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JP6613694B2 - アクチュエータ及び電動理美容器具 - Google Patents

アクチュエータ及び電動理美容器具 Download PDF

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Description

本発明は、回動共振型のアクチュエータ及び電動理美容器具に関する。
従来、電気カミソリ、電気バリカン、電動歯ブラシ、電動洗顔ブラシ等の電動理美容器具では、一般的な駆動源として、例えば、特許文献１に示すようなＤＣモーターにより可動体を駆動させる構成が知られている。また、特許文献２に示すように、可動刃に対応する複数の可動子を一つの固定子で往復動させるリニア共振駆動型のアクチュエータが知られている。
特表２０００−５００３７０号公報 特許第３４２７４６８号公報
ところで、電動カミソリ等の電動理美容器具に用いられて往復回転運動するアクチュエータとしては、より簡易な構成で、安定した高出力のアクチュエータが望まれている。例えば、ＤＣモーターを用いた場合、駆動時における負荷によりモーターは回転数が低下するので、回転速度が低下して、回転速度の変動が生じる場合がある。回転変動が生じると使用者に不快感を付与する虞がある。また、可動体をバネなどの弾性部材で可動自在に支持する構成では、弾性部材にねじりコイルバネ等を使用する場合、その弾性部材は製造工程上、一定の公差（バラツキ）を有するため、精度維持が困難であり、高出力を維持するために、組み立て精度を容易に確保できる構造が望まれている。
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、簡易な構成で、安定して高出力を実現できるアクチュエータ及び電動理美容器具を提供することを目的とする。
本発明のアクチュエータの一つの態様は、周面に周方向に沿ってＮ磁極面とＳ磁極面とを交互に有する円筒状のマグネット部を備える可動体と、前記マグネット部の周面に対向して周方向に亘って配置され、且つ、前記Ｎ磁極面及び前記Ｓ磁極面と同数の極歯面、及び、電流が供給されることにより前記極歯面を周方向で交互に異なる極性で励磁するコイルを備える固定体と、前記可動体と前記固定体とに接続され、前記可動体を前記固定体に可動自在に保持させるバネ材と、を有し、前記可動体は、前記極歯面の周方向の中心と前記マグネット部の磁極面の切り替わり位置とが対向する位置を回動基準位置として、前記コイルに、前記可動体の共振周波数に略等しい周波数の交流が供給されることにより、周方向に往復回動し、前記バネ材は、前記可動体及び前記固定体の少なくとも一方に接合部を介して固定され、前記接合部は、前記バネ材の端部において、先端側で固着する固着部と、前記固着部に近接配置され、前記バネ材の変形時に発生する応力を緩和する応力緩和部と、を有し、前記固着部及び前記応力緩和部は、前記可動体及び前記固定体の少なくとも一方に対する前記バネ材の固定位置を調整可能な固定位置調整部に設けられ、前記固定位置調整部は、ねじ固定により前記可動体及び前記固定体の少なくとも一方に前記バネ材を固定する構成を採る。また、本発明のアクチュエータの一つの態様は、周面に周方向に沿ってＮ磁極面とＳ磁極面とを交互に有する円筒状のマグネット部を備える可動体と、前記マグネット部の周面に対向して周方向に亘って配置され、且つ、前記Ｎ磁極面及び前記Ｓ磁極面と同数の極歯面、及び、電流が供給されることにより前記極歯面を周方向で交互に異なる極性で励磁するコイルを備える固定体と、前記可動体と前記固定体とに接続され、前記可動体を前記固定体に可動自在に保持させるバネ材と、を有し、前記可動体は、前記極歯面の周方向の中心と前記マグネット部の磁極面の切り替わり位置とが対向する位置を回動基準位置として、前記コイルに、前記可動体の共振周波数に略等しい周波数の交流が供給されることにより、周方向に往復回動し、前記バネ材は、前記可動体及び前記固定体の少なくとも一方に接合部を介して固定され、前記接合部は、前記バネ材の端部において、先端側で固着する固着部と、前記固着部に近接配置され、前記バネ材の変形時に発生する応力を緩和する応力緩和部と、を有し、前記固着部は、前記可動体及び前記固定体の少なくとも一方とで、前記バネ材を挟む弾性部材と、前記弾性部材を変形させて前記バネ材を前記一方に固定するネジ部とを有する構成を採る。
本発明の電動理美容器具は、上記構成のアクチュエータを備える構成を採る。
本発明によれば、簡易な構成で、安定して高出力を実現できる。
本発明の実施の形態１に係るアクチュエータを示す斜視図 同アクチュエータの底面を示す斜視図 同アクチュエータの底面図 同アクチュエータの要部分解斜視図 図３に示すアクチュエータを下から見た要部分解斜視図 図３のＡ―Ａ線矢視断面図 図３のＢ―Ｂ線矢視断面図 同アクチュエータにおいて交流入力部を介してコイルに供給される交流の周期を示す図 本発明の実施の形態１に係るアクチュエータの変形例の底面を示す斜視図 同アクチュエータの変形例における固定部を示す底面図 ベース固定部品の変形例の説明に供する図 本発明の実施の形態２に係るアクチュエータを示す斜視図 同アクチュエータの底面を示す斜視図 同アクチュエータの要部分解斜視図 図１２のＹ軸に沿った断面図 図１２のＸ軸に沿った断面図 本発明の実施の形態１に係るアクチュエータの正面図 本発明の実施の形態１に係るアクチュエータの背面図 本発明の実施の形態１に係るアクチュエータの平面図 本発明の実施の形態１に係るアクチュエータの底面図 本発明の実施の形態１に係るアクチュエータの右面図 本発明の実施の形態１に係るアクチュエータの左面図
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るアクチュエータを示す斜視図であり、図２は、同アクチュエータの底面を示す斜視図であり、図３は、同アクチュエータの底面図である。また、図４は、同アクチュエータの要部分解斜視図であり、図５は、図３に示すアクチュエータを下から見た要部分解斜視図である。図６は、図３のＡ―Ａ線矢視断面図であり、図７は、図３のＢ―Ｂ線矢視断面図である。また、図１７は、本発明の実施の形態１に係るアクチュエータの正面図であり、図１８は、同アクチュエータの背面図、図１９は、同アクチュエータの平面図であり、図２０は、同アクチュエータの底面図であり、図２１は、同アクチュエータの右面図であり、図２２は、同アクチュエータの左面図である。
図１、図２及び図１７〜図２２に示すアクチュエータ１００は、固定体１１０と、可動体１２０と、固定体１１０に可動体１２０を可動自在に支持するバネ材１５０（図２参照）と、交流供給入力部（以下、「交流入力部」という）１１２とを有する。
図１及び図２に示すアクチュエータ１００では、可動体１２０（図２参照）は、図示しない交流供給部から交流入力部１１２を介したコイル部１１４への電力供給によって固定体１１０に対して可動する。可動体１２０の回転軸１２２は、所定の角度範囲内で正逆方向（図１の矢印方向）に回動し、回転往復振動として外部に出力する。
図４〜図７に示すように固定体１１０は、ベースプレート１１１と、軸受け（ベアリング）１１３と、円環状のコイル部１１４と、コイル部１１４の外周に沿って配置される極歯（極歯面）１１５ｂ、１１６ｂを有する櫛歯状の上下ヨーク（コア）１１５、１１６と、を有する。
固定体１１０では、ベースプレート１１１には、下面側から軸受け１１３が挿入される筒状の軸受けカバー部１１１１が形成されている。軸受けカバー部１１１１は、絞り加工により、ベースプレート１１１の下面側から上面側に垂直に突出して成形されている。これにより、ベースプレート１１１の下面側から挿入される軸受け１１３は、軸受けカバー部１１１１に内嵌され、ベースプレート１１１の本体部分から垂直に立設した状態で配置される。
軸受け１１３には、可動体１２０の回転軸１２２が挿入されており、軸受け１１３は、回転軸１２２を回転自在に軸支する。
この軸受け１１３の外周に、上下ヨーク１１５、１１６により囲まれるコイル部１１４が配置される。
コイル部１１４は、ボビン１１４ａに、コイル１１４ｂを周方向に周回することで構成される。ボビン１１４ａは、コイル１１４ｂとともにアクチュエータ１００の駆動源の発生に用いられる。ボビン１１４ａは、回転軸１２２及びコイル１１４ｂの軸と同一軸心である。コイル１１４ｂのコイル巻線は、交流入力部１１２に接続されており、交流入力部１１２を介して、交流電源供給部に接続される外部端子に接続される。コイル１１４ｂには、交流入力部１１２を介して交流供給部から交流電源（交流電圧）が供給される。
上下ヨーク１１５、１１６は、磁性体であり、円環状の本体板部１１５ａ、１１６ａの外周縁から垂直に設けられた極歯１１５ｂ、１１６ｂを櫛歯状に備える。上下ヨーク１１５、１１６は、コイル部１１４を軸方向から挟み込むように互いに非接触で配置される。上下ヨーク１１５、１１６のそれぞれの本体板部１１５ａ、１１６ａは、コイル部１１４において軸方向で離間する上下面に対向して配置され、上下ヨーク１１５、１１６のそれぞれの極歯１１５ｂ、１１６ｂは、コイル部１１４の外周面を囲むように互い違いに位置する。具体的には、上ヨーク１１５は、コイル部１１４の上側から嵌め込まれており、その本体板部１１５ａは、コイル部１１４の上面に対向し、極歯１１５ｂはコイル部１１４の外周面に沿って櫛歯状（所定間隔を空けて）に位置する。下ヨーク１１６は、コイル部１１４の下側から嵌め込まれており、本体板部１１６ａは、コイル部１１４の下面に対向し、極歯１１６ｂは、コイル部１１４の外周面に沿って位置する極歯１１５ｂの間に一様に配置される。
上下ヨーク１１５、１１６の極歯１１５ｂ、１１６ｂは、可動体１２０のマグネット１２３（後述する）の磁極数と等しい極数となっている。
この構成により、コイル１１４ｂに交流電源が供給されると、上ヨーク１１５と、下ヨーク１１６は、それぞれ励磁されて互いに異なる極性となり、上下ヨーク１１５、１１６のそれぞれの極歯１１５ｂ、１１６ｂも異なる極性で励磁される。コイル１１４ｂは、交流入力部１１２から可動体１２０の共振周波数に略等しい周波数の交流が供給されると、極歯１１５ｂ、１１６ｂを交互に異なる極性で励磁する。すなわち、コイル部１１４の外周面には、外周面に沿って異なる磁極面が交互に並んで配置される。
これら極歯１１５ｂ、１１６ｂの極性は、コイル部１１４に順方向と逆方向の電流が供給されることで、交互に変更する。
コイル部１１４の外周面に沿って配置された極歯１１５ｂ、１１６ｂに対向して、所定間隔をあけて可動体１２０のマグネット１２３が配置されている。
なお、極歯１１５ｂ、１１６ｂは、対応するマグネットの極数（後述する）とともに、１６極となる構成であるが、２極以上であれば、何極あってもよい。複数極あれば、これに限らない。ここでは、極歯１１５ｂ、１１６ｂは、マグネット１２３の周面に対向し、且つ、周方向に亘って１６極交互に配置されており、マグネット１２３におけるＮ極（Ｎ磁極面）及びＳ極（Ｓ磁極面）と同数の極数としている。
可動体１２０は、回転軸１２２と、マグネット１２３と、回転軸１２２とマグネット１２３とを固定するローターカバー部１２４とを有する。
マグネット１２３は、円筒形状の多極（ここでは１６極）が周方向に交互に着磁されたものである。マグネット１２３は、ネオジウムボンドマグネット、フェライトボンドマグネット、ネオジウム焼結マグネット、フェライトボンドマグネット、フェライトゴムマグネット等が適用される。
具体的には、マグネット１２３は、極歯１１５ｂ、１１６ｂに対応する周面（ここでは内周面）に周方向に沿って、Ｎ極，Ｓ極，Ｎ極，Ｓ極，Ｎ極，…と交互に異なる極性の磁極面を有するように着磁されている。Ｎ極，Ｓ極，…の各着磁面における周方向（ここでは、回転軸に対し周方向で直交する方向）の長さは、極歯１１５ｂ、１１６ｂの周方向の長さよりも長い。なお、マグネット１２３は、円筒形状で一体的な構成である。
マグネット１２３は、磁性体からなるローターカバー部１２４を介して回転軸１２２に固定されている。
マグネット１２３の着磁面に対して、極歯１１５ｂ、１１６ｂは、それぞれの周方向の中心位置が、マグネット１２３の着磁面Ｎ、Ｓ（Ｎ磁極面、Ｓ磁極面）が切り替わる位置（着磁面Ｓ、Ｎを仕切る位置）と、回転軸心を中心として半径方向で重なる位置に位置される。なお、中心位置、切り替わる位置が、回転軸１２２を中心として半径方向で（つまり、放射状に）同一直線上に重なる位置を、可動体１２０の回動動作基準位置（回動基準位置）とする。すなわち、可動体１２０は、極歯１１５ｂ、１１６ｂの周方向の中心位置と、マグネット１２３の磁極面の切り替わり位置（仕切り線）とが対向する位置を回動基準位置として固定体１１０に回動自在に保持される。
ここではアクチュエータ１００は、１６極からなるため、可動体１２０の回動範囲は、固定体１１０に対して、回動基準位置を中心に１１．２５度ずつ、順方向或いは逆方向に回動する範囲となっている。中心位置及び切り替わる位置が、それぞれ回転軸１２２を中心として半径方向で（つまり、放射状に）同一直線上に重なる位置を決めるために、マグネット１２３には凹部１２３ａが形成されている。これにより、マグネット１２３の磁極が切り替わる位置を、極歯１１５ｂ、１１６ｂの中心位置に容易に位置させてアクチュエータ１００を組み立てることができる。なお、マグネット１２３は、アクチュエータ１００の出力に合わせて選択することができる。
マグネット固定部として機能するローターカバー部１２４は、絞り加工により形成されたカップ状をなし、円盤状の固定部本体１２４ａの外周から筒状部１２４ｂを垂下させてなる。この筒状部１２４ｂの内周面に、マグネット１２３が固着されている。
ローターカバー部１２４の固定部本体１２４ａの中央部には、直交方向に挿通する回転軸１２２が先端部１２２ａを外部に突出させた状態で固定されている。ここでは、ローターカバー部１２４と回転軸１２２とは溶接により固定される。ローターカバー部１２４は、回転軸１２２に溶接により固定されるので、回転軸１２２を組み付けた後で、当該回転軸１２２に固定できる。なお、ローターカバー部１２４は、回転軸１２２にエポキシ系材料による接着により固定されてもよい。
回転軸１２２は、ローターカバー部１２４の軸心上に位置するように固定されている。
この回転軸１２２は、固定体１１０（ベースプレート１１１）に形成された軸受けカバー部１１１１の軸穴を挿通している。回転軸１２２の他端部は、ベースプレート１１１の裏面側で、バネ材１５０に、軸固定部品（接合部）１６４を介して、ベースプレート１１１に固定されている。
バネ材１５０は、可動体１２０を固定体１１０に対して弾性支持するものである。ここでは、バネ材１５０として、ねじりコイルばねが適用されている。このねじりコイルばねの内部に、回転軸１２２は回動自在に挿入されている。なお、回転軸１２２は、ねじりコイルバネの軸上に位置しており、回転軸１２２の軸心は、ねじり方向の中心軸と一致することが好ましい。
バネ材１５０であるねじりコイルバネの一端部１５２は、軸固定部品１６２を介して回転軸１２２の基端部１２２ｂに固定されるとともに、他端部１５４は、ベース固定部品（接合部）１６４を介してベースプレート１１１に固定されている。ここでは軸固定部品１６２は、バネ材の一端部１５２が内嵌する凹状（図２２に示す凹状部１６２５参照）に形成され、回転軸１２２に対する一端部１５２を凹状内に配置して位置決めした後、回転軸１２２に対する軸固定部品１６２の位置を決めることができる。すなわち、軸固定部品１６２は、一端部１５２の位置に応じて、余計な負荷をかけることなく、バネ材１５０を回転部１２２に溶接等で固着できる。
ねじりコイルバネであるバネ材１５０の両端部１５２、１５４は、バネ材１５０においてばね定数（後述するＫ）の基準点Ｋ１、Ｋ２を有する。バネ材１５０は、その両端部がそれぞれ固定される可動体１２０及び固定体１１０の少なくとも一方に、バネ定数の基準点Ｋ１、Ｋ２よりも先端側で固定される。
ここでは、バネ材１５０の他端部１５４が、ベース固定部品１６４を介して、ばね定数の基準点となる基準位置Ｋ１よりも他端部１５４の先端に向かう部位で固定される。
具体的には、ベース固定部部品１６４は、ベースプレート１１１下面においてバネ材１５０の他端部１５４の先端側で、ＸＹ方向の移動を規制する接合部１６０を介してベースプレート１１１に接合されている。
接合部１６０は、ここでは、ベースプレート１１１から立設される突条のリブ１６１と、ベース固定部品１６４と、ベース固定部品１６４をベースプレート１１１に所定位置で固定するネジ部１６５とを有する。
ベース固定部品１６４は、ネジ部１６５を介してベースプレート１１１に固定される本体プレート１６４ａと、本体プレート１６４ａから垂直に立設する突条のリブ１６４ｂとを有する。ベース固定部品１６４のリブ１６４ｂは、他端部１５４に対して、基準位置Ｋ１よりも先端に向かう部位（自由端側の部位）で固定される固着部１６０ｂと、基準位置Ｋ１よりもバネ材１５０の一端部１５２側で、バネ材１５０の変形時に当接して他端部１５４の固定部分で発生する応力を緩和する応力緩和部１６０ａとを有する。
また、リブ１６１も同様に、バネ材１５０の他端部１５４に対して、基準位置Ｋ１よりも自由端側で固定される固着部１６０ｂと、基準位置Ｋ１よりもバネ材１５０の一端部側で、バネ材１５０の変形時に当接して、当接する他端部１５４の固定部分で発生する応力を緩和する応力緩和部１６０ａと、を有する。
固着部１６０ｂは、ここでは、他端部１５４に溶接により固定される。なお、固着部１６０ｂは、他端部１５４にエポキシ系材料による接着により固定されてもよい。
応力緩和部１６０ａは、バネ材１５０、特にねじりコイルバネが変形した際に当接して、他端部１５４に係る応力を緩和する。
このように、バネ材１５０は、変形時において、この固着部１６０ｂよりもバネ材１５０のコイル部分側で応力緩和部１６０ａに当接するので、バネ材１５０において他端部１５４に局部集中する応力を分散することができる。これにより、可動体１２０が往復回転動、つまり、振動する際にバネ材１５０において発生する応力が、当該バネ材１５０（具体的には、ベースプレート１１１に接合される他端部１５４）において、局所集中することがない。
また、ベース固定部品１６４は、本体プレート１６４ａをネジ部１６５によりベースプレート１１１に止着することで固定される。本体プレート１６４ａ或いはベースプレート１１１の一方に、ネジ部１６５の外径よりも大きな開口を形成し、その開口に挿通して止着するネジ部１６５の位置により、ベース固定部品１６４の固定位置を調整自在になっている。すなわち、ネジ部１６５は、固定位置調整部として機能する。これにより、バネ材１５０を固定体１１０及び可動体１２０に固定する際に、バネ材１５０としてねじりコイルバネ等を適用した場合、製造上、公差により寸法上にバラツキが生じても、ベース固定部品１６４を移動させて調整し、バラツキ（公差：＋／−０．５ｍｍ程度）による寸法誤差を容易に吸収できる。例えば、バネ材１５０であるねじりコイルバネに公差が生じ他端部１５４の寸法がずれていても、ずれた状態に沿ってベース固定部品１６４を配置し、このベース固定部品１６４を介して他端部１５４をベースプレート１１１に固定できる。これにより、精度悪化のずれを吸収して、バネ材１５０を、必要なばね定数を有する状態で、固定体１１０（ベースプレート１１１）に好適に取り付けることができ、アクチュエータの組み立て精度を容易に確保して、組み立て性の向上を図ることができる。
バネ材（ねじりコイルバネ）１５０は、可動体１２０のマグネット１２３の内周面において、隣り合う磁性の異なる着磁面の切り替わり位置が固定体１１０の極歯１１５ｂ、１１６ｂにおける周方向の中心に位置するように位置決めしている。
また、バネ材（ねじりコイルバネ）１５０は、マグネット１２３の回動方向に対して一定のばね定数を得ることができ、可動体１２０は周方向に可動する。このバネ材１５０によりアクチュエータ１００における共振周波数を調整できる。
上記構成のアクチュエータ１００では、コイル１１４ｂへ入力される交流波により上下ヨーク１１５、１１６、つまり極歯１１５ｂ、１１６ｂが磁化され、可動体１２０のマグネット１２３に対して、効率的に磁気吸引力及び反発力を発生する。これにより、可動体１２０のマグネット１２３は、回動基準位置となる極歯１１５ｂ、１１６ｂの中心を基準にして、周方向に両方向に移動し、これによりマグネット１２３自体が、回転軸１２２を中心に往復回動を行う。
本実施の形態のアクチュエータ１００では、可動体１２０の慣性モーメントＪ、ねじり方向のバネ定数Ｋｓｐとした場合、可動体１２０は、固定体１１０に対して、下記式（１）によって算出される共振周波数ｆｒ［Ｈｚ］で振動する。
Figure 0006613694
本実施の形態のアクチュエータ１００は、交流入力部１１２からコイル１１４ｂに可動体１２０の共振周波数ｆｒと略等しい周波数の交流を供給してコイル１１４ｂを介して極歯１１５ｂ、１１６ｂを励磁する。これにより、可動体１２０を効率良く駆動させることができる。
本アクチュエータ１００における可動体１２０は、バネ材１５０を介して固定体１１０により支持されるバネマス系構造で支持された状態となっている。よって、コイル１１４ｂに可動体１２０の共振周波数ｆｒに等しい周波数の交流が供給されると、可動体１２０は共振状態で駆動される。このとき発生する回転往復振動が、可動体１２０の回転軸１２２に伝達される。
アクチュエータ１００は、下記式（２）で示す運動方程式及び下記式（３）で示す回路方程式に基づいて駆動する。
Figure 0006613694
Figure 0006613694
すなわち、アクチュエータ１００における慣性モーメントＪ［Ｋｇｍ２］、回転角度θ（ｔ）［ｒａｄ］、トルク定数Ｋｔ［Ｎｍ／Ａ］、電流ｉ（ｔ）［Ａ］、バネ定数Ｋｓｐ［Ｎｍ／ｒａｄ］、減衰係数Ｄ［Ｎｍ／（ｒａｄ／ｓ）］、負荷トルクＴＬｏａｄ［Ｎｍ］等は、式（２）を満たす範囲内で適宜変更できる。また、電圧ｅ（ｔ）［Ｖ］、抵抗Ｒ［Ω］、インダクタンスＬ［Ｈ］、逆起電力定数Ｋｅ［Ｖ／（ｒａｄ／ｓ）］は、式（３）を満たす範囲内で適宜変更できる。このように、アクチュエータ１００、可動体１１０の慣性モーメントＪとバネ材（弾性体）１５０のばね定数Ｋにより決まる共振周波数ｆｒにおいて駆動した場合、効率的に大きな出力を得ることができる。
次に、アクチュエータ１００の具体的な動作について説明する。
コイル部１１４のコイル１１４ｂに電流が流れる（順方向に流れるとする）と、上ヨーク１１５の極歯１１５ｂは励磁されて極性を有し（例えばＮ極）、下ヨーク１１６の極歯１１６ｂは励磁されて、極歯１１５ｂとは異なる極性（例えばＳ極）を有する。これら極歯１１５ｂ、１１６ｂに対向して、各極歯１１５ｂ、１１６ｂの周方向（回動方向）の中心位置、つまり、回動基準位置に、可動体１２０のマグネット１２３における磁極面（Ｓ、Ｎ）の仕切り線が配置される。
よって、マグネット１２３では、内周面全面に亘って、Ｎ極面は、Ｓ極面である極歯１１５ｂに吸引され、マグネット１２３のＳ極面は、Ｎ極歯である極歯１１６ｂに吸引されるとともに、同極どうしは反発する。これによりマグネット１２３の内周全面で、最も大きなトルクが発生して、マグネット１２３は、周方向の一方（例えば反時計回り）に回動する。すると、マグネット１２３におけるそれぞれの極面は、相対する磁極で励磁された極歯１１５ｂ、１１６ｂと、対向する位置で停止しようとする。この位置にマグネット１２３が位置しようとする際に、マグネット１２３には、マグネット１２３と近接する同磁極の極歯との反発で先の移動方向とは逆方向へのトルクも作用する。
また、マグネット１２３（可動体１２０）は、バネ材１５０の復元力により回動基準位置側への付勢力が作用する。この状態において、コイル部１１４に順方向電流とは逆方向の電流（逆方向電流）が流れる。すると、極歯１１５ｂ、１１６ｂのそれぞれの極性が変わり、Ｎ極だった極歯１１５ｂはＳ極に、Ｓ極だった極歯１１６ｂはＮ極に励磁される。これにより、マグネット１２３は、各磁極面と、極歯１１５ｂ、１１６ｂとの間で発生する磁気吸引力及び磁気反発力によって、先の移動とは逆方向にトルクが発生して移動する。なお、このトルクは、バネ材１５０の復元力によっても作用する。
すなわち、コイル１１４ｂに電流が順方向、逆方向に交互に流れることにより、可動体１２０は、固定体１１０に対して、周方向の一方に移動、バネ材１５０の付勢力による回動基準位置側への移動、回動基準位置を超えて周方向の他方向に移動、バネ材１５０の付勢力による回動基準位置側への移動、回動基準位置を超えて周方向の一方向に移動を順次、繰り返す。このように、アクチュエータ１００の可動体１２０は、回転軸１２２を中心に、且つ、回動基準位置を中心に、往復回動、つまり、振動して回転軸１２２を介して外部に往復振動力を出力する。
図８は、本実施の形態のアクチュエータにおいて交流入力部１１２を介して固定体１１０のコイル１１４ｂに供給される交流の周期を示す図である。
コイルに流れる交流は、図８Ａに示すように周波数ｆ０のパルス波でもよいし、図８Ｂに示すように周波数ｆ０の正弦波でもよい。
図８に示す時点ｔ１の順方向の電流が供給され、時点ｔ３の逆方向の電流が供給される。また、図７の時点ｔ４で示すように電流の向きが切り替えられて、マグネット１２３が回動して回動基準位置に戻った際には、時点ｔ５順方向の電流が供給される。これが１周期分の動作であり、このような動作が繰り返されることで、可動体１２０は、変位動作を繰り返すことによって、回転往復振動する。
アクチュエータ１００を組み立てる際に、ベースプレート１１１に軸受け１１３を挿入し、バネ材１５０を、軸固定部品１６２、ベース固定部品１６４を介して、ベースプレート１１１と回転軸１２２に接合することが出来る。すなわち、アクチュエータ１００を組み立てる際に、上下ヨーク１１５、１１６で囲まれたコイル部１１４を、軸受けカバー部１１１１に外嵌したり、ローターカバー部１２４を回転軸１２２に溶接または接着により固着する前に、製造上、公差が生じるバネ材１５０を、早い段階で、可動体１２０の回転軸１２２と、固定体１１０のベースプレート１１１との間に、公差を吸収しつつ介設できる。その後、コイル部１１４、マグネット１２３を組み付けることができる。
また、アクチュエータ１００を組み立てる際に、最後に、ローターカバー１２４を回転軸１２２に溶接または接着により固定できる。これにより、可動体１２０の回転方向にずれが有る場合、ローターカバー部１２４を回転軸１２２に固定する際に、そのずれを調整しつつアクチュエータ１００を組み立てることができる。このようにアクチュエータ１００を組み立てる際に、互いに固定する部品同士の接合を溶接、接着等で行うことによって、バネ材１５０のバラツキの大きさに応じたずれを吸収することができる。これにより、バネ材１５０のバラツキによる組み立て後のアクチュエータ１００の組み立て精度の悪化を防止できる。
このように本実施の形態によれば、簡易な磁気回路構成であり、組み立て精度を確保し、部品精度の要求を緩和し、材料コストの低廉化を図りつつ、高出力を可能にするアクチュエータを実現することができる。
また、マグネット１２３は、固定体１１０で円周上に交互に極性が異なるように配置された極歯１１５ｂ、１１６ｂに対向して、円環状に配置されており、極歯１１５ｂ、１１６ｂと対向するマグネット１２３の内周の全周にわたって駆動源とすることができ、変換効率の高いアクチュエータを実現できる。また、マグネット１２３の全周に亘って、磁気吸引力、磁気反発力が発生し、最も大きなトルクを発生させることができる。
なお、アクチュエータ１００では、可動体１２０は、回転往復運動つまり回転往復振動を行い、この回転往復振動は回転軸１２２を介して外部に出力される。回転軸１２２の先端部１２２ａに、頭部に軸方向と直交して設けられた毛束部を備える歯ブラシ部、洗顔ブラシ部、或いは、電気カミソリ、電動ひげそり、電気式の頭髪刈り込み器具等の刃を連結することにより、ブラシ或いは刃を往復振動させることができる。
このようにアクチュエータ１００は、式（２）、（３）を満たし、式（１）で示す共振周波数を用いた共振現象により駆動する。これにより、アクチュエータ１００では、定常状態において消費される電力は負荷トルクによる損失及び摩擦などによる損失だけとなり、低消費電力で駆動、つまり、可動体１２０を低消費電力で回転往復振動させることができる。
また、可動体１２０は、バネ材（ねじりコイルバネ）１５０を介して固定体１１０に可動自在に支持されており、バネ材１５０は、固定体１１０（具体的にはベースプレート１１１）に接合部１６０としてのリブ１６１、ベース固定部品１６４を介して固定されている。接合部１６０は、バネ材１５０の他端部１５４において自由端側で固着する固着部１６０ｂと、固着部１６０ｂに近接配置され、バネ材１５０の変形時に発生する応力を緩和する応力緩和部１６０ａとを有する。これにより、アクチュエータ１００が駆動して可動体１２０が往復回転運動を行う際に、バネ材１５０の他端部１５４に応力が発生しても、応力緩和部分で分散され、バネ材１５０において応力が局所的に集中することがなく、バネ寿命が長くなる。これにより、長期間駆動可能となり、高い信頼性を確保できる。
また、バネ材１５０は、可動体１２０（具体的には回転軸１２２）及び固定体１１０（具体的には、ベースプレート１１１）に、軸固定部品１６２及びベース固定部品１６４の固着部１６０ｂで溶接により固定されている。また、可動体１２０（具体的には回転軸１２２）及び固定体１１０に、軸固定部品１６２及びベース固定部品１６４の固着部１６０ｂでエポキシ系材料による接着により固定されてもよい。溶接または接着としたことにより、互いの接合強度を高めて、更にアクチュエータ１００としての信頼性の向上を図ることができる。また、可動体１２０及び固定体１１０のそれぞれとバネ材１５０との接合の剛性が向上し、材料減衰が抑制され、共振の鋭さを高めて、可動体１２０の振幅を増大させることができる。
特に他端部１５４を固着する固着部１６０ｂは、板金により形成されるベース固定部品１６４とベースプレート１１１とをそれぞれ折り曲げて形成したリブにより凹状に形成している。この凹状部分内に他端部１５４（具体的には基準位置Ｋ１よりも自由端側部分）を配置して、溶接により固着している。このように板金を曲げた部材を溶接することによって、他端部１５４を広い範囲で確実に接合することができ、更に信頼性を高めることができる。また、組み立てに際し、高さ方向（Ｚ方向）のずれも吸収することができる。なお、他端部１５４と固着部１６０ｂは、エポキシ系材料による接着により固定されてもよい。
また、バネ材１５０の他端部１５４は、ベースプレートに設けたリブ１６１と、固定体１１０（ベースプレート１１１）への取り付け位置を変更可能なベース固定部品１６４により固定体１１０（ベースプレート１１１）に固定している。これにより、バネ材１５０であるねじりコルバネの製造上発生するばねの寸法誤差が生じても、その組立の際に誤差を吸収し、アクチュエータ１００における組立性の悪化を解消できる。
なお、本実施の形態では、バネ材１５０の他端部１５４を固定体１１０（ベースプレート１１１）に接合する接合部１６０において、応力緩和部１６０ａ及び固着部１６０ｂをリブ１６１及びリブ１６４ｂのそれぞれに連続して設けた構成としたが、これに限らない。
例えば、図９及び図１０に示すように、応力緩和部１６０ａと固着部１６０ｂとリブ１６１及びリブ１６４ｂにそれぞれ離間して形成してもよい。図９は、本発明の実施の形態１に係るアクチュエータの変形例の底面を示す斜視図であり、図１０は、同アクチュエータの変形例における固定部を示す底面図である。図１０は、ベース固定部品１６４Ａの説明のために便宜上、バネ材１５０のコイル部分を省略している。なお、図９及び図１０に示すアクチュエータ１００Ａは、アクチュエータ１００と比較して、接合部１６０Ａの構成のみ異なり、その他の構成は同様である。よって、図１〜図７に示す実施の形態１に対応するアクチュエータ１００と同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
図９及び図１０に示すアクチュエータ１００Ａでは、可動体１２０を固定体１１０に可動可能に支持するバネ材１５０の他端部１５４を接合する接合部１６０Ａは、互いに離間する応力緩和部１６０ａ、固着部１６０ｂを有する。
すなわち、接合部１６０Ａにおける応力緩和部１６０ａ及び固着部１６０ｂは、ベースプレート１１１の一部及びベース固定部品１６４Ａの一部を垂直に個別に折り曲げて形成（リブ１６４ｂに相当）されている。バネ材１５０は、バネ材１５０のバネ定数の基準位置Ｋ１よりも自由端側の部位で固着部１６０ｂに溶接により固着され、基準位置Ｋ１よりもバネ材１５０のコイル部分側で凹状の応力緩和部１６０ａ内に配置されている。
すなわち、図１０に示すようにバネ材１５０の他端部１５４は、バネ材１５０の変形字つまりアクチュエータ１００Ａの駆動時では、応力緩和部１６０ａに接触（破線で示す）し、固着部１６０ｂで固着（破線で示す）される。これにより、実施の形態１のアクチュエータ１００において接合部１６０と同様の作用効果を奏することができる。加えて、アクチュエータ１００Ａでは、応力緩和部１６０ａは、固着部１６０ｂと離間しているため、バネ材１５０の他端部１５４で発生する応力を受けた際に、応力緩和部１６０ａ自体が変形することにより、その応力を吸収しやすくなっている。
また、ベース固定部品１６４を、図１１に示すベース固定部品（弾性部材）１６４Ａのように、板金の中央部に、他端部１５４の外径よりも小径の凹状部１６４１を形成した構成にしてもよい。この凹状部分１６４１に、他端部１５４を配置し、凹状部分１６４１の両端部１６４２をベースプレート１１１にネジ１６５によりネジ留めし、凹状部分１６４１を変形して、ベースプレート１１１とで挟みことで他端部１５４を固着してもよい。
（実施の形態２）
図１２は、本発明の実施の形態２に係るアクチュエータ１００Ｃを示す斜視図であり、図１３は、同アクチュエータ１００Ｃの底面を示す斜視図であり、図１４は、同アクチュエータの要部分解斜視図である。また、図１５は、図１２において回転軸の軸心を通るＸ軸に沿った断面図であり、図１６は、図１２において回転軸の軸心を通るＹ軸に沿った断面図である。
なお、図１２〜図１６に示すアクチュエータ１００Ｃは、実施の形態１のアクチュエータ１００の構成と比較して、軸固定部品１６２Ｃ及びベース固定部品１６４Ｃの構成のみ異なり、その他の構成は同様である。よって、アクチュエータ１００Ｃは、図１に示す実施の形態１に対応するアクチュエータ１００と同様の基本的構成を有しており、同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明を省略する。
図１２〜図１６に示すアクチュエータ１００Ｃは、実施の形態１のアクチュエータ１００の固定体１１０、可動体１２０と同様に構成された固定体１１０Ｃと、可動体１２０Ｃと、固定体１１０Ｃに可動体１２０Ｃに、バネ材１５０を可動自在に支持するよう接合する接合部１６０Ｃと、を有する。このアクチュエータ１００Ａの外観は、アクチュエータ１００と同様である。
本実施の形態のアクチュエータ１００Ｃは、バネ材１５０を、固定体１１０Ｃ、可動体１２０Ｃに接合する接合部１６０Ｃとして、バネ材１５０の両端部に一体に設けられた軸固定部品１６２Ｃ及びベース固定部品１６４Ｃを有する。
軸固定部品１６２Ｃは、バネ材１５０の一端部１５２を可動体１２０Ｃに固定する部品であり、ベース固定部品１６４Ｃは、バネ材１５０の他端部１５４を固定体１１０Ｃに固定する部品である。
本実施の形態では、これら軸固定部品１６２Ｃ、ベース固定部品１６４Ｃは、バネ材１５０であるねじりコイルバネの両端部１５２、１５４部分に樹脂を組み込むアウトサート成形により一体に成形されている。
これにより、ねじりコイルバネであるバネ材１５０を製造した際に、公差によりバラツキがあっても、軸固定部品１６２Ｃ、ベース固定部品１６４Ｃを、それぞればらつくバネ材１５０の向きをそのままに、一体成形して正確な取り付け位置に成形できる。
軸固定部品１６２Ｃ、ベース固定部品１６４Ｃのうち、特に、軸固定部品１６２Ｃは、バネ材１５０の一端部１５２において、バネ定数の基準位置Ｋ１より自由端側で固着される固着部１６０ｂ１と、バネ定数の基準位置Ｋ１よりコイル部分側に配置される応力緩和部１６０ａ１とを有する。これら固着部１６０ｂ１と応力緩和部１６０ａ１とは、固着部１６０ｂと、応力緩和部１６０ａと同様の作用効果を奏する。
また、ベース固定部品１６４Ｃは、ベースプレート１１１に対して位置調整して取り付け可能に形成されてもよい。その場合、本体プレート１６４ａに長穴或いはネジ１６５の外径よりも大きい穴を形成し、ネジ部１６５により止着するときに、ベース固定部品１６４Ｃを、所定位置に位置させて止着する。
よって、アウトサート成形により成形され、両端部１５２、１５４に軸固定部品１６２Ｃ、ベース固定部品１６４Ｃが形成されたバネ材１５０を、アクチュエータ１００Ｃを組み付けて好適に組み立てることができ、手動による位置調整を行うことなく製造ラインによる自動化での組み立ての実現を図ることができる。
なお、上記本発明は、本発明の精神を逸脱しない限り、種々の改変をなすことができ、そして本発明が該改変させたものに及ぶことは当然である。
本発明に係るアクチュエータ及び電動理美容器具は、簡易な構成で、エネルギー変換効率が高く、高出力を実現する効果を有し、電気カミソリ、電動歯ブラシ、電動洗顔ブラシなどに適用されるものとして有用である。
１００、１００Ｃ アクチュエータ
１１０、１１０Ｃ 固定体
１１１ ベースプレート
１１２ 交流入力部
１１３ 軸受け
１１４ コイル部
１１４ａ ボビン
１１４ｂ コイル
１１５ 上ヨーク
１１５ｂ、１１６ｂ 極歯
１１６ 下ヨーク
１２０、１２０Ｃ 可動体
１２２ 回転軸
１２３ マグネット
１２４ ローターカバー部
１５０ バネ材
１５２ 一端部
１５４ 他端部
１６０ 接合部
１６０ａ、１６０ａ１ 応力緩和部
１６０ｂ、１６０ｂ１ 固着部
１６２、１６２Ｃ 軸固定部品
１６４、１６４Ｃ ベース固定部品

Claims (11)

  1. 周面に周方向に沿ってＮ磁極面とＳ磁極面とを交互に有する円筒状のマグネット部を備える可動体と、
    前記マグネット部の周面に対向して周方向に亘って配置され、且つ、前記Ｎ磁極面及び前記Ｓ磁極面と同数の極歯面、及び、電流が供給されることにより前記極歯面を周方向で交互に異なる極性で励磁するコイルを備える固定体と、
    前記可動体と前記固定体とに接続され、前記可動体を前記固定体に可動自在に保持させるバネ材と、
    を有し、
    前記可動体は、前記極歯面の周方向の中心と前記マグネット部の磁極面の切り替わり位置とが対向する位置を回動基準位置として、前記コイルに、前記可動体の共振周波数に略等しい周波数の交流が供給されることにより、周方向に往復回動し、
    前記バネ材は、前記可動体及び前記固定体の少なくとも一方に接合部を介して固定され、
    前記接合部は、前記バネ材の端部において、先端側で固着する固着部と、前記固着部に近接配置され、前記バネ材の変形時に発生する応力を緩和する応力緩和部と、を有し、
    前記固着部及び前記応力緩和部は、前記可動体及び前記固定体の少なくとも一方に対する前記バネ材の固定位置を調整可能な固定位置調整部に設けられ、
    前記固定位置調整部は、ねじ固定により前記可動体及び前記固定体の少なくとも一方に前記バネ材を固定する、
    ことを特徴とするアクチュエータ。
  2. 前記応力緩和部は、その一部で前記バネ材と接触している、
    ことを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
  3. 前記固着部は、溶接で前記バネ材の端部の先端側を固着している、
    ことを特徴とする請求項１または２に記載のアクチュエータ。
  4. 前記固着部及び前記応力緩和部は、前記バネ材にアウトサート成形により設けられている、
    ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
  5. 前記固着部は、前記可動体及び前記固定体の少なくとも一方とで、前記バネ材を挟む弾性部材と、前記弾性部材を変形させて前記バネ材を前記一方に固定するネジ部とを有する、
    ことを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
  6. 前記バネ材は、前記可動体及び前記固定体の少なくとも一方に、前記固着部及び前記応力緩和部とともに、接着により接続される、
    ことを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
  7. 前記バネ材は、前記可動体及び前記固定体の少なくとも前記可動体に、前記固着部及び前記応力緩和部を介して接続され、
    前記固着部は、前記可動体の軸部に溶接されている、
    ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
  8. 前記可動体は、内周面に前記円筒状のマグネット部が配置される周壁部及び当該周壁部の一方の開口を閉塞し、且つ、前記固定体を覆うように配置される面状の蓋部を備えるカバー部材と、
    前記カバー部材の蓋部の中央で直交して配置され、当該蓋部に溶接により固定される回転軸と、
    を有する、
    ことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
  9. 前記マグネット部は、前記固定体に対する位置決め用の凹みを有する、
    ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のアクチュエータ。
  10. 周面に周方向に沿ってＮ磁極面とＳ磁極面とを交互に有する円筒状のマグネット部を備える可動体と、
    前記マグネット部の周面に対向して周方向に亘って配置され、且つ、前記Ｎ磁極面及び前記Ｓ磁極面と同数の極歯面、及び、電流が供給されることにより前記極歯面を周方向で交互に異なる極性で励磁するコイルを備える固定体と、
    前記可動体と前記固定体とに接続され、前記可動体を前記固定体に可動自在に保持させるバネ材と、
    を有し、
    前記可動体は、前記極歯面の周方向の中心と前記マグネット部の磁極面の切り替わり位置とが対向する位置を回動基準位置として、前記コイルに、前記可動体の共振周波数に略等しい周波数の交流が供給されることにより、周方向に往復回動し、
    前記バネ材は、前記可動体及び前記固定体の少なくとも一方に接合部を介して固定され、
    前記接合部は、前記バネ材の端部において、先端側で固着する固着部と、前記固着部に近接配置され、前記バネ材の変形時に発生する応力を緩和する応力緩和部と、を有し、
    前記固着部は、前記可動体及び前記固定体の少なくとも一方とで、前記バネ材を挟む弾性部材と、前記弾性部材を変形させて前記バネ材を前記一方に固定するネジ部とを有する、
    ことを特徴とするアクチュエータ。
  11. 請求項１から１０のいずれか一項に記載のアクチュエータを備える、
    ことを特徴とする電動理美容器具。
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