CN104619211B - 使用霍尔传感器为谐振驱动牙刷提供连续反馈的力传感器 - Google Patents

Abstract

电动牙刷包括手柄部分和刷头组件(32)，该手柄部分包括动力驱动组件，该刷头组件(32)包括刷头臂(36)和在其末端处的刷元件(38)。V形弹簧组件(14)转换动力驱动组件的动作以在来回动作中驱动刷头组件。在V形弹簧组件后端处的安装构件(55)提供用于磁体(56)的底座。V形弹簧组件和刷头组件包括绕在V形弹簧组件的前端处的枢轴点移动的单元，使得V形弹簧组件的后端根据被施加到刷构件的压力而被移位。霍尔效应传感器(58)被安装在当由于刷头上的压力V形弹簧组件的后端被移位时由磁体产生的变化的磁场内。处理器(65)响应于来自霍尔传感器的输出和存储的信息以产生指示刷头上的压力的信号并且提供压力何时超过阈值的指示。

Description

使用霍尔传感器为谐振驱动牙刷提供连续反馈的力传感器

技术领域

本发明总体上涉及谐振驱动磁致动电动牙刷，并且更具体地涉及这样的具有压力感测系统的牙刷。

背景技术

在很多不同的特定实施方式中，在电动牙刷和手动牙刷二者中使用感测机构来确定施加到牙刷的刷毛区部分的压力是众所周知的。通常，某一种类的传感器测量施加到刷毛的力。在很多情况下，传感器包括弹簧、力矩臂和开关，其中施加到刷毛区的力在弹簧上产生作用，这继而驱动力矩臂。当力达到阈值或触发值时，开关被操作，这向用户发送施加的力已超过阈值水平的信号。使用者因此具有将压力降低到可接受水平的机会。

这样的系统还可以用于确保至少最小量的压力也由用户施加到刷毛区。然而，压力感测系统常常难以在典型的电动或手动牙刷中实施。这样的系统还可以显著地增加牙刷的总体成本并且经常遭受不精确。

通常，在这样的压力感测系统中，没有压力信息的连续反馈而只有何时施加的压力已达到指示过度压力的阈值的指示。

因此，用于牙刷的谐振驱动系统的紧凑、简单并廉价的传感器系统所期望的，特别是提供连续的压力反馈的传感器系统。

发明内容

因此，一种电动牙刷，包括：包含动力驱动组件的手柄部分；刷头组件，包括刷头臂和在其远端处的刷元件；响应于动力驱动组件以用于将动力驱动组件的动作转换为刷头组件的来回动作的V形弹簧组件，其中V形弹簧组件和刷头组件一起绕枢轴点移动；定位在V形弹簧组件的后端的安装构件；附连到安装构件的磁体；安装在当V形弹簧的后端移动时由磁体产生的变化的磁场内的霍尔效应传感器，其中霍尔效应传感器的输出从对应于由刷元件上的压力造成的V形弹簧的后端的位移的空载状况而变化；以及响应于霍尔传感器输出和存储的信息以产生指示在刷牙操作期间施加到刷元件的压力的信号的处理器。

附图说明

图1是示出包括本文所描述的压力感测系统的电动牙刷的主要部件的剖面图。

图2是图1的系统的一部分的更详细的剖面图。

图3是本系统的霍尔效应传感器部分的输出的图。

图4是示出具有屏蔽的图2的压力感测系统的结构的简化磁场图。

图5是来自在图1、图2和图4中示出的霍尔效应传感器的输出信号的处理的图。

具体实施方式

图1示出了包括本发明的压力感测系统的电动牙刷的主要部分。图2示出了图1的系统的一部分的更详细的视图。一般以10示出的电动牙刷包括具有定子12的马达(11)，其驱动V形弹簧驱动组件14。图2中示出的V形弹簧具有中心节点16使得当V形弹簧组件的后部17通过马达的动作在一个方向上扭转或旋转时，V形弹簧组件的前部19在相反方向上扭转或旋转。V形弹簧组件14由一般以20示出的轴承座支撑，轴承座继而被安装到未示出的器具的壳体或内部支架。在轴承座20和V形弹簧组件的下边缘之间延伸的是两个支撑轴承22和24。V形弹簧组件14可以包含各种不同的实施例。V形弹簧组件的前端26与从其延伸安装刀片的支撑构件28紧密配合。可移除地定位在安装刀片30上的是刷头组件32，其包括与牙刷的手柄紧密配合的近端部分34。刷头组件包括在末端处的细长臂36，在细长臂36上的是包括刷毛区的刷构件38。在典型的动作中，刷构件将来回移动通过特定角度，例如，9-11°，以完成牙齿的清洁。

仍参考图1和图2，邻近V形弹簧组件14的上表面的是基本上延伸V形弹簧组件的长度的节点构件23。邻近节点构件的上表面定位的是片弹簧40，其也大约延伸V形弹簧组件的上部的长度并且覆盖该V形弹簧组件的上部。节点构件和片弹簧由轴承元件42和44连接到V形弹簧组件的相对两端。连接到轴承42和44以及节点16的是弹簧构件46、48和50。弹簧46和50在片弹簧40上提供预加载。

刷头组件和V形弹簧组件绕靠近大约在轴承22处的V形弹簧组件的前端的点52一起枢转，而节点16处的弹簧48和50以及后轴承44倾向于对抗位移。

当在刷牙动作期间抵靠刷毛区施加力(箭头54)时，刷头组件将倾向于移动，从而绕枢轴点52旋转。V形弹簧组件将在相反方向上移动。抵靠刷毛区施加的力通常被称为压力。在刷毛区上的该力或负载主要由用户动作产生，尽管在正常刷牙期间额外的负载由用户的脸颊和嘴唇产生。它是下文描述的感测系统所确定的该总负载或力。

仍参考图1和图2，亚铁安装元件55被固定到V形弹簧组件的后端25。定位在安装元件的后表面56处的是磁体56。在示出的实施例中的磁体具有以下尺寸：13.4x9.0x4.0(mm)。合适的磁体的一个示例是钕。远离磁体56定位但在由磁体产生的磁场内的是霍尔效应传感器58。在示出的实施例中，霍尔效应传感器是传统的并且可以在市场上购买。合适的霍尔效应传感器的一个示例是AustriaMicrosystems(奥地利微系统)AS5510。在示出的实施例中，霍尔效应传感器被安装在牙刷中的驱动电车(tram)框架上并且大约在其相同的平面中距磁体大约2.3mm定位。可以使用其他霍尔效应传感器，只要它们在磁体来回移动，从而由于刷毛区上的力而横向移位时，对变化的磁场具有足够的灵敏度即可。

在操作中，在刷毛区上没有任何力的情况下，当V形弹簧的后端和磁体来回摆动通过选定角度而没有横向位移时，霍尔效应传感器的电压输出正弦地变化，如图3所示。基本上，霍尔效应传感器的电压输出将响应于变化的磁场而改变。变化的磁场提供用于确定正施加到刷毛区的力的量的基础。当力被施加到刷毛区时，V形弹簧组件枢转，抵抗弹簧50的动作移动V形弹簧的后端和磁体，从而产生磁体在霍尔效应传感器的方向上的横向位移。霍尔效应传感器对检测当磁体更靠近传感器时磁场中的变化是足够灵敏的。牙刷在其微处理器中包括呈响应曲线的形式的信息的表，该表使霍尔效应传感器的电压输出与磁体的位移并且因此与施加到刷元件的力有关。磁体的位移将导致霍尔传感器的电压输出相对于空载条件下的电压输出的变化。因此，传感器输出中的变化是施加到刷毛区的力的可靠的指示。

霍尔效应传感器的灵敏度在一些情况下相对于磁场可能太高。这样的问题通过使用如图4所示的安装在磁体56和霍尔效应传感器66之间的驱动壳体62上的磁屏蔽构件60而被克服。可以使用各种屏蔽布置，但一个示例是使用镍铁高导磁合金(mu-metal)箔。还可以使用软钢。在示出的实施例中，镍铁高导磁合金的厚度是大约0.3mm。这样的布置降低了传感器的灵敏度以便提供对当磁体由于刷毛区中的力而被移位时磁场的变化的精确响应。

图5示出了用于通过处理器65完成力确定的全过程和结构元件。用户动作被表示在框66处，指示抵靠刷毛区施加的力的量。总用户负载被表示在67处。用户负载包括由用户67A实际施加的负载，以及在刷牙期间由用户的嘴唇67B和用户的脸颊67C造成的负载。这导致由框68表示的刷毛区上的总负载或力，其造成V形弹簧的后端和磁体绕枢轴的位移。该位移产生来自霍尔传感器的信号，如由框70表示的。

霍尔输出信号然后在框74处被处理，从而确定由总负载造成的电压的变化和输出；处理包括取多个周期内的输出的平均值，在76处被提及，以及过滤来自信号的噪声，该噪声包括电子噪声和来自马达的机械噪声，被表示在78处。该结果为输出信号80，该输出信号是到处理电路的剩余部分的输入信号。如上文所指出的那样，微处理器包括使霍尔传感器输出与力值相关的响应曲线或者信息表81。响应曲线对于0-300克的力的范围通常是直线。计算还将包括关联步骤，如84处所表示，该关联步骤涉及在力范围内力和霍尔传感器值的关联。计算82的输出将是(1)是否已经达到最小压力；(2)压力是否在预选范围内；以及(3)是否已经超过最大压力值的指示。信息被连续地提供。作为示例，最小压力可以是30克，而最大压力可以是300克。

该信息被证明为某一形式，例如，听觉、视觉或者感觉的反馈(框86)。该反馈是由用户可感知的，如88处所示，这使得用户能够采取合适的动作，特别是增加或降低压力或者如果压力在期望的范围内，则保持目前的力，如框90总体上表示。该可感知的反馈以及用户对其的依赖以做出刷牙习惯的改变是所期望的以产生长期的良好牙齿护理。

应当认识到的是在本文中公开了用于提供关于刷头的压力信息的简单、可靠的系统，该系统提供关于抵靠刷区的压力的连续信息。

虽然已经为了说明的目的公开了本发明的优选实施例，但是应当理解的是各种变化、修改和替代可以在不脱离由以下权利要求限定的本发明的精神的情况下被并入实施例中。

Claims (12)

1.一种电动牙刷，包括：

手柄部分，包含动力驱动组件；

刷头组件(32)，包括刷头臂(36)和在其远端处的刷元件(38)；

V形弹簧组件(14)，其响应于所述动力驱动组件以用于将所述动力驱动组件的动作转换为所述刷头组件的来回动作，其中所述V形弹簧组件和所述刷头组件绕枢轴点(52)一起移动，

所述V形弹簧组件进一步响应于被施加到所述刷元件的压力，使得所述刷头组件绕所述枢轴点旋转，而所述V形弹簧组件的后端在相反方向上移动；

安装构件(55)，其被定位在所述V形弹簧组件的后端处；

磁体(56)，其被附连到所述安装构件；

霍尔效应传感器(58)，其被安装在当所述V形弹簧的所述后端移动时由所述磁体产生的变化的磁场内，其中所述霍尔效应传感器的输出从对应于由于所述刷元件上的压力所述V形弹簧的所述后端的位移的空载状况而变化；以及

处理器(65)，其响应于所述霍尔传感器输出(70)和存储的信息(81)以产生指示在刷牙操作期间施加到所述刷元件的所述压力的信号。

2.根据权利要求1所述的电动牙刷，其中所述动力驱动组件包括具有驱动所述V形弹簧组件的定子部分(12)的马达(11)。

3.根据权利要求1所述的电动牙刷，其中所述安装构件包括亚铁金属。

4.根据权利要求1所述的电动牙刷，其中所述V形弹簧组件具有沿其长度大约在中间处的节点，其中当所述V形弹簧的后部通过所述动力驱动组件的动作在一个方向上扭转时，所述V形弹簧组件的前部在相反方向上扭转，从而产生所述刷头组件和所述刷元件的来回扫动动作。

5.根据权利要求1所述的电动牙刷，包括在所述V形弹簧组件的相对两端部处提供预加载的弹簧组件(46，50)。

6.根据权利要求1所述的电动牙刷，包括金属屏蔽(60)，所述金属屏蔽(60)被定位在所述磁体和所述霍尔效应传感器之间以降低所述霍尔效应传感器对当所述磁体通过所述刷元件上的压力被移位时由所述磁体生成的所述变化的磁场的灵敏度。

7.根据权利要求6所述的电动牙刷，其中所述金属屏蔽是大约0.3mm厚的镍铁高导磁合金。

8.根据权利要求1所述的电动牙刷，其中所述处理器包括取所述霍尔传感器的所述信号输出在若干个周期内的平均值(76)以及用于过滤掉来自所述霍尔信号输出的噪声(78)的能力。

9.根据权利要求1所述的电动牙刷，其中所述处理器使用所述存储信息以将所述霍尔传感器的所述输出与至少一个预定阈值相关联(82)并且向用户提供关于超过第一阈值的所述刷元件上的所述压力的反馈信息(86)。

10.根据权利要求1所述的电动牙刷，其中由所述处理器产生的所述信号是连续的以提供所述刷元件上的压力的连续指示。

11.根据权利要求9所述的电动牙刷，其中所述处理器向所述用户提供关于超过最小阈值的所述刷元件上的压力的指示。

12.根据权利要求9所述的电动牙刷，其中所述反馈信息呈所述用户可识别的形式。