驱动器以及使用它的电动牙刷.pdf

本发明涉及驱动器及使用它的电动牙刷。本发明不必使用与驱动源分开的驱动传递机构便可完成电动牙刷等的往复旋转运动，所以能实现小型化的驱动器及电动牙刷。可动体(160)在外磁轭(110)上具有空出规定间隙相对配置的内壁面(112a、113a)且在这些相对的内壁面上相对地设置磁极各不相同的磁铁(121、123)。可动体具有在磁铁(121、123)之间借助于空隙配置的中央磁轭(140)。在可动体上设有轴(150)。固定体(180)具有配置在空隙中且围绕中央磁轭的卷材(170)。固定体借助于弹性体(190)可动自如地支撑可动体。交流电供给部(195)对卷材供给与可动体的共振频率大致相等的频率的交流电。

1.  一种驱动器，其特征在于，具有：
包括具有空出规定间隔相对配置的内壁面且在这些相对的内壁面上相对地设有磁极各不相同的外磁轭、在上述磁铁之间借助于空隙配置的磁性体的可动体；
设置在上述可动体上的输出轴；
配置在上述空隙中且具有围绕上述磁性体的卷材的固定体；
将上述可动体可动自如地支撑在上述固定体上的弹性支撑部；以及
对上述卷材供给与上述可动体的共振频率大致相等频率的交流电的交流电供给部。

2.  根据权利要求1所述的驱动器，其特征在于，
上述磁性体借助于非磁性体固定在上述外磁轭上。

3.  根据权利要求1所述的驱动器，其特征在于，
上述磁性体直接设置在外磁轭上。

4.  根据权利要求1所述的驱动器，其特征在于，
上述可动体以上述输出轴为中心旋转自如地以轴支撑在上述固定体上。

5.  根据权利要求1所述的驱动器，其特征在于，
上述弹性支撑部是介于上述固定体和上述可动体上之间而设置的粘弹性体。

6.  一种电动牙刷，其特征在于，
具有权利要求1～5任一项所述的驱动器；以及
在上述驱动器的输出轴上以与该输出轴为相同轴心上的方式连接且在头部具备与轴向正交地设置的刷毛部的牙刷部。

驱动器以及使用它的电动牙刷
技术领域
本发明涉及电动牙刷或者电动声波牙刷等所使用的驱动器。
背景技术
一直以来，就包含电动声波牙刷的电动牙刷而言，已知有通过往复直线运动在牙和牙龈的边界部分倾斜地(约45度的角度)接触并在左右振动的线性刷牙用的牙刷；以及在绕轴的规定角度范围内进行往复(正反)旋转运动并以从牙龈向牙旋转的方式动作的转动刷牙用的牙刷。
这些牙刷的驱动大多使用将进行通常的绕轴旋转的旋转式直流马达的旋转通过运动方向转换机构变为直线往复运动或者往复旋转运动的构造。另外，这种构造以外还已知有通过直线驱动驱动器使牙刷进行往复直线运动的构造或者通过驱动器的振动使与驱动源分开设置的共振振动机构共振而使牙刷进行往复旋转运动的构造。
通过直线驱动驱动器使牙刷进行往复直线运动的构造，如专利文献1(日本特开2002-078310号公报)所示，通过直线驱动驱动器直接发生直接连接在牙刷部上的输出轴的轴向的往复振动，实现线性刷牙。在这种构造中，没有由运动转换机构引起的动力损失，还能够使牙刷进行高速的振动。
另外，作为具有驱动器和与驱动源分开设置的共振振动机构的构造，如专利文献2(日本专利第3243529号公报)所示，由具有电磁铁和永久磁铁的驱动机构对具备杆臂的共振振动机构进行激振，使同轴连接在牙刷部上的杆臂进行摇头振动而实现转动刷牙。
但是，就电动牙刷而言，为了能够实现转动刷牙的同时还想要使驱动转动刷牙用牙刷的驱动机构所存放的柄的部分尽可能地细，而期望牙刷的驱动部分的小型化。
但是，为了使用通常的绕轴旋转的马达实现转动刷牙，需要与马达分开的用于将该马达的旋转转换为往复旋转运动的运动方向转换机构。另外，如专利文献1所示，为了使用直线驱动驱动器实现转动刷牙，需要与直线驱动驱动器分开的转矩发生机构(驱动源)。
另外，在专利文献2所示的构造中，需要驱动源和与驱动源分开的共振振动机构。
因此，在现有的结构中，在试着将马达或者直线驱动驱动器作为电动牙刷的驱动源的场合，由于需要确保驱动源和与驱动源分开的运动方向转换机构或者转矩发生机构或者共振振动机构的配置空间，所以存在很难实现牙刷的小型化的问题。
再有，作为牙刷的驱动部分，具备与马达等的驱动器分开的运动方向转换机构的所谓的驱动传递机构的场合，就驱动传递机构而言，有可能发生噪声以及因传递的动力损失发生而导致的效率劣化，有必要考虑应对这些问题的对策。
发明内容
本发明鉴于上述问题而提出，目的在于提供不必使用与驱动源分开的驱动传递机构便能够实现电动牙刷等的往复旋转运动的小型化的驱动器以及电动牙刷。
本发明的驱动器采用如下结构，具有：包括具有空出规定间隔地相对配置的内壁面且在这些相对的内壁面上相对地设有磁极各不相同的外磁轭、在上述磁铁之间借助于空隙配置的磁性体的可动体；设置在上述可动体上的输出轴；配置在上述空隙中且具有围绕上述磁性体的卷材的固定体；将上述可动体可动自如地支撑在上述固定体上的弹性支撑部；以及对上述卷材供给与上述可动体的共振频率大致相等的频率的交流电的交流电供给部。
本发明的电动牙刷采用如下结构，具有上述结构的驱动器、和牙刷部，该牙刷部在上述驱动器的输出轴上以与该输出轴在同一轴心上的方式连接且在头部具备与轴向正交地设置的刷毛部。
本发明的效果如下。
根据本发明，由于不必使用与驱动源分开的驱动传递机构便能够完成电动牙刷等的往复旋转运动，所以能够实现小型化的驱动器以及电动牙刷。
附图说明
图1是表示涉及本发明的实施方式1的驱动器的立体图。
图2是该驱动器的主要部分分解立体图。
图3是表示该驱动器上的可动体及固定体的结构的概要剖视图。
图4是表示该驱动器上的磁回路的磁感应线图。
图5是用于说明该驱动器的动作的模式图。
图6是表示在该驱动器中向卷材供给的交流电的周期的图。
图7是表示涉及本发明的实施方式2的驱动器的主要部分剖视图。
图8是表示由该驱动器的主要部分结构形成的磁回路的磁感应线的图。
图9是表示涉及本发明的实施方式3的驱动器的立体图。
图10是该驱动器的分解立体图。
图11是表示涉及本发明的实施方式4的驱动器的立体图。
图12是该驱动器的分解立体图。
图13是表示用于该驱动器的粘弹性体即弹性材料的图。
图中：
100、100A、100B、100C-驱动器，110-外磁轭，121、123-磁铁，130-非磁性体，140、140A-中央磁轭，150-轴，160-可动体，162、164-弹性体连接部，162a-支撑轴部，170-卷材，172-卷材的部分，174-卷材的部分，180-固定体，184、186-支撑壁部，184a-轴承，190-弹性体，195-交流电供给部，197-弹性材料。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。
对实施方式1进行说明。
图1是表示涉及本发明的实施方式1的驱动器100的立体图。图2是该驱动器的主要部分分解立体图。图3是表示驱动器100的可动体以及固定体的结构的概要剖视图。
如图1所示，驱动器100具有：可动体160；固定体180；在固定体180上可动自如地支撑可动体160的弹性体190；以及交流电供给部195(图2及图3)。
可动体160具有：外磁轭110；磁铁121、123(图2及图3)；非磁性体130；中央磁轭140；弹性体连接部162、164；以及设置在可动体160上的旋转往复振动传递轴(以下称之为“轴”)150。
固定体180具有：基座182；支撑壁184、186；以及卷材170。在固定体180中，在做成沿着轴150的延长方向较长的矩形形状的基座182的表面中央部上配置卷材170。另外，从在基座182的长度方向分离的端边部竖立设有支撑壁184、186。再有，对卷材170如图2所示，从交流电供给部195供给交流电源。
如图1～图3所示，外磁轭110这里做成剖面大致呈U字状，通过将板状磁性体折弯而形成。外磁轭110具有：矩形板状的磁轭中央部111、和分别从磁轭中央部111的两侧边部垂下且彼此相对的侧壁部112、113。
外磁轭110在外磁轭110的长度方向(相当于轴150的延长方向)分离的端部(在两侧边部的延长方向上分离的端部)上通过弹性体190安装有与支撑壁部184、186连接的弹性体连接部162、164。
在弹性体连接部162、164的一个上安装在与外磁轭110的延长方向相同的方向突出的轴150。即、轴150从安装在外磁轭110上的弹性体连接部164向与中央磁轭140和磁铁121、123相对的方向大致正交的方向突出地设置。
该轴150以位于通过可动体160重心的轴线上的方式安装在可动体160上，与可动体160一起进行旋转往复振动，并将该振动传递到外部。
再有，在驱动器100用于电动牙刷的场合，在轴150上连结与轴150在相同轴心上且在头部具备与轴向正交地设置的刷毛部的牙刷部。
磁铁121、123如图3所示，以互不相同的磁极相对的方式在外磁轭110的侧壁112、113上的内壁面112a、113a的大致全面范围内安装。本实施方式的场合，磁铁121的S极和磁铁123的N极相对。中央磁轭140是磁性体，通过非磁性体130安装在外磁轭110的中央部分上。具体地说，作为磁性体的中央磁轭140在磁铁121、123之间通过非磁性体130从磁轭中央部111垂下地设置。
中央磁轭140如图3所示，是在外磁轭110的延长方向上延长并具备与在侧方相对的磁铁121、123的相对区域大致相同形状的区域的两侧壁面的长方体。中央磁轭140以与磁铁121、123形成空隙的方式固定在磁轭中央部111上。
在中央磁轭140和磁铁121、123之间的空隙中与中央磁轭140的侧壁面、磁铁121、123及外磁轭110的磁轭中央部111的各个分离地配置围绕中央磁轭140的卷材170。
卷材170这里是音圈，以围住中央磁轭140的周围的方式卷绕。具体地说，卷材170在中央磁轭140的侧壁面、与磁铁121、123的相对方向正交的方向卷绕。
竖立设于设有该卷材170的基座182上的支撑壁部184、186如图1及图2所示，配设在从在基座182的长度方向分离的两端边部立起的肋上。支撑壁部186具有可动体160的轴150插通的开口部186a。
使轴150插通到该支撑壁部186的开口部186a中，支撑壁部184、186借助于在与弹性体连接部162、164之间架设的弹性体190将可动体160保持为大致水平方向。
弹性体190在支撑壁部184、186的相对区域中，在左右前后方向上变位自如地支撑可动体160，在中央磁轭140及轴150的扭转方向支撑可动体160。这里，弹性体190在支撑壁部184、185彼此相对的面的上下端部中由大致水平地向相对方向突出设置的板状蛇形弹簧构成。也就是，弹性体190是从一端侧向另一端侧反复地将细带状的金属板在一方的宽度方向延长并在另一方的宽度方向折返而配置成蛇形，弹性体190自身如果固定一端部和另一端部，则在扭转方向伸缩。
通过这样构成的弹性体190，可动体160利用与侧边部正交的端部的上下边部分，在扭转方向可动自如地支撑在固定体180的支撑壁部184、186的各个上。
在可动体160的惯性系数为J、扭转方向的弹簧常数为ksp的场合，可动体160相对固定体180，以由下式(1)算出的共振频率振动。
(数学式1)
f0=12πKspJ---(1)]]>
本实施方式的驱动器100通过交流电供给部195对卷材170供给与可动体160的共振频率f₀大致相同频率的交流电。由此，能够高效地驱动可动体160。
就可动体160及固定体180而言，外磁轭110、磁铁121、123、中央磁轭140及卷材170形成磁回路。
图4是表示本实施方式1的驱动器的磁回路的磁感应线图。
如图3及图4所示，就驱动器100而言，从一个磁铁产生的磁通量(在图3中用空心箭头所示)通过配置卷材170的空隙、中央磁轭140、相反侧的空隙，通过另一个磁铁、外磁轭110。
其次，对驱动器100的动作进行说明。
本驱动器100上的可动体160是通过弹性体190由固定体180支撑的弹性集体构造。当对卷材170供给与可动体160的共振频率f₀相等的频率的交流电，则可动体160以共振状态被驱动。这时发生的旋转往复振动传递到可动体160的轴150。
驱动器100基于用下式(2)所示的运动方程以及下式(3)所示的电路方程式进行驱动。
(数学式2)
Jd2θ(t)dt2=Kti(t)-Kspθ(t)-Ddθ(t)dt-TLoad---(2)]]>
其中，J为惯性力矩[Kgm²]
θ(t)为角度[rad]
K_t为转矩常数[Nm/A]
i(t)为电流[A]
K_sp为弹簧常数[Nm/rad]
D为衰减系数[Nm/(rad/s)]
T_Load为负荷转矩[Nm]
(数学式3)
e(t)=Ri(t)+Ldi(t)dt+Kedθ(t)dt---(3)]]>
其中：e(t)为电压[V]
R为电阻[Ω]
L为电感[H]
K_e为反电动热乘数
即、驱动器100的惯性力矩、旋转角度、转矩常数、电流、弹簧常数、衰减系数、负荷转矩等在满足式(2)的范围内能够适当变更，电压、电阻、电感、反电动热乘数在满足式(3)的范围内能够适当变更。
图5是用于说明涉及本实施方式1的驱动器的动作的模式图。再有，在图5(a)中，用空心箭头表示磁回路的磁通量的流动，在图5(b)～图5(d)中，由于是相同的流动，所以省略图示。
当从交流电供给部195对卷材170供给交流电时，则按照弗来明左手定律，在卷材170中发生如图中箭头F1、F2、F3、F4所示的推力。由此，在具有卷材170的基座182以及在支撑壁部184、186上通过弹性体190安装着的可动体160上发生以旋转重心为轴中心的旋转力。
对驱动器100的一个周期的动作进行说明。
以图5(a)所示的朝向在卷材170中流动电流(将该方向称之为“顺时针方向电流”)时，则在与磁铁121相对的卷材170的部分172上向上(外磁轭110侧的方向)产生推力F1，在与磁铁123相对的卷材170的部分174上向下产生(基座182侧的方向)推力F2。
由此，在从具有卷材170的基座182立起的支撑壁部184、186(参照图1及图2)上通过弹性体190支撑的可动体160上产生相对旋转的力，可动体160可动到位于图5(b)所示的位置上。
在图5(b)所示状态的驱动器100中，通过弹性体190的恢复力产生箭头R1、R2的反作用力。在从图5(b)所示的状态到图5(d)所示的状态中，对卷材170供给与图5(a)反方向的电流。由此，可动体160在从图5(b)所示的状态到图5(c)所示的状态中，通过用箭头R1、R2所示的反作用力和箭头F3、F4所示的推力相对固定体180绕顺时针方向旋转。另外，可动体160在从图5(c)所示的状态到图5(d)所示的状态中，通过用箭头F3、F4所示的推力相对固定体180绕顺时针方向旋转。
在图5(d)所示状态的驱动器100中，通过弹性体190的恢复力产生箭头R3、R4的反作用力。在从图5(d)所示的状态经由图5(a)所示的状态直到图5(b)所示的状态中，对卷材170供给顺时针方向电流。由此，可动体160在从图5(d)至图5(a)的状态中，通过用箭头R3、R4所示的反作用力和用箭头F1、F2所示的推力相对固定体180绕逆时针方向旋转。另外，可动体160从图5(a)状态至图5(b)的状态中，通过箭头F1、F2所示的推力相对固定体180绕逆时针方向旋转。
其次，对在图5的各状态下供给的交流电流简单地进行说明。
流动在卷材中的交流电可以是如图6(a)所示的频率f₀的脉冲波，也可以是如图6(b)所示的频率f₀的正弦波。
在图5(a)的状态中，供给图6所示时刻t1的顺时针方向的电流，在图5(b)的状态中，如图6的时刻t2所示那样转换电流的方向，在图5(c)的状态中，供给如图6所示时刻t3的逆时针方向电流。另外，在图5(d)的状态中，如图6的时刻t4所示那样转换电流的方向，在图5(d)的状态中，供给图6所示时刻t5的顺时针方向的电流。这是一个周期的动作，通过反复这样的动作，从而可动体160进行旋转往复振动。
就驱动器100而言，可动体160进行旋转往复运动也就是旋转往复振动，该旋转往复振动通过轴150输出到外部。在轴150上连接有在头部具备与轴向正交地设置的刷毛部的牙刷部的场合，牙刷部进行旋转往复运动能够进行转动刷牙。
这样，驱动器100满足式(2)、(3)，通过使用了用式(1)所示的共振频率的共振现象进行驱动。由此，就驱动器100而言，在稳定状态中消耗的电力仅是由负荷转矩引起的损失以及摩擦等引起的损失，能够以低耗电驱动也就是能够以低消耗电力使可动体160进行旋转往复振动。如上所说明那样，根据本实施方式的驱动器100，不必使用与驱动源分开的驱动传递机构便能够实现电动牙刷等的往复旋转运动，能够实现小型化，再有，能够以低消耗电力实现往复旋转运动。另外，即便是具有驱动器100的电动牙刷也能够取得同样的效果，还能够实现牙刷自身的小型化。
对实施方式2进行说明。
图7是表示涉及本发明的实施方式2的驱动器的主要部分剖视图。图8是表示由该驱动器的主要部分结构构成的磁回路的磁感应线的图。再有，图7所示的空心箭头表示磁通量的流向。
图7及图8所示的实施方式2的驱动器100A在图1～图5所示的驱动器100的结构中除非磁性体130外还具有在外磁轭110上直接安装中央磁轭140A的结构。
中央磁轭140A是组合中央磁轭140和非磁性体130尺寸的磁性体。
在驱动器100A中，在隔有规定空隙地相对配置的内壁面上相对地设有磁极各不相同的磁铁121、123的外磁轭110上一体设有在磁铁121、123之间借助于空隙配置的磁性体即、中央磁轭140A。其它结构与驱动器100的结构相同，所以附注相同符号省略说明。
即、驱动器100A具有：可动体160；设置在可动体160上的输出轴；配置在空隙中且具有围绕中央磁轭140A的卷材170的固定体180；可动自如地支撑在固定体180上的作为弹性支撑部的弹性体190(参照图1及图2)；以及将与可动体160的共振频率大致相同的频率的交流电向上述卷材供给的交流电供给部195。
在这种结构的驱动器100A中，可动体160用外磁轭110及中央磁轭140A形成图7及图8所示的E型磁回路。
驱动器100A的磁回路是与实施方式1的驱动器100的磁回路不同的回路，但流动在空隙之间的磁通量的流向也就是与磁铁121、123相对的卷材170的部分的磁通量的流向与实施方式1相同，做成能够与实施方式1同样地实现旋转往复振动的驱动器。另外，在可动体160中，不介入非磁性体130将中央磁轭140A设置在外磁轭110上，所以简化磁轭中央部分的结构，能够实现部件数量及组装工时的削减，能够实现驱动器的低廉化。
对实施方式3进行说明。
图9是表示涉及本发明的实施方式3的驱动器的立体图，图10是该驱动器的分解立体图。再有，该驱动器100B具有与图1所示的实施方式1对应的驱动器100相同的基本结构，对相同的构成要素附注相同符号，省略其说明。
驱动器100B在驱动器100中，是将可动体160自如转动地以轴支撑在固定体180上的结构。这里，在驱动器100的结构中，与轴150为同一轴心且转动自如地以轴支撑。
即、驱动器100B在驱动器100的结构中，在插通轴150的支撑壁部186的开口部186a上安装轴承186b。支撑壁部186通过轴承186b转动自如地支撑着轴150。另外，在轴150中的在从支撑壁部186突出的部位上外嵌有轴衬186c。
再有，在安装在外磁轭110上的弹性体连接部162上，在与轴150的突出方向相反的方向上突出设有与轴150同轴心上地配置的支撑轴部162a。支撑轴部162a具有与轴大致相同的外径。
在对该弹性体连接部162通过弹性体190连接的支撑壁部184上，安装插通支撑轴部162a的轴承184a。在插通到支撑壁部184的轴承184a的支撑轴部162a的端部上，在支撑壁部184的后面侧外嵌有轴衬184b。
这样地，在驱动器100B中，可动体160用支撑轴部162a及轴150转动自如地以轴支撑在支撑壁部184、186上。由此，在驱动器100B中，从交流电供给部195对卷材170供给交流电，并相对固定体180以轴150的轴心为中心稳定地进行旋转往复振动。
由此，仅仅旋转及轴向具有自由度，可提高驱动器100自身的耐冲击性的同时使可动体160稳定地进行旋转往复振动。
另外，在驱动器100B中，传递并输出可动体160的可动运动的轴150作为使可动体160以轴支撑在固定体180上的轴部使用。
再有，在该驱动器100B中，做成在外磁轭110上通过非磁性体130固定中央磁轭140的结构，但如具有在驱动器100A所示的磁回路那样，还可以在外磁轭110上直接安装中央磁轭140并使可动体160自身的磁回路为E型。
对实施方式4进行说明。
图11是表示涉及本发明的实施方式4的驱动器的图，图12是该驱动器的分解立体图，图13是表示作为用于该驱动器的粘弹性体的弹性材料的图。再有，图11及图12所示的驱动器100C是在图9及图10所示的实施方式3所对应的驱动器100B中，替换了弹性体190的构造，其它结构是相同的结构。由此，对于相同的结构要素附注相同的符号，省略其说明。
在驱动器100C中，在驱动器100B的结构中，替换与驱动器100的弹性体190相同的蛇形弹簧的弹性体190而使用自身衰减较大的粘弹性体，这里使用弹性材料197。
弹性材料197如图13所示，具备：具有支撑轴部162a和轴150插通的插通口198的中央部197a；以及，从中央部197a向与支撑轴部162a及轴150的轴心正交的方向突出的臂部197b。
弹性材料197配置在支撑壁部184(186)和弹性体连接部162(164)之间并作为弹簧发挥作用。弹性材料197在形成于偏离臂197b的延长方向的位置的孔部198a、198b中嵌入支撑壁部184(186)和弹性体连接部162(164)的突起168a、168b。这里，在弹性材料197的臂部197b中，通过在靠近中央部197a的位置的孔部198a中压入弹性体连接部162(164)的突起168a而嵌合。另外，通过在比中央部197a远的位置的孔部198b中压入支撑壁部184(186)的突起168b而嵌合。
根据驱动器100C，能够得到与实施方式3相同的效果的同时，弹性材料197配置在支撑壁部184(186)和弹性体连接部162(164)之间，通过仅将支撑壁部184(186)和弹性体连接部162(164)的突起168a、168b压入到孔部198a、198b中，安装在两部件上。由此，与使用蛇形弹簧等的金属弹簧的场合不同，无需由螺钉等进行的紧固或者粘接等的复杂的安装工序，就能够实现驱动器100C自身的组装性的提高。
再有，在该驱动器100C中，做成在外磁轭110上通过非磁性体130固定中央磁轭140的结构，但如具有在驱动器100A所示的磁回路那样，还可以在外磁轭110上直接安装中央磁轭140并使可动体160自身的磁回路为E型。
另外，上述各实施方式中的外磁轭110具有将磁铁121、123以不同磁性相对安装的内壁面，只要用卷材170和中央磁轭140形成磁回路，则如何构成都可以，既可以将外磁轭110整体形成为剖面圆弧状，也可以将磁轭主体部形成为圆弧状。
再有，上述本发明只要不脱离本发明的精神，能够进行各种改变，并且本发明当然也涵盖该改变的结构。
产业上的可利用性
涉及本发明的驱动器具有不必使用与驱动源分开的驱动传递机构便能够完成电动牙刷等的往复旋转运动并实现小型化的效果，作为用于电动牙刷等的进行往复旋转振动的驱动器是有用的。