CN1913843B - 电动牙刷及类似装置的驱动系统 - Google Patents

Abstract

一种用于为诸如牙刷或类似装置的处理工具赋予运动的驱动系统包括受到电机驱动而绕旋转轴旋转的凸轮。该凸轮具有偏离该旋转轴的闭合回路凸轮轨道。控制部件设置在该凸轮和处理工具头之间。该控制部件具有完全延伸穿过该控制部件的控制槽。枢轴部件位于该控制部件和处理工具头之间。该驱动系统还包括驱动轴，该驱动轴的驱动端自由安装在凸轮轨道内。驱动轴延伸穿过控制槽和枢轴部件，其从动端可操作地连接至工具头的驱动连接。因此，当凸轮部件旋转时，通过将驱动轴限制在控制槽内滑动，而控制驱动轴的运动方向。因为驱动轴自由安装在凸轮轨道内，所以它仍然能够旋转。赋予活动处理元件的摆动的扭矩和角度由枢轴部件相对于处理头的位置决定。

Description

电动牙刷及类似装置的驱动系统

发明背景

现有各种处理工具，在工具的头部上包括活动处理元件。例如，电动牙刷通常具有连接到手柄的刷头，其中刷头的至少一部分沿一个方向连续旋转，或者来回摆动。其它可具有活动处理元件的处理工具包括例如电动剃须刀、剪刀、按摩装置以及其它各种个人整饰装置。

WO 03/02453中描述了电动牙刷的一个实例，在其清洁头上带有摆动盘。该牙刷包括通过凸轮与电机耦接的驱动摇杆。驱动摇杆的一端在偏离电机轴的位置固定安装至凸轮。因此，当电机轴转动凸轮时，驱动摇杆以类似漏斗或圆锥的方式运动。驱动摇杆安装在电机和延伸穿过环形轴承元件的硬毛载体之间。通过将驱动摇杆安装在电机和具有轴承元件的硬毛载体之间，将驱动摇杆固定至一点，使得驱动摇杆的驱动位移作双圆锥运动，其中两个会聚圆锥的峰位于轴承元件区域内。驱动摇杆的驱动位移转换成硬毛载体的驱动位移。

需要提供一种用于为诸如电动牙刷的处理工具赋予运动的驱动系统，其中以有效但经济的方式控制该运动。还需要提供这样一种驱动系统，其可在使用小电机的情况下有效运作，从而使处理工具价格便宜且具有小尺寸，但不会有损其效率。

发明内容

本发明的一个目的是提供用于为诸如电动牙刷或类似装置的处理工具赋予运动的驱动系统，以便产生和控制处理元件(如工具头上的清洁元件)的运动。

本发明的另一个目的是提供这样一种驱动系统，其运作有效，且使用时经济节约，并且能够制成小尺寸。

根据本发明，该驱动系统包括受到电机驱动而绕旋转轴旋转的凸轮。凸轮的外表面具有偏离或偏移旋转轴的闭合回路凸轮轨道。控制部件设置在凸轮和处理工具头之间。该控制部件具有完全延伸穿过该控制部件的控制槽，该槽相对于电机的旋转轴对称或有所偏移或不对称。枢轴部件位于控制部件和处理工具头之间。驱动轴的驱动端自由安装在凸轮轨道内。驱动轴延伸穿过控制槽和枢轴部件中的孔，驱动轴的从动端安装在处理工具头的驱动连接内。驱动轴沿不同于凸轮旋转轴而与该旋转轴成一角度的轴定位。在凸轮旋转过程中，通过允许驱动轴在凸轮轨道内自由行进，驱动轴的运动路径受到控制槽和凸轮轨道的限制。

在本发明的一个优选实施例中，控制槽是相对于凸轮旋转轴沿径向延伸的直线形状。凸轮轨道的形状优选为圆形，以使得在驱动轴旋转过程中匀速。或者，如果凸轮轨道是非圆形，例如为椭圆形，那么驱动轴的线性往复运动的速度可发生改变。

该驱动系统可与各种类型的处理工具一起使用。在本发明的一个优选实施例中，一种这样的处理工具是电动牙刷，其中响应驱动轴的弧形往复运动，承载诸如硬毛的清洁元件的牙刷头的至少一部分沿弧线来回摆动。在控制槽为直线形的本发明的一个优选实施例中，控制槽还平行于刷头的承载清洁元件的表面。因此，在刷头摆动时实现平面运动。

在一个备选实施例中，控制槽可以垂直于承载清洁元件的表面，由此形成垂直运动。在另一备选实施例中，凸轮轨道可以是椭圆形，而不是圆形。

附图说明

图1是根据本发明的电动牙刷形式的处理工具的部分截面的正视图；

图2是如图1所示的处理工具的部分截面的侧视图；

图3-4分别是沿图1中的线3-3和4-4截取的横截面图；

图5是处于不同操作相位的类似于图3的横截面图；

图6是处于不同操作相位的类似于图4的横截面图；

图7是示出本发明的驱动系统的一个操作相位的示意性正视图；

图7A是根据如图7所示的操作相位组合的类似于图3-4的视图；

图8是处于不同操作相位的类似于图7的视图；

图8A是处于如图8所示的操作相位的类似于图7A的视图；

图9是处于不同操作相位的类似于图7-8的视图；

图9A是处于如图9所示的操作相位的类似于图7A和图8A的视图；

图10是处于不同操作相位的类似于图7、图8和图9的视图；

图10A是处于如图10所示的操作相位的类似于图7A、图8A和图9A的视图；

图11是根据本发明经修改的控制部件的类似于图3的视图；和

图12是根据本发明经修改的凸轮部件的类似于图4的视图。

具体实施方式

本发明涉及一种用于为处理工具赋予运动的驱动系统，其中一(多个)处理元件活动地安装在工具头上。当整个头活动时，或者当只有头的一部分活动且该活动部分包括该处理工具的至少一些处理元件时，可以实施本发明。这样的处理工具的代表性实例包括电动牙刷、电动剃须刀、剪刀、按摩装置及其它个人整饰工具。应了解，不希望此实例列表限制本发明的范围或实施。

本发明的一个优选实施例是电动牙刷的驱动系统。附图中对本发明的这个实施例进行了说明。

如图1-2所示，电动牙刷10包括中空手柄12和通过中空颈16连接到该手柄的刷头14。在本发明的所示形态中，刷头14包括固定部分18和活动盘20。固定部分18和盘20都具有从其外表面22向外延伸的清洁元件21。这些清洁元件可以采用任何合适的形式，例如由纤维或类似物制成的硬毛或具有任何尺寸或形状的弹性体元件。类似地，盘20可以是任何尺寸或形状。为了进行说明，将盘20示为大致为圆形的形状。希望通过大体用附图标记24表示的驱动系统来使盘20在有限弧内来回旋转地摆动。

牙刷10的手柄12可以具有普遍已知的结构，其包括具有电机轴28的电池操纵电机26，当以已知方式致动牙刷10时，电机26转动电机轴28。轴28的旋转轴大致由图7-10中的附图标记30表示。

根据本发明，驱动系统24包括凸轮32，该凸轮32以任何合适的方式可操作地连接至电机轴28并由电机轴28转动，例如通过使电机轴伸入凸轮部件的轴环34内并可操作连接至轴环34而将凸轮32安装在电机轴28上。凸轮可以是任何合适的尺寸和形状，优选为相对较薄且形状为圆形的板或盘，其直径略小于凸轮32所在的手柄12部分的内径，如图1-2所最佳示出。

如图4和图6所示，凸轮32在其外表面中具有闭合回路凸轮轨道36，这样做的原因将在稍后作说明。

驱动系统24还包括位于凸轮32和头14之间的牙刷10的手柄或颈内的控制部件38。控制部件38可以是任何合适的尺寸和形状，优选为抵靠在手柄12内的肩40安装的薄板或薄盘。图中将控制部件38示为圆形形状且安装在靠近凸轮32的位置。控制部件38也可以具有不同形状，且位于远离凸轮32的位置。如图1-3和图5所示，控制槽42完全延伸穿过控制部件38。尽管安装了凸轮部件32用以旋转，但是控制部件38具有固定的非活动部件安装。将控制槽42安置成与凸轮32旋转时凸轮轨道36的运动路径一致，稍后将对此进行说明。图4和图6示出了凸轮部件32在其旋转过程中相隔180°的两个不同的极限位置。如图中所示，在本发明的一个优选实施例中，凸轮轨道36并没有延伸超过旋转轴30或凸轮部件中心点，但凸轮轨道36绕该旋转轴运动或旋转。类似地，如图3和图5所示，控制槽42优选不延伸超过该旋转轴，但也可以延伸超过该旋转轴。

如稍后将描述，控制槽42可以具有各种形状和定向。在本发明的一个优选实施例中，控制槽42具有直线形状，其相对于旋转轴沿径向定位。该径向定位可以从旋转轴30开始。然而，当不只是将控制槽42限制在旋转轴的一侧，而是可以延伸穿过且超过旋转轴，并且可以相对于旋转轴对称时，也可以实施本发明。

驱动系统24的另一个部件是枢轴部件44。图中将枢轴部件44示为位于颈16内，其中颈与头14合并。枢轴部件44可以是任何合适的尺寸和形状，例如安装在任何合适位置的板，或者可以是向内延伸的肩。枢轴部件44具有通孔46，该通孔46与挠性轴承48成一直线，该挠性轴承48与第4,149,291号美国专利中所描述的挠性轴承类似，该专利的所有细节以引用的方式并入本文中。当该挠性轴承由合适的弹性体材料制成时，其起到垫圈的作用。

驱动系统24的另一个元件是驱动轴50。驱动轴50的驱动端52自由地安装在凸轮轨道36内。驱动轴50延伸穿过控制槽42和枢轴部件44，其从动端54伸入盘20侧中的槽56内。将从动端布置在盘内以便以摆动方式转动盘的布置类似于美国专利5,625,914和WO03/024353中的布置，这两个专利的所有细节以引用的方式并入本文中。优选地，从动端54大致为球或球形，以便当从动端54位于槽56内时在从动端54使盘20往复运动过程中，使任何滑移最小，且提供平滑操作。

图7-10A以及图3-6说明驱动系统24的运作方式。图7A-10A通过以虚线将控制槽42叠加在凸轮部件32上而示出了控制槽42和凸轮轨道36之间相对于驱动轴50的关系。控制槽的尺寸只是略大于轴50的直径，使得轴50在槽42内紧贴滑动。

图7和图7A说明驱动轴50通过位于靠近凸轮32的边缘的凸轮轨道36部分内而位于控制槽42的极限外端靠近凸轮32的外边缘位置时的操作相位。此可视为是0°和360°位置。在此位置时，活动盘20已经绕其旋转轴旋转了15°角。当凸轮32旋转时，凸轮轨道36也随之旋转。在此旋转过程中，轴50受到控制槽42的限制而在控制槽内滑动，但其驱动端仍位于凸轮轨道36内。在此滑动过程中，驱动轴50通过枢轴部件44枢转，而这又使其从动端54转动盘20。图7-10A示出了处于不同操作相位时的不同位置。图8示出了当凸轮32从图7所示的0°或360°位置旋转90°时驱动系统24的各个部件的运动。因此，如图8和8A所示，此90°旋转使驱动轴50发生枢转，使得盘20现在运动至7.04°的偏心位置。比较图7A和8A可显见，虽然凸轮32发生旋转，但是驱动轴50沿线性或平面方向运动，这是因为控制槽42的形状限制了运动的驱动轴，使得它只可在控制槽42的相同直线形状内运动。与图7和图7A所示的位置相比，在图8A所示的位置，驱动轴50已经在控制槽42内向内作了移动。

图9和图9A示出了当凸轮部件32从图7中的位置旋转180°时驱动系统24的各个元件或部件的位置。在此位置，凸轮轨道36也已经从它在图7所示的相位时所处的位置旋转了180°。驱动轴50现在已经运动至控制槽42的内端，使得盘20沿与它在图7中所在的位置相反的方向旋转了15°。从而，由此产生30°的摆动，其中在盘20的旋转轴的每一侧上各有15°的摆动。

图10示出了凸轮32继续朝着它的原始位置往回旋转时的另一操作相位。在图10和图10A所示的相位中，已经发生270°的旋转。凸轮轨道36相应地旋转了270°，且驱动轴50在控制槽42内朝向它在图7和图7A中的原始位置往回滑动。

通过适当地设计槽42、枢轴44和凸轮轨道36的尺寸和位置，可以控制盘20的摆动程度。优选地，摆动程度应为30°或更小。然而，当摆动程度在15°至40°范围内时，也可以实施本发明。

通过提供直线形控制槽，使得驱动轴50的运动保持为平面运动。当直线形控制槽平行于头14的承载清洁元件21的外表面22或与该外表面22处于同一平面内时，平面运动也平行于外表面22。但是，应了解，当使用其它形状和定向的控制槽时，也可以实施本发明。因此，例如，控制槽可以相对于外表面22成一非平行角，例如成90°角，由此产生不平行于外表面22的平面运动，但前提条件是控制槽是直线形状。图11示出了一个变型，其中控制槽42A是弧形形状，由此产生相应的向上/向下运动。但是，该弧形运动是不会导致类似圆锥运动的往复运动。当槽42A使用平滑弧时，相应的运动也平滑。

在本发明的一个优选实施例中，凸轮轨道36是圆形回路。但是，也可以使用其它形状。例如，图12示出了形状略微为椭圆形的凸轮轨道36A。该凸轮轨道形态将使驱动轴50的运动速度不恒定。如图12所示，椭圆形凸轮轨道36A的短轴平行于外表面22，且其直径等于圆形凸轮轨道36的直径。凸轮轨道36A的长轴垂直于外表面22。也可以采用其它形态的凸轮轨道。

在本发明的优选实施例中，凸轮轨道是具有平滑构型的闭合回路。但是，当形成某一不规则类型的闭合回路时，也可以实施本发明。

枢轴部件44的位置控制着由驱动轴50的运动所产生的摆动的扭矩和角度。通过将枢轴位置移动至更靠近头14的位置，扭矩将增大，但同时摆动角将减小。反之，通过将枢轴位置移动至远离头14的位置，扭矩将减小，而摆动角将增大。

可以使用任何合适的电机26来转动凸轮部件32。合适电机的一个实例是Mabuchi RF-N60CA-2050。优选地，使用马力充足但尺寸相对较小的电机。因此，可以为手柄12使用小直径外壳，且可以在诸如牙刷10的处理工具内使用小尺寸组件。通过这样做，从而可以产生小尺寸但不会损害工作效率的价格便宜的牙刷或其它处理工具。

在处理工具是牙刷的本发明的所示实施例中，活动处理器具(即，头14上的盘20)沿弧形或旋转方向往复运动。该弧形运动可以理想地提供(例如)增强的清洁效果。但是，也可以实现其它形式的运动，例如，当想要用处理工具来提供按摩功能时，可以实现震动。

在存在平面往复运动的本发明的所示型式中，所实现的好处是对诸如驱动轴和头的各种组件的磨损较小，同时震动也较小。

本领域的技术人员可以明白，控制部件具有限制驱动轴的运动方向的控制槽，且其中驱动轴的驱动端自由安装在相对于凸轮部件的旋转轴偏移或偏离的闭合回路凸轮轨道内，通过结合这两点，可以有效控制驱动轴的运动，该运动可以传输给处理工具中的头的一部分，从而有效地控制诸如电动牙刷的清洁元件的处理元件的运动。

Claims (20)

1.一种用于为具有头的处理工具赋予运动的驱动系统，所述头具有可与所述头分开活动的处理器具并且具有工具元件，所述驱动系统包括：

电机，所述电机具有可旋转的电机轴；

凸轮，其受到所述电机轴的驱动而绕旋转轴旋转，所述凸轮具有带闭合回路凸轮轨道的外表面，所述闭合回路凸轮轨道具有内壁和外壁，并偏离所述旋转轴；

处理工具头，其远离所述凸轮；

控制部件，具有从中完全贯通的控制槽；

枢轴部件，其位于所述控制部件和所述处理工具头之间，所述枢轴部件具有通孔，所述处理工具头具有安装至所述处理器具且朝向所述枢轴部件设置的驱动连接；

驱动轴，其具有纵向轴线以及驱动端和从动端，所述驱动端和所述从动端沿着所述纵向轴线共轴，所述驱动端自由地安装在所述凸轮轨道内，所述驱动轴延伸穿过所述控制槽和所述枢轴部件中的所述孔，所述从动端可操作地安装至所述工具头的所述驱动连接，以使所述工具元件响应所述驱动轴的运动独立于所述头而运动，

所述驱动轴的所述纵向轴线不同于所述凸轮旋转轴且与所述凸轮旋转轴成一角度，

所述控制槽控制所述驱动轴的运动路径，由此，所述凸轮的旋转使所述驱动端响应所述驱动轴在所述控制槽内的定位而沿所述凸轮轨道的所述内壁和所述外壁运动，当所述驱动端沿所述凸轮轨道的所述内壁和所述外壁滑动时，所述驱动轴通过所述枢轴部件作枢转运动，同时所述驱动轴在所述控制槽内滑动，以便将所述驱动轴的枢转运动传送给所述驱动端和所述驱动连接，用以使所述处理器具运动。

2.如权利要求1所述的驱动系统，其特征在于，所述控制槽是直线形，以便使所述驱动轴作平面运动。

3.如权利要求2所述的驱动系统，其特征在于，所述凸轮轨道是圆形。

4.如权利要求2所述的驱动系统，其特征在于，所述凸轮轨道是非圆形。

5.如权利要求4所述的驱动系统，其特征在于，所述凸轮轨道是椭圆形。

6.如权利要求2所述的驱动系统，其特征在于，所述控制槽从所述旋转轴沿径向延伸。

7.如权利要求1所述的驱动系统，其特征在于，所述控制槽是非直线形。

8.如权利要求7所述的驱动系统，其特征在于，所述控制槽是弧形。

9.如权利要求1所述的驱动系统，其特征在于，所述凸轮轨道没有延伸超过所述旋转轴。

10.如权利要求1所述的驱动系统，其特征在于，所述驱动连接包括位于所述处理工具头的一部分内的槽，且所述驱动轴的所述从动端在安装于所述处理工具头的槽内的球内终止。

11.如权利要求1所述的驱动系统，其特征在于，所述驱动轴延伸穿过所述枢轴部件的所述通孔内的挠性轴承。

12.如权利要求1所述的驱动系统，其特征在于，所述处理工具是牙刷，所述头是具有外表面的清洁头，所述处理元件是从所述外表面向外延伸且位于所述头的至少一部分上的清洁元件，且所述驱动连接是位于所述头的所述部分内的槽。

13.如权利要求12所述的驱动系统，其特征在于，所述控制槽是平行于所述头的所述外表面的直线形状。

14.如权利要求13所述的驱动系统，其特征在于，所述凸轮轨道是圆形。

15.如权利要求14所述的驱动系统，其特征在于，所述枢轴部件是薄板，且所述控制部件是薄盘。

16.如权利要求15所述的驱动系统，其特征在于，所述控制槽从所述旋转轴沿径向延伸，且所述凸轮轨道没有延伸超过所述旋转轴。

17.如权利要求16所述的驱动系统，其特征在于，所述处理工具在不大于30°的范围内来回摆动。

18.如权利要求12所述的驱动系统，其特征在于，所述驱动系统为非平行于所述头的所述外表面成一个角度的直线形状。

19.一种用于为在处理工具上的处理器具赋予运动的驱动系统，包括：

具有转动安装在其上的处理工具的头；

其中，处理工具独立于所述头移动；

多个安装到处理元件的工具元件；

具有可转动电机轴的电机，通过所述电机轴绕转动轴线受到转动式驱动的凸轮，所述凸轮具有带闭合环凸轮轨道的外表面，所述闭合环凸轮轨道具有内壁和外壁并偏心于所述转动轴线；

具有完全从中通过的控制槽的控制件；

位于所述控制件和所述头之间的枢转件，所述枢转件具有通孔，其中，所述头具有安装到所述处理工具的驱动连接并设置朝向所述枢转件；

具有纵向轴线以及驱动端和从动端的驱动轴，所述驱动端和所述从动端沿着所述纵向轴线共轴，所述驱动端自由地安装在所述凸轮轨道中，所述从动端操作式安装到所述头的所述驱动连接，以使所述处理工具响应所述驱动轴的移动进行移动，所述驱动轴的所述纵向轴线不同于所述凸轮的转动轴线并与之成角度，所述控制槽控制所述驱动轴的运动路径，由此，所述凸轮的旋转使所述驱动端响应所述驱动轴在所述控制槽内的定位而沿所述凸轮轨道运动，当所述驱动端沿所述凸轮轨道的所述内壁和所述外壁滑动时，所述驱动轴通过所述枢轴部件作枢转运动，同时所述驱动轴在所述控制槽内滑动，以便将所述驱动轴的枢转运动传送给所述驱动端和所述驱动连接，用以使所述处理器具的至少一部分运动。

20.如权利要求19所述的驱动系统，其特征在于，所述处理工具的移动是一种摆动转动式移动。

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