CN102813558A - 电动牙刷 - Google Patents

Abstract

一种电动牙刷，包括可拆卸的刷部和柄部，刷部包括刷头和刷毛，柄部包括电机和与之连接的传动机构、单片机(IC)及电子线路板(PCBA)，PCBA包括电源模块的一部分、检测模块、驱动模块、控制模块、指示模块及指令模块，检测模块包括一个或多个电压传感器，利用直流永磁微电机在不同负载下具有不同工作电流的特性，电压传感器分别测得使用状态下的电压值及刷头转动但刷毛未与即将被刷的牙齿接触的初始状态的电压值，得到所述两个电压值的差值，当使用者施加在刷头上的力大于设定值时，检测模块检测到电压传感器上的电压差值大于设定值，IC发出信号，指示模块中用于反映压力的相应指示元件发出指示，提醒使用者施于刷头上的力过大。本发明所提供的电动牙刷具有多种工作模式，且具有工作模式转换、提醒和记忆功能、压力警示和指示压力警示的功能、充电和充电指示功能、电池容量指示功能、电量指示等功能，是一种能完成多种功能的电动牙刷。

Description

电动牙刷

技术领域

本发明涉及一种电动牙刷，更具体地说，涉及一种具有多种功能的电动牙刷，其具有多种工作模式，且具有工作模式转换和记忆功能、时间提醒及电量指示等功能。 

背景技术

由于电动牙刷比之手动牙刷在清洁牙齿方面具有明显的优越性且可具有其他辅助功能，其越来越受使用者的欢迎。因此，近年来开发出具有不同功能的电动牙刷。 

在U.S.6,954,961B2中披露了一种发射光的电动牙刷，当使用者施加了足够的刷牙力时，牙刷向使用者发出可见信号。该电动牙刷包括：手柄部分和刷头部分；相对于牙刷体彼此邻近设置的多个光源，使得牙刷使用者能从牙刷体的外侧看到至少一些被发射的光；用于控制光源的电子线路，该电子线路被配置为在至少一些光源被激励的同时可自动改变所述多个光源的强度，强度的自动改变取决于施加在刷头部分上的力的大小。 

DE 196 277 52A1所披露的电动牙刷在刷毛和使用者的牙齿间的接触压力超过预定值时中断用于刷毛载体的摇摆运动，以避免损伤牙齿。 

WO2010/122518中公开了一种小电器，该电器可以处于第一操作状态和第二操作状态且具有开关元件、指示元件、和用于监测开关元件和控制指示元件的控制单元，指示元件能指示第一功能和第二功能，在该电器处于第一操作状态且被关闭时控制单元启动指示元件以指示第一功能，在电器处于第一操作状态且被开启时控制单元启动指示元件以指示第二功能。控制单元还可监测该电器的操作电压，并且只在操作电压超过最小电压时启动指示元件以指示第一功能。在小电器具有再充电电池时，控制单元可用于监测充电过程，其中控制单元仅在充电期间和/或充电过程结束后一段时间内启动指示元件以指示第一功能。 

WO2010/106522公开了一种用于确定电动牙刷的使用模式的方法和电动牙刷，其步骤为：测量电动电机的特性参数(如，由电动电机感生的电压或该电压的导数；电动电机的转动频率或该频率的导数；电动电机提供的脉冲宽度调制信号的占空率或该占空率的导数；电动电机的换向频率或该换向频率的导数)；检测所述特性参数的特异性变化；及评估所述特异性变化。 

但是目前还没有运行速度可变、结构简单的电动牙刷。 

发明内容

本发明的目的是提供一种电动牙刷，其结构简单、成本低廉、具有多种工作模式且运行速度可变而且具有如压力传感、时间提醒及电量指示等多种功能。 

根据本发明，提供一种电动牙刷，其包括可拆卸的刷部和柄部，刷部包括刷头和刷毛，柄部包括 电机和与之连接的传动机构、单片机(IC)及电子线路板(PCBA)，其中，PCBA包括电源模块的一部分、检测模块、驱动模块、控制模块、指示模块及指令模块，电源模块包括输出标准参考电压的器件，驱动模块包括功率放大电路，控制模块包括IC及其周边电路，指令模块包括接通/断开触发开关和模式转换开关，检测模块包括一个或多个电压传感器，利用直流永磁微电机在不同负载下具有不同工作电流的特性，电压传感器分别测得使用状态下的电压值及刷头转动但刷毛未与即将被刷的牙齿接触的初始状态的电压值，得到所述两个电压值的差值，当使用者施加在刷头上的力大于设定值时，检测模块检测到电压传感器上的电压差值大于设定值，IC发出信号，指示模块中用于反映压力的相应指示元件发出指示，提醒使用者施于刷头上的力过大。 

在一实施例中，检测模块检测牙刷处于初始状态时的牙刷的阻止功率及处于使用状态时的功率，处于使用状态时的功率是刷毛已与被刷牙齿接触的阻止功率和牙刷自身的阻止功率之和，得出使用状态时的功率和初始状态时的牙刷的阻止功率之差，在一定时间内，若检测到的所述功率差大于或等于设定的警示阈值，IC发出信号，指示模块中用于反映压力的相应指示元件发出指示，提醒使用者施于刷头上的力过大。 

在另一实施例中，当检测模块检测到与使用者施加在牙刷刷毛上的力相应的刷头上的阻力扭矩大于设定值时，IC发出信号，指示模块中用于反映压力的相应指示元件发出指示，提醒使用者施于刷头上的力过大。 

此外，检测模块也可检测牙刷在电机启动前的电池开路端电压，通过存储在IC中的电压警示阈值查找表，查找到与电池开路端电压下相应的流过电机的电流在场效应管漏极和源极之间或在三极管集电极和发射极之间产生的电压差值的警示阈值，同时IC检测牙刷处在初始状态下流过电机的电流在场效应管漏极和源极之间或在三极管集电极和发射极之间产生的电压值，而且IC不断检测和更新使用状态下流过电机的电流在场效应管漏极和源极之间或在三极管集电极和发射极之间产生的电压值，将每次测得的牙刷处在使用状态下的电压值和初始状态下电压值之间的差值与警示阈值进行比较，如果在一定时间内，顺序测得的当时使用状态的所述电压值和初始状态的所述电压值之间的差值都大于或等于所述警示阈值，IC发出信号，指示模块中用于反映压力的相应指示元件发出指示，提醒使用者施于刷头上的力过大。 

可供选择的是，检测模块还可检测牙刷在电机启动前的电池开路端电压，通过存储在IC中的电压警示阈值查找表，查找到与电池开路端电压下相应的流过电机的电流在电池内阻上产生的电压差值对应的电池端电压差值的警示阈值，同时IC检测牙刷处在初始状态下的电池端电压值，而且IC不断检测和更新使用状态下的电池端电压值，将初始状态下电池端电压值和每次测得的牙刷处在使用状态下的电池端电压值之间的差值和警示阈值进行比较，如果在一定时间内，初始状态的电池端电压值和顺序测得的当时使用状态的电池端电压值之间的差值都大于或等于警示阈值，IC发出信号，指示模块中用于反映压力的相应指示元件发出指示，提醒使用者施于刷头上的力过大。 

在又一实施例中，通过按压模式转换开关，使用者可以启动模式转换控制模块，借助按压模式转换开关的时间长短的不同可以实现工作模式转换和记忆功能，在模式转换控制模块的控制下，牙刷可以工作在正常刷牙时的全速工作模式、改善牙齿敏感的低速工作模式、满足保健需求的磨光工作模式及按摩工作模式。 

控制模块在牙刷运转于同一工作模式时还可控制刷头运转速度或刷头运转速度的变化快慢，用以提醒使用者在该工作模式下或在该工作模式的某一时间段内刷牙时间已达设定值。 

在再一实施例中，指示模块还包括电池容量指示部分，若牙刷使用前电池容量小于电池总容量的x％、使用者启动牙刷时，牙刷在运转期间，用于指示电池容量的指示元件发出指示，一旦牙刷停止运转，该指示元件在预定时间内发出不同于所述指示的另一种指示，用以提醒使用者，电池容量不够，若牙刷使用前的电池容量大于或等于电池全容量的x％、使用者启动牙刷时，牙刷在运转期间，用于电池容量指示的另一指示元件发出不同于所述两种指示的第三种指示，直到牙刷停止运转，一旦牙刷停止运转，该另一指示元件停止发出指示，以此提醒使用者，电池容量足够，可以不充电。可选择x＝30。 

指示元件可以是发光二极管。 

在一实施例中，PCBA还包括充电模块，该充电模块包括充电电路，充电电路包括负载感应线圈及设于该负载感应线圈处的电压检测电路，该电压检测电路利用两个串联电阻的分压检测负载感应线圈上产生的感应电压，此串联电阻和IC的一个A/D转接口相连，如果A/D接口上的电压峰值在预定时间内连续多次超过预定电压值，IC判断出正对牙刷进行充电，用于指示充电状态的指示元件发出指示，此时，不管电机处于工作或非工作状态，IC将强行停止对驱动模块的驱动，电机停止运转。 

在另一实施例中，在牙刷进行充电时，如果此时牙刷中电池的容量小于电池总容量的n％，用于充电指示的指示元件在预定时间内发出指示信号，随后IC不断监测电池的容量，当电池容量达到总容量的n％时，用于充电指示的指示元件发出不同于所述信号的另一种指示信号，当牙刷离开充电器时，用于充电指示的指示元件停止发出所述指示信号，如果将牙刷置于充电器上、电池的容量大于总容量的n％，用于充电指示的指示元件发出第三种指示信号，由此，借助用于充电指示的指示元件发出的不同信号可以指示电池的实际容量是否充足。可选择100＞n＞90。最好n＝95。 

本发明所提供的电动牙刷具有多种工作模式，且具有工作模式转换、提醒和记忆功能、压力警示和指示压力警示的功能、充电和充电指示功能、电池容量指示功能、电量指示等功能，是一种能完成多种功能的电动牙刷。 

附图说明

此处描述的附图仅用于对选定实施例的图示说明，而不是针对所有可能实施方式的说明，也不是对本发明范围的限制。 

图1为本发明的电动牙刷正面示意图； 

图2-5为本发明的电动牙刷工作模式的示意图，其中，图2图示说明了全速工作模式中一个周期内各时间段之间的关系、图3图示说明了低速工作模式中一个周期内各时间段之间的关系、图4图示说明了磨光工作模式中一个周期内各时间段之间的关系、图5图示说明了按摩工作模式中一个周期内各时间段之间的关系； 

图6为充电电路和用于检测牙刷柄部是否正在充电的检测电路的示意图； 

图7为用三极管驱动的功率放大电路示意图； 

图8的曲线示出了三极管集电极电流I_C与三极管集电极和发射极之间的电压U_Ce之间的关系； 

图9为用场效应管驱动的功率放大电路示意图； 

图10为场效应管的电流I_d与电压U_ds之间的关系； 

图11为电机的旋转运动促使刷毛回转运动的示意图。 

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。在全部附图中，类似的附图标记表示相似的部件。 

尽管本说明书中使用了词语第一、第二等来描述电动牙刷的运行参数或多个元件或构成部分，这些运行参数或元件或构成部分不应受这些词语的限制。这些词语仅用于区分一种运行参数或元件或构成部分与另一运行参数或元件或构成部分，而不包含“顺序”。因此，将下面讨论的表述那些运行参数、元件或构成部分的序数词相互变换也没有超出本发明的构思和范围。 

此外，本申请中使用的词汇“和/或”包括所列出的一或多个相关联的词汇中的任一个和所有组合。 

参照图1，本发明的电动牙刷包括可拆卸的刷部和柄部。刷部包括刷头和刷毛，柄部包括电机和与之连接的传动机构6、单片机(IC)10及布有必要的电子元件的线路板(PCBA)11，PCBA 11包括电源模块5的一部分、充电模块(图6)、检测模块、驱动模块、控制模块、指示模块及指令模块(后五种功能模块均未示出)。电源模块5包括电源(例如充电电池)、滤波电路等，用于向牙刷供电。检测模块包括输出标准参考电压的器件和传感器，所述传感器可以是电压传感器，该电压传感器例如可以感测电池电压、三极管集电极和发射极之间的电压、场效应管漏极和源极之间的电压、电机的端电压、或充电负载感应线圈电压。驱动模块包括功率放大电路。控制模块包括IC10及其周边电路，指令模块包括接通/断开触发开关7和模式转换开关8，充电模块(图6)包括充电负载感应线圈、整流电路、滤波电路。(此段是后面的内容提前) 

如图2-5所示，本发明的电动牙刷可以具有四种工作模式，即：正常刷牙时采用的全速工作模式(图2)、牙齿敏感时采用的低速工作模式(图3)、及满足保健需求的磨光工作模式(图4)和按摩工作模式(图5)。为了便于描述，作为示例，在四种工作模式中，将一个周期分为四个时间段，每一时间段约为30秒，即一周期约为2分钟。 

正常刷牙时，使用者可按压接通(或断开)电源的触发开关7，IC10得到启动牙刷信号，IC10驱动驱动模块，电机旋转，牙刷以与先前的运行模式相同的模式运行，例如，以全速工作模式运行。图2图示说明了全速工作模式中一个周期内各时间段之间的关系。如图2所示，正常刷牙时，例如牙刷以速度为S₁的相对高速(又称为全速)运转约29.8秒之后以第六低速S₆运转时间t₆(约0.2秒)，以便提醒使用者已刷牙约30秒，如此经历三个相同的时间段，在第四时间段，牙刷以全速S₁运转约27.7秒-第六低速S₆运转时间t₇(约0.2秒)-全速S₁运转约0.5秒-第六低速S₆运转时间t₇(约0.2秒)-全速S₁运转约0.5秒-第六低速S₆运转时间t₇(约0.2秒)-全速S₁运转约0.5秒-第六低速S₆运转时间t₇(约0.2秒)的规律运转，提醒使用者刷牙时间已达2分钟。如此周而复始。直至完成整个正常刷牙过程。 

若使用者意欲从当前模式转变为另一工作模式。例如，使用者的牙齿敏感，希望从当前的全速工作模式转变为低速工作模式。使用者只需按压控制牙刷工作模式的开关8，并在按压时间达到2秒钟 之前松开开关8，则能完成一次工作模式的有效转换。 

图3图示说明了低速工作模式中一个周期内各时间段之间的关系。如图3所示，在低速工作模式中，例如，牙刷以第二低速S₂运转约29.5秒之后以第一全速S₁运转时间t₈(约0.5秒)，以便提醒使用者已低速刷牙约30秒，如此循环至第三时间段，在第四时间段，牙刷以第二低速S₂运转约27.4秒-第一全速S₁运转约0.5秒-第二低速S₂运转时间t₉(约0.2秒)-第一全速S₁运转约0.5秒-第二低速S₂运转时间t₉(约0.2秒)-第一全速S₁运转约0.5秒-第二低速S₂运转时间t₉(约0.2秒)-第一全速S₁运转约0.5秒的规律运转，提醒使用者低速刷牙时间已达2分钟。如此周而复始。直至完成整个低速过程。 

类似地，若使用者希望从当前模式转变为满足保健需求的磨光工作模式。使用者可再按压开关8，并在按压时间达到2秒钟之前松开开关8，则能完成工作模式的有效转换。 

图4图示说明了磨光工作模式中一个周期内各时间段之间的关系。如图4所示，在磨光工作模式中，例如，牙刷以全速S₁运转0.5秒，再从全速S₁快速降低(例如下降时间t₂为约0.3秒)到第三低速S₃，然后从第三低速S₃缓慢加速(例如上升时间t₁约为1.7秒)到全速S₁的规律运转29.3秒之后，以全速S₁运转0.5秒-以第七低速S₇运转时间t₁₀(约0.2秒)，以便提醒使用者磨光时间已达30秒，如此循环至第三时间段，在第四时间段，牙刷以所述规律运转27.1秒后，以全速S₁运转约0.5秒-第七低速S₇运转时间t₁₁(约0.2秒)-全速S₁运转约0.5秒-第七低速S₇运转时间t₁₁(约0.2秒)-全速S₁运转约0.5秒-第七低速S₇运转时间t₁₁(约0.2秒)的规律运转，提醒使用者磨光时间已达2分钟。如此周而复始。直至完成整个磨光过程。 

同样，若使用者希望从当前模式转变为满足保健需求的按摩工作模式。使用者可再按压开关8，并在按压时间达到2秒钟之前松开开关8，则能完成工作模式的有效转换。 

图5图示说明了按摩工作模式中一个周期内各时间段之间的关系。如图5所示，在按摩工作模式中，例如，牙刷以第四低速S₄和第五低速S₅组合(例如以三个尖脉冲的形式，每一尖脉冲的上升时间为t₄、下降时间t₅，总时间t₄+t₅为约1.7秒)运转5.1秒之后以第五低速S₅运转时间t₃(约2秒)，在第四次以第四低速S₄和第五低速S₅组合的三尖脉冲地运转约5.1秒后，以第五低速S₅运转约0.2秒，再以第八速度S₈运转时间t₁₂(约0.5秒)，以便提醒使用者已按摩约30秒，如此循环至第三时间段，在第四时间段，牙刷以第四低速S₄和第五低速S₅组合的三尖脉冲地运转约5.1秒-第五低速S₅运转约2秒...如此三次后，以第八低速S₈运转约0.5秒-第五低速S₅运转时间t₁₃(约0.2秒)-第八低速S₈运转约0.5秒-第五低速S₅运转时间t₁₃(约0.2秒)-第八低速S₈运转约0.5秒的规律运转，提醒使用者按摩时间已达2分钟。如此周而复始。直至完成整个按摩过程。 

显然，所述各工作模式的具体时间设置只是示例性的，所属领域技术人员在本发明的教导下，可以根据需要作出各种变换，这些变换均应落入本发明的范围内。 

在本实施例中，模式转换开关8具有重置模式的功能，即，当使用者按压开关8的时间大于或等于2秒钟，无论当前处于哪种工作模式，2秒钟后牙刷的工作模式将转换到例如全速工作模式。当然，这只是一种示例，也可以重置为转换到低速、或磨光、或按摩中的任一种工作模式。 

任选地，也可使开关7具有重置模式的功能。 

本发明中，工作模式的选择具备记忆功能，即，存储最近一次使用者选择的工作模式，待再次启 动牙刷时，牙刷直接工作于该最近一次的工作模式。只有使用者触发模式转换开关8或重置工作模式时，工作模式才改变。 

下文以示例的方式对本发明电动牙刷的各种功能及其实现方式进行具体描述。 

一、工作模式转换和记忆功能 

例如，当使用者按压触发开关7超过0.1秒时，触发开关7改变和它相连的I/O的电平(从高变低，或从低变高)，IC10检测来自触发开关7的触动并响应使用者触发开关的启动输出指令启动驱动模块，牙刷开始运转。其间，只要触发开关7被按压的时间超过0.1秒，不管持续按压时间多长，仍被认定已触发且处于第一次触发中，只有使用者松开触发开关7，才算完成一次触发(“接通”)。当使用者第二次按压触发开关7且时间超过0.1秒时，IC10检测到触发开关7再次被触发，IC10输出信号给驱动模块，驱动模式停止工作，牙刷停止运转。同样，只有再次释放触发开关7，才算完成“断开”动作。 

通过IC10可以记录牙刷运转期间被选择的最近一次工作模式，当下次启动牙刷时，IC10直接调用存贮器记录的最近一次工作模式并输出到驱动模块，用以驱动牙刷按前一次工作模式运转。此又称为牙刷的记忆功能。 

例如，假设牙刷最近一次使用的工作模式为全速工作模式(图2)。使用者按压触发开关7时，IC10将启动牙刷以该最近一次的工作模式(全速工作模式)运转。需要转换工作模式时，使用者可按压模式转换开关8，若按压开关8的时间超过0.1秒且小于2秒(即在2秒钟内释放模式转换开关8，模式转换开关8在一定时间内改变和它相连的I/O的电平(例如，电平从高到低，或从低到高)，IC10检测到来自模式转换开关8的动作，确定使用者正在改变牙刷的工作模式，IC10立即输出下一工作模式信号(例如低速工作模式)到驱动模块，驱动模式执行低速工作模式(见图3)。以此类推。当使用者持续按压模式转换开关8的时间超过2秒时，IC10在0.1～2秒之间输出下一工作模式信号，驱动模块执行下一工作模式，在2秒钟之后，若IC10仍持续收到模式转换开关8被按压的信号，IC10确定使用者启动工作模式重置功能，则不管当前牙刷运转于哪种工作模式，IC10将强行输出例如全速工作模式信号到驱动模块，驱动模块执行全速工作模式，只有在IC10检测到模式转换开关被释放，IC10才确定此模式转换或重置结束。如果使用者持续按压模式转换开关8的时间小于2秒，而后释放模式转换开关8，再按压再释放......，则IC10将按全速工作模式-低速工作模式-磨光工作模式-按摩工作模式的顺序依次输出信号到驱动模块，以实现牙刷不同工作模式之间的转换。值得提醒的是，所述模式转换或重置操作只在牙刷处于接通状态下才能实现。 

此外，虽然在本实施例中以全速工作模式-低速工作模式-磨光工作模式-按摩工作模式的顺序进行说明，但本发明不限于此，这四种工作模式的顺序可以任意调换。而且也可以设置多于或少于四种工作模式，这些变换均落入本发明的范围。 

全速工作模式的实现 

牙刷在定时运转时段以外的其他所有运转时间内，通过IC10对和驱动模块相连的I/O接口持续不断地输出驱动信号来实现对驱动模块的驱动，此时电机可以获得来自电源的持续不断的能量，电机以全速工作模式运转，如图2所示。在全速工作模式下，牙刷的运转速度S₁相对较高(称之为全速)，因此可以高效地对牙齿进行清洁。 

低速工作模式的实现 

牙刷在定时运转时段以外的其他所有运转时间内，通过IC10对和驱动模块相连的I/O接口断续地输出驱动信号来实现对驱动模块的驱动，此时电机可以获得来自电源的断断续续的能量，电机转速降低，牙刷以低速工作模式运转，如图3所示。此时IC10例如可采用脉冲宽度调制(PWM)方式，通过调节I/O的输出，改变用于实现驱动模块的驱动的信号的脉冲宽度，可以使低速工作模式下的电机转速达到设定的第二低速S₂。对于牙齿敏感者而言，牙刷处于低速工作模式时感觉更舒服。 

例如，可选择50％S₁＜S₂＜95％S₁。 

磨光模式的实现 

牙刷在定时运转时段以外的其他所有运转时间内，通过IC10对和驱动模块相连的I/O接口断续地输出驱动信号来实现对驱动模块的驱动，此时电机可以获得来自电源的断断续续的能量，此时，IC10例如可采用PWM方式，在不同的时刻输出不同的脉冲宽度，使电机的转速大致符合图4所示的规律。设定此模式下除定时运转时段以外的最低转速为第三速度S₃，通过转速的缓慢升高和骤降，可以在牙齿周围产生周期性的无规律的湍流，从而有效地祛除牙齿表面的附着异物，达到磨光牙齿的功效。 

为了保证磨光效果，例如，可选择50％S₁＜S₃＜90％S₁；3t₂＜t₁，且t₁＜9t₂。 

按摩工作模式的实现 

牙刷在定时运转时段以外的其他所有运转时间内，通过IC10对驱动模块相连的I/O接口断续地输出驱动信号来实现对驱动模块的驱动，此时电机可以获得来自电源的断断续续的能量，此时IC10例如可采用PWM方式，在不同的时刻输出不同的脉冲宽度，使电机运转基本符合图5所示的规律。设定此模式下除定时运转时段外的最高转速为第四低速S₄，最低转速为第五低速S₅，通过转速在短时间内的迅速变化，能以温和的按摩方式促进牙龈部分的血液循环。 

例如，可选择85％≤S₄≤S₁；50％S₁≤S₅≤90％S₁，且S₄＞1.05S₅； 

09t₄≤t₅≤1.1t₄；t₅+t₄＜1秒；t₃≥1.8(t₄+t₅)。 

二、提醒功能 

如上所述，本电动牙刷设有定时功能，使用时每隔例如30秒能够提醒使用者已过30秒，到达2分钟时可以用特殊的方式提醒使用者已过2分钟，如此循环，直到使用者停止刷牙。此功能例如可以没有“记忆性”，即重新启动牙刷时，重新开始提醒记时。如图2-5所示，提醒功能可通过牙刷减速或加速来实现。 

无论牙刷处于哪种工作模式，在使用牙刷时即开始计时，计时到达第一个时间段(例如30秒)时，IC10确定当前的工作模式，再依照该工作模式下约定的提醒规律提醒使用者。 

在全速工作模式中，例如可选择40％S₁＜S₆＜80％S₁；0.1秒＜t₆＜0.6秒；0.1秒＜t₇＜0.6秒。 

在低速工作模式中，例如可选择80％S₁＜S₂≤S₁；0.1秒＜t₈＜0.6秒；0.1秒＜t₉＜0.6秒。 

在磨光模式中，例如可选择80％S₃＜S₇＜1.1S₃；0.1秒＜t₁₀＜0.6秒；0.1秒＜t₁₁＜0.6秒。 

在按摩工作模式中，例如可选择80％S₄＜S₈＜1.1S₄；0.1秒＜t₁₂＜0.6秒；0.1秒＜t₁₃＜0.6秒。 

三、充电和充电指示功能 

本发明的电动牙刷具有充电时停止运转的功能。如果充电时牙刷处于运转状态，电池驱动电机工作消耗的电能将大于牙刷从充电器获得的电能，这将造成牙刷不能成功地补充能量，导致充电失败。 为此，在本发明中设置了如下功能，即，将正在运转的牙刷放置在充电器上时，牙刷柄部中设有负载感应线圈L₃(见图6，即图1中的附图标记4)，用来接收来自充电器部分G的电磁能量。将牙刷置于充电器上时，该电磁能量在负载感应线圈4上产生感应电压。本实施例中，在负载感应线圈4处设有采用两个电阻R₈和R₉分压来检测负载感应线圈4上产生的感应电压的电压检测电路。负载感应线圈4感生电压时，检测电阻R₈和R₉上将产生一定幅值的电压，此检测电阻和IC10的一个A/D转接口相连，因此负载感应线圈4上产生的感应电压将在A/D接口上得到反映。例如，在本实施例中设定，如果A/D接口上的电压峰值在0.1秒内连续三次超过2V，即可认定牙刷的负载感应线圈4上产生了感应电压，从而可作出牙刷正在充电的判断。此时，不管电机当前处于工作或非工作状态，IC10将强行停止对驱动模块的驱动，电机停止运转。 

充电功能的实现 

作为示例，参见图1和图6，例如本发明的充电模块可以包括充电器部分和用电器部分(如设于电动牙刷中)。充电器部分包括充电器底座1、安装在底座1上的充电电路部分G、设于充电器底座1中与用电器部分的电路部分Y中的负载感应线圈4相对的初级线圈2、处于线圈4和2之间的导磁棒3、以及连接电源和充电器的电线。在充电器处于工作状态下将电动牙刷放置在充电器底座1上时，用电器部分中的电路部分Y的负载感应线圈4将感应充电器部分中的充电电路部分G的振荡电路的交变电磁场而产生交变的感应电磁场，用电器部分中的电路部分Y的感应线圈4接收来自充电器部分的能量，此能量经用电器部分的电路部分Y(见图6)对用电器部分中的电池(见图6)充电。当电动牙刷离开充电器时，用电器部分中的负载感应线圈4感应不到来自充电器部分的交变电磁场，而不能获得来自充电器部分的能量，因此充电器停止对牙刷的柄部充电。 

图6示意地示出了本发明的充电电路，其包括充电器部分中的充电电路部分G和用电器电路部分Y，充电器电路部分G包括降压部分、保护电路、整流部分、滤波部分和振荡部分，用电器电路部分中的电路部分Y包括用电器感应部分、充电部分、充电器和用电器耦合感知部分及检测部分。来自市电的交流电压(如230V或120V)经充电器电路部分G顺序地经降压部分、整流部分和滤波部分后输出直流电压，该直流电压信号输入振荡部分产生交流信号输出。用电器电路部分Y中的用电器感应部分产生感应电压而对电池充电，并通过检测部分检测负载感应线圈4上感生的电压。 

充电指示功能的实现 

本发明的电动牙刷具有良好的人机界面。例如，可采用多个发光二极管(LED)指示牙刷的不同运转状态，而用具有单一颜色的一个或多个LED显示牙刷的充电状态。 

作为一个示例，将牙刷置于充电器上开始对牙刷进行充电时，如果此时牙刷中电池的容量C小于电池总容量C_f的n％，用于充电指示的第一LED例如在每1秒内发光0.2秒(闪烁发光)。随后IC10不断监测电池的容量，当电池容量达到n％C_f时，用于充电指示的第一LED例如长时间发光；当牙刷离开充电器时，用于充电指示的第一LED停止发光。如果将牙刷置于充电器上、电池的容量C大于n％C_f时，用于充电指示的第一LED长时间发光。由此，借助用于充电指示的第一LED的不同发光方式可以指示电池的实际容量是否充足。例如，可选择100＞n＞90，尤其可优择n＝95。 

作为示例，在本实施例中，利用电池的端电压来判断电池的容量。众所周知，对充电电池进行充电时，将接收的电能以化学能的形式储存，当电池释放电能时，电池中的化学能转换为电能，因此 电池的端电压值是电池贮存的可用电能多少的一个重要参数，即，电池的端电压可以反映电池的容量水平。此外，因为充电电池在非充电状态下，如果环境条件(如：温度、湿度等)稳定，电池的端电压在短时间内(如：几分钟)将保持稳定或略有下降，而在充电电池开始充电时，电池的端电压在短时间内呈持续上升态势。当电池的电量充足时，电压几乎不变。 

在本实施例中，如上所述，牙刷柄部中设有负载感应线圈4，用来接收来自充电器部分的充电电路部分G的电磁能量。将牙刷置于充电器上时，该电磁能量在负载感应线圈4上产生感应电压。本实施例中，在负载感应线圈4处设有采用两个电阻(R₈和R₉)分压的电压检测电路，负载感应线圈4感生电压时，检测电阻上将产生一定幅值的电压，此检测电阻和IC10的一个A/D转接口相连，因此负载感应线圈4上产生的感应电压将在A/D口上得到反映。例如，在本实施例中设定如果A/D接口上的电压峰值在0.1秒内连续三次超过2V时，即可认定牙刷的负载感应线圈4上产生了感应电压，从而可作出牙刷正被充电的判断。 

在本实施例中，可以用检测到的IC10的输入电压等效为电池的端电压。例如，可以通过比较IC10输入电压和标准参考电压计算出电池的端电压。也可按入分压电路，检测分压电阻上的电压值来计算电池端电压。在本实施例中，例如使用2.4V 800mA的AAA型充电电池，通过充放电试验可以得出：当电池的端电压U₁等于2.9V时，电池处于满容量状态，即C＝C_f，n＝100。当电池端电压U₁等于2.85V时，C＝95％C_f，n＝95。也就是说，可以通过电池的充放电试验测得相应的U₁和C、n的关系。 

如上所述，将牙刷放置在充电器上时，IC10根据以上的状态判定电池是否正在充电，同时IC10读取当前的电池端电压值U₁。在本实施例中，如果电池端电压值U₁≥2.85V，则认定电池正在充电且电池容量C≥n％C_f，IC10对用于充电指示的第一LED输出长时间发光的信号，第一LED长时间发光。如果电池端电压值U₁＜2.85V，则认定电池正在充电且电池容量C＜n％C_f，IC10对用于充电指示的第一LED输出闪烁发光信号，第一LED闪烁发光。此外，IC10持续不断地检测电池端电压，当U₁值发生变化(如，从U₁＜2.85V变化为U₁≥2.85V)，用于充电指示的第一LED的工作方式也相应地发生变化(如第一LED将从闪烁发光方式变化为长时间发光的方式)。如果牙刷没有被放置在充电器上时，IC10判定牙刷处于非充电状态，则不对用于充电的第一LED发生任何指令，第一LED不发光。 

四、电池容量指示功能 

作为示例，在本发明中用一个或多个分别具有红色或绿色的第二LED和第三LED来指示电池的容量，当然也可用具有其他颜色的LED来指示电池的容量。 

例如，若牙刷使用前电池容量C小于电池总容量C_f的x％、使用者启动牙刷时，牙刷在运转期间，用于电池容量指示的第二LED长时间发出红光，直到牙刷停止运转。一旦牙刷停止运转，第二LED可以在15秒钟内闪烁地发出红光(例如，闪烁发红光四十五次)，之后第二LED停止发光，如此循环。用以提醒使用者，电池容量不够，需要充电以补充能量。 

若牙刷使用前的电池容量C大于或等于电池全容量C_f的x％、使用者启动牙刷时，牙刷在运转期间，用于电池容量指示的第三LED长时间发出绿光，直到牙刷停止运转。一旦牙刷停止运转，第三LED停止发光。以此提醒使用者，电池容量足够，可以不充电。 

电池容量指示的实现 

同样，可以通过充电电池的充放电试验测得和x％C_f对应的电池端电压U_x，例如本实施例中取x＝30，测得U_x＝2.5V。 

牙刷处于非充电状态时，IC10每隔一定时间(例如，本实施例中为1分钟)连续检测五次电池端电压，求取五次测得的电池端电压的算术平均值，并储存该算术平均值。当使用者启动牙刷时，IC10调用在牙刷启动前最近一次记录的非充电状态下的电池端电压算术平均值，如果该算术平均值小于x％C_f对应的端电压值U_x(例如，本实施例中U_x＝2.5V)，在牙刷运转期间，IC10向用于电池容量指示的第二LED输出长时间发光信号，第二LED长时间发出红光。一旦牙刷停止运转，第二LED在15秒钟内闪烁地发红光(例如，闪烁发红光四十五次)，且在闪烁之后，第二LED停止发光。如果该算术平均值大于等于x％C_f对应的端电压值U_x(例如，U_x＝2.5V)，则在牙刷运转期间，IC10向用于电池容量指示的第三LED输出长时间发光信号，第三LED长时间发出绿光。一旦牙刷停止运转，第三LED停止发光。 

五、压力警示和指示压力警示的实现 

根据本实施例，例如可用具有单一颜色(例如红色)的一个或多个第四LED来指示刷牙时压力是否过大，以提示使用者保持正确的刷牙力度。 

刷牙时，若使用者施加在牙刷刷毛上的力大于设定值时(此值可根据牙齿护理要求设置)，用于警示施加的压力过大的第四LED发出红光，表示使用者施加于刷毛上的力太大，此时使用者可以调节刷牙力度，牙刷继续运转，IC10保持对压力的检测和判断，直到IC10判断施加在刷毛上的力已小于设定阈值时，第四LED停止发光。若使用者施加的力再次大于设定阈值，第四LED将再次发光，如此循环。当然，一旦使用者停止使用牙刷，第四LED也将停止发光。 

指示压力警示的实现 

根据本发明，可以利用两种方式实现压力警示：一种是采用功率警示方式，即当刷牙时使用者施加在刷毛上的扭矩和刷部回转角速度的乘积超过某一设定值时，给予警示，以提醒使用者刷牙能量过大；另一种是采用阻力扭矩警示方式，即当使用者施加在牙刷上的力转换成的阻力扭矩过大时，给出警示，以提醒使用者刷牙力度过大。 

下面对所述两种压力警示方式进行说明。 

1.功率警示方式 

本发明中，作为示例，功率放大电路可以采用三极管驱动的放大电路(如图7和8所示)，也可采用场效应管驱动的放大电路(如图9和10所示)。 

下文以三极管驱动电路为例进行分析。如图7所示，从该电路中可知，其电压平衡方程： 

U＝(I_C+I_b)r+U_M+U_Ce

式中I_C为三极管集电极电流；I_b为三极管基极电流；U_M为电机端电压；U_Ce为三极管集电极和发射极之间的电压；U为电池开路端电压；r为电池内阻。 

根据直流永磁电机电压平衡方程：U_M＝E_a+I_aR_a+2ΔU_b

式中I_a为流过电机电枢的电流，本实施例中，I_a＝I_C；R_a为电枢绕组电阻，2ΔU_b为电刷接触压降； 

E_a为电枢绕组内的感应电动势。 

根据感应电动势方程： 

$E_a=\frac{\mathrm{pN}}{60a}\mathrm{\Φn}=C_e\mathrm{\Φn}$

p为电机定子的极对数；N为电枢绕组总导体数；Φ为每对磁极之间的空气隙磁通；a为电枢绕组的并联支路对数；n为电机转速。 

对于电机：C_eΦ几乎为常数，所以E_a和n成正比， 

R_a为定值，2ΔU_b为定值 

U_M＝C_eΦn+I_aR_a+2ΔU_b＝C_eΦn+I_C R_a+2ΔU_b

通常，三极管基极电流I_b＜＜三极管集电极电流I_C，忽略I_b，得出： 

U＝I_C(r+R_a)+E_a+U_Ce+2ΔU_b

在电动牙刷中，电机输出机械能，经过一系列的机械传动(如减速增加力矩等)，最后推动刷毛运动。 

设使用者在刷牙时施加在刷毛上的等效阻力扭矩为T_负，刷毛的回转角速度为ω_毛，电机上的输出扭矩为T_电，电机上的转速为ω_电，电机的输出机械能传递给刷毛过程中的机械效率为η，则： 

T_电·ω_电·η＝T_负·ω_毛

根据电机方程： 

I_a E_a＝(T_电+T₀)·ω_电

T₀为电机等效空载阻力扭矩，对于选定的电机而言，其T₀几乎为定值，所以： 

T_负ω_毛＝(I_aE_a-T₀ω_电)η 

根据机械传动特性，电动牙刷中，ω_毛和ω_电存在固定的传动比K，设ω_毛＝Kω_电，则： 

设：KT_负·ω_电＝P_负，本实施例中微电机的T₀很小，所以忽略不计。本实施例中，若三极管工作在饱和区Z_C(图8)，即可近似认为I_C和U_Ce呈线性关系，设I_C＝mU_Ce，则： 

U＝I_C(r+R_a)+E_a+U_Ce+2ΔU_b

I_C＝I_a

$U_{\mathrm{Ce}}=\frac{I_c}{m}$

设： $R=r+R_a+\frac{1}{m}$

则： 

由于批量生产的电动牙刷各个体之间具有差异，不同的电动牙刷个体的空载负荷之间存在差异。为了避免所述差异引起的警示阈值差异，本实施例中采用功率差的方式，即先检测空载负荷，再检测负载负荷，得出负载负荷和空载负荷之差，针对此差值进行判断，从而可有效避免空载负荷偏移造成的误差。 

牙刷开始运转，P_负可能发生变化，电池开路端电压也会发生变化。 

分析电池开路端电压发生变化时： 

电池开路端电压U₀为电机工作在额定电压下对应的电池开路端电压； 

P_负1为处于初始状态下的牙刷的阻止功率，所述初始状态指刷头已运转但牙刷上无外加负载的状态(即，刷头转动但刷毛未与拟将被刷的牙齿接触)，因此P_负1也可称为牙刷自身的阻止功率； 

P_负2为处于使用状态下的牙刷上的阻止功率和牙刷自身的阻止功率之和，所述使用状态指刷头已运转且刷头上有外加负载的状态(即，刷毛已与被刷牙齿接触)。 

ΔP为P_负2和P_负1之差，即ΔP＝P_负2-P_负1； 

段定ΔP_f为功率差的警示阈值； 

C_eΦ为电机的固有常数； 

n₁为电机工作在额定电压下且牙刷处于初始状态时电机的转速； 

η为电动牙刷的机械效率； 

对三极管而言，I_b为定值时，设m为三极管工作在饱和区时三极管集电极和发射极之间的电导； 

K为电动牙刷的传动比，K＝ω_毛÷ω_电； 

r为电池内阻； 

U_M额为电机的额定工作电压； 

I_C0为电池开路端电压为U₀时，电机上流过的电流； 

R_a为电枢绕组电阻； 

ω_电为电机的角速度； 

ω_毛为刷毛的角速度； 

U_y1为牙刷处在初始状态下的电池开路端电压； 

U_y2为牙刷处在使用状态下的电池开路端电压； 

y₁为牙刷在初始状态下的电池开路端电压相对于U₀的变化率，即U_y1＝y₁U₀； 

y₂为牙刷在使用状态下的电池开路端电压相对于U₀的变化率，即U_y2＝y₂U₀； 

Δy＝y₂-y₁； 

I_C1为牙刷处在初始状态下电池开路端电压为U_y1时流经电机的电流； 

I_C2为牙刷处在使用状态下电池开路端电压为U_y2时流经电机的电流； 

U′_y1为牙刷处在初始状态下流过电池的电流为I_C1时的电池端电压； 

U′_y2为牙刷处在使用状态下流过电池的电流为I_C2时的电池端电压； 

U_Ce1为牙刷处在初始状态下流过电机的电流为I_C1时，三极管集电极和发射极之间的电压； 

U_Ce2为牙刷处在使用状态下流过电机的电流为I_C2时，三极管集电极和发射极之间的电压； 

ΔU_Ce＝U_Ce2-U_Ce1； 

设U′_y10为牙刷启动前最近一次的电池端电压，即可认为U′_y10为牙刷启动前的电池开路端电压； 

ΔU_Cef为当ΔP为设定值时的U_Ce2为U_Ce1之差，例如可设此值为功率差值的报警电压阈值。 

设：ΔI＝I_C2-I_C1

ΔP＝P_负2-P_负1＝-RηΔI²+ηΔI(-2RI_C1-2ΔU_b+U₀y₂)+ηU₀I_C1Δy 

在本实施例中，需要测量增加的阻止功率，即ΔP＞0， 

设：ηβ＝ηU₀y₂-2ηΔU_b-2RηI_C1

依电机原理可导出： 

$\mathrm{\β}>0;\mathrm{\ΔI}=\frac{\mathrm{\η\β}\±\sqrt{{\mathrm{\η}}^2{\mathrm{\β}}^2-4\mathrm{R\η}(\mathrm{\ΔP}+\mathrm{\η}{U}_0{I}_{C1}(-\mathrm{\Δy}))}}{2\mathrm{R\η}}$

当Δy＝0，ΔP＝0时， 

ΔP＝0，则意味着使用者未对刷毛施力。因为阻力扭矩不变，等效的电机输出扭矩不变。依电机原理知，在电机工作电压不变，电机的输出扭矩保持不变的必要条件为电机的电流不变，即当ΔP＝0时，Δy＝0时，ΔI＝0， 

所以： $\mathrm{\ΔI}=\frac{\mathrm{\η\β}-\sqrt{{\mathrm{\η}}^2{\mathrm{\β}}^2-4\mathrm{R\η}(\mathrm{\ΔP}+\mathrm{\η}{U}_0{I}_{C1}(-\mathrm{\Δy}))}}{2\mathrm{R\η}}$

在η、β、R、U₀、I_C1、Δy为已知量时，ΔP和ΔI有唯一关联性，而 

且m为定值，因此在本实施例中创造性地导入ΔU_Ce用来识别ΔP， 

即： $\mathrm{\Δ}{U}_{\mathrm{Ce}}=\frac{\mathrm{\η\β}-\sqrt{{\mathrm{\η}}^2{\mathrm{\β}}^2-4\mathrm{R\η}(\mathrm{\ΔP}+\mathrm{\η}{U}_0{I}_{C1}(-\mathrm{\Δy}))}}{2\mathrm{Rm\η}}$

由上可知： 

一旦三极管型号选定，m就可确定；一旦电机型号选定，则C_eΦ确定，R_a确定，ΔU_b确定； 

一旦电动牙刷的机械结构确定，则η就可确定，K可确定；一旦电池型号选定，则电池的内阻r也已确定，则U₀确定。 

通过查询三极管的技术手册或实验可得到m值的大小，本实施例中三极管I_b几乎不变，三极管工作在饱和区，故m可认定为定值。利用η=T_负ω_毛/T_电ω_电公式，通过实验可得到η值的大小。本实施例中η值变化较小，可近似认为不变。通过查询电机的技术规格或实验可得到ΔU_b值的大小，U_额，R_a。通过查询电池的技术规格或实验可得到电池的内阻r值大小。为了测得电机工作在额定电压下时的电池开路端电压U₀和I_C0，用外部直流稳压电源串联一个和r一样大小的外置电阻和电流表，取代电池联入本实施例的电路中，调节直流稳压源的输出电压，使电机刚好工作在额定电压下，测量此时的直流稳压电源的输出电压，此电压值即为U₀值，读取此时电流表示数，此示数即为I_C0值。 

设定ΔP_f值，例如ΔP_f=0.5W，把以上各参数值输IC程序储存，并把下列公式输入程序， 

β＝ηU₀y₂-2ηΔU_b-2RηI_C1

$R=r+R_a+\frac{1}{m}$

$r=\frac{U_{y10}^{\′}-U_{y1}^{\′}}{I_{C1}}$

$y_1=\frac{U_{y_1}}{U_0}$

$U_{y_1}=U_{y_1}^{\′}+I_{C1}r$

I_C1＝mU_Ce1

$y_2=\frac{U_{y2}}{U_0}$

U_y2＝U′_y2+I_C2r 

I_C2=mU_Ce2

Δy＝y₂-y₁

ΔU_Ce＝U_Ce2-U_Ce1

${\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{Cef}}=\frac{\mathrm{\η\β}-\sqrt{{\mathrm{\η}}^2{\mathrm{\β}}^2-4\mathrm{R\η}({\mathrm{\ΔP}}_f+\mathrm{\η}{U}_0{I}_{C1}(-\mathrm{\Δy}))}}{2\mathrm{Rm\η}}$

通过ICl0一次检测U_Ce1，U′_y10，U′_y1并作为初始值储存。通过ICl0多次检测U_Ce2和U′_y2，并不断更新U_Ce2和U′_y2。结合所述的公式和预录入的参数可以计算出相应的ΔU_Cef阈值，将这些阈值作为电压警示阈值存储在IC中，从而得到电压警示阈值查找表。利用ΔU_Ce＝U_Ce2-U_Ce1计算出实际的ΔU_Ce。 

在牙刷启动瞬问ICl0谴取牙刷启动前的最近一次的电池端电压为U′_y10，谴取启动后瞬问的电池端电压为U′_y1，并作为初始值存贮。在启动牙刷如0.1秒后，ICl0通过和U_Ce相连的A/D接口读 取当前时刻的U_Ce1并将其作为初始U_Ce存贮，IC10每隔一定时间(如0.1秒)检测一次当时的U_Ce2，计算每一次的U_Ce2和U_Ce1之差，得ΔU_Ce，且检测此时的电池端电压U′_y2，通过所述的公式和参数计算出此时的ΔU_Cef。如果在0.5秒内所有的ΔU_Ce大于或等于从电压警示阈值查找表中调出的相应警示阈值ΔU_Cef，IC10认定使用者刷牙所需功率已大于设定值，IC10向用于指示压力警示的第四LED输出长时间发光信号，第四LED长时间发光。同时，IC10持续检测U_Ce，当检测到在0.5秒内不是所有的ΔU_Ce大于或等于计算出的警示U_Cef值，IC10确定刷牙功率已小于设定值，IC10向用于指示压力警示的第四LED输出停止发光的信号，第四LED停止发光，如此循环。 

例如，如果电动牙刷一次工作时间为2分钟，在2分钟内，电池开路端电压变化较小，同时为了降低IC的功耗和提高IC的响应速度，在实际操作中，也可简化计算。通过试验建立对应于不同的电池端电压的ΔU_Cef查找表，并把此查找表存贮在IC中，IC依照电池端电压，调用对应的ΔU_Cef。 

作为示例，具体操作如下(见表一)： 

由电池放电曲线可知，电池在开路端电压为2.50V～2.65V时，电池的容量约为70％，而电池开路端电压在2.65V～2.90V和2.40V～2.65V之间电池容量仅为25％左右，所以我们可以设置如下的取样区间来测量对应的ΔU_Cef。 

表一 

试验获得ΔU_Cef的方法如下： 

对电量充足的电动牙刷进行放电，当电池的开路端电压刚好为表一中设定的电池开路端电压U_y1n时，开启电动牙刷，使电动牙刷处于初始状态，并测量到此时的U_Ce，表示为U_Cen0，再在电动牙刷上施加设定的ΔP，使电动牙刷处在外加负载为设定的ΔP时的使用状态下，并测得此时的U_Ce表示 为U_Cen1，则对应于表一中的设定的电池开路端电压U_y1n的ΔU_Cefn＝U_Cen1-U_Cen0。 

依照所述方法可建立表一所有的ΔU_Cefn值，由于表一中相邻的ΔU_Cefn相差很小，所以可用下述方法近似地对ΔU_Cefn取值。 

若在电动牙刷启动前，U_y1≥U_y1n1，ΔU_Cef取ΔU_Cefn1值， 

若在电动牙刷启动前，U_y1n2≤U_y1＜U_y1n1，ΔU_Cef取ΔU_Cefn2值， 

若在电动牙刷启动前，U_y1n3≤U_y1＜U_y1n2，ΔU_Cef取ΔU_Cefn3值，依此类推。 

在本实施例中，当U_y1＜2.40V时，IC将停止启动电机，所以，当U_y1＜2.40V时，查找表中可设置此时的ΔU_Cef＝ΔU_Cefn22。 

综上所述，启动电动牙刷时，读取启动前测得的电池开路端电压U_y1，如上所述地从查找表(表一)中查找到对应的ΔU_Cef，作为此次工作的ΔU_Cef。采用此方法可有效减少IC的运算量，从而降低IC的功耗和提高IC的响应速度。 

若采用场效应管驱动的放大电路(如图9和10所示)，除将在场效应管的漏极和源极之间产生的电压差值作为警示阈值外，其他与采用三极管驱动的放大电路相同，在此不再赘述。 

应注意的是，以上所有指令只在刷牙期间输出。 

2.扭矩警示方式 

设定使用者刷牙时施加在刷毛上的扭矩大于警示阈值，例如，在本实施例中设置为外加阻力扭矩≥12g·cm时，牙刷给出警示。 

η_T为电动牙刷的机械效率； 

U_TM额为电机的额定工作电压； 

I_TM0额为电机在额定工作电压下，没有任何负载时，电机的空转电流； 

U_TM1为电动牙刷处于初始状态时，电机的端电压； 

U_TM2为电动牙刷处于使用状态时，电机的端电压； 

r_T为电池的内阻； 

对三极管而言，I_b为定值时，设m为三极管工作在饱和区时三极管集电极和发射极之间的电导； 

C_TΦ为电机的固有常数； 

T_T01为电机工作在U_TM1电压下，没有任何负载时，电机空转的阻力扭矩； 

T_T02为电机工作在U_TM2电压下，没有任何负载时，电机空转的阻力扭矩； 

I_T01为电机工作在U_TM1电压下，没有任何负载时，电机的空转电流； 

I_T02为电机工作在U_TM2电压下，没有任何负载时，电机的空转电流； 

I_TC1为电动牙刷处于初始状态时，流过电机的电流； 

I_TC2为电动牙刷处于使用状态时，流过电机的电流； 

T_T电1为电动牙刷处于初始状态时，电机的输出扭矩； 

T_T电2为电动牙刷处于使用状态时，电机的输出扭矩； 

T_T负1为电动牙刷处于初始状态时，牙刷自有的阻力扭矩； 

T_T负2为电动牙刷处于使用状态时，牙刷自有的阻力扭矩和外加阻力扭矩之和； 

U_Ty1为电动牙刷处于初始状态时，电池的端电压； 

U_Ty2为电动牙刷处于使用状态时，电池的端电压； 

U_Ty10为电动牙刷启动前最近一次的电池端电压，即可认为U_Ty10为牙刷启动前的电池开路端电压； 

U_TCe1为电动牙刷处于初始状态下，流过电机的电流为I_TC1时，三极管集电极和发射极之间的电压； 

U_TCe2为电动牙刷处于使用状态下，流过电机的电流为I_TC2时，三极管集电极和发射极之间的电压； 

ΔU_TCe＝U_TCe2-U_TCe1； 

ΔU_TCef为当ΔT_T负为设定值时的U_TCe2和U_TCe1之差，例如可设此值为压力差值的报警电压阈值； 

ΔT_T负f为ΔT_T负的设定报警扭矩差。 

依电机原理和电路原理和能量守恒： 

当牙刷处于初始状态时， 

T_负1Kω_电1＝ηT_T电1ω_电1

则： 

T_T电1＝C_TΦI_TC1-T_T01

T_T01＝C_TΦI_T01

$U_{\mathrm{TM}1}=U_{\mathrm{Ty}1}-\frac{I_{\mathrm{TC}1}}{m}$

设： 

当牙刷处于使用状态时， 

T_负2Kω_电2＝ηT_T电2ω_电2

则： 

T_T电2＝C_TΦI_TC2-T_T02

T_T02＝C_TΦI_T02

$U_{\mathrm{TM}2}=U_{\mathrm{Ty}2}-\frac{I_{\mathrm{TC}2}}{m}$

设： 

设：ΔT_T电＝T_T电2-T_T电1

ΔI_TC＝I_TC2-I_TC1

${\mathrm{\ΔU}}_{\mathrm{TCe}}=\frac{{\mathrm{\ΔI}}_{\mathrm{TC}}}{m}$

设：ΔT_T负＝T_T负2-T_T负1

通过查询三极管的技术手册或实验可得到m值的大小，本实施例中三极管I_b几乎不变，三极管工作在饱和区，故m可认定为定值。通过查询电机技术规格或实验可得到C_TΦ值和I_TM0额值和U_TM0额值。 

通过电动牙刷机械结构可确定K值。利用η＝T_负ω_毛/T_电ω_电公式，通过实验可得到η值的大小，本实施例中η值变化较小，可以认为不变。 

设定ΔT_T负f值，例如6.6g·cm ，把以上各参数值输入IC程序储存，并把下列公式输入程序， 

ΔU_TCe＝U_TCe2-U_TCe1

通过IC10一次检测U_Ty1，U_TCe1并作为初始值存贮，通过IC10多次检测U_TCe2和U_Ty2，并不断更新U_TCe2和U_Ty2。结合所述的公式和预录入的参数可以计算出ΔU_TCef，利用ΔU_TCe＝U_TCe2-U_TCe1计算出实际的ΔU_TCe。 

作为示例，在牙刷启动后0.1秒时刻，IC10通过和U_TCe相连的A/D接口读取当前时刻的U_TCe1并作为初始U_TCe1存贮，并读取此时的电池端电压记为U_Ty1作为初始值存贮。IC10每隔一定时间(如 0.1秒)检测一次当时的U_TCe2，得出U_TCe2和U_TCe1之差ΔU_TCe，并及时读取当前的电池端电压记为U_Ty2，并及时更新已存贮的之前的U_Ty2，通过所述公式和参数计算出此时的ΔU_TCef。如果在0.5秒内所有的ΔU_TCe大于或等于计算出的警示阈值ΔU_TCef值，IC10认定使用者刷牙阻力扭矩大于或等于设定值，IC10向用于指示压力警示的第四LED输出长时间发光的信号，用于指示压力警示的第四LED长时间发光。同时，IC10持续地对U_Ce进行检测，当发现在0.5秒内不是所有的ΔU_Ce大于或等于该警示阈值时，IC则认定刷牙力已小于设定值，IC10向用于指示压力警示的第四LED输出停止发光信号，第四LED停止发光，如此循环。 

同样，也可用试验方法建立警示阈值查找表，其方法与上述相同，在此不再赘述。

如上所述，通过计算出的相应的ΔU_Cef阈值，将这些阈值作为电压警示阈值存储在IC中，从而得到电压警示阈值查找表。利用ΔU_Ce＝U_Ce2-U_Ce1计算出实际的ΔU_Ce。 

当然，也可用ΔU_r＝rΔI_C(电池内阻上电压的变化)、ΔU_M(电机端电压的变化)、或任何I_C回路上的电压变化作为警示信号。 

此外，以上所有的指示也可以用灯光或声音或它们的组合来实现。 

Claims (14)

1.一种电动牙刷包括可拆卸的刷部和柄部，刷部包括刷头和刷毛，柄部包括电机和与之连接的传动机构、单片机(IC)及电子线路板(PCBA)，其中，该PCBA包括电源模块的一部分、检测模块、驱动模块、控制模块、指示模块及指令模块，电源模块包括输出标准参考电压的器件，驱动模块包括功率放大电路，控制模块包括IC及其周边电路，指令模块包括接通/断开触发开关和模式转换开关，检测模块包括一个或多个电压传感器，利用直流永磁微电机在不同负载下具有不同工作电流的特性，电压传感器分别测得使用状态下的电压值及刷头转动但刷毛未与即将被刷的牙齿接触的初始状态的电压值，得到所述两个电压值的差值，当使用者施加在刷头上的力大于设定值时，所述检测模块检测到电压传感器上的电压差值大于设定值，IC发出信号，所述指示模块中用于反映压力的相应指示元件发出指示，提醒使用者施于刷头上的力过大。

2.如权利要求1所述的电动牙刷，其中，所述检测模块检测牙刷处于初始状态时的牙刷的阻止功率及处于使用状态时的功率，处于使用状态时的功率是刷毛已与被刷牙齿接触的阻止功率和牙刷自身的阻止功率之和，得出使用状态时的功率和初始状态时的牙刷的阻止功率之差，在一定时间内，若检测到的所述功率差大于或等于设定的警示阈值，IC发出信号，指示模块中用于反映压力的相应指示元件发出指示，提醒使用者施于刷头上的力过大。

3.如权利要求1所述的电动牙刷，其中，当所述检测模块检测到与使用者施加在牙刷刷毛上的力相应的刷头上的阻力扭矩大于设定值时，IC发出信号，指示模块中用于反映压力的相应指示元件发出指示，提醒使用者施于刷头上的力过大。

4.如权利要求2或3所述的电动牙刷，其中，所述检测模块检测牙刷在电机启动前的电池开路端电压，通过存储在IC中的电压警示阈值查找表，查找到与所述电池开路端电压下相应的流过电机的电流在场效应管漏极和源极之间或在三极管集电极和发射极之间产生的电压差值的警示阈值，同时IC检测牙刷处在初始状态下流过电机的电流在场效应管漏极和源极之间或在三极管集电极和发射极之间产生的电压值，而且IC不断检测和更新使用状态下流过电机的电流在场效应管漏极和源极之间或在三极管集电极和发射极之间产生的电压值，将每次测得的牙刷处在使用状态下的电压值和初始状态下电压值之间的差值与警示阈值进行比较，如果在一定时间内，顺序测得的当时使用状态的所述电压值和初始状态的所述电压值之间的差值部大于或等于所述警示阈值，IC发出信号，指示模块中用于反映压力的相应指示元件发出指示，提醒使用者施于刷头上的力过大。

5.如权利要求2或3所述的电动牙刷，其中，所述检测模块检测牙刷在电机启动前的电池开路端电压，通过存储在IC中的电压警示阈值查找表，查找到与电池开路端电压下相应的流过电机的电流在电池内阻上产生的电压差值对应的电池端电压差值的警示阈值，同时IC检测牙刷处在初始状态下的电池端电压值，而且IC不断检测和更新使用状态下的电池端电压值，将初始状态下电池端电压值和每次测得的牙刷处在使用状态下的电池端电压值之间的差值和警示阈值进行比较，如果在一定时间内，初始状态的所述电池端电压值和顺序测得的当时使用状态的所述电池端电压值之间的差值都大于或等于所述警示阈值，IC发出信号，指示模块中用于反映压力的相应指示元件发出指示，提醒使用者施于刷头上的力过大。

6.如权利要求1-3所述的电动牙刷，其中，通过按压模式转换开关，使用者可以启动所述模式转换控制模块，借助按压模式转换开关的时间长短的不同可以实现工作模式转换和记忆功能，在该模式转换控制模块的控制下，牙刷可以工作在正常刷牙时的全速工作模式、改善牙齿敏感的低速工作模式、满足保健需求的磨光工作模式及按摩工作模式。

7.如权利要求6所述的电动牙刷，其中，所述控制模块在牙刷运转于同一工作模式时控制刷头运转速度或刷头运转速度的变化快慢，用以提醒使用者在该工作模式下或在该工作模式的某一时间段内刷牙时间已达设定值。

8.如权利要求1所述的电动牙刷，其中，所述指示模块还包括电池容量指示部分，若牙刷使用前电池容量小于电池总容量的x％、使用者启动牙刷时，牙刷在运转期间，用于指示电池容量的指示元件发出指示，一旦牙刷停止运转，该指示元件在预定时间内发出不同于所述指示的另一种指示，用以提醒使用者，电池容量不够，若牙刷使用前的电池容量大于或等于电池全容量的x％、使用者启动牙刷时，牙刷在运转期间，用于电池容量指示的另一指示元件发出不同于所述两种指示的第三种指示，直到牙刷停止运转，一旦牙刷停止运转，该另一指示元件停止发出指示，以此提醒使用者，电池容量足够，可以不充电。

9.如权利要求8所述的电动牙刷，其中，所述x＝30。

10.如权利要求1-3所述的电动牙刷，其中，所述指示元件为发光二极管。

11.如权利要求1-3所述的电动牙刷，其中，所述PCBA还包括充电模块，该充电模块包括充电电路，充电电路包括负载感应线圈及设于该负载感应线圈处的电压检测电路，该电压检测电路利用两个串联电阻的分压检测负载感应线圈上产生的感应电压，此串联电阻和IC的一个A/D转接口相连，如果A/D接口上的电压峰值在预定时间内连续多次超过预定电压值，IC判断出正对牙刷进行充电，用于指示充电状态的指示元件发出指示，此时，不管电机处于工作或非工作状态，IC将强行停止对驱动模块的驱动，电机停止运转。

12.如权利要求11所述的电动牙刷，其中，在牙刷进行充电时，如果此时牙刷中电池的容量小于电池总容量的n％，用于充电指示的指示元件在预定时间内发出指示信号，随后IC不断监测电池的容量，当电池容量达到总容量的n％时，用于充电指示的指示元件发出不同于所述信号的另一种指示信号，当牙刷离开充电器时，用于充电指示的指示元件停止发出所述指示信号，如果将牙刷置于充电器上、电池的容量大于总容量的n％，用于充电指示的指示元件发出第三种指示信号，由此，借助用于充电指示的指示元件发出的不同信号可以指示电池的实际容量是否充足。

13.如权利要求12所述的电动牙刷，其中，所述100＞n＞90。

14.如权利要求13所述的电动牙刷，其中，所述n＝95。

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