JP2011500102A - パーソナルケア装置の共振作動を耐用年限の間適応させるシステム - Google Patents

Abstract

共振駆動装置の適応システムは、装置のターンオフ後にモータのステータコイルで生ずる逆起電力を測定する回路を有する。逆起電力信号の周波数は、起電力信号の零交差から決定される。次いで、決定された周波数は、以前の周波数決定の移動平均と比較され、装置の駆動周波数は、比較された周波数の間の差が閾値、例えば１ヘルツより大きい場合に調整される。

Description

本発明は、概して、パーソナルケア装置（personal care appliance）のような共振駆動される小型装置に関し、より具体的に、その耐用年限の間このような装置の作動を適応させるシステムに関する。

例えば電動歯ブラシ等の小型装置を駆動するために使用され得る共振駆動システムで、装置の固有共振周波数は、装置の有効な作動に関して重要な考慮すべき事項である。このような装置が励起される場合に、装置は自身の固有共振周波数で最も良く応答し、すなわち、所与の入力に対して最大出力を提供する。最大効率のために、作動作用を生じさせるモータの駆動周波数は、装置の固有周波数又はその近くであるよう選択される。例えば、駆動周波数は、装置の固有周波数を数ヘルツ下回る。

しかし、このような装置の作動の耐用年限の間、部品の通常の磨滅等に起因する装置の固有共振周波数の変化は、通常、装置の固有共振周波数と駆動周波数との間の結果として生ずる不整合のために、性能の低下をもたらす。今日まで、時間にわたる装置の固有周波数におけるこのような変化を補正する方法は存在せず、従って、かかる装置の性能低下は装置の耐用年限の間補正されないままであり、有益な結果は悪化し、顧客不満足又は装置の早期処分をもたらす。

従って、延長された時間期間にわたって一貫した有効な性能を保つよう耐用年限の間装置の作動を適応させることを可能にすることが望まれる。

然るに、ここで記載される実施形態は、装置の耐用年限の間該装置の作動を適応させる共振駆動システムを有する装置内に設けられるシステムであって、ステータコイルを有するモータアセンブリを有する共振駆動システムを有する装置と、前記装置がオフされた後に該装置の作動部によって前記ステータコイルで生ずる逆起電力を測定する回路と、前記逆起電力から前記装置の固有共振周波数を決定するシステムと、決定された前記固有共振周波数を固有共振周波数を示す既知の装置周波数と比較する比較器と、前記決定された固有共振周波数と前記装置の前記既知の固有周波数との間の差が所定量より大きい場合に前記装置の駆動周波数を変更する調整回路とを有するシステムである。

実施形態には、また、装置の作動を適応させる対応する方法が含まれる。

パーソナルケア装置及びその共振駆動システムの主要部の例を示す透視図である。 装置の耐用年限の間共振駆動システムの作動を適応させることが可能な本発明のシステムのブロック図である。 図２のシステムの動作を表す信号図である。 図２のシステムの動作を表す信号図である。 図２のシステムに対する代替の実施例の部分的なブロック図である。

図１は、共振ダイナミック駆動システムを有する小型装置の例を示す。具体的に、概して１０で示される装置は、電動歯ブラシである。しかし、当然、共振駆動部を備える他の装置が本発明のシステムを含んでよい。かかる装置の例には、スキンブラシ、シェーバー及び同様の装置が含まれる。電動歯ブラシ１０は駆動モータ１２を有する。駆動モータ１２は、装置１０の固有共振周波数又はそれに近い周波数である駆動周波数で所望の作用を有して部品（workpiece）１４を駆動する。かかる装置の例は、参照によりその全文を本願に援用される米国特許第５，１８９，７５１号明細書に示されている。この特許権は、本発明の指定代理人によって所有されている。

駆動モータ１２は駆動制御回路１５に応答する。駆動制御回路１５は、ソフトウェアプログラムとともにマイクロプロセッサを有し、駆動周波数を有するモータ駆動信号を生成する。モータは、交換可能又は再充電可能であるバッテリ１６によって電源供給を受ける。この場合に、装置は、別個の充電装置（図示せず。）とともに使用される。

図示及び記載をされている実施形態で、全体として装置の固有共振周波数（固有周波数）は、通常は装置が使用されて電源をオフされるたびに、装置の作動耐用年限の間、周期的に決定される。次いで、この固有周波数の値は標準値と比較される。この標準値は、通常、駆動周波数の更新に伴って更新される。２つの値の間の差が予め選択されている閾値より大きい場合は、駆動制御回路１５又は同様の駆動システムによって生成される駆動信号の駆動周波数は、固有周波数と駆動周波数との間の元の関係を保つよう変更される。

上述される例では、駆動周波数は、このようにして、装置の固有周波数に等しいか又は（数ヘルツ内で）その近くのままである。このようにして、かかる配置は、所望の高いレベルで装置の性能を保ち且つ装置の通常の磨滅及び装置の固有共振周波数を変化させるその他の要因を補償しながら、装置の作動耐用年限の間周期的に装置の作動を適応させる。

かかるシステムは、図２にソフトウェアにおける一実施で示されている。自身の電子制御を有する装置モータ（一例）が２０で示されており、バッテリ２２によって電源を供給される。モータ回路２０はステータコイル２４を有する。例えば通常のブラッシング動作の後に、ソフトウェア機能ブロック２６で示されるように、装置が電源をオフされる場合に、ブロック２８で示されるように、適応プロセスが開始される。示される実施例では、固有共振周波数は、最初に逆起電力（ＥＭＦ）の値（電圧）を得ることによって決定される。逆起電力は、部品が実装されている振動部材の、装置のターンオフ後に発生する残留作用によってステータコイルで引き起こされる。例えば、米国特許第５，１８９，７５１号明細書に開示される装置では、その後部に永久磁石を実装されている駆動アームの残留運動が、電磁モータにあるステータコイルに逆起電力を引き起こす。

線２６で示される逆起電力は、２段階帯域通過フィルタ３２へ適用される。このフィルタ３２の出力は、プログラム可能な比較器３４の１つの入力へ適用される。比較器３４の他の入力へは、閾値電圧又は接地接続が適用される。フィルタ処理された入力信号が、プログラム可能な比較器３４によって決定される閾値信号の値（又は接地）と交差する場合に、割り込みが発生する。これは、マイクロプロセッサ内のソフトウェアプログラムの一部である割り込みルーチン３８に適用される。この割り込み（零交差）は、例えば、装置がオフされた後に約２０回起こる。零交差は、連続する零交差の間の時間を生成するよう、零交差を記録するクロック信号４０を用いて処理される。

当然、関連する比較器を備えるアナログタイマ等のマイクロプロセッサ及び割り込みを使用すること、又は期待される周波数の既知の正弦信号を逆起電力に乗じて、その結果の零交差を測定することによる以外に、零交差の間の時間を検出する他の方法が存在する。

ブラッシング動作に係る零交差（本実施例における割り込み）の数は、累積され、処理ブロック４４に適用される。処理ブロック４４は、信頼できる周波数決定を実現するよう十分な数の割り込み（零交差）があるかどうかを決定する。通常は、１０が最小であるが、幾つかの場合で、特に、最初の幾つか（例えば４）が正確さのために無視され、一方、１０から２０の範囲にあるどの数も許容され得る場合に、その数はより少なくてもよい。十分な数の割り込みがある場合に、周波数評価が開始される。最小数の割り込みがない場合は、プログラムは終了し、次のブラッシング動作を待つ。通常、ブロック４５で示される周波数評価において、最初の４つの零交差は、上述されるように、無視される。これは、周波数決定に用いられる逆起電力信号の部分が駆動回路のダイナミクスによって影響を及ぼされないことを確かにするためである。駆動回路は、装置がオフされた後に、例えば０．１秒未満の整定時間を必要としうる。この時間は、４つの零交差の期間におおよそ等しい。ブロック４５で示される周波数決定は、次いで、残りの零交差を用いて行われる。ブロック４６で示されるように、例えば、以前に決定された周波数平均に対してプラス１０ヘルツ（＋１０Ｈｚ）といったように、決定された周波数が許容可能な窓の外側にある場合は、プログラムは終了し、次のブラッシング動作を待つ。

プログラムが続く場合は、ブラッシングカウンタがブロック４７で更新され、次いで、以下で説明されるように、信頼できる周波数比較を提供するために、周波数決定をもたらした以前のブラッシング周期が十分な数あったかどうかに関して、ブロック４８で問い合わせがなされる。十分な数がなかった場合は、プログラムは５０で終了する。十分な数のブラッシング周期があった場合は、ブラッシングカウンタは５２でリセットされ、４６で決定された現在の周波数は、ブロック５４で、以前に決定された周波数の移動平均（running average）に対して評価される。例えば、この平均は、特定の装置で２００Ｈｚから２８０Ｈｚの範囲にあるが、この値は、特定の装置に依存して変化してよい。示される実施例で、最後の２０回のブラッシング周波数決定は移動平均に用いられる。なお、この回数は変化してよい。

新たな周波数及び移動平均周波数が特定の範囲内で同じである場合は、プログラムは、次の決定、通常は次のブラッシングの終了を待つよう５０で終了される。周波数が同じでない場合は、装置の駆動周波数はブロック５６で更新される。示される実施例で、その差は、駆動周波数を更新するために少なくとも１Ｈｚでなければならないが、これは、装置を多かれ少なかれ共振周波数の変化に反応させるよう変更されてよい。

図３Ａは、約０．２秒の間の、装置のシャットオフから収束する未加工の信号データ６０（単位ボルトの逆起電力）を示す。約０．２秒経過の時点で、信号データ６０は、零近くに減少している。図３Ｂは、調整後の逆起電力６２を示す。逆起電力６２で、電圧の平均値は、リンギング（ringing）が零ライン６４を中心とするように移動されている。零ラインに沿った図３Ｂ中の円６６は、電圧の実際の零交差を示す。

上述されるように、零交差の間の時間差は、クロックによる記録の後にプロセッサによって決定され、次いで、瞬時の推定される共振周波数が決定される。通常、リンギングは、零に達する前の５から２０周期の間に起こる。次いで、上述される決定された周波数は、プロセッサで、選択された数の以前に決定された周波数、例えば先と同じく、最後の２０回の決定された周波数、の移動平均と比較される。周波数の差が選択されている閾量より大きい場合は、駆動周波数は変更される。固有共振周波数を決定するための逆起電力の使用は、正確な結果を提供することを示しており、多くの電動歯ブラシにある既存の部品及び既存のマイクロプロセッサを有してなされ得る。

図２の回路は、ステータコイルでの逆起電力がステータコイルの一方の端部から、他方の端部が設定された状態で取り出され、次いで比較が閾電圧に対して行われることを示すが、ステータコイルの両端の逆起電力（差動電圧）も使用され得る。その場合に、差動電圧は、電圧比較のために使用される。

図４は、図２の配置の変形例を示す。図４で、逆起電力は、ステータコイル７２と向かい合った別個の感知コイル７０から得られる。この実施例は、ステータコイルに隣接して、装置内に別個の付加的なコイルを必要とし、その分コストがかかるが、より明快な（よりノイズの少ない）測定及び零の平均信号といった利点を有する。かかる利点は、零交差の検出において有用である。感知コイルは可動磁石の近くに位置付けられ得、コイルは、また、装置の動作の間にアクチュエータの可動部の振幅を安定させるためにセンサとしても使用され得る。図４のシステムの残りの回路／処理は、図２のシステムと同じである。

従って、装置の固有共振周波数が通常の摩耗及び／又は他の要因により変化する場合に装置の耐用年限の間周期的に駆動周波数を調整するよう共振駆動システムの一部として使用されるシステムについて記載された。

本発明の好ましい実施形態について説明のために開示してきたが、当然、種々の変更、改良及び置換が、特許請求の範囲で定義される本発明の技術的範囲から逸脱することなく、かかる実施形態に組み入れられ得る。

Claims (15)

1. 耐用年限の間当該共振駆動装置の作動を適応させるシステムを有する共振駆動装置であって：
   ステータコイルを有するモータアセンブリを有する共振駆動システムを有する装置；
   前記装置がオフされた後に該装置の作動部によって前記ステータコイル又は該ステータコイルとは別の感知コイルで生ずる逆起電力を測定する回路；
   前記逆起電力から前記装置の固有共振周波数を決定するシステム；
   決定された前記固有共振周波数を前記装置の固有共振周波数を示す既知の装置周波数と比較する比較器；及び
   前記決定された固有共振周波数と前記装置の前記既知の固有周波数との間の差が所定量より大きい場合に前記装置の駆動周波数を変更する調整回路；
   を有する共振駆動装置。
2. 前記固有共振周波数は、基準信号に対する起電力信号の連続交差の間の時間を測定し、該連続交差の間の期間を決定し、該期間から前記固有共振周波数を決定することによって決定される、請求項１記載のシステム。
3. 基準交差は少なくとも１０の交差を有する、請求項２記載のシステム。
4. 前記既知の装置周波数は、複数の過去に決定された周波数の移動平均を有する、請求項１記載のシステム。
5. 前記複数の過去の周波数は少なくとも２０である、請求項４記載のシステム。
6. 前記差は少なくとも１ヘルツである、請求項１記載のシステム。
7. 前記装置の固有共振周波数を決定するために使用される前記逆起電力は、前記ステータコイルから得られる、請求項１記載のシステム。
8. 前記逆起電力は、前記ステータコイルとは別の感知コイルで生ずる、請求項１記載のシステム。
9. 当該装置の耐用年限の間共振駆動システムを有する装置の動作を適応させる方法であって：
   前記装置がオフされた後にデバイス内のコイルに生ずる逆起電力を測定する工程；
   その時点での前記装置の固有共振周波数である前記逆起電力の周波数を決定する工程；
   決定された前記周波数を、予め決定される基準周波数と比較する工程；及び
   前記決定された周波数と前記基準周波数との間の差が所定量より大きい場合に前記装置の駆動周波数を変更する工程；
   を有する方法。
10. 前記固有共振周波数は、基準値に対する起電力信号の連続交差の間の時間期間を取得し、該時間期間から前記固有共振周波数を計算することによって決定される、請求項９記載の方法。
11. 前記起電力信号による少なくとも１０の基準値交差があり、
    前記決定された周波数は、基準ライン交差からの周波数決定の平均であり、
    前記基準周波数は、複数の近い過去の周波数決定の移動平均である、請求項１０記載の方法。
12. 前記周波数差は少なくとも１ヘルツである、請求項１０記載の方法。
13. 耐用年限の間当該共振駆動装置の作動を適応させるシステムを有する共振駆動装置であって：
    ステータコイルを有するモータアセンブリを有する共振駆動システムを有する装置；
    前記装置がオフされた後に該装置の作動部によって前記ステータコイル又は該ステータコイルとは別の感知コイルで生ずる逆起電力を測定する手段；
    前記逆起電力から前記装置の固有共振周波数を決定する手段；
    決定された前記固有共振周波数を前記装置の固有共振周波数を示す既知の装置周波数と比較する比較器；及び
    前記決定された固有共振周波数と前記装置の前記既知の固有周波数との間の差が所定量より大きい場合に前記装置の駆動周波数を変更する手段；
    を有する共振駆動装置。
14. 前記固有共振周波数は、基準信号に対する起電力信号の連続交差の間の時間を測定し、該連続交差の間の期間を決定し、該期間から前記固有共振周波数を決定することによって決定される、請求項１３記載のシステム。
15. 前記既知の装置周波数は、複数の過去に決定された周波数の移動平均を有する、請求項１３記載のシステム。

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