线性振荡器及电动牙刷 【技术领域】
本发明涉及进行轴方向往复振动的线性振荡器以及电动牙刷。
背景技术
电动牙刷具有使刷部向前后进行细微的往复振动，使其产生机械振动的往复磨刷模式、使刷部旋转的旋转磨刷模式等各种各样的动作模式。作为其中用于进行往复磨刷的驱动源，电动牙刷具备线性振荡器。线性振荡器包含将电机的旋转运动变换成往复直线运动的运动方向变换机构和在轴方向上进行往复振动的可动部。
采用这样的运动方向变换机构，不仅存在着因运动方向变换机构所产生的机械损耗而导致的能效低、噪音大等问题，而且很难实现小型化。而且，在电动牙刷上，由于电机轴的运动方向与刷部(作用点)的运动方向不同，动作时发生弯曲力矩，对驱动特性产生不良影响。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种能效好、噪音低，而且可以做到小型化的线性振荡器以及电动牙刷。
本发明线性振荡器，使轴在该轴地方向上进行往复运动，其特征在于：具备：能够与所述轴一同在所述轴的方向上移动的套筒；根据所述套筒的移动量，向所述套筒施加所述轴方向的弹力的弹性体；通过施加交变电流，使所述套筒以共振频率在所述轴方向上进行往复运动的电磁驱动部；将所述套筒的轴周围的旋转限制在规定角度内的固定部。由此，由于可以直接将电能变换成包含套筒和轴的可动部的直线往复运动，所以不需要用于将旋转运动变换成直线运动的运动变换机构。进而，特别是由于施加共振频率的交变电流，可以在高效率基础上实现低噪音和小型化。这样的线性振荡器可以合适地使用于机械控制用的驱动部、电剃须刀或者电动牙刷的驱动部。进而，由于具备限制轴周围旋转的限制装置，可以确实地只进行可动部的往复直线运动。
所述电磁驱动部，也可以具备：向套筒施加所述轴方向磁力的磁铁；由流过的电流使所述磁铁的磁通的强弱发生变化的线圈；在所述线圈上流过共振频率的交变电流，使从所述弹性体施加的弹性力与从所述磁铁施加的磁力的平衡发生变化，从而使套筒向所述轴方向作往复运动的控制电路。
所述弹性体是螺旋弹簧，该螺旋弹簧伴随由所述套筒的往复运动引起的伸缩，在被固定部限制的所述规定的角度内，使轴周围的位置发生变化，从而使所述轴旋转。由此，在轴方向的往复直线运动基础上还可以得到与往复直线运动同步的轴周围的旋转运动。由此，可以实现往复磨刷动作和旋转磨刷动作。
本发明的电动牙刷是是具有使轴在该轴方向上进行往复运动的线性振荡器和在所述轴上安装的牙刷的电动牙刷，其特征在于：所述线性振荡器，具备：能够与所述轴一同在所述轴的方向上移动的套筒；根据所述套筒的移动量，将所述轴方向的弹性力施加在所述套筒上的弹性体；通过施加交变电流，使所述套筒以共振频率在所述轴方向上进行往复运动的电磁驱动部；将所述套筒的轴周围的旋转限制在规定角度内的固定部。由此，由于在取得开始所述的线性振荡器的效果的同时，还可以缩小对驱动特性产生不好影响的弯曲力矩的发生，因此可以效果良好地使用能量。进而，当往复振动驱动刷时，由于用轴直接驱动刷，因此可以用很少的部件效率良好地进行刷驱动。由此，可以确实地使刷只进行往复直线的运动。
这里，电磁驱动部，也可以具备：向所述套筒施加所述轴方向磁力的磁铁；由流过的电流使所述磁铁的磁通的强弱发生变化的线圈；在所述线圈上流过共振频率的交变电流，使从所述弹性体施加的弹性力与从所述磁铁施加的磁力的平衡发生变化，从而使套筒向所述轴方向作往复运动的控制电路。
所述弹性体是螺旋弹簧，该螺旋弹簧伴随由所述套筒的往复运动引起的伸缩，也可以在被固定部限制的所述规定的角度内，使轴周围的位置发生变化。由此，可以容易地使刷进行往复磨刷动作和旋转磨刷动作。
所述控制电路也可以控制用于取得所述交变电流的电能脉冲的脉冲幅从而变化所述轴方向的往复运动的行程。由此，可以使刷的动作符合使用者的喜好。
所述控制电路，也可以对应从所述套筒的往复运动的开始的经过时间，使用于取得所述交变电流的电能脉冲的发生时序发生变化。由此，使用者可以知晓刷牙的时间。
所述控制电路，也可以对应从所述套筒的往复运动的开始的经过时间，使用于取得所述交变电流的电能脉冲的幅徐徐增加，从而使所述轴方向的往复运动的行程发生变化。由此，使用者即使在将刷含入口之前打开电源，在牙刷上的牙膏、水也不会形成飞散。
【附图说明】
图1的(a)是表示本发明的第一线性振荡器的构造的轴方向的剖面图。(b)是垂直于轴方向的线性振荡器的局部剖面图。
图2是表示采用板弹簧的第二线性振荡器的构造的剖面图。
图3是表示具有两个弹簧的第三线性振荡器的构造的剖面图。
图4是表示采用两个板弹簧的第四线性振荡器的构造的剖面图。
图5是表示采用两个波形弹簧的第五线性振荡器的构造的剖面图。
图6是表示省略弹簧的第六线性振荡器的构造的剖面图。
图7是表示具备具有两个固定部的螺旋弹簧的第七线性振荡器的构造的剖面图。
图8是表示将线性振荡器M作为动力源的电动牙刷的剖面图。
图9是表示驱动控制电路构成的方框图。
图10是表示从电源模块供给波形生成电路模块的电压的脉冲波形的图。
图11的(a)是表示变更脉冲的占空系数时的输出电压的脉冲波形的图。(b)是表示变更脉冲的振幅时的输出电压的脉冲波形的图。
图12的(a)是表示将脉冲波形变更为正玄波时的输出电压的脉冲波形的图。(b)是表示将脉冲波形变更为锯齿波时的输出电压的脉冲波形的图。
图13是表示对应时间被控制的驱动电压波形的图。
图14是表示阶段性地增加的刷的变位量与对应的驱动电压波形的关系的图。
【具体实施方式】
以下参照附图，对本发明的实施方式进行说明。在图中，标记同一符号的构成要素具有同一功能。
图1的(a)是表示本发明的第一线性振荡器101的构造的轴方向的剖面图。线性振荡器101具有固定在轴7上的可动部1，通过在线性振荡器101上流过规定的电流，可动部1与轴7一起向轴方向进行往复的运动。即，通过在线性振荡器101上流过规定的电流，线性振荡器101可以使轴7作往复运动。线性振荡器101，比如，在电动牙刷中，作为使刷部向前后做细微的往复振动，进行发生机械振动的往复磨刷的驱动源而被使用。
以下，说明线性振荡器101的各构成要素。线性振荡器101具备：作为可动部的套筒1、线圈5、轴7、屏蔽罩10、第一轭铁20、21、第二轭铁30、31、永磁铁40、41、弹簧60、轴承80。套筒1由铁材料等的磁性体形成圆柱状，轴方向的两端附近直径比较大，中央部比两端附近直径小。柱子塞1安装在轴7上与轴7成为一体，在轴方向可以自由地移动。线圈5形成环状，在屏蔽罩10内面并且配置在套筒1的外周。如后所述，通过在线圈5流过电流，套筒1与轴7一起在轴方向进行往复运动。轴7是电动牙刷(图未示出)的轴，贯通线性振荡器101。图1的(b)是垂直于轴方向的线性振荡器的部分剖面图。在轴7中形成槽70。通过使在轴7上设置的槽70与在屏蔽罩10上设置的突出部的咬合，可以限制轴7以及套筒1的轴7周围的转动。
第一轭铁20和21以及第二轭铁30和31都形成环状。永磁铁40、41也形成环状，带磁性。第一轭铁20和21在线圈5的轴方向两侧对于线圈5对称地配置。同样，第二轭铁30和31以及永磁铁40和41也分别在线圈5的轴方向对线圈5对称地配置。而，向线圈5的轴方向两侧看去，从线圈附近为止开始，依次配置的是轭铁30、永磁铁40、以及轭铁20。同样按照这个顺序配置轭铁31、永磁铁41、以及轭铁21。
弹簧60是作为弹性体的螺旋弹簧，安装在屏蔽罩10的内面与套筒1的端面之间。即弹簧60的一端固定在屏蔽罩上，另一端固定在套筒上。弹簧60伴随着套筒1的轴方向的移动而伸张，作为轴方向的弹力的压缩弹簧力以及拉伸弹簧力作用在套筒上。弹力的大小以及方向，根据套筒1的轴方向的移动的量、弹性常数而决定。轴承80设置在屏蔽罩10的端部，将轴7的一端可以在轴方向自由滑动地支撑。由此，套筒1以及轴7对于线性振荡器101的屏蔽罩10可以在轴方向进行往复运动。
其次，说明线性振荡器101的动作。当没有在线圈5上流过电流时，在永磁铁40、41通过轭铁20、30、21、31到达套筒1的轴方向的磁力与弹簧60的轴方向的弹簧力平衡的图示的位置上，套筒保持静止。如果在线圈的流过某个方向的电流，两个永磁铁40、41之中的任何一方的磁通被弱化，因此对抗弹簧60的弹簧力，套筒与轴7一起向另一方向的磁铁侧移动。一方面，如果在线圈5上流过与上述方向相反的方向电流，也会对抗弹簧60的弹簧力套筒1与轴7一起向相反方向移动。因此，通过在线圈5上交换地流过方向变化的交变电流，可以使套筒1以及轴7在轴方向往复振动。进而，如果使线圈5流过1具有接近共振频率的频率的交流电流，可以实现以共振状态振动的往复振动。永磁铁40、41、线圈5、以及用于流过交变电流的控制电路(比如后述的驱动控制电路109(图9))，也被称为使套筒1向轴7的方向进行往复运动的电磁驱动部。这里，所谓共振频率，是由弹簧60的弹性常数以及套筒1和轴7构成的可动部的质量而决定的频率。
图2是表示采用板弹簧的第二线性振荡器的构造的剖面图。在对线性振荡器101的说明中(图1)，作为弹簧60的一个良好的实例，已对采用螺旋弹簧的构成进行了图示。在图2中，弹簧60是板状弹性体的弹簧(弹簧板)。弹簧板60的外周被固定在屏蔽罩10上，其内周被固定在轴7上。板弹簧不仅具有作为弹簧的作用，还发挥限制轴7转动的功能。线性振荡器102的其它构成与线性振荡器101(图1)一样，因此省略说明。
图3是表示具有两个弹簧的第三线性振荡器103的构造的剖面图。第三线性振荡器103，在轴7的一端设置有螺旋弹簧60，而在轴7的另一端也具备螺旋弹簧61。螺旋弹簧61设置在套筒1和屏蔽罩10之间。由这样的构成，套筒1承受从两个螺旋弹簧60、61施加的弹力。由于设置有弹簧60、61，轴承被设置在屏蔽罩的外部。另外，线性振荡器103的其它构成与线性振荡器101(图1)的构成相同。
也可以代替线性振荡器103的螺旋弹簧60、61而采用板弹簧。图4是表示采用两个板弹簧的第四线性振荡器104的构造剖面图。即，在线性振荡器104中，弹簧60、61由板弹簧构成。
进而，也可以使用板弹簧以外的其它弹簧。图5是表示采用两个波形弹簧的第五线性振荡器105的构造的剖面图。线性振荡器105由两个弹簧60、61的弹性常数、套筒1以及轴7的质量决定的共振频率而动作。在图4以及图5的线性振荡器104、105中，即使没有轴承80(图1)也可以支撑轴。在所有的例子中，线性振荡器的其他构成都与线性振荡器101(图1)相同。
另外，用于决定共振频率的弹力，也可以利用掣子力。当利用掣子力时，不需要弹簧60、61。图6是表示省略弹簧的第六线性振荡器106的构造的剖面图。
图7是具备具有两个固定部60-1、60-2的螺旋弹簧的第七线性振荡器线性振荡107的构造的剖面图。螺旋弹簧60的一端整圈固定在屏蔽罩10上作为固定部60-1起作用。螺旋弹簧60的另一端同样整圈固定在套筒上作为固定部60-2的起作用。由于有固定部60-1以及固定部60-2，螺旋弹簧60不但发挥套筒1的轴方向的弹性力，伴随轴方向的伸缩，可以使套筒有小角度的旋转，而限制其这个角度以上的旋转。所谓小角度，比如是±2°～±5°的角度，最好不要超过±2°。这样，线性振荡器107不但可以在轴方向振动，轴周围也可以有小角度转动。而且，这种轴周围的旋转与加上扭矩弹簧一样，可以在旋转方向产生共振。而，得到这样的输出的线性振荡器可以是需要往复方向磨刷和旋转(转动)方向磨刷的电动牙刷的最适合的动力源。
通过将至此说明的线性振荡器作为线性振荡电机使用，可以构成电动牙刷。电动牙刷，具有：使刷部前后往复细微振动，产生机械振动的往复磨刷的模式以及使刷部旋转的旋转磨刷的模式等各种各样的动作模式。以下，说明这样的电动牙刷的构成以及动作。
图8是将线性振荡器作为动力源的电动牙刷108的剖面图。电动牙刷108具备：线性振荡器M、壳体11、电池12、电路基板13、开关14、刷杆16、刷17。电动牙刷1087的各构成要素收容在形成细筒状的壳体11的内部，或者配置在其表面。在线性振荡器M中，可以使用先前说明的线性振荡器101～107(图1～图7)的任一个。线性振荡器M收容在壳体11的上部内。电池是作为电源设置在壳体11的下部的一次电池或充电电池。在电路基板13中，安装线性振荡器M的驱动控制电路。电路基板以及其驱动控制电路从电池12得到电量并动作。开关14设置在壳体11的上部的外表面，即刷杆16附近的外表面。通过线性振荡器M的轴7从壳体11的上端突出，与在前端侧面具备有刷17的刷杆16连结成为一条直线。
其次，说明电动牙刷108的动作。线性振荡器M通过轴7的轴方向的振动，与轴7成一条直线连结的刷杆16也在轴方向振动。这样，设置在刷杆16的前端的刷17也振动，由此实现了电动牙刷108的往复磨刷的动作。作为线性振荡器M采用线性振荡器107(图7)的情况下，其套筒和轴在往复磨刷的基础上还进行旋转磨刷的动作。因此，电动牙刷108实现了将这些复合起来的磨刷动作。
电动牙刷108的动作，由在电路基板13上安装的驱动控制电路控制。图9是表示驱动控制电路109的构成的图。驱动控制电路109具备电源模块B1、波形生成电路模块B2和驱动电路模块B3。如上所述，驱动电路109由电池12供给电量。电池12与电源模块B1之间，比如由电路基板13上的布线进行电连接。电源模块B1调整从电池12来的电量并得到供给波形生成电路模块B2的电量。波形生成电路模块B2生成应用用于使线性振荡器M动作的电压波形，供给驱动电路模块B3。驱动电路模块B3包含供给电量的动力元件。驱动电路模块B3基于从波形生成电路模块B2供给的规定的电量信号，控制动力元件并得到交变电流，施加在线性振荡器M上。由此，可以控制线性振荡器M的振动等动作。
波形生成电路模块B2内置控制电量的驱动电量控制电路(图未示出)。驱动电量控制电路通过将施加电压固定来控制电流量，或者通过将电流固定来控制施加电压而得到控制电量的结果。以下，以后者的情况为例，说明驱动电量控制电路是怎样控制电量的。
首先，图10是表示从电源模块B1供给波形生成电路模块B2的电压的脉冲波形图。电源模块B1对于波形生成电路模块B2的驱动电量控制电路，以如图所示的那样的周期T输出电压a，-a的脉冲。接收到这样的电压脉冲后，驱动电量控制电路，比如，可以变更脉冲的占空因数比、振幅、波形的种类等并生成输出电压。图1的(a)是表示变更占脉冲的空因数比时的输出电压的波形图。图11的(b)是表示变更脉冲的振幅时的输出电压的脉冲波形图。图中的‘na’表示输入振幅a的n倍。进而图12的(a)是表示将脉冲波形变更成正玄波形时的输出电压的脉冲波形图。而图12的(b)是表示将脉冲波形变更成锯齿波形时的输出电压的脉冲波形图。驱动电量控制电路可以将上述的脉冲波形的加工进行各种各样的组合并生成输出电压。波形生成电路模块B2的驱动电量控制电路可以这样地变更输出电压，变更电量，因此，对应电量被驱动的刷17(图8)的变位量也可以自由控制。由此，可以根据使用者的喜好设定刷17(图8)的变位量。
波形生成电路模块B2的驱动电量控制电路还可以对应时间控制电量。图13是表示对应时间被控制的驱动电压波形图。电动牙刷108(图8)只在规定的时间t1(比如120秒)驱动刷17，在下一个期间t2(比如0.3秒)停止动作。接着，在期间t3(比如0.3秒)动作，在期间t4(比如0.3秒)停止，以后又在期间t1进行动作。通过这样地控制驱动电压，可以对使用者报告已经经过规定的时间t1。由此，使用着可以知道牙齿磨刷经过的时间，以防止磨刷不足、或者磨刷时间过长等。
另外，从操作开关14(图8)使电源打开的时刻，也可以控制驱动电量使刷17的变位量阶段性地增加。图14是表示阶段性地增加刷17的变位量与对应的驱动电压波形的关系图。可以解释为对应驱动电压波形的脉冲的脉冲幅度，改变刷的变位量(行程)。所谓脉冲幅度表示脉冲上升或脉冲下降的期间。通过这样地控制驱动电压，可减少在从在刷17(图8)上放上牙膏和水后的打开电源开始到将刷17含入口中的期间，牙膏、水形成飞散的现象。图中的t01、t02、t03比如各自设定为0.6秒为最好，但是不限于此。