CN114869526A - 一种用于压电-光协同无损美白的发光电动牙刷 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于压电‑光协同无损美白的发光电动牙刷，电动刷头，包括多簇的外围复合刷毛和多簇的中心复合刷毛；每簇所述的外围复合刷毛包括围成内圈的光纤刷毛，内圈外设有围成外圈的普通刷毛；内圈和外圈为同心圆；刷头内设有光纤照射装置，包括背光板式发光器，在背光板式发光器与空心刷毛之间置有滤光片；每簇所述的中心复合刷毛包括围成外圈的普通刷毛，外圈内设有空心刷毛，所述的空心刷毛与电动刷头内的牙刷腔体连接，所述的牙刷腔体设有牙膏电动推进装置；电动刷头内还设有超声震动器。本发明的牙刷设计利用振动和光照的协同效应，有效清洁护理口腔和牙齿美白，光纤刷毛与普通刷毛相间植入提高了光的利用率。
Description
技术领域
本发明属于电动牙刷技术领域，具体涉及一种用于压电-光协同无损美白的发光电动牙刷。
背景技术
牙齿变色及其引发的疾病是最常见的牙齿健康问题，香烟、有色食物和饮料的摄入都会导致牙齿污染变色。受污染的牙齿为细菌滋生提供了营养，大量细菌在牙齿上聚集、增殖形成生物膜，又导致牙菌斑、牙釉质脱矿、龋齿和牙周炎等。这种生物膜一旦形成就非常难以清除，人体的免疫细胞和外来的抗生素都难以突破它杀死内部细菌。目前，牙齿美白的方法主要为物理美白，如抛光和贴片等。但物理疗法需要专业的牙科医生操作，且会对牙釉质造成不可逆的机械损害。与物理美白相比，以产生活性氧为基础的“化学漂白”是一种对牙齿伤害性更小的美白方法。
压电材料具有非中心对称性的结构，在外加机械力的作用下可诱导表面电荷的不对称分布。近期研究表明，压电材料表面富集的非平衡电荷能够引发电化学反应，在温和条件下可产生活性氧物种，可促进牙齿表面污垢层的降解。因此，压电催化是一种潜力巨大的牙齿无损美白技术。光催化也是一种有效的产生活性氧物种的方法，但由于光催化过程中光产生的电子、空穴的分离以及快速重组极大地限制了光催化效率。同时，不同光谱频率和光照功率对光催化效果影响显著，临床上通常认为低功率(10W左右)可见光对人体影响较小，但一般在此条件下光催化效率极低。压电材料中的极化现象可以产生一个内部电场，通过压电势改变表面电荷能，促进光生电子-空穴对的分离，将其与光催化相结合，构建具有抑制载流子复合能力的压电-光催化耦合材料，极大提升催化效率。目前，基于压电-光协同催化技术已开发出用于牙齿高效无损美白的凝胶材料(如美白牙膏)，与之匹配的可激发压电-光催化性能的发光电动牙刷器件也亟待开发。
牙刷是人们日常生活中不可或缺的一种清洁用具，刷牙实质上是提供压电动力的过程。作为普通的牙刷的升级换代，电动牙刷一方面通过高频摆动清洁牙齿，另一方面通过产生高频振动，能够瞬间将牙膏和水混合产生大量小气泡，气泡破裂产生的压力可以深入牙缝清洁。电动牙刷具有刷力稳定，使用简便的优势，同时刷毛的颤动能够促进口腔的血液循环，对牙龈组织具有较好的按摩效果。相较于普通牙刷能够降低牙龈炎和牙周炎的发病率。
一般市面上的发光牙刷，是通过将具有发光功能的电路板内建于刷柄内，利用开关启动光源经具有透光性材质的刷柄射出至外而达到的。此种发光牙刷过分注重刷柄的发光效果，忽略刷头的设计，且功能单一。如一种发光牙刷的手柄内设置发光电路，在使用时发出悦目的彩光，美观且有乐趣，其刷头处的照明功能也有利于儿童从小养成刷牙的好习惯，因此多见于儿童牙刷。
目前已有专利中的发光牙刷设计主要区别于光源的引入方式，如LED(LightEmitting Diode，发光二极管)、光纤、导光丝束等。CN204889101U介绍了一种发光牙刷，刷柄内置有导光丝束，导光丝束前端延伸至刷毛下端位置处，导光丝束后端形成集束端头，并在集束端头后端设置彩灯光源，在刷柄上还设置有用于控制彩灯光源开闭的按钮开关，按钮开关与彩灯光源之间通过导线相连接。该牙刷的刷毛具有发光闪亮和照明的效果。CN215273529U描述了一种以LED直接作为光源电动牙刷，刷头部设置了发光方向与刷毛朝向一致的LED，通过发出蓝光进行杀菌。CN2907364Y描述了一种将光纤刷毛植入刷头通孔中的电动牙刷，刷头中的发光器发光，通过滤光片后经光纤传至刷毛表面，光源可直接照射于牙齿表面或牙龈上，具有口腔保健的功效。虽然发光电动牙刷的专利已有不少，但是市面上成熟且有效的家用牙刷产品几乎没有，常见的是带有“保健作用”的LED灯的发光电动牙刷，LED灯可发射灯光，对口腔进行杀菌消毒，可提高口腔清洁和防护效果，不过其美白作用值得怀疑。
刷毛通过摩擦牙面达到清洁牙菌斑的作用，其不同的排列方式影响牙刷的清洁效果。常见的排列方式包括簇状和非簇状排列，非簇状排列又包括平面型、U型、三凹两凸型等多种排列方式。簇状排列通过不同刷毛簇之间的长短和材质差异对牙齿乃至牙龈和牙周间隙进行全面的清洁，如CN111655072A所述牙刷通过不同长度、不同半径刷毛的混合排列实现了对邻牙间隙和龈沟的清洁。平面形刷毛之间在长短和材质上无差异，具有基本的清洁能力，生活中应用较广；U形排列的内侧刷毛呈某一角度菱形倾斜，降低牙齿磨损；三凹两凸型排列的刷毛呈流线型，与牙齿表面起伏形态吻合，能够更为有效地清洁牙齿表面的峰窝沟嵴。
牙膏推进器是一种同时具有容纳牙膏和将牙膏推挤到刷头表面的装置。现有的牙膏推进器以手动旋转推进装置为主，通过手动旋转加力通过中空刷体的管道将牙膏推入刷头。相较于挤压式牙膏，推进过程易于控制且减少洗漱工具占用空间。如CN202820110U所述牙刷即通过腔体内安装螺旋形牙膏推进器和牙膏排出开关控制牙膏排出，使牙膏更为便携。
虽然现有的电动牙刷相较普通的牙刷在清洁牙菌斑和保护口腔健康的效果上更加优异，但始终局限在物理美白的层面上，基于压电-光催化体系的化学美白过程的牙刷器件设计目前仍未涉及。
通过设置在刷头或刷柄内的发光二极管来实现光照，具有这种结构的发光牙刷在压电-光催化应用中具有以下重大缺陷：美白牙膏在使用中会产生泡沫，刷毛本身和牙膏泡沫的阻挡，使真正照射到牙齿上的光线很弱，无法实现光催化效果；发光二极管老化、电压变化以及刷头、刷柄透光性的降低都可能改变光线成分而产生有害光线；发光二极管是一种点光源，刷牙时近距离照射可能对视力有影响。LED发射的光照波长和强度为固定值，仅能通过换用不同的LED进行调节，因此固有的LED灯发射光线对口腔进行杀菌消毒使用场景较为局限，难以调节。
植有光纤刷毛的牙刷面临光纤衰减、磨损等问题。当光纤在牙齿表面摩擦而弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉，同时光纤若无适宜的材料包裹将被快速磨损，降低其导光性能。因此植入普通光纤刷毛的刷头无法适应长期使用的需要。
将牙膏直接挤压于刷毛表面将明显阻挡光纤的出射光，使光照难以到达牙齿表面。现有的牙膏推进器常将牙膏通过体腔中的孔道手动推入刷头表面的刷毛底部(如公开号为CN207125486U，CN105768529A，CN204048579U，CN202820110U所描述的专利)。手动推进方式难以有效控制牙膏的推出量，且有部分牙膏由于难以到达刷毛表面而损失于光纤之间的空隙中造成浪费。
发明内容
本发明描述的电动牙刷能够同时提供光照和声波震动，满足压电-光场协同作用需求，使用电动发光牙刷和牙膏来提供牙齿美白和口腔有效杀菌消毒的方法。牙膏电动推进器将牙膏挤在刷毛表面，在电动机驱动下刷头震动，同时启动发光元件。
具体的技术方案为：
一种用于压电-光协同无损美白的发光电动牙刷，包括手柄、电动刷头，电动刷头内设有光纤照射装置、牙膏电动推进器；
所述的电动刷头，包括刷毛，所述的刷毛包括多簇的外围复合刷毛和多簇的中心复合刷毛；每簇所述的外围复合刷毛包括围成内圈的光纤刷毛，内圈外设有围成外圈的普通刷毛；内圈和外圈为同心圆；
所述的光纤刷毛短于普通刷毛，光纤刷毛外包裹有透明保护层；
刷头内设有光纤照射装置，包括背光板式发光器，在背光板式发光器与空心刷毛之间置有滤光片；
每簇所述的中心复合刷毛包括围成外圈的普通刷毛，外圈内设有空心刷毛，所述的空心刷毛与电动刷头内的牙刷腔体连接，所述的牙刷腔体设有牙膏电动推进装置；
所述牙膏电动推进装置的核心为电动推进塞，所述的电动推进塞与超声震动器串联，电动牙刷启动时该电动推进塞被同时启动，在刷毛振动的过程中匀速挤出牙膏至与牙膏储存室相通的空心刷毛内，从而避免了牙膏大量覆盖于刷毛表面对光线的遮挡。牙膏存储于牙刷腔体内置的圆柱形牙膏储存室中，所述牙膏储存室底部由上述电动推进塞构成；
每簇所述的中心复合刷毛在外圈内还设有围成内圈的光纤刷毛，内圈和外圈为同心圆；所述的内圈位于空心刷毛外；
电动刷头内还设有超声震动器。
本发明的牙刷设计外观简洁、漂亮，并具备多重功能。
本发明的牙刷设计利用振动和光照的协同效应，有效清洁护理口腔和牙齿美白，光纤刷毛与普通刷毛相间植入提高了光的利用率，光纤刷毛不直接用于牙齿清洁美白，仅提供光照，避免了光纤刷毛折叠导致的导光能力降低，且外加透明材料包裹可以保护内部光纤刷毛，以延长使用寿命。
嵌入滤光片适应多种光照选择，既能通过紫外线完成刷毛自身的消毒灭菌，又能通过红外线促进血液循环，还能与具有光催化性能的美白牙膏联合使用，提高美白效果。
用光纤刷毛代替发光二极管使光线能够从刷毛顶端射出，避免了刷毛本身的阻挡，光纤刷毛将光照直接照射在牙齿上，提高光照效果。
为有效避免牙膏的浪费以及牙膏对光线的遮挡，本发明采用牙膏电动推进装置并结合空心刷毛，将牙膏在刷牙过程中逐步推于刷毛表面。
本发明完成了发光、振动、电动推进等多重功能整合为一体的发光牙刷的设计，且多重功能之间互不干扰，从而实现口腔环境中的消毒、杀菌、牙齿美白等性能的研究目标。
配合使用压电-光催化美白凝胶的基础上，利用该发光电动牙刷模拟日常刷牙对牙齿进行不同模式下的美白实验，首先将牙齿浸泡在难降解的4000ppm龙胆紫水溶液中7天，使牙齿牙冠、牙釉质、牙本质等部分充分着色，然后分别在无光无震动(无压电无光条件)、有光无震动(无压电有光条件)、有光有震动(压电-光协同条件)三种不同模式下模拟日常刷牙，对苛刻条件下上色的牙齿进行美白实验研究。实验结果表明，模拟刷牙实验过程中，压电-光同时作用模式下可实现对牙齿牙冠、牙釉质、牙本质等部位的深度美白，其美白效果明显优于单独压电催化模式和单独光催化模式，说明该发明的发光电动牙刷可与压电-光美白凝胶匹配，实现牙齿的高效无损美白。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明电动刷头的结构示意图；
图3是本发明刷毛的结构示意图。
具体实施方式
结合附图说明本发明的具体技术方案。
如图1所示，一种用于压电-光协同无损美白的发光电动牙刷，包括手柄20、电动刷头10，电动刷头10内设有光纤照射装置、牙膏电动推进器；将发光、振动、美白凝胶电动推进等多重功能整合为一体，互不干扰，实现口腔环境中的无损牙齿美白等性能；将复合刷毛、电动推进器、超声震荡器等器件整合与一体；
如图2和图3所示，所述的电动刷头10，包括刷毛，所述的刷毛包括多簇的外围复合刷毛30和多簇的中心复合刷毛40；每簇所述的外围复合刷毛30包括围成内圈的光纤刷毛1，内圈外设有围成外圈的普通刷毛2；内圈和外圈为同心圆；
所述的光纤刷毛1短于普通刷毛2，光纤刷毛1外包裹有透明保护层；
刷头内设有光纤照射装置，包括背光板式发光器，在背光板式发光器与空心刷毛3之间置有滤光片；
每簇所述的中心复合刷毛40包括围成外圈的普通刷毛2，外圈内设有空心刷毛3，所述的空心刷毛3与电动刷头10内的牙刷腔体连接，所述的牙刷腔体设有牙膏电动推进装置；
每簇所述的中心复合刷毛40在外圈内还设有围成内圈的光纤刷毛1，内圈和外圈为同心圆；所述的内圈位于空心刷毛3外；
电动刷头10内还设有超声震动器。
植入透明光纤刷毛1，用于提供稳定的和不同波段的光照，延长使用寿命的基础上显著增强牙齿清洁美白效果。
光纤刷毛1、普通刷毛2与空心刷毛3形成的多层同心圆为一簇，刷头上植入多簇上述组合刷毛，光纤刷毛1短于其余刷毛，并用透明材质包裹，从而起保护作用，减弱光纤刷毛1衰减和磨损。
所述的光纤刷毛1的发光功率可调0.1-20W，发光波长200-800nm可根据使用功能将进行调节。
所述的光纤刷毛1波长调节，在牙刷头壳内的滤光片，提供牙齿清洁美白所需的特定蓝紫光、紫外线和红外线等波段，紫外光区牙刷刷头可进行自杀菌消毒，可见光区可进行日常清洁牙齿等。
所述的普通刷毛2，刷毛材料可采用聚丙烯PP、PBTN6和N66软毛、尼龙PA刷毛、PET复合材料磨尖丝等。刷柄材料可采用聚苯乙烯PS、透明热塑性橡胶TPR、人造橡胶TPE、聚氯乙烯PVC等。
所述空心刷毛3，将牙膏电动推进装置与牙刷腔体、空心刷毛3相连。
普通刷毛2、光纤刷毛1和空心刷毛3三种类型的刷毛中，同类型刷毛的长度分别相同，尖端分别在同一平面上。
电动刷头10功率在0.5-20W，牙膏电动推进器推进速率在0.01-5mL/s。
超声震动器，其功率在0.5-20W，超声频率在低频：20–100kHz和高频：1-3MHz范围内。
电动刷头10中的背光板式发光器，功率为2-5W，可提供全光谱光波长：200-800nm。
刷毛簇状植入电动刷头10，每一簇为普通刷毛2加上空心刷毛3和/或光纤刷毛1同心圆相间排列，形成多簇、多层同心圆分布，光纤刷毛1使用透明材料包裹，且使光纤刷毛1长度短于普通刷毛2，从而减小光纤刷毛1所受机械摩擦并保护光纤刷毛1，提高光纤刷毛1的使用寿命，减少光纤刷毛1弯折，使其发光稳定。普通刷毛2可以使用尼龙材料PA、聚丙烯PP、PET复合材料、PBTN6和N66软毛竹炭毛等。空心刷毛3与牙刷腔体中的牙膏电动推进装置相连，使牙膏被直接推至空心刷毛3顶端与牙面接触，减少浪费和牙膏在刷毛间的残留，减少对光线的遮蔽。
电动刷头10中置有光纤照射装置，包括背光板式发光器，在背光板式发光器与空心刷毛3之间置有滤光片，光源通过滤光片后可以提供蓝紫光、紫外光、红外光等等。紫外光可以使牙刷刷头自杀菌消毒，避免长期使用滋生细菌、藏污纳垢；低强度的红外线可以局部扩张血管，改善血流；蓝紫光可作用于具有光催化性质的美白牙膏，提高牙膏的美白效果。
手柄20的控制主板上有控制超声震动器和光纤照射装置的开关以及时间设定按钮，并有已经设定完毕的使用模式供使用者选择，如自清洁模式、美白模式等。按键均采用橡胶覆盖的按钮式开关，可以通过刷柄中灯源的发光和熄灭提醒开关状态On/Off和模式选择状态。
牙膏电动推进装置不仅具有牙膏储存的功能，同时摒弃了传统推进装置手动推进和先推出牙膏后振动刷毛的使用方式，牙膏电动推进装置是以时间为单位进行逐步推进的推进器，牙膏推进与刷毛振动过程同步进行，能够最大限度地减少牙膏对光线的遮挡，避免牙膏与牙面接触不均，牙膏溢出牙面导致浪费以及刷牙后半段牙膏不够的现象。
本发明可以连接手机蓝牙，便于设置定时清洁和调整档位，使操作更便捷。牙刷提供自清洁模式，此时光纤刷毛1刷毛可发出紫外光，配置一个牙刷头套避免紫外光射出，通过紫外线在刷头内的反射，实现刷头自杀菌消毒。
Claims (3)
1.一种用于压电-光协同无损美白的发光电动牙刷，其特征在于，包括手柄(20)、电动刷头(10)，电动刷头(10)内设有光纤照射装置、牙膏电动推进器；
所述的电动刷头(10)，包括刷毛，所述的刷毛包括多簇的外围复合刷毛(30)和多簇的中心复合刷毛(40)；每簇所述的外围复合刷毛(30)包括围成内圈的光纤刷毛(1)，内圈外设有围成外圈的普通刷毛(2)；内圈和外圈为同心圆；
刷头内设有光纤照射装置，包括背光板式发光器，在背光板式发光器与空心刷毛(3)之间置有滤光片；
每簇所述的中心复合刷毛(40)包括围成外圈的普通刷毛(2)，外圈内设有空心刷毛(3)，所述的空心刷毛(3)与电动刷头(10)内的牙刷腔体连接，所述的牙刷腔体设有牙膏电动推进装置；
电动刷头(10)内还设有超声震动器。
2.根据权利要求1所述的一种用于压电-光协同无损美白的发光电动牙刷，其特征在于，所述的光纤刷毛(1)短于普通刷毛(2)，光纤刷毛(1)外包裹有透明保护层。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于压电-光协同无损美白的发光电动牙刷，其特征在于，每簇所述的中心复合刷毛(40)在外圈内还设有围成内圈的光纤刷毛(1)，内圈和外圈为同心圆；所述的内圈位于空心刷毛(3)外。
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