JP4770447B2 - 多次元運動合成ユニット及びそれを用いたアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、シャフトを多次元駆動する為の多次元運動合成ユニット及びそれを用いたアクチュエータに関するものである。

従来から、シャフトを有する可動部を軸方向に往復駆動させるアクチュエータが電動歯ブラシ等に用いられてきた。上記アクチュエータとしては軸方向に加えて回転方向にも駆動可能なものが知られており（特許文献１参照）、これら多次元の運動を合成することによりシャフト先端の多彩な駆動軌跡を実現している。

しかし、上記従来のアクチュエータにあっては、シャフトを収納する筒型の固定部を小型化するという必要性から、軸方向や軸廻り以外の方向にはシャフトを駆動することが困難であるという問題があった。
特開２００４−１９４４９９号公報

本発明は上記問題点に鑑みて発明したものであって、装置全体を大型化する必要のないコンパクト且つ低コストな構成によって、シャフトを揺動方向にも往復駆動させることが可能な多次元合成ユニット及びそれを用いたアクチュエータ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を、シャフト２を有する可動部１と、シャフト２の一部を支点として可動部１をシーソー状に揺動自在に且つ該シャフト２の軸方向に往復動自在に支持する支持体７を有して該シャフト２の一端側を収容する筒状の固定部５とを備えるとともに、互いに磁気力を及ぼす関係にあり且つ可動部１の軸方向変位に応じて磁気力が変化して該可動部１の傾きを変更する磁性部材３，１１を、可動部１と固定部５の対向個所にそれぞれ配置して成る多次元運動合成ユニットとする。

上記構成の多次元運動合成ユニットにあっては、リニアモータ等の駆動源を可動部１に連結させて該可動部１を軸方向に往復直線運動させることで、磁性部材３，１１間の磁気力が変化することにより可動部１には支持体７による支持部分を中心とした揺動運動が生じる。そしてシャフト２先端には往復直線運動と往復揺動運動とが合成されて成る多様な軌跡が出力されるものであり、しかもコンパクト且つ低コストな構成で済むことから、装置全体が大型化及び高コスト化することもない。

また上記課題を解決するために本発明を、上記構成の多次元運動合成ユニットを用いたアクチュエータであって、多次元運動合成ユニットの可動部１とは別の第二可動部１５と、可動部１と第二可動部１５とを弾性連結させるバネ部１６と、第二可動部１５を軸方向に往復直線運動させるリニア駆動手段２０とを備えるものとする。

上記構成のアクチュエータにあっては、リニア駆動手段２０により第二可動部１５を軸方向に往復直線運動させることで可動部１が軸方向に往復直線運動を生じる。そして可動部１においては磁性部材３，１１間の磁気力が変化することで更に往復揺動運動が生じ、シャフト２先端には往復直線運動と往復揺動運動とが合成されて成る多様な軌跡が出力されるものである。更に、バネ部１６を介して連結される可動部１と第二可動部１５とは、第二可動部１５の往復直線運動の周波数を適切に選ぶことによりカウンター動作をさせることができ、設定によっては固定部５に伝達される振動が大幅に低減される。しかも上記の如くコンパクト且つ低コストな構成で済むことから、装置全体が大型化及び高コスト化することもない。

また上記構成のアクチュエータにあっては、可動部１と固定部５とを弾性連結させる第二バネ部２６を備えることも好適である。このようにすることで可動部１と第二可動部１５とをカウンター動作させる周波数の設定が容易となる。

本発明は、装置全体を大型化する必要のないコンパクト且つ低コストな構成によって、シャフトを揺動方向にも往復駆動させることが可能になるという効果を奏する。

以下、本発明を添付図面に示す実施形態に基づいて説明する。図１には本発明の実施形態における一例の多次元運動合成ユニットを示している。本例の可動部１は、細長円柱状を成すシャフト２と、このシャフト２の軸方向の一端側の外周面に固定される磁性部材３とで形成されている。上記可動部１側の磁性部材３は、シャフト２の軸を中心として１８０度ずれた箇所に一対配されるものであるが、上記一対の磁性部材３を、リング状を成すとともにシャフト２外面に嵌合固定される一つの磁性部材により形成してあっても構わない。

また本例の固定部５は、少なくとも一端側底面に開口６を有する筒型のケースである。この固定部５内には、上記シャフト２の一端側であって磁性部材３を固定してある側が収容され、他端側は開口６を通じて固定部５外に突出するようになっている。固定部５内面であって開口６近傍となる箇所には、シャフト２支持用の支持体７を成すベアリング８が配してある。上記ベアリング８によってシャフト２及びこれを有する可動部１全体は、シャフト２の一部を支点としてシーソー状に揺動自在に支持されるとともに、シャフト２の軸方向に往復動自在に支持されている。ここでの可動部１の揺動方向とは、シャフト２の軸方向と直交する方向である。

また可動部１の固定部５内に収容される部分と該固定部５内面との間にはバネ部材９を介在させており、このバネ部材９によって可動部１全体を弾性的に所定姿勢に保持している。そして本例にあっては上記バネ部材９によって、可動部１を固定部５に対して揺動自在に且つ往復動自在に連結させるバネ機構を形成している。

固定部５内面であって可動部１の磁性部材３と対向する個所には、一対の磁石１２を固定してある。この磁石１２が固定部５側の磁性部材１１であって、シャフト２の軸を中心として１８０度ずれた箇所にて、それぞれが可動部１側の磁性部材３と対向するように配されている。

ここで、可動部１側の一対の磁性部材３と、固定部５側の一対の磁性部材１１とは、両側の磁性部材３，１１同士が一対一で対向して吸引力を及ぼし合う関係にある。加えて、上記関係にある一方の対の磁性部材３，１１同士の吸引力と他方の対の磁性部材３，１１同士の吸引力とが、シャフト２即ち可動部１の固定部５に対する軸方向変位に応じて共に変化し、これにより可動部１全体の傾きが変更されるようになっている。

図示例では、可動部１側の磁性部材３においては軸方向の位置を同一にし、固定部５側の磁性部材１１においては軸方向に所定距離だけずらした位置に配置している。そして、対を成す磁性部材３，１１同士の対向面積が可動部１の軸方向変位に応じて共に変化し、これによりシャフト２上の軸方向に所定距離ずれた位置にて働く磁気力が共に変化することで、可動部１全体の傾きが変更されるものである。但し、磁性部材３，１１の配置は図示例の配置に限定される訳ではなく、例えば可動部１側の磁性部材３の軸方向位置をずらしてあって構わないし、可動部１側と固定部５側の両方の磁性部材３，１１を軸方向にずらしてあっても構わない。また、可動部１側と固定部５側の磁性部材３，１１は互いに吸引又は反発の磁気力を及ぼし合う関係であればよいものであり、磁性部材３，１１のうち少なくとも一方が磁石であればよい。

しかして上記構成の多次元運動合成ユニットにあっては、リニアモータ等の駆動源を可動部１に連結させることで、図２に示すような往復揺動運動を発生させることが可能である。即ち可動部１を軸方向に往復直線運動させれば、可動部１の軸中心に１８０度ずれた位置であり且つ軸方向に所定距離ずれた位置で対を成す磁性部材３，１１間の吸引力が変化し、これにより可動部１には支持体７に支持される部分を中心として軸方向と直交方向に揺動する力が生じる。

これを図２に基づいて説明すると、図２（ｂ）では対を成す磁性部材３，１１間の対向面積が図中上側の対と下側の対とで略一致して吸引力が釣り合うために、シャフト２は傾きを生じていない。これに対して図２（ａ）ではシャフト２の後退に伴って、対を成す磁性部材３，１１間の対向面積が図中上側の対よりも下側の対の方が大きくなり、図中下側の対の吸引力が上側の対よりも大きくなるためにシャフト２は先端側を上方に向ける傾きを生じる。また図２（ｃ）ではシャフト２の前進に伴って、対を成す磁性部材３，１１間の対向面積が図中下側の対よりも上側の対の方が大きくなり、図中上側の対の吸引力が下側の対よりも大きくなるためにシャフト２は先端側を下方に向ける傾きを生じる。

つまり本例の多次元運動合成ユニットにあっては、可動部１を軸方向に往復直線運動させる駆動力を入力するだけで、軸方向の往復直線運動と軸方向と直交方向の往復揺動運動とが合成された多次元運動がシャフト２先端の運動として出力されるものである。

次に、上記多次元運動合成ユニットを用いたアクチュエータについて図３に基づいて説明する。本例のアクチュエータの筒型を成す固定部５内には、多次元運動合成ユニットの可動部１とは別の第二可動部１５を配しており、両可動部１，１５同士をバネ部１６により連結させている。第二可動部１５は、固定部５内においてベアリング１７，１８を介して軸方向に往復動自在に且つ軸廻りに往復回動自在に配される円柱状部材である。上記バネ部１６は、可動部１を第二可動部１５に対して、軸方向に往復動自在に且つ軸廻りに往復回動自在に且つ揺動自在に弾性連結させるものである。

また固定部５内には、第二可動部１５を軸方向に往復直線運動させるリニア駆動手段２０と、第二可動部１５を軸廻りに往復回転運動させる回転駆動手段２１とを配している。上記リニア駆動手段２０は、第二可動部１５の外周面に配してある磁性部材２２と、固定部５内面であり且つ上記磁性部材２２と対向する箇所に配してあるコイル部材２３とから成る。また上記回転駆動手段２１は、第二可動部１５の外周面であって上記磁性部材２２とは軸方向に所定距離ずれた個所に配してある別の磁性部材２４と、固定部５内面であり且つ上記磁性部材２４と対向する箇所に配してあるコイル部材２５とから成る。そして、上記リニア駆動手段２０のコイル部材２３への通電制御によって第二可動部１５にはその軸方向への往復駆動力が生じ、上記回転駆動手段２１のコイル部材２５への通電制御によって第二可動部１５にはその軸方向を中心とした往復回転力が生じるようになっている。なお、上記リニア駆動手段２０及び回転駆動手段２１は他の構成であっても構わない。

ここで、本例のアクチュエータにあっては多次元運動合成ユニットの上記バネ部材９が、上記バネ部１６が可動部１を弾性的に支持する側とは反対側の位置にて該可動部１を弾性的に支持する第二バネ部２６を成している。即ち上記第二バネ部２６は、可動部１を固定部５に対して軸方向に往復動自在に且つ軸廻りに往復回動自在に且つ揺動自在に弾性連結させるものである。更に、第二可動部１５の軸方向において、リニア駆動手段２０及び回転駆動手段２１を挟んでバネ部１６が連結する側と反対側の部分には第三バネ部２７を連結させており、該第三バネ部２７を介して第二可動部１５は固定部５と弾性連結している。そして第一〜第三バネ部１６，２６，２７によって、可動部１を固定部５に対して軸方向両側から軸方向に往復動自在に且つ軸廻りに往復回動自在に且つ揺動自在に弾性連結させるバネ機構が形成される構造である。またここでの支持体７は、可動部１を軸方向に往復動自在に且つ軸廻りに往復回動自在に且つ揺動自在に支持するものである。

しかして上記構成のアクチュエータにあっては、リニア駆動手段２０及び回転駆動手段２１のコイル部材２３，２５への通電制御によって第二可動部１５を軸方向に往復直線運動させるとともに軸廻りに往復回転運動させることで、この第二可動部１５の運動がバネ部１６を介して可動部１に伝達される。可動部１にあっては第二可動部１５から伝達された運動のうち往復直線運動によって既述したような往復揺動運動が発生し、結果的にシャフト２先端には往復直線運動と往復回転運動と往復揺動運動とが合成された多次元運動が出力されることとなる。

ここで、バネ部１６を介して軸方向に連結される可動部１と第二可動部１５とは、第二可動部１５の往復直線運動の周波数を適切に選ぶことによりカウンター動作をさせることができ、設定によっては固定部５に伝達される振動が低減されるものである。

なお、固定部５内に図示例のような回転駆動手段２１を備えていなくてもよい。この場合、リニア駆動手段２０への通電制御により第二可動部１５を軸方向に往復直線運動させれば、バネ部１６を介して伝達された往復直線運動によって可動部１には既述したように往復揺動運動が発生する。そして結果的にシャフト２先端には往復直線運動と往復揺動運動とが合成された多次元運動が出力されることとなる。

上記構成のアクチュエータを例えば電動歯ブラシに用いるには、可動部１の固定部５から突出するシャフト２先端にブラシを装着し、固定部５を筒状の把持部として、シャフト２先端に上記の多次元運動を出力させればよい。シャフト２先端のブラシは小刻みな往復直線運動と往復回転運動に加えて、該ブラシで細かく叩くような往復揺動運動を生じ、各運動の適宜組合せによって非常に多彩な駆動軌跡を実現することとなる。

しかもこのようなシャフト２先端の往復揺動運動を含む多次元運動を実現するために、上記多次元運動合成ユニットを用いたコンパクト且つ低コストな構成で済むことから、装置全体が大型化及び高コスト化することがないという利点がある。

本発明の実施形態における一例の多次元運動合成ユニットを示す概略断面図である。 （ａ）〜（ｃ）は同上の多次元運動合成ユニットにおける可動部の揺動運動を示す説明図である。 同上の多次元運動合成ユニットを用いたアクチュエータを示す概略断面図である。

符号の説明

１ 可動部
２ シャフト
３ 磁性部材
５ 固定部
７ 支持体
１１ 磁性部材
１５ 第二可動部
１６ バネ部
２０ リニア駆動手段
２６ 第二バネ部

Claims (3)

1. シャフトを有する可動部と、シャフトの一部を支点として可動部をシーソー状に揺動自在に且つ該シャフトの軸方向に往復動自在に支持する支持体を有して該シャフトの一端側を収容する筒状の固定部とを備えるとともに、互いに磁気力を及ぼす関係にあり且つ可動部の軸方向変位に応じて磁気力が変化して該可動部の傾きを変更する磁性部材を、可動部と固定部の対向個所にそれぞれ配置して成ることを特徴とする多次元運動合成ユニット。
2. 請求項１に記載の多次元運動合成ユニットを用いたアクチュエータであって、多次元運動合成ユニットの可動部とは別の第二可動部と、可動部と第二可動部とを弾性連結させるバネ部と、第二可動部を軸方向に往復動させるリニア駆動手段とを備えることを特徴とするアクチュエータ。
3. 可動部と固定部とを弾性連結させる第二バネ部を備えることを特徴とする請求項２に記載のアクチュエータ。
   
   

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