CN105101907A - 利用霍尔传感器提供用于谐振驱动牙刷的连续反馈的力传感器 - Google Patents

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Abstract

该电动牙刷包括刷头臂(36)和在其远端的刷元件(38)。V型-弹簧组件(14)将动力驱动组件的运动转换成来回运动。在V型-弹簧组件的后端的安装构件(55)为磁体(56)提供基部。该V型-弹簧组件的后端根据施加到刷元件的压力而移位。当V型-弹簧组件的后端由于刷头上的压力被移位时，霍尔效应传感器(58)被安装在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，并当压力超过阈值时提供指示。

Description

利用霍尔传感器提供用于谐振驱动牙刷的连续反馈的力传感器
技术领域
本发明一般涉及谐振驱动磁致动电动牙刷，并且更具体地说，涉及这种具有压力传感系统的牙刷。
背景技术
在电动和手动牙刷中，以许多不同的具体实施方式，使用传感机构来确定施加到牙刷的刷毛区部的压力是众所周知的。通常，某种类型的传感器测量施加到刷毛的力。在许多情况下，该传感器包括弹簧、力矩臂和开关，其中施加到刷毛区的力在弹簧上产生动作，继而驱动力矩臂。当力达到阈值或触发值时，开关被操作，其发送所施加的力已经超过阈值水平的信号到用户。然后，用户有机会将压力降低到可接受的水平。
这样的系统还可以用来确保至少也由用户施加最小量的压力到刷毛区。但是，压力传感系统通常难以在典型的电动或手动牙刷中实施。这样的系统还会显著增加牙刷的整体成本，并且往往遭受不精确。
典型地，在这样的压力传感系统中，不存在压力信息的连续反馈，但是存在当施加的压力达到指示过度压力的阈值时的指示。
因此，用于牙刷用谐振驱动系统的紧凑、简单且廉价的传感器系统是所期望的，特别是提供连续压力反馈的传感器系统。
发明内容
因此，该电动牙刷，包括：包含动力驱动组件的手柄部；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V型用于将动力驱动组件的动作转换成刷头组件的来回动作的V型-弹簧组件，其中，V型-弹簧组件与刷头组件一起围绕枢轴点移动；被定位在V型-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型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于刷元件上压力造成的V型-弹簧的后端的位移的空载状态改变；和处理器，其响应于霍尔传感器输出和存储的信息，以在刷牙操作期间产生指示施加到刷构件的压力的信号。
附图说明
图1是示出了电动牙刷的主要部件的剖面图，其包括本文所述的压力传感系统。
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是简化的磁场图，其示出了具有屏蔽的图2的压力传感系统的结构。
图5是来自于图1、图2和图4中所示的霍尔效应传感器的输出信号的处理的图。
图6是曲线图，其示出了用于特定霍尔效应传感器的未补偿输出。
图7是曲线图，其示出了用于图6的霍尔效应传感器的补偿输出。
具体实施方式
图1示出了电动牙刷的一个重要部分，其包括本发明的压力传感系统。图2示出了图1的系统的一部分的更详细视图。电动牙刷，整体表示为10，包括具有定子12的电动机(11)，其驱动V型-弹簧驱动组件14。如图2所示的V型-弹簧，具有中心节点16，使得当V型-弹簧组件的后部17通过电动机的动作沿一个方向扭曲或旋转时，V型-弹簧组件的向前部19沿相反方向扭曲或旋转。V型-弹簧组件14由轴承座支承，该轴承座整体表示为20，该轴承座继而被安装到外壳或器具的内部托架，未示出。在轴承座20和V型-弹簧组件的下边缘之间延伸的是两个支承轴承22和24。V型-弹簧组件14可以包括各种不同的实施方式。V型-弹簧组件的向前端26与支承构件28相配合，安装叶片32从该支承构件28延伸。可移除地定位在安装叶片30上的是刷头组件32，其包括与牙刷的手柄配合的近端部34。刷头组件在远端包括细长臂36，在远端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规定的角度，例如9-11°，以实现牙齿的清洁。
仍参照图1和图2，与V型-弹簧组件14的上表面相邻的是节点构件23，其基本上延伸V型-弹簧组件的长度。与节点构件的上表面相邻定位的是片簧40，其也大约延伸V型-弹簧组件的上部的长度并覆盖该上部。节点构件和片簧由轴承元件42和44连接至V型-弹簧组件的相对两端。弹簧构件46，48和50被连接到轴承42，44和节点16。弹簧46和50在片簧40上提供预加载。
刷头组件和V型-弹簧组件一起绕靠近大约在轴承22处的V型弹簧组件的向前端的点52枢转，而在节点16处的弹簧48，50和后轴承44倾向于抵抗位移。
当在刷牙动作(箭头54)期间力被对着刷毛区施加时，刷头组件将倾向于移动，从而绕枢轴点52旋转。V型-弹簧组件将在相反的方向上移动。对着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，虽然附加的负载是在正常刷牙期间由用户的面颊和嘴唇产生。下面描述的传感系统确定它是该总负载或力。
仍参照图1和图2，含铁安装元件55被固定到V型-弹簧组件的后端25。磁体56被定位在安装元件的后表面56处。在所示实施例中的磁体具有如下尺寸：13.4×9.0×4.0(mm)。合适的磁体的一个例子是钕。霍尔效应传感器58远离磁体56，但在由磁体产生的磁场内被定位。在所示的实施例中，霍尔效应传感器是常规的并且可以商业购买。合适的霍尔效应传感器的一个例子是奥地利微系统AS5510。在所示的实施例中，霍尔效应传感器被安装在牙刷内的驱动车道(tram)框架上，并位于距磁体约2.3mm处，与磁体大约在同一平面中。其他霍尔效应传感器也可以被使用，只要当由于刷毛区上的力磁体来回移动，从而横向移位时，它们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型-弹簧的后端和磁体来回摆动通过选定的角度，而没有横向位移时，霍尔效应传感器的电压输出正弦改变，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。变化的磁场提供了用于确定被施加到刷毛区的力的量的基础。当力被施加到刷毛区时，V型-弹簧组件枢转，从而移动V型-弹簧的后端和磁体，抵抗弹簧50的作用，在霍尔效应传感器的方向上产生磁体的横向位移。当磁体变得更接近传感器时，霍尔效应传感器足够敏感以检测磁场的变化。在其微处理器中，牙刷包括呈响应曲线的形式的信息表，其涉及霍尔效应传感器的电压输出随磁体的位移并且因此随施加到刷元件的力的变化。磁体的位移将导致霍尔传感器的电压输出相对于无负载条件下的电压输出的变化。因此，传感器输出的变化是被施加到刷毛区的力的可靠指示。
在如上所述的电动牙刷中，用于确定力/压力的霍尔效应传感器的使用对温度很敏感。在牙刷制造和实际的使用到使用之间的温度变化，将相应地导致传感器函数和输出的变化，这最终会降低压力输出的精度。例如，奥地利微系统AS5510霍尔效应传感器的典型温度变化示于图6。这说明了相对于特定传感器的几个系列的温度，相当显著的输出变化。对于其他霍尔效应传感器，温度灵敏度也是真实的。
诸如在图6中所示，对于特定的霍尔效应传感器的温度曲线被存储在牙刷手柄内的处理器/存储器中。该牙刷将包括在手柄内的温度传感构件69。温度传感构件可以在处理器上或在手柄内的单独位置。对于每一个温度值，将存在被存储在处理器/存储器中的温度常数，其调整用于该温度的霍尔效应输出，从而得到温度/输出表。处理器将按照所存储的温度/输出表调整霍尔效应输出。在较低温度下，输出将被提高到一定程度，而在该温度范围的较高端，传感器输出将被减小，从而得到对于特定的施加的压力/力在选定温度范围内一致的霍尔效应输出。温度补偿的霍尔效应输出被示于图7。图6和图7涵盖了0和40摄氏度之间的温度范围。该温度补偿系统产生更精确的霍尔传感器输出，这继而产生由处理器确定并反馈给用户的更准确的压力信息。
在一些情况下，霍尔效应传感器的灵敏度相对于磁场可能过高。这样的问题通过使用图4所示的磁屏蔽件60可以被克服，该磁屏蔽件在磁体56和霍尔效应传感器66之间被安装驱动外壳62上。各种屏蔽装置可以被使用，但一个实例是使用μ金属箔片。低碳钢也可被使用。在示出的实施例中，μ金属的厚度为大约0.3mm。这样的布置降低了传感器的灵敏度，以便当磁体由于刷毛区中的力被移位时，提供对磁场变化的精确响应。
图5示出了用于通过处理器65实现力的测定的整个过程和结构元件。用户动作在框66表示，从而指示对着刷毛区施加的力的量。总用户负载被表示在67。用户负载包括由用户实际所施加的负载67A，以及刷牙期间由于用户的嘴唇67B和用户的脸颊67C造成的负载。这在刷毛区上产生总负载或力，该总负载或力造成V型-弹簧的后端和磁体绕枢轴的位移，由框68表示。位移产生来自霍尔传感器的信号，如由框70表示。
然后霍尔输出信号在框74被处理，从而确定由于总负载造成的电压和输出变化；处理包括求多个循环的输出平均值，参考76，以及从信号滤除噪声，包括来自于电动机的电子噪声和机械噪声，被表示在78。结果为输出信号80，其是至处理电路的其余部分的输入信号。如上所述，微处理器包括涉及霍尔传感器输出与力值关系的响应曲线或信息表81。响应曲线通常是用于0-300克力的范围的直线。计算也将包括相关步骤，如84所表示的，其涉及在力范围内力和霍尔传感器值的相关性。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，和(3)是否已超过最大压力值的指示。信息被连续地提供。作为一个例子，最小压力可以是30克，而最大压力可以是300克。
这个信息被证明为呈某种形式，例如听觉、视觉或感觉的反馈(框86)。这种反馈可由用户感知，如88所示，这使用户能够采取适当的行动，特别是增加或减小压力或如果压力是在所期望的范围内，维持该压力，如通常由框90表示的。最大压力已经被超过(触发点)的一个指示是通过在很短的时间周期，例如两秒钟内将频率略微改变得更高，通常为10赫兹左右，然后将频率回复到其后的既定频率。这种可感知反馈和用户对它的信赖，使刷牙习惯的改变是所期望的以产生长期良好的牙齿护理。
应当认识到，本文公开了一种用于在刷头上提供压力信息的简单可靠的系统，该系统提供了关于对着牙刷区的压力的连续信息。
虽然本发明的优选实施例已经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，而不偏离由下面的权利要求限定的本发明的精神实质。

Claims (16)

1.一种电动牙刷，包括：
包含动力驱动组件的手柄部；
刷头组件(32)，包括刷头臂(36)和在其远端的刷元件(38)；
V型-弹簧组件(14)，其响应于所述动力驱动组件，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运动，其中，所述V型-弹簧组件与所述刷头组件围绕枢轴点(52)一起移动；
被定位在所述V型-弹簧组件的后端的安装构件(55)；
被附连到所述安装构件的磁体(56)；
霍尔效应传感器(58)，其被安装在当所述V型-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造成的所述V型-弹簧的所述后端的位移的空载状态开始改变；以及
处理器(65)，其响应于所述霍尔传感器的输出(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电动机(11)，所述电动机具有驱动所述V型-弹簧组件的定子部分(12)。
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含铁金属。
4.根据权利要求1所述的电动牙刷，其中所述V型-弹簧组件具有沿其长度大约在中间的节点，其中，当所述V型-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曲时，所述V型-弹簧的向前部在相反的方向上扭曲，从而产生所述刷牙组件和所述刷元件的来回清扫动作。
5.根据权利要求1所述的电动牙刷，包括弹簧组件(46，50)，所述弹簧组件在所述V型-弹簧组件的相对两端提供预加载。
6.根据权利要求1所述的电动牙刷，包括定位于所述磁体和所述霍尔效应传感器之间的金属屏蔽(60)，以减小当所述磁体通过所述刷元件上的压力移位时，所述霍尔效应传感器对由所述磁体所产生的所述变化的磁场的灵敏度。
7.根据权利要求1所述的电动牙刷，其中所述金属屏蔽是μ金属，大约0.3mm厚。
8.根据权利要求1所述的电动牙刷，其中所述刷元件上的所述压力包括在刷牙操作期间由用户抵靠牙齿(67)按压所述刷元件产生的负载(67)，由用户的嘴唇(67B)和脸颊(67C)产生的负载。
9.根据权利要求1所述的电动牙刷，其中所述处理器包括求所述霍尔传感器的信号输出在若干周期(76)内的平均值和从霍尔信号输出(78)过滤掉噪声的能力。
10.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将所述霍尔传感器的输出与至少一个预建立的阈值(82)关联，并给用户提供关于所述刷元件上的所述压力超过第一阈值的反馈信息(86)。
11.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信号是连续的，从而提供所述刷元件上的压力的连续指示。
12.根据权利要求10所述的电动牙刷，其中所述处理器为用户提供关于所述刷元件上的压力超过最小阈值的指示。
13.根据权利要求1所述的电动牙刷，其中所述反馈指示呈用户可识别的形式(88)。
14.根据权利要求1所述的电动牙刷，包括用于所述霍尔效应传感器输出的温度补偿的系统。
15.根据权利要求14所述的电动牙刷，包括温度确定元件和关联所感测的温度与所述霍尔效应传感器输出的调节的存储的代码或表，使得对于给定的压力的所述霍尔效应传感器的所述输出在所选择的温度范围内将保持大致恒定。
16.根据权利要求14所述的电动牙刷，其中所述温度范围在0和40摄氏度之间。
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