專利名稱：用于電動牙刷的利用磁性作用的諧振致動器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體涉及電動牙刷，并且更具體地涉及用于電動牙刷的致動器，該致動器利用磁性作用產(chǎn)生具有所選擇的運動角度和頻率的振動輸出軸運動。
背景技術(shù)：
電動牙刷通常被布置為包括諧振致動器以驅(qū)動機械彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，該機械彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的動作又產(chǎn)生所希望的刷頭的運動用于清潔用戶的牙齒。在諧振系統(tǒng)中，器具的驅(qū)動頻率被設(shè)置為接近或近似等于彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的諧振頻率。諧振系統(tǒng)使得該器具對于給定的功率輸入能夠工作在最大效率處，并且因而是包括電動牙刷在內(nèi)的大多數(shù)器具所希望具有的。 致動器的整體大小以及器具的預(yù)期壽命在電動牙刷的設(shè)計中是很重要的但有時又會相沖突的考慮因素。例如，嘗試減小致動器的大小并從而減小器具的大小(這通常是所希望的)常常會對器具的整體功能和有效性產(chǎn)生負面影響，并且可能減少器具的壽命，因為減小諧振彈簧的大小通常會增大彈簧上的機械應(yīng)力，導(dǎo)致更早出現(xiàn)故障，并且降低器具的功率輸出。

發(fā)明內(nèi)容
本文所公開的發(fā)明包括一種不影響電動牙刷的功能和效率以及/或者其工作壽命的用于電動牙刷的具有相對較小直徑的致動器。公開了一種用于電動牙刷的磁性致動器系統(tǒng)，該致動器系統(tǒng)包括:殼體；延伸穿過所述殼體的可磁化材料的主軸；固定于所述殼體內(nèi)適當(dāng)位置的至少一對間隔開的永磁體組件，其中所述永磁體組件的每一個包括多個北極/南極磁體部件；在所述永磁體組件之間的空間中環(huán)繞所述主軸的線圈繞組；具有多個被附接到所述主軸的磁極元件的一對磁極組件，所述磁極組件位于由所述永磁體組件所包圍的體積內(nèi)，其中所述磁極從所述主軸朝著所述永磁體組件向外徑向延伸；其中在操作中，來自信號源的以在零值附近的方波或者交變電流的形式的激勵信號被應(yīng)用于線圈繞組，導(dǎo)致主軸以所選擇的頻率和角度進行震蕩運動，并且其中主軸被適配為接收刷頭組件或者接收適配為接收刷頭組件的彈簧組件，以清潔用戶的牙齒。


圖1和圖2是這里所描述的用于致動器主軸旋轉(zhuǎn)動作的致動器的一個實施例的縱向和橫向橫截面視圖。圖3是致動器的另一實施例的透視圖。圖4是可以與圖3的致動器一起被使用的球彈簧的端視圖。圖5是圖4的球彈簧的透視圖。圖6是致動器/球彈簧的組合的透視圖。
圖7-9是針對致動器主軸的軸向運動的致動器的另一些實施例的縱向橫截面視圖。圖10是能夠產(chǎn)生致動器主軸的軸向和切向運動的致動器的縱向橫截面視圖。圖11是用于控制致動器系統(tǒng)的角運動/行程的感應(yīng)線圈/反饋裝置的框圖。
具體實施例方式圖1和圖2示出了致動器10的第一實施例，該致動器可被用于利用經(jīng)過選定角度的振動旋轉(zhuǎn)動作驅(qū)動電動牙刷。致動器10包括細長的圓筒形殼體12，該殼體優(yōu)選而非必要地具有大約12-15mm的小的(S卩，細的)直徑，在所示出的實施例中具有13.6mm的優(yōu)選直徑。這種細長的致動器殼體是商業(yè)上所希望的，并且這里所描述的致動器結(jié)構(gòu)使得這種細長的配置成為可能。在所示出的實施例中，位于殼體12內(nèi)的是兩個永磁體組件14和16，所述殼體12優(yōu)選地由具有高磁導(dǎo)率的金屬制成，因為該殼體是磁路的一部分，所述兩個永磁體組件位于殼體12的相對端附近并且被附接于殼體12的內(nèi)表面15。永磁體組件包括在北極/南極之間在周向上交替分布的磁體部件18-18。在所示出的實施例中，磁體部件18-18是彎曲的,大約長IOmm厚8_。在圖1和圖2中所示的實施例中，每個磁體組件中總共有八個磁體部件。雖然圖1和圖2的實施例顯示各個磁性部件是相鄰接的，但是連續(xù)的北極/南極磁體部件之間可以存在間隙。永磁體組件16與永磁體組件14相同，只是組件16的磁體部件被放置為使得磁極按照與組件14的磁體部件的磁極相反的方式交替，即在縱向上，組件14中的磁體部件的 北極對應(yīng)于(in registry with)組件16中的南極磁體部件。延伸穿過殼體12中間的是主軸22。在永磁體組件14和16之間環(huán)繞主軸22纏繞的是圓筒形繞組24，在所示出的實施例中該圓筒形繞組包括銅線線圈，匝數(shù)取決于若干因素，這些因素包括電池電壓、所希望的輸出功率和致動器大小。在所示出的實施例中，線圈24的長度約16mm并且厚度約2_3mm。主軸在線圈繞組24的區(qū)域中的直徑約為4mm,在永磁體組件14和16的區(qū)域中的直徑約為2-3_。致動器10還包括兩個磁極組件28和30。磁極組件被固定于主軸22上并且分別被置于由永磁體組件14和16所界定的區(qū)域中。磁極組件和主軸都由磁性材料(例如鐵)制成。在所示出的實施例中，每個磁極組件包括與主軸相鄰的圓環(huán)部分34和多個等間距的極元件38。每個極元件的寬度在從圓環(huán)部分34到極元件的自由端的方向上略微增加。極元件的自由端差不多向磁體部件延伸。通常，它們之間存在小的間隙。在所示出的實施例中，每個極元件的自由端表面40是略微彎曲的。磁極組件中的極元件38的數(shù)目將是相關(guān)聯(lián)的永磁體組件中的各個磁體部件的數(shù)目的一半。如上所示，圖1和圖2的實施例顯示在每個永磁體組件中總共有八個磁體部件并且在每個磁極組件中有四個等間隔的極元件。然而，在其它實施例中，磁體部件的數(shù)目以及相應(yīng)地，磁極組件中的極元件的數(shù)目將是不同的。例如，圖3示出了一種布置，其中在殼體45的內(nèi)表面上每個永磁體組件總共有12個磁體部件44，北極和南極部件交替環(huán)繞于永磁體組件的內(nèi)周。在圖3的實施例中，總共有6個等間隔的極元件46與12個磁性北極/南極磁體部件相匹配。如上所示，可能變化的磁體部件的數(shù)目還將決定構(gòu)成磁極組件的磁極的數(shù)目。
用于致動器的操作的來自信號源25的激勵信號通過繞組引線(未示出)被應(yīng)用于繞組24。關(guān)于操作，再次參考圖1和圖2，激勵信號通常是通過全橋式電路由DC信號產(chǎn)生的在零值附近的方波(交變)信號，但是AC信號也可以被使用。該信號的頻率可以改變，但是優(yōu)選該頻率在系統(tǒng)的諧振頻率附近。方波激勵信號在正方向上的一半將導(dǎo)致磁極組件中的一個被磁化為向北，而另一個磁極組件將被磁化為向南。在未被磁化的狀態(tài)下，各個極元件將分別面向在永磁體組件的周向上的永磁體部件的北極/南極邊界。激勵信號將導(dǎo)致具有兩個磁極組件的主軸22旋轉(zhuǎn)到接近相鄰磁體部件中的一個的中點。例如，如果圖1和圖2中的磁極組件28被磁化為向北而另一組件30被磁化為向南，則第一個動作將是主軸沿逆時針的旋轉(zhuǎn)(圖2)，使得組件28中的北磁極將由于磁引力而面向南磁體部件，并且被驅(qū)離北磁體部件。因為來自永磁體組件16的永磁體部件的位置互補(相反)，南磁極組件30將產(chǎn)生相同的逆時針旋轉(zhuǎn)。激勵方波將返回到零值，然后進入負方向，導(dǎo)致主軸順時針旋轉(zhuǎn)，磁極組件28向南并且磁極組件30向北。組件28中的極將移動為面向組件14中的北永磁體部件，而組件30中的極將移動為面向組件16中的南永磁體部件。在零值附近的兩個方向上的重復(fù)性方波將導(dǎo)致主軸22在一定角度內(nèi)的來回振動，所述角度取決于永磁體部件的數(shù)目以及相應(yīng)的磁極元件的數(shù)目。例如，在每個永磁體組件中總共有12個磁體部件的實施例中，振動的角度理論上為大約±15°，現(xiàn)實中略小一些，這個角度是用于清潔牙齒的有效刷動行程。適當(dāng)?shù)姆秶梢允?-16°。在操作中，致動器具有非常優(yōu)選的磁性位置。用戶可以將牙刷主軸旋轉(zhuǎn)到優(yōu)選的初始(閑置)角度位置。致動器的主軸可以被定向在若干個不同的位置。對于主軸的正旋轉(zhuǎn)，磁性齒槽(cogging)轉(zhuǎn)矩為負，而對于主軸的負旋轉(zhuǎn)，磁性齒槽轉(zhuǎn)矩為正。因而，齒槽轉(zhuǎn)矩可被用于實現(xiàn)彈簧功能。在這種情況下，機械彈簧可被省略，因為彈簧功能通過磁性齒槽效應(yīng)而被實現(xiàn)，實際上是磁性彈簧。在一種布置中，刷頭可以直接被附接于主軸的一端上，以產(chǎn)生有效的刷洗動作，磁性彈簧足以產(chǎn)生所需要的動 作。在其它情況下，致動器的磁性彈簧動作可能不足以強到產(chǎn)生有效的刷洗力。在那些情況下，致動器的主軸可被用于驅(qū)動單獨的機械彈簧質(zhì)量系統(tǒng)。這樣的單獨的彈簧質(zhì)量系統(tǒng)可以包括作為傳統(tǒng)彈簧質(zhì)量布置的葉片式或螺旋形彈簧，或者球彈簧組件61，比如如圖4和圖5中所示。圖6示出了圖4和圖5的球彈簧布置與圖3的致動器的組合。球彈簧組件包括窄的環(huán)狀外圍定子部分52，在所示出的實施例中，該環(huán)狀外圍定子部分具有與殼體12相同的外徑。所述外圍部分的厚度可變。球彈簧組件61還包括內(nèi)部移動部件，該內(nèi)部移動部件包括被固定于致動器的主軸或者為主軸的一部分的中心元件54。從中心元件54向外延伸的是多個臂56。優(yōu)選為等間隔的所述臂的數(shù)目可以改變，但是三個臂可以提供可靠且有效的效果。每個臂從中心元件54朝著外圍部分52徑直向外延伸，然后彎曲以貼合外圍部分52的彎曲的內(nèi)表面。在每個臂的末端處是腔部分58，該腔部分對應(yīng)外圍部分的內(nèi)表面中的淺腔或溝60。小球體被置于每個腔58和每個腔/溝60之間。移動部分的臂提供了預(yù)應(yīng)力。這種特殊的布置可以用作切向和軸向兩個方向上的彈簧。與以上實施例中的旋轉(zhuǎn)運動不同，圖7示出了軸向運動的致動器。該致動器包括兩個間隔開的永磁體組件78和80、主軸82和介于其間的線圈繞組83，以及在永磁體組件內(nèi)部的被附接于主軸82的兩個磁極組件84和86。永磁體組件被軸向(周向)布置，其中磁體部件的北極/南極邊界周向延伸，而不是像旋轉(zhuǎn)致動器中那樣沿縱向延伸。例如，永磁體組件78包括北極磁體部件90和相鄰的南極磁體部件92。在所示出的實施例中，磁體部件90和92周向環(huán)繞整個殼體進行延伸，并且與磁體部件44 一樣約為Imm厚。磁體部件也可以在圓周上被分段，即分成多個磁體部件。各個磁體分段可以彼此鄰接或者被小的間隙分隔開。另一永磁體組件80在布置上是類似的，只是北極和南極部件被顛倒，以使得兩個永磁體組件的北極磁體部件都在外側(cè)的位置上，而南極磁體部件都在內(nèi)側(cè)的位置上，如圖7中所示。圖7的實施例中的磁極組件可以是實心的盤狀元件，或者它可以是一系列被間隔開的個體磁極。雖然每個永磁體組件在圖7中被顯示為具有一個北極和一個南極部件，但是可以有不止一個北極和一個南極部件沿殼體在縱向上被間隔放置。在針對致動器的軸向運動的致動器操作中，利用具有正負擺幅的方波或交變電流信號激勵繞組83，例如將磁極組件84磁化為向北，并且將相對的磁極組件86磁化為向南。這將導(dǎo)致主軸82最初向左運動(在軸向上)，因為磁極84和86將趨向于與永磁體組件的相反極性部件排成直線。當(dāng)激勵信號移到其相反的擺幅時，主軸82將首先移動回中間位置，然后當(dāng)磁極組件84被磁化為向 南且相對的磁極組件86被磁化為向北時主軸82向右移動。隨著激勵信號的持續(xù)，主軸將沿殼體在縱向上(軸向上)來回移動。在存在另外的北極-南極磁體部件的情況下，磁極組件將包括一系列單獨的磁極元件，這些磁極元件被間隔放置以在縱向上與磁體部件的相鄰接的北極/南極線相重合。圖8和圖9不出了兩個這樣的布置。圖8示出了產(chǎn)生相對較小的軸向(縱向)行程的實施例。每個磁性組件有兩個極元件，其包括四個周向的磁體部件。為了說明的簡單起見，極元件43a-43b被指定為相對于具有磁體部件45a-45d的一個磁性組件。每個極元件的寬度是圖7的實施例中的極元件寬度的一半。工作范圍被減小2倍，但是致動器的致動力被加倍。圖9示出了針對軸向運動的實施例，在該實施例中，每個磁性組件有四個極元件并且總共有八個單獨的周向的磁體部件。對于一個磁性組件，四個極元件被標(biāo)記為47a-47d并且八個磁體部件被標(biāo)記為49a-49h以便于說明。相對于圖8的實施例，致動器的工作范圍又被減小2倍并且致動力又被增加兩倍。與其它實施例一樣，極元件的數(shù)目是磁體部件的數(shù)目的一半。圖10示出了能夠產(chǎn)生主軸的軸向和旋轉(zhuǎn)兩種運動的致動器配置。該配置包括殼體64、中心主軸66和在殼體的兩端處的與圖4和圖5中所示類似的球彈簧組件68和70。用74表示的致動器的部分產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動并且與圖1和圖2中所示的部分相同。用76表示的致動器的部分產(chǎn)生軸向運動并且與圖7中所示的部分相同。應(yīng)用于致動器部分74的繞組91的激勵信號將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運動(類似于以上針對圖1和圖2所描述的)。致動器部分76可以由應(yīng)用于繞組93的信號激勵，通常優(yōu)選地，所述應(yīng)用于繞組93的信號完全與應(yīng)用于致動器部分74信號相獨立，或者這兩個激勵信號可以是相同的。這種布置將產(chǎn)生刷頭的軸向運動以及牙刷的旋轉(zhuǎn)運動。此外，對于用于兩個致動器部分的激勵信號使用不同的頻率將產(chǎn)生不同的刷洗模式。
這里所描述的致動器還可以包括用于穩(wěn)定刷頭的行程的控制系統(tǒng)。在這種布置中，參考圖11，除了致動器線圈95以外，致動器還包括感應(yīng)線圈94。在工作中，感應(yīng)線圈接收到從永磁體組件感應(yīng)出的磁通量。永磁體所產(chǎn)生的通量將根據(jù)主軸的位置而變化。在感應(yīng)線圈94中的感應(yīng)出的通量產(chǎn)生與致動器的移動部件的行程速度相關(guān)的電壓。該電壓還包含由于感應(yīng)線圈和致動器線圈的相互作用而產(chǎn)生的分量，這兩個線圈基本上用作雙繞組變壓器。為了得到對行程信息(角速度)的準(zhǔn)確指示，不希望的分量必須被去除。如果感應(yīng)線圈94中的電流為零，則所述電壓將由致動器線圈的反電動勢電壓和根據(jù)以下公式的變壓器電壓構(gòu)成:
權(quán)利要求
1.一種用于電動牙刷的磁性致動器系統(tǒng)，包括: 殼體(10)； 延伸穿過所述殼體的可磁化材料的主軸(22)； 固定于所述殼體內(nèi)適當(dāng)位置的至少一對間隔開的永磁體組件(14，16)，其中每個所述永磁體組件包括多個北極/南極磁體部件(18)； 在所述永磁體組件之間的空間中環(huán)繞所述主軸的線圈繞組(24)； 一對磁極組件(28，30)，其具有多個磁極元件(38)并被附接到所述主軸，所述磁極組件位于由所述永性磁體組件所包圍的體積內(nèi)，其中所述磁極元件從所述主軸向外徑向延伸朝向所述永性磁體組件； 其中在操作中，來自信號源(25)的以在零值附件的方波或者交變電流的形式的激勵信號被應(yīng)用于所述線圈繞組，導(dǎo)致所述主軸以選定頻率和角度進行振動運動，并且其中所述主軸被適配為接收刷頭組件或者接收被適配為接收刷頭組件的彈簧組件，用以清潔用戶的牙齒。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的致動器系統(tǒng)，包括被固定于所述主軸或者作為所述主軸的一部分的球彈簧(61)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的致動器系統(tǒng)，其中所述致動器被設(shè)置為由于所述致動器的齒槽轉(zhuǎn)矩而在操作中用作磁性彈簧。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的致動器系統(tǒng)，其中所述北極/南極磁體部件環(huán)繞于所述殼體的內(nèi)部周向交替。
5.根據(jù)權(quán)利要求 1所述的致動器系統(tǒng)，其中所述北極/南極磁體部件沿所述殼體縱向交替。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的致動器系統(tǒng)，包括兩組(74，76)至少一對永磁體組件，其中一組永磁體組件中的所述北極/南極磁體部件關(guān)于所述殼體的內(nèi)部周向交替并且其中另一組永磁體組件中的所述北極/南極磁體部件沿所述殼體縱向交替。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的致動器系統(tǒng)，其中每個永磁體組件包括至少八個磁體部件，具有交替的北極和南極，并且其中每個所述磁極組件包括中心部件以及從所述中心部件向外延伸的數(shù)目為磁體部件的數(shù)目的一半的等間隔的磁極元件。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的致動器系統(tǒng)，其中每個永磁體組件包括具有交替的北極和南極的至少四個磁體部件，以及在由所述永磁體組件包圍的體積內(nèi)沿所述主軸間隔放置的數(shù)目為磁體部件的數(shù)目的一半的磁極元件。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的致動器系統(tǒng)，其中所述主軸和所述磁極組件由鐵制成。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的致動器系統(tǒng)，其中所述主軸的其中對應(yīng)所述線圈繞組的部分具有比其中對應(yīng)所述永磁體組件的部分更大的直徑。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的致動器系統(tǒng)，其中所述殼體具有在12-15mm范圍內(nèi)的直徑。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的致動器系統(tǒng)，其中所述選定角度在9-16°的范圍內(nèi)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的致動器系統(tǒng)，包括在所述線圈繞組(95)附近的感應(yīng)繞組(94)，其中所述永磁體組件的運動產(chǎn)生通量，所述通量根據(jù)所述感應(yīng)線圈相對于所述永磁體組件的位置在所述感應(yīng)繞組中感應(yīng)出電壓，并且其中所述致動器系統(tǒng)包括控制組件(102，104，108，112)，所述控制組件用于處理來自所述感應(yīng)繞組的電壓信號以解析出僅由于來自所述永磁體組件的通量而產(chǎn)生的電壓，并且用于將所述電壓與標(biāo)準(zhǔn)值進行比較并且之后對所述驅(qū) 動信號的頻率或占空比進行改變以產(chǎn)生具有所希望的大小和/或角度的主軸的主軸行程。
全文摘要
一種磁性致動器系統(tǒng)，包括殼體(10)和延伸穿過殼體的主軸(22)，所述殼體包括諸如鐵之類的可磁化材料。該致動器還包括被固定地置于殼體內(nèi)的其間有縱向空間的一對永磁體組件(14，16)，其中所述永磁體組件包括沿致動器的縱向或周向延伸的交替的多個北極/南極磁體部件(18)。所述致動器還包括位于兩個永磁體組件之間的圍繞主軸的線圈繞組(24)。附接到主軸的磁極組件(28，30)位于由永磁體組件所包圍的體積內(nèi)，以使得交替的驅(qū)動信號產(chǎn)生有期望頻率和幅度的主軸振動動作。
文檔編號A61C17/34GK103140190SQ201180047155
公開日2013年6月5日 申請日期2011年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月29日
發(fā)明者P·J·巴克斯, J·H·B·德維萊斯, J·B·R·勒維玲, G·韋斯特拉普, S·塞塔耶施, F·維里杰伯格 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司