МЕХАНИЧЕСКАЯ ЗУБНАЯ ЩЕТКА И МЕХАНИЗМ ЕЕ ПРИВОДА (ВАРИАНТЫ)
MECHANICAL TOOTH-BRUSH AND ITS POWER MECHANISM (VERSIONS)

Изобретение относится к области медицинской техники, к средствам по уходу за ротовой полостью, а именно к механическим зубным щеткам с питанием от батарейки. Преимущества чистки зубов с использованием механических зубных щеток хорошо известны. Механизированные (называемые еще электрическими) зубные щетки обычно содержат расположенные последовательно вдоль продольной оси щетки рукоятку, в которой расположен двигатель, шейку и головку с подвижными держателями щетины, а также механизм, приводящий держатели щетины в движение.
Наиболее простую конструкцию имеют механические щетки с держателями щетины, которые вращаются вдоль продольной оси щетки (US 4163300). Головка такой щетки представляет собой открытый с одной стороны защитный экран, в котором установлен подвижный держатель щетины. Он представляет собой вал вращения с закрепленными вдоль всего вала радиально вытянутыми щетинками или пучками щетины, образующими ершик. Вал вращения напрямую соединен с валом двигателя. Основной недостаток такой головки состоит в том, что при вращении держателя щетины на рукоятке возникает реактивный момент вращения, который необходимо компенсировать, удерживая рукоятку в пальцах, что делает щетку очень неудобной в эксплуатации. Этот недостаток устранен в головках щеток (US 5864911), где в защитном экране установлены два параллельных держателя - ершика, вращающихся в противоположные стороны. Валы держателей соединены с двигателем гибкими валами через систему зубчатых колес. Щетка предназначена для одновременной чистки зубов с двух сторон. Для этого ершики установлены на некотором расстоянии друг от друга, с возможностью изменения этого расстояния за счет упругих держателей. Недостаток щетки заключается в том, что ею можно эффективно чистить отдельно стоящий зуб, а при чистке ряда зубов контакт между поверхностью щетины и поверхностью зубьев нарушается, особенно на тех участках челюсти, которая имеет дугообразную форму.
Известна также механизированная щетка с держателями, вращающимися вдоль продольной оси щетки, предназначенная для чистки зубов с одной стороны (ЕР 0488971). Держатели щетки также представляют собой два параллельных вала с радиальным расположением щетины. Держатели расположены друг от друга на расстоянии, несколько превышающем длину щетины, так что щетина держателей перекрывает друг друга. Держатели вращаются в противоположные стороны парой зубчатых колос, расположенных вместе с двигателем в рукоятке. У таких щеток решена проблема герметизации привода, она обеспечивается уплотнением вращающихся валов.
Основной недостаток щетки, как и всех других аналогичных щеток с держателем щетины в виде ершика, заключается в следующем. Стержневой держатель щетки имеет непосредственно у стержня очень высокую плотность щетины, чтобы обеспечить достаточную плотность щетины у кончиков. Остатки пищи и загрязнения, захватываясь щетиной, под действием центростремительных сил будут забиваться между щетинками в области повышенной плотности щетины. Такую щетку очень трудно промыть, из-за пересекающихся щетинок она быстро становится непригодной к использованию. Этот большой недостаток не позволил подобным щеткам получить большого распространения.
Известна зубная щетка без механического привода, в которой продольное перемещение щетки от руки преобразуется во вращательное движение держателей щетины (RU 2240714). Щетка содержит множество поворотных держателей щетины, механически соединенных для движения вместе с ручкой. Каждый держатель представляет собой колесо с радиально выступающими щетинками. Колеса установлены на осях с возможностью вращения. Оси колес лежат в плоскости, параллельной плоскости соприкосновения с зубами, и под углом к продольной оси щетки. Этот угол лежит в пределах 15-75 градусов. При таком наклонном расположении осей колес по отношению к движению щетки трение щетинок о зубы приводит к вращению колес, и обычное чистящее действие из стороны в сторону создает вторичный эффект чистки зубов сверху вниз. Эта щетка относится к ручным и не имеет механизма привода держателей щетины, в связи с чем отпадает и необходимость в герметизации. Известны механические щетки с колебательным или вращательным движением держателей щетины различной формы, вокруг оси, перпендикулярной плоскости чистящей поверхности щетки (например, RU 2270638, WO 2004/080330, WO 2004093718 и др.) Известны также щетки с возвратно-поступательным движением держателей вдоль продольной оси (WO 03/103531). Для повышения эффективности очистки используют несколько держателей, колеблющихся в противофазе, как на фиг.6В в патенте RU 2318471. Подобные щетки имеют невысокую эффективность чистки зубов, обусловленную движением щетинок поперек зубов. Известно, что наилучшие результаты достигаются при чистке зубов с помощью движения щетины вверх и вниз, что помогает удалять остатки пищи, застрявшие в щелях между смежными зубами, поэтому механическое движение в электрических зубных щетках является объектом современной изобретательской и дизайнерской активности.
В течение последних лет на рынке появилось множество различных типов механических щеток со сложным движением держателей щетины в разных плоскостях (US 5070567, RU 2300344 и др.). Однако в них более эффективная чистка зубов достигается с помощью более сложных, дорогих и неэффективных механизмов привода. Появились механические щетки, движение щетины которых имитирует ее движение от руки при движении щетки вверх и вниз (RU 2314775, фиг.2 и 3). Здесь три держателя щетины выполнены в виде колодок, выступающих наружу из открытого с одной стороны корпуса головки щетки. Корпус выполняет функцию защитного экрана. Держатели имеют возможность совершать угловые колебательные движения вокруг оси, закрепленной в корпусе головки параллельно продольной оси щетки. Соседние держатели совершают движение в противоположных направлениях. Указанную щетку выберем за прототип.
Приводной механизм щетки представляет собой линейный привод, имеющий в области головки кулачковую изогнутую прорезь, с которой взаимодействуют кулачки в нижней части держателей щетины. В другом варианте приводной вал изогнут в области головки щетки, образуя кулачковую область, а нижний конец каждого держателя выполнен с прорезью, взаимодействующей с этой изогнутой кулачковой областью приводного вала. В таких щетках не решена проблема герметизации механизма привода от воды и пасты, которые, попадая внутрь головки щетки, приводят к поломкам. Используемый в щетке линейный привод имеет невысокую жесткость и ограничивает передаваемую мощность, необходимую для эффективной чистки зубов. Кроме того, механизм привода ограничивает угол поворота держателей, и такого движения недостаточно для эффективной очистки зубов. Выступающие части колодок - держателей щетины, движущиеся навстречу друг другу, создают опасность защемления мягких тканей полости рта. Наличие трех движущихся в противоположные стороны держателей не обеспечивает компенсации реактивного момента, вращающий момент будет передаваться на пальцы потребителя.
Таким образом, задача создания механизированной щетки, которая имела бы хорошие параметры по всему набору потребительских свойств, включая простоту и невысокую стоимость, остается по-прежнему актуальной.
Техническим результатом изобретения является обеспечение герметизации привода зубной щетки, устранение реактивного момента, а также повышение безопасности пользования щеткой.
Для достижения указанного технического результата механизированная зубная щетка, как и прототип, содержит расположенные вдоль одной оси рукоятку с двигателем, шейку и головку, в которых расположен механизм привода. Головка выполнена в виде открытого с одной стороны защитного экрана, в котором установлены подвижные держатели щетины. Держатели выполнены с возможностью углового перемещения в противоположные стороны друг относительно друга вокруг оси, расположенной вдоль продольной оси щетки. В отличие от прототипа держатели щетины, число которых четное, выполнены в форме отдельных колец с радиальным расположением щетины. Кольца расположены вдоль одной оси и стыкуются торцами друг с другом и с торцами защитного экрана с помощью подвижных уплотнений так, что образуют герметичный корпус для механизма привода держателей щетины.
Такая механизированная щетка может быть выполнена в двух вариантах: с прерывистым угловым перемещением держателей, являющимся колебательным движением; и с непрерывным угловым перемещением держателей, являющимся вращательным движением.
В первом случае держатели щетины выполнены с возможностью периодического углового перемещения, щетина установлена только на части поверхности кольцевых держателей, обращенной к открытой стороне защитного экрана. Механизм привода выполнен обеспечивающим периодическое угловое перемещение.
Во втором случае держатели щетины выполнены с возможностью непрерывного углового перемещения, и щетина расположена по всей цилиндрической поверхности кольцевых держателей. Механизм привода является вращательным приводом.
Привод периодического углового перемещения для первого варианта щетки содержит кривошип, соединенный с выходным валом двигателя. С обоими коленами кривошипа связаны две вилки, связанные, в свою очередь, с коаксиальными валами, проходящими вдоль оси головки зубной щетки. Каждый из валов в головке щетки имеет радиальные пальцы, входящие в зацепление с кольцами держателей щетины через один. Пальцы внутреннего вала проходят к соответствующим держателям через дуговые окна на боковой поверхности наружного вала.
Один из возможных вариантов вращательного привода для второго варианта щетки содержит два параллельных вала, соединенных с валом двигателя с помощью зубчатых колес, обеспечивающих вращение валов в противоположные стороны. На внутренней поверхности каждого из колец держателей щетины выполнены зубчатые колеса внутреннего зацепления. На валах в области кольцевых держателей посажены шестерни так, что шестерни одного вала входят в зацепление с колесами внутреннего зацепления четных держателей, а шестерни другого вала - с колесами нечетных держателей. Следует отметить, что описанные здесь конструкции приводов не исчерпывают все возможные варианты реализации приводов углового колебательного движения и вращательного движения.
Изобретение иллюстрируется графическим материалами, где фиг.1-4 иллюстрируют вариант щетки с колебательным движением держателей. На фиг.1 показан общий вид щетки, а на фиг.2 - сечение щетки вдоль оси. На фиг.3 в большем масштабе показано отдельно сечение головки щетки. На фиг.4 приведена принципиальная схема одного из возможных вариантов привода углового колебательного движения держателей щетины. Фиг.5-7 иллюстрируют щетку с вращательным движением держателей. Здесь на фиг.5 приведен общий вид щетки, на фиг.6 - осевое сечение головки щетки. На фиг.7 приведена принципиальная схема одного из возможных вариантов вращательного привода держателей щетины.
Рассмотрим щетку, изображенную на фиг.1-4. Щетка содержит рукоятку 1, шейку 2 и головку 3, расположенные последовательно друг за другом вдоль продольной оси щетки. В рукоятке щетки размещен двигатель 4. Головка 3 щетки имеет защитный экран 5, открытый с одной стороны. Экран 5 торцами 6 и 7 жестко крепится к цилиндрической шейке 2. В головке 3 щетки на цилиндрической шейке 2 размещены выполненные в виде колец 8 держатели щетины 9. Щетина 9 вытянута радиально наружу от колец 8 и расположена только на дуговых участках колец, обращенных к открытой стороне защитного экрана 5. При обеспечении нормальной для чистки плотности щетины на ее концах, плотность щетины у поверхности колец 8 значительно меньше, чем у ершиковых щеток, в связи с этим щетина в предлагаемой щетке будет гораздо меньше засоряться и забиваться грязью.
Число кольцевых держателей щетины должно быть четным, так как только в этом случае движущиеся в противоположные стороны держатели 8 будут обеспечивать полную компенсацию реактивного момента. Кольцевые держатели 8 щетины расположены вдоль продольной оси щетки и торцами стыкуются друг с другом. Места стыка колец 8 выполнены с подвижным уплотнением. В конкретной конструкции на фиг.2-3 это уплотнения типа «ласточкин хвост». То есть торцы одних колец 10 выполнены с треугольными выступами 11, а торцы других колец 12 выполнены с впадинами 13 соответствующего треугольного профиля. Кольца 10 с выступами 11 чередуются с кольцами 12 со впадинами 13. Т.е. нечетные по порядку расположения от ручки кольца 10 имеют выступы, а четные кольца 12 - впадины. Кольцевые выступы 11 треугольного сечения, сопрягаясь с впадинами 13, образуют подвижное уплотнение. Крайние кольцевые держатели 10 и 12 с помощью таких же уплотнений посажены в торцах 6 и 7 защитного экрана 5.
Таким образом, кольцевые держатели 8 с помощью уплотнений 11-13 вместе с шейкой 2 и торцами 6 и 7 защитного экрана образуют в головке 3 щетки герметичную полость 14. В этой полости размещены элементы привода держателей 8 в движение. Благодаря герметизации внутрь головки не попадает вода и зубная паста, и элементы привода работают в благоприятных условиях. Привод углового колебательного движения представляет собой кривошип 15, приводимый во вращение от двигателя 4 зубчатой парой 16-17 (см. фиг.2 и 4). С обоими коленами 18 и 19 кривошипа 15 связаны вилки 20 и 21. Вилка 20 связана с валом 22, проходящим вдоль оси цилиндрической шейки 2. Вилка 21 связана с полым валом 23, охватывающим вал 22. Внешний полый вал 23 выполнен с пальцами 24, которые связаны с нечетными кольцевыми держателями 10 (см. фиг.3 и 4). Внутренний вал 22 имеет пальцы 25, которые проходят сквозь дуговые окна 26 внешнего вала 23 и входят в зацепление с четными кольцевыми держателями 12. Длина дуги окна 26 должна обеспечивать возможность поворота держателей 12 на максимальный расчетный угол.
Щетка с колебательным движением кольцевых держателей работает следующим образом. При включении двигателя 4 его вал через зубчатое колесо 16 вращает зубчатое колесо 17 и кривошип 15. С помощью вилок 20 и 21 вращение плеч 18 и 19 кривошипа 15 преобразуется в противофазное колебательное движение коаксиальных валов 22 и 23. Поскольку нечетные держатели 10 щетины пальцами 24 связаны с внешним валом 23, то все они колеблются в каждый момент времени в одном направлении. Четные держатели 12 щетины, связанные пальцами 25 с внутренним валом 22, в этот же момент времени поворачиваются в противоположном направлении. Таким образом, соседние кольцевые держатели щетины 10 и 12 в каждый момент времени совершают угловые перемещения в противоположном друг другу направлении. При движении головки щетки с помощью руки в продольном направлении щетинки по отношению к зубам будут совершать поочередное движение вверх и вниз, обеспечивая тем самым оптимальное с точки зрения эффективности чистки движение.
Второй вариант щетки при той же длине щетины будет иметь несколько больший радиальный размер головки из-за того, что щетина расположена по всему периметру кольцевого держателя. Такая щетка в тех же пропорциях изображена на фиг.5. Щетка также содержит рукоятку 1 с двигателем (на фиг.5 двигатель не показан), цилиндрическую шейку 2 и головку 3. Головка содержит защитный экран 5 с торцевыми стенками 6 и 7 (см. фиг.5 и 6). Экран 5 открыт с одной стороны. Экран торцами 6 и 7 жестко закреплен на цилиндрической шейке 2. Внутри экрана на шейке 2 посажены кольцевые держатели 8 щетины, которые подразделяются на четные 10 и нечетные 12. Щетина 9 равномерно расположена по всей поверхности кольцевых держателей 8 и вытянута радиально наружу. При обеспечении нормальной плотности щетины на ее концах плотность щетины у поверхности колец 8 значительно меньше, чем у ершиковых щеток, и ее гораздо проще промывать. Кольцевые держатели щетины расположены вдоль одной оси и состыкованы друг с другом с помощью подвижных уплотнений. Подвижное уплотнение соседних держателей здесь выполнено также в виде "ласточкиного хвоста", т.е. кольцевые выступы 11 треугольного поперечного сечения на торцах четных держателей 10 сопрягаются с кольцевыми впадинами 13 аналогичной формы на нечетных держателях 12. Таким же уплотнением сопрягаются крайние кольцевые держатели с торцами 6 и 7 защитного экрана 5. Как и в предыдущем случае, кольцевые держатели 10 и 12 вместе с уплотнениями и торцами 6 и 7 защитного экрана 5 образуют герметичный корпус 14, в котором размещены элементы привода. Для приведения держателей во вращение внутренняя поверхность всех кольцевых держателей 8 выполнена в виде зубчатого колеса внутреннего зацепления 32. Вращательный привод этой щетки (см. схему на фиг.7) представляет собой два параллельных вала 27 и 28, один из которых вращается непосредственно от вала двигателя 4, а другой через зубчатые колеса 29 и 30 вращается в противоположном направлении. На валу 27 в герметичной полости 14 напротив нечетных держателей 10 закреплены шестерни 31. Шестерни 31 зацепляются с колесами 32 нечетных держателей 10 через окна 33 в цилиндрической шейке 2. На валу 28 напротив четных держателей 12 закреплены шестерни 34. Эти шестерни входят в зацепление с колесами 32 четных держателей 12 через такие же окна 35.
Работает этот вариант щетки следующим образом. При включении двигателя 4 валы 27 и 28 вращаются в противоположные стороны. Посредством шестерен 34 вал 28 вращает все четные кольцевые держатели щетины 12. Вал 27 через шестерни 31 вращает в противоположную сторону все нечетные кольцевые держатели 12. Таким образом, соседние кольца со щетинками вращаются в противоположные стороны. Экран 5 закрывает противоположную нерабочую поверхность головки 3 щетки и предохраняет мягкие ткани ротовой полости от воздействия щетины. При движении головки 3 щетки вручную вдоль зубов каждый зуб испытывает поочередное очищающее движение щетинок вверх и вниз вдоль зуба. Т.е. осуществляется наиболее эффективное движение щетины с точки зрения качества очистки зубов. Все детали и элементы механизма привода держателей щетины надежно и достаточно просто герметизированы и не испытывают вредных воздействий воды и зубной пасты.
В заявке в качестве подвижного уплотнения между кольцевыми держателями описано лабиринтное уплотнение в форме "ласточкиного хвоста". Следует отметить, что вместо него может применяться лабиринтное уплотнение любой другой формы, а также любые другие известные уплотнения подвижных соединений, удовлетворяющие таким требованиям, как простота и надежность.
Таким образом, разработаны механические щетки, имеющие достаточно простую конструкцию при надежной герметизации двигателя и элементов привода. Их испытания показали высокую эффективность чистки зубов.