JP2017034912A - アクチュエータ及び電動理美容器具 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成で、磁気飽和が発生することなく、安定して高出力を実現できるアクチュエータを提供すること。【解決手段】回動軸、及び、当該回動軸を中心に囲む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、前記回動軸が挿入される軸受、前記マグネット部の周面に対向して周方向に亘って前記軸受を囲むように配置され、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、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、前記固定体に、前記回動軸を中心に周方向に往復回動可能に保持され、前記軸受は磁性体である。【選択図】図９

Description

本発明は、共振回転駆動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、内蔵するモータの回転運動を往復運動に変換する運動変換装置が組み込まれている。この運動変換装置に、電気かみそりの内刃、電動バリカンの可動刃、電動歯ブラシの歯ブラシ等を結合して往復運動させることにより、所望の理美容処理を行っている。このような運動変換装置は、回転運動から往復運動への運動変換の効率が低い。
運動変換の効率の点から近年では、電磁駆動のリニアアクチュエータを用いた理美容器具が知られている（例えば、特許文献１、２）。一般的なリニアアクチュエータでは、コイルを備えた固定子と、磁性体の可動子とで構成され、固定子に対して可動子を電磁力で往復駆動して所望の理美容処理を行う。
特に、特許文献２では、電気カミソリに用いられ、固定子に対して可動子を往復動させるための往復運動式の電動機を有するリニア共振駆動のアクチュエータが開示されている。この電動機は各刃ヘッドの可動刃に対応し、一つの固定子で駆動する複数の可動子を有し、可動子の固有振動数を略等しくしている。また、ＶＣＭ構造を適用した所謂回転共振型のアクチュエータも知られている（例えば特許文献３参照）。

特許第４１２３２３２号公報 特許第３４２７４６８号公報 特開２０１０−１０４７１８号公報

ところで、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モータを用いる構成では、駆動時における負荷によりモータ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、この回転速度の変動は、使用者に不快感を付与する虞がある。また、特許文献２に示すリニア共振駆動型アクチュエータを用いた場合、可動体の速度は、共振駆動のため駆動周波数での駆動により設定されるので、一定速度での駆動となり、使用感は良好となる。しかしながら、特許文献２に示すように構成部品が多く、大型化する虞があり、アクチュエータを配置するための広いスペースが必要となる。更に、構成部品が多いため、駆動力発生の大きさに起因する磁極の対向面が狭くなる虞があり、これにより、変換効率の高い設計とすることが困難である。
また、回転共振型アクチュエータでは、ＶＣＭ構造であるので、磁気抵抗が大きくなり変換効率が高い設計とすることが難しく、マグネットの体積が大きくなり高コストとなる。また、単極着磁のマグネットを用いた構造となるため、駆動力発生の大きさに起因するコイルのトルク発生部を、コイルの全周にわたり配置することができない。これにより、往復運動への変換効率が悪くなる問題がある。また、アクチュエータの磁気回路では、磁束の集中により磁気飽和が発生することによる磁気抵抗（リラクタンス）の増大が引き起こすトルク定数の低下により、出力が低下しないようにする必要がある。
このような電動理美容器具で使用されるアクチュエータでは、簡易な構成で、往復運動への変換効率を高く設定可能で高出力のアクチュエータが望まれている。

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、磁気飽和が発生することなく、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、
回動軸、及び、当該回動軸を中心に囲む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、
前記回動軸が挿入される軸受、前記マグネット部の周面に対向して周方向に亘って前記軸受を囲むように配置され、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、
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、前記固定体に、前記回動軸を中心に周方向に往復回動可能に保持され、
前記軸受は磁性体である構成を採る。

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、磁気飽和が発生することなく、安定した高出力を実現できる。

本発明の一実施の形態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に係る磁束の流れの説明に供する図 本発明の実施の形態に係る磁束の流れの説明に供する図 本発明の一実施の形態に係るアクチュエータの正面図 本発明の一実施の形態に係るアクチュエータの背面図 本発明の一実施の形態に係るアクチュエータの平面図 本発明の一実施の形態に係るアクチュエータの底面図 本発明の一実施の形態に係るアクチュエータの右面図 本発明の一実施の形態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。

図１は、本発明の一実施の形態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。なお、図１１〜図１６に本発明の一実施の形態に係るアクチュエータの六面図を示す。具体的には、図１１は、本発明の一実施の形態に係るアクチュエータの正面図であり、図１２は、同アクチュエータの背面図、図１３は、同アクチュエータの平面図であり、図１４は、同アクチュエータの底面図であり、図１５は、同アクチュエータの右面図であり、図１６は、同アクチュエータの左面図である。

図１、図２及び図１１〜図１６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を可動自在に支持させるバネ材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は、交流入力部１１２から入力されるコイル部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３〜図７に示すように固定体１１０は、ベースプレート１１１と、軸受（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は、磁性体からなるベースプレート１１１を有し、ベーススレート１１１には、上面側（可動体１１０側）に突出した中空の筒状部１１１１が設けられている。筒状部１１１１には、軸受１１３が圧入される。筒状部１１１１は、ベースプレート１１１に対する絞り加工により、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。筒状部１１１１は、筒部本体１１１１ａと、筒部本体１１１１ａより外径が大きい台座部１１１１ｂとを有する。

筒部本体１１１１ａには、上面側から、上下ヨーク１１５、１１６で囲まれるコイル部１１４が外挿される。また、台座部１１１１ｂの上面には、上下ヨーク１１５、１１６で囲まれるコイル部１１４が係止されている。

筒部本体１１１１ａ及び台座部１１１１ｂにより外径に段差が形成された形状に対応して、軸受１１３も形成されている。つまり、軸受１１３は筒状部１１１１への圧入方向側の外径（先端側の外径）は、基端側の外径よりも小さくなっており、圧入時に基端側が、台座部１１１１ｂの裏面側で掛合する。筒状部１１１１は、コア（コイル部１１４を挟む上下ヨーク１１５、１１６）の上下寸法（軸方向の長さ）であり、上端面は、固定体（ステータ）１１０の上面を構成する。
筒状部１１１に対して、ベースプレート１１１の下面側から軸受１１３が圧入される。軸受１１３は、筒状部１１１１に内嵌し、ベースプレート１１１の底面部分から垂直に立設した状態で固定される。このように軸受１１３は、ベースプレート１１１に圧入により、高精度かつ安定した状態でベースプレート１１１に固定させることができる。

軸受１１３には、可動体１２０の回転軸１２２が挿入されており、軸受１１３は、回転軸１２２を回転自在に軸支する。軸受１１３は、磁性体であり、磁性を有する焼結含油軸受であることが好ましい。軸受１１３は、鉄系の焼結材料等により形成され、加えて、高い飽和磁束密度を有する材料であることが好ましい。焼結含油軸受としては、例えば、ポーライトＰＩ００１（登録商標）等が挙げられる。本実施の形態では、軸受１１３は、上下方向（軸方向）の長さを筒状部１１１の長さとほぼ同じである。また、軸受１１３を焼結材料で構成する際には少なくとも肉厚を１ｍｍ以上にする。

この軸受１１３の外周に、ベースプレート１１１の筒状部１１１１を挟み上下ヨーク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。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（コア）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る。また、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周方向に配置され、円周を描くように位置される。

また、上下ヨーク１１５、１１６の円環状の本体板部１１５ａ、１１６ａの中央には開口部を囲むように筒状のコア内周部１１５ｃ、１１６ｃが形成されている。
コア内周部１１５ｃ、１１６ｃはそれぞれ板状の本体板部１１５ａ、１１６ａの中央を絞り加工により形成される。
上ヨーク１１５では、コア内周部１１５ｃは、極歯１１５ｂと同方向に突出して形成されている。下ヨーク１１６では、コア内周部１１６ｃは、極歯１１６ｂと同方向に突出して形成されている。

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。加えて、コア内周部１１５ｃは、コイル部１１４の中央開口部（具体的にはボビン１１４ａの開口）に上側から挿入される。
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。加えて、コア内周部１１６ｃは、コイル部１１４の中央開口部（具体的にはボビン１１４ａの開口）に下側から挿入される。

コイル部１１４を上下ヨーク１１５、１１６で挟んで構成されるコアは、筒状部１１１１の筒部本体１１１１ａに外嵌し、台座部１１１１ｂに掛止するので、ベースプレート１１１に対して、台座部１１１１ｂの高さ分、離間して対向して取り付けられる。
このとき、上下ヨーク１１５、１１６のコア内周部１１５ｃ、１１６ｃは、コイル部１１４の内部で、当接或いは当接するように配置される。図６及び図７では、コア内周部１１５ｃ、１１６ｃの先端部は、コイル部１１４内で当接している。これによりボビン１１４ｂと、回転軸１２２との間には、軸受１１３、筒状部１１１１（筒部本体１１１１ａ）に加えてコア内周部１１５ｃ、１１６ｃが介在している。コア内周部１１５ｃ、１１６ｃは、筒状部１１１１とともに、筒状部１１１１を外周側で囲む磁路を形成する。

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状態となる。

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、円筒形状に形成され、多極（ここでは１６極）が周方向に交互に着磁されている。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、ローターカバー部１２４を挿通して固定されている。回転軸１２２は、非磁性体であることが好ましい。回転軸１２２が磁性体である場合、磁気回路の構成上、磁気吸引力により軸受１１３に吸引し減衰が大きくなるからである。回転軸１２２は、本実施の形態では、オースティナイト系のステンレス（ＳＵＳ）であり、非磁性であり、耐食性に優れ、錆びにくくなっている。

この回転軸１２２は、固定体１１０（ベースプレート１１１）に形成された筒状部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１６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、ばね乗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１６０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、振動する際に発生する応力が、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。

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Ｋ_ｓｐ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ｆ_ｒ［Ｈｚ］で振動する。

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ｆ_ｒ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ｆ_ｒ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。

すなわち、アクチュエータ１００における慣性モーメントＪ［Ｋｇｍ^２］、回転角度θ（ｔ）［ｒａｄ］、トルク定数Ｋ_ｔ［Ｎｍ／Ａ］、電流ｉ（ｔ）［Ａ］、バネ定数Ｋ_ｓｐ［Ｎｍ／ｒａｄ］、減衰係数Ｄ［Ｎｍ／（ｒａｄ／ｓ）］、負荷トルクＴ_Ｌｏａｄ［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Ｋ_ｅ［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ｆ_ｒ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ｆ_０のパルス波でもよいし、図８Ｂに示すように周波数ｆ_０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８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に囲まれたコイル部１１４を筒状部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。

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。

本実施の形態では、可動体１２０は、円筒形状の多極（ここでは１６極）着磁されたマグネット１２３と、磁性体でありマグネット１２３が固定されるローターカバー部１２４と、ローターカバー部１２４の中央部に圧入固定された回転軸１２２とを有する。
また、固定体１１０は、可動体１２０の回転軸１２２を支軸する軸受１１３と軸受１１３を固定するベースプレート１１１及び駆動源発生に用いられ軸受１１３に固定されているコイル部１１４（円環状のボビン１１４ａ及びコイル１１４ｂ）と、コイル部１１４を上下から挟み込み配置された串歯形状の２つの上下ヨーク１１５、１１６及びコイル１１４巻線を外部端子へ接続する交流入力部１１２とを有する。

固定体１１０の上下ヨーク１１５、１１６は、可動体１２０のマグネット１２３の磁極数と等しい極数の極歯１１５ｂ、１１６ｂを有する。コイル部１１４へ入力される交流波により磁化され，効率的に磁気吸引力・反発力を発生させる。

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いる。
これにより、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。

この構成によりアクチュエータ１００では、放射状に複数配置された同一磁極である極歯１１５ｂ、１１６ｂからの磁束がすべて、上下ヨーク１１５、１１６を通り中央側に集中して流れる磁気回路となっている。このように磁束が集中すると磁気飽和が発生し、磁気抵抗（リラクタンス）の増大がおこるため、トルク定数が低下し、特性の低下、つまり、出力自体が低下するおそれがある。

しかしながら、本実施の形態のアクチュエータ１００においては、軸受１１３が磁性体であるため、コイル部１１４の内側において、且つ、回転軸１２２周りにおける断面積（磁束が流れる磁路断面積）を広くできる。
これにより、外周側の極歯１１５ｂ、１１６ｂから内側に向かって中央部分に集中する磁束による磁気飽和を緩和させることができる。これにより、トルク定数Ｋ_ｔが大きくなり、エネルギー変換効率を向上させて、アクチュエータ１００の出力を増加できる。

また、コイル部１１４において、上下ヨーク１１５、１１６は、コイル部１１４を軸方向で挟むように配置される円環状の本体板部１１５ａ、１１６ａの中央部に、絞り加工により形成されたコア内周部１１５ｃ、１１６ｃを有する。
コア内周部１１５ｃ、１１６ｃは、コイル部１１４の内側（内周側でありコイル部１１４の中央の開口部内）に配置され、筒状部１１１１に外嵌する。また、コア内周部１１５ｃ、１１６ｃ同士は、コイル部１１４の内側で互いの先端部を当接させており、コア内周部１１５ｃ、１１６ｃとで一つの磁性体からなる筒状体を形成している。

これらコア内周部１１５ｃ、１１６ｃにより、コイル部１１４の内側において、且つ、筒状部１１１１、軸受１１１の断面積（磁路断面積）に加えて、回転軸１２２周りにおける断面積（磁束が流れる磁路となる磁路断面積）を更に広くできる。加えて、コア内周部１１５ｃ、１１６ｃは、上下ヨーク１１５、１１６の一部であるので、上下ヨーク１１５、１１６における極歯の位置精度及び固定される際の強度を増加できる。

また、コア内周部１１５ｃ、１１６ｃ及び軸受１１３は、固定体１１０の上下寸法に略等しい。また、コア内周部１１５ｃ、１１６ｃは、筒状部１１１１と同軸であるため、製造上、その精度を出しやすい。

また、回転軸１２２は、非磁性体であるので、軸受１１３との間の接触面での磁気吸引力をなくすことができる。これにより、回転軸１２２と軸受１１３の間において余計な摩擦力が発生することがなく、減衰を低下させて、出力向上を図ることができる。すなわち、回転軸１２２は、磁性体である場合と異なり、磁気吸引力により、軸受１１３に吸い付いて減衰が増大することがない。

なお、回転軸１２２は、本実施の形態では、オースティナイト系ステンレスである（ＳＵＳ４０２）ので、先端部１２２ａが外部に突出し、外気・水などに触れる場合でも、耐食性に優れるので、錆びにくい。

図９、図１０は、本実施の形態に係る磁束の流れの説明に供する図であり、図９Ａは、本実施の形態の磁束の流れを示し、図６に対応する。また、図９Ｂは、本実施の形態の構成において、磁気飽和を考慮しない参考の構造、具体的には、軸受１１３Ｂが磁性体ではなく、更に、コア内周部１１５ｃ、１１６ｃを磁気経路としない構造を示す。図１０は、図３のＡ−Ａ線断面斜視図で有り、便宜上、マグネット１２３、ローターカバー部１２４を含むロータ部分の図示を省略している。

すなわち、本実施の形態では、図９Ａに示すように、非磁性体である回動軸部１２２と、コイル１１４ｂとの間に、全て磁性を有する軸受１１３、ベースプレート１１１の筒状部１１１１、コア内周部１１５ｃ、１１６ｃを配置し、磁路となる断面積を増加させている。図９Ａと図９Ｂとを比較すると、図９Ａでは、集中する磁束が、軸受１１３、筒状部１１１１、コア内周部１１５ｃ、１１６ｃのそれぞれを通るようになり、分散される。具体的には、磁束の流れは、極歯１１５ｂ→コア内周部１１５ｃ（１１６ｃ）＋筒状部１１１１（詳細には台座部１１１１ｂ）＋軸受１１３→極歯１１６ｂとなる。これに対して、図９Ｂに示すように、軸受１１３Ａが非磁性体である場合、軸受１１３Ａには磁束は流れず、磁気経路として機能する断面積が減少し、磁気飽和が起こり、図９Ｂに示すアクチュエータでは磁気抵抗が増大、磁束量は減少する。また、図９Ｂでは、コア内周部１１５ｃ、１１６ｃ同士は接触していないので、その分、磁束量が減少する。
このように本実施の形態では、回転軸１１２まわりには、磁気経路として機能する磁性体による断面積が広いので、図１０に示すように、コアの外側に位置するコアを囲むように全周に亘って位置する磁歯１１６ｂから内側へ流れる磁束は分散される。

このように、アクチュエータの中央部分、すなわち、磁気回路における中心部分の磁路断面積を増加することで、集中する磁気飽和をより効果的に緩和させて、エネルギー変換効率を更に改善（最大振幅が３．５％向上した）させることができる。
また、本実施の形態によれば、軸受１１３がベースプレート１１１に対して圧入により固定されるので、軸受１１３のベースプレート１１１における位置精度が向上し、可動体１２０の回動軸１２２に対しても正確な位置決めを行うことができる。

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、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、電動歯ブラシなどに適用されるものとして有用である。

１００ アクチュエータ
１１０ 固定体
１１１ ベースプレート
１１２ 交流入力部
１１３、１１３Ａ 軸受
１１４ コイル部
１１４ａ ボビン
１１４ｂ コイル
１１５ 上ヨーク
１１５ｂ、１１６ｂ 極歯
１１５ｃ、１１６ｃ コア内周部
１１６ 下ヨーク
１２０ 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
１６０ 接合部
１５２ 一端部
１５４ 他端部
１１１１ 筒状部

Claims (6)

1. 回動軸、及び、当該回動軸を中心に囲む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、
   前記回動軸が挿入される軸受、前記マグネット部の周面に対向して周方向に亘って前記軸受を囲むように配置され、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、
   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、前記固定体に、前記回動軸を中心に周方向に往復回動可能に保持され、
   前記軸受は磁性体である、
   ことを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記軸受は、磁性を有する焼結含油軸受である、
   ことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ。
3. 前記固定体は、磁性体のベースプレートを有し、
   前記ベースプレートには、可動体側に突出し、突出する側から前記コイルが外挿される中空の筒状部が形成され、
   前記軸受は、前記筒状部内に圧入固定されている、
   ことを特徴とする請求項１または２記載のアクチュエータ。
4. 前記極歯面は、前記コイルを囲む磁性体からなるコアに設けられ、
   前記コアは、前記コイルを軸方向で挟むように配置される円盤部の中央部に絞り加工により形成され、且つ、前記コイルの内周に配置され、前記筒状部に外嵌する筒状のコア内周部を有する、
   ことを特徴とする請求項３に記載のアクチュエータ。
5. 前記回動軸は、非磁性体である、
   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. 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を備える、
   ことを特徴とする電動理美容器具。

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