多功能线圈架设计的制作方法

本申请要求以下申请的权益以及优先权并描述了以下申请之间的关系：其中本申请要求于2014年4月16日提交的序列号为61/980230的美国临时专利申请的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

本发明的各个方面总体上涉及电力驱动的电动牙刷。更具体地，本发明涉及的牙刷特征提高了耐用性，并控制通过牙刷柄传递给使用者的震动。

背景技术：

电动牙刷一般而言是已知的，并且包括各种各样的设计和物理结构。很多电动牙刷具有旋转类型的运动。一些具有360°的电枢旋转能力，但是由于设计布局产生了限于特定运动范围内的振荡运动，也即360°的所选弧形部分，以便提供更为适宜的刷牙效果。这些旋转运动装置中的一些是机械驱动的，而其他那些是谐振系统，包括可移动质量块，比如刷头结构和附接到牙刷柄的弹性件。在谐振系统中，刷头以相对接近系统固有频率的频率被驱动。

有很多方式实现谐振牙刷。谐振电动牙刷使用具有摆动电枢的电机，比如在共同转让的美国专利5189751中描述的那些。最近的谐振牙刷设计包括具有由固定的节点弹性件隔开的刷头端和电枢端的驱动，比如在共同转让的美国专利7627922中描述的那种。前一种类型使用的电枢将大部分的装置震动通过牙刷壳体传递到使用者。后一种设计企图通过在共振频率附近工作而减少震动和冲击，在该频率下刷头相对于电枢的旋转进行180°的异相旋转。因此，驱动组件相对于壳体实质上震动地隔离。

每个这些设计都已经被发现最优地通过动态参数的狭窄组合来清洁牙齿。最优的组合在美国专利5378153中被描述为刷头频率和运动振幅的三角区，振幅进一步由刷头的尺寸和轴旋转的振幅来驱动。美国专利7067945描述了作为牙刷轴的角旋转振幅的参数，在该文献中具有那种刷头几何形状的该参数约为11度。

近期的设计是一种具有浮动转子驱动系统的谐振牙刷。这种设计的一个示例描述于共同转让的美国专利7876003中。这种系统中的电机可以与旋转电机类似地设置，但是被驱动为使得轴绕着其轴线振荡，也即旋转振荡，并且可选地沿着其轴线振荡，也即轴向振荡。这种类型的设计中的“弹性件”是在定子中的永磁组件，在没有驱动信号的情况下将转子的两极拉回到中性磁场位置。

‘003专利中描述的那种谐振牙刷设计中存在多种问题。首先，塑料注模部件通常在框架中使用。这些框架部件对于将内部功能性部件(即，电池、充电线圈、印刷电路板组件、驱动系统、密封件等)保持在一起是必要的。现有的框架由具有不同功能的多个注模部件构成。谐振驱动系统也使用这种多部件框架来将驱动系统、印刷电路板组件(PCBA)、电池、和流电线圈与一个塑料注模部件保持在一起。该系统还使用额外的部件来生成密封座，用于将驱动轴密封至壳体，以防止进水。这种设计并非使用谐振驱动系统的产品独有，也可以在其他往复或者横扫运动电动牙刷、以及在端面密封和径向密封上都需要密封表面的其他手持个人设备中使用。因此，需要在较便宜并且更为高效的系统中通过隔离移动部件来降低震动和声音。

浮动转子设计中出现的另一问题在于齿槽效应。齿槽效应是转子磁极从一个永磁体对齐滑动到相邻的永磁体。这种滑动可以由于外部应力而产生，比如冲击或者所施加的机械力。滑动的结果是轴和相关的被驱动刷头处于不希望的静止位置，在不希望的旋转位置，不希望的轴向位置或者同时处于这两个位置。

这种设计中存在的又一个问题在于，现有框架设计太昂贵。需要通过创建与框架配合的模块化部件来降低成本，每个部件具有多种复杂功能。特别希望的是低成本部件的系统，其通过吸收轴向冲击提高了装置的耐用性。例如如果牙刷轴端部着地，则会经受轴向冲击。这些特征其次希望的结果是较低的材料和组装成本。

技术实现要素：

本发明提供了一种解决现有技术中缺陷的方案。在本发明的一个实施方式中，描述了一种电动牙刷。该电动牙刷包括在近端开口的细长壳体、设置在该壳体内的框架、可充电电池、以及与电池电连通的充电控制电路。该电动牙刷还包括设置在壳体近端上的充电线圈架，其中充电线圈架进一步设置为与框架弹性接触。充电线圈架用作吸收沿着牙刷纵轴线的轴向冲击，以及补偿牙刷组装中的容许工差。集成设计特征使得复杂的功能容纳在一个部件中，框架中获得了更为有创意的空间，而在框架设计中不需要占据空间的工差和掉落减少特征。这种设计被设置为具有最小的体积和最大的强度。

本发明的另一个实施方式关于用于电动牙刷的单一充电线圈架。线圈架包括具有中心轴线的架主体、设置在架主体近端处的线圈缠绕表面，连接凸耳的第一和第二电动牙刷壳体、以及具有第一和第二端的桥形弹性件，该桥形弹性件被设置为与架主体的远端相隔的关系并穿过中心轴线。线圈架设计允许远程缠绕该表面，使得电动牙刷的组装更容易，并为所组装的装置提供额外的机械冲击保护。

本发明的另一个实施方式关于组装电动牙刷的方法。该方法包括以下步骤，提供在近端开口的细长壳体、框架、电机、可充电电池、控制电路、以及具有桥形弹性件的充电线圈架，将电机、电池和控制电路组装到框架中，以及设置充电线圈架与框架弹性接触。该框架插入到细长壳体近端直到充电线圈架上的连接凸耳或者狭槽啮合壳体上相应的连接狭槽或者凸耳。桥形弹性件在足以减少框架和壳体之间的工差间隔距离的距离上提供弹性接触，并还提供对装置的后续机械冲击保护。

附图说明

在附图中：

图1示出了根据本发明的一个实施方式的电动牙刷组件，包括减少冲击和震动的系统。

图2示出了根据本发明的另一个方面的电动牙刷组件的等效弹簧质量图。

图3A，3B和3C示出了根据本发明的另一个实施方式的电动牙刷中谐振电机的弹性电机座。

图4A，4B和4C示出了根据本发明的另一个实施方式的电动牙刷的多功能充电线圈架。

图5示出了根据本发明的又一个实施方式的组装电动牙刷的连续步骤的方法。

具体实施方式

现在参考附图，图1示出了根据本发明的一个实施方式的电动牙刷10的组件，包括减少机械冲击以及缓冲震动的系统。

电动牙刷10的大部分部件都装在细长壳体20之中，该壳体优选地尺寸被设置为舒适地适应人手。优选地由刚性和轻型塑料制成，该壳体20保护并密封内部部件不受冲击和进水的影响。壳体20包括在远端的开口，也即显示出轴远端63的端部，以及在近端的开口，也即显示出端盖120的端部。

设置在壳体20中的是框架40。框架40被配置为保持大部分剩余的系统部件，每个部件都会在下文中详细说明。框架40也可以由轻型刚性或者半刚性的塑料构成。

框架40设置有一个或多个框架轨道42，其沿着壳体20纵轴线与沿壳体20内壁的对应狭槽配合。轨道42使得在组装期间框架40易于插入到壳体近端。框架40的远端和近端分别与壳体20的远端和近端对应。

嵌套在框架40远端中的是电机50。电机50优选地是谐振电机，其具有通过永磁场轴向并可旋转地悬浮在电机中的浮动轴60。该磁场优选地由设置在电机壳体内的永磁体构建。电机轴远端63被设置为延伸穿过框架40和壳体20远端，远端63的形状为容纳刷头或者其他器具。

电机轴60被设置为还穿过电机壳体向着框架近端延伸。轴近端61优选地包括轴棘爪62，其作用会在下文更详细地说明。

电机50通过两个部件，电机座70以及顶部缓冲器44保持在框架40中。优选地由弹性材料制成的弹性电机座70设置在电机50和框架40之间的电机近端上。如将更为详细地说明的，当电动牙刷10组装后，电机座70被设置为与轴近端61轴向间隔开距离“d”。电机座70在装置中提供了轴向冲击保护，比如在轴远端63上由“F”所示的力引起的那些冲击。工作期间，电机50总是会将震动传递给壳体20。随着轴震荡，震动可在轴旋转方向上，或者随着轴沿着其轴线位移，在轴向上。这些震动会通过壳体传递到使用者的手上，除非受到缓冲或者减小。

压缩在电机远端和框架40远端之间的是顶部缓冲器44。顶部缓冲器44优选地由有弹性的弹性材料制成，其适于缓冲来自电机的震动以及保护内部部件不受外部冲击影响。

座70和顶部缓冲器44还协同作用以缓冲电机和壳体之间的旋转谐振震动。

在远端压缩在框架40和壳体20之间的是轴密封件32。轴密封件32也基本上环绕着轴60。轴密封件32的主要功能在于防止水沿着轴60以及壳体20的远端渗入。然而，轴密封件32也执行了缓冲震动的副功能，包括缓冲来自电机的谐振震动。

图1还示出了设置在框架40中靠近壳体近端的一个和多个可充电电池80。可以安装在框架40上的控制电路板100在图2和5中示出。

靠近电池80设置的是多功能充电线圈架90。线圈架90容纳导电绕组，其便于可充电电池80的感应充电。线圈架90也具有缓冲轴向冲击并在组装期间提供工差减小的特征，例如图4A和4C所示的以下描述的桥形弹性件98。线圈架90施加的力通常被示为图1中的“F1”。线圈架90也被构建为将框架40保持在壳体20中，使得框架40基本上与壳体20震动隔离。

充电线圈架90被设置为与框架40的近端弹性接触而定位。如图1所示，以及如将在下文更为详细说明的，涉及到图4A到4C，线圈架90可被压缩到最大压缩尺寸“C”，以执行其保护/工差功能。同样如图4A到4C更为详细地示出的，线圈架90进一步通过凸耳和狭槽或等同布置啮合到壳体20近端的侧壁，以使线圈架90压缩地偏置框架40和/或轴密封件32抵靠壳体20远端。

每个盖120被设置到壳体20的近端上，以保护内部部件不受冲击和渗水的影响。

尽管图1中的组件被示为直线形，一些实施方式可包括以所选角度远离壳体纵轴线而定位的驱动轴，这允许刷头在嘴中的优化放置。

图2示出了系统弹簧质量等效310，等效于图1中所示的组件。提供等效310以进一步图示组件的益处。质量部件显示如下：壳体质量320包括壳体20但也可以包括使用者的手。框架质量340被示为三个部件以显示其内部弹性：框架远端340a，中部340b以及框架近端340c。控制电路100和电池80被示出，但并非系统弹簧质量等效所特有的。电机质量350对应于电机50。充电框架质量390对应于充电线圈架90。

弹簧等效在下文示出。顶部缓冲器的旋转减震以及轴向弹性在顶部缓冲弹簧344示出。电机座70被示为在电机350的近端具有第一和第二安装臂弹簧377，378。弹簧377/378也在电机350和框架340之间提供旋转减震以及轴向弹性。

轴密封弹簧332在框架340和壳体320之间从电机或向电机提供额外的旋转减震以及轴向弹性。由于框架结构中弹性电机座和框架轨道之间的固有弹性，以及框架轨道座结构自身(其可以包括一些弹性的减震材料)的弹性，框架轨道弹簧342也在框架近端340c和壳体320之间提供一些额外的旋转减震以及轴向弹性。

通过桥形弹簧等效398，在框架的近端340c以及充电框架质量390之间提供旋转减震和轴向弹性。最终，充电框架390和壳体320之间的连接结构在壳体连接弹簧395，396处提供弹性功能。如可以在图2见到，电机质量350引发的震动可以在顶部缓冲器344以及电机座臂377，378处与框架隔离。其次，来自框架的震动可在轴密封弹簧332、桥形弹簧等效398以及框架轨道弹簧等效342处与使用者的手隔离，以及通过第一和第二壳体连接弹簧395，396处的线圈架90隔离。

当电机轴相对于电机座70位移大于距离“d”的时候，如图1所示，另一种弹簧等效，电机350和壳体320质量之间的电机座弹簧370提供轴向冲击保护。电机座弹簧370对应于设置于电机座70上的底部缓冲器71，下文会详细说明。在这种轴向力的情况下，电机座和桥形弹簧等效370，398协同作用以进一步吸收源自浮动轴近端的轴向冲击。

备选来源的外力F的可在使用者将刷头安装到轴远端63的情况下施加。这种施加的力倾向于使得浮动轴偏移穿过电机50，并由框架40延伸穿过壳体20偏移。在此情况下，底部缓冲器和桥形弹簧等效370，398协同作用以抵抗所施加的轴向力。在此情况下，所隔开距离“d”和最大压缩距离“C”的和应该小于将刷头附接至轴上所需要的等效弹簧压缩距离。这允许在不引起电机50中磁极失效的情况下安装刷头。

现在参考图3A，3B和3C，示出了电动牙刷中谐振电机50的弹性电机座70的特定实施方式。特别地，电机座70的特征在于具有设置为限制相关轴60的最大位移的特征，无论是旋转位移或者沿着轴的轴线的位移。电机座70还设置为在电机50和框架或壳体20任一侧表面之间的压缩布置。

图3A所示的实施方式是弹性电机座70，其具有底部缓冲器71和第一及第二座臂75，76。底部缓冲器71进一步包括轴向顶部表面72，该表面被设置为与轴近端61间隔且面向轴近端61的方向。底部缓冲器71作用于限制近轴向端61的轴向位移，并吸收来自如图3B所示的撞击缓冲器71的轴端61的能量。

座臂75，76设置为在电机50和框架40侧表面之间的压缩布置。每个座臂75，76包括至少一个压缩表面77，78，这些表面设置在座70和框架40之间，形状为容纳电机50近端的一部分。

出于说明的原因，底部缓冲器71具有中心轴线和边缘，中心轴线大体上垂直于顶部表面72定位并穿过顶部表面72的中心。在所示实施方式中，如图3A和3B所示，第一和第二座臂75，76设置在边缘的外侧并从边缘在沿着中心轴线的方向上延伸。座臂进一步包括第一和第二齿槽止动表面73，74以及座凸耳79，81。额外的座凸耳82可以包括在底部缓冲器71上。电机座70上的至少一个座凸耳79，81，82可以啮合在框架40中的对应狭槽中，以防止座70和电机50在框架40中旋转。如可见，形成的弹性电机座70大体上为U形并由弹性材料，比如橡胶或者塑料，制成的单一件。

首先，轴向止动表面72设置为与如图1所示的轴近端相隔距离“d”。这种布置使得可以自由旋转以及轴向震动，从而进行正常牙刷工作，而不会存在过度的摩擦损失。然而，在轴向冲击或者过大的力的情况下，底部缓冲器71和轴近端61接触，对抗轴60在轴向上的进一步位移。这种位移可以通过掉落牙刷或者在将刷头压入其轴远端63中的过大的力而引起。在后一种情况下，间隔开的距离应该小于将刷头容纳在轴上的操作所引起的位移。可替换地，间隔开的距离“d”应该小于从轴向磁平衡位置的磁极滑动距离，以防止轴向的磁极滑动。可替换地，间隔开的距离“d”应该小于轴60上的磁极件和电机后端壳体表面之间的距离，以防止电机受损。

座凸耳79，81，82防止操作期间弹性电机座70在框架40中的旋转。框架40或替换地壳体20中的对应狭槽容纳凸耳79，81，使得啮合防止旋转位移。在图3的实施方式中，凸耳79，81一般地设置在座臂75，76上的相对的压缩表面77，78上。凸耳82位于底部缓冲器71的基座上。

弹性电机座70包括齿槽止动表面73，74，这些表面被设置为距离轴的轴线一个径向距离。在用过大的力防止轴过度旋转的条件下，齿槽止动73，74与设置在轴近端61上的轴棘爪62相互作用。通过限制轴的旋转位移，齿槽止动73，74还防止当轴磁极跳到下一个定子磁体位置的时候的永久齿槽旋转位移。

如图3B在3C的截面所示，齿槽止动73，74设置在与轴棘爪62形成角位移的位置。正常谐振操作期间，比如达11度的总体位移，止动73，74和棘爪62之间不会发生接触。然而，止动将防止例如由在该器具上的轴被迫扭转而引起的在任一方向上超过θ/2的额外角运动。

图4A示出了根据本发明实施方式的多功能充电线圈架90。线圈架90包括架主体91，在这个实施方式中该主体大体上是中空柱状。出于解释的目的，架主体91具有大体上与壳体20的纵轴线对齐的中心轴线。线圈缠绕表面92设置在线圈架90的近端，该表面被设置为容纳导线绕组足以使得对可充电电池80感应充电。特定的线圈缠绕表面可以具有不同尺寸，从而接收不同的电线直径和类型。未示出的是，绕组设置为与电池80经过控制电路100电连通，该控制电路在这种情况下执行充电控制电路的功能。架主体91提供了柔性布置的结构完整性，所以应该由耐用和柔性材料构建。优选地低成本和单一性，该材料可以是可以模塑的耐用和弹性材料，例如塑料，ABS(丙烯腈丁二烯苯乙烯)等等。

线圈架90还包括第一和第二壳体连接凸耳95，96。凸耳95，96设置为固定啮合在壳体20近端内表面上的对应狭槽22，23，如图4B所示。可替换地但未示出，每个元件上的狭槽和凸耳可以互换，仍然在本发明的范围之中。

与架主体91的远端隔开并穿过其中心轴线的是桥形弹性件98。桥形弹性件98优选地如所示为弓形，然而弓形的顶部中心与主体91的顶部相隔。该设置使得弓形和主体之间有最大的压缩行程，通过图1中的尺寸“C”举例表示。整体来说，桥形弹性件98的尺寸被设置为吸收源自框架40远端和壳体20的轴向冲击。

桥形弹性件98的每个端部通过各自的第一和第二壳体连接臂93，94柔性地连接到主体91。每个壳体连接臂93，94可连接到主体91的侧部，优选地靠近基本上与桥形弹性件98相对的主体端部。如图4A所示，每个臂93，94可设置为与主体91成间隔关系，并大体上平行于主体的中心轴线。这种设置使得工作期间具有额外的柔性以及桥形弹性件98行程。

凸耳95，96也优选地在桥形弹性件98的各自端部连接到各自的连接臂93，94，如图4A所示。为了易于将线圈架90可滑动地插入并组装到壳体20中，每个连接凸耳95，96设置为折叠成与中心轴线呈锐角，并指向线圈架主体91的近端。

线圈架90也包括设置在主体91中的一个或多个框架连接狭槽97。框架连接狭槽97设置为以可压缩的接合容纳框架40的相应线圈架连接凸耳46。充电线圈架90被设置为通过压缩压力和框架线圈架连接凸耳46与框架40的近端形成弹性接触而定位。

图4B示出了多功能充电线圈架90的另一个视图，其包括线圈如何与壳体20和框架40可安装地相互作用。线圈架90被示为通过框架线圈架连接凸耳46啮合到框架连接狭槽97中而连接到框架40。当如所示连接时，桥形弹性件98被设置为与框架40弹性压缩接触。狭槽97和对应的线圈架连接凸耳46之间的连接通过来自桥形弹性件98按压架主体91并按压狭槽97远离框架40的弹性压缩力而保持。

如图4C所示，壳体20还包括在近端内表面上的对应狭槽22，23。狭槽设置为在线圈架90完全插入到壳体20中的时候与凸耳95，96固定配合。

从图4C中可见，通过桥形弹性件98和凸耳95，96相对于主体的布置，桥形弹性件98的压缩弯曲包括在近端和向外方向上作用到凸耳95，96上的反作用力，也即朝着壳体20的内表面。这种结果是有利的，因为在装置发生轴向冲击的情况下，凸耳95，96将被更强有力地按压到壳体中。线圈架90将因此而不太可能从壳体移开。

还从图1和4B中可见，桥形弹性件98的压缩距离“C”在某程度上受到框架40、壳体20以及轴密封件32的各自几何形状的影响。桥形弹性件98因此用作减小这些部件之间和这些部件中的微小工差。同样，通过用作壳体20中的框架40的“浮动”，桥形弹性件98还减小了由于插入刷头而作用在电机轴60上的压紧力。桥形弹性件98可以实现这些功能直到其被压缩到如图1所示的最大限度“C”。

现在参考图5，描述了组装电动牙刷的方法200，该方法特别凸显了组合部件的好处。组装开始于将子部件插入并附接到框架40的步骤。在步骤210插入电池80。在步骤220，线圈架90被附接到框架40的近端，其中这些部件通过桥形弹性件98弹性地保持接触。在印刷电路板组件上的控制电路100被安装到框架40上后，线圈架90绕组电连接到控制电路100。电池80也连接到控制电路100。在步骤240，通过将电机50安装到框架40的远端中，以及将电机电连接到控制电路100而完成框架40组件。在步骤250，轴密封件32安装到框架40远端上方并围绕电机轴60。在每个框架组装步骤中，电机座70和缓冲件44，以及其他震动隔绝材料，可以先于子部件或者与其同时安装。

然后在步骤260提供壳体20在两端的开口，于是框架40的内部组件和子部件被插入到壳体20的近端中。框架40可在插入期间在壳体20内侧轨道上滑动。当充电线圈架上的连接凸耳或狭槽卡合并啮合壳体上对应的狭槽或凸耳时，插入完成。在步骤260的完成时，线圈架桥形弹性件98在壳体20和框架40近端之间提供弹性接触以偏置轴密封件32抵靠壳体20远端。可以看到，弹性接触也提供了组件中的工差的减小。

当端盖120卡合到壳体20的近端上时完成组装。

由该组装方法提供的优势包括降低成本。该方法减少成本的原因在于各部件可以不在组装生产线上整批制造，然后仅当需要的时候安装。比如，线圈架90可以独立于并先于装置组装而缠绕有感应线圈，然后仅当需要时进行组装。

本文描述的本发明的考虑范围也涉及各种变化。特别地对于电机座70和线圈架90几何形状的幼小变化落入请求保护的范围中，只要该几何形状满足了所述功能和优势。

元件列表

标号 名称

10 电动牙刷

20 壳体

22 第一线圈架狭槽

23 第二线圈架狭槽

30 内部组件

32 轴密封件

40 框架

42 框架轨道

44 顶部弹性件

50 电机

60 轴远端

61 轴近端

62 轴棘爪

70 电机座

71 底部缓冲器

72 轴向止动表面

73 第一齿槽止动表面

74 第二齿槽止动表面

75 第一座臂

76 第二座臂

77 第一压缩表面

78 第二压缩表面

79 第一座凸耳

80 电池

81 第二座凸耳

82 第三座凸耳

90 充电线圈架

91 线圈架主体

92 线圈缠绕表面

93 第一壳体连接臂

94 第二壳体连接臂

95 第一壳体连接凸耳

96 第二壳体连接凸耳

97 框架连接狭槽

98 桥形弹性件

100 控制电路

110 轴密封件

120 端盖

200 组装电动牙刷的方法

210 插入电池的步骤

220 附接线圈架的步骤

230 安装控制电路的步骤

240 安装电机的步骤

250 附接轴密封件的步骤

260 将内部组件插入到壳体中的步骤

270 安装端盖的步骤

310 系统弹簧质量等效

320 壳体质量

332 轴密封弹簧

340 框架质量

342 框架轨道弹簧

344 顶部弹性弹簧

350 电机质量

377 第一座臂弹簧

378 第二座臂弹簧

390 充电框架质量

395 第一壳体连接弹簧

396 第二壳体连接弹簧

398 桥形弹簧等效