专利名称：用于振动和旋转运动的线性致动器及使用它的电动牙刷的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于振动和旋转运动的线性致动器，该线性致动器能够以线性和旋转方式往复运动，并且涉及一种使用该线性致动器的电动牙刷。
背景技术：
日本专利申请未审查公开No.2004-343933中公开了一种线性致动器，该线性致动器能够沿给定的轴线性往复运动且绕所述轴旋转。上述线性致动器由被支撑以沿其轴线线性往复运动且绕所述轴线旋转的轴，用于使所述轴沿所述轴线线性往复运动的线性驱动器，和用于使所述轴绕所述轴线旋转的线性驱动器组成。
用于线性往复运动的线性驱动器由振动元件和定子组成。振动元件为圆柱形且绕所述轴的圆周的一部分同轴地设置。同样，振动元件在其两端设置由圆柱形永久磁铁，所述永久磁铁在其两端具有不同的磁极。用于线性往复运动的线性驱动器的定子为圆柱形且绕振动元件同轴地布置。同样，所述定子具有绕其的缠绕线。
用于旋转往复运动的线性驱动器由旋转元件和定子组成。所述旋转元件由永久磁铁和轭状件组成，且绕所述轴的另一部分同轴地设置。用于旋转往复运动的线性驱动器的定子为圆柱形且绕旋转元件同轴地布置。同样，该定子具有绕其的缠绕线。
另外，根据上述公开的线性致动器设置有振动吸收重物，所述振动吸收重物独立于上述可移动部件以便吸收由于沿所述轴线线性往复运动引起的不期望的振动。也就是说，这种不期望的振动通过将振动吸收重物在与由轴和可移动部件组成的移动部件相反的相位上振动而被吸收。
然而，由于振动通过振动吸收重物在与移动部件相反的相位上移动而被吸收，因此，除了可移动部件，振动吸收重物也是必要的，由此使得电动牙刷更大更重。另外，由于尺寸和重量的增加，为了进行往复运动，需要消耗更多的能量。由此降低了驱动效率。
发明内容
本发明考虑到了上述缺点，且本发明的目的旨在提供一种用于振动和旋转运动的小的、低成本的、高效的线性致动器和使用它的电动牙刷。
同样，在弯臂部分的端部设置了叶背部分，当从侧面看时，所述叶背部分大体上平行于所述臂设置，且所述叶背部分设置了叶片。
为了实现上述目的，本发明的一个实施例提供一种用于振动和旋转运动的线性致动器，包括轴，所述轴被支撑以便能够沿轴线方向和绕轴线的旋转方向可往复地移动；第一线性驱动器(用于线性往复运动的线性致动器)，包括圆柱形定子和可移动部件，所述定子其上具有缠绕线，且可移动部件布置在定子的内侧以便使所述轴沿轴线方向往复运动；第二线性驱动器(用于旋转往复运动的线性致动器)，包括其上具有缠绕线的圆柱形定子和可移动部件，该可移动部件布置在定子的内侧以便使所述轴沿所述旋转方向旋转地往复运动，其中所述可移动部件之一固定到所述轴上，而所述可移动部件的另一个相对于所述轴可移动；和协调部件，该协调部件能够使所述轴和所述可移动部件中的所述一个可移动部件在与所述可移动部件中的另一个可移动部件相反的相位上移动。
根据本发明的实施例，用于线性往复运动的线性致动器的可移动部件和用于旋转往复运动的线性致动器的可移动部件移动以便抵消或者降低由彼此引起的振动。
在一种模式中用于旋转往复运动的线性致动器的可移动部件固定到所述轴上，同时用于线性往复运动的线性致动器的可移动部件可相对于所述轴可移动，相反，在另一种模式中用于线性往复运动的线性致动器的可移动部件固定到轴上，而用于旋转往复运动的线性致动器的可移动部件可相对于所述轴可移动。
优选的是，相对于轴可移动的可移动部件设置有重量调节部件，以便保留有效抵消或降低振动所需的质量。
另外，协调部件优选在轴的旋转方向上沿彼此相反的相位移动可移动部件，以便抵消或降低发生在所述方向上的振动。
作为协调部件，优选使用弹性部件，该弹性部件与可移动部件构成弹簧振荡系统。这允许很好地利用共振，由此能够输出高功率。
相对于轴可移动的可移动部件优选设置有重量调节部件，该重量调节部件为圆柱形并且围绕弹性部件布置，由此降低线性致动器的径向尺寸。
相对于轴可移动的可移动部件优选通过使用轴承支承，所述轴承连接到轴或定子上，由此在可移动部件和定子之间维持预定的磁间隙。
根据本发明的电动牙刷使用上述用于振动和旋转运动的线性致动器作为驱动源并且包括有线性致动器的轴驱动的刷子，由此提供重量轻的电动牙刷且振动降低。
根据本发明，由于用于线性往复运动的线性驱动器的可移动部件和用于旋转往复运动的线性驱动器的可移动部件能够抵消彼此引起的振动，振动吸收重物不再必要作为用于吸收振动的附加部件，由此实现尺寸降低和重量轻的线性致动器。另外，这种线性致动器能够节省驱动能量，由此提供尺寸降低的优点。
在附图中图1为根据本发明的一个优选实施例的横截面图；图2为与图1相应的分解透视图；图3A为用于旋转往复运动的线性驱动器的垂直横截面图；图3B为用于旋转往复运动的线性驱动器的水平横截面图；图4为根据本发明另一优选实施例的横截面图；图5A和5B分别为屏蔽壳和定子的透视图和横截面图；图6A和6B分别为轴和传递部件(transfer member)的透视图和横截面图；图7为根据本发明的电动牙刷的一个优选实施例的横截面图。
具体实施例方式
参考附图，下面详细描述本发明的优选实施例。图1和图2示出了作为本发明第一实施例的用于振动和旋转运动的线性致动器60。如图所示，用于振动和旋转运动的线性致动器60由用于使轴2沿轴线方向A线性往复运动的线性驱动器3A和用于使轴2沿旋转方向B旋转往复运动的线性驱动器3B组成，线性驱动器3A和3B设置在圆柱形屏蔽壳1内部。
轴2的两端由轴承4支承，以便能够沿轴线方向线性往复运动和沿旋转方向B旋转。轴承4，4分别连接到屏蔽壳1的两端。在轴2的末端设置了传输部件50，所述传输部件50将驱动力传输到外部部件。
用于旋转往复运动的线性驱动器3B由固定到轴2上的旋转部件30，和布置在屏蔽壳1内与旋转部件30相对应的位置上的定子31组成。旋转部件30由磁性材料制成的圆柱形旋转轭状件5，板状永久磁铁6，和磁性材料制成的半圆形旋转轭状件7组成。旋转部件30的圆柱形旋转轭状件5通过粘结，压配合，焊接，或螺纹连接固定到轴2上。
在圆柱形旋转轭状件5的圆周上设置了两个平面以便形成彼此平行相对的两个凹槽8，8。板状永久磁铁6配合到每个凹槽8内并且半圆形旋转轭状件7连接到板状永久磁铁6的顶部。利用这种构造，半圆形旋转轭状件7的圆弧与圆柱形旋转轭状件5的圆弧一起形成圆，如图3B所示。
板状永久磁铁6的内表面和外表面具有不同的磁极，其中内表面是相对于正交于轴2的轴线方向A的方向C面向内的表面，而外表面是面向外的表面。也就是说，当两个永久磁铁6的外表面为N极，内表面都是S极，且相对是真实的。
另一方面，构成用于旋转往复运动的线性驱动器3B的定子31由线圈部件和圆柱形固定部分12a和12b组成，所述线圈部件通过将线11(以下称为缠绕线11)绕绕线管10缠绕形成，圆柱形固定部分12a和12b布置在线圈部件的绕线管10的两端，以便整体上为圆柱形。如图3B所示，定子31设置在屏蔽壳1的内部，以便其内表面与旋转部件30的外表面相对，且在它们之间留下预定的磁间隙13。
在圆柱形固定部分12a的内表面上，设置了两个磁极部件14a，14a，以便与旋转部件30相对(图3B)。类似地，与旋转部件30相对的两个磁极部件14b设置在圆柱形固定部分12b的内表面上。在本实施例中，磁极部件14a，14b的数量与旋转部件30的永久磁铁6的数量相同。另外，从轴线方向A看时，圆柱形固定部分12a内的磁极部件14a与圆柱形固定部分12b内的磁极部件14b在角度方向上交替(图3B)。
在以这种方式构造的用于旋转往复运动的线性驱动器3B内，当在一个方向上直流电流过缠绕线11时，旋转部件30沿B的一个旋转方向旋转，而当电流沿相反方向流过时，旋转部件30相应地沿相反方向旋转。因此，当交流流过缠绕线11时，旋转部件30能够沿旋转方向B往复地旋转。
接下来，用于线性往复运动的线性驱动器3A由振动部件40和定子41组成。定子41由线圈部件和圆柱形固定部分17，17组成，线圈部件通过将线16(以下称为缠绕线)绕绕线管15缠绕形成，圆柱形固定部分17，17布置在线圈部件的绕线管15的两侧，以便总体上成圆柱形。定子41设置在屏蔽壳1内，以便同轴地围绕振动部件40且在定子41的内表面和振动部件40的外表面之间留下预定的磁间隙18。
振动部件40由磁性材料制成的圆柱形轭状件19和设置在轭状件19两端的圆柱形永久磁铁20，20组成。在振动部件40的两端设置了用于通过连接部件22调节重量的重物21。永久磁铁20，20这样定位，即，它们的外表面与定子41的固定部分17，17相对。每个永久磁铁20沿方向A的两端具有不同的磁极，没有面对永久磁铁20，20的轭状件19的外端具有相同的磁极。
振动部件40为圆柱形，具有通孔23，轴2穿过通孔23。振动部件40可移动地通过一对轴承24，24连接到轴2上。由于轴承24，24，振动部件40和轴2能够在轴线方向A和旋转方向B上独立地移动。
在振动部件40一端的弹簧支撑26和屏蔽壳1的一端之间，设置了制成螺旋压缩弹簧的弹性部件25。类似地，在振动部件40另一端的弹簧支撑21和旋转部件30一端的弹簧支撑29之间，设置了制成螺旋压缩弹簧的弹性部件25。而且，在旋转部件30另一端的弹簧支撑29和屏蔽壳1的另一端之间，设置了另一个制成螺旋压缩弹簧的弹性部件25。利用这些构造，轴2加上固定到轴2上的旋转部件30和振动部件40在轴线方向上构成弹簧振荡系统。
振动部件40的永久磁铁20，20和定子41的缠绕线圈16构成磁路，由此使得振动部件40能够沿轴线方向A线性往复运动。也就是说，当直流电在一个方向上流过定子41的缠绕线16时，振动部件40沿轴线方向A在一个方向上移动，而当直流电在另一方向上流动时，振动部件40沿相反的方向移动。因此，通过将交流施加到缠绕线圈16上，振动部件40沿轴线方向A线性地往复运动。
振动部件40的这种运动然后使旋转部件30和轴2沿轴线方向A移动。这里，由三个弹性部件25，轴2，旋转部件30，和振动部件40构成的弹簧振荡系统具有由轴2和部件30和40的质量以及弹性部件25的弹簧常数确定的其自己的共振频率。当交流的频率设定为大约为这个共振频率时，旋转部件30加上轴2和振动部件40不得不在共振条件下移动。结果，旋转部件30和轴2在与振动部件40相反的相位上线性地往复运动。也就是说，弹性部件25构成协调部件，该协调部件能够使轴2和固定在轴2上的旋转部件30在与振动部件40相反的相位上移动。
顺便说明，就旋转方向而言，弹性部件25也用作构成弹簧振荡系统的部件。
如上所述，在根据本实施例的线性致动器中，用于线性往复运动的线性驱动器3A和用于旋转往复运动的线性驱动器3B同时操作，由此能够进行沿轴线方向A的线性往复运动和沿旋转方向B的旋转往复运动。另外，旋转部件30和轴2在与振动部件40相反的相位上往复运动，由此降低由于其相反相位的运动由振动部件40的线性往复运动引起的不期望的振动。也就是说，可以理解为就像振动部件40配备有像现有技术中的振动吸收重物一样用于轴2的重物21，21。
而且，振动部件40在大体上与旋转部件30和在旋转方向B上线性往复运动的轴2相反的相位上旋转往复运动，由此降低有线性往复运动引起的不期望的振动。
进而，由于在轴线方向A和旋转方向B上的往复运动发生在如上所述的共振条件下，且用于降低振动的附加的振动吸收重物不再必要，移动部分总体上重量轻，由此从相对低的能量输入产生高的输出功率。另外，包括重物21，21的振动部件40和轴2同轴设置，由此使得根据本发明的线性致动器进一步变小且重量轻。
顺便说明，振动部件40装备了如上所述的重物21，以便抵配旋转部件30和轴2(和通过使用传输部件50与轴相连的从动部件)的质量。重物21为圆柱形且布置为围绕弹性部件25的原因在于缩短致动器沿轴线的尺寸。
进而，由于旋转部件30固定在轴2上且振动部件40设置有重物21，21，旋转部件30的旋转往复运动直接传递到轴2，由此提高了在旋转方向上移动的轴2产生的输出功率。
图4示出了另一个实施例。该实施例与上述实施例的不同之处在于用于线性往复运动的线性驱动器3A和用于旋转往复运动的线性驱动器3B改变了它们的位置；振动部件40固定在轴2上；且装备了重物21，21的旋转部件30通过轴承24，24由轴2支撑，从而旋转部件30相对于轴2可在轴线方向和旋转方向上移动。在这种构造中，通过振动部件40沿轴线方向的线性往复运动直接传递到轴2，由此提高由在轴线方向上移动的轴2产生的输出功率。
顺便说明，在先前的实施例中，振动部件40或旋转部件30通过轴承24由轴2支撑，以便能够相对于轴2可移动。由于轴承24远离旋转部件30布置且没有设置在定子41的内表面和轴2之间，因此线性致动器60能够沿其径向方向降低尺寸。然而，这并不限制本发明。也就是说，轴承24可以设置在振动部件40(旋转部件30)和定子41(定子31)之间或振动部件40(旋转部件30)和屏蔽壳1之间。
另外，能够使固定在旋转部件30(或振动部件40)上的重物21能够相对于轴2可移动的轴承24用作一部分重物21，21，由此使线性致动器总体上重量轻。顺便说明，在上述实施例中，轴承24的示例为球轴承，由钢球28，用于支撑钢球28的支撑部件29，和用于通过其内表面容纳球的容纳部件34。然而，轴承24可以为设置在重物21的内表面上的滑动轴承。在这种情况下，重物21的外表面设置有滑动轴承，该滑动轴承然后与定子41(定子31)或屏蔽壳1接触。
图5A和图5B作为上述定子的替换的定子51的示例，示出了定子51怎样固定。如图所示，定子51插入屏蔽壳1内，以便放置在预定的位置上，并且屏蔽壳1的填塞(caulking)部分52变形，以便定子51与变形的填塞部分52配合且由此被固定在屏蔽壳1的内部。同时，填塞部分52能够配合到制成在定子51的外表面内或外表面上的台阶53(或凹口)内，由此将定子51在旋转方向B上和轴线方向A上固定。结果，定子51被紧紧地但是容易地紧固。顺便说明，定子51可以通过粘结或焊接固定到屏蔽壳1上。
图6A和6B示出了轴2的末端部分54的直径与其其它部分相比减小以便压配合到用于传送轴2产生的输出功率的传输部件50的孔部分55。利用这种构造，由于轴2与轴2插入其中的传输部件50具有不同的直径，传输部件50的直径能够任意设定，与轴2的直径无关，且轴2的直径能够减小，无论传输部件50的直径如何，由此降低了线性致动器60的尺寸。另外，这种构造使得能够防止当传输部件50相对沿轴线方向A和旋转方向B移动的轴打滑时引起的传输损失。传输部件50可以通过粘结或压配合和粘结固定到轴上。
根据本发明上述实施例的线性致动器可以用作各种驱动源。例如，如图7所示，线性致动器应用到电动牙刷100上。如图所示，电动牙刷100包括大体圆柱形壳体61，其中具有与上述实施例之一相同结构的线性致动器60(600)和电池62沿壳体61的纵向方向设置在壳体61内，和刷子64，刷子64连接在轴2上，轴2沿纵向方向从壳体61的一端突出。而且，电动牙刷100包括控制电路部分63，控制电路部分63用于从电池62产生交流电，该交流电具有与线性致动器内的弹簧振荡系统的共振频率大体相同的频率。
在电动牙刷100内，刷子64能够通过线性致动器60沿轴线方向和旋转方向移动，由此确保牙齿的有效的刷洗。另外，由于用于振动和旋转运动的线性致动器60能够防止不期望的振动，被构造为重量轻的以便产生高的功率输出，且紧凑，因此电动牙刷100提供了舒服的使用。
对于本领域的普通技术人员而言，附加的优点和修改施容易的。因此，更宽方面的本发明不限于这里描述的具体细节和代表性的实施例。相应地，在不脱离本发明权利要求及其等同物限定的范围内，可以进行多种修改和变化。
权利要求
1.一种用于振动和旋转运动的线性致动器，包括轴，该轴被支撑为能够沿轴线方向和绕轴线的旋转方向可往复地运动；第一线性驱动器，该第一线性驱动器包括其上具有缠绕线的圆柱形定子和可移动部件，所述可移动部件布置在定子内部以便使所述轴沿所述轴线方向线性地往复运动；第二线性驱动器，该第二线性驱动器包括其上具有缠绕线的圆柱形定子和可移动部件，所述可移动部件布置在定子内部以便使所述轴沿所述旋转方向旋转地往复运动，所述可移动部件之一固定在所述轴上而所述可移动部件中的另一个相对于所述轴可移动；和协调部件，该协调部件用于使所述轴和所述可移动部件之一能够在与所述可移动部件的另外一个在相反的相位上移动。
2.根据权利要求1所述的用于振动和旋转运动的线性致动器，其中，包括在所述第二线性驱动器内的所述可移动部件固定在所述轴上，且其中包括在所述第一线性驱动器内的所述可移动部件相对于所述轴可移动。
3.根据权利要求1或2所述的用于振动和旋转运动的线性致动器，其中包括在所述第一线性驱动器内的所述可移动部件固定在所述轴上，且其中包括在所述第二线性驱动器内的所述可移动部件相对于所述轴可移动。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的用于振动和旋转运动的线性致动器，进一步包括重量调节部件，该重量调节部件可移动地相对于所述轴设置在所述可移动部件上。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的用于振动和旋转运动的线性致动器，其中所述协调部件能够使所述轴和固定在其上的所述可移动部件在与相对于所述轴可移动的所述可移动部件以相反的相位沿旋转方向和轴线方向移动。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的用于振动和旋转运动的线性致动器，其中所述协调部件是弹性部件，该弹性部件与所述可移动部件一起构成弹簧振荡系统。
7.根据权利要求6所述的用于振动和旋转运动的线性致动器，其中相对于所述轴可移动的所述可移动部件设置有重量调节部件，该重量调节部件为圆柱形且围绕所述弹性部件布置。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的用于振动和旋转运动的线性致动器，其中相对于所述轴可移动的所述可移动部件通过轴承由所述轴或所述定子支承。
9.一种电动牙刷，包括作为驱动源的如权利要求1-8中任一项所述的用于振动和旋转运动的线性致动器，和由所述线性致动器的所述轴所驱动的牙刷。
全文摘要
根据本发明一个优选实施例的用于振动和旋转运动的线性致动器，包括被支撑为可在轴线方向上和绕轴线的旋转方向上往复地移动的轴；第一线性驱动器，包括其上具有缠绕线的圆柱形定子和可移动部件，所述可移动部件布置在定子内部以便使所述轴沿所述轴线方向线性地往复运动；第二线性驱动器，包括其上具有缠绕线的圆柱形定子和可移动部件，所述可移动部件布置在定子内部以便使所述轴沿所述旋转方向旋转地往复运动，所述可移动部件中的一个固定在所述轴上而所述可移动部件中的另一个相对于所述轴可移动；和协调部件，用于使所述轴和所述可移动部件中的所述一个可移动部件能够在与所述可移动部件中的另一个可移动部件相反的相位移动。
文档编号A61C17/16GK1808863SQ20061000579
公开日2006年7月26日 申请日期2006年1月6日 优先权日2005年1月19日
发明者小林升, 西中孝宏, 金田健作, 清水宏明, 本桥良, 薮内英一 申请人:松下电工株式会社