KR20060003092A - 왕복직선구동 액츄에이터 및 그를 이용한 전동칫솔 - Google Patents

왕복직선구동 액츄에이터 및 그를 이용한 전동칫솔 Download PDF

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KR20060003092A
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히데카즈 야부우치
타카히로 니시나카
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마츠시다 덴코 가부시키가이샤
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Abstract

전동칫솔의 구동원으로 사용되는 왕복직선구동 액츄에이터에 있어서, 2개 영구자석을 대략 판모양 또는 통모양으로 하고, 샤프트의 축 방향에 소정의 거리를 사이에 두어, 직접 또는 스페이서를 통하여 샤프트에 끼워맞춤으로 고정하며, 샤프트와 영구자석으로 가동자를 구성한다. 한편, 보빈에 감겨진 코일 및 고정 요크 등으로 구성된 통모양의 고정자는, 그 중심축이 가동자의 샤프트의 중심축과 동축이 되도록, 소정의 간격을 사이에 두어, 가동자의 영구자석의 측면에 대향하도록 설치되어 있다. 코일에 교번전류를 공급하는 것에 의해, 가동자를 샤프트의 축 방향으로 왕복직선구동한다.
왕복직선, 액츄에이터, 전동칫솔, 가동자, 고정자, 교번전류

Description

왕복직선구동 액츄에이터 및 그를 이용한 전동칫솔 {RECIPROCATING LINEAR DRIVE ACTUATOR AND ELECTRIC TOOTHBRUSH}
본 발명은, 왕복직선구동 액츄에이터 및 그를 이용한 전동칫솔에 관한 것이다.
예를 들면, 특개2002-176758호 공보에 도시한 종래의 왕복직선구동 액츄에이터(actuator)에 관하여, 도 15를 참조하여 설명한다. 이 종래의 왕복직선구동 액츄에이터(150)로는, 자성재료로 형성된 플랜져(plunger)(151)가 샤프트(shaft)(152)의 외주부(外周部)에 고착(固着)되어 있다. 샤프트(152)는, 베어링(162)에 의해, 그 중심축에 평행한 방향(축 방향)으로 왕복직선구동이 가능하게 축 지지되어 있다. 실드 케이스(sheild case)(153)의 내주면에는, 이 플랜져(151)의 외주에 대하여 소정의 간격을 사이에 두도록, 환상(環狀)의 코일(coil)(154)이 배치되어 있다. 또한, 실드 케이스(153)의 내주면 상에, 또한, 코일(154)의 상기 축 방향의 양측서는, 코일(154)에 대하여 대칭하게 자착(磁着)된 환상의 영구자석(155 및 156)이 각각 배치되어 있다. 이들 영구자석(155 및 156)과 코일(154)과의 사이에는, 각각 환상의 제1 요크(yoke)(157 및 158)가 배치되고, 또한 영구자석(155 및 156)의 코일(154)과는 반대측의 위치에 환상의 제2 요크(159 및 160)가 배치되어 있다. 플랜져 (151)와 실드 케이스(152)의 사이에서는 스프링 부재(161)가 배치되어 있어, 플랜져(151)를 그 왕복직선구동방향 중 한쪽 방향으로 밀어붙이고 있다.
코일(154)에 전류가 흐르지 않을 때는, 2개의 영구자석(155 및 156)이 각각 요크(157 및 158)를 통하여 플랜져(151)에 미치는 자력과 스프링 부재(161)에 의한 밀어붙이는 힘이 균형을 이루는 위치에서, 플랜져(151)는 정지되어 있다. 코일(154)에 한쪽 방향전류가 흐르면, 영구자석(155 및 156) 중 한쪽에 의한 자속이 약해지기 때문에, 플랜져(151)는, 스프링 부재(161)의 밀어붙이는 힘에 저항하거나 또는 스프링 부재(161)를 밀어붙이면서, 다른 쪽의 영구자석측으로 이동한다. 코일(154)에 역방향 전류가 흐르면, 플랜져(151)는 역방향으로 이동한다. 따라서, 코일(154)에 교번(交番)전류를 흐르게 하는 것에 의해, 플랜져(151)를 축 방향으로 왕복진동시킬 수 있다.
그런데, 상기한 바와 같은 종래의 왕복직선구동 액츄에이터(150)에 있어서는, 영구자석(155 및 156)이 플랜져(151)의 외주에 대하여 간격을 사이에 두고 배치되어 있기 때문에, 환상인 영구자석(155 및 156)의 내경 및 외경이 커지고, 영구자석(155 및 156)의 체적도 커진다. 이것에 동반하여, 영구자석(155 및 156)의 재료면에서의 코스트(cost)가 높아지게 된다. 또한, 영구자석(155 및 156)은, 원호상의 영구자석을 복수조합시켜 환상으로 형성하고 있기 때문에, 환상의 영구자석(155 및 156)의 제조공정이 복잡하게 되고, 제조면에서도 코스트가 높아지게 된다. 그 결과, 종래의 영구자석 및 코일을 사용한 액츄에이터(150) 및 그를 이용한 전동칫솔의 코스트도 높아지게 된다. 또한, 영구자석(155 및 156)이 크기 때문에, 액츄에 이터(150) 및 그를 이용한 전동칫솔의 소형경량화가 곤란하다.
본 발명은, 상기 종래예의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로, 저(低)코스트화, 소형경량화 및 조립성의 향상이 가능한 왕복직선구동 액츄에이터 및 그를 이용한 저코스트로 소형경량의 전동칫솔을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일실시예에 따른 왕복직선구동 액츄에이터는, 축 방향으로 왕복직선구동이 가능하게 축 지지된 샤프트와, 상기 샤프트의 축 방향의 양단면부의 극성이 다르도록 착자(着磁)되고, 또한 상기 샤프트에 끼워맞춤으로 고정된 영구자석을 가진 가동자(可動子)와, 상기 영구자석의 상기 샤프트의 축 방향에 평행한 단면에 대하여, 소정의 간격을 사이에 두고 대향하도록 설치되며, 전류가 공급되는 것에 의해 자계(磁界)를 발생시키는 코일을 가진 고정자(固定子)를 구비하고, 상기 코일에 교번전류를 공급하는 것에 의해, 상기 가동자를 상기 샤프트의 축 방향으로 왕복직선구동시킨다.
또한, 본 발명의 일실시예에 관한 전동칫솔은, 선단에 브러시가 심어진 브러시체와, 상기 브러시체를 소정방향으로 왕복직선구동하는 왕복직선구동 액츄에이터와, 상기 왕복직선구동 액츄에이터에 전력을 공급하기 위한 전원과, 상기 왕복직선구동 액츄에이터에 구동전류를 공급하기 위한 구동회로를 구비한다. 상기 왕복직선구동 액츄에이터는, 축 방향으로 왕복직선구동이 가능하게 축 지지된 샤프트와, 상기 샤프트의 축 방향의 양단면부의 극성이 다르도록 착자되고, 또한 상기 샤프트에 끼워맞춤으로 고정된 영구자석을 가진 가동자와, 상기 영구자석의 상기 샤프트의 축 방향으로 평행한 단면에 대하여, 소정의 간격을 사이에 두고 대향하도록 설치되며, 전류가 공급되는 것에 의해 자계를 발생시키는 코일을 가진 고정자를 구비하고, 상기 구동회로는, 상기 코일에 교번전류를 공급하는 것에 의해, 상기 가동자를 상기 샤프트의 축 방향으로 왕복직선구동시킨다.
이와 같이, 영구자석이 샤프트에 끼워맞춤으로 고정되어 있기 때문에, 고정자측에 영구자석을 설치하는 경우에 비하여, 영구자석의 내경 및 외경을 작게 할 수 있다. 따라서, 영구자석의 체적이 작아지게 되고, 그것에 동반하여 영구자석의 재료면에서의 코스트를 줄일 수 있다. 또한, 영구자석은 샤프트의 축 방향의 양단면부의 극성이 각각 다르게 되어 있으므로, 영구자석의 구성이 간단하게 되고, 용이하게 제조할 수 있기 때문에, 제조면에서의 영구자석의 코스트를 줄일 수 있다. 또한, 왕복직선구동 액츄에이터의 구성이 간단하게 되므로, 조립작업성이 향상된다. 결과적으로, 왕복직선구동 액츄에이터 및 그를 이용한 전동칫솔의 코스트를 줄일 수 있다. 또한, 영구자석의 체적이 작아지는 것에 동반하여, 왕복직구동 액츄에이터 및 그를 이용한 전동칫솔의 소형경량화가 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 일실시형태에 따른 왕복직선구동 액츄에이터의 제1 구성예를 도시한 단면도이다.
도 2는 왕복직선구동 액츄에이터의 제2 구성예를 도시한 단면도이다.
도 3은 왕복직선구동 액츄에이터의 제3 구성예를 도시한 단면도이다.
도 4는 왕복직선구동 액츄에이터의 제4 구성예를 도시한 단면도이다.
도 5는 왕복직선구동 액츄에이터의 제5 구성예를 도시한 단면도이다.
도 6은 왕복직선구동 액츄에이터의 제6 구성예를 도시한 단면도이다.
도 7은 왕복직선구동 액츄에이터의 제7 구성예를 도시한 단면도이다.
도 8은, 왕복직선구동 액츄에이터의 제8 구성예를 도시한 단면도이다.
도 9A는 본 발명의 다른 실시형태에 관한 왕복직선구동 액츄에이터의 구성을 도시한 단면도이다. 도 9B는, 도 9A에 도시한 왕복직선구동 액츄에이터의 가동자의 축 둘레의 위치결정을 하기 위한 위치결정구조의 일례를 도시한 도이다.
도 10은 도 9A에 도시한 왕복직선구동 액츄에이터의 분해사시도이다.
도 11A는 상기 다른 실시형태에 있어서의 영구자석 및 요크를 샤프트에 끼워맞춤으로 고정하는 구조의 변형예를 도시한 사시도이다. 도 11B는 상기 요크의 형상을 도시한 정면도이다.
도 12는, 스프링 받음 부재와 상기 요크와의 결합상태를 도시한 사시도이다.
도 13은, 왕복직선구동 액츄에이터에 있어서 전압을 일정하게 한 경우에 있어서의 교번전류의 주파수와 가동자의 진폭의 관계 및 그 경우에 있어서의 주파수와 전류의 관계를 도시한 그래프이다.
도 14는, 본 발명의 일실시형태에 따른 왕복직선구동 액츄에이터를 이용한 전동칫솔의 구성을 도시한 단면도이다.
도 15는, 종래의 왕복직선구동 액츄에이터의 구성을 도시한 단면도이다.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
본 발명의 일실시형태에 따른 왕복직선구동 액츄에이터 및 그를 이용한 전동칫솔에 관하여, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 실시형태에 관한 왕복직선구동 액츄에이터의 제1 구성예를 도 1에 도시한다. 제1 구성예의 왕복직선구동 액츄에이터(101)에서는, 통모양(예를 들면 원통모양)을 한 실드 케이스(16) 내주면에 대략 통모양을 한 고정자(5)가 배치되어 있다. 고정자(5)는, 보빈(bobbin)(10)에 전선을 감아서 형성된 코일(4)과, 보빈(10)의 양측에 설치된 대략 환상의 고정 요크(11)로 구성되어 있다.
실드 케이스(16) 내의 축 방향의 양단부에는 베어링(17)이 설치되어 있고, 실드 케이스(16)에 끼워 삽입된 샤프트(1)가, 베어링(17)에 의해 그 축 방향으로 왕복직선구동이 가능하게 축 지지되어 있다. 샤프트(1)에서는, 대략 판모양 또는 대략 통모양(예를 들면 원판모양 또는 원통모양)의 2개의 영구자석(2L 및 2R)이, 소정의 간격으로 끼워맞춤으로 고정되어 있다. 샤프트(1)와 영구자석(2L 및 2R)으로 가동자(3)를 구성한다.
또한, 도 1에서는, 영구자석(2L 및 2R)의 두께, 즉, 샤프트(1)의 축 방향의 길이가, 영구자석(2L 및 2R)의 샤프트(1)의 축에 직교하는 방향의 치수(예를 들면 직경)보다도 짧기 때문에, 이하의 설명에서는 「판모양」으로 칭한다. 그렇지만, 본 발명에 따른 왕복직선구동 액츄에이터에서 사용되는 영구자석은 판모양으로 한정되지 않고, 샤프트(1)의 축 방향의 길이가 샤프트(1)의 축에 직교하는 방향의 치수와 동등 또는 그것보다도 긴 통모양이어도 좋다.
영구자석(2L 및 2R)은, 각각 그 두께 방향에 착자되어 있고, 샤프트(1)의 축 방향의 양단면부의 극성이 각각 다르도록 설정되어 있다. 또한, 2개의 영구자석(2L 및 2R)은, 서로 대향하는 면의 극성이 동일하게 되도록, 샤프트(1)에 고정되어 있다. 예를 들면, 좌측의 영구자석(2L)의 좌측단면의 극성을 S극으로 하면, 그 영구자석(2L)의 우측단면의 극성이 N극, 우측의 영구자석(2R)의 좌측단면의 극성이 N극, 영구자석(2R)의 우측단면의 극성이 S극으로 된다. 반대의 경우도 마찬가지이다. 이와 같이, 샤프트(1)에 2개의 영구자석(2L 및 2R)을 축 방향에 병설하는 것에 의해, 큰 자속(磁束)을 발생시킬 수 있다.
샤프트(1)에 영구자석(2L 및 2R)을 끼워맞춤으로 고정시켜 구성된 가동자(3)는, 실드 케이스(16)에 고정된 고정자(5)의 내주면에 대하여 소정의 간격으로 거리를 두도록, 실드 케이스(16)에 삽입되어 있다. 2개 영구자석(2L 및 2R)과 실드 케이스(16)의 양단면(또는 베어링(17))의 사이에는, 각각 압축 코일 스프링 부재(7)가, 그 중공부(中空部)를 샤프트(1)가 관통하도록 설치되어 있다.
가동자(3)와 스프링 부재(7)로써, 가동자(3)의 왕복직선구동의 진동계(振動系)를 구성한다. 즉, 양(兩) 영구자석(2L 및 2R)과 베어링(17)과의 사이에 각각 스프링 부재(7)가 개재되어 있고, 가동자(3)의 왕복직선구동에 동반하여 2개의 스프링 부재(7)가 신장 및 압축되어, 압축력 및 인장력을 가동자(3)에 부여한다.
코일(4)에 전류가 흐르지 않는 상태에서는, 영구자석(2L 및 2R)이 고정 요크(11)에 미치는 자력과 스프링 부재(7)의 밀어붙이는 힘이 균형을 맞추는 위치에서 가동자(3)가 정지하고, 가동자(3)의 2개의 영구자석(2L 및 2R)의 외측면은, 각각 고정자(5)의 2개의 고정 요크(11)의 내측면과 대향한다.
코일(4)에 한쪽 방향 전류가 흐르면, 가동자(3)가 한쪽 방향으로 이동하고, 코일(4)에 역방향 전류가 흐르면, 가동자(3)가 역방향으로 이동한다. 그 때문에, 코일(4)에 교번전류가 흐르는 것에 의해, 가동자(3)를 샤프트(1)의 축 방향으로 왕복직선구동시킬 수 있다. 특히, 스프링 부재(7)의 스프링 정수(定數) 및 가동자(3)의 질량으로 결정되는 공진(共振)주파수 부근의 교번전류를 코일(4)로 흐르게 하는 것에 의해, 가동자(3)의 왕복직선구동(왕복진동)을 공진상태에 가까운 상태로 할 수 있고, 그것에 의해 가동자(3)의 이동량(진폭량)을 크게 할 수 있다.
이와 같이, 본 실시형태에 따른 왕복직선구동 액츄에이터(101)에서는, 고가인 영구자석의 사용에 있어서, 종래예와 같이 통모양의 고정자측에 영구자석을 설치하지 않고, 고정자(5) 내에서 왕복직선구동이 가능하게 삽입된 가동자(3)측에 판모양의 영구자석(2L 및 2R)을 설치함으로써, 각 영구자석(2L 및 2R) 내경 및 외경이 작게 되고, 영구자석(2L 및 2R)의 체적이 작게 된다. 이것에 동반하여, 재료면에서의 영구자석의 코스트를 절감할 수 있다. 또한, 판모양의 영구자석(2L 및 2R)은, 각각 두께 방향으로 착자되어 있으므로, 예를 들면, 소정의 내경 및 외경을 가진 통모양의 자성체를, 그 중심축 방향으로 착자한 후, 중심축과 직교하는 방향으로 소정의 두께로 절단하는 것에 의해, 판모양의 영구자석을 용이하게 제조할 수 있다. 그 결과, 제조면에서의 영구자석의 코스트도 절감할 수 있다. 또한, 왕복직선구동 액츄에이터(101)의 구성이 간단하게 됨으로써, 조립공정을 간략화하는 것이 가능하다. 결과적으로, 왕복직선구동 액츄에이터의 코스트를 대폭 절감할 수 있다. 또한, 영구자석(2L 및 2R)의 체적이 작게 되는 것에 의해, 왕복직선구동 액츄에이 터(101) 자체가 소형경량화된다.
다음으로, 왕복직선구동 액츄에이터의 제2 구성예를 도2에 도시한다. 제2 구성예의 왕복직선구동 액츄에이터(102)에서는, 샤프트(1)에 끼워맞춤으로 고정된 2개의 영구자석(2L 및 2R)의 양단면에 각각 인접하도록, 또한 자성체로 형성된 4개의 판모양의 요크(9)를 샤프트(1)에 끼워맞춤으로 고정하는 것이다. 이와 같이, 가동자(3)의 각 영구자석(2L 및 2R)의 축 방향의 단면측에 인접하도록 요크(9)를 설치하는 것에 의해, 영구자석(2L 및 2R)에 의해 발생되는 자속의 대부분이 요크(9)를 통하게 된다. 그 결과, 제1 구성예의 왕복직선구동 액츄에이터(101)에 비하여, 구성이 약간 복잡하게 되고, 다소 코스트 업(cost up)이 되지만, 영구자석(2L 및 2R)의 자속을 효율이 좋게 이용할 수 있다.
다음으로, 왕복직선구동 액츄에이터의 제3 구성예를 도 3에 도시한다. 제3 구성예의 왕복직선구동 액츄에이터(103)에서는, 2개의 영구자석(2L 및 2R)의 사이에, 코일(4)로 전류가 흐를 때에 발생되는 자속의 통로가 되는 통모양의 철심(8)을 더 설치한 것이다. 이와 같이, 2개의 영구자석(2L 및 2R)의 사이에 통모양의 철심(8)을 설치하는 것에 의해, 코일(4)에 전류가 공급되는 것에 의해 발생되는 자속의 바이패스(bypass)로 되는 통로를 형성할 수 있고, 제2 구성예의 왕복직선구동 액츄에이터(102)에 비하여, 구성이 약간 더 복잡해지고, 다소 코스트 업이 되지만, 코일(4)에 의해 발생되는 자속을 가동자(3)의 각 영구자석(2L 및 2R)측으로 효율이 좋게 통할 수 있다.
다음으로, 왕복직선구동 액츄에이터의 제4 구성예를 도 4에 도시한다. 샤프 트(1)에 끼워맞춤으로 고정된 영구자석(2L 및 2R)에 의한 자속을, 샤프트(1)측으로 통하지 않고 고정 요크(11)측으로 효율이 좋게 통하기 위해서는, 샤프트(1)를 비자석재료(예를 들면 스테인리스(stainless)강)로 형성하는 것이 바람직하다. 그렇지만, 비자성재료는 자성재료에 비하여, 일반적으로 고가이다. 또한, 저렴한 가격의 비자성재료는 강도가 낮다. 제4 구성예의 왕복직선구동 액츄에이터(104)로는, 샤프트(1)를 철과 같은 자성재료로 형성함과 함께, 샤프트(1)에 비자성재료로 형성된 통모양의 스페이서(spacer)(19)를 끼워맞춤으로 고정하고, 또한 스페이서(19)의 외주면에 영구자석(2L 및 2R), 요크(9) 및 철심(8)을 끼워맞춘 고정하는 것이다.
이와 같이, 비자성재료로 형성된 스페이서(19)를 개재시키는 것에 의해, 구성이 약간 복잡하게 되지만, 저렴한 가격으로 강도가 높은 자성재료를 사용하여 샤프트(1)를 형성할 수 있고, 샤프트(1)의 강도를 유지하면서, 코스트 다운이 가능하게 된다. 또한, 영구자석(2L 및 2R)에 의한 자속을 고정 요크(11)측으로 효율좋게 통할 수 있다.
다음으로, 왕복직선구동 액츄에이터의 제5 구성예를 도 5에 도시한다. 통모양의 철심(8)을 사용하여 코일(4)에서 발생되는 자속의 통로(자로(磁路))를 형성함에 있어서, 최단의 자로(磁路)를 형성하고자 하면, 철심(8)의 외경을 영구자석(2L 및 2R) 또는 요크(9)의 외경과 거의 같게 할 필요가 있다. 한편, 철심(8)의 내경은, 반드시 영구자석(2L 및 2R) 또는 요크(9)의 내경과 거의 같게 할 필요는 없다. 오히려, 철심(8)의 내경을 영구자석(2L 및 2R)의 내경이나 요크(9)의 내경과 같게 하면, 철심(8)의 중량이 무겁게 되고, 그 결과 가동자(3)의 중량이 무겁게 되므로 바람직하지 않다. 그래서, 제5 구성예의 왕복직선구동 액츄에이터(105)에서는, 철심(8)의 내경을 영구자석(2L 및 2R) 또는 요크(9)의 내경보다도 크게 하고, 비자성재료로 형성된 스페이서(19)의 철심(8)이 끼워맞춤으로 고정되는 부분, 즉, 축 방향의 중앙부분의 외경을 다른 부분의 외경보다 크게 한 것이다.
이와 같이, 철심(8)의 내경을 영구자석(2L 및 2R) 또는 요크(9)의 내경보다도 크게 하는 것에 의해, 스페이서(19)의 형상이 약간 복잡하게 되지만, 철심(8)의 중량을 가볍게 할 수 있고, 결과적으로 가동자(3)를 경량화할 수 있다. 또한, 철심(8)에 의해, 코일(4)에 발생되는 자속이 통하는 자로를 최단거리로 할 수 있으므로, 코일(4)에 발생되는 자속을 유효하게 이용할 수 있다.
다음으로, 왕복직선구동 액츄에이터의 제6 구성예를 도 6에, 제7 구성예를 도 7에 각각 도시한다. 제6 구성예의 왕복직선구동 액츄에이터(106)에서는, 가동자(3)에 끼워맞춤으로 고정된 2개의 영구자석(2L 및 2R)의 간격을, 고정자(5)의 2개의 고정 요크(11)의 간격보다도 좁게 하고, 또한, 축 방향에서의 2개의 고정 요크(11) 사이의 중심위치와, 가동자(3)가 왕복직선구동하지 않는 상태에서의 2개의 영구자석(2L. 2R)의 사이의 중심위치를 거의 일치시키고 있다.
한편, 제7 구성예의 왕복직선구동 액츄에이터(107)에서는, 가동자(3)에 끼워맞춤으로 고정된 2개의 영구자석(2L 및 2R)의 간격을, 고정자(5)의 2개의 고정 요크(11)의 간격보다도 넓게 하고, 또한, 축 방향에 있어서의 2개의 고정 요크(11) 사이의 중심위치와, 가동자(3)가 왕복직선구동하지 않는 상태에 있어서의 2개의 영구자석(2L 및 2R)의 사이의 중심위치를 대략 일치시키고 있다.
이와 같이 가동자(3)의 2개의 영구자석(2L 및 2R)의 간격을 2개의 고정 요크(11) 간격보다도 좁게 또는 넓게 하는 것에 의해, 가동자(3)의 왕복직선구동의 스트로크(stroke) 또는 왕복진동의 진폭을, 용도에 따라 조절할 수 있다.
또한, 축 방향에서의 2개의 고정 요크(11) 사이의 중심위치와, 가동자(3)가 왕복직선구동하지 않는 상태에서의 2개의 영구자석(2L 및 2R)의 사이의 중심위치를 대략 일치시키는 것에 의해, 진폭의 중립위치에서의 영구자석(2L 및 2R)에 의한 고정 요크(11)에 대한 인장력 및 반발력을 제로(zero)로 할 수 있으므로, 스프링 부재(7)의 설계가 용이하게 됨과 동시에, 왕복직선구동 액츄에이터의 조립작업성이 향상된다.
다음으로, 왕복직선구동 액츄에이터의 제8 구성예를 도 8에 도시한다. 제8 구성예의 왕복직선구동 액츄에이터(108)에서는, 스페이서(19)를 이용하지 않고, 영구자석(2L 및 2R) 및 요크(9)를 직접 샤프트(1)에 끼워맞춤으로 고정함과 동시에, 통모양의 철심(8)의 내주면과 샤프트(1)의 외주면과의 사이에 공간(30)을 형성하고 있다. 이와 같은 구성에 의하면, 치구(治具) 등을 이용하여 철심(8)을 비교적 용이하게 고정할 수 있으므로, 그다지 조립공정을 복잡화하지 않고, 가동자(3)를 경량화 할 수 있다.
다음으로, 전동칫솔의 액츄에이터로 사용되는 것을 고려한 왕복직선구동 액츄에이터의 더욱 구제척인 구성예에 관하여 설명한다. 도 9A는, 전동칫솔의 액츄에이터로서 사용되는 왕복직선구동 액츄에이터(109)의 구성을 도시한 단면도이다. 이 왕복직선구동 액츄에이터(109)에서는, 가동자(3) 및 고정자(5)로서, 상기 도 6에 도시한 제6 구성예와 같은 것을 사용하지만, 이것에 한정되지 않고, 상기 제1 구성예에서부터 제8 구성예의 어느 것으로도 사용할 수 있다. 도 9B는, 왕복직선구동 액츄에이터(109)의 샤프트(1)의 후단부 및 그를 축 지지하는 베어링의 형상을 도시한 도이다. 도 10은, 왕복직선구동 액츄에이터(109)의 구성을 도시한 분해사시도이다.
도 9A 및 도 10으로부터 알 수 있는 바와 같이, 실드 케이스(16)는 대략 원통모양이고, 그 전후의 개구부에 각각 씰 부재(31 및 32)가 끼워맞춤으로 고정되어 있다. 또한, 각 씰 부재(31 및 32)에서는, 각각 샤프트(1)를 그 축 방향으로 왕복직선구동이 가능하도록 축 지지하는 베어링(17F 및 17R)이 설치되어 있다. 도 9B에 도시한 바와 같이, 샤프트(1)의 후단부(1a)는, 단면이 대략 D자모양으로 형성되어 있다. 한편, 뒤쪽의 씰 부재(32)에서는, 샤프트(1)의 후단부(1a)가 끼워맞춰진 대략 D자모양의 끼워맞춤 구멍(25)이 형성되어 있다. 샤프트(1)의 후단부(1a)가 끼워맞춤 구멍(25)에 끼워맞춰지는 것에 의해, 샤프트(1)는, 그 축 방향으로 왕복직선구동하는 것이 가능하지만, 그 축을 중심으로 하는 회전이 규제된다. 또한, 상기 왕복직선구동 액츄에이터의 제1 구성예에서부터 제8 구성예에 있어서도, 마찬가지로 샤프트(1)의 축 둘레의 회전을 규제하여도 좋다.
고정자(5)는, 실드 케이스(16)의 내주면에 고정되어 있다. 또한, 가동자(3)는, 그 외주면이 소정의 간격을 사이에 두고 고정자(5)의 내주면에 대향하도록, 샤프트(1)에 끼워맞춤으로 고정되어 있다. 앞쪽 베어링(17F)의 후면, 가동자(3)의 전후양측면 및 뒤쪽 베어링(17R)의 전면에 대향하도록, 각각 스프링 받음 부재(29)가 샤프트(1)에 끼워맞춰져 있다. 또한, 가동자(3)와 뒤쪽 베어링(17R)의 사이에는, 대략 원통모양의 흡진추(吸振錘)(20)가, 샤프트(1)에 대하여 비교적 큰 공차를 가지고 끼워서 장착되어 있다. 그리고, 코일 스프링(7a, 7b)이 각각 스프링 받음 부재(29)와 흡진추(20)의 사이에 설치되고, 또한 코일 스프링(7c)이 가동자(3)와 앞쪽의 베어링(17F)의 각 스프링 받음 부재(29)의 사이에 설치되어 있다.
본 실시형태에서는, 고정자(5)와 실드 케이스(16)를 고정부로 하고, 가동자(3)의 질량 및 흡진추(20)의 질량의 2질점계 진동 모델(model)로서 취급할 수 있다. 이 경우, 가동자(3)와 흡진추(20)가 같은 위상에서 구동하는 제1차(저차측)의 진동 모델과, 가동자(3)와 흡진추(20)가 역위상에서 구동하는 제2차(고차측)의 진동 모델이 있다. 이 제2차의 고유진동수 근방의 주파수를 가진 전류를 코일(4)에 공급하는 것에 의해 가동자(3)에 축 방향의 왕복직선구동을 행하게 하는 경우, 역위상의 구동을 행하는 흡진추(20)가 가동자(3)의 관성력을 소멸시키고, 반대로, 흡진추(20)의 관성력을 가동자(3)가 소멸시킨다. 이것에 의해, 실드 케이스(16)측으로 전하는 진동을 감소시킬 수 있다.
다음으로, 영구자석(2L 및 2R) 및 요크(9)를 샤프트(1)에 끼워맞춤으로 고정하는 구조의 변형예를 도 11A 및 도 11B에 도시한다. 도 9A 및 도 10에 도시한 구성예에서는, 자성재료로 형성된 샤프트(1)에 스페이서(19)를 끼워맞추고, 또한 스페이서(19)에 영구자석(2L 및 2R) 및 요크(9)를 끼워맞춤으로 고정하고 있다. 도 11A 및 도 11B에 도시한 변형예에서는, 요크(9)의 내주부에 복수(예를 들면 4개)의 돌기(13)를 형성하고, 돌기(13)를 샤프트(1)의 외주면에 접하게 하는 것에 의해, 요크(9)를 샤프트(1)에 끼워맞춤으로 고정시키면서, 각 돌기(13)의 사이에 간격(12)을 형성하고 있다. 도시하지는 않으나, 각 영구자석(2L 및 2R)에 관해서도 마찬가지이다. 그 결과, 샤프트(1)의 코스트 다운 및 강도를 확보하기 때문에, 자성재료에 의해 샤프트(1)를 형성했음에도 불구하고, 영구자석(2L 및 2R)에 의한 자속이 샤프트(1)측으로 대부분 통하지 않고, 대부분을 고정 요크(11)측으로 통할 수 있고, 영구자석(2L 및 2R)에 의한 자속을 유효하게 이용할 수 있다.
또한, 도 12에 도시한 바와 같이, 스프링 받음 부재(29)의 스프링 부재(7a, 7b 또는 7c)와는 접촉하지 않는 측의 단면에 복수(예를 들면 4개)의 결합 돌기(29a)를 형성하여, 요크(9)에 형성된 간격(12)에 끼워맞춰져도 좋다. 이와 같은 구성에 의해, 스프링 받음 부재(29)의 요크(9)에 대한 샤프트(1)의 중심축 둘레의 회전이 규제된다.
다음으로, 본 실시형태에 따른 왕복직선구동 액츄에이터에 있어서, 코일(4)에 공급되는 교번전류의 전압을 일정하게 한 경우에서의 주파수와 가동자(3)의 진폭의 관계 및 그 경우에 있어서의 주파수와 전류의 관계에 관하여, 도 13에 도시한 그래프를 참조하면서 설명한다.
도 13에 있어서 곡선 A 및 B는, 각각 전압을 일전하게 한 경우에서의 주파수와 가동자(3)의 진폭의 관계를 나타내고, 곡선 C 및 D는, 각각 주파수와 전류의 관계를 나타낸다. 도 13중, ◆ 표시는 무부하시에서의 진폭을, ■ 표시는 부하시에서의 진폭을, ◇ 표시는 무부하시에서의 전류값을, ○ 표시는 부하시에서의 전류값을 각각 나타낸다.
상술한 바와 같이, 스프링 부재(7a, 7b 및 7c)의 스프링 정수 및 가동자(3)의 질량 등으로 결정되는 공진주파수(도 13에 있어서 점 P로 표시) 부근의 주파수를 가진 교번전류를 코일(4)에 공급하는 것에 의해, 가동자(3)의 진동량(진폭량)을 크게 할 수 있다. 예를 들면, 주파수가 250Hz 부근에서는, 가동자(3)의 진폭은 최대값 1.1mm 를 나타낸다. 주파수가 230Hz 이상, 250Hz 이하의 범위(S) 및 250Hz 이상, 280Hz 이하의 범위(T)에서는, 각각 진폭이 0.5mm 이상의 값을 나타낸다.
이와 같은 범위 내에서 코일(4)에 흐르는 교번전류의 주파수가 설정되면, 스프링 부재(7a, 7b 및 7c)를 이용하여 가동자(3)의 진동량(진폭량)을 크게 할 수 있다. 여기서, 공진주파수 부근에서, 또한, 공진주파수보다도 높은 주파수의 범위 및 공진주파수보다도 낮은 주파수의 범위에서 마찬가지의 진폭이 얻어지지만, 공진주파수보다도 낮은 주파수로 설정하여 가동자(3)를 왕복직선구동시키는 경우(범위 S 내에서 주파수를 설정하는 경우)는, 작은 전류로, 목적으로 하는 진폭으로 왕복직선구동시킬 수 있다. 특히, 왕복직선구동 액츄에이터의 전원이 전지(電池)인 경우, 전지의 장수명화(長壽命化)를 도모할 수 있다. 한편, 공진주파수보다도 높은 주파수로 설정한 경우(범위 T 내에서 주파수를 설정하는 경우)는, 전류가 커지지만, 목적으로 하는 진폭으로 왕복직선구동시킬 수 있고, 큰 출력을 얻을 수 있다.
상기 각 왕복직선구동 액츄에이터는, 여러 가지 구동원으로서 사용할 수 있다. 일례로서, 상기 왕복직선구동 액츄에이터를 구비한 전동칫솔의 구성을 도 14에 도시한다.
전동칫솔(100)은, 대략 원통모양의 가늘고 긴 하우징(15)과, 하우징(15) 내 의 길이방향의 앞쪽에 설치된 상기 도 9A에 도시한 왕복직선구동 액츄에이터(109)와, 하우징(15) 내의 길이방향의 뒤쪽에 설치된 전지(2차전지)(21)와, 제어회로부(22)와, 하우징(15)의 외주면부에 설치된 스위치(33) 등을 구비하고 있다. 왕복직선구동 액츄에이터(109)의 샤프트(1)의 일단부는, 하우징(15)의 앞쪽 단면에서부터 외부로 돌출되어 있다.
도 14에 도시한 예에서는, 브러시(brush)체(14)는, 그 선단의 브러시부(27)가 브러시체(14)의 길이방향에 대하여 대략 직교하는 방향으로 심어져 있는 타입(type)이기 때문에, 샤프트(1)의 일단부에 브러시체(14)의 자루부(26)의 후단부가 착탈가능하게, 한편, 샤프트(1)에 대하여 그 축 둘레로는 회동하지 않도록 장착한다. 도 9A에 도시한 왕복직선구동 액츄에이터(109)에서는, 샤프트(1)의 후단부(1a)가 대략 D자모양으로 형성되고, 후단부(1a)가 끼워맞춰지는 끼워맞춤 구멍(25)도 대략 D자모양으로 형성되어 있으므로, 샤프트(1)의 그 축 둘레에 대한 회전이 제어되어 있다. 따라서, 브러시체(14)의 자루부(26)와 샤프트(1)의 선단부를 같은 구조로 하는 것에 의해, 자루부(26)를 샤프트(1)의 축 둘레에서 회전하지 않도록 규제할 수 있다. 그 결과, 브러시체(14)의 브러시부(27)의 돌출방향과, 하우징(15)에 설치된 스위치(33)와의 위치관계를 일정하게 할 수 있으므로, 전동칫솔로서의 조작성은 손상되지 않는다.
이와 같이 구성된 전동칫솔(100)의 스위치(33)를 조작하여, 왕복직선구동 액츄에이터(109)의 코일(4)에 전류를 공급하는 것에 의해, 샤프트(1)를 그 축 방향으로 왕복직선구동시킬 수 있다. 그것에 의해, 샤프트(1)에 부착된 브러시체(14)가 축 방향으로 왕복직선구동되므로, 이것에 의해 브러시부(27)를 왕복직선구동시켜서 치아 문지름을 행할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 실시형태에 따른 왕복직선구동 액츄에이터의 각 구성에 의하면, 대략 판모양 또는 대략 통모양(원판모양 또는 원통모양)의 영구자석(2L 및 2R)을 직접 또는 스페이서(19)를 통하여 샤프트(1)에 끼워맞춤으로 고정되어 있으므로, 각 영구자석(2L 및 2R)의 내경 및 외경이 작아지게 되고, 영구자석(2L 및 2R)의 체적이 작아지게 된다. 이것에 동반하여, 영구자석의 중량 및 코스트가 절감되므로, 결과적으로 왕복직선구동 액츄에이터 및 그것을 이용한 전동칫솔의 코스트도 절감될 수 있다.
본원은 일본국 특허출원 2003-139571에 기초한 것이고, 그 내용은, 상기 특허출원의 명세서 및 도면을 참조함에 따라 결과적으로 본원발명에 합체되야 하는 것이다.
또한, 본원발명은, 첨부된 도면을 참조한 실시의 형태에 의해 충분히 기재되어 있지만, 여러 가지 변경이나 변형이 가능한 것은, 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 명확해 질 것이다. 그 때문에, 그와 같은 변경 및 변형은, 본원발명의 범위를 벗어나지 않는 것이고, 본원발명의 범위에 포함된 것으로 해석되어야 한다.
이상 설명한 바와 같이, 본발명의 왕복직선구동 액츄에이터에 있어서는, 영구자석의 내경 및 외경이 작아지게 되고, 영구자석의 체적이 작아지게 된다. 이것 에 동반하여, 재료면에서의 영구자석의 코스트를 절감할 수 있다. 또한, 영구자석은 축 방향의 양단면부의 극성이 각각 다르도록 착자되어 있기 때문에, 영구자석의 구성이 간단하고, 그 제조도 용이하며, 제조면에서의 영구자석의 코스트도 절감할 수 있다. 또한, 왕복직선구동 액츄에이터의 구성이 간단하게 되므로, 조립성을 향상시킬 수 있다. 그 결과, 왕복직선구동 액츄에이터의 코스트를 대폭 절감할 수 있다. 또한, 영구자석의 체적이 작아지는 것에 동반하여, 왕복직선구동 액츄에이터를 소형경량화할 수 있다. 또한, 본 발명의 전동칫솔은, 상기와 같이 저코스트로 소형경량의 왕복직선구동 액츄에이터를 사용하기 때문에, 소형경량화한 전동치솔을 저코스트로 제공할 수 있다.

Claims (13)

  1. 축 방향으로 왕복직선구동가능하게 축 지지된 샤프트와, 상기 샤프트의 축 방향의 양단면부의 극성이 다르도록 착자되고, 또한 상기 샤프트에 끼워맞춤으로 고정된 영구자석을 가진 가동자와,
    상기 영구자석의 상기 샤프트의 축 방향에 평행한 단면에 대하여, 소정의 간격을 가지고 대향하도록 설치되어 있고, 전류가 공급되는 것에 의해 자계를 발생시키는 코일을 가진 구정자를 구비하며,
    상기 코일에 교번전류를 공급하는 것에 의해, 상기 가동자를 상기 샤프트의 축 방향으로 왕복직선구동시키는 것을 특징으로 하는 왕복직선구동 액츄에이터.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 가동자는, 상기 샤프트의 축 방향에 있어서, 소정의 간격을 사이에 두고 배치된 2개의 영구자석과, 상기 2개의 영구자석의 사이에, 상기 샤프트의 축 방향과 평행하도록 상기 샤프트에 끼워 장착된 대략 통모양의 철심을 가지고 있고,
    상기 2개의 영구자석은, 각각 상기 샤프트의 축 방향의 양단면부의 극성이 다르도록 그 두께방향으로 자착되며, 또한 서로 대향하는 면의 극성이 같은 자극으로 되도록 상기 샤프트에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 왕복직선구동 액츄에이터.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 2개 영구자석의 상기 샤프트의 축 방향의 각 단면에 인접하도록, 복수의 요크가 상기 샤프트에 끼워맞춤으로 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 왕복직선구동 액츄에이터.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 철심의 내경은, 상기 영구자석 또는 상기 요크의 내경보다도 큰 것을 특징으로 하는 왕복직선구동 액츄에이터.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 샤프트는 비자성재료로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 왕복직선구동 액츄에이터.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 샤프트는 자성재료로 형성되어 있고, 상기 샤프트와 상기 영구자석이 비자성재료로 형성된 스페이서를 통하여 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 왕복직선구동 액츄에이터.
  7. 제 2항에 있어서,
    상기 고정자는, 코일을 감은 보빈과, 상기 보빈의 상기 샤프트의 축 방향의 양측에 설치된 2개의 고정 요크를 더 포함하고,
    상기 가동자에 끼워맞춤으로 고정된 2개의 영구자석의 간격을, 고정자의 2개의 고정 요크의 간격보다도 좁게 하며, 또한, 축 방향에서의 상기 2개의 고정 요크 사이의 중심위치와, 상기 가동자가 왕복직선구동하지 않는 상태에서의 상기 2개의 영구자석의 사이의 중심위치가 대략 일치하고 있는 것을 특징으로 하는 왕복직선구동 액츄에이터.
  8. 제 3항에 있어서,
    상기 요크의 내주부에, 상기 샤프트의 외주면에 접하게 하는 복수의 돌기 및 각 돌기 사이의 간격을 형성하는 것을 특징으로 하는 왕복직선구동 액츄에이터.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 가동자를, 상기 샤프트의 축 둘레의 회전을 규제하는 수단을 설치하는 것을 특징으로 하는 왕복직선구동 액츄에이터.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 가동자에 연결되고, 상기 가동자를 상기 샤프트의 축 방향으로 왕복직선구동이 가능하게 지지하는 스프링 부재를 더 구비하며, 상기 가동자와 상기 스프링 부재로서 상기 샤프트의 축 방향의 왕복직선구동의 진동계를 구성하고,
    상기 코일에, 상기 진동계의 공진주파수와 같거나 또는 가까운 주파수의 교 번전류을 공급하여, 상기 가동자를 왕복직선구동시키는 것을 특징으로 하는 왕복직선구동 액츄에이터.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 가동자에 연결되고, 상기 가동자를 상기 샤프트의 축 방향으로 왕복직선구동이 가능하게 지지하는 스프링 부재를 더 구비하며, 상기 가동자와 상기 스프링 부재로써 상기 샤프트의 축 방향의 왕복직선구동의 진동계를 구성하고,
    상기 코일에, 상기 잔동계의 공진주파수에 가깝고, 또한, 그것보다도 낮은 주파수의 교번전류을 공급하여, 상기 가동자를 왕복직선구동시키는 것을 특징으로 하는 왕복직선구동 액츄에이터.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 가동자에 연결되고, 상기 가동자를 상기 샤프트의 축 방향으로 왕복직선구동이 가능하게 지지하는 스프링 부재를 더 구비하며, 상기 가동자와 상기 스프링 부재로써 상기 샤프트의 축 방향의 왕복직선구동의 진동계를 구성하고,
    상기 코일에, 상기 잔동계의 공진주파수에 가깝고, 또한, 그것보다도 높은 주파수의 교번전류을 공급하여, 상기 가동자를 왕복직선구동시키는 것을 특징으로 하는 왕복직선구동 액츄에이터.
  13. 상단에 브러시가 심어진 브러시체와, 상기 브러시체를 소정방향으로 왕복직 선구동하는 왕복직선구동 액츄에이터와, 상기 왕복직선구동 액츄에이터에 전력을 공급하기 위한 전원과, 상기 왕복직선구동 액츄에이터에 구동전류를 공급하기 위한 구동회로를 구비한 전동 칫솔에 있어서,
    상기 왕복직선구동 액츄에이터는,
    축 방향으로 왕복직선구동이 가능하게 축 지지된 샤프트와, 상기 샤프트의 축 방향의 양단면부의 극성이 다르도록 착자되고, 한편 상기 샤프트에 끼워맞춤으로 고정된 영구자석을 포함하는 가동자와,
    상기 영구자석의 상기 샤프트의 축 방향에 평핸한 단면에 대하여, 소정의 간격을 가지고 대향하도록 설치되어 있고, 전류가 공급되는 것에 의해 자계를 발생시키는 코일을 가지는 고정자를 구비하며,
    상기 구동회로는, 상기 코일에 교번전류를 공급하는 것에 의해, 상기 가동자를 상기 샤프트의 축 방향으로 왕복직선구동시키는 것을 특징으로 하는 전동칫솔.
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