JP4400464B2 - 振動・ローリング両用リニアアクチュエータ及びこれを用いた電動歯ブラシ - Google Patents

振動・ローリング両用リニアアクチュエータ及びこれを用いた電動歯ブラシ Download PDF

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Description

本発明は、軸方向の往復振動と軸回りの往復回動であるローリングの両方を行わせることができる振動・ローリング両用リニアアクチュエータ及びこれを用いた電動歯ブラシに関するものである。
軸方向の往復振動と軸回りのローリングとを行わせることができるリニアアクチュエータとして、特許文献1に示されたものがある。これは軸方向に往復動自在に支持され且つ軸回り方向に回転自在に支持されたシャフトの軸方向の一部の外周に、両端面部がそれぞれ異極となった筒状の永久磁石が装着されている振動用可動子を設けるとともに、上記シャフトの軸方向の他の部分の外周に、永久磁石とヨークとからなるローリング用可動子を設け、振動用可動子の外周に巻線を備えた筒状の振動用固定子を、ローリング用可動子の外周に巻線を備えた筒状のローリング用固定子を設けて、振動用の可動子及び固定子でシャフトに往復動を行わせる往復用リニア駆動部を、ローリング用の可動子及び固定子でシャフトに軸回りのローリングを行わせるローリング用リニア駆動部を構成したものである。
また、上記特許文献1には、軸方向の往復動に伴う不要振動の打ち消しのために、上記両可動子とは別に独立した吸振錘を設けて、シャフトと両可動子とからなる可動部に対して上記吸振錘を逆位相で往復動させることが示されている。
しかし、可動子と逆位相で動く吸振錘によって振動低減を行うことから、可動子とは別に吸振錘を設けるためにどうしてもサイズが大きくなる上に、吸振錘を含む可動部材全体の重量が重くなるために、往復運動させるのに必要なエネルギーも大きくなってしまい、駆動効率が悪くなるという問題がある。
特開2004−343933号公報
本発明は上記の従来の問題点に鑑みて発明したものであって、小型で且つ低コストで効率のよい振動・ローリング両用リニアアクチュエータとこれを用いた電動歯ブラシを提供することを課題とするものである。
上記課題を解決するために本発明に係る振動・ローリング両用リニアアクチュエータは、軸方向に往復動自在に支持されかつ軸回り方向に回転自在に支持されたシャフトと、該シャフトを軸方向に往復運動させるための往復用リニア駆動部と、該シャフトを軸回りに往復ローリング運動させるためのローリング用リニア駆動部と備えた振動・ローリング両用リニアアクチュエータであって、上記の各リニア駆動部は巻線を備えた筒状の固定子と、固定子内に配された可動子とで形成されているとともに、いずれか一方のリニア駆動部の可動子がシャフトに固定され、他方の可動子はシャフトに対して可動とされており、シャフト及びシャフトに固定された一方の可動子とシャフトに対して可動とされた可動子とを逆位相で運動させる連動部材を備えているとともに、両可動子を軸方向の往復振動及び軸回りの往復ローリングの両方についてばね振動系とするコイルばねからなる上記連動部材は、シャフトの軸方向の往復運動に加えて軸回りの往復ローリングについても両可動子を逆位相で運動させるものであることに特徴を有している。
往復用リニア駆動部の可動子とローリング用リニア駆動部の可動子とが相互に振動を打ち消し合うようにしたものである。
この場合、ローリング用リニア駆動部の可動子がシャフトに固定され、往復用リニア駆動部の可動子がシャフトに対して可動とされていても、往復用リニア駆動部の可動子がシャフトに固定され、ローリング用リニア駆動部の可動子がシャフトに対して可動とされていてもよい。
シャフトに対して可動とされた可動子は重量調整用の錘を備えたものであることが、振動の打ち消しに必要な質量保持の点で好ましい。
シャフトに対して可動とされた可動子が重量調整用の錘を備えているとともに、筒状に掲載された錘がばね材の外周に配設されていると、軸方向寸法を短くすることができる。
シャフトに対して可動とされた可動子はシャフトもしくは固定子に軸受を介して支持されたものとすればよく、このように支持することで可動子と固定子との間の磁気空隙を所要の状態に保つことができる。
そして本発明に係る電動歯ブラシは、上記の振動・ローリング両用リニアアクチュエータを駆動源とするとともに上記シャフトによって駆動される歯磨き用ブラシを備えていることに特徴を有するものであり、小型軽量で且つ低振動のものを得ることができる。
本発明は、往復用リニア駆動部とローリング用リニア駆動部とにおける各可動子のうちの一方はシャフトに固定し、他方はシャフトに可動とするとともに、両可動子がコイルばねからなる連動部材で逆位相で振動するばね振動系として、シャフトに固定していない可動子の動きを連動部材を介してシャフトに固定した可動子に伝えるものであり、このために一方のリニア駆動部の可動子はシャフトに固定していないにもかかわらず、シャフトを駆動することができる上に、往復用リニア駆動部の可動子とローリング用リニア駆動部の可動子とが相互に振動を打ち消しあうものであり、不要振動の低減に別途吸振錘を必要としないために小型化及び軽量化の点で有利なものであり、またばね振動系を利用して大出力を取り出すことができると同時に駆動に必要なエネルギーも少なくてすむために、この点においても小型化に有利なものである。
以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基いて説明すると、図1及び図2は本発明の振動・ローリング両用リニアアクチュエータ60の一例を示すもので、筒状のシールドケース1内にシャフト2を軸方向Aに往復運動させるための往復用リニア駆動部3Aと、軸回り方向Bに往復ローリング運動させるためのローリング用リニア駆動部3Bとを配設してある。
上記シャフト2はその両端部がシールドケース1の両端に配した軸受部4,4によって軸方向Aに往復運動可能に且つ軸回り方向Bに往復ローリング運動可能に支持されている。図中50は上記シャフト2の先端に設けた外部への駆動力伝達用の伝達部材である。
往復ローリング用リニア駆動部3Bは、上記シャフト2に固定したローリング用可動子30と、シールドケース1内におけるローリング用可動子30と対応する位置に配設されたローリング用固定子31とから構成されたもので、上記可動子30は、図3に示すように、磁性体からなる筒状のローリングヨーク5と平板状の永久磁石6と磁性体製の半月状ローリングヨーク7とをシャフト2に装着したものであり、該可動子30の筒状ローリングヨーク5はシャフト2に対して接着または圧入または溶接またはねじ留めなどによって固定されている。
また、上記筒状ローリングヨーク5の外周面には2つの平坦面が設けられて平坦面に形成されている溝8内に上記永久磁石6を各々嵌め込んでおり、さらに永久磁石6の外面に半月状のローリングヨーク7を配して、筒状のローリングヨーク5の外周面の円弧と半月状のローリングヨーク7の外周面の円弧とが略同一円弧となるようにしてある。
ここで平板状の永久磁石6は、シャフト2の軸方向Aと交差する方向Cの外面と内面とが異極となるように着磁されている。つまり、図に示す2個の永久磁石6の外面がすべてN極の場合は、内面がS極となり、逆に外面がすべてS極の場合は、内面がN極となるようにされている。
一方、シールドケース1内に配設された筒状をなすローリング用固定子31は、コイルボビン10に巻線11を巻装したコイル部材と該コイル部材のコイルボビン10の両側に筒状のステータ12,12を配設したものであり、上記ローリング用可動子30の外周面に所定の磁気空隙13を介して内周面が相対している。
そして、ローリング用ステータ12,12の内周部にはローリング可動子30の極と対向するように磁極子14を設けている。図示例では磁極子14を永久磁石6の数と同じ2個としている。また、2つのステータ12,12の内の一方12aの磁極子14aの位置と、他方のステータ12bの磁極子14bの位置とを可動子30の軸回り方向Bにおいて不一致としている。
このように構成したローリング用リニア駆動部3Bにおいて、巻線11に一方向の電流を流せばローリング用可動子30は軸回り方向Bの一方向に回転し、巻線11に他方向の電流を流すと軸回り方向Bの逆方向に回転するものであり、このために巻線11に交番電流を流すことでローリング用可動子30に軸回り方向Bの往復ローリング運動を行わせることができる。
次に往復用リニア駆動部3Aは、振動用可動子40と、この可動子40外周面に所要の磁気空隙18を介して内周面が対向する筒状の振動用固定子41とからなるもので、シールドケース1内に固定した振動用固定子41はコイルボビン15に巻線16を巻装したコイル部材と該コイル部材の振動用コイルボビン15の両側に筒状のステータ17,17を設けたものとなっている。
振動用可動子40は磁性体からなる筒状のヨーク19と該ヨーク19の軸方向両側に設けた筒状の永久磁石20,20とからなるもので、その軸方向Aの両側に重量調整用の錘21が連結部材22を介して取り付けられている。両永久磁石20,20は各外面が振動用固定子41のステータ17,17の内面と対応する位置にあるとともに、各永久磁石20は軸方向Aの両端面が互いに異極となっており、さらに2つの永久磁石20の軸方向Aの外側となる面が互いに同極となっている。
そして、この振動用可動子40は筒状であって、軸孔23が貫通しており、この軸孔23内にシャフト2が通されているとともに、シャフト2に一対の軸受24,24を介して振動用可動子40が取り付けられており、振動用可動子40とシャフト2とは軸受24によって別個に軸方向移動と軸回り回転とが可能となるようにされている。
また、振動用可動子40の一端のばね受け26とシールドケース1の一端との間には圧縮コイルばねからなるばね材25が配設されており、振動用可動子40の他端のばね受け26とローリング用可動子30の一端のばね受け9との間には圧縮コイルばねからなるばね材25が配設され、更にローリング用可動子30の他端のばね受け9とシールドケース1の他端との間には圧縮コイルばねからなるばね材25が配設されて、シャフト2及びローリング用可動子30と、振動用可動子40とがその軸方向動作に関してばね振動系を構成している。
今、振動用固定子41の巻線16に一方向の電流を流すと振動用可動子40は軸方向Aの一方向に移動し、巻線16に他方向の電流を流すと逆方向に移動することから、巻線16に交番電流を流すことによって振動用可動子40が軸方向Aに往復運動を行うが、この時の振動用可動子40の動きは、同じばね振動系内のローリング用可動子30とシャフト1も動かすとともに、可動子30,40とシャフト2の質量に応じた上記各ばね材25のばね定数の設定並びに巻線16に印加する交番電流の周波数を上記ばね振動系の共振周波数付近に設定することにより、固定子41と可動子40との間の磁気回路によって振動用可動子41に軸方向Aの往復運動を共振状態で行わせる際、振動用可動子6に対してシャフト2及びローリング用可動子30を逆位相で往復動させている。つまり、ばね部材25によって、振動用可動子40と逆位相の動きをローリング用可動子30に行わせる連動部材を構成しているものである。なお、上記の各ばね材25は、往復ローリング運動についてもばね振動系を構成するための部材として機能している。
従って、本実施例に係るリニアアクチュエータにおいては、往復用リニア駆動部3Aと、ローリング用リニア駆動部3Bとを同時に作動させることにより、シャフト2に軸方向Aの往復動と軸回り方向Bの往復ローリング運動とを同時に行わせることができるものであり、しかも振動用可動子40に対してローリング用可動子30とシャフト2とが逆位相で軸方向の往復動を行うために、振動用可動子40の往復動に伴う不要振動をローリング用可動子30とシャフト2の逆位相往復動で打ち消すことができるものである。つまり、出力が取り出されるシャフト2からみれば、錘21,21を備えた振動用可動子40が前記従来例における吸振錘27として機能することになる。
また、ローリング用可動子30とシャフト2の軸回り方向Bの往復ローリング運動に対して、振動用可動子40が略逆位相で往復ローリング運動を行うことから、この往復ローリング運動によるところの不要振動も少なくなっている。
しかも、前述のように共振状態で動作(往復動及び往復ローリング運動)させている上に、振動低減のために吸振錘を必要とせず、可動部材全体の軽量化が可能であることから、小さな入力エネルギーで大出力を取り出すことができるものである。また本実施例では、錘21,21を含む振動用可動子40とシャフト2とを同軸に配しているために、さらに小型軽量化が可能となっている。
ローリング用可動子30とシャフト2(及びシャフト2に連結される被駆動部材)の質量に対抗するために振動用可動子40には前述のように錘21を設けているわけであるが、この錘21は筒状としてばね材25の外周に位置するようにしているのは、軸方向寸法を短くするためである。
また、ローリング用可動子30をシャフト2に設けて、振動用可動子30に錘21,21を設けていることから、ローリング用可動子30の軸回り方向往復ローリング運動を直接シャフト2に伝達できるため、シャフト2から出力される軸回り方向往復ローリング運動の出力を大きくすることができる。
図4に他例を示す。ここでは上記実施例に記載のものと比して、往復用リニア駆動部3Aと、ローリング用リニア駆動部3Bとの配置を入れ替えるとともに、振動用可動子40をシャフト2に固定し、錘21,21を付設したローリング用可動子30をシャフト2に軸受24を介して支持することで、シャフト2に対してローリング用可動子30が軸方向及び軸回り方向の双方について可動となるようにしたものである。この場合、振動用可動子40の軸方向往復運動が直接シャフト2に伝達されるためにシャフト2から出力される軸方向往復運動の出力を大きくすることができる。
上述の実施例ではシャフト2に対して可動となっている振動用可動子40もしくはローリング用可動子30の支持を軸受24を介してシャフト2で行うことで、軸受24を振動用固定子41の内周位置から外れたところに配置できるようにして、リニアアクチュエータ60の径方向の小型化を図っているが、これら軸受24は可動子40(可動子30)と固定子41(固定子31)との間、あるいはシールドケース1との間に配置するものであってもよい。
また、可動子40もしくは可動子30に設けた錘21,21をシャフト2に対して可動としている軸受24は、錘21,21の一部として機能しているために、全体としての軽量化に貢献している。なお、軸受24を鋼球28と該鋼球28を保持する保持部材29と鋼球28を内周面にて受ける受け部34とを有する転がり軸受で形成したものを示したが、錘21の内周面がすべり軸受となっていてシャフト2と接していてもよく、この場合においても、錘21の外周面をすべり軸受として固定子41(固定子31)またはシールドケース2と接していてもよい。
図5は振動用固定子もしくはローリング用可動子として用いる固定子51の固定に関する一例を示すもので、シールドケース1内に固定子51を挿入した後、シールドケース1内の所定位置にてシールドケース1のかしめ部52を変形させることで、変形したかしめ部52が固定子51に係合して固定子51のシールドケース1内への固定がなされるようにしたものである。この時、かしめ部52を固定子51に設けた切り欠き部53に係合させることにより、固定子51は軸方向Aだけでなく、軸回り方向Bについても固定される。固定子51の固定を簡単且つ強固に行うことができる。固定子51の固定は、シールドケース1に接着または溶接で行ってもよい。
図6はシャフト2の先端部分54の径を細くして、この先端部分54を伝達部材50の穴部55に圧入固定したものを示している。シャフト2の径と、シャフト2に装着しシャフト2からの出力を伝達する伝達部材50の径を異ならせることができるために、シャフト2の径に関係なく伝達部材50の径を自由に設定することができるとともに、シャフト2の径を伝達部材50の径によらずシャフト2の径を小さくできるために、リニアアクチュエータ60の小型化が可能となる。またシャフト2の軸方向A及び軸回り方向Bの運動に対して伝達部材50が滑ることによる伝達ロスを防止することが可能となる。伝達部材50とシャフト2とは接着により固定してもよく、圧入と接着とを併用してもよい。
本発明に係る振動型リニアアクチュエータは種々の駆動源として用いることができるが、電動歯ブラシの駆動源とした場合の一例を図7に示す。電動歯ブラシの略筒状をしたハウジング61内にはハウジング61内の長手方向Dにおいて上記リニアアクチュエータ60と電池とを直列に配置してある。図中63は制御回路部である。そしてハウジング61の長手方向Dの端部から突出させたシャフト2の一端に歯磨き用のブラシ64を取り付けることで、ブラシ34に軸方向の往復動と軸回りの往復ローリングとを行わせるものである。この電動歯ブラシでは、駆動源である振動・ローリング共用のリニアアクチュエータが低振動であることに加えて、軽量な故に取り出せる出力が大であり、しかも小型であることから、取り扱いのしやすいものとなっている。
本発明の実施の形態の一例の断面図である。 同上の分解斜視図である。 ローリング用リニア駆動部を示すもので、(a)は縦断面図、(b)は横断面図である。 他の実施の形態の一例の断面図である。 シールドケースと固定子とを示すもので、(a)は斜視図、(b)は断面図である。 シャフトと伝達部材とを示すもので、(a)は斜視図、(b)は断面図である。 本発明に係る電動歯ブラシの一例の断面図である。
符号の説明
2 シャフト
3A 往復用リニア駆動部
3B ローリング用リニア駆動部
24 錘
30 可動子
31 固定子
40 可動子
41 固定子

Claims (7)

  1. 軸方向に往復動自在に支持されかつ軸回り方向に回転自在に支持されたシャフトと、該シャフトを軸方向に往復運動させるための往復用リニア駆動部と、該シャフトを軸回りに往復ローリング運動させるためのローリング用リニア駆動部と備えた振動・ローリング両用リニアアクチュエータであって、上記の各リニア駆動部は巻線を備えた筒状の固定子と、固定子内に配された可動子とで形成されているとともに、いずれか一方のリニア駆動部の可動子がシャフトに固定され、他方の可動子はシャフトに対して可動とされており、シャフト及びシャフトに固定された一方の可動子とシャフトに対して可動とされた可動子とを逆位相で運動させる連動部材を備えているとともに、両可動子を軸方向の往復振動及び軸回りの往復ローリングの両方についてばね振動系とするコイルばねからなる上記連動部材は、シャフトの軸方向の往復運動に加えて軸回りの往復ローリングについても両可動子を逆位相で運動させるものであることを特徴とする振動・ローリング両用リニアアクチュエータ。
  2. ローリング用リニア駆動部の可動子がシャフトに固定され、往復用リニア駆動部の可動子がシャフトに対して可動とされていることを特徴とする請求項1記載の振動・ローリング両用リニアアクチュエータ。
  3. 往復用リニア駆動部の可動子がシャフトに固定され、ローリング用リニア駆動部の可動子がシャフトに対して可動とされていることを特徴とする請求項1または2記載の振動・ローリング両用リニアアクチュエータ。
  4. シャフトに対して可動とされた可動子は重量調整用の錘を備えていることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の振動・ローリング両用リニアアクチュエータ。
  5. シャフトに対して可動とされた可動子が重量調整用の錘を備えているとともに、筒状に掲載された錘がばね材の外周に配設されていることを特徴とする請求項1記載の振動・ローリング両用リニアアクチュエータ。
  6. シャフトに対して可動とされた可動子はシャフトもしくは固定子に軸受を介して支持されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の振動・ローリング両用リニアアクチュエータ。
  7. 請求項1から6のいずれか1項に記載の振動・ローリング両用リニアアクチュエータを駆動源とするとともに上記シャフトによって駆動される歯磨き用ブラシを備えていることを特徴とする電動歯ブラシ
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