CN101578914A - 自给式电压产生*** - Google Patents

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J·S·库雷克
L·兰伯蒂
R·F·沃吉尔
A·D·冈萨雷斯
D·塞鲁蒂
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Abstract

一种自给式电压产生***，其被引入用于容纳产品的包装或器具中。存在被引入包装或器具中的至少一个压电元件，且压电元件在被激活时产生电压源。然后将该电压用于对作为包装或器具的一部分的其它元件执行各种活动，例如操作电动机、提供热量、提供超声能、发光、提供声能和提供振动能量。压电元件是离散颗粒、压电纤维、纤丝、换能器和致动器的形式。

Description

自给式电压产生***
[001]本申请要求在2006年12月18日提交的临时申请No.60/875,467的优先权。
背景技术
[002]化妆品包装采取多种形式。一些容器是柔性的，一些是刚性的，一些是半刚性的。这些化妆品容器可由玻璃、金属和塑性材料或它们的组合制成。容器或包装通常用于盛装、保存并在大多数情况下提供关于其中所容纳的化妆品组合物的信息。
[003]常规上，将化妆品包装于还可包含涂敷器装置的各种容器中。使用涂敷器装置以便于将化妆产品沉积或散布于化妆产品使用者所需要的目标表面区域上。典型的涂敷器包含刷子、垫子、海绵、梳子、雾化式泵喷嘴、刮刀和植棉尖棒(flocked tipped wand)等。
[004]术语“化妆品”意指广泛地包括护肤霜、皮肤修护剂、粉底、遮瑕膏(concealor)、口红、唇彩、睫毛膏、眼影、指甲油、洗发精、沐浴液、爽身粉(body powder)、肥皂和香水。
[005]化妆品包装或涂敷器常常必须执行一些需要电压源的功能。典型地，该电压源由电池或交流(“AC”)或直流(“DC”)电压源例如电插座提供。
[006]可以使用电压来操作电动机、提供热量、提供超声能或发光。
附图说明
[007]图1和图2是可更新能量包装器具的简化透视图；
[008]图3(a)和图3(b)是可更新能量包装器具的简化俯视图；
[009]图4是用于脱毛蜡的目标涂敷的电磁加热器件的简化侧视图；
[010]图5是器具的简化侧视图，其中产品在穿过泵或喷头时被加热；
[011]图6是具有由存储在电容器内的电荷供电的单元剂量泵的器具的简化侧视图；
[012]图7(a)和图7(b)是可更新能量包装器具的简化透视图；
[013]图8是包含压电能量***的包装的分解侧视图；
[014]图9是容纳压电能量***的挤压型包装的分解侧视图。
发明详述
[015]本发明一般涉及自给式电压产生***。自给式电压产生***通常包含：
(a)用于容纳产品的包装或器具；
(b)包含于所述包装或器具中的产生电压源的至少一个压电元件；
(c)用于激活压电元件以产生电压源的装置；和
(d)用于利用由压电元件产生的电压的装置。压电元件可以是离散颗粒和/或纤维材料的形式。包装或器具包含：用于容纳产品的第一封闭空间和包围第一封闭空间的第二封闭空间。第一封闭空间通常与感应线圈或其它等效的装置接触，且第二封闭空间容纳有在所述第二封闭空间内振荡的磁性装置，由此在感应线圈内产生电荷。包装或器具还包含用于存储电荷的电容器或其它等效的装置、与电容器连接的整流器或其它等效的装置和用于传导在线圈中流动的电流以对电容器充电的装置。包装或器具还包含用于执行选自如下功能的装置：操作电动机、操作泵、提供超声能、发光、提供声能和提供振动能量。包装或器具可以容纳化妆产品例如化妆品制剂、化妆品包装和化妆品涂敷器。
[016]不需要电池或外部电源。一旦电荷耗尽，可通过简单地摇动包装或器具指定量的时间以对其不定地再充电。本发明是环境友好的，因为：i)与电池或一次性(disposable)危害品不同，它使用可更新能源；ii)在某些情况例如机电驱动的喷射泵下，它不再需要环境不友好的化学物质例如CFC。
[017]可以在各种配置例如离散颗粒、压电纤维或纤丝中使用电压产生材料，可以将其捆束成平行阵列以制成换能器或布置成平坦的单层以用作致动器。还可以将产生电压的离散颗粒、纤维、换能器或致动器统称为“压电元件”。在授权给Scott.等人的美国专利No.7,109,642 B2中公开了用于制造压电元件的方法，在此通过引用将其并入本文。
[018]本发明的特定电压产生材料具有在经受机械应力时产生电压的能力。压电元件在本发明中始终保持相同，因为元件由机械应力产生电能。但是，该能量的最终用途将根据与消费者相关的个人护理需求和/或产品类型而显著不同。
[019]这样的压电元件的电压产生性能基于压电效应，即，构成压电元件的某些晶体响应机械应力产生对化妆品应用足够高的电压的能力。典型的电压范围可以为约0.01伏至约40000伏不等。各种应用需要不同的电压量。例如，当本发明涉及照明时，电压需求可以为2伏至大于120伏不等。机械应力可以由移动、振动或压缩引起。可以由消费者用户或一些其它来源例如由车辆(vehicle)产生的机械振动提供该机械应力。
[020]在压电晶体中，正电荷和负电荷分开并对称分布，使得总的晶体电荷为电中性。压电晶体形成电偶极子。彼此相邻的偶极子趋于在称为魏斯(Weiss)畴的区域中排列。当施加机械应力时，对称性被打乱，并且晶体改变为非对称的。该电荷非对称性跨晶体材料产生电压。例如，经受500磅力(lbf)(等于2千牛)的一立方厘米的石英可产生12500伏。
[021]当受压缩、扭曲或歪曲时，压电晶体获得电荷。石英和如下材料表现出这种性能：罗谢尔盐(Rochelle salt)、钛酸钡、锆酸铅和钛酸铅、稳定化的氧化锆、碳化硅、氧化锡、羟基磷灰石、二氧化钛、氧化铝、二硼化锆和单晶弛豫材料等等。
[022]将压电纤维要么捆束成平行阵列要么布置成平坦的单层。当纤维受到弯曲、折曲或压缩时，它们产生电荷。当纤维暴露于电场或磁场时，它们机械变形。
[023]压电纤维复合物可以是柔软且舒适的或完全刚性的。对于尺寸没有限制，并且可以按各种直径制造它们。压电材料在电振荡和机械振荡之间提供方便的换能器效果。可以在发刷中使用压电纤维，从而允许刷子自加热。当将纤维机械弯曲时，机械能转换成用于对刷子加热器供电的电能。
[024]干粉底涂敷器中的压电纤维也可供给将化妆品附着于涂敷器所需要的静电荷。此外，可以在由硬毛制成的几乎任何化妆品涂敷器中使用该材料。
[025]为了在包装内产生电场而产生的电压还可以与因pH值变化而改变颜色的加酸显色材料结合，以引起颜色变化。
[026]压电效应是某些晶体响应施加的机械应力例如身体移动、振动或压缩而产生高电压的能力。压电效应是可逆的，因为压电晶体在经受外部施加的电压时可少量地改变形状。压电材料的一些有用的应用是产生和检测声音、产生高电压、产生电子频率、微平衡和光学组件的超细聚焦。
[027]因此，与化妆产品相关的自给式压电元件可通过将机械能转换成电能而产生足够的能量以向这样的化妆产品提供电力以便促进化妆产品的目标实现。
[028]施加的力和得到的响应之间的关系依赖于：压电陶瓷或聚合物的压电性能；晶体的尺寸和形状；以及电激励和机械激励的方向。
[029](a)一种类型的机械能或电能的存储的转换能量与(b)第二种类型的电能或机械能的输入能量的比率被定义为耦合系数k的平方根，这里，
Figure A20078004669200111
或者
Figure A20078004669200121
[030]机电耦合系数k33、k31、kp和k15定义通过陶瓷元件实现的从电能向机械能的能量转换，或反之亦然。下标表示电量和机械量的相对方向以及涉及的移动类型。例如，它们可以与某些简单的换能器形状的振动模式相关。因此，k33适于在端部具有电极、沿长度被极化并且以简单的长度膨胀和收缩振动的细长棒。k31涉及在一对长表面上具有电极、沿厚度被极化并且以简单的长度膨胀和收缩振动的细长棒。kp表示在沿厚度被极化并且以径向膨胀和收缩振动的薄圆盘中的电能和机械能的耦合。k15表示厚度剪切振动的能量转换。由于这些系数是能量比率，因此它们是无量纲的。这些无量纲的数值与存储在材料中的机械部分和电部分中的能量的比率相关。第一下标表示电场的方向，第二下标表示机械应变的方向，以百分比表示。
[031]存在三十二种不同的晶族。在三十二种晶族中，二十一种是非中心对称的，即没有对称中心。这些晶族中的二十种表现出直接的压电性。第二十一种晶体是立方族432。
[032]晶族中的十种是极性的，即，它们同时极化，在它们的晶胞中具偶极子，并表现出压电性。如果通过施加电场可以使该偶极子反向，则称该材料具有铁电性。
[033]铁电效应是如下的电现象：某些离子晶体和压电聚合物可以表现出能通过施加电场而反向的自发偶极矩。使用的术语铁电性与材料表现出永久磁矩的铁磁性类似。
[034]铁磁材料中的原子的磁矩导致它们的行为类似于永久磁体。可以在本发明中使用磁体以从机械能产生电能。
[035]存在两种主要的铁电类型：位移和有序-无序。作为典型的位移型铁电体的钛酸钡中的效应是由于极化破坏，该在极化破坏中，如果离子稍微偏离平衡，那么来自因晶体中的离子导致的局部电场的力比弹性恢复力更快地增加。这导致平衡离子位置的非对称偏移，并由此导致永久偶极矩。在有序-无序铁电性中，在各晶胞中存在偶极矩，但是在高温下它们指向随机的方向。在降低温度并经过相转变时，偶极子有序化，并在畴内全部指向同一方向。
[036]最期望的配置是具有有序的偶极子，即，所有的偶极子指向同一方向。然后能够沿一个集中的方向传播电压。即使不是所有的偶极子都被排列，也存在压电效应，但在这种情况下，压电效应不强。非晶聚合物也可根据时间、压力和温度表现出一定程度的压电性。
[037]压电晶族如下：1、2、m、222、mm2、4、-4、422、4mm、-42m、3、32、3m、6、-6、622、6mm、-62m、23、-43m。可以在本发明中使用落入这些晶族中的材料。压电性是材料的电行为和虎克定律的组合效应，该电行为的表达式为：
D＝εE
其中，D是电位移，ε是介电常数，E是电场强度，且该虎克定律为：
S＝sT
其中，S是应变，s是柔度，T是应力。
[0038]这些关系可被组合成耦合式，其中应变-电荷形式为：
{S}＝[sE]{T}+[dt]{E}
{D}＝[d]{T}+[εT]{E}
其中，d表示压电常数，且上标E为零或恒定的电场。上标T表示零或恒定的应力场。下标t表示矩阵的转置。
[039]6mm晶族的材料例如极化的压电陶瓷(例如PZT)的应变-电荷也可记为：
S 1 S 2 S 3 S 4 S 5 S 6 = s 11 E s 12 E s 13 E 0 0 0 s 12 E s 11 E s 13 E 0 0 0 s 13 E s 13 E s 33 E 0 0 0 0 0 0 s 44 E 0 0 0 0 0 0 s 44 E 0 0 0 0 0 0 s 66 E = 2 ( s 11 E - s 12 E ) T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6 + 0 0 d 31 0 0 d 31 0 0 d 33 0 d 15 0 d 15 0 0 0 0 0 E 1 E 2 E 3
D 1 D 2 D 3 = 0 0 0 0 d 15 0 0 0 0 d 15 0 0 d 31 d 31 d 33 0 0 0 T 1 T 2 T 3 T 4 T 5 T 6 + ϵ 11 0 0 0 ϵ 11 0 0 0 ϵ 33 E 1 E 2 E 3
[040]一些聚合材料可以形成结晶区域。但是，聚合物的长度通常会妨碍完整的结晶。从而将聚合物归类为半结晶。
[041]为了将这些聚合材料转变成压电材料，半结晶聚合物必须具有极性结晶相。在引起结晶相转变方面，机械取向、热退火和高电压处理均是有效的。
[042]在引起结晶相转变方面，机械取向、热退火和高电压处理均是有效的。上述的三种处理基本上用于伸展聚合物网络，从而导致膜面中的非晶链的排列，由此通过电场实现微晶的均匀旋转。根据伸展是单轴还是双轴的，电性能和机械性能以及由此而来的换能响应在聚合物板面内要么是高度各向异性要么是各向同性的。
[043]通过跨聚合物的厚度施加电场实现电极化(poling)。约50微伏/米(Mv/m)的电场通常足以实现结晶取向。可使用直接接触或电晕放电来实现聚合物极化。当极化时，聚合物例如聚偏二氟乙烯(PVDF)是表现出有效的压电性能的铁电聚合物。其它有用的聚合材料包括：聚偏氟乙烯及其与三氟乙烯(TrFE)和四氟乙烯(TFE)的共聚物、聚酰胺(尼龙)、聚脲、液晶聚合物、生物聚合物以及它们的组合。
[044]例如，压电致动器在其机械阻抗与其结构阻抗匹配时是最有效的。机械阻抗是结构在经受给定的力时在多大程度上抵抗移动的量度。它使作用于机械***上的力与速度相关联。结构上的某点的机械阻抗是(a)施加到该点上的力与(b)在该点得到的速度的比率。机械阻抗是机械导纳或可动性的倒数。机械阻抗是施加的力的频率ω的函数，并可随频率显著改变。在共振频率下，机械阻抗会较低，意味着需要较小的力以引起结构按给定的速度移动。因此，
f(ω)＝Z(ω)v(ω)
其中，f是力矢量，v是速度矢量，Z是阻抗矩阵，ω是频率。
[045]电阻抗是正弦电流、交变或AC电流的对抗的量度。电阻抗的概念将欧姆定律推广到AC电路分析。
[046]对于所有的压电聚合物来说，不管形态如何，存在四个基本的要素。这些要素是：(1)存在永久分子偶极子；(2)使分子偶极子取向或排列的能力；(3)一旦实现偶极子排列就维持它的能力；和(4)施加机械应力时材料耐受大应变的能力。
[047]聚合物聚偏二氟乙烯PVDF表现出比石英大几倍的压电性。磷灰石晶体也表现出压电性能。磷灰石通常指的是分别以晶体中的高浓度的OH-、F-或Cl-离子命名的羟基磷灰石、氟磷灰石和氯磷灰石。这三种最常见物类的混合物的化学式可表示为Ca5(PO4)3(OH，F，Cl)。
[048]聚合物以外的材料可表现出压电效果。这些材料包括石英和石英类晶体例如块磷铝矿(AlPO4)、正磷酸镓(GaPO4)和具有钙钛矿或钨-青铜结构的陶瓷(BaTiO3、SrTiO3、Pb(ZrTi)O3、KNbO3、LiNbO3、LiTaO3、BiFeO3、NaxWO3、Ba2NaNb5O5、Pb2KNb5O15)。
[049]压电纤丝或纤维的直径范围可以为从几埃到大于一毫米。
[050]在授权给Cass等人的美国专利No.5,827,797中公开了柔性难熔纤丝的制造方法，在此通过引用将其并入本文。下面的表1列出与由Advanced Cerametrics Inc.制造的示例性难熔纤丝相关的物理性能和电性能。显示出可在本发明中使用的硬压电材料和软压电材料。硬压电陶瓷或高功率的压电陶瓷耐受高水平的电激励和机械应力。硬压电体适于高电压或高功率的发生器和换能器。与软压电体相比，硬压电陶瓷对于由应力引起的去极化具有更高的抵抗力。高负载或畸变常数、低滞后性和高Qm表征硬压电体。机械Qm或品质因子提供共振频率附近的机械振动响应的相对陡度或梯度的指示。
[051]与硬压电体相比，软压电体对于由应力引起的去极化具有更小的抵抗力。这些软陶瓷的特征是高的灵敏度和介电常数。典型地，软压电体用于各种传感器、低功率电动机型换能器、接收器和低功率发生器中。
[052]
表1
  性能   PZT-8(硬)   PZT-5A(软)   PZT-5H(软)
  密度   7.5   7.5   7.45
  杨氏模量(1010N/m2)   9.3   6.6   6.4
  居里温度(℃)   300   350   190
  机械Q   900   100   65
  介电常数(1kHz)   1100   1725   3450
  损耗因子(1kHz)   0.3   2   2
  k31   0.33   0.36   0.38
  kp   0.56   0.62   0.64
  kp   0.66   0.72   0.75
  kp   0.59   0.69   0.68
  d31(10-12m/V)   -107   -173   -262
  d33(10-12m/V)   241   380   583
  d15(10-12m/V)   382   582   730
  g31(10-3Vm/N)   -10.9   -11.5   -8.6
  g33(10-3Vm/N)   24.8   25   19.1
  g15(10-3Vm/N)   28.7   38.2   28.9
  s11 E(10-12m2/N)   10.8   15.2   15.6
  s12 E(10-12m2/N)   -3.6   -5.3   -4.7
  s33 E(10-12m2/N)   13.7   18.3   19.8
[053]此外，包含上述难熔纤丝的换能器和致动器在本发明中也是有用的。可以与化妆品组合物、包装、容器和涂敷器配置一起使用本发明。这包括：自加热包装例如用于个人护理的热熔面罩和脱毛剂；用于睫毛膏和唇部涂敷以及用于干粉底沉积的自加热化妆品涂敷器；用于皮肤修护和个人护理的霜膏和洗液的自加热垫涂敷器；用于睫毛膏和唇部涂敷的机械移动涂敷器；用于皮肤脱落修护的机械移动垫；用于个人护理和打扮(groom)的自加热发刷，其由于刷子穿过头发的机械作用和/或硬毛接触头部时浸渍有压电体的硬毛的弯曲而变热；用于皮肤、头发和唇部的变色化妆品；自照亮包装例如香味瓶和粉盒，其具有允许人观看例如涂敷化妆品的活动的镜子；和用于增强皮肤渗透或从载体释放生物活性剂的产生电场的包装或涂敷器。
[054]化妆产品的一些例子为驱虫剂、抗衰老乳霜、面膜、口红、剃须膏、脱毛剂、护肤剂、保湿液、护发产品、牙膏、抗真菌粉末、皮肤贴(skin patch)、唇膏和个人清洁擦拭物。
[055]在刷拭过程中，自给式浸渍压电体的发刷可从遇到的移动产生其自身的热量。这样的压电加热刷子可以使头发变干，而无需使用由***电源插座中的电源线或电池操作***供电的常规头发干燥器。
[056]在一个实施方案中，压电纤维或纤丝可与常规的硬毛例如交替行配置中的尼龙组合。压电材料会由于在刷拭过程中出现的机械应力而产生电压。可通过电容器装置收集该电压以存储足够的电能以便操作内置于刷子轴中的加热元件。
[057]可以对睫毛膏涂敷器使用类似的配置，其中典型的睫毛膏刷的纤维可与压电纤丝组合以产生操作加热元件、超声器件、静电放电器件、旋转或振动电动机的电能以便帮助将睫毛膏沉积或分布于睫毛上、使睫毛分离、使睫毛卷曲或改善涂敷睫毛膏的睫毛的整体外观。
[058]压电纤丝还可与指甲油涂敷器刷子的硬毛组合。与指甲油的刷子涂敷相关的折曲或弯曲应力可产生用于各种应用例如加热、超声放电或振动放电的电能，以分配或分散抛光材料和/或改善其外观。
[059]还可以将压电元件用于供给驱动声学应用所需要的能量。例如，可将压电元件集成到发刷中。作为利用加热以使水从头发中蒸发的替代，可以通过将电能转换成声能以物理方式从毛干除去水。
[060]由于声音由在空气或其它材料中的压力波构成，因此声音在材料中产生振动。波中的压力“推压”物体，但作为波，它迅速变化，从而每秒多次重复性较强和较弱地推压。这种推压导致经受声音的材料发生振动。正是这种声音引起的振动使水滴从毛干发生位移。这里，词语声音和振动可互换使用。
[061]压电元件可以供给电能，该电能可通过内置于刷子中的换能器转换成声能。根据选择的换能器的类型，可以改变所需要的频率以最有效地从头发除去水。
[062]可将压电元件引入护皮垫、海绵、指甲油刷子、***、皮肤刷和棍形涂敷器中以提供触感例如振动。这种自给式振动源可用于按摩疗法以帮助散布或分布化妆品组合物，或者用作标记或监视与人体有关的一些事件的指示器。
[063]肌紧张由于涉及人体因此是肌肉的连续且被动的局部收缩。无意识的神经冲动使肌肉维持在局部收缩状态。如果出现突然的拉拔或伸展，那么身体通过自动增加肌肉紧张而响应，这种响应是帮助避免危险以及帮助维持平衡的反射。
[064]可将压电元件制成柔性的并引入肌肉包裹体(wrap)中以监视肌肉紧张的水平。该肌肉包裹体将能够感测导致肌肉拉拔事件的异常肌肉紧张。它会通过将振动形式的机械能转换成电能而产生电力以激活或引发报警。报警会使得个人获知他或她正在达到临界点，该临界点之后肌肉伤害是不可避免的。另外，这样的配置不仅可用于感测紧张事件而且通过振动刺激抵消这样的事件。
[065]压电元件可用于给包装或容器内的自给式超声混合器供电。因此，可通过气穴方式使用超声能来混合化妆品组合物。气穴可用于使胶质液体化妆品组合物中的悬浮颗粒均匀化或混合和分解(breakdown)。在授权给Kabushiki等人的美国专利No.6,123,412中公开了用于产生循环或混合的方法，在此通过引用将其并入本文。
[066]还可将压电技术引入化妆品涂敷器例如睫毛膏刷或唇部涂敷器的设计中，以在涂敷器的移动过程中提供自给式热源或声音驱动的振动能量，以便改善化妆品涂敷或帮助将组合物从涂敷器转移到接受者。
[067]例如，常常难以将睫毛膏组合物从涂敷器刷子转移到睫毛上。这些组合物通常是高度粘性的并包含常常粘附于睫毛膏涂敷器的硬毛上的细颗粒材料。压电元件可赋予热量以降低睫毛膏组合物的粘度，从而使其能够更容易地从涂敷器刷子流动到睫毛上。
[068]另外，压电元件可用于对声音涂敷器供电，该声音涂敷器通过振动散布或分布来自涂敷器的化妆品组合物。
[069]与压电材料掺合的旋转或可线性移动涂敷器能够改善化妆产品例如睫毛膏或唇部用产品的沉积。标准的睫毛膏和唇部涂敷器常常使用纤丝例如尼龙以涂敷粘性的睫毛膏或唇部用组合物。涂敷需要同时利用涂敷器沿睫毛或唇部的涂敷表面的旋转和线性移动。例如，在睫毛膏涂敷中，通过在梳状移动中使刷子穿过睫毛将睫毛膏涂敷到睫毛上。
[070]为了帮助将睫毛膏沉积于睫毛上或与其接触，通常沿与睫毛干垂直的方向迅速地旋转和/或线性移动刷子。这种动作有助于将睫毛膏组合物从刷子上转移到睫毛上并改善各睫毛之间的分离，由此减少睫毛膏组合物在睫毛上的积聚。在该实施方案中，具有旋转或线性的自给式机械辅助移动的涂敷器可以有助于涂敷的速度和一致性。
[071]在上述的授权给Cass等人的美国专利No.5,827,797中公开的压电纤丝可用于代替常规尼龙或其它等效硬毛纤丝或者与其组合。涂敷的动作可以产生足够的电能，以对机械电动机供电，该机械电动机可线性地旋转、搅拌、振动或移动涂敷器以帮助涂敷化妆品。
[072]此外，任何化妆品涂敷器或器具均可用于自包含对执行适当的化妆操作提供必要的电能的纤丝和/或纤维。
[073]可将包装和容器设计为从压电技术利用电压以产生机械移动。可以按多种包装形式将电压用于包含机械移动的多种应用中。如上所述，在线性或旋转的睫毛膏或唇部涂敷中，振动或振荡机械移动有助于将化妆品组合物沉积和分布于接受者的目标涂敷表面上。
[074]可将该机械移动引入具有霜膏、洗液和凝胶组合物的自给式包装或容器中，将所述霜膏、洗液和凝胶组合物以旋转或线性的方式涂敷到皮肤表面上以均匀地在皮肤表面上散布和分布该组合物。
[075]以类似的方式，本发明的自给式压电元件可以产生足够的能量，以使粉盒镜子、有灯设备或涂敷器和/或与化妆品材料的包装设计有关的装饰性功能中的发光器件发光。
[076]例如，压电元件还可提供自给式光电效应以便为发光二极管或其它发光部件供电，以便为粉盒镜子和其它化妆品涂敷器提供光。
[077]引入压电元件可为自混合、自加热和自照明包装供给电压，该压电元件在使用之前通过机械摇动例如用手摇动被激活。这些自给式压电体供电的包装可促进相转变或改变化妆品组合物的流变特性。
[078]例如，这样的自给式压电包装可将浓稠的或高粘度的化妆品制剂变成稀的、低粘度或自由流动的组合物。另外，压电元件可用于促进各种转变。这些转变可以是构象的，使得在材料中出现结构变化以引起一种或多种生物活性剂的释放。这可通过化学、构象或物理手段在降解或改变方面表现出来。
[079]存在各种实现活性材料释放的方式。一个例子涉及通过一些其它的材料来包封活性剂。这些材料可以是固体、半固体或液体。通常发生一些降解过程，由此包封材料通过化学变化、化应反应或在一些情况下的物理降解而被腐蚀。本发明可以利用压电元件以产生电压并将产生的电能转换成声能。得到的声波将充当用于降解包封材料的催化剂。
[080]在化学动力学中，观察到超声可在许多体系中显著增强化学反应性，从而通过激活***的原子和分子模式例如振动、旋转和平移模式而有效地充当催化剂。另外，在使用固体的反应中，利用气泡释放的能量超声击碎固体块，所述气泡通过经由它们发生的气穴瓦解而产生。这赋予固体反应物更大的表面积用于进行反应，由此增加反应的观测速度。
[081]皮肤修护或皮肤护理产品可以利用被压电元件驱动的自给式加热或振动涂敷器作为改变整个包装及其内含物的替代方案，这些压电元件提供被转换成振动或热能的电能。
[082]与加热涂敷器的尖端相比，加热整个包装及其内含物耗费更多的能量。并且，可能仅需要振动持续相对短的时间例如将化妆产品涂敷到皮肤表面上的过程中。需要较少的能量减少了压电材料和伴随的电路的量，这降低了成本并有助于保持部件的小型化。
[083]因此，涂敷器可操作规定量的沉积于其上的产品，并提供变化的效果，例如加热、加温、混合或依赖于皮肤涂敷过程中的能量的任何其它的变化或操作。在大多数的皮肤修护产品中，一些形式的涂敷器用于将皮肤护理组合物从包装涂敷到皮肤表面上。这些设备或涂敷器中的许多种为海绵、布、纺织垫和刷子等的形式。
[084]由于涂敷器相对于皮肤表面的移动和压力，因此从涂敷器释放出化妆品组合物。向涂敷器添加热能或振动能可以有助于从涂敷器沉积或释放组合物。添加被引入这种涂敷器中的压电元件将利用与涂敷过程相关的自给式机械能以增强向皮肤或涂敷表面的组合物的供给。
[085]由压电元件产生的电压还可以用于产生电场。电场可以用于激活电化学反应例如氧化或还原。在电化学反应中涉及的元素由各元素包含的电子数目来表征。离子的氧化状态是相对于其中性状态的接收或给出的电子数目，该中性状态被定义为具有零的氧化状态。
[086]如果原子或离子在反应中给出电子，那么其氧化状态增加。如果元素接收电子，那么其氧化状态降低。例如，当钠与氯反应时，钠给出一个电子并获得+1的氧化状态。氯接收电子并获得-1的氧化状态。或正或负的氧化状态的符号与各离子上的电荷值相对应。
[087]不同带电的钠和氯离子的吸引导致形成离子键。离子键基于两种带相反电荷的离子之间的静电力。压电元件可用于促进、改变或打破离子键或者促进电子的移动以提供某种效果或一组效果。
[088]该活动性还可用于改变化妆品组合物的流变性。可以利用螯合作用作为依赖于离子键破坏的药物活性释放。螯合作用是配体的可逆的键联或络合的过程。螯合体、螯合剂、多价螯合剂或络合剂与金属离子结合形成金属络合物。该术语通常用于其中金属离子与螯合剂中的两个或更多个原子键合的络合物，但是这些键可以是配位或离子键的任意组合。上述的电场可破坏离子键，由此使络合物分离并释放活性成分。
[089]产生自给式电场的发刷可用于释放与散开头发、头发缠结和头发打结有关的静电。可通过包含带电的压电元件的物体来中和头发上的过量静电。该带电物体更特别是浸渍有压电体的刷子的存在产生导致头发上的电荷自身再分配的电场，使得消除了头发纤维之间的吸引力并且纤维不再具有相互粘结的亲合力。
[090]该再分配可被表征为静电放电。静电放电被定义为处于不同的电势下的物体之间的电荷传递。压电刷子的电势与相关于头发纤维的电势不同，从而导致放电。本发明可由此消除由静电导致的散开头发、头发缠结和头发打结的效果或使其最小化。
[091]产生自给式电场的包装和/或涂敷器可用于通过干扰皮肤实现原位特定皮肤渗透。压电元件可以提供电场源并通过离子电渗疗法增强皮肤渗透。离子电渗疗法通过向皮肤施加小电流而起作用。这提供驱动力以使得能够将带电分子渗透到皮肤中。
[092]在具有与渗透剂相同的电荷的活性电极下，将贮药器放在皮肤上。无关的对电极位于身体上的其它位置。活性电极有效排斥活性物质并强制其进入皮肤中。跨过障碍移动的带电分子的数目直接与施加的电流相关并由此可被电流密度控制。其它因素包括在电流流动和电渗透存在下增加皮肤障碍的渗透性的可能性。
[093]本发明的另一方面是在组合物自身内包含作为离散颗粒的一个或多个压电元件的化妆品组合物。这些离散颗粒表现出永久偶极矩。当分子中的两个原子具有显著不同的电负性时，出现永久偶极子。因此，一个原子比另一原子更加吸引电子，从而负电性变得更大，而另一原子正电性变得更大。材料的介电常数是反映该材料的电性能的数值。与其它普通的极性材料相比，压电颗粒表现出非常大的介电常数。
表2
一些材料在室温下的近似介电常数
材料                        介电常数
  真空   1(定义)
  空气   1.00054
  聚乙烯   2.25
  纸   3.5
  PTFE(Teflon(TM))   2.1
  聚苯乙烯   2.4-2.7
  耐热玻璃   4.7
  橡胶   7
  硅   11.68
  甲醇   30
  水(20℃)   80.10
  钛酸钡   1200
[095]当电子在分子中的一个位置处偶然比另一位置处的浓度更高时，因偶然性而出现瞬时偶极子，从而产生暂时的偶极子。当具有永久偶极子的一个分子排斥另一分子的电子时，出现感应偶极子，从而在该分子中“感应出”偶极矩。永久偶极矩材料以及永久偶极材料(压电颗粒)与瞬时偶极材料或感应偶极材料之间的静电吸引力均可促进上述两种偶极子条件。
[096]范德瓦尔斯力和静电力有助于颗粒粘附。由于这些力，本发明的压电颗粒可粘附于具有与它们自身不同的偶极矩的材料和/或能够发生瞬时或感应偶极转变的材料。
[097]例如，压电颗粒可粘附于氧化铁颗粒上，由此赋予与纯氧化铁不同的性能特点。该性能特点可以导致提高的胶质稳定性、提高的耐光性、颜色的改变和提高的溶剂斥力。
[098]本发明可包含二部分组合物，其中第一部分将包含能够与包含于第二部分中的压电颗粒相互作用的材料。可将第一部分涂敷于选择的基材上。然后涂敷该***的第二部分，从而导致仅选择性地粘附于能够与压电颗粒相互作用的材料上。
[099]可以在分层型化妆品中使用这样的颗粒。该分层化妆品组合物可基于正和/或负电荷分布而选择。因此，以上列出的力将是组合物对目标基材的粘附性以及相同组合物或以协同方式使用的各个组合物内的组成元素之间的粘附性的决定因素。
[100]典型的可更新能量包装器具将包含：i)存储待供给材料的中空容积；ii)位于器具内的一个或多个腔室内并且尺寸设定为可在其中自由振荡的一个或多个充电磁体；iii)缠绕在器具周围使得(一个或多个)充电磁体穿过线圈滑动的一个或多个线圈；iv)用于存储产生的能量的电子组件；和v)利用由存储的电荷所产生的电流的元件。
[101]当摇动器具时，(一个或多个)磁体在器具内振荡并穿过线圈的内部横截面，从而在线圈中产生交变电流。器具内的电子组件包括：用于存储电荷的电容器、与电容器连接的整流器和用于将在线圈中流动的电流传导到整流器以对电容器充电的装置。各种元件例如但不限于热交换器、电动机或泵，可通过开关(可以是电开关或磁性开关)与电容器连接，并且当开关被打开时利用由存储的电荷产生的电流。包装可以是一次性的、可再循环的和/或可再填充的。
[102]参照附图，图1以简化透视图的形式显示了一个包装配置，其中该包装由用于容纳化妆品组合物的中空腔室或贮存器以及包围贮存器的环形腔室构成。环形腔室内包含的是走向沿着环形腔室的外缘的锚定感应线圈和如下装配的圆形磁体或一组磁体，该装配使得(一个或多个)磁体在所述环形腔室内自由移动或者向上和向下振荡。当摇动包装时，圆形磁体穿过感应线圈，从而导致产生电荷。一对弹性阻尼器或磁性阻尼器(未示出)分别位于各腔室的端部。这些阻尼器提供弹性力(在弹簧的情况下)或排斥磁力(在磁体的情况下)以在充电磁体穿过线圈时就保留充电磁体的残余动量并由此有利于充电。
[103]图2表示与图1中所示类似的另一包装配置的替代性简化透视图。图2使用容纳于环形腔室内的单独且相区别的圆筒腔室。各圆筒腔室包含自由地沿圆筒腔室的长度向上和相下滑动的圆柱形磁体。当摇动包装时，圆柱形磁体穿过感应线圈，从而导致产生电荷。一对弹性阻尼器或磁性阻尼器(未示出)分别位于各腔室的端部。这些阻尼器提供弹性力(在弹簧的情况下)或排斥磁力(在磁体的情况下)以在充电磁体穿过线圈时保留充电磁体的残余动量并由此有利于充电。
[104]图3(a)是图1的俯视图，显示了圆形磁体和感应线圈的位置。
[105]图3(b)是图2的俯视图，显示了圆柱形磁体和感应线圈的位置。
[106]图4是自加热包装的侧视图，其具有锚定在包装外壁中的线圈、容纳于环形腔室内的圆环形磁体，使其沿包装的长度自由滑动。化妆品组合物，在这种情况下为可缩回的脱毛蜡棒，容纳于中空或贮存器中。通过摇动包装产生电荷。电荷保持存储在电容器(未示出)中，直到开关(未示出)被开启。一旦开启，电流就流过帽盖中的加热元件并使脱毛棒的目标区域熔融。
[107]该配置还可用于其它热敏产品例如口红或防晒剂棒(sunscreen stick)。加热所述产品改变其物理或化学性能，从而使其能够更有效或更容易地被涂敷。经涂敷，产品冷却并返回其初始状态，并重新获得其初始的物理或化学性能。
[108]图5是器具的侧视图，其中化妆产品在流出泵或喷头时通过缠绕在泵导管的外缘周围的加热元件被加热。由存储在电容器(未示出)中的电荷向加热元件供电。可能的涂敷包括但不限于护肤霜和剃须膏。加热产品可改变产品的物理或化学性能，例如使其能够得以更有效或更容易地涂敷。经涂敷，产品冷却并返回其初始状态，并重新获得其初始的物理或化学性能。
[109]图6是具有由存储在电容器中的电荷供电的单位剂量泵的动力器具的简化侧视图。可使用的动力器具包括电动机以推进和分散口红或止汗剂/除臭剂棒(deodorant stick)。
[110]图7(a)是可更新能量包装器具的简化透视图，该包装器具具有：i)存储待供给材料的中空容积；ii)压电电路元件；iii)用于存储产生的能量的电子组件；和iv)利用由存储电荷产生的电流的元件。当扰动器具(例如摇动或挤压，如图7(b)所示)时，机械应力被施加到压电元件上，该压电元件进而产生电压。器具内的电子组件包括用于存储电荷的电容器和用于传导电流以对电容器充电的装置。各种元件例如但不限于热交换器、电动机或泵，可通过开关(可以是电开关或磁性开关)与电容器连接，并且当开启开关时利用由存储的电荷所产生的电流。
[111]图8是具有涂敷器的化妆品包装5的简化分解前视图，其中将按钮6安装在容纳于帽盖组件7中的压电元件(未示出)上，该帽盖组件7与超声换能器8连接，所述超声换能器8将电能转换成声能以提供振动响应，通过棒形组件9将该振动响应传递到涂敷器10，该涂敷器10被***盛装化妆品组合物(未示出)的包装11内。
[112]图9是容纳压电能量***的挤压型化妆品导管6的简化分解前视图，其中帽盖1被安装在适于接收来自压电元件的能量的环2上。环2被安装在导管3上，该导管3包含化妆品组合物(未示出)并在每一侧与嵌入挤压导管外壁中的压电元件4和5相接。当挤压或按摩挤压导管时，压电元件4和5被机械应力激活，该机械应力产生驱动挤压导管所需要的电能。

Claims (43)

1.一种自给式电压产生***，包含：
(a)用于容纳产品的包装或器具；
(b)包含于所述包装或器具中的产生电压源的至少一个压电元件；
(c)用于激活压电元件以产生电压源的装置；和
(d)利用由压电元件产生的电压的装置。
2.根据权利要求1的自给式电压产生***，其中包装或器具包含用于容纳产品的第一封闭空间和包围第一封闭空间的第二封闭空间。
3.根据权利要求2的自给式电压产生***，其中第一封闭空间与感应线圈接触，且第二封闭空间容纳有在所述第二封闭空间内振荡的磁性装置，由此在感应线圈内产生电荷。
4.根据权利要求3的自给式电压产生***，其中包装或器具还包含用于存储电荷的电容器、与电容器连接的整流器和用于传导在线圈中流动的电流以对电容器充电的装置。
5.根据权利要求4的自给式电压产生***，其中包装或器具包含用于执行选自如下功能的装置：操作电动机、操作泵、提供超声能、发光、提供声能和提供振动能量。
6.根据权利要求1的自给式电压产生***，其中压电元件选自离散颗粒、压电纤维、纤丝、换能器和致动器。
7.根据权利要求6的自给式电压产生***，其中将压电元件捆束成平行阵列以便制成换能器。
8.根据权利要求6的自给式电压产生***，其中将压电元件布置成平坦的单层以便用作致动器。
9.根据权利要求1的自给式电压产生***，其中压电元件在经受机械应力时产生电压。
10.根据权利要求9的自给式电压产生***，其中机械应力由移动、振动或压缩产生。
11.根据权利要求1的自给式电压产生***，其中包装或器具容纳选自如下的化妆产品：用于睫毛膏和唇部涂敷以及用于干粉底沉积的自加热化妆品涂敷器；用于皮肤修护和个人护理的霜膏和洗液的自加热垫涂敷器；用于睫毛膏和唇部涂敷的机械移动涂敷器；用于皮肤脱落治疗的机械移动垫；用于个人护理和打扮的自加热发刷，其由于使刷子穿过头发的机械作用和/或硬毛接触头部时浸渍有压电体的硬毛的弯曲而变热；用于皮肤、头发和唇部的变色化妆品；自照亮包装例如香味瓶和粉盒，其具有允许人观看例如涂敷化妆品的活动的镜子；和产生电场的包装或涂敷器，其用于增强皮肤渗透或从载体释放生物活性剂。
12.根据权利要求11的自给式电压产生***，其中自加热化妆产品是发刷。
13.根据权利要求11的自给式电压产生***，其中自加热化妆产品是选自睫毛膏刷和唇部涂敷器的化妆品涂敷器。
14.根据权利要求11的自给式电压产生***，其中自加热化妆产品是指甲油涂敷器刷子。
15.根据权利要求1的自给式电压产生***，其中由压电元件产生的电压用于提供声能。
16.根据权利要求15的自给式电压产生***，其中将压电元件集成到发刷中，该发刷用于通过如下方式将水从头发除去：将电压转换成声能由此引起将水从毛囊移去的振动。
17.根据权利要求1的自给式电压产生***，其中包装或器具容纳选自护皮垫、海绵、指甲油刷、***、皮肤刷和棍形涂敷器的化妆产品以提供振动效果。
18.根据权利要求17的自给式电压产生***，其中振动效果用于执行选自如下的功能：按摩治疗、散布或分布化妆品组合物以及用作标记或监视与人体有关的事件的指示器。
19.根据权利要求18的自给式电压产生***，其中压电元件是柔性的，并被引入肌肉包裹体中以监视肌肉紧张的水平。
20.根据权利要求1的自给式电压产生***，其中压电元件用于对化妆产品中的自给式超声混合器供电。
21.根据权利要求13的自给式电压产生***，其中由压电元件产生的电压在涂敷器移动的过程中对化妆品涂敷器提供热源和声驱动振动能量以改善化妆品涂敷或有助于从涂敷器向接受部位传送化妆品组合物。
22.根据权利要求13的自给式电压产生***，其中由压电元件产生的电压提供振动能量以从化妆品涂敷器分配或分布化妆品组合物。
23.根据权利要求1的自给式电压产生***，其中压电元件产生足够的电压以对包含于包装或器具中的电动机供电，其中所述电动机提供选自旋转、搅拌、振动和线性移动的机械移动。
24.根据权利要求23的自给式电压产生***，其中将机械移动应用于选自霜膏、洗液和凝胶的化妆品组合物。
25.根据权利要求1的自给式电压产生***，其中压电元件产生提供光源的电压。
26.根据权利要求25的自给式电压产生***，其中包装或器具是选自粉盒镜子、化妆品涂敷器和其它化妆品包装的产品。
27.根据权利要求1的自给式电压产生***，其中压电元件被机械移动激活以便为选自于自混合包装、自加热包装和自照明包装的化妆产品供给电压。
28.根据权利要求27的自给式电压产生***，其中由压电元件产生的电压催化化妆品组合物的相转变。
29.根据权利要求27的自给式电压产生***，其中由压电元件产生的电压改变化妆品组合物的流变特性。
30.根据权利要求1的自给式电压产生***，其中由压电元件产生的电压产生声能以产生使化妆品组合物中的包封材料释放的声波。
31.根据权利要求30的自给式电压产生***，其中包封材料选自固体、半固体和液体。
32.根据权利要求1的自给式电压产生***，其中由压电元件产生的电压用于提供选自热能和振动能量的能量，该能量用于从与人的皮肤接触而涂敷的涂敷器释放化妆品组合物。
33.根据权利要求1的自给式电压产生***，其中由压电元件产生的电压用于产生激活电化学反应的电场。
34.根据权利要求33的自给式电压产生***，其中电化学反应选自氧化和还原。
35.根据权利要求1的自给式电压产生***，其中由压电元件产生的电压用于促进、改变或破坏离子键。
36.根据权利要求1的自给式电压产生***，其中由压电元件产生的电压用于促进电子的移动以提供一组效果中的效果。
37.根据权利要求1的自给式电压产生***，其中由压电元件产生的电压用于改变化妆品组合物的流变性。
38.根据权利要求1的自给式电压产生***，其中器具是包含浸渍压电元件的发刷，所述压电元件产生电场以使与散开头发有关的静电放电。
39.根据权利要求1的自给式电压产生***，其中由压电元件产生的电压在化妆产品中提供电场，用于通过干扰人的皮肤实现原位特定皮肤渗透。
40.根据权利要求39的自给式电压产生***，其中由离子电渗疗法实现皮肤的皮肤渗透。
41.根据权利要求1的自给式电压产生***，其中压电元件作为离散颗粒存在于表现出永久偶极矩的化妆品组合物中。
42.根据权利要求41的自给式电压产生***，其中永久偶极矩用于产生选自如下的性能：提高的胶质稳定性、提高的耐光性、颜色的变化和提高的溶剂斥力。
43.根据权利要求1的自给式电压产生***，其中包装或器具用于选自如下的化妆产品：驱虫剂、抗衰老乳霜、面膜、口红、剃须膏、脱毛剂、护肤剂、保湿液、护发产品、牙膏、抗真菌粉末、皮肤贴、护唇膏和个人清洁擦拭物。
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