本發明涉及一種電動清潔護理器具，本發明還涉及用于該清潔護理器具的壓力報警方法及壓力報警裝置。

背景技術：

在電動清潔護理器具(以下簡稱清潔護理器具)中，常采用諧振驅動系統來驅動清潔元件作旋轉運動，以便按期望的高效率進行操作。如本申請人的另一專利申請PCT/CN2015/071696所述，清潔護理器具包括具有手柄外殼的手柄，手柄外殼內部裝有用以向清潔護理器具的各個部分提供電力的電源部分、用以控制清潔護理器具的各種工作模式以及該清潔護理器具的開啟或關閉的控制部分、用以啟動或關閉所述清潔護理器具運轉的觸發部分和將輸入電能轉換為機械能輸出的驅動器。所述驅動器包括換能器、驅動線圈、設置在所述驅動線圈中的驅動線圈鐵芯。當驅動線圈通以交變電流i時，分布在換能器上的永磁體受到電磁力的反作用力而驅動換能器以交變電流的頻率進行往復旋轉運動，從而帶動裝配到換能器的驅動軸上的清潔元件載體和分布于清潔元件載體上的清潔元件作往復旋轉運動，以實現清潔動作。在所述結構中，換能器、清潔元件載體和清潔元件具有固有頻率f_固，驅動線圈中的電流具有驅動頻率f₀，f_固和f₀非常接近，通常使其滿足0.85f₀＜f_固＜1.05f₀，驅動線圈和換能器之間的電磁力可使換能器、清潔元件載體和清潔元件處于諧振狀態，從而能獲得較高的機械效率。

授權公告號為CN 101346106 B的發明專利披露了一種用于個人護理器具的使用電流值的自適應驅動系統，在器具壽命期間，在器具處于實際使用時，連續測量和標準化定子電流，然后在小范圍內調節操作頻率，以便在操作頻率和共振頻率之間產生期望的匹配，從而獲得最佳操作頻率。也就是說，其在使用過程中可以變化地選擇一定頻率范圍中的驅動頻率值而進行動態調節，從而在器具壽命期間保持高效率。如說明書[0031]、[0032]段所述，圖3的示圖包括對于多個負載(示出為組50)的幅度與操作頻率的曲線，以及對于那些相同負載(示出為組52)的平均定子電流與頻率的曲線。在該特定情況中，負載范圍為0-250克，以25克遞增。在幅度與頻率的情況中，未加載的狀態為線54，其具有最高的擺幅,而表示250克全負載的另一極端的線是線58，其具有最低的擺幅。對于平均定子電流與頻率值，線60在兩個方向上都具有最大擺幅，而在兩個方向上都具有最小擺幅的線62表示對于250克最大負載的隨頻率的電流改變。被加載的和未被加載的線(幅度和電流兩者)之間的多條負載線位于最小和最大負載之間，并且表示多個不同負載。圖3中的直線66表示具有幅度11°的平坦負載曲線，而各黑點表示在0-250克之間并以25克為增量的多個負載值處產生的11°幅度的操作頻率。

因此，從直線66可以看出，負載的加大使得最大幅度對應的頻率向頻率小值方向偏移。例如，組54和直線66交點代表未加載的狀態下的最大振幅點。組58和直線66交點代表250克全負載的狀態下的最大振幅點。組54和直線66交點所對應的操作頻率大于組58和直線66交點所對應的操作頻率。

在申請公布號為CN 104883997 A的發明專利申請中，披露了一種具有壓力傳感器的電動牙刷，該牙刷包括：用于通過直接力測量而確定由所述牙刷的刷毛施加在用戶牙齒上的壓力的系統；用于通過動態力測量而確定由所述牙刷的刷毛施加在用戶牙齒上的壓力的系統；和處理系統，該處理系統響應于通過所述直接力測量和所述動態力測量所確定的壓力來調整指示過度刷毛力的壓力的預先建立量。

技術實現要素：

本發明是對專利申請PCT/CN2015/071696的改進。本發明的目的為提供一種成本低廉、性能可靠、功能齊全的電動清潔護理器具。本發明的另一目的為提供一種用于所述電動清潔護理器具的壓力報警方法。本發明的再一目的為提供一種用于所述電動清潔護理器具的壓力報警裝置。

本發明所提供的電動清潔護理器具包括：具有手柄外殼的手柄，手柄外殼內裝有用以向清潔護理器具的各部分提供電力的電源部分、用以控制清潔護理器具開啟或關閉以及各種工作模式的控制部分、用以啟動或關閉清潔護理器具運轉的觸發部分和將輸入電能轉換為機械能輸出的驅動器，驅動器包括換能器、驅動線圈、設置在所述驅動線圈中的驅動線圈鐵芯，當驅動線圈通以交變電流時，分布在換能器上的永磁體受到電磁力的反作用力而驅動換能器以交變電流的頻率進行往復旋轉運動，從而帶動裝配到換能器的驅動軸上的清潔元件作往復旋轉運動。換能器包括至少兩個換能器彈性件，它們以彎曲應變特性參與諧振運動且對稱地分布在驅動軸縱向軸線的左右兩側，左右側換能器彈性件的夾角為180°，其抗彎截面系數和長度近似相等，從而使得左側換能器彈性件的撓度和右側換能器彈性件的撓度幅值近似相等且撓曲方向相反。清潔元件的縱向軸線和換能器彈性件平面的法向的夾角為0°-60°。驅動線圈中交變電流的頻率為等于f_0max-n的固定值，n為-0.3(f_0max-f_0min)至0.85(f_0max-f_0min)的范圍中的某一固定值，其中f_0max為電流檢測電阻上的平均電壓的最大值所對應的驅動線圈電流頻率，f_0min為電流檢測電阻上的平均電壓的最小值所對應的驅動線圈電流頻率。

左右側換能器彈性件的抗彎截面系數和長度的數值差小于10％，從而使得左側換能器彈性件的撓度和右側換能器彈性件的撓度幅值差小于10％。

清潔元件的縱向軸線和換能器彈性件平面的法向的夾角可以為0°≤夾角≤30°，優選該夾角等于0°。

左右側換能器彈性件沿換能器彈性件平面的法向的厚度小于該左右側換能器彈性件沿近似平行于驅動軸縱向軸線方向上的寬度的1/10。

在驅動力的大小和作用點相同的情況下，若方向近似平行于驅動軸縱向軸線且矢量方向處于換能器彈性件平面中的力形成的換能器彈性件的撓度為ξ₁，設方向近似垂直于驅動軸縱向軸線且矢量方向處于垂直于換能器彈性件平面中的力形成的換能器彈性件的撓度為ξ₂，則ξ₁約為ξ₂的1/1000。

本發明所提供的用于所述電動清潔護理器具的壓力報警方法，包括以下步驟：

1)選取所述清潔護理器具中的左右側換能器彈性件的抗彎截面系數和長度近似相等，使得左、右兩側換能器彈性件的撓度的幅值近似相等且撓曲方向相反，并調節清潔元件的縱向軸線和換能器彈性件平面的法向的夾角至0°-60°；

2)檢測所述清潔護理器具在諧振頻率范圍內不同頻率對應的與驅動線圈串聯的電流檢測電阻上的平均電壓；

3).從步驟2)所記錄的不同頻率時的電流檢測電阻上的平均電壓中，選出并記錄電流檢測電阻上的平均電壓的最大值所對應的驅動線圈電流頻率f_0max和電流檢測電阻上的平均電壓的最小值所對應的驅動線圈電流頻率f_0min；

4).設置f_0max-n并將f_0max-n儲存于所述IC的程序中，以選定的n值所對應的f_0max-n作為驅動線圈中流過的電流的固定頻率f₀，其中，-0.3(f_0max-f_0min)≤n≤0.85(f_0max-f_0min)，f_0max為電流檢測電阻上的平均電壓的最大值所對應的驅動線圈電流頻率，f_0min為電流檢測電阻上的平均電壓的最小值所對應的驅動線圈電流頻率；

5).預存報警負載下的電源電壓的平均值和電流檢測電阻上的平均電壓于可編程的微芯片處理器IC的程序中；

6).所述電動清潔護理用具工作時，采集當前負載對應的電流檢測電阻上的電壓值U_NR25及當前的電源電壓值U_N源；

7).比較所述當前負載對應的電流檢測電阻上的電壓值U_NR25和預存于可編程的微芯片處理器IC中的報警負載下的電源電壓的平均值U_L源，若(U_N源/U_L源)×U_NR25＞U_LR25，無報警信號輸出或終止當前的壓力報警信號輸出；若(U_N源/U_L源)×U_NR25≤U_LR25，則輸出壓力報警信號并報警。

壓力報警方式可以采用聲音和/或燈光和/或機械振動模式。

調節清潔元件的縱向軸線和換能器彈性件平面的法向的夾角可以包括將該夾角調節為使得換能器固有頻率f_固隨負載作用于清潔元件上的力增加而變大。

所述壓力報警方法還包括控制換能器固有頻率f_固隨負載作用于清潔元件上的力增加而變化的速率，使得清潔元件的縱向軸線和換能器彈性件平面的法向的夾角越小，則換能器固有頻率f_固隨負載作用于清潔元件上的力增加而變化的速率越大，清潔元件的縱向軸線和換能器彈性件平面的法向的夾角越大，則換能器固有頻率f_固隨負載作用于清潔元件上的力增加而變化的速率越小。

使換能器和驅動力共振的負載值可以通過選取n的數值而選擇，n值越小，則對應的使換能器和驅動力共振的負載值越大。

本發明所提供的實現所述方法的壓力報警裝置包括檢測、采集和報警電路及報警部件，所述電路包括電源、可編程的微芯片處理器IC和由晶體管構成的用以聯結電源和驅動線圈的H橋電路，所述微芯片處理器IC的程序中儲存有f_0max-n，以選定的n值所對應的f_0max-n作為驅動線圈中流過的電流的固定頻率f₀，其中，-0.3(f_0max-f_0min)≤n≤0.85(f_0max-f_0min)，f_0max為電流檢測電阻上的平均電壓的最大值所對應的驅動線圈電流頻率，f_0min為電流檢測電阻上的平均電壓的最小值所對應的驅動線圈電流頻率，并預存有報警負載下的電源電壓的平均值U_L源和電流檢測電阻R₂₅上的平均電壓U_LR25，該可編程的微芯片處理器IC輸出固定頻率為f₀的方波以驅動H橋電路，若(U_N源/U_L源)×U_NR25＞U_LR25，無報警信號輸出或終止當前的壓力報警信號輸出；若(U_N源/U_L源)×U_NR25≤U_LR25，則輸出壓力報警信號并報警。

所述報警部件可以是蜂鳴器件和/或發光器件和/或機械振動器件。

本發明創造性地引入隨負載增加而增大換能器固有頻率f_固的構思，使在負載增大的狀態下，換能器固有頻率f_固總體變大，換能器諧振區域總體向頻率大值方向偏移。而當負載在清潔元件3上的壓力方向垂直于換能彈性件平面M的法向時，負載對換能器固有頻率f_固的影響可以忽略。通過合理調節清潔元件的縱向軸線和換能器彈性件平面的法向的夾角，使得換能器固有頻率f_固隨負載作用于清潔元件上的力增加而變大且可以控制換能器固有頻率f_固隨負載作用于清潔元件上的力增加而變化的速率，而一旦設定了此固定的驅動頻率，則在清潔護理器具工作期間該驅動頻率不變，使得清潔元件的振幅從小到大，同時使驅動線圈電流值從高到低呈單調下降趨勢，從而既可以在合理負載下，保證所述個人電動清潔護理器具獲得更高的機械效率、更小的工作電流、更小的能耗、最大的清潔元件振幅、最好的清潔效果，又可以在負載超過合理值后，降低振幅以保護牙齦，而且結構簡單、成本低廉。

附圖說明

圖1為本發明的電動清潔護理用具的局部剖切側向示意圖；

圖2為圖1所示清潔護理器具的驅動器示意圖；

圖3示出了通過實驗得出的本發明的清潔護理器具在不同負載下電流與驅動頻率的關系曲線以及振幅與驅動頻率的關系曲線；

圖4示出了通過實驗得出的本發明的清潔護理器具在不同驅動頻率下電流與負載的關系曲線；

圖5示出了通過實驗得出的本發明的清潔護理器具在不同驅動頻率下振幅與負載的關系曲線；

圖6為本發明的用于所述清潔護理器具的壓力報警方法流程圖；

圖7為本發明的壓力報警裝置電路部分的原理圖。

主要附圖標記說明

Q₂₁-Q₂₄為晶體管

IC為可編程的微芯片處理器

I/O為IC的不同輸入/輸出接口

L為驅動線圈電感

R₂₁-R₂₄為電阻

R₂₅為電流檢測電阻

U_R25為電流檢測電阻R₂₅上的電壓

f₀為驅動頻率

f_固0為空載時的諧振系統固有頻率

f_固1為1號負載時的諧振系統固有頻率

f_固2為2號負載時的諧振系統固有頻率

f_固3為3號負載時的諧振系統固有頻率

I₀為空載時驅動線圈的平均電流

I₁為1號負載時的驅動線圈的電流，在本發明中該負載等同于150g質量所代表的重力負載

I₂為2號負載時的驅動線圈的電流，在本發明中等同于300g質量所代表的重力負載

I₃為3號負載時的驅動線圈的電流，在本發明中等同于400g質量所代表的重力負載

A₀為空載時清潔元件的振幅

A₁為1號負載時清潔元件的振幅

A₂為2號負載時清潔元件的振幅

A₃為3號負載時清潔元件的振幅

f_0max為空載時在諧振區域中驅動線圈電流達到最大值所對應的驅動頻率

f_0min為空載時在諧振區域中驅動線圈電流達到最小值所對應的驅動頻率

f_1max為1號負載時在諧振區域中驅動線圈電流達到最大值所對應的驅動頻率

f_1min為1號負載時在諧振區域中驅動線圈電流達到最小值所對應的驅動頻率

f_2max為2號負載時在諧振區域中驅動線圈電流達到最大值所對應的驅動頻率

f_2min為2號負載時在諧振區域中驅動線圈電流達到最小值所對應的驅動頻率

f_3max為3號負載時在諧振區域中驅動線圈電流達到最大值所對應的驅動頻率

f_3min為3號負載時在諧振區域中驅動線圈電流達到最小值所對應的驅動頻率

L₁為清潔元件縱向軸線

L₂為驅動軸縱向軸線

M為換能器彈性件平面，該平面為處于換能器彈性件上并同時聯結到換能器彈性件固定件和換能器傳動臂的平面

2為驅動軸

3為清潔元件

103為密封件

104為開關按鈕

105為手柄外殼

106為開關

107為控制電路線路板

108為充電線圈

109為充電電池

110為驅動器

111為驅動軸

112為驅動器左側支架

127為緊固螺絲

214為驅動線圈

215為驅動線圈鐵芯

216為換能器上部左側永磁體

217為換能器下部左側永磁體

218為換能器下部右側永磁體

219為換能器上部右側永磁體

222為換能器左側換能器彈性件

223為換能器右側換能器彈性件

224為換能器的換能器彈性件固定件

225為換能器左側傳動臂

226為換能器右側傳動臂

227為換能器上部左側永磁體支架

228為換能器下部左側永磁體支架

229為換能器上部右側永磁體支架

230為換能器下部右側永磁體支架

具體實施方式

下文以電動牙刷作為本發明的電動清潔護理器具的典型例子，并結合附圖更詳細地描述本發明的示例性實施例。雖然下面以電動牙刷為例進行解釋說明，但本發明不限于此。本發明也可適用于電動剃須刀、電動潔面器、電動沐浴器等用于個人的電動清潔護理器具。

在全部附圖中，類似的附圖標記表示相似的部件。

為了清楚起見，在本說明書中采用了表述空間相對位置的詞語，如“上”、“下”、“左”、“右”、“橫向”等來簡單描述如圖所示的一個元件或特征與另一元件(一或多個)或特征(一或多個)的相互關系，其中，“上”、“下”是相對于清潔元件縱向軸線而言的，接近清潔元件的一端定義為“上”，與“上”相對的一端(即，遠離清潔元件的一端)定義為“下”；“左”和“右”是相對于驅動軸縱向軸線而言的，面向相應視圖沿垂直于驅動軸縱向軸線的方向在驅動軸縱向軸線的左側定義為“左”，其右側定義為“右”；“橫向”是指垂直于驅動軸縱向軸線的方向。

此外，本申請中使用的詞匯“和/或”包括所列出的一或多個相關聯的詞匯中的任一個和所有組合。

作為本發明的電動清潔護理器具的一個示例，圖1和圖2示出的電動牙刷包括具有手柄外殼105的手柄，手柄外殼內部裝有用以向清潔護理用具的各個部分提供電力的電源部分、用以控制清潔護理用具的各種工作模式以及清潔護理用具的開啟或關閉的控制部分、用以啟動或關閉清潔護理用具運轉的觸發部分和將輸入的電能轉換為機械能輸出的驅動器110。驅動器110包括換能器、驅動線圈214、設置在驅動線圈214中的驅動線圈鐵芯215、用于支承該驅動器110的驅動器左側支架112和驅動器右側支架(未示出)、包括清潔元件載體和分布在清潔元件載體上的清潔元件(即刷毛)3的清潔組件。清潔組件與驅動軸111可拆卸地聯接在一起。換能器包括插入清潔組件的驅動軸111；至少一個緊固于驅動器左、右側支架的換能器彈性件固定件224；至少兩個相對于驅動軸縱向軸線L₂分別布置在左右兩側的上、下永磁體216、217、218、219；用于固聯所述永磁體216、217、218、219的相應的永磁體支架227、228、229、230；與永磁體支架227、228、229、230固聯并與驅動軸111固聯的左、右側換能器傳動臂225、226；以及至少兩個分別設置在驅動軸縱向軸線L₂左右兩側的左側換能器彈性件222和右側換能器彈性件223。左、右側換能器彈性件222、223的一端分別與換能器彈性件固定件224固聯，左、右側換能器彈性件222、223的另一端分別與相應的換能器傳動臂225、226固聯。左、右側永磁體相互獨立，一側永磁體在朝向驅動線圈方向的磁極極性為S極或N極，另一側永磁體在朝向驅動線圈方向的磁極極性與所述一側永磁體的磁極極性相反，左、右側永磁體216、217、218、219被設置成使得它們的內部磁力線方向和驅動線圈鐵芯縱向軸線方向的夾角分別大于45°且小于135°，左、右側永磁體216、217、218、219可相對于換能器彈性件固定件224移動。當驅動線圈214通過頻率為f₀的交變電流時，左、右側永磁體216、217、218、219的運動方向和驅動線圈鐵芯縱向軸線方向近似平行，即二者的夾角大于170°且小于190°或大于-10°且小于10°。

在本發明中，換能器彈性件222、223主要以彎曲應變特性參與諧振運動。作為示例之一，換能器可以設有兩個換能器彈性件222和223，它們對稱地分布在驅動軸縱向軸線L₂的左右兩側，左右側換能器彈性件222和223的夾角為180°，可以將左側換能器彈性件222和右側換能器彈性件223設置為使得它們的抗彎截面系數和長度近似相等，數值差小于10％，使得左側換能器彈性件222的撓度和右側換能器彈性件223的撓度幅值近似相等，幅值差小于10％，且撓曲方向相反。此外，左右側換能器彈性件222、223沿換能器彈性件平面M法向的厚度小于左右側換能器彈性件222、223沿近似平行于驅動軸軸線L₂方向上的寬度的1/10。

如前所述，本發明的示例性電動牙刷至少包括兩個換能器彈性件，它們分別為左側換能器彈性件222和右側換能器彈性件223，利用彈性件材料的彎曲應變構成具有固有振動頻率f_固的換能器，當換能器的固有頻率f_固近似于驅動頻率f₀時，換能器在驅動頻率為f₀的作用力的作用下，進入諧振狀態。也就是說，手柄外殼105中的驅動線圈214流過頻率為f₀的交變電流時，驅動線圈214產生并作用在換能器上的電磁力使得換能器處于諧振狀態。

下面分別分析本發明的示例性電動牙刷空載時驅動線圈214上的電流大小和電流頻率的關系，以及對應的清潔元件(即刷毛)3的振幅和驅動線圈電流頻率的關系。在空載狀態，電動牙刷的清潔元件3上無負載(空載)。I₀為空載時流過驅動線圈214的平均電流，I₀等同于空載時電流檢測電阻R₂₅上的平均電流。也就是說，可以通過I/O25測出空載時電流檢測電阻R₂₅上的平均電壓，從而測算出空載時電流檢測電阻R₂₅上的平均電流，即可以通過I/O25測出空載時驅動線圈214的平均電流。

如圖1，2所示，清潔元件(刷毛)3的縱向軸線L₁近似垂直于左右側換能器彈性件平面M。此處，“近似”可以認為，清潔元件3的縱向軸線L₁與左右側換能器彈性件平面M的夾角的誤差小于15°。當電動牙刷的驅動線圈214尚未通電時，清潔元件3的端面沒有承受負載，左右側換能器彈性件122，123在近似垂直于換能器彈性件平面M方向上沒有受力，此時左右側換能器彈性件222、223之間的夾角約為180度。電動牙刷的驅動器110的驅動頻率固定為f₀。

依照電壓平衡方程：

式中，通過驅動線圈214的電流表達式為I_Mcosωt，E為電源(電池)電動勢，ω＝2πf₀，為線圈切割磁力線的速度滯后于電流的相位角。

顯然：

LI_Msinωt的有效值可簡化為

依照振動原理在諧振狀態趨向于零。

驅動力來自處于磁場中的通電導體產生的電磁力(即NBlυ)，而由電感L產生的磁力線和換能器上的永磁體的運動方向近似平行，所以，由驅動線圈電感L產生的磁力幾乎對永磁體的運動無影響。由上面的數學式可推出驅動線圈214在諧振區域的電流將出現兩個拐點，第一個拐點出現在ω較小時，此時電流最小，第二拐點出現在ω略大處，此時電流最大。所述諧振區域取決于換能器的固有頻率f_固和驅動線圈214中電流的驅動頻率f₀，通常當f_固滿足0.85f₀＜f_固＜1.05f₀時，換能器130被來自驅動線圈214的電磁力驅動而處于諧振狀態。所以，當f_固變大時，驅動器的諧振區域將向頻率大值方向偏移，當f_固變小時，驅動器的諧振區域將向頻率小值方向偏移。

依振動原理可知，諧振區域中的振動滯后于驅動力。在本發明中，如前所述，左右側換能器彈性件222、223主要以彎曲應變特性參與諧振運動，它們對稱地分布在驅動軸縱向軸線L₂的左右兩側，二者間的夾角為180°，且被設置為其抗彎截面系數和長度近似相等，左右側換能器彈性件222、223沿換能器彈性件平面M法向的厚度小于其沿近似平行于驅動軸軸線L₂方向上的寬度的1/10。在這種情況下，驅動線圈對永磁體的電磁力產生的電樞反應只來自運動磁場對通電導體的切割作用(NBlυ)，由于阻尼作用和磁滯效應等原因，在諧振區域中最小電流處所對應的頻率略小于換能器130最大振幅處所對應的頻率，亦略小于清潔元件3的最大振幅處所對應的頻率。若設諧振區域中驅動線圈的最小電流處的驅動頻率為f_0min，經大量實驗得知，空載下，清潔元件3的最大振幅處所對應的驅動頻率在f_0min+5Hz至f_0min+12Hz范圍內，諧振區域中的最大驅動線圈電流處所對應的驅動頻率f_0max約比f_0min大20至40Hz。因此，可以將驅動線圈交變電流的頻率f₀固定為f_0max-n其中，-0.3(f_0max-f_0min)≤n≤0.85(f_0max-f_0min)，f_0max為電流檢測電阻上的平均電壓的最大值所對應的驅動線圈電流頻率，f_0min為電流檢測電阻上的平均電壓的最小值所對應的驅動線圈電流頻率。例如，可選取n＝10Hz，f_0min＝250Hz，f_0max＝f_0min+25Hz。

如上所述，當電動牙刷的驅動線圈214尚未通電時，在清潔元件3端面上未施加負載，清潔元件3的縱向軸線L₁近似垂直于左右側換能器彈性件平面M，驅動軸軸線L₂近似平行于左右側換能器彈性件平面M。在本例中、左右側換能器彈性件222、223沿換能器彈性件平面M法向的厚度小于左右側換能器彈性件222、223沿近似平行于驅動軸軸線L₂方向上的寬度的1/10；驅動器左、右側支架固聯在手柄外殼105中，換能器彈性件固定件224和驅動器左、右側支架無相對運動，左、右側換能器傳動臂225、226可相對換能器彈性件固定件224運動，左、右換能器傳動臂225、226和驅動軸111固聯，驅動軸111和清潔組件3可拆卸地聯接在一起，因此在清潔元件3的端面上施加負載時，通過受力分析可知，換能器彈性件固定件224承擔由負載施加在清潔元件3上的部分或全部壓力，左、右側換能器彈性件222、223和換能器彈性件固定件224的聯結區域受到壓力，由于換能器彈性件固定件224靜止不動，所以施加的負載對應在清潔元件3上的壓力經傳遞使左、右側換能器彈性件222、223在靠近換能器傳動臂225、226的一側發生撓曲，撓曲的方向相反于負載施加于清潔元件3的壓力的方向。施加在清潔元件3的端面的負載所形成的左、右側換能器彈性件222、223的撓曲，相當于縮短了這些彈性件在彎曲應變時的懸臂的長度和/或增加了懸臂的厚度，此物理量的變化將增大左、右側換能器彈性件222、223對應的彎曲應變模式下的彈簧勁度系數K。負載在清潔元件3上所對應的壓力越大，則左、右側換能器彈性件222、223對應的彎曲應變模式下的彈簧勁度系數K變得越大。依振動原理可知，換能器固有頻率f_固正比于負載在清潔元件3上所對應的壓力越大，則換能器的固有頻率f_固越大，驅動器諧振區域朝向頻率大值方向偏移越多。

當負載在清潔元件3上所形成的壓力的方向垂直于清潔元件3的縱向軸線L₁且近似垂直于驅動軸縱向軸線L₂時，該壓力傳遞到換能器彈性件222、223上的矢量落在換能器彈性件平面M中，當壓力方向近似垂直于驅動軸縱向軸線L₂時，此壓力不能導致左、右側換能器彈性件222、223對應的彎曲應變模式下的彈簧勁度系數K變化。此時負載沿垂直于清潔元件3縱向軸線L₁的方向上的壓力等同于增大諧振系統的阻尼系數，因此驅動器諧振區域向頻率小值方向略微偏移。當然，上述壓力會在換能器彈性件222、223和換能器彈性件固定件224結合處形成矢量方向為驅動軸縱向軸線L₂方向的轉矩，但由于清潔元件3通常采用具有彈性的尼龍絲，而所述力或力矩在尼龍絲的彎曲方向上的傳遞效果很差，而且壓力作用點到換能器彈性件固定件224和換能器彈性件222、223的結合處的距離很小，所以上述轉矩對換能器固有頻率f_固的影響十分有限，甚至可以忽略。

當負載在清潔元件3上所形成的壓力的方向垂直于清潔元件縱向軸線L₁且近似平行于驅動軸縱向軸線L₂時，所述壓力傳遞到換能器彈性件222、223上的矢量將落在彈性件平面M中，該壓力方向近似平行于驅動軸縱向軸線L₂。在本發明中，將換能器彈性件222、223沿驅動軸縱向軸線L₂方向的寬度設置為大于換能器彈性件222、223沿換能器彈性件平面M的法向方向的厚度約十倍以上。在驅動力的大小和作用點相同的情況下，若方向近似平行于驅動軸縱軸線L₂且矢量方向處于換能器彈性件平面M中的力形成的換能器彈性件222、223的撓度為ξ₁，方向近似垂直于驅動軸縱向軸線L₂且矢量方向處于垂直于換能器彈性件平面M中的力形成的換能器彈性件222、223的撓度為ξ₂，則ξ₁約為ξ₂的1/1000。因此，當負載在清潔元件3上所形成的壓力的方向垂直于清潔元件縱向軸線L₁且近似平行于驅動軸縱向軸線L₂時，所施加的壓力對換能器固有頻率f_固的影響十分有限，可忽略不計。此壓力還會在換能器彈性件222、223和換能器彈性件固定件224結合處形成矢量方向處于換能器彈性件平面M內并近似垂直于驅動軸縱向軸線L₂的轉矩，此轉矩將導致換能器彈性件222、223扭轉，但不影響換能器在彎曲應變下的固有頻率f_固。

顯然，當負載作用在清潔元件3上的壓力的方向平行于換能器彈性件平面M的法向時，隨著負載增大換能器固有頻率f_固的值將明顯增大，從而使換能器諧振區域向固有頻率大值方向的偏移更明顯。另一方面，負載增大也能導致換能器諧振系統的等效阻尼系數變大，使換能器諧振系統的固有頻率f_固略微變小。在本發明中，創造性地引入隨負載增加而增大換能器固有頻率f_固的構思，使在負載增大的狀態下，換能器固有頻率f_固總體變大，換能器諧振區域總體向頻率大值方向偏移。而當負載在清潔元件3上的壓力方向垂直于換能彈性件平面M的法向時，負載對換能器固有頻率f_固幾乎沒有影響。如前所述，由于清潔元件3通常由彈性材料(如尼龍絲)制成，清潔元件3沿清潔元件縱向軸線L₁方向的力的傳遞效果大大好于沿垂直于清潔元件縱向軸線L₁方向上的力的傳遞效果。另外，清潔元件3縱向軸線L₁和換能器彈性件平面M的法向的夾角大小，影響換能器固有頻率f_固隨負載作用于清潔元件3上的力增加而變大的程度(速率)。可將清潔元件3設置為使其縱向軸線L₁和換能器彈性件平面M的法向的夾角為0°-60°，優選為0°≤夾角≤30°，更為優選的是夾角等于0°。在夾角取值范圍為0°-60°時，當清潔元件3的縱向軸線L₁和換能器彈性件平面M的法向的夾角為0°時，負載力傳遞到換能器彈性件平面M的法向力最大，因此負載力使換能器彈性件222、223對應的彎曲應變模式下的彈簧勁度系數K變大最多，換能器固有頻率f_固隨負載作用于清潔元件3上的力增加而變大的程度最大(速率最大)。當清潔元件3的縱向軸線L₁和換能器彈性件平面M的法向的夾角為60°時，負載力傳遞到換能器彈性件平面M的法向的力最小，因此負載力使換能器彈性件222、223對應的彎曲應變模式下的彈簧勁度系數K變大最少，換能器固有頻率f_固隨負載作用于清潔元件3上的力增加而變大的程度最小(速率最小)。因此，在本發明中通過合理布置清潔元件3的縱向軸線L₁和換能器彈性件平面M的法向夾角，使得換能器固有頻率f_固隨負載作用于清潔元件3上的力增加而變大且可以控制換能器固有頻率f_固隨負載作用于清潔元件3上的力增加而變化的速率，清潔元件3的縱向軸線L₁和換能器彈性件平面M的法向的夾角越小，則換能器固有頻率f_固隨負載作用于清潔元件3上的力增加而變化的速率越大。清潔元件3的縱向軸線L₁和換能器彈性件平面M的法向的夾角越大，則換能器固有頻率f_固隨負載作用于清潔元件3上的力增加而變化的速率越小。從而可以提高電動清潔護理器具的機械效率。

在使用電動牙刷清潔牙齒的過程中，由于清潔元件3主要由尼龍絲構成，尼龍絲在壓縮方向的力學性能大大好于尼龍絲在彎曲方向的力學性能，因此牙齒對清潔元件(尼龍絲)3的壓力主要沿清潔元件縱向軸線方向傳遞。在清潔牙齒過程中，牙齒對清潔元件的阻力主要分布在垂直于清潔元件3的縱向軸線L₁的方向的平面中。如上所述，在本發明中，通過適當選擇彈性件的彎曲應變、清潔元件3的縱向軸線L₁和換能器彈性件平面M的法向的夾角等，使得負載作用在清潔元件3上的壓力的增加導致換能器固有頻率f_固變大，而且由于清潔元件3通常由彈性材料(如尼龍絲)制成，清潔元件3沿平行于其縱向軸線L₁方向的力的傳遞效果大大好于沿垂直于其縱向軸線L₁方向上的力的傳遞效果，從而清潔元件3和被清潔對象之間的阻力對換能器固有頻率f_固的影響可以忽略，從而可以對施加在清潔元件縱向軸線L₁上的壓力大小進行監測。

圖3示出了通過實驗得出的本發明的清潔護理器具在不同負載下電流I與驅動頻率f的關系曲線以及振幅A與驅動頻率f的關系曲線，其中橫坐標表示驅動頻率，縱坐標表示電流和振幅的標稱值。如圖3所示，清潔元件縱向軸線L₁平行于換能器彈性件平面M的法向，在清潔元件3的端面上施加150克負載時，清潔元件3的最大振幅處的頻率f_固1(參見以圖標點“■”示出的曲線)大于空載時清潔元件3的最大振幅處的頻率f_固0(參見以圖標點“◆”示出的曲線)，在清潔元件3的端面上施加300克負載時，清潔元件3的最大振幅處的頻率f_固2(參見以圖標點“▲”示出的曲線)大于在清潔元件3的端面上施加150克負載時清潔元件3的最大振幅處的頻率f_固1，也就是說，施加的負載越大，換能器固有頻率變得越大，施加的負載增加可導致諧振區域向頻率大值方向偏移。如前所述示例中，f_0min＝250Hz，f_0max＝f_0min+25Hz，驅動線圈交變電流的頻率f₀固定為265Hz。實驗得出，空載時清潔元件3在f_0min+5Hz＝255Hz處出現最大振幅A₀(參見以圖標點“＊”示出的曲線)，當在清潔元件3的端面上施加150克力的負載時，f_1min＝255Hz，f_1max＝280Hz，此時清潔元件最大振幅A₁(參見以圖標點“●”示出的曲線)出現在f_1min+5Hz＝260Hz處，當在清潔元件3的端面上施加300克力的負載時，f_2min＝260Hz，f_2max＝285Hz，此時清潔元件最大振幅A₂(參見以圖標點“+”示出的曲線)出現在f_2min+5Hz＝265Hz處，同樣還顯示了400克力負載的數據[400克力負載下的清潔元件最大振幅為A₃(參見無圖標點的曲線)]。從上面的實驗數據得知，當清潔元件縱向軸線L₁平行于換能器彈性件平面M的法向時，隨著施加在清潔元件3的端面上的負載增加，換能器彈性件222、223的固有頻率f_固變大，負載增加越多，換能器彈性件222、223的固有頻率f_固變大越多，即清潔元件3的端面上的負載的增加可使換能器彈性件222、223的諧振區域朝頻率增大的方向偏移。如圖3的實驗曲線所示，驅動線圈的電流頻率被設定為固定值f_0max-n＝265Hz，(n＝10)，在不同負載下，諧振狀態下換能器固有頻率f_固對應于清潔元件3最大振幅處的頻率分別為：f_固0＝255Hz；f_固1＝260Hz；f_固2＝265Hz；f_固3＝270Hz；顯然，在負載從0克力(空載)逐漸增加到300克力或更大的過程中，諧振系統從弱諧振逐漸趨于共振，同時諧振系統的機械效率快速提升。由于機械效率的提升快于加大負載時產生的阻尼效應，因此清潔元件3的振幅也在快速提升(A₂＞A₁＞A₀)，又由于諧振系統的驅動線圈電流最小值出現在f_min，增加負載使f_min向頻率大值的方向移動，使f_min更接近驅動頻率，因此諧振系統從弱諧振趨向于共振時，驅動線圈的電流平均值由大變小。由圖3同樣得知，當施加于清潔元件3的端面的負載達到400克力時，f_固3(270Hz)大于負載為300克時的驅動線圈交變電流的固定頻率f_固2(265HZ)，諧振系統從共振趨向于弱諧振，隨著負載繼續加大，諧振系統趨向于更弱的諧振直至不產生振動，因而，在逐漸加大負載的過程中，驅動線圈電流在某一頻率下出現拐點，驅動線圈電流將再由小變大，實驗證明，所述電流拐點出現在施加約450克力的負載處(未示出)，而且在加大負載的過程中，驅動線圈電流由小變大的拐點所對應的負載值(約450克力)大于清潔元件振幅A由大變小的拐點所對應的負載值(約300克力)，兩者負載值之差約為150克力。

圖4和圖5分別示出了通過實驗得出的本發明的清潔護理器具在不同驅動頻率下電流與負載的關系曲線及在不同驅動頻率下振幅與負載的關系曲線。如圖4(其橫坐標表示負載(克力)，縱坐標表示電流標稱值)和圖5(其橫坐標表示負載(克力)，縱坐標表示振幅標稱值)所示，改變驅動線圈的電流頻率設定值f_0max-n Hz，可以選擇在施加不同的負載力的作用下使諧振系統實現共振，即通過調整驅動線圈的電流頻率設定值中的n值，可以選擇不同負載力使換能器固有頻率f_固等于驅動頻率f₀而共振，同時改變驅動線圈的電流值拐點對應的負載值。如4和5所示，如果選擇n＝-5Hz，則諧振系統的共振點頻率對應到清潔元件3上施加400克力的負載處(參見圖4和5中以圖標點“●”示出的曲線)，同時，驅動線圈的電流由小變大的拐點將出現在對應于在清潔元件3上施加大于550克左右的力的負載(未示出)。如果選擇n＞10，例如n＝15，則諧振系統的共振點頻率對應于清潔元件3上施加小于300克力的負載(參見圖4和5中以圖標點“■”示出的曲線)，同時驅動線圈的電流由小變大的拐點將出現在對應于清潔元件3上施加小于550克力的負載，此時諧振系統的共振點(振幅最大點)頻率對應于清潔元件3上施加150克力的負載處，同時驅動線圈的電流由小變大的拐點將出現在對應于清潔元件上施加300克力的負載處。圖4和5中以圖標點“◆”、“▲”、“×”、“＊”示出的曲線分別表示選擇n＝20、n＝10、n＝5、n＝0時電流與負載的相應關系及在振幅與負載的相應關系。

經大量實驗得出，n的范圍可以為-0.3(f_0max-f_0min)至0.85(f_0max-f_0min)，優選-0.1(f_0max-f_0min)≤n≤0.4(f_0max-f_0min)，更優選為0≤n≤0.4(f_0max-f_0min)。

綜上所述，通過合理配置清潔元件縱向軸線L₁和換能器彈性件平面M的法向的夾角θ，隨著施加在清潔元件3上的負載壓力增大可以使換能器彈性件固有頻率f_固變大，負載壓力越大，則f_固越大，選擇0°≤θ角≤60°可以達到上述目的。優選0°≤θ角≤30°，更為優選的是θ＝0°，此外，通過合理選擇驅動線圈中交變電流的頻率f_0max-n，可以實現在清潔元件3上從空載到加載至某一合理負載(如300克力)時，換能器諧振系統從弱諧振達到共振。還可以選擇-0.3(f_0max-f_0min)≤n≤0.85(f_0max-f_0min)。優選-0.1(f_0max-f_0min)≤n≤0.4(f_0max-f_0min)，更優選為0≤n≤0.4(f_0max-f_0min)，一旦設定了此固定的驅動頻率，則在清潔護理器具工作期間驅動頻率不變，使得清潔元件3的振幅從小到大，同時使驅動線圈電流值從高到低呈單調下降趨勢，從而可以在合理負載下，保證所述個人電動清潔護理器具獲得更高的機械效率、更小的工作電流、更小的能耗、最大的清潔元件振幅、最好的清潔效果。

實驗證明，當施加在清潔元件3上的負載繼續增加而超過合理值時，換能器諧振系統將從共振趨向弱諧振直至不產生振動，清潔元件3的振幅又從大變小，同時驅動線圈電流繼續單調下降直到電流出現由小變大的拐點后，驅動線圈電流才再次變大。通過對f_0max-n中的n值的選擇，可以實現在清潔元件3上從空載到加載至某一合理負載(如300克力)時，換能器諧振系統從弱諧振達到共振，使得清潔元件3的振幅從小到大，同時使驅動線圈電流值從高到低呈單調下降趨勢。也就是說可以通過對f_0max-n中的n值的選擇，實現對上述合理負載值的選擇，n值越小，則對應的所述合理負載值越大。此過程還可以為牙齦提供可靠的保護，當施加在清潔元件3上的負載壓力大于合理值(比如300克力)時，清潔元件3的振幅將降低，且負載越大，振幅越小，從而可有效保護牙齦免受傷害。

因此上述結構既可以在合理負載下獲得高效率、大振幅，又可以在負載超過合理值后，降低振幅以保護牙齦，而且結構簡單、成本低廉。

本發明還提供了用于如上所述的清潔護理器具的壓力報警方法。圖6示出了該方法的步驟。如圖6所示，用于如上所述的清潔護理器具的壓力報警方法包括以下步驟：

1)選取所述清潔護理器具中的左右側換能器彈性件222，223的抗彎截面系數和長度近似相等，使得左、右側換能器彈性件222，223的撓度的幅值近似相等且撓曲方向相反，并調節清潔元件3的縱向軸線L₁和換能器彈性件平面M的法向的夾角至0°-60°；

2)檢測所述清潔護理器具在諧振頻率范圍內不同頻率對應的與驅動線圈214串聯的電流檢測電阻R₂₅上的平均電壓U_LR25。例如，在諧振頻率范圍內，使驅動線圈的電流頻率以相同的時間間隔Δt(如1秒鐘)、相同的頻率差Δf(如1Hz)逐漸增加地步進，測出和記錄對應于不同頻率時的電流檢測電阻R₂₅上的平均電壓U_LR25。如本例中，換能器的諧振頻率范圍約為243Hz-300Hz，驅動線圈電流在第一秒鐘內的頻率為243Hz，測出和記錄在243Hz頻率下的電流檢測電阻R₂₅上的平均電壓U_LR251，經時間間隔Δt(1秒)后，驅動線圈電流在第二秒鐘內的頻率為244Hz(Δf＝1Hz)，測出和記錄在244Hz頻率下的電流檢測電阻R₂₅上的平均電壓U_LR252，依次循環直到完成整個諧振頻率范圍內的檢測。例如，驅動線圈中的電流在第五十八秒鐘內的頻率為300Hz，測出和記錄在300Hz頻率下的電流檢測電阻R₂₅上的平均電壓U_LR2558；

3)從步驟2)所記錄的不同頻率時的電流檢測電阻R₂₅上的平均電壓U_LR25中，選出并記錄電流檢測電阻R₂₅上的平均電壓的最大值所對應的驅動線圈電流頻率f_0max和電流檢測電阻R₂₅上的平均電壓的最小值所對應的驅動線圈電流頻率f_0min；

4)設置f_0max-n并將f_0max-n儲存于所述可編程的微芯片處理器IC的程序中，以選定的n值所對應的f_0max-n作為驅動線圈214中流過的電流的固定頻率f₀，其中，-0.3(f_0max-f_0min)≤n≤0.85(f_0max-f_0min)，f_0max為電流檢測電阻R₂₅上的平均電壓的最大值所對應的驅動線圈電流頻率，f_0min為電流檢測電阻R₂₅上的平均電壓的最小值所對應的驅動線圈電流頻率；

5)預存報警負載下的電源電壓的平均值U_L源和電流檢測電阻R₂₅上的平均電壓U_LR25于可編程的微芯片處理器IC的程序中，例如，在清潔元件3的端面預置報警負載(比如300克力)，施加此負載，IC引導f_0max-n(此時n為選定的某一固定值)作為固定頻率f0的電流流過驅動線圈，I/O25在短時間內(如3秒鐘內)多次檢測電流檢測電阻R₂₅上的電壓，測算出電流檢測電阻R₂₅上在報警負載下的平均電壓U_LR25，IC同時在短時間內(如3秒鐘內)多次檢測電源電壓，測算出對應的電源電壓的平均值U_L源，將所述報警負載下的電源電壓平均值U_L源和電流檢測電阻R₂₅上的平均電壓U_LR25儲存于IC的程序中；

6)所述電動清潔護理用具工作時，通過I/O25持續地檢測當前的電流檢測電阻R₂₅上的電壓U_NR25的值以及當前電源電壓值U_N源，采集當前負載對應的電流檢測電阻R₂₅上的電壓值U_NR25及當前的電源電壓值U_N源；

7)比較所述當前負載對應的電流檢測電阻R₂₅上的電壓值U_NR25和預存于可編程的微芯片處理器IC中的報警負載下的電源電壓的平均值U_L源，若(U_N源/U_L源)×U_NR25＞U_LR25，無報警信號輸出或終止當前的壓力報警信號輸出；若(U_N源/U_L源)×U_NR25≤U_LR25，則輸出壓力報警信號并報警，例如，利用可編程的微芯片處理器IC可以將當前負載對應的驅動線圈電流值和預存在IC中的報警負載下的驅動線圈電流值進行比較，將(U_N源/U_L源)×U_NR25和U_LR25比較，其中，U_L源為步驟5)中檢測時的電源電壓值，U_N源為當前檢測中的電源電壓值，若(U_N源/U_L源)×U_NR25＞U_LR25，則意味著施加于清潔元件3上的負載小于報警負載，此時不進行壓力報警，即無報警信號輸出或終止當前的壓力報警信號輸出；若(U_N源/U_L源)×U_NR25≤U_LR25，則意味著施加于清潔元件3上的負載大于報警負載，此時輸出壓力報警信號，進行壓力報警。

壓力報警的方式可采用聲音和/或燈光和/或振動模式，之后IC繼續檢測U_NR25和U_N源，當(U_N源/U_L源)×U_NR25＞U_LR25時，取消壓力報警信號輸出，反之維持壓力報警，依此循環。

本發明所提供的實現所述方法的壓力報警裝置包括檢測、采集和報警電路以及報警部件(圖中未示出)。所述檢測、采集和報警電路包括電源、可編程的微芯片處理器IC和由晶體管構成的用以聯結電源和驅動線圈214的H橋電路。微芯片處理器IC的程序中儲存有f_0max-n，以選定的n值所對應的f_0max-n作為驅動線圈214中流過的電流的固定頻率f₀，其中，-0.3(f_0max-f_0min)≤n≤0.85(f_0max-f_0min)，f_0max為電流檢測電阻R₂₅上的平均電壓的最大值所對應的驅動線圈電流頻率，f_0min為電流檢測電阻R₂₅上的平均電壓的最小值所對應的驅動線圈電流頻率，并預存有報警負載下的電源電壓的平均值U_L源和電流檢測電阻R₂₅上的平均電壓U_LR25。可編程的微芯片處理器IC輸出固定頻率為f₀的方波以驅動H橋電路并用于預存報警負載下的電源電壓的平均值U_L源和電流檢測電阻R₂₅上的平均電壓U_LR25。圖7為本發明的壓力報警裝置電路部分的原理圖，如圖7所示，本例中，采用四個晶體管Q₂₁-Q₂₄構成H橋電路用以聯結電源和驅動線圈214，可編程的微芯片處理器IC輸出固定頻率為f₀的方波以驅動H橋電路，從而在驅動線圈214上流過固定頻率為f₀的交變電流，交變電流經由電流檢測電阻R₂₅流回電源。在上述電路中，電流檢測電阻R₂₅的阻值固定，電流檢測電阻R₂₅上的電壓U_R25大小反映了流經電流檢測電阻R₂₅上的電流大小，電流檢測電阻R₂₅串聯H橋電路和電源，即電流檢測電阻R₂₅的一端聯結到電源的負極，電流檢測電阻R₂₅的另一端聯結到H橋電路的電流出口端并且聯結到微芯片處理器IC的A/D轉換口I/O25，用來檢測I/O25轉換口上的電壓大小。若(U_N源/U_L源)×U_NR25＞U_LR25，無報警信號輸出或終止當前的壓力報警信號輸出；若(U_N源/U_L源)×U_NR25≤U_LR25，則輸出壓力報警信號并報警。顯然通過上述電路設置，微芯片處理器IC可實時檢測到流過驅動線圈214的電流大小。為了減小因電流檢測電阻R₂₅串入驅動線圈H橋電路而對驅動線圈電功率產生的影響，通常電流檢測電阻R₂₅采用小阻值。本發明中電流檢測電阻的電阻值可以約為0.1Ω。報警部件可以是蜂鳴器件和/或發光器件和/或機械振動部件。

借助上述方法和裝置，當負載超過合理范圍時，可以提供簡單、可靠的壓力報警。