在图1-4中表示的牙刷100用于就地产生化学药剂。如这里所 用的,就地意味着在化学药剂的应用现场,如在撒药装置清洁元件的 场所,和/或使用化学药剂的
位置附近。尽管这里各图中表示了牙刷 的各实施例,能够理解本发明的各个方面可以应用到更广范围的各种 装置,它们可以应用各种化学药剂或用化学药剂工作。例如,本发明 的各方面可以应用到刮舌器、牙齿增白剂撒药机、橡皮糖刺激器等。 还有,本发明的各方面可以应用到更广范围的其他有源装置。例如, 其他刷子如擦洗刷子可以利用本发明各方面的优点,如可以是海绵物 的清洗装置(如产生
清洗剂),如剃刀的修饰装置(如,产生皮层软 化剂)、如清洗伤口装置的保健装置(如,产生
杀菌剂)、如
洗碗机 或
洗衣机的清洁装置(如,产生
漂白剂),等。
如在图1中大体所示,牙刷100在一端有支持清洁元件如硬毛104 的头部102,和在相反端的
手柄部106。手柄部106有一个或多个室 用于容纳如电池或电容器的电压源108。电压源108通过
开关112与 一组电极110电气连接。将电极110设置在头部102清洁元件区域内, 在本结构中清洁元件主要是硬毛104。在这样的位置上,电极110能 够与用户嘴内的电解液接触并在药剂的应用地点就地产生化学药剂。 电解液可以仅包括唾液、在唾液存在下的牙膏、和/或唾液、牙膏和 如盐的导电剂的混合物,导电剂增加含水溶液的
导电性。虽然表示的 是有不运动头部的牙刷,但能理解牙刷100可以有运动的头部和可以 有各种各样的结构。
电压源108与电极110电气连接用于
对电极提供电势。如下面将 要更详细讨论那样,在电解液存在的情况下加上电势的作用就地产生 化学药剂。换句话说,通过在药剂施加点处的电解作用牙刷在用户的 嘴中产生化学药剂。
牙刷100可以用多种方式产生化学药剂,这取决于各种因素、如 牙刷的构造、加到电极110的电势、电解液的组份、电极110的组成、 等。例如,只有唾液存在的情况下,牙刷100可以产生氢、氧、过氧 化物和臭氧,取决的因素有加到电极110的电势、电极110的
阴极114 和阳极116分离的距离(见图3),和电极的组成。在离子化合物如
氯化钠、氯化
钾、或
碳酸钙存在的情况下,这些化合物都能含在含水 牙膏中,可以产生如氯或钙的化学药剂。在另一个例子中,牙膏含有 能活化的化学药剂的情况下,这些药剂存储在非活化状态,通过用电 荷活化可以产生化学药剂。
如在图2中所示,电压源108通过正线118和负线120连接到电 极110。正线118连接到正极116(见图3)和负线120连接到负极 114。表示的开关112电气连接到正线118用于按照用户的需要中断 它与正极116的电气连接。但是,能够理解可以构造开关112电气中 断负线120或两根线。还有,应能理解开关112可以有多个组用于各 种电压设定,取决于所加的电压设定可以适合不同的用户、用于不同 的电解液、和/或产生不同的化学经剂。例如,高电压设定可以适合 用于只有唾液存在的情况下从水产生臭氧,如下面更加详细讨论那 样,和低电压设定可以适合用于牙膏含有
氯化钾就地产生氯如下面也 要讨论那样。在另一个例子中,低电压设定可以产生一个或多个在低 电压下的第1化学药剂,如在含水牙膏存在情况下的氧和氢离子,和 高电压设定可以产生在高电压下的一个或多个第2化学药剂,如除了 氧和氢离子外的臭氧。使用已知的电压调节技术可以控制电压,如加 上电压表、
变压器和/或电压调节器到
电路。
电压源108可以是可更换的电池,如常规的AAA电池,可以通过 提供电池室入口的盖122取出电池。电压源也可以是内装的电储存装 置,如电容器或可再充电电池,和它可以是内装的一次性使用电池用 于一次性使用的牙刷结构,在其他的结构中,电压源108可以包括交 流电电压源供给(未表示)。
表示的电极110设置在硬毛104的场地,它的构造提供在应用地 点产生化学药剂的优点,在应用地点牙刷接触用户的牙齿和在使用时 浓的牙膏正好位于那里。还有,将电极
定位在硬毛区域内互相靠得很 近,在使用时在电极之间产生局部的
电场,该电场不会接触用户但会 碰到唾液和牙膏。但是,应能理解可将电极110设置在牙刷的其他地 方,如在硬毛下沿着颈部,和可以使用多组电极。进一步还能理解牙 刷100可以包括不是硬毛的清洁元件,和可将电极装入到另外的清洁 元件中(如由导电
聚合物制成的直立壁)。进一步还能理解可将清洁 元件或清洁元件的一部分制作成电极。例如,电极可以构成硬毛或其 他清洁元件或可以构成清洁元件的某部分,如硬毛的
基座部分。
如在图2中所示,与硬毛104的高度相比电极110是相对短一些, 这样可以减小用户接触电极的可能性。通过使电极短些和用硬毛或限 制用户接触的另一种结构包围它们可使用户接触电极的可能性在使 用中保持很低。尽管可能没有必要在使用中限制用户接触电极,如对 低电压结构,但可能仍然希望这样做以避免用户察觉电势的不舒服感 觉。用其他的方法也可以减小用户接触电极的机会,如将电极埋入到 牙刷头部的凹槽中或将它们放入到电解液可以通过的穿过头部的沟 槽中,如在图10A-10C中表示的那样结构。
如在图3中所示,阴极114和阳极116分离的距离为D。在一种 结构中,距离D是0.1mm到10mm,其间加的电势是0.2伏到400伏, 电极有暴露的外表面积为0.2平方厘米到5平方厘米。这样的结构可 以提供有利的电极之间的
电流密度为3000安倍/平方厘米到30,000 安倍/平方厘米,取决于电解液的离子导电性,它可以是每米0.1西 门子到每米100西门子和优选地为每米0.2西门子到每米100西门子。 在一种优选的结构中,距离D是1.5-3.5mm所用电势为0.2-9伏 同时存在的电解液有导电性每米0.4-10西门子。取决于象电解液组 份的各种因素,这样的结构可以提供一个或多个氧化剂的有利数量。
在操作中,在电极110间加上电势以便产生它们之间局部的电场。 当电极与电解液124(见图4)接触时构成完整的电路,电路在阴极 114和阳极116之间引导电流。当阴极114与负线120连接时,它有 供给
电子给电解液的负电荷和因而它吸引带正电的分子。同样,阳极 116与正线118连接和有吸引电子的正负荷,因而它吸引带负电的分 子。通过提供带电的分子(离子)给各电极和/或通过从阴极到阳极 传送电子电解液构成闭合的电路。
电极110可由金属制成,如
铜、
钢或铂,或别的导电材料,如半 导体、
石墨、石墨毡材料、
玻璃态的碳材料、有机导电材料、氯化
银、 或聚合物导电材料、等。还有,电极110可以包括沿着一个或多个导 电区的相对不导电材料。例如,象聚合物的基底材料可以用更导电的 材料,如石墨毡
覆盖。在另一个例子中,可将象铜线的导电材料埋入 或放置到如较大的聚合物结构的支持材料上。两个电极可由相同的材 料制成或者它们可由不同的材料制成和/或有不同的结构。
在一种结构中,阳极116是由混合的金属氧化物或重金属氧化物 制成,它们能够在与含有氯离子或包含各种形式氯原子化合物的电解 液一起使用时减少或消除氯气的产生。虽然水溶液中的氯,如以亚氯 酸形式存在,可以是强有
力的杀菌和氧化剂,但是氯气可能是有害的 和可以产生不希望的臭味。尽管在用户的嘴中在水溶液内允许氯存在 以便帮助清洗和/或增白用户的牙齿,但是仍然希望避免氯气的产生。 因此,阳极116可以包含重金属氧化物以便减少或消除氯气的产生, 如二氧化
钛当电荷加到电极上时它释放出盐Ti+。还有,电解液可能 包含亚氯酸或者在加上电荷时可能产生该酸。如Ti+的重金属盐可以 作用如
路易斯酸与氯原子结合以便避免产生氯气。例如,Ti+可以与氯 原子结合产生四氯化钛。虽然四氯化钛接着在用户嘴中与水反应生成
盐酸,尽管如此还是避免了产生氯气。此外,盐酸对清洁用户的牙齿 和/或穿透牙齿的珐琅可能是有好处的。
在另一种结构中,阳极116是由玻璃态碳材料制成,如玻璃态碳 棒,当与包含氯离子或包含各种形式氯原子的化合物的电解液一起使 用时它也可以减少或消除氯气的产生。玻璃态碳是非
石墨化的,碳的 致密类型通常是气体,如氯气不可渗透的,和是相对惰性的。因此, 玻璃态碳在作为阳极116使用时通过接受电子对减少在牙膏中氯化物 质的脱氯作用可能是特别有利的。所以,可以使用包括氯原子,如盐 酸或亚氯酸的有益的化学药剂,利用它们预定的杀菌和氧化优点而不 会产生显著数量的氯气,如果有的话。
图4说明使用牙刷100来清洁和/或增白用户的牙齿126。在低电 压结构中,可以使用牙刷100通过电解含有唾液和可选择的其他物质 的电解液产生化学药剂。要产生的药剂取决于电解液124的组份和加 到那里的电荷。作为一个例子,应用已知的水电解的原理,将0.5到 1.1伏或更大的电势加在使用玻璃态碳材料作为阳极116的电极110 上在唾液存在的条件下在阴极114产生氢气和在阳极116产生氧气。 氧气对用户的齿龈提供保健的益处和对用户提供清新的感觉。另外, 氧气是弱的氧化剂,它对用户的牙齿126提供杀菌和漂白的好处。还 有,氢气和氧气两者会产生气泡128,当气泡碰到用户的齿龈时用户 会产生感官上的愉悦。
除了氢气和氧气,加上1.5伏电势差取决于电解液124的组份可 以产生其他的化学药剂。例如,如果电解液124是牙膏,如含有氯化 钾或氯化钠的含水的牙膏,在用户嘴中可以产生氯气或氯化氢。当将 电势加到电解液124时,带负电荷的氯离子从阴极114接受电子形成 氯气或
次氯酸盐(也知道作为次氯酸)。如果存在氯化钠,可以产生 次氯酸钠,通常称为家用的漂白剂。氯气、次氯酸盐和次氯酸钠提供 增白、消毒和对用户的嘴去除异味的好处。
能够理解可以使用其他的化合物在电解液124中以产生有益的化 学药剂。作为另一个例子,在电解液中存在碳酸钙可以允许产生钙, 它可以增强用户的牙齿。许多这些化合物是盐,它们提供附加的好处, 与仅是水比较它们改善电解液124的导电性。在电解液中盐的存在提 高了水电解的速率和电极的整个效率,这增加了氧气和氢气的生产 率。可将盐或其他影响导电性的药剂加到电解液中,并不是用它产生 化学药剂,而是它们影响电解液的导电性,如改进导电性。
在高电压结构中,单组电极110可从含水电解液124中产生臭氧 (H2O2)。例如,在电极110上加上约9伏或更高的电势可以仅从唾 液或从含有盐的含水电解液中产生臭氧。臭氧是很强的氧化剂,它对 牙齿126的增白和用户嘴的杀菌是有效的。臭氧是在氧气存在的条件 下由放电产生的。所以,当电势加到电极110时通过水的电解最初产 生氧气从而使牙刷100可以产生臭氧。当相同的电荷加到氧气时接着 生产出臭氧。对单组电极使用高电压有两种作用,电解水产生氧气和 对氧气放电产生臭氧,而不是使用单组电极仅执行一种功能。如下面 讨论的那样,在有多组电极的结构中也可以使用低电压,各组电极配 合来电解水和产生臭氧。
取决于它的组份,在高电压结构中单组电极110可从含水电解液 124中产生过氧化氢。例如在含水
硫酸(H2SO4)或酸式硫酸氢铵 (NH4HSO4)存在的条件下加上9伏电势可以产生过氧化氢。在这个过 程中,含有这些物质中一个的电解液124的电解产生过(二)
硫酸盐 ((SO4)2)。过(二)硫酸盐在电解中通过加入一个水分子它的分子 被分解成两半,产生过氧化氢(H2O2)。过氧化氢也是很强的氧化剂 能有效地增白牙齿126和对用户的口腔消毒。
就地产生很强的氧化剂如臭氧和过氧化氢可以提供很多优点。一 个优点是这些物质不需将其稳定以便储存,而是在它们产生时就使用 它们。由于这些物质的不稳定特性这可能是很有利的。例如,臭氧是 高度不稳定的,它通过反应2O3→3O2自然衰变成普通的氧气,很难 将它储存起来作将来的应用。还有,过氧化氢可以自发地分解成水和 氧气:2H2O2→2H2O+O2+
能量。它分解的速率取决于
温度和过氧 化氢的浓度,以及杂质和稳定剂的存在。由于过氧化物和许多物质是 不相容的和各种催化剂可以
加速它的分解,所以可能很困难生产可以 长期储存的化合物,经过储存在使用它时不可能仍有很高浓度的过氧 化物。例如,很难生产一种牙膏,在长期储存之后可以保持所需的过 氧化物浓度。设计的许多常规牙膏提供多种的功能,如去除牙垢,使 呼气清新、杀灭细菌,对牙齿加氟和一般的清洁牙齿。因此,牙膏可 能包括专用于其他目的的化合物,它们可能与过氧化物的储存是不相 容的。
现在参考图5,表示的方法按照本发明的实施例用于就地产生化 学药剂。使用上面讨论的示范牙刷100来讨论方法200。但是,应能 理解可以使用各种各样的装置实践方法200。
如图所示,方法200包括步骤202将电解液放在需要加化学药剂 的地方。该电解液可以是在溶液中导电的任何物质,如液体、凝胶或 甚至是盐,它对所需的位置和要产生的化学药剂是合适的。例如,仅 分泌唾液就可以提供合适的电解液到所需的位置(用户的嘴)。步骤 204包括放置某装置的电极,如电极110,与电解液接触。步骤206 包括在电极与电解液接触的同时在电极上加上电势。这就造成在使用 化学药剂的地方产生该化学药剂。如表示那样在步骤208中,随着化 学药剂的产生在所需的地点可以使用该装置。因此,是就地生产该药 剂和可以立即使用。
现在参考图6,表示牙刷300用于支持本发明一个或多个方面。 牙刷300通常包括与牙刷100相同的各方面,除了下面要讨论的。牙 刷300与牙刷100不同之处在于它包括设置在阳极116附近的第2组 电极360。电极360包括阴极362和阳极364,它们分别连接到电压 源108的负极和正极。因此,在使用时阴极362有负电荷和阳极364 有正电荷。但是,可能有许多不同的电极结构,将电极360放置在产 生氧气的阳极116附近允许牙刷300在低电压下产生臭氧。这是因为 第2组电极360可将电荷直接加在水电解时在阳极116处产生的氧气 上。这就能产生臭氧而无需由单组电极电解水和产生臭氧两种作用时 所需的较高的电势。
作为例子,在含有盐的含水电解液存在的条件下可将约1.5伏或 更高的电势加到电极110。这造成在阳极116处生产出氧气。通过在 阳极116处产生的氧气上加上约0.7伏或更高的电势可以产生臭氧。 这样,使用小的电荷就可在用户的嘴中用牙刷300产生臭氧。保持所 加的电势低可以减小用户感觉到所加电荷的
风险,对许多用户来说可 能不希望感受到电荷。还有,对牙刷300来说保持所需电势低允
许可 以使用小容量的电压源并能使电压源有比高电压结构更长的使用寿 命。
由于不同的电势供给电极110和电极360,在牙刷300中可以包 括
电阻和其他电压调节装置以便使供给电极360的电势比供给电极 110的电势低。应能理解对别的结构来说其他的电势结构是可能的和 电极110和360可以有相同的电势加给它们(如,可将1.5伏加到2 组电极去电解水和产生臭氧。)可选择地,表示在图1和2中的开关 112可以包括第1位置仅激活电极110在第1电势(如低电势),和 它可以包括第2位置用于激活电极110在第2电势(如高电势)。它 也可包括第3位置用于激活电极360在第3位置和电极110在第4位 置。
现在参考图7,表示的方法400是按照本发明还有一个实施例用 于就地产生臭氧。使用上面讨论的示范牙刷300来讨论方法400。但 是,应能理解用各种各样的装置可以实践方法400。如图所示,方法 400包括步骤402在第1组电极110的阳极116区产生氧气,通过水 的电解可以完成这步骤。该方法还包括步骤404将电荷加到氧气,通 过阳极附近的第2组电极360可以完成它。这造成将氧气转
化成臭氧, 在用户嘴中产生的臭氧立刻使用。
现在参考图8A,表示的牙刷800用于支持本发明的一个或多个方 面。牙刷800通常包括与牙刷100相同的各方面,除了下面讨论的。 牙刷800与牙刷100的不同之处在于电极810是纵向排列和在结构上 基本平行于柄的纵轴。所以,如图所示,电极810包括阴极816和与 其相隔距离D1的阳极814,D1可以大体上与图3的距离D相等。这 样的结构对于将电极完全埋入到硬毛或其他清洁元件804的场所比图 3的结构可能是有利的。
图8B到图8C说明可以与牙刷800一起使用的另外的电极结构, 或者单独或者与其他组的硬毛组合。每一种这些结构表示单个阳极与 多个阴极配合。但是,也可以实践相反的结构即单个阴极配合多个阳 极。还有,不是单个阳极或阴极,而是也可以布置多个阳极或阴极与 多个相反电荷的电极配合以提供有多种好处的结构。另外,用这些和 其他的结构可以实践牙刷800的交流电实施例,从而使带相反电荷的 各电极在有正和负电荷和/或正和/或负电荷不同水平之间循环。
图8B的结构包括一对设置在阳极824附近,距离为D2的阴极, D2可以基本与图3的距离D相等。该对阴极826可以在阳极824的相 反两则和可以基本上是纵向排列与柄的纵轴大体平行。但是可将该对 阴极和它们的取向构造在不同的结构中。图8B的结构提供电极820 紧凑的布置,可将电极设置在硬毛区域804的中心附近。图8B的结 构或类似的使用多个阴极设置在一个阳极附近的结构通过多个阴极 可以增加带相反电荷的电极之间电场的大小。
图8C的结构包括3个阴极836设置在一个阳极834附近,距离 为D3,它可以基本与图3的距离D相等。可以设置各阴极与阳极相距 相等的距离D3,或者它们可以有与阳极不同的间隔。在每个阴极和阳 极之间不同的距离可以提供它们之间不同强度的电场,这可能有利于 在不同间隔的阴极-阳极组之间生产不同的药剂和/或药剂的不同浓 度。图8C的结构也提供电极830紧凑的布置,可将它放置在硬毛区 域804的中心附近。
图8D的结构包括4个阴极846设置在一个阳极844附近,距离 为D4,它可以基本与图3的距离D相等。可以设置各阴极与阳极相距 相等的距离D4,或者它们可以有与阳极不同的间隔。优选地,距离 D4是小于相邻阴极之间的间隔D5以便使每个阴极-阳极组有足够的 电场强度。图8D的结构也提供电极840紧凑的布置,可将它放置在 硬毛区域804的中心附近。
图9A到9E说明可与牙刷800一起使用的附加的电极结构910、 920、930、940、950,或者单独或者与其他硬毛组结合。这些结构有 与图8A到8C基本相同的各方面,除了下面讨论的。图9A到9C说明 不同的结构910、920、930,它们可以部分或全部放置在图8A的硬毛 区域804之内。图9A到9C的结构包括大体圆柱形的第1电极954, 图中表示的是阳极944,和一个或多个电极壁956,图中表示是阴极。 使用电极壁对增加带不同电荷的电极之间的电场大小可能是有利的 和因而在使用牙刷时可能增加在那里产生的化学药剂的数量。
图9D说明对两个带相反电荷的电极都使用电极壁,可以进一步 增加它们之间的电场大小。在图9D中表示的结构是联
锁结构940,其 中阳极壁954是部分插入到阴极壁956中形成间隔很近的结构。这样 的结构可以在带相反电荷的电极之间提供高场强的电场,以及在电极 之间提供大的表面面积以便形成大的电场。
图9E说明在电极之间的圆形结构,其中第1电极(如圆柱形阳 极964)是部分或全部被一个或多个第2电极(如,圆筒形阴极966) 包围。这样的结构可在电极之间提供高场强的电场。另外,这样的结 构对容纳电极之间的电场可能是有效的以避免与用户嘴中组织不注 意造成的接触。
现在参考图10A到10C,表示的牙刷1000用于支持本发明的一个 或多个方面。牙刷1000通常包括与牙刷100和800相同的各方面, 除了下面讨论的。牙刷1000与牙刷100和800的差别在于电极1014 和1016设置在穿过牙刷头部1002形成的沟槽1018内。沟槽1018可 以提高在使用时通过电极的唾液和牙膏的流量,因而与没有沟槽的结 构比较增加了所产生的药剂的数量。优选地,将沟槽的一侧设置在清 洁元件的场内从而使药剂就地产生在靠近应用位置的清洁元件区域 内。作为例子,图10C说明化学药剂产生在用户牙齿上使用地点处清 洁元件1000场内。这样的结构对避免用户嘴中组织和电极以及之间 电场的接触,和将电场限制在牙刷头部内的某区域可能也是有益的。
虽然与说明的各实施例相联系已经描述了本发明,将能理解可以 做各种
修改而不会背离本发明实际的宗旨和范畴。特别是,本发明可 以适用许多不同的装置和/或使用这些装置的各种方法。
这个
申请要求对2005年10月14日提交的美国专利申请 60/726,732号享有优先权,将该申请内容插入这里。