轉動驅動致動器以及使用該轉動驅動致動器的電動牙刷的製作方法
2024-01-21 10:56:15 1
專利名稱：轉動驅動致動器以及使用該轉動驅動致動器的電動牙刷的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種轉動驅動致動器以及一種使用該轉動驅動致動器的電動牙刷。
背景技術：
如日本特開平No.9-173360所示，公知有一種電動牙刷，其可以通過使用機械驅動轉換機構而選擇性地沿軸的軸向進行往複線性驅動以及圍繞該軸線進行往復旋轉驅動(轉動驅動)。在這種電動牙刷中，通過切換馬達的旋轉方向，可以選擇性地沿軸的軸向進行往複線性驅動運動以及圍繞牙刷本體的軸線進行轉動驅動運動，其中，牙刷本體通過驅動轉換機構連接到所述軸上。
在這種使用機械驅動轉換機構的電動牙刷中，用於在沿軸的軸向的往複線性驅動以及繞該軸線的轉動驅動之間進行切換的驅動轉換機構的結構較複雜。因此，這種電動牙刷尺寸較大，且裝配困難，造成成本的增加。
另一方面，例如日本特開平No.2002-176758示出了一種電動牙刷，其通過使用往復式線性驅動致動器而沿軸的軸嚮往復地且線性地驅動連接到該軸上的牙刷本體。這種往復式線性驅動致動器僅能執行軸的往複線性驅動，而不能執行轉動驅動。不過，其作為使用永磁體和線圈的傳統致動器的參考進行說明。
參考圖16對該傳統致動器進行說明。對於這種傳統的往復式線性驅動致動器150而言，在軸152的外周上固定有由磁性材料製成的柱塞151。軸152藉助軸承162進行樞轉，該軸承162能夠沿平行於其中心軸線的方向(軸向)往復地且線性地移動。環形線圈154設置在保護罩153的內周表面上，並且相對於柱塞151的外周具有預定的間隙。另外，相對於線圈154對稱磁化的環形永磁體155和156設置在保護罩153的內周表面上以及線圈154沿上述軸向的兩側上。在永磁體155和156以及線圈154之間分別設置有環形的第一磁軛157和158，而環形第二磁軛159和160相對於線圈154被設置在與永磁體155和156相對的位置處。在柱塞151和保護罩153之間設置有彈簧構件161，其用於沿線性驅動的往複方向中的一個方向向柱塞151施加附加力(accompanying force)。然後，通過向線圈154供應交變電流，柱塞151可以沿軸向被往復地且線性地驅動。
不過，在上述使用傳統的永磁體以及線圈的往復式線性驅動致動器150中，永磁體155和156被設置成相對於柱塞的外周具有間隙，使得環形永磁體155和156的內徑和外徑變得較大，永磁體155和156的體積也變得較大。隨之而來的是，永磁體155和156的材料成本變得昂貴。另外，由於通過多個弧形永磁體的組合使得永磁體155和156形成為環形，因此環形永磁體155和156的製造過程變得複雜，且其製造成本變得昂貴。這樣，使用傳統的永磁體和線圈的致動器以及使用該致動器的電動牙刷的成本變得昂貴。再者，由於永磁體155和156變得較大，所以難以實現致動器150以及使用該致動器的電動牙刷的小型化和減重。
發明內容
本發明旨在解決上述傳統致動器中的問題，其目的在於提供一種轉動驅動致動器，其能夠使成本低廉、小型化、重量減輕並且能改進裝配操作性，並且還提供一種是使用該成本低廉、小型化且重量減輕的致動器的電動牙刷。
為了實現上述目的，根據本發明一方案的轉動驅動致動器包括移動對象，其具有樞轉軸，以能夠繞該軸的軸線進行旋轉；磁軛，其固定於所述軸上；和至少一個平板狀的永磁體，其繞所述軸的軸線緊鄰所述磁軛連接並且沿其厚度方向被磁化；以及管狀定子，其具有線圈，所述線圈繞所述軸的軸線纏繞，以圍住所述移動對象；和固定磁軛，其由磁性材料製成，並被設置成在垂直於所述軸的軸線的方向上以預定間隙面向所述磁軛和永磁體的最外周部分；並且通過向所述線圈供應交變電流，而以轉動驅動的方式繞所述軸的軸線在預定的角度範圍內驅動所述移動對象。
另外，根據本發明一方案的電動牙刷包括牙刷本體，在該牙刷本體的前端處植有刷毛；轉動驅動致動器，用於沿預定方向轉動驅動所述牙刷本體；電源，用於向所述轉動驅動致動器供應電力；以及驅動電路，用於向所述轉動驅動致動器供應驅動電流。所述轉動驅動致動器包括移動對象，其具有樞轉軸，其能繞該軸的軸線進行旋轉；磁軛，其固定在所述軸上；和至少一個平板狀的永磁體，其繞所述軸的軸線緊鄰所述磁軛連接並且沿其厚度方向被磁化；以及管狀定子，其具有線圈，該線圈繞所述軸的軸線纏繞，以圍住所述移動對象；和固定磁軛，其由磁性材料製成，並被設置成在垂直於所述軸的軸線的方向上以預定間隙面向所述磁軛和永磁體的最外周部分；並且通過向所述線圈供應交變電流，而以轉動驅動的方式繞所述軸的軸線在預定角度範圍內驅動所述移動對象。
這樣，由於平板狀永磁體連接到移動對象的軸上，所以與例如傳統致動器中將永磁體設置在定子側上的情形相比，該永磁體的體積變得較小，並且可以降低永磁體的材料成本。另外，由於永磁體沿厚度方向磁化，所以永磁體的製造過程變得較簡單，從而可以降低永磁體的製造成本。再者，永磁體外表面的極性與磁軛外表面的極性彼此相反，這樣永磁體的磁通可以很容易地通過磁軛，從而可以有效利用永磁體的磁通。另外，其改進了轉動驅動致動器的裝配操作性，並且與使用機械驅動轉換機構的傳統致動器相比，該致動器可以小型化和輕質化。因此，可以提供成本低廉、小型化且輕質化的轉動驅動致動器以及使用這種轉動驅動致動器的電動牙刷。
圖1是示出根據本發明實施例的轉動驅動致動器結構的剖視圖；圖2是圖1所示的轉動驅動致動器的分解立體圖；圖3是示出用於對設置在圖1所示的轉動驅動致動器後端部分處的軸的轉角進行限制的結構視圖；圖4是示出磁軛和彈簧容置構件裝配在構成上述轉動驅動致動器的移動構件的軸上的情形的立體圖；圖5A是示出移動對象和上述轉動驅動致動器的定子的相對部分的結構的側視剖視圖；圖5B是示出移動對象和定子的上述相對部分的結構的後視圖；圖5C是示出移動對象和定子的上述相對部分的結構的主視圖；圖6是示出組成上述轉動驅動致動器定子的線圈架和固定磁軛的結構的分解立體圖；圖7A是示出上述轉動驅動致動器的保護罩和移動對象的結構的分解立體圖；圖7B是示出上述保護罩的結構的主視剖視圖；圖8A至8C是分別示出上述轉動驅動致動器的彈簧構件的結構的主視圖、側視圖和後視圖；圖9A和9B是分別示出上述轉動驅動致動器的彈簧容置構件的結構的側視圖和主視圖；圖10是示出彈簧構件的端部與上述彈簧容置構件接合的狀態的側視圖；圖11A至11D是分別示出上述轉動驅動致動器的減震心軸的主視圖、側視剖視圖、後視圖以及立體圖；圖12A和12B是分別示出根據本發明實施例的該轉動驅動致動器的修改實例的側視剖視圖以及後視剖視圖；圖13A和13B是分別示出根據本發明實施例的該轉動驅動致動器的另一修改實例的側視剖視圖以及後視剖視圖；圖14是一坐標圖，其示出了當轉動驅動致動器內的電壓恆定時交變電流的頻率和移動對象的振幅之間的關係，以及此時頻率和電流之間的關係；圖15是示出使用根據本發明實施例的轉動驅動致動器的電動牙刷的結構的剖視圖；圖16是示出傳統的振蕩式線性致動器(參考實例)的結構的剖視圖。
具體實施例方式
下面參考附圖對根據本發明實施例的轉動驅動致動器以及使用該轉動驅動致動器的電動牙刷進行說明。
首先，說明根據該實施例的轉動驅動致動器，其是適用於電動牙刷的致動器。圖1是示出根據該實施例的轉動驅動致動器2的結構的側視剖視圖。圖2是該轉動驅動致動器2的分解立體圖。圖3是示出用於對設置在圖1所示的轉動驅動致動器後端部分處的軸的轉角進行限制的結構視圖。
如圖1和圖2所示，保護罩12大致呈圓筒形，其前、後開口處分別安裝並固定有密封構件41和42。另外，在密封構件41和42上分別設置有軸承24a和24b，用於使軸3在箭頭R所示的預定範圍內繞其軸線可往復地且可轉動地樞轉。
移動對象6由軸3、被壓配合(press-fitted)並固定到軸3上的磁軛5、固定到磁軛5上的平板狀的永磁體4等構成。在該實施例中，軸3由非磁性材料製成。通過採用非磁性材料來製造軸3，使得通過軸3無磁通洩漏，從而可以減小能量損失。另外，非磁性材料通常很昂貴。而且，廉價的非磁性材料的強度較低。因此，當允許通過軸3有些許磁通洩漏時，軸3可由磁性材料製成以增加強度。
定子10由線圈架8、通過繞線圈架8纏線的導線構成的線圈7、沿軸3的軸向設置於線圈架8兩側的固定磁軛9等構成。定子10大致呈管狀，並且固定在保護罩12的內周面上。當軸3藉助軸承24a和24b樞轉時，移動對象6以這樣的方式被保持移動對象6的、沿垂直於軸3的軸線的方向的最外周部分相對於定子10的最內周部分保持預定間隙。這樣，通過將移動對象6可轉動地插入定子10的內部來構成轉動驅動致動器2的磁路。
沿軸3的軸向在磁軛5的兩側分別連接由非磁性材料製成的環形彈簧容置構件26。另外，相同的彈簧容置構件26分別連接到位於前側的軸承24a的後面以及位於後側的軸承24b的前面。另外，大致呈圓柱形的減震心軸17與軸3以相對較大的公差在移動對象6和後側的軸承24b之間接合。然後，在彈簧容置構件26和減震心軸17之間分別設置螺旋彈簧13a和13b，並且在移動對象6的彈簧容置構件26和前側的軸承24a的彈簧容置構件之間設置有螺旋彈簧13c。
圖8A至8C示出了彈簧構件13a、13b和13c的結構。另外，圖9A和9B示出了彈簧容置構件26的結構。此外，圖10中示出了各彈簧構件13a、13b和13c與彈簧容置構件26的連接結構。如圖8A至8C所示，各彈簧構件13a、13b和13c具有基本相同的形狀，並且均由具有兩個臂131和132的扭轉螺旋彈簧13構成。如圖9A和9B所示，在各彈簧容置構件26上形成有鉤接部分28，以夾住各彈簧構件13a、13b和13c的臂131或132，從而限制彈簧構件13a、13b和13c的轉動。
另外，圖11A至圖11D示出了減震心軸17的結構。如圖11A至11D所示，在減震心軸17上形成有鉤接部分29和30，用於通過鉤接彈簧構件13a和13b的臂131或132來防止旋轉。這樣，由於三個彈簧構件13a、13b和13c各自的臂131和132通過彈簧容置構件26和減震心軸17的鉤接部分28、29和30進行固定，以用於阻止旋轉，移動對象6以繞軸3的軸線如箭頭R所示進行旋轉的狀態而被保持，與移動對象6繞軸3的軸線進行旋轉的運動相對應，在各彈簧構件13a、13b和13c中積蓄(charge)有彈性力。這樣，限制了移動對象6可以繞軸3的軸線轉動的角度範圍，從而決定了軸3的轉動角度。
這樣，在上述僅通過彈簧構件13a、13b和13c來限制移動對象6旋轉的結構中，當來自外部的轉動移動對象6的力超出繞軸3的軸線的允許範圍時，移動對象6可能會轉動超出允許範圍，從而可能影響致動器的驅動特性。因此，圖3所示的軸3的轉動限制結構被設置為當從外部繞所述軸的軸線向移動對象6施加超出允許範圍的旋轉力時機械地停止移動對象6的旋轉。
軸3的後端部分3a形成為具有大致呈D形的截面。另一方面，在後側的密封構件42上形成有一個大致呈扇形的安裝孔14，軸3的後端部分3a安裝到該安裝孔內從而限制軸3繞軸線的旋轉。通過將軸3的後端部分3a安裝到安裝孔14內，繞軸3的軸線的旋轉角被限制在一固定範圍內。雖然在安裝孔14上的斜面(tapered face)31形成為角形截面(angle section)，但當移動對象6處于振幅的中間位置(neutral position)時，軸3後端部分3a的大致呈D形截面的平面部分不接觸角形截面的斜面31，從而移動對象6可以繞軸3的軸線往復地旋轉。當移動對象6沿箭頭R1所示的力向繞軸3的軸線旋轉超過允許範圍時，軸3的後端部分3a的大致呈D形截面的平面部分接觸角形截面的斜面31，從而進一步限制該旋轉。沿由R2所示的相反方向轉動的情形與之相同。這樣，機械地限制了移動對象6超過轉動角度的轉動，從而確保轉動驅動致動器2對抗外加負載或衝擊負載等時的可靠性。
另外，當磁軛5被壓配合併固定到軸3上時，軸3的後端部分3a還被用作參考平面。具體地，通過以如下方式壓配合磁軛5，即使得磁軛5的矩形拐角U形槽25的平底面25a(參考圖4)與軸3的後端部分3a的大致呈D形截面的平面部分彼此基本平行，這樣可以很容易地限定磁軛5相對於軸3的恰當的裝配角度。
圖4中示出了磁軛5被壓配合併固定到軸3上的情形。另外，圖5A至圖5C中示出了移動對象6和定子10的相對部分，也就是產生驅動力的主要部分的結構。從這些附圖中可以看到，由磁性材料製成的磁軛5大致呈管狀，並且在其外周面上形成有至少一個槽25(圖中為4個)。每個槽25沿軸3的軸線形成，並具有大致呈U形的截面(通道形狀)，從而使其底面是平整的。於是，由於槽25的深度、永磁體4的厚度、槽25的寬度和永磁體4的寬度分別被設置為是基本相等的，所以平板狀的永磁體4幾乎無間隙地分別安裝到槽25中，如圖5A至圖5C所示。結果，各平板狀的永磁體4的外表面4a被設置成與磁軛5的弧形外表面5a處於鄰接的狀態。
各永磁體4沿厚度方向磁化，從而在垂直於軸3的軸線的方向上外表面4a的極性和內表面4b的極性彼此不同。另外，各永磁體4以相同的朝向(orientation)固定到磁軛5上，例如四個永磁體4的所有外表面4a形成N極。通過以這種方式將永磁體4固定到磁軛5上，使得磁軛5位於兩相鄰永磁體4之間的所有弧形外表面5a形成S極，反之亦然。
圖5A至圖5C分別示出了未對線圈7施加電流的初始狀態。當未對線圈7施加電流時，移動對象6停在永磁體4作用到固定磁軛9上的磁力與彈簧構件13的力平衡的位置處。於是，固定磁軛9上設置的磁極11a和11b分別面向永磁體4定位。當向線圈7施加單向電流時，一個固定磁軛9的磁極11a形成為N極，而另一個固定磁軛9的磁極11b形成為S極。這樣，如圖3所示，移動對象6繞軸線例如沿箭頭R1所示方向旋轉。當向線圈7施加一反向電流時，一個固定磁軛9的磁極11a形成為S極，而另一個固定磁軛9的磁極11b形成為N極。從而，移動對象6繞軸線沿相反的方向，例如沿箭頭R2所示的方向旋轉。因此，通過向線圈7提供交變電流，可以執行移動對象6繞軸3的軸線在預定角度範圍內的轉動驅動，如箭頭R所示。
這樣，在預定角度範圍內繞軸3的軸線執行轉動驅動的移動對象6以及用於繞軸線支撐移動對象6的彈簧構件13構成了轉動驅動的振動系統。與移動對象6繞軸線的轉動驅動相對應，彈簧13沿拉緊方向和鬆開方向扭曲。這樣，其沿著限制移動對象6繞軸線旋轉的方向提供積蓄力(charging force)。通過向線圈7施加頻率接近由彈簧構件13的彈簧常數以及移動對象6的質量所限定的共振頻率的電流，可以放大移動對象6的振蕩量(振幅量)。
另外，如圖4所示，由於在彈簧容置構件26的表面上設置有多個突起27，因此當這些突起27沿縱向插入磁軛5的槽25的端部時，彈簧容置構件26不可旋轉地固定到磁軛5上。
如圖5B和圖5C所示，在各固定磁軛9的內周部分上設置有數量少於預定數目(在所述圖中為4個位置)的磁極11，這些磁極用於面向移動對象6(永磁體4的外表面4a和磁軛5的外表面5a)的磁極。如圖6所示，在固定磁軛9的兩個緊鄰磁極11之間分別形成有切口117。這樣，通過在磁極11之間設置切口117，即使軸3由諸如鐵之類的磁性材料製成，也可以減小軸3的磁通洩漏，從而使永磁體4的磁通可以有效地用於所述固定磁軛9側中。另外，磁極11的數量不止一個就已足夠，但可以將磁極11的數量增加到與永磁體4的數量(四個)相同。
在如圖5A所示沿軸3的軸向在線圈架8的兩側上設置固定磁軛9的情況下，固定磁軛9分別以這樣的方式設置，即使得一個固定磁軛9的磁極11a與另一個固定磁軛9的磁極11b繞移動對象6的軸3的軸線的位置並不一致，如圖5B和5C所示。另外，在未對線圈7施加電流時移動對象6處於初始位置的情況下，一個固定磁軛9的各磁極11a被定位成繞軸3的軸線面向永磁體4的一端部與磁軛5的接觸位置15a；而另一個固定磁軛9的各磁極11b被定位成面向同一永磁體4的另一端部與磁軛5的另一個接觸位置15b。從而，一個固定磁軛9的磁極11a和另一個固定磁軛9的磁極11b相對於同一永磁體4的間隙幾乎相同，由此可以有效地執行移動對象6的轉動驅動。
當向線圈7施加單向電流時，永磁體4受到來自一個固定磁軛9的磁極11a的磁性排斥力，並且同時受到來自另一個固定磁軛9的磁極11b的磁性吸引力。這樣，移動對象6在一個大的力的作用下沿繞軸3的軸線的方向上(例如沿箭頭R1所示的方向)被旋轉地驅動。當向線圈7施加反向電流時，永磁體4受到來自一個固定磁軛9的磁極11a的磁性吸引力，並且同時受到來自另一個固定磁軛9的磁極11b的磁性排斥力，從而，移動對象6在一個大的力的作用下沿繞軸3的軸線的另一個方向(例如沿箭頭R2所示的方向)被旋轉地驅動。因此，通過向線圈7提供交變電流，可以進行移動對象6繞軸3的軸線的轉動驅動。
另外，其極性彼此不同的永磁體4的外表面4a以及磁軛5的外表面5a被設置成沿移動對象6的外周方向彼此鄰接，從而使得在磁極11a和11b以及磁軛5的外表面5a之間產生用於旋轉移動對象6的驅動力。此外，永磁體4的外表面4a是平整的，從而可以很大程度上地確保其與磁極11的相對面積。另一方面，磁軛5的外表面5a為弧形，從而可以減小磁極11和其外表面之間的間隙，同時確保其與磁極11的相對面積。因此，進一步增加了用於使移動對象6繞軸3的軸線旋轉的驅動力，在移動對象6旋轉的初始狀態下的驅動力變得較大，從而可以平穩地開始轉動驅動。
如圖6所示，沿軸3的軸向在線圈架8的兩端面上分別設置有用於將固定磁軛9相對於線圈架8進行定位的固定磁軛定位部分16。在圖6所示的實例中，固定磁軛定位部分16均為呈弧形的突出肋，其被設置成在四個位置處突出預定距離。另一方面，如前所述，在固定磁軛9上的兩個鄰接的磁極11之間形成有切口117。通過以如下方式將兩個固定磁軛9分別沿軸3的軸向連接至線圈架8的兩端面上，即使得固定磁軛定位部分16被分別安裝到固定磁軛9的切口117內，來固定兩個固定磁軛9繞軸3的軸線的相對位置。
另外，如圖7所示，在大致呈圓筒形的保擴罩12上形成有旋轉限制部分20a，其例如通過壓力加工而朝向內周表面側突出。與之對應，在線圈架8和固定磁軛9的外周面上形成有將與旋轉限制部分20a接合的接合內凹部分19。通過將定子10以如下方式安裝到保護罩12的內周面上，即接合內凹部分19與旋轉限制部分20a接合，使得固定磁軛9相對於保護罩12繞軸3的軸線的旋轉也被限制。類似地，在保護罩12上形成有多個例如通過壓力加工而突向內周表面側的止擋部20b。例如，在圖7A中，當要從例如保護罩12的右側處的開口將定子10安裝到保護罩12的內周面時，左側的固定磁軛9與止擋部20b接觸，從而使沿軸3的軸向的運動被限制在該位置。根據這樣的一種結構，將定子10固定到保護罩12的操作變得更加簡單。可選地，通過在各固定磁軛9的外周面上形成接合突起部分，並在保護罩12的內周面上通過擠壓加工的衝孔操作形成內凹槽作為旋轉限制部分20a，可以獲得基本相同的效果。
如前所述，在轉動驅動的振動系統中設置有減震心軸17。減震心軸17大致呈管狀，其設置在移動對象6和軸承部分24b之間，並且由彈簧構件13a和13b沿軸3的軸向保持。減震心軸17的重心位置M同軸地設置在移動對象6的軸線D上。
在該實施例中，定子10和保護罩12假定為固定部分，其可以當作由移動對象6的質量和減震心軸17的質量構成的兩質點振動模型來處理。在這種情況中，存在第一(低階側)振動模式，此時移動對象6和減震心軸17被同相驅動；以及第二(高階側)振動模式，此時移動對象6和減震心軸17被反相驅動。當通過向線圈7施加頻率接近第二振動模式的固有振動頻率的電流使移動對象6繞移動對象6的軸3的軸線執行轉動驅動時，被反相驅動的減震心軸17消除了移動對象6的慣性力。從而可以降低傳到保護罩12的振動。
另外，減震心軸17的轉動慣量被設定為大於移動對象6旋轉時的轉動慣量。在該實施例中，通過調整減震心軸17的重量而使減震心軸17的轉動慣量大於移動對象6的轉動慣量。通過增大減震心軸17的轉動慣量，增大了移動對象6的旋轉助力(assisting force)，從而進一步增大了轉動驅動致動器2的輸出功率。另外，減震心軸17以與移動對象6繞軸3的軸線的旋轉反相地進行旋轉，使得其通過輔助移動對象6的旋轉而增大輸出功率。再者，在減震心軸17和移動對象6之間沿垂直於軸3的軸線的方向設置有間隙18。間隙18為氣隙，用來使減震心軸17平穩且無阻力地繞軸3的軸線旋轉。儘管可以插入軸承或類似件，但優選設置間隙18以將成本限制得較低。
如上所述，在轉動驅動致動器2的結構中，使用了平板狀的永磁體4，且永磁體4被設置在移動對象6的這側而不是定子10的這側，從而與在保護罩12的內表面上設置管狀永磁體的傳統情況相比，各永磁體4的體積可以大大減小。這樣，可以減小與永磁體4小型化相對應的永磁體4的材料重量，並降低其成本。此外，可以通過將沿厚度方向磁化的大塊板狀的永磁體切割成預定尺寸來製造永磁體4，從而使永磁體的製造變得更簡單並且可以降低製造成本。另外，沿厚度方向磁化的平板狀的永磁體4隻是安裝到磁軛5的大致呈U形的槽25的平底面25a上，從而改進了裝配操作性。這樣，可以減少轉動驅動致動器2的成本。另外，永磁體4的外表面4a以及磁軛5的外表面5a的極性是交互反向的，從而永磁體4的磁通可以很容易地通過磁軛5，且可以有效利用永磁體4的磁通。因此，與使用機械驅動轉換機構的傳統致動器相比，可以增加該轉動驅動致動器的驅動效率。
下面，對根據本發明的轉動驅動致動器的修改實例進行說明。在上述說明中，沿軸3的軸向在線圈架的兩側上分別設置了兩個固定磁軛9。也可以沿軸3的軸向只在線圈架8的一側設置固定磁軛9，如圖12A和12B或圖13A和13B所示。
在圖12A和12B所示的修改實例中，在未對線圈7供應電流的初始狀態下，固定磁軛9的磁極11被定位成面向平板狀永磁體4的外表面4a。並且，在圖13A和圖13B所示的修改實例中，在未對線圈7供應電流的初始狀態下，固定磁軛9的磁極11被定位成面向平板狀永磁體和磁軛5的外表面5a之間邊界的鄰接部15。在兩種情形中，移動對象6的運動與上面的描述相同。
在圖12A和圖12B所示的修改實例中，當通過以這樣的方式將磁軛5進行壓配合，即使得軸3後端部分3a的大致呈D形截面的平面部分與磁軛5的大致呈U形的槽25的平底面25a基本平行，將磁軛5壓配合併固定到軸3上時，其具有的優點是，可以很容易地確定磁軛5相對於軸3的恰當裝配角度。另一方面，在圖13A和13B所示的修改實例中，通過與參考圖5A至5C所描述的情形相類似地將磁軛9的磁極11從平板狀永磁體4移位，可以增大移動對象6的初始驅動力，從而其具有的優點是，可以平穩地開始轉動驅動。
在根據本發明的轉動驅動致動器2中，轉動驅動的振動系統是由繞軸3的軸線轉動驅動的移動對象6以及繞軸3的軸線支撐移動對象6的彈簧構件13a、13b和13c構成。參考圖14所示的坐標圖，其描述了根據該實施例的這種轉動驅動致動器中，當供應至線圈7的交變電流電壓被設定為常數時移動對象6的頻率和振幅之間的關係，以及此時頻率和電流之間的關係。
在圖14中，曲線A和B分別表示當電壓被設定為常數時移動對象6的頻率和振幅之間的關係，而曲線C和D分別表示頻率和電流之間的關係。在圖14中，標記◆表示無負載時的振幅，標記●表示有負載時的振幅，標記◇表示無負載時的電流，標記○表示有負載時的電流。
如前面提到的，通過提供頻率接近由彈簧構件13a、13b和13c的彈簧常數以及移動對象6的質量所限定的共振頻率(圖14中以點P表示)的交變電流，可以增大移動對象6的振動量(振幅量)。例如，在頻率250Hz附近，移動對象6的振幅顯示為最大值1.1mm。在頻率大於等於230Hz且小於等於250Hz的S範圍以及大於等於250Hz且小於等於280Hz的T範圍中，所示的振幅分別等於或大於0.5mm。
當流經線圈7的交變電流的頻率被設置在這些範圍時，可以利用彈簧構件13a、13b和13c而放大移動對象6的振動量(振幅量)。因此，在共振頻率附近，以及在頻率高於共振頻率的範圍和頻率低於共振頻率的範圍內，可以獲得類似的振幅。當通過設定頻率低於共振頻率(當頻率被設定在S範圍內)而使移動對象6執行轉動驅動時，可以通過小電流執行具有目標振幅的轉動驅動。特別地，當轉動驅動致動器2的電源是電池時，可以延長電池的工作壽命。另一方面，當頻率被設定為高於共振頻率(當頻率被設定在T範圍時)，雖然電流變得較大，但是可以執行具有目標振幅的轉動驅動，從而獲得大輸出功率。
上述轉動驅動致動器可用作各種驅動力。作為一個實例，圖15中示出了包括上述轉動驅動致動器的電動牙刷的結構。
該電動牙刷1包括管狀的細長殼體22、沿縱向設置於殼體22前側的如圖1所示的轉動驅動致動器2、沿縱向設置在殼體22後側的電池(蓄電池)21、控制電路單元32、設置在殼體22外周部分上的電開關33，等等。轉動驅動致動器2的軸3的端部從殼體22的前端面向外突出。
在圖15所示的實例中，牙刷本體24的類型是在其前端部沿大致垂直於牙刷本體24的縱向方向植入刷毛部分23，其以如下方式連接到軸3上，即牙刷本體24的手柄24a的後端部分可拆卸地連接到軸3的端部上，並且不能繞軸3的軸線旋轉。如圖1和圖2所示，由於軸3的前端部附近形成具有大致呈D形的截面，通過在牙刷本體24的手柄部分24a上形成具有大致呈D形截面並且待安裝到軸3前端部分的安裝孔，可以限制牙刷本體24不繞軸3的軸線旋轉。這樣，牙刷本體24的刷毛部分23的突出方向與設置於殼體22上的電開關33之間的位置關係可以保持恆定，從而電動牙刷的操作性不會出現問題。
當操作如上構成的電動牙刷1的電開關33而向轉動驅動致動器2的線圈7提供電流時，軸3可以執行繞其軸線的轉動驅動。這樣，連接在軸3上的牙刷本體24執行繞該軸線的轉動驅動，從而可以通過往復地且線性地驅動刷毛部分23來進行刷牙。
如上所述，根據該實施例的轉動驅動致動器被構造成，永磁體4形成為平板狀並且安裝到形成於磁軛5上的槽25中，從而各永磁體4的體積變得較小，並且簡化了永磁體4的製造過程以及移動對象6的裝配過程。這樣，可以降低轉動驅動致動器和使用該轉動驅動致動器的電動牙刷的成本。
另外，根據本發明的轉動驅動致動器2並不限於被用作電動牙刷1的驅動源，其可以廣泛地用作電動剃鬚刀和其他裝置的驅動源。
該申請基於在日本提交的日本專利申請2003-139572，在此通過參考上述專利申請的說明書及附圖而援引其內容。
儘管已經參考附圖通過實例的方式對本發明進行了全面的描述，但是應該理解，對於本領域的普通技術人員而言，各種改變和修改都是顯而易見的。因此，除非這些變化和修改背離了本發明的範圍，否則其應該被解釋為包含在本發明中。
工業實用性如上所述，在本發明的轉動驅動致動器中，其構成為將平板狀永磁體連接到形成於磁軛上的槽中，使得永磁體的體積變得更小，從而與將管狀永磁體設置於保護罩的內表面上的傳統情形相比，可以降低永磁體的材料成本。而且，沿厚度方向被磁化的平板狀永磁體通過安裝到磁軛的槽內來進行連接，使得永磁體的製造過程以及移動對象的裝配過程變得簡單，從而可以降低永磁體的製造成本以及移動對象的裝配成本。再者，平板狀永磁體的外表面的極性以及磁軛的外表面的極性彼此相反，使得永磁體的磁通很容易通過磁軛，這樣可以有效地利用永磁體的磁通。結果，可以以低成本提供小型化、輕質化並且易於裝配的轉動驅動致動器。
而且，根據本發明的電動牙刷，如上所述可以使用可小型化、輕質化並且易於裝配的低成本轉動驅動致動器，從而可以實現電動牙刷的小型化、輕質化、改進的裝配操作性以及降低的成本。
權利要求
1.一種轉動驅動致動器，包括移動對象，其具有樞轉軸，該樞轉軸能繞其軸線進行旋轉；磁軛，該磁軛固定於所述軸上；和至少一個平板狀的永磁體，所述永磁體繞所述軸的軸線緊鄰所述磁軛連接並且沿其厚度方向被磁化；以及管狀定子，其具有線圈，該線圈繞所述軸的軸線纏繞，以圍繞所述移動對象；以及固定磁軛，所述固定磁軛由磁性材料製成，並在垂直於所述軸的軸線的方向上以預定間隙設置成面向所述磁軛和永磁體的最外周部分；並且通過向所述線圈供應交變電流，而以轉動驅動的方式繞所述軸的軸線在預定的角度範圍內驅動所述移動對象。
2.如權利要求1所述的轉動驅動致動器，其特徵在於，所述平板狀的永磁體設置在繞所述軸的軸線的多於兩個的位置處，並且連接成使各所述平板狀永磁體的極性相同。
3.如權利要求1所述的轉動驅動致動器，其特徵在於，所述磁軛為大致的管狀體，其被壓配合併固定到所述軸上，並且在所述磁軛的外表面上具有至少一個與所述軸的軸向平行的槽，所述永磁體安裝到所述槽上。
4.如權利要求1所述的轉動驅動致動器，其特徵在於，還包括彈簧構件，用於將所述移動對象的旋轉角度限制在一預定範圍內。
5.如權利要求4所述的轉動驅動致動器，其特徵在於，還包括旋轉限制結構，當從外部施加使移動對象繞所述軸的軸線旋轉的力超過允許範圍時，其用於機械地阻止所述移動構件的旋轉。
6.如權利要求1所述的轉動驅動致動器，其特徵在於，所述固定磁軛沿所述軸的軸向設置在線圈架的兩側上，所述線圈繞所述線圈架纏繞，並且一個固定磁軛的磁極與另一個固定磁軛的磁極繞所述軸的軸線的位置並不一致。
7.如權利要求6所述的轉動驅動致動器，其特徵在於，在所述定子的至少一個固定磁軛上設置的磁極被定位成，在未對所述線圈供應電流的初始狀態下面向所述平板狀永磁體與所述移動對象的磁軛之間的接觸位置。
8.如權利要求6所述的轉動驅動致動器，其特徵在於，在所述線圈架的、沿所述軸的軸向的端面上設置有固定磁軛定位部分，其用於將所述固定磁軛相對於所述線圈架繞所述軸的軸線進行定位。
9.如權利要求1所述的轉動驅動致動器，其特徵在於，還包括彈簧構件，其繞所述軸的軸線可旋轉地支撐所述移動對象；以及減震心軸，其由所述彈簧構件沿著所述軸向並圍繞所述軸的軸線支撐；所述移動對象和所述彈簧構件構成所述轉動驅動的振動系統；所述減震心軸的重心位置設置在所述軸的軸線上；並且當繞所述軸的軸線轉動驅動所述移動對象時，所述減震心軸繞所述軸的軸線被反相地旋轉驅動。
10.如權利要求9所述的轉動驅動致動器，其特徵在於，沿垂直於所述軸的軸線的方向在所述減震心軸和所述移動對象之間設置有間隙。
11.如權利要求9所述的轉動驅動致動器，其特徵在於，所速減震心軸的轉動慣量被設置成大於所述移動對象被旋轉驅動時的轉動慣量。
12.如權利要求1所述的轉動驅動致動器，其特徵在於，還包括彈簧構件，用於繞所述軸的軸線可旋轉地支撐所述移動對象；所述移動對象和所述彈簧構件構成所述轉動驅動的振動系統；並且通過向所述線圈提供頻率等於或接近所述振動系統的共振頻率的交變電流而以轉動驅動的方式驅動所述移動對象。
13.如權利要求1所述的轉動驅動致動器，其特徵在於，還包括彈簧構件，其用於繞所述軸的軸線可旋轉地支撐所述移動對象；所述移動對象和所述彈簧構件構成所述轉動驅動的振動系統；並且通過向所述線圈提供頻率接近或低於所述振動系統的共振頻率的交變電流而以轉動驅動的方式驅動所述移動對象。
14.如權利要求1所述的轉動驅動致動器，其特徵在於，還包括彈簧構件，其用於繞所述軸的軸線可旋轉地支撐所述移動對象；所述移動對象和所述彈簧構件構成所述轉動驅動的振動系統；並且通過向所述線圈提供頻率接近或高於所述振動系統的共振頻率的交變電流而以轉動驅動的方式驅動所述移動對象。
15.如權利要求1所述的轉動驅動致動器，其特徵在於，還包括大致呈管狀的保護罩，所述定子固定在所述保護罩的內周面上；在所述固定磁軛的外周面上平行於所述軸的軸線設置有外凸或內凹狀的接合部分；並且在所述保護罩的內周面上設置有內凹或外凸狀的旋轉限制部分，以與所述固定磁軛的所述接合部分接合，從而限制所述固定磁軛繞所述軸的軸線的旋轉。
16.一種電動牙刷，包括牙刷本體，其前端處植有刷毛；轉動驅動致動器，其用於沿預定方向轉動驅動所述牙刷本體；電源，其用於向所述轉動驅動致動器供應電能；以及驅動電路，其用於向所述轉動驅動致動器供應驅動電流；其特徵在於所述轉動驅動致動器包括移動對象，其具有樞轉軸，該樞轉軸能繞其軸線進行旋轉；磁軛，該磁軛固定於所述軸上；和至少一個平板狀的永磁體，所述永磁體繞所述軸的軸線緊鄰所述磁軛連接，並且沿其厚度方向被磁化；以及管狀定子，其具有線圈，該線圈繞所述軸的軸線纏繞，以圍繞所述移動對象；和固定磁軛，所述固定磁軛由磁性材料製成，並在垂直於所述軸的軸線的方向上以預定間隙被設置成面向所述磁軛和所述永磁體的最外周部分；並且通過向所述線圈供應交變電流，而以轉動驅動的方式繞所述軸的軸線在預定角度範圍內驅動所述移動對象。
全文摘要
在用作電動牙刷的驅動源的轉動驅動致動器中，永磁體形成為平板狀，且通過將所述永磁體安裝到形成於磁軛的外周面上的槽而構成移動對象，其中該磁軛壓配合併固定到軸上。另一方面，由圍繞線圈架纏繞的線圈以及沿該軸的軸向設置在線圈架兩側的固定磁軛構成的管狀定子被設置成以一預定間隙與移動對象的永磁體的外表面或者磁軛的外表面相對，以使其中心軸線與該軸的中心軸線同軸。通過給線圈供應交變電流，使移動對象以圍繞所述軸的軸線轉動驅動的方式被驅動。
文檔編號H02K33/16GK1792023SQ20048001337
公開日2006年6月21日 申請日期2004年5月14日 優先權日2003年5月16日
發明者清水宏明, 本橋良, 藪內英一, 西中孝宏, 平田勝弘, 長谷川佑也 申請人:松下電工株式會社