(57)【要約】【課題】  部品点数を減らし、径を小さくできて小型化が実現できる往復回転駆動をするアクチュエータを提供する。【解決手段】  シャフト１の軸方向と交差する方向に着磁されている永久磁石２と、コイル４の軸方向の両側に設けたヨーク５と、軸方向の両側のヨーク５の内周面から可動子３側に向けてそれぞれ永久磁石２と対向するように突設した磁極部７とを備え、永久磁石２はシャフト１の軸方向に延びる板形状に形成され、永久磁石の固定子側の面に軸方向の両側の磁極部に同時に対向できる磁性補助部材１２を設けた。コイル４に電流を印加した時の一方のヨーク５ａに設けた磁極部７の磁極と、これに対応する永久磁石２の外面側の磁極との反発、吸引の磁気的関係と、他方のヨーク５ｂに設けた磁極部７の磁極と、これに対応する永久磁石２の外面側の磁極との反発、吸引の磁気的関係とが同じとなるように磁極部７と、永久磁石２の外面の磁極との位置関係を設定した。【選択図】 図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャフトに磁性体を介して永久磁石を設けてなる可動子を、該可動子を囲むように周方向に巻回されたコイルと筒状の磁性体よりなるヨークとを備えた固定子内に回動自在に支持し、コイルに電流を印加して可動子をシャフトを中心として所定角度で往復回転運動させるようにしたアクチュエータであって、前記ヨークはコイルの軸方向の両側に設けられると共に軸方向の両側のヨークの内周面から可動子側に向けて互いに異なる位置で回転方向に周期的に磁極部が突設され、前記永久磁石はシャフトの軸方向に直交する方向に着磁された軸方向に延びる板状に形成されて前記磁性体の表面に設けられるアクチュエータにおいて、前記永久磁石の固定子側の面に軸方向の両側の磁極部に同時に対向できる磁性補助部材を設けたことを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記磁性補助部材は前記永久磁石の固定子側の全面を覆うように設けられ、前記磁性体と前記磁性補助部材とでなる前記可動子の外側面と前記磁極部の内側面とがシャフトを中心とする同心円を形成することを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明はアクチュエータに関し、例えば、手持ち商品に使用されるものであって、所定角度範囲で正逆回転して往復回転駆動を行うのに好適なアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、所定角度範囲で正逆回転して往復回転駆動を行うアクチュエータとして、例えば、特許文献１に開示されるようなものが知られている。
【０００３】
この特許文献１に示された従来例となるアクチュエータは、シャフトに永久磁石を設けてなる可動子と、この可動子を囲むように回動自在に支持する周方向に巻回されるコイルと筒状の磁性体よりなるヨーク体とを備えた固定子と、で構成されている。そして、コイルに交番電流を印加することで、シャフトを中心として可動子を所定角度で往復回転運動させるものである。ヨーク体を構成するヨークはコイルの軸方向の両側に設けられ、これら両側のヨークは磁性体で磁気的に接続される。
【０００４】
可動子は、シャフトの外周部に永久磁石を設けることで構成されている。そして、磁気抵抗を減らし、磁束量を増やしてトルクを上げ、高効率で高トルクな回転駆動を可能とすることを目的として、永久磁石を設けるシャフトを磁性体により構成している。この可動子は、回転方向に自在に回転できるように筒状をしたシールドケースの軸方向の両端部に設けた軸受け部にシャフトを回転自在に軸支させることで保持されている。また、この可動子は、シールドケース内において固定子内に所定のギャップを隔てて挿通されている。また、可動子は永久磁石を設けた部分の軸方向における両側をばね等の弾性体により連結している。そして、可動子と弾性体とで、シャフトを中心とする往復回転運動の振動系を構成している。
【０００５】
この特許文献１に開示されたような構成のアクチュエータでは、シャフトの外周部に永久磁石と磁性体が設けられると共に磁性体の外面部と永久磁石の外面部とは軸周り方向に併設され、かつ、永久磁石はその外面が固定子に対面していた。
【特許文献１】特開２００４−３４３９３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１に開示されたようなアクチュエータにおいては、図５に示すように、板状の永久磁石２１の個数を半分に減らした場合、固定子６１の磁極部７１と可動子３１との距離Ｌが大きくなり、その分磁気抵抗が高くなって、トルクが大幅に減少してしまうという問題点がある。
【０００７】
本願発明は、上記の問題を解決するためになされたもので、永久磁石の使用個数を減らしても、性能が劣ることなく回転可能なアクチュエータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明のアクチュエータは、シャフトに磁性体を介して永久磁石を設けてなる可動子を、該可動子を囲むように周方向に巻回されたコイルと筒状の磁性体よりなるヨークとを備えた固定子内に回動自在に支持し、コイルに電流を印加して可動子をシャフトを中心として所定角度で往復回転運動させるようにしたアクチュエータであって、前記ヨークはコイルの軸方向の両側に設けられると共に軸方向の両側のヨークの内周面から可動子側に向けて互いに異なる位置で回転方向に周期的に磁極部が突設され、前記永久磁石はシャフトの軸方向に直交する方向に着磁された軸方向に延びる板状に形成されて前記磁性体の表面に設けられるアクチュエータにおいて、前記永久磁石の固定子側の面に軸方向の両側の磁極部に同時に対向できる磁性補助部材を設けたことを特徴とする。
【０００９】
本願請求項２に記載の発明に係るアクチュエータは、請求項１に記載の発明の構成において、前記磁性補助部材は前記永久磁石の固定子側の全面を覆うように設けられ、前記磁性体と前記磁性補助部材とでなる前記可動子の外側面と前記磁極部の内側面とがシャフトを中心とする同心円を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本願請求項１に記載の発明に係るアクチュエータによれば、シャフトに磁性体を介して永久磁石を設けてなる可動子の同永久磁石が、シャフトの軸方向に直交する方向に着磁された軸方向に延びる板状に形成されており、この永久磁石の固定子側の面に、軸方向の両側の磁極部に同時に対向できる磁性補助部材を設けている。この場合、板状の永久磁石を用いるので、作製しやすくてコストを低減できる。また、磁性補助部材を用いるので、永久磁石と磁極部との間での空隙を小さくでき、永久磁石N極→磁性補助部材→空隙→磁極部→空隙→磁性補助部材→永久磁石S極の磁気回路の磁気抵抗を小さくできてトルクを向上できる。その結果、往復回転駆動をするアクチュエータの固定子と可動子との距離を小さくでき、性能を劣らせることなく板状の永久磁石の使用個数を減らすことができ、径を小さくできて小型化を実現できる。
【００１１】
本願請求項２に記載の発明に係るアクチュエータによれば、請求項１記載の発明の効果に加えて、さらにトルクを向上できると共に、動作時に生じる空気の乱れを抑えて空気抵抗や風きり音を低減して、動特性を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本願発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。図１乃至図３は本願発明の一実施形態を示す図で、図１はそのアクチュエータの全体構造を示す軸方向と平行な方向での断面図、図２は同アクチュエータの要部を軸方向と平行な方向で破断した斜視図、図３はその動作原理を説明すための一部省略した軸方向と直行する方向での断面図である。
【００１３】
このアクチュエータは、シャフト１の外周部に磁性体８を介して永久磁石２を設け、その外面に磁性補助部材１２を設けて構成した可動子３と、コイル４の両側に配置されたヨーク５ａ、５ｂを備えた筒状の固定子６と、から構成されている。可動子３は軸周りに回転自在に支持され、固定子６は可動子３が軸周りに回動自在に挿通されるように筒状をしている。この筒状をした固定子６を、筒状をした磁性体材料よりなるシールドケース９内に内装して、外観形状を概略柱状にしている。
【００１４】
固定子６では、コイルボビン１０にコイル４を巻装すると共に該コイルボビン１０の両側（図１で上下）に内径がコイルボビン１０よりも小径となった筒状のヨーク５（ヨーク５ａ、ヨーク５ｂ）を設け、両側のヨーク５ａ、５ｂを磁性体１１で磁気的に接続し、両側のヨーク５ａ、５ｂの内周部からそれぞれ複数の磁極部７、７ａを可動子３側に向けて突出するように構成している。
【００１５】
可動子３では、シャフト１を磁性体により構成し、磁気抵抗を減らし、磁束量を増やしてトルクを上げ、高効率、高トルクな回転駆動を可能としている。そして、シャフト１に磁性体８を設け、シャフト１に平行に永久磁石２を磁性体８に埋め込んで設けている。この場合、磁性体８はシャフト１を取り巻くような略円柱状に形成され、同磁性体８の外周部でシャフト１を中心とした軸対称位置に板状の永久磁石２が配置埋設されている。
【００１６】
また、永久磁石２は長方形の平板状をなし、シャフト１の軸周りに複数個（この例では２個）が軸対称に設けてある。各永久磁石２はいずれもシャフト１の軸方向と交差する方向の外面と内面とが図２、図３に示すように異極となるように着磁されており、しかも、全ての永久磁石２の外面の磁極は同極となっている。つまり、軸周り方向にＮ極又はＳ極の一極のみが外周面側になるように着磁してある。このように、シャフト１の外周部に磁性体８を介して永久磁石２を設けると共に、磁性補助部材１２を設けて可動子３を構成している。
【００１７】
また、可動子３では、磁束量を増やしてトルクを上げ、高効率、高トルクな回転駆動を可能とするように、希土類の永久磁石２を用いている。そして、可動子３は、筒状をしたシールドケース９内において、固定子６内に所定のギャップを隔てて挿通されている。また、可動子３は回転方向に自在に回転できるように、筒状をしたシールドケース９の軸方向の両端部に設けた軸受け部１４にそのシャフト１が回転自在に軸支されることで保持されている。また、可動子３は永久磁石２を設けた部分の軸方向における両側をばね等の弾性体１３により連結してあり、同可動子３と弾性体１３とでシャフト１を中心とする往復回転運動の振動系を構成している。
【００１８】
固定子６は筒状（この例では円筒状）をなし、筒状をした磁性体よりなるシールドケース９内に内装している。そして、固定子６は、コイルボビン１０にコイル４を巻装すると共に、該コイルボビン１０の両側に内径がコイルボビン１０よりも小径となった筒状（輪状）をしたヨーク５（ヨーク５ａ、ヨーク５ｂ）と、このヨーク５ａ、５ｂの内周部から可動子３側に向けて突出する複数の磁極部７、７ａと磁性体１１等で構成されている。
【００１９】
複数の磁極部７、７ａは、磁性体よりなるシャフト１の軸方向に間隔を隔てた位置からそれぞれ上記コイル４の軸方向の両側に設けた永久磁石２とそれぞれ対向するように突設されている。そして、各磁極部７、７ａは、それぞれ両側のヨーク５ａ、５ｂの内周部から可動子３側に向けて突出し、両側のヨーク５ａ、５ｂを磁性体１１で磁気的に接続している。本実施形態において、固定子６を構成する磁極部７、７ａは、ヨーク５ａ、５ｂの内周からそれぞれ軸周り方向に１８０°の間隔を隔てて２つずつ配置突設されているが、本願発明において、磁極部７、７ａの数はこれに限られるものでないことは勿論である。
【００２０】
ここで、両ヨーク５ａ、５ｂに設けた磁極部７、７ａと、これら磁極部７、７ａと対向する永久磁石２の外面の磁極との関係は、次のように設定されている。すなわち、コイル４に電流を流した場合に、一方のヨーク５ａに設けた磁極部７の磁極とこれと対向する可動子３の永久磁石２外面側の磁極との反発、吸引の磁気的関係と、他方のヨーク５ｂに設けた磁極部７ａの磁極とこれと対向する可動子３の永久磁石２外面側の磁極との反発、吸引の磁気的関係と、が逆となって同方向への回転トルクが発生するように、両側のヨーク５ａ、５ｂに設けた磁極部７、７ａの軸周り方向の位置と、永久磁石２の外面の磁極との位置関係を設定している。
【００２１】
つまり、一方のヨーク５ａに設けた磁極部７の磁極と、これと対向する可動子３の永久磁石２に設けられる磁性補助部材１２の外面側の磁極との反発、吸引の磁気的関係により可動子３を軸周り回転させるトルクを発生させる際、他方のヨーク５ｂに設けた磁極部７ａの磁極と、これと対向する可動子３の永久磁石２に設けられる磁性補助部材１２の外面側の磁極との反発、吸引の磁気的関係により可動子３を上記と同方向に回転させるトルクを発生させるように、両側のヨーク５ａ、５ｂに設けた磁極部７、７ａと、これにそれぞれ対向する永久磁石２との磁気的関係を設定している。
【００２２】
なお、ヨーク５ａ、５ｂを磁性体よりなるシールドケース９により磁気的に接続して両側のヨーク５ａ、５ｂとシールドケース９とで一つのヨーク体を形成してもよく、あるいは、両側のヨーク５ａ、５ｂと磁性体１１とが一体化されて一体のヨーク体を構成してもよい。
【００２３】
次に、本実施形態の動作原理を説明する。コイル４に一方向の電流を流すとその軸方向の一方のヨーク５ａに設けた磁極部７と、同軸方向の他方のヨーク５ｂに設けた磁極部７ａとに異なる極が発生する。例えば、軸方向の一方のヨーク５ａに設けた磁極部７にＮ極が生じ、他方側に位置するヨーク５ｂに設けた磁極部７ａにＳ極が生じたとすると、コイル４の両側の両ヨーク５ａ、５ｂにそれぞれ設けた磁極部７、７ａと可動子３の永久磁石２との間には、それぞれ時計回りのトルクが生じて、可動子３は時計回りに回転する。また、コイル４に他方向の電流を流すとその軸方向の一方のヨーク５ａに設けた磁極部７と、同軸方向の他方のヨーク５ｂに設けた磁極部７ａとに異なる極が発生し、コイル４の両側の両ヨーク５ａ、５ｂにそれぞれ設けた磁極部７、７ａと可動子３の永久磁石２との間には、それぞれ上記とは逆の反時計回りのトルクが生じて、可動子３は反時計回りに回転する。
【００２４】
したがって、コイル４に交番電流を流すことによって、可動子３を所定角度でシャフト１を中心として往復回転運動させることができるものである。なお、その際、永久磁石２→磁性補助部材１２→空隙→磁極部７（７ａ）→空隙→磁性補助部材１２→永久磁石２の磁気回路が形成され、ここでは、磁性補助部材１２を用いているので、永久磁石２と磁極部７（７ａ）との間における前記空隙を小さくすることができ、同磁気回路の磁気抵抗を小さくすることができてトルクを向上させ得るものである。また、磁気回路はシャフト１の軸方向に沿って長い内外略楕円状に形成され、この磁気回路が同軸方向に対して傾斜した状態から平行な状態へとその経路を短くしようと作用することで、上記回転トルクが発生するものである。
【００２５】
上記実施形態においては、板状の永久磁石２の外面に軸と平行に長方形で平板状の磁性補助部材１２を接着している。磁性補助部材１２の外面部が永久磁石２の外面部の磁極と同じ磁極となって磁石として機能して軸周りに異なる磁極が存在することになり、板状の永久磁石２を使用しても、磁極部７（７ａ）と永久磁石２との空隙を実質的には小さくしたことになる。したがって、高価な永久磁石２の寸法及び使用数量を従来のものに比べて減らすことができて、低コストのアクチュエータを実現できるものである。更に、起磁力側から見た磁気抵抗を低下することができる。
【００２６】
次に、本願発明の他の実施形態を図４により説明する。全体としての構成は上記実施形態と共通するので、同一の作用をする部分については、同一の符号を付して詳細な説明を省略する。
【００２７】
上記実施形態では、永久磁石２が長方形の平板状で、その固定子６側の面に同じく長方形で少し小さな平板状の磁性補助部材１２を設け、可動子３と固定子６とを通る磁路の磁気抵抗を減らすようにしている。しかしながら、上記実施形態においては、磁性補助部材１２と固定子６との間で空隙の大きい部分が存在するので、磁気抵抗を充分に減らしているとはいえず、寸法をより小さくする余地がある。
【００２８】
そこで、本実施形態では、断面形状が円弧状の磁性補助部材１２ａを永久磁石２の外面に設け、その外面を円弧状にすることで、空隙の層の厚みを略一定にすると共により小さくしている。これにより、磁路の磁気抵抗を一層減らすことができ、さらにトルクを向上できると共に、動作時に生じる空気の乱れを抑えて空気抵抗や風きり音を低減して、動特性を向上させることができる。
【００２９】
すなわち、図４に示すように、このアクチュエータも可動子３と筒状の固定子６とから構成されており、その可動子３では、シャフト（図示してない）の外周部に磁性部材８を設け、磁性部材８に永久磁石２を軸と平行に軸対称に２個埋め込んで接着し、さらに永久磁石２の外面に磁性補助部材１２ａを設けている。また、固定子６は、図示してないコイルの両側に配置されたヨークを備えた筒状に構成されている。可動子３は軸周りに回転自在に支持されており、固定子６内には同可動子３が軸周りに回動自在に挿通されている。
【００３０】
磁性補助部材１２ａは、断面形状が円弧状に形成され、永久磁石２の外面に接着されて可動子３を構成し、固定子６の内周面と同心に配置されるようになっている。この場合には、固定子６の磁極部７（７ａ）と可動子３との間の空隙部をより小さくできるので、磁気抵抗を減らすことができて寸法をさらに小さくできる。また、高価な永久磁石を小さくできると共に、板状のものを使用することができる。しかも、空隙の厚さを一定にできるので、空気抵抗や風きり音を低減して、動特性をより向上させることができる。
【００３１】
本実施形態の動作原理は、上記実施形態と同様であるので、ここではその説明を省略する。なお、上記二つの実施形態においては、磁極部をシャフトの軸方向に間隔を隔てた位置から突設するものであったが、本願発明では、それに限られるものでないことは勿論であり、例えば、磁極部がコイルと可動子との間に介在されない構成としてもよい。この構成により、既に述べたコイルと可動子の永久磁石との間に磁極部となる磁極歯部を配置する従来例に比べてアクチュエータの径を小さくでき、したがって、アクチュエータの小径化、小型化が図れるものである。
【００３２】
また、磁極部がシャフトの軸方向に間隔を隔てた位置からそれぞれ上記コイルの軸方向の両側に設けた永久磁石とそれぞれ対向するようにシャフトから突設していると、シャフトから遠い所で力が発生する対向面積を広く取れて大きなトルクを発生させることができる。そして、本願発明のアクチュエータは、電動歯ブラシ等の各種電気機器、特に、手持ちの商品に適用実施されると、把持部の径を小さくできて、使い勝手が良いものとして好適となる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本願発明のアクチュエータの全体構造を示す軸方向と平行な方向での断面図である。
【図２】同上のアクチュエータの要部を軸方向と平行な方向で破断した斜視図である。
【図３】同上の動作原理を説明するため一方のヨークに設けた磁極部と可動子の永久磁石との関係を示す一部省略した軸方向と直行する方向での断面図である。
【図４】他の実施形態であるアクチュエータの一方のヨークに設けた磁極部と可動子の永久磁石との関係を示す一部省略した軸方向と直行する方向での断面図である。
【図５】従来例であるアクチュエータの一方のヨークに設けた磁極部と可動子の永久磁石との関係を示す軸方向と直行する方向での断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
１   シャフト
２   永久磁石
３   可動子
４   コイル
５、５a   ヨーク
６   固定子
７   磁極部
８   磁性体
１２、１２ａ   磁性補助部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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