DE102004022663A1 - Elektrische Zahnbürste mit Oszillationsmotor, Aufsteckbürste und Verfahren zum Betreiben der elektrischen Zahnbürste - Google Patents

Abstract

Es ist ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Zahnbürste und eine Aufsteckbürste für eine elektrische Zahnbürste beschrieben, die ein Handteil (11) mit einem Oszillationsmotor und eine Aufsteckbürste aufweist, die vom Oszillationsmotor mit einer festen Frequenz angetrieben wird. Die Aufsteckbürste weist einen Bürstenschaft (13) und einen Bürstenkopf (15) auf, an dem Borsten (16) mit einer bestimmten Länge vorhanden sind, die eine um die Zahnbürstenlängsachse oszillierend-rotierende Reinigungsbewegung ausführen, wobei die beweglichen Teile der elektrischen Zahnbürste eine mechanische Resonanzfrequenz aufweisen, die vom Anpreßdruck abhängt, mit dem beim Zähneputzen die Aufsteckbürste gegen die Zähne gedrückt wird. Im Bereich des zahnmedizinisch gewünschten Anpreßdrucks ist die Amplitude der Reinigungsbewegung größer als sonst. Das Massenträgheitsmoment der beweglichen Teile der elektrischen Zahnbürste nimmt nämlich beim zahnmedizinisch gewünschten Anpreßdruck einen solchen Wert an, daß die mechanische Resonanzfrequenz im Bereich der Antriebsfrequenz liegt, weil sich beim Zähneputzen der Bürstenschaft senkrecht zur Zahnbürstenlängsachse verbiegt, sich die Borsten beim Zähneputzen verbiegen, sich eine Federkonstante durch Wirken der Borsten auf Zähne und/oder Zahnfleisch verändert, und sich die oszillierende Masse durch die an den Zähnen feststehenden Borstenenden verringert.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine elektrische Zahnbürste mit Oszillationsmotor und eine Aufsteckbürste für diese.
• Aus der US 5 263 218 ist ein System mit einem Linearmotor beschrieben, bei dem durch Belastung eine Dämpfung entsteht, wodurch die Schwingungsamplitude im Bereich einer Resonanzfrequenz ansteigen soll.
• In der Druckschrift US 5,189,751 wird eine elektrische Zahnbürste mit einem Resonanzsystem beschrieben, bei dem dieses mit einer Antriebsfrequenz von 150 Hz bis 400 Hz betrieben wird. Um zu erreichen, daß bei einer zu hohen Anpreßkraft der Borsten auf die Zähne und/oder das Zahnfleisch die Vibrationsamplitude automatisch verringert wird, sind ebenfalls Dämpfungsmittel vorgesehen. Weiterhin ist aus dieser Druckschrift bekannt, daß ein natürliches Resonanzverhalten des Resonanzsystems ausgenutzt werden kann, um ein Absenken der Vibrationsamplitude zu erreichen, wenn die Zahnbürste mechanisch nicht belastet wird. Hieraus ist auch bekannt, daß die Bürste sowie alle rotierenden Teile zusammen mit der Federkonstante ein Resonanzsystem bilden, bei dem die Antriebsfrequenz möglichst nah an die Resonanzfrequenz zu bringen ist.
• In der Beschreibungseinleitung der US 5,613,259 ist die Lehre der oben genannten Druckschriften US 5 263 218 und US 5,189,751 so beschrieben, daß beim Zähneputzen mit einer elektrischen Zahnbürste, die von einem Oszillationsmotor mit einer festen Ansteuerfrequenz angetrieben wird, bei einer bestimmten mechanischen Belastung (Anpreßdruck) das mechanische System der Zahnbürste mit der elektrischen Ansteuerfrequenz in Resonanz gerät. Die Amplitude der vom Bürstenkopf ausgeführten Putzbewegungen ist somit vom Anpreßdruck abhängig und bei einem bestimmten Anpreßdruck maximal. Ansonsten wird in der Druckschrift US 5,613,259 eine Zahnbürste mit Oszillationsmotor vorgeschlagen, die einen Oszillationssensor aufweist, der mit einer Steuerschaltung elektrisch verbunden ist. Diese sorgt dafür, daß eine Veränderung des Resonanzverhaltens infolge mechanischer Belastung durch einen Phasenregelkreis (Phase-locked loop circuity) geregelt wird. Diese Zahnbürste wird daher unabhängig von der beim Zähneputzen auftretenden mechanischen Belastung stets in Resonanz betrieben. Die Antriebsfrequenz ist daher nicht fest. Eine solche Lösung ist durch den Sensor und die zusätzliche Elektronik aufwendig.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Zahnbürste sowie eine elektrische Zahnbürste und eine Aufsteckbürste anzugeben, die ein optimales Putzergebnis bei größtmöglicher Schonung der Zähne und des Zahnfleischs ermöglicht.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektrische Zahnbürste gelöst, bei der die Amplitude der Putzbewegung nur im Bereich des zahnmedizinisch wünschenswerten Anpreßdrucks, mit dem die Bürste beim Zähneputzen gegen die Zähne gepreßt wird, maximal ist, vgl. Ansprüche 1,5 und 8.
• Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Zahnbürste besteht darin, daß sie ein optimales und zahnfleischschonendes Putzergebnis ohne aufwendige Regelungselektronik erreicht. Der Oszillationsmotor führt nämlich Drehschwingungen um die Zahnbürstenlängsachse mit einer festen Frequenz aus, mit der auch die Aufsteckbürste oszilliert. Die Erhöhung der Amplitude beim optimalen Anpreßdruck wird lediglich durch die Auslegung der oszillierenden Teile der Zahnbürste erreicht. Diese sind nämlich so ausgelegt, daß sich deren Trägheitsmoment um die Zahnbürstenlängsachse mit dem Anpreßdruck ändert, und gerade im zahnmedizinisch gewünschten Bereich des Anpreßdrucks einen Wert annimmt, bei dem die mechanische Resonanzfrequenz der oszillierenden Teile der Zahnbürste mit der Oszillationsfrequenz des Oszillationsmotors übereinstimmt, d.h. die Zahnbürste gerät im zahnmedizinisch wünschenswerten Bereich des Anpreßdrucks in Resonanz, was zu einer entsprechenden Resonanzüberhöhung der Amplitude der Putzbewegung führt.
• Die Änderung des Trägheitsmoments der schwingungsfähigen Teile der elektrischen Zahnbürste bei sich änderndem Anpreßdruck beruht auf mehreren Effekten. So werden beim Zähneputzen die Borsten gekrümmt, was dazu führt, daß die effektive, d.h. die für das Trägheitsmoment maßgebliche Länge der Borsten und damit das Trägheitsmoment verkleinert wird. Außerdem wird beim Zähneputzen der Bürstenschaft der Aufsteckbürste leicht verbogen, was dazu führt, daß die im unbelasteten Zustand exzentrisch in Bezug auf die Zahnbürstenlängsachse angeordneten Borsten näher an die Zahnbürstenlängsachse heranrücken, und daher ebenfalls das Trägheitsmoment um die Zahnbürstenlängsachse verkleinert wird. Ein weiterer Effekt ist der, daß sich in Abhängigkeit vom Anpreßdruck die Federkonstante des System ändert. Dies ist dadurch zu erklären, daß die Borsten wie Federn wirken. Ferner verkleinert sich die oszillierende Masse mit zunehmendem Anpreßdruck, weil die Borsten zunehmend an den Zähnen anliegen und sich nicht mehr bewegen.
• Ausgehend vom unbelasteten Zustand sorgt dies alles für eine Erhöhung der mechanischen Resonanzfrequenz der oszillierenden Teile der elektrischen Zahnbürste und zur gewünschten Vergrößerung der Putzamplitude, da mit zunehmendem Anpreßdruck der Unterschied zwischen der mechanischen Resonanzfrequenz und der Oszillationsfrequenz kleiner wird. Im Bereich des gewünschten Anpreßdrucks gerät die Zahnbürste in Resonanz, d.h. die mechanische Resonanzfrequenz stimmt mit der Oszillationsfrequenz überein. Bei noch höherem Anpreßdruck wird der Resonanzbereich wieder verlassen und die Putzamplitude nimmt wieder ab. Auf diese Weise wird eine Beschädigung der Zähne und eine Verletzung des Zahnfleischs verhindert.
• Besonders vorteilhaft ist es, wenn die oszillierenden Teile der Zahnbürste so ausgelegt sind, daß die Abnahme der Putzamplitude bei höheren als zahnmedizinisch gewünschten Anpreßdrücken darauf zurückzuführen ist, daß das Trägheitsmoment in diesem Bereich wieder zunimmt, d.h. das Trägheitsmoment im zahnmedizinisch gewünschten Bereich des Anpreßdrucks ein relatives Minimum aufweist. Auf diese Weise läßt sich eine erfindungsgemäße Aufsteckbürste bzw. elektrische Zahnbürste nämlich leicht für verschiedene Anwendungsfälle optimieren, beispielsweise kann das Trägheitsmoment einer Aufsteckbürste für Kinder auch unter Belastung so groß sein, daß sich eine entsprechend geringe Putzamplitude einstellt und/oder der Resonanzfall gar nicht erreicht werden kann, was das Verletzungsrisiko gerade bei kleineren Kindern weiter verringert. Diese Optimierung kann einfach durchgeführt werden, beispielsweise durch Verändern der Materialeigenschaften der Borsten und/oder des Borstenschafts, beispielsweise durch Wahl eines entsprechend geeigneten Kunststoffs.
• Bei einer vorteilhaften Auslegung der erfindungsgemäßen Zahnbürste ist die Amplitude der Putzbewegung der Aufsteckbürste bei einer Belastung, die dem medizinisch optimierten Anpreßdruck von vorzugsweise 1 N bis 2,5 N, insbesondere 1,5 N bis 2 N entspricht, am größten, d.h. die Aufsteckbürste überstreicht beispielsweise einen Winkel von etwa 7° bis 9°.
• Die erfindungsgemäße Zahnbürste hat auch den Vorteil, daß beim – versehentlichen – Einschalten der Zahnbürste ohne Belastung sich nur eine geringe Schwingungsamplitude einstellt, sodaß dann Wasser und Zahnpasta kaum verspritzt werden.
• Anhand der Figurenbeschreibung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung sowie weitere Vorteile derselben näher erläutert. Es zeigt:
• 1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Zahnbürste im unbelasteten Zustand, und
• 2 eine schematische Darstellung einer elektrischen Zahnbürste im belasteten Zustand.
• 1 zeigt schematisch eine elektrische Zahnbürste 10 mit einem Handteil 11 und einer an diesem befestigbaren Aufsteckbürste 12. Das Handteil 11 umfaßt ein Gehäuse mit einem darin befindlichen Akku oder Batterien, einen Oszillationsmotor mit einer Steuerungselektronik sowie einen Aus- und Einschalter. Die Aufsteckbürste 12 besteht aus einem Schaft 13 und einem Bürstenkopf 15 mit Borsten. Der Schaft 13 ist lösbar am Handteil 11 befestigbar, um ein Auswechseln der Aufsteckbürste 12 vornehmen zu können.
• Der Oszillationsmotor ist mit dem Schaft 13 vorzugsweise getriebelos verbunden. Die Aufsteckbürste führt eine rotierend-oszillierende Bewegung um ihre Längsachse aus.
• Bei der erfindungsgemäßen Lösung bildet der Oszillationsmotor und die aufgesteckte Aufsteckbürste ein schwingungsfähiges System mit einer mechanischen Resonanzfrequenz. Das System gerät bei einer bestimmten mechanischen Belastung in Resonanz, weil dann die mechanische Resonanzfrequenz mit der elektrischen Ansteuerfrequenz zusammenfällt, mit der der Oszillationsmotor betrieben wird. Im Resonanzfall führen die Borsten 16 daher eine Reinigungsbewegung mit einer Amplitude aus, die größer ist als im Nicht-Resonanzfall, und die somit abhängig ist von der Anpreßkraft beim Zähneputzen (vgl. Pfeil in 2).
• Die mechanische Resonanzfrequenz des Systems ist vom Massenträgheitsmoment und einer Federkonstanten des Schwingungsystems abhängig. Das Massenträgheitsmoment hängt von der zu bewegenden Masse sowie von der Masseverteilung um die Zahnbürstenlängsachse ab.
• Die erfindungsgemäße elektrische Zahnbürste 10 wird mit einer festen Antriebsfrequenz betrieben und weist eine belastungsabhängige mechanische Resonanzfrequenz auf und zwar derart, daß die Amplitude bei mechanischer Belastung, die einem zahnmedizinisch gewünschten Anpreßdruck entspricht, maximal wird, d.h. die Zahnbürste in Resonanz gerät. Ursache dafür ist eine Veränderung des Massenträgheitsmoments der schwingungsfähigen Teile der elektrischen Zahnbürste um die Zahnbürstenlängsachse, weil sich beim Zähneputzen der Bürstenschaft senkrecht zur Zahnbürstenlängsachse verbiegt, sich die Borsten beim Zähneputzen verbiegen, sich eine Federkonstante durch Wirken der Borsten auf Zähne und/oder Zahnfleisch verändert, und sich die oszillierende Masse durch die an den Zähnen feststehenden Borstenenden verringert.
• Wie 2 veranschaulicht, ist der Schaft 12 elastisch, sodaß er sich beim Zähneputzen verbiegt, und die Borstenenden näher an der Zahnbürstenlängsachse Z angeordnet sind. Ohne Belastung befinden sich die Borsten 16 exzentrisch außerhalb der Drehachse bzw. der Zahnbürstenlängsachse Z. Bei Belastung ist daher das Trägheitsmoment des Schwingungssystems reduziert, wodurch die mechanische Resonanzfrequenz steigt. Dieser Effekt wird verstärkt, wenn bei der Belastung die Bewegung der Borstenspitzen reduziert wird.
• Die Amplitude der Putzbewegung ist beim medizinisch wünschenswerten Anpreßdruck von 1 N bis 2,5 N, insbesondere von 1,5 N bis 2 N am größten. Die Amplitude ist belastungsabhängig um etwa 20-30% gegenüber dem erreichbaren Amplitudenmaximum veränderbar. Zweckmäßigerweise ist eine Winkelamplitude (Putzamplitude) bei einer rotierend oszillierenden Bürste belastungsabhängig um einen Winkel von mindestens 2-3° gegenüber dem erreichten Amplitudenmaximum veränderbar, wobei das Maximum vorzugsweise bei einem Amplitudenwinkel von etwa 7 bis 9° liegt.
• Die Antriebsfrequenz kann etwa 240 Hz bis etwa 280 Hz, insbesondere etwa 260 Hz betragen, wobei das mechanische Resonanzsystem im unbelasteten Zustand eine Resonanzfrequenz von etwa 200 Hz bis etwa 230 Hz, insbesondere etwa 220 Hz aufweist.
• Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung, kann das Trägheitsmoment beim Einsatz eines anderen Bürstenkopfes für eine Kinderzahnbürste erhöht sein, um eine geringere Amplitude zu bewirken.
• Da die Schwingungsamplitude sowohl ohne als auch mit Belastung vom jeweiligen Trägheitsmoment einer Ersatzbürste abhängt, ergibt sich bei entsprechend unterschiedlichen Ersatzbürsten ein entsprechend verschiedenes Verhalten, was auch für Massagebürsten oder andere Zwecke ausgenutzt werden kann.
• Die Erfindung ist nicht nur auf die dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Sie umfasst auch gleichwirkende Ausführungsformen im Sinne der erfinderischen Lehre. Beispielsweise ist ein gleichwirkende Veränderung der Federkonstante und/oder des Trägheitsmomentes im Sinne der Erfindung.

Claims (8)

1. Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Zahnbürste, die ein Handteil (11) mit einem Oszillationsmotor und eine Aufsteckbürste aufweist, die vom Oszillationsmotor mit einer festen Frequenz angetrieben wird, wobei die Aufsteckbürste einen Bürstenschaft (13) und einen Bürstenkopf (15) aufweist, an dem Borsten (16) mit einer bestimmten Länge vorhanden sind, die eine um die Zahnbürstenlängsachse oszillierend-rotierende Reinigungsbewegung ausführen, wobei die beweglichen Teile der elektrischen Zahnbürste eine mechanische Resonanzfrequenz aufweisen, die vom Anpreßdruck abhängt, mit dem beim Zähneputzen die Aufsteckbürste gegen die Zähne gedrückt wird, wobei bei einem bestimmten Anpreßdruck die Amplitude der Reinigungsbewegung größer ist als sonst, dadurch gekennzeichnet, daß das Massenträgheitsmoment der beweglichen Teile im Bereich des zahnmedizinisch wünschenswerten Anpreßdrucks einen solchen Wert annimmt, daß die mechanische Resonanzfrequenz im Bereich der Antriebsfrequenz liegt, weil sich beim Zähneputzen der Bürstenschaft senkrecht zur Zahnbürstenlängsachse verbiegt, sich die Borsten beim Zähneputzen verbiegen, sich eine Federkonstante durch Wirken der Borsten auf Zähne und/oder Zahnfleisch verändert, und sich die oszillierende Masse durch die an den Zähnen feststehenden Borstenenden verringert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Winkelamplitude einer rotierend oszillierenden Bürste belastungsabhängig um einen Winkel von 2-3° gegenüber dem erreichbaren Amplitudenmaximum veränderbar ist, wobei das Maximum vorzugsweise bei einem Amplitudenwinkel von etwa 7-9° liegt.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Trägheitsmoment einer Aufsteckbürste für Kinder so groß gewählt wird, daß sich nur eine vergleichsweise geringe Putzamplitude einstellt.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Massenträgheitsmoment einer Aufsteckbürste bei einem Anpreßdruck im Bereich des zahnmedizinisch wünschenswerten Anpreßdrucks kleiner ist als sonst.
5. Aufsteckbürste für eine elektrische Zahnbürste, die ein Handteil (11) mit einem Oszillationsmotor und eine Aufsteckbürste aufweist, die vom Oszillationsmotor mit einer festen Frequenz antreibbar ist, wobei die Aufsteckbürste einen Bürstenschaft (13) und einen Bürstenkopf (15) aufweist, an dem Borsten (16) mit einer bestimmten Länge vorhanden sind, die eine um die Zahnbürstenlängsachse oszillierend-rotierende Reinigungsbewegung ausführen, wobei die beweglichen Teile der elektrischen Zahnbürste eine mechanische Resonanzfrequenz aufweisen, die vom Anpreßdruck abhängt, mit dem beim Zähneputzen die Aufsteckbürste gegen die Zähne gedrückt wird, wobei bei einem bestimmten Anpreßdruck die Amplitude der Reinigungsbewegung größer ist als sonst, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufsteckbürste so ausgebildet ist, daß das Massenträgheitsmoment der beweglichen Teile bei einem zahnmedizinisch gewünschten Anpreßdruck einen solchen Wert annimmt, daß die mechanische Resonanzfrequenz im Bereich der Antriebsfrequenz liegt, weil sich beim Zähneputzen der Bürstenschaft senkrecht zur Zahnbürstenlängsachse verbiegt, sich die Borsten beim Zähneputzen verbiegen, sich eine Federkonstante durch Wirken der Borsten auf Zähne und/oder Zahnfleisch verändert, und sich die oszillierende Masse durch die an den Zähnen feststehenden Borstenenden verringert.
6. Aufsteckbürste nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ohne Anpressen der Aufsteckbürste gegen die Zähne die Borsten (16) exzentrisch zur Zahnbürstenlängsachse angeordnet sind, und beim Anpressen der Aufsteckbürste gegen die Zähne der Bürstenschaft (13) so verbogen wird, daß die Borsten zur Zahnbürstenlängsachse hin verschoben werden.
7. Aufsteckbürste nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Massenträgheitsmoment der Aufsteckbürste bei einem Anpreßdruck im Bereich des zahnmedizinisch wünschenswerten Anpreßdrucks kleiner ist als sonst.
8. Elektrische Zahnbürste mit einer Aufsteckbürste nach Anspruch 5 oder 6 oder 7.