Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine automatische
Messung und Kenntlichmachung der Anwendungsdauer zu schaffen, welche
die verschiedenen Zahnflächen
vollständig
differenziert, welche berücksichtigt,
wie lange ein Anwender eine jeweilige Zahnfläche bereits gereinigt hat und
welche den Anwender darüber
in Kenntnis setzt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Ausführungsformen
aus den Patentansprüchen gelöst.
Die
Erfindung betrifft somit die Steuerung einer Anzeige zum Sichtbarmachen
der Anwendungsdauer einer elektrischen Zahnbürste mit einem Bürstenkopf
dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung einen mehrachsigen Neigungssensor
umfasst, der sowohl die Ausrichtung der Bürstenfläche des Bürstenkopfes zu den lateralen
Zahnflächen
bestimmt, wobei eine Neigungsgröße (phi)
ermittelt wird, als auch den Bewegungsverlauf der Zahnbürstenlängsachse
auf der Transversalebene bestimmt, wobei eine Beschleunigungsgröße (alpha)
ermittelt wird.
Der
Neigungssensor ist im Zahnbürstengehäuse (Handteil)
eingebaut. Ausgangspunkt der Erfindung ist die – unter
EP 04027631.3 beschriebene – empirische
Beobachtung, dass man die Bürstenfläche eines
Bürstenkopfes
naturgemäß nicht
parallel, sondern geneigt an die lateralen Zahnflächen heranführt. Ursächlich dafür ist die
Tatsache, dass ein Anwender beim Zähneputzen die Lippen möglichst
geschlossen hält,
um nicht Speichel zu verlieren. Er führt deswegen die Zahnbürste tendenziell
mittig in den Mund und lenkt sie sodann schräg zu den Zähnen. Infolgedessen legt sich
der Bürstenkopf
schräg an
die lateralen Zahnflächen.
Die Neigungsgröße (phi)
reicht als Orientierungsgröße aus,
wenn beabsichtigt wird, die Bewegungen des Bürstenkopfes seiner Lage zu
den Zähnen
anzupassen (siehe
EP 04027631.3. ).
Beabsichtigt man, jede Zahnfläche
getrennt zu erfassen, was für
eine Auswertung der Putzdauer je Zahnfläche notwendig ist, muss neben der
Neigungsgröße (phi)
auch die Beschleunigungsgröße (alpha)
detektiert werden.
Erfindungsgemäß ist also
vorgesehen, dass die Steuerung sowohl die Ausrichtung der Bürstenfläche des
Bürstenkopfes
zu den lateralen Zahnflächen bestimmt,
wobei eine Neigungsgröße (phi)
ermittelt wird, als auch den Bewegungsverlauf der Zahnbürstenlängsachse
auf der Transversalebene bestimmt, wobei eine Beschleunigungsgröße (alpha)
ermittelt wird.
Gemäß den oben
stehenden Ausführungen ist
in einer bevorzugten Ausführungsform
der Steuerung die Neigungsgröße (phi)
der Winkel, der durch Bürstenfläche und
lateraler Zahnfläche
gebildet wird, und die Beschleunigungsgröße (alpha) die Beschleunigung,
die durch eine Änderung
des Bewegungsverlaufs der Zahnbürstenlängsachse
auf der Transversalebene gebildet wird.
Die
lateralen Zahnflächen
entsprechen hierbei in etwa der Lage des Vektors der Schwerkraft, d.h.
beim stehenden Probanden entlang der anterior-posterioren Körperachse,
in anderen Worten, vertikal zur Standfläche des Probanden. Vorzugsweise wird
die Neigungsgröße (phi)
daher als Ausrichtungswinkel bezogen auf den Vektor der Schwerkraft
bestimmt (siehe
EP 04027631.3. ).
Die Transversalebene entspricht bei einem stehenden Probanden in etwa
der Horizontalebene. Vorzugsweise wird die Beschleunigungsgröße (alpha)
somit als Änderung des
Bewegungsverlaufs der Zahnbürstenlängsachse auf
der Horizontalebene bestimmt.
Kennwerte,
mittels derer man bestimmen kann, wo im Mund sich der Bürstenkopf
befindet, ergeben sich zum einen aus Grenzwertbereichen, die sich
für die
Neigungsgröße (phi)
definieren lassen, und zum anderen aus der Änderung des Bewegungsverlaufs
der Zahnbürstenlängsachse
auf der Transversalebene, welche durch die Beschleunigungsgröße (alpha)
repräsentiert
wird.
Für die Neigungsgröße (phi)
können
Grenzwertbereiche definiert werden, da die Bürstenfläche an die rechten und linken
(aus Sicht des Anwenders) lateralen Zahnflächen der Backenzähne des
Oberkiefers ebenso wie an die rechten und linken lateralen Zahnflächen der
Backenzähne
des Unterkiefers und an die Außenseite
der lateralen Zahnflächen
der oberen und unteren Schneidezähne
sowie an deren Innenseite mit einer je spezifischen Schräge herangeführt wird
(siehe
EP 04027631.3. ).
Auch die jeweilige Ausrichtung der Bürstenfläche zur Kauflächen der
Oberkieferzähne
einerseits und zur Kauflächen der
Unterkieferzähne
andererseits lässt
sich anhand von Grenzwertbereichen der Neigungsgröße (phi)
erfassen. Somit werden alle Zahnflächen durch Grenzwertbereiche
der Neigungsgröße (phi)
abgedeckt.
In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind für
die Neigungsgröße (phi)
deswegen bevorzugt mehrere Grenzwertbereiche definiert.
Im
Folgenden wird beschrieben, welche lateralen Zahnflächen welchen
Grenzwertbereichen erfindungsgemäß zugeordnet
werden. Die Grenzwertbereiche werden als graduelle Abweichung vom
Vektor der Schwerkraft (0 Grad) ausgedrückt. Mit Bezug auf den Vektor
der Schwerkraft liegt der 1. Grenzwertbereich vorzugsweise zwischen –10 und
10 Grad. Er gilt für
die Außenseite
der rechten Unterkiefer-Schneidezähne und
die Außenseite
der rechten Oberkiefer-Schneidezähne
(hier und im Folgenden stets aus Sicht des Anwenders gedacht). Der
2. Grenzwertbereich liegt zwischen 20 und 50 Grad und gilt für die Backenseite
der rechten Unterkiefer-Backenzähne und
die Zungenseite der linken Unterkiefer-Backenzähne. Der 3. liegt zwischen
130 und 160 Grad und gilt für
die Zungenseite der rechten Unterkiefer-Backenzähne und die Backenseite der
linken Unterkiefer-Backenzähne.
Der 4. liegt zwischen 170 und 190 Grad und gilt für die Außenseite
der linken Unterkiefer-Schneidezähne und
die Außenseite
der linken Oberkiefer-Schneidezähne.
Der 5. liegt zwischen 200 und 230 Grad und gilt für die Gaumenseite der
rechten Oberkiefer-Backenzähne und
die Backenseite der linken Oberkiefer-Backenzähen. Der 6. liegt zwischen
310 und 340 Grad und gilt für
die Backenseite der rechten Oberkiefer-Backenzähen und die Gaumenseite der
linken Oberkiefer-Backenzähne.
Die
laterale Zahnfläche
der Gaumen- bzw. Innenseite der Oberkiefer-Schneidezähne und
die laterale Zahnfläche
der Zungen- bzw. Innenseite der Unterkiefer-Schneidezähne werden
den Grenzwertbereichen der Kauflächen
zugeordnet. Dementsprechend liegt der 7. Grenzwertbereich zwischen
60 und 120 Grad und gilt für
die Kauflächen
der Unterkieferzähne
und die Zungen- bzw. Innenseite der Unterkiefer-Schneidezähne. Der 8.
Grenzwertbereich liegt zwischen 240 und 300 Grad und gilt für die Kauflächen der
Oberkieferzähne
und die Gaumen- bzw. Innenseite der Oberkiefer-Schneidezähne.
In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung sind für
die Neigungsgröße (phi)
deswegen am meisten bevorzugt acht Grenzwertbereiche definiert.
Vorausgesetzt
der Bürstenkopf
weist eine Bürstenfläche auf,
die ganz oder teilweise plan ist, bewegt sich die Ausrichtung, mit
der ein Anwender die Bürstenfläche an die
Zahnflächen
legt, stetig in einem der genannten Grenzwertbereiche. Ist der Bürstenkopf
nur mit einer Bürstenrolle
versehen, die um die Längsachse
der Zahnbürste
rotiert, verfehlt ein Anwender die naturgemäß schräge Ausrichtung der Bürstenfläche zu den
lateralen Zahnflächen,
da ihm die zylinderförmige
Oberfläche
der Bürstenrolle
keine Anhaltspunkte liefert.
Die
Steuerung gehört
deswegen zu einer Zahnbürste,
die erfindungsgemäß einen
Bürstenkopf umfasst,
welcher eine ganz oder teilweise plane Bürstenfläche aufweist.
Solange
die für
die Neigungsgröße (phi)
definierten Grenzwertbereiche als einzige Orientierungsgröße fungieren,
kann noch nicht vollständig zwischen
den verschiedenen Zahnflächen
differenziert werden. Beispielsweise wird noch kein Unterschied
gemacht zwischen der Backenseite der rechten Oberkieferbackenzähne und
der Gaumenseite der linken Oberkieferbackenzähne. Beide lateralen Zahnflächen werden
dem gleichen Grenzwertbereich zugeordnet, weil für beide ein weitgehend ähnlicher Neigungswinkel
(phi) detektiert wird (siehe oben).
Die
verschiedenen Zahnflächen
differenziert zu erfassen, gelingt, sobald man die Beschleunigungsgröße (alpha)
bestimmt, d.h. die Änderungen des
Bewegungsverlaufs der Zahnbürstenlängsachse auf
der Transversalebene. Dabei werden als weitere Orientierungsgrößen einerseits
die Richtung des Bewegungsverlaufs erfasst, wobei zwischen Stillstand, Links-Rechts-Bewegungen
(aus Sicht des Anwenders) und Rechts-Links-Bewegungen unterschieden wird,
und andererseits die Intensität
bestimmt, mit der die Bewegungen verläuft, wobei zwischen zeitlich kurzen
und langen Bewegungen unterschieden wird. Alternativ oder ergänzend kann – was die
Intensität der
Beschleunigung betrifft – auch
zwischen starken und schwachen Beschleunigungen unterschieden werden.
Bevorzugt
sind deswegen für
die Beschleunigungsgröße (alpha)
mehrere Änderungen
des Bewegungsverlaufs, am meisten bevorzugt vier Änderungen
des Bewegungsverlaufs definiert, wodurch einerseits die Richtung
des Bewegungsverlaufs und andererseits die Intensität der Bewegung
repräsentiert
werden.
In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Steuerung werden die vom Neigungssensor gelieferten Signale
an die Steuerung weitergegeben und dort verarbeitet.
Damit
die Sensorsignale von der Steuerung verarbeitet werden können, ist
es günstig,
wenn die Steuerung direkt oder indirekt mit dem Neigungssensor verbunden
ist, wenn der Neigungssensor von der Steuerung abfragbar ist und
wenn die vom Neigungssensor gemessenen Neigungswerte in die Steuerung übertragbar
sind.
In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst die Steuerung ein Speicherelement.
Zur
Verarbeitung der Sensorsignale eignet sich erfindungsgemäß ein Mikrocontroller,
der als integriertes Schaltungselement (unter anderem) sowohl über einen
Programmspeicher (ROM) als auch über
einen Arbeitsspeicher (RAM) verfügt.
Die Arbeitsweise von Mikrocontrollern mit integrierten Speicherelementen
ist dem Fachmann bekannt und in der Fachliteratur beschrieben.
Da
nicht vorhersehbar ist, wo im Mund ein Anwender das Zähneputzen
beginnt, muss zunächst abgewartet
werden, bis der Anwender den Bürstenkopf
an mehrere unterschiedliche Zahnflächen gelegt hat (Abtastungsphase).
Die dabei anfallenden Sensorsignale werden in der Steuerung zwischengespeichert.
Mittels der durch die Bewegung des Bürstenkopfes im Mund auftretenden
Veränderungen
der Beschleunigungsgröße (alpha)
in Verbindung mit den wechselnden Grenzwertbereichen der Neigungsgröße (phi)
lässt sich
schrittweise zwischen den unterschiedlichen Zahnflächen differenzieren.
Dabei
spielt eine Rolle: 1. von welchem zu welchem Grenzwertbereich der
Neigungsgröße (phi) der
Bürstenkopf
wechselt, 2. ob der betretene Grenzwertbereich größer oder
kleiner ist als der verlassene – woraus
sich auf die Drehrichtung der Abweichung vom Vektor der Schwerkraft
schließen
lässt –, 3. ob durch
den Bewegungsverlauf die Beschleunigungsgröße (alpha) positiv, negativ
oder unverändert
ausfällt – woraus
sich auf die Richtung der Bewegung schließen lässt – und 4. ob die Beschleunigungsgröße (alpha)
eine Bewegung von zeitlich kurzer oder langer Intensität detektiert – woraus
sich auf Bewegungen schließen
lässt,
bei denen ein Anwender den Bürstenkopf über mehrere
Zahnflächen
hinweg von den rechten Zähne
zu den linken oder umgekehrt (aus Sicht des Anwenders) versetzt
hat. Vorzugsweise wird zwischen einer gerichteten Beschleunigung pro
Zeit ≤ 6
ds (Dezisekunden) und einer gerichteten Beschleunigung pro Zeit > 6 ds unterschieden.
Um Sprünge über mehrere
Zahnflächen
hinweg zu detektieren, kann alternativ zur Bestimmung der zeitlichen
Intensität
der Beschleunigungsgröße (alpha) oder
ergänzend
die Beschleunigungsintensität
als Stärke
herangezogen werden.
Bei
der Verarbeitung der Beschleunigungsgröße (alpha) durch den Mikrocontroller
wird erfindungsgemäß berücksichtigt,
in welchem Grenzwertbereich der Neigungsgröße (phi) sich der Bürstenkopf
befindet, so dass gegebenenfalls die Beschleunigungsgröße (alpha)
invertiert werden kann. Dies ist nötig, wenn die Neigungsgröße (phi)
aus dem Bereich 0 bis 180 Grad in den Bereich 180 bis 360 Grad wechselt,
mit anderen Worten wenn ein Wechsel von den Oberkiefer-Zähnen zu
den Unterkiefer-Zähnen oder
umgekehrt stattfindet.
Nach
mindestens zwei, maximal vier unterschiedlichen Zahnflächen, an
die der Anwender den Bürstenkopf
legt, ist die Abtastungsphase beendet und der Steuerung steht eine
Sequenz an Sensorsignalen zur Verfügung, anhand derer sie – rückwirkend
und weiterhin – alle
Zahnflächen
während
desselben Zahnputzvorgangs differenziert unterscheiden kann.
In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst die Steuerung einen Timer. Günstig ist, wenn der Timer bereits
Bestandteil des Mikrocontrollers ist.
Sobald
die Steuerung durch eine ausreichend lange Sequenz an Sensorsignalen
die Zahnflächen,
an welche ein Anwender während
eines Zahnputzvorgangs den Bürstenkopf
legt, zu differenzieren vermag, wird den einzelnen Zahnflächen – rückwirkend
und weiterhin – jeweils
die Dauer zugeordnet, während
der ein Anwender den Bürstenkopf in
ihrem Bereich (d.h. im Bereich der jeweiligen Zahnfläche) verweilen
lässt (bzw.
verweilen hat lassen). Führt
ein Anwender den Bürstenkopf
während
desselben Zahnputzvorgangs mehrmals in den Bereich derselben Zahnfläche, addiert
die Steuerung die einzelnen Zeitintervalle zur Gesamtverweildauer
des Bürstenkopfes
an dieser Zahnfläche.
In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist vorgesehen, dass die Steuerung direkt oder indirekt eine digitale
Anzeige ansteuert. Bevorzugt besteht die digitale Anzeige aus mehreren
Leuchtdioden (LED) oder aus einer Flüssigkristallanzeige (LCD). Beide
Anzeigen arbeiten Strom sparend und können auf kleinstem Raum eingebaut
werden.
Bevorzugt
stellt die Anzeige die unterschiedlichen Zahnflächen dar.
Handelt
es sich um eine LED-Anzeige, dann sind zur ausreichenden Darstellung
der Zahnflächen vorzugsweise
18 Leuchtdioden vorgesehen. Diese werden erfindungsgemäß so angeordnet,
dass der Anwender jede Leuchtdiode sofort und eindeutig mit einer
Zahnfläche
in Verbindung bringen kann. Dabei gilt es, das räumliche Verhältnis der
Zahnflächen
zueinander sinngemäß in der
Ebene nachzubilden. Gleiches ist bei einer Flüssigkristallanzeige zu beachten,
die anhand ihrer Flüssigkristalle
ebenfalls vorzugsweise 18 unterschiedliche Zeichen darzustellen
hat.
In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Steuerung ist die Anzeige am Zahnbürstengehäuse oder an der Ladestation
angebracht. Eine Anzeige, die am Zahnbürstengehäuse angebracht ist, wird direkt
mit der Steuerung verbunden. Günstig
ist, wenn sie auf der Vorderseite des Zahnbürstengehäuses sitzt, so dass sie ein
Anwender, der sich die Zahnbürste
mit der Vorderseite nach oben waagrecht in den Mund hält, mit
den Augen erfassen kann. Ist die Anzeige an der Ladestation angebracht,
wird sie entweder über
ein Kabel oder über
Funk mit der Steuerung verbunden. Eine an der Ladestation angebrachte
Anzeige hat den Vorteil, dass sie vom Anwender während des Reinigungsvorgangs
ständig
im Auge behalten werden kann.
In
einer bevorzugten Ausführung
der Steuerung ist deswegen vorgesehen, dass die Steuerung direkt
oder über
Funk mit der Anzeige verbunden ist.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen,
dass die Steuerung in Abhängigkeit
der Signale des Neigungssensors, welche die Neigungsgröße (phi)
repräsentieren,
und der Signale des Neigungssensors, welche die Beschleunigungsgröße (alpha)
repräsentieren,
und in Abhängigkeit
der Anwendungsdauer die Anzeige reguliert.
Vorzugsweise
lässt die
Steuerung eine Leuchtdiode immer dann erleuchten, wenn die der Leuchtdiode
zugeordnete Zahnfläche
durch den Anwender länger
als eine vorgegebene Zeit gereinigt wurde. Wann die vorgegebene
Zeit erreicht bzw. überschritten
wurde, errechnet sich durch Addition der Zeitintervalle, welche
die Steuerung anhand der Sequenz der Sensorsignale gesondert den
Zahnflächen
zuordnet. Aus zahnmedizinischer Sicht ist es sinnvoll, für die Innen-
bzw. Gaumenseite der Oberkiefer-Zähne und die Innen- bzw. Zungenseite
der Unterkiefer-Zähne
eine längere
Zeit vorzugeben, bevor die Steuerung die jeweiligen Leuchtdioden
erleuchten lässt.
Eine Flüssigkristallanzeige
wird von der Steuerung in gleicher Weise angesteuert.
In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Steuerung umfasst der Neigungssensor mindestens zwei elektrische
Schaltungsanordnung, wobei die eine durch die auf den Neigungssensor
einwirkende räumliche
Lage und die andere durch die auf den Neigungssensor einwirkende
Beschleunigung im Raum modulierbar ist.
Unter
dem Begriff „modulierbar" ist im Sinne der
Erfindung zu verstehen, dass die Schaltungsanordnung in Abhängigkeit
der auf den Neigungssensor einwirkenden Druckkräfte, bevorzugt Gewichts- bzw. Schwerkraft
und Beschleunigung, so geändert
wird, dass ein Signal erzeugt wird. Hierbei kann beispielsweise
ein elektrischer Impuls generiert und geändert, d.h. geschwächt oder
gestärkt,
werden.
In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Steuerung umfasst die modulierbare Schaltungsanordnung modulierbare
Schaltungselemente, die durch den neigungswinkelabhängigen Anteil
der Gewichtskraft und durch die Masse des Gewichts moduliert werden.
Besonders
bevorzugt ist, dass sowohl aufgrund der Modulierung der modulierbaren
Schaltungselemente in Abhängigkeit
der Ausrichtung der Bürstenfläche zu den
Zahnflächen
eine spezifische Spannung erzeugt wird, die die Neigungsgröße (phi) repräsentiert,
als auch aufgrund der Verstimmung der modulierbaren Schaltungselemente
in Abhängigkeit
des Bewegungsverlaufs der Zahnbürstenlängsachse
auf der Transversalebene eine spezifische Spannung erzeugt wird,
die eine Veränderung
der Beschleunigungsgröße (alpha)
repräsentiert.
In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Steuerung sind die Schaltungselemente druckelektrische Schaltungselemente
oder Piezoelemente.
Bei
druckelektrischen (piezoresistiven) Schaltungselementen wird durch
die Modulation (bzw. Deformation der Sensor-Membran) die Leitfähigkeit
der Schaltungselemente verändert,
so dass in Abhängigkeit
der räumlichen
Lage des Sensors bzw. seiner Beschleunigung im Raum eine je spezifische Spannung
gemessen werden kann. Alternativ können die modulierbaren Schaltungselemente
piezoelektrische Elemente sein, die aufgrund ihrer Modulation (bzw.
der Deformation der Sensor-Membran) direkt eine spezifische Spannung
erzeugen. Beide Schaltungselemente haben den Vorteil, Druckkräfte unmittelbar
in elektrische Signale umzuwandeln. Zudem arbeiten sie wartungsfrei
und eignen sich daher für
den Langzeitbetrieb. Die genauen Funktionsprinzipien von Neigungssensoren
und geeignete Anordnungen, die modulierbar sind, sind dem Fachmann bekannt
und im Stand der Technik beschrieben.
Die
Erfindung betrifft auch eine elektrische Zahnbürste gekennzeichnet dadurch,
dass sie die erfindungsgemäße Steuerung
und Anzeige umfasst.
Elektrische
Zahnbürsten
sind im Stand der Technik beschrieben. Erfindungsgemäß sind sowohl Handgeräte umfasst,
bei denen die Steuerung in einem Handteil (auch Zahnbürstengehäuse oder
Griff genannt) eingebaut ist, als auch solche, bei denen die Steuerung
in einem stationären
Teil eingebaut ist. Bei letzteren muss der Neigungssensor jedoch
im Handteil verbaut sein, damit der Neigungssensor seine erfindungsgemäße Funktion,
wie hierein beschrieben, erfüllen
kann.