JP2016505330A - 圧力感知電動歯ブラシ - Google Patents

Abstract

歯ブラシは、変位のような直接力測定により歯に対する圧力を決定するためのセンサシステムと、位相シフトのような動的負荷測定システムにより歯に対する圧力を決定するためのシステムと、を含む。異なる圧力結果は、ホール効果出力値のピーク間毛動き値と組み合わせられ、テーブルと比較されて、歯に対する毛の圧力のより正確な値を得て、それに応じて過度の圧力の起動閾値を上昇させる、減少させる又は維持する。

Description

本発明は一般的に、毛圧力センサを備えた電動歯ブラシに関し、更に詳細には、改善された圧力感知精度を持つ斯かる歯ブラシに関する。

電動歯ブラシにおいて、圧力センサの利用はよく知られている。斯かるセンサは、負荷センサとも呼ばれ、毛領域が歯にかける力を、グラムで実際に測定する。しかしながら、斯かるセンサの結果は一般に、ユーザの動作によりもたらされる歯に対する直接的な毛の力に加えて、頬、舌及び唇によりもたらされる負荷のような、他のタイプの負荷までも含んでしまう。これら他の負荷のない、歯に対する毛圧力の正確な表示が、ユーザにとって好適な情報を提供し、より有効なものとなるよう機器を適合させ得る。

従って、過度の力の印加に関するより正確な情報をユーザに提供する、圧力／力感知システムを提供することが望ましい。

従って、圧力センサを備えた電動歯ブラシが、直接力測定により前記歯ブラシの毛によりユーザの歯に対してかけられた圧力を決定するためのシステムと、動的力測定により前記歯ブラシの前記毛によりユーザの歯に対してかけられた圧力を決定するためのシステムと、前記直接力測定及び前記動的力測定により決定された圧力に応じて、過度の毛の力を示す圧力の予め確立される量を調節する処理システムと、を有する。

歯の外側（頬側）面がブラシングされているときの、ユーザの口及び歯ブラシの種々の部分の平面図である。 図１の立面図である。 歯の内側（舌側）面がブラシングされているときの、ユーザの口及び歯ブラシの平面図である。 図３の立面図である。 圧力情報を生成する歯ブラシの部分の簡略化された図を示す。 機器のための駆動信号に較正された出力信号を伴う、ホール効果センサの半周期の出力である。 負荷による出力信号における位相シフトを示す、図６と同様な図である。 図５のセンサから直接力情報を生成する処理図である。 図５のセンサから動的力情報を決定する処理図である。 ユーザによりかけられた過度の力を表す起動点／閾値を調節するため、図６及び７からの情報がどのように用いられるかを示す表である。

歯ブラシの毛による歯における圧力に加え、ブラシング動作の間に口における組織によってもたらされる、種々のタイプの負荷がある。歯に対する毛の動作により生成される、ばね荷重がある。また、歯ブラシを支持する毛板に対する頬、歯に対する毛、毛板に対する舌、及び歯ブラシの首部に対する唇の間に生じる、摩擦の形をとる減衰動作もある。更には、毛板に対して頬により、毛に対して歯により、毛板に対して唇により、毛板に対して舌により、歯に対して毛により、及び毛に対して歯により生成される負荷がある。

これらの種々の負荷は、歯の外側（頬側）については図１及び２に示され、図３及び４は内側（舌側）面についての負荷を示す。歯は１２で示され、頬は１４で示され、舌は１６で示され、唇は１８で示される。歯ブラシは全体として２０で示され、２２により示される歯ブラシの首部、２４で示される毛板部、及び２８で示される毛を備える。歯に対する可能な圧力及び洗浄効果に対する最小限の力に対する過度の力の印加に関する情報をユーザに提供するために、歯に対する毛の力／負荷を測定することを意図した圧力センサシステムは、実際には、歯に対する毛の圧力の他にも測定してしまい、それ故、過度の圧力に対する幾分か不正確な情報をユーザに提供してしまう。特に、歯に対する直接の毛圧力に加えた、特定の口組織負荷が含まれることにより、ユーザに対する過度の圧力の示唆を生成するための起動点（閾値）が、高過ぎる又は低過ぎるものとなり得る。高過ぎる場合には、警告がないまま損傷が引き起こされ得るし、低過ぎる場合には、効果が低下してしまい得る。

本発明は、より正確で確実な起動点情報をユーザに提供するように、特に、毛により歯の表面にかけられる圧力又は力に関するより正確な／信頼性の高い情報を提供するようにデザインされたものである。本発明においては、２つの異なる力決定システムが用いられ、各システムから得られた情報が、起こり得る過負荷又は過度の圧力に関してユーザに提供される情報に影響を与えるためのテーブルに対して用いられる。例えば、起動点がプロセッサにおいて３００グラムに設定された場合、２つの異なる圧力センサシステムにより提供される情報、及びピーク間値に関する情報が、ユーザに警告が提供される所定値を調節するために用いられる。一方の圧力感知システムは、直接力又は変位情報を提供し、他方の感知システムは、動的力情報を提供する。

直接力又は変位情報を提供する感知構成、及び動的力情報及びピーク間情報を提供する感知構成には、幾つかのものがある。

本構成においては、直接力又は変位情報はホール効果センサ構成により提供され、動的負荷情報もまた、駆動信号の位相に対する磁場応答の間の位相シフトを測定するために用いられるホール効果センサにより提供される。しかしながら、変位及び動的負荷感知情報を提供するためには、他の構成も利用可能である。

図１は、変位及び動的負荷情報の両方を生成するホール効果感知構成を含むよう構成された、電動歯ブラシの簡略化された図を示す。全体として２９により示された電動歯ブラシは、ハンドル３０、ブラシヘッドアセンブリ３２、及び毛のセット３４を含み、該ブラシヘッドアセンブリの首部３７の遠位端に毛板３６が配置されている。該ブラシヘッドアセンブリは、典型的には、該ハンドル部から取り外し可能である。該電動歯ブラシは、再充電可能なバッテリにより電力供給される、非常に大まかに４０によって示された、駆動系アセンブリを含む。該電動歯ブラシは更に、該駆動系のための駆動信号を生成し、ホール効果センサからの信号情報を処理して、変位及び動的負荷情報を提供する、マイクロプロセッサ４６を含む。駆動系４０の背後には磁石４８がある。図示された実施例においては、該磁石は、１３．４ｍｍ×９．０ｍｍ×４．０ｍｍの寸法を持つ。適切な磁石の一例は、ネオジムである。他の磁石が用いられても良い。該電動歯ブラシ内には、ホール効果センサ５２が配置される。ホール効果センサ５２は、該電動歯ブラシの種々の位置に装着され得る。一実施例においては、１つのホール効果センサが、マイクロプロセッサを含む印刷回路基板に装着されたフレックス回路に装着され、該ホール効果センサが、該歯ブラシが動作時に動かされるにつれて変化する磁場に応答できるようにされる。このことは、以下に説明されるように、動的な力の決定に帰着する。

他のホール効果センサ５３が、該磁石と略同一面上に該磁石から約２．３ｍｍ離れた位置において、該歯ブラシの駆動系フレーム上に配置されても良い。当該ホール効果センサは、歯に対する毛領域における力により、該駆動系の横方向の変位を認識し、Ｖ字ばねの実施例におけるように装着又は配置され、ここで該駆動系の後端がユーザの力に応答して横方向に動く。

動作時には、選択された角度だけ駆動系の後端及び磁石が前後に揺動するときの直接力（変位）情報に対して、ホール効果センサ５３の電圧出力が正弦波状に変動する。該ホール効果センサの電圧出力は、変化する磁場に応じて変動する。該変化する磁場は、変位に対する毛にかけられた力の量を決定するための基準を提供する。力が毛領域にかけられると、磁石を含む駆動系の後端が枢動し、ホール効果センサの方向における磁石の横方向の変位をもたらす。該ホール効果センサは、磁石がセンサに近づいたときの磁場における変化を検出するのに十分に感度が高い。該歯ブラシにおけるマイクロプロセッサは、ホール効果センサの電圧出力を、磁石の変位及びそれ故ブラシ要素にかけられた力と関連付ける、応答曲線の形をとる情報のテーブルを含む。磁石の変位は、無負荷状態の下での電圧出力に対する、ホール効果センサの電圧出力の変化に帰着する。従って、センサ出力における変化は、毛領域にかけられている変位力の信頼性高い示唆である。ここで、歯ブラシのための直接力（変位）圧力情報システムに関する米国仮特許出願番号61/695,396に対する参照が為される。

動的負荷情報の生成に関して、無負荷状態の下でもホール効果センサによって正弦波状の出力が生成される。本構成においては、該ホール効果センサは、該機器のための駆動信号と、毛領域に対する力が変化するにつれて磁石４８の動きによって生成されるブラシヘッドアセンブリの機械的応答と、の間の位相の変化を検出する。圧力が増大すると、位相のシフトが増大する。典型的には、位相の変化は、例えば０グラム乃至少なくとも３００グラムといった、圧力（力）の定義された変化に対しては線形であり、ここで該少なくとも３００グラムとは、圧力が典型的に快適さ及び有効性についての最大値を超える点である。また、情報はマクロプロセッサに保存され、該マイクロプロセッサが、検査されている特定の機器について、位相シフト情報と、かけられる力に対する値とを、明確に関連付け、これによって、特定の位相シフトが、当該歯ブラシの毛領域にかけられる圧力／力、特に動的な力の、正確な示唆となる。

駆動信号は、典型的には矩形波であり、１回のサイクルにおいてゼロレベルから或る正の値まで上昇し、駆動周波数によって決まる時間の後、逆符号の値にまで減少し、この駆動信号のサイクルが、各イベントについて該歯ブラシの動作の継続時間の間継続する。図示された実施例においては、駆動周波数は２５０Ｈｚであり、動きの振幅は９乃至１１°である。しかしながら、これは動作の一例に過ぎない。周波数及び振幅は変えられても良い。

該歯ブラシは最初に、矩形波のモータ駆動信号と、ホールセンサからの信号出力によって示されるような機械的応答信号と、の間に存在する時間オフセットを決定するために較正される。該較正は、モータ駆動信号と応答信号との間の静的位相関係が既知となり、歯ブラシの実際の動作の間の信号処理のため実質的にゼロ設定とできるように、無負荷状態の下で実行される。

図６は、応答信号（ホールセンサ出力）の１つの半周期を示し、モータ駆動信号の立ち上がりエッジに同期した信号の左側のエッジを含んでいる。圧力／負荷が毛領域にかけられると、モータ駆動信号に対してホールセンサ出力信号に位相シフトが現れる。位相シフトの一例（４９）が、図７に示される。

負荷が毛領域にかけられるとき、位相シフトの値は継続的に決定される。位相シフトを決定するためには、多くの方法がある。そのひとつは、ゼロ交差を決定することである。位相シフトがあると、ホールセンサからの応答信号のゼロ交差は、正比例してシフトする。幾つかのサイクルに亘って信号を平均化することにより、ゼロ閾値が決定される。モータ駆動サイクルの開始から、当該ゼロ閾値を通したセンサ信号の最初の遷移までの時間が、次いで測定される。該ゼロ交差は、位相シフトの示唆を与える。

位相シフト情報を得るための他の可能性は、ＤＣオフセット及び正弦波の位相を抽出するためにサイクル毎に４個のサンプルが用いられる、直角位相サンプリング処理によるものである。以下の算出においてＳ_１、Ｓ_２及びＳ_４により、４つのサンプルが９０°離れてとられる。平均電圧、又はＤＣオフセットは、以下のように算出される：
Ｖ_０＝（Ｓ_１＋Ｓ_３）／２＝（Ｓ_２＋Ｓ_４）／２
該信号は典型的にノイズを含み、そのため結果を平滑化するため典型的には複数のサンプルが平均化される。位相を算出するため、同相の及び直角位相の２つのサンプルが、以下のように定義される：
Ｉ＝Ｓ_１／Ｖ_０、Ｑ＝Ｓ_２／Ｖ_０
また、位相角が以下のように定義される：
θ＝αｔａｎ２（１／Ｑ）
複数のサンプルに亘ってＩ及びＱを平均化することは、ノイズを低減するために有効である。

以上は、位相シフトを決定する２つの例に過ぎない。他の手法も用いられることができる。

ここで、動的負荷（位相シフト）感知構成に関する米国仮特許出願番号61/698,078に対する参照が為される。

図８は、直接力（変位）信号情報の処理を示す。ユーザ動作はブロック６６において表され、ユーザにより実際にかけられた力の量を示す。全負荷動作は６７において表され、歯に対する毛の圧力以外の負荷を含む。駆動系の後端及び磁石において生成された変位は、ブロック６８により表される。該変位は、ブロック７０により表されるように、ホール効果センサからの信号をもたらす。次いで、ホール効果出力信号は、ブロック７４において処理され、全負荷による電圧及び出力の変化を決定する。該処理は、７６により示された、幾つかのサイクルに亘って出力を平均化することと、７８により示された、モータからの電子的及び力学的ノイズを含む該信号からのノイズをフィルタリングすることと、を含む。その結果は、該処理回路の残りの部分への入力信号となる、出力信号８０である。以上に示されたように、マイクロプロセッサは、ホール効果センサ出力を特定の変位力値に関連付ける、応答曲線又は情報のテーブル８１を含む。該応答曲線は典型的には、平均０乃至３００グラムの力については直線である。当該算出は、力の範囲に亘って力とホールセンサ値とを相関付けることを含む、８４により示された相関付けステップを含む。情報は継続的に供給される。

ホール効果動的負荷（位相シフト）感知システム（図９）はまた一般的に、ユーザによりかけられた圧力と、ブラシングの間に生じる全負荷９２とを含む。全動的負荷は、モータ駆動信号と、該システムの応答を表すホールセンサ出力信号との間に位相シフトをもたらす。ホールセンサ出力は、９８により示される。該センサ出力信号は、ホールセンサ自体を含む種々の源からのものであり得る信号ノイズ１００、及び時間経過による共鳴系の装着の変動又は該共鳴系における変化によって影響を受ける。ホールセンサ出力はまた、一般に駆動系からの振動によって生成される、動的なノイズ１００にも敏感である。ホールセンサ出力は次いで１０４において処理され、該処理は、きれいな出力信号を生成するためのフィルタリング１０６及び平均化１０８を含んでも良い。該信号は出力１０４と表され、更なる処理にかけられる。実際の位相シフトは、１１２において決定される。以上に示したように、位相シフトは、標準的なゼロ交差回路又はその他の構成により決定されても良い。位相シフトは、較正された機器について決定される。プロセッサは、該位相シフトを用い、一方の軸に沿った位相シフトを他方の軸に沿った圧力に関連付ける保存された情報１１４を利用して、動的圧力を算出する。位相シフト回路からの圧力は、１１６に示される。

毛の動きのピーク間運動も、いずれかの圧力測定システムによって決定されても良い。

典型的には、以上に示したように、少なくとも０乃至３００グラムの圧力の範囲における動的圧力に対する位相シフトについては、応答曲線は直線である。以上に示したように、変位（直接力）構成からの結果は、動的力（位相シフト）圧力情報からの結果は異なる結果をもたらす。これら２つの結果は次いで、図１０に示されたテーブルと比較され、予め設定された起動点、即ち３００グラム又はその他の設定値に対して結果となる効果を決定する。口の種々の部分によりもたらされる負荷は、列１２０に示される。これら部分は、歯、頬／舌、唇、歯と頬／舌との組み合わせ、歯と唇との組み合わせ、及び歯と唇と頬／舌との組み合わせを含む。直接力又は変位負荷測定値が正であり（列１２２）、位相シフト測定値が中程度の値であり（列１２４）、ピーク間値（列１２６）が僅かに減少している場合、列１３０に示されるように、起動点には変更は為されない。直接負荷測定値が負であり、位相シフトが小さく、ピーク間が少量の減少である場合、起動はされない。

直接の又は変位負荷測定値が略ゼロであり、位相シフトが小さく、ピーク間が少量の減少である場合、起動はされない。直接の負荷測定値が略ゼロであり、位相シフトが小さく、ピーク間が中程度の減少である場合、起動点が低下させられる。直接の負荷測定値が正であり、位相シフトが中程度あり、ピーク間が中程度の減少を示す場合、起動点圧力は不変のままとされる。

変位負荷情報が略ゼロであり、位相シフトが小さく、ピーク間の減少が大きい場合には、起動点が低下させられる。各場合における具体的な量は、個々の機器の特性に依存する。該結果は、歯及び歯肉に対する毛についての過度の力の使用についての、ユーザにとってのより正確な情報である。

説明の目的のため好適な実施例が開示されたが、請求項により定義された本発明の精神から逸脱することなく、該好適な実施例において種々の変更、変形及び代替が組み込まれ得ることは、理解されるべきである。

Claims (13)

1. 圧力センサを備えた電動歯ブラシであって、
   直接力測定により前記歯ブラシの毛によりユーザの歯に対してかけられた圧力を決定するためのシステムと、
   動的力測定により前記歯ブラシの前記毛により前記ユーザの歯に対してかけられた圧力を決定するためのシステムと、
   前記直接力測定及び前記動的力測定により決定された圧力に応じて、過度の毛の力を示す圧力の予め確立された量を調節する処理システムと、
   を有する電動歯ブラシ。
2. 前記直接力測定は、ブラシヘッドアセンブリの変位測定である、請求項１に記載の電動歯ブラシ。
3. 前記変位は、ホール効果センサにより決定される、請求項２に記載の電動歯ブラシ。
4. 駆動信号の位相に対する前記歯ブラシの位相シフト情報により、動的負荷測定が提供される、請求項１に記載の電動歯ブラシ。
5. 変位システムが、前記歯ブラシの駆動系部分の後端における磁石により生成される変化する磁場内に装着されたホール効果センサを含み、前記ホール効果センサの出力は、ブラシ要素に対する圧力により、前記駆動系の後端の変位に対応して、無負荷状態から変化し、プロセッサが、前記ホール効果センサの変位出力及び保存された情報に応じて、変位の情報からブラシング動作の間のブラシ部材にかけられる圧力を示す信号を生成する、請求項３に記載の電動歯ブラシ。
6. 前記プロセッサは、位相シフトの値を負荷に関連付ける前記機器における保存された情報に従って、ブラシング動作の間の前記ブラシヘッドに対する負荷による、ホール効果センサ情報の位相シフトを決定する、請求項４に記載の電動歯ブラシ。
7. 位相シフトシステムが、前記位相シフトを決定するためのゼロ交差回路を含む、請求項６に記載の電動歯ブラシ。
8. 前記プロセッサは、数回のサイクルに亘って前記ホール効果センサからの信号出力を平均化し、前記ホール信号出力からノイズをフィルタリングする機能を持つ、請求項４に記載の電動歯ブラシ。
9. 前記変位及び前記位相シフト情報は、継続的に供給される、請求項１に記載の電動歯ブラシ。
10. 前記変位測定値が正である場合、前記予め確立された閾値レベルが用いられる、請求項２に記載の電動歯ブラシ。
11. 前記変位測定値が負である場合、過度の圧力の起動信号がない、請求項１に記載の電動歯ブラシ。
12. 前記変位測定値が略ゼロであり、前記位相シフトが小さく、ピーク間が中程度まで減少する場合、起動閾値が低下させられる、請求項１に記載の電動歯ブラシ。
13. 前記変位測定値が略ゼロであり、前記位相シフトが小さく、ピーク間値に大きな減少がある場合、起動閾値が低下させられる、請求項１に記載の電動歯ブラシ。

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