一種利用超聲波清潔牙齒、按摩牙齦的牙刷的製作方法

2023-05-26 03:26:16

專利名稱：一種利用超聲波清潔牙齒、按摩牙齦的牙刷的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種由振蕩電路驅動壓電換能器發出超聲波，並利用超聲波清潔牙齒表面和按摩牙齦的牙刷，尤指一種有較高的電聲轉換效率、能定向高效傳遞聲能的超聲波牙刷。
背景技術：
現有技術中，外型類似日常用牙刷，內藏超聲能量發射裝置，通過刷毛把超聲波能量傳遞到牙齒表面，利用超聲波能量的超聲效應，起到潔齒的效果，解決了以往利用超聲波潔齒存在的裝置龐大，不宜作為普通使用者的日常潔牙用品，其效果也難於掌握的問題。
但由於目前這類牙刷仍存在電聲轉換效率低，聲傳輸損耗大等缺點，致使超聲波能量無法真正傳遞到刷毛的尖端而作用於牙面，起不到超聲波牙刷應有的潔牙效果。
中國實用新型專利95203710.6公開了一種利用555振蕩電路產生的超聲頻交流電信號直接用來驅動壓電換能器發出超聲波的牙刷，該牙刷發出的超聲能量通過壓電換能器周圍的液體石蠟作為介質傳遞到刷毛的尖端，最終作用於牙面。該實用新型存在以下缺點1、上述振蕩電路是獨立工作的，其輸出的交變電信號的頻率是固定不變的，而壓電換能器的固有諧振頻率因使用老化或受負載的影響會發生漂移，偏離上述驅動電信號的頻率，導致壓電換能器的工作效率下降，其輸出超聲功率降低，嚴重的會導致壓電換能器停止工作。
2、上述振蕩電路輸出的交變電信號是直接施加到壓電換能器上的，其整個系統的工作效率低。因為一般振蕩電路的輸出阻抗較低，而壓電換能器的輸入阻抗較高，輸出阻抗與輸入阻抗無法做到匹配。
3、上述產品雖設置了頻率調節和功率調節功能，此舉為用戶帶來新的不便。要想調節振蕩電路的工作頻率與壓電換能器的諧振頻率相符，使壓電換能器工作在諧振頻率，以增加換能器的輸出超聲波功率，必須由專業人員藉助專用儀器設備來實施，普通用戶是不具備這方面的知識和手段的，因此實際上也難以獲得多大的效果。
4、增加頻率和功率調節功能，勢必要增加實現該功能的相應的電子元件。這些元器件也會消耗電功率，致使最終施加到壓電換能器上的交變電功率更低，壓電換能器輸出的超聲功率也相應下降，另外，也增加了牙刷的體積。
5、其壓電換能器採用的接收型壓電陶瓷片，此類陶瓷片功率密度低，阻抗更高，聲發射效率低，產生的超聲功率也較弱。
6、壓電換能器產生的超聲波通過換能器周圍的液體石蠟來傳遞。液體石蠟的聲衰減性很大，使得微弱的超聲波通過液體石蠟後變得更加微弱。
7、液體石蠟和刷毛根部固定刷毛的材料的形態存在差異，兩種不同形態材料之間形成一個界面，傳遞到界面的超聲波一部分被界面反射掉，剩餘通過界面。即界面損失了超聲波。
8、沒有限制壓電換能器輸出超聲波的方向，致使傳遞到刷毛的超聲能量僅是其輸出的一部分。
綜上所述，此類產品振蕩電路所提供的電信號的電功率比較弱，壓電換能器的轉換效率較差，所發射的超聲能也較弱，再加上液體石蠟、刷毛對超聲能量的吸收，在抵達刷毛尖端前，超聲功率已消耗殆盡，無法起到鬆動牙垢、牙菌斑和破壞細菌的作用。
美國專利5546624號也公開了一種超聲波牙刷，在該牙刷結構中，壓電換能器在振蕩電路中起到一個耦合電容的作用；振蕩電路與換能器的連接導線焊接在壓電陶瓷片兩電極面上，並從一端延伸到另一端，每一電極面留下兩個焊點，增加了壓電陶瓷片固定層面與手柄固定刷毛的縫隙空間。此種結構有以下缺點
1、驅動電路的負載阻抗適配範圍窄，且僅適配低阻抗的壓電換能器，對於高阻抗的壓電換能器，驅動電路無法起振。
2、上述振蕩電路的輸出阻抗與壓電換能器的輸入阻抗不匹配，系統的工作效率低。
3、壓電換能器產生的超聲波能量通過上述縫隙傳遞到刷毛，縫隙會損失絕大部分的超聲能量。
4、縫隙中空氣與刷毛根部固定刷毛的材質的形態不同，存在的界面會阻礙超聲波的傳遞，使傳遞到刷毛的超聲波能量進一步減弱。
上述的不足導致超聲波能量在傳遞到刷毛尖端之前也已消耗殆盡，更不會在牙齒表面引起超聲效應，達到清潔牙齒的作用。
再者，綜觀所有的超聲波牙刷，沒有涉及到利用超聲波牙刷產生的超聲波能量在日常進行潔牙的同時，利用滲透到牙齦組織內部的超聲波能量按摩牙齦和破壞殺死侵入牙齦組織內的致病細菌，防止和延緩牙齦的萎縮，抑制牙齦發炎和牙齦出血等問題。

發明內容
本發明創造的牙刷能提供一定劑量的超聲波能量，使之能滲透到牙齦組織內部，加速牙齦組織的血液循環，促進新陳代謝，對牙齦起到按摩的作用，防止或延緩牙齦萎縮；同時可破壞和殺死侵入到牙齦組織內的致病細菌，抑制牙齦發炎和牙齦出血。
本發明創造的牙刷能定向高效地將超聲波能量傳遞到使用者的牙齒和牙齦表面，並去除牙齒和牙齦表面的牙菌斑、牙垢和細小食物殘渣，保持牙齒清潔，防治牙病的發生和復發。
具體的，本實用新型的目的在於提供一種超聲波牙刷，該牙刷的驅動電路，其輸出電信號的頻率能自動跟隨壓電換能器的諧振頻率點，使換能器始終工作在諧振頻率點上，以保持獲得最大的電、聲轉換效率。
另外，本實用新型的另一個目的在於提供的超聲波牙刷，還設置了一個匹配網絡，該匹配網絡可以提高整個振蕩迴路的品質因數，使振蕩迴路容易被較低的電源電壓激勵而產生振蕩，同時，與壓電換能器配合，還能降低了匹配網絡和壓電換能器構成整體的輸入阻抗，使之與驅動電路的輸出阻抗匹配，進一步提高電傳輸效率。
再者，本實用新型的另一個目的在於提供的超聲波牙刷，具有良好的聲傳播途徑，儘量減少超聲波在傳播過程的損耗。
第四，本實用新型的另一個目的在於提供的超聲波牙刷，其輸出的超聲波能量具有較好的定向性，能抑制或減弱其他模式的振蕩，提高所需要方向振蕩的轉換效率。
本實用新型的目的由以下方案實現一種牙刷，包括手柄、牙刷頭，手柄內部藏有電池、振蕩電路和壓電換能器，由振蕩電路獲得電池上的電壓驅動壓電換能器發出超聲波，並通過牙刷頭上的刷毛將超聲波傳出，其主要的特點是，振蕩電路為自激式振蕩電路。
為實現本實用新型的第二個目的上述方案中，在自激式振蕩電路與壓電換能器之間接有一個匹配網絡。
為實現本實用新型的第三個目的上述方案中，壓電換能器為發射型壓電陶瓷片，壓電陶瓷片的二個電連接點位於同一面，壓電陶瓷片的另一面與牙刷頭的刷毛託體之間有一粘結層，該膠層緊密牢固地粘結著壓電陶瓷片和刷毛託體。
另外，上述方案中，發射型壓電換能器與牙刷頭刷毛託體之間有一粘結層，並且，刷毛託體的底面與刷毛根部的距離為1/2超聲波波長的整數倍，刷毛長度也為1/2波長的整數倍。
為實現本實用新型的第四個目的上述方案中，壓電陶瓷片的長度L和寬度W的尺寸為12mm＜L＜25mm；3mm＜W＜8mm。


圖1為牙刷的結構圖；圖2為驅動電路圖；圖3為匹配網絡圖；
圖4為壓電陶瓷片。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型作具體詳述參照圖1、圖2和圖3，本實施例的超聲波牙刷，包括手柄1、牙刷頭2、電池3、自激式電容三端振蕩電路和由電容C和電感L構成匹配網絡的電路板4、發射型壓電陶瓷片5、一層極薄的膠層7和連接導線，其中，刷毛的長度取9.3mm，刷毛底部至膠層的距離取0.7mm，發射型壓電陶瓷片5的二個電極51、52製成位於同一面，且其長度取19.5mm，寬度取6mm，發射型壓電陶瓷片5的另一面由膠層7粘結於牙刷頭刷毛託體21上，電池3提供的低壓直流電能經自激式電容三端振蕩電路4振蕩放大後，轉換成超聲頻交流電信號，施加於發射型壓電陶瓷片5，由發射型壓電陶瓷片5發射的超聲波能量通過膠層7、牙刷頭刷毛託體21、刷毛傳遞到牙齒和牙齦表面。
這樣，傳遞到牙齒和牙齦表面的超聲波能量一部分使牙齒和牙齦表面的牙膏產生空化，空化釋放出來的巨大能量破壞和殺死粘附在牙齒和牙齦表面的致病細菌，鬆動牙齒表面和牙齦根部牙周袋裡的牙垢及食物殘渣，已鬆動的牙垢和食物殘渣能很容易地通過常規刷牙運動去除，保持了牙齒表面和牙齦根部的清潔，能有效的防止牙垢的日積月累而形成牙石及致病細菌的繁衍生長，進而引發各種牙周疾病。傳遞到牙齦表面的超聲波能量除了能起到清潔作用外，還有部分能量滲透到牙齦組織內，作用於細胞膜，通過超聲波的機械作用和熱效應，按摩牙齦組織，能加速牙齦組織的血液循環，促進新陳代謝，防止或延緩牙齦萎縮；能有效殺死和破壞侵入牙齦組織的細菌，抑制牙齦發炎、糜爛和出血。
壓電陶瓷片的長度L和寬度W的尺寸選取下列任一組參數L取12mm，W取3mm；L取25mm，W取8mm；L取12mm，W取8mm；L取25mm，W取3mm時，在其他條件不變的情況下，均能獲得上述實施例的效果。
本實用新型具有如下優點首先，自激式驅動電路產生的交流電信號的頻率是隨壓電換能器的諧振頻率的變化而變化的，採用具有此特性驅動電路的好處是驅動電路一旦和壓電換能器相連接，驅動電路就會產生與壓電換能器諧振頻率相一致頻率的交流電信號作用於壓電換能器上，使壓電換能器工作在諧振頻率點上，由於接入的壓電換能器的諧振頻率不同，所產生的電信號的頻率也不同，採用這種電路就可以做到無須調整驅動電路中所使用的任何一個電子元器件的參數，特別是當換能器所承受的負載發生變化和使用時間的延長，壓電換能器的諧振頻率發生了偏離時，驅動電路輸出的電信號的頻率會自動調整到壓電換能器現在的頻率點上，使換能器始終保持工作在諧振頻率，保持最大的電、聲轉換效率。自激式驅動電路採用自激式電容三端振蕩電路具有結構簡單，佔用空間小的特點，還具有較高的頻率穩定度。
其次，本牙刷通過在驅動電路與壓電換能器之間接入一個電容C和一個電感L構成的匹配網絡，這樣，不僅可以提高整個振蕩迴路的品質因數Q值，使振蕩迴路容易被較低的電源電壓激勵而產生振蕩，輸出超聲頻的交變電信號施加於壓電陶瓷片上，發出超聲波能量，而且還能降低匹配網絡和壓電換能器構成整體的輸入阻抗，有利於使之與驅動電路的輸出阻抗相匹配，提高電傳輸效率，另外，由於對電池電壓要求的降低，能抑制整體結構上的增大。
再者，本例中，兩條導線與壓電陶瓷片連接的焊接點皆在壓電陶瓷片的同一面上，壓電陶瓷片的另一面沒有焊接點，保持粘結面平整光潔，可以保證壓電陶瓷片和刷毛託體能用極薄粘結膠層緊密牢固粘結，還可以保證壓電陶瓷片產生的超聲波垂直入射到刷毛託體，減少了超聲波能量透過時的衰減。
另外，根據本牙刷採用的超聲頻率為1.6MHz的厚度方向的振蕩模式的壓電陶瓷片，即當發射型壓電陶瓷片在諧振頻率點工作時，是在厚度方向的兩面同時向外發射超聲波能量，由於構成壓電換能器的壓電陶瓷片同時存在多種振蕩模式，各種振蕩模式的諧振頻率是不一樣的，其電聲轉換效率也不同，為了提高厚度方向振蕩模式的轉換效率，必須要抑制或儘量減弱其他模式的振蕩。依據本發明創造的選擇，壓電陶瓷片的長度L和寬度W的尺寸最好為12mm＜L＜25mm；3mm＜W＜8mm，可以減弱在其他方向存在的振蕩，以降低這些不需要振蕩的電聲轉換效率，同時提高所需要的厚度方向振蕩的電聲轉換效率。依據本牙刷的設計，壓電陶瓷片電極採用如圖4所示的形式，此電極形式能進一步減弱其他模式的振蕩，進一步提高厚度方向振蕩的轉換效率。
還有的是，壓電換能器發射的超聲波能量通過粘結層、牙刷頭刷毛託體、刷毛傳遞到牙齒和牙齦表面，粘結層可以起到聲匹配的作用，刷毛託體的底面與刷毛根部的距離為1/2超聲波波長的整數倍，刷毛長度也為1/2波長的整數倍，可以減少超聲波能量在傳輸路徑的損耗，提高傳輸效率。
權利要求1.一種利用超聲波清潔牙齒、按摩牙齦的牙刷，包括手柄、牙刷頭，手柄內部藏有電池、振蕩電路和壓電換能器，由振蕩電路獲得電池上的電壓驅動壓電換能器發出超聲波，並通過牙刷頭上的刷毛將超聲波傳出，其特點在於，振蕩電路為自激式振蕩電路。
2.根據權利要求1的牙刷，其特徵在於，自激式振蕩電路為自激式電容三端振蕩電路。
3.根據權利要求2的牙刷，其特徵在於，在自激式電容三端振蕩電路與壓電換能器之間接有一個匹配網絡。
4.根據權利要求3的牙刷，其特徵在於，壓電換能器為發射型壓電陶瓷片，該陶瓷片的二個電連接點位於同一面，另一面與牙刷頭刷毛託體之間有一粘結層。
5.根據權利要求4的牙刷，其特徵在於，刷毛託體底面與刷毛根部的距離為1/2超聲波波長的整數倍，刷毛長度也為1/2波長的整數倍。
6.根據權利要求5的牙刷，其特徵在於，發射型壓電陶瓷片的長度L和寬度W的尺寸為12mm＜L＜25mm；3mm＜W＜8mm。
7.根據權利要求1的牙刷，其特徵在於，在自激式振蕩電路與壓電換能器之間接有一個匹配網絡。
8.根據權利要求7的牙刷，其特徵在於，壓電換能器為發射型壓電陶瓷片，該陶瓷片的二個電連接點位於同一面，另一面與牙刷頭刷毛託體之間有一粘結層。
9.根據權利要求8的牙刷，其特徵在於，刷毛託體底面與刷毛根部的距離為1/2超聲波波長的整數倍，刷毛長度也為1/2波長的整數倍。
10.根據權利要求9的牙刷，其特徵在於，發射型壓電陶瓷片的長度L和寬度W的尺寸為12mm＜L＜25mm；3mm＜W＜8mm。
專利摘要本實用新型公開了一種由振蕩電路驅動壓電換能器發出超聲波並通過牙刷頭上的刷毛將超聲波傳出、利用超聲波清潔牙齒和按摩牙齦的牙刷，其主要特點是振蕩電路為自激式振蕩電路、自激式振蕩電路與壓電換能器之間接有匹配網絡。該牙刷由於自激式驅動電路產生的交流電信號的頻率可隨壓電換能器的諧振頻率的變化而變化，而且接入的匹配網絡可以提高整個振蕩迴路品質因數Q值，起到當換能器所承受的負載發生變化和隨著使用時間的延長，壓電換能器的諧振頻率發生了偏離時，驅動電路輸出的電信號的頻率會自動調整到壓電換能器現在的諧振頻率點上以及振蕩迴路容易被較低的電源電壓激勵而產生振蕩的作用。
文檔編號A61C17/00GK2621627SQ03225298
公開日2004年6月30日 申請日期2003年4月16日 優先權日2003年4月16日
發明者林潤玉 申請人:林潤玉