CN103140190A - 用于电动牙刷的利用磁性作用的谐振致动器 - Google Patents

Abstract

一种磁性致动器系统，包括壳体(10)和延伸穿过壳体的主轴(22)，所述壳体包括诸如铁之类的可磁化材料。该致动器还包括被固定地置于壳体内的其间有纵向空间的一对永磁体组件(14，16)，其中所述永磁体组件包括沿致动器的纵向或周向延伸的交替的多个北极/南极磁体部件(18)。所述致动器还包括位于两个永磁体组件之间的围绕主轴的线圈绕组(24)。附接到主轴的磁极组件(28，30)位于由永磁体组件所包围的体积内，以使得交替的驱动信号产生有期望频率和幅度的主轴振动动作。

Description

用于电动牙刷的利用磁性作用的谐振致动器

技术领域

本发明总体涉及电动牙刷，并且更具体地涉及用于电动牙刷的致动器，该致动器利用磁性作用产生具有所选择的运动角度和频率的振动输出轴运动。

背景技术

电动牙刷通常被布置为包括谐振致动器以驱动机械弹簧质量系统，该机械弹簧质量系统的动作又产生所希望的刷头的运动用于清洁用户的牙齿。在谐振系统中，器具的驱动频率被设置为接近或近似等于弹簧质量系统的谐振频率。谐振系统使得该器具对于给定的功率输入能够工作在最大效率处，并且因而是包括电动牙刷在内的大多数器具所希望具有的。

致动器的整体大小以及器具的预期寿命在电动牙刷的设计中是很重要的但有时又会相冲突的考虑因素。例如，尝试减小致动器的大小并从而减小器具的大小(这通常是所希望的)常常会对器具的整体功能和有效性产生负面影响，并且可能减少器具的寿命，因为减小谐振弹簧的大小通常会增大弹簧上的机械应力，导致更早出现故障，并且降低器具的功率输出。

发明内容

本文所公开的发明包括一种不影响电动牙刷的功能和效率以及/或者其工作寿命的用于电动牙刷的具有相对较小直径的致动器。

公开了一种用于电动牙刷的磁性致动器系统，该致动器系统包括：壳体；延伸穿过所述壳体的可磁化材料的主轴；固定于所述壳体内适当位置的至少一对间隔开的永磁体组件，其中所述永磁体组件的每一个包括多个北极/南极磁体部件；在所述永磁体组件之间的空间中环绕所述主轴的线圈绕组；具有多个被附接到所述主轴的磁极元件的一对磁极组件，所述磁极组件位于由所述永磁体组件所包围的体积内，其中所述磁极从所述主轴朝着所述永磁体组件向外径向延伸；其中在操作中，来自信号源的以在零值附近的方波或者交变电流的形式的激励信号被应用于线圈绕组，导致主轴以所选择的频率和角度进行震荡运动，并且其中主轴被适配为接收刷头组件或者接收适配为接收刷头组件的弹簧组件，以清洁用户的牙齿。

附图说明

图1和图2是这里所描述的用于致动器主轴旋转动作的致动器的一个实施例的纵向和横向横截面视图。

图3是致动器的另一实施例的透视图。

图4是可以与图3的致动器一起被使用的球弹簧的端视图。

图5是图4的球弹簧的透视图。

图6是致动器/球弹簧的组合的透视图。

图7-9是针对致动器主轴的轴向运动的致动器的另一些实施例的纵向横截面视图。

图10是能够产生致动器主轴的轴向和切向运动的致动器的纵向横截面视图。

图11是用于控制致动器系统的角运动/行程的感应线圈/反馈装置的框图。

具体实施方式

图1和图2示出了致动器10的第一实施例，该致动器可被用于利用经过选定角度的振动旋转动作驱动电动牙刷。致动器10包括细长的圆筒形壳体12，该壳体优选而非必要地具有大约12-15mm的小的(即，细的)直径，在所示出的实施例中具有13.6mm的优选直径。这种细长的致动器壳体是商业上所希望的，并且这里所描述的致动器结构使得这种细长的配置成为可能。

在所示出的实施例中，位于壳体12内的是两个永磁体组件14和16，所述壳体12优选地由具有高磁导率的金属制成，因为该壳体是磁路的一部分，所述两个永磁体组件位于壳体12的相对端附近并且被附接于壳体12的内表面15。永磁体组件包括在北极/南极之间在周向上交替分布的磁体部件18-18。在所示出的实施例中，磁体部件18-18是弯曲的，大约长10mm厚8mm。在图1和图2中所示的实施例中，每个磁体组件中总共有八个磁体部件。虽然图1和图2的实施例显示各个磁性部件是相邻接的，但是连续的北极/南极磁体部件之间可以存在间隙。永磁体组件16与永磁体组件14相同，只是组件16的磁体部件被放置为使得磁极按照与组件14的磁体部件的磁极相反的方式交替，即在纵向上，组件14中的磁体部件的北极对应于(in registry with)组件16中的南极磁体部件。

延伸穿过壳体12中间的是主轴22。在永磁体组件14和16之间环绕主轴22缠绕的是圆筒形绕组24，在所示出的实施例中该圆筒形绕组包括铜线线圈，匝数取决于若干因素，这些因素包括电池电压、所希望的输出功率和致动器大小。在所示出的实施例中，线圈24的长度约16mm并且厚度约2-3mm。主轴在线圈绕组24的区域中的直径约为4mm，在永磁体组件14和16的区域中的直径约为2-3mm。

致动器10还包括两个磁极组件28和30。磁极组件被固定于主轴22上并且分别被置于由永磁体组件14和16所界定的区域中。磁极组件和主轴都由磁性材料(例如铁)制成。在所示出的实施例中，每个磁极组件包括与主轴相邻的圆环部分34和多个等间距的极元件38。每个极元件的宽度在从圆环部分34到极元件的自由端的方向上略微增加。极元件的自由端差不多向磁体部件延伸。通常，它们之间存在小的间隙。在所示出的实施例中，每个极元件的自由端表面40是略微弯曲的。磁极组件中的极元件38的数目将是相关联的永磁体组件中的各个磁体部件的数目的一半。

如上所示，图1和图2的实施例显示在每个永磁体组件中总共有八个磁体部件并且在每个磁极组件中有四个等间隔的极元件。然而，在其它实施例中，磁体部件的数目以及相应地，磁极组件中的极元件的数目将是不同的。例如，图3示出了一种布置，其中在壳体45的内表面上每个永磁体组件总共有12个磁体部件44，北极和南极部件交替环绕于永磁体组件的内周。在图3的实施例中，总共有6个等间隔的极元件46与12个磁性北极/南极磁体部件相匹配。如上所示，可能变化的磁体部件的数目还将决定构成磁极组件的磁极的数目。

用于致动器的操作的来自信号源25的激励信号通过绕组引线(未示出)被应用于绕组24。关于操作，再次参考图1和图2，激励信号通常是通过全桥式电路由DC信号产生的在零值附近的方波(交变)信号，但是AC信号也可以被使用。该信号的频率可以改变，但是优选该频率在系统的谐振频率附近。方波激励信号在正方向上的一半将导致磁极组件中的一个被磁化为向北，而另一个磁极组件将被磁化为向南。在未被磁化的状态下，各个极元件将分别面向在永磁体组件的周向上的永磁体部件的北极/南极边界。

激励信号将导致具有两个磁极组件的主轴22旋转到接近相邻磁体部件中的一个的中点。例如，如果图1和图2中的磁极组件28被磁化为向北而另一组件30被磁化为向南，则第一个动作将是主轴沿逆时针的旋转(图2)，使得组件28中的北磁极将由于磁引力而面向南磁体部件，并且被驱离北磁体部件。因为来自永磁体组件16的永磁体部件的位置互补(相反)，南磁极组件30将产生相同的逆时针旋转。激励方波将返回到零值，然后进入负方向，导致主轴顺时针旋转，磁极组件28向南并且磁极组件30向北。组件28中的极将移动为面向组件14中的北永磁体部件，而组件30中的极将移动为面向组件16中的南永磁体部件。

在零值附近的两个方向上的重复性方波将导致主轴22在一定角度内的来回振动，所述角度取决于永磁体部件的数目以及相应的磁极元件的数目。例如，在每个永磁体组件中总共有12个磁体部件的实施例中，振动的角度理论上为大约±15°，现实中略小一些，这个角度是用于清洁牙齿的有效刷动行程。适当的范围可以是9-16°。

在操作中，致动器具有非常优选的磁性位置。用户可以将牙刷主轴旋转到优选的初始(闲置)角度位置。致动器的主轴可以被定向在若干个不同的位置。对于主轴的正旋转，磁性齿槽(cogging)转矩为负，而对于主轴的负旋转，磁性齿槽转矩为正。因而，齿槽转矩可被用于实现弹簧功能。在这种情况下，机械弹簧可被省略，因为弹簧功能通过磁性齿槽效应而被实现，实际上是磁性弹簧。

在一种布置中，刷头可以直接被附接于主轴的一端上，以产生有效的刷洗动作，磁性弹簧足以产生所需要的动作。在其它情况下，致动器的磁性弹簧动作可能不足以强到产生有效的刷洗力。在那些情况下，致动器的主轴可被用于驱动单独的机械弹簧质量系统。

这样的单独的弹簧质量系统可以包括作为传统弹簧质量布置的叶片式或螺旋形弹簧，或者球弹簧组件61，比如如图4和图5中所示。图6示出了图4和图5的球弹簧布置与图3的致动器的组合。球弹簧组件包括窄的环状外围定子部分52，在所示出的实施例中，该环状外围定子部分具有与壳体12相同的外径。所述外围部分的厚度可变。球弹簧组件61还包括内部移动部件，该内部移动部件包括被固定于致动器的主轴或者为主轴的一部分的中心元件54。从中心元件54向外延伸的是多个臂56。优选为等间隔的所述臂的数目可以改变，但是三个臂可以提供可靠且有效的效果。每个臂从中心元件54朝着外围部分52径直向外延伸，然后弯曲以贴合外围部分52的弯曲的内表面。在每个臂的末端处是腔部分58，该腔部分对应外围部分的内表面中的浅腔或沟60。小球体被置于每个腔58和每个腔/沟60之间。移动部分的臂提供了预应力。这种特殊的布置可以用作切向和轴向两个方向上的弹簧。

与以上实施例中的旋转运动不同，图7示出了轴向运动的致动器。该致动器包括两个间隔开的永磁体组件78和80、主轴82和介于其间的线圈绕组83，以及在永磁体组件内部的被附接于主轴82的两个磁极组件84和86。永磁体组件被轴向(周向)布置，其中磁体部件的北极/南极边界周向延伸，而不是像旋转致动器中那样沿纵向延伸。例如，永磁体组件78包括北极磁体部件90和相邻的南极磁体部件92。在所示出的实施例中，磁体部件90和92周向环绕整个壳体进行延伸，并且与磁体部件44一样约为1mm厚。磁体部件也可以在圆周上被分段，即分成多个磁体部件。各个磁体分段可以彼此邻接或者被小的间隙分隔开。

另一永磁体组件80在布置上是类似的，只是北极和南极部件被颠倒，以使得两个永磁体组件的北极磁体部件都在外侧的位置上，而南极磁体部件都在内侧的位置上，如图7中所示。

图7的实施例中的磁极组件可以是实心的盘状元件，或者它可以是一系列被间隔开的个体磁极。虽然每个永磁体组件在图7中被显示为具有一个北极和一个南极部件，但是可以有不止一个北极和一个南极部件沿壳体在纵向上被间隔放置。

在针对致动器的轴向运动的致动器操作中，利用具有正负摆幅的方波或交变电流信号激励绕组83，例如将磁极组件84磁化为向北，并且将相对的磁极组件86磁化为向南。这将导致主轴82最初向左运动(在轴向上)，因为磁极84和86将趋向于与永磁体组件的相反极性部件排成直线。当激励信号移到其相反的摆幅时，主轴82将首先移动回中间位置，然后当磁极组件84被磁化为向南且相对的磁极组件86被磁化为向北时主轴82向右移动。随着激励信号的持续，主轴将沿壳体在纵向上(轴向上)来回移动。

在存在另外的北极-南极磁体部件的情况下，磁极组件将包括一系列单独的磁极元件，这些磁极元件被间隔放置以在纵向上与磁体部件的相邻接的北极/南极线相重合。图8和图9示出了两个这样的布置。

图8示出了产生相对较小的轴向(纵向)行程的实施例。每个磁性组件有两个极元件，其包括四个周向的磁体部件。为了说明的简单起见，极元件43a-43b被指定为相对于具有磁体部件45a-45d的一个磁性组件。每个极元件的宽度是图7的实施例中的极元件宽度的一半。工作范围被减小2倍，但是致动器的致动力被加倍。

图9示出了针对轴向运动的实施例，在该实施例中，每个磁性组件有四个极元件并且总共有八个单独的周向的磁体部件。对于一个磁性组件，四个极元件被标记为47a-47d并且八个磁体部件被标记为49a-49h以便于说明。相对于图8的实施例，致动器的工作范围又被减小2倍并且致动力又被增加两倍。与其它实施例一样，极元件的数目是磁体部件的数目的一半。

图10示出了能够产生主轴的轴向和旋转两种运动的致动器配置。该配置包括壳体64、中心主轴66和在壳体的两端处的与图4和图5中所示类似的球弹簧组件68和70。用74表示的致动器的部分产生旋转运动并且与图1和图2中所示的部分相同。用76表示的致动器的部分产生轴向运动并且与图7中所示的部分相同。

应用于致动器部分74的绕组91的激励信号将产生旋转运动(类似于以上针对图1和图2所描述的)。致动器部分76可以由应用于绕组93的信号激励，通常优选地，所述应用于绕组93的信号完全与应用于致动器部分74信号相独立，或者这两个激励信号可以是相同的。这种布置将产生刷头的轴向运动以及牙刷的旋转运动。此外，对于用于两个致动器部分的激励信号使用不同的频率将产生不同的刷洗模式。

这里所描述的致动器还可以包括用于稳定刷头的行程的控制系统。在这种布置中，参考图11，除了致动器线圈95以外，致动器还包括感应线圈94。在工作中，感应线圈接收到从永磁体组件感应出的磁通量。永磁体所产生的通量将根据主轴的位置而变化。在感应线圈94中的感应出的通量产生与致动器的移动部件的行程速度相关的电压。

该电压还包含由于感应线圈和致动器线圈的相互作用而产生的分量，这两个线圈基本上用作双绕组变压器。为了得到对行程信息(角速度)的准确指示，不希望的分量必须被去除。如果感应线圈94中的电流为零，则所述电压将由致动器线圈的反电动势电压和根据以下公式的变压器电压构成：

$K_2\·\mathrm{\ω}+L_{21}\·\frac{{\mathrm{dI}}_I}{\mathrm{dt}}$

其中K₂是感应线圈中的致动器常数，并且L₂₁是感应线圈和致动器绕组之间的互导。量值

必须被去除。在图11中，感应线圈94的电压输出如上所示：

该电压在102处被积分，然后被应用于正负比较器104的一个输入端，比较器的另一个输入为L₂₁×I₁，其中I_I从致动器线圈得到。在进一步的放大和峰值到峰值的检测之后，产生了表示牙刷行程的电压

这个值被应用于正负比较器108的一个输入端。用峰值到峰值的电压表示的所希望的行程被应用于另一个输入端，得到的任何差值通过线路110被应用于滤波器112，然后返回到全整流桥，以通过改变驱动信号的频率或占空比保持所希望的行程值。

因此，公开了一种适合用于电动牙刷的致动器。该致动器结构具有很显著的优点，因为它在不牺牲效率和产品寿命的情况下，允许小型器具具有所希望的小的(即纤细的)横截面形状。

虽然已为了说明的目的被公开了本发明的优选实施例，但是应当理解在不脱离由所附权利要求所限定的本发明的精神的情况下，可以在实施例中加入各种改变、修改和替换。

Claims (13)

1.一种用于电动牙刷的磁性致动器系统，包括：

壳体(10)；

延伸穿过所述壳体的可磁化材料的主轴(22)；

固定于所述壳体内适当位置的至少一对间隔开的永磁体组件(14，16)，其中每个所述永磁体组件包括多个北极/南极磁体部件(18)；

在所述永磁体组件之间的空间中环绕所述主轴的线圈绕组(24)；

一对磁极组件(28，30)，其具有多个磁极元件(38)并被附接到所述主轴，所述磁极组件位于由所述永性磁体组件所包围的体积内，其中所述磁极元件从所述主轴向外径向延伸朝向所述永性磁体组件；

其中在操作中，来自信号源(25)的以在零值附件的方波或者交变电流的形式的激励信号被应用于所述线圈绕组，导致所述主轴以选定频率和角度进行振动运动，并且其中所述主轴被适配为接收刷头组件或者接收被适配为接收刷头组件的弹簧组件，用以清洁用户的牙齿。

2.根据权利要求1所述的致动器系统，包括被固定于所述主轴或者作为所述主轴的一部分的球弹簧(61)。

3.根据权利要求1所述的致动器系统，其中所述致动器被设置为由于所述致动器的齿槽转矩而在操作中用作磁性弹簧。

4.根据权利要求1所述的致动器系统，其中所述北极/南极磁体部件环绕于所述壳体的内部周向交替。

5.根据权利要求1所述的致动器系统，其中所述北极/南极磁体部件沿所述壳体纵向交替。

6.根据权利要求1所述的致动器系统，包括两组(74，76)至少一对永磁体组件，其中一组永磁体组件中的所述北极/南极磁体部件关于所述壳体的内部周向交替并且其中另一组永磁体组件中的所述北极/南极磁体部件沿所述壳体纵向交替。

7.根据权利要求4所述的致动器系统，其中每个永磁体组件包括至少八个磁体部件，具有交替的北极和南极，并且其中每个所述磁极组件包括中心部件以及从所述中心部件向外延伸的数目为磁体部件的数目的一半的等间隔的磁极元件。

8.根据权利要求5所述的致动器系统，其中每个永磁体组件包括具有交替的北极和南极的至少四个磁体部件，以及在由所述永磁体组件包围的体积内沿所述主轴间隔放置的数目为磁体部件的数目的一半的磁极元件。

9.根据权利要求1所述的致动器系统，其中所述主轴和所述磁极组件由铁制成。

10.根据权利要求1所述的致动器系统，其中所述主轴的其中对应所述线圈绕组的部分具有比其中对应所述永磁体组件的部分更大的直径。

11.根据权利要求1所述的致动器系统，其中所述壳体具有在12-15mm范围内的直径。

12.根据权利要求1所述的致动器系统，其中所述选定角度在9-16°的范围内。

13.根据权利要求1所述的致动器系统，包括在所述线圈绕组(95)附近的感应绕组(94)，其中所述永磁体组件的运动产生通量，所述通量根据所述感应线圈相对于所述永磁体组件的位置在所述感应绕组中感应出电压，并且其中所述致动器系统包括控制组件(102，104，108，112)，所述控制组件用于处理来自所述感应绕组的电压信号以解析出仅由于来自所述永磁体组件的通量而产生的电压，并且用于将所述电压与标准值进行比较并且之后对所述驱动信号的频率或占空比进行改变以产生具有所希望的大小和/或角度的主轴的主轴行程。

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