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JP2854983B2 - 高周波数電動歯ブラシ - Google Patents

高周波数電動歯ブラシ

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Publication number
JP2854983B2
JP2854983B2 JP8501177A JP50117796A JP2854983B2 JP 2854983 B2 JP2854983 B2 JP 2854983B2 JP 8501177 A JP8501177 A JP 8501177A JP 50117796 A JP50117796 A JP 50117796A JP 2854983 B2 JP2854983 B2 JP 2854983B2
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JP
Japan
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brush
shaft
brush head
spring
housing
Prior art date
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Application number
JP8501177A
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English (en)
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JPH09509352A (ja
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クラフト，アダム・ビー
シュリーファー，キース・イー
ドボルスキー，ジェームズ・イー
グレイブス，トーマス・ウィリアム
グレイ，ドナルド・ビー，ザ・サード
セナパティ，ナガブジャン
ゼリンスキー，マシュー・エス
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TEREDAIN UOOTAA PITSUKU DEIBIJON OBU TEREDAIN IND Inc
Teledyne Water Pik
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TEREDAIN UOOTAA PITSUKU DEIBIJON OBU TEREDAIN IND Inc
Teledyne Water Pik
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Filing date
Publication date
Application filed by TEREDAIN UOOTAA PITSUKU DEIBIJON OBU TEREDAIN IND Inc, Teledyne Water Pik filed Critical TEREDAIN UOOTAA PITSUKU DEIBIJON OBU TEREDAIN IND Inc
Publication of JPH09509352A publication Critical patent/JPH09509352A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP2854983B2 publication Critical patent/JP2854983B2/ja
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    • A61C17/22—Power-driven cleaning or polishing devices with brushes, cushions, cups, or the like
    • A61C17/32—Power-driven cleaning or polishing devices with brushes, cushions, cups, or the like reciprocating or oscillating
    • A61C17/34—Power-driven cleaning or polishing devices with brushes, cushions, cups, or the like reciprocating or oscillating driven by electric motor
    • A61C17/3409—Power-driven cleaning or polishing devices with brushes, cushions, cups, or the like reciprocating or oscillating driven by electric motor characterized by the movement of the brush body
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    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
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    • A61C17/22—Power-driven cleaning or polishing devices with brushes, cushions, cups, or the like
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    • A61C17/34—Power-driven cleaning or polishing devices with brushes, cushions, cups, or the like reciprocating or oscillating driven by electric motor
    • A61C17/3409—Power-driven cleaning or polishing devices with brushes, cushions, cups, or the like reciprocating or oscillating driven by electric motor characterized by the movement of the brush body
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Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 発明の分野 本発明は電動歯ブラシに関し、更に詳細には、歯ブラ
シを共鳴周波数で作動する電磁モータ駆動装置に関す
る。
従来の技術 電動歯ブラシは一般的に周知である。更に、共鳴状態
で作動する機構で歯ブラシヘッドを駆動することによる
利点が周知である。高作動周波数では、共鳴機構で歯ブ
ラシヘッドを駆動することにより、ブラシヘッドの移動
量を最大にし、これによって歯からの歯垢及びステイン
（stain）の除去を最適にする。更に、ブラシを駆動す
る共鳴機構により、ブラシヘッドをこれらの高周波数で
移動させることができ電力を更に効率的に使用できる。
電動歯ブラシは、より完全で一貫したクリーニング作用
を含む、手動ブラッシングでは得ることができない利点
を提供する。
ブラシヘッドを共鳴周波数で駆動するため、共鳴機構
を作動する電磁モータによって駆動されるばね−質量系
を使用する多くの歯ブラシが開発されてきた。代表的に
は、ロータ、ブラシシャフト、及びブラシヘッドが質量
を構成し、ばねを使用してブラシシャフトを休止位置に
押圧し、共鳴周波数を得るのを助ける。
ヘルド等に賦与された米国特許第2,917,758号には、
電動モータを収容した細長いハンドル及び電動モータに
取り付けられたシャフトを持つ電気制御式歯ブラシが記
載されている。シャフトは、ハンドルを通って延び、取
り外し自在のブラシヘッドで終端する。シャフトは電動
モータのロータに取り付けられている。交流電流をステ
ータコイルに加えたとき、ロータ及びシャフトには往復
動トルクが加わり、このトルクによって、ロータ及びシ
ャフトはシャフトの長手方向軸線を中心として、加えら
れた電圧の周波数で振動するように回転する。ロータを
休止位置に押圧するため、ロータにはばねが連結されて
いる。シャフトの振動運動の振幅を最大にするため、ロ
ータ及びシャフトの慣性モーメント及びばねの性質は、
ロータ及びシャフトの機械的固有共鳴周波数が周波数に
近いように選択される。
ソーイヤーに賦与された米国特許第3,535,726号に
は、電動モータを収容した細長いハンドル及び電動モー
タに取り付けられたシャフトを持つ電流歯ブラシが記載
されている。シャフトは、ハンドルの端部から延び、ブ
ラシヘッドで終端する。モータは、ブラシヘッドを種々
の正弦運動で作動させる。ハンドルの外側のシャフトは
片持ち式共鳴梁として作用し、電源と同じ共鳴周波数を
有する。シャフトは、モータの回転により偏心的に励起
され、かくしてブラシヘッドを正弦曲線をなして運動さ
せるようにモータに取り付けられている。ブラシヘッド
の運動によりソニックウェーブを発生し、使用者の歯を
きれいにする。
バロウスキーに賦与された米国特許第3,538,359号に
は、電動モータを収容したハンドル及びモータに取り付
けられており且つハンドルから延びるシャフトを持つ電
動歯ブラシが記載されている。シャフトはブラシヘッド
で終端する。電動モータで賦勢したとき、シャフトはそ
の長手方向軸線を中心として振動する。ばねは、アーマ
チュアは休止位置に押圧するようにアーマチュアに取り
付けられており、更に、ブラシヘッドの振動運動を容易
にする。バロウスキーの特許には、共鳴周波数を使用す
ることについての言及はなされていない。
マーチン等に賦与された米国特許第4,787,847号に
は、細長いハンドルを持つ電動歯ブラシが記載されてい
る。ブラシヘッドが先端に取り付けられた圧電トランス
ジューサがハンドルから延びている。圧電トランスジュ
ーサシャフトは、ハンドル内の回路が発生した交流信号
によって励起される。回路は、特定周波数の信号をシャ
フトに供給する。特定の周波数は、シャフトの所望の共
鳴周波数振動を発生させるように計算される。トランス
ジューサシャフトの共鳴周波数はその幾何学的形状で決
まる。
ジウリアーニに賦与された米国特許第5,189,751号及
び米国特許第5,263,218号には、電磁モータで駆動され
る歯ブラシシャフトを持つ電動歯ブラシが記載されてい
る。歯ブラシシャフトは、モータによって賦勢される
と、枢動点を中心として枢動し、平面運動で（上下に又
は側方に）振動する。枢動点の近くでばねを使用し、シ
ャフトをその中立位置に向かって押圧する。米国特許第
5,263,218号の明細書及び特許請求の範囲は、米国特許
第5,189,751号と同様であるが、米国特許第5,263,218号
の特許請求の範囲には、作動中のエネルギ損失をなくす
か或いは少なくするため、反応エネルギを貯えるための
エネルギ回収回路が更に設けられている。
ブラシヘッドは、特定の質量及び枢動装置によって決
定された周波数で振動する。ブラシヘッド、ブラシシャ
フト、及び枢動部材は、所定の周波数で固有共鳴モード
を持つように選択される。共鳴周波数での振動が所望で
ある場合には、駆動システムの作動周波数は、機械的シ
ステム（ブラシヘッド、ブラシシャフト、枢動部材）の
共鳴周波数に比較的近いように選択される。駆動システ
ムは、機械的システムからずれた共鳴周波数で振動する
ようにデチューン（de−tuned）することができる。特
定の負荷が機械的システムに加えられたとき、振動周波
数が共鳴状態になる。負荷が更に加わった場合には、振
動が共鳴状態からずれる。ブラシヘッドの運動の性質は
負荷に従って変化する。
上述の特許には、歯をきれにするために共鳴振動の利
点を得るため、ブラシヘッドの振動を使用期間に亘って
共鳴状態に維持するシステムは記載されていない。各設
計についての駆動信号及びばね−質量系は、所与の負荷
での共鳴周波数を得るように注意深く選択される。電動
歯ブラシには、使用中に遭遇する種々の負荷が作用した
状態でブラシヘッドの振動をその共鳴周波数に維持する
必要が存在し続けている。
本発明の目的及び概要 本発明の主な目的は、改良電動歯ブラシを提供するこ
とである。
本発明の別の目的は、擦り洗い性能（scrubbing perf
ormance）が改良された電動歯ブラシを提供することで
ある。
本発明の更に別の目的は、使用時に遭遇する種々の負
荷に亘って最適の擦り洗い作動を維持する改良電動歯ブ
ラシを提供することである。
以上の目的によれば、本発明は、特定的には電動歯ブ
ラシとして使用されるが、必ずしも電動歯ブラシとして
使用されなくてもよい振動工具によって具現化される。
この振動工具は、内部チャンバを構成し、軸線方向開口
部を一端に構成する管状ハンドルハウジングを有する。
電磁モータがチャンバに取り付けられており、このモー
タは、振動可能なアーマチュアを有する。アーマチュア
は、機械式振動体と一体に形成されており、機械式振動
体は共鳴周波数を有する。機械式振動体の一端は開口部
を通って外方に延び、他端は、ハウジングのチャンバ内
に取り付けられている。
電源は、交流駆動信号をモータに供給し、アーマチュ
ア及び機械式振動体を振動する。振動センサが、ハウジ
ングにアーマチュアと並置して取り付けられている。セ
ンサは、アーマチュアの振動に応じてセンサ信号を発生
し、センサ信号を制御回路に送る。制御回路は、モータ
に加えられた駆動信号の周波数をセンサ信号の位相のず
れに応じて変化させる。
駆動信号の周波数は機械式振動体の共鳴周波数とほぼ
等しく、機械式振動体をその共鳴周波数で振動させる。
センサ信号は所定周波数の交流電流であり、機械式振動
体を共鳴周波数で振動するとき、駆動信号の周波数及び
センサ信号の周波数には一定の位相差がある。制御回路
は、使用中に機械式振動体に種々の負荷が加えられた状
態で、一定の位相差を維持するように駆動信号を変化さ
せる。
更に特定的には、本発明は、機械式振動体が駆動シャ
フト及びばねからなる、新規であり且つ改良された振動
工具／電動歯ブラシである。ばねは、駆動シャフトの下
端及びチャンバ内でハンドルハウジングに作動的に連結
されている。ブラシヘッドアッセンブリは歯ブラシの上
端に取り付けられており、モータを賦勢したとき、機械
式振動体の共鳴運動によって振動運動で駆動される。
本発明のこの他の特徴及び詳細は、好ましい実施例の
以下の詳細な説明を添付図面と関連して参照することに
よって、及び添付の請求の範囲から、更に完全に理解で
きる。
図面の簡単な説明 第１図は、本発明による電動歯ブラシの斜視図であ
る。
第２図は、第１図に示す電動歯ブラシの反対側からの
斜視図である。
第３図は、第１図に示す電動歯ブラシの端面図であ
る。
第4a図及び第4b図は、第１図に示す電動歯ブラシの構
成要素の分解図である。
第５図は、第２図の５−５線に沿った断面図である。
第６図は、内部チャンバを露呈するため、外側部分を
切除した電動歯ブラシの拡大図である。
第７図は、充電ベースに挿入した電動歯ブラシの斜視
図である。
第8a図及び第8b図は、第１図の８−８線の平面に沿っ
た断面図である。
第９図は、第１図の９−９線に沿った拡大部分断面図
である。
第10図は、第９図の10−10線の平面に沿った断面図で
ある。
第11図は、第９図の11−11線の平面に沿った断面図で
ある。
第12図は、第９図の12−12線の平面に沿った断面図で
ある。
第13図は、回転中の電磁モータの構成要素及びフィー
ドバックセンサの概略図である。
第14図は、本発明の作動に含まれる回路のブロックダ
イヤグラムである。
詳細な説明 本発明は、第１図、第２図、及び第３図に示すよう
に、内部チャンバ22を構成する細長い管状ハンドルハウ
ジング20及びこのハンドルハウジングの一端から延びる
端ジェフェクタ即ちブラシヘッドアッセンブリ24を持つ
電動歯ブラシで具体化される。第４図、第５図、第６
図、第８図、及び第９図に示すように、モータ30、機械
式振動体32、及び電源36は、ハンドルハウジングの内部
チャンバ内に配置されている。電動歯ブラシ26のモータ
30、機械式振動体32、及び制御回路34は、機械的に共鳴
して高い周波数でブラシヘッド28を駆動するように作動
的に連結されている。
使用時には、使用者は、電動歯ブラシ26のハンドルハ
ウジング20を掴み、ハンドルハウジングに配置されたオ
ン／オフスイッチ38を押すことによってブラシヘッドア
ッセンブリ24を賦勢する。オン／オフスイッチを賦勢す
ることによって、ブラシヘッド28を、第３図に矢印で示
すように、ブラシヘッドアッセンブリ24の長手方向軸線
を中心として機械式振動体32（第４図、第５図、第６
図、第８図、及び第９図参照）の共鳴周波数で回転する
ように振動させる。共鳴は、機械システムの固有振動周
期と同じ、又はほぼ同じ比較的小さな周期で刺激を加え
ることによって生ぜしめられた、機械システムの振幅が
大きい振動である。
ブラシヘッド28を駆動する機械式振動体32は、駆動シ
ャフト40、モータ30の一部、ブラシヘッドアッセンブリ
24の一部を含み、以下に詳細に説明するように、ばねリ
テーナ42で駆動シャフトに連結されたばね44を有する。
機械式振動体の共鳴周波数は、その部品の慣性質量及び
ばねの剛性で決まる。共鳴周波数で振動することによっ
て、振幅が大きい十分な力を持つ高周波数の運動を起こ
すことができる。ブラシヘッド28が使用者の歯と係合し
たときに高周波数で振動することにより、歯の表面から
歯垢及びステイン（stain）を効果的に且つ高率的に除
去し、更に歯茎をマッサージする。
第４図、第５図、第６図、第８図、及び第９図は、ハ
ンドルハウジング、及びモータ30、駆動シャフトの機械
式振動体32、制御回路34、及び電源36間の配置及び相互
関係を示す。ハンドルハウジングは、上半部46及び下半
部48からなり、これらの半部は、一緒になって内部チャ
ンバ22を構成する。ハンドルハウジングの上端50には開
口部49が形成され、下端52には開口部51が形成されてい
る。これらの開口部は、内部チャンバにアクセスする上
で使用される。開口部51は、取り外し自在のプラグ54を
有し、このプラグは、開口部51を閉鎖する場合には、Ｏ
−リング56を使用して開口部51水密に密封される。必要
な場合には、プラグを取り外して電源36を廃棄する。ハ
ンドルハウジング20の上半部46及び下半部48は、水密シ
ールを形成すＯ−リング58を挟んで互いにスナップ嵌め
している。
オン／オフスイッチ賦勢器38は、防水性押し込みスイ
ッチである。オン／オフスイッチ賦勢器は、第１の窪み
を押し下げることによって電動歯ブラシ26を「オン」に
し、第２の窪みを押し下げることによって電動歯ブラシ
26を「オフ」にする。スイッチ賦勢器は、スイッチフレ
ーム構造62によって支持された防水性スイッチボタン60
を有する。
電動歯ブラシ26に電力を供給するため、充電式電源が
ハンドルハウジング20の下端に収容されている。ハンド
ルハウジングの下端52が第７図に示すように充電ベース
68に置かれているとき、誘導充電コイル64が電源を充電
する。電源は、直流電池、好ましくは、直列に接続され
た一対の充電式直流電池66からなる。充電ベースは、壁
に設けられた標準的なコンセント（図示せず）からエネ
ルギを受け入れるため、コード69及びプラグ71を有す
る。充電ベースは、ブラシヘッドアッセンブリ24を不使
用時に保持するための凹所領域73を有する。
モータ30は、ステータ70及びアーマチュア72からな
る。ステータは、ハンドルハウジング20に関して位置が
固定されており、強磁性体コアを持つ電磁石74からな
る。ステータは、細長いＵ字形状をしており、強磁性体
コアは、Ｕ字形のベース78にある。細長いＵ字形状の各
脚部80が磁極を構成し、これらの磁極は互いに横方向に
向き合っている。ステータの電磁石は、強磁性体コアを
中心とした共通の軸線に巻き付けた一対のコイル82、84
からなる。モータ30の整流は、好ましくは電気的に制御
されるが、しかしながら、機械的整流も考えられる。
アーマチュア72は、第8A図に示すように、ステータ70
の横方向に向き合った脚部80即ち磁極間に配置された細
長いシャフトであり、一対のベアリング86によってこの
位置に回転自在に支持されている。ベアリング86は、ア
ーマチュアを、ステータに対して、長手方向軸線88を中
心として回転自在に支承する。かくして、アーマチュア
は駆動シャフト40として作用する。アーマチュアは、磁
気を導く性質を持つ延長部（magnetically conductive
extension）94を備えた永久磁石92を有する。好ましく
は、二つの円形の永久磁石96を側部と側部とを向き合わ
せた関係で磁極を同方向に配向した状態でアーマチュア
72に配置する。モータ30は、ハンドルハウジング20の長
さのほぼ中央に配置されている。
ブラシヘッドアッセンブリ24は、ブラシシャフト100
の上端98にしっかりと取り付けられたブラシヘッド28を
有する。ブラシヘッド28から外方に複数のブリストル10
2が延びており、これらのブリストルは、電動歯ブラシ2
6の使用時に使用者の歯と係合する。略円錐台状（frust
o−conical）のブラシシャフトハウジング104は、全体
に細長い管状の形状を有し、上端110及び下端112に開口
部106、108を有し、更に、細長い内部キャビティ113を
構成し、ブラシシャフト100上に緩く嵌まっている。ブ
ラシヘッド28は、下方に垂下した長手方向延長部114を
有し、この延長部は、ブラシシャフトハウジング104の
上端110の開口部106を通してブラシシャフト100の上端9
8のキャビティ116に挿入される。延長部114は、ブラシ
シャフト100にしっかりと取り付けられている。延長部1
14の近くに設けられた肩部120がブラシシャフトハウジ
ング104の上端110と衝合する。ブラシヘッド28及びブラ
シシャフト100は、この形体では、ブラシシャフトハウ
ジング104に関して自由に回転できる。
ブラシヘッドアッセンブリ24を交換できるようにする
ため、ブラシヘッドアッセンブリは、ハンドルハウジン
グの上端122に取り外し自在に作動的に取り付けられて
いる。駆動シャフト40の上端124にはスプラインが設け
られており、上端124は、ハンドルハウジング20の上端5
0の開口部49を通って延びている。スプラインが設けら
れた駆動シャフト40の上端124は、ブラシシャフト100の
下端118にあるスプライン付きキャビティ126に挿入さ
れ、これと噛み合う。駆動シャフト40とブラシシャフト
100とがスプラインによって噛み合うことによってぴっ
たりと連結され、これによって、運動の振幅の損失を最
小にしながら捩じり力を効率的に伝達できる。駆動シャ
フト40は、盛り上がった環状領域128をスプラインを備
えた上端124の近くに有する。環状領域128は、スプライ
ン付きキャビティ126の内部に設けられた環状の窪み130
に嵌まり、ブラシシャフト100と駆動シャフト40との間
に取り外し自在のスナップ嵌めを形成する。
水分等の異物がハンドルハウジングの内部チャンバ22
に入らないように水密にシールするため、駆動シャフト
40には、可撓性のブーツ132が嵌まっており、このブー
ツは、駆動シャフトがハンドルハウジング20の上端50を
出る箇所でハンドルハウジングと係合する。エラストマ
ー材料製のカラー134が、ブラシシャフトハウジング104
の下開口部108に取り付けられている。カラー134は、ブ
ラシヘッドアッセンブリ24を色彩によって区別するのに
役立つばかりでなく、機械式振動体によるブラシヘッド
28の振動運動を遮断するのにも役立つ。
機械式振動体32は、質量、ばね44、及び振動体を共鳴
運動で駆動するための電磁モータ30のような励起子を含
む。本発明の機械式振動体32の質量は、下端136にアー
マチュア72を備えた駆動シャフト40、ブラシシャフト10
0、ブラシヘッド28、ばねリテーナ42、及びばね44の一
部からなる。ばね44は、好ましい実施例ではコイルばね
であり、コイルの長手方向軸線を中心として捩じれるよ
うに作動する。第８図及び第９図に示すように、コイル
ばねは、ばねリテーナ42によって駆動シャフト40の下端
136に取り付けられている。ばねの下端138は、ばねリテ
ーナに取り付けられており、ばねリテーナは、駆動シャ
フト40の長手方向軸線がコイルばねの長手方向軸線とほ
ぼ同じであるように、駆動シャフト40に取り付けられて
いる。駆動シャフト40の下端136は、空間を節約するた
め、コイルばね44の内径に嵌着されている。アーマチュ
ア72が機械式振動体32の構造内で一体的な関係になって
いるということがこのモータ構造の独特の特徴である。
コイルばね44の一端140はハンドルハウジング20のチ
ャンバ22内の所定の場所に好ましくはステータキャップ
142で固定されている。このステータキャップは、駆動
シャフト40のアーマチュア72の部分と駆動シャフトの下
端136との間に配置される。ステータキャップには、駆
動シャフトが貫通する軸線方向穴144が設けられてい
る。ステータキャップは、ハンドルハウジングの内部チ
ャンバ内の所定位置に固定されており、ステータの下端
146と部分的に当接する。
ブラシヘッド28、ブラシシャフト100、駆動シャフト4
0、及びばねリテーナ42を含む機械式振動体の慣性質量
を構成する部品の剛性により、コイルばね44だけに対す
る機械式振動体のばね定数及び捩じり特性が実質的に決
まる。機械式振動体の質量部分を構成する種々の部品の
固有共鳴周波数は、機械式振動体の共鳴周波数と非常に
大きく異なっている（高い）ように設計されている。こ
のように共鳴周波数が異なっているため、駆動シャフト
及び関連した部品を介した振動の伝達効率が最大とな
る。
駆動シャフト40は、好ましくは、内レース148、外レ
ース150、及びボール152を各々有するローラーベアリン
グ86によって、アーマチュア72の長手方向回転軸線に沿
って半径方向位置に維持される。一方のローラーベアリ
ングは駆動シャフト40の上端124に設けられており、他
方のローラーベアリングは駆動シャフトの下端136に設
けられている。上ローラーベアリングは、ステータ70の
上端154の近くで駆動シャフトを支持する。下ベアリン
グは、アーマチュア72と駆動シャフトの下端136との間
で駆動シャフトを支持する。両ベアリングの外レース15
0は、ハンドルハウジングの内部チャンバ内の所定位置
に固定されている。各ベアリングの内レース148は、側
方への大きな動きを実質的に禁止しつつ駆動シャフトが
回転できるように、駆動シャフトに作動的に取り付けら
れている。適当な摩擦品質を持つ他の種類のベアリング
を使用できると考えられる。
好ましい実施例のコイルばね44の剛性は、使用中にブ
ラシヘッド28を介して駆動シャフト40に加えられるスラ
スト負荷を取り扱うのに十分なスラスト支承性を提供す
る。
機械式振動体32用のばね−質量系についての好ましい
実施例は、好ましくは、駆動シャフト40に取り付けられ
たコイルばね44であるが、他の「ばね−質量」実施例が
可能である。例えば、一つの本体に質量とばねを兼ね備
えたトーションバーを使用できる。更に、ばねとして作
用する駆動シャフトを封入したエラストマー質量、又は
加えられたモーメント対の作用を受けて曲がる梁として
作用することによって、所望のばね定数を供給するた
め、回転軸線に対して垂直に取り付けられた平らなばね
を使用できる。更に、多周波数振動体を、種々の負荷状
態で、多数の共鳴振動運動を維持するか或いはこれらの
運動を組み合わせるように制御されるように設計するこ
ともできる。
本発明の電動歯ブラシ26を作動するための回路を含む
可撓性集積回路基板156をハンドルハウジング20の内部
チャンバ22の内周に亘って曲げる。内部フレームワーク
ボビンキャリヤ158は、集積回路基板を支持すると同時
に、電源36及び誘導充電コイル64を保持する。ボビンキ
ャリヤ158は、ハンドルハウジングの内部チャンバ22の
内側の所定位置に固定されている。
第14図は、電動歯ブラシ26を作動させるための電気設
計を示す。電気設計の大部分は、機械式振動体32をその
共鳴周波数で作動するようにモータ30を整流することに
関する。
賦勢器回路160は、電動歯ブラシ26の使用者が歯ブラ
シ26の賦勢及び消勢を行うために操作する、上文中に説
明したオン／オフスイッチ38を含む。歯ブラシ26の使用
者が賦勢器回路160のオン／オフスイッチ38を賦勢した
とき、直流電池66及び電源36を含む電源回路162によ
り、電池66に貯えられたエネルギが制御回路34に加えら
れ、次いでモータ30に加えられる。電池充電回路163
は、電源回路162に連結されている。
制御回路34は、電源回路162の作動によってライン166
を介して電力が与えられる位相ロックループ回路164を
含み、この位相ロックループ回路は、ライン170上に設
けられたセンサ168によって信号を受け取るように連結
されている。位相ロックループ回路164は、制御信号ラ
イン172上に発生するように作動する。ライン172は、モ
ータ30及びインバーター回路174に直接連結されてい
る。インバーター回路174はライン172上に発生された制
御信号を変換し、変換した信号をライン176上に発生
し、これらの信号をモータ30に加える。更に、ライン17
6は位相ロックループ回路164の入力に接続されている。
更に特定的には、ライン172上に発生された制御信号
及びライン176上に発生された変換した信号をモータ30
の整流子スイッチ回路178に加える。整流子スイッチ回
路178は、整流スイッチ、好ましくはトランジスタース
イッチを含み、これらのスイッチは、選択されたスイッ
チ位置にあるとき、コイル及び駆動モータシャフト180
のコイル82、84にライン182で作動電力を選択的に提供
する。コイル及び駆動モータシャフト180の駆動シャフ
ト40は、上文中に説明したように振動し、上文中に説明
したブラシヘッド28及びブラシシャフト100からなるブ
ラシ184を作動させる。
コイル及び駆動モータシャフト180のの駆動シャフト
振動をセンサ168で検出し、駆動シャフトの位置を表す
値の信号をライン170上に発生し、位相ロックループ回
路164に提供する。位相ロックループ回路164が発生した
制御信号が整流子スイッチ回路178のスイッチのスイッ
チ位置を制御し、電力をコイル82、84に加える周波数と
駆動シャフトの振動周波数との間の相対位相を制御す
る。整流子スイッチ回路178のスイッチを適当に賦勢し
たり消勢したりすることによって、所望の位相差を維持
できる。
センサ168は、種々の負荷状態で機械式振動子32の共
鳴振動を維持できるようにするため、位相ロックグルー
プ回路164に接続されたライン170上に信号を発生する。
駆動シャフト40の位相差振動及びステータの電磁コイル
82、84に加えられた電力の位相差振動は、共鳴時には周
知の値であり、予測可能な方法で前記箇所から遠ざかる
ように移動する。回路164が発生した制御信号により、
共鳴周波数振動に必要な位相差を使用時の負荷に関わら
ず維持するように決定された周波数で整流スイッチ回路
178を作動させる。
好ましくは、センサ168は磁気センサであり、第７図
及び第11図に示すように、センサコイル190及びセンサ
永久磁石192を有する。センサ永久磁石はばねリテーナ4
2に取り付けられており、センサコイル190はセンサ磁石
192の近くで回路基板156に配置されている。モータ30の
励起時の駆動シャフト40の移動により、センサ磁石192
を駆動シャフトの振動周波数でセンサコイル190を越え
て移動させ、かくして、駆動シャフト40の振動周波数を
表す信号をライン170上に発生する。ライン170は、回路
164が整流子スイッチ回路178の整流子スイッチの作動を
必要に応じて連続的に制御できるように、回路164に設
けられている。
磁気センサが好ましい。これは、磁気センサが微分器
として作動し、及びかくしてセンサ信号が速度に比例す
るためである。速度フィードバックはセンサ自体の位置
に対して比較的感度が低く、製造中にセンサをどこに配
置するのかについての許容差を大きくすることができ
る。ステータでの駆動信号に対するセンサの配置の極性
は、ステータの磁界がセンサコイル190に及ぼす効果を
最少にする上で重要である。
回路164を正しく作動させるため、ライン170上に発生
させた信号の周波数が含まなければならない周波数捕捉
範囲がある。この捕捉範囲は、位相ロックループ回路16
4の設計によって、及びセンサ磁石192の移動を適切に検
出し、ライン170上に信号を提供するセンサ168の性能に
よって決定される。機械式振動体32の共鳴周波数は、回
路164が機械式振動体を共鳴周波数振動状態に維持する
ため、捕捉範囲内になければならない。コイル82、84の
初期駆動がこの捕捉範囲内で行われる場合には、アーマ
チュア72は、回路が正しい位相差にロックし、機械式振
動体32を共鳴周波数で振動するのに適当な周波数で振動
する。本発明の捕捉範囲は、約200Hz乃至約300Hzえあ
る。更に、位相ロックループ回路は、所望の位相関係を
維持し続けるロック範囲を有する。このロック範囲は、
捕捉範囲と異なっている。
歯ブラシ26を賦勢したとき、電源回路162の電源36が
制御回路34でモータ30に電力を供給し、ステータ70の電
磁コイル82、84に電位差を加える。コイル82、84に加え
られた電位差は、Ｕ字形状ステータの脚部80の各々の磁
極で磁界を発生する。電磁界により、アーマチュア72に
モーメント対を加えてアーマチュアを回転させ、アーマ
チュアの磁極を電磁石の磁極と整合させる。アーマチュ
アが回転するとき、アーマチュアの運動はコイルばね44
によって抵抗される。駆動信号がアーマチュアを反対方
向に押圧する電位差を提供する場合には、アーマチュア
はコイルばねによる抵抗を再び受ける。電磁コイルから
電位差をなくすと、アーマチュアの回転方向に関わら
ず、コイルばねはアーマチュアに復元力を提供する。回
転の大きさは、本発明の好ましい実施例では、第13図に
Ａで示すように、中心から最大約14°ずれている。運動
の振幅は、モータ30のジオメトリー及び機械式振動体32
のばね−質量特性を変化させることによって、ほぼ任意
の所望の範囲に変更することができると考えられる。
アーマチュア72の振動により、駆動シャフト40全体を
ベアリング86内で移動する。上文中に説明したように、
駆動シャフトは、スプライン継手でブラシシャフト100
に作動的に連結されている。スプライン継手は効率的な
継手であり、連結部での運動の損失を最少にする。ブラ
シシャフトとブラシヘッド28とをしっかりと連結するこ
とによって、運動の損失を更に小さくする。ブラシヘッ
ド及びブラシシャフトは、ブラシシャフトハウジング10
4からの共鳴振動に悪影響（減衰や加負荷等）を実質的
に及ぼすことなく、ブラシシャフトハウジング104内で
自由に移動できる。カラー134は、ブラシシャフトハウ
ジング104を振動から隔離し、機械式振動体32の振動を
ブラシヘッド28に集中するのを助ける。
機械式振動体32又は駆動シャフト40の振動は、特定的
には、センサ168によって検出され、振動を表す信号を
ライン170上に発生する。回路164は制御信号をライン17
2に発生し、変換した信号をライン176に発生し、整流子
スイッチ回路178のスイッチの開閉速度を調節し、かく
して機械式振動体32を共鳴周波数で駆動する。
負荷を機械式振動体32に加えたとき、例えば歯を磨く
のに電動歯ブラシ26を使用したとき、振動の周波数に影
響が及ぼされる。センサ168は、負荷による駆動シャフ
ト40の新たな周波数を表す信号をライン170に発生す
る。これによって、回路164で制御信号をライン172に発
生し、機械式振動体を負荷が加えられた状態で共鳴周波
数で振動している状態に維持するため、周知の位相差に
維持する。かくして、回路164は、特定の所与の負荷が
加わった状態での機械式振動体の共鳴周波数が制御回路
のロック範囲内にある場合には、負荷が変化している状
態で機械式振動体32を共鳴周波数振動で振動する状態に
維持できる。
回路164で駆動信号を連続的に調節し、負荷が変化す
る状態で共鳴周波数振動を維持することには幾つかの利
点がある。主な利点は、歯をきれいにする性能である。
ブラシヘッドは常に最大振幅で作動し、及び従ってブラ
ッシング効率が最大である。これは機械式振動体が常に
共鳴状態で作動しているためである。別の利点は、製造
費用に及ぼす影響である。回路164が、実際上、捕捉範
囲内で自動調節を行うため、本発明の作動は、製造に使
用した部品の物理的許容差の変化に対して敏感でなく、
かくして、検査及び試験を含む多くの製造費用を小さく
する。本発明の性能に悪影響を及ぼすことなく、機械式
振動体32のばね定数又は慣性質量を変化させることがで
きる。共鳴周波数で作動する入手可能な電動歯ブラシ
は、その性能が機械式振動体の特性の変化に対して極め
て敏感であるため、製造に費用がかかる。
好ましい実施例には、回転振動する電動歯ブラシで本
発明を使用することを開示した。本発明は、軽負荷乃至
中程度の負荷が加えられた状態で振幅が小さく周波数が
高い運動が所望である場合に共鳴振動を提供するのに適
していると考えられるということは理解されるべきであ
る。これには、擦り洗い、研磨、かき混ぜ、混合、調
合、攪拌、又は彫刻が含まれるがこれらに限定されな
い。
本発明の現在の好ましい実施例及びその多くの改良を
或る程度特定して説明した。この説明は、好ましい例に
関し、本発明に関して利用できる知識の現在の理解に基
づいている。しかしながら、本発明の範囲は費かの請求
の範囲によって限定され、好ましい実施例の詳細な説明
によっては限定されない。
フロントページの続き (72)発明者 ドボルスキー，ジェームズ・イー アメリカ合衆国オハイオ州43026，ヒリ アード，ブレイドウッド・ドライブ 3567 (72)発明者 グレイブス，トーマス・ウィリアム アメリカ合衆国コロラド州80526，フォ ート・コリンズ，チャーチル・コート 2033 (72)発明者 グレイ，ドナルド・ビー，ザ・サード アメリカ合衆国オハイオ州43228，コロ ンバス，ウィムベルドン 1129 (72)発明者 セナパティ，ナガブジャン アメリカ合衆国オハイオ州43135，ワー シントン，キルハム・コート 1188 (72)発明者 ゼリンスキー，マシュー・エス アメリカ合衆国オハイオ州43085，ワー シントン，コロニアル・アベニュー 446 (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G05D 19/02 H02P 6/02 A46B 13/02

Claims (14)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】振動工具において、 a.内部チャンバを構成し、軸線方向開口部を一端に構成
    する管状ハンドルハウジングと、 b.振動可能なアーマチュアを持ち、前記チャンバ内に取
    り付けられた電磁モータと、 c.第１端及び第２端を備え、前記アーマチュアと一体に
    形成され、共鳴周波数を持ち、前記第１端が前記開口部
    を通って前記ハウジングを越えて外方に延び、前記第２
    端が、前記ハンドルハウジングに、側方への動きが禁止
    されつつ回転可能に取り付けられた機械式振動体と、 d.前記モータに接続され、交流駆動信号を前記モータに
    供給して前記アーマチュア及び前記機械式振動体を作動
    し、前記機械式振動体を振動させる電源と、 e.前記ハウジングに前記アーマチュアと並置して取り付
    けられ、前記アーマチュアの振動に応じてセンサ信号を
    発生する振動センサ、及び f.前記センサ信号を受け取り、前記モータに加えられる
    前記駆動信号の周波数を前記センサ信号に応じて変化さ
    せる制御回路とを有することを特徴とする振動工具。
  2. 【請求項２】前記駆動信号の周波数は、前記機械式振動
    体の共鳴周波数とほぼ等しく、前記機械式振動体を前記
    共鳴周波数で振動させる、請求項１に記載の振動工具。
  3. 【請求項３】a.前記センサ信号は、前記機械式振動体の
    振動に基づいた交流電流であり、 b.前記機械式振動体が前記共鳴周波数で振動していると
    き、前記駆動信号の周波数とセンサ信号の周波数との間
    には一定の位相差があり、 c.前記制御回路は、前記駆動信号を変化させて前記一定
    の位相差を維持する、 請求項２に記載の振動工具。
  4. 【請求項４】前記機械式振動体は、上端及び下端を持つ
    駆動シャフト、及び該駆動シャフトの前記下端を前記内
    部チャンバに作動的に取り付けるばねを更に有する、請
    求項３に記載の振動工具。
  5. 【請求項５】前記ばねは実質的に管状のコイルばねであ
    り、上端及び下端を有し、前記シャフトの前記下端は前
    記コイルばねに挿入されており且つ前記ばねの下端に作
    動的に取り付けられており、前記ばねの前記上端は前記
    内部チャンバに固定されている、請求項４に記載の振動
    工具。
  6. 【請求項６】前記機械式振動体の前記上端に作動的に取
    り付けられたブラシヘッドアッセンブリを更に有する、
    請求項１に記載の振動工具。
  7. 【請求項７】前記ブラシヘッドアッセンブリは、細長い
    ブラシシャフト、該ブラシシャフトにしっかりと取り付
    けられたブラシヘッド、及び細長い中空のブラシシャフ
    トハウジングを有し、前記ブラシヘッドは、該ブラシヘ
    ッドから延びる複数のブリストルを有し、前記ブラシシ
    ャフトは、前記ブラシシャフトハウジング内にあり、前
    記ブラシシャフトハウジングの上端が前記ブラシヘッド
    及びブラシシャフトを支承し、前記ブラシシャフト及び
    ブラシヘッドが前記ブラシシャフトハウジングとは別個
    に回転できるようにし、前記ブラシシャフトの下端は前
    記機械式振動体の前記上端と係合し、前記ブラシシャフ
    トを前記機械式振動体と同時に振動させる、請求項６に
    記載の振動工具。
  8. 【請求項８】振動工具において、 a.内部チャンバを構成するハンドルハウジングと、 b.一部が前記内部チャンバ内に位置決めされた振動可能
    なアーマチュアを持つ電磁モータと、 c.前記アーマチュアと一体に形成され、前記内部チャン
    バ内を長手方向に延び、前記ハウジングを通って延びる
    上端を持つ駆動シャフトと、 d.上端が前記ハンドルハウジングに取り付けられ、下端
    が前記駆動シャフトの下端に取り付けられたばねであっ
    て、前記駆動シャフト及びばねは関連した共鳴周波数を
    有するばねと、 e.前記アーマチュア及び前記駆動シャフト及び前記ばね
    を賦勢してこれを振動させるため、交流駆動信号を前記
    モータに供給する、前記モータに接続された電源と、 f.前記ハウジングに前記アーマチュアと並置して取り付
    けられ、前記アーマチュアの振動に応じて信号を発生す
    る振動センサ、及び g.前記センサ信号を受け取り、前記モータに加えられる
    前記駆動信号の周波数を前記センサ信号に応じて変化さ
    せる制御回路とを有することを特徴とする振動工具。
  9. 【請求項９】前記駆動信号の周波数は、前記駆動シャフ
    ト及び前記ばねの共鳴周波数とほぼ同じであり、これに
    よって、前記駆動シャフト及び前記ばねは前記共鳴周波
    数で振動する、請求項８に記載の振動工具。
  10. 【請求項１０】a.前記センサ信号は、前記機械式振動体
    の振動に基づいた交流電流であり、 b.前記駆動シャフト及び前記ばねが前記共鳴周波数で振
    動しているとき、前記駆動信号の周波数とセンサ信号の
    周波数との間には一定の位相差があり、 c.前記制御回路は前記駆動信号を変化させて前記一定の
    位相差を維持する、 請求項９に記載の振動工具。
  11. 【請求項１１】前記ばねは実質的に管状形状のコイルば
    ねであり、上端及び下端を有し、前記シャフトの前記下
    端は前記コイルばねに挿入されており且つ前記ばねの前
    記下端に取り付けられており、前記ばねの前記上端は前
    記内部チャンバに固定されている、請求項10に記載の振
    動工具。
  12. 【請求項１２】前記機械式振動体の前記上端にスプライ
    ンを介して取り付けられたブラシヘッドアッセンブリを
    更に有する、請求項８に記載の振動工具。
  13. 【請求項１３】前記ブラシヘッドアッセンブリは、細長
    いブラシシャフト、該ブラシシャフトにしっかりと取り
    付けられたブラシヘッド、及び細長い中空のブラシシャ
    フトハウジングを有し、前記ブラシヘッドは、該ブラシ
    ヘッドから延びる複数のブリストルを有し、前記ブラシ
    シャフトは前記ブラシシャフトハウジング内にあり、前
    記ブラシシャフトハウジングの上端が前記ブラシヘッド
    及びブラシシャフトを支承し、前記ブラシシャフト及び
    ブラシヘッドが前記ブラシシャフトハウジングとは別個
    に回転できるようにし、前記ブラシシャフトの下端は前
    記駆動シャフトの前記上端と係合し、前記ブラシシャフ
    トを前記駆動シャフトと同時に振動させる、請求項12に
    記載の振動工具。
  14. 【請求項１４】細長いブラシシャフト、該ブラシシャフ
    トにしっかりと取り付けられたブラシヘッド、及び細長
    い中空のブラシシャフトハウジングを有し、前記ブラシ
    ヘッドは、該ブラシヘッドから延びる複数のブリストル
    を有し、前記ブラシシャフトは前記ブラシシャフトハウ
    ジング内にあり、前記ブラシシャフトハウジングの上端
    が前記ブラシヘッド及びブラシシャフトを支承し、前記
    ブラシシャフト及びブラシヘッドが前記ブラシシャフト
    ハウジングとは別個に回転できるようにしたことを特徴
    とするブラシヘッドアッセンブリ。
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