JP6032309B2

JP6032309B2 - リニアアクチュエータ

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Publication number: JP6032309B2
Application number: JP2015049527A
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Inventors: 正洋西浦
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Publication date: 2016-11-24
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Description

本発明は、電動歯ブラシや歯肉マッサージャー、電気カミソリやポンプなどのように、往復直線運動する作動部を備えた各種機器の駆動手段として好適に利用可能なリニアアクチュエータに関する。

電動歯ブラシとして、複数の毛束を植設した清掃ヘッドを、毛束の植設方向と略直交する方向へ往復直線運動させるものや、毛束の植設方向を中心として反転往復運動させるものや、ケーシングとともに振動させるものなどが広く実用化されている。尚、本明細書において、反転往復運動とは、正転方向に一定角度回転した後、逆転方向に同じ角度だけ回転するという回転運動を繰り返して行う運動を意味する。

また、清掃ヘッドを往復直線運動させるタイプの電動歯ブラシの駆動手段としては、モータの回転軸の回転運動を、出力軸の往復直線運動に変換するクランク機構などの変換手段を備えたものが、安価に製作できることから広く採用されているが、モータによる往復直線運動では清掃ヘッドの振動周波数に自ずと限界があることから、最近では清掃ヘッドの振動周波数を高めて清掃性を向上するため、永久磁石とコイルとを有するリニアアクチュエータを用いたものも実用化されている。

リニアアクチュエータを用いた電動歯ブラシとしては、軸方向の往復動が自在に支持されているプランジャーと、該プランジャーを含む可動部を振動系とするバネ部材と、交番電流が印加されることで可動部をその共振周波数で往復駆動する電磁駆動手段と、可動部の軸回り回転を規制する規制手段とを備えたものが提案されている（例えば、特許文献１参照。）

また、軸方向に往復直線運動自在に支持されたシャフトの外周に、中心軸がシャフトの中心軸と略一致し且つ軸方向の両端面部がそれぞれ異極となった筒状の永久磁石を装着して、可動子を構成し、巻線を備えた筒状をした固定子内に上記可動子を往復直線運動自在に挿通すると共に巻線に電流を印加して可動子を往復動させるように構成した電動歯ブラシも提案されている（例えば、特許文献２参照。）

特開２００２−１７６７５８号公報特開２００４−３４３９３１号公報

前記特許文献１記載の電動歯ブラシでは、コイルと永久磁石とがケーシングの内側に略隙間なく設けられていることから、ケーシング外への磁気漏れにより、ペースメーカーなどの他の機器への悪影響が懸念される。それ故、磁性体からなるシールドケース内にコイル及び磁石を装填する必要があり、シールドケースを設ける分だけ、電動歯ブラシの製作コストが高くなるとともに、電動歯ブラシが重たくなって操作性が低下するという問題があった。また、この特許文献１記載の電動歯ブラシでは、少なくとも２つの磁石を必要とするなど、構造が複雑で、製作コストが高く、しかも組立性があまりよくない。また、軽量なシャフトを往復動させることから、往復動の慣性力を十分に確保できず、十分なブラッシング力を得ることができないという問題もある。

一方、特許文献２記載の電動歯ブラシでは、清掃ヘッドとともに往復直線運動するシャフトに永久磁石を固定しているので、永久磁石に対して駆動力を発生させるための機能と、錘としての機能とを付与することが可能となり、部品点数や重量を増やすことなく、シャフトの慣性力を高めて、ブラッシング力を強く設定できる。しかし、コイルがケーシングの内側に略隙間なく配置されていることから、特許文献１記載の発明と同様に、シールドケース内にコイルを内装する必要があり、シールドケースを設けた分だけ、電動歯ブラシの製作コストが高くなるとともに、電動歯ブラシが重たくなって操作性が低下するという問題を有している。

本発明の目的は、構造が簡単で安価に製作でき、しかも磁気漏れが少なく、部品点数を増やしたり重量を重たくしたりすることなく、大きな慣性力を得ることができるリニアアクチュエータを提供することである。

本発明に係るリニアアクチュエータは、支持ケースと、前記支持ケース内に、上下対称に対面させて直列状に内装した、コイルと永久磁石とヨークとポールピースからなる２組の磁気ユニットと、下端部が上側のヨークの上壁部に固定され、前記支持ケースを貫通して上方へ延びる出力軸と、前記出力軸を往復直線運動の中間位置側に付勢する弾性部材と、前記１対のコイルを支持ケースの高さ方向の途中部に固定支持する支持部材と、上下の磁気ユニットにおける永久磁石とヨークとポールピースからなる上下の可動子を一体的に連結する連結部材と、前記コイルに変動磁場を形成するための電源手段とを備え、前記連結部材で連結した前記２組の可動子を、前記支持ケースに対して上下方向に往復直線運動自在に設け、前記上下の磁気ユニットのヨークを有底円筒状の磁性体でそれぞれ構成し、上下のヨークを、上側のヨークは開口を下側へ向け、下側のヨークは開口を上側へ向けて、前記支持部材を挟んで対向状に配置し、前記上下の磁気ユニットにおいて、前記ポールピースを永久磁石の一方の磁極に固定し、前記永久磁石の他方の磁極をヨークの底部内側に固定し、前記コイルをポールピースとそれに対面するヨークの周壁部の端部間に隙間をあけて配置し、前記永久磁石とポールピースとヨークとコイルとで磁気回路を形成したものである。前記ヨークは、前記永久磁石及びコイルの外側の略全体を覆うように設けることができ、これにより永久磁石及びコイルから外部への磁気漏れを一層効果的に防止することができる。また、前記ヨークの端部は前記コイル開口部の一方の端部から他方の端部までの範囲内に位置させることもできる。その中でも、前記ヨークの端部は、前記コイルの中心線方向の長さ（巻幅）の中央部と前記永久磁石より離れた側の端部との間に位置させることが好ましい。そうすることにより、前記ヨークにより形成される磁束（磁力）を効率よく利用することができる。

このリニアアクチュエータでは、２つのコイルに対して同期して変動磁場を形成することで、２倍の駆動力を出力軸に作用させて、出力軸を往復直線運動させることができる。また、このリニアアクチュエータでは、上側の磁気ユニットに関しては、永久磁石の一方の磁極にポールピースを取付けて、このポールピースをコイルの内側に僅かな隙間をあけて配置させるとともに、ヨークの途中部を永久磁石の他方の磁極に密着固定し、ヨークの端部をコイルの外側に接近配置させているので、永久磁石とポールピースとヨークとコイルとで磁力漏れの少ない磁気回路を形成することができる。また、下側の磁気ユニットに関しても、上側の磁気ユニットと同様にして、永久磁石とポールピースとヨークとコイルとで、磁力漏れの少ない磁気回路を形成することができる。このため、永久磁石の磁気漏れを少なくして、リニアアクチュエータの磁気効率を高め、電動歯ブラシに適用した場合には、清掃ヘッドのブラッシング力を高めることができる。更に、ヨークがコイルと永久磁石の磁気シールドとして機能するので、部品点数を増やすことなく、支持ケース外への磁気漏れを少なくでき、磁気漏れによる他の機器への悪影響を未然に防止できる。更にまた、上下の永久磁石と上下のヨークと上下のポールピースが出力軸とともに往復直線運動するので、これらの部材を出力軸の慣性力を高めるための錘として機能させることができ、部品点数を増やしたり重量を増やしたりすることなく、出力軸の慣性力を高めて、電動歯ブラシに適用した場合には、清掃ヘッドによるブラッシング力を高めることができる。

ここで、前記弾性部材として、前記支持ケースの上端部と上側のヨークとを連結するとともに、前記支持ケースの下端部と下側のヨークとを連結する上下１対のバネ部材であって、同心状に配置される環状の内周部及び外周部と、前記内周部と外周部とを接続する複数本の断面円弧状のアーム部とを有する略平板環状のバネ部材を用いることができる。この場合には、バネ部材により、上下の可動子が往復直線運動の中間位置に弾性保持される。また、ガイド部材を省略して、可動子の往復直線運動時における移動抵抗を少なくできるので好ましい。

本発明に係る電動歯ブラシは、ハンドルを兼ねるケーシングと、前記ケーシングに内装した前述した本発明に係るリニアアクチュエータと、前記ケーシングから外部へ突出するリニアアクチュエータの出力軸の端部に着脱自在に取付けた替えブラシとを備えたものである。

この電動歯ブラシでは、前記リニアアクチュエータを用いているので、前記と同様の作用効果を得ることができる。即ち、２つのコイルに対して同期して変動磁場を形成することで、２倍の駆動力を出力軸に作用させて、出力軸を往復直線運動させることができる。また、永久磁石とポールピースとヨークとコイルとで磁力漏れの少ない磁気回路を形成して、リニアアクチュエータの磁気効率を高め、清掃ヘッドのブラッシング力を高めることができる。更に、ヨークがコイルと永久磁石の磁気シールドとして機能するので、部品点数を増やすことなく、支持ケース外への磁気漏れを少なくでき、磁気漏れによる他の機器への悪影響を未然に防止できる。更にまた、上下の永久磁石と上下のヨークと上下のポールピースが出力軸とともに往復直線運動するので、これらの部材を出力軸の慣性力を高めるための錘として機能させることができ、部品点数を増やしたり重量を増やしたりすることなく、出力軸の慣性力を高めて、清掃ヘッドによるブラッシング力を高めることができる。

本発明に係るリニアアクチュエータによれば、２つのコイルに対して同期して変動磁場を形成することで、２倍の駆動力を出力軸に作用させて、出力軸を往復直線運動させることができる。また、このリニアアクチュエータでは、永久磁石とポールピースとヨークとコイルとで磁力漏れの少ない磁気回路を形成して、リニアアクチュエータの磁気効率を高め、電動歯ブラシに適用した場合には、清掃ヘッドのブラッシング力を高めることができる。更に、ヨークがコイルと永久磁石の磁気シールドとして機能するので、部品点数を増やすことなく、支持ケース外への磁気漏れを少なくでき、磁気漏れによる他の機器への悪影響を未然に防止できる。更にまた、上下の永久磁石と上下のヨークと上下のポールピースが出力軸とともに往復直線運動するので、これらの部材を出力軸の慣性力を高めるための錘として機能させることができ、部品点数を増やしたり重量を増やしたりすることなく、出力軸の慣性力を高めて、電動歯ブラシに適用した場合には、清掃ヘッドによるブラッシング力を高めることができる。

第１実施形態の電動歯ブラシの縦断面図第１実施形態のリニアアクチュエータ本体の縦断面図他の構成のリニアアクチュエータ本体の縦断面図第２実施形態のリニアアクチュエータ本体の縦断面図他の構成のリニアアクチュエータ本体の縦断面図他の構成のリニアアクチュエータ本体の縦断面図同リニアアクチュエータ本体の弾性部材の斜視図他の構成の弾性部材の斜視図他の構成のリニアアクチュエータ本体の縦断面図

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。尚、本実施の形態は、本発明に係るリニアアクチュエータを電動歯ブラシに適用した場合のものである。

（第１実施形態）
図１、図２に示すように、電動歯ブラシ１は、電動歯ブラシ本体２と、電動歯ブラシ本体２の出力軸（出力部材に相当する）１２に着脱自在に取付けた替えブラシ３とを備え、替えブラシ３を出力軸１２とともに、出力軸１２の軸方向に往復直線運動させながら歯をブラッシングできるように構成したものである。

替えブラシ３は、先端部に植毛台４ａを有する短尺な棒状の本体部材４と、複数のフィラメントを束ねてなる複数の毛束５とを有し、植毛台４ａに毛束５を植設してなる清掃ヘッド６により歯をブラッシングできるようになした周知の構成のものである。フィラメントとしては、先端部を尖鋭に形成したものや、先端部を半球状に形成したものや、先端部を複数の細繊維に分割したものなど、周知の構成のものを採用することができる。また、毛束５を構成するフィラメントの本数や、植毛台４ａに植設する毛束５の配列や形状、個数などについても任意に設定することができる。更に、出力軸１２に対する替えブラシ３の結合構成についても、カチット嵌合して、容易に脱落しない周知の結合構造を採用することができる。

電動歯ブラシ本体２は、手で保持するためのハンドルを兼ねる上下方向に細長い略円筒状のケーシング７と、ケーシング７の上部内に組み込んだリニアアクチュエータ本体１０と、ケーシング７の途中部内に組み込んだ制御ユニット８と、ケーシング７の下部内に装填した電池９とを有している。尚、リニアアクチュエータは、リニアアクチュエータ本体１０と制御ユニット８と電池９とで構成され、また電源手段は、制御ユニット８と電池９とで構成される。

電池９としては、一次電池又は二次電池を好適に採用できる。一次電池を採用する場合には、電池９を交換できるようにケーシング７を構成することになる。また、２次電池を採用する場合には、消費者が容易には電池９を交換できないように、ケーシング７に電池９を内装し、有接点或いは無接点で電池９を充電するように構成することになる。二次電池としては、ニッカド電池、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池などを採用できる。ただし、電池９に代えて、家庭用の交流電源などの外部電源を利用することもできる。

リニアアクチュエータ本体１０は、ケーシング７の上部内に組み込んだ固定側部材としての支持ケース１１と、ケーシング７及び支持ケース１１の上壁部７ａ、１１ａを貫通して往復直線運動自在に上方へ延びる出力軸１２と、出力軸１２を往復直線運動の中間位置側に付勢する弾性部材１３と、出力軸１２に固定した永久磁石１４と、永久磁石１４に変動磁場を作用させて、出力軸１２を往復直線運動させるコイル１５であって、永久磁石１４の一方の磁極１４ａに対向させて支持ケース１１に固定したコイル１５と、永久磁石１４の他方の磁極１４ｂに途中部を密着固定し、永久磁石１４の外側に沿って永久磁石１４に対して隙間をあけてコイル１５の外側まで延びて、端部を前記コイル１５の外側に接近配置させた磁性体からなるヨーク１６を備え、コイル１５を支持ケース１１に固定し、永久磁石１４とヨーク１６と後述の磁路形成部材としてのポールピース１７とからなる可動子で、出力軸１２を介して替えブラシ３を往復直線運動するように構成したものである。ただし、弾性部材１３は、出力軸１２を往復直線運動の中間位置に付勢するように設けてあれば、出力軸１２を直接的に付勢するように構成してもよいし、図１、図２に示すように、永久磁石１４やヨーク１６やポールピース１７などを介して、出力軸１２を間接的に付勢するように構成することもできる。

このときリニアアクチュエータ本体１０の大きさとしては、外径が１５〜４０ｍｍであって、好ましくは２５〜３５ｍｍであり、出力軸１２を除いた部分の高さが３０〜１００ｍｍであって、好ましくは５０〜７０ｍｍである。また、出力軸１２の往復直線運動による移動距離は０．３〜５ｍｍであって、好ましくは０．５〜１ｍｍである。

支持ケース１１は下端を開放させた有底円筒状の支持ケース本体１８と、支持ケース本体１８の下端開口部を閉鎖すべく支持ケース本体１８の下端部に固定した蓋部材１９とで構成されている。蓋部材１９の中央部には上方へ延びる円筒状の筒部１９ａが一体的に形成され、筒部１９ａの上部には巻線を巻装することで円筒状のコイル１５が外嵌状に設けられている。本発明では、後述のようにヨーク１６により、外部への磁気漏れが抑制されるので、支持ケース１１は、非磁性体からなる軽量な合成樹脂材料で構成することができる。このため、支持ケース本体１８を省略して、電動歯ブラシ１のケーシング７の上部を支持ケース本体１８として活用することも可能である。

出力軸１２は、ケーシング７及び支持ケース１１の上壁部７ａ、１１ａを貫通して上下方向に移動自在に設けられ、上端部はケーシング７から上方へ突出され、下端部は支持ケース１１内に配置されている。ケーシング７の上端部と出力軸１２の上端近傍部間には両者の摺動部分を覆うゴムカバー２ａが設けられ、このゴムカバー２ａにより、出力軸１２とケーシング７との摺動部分からケーシング７内への水等の浸入が阻止されるように構成されている。

支持ケース１１内には有底円筒状の磁性体からなるヨーク１６が、開口を下側へ向けて上下移動自在に設けられ、ヨーク１６の上壁部１６ａの中央部にはネジ孔１６ｂが形成され、出力軸１２の下端部にはネジ孔１６ｂに螺合するネジ部１２ａが形成され、出力軸１２はネジ部１２ａをネジ孔１６ｂに螺合させることでヨーク１６に一体的に連結されている。ただし、出力軸１２とヨーク１６との連結は、溶接などの他の方法により行なうことも可能である。

ヨーク１６の略円板状の上壁部１６ａの下面には永久磁石１４が他方の磁極１４ｂを密着させて固定され、ヨーク１６の上壁部１６ａの外周部には永久磁石１４に対して隙間をあけて永久磁石１４の外側を取り囲むように下方へ延びる略円筒状の周壁部１６ｃが永久磁石１４と同心状に形成され、ヨーク１６の周壁部１６ｃの下端部は僅かな隙間が全周にわたって一様に形成されるようにコイル１５に外嵌されている。永久磁石１４の一方の磁極１４ａには円板状のポールピース１７が密着固定され、ポールピース１７は僅かな隙間が全周にわたって一様に形成されるようにコイル１５に内嵌されている。このようにヨーク１６の周壁部１６ｃの端部とそれに対面するポールピース１７間にコイル１５を配置することで、磁力漏れの少ない磁気回路を形成することができる。しかも、永久磁石１４とポールピース１７とコイル１５とを磁性体からなるヨーク１６で取り囲むので、支持ケース１１外への磁気漏れを防止して、磁気漏れによる他の機器への悪影響を防止することができる。

コイル１５とヨーク１６とポールピース１７の高さ方向の位置関係は、往復直線運動の中間位置において、コイル１５の高さ方向の中央部とポールピース１７の高さ方向の中央部とが略同じ高さになり、ポールピース１７の下端部とヨーク１６の周壁部１６ｃの下端部とが略同じ高さになるように設定することになる。ポールピース１７の厚さ及びコイル１５の中心線方向の長さ（上下方向の長さ）は、往復直線運動の移動距離に応じて適宜に設定することができ、例えばポールピース１７の厚さは３〜２０ｍｍで、好ましくは３〜１０ｍｍに設定でき、コイル１５の中心線方向の長さ（巻幅）Ｔｃは、このポールピース１７の厚さをＴｐとしたときに、Ｔｐ／３≦Ｔｃ≦３Ｔｐで、好ましくはＴｐ／２≦Ｔｃ≦２Ｔｐに設定できる。また、コイル１５の直径や、コイル１５を構成する巻線の直径は、要求ブラッシング力に応じて、例えばコイル１５の直径は６〜３５ｍｍで、好ましくは８〜２５ｍｍに設定でき、巻線の直径は０．１〜２ｍｍで、好ましくは０．２〜１ｍｍに設定できる。なお、巻線はその断面形状が円形である丸線のみならず、断面形状が四角形である平角線も用いることができる。また、コイル１５を構成する巻線の巻数は、巻線の巻幅に応じて設定することができ、その巻層は１〜１０層で、好ましくは２〜８層に設定することができる。このように、コイル１５の直径、巻線の直径、巻幅等のコイル１５の仕様は、ポールピース１７とヨーク１６との間の距離（磁気ギャップ長）及びポールピース１７の厚みに応じて設定することができる。

尚、図３に示すリニアアクチュエータ本体１０Ａのように、ヨーク１６に代えて、周壁部１６ｃの下端部に内側へ折り曲げた折曲部１６ｄを形成したヨーク１６Ａを用い、折曲部１６ｄの端面がコイル１５に対面するようにヨーク１６Ａを組み付けることも好ましい実施の形態である。この場合には、ヨーク１６Ａの製作コストは高くなるが、ヨーク１６Ａの下端部からコイル１５へ向けて磁束を集中させることができ、磁気効率を一層向上できるので好ましい。また、ヨーク１６Ａａは一部材で構成することも可能であるが、折曲部１６ａにおける成形性を高めるため、ヨーク１６の開口部よりも小径の中空部を有するリング状又は円筒状のプレートを、ヨーク１６の下端面に固定するか、或いはヨーク１６の下端部内に内嵌固定して、該プレートによって折曲部１６ａを形成することで、ヨーク１６Ａと同様の構造を得ることもできる。

弾性部材１３について説明すると、支持ケース１１の上壁部１１ａとヨーク１６の上壁部１６ａ間において出力軸１２にはヨーク１６を下側へ付勢する第１バネ部材１３ａが外嵌状に設けられ、蓋部材１９の筒部１９ａ内にはポールピース１７を上方へ付勢する第２バネ部材１３ｂが内装されている。そして、両バネ部材１３ａ、１３ｂにより、出力軸１２が、永久磁石１４とヨーク１６とポールピース１７とからなる可動子とともに、出力軸１２の往復直線運動の中間位置（中立位置）に付勢されて、該中間位置に弾性保持されている。また、前記中間位置においてヨーク１６は、その下端部がコイル１５の下端部と略同じ高さ位置に配置されて、ヨーク１６の下端内周面がコイル１５の外面に僅かな隙間をあけて対面するように配置され、また、ポールピース１７はコイル１５の内周面の高さ方向の略中央部に僅かな隙間をあけて対面するように配置される。ただし、第１バネ部材１３ａ及び第２バネ部材１３ｂは、ヨーク１６と永久磁石１４とポールピース１７からなる可動子とともに出力軸１２を、往復直線運動の中間位置に弾性付勢できるものであれば、図１、図２に示す以外の配設位置に設けることができる。また、弾性部材１３としては、必ずしもコイルバネを用いる必要はなく、板バネや皿バネ、合成ゴムなどの弾性部材を採用することも可能である。

制御ユニット８は、インバータ回路などにより直流を交番電流に変換する周知の構成のもので、発生した交番電流をコイル１５に印加することで、コイル１５に交番磁場を発生させるものである。ただし、コイル１５で発生する磁場は、必ずしも交番磁場である必要はなく、例えば脈流をコイル１５に印加して、変動磁場を発生させるように構成することも可能である。電動歯ブラシ１を設計する際には、例えばブラッシングに好適な清掃ヘッド６の振動数を設定し、この振動数に基づいて永久磁石１４とヨーク１６とポールピース１７と出力軸１２と替えブラシ３とからなる可動部材の固有振動数が所望の値になるように設定するとともに、該固有振動数と共振するように交番電流の周波数を設定することになる。

この電動歯ブラシ１では、コイル１５が支持ケース１１を介して電動歯ブラシ１のケーシング７に固定されているので、制御ユニット８からの電流によりコイル１５に交番磁場が形成されると、永久磁石１４とヨーク１６とポールピース１７からなる可動子とともに、替えブラシ３が出力軸１２を介して出力軸１２の軸方向に一定のストロークで往復直線運動することになり、このときの替えブラシ３の往復直線運動を利用して清掃ヘッド６により歯をブラッシングすることになる。

また、この電動歯ブラシ１では、永久磁石１４の一方の磁極１４ａにポールピース１７を取付けて、このポールピース１７をコイル１５の内側に僅かな隙間をあけて配置させるとともに、ヨーク１６の途中部を永久磁石１４の他方の磁極１４ｂに密着固定し、ヨーク１６の端部をコイル１５の外側に接近配置させているので、永久磁石１４とポールピース１７とヨーク１６とコイル１５とで磁力漏れの少ない磁気回路を形成することができる。このため、永久磁石１４の磁気漏れを少なくして、リニアアクチュエータ本体１０の磁気効率を高め、清掃ヘッド６によるブラッシング力を高めることができる。また、ヨーク１６がコイル１５と永久磁石１４の磁気シールドとして機能するので、部品点数を増やすことなく、ケーシング７外への磁気漏れを少なくでき、磁気漏れによる他の機器への悪影響を未然に防止できる。更に、永久磁石１４を出力軸１２に固定しているので、永久磁石１４を、出力軸１２の慣性力を高めるための錘として機能させることができ、部品点数を増やしたり重量を増やしたりすることなく、出力軸１２の慣性力を高めて、清掃ヘッド６によるブラッシング力を高めることができる。

（第２実施形態）
次に、電動歯ブラシで利用可能な第２実施形態のリニアアクチュエータ本体について説明する。ただし、リニアアクチュエータ本体以外の構成は、前記第１実施形態と同様に構成できるので、リニアアクチュエータ本体の構成についてのみ説明する。

図４に示すように、第２実施形態のリニアアクチュエータ本体２０は、上下両端を閉鎖した円筒状の支持ケース２１と、支持ケース２１内に上下対称に対面させて直列状に内装した２組の磁気ユニット２６Ｕ、２６Ｌであって、コイル２２Ｕと永久磁石２３Ｕとヨーク２４Ｕとポールピース２５Ｕとからなる磁気ユニット２６Ｕと、コイル２２Ｌと永久磁石２３Ｌとヨーク２４Ｌとポールピース２５Ｌとからなる磁気ユニット２６Ｌと、下端部が上側のヨーク２４Ｕの上壁部２４Ｕａに固定され、支持ケース２１の上壁部２１ａを貫通して上方へ延びる出力軸２７と、出力軸２７を往復直線運動の中間位置側に付勢する弾性部材２８と、コイル２２Ｕ、２２Ｌを支持ケース２１の高さ方向の途中部に固定支持する支持部材２９と、永久磁石２３Ｕとヨーク２４Ｕとポールピース２５Ｕからなる上側の可動子と永久磁石２３Ｌとヨーク２４Ｌとポールピース２５Ｌとからなる下側の可動子を一体的に連結する連結部材３０と、連結部材３０で連結した前記２組の可動子を、支持ケース２１に対して上下方向に往復直線運動自在に案内するガイド部材３１とを備えている。

支持ケース２１は、上下両端部を閉鎖した円筒状の部材で構成され、中心線を含む分割面で２つの分割体に分割構成され、２つの分割体を組み合わせることで、２組の磁気ユニット２６Ｕ、２６Ｌを支持ケース２１に内装できるように構成されている。支持ケース２１の内面の高さ方向の途中部には周方向に一定間隔あけて４つの嵌合凹部２１ａが形成され、支持ケース２１の高さ方向の途中部には４本のアーム部２９ｂを十文字状に配置してなる支持部材２９が配置され、支持部材２９は４本のアーム部２９ｂの端部を４つの嵌合凹部２１ａにそれぞれ嵌合させて、支持ケース２１の高さ方向の略中央部に移動不能に固定支持されている。なお、嵌合凹部２１ａの個数を４つ以外の複数個に設定し、アーム部２９ｂの本数を嵌合凹部２１ａに応じた複数本に設定することができる。

この支持部材２９は、前記第１実施形態における蓋部材１９に対応する部材で、支持部材２９の中央部には円筒状の筒部２９ａが上下両側へ突出状に形成され、上側の筒部２９ａの上端部と下側の筒部２９ａの下端部とには巻線を円筒状に巻装してなるコイル２２Ｕ、２２Ｌが外嵌固定されている。

上下のヨーク２４Ｕ、２４Ｌは、前記第１実施形態と同様に有底円筒状の磁性体で構成され、上側の磁気ユニット２６Ｕのヨーク２４Ｕは、支持部材２９の上側の支持ケース２１内において、開口を下側へ向けて、出力軸２７の下端部に固定され、下側の磁気ユニット２６Ｌのヨーク２４Ｌは、支持部材２９の下側の支持ケース２１内において、開口を上側へ向けて、支持部材２９を挟んでヨーク２４Ｕと対向状に配置されている。

ヨーク２４Ｕの上壁部２４Ｕａの中央部にはネジ孔２４Ｕｂが形成され、出力軸２７の下端部にはネジ孔２４Ｕｂに螺合するネジ部２７ａが形成され、出力軸２７はネジ部２７ａをネジ孔２４Ｕｂに螺合させることでヨーク２４Ｕに一体的に連結されている。ただし、出力軸２７とヨーク２４Ｕとの連結は、溶接などの他の方法により行なうことも可能である。

上下のヨーク２４Ｕ、２４Ｌ間には円筒状の連結部材３０が設けられ、上下のヨーク２４Ｕ、２４Ｌは連結部材３０を介して出力軸２７の軸方向に一体的に往復直線運動できるように連結されている。連結部材３０の高さ方向の途中部には上下方向に細長い４つの長孔３０ａが周方向に一定の間隔をあけて形成され、連結部材３０はその中心線を含み且つ対面する１対の長孔３０ａを分割する分割面で２つの半円筒状の分割体に分割構成されている。支持部材２９の４本のアーム部２９ｂは、その途中部が連結部材３０の４つの長孔３０ａにそれぞれ挿通され、支持部材２９は、出力軸２７の往復直線運動範囲内において軸方向に移動できるように連結部材３０に内装されている。尚、連結部材３０としては、上下のヨーク２４Ｕ、２４Ｌを一体的に連結可能なものであれば任意の構成のものを採用することができる。

支持ケース２１の上部と下部にはリング状のガイド部材３１が内装され、このガイド部材３１で上下のヨーク２４Ｕ、２４Ｌの周壁部２４Ｕｃ、２４Ｌｃが上下方向に移動自在に案内されて、永久磁石２３Ｕとヨーク２４Ｕとポールピース２５Ｕとからなる上側の可動子と、永久磁石２３Ｌとヨーク２４Ｌとポールピース２５Ｌとからなる下側の可動子と、両可動子を連結する連結部材３０と、出力軸２７とが、支持ケース２１内において一体的に出力軸２７の軸方向に往復直線運動自在に案内されている。ただし、ガイド部材３１としては、支持ケース２１内において上下の可動子を、出力軸２７の軸方向に往復直線運動自在に案内できるものであれば、任意の構成のものを採用することができる。また、ガイド部材３１を省略して、図４に仮想線で示すように、下側のヨーク２４Ｌの下壁部２４Ｌａの中央部に支持ケース２１の下壁部２１ｃを貫通して下方へ延びるガイド軸３２を出力軸２７と同軸状に固定し、出力軸２７とガイド軸３２とで、上下の可動子を連結部材３０とともに上下方向に移動自在に案内することも好ましい実施の形態である。

弾性部材２８について説明すると、支持ケース２１の上壁部２１ｂと上側のヨーク２４Ｕの上壁部２４Ｕａ間において出力軸２７には、連結部材３０で連結された上下の可動子を下側へ付勢する第１バネ部材２８ａが外嵌状に設けられ、支持ケース２１の下壁部２１ｃと下側のヨーク２４Ｌの下壁部２４Ｌａ間には、連結部材３０で連結された上下の可動子を上側へ付勢する第２バネ部材２８ｂが設けられている。そして、両バネ部材２８ａ、２８ｂにより出力軸２７は、往復直線運動の中間位置（中立位置）に付勢されて、該中間位置に弾性保持されている。ただし、弾性部材２８は、出力軸２７を往復直線運動の中間位置に付勢するように設けてあれば、出力軸２７を直接的に付勢するように構成してもよいし、図４に示すように、ヨーク２４Ｕ、２４Ｌや永久磁石２３Ｕ、２３Ｌやポールピース２５Ｕ、２５Ｌなどを介して間接的に付勢するように構成することもできる。

上側のヨーク２４Ｕの周壁部２４Ｕｃの下端部は、上側のコイル２２Ｕの外周面に対面させて、該コイル２２Ｕに対してその全周にわたって一様な僅かな隙間をあけて外嵌状に配置されている。上側のヨーク２４Ｕの上壁部２４Ｕａの下面の中央部には上側の永久磁石２３Ｕが一方の磁極２３Ｕｂを密着させて固定され、該永久磁石２３Ｕの下端面の他方の磁極２３Ｕａにはポールピース２５Ｕが密着固定され、ポールピース２５Ｕの下部の円柱部２５Ｕａは、上側のコイル２２Ｕの内周面に対面させて、該コイル２２Ｕに対してその全周にわたって一様な僅かな隙間をあけて内嵌されている。

コイル２２Ｕとヨーク２４Ｕとポールピース２５Ｕの高さ方向の位置関係は、往復直線運動の中間位置において、コイル２２Ｕの高さ方向の中央部とポールピース２５Ｕの円柱部２５Ｕａの高さ方向の中央部とが略同じ高さになり、ポールピース２５Ｕの下端部とヨーク２４Ｕの周壁部２４Ｕｃの下端部とが略同じ高さになるように設定することになる。ポールピース２５Ｕの円柱部２５Ｕａの厚さ及びコイル２２Ｕの中心線方向の長さ（上下方向の長さ）は、往復直線運動の移動距離に応じて適宜に設定することができ、例えば円柱部２５Ｕａの厚さは３〜２０ｍｍで、好ましくは３〜１０ｍｍに設定でき、コイル２２Ｕの中心線方向の長さ（巻幅）Ｔｃは、この円柱部２５Ｕａの厚さをＴｐとしたときに、Ｔｐ／３≦Ｔｃ≦３Ｔｐで、好ましくはＴｐ／２≦Ｔｃ≦２Ｔｐに設定できる。また、コイル２２Ｕの直径や、コイル２２Ｕを構成する巻線の直径は、要求ブラッシング力に応じて、例えばコイル２２Ｕの直径は６〜３５ｍｍで、好ましくは８〜２５ｍｍに設定でき、巻線の直径は０．１〜２ｍｍで、好ましくは０．２〜１ｍｍに設定できる。なお、巻線はその断面形状が円形である丸線のみならず、断面形状が四角形である平角線も用いることができる。また、コイル２２Ｕを構成する巻線の巻数は、巻線の巻幅に応じて設定することができ、その巻層は１〜１０層で、好ましくは２〜８層に設定することができる。このように、コイル２２Ｕの直径、巻線の直径、巻幅等のコイル２２Ｕの仕様は、ポールピース２５Ｕの円柱部２５Ｕａとヨーク２４Ｕとの間の距離（磁気ギャップ長）及び円柱部２５Ｕａの厚みに応じて設定することができる。尚、コイル２２Ｌとヨーク２４Ｌとポールピース２５Ｌは、前記コイル２２Ｕとヨーク２４Ｕとポールピース２５Ｕを倒立状に配置させたものと同様に配置されているので、その詳細な説明を省略する。

このようにヨーク２４Ｕ、２４Ｌの周壁部２４Ｕｃ、２４Ｌｃの端部と、それに対面するポールピース２５Ｕ、２５Ｌ間に、コイル２２Ｕ、２２Ｌを僅かな隙間をあけて接近配置することで、磁力漏れの少ない磁気回路を形成することができる。しかも、永久磁石２３Ｕとポールピース２５Ｕとコイル２２Ｕとを磁性体からなるヨーク２４Ｕで取り囲み、永久磁石２３Ｌとポールピース２５Ｌとコイル２２Ｌとを磁性体からなるヨーク２４Ｌで取り囲むので、支持ケース２１外への磁気漏れを防止して、磁気漏れによる他の機器への悪影響を防止することができる。

このリニアアクチュエータ本体２０は、前記第１実施形態のリニアアクチュエータ本体１０と同様に、電動歯ブラシ１のケーシング７の上部内に組み込んで用いることになる。また、このように組み込んだ状態で、コイル２２Ｕ、２２Ｌが支持部材２９及び支持ケース２１を介して電動歯ブラシ１のケーシング７に固定されているので、制御ユニット８からの電流によりコイル２２Ｕ、２２Ｌに交番磁場が形成されると、永久磁石２３Ｕとヨーク２４Ｕとポールピース２５Ｕからなる上側の可動子と、永久磁石２３Ｌとヨーク２４Ｌとポールピース２５Ｌからなる下側の可動子とが、連結部材３０を介して一体的に出力軸２７の軸方向に一定のストロークで往復直線運動し、これにより替えブラシ３が、出力軸２７を介して出力軸２７の軸方向に、一定のストロークで往復直線運動することになり、このときの替えブラシ３の往復直線運動を利用して、清掃ヘッド６により歯をブラッシングすることになる。

リニアアクチュエータ本体２０では、制御ユニット８により、２つのコイル２２Ｕ、２２Ｌに対して同期して変動磁場を形成することで、前記第１実施形態の電動歯ブラシ１の２倍の駆動力を出力軸２７に作用させて、清掃ヘッド６を往復直線運動させることができる。また、このリニアアクチュエータ本体２０では、上側の磁気ユニット２６Ｕに関しては、永久磁石２３Ｕの一方の磁極２３Ｕａにポールピース２５Ｕを取付けて、このポールピース２５Ｕをコイル２２Ｕの内側に僅かな隙間をあけて配置させるとともに、ヨーク２４Ｕの途中部を永久磁石２３Ｕの他方の磁極２３Ｕｂに密着固定し、ヨーク２４Ｕの端部をコイル２２Ｕの外側に接近配置させているので、永久磁石２３Ｕとポールピース２５Ｕとヨーク２４Ｕとコイル２２Ｕとで磁力漏れの少ない磁気回路を形成することができる。また、下側の磁気ユニット２６Ｌに関しても、上側の磁気ユニット２６Ｕと同様にして、永久磁石２３Ｌとポールピース２５Ｌとヨーク２４Ｌとコイル２２Ｌとで、磁力漏れの少ない磁気回路を形成することができる。このため、永久磁石２３Ｕ、２３Ｌの磁気漏れを少なくして、リニアアクチュエータ本体２０の磁気効率を高め、清掃ヘッド６によるブラッシング力を高めることができる。更に、ヨーク２４Ｕがコイル２２Ｕと永久磁石２３Ｕの磁気シールドとして機能し、ヨーク２４Ｌがコイル２２Ｌと永久磁石２３Ｌの磁気シールドとして機能するので、部品点数を増やすことなく、支持ケース２１外への磁気漏れを少なくでき、磁気漏れによる他の機器への悪影響を未然に防止できる。更にまた、永久磁石２３Ｕ、２３Ｌとヨーク２４Ｕ、２４Ｌとポールピース２５Ｕ、２５Ｌが出力軸２７とともに往復直線運動するので、これらの部材を出力軸２７の慣性力を高めるための錘として機能させることができ、部品点数を増やしたり重量を増やしたりすることなく、出力軸２７の慣性力を高めて、清掃ヘッド６によるブラッシング力を高めることができる。

次に、前記第２実施形態のリニアアクチュエータ本体２０の構成を部分的に変更した他の実施の形態について説明する。尚、前記第２実施形態のリニアアクチュエータ本体２０と同一部材には同一符号を付してその詳細な説明を省略する。

（１）図３に示すリニアアクチュエータ本体１０Ａと同様に、ヨーク２４Ｕ、２４Ｌの周壁部２４Ｕｃ、２４Ｌｃの端部を内側へ折曲させて、その端面をコイル２２Ｕ、２２Ｌに対面させることも好ましい実施の形態である。この場合には、ヨーク２４Ｕ、２４Ｌの製作コストは高くなるが、ヨーク２４Ｕ、２４Ｌの下端部からコイル２２Ｕ、２２Ｌへ向けて磁束を集中させることができ、磁気効率を一層高めることができる。

（２）第１バネ部材２８ａ及び第２バネ部材２８ｂは、上下の可動子を往復直線運動の中間位置に弾性付勢できるものであれば、図４に示す以外の配設位置に設けることも可能で、例えば図５に示すリニアアクチュエータ本体２０Ａのように、上側の筒部２９ａ内において、ポールピース２５Ｕと筒部２９ａの奥端面間に第１バネ部材２８Ａａを内装し、下側の筒部２９ａ内において、ポールピース２５Ｌと筒部２９ａの奥端面間に第２バネ部材２８Ａｂを内装することもできる。

（３）弾性部材２８としては、必ずしもコイルバネを用いる必要はなく、板バネや皿バネ、合成ゴムなどの弾性部材を採用することも可能である。例えば、図６、図７に示すリニアアクチュエータ本体２０Ｂのように、支持ケース２１に代えて上下両面を開放した円筒状の支持ケース２１Ｂを設け、両バネ部材２８ａ、２８ｂに代えて、支持ケース２１Ｂの上端部とヨーク２４Ｕとを連結するとともに、支持ケース２１Ｂの下端部とヨーク２４Ｕとを連結する上下１対のバネ部材であって、同心状に配置される環状の内周部４０ａ及び外周部４０ｂと、内周部４０ａと外周部４０ｂとを接続する複数本の断面円弧状のアーム部４０ｃとを有し、アーム部４０ｃの両端部を内周部４０ａと外周部４２ｂとに接続してなる略平板環状のバネ部材４０を用い、このバネ部材４０の内周部４０ａをヨーク２４Ｕ、２４Ｌに固定し、外周部４０ｂを支持ケース２１Ｂの上下両端部に固定して、ヨーク２４Ｕ、２４Ｌと支持ケース２１Ｂとを上下１対のバネ部材４０で連結することも好ましい実施の形態である。このリニアアクチュエータ本体２０Ｂでは、バネ部材４０により、上下の可動子が往復直線運動の中間位置に弾性保持される。また、ガイド部材３１を省略して、可動子の往復直線運動時における移動抵抗を少なくできるので好ましい。なお、アーム部４０ｃとしては、断面波形状のものを採用することもできる。また、アーム部４０ｃに代えて、内周部４０ａと外周部４２ｂを連結する断面円弧状或いは断面波形状の連続した環状の連結部を設けることもできる。

また、バネ部材４０に代えて、図８に示すように、同心状に配置される環状の内周部４２ａ及び外周部４２ｂと、内周部４２ａと外周部４２ｂとを接続する複数本のアーム部４２ｃとからなり、アーム部４２ｃの両端部を内周部４２ａと外周部４２ｂとに、周方向に対して同一方向へ一定角度ずらして接続してなる略平板環状のバネ部材４２を用い、このバネ部材４２の内周部４２ａをヨーク２４Ｕ、２４Ｌに固定し、外周部４２ｂを支持ケース２１Ｂの上下両端部に固定して、ヨーク２４Ｕ、２４Ｌと支持ケース２１Ｂとを上下１対のバネ部材４２で連結することも好ましい実施の形態である。この場合には、バネ部材４２により、上下の可動子が往復直線運動の中間位置に弾性保持されるとともに、上下の可動子が往復直線運動すると、バネ部材４２のアーム部４２ｃの変形により、出力軸２７が可動子とともに出力軸２７を中心として反転往復運動するので、出力軸２７の軸方向への清掃ヘッド６の往復直線運動と、出力軸２７を中心とした清掃ヘッド６の反転往復運動とにより効率的に歯をブラッシングすることができる。

尚、本実施形態では、１つの磁気ユニットで出力軸１２を駆動する場合と、直列状に連結した２つの磁気ユニット２６Ｕ、２６Ｌで出力軸２７を駆動する場合について説明したが、直列状に連結した３つ以上の磁気ユニットで出力軸を駆動するように構成することも可能であるし、並列状に連結した複数の磁気ユニットで出力軸を駆動するように構成することも可能であるし、直列状に連結した複数の磁気ユニットを並列状に複数連結することも可能である。３つ以上の磁気ユニットを直列状に連結する場合には、例えば図９に示すリニアアクチュエータ本体２０Ｃのように、リニアアクチュエータ本体２０と同様の構成の１組の磁気ユニット２６Ｕ、２６Ｌを上下直列状に接続して、これを上下方向に細長い支持ケース２１Ｃに内装し、これら４つの磁気ユニット２６Ｕ、２６Ｌの可動子を第１バネ部材２８ａと第２バネ部材２８ｂとで弾性支持することになる。

また、本実施形態では、替えブラシ３を出力軸１２の軸方向に往復直線運動させたが、替えブラシ３に運動方向を切替える運動方向切換機構を内装するなどして、複数の毛束５からなるブラシ部を他の方向へ運動させることも可能である。具体的には、ブラシ部を、出力軸１２に対して直交する前後方向や左右方向などに往復直線運動させたり、ブラシ部の中央部を通り出力軸１２に直交する方向を中心として反転往復運動させたり、替えブラシ３の本体部材４の途中部を中心に前後方向や左右方向などに反転往復揺動させることができる。また、ブラシ部の毛束５のみを植毛台４ａに対して、出力軸１２に直交方向に往復直線運動させることもできる。更に、本実施形態では、電動歯ブラシ１の駆動部に本発明に係るリニアアクチュエータ本体を適用したが、替えブラシ３に代えて歯肉マッサージャーを取付けることもできるし、電気カミソリやポンプなどのように、往復直線運動する作動部を備えた各種機器の駆動手段として本発明に係るリニアアクチュエータを適用することも可能である。

１電動歯ブラシ２電動歯ブラシ本体
２ａゴムカバー３替えブラシ
４本体部材４ａ植毛台
５毛束６清掃ヘッド
７ケーシング７ａ上壁部
８制御ユニット９電池
１０リニアアクチュエータ本体
１１支持ケース１１ａ上壁部
１２出力軸１２ａネジ部
１３弾性部材１３ａバネ部材
１３ｂバネ部材１４永久磁石
１４ａ磁極１４ｂ磁極
１５コイル１６ヨーク
１６ａ上壁部１６ｂネジ孔
１６ｃ周壁部１７ポールピース
１８支持ケース本体１９蓋部材
１９ａ筒部
１０Ａリニアアクチュエータ本体
１６Ａヨーク１６ｄ折曲部
２０リニアアクチュエータ本体
２１支持ケース２１ａ嵌合凹部
２１ｂ上壁部２１ｃ下壁部
２２Ｕコイル２３Ｕ永久磁石
２３Ｕａ磁極２３Ｕｂ磁極
２４Ｕヨーク２４Ｕａ上壁部
２４Ｕｂネジ孔２４Ｕｃ周壁部
２５Ｕポールピース２５Ｕａ円柱部
２６Ｕ磁気ユニット
２２Ｌコイル２３Ｌ永久磁石
２３Ｌａ磁極２３Ｌｂ磁極
２４Ｌヨーク２４Ｌａ下壁部
２４Ｌｃ周壁部２５Ｌポールピース
２５Ｌａ円柱部２６Ｌ磁気ユニット
２７出力軸２７ａネジ部
２８弾性部材２８ａ第１バネ部材
２８ｂ第２バネ部材２９支持部材
２９ａ筒部２９ｂアーム部
３０連結部材３０ａ長孔
３１ガイド部材３２ガイド軸
２０Ａリニアアクチュエータ本体
２８Ａａバネ部材２８Ａｂバネ部材
２０Ｂリニアアクチュエータ本体
２１Ｂ支持ケース４０バネ部材
４０ａ内周部４０ｂ外周部
４０ｃアーム部
４２バネ部材４２ａ内周部
４２ｂ外周部４２ｃアーム部
２０Ｃリニアアクチュエータ本体
２１Ｃ支持ケース

Claims

支持ケースと、前記支持ケース内に、上下対称に対面させて直列状に内装した、コイルと永久磁石とヨークとポールピースからなる２組の磁気ユニットと、下端部が上側のヨークの上壁部に固定され、前記支持ケースを貫通して上方へ延びる出力軸と、前記出力軸を往復直線運動の中間位置側に付勢する弾性部材と、前記１対のコイルを支持ケースの高さ方向の途中部に固定支持する支持部材と、上下の磁気ユニットにおける永久磁石とヨークとポールピースからなる上下の可動子を一体的に連結する連結部材と、前記コイルに変動磁場を形成するための電源手段とを備え、
前記連結部材で連結した前記２組の可動子を、前記支持ケースに対して上下方向に往復直線運動自在に設け、
前記上下の磁気ユニットのヨークを有底円筒状の磁性体でそれぞれ構成し、上下のヨークを、上側のヨークは開口を下側へ向け、下側のヨークは開口を上側へ向けて、前記支持部材を挟んで対向状に配置し、
前記上下のヨーク間の隙間を塞ぐように、前記連結部材により上下のヨークを連結し、
前記連結部材に上下方向に細長い複数の長孔を周方向に一定の間隔をあけて設け、
前記支持部材に連結部材の長孔を挿通して先端部が支持ケースに固定支持される複数本のアーム部を設け、
前記上下の磁気ユニットにおいて、前記ポールピースを永久磁石の一方の磁極に固定し、前記永久磁石の他方の磁極をヨークの底部内側に固定し、前記コイルをポールピースとそれに対面するヨークの周壁部の端部間に隙間をあけて配置し、前記永久磁石とポールピースとヨークとコイルとで磁気回路を形成した、
ことを特徴とするリニアアクチュエータ。
前記弾性部材として、前記支持ケースの上端部と上側のヨークとを連結するとともに、前記支持ケースの下端部と下側のヨークとを連結する上下１対のバネ部材であって、同心状に配置される環状の内周部及び外周部と、前記内周部と外周部とを接続する複数本の断面円弧状のアーム部とを有する略平板環状のバネ部材を用いた請求項１記載のリニアアクチュエータ。
ハンドルを兼ねるケーシングと、
前記ケーシングに内装した前記請求項１又は２記載のリニアアクチュエータと、
前記ケーシングから外部へ突出するリニアアクチュエータの出力軸の端部に着脱自在に取付けた替えブラシと、
を備えたことを特徴とする電動歯ブラシ。