CN104883997A - 用于通过刷毛动作确定牙齿上的压力负载的力和动态负载测量的组合 - Google Patents

Abstract

该牙刷包括传感器系统，用于通过直接力测量例如位移，确定牙齿上的压力，和用于通过动态负载测量系统，诸如相移，确定牙齿上的压力的系统。这些不同的压力结果被与霍尔效应输出值的峰-峰刷毛运动值相结合并与表进行比较，以获得对牙齿的刷毛压力的更精确的值，并因此提高、降低或维持过度压力的触发阈值。

Description

用于通过刷毛动作确定牙齿上的压力负载的力和动态负载测量的组合

技术领域

本发明一般涉及具有刷毛压力传感器的电动牙刷，并且更具体地涉及具有改进的压力传感精度的牙刷。

背景技术

压力传感器在电动牙刷中的使用是公知的。这样的传感器，也称为负载传感器，以克为单位实际测量刷毛区施加于牙齿的力。然而，这种传感器的结果除了由用户动作所产生的对着牙齿的直接刷毛力之外，通常包括其它类型的负载，例如由面颊、舌和嘴唇产生的负载。除了其它负载，对着牙齿的刷毛压力的准确指示将为用户提供更好的信息，以及使器具更有效地适应。

因此，理想的是提供一种压力/力感测系统，其为用户提供了有关过大的力的应用的更准确信息。

发明内容

因此，具有压力传感器的电动牙刷包括：用于通过直接力测量确定牙刷的刷毛施加在用户的牙齿上的压力的系统；用于通过动态力测量确定牙刷的刷毛施加在用户的牙齿上的压力的系统；和响应于通过直接力测量和动态力测量所确定的压力来调整指示过度刷毛力的压力的预先建立量的处理系统。

附图说明

图1是当正在刷牙齿的外(颊)面时，用户的口腔和牙刷的各个部分的平面图。

图2是图1的正视图。

图3是当正在刷牙齿的内(舌)面时，用户的口腔和牙刷的平面图。

图4是图3内的口腔的俯视图。

图5是牙刷的产生压力信息的一部分的简化图。

图6是霍尔效应传感器的半周期的输出，其具有校准至用于器具的驱动信号的输出信号。

图7是类似于图6的示意图，其示出了由负载造成的输出信号相移。

图8从图5的传感器产生直接力信息的流程图。

图9是用于从图5的传感器确定动态力信息的流程图。

图10是一个图表，其显示了来自于图6和图7中的信息如何被用于调整由用户施加的过大的力的触发点/阈值。

具体实施方式

除了牙刷刷毛作用在牙齿上的压力，在刷牙动作期间还存在由口腔中的组织产生的几种类型的负载。存在一种弹簧负载，其是通过刷毛对牙齿的动作产生的。还有一种呈摩擦形式的阻尼动作，其发生于靠着支撑牙刷刷毛的刷毛板的脸颊，靠着牙齿的刷毛，靠着刷毛板的舌头和靠着牙刷的颈部的嘴唇之间，更进一步，存在一种通过靠着刷毛板的脸颊，以及靠着刷毛的牙齿，靠着刷毛板的嘴唇，靠着刷毛板的舌头，靠着牙齿的刷毛和靠着刷毛的牙齿所产生的负载。

这些对于牙齿的外(颊)面的不同负载示于图1和图2中，而图3和4示出了对于内(舌)面的负载。牙齿被示出为12，脸颊示为14，舌头示为16，并且嘴唇示为18。牙刷总体显示为20，牙刷的颈部示为22，刷毛板部示为24，并且刷毛示为28。压力传感器系统，试图测量刷毛对牙齿的力/负载，以便为用户提供关于相对于其上可能压力过大的力，以及用于清洁效果的最小力的应用的信息，然而，这种传感器实际上不只是测量对牙齿的刷毛压力，因此为用户提供相对于过度压力的有点不准确的信息。具体地，除了对牙齿的直接刷毛压力，由于某些口腔组织的包含，用于为用户产生过度压力指示的触发点(阈值)可能太高或太低。如果过高，可能在没有警告的情况下引起损害，并且如果过低，效果可能降低。

本发明被设计用于为用户提供更精确和消息灵通的触发点信息，特别是关于由刷毛施加到牙齿表面上的压力或力的更精确的/明确的信息。在本发明中，两个不同的力确定系统被使用，并且从每个系统中获得的信息被相对于表格使用以影响提供给用户相对于可能的超载或过度压力的信息。例如，如果在处理器中触发点被设定为300克，由两个不同的压力传感器系统提供的信息，以及关于峰-峰值的信息，被用来调整预设定值，警告在该值下被提供给用户。一个压力感测系统提供直接力或位移信息，而另一个感测系统提供动态力信息。

存在几种提供直接力或位移信息的感测装置，和提供动态力信息，以及峰-峰值信息的装置。

在本装置中，直接力或位移信息是由霍尔效应传感器装置提供的，而动态负载信息也是由霍尔效应传感器提供的，其被用于测量磁场响应相对于驱动信号的相位之间的相移。然而，其它装置也可以被使用，以提供位移和动态负载感测信息。

图1示出了电动牙刷的简化视图，其被设置成包括霍尔效应感测装置，以产生位移和动态负载信息两者。整体示为29的电动牙刷包括手柄30、刷头组件32和一组刷毛34，其中刷毛板36被定位在刷头组件的颈部37的远端。该刷头组件通常从手柄部分可移除。该电动牙刷包括整体以40示出的传动系组件，其由可再充电电池供电。该电动牙刷还包括微处理器46，其为传动系产生驱动信号，还处理来自霍尔效应传感器/多个霍尔效应传感器的信号信息以提供位移和动态负载信息。在传动系40的后部的是磁体48。在所示实施例中，磁体的尺寸如下：13.4mm×9.0mm×4.0mm。合适的磁体的一个例子是钕。其它磁体也可以使用。安装在电动牙刷内部的是霍尔效应传感器或多个霍尔效应传感器52。霍尔效应传感器52可被安装在电动牙刷内的各种位置。在一个实施例中，一个霍尔效应传感器被安装到柔性电路上，其被附连到包含微处理器的印刷电路板，从而当牙刷在操作中移动时，霍尔效应传感器可以响应于变化的磁场。这将导致动态力确定，如下面所解释的。

另一个霍尔效应传感器53可以安装在牙刷的传动系框架上，位于距磁体大约2.3mm处，与其大约在同一平面中。该霍尔效应传感器识别由于靠着牙齿的刷毛区上的力，安装或设置在诸如V型弹簧实施例中的传动系的横向位移，从而传动系的后端响应于用户的力横向移动。

在操作中，相对于当传动系的后端和磁体来回摆动通过选择的角度时的直接力(位移)的信息，霍尔效应传感器53的电压输出正弦变化。霍尔效应传感器的电压输出将根据变化的磁场而改变。变化的磁场为确定相对于位移施加到刷毛的力的量提供了基础。当力被施加到刷毛区时，包括磁体的传动系的后端枢转，从而在霍尔效应传感器的方向上产生磁铁的横向位移。当磁体更接近传感器时，霍尔效应传感器足够敏感以检测磁场的变化。在牙刷内的微处理器包括呈响应曲线形式的信息表，其涉及霍尔效应传感器对磁体位移以及因此对施加到刷元件的力的电压输出。磁体的位移将导致霍尔效应传感器的电压输出相对于在空载条件下的电压输出的变化。因此，传感器输出的变化是施加到刷毛区的位移力的可靠指示。此处参考美国临时专利申请第61/695396号，其涉及用于牙刷的直接力(位移)压力信息系统。

相对于动态负载信息的产生，正弦输出也由霍尔效应传感器在空载条件下产生。在这种装置中，霍尔效应传感器检测用于器具的驱动信号和由磁体48的运动所产生的刷头组件的机械响应之间的相位，随着刷毛区压力变化的变化。随着压力增加，相移增加。通常，相位变化在压力(力)的限定变化内将是线性的，所述限定变化例如从0克到至少300克，在该点处，压力通常已超过舒适性和有效性的最大值。信息也被存储在微处理器中，对于被测试的特定器具，其具体将相移信息和值与施加的力联系起来，使得特定相移是施加到牙刷的刷毛区的压力/力，特别是动态力的准确指示。

驱动信号通常是方波，其在一个周期中从零电平上升到正值，并在由驱动频率确定的时间之后下降到相反极性的一个值，驱动信号周期持续用于每个事件的牙刷的操作持续时间。在所示的实施例中，驱动频率为250赫兹，运动的幅度在9至11°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方波电动机驱动信号和机械响应信号之间存在的时间偏移，如由来自于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，从而使电动机驱动信号和响应信号之间的静态相位关系是已知的，并且可以在牙刷的实际操作期间，实际上是用于信号处理的调零。

图6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同步于电动机驱动信号的上升沿。当压力/负载被施加到刷毛区时，霍尔传感器的输出信号相对于电动机驱动信号将存在相移。相移(49)的一个实例示于图7。

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。当相位改变时，来自于霍尔传感器的响应信号的过零将成正比例移动。零阈值通过取在多个周期内信号的平均值被确定。从电动机驱动周期的起点通过该零阈值到传感器信号的第一过渡的时间然后被测量。过零提供了相移的指示。

用于获得相移信息的另一种可能性是通过正交采样过程，其中每个周期四个样本被用于提取DC偏移和正弦波的相位。在下面的计算中通过S1、S2和S4，四个样本被隔开90°。平均电压，或DC偏移，可以被计算：

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

该信号通常将包括噪声，从而多个样本通常被平均以平滑结果。为了计算相位，同相和正交相位的两个样本被定义如下：

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

其中相位角被定义为：

$\mathrm{\θ}=atan2\left(\frac{1}{Q}\right)$

对多个样本平均I和Q有效地降低噪声。

以上只是确定相移的两个例子。其他技术也可以被使用。

参考临时专利申请第61/698078号，其针对一种动态负载(相移)传感装置。

图8示出了直接力(位移)信号信息的处理。用户动作由方框66表示，表明了用户实际施加的力的量。总负载动作由方框67表示，其包括除了刷毛对牙齿的压力的负载。在传动系的后端和磁体处产生的位移由方框68表示。位移产生来自霍尔效应传感器的信号，如方框70所表示。霍尔效应输出信号随后在方框74被处理，从而确定由于总负载造成的电压和输出变化。该处理包括对多个周期的输出求平均，参照76，以及从信号中过滤噪声，包括来自于电动机的电子噪声和机械噪声，其被表示为78。结果是输出信号80，其是到处理电路的其余部分的输入信号。如上所述，微处理器包括将霍尔效应传感器输出与特定位移力值联系起来的信息的响应曲线或表81。响应曲线对于0-300克的力的平均值通常是直线。此计算将包括84所代表的相关步骤，其包括在力的范围内使力和霍尔传感器值相关。信息被连续地提供。

霍尔效应动态负载(相移)感测系统(图9)通常还包括由使用者所施加的压力90，以及在刷牙期间出现的总负载92。总动态负载产生电动机驱动信号和代表系统的响应的霍尔传感器输出信号之间的相移。霍尔传感器的输出被示为98。传感器输出信号受信号噪声100的影响，其可以来自于各种源，包括霍尔传感器本身以及安装中的振动或谐振系统随时间的变化。霍尔传感器输出也对动态噪声100敏感，其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104被处理，其可以包括过滤106和求平均108，以产生干净的输出信号。由输出104表示的该信号受到进一步的处理。实际的相移在112被确定。如上所述，相移可以通过标准过零电路或者其他装置确定。相移被确定用于校准的器具。处理器通过存储信息114的使用，使用相移来计算动态压力，该存储信息将沿着一个轴线的相移与沿另一个轴线的压力相关联。由相移电路所产生的压力被显示在116。

刷毛运动的峰值-峰值移动也可通过一个或其他压力测量系统来确定。

通常，如上所述，响应曲线在至少0-300克的压力的范围内，针对相移对动态压力是直线。正如上面所指出的，来自位移(直接力)装置的结果将提供不同于动态力(相移)压力信息的结果。这两个结果然后对着示于图10的表进行比较，以确定相对于预先设定的触发点，即300克，或其他设定值，所得到的效果。由口腔的各部分所产生的负载示于列120中。这些包括牙齿，脸颊/舌头，嘴唇，牙齿和脸颊/舌的组合，牙齿和嘴唇的组合，与牙齿、嘴唇和脸颊/舌头的组合。当直接力或位移负载测量为正(列122)时，相移测量是中间值(列124)，并且峰-峰值(列126)稍微减小，对在列130中显示的触发点没有改变。当直接负载测量是负时，相移为低，且峰-峰值为低减小量，将不存在触发。

当直接或位移负载测量大致为零时，则相移为低，且峰-峰值为低减小，也不会存在触发。当直接负载测量近似于零，则相移为低并且峰-峰表示中间减小，触发点被减小。当直接负载测量是正时，则相移为中间的，并且峰-峰表示中间减小，触发点压力保持不变。

当位移负载信息近似为零时，则相移为低，且峰-峰减小为高，触发点将会减小。在每种情况下的具体量将取决于单个器具的特性。相对于刷毛对牙齿和牙龈的过度力的使用，该结果对于用户是更准确的信息。

虽然优选实施例已经为了说明的目的被公开，但是应当理解的是，各种改变、修改和替换可以被结合在该优选实施例中，而不脱离由以下权利要求所限定的本发明的精神。

Claims (13)

1.一种具有压力传感器的电动牙刷，包括：

用于通过直接力测量而确定由所述牙刷的刷毛施加在用户的牙齿上的压力的系统；

用于通过动态力测量而确定由所述牙刷的所述刷毛施加在所述用户的牙齿上的压力的系统；和

处理系统，所述处理系统响应于通过所述直接力测量和所述动态力测量所确定的压力来调整指示过度刷毛力的压力的预先建立量。

2.根据权利要求1所述的电动牙刷，其中所述直接力测量是所述刷头组件的位移测量。

3.根据权利要求2所述的电动牙刷，其中所述位移由霍尔效应传感器确定。

4.根据权利要求1所述的牙刷，其中所述动态负载测量是通过所述牙刷相对于驱动信号的相位的相移信息提供的。

5.根据权利要求3所述的电动牙刷，其中所述位移系统包括霍尔效应传感器，所述霍尔效应传感器被安装在由位于所述牙刷的传动系部分的后端处的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由于所述刷元件上的压力，从对应于所述传动系的后端的位移的空载条件变化，并且其中所述处理器响应于所述霍尔传感器位移输出和存储的信息，以在刷牙操作期间，从所述位移信息产生指示施加到所述刷元件的压力的信号。

6.根据权利要求4所述的牙刷，其中所述处理器根据所存储的信息，确定在使所述相移的值与负载相关联的器具中，在刷牙操作期间由于所述刷头上负载造成的所述霍尔效应传感器信息的所述相移。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述相移系统包括用于确定所述相移的过零电路。

8.根据权利要求4所述的电动牙刷，其中所述处理器具有求若干个周期内来自于所述霍尔效应传感器的信号输出的平均值，和过滤来自于所述霍尔信号输出的噪声的能力。

9.根据权利要求1所述的电动牙刷，其中所述位移和所述相移信息被连续地提供。

10.根据权利要求2所述的电动牙刷，其中当所述位移测量为正时，所述预先建立的阈值水平被使用。

11.根据权利要求1所述的系统，其中当所述位移测量为负时，没有过度压力触发信号。

12.根据权利要求1所述的系统，其中当所述位移测量近似为零并且所述相移为低，且峰-峰值减小到中等程度时，触发阈值被降低。

13.根据权利要求1所述的系统，其中当所述位移测量近似为零，所述相移为低，并且峰-峰值有高减小时，触发阈值被降低。