CN107466218B - 具有可调整形状的口腔清洁设备和口腔清洁方法 - Google Patents

Abstract

一种口腔清洁设备，包括承载突起组的主体。致动器设备以电活性聚合物结构形式与突起中的一个或多个突起相关联，以用于调整相关联的一个或多个突起的位置。这能够实现对清洁功能的动态控制。

Description

具有可调整形状的口腔清洁设备和口腔清洁方法

技术领域

本发明涉及诸如牙刷的口腔清洁设备。

背景技术

每个牙刷(手动或电动)具有头部，该头部具有簇的组，并且每个簇通常包括刷毛束。

典型的矩形簇刷沿其长度具有5或6个簇，跨其宽度具有2或3个簇。存在具有更大密度的簇的设计，例如在长度上有10至12个簇，在宽度上有3至4个簇。通过将簇布置得更靠近在一起，刷毛可能能够更好地达到牙龈之间和周围，因为刷毛更靠近在一起。

还有牙刷设计具有不同长度的簇。一些超长的、高密度的刷毛形成簇，该簇用以瞄准深入牙齿之间的隐藏的斑块，以及到达其他难以清洁的区域。

由于斑块不会被完全从那些难以到达的区域中去除，所以需要调整牙刷设计以有助于改进斑块去除性能。

存在其他口腔清洁设备使用刷毛或簇清洁牙齿、牙龈或舌头。通常在口腔清洁设备中需要改进清洁性能。

发明内容

本发明的目的是至少部分地满足上述需要。该目的通过由独立权利要求限定的本发明来实现。从属权利要求提供有利的实施例。

根据本发明的一个方面的示例，提供了一种口腔清洁设备，包括：

主体，承载突起组；

致动器设备，与突起中的一个或多个突起的子组相关联，并且被设置在一个或多个突起的基座处，其中致动器设备包括电活性聚合物结构，该电活性聚合物结构响应于被施加到致动器设备的驱动信号而变形，从而调整相关联的一个或多个突起的位置。

该设备能够在使用期间使其形状(特别是由突起的端部限定的轮廓)适应，特别地，使得突起前进以帮助清洁难以到达的区域。该调整可以例如基于反馈控制来控制。外形调节可以用于控制由突起的端部和/或轮廓施加的压力。

只有突起的子组与致动器相关联。以这种方式，突起的表面包络的形状在各个突起的水平上改变。以这种方式，主动地改变轮廓以提供动态清洁效果。在极限情况下，一个致动器可以用于驱动一个突起或一个突起组。每个突起可以是单个相对较厚的元件，或者每个突起可以是相对较薄的一束刷毛。

承载突起的主体例如通常是平面的，并且来自该主体的突起继而可以在基本上相同的平行方向(即，如牙刷)上延伸。突起的每个子组都在主体的整个区域的一部分的上方。

该设备可以具有致动器组，每个致动器与相应的突起或突起组相关联。这使得能够更准确地控制突起组的整体包络的形状。

可以存在1至5个致动器，并且每个致动器可以例如与1至5个突起(如上所述)相关联。

突起可以包括第一长度的第一子组和第二较短的长度的第二子组，其中突起的第一子组中的至少一些具有相关联的致动器设备。因此，致动器用以使最深的突起前进，因此它们可以进一步前进到牙龈或齿之间，而其他突起处于牙齿表面。

致动器设备可以适于以一种操作模式执行力感测并且以另一种操作模式执行力施加。例如，以这种方式，如果没有施加外力，该设备可以感测何时应该使突起前进。力感测和致动可以按时间顺序执行。

备选地，单独的力传感器设备可以与突起中的一个或多个突起相关联并且被设置在一个或多个突起的基座处。以这种方式，可以同时施加力感测和致动。

力传感器设备还可以包括电活性聚合物结构，该电活性聚合物结构响应于所施加的力而生成传感器信号。该设备继而具有单独的传感器和致动器装置。

力传感器设备和致动器设备可以例如一个堆叠在另一个上方。

可以提供用于保护电活性聚合物结构或每个电活性聚合物结构的密封装置。这对于口腔清洁产品是特别理想的。

在第一布置中，该装置包括基座、以及在基座上方的盖部分，盖部分具有用于突起的开口，其中该电活性聚合物结构或每个电活性聚合物结构在基座和盖之间。

然后，第一种可能的密封装置包括围绕该电活性聚合物结构或每个电活性聚合物结构的柔性密封层，相关联的突起与该电活性聚合物结构或每个电活性聚合物结构键合。

第二种可能的密封装置包括围绕突起的密封层，这些突起在该密封层穿过盖部分的开口。

本发明特别关注于牙刷头。牙刷头可以是机械牙刷的一部分(具有仅由用户移动的头部)或电动牙刷的一部分(具有电动施加周期移动的头部)。

系统可以由如上面定义的多个设备形成，每个设备具有相应的主体和突起组，例如，其中主体被不同地定向以面对牙齿或牙龈的不同表面。

本发明还提供一种口腔清洁方法，包括：

使用致动器设备来调整口腔清洁设备的一个或多个突起的位置，致动器设备被设置在一个或多个突起的子组的基座处，该致动器设备包括电活性聚合物结构，该电活性聚合物结构响应于被施加到致动器设备的驱动信号而变形。

在进行清洁操作时，该方法通过调整突起的位置来提供对清洁设备的轮廓的主动控制。

优选地，该方法还包括感测被施加到一个或多个突起的力并且响应于感测而控制位置调整。这提供了使用反馈来控制所需位置调整的动态控制途径。

每个突起可以包括单个突出部分，或者每个突起可以包括刷毛组。

附图说明

现在将参考附图详细描述本发明的示例，其中：

图1示出了已知的未被夹紧的电活性聚合物设备；

图2示出了已知的由背衬层约束的电活性聚合物设备；

图3示出了用于牙刷头的两个可能的簇轮廓；

图4示出了EAP受控牙刷头的第一个示例；

图5示出了EAP受控牙刷头的第二个示例；

图6示出了EAP受控牙刷头的第三个示例；

图7示出了EAP受控牙刷头的第四示例；

图8示出了EAP受控牙刷头的第五示例；

图9示出了EAP受控牙刷头的第六示例；

图10示出了EAP受控牙刷头的第七示例；

图11示出了EAP受控牙刷头的第八示例；

图12示出了两个EAP致动器，这两个EAP致动器被堆叠以实现双向驱动从而产生凸形和凹形轮廓；

图13示出了堆叠在压力传感器上的EAP致动器。

具体实施方式

本发明提供了一种口腔清洁设备，该口腔清洁设备包括承载突起组的主体。致动器设备与以电活性聚合物结构形式的突起中的一个或多个突起相关联，以用于调整相关联的一个或多个突起的位置。这使得能够动态地控制清洁功能。

本发明提供了一种口腔清洁设备，在该口腔清洁设备中，使用电活性聚合物(EAP)致动器对突起位置控制。首先将解释可以采用的EAP技术。

电活性聚合物(EAP)是电反应材料领域中新兴的一类材料。EAP可以用作传感器或执行器，并且可以容易地制造成各种形状，以允许易于集成到各种各样的系统中。

已经开发了具有诸如致动应力和应变特性的材料，该材料在过去十年中显著改进。技术风险降低到用于产品开发的可接受的水平，使得EAP在商业和技术上变得越来越受到关注。EAP的优点包括低功率、小形式因子、灵活性、无噪声操作、精确度、高分辨率的可能性、快速响应时间和循环驱动。

EAP材料的改进性能和特定优点使其适用于新的应用。

基于电致动，EAP设备可以在部件或特征需要少量移动的任何应用中使用。类似地，该技术可以用于感测小的移动。

与常规制动器相比，归因于在小体积或薄的形状因子中的相对较大的变形和力的组合，使用EAP可以实现以前不可能实现的功能，或者提供比常规的传感器/致动器解决方案更大的优势。EAP还可以提供无噪声的操作、精确的电子控制、快速响应以及大范围的可能的致动频率，例如0kHz至20kHz。

使用电活性聚合物的设备可以被细分成场驱动和离子驱动材料。

场驱动的EAP的实例是介电弹性体、电致伸缩聚合物(诸如基于PVDF的弛豫聚合物或聚氨酯)和液晶弹性体(LCE)。

离子驱动的EAP的示例是共轭聚合物、碳纳米管(CNT)聚合物复合材料和离子聚合物金属复合材料(IPMC)。

场驱动的EAP由电场通过直接机电耦合而被致动，而离子EAP的致动机制涉及离子的扩散。这两类都有多个族成员，每个族成员都有它们自己的优点和缺点。

图1和图2示出了EAP设备的两种可能的操作模式。

该设备包括被夹在电活性聚合物层14的相对侧上的电极10、12之间的电活性聚合物层14。

图1示出了未夹紧的设备。使用电压来使电活性聚合物层在所示的所有方向上膨胀。

图2示出了被设计成使得仅在一个方向上发生膨胀的设备。该设备由载体层16支撑。使用电压来使电活性聚合物层弯曲或弓曲。

电极、电活性聚合物层和载体一起被称为“电活性聚合物结构”。

这种移动的性质例如是由有源层与无源载体层之间的相互作用产生的，有源层在致动时膨胀。为了获得所示的围绕轴线的不对称弯曲，例如可以施加分子取向(膜拉伸)，以迫使在一个方向上移动。

在一个方向上的膨胀可以是由EAP聚合物的不对称性引起的，或者可以是由载体层不对称的特性引起的，或者是由这两者的组合引起的。

以下示例基于牙刷头，牙刷头具有以簇的形式的突起，每个簇包括刷毛组。

图3的左边部分示出了具有不同长度的簇的牙刷头30，以便限定与牙齿形状匹配的轮廓。右边部分示出了具有一些超长簇34的牙刷头32，旨在当其他簇在牙齿表面时，这些超长簇34达到牙龈线或牙齿之间。

虽然这些静态方法提高了清洁效率，但是它们没有考虑到不同用户之间的差异。

图4示出了如何使用EAP致动器来提供簇位置的调整。这可以是提供循环调整以辅助清洁性能，或者可以提供考虑到特定用户的调整。

图4示出了在牙刷头的长度方向上的簇的排。

三个簇的第一子组40和三个簇的第二子组42相对较短，并且第三子组44相对较长，并且旨在到达牙齿46之间的空间。

子组44以EAP设备的形式被安装在致动器设备48上。左图示出了非致动位置，右图示出了致动位置。致动器向外弯折以改变簇的位置。如图所示，中间簇向外隆起，侧边的簇隆起并转向外侧。

通过使用周期性驱动信号来操作致动器48，可以使簇朝向和远离牙齿振动。这种移动方向对于用户来说更难以手动实现。进入牙齿间隙的穿透深度增加了示为d的量。

在使用设备时，EAP致动器可以一直被循环操作。以这种方式，振动运动用以辅助清洁功能。然而，可以使用感测反馈来控制致动。例如，压力传感器可以被耦合到待控制的簇。如果簇上的法线方向上的压力减小，则使用EAP致动器进一步使簇远离清洁头前进，进入牙齿之间的牙间间隙。以这种方式，刷毛将顺应牙齿轮廓，并且在更深的牙间间隙中并沿着牙龈线更好地清洁。

当远离牙间间隙朝向下一个牙齿进一步移动时，簇继而可以通过将EAP致动器回到起始位置而缩回。

用于反馈控制的感测可以使用在簇基座处的单独的压力传感器。

这种传感器可以包括压阻式或电容式压力传感器。传感器可以由诸如压阻式橡胶的压敏材料或可变形弹性体电容器组成。备选地，传感器可以基于膜技术，诸如具有金属电极或微加工硅传感器的可变形聚合物膜。

EAP设备可以用作压力传感器。被施加到EAP设备的外力改变可以被检测的电磁场。

例如，可以存在EAP传感器和EAP致动器的堆叠(按任意顺序)。通过在顶部的致动器，传感器将检测通过致动器施加的力。通过在底部的致动器，传感器将更直接地检测所施加的力。

簇的不同组合可以采用EAP致动器。致动器可以与单独的簇或簇群相关联。在图5至图8中示出了各种示例。作为另一示例，EAP致动器可以覆盖整个刷子区域(即，所有簇)。这是最简单的实现方式，尽管它不允许对不同的簇或簇群进行任何独立的控制。

图5示出了示例，其中单独簇的组各自具有它们自己的组合压力传感器和力致动器50。在该示例中，所致动的簇限定了跨牙刷头延伸的排。这些排通常在洗刷期间与相邻牙齿之间的间隙对准。如图5所示，致动器被施加到旨在到达牙齿之间的间隙的较长的簇。当垂直于牙齿的线洗刷时，然后这些较长的簇反而可以到达牙龈线。

图6示出了其中两排横向的簇再次被致动的示例，但是这次每排使用共享EAP致动器和传感器设备60。

图7示出了其中两排纵向的簇各自通过共享EAP致动器和传感器设备70而被致动的示例。每排仅是牙刷头的整排刷簇的一部分。在洗刷期间，这些纵向排在牙刷沿牙齿表面的典型移动相对应的方向上延伸。

图8示出了示例，其中四排纵向的簇各自通过共享EAP致动器和传感器设备而被致动。备用致动器有不同的设计。特别地，致动器80和82在一端被夹紧，使得致动器的变形是不对称的。致动器84和86在另一端被夹紧，使得致动器的变形在相反的方向上是不对称的。这引起了簇相对于彼此的一种扭转移动，并且可以提供刮擦功能的形式以提高清洁效率。

由于口腔是非常潮湿的工作环境，因此EAP堆叠被优选地密封以避免其暴露于液体和水分。这可以例如通过将致动器(和传感器(如果使用的话))嵌入到防水适应性材料中来实现，其将基本上不会阻碍变形并且基本上不会阻止通过密封件传递移动。

现在将参考图9至图11描述各种密封装置。这些示出了跨牙刷头部宽度的截面。为了解释的目的，示出了宽度方向的簇排具有共享致动器(如图6所示)。然而，一般的密封途径当然可以应用于其他配置。当然也可以将相同的密封装置应用于各个突起，而不是形成为刷毛组的簇。

如图9所示，牙刷头具有基座90和盖部分92。盖部分被密封到基座，使得形成包含致动器(和传感器(如果使用的话))的腔94。在图10和图11中也使用相同的基本头部结构。

在图9的示例中，电活性聚合物结构96(形成致动器并且可选地还有传感器)被柔性密封层98包围。相关联的簇99通过粘合剂100键合到该密封层。

在图10的示例中，密封装置包括围绕簇的密封层102，簇在密封层102穿过盖部分92的开口。密封层延伸到簇的基座并且附加地提供簇与EAP致动器96的键合。图10示出了非致动状态和致动状态下的设计。

在图11的示例中，密封装置再次包括围绕簇的密封层102，其中簇在密封层102穿过盖部分92的开口。存在簇与EAP致动器96的分离的键合件104。

EAP致动器和EAP传感器(当使用传感器时)存在各种可能的设计。电极装置可以例如包括用于场驱动设备的电极，如上所示，电极在电活性聚合物层的相反面上。这些电极提供用于控制EAP层的厚度的横向电场。这转而又会引起层的平面中的EAP层的膨胀或收缩。

电极布置可以替代地包括在电活性聚合物层的一面上的一对梳状电极。这提供了平面内的电场，用于直接控制平面内的层的尺寸。

上面示出的致动器在单个方向上变形。双面EAP致动器也是已知的，该双面EAP致动器能够在相反的方向上变形。可以使用双面致动器来使外形能够从凹形被驱动到凸形，这两个状态之间是平坦的休止状态。图12示出了致动器，该致动器包括两个EAP设备120、122的堆叠，如图中虚线的弯曲轮廓线所示，当被致动时，两个EAP设备120、122的堆叠在相反的方向上变形。

为了完整性，图13示出了堆叠在压力传感器132下方的EAP致动器130。压力传感器可以是EAP传感器设备，或者压力传感器可以是另一种类型的压力传感器。该压力传感器用于提供反馈信号以用于控制致动器130。

适用于EAP层的材料是已知的。电活性聚合物包括但不限于以下子类：压电聚合物、机电聚合物、弛豫铁电聚合物、电致伸缩聚合物、介电弹性体、液晶弹性体、共轭聚合物、离子聚合物金属复合材料、离子凝胶和聚合物凝胶。

电致伸缩聚合物子类包括但不限于：

聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)、聚偏氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯(PVDF-TrFE-CFE)、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯-氯三氟乙烯(PVDF-TrFE-CTFE)、聚偏氟乙烯-六氟丙烯PVDF-HFP)、聚氨酯或其共混物。

介电弹性体子类包括但不限于：

丙烯酸酯、聚氨酯、硅酮。

共轭聚合物子类包括但不限于：

聚吡咯、聚-3,4-亚乙基二氧噻吩、聚对苯硫醚、聚苯胺。

可以提供附加的无源层以响应于所施加的电场来影响EAP层的行为。

如上所述，EAP层可以被夹在电极之间。电极可以是可拉伸的，使得电极顺应EAP材料层的变形。适用于电极的材料也是已知的，并且可以例如选自金属薄膜组成的群，例如金、铜或铝，或者诸如碳黑、碳纳米管、石墨烯、聚苯胺(PANI)、聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)(PEDOT)的有机导体，例如聚(3,4-亚乙基二氧噻吩)聚(苯乙烯磺酸盐)(PEDOT：PSS)。也可以使用金属化聚酯膜，例如金属化聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)(例如使用铝涂层)。

例如考虑不同层的弹性模量(杨氏模量)，将选择用于不同层的材料。

可以使用与上面讨论的那些相关的附加层(诸如附加的聚合物层)来适应设备的电气或机械行为。

EAP设备可以是电场驱动设备或离子设备。离子设备可以基于离子聚合物-金属复合材料(IPMC)或共轭聚合物。离子聚合物-金属复合材料(IPMC)是在施加的电压或电场下显示人造肌行为的合成复合纳米材料。

IPMC由如Nafion或Flemion的离子聚合物组成，IPMC的表面可以用诸如铂或金的导体或碳基电极来化学电镀或物理涂覆。在施加的电压下，由于跨IPMC的条带上施加的电压引起的离子迁移和再分配导致弯折变形。聚合物是溶剂溶胀离子交换聚合物膜。该场使阳离子与水一起行进到阴极侧。这导致亲水簇的重组和聚合物的膨胀。阴极区域中的应变导致聚合物基体的其余部分的应力，该应力导致朝向阳极的弯折。反转施加的电压使弯折反转。

如果电镀的电极被配置成非对称配置，则施加的电压可以引起各种变形，诸如扭转、翻滚、扭曲、转动和非对称弯折变形。

本发明不仅关注如上面讨论的牙刷头，通常还关注口腔清洁设备中的微刷毛致动。其他口腔清洁设备是舌头清洁器和牙套(mouthpieces)。

舌头清洁器是一种具有刷毛或刷毛组的设备，该舌头清洁器用作呼吸护理系统的一部分，以用于去除口臭细菌。该舌头清洁器用以分解舌头涂层，其中刷毛围绕乳头状突起渗透以去除碎屑。单个刷毛或刷毛群可以构成由相关联的EAP设备控制的突起。

牙套类似于牙龈保护件，已知这种设备在内侧具有面向牙齿的振动突起。这样的设备可以用作婴儿的牙刷和牙胶，或者可以为成人提供牙刷的替代物。

系统可以由多个设备形成，每个设备具有相应的主体和一组突起，例如具有被不同地取向，以面向牙齿或牙龈的不同表面的主体。例如，牙龈保护件可以具有不同的主体，并且在每个主体内部存在在突起的子组上操作的致动器。

如上所述，可以使用EAP致动器作为驱动器来直接致动以微刷毛或单个突起的形式的突起。可以使用EAP的阵列在用于清洁设备头部的不同部件和部分的不同设置之间进行切换。例如，这使得能够在对牙齿进行用力推压或轻度洗刷之间进行切换。

本领域技术人员通过研究附图、公开内容和所附权利要求，可以理解和实现对实施所要求保护的发明的其他变型。在权利要求书中，“包括”一词并不排除其他元素或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中列举某些措施的事实并不指示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何参考标记不应被解释为限制范围。

Claims (17)

1.一种口腔清洁设备，包括：

主体，承载突起组(41、42)；

致动器设备(48)，与突起中的一个或多个突起的子组相关联，并且被设置在所述一个或多个突起的基座处，其中所述致动器设备包括电活性聚合物，当驱动信号被施加到所述致动器设备时，所述电活性聚合物能够响应于所述驱动信号而变形，从而调整相关联的所述一个或多个突起的位置；

其中所述致动器设备包括致动器组，每个致动器与相应的一个突起或一组突起相关联。

2.根据权利要求1所述的清洁设备，其中所述突起包括具有第一长度的第一子组(44)和具有较短的第二长度的第二子组(40、42)，其中突起的所述第一子组(44)中的至少一些突起具有相关联的致动器设备(48)。

3.根据权利要求1或2所述的清洁设备，其中所述致动器设备适于以一种操作模式执行力感测，并且以另一种操作模式执行力施加。

4.根据权利要求1或2所述的清洁设备，还包括力传感器设备，所述力传感器设备与所述突起中的一个或多个突起相关联，并且被设置在所述一个或多个突起的所述基座处。

5.根据权利要求4所述的清洁设备，其中所述力传感器设备包括电活性聚合物结构，所述电活性聚合物结构响应于所施加的力而生成传感器信号。

6.根据权利要求5所述的清洁设备，其中所述力传感器设备与所述致动器设备以一个在另一个上方的方式被堆叠。

7.根据权利要求5或6所述的清洁设备，包括用于保护所述力传感器设备的所述电活性聚合物结构的密封装置。

8.根据权利要求5或6所述的清洁设备，包括用于保护所述力传感器设备的每个电活性聚合物结构的密封装置。

9.根据权利要求7所述的清洁设备，包括在所述基座上方的盖部分，所述盖部分具有用于所述突起的开口，其中所述力传感器设备的所述电活性聚合物结构在所述基座和所述盖之间。

10.根据权利要求8所述的清洁设备，包括在所述基座上方的盖部分，所述盖部分具有用于所述突起的开口，其中所述力传感器设备的每个电活性聚合物结构在所述基座和所述盖之间。

11.根据权利要求9所述的清洁设备，其中所述密封装置包括柔性密封层，所述柔性密封层围绕所述力传感器设备的所述电活性聚合物结构，相关联的所述突起与所述力传感器设备的所述电活性聚合物结构键合。

12.根据权利要求10所述的清洁设备，其中所述密封装置包括柔性密封层，所述柔性密封层围绕所述所述力传感器设备的每个电活性聚合物结构，相关联的所述突起与所述力传感器设备的每个电活性聚合物结构键合。

13.根据权利要求11或12所述的清洁设备，其中所述密封装置包括围绕所述突起的密封层，所述突起在所述密封层穿过所述盖部分的所述开口。

14.根据权利要求1-2、5-6和9-12中的任一项所述的清洁设备，包括牙刷头。

15.一种口腔清洁方法，包括：

使用致动器设备来调整口腔清洁设备的一个或多个突起的位置，所述致动器设备被设置在所述一个或多个突起的子组的基座处，所述致动器设备包括电活性聚合物，所述电活性聚合物响应于被施加到所述致动器设备的驱动信号而变形；

其中所述致动器设备包括致动器组，每个致动器与相应的一个突起或一组突起相关联。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述方法还包括：感测被施加到所述一个或多个突起的力，以及响应于所述感测而控制所述位置调整。

17.根据权利要求15或16所述的方法，包括刷牙方法，并且所述口腔清洁设备包括牙刷头。

Images