具有处理力测量单元的个人卫生装置的制作方法

本公开涉及一种具有处理头部的个人卫生装置，该处理头部被布置成在所施加的处理力下相对于柄部运动，并且特别地其中个人卫生装置具有处理力测量单元以测定施加在处理头部处的力。

背景技术：

具有上述布置结构的个人卫生装置是已知的。例如，文档ep3092974a1描述了一种个人卫生装置，该个人卫生装置具有柄部、处理头部，所述处理头部被安装用于当沿至少一个方向将处理力施加到处理头部上时处理头部的至少一部分抵抗恢复力而相对于柄部相对运动。该个人卫生装置还包括用于测定所施加的处理力的处理力测量单元，所述处理力测量单元具有发光元件、光敏元件以及至少部分地布置在发光元件与光敏元件之间的光路中的变光元件。变光元件被布置成当处理头部的安装用于相对运动的至少一部分在所施加的处理力下运动时相对于发光元件和光敏元件运动。

如ep3092974a1中所述的此类布置结构对制造公差相对敏感，特别地，因为大的制造公差可使得测量单元不适合使用，并且测量单元也要求相对大的构造体积(其中此处大特别地是指在所有三个维度上的延伸部)，所述构造体积需要适配到个人卫生装置的通常小尺寸的柄部中。

因此，需要至少相对于制造公差的敏感性以及用于处理力测量布置结构的所需构造体积的适用性中的一者来改善已知个人卫生装置。

技术实现要素：

根据一个方面，提供了一种个人卫生装置，特别地牙刷，该个人卫生装置具有：柄部；处理头部，所述处理头部被安装用于当沿至少一个处理方向将处理力施加到处理头部上时抵抗弹簧力而相对于柄部运动；用于测定所施加的处理力的处理力测量单元，所述处理力测量单元包括电容式力传感器，所述电容式力传感器具有：第一电极，所述第一电极特别地相对于柄部而被牢固地安装；以距第一电极一定距离安装的第二电极，所述第二电极相对于柄部而被可运动地安装；弹簧单元，所述弹簧单元被布置在第一电极与第二电极之间；以及控制电路，所述控制电路用于测定指示第一电极与第二电极之间的电容的至少一个参数；其中第二电极与处理头部机械地联接，并且被布置成当在处理头部处施加处理力时相对于第一电极运动。

附图说明

本公开将通过对示例性实施方案的详细描述并且参考附图来进一步阐明。在附图中，

图1是被实现为电动牙刷的示例性个人卫生装置的图示；

图2是包括所提议的示例性电容式力测量布置结构的示例性个人卫生装置的示意图；

图3是机构的细部的图示，该机构用于测量施加在个人卫生装置的处理头部处的力；

图4是包括第一电极和第二电极的示例性电容式力测量单元的一部分的图示；

图5是示出当经由力传输元件施加力时图3所示第二电极的弹簧臂中应变的模拟结果的图示；

图6是联接到由第一电极和第二电极形成的可变电容器的控制电路的原理示意图；

图7是示出所施加的力与如下参数之间的通过实验发现的关系的示意图，该参数指示由控制电路测定的第一电极与第二电极之间的电容；

图8a是处理头部的接触面与自身固定在第二电极处的力传输元件之间的牢固固定连接的示例的示意图；并且

图8b是处理头部的接触面在自身固定在第二电极处的力传输元件处的强制邻接的示例的示意图。

具体实施方式

在本说明书的上下文中，“个人卫生”应指皮肤及其附器(即毛发和指/趾甲)以及牙齿和口腔(包括舌头、牙龈等)的营养(或护理)，其中目的一方面是预防疾病以及维持和加强健康(“卫生”)，另一方面是美容处理和改善皮肤及其附器的外观。它应包括维持和加强幸福感。这包括皮肤护理、毛发护理和口腔护理以及指/趾甲护理。这还包括其它梳理活动，诸如胡须护理、剃刮和脱毛。因此，“个人卫生装置”是指用于执行此类培养或梳理活动的任何装置，例如(化妆品)皮肤处理装置诸如皮肤按摩装置或皮肤刷子；湿式剃刀；电动剃刀或修剪器；电动脱毛器；以及口腔护理装置，诸如手动或电动牙刷、(电动)牙线、(电动)冲洗器、(电动)舌清洁器、或(电动)牙龈按摩器。这不应排除所提议的个人卫生系统在一个或若干个这些营养或装置区域中可具有比在一个或若干个其他这些区域中更显著的有益效果。

所提议的个人卫生装置包括用于执行预期护理程序的处理头部。处理头部可以是(借助于驱动单元)而主动驱动的或者可以是通电的—它然后被称为电动个人卫生装置而不是手动个人卫生装置。就手动个人卫生装置而言，处理头部既不是主动驱动的(其可像手动牙刷或湿式剃刀一样由使用者手动运动)也不是通电的。电动牙刷是电动个人卫生装置的一个示例，特别地是一组电动口腔护理装置的示例。基于光的皮肤处理装置是电动个人卫生装置的另一个示例，该电动个人卫生装置具有通电(使得光源可发射用于预期皮肤处理的光)的处理头部。手动牙刷是手动个人卫生装置的一个示例，特别地是一组手动口腔护理装置的示例。

根据本公开，个人卫生装置包括作为一部分的“处理力测量单元”、“电容式力测量单元”或“电容式力传感器”，以使得能够测定施加在个人卫生装置的处理头部处的处理力。电容式力传感器包括两个导电板状电极，这两个导电板状电极以基本上全等的方式彼此相对布置，使得形成板电容器。第一电极可被提供为相对于柄部固定的电极，即使这里描述的概念不需要第一电极是固定的。第二电极被提供为可运动电极(即，可相对于柄部并且特别地相对于第一电极运动)，使得板电容器随着其电容根据第一电极与第二电极之间的距离而变化而变为可变电容器。在下文中，所描绘和所论述的示例示出了相对于柄部固定的第一电极，并且其然后也可被称为第一电极，即固定电极。但是，如上所述，第一电极也可以是可运动的，例如，其可借助于弹簧元件相对于柄部安装。特别地，第一电极可安装在基本上牢固地安装在柄部中的结构处，但当在该结构处施加力时，该结构可略微运动(该力可特别地由布置在第一电极与第二电极之间的弹簧单元施加)。由于与本文所论述的力传感器相关的小距离变化，因此第一电极也是“可运动的”。只要第一电极与第二电极形成的距离基本上严格取决于所施加的处理力，并且只要它们的运动导致第一电极与第二电极之间的距离变化，力传感器就执行其功能。因此，当第一电极被称为固定电极时，其也可被称为第二电极，即可运动电极。显然，第二电极总是可相对于第一(或固定)电极运动，并且这两个术语在本文中被同义地使用。假如第一电极相对于柄部牢固地布置，则可使用术语“固定电极”代替“第一电极”。

由两个相反的第一电极和第二电极形成的板电容器的电容c由已知公式c＝ε0·a/d给出，其中ε0为电常数(ε0≈8.854·10^-12as/vm)，a为相反电极的面积，并且d为电极之间的距离(假设电极之间仅存在空气，使得相对电容率εr为基本上εr＝1)。第二电极或可运动电极经由弹簧单元相对于柄部安装(这意味着其可通过该弹簧单元而安装在柄部处或安装在相对于柄部牢固地布置的结构处)，使得沿朝向第一电极的方向作用在可运动电极板上的力使可运动电极抵抗弹簧单元的恢复力而朝向第一电极运动，这不应排除电极之间的距离也可在施加处理力时增大。从上述公式显而易见的是，当电极板之间的距离变化时，板电容器的电容成反比地变化。可变板电容器现在可被布置为rc或lc振荡电路的一部分，该振荡电路的谐振频率根据变化的电容而变化。微控制器可被布置成测量振荡电路的谐振频率，以便测定指示由相反电极板形成的板电容器的电容的参数。在一些实施方案中，形成rc振荡电路的一部分的电阻器为微控制器的整体部件。微控制器可通过向振荡电路馈送变化频率的周期信号并且通过评估振荡电路的响应来测定指示rc(或lc)振荡电路的谐振频率的参数(并且因此测定指示由固定电极和可运动电极形成的可变板电容器的电容的参数)。执行此类测定的微控制器可选自msp430系列，其购自texasinstrumentsinc.,dallas,texas,usa。微控制器以及rc或lc振荡电路的电阻器或线圈(如果存在的话)形成控制电路的一部分。当然，代替微控制器，控制电路还可包括模拟部件而不是集成部件。假如振荡电路完全由不是微控制器的模拟或数字部件来实现，则微控制器仅需要提供计数能力。

根据需要，板电容器仅要求相对小的构造体积，并且可特别地具有3维构造体积，该3维构造体积具有两个相对大的延伸部(例如，电极板在其相应延伸平面中的尺寸，该尺寸可在5mm乘5mm至30mm乘30mm之间的范围内，特别地在10mm乘10mm至20mm乘20mm之间的范围内)以及一个相对小的延伸部(例如，电极板之间的距离可在0.1mm至1.0mm之间的范围内，特别地在0.15mm至0.5mm之间的范围内，并且还特别地在0.2mm至0.4mm之间的范围内)。电极板的厚度可非常小(例如，固定电极可通过载体上的金属化区域来实现)或小(例如，可运动电极可由厚度在0.1mm至2.0mm范围内的导电片制成)。

假如固定电极被布置在载体上(例如，作为金属化层)，则载体可被实现为印刷电路板。代替金属化层，可将金属片固定到载体以形成固定板。也可将可运动电极固定到载体，并且可将弹簧单元布置在可运动电极与载体之间。

如已经解释的，可运动电极经由弹簧单元相对于固定电极安装，使得要克服恢复弹簧力以使可运动电极运动。可选择弹簧单元的弹簧常数，使得在所施加的处理力下的距离变化处于25μm/n至100μm/n之间的范围内，特别地在30μm/n至50μm/n之间的范围内，并且还特别地在35μm/n至45μm/n之间的范围内。弹簧常数可适用于特定情况。

可运动电极经由弹簧单元相对于固定电极，即相对于柄部安装的此弹簧单元可特别地通过在与处于其静止位置的可运动电极相同的平面中延伸的弹簧臂来实现，并且还特别地通过与可运动电极成一整体的弹簧臂来实现。弹簧臂可与垫连接，该垫可例如通过将垫焊接到载体上的金属化区域而固定在载体处。垫可特别地与弹簧臂成一整体。

根据一些实施方案，可将力传输元件固定在可运动电极的背侧以限定处理力被传输到可运动电极的点。力传输元件可被实现为球形物体诸如玻璃球，但也设想了其他实现方式。例如，可运动电极可具有压花，该实现力传输元件的压花从可运动电极的背侧突出。力传输元件可特别地在可运动电极的区域中心附近与可运动电极连接，使得力经由力传输元件的传输将基本上不导致可运动电极相对于固定电极的倾斜。可运动电极还可包括加强结构以有效地抑制可运动电极在传输力下的变形。

处理头部可枢转地安装在柄部处或相对于柄部安装，使得在处理头部处施加处理力导致处理头部抵抗弹簧力相对于柄部枢转，该弹簧力由弹簧单元提供，可运动电极经由该弹簧单元相对于柄部例如在固定在柄部处的载体处安装。枢转轴线可特别地垂直于个人卫生装置的长度延伸方向。如先前段落中所提及，可运动电极在所施加的力下的运动可相对小，例如，可在25μm/n至50μm/n之间的范围内。如果将测定的最大处理力为约4n，则可运动电极的运动将不大于200μm。这意味着处理头部的运动可处于相同的数量级，并且因此可能几乎不被使用者注意到。

处理头部可包括延伸到个人卫生装置的柄部中的臂部分，并且该臂部分包括被布置用于接触力传输元件的接触面。接触面可例如通过胶粘、焊接、夹持、旋拧或技术人员已知的任何其他方法牢固地固定在力传输元件处。另选地，接触面可借助于偏置元件例如弹簧而偏置抵靠力传输元件，所述弹簧在柄部(或相对于柄部固定的任何其他部件)与处理头部之间延伸，使得施加偏置力，所述偏置力使接触面朝向力传输元件偏置并且甚至在振动或重力可从不同方向起作用的情况下保持两者之间的接触，这取决于个人卫生装置的取向。此处应注意的是，处理头部或处理头部的至少头部部分可特别地为可从柄部重复拆卸并且可再次附接到柄部。例如，所提及的臂部分可总是与柄部连接，而包括用于执行处理的功能元件的处理头部的一部分则可被实现为可替换部件。

本文所述的处理力测量单元，特别地控制电路可用于控制指示器元件向使用者指示例如所施加的处理力高于阈值力值(并且因此对于个人卫生装置的预期用途而言可能太高)。还可能指示所施加的处理力低于第一阈值力值、介于第一阈值力值与第二阈值力值之间、或高于第二阈值力值(并且所施加的阈值力因此低于推荐范围、在推荐范围内、或高于推荐范围)。指示器元件可以是发光元件诸如接通的led或者接通或断开的若干led等。指示器元件还可选自其他视觉上可检测元件、听觉上可检测元件或触觉上可检测元件，诸如显示器、蜂鸣器或振动器等。也可使用若干指示器元件。与向使用者仅指示一个或若干个阈值相比，例如，显示器可用于向使用者提供更复杂的反馈，例如，当前施加的力值可在非常低至非常高的力值范围内的标度上描绘。

图1是根据本公开的示例性个人卫生装置1的图示，其被实现为电动牙刷。个人卫生装置1包括处理头部10和柄部20。个人卫生装置1大致沿纵向延伸方向l延伸。处理头部10相对于柄部20安装，使得在沿处理方向d施加处理力f时，处理头部10围绕枢转轴线p相对于柄部20枢转。处理头部10可特别地具有在柄部20内部延伸的后部部分或臂部分。此处，处理头部10包括可拆卸头部部分11和延伸到柄部20中的臂部分，其中处理头部10枢转地安装在柄部20的内部以允许在施加处理力f下处理头部10进行枢转运动。虽然使用了术语“枢转运动”，但运动自身可基本上不可被使用者识别，例如在施加最大处理力下头部部分11可仅运动十分之一毫米或十分之几毫米，因为弹簧单元的弹簧常数可相对高，所述处理必须抵靠该弹簧单元运动。将由个人卫生装置测量的最大处理力可在1n与10n之间的范围内，特别地在2n与6n之间的范围内，还特别地在3n与5n之间的范围内。可提供止动元件，该止动元件在所施加的处理力升高到高于最大处理力的情况下抑制处理头部的任何另外运动(也可感测止动元件以在不同的高力(诸如在个人卫生掉落到地板上时产生的力)作用于处理头部的情况下保护装置部件)。头部部分11在此处被实现为可替换部分，该可替换部分包括作为用于执行处理的功能元件12的刷头，该刷头被安装在处理头部管13处以便围绕旋转轴线r作受驱运动。

图2为根据本公开的示例性个人卫生装置1a的示意图。个人卫生装置1a包括处理头部10a和柄部20a。处理头部10a延伸到柄部20a的中空柄部外壳21a中并且被枢转地安装，使得在处理头部10a的前部部分11a处施加处理力f1下处理头部10a可围绕枢转轴线p1枢转。个人卫生装置1a还包括处理力测量单元40a以及与处理力测量单元40a联接的指示器元件50a。处理头部10a具有基本上延伸到柄部外壳21a外部的前部部分12a以及在柄部外壳21a内延伸的后部或臂部分13a。臂部分13a具有接触面14a，该接触面与设置在可运动电极41a的背侧上的力传输元件30a邻接接触。可运动电极41a经由弹簧单元45a相对于柄部20a安装，使得在施加处理力f1下处理头部10a抵抗弹簧单元45a所提供的恢复弹簧力而围绕枢转轴线p1枢转。可运动电极41a被定位成与固定电极42a相对，该固定电极42a相对于柄部20a牢固地安装。虽然弹簧单元在此示出为在可运动电极41a与柄部外壳21a之间延伸，但弹簧单元也可在可运动电极41a与固定电极42a之间延伸。处理力测量单元40a还包括控制电路49a，该控制电路与可运动电极41a和固定电极42a连接并且被布置成测量指示由可运动电极41a和固定电极42a形成的可变板电容器的电容的至少一个参数。控制电路49a在此处与指示器元件50a联接以向使用者指示关于所施加的处理力的视觉上、听觉上或触觉上可感知方式信息中的至少一种。

图3示出了以图形方式描绘的传输力测量单元140的样本机构连同根据本说明书的个人卫生装置的一些其他特征结构的细部图。在所示的实施方案中，处理头部的臂部分113还承载驱动装置109，该驱动装置用于相对于处理头部驱动处理头部的功能元件(例如驱动刷头，如图1所示)。臂部分113具有端部部分，该端部部分为基本上l形的并且在其底侧上具有与力传输元件130接触的接触面114，该力传输元件在此处被实现为玻璃球。力传输元件130牢固地固定在可运动电极141处。如将相对于图4更详细地解释的，可运动电极141与弹簧单元和两个安装垫成一整体，可运动电极141经由它们而安装在载体200处，该载体在此处被实现为pcb。载体200可承载各种电子部件和电部件，诸如微控制器149和部分地示于图3中的电池210。可运动电极141在此处与强化结构143牢固地连接，该强化结构被提供以在所施加的处理力经由力传输元件130传输到可运动电极141时减少可运动电极141的变形。将与可运动电极基本上一致的固定电极布置在载体200上，但是由于固定电极被实现为载体200上的金属化部分，因此固定电极在该侧视图中基本上不可见。

图4是图3所示的载体200连同由可运动电极141和固定电极142形成的可变板电容器的图形图示。载体200在此处被示出为与图3所示的其他特征结构分离，并且还在透视图中示出，以用于增强机构细部的可视性。固定电极142在此处作为可运动电极141下方的金属化区域而可见，固定电极142的形状和尺寸与可运动电极141基本上一致。可运动电极141和固定电极142一起形成可变板电容器148。例如，图3所示的微控制器149可与可变板电容器148连接以在给定时间点测量可变板电容器148的电容。将强化结构143牢固地固定到可运动电极。将力传输元件130牢固地固定在可运动电极141的区域点的中心处的强化结构143处。此处的强化结构143具有在组装过程中使用的四个圆形切口。可运动电极141与四个弹簧臂145a-145d成一整体，所述弹簧臂从基本上方形的可运动电极141的四个拐角对称地延伸，使得在可运动电极141的两个相对侧上，两个弹簧臂145a,145b以及145c,145d分别延伸并且所述弹簧臂全部具有相同的s形形式。两个弹簧臂45a,145b以及145c,145d分别在一个安装垫146a和146b中的每个侧端上。弹簧臂145a和145b在此处从可运动电极141的右手侧延伸并且与安装垫146a成一整体，并且从可运动电极141的左手侧延伸的弹簧臂145c和146d与安装垫146b成一整体。安装垫146a,146b借助于焊接而牢固地固定到载体200上的金属化区域，这将不排除其他连接方式，诸如胶粘、旋拧等。制造可运动电极141和整体弹簧臂145a-145d以及安装垫146a和146b的材料可以是弹簧钢、弹簧青铜、具有导电涂层的塑料、导电塑料化合物等。可变板电容器的电容通常被选择为低于约100pf。

图5是在向可运动电极上的施加力下相对于图3和4所论述的整体可运动电极-弹簧臂安装垫单元的弹簧臂变形的fem模拟结果的图示。针对力传输元件的定位公差下弹簧动作的相对不敏感来选择弹簧臂的具体形式。当施加非中心力时，弹簧臂防止可运动电极的倾斜。此外，fem模拟示出，具有此处描绘设计的弹簧臂在施加的典型力下不会进入塑性变形状态，而总是保持在弹性变形状态。

图6是包括微处理器149a和可变电容器148a的示例性处理力测量单元140a的部件的简化图。应当理解，存在能量源以为微处理器149a提供能量，并且还存在施加在可变电容器148a处的电压源。当系统通电时，施密特触发器1491a的输出将为低，并且反相器1492a的输出将为高，因此对可变电容器148a进行充电。当可变电容器148a上的电压值达到施密特触发器1491a的上阈值时，施密特触发器1491a将其输出切换到高，并且反相器1492a将其输出切换到低。可变电容器148a然后放电直到施密特触发器1491a的下阈值。循环重新开始，并且在输出1493a处生成周期信号。该周期信号的频率是可变电容器148a的当前电容的量度。

图7为如在图3、4和5所示机构中施加在可运动电极处的力fa与指示可变电容器的电容的参数c值之间的关系的图示，该参数由包括如相对于图6所述的微处理器的控制电路测定。参数c在此为每预定时间段计数的充电/放电循环数。可以看出，该关系具有令人满意的线性度。

图8a和图8b是处理力测量单元140b和140c的两个示例性实施方案连同示例性个人卫生装置的一些另外特征结构的示意图。在这两个图中，臂部分113b,113c包括l形端部部分，其中在l形端部部分的底侧上提供了与力传输元件130b,130c接触的接触面114b,114c。力传输元件130b,130c在每种情况下分别与可运动电极141b或141c连接。经由弹簧单元145b,145c将可运动电极141b,141c安装在载体200b,200c处。将固定电极142b,142c布置在载体200b,200c上(例如，载体200b,200c可以是pcb，并且固定电极142b,142c可以是金属化区域)。图8a和8b所示的两个示例性实施方案之间的两个基本区别在于：力传输元件不同以及接触面114b,114c如何保持与力传输元件130b,130c接触。

在图8a中，力传输元件130b具有大致l形状，其中l的短腿与可运动电极141b连接，使得建立到可运动电极141b的基本上点状的力传输。在图8a的实施方案中，l形力传输元件130b的较长腿牢固地固定在臂部分113b的接触面114b处，例如借助于胶粘、焊接、搭扣配合、旋拧等。这将基本上不排除力传输元件130b和臂部分113b是整体制造的。如果力传输元件130b被实现为随后牢固地固定在臂部分113b处的独立元件，则这可使单元的组装变得容易。

在图8b中，力传输元件130c由小方形示意性地指示，其当然应当包括力传输元件可为如先前所论述的球形物体。在图8b所示的实施方案中，接触面114c借助于偏置元件119c(例如被布置在臂部分113b的此处l形端部部分与柄部外壳120c之间的偏置弹簧元件)所引入的偏置力而与力传输元件130c接触。偏置力通常被选择成足够大，使得由于地球重力场或振动中的取向变化而引起的外力不能够将接触面114c和力传输元件130c分离。

本文所公开的量纲和值不应理解为严格限于所引用的精确数值。相反，除非另外指明，否则每个此类量纲旨在表示所述值以及围绕该值功能上等同的范围。例如，公开为“40mm”的量纲旨在表示“约40mm”。

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