ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ЗУБНАЯ ЩЕТКА
ELECTRIC TOOTHBRUSH

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится в целом к электрическим зубным щеткам с резонансным приводом, магнитно приводимым в действие, и, более конкретно, относится к такой зубной щетке, имеющей чувствительную к давлению систему.
Предшествующий уровень техники
Использование чувствительного механизма в электрических и ручных зубных щетках для определения давления, приложенного к участку щетиночной области зубной щетки, хорошо известно во многих различных конкретных воплощениях. Обычно датчик какого-либо типа измеряет силу, приложенную к щетинкам. Во многих случаях датчик включает в себя пружину, плечо момента и переключатель, при этом сила, приложенная к щетиночной области, создает воздействие на пружину, которая, в свою очередь, запускает плечо момента. Когда сила достигает порогового значения или значения срабатывания, сработывает переключатель, который посылает сигнал пользователю, что приложенная сила превысила пороговый уровень. Затем пользователь имеет возможностью уменьшить давление до допустимого уровня.
Такая система также может использоваться для обеспечения уверенности в том, что по меньшей мере минимальная величина давления приложена пользователем к щетиночной области. Однако чувствительные к давлению системы часто затруднительно обеспечить в обычной электрической или ручной зубной щетке. Такие системы могут также значительно увеличивать общую стоимость зубной щетки и часто бывают неточны.
Обычно в такой чувствительной к давлению системе не существует постоянной обратной связи с информацией о давлении, а имеется только указание, когда приложенное давление достигло порогового значения, указывающего чрезмерное давление.
Однако существует потребность в компактной, простой и недорогой системе с датчиками для системы с резонансным приводом для зубной щетки, особенно системе, обеспечивающей непрерывную обратную связь с информаций о давлении.
Сущность изобретения
Соответственно, электрическая зубная щетка, содержащая: ручку, содержащую электрический блок привода; блок чистящей головки, включающий в себя консоль чистящей головки и чистящий элемент на ее дистальном конце; блок V-образной пружины, чувствительный к электрическому блоку привода, для преобразования действия электрического блока привода в возвратно-поступательное действие блока чистящей головки, при этом блок V-образной пружины и блок чистящей головки перемещаются вместе вокруг точки поворота; установочный элемент, расположенный на заднем конце блока V-образной пружины; магнит, прикрепленный к установочному элементу; датчик Холла, установленный в переменном магнитном поле, создаваемом магнитом при перемещении заднего конца V-образной пружины, при этом выходной сигнал датчика Холла изменяется из ненагруженного состояния, соответствующего смещению заднего конца V-образной пружины из-за давления на чистящий элемент; и процессор, чувствительный к выходному сигналу датчика Холла и хранящий информацию для создания сигнала, указывающего давление, приложенное к чистящему элементу во время сеанса чистки.
Краткое описание чертежей
Фиг. 1 – вид в поперечном разрезе, представляющий основные компоненты электрической зубной щетки, включающей в себя чувствительную к давлению систему, описанную в настоящем документе.
Фиг. 2 – более подробный вид в поперечном разрезе участка системы, изображенной на фиг. 1.
Фиг. 3 – график выходного сигнала датчика Холла системы по настоящему изобретению.
Фиг. 4 - упрощенная схема магнитного поля, представляющая конструкцию чувствительной к давлению системы, изображенной на фиг. 2, с экраном.
Фиг. 5 – схема обработки выходного сигнала датчика Холла, представленного на фиг. 1, 2 и 4.
Фиг. 6 - график, представляющий некомпенсированные выходные сигналы для определенного датчика Холла.
Фиг. 7 – график, представляющий компенсированные выходные сигналы для датчика Холла, изображенного на фиг. 6.
Наилучший способ реализации изобретения
На фиг. 1 представлен значительный участок электрической зубной щетки, которая включает в себя чувствительную к давлению систему по настоящему изобретению. На фиг. 2 более подробно представлен вид участка системы, изображенной на фиг. 1. Электрическая зубная щетка, в целом представленная ссылочной позицией 10, включает в себя двигатель (11), имеющий статор 12, который приводит в действие приводной блок 14 с V-образной пружины. V-образная пружина, представленная на фиг. 2, имеет центральный узел 16, так что, когда задний участок 17 блока V-образной пружины закручивается или поворачивается в одном направлении под действием двигателя, передний участок 19 блока V-образной пружины закручивается или поворачивается в противоположном направлении. Блок 14 V-образной пружины 14 поддерживается опорным блоком, представленным в целом ссылочной позицией 20, который, в свою очередь, установлен на корпусе или внутренней несущей конструкции устройства (не представлена). Между опорным блоком 20 и нижним краем блока V-образной пружины расположены два опорных подшипника 22 и 24. Блок V-образной пружины 14 может включать в себя множество различных вариантов осуществления. Передний конец 26 блока V-образной пружины сопрягается с опорным элементом 28, от которого отходит установочная пластина 30. На установочной пластине 30 съемно расположен блок 32 чистящей головки, включающий в себя проксимальный участок 34, сопрягающийся с ручкой зубной щетки. Блок чистящей головки включает в себя удлиненную консоль 36, на дистальном конце которой расположен чистящий элемент 38, включающий в себя щетиночную область. При обычной работе чистящий элемент перемещается возвратно-поступательно на определенный угол, например, 9-11°, для выполнения очистки зубов.
На фиг. 1 и 2 вблизи верхней поверхности блока 14 V-образной пружины расположен узловой элемент 23, проходящий 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 соединены посредством опорных элементов 42 и 44 с противоположными концами блока V-образной пружины. С опорами 42 и 44 и узловой точкой 16 соединены пружинные элементы 46, 48 и 50. Пружины 46 и 50 обеспечивают предварительную нагрузку на плоскую пружину 40.
Блок чистящей головки и блок V-образной пружины вместе поворачиваются вокруг точки 52 вблизи переднего конца блока V-образной пружины приблизительно у опоры 22, тогда как пружины 48 и 50 в узле 16 и задняя опора 44 стремятся сопротивляться смещению.
Когда при чистке сила прикладывается к щетиночной области (стрелка 54), блок чистящей головки стремится переместиться, поворачиваясь вокруг точки 52 поворота. Блок V-образной пружины перемещается в противоположном направлении. Сила, приложенная к щетиночной области, часто называется давлением. Эта сила, или нагрузка, на щетиночную область первоначально создается действием пользователя, а дополнительная нагрузка создается щеками и губами пользователя во время обычной чистки. Именно эту суммарную нагрузку, или силу, определяет описанная ниже чувствительная система.
На фиг. 1 и 2 железосодержащий установочный элемент 55 прикреплен 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. Отдельно от магнита 56, но в пределах магнитного поля, создаваемого магнитом, расположен датчик 58 Холла. В представленном варианте осуществления датчик Холла является обычным и может закупаться в больших количествах. Одним примером подходящего датчика Холла является Austria Microsystems AS5510. В представленном варианте осуществления датчик Холла установлен на раме приводного механизма в зубной щетке и расположен приблизительно на расстоянии 2,3 мм от магнита, приблизительно в той же плоскости. Могут использоваться другие датчики Холла, если только они имеют достаточную чувствительность к меняющемуся магнитному полю, когда магнит перемещается взад и вперед, смещаясь в боковом направлении из-за воздействия на щетиночную область.
Во время работы при отсутствии воздействия на щетиночную область, когда задний конец V-образной пружины и магнит качаются взад и вперед на выбранный угол без бокового смещения, выходное напряжение датчика Холла изменяется синусоидально, как представлено на фиг. 3. В основном выходное напряжение датчика Холла изменяется в ответ на меняющееся магнитное поле. Меняющееся магнитное поле служит основной для определения величины силы, приложенной к щетиночной области. При приложении силы к щетиночной области блок V-образной пружины поворачивается, перемещая задний конец V-образной пружины и магнит против действия пружины 50, создавая боковое смещение магнита в направлении датчика Холла. Датчик Холла достаточно чувствителен для обнаружения изменения в магнитном поле при приближении магнита к датчику. Зубная щетка содержит в своем микропроцессоре информационную таблицу в виде кривой отклика, которая соотносит 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 при ненагруженных состояниях. Соответственно, изменение выходного сигнала датчика служит надежной характеристикой силы, приложенной к щетиночной области.
В описанной выше электрической зубной щетке датчик Холла, используемый для определения силы/давления, чувствителен к температуре. Колебания температуры между местом изготовления зубной щетки и местом ее фактического использования приводит, соответственно, к различиям в функционировании датчика и колебаниям выходного сигнала, что в конечном счете снижает точность выходного сигнала давления. Типичный пример зависимости от температуры для датчика Холла компании Austria Microsystem AS5510 представлен на фиг. 6. Он иллюстрирует довольно значительные изменения выходного сигнала в зависимости от температуры для нескольких партий определенного датчика. Чувствительность к температуре характерна также для других датчиков Холла.
Температурные кривые, например представленные на фиг. 6, для конкретного датчика Холла хранятся в процессоре/памяти в ручке зубной щетки. Зубная щетка включает в себя термочувствительный элемент 69, расположенный в ручке. Термочувствительный элемент может находиться на плате процессора или на выбранном месте в ручке. Для каждого значения температуры в процессоре/памяти хранится температурная постоянная, которая регулирует выходной сигнал датчика Холла под эту температуру, что приводит к появлению таблицы температура/выходной сигнал. Процессор регулирует выходной сигнал датчика Холла в соответствии с хранящейся таблицей температура/выходной сигнал. При низких температурах выходной сигнал усиливается до некоторой степени, тогда как на другом конце температурного диапазона выходной сигнал датчика ослабляется, что приводит к тому, что выходной сигнал датчика Холла является согласованным во всем выбранном диапазоне температур для конкретного приложенного давления/силы. Термокомпенсированный выходной сигнал эффекта Холла представлен на фиг. 7. Фиг. 6 и 7 покрывают диапазон температур между 0°C и 40°C. Эта система компенсации температуры приводит к большей точности выходного сигнала датчика Холла, что, в свою очередь, приводит к большей точности информации о давлении, определенной процессором и подаваемой пользователю.
Чувствительность датчика Холла может в некоторых случаях быть слишком сильной для имеющегося магнитного поля. Такая проблема преодолевается посредством использования экрана 60 для магнитного поля, представленного на фиг. 4, который установлен на корпусе 62 привода между магнитом 56 и датчиком 66 Холла. Могут использоваться различные конструкции экрана, 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 при смещении магнита под действием силы в щетиночной области.
На фиг. 5 представлен весь процесс и конструкционные элементы для выполнения определения силы посредством процессора 65. Действие пользователя представлено в блоке 66, указывающем величину силы, приложенной к щетиночной области. Суммарная пользовательская нагрузка представлена в блоке 67. Пользовательская нагрузка включает в себя нагрузку, фактически приложенную пользователем 67A, а также нагрузку, создаваемую губами 67B пользователя и щеками 67C пользователя во время чистки. Это создает суммарную нагрузку или силу, действующую на щетиночную область, которая вызывает смещение заднего конца V-образной пружины и магнита вокруг точки поворота, что представлено блоком 68. Смещение создает сигнал от датчика Холла, что представлено блоком 70.
Выходной сигнал датчика Холла затем обрабатывается в блоке 74, определяющем изменение напряжения и выходного сигнала, вызванное суммарной нагрузкой; обработка включает в себя усреднение выходного сигнала по нескольким циклам, на что указывает блок 76, а также отфильтровывание шума от сигнала, включающего в себя электронный шум и механический шум от двигателя, что представлено блоком 78. Результатом этого является выходной сигнал 80, который является входным сигналом для остальной схемы обработки. Как указано выше, микропроцессор включает в себя кривую отклика или информационную таблицу 81, которая соотносит выходной сигнал датчика Холла со значением силы. Кривая отклика обычно представляет собой прямую линию для диапазона 0-300 грамм-сил. Вычисление также включает в себя этап корреляции, что представлено блоком 84, который предусматривает корреляцию силы и значений датчика Холла по диапазону силы. Выходной сигнал вычисления 82 представляет собой указание: (1) достигнуто ли минимальное давление; (2) находится ли давление в пределах заранее выбранного диапазона и (3) превышено ли максимальное значение давления. Информация выдается непрерывно. В качестве примера минимальное давление может составлять 30 г, а максимальное давление может составлять 300 г.
Эта информация выдается в виде сигнала обратной связи (блок 86) некоторого вида, например звукового, визуального или сенсорного. Этот сигнал обратной связи воспринимается пользователем, что представлено блоком 88, и позволяет пользователю предпринять соответствующее действие, в частности, по усилению или ослаблению давления или сохранению имеющегося давления, если давление находится в пределах требуемого диапазона, что в целом представлено блоком 90. Одно указание, что максимальное давление превышено (точка срабатывания), представляет собой небольшое изменение частоты, обычно на 10 Гц или около того, в сторону повышения на короткий промежуток времени, например на две секунды, и затем возврат обратно к установленной частот. Этот воспринимаемый сигнал обратной связи и стремление пользователя на его основе изменить свои привычки при чистке зубов необходимы для обеспечения долговременного хорошего ухода за зубами.
Следует признать, что в настоящем документе раскрыта простая, надежная система для обеспечения информации о давлении на чистящую головку, при этом система обеспечивает непрерывную информацию о давлении на чистящую область.
Хотя предпочтительный вариант осуществления изобретения раскрыт с целью иллюстрации, следует понимать, что в вариант осуществления могут быть включены различные изменения, модификации и замены без отступления от сущности изобретения, определяемого нижеследующей формулой.