JP5670441B2 - 小型電気装置用電気モータ - Google Patents

Description

本発明は、小型電気装置を動作させるための電気モータ及びそのような電気モータを備えた小型電気装置に関する。本発明は、また、そのような電気モータを動作させる方法及びその生産方法に関する。

ＷＯ ２００５／００６５３８ Ａ１は、振動運動を生成するための電気モータを備えた小型電気装置に基づいている。２つの駆動構成要素が提供され、その１つは、少なくとも１つの弾性要素によって柔軟部品に接続され、作動させることができ、この駆動構成要素は、インダクタの磁界によって振動運動を起こすことができる。この２つの駆動構成要素は、付加要素によって互いに接続され、互いを駆動するように設計され、小型電気装置内で互いに逆位相で振動運動を実行するように配置される。

回転及び並進振動運動を生成することができ、また例えば電動歯ブラシに使用される電気モータが知られている。ＷＯ ２００５／０６２４４５号に記載されているような電気モータが、２つの振動モータ構成要素と、幾つかの永久磁石を有する１つの磁石配列を有する。磁界を生成するインダクタが提供される。この磁界は、磁石配列と相互作用して、振動構成要素の一方の並進振動運動を起動させる力を生成する働きをする。また、インダクタによって生成された磁界と磁石配列の相互作用により、第２の振動モータ構成要素の回転振動運動を起動させるためのトルクが生じる。そのような構成により、並進振動運動と回転振動運動の両方を生成することができ、したがって駆動機構は不要である。

ＥＰ ０ ８５０ ０２７ Ｂ１号による電動歯ブラシの場合には、ケーシング内に電動駆動ユニットが提供され、電動駆動ユニットは、一方では、駆動機構の支援によって回転運動をシャフトに伝達し、その動きを、例えば歯ブラシの剛毛ヘッドの回転運動に変換することができる。電動駆動ユニットの第２の構成要素は、電気モータの出力に偏心的に接続され、したがってモータ軸に対して直角な軸のまわりに振動クランクの並進振動運動を起動させる。振動クランクは、この旋回運動を行うのに役立ちかつシャフトを旋回させる、このシャフトは、回転振動運動を伝達するのに役立つ。

ＷＯ ２００５／０４８４３７号は、例えば電動歯ブラシの剛毛ヘッドの回転振動又は電気髭剃り装置の回転振動を生成させるための振動運動を生成させるための駆動ユニットについて述べている。インダクタと第１と第２の磁石配列を有する固定子内で非回転対称の回転子が動く。回転子は、第１と第２の放射状拡張部を有し、回転子の放射状拡張部に対する磁石配列が、磁石配列と放射状拡張部との間に対の割当てを可能にする。同時に、配列は、各対の磁石配列と放射状拡張部との間の磁気相互作用が、異なる２つの対の磁石配列と放射状拡張部との間の磁気相互作用より大きくなるように選択される。これにより、小さい質量とより小さい慣性モーメントを有する回転子を構成することができる。回転子は、弾性要素によって提供された復原相互作用によって固定子と結合され、これにより振動システムを形成する。この場合、インダクタに流れる電流の周期的な極性反転により、回転子の振動回転が生じる。更に、「オフ」位置の方向のそれぞれの回転は、弾性要素によって生成された復原モーメントによって促進される。付加的なばねとして、磁石配列の磁石から回転子に加わる磁気復原モーメントが考慮される。復原相互作用のための弾性要素として、実施形態は、回転子を固定子と結合するのに役立つトーション・バー、コイルばね又は渦巻きばねについて述べている。共振周波数は、回転子と弾性要素（例えば、トーション・バー）によって形成されたばね／質量系に依存する。

ＷＯ ２００５／００６５３８ Ａ１ ＷＯ ２００５／０６２４４５号 ＥＰ ０ ８５０ ０２７ Ｂ１号 ＷＯ ２００５／０４８４３７号

本発明の問題は、小型電気装置用の電気モータを示し、また小型で安価な電気装置を構成することである。更に、そのような電気モータを動作させる方法とそのような電気モータを製造する方法が示されべきである。

この問題は、請求項１の特徴を有する電気モータ、請求項１４の特徴を有する小型電気装置、請求項１６の特徴を有する電気モータを動作させる方法及び／又は請求項１７の特徴を有する電気モータを製造する方法によって解決される。

従属クレームの内容は、各例における有利な実施形態である。

本発明による電気モータは、少なくとも１つの第１の振動モータ構成要素と、磁界を生成するインダクタとを有する。少なくとも１つの第１の永久磁石を有する第１の磁石配列が提供される。第１の磁石配列は、インダクタにより生成された磁界と相互作用し、回転軸のまわりに第１の振動構成要素の回転振動運動を起動させる力を生成し、したがって詳細には回転振動運動を提供するのに役立つ。

詳細には、本発明による電気モータは、少なくとも１つの第１の振動モータ構成要素と第１の磁石配列が、第１のモータ構成要素と少なくとも１つの永久磁石との間に働く磁気抵抗トルクが回転振動運動のための排他的復原モーメントとして働くように構成されかつ／又は配列されることを特徴とする。したがって、詳細には戻しばねによって加えられる付加的な復原モーメントは不要であり、意図された特性を有する特に小型構成を達成することができる。

コイル電流が流されたとき、インダクタは、第１の振動モータ構成要素内に、第１の磁石配列によって生成される磁界に従ってエネルギーを最小にする方向に向けられた磁束を誘導する。この向きの運動後にインダクタが電流をゼロにする場合、第１の磁石配列の磁力線は、できるだけ第１の振動構成要素を回避しようする。その結果、第１の振動構成要素は、自ら第１の振動モータ構成要素をその開始位置に戻す復原モーメント（磁気抵抗トルク）を受ける。

本発明による電気モータは、復帰力（reset force）が磁気抵抗トルクだけによって提供されるので、付加的な機械的振動ばねなしで完全に済ませることができる。これにより、モータの構造が単純になり、構成要素の数が減少し、これが設計のサイズと製造コストに積極的な影響を与える。

したがって、電気モータを動作させるための本発明による方法は、磁気抵抗トルクが、少なくとも１つの振動モータ構成要素と少なくとも１つの永久磁石との間に生じ、回転振動運動のための単独の復原モーメントとして使用されることを特徴とする。

詳細には、本発明による電気モータを製造する１つの有利な方法は、第１の振動モータ構成要素と第１の磁石配列の少なくとも１つの永久磁石との幾何学的配置は、磁気抵抗トルクが回転振動運動の単独の復原モーメントとして使用されることができるように構成されることを特徴とする。これは、個別構成要素とそれらの間に作用する力の数値シミュレーションの一環として特に好ましい方法で行うことができる。同時に、数値シミュレーションは、対応する客観的試験を不要にし、個別パラメータを前もって極めて正確に設定することを可能にする。電気モータを製造する他の工程段階は、周知であり、本発明の本質ではない。そのため、それらの工程段階については個別に説明されない。

したがって、例えば、少なくとも１つの振動モータ構成要素の回転子開き角度と第１の磁石配列の磁石セグメント角度が、特に影響の大きなパラメータとしてシミュレートされかつ設定される。

一実施形態によれば、第１の振動モータ構成要素が、第１の磁石配列に割り当てられた回転子を有し、かつ回転子の回転子開き角度と第１の永久磁石の磁石セグメント角度は、電気モータが動作しているときに、回転子と第１の磁石配列との間で磁気抵抗トルクの実質的に直線の経路が、選択された最大振れ角まで達成されるように選択される。

本発明による電気モータの１つの特に好ましい実施形態は、例えば本発明による電気モータを製造するための本発明による工程段階の支援により、第１の振動構成要素の振れ角の少なくとも１つの領域内の振れ角の磁気抵抗トルクに応じて、最大振れ角より少ない直線の経路をもたらす予め設定された幾何学的配置を有する。このようにして、磁気抵抗トルクは、機械ばねと類似の一次復原モーメントとして働く。

本発明による電気モータの特に有利な実施形態は、並進振動運動を更に起動させることができる。これは、例えば、剛毛を保持する剛毛ヘッドの回転運動と、歯垢を除去する剛毛ヘッドの並進攪拌運動（translatory poking movement）とが両方とも要求されるときに有用となり得る。そのためには、並進振動運動が回転振動運動の軸に対して垂直な場合に特に好適である。

そのためには、本発明による電気モータの一実施形態は、少なくとも１つの第２の振動モータ構成要素と、少なくとも１つの第２の永久磁石を有する第２の磁石配列とを提供し、少なくとも１つの第２の永久磁石はインダクタにより生成された磁界と相互作用し、少なくとも１つの第２の振動構成要素の１つのそのような並進振動運動を起動させる力を生成する。

別の実施形態は、少なくとも１つの永久磁石を有する第２の磁石配列を提供し、少なくとも１つの永久磁石は、インダクタにより生成された磁界と相互作用し、少なくとも１つの第１の振動モータ構成要素の付加的な並進振動運動を起動させる力を生成する。後者の実施形態により、電気モータの製造がより容易になり、また、２つの異なる振動運動を提供するために１つの振動モータ構成要素しか必要ないので、構成要素が少なくなる。これと対照的に、２つの振動運動を有する前者の実施形態では、並進振動運動及び回転振動運動が、互いにはっきりと切り離され、したがって［モータを］特殊な要件に従って調整するのが容易になる。

設計が、並進振動運動と回転振動運動が異なる共振周波数を有するようなものであるとき、コイル電流の適切に選択された起動周波数を有する個別の運動が、選択的に起動されるか又は異なる振幅条件下で起動される。例えば、電動歯ブラシの場合は、対応する周波数を有する制御によって、様々な洗浄プログラムを選択することができる。

電気モータの実施形態を製造するために特に単純で容易な方法は、第１の磁石配列が、第１の振動構成要素に対して同軸に配置された幾つかの永久磁石を備えることを特徴とする。極が適切に選択された永久磁石は、例えば、第１の振動構成要素のまわりに円周方向にグループ化することができる。代替の実施形態は、第１のの磁石配列と必要に応じて第２の磁石配列の永久磁石が、［使用される］内側回転子のタイプにより、第１の振動構成要素と一緒に振動することを可能にする。

１つの省スペースの実施形態では、第１の振動モータ構成要素が、回転振動運動だけでなく並進振動運動を実行する場合に、第２の磁石配列が、第１の磁石配列の永久磁石に対して少なくとも１つの軸方向に沿って連結された、幾つかの永久磁石を備えることが好ましい。

本発明による電気モータの１つの好ましい実施形態において、回転振動運動が、第１の振動モータ構成要素によって生成され、並進振動運動が、第２の振動モータ構成要素によって生成される場合は、少なくとも第２の永久磁石と相互作用するためにインダクタにより生成された磁束をガイドするように構成された磁束ガイド要素が設けられている。したがって、回転運動と並進運動が互いに独立しており、回転振動運動と並進振動運動の両方が同じインダクタの磁界によって起動される場合でも、回転振動運動のために起動された振動モータ構成要素の角度の振れが、並進振動運動のために起動された振動モータ構成要素の挙動に影響を与えないことは容易に可能である。磁束ガイド要素は、例えば、磁界を生成するインダクタのコイルを把持する金属ヨークを備えることができる。

本発明による小型電気装置は、本発明による電気モータによって起動された少なくとも１つの回転方向に、少なくとも１つの回転振動運動を起動するための少なくとも１つの振動要素を有する。例えば、本発明による小型電気装置は、髭剃り部を有する電気髭剃り装置であってよい。本発明による電気モータは、特に電動歯ブラシに有利に使用することができ、振動要素は剛毛ヘッドを備える。

本発明による電気モータの特に有利な実施形態に関する以上の説明から、本発明による小型電気装置の特に有利な構成が得られる。

添付図面は、本発明による様々な実施形態を例示的かつ模式的に表わし、本発明を詳細に示す。
本発明による電気モータの第１の実施形態を部分透明図で示す。 本発明による電気モータの容易に改良された実施形態の回転ユニットの横断面を示す。 本発明による電気モータ内の回転振動運動の復原モーメントを説明する概略図を示す。 本発明による電気モータ内の回転振動運動の復原モーメントを説明する概略図を示す。 本発明による電気モータの一例の回転子の振れ角の関数として磁気抵抗トルクの経路を示す。 本発明による電気モータの一実施形態の回転子の並進の振れの磁気抵抗力を説明する概略図。 本発明による電気モータの一実施形態の回転子の並進の振れの磁気抵抗力を説明する概略図。 本発明による電気モータの第２の実施形態の第１と第２の磁石機構の永久磁石の配列を示す。 本発明による電気モータの第３の実施形態の概略図。 本発明による電気モータの第４の実施形態の概略図。 本発明による電気モータの第５の実施形態の概略図。 本発明による電気モータの第６の実施形態の概略図。

図１は、本発明１０による電気モータを部分透明図で示す。金属ケーシング１２（ここでは、中にある構成要素を示すために透明なものとして示されている）内に、永久磁石１４、１６、１８及び２０を有する第１の磁石配列が配置される。この配列は、磁石１４及び１８の場合に、磁南極が、ｚ軸の方向に示され、即ち内方に放射し、磁北極が、外方に放射するように示したように選択された。他方、磁石１６及び２０の場合には、磁南極が外方に放射するように示され、磁北極が、回転軸ｚの方向に内方に放射するように示されている。これらの永久磁石１４、１６、１８及び２０は、第１の磁石配列を構成し、この第１の磁石配列は、回転軸ｚのまわりの回転子２２の回転振動運動を生成するために使用される。更に、この電気モータ１０は、コイル面が座標軸ｘに対して垂直な２つの部分からなる電磁気インダクタ２４を有する。回転子２２は、適切な金属の磁化可能な材料（例えば、鉄）から作製される。

第２の磁石配列は、軸方向にｚ方向に第１の磁石配列の磁石に連結された永久磁石２６、２８、３０及び３２を有する。この実施形態では、磁石３０及び３２の北極と南極の配列が、第１の磁石配列の隣接した永久磁石１８及び２０の磁極の配列に対応し、永久磁石２６及び２８の場合、磁極は、軸方向に直接連結された第１の磁石配列の永久磁石１４及び１６の磁極と異なる。したがって、特に磁石２６及び３２の場合、南極は、外方に放射するように示され、北極はｚ軸の方向に内方に放射するように示される。永久磁石２８及び３０の場合、北極が、外方に放射するように示され、南極が、ｚ軸の方向に内方に放射するように示される。磁石１８及び３０は、磁石２０及び３２と全く同じように、例えば一体として構成されてもよい。金属の磁化可能なケーシング１２は、第１と第２の磁石配列の永久磁石の配列のための磁気ヨークを提供する。

図２は、回転振動運動のために提供された第１の磁石配列の全体の容易に改良された実施形態の横断面を示す。更に、この図では、回転子２２が完全動作中に実行する回転振動運動Ｒの運動方向と並進振動運動Ｌの運動方向が示される。

図２の実施形態の例は、パラメータａ及びｂを説明する。ｂは、磁石セグメント角度を示し、これは、第１の磁石配列の永久磁石１４、１６、１８及び２０の周囲寸法の測定値である。ａは、ここでは第１の磁石配列内に配置されｚ軸のまわりに回転する回転子２２の対応するサイズを示し、以下では、回転子開き角度と呼ばれる。図２は、「オフ」位置の電気モータを示す。その時点で、回転子２２は、第１の永久磁石配列１４、１６、１８及び２０に対して対称である。示されたｘ軸は、回転子２２と第１の永久磁石配列１４、１６、１８及び２０による鏡像配列の中心軸となる。磁石セグメント角度ｂは、Ｓ中心軸（ｘ軸）と、第１の永久磁石配列１４、１６、１８及び２０の最大周囲寸法との間に決定される。回転子開き角度ａは、中心軸（ｘ軸）と回転子２２の最大周囲寸法との間で決定される。

図２の改良された実施形態では、永久磁石１４、１６、１８及び２０の領域内の二層金属ケーシング１２は、また、ケーシング補強材３４によって補強され、ケーシング補強材３４は、また金属であり磁化可能であり、永久磁石の磁力線の磁気ヨークを改善するのに役立つ。

図３は、磁気抵抗を回転振動運動の復原モーメントとして利用することによる本発明による実施形態の基本的な作用機構を、２つの模式的な図によって示す。ここでは、第１の磁界配列の永久磁石１４、１６、１８及び２０の磁界極性が、南極（Ｓ）から北極（Ｎ）の方向への矢印として示される。磁力線は、ケーシング１２（この図では示されない）をケーシング強化材３４に既知の方式で結合する。図３Ａは、回転子２２がその「オフ」位置にあるときの配列を示す。

模式的に示されたインダクタ２４内に示されたようなコイル電流が流された場合、金属回転子２２内に流れ線２３の方向に磁束が生成される。同時に、インダクタ２４の示された横断面の×印は、示された横断面内の点と逆の電流方向を示すものである。磁南極と磁北極（図では磁南極の上に描かれている）が形成される。回転子は、ｚ軸のまわりに回転することができ、この磁界内で最小エネルギーで自身を位置合わせしようとし、その結果、回転振動運動をそらすために矢印Ｒ１の方向の力が生成される。したがって、回転子２２が自身を最小エネルギーで位置合わせしたとき、回転子２２の南極と永久磁石２０の北極は、回転子２２の北極と永久磁石１４の南極と同じように互いに向き合う。

ここでコイル電流がゼロに設定された場合、図３ｂのような状況が作り出される。回転子２２内には、インダクタ２４内のコイル電流によって誘導される磁束がなくなる。一方では、磁石１６及び１４内の磁力線と、他方では磁石２０及び１８の磁力線が、図３ｂに矢印２５によって示されたように、金属回転子２２を回避しようとする。回転子２２に対する磁力線のヨークができるだけ大きいときにほとんどのエネルギーを最小化することができる。これは、回転子が、一方では永久磁石１４及び１６と対称的に、他方では永久磁石１８及び２０と対称的に配置されたときであり、この点に関して図では回転子はやはり垂直に位置合わせされる。この結果、回転子２２をその対称的な「オフ」位置に戻す力（磁気抵抗力）が生じる。これの結果生じる動きの方向は、Ｒ_２として示され、図３ａと関連して説明されたＲ_１の振れ方向と逆である。

本発明による電気モータでは、詳細には回転子開き角度ａと磁石セグメント角度ｂが、数値シミュレーションの支援により、他の幾何学的条件下で、得られる復帰力が、回転子２２の回転振動運動の復原モーメントを発生させるのに十分な方向Ｒ_２の目標値を有するように設定される。これにより、他の（詳細には、機械的）戻しばねが不要になる。あるいは、回転子開き角度ａと磁石セグメント角度ｂを試験によって決定することができる。電気モータの仕様（例えば、トルク、周波数、性能、最大幾何学的測定値、材料）が決まっている場合は、回転子の回転振動運動の所定の角度の磁界を横切る磁気抵抗トルクが最適な線形化になる。後述するように、磁気抵抗トルクに対する類似のばね定数を導出することができる。詳細にはモータの長さ（即ち、モータ・シャフトの延長方向）に対する質量慣性モーメントを選択することによって、電気モータの所望の共振周波数を調整することができる。

以上と以下に述べる全ての実施形態では、回転子開き角度ａと磁石セグメント角度ｂは、詳細には、回転子２２の振れ角のできるだけ大きな範囲内で、磁気抵抗トルク（磁気抵抗力により生じるトルクに相当する）が、振れ角の一次関数になるように選択される。図４は、そのような線形連結が最大−１５°の振れ角の場合に与えられる対応する例を示す。振れ角に対するその線形依存性により、磁気抵抗トルクは、機械的戻しばねと似た働きをする。詳細には振れ角に対して、線形化磁気抵抗トルクは、最大磁気抵抗トルクが得られるという効果を有する。非線形化磁気抵抗トルク作動の値は、少なくとも補助的な範囲では、線形化磁気抵抗トルク曲線より小さい。回転子開き角度ａ又は磁石セグメント角度ｂの最適値からのずれがわずかでも（例えば、１度）、所望の振れ角の磁界を横切る磁気抵抗トルクがかなり小さくかつ非線形になり、これは最終的には、磁気抵抗力を唯一の帰力として単独に使用できなくなることを意味する。

したがって、この実施形態の回転運動は、インダクタ２４内のコイル電流を起動することによって開始され、このコイル電流は、図３ａに示された運動Ｒ_１を引き起こし、回転子２２を、図３ａに示されたその「オフ」位置から動かす。コイル電流を遮断すると、一方で永久磁石１４及び１６の磁力線が生じ、他方で永久磁石１８及び２０の磁力線が生じ、回転子２２を回避して、その結果、方向Ｒ_２に動く磁気抵抗トルクが生じる。詳細には回転子開き角度ａと磁石セグメント角度ｂのパラメータを適切に選択することにより、本発明による構成が容易になり、方向Ｒ_２の復元トルクは、追加の機械的戻しばねなしに振動運動を維持するのに十分である。

本発明による電気モータの図１に示された実施形態では、永久磁石２６、２８、３０及び３２を有する第２の磁石配列が、回転振動運動に加えて、図２で既に言及した方向Ｙの並進振動運動Ｌを引き起こすことができる。運動Ｌは、タッピング運動に相当し、したがって、以下では第２の磁石配列の磁石は、「タッピング磁石」とも呼ばれる。

図５は、第２の磁石配列のタッピング磁石２６、２８、３０及び３２の領域内の磁気状態を示し、第２の磁石配列は、図１の実施形態では、ｚ軸方向にある第１の磁石配列に軸方向に連結する。

タッピング磁石３０及び３２の磁極性は、磁石１８及び２０の磁極性に対応しているが、磁石２６及び２８の磁極性は、磁石１４及び１６の磁極性と逆である。図５ａに示されたように、インダクタ２４内でコイル電流が流されたとき、回転子２２に磁束（流線２３によって示された）が生じる。回転子２２と永久磁石２６、２８、３０及び３２との間の磁気相互作用のために、力３８が生成される。

力３８により、回転子２２が、ｙ方向に並進方式で振れ、図５ｂに示された状況となる。図５ｂに示されたようにインダクタ２４内のコイル電流がゼロに設定された場合は、磁気抵抗力４０が生じ、これにより、永久磁石２８及び３２内の磁力線が、磁界線２５によって示されたように、金属の磁化可能な回転子２２を回避することになる。

この磁気抵抗力４０は、タッピング力３８と同じ方向に働き、したがって、回転子２２が磁石に押し付けらないような十分な対抗力を機械ばね３６によって生成しなければならない。このばね３６が点３７でケーシングに固定されることを模式的にのみ示す。

図６は、タッピング磁石の第２の磁石配列が２回存在する、図１の実施形態の改良された実施形態を示す。それぞれの第２の磁石配列２６、２８、３０及び３２が、第１の磁石配列１４、１６、１８及び２０の２つの軸方向側面に取り付けられる。またに、図６は、磁石の極性を矢印として示す。第２の磁石配列２６、２８、３０及び３２が二重に存在するので、図５に関して説明したタッピング効果が大きくなる。

図７は、回転振動運動を生じる更に他の実施形態を示す。このモータ４８では、永久磁石５０及び５２は、回転子５４に固定取り付けされ、以前に選択された用語では、第１の磁石配列の永久磁石のを形成する［ｓｉｃ］。磁気素子の極性は、北極Ｎと南極Ｓとして示される。回転子５４は、２つの固定子５８によって部分的に取り囲まれた領域内で、永久磁石５０及び５２と共にｚ軸のまわりで回転し、固定子は、２つの部分からなるインダクタ５６内に示されたように配置される。インダクタ５６に電流が流された場合、固定子内に磁束が誘導される。次に、一方の固定子の回転子端に北極ができ、他方の固定子５８の回転子端に南極ができる。磁化可能なケーシング６０を横切って磁気ヨークが生じる。

この実施形態では、回転子をその開始位置に戻すのに必要な復帰力は、やはりコイル電流が遮断された後で永久磁石５０及び５２と固定子５８との間に生じる磁気抵抗力によって形成される。例えば、個別要素の幾何学的配置は、数値シミュレーションによって、磁気抵抗力に加えて他の復帰要素がなくてもよいように選択される。

図７の実施形態は、第１の磁石配列５０及び５２の永久磁石に軸方向に連結された追加のタッピング磁石によって拡張することもできる。図７の実施形態を使用することにより、回転子のタッピング運動は、ｚ軸のまわりの回転運動に加えて、既に述べた実施形態と似た方法で可能である。

図８は、構成が非対称的で１つのインダクタ７４だけが使用されるモータ６８の別の実施形態を示す。図７と同じように、この例では、永久磁石は、固定子７２内の回転子７０と一緒に動く。インダクタ７４内の対応するコイル電流方向の場合に、固定子７２内に、例えば（固定子７２に文字Ｎ及びＳによって示された）磁極配列が形成される。図８の図面には、回転子７０に取り付けられた第１の磁石配列の４つの永久磁石７６のうちの２つを見ることができ、４つの永久磁石７６は、図１〜図５及び図６に関して述べた第１の磁石配列の永久磁石１４、１６、１８及び２０と類似の方式で回転振動運動に関与する。図８の図面では、第１の磁石配列の別の２つの永久磁石は、固定子７２がそれらの永久磁石を覆っているので見えない。

第２の磁石配列のタッピング磁石８０、８２、８４及び８６は、ｙ方向の並進振動運動Ｌに関与し、第１の磁石配列の永久磁石の両側にｚ軸の方向に連結される。更に、図８の実施形態では、幾何学的配置は、ｚ軸のまわりの回転振動運動の場合に、回転方向に振れてコイル電流が遮断された後で回転子７０をその開始位置に戻すために、磁気抵抗トルクが単一復原モーメントとして働くように選択される。

図１〜図８に関して述べた実施形態は、回転子が、第１の振動構成要素として、例えば歯ブラシの剛毛ヘッドに直接伝達することができる回転振動運動と並進振動運動の両方を提供することを特徴とする。

図９は、第１の振動構成要素が回転子２２によって形成されたモータ１００の一実施形態を示し、モータ１００は、この例では、回転振動運動だけに関与する。回転振動運動は、図１の第１の磁石配列に関して既に説明したように、インダクタ２４の磁界により第１の磁石配列１４、１６、１８及び２０によって生成される。動作モードが図１の実施形態と同じなので同じ参照番号を使用した。

永久磁石１４、１６、１８及び２０の磁化は、また、図１の実施形態のものと同じである。

また図９の実施形態では、インダクタ２４内に回転子２２が配置され、インダクタ２４は、この例では２つの要素からなり、示された配列では、電流が流れたときにｘ方向に磁界を生成する。回転子２２は、ｚ軸のまわりを回転し、それにより回転子２２は、インダクタで電流が流されたときに生成される磁界によって磁化される。

また、例えば、インダクタ２４のコイル内には、例えば鉄からなり基部１０４と２つの磁束ガイド側面部１０６及び１０８とを有するＵ字型磁束ガイド要素１０２が配置される。コイル電流が流されたとき、２つの永久磁石からなる第２の磁石配列によって収容された中に磁束が生成され、例えば、セグメント１１０及び１１２は南極であり、セグメント１１４及び１１６は北極である。磁気セグメントは、回転子１１８が方向Ｌに並進振動運動を行うことができるように取り付けられた回転子１１８に固定連結される。

インダクタ２４によって磁束ガイド要素１０２内に磁束が生成されると、第２の磁石配列１１０，１１２、１１４及び１１６の磁石は、エネルギーが最小になるように位置合わせされ、これにより、回転子１１８が、ｘ方向、即ち回転子２２の回転軸ｚに対して半径方向に動く。

各回転子２２、磁束ガイド要素１０２、及び回転子１１８はそれぞれ、回転子２２が回転するのに役立つシャフトが通される中央孔（図示せず）を有する。同時に、回転子１１８の中心孔は、少なくとも、回転子２２に連結されたシャフトが、回転子１１８の並進振動運動Ｌに関与しないほど十分に大きな寸法を有する。

したがって、回転子１１８と回転子２２の振動運動は、互いに独立している。したがって、回転子１１８と回転子２２を、必要に応じて、並進（Ｌ）及び回転（Ｒ）振動運動のための独立駆動機構として使用することができる。

更に、図９の実施形態では、図１の実施形態と同様に、個別要素の幾何学的配置、詳細には回転子２２の回転子開き角度と第１の磁石配列の永久磁石の磁石セグメント角度が、磁気抵抗トルクが回転振動運動の復帰力として働くように選択される。

図１０は、本発明による電気モータ１２８のその他の実施形態を示し、この実施形態では、回転振動運動と並進振動運動が、２つの独立した要素によって実行される。

この例では、インダクタ１３０が、金属の磁化可能なコア１３２を取り囲む。図１０の配置では、コア１３２の長手方向の位置合わせは、インダクタの軸と平行である。

図１０では、回転に関与する第１の磁石配列が、インダクタ１３０の真下に配置され、永久磁石１３４，１３６及び１３８を含む。第４の永久磁石（図１０の図面では見えない）は、永久磁石１３４，１３６及び１３８と共に長方形を形成する。それぞれの例では、永久磁石の極性は、文字Ｎ（北極）及びＳ（南極）によって示される。見えない磁石の極性は、永久磁石１３６の極性に対応する。永久磁石の下には、金属の磁化可能な要素１４０が、磁気ヨークとして配置される。例えば、インダクタ１３０に、例えばコア１３２の下端に北極ができる電流が誘導されたとき、金属ヨーク１４０と共にｚ軸のまわりに永久磁石１３４，１３６及び１３８の動きが起動される。図１０では、インダクタ１３０の上に、タッピング運動に関与する第２の磁石配列の永久磁石が配置される。これらの永久磁石１４２及び１４４の極性も、文字Ｎ（北極）及びＳ（南極）によって示される。金属コア１３２内に磁束を生成するインダクタ１３０に電流が流され、その磁束によってコア１３２の上端に南極ができるとき、図１０の永久磁石１４２及び１４４の配列は左側に動く。電流方向の極性を逆にすると、右側に動くことになる。永久磁石１４２及び１４４は、適切に磁化可能な金属材料を含む要素１４６によって磁気的に結合される。

参照数字１４８は、ケーシング部品を指す。

コア１３２に対する永久磁石１３４，１３６及び１３８の配列と構成は、数値シミュレーションによって、この実施形態でも、磁気抵抗力が回転振動運動の復原モーメントとして働くように決定することができる。したがって、要素１４０は、回転振動運動の出力の役割をし、要素１４６は、並進振動運動の出力の役割をすることができる。

磁気抵抗力が、回転振動運動の単独の復原モーメントとして使用される本発明による特徴は、記載された全ての実施形態と共通である。

磁気抵抗力が、回転振動運動に十分な復帰力を提供することを保証するために、本発明は、以下の手順を規定する。最初に、モータの所望の要件（例えば、トルク、周波数、性能、最大幾何学的測定値、又は他の設計制限）が集約される。例えば、示された実施形態のうちの１つに対応するモータ・システムが、受け入れられる。詳細には、図２に関して説明されたような磁石セグメント角度ｂと回転子開き角度ａ、又は他の幾何学的配置の場合には関連寸法が、数値シミュレーションの一部として、磁気抵抗トルクが規定の角度の磁界を横切る線形である適切な構成が見つかるまで変更される。

最後に、回転振動運動の所望の周波数を決定することができる。そのために、磁気抵抗トルクと振れ角から相似のばね定数が決定される。磁気抵抗トルクの線形コースが、角度に依存する場合（例えば図４の場合のように）、ばね定数は一定である。シャフトを含む回転子の質量慣性モーメントも計算される。このとき、得られた振動周波数は、（１／（２π））・（ばね定数／慣性モーメント）^１／２である。この例は、単に、周波数を単一質量の発振器として計算しており、例えばケーシングによって形成された第２の質量を、既知の方法で計算に含めてもよい。詳細には磁石セグメント角度と回転子開き角度を変更することによって、磁気抵抗トルクの経路を振れ角の関数（即ち、ばね定数）として選択することができる。ばね定数と慣性モーメントを適切に選択することによって、所望の周波数を選択することができる。

回転振動運動と並進振動運動の両方を提供する実施形態では、並進振動運動の復帰力を、機械的復帰要素によって保証することができる。詳細には、インダクタ内のコイル電流の起動が、並進振動運動と回転振動運動の一方の共振周波数に対応する場合には、個々の振動を互いに独立に起動できるように、並進振動運動の共振周波数を、回転振動運動の共振周波数から離して調整することができる。

Claims (13)

1. 小型電気装置を動作させるための電気モータ（１０，４８，６８，１００，１２８）であって、
   −第１の振動モータ構成要素（２２，５４，７０，１４０）と、
   −磁界を生成するためのインダクタ（２４，５６，７４，１３０）と、
   −前記インダクタ（２４，５６，７４，１３０）によって生成された磁界との相互作用により、回転軸（ｚ）のまわりに前記第１の振動モータ構成要素（２２，５４，７０，１４０）の回転振動運動（Ｒ）を起動させる力を生成する複数の第１の永久磁石（１４，１６，１８，２０；５０，５２；７６；１３４，１３６，１３８）を有する、磁石配列とを備え、
   前記第１の振動モータ構成要素（２２，５４，７０）と前記磁石配列は、前記第１の振動モータ構成要素（２２，５４，７０，１４０）と前記磁石配列の前記複数の第１の永久磁石（１４，１６，１８，２０；５０，５２；７６；１３４，１３６，１３８）との間に働く磁気抵抗トルクが、前記回転振動運動（Ｒ）の復原モーメントとしてのみ働くように構成され、
   第２の振動モータ構成要素（１１８，１４６）と、複数の第２の永久磁石（１１０，１１２，１１４，１１６；１４２，１４４）とが設けられ、前記複数の第２の永久磁石は、前記インダクタ（２４，１３０）により生成された磁界と相互作用し、前記第２の振動モータ構成要素（１１８，１４６）の並進振動運動（Ｌ）を起動させる力を生成し、
   前記並進振動運動（Ｌ）が、前記回転振動運動（Ｒ）の回転軸（ｚ）に対して垂直であり、
   前記インダクタ（２４）によって内部に磁束が生成された際に、生成される磁界に従ってエネルギーが最小になるような位置に前記第２の振動モータ構成要素（１１８）に固定連結された第２の永久磁石（１１０，１１２，１１４，１１６；１４２，１４４）を誘導する、少なくとも１つの磁束ガイド要素（１０２）が設けられている、電気モータ（１０，４８，６８，１００，１２８）。
2. 前記第１の振動モータ構成要素（２２，５４，７０，１４０）と前記第１の磁石配列は、前記磁気抵抗トルクが前記第１の振動モータ構成要素（２２，５４，７０，１４０）の最大振れ角より小さい振れ角に関して一次関数になるように構成される、請求項１に記載の電気モータ。
3. 前記第１の振動モータ構成要素が、前記磁石配列（１４，１６，１８，２０）に割り当てられた回転子（２２）を有し、かつ前記回転子の回転子開き角度（ａ）と前記第１の永久磁石の磁石セグメント角度（ｂ）は、前記電気モータが動作しているときに、前記回転子と前記磁石配列との間で、最大振れ角まで前記磁気抵抗トルクの線形の経路が達成されるように選択される、請求項１又は２に記載の電気モータ。
4. 複数の第２の永久磁石（２６，２８，３０，３２；８０，８２，８４，８６）が設けられ、前記複数の第２の永久磁石は、インダクタ（２４，７４）により生成された磁界と相互作用し、前記第１の振動モータ構成要素（２２，７０）の並進振動運動（Ｌ）を起動させる力を生成し、前記並進振動運動（Ｌ）が、前記回転振動運動（Ｒ）の回転軸（ｚ）に対して垂直である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電気モータ。
5. 前記並進（Ｌ）及び回転（Ｒ）振動運動が、異なる共振周波数を有する、請求項１に記載の電気モータ。
6. 前記少なくとも１つのインダクタ（２４，５６，７４）の長手軸と前記回転振動運動（Ｒ）の回転軸（ｚ）とが互いに垂直である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電気モータ。
7. 前記少なくとも１つのインダクタ（１３０）の長手軸と前記回転振動運動（Ｒ）の回転軸（ｚ）とが互いに平行である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電気モータ。
8. 前記少なくとも１つのインダクタ（１３０）の長手軸方向の前記第１（１３４，１３６，１３８）及び第２（１４２，１４４）の永久磁石が、前記インダクタ（１３０）の異なる側に配置されている、請求項３に直接又は間接的に従属する請求項７に記載の電気モータ。
9. 少なくとも１つの回転方向における少なくとも１つの振動要素を有する小型電気装置において、少なくとも前記回転振動運動（Ｒ）を起動させるための請求項１〜８のいずれか一項記載の電気モータ（１０，４８，６８，１００，１２８）を有することを特徴とする、小型電気装置。
10. 電動歯ブラシとして設計されており、前記少なくとも１つの振動要素が、剛毛ヘッドを有する、請求項９に記載の小型電気装置。
11. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の電気モータ（１０，４８，６８，１００，１２８）の製造方法において、前記第１の振動モータ構成要素（２２，５４，７０，１４０）と前記磁石配列の前記複数の永久磁石（１４，１６，１８，２０；５０，５２；７６；１３４，１３６，１３８）との幾何学的配置は、前記磁気抵抗トルクが前記回転振動運動（Ｒ）の前記単独の復原モーメントとして使用されることができるように決定される、方法。
12. 前記第１の振動モータ構成要素（２２，５４，７０）の前記回転子開き角度（ａ）と前記磁石配列の前記磁石セグメント角度（ｂ）とは、前記磁気抵抗トルクが前記回転振動運動（Ｒ）の前記単独の復原モーメントとして使用されることができるように決定される、請求項１１に記載の方法。
13. 前記第１の振動モータ構成要素（２２，５４，７０，１４０）と前記磁石配列との幾何学的配置は、前記磁気抵抗トルクが前記第１の振動モータ構成要素（２２，５４，７０，１４０）の最大振れ角より小さい振れ角に関して一次関数となるように決定される、請求項１１又は１２に記載の方法。

Images