ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЗУБНАЯ ЩЕТКА С ГИБКИМ ПРИВОДНЫМ ВАЛОМ
ELECTRIC TOOTH BRUSH WITH FLEXIBLE DRIVE SHAFT

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области зубных щеток, в частности к области электрических зубных щеток.
Уровень техники
Традиционно в зубных щетках используется одна или более групп щетинок, которые каким-либо образом крепятся к головке или концевой части зубной щетки. Также известны зубные щетки, в которых используются подвижные наборы или держатели щетинок, которые приводятся в действие механическим или электрическим способом. Обычно электромотор и приводной механизм расположены в корпусе зубной щетки и соединены с подвижными наборами или держателями щетинок. При работе мотора и приводного механизма держатели щетинок могут совершать разнообразные движения. Обычно в корпусе зубной щетки также содержится одна или несколько батарей, необходимых для снабжения энергией приводного механизма и приведения в действие держателей щетинок.
При работе электрической зубной щетки потребление энергии электромотором в основном является функцией скорости вращения и нагрузки, с которой приводной механизм действует на мотор. Эти параметры зависят от нагрузки, приложенной к элементам щетки, например на подвижные держатели щетинок, расположенные в головке щетки. Также известно, что потребление энергии электромотором зависит и от механического воздействия на мотор и, обычно, на выходной вал мотора.
Значительный недостаток использования электрической зубной щетки заключается в том, что по прошествии некоторого времени батареи истощаются, и их необходимо заменять. В дополнение к возрастающей стоимости батарей пользователи часто считают замену батарей обременительным или досаждающим делом. Кроме того, в некоторых недорогих одноразовых электрических зубных щетках батареи могут быть запечатаны в корпус зубной щетки и не могут быть заменены. Соответственно, существует необходимость в увеличении срока эксплуатации батарей и увеличении промежутка времени между заменами батарей электрической зубной щетки.
Дополнительно остается необходимость улучшения технологий и конструкций, направленных на увеличение срока эксплуатации батарей электрической зубной щетки, в частности, в таких моментах как чрезмерное напряжение или сгибание головки или шейки щетки.
Раскрытие изобретения
Согласно первому аспекту настоящего изобретения предлагается электрическая зубная щетка, содержащая полую рукоятку, в которой расположен мотор. Также электрическая зубная щетка содержит головку с подвижным держателем щетинок, на котором расположены щетинки. Зубная щетка также содержит шейку, расположенную между рукояткой и головкой, и приводной вал, определяющий продольную ось. Приводной вал проходит через шейку и соединяет мотор и держатель щетинок. Приводной вал содержит пружинный элемент.
Согласно другому аспекту в настоящем изобретении предлагается электрическая зубная щетка, содержащая полую рукоятку, в которой расположен мотор. Также электрическая зубная щетка содержит головку с подвижной частью, на которой расположены щетинки, и шейку, расположенную между рукояткой и головкой. Электрическая зубная щетка содержит приводной вал, который включает в себя пружинный элемент и который обозначает продольную ось. Приводной вал проходит через шейку и соединяет мотор и подвижную часть головки. При работе мотора приводной вал совершает возвратно-поступательное движение.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предлагается электрическая зубная щетка, содержащая полую рукоятку, в которой расположен мотор. Также зубная щетка содержит головку с подвижным держателем щетинок, на котором расположены щетинки, и шейку, расположенную между рукояткой и головкой. Зубная щетка содержит приводной вал, обозначающий продольную ось. Приводной вал проходит через шейку и соединяет мотор и держатель щетинок. Приводной вал содержит по существу жесткий пружинный элемент, форма которого не изменяется в случаях, когда на мотор не действует чрезмерная нагрузка, и который довольно податлив в случае приложения к мотору чрезмерной нагрузки.
Согласно еще одному аспекту настоящего изобретения предлагается электрическая зубная щетка, содержащая полую рукоятку, в которой расположен мотор. Также зубная щетка содержит головку с подвижным держателем щетинок, на котором расположены щетинки, и шейку, расположенную между рукояткой и головкой. Зубная щетка содержит приводной вал, проходящий через шейку и соединяющий мотор и держатель щетинок. Приводной вал содержит пружинный элемент. При работе зубной щетки и приложении к мотору чрезмерной нагрузки мотор продолжает работать, а пружинный элемент деформируется повторяющимся образом.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение может иметь различные формы компонентов и их расположения, а также использовать различные технологии, способы или процедуры и последовательности операций. Прилагаемые чертежи нужны только для иллюстрирования вариантов осуществления зубной щетки, соответствующей настоящему изобретению, они не обязательно выполнены в масштабе и не ограничивают настоящее изобретение.
Настоящее изобретение будет более понятно из последующего описания, ссылающегося на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - вид в изометрии зубной щетки, соответствующей настоящему изобретению;
фиг.2 - частичный вид в изометрии зубной щетки по фиг.1;
фиг.3 - вид в изометрии, показывающий частичную конструкцию другой зубной щетки, соответствующей настоящему изобретению;
фиг.4 - вид в изометрии приводного вала, соответствующего настоящему изобретению;
фиг.5 - увеличенный частичный вид сбоку пружинной части приводного вала по фиг.4;
фиг.6 - увеличенный частичный вид в изометрии альтернативного варианта приводного вала и пружинной части, соответствующих настоящему изобретению;
фиг.7 - увеличенный частичный вид в изометрии альтернативного варианта приводного вала и пружинной части, соответствующих настоящему изобретению;
фиг.8 - увеличенный частичный вид в изометрии альтернативного варианта приводного вала и пружинной части, соответствующих настоящему изобретению;
фиг.9 - увеличенный частичный вид в изометрии альтернативного варианта приводного вала и пружинной части, соответствующих настоящему изобретению;
фиг.10 - увеличенный частичный вид в изометрии альтернативного варианта приводного вала и пружинной части, соответствующих настоящему изобретению;
фиг.11 - увеличенный частичный вид в изометрии альтернативного варианта приводного вала и пружинной части, соответствующих настоящему изобретению;
фиг.12 - увеличенный частичный вид в изометрии альтернативного варианта приводного вала и пружинной части, соответствующих настоящему изобретению;
фиг.13 - увеличенный частичный вид в изометрии альтернативного варианта приводного вала и пружинной части, соответствующих настоящему изобретению.
Осуществление изобретения
В соответствии с настоящим изобретением было обнаружено, что срок эксплуатации батарей электрической зубной щетки можно значительно увеличить, если регулировать нагрузку на электромотор зубной щетки. Например, при прикладывании чрезмерной нагрузки, при которой мотор значительно теряет обороты или по существу останавливается, может потребляться чрезмерное количество энергии. В настоящем изобретении предлагается деталь или детали приводного механизма, которые могут ограничить нагрузку, действующую на электромотор, и предотвратить значительную потерю оборотов электромотора. Это достигается посредством поглощения чрезмерной нагрузки, что приводит к увеличению срока эксплуатации батареи. В описанных ниже вариантах осуществления изобретения указанные детали представляют собой пружины или пружинные элементы, которые расположены в приводном механизме вдоль части приводного вала. При выборе пружинного элемента надо учитывать его жесткость. Выбор пружинного элемента, жесткость которого такова, что приводной вал будет слишком гибким, может привести к недостаточному усилию очистки, прикладываемому к зубам. С другой стороны, выбор пружинного элемента, жесткость которого такова, что приводной вал будет слишком жестким, может привести к тому, что пружинный элемент не будет поглощать чрезмерную нагрузку, таким образом, эта нагрузка будет передаваться на мотор, обороты которого будут значительно снижаться.
Как замечено, приложение чрезмерной нагрузки к головке щетки может привести к потреблению излишнего или чрезмерного количества энергии одной или нескольких батарей, используемых для питания зубной щетки. Обычно здесь под термином «чрезмерная нагрузка» понимается нагрузка, приложение которой к приводному валу зубной щетки приводит к значительной потере оборотов мотора. Эта потеря оборотов выражается в уменьшении скорости движения подвижного держателя щетки от примерно 50% до менее чем 100%, а обычно от примерно 75% до примерно 95%, и может приводить к уменьшению срока эксплуатации батареи. Например, в одном варианте осуществления изобретения скорость чистки зубной щетки без приложения нагрузки к ее головке составляет примерно от 250 до примерно 5000 движений в минуту, в другом варианте скорость чистки без приложения нагрузки к головке щетки составляет примерно от 750 до примерно 2000 движений в минуту, а в еще одном варианте скорость чистки зубной щетки без приложения нагрузки к головке щетки составляет примерно 1250 движений в минуту. Здесь под «движением» понимается полный цикл перемещения. Для возвратно-поступательного движения приводного вала движение включает перемещение в первом направлении, а затем перемещение во втором противоположном направлении. При чистке или приложении к держателю щетинок нормальной или обычной нагрузки, характерной при чистке, скорость чистки может уменьшиться до примерно 625 движений в минуту для зубной щетки, показывающей скорость чистки в 1250 движений в минуту. Тем не менее, при приложении больших нагрузок скорость чистки уменьшается еще больше. В настоящем примере нагрузка чистки будет считаться «чрезмерной» тогда, когда скорость падает до примерно 315 движений в минуту (что соответствует 75%-ому уменьшению скорости чистки).
Пружинная часть изготавливается или другим образом предусматривается вдоль части длины приводного вала так, что при работе зубной щетки и при приложении чрезмерной нагрузки к чистящей концевой части приводного вала пружина деформируется, поглощая, таким образом, часть нагрузки. Это в свою очередь уменьшает влияние или передачу на другой конец приводного вала, то есть на моторную концевую часть нагрузки, которая иначе была бы чрезмерной. Термин «чистящая концевая часть» приводного вала относится к концевой части приводного вала, которая расположена рядом с подвижным держателем щетинок, который приводится в действие приводным валом, и соединена с этим держателем. А термин «моторная концевая часть» приводного вала относится к концевой части приводного вала, расположенной рядом с электромотором, который, в конечном счете, приводит в действие приводной вал. Как описано выше, именно приложение чрезмерной нагрузки к мотору приводит к чрезмерному потреблению энергии, следовательно, уменьшение или исключение действия чрезмерных нагрузок на мотор, то есть наличие пружинной части, приводит к исключению чрезмерного потребления энергии.
Пружинная часть изготавливается или другим образом предусматривается вдоль части приводного вала так, что при нормальной работе зубной щетки и без приложения чрезмерной нагрузки к ней пружина не деформируется или не деформируется на сколько-нибудь значительную величину. Эта характеристика пружины при нормальном функционировании зубной щетки также описывается следующим образом: пружина практически остается жесткой и ее форма остается неизменной.
На фиг.1 приведен вид в изометрии варианта осуществления зубной щетки 10, соответствующей настоящему изобретению. Зубная щетка 10 содержит рукоятку 80, головку 20 и шейку 40, которая расположена между рукояткой 80 и головкой 20. На рукоятке 80 предусмотрен выключатель 70. На головке 20 расположено некоторое количество неподвижных щетинок 60 и набор подвижных щетинок 50. Оба указанных вида щетинок подробно описаны и проиллюстрированы в различных патентах, которые включены в этот документ посредством ссылки.
На фиг.2 представлен частичный вид варианта осуществления зубной щетки 10, показанной на фиг.1. На фиг.2 показан электромотор 90 и приводной механизм, содержащийся внутри рукоятки 80. Мотор 90 и приводной механизм используются для приведения в действие набора подвижных щетинок 50, расположенных на головке 20 щетки. Подвижные щетинки прикреплены к подвижному держателю щетинок и поддерживаются им (не показан на фиг.2). При включении выключателя 70 (показанного на фиг.1), расположенного на рукоятке 80 зубной щетки 10, электрическая энергия от одной или нескольких батарей, находящихся в рукоятке 80, направляется в мотор 90. Мотор 90 содержит выходной вал 91, к которому присоединено ведущее зубчатое колесо 92. Ведущее зубчатое колесо 92 сцеплено с вращающимся зубчатым колесом 93. Зубчатое колесо 93 установлено так, что оно вращается вокруг оси А, расположенной перпендикулярно выходному валу 91 мотора. Зубчатое колесо 93 содержит приводной элемент 94, который находится на зубчатом колесе 93 и сдвинут по радиусу от оси вращения А зубчатого колеса 93. Приводной вал 95 связан с приводным элементом 94. Такое расположение приводных звеньев приводит к тому, что приводимый в движение ведущий вал 91 вызывает возвратно-поступательное движение приводного вала 95.
В описанных здесь зубных щетках может использоваться широкий круг моторов и приводных механизмов. Например, могут использоваться различные приводные механизмы, описанные в патентах США 6178579; 6189693; 6360395; и 6371294, каждый из которых включается в настоящий документ посредством ссылки.
Следует понимать, что подвижные щетинки расположены и, вообще говоря, поддерживаются одним или несколькими подвижными держателями щетинок. Подвижный держатель щетинок может двигаться различным образом. Подвижный держатель щетинок может совершать вращательное движение, поступательное движение или криволинейное движение. Движение держателя щетинок может быть постоянным или периодическим. В одном варианте осуществления изобретения подвижный держатель щетинок совершает периодическое поступательное движение или возвратно-поступательное движение.
Другой вариант выполнения зубной щетки с приводным валом, совершающим возвратно-поступательное движение, изображен на фиг.3. На Фиг.3 показана электрическая зубная щетка 100, содержащая головку 120, рукоятку 130 и удлиненную шейку 140, расположенную между ними. Приводной механизм, содержащий различные валы и зубчатые колеса, которые передают движение от мотора до внутреннего подвижного держателя 152 щетинок, аналогичен описанному в патенте США №6178579, который включен в настоящий документ посредством ссылки. Полая рукоятка 130 содержит электромотор 102 и батарейки (не показаны), предназначенные для питания мотора. Батареи могут быть заменены перезаряжаемым источником энергии. Головка 120 имеет продольную ось, проходящую через всю головку. Продольная ось проходит в том же продольном направлении, что и продольная ось вала 160. Внутренний подвижный держатель 152 щетинок расположен вдоль головки 120, концевая часть 122 которой находится на самой дальней точке головки 120. Хотя в одном варианте осуществления внутренний подвижный держатель 152 щетинок имеет овальную форму, могут использоваться и другие формы. Далее, несмотря на то, что внутренний подвижный держатель 152 щетинок расположен близко к концевой части 122 головки 120, следует понимать, что подвижный держатель 152 щетинок может быть расположен на расстоянии от концевой части 122 головки 120, а другие элементы, такие как неподвижные щетинки, могут быть расположены вокруг, по крайней мере, части периметра внутреннего подвижного держателя 152 щетинок. В этом варианте внутренний подвижный держатель 152 щетинок совершает возвратно-поступательное движение.
Первое ведущее зубчатое колесо 104 соединено с мотором 102, и мотор приводит его в действие. Второе зубчатое колесо 106 соединено с первым ведущим зубчатым колесом 104. Ось вращения второго зубчатого колеса 106 расположена приблизительно перпендикулярно к оси вращения первого ведущего зубчатого колеса 104, так что первое ведущее зубчатое колесо 104 зацепляется со вторым зубчатым колесом 106 таким образом, что вращение первого ведущего зубчатого колеса 104 приводит к вращению второго зубчатого колеса 106.
Первый кронштейн 108 эксцентрично и с возможностью поворота соединен со вторым зубчатым колесом 106 посредством штифта 110 или другого крепежного приспособления. Благодаря эксцентриковому соединению вращательное движение второго зубчатого колеса 106 преобразуется в возвратно-поступательное движение первого кронштейна 108. Второй кронштейн 112 шарнирно соединен с первым кронштейном 108 посредством штифта 114 или другого крепежного приспособления. Вал 160 неподвижно прикреплен, например запрессован, ко второму кронштейну 112. Вал 160 находится, по крайней мере, частично, в шейке 140. Вал 160 также соединен с третьим кронштейном 116. Концевая часть третьего кронштейна 116 соединена с внутренним держателем 152 щетинок с помощью штифта 118 или посредством другого крепежного приспособления. Концевая часть третьего кронштейна 116 смещена от продольной оси вала 160, так что она заштифтована рядом с внешней границей внутреннего держателя 152 щетинок. Благодаря этому смещенному расположению возвратно-поступательное движение третьего кронштейна 116 преобразуется в возвратно-поступательное движение внутреннего держателя 152 щетинок, причем внутренний держатель 152 щетинок движется относительно оси, которая примерно параллельна продольной оси вала 160.
Оба варианта осуществления приводного механизма, показанные на фиг.2 и 3, используют приводной вал с пружинной частью или пружинным элементом, установленным вдоль, по крайней мере, части приводного вала. Более конкретно, на фиг.4 и 5 показан вариант осуществления приводного вала 95, соответствующего настоящему изобретению. Приводной вал 95 используется в варианте осуществления зубной щетки, изображенном на фиг.1 и 2. Приводной вал 95 содержит пружинный элемент 96, занимающий, по крайней мере, часть длины приводного вала 95. В одном варианте осуществления пружинный элемент 96 выполнен как часть приводного вала. В другом варианте осуществления приводной вал 95 с пружинным элементом 96 является неразъемным узлом. Приводной вал 160, показанный на фиг.3, также содержит пружинный элемент, являющийся, по крайней мере, частью его длины. Описание этого пружинного элемента аналогично следующему описанию пружины 96, расположенной на приводном валу 95.
Конкретный вид нагрузки, приложенный к пружинному элементу при использовании зубной щетки, может представлять собой или сжатие, или растяжение. То есть при нормальном использовании щетки на пружину действует или сжимающая, или растягивающая нагрузка. Обычно приложение этих нагрузок чередуется, так как приводной вал совершает возвратно-поступательное движение. Например, после приложения растягивающей нагрузки прикладывается сжимающая нагрузка, затем прикладывается растягивающая нагрузка и так далее. Как объяснено выше, если на пружину действует чрезмерная нагрузка, то пружина может либо сжиматься, либо удлиняться, в зависимости от того, какая нагрузка прикладывается: сжимающая или растягивающая.
Степень сжатия или растяжения пружины зависит от величины чрезмерной нагрузки, длины хода и характеристик пружины. Перед тем как более подробно описать эти аспекты, полезно описать пружины, их характеристики и их поведение.
Пружины являются важными механическими элементами, которые лежат в основе многих механических систем. Пружина определяется как упругий элемент, в котором изменение формы влечет за собой возникновение силы сопротивления. Большинство пружин считаются пружинами с линейной характеристикой и подчиняются закону Гука:
F=kΔ,
где: F - сила сопротивления, Δ - величина деформации пружины, a k - жесткость пружины.
Для пружин с нелинейной характеристикой сила сопротивления зависит от величины деформации нелинейно. В описанных здесь вариантах осуществления используются пружины с линейной характеристикой. Тем не менее, настоящее изобретение охватывает использование пружин с нелинейной характеристикой.
При выборе жесткости пружины следует учитывать вид мотора и расположение его и приводного вала. Хотя в зависимости от характеристик мотора можно рассматривать другие значения силы, обычно сила от примерно 1 до примерно 15 Ньютонов является чрезмерной, следовательно, при такой силе мотор может значительно потерять обороты. Нагрузка, составляющая от примерно 1 до примерно 15 Ньютонов и прикладываемая к головке зубной щетки, может преобразоваться в нагрузку, составляющую от примерно 1 до примерно 15 Ньютонов и прикладываемую к приводному валу зубной щетки, что происходит в зависимости от типа и способа соединения приводного вала и подвижного держателя щетинок. Вследствие большого количества имеющихся моторов один способ выбора жесткости пружины, которая может поглотить излишек нагрузки для конкретного мотора, предусматривает сначала определение того, какая нагрузка приводит к остановке мотора. Для определения этой нагрузки для зубной щетки, вал которой совершает возвратно-поступательное движение, необходимо к мотору присоединить приводной вал и к нему прикладывать нагрузку до тех пор, пока мотор не остановится. Это и является максимальной нагрузкой, необходимой для остановки мотора. Эта нагрузка вместе с длиной хода приводного вала может использоваться для вычисления максимальной требуемой жесткости пружины. При максимальной требуемой жесткости пружина изогнется для изменения длины хода подвижного держателя щетинок только тогда, когда нагрузка достигнет уровня, достаточного для остановки мотора. Величина минимальной требуемой жесткости пружины основана на нагрузке, необходимой для получения нужного ощущения во рту и нужных очищающих способностей зубной щетки. Чем ближе жесткость пружины к минимальному требуемому значению жесткости пружины, тем меньше нагрузка, приложение которой приводит к изгибу пружинного элемента приводного вала. Тем не менее, эта ситуация приводит к минимизации чистящих способностей щетки, так как пружина поглощает все нагрузки, передающиеся от мотора, и движение приводного вала не передается подвижному держателю щетинок на головке зубной щетки. Кроме того, увеличение срока эксплуатации батареи снижается по мере того как жесткость пружины приближается к максимальной требуемой жесткости пружины, так как в таком случае пружинный элемент не будет поглощать излишнюю нагрузку до тех пор, пока не будет достигнута максимальная нагрузка, при которой мотор остановится. В одном варианте осуществления жесткость пружины может быть меньше примерно на 100%, 90%, 80%, 75%, 65% и 50% от максимальной жесткости пружины и/или превышать на примерно 25%, 35% 45% и 55% минимальную жесткость пружины.
Другой вариант осуществления настоящего изобретения использует пружину или пружинный элемент в приводном валу, причем пружина характеризуется жесткостью, находящейся в пределах от примерно 4 до примерно 8 Н/мм, в другом варианте осуществления пружина или пружинный элемент характеризуется жесткостью, находящейся в пределах от примерно 5 до примерно 7 Н/мм, в еще одном варианте осуществления жесткость пружины составляет примерно 6 Н/мм. Тем не менее, ясно, что настоящее изобретение подразумевает использование пружин, жесткость которых больше или меньше, чем эти представленные значения. Например, предполагается, что в приводном механизме могут использоваться пружины с жесткостью большей, чем 0,1; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 3,5 и 8,5; 9,0; 9,5; 10 Н/мм, и больше.
Использование пружины, жесткость которой равна 4 Н/мм, приводит к представленной в таблице 1 следующей приближенной зависимости между силой, приложенной к чистящей концевой части приводного вала, и деформацией пружины.
Таблица 1
Зависимость приложенной силы от деформации пружины для k=4 Н/мм
Сила (F)
Деформация (Δ)
1Н
0,25 мм
2
0,50
3
0,75
4
1,00
5
1,25
6
1,50
7
1,75
8
2,00
9
2,20
10
2,50
Использование пружины, жесткость которой равна 5 Н/мм, приводит к представленной в таблице 2 следующей приближенной зависимости между силой, приложенной к чистящей концевой части приводного вала, и деформацией пружины.
Таблица 2
Зависимость приложенной силы от деформации пружины для k=5 Н/мм
Сила (F)
Деформация (Δ)
1Н
0,20 мм
2
0,40
3
0,60
4
0,80
5
1,00
6
1,20
7
1,40
8
1,60
9
1,80
10
2,00
Использование пружины, жесткость которой равна 6 Н/мм, приводит к представленной в таблице 3 следующей зависимости между силой и деформацией пружины.
Таблица 3
Зависимость приложенной силы от деформации пружины для k=6 Н/мм
Сила (F)
Деформация (Δ)
1Н
0,17 mm
2
0,33
3
0,50
4
0,67
5
0,80
6
1,00
7
1,17
8
1,33
9
1,50
10
1,67
Использование пружины, жесткость которой равна 7 Н/мм, приводит к представленной в таблице 4 следующей приближенной зависимости между силой, приложенной к чистящей концевой части приводного вала, и деформацией пружины.
Таблица 4
Зависимость приложенной силы от деформации пружины для k=7 Н/мм
Сила (F)
Деформация (Δ)
1Н
0,14 mm
2
0,29
3
0,43
4
0,57
5
0,72
6
0,86
7
1,00
8
1,14
9
1,29
10
1,43
Использование пружины, жесткость которой равна 8 Н/мм, приводит к представленной в таблице 5 следующей приближенной зависимости между силой, приложенной к чистящей концевой части приводного вала, и деформацией пружины.
Таблица 5
Зависимость приложенной силы от деформации пружины для k=8 Н/мм
Сила (F)
Деформация (Δ)
1Н
0,13 mm
2
0,25
3
0,38
4
0,50
5
0,63
6
0,75
7
0,88
8
1,00
9
1,13
10
1,25
В соответствии с настоящим изобретением для проектирования пружинного элемента приводного вала, совершающего возвратно-поступательное движение, предусмотрены различные подходы. А именно, выбирая для пружины подходящий материал и соответствующую форму или конфигурацию, можно добиться надлежащей жесткости. Надлежащая жесткость пружины - это жесткость, соответствующая пружине, величина деформации которой под действием чрезмерной нагрузки составляет, по крайней мере, часть «длины хода» приводного вала. Используемый здесь термин «длина хода» означает максимальное расстояние по прямой, на которое перемещается приводной вал в одном направлении при возвратно-поступательном движении. В одном варианте осуществления зубной щетки длина хода держателя щетинок может составлять от примерно 0,5 мм до примерно 3 мм, в другом варианте осуществления зубной щетки длина хода держателя щетинок может составлять от примерно 0,75 мм до примерно 2 мм, в еще одном варианте осуществления зубной щетки длина хода держателя щетинок может составлять от примерно 0,75 мм до примерно 1 мм, а в еще одном варианте осуществления длина хода держателя щетинок может составлять примерно 0,85 мм.
Хотя жесткость многих пружин не зависит или практически не зависит от того, приложена растягивающая нагрузка или сжимающая, но один тип пружин, соответствующий настоящему изобретению, характеризуется разными жесткостями для растягивающих нагрузок и сжимающих нагрузок. В одном варианте осуществления пружина может поглощать, по крайней мере, всю длину хода приводного вала.
Было проведено тестирование, в котором изучалась результирующая деформация пружины в зависимости от величины чрезмерной нагрузки, прилагаемой к пружинному элементу, который соответствует настоящему изобретению. В ходе этого тестирования один конец пружины был неподвижен, а к противоположному концу прикладывалась определенная сила. При максимальной чрезмерной нагрузке, составляющей примерно - 1,4 фунта (-6,23 Н), пружина растянулась примерно на 0,85 мм. А при максимальной чрезмерной сжимающей силе, составляющей примерно 0,95 фунта (4,23 Н), пружина сжалась примерно на 0,80 мм. Сумма сил, приложенная к приводному валу, соответствующему этим чрезмерным нагрузкам, составляет примерно 1,2±0,30 фунтов силы (5,34±1,33 Ньютонов). Вычисление жесткости k пружины по полученным значениям деформации и силы привело к следующему значению k=6,28±1,56 Н/мм.
В одном примере осуществления, соответствующем настоящему изобретению, пружинный элемент является частью приводного вала приводного механизма, совершающего возвратно-поступательное движение. Длина хода приводного вала при работе зубной щетки составляет примерно 0,85 мм. Материал(ы), из которого выполнена пружина, и ее форма выбраны так, чтобы при приложении чрезмерной нагрузки к головке щетки во время чистки пружина сжималась и растягивалась в обоих направлениях на длину хода. Это позволяет мотору продолжать работать при потреблении обычного количества энергии батареи. И более того, материал(ы), из которого выполнена пружина, и ее форма выбраны так, чтобы при приложении к головке щетки нагрузок, величина которых меньше тех, которые считаются чрезмерными, пружина не деформируется на сколько-нибудь заметную величину. Это позволяет приводному валу совершать возвратно-поступательное движение и передавать мощность без какой-либо значительной потери эффективности, при этом мощность передается от моторной концевой части приводного вала через пружину к чистящей концевой части приводного вала.
Хотя автор не имеет намерения ограничиваться какой-либо конкретной теорией или конструкторским подходом, была определена примерная зависимость между чрезмерными чистящими нагрузками, измеряемыми на держателе щетинок в одном варианте осуществления, и нагрузкой, которую испытывает чистящая концевая часть приводного вала. В общем, в этом конкретном варианте осуществления зубной щетки, использующем приводной возвратно-поступательный механизм, который приводит в действие подвижный держатель щетинок, приложение чистящей нагрузки, составляющей примерно 1,36 кг силы, соответствует нагрузке примерно в 0,45 кг силы, измеренной на чистящей концевой части приводного вала. Нагрузка в 1,36 кг силы приложена к держателю щетинок в виде сжимающей силы, действующей на щетинки и, таким образом, сила действует на держатель щетинок в целом в направлении, перпендикулярном продольной оси зубной щетки. Применение этой нагрузки увеличивает трение между держателем щетинок, совершающим возвратно-поступательное движение, и поверхностями, с которыми он контактирует. Результирующая нагрузка, которую испытывает чистящая концевая часть приводного вала, при приложении при чистке к держателю щетинок нагрузки примерно в 1,36 кг силы составляет примерно 0,45 кг силы. Эти 0,45 кг силы можно рассматривать как сумму сил, необходимую для преодоления возросшего трения держателя щетинок, а причиной увеличения трения стало приложение к нему нагрузки в 1,36 кг силы. Нагрузка, составляющая примерно 0,45 кг силы, обычно направлена вдоль продольной оси приводного вала, совершающего возвратно-поступательное движение.
Характеристики и поведение пружин, как правило, зависят от материала, из которого изготовлена пружина, и геометрии пружины, например ее формы или конфигурации. Для получения подходящей пружинной части приводного вала, соответствующей настоящему изобретению, пружина может изготавливаться из сравнительно негнущегося или жесткого материала, но иметь сравнительно упругую форму. В качестве альтернативы пружина может изготавливаться из сравнительно упругого материала, но иметь сравнительно негнущуюся форму. И пружина может изготавливаться из сравнительно упругого материала и иметь сравнительно упругую форму. Более того, пружина может изготавливаться из сравнительно негнущегося материала и иметь сравнительно негнущуюся форму. Последний набор характеристик не является предпочтительным из-за получающихся очень жестких пружин.
В частности приводной вал и пружина могут быть изготовлены из разнообразных материалов. В одном варианте осуществления приводной вал и пружина изготовлены из одного материала. Приводной вал и пружина могут быть изготовлены из полимерного материала, который обладает достаточной прочностью и жесткостью для того, чтобы передавать мощность от мотора к одному или нескольким подвижным держателям щетинок, расположенным на головке зубной щетки, и чтобы при нормальном функционировании зубной щетки не испытывать значительных деформаций. Примеры подходящих полимерных материалов включают в себя, помимо прочего, самосмазывающиеся материалы, такие полимерные материалы как акрилонитрил-бутадиен-стирол, нейлон, фениленоксидный сополимер, полиоксиметилен сополимер, полиформальдегид Делрин (Delrin), изготавливаемый фирмой Дюпон (DuPont), и металлы, такие как сталь и алюминий. Примером имеющегося в продаже нейлона является РА6 нейлон, производимый фирмой Дюпон (DuPont). Также для изготовления приводного вала и пружины возможно использовать другие материалы. Примеры материалов, которые можно использовать в зубной щетке, соответствующей настоящему изобретению, включают в себя, помимо прочего, те, которые описаны в заявке на патент США №10/659489, которая включается в настоящий документ посредством ссылки.  Более того, на внешней поверхности приводного вала и/или пружины желательно предусмотреть покрытие с низким трением для минимизации трения между этим компонентом и внутренними стенками полости, имеющейся в шейке.
Также настоящее изобретение охватывает варианты осуществления, в которых приводной вал и пружинный элемент изготовлены из различных материалов, таких, которые различаются своей упругостью, жесткостью и другими физическими свойствами. На фиг.6 показана пружинная часть 196, изготовленная из материала, отличного от материала, из которого состоит приводной вал 195. На фиг.7 показан альтернативный вариант осуществления приводного вала 295, пружинная часть 296 которого изготовлена из материала, отличного от материала, из которого состоит приводной вал 295. Следует понимать, что в этом варианте функция пружины обеспечена подходящим выбором материала, из которого выполнена пружинная часть 296, а не благодаря выбору формы или конфигурации части 296. На фиг.8 показан еще один вариант осуществления приводного вала 395, пружинная часть 396 которого изготовлена из другого материала. Рассматривая фиг.7 и 8 совместно, следует понимать, что, например, в случае одинаковых материалов пружин характеристики пружин могут меняться при соответствующем выборе формы или конфигурации пружины. Более того, в случае, когда форма или конфигурация пружин одинакова, характеристики пружин могут меняться при соответствующем выборе материалов, из которых изготовлены пружины.
Также настоящее изобретение охватывает пружинные элементы, используемые вместе с приводными механизмами, в которых применяются вращающиеся приводные валы. Например, торсионная или цилиндрическая пружина могут являться частью вращающегося приводного вала, что показано ранее на фиг.6. На фиг.9 показан альтернативный вариант осуществления приводного вала 495, содержащего цилиндрическую пружину 496, причем как цилиндрическая пружина, так и приводной вал изготовлены из одного материала. При нормальном функционировании зубной щетки пружина 496 не подвергается сколько-нибудь значительной вращательной деформации и, таким образом, эффективно передает вращательный момент от одной концевой части приводного вала до другой. Тем не менее, при приложении чрезмерной нагрузки пружина будет деформироваться, то есть подвергаться торсионной деформации, и, таким образом, ограничивать или уменьшать нагрузку, прилагаемую к мотору. Это, как описано выше, уменьшает потребление энергии батареи.
Также настоящее изобретение охватывает использование в приводном механизме электрической зубной щетки двух или более пружин или пружинных элементов. Использование двух или более пружин позволяет приводному механизму быть особым образом приспособленным для поглощения чрезмерных нагрузок в отдельных случаях эксплуатации или при особых величинах нагрузок. Более того, каждая пружина может иметь различный размер, тип или конфигурацию, может иметь различную жесткость, может быть изготовлена из различных материалов или может располагаться в различных местах приводного механизма или приводного вала. Например, на фиг.10 показан вариант осуществления приводного вала 595, содержащий первый пружинный элемент 594 и второй пружинный элемент 596. Пружинные элементы 594 и 596 имеют разные характеристики. В варианте осуществления, представленном на фиг.10, приводной вал 595 и пружинные элементы 594 и 596 изготовлены из одного материала. Тем не менее, благодаря разным размерам и/или конфигурациям пружинные элементы 594 и 596 имеют различную жесткость.
Для приводного вала с несколькими пружинными элементами настоящее изобретение предусматривает следующую методику: один или более пружинных элементов изготовлены из первого материала, а один или большее количество остальных пружинных элементов изготовлены из другого материала. Как и раньше материалы, выбранные для пружин, могут быть совершенно различными по сравнению с материалом, из которого изготовлен приводной вал. На фиг.11 изображен приводной вал 695, содержащий первый пружинный элемент 694 и второй пружинный элемент 696. Второй пружинный элемент 696 изготовлен из материала, отличающегося от материала, использованного для пружинного элемента 694. Ясно, что в общем материалы для пружинных элементов 694 и 696 могут выбираться так, чтобы пружины имели различную жесткость. Также рассматривается ситуация, когда приводной вал снабжен пружинным элементом, некоторая область которого выполнена из другого материала. Например, на фиг.12 показан приводной вал 795, содержащий первый пружинный элемент 794 и второй пружинный элемент 796. Материал, из которого изготовлен пружинный элемент 796, отличается от материала, из которого изготовлен пружинный элемент 794 и приводной вал 795. На фиг.13 изображен приводной вал 895 с несколькими пружинами, а именно с первым пружинным элементом 894 и вторым пружинным элементом 896, которые изготовлены из различных материалов. Также предусматривается, что оставшаяся часть приводного вала 895 изготовлена из третьего, отличного от предыдущих, материала. Также фиг.13 иллюстрирует один аспект, в котором приводной вал снабжен пружинами, которые имеют аналогичную конфигурацию, но тем не менее, отличаются размерами.
Другой аспект, предусмотренный настоящим изобретением, заключается в выборочном ориентировании в приводном механизме приводного вала и нескольких пружин или пружинных элементов. В общем, в зависимости от конкретного применения приводной вал с несколькими пружинами может быть расположен в приводном механизме таким образом, чтобы конкретная пружина первой подвергалась действию нагрузки, приложенной к чистящей концевой части приводного вала. Аналогично на приводном валу могут располагаться различные пружины или пружинные элементы в особой последовательности.
Хотя в описанных здесь вариантах осуществления используются пружинные элементы, которые являются частями приводных валов, настоящее изобретение включает в себя варианты осуществления, в которых пружинный элемент отделен от приводного вала. В подобной конфигурации в приводном механизме пружинный элемент расположен между выходным валом мотора и одним или несколькими держателями щетинок, приводимыми в действие мотором.
Более того, хотя в описанных здесь вариантах осуществления зубных щеток используется пружинный элемент, расположенный в области шейки зубной щетки, настоящее изобретение включает в себя варианты осуществления, в которых пружина расположена в других областях зубной щетки. Например, пружина может быть расположена в области рукоятки зубной щетки. Пружина может быть расположена в области головки зубной щетки.
Хотя чистящие головки вариантов осуществления зубной щетки изображены для простоты с пучками щетинок, которые тянутся в направлении, по существу перпендикулярном продольной оси головки, от которой они отходят, предусматривается, что щетинки могут быть расположены по-другому для того, чтобы дополнить или каким-то другим образом улучшать действие неподвижных щетинок или движение подвижных щетинок. Некоторые или все щетинки могут тянуться в направлении, которое образует острый угол с верхней поверхностью держателя щетинок, и могут тянуться в прямом или обратном направлении. В другом варианте осуществления некоторые щетинки могут тянуться в другом направлении, наружу от головки, снова образуя острый угол с верхней поверхностью держателя щетинок. Также могут использоваться массажные щетинки или щетинки изменяющейся высоты, такие как описаны в патентах США №№ Des. 330286 и Des. 434563, которые включены в настоящий документ посредством ссылки. К другим подходящим расположениям щетинок относятся те расположения, которые полностью или частично описаны в патентах США №№6006394; 4081876; 5046213; 5335389; 5392483; 5446940; 4894880 и международной заявке WO 99/23910, которые включены в настоящий документ посредством ссылки.
Электрические зубные щетки, соответствующие изобретению, могут содержать произвольные сочетания щетинок или типов массирующих кончиков, размеров, комбинаций, углов и расположений. Высота пучков щетинок может быть различной. В одном варианте осуществления существует некоторое количество длинных пучков и некоторое количество коротких пучков. Разница в длине между длинными и короткими пучками составляет от примерно 0,5 мм до примерно 2,5 мм в одном варианте осуществления и от примерно 1 мм до примерно 2 мм в других вариантах осуществления. Пучки длинных и коротких щетинок могут иметь различные характеристики. Например, пучки длинных щетинок могут быть сравнительно мягкими и предназначаться для нежной чистки и массажа десен пользователя, а пучки коротких щетинок могут быть несколько жестче и предназначаться для чистки межзубного пространства (или наоборот). Этот порядок приводит к тому, что более длинные (и обычно более мягкие) щетинки сжимаются, сгибаются и отклоняются деснами пользователя до того как более короткие (и обычно более жесткие) щетинки коснутся зубов и десен пользователя. Следовательно, например, к мягким щетинкам можно прикладывать больше силы, а к негибким (и возможно менее удобным) щетинкам приложена меньшая сила.
В одном варианте реализации настоящего изобретения предлагается конфигурация щетинок, в которой общая длина подвижных щетинок, то есть тех, которые поддерживаются подвижным держателем щетинок и крепятся к нему, меньше длины неподвижных щетинок, которые, по крайней мере, частично окружают или расположены около подвижного держателя щетинок, к которому они крепятся. Дальнейшим изменением этой конфигурации щетинок является следующая конфигурация: подвижный держатель щетинок немного приподнят над внешней поверхностью головки, так что кончики подвижных щетинок находятся приблизительно на одной высоте с более длинными неподвижными щетинками, тянущимися от внешней поверхности головки. Обычно при использовании сравнительно коротких подвижных щетинок расстояние или ход подвижного держателя щетинок (при совершении возвратно-поступательного движения) меньше, чем при использовании более длинных щетинок. Более короткий ход обычно приводит к уменьшению потребности в электроэнергии. Это полезно, так как в этом случае снижается расход энергии батарей, что в свою очередь способствует технологичности и выгоде при эксплуатации получившейся зубной щетки. Более того, при использовании сравнительно коротких щетинок в качестве подвижных щетинок и более длинных щетинок в качестве неподвижных щетинок достигается лучшее соотношение чистящей нагрузки для неподвижных щетинок. Обычно это еще больше снижает потребность мотора и приводного механизма зубной щетки в электроэнергии.
Как было отмечено, в приводном механизме с вращающимся приводным валом также могут применяться различные описанные здесь держатели щетинок, которые совершают возвратно-поступательное движение. Более того, следует понимать, что можно применять другие конструкции мотора и вала, вращающегося или совершающего возвратно-поступательное движение. Например, в патентах США №№5226206; 5524312; 5383242; 5465444; 5504959; 5836030; 4845795; 5404608; 5359747; и 5617601, которые включены в этот документ посредством ссылки, описаны конструкции мотора и вала, совершающего возвратно-поступательное движение, которые могут быть использованы. Кроме того, описанная здесь электрическая зубная щетка может снабжаться сменной головкой. Подходящая конструкция, которая может применяться в настоящем изобретении, описана в заявке на патент США №09/850662, поданной 7 мая 2001 г. и которая включена в этот документ посредством ссылки. Аналогично приводные механизмы, описанные в заявках на патент США №10/114780, поданной 3 апреля 2002 г., и №10/128018, поданной 22 апреля 2002 г., которые включены в этот документ посредством ссылки, также могут быть использованы совместно с настоящим изобретением. Более того, опубликованная заявка на патент США 2003/0226223 №10/274700, поданная 21 октября 2002 г., включена в этот документ посредством ссылки.
Настоящее изобретение было описано на примере конкретных вариантов осуществления. После прочтения и понимания этого описания можно предложить некоторые модификации и изменения. Далее, хотя были показаны и описаны некоторые варианты размещения неподвижных и подвижных щетинок и различных приводных механизмов, настоящее изобретение включает в себя множество других конфигураций. Все подобные модификации и изменения включены в настоящее изобретение, если они подпадают под прилагаемую формулу изобретения и ее эквиваленты.