ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЗУБНАЯ ЩЕТКА С СИЛОВЫМ ПРИВОДОМ, РАСПОЛОЖЕННЫМ В ГОЛОВКЕ ЩЕТКИ
ELECTRIC TOOTHBRUSH WITH POWER DRIVE POSITIONED IN BRUSH HEAD

Данное изобретение относится, в целом, к электрическим зубным щеткам и, более конкретно, к электрической зубной щетке, в которой используется узел силового привода, имеющий конфигурацию и конструкцию для размещения в головке зубной щетки или для применения в конструкциях других электрических устройств личной гигиены.
Электрические зубные щетки, в большинстве случаев, больше и тяжелее соответствующих ручных зубных щеток, обычно, из-за размера и веса приводного механизма для головки щетки, а также батареи, обеспечивающей питание для привода. Ручные зубные щетки, благодаря их малому размеру и относительно небольшому весу, удобны для использования, в особенности, для использования вне дома, поскольку они легко транспортируются в сумке, портфеле и т.п., а также ими просто манипулировать во время фактического физического применения. Они также, в целом, менее дорогостоящи, чем электрические зубные щетки. Однако ручные зубные щетки, в большинстве случаев, значительно менее эффективны в очищении зубов, чем электрические зубные щетки.
Поэтому желательно иметь электрическую зубную щетку, которая аналогична по качеству чистки другим электрическим зубным щеткам, но значительно меньше и легче обычных электрических зубных щеток, приближаясь по размеру и весу к традиционной ручной зубной щетке.
Соответственно, электрическая зубная щетка содержит: рукоятку; головной блок, включающий в себя элемент головки щетки с отходящей от него щетиной; силовой привод головного блока, который содержит систему пружина-масса, включающую в себя неподвижный нижний элемент статора и подвижный верхний элемент, причем верхний и нижний элементы содержат приведенные изогнутые участки, разделенные промежутком; два роликовых элемента, каждый из которых удерживается между изогнутыми участками верхнего элемента и нижнего элемента; и узел привода для перемещения верхнего элемента по направлению вперед и назад на роликовых элементах, создающий колебательное действие головного блока и щетины для осуществления чистки зубов.
На фиг. 1 изображен продольный вид в поперечном сечении варианта осуществления электрической зубной щетки, которая является предметом данного описания.
На фиг. 2 изображен вид в перспективе электрической зубной щетки, представленной на фиг. 1, иллюстрирующий участок головки зубной щетки с узлом силового привода.
Фиг. 3 представляет собой вид сбоку в вертикальном разрезе участка узла силового привода, изображенного на фиг. 2.
Фиг. 4 иллюстрирует контур/функциональную схему электрической зубной щетки, которая включает в себя узел для контроля работы зубной щетки.
Как упоминалось выше, электрические зубные щетки, в целом, являются эффективными в очищении зубов. В одном примере, в электрической зубной щетке, раскрываемой в патенте США №5189751, используется электромагнитный силовой привод, и щетка работает в диапазоне звуковых частот приблизительно от 150 до 400 Гц. Зубная щетка в соответствии с настоящим изобретением, изображенная на фиг. 1 и 2, также использует электромагнитный силовой привод и имеет рабочую частоту в диапазоне от 190 до 260 Гц. Узел силового привода для зубной щетки, изображенной на фиг. 1, сконструирован таким образом, что он в состоянии поместиться внутрь участка головки зубной щетки, позволяя изготовлять рукоятку щетки, по размеру и весу более напоминающую ручную зубную щетку.
Электрическая зубная щетка, в целом обозначенная позицией 10 на фиг. 1 и 2, включает в себя участок 12 рукоятки и участок 14 головки щетки. На головке щетки укреплена традиционная щетина 16 для чистки зубов. В рукоятке 12, как и в других электрических зубных щетках, размещаются батарея 18, микропроцессорный контроллер 20 и двухпозиционный переключатель 22, а также другие элементы, традиционные для электрической зубной щетки, такие как таймер и т.д. Электромагнитный силовой привод, в целом обозначенный позицией 24 на фиг. 1, размещен в пределах головки 14 щетки. Электрические соединения (не показаны) проходят между батареей 18 и микропроцессором 20 внутри рукоятки и силового привода 24 стандартным образом. Несмотря на то, что силовой привод 24 изображен размещенным внутри головки 14 щетки, он может быть расположен в рукоятке, приводя в действие головку 14 щетки со щетиной посредством элемента электрического соединения.
Силовой привод 24 более детально изображен на фиг. 2 и 3. Силовой привод 24 включает в себя нижний и верхний элементы 26 и 28. Нижний элемент 26 находится в фиксированном положении и функционирует как статор силового привода. В изображенном варианте осуществления нижний элемент представляет собой единую деталь из стали, имеющую приблизительный размер типичной головки зубной щетки. На каждом конце нижнего элемента расположены приподнятые опорные сегменты 25, 27 для роликов, каждый из которых имеет изогнутый участок, обозначенный позицией 34 и 36, соответственно. Конфигурация изгиба изогнутых участков 34, 36 у верхней поверхности опорных сегментов 25, 27 обсуждается более подробно ниже. В промежутке между двумя приподнятыми опорными сегментами нижнего элемента находится соединяющий их плоский участок 43.
Верхний элемент 28 аналогичен нижнему элементу 26 по размеру и конфигурации, но расположен в зеркальном отображении по отношению к нижнему элементу 26. Верхний элемент 28 содержит два обращенных по направлению вниз опорных участка 40, 42 для роликов, в промежутке между которыми находится плоский участок 44. Опорные участки 40 и 42, соответственно, включают в себя изогнутые участки 46 и 48, обращенные по направлению вниз. Обычно, между нижним элементом (статором) и верхним элементом имеется гибкое уплотнение, такое как резиновая прокладка. Данное уплотнение может быть прикреплено к нижнему и верхнему элементам различными способами, в том числе с помощью клея, путем сварки и наплавления, в числе прочих.
Между изогнутыми участками 34 и 46 с дистального конца силового привода удерживается первый ролик 52, тогда как между изогнутыми участками 36 и 48 с проксимального конца силового привода удерживается второй ролик 54. В изображенном варианте осуществления ролики 52 и 54 изготовлены из металла, такого как сталь, либо они могут быть изготовлены также из пластика. В изображенном варианте осуществления они обычно немного короче ширины верхнего и нижнего элементов 26 и 28.
На участке 43 панели нижнего элемента установлены две катушки 50, 58 статора, каждая из которых имеет намагничиваемый сердечник, например, из железа. Катушки намотаны в противоположных направлениях. В изображенном варианте осуществления каждая катушка имеет 64 витка и немного овальную форму, приблизительно 6 мм в ширину и 8,5 мм в длину, хотя данные размеры и конфигурация катушек могут меняться. Несмотря на то что на чертеже изображены две катушки, возможно использование единственной катушки или большего количества катушек, например четырех.
На промежуточной панели 44 верхнего элемента в варианте осуществления, иллюстрирующем две катушки статора, расположены три узла 60, 62, 64 постоянных магнитов. Количество узлов постоянных магнитов будет зависеть от числа катушек, поскольку каждая катушка должна быть обращена к плоскости раздела север/юг соседних постоянных магнитов. В одном конкретном варианте осуществления каждый из узлов 60 и 64 постоянных магнитов содержит всего 6 отдельных (индивидуальных) магнитов 68-68, расположенных по три по ширине головки щетки и по два в продольном направлении головки щетки. В данном конкретном варианте осуществления каждый из индивидуальных магнитов 68 имеет площадь 2 мм при высоте 1 мм. Однако следует учитывать, что размер индивидуальных магнитов может значительно меняться.
Индивидуальные магниты ориентированы таким образом, что южные полюса постоянных магнитов 68-68 в узлах 60, 64 постоянных магнитов обращены по направлению вниз (к нижнему элементу), тогда как противоположные полюса обращены по направлению от нижнего элемента. Промежуточный узел 62 магнита расположен между узлами 60, 64 постоянных магнитов и соединен с ними впритык. Две катушки 50 и 58 расположены так, что одна катушка обращена к линии примыкания (разделения) между узлами 60, 62 постоянных магнитов, а другая катушка обращена к линии примыкания между узлами 62, 64 постоянных магнитов. Если используются дополнительные катушки, то необходимы также дополнительные узлы постоянных магнитов. В конкретном иллюстрируемом варианте осуществления узел 62 постоянных магнитов содержит всего девять индивидуальных постоянных магнитов 70-70, расположенных по три по ширине головки щетки и три в продольном направлении головки щетки, хотя четыре магнита в продольном направлении могут быть предпочтительны. Каждый магнит в изображенном узле 62 магнитов имеет площадь 2 мм при толщине 1 мм. Однако также в данном случае размер магнитов является только иллюстративным. Могут использоваться различные размеры магнитов. Узел 62 постоянных магнитов ориентирован северными полюсами индивидуальных магнитов (или магнита) к нижнему элементу и южными полюсами от нижнего элемента. Несмотря на то что каждый из описываемых узлов постоянных магнитов содержит множество небольших индивидуальных постоянных магнитов, следует учитывать, что узлы 60, 62, 64 постоянных магнитов могут быть образованы тремя одиночными постоянными магнитами, либо иной комбинацией магнитов.
Силовой привод 24 функционирует как система пружина-масса с подвижным верхним элементом, образующим массу, и ролики 52 и 54 функционируют в качестве пружины, даже несмотря на то, что ролики не удлиняются как обычная пружина. В этом состоит преимущество перед традиционными системами пружина-масса. Изгиб изогнутых участков 34 и 36 приподнятых сегментов нижнего элемента и соответствующих изогнутых участков 46 и 48 приподнятых сегментов верхнего элемента способствует жесткости пружины, так же как и сила магнитного притяжения. Ролики 52 и 54 являются кольцеобразными в поперечном сечении, как наиболее ясно изображено на фиг. 3, с радиусом величиной 1,5 мм, хотя данный параметр может меняться. Изогнутые участки, которые охватывают каждый ролик, имеют изгиб, близкий к окружности вблизи центра изогнутого участка, с радиусом величиной 2,5 мм в данной точке, для вмещения ролика, имеющего радиус 1,5 мм. Такое же соотношение справедливо и для других размеров роликов. Однако изгиб изогнутых участков все более уплощается последовательно при приближении изогнутых участков к их соответствующим противоположным концам, где они пересекают плоскую поверхность верхнего или нижнего элемента.
В обычном режиме работы, который поясняется более подробно ниже, нижний элемент 26 остается закрепленным неподвижно, тогда как верхний элемент 28 перемещается вперед и назад возвратно-поступательно посредством электромагнитного воздействия, которое оказывают катушки и постоянные магниты. Изогнутые участки 46, 48 приподнятых сегментов верхнего элемента 28 перемещаются по наружной поверхности роликов, причем сами ролики также передвигаются в продольном направлении относительно рукоятки.
В электромагнитном режиме работы одна катушка, например катушка 58, намотана в одном направлении, например по часовой стрелке, и является чувствительной к одной половине сигнала подачи переменного тока от микропроцессора, дающего в результате электромагнитное поле, которое притягивает один конец узла постоянного магнита, тем самым передвигая верхний элемент. Тот же самый ток, приложенный к другой катушке, создает магнитное поле, которое отталкивает другой конец узла постоянного магнита, увеличивая действие первой катушки.
В течение второй половины синусоидального сигнала подачи магнитные поля от катушек заставляют узлы постоянных магнитов и верхний элемент двигаться в противоположных направлениях, так что полный сигнал подачи переменного тока дает в результате возвратно-поступательное движение вперед-назад верхнего элемента на роликах 52 и 54, создающее очищающее движение щетины. В изображенном варианте осуществления частота движения находится в диапазоне от 190 Гц до 260 Гц.
Соотношение между изогнутыми участками верхнего и нижнего элементов и диаметром ролика является важным параметром для надежного функционирования зубной щетки, как указывается выше. Обычно, получаемое в результате движение верхнего элемента и щетины является аксиальным (продольным) благодаря магнитному взаимодействию между магнитным полем от подключенных катушек и постоянными магнитами. При аксиальном движении верхнего элемента сами ролики перемещаются вдоль изогнутых участков верхнего и нижнего элементов. Из-за силы притяжения постоянных магнитов, однако, возникает дополнительная аксиальная сила, которая старается вернуть верхний элемент назад в его исходное продольное положение, способствуя аксиальному движению верхнего элемента и щетины. Путем изменения изгиба роликов, например в виде эллипса, и расположения катушек и постоянных магнитов может осуществляться движение в направлении, перпендикулярном аксиальному движению (и дополнительно к нему), дающее в результате более сложное движение щетины, с более эффективным очищением.
В виде разновидности вышеизложенного варианта осуществления, ролики могут иметь сферическую форму, что, в сочетании с конкретным изгибом изогнутых участков, может дать в результате даже еще более сложное движение головки зубной щетки.
Фиг. 4 иллюстрирует еще одну характерную особенность данной электрической зубной щетки. Данная особенность включает в себя измерительный узел 77 с отдельной измерительной катушкой 79, которая расположена смежно с катушками силового привода. На фиг. 4 для наглядности изображена одна катушка 81 силового привода. При движении верхнего элемента во время работы поток магнитной индукции, создаваемый узлами постоянных магнитов (фиг. 2), образует напряжение на концах 82-82 измерительной катушки. Сигнал напряжения содержит информацию о продольном движении (длине хода) верхнего элемента, а также о скорости движения вперед-назад верхнего элемента. Напряжение на концах измерительной катушки также может содержать компоненты, произведенные катушками силового привода, но их можно отфильтровать, как, например, иллюстрирует схема на фиг. 4.
Далее, со ссылкой на фиг. 4, сигнал от измерительной катушки 79 интегрируется в блоке 80 и сравнивается (87) с измеренным током от катушки 81 силового привода, на которую ток подается посредством полной мостовой схемы в блоке 85 бытовой электроники и буферизуется буфером 83. Результат из сравнивающего устройства 87 затем усиливается в блоке 84 и далее распознается пиковым детектором 86 для выработки информации о длине хода. Это значение может быть использовано в стандартной замкнутой системе автоматического управления. Данное значение может сравниваться с заданным значением в сравнивающем устройстве 88, а результат сравнения отфильтровываться в блоке 89 для того, чтобы стабилизировать выходную мощность для полной мостовой схемы путем переключения частоты или рабочего цикла в блоке 90 сигнала управления, поступающего по цепи обратной связи, к полной мостовой схеме. Данная схема устраняет нежелательные компоненты напряжения, присутствующие в сигнале на 82-82. Во время использования данного устройства головка зубной щетки является одноразовой, подсоединяемой различными способами, например с помощью магнитного притяжения, механически, как, например, с помощью соединительного штифта, задвижки или защелки, среди прочих. В случае расположения силового привода внутри рукоятки присоединение узлов головки щетки может носить одноразовый характер.
Соответственно, была раскрыта электрическая зубная щетка, имеющая силовой привод, который сконструирован для обеспечения колебательного действия посредством электромагнитного привода. Силовой привод включает в себя верхний и нижний элементы, которые содержат приподнятые сегменты с изогнутыми участками, которые удерживают ролики с целью приведения в действие посредством системы пружина-масса. Данное изобретение может применяться в других электрических устройствах личной гигиены, таких как, например, электробритвы, в которых используется концевой эффектор для бритья.
Несмотря на то, что предпочтительный вариант осуществления был раскрыт в пояснительных целях, следует учитывать, что различные изменения, усовершенствования и замены могут быть включены в предпочтительный вариант осуществления без отступления от существа данного изобретения, которое определяется посредством следующих пунктов формулы изобретения.