JP3243529B2

JP3243529B2 - 磁気駆動装置を使用した振動歯ブラシ

Info

Publication number: JP3243529B2
Application number: JP50998192A
Authority: JP
Inventors: ギウリアニ，デーヴィッド; マーティン，ロイ・ダブリュー; ローゼンバウム，ロジャー・エイチ
Original assignee: コニンクリュケ・フィリップス・エレクトロニクス・エヌ・フェー
Priority date: 1991-03-21
Filing date: 1992-03-19
Publication date: 2002-01-07
Anticipated expiration: 2017-01-07
Also published as: DE69227105D1; WO1992016160A1; DK0576620T3; EP0576620A1; ES2122997T3; DE69227105T2; JPH06510675A; CA2104644A1; CA2104644C; AU661313B2; US5189751A; AU1768492A; EP0576620A4; ATE171362T1; EP0576620B1

Description

【発明の詳細な説明】技術分野本発明は一般には歯の衛生装置に関し、より詳細には
磁気駆動装置を備えた振動歯ブラシに関する。

技術的背景動力駆動の歯ブラシは一般に良く知られている。種々
の駆動機構の使用によって、剛毛は歯科溶菌斑（プラー
ク）を完全にかつ迅速に除去するように揺動し、振動
し、又は回転している。しかしながら、過分な力（ブラ
シ作用）を使用した歯茎組織の摩滅は動力歯ブラシの危
険性を認識させてしまっている。そこで多くの電動歯ブ
ラシは出来るだけ歯茎組織の摩滅を少なくするように設
計されている。

歯科溶菌斑を除去するための歯ブラシの使用に加え、
電動歯ブラシは、可聴音振動数レベルのエネルギを利用
することによるクリーニング効果をもたらすように設計
されており、このことは歯と歯茎との間の歯肉下部分を
クリーニングしかつその内部の運動型バクテリアを除去
すると同時に一般的な性能を増大している。この可聴音
振動数レベルのエネルギを利用することによるクリーニ
ング現象は、口内での唾液又はその他の流体の流動／キ
ャビテーションによって達成されている。十分な剛毛の
振動によって可聴音振動数レベルのエネルギを利用する
ことによるクリーニング効果を発生させる歯ブラシを開
示している特許の例としては、バラマスの米国特許第39
24335号、同第3809977号、マーチンの同4787847号等が
ある。可聴音振動数レベルのエネルギを利用することに
よるクリーニング効果を発生するのに適切なキャビテー
ションは口内のキャビテーション流体内での最小の瞬間
圧力変動を要求しており、次いで、剛毛の最小の瞬間速
度を要求している。

これまでそのような歯ブラシのための数多くの駆動シ
ステムが考えられている。例えば、ソーヤーの米国特許
第3535218号及び同第3676218号は固定された変位駆動メ
カニズム即ちモータクランク及びアクチュエータ装置を
備えた片持ビーム装置を利用している。このビームはば
ね要素のように作動するように設計されているが、駆動
装置と負荷との間に位置付けられており、減衰（dampin
g）に対して高信号源インピーダンスと貧抵抗とを有し
ている。テーギュ等の米国特許第4175299号には、オー
ビタルブラシ装置が示してある。このブラシはレバーを
使用しており、このレバーはピボットを介して作動し、
次いでこのピボットはレバーの一端の駆動力を該レバー
の他端のオービタル作用に変換している。ストルツの米
国特許第4149291号はモータの回転をブラシヘッドの楕
円形運動に変換するためピボットを介してクランク状の
構造的作動をする楕円形運動をするブラシの一例を示し
ている。一方、アノーニの米国特許第3978852号はブラ
シが単一平面内にて運動するピボット装置を開示してい
る。

これらの機械的リンク結合した駆動装置の全ては幾つ
かの欠点を有している。種々のリンク装置における幾つ
かの面対面接触点における摩擦が大きい動力損失を発生
し、種々の歯ブラシのために十分な動力効率をもたらす
ことが出来ない。歯ブラシが120ボルトコンセントによ
り駆動される場合にはこれらの欠点はそれほど重大なも
のではないのであるが、これらの欠点は磨きクリーニン
グ及び可聴音振動数レベルのエネルギを利用することに
よるクリーニングの双方が可能な電池駆動装置の可能性
を著しく限定している。

磁気駆動システムはそのような動力上の拘束を解く約
束を提供している。磁気駆動システムの大きい利点の一
つは、駆動装置がレバーアーム及びブラシヘッドから物
理的にそのはるか端部まで離れていることである。こう
して機械的リンク装置による動力損失が防止されるので
ある。磁気駆動歯ブラシ及び／又はその類似の例はベイ
の米国特許第3500080号に開示されている。このベイの
特許は振動するレバーアーム部材を駆動するために永久
磁石と電磁石との組み合わせから成る歯ブラシ駆動装置
を開示している。又、マーフィの米国特許第2734139号
は中央脚の周りにコイルを有しているＥ型コア電磁石を
有している電気式消しゴムを開示している。磁気駆動の
原理を使用した歯ブラシを時に開示しているその他の特
許としては、カールヘインツ、ボロスキーの米国特許第
3538359号、デマニュエルの米国特許第2977614号、ダニ
エルの米国特許第2278365号等がある。更に、スイス特
許第609238号は、超音波クリーニングの可能性を有して
いると思われかつブラシヘッドへの過剰な負荷状態を表
示する補助的磁気駆動システムを含んでいる振動歯ブラ
シを開示している。この磁気駆動システムは非共振アー
ムと、アームトラベルの制限と、を含んでおり、このシ
ステムは比較的小さい圧力では非作動となる。

このような装置の全体的形態によれば、これらの装置
は一般には非常に非効率的であり、このような装置の駆
動に電池を使用することは実際的ではない。通常、エア
ギャップフラックスの形態にて実質的に大量のエネルギ
が失われている。更に、これらの装置は高質量の振動部
材及び／又は駆動装置のために通常比較的低い周波数振
動のためにのみ適応する。低い周波数振動はそのような
装置のためには問題となる流体キャビテーション／スト
リーミングを形成している。

こうして歯を同時にこすると共に確かなキャビテーシ
ョンとストリーミングとを発生する十分な可聴音振動数
レベルのエネルギを利用することによるクリーニング圧
力を形成出来る効率的な実用的な動力駆動の振動歯ブラ
シのための継続した必要性が残っている。更に望ましく
は、歯ブラシが電池で作動出来ることである。又、歯ブ
ラシは無負荷時には比較的最小限の大きさで、剛毛が負
荷をかけられているときには大きい大きさで振動するこ
とが望ましい。又、このような歯ブラシにおいては機械
的リンク装置や複雑なシール装置を含む可動部品の数を
最小限にすることが望ましい。更に、過剰な摩損を防止
し可聴音振動数レベルのエネルギを利用することによる
クリーニング効果にて剛毛を振動するようにするため予
らかじめ設定した限界値を越えて使用者がブラシに力を
付与することを防止することが望ましい。

発明の開示従って、この発明の一実施例では磁気駆動装置を含め
振動歯ブラシであって、歯ブラシ本体と、一端に歯ブラ
シの剛毛を有しているレバーアームと、レバーアームを
振動作用をするように載置する載置手段と、該載置手段
の周りでレバーアームを駆動するための電磁石手段と、
から成り、駆動手段とレバーアームとの間に機械的連結
が直接的には存在せず、電磁石手段がレバーアームと載
置手段との組合体の自然的な即ち固有の機械的共振周波
数にほぼ等しい作動周波数でレバーアームを駆動する振
動歯ブラシを提供する。

別の実施例では、レバーアームと載置手段との組合体
の共振振動数と僅かな所定量だけ異なる作動振動数に
て、必ずしも電磁石ではない、レバーアームを駆動する
駆動手段を含んでおり、レバーアームが無負荷状態に対
抗した負荷状態にあるとき、該レバーアームの振動の大
きさが増大するようになっている。

更に別の実施例ではレバーアームを駆動する電磁石手
段が、レバーアームの他端付近に位置付けられた永久磁
石手段と、更に電磁石と、を含んでおり、この電磁石
は、駆動信号が付与される第１のインダクタンスと、第
２のインダクタンスとコンデンサとの直列接続から成る
無効電気量を保管するためのエネルギ回復回路と、を含
んでおり、第１及び第２のインダクタンスが第１インダ
クタンスを介する駆動信号からのエネルギを第２のイン
ダクタンスへ連結するように配列されており、第２のイ
ンダクタンスがレバーアームを駆動するため永久磁石手
段と協働している。

更にまた、本件発明は、ヘッド本体を含むヘッド部分
を備えている磁気駆動装置と、一端に位置付けられてい
る永久磁石手段及び振動運動するようにレバーアームを
載置する載置手段とを備えているレバーアームと、剛毛
を含んでおりレバーアームの他端に対して取り外し可能
な歯ブラシ要素と、駆動装置と電磁石と作動周波数で電
磁石を駆動する信号手段を備えている駆動手段と、を有
しており、ヘッド本体が駆動本体に関して容易に取り外
し可能となっている。

図面の簡単な説明図１は本発明の歯ブラシを示す断面図である。

図２は本発明の一つの特徴を示している振幅と周波数
とを示している図である。

図３は図１の歯ブラシの一部を示している立面図であ
る。

図４は本発明の特定の特徴を示している立面図であ
る。

図５は本発明の別の実施例の部分を示している立面図
である。

図６は本発明の別の実施例の部分を示している単純化
した立面図である。

図７は本発明の更に別の実施例を示している単純化し
た立面図である。

図８は本発明の歯ブラシの機械的装置の一実施例を示
している単純化した分解図である。

図９は本発明のエネルギ保存についての特徴を示して
いる線図である。

図10は図９のエネルギ保存についての特徴の別の変形
例を示している線図である。

発明を実施するための最良の方式図１及び図３は本発明の電池起動式の磁気駆動による
歯ブラシの一実施例を示している。図１に符号10にて示
している歯ブラシは細長い中空のケース12を有してい
る。このケース12の中には電池を含む当該歯ブラシの部
品が収納されている。このケース12は一般に円形断面を
有しており、該ケース12の後端13からほぼ中間付近まで
が約3cm（1.2インチ）の直径を有しており、又、その残
りの部分から先端15までは約0.9cm（1.37インチ）の比
較的小さい直径に至るまで順次細くなっている。このよ
うな形状は本発明の歯ブラシの魅力的な包装形態を提供
すると共に使用者が使用し易いようになっている。

ケース12の中には細長いレバーアーム14が収納されて
おり、このレバーアーム14はピボット部材16に載置され
ている。さらにこのピボット部材16は一平面内（図１に
おいて垂直方向）におけるレバーアームの振動を可能と
している。図１においてはレバーアーム及びブラシを図
示の容易のため垂直方向に運動するように配置している
が、この歯ブラシは、レバーアームとブラシとが水平方
向（横方向）に移動するようにも、即ち、ブラシがある
角度をなす面内にて運動するような特定の角度に位置付
けられうることが理解されよう。ピボット部材16は図示
の例においてはレバーアーム14の端部17付近に位置付け
てあるが、該ピボット部材はレバーアームの両端の間の
他の点に位置付けられることも出来る。ピボット部材16
はケース12の直径が細くなる部分19において当該ケース
12内に載置されている。レバーアーム14の他端にはブラ
シ18が取り付けてあり、このブラシ18はレバーアーム14
から簡単に取り外せるように取り付けてある。また、ブ
ラシ18はケース12の先端15付近にある開口から突き出て
いる。

後に、より詳細に説明するように、レバーアーム14は
ピボット部材に対してかつケース12に対して後述のよう
に載置されており、かつ、さもなければ、レバーアーム
14それ自体又はピボット部材16及び／又はケースの部分
の組合せが本件歯ブラシ装置の他の部分から容易に取り
外せるように載置されている。レバーアーム14とケース
12との間、通常はピボット部材16又はその付近には、ば
ね要素22が接続され、図１に示すように、振動運動のそ
の二つの垂直両端間の中央位置にレバーアーム14を偏ら
せるようにしている。

レバーアーム14の後端には後述する図３に示されるよ
うな永久磁石組立体20が設けてある。この歯ブラシ10
は、又、電磁石24と、電気／オッシレータ装置26と、を
有している。電磁石24は、最も簡単な形態で、上方脚30
と、下方脚31と、中央脚33と、を有するＥ型形状のコア
28から成っている。中央脚33にはコイル36が巻かれてい
る。公知の電池38がオッシレータ40へ動力を付与してい
る。このオッシレータ40は選択された作動周波数の作動
信号を発生し、この作動信号はコイル36へ付与される。
一実施例では、この作動周波数は組合わせレバーアーム
及びピボット部材メカニカルシステムの機械的共振に比
較的近い又はその波長になるように選択され、これによ
りこの駆動機構は共振磁気ドライバとして適切に記述さ
れることが出来る。図示の実施例においては作動周波数
の範囲は、振幅（負荷）1.8mm−3.8mm（0.07−0.15イン
チ）で150−400Hzである。この組合わせは十分高い振幅
−周波数積を供給しており、有効なみがき効果に加え必
要なキャビテーション及びストリーミング効果を発生
し、更に又、使用者を刺激するような音量を発生するこ
とのない低い周波数である。

図３はレバーアーム14の端部17にある永久磁石組立体
20と、該永久磁石組立体20と電磁石24との間にある作動
関係と、を示している。図示した実施例においては、レ
バーアーム14の端部17にはアイロンバッキング部材42が
固定されている。２つの独立した永久磁石部材44、46が
アイロンバッキング部材42へ固着されており、これらの
永久磁石部材44、46は電磁石24の方へ伸びている。アイ
ロンバッキング部材42の後面48はその中心線50から両縁
に方へ向かって僅かに前方へ角度が設けてある。このた
め、永久磁石部材44、46は、図３に示すように、電磁石
24の方向に向かって張り広げる傾向にあり、このため電
磁石に最も近接した点においては永久磁石部材44、46は
約1.3mm（0.05インチ）の間隔だけ離れている。永久磁
石部材44、46の後面44a,46aは、前方に向かって僅かに
傾斜するように示してあるが、これらの永久磁石部材
は、これらの磁石の後面44a,46aが同一面内に位置する
ように互いに位置付けられることも出来るのである。し
かしながら、図示の配置は、より効果的である。永久磁
石部材44は、そのＳ極がアイロンバッキング部材42に隣
接しＮ極が電磁石24側に面するように位置付けられる。
一方、永久磁石部材46はこれと反対に、Ｎ極がアイロン
バッキング部材42に隣接し、Ｓ極が電磁石24に面するよ
うに配置される。

図示の実施例では、レバーアームと電磁石との間に物
理的接触の必要はない。この結果、駆動ハンドルは電磁
石とレバーアームとの間の中実の連続壁部をシールされ
ることが出来る。

一実施例においては、永久磁石部材44、46は、優れた
エネルギ密度を有するネオジム−鉄−ホー素又はサマリ
ュームコバルトのような希土マグネットである。Ne−Ｂ
−Feマグネットは特に優れた選択である。なぜならこの
マグネットは安価であり、作業空間において強いバイア
ス場即ち約８、500ガウスを発生することが出来るから
ある。しかしながら、アルニコ（Alnico）のような低い
エネルギ密度の永久磁石も同様に使用することが出来
る。

駆動信号が第一の極性を有している場合には、電磁石
24の上下の脚30、31はＮ極を有し、一方、中央の脚33は
Ｓ極を有する。駆動信号が別の磁極の場合には電磁石の
相対的な磁極はこれと反対即ち上下の脚がＳ極を、中央
の脚がＮ極を有することになる。こうして、コイル36へ
付与される駆動信号が磁極を変更するように、電磁石の
３本の脚先端の磁極が変更する。電磁石の上下の脚は中
央の脚33より幾分前方にまで伸びており複数の永久磁石
の傾斜面に適合するようになっている。もし複数の永久
磁石の面が一平面内にある場合には、電磁石の脚の先端
は同様に通常は一平面内にある。

電磁石24の脚30、31、33の先端からの磁束即ちフラッ
クスは隣接する脚間の間隙を介して流れる。この間隙内
のフラックスは永久磁石部材44、46に取消−反発の瞬間
的な組合わせ力を発生し、次いでこの力はピボット部材
16周りにレバーアーム14のトルクを発生する。この力は
最終的には図１の実施例ではオッシレータの作動周波数
でブラシを垂直（上下）方向に運動する結果となり、
又、別の実施例では他の周期的繰返し作用をまたらす結
果となる。

上下の脚が共にＮ極で、中央の脚がＳ極であるとき、
上方脚30と上方永久磁石部材44との間に反発作用が生
じ、又、中央脚33と下方永久磁石部材46との間にも同様
に反発作用が発生するであろう。これらの反発作用は、
レバーアームをピボット部材16の周りに時計方向に運動
させる力を発生する。一方、上方永久磁石部材44と中央
脚33との間、及び下方永久磁石部材46と下方脚31との間
には引合い力が発生する。これらの引合い力は、同様
に、レバーアーム14を時計方向に運動させる力を発生す
る。

上下の脚がＳ極で、中央の脚がＮ極である場合には、
同様に反発力と引合い力とが発生するが、レバーアーム
14に対しては反時計方向の運動を発生する。こうして、
レバーアーム14は、当該レバーアームを中心位置へ偏倚
させているばね要素22により、図示の例では、約±３゜
の角度で時計方向及び反時計方向に交互に移動する。こ
の運動の角度は幾分変動出来ることは理解されよう。レ
バーアームに及ぼされる力はその角度位置から相対的に
独立しており、ほぼ一定の駆動力を発生している。この
ような駆動装置において、角度的な迂回は作業の増大を
引き起こし、負荷を増大するレバーアームの運動の大き
さの所望の特性を容易にする。駆動信号はオッシレータ
及び電池のような動力源を含む公知の回路により発生さ
れる。要求される切り替えは２極トランジスタ、FET、
又はリレー等を含む幾つかの異なる要素により達成され
る。

図３はまた特定のピボット部材の配列を示している。
この配列においてはピボット部材は２つの側方支持要素
56、58を含んでいる。これらの側方支持要素56、58は小
さく、比較的薄いブロック材料から成り、これらの要素
はケース12へ取り付けてある。これらの側方支持要素5
6、58からは２つのねじりアーム60、62が内方に向かっ
て伸びている。これらのねじりアーム60、62は側方支持
要素56、58と一体に形成され又はそこに固着されてい
る。ねじりアーム60、62は次いでレバーアーム14へ接合
され又は該レバーアーム14の一部を構成している。ある
特定の実施例では、レバーアーム14、側方支持要素56、
58及びねじりアーム60、62は一つのプラスチック成形組
立体から構成されている。別の実施例では、ねじりアー
ム60、62と側方支持要素56、58とは、ばね鋼により予め
形成され、次いで、ねじりアーム60、62がレバーアーム
14へ固定される。特定の例においては6.4mm（0.25イン
チ）の長さ及び2mm（0.078インチ）の直径を有する音楽
用の針金のような硬化スチール材料から成るねじりアー
ムが約250Hzの共振振動数の発生に適している。

作動時においては、ねじりアーム60、62はレバーアー
ム14を中心位置へ偏倚させ、即ち、レバーアームの運動
によって一方向又は他方向にこのねじりアーム60、62へ
もたらされた力は、この力が取り除かれたときにレバー
アームをその中心位置へ戻すように作用する。この復帰
作用はねじりアームのばね作用によるものであり、よっ
て、このねじりアームのばねファクタはブラシ・レバー
組立体の機械的共振の重要部分をなしている。これらの
ねじりアームはそれらの長さ方向の面（長手方向面）に
おいてのみレバーアームの回転を許し、例えば、レバー
アームによる軸線方向及び垂直方向の移動、及びその他
の軸線周りの回転を妨げるようになっている。ねじりア
ームピボット部材は摩擦移動部材を持たないという別の
利点をも有しており、これにより比較的に損失の少ない
振動機構を提供する。更に、部品のトレランスは重要な
点ではない。

図４を参照すると、歯ブラシ装置内にはダイヤフラム
64が設けてある。このダイヤフラム64はねじりアーム組
立体の一部へしっかり取り付けてあり、ケース12の内表
面65まで外方に向かって伸びている。ダイヤフラム64は
ピボット部材16の付近に歯ブラシのためのシールを提供
している。このダイヤフラム64はピボット部材16（即ち
図４のねじりアーム組立体）と一体に作ることも出来、
又は、ねじりアーム組立体から離して位置付けることも
出来るが、通常はそのすぐ近くに配置してある。

更にシール又はダイヤフラムを図１の要素66のように
ピボット部材16から離して設けることも出来る。この場
合にはシール要素66は偏倚可能でありレバーアーム14か
らケースの内方周辺まで伸びている。シール要素66はシ
ール機能を妨げないようにレバーアームの運動と共に偏
倚ことが出来るようになっている。レバーアーム14のブ
ラシ端付近でのシールの使用は液体がブラシ区分から歯
ブラシ装置内へ逆流するのを防止している。シール要素
66はまた同一の歯ブラシ装置内にダイヤフラム64を設け
ることも出来る。

上述のシール（ダイヤフラム）は取り付けが簡単で安
価で、装置のレバーアームの振動に対する回転又は直線
運動成分がある他の歯ブラシ装置の非効率的な高価なシ
ールを不要としている。

図５の実施例では、レバーアーム70を駆動するのに必
要なバイアスフラックスはレバーアームに直接位置付け
られる替わりに装置内に固着される永久磁石88によって
もたらされている。このためレバーアームの全体コスト
を下げることが出来る。レバーアーム70は上に示しかつ
記述したと同様に符号72にて示した位置にて枢着されて
いる。レバーアームはこのピボット点72から外方かつ後
方に２つのヨークアーム74、76となって符号78にて示す
電磁石の方へ向かって分かれている。ヨークアーム74、
76の各後方部分80、82には鉄のような強磁性物質を有し
ている。

電磁石78の中央脚付近には固定支持部材81が位置付け
てある。この固定支持部材81は図５に示すようにヨーク
アーム74、76間に伸びており、その先端部分には永久磁
石88が取り付けてある。後方部分80、82は磁束を固定の
永久磁石88から電磁石78までつなぐ作用をしている。こ
の装置のためのシール89が設けてあり、このシールは図
示していないケースの内面からヨークアーム74、76と永
久磁石88との間に伸長している。このため２つのヨーク
アーム74、76と、固定の永久磁石88及び電磁石78の組合
体に対するそれらの各強磁性部分80、82と、の間に有効
な内部シールを形成している。

図５の実施例に示す要素は、強磁性部分80、82と永久
磁石88との間の間隙内の磁束密度が図１の実施例の場合
と同様になるように配置されることが出来る。

図５の装置の利点の１つは、永久磁石88が図１の実施
例における永久磁石よりも通常高価であるが、ヨークア
ーム74、76を含むレバーアーム組立体が安価となりこの
ため取替えが容易であるということである。更に、図５
のレバーアーム組立体の慣性モーメントが、通常図１の
実施例のレバーアームのための慣性モーメントよりも小
さくなることである。このため高共振周波数の使用が可
能となり、かつ／また図５の実施例の歯ブラシ装置へ連
結される振動数を減少することとなる。

図６は可変磁気抵抗を含む本件発明の歯ブラシ装置の
別の実施例を示している。レバーアーム96の後端部94は
鉄又は鋼製の曲面部材98へ取り付けてある。この曲面部
材98は通常約1.8cm（0.7インチ）の長さを有している。
該曲面部材98と電磁石104の下方脚102との間の間隙から
当該曲面部材98を保持するため、ばね100が設けてあ
る。電磁石104の上方脚106と曲面部材98との間の磁気抵
抗はかなり低くかつレバーアームの通常の回転運動を一
定に保持している。曲面部材98と下方脚102との間の磁
気抵抗は、コイル107を介して付与された駆動信号が適
当な極性を有している間中、レバーアーム96がばね100
の作用に抗して反時計方向に回転する際に、減少する。
図６の装置は、レバーアームが比較的長く、“スローデ
スタンス（throw distance）”即ちレバーアームのブ
ラシヘッド端の運動が間隙長さの数倍であるような時
に、特に有用である。

図７は本件発明の更に別の実施例を示している。この
場合、レバーアーム114の後端部111にある永久磁石11
0、112は電磁石116に対して配置されており、このため
レバーアーム及びブラシは側方に運動する。電磁石116
は一般にＵ字形状をなし、上下の対向する脚118、120を
備え、これらの脚118、120の端部122、124は、それぞ
れ、上下の脚の他の部分に対して直角に曲がり、互いに
向かい合う方向に僅かに伸びている。永久磁石110、112
はこれらの端部122、124間の間隙内に配置されている。
これらの永久磁石110、112は、それらの各磁極が脚11
8、120の端部122、124の方に向かって反対方向に面する
ように配置されている。作動時には、駆動信号の1/2サ
イクルの間に電磁石の磁極が偏倚し、１つの永久磁石が
この磁極によって反発され、他の永久磁石がそこに引き
寄せられる。この作用は他の1/2サイクルの間に逆転す
る。このことの利点は、永久磁石110、112と電磁石の脚
との間の間隙が小さく（例えば0.5mm（0.02インチ）か
つ一定に保持されることである。

図８は本件発明の装置の全体構造を示す別の実施例を
示している。この実施例では歯ブラシ装置は３つの容易
に分離可能な区分に分解出来る。第１の区分は、ブラシ
128であって、これはレバーアーム132の前方端130から
容易に分離出来る。第２の区分は、ヘッド部材134であ
り、これはブラシ128のための保護要素152を含むケース
部分136と、レバーアーム132と、ねじりアームピボット
部材138と、を含む。上述のように、ピボット部材138と
レバーアーム132とは一体部品とすることが出来る。レ
バーアームはブラシを側方へ運動するように枢着されて
いる。このレバーアームは図示のようにピボット部材13
8の後部に所定の長さだけ伸びている。レバーアームの
後端には２つの永久磁石137、137が並置して配列されて
いる。上述したように、レバーアームの周囲にはブラシ
128に近接してシール140が設けてある。第３の区分は駆
動部分141である。この駆動部分141は、図示していない
電磁石、電池、オッシレータ部分等を含むケース部分14
2を有している。この駆動部分141の前方端付近には壁15
0がある。この壁は駆動部分を歯ブラシの他の部分から
完全にシールしている。

ヘッド部材134は、ねじ、嵌合接続、又は図８に示す
ねじ151等のようなその他の同様の要素によって駆動部
分141から容易に取り外せるような構造となっている。
このような構造は、２つの区分間に何らの複雑なシール
機構を備えることなしに単一の駆動部分を持った幾つか
の異なるヘッド区分の使用を可能としている。

図２は、本件発明の別の優れた特徴を示している。即
ち、作動周波数がこの装置の通常の即ち固有の共振周波
数と僅かに異なるとき、例えば5Hzから40Hz、好ましく
は約15Hz程度の差があるときには剛毛への負荷は、ブラ
シヘッド速度と負荷へ対する動力搬送についての重要な
性能特性を制御している。図２は、ブラシヘッドの運動
周波数とブラシヘッドの速度（比較目的のため目盛り要
素だけ掛けた毎秒当たりのミリメータにて示している）
との関係を示している。速度推移は振幅に対して直接的
関係を有している。負荷が空気（負荷なし）又は非常に
少ない場合には共振特性は、原則的には、レバーアーム
とピボット部材との慣性、及び、追従特性によって決定
される。この“軽量”荷重のブラシヘッド速度曲線153
は線154−155で示す所望範囲の作動周波数を僅かに越え
ており、これによりノイズ及びスプラタ（splatter）を
最小にしている。

剛毛を歯に対して及び／又は唾液及び歯ブラシ流体中
に位置付けることは剛毛先端のより大きいダンピング
（damping）即ち減衰をもたらすことになる。このよう
な増大したダンピングは剛毛のコンプライアンス（comp
liance）を共振機構構造体に連結し、速度対周波数特性
に変更をもたらす。設計変数の選択によりこの速度対周
波数応答は、大きさ、ピーク周波数及びバンド幅即ち
“Q"に変動がもたらされうる。例えば、図２において、
“作動負荷”曲線157は、所望の作動範囲にわたり、大
きさは軽量負荷の場合の曲線153の約２倍のファクタだ
け増大している。更に、このデザインは、レバーアーム
出力インピーダンスに対する複合共役インピーダンス整
合を使用することにより負荷及び選択されたダンピング
レベルに対して最大の力を供給するように形成されるこ
とが出来る。特に剛毛のコンプライアンスは共振以上の
出力インピーダンスの質量に似た成分を効果的に消すた
めのに使用される。一方、負荷ダンピングは出力インピ
ーダンスの真実の成分にマッチする。この最適ダンピン
グは歯茎（gums）や歯への過剰な圧力を避けるため比較
的軽い負荷荷重（例えば100gms）にセットされることが
出来る。

作動周波数はまた供給されたパワーレベルを制御する
ために調整されることが出来る。図２に示すように、作
動周波数は、約ファクタ２だけ負荷をかけたブラシヘッ
ド速度と負荷をかけていないブラシヘッド速度とを共に
減少するため5Hzだけ増加させることが出来る。

この装置の共振作用を利用した別の特徴は、剛毛へか
かる力がある入口部分を越えるときブラシヘッド速度を
抑えることである。このダンピングは、剛毛が歯表面
へ、特に鋭角で押圧されたときに達成される。図８を参
照すると、過剰な負荷レベルにおける抑圧は、レバーア
ーム132のコンプライアンス、及びブラシヘッド128と保
護要素152との間の無負荷間隔を選択することによって
達成されることが出来、このためこの間隔は最大許容力
に減少され、接触が起こる。このような方法は、図８に
示すような、側方運動を採用している実施例において最
もよく作動する。ゴムのような摩擦発生材料の使用はダ
ンピング特性を提供することが出来、１又はそれ以上の
突き当て面（bumped surfaces）の使用は過剰力状態を
示す音響信号を供給することも出来る。このフィードバ
ックは配布された力を減少することによる過剰な力に対
するトレーニング及びガードを容易にしている。

一般に、剛毛へ可変負荷を与えることが出来ることに
よる限定共振性能は口部衛生学の分野において以下のよ
うな幾つかの利益を提供する。（１）負荷がかかってい
ないとき、流体、歯ブラシのスプラタ及び騒音を減少す
るための最低速度を提供する。（２）負荷がかかってい
るとき、自由に振動することが出来るように剛毛領域に
キャビテーション及び音響的流れを強化するための最大
速度を提供する。（３）比較的低圧力に設定されること
が出来る典型的な使用ダンピングにおいて剛毛のこすり
作用へ最大のパワー伝達を提供する。更に、（４）ブラ
シヘッドが該ブラシヘッドへ付与される余分な力を最小
にするためオーバータンプされるとき振動速度を限定し
かつ抑制することが出来る。こうして異なるブラシヘッ
ドが異なる剛毛形態と共に供給されることが出来、各形
態は特定の用途を備えている。

本発明の別の特徴は図９に示してある。前述のよう
に、図１の装置は、電磁石から１つの永久磁石を介して
バッキンしている鉄部材まで、次いで該永久磁石を会し
て電磁石の中央脚に至る通路から成る比較的大きい空気
空間を有している。この永久磁石の相対的誘電率はほぼ
ゼロであり、このことは比較的高い磁気抵抗通路に寄与
している。この大きい磁気抵抗は、対応する大きい磁気
運動力を要求している所定の同時的磁束密度のための空
間内に保持される、対応する大きい瞬時エネルギを要求
している。付加的磁気運動力は電磁極間及びその周囲の
漏れ磁束を支持するために要求されている。こうして生
じた無効磁束は、特にブラシが付加を受けていないとき
に、該ブラシへ動力を供給するために要求される磁束よ
りも数倍高い。

図１に示した本発明の実施例はこれまでの装置を著し
く改良しかつ動力として電池の使用を可能としたが、使
用される磁気運動力の高い価値に対応する図１の装置に
おいて実質的に大量のエネルギ浪費がある。特に、この
動力は、コイル及びスイッチ回路内にてI²R損失のよう
な解離要素において消費される。１つの例として、図１
の回路の作動磁気運動力（MMF）では、コイルのインピ
ーダンスは2.3オーム（誘導リアクタンス）、0.22オー
ム抵抗であり、スイッチ回路の抵抗、特にトランジスタ
スイッチでは、0.3オームである。１次コイルの巻数は1
50である。装置が静止しているとき1.3ワットの動力浪
費のため、静止作動状態で、電流は約1.6アンペアで、
電圧は4.6ボルトである。この数値は大きい動力損失で
ある。

エネルギ損失の著しい減少は図９に示すエネルギ保存
回路の使用によって達成される。この回路は１次コイル
156を含んでいる。このコイルは電磁石の中央脚165の周
りに巻かれ、かつオッシレータ／電池組合体163によっ
て駆動されている。又、中央脚165の周りは共振コイル1
62が巻かれており、このコイル162はコンデンサ164と直
列に連結されている。コンデンサ164は通常大変小さ
く、ほぼ１マイクロファラッド程度である。１次コイル
156の巻数は図示した実施例では約45であり、一方、共
振コイル162の巻数は約3000である。この装置におい
て、１次コイル156は該装置によって達成される実際の
仕事と共働する損失を支持するために要求された電池か
ら動力を受け入れており、一方、共振コイル162とコン
デンサ164との組合体は電磁石のマグネットコアから無
効エネルギを保存しかつ戻している。

上記例において、MMF（磁気運動力）が150アンペアー
巻数、共振コイルの抵抗が100オーム、１次コイルの抵
抗が0.3オーム、１次コイル内の電流が無負荷時で0.2ア
ンペア、負荷時で1.0アンペア、一方、装置が静止状態
では１次コイルの電圧は1.5ボルトで、動力損失は0.25
ワットである。このような作動状態で、この装置は２つ
のNiCad電池で容易に駆動出来る。このようなシステム
は無負荷時に約250のＱを有し、通常の負荷をかけられ
た負荷時には約４であるように決定され、このことは公
知の装置を著しく改善するものである。

１次コイルと共振コイルとの配列による別の利点は、
１次コイル駆動波形のパルス幅変調を容易化出来ること
である。パルス幅変調は電池及び負荷状態を変更するよ
うに効果的に保証するために、及び供給された動力を調
整するために使用され得る。単一のコイル駆動は通常大
きい電圧スパイクを防止するために端子へ定常的に付与
された低いインピーダンス通路を要求する。このような
作動は一般にスイッチングトランジスタの位相を複雑に
している。２重コイル駆動は１次コイルがゼロ駆動イン
ターバルの間中解放されることを可能とし、２次アンペ
アー巻数を吸収するため断片的に調整するこの２次アン
ペアー巻数は１次側によって供給されるものではない。
図９の回路の変形である図10はそのような回路形態を示
している。電池170を備えた中央のタップ付１次コイル
はトランジスタ166、167とオッシレータ168とを含んで
いる駆動回路の使用を可能としている。

こうして、磁気駆動振動歯ブラシは実際的にかつ効果
的な方法にて作動出来ることが、特に構造的特徴の点で
開示された。そのような振動歯ブラシは単に歯を磨くこ
とが出来るだけでなく、真の音響効果のためのキャビテ
ーション及びストリーミングを維持出来る。

ある実施例によれば、共振システムは特定の質量と、
キャビテーション及びストリーミングをもたらすピボッ
ト配置と、を含んでいる。レバーアーム、ブラシ、ピボ
ット部材等はすべて質量及びばね定数を備えた共振部材
であり、これらの質量及びばね定数はこすり作用、キャ
ビテーション及びストリーミング効果等を含む有効な歯
クリーニング作用を行う望ましい周波数にて機械的シス
テムの共振の自然的な方法をもたらしている。この駆動
システムの作動周波数は機械的システムの共振周波数に
かなり接近するように選択される。ブラシの変形は最少
量の電気的エネルギで非常に大きくなる。これは機械的
システムの固有の共振に関する補強効果のためである。
更に捩りアームピボット部材はかなり単純であるが装置
全体の設計には信頼性がある。

別の実施例においては、作動（駆動）周波数は無負荷
時共振周波数からオフセットされるように選択される。
この作動周波数においては振動構造体の特性はブラシの
負荷によって変更され、それによって振動の大きさは図
２に示すように負荷と共に増大する。このことは歯ブラ
シの作動を著しく改良した優れた予想外の結果である。
ここに開示された特定の磁気駆動及びレバーアーム構造
は、例えば、かみそり、はさみ、種々の外科的器具、ブ
レンダ、無気スプレーヤ、その他の装置を含む多くの用
途に利用され得る。本発明は特に、比較的高振動周波数
が高効率のための必要性と組み合わさることにおいて重
要である時に有用である。また、特に、反作用エネルギ
を保管するためには、１次コイルとの組み合わせにおい
て、共振コイル及び記憶容量の構造体は効率を高めるた
めに種々の用途に使用され得るであろうことは理解され
よう。

本発明の種々の実施例が図示のために開示されたが、
種々の変更、改変、取り替えなどが、請求項によって画
定される本発明の精神から出ることなく図示の実施例内
に組み込まれるであろうことは理解されよう。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者マーティン，ロイ・ダブリューアメリカ合衆国 98052 ワシントン州レドモンド，ワンハンドレッドエイティファースト・プレース・ノースイースト 3312 (72)発明者ローゼンバウム，ロジャー・エイチアメリカ合衆国 98117 ワシントン州シアトル，ノースウエスト・セブンティナインス・ストリート 146 (56)参考文献特開昭50−25361（ＪＰ，Ａ) 実開昭53−84494（ＪＰ，Ｕ) 実開昭50−30991（ＪＰ，Ｕ) 特公昭46−16550（ＪＰ，Ｂ１) 西独国特許出願公開4002199（ＤＥ, Ａ１) スイス国特許発明609238（ＣＨ，Ａ５) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) A46B 13/00 A61C 17/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】磁気駆動装置を有する振動歯ブラシ（10）
であって、歯ブラシ本体（12;136及び142）と、一端部に歯ブラシ剛毛（18）を有するレバーアーム（1
4、70、114、132）と、単一の固定ピボット点（72）の周りにおけるレバーアー
ム（14、70、114、132）の振動作用のため前記本体（1
2;136及び142）に対してレバーアーム（14、70、114、1
32）を載置する載置手段（16;56、58、60及び62;138）
であって、レバーアーム（14、70、114、132）と載置手
段（16;56、58、60及び62;138）とが公知の固有の共振
周波数を有する組立体を画定している載置手段と、該載置手段（16;56、58、60及び62;138）の周りにてレ
バーアーム（14、70、114、132）を作動周波数にて駆動
するための前記本体（12;136及び142）内に位置付けら
れた駆動手段（20及び24;78及び88;110、112及び116、1
37及び141）であって、該駆動手段（20及び24;78及び8
8;110、112及び116、137及び141）とレバーアーム（1
4、70、114、132）との間に直接的な機械的接続がな
く、作動周波数がレバーアーム（14、70、114、132）と
載置手段（16;56、58、60及び62;138）との組合体の固
有の機械的共振周波数にほぼ等しく、該駆動手段（20及
び24;78及び88;110、112及び116、137及び141）がレバ
ーアーム（14、70、114、132）の他端（17、94）または
その付近に位置付けられた永久磁石手段（20、88、110
及び112;137）と該永久磁石手段（20、88、110及び112;
137）から離してある電磁石（24、78、116）とを含んで
おり、電磁石（24、78、116）が交流駆動信号を受け入
れる電磁石コイル（36;156及び162）を有しており、1/2
サイクルの間に該電磁石（24、78、116）を通る電流が
ピボット点（72）周りにレバーアーム（14、70、114、1
32）を一方向に運動させ、同時に他の1/2サイクルの間
に電磁石（24、78、116）を通る電流がピボット点（7
2）周りにレバーアーム（14、70、114、132）を反対方
向に運動させる駆動手段と、から成る振動歯ブラシ。
【請求項２】前記作動周波数が固有の機械的共振周波数
と僅かに異なり、その作動周波数のためにレバーアーム
（14、70、114、132）が無負荷状態に対抗するような負
荷状態にあるとき、レバーアーム（14、70、114、132）
の振動の速度が上昇する、請求項１の振動歯ブラシ。
【請求項３】固有の共振周波数と作動周波数との間の差
が５−40Hzの範囲内である請求項２の振動歯ブラシ。
【請求項４】作動周波数が150−400Hzの範囲であり、固
有の共振周波数と作動周波数との間の差が約15Hzである
請求項２の振動歯ブラシ。
【請求項５】前記永久磁石手段（137）が前記レバーア
ーム（132）の他端付近にて該レバーアーム上に位置付
けられ、電磁石コイルは駆動信号が付与される第１イン
ダクタンス（156）を有し、電磁石が第２インダクタン
ス（162）とコンデンサ（164）との直列接続を有する無
効電気量を保存するエネルギ保存回路を有し、第１及び
第２のインダクタンス（156及び162）は第１インダクタ
ンス（156）への駆動信号の付与によって生じる第１イ
ンダクタンス（156）からのエネルギが第２インダクタ
ンス（162）へ接続されるように配列され、第２インダ
クタンス（162）と電磁石とが前記レバーアーム（132）
を駆動するように永久磁石手段と協働している、請求項
２の振動歯ブラシ。
【請求項６】請求項１の振動歯ブラシ（10）であって、ヘッド部分（134）と、一端部に位置付けられている永
久磁石手段（137）を有しているレバーアーム（132）
と、該レバーアーム（132）をヘッド本体（136）へ載置
する載置手段（138）と、を有しているヘッド部分（13
4）と、剛毛を有しており、レバーアーム（132）の一端（130）
の取り外し可能に載置されている歯ブラシ要素（128）
と、駆動装置本体（142）と、該駆動装置本体（142）内に位
置づけられている電磁石と、作動周波数にて該電磁石を
駆動するように駆動装置本体（142）内に位置づけられ
ている信号手段と、を含み、ヘッド部分（134）が容易
に取り外せるようになっている駆動部分（141）と、を有している請求項１の振動歯ブラシ。
【請求項７】作動周波数が150−400Hzの範囲にある請求
項１、５及び６の何れか１に記載の振動歯ブラシ。
【請求項８】載置手段（16;56、58、60及び62;138）が
振動作用の両極端間の中心位置にレバーアーム（14、7
0、114、132）を維持するためのセンタリング手段（22;
60及び62;100）を含んでいる請求項１、２及び５の何れ
か１に記載の振動歯ブラシ。
【請求項９】センタリング手段がレバーアーム（14、7
0、114、132）と歯ブラシ本体（12;136及び142）との間
に接続されたばね部材（22;60及び62;100）である請求
項８の振動歯ブラシ。
【請求項１０】載置手段（16）がねじり組立体を含み、
このねじり組立体がレバーアーム（14）と歯ブラシ本体
（12）とに固着されたねじりアーム手段（60及び62）を
有し、該レバーアーム（14）が駆動手段の作用によって
一面内にて移動するとき、レバーアーム（14）のその直
交面内での運動が防止されるようになっている請求項６
又は８の何れか１に記載の振動歯ブラシ。
【請求項１１】電磁石（24、78）が、上部脚と底部脚と
中央脚（30、31及び33）とを有するＥ型コア（28）を含
み、電磁コイル（36）が中央脚（33）の周りに巻かれ、
永久磁石手段（20）が対向する極を備えて側方に並んで
いる２つの永久磁石（44及び46）を有している、請求項
２又は10の何れか１に記載の振動歯ブラシ。
【請求項１２】駆動手段（141）が電磁石から無効電力
を保存できるエネルギ保存回路を含んでいる請求項１、
２及び６の何れか１に記載の振動歯ブラシ。
【請求項１３】エネルギ保存回路が共振コイル（162）
とコンデンサ（164）とを直列に連結し、該共振コイル
（162）が電磁石コイル（156）へ磁気的に接続されてい
る請求項12の振動歯ブラシ。
【請求項１４】レバーアーム（132）が歯ブラシ本体（1
41）から取り外し可能であり、これによりレバーアーム
（132）の便利な取り替えを可能としている請求項１、
２及び５の何れか１に記載の振動歯ブラシ。
【請求項１５】歯ブラシ本体（12）へ接続され、かつ、
永久磁石（88）と電磁石（78）との間に位置付けられて
いる流体密シーリング要素（89）を含んでおり、電磁石
エネルギが該シーリング要素（89）を介してレバーアー
ム（70）へ連結されている請求項１、２及び５の何れか
１に記載の振動歯ブラシ。
【請求項１６】レバーアーム（70）の他端（17）が少な
くとも１つの強磁性体部分（74、76）を含み、電磁石
（78）と永久磁石（88）とが歯ブラシ本体（12）に対し
て固定位置に取り付けられ、レバーアーム（70）と強磁
性体部分（74、76）とが永久磁石（88）から電磁石（7
8）へ磁束を連結するように配列されている請求項１、
２又は５の何れか１に記載の振動歯ブラシ。
【請求項１７】歯ブラシ本体（12;136及び142）が所定
の範囲を超えたレバーアーム（14、70、114、132）の振
動を防止するためレバーアーム（14、70、114、132）に
対して構成されている請求項１又は２の何れか１に記載
の振動歯ブラシ。
【請求項１８】電磁石（24、78）が、上部脚と底部脚と
中央脚（30、31、165）を有するＥ型コア（28）を有
し、第１及び第２インダクタンス（156及び162）が、２
つのコイル（156及び162）間に磁束の実質的な相互連結
をなすように前記Ｅ型コア（28）の中央脚（165）に巻
かれたコイルである請求項５の振動歯ブラシ。
【請求項１９】第２インダクタンス（162）とコンデン
サ（164）との組合体の共振周波数が駆動信号の周波数
に接近している請求項５又は18の何れか１に記載の振動
歯ブラシ。