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Die Erfindung betrifft eine Zahnbürste mit einem durch ein Antriebsmittel
elektrisch antreibbaren Bürstenstiel, der mit einem Bürstenkopf mit Borsten versehen
ist, welcher Bürstenkopf zwei einander überlagerte Bewegungen ausführt.
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Eine derartige Zahnbürste ist aus US-A-3577579 bekannt. Die kombinierte
Bewegung des Bürstenkopfes führt zu einer Umlaufbewegung der äußeren Spitzen der
Borsten. Der Antrieb des Bürstenkopfes ist so, daß die Frequenzen beider Bewegungen
die gleichen sind. Die Größe der Frequenz ist jedoch nicht angegeben.
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Zum Reinigen der Zähne, wobei ein Belag oder Plaque auf den
Zahnflächen aufgelockert wird, gibt es zahlreiche elektrisch betriebene Zahnbürsten, die
unterschiedliche Bürstenbewegungen ausführen. Sie reichen von einer ebenen
elliptischen Bewegung der Borstenenden mit einer Hauptachse von ca. 2 mm und einer
Nebenachse von ca. 10 mm über eine Pendelbewegung der Bürstenoberfläche um die
Längsachse des Griffs sowie einer Kombination aus einer Pendelbewegung und einer
kurzen, axialen Bewegung von 1-2 mm bis zur Rotation zylindrischer Borstenbüschel
um ihre Längsachsen. Eine weitere Gruppe elektrisch betriebener, mechanischer
Zahnreinigungsgeräte bewirkt die Reinigung mittels einer Rotation der einzelnen
Borstenbüschel und/oder einer Kombination dieser Bewegung mit einer Schwenkbewegung der
gesamten Bürste. Die Frequenz für die Bewegung liegt im allgemeinen zwischen 20 und
50 Hz.
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Infolge der schnellen Hin- und Herbewegung der Bürste ist die
Reinigungswirkung nur an den Stellen gut, die in der Regel ohnehin gut zugänglich sind,
nämlich die Oberfläche der Zähne.
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Die Kombination aus großen Amplituden mit Frequenzen für die
Bürstenbewegung zwischen 20 und 50 Hz führt zu folgenden Erscheinungen oder Nachteilen:
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- Bei stufenförmigen Oberflächenstrukturen, z. B. dem Übergang vom
Zahnfleischrand zum Zahn, bilden sich tote Winkel, in denen die Borstenenden die
zu reinigende Fläche nicht erreichen. Diese Bereiche werden deshalb nicht oder
nicht gut gereinigt;
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- wegen der großen Amplitude, zusammen mit der hohen Frequenz, verhält die
Bürste sich wie eine Bürste, deren einzelne Borstenfasern weniger biegsam und
dynamisch steifer sind. Die z. B. auf das Zahnfleisch ausgeübte maximale Kraft
übersteigt den derzeit allgemein anerkannten zulässigen Wert von ca. 2 N und
führt zu Zahnfleischverletzungen;
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- ein Teil der Borsten wird eingefangen und bleibt praktisch in Ruhe, wodurch
beim Durchgang der Bürste durch die Mittellage ein unzulässig starker Druck
auf das Zahnfleisch ausgeübt wird;
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- die Zahnzwischenräume werden nicht ausreichend gereinigt, da wegen der
dynamischen Versteifung der Borsten diese nicht in die Zahnzwischenräume
hineinreichen. Die Borsten verbleiben auf den vorstehenden Zahnflächen,
wodurch die tiefer liegenden Zahnzwischenräume und die anliegenden Flächen
übersprungen werden. Ebensowenig erreichen sie den Zahnfleischrand.
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Bei niedrigerer Frequenz nimmt die Reinigungswirkung der Zahnbürste
deutlich ab. Gleichzeitig wird mit niedrigerer Frequenz die Fühlbarkeit der Zahnbürste
schlechter, was sich ebenfalls in schlechteren Putzergebnissen ausdrückt.
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Bei der obengenannten Gruppe von Zahnbürsten mit einzelnen rotierenden
Borstenbüscheln werden zwar die Zahnzwischenräume gereinigt, aber als unerwünschten
Nebeneffekt verursachen sie am Zahnhals im Dentin sehr starken Abrieb.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Zahnbürste so zu
gestalten, daß damit auch schwer erreichbare Bereiche der Zahnflächen sehr gründlich, aber
schonend gereinigt werden können.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Frequenz einer der
Bewegungen, einer sogenannten Auflockerbewegung, größer ist als 30 Hz, die Amplitude dieser
Auflockerbewegung zwischen 0,1 und 5 mm liegt und die andere Bewegung, eine
sogenannte Wischbewegung, eine Frequenz zwischen 1 Hz und 5 Hz hat.
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Durch die schnellen und kleinen Bewegungen des Bürstenkopfes werden
die Beläge auf den Zahnflächen aufgelockert. Infolge der schnellen und kleinen
Auflockerbewegungen können die Einzelborsten auch in die schwer erreichbaren Bereiche
der Zähne eindringen und mit einer Rüttelbewegung die Plaque ablösen. Wegen der
kleinen Amplituden ist die dynamische Versteifung der Borsten nur minimal, so daß
Zahnfleischverletzungen vermieden werden. Die langsame zusätzliche Bewegung wischt
die abgelösten Beläge vom Zahn. Diese langsame Wischbewegung verhindert auch ein
Verfangen der einzelnen Borsten in den Vertiefungen in den Zähnen. Außerdem wird
durch die langsame Wischbewegung die Lage der Bürste relativ zu den Zähnen
geändert, wodurch eine sehr effektive Reinigung erreicht wird. Die langsame
Wischbewegung des Bürstenkopfes wird auf die Borstenenden übertragen, was eine Amplitude der
Borstenenden zwischen 2 und 10 mm zur Folge hat.
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Infolge der schnellen kleinen Bewegungen sind die Borstenenden auf den
Zahnflächen und dem Zahnfleisch niemals in Ruhe, sondern haben eine beträchtliche
Geschwindigkeit, so daß für die langsame Bewegung als Gegenkraft nur die Kraft aus
der Gleitreibung der Borsten auf dem Zahnschmelz und dem Zahnfleisch auftritt. Diese
geringen Gegenkräfte können auch bei niedrigen Frequenzen noch gut von Hand
kompensiert werden.
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Als vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn die Auflockerbewegung eine
lineare hin- und hergehende Bewegung in Richtung der Längsachse des Bürstenstiels ist mit
einer Frequenz zwischen 60 und 70 Hz und einer Amplitude von etwa 2 mm und wenn
die Wischbewegung eine Pendelbewegung um die Längsachse des Bürstenstiels ist mit
einer Frequenz zwischen 2 und 3 Hz und mit einem gesamten Auslenkwinkelbereich
von 10º bis 30º.
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Gewöhnlich werden die Borstenenden der Bewegung des Bürstenkopfes
gut folgen. Für die Wischbewegung der Borstenenden bedeutet dies eine Amplitude
zwischen 2 und 2,5 mm. Die Praxis hat gezeigt, daß während des Putzens diese
Frequenzen und Amplituden als angenehm erfahren werden und daß das Putzergebnis gut
ist.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird dadurch
gekennzeichnet, daß der Bürstenstiel ausgebildet ist, um mit einer von einem Elektromotor
antreibbaren Zahnbürstenwelle verbunden zu werden, welche Zahnbürstenwelle in Richtung
der Pendelbewegung und in Richtung der hin- und hergehenden Bewegung mit einem
Exzentermechanismus antreibbar ist, welcher Exzentermechanismus zwei
Exzenterzapfen aufweist, die jeweils in eine Aussparung in der Zahnbürstenwelle geführt sind, um
die Zahnbürstenwelle in Richtung der Pendelbewegung bzw. in Richtung der hin- und
hergehenden Bewegung anzutreiben, und die jeweils eine der genannten Frequenz
entsprechende Umdrehungszahl haben.
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Geeigneterweise ist zwischen den beiden Exzenterzapfen ein
Untersetzungsgetriebe vorgesehen.
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Als vorteilhaft hat sich erwiesen, wenn das Untersetzungsgetriebe durch
ein zweistufiges Exzenter-Umlaufgetriebe gebildet wird.
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Bei einer anderen vorteilhaften Konstruktion wird das
Untersetzungsgetriebe durch ein Schneckengetriebe gebildet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und
werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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Fig. 1 eine Schrägansicht einer erfindungsgemäßen Zahnbürste;
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Fig. 2 die Bewegungen der Bürste relativ zu den Zähnen;
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Fig. 3 schematisch in vergrößertem Maßstab die Antriebsmittel eines
ersten Ausführungsbeispiels;
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Fig. 4 eine Schnittansicht entlang der Linie IV-IV von Fig. 3;
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Fig. 5 eine Schnittansicht entlang der Linie V-V von Fig. 3;
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Fig. 6 schematisch in vergrößertem Maßstab die Antriebsmittel eines
zweiten Ausführungsbeispiels und
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Fig. 7 eine Schnittansicht entlang der Linie VII-VII der Fig. 6.
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Die in Fig. 1 dargestellte Zahnbürste umfaßt im wesentlichen ein
stabförmiges Gehäuse 1, in dem ein Antriebsmittel 2 untergebracht ist und das zugleich als
Griff fungiert. Das Antriebsmittel hat eine aus dem Gehäuse herausragende
Zahnbürstenwelle 3. Ein Bürstenstiel 4 mit einem Bürstenkopf 5 ist mit der Zahnbürstenwelle 3
beispielsweise durch eine Einrastverbindung lösbar gekuppelt. Der Bürstenkopf enthält
eine Vielzahl von Borsten 6. Gemäß der Erfindung führt der Bürstenkopf eine erste
Bewegung 8 mit einer Frequenz höher als 30 Hz und mit einer Amplitude zwischen 0,1
und 5 mm aus, wobei diese Bewegung einer zweiten Bewegung 9 mit einer viel
niedrigeren Frequenz, nämlich zwischen 1 und 5 Hz, überlagert ist.
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In Fig. 2 ist die Lage der Bürste relativ zu den Zähnen dargestellt. Die
Gesamtbewegung des Bürstenkopfes wird auf die Borstenenden 7 übertragen. Die erste,
schnelle Bewegung lockert den Zahnbelag und wird nachstehend der Einfachheit halber
als Auflockerbewegung 8 bezeichnet. Die zweite, langsame Bewegung wischt den
ge
lockerten Belag von den Zähnen und wird nachstehend der Einfachheit halber als
Wischbewegung 9 bezeichnet.
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In Fig. 3 ist das Antriebsmittel zum Realisieren dieser beiden Bewegungen
mit ihren jeweiligen Frequenzen dargestellt. Ein Motor 10 treibt über ein Ritzel 11 ein
Tellerrad 12 an. Dieses Tellerrad ist auf einer Welle 13 gelagert. Die Welle 13 ist in
einem Rahmen 14 befestigt. Das Tellerrad ist mit zwei Exzentern 15 und 16 versehen.
Auf dem Exzenter 16 ist ein Doppelzahnrad 17 gelagert. Dieses Doppelzahnrad hat zwei
Zahnkränze 18 und 19 mit unterschiedlicher Zähnezahl. Ein Ring 20 mit
Innenverzahnung 21 ist in dem Rahmen 14 fixiert. Der Zahnkranz 18 des Doppelzahnrads 17 ist so
ausgeführt, daß er mittels des Exzenters 16 über die Innenverzahnung 21 des Ringes
abrollt. Ein Zahnrad 22 mit Innenverzahnung 23 ist auf der in dem Gehäuse befestigten
Welle 13 gelagert. Das Zahnrad 22 ist weiterhin mit einem Exzenter 24 versehen. Der
Zahnkranz 19 des Doppelzahnrads 17 ist so ausgeführt, daß er mittels des gleichen
Exzenters 16 über die Innenverzahnung 23 des Zahnrads 22 abrollt. Durch eine
geeignete Wahl der Zähnezahl läßt sich die erwünschte Untersetzung der Drehzahl des
Tellerrads 12 relativ zum Zahnrad 22 erzielen, d. h. das Zahnrad 22 wird um einen Faktor
25 gegenüber dem Tellerrad 12 untersetzt.
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Die Ausgangswelle 3 der Zahnbürste ist in dem Rahmen 14 gelagert und
ist mit zwei in einem radialen Abstand von der Welle liegenden und mit der
Zahnbürstenwelle fest verbundenen Armen 25 und 26 versehen. Der Arm 25 weist eine
längliche Öffnung 27 auf (siehe Fig. 4), wobei die Längsrichtung der Öffnung quer zu der
Längsachse 28 der Zahnbürstenwelle 3 und dem Bürstenstiel 4 verläuft. In der Öffnung
27 ist der Exzenter 15 gelagert, wie auch in Fig. 4 dargestellt ist. Die exzentrische
Bewegung des auf dem Tellerrad 12 vorgesehenen Exzenters 15 führt zu einer linearen hin-
und hergehenden Bewegung 29 des Arms 25 und damit der Zahnbürstenwelle 3 mit
einer (einem) durch die Größe der Exzentrizität des Exzenters 15 bedingten Amplitude
(Hub). Diese Bewegung verursacht die genannte Auflockerbewegung 8 der
Borstenenden 7. Der Arm 26 weist eine längliche Öffnung 30 auf (siehe Fig. 5), wobei die
Längsrichtung der Öffnung parallel zu der Längsachse 28 der Zahnbürstenwelle 3 bzw.
dem Bürstenstiel 4 verläuft. In der länglichen Öffnung 30 ist der in dem Zahnrad 22
vorgesehene Exzenter 24 gelagert. Die längliche Öffnung 30 hat zur einfachen Montage
ein offenes Ende. Infolge der Bewegung des Exzenters 24 erfährt der Arm 26 und damit
die Zahnbürstenwelle 3 eine Pendelbewegung 31 um die Längsachse 28. Diese
Bewegung verursacht die genannte Wischbewegung 9 der Borstenenden 7. Die
Wischbewegung ist daher eine hin- und hergehende Kreisbogenbewegung. Die Amplitude dieser
Pendel-Wischbewegung hängt von der Größe der Exzentrizität des Exzenters 24, von
dem Abstand zwischen dem Arm 26 und der Längsachse 28 des Bürstenstiels 4 sowie
von dem Abstand zwischen den Borstenenden 7 und der Längsachse 28 ab. Die Ränder
der länglichen Öffnung 30 sollten natürlich ausreichend abgerundet sein, um die
erwünschte Pendelbewegung zu ermöglichen.
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In dem Beispiel nach Fig. 3 beträgt die Frequenz der Auflockerbewegung
etwa 60 Hz, und der Hub beträgt etwa 2 mm, während die Frequenz der
Wischbewegung bei einer pendelnden Winkeldrehung von etwa 10º etwa 2,4 Hz beträgt, was
einem Hub der Borstenenden von etwa 2 mm entspricht.
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Andere Übertragungen sind natürlich auch möglich, z. B. kann eine
Übertragung zwischen den zwei Exzentern 15 und 24 mit Hilfe eines einzigen exzentrischen
Umlaufgetriebes verwirklicht werden. Ein Zahnrad mit 24 Zähnen arbeitet mit Hilfe
eines Exzenters mit einem Zahnrad mit Innenverzahnung von 25 Zähnen zusammen,
wodurch ein sehr kompaktes Getriebe mit einem Verhältnis 1 : 25 erhalten wird.
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In Fig. 6 ist ein anderes Antriebsmittel zum Realisieren der beiden
Bewegungen mit verschiedenen Frequenzen dargestellt. Hierbei ist ein Schneckengetriebe
verwendet worden. Eine Welle 33 ist in einem Rahmen 34 montiert. Auf der Welle 33
ist ein Zahnrad 35, das aus einem Kegelrad 36 sowie aus einer Schnecke 37 besteht,
drehbar gelagert. Die Schnecke 37 ist mit einem Schneckenrad 38 im Eingriff. Das
Schneckenrad 38 ist auf einer in dem Gehäuse befestigten Welle 39 drehbar gelagert.
Das Schneckenrad ist mit einem Zapfen 40 versehen, der sich mit dem Schneckenrad
um die Welle 39 dreht. Der Zapfen 40 hat eine sinusförmige Rille 41. Das Zahnrad 35
ist weiterhin mit einem Exzenter 42 versehen. Ein Arm 43 ist auf einer Seite mit einer
länglichen Öffnung 44 versehen, wobei die Längsrichtung der Öffnung quer zu der
Längsachse 28 der Zahnbürstenwelle 3 verläuft. In dieser Öffnung 44 ist der Exzenter
42 gelagert. Die andere Seite des Arms 43 ist mit einer Öffnung 45 versehen. In dieser
Öffnung ist ein unteres Ende der Zahnbürstenwelle fest montiert. Der Arm ist auch mit
einem Nockenstößel 46 versehen, der in die Nockenrille 41 greift und mit dieser
zusammenarbeitet. Über ein Ritzel 47 mit Kegelverzahnung treibt ein Motor 10 das
Zahn
rad 35 an, das seinerseits mittels des Schneckengetriebes das Schneckenrad 38 mit dem
Zapfen 40 antreibt. Das Schneckengetriebe sorgt dafür, daß sich der Zapfen 40
beispielsweise 25mal langsamer dreht als das Zahnrad 35 mit dem Exzenter 42. Die
Drehung des Exzenters erzeugt eine lineare hin- und hergehende Bewegung 48 der
Zahnbürstenwelle 3 in der Richtung der Längsachse 28. Gleichzeitig bewirkt die
Zusammenarbeit zwischen dem Nockenstößel 46 und der sich drehenden Rille 41 eine
Pendelbewegung 49 der Zahnbürstenwelle 3 um deren Längsachse 28. Die hin- und hergehende
Bewegung 48 entspricht der genannten Auflockerbewegung 8 und die Pendelbewegung
49 entspricht der genannten Wischbewegung 9 der Borstenenden 7, wobei diese
Wischbewegung bei einem Übertragungsverhältnis des Schneckengetriebes von 1 : 25 25mal so
langsam ist wie die Auflockerbewegung.
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Sowohl die schnelle Auflockerbewegung als auch die langsame
Wischbewegung können aus mehreren Bewegungen, wie Translation und/oder Rotation,
zusammengesetzt sein.
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Zum Antrieb der schnellen Auflockerbewegung stehen unterschiedliche
Mechanismen zur Verfügung. Meistens werden Rotations- oder Schwingankermotoren
verwendet. Andere Antriebsmechanismen, wie z. B. die Verwendung des Piezoeffektes
sind denkbar. Auch eine Anregung, bei der die gesamte Zahnbürste in der Hand des
Benutzers als schwingungsfähiges System, z. B. über einen in Unwucht laufenden
Rotationsmotor, zum Schwingen gebracht wird, kann die entsprechenden Bewegungen
hervorrufen. Für den Antrieb der langsamen Wischbewegung sind ebene kreisförmige und
elliptische Bewegungen, elliptische Bewegungen aufgrund axialer Pendel- und
Linearauslenkungen, reine Pendelbewegungen, reine axiale Bewegungen oder auch
Drehbewegungen möglich. Außerdem können die beiden Bewegungen jeweils mit Hilfe eines
einzelnen Motors mit einem geeigneten Antriebsmechanismus erzeugt werden.
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Wesentlich ist, daß die Auflocker- und die Wischbewegung eine
Translations- oder Rotationsfrequenz haben, die den festgelegten Frequenzbereichen
entsprechen, wobei die Amplituden der betreffenden kombinierten Bewegungen an die
Abmessungen der Zähne angepaßt sind.