アクチュエータ及びこれを用いた電動歯ブラシ
【課題】電動歯ブラシ等の往復回転運動を、駆動源とは別体の駆動伝達機構を用いることなく実現すること。
【解決手段】固定体１１０は、マグネット１７０を周回し、マグネット１７０において極の異なる磁極面１７０ａ、１７０ｂからそれぞれ所定間隔を空けて対向するように配置されるコイル１６０と、コイル１６０の外周部分を覆うアウターヨーク１５０とを有する。固定体１１０は、弾性部材１３０を介して、マグネット１７０を有する可動体１２０を可動自在に支持する。交流供給部１４０が、コイル１６０に、可動体１２０の共振周波数に略等しい周波数の交流を供給することによって、可動体１２０は、回転往復振動を行う。
【解決手段】固定体１１０は、マグネット１７０を周回し、マグネット１７０において極の異なる磁極面１７０ａ、１７０ｂからそれぞれ所定間隔を空けて対向するように配置されるコイル１６０と、コイル１６０の外周部分を覆うアウターヨーク１５０とを有する。固定体１１０は、弾性部材１３０を介して、マグネット１７０を有する可動体１２０を可動自在に支持する。交流供給部１４０が、コイル１６０に、可動体１２０の共振周波数に略等しい周波数の交流を供給することによって、可動体１２０は、回転往復振動を行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動歯ブラシ或いは電動音波歯ブラシ等に用いられるアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電動音波歯ブラシを含む電動歯ブラシでは、往復直線運動により、歯と歯茎の境界部分に斜め（約45度の角度）に当てて左右に振動するバス磨き用の歯ブラシと、軸回りの所定角度範囲で往復（正逆）回転運動して、歯茎から歯に向かって回転させるように動くローリング磨き用の歯ブラシが知られている。
【０００３】
これら歯ブラシの駆動には、通常の軸回り回転を行う回転式ＤＣモータの回転を、運動方向変換機構を介して直線往復運動又は往復回転運動する構造が多く用いられている。また、この構造以外にも、リニア駆動アクチュエータにより歯ブラシを往復直線運動する構造又は、アクチュエータの振動によって駆動源とは別体の共振振動機構を共振させて歯ブラシを往復回転運動する構造が知られている。
【０００４】
リニア駆動アクチュエータにより歯ブラシを往復直線運動させる構造は、特許文献１に示すように、リニア駆動アクチュエータによって、歯ブラシ部に直結する出力軸の軸方向の往復振動を直接発生させてバス磨きを実現している。この構造では、運動変換機構による動力ロスがなく、また高速な振動を行わせることができるものとなっている。
【０００５】
また、アクチュエータと、駆動源とは別体の共振振動機構とを有する構造は、特許文献２に示すように、電磁石及び永久磁石を備える駆動手段によって、レバーアームを備える共振振動機構を励振して、歯ブラシ部に同軸で直結するレバーアームを首振り運動させてローリング磨きを実現している。
【特許文献１】特開２００２−０７８３１０号公報
【特許文献２】特許第３２４３５２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、電動歯ブラシでは、ローリング磨きを実現できるとともに、ローリング磨き用歯ブラシを駆動させる駆動部分が収容される柄の部分を極力細くしたいため、歯ブラシの駆動部分の小型化が望まれている。
【０００７】
しかしながら、通常の軸回り回転するモータを用いローリング磨きを実現するためには、モータとは別に当該モータの回転を往復回転運動に変換するための運動方向変換機構が必要となる。また、特許文献１のようリニア駆動アクチュエータを用いローリング磨きを実現するためには、リニア駆動アクチュエータとは別にトルク発生機構（駆動源）が必要となる。
【０００８】
また、特許文献２に示す構造では、駆動源とともに、駆動源とは別の共振振動機構が必要となる。
【０００９】
したがって、従来の構造では、モータ或いはリニア駆動アクチュエータを電動歯ブラシの駆動源としてみた場合、駆動源に加えて、駆動源とは別の運動方向変換機構又はトルク発生機構又は共振振動機構の配置スペースを確保する必要があるので、歯ブラシの小型化には困難であるという問題がある。
【００１０】
さらに、歯ブラシの駆動部分として、モータなどのアクチュエータとは別体の運動方向変換機構といった駆動伝達機構を備える場合、駆動伝達機構では、騒音発生の恐れ及び伝達される動力ロスの発生による効率悪化の恐れがあり、これらの対策も考慮する必要がある。
【００１１】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、電動歯ブラシ等の往復回転運動を、駆動源とは別体の駆動伝達機構を用いることなく実現できる、小型化のアクチュエータ及び電動歯ブラシを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明のアクチュエータは、永久磁石を有する可動体と、前記永久磁石を周回し、前記永久磁石において極の異なる磁極面からそれぞれ所定間隔を空けて対向する内周部を有するコイル及び前記コイルの外周部を覆うアウターヨークを有し、弾性支持部を介して前記可動体を可動自在に支持する固定体と、前記可動体の共振周波数に略等しい周波数の交流を前記コイルに供給する交流供給部とを備える構成を採る。
【００１３】
本発明の電動歯ブラシは、上記構成のアクチュエータと、前記アクチュエータの出力軸に、当該出力軸と同一軸心上で連結され、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とを有する構成を採る。
【発明の効果】
【００１４】
電動歯ブラシ等の往復回転運動を、駆動源とは別体の駆動伝達機構を用いることなく達成できるので、小型化のアクチュエータ及び電動歯ブラシを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（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１００を示す斜視図であり、図２は、同アクチュエータ１００の要部分解斜視図である。
【００１６】
図１及び図２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弾性部材（弾性支持部）１３０と、交流供給部１４０とを有する。
【００１７】
アクチュエータ１００では、弾性部材１３０を介して固定体１１０に可動自在に支持される可動体１２０（図２参照）の可動によって、可動体１２０（図２参照）の出力軸である回転往復伝達シャフト（以下、「シャフト」という）１２５が、所定の角度範囲内で正逆方向（図１の矢印方向）に回転し、回転往復振動として外部に出力する。
【００１８】
図２に示すように、固定体１１０は、基台（ベースプレート）１１２と、支持壁部１１４、１１６と、アウターヨーク１５０と、アウターヨーク１５０に取り付けられるコイル１６０とを有する。一方、可動体１２０は、マグネット（永久磁石）１７０と、弾性部材１３０を介して支持壁部１１４、１１６に支持され、且つ、マグネット１７０を保持するマグネット保持部１２４と、シャフト１２５、１２６とを有する。
【００１９】
固定体１１０では、アウターヨーク１５０内において、コイル１６０の内側のエアギャップ内に、可動体１２０のマグネット１７０が配置されている。アクチュエータ１００では、コイル１６０に交流供給部１４０から交流電源（交流電圧）が入力されることによって可動体１２０は共振状態で駆動する。
【００２０】
具体的に、固定体１１０では、基台１１２は、可動体１２０のシャフト１２５の延在方向に沿って長い矩形板状をなし、ここでは非磁性体により形成されている。
【００２１】
基台１１２の表面の上方には、可動体１２０のマグネット１７０が配置され、このマグネット１７０を周回して、コイル１６０が、その外周部で、断面Ｕ字状（コ字状も含む）のアウターヨーク１５０の対向する内壁面に取り付けられた状態で配置されている。
【００２２】
また、基台１１２には、長手方向で離間する端辺部から支持壁部１１４、１１６が立設されている。
【００２３】
支持壁部１１４、１１６は、可動体１２０のシャフト１２５、１２６が挿通する開口部１１４ａ、１１６ａを有する。支持壁部１１４、１１６は、開口部１１４ａ、１１６ａにそれぞれシャフト１２６、１２５を回動自在に挿通させた状態で、弾性部材１３０を介して可動体１２０を可動自在に支持している。
【００２４】
支持壁部１１４、１１６は、弾性部材１３０とともに、通常状態では、可動体１２０を、略水平方向（基台１１２と略平行）に保持する。なお、開口部１１４ａ、１１６ａには、シャフト１２５、１２６は、遊びが有る状態で挿通されてもよい。
【００２５】
弾性部材１３０は、支持壁部１１４、１１６の対向領域において、可動体１２０のマグネット１７０を、左右前後方向に変位自在に支持する。
【００２６】
ここでは、弾性部材１３０は、支持壁部１１４、１１６どうしで対向する面の上端部分において略水平に、対向方向に突出して設けられた板状のジグザグバネからなる。つまり、弾性部材１３０は、一端部から他端部側に向かって細帯状の金属板が一方の幅方向に延びて他方の幅方向に折り返すことを繰り返してジグザグに形成されており、弾性部材１３０自体は一端部と他端部とを固定するとねじり方向に伸縮自在となっている。
【００２７】
このように構成された弾性部材１３０では、一端部は支持壁部１１４、１１６のインサート成形により取り付けられており、他端部は、マグネット１７０を保持するマグネット保持部１２４に取り付けられている。これにより、支持壁部１１４、１１６は、弾性部材１３０を介して、基台１１２とアウターヨーク１５０とで囲まれる領域内において、可動体１２０をシャフト１２５、１２６の軸を中心にねじり方向に可動自在に支持する。
【００２８】
図３は、アクチュエータ１００における要部構成を示す概略断面図である。なお、図３では、アクチュエータ１００の磁気回路として、マグネット１７０による磁束の流れを白抜き矢印で示す。
【００２９】
アウターヨーク１５０は、ここでは、断面略Ｕ字状をなし、板状の磁性体を折曲することで形成されている。アウターヨーク１５０は、矩形板状のヨーク中央部１５１と、ヨーク中央部１５１の両側辺部からそれぞれ垂下され、互いに対向する側壁部１５２、１５３とを有する。
【００３０】
ここでは、アウターヨーク１５０は、基台１１２及び支持壁部１１４、１１６の上方から被せて、可動体１２０のマグネット１７０及びマグネット保持部１２４を覆う。アウターヨーク１５０は、基台１１２によって両側壁部１５２、１５３の先端部の開口を閉塞され、基台１１２及び支持壁部１１４、１１６とともに可動体１２０を収容する箱体を形成している。
【００３１】
アウターヨーク１５０の対向する側壁部１５２、１５３の内壁面１５２ａ、１５３ａには、エアギャップを介して可動体１２０のマグネット１７０の周囲を囲むように巻回されたコイル１６０が固定されている。
【００３２】
コイル１６０は、ここでは、ボイスコイルであり、外径部分をアウターヨーク１５０の両側壁部１５２、１５３の内壁面１５２ａ、１５３ａに固定して、内径より内側には、内周部分からエアギャップを介してマグネット１７０が位置するように配置されている。すなわち、コイル１６０の内周部は、マグネット１７０において極の異なる磁極面を含む外周面から、それぞれ所定間隔を空けて対向している。
【００３３】
また、コイル１６０は、アウターヨーク１５０の側壁部１５２、１５３間内において、アウターヨーク１５０のヨーク中央部１５１及び基台１１２と、シャフト１２５と略直交する方向に延在する軸を中心にコイル線を巻回して形成された角筒状をなしている。
【００３４】
このコイル１６０は、アウターヨークの側壁部１５２、１５３の内壁面において、ヨーク中央部１５１側に取り付けられ、マグネット１７０において互いに異なる磁極（磁極面１７０ａ、１７０ｂ）と対向する位置に配置している。
【００３５】
コイル１６０の内側にエアギャップを介して配置されたマグネット（永久磁石）１７０は、アウターヨーク１５０の延在方向に沿って長い磁極面１７０ａ、１７０ｂを有する直方体である。ここでは、マグネット１７０は、支持壁部１１４、１１６により弾性部材１３０を介して可動自在に支持されたマグネット保持部１２４によって、コイル１６０の内径より内側のエアギャップ内で回動自在に保持されている。
【００３６】
なお、マグネット保持部１２４は、図２及び図３に示すように、側面視コ字状に形成され、マグネット１７０を載置する矩形板状の底板部１２４ａと、底板部１２４ａの長手方向（シャフト１２５の延在方向）で離間する端部で立設された前壁部１２４ｂ、後壁部１２４ｃとを有する。
【００３７】
また、マグネット保持部１２４は、ここでは非磁性体で構成されており、前壁部１２４ｂには、シャフト１２５が直交して取り付けられ、後壁部１２４ｃには、シャフト１２６がシャフト１２５と同軸心上に位置するように取り付けられている。つまり、シャフト１２５は、マグネット１７０の異なる磁極面１７０a、１７０ｂ（図４参照）と略平行に、マグネット１７０の略中心に沿って配置されている。
【００３８】
マグネット保持部１２４は、マグネット１７０を、コイル１６０と、アウターヨーク１５０のヨーク中央部１５１の裏面から離間させて、シャフト１２５、１２６を軸にねじり方向に回動自在に保持している。なお、可動体１２０では、マグネット保持部１２４の前壁部１２４ｂとマグネット１７０との間及び後壁部１２４ｃとマグネットとの間に、コイル１６０がそれぞれに接することなく配置され、コイル１６０の内側及び外側で可動自在となっている。
【００３９】
マグネット保持部１２４により保持されるマグネット１７０の磁極面１７０ａ、１７０ｂは、コイル１６０を介して、アウターヨークの側壁部１５２、１５３における内壁面の全面に渡って向かい合うように配置されている。
【００４０】
ここでは、マグネット１７０のＳ極側（Ｓ磁極面１７０ａ）は、アウターヨーク１５０の側壁部１５２の内壁面１５２ａ側に向かっており、Ｎ極（Ｎ磁極面１７０ｂ）側が、アウターヨーク１５０の側壁部１５３の内壁面１５３ａ側に向かっている。
【００４１】
なお、シャフト１２５は、図１及び図２に示すように、アウターヨーク１５０の延在方向と同方向で支持壁部１１６から外方に突出するように設けられている。すなわち、シャフト１２５は、アクチュエータ１００において、マグネット１７０と側壁部１５２、１５３とがコイル１６０を挟んで向かい合う方向と略直交する方向に突出して設けられている。
【００４２】
このようにシャフト１２５は、マグネット保持部１２４の前壁部１２４ｂに固定されることによって、可動体１２０の重心を通る軸線上に位置するように、可動体１２０に取り付けられた状態となっている。これによりシャフト１２５は、可動体１２０の本体を構成するマグネット１７０及びマグネット保持部１２４とともに回転往復振動し、その振動を外部に伝達することができる。
【００４３】
なお、アクチュエータ１００が電動歯ブラシに用いられる場合、シャフト１２５には、シャフト１２５と同一軸心上で、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が連結される。これにより歯ブラシ部はシャフト１２５と同様の運動、ここでは回転往復振動であるローリングを行うこととなる。
【００４４】
本実施の形態のアクチュエータ１００では、可動体１２０のイナーシャ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で振動する。
【００４５】
【数１】
本実施の形態のアクチュエータ１００は、交流供給部１４０によって、コイル１６０に可動体１２０の共振周波数ｆ０と略等しい周波数の交流を供給する。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。
【００４６】
図３に示すように、固定体１１０及び可動体１２０では、アウターヨーク１５０、マグネット１７０及びコイル１６０が、磁気回路を形成する。
【００４７】
具体的には、アクチュエータ１００は、マグネット１７０から発生した磁束（白抜き矢印で示す）が、コイル１６０との間のエアギャップ、アウターヨーク１５０の側壁部１５３、ヨーク中央部１５１、側壁部１５２、反対側のエアギャップを順に通り、マグネット１７０の対極へと至る磁気回路を有する。
【００４８】
本アクチュエータ１００における可動体１２０は、弾性部材１３０（図１及び図２参照）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ており、コイル１６０に可動体１２０の共振周波数ｆ０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のシャフト１２５に伝達される。
【００４９】
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。
【００５０】
【数２】
【００５１】
【数３】
すなわち、アクチュエータ１００における慣性モーメント、回転角度、トルク定数、電流、バネ定数、減衰係数、負荷トルクなどは、式（２）を満たす範囲内で適宜変更でき、電圧、抵抗、インダクタンス、逆起電力乗数は、式（３）を満たす範囲内で適宜変更できる。
【００５２】
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。
【００５３】
図４は、本実施の形態１に係るアクチュエータ１００の動作を説明するための模式図である。なお、図４（ａ）では白抜き矢印でマグネット１７０による磁束の流れを示しているが、図４（ｂ）〜図４（ｄ）では同様の流れであるため、図示省略している。また、図４（ａ）ではコイル１６０に交流電圧を供給する交流供給部１４０を図示しているが、図４（ｂ）〜図４（ｄ）では、図４（ａ）と同様に図示されるため、省略している。
【００５４】
コイル１６０に交流供給部１４０から交流が供給されると、フレミングの左手の法則に従い、コイル１６０には、電磁力による図中矢印Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４で示す推力が発生する。これにより、基台１１２及び支持壁部１１４、１１６に弾性部材１３０を介して可動自在に取り付けられた可動体１２０には、回転重心を軸中心とした回転力が発生する。
【００５５】
アクチュエータ１００の１周期分の動作について説明する。
【００５６】
図４（ａ）に示す向きでコイル１６０に電流が流れる（この方向を順方向電流と呼ぶ）と、マグネット１７０のＮ極面１７０ｂに対向するコイル１６０の対向部分１６０ｂには、下向き（基台１１２側の方向）に推力Ｆ１が発生する。一方、マグネット１７０のＳ極面１７０ａに対向するコイル１６０の部分１６０ａには、上向き（アウターヨーク１５０のヨーク中央部１５１側の方向）に推力Ｆ２が発生する。
【００５７】
これにより、固定体１１０の基台１１２から立ち上がる支持壁部１１４、１１６（図２及び図３参照）に弾性部材１３０を介して支持された、マグネット１７０を有する可動体１２０に回転する力が発生する。可動体１２０では、マグネット１７０に、コイル１６０の推力Ｆ１、Ｆ２の反作用の力としての推力Ｒ１、Ｒ２が働く。これにより可動体１２０は、図４（ｂ）に示す位置となるように反時計回りに可動する。
【００５８】
図４（ｂ）に示す状態のアクチュエータ１００では、弾性部材１３０（図２及び図３参照）の復元力により可動体１２０を図４（ａ）の状態に戻す力反力が発生する。図４（ｂ）に示す状態から図４（ｄ）に示す状態までは、コイル１６０に図４（ａ）とは逆方向の電流が供給される。これにより、可動体１２０は、図４（ｂ）の状態から図４（ｃ）の状態までは、弾性部材１３０の復元力と、矢印Ｆ３、Ｆ４で示す推力の反作用の力としての推力Ｒ３、Ｒ４とによって、固定体１１０に対して時計回りに回転する。また、可動体１２０は、図４（ｃ）の状態から図４（ｄ）の状態までは、マグネット１７０に働く矢印Ｆ３、Ｆ４で示す推力によって、固定体１１０に対して時計回りに回転する。
【００５９】
図４（ｄ）に示す状態のアクチュエータ１００では、弾性部材１３０の復元力により可動体１２０を図４（ａ）の状態に戻す力反力が発生する。図４（ｄ）に示す状態から図４（ａ）に示す状態を経て図４（ｂ）に示す状態までは、コイル１６０に順方向電流が供給される。これにより、可動体１２０は、図４（ｄ）の状態から図４（ａ）の状態までは、弾性部材１３０の復元力と、矢印Ｆ１、Ｆ２で示す推力の反作用の力であり、マグネット１７０に働く推力Ｒ１、Ｒ２とによって、固定体１１０に対して反時計回りに回転する。
【００６０】
また、可動体１２０は、図４（ａ）の状態から図４（ｂ）の状態までは、矢印Ｒ１、Ｒ２で示す推力によって、固定体１１０に対して反時計回りに回転する。なお、可動体１２０は、コイル１６０の内側で、延在するマグネット１７０の略中心軸線を中心に往復回転振動を行うが、主に、弾性部材１３０の反力を用いることなく、推力Ｒ１〜Ｒ４によって、図４に示す示した動作と同様の動作を行うこともできる。
【００６１】
次に、図４に示す各状態で可動体１２０のコイル１６０に供給される交流電流について簡単に説明する。
【００６２】
図５は、本実施の形態のアクチュエータにおいて交流供給部１４０から可動体１２０のコイル１６０に供給される交流の周期を示す図である。
【００６３】
コイルに流れる交流は、図５（ａ）に示すように周波数ｆ０のパルス波でもよいし、図５（ｂ）に示すように周波数ｆ０の正弦波でもよい。
【００６４】
図４（ａ）の状態では、図５に示す時点ｔ１の順方向の電流が供給され、図４（ｂ）の状態では図５の時点ｔ２で示すように電流の向きが切り替えられ、図４（ｃ）の状態では、図５に示す時点ｔ３の逆方向の電流が供給される。また、図４（ｄ）の状態では、図５の時点ｔ４で示すように電流の向きが切り替えられて、図４（ｄ）の状態では、図５に示す時点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、図４（ａ）から図４（ｄ）に示す変位動作を繰り返すことによって、回転往復振動する。
【００６５】
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シャフト１２５を介して外部に出力される。シャフト１２５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が連結されている場合、歯ブラシ部は回転往復振動してローリング磨きを行うことができる。
【００６６】
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。よって、アクチュエータ１００では、共振駆動による定常状態において、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。以上説明したように、本実施の形態のアクチュエータ１００では、電動歯ブラシ等の往復回転運動を、駆動源とは別体の駆動伝達機構を用いることなく実現して小型化を図ることができ、更に、往復回転運動を低消費電力で実現することができる。
【００６７】
また、可動体１２０は、アウターヨーク１５０等の大きな構成部材を含まずにマグネット１７０及びマグネット保持部１２４により構成している。このため、可動体１２０の慣性モーメントの大きさは外形に依存せずマグネット１７０の形状に依存して決定することができる。また、マグネット１７０は、可動体１２０において出力軸となるシャフト１２５の近傍、具体的には、シャフト１２５の略軸線上に重心が位置するように配置されているため、可動体１２０のイナーシャを上昇させる要因になりにくい。よって、アクチュエータ１００の外形の変更における慣性モーメントの上昇が小さくなるため、設計上の制約がなくなり、アクチュエータ１００自体の設計自由度を向上させることができる。
【００６８】
なお、アクチュエータ１００を有する電動歯ブラシでも上述した同様の効果を得ることができ、電動歯ブラシ自体の小型化も図ることができる。
【００６９】
また、実施の形態１に係るアクチュエータ１００の構成では、基台１１２を非磁性体として説明したが、これに限らず、磁性体としてもよい。この構成について図６を用いて説明する。
【００７０】
（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２に係るアクチュエータの要部構成を示す概略断面図である。なお、図６では、アクチュエータ１００の磁気回路として、マグネット１７０による磁束の流れを白抜き矢印で示す。
【００７１】
図６に示すアクチュエータ１００Ａは、アクチュエータ１００の構成において非磁性体の基台１１２を磁性体の基台１１２Ａに代えたものである。よって、アクチュエータ１００Ａにおいて、その他の構成は、アクチュエータ１００と同様の構成であり同符号を付して説明は省略する。
【００７２】
アクチュエータ１００Ａの固定体１１０Ａは、可動体１２０のマグネット１７０の周囲を囲むようにエアギャップを介して配置されるコイル１６０と、コイル１６０の外周部分を、対向する内壁面１５２ａ、１５３ａに固定した磁性体であるアウターヨーク１５０と、磁性体である基台１１２Ａと有する。
【００７３】
すなわち、アクチュエータ１００Ａでは、可動体１２０のマグネット１７０及びマグネット保持部１２４（図６では底板部１２４ａのみ示す）は、磁性体であるアウターヨーク１５０及び基台１１２Ａとで囲む構成となっている。なお、アウターヨーク１５０及び基台１１２Ａの内側に配置され、且つコイル１６０の内側に配置されたマグネット１７０は磁極面１７０ａ、１７０ｂを、アクチュエータ１００の構成と同様に、所定間隔を空けて、コイル１６０の周回方向と交差する方向で、且つ、アウターヨーク１５０の側壁部１５２，１５３に向けて配置されている。
【００７４】
この構成によって、アクチュエータ１００Ａでは、アクチュエータ１００と比較して、マグネット１７０による磁束の経路が、固定体１１０Ａにおいて２つ形成される。
【００７５】
すなわち、図６に示すアクチュエータ１００Ａの磁気回路では、マグネット１７０から発生した磁束（白抜き矢印で示す）は、磁極面１７０ｂから、コイル１６０が配置されるエアギャップを経て、アウターヨーク１５０の側壁部１５３に至る。次いで、側壁部１５３から、ヨーク中央部１５１と、ヨーク中央部１５１とは反対側の基台１１２Ａとのそれぞれを通って、側壁部１５２に至る。そして、磁束は、側壁部１５２から反対側のエアギャップを順に通って、マグネット１７０の対極（磁極面１７０ａ）へと繋がる。なお、アクチュエータ１００Ａにおける可動体１２０の動作はアクチュエータ１００と同様であるため説明は省略する。図６では、順方向電流を流した際のコイル１６０の推力Ｆ１、Ｆ２と、これらの反作用の力であるマグネット１７０の推力Ｒ１、Ｒ２とが示されている。推力Ｒ１、Ｒ２が発生すると可動体１２０は推力Ｒ１、Ｒ２の方向に可動する。電流の向きが変わると、コイル１６０には、Ｆ１，Ｆ２とは逆の推力が働き、これによりマグネット１７０にＲ１、Ｒ２とは逆向きの推力が働き、可動体１２０は、Ｒ１、Ｒ２とは逆向きの推力で示す方向に可動する。これら繰り返すことによって、アクチュエータ１００Ａは、実施の形態１と同様に、可動体１２０を往復回転振動させる。
【００７６】
このように本実施の形態２のアクチュエータ１００Ａでは、電動歯ブラシ等の往復回転運動を、駆動源とは別体の駆動伝達機構を用いることなく実現することができる等、アクチュエータ１００と同様の作用効果を得ることができる。さらに、アクチュエータ１００Ａによれば、磁気回路における磁気飽和が緩和されることによって、コイル１６０に交流供給部１４０から交流電圧を供給した際に発生する可動体１２０の推力を上昇させることができる。
【００７７】
具体的には、アクチュエータ１００Ａでは、実施の形態１におけるアクチュエータ１００の構成と比較して、コイル１６０が発生する可動体１２０を可動させるトルクを、約１．２５倍上昇させることができる。
【００７８】
また、本実施の形態２では、可動体１２０を可動自在に収容した固定体１１０の外周部分、つまり、磁気回路が、磁性体であるアウターヨーク１５０と磁性体である基台１１２Ａとによってマグネット１７０を囲む回路として構成される。
【００７９】
つまり、アクチュエータ１００Ａの外表面を磁性体によって形成するため、アクチュエータ１００Ａにおいて、基台１１２Ａ、アウターヨーク１５０、マグネット１７０及びコイル１６０を含む磁気回路の漏れ磁束を抑制することができる。
【００８０】
（実施の形態３）
本実施の形態３に係るアクチュエータの概要は、アクチュエータ１００の構成（図２及び図３参照）において、コイル１６０をアウターヨーク１５０から外して、基台１１２側に非磁性体（スペーサ）を介して固定し、且つ、上下逆にした可動体１２０を、弾性部材１３０を介して、固定体１１０に、ねじり方向に回転往復振動可能に取り付けたものである。
【００８１】
図７は、本発明の実施の形態３に係るアクチュエータ１００Ｂを示す外観図であり、図８は、同アクチュエータ１００Ｂの分解斜視図であり、図９は、同アクチュエータ１００Ｂの要部構成を示す概略断面図である。なお、このアクチュエータ１００Ｂ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。
【００８２】
アクチュエータ１００Ｂは、図７〜図９に示すようにアウターヨーク１５０、基台１１２Ｂ、コイル１６０及び支持壁部１１４Ｂ、１１６Ｂを有する固定体１１０Ｂと、コイル１６０の内側（内径部分）にエアギャップを介して配置されるマグネット１７０を有する可動体１２０Ｂと、固定体１１０Ｂに可動体１２０Ｂを、可動体１２０Ｂのシャフト１２５を中心にねじる方向に往復回転自在に支持する弾性部材１３０と、交流供給部１４０（図８及び図９参照）とを有する。
【００８３】
固定体１１０Ｂでは、基台１１２Ｂは、矩形板状の非磁性体により形成された基台本体１１２１を有する。この基台本体１１２１の表面には、長手方向で離間する端部に、上方に突出し、支持壁部１１４Ｂ、１１６Ｂの下面に形成された凹部に係合する位置決め凸部１１２２、１１２３が設けられている。この位置決め凸部１１２２、１１２３を介して支持壁部１１４Ｂ、１１６Ｂは基台本体１１２１に位置決めされた位置から立設するように取り付けられている。
【００８４】
また、基台本体１１２１の表面の中央部分には、環状の取り付け溝部１１２４が形成されている。この取り付け溝部１１２４は、コイル１６０の形状に対応して形成されており、コイル１６０の筒状部分の内径に対応した内径を有し、且つ、コイル１６０の筒状部分の厚みよりも若干長い幅の溝となっている。コイル１６０は、取り付け溝部１１２４内に位置するように取り付けられている。
【００８５】
基台１１２Ｂには、上方から断面Ｕ字状のアウターヨーク１５０が、側壁部１５２、１５３を、基台１１２Ｂ上のコイル１６０の外周部分に当接させた状態で、基台１１２Ｂの表面と支持壁部１１４Ｂ、１１６Ｂとを覆うように取り付けられている。
【００８６】
基台１１２Ｂに設けられたコイル１６０の内側、つまり内径部分に、マグネット１７０が、エアギャップを介して配置されている。
【００８７】
マグネット１７０は、支持壁部１１４Ｂ、１１６Ｂに弾性部材１３０を介して、アウターヨーク１５０及び基台１１２Ｂに囲まれた領域内で、コイル１６０の内側で回動自在に支持されたマグネット保持部１２４に保持されている。
【００８８】
マグネット１７０は、異なる磁極面１７０ａ、１７０ｂがエアギャップを介してコイル１６０と対向し、且つ、基台１１２Ｂ及びヨーク中央部１５１から離間する位置で、マグネット保持部１２４Ｂに保持されている。
【００８９】
マグネット保持部１２４Ｂは、マグネット１７０の上面に固定される上面部１２４ｄと、上面部１２４ｄの長手方向の端部（前後端部）で垂下された前壁部１２４ｂ、後壁部１２４ｃとを有する。マグネット保持部１２４Ｂは、前壁部１２４ｂ及び後壁部１２４ｃのそれぞれに直交して設けられ、且つ、マグネット１７０の重心位置に沿って配置されたシャフト１２５、１２６を、固定体１１０Ｂの支持壁部１１４Ｂ、１１６Ｂの開口部１１４ａ、１１６ａに挿通させている。また、マグネット保持部１２４Ｂは、支持壁部１１４Ｂ、１１６Ｂに弾性部材１３０を介して可動自在に取り付けられている。これにより、マグネット１７０及びマグネット保持部１２４Ｂは、マグネット１７０の周囲に位置するコイル１６０内において、シャフト１２５、１２６を中心にねじり方向に往復回転自在に取り付けられている。なお、弾性部材１３０は、実施の形態１と同様に、支持壁部１１４Ｂ、１１６Ｂに取り付けられている。具体的には、弾性部材１３０は、支持壁部１１４、１１６と同様に形成された支持壁部１１４Ｂ、１１６Ｂのそれぞれにおける内側の下辺部にインサート成形によって一体的に取り付けられている。
【００９０】
なお、コイル１６０には、実施の形態１のアクチュエータ１００及び実施の形態２のアクチュエータ１００Ａと同様に、交流電圧の供給を行う交流供給部１４０によって、振周波数に略等しい周波数の交流が入力される。これにより固定体１１０Ｂに弾性部材１３０によって、シャフト１２５のねじり方向に可動自在に支持された可動体１２０Ｂは、固定体１１０Ｂ内においてコイル１６０の推力によってマグネット１７０に発生する反作用の力によって回転往復振動を行う。
【００９１】
図１０は、本発明の実施の形態３に係るアクチュエータ１００Ｂの動作を説明する模式図である。なお、図１０（ａ）では白抜き矢印でマグネット１７０による磁気回路の磁束の流れを示しているが、図１０（ｂ）〜図１０（ｄ）では同様の流れであるため、図示省略している。また、図１０（ａ）ではコイル１６０に交流電圧を供給する交流供給部１４０を図示しているが、図１０（ｂ）〜図１０（ｄ）では、図１０（ａ）と同様に磁束の流れは生じているが便宜上省略する。
【００９２】
アクチュエータ１００Ｂには、図１０（ａ）に示すように、マグネット１７０から発生した磁束（白抜き矢印で示す）が、磁極面１７０ｂから、エアギャップＧ、コイル１６０、アウターヨーク１５０の側壁部１５３、ヨーク中央部１５１、側壁部１５２、反対側のエアギャップを順に通り、マグネット１７０の対極（磁極面１７０ａ）へと繋がる磁気回路が形成されている。
【００９３】
アクチュエータ１００Ｂでは、コイル１６０に交流供給部１４０から交流が供給されると、フレミングの左手の法則に従い、コイル１６０には、図中矢印Ｆ１〜Ｆ４で示す推力が発生する。これを受けて、マグネット１７０には、回転重心であるシャフト１２５を軸中心とした回転力（推力Ｒ１〜Ｒ４）が発生し、可動体１２０は、図４で示すアクチュエータ１００の可動体１２０と同様に、図１０（ａ）、図１０（ｂ）、図１０（ｃ）、図１０（ｄ）の動作を繰り返し、回転往復振動する。
【００９４】
このようにアクチュエータ１００Ｂは、アクチュエータ１００と同様の作用効果を有する。加えて、アクチュエータ１００Ｂでは、組立の際に、コイル１６０は、基台１１２Ｂに取り付けられる。つまり、組立の際に、平板状の基台１１２Ｂに、基台１１２Ｂの表面に取り付けるため、Ｕ字型アウターヨーク１５０において窪む内側にコイル１６０を取り付ける場合と比較して取り付け作業を容易に行うことができる。
【００９５】
ここでは、コイル１６０は、基台１１２Ｂの表面に形成された取り付け溝部１１２４内に位置するように取り付けられるため、コイル１６０を、基台１１２Ｂに位置決めした位置で取り付けることができる。
【００９６】
コイル１６０自体は、一般的に、コイルの内径を規定する治具にコイル線を巻回していくことによって製作されるため、できあがるコイル１６０自体の外径寸法の正確な管理は難しい。よって、コイル１６０をアウターヨーク１５０内に取り付ける場合、コイル１６０の外周部分でアウターヨーク１５０に取り付ける必要があるため、コイル１６０製作の際に正確な管理を行う必要があり手間がかかる。
【００９７】
これに対し、本実施の形態では、コイル１６０は、基台１１２Ｂにおいて、内径が規定された取り付け溝部１１２４内に、直接コイル１６０を配置することで、コイル１６０の内周部によって取り付け位置を決めることができる。よって、アクチュエータ１００Ｂによれば、組立性の向上や工数の低減を図ることができる。
【００９８】
なお、アクチュエータ１００Ｂでは、アクチュエータ１００と比較して、主にコイル１６０の配置構造が異なるが、磁気回路構成は同様であり、実施の形態１のアクチュエータ１００と同様の作用効果を得ることができる。特に、アクチュエータ１００Ｂによれば、電動歯ブラシ等の往復回転運動を、駆動源とは別体の駆動伝達機構を用いることなく実現することができる。
【００９９】
なお、アクチュエータ１００Ｂにおいて、基台１１２Ｂは非磁性体としたが、基台１１２Ｂを磁性体としてもよい。この場合、実施の形態２と同様に固定体１１０Ｂにおける磁束の経路は、アウターヨーク１５０の一方の側壁部１５３からヨーク中央部１５１及び基台１１２Ｂのそれぞれを通って他方の側壁部１５２に至る経路となり、実施形態２と同様の効果を得ることができる。
【０１００】
（実施の形態４）
図１１は、本発明の実施の形態４に係るアクチュエータ１００Ｃを示す斜視図であり、図１２は、同アクチュエータ１００Ｃの要部分解斜視図である。なお、このアクチュエータ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。
【０１０１】
実施の形態４に係るアクチュエータ１００Ｃは、図１に示すアクチュエータ１００において、シャフト１２５、１２６が、軸受１９０を介して固定体１１０の支持壁部１１４、１１６に挿通させて回転自在に軸支された構成であり、その他の構成は同様である。
【０１０２】
すなわち、アクチュエータ１００Ｃは、図１１及び図１２に示すように、可動体１２０が備えるシャフト１２５は、支持壁部１１６の開口部１１６ａに取り付けられた軸受１９０に回動自在に挿通されている。このシャフト１２５は、可動体１２０の可動運動を伝達して出力するとともに、可動体１２０を固定体１１０に軸支させる軸部として機能している。
【０１０３】
また、可動体１２０においてシャフト１２５と同一軸線上に配置され、シャフト１２５と逆方向に突出するシャフト１２６は、支持壁部１１４の開口部１１４ａに取り付けられた軸受１９０に回動自在に挿通されている。
【０１０４】
このため、アクチュエータ１００Ｃでは、コイル１６０に交流供給部１４０から交流が供給された際に、コイル１６０を備える可動体１２０は、固定体１１０に対してシャフト１２５の軸心を中心に安定して回転往復振動することとなる。
【０１０５】
このようにアクチュエータ１００Ｃでは、可動体１２０は、軸受１９０に挿通されるシャフト１２５、１２６を介して、支持壁部１１４、１１６に回転方向及び軸方向に自由度を有する状態で回動自在に軸支されている。また、可動体１２０は、弾性部材１３０を介して、軸方向への移動を拘束された状態で支持壁部１１４、１１６に支持されている。つまり、可動体１２０は、支持壁部１１４、１１６に、シャフト１２５、１２６及び軸受１９０を用いた支軸構造と、弾性部材１３０を介して回転方向に自由度を確保した状態で固定体１１０に支持された構造となっており、耐衝撃性に優れた構造となっている。
【０１０６】
よって、アクチュエータ１００Ｃでは、アクチュエータ１００と同様の作用効果に加えて、シャフト１２５、１２６の回転軸心を固定して安定して回転往復運動することができるとともに、アクチュエータ自体の耐衝撃性を向上させることができる。
【０１０７】
なお、本実施の形態では、アクチュエータ１００Ｃは、実施の形態１に係るアクチュエータ１００における支持壁部１１４、１１６に軸受１９０を設けて、可動体１２０のシャフト１２５、１２６を回動自在に支持する構成としたが、これに限らない。例えば、実施の形態２及び実施の形態３のアクチュエータ１００Ａ、１００Ｂの支持壁部１１４、１１４Ｂ、１１６、１１６Ｂに軸受１９０を設けて、可動体１２０のシャフト１２５、１２６を回動自在に支持する構成としてもよい。
【０１０８】
（実施の形態５）
図１３は、本発明の実施の形態５に係るアクチュエータ１００Ｄの分解斜視図であり、図１４は、同アクチュエータ１００Ｄに用いられる粘弾性部材としてのエラストマーを示す図である。なお、図１３に示すアクチュエータ１００Ｄは、図１から図４に示す実施の形態１に対応するアクチュエータ１００において、弾性部材１３０の構成を替えた構造であり、その他の構成は同様の構成である。よって、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。
【０１０９】
アクチュエータ１００Ｄでは、アクチュエータ１００の構成において、ジグザグバネである弾性部材１３０に替えて自身の減衰が大きい粘弾性体、ここではエラストマー１９７を用いている。
【０１１０】
エラストマー１９７は、図１４に示すように、シャフト１２５、１２６と挿通する挿通口１９８を備えた中央部１９７ａと、中央部１９７ａからシャフト１２６及びシャフト１２５の軸心と直交する方向に突出するアーム部１９７ｂとを備える。エラストマー１９７は粘弾性体であるため、中央部１９７ａとアーム部１９７ｂとを互いに弾性変形させて変位させることができる。
【０１１１】
エラストマー１９７は、支持壁部１１６、１１４とコイル保持部１２４における前壁部１２４ｂ及び後壁部１２４ｃとの間に配置され、バネとして機能する。エラストマー１９７は、アーム部１９７ｂの延在方向でずれた位置に形成された孔部１９８ａ、１９８ｂに、支持壁部１１６、１１４及び前後壁部１２４ｂ、１２４ｃに形成された突起１１４ｃ、１１６ｃ、１２４ｆ、１２４ｇが嵌入される。
【０１１２】
なお、ここでは、エラストマー１９７のアーム部１９７ｂにおいて、中央部１９７ａに近い位置の孔部１９８ａに前後壁部１２４ｂ、１２４ｃの突起１２４ｆ、１２４ｇが圧入により嵌合される。また、中央部１９７ａよりも遠い位置の孔部１９８ｂに支持壁部１１６、１１４の突起１１６ｃ、１１４ｃが圧入により嵌合される。
【０１１３】
アクチュエータ１００Ｄによれば、実施の形態１の特性を有し、アクチュエータ１００と同様の作用効果を得ることができる。また、アクチュエータ１００Ｄでは、エラストマー１９７は、支持壁部１１６、１１４とコイル保持部１２４における前壁部１２４ｂ及び後壁部１２４ｃとの間に配置して、支持壁部１１６、１１４と前壁部１２４ｂ及び後壁部１２４ｃの突起１１４ｃ、１１６ｃ、１２４ｆ、１２４ｇを孔部１９８ａ、１９８ｂに圧入するだけで、両部材（支持壁部及び前後壁部）に取り付けられる。これにより、ジグザグバネ、板バネ等の金属バネを用いた場合と異なり、ネジによる締結、接着又はインサート成形などの煩雑な取り付け工程を必要とすることなく、エラストマー１９７を可動体１２０と固定体１１０の間に挟みこむだけで、バネとして機能させることができ、アクチュエータ１００Ｄ自体の組立性の向上を図ることができる。
【０１１４】
なお、アクチュエータ１００Ｄにおけるエラストマー１９７は、アクチュエータ１００Ａ、１００Ｂにおける弾性部材１３０に代えて、可動体１２０を固定体１１０に、シャフト１２５、１２６の軸を中心としたねじり方向に可動自在に支持する構成としてもよい。
【０１１５】
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。
【産業上の利用可能性】
【０１１６】
本発明に係るアクチュエータは、電動歯ブラシ等の往復回転運動を、駆動源とは別体の駆動伝達機構を用いることなく小型化を実現できる効果を有し、電動歯ブラシ等に用いられる往復回転振動させるアクチュエータとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１１７】
【図１】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
【図２】本発明の実施の形態１に係るアクチュエータの要部分解斜視図
【図３】本発明の実施の形態１に係るアクチュエータにおける要部構成を示す概略断面図
【図４】本発明の実施の形態１に係るアクチュエータの動作を説明するための模式図
【図５】本発明の実施の形態１に係るアクチュエータにおいて交流供給部からコイルに供給される交流の周期を示す図
【図６】本発明の実施の形態２に係るアクチュエータにおける要部構成を示す概略断面図
【図７】本発明の実施の形態３に係るアクチュエータの構成を示す外観図
【図８】本発明の実施の形態３に係るアクチュエータの分解斜視図
【図９】本発明の実施の形態３に係るアクチュエータの要部構成を示す概略断面図
【図１０】本発明の実施の形態３に係るアクチュエータの動作を説明する模式図
【図１１】本発明の実施の形態４に係るアクチュエータを示す斜視図
【図１２】本発明の実施の形態４に係るアクチュエータの要部分解斜視図
【図１３】本発明の実施の形態５に係るアクチュエータの分解斜視図
【図１４】本発明の実施の形態５に係るアクチュエータに用いられる粘弾性部材であるエラストマーを示す図
【符号の説明】
【０１１８】
１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ アクチュエータ
１１０、１１０Ａ、１１０Ｂ 固定体
１１２、１１２Ａ、１１２Ｂ 基台
１１４、１１４Ｂ、１１６、１１６Ｂ 支持壁部
１２０、１２０Ｂ 可動体
１２４、１２４Ｂ マグネット保持部
１２５、１２６ シャフト
１３０ 弾性部材
１４０ 交流供給部
１５０ アウターヨーク
１５１ 中央部
１５２、１５３ 側壁部
１５２ａ、１５３ａ 内壁面
１６０ コイル
１７０ マグネット
１７０ａ、１７０ｂ 磁極面
１９０ 軸受
１９７ エラストマー
１１２４ 取り付け溝部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電動歯ブラシ或いは電動音波歯ブラシ等に用いられるアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電動音波歯ブラシを含む電動歯ブラシでは、往復直線運動により、歯と歯茎の境界部分に斜め（約45度の角度）に当てて左右に振動するバス磨き用の歯ブラシと、軸回りの所定角度範囲で往復（正逆）回転運動して、歯茎から歯に向かって回転させるように動くローリング磨き用の歯ブラシが知られている。
【０００３】
これら歯ブラシの駆動には、通常の軸回り回転を行う回転式ＤＣモータの回転を、運動方向変換機構を介して直線往復運動又は往復回転運動する構造が多く用いられている。また、この構造以外にも、リニア駆動アクチュエータにより歯ブラシを往復直線運動する構造又は、アクチュエータの振動によって駆動源とは別体の共振振動機構を共振させて歯ブラシを往復回転運動する構造が知られている。
【０００４】
リニア駆動アクチュエータにより歯ブラシを往復直線運動させる構造は、特許文献１に示すように、リニア駆動アクチュエータによって、歯ブラシ部に直結する出力軸の軸方向の往復振動を直接発生させてバス磨きを実現している。この構造では、運動変換機構による動力ロスがなく、また高速な振動を行わせることができるものとなっている。
【０００５】
また、アクチュエータと、駆動源とは別体の共振振動機構とを有する構造は、特許文献２に示すように、電磁石及び永久磁石を備える駆動手段によって、レバーアームを備える共振振動機構を励振して、歯ブラシ部に同軸で直結するレバーアームを首振り運動させてローリング磨きを実現している。
【特許文献１】特開２００２−０７８３１０号公報
【特許文献２】特許第３２４３５２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、電動歯ブラシでは、ローリング磨きを実現できるとともに、ローリング磨き用歯ブラシを駆動させる駆動部分が収容される柄の部分を極力細くしたいため、歯ブラシの駆動部分の小型化が望まれている。
【０００７】
しかしながら、通常の軸回り回転するモータを用いローリング磨きを実現するためには、モータとは別に当該モータの回転を往復回転運動に変換するための運動方向変換機構が必要となる。また、特許文献１のようリニア駆動アクチュエータを用いローリング磨きを実現するためには、リニア駆動アクチュエータとは別にトルク発生機構（駆動源）が必要となる。
【０００８】
また、特許文献２に示す構造では、駆動源とともに、駆動源とは別の共振振動機構が必要となる。
【０００９】
したがって、従来の構造では、モータ或いはリニア駆動アクチュエータを電動歯ブラシの駆動源としてみた場合、駆動源に加えて、駆動源とは別の運動方向変換機構又はトルク発生機構又は共振振動機構の配置スペースを確保する必要があるので、歯ブラシの小型化には困難であるという問題がある。
【００１０】
さらに、歯ブラシの駆動部分として、モータなどのアクチュエータとは別体の運動方向変換機構といった駆動伝達機構を備える場合、駆動伝達機構では、騒音発生の恐れ及び伝達される動力ロスの発生による効率悪化の恐れがあり、これらの対策も考慮する必要がある。
【００１１】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、電動歯ブラシ等の往復回転運動を、駆動源とは別体の駆動伝達機構を用いることなく実現できる、小型化のアクチュエータ及び電動歯ブラシを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明のアクチュエータは、永久磁石を有する可動体と、前記永久磁石を周回し、前記永久磁石において極の異なる磁極面からそれぞれ所定間隔を空けて対向する内周部を有するコイル及び前記コイルの外周部を覆うアウターヨークを有し、弾性支持部を介して前記可動体を可動自在に支持する固定体と、前記可動体の共振周波数に略等しい周波数の交流を前記コイルに供給する交流供給部とを備える構成を採る。
【００１３】
本発明の電動歯ブラシは、上記構成のアクチュエータと、前記アクチュエータの出力軸に、当該出力軸と同一軸心上で連結され、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とを有する構成を採る。
【発明の効果】
【００１４】
電動歯ブラシ等の往復回転運動を、駆動源とは別体の駆動伝達機構を用いることなく達成できるので、小型化のアクチュエータ及び電動歯ブラシを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（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１００を示す斜視図であり、図２は、同アクチュエータ１００の要部分解斜視図である。
【００１６】
図１及び図２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弾性部材（弾性支持部）１３０と、交流供給部１４０とを有する。
【００１７】
アクチュエータ１００では、弾性部材１３０を介して固定体１１０に可動自在に支持される可動体１２０（図２参照）の可動によって、可動体１２０（図２参照）の出力軸である回転往復伝達シャフト（以下、「シャフト」という）１２５が、所定の角度範囲内で正逆方向（図１の矢印方向）に回転し、回転往復振動として外部に出力する。
【００１８】
図２に示すように、固定体１１０は、基台（ベースプレート）１１２と、支持壁部１１４、１１６と、アウターヨーク１５０と、アウターヨーク１５０に取り付けられるコイル１６０とを有する。一方、可動体１２０は、マグネット（永久磁石）１７０と、弾性部材１３０を介して支持壁部１１４、１１６に支持され、且つ、マグネット１７０を保持するマグネット保持部１２４と、シャフト１２５、１２６とを有する。
【００１９】
固定体１１０では、アウターヨーク１５０内において、コイル１６０の内側のエアギャップ内に、可動体１２０のマグネット１７０が配置されている。アクチュエータ１００では、コイル１６０に交流供給部１４０から交流電源（交流電圧）が入力されることによって可動体１２０は共振状態で駆動する。
【００２０】
具体的に、固定体１１０では、基台１１２は、可動体１２０のシャフト１２５の延在方向に沿って長い矩形板状をなし、ここでは非磁性体により形成されている。
【００２１】
基台１１２の表面の上方には、可動体１２０のマグネット１７０が配置され、このマグネット１７０を周回して、コイル１６０が、その外周部で、断面Ｕ字状（コ字状も含む）のアウターヨーク１５０の対向する内壁面に取り付けられた状態で配置されている。
【００２２】
また、基台１１２には、長手方向で離間する端辺部から支持壁部１１４、１１６が立設されている。
【００２３】
支持壁部１１４、１１６は、可動体１２０のシャフト１２５、１２６が挿通する開口部１１４ａ、１１６ａを有する。支持壁部１１４、１１６は、開口部１１４ａ、１１６ａにそれぞれシャフト１２６、１２５を回動自在に挿通させた状態で、弾性部材１３０を介して可動体１２０を可動自在に支持している。
【００２４】
支持壁部１１４、１１６は、弾性部材１３０とともに、通常状態では、可動体１２０を、略水平方向（基台１１２と略平行）に保持する。なお、開口部１１４ａ、１１６ａには、シャフト１２５、１２６は、遊びが有る状態で挿通されてもよい。
【００２５】
弾性部材１３０は、支持壁部１１４、１１６の対向領域において、可動体１２０のマグネット１７０を、左右前後方向に変位自在に支持する。
【００２６】
ここでは、弾性部材１３０は、支持壁部１１４、１１６どうしで対向する面の上端部分において略水平に、対向方向に突出して設けられた板状のジグザグバネからなる。つまり、弾性部材１３０は、一端部から他端部側に向かって細帯状の金属板が一方の幅方向に延びて他方の幅方向に折り返すことを繰り返してジグザグに形成されており、弾性部材１３０自体は一端部と他端部とを固定するとねじり方向に伸縮自在となっている。
【００２７】
このように構成された弾性部材１３０では、一端部は支持壁部１１４、１１６のインサート成形により取り付けられており、他端部は、マグネット１７０を保持するマグネット保持部１２４に取り付けられている。これにより、支持壁部１１４、１１６は、弾性部材１３０を介して、基台１１２とアウターヨーク１５０とで囲まれる領域内において、可動体１２０をシャフト１２５、１２６の軸を中心にねじり方向に可動自在に支持する。
【００２８】
図３は、アクチュエータ１００における要部構成を示す概略断面図である。なお、図３では、アクチュエータ１００の磁気回路として、マグネット１７０による磁束の流れを白抜き矢印で示す。
【００２９】
アウターヨーク１５０は、ここでは、断面略Ｕ字状をなし、板状の磁性体を折曲することで形成されている。アウターヨーク１５０は、矩形板状のヨーク中央部１５１と、ヨーク中央部１５１の両側辺部からそれぞれ垂下され、互いに対向する側壁部１５２、１５３とを有する。
【００３０】
ここでは、アウターヨーク１５０は、基台１１２及び支持壁部１１４、１１６の上方から被せて、可動体１２０のマグネット１７０及びマグネット保持部１２４を覆う。アウターヨーク１５０は、基台１１２によって両側壁部１５２、１５３の先端部の開口を閉塞され、基台１１２及び支持壁部１１４、１１６とともに可動体１２０を収容する箱体を形成している。
【００３１】
アウターヨーク１５０の対向する側壁部１５２、１５３の内壁面１５２ａ、１５３ａには、エアギャップを介して可動体１２０のマグネット１７０の周囲を囲むように巻回されたコイル１６０が固定されている。
【００３２】
コイル１６０は、ここでは、ボイスコイルであり、外径部分をアウターヨーク１５０の両側壁部１５２、１５３の内壁面１５２ａ、１５３ａに固定して、内径より内側には、内周部分からエアギャップを介してマグネット１７０が位置するように配置されている。すなわち、コイル１６０の内周部は、マグネット１７０において極の異なる磁極面を含む外周面から、それぞれ所定間隔を空けて対向している。
【００３３】
また、コイル１６０は、アウターヨーク１５０の側壁部１５２、１５３間内において、アウターヨーク１５０のヨーク中央部１５１及び基台１１２と、シャフト１２５と略直交する方向に延在する軸を中心にコイル線を巻回して形成された角筒状をなしている。
【００３４】
このコイル１６０は、アウターヨークの側壁部１５２、１５３の内壁面において、ヨーク中央部１５１側に取り付けられ、マグネット１７０において互いに異なる磁極（磁極面１７０ａ、１７０ｂ）と対向する位置に配置している。
【００３５】
コイル１６０の内側にエアギャップを介して配置されたマグネット（永久磁石）１７０は、アウターヨーク１５０の延在方向に沿って長い磁極面１７０ａ、１７０ｂを有する直方体である。ここでは、マグネット１７０は、支持壁部１１４、１１６により弾性部材１３０を介して可動自在に支持されたマグネット保持部１２４によって、コイル１６０の内径より内側のエアギャップ内で回動自在に保持されている。
【００３６】
なお、マグネット保持部１２４は、図２及び図３に示すように、側面視コ字状に形成され、マグネット１７０を載置する矩形板状の底板部１２４ａと、底板部１２４ａの長手方向（シャフト１２５の延在方向）で離間する端部で立設された前壁部１２４ｂ、後壁部１２４ｃとを有する。
【００３７】
また、マグネット保持部１２４は、ここでは非磁性体で構成されており、前壁部１２４ｂには、シャフト１２５が直交して取り付けられ、後壁部１２４ｃには、シャフト１２６がシャフト１２５と同軸心上に位置するように取り付けられている。つまり、シャフト１２５は、マグネット１７０の異なる磁極面１７０a、１７０ｂ（図４参照）と略平行に、マグネット１７０の略中心に沿って配置されている。
【００３８】
マグネット保持部１２４は、マグネット１７０を、コイル１６０と、アウターヨーク１５０のヨーク中央部１５１の裏面から離間させて、シャフト１２５、１２６を軸にねじり方向に回動自在に保持している。なお、可動体１２０では、マグネット保持部１２４の前壁部１２４ｂとマグネット１７０との間及び後壁部１２４ｃとマグネットとの間に、コイル１６０がそれぞれに接することなく配置され、コイル１６０の内側及び外側で可動自在となっている。
【００３９】
マグネット保持部１２４により保持されるマグネット１７０の磁極面１７０ａ、１７０ｂは、コイル１６０を介して、アウターヨークの側壁部１５２、１５３における内壁面の全面に渡って向かい合うように配置されている。
【００４０】
ここでは、マグネット１７０のＳ極側（Ｓ磁極面１７０ａ）は、アウターヨーク１５０の側壁部１５２の内壁面１５２ａ側に向かっており、Ｎ極（Ｎ磁極面１７０ｂ）側が、アウターヨーク１５０の側壁部１５３の内壁面１５３ａ側に向かっている。
【００４１】
なお、シャフト１２５は、図１及び図２に示すように、アウターヨーク１５０の延在方向と同方向で支持壁部１１６から外方に突出するように設けられている。すなわち、シャフト１２５は、アクチュエータ１００において、マグネット１７０と側壁部１５２、１５３とがコイル１６０を挟んで向かい合う方向と略直交する方向に突出して設けられている。
【００４２】
このようにシャフト１２５は、マグネット保持部１２４の前壁部１２４ｂに固定されることによって、可動体１２０の重心を通る軸線上に位置するように、可動体１２０に取り付けられた状態となっている。これによりシャフト１２５は、可動体１２０の本体を構成するマグネット１７０及びマグネット保持部１２４とともに回転往復振動し、その振動を外部に伝達することができる。
【００４３】
なお、アクチュエータ１００が電動歯ブラシに用いられる場合、シャフト１２５には、シャフト１２５と同一軸心上で、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が連結される。これにより歯ブラシ部はシャフト１２５と同様の運動、ここでは回転往復振動であるローリングを行うこととなる。
【００４４】
本実施の形態のアクチュエータ１００では、可動体１２０のイナーシャ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で振動する。
【００４５】
【数１】
本実施の形態のアクチュエータ１００は、交流供給部１４０によって、コイル１６０に可動体１２０の共振周波数ｆ０と略等しい周波数の交流を供給する。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。
【００４６】
図３に示すように、固定体１１０及び可動体１２０では、アウターヨーク１５０、マグネット１７０及びコイル１６０が、磁気回路を形成する。
【００４７】
具体的には、アクチュエータ１００は、マグネット１７０から発生した磁束（白抜き矢印で示す）が、コイル１６０との間のエアギャップ、アウターヨーク１５０の側壁部１５３、ヨーク中央部１５１、側壁部１５２、反対側のエアギャップを順に通り、マグネット１７０の対極へと至る磁気回路を有する。
【００４８】
本アクチュエータ１００における可動体１２０は、弾性部材１３０（図１及び図２参照）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ており、コイル１６０に可動体１２０の共振周波数ｆ０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のシャフト１２５に伝達される。
【００４９】
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。
【００５０】
【数２】
【００５１】
【数３】
すなわち、アクチュエータ１００における慣性モーメント、回転角度、トルク定数、電流、バネ定数、減衰係数、負荷トルクなどは、式（２）を満たす範囲内で適宜変更でき、電圧、抵抗、インダクタンス、逆起電力乗数は、式（３）を満たす範囲内で適宜変更できる。
【００５２】
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。
【００５３】
図４は、本実施の形態１に係るアクチュエータ１００の動作を説明するための模式図である。なお、図４（ａ）では白抜き矢印でマグネット１７０による磁束の流れを示しているが、図４（ｂ）〜図４（ｄ）では同様の流れであるため、図示省略している。また、図４（ａ）ではコイル１６０に交流電圧を供給する交流供給部１４０を図示しているが、図４（ｂ）〜図４（ｄ）では、図４（ａ）と同様に図示されるため、省略している。
【００５４】
コイル１６０に交流供給部１４０から交流が供給されると、フレミングの左手の法則に従い、コイル１６０には、電磁力による図中矢印Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４で示す推力が発生する。これにより、基台１１２及び支持壁部１１４、１１６に弾性部材１３０を介して可動自在に取り付けられた可動体１２０には、回転重心を軸中心とした回転力が発生する。
【００５５】
アクチュエータ１００の１周期分の動作について説明する。
【００５６】
図４（ａ）に示す向きでコイル１６０に電流が流れる（この方向を順方向電流と呼ぶ）と、マグネット１７０のＮ極面１７０ｂに対向するコイル１６０の対向部分１６０ｂには、下向き（基台１１２側の方向）に推力Ｆ１が発生する。一方、マグネット１７０のＳ極面１７０ａに対向するコイル１６０の部分１６０ａには、上向き（アウターヨーク１５０のヨーク中央部１５１側の方向）に推力Ｆ２が発生する。
【００５７】
これにより、固定体１１０の基台１１２から立ち上がる支持壁部１１４、１１６（図２及び図３参照）に弾性部材１３０を介して支持された、マグネット１７０を有する可動体１２０に回転する力が発生する。可動体１２０では、マグネット１７０に、コイル１６０の推力Ｆ１、Ｆ２の反作用の力としての推力Ｒ１、Ｒ２が働く。これにより可動体１２０は、図４（ｂ）に示す位置となるように反時計回りに可動する。
【００５８】
図４（ｂ）に示す状態のアクチュエータ１００では、弾性部材１３０（図２及び図３参照）の復元力により可動体１２０を図４（ａ）の状態に戻す力反力が発生する。図４（ｂ）に示す状態から図４（ｄ）に示す状態までは、コイル１６０に図４（ａ）とは逆方向の電流が供給される。これにより、可動体１２０は、図４（ｂ）の状態から図４（ｃ）の状態までは、弾性部材１３０の復元力と、矢印Ｆ３、Ｆ４で示す推力の反作用の力としての推力Ｒ３、Ｒ４とによって、固定体１１０に対して時計回りに回転する。また、可動体１２０は、図４（ｃ）の状態から図４（ｄ）の状態までは、マグネット１７０に働く矢印Ｆ３、Ｆ４で示す推力によって、固定体１１０に対して時計回りに回転する。
【００５９】
図４（ｄ）に示す状態のアクチュエータ１００では、弾性部材１３０の復元力により可動体１２０を図４（ａ）の状態に戻す力反力が発生する。図４（ｄ）に示す状態から図４（ａ）に示す状態を経て図４（ｂ）に示す状態までは、コイル１６０に順方向電流が供給される。これにより、可動体１２０は、図４（ｄ）の状態から図４（ａ）の状態までは、弾性部材１３０の復元力と、矢印Ｆ１、Ｆ２で示す推力の反作用の力であり、マグネット１７０に働く推力Ｒ１、Ｒ２とによって、固定体１１０に対して反時計回りに回転する。
【００６０】
また、可動体１２０は、図４（ａ）の状態から図４（ｂ）の状態までは、矢印Ｒ１、Ｒ２で示す推力によって、固定体１１０に対して反時計回りに回転する。なお、可動体１２０は、コイル１６０の内側で、延在するマグネット１７０の略中心軸線を中心に往復回転振動を行うが、主に、弾性部材１３０の反力を用いることなく、推力Ｒ１〜Ｒ４によって、図４に示す示した動作と同様の動作を行うこともできる。
【００６１】
次に、図４に示す各状態で可動体１２０のコイル１６０に供給される交流電流について簡単に説明する。
【００６２】
図５は、本実施の形態のアクチュエータにおいて交流供給部１４０から可動体１２０のコイル１６０に供給される交流の周期を示す図である。
【００６３】
コイルに流れる交流は、図５（ａ）に示すように周波数ｆ０のパルス波でもよいし、図５（ｂ）に示すように周波数ｆ０の正弦波でもよい。
【００６４】
図４（ａ）の状態では、図５に示す時点ｔ１の順方向の電流が供給され、図４（ｂ）の状態では図５の時点ｔ２で示すように電流の向きが切り替えられ、図４（ｃ）の状態では、図５に示す時点ｔ３の逆方向の電流が供給される。また、図４（ｄ）の状態では、図５の時点ｔ４で示すように電流の向きが切り替えられて、図４（ｄ）の状態では、図５に示す時点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、図４（ａ）から図４（ｄ）に示す変位動作を繰り返すことによって、回転往復振動する。
【００６５】
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シャフト１２５を介して外部に出力される。シャフト１２５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が連結されている場合、歯ブラシ部は回転往復振動してローリング磨きを行うことができる。
【００６６】
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。よって、アクチュエータ１００では、共振駆動による定常状態において、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。以上説明したように、本実施の形態のアクチュエータ１００では、電動歯ブラシ等の往復回転運動を、駆動源とは別体の駆動伝達機構を用いることなく実現して小型化を図ることができ、更に、往復回転運動を低消費電力で実現することができる。
【００６７】
また、可動体１２０は、アウターヨーク１５０等の大きな構成部材を含まずにマグネット１７０及びマグネット保持部１２４により構成している。このため、可動体１２０の慣性モーメントの大きさは外形に依存せずマグネット１７０の形状に依存して決定することができる。また、マグネット１７０は、可動体１２０において出力軸となるシャフト１２５の近傍、具体的には、シャフト１２５の略軸線上に重心が位置するように配置されているため、可動体１２０のイナーシャを上昇させる要因になりにくい。よって、アクチュエータ１００の外形の変更における慣性モーメントの上昇が小さくなるため、設計上の制約がなくなり、アクチュエータ１００自体の設計自由度を向上させることができる。
【００６８】
なお、アクチュエータ１００を有する電動歯ブラシでも上述した同様の効果を得ることができ、電動歯ブラシ自体の小型化も図ることができる。
【００６９】
また、実施の形態１に係るアクチュエータ１００の構成では、基台１１２を非磁性体として説明したが、これに限らず、磁性体としてもよい。この構成について図６を用いて説明する。
【００７０】
（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２に係るアクチュエータの要部構成を示す概略断面図である。なお、図６では、アクチュエータ１００の磁気回路として、マグネット１７０による磁束の流れを白抜き矢印で示す。
【００７１】
図６に示すアクチュエータ１００Ａは、アクチュエータ１００の構成において非磁性体の基台１１２を磁性体の基台１１２Ａに代えたものである。よって、アクチュエータ１００Ａにおいて、その他の構成は、アクチュエータ１００と同様の構成であり同符号を付して説明は省略する。
【００７２】
アクチュエータ１００Ａの固定体１１０Ａは、可動体１２０のマグネット１７０の周囲を囲むようにエアギャップを介して配置されるコイル１６０と、コイル１６０の外周部分を、対向する内壁面１５２ａ、１５３ａに固定した磁性体であるアウターヨーク１５０と、磁性体である基台１１２Ａと有する。
【００７３】
すなわち、アクチュエータ１００Ａでは、可動体１２０のマグネット１７０及びマグネット保持部１２４（図６では底板部１２４ａのみ示す）は、磁性体であるアウターヨーク１５０及び基台１１２Ａとで囲む構成となっている。なお、アウターヨーク１５０及び基台１１２Ａの内側に配置され、且つコイル１６０の内側に配置されたマグネット１７０は磁極面１７０ａ、１７０ｂを、アクチュエータ１００の構成と同様に、所定間隔を空けて、コイル１６０の周回方向と交差する方向で、且つ、アウターヨーク１５０の側壁部１５２，１５３に向けて配置されている。
【００７４】
この構成によって、アクチュエータ１００Ａでは、アクチュエータ１００と比較して、マグネット１７０による磁束の経路が、固定体１１０Ａにおいて２つ形成される。
【００７５】
すなわち、図６に示すアクチュエータ１００Ａの磁気回路では、マグネット１７０から発生した磁束（白抜き矢印で示す）は、磁極面１７０ｂから、コイル１６０が配置されるエアギャップを経て、アウターヨーク１５０の側壁部１５３に至る。次いで、側壁部１５３から、ヨーク中央部１５１と、ヨーク中央部１５１とは反対側の基台１１２Ａとのそれぞれを通って、側壁部１５２に至る。そして、磁束は、側壁部１５２から反対側のエアギャップを順に通って、マグネット１７０の対極（磁極面１７０ａ）へと繋がる。なお、アクチュエータ１００Ａにおける可動体１２０の動作はアクチュエータ１００と同様であるため説明は省略する。図６では、順方向電流を流した際のコイル１６０の推力Ｆ１、Ｆ２と、これらの反作用の力であるマグネット１７０の推力Ｒ１、Ｒ２とが示されている。推力Ｒ１、Ｒ２が発生すると可動体１２０は推力Ｒ１、Ｒ２の方向に可動する。電流の向きが変わると、コイル１６０には、Ｆ１，Ｆ２とは逆の推力が働き、これによりマグネット１７０にＲ１、Ｒ２とは逆向きの推力が働き、可動体１２０は、Ｒ１、Ｒ２とは逆向きの推力で示す方向に可動する。これら繰り返すことによって、アクチュエータ１００Ａは、実施の形態１と同様に、可動体１２０を往復回転振動させる。
【００７６】
このように本実施の形態２のアクチュエータ１００Ａでは、電動歯ブラシ等の往復回転運動を、駆動源とは別体の駆動伝達機構を用いることなく実現することができる等、アクチュエータ１００と同様の作用効果を得ることができる。さらに、アクチュエータ１００Ａによれば、磁気回路における磁気飽和が緩和されることによって、コイル１６０に交流供給部１４０から交流電圧を供給した際に発生する可動体１２０の推力を上昇させることができる。
【００７７】
具体的には、アクチュエータ１００Ａでは、実施の形態１におけるアクチュエータ１００の構成と比較して、コイル１６０が発生する可動体１２０を可動させるトルクを、約１．２５倍上昇させることができる。
【００７８】
また、本実施の形態２では、可動体１２０を可動自在に収容した固定体１１０の外周部分、つまり、磁気回路が、磁性体であるアウターヨーク１５０と磁性体である基台１１２Ａとによってマグネット１７０を囲む回路として構成される。
【００７９】
つまり、アクチュエータ１００Ａの外表面を磁性体によって形成するため、アクチュエータ１００Ａにおいて、基台１１２Ａ、アウターヨーク１５０、マグネット１７０及びコイル１６０を含む磁気回路の漏れ磁束を抑制することができる。
【００８０】
（実施の形態３）
本実施の形態３に係るアクチュエータの概要は、アクチュエータ１００の構成（図２及び図３参照）において、コイル１６０をアウターヨーク１５０から外して、基台１１２側に非磁性体（スペーサ）を介して固定し、且つ、上下逆にした可動体１２０を、弾性部材１３０を介して、固定体１１０に、ねじり方向に回転往復振動可能に取り付けたものである。
【００８１】
図７は、本発明の実施の形態３に係るアクチュエータ１００Ｂを示す外観図であり、図８は、同アクチュエータ１００Ｂの分解斜視図であり、図９は、同アクチュエータ１００Ｂの要部構成を示す概略断面図である。なお、このアクチュエータ１００Ｂ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。
【００８２】
アクチュエータ１００Ｂは、図７〜図９に示すようにアウターヨーク１５０、基台１１２Ｂ、コイル１６０及び支持壁部１１４Ｂ、１１６Ｂを有する固定体１１０Ｂと、コイル１６０の内側（内径部分）にエアギャップを介して配置されるマグネット１７０を有する可動体１２０Ｂと、固定体１１０Ｂに可動体１２０Ｂを、可動体１２０Ｂのシャフト１２５を中心にねじる方向に往復回転自在に支持する弾性部材１３０と、交流供給部１４０（図８及び図９参照）とを有する。
【００８３】
固定体１１０Ｂでは、基台１１２Ｂは、矩形板状の非磁性体により形成された基台本体１１２１を有する。この基台本体１１２１の表面には、長手方向で離間する端部に、上方に突出し、支持壁部１１４Ｂ、１１６Ｂの下面に形成された凹部に係合する位置決め凸部１１２２、１１２３が設けられている。この位置決め凸部１１２２、１１２３を介して支持壁部１１４Ｂ、１１６Ｂは基台本体１１２１に位置決めされた位置から立設するように取り付けられている。
【００８４】
また、基台本体１１２１の表面の中央部分には、環状の取り付け溝部１１２４が形成されている。この取り付け溝部１１２４は、コイル１６０の形状に対応して形成されており、コイル１６０の筒状部分の内径に対応した内径を有し、且つ、コイル１６０の筒状部分の厚みよりも若干長い幅の溝となっている。コイル１６０は、取り付け溝部１１２４内に位置するように取り付けられている。
【００８５】
基台１１２Ｂには、上方から断面Ｕ字状のアウターヨーク１５０が、側壁部１５２、１５３を、基台１１２Ｂ上のコイル１６０の外周部分に当接させた状態で、基台１１２Ｂの表面と支持壁部１１４Ｂ、１１６Ｂとを覆うように取り付けられている。
【００８６】
基台１１２Ｂに設けられたコイル１６０の内側、つまり内径部分に、マグネット１７０が、エアギャップを介して配置されている。
【００８７】
マグネット１７０は、支持壁部１１４Ｂ、１１６Ｂに弾性部材１３０を介して、アウターヨーク１５０及び基台１１２Ｂに囲まれた領域内で、コイル１６０の内側で回動自在に支持されたマグネット保持部１２４に保持されている。
【００８８】
マグネット１７０は、異なる磁極面１７０ａ、１７０ｂがエアギャップを介してコイル１６０と対向し、且つ、基台１１２Ｂ及びヨーク中央部１５１から離間する位置で、マグネット保持部１２４Ｂに保持されている。
【００８９】
マグネット保持部１２４Ｂは、マグネット１７０の上面に固定される上面部１２４ｄと、上面部１２４ｄの長手方向の端部（前後端部）で垂下された前壁部１２４ｂ、後壁部１２４ｃとを有する。マグネット保持部１２４Ｂは、前壁部１２４ｂ及び後壁部１２４ｃのそれぞれに直交して設けられ、且つ、マグネット１７０の重心位置に沿って配置されたシャフト１２５、１２６を、固定体１１０Ｂの支持壁部１１４Ｂ、１１６Ｂの開口部１１４ａ、１１６ａに挿通させている。また、マグネット保持部１２４Ｂは、支持壁部１１４Ｂ、１１６Ｂに弾性部材１３０を介して可動自在に取り付けられている。これにより、マグネット１７０及びマグネット保持部１２４Ｂは、マグネット１７０の周囲に位置するコイル１６０内において、シャフト１２５、１２６を中心にねじり方向に往復回転自在に取り付けられている。なお、弾性部材１３０は、実施の形態１と同様に、支持壁部１１４Ｂ、１１６Ｂに取り付けられている。具体的には、弾性部材１３０は、支持壁部１１４、１１６と同様に形成された支持壁部１１４Ｂ、１１６Ｂのそれぞれにおける内側の下辺部にインサート成形によって一体的に取り付けられている。
【００９０】
なお、コイル１６０には、実施の形態１のアクチュエータ１００及び実施の形態２のアクチュエータ１００Ａと同様に、交流電圧の供給を行う交流供給部１４０によって、振周波数に略等しい周波数の交流が入力される。これにより固定体１１０Ｂに弾性部材１３０によって、シャフト１２５のねじり方向に可動自在に支持された可動体１２０Ｂは、固定体１１０Ｂ内においてコイル１６０の推力によってマグネット１７０に発生する反作用の力によって回転往復振動を行う。
【００９１】
図１０は、本発明の実施の形態３に係るアクチュエータ１００Ｂの動作を説明する模式図である。なお、図１０（ａ）では白抜き矢印でマグネット１７０による磁気回路の磁束の流れを示しているが、図１０（ｂ）〜図１０（ｄ）では同様の流れであるため、図示省略している。また、図１０（ａ）ではコイル１６０に交流電圧を供給する交流供給部１４０を図示しているが、図１０（ｂ）〜図１０（ｄ）では、図１０（ａ）と同様に磁束の流れは生じているが便宜上省略する。
【００９２】
アクチュエータ１００Ｂには、図１０（ａ）に示すように、マグネット１７０から発生した磁束（白抜き矢印で示す）が、磁極面１７０ｂから、エアギャップＧ、コイル１６０、アウターヨーク１５０の側壁部１５３、ヨーク中央部１５１、側壁部１５２、反対側のエアギャップを順に通り、マグネット１７０の対極（磁極面１７０ａ）へと繋がる磁気回路が形成されている。
【００９３】
アクチュエータ１００Ｂでは、コイル１６０に交流供給部１４０から交流が供給されると、フレミングの左手の法則に従い、コイル１６０には、図中矢印Ｆ１〜Ｆ４で示す推力が発生する。これを受けて、マグネット１７０には、回転重心であるシャフト１２５を軸中心とした回転力（推力Ｒ１〜Ｒ４）が発生し、可動体１２０は、図４で示すアクチュエータ１００の可動体１２０と同様に、図１０（ａ）、図１０（ｂ）、図１０（ｃ）、図１０（ｄ）の動作を繰り返し、回転往復振動する。
【００９４】
このようにアクチュエータ１００Ｂは、アクチュエータ１００と同様の作用効果を有する。加えて、アクチュエータ１００Ｂでは、組立の際に、コイル１６０は、基台１１２Ｂに取り付けられる。つまり、組立の際に、平板状の基台１１２Ｂに、基台１１２Ｂの表面に取り付けるため、Ｕ字型アウターヨーク１５０において窪む内側にコイル１６０を取り付ける場合と比較して取り付け作業を容易に行うことができる。
【００９５】
ここでは、コイル１６０は、基台１１２Ｂの表面に形成された取り付け溝部１１２４内に位置するように取り付けられるため、コイル１６０を、基台１１２Ｂに位置決めした位置で取り付けることができる。
【００９６】
コイル１６０自体は、一般的に、コイルの内径を規定する治具にコイル線を巻回していくことによって製作されるため、できあがるコイル１６０自体の外径寸法の正確な管理は難しい。よって、コイル１６０をアウターヨーク１５０内に取り付ける場合、コイル１６０の外周部分でアウターヨーク１５０に取り付ける必要があるため、コイル１６０製作の際に正確な管理を行う必要があり手間がかかる。
【００９７】
これに対し、本実施の形態では、コイル１６０は、基台１１２Ｂにおいて、内径が規定された取り付け溝部１１２４内に、直接コイル１６０を配置することで、コイル１６０の内周部によって取り付け位置を決めることができる。よって、アクチュエータ１００Ｂによれば、組立性の向上や工数の低減を図ることができる。
【００９８】
なお、アクチュエータ１００Ｂでは、アクチュエータ１００と比較して、主にコイル１６０の配置構造が異なるが、磁気回路構成は同様であり、実施の形態１のアクチュエータ１００と同様の作用効果を得ることができる。特に、アクチュエータ１００Ｂによれば、電動歯ブラシ等の往復回転運動を、駆動源とは別体の駆動伝達機構を用いることなく実現することができる。
【００９９】
なお、アクチュエータ１００Ｂにおいて、基台１１２Ｂは非磁性体としたが、基台１１２Ｂを磁性体としてもよい。この場合、実施の形態２と同様に固定体１１０Ｂにおける磁束の経路は、アウターヨーク１５０の一方の側壁部１５３からヨーク中央部１５１及び基台１１２Ｂのそれぞれを通って他方の側壁部１５２に至る経路となり、実施形態２と同様の効果を得ることができる。
【０１００】
（実施の形態４）
図１１は、本発明の実施の形態４に係るアクチュエータ１００Ｃを示す斜視図であり、図１２は、同アクチュエータ１００Ｃの要部分解斜視図である。なお、このアクチュエータ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。
【０１０１】
実施の形態４に係るアクチュエータ１００Ｃは、図１に示すアクチュエータ１００において、シャフト１２５、１２６が、軸受１９０を介して固定体１１０の支持壁部１１４、１１６に挿通させて回転自在に軸支された構成であり、その他の構成は同様である。
【０１０２】
すなわち、アクチュエータ１００Ｃは、図１１及び図１２に示すように、可動体１２０が備えるシャフト１２５は、支持壁部１１６の開口部１１６ａに取り付けられた軸受１９０に回動自在に挿通されている。このシャフト１２５は、可動体１２０の可動運動を伝達して出力するとともに、可動体１２０を固定体１１０に軸支させる軸部として機能している。
【０１０３】
また、可動体１２０においてシャフト１２５と同一軸線上に配置され、シャフト１２５と逆方向に突出するシャフト１２６は、支持壁部１１４の開口部１１４ａに取り付けられた軸受１９０に回動自在に挿通されている。
【０１０４】
このため、アクチュエータ１００Ｃでは、コイル１６０に交流供給部１４０から交流が供給された際に、コイル１６０を備える可動体１２０は、固定体１１０に対してシャフト１２５の軸心を中心に安定して回転往復振動することとなる。
【０１０５】
このようにアクチュエータ１００Ｃでは、可動体１２０は、軸受１９０に挿通されるシャフト１２５、１２６を介して、支持壁部１１４、１１６に回転方向及び軸方向に自由度を有する状態で回動自在に軸支されている。また、可動体１２０は、弾性部材１３０を介して、軸方向への移動を拘束された状態で支持壁部１１４、１１６に支持されている。つまり、可動体１２０は、支持壁部１１４、１１６に、シャフト１２５、１２６及び軸受１９０を用いた支軸構造と、弾性部材１３０を介して回転方向に自由度を確保した状態で固定体１１０に支持された構造となっており、耐衝撃性に優れた構造となっている。
【０１０６】
よって、アクチュエータ１００Ｃでは、アクチュエータ１００と同様の作用効果に加えて、シャフト１２５、１２６の回転軸心を固定して安定して回転往復運動することができるとともに、アクチュエータ自体の耐衝撃性を向上させることができる。
【０１０７】
なお、本実施の形態では、アクチュエータ１００Ｃは、実施の形態１に係るアクチュエータ１００における支持壁部１１４、１１６に軸受１９０を設けて、可動体１２０のシャフト１２５、１２６を回動自在に支持する構成としたが、これに限らない。例えば、実施の形態２及び実施の形態３のアクチュエータ１００Ａ、１００Ｂの支持壁部１１４、１１４Ｂ、１１６、１１６Ｂに軸受１９０を設けて、可動体１２０のシャフト１２５、１２６を回動自在に支持する構成としてもよい。
【０１０８】
（実施の形態５）
図１３は、本発明の実施の形態５に係るアクチュエータ１００Ｄの分解斜視図であり、図１４は、同アクチュエータ１００Ｄに用いられる粘弾性部材としてのエラストマーを示す図である。なお、図１３に示すアクチュエータ１００Ｄは、図１から図４に示す実施の形態１に対応するアクチュエータ１００において、弾性部材１３０の構成を替えた構造であり、その他の構成は同様の構成である。よって、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。
【０１０９】
アクチュエータ１００Ｄでは、アクチュエータ１００の構成において、ジグザグバネである弾性部材１３０に替えて自身の減衰が大きい粘弾性体、ここではエラストマー１９７を用いている。
【０１１０】
エラストマー１９７は、図１４に示すように、シャフト１２５、１２６と挿通する挿通口１９８を備えた中央部１９７ａと、中央部１９７ａからシャフト１２６及びシャフト１２５の軸心と直交する方向に突出するアーム部１９７ｂとを備える。エラストマー１９７は粘弾性体であるため、中央部１９７ａとアーム部１９７ｂとを互いに弾性変形させて変位させることができる。
【０１１１】
エラストマー１９７は、支持壁部１１６、１１４とコイル保持部１２４における前壁部１２４ｂ及び後壁部１２４ｃとの間に配置され、バネとして機能する。エラストマー１９７は、アーム部１９７ｂの延在方向でずれた位置に形成された孔部１９８ａ、１９８ｂに、支持壁部１１６、１１４及び前後壁部１２４ｂ、１２４ｃに形成された突起１１４ｃ、１１６ｃ、１２４ｆ、１２４ｇが嵌入される。
【０１１２】
なお、ここでは、エラストマー１９７のアーム部１９７ｂにおいて、中央部１９７ａに近い位置の孔部１９８ａに前後壁部１２４ｂ、１２４ｃの突起１２４ｆ、１２４ｇが圧入により嵌合される。また、中央部１９７ａよりも遠い位置の孔部１９８ｂに支持壁部１１６、１１４の突起１１６ｃ、１１４ｃが圧入により嵌合される。
【０１１３】
アクチュエータ１００Ｄによれば、実施の形態１の特性を有し、アクチュエータ１００と同様の作用効果を得ることができる。また、アクチュエータ１００Ｄでは、エラストマー１９７は、支持壁部１１６、１１４とコイル保持部１２４における前壁部１２４ｂ及び後壁部１２４ｃとの間に配置して、支持壁部１１６、１１４と前壁部１２４ｂ及び後壁部１２４ｃの突起１１４ｃ、１１６ｃ、１２４ｆ、１２４ｇを孔部１９８ａ、１９８ｂに圧入するだけで、両部材（支持壁部及び前後壁部）に取り付けられる。これにより、ジグザグバネ、板バネ等の金属バネを用いた場合と異なり、ネジによる締結、接着又はインサート成形などの煩雑な取り付け工程を必要とすることなく、エラストマー１９７を可動体１２０と固定体１１０の間に挟みこむだけで、バネとして機能させることができ、アクチュエータ１００Ｄ自体の組立性の向上を図ることができる。
【０１１４】
なお、アクチュエータ１００Ｄにおけるエラストマー１９７は、アクチュエータ１００Ａ、１００Ｂにおける弾性部材１３０に代えて、可動体１２０を固定体１１０に、シャフト１２５、１２６の軸を中心としたねじり方向に可動自在に支持する構成としてもよい。
【０１１５】
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。
【産業上の利用可能性】
【０１１６】
本発明に係るアクチュエータは、電動歯ブラシ等の往復回転運動を、駆動源とは別体の駆動伝達機構を用いることなく小型化を実現できる効果を有し、電動歯ブラシ等に用いられる往復回転振動させるアクチュエータとして有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１１７】
【図１】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
【図２】本発明の実施の形態１に係るアクチュエータの要部分解斜視図
【図３】本発明の実施の形態１に係るアクチュエータにおける要部構成を示す概略断面図
【図４】本発明の実施の形態１に係るアクチュエータの動作を説明するための模式図
【図５】本発明の実施の形態１に係るアクチュエータにおいて交流供給部からコイルに供給される交流の周期を示す図
【図６】本発明の実施の形態２に係るアクチュエータにおける要部構成を示す概略断面図
【図７】本発明の実施の形態３に係るアクチュエータの構成を示す外観図
【図８】本発明の実施の形態３に係るアクチュエータの分解斜視図
【図９】本発明の実施の形態３に係るアクチュエータの要部構成を示す概略断面図
【図１０】本発明の実施の形態３に係るアクチュエータの動作を説明する模式図
【図１１】本発明の実施の形態４に係るアクチュエータを示す斜視図
【図１２】本発明の実施の形態４に係るアクチュエータの要部分解斜視図
【図１３】本発明の実施の形態５に係るアクチュエータの分解斜視図
【図１４】本発明の実施の形態５に係るアクチュエータに用いられる粘弾性部材であるエラストマーを示す図
【符号の説明】
【０１１８】
１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ アクチュエータ
１１０、１１０Ａ、１１０Ｂ 固定体
１１２、１１２Ａ、１１２Ｂ 基台
１１４、１１４Ｂ、１１６、１１６Ｂ 支持壁部
１２０、１２０Ｂ 可動体
１２４、１２４Ｂ マグネット保持部
１２５、１２６ シャフト
１３０ 弾性部材
１４０ 交流供給部
１５０ アウターヨーク
１５１ 中央部
１５２、１５３ 側壁部
１５２ａ、１５３ａ 内壁面
１６０ コイル
１７０ マグネット
１７０ａ、１７０ｂ 磁極面
１９０ 軸受
１９７ エラストマー
１１２４ 取り付け溝部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
永久磁石を有する可動体と、
前記永久磁石を周回し、前記永久磁石において極の異なる磁極面からそれぞれ所定間隔を空けて対向する内周部を有するコイル及び前記コイルの外周部を覆うアウターヨークを有し、弾性支持部を介して前記可動体を可動自在に支持する固定体と、
前記可動体の共振周波数に略等しい周波数の交流を前記コイルに供給する交流供給部と、
を備える、
アクチュエータ。
【請求項２】
前記可動体は、前記永久磁石の異なる磁極面と略平行に、前記永久磁石の略中心に沿って配置される出力軸を備え、前記弾性支持部によって前記出力軸を中心にねじる方向に可動自在に支持されている、
請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記アウターヨークは、所定間隔を空けて対向する内壁面を有し、
前記コイルは、前記外周部で前記アウターヨークにおいて対向する前記内壁面のそれぞれに取り付けられている、
請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記固定体は、前記可動体を、前記アウターヨークを含む磁性体によって、可動自在に覆っている、
請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記アウターヨークは下方に開口する断面Ｕ字形状をなし、
前記固定体は、前記可動体の下方に離間して配置される板状の基台を有し、
前記コイルは、前記基台上に取り付けられ、
前記アウターヨークは、前記基台に、前記コイル及びコイル内の前記可動体を覆うように取り付けられている、
請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記基台は、磁性体からなる、
請求項５記載のアクチュエータ。
【請求項７】
前記基台の表面には、前記コイルが取り付けられる取り付け溝部が形成されている、
請求項５記載のアクチュエータ。
【請求項８】
前記可動体は、前記固定体に、前記出力軸を中心に回転自在に軸支されている、
請求項２記載のアクチュエータ。
【請求項９】
前記弾性支持部は、前記固定体と、前記可動体とに介設され、前記固定体と前記可動体との間で変形自在な粘弾性体である、
請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項１０】
請求項２記載のアクチュエータと、
前記アクチュエータの出力軸に、当該出力軸と同一軸心上で連結され、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と、
を有する、
電動歯ブラシ。
【請求項１】
永久磁石を有する可動体と、
前記永久磁石を周回し、前記永久磁石において極の異なる磁極面からそれぞれ所定間隔を空けて対向する内周部を有するコイル及び前記コイルの外周部を覆うアウターヨークを有し、弾性支持部を介して前記可動体を可動自在に支持する固定体と、
前記可動体の共振周波数に略等しい周波数の交流を前記コイルに供給する交流供給部と、
を備える、
アクチュエータ。
【請求項２】
前記可動体は、前記永久磁石の異なる磁極面と略平行に、前記永久磁石の略中心に沿って配置される出力軸を備え、前記弾性支持部によって前記出力軸を中心にねじる方向に可動自在に支持されている、
請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項３】
前記アウターヨークは、所定間隔を空けて対向する内壁面を有し、
前記コイルは、前記外周部で前記アウターヨークにおいて対向する前記内壁面のそれぞれに取り付けられている、
請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記固定体は、前記可動体を、前記アウターヨークを含む磁性体によって、可動自在に覆っている、
請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記アウターヨークは下方に開口する断面Ｕ字形状をなし、
前記固定体は、前記可動体の下方に離間して配置される板状の基台を有し、
前記コイルは、前記基台上に取り付けられ、
前記アウターヨークは、前記基台に、前記コイル及びコイル内の前記可動体を覆うように取り付けられている、
請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記基台は、磁性体からなる、
請求項５記載のアクチュエータ。
【請求項７】
前記基台の表面には、前記コイルが取り付けられる取り付け溝部が形成されている、
請求項５記載のアクチュエータ。
【請求項８】
前記可動体は、前記固定体に、前記出力軸を中心に回転自在に軸支されている、
請求項２記載のアクチュエータ。
【請求項９】
前記弾性支持部は、前記固定体と、前記可動体とに介設され、前記固定体と前記可動体との間で変形自在な粘弾性体である、
請求項１記載のアクチュエータ。
【請求項１０】
請求項２記載のアクチュエータと、
前記アクチュエータの出力軸に、当該出力軸と同一軸心上で連結され、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と、
を有する、
電動歯ブラシ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１０−１０４７１８（Ｐ２０１０−１０４７１８Ａ）
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２８２３６１（Ｐ２００８−２８２３６１）
【出願日】平成２０年１０月３１日（２００８．１０．３１）
【出願人】（０００００６２２０）ミツミ電機株式会社 (1,651)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年５月１３日（２０１０．５．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月３１日（２００８．１０．３１）
【出願人】（０００００６２２０）ミツミ電機株式会社 (1,651)
【Ｆターム（参考）】
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