(57)【要約】【課題】ローリング駆動リニアアクチュエータの低コスト化、小型化及び組み立て性の向上を実現し、低コストで小型の電動歯ブラシを提供すること。【解決手段】軸周り方向Ａに回転自在に支持されたシャフト３に平板状永久磁石４とヨーク５とを装着して可動子６を構成し、可動子６を囲む巻線７とステータ９とを備えた筒状をした固定子１０内に上記可動子６を回転自在に挿通し、巻線７に電流を印加して可動子６を所定角度で往復ローリング運動させるローリング駆動リニアアクチュエータ２である。平板状永久磁石４とヨーク５とが周方向に隣接配置され、平板状永久磁石４はシャフト３の軸方向Ｂと交差する方向の外面４ａと内面４ｂとが異極となるように着磁され、ステータ９に設けた磁極子１１が平板状永久磁石４の外面４ａ或いはヨーク５の外面５ａと対向している。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸周り方向に回転自在に支持されたシャフトに平板状永久磁石とヨークとを装着して可動子を構成し、該可動子を囲むように周方向に巻回された巻線と磁性体からなるステータとを備えた筒状をした固定子内に上記可動子を回転自在に挿通すると共に、巻線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ローリング運動させるようにしたローリング駆動リニアアクチュエータであって、上記平板状永久磁石とヨークとが周方向に隣接配置され、平板状永久磁石はシャフトの軸方向と交差する方向の外面と内面とが異極となるように着磁されており、ステータに設けた磁極子が平板状永久磁石の外面或いはヨークの外面に対向することを特徴とするローリング駆動リニアアクチュエータ。
【請求項２】
上記平板状永久磁石が周方向に２個以上設けられ、各平板状永久磁石の外面が同極となっていることを特徴とする請求項１記載のローリング駆動リニアアクチュエータ。
【請求項３】
上記可動子の回転角度を許容範囲内に規制するためのばね部材と、外部から可動子を軸周り方向に許容範囲以上に回転させる力がかかったときに可動子の回転を機械的に止めるためのストッパー手段とを備えていることを特徴とする請求項１記載のローリング駆動リニアアクチュエータ。
【請求項４】
上記ステータは、巻線が巻回される巻線ボビンの軸方向の両側に設けられていると共に、一方のステータの磁極子の位置と他方のステータの磁極子の位置とを可動子の軸周り方向において不一致としたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のローリング駆動リニアアクチュエータ。
【請求項５】
上記可動子の回転初期において、少なくとも一方のステータに設けた磁極子が平板状永久磁石とヨークとの接点に対向して位置していることを特徴とする請求項４記載のローリング駆動リニアアクチュエータ。
【請求項６】
上記巻線が巻回される巻線ボビンの軸方向の側面に、ステータを巻線ボビンに対して軸周り方向に位置決めするためのステータ位置決め部を設けたことを特徴とする請求項４又は請求項５記載のローリング駆動リニアアクチュエータ。
【請求項７】
軸周り方向に所定角度で往復ローリング運動を行なう可動子と、該可動子を軸周り方向に支持するばね部材とでローリング駆動の振動系を構成し、この振動系に吸振錘を設け、吸振錘の重心位置を可動子の回転軸線と同軸上に配置すると共に、可動子の回転時に可動子と吸振錘とが軸周り方向に逆位相で回転駆動されるように構成したことを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のローリング駆動リニアアクチュエータ。
【請求項８】
上記吸振錘と可動子との間に、シャフトの軸方向と交差する方向に隙間を設けたことを特徴とする請求項７記載のローリング駆動リニアアクチュエータ。
【請求項９】
上記可動子の回転時に吸振錘の慣性モーメントが可動子の慣性モーメントよりも大きくなるように設定したことを特徴とする請求項７又は請求項８記載のローリング駆動リニアアクチュエータ。
【請求項１０】
軸周り方向に所定角度で往復ローリング運動を行なう可動子と、該可動子を軸周り方向に支持するばね部材とでローリング駆動の振動系を構成し、巻線に電流を印加することで上記可動子をその共振周波数よりも低い周波数でローリング駆動する場合又は上記共振周波数よりも高い周波数でローリング駆動する場合のいずれか一方を選択的に設定可能であることを特徴とする請求項１記載のローリング駆動リニアアクチュエータ。
【請求項１１】
上記ステータの外周部に凸又は凹形状の嵌合部を設け、アクチュエータの外郭を形成するシールドケースの内面に、該嵌合部に嵌合してステータの軸周り方向の回転を規制するための凹又は凸形状の回転規制部を設けたことを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載のローリング駆動リニアアクチュエータ。
【請求項１２】
請求項１乃至請求項１１のいずれかに記載のローリング駆動リニアアクチュエータを駆動源とし、該ローリング駆動リニアアクチュエータのシャフトにより駆動される歯磨き用ブラシを備えていることを特徴とする電動歯ブラシ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ローリング駆動リニアアクチュエータ及びそれを用いた電動歯ブラシに関し、詳しくは軸周り方向の小角度の往復ローリング運動を取り出すことができるローリング駆動リニアアクチュエータ、及び、歯磨き用ブラシに軸周り方向の往復ローリング運動を行わせることができる電動歯ブラシに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、モータの駆動力を伝動機構を介してバス磨きのための軸方向の往復直線運動を歯磨き用ブラシに行わせることができるリニアアクチュエータを備えた電動歯ブラシが知られている（例えば、特許文献１参照）。このリニアアクチュエータは、シャフトに磁性体からなるプランジャーを取り付けて可動子が構成され、シールドケースの内面に固定される筒状の巻線と、巻線の巻線ボビンの軸方向両側に配置される筒状をした大径の永久磁石と、筒状のヨークとで、筒状をした固定子が構成され、巻線に交番電流を印加することで、可動子が軸方向の往復動を行なうものである。
【０００３】
他の従来例として、機械的な運動変換機構を用いて、軸方向の往復動と軸周り方向の往復ローリング運動とを選択的に行なわせることが可能な電動歯ブラシが知られている（例えば、特許文献２参照）。この電動歯ブラシでは、モータの正逆の軸周り方向の切り換えによって、運動変換機構を介して軸方向の往復動と軸周り方向の往復ローリング運動の２動作を行わせるものである。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−１７６７５８号公報
【特許文献２】
特開平９−１７３３６０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前者のリニアアクチュエータにあっては、単独で往復ローリング運動を行なうことができないものであり、しかも、筒状の永久磁石をシールドケースの内面に沿って配設しているため、筒状の永久磁石が大型化し、リニアアクチュエータの小型化を図ることが困難であるという問題点があり、また、高価な永久磁石の大型化によってリニアアクチュエータのコストアップを招くという問題点があり、さらに、従来では瓦状の永久磁石を複数組み合わせて筒状の永久磁石を形成しているため、筒状の永久磁石の製作に手間がかかるという問題点もあった。
【０００６】
また後者の機械的な運動変換機構を利用した電動歯ブラシにあっては、軸方向の往復動と軸周り方向の往復ローリング運動との動作を切り替えるための運動変換機構の機械的な仕組みが複雑化し、これに伴い電動歯ブラシが大型化し、組み立てが困難となり、コストアップを招くという問題点があった。
【０００７】
本発明は、上記の従来例の問題点に鑑みて発明したものであって、その目的とするところは、低コスト化、小型化及び組み立て性の向上を図ることができるローリング駆動リニアアクチュエータを提供することにあり、さらに低コストで小型の電動歯ブラシを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明に係るローリング駆動リニアアクチュエータは、軸周り方向Ａに回転自在に支持されたシャフト３に平板状永久磁石４とヨーク５とを装着して可動子６を構成し、該可動子６を囲むように周方向に巻回された巻線７と磁性体からなるステータ９とを備えた筒状をした固定子１０内に上記可動子６を回転自在に挿通すると共に、巻線７に電流を印加して可動子６をシャフト３を中心として所定角度で往復ローリング運動させるようにしたローリング駆動リニアアクチュエータ２であって、上記平板状永久磁石４とヨーク５とが周方向に隣接配置され、平板状永久磁石４はシャフト３の軸方向Ｂと交差する方向の外面４ａと内面４ｂとが異極となるように着磁されており、ステータ９に設けた磁極子１１が平板状永久磁石４の外面４ａ或いはヨーク５の外面５ａに対向することを特徴とするものである。
【０００９】
このように、平板状永久磁石４をシャフト３に装着することで、従来のように筒状の永久磁石をシールドケースの内面に配設した場合と比較して、平板状永久磁石４の内径及び外径が小さくなって平板状永久磁石４の体積が小さくなり、平板状永久磁石４のコストが安くなる。また、平板状永久磁石４の外面４ａと内面４ｂとを結ぶ方向に着磁を行なうことで、平板状永久磁石４の外面４ａとヨーク５の外面５ａとが異極となり、平板状永久磁石４の磁束をヨーク５に通しやすくすることができ、平板状永久磁石４の磁束を効率良く使うことができる。さらに、従来の機械的な運動変換機構を利用したものと比較して、ローリング駆動リニアアクチュエータ２の組み立て性が向上するものである。
【００１０】
また、上記平板状永久磁石４が周方向に２個以上設けられ、各平板状永久磁石４の外面４ａが同極となっているのが好ましい。
【００１１】
このような構成とすることで、各平板状永久磁石４の外面４ａがすべて同極となり、ステータ９の磁極子１１と対向する平板状永久磁石４の数を増やすことができ、大きな出力を取り出すことができる。
【００１２】
また、上記可動子６の回転角度を許容範囲内に規制するためのばね部材１３と、外部から可動子６を軸周り方向Ａに許容範囲以上に回転させる力がかかったときに可動子６の回転を機械的に止めるためのストッパー手段１４とを備えているのが好ましい。
【００１３】
このような構成とすることで、ばね部材１３によって、可動子６を軸周り方向Ａに許容範囲内で回転可能な状態で保持できると共に、可動子６の軸周り方向Ａの回転動作に伴ってバネ力が蓄積されることで、可動子６の回転角度を許容範囲内に規制することができる。また、シャフト３が外力によって許容範囲以上に回転するのをストッパー手段１４によって機械的に規制できるようになるので、外力によって可動子６が許容範囲以上に回転をするのを確実に止めることができ、シャフト３に対して強い外的付加荷重や衝撃荷重等がかかった場合でも、往復ローリング運動の信頼性を確保できるものである。
【００１４】
また、上記ステータ９は、巻線７が巻回される巻線ボビン８の軸方向Ｂの両側に設けられていると共に、一方のステータ９の磁極子１１ａの位置と他方のステータ９の磁極子１１ｂの位置とを可動子６の軸周り方向Ａにおいて不一致とするのが好ましい。
【００１５】
このような構成とすることで、ステータ９の数が増え、磁極子１１ａ、１１ｂの数を増やすことができるので、可動子６の回転トルクを上昇させることができる。また、一方のステータ９の磁極子１１ａの位置と他方のステータ９の磁極子１１ｂの位置を可動子６の軸周り方向Ａにおいて一致させないことで、巻線７に一方向の電流を流したときは１つの平板状永久磁石４に対して軸周りの一方向Ａ１に向かって一方の磁極子１１ａからの磁気反発力と他方の磁極子１１ｂからの磁気吸引力とが同時に作用することで可動子６は軸周りの一方向Ａ１に大きな力で回転できるようになり、また巻線７に他方向の電流を流したときは当該１つの平板状永久磁石４に対して軸周りの他方向Ａ２に向かって一方の磁極子１１ａからの磁気吸引力と他方の磁極子１１ｂからの磁気反発力とが同時に作用することで可動子６は軸周りの他方向Ａ２に大きな力で回転できるようになり、結果、可動子６を大きな出力で往復ローリング運動させることが可能となる。
【００１６】
また、上記可動子６の回転初期において、ステータ９に設けた複数の磁極子１１ａ，１１ｂのうちの一方の磁極子１１ａが平板状永久磁石４とヨーク５との接点１５ａに対向して位置し、他方の磁極子１１ｂが平板状永久磁石４とヨーク５との別の接点１５ｂに対向して位置しているのが好ましい。
【００１７】
このような構成とすることで、可動子６の回転初期において、巻線７に一方向の電流を流すと平板状永久磁石４は一方のステータ９の磁極子１１ａからは磁気反発力を受け、同時に他方の磁極子１１ｂからは磁気吸引力を受けることで軸周りの一方向Ａ１に大きな力で回動できるようになり、巻線７に他方向の電流を流すと当該平板状永久磁石４は一方のステータ９の磁極子１１ａからは磁気吸引力を受け、同時に他方のステータ９の磁極子１１ｂからは磁気反発力を受けることで軸周りの他方向Ａ２に大きな力で回動できるようになり、従って、例えば交番電流を印加することで可動子６の初期の回転力が大となり、スムーズな往復ローリング運動を開始させることが可能となる。
【００１８】
また、上記巻線７が巻回される巻線ボビン８の軸方向Ｂの側面に、ステータ９を巻線ボビン８に対して軸周り方向Ａに位置決めするためのステータ位置決め部１６を設けるのが好ましい。
【００１９】
このような構成とすることで、ステータ位置決め部１６によってステータ９を巻線ボビン８に取り付けた状態で、ステータ９をシールドケース１２の内面に対して回り止め固定することで、巻線ボビン８をシールドケース１２に対して回り止め固定する必要がなく、組み立て性が向上する。
【００２０】
また、軸周り方向Ａに所定角度で往復ローリング運動を行なう可動子６と、該可動子６を軸周り方向Ａに支持するばね部材１３とでローリング駆動の振動系を構成し、この振動系に吸振錘１７を設け、吸振錘１７の重心位置Ｍを可動子６の回転軸線Ｄと同軸上に配置すると共に、可動子６の回転時に可動子６と吸振錘１７とが軸周り方向Ａに逆位相で回転駆動されるように構成するのが好ましい。
【００２１】
このような構成とすることで、ばね部材１３のばね定数及び可動子６の質量とで決定される共振周波数付近の電流を流すことで振動量（振幅量）を多く取ることができると共に、吸振錘１７は可動子６とは軸周り方向Ａに逆位相で回転するので、可動子６の回転をアシストできるようになり、大きな出力を得ることができる。
【００２２】
また、上記吸振錘１７と可動子６との間に、シャフト３の軸方向Ｂと交差する方向に隙間１８を設けるのが好ましい。
【００２３】
このような構成とすることで、隙間１８によって吸振錘１７が抵抗なくスムーズな動作で軸周り方向Ａに回転駆動可能となる。
【００２４】
また、上記可動子６の回転時に吸振錘１７の慣性モーメントが可動子６の慣性モーメントよりも大きくなるように設定するのが好ましい。
【００２５】
このような構成とすることで、吸振錘１７によって可動子６の回転のアシスト力を増大させることができ、出力を更に増加させることができる。
【００２６】
また軸周り方向Ａに所定角度で往復ローリング運動を行なう可動子６と、該可動子６を軸周り方向Ａに支持するばね部材１３とでローリング駆動の振動系を構成し、巻線７に電流を印加することで上記可動子６をその共振周波数よりも低い周波数でローリング駆動する場合又は上記共振周波数よりも高い周波数でローリング駆動する場合のいずれか一方を選択的に設定可能であるのが好ましい。
【００２７】
このような構成とすることで、共振周波数付近で且つ共振周波数よりも低い周波数でローリング駆動させる場合は、低電流で目的とする振幅で往復ローリング運動させることができ、特にアクチュエータの電源が電池の場合において、電池の長寿命化を図ることができる。一方、共振周波数付近で且つ共振周波数よりも高い周波数で往復ローリング運動させる場合は、高電流で目的とする振幅で往復ローリング運動させることができ、大きな出力を得ることができる。
【００２８】
また、上記ステータ９の外周部に凸又は凹形状の嵌合部１９を設け、アクチュエータの外郭を形成するシールドケース１２の内面に、該嵌合部１９に嵌合してステータ９の軸周り方向Ａの回転を規制するための凹又は凸形状の回転規制部２０を設けるのが好ましい。
【００２９】
このような構成とすることで、ステータ９の嵌合部１９をシールドケース１２の回転規制部２０に嵌め込むことで、ステータ９の軸周り方向Ａの回転をシールドケース１２によって簡単に規制できるようになり、組み立て性が向上する。
【００３０】
また、本発明に係る電動歯ブラシ１は、上記ローリング駆動リニアアクチュエータ２を駆動源とし、該ローリング駆動リニアアクチュエータ２のシャフト３により駆動される歯磨き用ブラシを備えていることを特徴としている。
【００３１】
このような構成とすることで、平板状永久磁石４をシャフト３に装着することで、従来のように筒状の永久磁石をシールドケース１２の内面に配設した場合と比較して、平板状永久磁石４の内径及び外径が小さくなって平板状永久磁石４の体積が小さくなり、平板状永久磁石４のコストが安くなる。また、平板状永久磁石４の外面４ａと内面４ｂとを結ぶ方向に着磁を行なうことで、平板状永久磁石４の外面４ａとヨーク５の外面５ａとが異極となり、平板状永久磁石４の磁束をヨーク５に通しやすくすることができ、平板状永久磁石４の磁束を効率良く使うことができる。さらに、従来の機械的な運動変換機構を利用したものと比較して、ローリング駆動リニアアクチュエータ２の組み立てが容易となり、かかるローリング駆動リニアアクチュエータ２を駆動源とする電動歯ブラシ１であるから、小型で且つ低コストの電動歯ブラシ１を得ることができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施形態に基づいて説明する。
【００３３】
図１には本発明のローリング駆動リニアアクチュエータ２の一実施形態が示してある。
【００３４】
筒状（実施形態では円筒状）をしたシールドケース１２内には、可動子６と、筒状の固定子１０とが内装してある。
【００３５】
先ず可動子６について説明する。図１（ａ）に示すように、シャフト３の軸方向Ｂの両端部がそれぞれ軸受け部２４ａ，２４ｂにて軸周り方向Ａに回転自在に支持されており、このシャフト３にヨーク５と平板状永久磁石４とを装着して可動子６が構成されている。本例では、シャフト３は非磁性体で構成されている。シャフト３を非磁性体とすることでシャフト３を通しての磁束漏れがなくなり、出力損失を防止できるものである。もちろん、シャフト３の強度を高めるために磁性体で形成されてもよい。ヨーク５は図４に示すように、シャフト３に対して圧入固定されている。ヨーク５は鉄材などの筒状の磁性体にて形成されており、その外周面には図５（ｂ）（ｃ）に示すように、円弧部分と直線部分とが連続する辺がｎ個（例えば４個）設けられている。なおｎは少なくとも１以上であればよい。ヨーク５の各辺の直線部分には底面が平坦なコ字状溝２５（図４）が設けられており、図５に示すように、各コ字状溝２５内に平板状永久磁石４を各々嵌め込むことで、平板状永久磁石４の外面４ａとヨーク５の外面５ａとが周方向に隣接配置された状態となり、この状態で各平板状永久磁石４の外面４ａがそれぞれ直線部分を形成し、平板状永久磁石４相互間におけるヨーク５の各外面５ａがそれぞれ円弧部分を形成している。
【００３６】
ここでは、平板状永久磁石４は、シャフト３の軸方向Ｂと交差する方向の外面４ａ（直線部分）と内面４ｂとが異極となるように着磁されている。つまり図５に示す４個の平板状永久磁石４の外面４ａがすべてＮ極である場合は、ヨーク５の各外面５ａ（円弧部分）はすべてＳ極となり、逆に、４個の平板状永久磁石４の外面４ａがすべてＳ極である場合は、ヨーク５の各外面５ａはすべてＮ極となる。
【００３７】
また、上記ヨーク５の軸方向Ｂ両側には、図１（ａ）に示すように、非磁性体からなる環状のばね受け部材２６がそれぞれ装着されている。ばね受け部材２６は後述するばね部材１３の端部を回り止め固定するものであり、図４に示すばね受け部材２６の片面に設けた複数の突起２７がヨーク５のコ字状溝２５の長手方向の端部に挿入されることによって、ばね受け部材２６はヨーク５に対して回り止め状態で装着されるようになっている。
【００３８】
一方、筒状をした固定子１０を説明する。シールドケース１２の内周面には、図５（ａ）に示すように、磁路を励磁するための巻線７が巻線ボビン８に巻回され、巻線ボビン８の軸方向Ｂ両側に筒状の磁性体からなるステータ９をそれぞれ配設することで、筒状をした固定子１０が構成されており、この固定子１０内に上記可動子６を所定のギャップを介して回転自在に挿通することで、ローリング駆動リニアアクチュエータ２の磁気回路が構成されている。
【００３９】
各ステータ９の内周部には、図５（ｂ）（ｃ）に示すように、可動子６の極（平板状永久磁石４の外面４ａ、ヨーク５の外面５ａ）と対向するようにｎ個以下の磁極子１１（例えば、４個）が設けられている。ここでは、図６に示すように、ステータ９の磁極子１１相互間は切欠されている。すなわち、シャフト３を鉄などの磁性体で形成した場合において、磁極子１１相互間を切欠することで、シャフト３への磁束漏れを少なくでき、平板状永久磁石４の持つ磁束をステータ９側で有効に使用できるものとなる。なお磁極子１１の数は少なくとも１個以上であればよいが、出力を高める場合は磁極子１１の数を平板状永久磁石４の数（４個）と同数まで増やすようにする。
【００４０】
ここで、図５（ａ）に示すように、ステータ９を巻線ボビン８の軸方向Ｂ両側に設ける場合において、図５（ｂ）に示す一方のステータ９の磁極子１１ａの位置と、図５（ｃ）に示す他方のステータ９の磁極子１１ｂの位置とを可動子６の軸周り方向Ａにおいて不一致としている。また本例では可動子６の回転初期において、一方のステータ９の磁極子１１ａが平板状永久磁石４の軸周り方向Ａの一端部とヨーク５との一方の接点１５ａに対向して位置し、他方のステータ９の磁極子１１ｂが当該平板状永久磁石４の軸周り方向Ａの他端部とヨーク５との他方の接点１５ｂに対向して位置するように設定してある。これにより、同一の平板状永久磁石４に対する一方のステータ９の磁極子１１ａとのギャップ、他方のステータ９の磁極子１１ｂとのギャップが略同じとなり、可動子６の往復ローリング運動が効率良く行なわれるようになる。すなわち、巻線７に一方向の電流を流すと平板状永久磁石４は一方のステータ９の磁極子１１ａからは磁気反発力を受け、同時に他方の磁極子１１ｂからは磁気吸引力を受けることで軸周りの一方向Ａ１に大きな力で回動できるようになり、巻線７に他方向の電流を流すと当該平板状永久磁石４は一方のステータ９の磁極子１１ａからは磁気吸引力を受け、同時に他方の磁極子１１ｂからは磁気反発力を受けることで軸周りの他方向Ａ２に大きな力で回動できるようになる。そのうえ、平板状永久磁石４の外面４ａとヨーク５の外面５ａとが周方向に隣接配置され、両者４ａ，４ｂは異極となっているため、磁極子１１ａ，１１ｂとヨーク５の外面５ａとの間でも可動子６を回転させる磁気力が発生する。
【００４１】
ここにおいて、上記極性の異なる平板状永久磁石４の外面４ａとヨーク５の外面５ａとが隣接配置され、磁極子１１と平板状永久磁石４との間に可動子６を回転させる磁気力が発生するだけでなく、磁極子１１とヨーク５の外面５ａとの間に発生する磁気力を利用して可動子６を回転させることができ、しかも、平板状永久磁石４の外面４ａは直線部分であるため、磁極子１１との対向面積を大きく確保でき、一方、ヨーク５の外面５ａは円弧部分であるため、磁極子１１との対向面積を大きく確保しながら磁極子１１とのギャップを小さくでき、これにより、巻線７に交番電流を印加することで可動子６は初期の回転力が大となり、スムーズな往復ローリング運動を開始させることが可能となる。
【００４２】
上記巻線７が巻回される巻線ボビン８の軸方向Ｂの側面には、図６に示すように、ステータ９を巻線ボビン８に対して軸周り方向Ａに位置決めするためのステータ位置決め部１６がそれぞれ設けられている。本例では、巻線ボビン８の軸方向Ｂの側面の周方向の複数箇所に、円弧状をした凸リブ状のステータ位置決め部１６が突設されており、ステータ９の複数箇所に該ステータ位置決め部１６が嵌合可能な円弧状をした位置決め凹所１１７が凹設されており、各位置決め凹所１１７に各ステータ位置決め部１６を横から嵌め込むようにしてステータ９を巻線ボビン８の軸方向Ｂ両側に取り付けた状態で、各ステータ９をシールドケース１２の内面に対して回り止め固定する。ここでは、図７に示すように、ステータ９の外周部にキー溝状の嵌合部１９を設け、シールドケース１２の内面に、該嵌合部１９に嵌合してステータ９の軸周り方向Ａの回転を規制するためのキー形状の回転規制部２０を設けてある。このように、ステータ９の嵌合部１９にシールドケース１２の回転規制部２０を嵌め込むようにすることで、ステータ９の軸周り方向Ａの回転をシールドケース１２によって簡単に規制できるようになり、シールドケース１２への固定子１０の固定が容易となっている。
【００４３】
図５は可動子６の回転初期において、ステータ９に設けた各磁極子１１（１１ａ，１１ｂ）が平板状永久磁石４とそれぞれ対向して位置している場合を示している。巻線７に電流を流していないときには平板状永久磁石４がステータ９に及ぼす磁力とばね部材１３のばね力とが釣り合う位置で可動子６が停止している。巻線７に一方向の電流を流すと一方のステータ９の磁極子１１ａがＮ極、他方のステータ９の磁極子１１ｂがＳ極となり、可動子６は軸周りの一方向Ａ１（或いはＡ２）に回動するようになり、巻線７に他方向の電流を流すと一方のステータ９の磁極子１１ａがＳ極、他方のステータ９の磁極子１１ｂがＮ極となり、可動子６は軸周りの他方向Ａ２（或いはＡ１）に回動するようになる。従って、巻線７に交番電流を流すことによって可動子６を軸周り方向Ａに小角度で往復ローリング運動させることができる。
【００４４】
上記のように軸周り方向Ａに所定角度で往復ローリング運動を行なう可動子６と、該可動子６を軸周り方向Ａに支持するばね部材１３とで、ローリング駆動の振動系が構成されている。ばね部材１３は可動子６の軸周り方向Ａの往復ローリング運動に伴って伸張又は圧縮して圧縮ばね力、引っ張りばね力を可動子６に付与するものであり、このばね部材１３のばね定数及び可動子６の質量とで決定される共振周波数付近の電流を流すことで振動量（振幅量）を多く取ることができるようになっている。
【００４５】
上記ローリング駆動の振動系には、図１に示すように、吸振錘１７が設けられている。吸振錐２０は略筒状をしていてシャフト３に遊びを持たせて被嵌してあり、可動子６と軸受け部２４ｂとの間に位置し、後述するばね部材１３ａ，１３ｂにて軸方向Ｂに対して保持されている。ここでは、吸振錘１７の重心位置Ｍを可動子６の回転軸線Ｄと同軸上に配置すると共に、可動子６の回転時に可動子６と吸振錘１７とが軸周り方向Ａに逆位相で回転駆動されるように構成してある。吸振錘１７の一例を図１１に示す。そして本実施形態においては、固定子１０とシールドケース１２を固定部とし、可動子６の質量、吸振錘１７の質量の２質点系の振動モデルとして取り扱うことができ、この場合、可動子６と吸振錘１７とが同位相で運動する第１次（低次側）の振動モードと、可動子６と吸振錘１７とが逆位相で運動する第２次（高次側）の振動モードとがあり、この第２次の固有振動数付近の周波数の電流を巻線７に印加することで、可動子６に軸周り方向Ａの往復ローリング運動を行なわせた場合に、逆移動の運動を行なう吸振錘１７が可動子６の慣性力を打ち消すものである。これにより、シールドケース１２側に伝わる振動を減少させることができるのである。
【００４６】
また上記可動子６の回転時に吸振錘１７の慣性モーメントが可動子６の慣性モーメントよりも大きくなるように設定されている。ここでは、吸振錘１７の重量によって、吸振錘１７の慣性モーメントを可動子６の慣性モーメントよりも大きくなるようにしている。吸振錘１７の慣性モーメントを大きくすることで可動子６の回転のアシスト力が増大し、一層の出力アップを図ることができるものである。そのうえ吸振錘１７が可動子６とは軸周り方向Ａに逆位相で回転することで、可動子６の回転をアシストして出力をより大きくする働きをする。さらに本例では吸振錘１７と可動子６との間に、シャフト３の軸方向Ｂと交差する方向に隙間１８が設けられている。この隙間１８はエアーギャップであり、吸振錘１７を抵抗なくスムーズな動作で軸周り方向Ａに回転駆動させる働きをする。なお、ベアリング等を介在させてもよいが、コストを低く抑えるためには隙間１８の方が好ましい。
【００４７】
また上記振動系のばね部材１３は、図８に示すコイルバネからなる。本例では３つのばね部材１３，１３ａ，１３ｂを使用している。第１ばね部材１３は可動子６の一端面とシールドケース１２の一方の内側面との間に介在されており、第１ばね部材１３の一端は他方の軸受け部２４ａに対して回り止め固定されており、他端は上記ヨーク５の一端面に装着された図９、図１０に示すばね受け部材２６の突起２７が設けられる面と反対側の面に設けたばね止め部２８に係合することで回り止め固定されている。さらに、可動子６の他端面と吸振錘１７の一端面との間には第２ばね部材１３ａが介在されており、この第２ばね部材１３ａの一端は、上記ヨーク５の他端面に装着されるばね受け部材２６に設けた係合凹所（図９、図１０）に係合することで回り止め固定され、他端は吸振錘１７の一端面に設けた溝状のばね止め部２９（図１１（ｂ））に係合することで回り止め固定されている。さらに、吸振錘１７の他端面とシールドケース１２の他方の内側面との間に第３ばね部材１３ｂが介在されており、この第３ばね部材１３ｂの一端は吸振錘１７の他端面に設けた溝状のばね止め部３０（図１１（ｃ））に係合することで回り止め固定され、他端は他方の軸受け部２４ｂに対して回り止め固定されている。これら３つのばね部材１３，１３ａ，１３ｂの各両端をそれぞれ上記所定のばね受け部材２６等で回り止め固定することで、可動子６を軸周り方向Ａに許容範囲内で回転可能な状態で保持する働きと、可動子６の軸周り方向Ａの回転動作に伴ってバネ力が蓄積されることで、可動子６の回転角度を許容範囲内に規制して、シャフト３のローリング角度を決める働きとをする。
【００４８】
ところで、上記ばね部材１３（１３ａ，１３ｂ）のみで可動子６の回転を規制する構造では、外部から可動子６を軸周り方向Ａに許容範囲以上に回転させる力が加わったときには可動子６が許容範囲を越えて回転する可能性があり、アクチュエータの駆動特性に悪影響を及ぼすおそれがある。
【００４９】
そこで本例では、外部から可動子６に対して軸周り方向Ａに許容範囲以上に回転させる力がかかったときに可動子６の回転を機械的に止めるためのストッパー手段１４を設けている。ここでは、図１（ｂ）に示すように、歯磨き用ブラシ２３が取り付けられるシャフト３の軸方向Ｂの一端部とは反対側の他端部は断面Ｄ字状をしたＤカット面１４ａとなっており、他方の軸受け部２４ｂに設けた山形状テーパー部３１に嵌め込んである。可動子６が振幅の中立位置にあるときは、シャフト３のＤカット面１４ａは山形状テーパー部３１の斜面に当たらず、シャフト３は軸周り方向Ａに許容範囲で往復回転可能となり、シャフト３が軸周りの一方向Ａ１に許容範囲以上に回転したときはＤカット面１４ａが山形状テーパー部３１の片側斜面に当たることでシャフト３の一方向Ａ１への回転が止められ、またシャフト３が他方向Ａ２に許容範囲以上に回転したときにはＤカット面１４ａが山形状テーパー部３１の他側斜面に当たることでシャフト３の他方向Ａ２への回転が止められるようになる。これにより、シャフト３のローリング角度以上の回転が機械的に阻止されることとなり、外的付加荷重や衝撃荷重等に対してローリング駆動リニアアクチュエータ２の信頼性を確保できるようになっている。
【００５０】
なお、Ｄカット面１４ａは、シャフト３にヨーク５を圧入固定して組み付ける際の基準面として使用できるものである。つまり、ヨーク５のコ字状溝２５の平坦な底面２５ａ（図４）とＤカット面１４ａとが略平行となるようにヨーク５を組み付けることで、シャフト３に対するヨーク５の正規の組み付け角度を容易に決定できるようになっている。
【００５１】
しかして、ローリング駆動リニアアクチュエータ２を構成するにあたって、高価な永久磁石の使用にあたり、平板状永久磁石４を使用し、この平板状永久磁石４を筒状の固定子１０側に設けるのではなく、固定子１０内に回転自在に挿入される可動子６側に設けているので、従来のように筒状の永久磁石をシールドケース１２の内面に配設した場合と比較して、平板状永久磁石４の内径及び外径が小さくなって平板状永久磁石４の体積が小さくなり、このように平板状永久磁石４の小型化に伴い、平板状永久磁石４のコストが安くなり、ローリング駆動リニアアクチュエータ２のコストを低減することができる。さらに、平板状永久磁石４は、例えば棒磁石をスライス切断するだけで、安価に製作することができるので、従来のように複数個の瓦状の永久磁石を筒状に組み立てる場合と比較して、製作面でも好ましいものである。しかも、この平板状永久磁石４の外面４ａと内面４ｂとを結ぶ方向に着磁したものをヨーク５のコ字状溝２５に嵌め込むだけで、平板状永久磁石４の外面４ａとヨーク５の外面５ａとが異極となり、平板状永久磁石４の磁束をヨーク５に通しやすくすることができ、平板状永久磁石４の磁束を効率良く使うことができるので、従来のように機械的な運動変換機構を利用したものと比較して、ローリング駆動リニアアクチュエータ２の組み立てが容易となる。
【００５２】
なお前記実施形態では、ステータ９を巻線ボビン８の軸方向Ｂ両側に設けた場合を説明したが、図１２、図１３に示すように、巻線ボビン８の軸方向Ｂの片側のみに設けてもよい。図１２は可動子６の回転初期において、ステータ９の磁極子１１は平板状永久磁石４に対向して位置した場合を示し、図１３は可動子６の回転初期においてステータ９の磁極子１１が平板状永久磁石４とヨーク５との接点１５に対向して位置している場合を示している。図１２、図１３のいずれにおいても可動子６の動きは前記実施形態で説明したものと同様であるが、図１２では、ヨーク５をシャフト３に組み付ける際に、シャフト３に設けたＤカット面１４ａ（図１（ｂ））とヨーク５のコ字状溝２５の平坦な底面とが略平行となるようにヨーク５を組み付けることで、シャフト３に対するヨーク５の正規の組み付け角度を容易に決定できるという利点がある。一方、図１３では、前記図５で説明した場合と同様、ステータ９の磁極子１１の位置を平板状永久磁石４からずらせることで、可動子６の初期の回転力が大となり、スムーズな往復ローリング運動を開始させることができる利点がある。
【００５３】
ここで、上記実施形態のものは、軸周り方向Ａに回転駆動する可動子６と、該可動子６を軸周り方向Ａに支持するばね部材１３とでローリング駆動の振動系を構成しているが、このようなローリング駆動リニアアクチュエータ２において、電圧を一定にした場合における周波数と可動子６の振幅の関係、及び、この関係における周波数と電流の関係は図１４に示すようなグラフとなる。すなわち図１４において、線イ、ロは電圧を一定にした場合における周波数と可動子６の振幅の関係を示し、線ハ、ニは周波数と電流の関係を示しており、共振周波数（図１４においてホで示す）付近の周波数の交番電流を流すことで、前述のように可動子６の振動量（振幅量）が多く取れるのであり、例えば、図１４において、共振周波数が２５０［Ｈｚ］の場合、可動子６は１．１［ｍｍ］の最大振幅となり、２５０［Ｈｚ］以下、２３０［Ｈｚ］以上の範囲（図１４において範囲ヘで示すで示す）、及び、２５０［Ｈｚ］以上、２８０［Ｈｚ］以下の範囲では、それぞれ、０．５［ｍｍ］以上の振幅となり、この範囲内に可動子６の振幅が設定されると、ばね部材１３を利用して可動子６の振動量（振幅量）を多く取れることになる。ここで、共振周波数付近で且つ共振周波数よりも高い周波数と低い周波数との２箇所で同じ振幅が得られるが、共振周波数よりも低い周波数に設定して可動子６をローリング駆動させる場合（範囲ト内で周波数を設定した場合）は、低電流で目的とする振幅で往復ローリング運動させることができ、特にローリング駆動リニアアクチュエータ２の電源が電池２１の場合において、電池２１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（範囲ヘ内で周波数を設定した場合）は、高電流で目的とする振幅で往復ローリング運動させることができ、大きな出力を得ることができる。
【００５４】
本発明の上記した実施形態に示すローリング駆動リニアアクチュエータは種々の駆動源として用いることができるが、その一例として例えば電動歯ブラシに用いることができる。その一例を図３に示す。
【００５５】
電動歯ブラシの略筒状をした細長いハウジング２２内にはハウジング２２内の長手方向の略半分に上記のローリング駆動リニアアクチュエータ２が内装してあり、ハウジング２２内の長手方向の他の略半分に電池２１が内装してある。また、このハウジング２２内には制御回路部が内装してあり、更に、図示を省略しているがハウジング２２の外周面部にはスイッチが設けてある。ハウジング２２に内装したローリング駆動リニアアクチュエータ２の可動子６のシャフト３の一端部はハウジング２２の長手方向の一端面部に露出しており、このシャフト３の一端部に歯磨き用ブラシ２３の柄部２４の長手方向の一端部を取付けてあり（柄部２４はシャフト３に固定してもよく、あるいは着脱自在に取付けてもよく、着脱自在に取付けた状態では柄部２４はシャフト３に対して軸周りには回動しないように取付ける）、柄部２４の長手方向の他端部の一側面に柄部２４の長手方向と略直交する方向に突出するブラシ部が設けてある。
【００５６】
しかして、ローリング駆動リニアアクチュエータ２の巻線７に電流を印加することで、シャフト３を軸周り方向に往復ローリング運動してシャフト３に取付けた歯磨き用ブラシ２３が軸周り方向にローリング駆動し、これにより歯磨きを行うものである。
【００５７】
そして、上記ローリング駆動リニアアクチュエータ２を備えた電動歯ブラシにおいては、既に述べたようにローリング駆動リニアアクチュエータ２が平板状永久磁石４をシャフト３に装着することで低コスト化したローリング駆動リニアアクチュエータ２を使用できるので電動歯ブラシの低コスト化が図れるものである。
【００５８】
また、本発明に係るローリング駆動リニアアクチュエータ２は、電動歯ブラシ１の駆動源として利用される場合に限らず、電気かみそりの駆動源として、さらに各種の機械制御用の駆動源として広い範囲に適用可能である。
【００５９】
【発明の効果】
上述のように本発明のローリング駆動リニアアクチュエータにあっては、平板状永久磁石をシャフトに装着することで、従来のように筒状の永久磁石をシールドケースの内面に配設した場合と比較して、平板状永久磁石の内径及び外径が小さくなって平板状永久磁石の体積が小さくなり、平板状永久磁石のコストが安くなる。しかも、平板状永久磁石の外面と内面とを結ぶ方向に着磁を行なうことで、平板状永久磁石の外面とヨークの外面とが異極となり、平板状永久磁石の磁束をヨークに通しやすくすることができ、平板状永久磁石の磁束を効率良く使うことができると共に、従来の機械的な運動変換機構を利用したものと比較して、ローリング駆動リニアアクチュエータの組み立て性が向上する。この結果、小型化が可能で且つ組み立てが容易なローリング駆動リニアアクチュエータを低コストで得ることができるものである。
【００６０】
また、本発明の電動歯ブラシにあっては、上記のように小型化が可能で且つ組み立てが容易な低コストのローリング駆動リニアアクチュエータを用いているので、電動歯ブラシの小型化、組み立て性の向上及びコストの低減を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の一実施形態のローリング駆動リニアアクチュエータの断面図、（ｂ）はシャフトのＤカット面付近の断面図である。
【図２】同上のローリング駆動リニアアクチュエータの分解斜視図である。
【図３】同上のローリング駆動リニアアクチュエータを内蔵した電動歯ブラシの側面断面図である。
【図４】同上のシャフトにヨーク及びばね受け部材を組み付けた状態の斜視図である。
【図５】（ａ）は同上のローリング駆動リニアアクチュエータの動作を説明するための概略断面図、（ｂ）は巻線ボビンの片側に配置される一方のステータの磁極子と平板状永久磁石との位置関係を説明する断面図、（ｃ）は巻線ボビンの他の片側に配置される他方のステータの磁極子と平板状永久磁石との位置関係を説明する断面図である。
【図６】同上の巻線ボビンとステータの分解斜視図である。
【図７】（ａ）は同上のシールドケースとステータ付き巻線ボビンの分解斜視図、（ｂ）は同上のシールドケースの断面図である。
【図８】（ａ）〜（ｃ）は同上のばね部材の正面図、側面図、背面図である。
【図９】（ａ）は同上のばね受け部材の側面図、（ｂ）は正面図である。
【図１０】同上のばね受け部材にばね部材の一端を回り止めする場合の説明図である。
【図１１】（ａ）〜（ｄ）は同上の吸振錘の正面図、側面断面図、背面図、斜視図である。
【図１２】（ａ）は同上の巻線ボビンの片側にステータを配置した場合の断面図、（ｂ）はステータの磁極子と平板状永久磁石との位置関係を説明する断面図である。
【図１３】（ａ）は同上の巻線ボビンの片側にステータを配置した場合の断面図、（ｂ）はステータの磁極子と平板状永久磁石との位置関係を説明する断面図である。
【図１４】同上の巻線に印加される電圧を一定にした場合における周波数と可動子の振幅の関係、及び、この関係における周波数と電流の関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１  電動歯ブラシ
２  ローリング駆動リニアアクチュエータ
３  シャフト
４  平板状永久磁石
４ａ  外面
４ｂ  内面
５  ヨーク
５ａ  外面
６  可動子
７  巻線
８  巻線ボビン
９  ステータ
１０  固定子
１１，１１ａ，１１ｂ  磁極子
１３  ばね部材
１５，１５ａ，１５ｂ  接点
１６  ステータ位置決め部
１７  吸振錘
１８  吸振錘の隙間
１９  嵌合部
２０  回転規制部
Ａ  軸周り方向
Ａ１  軸周り方向の一方向
Ａ２  軸周り方向の他方向
Ｂ  軸方向
Ｄ  回転軸線
Ｍ  吸振錘の重心位置
【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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【図６】
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【図７】
2004343932.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2004343932.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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