CN1830403A - 声波牙刷及其摆轴电机 - Google Patents

Abstract

一种声波牙刷，包括牙刷头和兼作手柄的牙刷主体，牙刷头含刷杆和植于刷杆一端的刷毛，牙刷主体内设置摆轴电机和电机驱动装置，摆轴电机含支架、支架外的电磁线圈及位于支架内腔中的摆轴，支架末端固定两块磁体，摆轴通过转轴安装于支架上，摆轴的动力输出端与牙刷头连接，摆轴另一端与两块磁体接近，摆轴电机一侧设置用于调节摆轴摆动频率的频率调节装置。本牙刷牙刷头的摆动频率较常规声波牙刷的250Hz提高到350～550Hz，“气穴”效应强度明显提高，洁齿效能明显提升。其运转噪音低，性能可靠，使用寿命长，而且生产工艺简单。可设计为适合儿童使用的牙刷。

Description

声波牙刷及其摆轴电机

技术领域

本发明涉及电动牙刷，特别是一种牙刷头以低音频频率摆动，借助“气穴”效应以达高效洁齿功效的声波牙刷及用于该声波牙刷的摆轴电机。

背景技术

电动洁齿器具的出现，是期望能替代普通手动牙刷和牙线，高效地清洁齿缝中的牙斑以及牙石。清洁聚集在牙缝及牙龈上的食物残渣较易实现，但对于牢固附着在牙龈表面的牙斑和牙石，一般用以下两种方法清洁：

1、用磨料辅助机械动力将牙石和牙斑直接磨除，该方法会对牙龈表面造成磨损，需在牙医建议下使用，不适合日常家用。

2、利用某种方法使口腔液在牙龈表面析出气泡，利用气泡的破裂产生的能量对牙斑和牙石层冲击，使之破裂松动，并辅助常规的机械力实现“气穴”效应，将牙斑和牙石清除。该方法不易对牙龈造成磨损，较适合应用在家用口腔护理产品中。利用该方法的产品主要有以下几种：

利用普通电机驱动的电动牙刷，该类电动牙刷使植有刷毛的刷头圆周回转、往复运动、振动、或以上的复合运动，能有效清结部分牙垢，但刷头因受到电机特性限制，动作频率一般小于125Hz，刷毛毛尖表现的速度和剪力不足驱动口腔液析出气泡，无法产生“气穴”效应，因而无法有效地将牙斑和牙石冲击脱落、剔除、清洗。

利用小水泵产生高压水流的喷射洁齿装置，它利用高压水柱直接冲击牙齿表面，产生气泡和对污垢直接冲击，对牙斑、牙垢的清洗比较理想。但由于产生高压水柱往往需要较大功率，导致动力装置体积较大，甚至要交流市电供电，携带不方便，而且存在安全隐患。

在刷头植入超声波振子，并让其工作在1～2MHz的频率，以期望能产生明显的“气穴”效应。但在实际应用中，由于手持电动特性的限制，不能供给过大的电能驱动超声波振子，而且刷毛一般用尼龙制做，材质偏软，对超声波能量衰减较为明显，无法有效将超声波能量传递到刷毛毛尖以产生明显的“气穴”效应。而且在使用中因无明显的人体可察觉的机械振幅，一般仍需要辅助手动或电机驱动刷牙。

动磁共振式系列声波电动牙刷，该驱动采用动磁方式属于利用交变电磁场作用于磁铁，产生与刷杆系统共振频率相同磁动力，磁铁固定在刷杆上并跟随刷杆运动，最终表现为牙刷头以共振频率高效摆动，该工作频率典形值为250Hz。该动力装置在实际生产应用中对于振动系统一致性要求非常高，对材料的材质和加工后硬度一致性精度要求非常苛刻，否则易出现共振频率漂移、动力系统短时疲劳断裂等现象，动力装置体积也较大，在便携性受到一定的限制，实用工作频率也很较难往更高端发展。

采用线性马达驱动的声波牙刷，该牙刷复合工作于两个低音频频率，其中主动作频率位250Hz，完成刷头上下直线运动，另一副频为330Hz完成扭矩输出，但该副频强度较弱，两种动作合成后形成螺旋运动输出，该动力输出为动铁谐振式线性电机，体积小，但因结构的限制，振子的振动惯量减轻难度较大，实用工作频率也较难提升，而且生产工艺复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的上述缺陷，提供一种工作于低音频范围、能有效清除牙垢和牙斑的声波牙刷，而且该声波牙刷整体结构和制造工艺简单，成本低。

本发明声波牙刷包括牙刷头和兼作手柄的牙刷主体5，牙刷头含刷杆2和植于刷杆2一端的刷毛1，所述牙刷主体5内设置摆轴电机4和电机驱动装置6，其中，摆轴电机4含支架51、支架51外的电磁线圈49及位于支架51内腔中的摆轴50，在支架51末端固定两块磁体47、48，所述摆轴50上固定转轴41，摆轴50通过转轴41安装于支架51上，摆轴50的动力输出端与牙刷头的刷杆2连接，摆轴50的另一端与所述两块磁体47、48接近，摆轴50在所述电磁线圈49和所述两块磁体47、48的共同作用下驱动牙刷头高速摆动，摆轴电机4一侧设置用于调节摆轴50摆动频率的频率调节装置。

所述频率调节装置包括两根弹性体43、44和设置于摆轴电机侧面的固定块45，它们的一端均与摆轴电机的转轴41固定，它们的另一端分别置于摆轴电机侧面的固定块45的两侧。所述摆轴50是导磁材料制成的，摆轴50的摆动频率的范围为150-550Hz。

本发明还提供一种用于声波牙刷的摆轴电机，它包括支架51、支架51外的电磁线圈49及位于支架51内腔中的摆轴50，在支架51末端固定两块磁体47、48，所述摆轴50上固定转轴41，摆轴50通过转轴41安装于支架51上，摆轴50的一端与所述两块磁体47、48接近，在所述电磁线圈49和两块磁体47、48的共同作用下高速摆动。其中，摆轴50是导磁材料制成的，摆轴50的摆动频率的范围为150-550Hz。

本发明中的摆动电机属于动铁式带阻尼的简谐式摆动，其摆轴用导磁材料制作，当电磁线圈通以交变电流时，就会在摆轴上导出交变磁力线作用于支架末端的磁体，从而产生相互作用力驱动摆轴摆动。该结构省去了用作导磁的硅钢片，在输出相同摆动力的条件下，体积可大幅度缩小，摆轴的质量也得以减轻，使摆轴在满足电磁力矩要求下谐振频率较常规声波牙刷的250Hz提高到350～550Hz，从而使牙刷头的摆动频率也提高到350～550Hz，“气穴”效应强度明显提高，洁齿效能明显提升。

在摆轴电机一侧设置频率调节装置，改善系统阻尼，调节摆轴摆动频率，该频率调节装置采用平衡式双储能弹簧平行于摆轴安置方式，运转噪音低，性能可靠，使用寿命长，而且生产工艺简单。

另外本发明整体结构和制造工艺过程简单，成本低。其摆轴电机体积小，可设计为适合儿童使用的电动牙刷。

附图说明

图1为本发明声波牙刷的结构示意图；

图2为图1的B-B剖视图；

图3a、b为图1声波牙刷去掉外壳后的结构图；

图4a、b为摆轴电机的结构示意图；

图5为图4b的A-A剖视图；

图6为摆轴电机的立体分解图；

图7为摆轴电机驱动装置的原理框图；

图8为本声波牙刷的充电座的原理框图；

图9为摆轴电机驱动装置的电路图；

图10为充电座的电路图；

图11为摆轴电机摆轴的运动示意图；

图12a、b为使用本声波牙刷刷牙时的使用状态示意图。

具体实施方式

下面结合附图做进一步说明。

如图1-6所示，本声波牙刷包括牙刷头和兼作手柄的牙刷主体5，牙刷头含刷杆2和植于刷杆2一端的刷毛1，该牙刷主体5含壳体、设置于壳体内的摆轴电机4和电机驱动装置6，图中7为充电用次级感应线圈，摆轴电机4含支架51、支架51外的电磁线圈49及位于支架51内腔中的摆轴50，在支架51末端固定两块磁体47、48，两块磁体47、48并排设置而且极性相反，所述摆轴50上固定转轴41，摆轴50通过转轴41安装于支架51的两个夹板46和46’上，摆轴50的动力输出端与牙刷头的刷杆2连接，摆轴50的另一端穿过支架51内腔与所述两块磁体47、48接近，摆轴电机4一侧设置用于调节摆轴50摆动频率的频率调节装置；电机驱动装置6驱动电磁线圈49产生交变磁场，该交变磁场使摆轴50两端的电磁极性交替变换，两块磁体47、48作用于被磁化的摆轴50，驱动摆轴50高速摆动，从而使刷杆2带动刷毛1高速摆动。

该频率调节装置包括两根弹性体43、44和设置于摆轴电机侧面的固定块45，所述两根弹性体43、44的一端通过连接器42与摆轴电机的转轴41固定，也可以直接与转轴41固定。两根弹性体43、44的另一端对称压置于摆轴电机侧面的固定块45的两侧，并保持一定的预压力。频率调节装置的两根弹性体43、44用于当摆轴偏离平衡位置时的能量储备，改善系统阻尼。两根弹性体43、44即为储能弹簧，它是决定系统谐振频率的主要因素之一。

上述摆轴电机4的摆轴50与牙刷头的刷杆2之间设置传动杆3，传动杆3一端插于刷杆2内的插孔中，传动杆3另一端与摆轴电机摆轴50的动力输出端的凹槽插接，传动杆3与摆轴电机结合处设置连接套。

摆轴50由高磁导率材料制成，可承受较高的抗饱和磁场强度，在没有交变电磁力的作用下，两块磁体47、48对摆轴50的作用力相等，两根弹性体43、44对摆轴50的作用力也平衡，摆轴50处于平衡状态，与支架51轴线平行。摆轴50在不影响磁饱和的条件下，应尽可能地减轻自身质量，以保证系统可设定较高的谐振频率、输出效率，以及牙刷舒适的手持特性。

摆轴50摆动幅度的极限值大小取决于电磁力矩、系统阻尼、固定磁场强度、摆轴物理尺寸和质量、以及驱动脉冲频率。摆轴电机的运动实际是一种有阻尼的受迫振动，其运动方程可用一个二阶方程式表达：

$J\frac{d^2\mathrm{\θ}}{{\mathrm{dt}}^2}+D_m\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}+\mathrm{\ω\θ}=M_E$

其中：

J---摆轴的转动惯量；

Dm---机械阻尼系数；

ω---弹簧丝的弹性系数；

M_E---电磁力矩；

θ---偏转角；

t---时间。

当摆轴50达到稳态，且工作频率与谐振频率相同时输出效率最大，谐振频率与摆轴质量成反比，与储能弹簧弹性模量成正比。

电磁线圈49绕在支架51上，线圈49用极性交变的方波源供给驱动能量，该方波的频率取决于系统的谐振频率，通过调整方波的有效峰值、或调整单波占空比，就可以改变线圈在摆轴上耦合的磁通，从而改变驱动摆轴的电磁力矩的大小。

安装于支架末端的两块磁体47、48应选用高磁力磁体，两块磁体47、48的主极性与摆轴平衡时的方向一致，两块磁体极性位置相反，组合后对称于支架轴线，并距摆轴末端保持0.1-2mm间隙作为磁气隙。

本实施例在转轴41和支撑转轴41的两个夹板46和46’之间装有轴承52，可提高摆轴电机的能量转换效率。

如图7所示，电机驱动装置6包括电池61和DC-AC变换器，DC-AC变换器输入端与电池61连接。电池61采用可充电电池。DC-AC变换器包括：一微处理器62，该微处理器62内部具有方波发生器，以及方波信号的频率控制器、占空比控制器和定时控制器，还具有电池电压检测、电量检测、充电信号识别、充电控制功能；一方波功率放大器66，该方波功率放大器66的电源端接可充电电池61，输入端接微处理器62的方波信号输出端；以及，一个控制开关63，该控制开关63接于所述微处理器62的一输入端。还包括状态指示灯65和蜂鸣器64，状态指示灯65和蜂鸣器64连接于所述微处理器62的相应输出端。

还包括可充电电池61的充电电路，该充电电路为线圈感应式充电电路，感应式充电电路的互感器的次级感应线圈7设置于牙刷壳体5内远离牙刷头的一端，互感器的初级感应线圈设置于牙刷的充电座内。这种线圈感应式充电方式可提高在潮湿环境下使用的安全性和可靠性。当然也可以设计为采用市电直接充电或普通变压器充电方式。

图9为摆轴电机驱动装置的电路图。图中，U1为8位微处理器，U2为串行数据存储器，用于存储声波电机特性数据。D1为整流二极管，L1为互感器的次级感应线圈。Q3、Q4、Q5、Q6桥接构成方波功率放大器，用于声波电机功率驱动。微处理器的11脚通过放大器接蜂鸣器SP1，5脚和6脚接控制按键S1，7脚为充电信号识别，2脚为电池低电压识别，9脚和10脚接状态指示灯。

上述DC-AC变换器的输出频率为150-550Hz，输出驱动功率约为3W。

图8为本声波牙刷的充电座的原理框图。它包括整流器、阻容降压器、自激振荡器、功率输出器和互感器的初级感应线圈。

图10为充电座的具体电路图。图中VA1为浪涌电压吸收器，L1、L2、C2、C3为滤波元件，C1、R1为降压元件，D1、D2、D3、D4构成桥式整流器，Q1、C5、C6构成三点式振荡器，L5为互感器的初级感应线圈。

摆轴电机是本牙刷的核心部件，它是靠交变的电流接入电磁线圈产生交变磁场，并通过磁感应作用于摆轴，使摆轴磁化后产生磁性，摆轴末端的极性不断地随交变磁场的变化而变化，磁化后的摆轴与靠近摆轴末端的两磁体交替地吸引/推斥，使摆轴高速摆动，带动牙刷头的毛刷高速摆动。摆轴电机输出形式为平面式摆动，可谐振在150～550Hz。本实施例摆轴电机动作机理如下：

参照图11，支架51末端的两块磁体47、48均产生固定磁场，两个固定磁场在靠近摆轴50处分别为N极和S极。当在初始无电磁力作用时，两块磁体47、48对摆轴50的作用力Y轴同向相等、X轴反向相等，两根弹性体43、44对摆轴50的作用力平衡，最终表现为摆轴50沿支架51的轴线平衡居中；

当驱动线圈49工作于驱动脉动的正半周，磁力线经摆轴50耦合，穿过磁体47、48产生的固定磁场，假定在摆轴50末端表现的电磁场极性为N(电磁场极性方向取决于线圈49绕向及电压接入极性)，摆轴末端因受固定磁场S极的吸合和固定磁场N极的排斥，开始向固定磁场S极运动，摆动过程中弹性体44受力变形，开始储能；当驱动脉动处于正半周结束时，摆轴50摆幅达最大，此时弹性体44能量储备达最大；

驱动脉动开始向负半周切换时，摆轴50末端电磁场极性换向为S，摆轴50末端受固定磁场N极的吸合和固定磁场S极的排斥，开始向固定磁场N极运动，同时弹性体44开始释放能量，加速摆轴归中；

当摆轴50置中时，弹性体44能量释完毕，摆轴50末端因受电磁力的作用继续向固定磁场N极运动，此时弹性体43受力变形，开始储能；当驱动脉动处于负半周结束时，摆轴50摆幅达最大，此时弹性体43能量储备达最大；

当驱动脉冲处于正半周始端时，摆轴50末端电磁极性又换向为N，因受固定磁场S极的吸合和固定磁场N极的排斥，开始向固定磁场S极运动，同时弹性体43开始释能，加速摆轴归中；

当摆轴50归中后，弹性体43能量释完毕，摆轴50末端因受固定磁场S极的吸合和固定磁场N极的排斥，继续向固定磁场S极运动，同时弹性体44开始储能，重复上述过程，实现摆轴的往复摆动。

参照图12a、b，摆轴电机的摆轴往复摆动，带动牙刷头往复摆动进行刷牙。刷毛毛尖运动过程可近似看为直线运动，可有效地保障运动过程中恒定作用于牙龈表面，提高清洁效率。本声波牙刷输入功率约为3W，在保持刷头较大振幅的情况下，可保持在150～550Hz下长寿命谐振工作，由于最高谐振频率是常规声波牙刷的250Hz的2.2倍，刷毛毛尖的运动速度较同类产品有大幅度的提升，对口腔液和牙垢的瞬时冲击能量也相应提高，口腔液气泡析出量明显较同类产品多，清洁效能较同类产品有大幅提升。

刷杆、刷毛、摆轴、储能弹簧的物理尺寸、重量、材料性能均会影响系统的谐振频率，具体上，系统谐振频率与刷杆、摆轴、刷毛重量成反比，与储能弹簧的弹性模量成正比。

摆轴电机的驱动能量由电机驱动装置6供给，电机驱动装置6输出周期性变换极性的方波，方波的频率与系统频率相同时，摆轴电机输出效率最大，改变方波的占空比可调节牙刷头输出的摆动强度。本实施例可可靠地工作在150Hz～550Hz，电机驱动装置输出加载后，要求方波尽可能陡升和陡降，以利于提高输出效率。

本发明牙刷中采用特殊的摆轴电机结构，其摆轴在满足电磁力矩要求，并为手持口腔护理器具电池供电合理性的条件下，可实现较轻的摆轴质量，从而可实现较高的谐振频率，可较常规声波牙刷的250Hz提高到350～550Hz，由于气穴效应的强度与口腔液的粘度成反比，与刷毛尖的运动速度成正比，而刷毛尖的运动速度与刷毛振幅成正比，与谐振频率成正比，因此在刷毛振幅不变的条件下，谐振频率的提高，可使气穴效应强度相对提高，从而有效的提高洁齿效能。另外，摆轴质量的减轻，使得在运动过程中，摆动惯量较小，表现出对手持位的震动较小，因此能让使用者较舒适地使用。

本发明还提供一种摆轴电机。

如图4a、b，图5和图6，本摆轴电机包括支架51、支架51外的电磁线圈49及位于支架51内腔中的摆轴50，在支架51末端固定两块磁体47、48，所述摆轴50上固定转轴41，摆轴50通过转轴41安装于支架51上，摆轴50的一端与所述两块磁体47、48接近，在所述电磁线圈49和两块磁体47、48的作用下高速摆动。其中，摆轴50是导磁材料制成的，摆轴50的摆动频率范围为150-550Hz。

该摆轴电机的结构省去了用作导磁的硅钢片，在输出相同摆动力的条件下，体积可大幅度缩小，摆轴的质量也得以减轻，使摆轴在满足电磁力矩要求下谐振频率大大提高。

Claims (10)

1、声波牙刷，包括牙刷头和兼作手柄的牙刷主体(5)，牙刷头含刷杆(2)和植于刷杆(2)一端的刷毛(1)，其特征在于：所述牙刷主体(5)内设置摆轴电机(4)和电机驱动装置(6)，其中，摆轴电机(4)含支架(51)、支架(51)外的电磁线圈(49)及位于支架(51)内腔中的摆轴(50)，在支架(51)末端固定两块磁体(47、48)，所述摆轴(50)上固定转轴(41)，摆轴(50)通过转轴(41)安装于支架(51)上，摆轴(50)的动力输出端与牙刷头的刷杆(2)连接，摆轴(50)的另一端与所述两块磁体(47、48)接近，摆轴(50)在所述电磁线圈(49)和所述两块磁体(47、48)的共同作用下驱动牙刷头高速摆动，摆轴电机(4)一侧设置用于调节摆轴(50)摆动频率的频率调节装置。

2、根据权利要求1所述的声波牙刷，其特征在于：所述频率调节装置包括两根弹性体(43、44)和设置于摆轴电机(4)侧面的固定块(45)，所述两根弹性体(43、44)的一端均与摆轴电机的转轴(41)固定，另一端分别置于摆轴电机(4)侧面的固定块(45)的两侧。

3、根据权利要求1所述的声波牙刷，其特征在于：所述摆轴电机的摆轴(50)与牙刷头的刷杆(2)之间设置传动杆(3)，传动杆(3)一端插于刷杆(2)内的插孔中，传动杆(3)另一端与摆轴电机摆轴(50)的动力输出端的凹槽插接。

4、根据权利要求1或3所述的声波牙刷，其特征在于：所述摆轴(50)是导磁材料制成的，摆轴(50)的摆动频率为150-550Hz。

5、根据权利要求1所述的声波牙刷，其特征在于：所述摆轴(50)接近磁体(47、48)的端部与磁体(47、48)之间有0.1-2mm的间隙。

6、根据权利要求1所述的声波牙刷，其特征在于：所述摆轴电机驱动装置(6)包括电池和DC-AC变换器，DC-AC变换器输入端与电池连接。

7、根据权利要求6所述的声波牙刷，其特征在于：所述电池为可充电电池，所述DC-AC变换器包括：

一微处理器(62)，该微处理器(62)具有方波发生器，以及方波信号的频率控制器、占空比控制器和定时控制器，还具有电池电压检测、电量检测、充电控制功能；

一方波功率放大器(66)，该方波功率放大器(66)的电源端接可充电电池，输入端接微处理器(62)的方波信号输出端；以及，

一个控制开关(63)，该控制开关(63)接于所述微处理器(62)的一输入端。

8、根据权利要求7所述的声波牙刷，其特征在于：还包括可充电电池的充电电路，该充电电路为感应式充电电路，感应式充电电路的互感器的次级感应线圈设置于牙刷壳体内，互感器的初级感应线圈设置于牙刷的充电座内。

9、根据权利要求6或7所述的声波牙刷，其特征在于：所述DC-AC变换器的输出频率为150-550Hz。

10、一种摆轴电机，其特征在于包括支架(51)、支架(51)外的电磁线圈(49)及位于支架(51)内腔中的摆轴(50)，在支架(51)末端固定两块磁体(47、48)，所述摆轴(50)上固定转轴(41)，摆轴(50)通过转轴(41)安装于支架(51)上，摆轴(50)的一端与所述两块磁体(47、48)接近，在所述电磁线圈(49)和两块磁体(47、48)的共同作用下高速摆动。

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