CN111238693A - 电动清洁器具的受力检测系统及受力检测方法 - Google Patents

Abstract

一种电动清洁器具的受力检测系统及受力检测方法，受力检测系统包含清洁头与电动马达。电动马达包含定子与转子。定子包含具有容置空间的铁心、主线圈以及辅助线圈。转子设置于容置空间内，包含转子本体、磁性元件组以及连接转子本体的转轴，转子通过转轴连接清洁头。磁性元件组具有沿磁场方向提供磁力的两磁性元件，分别设置于转子本体的相对两侧。主线圈沿第一方向绕设于铁心上，其中第一方向与磁场方向垂直。辅助线圈为缠绕结构且邻设主线圈。本发明通过简易线圈配置的结构达成受力的检测，实现电动清洁器具结构的精简化与小型化，并且达到保护使用者牙齿或牙龈的功效。

Description

电动清洁器具的受力检测系统及受力检测方法

技术领域

本发明有关一种受力检测系统及受力检测方法，尤指一种电动清洁器具的受力检测系统及受力检测方法。

背景技术

近年来，随着生活质量的提升，用于清洁身体部位的电动清洁器具，例如电动牙刷(electric toothbrush)、电动洗脸机(electric face wash machine)或其他身体部位清洁相关的电动器具已逐渐普及，甚至成为日常生活不可或缺的必需品。

以电动牙刷为例，除了有效地达到清洁牙齿的功效为基本要求外，对于当使用者过度用力地刷洗牙齿，而造成牙齿或牙龈伤害能否进一步地达到保护的功效，亦为重要的研究课题。

对于实现前述牙齿或牙龈保护的功效而言，首重于牙齿或牙龈受力反馈至电动牙刷的清洁头的受力检测。通过对清洁头的受力检测，能够在使用者过度用力使用电动牙刷时，将清洁头转动或摆动的速度降低，而达到保护使用者牙齿或牙龈的功效。

现有技术中，对于清洁头的受力检测常见的方式有两种：一者，利用霍耳效应传感器(Hall-effect sensor)作为受力检测器，通过其所检测到的受力，进行清洁头转动或摆动速度的调整，以达到保护的功效。惟此方式由于使用额外的霍耳效应传感器，因此将使得成本增加、所占体积增加以及控制电路设计的复杂度增加。另一者，利用精密的结构设计，达到受力的检测，以实现受力过度的保护。惟此方式由于机械结构复杂，因此将使得成本高、所占体积增加、故障率高以及维修困难。

发明内容

本发明的一目的在于提供一种电动清洁器具的受力检测系统，解决使用霍耳效应传感器或复杂机械结构作为受力检测所造成的问题。

本发明的另一目的在于提供一种电动清洁器具的受力检测方法，解决使用霍耳效应传感器或复杂机械结构作为受力检测所造成的问题。

为达成前述目的，本发明所提出的电动清洁器具的受力检测系统，所述受力检测系统包含清洁头与电动马达。电动马达包含定子与转子。定子包含具有容置空间的铁心、主线圈以及辅助线圈。转子设置于容置空间内，包含转子本体、磁性元件组以及连接转子本体的转轴。转子通过转轴连接清洁头。磁性元件组具有极性相反且沿磁场方向提供磁力的两磁性元件，分别设置于转子本体的相对两侧。主线圈沿第一方向绕设于铁心上，第一方向与磁场方向垂直；以及辅助线圈为缠绕结构且邻设主线圈。

本发明所述的电动清洁器具的受力检测系统，其中，该清洁头于操作状态下接收一外部受力，该外部受力通过该转轴传递至该转子，使该转子产生力矩，进而使在该磁场方向上该定子的磁场发生变化，经由该辅助线圈感应所述发生变化的磁场且产生一电气信号，根据该电气信号检测该外部受力的大小。

本发明所述的电动清洁器具的受力检测系统，其中，该辅助线圈沿该第一方向直接缠绕包覆于该主线圈上。

本发明所述的电动清洁器具的受力检测系统，其中，该辅助线圈沿该第一方向缠绕后，设置于该主线圈的一侧上。

本发明所述的电动清洁器具的受力检测系统，其中，该辅助线圈与该主线圈之间设置一绝缘件。

本发明所述的电动清洁器具的受力检测系统，其中，该辅助线圈与该主线圈两者之间的圈数比值不低于0.3。

本发明所述的电动清洁器具的受力检测系统，其中，该主线圈由一第一导体线缠绕而构成，且该第一导体线包含一第一端点与一第二端点；该辅助线圈由一第二导体线缠绕而构成，且该第二导体线包含一第三端点与一第四端点。

本发明所述的电动清洁器具的受力检测系统，其中，该清洁头于操作状态下接收一外部受力时，该第三端点与该第四端点间产生一电压差。

本发明所述的电动清洁器具的受力检测系统，其中，更包含：

一电路单元，耦接该辅助线圈；其中该电路单元接收该辅助线圈产生的该电气信号，根据该电气信号检测该外部受力的大小。

由此所提出的电动清洁器具的受力检测系统，通过简易线圈配置的结构达成受力的检测，实现电动清洁器具结构的精简化与小型化，并且达到保护使用者牙齿或牙龈的功效。

为达成前述目的，本发明所提出的电动清洁器具的受力检测方法，所述电动清洁器具包含清洁头与具有定子与转子的电动马达，其中转子包含沿磁场方向提供磁力的磁性元件组以及连接清洁头的转轴，定子包含主线圈与辅助线圈，主线圈沿与磁场方向垂直的第一方向绕设于定子的铁心上，辅助线圈为缠绕结构且邻设主线圈。受力检测方法包含：(a)、清洁头于操作状态下接收外部受力；(b)、外部受力通过转轴传递至转子，使转子产生力矩，进而使在磁场方向上定子的磁场发生变化；以及(c)、辅助线圈感应发生变化的磁场且产生电气信号，根据电气信号检测外部受力的大小。

本发明所述的电动清洁器具的受力检测方法，其中，该辅助线圈沿该第一方向直接缠绕包覆于该主线圈上。

本发明所述的电动清洁器具的受力检测方法，其中，该辅助线圈沿该第一方向缠绕后，设置于该主线圈的一侧上。

本发明所述的电动清洁器具的受力检测方法，其中，该辅助线圈与该主线圈之间设置一绝缘件。

本发明所述的电动清洁器具的受力检测方法，其中，该辅助线圈与该主线圈两者之间的圈数比值不低于0.3。

本发明所述的电动清洁器具的受力检测方法，其中，该主线圈由一第一导体线缠绕而构成，且该第一导体线包含一第一端点与一第二端点；该辅助线圈由一第二导体线缠绕而构成，且该第二导体线包含一第三端点与一第四端点。

本发明所述的电动清洁器具的受力检测方法，其中，该清洁头于操作状态下接收一外部受力时，该第三端点与该第四端点间产生一电压差。

本发明所述的电动清洁器具的受力检测方法，其中，所述电动清洁器具更包含一电路单元；在步骤(c)之后包含：

(d)、该电路单元接收该辅助线圈产生的该电气信号，根据该电气信号检测该外部受力的大小。

由此所提出的电动清洁器具的受力检测方法，透过简易线圈配置的结构达成受力的检测，实现电动清洁器具结构的精简化与小型化，并且达到保护使用者牙齿或牙龈的功效。

附图说明

图1：为本发明电动清洁器具的受力检测系统的正视图。

图2：为本发明电动清洁器具的受力检测系统的上视图。

图3：为本发明电动清洁器具的受力检测系统的辅助线圈邻设于主线圈的第一实施例的示意图。

图4：为本发明电动清洁器具的受力检测系统的辅助线圈邻设于主线圈的第二实施例的示意图。

图5：为本发明电动清洁器具的受力检测系统的电路单元的方块图。

图6：为本发明电动清洁器具的受力检测方法的流程图。

其中，附图标记：

10 电动马达

20 清洁头

30 电路单元

11 定子

12 转子

13 转轴

111 铁心

113 主线圈

114 辅助线圈

121 转子本体

122 磁性元件组

31 驱动电路

32 整流电路

33 稳压电路

34 控制器

Fx 外部受力

S11～S13 步骤

具体实施方式

有关本发明的技术内容及详细说明，配合图式说明如下。

请参见图1与图2所示，其分别为本发明电动清洁器具的受力检测系统的正视图与上视图。所述电动清洁器具可为电动牙刷、电动洗脸机或其他身体部位清洁相关的电动器具。以下，以电动牙刷为例予以说明，其中相同或相近的动作原理与技术手段同样适用电动洗脸机或其他身体部位清洁相关的电动器具，合先叙明。

电动清洁器具的受力检测系统包含电动马达10与清洁头20。电动马达10包含定子11与转子12。其中，图示所绘的电动马达10与清洁头20仅为方便说明而非按实际比例绘制，不以此限制本发明的技术特征，合先叙明。在一实施例中，电动马达10可为步进马达(stepper motor)或伺服马达(servo motor)，然不以此为限制本发明。

定子11为电动马达10中固定不动的部分，其包含具有容置空间的铁心111、主线圈113以及辅助线圈114。转子12为电动马达10中可动(例如转动、摆动)的部分，其设置于容置空间内，包含转子本体121、磁性元件组122以及连接转子本体121的转轴13。转子12通过转轴13连接清洁头20。亦即当转子12在容置空间内转动或摆动时，由于清洁头20与转子12通过转轴13连结，因此清洁头20也相应地进行转动或摆动。

磁性元件组122具有两磁性元件，且两磁性元件的极性相反，例如一磁性元件为N极的永久磁铁，另一磁性元件为S极的永久磁铁。因此，两磁性元件沿磁场方向提供磁力，其中磁场方向即为N极指向S极的方向，亦即为坐标的X轴方向(以下简称X轴方向)。在本实施例中，两磁性元件分别设置于转子本体121的相对两侧。

主线圈113沿第一方向绕设于铁心111上，其中第一方向与磁场方向垂直，亦即第一方向为坐标的Y轴方向(以下简称Y轴方向)。辅助线圈114为缠绕结构且邻设主线圈113。其中主线圈113与辅助线圈114可为漆包线圈。在本发明中，辅助线圈114邻设于主线圈113有两种方式，容后配合图3与图4分别说明。

请参见图3所示，其为本发明电动清洁器具的受力检测系统的辅助线圈邻设于主线圈的第一实施例的示意图。在第一实施例中，辅助线圈114沿第一方向(即Y轴方向)直接缠绕包覆于主线圈113上。附带一提，可通过增加辅助线圈114的圈数提高辅助线圈114的感应效果。较佳地，辅助线圈114与主线圈113两者之间的圈数比值不低于0.3。换言之，当主线圈113的圈数固定时，可通过增加辅助线圈114的圈数，提高所产生的感应电流。然不以上述的圈数比值为限制本发明，只要辅助线圈114缠绕的圈数能够正确地感应出感应电流即可，容后详述。

此外，虽然主线圈113与辅助线圈114皆为具有绝缘皮膜(或称绝缘漆)的漆包线圈，可提供辅助线圈114直接缠绕包覆于主线圈113上的绝缘，在不同的实施例中，亦可进一步地在主线圈113与辅助线圈114之间设置绝缘件，例如绝缘片、绝缘胶带、绝缘胶…等，以提供更佳的绝缘效果。

请参见图4所示，其为本发明电动清洁器具的受力检测系统的辅助线圈邻设于主线圈的第二实施例的示意图。在第二实施例中，辅助线圈114沿第一方向缠绕后，即非直接缠绕包覆于主线圈113上，再设置于主线圈113的一侧上，例如直接邻设于主线圈113的一侧上，或者相隔绝缘件邻设于主线圈113的一侧上。同样地，可通过增加辅助线圈114的圈数提高辅助线圈114的感应效果，达到能够正确地感应出感应电流的目的。

请参见图5所示，其为本发明电动清洁器具的受力检测系统的电路单元的方块图，且配合图3与图4。电路单元30包含驱动电路31、整流电路32、稳压电路33以及控制器34。驱动电路31耦接主线圈113，整流电路32耦接辅助线圈114。稳压电路33耦接整流电路32。控制器34耦接驱动电路31与稳压电路33。具体地，驱动电路31接收供电电源(未图示)，例如电池供电的直流电源，并且驱动电路31转换供电电源为驱动电源，例如正负半周交变的交流电源，对主线圈113供电。在本实施例中，驱动电路31为H桥(H-bridge)电路。H桥电路接收直流供电电源，并且H桥电路上、下臂开关的控制，将直流供电电源转换为交流驱动电源。

绕设于铁心111的主线圈113由第一导体线缠绕而构成，且第一导体线具有第一端点与第二端点的两线圈端(或称为出线头)，两线圈端电性耦接驱动电路31所输出的交流驱动电源，使得主线圈113由交流驱动电源所供电。邻设主线圈113的辅助线圈114由第二导体线缠绕而构成，且第二导体线具有第三端点与第四端点的两线圈端(或称为出线头)，两线圈端电性耦接整流电路32，通过整流电路32对两线圈端所输出的感应电流进行整流，使交变的感应电流为单一极性的直流电流。惟在实际电路操作上，通常居多会将感应电流转换成电压的形式，例如通过电阻元件，将感应电流转换为感应电压。再通过整流电路32对感应电压进行整流而得到单一极性的直流电压。

具体地，磁性元件组122的两磁性元件沿磁场方向提供磁力，并且配合交流驱动电源对主线圈113供(通)电，使得转子12在磁场中受力开始启动。再者，配合设置于铁心111相对两侧的极性相反的两磁性元件，因N极与S极永久磁铁的相吸与相斥作用，使得转子12高速的左右往复摆动。由于转子12通过转轴13连接清洁头20，因此清洁头20也相应地进行高速的左右往复摆动，由此，提供使用者达到口腔清洁的效果。

当用户使用电动清洁器具，例如本实施例的电动牙刷时，清洁头20于操作状态下因接触牙齿而接收外部受力Fx，即外部受力Fx施加于清洁头20上。外部受力Fx通过转轴13传递至转子12，使转子12产生力矩，进而使在磁场方向上定子11的磁场发生变化。具体地，当外部受力Fx施加于清洁头20上时，外部受力Fx通过转轴13传递至转子12，所产生的力矩造成电流的变化，进而使在磁场方向上定子11的磁场发生变化。

在本实施例中，辅助线圈114仅邻设于主线圈113上，并无受外部电源供电，因此辅助线圈114感应定子11的磁场方向上的磁场发生变化而产生电气信号，其中此电气信号可为感应电流。承前所述，由于辅助线圈114的两线圈端电性耦接整流电路32，因此辅助线圈114输出的感应电流经转换为感应电压，再通过整流电路32整流而产生直流电压。再者，通过稳压电路33对直流电压进行稳压而输出稳定电压值的电压。控制器34再接收所述稳定电压值的电压，并且根据该电压值的大小，可得知与所述感应电流有正相关联的外部受力Fx的大小。

举例来说，以刷牙时适合的力道(受力)约为90～150克(g)为例，若150g的外部受力Fx对应到辅助线圈114所产生的感应电流为1毫安(mA)，因此当外部受力Fx减少时，感应电流小于1mA，反之当外部受力Fx增加时，感应电流则大于1mA。再者，如前所述，由于感应电流经过转换成为感应电压，因此控制器34可根据接收到经处理(整流、稳压)后的感应电压的大小，得知外部受力Fx的大小。举例来说，控制器34接收到经处理(整流、稳压)后的感应电压为1伏特(V)，其对应感应电流为1mA，则控制器34可判断出外部受力Fx为150g。因此，当控制器34接收到的感应电压小于1V，表示外部受力Fx小于150g，反之当控制器34接收到的感应电压大于1V，表示外部受力Fx大于150g。

因此，控制器34可根据所接收到感应电压的大小，判断清洁头20于操作状态下接触牙齿的外部受力Fx的大小，并且进一步地通过控制驱动电路31，例如但不限制，通过脉波宽度调变(pulse width modulation,PWM)控制方式，即控制器34产生PWM控制信号至驱动电路31，使得驱动电路31改变对主线圈113供电的交流驱动电源的大小，进而控制电动马达10的转子12带动清洁头20的摆动速度。具体地，当使用者过度用力地将清洁头20抵顶于牙齿，即外部受力Fx过大(例如超过150g)时，控制器34所接收到的感应电压大于1V，因此控制器34可控制驱动电路31减少对主线圈113供电的交流驱动电源大小，使得转子12带动清洁头20的摆动速度降低，进而达到保护使用者牙齿或牙龈的功效。

综上所述，透过主线圈113与辅助线圈114相邻配置的结构，利用对主线圈113供电使得转子12在磁场中受力进行高速的往复摆动。再者，利用辅助线圈114输出的感应电流经处理后为感应电压提供至控制器34，使控制器34根据感应电压的大小，可得知外部受力Fx的大小。故此，可于外部受力Fx过大时将清洁头20的摆动速度降低，进而达到保护使用者牙齿或牙龈的功效。

请参见图6，其为本发明电动清洁器具的受力检测方法的流程图。所述电动清洁器具包含清洁头20与具有定子11与转子12的电动马达10。其中定子11与转子12的结构于前文已有明确说明，因此不再加以赘述，可配合参见前文的记载。所述电动清洁器具的受力检测方法的步骤如下。首先，清洁头20于操作状态下接收外部受力Fx(S11)。当用户使用电动清洁器具，例如本实施例的电动牙刷时，清洁头20于操作状态下因接触牙齿而接收外部受力Fx，即外部受力Fx施加于清洁头20上。

然后，外部受力Fx通过转轴13传递至转子12，使转子12产生力矩，进而使在磁场方向上定子11的磁场发生变化(S12)。当外部受力Fx施加于清洁头20上时，外部受力Fx通过转轴13传递至转子12，使转子12产生力矩，所产生的力矩造成电流的变化，进而使在磁场方向上定子11的磁场发生变化。

然后，辅助线圈114感应所述发生变化的磁场且产生电气信号，根据电气信号检测外部受力Fx的大小(S13)。辅助线圈114邻设于主线圈113上，并无受外部电源供电，因此辅助线圈114感应定子11的磁场方向上的磁场发生变化而产生电气信号，其中此电气信号可为感应电流。辅助线圈114的两线圈端电性耦接整流电路32，因此辅助线圈114输出的感应电流经转换为感应电压，再通过整流电路32整流而产生直流电压。再者，通过稳压电路33对直流电压进行稳压而输出稳定电压值的电压。控制器34再接收所述稳定电压值的电压，并且根据该电压值的大小，可得知与所述感应电流有正相关联的外部受力Fx的大小。

因此，控制器34可根据所接收到感应电压的大小，判断清洁头20于操作状态下接触牙齿的外部受力Fx的大小，并且进一步地通过控制驱动电路31，使得驱动电路31改变对主线圈113供电的交流驱动电源的大小，进而控制电动马达10的转子12带动清洁头20的摆动速度。具体地，当使用者过度用力地将清洁头20抵顶于牙齿，即外部受力Fx过大时，控制器34所接收到的感应电压大于设定的参考电压，因此控制器34可控制驱动电路31减少对主线圈113供电的交流驱动电源大小，使得转子12带动清洁头20的摆动速度降低，进而达到保护使用者牙齿或牙龈的功效。

综上所述，本发明具有以下特征与优点：

1、透过简易线圈配置的结构，利用辅助线圈114感应发生变化的磁力所产生的电气信号进行检测外部受力Fx的大小，可实现电动清洁器具结构的精简化与小型化。

2、当检测外部受力Fx过大时，控制转子12带动清洁头20的摆动速度降低，达到保护使用者牙齿或牙龈的功效。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (17)

1.一种电动清洁器具的受力检测系统，其特征在于，该受力检测系统包含：

一清洁头；及

一电动马达，包含一定子与一转子，其中

该定子，包含具有一容置空间的一铁心、一主线圈以及一辅助线圈；

该转子，设置于该容置空间内，包含一转子本体、一磁性元件组以及连接该转子本体的一转轴，该转子通过该转轴连接该清洁头；该磁性元件组具有极性相反且沿一磁场方向提供磁力的两磁性元件，分别设置于该转子本体的相对两侧；

其中，该主线圈沿一第一方向绕设于该铁心上，该第一方向与该磁场方向垂直；以及该辅助线圈为缠绕结构且邻设该主线圈。

2.如权利要求1所述的电动清洁器具的受力检测系统，其特征在于，该清洁头于操作状态下接收一外部受力，该外部受力通过该转轴传递至该转子，使该转子产生力矩，进而使在该磁场方向上该定子的磁场发生变化，经由该辅助线圈感应所述发生变化的磁场且产生一电气信号，根据该电气信号检测该外部受力的大小。

3.如权利要求1所述的电动清洁器具的受力检测系统，其特征在于，该辅助线圈沿该第一方向直接缠绕包覆于该主线圈上。

4.如权利要求1所述的电动清洁器具的受力检测系统，其特征在于，该辅助线圈沿该第一方向缠绕后，设置于该主线圈的一侧上。

5.如权利要求3或4所述的电动清洁器具的受力检测系统，其特征在于，该辅助线圈与该主线圈之间设置一绝缘件。

6.如权利要求1所述的电动清洁器具的受力检测系统，其特征在于，该辅助线圈与该主线圈两者之间的圈数比值不低于0.3。

7.如权利要求1所述的电动清洁器具的受力检测系统，其特征在于，该主线圈由一第一导体线缠绕而构成，且该第一导体线包含一第一端点与一第二端点；该辅助线圈由一第二导体线缠绕而构成，且该第二导体线包含一第三端点与一第四端点。

8.如权利要求7所述的电动清洁器具的受力检测系统，其特征在于，该清洁头于操作状态下接收一外部受力时，该第三端点与该第四端点间产生一电压差。

9.如权利要求2所述的电动清洁器具的受力检测系统，其特征在于，更包含：

一电路单元，耦接该辅助线圈；其中该电路单元接收该辅助线圈产生的该电气信号，根据该电气信号检测该外部受力的大小。

10.一种电动清洁器具的受力检测方法，其特征在于，所述电动清洁器具包含一清洁头与具有一定子与一转子的一电动马达，其中该转子包含沿一磁场方向提供磁力的一磁性元件组以及连接该清洁头的一转轴，该定子包含一主线圈与一辅助线圈，该主线圈沿与该磁场方向垂直的一第一方向绕设于该定子的一铁心上，该辅助线圈为缠绕结构且邻设该主线圈，该受力检测方法包含：

(a)、该清洁头于操作状态下接收一外部受力；

(b)、该外部受力通过该转轴传递至该转子，使该转子产生力矩，进而使在该磁场方向上该定子的磁场发生变化；及

(c)、该辅助线圈感应所述发生变化的磁场且产生一电气信号，根据该电气信号检测该外部受力的大小。

11.如权利要求10所述的电动清洁器具的受力检测方法，其特征在于，该辅助线圈沿该第一方向直接缠绕包覆于该主线圈上。

12.如权利要求10所述的电动清洁器具的受力检测方法，其特征在于，该辅助线圈沿该第一方向缠绕后，设置于该主线圈的一侧上。

13.如权利要求11或12所述的电动清洁器具的受力检测方法，其特征在于，该辅助线圈与该主线圈之间设置一绝缘件。

14.如权利要求10所述的电动清洁器具的受力检测方法，其特征在于，该辅助线圈与该主线圈两者之间的圈数比值不低于0.3。

15.如权利要求10所述的电动清洁器具的受力检测方法，其特征在于，该主线圈由一第一导体线缠绕而构成，且该第一导体线包含一第一端点与一第二端点；该辅助线圈由一第二导体线缠绕而构成，且该第二导体线包含一第三端点与一第四端点。

16.如权利要求10所述的电动清洁器具的受力检测方法，其特征在于，该清洁头于操作状态下接收一外部受力时，该第三端点与该第四端点间产生一电压差。

17.如权利要求10所述的电动清洁器具的受力检测方法，其特征在于，所述电动清洁器具更包含一电路单元；在步骤(c)之后包含：

(d)、该电路单元接收该辅助线圈产生的该电气信号，根据该电气信号检测该外部受力的大小。

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