Зубная щетка резонансного принципа действия с механическим приводом
Изобретение относится к области медицинской техники, в частности к области гигиены, и предназначено для чистки зубов. Зубная щетка с приводом содержит ручку, рабочий узел с головкой щетки на его конце и узел привода для приведения рабочего узла. Узел привода для приведения рабочего узла включает в себя двигатель, имеющий выходной вал вращения, узел монтажной опоры для двигателя, торсионный пружинный элемент, эксцентриковый элемент, соединительный элемент для соединения выходного вала вращения двигателя и заднего конца эксцентрикового элемента, а также втулочный элемент. Другой конец эксцентрика проходит к втулочному элементу и установлен на нем, и торсионная пружина проходит между монтажной опорой двигателя и втулочным элементом. При работе на определенной частоте вращающийся эксцентрик возбуждает требуемый резонансный режим колебаний пружинного элемента, обеспечивая ометающее возвратно-поступательное действие рабочего узла и головки щетки. Изобретение позволяет расширить арсенал технических средств, а именно приводных узлов зубных щеток с торсионными пружинными приводными механизмами. 7 з.п.ф-лы, 4 ил.
Настоящее изобретение, в общем, относится к зубным щеткам с приводом, конкретнее, к приводному механизму, в котором используется торсионная пружинная система, возбуждаемая на требуемой резонансной частоте или близко к ней для создания очищающего действия.
Торсионные пружинные узлы использовались ранее и продолжают использоваться для создания приводного действия для щеточных узлов некоторых зубных щеток с силовым приводом. В одном варианте осуществления торсионная пружина возбуждается осциллирующим магнитным полем для создания требуемого действия головки щетки. Однако такой приводной механизм магнитного действия требует использования специального привода, который, в свою очередь, требует использования синусоидального сигнала для создания необходимого осциллирующего магнитного поля. Привод и электронные компоненты, необходимые для создания синусоидального сигнала, могут быть дорогостоящими и осложнять изготовление зубной щетки.
Следовательно, желательно создать торсионный пружинный приводной механизм, который был бы недорогостоящим по сравнению со схемами магнитного возбуждения, надежным в работе и удобным в изготовлении.
Соответственно предложена зубная щетка с силовым приводом, содержащая: ручку; рабочий узел, включающий в себя рычаг щетки и головку щетки на его конце; а также узел привода, включающий в себя узел двигателя, торсионный пружинный элемент для управления рабочим узлом, а также узел для механического возбуждения торсионной пружины в требуемом резонансном режиме, обеспечивая ометающее возвратно-поступательное действие головки щетки.
На Фиг.1 показан частично покомпонентный вид зубной щетки, имеющей приводной механизм, раскрытый в настоящем описании.
На Фиг.2 показан покомпонентный вид приводного механизма, представленного на Фиг.1.
На Фиг.3 показан вид в перспективе приводного механизма.
На Фиг.4 показан вид в сечении приводного механизма в зубной щетке с силовым приводом.
На Фиг.1 под позицией 10 показана зубная щетка с силовым приводом. Зубная щетка 10 с силовым приводом, в общем, включает в себя ручку 12, узел 14 приводного механизма, снабжаемый энергией от элемента 16 питания, а также узел 18 рычага щетки с головкой 20 щетки на его конце. Зубная щетка 10 с силовым приводом приводится в действие двухпозиционным переключателем (не показан). Работа зубной щетки 10 управляется микропроцессором 22.
На Фиг.2 показан покомпонентный вид узла 14 приводного механизма, а на Фиг.3 приводной механизм показан в сборе. Приводной механизм 14 включает в себя двигатель 26 постоянного тока. В показанном варианте осуществления двигатель 26 представляет собой относительно высокооборотный двигатель с относительно малым крутящим моментом, при этом скорость вращения составляет 12000-16800 оборотов в минуту, а величина крутящего момента лежит в диапазоне 0,5-1,5 милиньютон-метр. Преимущество двигателя 26 постоянного тока заключается в его невысокой стоимости и относительно малом размере, при этом для зубной щетки важно и то, и другое. Число оборотов и крутящий момент двигателя, однако, могут варьироваться.
Двигатель 26 закреплен на монтажной опоре двигателя, показанной под общей позицией 28, конкретнее, соединен с концевым участком/фланцем 30 монтажной опоры двигателя с помощью винтов 31, которые проходят сквозь фланец 30 в передний конец двигателя. Монтажная опора двигателя работает в качестве основания ручки 12, однако жестко не крепится к ручке, как будет подробнее описано ниже. В представленном варианте осуществления монтажная опора 28 двигателя выполнена из пластика, но может также изготавливаться из других материалов, например металла. Монтажная опора 28 двигателя включает в себя полуцилиндрическую стенку 32. Она может включать в себя реберные элементы, разнесенные по ее длине для увеличения прочности. В задней части монтажной опоры 28 двигателя имеются два противоположных крыльчатых элемента 36-36. Продолжаясь по периферии каждого крыльчатого элемента, располагается кольцо 38, соприкасающееся с внутренней поверхностью ручки. Кольцо обеспечивает гибкое, упругое, т.е. нежесткое, соединение между монтажной опорой двигателя и ручкой, обеспечивая при этом посадку монтажной опоры двигателя и самого двигателя на ручку. Такая схема приводит к поглощению некоторого количества энергии при работе пружинного участка приводного механизма, которая не является необходимой для работы приводного механизма.
Двигатель 26 постоянного тока включает в себя выходной вал 42. На выходном валу 42 закреплен упругий соединительный элемент 44, продолжающийся от выходного вала 42. Соединительный элемент 44 включает в себя задний или базовый участок 46, который, в общем, является цилиндрическим, примерно 5 мм в диаметре и 6 мм длиной. За ним следует участок 48 меньшего диаметра (примерно 1,5 мм). Продолжаясь от переднего конца участка 48 меньшего диаметра, располагается крепежный участок 50, с которым соединен эксцентриковый элемент 52. Эксцентриковый элемент включает в себя стержнеобразные участки 54 и 56, продолжающиеся от противоположных концов сплошного полуцилиндрического центрального участка 58. Центр масс эксцентрика 52 смещен от оси вращения выходного вала 42 двигателя. Эксцентрик 52 может иметь различную форму, но должен развивать достаточное усилие при вращении для возбуждения пружинного участка приводного механизма, как будет показано ниже.
Стержнеобразный участок 56 продолжается на участок 60 втулки втулочного элемента 62 щетки. В представленном варианте осуществления втулка 62 щетки выполнена из мягкого металла, такого как цинк, но может быть также выполнена из пластика. Эксцентрик заходит во втулку 60 со свободной посадкой. Плотная посадка нежелательна с точки зрения обеспечения правильной работы. Свободная посадка приводит к более легкому вращению эксцентрика.
Из монтажной опоры 28 двигателя также продолжается торсионная пружина 64. В представленном варианте осуществления торсионная пружина 64 имеет V-образную форму с углом при вершине, равным примерно 90°, однако угол может составлять от 50° до 120°. Могут использоваться также и другие торсионные пружинные элементы, такие как стержень, работающий на кручение, или винтовая пружина, хотя они обычно требуют дополнительной несущей опоры для сопротивления нагрузкам, создаваемым пользователем, и нежелательным усилиям в верхне-нижнем направлении, создаваемым эксцентриком. Торсионная пружина 64 продолжается из монтажной опоры двигателя до нижней кромки втулки 62 щетки. Задний конец торсионной пружины 64 присоединен к переднему концу монтажной опоры 28 двигателя с помощью опорного узла, включающего в себя крепежный узел 63 пружины. Винт 66 закрепляет V-образную пружину на крепежном узле 63 пружины. Крепежный узел 63 пружины выполнен из цинка и крепится к монтажной опоре двигателя с помощью винта 65. Однако крепежный узел 63 может являться частью пластиковой монтажной опоры двигателя, полученной литьем под давлением. Другой конец торсионной пружины 64 зафиксирован на нижней кромке втулки 62 щетки с помощью схожего крепежного узла 67 и соответствующего винта 78.
Передний конец V-образной торсионной пружины 64 расположен ниже переднего конца эксцентрика 52. Наиболее ясно это показано на Фиг.3 и 4. В показанном варианте осуществления длина V-образной пружины 64 составляет 20-60 мм, а ее коэффициент жесткости варьируется от 0,6 ньютон-метр на радиан до 2 ньютон-метр на радиан. В представленном варианте осуществления V-образная пружина выполнена из пружинной стали толщиной примерно 0,3 мм, однако толщина может лежать в диапазоне 0,2-0,8 мм. Вдоль каждой верхней кромки V-образной пружины имеется участок 70 выреза с малыми ушкообразными выступами 72, 73 на переднем и заднем ее концах. Участок выреза имеет глубину около 6 мм. Вырез обеспечивает плавное изменение жесткости от деформируемого участка V-образной пружины до жестких зажимов на ее концах. Это приводит к более низкому градиенту напряжений в пружине.
От передней поверхности 80 втулки 62 щетки (Фиг.4) рядом с ее нижним концом продолжается приводной вал 82 головки щетки. Узел 18 рычага щетки посажен на приводной вал 82 головки щетки съемным образом.
Расстояние между осью вращения эксцентрика 52 и осью узла рычага щетки и V-образной пружины называют моментным плечом приводного механизма. Чем больше моментное плечо, тем выше крутящий момент, создаваемый эксцентриком при его вращении. Вообще моментное плечо должно быть как можно меньшим для зубной щетки удобного размера, однако достаточно большим, чтобы создать требуемый крутящий момент, необходимый для возбуждения пружины 30 с целью обеспечения эффективного чистящего действия. Для создания необходимого крутящего момента обычно достаточным является моментное плечо от 4 до 11 мм.
В процессе работы вращение эксцентрикового элемента 52 под действием двигателя 26 постоянного тока с соответствующей частотой возбуждает V-образную пружину 64 в требуемом резонансном режиме, что, в свою очередь, порождает требуемое движение узла рычага щетки и головки щетки. В представленном варианте осуществления результирующая частота движения головки щетки лежит в диапазоне 200-280 Гц. V-образная пружина сводит движение эксцентрика 52 к ометающему попеременному (двунаправленному) движению. Это вызвано тем, что V-образная пружина обладает податливостью, т.е. является менее жесткой, на кручение и более высокой жесткостью на изгиб, а именно поддается скручивающему действию по своей длине, сопротивляясь при этом изгибу. В зависимости от жесткости пружины резонансная частота попеременного (возвратно-поступательного) движения узла рычага щетки может быть различной. При вышеуказанной конструкции амплитуда головки 20 щетки составляет в целом 10°±5° по обе стороны от нейтрального положения, хотя полная амплитуда может достигать 20°.
Амплитуду можно контролировать посредством жесткости пружинного элемента, массы и величины эксцентриситета (расстояние центра масс эксцентрика от оси вращения) эксцентрика, рабочей частоты изделия, расстояния между поворотной осью V-образной пружины и осью вращения эксцентрика, а также инерции вращения вращательного участка системы. Как говорилось выше, V-образная пружина, создающая ометающее движение, возбуждается в требуемом резонансном режиме механически с помощью двигателя постоянного тока и эксцентрика. Такая конструкция позволяет создать зубную щетку с силовым приводом, обеспечивающую надежную и эффективную работу при относительно низкой стоимости.
Хотя с целью иллюстрации представлен предпочтительный вариант осуществления, следует понимать, что в предпочтительный вариант осуществления могут быть внесены изменения и произведены замены без отхода от сущности изобретения, определяемой последующей формулой изобретения.
1. Зубная щетка с приводом, содержащая: ручку (12);
рабочий узел (18) с головкой (20) щетки на его конце; и
узел (14) привода для приведения рабочего узла, включающий в себя двигатель (26), имеющий выходной вал (42) вращения, узел (28) монтажной опоры для двигателя, торсионный пружинный элемент (64), эксцентриковый элемент (52), соединительный элемент (44) для соединения выходного вала вращения двигателя и заднего конца эксцентрикового элемента, а также втулочный элемент (62), при этом другой конец эксцентрика проходит к втулочному элементу и установлен на нем, и торсионная пружина проходит между монтажной опорой двигателя и втулочным элементом, причем при работе на определенной частоте вращающийся эксцентрик возбуждает требуемый резонансный режим колебаний пружинного элемента, обеспечивая ометающее возвратно-поступательное действие рабочего узла и головки щетки.
2. Зубная щетка по п. 1, в которой двигатель представляет собой двигатель постоянного тока, работающий с частотой вращения 12000-16000 оборотов в минуту с крутящим моментом от 0,5 милиньютон-метр до 1,5 милиньютон-метр.
3. Зубная щетка по п. 1, в которой торсионная пружина представляет собой V-образную пружину с углом при вершине от 50° до 120°, длиной в пределах 20-60 мм и с коэффициентом жесткости от 0,5 ньютон-метр до 2 ньютон-метр.
4. Зубная щетка по п. 1, в которой рабочая частота составляет 200-280 Гц, при этом амплитуда головки щетки лежит в диапазоне 7°-20°.
5. Зубная щетка по п. 1, в которой эксцентрик представляет собой сплошной полуцилиндр.
6. Зубная щетка по п. 1, в которой эксцентрик свободно закреплен во втулке (60), которая, в свою очередь, установлена на втулочном элементе.
7. Зубная щетка по п. 1, включающая в себя упругие элементы (38), расположенные между монтажной опорой двигателя и ручкой, обеспечивая гибкое, поглощающее энергию соединение между ними.
8. Зубная щетка по п. 1, в которой моментное плечо между осью эксцентрика и продольной осью рычага щетки лежит в диапазоне 5-11 мм.
