JP4558483B2 - 出力ツールを駆動するための、節点を備えたシステム - Google Patents

Description

本発明は、一般に、電動歯ブラシ及び類似した器具のための共振駆動システムに関し、より詳細には、モータから出力要素（ブラシヘッド等）へのばね結合装置を備えた回転モータを持つこのようなシステムに関する。

電動歯ブラシは、一般に良く知られており、多種多様なデザイン及び物理的な構成を含んでいる。一部の電動歯ブラシは、効果的であり且つ商業的に成功していることが証明されている。１つの例は、本発明の譲受人が所有する米国特許第５，１８９，１５３号に示される歯ブラシである。

多くの電動歯ブラシは回転型の動きを有する。一部は、３６０°のアーマチュア回転機能を有するが、デザイン構成のため、より適切なブラシ効果を与えるように、特定範囲の動き、即ち３６０°のうち選択された円弧状部分に限定された振動運動を生じる。これらの回転運動デバイスのうちの一部は、機械的に駆動される一方で、その他のものは、ブラシヘッド構造等の可動質量部(movable mass)及びハンドルに取り付けられたばねに関わる共振システムである。システムの共振周波数は、ハンドルによって影響を受ける。

本発明は、共振システムに関する。回転アーマチュアを備えたモータを用いる共振デバイスは、多くの場合、デザインの単純さ及びリーズナブルなコスト、更には一般的に小さなサイズという利点を有する。しかし、これらのデバイスは、３６０°回転を通じて連続的に回転するのではなく選択された円弧にかけて往復振動をすることによる、システムの反転運動によって生じるデバイスのハンドルに結合した振動を含む大きな欠点も有する。振動は、ハンドルにばね要素を通じて結合される。このようなシステムの共振周波数は、ハンドル及び駆動システムの他の部分の慣性モーメント（ＭＯＩ）によって影響を受ける。デバイスの性能は、更に、ハンドルの動力学（例えば減衰特性、ばね定数及び慣性モーメント）によって影響を受ける。更に、ユーザがこのような単純な共振システムデバイスのハンドルを握ると、ユーザはシステムの一部になり、このことは、ハンドルの動力学及びデバイスの結果のパフォーマンスを変化させる。従って、共振システムにおいては、多くの変数がハンドルの力学特性及びシステムパフォーマンスに影響を及ぼす。加えて、共振システムにおけるハンドルへのばね結合は、ハンドルに大きな物理的振動を生じる。これらの欠点は、このような歯ブラシの商業的な成功に対して悪影響を及ぼしてきた。

従って、このような共振駆動システムによって生じるハンドルの物理振動及び騒音を大幅に低減すると共にこのようなシステムの効率を向上させることが望ましい。

従って、本発明は、電動歯ブラシ又は他の類似した器具において、歯ブラシハウジングと；駆動アセンブリであって、動作中所定の大きさの円弧にかけて往復回転するアーマチュアを持つモータと、ブラシヘッドを含む出力アセンブリと、節点を持ち、前記アーマチュアを前記出力アセンブリに接続し、前記駆動アセンブリが前記ハウジングから実質的に振動に関して分離されるように、前記ブラシヘッドが前記アーマチュアの回転に対して１８０°ずれた位相で回転するモードで前記歯ブラシが動作する周波数を持つ駆動信号に応答して動作する結合アセンブリとを有する駆動アセンブリと；前記駆動アセンブリと前記ハウジングとの間に接続された少なくとも１つの支持要素であって、前記節点は、前記歯ブラシの動作中実質的に静止したままである、支持要素とを有する電動歯ブラシ又は他の類似した器具である。

図１及び２を参照すると、小さい器具モータ１２が、電動歯ブラシ１６のハウジング又はハンドル１４（分解して示される）に取り付けらている。本発明は、説明及び図示の便宜のために電動歯ブラシと関連して説明されるが、本発明のシステムが、他のワークピース要素を駆動する他の小さい器具において用いられることができることは理解されるべきである。

モータ１２は、電池２０からモータ１２のステータ部（図示せず）に供給される電流に応答して回転モードで駆動されるアーマチュア１８を含む。電池２０は、典型的には再充電可能電池であり、使用していないときに歯ブラシが配置される充電台（図示せず）を介して再充電される。このような充電台装置は、例えば米国特許第５，７９６，３２５号に示されており、これも本発明の譲受人が所有するものである。

駆動システムのモータ１２とは反対側の端にはブラシヘッド２２等のワークピース要素がある。この発明の目的のために、ブラシヘッド２２は種々の構成をとることができる。ブラシヘッド２２は長尺シャフト２４に取り付けられ、この長尺シャフト２４はブラシヘッド２２からハウジング１４内に位置する出力質量部(output mass)２５へと後方に向かって伸びる。本発明は、上記のように共振システムであり、その特性の１つは、駆動システムがモータによって、機械的駆動システムの共振周波数で又は機械的駆動システムの共振周波数に非常に近い周波数で駆動されるというものである。このことは、システムの効率を増加させるとともに他のパフォーマンスの利点を提供する。

本発明の共振システムは、モータアーマチュア１８を出力質量部２５に結合するばねアセンブリ（全体として２６で示される）を含む。ベアリング２７及び２９は、ハウジング内のモータ及び出力シャフトを支持する。示された実施例のばねアセンブリ２６は、中間節点３２によって２つの連続した部分２８及び３０に分割されるらせん形ばねを有する。図示した実施例の２つのばね部分２８及び３０は実質的に等しく、ばね定数ｋ１及びｋ２をそれぞれ有する。節点３２にはセンタリングばねとも呼ばれる取付けばね要素３６が配置され、このばねは、ばねアセンブリ２６をハウジング１４に取り付ける、即ち接続する。取付けばね３６は、また、ばねアセンブリの動作に小さいダンピング効果を及ぼす。

上記のように、ばね部分２８及び３０は、一般的に、センタリングばね要素３６が取り付けられる節点領域を含む単一のばね構造を有する。示される装置には、駆動システムをハウジングから分離するという利点があるため、ハウジングに伝達される振動は全く又はほとんどない。

示された実施例のらせん形ばね部分２８及び３０は、ワイヤ巻付けコイルばね若しくはリーフ若しくはビームばね又はねじれ要素を含む異なったばね装置でありえ、これらもその２つの連続した部分の間に節点を有する。センタリングばね３６（いくらかのダンピング効果を有する）は、ゴムを含む多くの異なった材料から作られることができ、厚いワッシャ状の構成を含む種々の構成をとることができる。２つのばね部分間の節点に配置されるセンタリングばね３６は、デバイスの動作の最中実質的に動かず、駆動システムからハウジングに結合される振動はごくわずかであるか又は全くない。センタリングばね３６は、更に、デバイスの動作の最中のブラシヘッド装置とモータとの整列を保証する。

この共振システムの通常の操作において、駆動周波数は駆動システムの共振周波数にほぼ等しい。このモードにおいて、ブラシヘッド部分は、モータとは１８０°位相がずれて回転する。図２をここで参照する。ばね部分３０は、その遠端で慣性モーメントｊ２を有する出力質量部２５に接続されており、この出力質量部２５はブラシヘッドシャフト２４に接続されている。アーマチュア１８は、慣性モーメントｊ１を有する。ブラシヘッドシャフト２４及びブラシヘッド２２の組合せは、慣性モーメントｊ３を有する。示された実施例において、２つのばね部分２８、３０のばね定数ｋ１、ｋ２が等しく、且つ、モータアーマチュア１８の慣性モーメントｊ１が質量部２５の慣性モーメント（ｊ２）とシャフト及び歯ブラシの組合せの慣性モーメント（ｊ３）との合計に等しければ、即ちｋ１＝ｋ２且つｊ１＝ｊ２＋ｊ３であれば、駆動システムの共振周波数ωはほぼ

となる。

モータがこのモード（共振周波数モード）で駆動されれば、無負荷のブラシヘッド２２は、モータアーマチュア１８と同じ円弧（同じブラシヘッド振幅）にかけて動くが、アーマチュアの回転とは反対の回転方向、即ち１８０°位相がずれて動く。モータを駆動システムの共振周波数で動作させることは効率的なシステムを生じさせる、即ち、共振周波数では大きなパワーがブラシ要素に与えられる。更に、ハウジングに結合した駆動システムにおいては振動がほとんど又は全くない、即ち、共振駆動システムは、ハウジング、更にはユーザの慣性モーメント（ユーザの握りによるものであり、可変である。）から隔離されている。図２の節点取付け装置のシステムの駆動（アーマチュア）端の慣性モーメントは、被駆動（ブラシヘッド）端の慣性モーメントに対して、上記の望ましい振動隔離効果を生じるように働く。

図２の実施例は２つのばね部分２８及び３０を教示しているが、ばねアセンブリ２６が単一のばねで実現されることができることが理解されるべきである。このような場合、節点は、ばね３６の取付けのため、ばねの長さのほぼ中間に位置する。上記のように、ばね要素３６は、種々のダンピング材から作られることができ、直接ハウジング１４に取り付けられる。ばね要素３６は、ｋ３のばね定数を有し、節点３２とハウジング１４との間に接続されるトーションばねであってよい。また、トーションばねは、モータ及びロード（ブラシヘッド）にセンタリング（整列）機能を提供する。

上記の装置の種々の変形例が可能である。例えば、ブラシヘッド又は他のワークピース要素の振幅がモータアーマチュアの振幅とは異なることが所望ならば、アーマチュアの慣性モーメント（ｊ１）の、出力質量部の慣性モーメント（ｊ２）とシャフト及びブラシヘッドの慣性モーメント（ｊ３）との合計に対する比が、１．０とは異なるようにされる。このとき、ばねアセンブリに沿った節点は、ばねアセンブリの長さの中間の点とは異なった点に生じる。１つの例として、ブラシヘッドがモータ振幅の約半分の振幅を有するためには、ｊ１＝０．５（ｊ２＋ｊ３）、ｋ１＝０．５ｋ２である。ばね定数及び慣性モーメントの他の選択された値は、他の振幅比を生じる。

加えて、歯ブラシの使用の際に、選択された時間、例えば特定期間の使用時間（例えば２分）の後にユーザに気付かれる振動効果を持つことが望ましい可能性がある。これは、デバイスが異なったねじれモード（振動モードと呼ばれる）で動作することを必要とする。このモードにおいては、システムのブラシヘッド端の回転は、システムの駆動（モータ）端の回転と同調しており、ハンドルとは反対に働く。この振動モードの動作は、モータ周波数（駆動信号）が結合システムの共振周波数とかなり異なった周波数を有すると生じる。これが特定のシステムについて起こる周波数は、当業者によって決定されることができる。デバイスは、ユーザに合図すべき事態（タイマ信号等）が発生すると、駆動周波数が変化して該デバイスがその振動モードで動作するようにプログラムされる。このモードにおいては、上記したように、駆動システムからの有意な振動は、センタリングばね要素３６を通じてハウジング１４に結合される。ハウジング１４に対する振動のこの結合は、システムの他の部分で測定される使用時間又はブラシ圧等の選択された動作条件の発生についてユーザに物理的な表示（フィードバック）を提供する。

本発明の節点の取り付けられたシステムの他の実施例は、ばねアセンブリの代わりにねじれ要素を用いる。ねじれ要素は、所望のねじり動作又は回転動作以外の全ての方向について堅い。このようなねじれ部材の例としてＵ字形溝が示されているが、例えばＶ字形又は他の断面形状等の他の断面形状が用いられることができる。Ｖ字形質量部は、システムのモータ及びブラシヘッド部分への取付けに関してＵ字形に勝るいくらかの利点を有する可能性がある。示された実施例において、ねじれ要素のそれぞれの端は、エラストメリック端部に取り付けられている。取付けシャフトは、エラストメリック端部から伸びる。取付けシャフトは、ブラシヘッドアセンブリ又は他のワークピースを支持する。エラストメリック端部は、デバイスのモータ（駆動）端に配置される。デバイスのモータ端がハウジングによって支持されることができるように、ピンがモータのアーマチュアから伸びる。取付けシャフト及びピンは、エラストメリック支持要素によって支持される。これら支持要素は、デバイスに、支持だけでなく、径方向及び回転方向の整列を与える。

支持要素は、それらの関連したシャフト／ピン部材に固定される。動作中、ケージ部材は、支持要素の外側部分（表面）を固定する一方で、シャフトに取り付けられる各支持要素の内側部分は、アーマチュアシャフトの回転によって、バネのように巻かれる。この構成は、駆動アセンブリの共振周波数で駆動されると、アーマチュアが一方向に回転すると同時にブラシヘッドシャフトが反対方向に回転するという結果を生じる。「バーチャルな」節点は、要素に沿った点で発生し、ここで、ケージ部材によってハウジングに加えられる振動トルクは互いを事実上打ち消し合う。

図２のカップリングばねの手法と類似したカップリングバネの手法を用いて回転とは異なる部品の動きが達成されることができることも理解されるべきである。例えば、ブラシヘッド又は類似した要素の線形縦運動は、シャフト方向モードで動作する圧縮バネを用いて発生させられることができる。図３を参照する。駆動質量部５０は、バネアセンブリ５４の一端を駆動する種々のモータ装置によって線形に動かされることができる。これは、駆動質量部の運動を伴って、被駆動要素５６即ちブラシヘッドの運動を生じる。従って、駆動質量部及び被駆動質量部は、反対方向に動く。図１の実施例と同様に、デバイスの動作の間、バネ要素に沿った動かない特異点がある。これが節点５８である。駆動質量部が節点の周りで横方向に動かされ、この動作がバネの第２の部分を介して被駆動質量部に伝達されるばね・節点構成を用いて、類似した効果が得られる。２つの動きは、１８０°位相がずれている。

従って、本発明では、選択された振幅又は円弧にかけてアーマチュアを駆動するためにモータが用いられる。アーマチュアの動作は、カップリング装置を通じてブラシヘッド等の部品に結合され、１つの実施例においてはこのカップリング装置は、間に節点を持つ２つのねじりばね部分を有する。システムを共振周波数で駆動することは、ワークピースが約１８０°位相がずれてアーマチュアの動作に従うという結果を生じる。更に、効率的なパワー伝達も発生し、ワークピースの効果的な動作を生じる。他の実施例においては、ねじれ要素（例えばＵ字溝又はＶ字溝）がバネ部材の代わりに用いられ、その長さ方向に沿った点で仮想ノードを生じる。本発明は歯ブラシとの関連で説明されたが、同じ構成が他の小さい器具についての用いられることができることは理解されるべきである。

本発明の好適な実施例が説明のために開示されたが、種々の変更、修正、置換が、特許請求の範囲によって規定される本発明の精神から逸脱することなく組み込まれることができる。

本発明の駆動システムの主要部を示す立面図である。 本発明の駆動システムを電動歯ブラシ装置との関連で示す斜視図である。 線形ばねの簡略化された図である。

Claims (18)

1. 電動歯ブラシにおいて、
   歯ブラシハウジングと；
   駆動アセンブリであって、
   動作中所定の大きさの円弧にかけて往復回転するアーマチュアが機械的に結合されているモータと、
   ブラシヘッドを含む出力アセンブリと、
   節点を持ち、前記アーマチュアを前記出力アセンブリに接続し、前記駆動アセンブリが前記ハウジングから実質的に振動に関して分離されるように、前記アーマチュアの回転に対して１８０°ずれた位相で前記ブラシヘッドが回転する周波数を持つ駆動信号に応答して動作する、結合アセンブリと、
   を有する駆動アセンブリと；
   前記駆動アセンブリと前記ハウジングとの間に接続された少なくとも１つの支持要素であって、前記節点は、前記歯ブラシの動作中実質的に静止したままである、支持要素と；
   を有する電動歯ブラシ。
2. 請求項１に記載の歯ブラシにおいて、前記モータは前記駆動アセンブリの共振周波数とほぼ等しい周波数で駆動される、歯ブラシ。
3. 請求項２に記載の歯ブラシにおいて、前記結合アセンブリはばね部材であり、前記支持要素は、前記ばね部材上の節点と前記ハウジングとの間に延在し、これにより２つのばね部材を前記ばね部材の長さ方向に沿って規定する、歯ブラシ。
4. 請求項２に記載の歯ブラシにおいて、前記結合アセンブリは、ねじれ部材であり、且つ、前記アーマチュア及び前記ブラシヘッドシャフトと前記ハウジングとの間にそれぞれ接続された支持要素を含む、歯ブラシ。
5. 請求項４に記載の歯ブラシにおいて、前記ねじれ部材は、ねじれ方向を除く全ての方向に実質的に硬い、歯ブラシ。
6. 請求項５に記載の歯ブラシにおいて、前記ねじれ部材はＵ字溝形部材である、歯ブラシ。
7. 請求項５に記載の歯ブラシにおいて、前記ねじれ部材はＶ字溝形部材である、歯ブラシ。
8. 請求項４に記載の歯ブラシにおいて、前記モータ及び前記ブラシヘッドシャフトをそれぞれ前記ねじれ部材に接続するエラストメリック端部を含む歯ブラシ。
9. 請求項１に記載の歯ブラシにおいて、前記出力アセンブリは、出力質量部と、前記出力質量部から伸びるブラシヘッドシャフトとを有し、前記ブラシヘッドシャフトの外端には前記ブラシヘッドが取り付けられる、歯ブラシ。
10. 請求項３に記載の歯ブラシにおいて、前記２つのばね部分は、長さが実質的に等しくほぼ等しいばね定数を有する、歯ブラシ。
11. 請求項３に記載の歯ブラシにおいて、前記アーマチュアは、前記出力アセンブリの慣性モーメントにほぼ等しい慣性モーメントを持つ、歯ブラシ。
12. 請求項１に記載の歯ブラシにおいて、前記アーマチュア及び前記ブラシヘッドは、ほぼ等しい円弧にかけて動く、歯ブラシ。
13. 請求項１に記載の歯ブラシにおいて、前記ブラシヘッドは、前記アーマチュアの前記円弧とは大きさが異なった円弧で動く、歯ブラシ。
14. 請求項１に記載の歯ブラシにおいて、前記歯ブラシの動作中、前記節点は前記ハウジングに対して実質的に動かず、前記支持要素は、幾らかのダンピング効果を有するばね要素である、歯ブラシ。
15. 請求項１に記載の歯ブラシにおいて、前記駆動信号の前記周波数を選択的に変化させ、
    前記ブラシヘッドが前記アーマチュアと同調して回転するモードで前記歯ブラシが動作するようにし、前記ハンドルに結合された前記駆動アセンブリの振動を生じさせてユーザに前記選択された周波数の信号を供給するためのモータ制御回路を含む歯ブラシ。
16. 電動器具において、
    器具ハウジングと；
    駆動アセンブリであって、
    動作中所定の大きさの円弧にかけて往復回転するアーマチュアが機械的に結合されているモータと、
    ワークピース要素を含む出力アセンブリと、
    節点を持ち、前記アーマチュアを前記出力アセンブリに接続し、前記アーマチュアの回転に対して１８０°ずれた位相で前記出力アセンブリが回転するように選択された周波数の駆動信号に応答して動作し、これにより、前記駆動アセンブリが前記ハウジングから実質的に振動に関して分離される、結合アセンブリと、
    を有する駆動アセンブリと；
    前記節点と前記ハウジングとの間に接続された支持要素であって、前記節点は、前記器具の動作中実質的に静止したままである、支持要素と；
    を有する器具。
17. 請求項１６に記載の器具において、前記モータは前記駆動アセンブリの共振周波数とほぼ等しい周波数で駆動される、器具。
18. 器具ハウジングと；
    動作中所定の大きさの円弧にかけて往復回転するアーマチュアが機械的に結合されているモータと、
    或る距離にかけて駆動質量部を往復運動させる駆動アセンブリと；
    ワークピース要素を含む出力アセンブリと；
    前記駆動質量部を前記出力アセンブリと接続する結合アセンブリであって、前記結合アセンブリは、ねじれ部材に沿って節点を有する当該ねじれ部材と、前記節点と前記ハウジングとの間に接続された支持要素とを含み、前記駆動アセンブリは、前記ワークピース要素が前記駆動アセンブリとは反対の回転方向に運動するモードで動作し、前記出力アセンブリ及び前記駆動アセンブリの慣性モーメントはそれぞれ互いに対向し、これにより前記ハウジングへの振動の結合を実質的に防止する、結合アセンブリと；
    を有する電動器具。

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