ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЗУБНАЯ ЩЕТКА
ELECTRIC TOOTH-BRUSH

Настоящее изобретение относится к электрической зубной щетке.
Известна электрическая зубная щетка, предназначенная для чистки зубов (удаления зубного налета) путем касания поверхности зуба зубной щеткой, вибрирующей с высокой скоростью. Для данного типа зубной щетки были предложены различные приводные механизмы и способы приведения для улучшения способности щетки к удалению налета и усиления ощущения лечебного воздействия щетки.
В национальной публикации патентной заявки Японии (выложенной) №6-510675 (WO 92/16160) раскрыта конструкция, где рычаг, снабженный чистящей головкой, вибрирует вправо-влево с частотой, по существу, эквивалентной резонансной частоте электрической зубной щетки с магнитным приводом. В национальной публикации патентной заявки Японии (выложенной) №2007-514397 (WO 2005/058188) раскрыта конструкция, в которой амплитуда движения головки зубной щетки периодически меняется в диапазоне от 5 до 30% посредством изменения задающей частоты, основанной на частоте, отклоняющейся на величину примерно от 0 до 5 Гц от резонансной частоты зубной щетки. Кроме того, в патентной заявке Японии (выложенной) (JP-A) №7-116027 (USP 5493747) раскрыта конструкция, управляющая частотой вибрации зубной щетки путем изменения числа оборотов двигателя на основе результата отслеживания давления зубной щетки.
Технической задачей настоящего изобретения является создание технологии дополнительного улучшения способности зубной щетки удалять зубной налет, а также повышение ощущения лечебного действия электрической зубной щетки.
Кроме того, дополнительной задачей изобретения является создание технологии для дополнительного улучшения способности к удалению зубного налета и ощущения лечебного воздействия электрической зубной щетки, не усложняя при этом конструкцию зубной щетки, не повышая ее стоимость и не увеличивая потребление электроэнергии.
Для решения вышеупомянутой задачи настоящее изобретение принимает на вооружение описанную далее конструкцию.
Согласно изобретению создана электрическая зубная щетка, содержащая: источник приведения; вибрационный элемент с чистящей головкой; механизм передачи движения, преобразующий выход источника приведения в вибрацию вибрационного элемента; и устройство управления, управляющее выходом источника приведения. При этом вибрационный элемент имеет первую точку резонанса, в которой чистящая головка резонирует в первом направлении; и устройство управления имеет первый режим работы, управляющий выходом источника приведения таким образом, что резонанс генерируется в первом направлении, и второй режим работы, управляющий выходом источника приведения таким образом, что резонанс генерируется во втором направлении.
В первом режиме работы устройство управления управляет выходом источника приведения таким образом, что частота колебаний вибрационного элемента находится в первой точке резонанса или вблизи нее. Аналогично этому во втором режиме работы устройство управления управляет выходом источника приведения таким образом, что частота колебаний вибрационного элемента находится во второй точке резонанса или вблизи нее.
В режиме работы, в котором используется резонанс (здесь и далее «резонансный режим работы»), как в вышеупомянутых первом и втором режимах работы, амплитуда колебаний чистящей головки становится больше, чем в режиме, не использующем резонанс (здесь и далее «нормальный режим работы»), что позволяет улучшить способность щетки к удалению зубного налета и ощущение лечебного воздействия. Кроме того, можно использовать множество резонансных режимов с различными направлениями резонанса, и, следовательно, при переключении способа очистки (направления очистки), например, в зависимости от подвергаемого лечебному воздействию участка, можно улучшить способность к удалению зубного налета.
Кроме того, согласно изобретению можно получить множество резонансных режимов работы, контролируя лишь выходы источника приведения, и, следовательно, в задающей и трансмиссионной системах не требуются дополнительные механизмы и детали. Следовательно, усовершенствования не приводят к усложнению конструкции и повышению стоимости электрической зубной щетки. Кроме того, используется явление резонанса, следовательно, можно добиться увеличения амплитуды (и улучшения способности к удалению зубного налета) при потреблении электроэнергии, эквивалентном потреблению в нормальном режиме, что делает зубную щетку энергосберегающей.
В этом случае устройство управления может повторять первый и второй режимы работы. Направление очистки переключается автоматически, поэтому можно достичь улучшенного эффекта удаления зубного налета по сравнению с чисткой в одном направлении.
Предпочтительно, чтобы первое направление было параллельно чистящей поверхности, а второе направление было перпендикулярно чистящей поверхности. В данном случае под «чистящей поверхностью» подразумевается воображаемая плоскость, пересекающая щетинки и расположенная в области их кончиков. При резонансе в первом направлении кончики щетинок чистящей головки колеблются в направлении, параллельном обрабатываемому участку, что обеспечивает возможность более тщательной очистки зубодесневого кармана. При резонансе во втором направлении кончики щетинок чистящей головки колеблются в направлении, перпендикулярном обрабатываемому участку, что обеспечивает возможность более тщательной очистки промежутка между двумя соседними зубами, зубодесневого кармана и поверхности зуба.
Предпочтительно, чтобы характеристики первой точки резонанса зависели от механизма передачи движения, а характеристики второй точки резонанса - от чистящей головки.
Предпочтительно, чтобы устройство управления измеряло нагрузку, действующую на чистящую головку, и регулировало выход источника приведения в соответствии с измеренной нагрузкой. Причина этого состоит в том, что изменение вибрационных характеристик вибрационного элемента зависит от нагрузки, действующей на чистящую головку.
Предпочтительно, чтобы механизм передачи движения был заключен внутри вибрационного элемента и вибрационный элемент был установлен в корпусе электрической зубной щетки посредством упругого элемента. Согласно данной конструкции, так как механизм передачи движения заключен внутри вибрационного элемента, участок щетки вблизи чистящей головки эффективно подвергается вибрации. С другой стороны, введение упругого элемента затрудняет передачу колебаний вибрационного элемента корпусу электрической зубной щетки, что повышает удобство в использовании.
Источник возбуждения предпочтительно является двигателем; механизм передачи движения - эксцентриковым валом, сцепленным с валом двигателя; а вибрационный элемент имеет хвостовик, содержащий подшипник эксцентрикового вала. В электрической зубной щетке с таким приводом вибрационный элемент (чистящая насадка) вибрирует в плоскости, перпендикулярной валу двигателя. При этом возникает резонанс в двух направлениях, по существу, пересекающихся в плоскости колебаний, соответственно. Эти два направления можно использовать в качестве вышеупомянутых первого и второго направлений.
Кроме того, настоящее изобретение может в максимально возможной степени сочетать в себе вышеупомянутые средства и процедуры.
Настоящее изобретение позволяет дополнительно улучшить способность зубной щетки к удалению зубного налета и повысить ощущение лечебного воздействия электрической зубной щетки. Кроме того, изобретение не усложняет конструкцию, не повышает стоимость и не увеличивает потребление электроэнергии.
Далее изобретение будет пояснено более подробно со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 - вид в перспективе, на котором показан внешний вид электрической зубной щетки.
Фиг.2 - вид в разрезе, на котором показана внутренняя конструкция электрической зубной щетки.
Фиг.3 - блок-схема первого варианта осуществления.
Фиг.4 - вид, на котором схематично отображена вибрация зубной щетки.
Фиг.5 - график, на котором показаны резонансные точки при нагрузке в 100 г.
Фиг.6А-6С - виды, на которых показаны формы волны широтно-модулированного (ШИМ) сигнала в соответствующих режимах работы.
Фиг.7 - график, на котором показаны резонансные точки при нагрузке в 250 г.
Фиг.8 - блок-схема второго варианта осуществления.
Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения будут подробно описаны далее в качестве примера со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Первый вариант осуществления
Конструкция электрической зубной щетки
Далее будет описана конструкция электрической зубной щетки со ссылкой на фиг.1-3. Фиг.1 - вид в перспективе, на котором показан внешний вид электрической зубной щетки; фиг.2 - вид в разрезе, на котором показана внутренняя конструкция электрической зубной щетки; фиг.3 - блок-схема.
Электрическая зубная щетка включает в себя корпус 1 электрической зубной щетки (отсюда и далее просто «корпус 1»), в котором установлен двигатель 10, служащий источником приведения, и вибрационный элемент 2, снабженный головкой 210 со щетинками. Корпус 1, по существу, имеет цилиндрическую форму и служит также рукояткой, которую пользователь обхватывает во время чистки зубов.
Корпус 1 снабжен переключателем S, предназначенным для включения и выключения подачи электропитания и переключения режимов работы. Кроме того, внутри корпуса установлены двигатель 10, служащий в качестве источника приведения, управляющая схема 12 для управления частотой вращения двигателя 10, аккумулятор 13 в качестве источника питания с напряжением 2,4 В, зарядная обмотка 14 и т.п. Аккумулятор 13 можно заряжать бесконтактным способом, с помощью электромагнитной индукции, просто установив корпус 1 в зарядное устройство (не показано). Управляющая схема 12 содержит центральный процессор (ЦП) 120, запоминающее устройство 121, в котором хранятся программы и различные заданные значения, таймер 122 и т.п. (фиг.3).
Вибрационный элемент 2 включает в себя хвостовую часть 20, прикрепленную к корпусу 1, и чистящую насадку 21, прикрепленную к хвостовой части 20. Щетинки 210 встроены в головку чистящей насадки 21. Так как насадка 21 является расходным элементом, она снимается с хвостовой части 20, чтобы ее можно было заменить новой.
Хвостовая часть 20 состоит из хвостовика 200 и держателя 201, каждый из которых изготовлен из резины, а также упругого элемента 202, изготовленного из эластомера. Упругий элемент 202 предпочтительно выполнен как одно целое с хвостовиком 200 и держателем 201 посредством формования со вставкой. Упругий элемент 202 находится между хвостовиком 200 и держателем 201 и снабжен множеством выступающих участков 202А (например, тремя), которые выступают из множества соответствующих сквозных отверстий, предусмотренных в держателе 201. Хвостовой участок 20 позиционирован относительно наружной оболочки корпуса 1 в трех точечных контактах с тремя выступающими участками 202А упругого элемента 202. Таким образом, вибрационный элемент 2 согласно изобретению установлен в корпусе 1 с помощью упругого элемента 202.
Хвостовик 200 представляет собой цилиндрический элемент с глухим кончиком (т.е. концом со стороны чистящей головки), и внутри цилиндра со стороны кончика установлен подшипник 203. Кончик эксцентрикового вала 30, сцепленного с вращающимся валом 11 двигателя 10, вставлен в подшипник 203 хвостовика 200. Эксцентриковый вал 30 снабжен грузом 300, расположенным вблизи подшипника 203, и центр тяжести эксцентрикового вала 30 не находится на одной оси с центром вращения. Кроме того, между кончиком эксцентрикового вала 30 и подшипником 203 установлен маленький зазор.
Основные принципы работы электрической зубной щетки
Далее будут описаны основные принципы работы электрической зубной щетки.
Когда электроснабжение включено (позиция ВКЛ), ЦП 120 подает широтно-модулированный импульсный сигнал (ШИМ-сигнал) к двигателю 10, и вал 11 двигателя 10 вращается. При вращении вала 11 двигателя эксцентриковый вал 30 также вращается, однако в то же время будто бы осуществляет центробежное движение вокруг центра вращения из-за смещенного центра тяжести. Вследствие этого кончик эксцентрикового вала 30 периодически ударяется о внутреннюю стенку подшипника 203, и хвостовик 200 вместе с прикрепленной к нему чистящей насадкой 21 вибрирует с высокой скоростью. То есть эксцентриковый вал 30 играет роль механизма передачи движения (механизма преобразования движения), преобразующего вращение двигателя 10 в вибрацию вибрационного элемента 2. Удаление зубного налета можно осуществлять, держа рукой корпус 1 и прижимая к зубам чистящую головку 210, вибрирующую с высокой частотой. Кроме того, ЦП 120 отслеживает время непрерывной работы с помощью таймера 122, и по прохождении заданного промежутка времени (например, двух минут) вибрация головки автоматически прекращается.
В электрической зубной щетке согласно данному варианту осуществления эксцентриковый вал 30, выполняющий роль механизма передачи движения, заключен внутри вибрационного элемента 2; в частности, груз 300 расположен вблизи чистящей головки 210. Следовательно, участок чистящей головки 210 эффективно подвергается вибрации. С другой стороны, вибрационный элемент 2 (хвостовая часть 20) установлен в корпусе 1 посредством упругого элемента 202, что затрудняет передачу колебаний вибрационного элемента 2 корпусу 1. Следовательно, вибрация корпуса 1 и руки пользователя во время чистки зубов уменьшается, что повышает удобство в использовании.
Описание вибрационных характеристик
В электрической зубной щетке согласно варианту осуществления, описанному выше, вибрации чистящей головки 210 генерируются с помощью центробежного движения эксцентрикового вала 30. В случае применения такого принципа задания движения чистящая головка 210 может вибрировать в плоскости, перпендикулярной валу двигателя. На фиг.4 схематично показаны траектории колебаний чистящей головки (ось Х - вал двигателя; ось Y - направление, перпендикулярное валу двигателя и параллельное чистящей поверхности; ось Z - направление, перпендикулярное чистящей поверхности). В представленном на чертеже примере чистящая головка 210 вибрирует в плоскости YZ по эллиптической траектории 40. Под «чистящей поверхностью» подразумевается воображаемая плоскость, пересекающая щетинки и расположенная у их кончиков.
Авторы настоящего изобретения установили, что электрическая зубная щетка имеет вибрационные характеристики, представленные на фиг.5, наблюдая и анализируя вибрацию чистящей головки при изменении частоты (числа оборотов двигателя). Кроме того, на фиг.5 показано соотношение между частотой и амплитудой при нагрузке в 100 г, прикладываемой к чистящей головке в направлении оси Z. Поперечная ось отображает частоту (Гц), продольная ось - амплитуду (мм), сплошная линия графика - амплитуду в направлении оси Y (поперечное направление), пунктирная линия графика - амплитуду в направлении оси Z (продольное направление).
Как видно на графиках, представленных на фиг.5, электрическая зубная щетка согласно данному варианту осуществления имеет, по меньшей мере, две точки резонанса (резонансные частоты), и направления резонанса в соответствующих точках резонанса различны. Говоря конкретнее, резонанс в направлении оси Y, т.е. в направлении резонанса, параллельном чистящей поверхности, генерируется в точке резонанса (первая точка резонанса, приблизительно 100 Гц) с более низкой частотой; а резонанс в направлении оси Z, перпендикулярном чистящей поверхности, генерируется в точке резонанса (вторая точка резонанса, приблизительно 200 Гц) с более высокой частотой.
Считается, что причиной появления множества резонансов в разных направлениях является сильная зависимость возникновения резонанса от конструкции электрической зубной щетки и принципа работы ее привода. Авторы настоящего изобретения с помощью серии экспериментов, меняя конструкцию эксцентрикового вала и чистящей головки, установили, что характеристики в первой точке резонанса зависят в основном от механизма передачи движения, а характеристики во второй точке резонанса - от чистящей головки. Другими словами, было установлено, что частоту и амплитуду в первой точке резонанса можно регулировать изменением конструкции или формы (вкратце - положения, размера, массы и т.п. груза эксцентрикового вала) механизма передачи движения; а частоту и амплитуду во второй точке резонанса можно регулировать изменением конструкции или формы чистящей головки.
Описание режимов работы
Электрическая зубная щетка согласно данному варианту осуществления имеет множество режимов работы с разными частотами приведения. Эти режимы можно переключать по порядку, толкая переключатель S, начиная с выключенного состояния источника питания (положение ВЫКЛ) и, в конце концов, возвращаясь в это же состояние. Заданные значения, соответствующие разным режимам, заранее занесены в память запоминающего устройства 121 (фиг.3). Заданные значения представляют собой параметры, соответствующие частотам возбуждения соответствующих режимов, и их конкретные величины определены на основе результатов экспериментов (фиг.5).
При переключении режимов работы ЦП 120 считывает соответствующее заданное значение из запоминающего устройства 121, и коэффициент загрузки ШИМ-сигнала определяется в соответствии с этим значением. Когда коэффициент загрузки увеличивается, число оборотов двигателя 10 тоже увеличивается, в результате частота колебаний зубной щетки увеличивается. Таким образом, согласно данному варианту осуществления управляющая схема 12 выполняет функцию устройства управления, управляющего выходом (числом оборотов) двигателя 10 и частотой вибрации чистящей головки 210.
Далее будут описаны признаки соответствующих режимов работы со ссылкой на фиг.5 и фиг.6А-6С. На фиг.6А-6С представлены примеры форм волны ШИМ-сигнала по одному на каждый режим работы.
1) Первый резонансный режим
В первом резонансном режиме работы используется первая точка резонанса. Частота приведения соответствует первой точке резонанса (приблизительно 100 Гц) или близка к ней. На фиг.6А представлен ШИМ-сигнал (коэффициент заполнения приблизительно равен 50%) первого резонансного режима. В первом резонансном режиме амплитуда колебаний чистящей головки 210 в направлении оси Y (латеральное направление) увеличивается по сравнению с нормальным режимом работы и, соответственно, позволяет повысить способность к удалению налета и ощущение лечебного воздействия. Говоря конкретнее, в первом резонансном режиме кончики щетинок чистящей головки 210 колеблются в направлении, параллельном обрабатываемому участку, поэтому считается, что таким образом можно повысить эффективность очистки зубодесневых карманов.
2) Второй резонансный режим
Во втором резонансном режиме работы используется вторая точка резонанса. Частота возбуждения соответствует второй точке резонанса (приблизительно 200 Гц) или приближается к ней. На фиг.6В представлен ШИМ-сигнал (коэффициент заполнения приблизительно равен 80%) второго резонансного режима. Во втором резонансном режиме амплитуда чистящей головки 210 в направлении оси Z (продольное направление) увеличивается по сравнению с нормальным режимом работы, и, соответственно, можно повысить способность к удалению налета и ощущение лечебного воздействия. Говоря конкретнее, во втором резонансном режиме кончики щетинок чистящей головки 210 колеблются в направлении, параллельном обрабатываемому участку, поэтому считается, что таким образом можно повысить эффективность очистки промежутка между двумя соседними зубами, зубодесневого кармана и поверхности зуба.
3) Нормальный режим
В нормальном режиме работы резонанс отсутствует. Частота возбуждения лежит между первой точкой резонанса и второй точкой резонанса (например, составляет 150 Гц). Кроме того, щетку можно переключать переключателем S, обеспечивая ступенчатый переход по этапам нормального режима, например, 120 Гц, 140 Гц, 160 Гц и 180 Гц. Кроме того, обеспечение нормальных режимов с частотой ниже первой точки резонанса и выше второй точки резонанса является предпочтительным.
4) Режим переключения резонансов
В режиме переключения резонансов первый резонансный режим и второй резонансный режим включаются попеременно. Говоря конкретнее, два режима работы переключаются (фиг.6С) через постоянный интервал времени (например, примерно через 0,2 с). Таким образом, кончики щетинок чистящей головки касаются обрабатываемых участков под разными углами в результате автоматического переключения направлений чистки, что позволяет достичь более тщательного удаления налета по сравнению с чисткой в одном направлении.
Как описано выше, согласно данному варианту осуществления улучшаются способность к удалению налета и ощущение лечебного воздействия. Кроме того, благодаря возможности применения множества резонансных режимов с разным направлением резонанса, например, если способ очистки (направление очистки) меняется в соответствии с конкретным подвергаемым лечебной обработке участком, можно достичь лучшего удаления зубного налета. Помимо этого, можно получить множество резонансных режимов, управляя лишь количеством оборотов двигателя, и, следовательно, в приводной системе и трансмиссии не требуется специального механизма и деталей. Следовательно, изобретение не усложняет конструкцию и не повышает стоимость электрической зубной щетки. Кроме того, благодаря использованию явления резонанса можно повысить амплитуду (что улучшает способность к удалению зубного камня) при том же потреблении электроэнергии, что и в нормальном режиме, т.е. щетка является энергосберегающей.
Второй вариант осуществления
В вышеупомянутом первом варианте осуществления в соответствующих режимах работы используется единственное заданное значение. Однако, как показано на фиг.7, при изменении нагрузки, действующей на чистящую головку, меняются и вибрационные характеристики щетки, а также положение точки резонанса. На фиг.7 представлены вибрационные характеристики для нагрузки в 250 г, при этом первая точка резонанса оказывается в районе 110 Гц, а вторая точка резонанса - в районе 250 Гц. По сравнению с первым случаем при нагрузке в 100 г (фиг.5) видно, что значения частоты в обеих резонансных точках увеличились. Следовательно, во втором варианте осуществления отслеживается нагрузка, действующая на чистящую головку, и число оборотов двигателя регулируется в соответствии с величиной этой нагрузки.
Фиг.8 - блок-схема электрической зубной щетки согласно второму варианту осуществления. Отличие от первого варианта осуществления заключается в том, что предусмотрена цепь 123 контроля тока, и множество заданных значений сохраняется в памяти запоминающего устройства 121 в соответствии с величиной этой нагрузки.
Цепь 123 контроля тока измеряет текущее значение тока на двигателе 10. Чем сильнее прижимают щетку к поверхности зуба, тем больше нагрузка, действующая на чистящую головку. При повышении нагрузки на чистящую головку нагрузка на двигатель 10 также повышается, и, соответственно, повышается сила тока, подаваемого к двигателю 10. Следовательно, ЦП 120 может оценить величину нагрузки на чистящую головку 210 на основе результатов измерения тока цепью 123 контроля тока.
Заданные значения, соответствующие диапазону нагрузки от 70 г до 250 г, хранятся в памяти запоминающего устройства 121 для соответствующих режимов работы. Согласно данному варианту осуществления подготовлены заданные значения, соответствующие предустановленным значениям нагрузки (типичным значениям), таким как 70 г, 100 г, … и 250 г. ЦП 120 также выбирает из заданных значений оптимальное, основываясь на нагрузке, действующей на чистящую головку, или рассчитывает соответствующее значение путем интерполяции заданных значений. Кроме того, в случае когда заданное значение может быть представлено в виде функции величины нагрузки, также является предпочтительным хранить в памяти параметры, представляющие эту функцию.
С помощью такой конструкции можно регулировать число оборотов двигателя в соответствии с величиной нагрузки, действующей на головку, и, соответственно, компенсировать отклонение точки резонанса в зависимости от нагрузки и правильно воспроизвести резонанс.
Модифицированный вариант осуществления
Конструкции согласно вышеупомянутым вариантам осуществления являются ничем иным, как иллюстрациями одного конкретного примера настоящего изобретения. Объем настоящего изобретения не ограничен вышеупомянутыми вариантами осуществления и может подвергаться различным изменениям и модификациям в рамках объема его технической идеи.
Например, в вышеупомянутом варианте осуществления используются только две точки резонанса - первая и вторая, однако можно также использовать три или более точек резонанса. То есть если вибрационный элемент имеет множество точек резонанса, а устройство управления имеет множество резонансных режимов работы, выбираются те из них, что попадают в рамки технической идеи настоящего изобретения.
Кроме того, в условиях резонансных режимов работы вышеупомянутых вариантов осуществления первый резонансный режим и второй резонансный режим переключаются попеременно, однако возможные режимы переключения этим не ограничены. Например, предпочтительным является режим переключения, в котором нормальный режим вклинивается между двумя резонансными режимами, а также режим переключения, при котором переключение между множеством режимов происходит случайным образом. Кроме того, предпочтительно обеспечить множество различных разновидностей режимов переключения между резонансными режимами с различными способами и интервалами переключения. При этом режимы работы, в которых используется только одна точка резонанса, такие как первый резонансный режим и второй резонансный режим, исключаются, и может быть обеспечен только режим, в котором используется множество точек резонанса, такой как режим переключения резонансов.