ДАТЧИК СИЛЫ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИЙ НЕПРЕРЫВНУЮ ОБРАТНУЮ СВЯЗЬ ДЛЯ ПРИВОДИМОЙ В ДЕЙСТВИЕ ПОСРЕДСТВОМ РЕЗОНАНСА ЗУБНОЙ ЩЕТКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДАТЧИКА ХОЛЛА
POWER SENSOR PROVIDING CONTINUOUS FEEDBACK FOR TOOTHBRUSH ACTUATED BY RESONANCE USING HALL SENSOR

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится в целом к приводимым в действие посредством резонанса магнитно-активируемым электрическим зубным щеткам и, более конкретно, относится к такой зубной щетке, имеющей систему восприятия давления.
Предшествующий уровень техники
Использование воспринимающего механизма и в электрических, и в ручных зубных щетках для определения давления, приложенного к участку области щетины зубной щетки, хорошо известно во многих различных конкретных воплощениях. Обычно датчик некоторого вида измеряет усилие, приложенное к щетинкам. Во многих случаях датчик включает в себя пружину, плечо момента и переключатель, при этом сила, приложенная к области щетины, оказывает действие на пружину, которая, в свою очередь, приводит в действие плечо момента. Когда усилие достигает пороговой или пусковой величины, срабатывает переключатель, который посылает сигнал пользователю, что приложенная сила превышает пороговый уровень. Затем пользователь имеет возможность уменьшить давление до приемлемого уровня.
Такая система может также использоваться для уверенности в том, что пользователем также приложена по меньшей мере минимальная величина давления к области щетины. Однако системы восприятия давления часто затруднительно реализовать в обычной электрической или ручной зубной щетке. Такие системы могут также значительно увеличивать общую стоимость зубной щетки и часто бывают неточными.
Обычно в такой системе восприятия давления не существует непрерывной обратной связи с информацией о давлении, а существует только указание о том, когда приложенное давление достигает пороговой величины, указывающей на чрезмерное давление.
Таким образом, существует потребность в компактной, простой и недорогой системе датчиков для приводимой в действие посредством резонанса системы для зубной щетки, особенно такой, которая обеспечивает непрерывную обрaтную связь с информацией о давлении.
Сущность изобретения
Соответственно, электрическая зубная щетка, содержащая: ручку, содержащую блок электрического привода; блок чистящей головки, включающий в себя плечо чистящей головки и чистящий элемент на его дистальном конце; блок V-образной пружины, реагирующий на блок электрического привода, для преобразования действия блока электрического привода в возвратно-поступательное действие блока чистящей головки, при этом блок V-образной пружины и блок чистящей головки перемещаются вместе вокруг точки поворота; опорный элемент, расположенный на заднем конце блока V-образной пружины; магнит, прикрепленный к опорному элементу; датчик Холла, установленный в переменном магнитном поле, создаваемом магнитом при перемещении заднего конца V-образной пружины, при этом выходной сигнал датчика Холла меняется от состояния без нагрузки, соответствуя смещению заднего конца V-образной пружины за счет давления на чистящий элемент; и процессор, реагирующий на выходной сигнал датчика Холла и хранящуюся информацию, для создания сигнала, указывающего давление, приложенное к чистящему элементу при чистке.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 - вид в поперечном разрезе, представляющий основные компоненты электрической зубной щетки, включающей в себя систему восприятия давления, описанную в настоящем документе.
Фиг. 2 - более подробный вид в поперечном разрезе участка системы, изображенной на фиг. 1.
Фиг. 3 - график выходного сигнала участка датчика Холла настоящей системы.
Фиг. 4 - упрощенная схема магнитного поля, представляющая структуру системы восприятия давления, изображенной на фиг. 2, с экраном.
Фиг. 5 - схема обработки выходного сигнала от датчика Холла, представленного на фиг. 1, 2 и 4.
Наилучший способ реализации изобретения
На фиг. 1 представлен значительный участок электрической зубной щетки, включающий в себя систему восприятия давления по настоящему изобретению. На фиг. 2 представлен более подробный вид участка системы, представленной на фиг. 1. Электрическая зубная щетка, представленная в целом ссылочной позицией 10, включает в себя двигатель (11), имеющий статор 12, приводящий в действие приводной блок 14 V-образной пружины. V-образная пружина, представленная на фиг. 2, имеет центральный узел 16, так, чтобы, когда задний участок 17 блока V-образной пружины закручивается или поворачивается в одном направлении посредством действия двигателя, передний участок 19 блока V-образной пружины закручивался или поворачивался в противоположном направлении. Блок 14 V-образной пружины поддерживается подшипниковым блоком, представленным в целом ссылочной позицией 20, который, в свою очередь, прикреплен к корпусу или внутренней несущей конструкции устройства, не показана. Между подшипниковым блоком 20 и нижним краем блока V-образной пружины расположены два опорных подшипника 22 и 24. Блок 14 V-образной пружины может представлять собой множество различных вариантов осуществления. Передний конец 26 блока V-образной пружины сопрягается с опорным элементом 28, от которого отходит установочный штырь 30. На установочном штыре 30 расположен с возможностью снятия блок 32 чистящей головки, включающий в себя проксимальный участок 34, который сопрягается с ручкой зубной щетки. Блок чистящей головки включает в себя удлиненное плечо 36, на дистальном конце которого расположен чистящий элемент 38, включающий в себя область щетины. При обычной работе для выполнения очистки зубов чистящий элемент перемещается возвратно-поступательно под определенным углом, например 9-11°.
На фиг. 1 и 2 вблизи верхней поверхности блока 14 V-образной пружины находится узловой элемент 23, который проходит по существу по длине блока V-образной пружины. Вблизи верхней поверхности узлового элемента расположена плоская пружина 40, которая также проходит приблизительно по длине верхнего участка блока V-образной пружины и покрывает его. Узловой элемент и плоская пружина присоединены подшипниковыми элементами 42 и 44 к противоположным концам блока V-образной пружины. К подшипникам 42 и 44 и узловой точке (16) присоединены пружинящие элементы 46, 48 и 50. Пружины 46 и 50 обеспечивают предварительную нагрузку на плоскую пружину 40.
Блок чистящей головки и блок V-образной пружины совместно поворачиваются вокруг точки 52 вблизи переднего конца блока V-образной пружины приблизительно у подшипника 22, при этом пружины 48 и 50 у узла 16 и задний подшипник 44 стремятся сопротивляться смещению.
Когда при чистке сила приложена к области щетины (стрелка 54), блок чистящей головки стремится к перемещению, поворачиваясь вокруг точки 52 поворота. Блок V-образной пружины перемещается в противоположном направлении. Сила, приложенная к области щетины, часто называется давлением. Эта сила, или нагрузка, на область щетины в первую очередь создается действием пользователя, хотя при обычной чистке создается дополнительная нагрузка щеками и губами пользователя. Именно эту полную нагрузку, или силу, определяет описанная ниже система восприятия.
На фиг. 1 и 2 железосодержащий установочный элемент 55 фиксирован к заднему концу 25 блока V-образной пружины. На задней поверхности 56 установочного элемента расположен магнит 56. Магнит в представленном варианте осуществления имеет следующие размеры: 13,4×9,0×4,0 (мм). Одним примером подходящего магнита является неодим. На расстоянии от магнита 56, но в магнитном поле, созданном магнитом, находится датчик 58 Холла. В представленном варианте осуществления датчик Холла является традиционным и может быть закуплен на рынке. Одним примером подходящего датчика Холла является Austria Microsystems AS5510. В представленном варианте осуществления датчик Холла установлен на каркасе приводного механизма в зубной щетке и расположен приблизительно на расстоянии 2,3 мм от магнита, приблизительно в одной плоскости с ним. Могут использоваться другие датчики Холла, если только они имеют достаточную чувствительность к изменению магнитного поля при возвратно-поступательном перемещении магнита, смещающемся в боковом направлении в результате действия силы на область щетины.
При работе без какого-либо воздействия на область щетины, когда задний конец V-образной пружины и магнит совершают качательное возвратно-поступательное движение в пределах выбранного угла, без бокового смещения, выходное напряжение датчика Холла изменяется синусоидально, как представлено на фиг. 3. В основном выходное напряжение датчика Холла изменяется в ответ на изменение магнитного поля. Изменение магнитного поля обеспечивает основу для определения величины силы, приложенной к области щетины. Когда сила приложена к области щетины, блок V-образной пружины поворачивается, перемещая задний конец V-образной пружины и магнит, преодолевая сопротивление пружины 50, создавая боковое смещение магнита в направлении датчика Холла. Датчик Холла достаточно чувствителен для определения изменения в магнитном поле, когда магнит приближается к датчику. Зубная щетка содержит в своем микропроцессоре информационную таблицу в виде кривой отклика, которая связывает выходное напряжение датчика Холла со смещением магнита и, таким образом, с силой, приложенной к чистящему элементу. Смещение магнита приводит к изменению выходного напряжения датчика Холла относительно выходного напряжения в состоянии без нагрузки. Соответственно, изменение в выходном сигнале датчика является надежным указанием силы, приложенной к области щетины.
Чувствительность датчика Холла может, в некоторых случаях, быть слишком высокой для магнитного поля. Такая проблема преодолевается посредством использования магнитного экрана 60, представленного на фиг. 4, установленного на корпусе 62 привода между магнитом 56 и датчиком Холла 66. Могут использоваться различные экранирующие конструкции, но одним примером является использование фольги из мю-металла. Также может использоваться малоуглеродистая сталь. В представленном варианте осуществления толщина мю-металла составляет приблизительно 0,3 мм. Такая конструкция снижает чувствительность датчика для обеспечения точного отклика на изменения в магнитном поле, когда магнит смещается под действием силы в области щетины.
На фиг. 5 представлен процесс в целом и конструкционные элементы для выполнения определения силы процессором 65. Действия пользователя представлены в блоке 66, указывающем величину силы или силу, приложенную к области щетины. Общая пользовательская нагрузка представлена ссылочной позицией 67. Пользовательская нагрузка включает в себя нагрузку, фактически приложенную пользователем 67A, а также нагрузку, связанную с губами 67B пользователя и щеками 67C пользователя при чистке. Это приводит к тому, что общая нагрузка или сила, действующая на область щетины, которая создает смещение заднего конца V-образной пружины и магнита вокруг точки поворота, представлена блоком 68. Смещение создает сигнал от датчика Холла, как представлено блоком 70.
Выходной сигнал датчика Холла затем обрабатывается в блоке 74, определяющем изменения в напряжении и выходном сигнале из-за общей нагрузки; обработка включает в себя усреднение выходного сигнала по нескольким циклам, что обозначено ссылочной позицией 76, а также фильтрацию шума от сигнала, включающего в себя электронный шум и механический шум от двигателя, что обозначено ссылочной позицией 78. Результатом является выходной сигнал 80, который представляет собой входной сигнал для остальной цепи обработки данных. Как указано выше, микропроцессор включает в себя кривую отклика или информационную таблицу 81, которая связывает выходной сигнал датчика Холла со значением силы. Для диапазона 0-300 грамм-силы кривая отклика обычно представляет собой прямую линию. Вычисление также включает в себя этап корреляции, представленный ссылочной позицией 84, который включает в себя корреляцию силы и значений датчика Холла в пределах диапазона силы. Выходной сигнал блока 82 вычисления представляет собой указание (1) или минимального давления, которое было достигнуто; (2) или что давление находится в предварительно выбранном диапазоне (3), или что максимальная величина давления превышена. Информация обеспечивается непрерывно. В качестве примера, минимальное давление может составлять 30 г, а максимальное давление может составлять 300 г.
Эта информация подтверждается в виде обратной связи (блок 86) некоторого вида, например звукового, визуального или ощущаемого. Эта обратная связь может восприниматься пользователем, как представлено ссылочной позицией 88, что позволяет пользователю предпринять надлежащее действие, в частности увеличить или уменьшить давление или сохранить имеющееся давление, если давление находится в требуемом диапазоне, как в целом представлено блоком 90. Эта воспринимаемая обратная связь и зависимость от нее пользователя для выполнения изменений в привычках, касающихся чистки, является желательной для создания долговременного хорошего ухода за полостью рта.
Следует признать, что в настоящем документе раскрыта простая, надежная система для обеспечения информации о давлении на чистящую головку, система обеспечивает непрерывную информацию o давлении на чистящую область.
Хотя предпочтительный вариант осуществления изобретения был раскрыт с целью иллюстрации, следует понимать, что в вариант осуществления могут быть внесены различные изменения, модификации и замены без отступления от смысла изобретения, ограниченного нижеприведенной формулой.