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Elektromagnetisch angetriebene Zahnbürste Die Erfindung betrifft eine
elektromagnetisch angetriebene Zahnbürste mit einem auswechselbaren Bürstenteil,
der in eine Schwingbewegung um die Bürstenachse versetzt wird.
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Diese Zahnbürste soll eine wirksame Reinigung der Zähne in der besten,
von Zahnärzten und Stomatologen empfohlenen Weise ermöglichen.
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Es ist bekannt, daß man die Zähne in Richtung der Zahnzwischenräume
viele Male wiederholt bürsten soll, um Zahnsteinbelag besser beseitigen und Speisereste
aus den Zahnzwischenräumen entfemen zu können. Wie die Praxis zeigt, hat sich diese
Bürsttechnik jedoch nicht einführen können, weil sie letztlich der anatomisch bevorzugten,
horizontalen Schrubb-Bewegung des Armes zuwiderläuft. Das Auf- und Abwärtsbürsten
wird als unbequem empfunden, und es erfordert auch gedankliche Mitarbeit. Es ist
komplizierter und zeitraubender als das Bürsten mit der gewöhnlichen, gewohnten,
horizontal von Hand geführten Zahnbürste.
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Bei der elektrisch angetriebenen Schwingzahnbürste, die eigens zum
automatischen Auf- und Abwärtsbürsten der Zähne geschaffen worden ist, sind diese
Nachteile nicht mehr vorhanden. Eine Schwingzahnbürste kann ohne weiteres in der
üblichen Weise geführt und gehandhabt werden, gleichwohl werden die Zähne in der
richtigen Weise, nämlich in Richtung der Zahnzwischenräume, gereinigt.
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Bei der Schwingzahnbürste führt der Bürstenkopf mit dem Bürsten stiel
eine oszillierende Bewegung um die Stielachse aus, die Borstenenden bewegen sich
also auf einer Kreisbogenbahn. Der diese Bewegung erzeugende Teil des Bürstenmechanismus
ist von besonderer Wichtigkeit, da er nicht nur das Betriebsverhalten der Bürste
(Leistungsaufnahme, Verhalten bei Belastung), sondern auch Verschleiß und Geräusch
bestimmt. Weiter beeinflußt er das Dichtungsproblem.
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Bei bekannten Schwingzahnbürsten mit umlaufendem Rotor ist zwischen
Rotorwelle und Bürstenstiel ein Getriebe eingeschaltet, welches die Umwandlung der
Rotordrehbewegung in eine Oszillationsbewegung des Bürstenstiels bewirkt, die manchmal
mit einer Geschwindigkeitsuntersetzung verbunden ist. Getriebe erfordern zusätzlichen
Raum, unterliegen starkem Verschleiß, verzehren Leistung, erzeugen übermäßiges Geräusch
und geben Anlaß zu zusätzlichen Störungen.
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Bei Schwingzahnbürsten mit magnetischem Vibrationssystem, bei dem
also ein bewickeltes Jochsystem mit veränderlichem Luftspalt und dementsprechend
beweglich gefedertem Jochschenkel verwendet wird, entfällt das Getriebe. Der Bürstenstiel
ist unmittelbar
am beweglichen Jochschenkel befestigt, er führt aber nicht mehr eine
Schwingbewegung um die Stielachse, sondern eine Vibrationsbewegung in der Stielebene
aus. Ein solcher Vibrationsbetrieb wird den an die Reinigungs- und Massagewirkung
einer Zahnbürste gestellten Forderungen nicht voll gerecht.
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Bei einer in einer bekannten Zahnbürste verwendeten Abart des magnetischen
Vibrationssystems führt der bewegliche Jochschenkel eine Oszillationsbewegung um
die Systemachse aus (Schwinkankerantrieb).
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Wenngleich so die Bürste wieder eine Schwingbewegung um ihre Achse
ausführt und ein Getriebe fortfallen kann, ist das Betriebsverhalten einer solchen
Bürste mangelhaft. Vor allem ist aus Gründen der begrenzten Luftspaltänderung der
Schwenkwinkel des Bürstenkopfes so klein, daß eine nennenswerte Reinigungswirkung
überhaupt nicht erzielt wird. Weiter ist das System bei Belastung nicht frequenzkonstant.
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Den erwähnten Bürstentypen ist sodann gemeinsam, daß das Gehäuse
bei abgenommener Bürste eine entsprechende Einstecköffnung frei läßt, die dem Wasser
und anderen Stoffen Zutritt in das Gehäuseinnere gestattet. Hierdurch wird die elektrische
Isolation und damit der Berührungsschutz gefährdet.
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Die Erfindung kennzeichnet sich zur Vermeidung der genannten Nachteile
durch einen in einem gehäuseartigen Handgriff gelagerten Elektromotor, der aus einem
im Handgriff befestigten Stator und einem durch ihn zu Schwingungen um seine Längsachse
angeregten Rotor besteht, der an einer den Bürstenteil tragenden, im Handgriff gelagerten
Welle befestigt ist.
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Auf diese Weise wird erstens die gegebenenfalls vorgesehene Aufsteckstelle
für die Bürste außerhalb
des Gehäuses gelegt, was aus Dichtungsgründen
vorteilhaft ist. Zweitens entfällt durch die direkte Kupplungsverbindung von Bürste
und Motorwelle jegliches Zwischengetriebe oder Zwischenglied. Drittens ermöglicht
der gewählte Synchron-Pendelantrieb die Wahl eines genügend großen Schwingwinkels,
der garantiert, daß die Oszillationsbewegung der Bürste bei Belastung frequenzkonstant
bleibt. Wie Versuche und die Praxis gezeigt haben, kommt die so ausgebildete Zahnbürste
allen dentalmedizinischen und technischen Anforderungen, die heute an eine Zahnbürste
gestellt werden können, am nächsten.
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Eine Steigerung der Reinigungs- und Massagewirkung wird erzielt,
wenn der Oszillationsbewegung der Bürste noch eine schwache axial hin- und hergehende
Vibrationsbewegung überlagert wird. Das kann in der Weise geschehen, daß ein im
Gehäuse fester Nocken in eine an der Rotorwelle angebrachte schraubenförmig gewundene
Steuernut eingreift. Führt der Rotor eine Oszillationsbewegung aus, ruft der in
die mitbewegte Steuernut eingreifende Nocken eine axiale Hin- und Herbewegung der
Welle und damit der Bürste hervor.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Es zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt durch die Zahnbürste, Fig. 2 einen gegenüber
dem Schnitt nach Fig. 1 um 900 versetzten Längsschnitt durch die Schwingzahnbürste,
jedoch mit Mitteln zur Axialvibration, Fig. 3, 4 und 5 Querschnitte entsprechend
den Linien III-III und V-V der Fig. 1 und der Linie IV-IV der Fig. 2 und Fig. 6
ein Schema der Motorwicklung.
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Die Zahnbürste besteht aus einem gehäuseartigen Handgriff 1 aus weichem
Kunststoffmaterial, beispielsweise Polyäthylen oder einem anderen thermoplastischen
Kunstharz. Das dichte Gehäuse verhindert jegliche Berührung eines metallischen Teiles
mit der Hand oder den Mundschleimhäuten. In das Gehäuse ist ohne Befestigungsschrauben
ein Schwingankerantrieb eingebaut, dessen federgefesselter Anker die Bürste trägt.
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Die Welle 6 des Schwingankerantriebes, welcher als Synchronmotor
mit pendelndem Rotor ausgebildet ist, durchdringt das Handgriffgehäuse 1 und steht
in direkter Steckkupplungsverbindung mit dem Bürstenteil 30, 31. Der wechselstromgespeiste
Schwingankerantrieb besitzt einen Stator, der aus einem ovalen, senkrecht zur Längsachse
der Bürste angeordneten und von einer Wicklung 3 umgebenen Querjoch 2 und aus zwei
die Pole bildenden wicklungslosen Polschäfte 4 besteht. Die Polschäfte sind in Längsrichtung
des Gehäuses angeordnet, ihr gewölbtes Profil liegt an der Innenwand des Gehäuses
(vgl. Fig. 3, 4).
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Die Längsjoche werden durch eine Säule 5 aus nichtmagnetischem Material
auf Abstand gehalten. Der Schwinganker mit seiner von einer Hülle aus weichem Material
umgebenen Stahlwelle6 besteht nach Art eines Synchronschenkelpolrotors aus einem
Dauermagneten 11 mit Weicheisenpolschuhen 12 und wird von einer Rückstellfeder 13
in seiner Ruhelage gehalten.
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Die Säule 5 zwischen den Längsjochen 4 bildet bei 8 ein Lager für
die Ankerwelle 6. Das zweite Lager wird durch das der Bürste zugewandte Ende des
Gehäuses gebildet. Ein Anschlag 7 und ein Ring 9 begrenzen das axiale Spiel der
Welle. Die Welle 6 ist in die Wellenabschnitte 6 a und 6 b unterteilt, an deren
freien
Enden Backen 10 aus Messing angeordnet sind, welche den Dauermagneten 11 fixieren.
Jede Backe ist mit den beiden Polschuhen 12 verbunden, die zwischen sich den Dauermagneten
11 tragen. Die Vorrichtung ist (Fig. 3) mit Schrauben 14 zusammengehalten, die durch
die Backen und die Polschuhe hindurchgehen und in eine ringförmige Rille 15 des
zugeordneten Wellenabschnittes 6 a bzw. 6 b eingreifen.
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Die einzelne Backe ist an ihrem Wellenteil mittels einer Klemmschraube
16 befestigt. Damit kann man die Winkellage des Rotors bezüglich der beiden Teile
der Welle 6 einstellen. Am Wellenabschnitt 6 b ist das eine Ende der erwähnten Rückstellfeder
13 befestigt, deren anderes Ende an der Wand 5 angebracht ist.
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In der Ruhestellung liegt die magnetische Achse des Permanentmagneten
11 senkrecht zum Kraftfluß des Stators. Bezüglich des magneteigenen Kraftflusses
lassen sich die Polschuhe 12 jeweils aus zwei symmetrischen Hälften zusammengesetzt
denken, wobei die Symmetrielinie die magnetische Achse des Permanentmagneten 11
ist. Wie Fig. 3 besonders deutlich zeigt, bilden die Polschuhe beiderseits des Magneten
je eine Brücke zwischen den wicklungslosen Längsjochen 4 des Stators. Der Kraftfluß
des Permanentmagneten gabelt sich in diesen Brücken und schließt sich über die Längsjoche.
Wird an die Wicklung 3 eine Wechselspannung gelegt, so addieren sich das Feld des
Stators und des Dauermagneten in zwei über Kreuz liegenden Hälften der Polschuhe
12 und subtrahieren sich in den beiden anderen Hälften. Dies geschieht wechselweise
und in Übereinstimmung mit den Richtungsänderungen des Wechselstromes. Dadurch wird
der Anker einem wechselnden Moment unterworfen, das ihn zu Schwingungen mit der
Frequenz der angelegten Spannung veranlaßt. Da die elektrische Zahnbürste an das
öffentliche Stromnetz angeschlossen werden soll, vibriert sie mit Netzfrequenz,
d. h. mit 50 bis 60 Perioden pro Sekunde. Wie Versuche zeigten, ist dieser Frequenzbereich
für das Bürsten der Zähne und die Massage des Zahnfleisches am geeignetsten.
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Um die Amplitude der Schwingbewegung möglichst groß zu halten und
damit einen größten Nutzeffekt der Bürste zu erzielen, sind das Trägheitsmoment
des Ankers und die Charakteristik seiner Rückstellfeder so gewählt, daß die Eigenschwingungsfrequenz
des Ankers gleich der Netzfrequenz ist.
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Zum Einschalten der Bürste dient ein im Gehäuse angeordneter Schalter
17, der mittels eines mit dem Gehäuse dicht verbundenen Schaltknopfes 18 betätigt
wird. Dieser Knopf ist der einzige sichtbare Teil des Schalters. Er besteht aus
einer gewölbten Kautschukscheibe, die in einer Öffnung des Gehäuses in der Weise
befestigt ist, daß der Rand der Gehäuseöffnung dicht in eine ringförmige Einschnürung
der Scheibe eingreift. Der Schalter ermöglicht dem Benutzer der Bürste, den Motor
durch einfachen Fingerdruck auf den Kautschukknopf ein- und auszuschalten.
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Als Speiseleitung dient ein zweiadriges Leitungskabel 19, das über
den Drehschalter 20 in das Gehäuse eingeführt ist. Mit dem Schalter kann die Bürste
auf die jeweilige Netzspannung (110 oder 220 Volt) eingestellt werden. Der Drehschalter
besitzt eine Fassung 21, die dicht in eine zylindrische axiale Öffnung 23 der Endverschlußkappe
22 des Gehäuses eingeführt und drehbar gelagert ist. Die Fassung ist an einem Ende
mit dem Schaltknopf 24 und am anderen Ende mit einem isolierenden Plättchen 25 versehen.
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Das Plättchen 25 trägt stromleitende Zungen 26 (Fig. 5), die mit Kontakten
27 zusammenwirken und die beiden Spulen 28 und 29 der Wicklung 3 je nach der Stellung
des Umschalters in Reihe oder parallel schalten (vgl. Fig. 6).
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Der abnehmbare, die Borsten 31 tragende Bürstenkörper 30 und das
Ende des Wellenabschnitts weisen zwei geneigte, einander entsprechende Flächen zum
Aufstecken des Borstenkörpers 30 auf. Der Borstenkörper könnte auch mittels eines
kleinen Kugelriegels an der Welle befestigt sein. Er besteht, wie das Gehäuse, aus
weichem Material, um Stöße auf die Zähne abzudämpfen, falls an Stelle der Borsten
der Borstenkörper mit den Zähnen in Berührung kommen sollte.
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Die in Fig. 2 dargestellte Schwingzahnbürste unterscheidet sich von
der Zahnbürste nach Fig. 1 dadurch, daß an der unmagnetischen Säule 5 mit Hilfe
einer Schraube ein Finger 32 mit Nocken starr befestigt ist.
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Der Nocken greift in eine die axiale Vibrationsbewegung erzeugende
Nut ein.
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Die mit der Bürste ausgeführten Versuche haben ausgezeichnete Ergebnisse
geliefert und die leichte Handhabung, die Widerstandsfähigkeit und Wirksamkeit der
Bürste erwiesen. Ihre besondere Konstruktion sichert eine Reihe von Vorteilen, beispielsweise
die Möglichkeit, bei Abnutzung der Bürste auf einfachste Weise einen neuen Borstenkörper
einzusetzen. In diesem Zusammenhang sei auch bemerkt, daß eine Familie nur ein Gerät
mit je einer eigenen Bürste für jedes Familienglied benötigt. Überdies besteht auch
keine Gefahr, daß der Motor beschädigt wird oder durchbrennt, wenn man die Schwingbewegung
des Bürstenkopfes bremst oder blockiert, indem man ihn zu fest auf die Zähne drückt.
Es ist praktisch ausgeschlossen, auf diese Weise den Motor anzuhalten, da er trotz
seiner geringen Abmessungen eine für Motoren seiner Art ungewöhnliche Stärke besitzt.