Механическая кинематическая цепь с двигателем и эксцентриком для резонансной электрической зубной щетки
Изобретение относится к области медицинской техники, в частности к области гигиены, предназначено для чистки зубов и характеризует электрическую зубную щетку. Электрическая зубная щетка содержит узел привода, эксцентриковый элемент, пружинный узел, головку зубной щетки со щетиной, вал головки зубной щетки. Узел привода содержит батарею и электродвигатель постоянного тока, имеющий корпус двигателя с вращающимся выходным валом двигателя, отходящим от его задней торцевой поверхности. Эксцентриковый элемент установлен на выходном валу двигателя или соединен с ним с помощью другого элемента и вращается вместе с ним. Пружинный узел содержит пружинный элемент, характеризующийся жесткостью на кручение, в результате чего возникает резонансная частота вращающейся системы, которая ниже, чем резонансная частота вращающейся системы, определяемая жесткостью на изгиб. Передняя торцевая поверхность корпуса двигателя прикреплена к проксимальному концу пружинного узла, выполненного с возможностью свободного перемещения, а другой конец пружинного узла находится в зафиксированном положении, так что двигатель совершает колебания вместе с пружинным элементом. Вал головки зубной щетки прикреплен к пружинному узлу и отходит от него дистально. Головка зубной щетки со щетиной прикреплена к валу головки зубной щетки, где в процессе вращения эксцентрика на выбранной частоте создается колебательное движение пружинного элемента, в результате чего вал головки зубной щетки и головка зубной щетки совершают колебания вместе с ним. Изобретение позволяет расширить арсенал технических средств, обеспечивающих использование электродвигателя постоянного тока для механического возбуждения пружинного узла в его резонансном режиме и не имеющих проблем, связанных с применением электромагнитной муфты, таких как недостаточный пусковой крутящий момент и перерегулирование. 9 з.п. ф-лы, 4 ил.
Настоящее изобретение относится в целом к резонансно-приводным электрическим зубным щеткам, более конкретно касается к кинематической цепи, которая содержит электродвигатель постоянного тока для такой электрической зубной щетки.
В некоторых электрических зубных щетках для того, чтобы создать колебательные движения головки зубной щетки применяется синусоидальный приводной пружинный узел, что позволяет эффективно чистить зубы пользователя. Однако такая кинематическая цепь требует специальных статоров, работающих в ответ на синусоидальный сигнал, создавая вибрацию магнитного поля, что приводит в действие пружинный узел. Также в такой системе необходимы относительно дорогие электронные схемы.
Использование электродвигателя постоянного тока для приведения в действие резонансной электрической зубной щетки является менее дорогой альтернативой. Преимуществом кинематической цепи электродвигателя постоянного тока является ее простота, а также низкая стоимость. Типичный электродвигатель постоянного тока создает круговое движение, но в альтернативной линии развития электрических зубных щеток с приводом от электродвигателя постоянного тока расположение пружинного узла используется для создания колебательного движения вместо кругового. Как известно, колебательное движение в выбранных диапазонах частот и амплитуд обеспечивает эффективную очистку.
В одном определенном варианте электродвигатель постоянного тока с эксцентриком используется для механического возбуждения пружинного узла в режиме кручения, создавая требуемые резонансные колебательные движения. Однако эти конкретные системы приводятся в движение с помощью гибкой муфты, которая колеблется вместе с пружинным элементом. Гибкая муфта может быть ненадежной. Дополнительно, в таких системах эксцентрик установлен так, чтобы вращаться во втулке, что приводит к износу интерфейса эксцентрика/втулки, и является источником нежелательных шумов.
Таким образом, желательно иметь надежную, простую систему, в которой используется электродвигатель постоянного тока для механического возбуждения пружинного узла в его резонансном режиме, с минимальным количеством деталей, в то же время не имеющую проблем, обычно связанных с электромагнитной муфтой, таких как недостаточный пусковой крутящий момент и перерегулирование, которые возникают когда останавливается щетка, в результате чего двигатель работает на более высоких оборотах, чем требуется.
Таким образом, электрическая зубная щетка содержит узел привода, содержащий батарею и электродвигатель постоянного тока, при этом электродвигатель постоянного тока имеет вращающийся выходной вал двигателя, отходящий от одного его конца; эксцентриковый элемент, закрепленный на выходном валу двигателя или соединенный с ним другим элементом и вращающийся вместе с ним; пружинный узел, который содержит пружинный элемент, характеризующийся жесткостью на кручение, в результате чего резонансная частота ротационной (вращающейся) системы ниже, чем резонансная частота ротационной системы, зависящая от жесткости на изгиб, при этом двигатель закреплен на проксимальном конце пружинного узла, который имеет возможность свободно перемещаться, при этом другой конец пружинного узла зафиксирован; вал головки зубной щетки, который закреплен на пружинном узле и отходит от него дистально; и головку зубной щетки, с щетинками, прикрепленную к валу головки зубной щетки, при этом во время работы вращение эксцентрика на выбранной частоте возбуждает в пружинном элементе колебательные движения, в результате чего вал головки зубной щетки и головка зубной щетки колеблются вместе с ним.
Фиг. 1 - разнесенный вид всей зубной щетки, содержащей описанную кинематическую цепь.
Фиг. 2 - разнесенный вид части зубной щетки по Фиг. 1.
Фиг. 3 - вертикальный вид сбоку структуры зубной щетки по Фиг. 1.
Фиг. 4 - вертикальный вид задней части зубной щетки по Фиг. 3.
Согласно настоящему изобретению предлагается кинематическая цепь для резонансных электрических зубных щеток на основе электродвигателя постоянного тока для передачи на узел головки зубной щетки колебательных движений вокруг оси узла головки зубной щетки. Описанная кинематическая цепь узла создает механическую силу, достаточную для возбуждения пружинного узла в нужном резонансном режиме, который, в свою очередь, вызывает требуемые колебательные движения узла головки зубной щетки части зубной щетки. По существу, частота колебаний находится в пределах 100-300 Гц, а амплитуда колебаний - в пределах 6°-14°.
Как показано на чертежах, зубная щетка 10 содержит двигатель 12 постоянного тока, питающийся от батареи 15. В показанном варианте осуществления электродвигатель постоянного тока является высокооборотным (10К - 20К оборотов в минуту или приблизительно 160 - 320 оборотов в секунду) и с низким крутящим моментом, в диапазоне 0,2 мНм - 1 мНм (миллиньютон-метр), хотя этот диапазон может меняться.
Двигатель 12 содержит вращающийся выходной вал 16 двигателя, который выходит из задней части 17 двигателя, в направлении задней части ручки 14. К выходному валу 16 неподвижно прикреплен эксцентрик 20, который в показанном варианте осуществления имеет форму диска, хотя могут использоваться и другие формы. Эксцентрик 20 определяется своей массой и эксцентриситетом, которым является расстояние от центра масс эксцентрика до оси вращения выходного вала 16 двигателя. Масса эксцентрика 20 в показанном варианте осуществления находится в диапазоне 0,5-5 грамм, в то время как диапазон эксцентриситета составляет 0,02-5 миллиметров.
Электродвигатель 12 постоянного тока присоединен к свободному концу пружинного узла, который в целом показан позицией 24. Пружинный узел 24 содержит элемент 26 задней пружинной втулки, передний пружинный монтажный элемент 28 и две пластинчатые пружины 30 и 32, соединенные между элементом пружинной втулки и пружинным монтажным элементом так, что образуют V-образный пружинный элемент 41. Элемент 26 пружинной втулки свободно перемещается в процессе работы зубной щетки, в то время как пружинный монтажный элемент 28 зафиксирован в положении по отношению к поверхности, такой как корпус или ручка зубной щетки. Элемент 26 пружинной втулки и пружинный монтажный элемент 28 выполнены из пластмассы, но могут быть отлиты под давлением из металла также. Элемент пружинной втулки имеет симметричную, но неправильную форму, как более подробно показано на Фиг. 3, хотя точная его форма не существенна. Элемент пружинной втулки соединяется с электродвигателем постоянного тока проксимальным концом V-образной пружины 41. Элемент пружинной втулки имеет ширину приблизительно 15 мм в своем самом широком месте, высоту приблизительно 15 мм и толщину 8 мм. Как указано выше, электродвигатель постоянного тока прикреплен к задней поверхности 36 элемента пружинной втулки и таким образом перемещается вместе с ней. Момент инерции массы, движущейся возвратно-поступательно, которая включает электродвигатель 12 постоянного тока, эксцентрик 20 и элемент 26 пружинной втулки, составляет от 250 до 500 г×мм2.
Как показано на чертежах, передний пружинный монтажный элемент имеет круглую форму, примерно 25 мм в диаметре, с вырезанной частью 39 в его нижней части. В показанном варианте осуществления пружинный монтажный элемент имеет толщину приблизительно 3 мм. Также, специальная форма переднего пружинного монтажного элемента несущественна. Важно, чтобы передний пружинный монтажный элемент обеспечивал неподвижное соединение либо с ручкой либо с внутренним элементом корпуса.
Две пластинчатые пружины 30 и 32, которые содержат V-образный пружинный элемент 41, являются идентичными стальными пружинами, примерно 10-30 мм длиной, 2-15 мм шириной, предпочтительно приблизительно 5 мм, и толщиной 0,2 мм - 1,0 мм, предпочтительно приблизительно 0,5 мм. В показанном варианте осуществления угол между двумя пластинчатыми пружинами 30 и 32 составляет порядка 45-100°, предпочтительно приблизительно 70°. Как показано на чертежах две пластинчатые пружины 30, 32 расположены так, чтобы раскрываться в том же направлении, в котором щетинки отходят от пластины с щетинками, и отдалены друг от друга примерно на 5 мм вдоль их нижних краев. Жесткость пружины при кручении двух пластинчатых пружин составляет от 0,5 до 2,0 Nm/радиус. Резонансная частота торсионного режима кинематической цепи является функцией момента инерции массы и жесткости пружины.
Вал 38 головки зубной щетки проходит за элемент 26 пружинной втулки через пружинный монтажный элемент 28 и дальше пружинного монтажного элемента примерно на 75 мм. Вал 38 головки зубной щетки прикреплен к элементу пружинной втулки и к пружинному монтажному элементу и находится на расстоянии от оси вращения выходного вала 16. Это расстояние, именуемое плечом 43 силы, в показанном варианте осуществления составляет примерно 6 мм, но может варьироваться от 1 до 15 мм. Чем больше плечо силы, тем больший крутящий момент возникает при вращении эксцентриковой массы. Обычный узел 42 головки зубной щетки с комплектом щетинок 44 на его дистальном конце выполнен с возможностью его замены на вале 38 головки зубной щетки.
Важным признаком V-образного пружинного элемента 41 является то, что он существенно жестче на изгиб, чем на кручение. Большая жесткость на изгиб, возбуждает резонансную частоту, превышающую требуемую рабочую частоту по меньшей мере на 50 Гц. Таким образом, возникают крутильные колебания (в результате колебательного перемещения узла головки зубной щетки), в то время как изгибные колебания (движения из стороны в сторону или вверх-вниз) во время работы зубной щетки не возникают. Это предотвращает раскачивание элемента 26 пружинной втулки и двигателя 12 во время работы, при этом допускаются колебания двигателя, в результате узел головки зубной щетки и щетина колеблются необходимым для чистки зубов образом, с частотой и амплитудой, указанными выше. В дополнение к использованию V-образной пружины для возбуждения изгибных колебаний, частота которых выше желаемой частоты крутильных колебаний, можно использовать опорные втулки и/или подшипники, чтобы увеличить жесткость в нужном направлении.
Электрические провода 50 и 52 от батареи 15 подсоединены к пластинчатым пружинам 30 и 32 в точке, в которой они закреплены в пружинном монтажном элементе 28. Так как пружинный монтажный элемент закреплен, в этой же точке закреплены дистальные концы пластинчатых пружин. Пластинчатые пружины крепятся к положительной и отрицательной клеммам на электродвигателе постоянного тока, завершая электрическую цепь. Пластинчатые пружины спроектированы так, чтобы выдерживать усталостные напряжения и, следовательно, могут сохранять работоспособность в условиях применяемых частоты и амплитуды. За счет подсоединения проводов к фиксированным концам пластинчатых пружин и завершения электрического соединения с двигателем через пластинчатые пружины устраняется любая проблема с проводами или связанная с разрушением микропроволочного вывода из-за перемещения пластинчатых пружин во время нормальной работы с частотой и амплитудой, указанными выше.
На Фиг. 3 показан вид с проксимального конца зубной щетки противоположного щетине на головке зубной щетки. В частности, показаны выходной вал 16 двигателя, вал 38 головки зубной щетки и направление вращения выходного вала 16 двигателя. Плечо 43 силы, как указано выше, является расстоянием между валом 38 головки зубной щетки и выходным валом 16 двигателя. В процессе работы посредством вращения эксцентрика 20 создается сила. Так как элемент пружинной втулки не зафиксирован, двигатель 12 колеблется с пружиной 41 и, следовательно, является частью движущейся вращающейся массы, то есть вращательной, системы, которая содержит V-образную пружину, элемент пружинной втулки, двигатель и эксцентрик. При нужной частоте, близкой к резонансной частоте вращательной системы, сила, создаваемая вращающимся эксцентриком, вызывает резонансные крутильные колебания в V-образной пружине 41, что создает желательные колебательные движения головки зубной щетки. В показанном варианте осуществления частота и амплитуда находятся в пределах, указанных выше, но предпочтительно примерно 260 Гц и 10° соответственно.
В процессе работы в настоящем механизме элемент V-образной пружины 41 выполняет три функции. Он помогает сдерживать, то есть ограничивает, движение вала 38 головки зубной щетки до желаемых колебательных движений, потому что две пластинчатые пружины более гибкие на кручение, чем на изгиб; он помогает в создании резонансной частоты вращательной системы; и он обеспечивает надежное электрическое соединение батареи с двигателем.
Таким образом, выше была показана механическая кинематическая цепь для электрической зубной щетки, которая использует двигатель постоянного тока и эксцентрик для возбуждения пружинного узла с резонансной частотой системы или с частотой, близкой к резонансной частоте. Эффективное движение щетинок осуществляется относительно простым и недорогим приводом, содержащим относительно небольшое количество отдельных деталей.
Несмотря на то, что предпочтительный вариант изобретения был описан только в качестве иллюстрации, следует понимать, что, не отступая от сути изобретения, могут быть внесены различные изменения, дополнения и замены, которые определяются нижеследующей формулой изобретения.
1. Электрическая зубная щетка, содержащая:
узел привода, содержащий батарею (15) и электродвигатель (12) постоянного тока, при этом электродвигатель постоянного тока имеет корпус двигателя с вращающимся выходным валом (16) двигателя, отходящим от его задней торцевой поверхности;
эксцентриковый элемент (20), установленный на выходном валу двигателя или соединенный с ним с помощью другого элемента и вращающийся вместе с ним;
пружинный узел (24), который содержит пружинный элемент (41), характеризующийся жесткостью на кручение, в результате чего возникает резонансная частота вращающейся системы, которая ниже, чем резонансная частота вращающейся системы, определяемая жесткостью на изгиб, при этом передняя торцевая поверхность корпуса двигателя прикреплена к проксимальному концу пружинного узла, выполненного с возможностью свободного перемещения, а другой конец пружинного узла находится в зафиксированном положении, так что двигатель совершает колебания вместе с пружинным элементом;
вал (38) головки зубной щетки, который прикреплен к пружинному узлу и отходит от него дистально; и
головку (42) зубной щетки со щетиной (44), прикрепленной к валу головки зубной щетки, где в процессе вращения эксцентрика на выбранной частоте создается колебательное движение пружинного элемента, в результате чего вал головки зубной щетки и головка зубной щетки совершают колебания вместе с ним.
2. Щетка по п. 1, в которой колебательное движение пружинного элемента и вала головки зубной щетки имеет частоту, соответствующую резонансной частоте вращающейся системы или приближающуюся к ней.
3. Щетка по п. 1, в которой пружинный узел содержит проксимальный конец элемента (26) пружинной втулки и дистальный конец пружинного монтажного элемента (28), пружинный элемент, имеющий форму V-образной пружины, который прикреплен и проходит между элементом пружинной втулки и пружинным монтажным элементом соответственно.
4. Щетка по п. 1, в которой зубная щетка имеет инерцию вращения и электродвигатель постоянного тока прикреплен к задней поверхности элемента пружинной втулки и движется вместе с ним и с V-образной пружиной так, что двигатель является частью инерции вращения зубной щетки.
5. Щетка по п. 1, в которой узел привода содержит электрические провода (50, 52), которые соединяют батарею с пружинным элементом, где он прикреплен к пружинному монтажному элементу так, что в процессе работы зубной щетки и движения пружинного элемента электрические провода не перемещаются вместе с перемещением двигателя.
6. Щетка по п. 1, в которой щетина совершает колебания с частотой 100-300 Гц и с амплитудой 6°-14°.
7. Щетка по п. 1, в которой пружинный элемент содержит пару пластинчатых пружин (30, 32), при этом обе пластинчатые пружины имеют жесткость на кручение, обеспечивающую резонансную частоту вращающейся системы, которая ниже, чем резонансная частота, определяемая жесткостью пластинчатых пружин на изгиб.
8. Щетка по п. 7, в которой жесткость пластинчатых пружин на изгиб определяет резонансную частоту вращающейся системы, которая выше по меньшей мере на 50 Гц, чем желательная резонансная частота крутильных колебаний, для предотвращения таким образом возникновения изгибных колебаний при нормальной работе зубной щетки.
9. Щетка по п. 1, в которой эксцентрик является диском, имеющим массу в диапазоне 0,5-5 грамм с эксцентриситетом 0,2-5 мм.
10. Щетка по п. 1, в которой вал головки зубной щетки смещен в поперечном направлении относительно выходного вала двигателя на расстояние в пределах 1-15 мм.
