CN102076245A - 能进行机械能量收获的口腔护理用具 - Google Patents
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Abstract
一种机械能量收获牙刷可采用电路和装置将机械能量转变成电能。这种转变可使用压电装置来进行，压电装置转变在使用期间牙刷头部和/或刷毛弯曲所致的应力和应变，且可使用涉及使磁体穿过线圈以感应电流的电磁发电机来进行。所得电能可被整流，且存储于存储装置中，诸如电容器或可再充电的电池。开关电路可被配置成检测存储装置中存储的能量水平，且当到达预定能量(例如，电荷)水平时闭合电连接。预定水平可对应于所需刷牙量(例如，考虑行程长度和力，和行程次数)，且闭合该电连接可用于在到达所需刷牙量时向输出装置供电。
Description
技术领域
本申请有关于一种口腔护理用具，特别地涉及一种具有机械能量收获装置和电路的牙刷。
背景技术
刷牙是日常口腔卫生活动的部分。适当的牙齿护理涉及定期使用牙线，刷牙和牙齿检查。牙科医生通常建议个人在每次清洁时刷牙最短间隔，诸如两分钟。尽管这些提议，许多个人(特别是幼童)通常不刷牙持续所建议的最短间隔。这些习惯常常归因于个人认为刷牙是没有多少乐趣的无聊活动。
发明内容
本发明有关于一种具有机械能量收获装置和电路的口腔护理用具。在一方面，该口腔护理用具可在完成了合适刷牙水平时向使用者发出信号。
可在口腔护理用具中使用多种机械能量收获电路来从刷牙中俘获机械能量，且将该机械能量转变成可在随后时间使用的电能。举例而言，口腔护理用具可具有把手，带牙齿清洁元件的头部，机械能量收获装置或电路(用于将机械能量转变成电能)，电能存储装置(用于存储电能)和开关电路，开关电路用于在到达预定电压时闭合与存储装置的电连接。
在一方面，可通过考虑典型的刷牙行程长度，行程次数和刷牙力来确定预定电压。
在一方面，机械能量收获电路可包括一个或多个压电装置，该压电装置被定位成响应于牙刷头部和/或牙齿清洁元件的偏转或弯曲而发电。
在一方面，收获电路可包括一个或多个电磁发电机，其具有线圈和可移动的磁体，以在刷牙期间因牙刷的移动使磁体穿过线圈时感应电流。
在另一方面，整流器电路可用于在存储于存储装置中之前对收获电路发的电进行整流，且电压调节器可用于在存储装置放电时提供恒定水平的输出。
在下文的部分中描述了其它特点和实施例。
附图说明
通过下文给出的详细描述和附图，这些特点将变得更全面地理解，附图仅以非限制性说明的方式给出。
图1A是根据本发明的至少一个方面的牙刷构造的纵向截面图。
图1B是根据本发明的至少一个方面的替代牙刷构造的纵向截面图。
图1C是根据本发明的至少一个方面的替代牙刷构造的纵向截面图。
图1D是根据本发明的至少一个方面的替代牙刷的纵向截面图。
图2是示出根据本发明的至少一个方面的示范性电路配置的电示意图。
图3是根据本发明的至少一个方面沿着牙刷宽度所截取的替代头部构造的截面图。
图4是示出替代电路配置的电示意图。
具体实施方式
下文的详细描述参考了附图。在不同附图中相同的附图标记表示相同或相似元件。
如图1A至图1D所示，口腔护理用具(诸如牙刷构造100、300、400、500)可包括刷头101和把手102。头部101可为替换性头部，其可移除地连接到把手102，或者其可与把手102一体地形成并附连到把手102上。
头部101可包括一个或多个牙齿清洁元件，诸如刷毛区103。如本文所用的术语“牙齿清洁元件”或“清洁元件”包括任何类型的结构，其为常用的或者适用于通过与牙齿和牙龈的部分接触而提供口腔健康益处(例如，牙齿清洁、牙齿抛光、牙齿增白、按摩、刺激等)。这种牙齿清洁元件包括(但不限于)：刷毛簇，其可形成为具有多种不同的形状和大小；和，弹性体清洁构件，其可形成为具有不同的形状和大小；或者，刷毛簇与弹性体清洁构件的组合。
参看图1A的牙刷构造100，头部101也可包括一个或多个能量产生装置，诸如压电装置104。压电装置104可被布置成与刷毛103接触或者靠近刷毛103，使得刷毛的移动在装置104上造成应力或应变。举例而言，给定刷毛可附连到微机电系统(MEM)装置的悬臂部分，以在装置104上施加应力或应变。MEM悬臂常规地由氮化硅(SiN)、硅(Si)或各种聚合物制成。在悬臂MEMS装置中，清洁元件(例如，刷毛或弹性体元件)的近端附连到MEMS装置的“悬臂”部分。在此构造中，清洁元件的Z轴移动造成MEMS装置偏转，这产生电位。然而，电能量取决于材料的弹性模量，悬臂部分厚度和MEMS装置的压阻材料。
应力或应变造成压电装置104生成少量电能，诸如电压。如将在下文所解释的那样，头部101也可包括线路和电路以将此电压运送到牙刷100的其它部分，且该电能可最终用于向一个或多个输出装置105供电。
参看图1B的牙刷构造300，头部101也可包括一个或多个压电装置106，在正常刷牙操作期间所发生的头部101沿着纵向轴线X-X的自然弯曲对一个或多个压电装置106施加应力或应变。沿着纵向轴线的弯曲或偏转量可取决于头部101的材料类型和厚度。举例而言，刚性塑料或树脂(诸如聚丙烯)可用于形成头部101。为了提供受控制的偏转轮廓和/或将弯曲集中在局部区域，头部101可包括设置成与纵向轴线X-X成横向(例如，沿着Y轴)的一个或多个挠曲接头107。在一种构造中，接头107可垂直于牙刷的纵向轴线设置。在其它构造中，接头107可为凹口或凹槽，在该区域中具有比头部104的紧邻周围部分中更少的头部材料。在替代构造中，接头107可由比头部的其它部分刚性更弱的材料形成(例如，在接头107的橡胶化或弹性体部段)。头部101的柔性(例如，Z轴移动)便于增强牙齿清洁元件上的牙粉对舌和面部表面的清洁。此外，牙齿清洁元件的Z轴移动便于改进邻面清洁以及人牙齿中臼齿牙冠的清洁。以此方式，牙刷提供改进的清洁能力和能量收获特点。
压电装置106可靠近接头107放置以在刷牙期间头部沿着纵向轴线X-X偏转或弯曲时使装置106所经历的应力或应变最大。然而，头部101可扭曲以具有扭转分量，其造成压电装置106上的应变。在装置106上的应变的变化引起在压电装置中的电响应。因此，在刷牙操作期间，压电装置106可经历不同类型移动的组合，包括(例如)沿着纵向轴线的偏转和绕同一纵向轴线的扭曲分量。
如图1B所示，压电装置106可放置于挠曲接头107正上方且以挠曲接头107为中心。在如3所示的替代头部构造中，接头或凹槽308可沿着牙刷的纵向轴线X-X或者大体上平行于牙刷的纵向轴线X-X设置。在此构造中，凹槽308设置于头部的宽度W上。压电装置304可放置于挠曲接头308正上方且以挠曲接头107为中心。或者，该装置304可放置于刷毛区下方，类似于装置104。在这些纵向接头构造中，头部101可在从一侧到另一侧的(即，宽度)运动中挠曲且提供改进的能量收获特点。
参看图1A和图1B，对于压电装置104、106，所生成的电能量将与用于刷使用者牙齿的力量成比例地变化。个别性能范围将取决于所选的压电材料类型和配置，且可根据需要使用任何压电材料类型和配置。此外，可使用不同类型的压电装置。该装置106可在结构上大于装置104。在一种构造中，装置104、106可为微机电系统(MEMS)装置，其包括附着到多个刷毛103中每一个的悬臂部分。
参看图1C的牙刷构造400，牙刷400也可包括一个或多个电磁发电机108。每个发电机108可包括线圈109和磁体110，磁体110被配置成在牙刷100沿着其纵向轴线(水平，如图1所描绘)来回移动时自由地移动穿过线圈109。可以多种方式来实现这种配置。举例而言，线圈109可嵌入于具有低摩擦系数的非导电材料管内，且磁体110(其也可包入于类似材料中)可在该管内在中心对准。具有低摩擦的非导电材料应是生物相容的。这种材料的实例是聚碳酸酯。
随着牙刷400来回移动，磁体110来回移动穿过线圈109，在线圈109中感应少量电流。所生成的电流量将取决于若干因素，诸如磁体强度、线圈匝数和磁体行进速度。头部101可包括额外线路和电路以将此电流输送到牙刷的其它部分，这将在下文中进行解释。
参看图1D，牙刷构造500可包括用于能量收获的牙刷构造100、300和400的特点的组合。
图2示出可用于牙刷100的电示意图。如图所示，能量收获装置201代表在牙刷100中的装置104、106和/或电磁发电机108。牙刷100可具有这些特点中的一个、某些或全部作为能量收获装置，且它们在图2中在总体上表示。
能量收获装置201可由于牙刷100的来回运动和/或头部101和/或刷毛103的弯曲而生成交流(AC)输出。举例而言，发电机108可在使用中生成交流(AC)输出(例如，当牙刷在一个方向移动时生成正电流，且当牙刷在相反方向移动时生成负电流)。此输出可供应至整流器电路202以将AC输出转变成DC输出。可使用任何类型的整流器电路202，取决于由特定压电装置104、106和/或发电机108生成的输出类型和所需输出类型。
整流器电路202然后可结合到电能存储装置203。装置203可为任何类型的装置，其可接收电能(电荷)且存储电能供随后使用。举例而言，电容器或可再充电的电池可用于以存储电荷的形式存储来自整流器202的电能。所存储的实际电荷量将取决于在牙刷中所用的能量收获装置201的类型和数量，且电能存储装置203可充当积分器，其合计牙刷的每次移动、弯曲或行程所生成的电荷总量。
存储于能量存储装置203中的能量将随着牙刷使用而积聚，且开关电路204可用于调节该能量的释放。开关电路204可保持该存储装置203与输出负载206之间的电连接在打开状态，直到存储装置203中电压水平到达预定水平，且然后在电压到预定水平时闭合该连接以使该装置203放电且允许输出负载206使用所存储的能量。开关电路204的一个实例实施例是硅控整流器(SCR)或晶闸管配置，如图2所示。已知SCR的开启电压和存储装置203的所需预定电压，可选择电阻器值的比例R1/R2使得当装置203上的电压到达该预定电压水平时SCR开启。
可选择预定电压水平以反映合适的刷牙量。举例而言，这可基于刷牙的典型行程长度和/或力。如果在开关204闭合之前典型刷牙预期在F牛顿的力运行S行程，且典型行程的长度是Lm，那么知道典型刷牙将生成的能量为(S行程)*(Lm/行程)*F N＝X焦耳。当在存储装置203中的积聚电压对应于在刷牙期间所做功的量时，该开关将闭合。
在刷牙期间，对于给定的弯曲力量，压电装置104、106将生成已知电压量，且每次磁体110穿过线圈108，电磁发电机108将生成已知电流量。此能量将存储于存储装置203中，且因此，存储装置203以积分器的形式起作用，合计使用者刷牙所做的机械功。如果使用者更快地或更用力地刷牙，存储装置203将比使用者更慢地或者以更少力刷牙更快地积聚电荷。
当积聚预定电压时，开关电路204可闭合该电连接，且在装置203中存储的电压可被放电且用于多种目的。举例而言，输出装置206可包括在发生充分刷牙时向使用者发出信号的装置。这种信号装置可呈许多形式，诸如发光二极管(LED)或其它发光的显示器，生成可听音的扬声器和/或机械振动器。举例而言，显示器可放置于牙刷上以辅助报告输出。显示器可包括发光二极管(LED)显示器，字母数字显示屏，个别的灯，或者任何其它所需形式的视觉输出。举例而言，显示器可为有机LED或电致发光片，其可被调谐以提供所需的发光特征，诸如颜色、温度、强度等。OLED或EL(电致发光)技术可嵌入于牙刷模制中，或者可应用于牙刷主体的表面上。本领域技术人员应了解本发明并不限于任何特定显示器类型。
在某些实施方式中，牙刷完全依靠机械收获的能量来运行这些输出装置，因此该装置可被配置成很低功率装置。举例而言，可使用具有电流限制电阻器的高效节能LED，或者DC压电蜂鸣器作为音频装置，或者压电振动器用作振动装置。
输出装置206可执行除了通知使用者何时完成刷牙之外的其它功能。举例而言，可使用该能量来向零件(诸如微泵和泵阀)供电以在刷牙期间的预定阶段传递活性物质。举例而言，单独的活性物质或香料可在刷牙中途自动传递。该能量可替代地用作由牙刷上的另一电池所提供的能量的补充(例如，用于播放视频游戏、播放音乐或任何其它电池操作的功能)或者对这种单独的电池进行再充电。在某些配置中，牙刷100、300、400、500可为传统电振动牙刷(具有振动头部/刷毛、电机、电源等)，且能量收获电路可用作补充以回收利用刷牙和牙刷振动中的机械能量中的某些且使用该能量来辅助对装置电池进行供电和再充电。
牙刷可包括电压调节器205以向输出装置206提供恒定电压。举例而言，美国国家仪器(National Instrument)的LM2674或LM3670集成电路可用于这个目的。
通过考虑本文所公开的说明书，其它实施例对于本领域技术人员将是明显的。举例而言，图2的示意图只是实例。虽然图2总体上代表能量收获装置201且示出单个实例整流器202、存储装置203、开关204等，但可使用多个装置201，且单独的电路可用于不同类型的装置201。
图4示出替代电路配置。这种替代配置可使用集成电路(例如，部件号LM3670_SOT23_5 U1)，而不是图2中的SCR，来控制电路的开关。使用这种集成电路进行开关可允许在致能引脚(enable pin)(在图中标注为引脚3或者“EB”)更容易地开/关该装置，允许更高效的系统。图3的配置还示出添加了齐纳二极管D5。齐纳二极管可防止生成太多电压，如果生成太多电压，使该源短路。这种零件可帮助在(例如)使用者在较长时间用力刷牙或晃动牙刷的情况下防止损坏电路。
预期说明书和实例被认为只是示范性的，且本发明的真实精神和范围由所附权利要求指示。
Claims (20)
1.一种口腔护理用具，包括：
能量收获装置，其被配置成响应于口腔组织与所述用具的机械接合而将机械能量转变成电；
电能存储装置，其被配置成存储所述电；以及
开关电路，其被配置成维持电连接在打开配置直到所述电能存储装置存储了预定电荷水平，且当由所述电能存储装置存储了所述预定电荷水平时闭合所述电连接。
2.根据权利要求1所述的口腔护理用具，其特征在于，所述预定电荷水平基于刷牙行程的平均长度确定。
3.根据权利要求1所述的口腔护理用具，其特征在于，所述预定电荷水平基于刷牙行程的平均力水平确定。
4.根据权利要求1所述的口腔护理用具，其特征在于，所述预定电荷水平基于刷牙行程的平均长度和力确定。
5.根据权利要求1所述的口腔护理用具，其特征在于还包括头部，所述能量收获装置还包括位于所述头部中的压电装置以从所述头部的偏转中发电。
6.根据权利要求1所述的口腔护理用具，其特征在于还包括带有一个或多个牙齿清洁元件的头部，所述能量收获装置还包括发电机，所述发电机被定位成从所述至少一个牙齿清洁元件沿着其纵向轴线的移动中发电。
7.根据权利要求6所述的口腔护理用具，其特征在于，所述能量收获装置包括附连到所述牙齿清洁元件上的悬臂部分。
8.根据权利要求1所述的口腔护理用具，其特征在于，所述机械能量收获装置还包括电磁发电机，所述电磁发电机被配置成从所述用具的移动中发电。
9.根据权利要求8所述的口腔护理用具，其特征在于，所述发电机包括线圈和磁体，所述磁体被配置成移动穿过所述线圈的中心。
10.根据权利要求1所述的口腔护理用具，其特征在于还包括电压调节器，所述电压调节器电结合到电连接和输出装置。
11.根据权利要求1所述的口腔护理用具，其特征在于还包括整流器电路，所述整流器电路结合在所述机械能量收获装置与所述电能存储装置之间。
12.一种口腔护理用具，包括：
头部，其具有一个或多个清洁元件、挠曲接头以及响应于所述头部绕所述挠曲接头偏转的能量收获装置；
整流器电路，其结合到所述能量收获装置；以及
存储装置，其用于存储来自所述整流器电路的电能。
13.根据权利要求12所述的口腔护理用具，其特征在于，所述挠曲接头沿着所述头部的纵向轴线设置。
14.根据权利要求12所述的口腔护理用具，其特征在于，所述挠曲接头沿着所述头部的宽度设置。
15.根据权利要求12所述的口腔护理用具，其特征在于，所述能量收获装置包括在操作上结合到至少一个清洁元件的悬臂。
16.根据权利要求15所述的口腔护理用具，其特征在于还包括开关电路，所述开关电路结合到用于存储电能的所述存储装置，且被配置成维持电连接在打开位置直到所述存储装置中的水平符合预定水平，以及当所述存储装置中的所述水平到达所述预定水平时闭合所述电连接。
17.根据权利要求17所述的口腔护理用具，其特征在于，所述预定水平基于预定平均刷牙行程长度和力值。
18.一种口腔护理用具，包括：
结合到把手的头部，所述头部具有清洁元件区、至少一个挠曲接头以及位于所述挠曲接头处的压电装置；
把手，其具有电磁发电机，所述电磁发电机具有线圈和磁体，所述磁体配置成穿过所述线圈；
整流器电流，其结合到所述线圈和所述压电装置；
存储装置，其用于存储来自所述整流器电路的电能；以及
开关电路，其结合到所述存储装置，且被配置成维持电连接在打开位置直到所述存储装置中的水平符合预定水平，以及在所述装置中的所述水平符合所述预定水平时闭合所述电连接。
19.根据权利要求18所述的口腔护理用具，其特征在于，所述预定水平基于预定平均刷牙行程长度。
20.根据权利要求18所述的口腔护理用具，其特征在于，所述存储装置是电容器。
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