。４つの永久磁石７６，７７，７８，７９は、中心要素６６の周囲のまわりの間隔を空けたポイントで固定して配置される。磁石７６，７７の位置は、磁石７８，７９のミラーイメージである。磁石７６と磁石７７との間の角度は、１〜３０°の範囲内にあり、磁石７８と磁石７９との間の角度はこれと同じである。磁石間の角度は、所望の動作振幅に基づいて決定されるだろう。５°〜３０°の範囲は、１°〜１５°からの振幅の範囲に対応するだろう。より高い振幅は、より大きな角度を必要とするだろう。この構造において、磁石７６，７７は、中心要素６６に向かってＮ極をもち、その一方で、反対の磁石７８，７９は、中心要素６６に向かってＳ極をもつだろう。この構造の平衡位置は、磁石７６と磁石７７との間において等距離にある磁石６８のＮ極、及び、磁石７８と磁石７９との間において等距離にあるＳ極を伴って、図５に示される。

図４のアレンジメントと同様、図５は、固定子回路及びＡＣ駆動信号で駆動されるだろう。ＡＣ駆動信号は、特定の角度を介して中心要素６６を振動させるだろう。中心要素上の複数の磁石と固定された複数の磁石との間のインタラクションは、振動のそれぞれの終点から図５に示された平衡位置に向かって中心要素を戻す傾向にあるだろう。図５のアレンジメント、並びに、図１〜３のアレンジメント、及び、更に示される図６及び図７Ａ／７Ｂのアレンジメントは、効果的であり、更に、回転の振幅（角度）が増大し、磁気ギャップを縮め、スプリング質量系のバネ定数も増大するという利点をもち、これは、この系が、駆動周波数に近い共振周波数を生成する振幅で自己制限するという利点をもつ。

ワークピース要素は、回転動作のために、図４及び図５の実施形態における中心要素に取り付けられ得る。回転動作アプリケーションの例は、とりわけ、歯ブラシ、攪拌デバイス及びマッサージ器を含む。

図６並びに７Ａ及び７Ｂは、固定された磁石の軸方向配置を伴う、回転動作のための追加の実施形態を示している。図６において、中心円柱要素８４は、長手軸８６まわりを回転可能である。永久磁石８８，９０は、中心要素８４の両端９２，９４にある。磁石８８は、外側に向かってＳ極をもち、その一方で、磁石９０は、外側に向かってＮ極をもつ。固定された永久磁石９６，９８は、中心要素８４の各端部９２，９４に隣接して配置される。磁石９６は、磁石８８の隣接するＳ極に向かってＳ極をもち、その一方で、磁石９８は、磁石９０のＮ極に隣接してＮ極をもつ。中心要素８４は、位置的に固定された外部のナット要素１０２の長さに沿ってネジ部分１００をもつ。この構造は、図５の構造と同様に、即ち磁気反発モードで動作する。ＡＣ供給源により駆動された固定子要素は、中心要素を回転させ、ネジ及びナット構造は、中心要素の全体的な回転を可能にし、位置的に中心要素を保持する傾向がある一方で中心要素は回転される。ＡＣ駆動信号が振幅を低下させるときには、一の固定された磁石と一の中心要素に取り付けられた磁石との密接に隣接する対の間の反発力は、ＡＣ信号が反対の極性に向かう際に中心要素の回転を反転させるための支援を提供する傾向がある。

図７Ａは、磁気反発構造を示す一方で、図７Ｂは、他の実施形態のための磁気引力構造を示している。それぞれの場合において、取り付けられた磁石１１２，１１４をもつプレート１１０は、グラウンド、即ち器具のハウジングに固定して配置され、その一方で、磁石１１８，１１０をもつプレート１１６は、示されるように自由に回転する。固定子コイル及び駆動アセンブリ（図示省略）は、移動するプレート１１６に接続されるアーム１２２を回転させる。出力シャフト１２４は、アーム１２２から延在し、ワークピース１２６により回転動作を供給するためにアーム１２２とともに回転する。

金属スプリングとは異なり、磁石は非線形応答をもち、これは特定のアプリケーションにおいて欠点であり得ることが知られている。前記の実施形態において、磁石により生成された非線形スプリング効果を削減するために、非常に多くの磁石、又は、異なる強度の磁石が用いられてもよい。

従って、振動する共振モータのための磁石スプリング構造が開示された。固定子及びＡＣ駆動回路を備えた磁気スプリング構造は、機械的スプリングを備えることなく、所望の線形ストローク又は所望の回転角度のための必要とされる振動を生成する。この構造において、この系のバネ定数は、磁石の間隔、即ち磁石間の距離を調節するか、又は、磁石のサイズ又は強度を変えることにより制御可能である。これは、所与の駆動周波数での線形ストローク又は回転動作の振幅の変化をもたらす。モータは、種々の特定のアプリケーションを実現するために線形又は回転出力動作を生成し得る。回転及び線形出力モードに加えて、本構造は、図１〜３の実施形態のような、移動する磁石の両側のバルブで１又はそれ以上の入力及び出力を伴うポンプとして動作させるために用いられてもよい。このポンプは、移動する磁石のストロークのいずれか又は双方の方向に流体を移動させることができる。

前記で特定されたアプリケーションの好ましい実施形態が例示の目的のために開示されたが、種々の変更、修正及び置換は、特許請求の範囲により規定された本発明の精神から逸脱することなく本実施形態に組み込まれ得ることが理解されるべきである。

Claims (15)

1. 磁気スプリング系を用いた共振線形モータであって、
   ハウジングと、
   前記ハウジングの両端に固定して配置された２つの永久磁石と、
   相互の共振動作において各端部磁石に向かったり各端部磁石から離れたりする運動のためにハウジング内に配置された少なくとも１つの永久磁石とを有し、
   移動する磁石の極性は、固定された磁石の極性に対抗し、
   ワークピースアッセンブリは、前記移動する磁石に取り付け可能であり、当該モータの駆動動作に応答した前記ワークピースアッセンブリの線形運動のために、前記固定された磁石のうちの１つを介して外側へ延在する、共振線形モータ。
2. 当該共振線形モータは、前記ハウジングの外部まわりに巻き付けられたコイルと、前記コイルに接続されたＡＣ駆動信号供給源とを有する駆動アセンブリを含む、請求項１に記載の共振線形モータ。
3. 前記ＡＣ駆動信号の周波数は、おおよそ、当該共振線形モータのスプリング質量部分の共振周波数と同一である、請求項２に記載の共振線形モータ。
4. 前記移動する磁石と前記ハウジングとの間に線形ベアリングを含む、請求項１に記載の共振線形モータ。
5. 前記固定された磁石のうちの１つは、リング磁石であり、前記リング磁石を介して前記ワークピースアセンブリが延在する、請求項１に記載の共振線形モータ。
6. 前記ワークピースアセンブリは、歯のクリーニングのためのブラシヘッドを含む、請求項５に記載の共振線形モータ。
7. 第１の前記移動する磁石と一緒に、相互の振動する運動のために前記ハウジング内に配置された第２の磁石を含み、
   第１及び第２の移動する磁石は、当該共振線形モータの動作中において前記移動する磁石の運動により生成された別の振動が実質的に相殺されるように、反対の極性をもつ、請求項１に記載の共振線形モータ。
8. 振動回転動作のための磁気スプリング系を用いた共振モータであって、
   当該共振モータは、
   ハウジングと、
   中心軸まわりの回転のために取り付けられた中心要素とを有し、
   前記中心要素は、磁石から外側に向かって反対の極性をもつ、前記中心要素の両側に配置された前記磁石をもち、
   前記中心要素は、ワークピースアセンブリの回転動作のために前記中心要素から延在する前記ワークピースアセンブリをもち、
   当該共振モータは、
   前記中心要素の外面に隣接して配置された固定磁石と、
   前記中心要素を駆動させるためのＡＣ駆動信号をもつ駆動アセンブリとを有し、
   前記固定磁石の極性及び位置は、前記中心要素上の前記磁石の極性に関して、前記固定磁石と取り付けられた磁石との間に磁気インタラクションが存在し、前記中心要素の振動をもたらすようなものであり、
   当該共振モータは、機械的スプリングの欠如を特徴とする、共振モータ。
9. 前記ワークピースは、歯をクリーニングするためのブラシヘッドである、請求項８に記載の共振モータ。
10. 前記磁気インタラクションは、引力である、請求項８に記載の共振モータ。
11. 前記磁気インタラクションは、反発力である、請求項８に記載の共振モータ。
12. 前記固定磁石及び前記取り付けられた磁石は、放射状の関係で配置される、請求項８に記載の共振モータ。
13. 前記固定モータ及び前記取り付けられた磁石は、軸上の関係で配置される、請求項８に記載の共振モータ。
14. 前記中心要素は、外部固定ナットとの、その長さの少なくとも一部に渡ってネジが付けられ、
    前記外部固定ナットは、前記取り付けられた磁石に対する前記固定磁石の反発力に抗して前記中心要素の全体的な回転を可能にするように、前記中心要素のネジと係合する、請求項１２に記載の共振モータ。
15. 前記中心要素は、前記中心要素の一端に、第１のプレートの両側部分に磁石を備えた前記第１のプレートを含み、
    固定磁石は、前記ハウジングに固定して取り付けられた隣接する第２のプレートの両側部分に取り付けられ、
    前記第１のプレート上の磁石は、その極性が、前記第２のプレート上の磁石の極性と同一又は反対になるように配置される、請求項８に記載の共振モータ。

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