WO2004102775A1 - 往復直線駆動アクチュエータ及びそれを用いた電動歯ブラシ - Google Patents

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WO2004102775A1
WO2004102775A1 PCT/JP2004/006556 JP2004006556W WO2004102775A1 WO 2004102775 A1 WO2004102775 A1 WO 2004102775A1 JP 2004006556 W JP2004006556 W JP 2004006556W WO 2004102775 A1 WO2004102775 A1 WO 2004102775A1
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WO
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shaft
mover
linear drive
reciprocating linear
axial direction
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PCT/JP2004/006556
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Hiroaki Shimizu
Ryo Motohashi
Hidekazu Yabuuchi
Takahiro Nishinaka
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Matsushita Electric Works, Ltd.
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Publication date
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A46—BRUSHWARE
    • A46B—BRUSHES
    • A46B13/00—Brushes with driven brush bodies or carriers
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61C—DENTISTRY; APPARATUS OR METHODS FOR ORAL OR DENTAL HYGIENE
    • A61C17/00—Devices for cleaning, polishing, rinsing or drying teeth, teeth cavities or prostheses; Saliva removers; Dental appliances for receiving spittle
    • A61C17/16—Power-driven cleaning or polishing devices
    • A61C17/22—Power-driven cleaning or polishing devices with brushes, cushions, cups, or the like
    • A61C17/32—Power-driven cleaning or polishing devices with brushes, cushions, cups, or the like reciprocating or oscillating
    • A61C17/34—Power-driven cleaning or polishing devices with brushes, cushions, cups, or the like reciprocating or oscillating driven by electric motor
    • A61C17/3409—Power-driven cleaning or polishing devices with brushes, cushions, cups, or the like reciprocating or oscillating driven by electric motor characterized by the movement of the brush body
    • A61C17/3445—Translation along the axis of the toothbrush handle
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K33/00—Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system
    • H02K33/02—Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system with armatures moved one way by energisation of a single coil system and returned by mechanical force, e.g. by springs
    • H02K33/04—Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system with armatures moved one way by energisation of a single coil system and returned by mechanical force, e.g. by springs wherein the frequency of operation is determined by the frequency of uninterrupted AC energisation
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    • H02K33/04—Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system with armatures moved one way by energisation of a single coil system and returned by mechanical force, e.g. by springs wherein the frequency of operation is determined by the frequency of uninterrupted AC energisation
    • H02K33/06—Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system with armatures moved one way by energisation of a single coil system and returned by mechanical force, e.g. by springs wherein the frequency of operation is determined by the frequency of uninterrupted AC energisation with polarised armatures
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K33/00—Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system
    • H02K33/16—Motors with reciprocating, oscillating or vibrating magnet, armature or coil system with polarised armatures moving in alternate directions by reversal or energisation of a single coil system

Definitions

  • the present invention relates to a reciprocating linear drive actuator and an electric toothbrush using the same.
  • a conventional reciprocating linear drive actuator disclosed in JP-A-2002-176758 will be described with reference to FIG.
  • a plunger 151 made of a magnetic material is fixed to an outer peripheral portion of a shaft 152.
  • the shaft 152 is supported by a bearing 162 so as to be capable of reciprocating linear drive in a direction (axial direction) parallel to the central axis.
  • an annular coil 154 is arranged so as to interpose a predetermined gap with respect to the outer periphery of the plunger 151.
  • annular permanent magnets 155 and 156 symmetrically magnetized with respect to the coil 154 are disposed on the inner peripheral surface of the shield case 153 and on both sides in the axial direction of the coil 154, respectively. ing.
  • Annular first yokes 157 and 158 are arranged between the permanent magnets 155 and 156 and the coil 154, respectively. Further, the annular first yokes 157 and 158 are arranged at positions opposite to the coil 154 of the permanent magnets 155 and 156, respectively.
  • Second yokes 159 and 160 are arranged.
  • a spring member 161 is arranged between the plunger 151 and the shield case 152, and urges the plunger 151 in one of the reciprocating linear driving directions.
  • the plunger When no current is flowing through the coil 154, the plunger is located at a position where the magnetic force exerted by the two permanent magnets 155 and 156 on the plunger 151 via the yokes 157 and 158 and the biasing force of the spring member 61 are balanced. 151 has stopped. When a one-way current flows through the coil 154, the magnetic flux from one of the permanent magnets 155 and 156 is weakened, and the plunger 151 biases the spring member 161 against or against the biasing force of the spring member 161. While moving to the other permanent magnet side. When a reverse current flows through the coil 154, the plunger 151 moves in the reverse direction.
  • the plunger 151 can be reciprocated in the axial direction by passing an alternating current through the coil 154.
  • the conventional reciprocating linear drive actuator 150 since the permanent magnets 155 and 156 are arranged through a gap with respect to the outer periphery of the plunger 151, the annular permanent magnets 155 and The inner and outer diameters of 156 increase, and the volumes of permanent magnets 155 and 156 also increase. As a result, the cost of the permanent magnets 155 and 156 in terms of material is increased.
  • the permanent magnets 155 and 156 are formed in a ring shape by combining a plurality of arc-shaped permanent magnets, the manufacturing process of the ring-shaped permanent magnets 155 and 156 is complicated, and the manufacturing cost is high. As a result, the cost of the actuator 150 using the conventional permanent magnet and the coil and the electric toothbrush using the same increases. Further, since the permanent magnets 155 and 156 have a large force S, it is difficult to reduce the size and weight of the actuator 150 and the electric toothbrush using it. Disclosure of the invention
  • the present invention has been made to solve the above-described problems of the conventional example, and a reciprocating linear drive actuator capable of reducing cost, reducing size and weight, and improving assemblability, and a low-cost actuator using the same. It is intended to provide a compact and lightweight electric toothbrush.
  • a reciprocating linear drive actuator has a shaft which is axially supported so as to be capable of reciprocating linear drive in an axial direction, and has different polarities at both end surfaces in the axial direction.
  • a movable element having a permanent magnet which is magnetized and fitted and fixed to the shaft, and an end surface of the permanent magnet which is parallel to the axial direction of the shaft, and is opposed to the movable member via a predetermined gap.
  • a stator having a coil that generates a magnetic field when a current is supplied, and supplies an alternating current to the coil to linearly drive the mover in the axial direction of the shaft.
  • the electric toothbrush includes a brush body having a brush implanted at a tip thereof, a reciprocating linear drive actuator for reciprocally driving the brush body in a predetermined direction, and a reciprocating linear drive actuator. And a drive circuit for supplying a drive current to the reciprocating linear drive actuator.
  • the reciprocating linear drive actuator is magnetized such that polarities of both end surfaces in the axial direction of the shaft that are rotatably supported in the axial direction are reciprocally linearly driven, and is fitted and fixed to the shaft.
  • a mover having a permanent magnet, and an axial direction of the shaft of the permanent magnet.
  • a stator having a coil that is provided to face the parallel end face with a predetermined gap therebetween and generates a magnetic field when a current is supplied, wherein the drive circuit is provided with an alternating By supplying a current, the mover is driven linearly in a forward and backward direction in the axial direction of the shaft.
  • the inner diameter and the outer diameter of the permanent magnet can be reduced as compared with the case where the permanent magnet is provided on the stator side. Therefore, the volume of the permanent magnet is reduced, and accordingly, the cost of reducing the material cost of the permanent magnet can be reduced.
  • the permanent magnets have different polarities at both end faces in the axial direction of the shaft, the structure of the permanent magnet is simplified, and the permanent magnet can be easily manufactured, thereby reducing the cost of manufacturing the permanent magnet. Can be done.
  • the configuration of the reciprocating linear drive actuator is simplified, the assembling workability is improved. As a result, the cost of the reciprocating linear drive actuator and the electric toothbrush using the same can be reduced. Further, as the volume of the permanent magnet is reduced, a reciprocating linear drive actuator and an electric toothbrush using the same can be reduced in size and weight.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a first configuration example of a reciprocating linear drive actuator according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a sectional view showing a second configuration example of the reciprocating linear drive actuator.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a third configuration example of a reciprocating linear drive actuator.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing a fourth configuration example of the reciprocating linear drive actuator.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a fifth configuration example of the reciprocating linear drive actuator.
  • FIG. 6 is a sectional view showing a sixth configuration example of the reciprocating linear drive actuator.
  • FIG. 7 is a sectional view showing a seventh configuration example of a reciprocating linear drive actuator.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view showing an eighth configuration example of the reciprocating linear drive actuator.
  • FIG. 9A is a cross-sectional view showing a configuration of a reciprocating linear drive actuator according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 9B is a diagram showing an example of a positioning structure for positioning the movable element of the reciprocating linear drive actuator shown in FIG. 9A around the axis.
  • FIG. 10 is an exploded perspective view of the reciprocating linear drive actuator shown in FIG. 9A.
  • FIG. 11A is a perspective view showing a modification of the structure for fitting and fixing the permanent magnet and the yoke to the shaft according to the other embodiment.
  • FIG. 11B is a front view showing the shape of the yoke.
  • FIG. 12 is a perspective view showing a connected state between a spring receiving member and the yoke.
  • FIG. 13 is a graph showing the relationship between the frequency of the alternating current and the amplitude of the mover when the voltage is kept constant in the reciprocating linear drive actuator, and the relationship between the frequency and the current in that case.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view showing a configuration of an electric toothbrush using a reciprocating linear drive actuator according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view showing a configuration of a conventional reciprocating linear drive actuator.
  • FIG. 1 shows a first configuration example of a reciprocating linear drive actuator according to the present embodiment.
  • a substantially cylindrical stator 5 is disposed on the inner peripheral surface of a cylindrical (for example, cylindrical) shield case 16.
  • the stator 5 includes a coil 4 formed by winding an electric wire around a bobbin 10, and a substantially annular fixed yoke 11 provided on both sides of the bobbin 10.
  • Bearings 17 are provided at both ends in the axial direction within the shield case 16, and the shaft 1 fitted in the shield case 16 is supported by the bearing 17 so as to be capable of reciprocating linear drive in the axial direction. ing.
  • two substantially plate-like or substantially cylindrical (for example, disk-like or cylindrical) permanent magnets 2L and 2R are fitted and fixed at predetermined intervals.
  • the mover 3 is composed of the shaft 1 and the permanent magnets 2L and 2R.
  • the thickness of the permanent magnets 2L and 2R that is, the axial length of the shaft 1 is determined by the dimension (for example, the diameter) of the permanent magnets 2L and 2R in the direction perpendicular to the axis of the shaft 1. Therefore, it is referred to as “plate-like” in the following description.
  • the permanent magnet used in the reciprocating linear drive actuator according to the present invention is not limited to a plate shape, and the axial length of the shaft 1 is equal to the dimension in the direction perpendicular to the axis of the shaft 1. Or a longer tube Shape.
  • the permanent magnets 2L and 2R are magnetized in the thickness direction, and are set so that the polarities of both end surfaces in the axial direction of the shaft 1 are different from each other. Further, the two permanent magnets 2L and 2R are fixed to the shaft 1 so that the surfaces facing each other have the same polarity. For example, if the polarity of the left end face of the left permanent magnet 2L is S pole, the polarity of the right end face of the permanent magnet 2L is N pole, the polarity of the left end face of the right permanent magnet 2R is N pole, and the right side of the permanent magnet 2R The polarity of the end face becomes the S pole. The same is true for the opposite case. As described above, by arranging the two permanent magnets 2L and 2R in the shaft 1 in the axial direction, a large magnetic flux can be generated.
  • the mover 3 configured by fitting and fixing the permanent magnets 2L and 2R to the shaft 1 has a predetermined gap with respect to the inner peripheral surface of the stator 5 fixed to the shield case 16. Introduced in Shield Case 16. A compression coil spring member 7 is provided between the two permanent magnets 2L and 2R and both end surfaces (or bearings 17) of the shield case 16 so that the shaft 1 penetrates the hollow portion.
  • the movable element 3 and the spring member 7 constitute a reciprocating linear drive vibration system of the movable element 3. That is, the spring members 7 are interposed between the permanent magnets 2L and 2R and the bearing 17, respectively, and the two spring members 7 are extended and compressed by the reciprocating linear drive of the mover 3, and are compressed. A force and a pulling force are applied to the mover 3.
  • the mover 3 stops at a position where the magnetic force exerted by the permanent magnets 2L and 2R on the fixed yoke 11 and the urging force of the spring member 7 are balanced, and the two movers 3
  • the outer surfaces of the permanent magnets 2L and 2R face the inner surfaces of the two fixed yokes 11 of the stator 5, respectively.
  • the mover 3 moves in the negative direction, and when a reverse current flows through the coil 4, the mover 3 moves in the reverse direction. Therefore, by supplying an alternating current to the coil 4, the mover 3 can be driven to reciprocate linearly in the axial direction of the shaft 1. In particular, by passing an alternating current near the resonance frequency determined by the spring constant of the spring member 7 and the mass of the mover 3 through the coil 4, the reciprocating linear drive (reciprocating vibration) of the mover 3 is close to the resonance state. The moving amount (amplitude amount) of the mover 3 can be increased. Wear.
  • the permanent magnet when an expensive permanent magnet is used, the permanent magnet is not provided on the cylindrical stator side as in the conventional example. Because the permanent magnets 2L and 2R are provided on the side of the mover 3 inserted so as to be capable of reciprocating linear drive, the inner and outer diameters of the permanent magnets 2L and 2R are reduced, and the permanent magnet 2L and 2R The volume of 2R becomes smaller. Along with this, it is possible to reduce the cost of permanent magnets in terms of materials. Further, since the plate-shaped permanent magnets 2L and 2R are magnetized in the thickness direction, for example, a cylindrical magnetic body having a predetermined inner diameter and an outer diameter is magnetized in the center axis direction.
  • the plate-shaped permanent magnet can be easily manufactured by cutting at a predetermined thickness in a direction orthogonal to the central axis.
  • the cost of manufacturing permanent magnets can be reduced.
  • the configuration of the reciprocating linear drive actuator 101 is simplified, the assembling process can be simplified. As a result, the cost of the reciprocating linear drive actuator can be significantly reduced. Further, since the volumes of the permanent magnets 2L and 2R are reduced, the size of the reciprocating linear drive actuator 101 itself is reduced.
  • FIG. 2 shows a second configuration example of the reciprocating linear drive actuator.
  • the reciprocating linear drive actuator 102 of the second configuration example four plate-shaped magnetic members are formed so as to be adjacent to both end surfaces of the two permanent magnets 2L and 2R fitted and fixed to the shaft 1, respectively.
  • the yoke 9 is fitted and fixed to the shaft 1.
  • the configuration is slightly more complicated, and the force S, which is slightly more expensive, and the magnetic flux of the permanent magnets 2L and 2R can be used efficiently. .
  • FIG. 3 shows a third configuration example of the reciprocating linear drive actuator.
  • a cylindrical iron core 8 is provided between two permanent magnets 2L and 2R as a path of a magnetic flux generated when a current flows through the coil 4. It is.
  • the configuration is slightly more complicated than the reciprocating linear drive actuator 102 of the second configuration example, and the cost is slightly increased.
  • the magnetic flux generated by the coil 4 is applied to the permanent magnets 2 L and 2 R of the mover 3. It can be efficiently passed to the side.
  • FIG. 4 shows a fourth configuration example of the reciprocating linear drive actuator.
  • the shaft 1 is made of a non-magnetic material (for example, stainless steel).
  • a non-magnetic material for example, stainless steel
  • non-magnetic materials are generally more expensive than magnetic materials. Inexpensive non-magnetic materials have low strength.
  • the shaft 1 is formed of a magnetic material such as iron, and a cylindrical spacer 19 formed of a non-magnetic material is fitted and fixed to the shaft 1.
  • the permanent magnets 2L and 2R, the yoke 9 and the iron core 8 are fitted and fixed to the outer peripheral surface of the spacer 19.
  • the shaft 1 can be formed using an inexpensive and high-strength magnetic material, although the configuration is slightly complicated. As a result, the cost can be reduced while maintaining the strength of the shaft 1. Further, the magnetic flux generated by the permanent magnets 2L and 2R can efficiently pass through the fixed yoke 11 side.
  • FIG. 5 shows a fifth configuration example of the reciprocating linear drive actuator.
  • the outer diameter of the iron core 8 is changed to the permanent magnets 2L and 2R or It must be almost equal to the outer diameter of the yoke 9.
  • the inner diameter of the iron core 8 does not necessarily have to be substantially equal to the inner diameter of the permanent magnets 2L and 2R or the yoke 9.
  • the inner diameter of the iron core 8 is made the same as the inner diameter of the permanent magnets 2L and 2R or the inner diameter of the yoke 9, the weight of the iron core 8 becomes heavy, and consequently the weight of the mover 3 becomes heavy. Therefore, in the reciprocating linear drive actuator 105 of the fifth configuration example, the inner diameter of the iron core 8 is made larger than the inner diameter of the permanent magnets 2L and 2R or the yoke 9, and the iron core of the spacer 19 formed of a non-magnetic material is used.
  • the portion 8 is fitted and fixed, that is, the outer diameter of the central portion in the axial direction is larger than the outer diameter of the other portions.
  • the shape of the spacer 19 becomes slightly complicated, but the weight of the iron core 8 is reduced.
  • the mover 3 can be lightweight.
  • coil 8 Therefore, the magnetic path generated by the magnetic flux generated by the coil 4 can be minimized, so that the magnetic flux generated by the coil 4 can be effectively used.
  • FIG. 6 shows a sixth configuration example of the reciprocating linear drive actuator
  • FIG. 7 shows a seventh configuration example thereof.
  • the interval between the two permanent magnets 2L and 2R fitted and fixed to the mover 3 is made smaller than the interval between the two fixed yokes 11 of the stator 5, and furthermore, The center position between the two fixed yokes 11 in the axial direction substantially coincides with the center position between the two permanent magnets 2L and 2R when the mover 3 is not driven in a reciprocating linear drive.
  • the distance between the two permanent magnets 2L and 2R fitted and fixed to the mover 3 is set to be larger than the distance between the two fixed yokes 11 of the stator 5.
  • the center position between the two fixed yokes 11 in the axial direction and the center position between the two permanent magnets 2L and 2R in a state where the mover 3 is not driven in the forward and backward linear drive are made substantially coincident. ing.
  • the center position between the two fixed yokes 11 in the axial direction and the center position between the two permanent magnets 2L and 2R in a state where the mover 3 is not driven linearly in a reciprocating manner are substantially matched.
  • the tension and repulsion of the permanent yoke 11 by the permanent magnets 2L and 2R at the neutral position of the amplitude can be reduced to zero, so that the design of the spring member 7 is facilitated and the reciprocating linear drive actuator is simplified. Assembly workability is improved.
  • FIG. 8 shows an eighth configuration example of the reciprocating linear drive actuator.
  • the reciprocating linear drive actuator 108 of the eighth configuration example the permanent magnets 2L and 2R and the yoke 9 are directly fitted and fixed to the shaft 1 without using the spacer 19, and the inner peripheral surface of the cylindrical iron core 8 is formed.
  • a space 30 is formed between the shaft 30 and the outer peripheral surface of the shaft 1.
  • the iron core 8 can be fixed relatively easily using a jig or the like, so that the movable element 3 can be lightened without complicating the assembly process much. it can.
  • FIG. 9A is a cross-sectional view showing the configuration of a reciprocating linear drive actuator 109 used as an actuator of the electric toothbrush.
  • the movable element 3 and the stator 5 are the same as those in the sixth configuration example shown in FIG. 6, but are not limited thereto.
  • FIG. 9B is a diagram showing the shape of the rear end of the shaft 1 of the reciprocating linear drive actuator 109 and the shape of the bearing that supports it.
  • FIG. 10 is an exploded perspective view showing the configuration of the reciprocating linear drive actuator 109.
  • the shield case 16 has a substantially cylindrical shape, and seal members 31 and 32 are fitted and fixed to the front and rear openings, respectively. Further, the seal members 31 and 32 are provided with bearings 17F and 17R, respectively, which support the shaft 1 so that it can reciprocate linearly in the axial direction.
  • the rear end la of the shaft 1 has a substantially D-shaped cross section.
  • the rear seal member 32 has a substantially D-shaped fitting hole 25 into which the rear end la of the shaft 1 is fitted. By fitting the rear end la of the shaft 1 into the fitting hole 25, the shaft 1 can reciprocate linearly in the axial direction, but the rotation about the axis is restricted. .
  • the rotation of the shaft 1 around the axis may be similarly regulated.
  • the stator 5 is fixed to the inner peripheral surface of the shield case 16.
  • the mover 3 is fitted and fixed to the shaft 1 such that the outer peripheral surface thereof faces the inner peripheral surface of the stator 5 via a predetermined gap.
  • Spring bearing members 29 are fitted to the shaft 1 so as to face the rear surface of the front bearing 17F, the front and rear surfaces of the mover 3 and the front surface of the rear bearing 17R.
  • a substantially cylindrical vibration-absorbing weight 20 is fitted between the mover 3 and the rear bearing 17R with a relatively large play relative to the shaft 1.
  • the coil springs 7a and 7b are provided between the spring receiving member 29 and the vibration absorbing weight 20, respectively, and the coil spring 7c is provided between the mover 3 and each spring receiving member 29 of the front bearing 17F.
  • the stator 5 and the shield case 16 are used as fixed portions, and the mass and the mass of the mover 3 It can be handled as a two-mass system vibration model of the mass of the vibration absorbing weight 20.
  • the primary (lower-order) vibration mode in which the mover 3 and the vibration-absorbing weight 20 are driven in the same phase
  • the second (high-order) vibration mode in which the mover 3 and the vibration-absorbing weight 20 are driven in opposite phases.
  • Vibration mode When a current having a frequency near the second natural frequency is supplied to the coil 4 to cause the mover 3 to perform the axial reciprocating linear drive, the vibration absorbing weight 20 for driving in the opposite phase becomes movable. The inertia force of 3 is canceled, and conversely, the mover 3 cancels the inertia force of the vibration-absorbing weight 20. Thereby, the vibration transmitted to the shield case 16 can be reduced.
  • FIGS. 11A and 11B show modifications of the structure in which the permanent magnets 2 L and 2 R and the yoke 9 are fitted and fixed to the shaft 1.
  • a spacer 19 is fitted to the shaft 1 made of a magnetic material, and the permanent magnets 2L and 2R and the yoke 9 are fitted and fixed to the spacer 19. I have.
  • a plurality of (for example, four) projections 13 are formed on the inner peripheral portion of the yoke 9, and the projections 13 are brought into contact with the outer peripheral surface of the shaft 1, so that the yoke 9 is 1 and a gap 12 is formed between the projections 13.
  • each of the permanent magnets 2L and 2R Although not shown, the same applies to each of the permanent magnets 2L and 2R. As a result, despite the fact that the shaft 1 was formed from a magnetic material in order to reduce the cost and ensure the strength of the shaft 1, almost no magnetic flux from the permanent magnets 2L and 2R passed through to the shaft 1, and most of the shaft was fixed. The magnetic flux can be passed through the yoke 11, and the magnetic flux generated by the permanent magnets 2L and 2R can be used effectively.
  • a plurality of (for example, four) engaging projections 29a are formed on the end face of the spring receiving member 29 which is not in contact with the spring member 7a, 7b or 7c. It may be fitted in the gap 12 formed in 9. With such a configuration, the rotation of the spring receiving member 29 around the central axis of the shaft 1 with respect to the yoke 9 is restricted.
  • curves A and B show the relationship between the frequency and the amplitude of the mover 3 when the voltage is constant, respectively, and curves C and D show the relationship between the frequency and the current, respectively.
  • ⁇ indicates the amplitude under no load
  • • indicates the amplitude under load
  • ⁇ indicates the current value under no load
  • ⁇ indicates the current value under load.
  • the alternating current having a frequency near the resonance frequency (indicated by a point P in FIG. 13) determined by the spring constants of the spring members 7a, 7b, and 7c and the mass of the mover 3, etc.
  • the amount of vibration (the amount of amplitude) of the mover 3 can be increased.
  • the amplitude of the mover 3 shows a maximum value of 1.1 mm.
  • the amplitude shows a value of 0.5mm or more.
  • the frequency of the alternating current flowing through the coil 4 is set within such a range, it is possible to increase the vibration amount (amplitude amount) of the mover 3 using the spring members 7a, 7b, and 7c. it can.
  • a similar amplitude can be obtained near the resonance frequency, in a frequency range higher than the resonance frequency and in a frequency range lower than the resonance frequency.
  • the reciprocating linear driving is performed (when the frequency is set within the range S)
  • the reciprocating linear driving can be performed with a small current and a desired amplitude.
  • the power source of the reciprocating linear drive actuator is a battery, the life of the battery can be extended.
  • the frequency is set higher than the resonance frequency (if the frequency is set within the range T)
  • the current will increase, but the reciprocating linear drive can be performed with the desired amplitude, and a large output will be obtained. be able to.
  • the reciprocating linear drive actuators described above can be used as various drive sources.
  • FIG. 14 shows a configuration of an electric toothbrush including the reciprocating linear drive actuator.
  • the electric toothbrush 100 includes a substantially cylindrical elongated housing 15, a reciprocating linear drive actuator 109 shown in FIG. 9A provided on the front side in the longitudinal direction in the housing 15, and a longitudinal direction in the housing 15.
  • a battery (secondary battery) 21 provided on the rear side, a control circuit unit 22, a switch 33 provided on the outer peripheral surface of the housing 15, and the like are provided.
  • One end of the shaft 1 of the reciprocating linear drive actuator 109 projects from the front end surface of the housing 15 to the outside.
  • the brush body 14 has Since the hair is implanted in a direction substantially perpendicular to the direction, the rear end of the handle 26 of the brush body 14 is detachably attached to one end of the shaft 1, and Attach so that it does not rotate around.
  • the rear end la of the shaft 1 is formed in a substantially D shape, and the fitting hole 25 into which the rear end la is fitted is also formed in a substantially D shape. Therefore, the rotation of the shaft 1 around its axis is restricted. Accordingly, by making the handle 26 of the brush body 14 and the tip of the shaft 1 have the same structure, it is possible to restrict the handle 26 from rotating around the axis of the shaft 1. As a result, the positional relationship between the protruding direction of the brush portion 27 of the brush body 14 and the switch 33 provided on the housing 15 can be kept constant, so that the operability as an electric toothbrush is not impaired.
  • the shaft 1 By operating the switch 33 of the electric toothbrush 100 configured as described above to supply a current to the coil 4 of the reciprocating linear drive actuator 109, the shaft 1 can be driven linearly in the axial direction. Can be. Thereby, the brush body 14 attached to the shaft 1 is reciprocated linearly driven in the axial direction, whereby the brush portion 27 can reciprocally drive linearly to perform tooth brushing.
  • the substantially plate-like or substantially cylindrical (disk-like or cylindrical) permanent magnets 2L and 2R are directly or Since the permanent magnets 2L and 2R are fitted and fixed to the shaft 1 via the spacer 19, the inner and outer diameters of the permanent magnets 2L and 2R are reduced, and the volumes of the permanent magnets 2L and 2R are reduced. Accordingly, the weight and cost of the permanent magnet are reduced, so that the cost of the reciprocating linear drive actuator and the electric toothbrush using the same can be reduced.
  • the inner diameter and the outer diameter of the permanent magnet are reduced, and the volume of the permanent magnet is reduced.
  • the cost of the permanent magnet in terms of materials can be reduced.
  • the configuration of the permanent magnet is simple, the manufacturing thereof is easy, and the cost of the permanent magnet in manufacturing is low. Can be reduced.
  • the configuration of the reciprocating linear drive actuator is simplified, the assemblability can be improved. As a result, the cost of the reciprocating linear drive actuator can be significantly reduced.
  • the volume of the permanent magnet is reduced, the size of the reciprocating linear drive actuator can be reduced.
  • the electric toothbrush of the present invention uses the low-cost, small-sized and light-weight reciprocating linear drive actuator as described above, it is possible to provide a small-sized and light-weight electric toothbrush at a low cost.

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Abstract

　電動歯ブラシの駆動源として用いられる往復直線駆動アクチュエータにおいて、２つ永久磁石を略板状又は略筒状とし、シャフトの軸方向に所定の距離を隔てて、直接又はスペーサを介してシャフトに嵌合固定し、シャフトと永久磁石で可動子を構成する。一方、ボビンに巻回されたコイル及び固定ヨークなどで構成された筒状の固定子は、その中心軸が可動子のシャフトの中心軸と同軸となるように、所定の隙間を介して、可動子の永久磁石の側面に対向するように設けられている。コイルに交番電流を供給することにより、可動子をシャフトの軸方向に往復直線駆動する。

Description

明 細 書
往復直線駆動ァクチユエータ及びそれを用いた電動歯ブラシ
技術分野
[0001] 本発明は、往復直線駆動ァクチユエータ及びそれを用いた電動歯ブラシに関する ものである。
背景技術
[0002] 例えば、特開 2002-176758号公報に示された従来の往復直線駆動ァクチユエ ータについて、図 15を参照しつつ説明する。この従来の往復直線駆動ァクチユエ一 タ 150では、磁性材料で形成されたプランジャ 151がシャフト 152の外周部に固着さ れている。シャフト 152は、軸受け 162により、その中心軸に平行な方向（軸方向）に 往復直線駆動可能に軸支されている。シールドケース 153の内周面には、このプラン ジャ 151の外周に対して所定の隙間を介するように、環状のコイル 154が配置されて いる。さらに、シールドケース 153の内周面上で、かつ、コイル 154の上記軸方向の 両側には、コイル 154に対して対称に磁着された環状の永久磁石 155及び 156がそ れぞれ配置されている。これら永久磁石 155及び 156とコィノレ 154との間には、それ ぞれ環状の第 1ヨーク 157及び 158が配置され、さらに永久磁石 155及び 156のコィ ノレ 154とは反対側の位置に、環状の第 2ヨーク 159及び 160が配置されている。プラ ンジャ 151とシールドケース 152の間にはばね部材 161が配置されており、プランジ ャ 151をその往復直線駆動方向のうち一方向に付勢している。
[0003] コイル 154に電流が流れていないときは、 2つの永久磁石 155及び 156がそれぞれ ヨーク 157及び 158を介してプランジャ 151に及ぼす磁力とばね部材 61による付勢 力とが釣り合う位置において、プランジャ 151は停止している。コイル 154に一方向電 流が流れると、永久磁石 155及び 156のうちの一方による磁束が弱められるため、プ ランジャ 151は、ばね部材 161の付勢力に抗して又はばね部材 161を付勢しながら 、他方の永久磁石側に移動する。コイル 154に逆方向電流が流れると、プランジャ 1 51は逆方向に移動する。従って、コイル 154に交番電流を流すことにより、プランジ ャ 151を軸方向に往復振動させることができる。 [0004] ところが、上記のような従来の往復直線駆動ァクチユエータ 150においては、永久 磁石 155及び 156がプランジャ 151の外周に対して隙間を介して配置されているの で、環状をした永久磁石 155及び 156の内径及び外径が大きくなり、永久磁石 155 及び 156の体積も大きくなる。これに伴い、永久磁石 155及び 156の材料面でのコス トが高くなる。また、永久磁石 155及び 156は、円弧状の永久磁石を複数組み合わ せて環状に形成されているため、環状の永久磁石 155及び 156の製造工程が複雑 になり、製造面でもコストが高くなる。その結果、従来の永久磁石及びコイルを用いた ァクチユエータ 150及びそれを用いた電動歯ブラシのコストも高くなる。さらに、永久 磁石 155及び 156力 S大きレ、ため、ァクチユエータ 150及びそれを用いた電動歯ブラ シの小型軽量ィ匕が困難である。 発明の開示
[0005] 本発明は、上記従来例の問題点を解決するためになされたものであり、低コスト化、 小型軽量化及び組み立て性の向上が可能な往復直線駆動ァクチユエータ及びそれ を用いた低コストで小型軽量の電動歯ブラシを提供することを目的としている。
[0006] 上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る往復直線駆動ァクチユエータは 、軸方向に往復直線駆動可能に軸支されたシャフトと、前記シャフトの軸方向の両端 面部の極性が異なるように着磁され、かつ前記シャフトに嵌合固定された永久磁石と を有する可動子と、前記永久磁石の前記シャフトの軸方向に平行な端面に対して、 所定の隙間を介して対向するように設けられ、電流が供給されることにより磁界を発 生させるコイルを有する固定子とを備え、前記コイルに交番電流を供給することにより 、前記可動子を前記シャフトの軸方向に往復直線駆動させる。
[0007] また、本発明の一態様に係る電動歯ブラシは、先端にブラシが植設されたブラシ体 と、前記ブラシ体を所定方向に往復直線駆動する往復直線駆動ァクチユエータと、 前記往復直線駆動ァクチユエータに電力を供給するための電源と、前記往復直線駆 動ァクチユエータに駆動電流を供給するための駆動回路とを備える。前記往復直線 駆動ァクチユエータは、軸方向に往復直線駆動可能に軸支されたシャフトと、前記シ ャフトの軸方向の両端面部の極性が異なるように着磁され、かつ前記シャフトに嵌合 固定された永久磁石とを有する可動子と、前記永久磁石の前記シャフトの軸方向に 平行な端面に対して、所定の隙間を介して対向するように設けられ、電流が供給され ることにより磁界を発生させるコイルを有する固定子とを備え、前記駆動回路は、前 記コイルに交番電流を供給することにより、前記可動子を前記シャフトの軸方向に往 復直線駆動させる。
[0008] このように、永久磁石がシャフトに嵌合固定されているので、固定子側に永久磁石 を設ける場合に比べて、永久磁石の内径及び外径を小さくすることができる。従って 、永久磁石の体積が小さくなり、それに伴い永久磁石の材料面でのコストを低減させ ること力 Sできる。また、永久磁石はシャフトの軸方向の両端面部の極性がそれぞれ異 なっているので、永久磁石の構成が簡単になり、容易に製造することができるので、 製造面での永久磁石のコストを低減させることができる。さらに、往復直線駆動ァクチ ユエータの構成が簡単になるので、組み立て作業性が向上する。結果的に、往復直 線駆動ァクチユエータ及びそれを用いた電動歯ブラシのコストを低減させることがで きる。さらに、永久磁石の体積が小さくなることに伴い、往復直線駆動ァクチユエータ 及びそれを用いた電動歯ブラシの小型軽量化が可能となる。
図面の簡単な説明
[0009] [図 1]図 1は、本発明の一実施形態に係る往復直線駆動ァクチユエ一タの第 1構成例 を示す断面図である。
[図 2]図 2は、往復直線駆動ァクチユエ一タの第 2構成例を示す断面図である。
[図 3]図 3は、往復直線駆動ァクチユエ一タの第 3構成例を示す断面図である。
[図 4]図 4は、往復直線駆動ァクチユエ一タの第 4構成例を示す断面図である。
[図 5]図 5は、往復直線駆動ァクチユエ一タの第 5構成例を示す断面図である。
[図 6]図 6は、往復直線駆動ァクチユエ一タの第 6構成例を示す断面図である。
[図 7]図 7は、往復直線駆動ァクチユエ一タの第 7構成例を示す断面図である。
[図 8]図 8は、往復直線駆動ァクチユエ一タの第 8構成例を示す断面図である。
[図 9]図 9Aは、本発明の他の実施形態に係る往復直線駆動ァクチユエータの構成を 示す断面図である。図 9Bは、図 9Aに示す往復直線駆動ァクチユエータの可動子の 軸周りの位置決めをするための位置決め構造の一例を示す図である。
[図 10]図 10は、図 9Aに示す往復直線駆動ァクチユエータの分解斜視図である。 [図 11]図 11Aは、上記他の実施形態における永久磁石及びヨークをシャフトに嵌合 固定する構造の変形例を示す斜視図である。図 11Bは、上記ヨークの形状を示す正 面図である。
[図 12]図 12は、ばね受け部材と上記ヨークとの結合状態を示す斜視図である。
[図 13]図 13は、往復直線駆動ァクチユエータにおいて電圧を一定にした場合におけ る交番電流の周波数と可動子の振幅の関係及びその場合における周波数と電流の 関係を示すグラフである。
[図 14]図 14は、本発明の一実施形態に係る往復直線駆動ァクチユエータを用いた 電動歯ブラシの構成を示す断面図である。
[図 15]図 15は、従来の往復直線駆動ァクチユエータの構成を示す断面図である。 発明を実施するための最良の形態
[0010] 本発明の一実施形態に係る往復直線駆動ァクチユエータ及びそれを用いた電動 歯ブラシについて、図面を参照しつつ詳細に説明する。
[0011] 本実施形態に係る往復直線駆動ァクチユエ一タの第 1構成例を図 1に示す。第 1構 成例の往復直線駆動ァクチユエータ 101では、筒状 (例えば円筒状）をしたシールド ケース 16内周面に略筒状をした固定子 5が配置されている。固定子 5は、ボビン 10 に電線を卷回して形成されたコイル 4と、ボビン 10の両側に設けられた略環状の固定 ヨーク 11で構成されている。
[0012] シールドケース 16内の軸方向の両端部には軸受け 17が設けており、シールドケー ス 16に嵌揷されたシャフト 1が、軸受け 17によりその軸方向に往復直線駆動可能に 軸支されている。シャフト 1には、略板状又は略筒状 (例えば円板状又は円筒状）の 2 つの永久磁石 2L及び 2Rが、所定の間隔を隔てて嵌合固定されている。シャフト 1と 永久磁石 2L及び 2Rで可動子 3を構成する。
[0013] なお、図 1では、永久磁石 2L及び 2Rの厚さ、すなわちシャフト 1の軸方向の長さが 、永久磁石 2L及び 2Rのシャフト 1の軸に直交する方向の寸法（例えば直径）よりも短 いので、以下の説明では「板状」と称する。し力 ながら、本発明に係る往復直線駆 動ァクチユエータで使用される永久磁石は板状に限定されるものではなぐシャフト 1 の軸方向の長さがシャフト 1の軸に直交する方向の寸法と同等又はそれよりも長い筒 状であってもよい。
[0014] 永久磁石 2L及び 2Rは、それぞれその厚さ方向に着磁されており、シャフト 1の軸 方向の両端面部の極性がそれぞれ異なるように設定されている。さらに、 2つの永久 磁石 2L及び 2Rは、互いに対向する面の極性が同じになるように、シャフト 1に固定さ れている。例えば、左側の永久磁石 2Lの左側端面の極性を S極とすると、その永久 磁石 2Lの右側端面の極性が N極、右側の永久磁石 2Rの左側端面の極性が N極、 永久磁石 2Rの右側端面の極性が S極となる。逆の場合も同様である。このように、シ ャフト 1に 2つの永久磁石 2L及び 2Rを軸方向に並設することにより、大きな磁束を発 生させることができる。
[0015] シャフト 1に永久磁石 2L及び 2Rを嵌合固定させて構成された可動子 3は、シール ドケース 16に固定された固定子 5の内周面に対して所定の隙間を隔てるように、シー ルドケース 16に揷入されている。 2つ永久磁石 2L及び 2Rとシールドケース 16の両 端面（又は軸受け 17)の間には、それぞれ圧縮コイルばね部材 7が、その中空部をシ ャフト 1が貫通するように設けられている。
[0016] 可動子 3とばね部材 7とで、可動子 3の往復直線駆動の振動系を構成する。すなわ ち、両永久磁石 2L及び 2Rと軸受け 17との間にそれぞればね部材 7が介在されてお り、可動子 3の往復直線駆動に伴って 2つのばね部材 7が伸張及び圧縮され、圧縮 力及び引っ張り力を可動子 3に付与する。
[0017] コイル 4に電流が流れていない状態では、永久磁石 2L及び 2Rが固定ヨーク 11に 及ぼす磁力とばね部材 7の付勢力が釣り合う位置で可動子 3が停止し、可動子 3の 2 つの永久磁石 2L及び 2Rの外側面は、それぞれ固定子 5の 2つの固定ヨーク 11の内 側面と対向する。
[0018] コイル 4に一方向電流が流れると、可動子 3がー方向に移動し、コイル 4に逆方向電 流が流れると、可動子 3が逆方向に移動する。そのため、コイル 4に交番電流を流す ことにより、可動子 3をシャフト 1の軸方向に往復直線駆動させることができる。特に、 ばね部材 7のばね定数及び可動子 3の質量で決定される共振周波数付近の交番電 流をコイル 4に流すことにより、可動子 3の往復直線駆動 (往復振動）を共振状態に近 い状態にすることができ、これにより可動子 3の移動量 (振幅量)を大きくすることがで きる。
[0019] このように、本実施形態に係る往復直線駆動ァクチユエータ 101では、高価な永久 磁石の使用にあたり、従来例のように筒状の固定子側に永久磁石を設けるのではな ぐ固定子 5内に往復直線駆動可能に揷入された可動子 3側に板状の永久磁石 2L 及び 2Rを設けているので、各永久磁石 2L及び 2Rの内径及び外径が小さくなり、永 久磁石 2L及び 2Rの体積が小さくなる。これに伴い、材料面での永久磁石のコストを 低減すること力 Sできる。また、板状の永久磁石 2L及び 2Rは、それぞれ厚さ方向に着 磁されているので、例えば、所定の内径及び外径を有する筒状の磁性体を、その中 心軸方向に着磁した後、中心軸と直交する方向に所定の厚さで切断することにより、 板状の永久磁石を容易に製造することができる。その結果、製造面での永久磁石の コストも低減すること力 Sできる。さらに、往復直線駆動ァクチユエータ 101の構成が簡 単になるので、組立工程を簡略化することが可能となる。結果的に、往復直線駆動ァ クチユエータのコストを大幅に低減することができる。さらに、永久磁石 2L及び 2Rの 体積が小さくなることにより、往復直線駆動ァクチユエータ 101自体が小型軽量化さ れる。
[0020] 次に、往復直線駆動ァクチユエ一タの第 2構成例を図 2に示す。第 2構成例の往復 直線駆動ァクチユエータ 102では、シャフト 1に嵌合固定された 2つの永久磁石 2L及 び 2Rの両端面にそれぞれ隣接するように、さらに磁性体で形成された 4つの板状の ヨーク 9をシャフト 1に嵌合固定したものである。このように、可動子 3の各永久磁石 2L 及び 2Rの軸方向の端面側に隣接するようにヨーク 9を設けることにより、永久磁石 2L 及び 2Rにより発生された磁束の大部分がヨーク 9を通ることになる。その結果、第 1構 成例の往復直線駆動ァクチユエータ 101に比べて、構成が若干複雑になり、多少コ ストアップにはなる力 S、永久磁石 2L及び 2Rの磁束を効率よく利用することができる。
[0021] 次に、往復直線駆動ァクチユエ一タの第 3構成例を図 3に示す。第 3構成例の往復 直線駆動ァクチユエータ 103では、さらに 2つの永久磁石 2Lと 2Rの間に、コイル 4に 電流が流れたときに発生される磁束の通路となる筒状の鉄心 8を設けたものである。 このように、 2つの永久磁石 2Lと 2Rの間に筒状の鉄芯 8を設けることにより、コイル 4 に電流が供給されることにより発生される磁束のバイパスとなる通路を形成することが でき、第 2構成例の往復直線駆動ァクチユエータ 102に比べて、さらに構成が若干複 雑になり、多少コストアップにはなる力 コイル 4により発生された磁束を可動子 3の各 永久磁石 2L及び 2R側に効率よく通すことができる。
[0022] 次に、往復直線駆動ァクチユエ一タの第 4構成例を図 4に示す。シャフト 1に嵌合固 定された永久磁石 2L及び 2Rによる磁束を、シャフト 1側に通さずに固定ヨーク 11側 に効率よく通すためには、シャフト 1を非磁性材料 (例えばステンレス鋼）により形成す ることが好ましい。し力 ながら、非磁性材料は磁性材料に比べて、一般的に高価で ある。また、安価な非磁性材料は強度が低レ、。第 4構成例の往復直線駆動ァクチュ エータ 104では、シャフト 1を鉄のような磁性材料で形成すると共に、シャフト 1に非磁 性材料で形成された筒状のスぺーサ 19を嵌合固定し、さらにスぺーサ 19の外周面 に永久磁石 2L及び 2R、ヨーク 9及び鉄芯 8を嵌合固定したものである。
[0023] このように、非磁性材料で形成されたスぺーサ 19を介在させることにより、構成が若 干複雑になるものの、安価で強度の高い磁性材料を用いてシャフト 1を形成すること ができ、シャフト 1の強度を維持しつつ、コストダウンが可能になる。さらに、永久磁石 2L及び 2Rによる磁束を固定ヨーク 11側に効率よく通すことができる。
[0024] 次に、往復直線駆動ァクチユエ一タの第 5構成例を図 5に示す。筒状の鉄心 8を用 レ、てコイル 4で発生された磁束の通路 (磁路）を形成するにあたって、最短の磁路を 形成しょうとすると、鉄心 8の外径を永久磁石 2L及び 2R又はヨーク 9の外径とほぼ等 しくする必要がある。一方、鉄心 8の内径は、必ずしも永久磁石 2L及び 2R又はヨーク 9の内径とほぼ等しくする必要はなレ、。むしろ、鉄心 8の内径を永久磁石 2L及び 2R の内径やヨーク 9の内径と同じにすると、鉄心 8の重量が重くなり、その結果可動子 3 の重量が重くなるので好ましくなレ、。そこで、第 5構成例の往復直線駆動ァクチユエ ータ 105では、鉄心 8の内径を永久磁石 2L及び 2R又はヨーク 9の内径よりも大きくし 、非磁性材料で形成されたスぺーサ 19の鉄芯 8が嵌合固定される部分、すなわち、 軸方向の中央部分の外径を他の部分の外径より大きくしたものである。
[0025] このように、鉄心 8の内径を永久磁石 2L及び 2R又はヨーク 9の内径よりも大きくする ことにより、スぺーサ 19の形状が若干複雑になるものの、鉄心 8の重量を軽くすること ができ、結果的に可動子 3を軽量ィ匕することができる。さらに、鉄心 8により、コイル 4 で発生された磁束が通る磁路を最短距離にすることができるので、コイル 4で発生さ れた磁束を有効に利用することができる。
[0026] 次に、往復直線駆動ァクチユエ一タの第 6構成例を図 6に、第 7構成例を図 7にそ れぞれ示す。第 6構成例の往復直線駆動ァクチユエータ 106では、可動子 3に嵌合 固定された 2つの永久磁石 2Lと 2Rの間隔を、固定子 5の 2つの固定ヨーク 11の間隔 よりも狭くし、さらに、軸方向における 2つの固定ヨーク 11間の中心位置と、可動子 3 が往復直線駆動していない状態における 2つの永久磁石 2Lと 2Rの間の中心位置と を略一致させている。
[0027] 一方、第 7構成例の往復直線駆動ァクチユエータ 107では、可動子 3に嵌合固定さ れた 2つの永久磁石 2Lと 2Rの間隔を、固定子 5の 2つの固定ヨーク 11の間隔よりも 広くし、さらに、軸方向における 2つの固定ヨーク 11間の中心位置と、可動子 3が往 復直線駆動していない状態における 2つの永久磁石 2Lと 2Rの間の中心位置とを略 一致させている。
[0028] このように可動子 3の 2つの永久磁石 2Lと 2Rの間隔を 2つの固定ヨーク 11間隔より も狭く又は広くすることにより、可動子 3の往復直線駆動のストローク又は往復振動の 振幅を、用途に応じて調節することができる。
[0029] また、軸方向における 2つの固定ヨーク 11間の中心位置と、可動子 3が往復直線駆 動していない状態における 2つの永久磁石 2Lと 2Rの間の中心位置とを略一致させ ることにより、振幅の中立位置における永久磁石 2L及び 2Rによる固定ヨーク 11に対 する引っ張り力及び反発力をゼロにすることができるので、ばね部材 7の設計が容易 になると共に、往復直線駆動ァクチユエータの組み立て作業性が向上する。
[0030] 次に、往復直線駆動ァクチユエ一タの第 8構成例を図 8に示す。第 8構成例の往復 直線駆動ァクチユエータ 108では、スぺーサ 19を用いずに、永久磁石 2L及び 2R及 びヨーク 9を直接シャフト 1に嵌合固定すると共に、筒状の鉄心 8の内周面とシャフト 1 の外周面との間に空間 30を形成している。このような構成によれば、治具などを用い て鉄芯 8を比較的容易に固定することができるので、あまり組み立て工程を複雑化さ せることなく、可動子 3を軽量ィ匕することができる。
[0031] 次に、電動歯ブラシのァクチユエータとして使用されることを考慮した往復直線駆動 ァクチユエータのさらに具体的な構成例について説明する。図 9Aは、電動歯ブラシ のァクチユエータとして使用される往復直線駆動ァクチユエータ 109の構成を示す断 面図である。この往復直線駆動ァクチユエータ 109では、可動子 3及び固定子 5とし て、上記図 6に示す第 6構成例と同様のものを用いているが、これに限定されるもの ではなぐ上記第 1構成例から第 8構成例のいずれでも用いることができる。図 9Bは 、往復直線駆動ァクチユエータ 109のシャフト 1の後端部及びそれを軸支する軸受け の形状を示す図である。図 10は、往復直線駆動ァクチユエータ 109の構成を示す分 解斜視図である。
[0032] 図 9A及び図 10からわかるように、シールドケース 16は略円筒状であり、その前後 の開口部にそれぞれシール部材 31及び 32が嵌合固定されている。さらに、各シー ル部材 31及び 32には、それぞれシャフト 1をその軸方向に往復直線駆動可能なよう に軸支する軸受け 17F及び 17Rが設けられている。図 9Bに示すように、シャフト 1の 後端部 laは、断面が略 D字状に形成されている。一方、後側のシール部材 32には、 シャフト 1の後端部 laが嵌合される略 D字状の嵌合穴 25が形成されている。シャフト 1の後端部 laが嵌合穴 25に嵌合されることにより、シャフト 1は、その軸方向に往復 直線駆動することが可能であるが、その軸を中心とする回転が規制される。なお、上 記往復直線駆動ァクチユエ一タの第 1構成例から第 8構成例においても、同様にして シャフト 1の軸周りの回転を規制してもよい。
[0033] 固定子 5は、シールドケース 16の内周面に固定されている。また、可動子 3は、その 外周面が所定の隙間を介して固定子 5の内周面に対向するように、シャフト 1に嵌合 固定されている。前側の軸受け 17Fの後面、可動子 3の前後両側の面及び後側の軸 受け 17Rの前面に対向するように、それぞればね受け部材 29がシャフト 1に嵌合さ れている。さらに、可動子 3と後側の軸受け 17Rの間には、略円筒状の吸振錘 20が、 シャフト 1に対して比較的大きな遊びを持たせて嵌装されている。そして、コイルばね 7a及び 7bが、それぞればね受け部材 29と吸振錘 20の間に設けられ、またコイルば ね 7cが可動子 3と前側の軸受け 17Fの各ばね各受け部材 29の間に設けられている
[0034] 本実施形態では、固定子 5とシールドケース 16を固定部とし、可動子 3の質量及び 吸振錘 20の質量の 2質点系振動モデルとして取り扱うことができる。この場合、可動 子 3と吸振錘 20とが同位相で駆動する第 1次 (低次側）の振動モードと、可動子 3と吸 振錘 20とが逆位相で駆動する第 2次（高次側）の振動モードとがある。この第 2次の 固有振動数近傍の周波数を有する電流をコイル 4に供給することにより可動子 3に軸 方向の往復直線駆動を行わせた場合、逆位相の駆動を行う吸振錘 20が可動子 3の 慣性力を打ち消し、逆に、吸振錘 20の慣性力を可動子 3が打ち消す。それにより、シ 一ルドケース 16側に伝わる振動を減少させることができる。
[0035] 次に、永久磁石 2L及び 2R、及びヨーク 9をシャフト 1に嵌合固定する構造の変形例 を図 11 A及び図 11Bに示す。図 9A及び図 10に示す構成例では、磁性材料で形成 されたシャフト 1にスぺーサ 19を嵌合させ、さらにスぺーサ 19に永久磁石 2L及び 2R 、及びヨーク 9を嵌合固定している。図 11A及び図 11Bに示す変形例では、ヨーク 9 の内周部に複数 (例えば 4つ）の突起 13を形成し、突起 13をシャフト 1の外周面に当 接させることにより、ヨーク 9をシャフト 1に嵌合固定させるとともに、各突起 13の間に 隙間 12を形成している。図示していないが、各永久磁石 2L及び 2Rについても同様 である。その結果、シャフト 1のコストダウン及び強度を確保するために、磁性材料に よりシャフト 1を形成したにもかかわらず、永久磁石 2L及び 2Rによる磁束がシャフト 1 側にほとんど通らず、大部分を固定ヨーク 11側に通すことができ、永久磁石 2L及び 2Rによる磁束を有効に利用することができる。
[0036] さらに、図 12に示すように、ばね受け部材 29のばね部材 7a、 7b又は 7cとは接触し ない側の端面に複数 (例えば 4つ）の係合突部 29aを形成し、ヨーク 9に形成された隙 間 12に嵌合させてもよい。このような構成により、ばね受け部材 29のヨーク 9に対す るシャフト 1の中心軸周りの回転が規制される。
[0037] 次に、本実施形態に係る往復直線駆動ァクチユエータにおいて、コイル 4に供給さ れる交番電流の電圧を一定にした場合における周波数と可動子 3の振幅の関係、及 び、その場合における周波数と電流の関係について、図 13に示すグラフを参照しつ つ説明する。
[0038] 図 13において曲線 A及び Bは、それぞれ電圧を一定にした場合における周波数と 可動子 3の振幅の関係を示し、曲線 C及び Dは、それぞれ周波数と電流の関係を示 す。図 13中、♦印は無負荷時における振幅を、 ·印は負荷時における振幅を、◊印 は無負荷時における電流値を、〇印は負荷時における電流値をそれぞれ示す。
[0039] 前述のように、ばね部材 7a、 7b及び 7cのばね定数及び可動子 3の質量などで決 定される共振周波数（図 13において点 Pで示す)付近の周波数を有する交番電流を コイル 4に供給することにより、可動子 3の振動量 (振幅量)を大きくすることができる。 例えば、周波数が 250Hz付近では、可動子 3の振幅は最大値 1. 1mmを示す。周 波数が 230Hz以上、 250Hz以下の範囲 S及び 250Hz以上、 280Hz以下の範囲 T では、それぞれ振幅が 0. 5mm以上の値を示す。
[0040] このような範囲内にコイル 4に流れる交番電流の周波数が設定されると、ばね部材 7 a、 7b及び 7cを利用して可動子 3の振動量 (振幅量）を大きくすることができる。ここで 、共振周波数付近で、かつ、共振周波数よりも高い周波数の範囲及び共振周波数よ りも低い周波数の範囲で同様の振幅が得られるが、共振周波数よりも低い周波数に 設定して可動子 3を往復直線駆動させる場合 (範囲 S内で周波数を設定した場合）は 、小さい電流で、 目的とする振幅で往復直線駆動させることができる。特に、往復直 線駆動ァクチユエータの電源が電池の場合、電池の長寿命化を図ることができる。一 方、共振周波数よりも高い周波数に設定した場合 (範囲 T内で周波数を設定した場 合）は、電流が大きくなるものの、 目的とする振幅で往復直線駆動させることができ、 大きな出力を得ることができる。
[0041] 上記各往復直線駆動ァクチユエータは、種々の駆動源として用いることができる。
一例として、上記往復直線駆動ァクチユエータを備えた電動歯ブラシの構成を図 14 に示す。
[0042] 電動歯ブラシ 100は、略筒状の細長いハウジング 15と、ハウジング 15内の長手方 向の前側に設けられた上記図 9Aに示す往復直線駆動ァクチユエータ 109と、ハウジ ング 15内の長手方向の後側に設けられた電池（2次電池） 21と、制御回路部 22と、 ハウジング 15の外周面部に設けられたスィッチ 33などを備えている。往復直線駆動 ァクチユエータ 109のシャフト 1の一端部は、ハウジング 15の前側端面から外部に突 出されている。
[0043] 図 14に示す例では、ブラシ体 14は、その先端のブラシ部 27がブラシ体 14の長手 方向に対して略直交する方向に植毛されているタイプであるので、シャフト 1の一端 部にブラシ体 14の柄部 26の後端部が着脱可能に、かつ、シャフト 1に対してその軸 の周りには回動しないように装着する。図 9Aに示す往復直線駆動ァクチユエータ 10 9では、シャフト 1の後端部 laが略 D字状に形成され、後端部 laが嵌合される嵌合穴 25も略 D字状に形成されているので、シャフト 1のその軸周りの回転が規制されてい る。従って、ブラシ体 14の柄部 26とシャフト 1の先端部を同様の構造とすることにより 、柄部 26がシャフト 1の軸の周りに回転しないように規制することができる。その結果 、ブラシ体 14のブラシ部 27の突出方向と、ハウジング 15に設けられたスィッチ 33と の位置関係を一定にすることができるので、電動歯ブラシとしての操作性は損なわれ ない。
[0044] このように構成された電動歯ブラシ 100のスィッチ 33を操作して、往復直線駆動ァ クチユエータ 109のコイル 4に電流を供給することにより、シャフト 1をその軸方向に往 復直線駆動させることができる。それにより、シャフト 1に取付けたブラシ体 14が軸方 向に往復直線駆動されるので、これによりブラシ部 27を往復直線駆動させて歯磨き を行うこと力 Sできる。
[0045] 前述のように、本実施形態に係る往復直線駆動ァクチユエ一タの各構成によれば、 略板状又は略筒状（円板状又は円筒状）の永久磁石 2L及び 2Rを直接又はスぺー サ 19を介してシャフト 1に嵌合固定しているので、各永久磁石 2L及び 2Rの内径及 び外径が小さくなり、永久磁石 2L及び 2Rの体積が小さくなる。これに伴い、永久磁 石の重量及びコストが低減されるので、結果的に往復直線駆動ァクチユエータ及び それを用いた電動歯ブラシのコストも低減することができる。
[0046] 本願は日本国特許出願 2003—139571に基づいており、その内容は、上記特許 出願の明細書及び図面を参照することによって結果的に本願発明に合体されるべき ものである。
[0047] また、本願発明は、添付した図面を参照した実施の形態により十分に記載されてい るけれども、さまざまな変更や変形が可能であることは、この分野の通常の知識を有 するものにとって明らかであろう。それゆえ、そのような変更及び変形は、本願発明の 範囲を逸脱するものではなぐ本願発明の範囲に含まれると解釈されるべきである。 産業上の利用分野
以上説明したように、本発明の往復直線駆動ァクチユエータにおいては、永久磁石 の内径及び外径が小さくなり、永久磁石の体積が小さくなる。これに伴い、材料面で の永久磁石のコストを低減することができる。また、永久磁石は、軸方向の両端面部 の極性がそれぞれ異なるように着磁されているので、永久磁石の構成が簡単であり、 その製造も容易になり、製造面での永久磁石のコストも低減することができる。さらに 、往復直線駆動ァクチユエータの構成が簡単になるので、組み立て性を向上させるこ とができる。その結果、往復直線駆動ァクチユエータのコストを大幅に低減することが できる。さらに、永久磁石の体積が小さくなることに伴い、往復直線駆動ァクチユエ一 タを小型軽量化することができる。さらに、本発明の電動歯ブラシは、上記のように低 コストで小型軽量の往復直線駆動ァクチユエータを用いているので、小型軽量化され た電動歯ブラシを低コストで提供することができる。

Claims

請求の範囲
[1] 軸方向に往復直線駆動可能に軸支されたシャフトと、前記シャフトの軸方向の両端 面部の極性が異なるように着磁され、かつ前記シャフトに嵌合固定された永久磁石と を有する可動子と、
前記永久磁石の前記シャフトの軸方向に平行な端面に対して、所定の隙間を介し て対向するように設けられ、電流が供給されることにより磁界を発生させるコイルを有 する固定子とを備え、
前記コイルに交番電流を供給することにより、前記可動子を前記シャフトの軸方向 に往復直線駆動させることを特徴とする往復直線駆動ァクチユエータ。
[2] 前記可動子は、前記シャフトの軸方向において、所定の間隔を隔てて配置された 2 つの永久磁石と、前記 2つの永久磁石の間で、前記シャフトの軸方向と平行となるよ うに前記シャフトに嵌装された略筒状の鉄芯を有しており、
前記 2つの永久磁石は、それぞれ前記シャフトの軸方向の両端面部の極性が異な るようにその厚さ方向に着磁され、かつ互いに対向する面の極性が同磁になるように 前記シャフトに固定されていることを特徴とする請求項 1に記載の往復直線駆動ァク チユエータ。
[3] 前記 2つ永久磁石の前記シャフトの軸方向の各端面に隣接するように、複数のョー クが前記シャフトに嵌合固定されていることを特徴とする請求項 2に記載の往復直線 駆動ァクチユエータ。
[4] 前記鉄心の内径は、前記永久磁石又は前記ヨークの内径よりも大きいことを特徴と する請求項 3に記載の往復直線駆動ァクチユエータ。
[5] 前記シャフトは非磁性材料で形成されてレ、ることを特徴とする請求項 1に記載の往 復直線駆動ァクチユエータ。
[6] 前記シャフトは磁性材料で形成されており、前記シャフトと前記永久磁石とが非磁 性材料で形成されたスぺーサを介して固定されてレ、ることを特徴とする請求項 1に記 載の往復直線駆動ァクチユエータ。
[7] 前記固定子は、コイルを卷回したボビンと、前記ボビンの前記シャフトの軸方向の 両側に設けられた 2つの固定ヨークをさらに有し、 前記可動子に嵌合固定された 2つの永久磁石の間隔を、固定子の 2つの固定ョー クの間隔よりも狭くし、さらに、軸方向における前記 2つの固定ヨーク間の中心位置と 、前記可動子が往復直線駆動していない状態における前記 2つの永久磁石の間の 中心位置とが略一致していることを特徴とする請求項 2に記載の往復直線駆動ァク チユエータ。
[8] 前記ヨークの内周部に、前記シャフトの外周面に当接させる複数の突起及び各突 起間の隙間を形成したことを特徴とする請求項 3に記載の往復直線駆動ァクチユエ
■ ~タ
[9] 前記可動子を、前記シャフトの軸周りの回転を規制する手段を設けたことを特徴と する請求項 1に記載の往復直線駆動ァクチユエータ。
[10] 前記可動子に連結され、前記可動子を前記シャフトの軸方向に往復直線駆動可能 に支持するばね部材をさらに備え、前記可動子と前記ばね部材とで前記シャフトの 軸方向の往復直線駆動の振動系を構成し、
前記コイルに、前記振動系の共振周波数に等しいか又は近い周波数の交番電流 を供給して、前記可動子を往復直線駆動させることを特徴とする請求項 1に記載の往 復直線駆動ァクチユエータ。
[11] 前記可動子に連結され、前記可動子を前記シャフトの軸方向に往復直線駆動可能 に支持するばね部材をさらに備え、前記可動子と前記ばね部材とで前記シャフトの 軸方向の往復直線駆動の振動系を構成し、
前記コイルに、前記振動系の共振周波数に近ぐかつ、それよりも低い周波数の交 番電流を供給して、前記可動子を往復直線駆動させることを特徴とする請求項 1に 記載の往復直線駆動ァクチユエータ。
[12] 前記可動子に連結され、前記可動子を前記シャフトの軸方向に往復直線駆動可能 に支持するばね部材をさらに備え、前記可動子と前記ばね部材とで前記シャフトの 軸方向の往復直線駆動の振動系を構成し、
前記コイルに、前記振動系の共振周波数に近ぐかつ、それよりも高い周波数の交 番電流を供給して、前記可動子を往復直線駆動させることを特徴とする請求項 1に 記載の往復直線駆動ァクチユエータ。 先端にブラシが植設されたブラシ体と、前記ブラシ体を所定方向に往復直線駆動 する往復直線駆動ァクチユエータと、前記往復直線駆動ァクチユエータに電力を供 給するための電源と、前記往復直線駆動ァクチユエータに駆動電流を供給するため の駆動回路とを備えた電動歯ブラシにおレ、て、
前記往復直線駆動ァクチユエータは、
軸方向に往復直線駆動可能に軸支されたシャフトと、前記シャフトの軸方向の両端 面部の極性が異なるように着磁され、かつ前記シャフトに嵌合固定された永久磁石と を有する可動子と、
前記永久磁石の前記シャフトの軸方向に平行な端面に対して、所定の隙間を介し て対向するように設けられ、電流が供給されることにより磁界を発生させるコイルを有 する固定子とを備え、
前記駆動回路は、前記コイルに交番電流を供給することにより、前記可動子を前記 シャフトの軸方向に往復直線駆動させることを特徴とする電動歯ブラシ。
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