CN111093431A - 无电池动力牙刷 - Google Patents

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伊桑·V·维拉
迈克尔·A·费尔菲尔德
约书亚·P·亚斯贝克
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Abstract

一种手动卷绕或蓄能式动力牙刷，包括一个卷绕机构；一个储能元件；以及一个输出齿轮系，使旋转、振动或扫动刷头移动，从而具有提高使用者口腔护理的功效。

Description

无电池动力牙刷
相关申请的交叉引用
本申请为原专利合作条约(“PCT”)专利申请，本申请请求分别于2017年9月15日提出的第62/559325号美国临时专利申请和于2018年8月21日提出的第16/107020号美国实用专利申请的优先权，而第62/559325号美国临时专利申请和第16/107020号美国实用专利申请的全部公开内容并入本文作为参考。
技术领域
本发明一般涉及动力驱动牙刷，更具体地，涉及一种动力刷毛运动的牙刷，其中，由压缩发条的松弛提供运动动力。
背景技术
为了方便牙齿和牙龈部位的卫生护理，已经开发了各种动力驱动牙刷，目前在市面上均有销售。通常，这些动力驱动牙刷包括一块电池和一个电机，所述电机与机械联动装置耦合，驱动牙刷头和/或刷毛组来回、侧向或旋转运动，帮助去除牙齿表面的牙菌斑。
该领域的近期发展主要针对的是提高振动频率，现在“超声波”动力牙刷已十分普遍。然而，在特定场合下，动力牙刷的其他功能和特征也可能非常重要。本发明探讨了几种情况下有用的实施例。
发明内容
本发明的实施例为利用使用者提供的能量工作的动力牙刷。牙刷可具有替换刷毛或机械刷头，并且一些实施例包括有助于防止使用者刷牙用力过大的功能。
附图说明
图1示出了本发明优选实施例的外部透视图。
图2为示出一个实施例主要功能块的框图。
图3示出了一个实施例的局部分解图，其中包含各种替代部件。
图4示出了一个实施例的不同局部分解图，以突出本发明的其他特征。
图5示出了一个实施例的内部部件，所述部件按照在壳体内的组装方式排列。
图6示出了一个实施例的输入齿轮系的分解图。
图7示出了一个实施例的储能部件的几个视图。
图8示出了一个实施例的输出齿轮系的分解图。
图9A和图9B示出了可在一个实施例中使用的限速器或调速器的细节图。
图10示出了一个实施例的制动机构的细节图。
图11示出了一个实施例的振动刷头关联机构的细节图。
具体实施方式
本发明的实施例为手动蓄能式动力牙刷。通常，以机械方式储存驱动牙刷所需的能量，例如通过发条压缩或卷绕，或使惯性轮加速，但实施例也可利用手动发电机为电池蓄能，随后驱动电机，电机驱动刷毛。
图1示出了本发明(一般为100)的示例性实施例。它包括一个大致呈圆柱形的主体或壳体110(一个较大直径的主体部分或“手柄”)，主体或壳体110向上延伸至一个较窄的头部120，在头部120上固定有一个清洁使用者牙齿的刷子130。较大直径的主体或手柄110分为两个部分140和150，这两个部分140和150可绕公共轴线(大致与圆柱形主体平行)彼此进行旋转或扭转。
只要主体110能够容纳内部机构并满足其他工作要求，主体110即可具有非圆形和/或非均匀横截面或非线性中心轴(即它可以稍微弯曲或卷曲)。如下所述，零件140和150之间可以是单向旋转，也可以是双向旋转。
一个实施例包括一个用于禁用或启用装置的双稳开关160。例如，所述开关可以是一个制动器，装置不使用时(包括装置蓄能时)，制动器与内部机构接合防止牙刷工作。脱开时，内部机构转动和/或往复运动，使刷子振动。刷子可以绕旋转轴来回旋转，沿着平移轴来回移动，通过垂直于旋转轴的弧线来回扫动，或将这些动作和类似动作进行更复杂的组合，所有动作都是为了更有效地去除使用者牙齿和牙龈中的残渣。
图2为示出一个实施例主要功能块的框图。这些功能块自下而上排列，其物理排列与本发明的一个实施例(例如图1)中的部件物理排列大致类似。所有部件都包含在(或至少耦合到)壳体内。在壳体的一端，手动卷绕控制器210允许使用者在装置中积蓄或积聚能量，以备后续工作使用。通常，卷绕控制器是一个旋转装置，但是实施例可以利用往复(来回)运动、挠曲运动或另一种合适的运动，对蓄能器进行蓄能。
在旋转卷簧器实施例中，可以设置扭矩限制器220，确保装置不会蓄能过度或受力过大。当装置充满电时，扭矩限制器可发出噪音或显示视觉指示器。
输入或卷绕齿轮系230将使用者的输入卷绕动作(经由卷绕控制器210)耦合成合适的动作，对蓄能器进行蓄能。在优选实施例中，使用者卷绕时即压缩电机发条240。例如，电机发条240可以采用圆柱形系数的螺旋发条或涡卷发条，其中，发条通过圆柱体的中心绕内部主轴扭转，将能量储存在发条中。
制动器250可与电机发条240的另一部分或与输出/传动齿轮系260接合，防止使用者给装置蓄能时，发条中的能量立即激活装置。一旦施加了足够蓄能(例如，当扭矩限制器220发出咔嗒声，指示发条240已完全卷绕时)，装置就随时可用。
使用者脱开制动器250，使制动的部件能够自由运转。例如，可以释放电机发条240，以解除压缩或展开卷绕；或者可以允许与电机发条240耦合的输出/传动齿轮系260移动。输出/传动齿轮系的运动可使振动刷270在往复范围内旋转、振动和/或平移。振动刷可以帮助牙刷使用者清洁牙齿。
在优选实施例中，输出/传动齿轮系的摩擦力较小(以免浪费电机发条的能量)。然而，这种实施例带动刷子的振动速度过快，在使用者完成刷牙护理之前，会消耗掉储存的能量。在这种实施例中，最好包括一个限速器280。例如，在有用的振动速率下，下文所述的惯性限速器能够延长装置的工作时间，而非在无用的快速振动中快速消耗全部蓄能。
其次，我们将探讨每个功能块的结构细节，同时特别注意选择优选实施例的具体实施方式。
卷绕机构
优选实施例包括一个可转动压缩储能发条的旋转卷簧器。旋转轴可与手柄体的中心圆柱轴对齐。通过使卷绕轴相对于主体壳体下一部分产生偏移和/或斜移(例如，通过使用非共线齿轮系或柔性轴向接头，如U形接头)，可以构造出弯柄装置。
图3显示了图1优选实施例的局部分解图，其中，手动卷绕手柄140下移，表明其可以构造成中心主体略窄部分340上方的套筒或杯状物。可采用圆柱形卷绕手柄140，其表面最好设有凹槽、凹陷、肋条、凸出物或其他增强握持力的特征。或者，手柄342可以具有模压成型的粘性(例如橡胶或硅胶)贴片343、344，或具有规则形状(例如六角形手柄345)或不规则形状(例如三瓣手柄348)。
优选实施例(图4)具有圆柱形卷绕手柄440，其直径443在约20mm和35mm之间，握持(套筒)长度446在15mm和120mm之间。为了提高使用者的握持力，手柄的表面包含多个模制槽道450。当手柄440与壳体的其余部分进行组装时(通过向上滑动来覆盖较窄部分340，并将手柄固定在输入齿轮系460、470上)，手柄可以旋转，以驱动输入齿轮系，如下所述。
输入齿轮系
图5示出了拆下外部壳体后本发明实施例的内部部件。如之前附图所述，一般功能区域包括输入齿轮系530、电机发条540、输出齿轮系560和振动刷头570。耦合器580将机械能从输出齿轮系传递给刷头。
图6示出了一个示例性输入齿轮系的分解图。耦合器460是齿轮系的输入端，其中，所述耦合器连接卷绕手柄。在预定力的作用下，发条垫圈610推动两个互补的端齿盘板620、630。该力与端齿盘“顶点”之间的夹角和齿盘材料摩擦系数相结合，即可确定可通过输入卷绕手柄施加到所述机构上的最大扭矩量。换言之，端齿盘610、620、630作为输入扭矩限制器(参看图2，220)。
在行星齿轮组640、650、660的外齿轮或齿圈640上固定有端齿盘(板630)的“输出”侧。多个行星齿轮650在齿圈640与太阳齿轮(在该视图中很难看到，但是在660处可以看到太阳齿轮的输出夹头)之间转动。采用卷绕手柄的输入转数乘以约2到8(即行星齿轮组的传动比约为1：2～1：8)之间的系数来构造行星齿轮组。由于卷绕手柄的配置，使用者每次进行卷绕扭动时，需要绕端齿盘旋转约1/2圈。行星齿轮组使圈数成倍增加至大约1到4圈，以便压缩电机发条。可以增加行星式齿轮传动比，以减少压缩发条所需的圈数；或者可以减少传动比，以限制使用者在每次卷绕转动时所需的扭矩。盖670将各行星齿轮组部件聚拢在一起，轴680将转数成倍增加的卷绕扭动传递到装置的下一部分。
在一个实施例中，输入齿轮系可配备一个棘轮，使用者能够进行蓄能扭动，然后用力(可忽略不计)将手柄旋转回到其原来的位置，以便随时再进行一次蓄能扭动。在另一实施例中，输入齿轮系可配备两个不同的齿轮路径，以便通过沿任一方向转动手柄来压缩电机发条。在双向蓄能实施例中，每个方向上的传动比可能不同，在一个方向上，蓄能时仅有少量的高扭矩扭动，而在另一个方向上，则需要更多的较低扭矩的扭动。握持力一般的成年人以及无法对卷绕机构施加普通扭矩的儿童或体弱人员都可以很容易地使用该实施例。
在卷绕手柄和输入齿轮系(如图6所示)之间，或输入齿轮系和受压缩发条之间，优选实施例设有扭矩限制机构。扭矩限制器可有助于防止卷绕过度，进而导致齿轮系或储能部件发生损坏。设计有一个简易摩擦离合器，在达到预定扭矩时滑动，或者端齿盘可以通过选择角度、接头材料以及使接头结合在一起的发条压缩力，使极限扭矩得到更精细的控制。当达到极限扭矩时，端齿盘还可以提供听觉或触觉反馈，这样使用者就可以很容易确定电机发条何时完全压缩。
储能
图7示出了一种适用于本发明实施例的发条电机模块710。从外部看，所述模块为相当简单的圆柱形外壳720，具有一个输入轴680(注意平面685，其中输入齿轮系的太阳齿轮660夹紧所述轴)以及一个输出齿轮730(通过输出齿轮可传递储存的发条能量)。正交侧视图740在750处切割，但是几乎看不到内部结构760。在优选实施例中，在圆柱形外壳内布置螺旋发条或涡卷发条。发条可以完全压缩6圈左右(卷簧器2到4圈左右，乘以输入传动比)，之后还能够以相对恒定的扭矩经输出齿轮730传递储存的能量。
在优选实施例中，电机发条采用恒力发条，有时称为定型发条。在其大多数展开或能量传递工作期间，在其设计工作范围内，恒力发条或定型发条对其负载施加相对一致的力。此种力放宽了对后续机械阶段的设计约束，无需考虑发条向下卷绕时变动极大的动力传递。
输出齿轮系
图8示出了一个实施例的输出齿轮系的分解图，该分解图从发条电机的输出齿轮730开始。该输出齿轮系作为多级行星齿轮组的太阳齿轮，可使发条的输出转数成倍增加。输出齿轮系壳体810的下部包括若干齿圈，若干行星齿轮和太阳齿轮组820在齿圈内运行。
最终太阳齿轮830在轴840上转动，并以大约350到450倍发条电机齿轮730速度旋转。在优选实施例中，输出传动比为420：1。
多级行星倍速器810、820、830与惯性限速器850(参看图2，280)耦合，下文将详细说明。当发条电机返回其能量时，限速器或调速器850工作，保持最终输出齿轮860以相对均匀的速率转动。(在没有限速器850的情况下，牙刷开始可能运转得很快，接着会随着发条松弛而减速。)
帽或盖870将输出齿轮系和调速器封装起来，并形成底座，以支撑最终刷子传动机构880。
限速器(调速器)
图9A和图9B分别示出了限速器(图8中的850)的俯视图和仰视图。在图9A中可以看到最终速度控制输出齿轮860，而在图B中可以看到太阳齿轮830，它是倍速行星齿轮系的末级。半圆形配重910和半圆形配重920分别通过枢轴销915和枢轴销925固定在齿轮830和齿轮860上，并随着齿轮830和齿轮860转动。当齿轮转动时，所述配重外摆，950和960，但又会被发条930拉回。当齿轮830快速转动时，配重外摆，甚至可能向输出齿轮系帽870的内侧拖动，降低输出齿轮速度。当齿轮830转动更为缓慢时，发条930将配重朝中心轴840方向拉回，使输出齿轮系转动更快。这样，图9A和图9B中所示的机构就可以稳定输出齿轮速度。输出齿轮速度可以使刷牙的一致性程度更高，并且还可以通过控制能量从蓄能器中释放来延长工作时间，因此，稳定输出齿轮速度十分有益。
制动器
图10示出了一个实施例的输出齿轮系的另一视图。输出齿轮系帽870安装到位，在1010处显示了一个偏心旋压杯。最终传动齿轮使杯体快速旋转，使刷子传动连杆1020的下端作圆周运动。连杆1020的下部为一个斜锥形，衬套1030位于顶点。连杆1020在衬套1030上方往复运动(上下移动)。如上所述，输出齿轮系使发条电机的转数成倍增加，所以偏心旋压杯1010在扭矩很小的情况下转动非常快。因此，采用制动垫块1040顶住旋压杯1010，即可相对容易地中断其旋转。这种方法会使整个输出齿轮系停止工作，有效关闭动力牙刷。制动垫块1040由薄钢片等轻质发条构件1050承载。双稳(点击开启，点击关闭)机构1060向前推动发条，制动垫块1040使旋压杯1010停止工作；或者使发条能够从杯1010中拉出制动垫块1040，使牙刷开始振荡或振动。
振动刷
最后，图11示出了一个实施例的刷子传动机构的部分细节。输出齿轮系盖870的顶部为联动装置880，联动装置880将最终速度控制输出齿轮860(此处不可见)的旋转转换成刷子传动连杆1020的往复运动，刷子传动连杆1020沿壳体的窄颈向上移动。在可拆卸刷头1120内，另一联动装置将连杆的往复运动转换成刷毛的适当旋转、平移或扫动运动(在本图中，刷毛绕与其平行的轴来回旋转)。优选采用手动卡夹1130在窄颈上固定刷头——当刷子磨损或损坏时，可拆下刷头并进行更换。一个实施例可具有斜角颈部；在这种情况下，可以使用如1140处所示的柔性接头，通过斜角颈部将往复运动从传动机构传递到刷头。其他实施例可采用旋转式最终传动，例如，连杆1020可以自行旋转，将动力传递到刷头，齿轮或其他合适的机构将旋转转换成所需的刷子运动。
本发明的一个实施例可以包括一个发条；用于压缩发条的手动卷绕装置；用于可控地释放发条压缩力的传动装置；以及一个刷子，所述刷子与所述传动装置耦合，使刷子在传动装置可控地释放发条压缩力时振动。
如前所述的实施例可进一步包括一个制动器，用于防止传动装置在制动器接合时可控地释放发条压缩力。
如前所述一个实施例的发条可以是电机发条。
如前所述的一个实施例可具有一个卷绕装置，包括一个传动比在1：2到1：8之间的行星齿轮组。
如前所述的实施例可具有一个卷绕装置，包括一个扭矩限制器。
一个实施例的扭矩限制器可以采用一个端齿盘。
如前所述的一个实施例可具有一个传动装置，包括一个传动比在1：350到1：450之间的行星齿轮组。
如前所述一个实施例的传动装置可包括一个惯性限速器。
如前所述的一个实施例可将发条、卷绕装置和传动装置放置在一个基本上呈圆柱形的壳体中。
另一个实施例可包括一个大致呈圆柱形的主体，所述主体包括一个下部、一个上端以及所述下部和所述上端之间的一个中间部分，所述上端设有一个可更换振动刷；一个设置在中间部分内部的定型发条；一个在下部和定型发条之间耦合的输入齿轮系；一个在定型发条和可更换振动刷之间耦合的输出齿轮系；以及一个用于防止输出齿轮系运行的输出制动器，其中，下部相对中间部分绕大致呈圆柱形的主体的轴线旋转，激活输入齿轮系，使定型发条发生卷绕；停用输出制动器，使定型发条驱动输出齿轮系，从而激活振动刷。
如前所述的一个实施例可进一步包括一个调速器，所述调速器与输出齿轮系耦合，将输出齿轮系的工作速率限制在预定的速率。
如前所述的一个实施例可进一步包括一个扭矩限制器，所述扭矩限制器与输入齿轮系耦合，防止输入齿轮系在卷绕过程中向定型发条施加的扭矩大于预定扭矩。
一个实施例的扭矩限制器可以是一个端齿盘或摩擦片齿盘。
如前所述的一个实施例可具有一个输入齿轮系，所述输入齿轮系包括一个行星齿轮组，所述行星齿轮组将大致呈圆柱形的主体的下部的第一角旋转转换成不同的角旋转，用于卷绕定型发条。
如前所述的一个实施例可采用一个棘轮，所述棘轮将仅一个方向上的旋转转换成内部发条的卷绕。
一个实施例的输入齿轮系可以将大致呈圆柱形的主体的下部在任一方向上的旋转转换成定型发条的卷绕。
在一个实施例的输入齿轮系中，第一方向上旋转的第一传动比可以与第二不同方向上旋转的第二传动比不同。
一个实施例可包括一个具有中心轴的大致呈圆柱形的壳体；一个包含在大致呈圆柱形的壳体内的电机发条；一个位于大致呈圆柱形的壳体一端的卷绕帽，所述卷绕帽能够绕中心轴旋转；一个卷绕齿轮系，包括一个在卷绕帽和电机发条之间耦合的第一行星齿轮组，所述卷绕齿轮系的传动比为约1：2到约1：8，卷绕齿轮系工作时，可以将卷绕帽绕中心轴的第一角旋转转换成电机发条的第二不同角旋转；一个与大致呈圆柱形的壳体另一端耦合的振动刷；一个传动齿轮系，包括一个在电机发条和振动刷之间耦合的第二行星齿轮组，所述传动齿轮系的传动比为约1：350到约1：450，传动齿轮系工作时，可以将电机发条的第三角旋转转换成振动刷的振动周期；一个惯性限速器，所述惯性限速器与传动齿轮系耦合，防止第三角旋转的旋转速率超过最大预定旋转速率；以及一个制动器，所述制动器接合时可防止传动齿轮系工作，从而不会将电机发条的第三角旋转转换成振动刷的振动周期。
在很大程度上通过参考具体实例并根据对某些机械结构和布置的特定功能性分配来说明本发明的应用。然而，本领域技术人员认识到，也可采用与本文所述优选实施例不同的方式来构造手动卷绕机械式动力牙刷。这种变异和替代实施方式可以理解为根据以下发明要求保护范围获得。

Claims (15)

1.一种动力牙刷，包括：呈圆柱形的主体，所述主体包括下部、上端及所述下部和所述上端之间的中间部分，所述上端设有可更换振动刷；定型发条，设置在中间部分的内部；输入齿轮系，在下部和定型发条之间耦合；输出齿轮系，在定型发条和可更换振动刷之间耦合；以及输出制动器，用于防止输出齿轮系工作，其特征在于，
下部相对中间部分绕呈圆柱形的主体的轴线旋转，激活输入齿轮系，使定型发条发生卷绕，
停用输出制动器，使定型发条驱动输出齿轮系，从而激活振动刷。
2.根据权利要求1所述的动力牙刷，其特征在于，进一步包括：
调速器，与输出齿轮系耦合，用于将输出齿轮系的工作速率限制在预定的速率。
3.根据权利要求1所述的动力牙刷，其特征在于，进一步包括：
扭矩限制器，与输入齿轮系耦合，用于防止输入齿轮系在卷绕过程中向定型发条施加的扭矩大于预定扭矩。
4.根据权利要求3所述的动力牙刷，其特征在于，所述扭矩限制器为端齿盘。
5.根据权利要求3所述的动力牙刷，其特征在于，所述扭矩限制器为摩擦片齿盘。
6.根据权利要求1所述的动力牙刷，其特征在于，所述输入齿轮系包括行星齿轮组，所述行星齿轮组将呈圆柱形的主体的下部的第一角旋转转换成不同的角旋转，用于卷绕定型发条。
7.根据权利要求1所述的动力牙刷，其特征在于，所述输入齿轮系包括棘轮，所述棘轮将仅一个方向上的旋转转换成内部发条的卷绕。
8.根据权利要求1所述的动力牙刷，其特征在于，所述输入齿轮系将呈圆柱形的主体的下部在任一方向上的旋转转换成定型发条的卷绕。
9.根据权利要求8所述的动力牙刷，其特征在于，第一方向上旋转的第一传动比与第二不同方向上旋转的第二传动比不同。
10.一种动力牙刷，其特征在于，包括：
壳体，呈圆柱形，具有中心轴；
电机发条，包含在呈圆柱形的壳体内；
卷绕帽，位于呈圆柱形的壳体一端，所述卷绕帽能够绕中心轴旋转；
卷绕齿轮系，包括在卷绕帽和电机发条之间耦合的第一行星齿轮组，所述卷绕齿轮系的传动比为约1：2到约1：8，卷绕齿轮系工作时，能够将卷绕帽绕中心轴的第一角旋转转换成电机发条的第二不同角旋转；
振动刷，与呈圆柱形的壳体另一端耦合；
传动齿轮系，包括在电机发条和振动刷之间耦合的第二行星齿轮组，所述传动齿轮系的传动比为约1：350到约1：450，传动齿轮系工作时，能够将电机发条的第三角旋转转换成振动刷的振动周期；
惯性限速器，与传动齿轮系耦合，用于防止第三角旋转的旋转速率超过最大预定旋转速率；以及
制动器，所述制动器接合时能够防止传动齿轮系工作，从而不会将电机发条的第三角旋转转换成振动刷的振动周期。
11.一种动力牙刷，其特征在于，包括：
发条；
手动卷绕装置，用于压缩发条；
传动装置，用于可控地释放发条压缩力；以及
刷子，与所述传动装置耦合，以使刷子在传动装置可控地释放发条压缩力时振动。
12.根据权利要求1所述的动力牙刷，其特征在于，进一步包括：
制动器，用于防止传动装置在制动器接合时可控地释放发条压缩力。
13.根据权利要求11所述的动力牙刷，其特征在于，所述发条为电机发条。
14.根据权利要求11所述的动力牙刷，其特征在于，所述卷绕装置包括传动比在1：2和1：8之间的行星齿轮组。
15.根据权利要求11所述的动力牙刷，其特征在于，所述卷绕装置包括用作扭矩限制器的端齿盘。
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