JP2018510686A - アクチュエータの非線形性及び動的な駆動調整による自己適応型調整を有するパーソナルケア機器並びにその方法 - Google Patents

Abstract

パーソナルケア機器１０は、アクチュエータ１４と、駆動電流を監視するための電流センサ２８と、コントローラ２４と、を有する。周波数に対する振幅の非線形応答特性５８に従って動作可能なアクチュエータ１４は、駆動信号２５に応答して共振運動３８を行なうとともにワークピース２０と結合されるように構成された可動シャフト１８を含む。コントローラ２４は、（ｉ）監視された駆動電流２９における摂動に応答して複数の異なる特性負荷状態１００，１０２，１０４，１０６，１０８，１１０のうちの少なくとも１つを検出し、（ｉｉ）検出された特性負荷状態の関数として少なくとも２つの異なる駆動信号６６，７０から選択される駆動信号２５をアクチュエータ１４に動的に伝達する。このようにして、コントローラ２４は、ワークピース２０と結合されたアクチュエータ１４の共振ばね質量系の所与の負荷状態に対する力、ばね、質量、及び／又は、制振の追加的な負荷を含む複数の異なる特性負荷状態の間で可動シャフトの共振運動３８の自己適応型調整を実施する。

Description

本実施形態は、一般にパーソナルケア機器に関し、より具体的には、アクチュエータの非線形性及び動的な駆動調整による自己適応型振幅調整を有するパーソナルケア機器及びその方法に関する。

共振高周波の電気歯ブラシが、消費者によって一般的に使用されている。一部の消費者にとっての或る既知の不満は、装置が動作している間に装置を口から引き出す場合、これらの装置が使用中に混乱（例えば、唾液及び練り歯磨きの飛散）を生ずる可能性があることである。この問題は、消費者が歯ブラシに精通するにつれてすぐに克服される。しかし、浴室周りでの材料飛散の経験は、歯ブラシの初期印象に影響を及ぼし、通常の口腔ケアルーチンの一部としてこの製品を使用しないという決定につながる可能性がある。従って、消費者が装置を口外で操作しなければならない場合、飛散の可能性及び程度を低減する歯ブラシを有することが望ましい。

米国特許出願公開第２０１２／０２４６８４６号明細書に開示されているように、自動作動の歯ブラシは、混乱を避けるための解決策を特定している。自動作動の歯ブラシは、口に挿入されたときに装置を自動的に作動させるために、容量性センサを装置内で使用する。既知の歯ブラシでは、容量性センサはＯＮ／ＯＦＦスイッチとして働き、電源ボタンの必要性を排除する。しかし、既知の歯ブラシにおける容量性センサの使用による電源ボタンの排除は、口の外での振幅と口の外での振幅とを異なるようにするための非線形応答を利用しない。歯ブラシは口の外で一度電源が切られる。

消費者、特に手動歯ブラシを使用するのに慣れている消費者は、典型的には、電子歯ブラシを初めて使用するときに訓練期間を経験する。これらの消費者の多くにとって、電子歯ブラシの動作によって生成される混乱（例えば、飛散）は、高周波共鳴電子歯ブラシを使用することの欠点となり得る。さらに、そのような経験は、彼らが定期的なブラッシングルーチンの一部としてこの装置を使用する可能性を低減し、及び／又は、電子歯ブラシを全く使用しないという決定に寄与する可能性がある。したがって、当該技術分野の問題を克服するための改良された方法及び装置が望まれている。

本開示の或る態様によれば、パーソナルケア機器は、非線形振幅／周波数応答特性及び自己適応型振幅調整を有する共鳴電子歯ブラシを有する。パーソナルケア機器は、口から取り外す際に自動的にパワーを低減し、口の中で操作すると自動的にパワーを増加させる。自動的にパワーを減らすことは、フルパワーとは対照的に、口の外で操作した場合に起こり得る材料飛散の量を有利に低減する。共鳴電子歯ブラシは、また、口の中での動作に応答して、即ち、フルパワーで所望の洗浄効果を達成するために自動的にパワーを増加させる。従って、実施形態は、消費者の経験を有利に改善する。

他の態様によれば、パーソナルケア機器は、静電容量式センサを使用することにより電源ボタンの必要性を排除した、上述したような、自動作動を具備する既知の歯ブラシの欠点を克服する電子歯ブラシを有する。対照的に、電子歯ブラシに関しては、本開示の実施形態は、使用中に電源が投入され、歯ブラシモータの非線形応答特性を利用して、口の外の振幅に対して口内で異なる振幅を送達する。

さらに、本開示の他の態様によれば、電子歯ブラシは、口の外で使用されるときにパワーが大幅に低減されるように動作するように構成され、これにより、飛散の問題を有利に防止又は大幅に低減し、消費者、特に高周波共振歯ブラシの使用に慣れていない消費者にとっての最初の印象経験を改善可能にする。

一態様によれば、複数の異なる特性負荷状態の中で自己適応型振幅調整により動作可能なパーソナルケア機器は、アクチュエータ、電流センサ、及び、コントローラを有する。アクチュエータは、駆動信号に応答して共振運動するとともにブラシヘッドなどのワークピースに結合されるように構成された可動シャフトを含む。アクチュエータは、周波数に対する運動振幅の非線形応答特性に従って更に動作可能である。コントローラは、駆動電流を監視するように構成された電流センサを介してアクチュエータに結合される。コントローラは、（ｉ）監視された駆動電流の摂動に応答して複数の異なる特性負荷状態の少なくとも１つを検出し、（ｉｉ）アクチュエータに駆動信号を動的に伝達するように構成される。動的に伝達される駆動信号は、複数の異なる特性負荷状態の間で可動シャフトの共振運動の自己適応型振幅調整を実施するために、複数の異なる特性負荷状態の検出された特性負荷状態の関数として、少なくとも２つの異なる駆動信号から選択される。複数の異なる特性負荷状態は、ワークピースと結合されたアクチュエータの共振ばね質量系の所与の負荷状態に対する力、ばね、質量、及び、制振の１又は複数の追加的な負荷を含む。

他の態様によれば、共振運動は、回転共振運動及び並進共振運動の少なくとも１つを有する。或る実施形態では、回転共振運動は、（ｉ）４度以下の範囲にある第１回転角振幅と、（ｉｉ）８度乃至１２度の範囲にある第２回転角振幅と、を含む。

他の態様によれば、各駆動信号は、周波数及びデューティサイクルを持つ方形波を有する。或る実施形態では、コントローラは、（ｉ）口外状態に対応する特性負荷状態の検出に応じてアクチュエータに第１の駆動信号を動的に伝達し、（ｉｉ）（ｉｉ）（ａ）口との初期接触状態、（ｉｉ）（ｂ）可動シャフトの共振運動の振幅がアクチュエータの非線形応答特性の使用により第２の駆動信号の動作周波数においてフルパワー振幅まで自律的に増加する口内移行状態、（ｉｉ）（ｃ）制振された口内状態、及び、（ｉｉ）（ｄ）口外移行状態のうちの１又は複数に対応する特性負荷状態の検出に応じてアクチュエータに第２の駆動信号を動的に伝達し、（ｉｉｉ）口外状態に対応する特性負荷状態のリターン検出に応じてアクチュエータに第１の駆動信号を動的に伝達する。

或る実施形態では、第１の駆動信号の周波数は、静止周波数を含み、第２の駆動信号の周波数は、動作周波数を含み、静止周波数は、動作周波数とは異なっている。他の実施形態では、静止周波数は、アクチュエータの応答特性において最も高い電流感度が発生する周波数を有する。更なる実施形態では、動作周波数は、所望の清掃効果及びワークピースとの効率性を得るのに適した２００Ｈｚ乃至３００Ｈｚの範囲にある周波数を有する。

他の実施形態によれば、第１の駆動信号の方形波は、第１のデューティサイクルを含み、第２の駆動信号の方形波は、第１のデューティサイクルとは異なる第２のデューティサイクルを含む。例えば、第１の駆動信号の陽極性部分及び陰極性部分の各々に関し、第１のデューティサイクルは、１０：９０乃至３０：７０の範囲にあり、これは、それぞれ、１０％乃至３０％のＯＮ及び９０％乃至７０％のＯＦＦに対応している。さらに、第２の駆動信号の陽極性部分及び陰極性部分の各々に関し、第２のデューティサイクルは、９０：１０乃至７０：３０の範囲にあり、これは、それぞれ、９０％乃至７０％のＯＮ及び１０％乃至３０％のＯＦＦに対応している。

更に他の実施形態によれば、パーソナルケア機器により複数の異なる特性負荷状態の間で自己適応型振幅調整を行なう方法は、駆動信号に応答して共振運動を行なうとともにワークピースと結合されるように構成された可動シャフトを持つアクチュエータを供給するステップを有する。アクチュエータは、周波数に対する運動振幅の非線形応答特性に従って動作可能である。共振運動は、回転共振運動及び並進共振運動の少なくとも１つを有する。さらに、上記方法は、電流センサにより、アクチュエータへの駆動信号の駆動電流を監視するステップと、アクチュエータ及び電流センサに結合されたコントローラにより、監視された駆動電流における摂動に応答して複数の異なる特性負荷状態の少なくとも１つを検出するステップと、を有する。また、上記方法は、コントローラにより、複数の異なる特性負荷状態の間で可動シャフトの共振運動の自己適応型振幅調整を実現するために複数の異なる特性負荷状態の検出された特性負荷状態の関数として少なくとも２つの異なる駆動信号から選択された駆動信号をアクチュエータに動的に伝達するステップを更に有する。

以下の詳細な説明を読んで理解することにより、更なる利点及び有益性が当業者にとって明らかとなるであろう。

本開示の実施形態は、様々な構成要素及び構成要素の配置、並びに、様々なステップ及びステップの配置の形式をとることができる。従って、図面は、様々な実施形態を説明するためのものであり、実施形態を限定するものとして解釈されるべきではない。図面において、同様の参照番号は同様の要素を指す。さらに、図面は一定の縮尺で描かれていないことに留意されたい。
図１は、本開示の一実施形態に係るアクチュエータの非線形性及び動的な駆動調整による自己適応型振幅調整を備えたパーソナルケア機器の斜視図である。 図２は、本開示の一実施形態に係るパーソナルケア機器のアクチュエータの断面、コントローラ、及び、電流センサの概略図である。 図３は、本開示の一実施形態に係るパーソナルケア機器の、線分Ａ−Ａに沿った断面を含む、アクチュエータの磁石及び極アセンブリの断面図である。 図４は、本開示の一実施形態に係る図１のアクチュエータの振幅／周波数応答特性であり、無負荷応答に対する周波数応答曲線の振幅の非線形性を示すとともに、付与された負荷（即ち、負荷応答）の存在下での周波数応答曲線の形状における変化を示している。 図５は、本開示の一実施形態に係るパーソナルケア機器のコントローラを介した出力としての静止周波数における駆動波の電圧対時間のプロットである。 図６は、本開示の一実施形態に係るパーソナルケア機器のコントローラを介した出力としての動作周波数における駆動波の電圧対時間のプロットである。 図７は、本開示の一実施形態に従って検出されるパーソナルケア機器の複数の異なる特性負荷状態を示す、図１のアクチュエータのための振幅／周波数応答特性曲線である。 図８は、本開示の一実施形態に従って検出されるパーソナルケア機器の複数の異なる特性負荷状態を示す、図１のアクチュエータのための振幅／周波数応答特性曲線である。 図９は、本開示の一実施形態に従って検出されるパーソナルケア機器の複数の異なる特性負荷状態を示す、図１のアクチュエータのための振幅／周波数応答特性曲線である。 図１０は、本開示の一実施形態に従って検出されるパーソナルケア機器の複数の異なる特性負荷状態を示す、図１のアクチュエータのための振幅／周波数応答特性曲線である。 図１１は、本開示の一実施形態に従って検出されるパーソナルケア機器の複数の異なる特性負荷状態を示す、図１のアクチュエータのための振幅／周波数応答特性曲線である。 図１２は、本開示の一実施形態に従って検出されるパーソナルケア機器の複数の異なる特性負荷状態を示す、図１のアクチュエータのための振幅／周波数応答特性曲線である。

本開示の実施形態、並びに、その様々な特徴及び有利な詳細が、図面に記載及び／又は図示され、以下の説明において詳述される非限定的な実施例を参照してより完全に説明される。図面に示された特徴は必ずしも正確な縮尺で描かれておらず、一実施形態の特徴は、本明細書に明示的に述べられていなくても当業者が認識するであろう他の実施形態と共に使用され得ることに留意されたい。本開示の実施形態を不必要に不明瞭にしないために、周知の構成要素及び処理技術の説明が省略され得る。本明細書で使用される例は、本発明の実施形態が実施され得る方法の理解を容易にし、さらに、当業者が同じことを実施することを可能にすることを意図したものである。従って、本明細書の実施例は、添付の特許請求の範囲及び適用法によってのみ定義される本開示の実施形態の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。

本開示の実施形態は、本明細書に記載される特定の方法論、プロトコル、デバイス、装置、材料、用途などに限定されず、これらは変更され得ることが理解される。本明細書で使用する用語は、特定の実施形態のみを説明するために使用され、特許請求される実施形態の範囲を限定することを意図するものではないことも理解されたい。本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用する単数形「a」、「an」および「the」は、文脈上他に明確に指示しない限り、複数の言及を含むことに留意されたい。

他に定義されない限り、本明細書で使用される全ての技術用語及び科学用語は、本開示の実施形態が属する技術分野の当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書に記載された方法及び材料と類似又は同等の任意の方法及び材料が、実施形態の実施又は試験において使用され得るが、好ましい方法、デバイス及び材料が記載される。

本明細書に開示されているように、本開示の実施形態は、無負荷振幅／周波数応答において顕著な非線形挙動を有するとともに、負荷（即ち、力、質量、制振、及び、ばね）の存在下でより直線的な特性をも採用する共振系の使用に依拠している。一実施形態では、負荷の適用時に、パーソナルケア機器（例えば、電子歯ブラシ）は、無負荷状態で非直線性が存在する（低振幅）静止周波数よりもわずかに低い動作周波数で動作するように制御される。さらに、負荷の適用に応答して、共振系（例えば、アクチュエータ）の周波数振幅特性は、自己適応型振幅調整によって変化し、その結果、振幅が増加し、それによって共振系の非線形応答特性を利用する。負荷が除去されると、パーソナルケア機器は、静止周波数で以前の無負荷状態に戻るように積極的に駆動又は制御され、振幅は大幅に減少する。

ここで図１を参照すると、本開示の一実施形態に係る、アクチュエータの非直線性及び動的な駆動調整による自己適応型振幅調整を備えたパーソナルケア機器１０の斜視図が示されている。パーソナルケア機器１０は、アクチュエータ１４を含む駆動系（全体を参照番号１２で示す）を備える。一実施形態では、パーソナルケア機器１０は、共振電子歯ブラシを有する。アクチュエータ１４は、一般に、パーソナルケア機器１０のハンドル１６内に配置される。アクチュエータ１４は、共振磁気作用を利用して、ワークピース２０、例えば、電子歯ブラシ用の毛２２を備えたブラシヘッドを搭載した出力取付シャフト１８を駆動する。パーソナルケア機器は、コントローラ２４と、例えば、実際又は仮想のスイッチあるいは所与の機器の実装のための他の適切なＯＮ／ＯＦＦ機構を介して、機器をＯＮ及び／又はＯＦＦにするための手段２６と、をさらに有する。以下に議論されるように、或る動作モードでは、手段２６により機器がＯＮにされたことに応答して、コントローラ２４が、アクチュエータ１４に対して適切な駆動信号を出力する。

次に図２を参照すると、本開示の一実施形態に係るパーソナルケア機器１０のアクチュエータ１４の断面図、コントローラ２４、及び、電流センサ２８の概略図が示されている。コントローラ２４は、１又は複数の適切なマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、あるいは、他のタイプの制御デバイスを含むことができる。一実施形態では、コントローラ２４は、所与のパーソナルケア機器の実装の特定の要件に従って、信号線２５を介してアクチュエータ１４に回転駆動信号を供給するように構成される。例えば、回転駆動信号は、本明細書でさらに議論されるように、パーソナルケア機器１０のための複数の異なるアクチュエータ動作及び／又は動作モードを供給するように構成することができる。コントローラ２４は、例えば、入力信号線２３を介して、ＯＮ／ＯＦＦ信号又は任意の他の適切な起動信号を受信することもできる。

依然として図２を参照すると、電流センサ２８は、コントローラ２４の駆動信号出力とアクチュエータ１４の駆動信号入力との間に結合される。電流センサ２８は、コントローラ２４を介して出力され、アクチュエータ１４に入力される駆動信号の駆動電流を監視するのに使用するための任意の適切なセンサ又は構成要素を有する。以下に議論されるように、電流センサ２８によって検出された駆動電流は、例えば、信号線２９を介してコントローラ２４にフィードバックされ、駆動電流摂動を監視する。

図２を参照すると、一実施形態では、アクチュエータ１４は、内側半径方向表面３２とその長さ寸法に沿って長手方向に延びる主軸３４とを有する磁性材料の円筒形筐体３０を有する。アクチュエータは、主軸３４に沿って筐体３０内に長手方向に延びる磁化可能な材料のスピンドル３６をさらに有する。スピンドル３６は、筐体３０に対して、当技術分野で知られているベアリング又は他の適切な手段（図示せず）を介して、機械的に結合されている。その結果、スピンドル３６は、スピンドル３６との任意の適切な結合を介して出力取付シャフト１８に伝達される筐体３０に対してスピンドルの回転運動３８を示すことができる。本明細書でさらに説明するように、スピンドル３６の運動３８、従って、シャフト１８の運動は、共振運動を含むように制御される。

図２及び図３の両方を参照すると、接線方向アクチュエータ１４は、（ｉ）第１の永久磁石及び磁極アセンブリ４０、（ｉｉ）第２の永久磁石及び磁極アセンブリ４２、並びに、（ｉｉｉ）電磁コイル４４（又は、電磁コイル巻線）を有する。第１の永久磁石及び磁極アセンブリ４０は、第１の磁石アセンブリ４６と、２以上の磁極アセンブリ（例えば、２つの磁極アセンブリが示されている）を含むことができる第１の磁極アセンブリ４８と、を有することができる。同様に、第２の永久磁石及び磁極アセンブリ４２は、第２の磁石アセンブリ５０と、２以上の磁極アセンブリ（例えば、２つの磁極アセンブリが示されている）を含むことができる第２の磁極アセンブリ５２と、を有することができる。電磁コイル４４（又は、電磁コイル巻線）は、第１及び第２の磁石及び磁極アセンブリ４０，４２の間のスピンドル３６の周りに配置され、スピンドル３６に結合される。

ここで図３を参照すると、アクチュエータ１４の一部の磁石及び磁極アセンブリ４０のＡ−Ａに沿った断面図が示されている。図示のように、永久磁石及び磁極アセンブリ４０は、参照番号５４，５６でそれぞれ示され、第１の極性の順序を有する複数のＮ極性磁石及びＳ極性磁石を含む。一実施形態では、複数のＮ極性磁石及びＳ極性磁石は、筐体３０の内部半径方向表面３２の周りに、等間隔で配置された（即ち、等間隔Ｎ磁石及びＳ磁石配置）、等しい寸法の８つの磁石を有する。各Ｎ極性磁石５４及びＳ極性磁石５６は、筐体３０の内側半径方向表面３２上にさらに長手方向に、即ち、図面の紙面垂直方向に配置されている。磁石及び磁極アセンブリ４０は、参照番号５８で示される、スピンドル３６の周りに配置された半径方向の配置で等間隔に離間した等しい寸法の４つの磁極部材を有する磁極アセンブリ４８をさらに含む。この構成では、接線方向アクチュエータ１４は、接線方向アクチュエータ応答特性を提供する有効コギング位置を有する。所与のパーソナルケア機器の実装要件に従って、接線方向アクチュエータ１４の他の構成も可能である。

アクチュエータ部分１４の第２の永久磁石及び磁極アセンブリ４２は、以下の相違点を除いて、第１の永久磁石及び磁極アセンブリ４０と同様である。第２の永久磁石及び磁極アセンブリ４２は、第２の複数のＳ極性磁石及びＮ極性磁石５０を有し、第１の極性の順序と反対の第２の極性の順序を有する。さらに、第２の複数の磁石セグメントの各々は、筐体３０の半径方向内面に沿って長手方向に配置されている。アクチュエータ１４の第２の永久磁石及び磁極アセンブリ４２は、第１の磁極アセンブリ４８の磁極部材と同様に、スピンドル３６周りに放射状構成で配置された第２の磁極部材のセットを持つ第２の磁極アセンブリ５２を更に有する。

アクチュエータ２４は、コントローラ２４（図２）を介して電磁コイル４４に印加される回転駆動制御信号に応答して、主軸３４の周りでスピンドル３６を筐体３０に対して回転変位させ、ひいては所望の回転運動３８をスピンドル３４に与える。所望の回転運動は、例えば、本明細書でさらに議論されるように、所与のパーソナルケア機器の実施形態に適切な８°乃至１２°の範囲又は他の範囲のピークツーピーク振幅を有する回転運動を含むことができる。

ここで図４を参照すると、例えばアクチュエータ１４（図１乃至図３）などの共振ばね質量系の周波数応答特性５８が示されている。特に、共振ばね質量系は、無負荷状態で作動されたときに系が顕著な非線形挙動を示すように構成されている。これは、非線形ばねの使用によって達成することができる。このタイプの共振ばね質量系では、周波数の僅かな変化に対して振幅が大きく増加する。小さな周波数変化に対する振幅の大きな増加は、図４の「無負荷応答」曲線６２の「非直線性」６０と呼ばれる。さらに、この共振ばね質量系の場合、周波数応答曲線６２の形状は、加えられた負荷の存在下で、即ち口内で見られるものと同様に変化する。加えられた負荷の存在の変化は、図４の「負荷応答」曲線６４に反映されている。一実施形態によれば、本発明者らは、「非線形性」６０よりも僅かに低い周波数でこの系を動作させると、電子歯ブラシは、無負荷の低振幅６３（即ち、口外のブラシヘッド２０）で動作するとともに、負荷状態の高振幅６５で動作する（即ち、口内のブラシヘッド２０）で動作することを発見した。

さらに、本発明者らは、パーソナルケア機器の共振ばね質量系の駆動電流が、共振ばね質量系の振幅に密接に関係することを見出した。駆動電流は、例えば、振幅変動又は摂動を検出するための電流センサ２８（図２）により監視される。共振ばね質量系を備えた電子歯ブラシに関しては、共振ばね質量系の振幅が急速に減少すると、それは口が開いた状態として認識され、電子歯ブラシのコントローラ２４は、ブラシヘッドの動きをさらに低減するために駆動電力を減少させる。口が開いた状態でのブラシヘッドの動きのさらなる低下は、ブラシヘッド２０上に存在する流体が跳ねる又は飛散するのを有利に防止する。さらに、動作周波数は、コントローラ２４を介して、駆動電流が振幅変動に対して最高感度を有する値（本明細書では「静止周波数」とも呼ばれる）にシフトされる。この状態では、歯ブラシは安定した状態で動作する。ブラシヘッド２０が口に戻されたときの振幅及び電流は、安定から不安定に変化する。対応する摂動を捕捉すると、コントローラ２４を介して駆動周波数及びパワーが正常動作値に戻され、清掃の有効性のために所望の口腔内振幅が達成される。これは、複数の異なる特性負荷状態１００，１０２，１０４，１０６，１０８，１１０に関する図５乃至図１２を参照してさらに理解されるであろう。

複数の異なる特性負荷状態は、ワークピース２０に結合されたアクチュエータ１４の共振ばね質量系の所与の負荷状態に対する力、ばね、質量、及び、制振の１又は複数の追加の負荷を含む。負荷状態の異なるタイプは、力、ばね、質量、及び、制振の追加的な負荷のうちのどれが負荷状態に適用され、所与の負荷状態に影響するかに寄与することに留意すべきである。可動シャフトの共振運動３８の自己適応型振幅調整が、以下に提供される対応する記述において説明される複数の異なる特性負荷状態の中で実施される。

上述したように、コントローラ２４は、所与のパーソナルケア機器の実装の特定の要件に従って、信号線２５を介してアクチュエータ１４に回転駆動信号を供給するように構成される。例えば、回転駆動信号は、パーソナルケア機器１０のための複数の異なるアクチュエータ動作及び／又は動作モードを供給するように構成することができる。一実施形態では、各駆動信号は、周波数及びデューティサイクルを有する方形波を含む。以下においてより詳細に議論されるように、コントローラは、（ｉ）口外状態に対応する特性負荷状態の検出に応じてアクチュエータに第１の駆動信号を動的に伝達し、（ｉｉ）（ｉｉ）（ａ）口との初期接触状態、（ｉｉ）（ｂ）口内移行状態、（ｉｉ）（ｃ）制振された口内状態、及び、（ｉｉ）（ｄ）口外移行状態のうちの１又は複数に対応する特性負荷状態の検出に応じてアクチュエータに第２の駆動信号を動的に伝達し、（ｉｉｉ）口外状態に対応する特性負荷状態のリターン検出に応じてアクチュエータに第１の駆動信号を動的に伝達する。

一実施形態では、各駆動信号は、周波数及びデューティサイクルを有する方形波を含む。第１の駆動信号の周波数は、静止周波数を含み、第２の駆動信号の周波数は、動作周波数を含む。静止周波数は、動作周波数とは異なっていてもよい。一実施形態では、静止周波数は、所与のパーソナルケア機器の実装の要件に従って、動作周波数とは異なる２０Ｈｚ程度（例えば、２０Ｈｚより大きいか、又は、小さい）とすることができる。加えて、静止周波数は、アクチュエータの応答特性において最大電流感度が生じる周波数を含む。さらに、第１の駆動信号の方形波は、第１のデューティサイクルを含み、第２の駆動信号の方形波は、第１のデューティサイクルとは異なる第２のデューティサイクルを含む。

図５は、本開示の一実施形態に係るパーソナルケア機器１０のコントローラ２４を介した出力としての静止周波数における駆動波６６（即ち、第１の駆動信号）の電圧対時間のプロットである。静止周波数の一例は、図７、図８、及び、図１２の参照番号６８で示されている。静止周波数における駆動波６６は、対応する駆動周波数（即ち、１／Ｔ、ここでＴ＝信号周期）及びデューティサイクルによって特徴付けられる。デューティサイクルは、Ｔ_ｏｎ／（Ｔ_ｏｎ＋Ｔ_ｏｆｆ）の量で表され、ここで、（Ｔ_ｏｎ＋Ｔ_ｏｆｆ）＝Ｔ／２である。換言すれば、デューティサイクルは、第１の駆動信号の正の極性部分及び負の極性部分の各々に関して、ＯＦＦの割合に対するＯＮの割合である。第１の駆動信号のデューティサイクルは、ここで議論されるように、低パワー駆動、低パワー振幅、及び／又は、低パワー電流と更に関連して、所与のパーソナルケア機器の実装の要件に従って選択されたデューティサイクルを有することができる。例えば、第１の駆動信号のデューティサイクルは、低パワー駆動設定に対応する、１０：９０乃至３０：７０の範囲にあるデューティサイクルを含んでいてもよい。デューティサイクルの他の値も可能である。

図６は、本開示の一実施形態に係るパーソナルケア機器１０のコントローラ２４を介した出力としての動作周波数における駆動波７０（即ち、第２の駆動信号）の電圧対時間のプロットである。動作周波数の一例は、図８乃至図１２において参照番号７２で示されている。動作周波数における駆動波７０は、対応する駆動周波数（即ち、１／Ｔ、ここでＴ＝信号周期）及びデューティサイクルによって特徴付けられる。デューティサイクルは、Ｔ_ｏｎ／（Ｔ_ｏｎ＋Ｔ_ｏｆｆ）の量で表され、ここで、（Ｔ_ｏｎ＋Ｔ_ｏｆｆ）＝Ｔ／２である。換言すれば、デューティサイクルは、第２の駆動信号の正の極性部分及び負の極性部分の各々に関して、ＯＦＦの割合に対するＯＮの割合である。第２の駆動信号のデューティサイクルは、ここで議論されるように、フルパワー駆動、フルパワー振幅、及び／又は、フルパワー電流と更に関連して、所与のパーソナルケア機器の実装の要件に従って選択されたデューティサイクルを有することができる。例えば、第２の駆動信号のデューティサイクルは、低パワー駆動設定に対応する、７０：３０乃至９０：１０の範囲にあるデューティサイクルを含んでいてもよい。デューティサイクルの他の値も可能である。

次に図７を参照すると、口外状態１００の特性曲線が示されている。口外状態１００は、スタンバイ状態に対応する。スタンバイ状態では、コントローラ２４は、低い駆動パワーで共振ばね質量系、即ち、アクチュエータ１４を駆動する。低駆動パワーに応答して、共振ばね質量系は、低振幅（即ち、スピンドル３６及びブラシヘッド２０の回転運動３８の振幅に関して）にとどまっている。例えば、低振幅は、４度以下の範囲内の回転角振幅に対応することができる。さらに、コントローラ２４は、「静止周波数」６８に対応する周波数で共振ばね質量系を駆動する。本明細書で議論されるように、「静止周波数」６８は、駆動電流が振幅／周波数応答曲線において最大の傾きを有し、振幅が流体の飛散を防止するのに十分低い周波数である。図７では、低パワー振幅が参照番号７４によって示され、低パワー電流が参照番号７６によって示され、それぞれが静止周波数６８でそれぞれの値を有する。

ここで図８を参照すると、口との初期接触状態１０２に関する特性曲線が示されている。口との初期接触状態１０２は、検出状態に対応する。無負荷動作時には、駆動電流の値はかなり安定している。しかし、ブラシヘッド２０を口の内側に置くと、系の電流曲線は、シフト及び／又は変形する。口との最初の接触による摂動は、静止周波数６８が最も高い電流感度が生じる系を駆動するため、電流において容易に検出され得る。摂動の検出に応答して、コントローラ２４は、低駆動パワーの静止周波数６８からフル駆動パワーの動作周波数７２まで共振質量ばね系（即ち、アクチュエータ１４）を駆動する。さらに、フル駆動パワーで動作周波数において系を駆動することに応答して、共振ばね質量系は、低振幅から中振幅（即ち、スピンドル３６及びブラシヘッド２０の回転運動３８の振幅に関して）に移行する。例えば、中程度の振幅は、４度乃至８度の間の範囲内の回転角振幅に対応することができる。図８において、フルパワー振幅は、参照番号７８で示され、フルパワー電流は、参照番号８０で示され、それぞれは動作周波数７２でそれぞれの値を有する。

依然として図８を参照すると、曲線７４〜８０は、デューティサイクルシフト及び一定周波数の駆動信号を使用する効果を伝えるためにも使用できることに留意されたい。例えば、単一周波数（例えば静止周波数６８）及び低パワーデューティサイクルで駆動信号を維持しながら、低パワー振幅７４及び低パワー電流７６が得られる。周波数を維持しながら（即ち、静止周波数６８で）駆動信号のデューティサイクルをフルパワーデューティサイクルにシフトすると、静止周波数６８においてそれぞれの値を有するフルパワー振幅７８及びフルパワー電流８０が生成される。従って、本開示の実施形態は、所与のパーソナルケア機器の実装の要件に適するように、コントローラ２４が単一周波数でアクチュエータ駆動信号２５を維持しながら、低パワーデューティサイクルと高パワーデューティサイクルとの間で駆動信号を変調することを含む。

ここで図９を参照すると、口内移行状態１０４の特性曲線が示されている。口内移行状態１０４は、シフト状態に対応する。口内環境、例えば、水、唾液、練り歯磨きなどは、ブラシヘッド２０の慣性質量（ＭＯＩ）を増加させ、振幅／周波数応答の特性曲線を左に、即ち低周波数方向にシフトさせる。左にシフトしている間、特性曲線の非線形ジャンプ点が動作周波数７２を通過すると、共振ばね質量系（即ち、アクチュエータ１４）は、中振幅から高振幅に（即ち、スピンドル３６及びブラシヘッド２０の回転運動３８の振幅に関して）、それ自体が共振ばね質量系（即ち、アクチュエータ１４）の非線形応答特性の関数として遷移する。例えば、高振幅は、１２度を超える範囲の回転角振幅に対応することができる。言い換えると、図示のように、フルパワー振幅７８及びフルパワー電流８０の特性曲線は、口との初期接触状態に応答して生じる。図９に示されるように、シフト状態では、これらの特性曲線は、共振ばね質量系の非線形応答特性を利用して、それぞれ、参照番号７８_ｓで示される移行後のフルパワー振幅及び参照番号８０_ｓで示される移行後のフルパワー電流の曲線にシフトし、それぞれは動作周波数７２においてそれぞれの値を有する。

依然として図９を参照すると、より多くの慣性（ＭＯＩ）を追加した結果支配的に生じる系シフトは、デューティサイクル及び／又は動作周波数の調整なしに、パーソナルケア機器の性能に影響を及ぼす可能性があることに留意すべきである。言い換えれば、所与の負荷状態の負荷特性に、より多くのＭＯＩが追加されると、参照番号７８ｓによって示される移行後のフルパワー振幅及び参照番号８０_ｓによって示される移行後のフルパワー電流に関する曲線は、所与の程度、低周波数方向にシフトし続ける。結果として、各曲線は動作周波数７２においてそれぞれの値を有し、これは、シフトが低周波数方向に増加するにつれて、限定された程度まで減少する。

ここで図１０を参照すると、制振された口内状態１０６に関する特性曲線が図示されている。制振された口内状態１０６は、制振状態に対応する。ブラシヘッド２０が口の中にある間、口腔内の流体及び軟組織は、ブラシヘッドを制振するように作用し、振幅／周波数応答の特性曲線を下方（即ち、低振幅方向）に引き下げ、それらを滑らかにする。下方へシフトするが、非線形共振の関数としての共振ばね質量系（即ち、アクチュエータ１４）は、好ましい動作振幅である中間振幅に移行する。本明細書で開示されるように、制振された振幅は、本開示の実施形態に係る所望の洗浄効力を送達するのに十分な動作周波数７２での電子歯ブラシのフルパワー振幅を指す。言い換えると、示されているように、移行後のフルパワー振幅７８_ｓ及び移行後のフルパワー電力８０_ｓに関する特性曲線は、口内移行状態に応答して発生する。制振状態では、これらの特性曲線は、図１０に図示されるように、それぞれ動作周波数７２でのそれぞれの値を有する、制振振幅７８_Ｄ及び制振電流８０_Ｄに関する曲線に移行する。

ここで図１１を参照すると、口外移行状態１０８に関する特性曲線が示されている。口外移行状態１０８は、口外状態に対応する。ブラシヘッド２０を口外に置くと、口内装填、追加のＭＯＩ、及び、制振が除去され、それによって、共振ばね質量系（即ち、アクチュエータ１４）が無負荷状態に戻される。負荷状態から無負荷状態に移行する系に応答して、共振ばね質量系は、非線形共振の関数として高振幅から中振幅に遷移する。言い換えれば、共振ばね質量系の振幅／周波数応答の特性曲線は、制振振幅７８_Ｄ及び制振電流８０_Ｄから、それぞれ図１１に示されるように動作周波数７２においてそれぞれの値を有するフルパワー振幅７８及びフルパワー電流８０に遷移する。さらに、動作周波数７２での電流の大きな低下、即ち、高から中への変化は、ブラシヘッド２０が口内から口外に移動したことを示している。

ここで図１２を参照すると、口外に戻る状態１１０に関する特性曲線が示されている。口外に戻る状態１１０は、スタンバイ状態に戻ることに対応する。この状態では、動作周波数７２における電流の大きな低下、即ち、高から中への摂動が検出され、それによりブラシヘッドが口外に移動したことが示される。摂動の検出に応答して、コントローラ２４は、フル駆動パワーを有する動作周波数７２から低駆動パワーを有する静止周波数６８まで共振ばね質量系（即ち、アクチュエータ１４）を駆動する。さらに、低い駆動パワーを有する静止周波数６８で系を駆動することに応答して、共振ばね質量系は、中振幅から低振幅に遷移する。言い換えれば、図１２に示されるように、それぞれが動作周波数７２でそれぞれの値を有するフルパワー振幅７８及びフルパワー電流８０は、コントローラを介して出力される駆動信号に応答して、それぞれが静止周波数６８でそれぞれの値を有する低パワー振幅７４及び低パワー電流７６まで移行する。

再度図１２を参照すると、静止周波数６８は、動作周波数７２よりも大きいものとして示されていることに留意されたい。しかしながら、他の実施形態では、所定のパーソナルケア機器の実装の要件に従って、静止周波数は動作周波数より低くてもよく、又は、静止周波数は動作周波数に等しくてもよい。

本明細書の開示から理解されるように、無負荷動作中、駆動電流の値は非常に安定している。しかしながら、電子歯ブラシの場合、ブラシヘッドを口の内側に置くと、共振質量ばね系の特徴的な電流曲線がシフト及び／又は変形する。口の初期接触による摂動は、静止周波数が最も高い電流感度が生じる系を駆動するため、電流で容易に検出することができる。摂動の検出に応答して、コントローラは、共振ばね質量系を、低駆動パワーの静止周波数からフル駆動パワーの動作周波数まで駆動する。さらに、フル駆動パワーの動作周波数で系を駆動することに応答して、共振ばね質量系は、低振幅から中振幅に移行する。さらに口腔内に装填し、ＭＯＩを増加させると、アクチュエータの非線形応答特性の関数として、中振幅から高振幅へのアクチュエータのシフトが生じる。所望の洗浄効果をもたらすために動作周波数において十分な振幅を維持しながら、制振（減衰）が続く。口から出ると電流の大きな低下、即ち、高から中への摂動が検出され、次いで、コントローラは、共振ばね質量系を、フル駆動パワーを有する動作周波数から低駆動パワーの静止周波数まで駆動する。さらに、低駆動パワーの静止周波数で系を駆動することに応答して、共振ばね質量系は、中振幅から低振幅に遷移する。

以上、幾つかの例示的な実施形態について詳細に説明したが、当業者は、本開示の実施形態の新規な教示及び利点から実質的に逸脱することなく、例示的な実施形態において多くの変更が可能であることを容易に理解する。例えば、本明細書で議論される実施形態は、口内での振幅に対して口外での振幅を低減するための電動歯ブラシに関するものであるが、本開示の実施形態は、他のアプリケーションが、共振系の非線形応答特性を利用することによって、負荷状態の振幅に対して無負荷の振幅において違いを生じさせる電動歯ブラシ用途以外のパーソナルケア用途において、好適に使用され得る。従って、そのような変更の全ては、添付の特許請求の範囲で定義される本開示の実施形態の範囲内に含まれることが意図される。特許請求の範囲において、means-plus-function節は、構造的均等物だけでなく、列挙された機能を実行するものとして本明細書に記載された構造をカバーすることを意図している。

さらに、１又は複数の請求項の括弧内の参照符号は、請求項を限定するものと解釈されてはならない。「有する（comprising、comprises）」などの単語は、請求項又は明細書全体に列挙された要素又はステップ以外の要素又はステップの存在を排除するものではない。要素の単数の参照は、そのような要素の複数の参照を排除するものではなく、逆も同様である。１又は複数の実施形態は、幾つかの異なる要素を含むハードウェアによって、及び／又は、適切にプログラムされたコンピュータによって実装されてもよい。幾つかの手段を列挙する装置の請求項において、これらの手段の幾つかは、同一のハードウェアアイテムによって具体化されてもよい。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されているという単なる事実は、これらの手段の組合せが有利に使用できないことを示すものではない。

Claims (14)

1. 複数の異なる特性負荷状態の間で自己適応型振幅調整により動作可能なパーソナルケア機器であって、前記機器は、
   駆動信号に応答して共振運動するとともに、ワークピースに結合されるように構成された可動シャフトを持つアクチュエータであって、周波数に対する運動振幅の非線形応答特性に従って動作可能である前記アクチュエータと、
   駆動電流を監視するための電流センサと、
   前記電流センサを介して前記アクチュエータに結合されるコントローラと、
   を有し、
   前記コントローラは、（ｉ）前記監視された駆動電流における摂動に応じて前記複数の異なる特性負荷状態のうちの少なくとも１つを検出し、（ｉｉ）前記ワークピースと結合された前記アクチュエータの共振ばね質量系の所与の負荷状態に対する力、ばね、質量、及び、制振の１又は複数の追加的な負荷を含む前記複数の異なる特性負荷状態の間で前記可動シャフトの共振運動の自己適応型振幅調整を実現するために前記複数の異なる特性負荷状態の検出された特性負荷状態の関数として少なくとも２つの異なる駆動信号から選択された前記駆動信号を前記アクチュエータに動的に伝達する、機器。
2. 前記共振運動が、回転共振運動及び並進共振運動のうちの少なくとも１つを有する、請求項１記載の機器。
3. 前記回転共振運動が、（ｉ）４度以下の範囲にある第１回転角振幅と、（ｉｉ）８度乃至１２度の範囲にある第２回転角振幅と、を含む、請求項２記載の機器。
4. 各駆動信号が、周波数及びデューティサイクルを持つ方形波を有する、請求項１記載の機器。
5. 前記コントローラが、（ｉ）口外状態に対応する特性負荷状態の検出に応じて前記アクチュエータに第１の駆動信号を動的に伝達し、（ｉｉ）（ｉｉ）（ａ）口との初期接触状態、（ｉｉ）（ｂ）前記可動シャフトの共振運動の振幅が前記アクチュエータの非線形応答特性の使用により前記第２の駆動信号の動作周波数においてフルパワー振幅まで自律的に増加する口内移行状態、（ｉｉ）（ｃ）制振された口内状態、及び、（ｉｉ）（ｄ）口外移行状態のうちの１又は複数に対応する特性負荷状態の検出に応じて前記アクチュエータに第２の駆動信号を動的に伝達し、（ｉｉｉ）前記口外状態に対応する前記特性負荷状態のリターン検出に応じて前記アクチュエータに前記第１の駆動信号を動的に伝達する、請求項４記載の機器。
6. 前記第１の駆動信号の周波数が、静止周波数を含み、前記第２の駆動信号の周波数が、動作周波数を含み、前記静止周波数が、前記動作周波数と異なる、請求項５記載の機器。
7. 前記パーソナルケア機器が、電動歯ブラシを含み、前記ワークピースが、毛を具備するブラシヘッドを含む、請求項１記載の機器。
8. パーソナルケア機器により複数の異なる特性負荷状態の間で自己適応型調整を行なう方法であって、前記方法は、
   駆動信号に応答して共振運動するとともにワークピースと結合されるように構成された可動シャフトを持ち、周波数に対する運動振幅の非線形応答特性に従って動作可能であるアクチュエータを供給するステップであって、前記共振運動は、回転共振運動及び並進共振運動の少なくとも１つを有する前記ステップと、
   電流センサにより、前記アクチュエータへの前記駆動信号の駆動電流を監視するステップと、
   前記アクチュエータ及び前記電流センサに結合されたコントローラにより、前記監視された駆動電流における摂動に応答して前記複数の異なる特性負荷状態の少なくとも１つを検出するステップと、
   前記コントローラにより、前記ワークピースと結合された前記アクチュエータの共振ばね質量系の所与の負荷状態に対する力、ばね、質量、及び、制振の１又は複数の追加的な負荷を含む前記複数の異なる特性負荷状態の間で前記可動シャフトの共振運動の自己適応型振幅調整を実現するために前記複数の異なる特性負荷状態の検出された特性負荷状態の関数として少なくとも２つの異なる駆動信号から選択された前記駆動信号を前記アクチュエータに動的に伝達するステップと、
   を有する、方法。
9. 前記回転共振運動が、（ｉ）４度以下の範囲にある第１回転角振幅と、（ｉｉ）８度乃至１２度の範囲にある第２回転角振幅を含む、請求項８記載の方法。
10. 前記動的に伝達するステップが、（ｉ）口外状態に対応する内部状態の検出に応じて前記アクチュエータに第１の駆動信号を動的に伝達するステップ、（ｉｉ）（ｉｉ）（ａ）口との初期接触状態、（ｉｉ）（ｂ）前記可動シャフトの共振運動の振幅が前記アクチュエータの非線形応答特性の使用により前記第２の駆動信号の動作周波数においてフルパワー振幅まで自律的に増加する口内移行状態、（ｉｉ）（ｃ）制振された口内状態、及び、（ｉｉ）（ｄ）口外移行状態のうちの１又は複数に対応する特性負荷状態の検出に応じて前記アクチュエータに第２の駆動信号を動的に伝達するステップ、並びに、（ｉｉｉ）前記口外状態に対応する前記特性負荷状態のリターン検出に応じて前記アクチュエータに前記第１の駆動信号を動的に伝達するステップ、を有する、請求項８記載の方法。
11. 前記第１の駆動信号が、静止周波数及び第１のデューティサイクルを持つ方形波を含み、前記第２の駆動信号が、動作周波数及び第２のデューティサイクルを持つ方形波を含み、前記静止周波数が、前記動作周波数とは異なり、前記第２のデューティサイクルが、前記第１のデューティサイクルよりも大きい、請求項１０記載の方法。
12. 前記静止周波数が、前記アクチュエータの応答特性に応じて最も高い電流感度が発生する前記アクチュエータの周波数を有する、請求項１１記載の方法。
13. 前記動作周波数が、所望の清掃効果及び前記ワークピースとの効率性を得るのに適した２００Ｈｚ乃至３００Ｈｚの範囲にある周波数を有する、請求項１１記載の方法。
14. 前記第１の駆動信号の陽極性部分及び陰極性部分の各々に関し、前記第１のデューティサイクルは、１０：９０乃至３０：７０の範囲にあり、これは、それぞれ、１０％乃至３０％のＯＮ及び９０％乃至７０％のＯＦＦに対応し、前記第２の駆動信号の陽極性部分及び陰極性部分の各々に関し、前記第２のデューティサイクルは、９０：１０乃至７０：３０の範囲にあり、これは、それぞれ、９０％乃至７０％のＯＮ及び１０％乃至３０％のＯＦＦに対応する、請求項１１記載の方法。

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