JP2004282997A - 電気モータ - Google Patents

Abstract

【課題】 電池給電式ポータブル機器への使用に適する小型電動振動モータを提供する。
【解決手段】 本振動モータのロータは、小さい空隙を挟んで永久磁石と対面している２つの突出磁極片を有する。ステータは、磁石を支持しているラミネートされたステータコアと、各々がステータコイルを支持し、小さい空隙を挟んでロータと対面している２つの突出磁極片とを有する。不活動状態においてはロータは休止位置にあって、磁極片は磁石のＮ極とＳ極との中央に位置する。動作中は、ステータコイルがステータ磁極片上に同一磁極を誘起させ、それがロータの磁極片上に同一磁極を誘起せるので、ロータは磁石の一方の磁極に向かってスウィングする。電流が逆方向に流れると、ロータは磁石の逆の磁極へスウィングする。ステータコイルに交流電流を流すと、ロータは休止位置から約±15°のような小さい角度範囲にわたって連続的にスウィングまたは振動する。
【選択図】 図１

Description

本発明は振動モータに関し、より特定的には、電池給電式のポータブル機器への使用に適する小型振動モータに関する。

振動モータは、ハウジングから伸びる出力シャフトを有する電動機のようなデバイスである。しかしながら出力シャフトは完全に回転せず、その代わりに、１回転より小さい、例えば多くの場合30°または60°のような数度に過ぎない制限された運動範囲にわたって前後に振動する。

米国特許第4,595,849号は、電動歯ブラシに使用するためのこのようなモータを示している。このモータは、永久磁石ロータと、ロータを休止位置にバイアスするための戻しばねとを有している。モータのシャフトにははずみ車が取り付けられており、動作周波数において共振が発生するように共振周波数を精密に調整する。

当分野においては、構造が簡単で、信頼でき、且つ容易に大量生産可能な振動モータに対する要望が存在しており、本発明はこれらの諸問題を解決する。

本発明は振動モータを提供する。本振動モータは、シャフトと、上記シャフトに取り付けられ、少なくとも１つの突出磁極片を有するラミネートされたロータコアと、少なくとも１つの突出磁極片を有するラミネートされたステータコアと、上記ステータの突出磁極片の周囲に巻かれている少なくとも１つのステータコイルと、上記ステータコアに取り付けられ、上記ステータの突出磁極片から円周方向に離間し、そして空隙を挟んで上記ロータの突出磁極片と対面している少なくとも１つの永久磁石とを備え、上記永久磁石は２つの円周方向に帯磁された磁極を有し、それによって、上記ステータコイルを流れる交流電流が上記ロータ磁極を上記永久磁石の磁極の間でスウィングさせるようになっている。

好ましくは、上記ロータコアは２つの突出磁極片を有し、上記ステータコアは２つの突出磁極片を有し、上記各ステータの突出磁極片はそれぞれステータコイルを有し、２つの永久磁石が上記ステータコアに取り付けられており、上記２つの永久磁石は、それぞれ円周方向に上記ステータの突出磁極片の間に位置し、且つそれぞれ空隙を挟んで上記ロータの突出磁極片と対面しており、上記ステータコイルは同じ磁極を上記ステータの突出磁極片内に誘起させるように巻かれており、上記誘起された磁極が同じ磁極を上記ロータの突出磁極片内に誘起させるようになっている。

好ましくは、上記ロータは、戻しばねによって休止位置にバイアスする。

好ましくは、上記または各永久磁石は、複数の分離した小さい永久磁石片からなる。

好ましくは、軸受は、自動注油式の、または低摩擦材料のシャフトインタフェース表面を有するブシュである。

好ましくは、軸受の１つは、シャフトを所定の向きに配向させるばね機能を与える特別な軸受である。

好ましくは、シャフトは、±５°乃至±20°、好ましくは±５°乃至±10°の角度範囲内で振動する。

好ましい実施の形態の振動モータは、簡単な構造を有し、ばねバイアスされた位置、即ち休止位置から±15°の角度運動をする。図１は、モータの中央部の断面図であって、ステータ及びロータの構造を示している。

ロータ１１はモータシャフト２０に取り付けられているラミネートされたロータコア２１を有し、ロータコア２１は２つの突出磁極片１２を有している。ロータ１１は巻線を有しておらず、または磁石も組込まれていない。ステータは、リング型のラミネートされたステータコア１５であり、２つの突出磁極片１６を有している。ステータには更に、ステータの突出磁極片１６の間に円周方向に離間した２つの永久磁石１３が取り付けられており、これらの永久磁石１３はロータの突出磁極片１２と対面するように位置している。図１に示すように、永久磁石１３は、円周方向にＮ極の次にＳ極が位置するように横方向に磁化されている。これらの永久磁石１３は、Ｎ極及びＳ極が各ステータの突出磁極片１６に隣接するように配列されている。

ステータの突出磁極片１６は小さい空隙１８を挟んでロータコア２１のボディ部分と対面しており、ロータの突出磁極片１２は小さい空隙１４を挟んで永久磁石１３と対面している。それによりロータ１１は、永久磁石１３によって、永久磁石１３の磁極の中央（永久磁石１３の中央に一致する）の中立または休止位置にバイアスされる。ロータ１１は更に、ばねによって休止位置にバイアスされる。このばねバイアスの機能の詳細に関して以下に説明する。

図２に示すように、プラスチックハウジング２２がステータコア１５をカバーしている。エンドキャップ２３がハウジング２２の開放端を閉じている。シャフト２０は、ハウジング２２及びエンドキャップ２３に取り付けられた軸受２４、２５によって支持されている。エンドキャップ２３は更に、ねじりばね１９を支持している。ねじりばね１９は、シャフト２０の端のスロット内に確保されているばね鋼の平らなストリップである。ねじりばね１９は、シャフト２０の端から軸方向に伸び、エンドキャップ２３の対応するスロット２６内に位置している。

以下に、モータの動作を説明する。不活動状態においては、ねじりばね１９の支援を受けた永久磁石１３が、ロータ１１をその休止位置に戻す、または維持している。この休止位置においては、ロータの突出磁極片１２は永久磁石１３の両磁極に等しく引き付けられる。モータが付勢され、電流がステータコイル１７を通って流れると、ステータの突出磁極片１６に磁場が誘起される。一方向の電流は、ステータの両突出磁極片１６上にＮ極を形成させる。これによってロータの両突出磁極片１２上にＮ極が誘起され、永久磁石１３のＳ極とロータのＮ極との間の引力がロータ１１を永久磁石１３のＳ極に向かってスウィングさせ、ロータのＮ極と永久磁石のＮ極との斥力はねじりばね１９の拘束力よりも大きいのでロータの突出磁極片１２は永久磁石１３のＳ極に位置合わせされる。

電流がステータコイル１７を逆方向に流れると、ステータの両突出磁極片１６上にＳ極が形成され、ロータ１１は逆方向にスウィングして永久磁石１３のＮ極に位置合わせされるようになる。

ステータコイル１７に電流が流れない場合には、ステータの突出磁極片１６は磁化されず、ロータの突出磁極片１２内に磁場は誘起されないので、ねじりばね１９及び永久磁石１３によってロータ１１はその休止位置へ戻される。

ステータコイル１７に交流を供給することによって、ロータ１１はＮ極からＳ極へスウィングしてＮ極へ戻り、出力シャフト２０に連続振動運動が発生する。電池駆動の電子発振回路によって交流電源を得る技術は公知である。

振動の角度は、モータの構造内の物理的拘束によって設定される最大許容運動に予め決定することができるが、出力範囲は、勿論、永久磁石１３の円周方向の（即ち、弓形の）広がり、ひねりばね１９の強さ（即ち、剛さ）、磁場の強さ、及びシステムの自然共振周波数及び動作周波数に依存する。

１つの好ましい無負荷動作状態は、150−350Ｈｚの共振周波数において±15°のスウィングである。

モータは、動作周波数が回転システムの共振周波数に一致した時に最も効果的に動作する。共振周波数は、主として、モータ及びそれの上の何等かのアタッチメントの質量、及び回転質量によって影響を受ける。しかしながら、歯ブラシ及びひげ剃り器のような若干の応用の場合、所望の周波数は回転質量の共振周波数より高くすることができる。回転質量の共振周波数を高くするように調整するために、ばねバイアスが使用される。これは、ステータコイル１７内の電流が反転した時に、休止位置に向かうロータの加速度を増加させることによって発生する。加速度を大きくする程、共振周波数は高くなる。従って、例えば、剛いばねを使用することによってばねバイアスを増加させると、モータの共振周波数が高くなる。ひねりばね１９を適切に選択することによって、モータの共振周波数を動作周波数に一致させることができ、最大の効率と、電池の充電当たり最長の動作時間を得ることが可能になる。

ロータ１１のための軸受２４、２５は各方向に小さい回転だけ動作しなければならず、従って小型電動機のために選択される軸受である油含浸焼結軸受は適当ではない。好ましい軸受は、自動注油、またはＰＴＦＥまたはＮiＰＴＦＥ、ナイロンブシュ、及び／またはセラミックブシュのような低摩擦材料で被覆された硬プラスチックブシュである。

図３は、図２と類似したモータを示しており、軸受２４、２５が玉軸受であり、戻しばね１９が（軸方向ではなく）半径方向に配置されている板ばねの形状である点が異なる。動作原理は同一である。図４は、図３のモータのエンドキャップ２３の内側の断面図であって、戻しばね１９の配列を示している。ばね１９は、ばね鋼の平らなストリップであってシャフト２０の端のスロット内に配置されている。ばね１９は、シャフト２０から半径方向に伸びている。ばね１９の両端は、ばね１９が半径方向に僅かに滑ることを可能にしながらばね１９がシャフト２０と共に回転するのを防ぐように、エンドキャップ２３のそれぞれのスロット２６内に配置されている。シャフト２０が回転すると、ばね１９は渦巻き状に、またはそれ以外に弾性的に変形し、ロータ１１を休止位置に戻すようにシャフト２０に作用する復元力を発生する。

図５は、図２のモータと類似しているさらなる変形を示しており、ばね及び軸受が単一の特別な軸受ユニットに組合わされている点が異なる。このユニットは、更にモータハウジングの端をシールするが、これは電動歯ブラシまたは電気ひげ剃り器のような湿潤応用にとって重要である。

ゴム軸受２４と呼ぶこの特別な軸受ユニットを図６に示す。ゴム軸受２４は、モータハウジング２２またはエンドキャップ２３に圧入するための外側リング２７と、シャフト２０上に取り付けるための内側リング２８とを有している。複数のリブ２９が内側リング２８と外側リング２７との間に伸び、シャフト２０のための放射状の支持具になっている。ウェブまたはゴムシート３０が各リブ２９の間に、及び内側リング２８と外側リング２７との間に伸び、開口をシールする。良好な耐水性と固定とを得るために、内側リング２８はシャフト２０の方へ加硫されている。シャフト２０と内側リング２８との間により良好なつかみを与えるために、シャフト２０には平面、切り込み、またはローレット掛けのようなフィーチャ３１を設けることができる。内側リングも、同様に形成することができる。このようにすると、内側リング２８はシャフト２０と共に回転し、この回転によってリブ２９に弾性的なひずみが発生し、ロータの共振周波数を変え、シャフト２０を休止位置にバイアスするのに必要なばね力が得られる。

この軸受配列は、振動の角度が例えば±５乃至10°のように小さい場合には特に魅力的である。この特別な軸受ユニットの材料は、好ましくはゴム、またはゴム状材料（特に、金属またはプラスチック挿入物を有する、または有していないシリコンゴム）である。

以上に、本発明の好ましい実施の形態を単なる例示の目的で説明したが、当業者ならば本発明の思想及び範囲から逸脱することなく多くの変更を考案することができよう。例えば、各永久磁石は、複数の分離した永久磁石片で作ることができる。

好ましい実施の形態によるモータの断面図である。 図１のモータの軸方向断面図である。 変形させたモータの図２と類似の軸方向断面図である。 図３のモータのエンドキャップの断面図である。 更に変形させたモータの図２と類似の軸方向断面図である。 図５のモータに使用されているシール軸受の側面図である。

符号の説明

１０ 振動モータ
１１ ロータ
１２ ロータの突出磁極片
１３ 永久磁石
１４ 空隙
１５ ステータコア
１６ ステータの突出磁極片
１７ ステータコイル
１８ 空隙
１９ ねじりばね
２０ モータシャフト
２１ ロータコア
２２ ハウジング
２３ エンドキャップ
２４、２５ 軸受
２６ スロット
２７ 外側リング
２８ 内側リング
２９ リブ
３０ ウェブ（ゴムシート）
３１ 平面、切り込み、またはローレット掛け

Claims (20)

1. 振動モータであって、
   シャフトと、
   上記シャフトに取り付けられ、少なくとも１つの突出磁極片を有するラミネートされたロータコアと、
   少なくとも１つの突出磁極片を有するラミネートされたステータコアと、
   上記ステータの突出磁極片の周囲に巻かれた少なくとも１つのステータコイルと、
   上記ステータの突出磁極片から円周方向に離間し、且つ空隙を挟んで上記ロータの突出磁極片と対面するように上記ステータコアに取り付けられ、円周方向に離間している２つの磁極を有する少なくとも１つの永久磁石と、
   を備え、
   それによって、上記ステータコイルに交流電流を流すと、上記ロータの突出磁極片が上記永久磁石の磁極の間をスウィングすることを特徴とする振動モータ。
2. 上記ロータコアは２つの突出磁極片を有し、
   上記ステータコアは２つの突出磁極片を有し、上記各ステータの突出磁極片はそれぞれステータコイルを有し、
   ２つの永久磁石が上記ステータコアに取り付けられており、上記２つの永久磁石はそれぞれ円周方向に上記ステータの突出磁極片の間に位置し、且つそれぞれ空隙を挟んで上記ロータの突出磁極片と対面しており、
   上記ステータコイルは同一磁極を上記ステータの突出磁極片内に誘起させるように巻かれており、上記誘起された磁極が同一磁極を上記ロータの突出磁極片内に誘起させることを特徴とする請求項１に記載の振動モータ。
3. 上記ロータは、戻しばねによって休止位置にバイアスされることを特徴とする請求項１または２に記載の振動モータ。
4. 上記戻しばねは、一方の端を上記シャフトに取り付けられ、別の端を上記モータの静止部分に取り付けられているばね鋼のストリップの形状のねじりばねであることを特徴とする請求項３に記載の振動モータ。
5. 上記ばねは、上記シャフトの一方の端に設けられたスロット内に固定されている第１の端と、上記エンドキャップに設けられたスロット内に配置されている第２の端とを有し、上記ばねは、上記シャフトの軸方向に伸びていることを特徴とする請求項４に記載の振動モータ。
6. 上記ばねは、上記シャフトに設けられたスロット内に配置され、上記シャフトの半径方向に伸び、そして上記ばねの両端は上記エンドキャップに設けられたスロット内に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の振動モータ。
7. 上記永久磁石は、複数の分離した小さい永久磁石片からなることを特徴とする先行請求項の何れか１つに記載の振動モータ。
8. 上記モータは一方の端をエンドキャップによって閉じられているカップ形状のハウジングを有し、上記ハウジング及び上記エンドキャップはそれぞれ上記シャフトを回転的に支持するための軸受を支持していることを特徴とする先行請求項の何れか１つに記載の振動モータ。
9. 上記軸受は、自動注油式の、または低摩擦材料のシャフトインタフェース表面を有するブシュであることを特徴とする請求項８に記載の振動モータ。
10. 上記低摩擦材料は、ＮiＰＴＦＥ、ＰＴＦＥ、ナイロン、または硬プラスチックであることを特徴とする請求項９に記載の振動モータ。
11. 上記軸受の１つは、上記シャフトを所定の向きに配向させるばね機能を与える特別な軸受であることを特徴とする請求項８に記載の振動モータ。
12. 上記特別な軸受は、更に、水分の侵入を防ぐために上記シャフトを上記ハウジングに対してシールするようになっていることを特徴とする請求項１１に記載の振動モータ。
13. 上記特別な軸受及び上記エンドキャップは、上記シャフトを上記ハウジングに対してシールするようになっていることを特徴とする請求項１２に記載の振動モータ。
14. 上記特別な軸受は、上記ハウジングまたは上記エンドキャップに固定されている外側リングと、上記シャフト上に取り付けられ、上記シャフトと共に回転する内側リングと、内側リングと外側リングとの間に伸びているウェブと、内側リングと外側リングとの間に伸びている複数のリブとを含むことを特徴とする請求項１３に記載の振動モータ。
15. 上記特別な軸受は、弾性的に変形可能な材料の単一の注型成形品であることを特徴とする請求項１４に記載の振動モータ。
16. 上記特別な軸受の材料は、ゴム、合成ゴム、ゴム状材料、及びシリコンからなるグループから選択されることを特徴とする請求項１５に記載の振動モータ。
17. 上記特別な軸受は、上記モータシャフトの方へ加硫されていることを特徴とする請求項１４に記載の振動モータ。
18. 上記シャフトは、±５°乃至±20°、好ましくは±５°乃至±10°の角度範囲内で振動することを特徴とする先行請求項の何れか１つに記載の振動モータ。
19. 上記モータは、150Ｈｚ乃至350Ｈｚの交流電源周波数で動作し、150乃至350振動／秒の出力を発生するようになっていることを特徴とする先行請求項の何れか１つに記載の振動モータ。
20. 上記ロータコア及び上記ステータコアの突出磁極片は、上記ロータの完全回転を物理的に阻止することを特徴とする先行請求項の何れか１つに記載の振動モータ。

Images