专利名称：用于牙刷的三点压力检测系统的制作方法
一般来说，本发明涉及一种用于牙刷的压力检测系统。更具体而言，涉及一种采用三个间隔开的传感器确定三维压力的系统。
长时间在刷牙时持续地抵着牙齿并使用过大的压力(压力＝压强×面积)可能会导致牙龈组织损伤，并最终导致牙齿牙釉质损伤的观点已为人们普遍加以接受。人们已意识到过大的牙刷压力所产生的问题是十分普遍的。尽管手动和电动牙刷均可能施加过大的压力，但通常电动牙刷将会明显增大过大压力的影响。因此，人们希望当过大的压力施加于牙齿时，用户能够得到一个可靠的指示信息，以致于用户能够很快地减小这一压力。
包括压力指示器的商业牙刷，即使有的话也很少。由于各个用户倾向于抵着牙齿施加过大的压力，而且由于过大压力的结果肯定是有害的，所以人们希望能够开发出一种可靠的、精确的压力传感器，即一种不仅使用简单而且能够经济地装入牙刷的压力传感器。
各种以不同方式测量刷牙的力的压强和压力传感器，包括机械的和电气的两种类型的传感器已经为为人们所熟知。某些传感器测量压强，而其它的一些测量实际的压力。通常，压力传感器可望优于压强传感器，因为压强传感器对于推抵传感器的加载组件(牙刷头)的大小与/或加载组件和传感器的相对位置是敏感的。然而， 通过在传感器上包括一个选定的区域的一个加工成形的突出部分(凸块)，可以把压强传感器转换成压力传感器，以致即使不能消除也可明显减小检测系统对加载组件(事实上，加载组件可能是平的)的大小、形状与/或位置的敏感性。
某些传感器使用一个压电设备测量传感器的偏转率，并提供关于组件移动速度的信息，而不是压力或压强信息。另外，还有其它一些传感器使用应变仪，其中的某些结合了温度补偿元件。
另外，还存在着一些利用特殊材料的传感器，这些特殊的材料具有某种特性，例如电阻等，这一特性随某一给定范围上的压强或压力而变化。然后把来自这些压强或压力元件的信息与一个极限进行比较，以提供一个指示何时超过了一个过压强或压力的极限值的指示信息。
因此，本发明是一个用于牙刷的三点压力检测系统，包括一个牙刷体；三个响应其上压力的间隔开的传感器组件，该组件定位在牙刷头之下的牙刷体中，以这样的方式加以安装牙刷头相对传感器组件移动来响应其上抵着用户牙齿的压力，传感器组件拥有一个所选定的特性，这一特性随传感器组件上所施加的压力而变化；传感器组件连接器，从三个传感器组件延伸，并可连接于一个处理器，处理器响应三个传感器组件的上述特性方面的变化来计算牙刷头上的力；以及三个在牙刷头的底表面上的隆起的凸块状部分，它们接触三个传感器组件，以致于牙刷头上的压力的变化可通过这三个隆起的部分改变传感器组件上的压力，因此可在传感器组件的选定的特性方面产生一个可识别的变化，以致于可以确定抵着用户牙齿的牙刷头的鬃毛/尖梢的压力。
图1是描述牙刷中本发明的压力感应部件的基本零件的一个分解图。
图2是图1的压力感应部件的一个分解图。
图3是图2的压力感应部件的一个顶视图。
图4是图1～3的压力感应部件的一部分的一个近视图。
图5是描述图1～4的压力感应部件的操作的一个简化的逻辑图。
图6是一张表，描述了响应不同压力的图1的压力感应部件的各传感器的响应情况。
图1在10处大致示出了一个牙刷，牙刷1 0包括一个伸长状的牙刷体12、一个总体上以14加以表示的压力感应部件、以及一个牙刷头组件16。图1中的牙刷10是一个手动的牙刷，它是用于本发明的一个典型的牙刷环境。在所描述的实施方案中，牙刷体12包括大体平直的手柄部分18、一个从平手柄部分18向前延伸的颈部分20、以及一个接纳牙刷头组件16的接纳部分22。
在所描述的实施方案中，牙刷体12由塑料材料制造，例如由聚丙烯、尼龙、或propinate。牙刷体的整个长度为7-1/2英寸，高度为0.3～0.5英寸。手柄部分18大约为1英寸宽，而颈部分在其与手柄部分18的结合点处大约为0.75英寸宽，然后微微地逐渐变细，直至与其接纳部分22相结合的位置，在这一相结合的位置颈部分微微地逐渐变宽以容纳牙刷头组件16。
沿颈部分18从其与牙刷接纳部分22相结合的位置纵向延伸，然后延伸至手柄部分18的后端23的是一个槽24，在所描述的这一实施方案中槽24大约为0.15英寸深，在其大部分长度上，其宽度大约为0.20英寸，靠近手柄18的后端23处，槽24开始变宽，直至后端23，槽24基本上跨越手柄18的宽度延伸。
以上对牙刷的手柄和颈部分的描述仅仅是说明性的。这种牙刷的配置和大小可以是多种多样的，例如，根据需要，手柄和颈的断面可以是圆形的或隋圆形的，或为其它形状。
定位在槽24中并从牙刷体的前端25延伸至其后端13的是一个柔韧电路30，它形成了本发明的压力感应部件的一个主要部分。
柔韧电路30包括一个头部分31(大约为0.357英寸宽)，安装在牙刷体的接纳部分22中；一个伸长的中心部分32(大约为0.170英寸宽)；以及一个连接器部分34，处于手柄部分的最后端。中心部分32和连接器部分34沿牙刷体的长度方向安装在槽24中。图2和图3中更详细地描述了柔韧电路30。柔韧电路30包括一个下层36，大约为0.003英寸厚的透明的或彩色的聚脂薄膜，例如Mylar，在其底侧上具有一种对压力敏感的胶，用于把柔韧电路30附接于牙刷体12，具体地说，是附接于槽24的下表面和牙刷头接纳部分22的内表面。
柔韧电路30包括三个对压力敏感的环形传感器垫部件40、42以及44。传感器垫部件40、42以及44由对压力敏感的油墨制造，并能够从各种渠道购买到，包括可从Tekscan(固体盘形压力传感器，例如序号为5,989,700的美国专利中所描述的)以及Interlink和IMR公司(交指型压力传感器)那里购买到。交指型压力传感器对加压于传感器表面的加载组件的形状、大小、以及位置是敏感的。这种对加载组件的形状、大小以及位置的敏感性可通过在传感器上施加的一种加工形成一个选定大小的凸块明显得以减小或消除。每一个传感器垫部件包括两个对压力敏感的盘部分(如图所示)，银或碳银油墨的，其中每一个垫部件分别拥有印刷在两个盘部分的外表面上的聚脂连接层47a～47b。
在所描述的实施方案中，垫部件40和42被定位于朝向柔韧电路头部的后部，纵向距柔韧电路的前端45大约为0.81英寸，并间隔大约0.16英寸。第三垫部件44定位在距柔韧电路的前端45大约0.09英寸处，并沿横向大体定位在垫部件40和42的中间位置。当把垫部件40、42以及44的中心点连接起来时，它们形成一个窄三角形。
也可以采用这些垫部件的其它几何关系获得同样的压力信息。例如，可以把垫部件40和42向前定位在牙刷基部的尖梢附近，以及把垫44向后定位在手柄的附近。三个垫部件可望能够适当地运作，但也可以使用与间隔大约为一个传感器垫部件的其它稳定元件相结合的一个垫部件。
对压力敏感的垫部件根据所施加的压力改变整个电阻，并拥有一个来自20～1000克的所施加的压力的线性的、或单调的输出。分别连接于每一个垫部件40、42以及44，并延伸到牙刷后部的是两个细的电轨迹，如图4中十分清楚地加以描述的。通过两个至每一传感器垫的银油墨连接层47a～47b把轨迹连接于传感器垫部件。在一个具体的实施方案中，上和下Mylar层36和60的内表面均拥有印刷在其上的一个银油墨层和一个对压强敏感的油墨垫盘。然后，把两个Myla 层互相相对加以定位，其中两个Mylar之间的对压强敏感的胶造成它们之间的一个微小的间隔。两个油墨垫盘之间不存在胶。连接于垫部件44的是轨迹46和48，而连接于垫部件40的是轨迹50和52，以及连接于垫部件42的是轨迹54和56。在所描述的实施方案中的轨迹是银或碳银油墨的。把轨迹以这样的方式连接于传感器垫部件垫部件的电阻，特别是两个单个的盘元件的不断变化电阻可通过轨迹加以测量。也可以仅使用四个轨迹，三垫部件中的每一个垫各配一个轨迹，另一个轨迹为共同的。
其它的柔韧电路方案也是可能的。这一电路可由一种聚酰亚胺(Kapton)薄膜制造，其中具有刻蚀的铜轨迹，或这一电路的下半部可以是一种玻璃纤维印刷电路板，而电路的上半部可以是一种聚脂薄膜。在任何一种情况下，柔韧电路的两个半部(上/下)中的至少一个必须为柔韧的材料。另外，除柔韧电路外的其它方案也可用于把三个传感器连接于一个处理装置。
在所描述的实施方案中的每一对轨迹纵向地从它们在槽24中的相关的传感器垫部件沿牙刷体的颈和手柄部分延伸，然后在手柄的后部扇出，并连接于各间隔开的指状的连接器元件56～56，如图1中所示。一个柔韧电路连接器59接纳连接器元件56～56。在连接器59的相反一侧上的是金属针连接器61～61。连接器59被固定于手柄部分的后端。
在所描述的实施方案中，柔韧电路的上层60也是透明的Mylar，为0.0005～0.003英寸厚。把上层60封闭于下层36，以致于垫部件和轨迹处于一个防水的环境中。在柔韧电路的上层60和下层36之间的胶是足够厚的，从而导致每一垫部件的两个对压力敏感的油墨盘部分之间的一个微小的间隔。然而，对柔韧电路轻微地预加载，如以下所讨论的，是为了在用户施加任何压强之前，使两个柔韧电路轻微地接触。在制造柔韧电路的过程中，有可能将连接器及其相关的电轨迹印刷于一个单一的双宽度Mylar层的纵向的一半上，然后以这样的方式纵向地折叠Mylar层使固定的那一连接器可与其相关的盘部分相接触，该盘部分与垫部件中的其余部分位于Mylar层的另一半上。
连接器59中的金属针61适合于接纳一个导向于一个微处理器(未在图中加以显示)的配合的连接器，当在刷牙动作期间牙刷头上的压力变化时，微处理器根据传感器垫部件40、42以及44的电阻的变化计算三个方向中的压力。可以将微处理器最小化，并把供电的电池随一个向用户提供压力信息的装置一起安装在牙刷手柄中。
图1和4描述的是把牙刷头附接于牙刷体的牙刷头接纳部分的情况。其中，柔韧电路的头部分位于其间。图1和4还描述了牙刷头底表面上的三个接触凸块76、78以及80，它们接触柔韧电路30中的三个传感器垫部件40、42以及44，并针对这三个传感器垫部件被预加载。在一种可选的方案中，可以把接触凸块附接于柔韧电路的表面。每一方案中的三个凸块均为本发明的整个几何压力检测系统的一个重要的部分。以下将更详细地对它们加以描述。
通过两个机械螺钉64和66把牙刷头附接于牙刷体。在所描述的实施方案中机械螺钉通过两个间隔的开口65和67在牙刷体12的牙刷头接纳部分22中延伸。开口65和67足够大，以允许牙刷头沿相对于牙刷头接纳部分22的方向移动。开口的间隔为0.312英寸，并横向地定位在牙刷头接纳部分的侧边缘之间的中点位置。两个开口65和67纵向地定位在一端上的两个垫部件40和42与另一端上的垫部件44之间。
机械螺钉64和66还通过两个类似间隔的开口69和71在柔韧电路的头部分中延伸(图1)，其中，开口69和71与牙刷头接纳部分22中的开口65和67相对齐。把机械螺钉64、66拧入牙刷头16的下表面中的两个配对的开口73、75(图4)。也可以使用其它类型的固定装置取代机械螺钉固定牙刷头和牙刷头接纳部分。定位在机械螺钉64、66的头和牙刷头接纳部分22下表面之间的是两个弯曲的弹簧垫片70和72。
这一方案在定位于牙刷头16的下表面76上的3个凸块，即腿76、78以及80和柔韧电路中的传感器垫部件40、42以及44之间维持一个弹簧接触力。这一方案产生了以上所提到的使每一垫部件中的两个对压强敏感的盘互相接触的“预加载”效果。弹簧力足够大，以致于在正常的刷牙期间三个凸块，即腿中无一抬离传感器垫部件。要求弹簧力是测量Z方向上的负力。垫部件上的压力必须始终为正。当把牙刷头附接于牙刷体的牙刷头接纳部分时，凸块76、78以及80与传感器垫部件40、42以及44的上表面相对齐，并紧抵传感器垫部件40、42以及44的上表面承受。一旦抵着牙刷头所施加的压力变化，每一油墨垫部件(两个盘)的电阻将发生变化，该变化取决于力的位置和方向。
所描述的三垫方案能够测量任何方向上的牙齿鬃毛/尖梢上的压力， 即三个正交的轴X、Y以及Z中任何一个轴上的压力，其中Z轴与鬃毛的方向平行，即朝牙刷头基部的方向，X轴方向横跨牙刷，Y轴与手柄轴同向，图1中所示的三个轴的“箭头”对此作了说明。
沿Z轴的压力基本上代表了刷牙期间牙龈和牙齿上的鬃毛的压力，并将被维持在一个所选定的最大极限之下，以防止对组织和牙釉质的损伤，或在一个用于有效清除的选定的操作范围内，或在一个针对有效清除的最小极限之上。X和Y方向(均平行于牙刷的基部)中的压力代表了与牙刷的实际移动相关联的压力，即与上/下、前、后、或它们的组合相关联的压力。例如，通常牙科专业人员建议，当牙刷围绕嘴的内侧移动时，应为一个椭圆或圆形的移动。
本发明允许对X、Y平面中的相对的压力进行分析，以观察是否采用了适当的刷牙动作，以及针对抵着牙齿的压力独立地监视Z轴上的压力。例如，施加于牙刷头中心处的压力的一个Z轴变化，将导致所有三个传感器垫中的电阻发生变化，其中传感器垫部件40和42的电阻变化是传感器垫部件44的电阻变化的一半。然而，如以上简要加以描述的，应该意识到，如果把牙刷头相对单个的传感器垫适当地加以稳定，那么把一个单一的传感器垫部件提供给Z轴压力信息是可能的。
当把牙刷沿X与/或Y轴方向移动时，传感器垫部件40和42的电阻将以互补的方式变化，如图6中的表所示。沿X和Y两个方向的牙刷头上的压力可分别加以确定，根据这一信息，能够计算出X-Y平面中的刷牙的移动。所以可把传感器垫部件的压力以及牙刷的几何形状与传统的计算和逻辑技术一起用于监视牙刷的移动和用户的刷牙方法。图6的表提供了关于压力传感器的动作的更多信息。在2、3以及4列中均提到了电阻的增加，然而，弹簧垫片预加载压力和所施加的压力合起来不能超过传感器垫部件的加载容量。另外，还提到了压力减小的情况，压力的减小不能超过一个单一压力传感器垫部件上的弹簧垫片的预加载压力，否则传感器终止读取。
在操作过程中，通过两个机械螺钉64和66与弹簧垫片70和72的组合，把牙刷头下侧上的三个凸块76、78以及80抵着三个传感器垫部件40、42以及44加以固定，如图中所描述的。如以上所解释的，把三个垫部件通过导电的轨迹连接于手柄后端上的连接器59。连接器59把轨迹连接于一个微处理器(未示出)，如以上所述，微处理器可以由电池供电，并定位在牙刷的手柄中。微处理器将计算沿三个正交的轴的实际的压力向量。一个指示抵着牙齿的牙刷头的Z轴压力以及X-Y相对压力(并通过计算X-Y的牙刷移动)的指示信息可以通过根据三个轴方向中的压力信息所进行相应的计算加以确定。
图5的逻辑图描述了对三个轴压力进行计算的最初的步骤。沿X轴方向的压力通过一个减法电路90，根据垫部件40和42上的压力之差得以形成。沿Y方向的压力通过把垫部件40和42上的压力相加，然后使用加法器92和减法器84把那一值从垫部件44上的压力减去而形成。沿Z方向的压力是利用加法器86把三个垫部件上的压力相加得以确定的。
然后可以把最终的压力与/或牙刷移动信息以某种警报形式提供于用户，例如包括听觉的、视觉的、或触觉的形式。向用户发布Z轴方向中的压力超过所设最大极限的警报信号，并提供刷牙移动(X和Y方向)拥有所希望的(或所不希望的)特性的信息。也可以提供一个指示对于有效的清除来说压力大于一个最小极限值以及对于有效的清除来说处于一个恰当范围的信号。可以使用不同颜色的灯(或其它视觉、听觉、或触觉信号)指示压力(1)在一个最小压力极限之上，(2)对于有效的清除来说处于一个恰当的范围，(3)在一个最大压力极限之上或(4)是否相应于适当的刷牙方法。另外，在每次刷牙之后，对用户的刷牙方法/有效性的分析可以显示在一个LCD或其它类型的读出装置上。
以上仅说明性地公开了本发明的一个优选的实施方案，然而，应该意识到，可以很容易地对这一优选的实施方案加以修改。就牙刷体的配置与方案而言，无论是纵向的还是剖面的，均可以对其加以变更。另外，还可以沿牙刷体的长度把柔韧电路封闭在牙刷体中。另外，也可以对用于把牙刷头附接于牙刷体的装置加以改变。本发明由以下的权利要求加以限定。
权利要求
1.一个用于牙刷的三点压力检测系统，该系统包括一个牙刷体；三个间隔开的并响应其上压力的传感器组件，这些组件定位在牙刷头之下的牙刷体中，并按这样的一种方式被安装牙刷头响应抵着用户牙齿的牙刷头上的压力相对传感器组件移动，传感器组件拥有一个选定的特性，这一特性根据施加在传感器组件上的压力而变化；传感器组件的连接从三个传感器组件延伸，并可连接于一个处理器，处理器响应三个传感器组件的上述特性方面的变化来计算牙刷头上的力；以及牙刷头的底表面上的三个隆起的部分，它们与三个传感器组件相接触，以致于牙刷头上的压力的变化可通过这三个隆起的部分改变传感器组件上的压力，因而，在传感器组件的所选定的特性方面可产生一个可识别的变化，以致于在抵着用户牙齿的沿牙刷头上鬃毛方向的力能够得以确定。
2.权利要求1的装置，其中，把两个传感器组件定位在牙刷头近端附近的同一横向平面中，并把第三传感器组件定位在牙刷头远端附近，大约横向地位于第一和第二传感器组件的中间位置。
3.权利要求1的装置，其中，连接是导电的轨迹连接器，它们在每一传感器组件和一个定位在牙刷体后端附近的连接器部件之间延伸。
4.权利要求1的装置，其中，连接是导电的轨迹连接器，它们在每一个传感器组件和一个定位在牙刷体上的处理电路之间延伸。
5.权利要求3的装置，其中，传感器组件和轨迹连接器形成防水的柔韧电路部分。
6.权利要求5的装置，其中，传感器组件包括压力敏感油墨的垫部件。
7.权利要求6的装置，其中，每一个传感器组件包括两个压力敏感油墨的垫，基本上互相对齐；并包括两个导电的连接器组件，它们位于这两个垫的相反的外表面上，轨迹连接器从连接器组件沿伸。
8.权利要求7的装置，包括用于对传感器组件进行预加载的装置，对传感器组件进行预加载可使每一传感器部件中的两个垫在无用户所施加的任何压强的情况下互相接触，以致于传感器组件上的预加载压力在常规的压强力中保持为正。
9.权利要求1的装置，其中，传感器组件的所选定的特性为其电阻，其电阻以一种已知的方式在施加于那里的压力的一个选定的范围变化。
10.权利要求9的装置，其中，所选定的范围为20～1000克的压力。
11.权利要求1的装置，其中，隆起的部分是牙刷头基部的一个完整的部分。
12.权利要求8的装置，其中，在预加载的条件下，两个间隔的弹簧部件把其中具有传感器组件的柔韧电路固定在牙刷头体和牙刷头的隆起的部分之间，两个间隔的弹簧部件允许牙刷头响应牙刷头上的压力相对牙刷轻微地移动，包括朝向牙刷体和离开牙刷体的移动。
13.权利要求9的条款，其中，三个传感器组件的电阻的变化，允许确定抵着牙齿的鬃毛方向的压力以及与牙刷头的基部相平行的平面中的相对的移动。
14.一个用于牙刷的压力检测系统，该系统包括一个牙刷体；至少一个响应其上力的传感器组件，该组件定位在牙刷头之下的牙刷体中，并按这样的一种方式被安装牙刷头响应其上抵着用户牙齿的压力相对传感器组件移动，传感器组件拥有一个选定的特性，这一特性根据施加在传感器组件上的压力而变化；传感器组件的连接从传感器组件延伸，并可连接于一个处理器，处理器响应传感器组件的上述特性方面的变化来计算牙刷头上的力；以及牙刷头底表面上的至少一个隆起的部分，它与传感器组件相接触，以致于牙刷头上的压力的变化可通过这一隆起的部分改变传感器组件上的压力，因而，在传感器组件的所选定的特性方面可产生一个可识别的变化，以致于在抵着用户牙齿的牙刷头上鬃毛方向的压力能够得以确定。
15.权利要求14的装置，其中，连接是导电的轨迹连接器，它们在传感器组件和一个定位在牙刷体后端附近的连接器部件之间延伸。
16.权利要求14的装置，其中，处理器定位在牙刷体中。
17.权利要求14的装置，其中传感器组件包括两个对力敏感油墨的垫，基本上互相对齐；并包括两个导电的连接器组件，在两个垫的相反的外表面上，轨迹连接器从连接器组件延伸。
18.权利要求14的装置，其中，传感器组件的所选定的特性为其电阻，其电阻以一种已知的方式在施加于那里的压力的一个选定的范围上变化。
19.权利要求18的装置，其中，所选定的范围为20～1000克的压力。
20.一个用于牙刷的压力检测系统，包括一个牙刷体；至少一个传感器组件，响应其上的力，定位在牙刷头之下的牙刷体中，按这样的一种方式对其加以安装牙刷头响应其上抵着用户的牙齿的压力相对传感器组件移动，传感器组件拥有一个选定的特性，这一特性根据施加在传感器组件上的压力而变化；传感器组件的连接从传感器组件延伸，并可连接于一个处理器，处理器用于响应传感器组件的上述特性方面的变化计算牙刷头上的压力；以及传感器组件上的至少一个隆起的部分，采用这样一个隆起的部分，可使牙刷头响应牙刷头上足够大的压力与隆起的部分相接触，其中牙刷头上的压力的变化可通过这一隆起的部分来改变传感器组件上的压力，因而，在传感器组件的所选定的特性方面可产生一个可识别的变化，以致于在抵着用户牙齿的牙刷头上鬃毛方向的压力能够得以确定。
21.权利要求20的系统，其中，连接是导电的轨迹连接器，它们在传感器组件和一个定位在牙刷体手柄的后端附近的连接器部件之间延伸。
22.权利要求20的系统，其中，传感器组件包括两个力敏感油墨的垫，基本上互相对齐；并包括在两个垫的相反外表面的两个导电的连接器组件，轨迹连接器从连接器组件延伸。
23.权利要求20的系统，其中，传感器组件的所选定的特性为其电阻，其电阻在施加于那里的压力的一个选定的范围上线性地变化。
24.权利要求16的装置，其中，所选定的范围为20～1000克的压力。
25.权利要求20的系统，包括多个间隔开的传感器组件和其上隆起的部分，该隆起的部分是用于接纳一个来自牙刷头的触点。
全文摘要
三点力检测系统包括三个间隔的传感器组件，其电阻在施加于那里的压力的一个选定的范围线性地或单调地变。把传感器组件装配在柔韧电路的一个三角形配置中，柔韧电路定位在牙刷头和牙刷头体之间，牙刷头在其下表面上有一个以类似弹簧关系的紧抵传感器组件的三个隆起的部分。导电的轨迹沿牙刷的长度方向从传感器组件延伸到其后端的一个连接器。当抵着牙刷头施加压力时，一个微处理器用于估算电阻的变化，以确定抵着牙齿的Z方向上的压力以及与牙刷头的基部平行的平面中的X和Y方向的移动。
文档编号G01L5/16GK1394119SQ01803234
公开日2003年1月29日 申请日期2001年8月13日 优先权日2000年8月21日
发明者S·M·梅金尼斯三世 申请人:皇家菲利浦电子有限公司