CN110786950A - 用于电动牙刷的压力感测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于电动牙刷的压力感测系统和方法。一种压力反馈系统连续地监测刷头上的压力或力的水平，并且被编程为基于压力的量向用户提供反馈信号。根据驱动轴的速度变化来监测压力水平。该系统包括壳体、马达、用于附接到刷头的驱动轴、反馈装置、能够检测驱动轴的旋转速度的变化的传感器以及微处理器。该微处理器被编程为根据测量的旋转速度变化来激活反馈装置。该传感器可以是霍尔效应传感器，或者响应于磁场的另一传感器。磁体可位于该驱动轴上，或者该系统的根据该驱动轴移动的另一部分上。

Description

用于电动牙刷的压力感测系统和方法

背景技术

已知在动力和手动牙刷中设置一个或多个感测机构，以确定在刷牙期间施加于刷毛区域的压力。通常，某种类型的传感器测量施加于刷毛的力。在一些情况下，该传感器包括弹簧、力矩臂和开关，其中施加于刷毛区域的力在弹簧上产生作用，这又驱动力矩臂。当该力达到阈值或触发值时，操作开关，其向用户发送施加的力已超过阈值水平的信号。于是，用户有机会将压力降低到可接受的水平。

这些系统还可用于确保用户也将至少最小量的压力施加于刷毛区域。然而，压力感测系统通常难以在典型的动力或手动牙刷中实施。这样的系统还可能显著地增加牙刷的总成本，并且经常遭受不精确的影响。

通常，在这样的压力感测系统中，不存在对压力信息的连续监测，而是仅指示施加的压力何时达到表示过压的阈值。需要一种用于牙刷的紧凑、简单且便宜的传感器系统，特别是如下传感器系统，即：该传感器系统提供对压力的连续监测，使得其可被定制成提供期望的反馈。

发明内容

本发明提供了一种用于刷头的压力反馈系统，该压力反馈系统连续地监测该刷头上的压力或力的水平，并且被编程为基于压力的量向用户提供反馈信号。

在一个实施例中，该系统根据从马达延伸的驱动轴的速度变化来监测刷头上的压力水平。所述系统包括：壳体；处于所述壳体内的马达；驱动轴，其连接到所述马达，并且具有从所述壳体延伸的部分，用于附接到刷头；反馈装置；传感器，其能够检测所述驱动轴的旋转速度的变化；以及连接到所述传感器和所述反馈装置的微处理器，所述微处理器被编程为根据所述传感器检测到的所述驱动轴的旋转速度的变化来发送信号，以激活所述反馈装置。

在一个实施例中，该系统包括：磁体，其根据所述驱动轴的移动以重复或振荡的方式移动；以及传感器，其基于所述磁体的移动来产生信号。该传感器可以是霍尔效应传感器，或者响应于磁场的另一传感器。该磁体可位于该驱动轴上，或者该系统的根据该驱动轴移动的另一部分上。

所述驱动轴被连接到所述马达并且为所述系统提供运动。在一个实施例中，所述驱动轴是旋转的驱动轴，并且在更具体的实施例中，所述驱动轴绕旋转轴线振荡。旋转振荡运动可由所述壳体内的凸轮或齿轮机构提供，该凸轮或齿轮机构被布置在所述马达和所述驱动轴之间。

所述微处理器可被编程为在预定阈值下激活所述反馈装置，以向用户提供警报。在一个实施例中，该阈值是基于所测量的所述驱动轴或其他可移动部分的旋转速度的变化。例如，当没有负载被施加于刷头时，所述驱动轴可以第一旋转速度操作，并且当刷头处于使用中并且力被施加于刷头或刷毛载体时，所述驱动轴可以第二旋转速度操作。所述微处理器可被编程为当第一旋转速度和第二旋转速度之间的速度变化超过预定阈值时，向所述反馈装置发出信号。在一个实施例中，该阈值在大约5000RPM和大约7000RPM之间，并且在另一个实施例中，该阈值为大约6000RPM。在一个实施例中，所述系统当刷头处于操作中时连续地监测从第一旋转速度的旋转速度变化，并且向所述反馈装置发出信号，以在超过阈值的那些时间段内激活，并在不满足阈值的那些时间段内停用。

在一个实施例中，所述反馈装置位于所述壳体上。在另一个实施例中，所述反馈装置是发光装置、听觉装置和触觉装置中的至少一种。

所述刷头可包括颈部，所述颈部具有连接到所述壳体的一部分的第一端和支撑刷毛载体的第二端，所述刷头可包括刷轴，所述刷轴由所述驱动轴来驱动以绕第一轴线旋转，所述刷毛载体由所述刷轴来驱动以绕第二轴线旋转。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的在磁体处于第一位置的情况下的局部顶部透视图；

图2是其在该磁体处于第二位置的情况下的局部顶部透视图；

图3是位于测试固定装置中的根据本发明的一个实施例的透视图；

图4是其在刷头经历高压状态的情况下的透视图；

图5是使用测试（text）固定装置的测试结果的图形表示；

图6是根据一个实施例的刷头的分解图；以及

图7是示例性刷头和驱动单元的分解图。

在详细解释本发明的实施例之前，应当理解的是，本发明不限于在以下描述中阐述或在附图中图示的操作的细节或部件的构造和布置的细节。本发明可在各种其他实施例中实现，并且可以本文未明确公开的替代性方式来实践或执行。此外，还应当理解的是，本文所使用的措辞和术语是用于描述的目的，并且不应被认为是限制性的。对“包括”和“包含”及其变型的使用意在涵盖其后列出的项目及其等同物以及附加的项目及其等同物。此外，列举可被用在各实施例的描述中。除非另有明确说明，否则使用列举不应被解释为将本发明限于部件的任何特定的顺序或数量。列举的使用也不应被解释为从本发明的范围中排除可与所列举的步骤或部件结合或结合到所列举的步骤或部件中的任何附加的步骤或部件。

具体实施方式

本文所描述的本发明的实施例涉及一种电动牙刷10，其包括可固定到驱动单元14的刷头12。在一个实施例中，刷头12是可插到驱动单元14上的替换头。刷头12包括支撑一个或多个清洁元件20的刷毛载体18。驱动单元14的致动引起刷毛载体18和清洁元件20的振荡。

在一个实施例中，刷头12包括管状颈部22，该管状颈部22在一端15处支撑刷毛载体18，并且包括与刷毛载体18相对的开口端17，用于附接到驱动单元14。刷头12的一个示例在图6中示出。如图6中所示，刷头12包括颈部22、刷毛载体18和支撑在刷毛载体18上的刷毛20。刷轴26在管状颈部22内延伸，并且包括：第一端28，其接合刷毛载体18；以及相对端30，其接合从驱动单元14延伸的驱动轴。刷轴26沿纵向轴线延伸，并且能够绕该纵向轴线旋转，并且更具体而言能够绕该纵向轴线旋转振荡。刷轴26的一部分可延伸穿过可选的套筒32，该套筒32可被插入到管状颈部22的开口端17中，用于通过卡扣配合或摩擦配合可移除地安装到驱动单元14。

处于刷轴26和刷毛载体18之间的运动转换机构引起刷毛载体18绕载体轴线的旋转振荡，该载体轴线横向于刷轴26的纵向轴线。在Dishon的美国专利9,439,741中描述了根据图6中所示的实施例的运动转换机构的一个实施例，该美国专利的主题通过引用结合于本文中。在Kressner的美国专利6,021,538中公开了包括锥齿轮的运动转换机构的另一个实施例，该美国专利的主题也通过引用结合于本文中。

现在参照图7，驱动单元14包括手柄部分40和从手柄部分40延伸的驱动轴42。驱动单元14的安装部分44接合套筒32或刷头12的另一部分，用于将驱动单元14附接到刷头12。当刷头12被插到驱动单元上时，驱动轴42沿由刷轴26限定的纵向轴线延伸，并且接合刷轴26的端部30，使得驱动轴42绕该纵向轴线的旋转引起刷轴26绕相同轴线的旋转。

驱动单元14包括电动马达50，其可被致动以使驱动轴42移动。在一个实施例中，马达50是由电池供电的DC马达。马达50和电池可位于驱动单元14的手柄部分40内，并且通过驱动单元14的外部上的开关来操作。马达轴从马达50延伸，并且可由马达50驱动来旋转。传动装置或凸轮装置（cam arrangement）将马达轴的旋转转换成驱动轴42的旋转振荡运动。

图1-4图示了用于感测施加于刷毛20和刷毛载体18的压力的量并且用于在测量的压力达到预定阈值时向用户提供反馈的系统的结构和操作。在一个实施例中，该系统使用能够观测磁场的传感器连同位于驱动轴42或者驱动单元14或刷头12的另一可移动部分上的磁体来测量驱动轴42的旋转速度的变化。在所示实施例中，该系统使用霍尔效应传感器62和磁体60来测量驱动轴42的旋转速度的变化。在另一个实施例中，该系统可按类似于霍尔效应传感器的方式使用不同的传感器，例如TMR（隧道磁电阻）传感器等。该系统根据所测量的旋转速度的变化来确定刷毛24和刷毛载体18上的压力。

图1示出了电动牙刷10，其中手柄40的一部分被切除以暴露出内部部件。如图所示，永磁体60被附接到振荡的驱动轴42。在替代实施例中，磁体60可被附接到驱动单元14的经受用户所施加的负载的任何其他可移动部分，包括旋转的马达轴或者齿轮或凸轮结构的一部分。霍尔效应传感器62与驱动轴42相邻安装，其中，驱动轴42的旋转振荡使磁体60反复地接近和远离霍尔效应传感器62（in and out of proximity with the Hall effectsensor 62）移动。

霍尔效应传感器62被连接到微处理器64，该微处理器64可操作地连接到电池以及能够向用户提供信号的至少一个反馈装置。该反馈装置可以是：视觉反馈装置，例如LED灯泡或屏幕等；听觉装置，例如扬声器等；或者触觉装置，例如马达脉冲发生器等。在所示实施例（原型式实施例）中，微处理器64包括第一微处理器部分66和第二微处理器部分68。在生产版本中，微处理器64可以是单一的合并元件。

如图所示，压力传感器系统包括当作反馈装置的两个LED灯泡。当磁体60接近霍尔效应传感器62时，第一LED灯泡70（主要为原型目的而包含）点亮。作为示例，图1示出了永磁体60，其附接到驱动轴42并且远离霍尔效应传感器旋转。结果，第一LED灯泡70熄灭。图2示出了接近霍尔效应传感器旋转的永磁体60。结果，第一LED灯泡70点亮。尽管在该系统的商业版本中不需要，但LED 70提供了对该系统如何通过主动观测磁体和驱动轴的运动和速度来连续地监测刷头上的压力的例示。

图3和图4示出了根据本发明的原型实施例的电动牙刷10，其中，原型牙刷10位于具有重物102的固定装置100内，该重物102能够对刷头12施加不同量的压力。图3和图4还示出了第二LED灯泡72，其当作用于用户的主要反馈装置。尽管第二LED灯泡72在该原型实施例中被示出为在外部线连接到电动牙刷10，但是电动牙刷10的生产版本可包括位于驱动单元14上对于用户而言可见的位置的第二LED 72。在另一个实施例中，第二LED 72可以是任何其他类型的反馈装置，包括无线地连接到微处理器64的装置，例如移动电话或手表等。

在一个实施例中，当刷头12上的压力达到预定阈值水平时，第二LED 72（或替代性反馈装置）被激活，以便警告用户他/她正在用过大的压力刷牙。如上所述，在牙刷10的操作期间，霍尔效应传感器62测量磁体的接近度。在一个实施例中，霍尔效应传感器62是数字传感器，使得传感器62仅向微处理器64发信号通知磁体60靠近传感器62，并且当磁体60未靠近传感器62时传感器62不向微处理器64发信号。当驱动轴42振荡时，传感器62反复地发出信号。

微处理器64记录霍尔效应传感器62发出信号的速率，该速率表示驱动轴42的旋转速度（RPM），并且利用算法编程来确定何时在刷头12上正在施加过度或不期望的力。一个普遍接受的过度刷牙力的值是300g，并且在一个实施例中，所述微处理器被编程为当所述微处理器确定已经达到或超过300g的刷牙压力时激活反馈装置（例如，LED 72等）。在一个替代实施例中，可使用过度刷牙力的另一个值，并且在又一个替代实施例中，除了最大刷牙压力之外或者代替最大刷牙压力，可以为最小有效刷牙压力的阈值编程。

现在参照图5，在一个实施例中，微处理器64根据驱动轴42在操作期间的旋转速度的变化来确定是否已满足过度刷牙压力。图5示出了在不同的操作电压下使用图3和图4中所示的固定装置来测试牙刷10的图形结果。如可以看到的，无论操作电压如何，对于2.8V和2.1V之间的操作电压，所产生的轴速变化是大致线性的。在每个测试例中，300g的刷牙力使驱动轴42的旋转速度下降大约5000-7000RPM。结果，在一个实施例中，微处理器64被编程为当所测量的轴速以处于大约5000-7000RPM的范围内的量变化时激活LED 72（或其他反馈装置）。

以上描述是对本发明的当前实施例的描述。在不脱离如所附权利要求所限定的本发明的精神和更广泛的方面的情况下，可以作出各种变更和改变，所附权利要求应根据包括等同原则的专利法的原则来解释。本公开被提供用于说明的目的，并且不应被解释为对本发明的所有实施例的穷尽描述或者将权利要求的范围限于结合这些实施例来图示或描述的特定元件。例如，但不限于，所描述的发明的任何单独的元件都可以用提供基本上相似的功能或以其他方式提供适当的操作的替代性元件来替代。例如，这包括：目前已知的替代性元件，例如本领域技术人员可能当前已知的那些替代性元件；以及将来可能开发出的替代性元件，例如本领域技术人员在开发时可能识别为替代方案的那些替代性元件。此外，所公开的实施例包括一致地描述并且可以协作地提供许多益处的多个特征。本发明不仅限于包括所有这些特征或提供所有所述益处的那些实施例，除非在所公告的权利要求中另有明确阐述。例如使用用语“一”、“一个”、“一种”或者“该”、“所述”的以单数形式对权利要求元件的任何引用不应被解释为将该元件限于单数。

Claims (20)

1.一种系统，用于确定施加于刷头的压力的量，并且用于在测量的压力达到预定阈值时向用户提供反馈，所述系统包括：

刷头；

连接到所述刷头的驱动单元，所述驱动单元具有驱动轴，所述驱动轴被激活以使所述刷头相对于所述驱动单元移动；

磁体，其根据所述驱动轴的移动以重复的方式移动；

霍尔效应传感器，其基于所述磁体的所述移动来产生信号；

反馈装置；以及

连接到所述霍尔效应传感器和所述反馈装置的微处理器，所述微处理器被编程为根据所述磁体的所述移动的速度变化来激活所述反馈装置。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述驱动轴的移动是旋转的。

3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述驱动轴的移动是绕轴线的旋转振荡。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，所述微处理器基于所述驱动轴的旋转速度的变化来产生信号。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述微处理器利用旋转速度的阈值变化来编程，使得所述微处理器基于旋转速度的变化满足所述预定阈值来产生信号。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述阈值在大约5000RPM和大约7000RPM之间。

7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述阈值为大约6000RPM。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述反馈装置是发光装置、听觉装置和触觉装置中的一种。

9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，所述反馈装置位于所述驱动单元上。

10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，所述刷头包括颈部，所述颈部具有连接到所述驱动单元的第一端和支撑刷毛载体的第二端，所述刷头包括刷轴，所述刷轴由所述驱动轴来驱动以绕第一轴线旋转，所述刷毛载体由所述刷轴来驱动以绕第二轴线旋转。

11.一种用于刷头的压力反馈系统，包括：

刷头；

连接到所述刷头的驱动单元，所述驱动单元具有驱动轴，所述驱动轴被激活以使所述刷头相对于所述驱动单元振荡；

磁体，其根据所述驱动轴的移动而振荡；

传感器，其基于所述磁体的振荡速度来产生信号；

反馈装置；以及

连接到所述传感器和所述反馈装置的微处理器，所述微处理器被编程为根据所述磁体的移动的速度变化来激活所述反馈装置。

12.如权利要求11所述的压力反馈系统，其特征在于，所述刷头包括刷轴和刷毛载体，所述刷轴连接在所述驱动轴和所述刷毛载体之间。

13.如权利要求11所述的压力反馈系统，其特征在于，所述磁体被连接到所述驱动轴，并且所述传感器相对于所述磁体固定就位。

14.如权利要求11所述的压力反馈系统，其特征在于，所述驱动轴的移动是旋转的。

15.如权利要求14所述的压力反馈系统，其特征在于，所述微处理器利用所述驱动轴的旋转速度的阈值变化来编程，使得所述微处理器基于旋转速度的变化满足预定阈值来激活所述反馈装置。

16.如权利要求15所述的压力反馈系统，其特征在于，所述阈值是介于大约5000RPM和大约7000RPM之间的速度变化。

17.一种用于刷头的压力反馈系统，包括：

壳体；

处于所述壳体内的马达；

驱动轴，其连接到所述马达，并且具有从所述壳体延伸的部分，用于附接到刷头，所述驱动轴可操作来在所述马达激活时以一定旋转速度旋转；

反馈装置；

传感器，其能够检测所述驱动轴的所述旋转速度的变化；以及

连接到所述传感器和所述反馈装置的微处理器，所述微处理器被编程为根据所述传感器检测到的所述驱动轴的旋转速度的变化来发送信号，以激活所述反馈装置。

18.如权利要求17所述的压力反馈装置，其特征在于，所述刷头包括连接到所述驱动轴的刷轴和连接到所述刷轴的刷毛载体，其中，所述驱动轴的旋转引起所述刷轴和所述刷毛载体的旋转。

19.如权利要求18所述的压力反馈装置，其特征在于，所述传感器检测由所述刷毛载体上的力引起的所述驱动轴的旋转速度的变化。

20.如权利要求19所述的压力反馈装置，其特征在于，所述微处理器被编程为在所述驱动轴的所述旋转速度的变化超过预定阈值时，将所述信号发送到所述反馈装置。

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