CN104619212A - 使用霍尔效应传感器具有压力传感能力的谐振驱动的电动牙刷 - Google Patents

Abstract

一种牙刷，包括手柄部，其包括动力驱动系统(14)；并且还包括刷头组件(20)，其包括在其远端具有刷元件(21)的刷头臂。传动系组件(12)响应来自于所述动力组件的驱动信号，用于将所述动力组件的动作转变成所述刷头组件的运动。磁体(30)被固定到所述传动系的后部，具有被安装在当所述牙刷在操作中移动时由所述磁体所产生的磁场内的霍尔效应传感器(32)。所述刷元件上的压力产生所述霍尔传感器输出的相移。处理器(15)确定当压力被施加到所述刷构件所述霍尔传感器信号的相移值并通过使用所存储的信息(71)产生指示施加的所述压力的信号，所述存储的信息(71)针对特定器具使相移与压力相关。

Description

使用霍尔效应传感器具有压力传感能力的谐振驱动的电动牙刷

技术领域

本发明一般涉及谐振驱动的电动牙刷，更具体涉及这样的包括压力感测机构的牙刷。

背景技术

压力传感机构在电动和手动牙刷中的使用通常是众所周知的，并且已经以各种具体实施方案实施。压力传感器检测被施加到牙刷的刷毛区的力。这种传感器可以包括例如简单的弹簧、力矩臂和开关。随着压力的增加，通常由于用户将牙刷压靠在牙齿上的动作，弹簧被压缩，其移动力矩臂，直到达到最大阈值压力，在该点力矩臂被移动到用于操作开关的位置，这导致被引导到指示器组件的信号，该指示器组件为用户提供反馈。然后，用户有机会将由他/她自己的动作所产生的压力改变到低于阈值水平的水平。然而，已知的用于牙刷的压力传感器通常是复杂的，因此实施昂贵，并且在许多情况下，不提供可靠的结果。因此，理想的是具有一种压力传感机构，其紧凑、简单并相对便宜，特别用于谐振驱动的电动牙刷。

发明内容

因此，该电动牙刷包括：含有动力驱动系统的手柄部；刷头组件，包括刷头臂和在其远端的刷元件；响应于动力驱动组件的驱动信号用于产生刷头组件的运动的传动系组件；被定位成使得它按照刷头组件的运动而移动的磁体，该磁体产生磁场；安装在磁场内的霍尔效应传感器，其中磁场响应相对于驱动信号的相位具有相移；和处理器，其用于确定在刷牙操作期间由刷元件上的负载造成的霍尔传感器输出的相移，并用于根据器具内使相移的值与负载相关的所存储的信息，产生指示所述负荷的信号。

附图说明

图1是包括本文所公开的压力传感系统的电动牙刷的一部分的等距视图。

图2是来自于本系统的霍尔效应传感器部的典型输出信号图。

图3是霍尔效应传感器的半周期输出，其中输出信号被校准成用于器具的驱动信号。

图4是类似于图3的示意图，其示出了由负载造成的输出信号的相移。

图5是处理器及其功能的示意图，用于确定牙刷使用期间被施加到刷毛区的压力。

图6是本发明的一个实施例中使用的过零电路的示意图。

具体实施方式

图1是谐振驱动的电动牙刷的分解视图，其结合下面描述和示出的压力传感机构。整体地以10示出的电动牙刷包括：由动力系统14谐振地驱动的传动系组件12，其包括电池和电子载体(PCB)。传动系和动力组件都是常规电动牙刷元件，因此不作详细描述。所示的电动牙刷还包括橡胶缓冲器17，其充当外壳18内的用于传动系的缓冲垫。电动牙刷还包括具有微处理器控制15的印刷电路板，用于为动力系统产生驱动信号。可移除地从传动系固定到驱动杆23的是刷头组件20，其远端是具有刷毛区22的刷构件21。在驱动组件的后端的是磁体30。在所示实施例中，磁体具有以下尺寸：13.4×9.0×4.0(mm)。合适的磁体的一个例子是钕。安装在电动牙刷内部的是霍尔效应传感器32，其被邻近磁体定位。合适的霍尔效应传感器的一个例子是由Allegro微系统制造的Allegro A1395。霍尔效应传感器32可被安装在电动牙刷内的各种位置；但是在一个实施例中，霍尔传感器被安装在柔性电路34上，其被附接到印刷电路板15，以使霍尔传感器能响应于在操作中随着牙刷移动变化的磁场。

在空载条件下，从霍尔传感器产生正弦输出，如图2所示。在本发明中，当刷毛区的压力变化时，霍尔传感器检测用于器具的驱动信号和传动系/刷头组件的机械响应之间的相位变化，如然后磁体30的运动。随着压力增加，相移增加。通常，相位变化将在从0克到至少300克的限定的压力(力)变化中将是线性的，在300克点处，压力已经超过用于舒适性和有效性的典型最大值。

信息被存储在处理器15内，对于被测试的特定器具，其特别地使相移值与施加的力相关，使得特定的相移准确指示施加到牙刷的刷毛区的压力/力。

驱动信号通常是方波，其在一个周期中从零电位上升到正值，并在由驱动频率确定的时间之后，下降到相反极性的值，对于每一个事件，该驱动信号周期持续牙刷的操作的持续时间。在所示的实施例中，驱动频率为250赫兹，运动的幅度是在9至11度之间。然而，这仅是操作的一个例子。频率和幅度可以变化。

牙刷最初被校准，以确定存在于方波电动机驱动信号和机械响应信号之间的时间“t”偏移，如由来自霍尔传感器的信号输出所指示的。这是在空载条件下完成的，使得电动机驱动信号与响应信号之间的静态相位关系是已知的，并且可以实际上在牙刷的实际操作过程期间是用于信号处理的零设定。

图3示出了响应信号(霍尔传感器输出)的单个半周期，其中信号的左手边缘与电动机驱动信号的上升沿同步。当压力/负载被施加到刷毛区时，相对于电动机驱动信号在霍尔传感器的输出信号中将存在相移。相移的一个例子示于图4中。

当负载被施加到刷毛区时，相移的值被连续地确定。存在许多方法来确定相移。一个方法是通过确定过零。当相位移动时，来自霍尔传感器的响应信号的过零将成正比移动。零阈值是通过平均多个周期的信号来确定的。然后，从电动机驱动周期的开始通过该零阈值到传感器信号的第一转变的时间被测量。过零提供了相移的指示。合适的过零电路的一个例子示于图6中。电阻器42和电容器43形成低通电路，以从霍尔传感器滤除交流信号44。所得的平均电压是到比较器45的一个输入。到比较器的另一个输入是直接霍尔传感器输出。当霍尔传感器的交流信号通过其平均值时，比较器45的输出转变。

用于获得相移信息的另一种可能性是通过正交采样处理，其中每个周期使用四个样本以提取直流偏移和正弦波的相位。四个样品相隔90°获取，在下面的计算由S1，S2，和S4表示。平均电压或直流偏移可以计算出：

$V_0=\frac{S_1+S_3}{2}=\frac{S_2+S_4}{2}$

这些信号典型地将包括噪声，使得多个样本通常被平均以使结果平滑。为了计算相位，同相位和正交相位的两个样本被定义如下：

$I=\frac{S_1}{V_0}$ 和 $Q=\frac{S_2}{V_0}$

相位角被定义为：

$\mathrm{\θ}=\mathrm{\α}\tan 2\left(\frac{1}{Q}\right)$

对多个样本平均I和Q可有效地降低噪音。

以上只是确定相移的两个例子。其它技术也可以使用。

总处理顺序示于图5中。刷毛区上压力的总负载，称为50，一般包括由用户52直接施加的压力，以及在实际刷牙期间由于用户的唇54和脸颊56而发生的负载。

总负载产生电动机驱动信号和表示系统响应的霍尔传感器输出信号之间的相移。霍尔传感器输出60被示出于58。传感器的输出信号受信号噪声61影响，该噪声可以来自于各种来源，包括来自于霍尔传感器本身，以及传感器安装变化或谐振系统随时间的变化。霍尔传感器的输出对动态噪声62也是敏感的，动态噪声通常是由来自传动系的振动产生的。

霍尔传感器输出随后在63被处理，其可包括滤波64和取平均66以产生尽可能干净的输出信号。这例如由图4中的信号表示。该信号，在图5中表示为输出68，然后被经受进一步处理。实际相移在70被确定。如上面所指出的，该相移可以由标准过零电路来确定。所述相移被确定用于校准器具。然后处理器通过利用响应曲线或存储的信息71使用相移来计算实际压力，在72，使沿一个轴线的相移与沿另一个轴线的压力相关。典型地，如上面所指出的，该响应曲线是在至少0至300克的压力(力)范围内，相移对压力的直线。

被连续提供的结果，被用于产生反馈信号，该反馈信号可以是听觉、视觉或感觉的，在74表示。反馈可以指示以下中的一个或多个：(1)压力已经超过了最大压力阈值；(2)压力还没有达到最小压力；和(3)压力处于最小和最大压力阈值之间，这是可以接受的。反馈是用户可感知的，如方框76所表示，其旨在产生用户响应，由方框80表示。用户响应将典型地导致改变的用户负载，确定压力值具有所产生的变化。该信息将在连续的基础上被提供给用户，使得用户可以为此刷毛区的负载在最大和最小阈值之间，用于有效和安全操作。

因此，电动牙刷已经被公开，其包括使用霍尔效应传感器并确定由压力造成的相移的压力传感系统，其中存储在器具内的信息使相移值与压力相关。所公开的系统相对简单和便宜，并且是可靠的。

虽然本发明的优选实施例已被公开用于说明的目的，应该理解的是，各种改变、修改和替换可以在该实施例中被结合，而不脱离本发明的精神，这是由下面的权利要求所限定的。

Claims (10)

1.一种电动牙刷器具，包括：

手柄部，其包含动力驱动系统(14)；

刷头组件(20)，包括刷头臂和在其远端的刷元件(21)；

传动系组件(12)，其响应所述动力驱动组件的驱动信号，以用于产生刷头组件的运动；

磁体(30)，其被定位成使得其按照所述刷头组件的运动而移动，所述磁体产生磁场；

霍尔效应传感器(32)，其被安装在所述磁场内，其中所述磁场响应具有相对于所述驱动信号的相位的相移；和

处理器(15)，用于确定在刷牙操作期间由所述刷元件上的负载造成的所述霍尔传感器输出的相移，并且用于根据所述器具(10)内的使相移值与负载相关的存储的信息，产生指示所述负载的信号。

2.根据权利要求1所述的电动牙刷器具，其中所述处理器被校准，使得在空载条件下所述霍尔传感器输出信号的相位与所述驱动信号一致。

3.根据权利要求1所述的电动牙刷器具，包括用于确定所述相移的过零电路(43)。

4.根据权利要求1所述的电动牙刷，其中所述刷构件上的所述压力包括在刷牙操作期间由用户将所述刷构件压靠在牙齿上产生的负载(52)、由用户的唇产生的任何负载(54)和由用户的脸颊(56)产生的任何负载。

5.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(6)内的平均值和用于从所述霍尔信号输出过滤噪声(64)的能力。

6.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的信息来使所述霍尔传感器的所述输出与第一预建立的阈值相关联，并当所述刷构件上的压力超过所述第一阈值时，为用户提供反馈信息(74)。

7.根据权利要求6所述的电动牙刷，其中所述第一阈值代表最大压力值。

8.根据权利要求1所述的电动牙刷，包括代表最小压力值的第二预建立阈值。

9.根据权利要求1所述的电动牙刷，其中来自于所述霍尔传感器的输出信号是连续的，并且来自于所述处理器的反馈信号也是连续的，代表所述刷构件上的压力的连续指示。

10.根据权利要求1所述的电动牙刷，其中所述反馈信息呈用户(76)可识别的形式。