專利名稱：電動牙刷的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種電動牙刷，尤其涉及一種用于在驅動軸的軸向上往復移動牙刷頭并且用于圍繞驅動軸的中心軸往復旋轉牙刷頭的致動器。
背景技術：
在傳統的電動牙刷中，例如在日本專利申請9-173360中所公開，電動機的驅動軸的旋轉被運動轉換機構轉換成往復線性運動或者往復旋轉。安裝在運動轉換機構的驅動軸上的牙刷頭在驅動軸的軸向上往復地移動，或者圍繞驅動軸的中心軸往復地旋轉。
但是，傳統的電動牙刷使用運動轉換機構中的凸輪，以將電動機的驅動軸的連續旋轉轉換成運動轉換機構的驅動軸的往復線性運動或者往復旋轉。因此，難以高速地移動運動轉換機構的驅動軸，從而限制了去除齒菌斑效果的提高。
發明內容
本發明的目的是解決上述問題，并且提供一種電動牙刷，其能夠高速移動驅動機構的驅動軸以及安裝在驅動軸上的牙刷頭，從而能夠提高去除齒菌斑的效果。
為了實現上述目的，根據本發明的一個方案的電動牙刷包括牙刷頭和用于移動該牙刷頭的致動器。該致動器還包括一驅動軸，該驅動軸上安裝有該牙刷頭；一第一磁路，用于在該驅動軸的軸向上往復移動該驅動軸；以及一第二磁路，用于圍繞該驅動軸的中心軸往復旋轉該驅動軸。該第一磁路和該第二磁路直接移動該驅動軸。
利用這種結構，通過第一磁路和第二磁路直接驅動該驅動軸，而不需介入例如凸輪和/或齒輪的機械元件。因此，用于將驅動力從第一磁路和第二磁路傳遞至驅動軸的效率能夠提高，從而能夠高速驅動該驅動軸。
另外，該驅動軸不僅在其軸向上被第一磁路驅動，而且圍繞其中心軸被第二磁路驅動。因此，不同于傳統的電動牙刷，該牙刷頭的運動不僅僅限于往復線性運動和往復旋轉的其中一種。該牙刷頭能夠以往復線性運動和往復旋轉相組合的復合運動方式而移動。因此，通過該電動牙刷能夠提高去除齒菌斑的效率。
圖1是用于顯示根據本發明實施例的電動牙刷結構的剖面側視圖；圖2是用于顯示根據本發明的電動牙刷的致動器的詳細結構的立體圖；圖3是用于顯示根據本發明的致動器的第一磁路的結構的立體圖；圖4是用于顯示根據本發明的致動器的第二磁路的結構的立體圖；圖5是用于顯示根據本發明在幾種條件下以低音(bass)運動和旋轉運動組合的方式驅動的牙刷頭的軌跡的圖表。
具體實施例方式
參考附圖描述本發明的實施例。圖1顯示了電動牙刷的結構。圖2顯示了電動牙刷的致動器的詳細結構。圖3顯示了在致動器中的第一磁路。圖4顯示了在致動器中的第二磁路。
如從圖1中可見，電動牙刷包括牙刷頭1和主體(把手部分)2。主體2還包括用于移動牙刷頭1的致動器6、用于控制致動器6的控制器(未示出)、蓄電池(電池)3、用于產生驅動電流的逆變器(inverter)(未示出)、用于對蓄電池3充電的充電單元5，等等。
致動器6還包括驅動軸8、第一磁路6a、第二磁路6b、兩個螺旋彈簧15和17。致動器6的本體被包含在管形套7中。驅動軸8的前端部分8a從套7中突出。牙刷頭1安裝至驅動軸8的突出的前端部分8a。
如從圖2中可見，第一永磁單元9和第二永磁單元12以一預定距離設置在驅動軸8的主要部分8b上。
由第一永磁單元9、以預定間隙朝向第一永磁單元9設置的一對第一定子10、以及纏繞在第一定子10周圍的一對第一線圈11形成第一磁路6a。
第一永磁單元9由兩個圓柱狀永磁鐵9a形成。每一圓柱狀永磁鐵9a在其徑向上被磁化。圓柱狀永磁鐵9a被以下述方式緊緊地固定在驅動軸8的主要部分8b的周圍，該方式使得一個圓柱狀永磁鐵9a的磁極與另一個的磁極完全相反。
每一個第一定子10具有基本成E形的部件。第一定子10以下述方式相對于第一永磁單元9對稱設置，該方式使得其中一個第一定子10的三個極分別朝向另一個的三個極，第一永磁單元9介于其間。每一個第一線圈11纏繞在每一個第一定子10的中心極的周圍。通過將驅動電流提供至第一線圈11，使第一定子10勵磁(excited)。在致動器6未啟動的狀態下，第一永磁單元9被以下述方式停止，該方式使得圓柱狀永磁鐵9a的磁力線朝向與彼此相對的第一定子10的極的突出平行的方向。當驅動電流被提供至第一線圈11時，使第一磁路6a勵磁，用于借助驅動軸8在驅動軸8的軸向上移動第一永磁單元9。在下文中，在驅動軸8的軸向上的往復線性移動被稱為“低音(bass)運動”。
由第二永磁單元12、以預定間隙朝向第二永磁單元12設置的一對第二定子13、以及纏繞在第二定子13周圍的兩對第二線圈14形成第二磁路6b。
第二永磁單元12由兩個圓柱狀永磁鐵12a形成。每一個圓柱狀永磁鐵12a在其徑向上被磁化。圓柱狀永磁鐵12a被以下述方式緊緊地固定在驅動軸8的主要部分8b的周圍，該方式使得一個圓柱狀永磁鐵12a的磁極與另一個的磁極完全相反。此外，第二永磁單元12被以下述方式固定在驅動軸8上，該方式使得第二永磁單元12的磁化方向與第一永磁單元9的磁化方向基本上垂直。
每一個第二定子13具有基本上成槽鐵形狀的部件。第二定子13以下述方式相對于第二永磁單元12對稱設置，該方式使得其中一個第二定子13的兩個極分別朝向另一個的兩個極，第二永磁單元12介于其間。一對第二線圈14分別纏繞在每一個第二定子13的各個極的周圍。通過將驅動電流提供至第二線圈14，使第二定子13勵磁。在致動器6未啟動的狀態下，第二永磁單元12被以下述方式停止，該方式使得圓柱狀永磁鐵12a的磁力線朝向與彼此相對的第二定子13的極的突出垂直的方向。當驅動電流被提供至第二線圈14時，使第二磁路6b勵磁，用于借助驅動軸8圍繞驅動軸8的中心軸旋轉第二永磁單元12。在下文中，圍繞驅動軸8的中心軸的往復旋轉被稱為“旋轉運動”。
如圖1和圖2所示，螺旋彈簧15和17分別在主要部分8b的兩端附近與驅動軸8的主要部分8b接合。一對軸承18設置在套7的內腔的兩端，以使驅動軸8在樞軸上不僅可圍繞其中心軸旋轉，而且可在其軸向上線性移動。上螺旋彈簧17設置在上軸承18和第二永磁單元12之間，用于對第二永磁單元12施加向下的壓力。下螺旋彈簧15設置在下軸承18和第一永磁單元9之間，用于對第一永磁單元9施加向上的壓力。
下面描述電動牙刷的運動。作為驅動電流的交流電相應于來自控制器的控制信號而在致動器6的第一線圈11和第二線圈14中流動。使用者可相應于控制開關或者旋鈕的操作調整交流電的頻率和交流電之間的相位差。例如，設置四個控制開關或者旋鈕，使得可以獨立地調整分別在第一線圈11和第二線圈14中流動的兩個交流電的頻率和相位的四個參數。但是，可以通過選擇性地調整控制開關或者旋鈕，將交流電提供至第一線圈11和第二線圈14的其中之一。
相應于在第一線圈11中流過交流電的時序(timing)而使第一定子10勵磁。相應于交流電的極性(+和-)的變化，在第一定子10中的勵磁方向被改變。這樣，第一永磁單元9在驅動軸8的軸向上與驅動軸8一起往復地并且線性地移動(低音運動)。同樣地，相應于在第二線圈14中流過交流電的時序而使第二定子13勵磁。這樣，第二永磁單元12圍繞驅動軸8的中心軸與驅動軸8一起往復地旋轉(旋轉運動)。因此，以第一永磁單元9的低音運動和第二永磁單元12的旋轉運動的混合，而移動驅動軸8和安裝在驅動軸8上的牙刷頭1。
在第一線圈11和第二線圈14中流過交流電的時序未示出，但是它們能夠通過控制器相應于交流電的頻率和相位(或者相位差)的選擇來控制。
圖5顯示了當在幾種條件下以低音運動和旋轉運動組合的方式驅動致動器6時牙刷頭1的運動軌跡的圖表，在這些條件中，在第一線圈11和第二線圈14中流動的的交流電的頻率和交流電之間的相位差是不同的。在圖5中，橫坐標標明低音運動中驅動軸8的沖程(stroke)，并且縱坐標標明旋轉運動中驅動軸8的旋轉角度。低音運動中交流電的頻率將為恒定值250Hz。
關于由符號(d)、(e)和(f)標明的方框中顯示的軌跡通過致動器6使牙刷頭1在低音運動和旋轉運動中移動，其中在第一線圈11和第二線圈14中流動的交流電具有相同的頻率。在這種情況下，在交流電的一個周期中，牙刷頭1在低音運動和旋轉運動中確定地往返(shuttle)。這樣，在每一周期中，通過牙刷頭1不僅能夠刷到牙頸，而且能夠刷到牙頸之間的齒間(interdentium)，從而確實能夠從牙頸和齒間中除去齒菌斑。
關于由符號(j)、(k)和(l)標明的方框中顯示的軌跡通過致動器6使牙刷頭1在低音運動和旋轉運動中移動，其中在第二線圈14中流動的用于旋轉運動的交流電的頻率分別是在第一線圈11中流動的用于低音運動的交流電的頻率的整倍數，例如兩倍。在這種情況下，當牙刷頭1在低音運動中往返一次時，牙刷頭1以整倍數的次數在旋轉運動中往返，例如，在這些例子中為兩次。這樣，能夠更有效地從齒間除去齒菌斑。
關于由符號(a)、(b)和(c)標明的方框中顯示的軌跡通過致動器6使牙刷頭1在低音運動和旋轉運動中移動，其中在第一線圈11中流動的用于低音運動的交流電的頻率分別是在第二線圈14中流動的用于旋轉運動的交流電的頻率的整倍數，例如兩倍。在這種情況下，當牙刷頭1在旋轉運動中往返一次時，牙刷頭1以整倍數的次數在低音運動中往返，例如，在這些例子中為兩次。這樣，能夠更有效地從齒頸除去齒菌斑。
關于由符號(g)、(h)和(i)標明的方框中顯示的軌跡通過致動器6使牙刷頭1在低音運動和旋轉運動中移動，其中在第二線圈14中流動的用于旋轉運動的交流電的頻率分別是在第一線圈11中流動的用于低音運動的交流電的頻率的非整倍數，例如1.5倍。在這種情況下，牙刷頭1的運動是隨意的，從而能夠不知不覺地從各種角度清潔牙齒。這樣，在移動的牙刷頭1所移動過的部分中不會殘留過多齒菌斑。
關于由符號(a)、(d)、(g)和(j)標明的方框中顯示的軌跡牙刷頭1的低音運動和旋轉運動是同相的，從而當致動器6未被啟動時，牙刷頭1的運動軌跡主要經過牙刷頭1停止的初始位置。這樣，能夠集中地在預定部分除去齒菌斑。
關于由符號(b)、(e)、(h)和(k)標明的方框中顯示的軌跡低音運動的相位與旋轉運動的相位相差π/4，從而牙刷頭1的運動軌跡不經過初始位置。通過在上述同相的低音運動和旋轉運動與具有相位差的低音運動和旋轉運動之間轉換牙刷頭1的運動，能夠以各種軌跡移動牙刷頭1，從而能夠在牙刷頭經過的每個部分中有效地除去齒菌斑。在低音運動和旋轉運動之間的相位差取除了π/2之外的任意值的情形下，都能夠獲得這種效果。
為了減小移動的牙刷頭1接觸不到牙齦的可能性，優選是使在低音運動中的牙刷頭1的沖程等于或者短于4毫米。同樣地，優選是使在旋轉運動中牙刷頭的往復旋轉的角度等于或者小于20度。
如上所述，根據本實施例的電動牙刷能夠不使用任何例如凸輪或者齒輪的機械元件，通過控制在第一磁路6a的第一線圈11中和在第二磁路6b的第二線圈14中流動的交流電的頻率以及交流電之間的相位差，而移動驅動軸8和安裝在驅動軸8上的牙刷頭1。與使用機械元件來驅動牙刷頭的傳統電動牙刷相比，通過根據本實施例的電動牙刷能夠在較短的周期內往復地移動驅動軸8和牙刷頭1。特別的是，在使用凸輪或者齒輪的傳統電動牙刷中牙刷頭的往復運動的頻率上限為大約100Hz。另一方面，根據本實施例的電動牙刷的牙刷頭1的往復運動能夠以高于至少100Hz的頻率來驅動。這樣，通過作為根據本實施例的電動牙刷的致動器6的第一磁路6a和第二磁路6b，能夠以更高的速度往復移動驅動軸8和牙刷頭1。因此，通過該電動牙刷能夠提高除去齒菌斑的效率。
當用于驅動該驅動軸8和牙刷頭1的頻率被提高時，在低音運動或者在旋轉運動中的驅動軸8的沖程相應于該頻率的提高而變小。這樣，通過提高牙刷頭1的往復運動的頻率，能夠減小移動的牙刷頭1與牙齦接觸的可能性。另外，相應于牙刷頭1的往復運動的頻率的提高，牙刷頭1和牙齒之間的摩擦減小，從而能夠靈敏地清潔牙齒。這樣，能夠通過選擇牙刷頭1的往復運動的頻率，靈敏而有效地清潔牙齒。特別的是，能夠在100Hz至350Hz之間的區域內選擇牙刷頭1的往復運動的頻率。
此外，致動器6包括用于在低音運動中移動驅動軸8的第一磁路6a和用于在旋轉運動中移動驅動軸8的第二磁路6b。這樣，驅動軸8和安裝在驅動軸8上的牙刷頭1不僅能夠被驅動以低音運動，而且能夠同時被驅動以旋轉運動。而傳統電動牙刷中的牙刷頭能夠擇一地被驅動以低音運動或者旋轉運動，與該傳統電動牙刷相比，根據本實施例的電動牙刷的牙刷頭1的運動變得更為復雜。這樣，能夠提高除去齒菌斑的效果。
再進一步說，在第一線圈11和第二線圈14中流動的交流電的頻率和相位能夠通過調整控制開關或者旋鈕來改變。這樣，牙刷頭1能夠以如上述的各種軌跡移動。牙刷頭1能夠以各個方向接觸牙齒，從而能夠有效地從牙齒中除去齒菌斑。
根據本實施例的電動牙刷的上述結構能夠作以下修改。
驅動軸8的主要部分8b被分為兩段(part)，其中一段相對于另一段能夠在驅動軸8的軸向上滑動，而整體上繞驅動軸8的中心軸是可旋轉的。第一永磁單元9固定在其中一個分段上，并且第二永磁單元12固定在另一段上。或者，第一永磁單元9固定在驅動軸8的主要部分8b上，并且第二永磁單元12相對于主要部分8b在驅動軸8的軸向上是可滑動的，而整體上可與驅動軸8一起旋轉。在這兩種情形下，第一永磁單元9和第二永磁單元12通過螺旋彈簧接合。通過這樣的結構，驅動軸8的前端部分8a能夠相應于第一永磁單元9的往復線性運動而在低音運動中移動，并且能夠相應于第二永磁單元12的往復旋轉而在旋轉運動中移動。然而，由于在驅動軸8的軸向上第一永磁單元9的往復線性移動而產生的振動被介于其中的螺旋彈簧削弱，所以該振動很少被傳遞到第二永磁單元12。因此，電動牙刷的主體2的振動能夠被減小，使得使用者能夠舒適地刷牙。
在上述中，交流電被提供至第一磁路6a的第一線圈11和第二磁路6b的第二線圈14中作為驅動電流。然而，具有預定頻率和在它們之間的預定相位差的脈動電流能夠提供至第一線圈11和第二線圈14作為驅動電流，以替代提供交流電。通過這種結構，第一磁路6a的第一定子10的磁化方向和第二磁路6b的第二定子13的磁化方向也能夠周期性地轉換。
另外，提供至第一線圈11和第二線圈14的交流電或者脈動電流的頻率和它們之間的相位差不受上述舉例數值的限制。相應于使用者的靈敏觸感，能夠自由地選擇交流電或者脈動電流的頻率和它們之間的相位差的數值。
再進一步說，交流電或者脈動電流不必同時提供至第一線圈11和第二線圈14。能夠將交流電或者脈動電流提供至第一線圈11和第二線圈14的其中任一。通過這種結構，驅動軸8和牙刷頭1能夠在低音運動和旋轉運動中擇一地移動，如同傳統的電動牙刷。
此外，能夠周期性地接通或者切斷，以提供驅動電流至用于在低音運動中移動第一永磁單元9的第一線圈11。當驅動電流在第一線圈11中流動時，第一永磁單元9通過磁力而在驅動軸8的軸向上移動，而且螺旋彈簧15和17彈性地變形并且共振。當驅動電流被切斷時，作用在第一永磁單元9上的磁力被消除，但是由于螺旋彈簧15和17的共振，第一永磁單元9繼續在驅動軸8的軸向上的往復線性運動。換句話說，通過周期性地重復接通和切斷以提供驅動電流至第一線圈11，能夠在驅動軸的軸向上往復地移動第一永磁單元9和驅動軸8。同樣地，能夠周期性地接通和切斷，以提供驅動電流至用于在旋轉運動中旋轉第二永磁單元12的第二線圈14。
此外，分別提供至第一線圈11和第二線圈14的兩個交流電或者脈動電流的頻率和相位的四個參數不必獨立地調整。多個參數、例如交流電的兩個頻率能夠被一起調整。
此外，分別提供至第一線圈11和第二線圈14的兩個交流電或者脈動電流的頻率和相位能夠提前確定，而不需提供控制開關或者旋鈕。
本申請是基于在日本提出的日本專利申請2002-341720，其內容特此并入參考。
雖然結合附圖通過實施例對本發明作了充分的說明，但是應當了解，各種改變和變化對于本領域技術人員來說是顯見的。因此，除非此類改變和變化脫離本發明的范圍，否則它們都包含在本發明中。
工業實用性如上所述，根據本發明的電動牙刷能夠以低音運動和旋轉運動的混合方式移動牙刷頭，從而能夠有效地從牙齒除去齒菌斑。
權利要求
1.一種電動牙刷，包括牙刷頭和用于移動該牙刷頭的致動器，其中該致動器還包括驅動軸，該牙刷頭安裝至該驅動軸；第一磁路，用于在該驅動軸的軸向上往復移動該驅動軸；以及第二磁路，用于圍繞該驅動軸的中心軸往復旋轉該驅動軸；并且該第一磁路和該第二磁路直接移動該驅動軸。
2.根據權利要求1所述的電動牙刷，其中該第一磁路和該第二磁路能夠同時被啟動。
3.根據權利要求1所述的電動牙刷，其中該第一磁路和該第二磁路能夠被擇一地啟動。
4.根據權利要求1所述的電動牙刷，其中還包括用于產生兩個驅動電流的逆變器，所述兩個驅動電流具有預定的頻率和它們之間的相位差，并且所述兩個驅動電流被提供至該第一磁路和該第二磁路。
5.根據權利要求4所述的電動牙刷，其中該驅動電流是交流電或者脈動電流。
6.根據權利要求4所述的電動牙刷，其中提供至該第一磁路和該第二磁路的所述驅動電流的頻率和/或它們之間的相位差是可調整的。
7.根據權利要求4所述的電動牙刷，其中提供至該第一磁路和該第二磁路的所述驅動電流是同相的。
8.根據權利要求4所述的電動牙刷，其中提供至該第一磁路和該第二磁路的所述驅動電流之間的相位差是π/2或者π/4。
9.根據權利要求4所述的電動牙刷，其中提供至該第一磁路的驅動電流的頻率等于提供至該第二磁路的驅動電流的頻率或者是其整數倍。
10.根據權利要求4所述的電動牙刷，其中提供至該第二磁路的驅動電流的頻率等于提供至該第一磁路的驅動電流的頻率或者是其整數倍。
11.根據權利要求4所述的電動牙刷，其中提供至該第一磁路和該第二磁路的所述驅動電流的頻率中的較大頻率相對較小頻率的比率不是整數。
12.根據權利要求1所述的電動牙刷，其中該第一磁路還包括固定在該驅動軸上的第一永磁單元、一對第一定子和分別纏繞在所述第一定子周圍的一對第一線圈；該第二磁路還包括固定在該驅動軸上的第二永磁單元、一對第二定子和分別纏繞在所述第二定子的極周圍的兩對第二線圈；當驅動電流被提供至該第一線圈時，該第一永磁單元在該驅動軸的軸向上線性移動；以及當驅動電流被提供至該第二線圈時，該第二永磁單元圍繞該驅動軸的中心軸旋轉。
13.根據權利要求12所述的電動牙刷，其中還包括用于施加壓力的一對螺旋彈簧，以在該致動器未被啟動時將該第一永磁單元和該第二永磁單元定位在初始位置。
14.根據權利要求13所述的電動牙刷，其中通過接通和切斷提供的驅動電流而周期性地驅動該第一磁路；以及當該驅動電流未提供至該第一磁路時，由于所述螺旋彈簧的共振，在軸向上該驅動軸的往復運動持續。
15.根據權利要求13所述的電動牙刷，其中通過接通和切斷提供的驅動電流而周期性地驅動該第二磁路；以及當該驅動電流未提供至該第二磁路時，由于所述螺旋彈簧的共振，圍繞該驅動軸的中心軸的該驅動軸的往復旋轉持續。
全文摘要
在電動牙刷中，可拆卸的牙刷頭被直接安裝在致動器的驅動軸的前端部分。該致動器包括第一磁路，用于在該驅動軸的軸向上往復移動該驅動軸；以及第二磁路，用于圍繞該驅動軸的中心軸旋轉該驅動軸。通過獨立的驅動電流使該第一磁路和該第二磁路獨立地勵磁，所述獨立的驅動電流具有預定的頻率并且在其間具有預定的相位差。這樣，安裝在該驅動軸上的牙刷頭能夠以往復線性移動和往復旋轉的混合方式而移動。該致動器不包括例如齒輪或者凸輪的傳統機械元件，從而該致動器能夠比傳統的致動器更快地移動該驅動軸。
文檔編號H02K33/16GK1691921SQ20038010067
公開日2005年11月2日 申請日期2003年11月20日 優先權日2002年11月26日
發明者本橋良, 國田智裕, 谷口真一, 平田勝弘, 長谷川佑也 申請人:松下電工株式會社