本发明涉及一种超声波电动牙刷及其工作方式，包括牙刷柄、牙刷毛、两组压电陶瓷元件、电极片、底座以及驱动电源；上述牙刷柄的一端表面设置有若干牙刷毛；上述两组压电陶瓷元件设置在底座和牙刷柄中间，并通过底座上的螺栓固定；上述电极片设置在两组压电陶瓷中间；上述驱动电源设置在底座上。本发明利用两组压电陶瓷元件在外接电源的驱动下，激励牙刷柄产生纵振模态和弯振模态，同时将两种振动的耦合模态传递至牙刷毛上。通过纵振和弯振的耦合，牙刷毛上的表面质点将做微幅椭圆运动，与牙齿接触后，当外界施加一定预压力，牙刷毛与牙齿的接触界面将会产生摩擦力。在摩擦力的作用下将清除牙齿上的污垢，实现超声洁牙的作用。
1.一种超声波电动牙刷，由左向右依次包括牙刷柄（2）、底座（10），其中牙刷柄（2）左端上方安装有牙刷毛（1），其特征在于：该超声波电动牙刷还包括超声波驱动组件、驱动电源（11）；
上述牙刷柄（2）和底座（10），两部件中的一个部件具有螺栓结构，另一部件具有与之对应的螺孔结构； 上述超声波驱动组件具有螺纹通孔，超声波驱动组件安装于上述螺栓结构上；牙刷柄（2）和底座（10）通过上述螺栓结构和螺孔结构连接，并将上述超声波驱动组件夹紧；
上述超声波驱动组件从左向右依次包括第一压电陶瓷片（3）、第一电极片（7）、第二压电陶瓷片（4）、第二电极片（8）、第三压电陶瓷片（5）、第三电极片（9）、第四压电陶瓷片（6）；
上述第一压电陶瓷片（3）平均分成上下两个极化区，均沿着厚度方向进行极化，其中上极化区极化方向为从x轴负向指向x轴正向，下极化区极化方向为从x轴正向指向x轴负向；
上述第二压电陶瓷片（4）平均分成上下两个极化区，均沿着厚度方向进行极化，其中上极化区极化方向为从x轴正向指向x轴负向，下极化区极化方向为从x轴负向指向x轴正向；
上述第三压电陶瓷片（5）仅有一个极化区，沿着厚度方向进行极化，极化方向为从x轴负向指向x轴正向；
上述第四压电陶瓷片（6）仅有一个极化区，沿着厚度方向进行极化，极化方向为从x轴正向指向x轴负向；
上述牙刷柄（2）、第二电极片（8）、底座（10）均接地；
上述第一电极片（7）与第三电极片（9）通过所述驱动电源（11）输入两相具有时间相位差为90°的电信号。
2.根据权利要求1所述的超声波电动牙刷，其特征在于：
上述驱动电源（11）安装于所述底座（10）的右端。
3.根据权利要求1所述的超声波电动牙刷，其特征在于：
4.根据权利要求1所述的超声波电动牙刷，其特征在于：所述第一压电陶瓷片（3）、第一电极片（7）、第二压电陶瓷片（4）、第二电极片（8）、第三压电陶瓷片（5）、第三电极片（9）、第四压电陶瓷片（6）均为环形结构。
5.根据权利要求1所述的超声波电动牙刷的工作方式，其特征在于包括以下过程：在第一电极片（7）与第三电极片（9）通过所述驱动电源（11）输入两相具有时间相位差为90°的电信号；
上述第一压电陶瓷片（3）和第二压电陶瓷片（4）在牙刷柄（2）激励出n阶弯振模态；
上述第三压电陶瓷片（5）和第四压电陶瓷片（6）在牙刷柄（2）激励出m阶纵振模态；
两个模态的耦合振动传递至牙刷毛（1）上，牙刷毛（1）上的表面质点将做微幅椭圆运动，与牙齿接触后，当外界施加一定预压力，牙刷毛（1）与牙齿的接触界面将会产生摩擦力清除牙齿污垢。
超声波电动牙刷及其工作方式
技术领域
[0001] 本发明涉及一种超声波电动牙刷及其工作方式，具体是一种利用超声振动耦合的电动牙刷。
背景技术
[0002] 传统的电动牙刷是利用电动机使偏心锤进行旋转而产生振动，并通过牙刷柄将该振动传递给牙刷毛，从而相对于手动刷牙提高了牙垢去除性能。但是传统的电动牙刷结构复杂，成本高，不能以超声波频率振动，难以清除顽固牙垢和牙结石，清洁效果太低。虽然专利《一种超声波牙刷》（201210264953.X）提出利用压电陶瓷产生超声振动来实现洁牙作用，但是仅仅只是利用压电陶瓷激励的单一超声振动模态，并未充分的利用超声振动模态耦合来实现超声电动牙刷的功能。
发明内容
[0003] 本发明旨在研发一种超声波电动牙刷及其工作方式，具有结构简单、成本低、使用舒适、高效洁牙、可靠性好等优点。
[0004] 本发明拟采用以下技术方案：
[0005] 一种超声波电动牙刷，由左向右依次包括牙刷柄、底座，其中牙刷柄左端上方安装有牙刷毛，其特征在于：
[0006] 该超声波电动牙刷还包括超声波驱动组件、驱动电源；
[0007] 上述牙刷柄和底座，两部件中的一个部件具有螺栓结构，另一部件具有与之对应的螺孔结构； 上述超声波驱动组件具有螺纹通孔，超声波驱动组件安装于上述螺栓结构上；牙刷柄和底座通过上述螺栓结构和螺孔结构连接，并将上述超声波驱动组件夹紧；
[0008] 上述超声波驱动组件从左向右依次包括第一压电陶瓷片、第一电极片、第二压电陶瓷片、第二电极片、第三压电陶瓷片、第三电极片、第四压电陶瓷片；
[0009] 设牙刷柄指向底座方向为X轴正方向；
[0010] 上述第一压电陶瓷片平均分成上下两个极化区，均沿着厚度方向进行极化，其中上极化区极化方向为从x轴负向指向x轴正向，下极化区极化方向为从x轴正向指向x轴负向；
[0011] 上述第二压电陶瓷片平均分成上下两个极化区，均沿着厚度方向进行极化，其中上极化区极化方向为从x轴正向指向x轴负向，下极化区极化方向为从x轴负向指向x轴正向；
[0012] 上述第三压电陶瓷片仅有一个极化区，沿着厚度方向进行极化，极化方向为从x轴负向指向x轴正向；
[0013] 上述第四压电陶瓷片仅有一个极化区，沿着厚度方向进行极化，极化方向为从x轴正向指向x轴负向；
[0014] 上述牙刷柄、第二电极片、底座均接地；
[0015] 上述第一电极片与第三电极片通过所述驱动电源输入两相具有时间相位差为90°的电信号。
[0016] 上述第一压电陶瓷片和第二压电陶瓷片在牙刷柄激励出n阶弯振模态；
[0017] 上述第三压电陶瓷片和第四压电陶瓷片在牙刷柄激励出m阶纵振模态；
[0018] 两个模态的耦合振动传递至牙刷毛上，牙刷毛上的表面质点将做微幅椭圆运动，与牙齿接触后，当外界施加一定预压力，牙刷毛与牙齿的接触界面将会产生摩擦力清除牙齿污垢。
[0019] 上述驱动电源安装于所述底座的右端，用于提供上述具有90°相位差的两相电信号。
[0020] 上述牙刷柄为左小右大的圆柱形变截面杆结构，用于放大在牙刷柄上形成的耦合振动传递至牙刷毛处的振幅。
[0021] 所述第一压电陶瓷片、第一电极片、第二压电陶瓷片、第二电极片、第三压电陶瓷片、第三电极片、第四压电陶瓷片均为环形结构，对应的牙刷柄为圆形截面。当牙刷柄为矩形截面时上述部件也做相应改变。
[0022] 本发明提出的一种超声波电动牙刷利用两组不同激励方式的压电陶瓷片，在牙刷柄上同时激励出纵振模态和弯振模态，并且两种振动模态进行耦合通过变截面幅杆传递至牙刷毛上，牙刷毛将做椭圆运动。当外界施加一定的预压力，牙刷毛与牙齿接触界面将产生摩擦力，利用摩擦作用清除牙齿表面的污垢，实现超声振动洁牙作用。本发明的超声波电动牙刷不仅舍弃了传统电动牙刷存在的电动机与偏心锤等复杂的振动结构，同时弥补了专利《一种超声波牙刷》中所提及的利用压电陶瓷产生单一超声振动的不足。
[0023] 利用压电陶瓷元件在超声频段内振动形成的超声能量在牙周的空化效应，通过振动口腔内的水、牙膏等液体产生大量微小气泡，在牙齿周围气泡瞬间爆裂产生高压冲击清洁，可去除手动刷牙根本无法去除的牙垢牙菌斑等，并且清洁效果可以全方位深入到手动刷牙根本无法刷到的牙缝甚至牙龈内。本发明利用在压电陶瓷片的激励下牙柄结构的振动模态耦合，使得牙刷毛做高频微幅椭圆运动，实现超声洁牙功能，具有结构简单，可靠性好，制造容易，使用舒适方便等优点。
附图说明
[0024] 图1是超声波电动牙刷的结构示意图；
[0025] 图2是牙刷柄的结构示意图；
[0026] 图3是底座的结构示意图；
[0027] 图4是压电陶瓷片3的分区极化的结构示意图；
[0028] 图5是压电陶瓷片4的分区极化的结构示意图；
[0029] 图6是压电陶瓷片5极化的结构示意图；
[0030] 图7是压电陶瓷片6极化的结构示意图
[0031] 图8是压电陶瓷元件的布局图；
[0032] 图9是对陶瓷元件施加电压激励的示意图；
[0033] 图10是牙刷柄沿着X 轴在XOY 平面上的振动模态示意图；
[0034] 图11是牙刷柄沿着X 轴在XOZ 平面上的振动模态示意图；
[0035] 图12是牙刷毛做微幅椭圆运动的示意图；
[0036] 其中1-牙刷毛，2-牙刷柄， 3-第一压电陶瓷,4-第二压电陶瓷，5-第三压电陶瓷,6-第四压电陶瓷,7-第一电极片,8-第二电极片,9-第三电极片,10-底座，11-驱动电源，12-纵向振动模态，13-沿X0Y平面的弯曲振动模态，14-沿X0Z平面的弯曲振动模态。
具体实施方式
[0037] 下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
[0038] 一种超声波电动牙刷及其工作方式，包括牙刷毛、牙刷柄、两组压电陶瓷元件、电极片、底座以及驱动电源，如图1所示。牙刷柄的一端表面设置有若干牙刷毛。两组压电陶瓷元件设置在底座和牙刷柄中间，并通过底座上的螺栓固定。电极片设置在两组压电陶瓷中间。驱动电源设置在底座上。牙刷柄包括三部分，分别是与压电陶瓷片连接的圆柱部分，对振动模态进行放大的圆柱形变截面幅杆部分以及连接牙刷毛的部分。其中与压电陶瓷片连接的圆柱部分设置有一个内螺纹孔，用于固定陶瓷片，其结构示意图如图2所示。将压电陶瓷元件固定在牙刷柄与底座之间，使牙刷柄和底座形成一个兰杰文振子，其中底座与压电陶瓷连接的一端加工形成螺栓，用与牙刷柄上的螺纹孔配合。底座的结构示意图如图3所示。驱动电源设置在底座的另一端，用来提供激励两组压电陶瓷振动所需的电信号，其中激励 m阶纵振模态和n阶弯振模态的两组电信号在时间上具有π/2的相位差，并且m和n取正整数值。压电陶瓷元件设计成中心带有通孔的结构，其外径与牙刷柄圆柱杆的直径相同。其中第一压电陶瓷片3和第二压电陶瓷片4采用沿厚度单向极化，且有两个电极分区，其中，第一压电陶瓷片3的极化方向和分区方式如图4所示，第二压电陶瓷片4的极化方向和分区方式如图5所示，用于激励出牙刷柄的n阶弯振模态。第三压电陶瓷片5和第四压电陶瓷片6同样也采用沿厚度单向极化，但是只有一个电极分区，其极化方向和分区方式分别如图6和图7所示，用于激励出牙刷柄的m阶纵振模态。两组压电陶瓷元件分别激励出牙刷柄的m阶纵振模态和n阶弯振模态，其安装布局如图8所示。同时在每两片压电陶瓷片之间设置有一片电极片，用于对压电陶瓷片施加电信号。其中电信号的具体施加方式是对牙刷柄、第二电极片8和底座接地，对第一电极片7施加高频的正弦电压信号，对第三电极片9施加高频的余弦电压信号，其具体施加方式如图9所示。通过两组压电陶瓷片的激励，在牙刷柄上将激发出两相在时间和空间上具有90°相位差的振动模态，分别是纵振模态和弯振模态，如图10或11所示。其中弯振模态可以根据对激励陶瓷片的不同位置安装，实现两个不同平面内的弯振，例如既可以激励出牙刷柄在X0Y平面的弯振，如图10所示，也可以激励出牙刷柄在X0Z平面的弯振，如图11所示。本发明利用的是牙刷柄在XOY平面的弯振模态。在牙刷柄上激励出的具有时间和相位差都为90°的两相振动模态耦合后，将使牙刷柄上的表面质点做椭圆运动。牙刷柄上表面的质点的振动通过牙刷毛传递至牙刷毛端部，将同样迫使牙刷毛端部的质点作微幅椭圆运动，如图12所示。在洁牙过程中，当外界施加一定预压力，牙刷毛与牙齿的接触界面将会产生摩擦力，在摩擦力的作用下将清除牙齿上的污垢，实现洁牙的作用。同时，所述的牙刷柄和牙刷毛的振动频率达到超声波频段的高频振动，因此超声振动使得本发明牙刷具有空化作用。通过振动口腔内的水、牙膏等液体产生大量微小气泡，在牙齿周围气泡瞬间爆裂产生高压冲击清洁，可去除手动刷牙根本无法去除的牙垢牙菌斑等，并且清洁效果可以全方位深入到手动刷牙根本无法刷到的牙缝甚至牙龈内，即便是不平整的牙齿也可以做到全面清洁不留死角。此外，超声波还可以穿透渗入牙齿的各个部位直接杀死口腔细菌，阻断菌斑产生，清除口腔异味，震落各类牙垢，避免牙菌膜被口中矿物质钙化从而防止牙结石的产生，以及对口腔组织进行按摩微热，抑制牙周炎症和牙龈出血，防止牙龈萎缩等。
