KR20040106419A - 스프링 조립체를 이용하여 좌우 구동 운동을 회전운동으로 변환하는 장치와 스프링 조립체를 튜닝하기 위한시스템 - Google Patents

Abstract

좌우 운동을 소재를 위한 회전 운동으로 변환하는 장치는, 약간 아크형 왕복 좌우 운동으로 구동되는 이동식 베이스 장착 요소를 갖는 스프링 조립체와, 장치의 동작시 회전 또는 이동하지 않도록 기구에 장착되고 베이스 요소로부터 이격된 고정 장착 요소를 포함한다. 서로 일정 각도로 위치한 2개의 평면 리프 스프링과 같은 스프링 부재는 이동식 베이스 요소와 고정 장착 요소 사이에 장착된다. 구동 샤프트 부재는 이동식 베이스 요소로부터 고정 장착 요소를 통해 이를 지나 연장한다. 브러시헤드와 같은 소재는 구동 샤프트의 단부 상에 장착된다. 스프링 부재는, 구부림 동작보다 비틀림 동작에 실질적으로 내성이 적도록 구성되어, 베이스 요소의 좌우 운동은 소재의 회전을 초래하게 된다. 전동 칫솔과 같은 기구에 사용된 공진 스프링 조립체 시스템, 특히 리프 스프링 시스템을 튜닝하는 방법은, 기구 소재의 주파수 종속 진폭을 측정하고, 그 다음에 스프링 부재의 공진 주파수가 기구의 구동 주파수에 매우 밀접할 정도로 충분하게 스프링 속도를 감소시키도록 스프링 부재의 일부분을 제거하는 단계를 포함한다.

Description

스프링 조립체를 이용하여 좌우 구동 운동을 회전 운동으로 변환하는 장치와 스프링 조립체를 튜닝하기 위한 시스템{APPARATUS FOR CONVERTING SIDE-TO-SIDE DRIVING MOTION TO ROTATIONAL MOTION WITH A SPRING ASSEMBLY AND SYSTEM FOR TUNING THE SPRING ASSEMBLY}

소형 기구는 다양한 소재 운동을 한다. 몇몇 경우에, 구동 운동은 소재 운동과 동일하고; 다른 경우에, 특정한 구동 운동을 다른 소재 운동으로, 예를 들어 좌우 구동 운동을 회전 운동으로 변환하는 것이 바람직하다. 미국 특허 번호 5, 189, 751에 도시된 자기 구동기는 좌우(앞뒤) 방향의 약간 아치형 방식으로 칫솔 요소가 부착되는 연장된 피봇형(pivoted) 암의 일단부를 이동시킨다. 소재는 이에 따라 특정한 방식으로 진동한다. 상기 소재 운동이 양호한 결과를 제공하지만, 여러 가지 이유로 인해, 좌우 구동 동작을 유지하면서, 선택된 아크(arc)(회전 운동)를 통해 소재 회전을 하는 것이 바람직할 수 있다. 그러나, 이것은 운동 변환 조립체가 좌우로부터 회전으로 이루어지는 것을 필요로 한다.

상기 특허의 전자기 구동기에 의해 생성된 것과 같이 좌우 구동 운동을 소재 회전 운동으로 변환시키는 장치는 알려져 있다. 몇몇 디바이스는 링크형(linkage-type) 장치를 포함한다. 그러나, 그러한 링크형 장치는 종종 댐핑(damping), 진동 및 잡음을 야기할 수 있는 불필요한 백래시(backlash) 동작을 한다. 피봇 조립체는 스프링 요소와 결합하여 또한 사용된다. 토션(torsion) 스프링이 사용될 수 있지만, 일반적으로 코일형 스프링으로 이루어질 수 있고, 이것은 일반적으로 필요한 방사 강성(radial stiffness)을 허용 가능한 낮은 토션 스프링 속도와 조합하지 않는다. 이러한 알려진 디바이스 대부분은, 종종 복잡하고 잡음이 있고 신뢰할 수 없는 다양한 베어링 구조를 요구한다. 베어링은 또한 자체 백래시 상태를 갖는다.

더욱이, 본 발명의 다른 양상에서, 스프링 요소는 본 발명의 스프링 조립체와 같이 공진 시스템에서의 구동 조립체의 부분으로서 종종 사용된다. 일반적으로, 이들 스프링 조립체는 몇몇 방식으로의 튜닝 또는 매우 가까운 제조 허용오차를 필요로 하므로, 스프링 조립체의 공진 주파수는 디바이스의 동작 또는 구동 주파수에 허용가능하게 가깝게 하여, 공진 시스템의 효율을 유지시킨다.

본 발명의 운동 변환 조립체 양상에 관해, 변환 조립체가 제조하는데 효과적이고, 신뢰할 수 있고 비용이 적게 드는 것이 바람직하다. 스프링 조립체 튜닝에 관해, 튜닝은 조립체 제조 동안 수행될 수 있는 간단한 방법으로 달성되어, 기구의 제조 허용오차가 증가될 수 있어서(더 큰 허용오차), 이를 통해 기구의 제조 비용을 감소시킬 뿐 아니라 제조 동안 불합격되는 기구의 개수를 실질적으로 감소시키는 것이 바람직하다.

본 발명은 일반적으로 예를 들어 칫솔과 같은 소형 기구에 관한 것으로, 더 구체적으로 좌우(side-to-side) 구동 동작을 회전 소재 동작으로 변화시키기 위한 스프링 구조에 관한 것이다. 본 발명은 또한 제조할 동안 스프링 구조를 선택된 고유 공진 주파수 또는 진폭으로 튜닝하는 방법에 관한 것이다.

도 1a 및 도 1b는 전동 칫솔의 정황에 도시된 본 발명의 운동 변환 조립체를 도시한 분할 사시도.

도 2는 도 1a의 운동 변환 조립체부를 도시한 사시도.

도 3은 칫솔의 길이축에 대해 구동 샤프트 및 브러시 암의 각을 이룬 배향을 도시한 분할 사시도.

도 4는 면도 기구에 사용된 변형된 운동 변환 시스템을 도시한 도면.

도 5는 도 2의 운동 변환 조립체에 대한 본 발명의 주파수 튜닝 방법의 결과를 도시한 도면.

도 6 내지 도 8은 도 2의 본 발명의 하나의 대안적인 실시예를 도시한 도면.

도 9 및 도 10은 도 2의 본 발명의 다른 대안적인 실시예를 도시한 도면.

도 11은 도 2의 본 발명의 다른 대안적인 실시예를 도시한 도면.

따라서, 본 발명의 하나의 양상은 기구의 소재부에 대해 좌우 구동 운동을 회전 운동으로 변환하는 장치 및 대응 방법이며, 상기 장치는 병진 상호 운동으로 구동될 수 있는 이동성 베이스 장착 요소와, 베이스 요소로부터 이격되며, 장치의 동작 동안 이동하지 않도록 유지된 고정 위치 장착 요소와, 베이스 요소 및 고정 장착 요소에 연결된 스프링 부재와, 베이스 요소에 연결되고 고정 장착 요소에 대해 회전가능하며, 자신에 장착된 소재를 갖는 구동 샤프트를 포함하고, 상기 스프링 부재는 구부림 동작보다 비틀림 동작에 실질적으로 덜 내성을 갖도록 구성되고 배치되며, 상기 비틀림 동작은 미리 선택된 주파수로 소재 회전을 발생시킨다.

본 발명의 다른 양상은, 소재를 포함하고 구동 주파수를 갖는 기구에 대한 공진 구동 시스템에 사용된 스프링 부재를 튜닝하는 방법으로서, 상기 방법은 스프링 부재의 동작에 의해 진동하는 소재의 주파수에 따른 진폭을 측정하는 단계로, 측정된 주파수는 기구의 구동 주파수보다 위 또는 아래에 있는, 측정 단계와, 부재의 스프링 속도, 이에 따라 스프링 부재의 공진 주파수를 기구의 구동 주파수에 밀접하게 충분히 가까이 있을 정도로 변화시키는 단계를 포함한다.

도 1a 및 도 1b는 핸들부(12) 및 헤드부(14)를 포함하는 전동 칫솔(10)을 도시한다. 핸들부는 재충전가능 배터리(16)와 같은 전원과, 일반적으로 18로 도시된 구동 조립체를 포함한다. 헤드부(14)는 소재 요소, 예를 들어 선택된 패턴으로 배치된 복수의 칫솔모를 포함하는 브러시헤드(20)와, 브러시헤드(20)가 장착된 브러시헤드 암(22)과, 일반적으로 26으로 도시된 운동 변환 조립체와, 움직임 변환 조립체용 장착 조립체(27)를 포함한다.

도시된 실시예에서 운동 변환 조립체(26)는 구동 샤프트(28)의 선형 동작을 회전 동작으로 변환하고, 상기 구동 샤프트는 구동 샤프트 회전 및 브러시헤드(20) 회전을 위한 브러시헤드 암(22)으로 연장하고, 상기 암과 결합된다. 헤드부(14)는 또한 너트 요소(30)를 포함하는데, 상기 너트 요소(30)는 헤드부(14)를 핸들부(12)에 연결시키고, 상기 너트 요소에 장착 조립체(27)가 단단히 고정된다.

도시된 기구에서, 구동 조립체(18)는 전자석인데, 전자석은, 좌우 방향의 약간 아치형 병진 방식으로 좌우 방향의 힘을 발생시키고, 단부 부분(40)을 이동시키기 위해 동작시 운동 변환 조립체(26)의 후방 단부에서 이동식 단부 부분(40)에 장착된 2개의 영구 자석(32)과 협력한다. 본 명세서에서 "좌우 방향"은 직선의 좌우 운동 또는 약간 아치형인 좌우 경로로 지칭된다. 운동 변환 조립체(26)는 구동 조립체의 구동 동작을 리프(leaf) 스프링 장치를 통해 구동 샤프트(28)의 비틀림 또는 회전 운동으로 변환하고, 상기 구동 샤프트(28)는 다시 구동 샤프트(28)(도 2)의 길이축 A-A 주위로 브러시헤드 암(22) 및 브러시헤드(20)를 회전시킨다. 도시된 실시예에서, 브러시헤드의 포함된 회전각(아크)은 대략 11°이지만, 이러한 각은 변경될 수 있고 본 발명의 필수적인 부분이 아니다.

운동 변환 조립체(26)는 도 2에 더 구체적으로 도시되어 있다. 상기 조립체는 이동식 단부 부분(40)을 포함하는데, 상기 이동식 단부 부분은 도시된 실시예에서 플라스틱 물질로 이루어져 있고, 길이가 대략 0.6인치(1.5cm)이고, 폭은 가장 폭 넓은 치수에서 대략 0.6인치(1.5cm)이고, 두께는 대략 0.1인치(0.2cm)이다. 작은 중심에 위치된 장착 스터브(46)는 단부 부분(40)의 후면(44)으로부터 연장되어 있다. 영구 자석 조립체는 스터브(46) 상에 장착되며, 상기 영구 자석은 도시된 실시예에서 금속 장착 플레이트(50)(도 1a)와 2개의 이격된 직사각형 영구 자석(32-32)을 포함한다. 영구 자석(32-32)은 핸들(12)에서의 전자석(18)과 상호 작용하여, 이동식 단부 부분(40)은 약간 아크형 경로로 좌우로부터 이동한다. 이러한 동작은 그 내용이 본 명세서에 참고용으로 병합되어 있는 특허 5,189,751에 더 구체적으로도시되어 있다. 그러나, 구동 조립체(18)에 의한 좌우 구동 동작이 그러한 유일한 장치라는 것을 이해해야 한다. 많은 다른 좌우 구동기는 알려져 있고, 본 발명의 변환 조립체와 함께 사용될 수 있다.

이동식 단부 부분(40)의 반대면(56) 상에는 장착 부분(58)이 있는데, 상기 장착 부분은 단부 부분(40)과 통합되거나, 고정적으로 부착된다. 2개의 연장된 리프 스프링(60 및 62)은 장착 부분(58)으로부터 앞으로 연장되어 있다. 도시된 실시예에서, 각 리프 스프링(60, 62)은 길이가 대략 1인치(2.54cm)이고 폭이 대략 0.2인치(0.5cm)이고, 두께는 대략 0.02인치(0.05cm)이다. 도시된 실시예에서 리프 스프링(60, 62)은 금속으로 이루어져 있다. 그러나, 상기 리프 스프링은 플라스틱과 같은 다른 물질로 이루어질 수 있다.

도시된 실시예에서 2개의 리프 스프링(60, 62)은 서로 70°의 각도로 위치한다. 2개의 리프 스프링은 이동식 단부 부분(40)과 고정 단부 부분(64) 사이에서 연장하고, 양쪽 모두에 고정적으로 장착된다. 고정 단부 부분(64)은 일반적으로 원형이고 두께가 대략 0.1인치(0.25cm)이고, 도시된 실시예에서 플라스틱으로 이루어져 있다. 상기 고정 단부 부분(64)은 상부 및 하부에서 2개의 마주보는 노치 개구부(67, 69)를 구비한다.

리프 스프링이 이렇게 연장된 경우, 연장된 구동 샤프트(28)는 대략 2개의 리프 스프링(60, 62)의 교차부인 장착 부분(58)으로부터 연장된다. 2개의 스프링(60 및 62)의 평면은 구동 샤프트가 위치하는 운동 변환 조립체의 회전 중심부에서 교차한다. 도시된 실시예에서, 구동 샤프트(28)는 금속이고, 단면은 직사각형이다.그러나, 구동 샤프트(28)는 다른 구성을 가질 수 있다. 동작시, 리프 스프링도 약간 비틀려지거나 구부러져서, 구동 샤프트의 회전을 발생시킨다. 스프링의 상대 위치 및 치수는 독립적으로 각 스프링에서의 응력을 감소시키도록 최적화될 수 있다.

도시된 실시예에서 구동 샤프트(28)는 고정 단부 부분(64)에서 노치된 스프링(69)을 통해 연장하여, 고정 단부 부분(64)에 대해 자유로이 회전한다. 구동 샤프트(28)는 브러시헤드 암(22)으로 연장하고, 이에 결합되어, 운동 변환 조립체의 동작에 의해 발생된 구동 샤프트(28)의 회전은 브러시헤드 암(22) 및 브러시헤드 암의 단부에 장착된 브러시헤드(20)의 회전을 발생시킨다.

고정 단부 부분(64)은 장착 조립체(27)에 의해 고정되어, 이에 대해 회전하지 않는다. 장착 조립체(27)는 그로부터 뒤로 연장하는 2개의 마주보는 플랜지(74 및 76)와 함께 그 부분으로서 플라스틱 물질(72)의 링을 포함한다. 2개의 플랜지(74 및 76)는 고정 단부 부분(64)에서 노치된 개구부(67, 69)를 통해 연장한다. 2개의 플랜지(74 및 76)는 장착 조립체(27){및 헤드부(14)} 및 핸들(12) 사이의 고정 짝 형성(mating) 연결을 발생시키기 위해 칫솔의 핸들(12)에서 해당 수용부(미도시)와 짝을 이루도록 구성된다. 장착 조립체(27)의 플랜지(74 및 76)는 핸들(12)의 수용부에 적절히 위치하고, 너트(30)는 이후에 설명되는 바와 같이 적절히 위치하고, 장착 조립체(27), 이에 따라 고정 단부 부분(64)은 임의의 회전 동작으로부터 단단히 유지되는데, 즉 임의의 회전 동작이 방지된다. 2개의 리프 스프링(60 및 62)의 단부는 단부 부분(64)에 고정적으로 장착되어, 또한 이동하지 못하게 된다.

장착 조립체(27) 및 운동 변환 조립체(26) 위에 연결 너트 요소(30)가 끼워진다. 연결 너트 요소는 내부 부분 상에 나사선(thread)(77)을 가져서, 핸들(12)의 외부 나사선부(67) 상에 나사 고정(screwed)될 수 있다. 너트(30)는 플랜지(74 및 76)를 핸들에 클램프(clamp)하며, 고정 단부 부분(64)은 플랜지(74 및 76)에 의해 적소에 유지된다. 도시된 실시예에서 탄성 물질로 이루어진 유연한 연결 부재(78)는 너트(30)의 상부 에지(79)에 있다. 연결 부재(78)의 하부 에지는 너트(30)의 상부 에지(79)와 동일 높이로 맞추어진다. 부재(78)는, 브러시헤드 암(22)과 연결 부재(78)의 상부 단부 사이에 유체 밀봉을 제공하는 밀봉 요소(77)로 연장한다.

동작시, 핸들에서의 전자기 구동기(18)(또는 다른 좌우 구동기)에 의해 발생된 좌우 구동은 이동식 단부 부분(40)의 약간 아크형 동작을 발생시켜, 특정 각도로 브러시헤드(20)의 회전을 초래한다.

도시된 실시예에서, 2개의 리프 스프링(60 및 62) 및 구동 샤프트(28)는 고정 단부 부분 및 이동식 단부 부분에 장착되어, 칫솔의 길이축(B-B)(도 3)으로부터 멀리 각도(α)로 연장한다. 이러한 각도는 5 내지 15° 내에 있고, 바람직하게는 10°이다. 브러시헤드 암의 이러한 각도는 칫솔이 사용자의 입에 도달하는 거리가 늘어나게 한다. 이것은 많은 경우에 장점을 갖는다. 더욱이, 이러한 장치를 통해, 회전 중심은 핸들 축과 다른 축 상에 있다. 회전 중심이 기구의 길이축으로부터 멀리 기울어짐에 따라, 구동 샤프트의 회전축에 대한 기구 나머지의 관성 모멘트는 빠르게 증가하여, 핸들의 진동을 감소시키는데, 그 이유는 관성 모멘트가 더 커질수록, 핸들을 포함하는 기구에서의 진동은 더 적게 발생하기 때문이다. 이는 사용자에게 바람직한 장점이다.

설명된 실시예가 서로 특정 각도(70°)에 있는 2개의 별도의 리프 스프링을 포함하지만, 2개의 별도의 리프 스프링은 반드시 필요한 것은 아니다. 분리각은 90°±40° 내에서 변경될 수 있다. 더욱이, 2개를 초과하는 리프 스프링은 방사 패턴으로 사용될 수 있으며, 리프 스프링의 평면은 구동 샤프트의 회전 중심과 교차한다. 2개의 리프 스프링은 "V" 또는 "U"자 형태, 개방된 정사각형 또는 직사각형으로 단일 리프 스프링에 결합될 수 있다. 다른 구성도 또한 사용될 수 있다. 구동 샤프트는 스프링과 함께 시스템의 이동식 단부 부분에 연결되어야 한다. 구동 샤프트는 스프링의 임의의 다른 부분에 연결될 수 없다. 이러한 구조는 단일부일 수 있다. 중요한 구조적 요구조건은, 스프링 요소가 구부러지는 것보다 비틀림에 실질적으로 덜 내성이 있도록, 즉 이동식 단부 부분의 좌우 동작이 스프링의 비틀림 및 구동 샤프트의 결과적인 회전을 초래하도록 구성되어야 한다는 것이다. 본 명세서에 도시되고 설명된 장치는 그러한 동작을 발생시킨다. 그러나, 다른 스프링 장치가 사용될 수 있다. 더욱이, 또한 중요하게, 스프링의 장치는 브러시헤드가 회전될 뿐 아니라 선택된 주파수로 회전하도록 이루어져야 한다.

도 6, 도 7 및 도 8은 배선 형태 스프링의 특정 장치를 이용하여 도 1a 내지 도 3의 운동 변환 조립체에 대한 하나의 대안적인 실시예를 도시한다. 변환 조립체는 백플레이트(120) 및 영구 자석(122)을 포함한다. 회전자 샤프트(armature shaft)(124)는 스터브(126) 상의 뒤붙임부(back iron)(122)에 장착된다. 샤프트(124)는 단부(127)에서 서로 90°(직교)에 있는 2개의 슬롯(123, 125)을 갖는다. 또한 서로 90°(직교)로 위치한 2개의 와이어 형태의 스프링(128, 130)은 슬롯(123, 125)에 삽입된다. 브러시 샤프트(129)는 슬롯(123, 125)과 짝을 이루는 교차 요소(131, 133)를 가지며, 이는 회전자 샤프트(124)와 브러시 샤프트(129) 의 각 단부 사이에 와이어 형태의 스프링을 포획한다.

브러시헤드용 베이스 요소(137) 또는 다른 소재(미도시)는 브러시 샤프트의 단부(135)에 위치한다. 칼라(collar)(136)는 눌러져서 브러시 샤프트를 회전자 샤프트 위로 누르고, 콜릿(collet)과 같이 스프링, 브러시 샤프트 및 회전자 샤프트를 함께 고정한다. 그 다음에, 와이어 형태의 스프링(128 및 130)의 후면 단부는 스프링 장착부(138) 내에 포획되고, 이것은 배선 형태의 스프링의 단부를 포획하기 위해 후면 단부(139)에서 끼워진다(141). 스프링 장착부(138)는 기구의 하우징에 고정적으로 연결된다. 구동 조립체에 의해 발생된 좌우 방향 힘에 의해 야기된 백 플레이트(120)의 이동은 브러시 샤프트(129)의 회전을 초래한다.

도 9 및 도 10은 다른 실시예를 도시한다. 변환 조립체는 일단부(148)에 함께 결합된 3개의 분리된 레그(142 내지 144)를 포함하는 단일 부품의 다중 리프 스프링(140)을 포함한다. 스프링(140)은 이동식 후면 부재(150)에 장착되고, 여기서 물질이 스프링 조립체의 공진 주파수를 튜닝하도록 제거될 수 있는 튜닝 매스(tuning mass)(151)가 위치한다. 백 플레이트 요소(152)는 이동식 후면 부재(150)의 후면 상에 위치하고, 영구 자석(154)은 상기 부재에 고정된다. 구동 샤프트(158)는 이동식 부재(150)에 부착되고, 그로부터 연장된다. 구동 샤프트(158)의 단부(155)에는 브러시헤드(미도시)와 같은 소재가 고정된다. 스프링 조립체(140)의 자유단은 고정 장착 요소(160)에 고정되고, 구동 샤프트(158)는 상기 고정 장착 요소(160)를 통해 연장한다. 장착 요소(160)는 칫솔의 하우징에 고정된다. 이동 부재(150)의 왕복 운동은 구동 샤프트(158) 및 소재의 회전 운동을 초래한다.

복수의 스프링 요소(161-161)를 갖는 장치를 포함하는 또 다른 스프링 장치가 가능하고, 상기 복수의 스프링 요소는 약간 바구니와 같은 장치에서 후면 이동식 장착 부재(163)로부터 고정 장착 부재(165)로 연장한다. 스프링 요소(161-161)는 2개의 장착 부재 사이에서 바깥으로 각을 이룬다. 도 11은 4개의 스프링을 갖는 그러한 장치를 도시한다. 더 많은 스프링이 추가될 수 있다. 각 스프링(161)의 평면은 조립체의 회전 중심을 통해 연장한다. 스프링 조립체의 회전 중심에서의 구동 샤프트(미도시)는 이동식 부재(163)로부터 고정 부재(165)에서의 개구부(167)를 통해 연장할 것이다.

상기 대안적인 구성 모두, 스프링 부재가 구부림 운동보다 비틀림 운동에 덜 내성이 있어서, 좌우 구동력에 반응하여 구동 샤프트의 회전 동작을 발생시키는 특징을 갖는다.

도 4는 본 발명에 대한 대안적인 응용을 도시한다. 전기 면도기(80)인 이러한 응용은 일반적으로 82로 도시된 자기 구동기 장치에 의해 구동된 영구 자석을 갖는 이동식 단부 부분(81)을 또한 포함한다. 2개의 각을 이룬 리프 스프링(84 및 86)은 이동식 단부 부분(81)으로부터 연장하며, 상기 리프 스프링은 그 다른 단부에서 고정 단부 부분(88)에 고정적으로 고정된다. 구동 샤프트(90)는 리프 스프링(84, 86)과 병렬로 있는 고정 단부 부분(81)으로부터 뒤로 연장한다. 구동 샤프트(90)는 지지 요소(83)에 의해 이동식 단부 부분(81)으로부터 매달려 있고, 구동기조립체(82) 아래에서 연장한다.

아웃보드(outboard) 에지가 날카로운 복수의 연장된 절단기 칼(94)은 구동 샤프트(90)에 부착되고 이로부터 방사상 바깥쪽으로 연장된다. 아웃보드 에지는 만곡된 면도기 스크린 요소(96)에 대해 짝을 이룬다. 동작시, 단부 부분(81)의 좌우 동작은 구동 샤프트(90)의 회전을 초래하고, 다시 특정 각도로 절단기 칼(84)의 회전을 초래하여, 면도기를 위한 절단 동작을 제공한다.

이러한 실시예는, 소재가 장착되는 구동 샤프트의 위치 및 배치가 운동 변환 스프링 조립체에 대해 다양한 구성을 취할 수 있음을 설명한다. 그러나, 모든 경우에, 이동식 단부 부분은 좌우 방식으로 구동되고, 스프링 조립체는 이동식 단부 부분으로부터 고정 단부 부분으로 연장하며, 이는 이동식 단부 부분에 장착된 구동 샤프트의 회전 동작, 이에 따라 그 위에 장착된 소재의 회전 동작을 발생시킨다.

본 발명은 주로 스프링 요소가 거의 구부러지지 않기 때문에 어떠한 베어링 요소 또는 구부림 요소에 대한 필요성을 제거한다. 그러나, 강하고, 신뢰성있고, 효과적인 구조이다. 더욱이, 공진 조립체는 기구의 동작(구동) 주파수에 매칭될 수 있다. 예를 들어, 칫솔 실시예에서, 원하는 동작 주파수는 대략 261Hz이다. 스프링 조립체는 상기 주파수에서 회전 동작을 제공하도록 배치되고 구성될 수 있다.

전술한 바와 같이, 운동 변환 조립체를 포함하는 도 1a의 칫솔은 "공진" 시스템이다. 즉, 시스템의 기계적 요소의 고유 공진 주파수는 칫솔의 동작 또는 구동 주파수를 매칭하도록 설계되는데, 상기 주파수는 본 칫솔의 경우에 대략 261Hz이다. 그러한 공진 시스템은 비-공진 시스템보다 더 효과적이다.

전술한 바와 같이, 스프링 시스템의 공진 주파수가 기구의 동작 주파수와 매칭하는 것을 보장하기 위한 많은 접근법이 알려져 있다. 하나의 접근법에서, 기계 시스템의 구성 및 배치는 튜닝 없이 원하는 주파수와 매칭하도록 제조 동안 충분히 정밀하게 제어된다. 그러나, 제조 허용오차는 매우 엄격해야 하고(더 정밀한 부품을 이용하는 것을 포함), 상당수의 기구는 일반적으로 요구된 엄격한 제조 허용오차를 충족시키지 않기 때문에 폐기된다.

다른 접근법에서, 기구의 동작 주파수와 필요한 주파수를 매칭하기 위해 스프링 구조를 "튜닝" 또는 변형시키기 위한 다양한 동작이 취해진다. 기존의 튜닝 방법은 일반적으로 상당량의 시간 및 전문 지식을 취하여, 일반적으로 비용에 효과적이지 않다. 그러한 튜닝은 제조 동안 또는 이후에, 심지어 기구가 사용자 소유물이더라도 달성될 수 있다.

본 발명의 이러한 양상에서, 리프 스프링을 이용하여 큰 부피의 제품의 공진 스프링 시스템의 튜닝 방법이 기재된다. 본 발명은 동작 주파수를 매칭시키기 위해 스프링 조립체의 공진 주파수를 증가 또는 감소(튜닝 업 또는 튜닝 다운)하는데 사용될 수 있다.

본 방법의 제 1 단계에서, 소재의 진폭 측정은 시험 주파수에서 이루어지거나, 그 반대로도 이루어진다. 고정된 진폭은 가변 주파수와 함께 사용될 수 있거나, 고정된 주파수가 가변 진폭과 함께 사용될 수 있다. 양쪽 기술은 모두 튜닝에 사용될 수 있다. 원하는 동작 주파수 또는 진폭을 매칭시키기 위해 스프링 조립체를 튜닝함으로써 동작 특성 곡선 상에서 스프링 조립체의 동작점을 이동시킨다.

특징적인 동작 곡선 상의 지점은 스프링 조립체의 스프링 속도를 감소시킴으로써 감소될 수 있다(주파수에서의 감소). 대안적으로, 동작점은 스프링 속도를 증가시킴으로써 증가될 수 있다(주파수에서의 증가). 많은 튜닝 시스템이 스프링 시스템의 무게를 증가 또는 감소시킴으로써 시스템의 관성을 증가 또는 감소시키지만, 이러한 접근법은 종종 매우 정밀하지 않고, 원하는 주파수 매칭 효과를 발생시키기 위해 상당히 많은 양의 무게 감소 또는 증가를 필요로 한다. 그러나, 본 발명에서, 본 경우에 리프 스프링인 스프링 조립체의 구성을 변경함으로써 스프링 속도(관성 대신)를 증가 또는 감소시키는 것에 초점을 맞춘다.

스프링 속도를 감소시키는 방법에서, 제조시 개별적인 리프 스프링은 도 5에 도시된 바와 같이 그 구성을 변경시키기 위해 절단되며, 이는 리프 스프링의 스프링 속도를 변화시키지만, 물질은 스프링 속도를 증가시키기 위해 스프링에 첨가될 수 있다. 도시된 실시예에서, 절단부(cut)(110)는 100으로 도시된 스프링 폭을 감소시키고, 상기 절단부는 일반적으로 스프링 요소(106)의 2개의 단부(102, 104) 사이의 등거리점(point equidistant)에 중심을 두어, 피로 생성 응력을 최소화시킨다. (스프링 폭을 가로지르는) 절단부의 깊이는 필요한 튜닝 정도를 발생시키도록 선택된다. 절단부의 변수는 절단부의 총 길이, 구성, 즉 절단부의 곡률, 및 절단부의 폭을 포함한다. 도시된 특정 실시예에서, 절단부(110)는 구성에서 만곡된다. 그러나, 다른 절단 구성이 사용될 수 있음을 이해해야 한다. 하나의 대안은 하나 또는 2개의 스프링의 중심에서 "풋볼(football)" 형태의 슬롯이다. 이러한 절단부에 대한 변수는 슬롯의 위치, 슬롯의 길이 및/또는 폭, 슬롯의 곡률을 포함한다. 절단은 레이저, 그라인더 또는 종래의 절단 공구를 포함하는 다수의 기술에 의해 달성될 수 있다. 물질이 제거되는 방식은 본 발명에 그리 중요하지 않다.

절단이 이루어진 후에, 구조의 주파수가 허용된 허용오차 내에 있음을 확인하는 다른 시험이 행해진다. 허용된 허용오차 내에 없다면, 디바이스가 허용오차 내에 있도록 추가 절단이 이루어질 수 있다. 본 시스템의 튜닝 결과는, 그러한 기구의 제조 허용오차가 이전만큼의 엄격함을 더 이상 필요로 하지 않는다는 것이다. 이는 제조된 제품의 불합격 횟수를 감소시킬 것이다. 더욱이, 튜닝은 제조 동안 빠르고 효과적으로 달성될 수 있고, 기구는 이후에 추가 튜닝을 필요로 하지 않는다.

따라서, 첫 번째로, 그러한 칫솔과 같은 기구에 대해 좌우로부터 회전 동작으로의 새로운 운동 변환 조립체가 개시되는데, 상기 조립체는 하나의 바람직한 실시예에서 소재가 장착되는 구동 샤프트의 원하는 회전 동작을 발생시키기 위해 스프링 조립체에 의해 약간 구부러지더라도 구부림보다 비틀림에 덜 내성이 있도록 구성된 리프 스프링을 이용한다. 구부림에 대한 높은 내성은 베어링에 대한 필요성을 제거한다. 변환된 운동은 좌우로 언급되는데, 이는 본 실시예에서와 같이 약간의 아크를 포함하는 이동 뿐 아니라 직선 이동을 포함한다. 소재 운동은 소재가 장착되는 구동 샤프트의 축 주위에서 회전하는 것이다. 두 번째로, 시스템의 원하는 동작 주파수(구동 주파수)에 따르기 위해 제조 동안 시스템의 공진 주파수를 변화시키도록 스프링 조립체 시스템을 튜닝하는 방법이 기재되었다. 이는 덜 엄격한 제조 허용오차의 이용을 허용한다.

운동 변환 시스템 및 튜닝 방법 모두에 대한 바람직한 실시예가 예시를 위해기재되었지만, 다양한 변화, 변경 및 대체가 이후의 청구항에 의해 한정된 본 발명의 사상에서 벗어나지 않고도 그러한 실시예에 사용될 수 있음을 이해해야 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 일반적으로 예를 들어 칫솔과 같은 소형 기구에 관한 것으로, 더 구체적으로 좌우(side-to-side) 구동 동작을 회전 소재 동작으로 변화시키기 위한 스프링 구조에 관한 것이다. 본 발명은 또한 제조할 동안 스프링 구조를 선택된 고유 공진 주파수 또는 진폭으로 튜닝하는 방법 등에 이용된다.

Claims (39)

1. 기구의 소재(workpiece)부에 대해 좌우(side-to-side) 구동 운동을 회전 운동으로 변환하기 위한 장치로서,

   좌우 왕복 운동으로 구동될 수 있는 이동식 베이스 장착 요소(40)와,

   베이스 요소로부터 이격된 고정 위치 장착 요소(64)로서, 상기 고정 장착 요소는 상기 장치의 동작 동안 이동되지 않도록 적소에 유지되는, 고정 위치 장착 요소(64)와,

   상기 이동식 베이스 요소에 연결되고 상기 고정 장착 요소에 고정적으로 연결되는 스프링 부재(60, 62)와,

   상기 베이스 요소에 연결되고 상기 고정 장착 요소에 대해 회전가능하고, 자체에 장착된 소재(20)를 갖는 구동 샤프트 부재(28)를 포함하며,

   여기서 상기 스프링 부재는, 구부림 운동보다 비틀림 운동에 실질적으로 덜 내성이 있도록 구성되고 배치되며, 상기 비틀림 운동은 미리 선택된 주파수로 소재 회전을 발생시키는, 변환 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 스프링 부재는 2개의 분리된 평평한 평면 스프링을 포함하는, 변환 장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 스프링 부재는 단일의 평면 스프링인, 변환 장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 스프링 부재는 2개의 직교 와이어 형태의 스프링인, 변환 장치.
5. 제 1항에 있어서, 상기 스프링 부재는 상기 베이스 장착 요소와 상기 고정 장착 요소 사이에 일정 간격으로 떨어져 있는 복수의 평면 스프링 부재를 포함하는, 변환 장치.
6. 제 1항에 있어서, 상기 베이스 장착 요소의 좌우 운동은, 상기 이동식 베이스 장착 요소 상에 위치한 영구 자석(32) 및 상기 기구의 베이스부에서 상기 영구 자석으로부터 이격된 전자기 구동기를 포함하는 자기 구동기 장치에 의해 달성되는, 변환 장치.
7. 제 1항에 있어서, 상기 기구는 칫솔인, 변환 장치.
8. 제 1항에 있어서, 상기 기구는 면도기인, 변환 장치.
9. 제 2항에 있어서, 상기 2개의 평면 스프링은 그 길이를 따라 선택된 각도만큼 분리되는, 변환 장치.
10. 제 9항에 있어서, 상기 각도는 대략 90°±40°인, 변환 장치.
11. 제 9항에 있어서, 상기 구동 샤프트 부재는 상기 2개의 스프링의 각 평면의 교차부에 위치하는, 변환 장치.
12. 제 1항에 있어서, 상기 구동 샤프트 부재는 상기 고정 장착 요소 뒤의 일정 거리에 대해 연장하고, 상기 소재는 브러시헤드인, 변환 장치.
13. 제 1항에 있어서, 상기 스프링 부재 및 상기 구동 샤프트 부재는 양쪽 모두 금속인, 변환 장치.
14. 제 1항에 있어서, 상기 구동 샤프트 부재 및 상기 스프링 부재 양쪽 모두는 상기 기구의 길이축에서부터 선택된 각도로 위치하는, 변환 장치.
15. 제 1항에 있어서, 상기 기구의 동작 동안 상기 고정 장착 요소가 이동하는 것으로부터 위치 지정(positioning) 부재(72, 74, 76)를 포함하며, 여기서 상기 위치 지정 부재는 상기 기구의 핸들부에서의 수용부와 짝을 이루는 연장부(74, 76)를 포함하여, 상기 위치 지정 조립체가 회전하지 못하게 하는, 변환 장치.
16. 제 14항에 있어서, 상기 선택된 각도는 5 내지 15° 범위 내인, 변환 장치.
17. 제 1항에 있어서, 상기 구동 샤프트 부재는 상기 이동식 베이스 요소로부터 대략 상기 고정 장착 요소쪽의 한 방향으로, 그리고 상기 베이스 요소의 후면쪽의 반대 방향으로 선택된 거리만큼 연장하고, 상기 소재는 실질적으로 상기 구동 샤프트 부재의 길이에 대해 연장하는, 변환 장치.
18. 구동 샤프트 상에 장착된 소재를 포함하는 장치로서,

    상기 장치를 위한 구동 시스템을 수용하는 핸들부(12)와,

    상기 구동 시스템의 좌우 구동 동작을 상기 소재를 위한 회전 운동으로 변환하는 조립체(26)로서, 좌우 왕복 운동하는 상기 구동 시스템에 의해 구동되는 이동식 베이스 장착 요소(40)를 포함하는, 조립체(26)와,

    상기 베이스 요소로부터 이격된, 고정 장착 요소(64)로서, 상기 장치의 동작 동안 이동하지 않도록 적소에 유지되는, 고정 장착 요소(64)와,

    상기 이동식 베이스 요소에 연결되고 상기 고정 장착 요소에 고정적으로 연결되는 스프링 부재(60, 62)와,

    상기 베이스 요소에 연결되고 상기 고정 장착 요소에 대해 회전가능한 구동 샤프트 부재(28)와,

    상기 구동 샤프트 부재에 부착된 소재로서, 상기 스프링 부재는 구부림 동작보다 실질적으로 비틀림 동작에 덜 내성이 있도록 구성되고, 상기 비틀림 동작은 미리 선택된 주파수로 소재 회전을 발생시키는, 소재를

    포함하는, 구동 샤프트 상에 장착된 소재를 포함하는 장치.
19. 제 18항에 있어서, 상기 스프링 부재는 2개의 분리된 평평한 평면 스프링을 포함하는, 구동 샤프트 상에 장착된 소재를 포함하는 장치.
20. 제 18항에 있어서, 상시 스프링 부재는 단일 평면 스프링인, 구동 샤프트 상에 장착된 소재를 포함하는 장치.
21. 제 18항에 있어서, 상기 이동식 베이스 장착 요소의 좌우 운동은, 상기 이동식 베이스 요소 상에 위치한 영구 자석(32), 및 상기 장치의 핸들부에서 상기 영구 자석으로부터 이격된 전자기 구동기(18)를 포함하는 자기 구동기 장치에 의해 달성되는, 구동 샤프트 상에 장착된 소재를 포함하는 장치.
22. 제 18항에 있어서, 상기 장치는 칫솔인, 구동 샤프트 상에 장착된 소재를 포함하는 장치.
23. 제 19항에 있어서, 상기 2개의 평면 스프링은 그 길이를 따라 선택된 각도만큼 분리되는, 구동 샤프트 상에 장착된 소재를 포함하는 장치.
24. 제 18항에 있어서, 상기 구동 샤프트 부재 및 상기 스프링 부재 양쪽 모두상기 장치의 길이축으로부터 선택된 각도로 위치되는, 구동 샤프트 상에 장착된 소재를 포함하는 장치.
25. 제 18항에 있어서, 상기 구동 샤프트 요소는 상기 이동식 베이스 요소(18)로부터 대략 상기 고정 장착 요소(88)쪽의 한 방향으로, 그리고 상기 베이스 요소의 후면쪽의 다른 방향으로 선택된 거리만큼 연장하고, 상기 소재는 실질적으로 상기 구동 샤프트 부재의 길이에 대해 연장하고, 상기 장치는 면도기(80)인, 구동 샤프트 상에 장착된 소재를 포함하는 장치.
26. 제 18항에 있어서, 상기 장치의 동작 동안 상기 고정 장착 요소가 이동하는 것으로부터 유지하는 위치 지정 부재(27)를 포함하고, 상기 위치 지정 부재는 상기 장치의 핸들부에서 수용부와 짝을 이루는 연장부(74. 76)를 포함하고, 커버 요소(30)를 더 포함하고, 상기 커버 요소의 일단부는 상기 핸들에 나사 고정되어 연결되고, 다른 단부는 상기 구동 샤프트 부재를 위한 하우징의 인접 단부와 짝을 이루고, 상기 위치 지정 부재는 상기 커버 요소의 내면에 장착되는, 구동 샤프트 상에 장착된 소재를 포함하는 장치.
27. 좌우 구동 운동을 장치의 소재부를 위한 회전 운동으로 변환하는 장치로서,

    좌우 왕복 운동으로 구동될 수 있는 이동식 베이스 장착 요소(40)와,

    상기 장치의 동작 동안 이동하지 않도록 적소에 유지되는, 고정 위치 장착요소(64)와,

    상기 이동식 베이스 요소에 연결되고 상기 고정 장착 요소에 고정적으로 연결되는 스프링 부재(60, 62)와,

    상기 베이스 요소에 연결되고 상기 이동식 베이스 요소 및 상기 고정 장착 요소로부터 멀리 연장되고, 자체에 연결된 소재를 갖는 구동 샤프트 부재(28)를 포함하며,

    상기 스프링 부재는, 구부림 동작보다 실질적으로 비틀림 동작에 덜 내성을 갖도록 구성되고 배치되고, 상기 비틀림 동작은 미리 선택된 주파수로 소재 회전을 발생시키는, 좌우 구동 운동을 장치의 소재부를 위한 회전 운동으로 변환하는 장치.
28. 전동 칫솔로서,

    핸들부(12)와,

    길이축을 갖는 상기 핸들에 위치한 상기 칫솔용 구동 조립체(18)와,

    브러시헤드(20)가 장착되는 암부를 포함하는 구동 샤프트 조립체(26)로서, 상기 구동 샤프트 조립체는 상기 소재의 이동을 발생시키기 위해 상기 구동 조립체에 반응하고, 상기 구동 샤프트 조립체는, 상기 구동 샤프트 조립체의 회전축에 대해 상기 칫솔의 관성 모멘트가, 상기 구동 샤프트 조립체의 회전축이 상기 핸들의 길이축과 일치하는 장치에 비해 상기 칫솔의 핸들부의 진동이 크게 감소될 정도로, 충분히 큰 범위 내에서 일정 각도로 상기 핸들의 길이축에 대해 기울어지는, 구동샤프트 조립체(26)를

    포함하는, 전동 칫솔.
29. 제 28항에 있어서, 상기 각도는 일정 범위 내 즉, 5 내지 15°인, 전동 칫솔.
30. 소재를 포함하고 구동 주파수를 갖는 장치를 위한 공진 구동 시스템에 사용된 스프링 부재를 튜닝하는 방법으로서,

    상기 스프링 부재의 동작에 의해 진동하는 상기 소재의 진동에 종속적인 주파수를 측정하는 단계로서, 상기 장치의 측정된 주파수는 구동 주파수의 위 또는 아래에 있는, 주파수 측정 단계와,

    상기 스프링 부재의 스프링 속도, 이에 따라 공진 주파수를 상기 장치의 구동 주파수에 매우 가까이 있을 정도로 충분히 변화시키는 단계를

    포함하는, 스프링 부재 튜닝 방법.
31. 제 30항에 있어서, 상기 스프링 속도를 감소시키기 위해 상기 스프링 부재의 일부를 제거하는 단계를 포함하는, 스프링 부재 튜닝 방법.
32. 제 30항에 있어서, 상기 스프링 속도를 증가시키기 위해 상기 스프링 부재에 물질을 첨가하는 단계를 포함하는, 스프링 부재 튜닝 방법.
33. 제 31항에 있어서, 상기 스프링 부재는 리프 스프링 부재이고, 상기 스프링 부재의 상기 부분은 하나의 에지로부터 상기 리프 스프링의 일부를 절단함으로써 제거되는, 스프링 부재 튜닝 방법.
34. 제 31항에 있어서, 상기 제거된 부분의 구성은 상기 절단부의 길이에 걸쳐 상기 스프링 폭의 점진적인 감소를 한정하며, 상기 절단의 최대 정도는 상기 절단부의 거의 중간에서 이루어지고, 상기 절단부는 상기 리프 스프링의 2개의 단부 사이의 거의 중간에 위치하는, 스프링 부재 튜닝 방법.
35. 제 34항에 있어서, 상기 제거된 부분은 각 단부 사이에서 굴곡되는 절단부인, 스프링 부재 튜닝 방법.
36. 제 31항에 있어서, 상기 스프링 요소는 서로 선택된 각도로 위치된 2개의 리프 스프링을 포함하며, 각 리프 스프링의 일부를 제거하는 단계를 포함하는, 스프링 부재 튜닝 방법.
37. 제 31항에 있어서, 상기 장치는 회전가능 소재 동작을 갖는 칫솔인, 스프링 부재 튜닝 방법.
38. 제 31항에 있어서, 상기 절단 단계는, 스프링 속도에서 필요한 변화를 제공하기 위해 상기 리프 스프링 부재의 길이를 따라 상기 절단부의 폭, 상기 절단부의 길이, 상기 절단부의 곡률 및 상기 절단부의 위치를 제어하는 단계를 포함하는, 스프링 부재 튜닝 방법.
39. 제 31항에 있어서, 상기 부분은 상기 리프 스프링 중 적어도 하나의 내부로부터 제거되고, 상기 제거된 부분은 풋볼(football) 형태를 갖는, 스프링 부재 튜닝 방법.