JP6715373B2 - 電動クレンジングの力検出システム及び力検出方法 - Google Patents

電動クレンジングの力検出システム及び力検出方法 Download PDF

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Description

本発明は、力検出システム及び力検出方法に関し、特に、電動クレンジングの力検出システム及び力検出方法に関する。
近年、生活の質の向上に伴い、身体部位を洗浄するための電動クレンジング、例えば、電動歯ブラシ(electric toothbrush)、電動洗顔器(electric face wash machine)、又はその他の身体部位の洗浄に関連する電動器具が普及してきており、日常生活に不可欠なものとなっている。
電動歯ブラシを例にとると、歯の洗浄効果を効果的にする基本要求性能を有することに加えて、使用者が歯を過度に磨いて歯や歯茎を損傷させることを防止して保護するという性能も重要な研究課題である。
上述した歯や歯茎の保護性能を実現するには、歯や歯茎に与えられた力を電動歯ブラシにフィードバックする洗浄ヘッドの力検出が重要になる。洗浄ヘッドの力検出により、使用者が過度に力を入れて電動歯ブラシを使用すると、洗浄ヘッドの回転や揺動の速度を低下させることができ、使用者の歯や歯茎を保護する効果が得られる。
従来技術では、洗浄ヘッドの力検出によく用いられる方法が2つあり、1つは力検出器としてホール効果センサ(Hall−effect sensor)を使用し、検出された力に基づいて洗浄ヘッドの回転又は揺動の速度を調整して保護効果を達成する。しかしながら、この方法は、付加的なホール効果センサを使用するため、コスト、体積、及び制御回路設計の複雑さが増大する。もう1つは、過度の力から保護するために、精密な構造設計を使用して力検出を達成する。しかしながら、この方法は、機械構造が複雑であるため、高コスト、体積増加、高い故障率、及びメンテナンスの難しさをもたらす。
本発明の目的は、ホール効果センサ又は複雑な機械構造を力検出として使用することによって生じる問題を解決する電動クレンジングの力検出システム及び力検出方法を提供することである。
上記目的を達成するために、本発明の電動クレンジングの力検出システムは、洗浄ヘッドと、ステータとロータとを備える電動モータとを含む。ステータは、収容空間を有する鉄心と、主コイルと、補助コイルとを備える。ロータは、収容空間内に配置され、ロータ本体と、磁気素子群と、ロータ本体に接続される回転軸とを備え、回転軸を介して洗浄ヘッドに接続される。磁気素子群は、ロータ本体の対向する両側にそれぞれ配置され、互いに逆極性を有し、磁場方向に沿って磁力を与える2つの磁気素子を備える。主コイルは、磁場方向に垂直な第1方向に沿って鉄心に巻回され、補助コイルは、巻線構造であり、主コイルに隣接して設けられる。
上記目的を達成するために、本発明の電動クレンジングの力検出方法において、電動クレンジングは、洗浄ヘッドと、ステータとロータとを備える電動モータとを含み、ロータは、磁場方向に沿って磁力を与える磁気素子群と、洗浄ヘッドに接続される回転軸とを備え、ステータは、磁場方向に垂直な第1方向に沿ってステータの鉄心に巻回される主コイルと、巻線構造であり、主コイルに隣接して設けられる補助コイルとを備える。力検出方法は、(a)洗浄ヘッドが動作状態で外力を受けるステップと、(b)外力が回転軸を介してロータに伝達されてロータにトルクを発生させることで、磁場方向にステータの磁場を変化させるステップと、(c)補助コイルが変化した磁場を感知して電気信号を生成し、電気信号に基づいて外力の大きさを検出するステップと、を含む。
本発明に係る電動クレンジングの力検出システム及び力検出方法によれば、簡単なコイル構成の構造によって力検出を達成し、電動クレンジングの構造の単純化及び小型化を実現し、使用者の歯や歯茎を保護する効果を達成すことができる。
本発明に係る電動クレンジングの力検出システムを示す正面図である。 本発明に係る電動クレンジングの力検出システムを示す上面図である。 本発明に係る電動クレンジングの力検出システムの補助コイルが主コイルに隣接する第1の実施形態を示す概略図である。 本発明に係る電動クレンジングの力検出システムの補助コイルが主コイルに隣接する第2の実施形態を示す概略図である。 本発明に係る電動クレンジングの力検出システムの回路ユニットを示すブロック図である。 本発明に係る電動クレンジングの力検出方法のフローチャートである。
本発明の詳細な説明及び技術内容について、図面を参照して以下に説明するが、図面は、ただ参考及び説明に用いるのみであり、本発明の特許請求の範囲に制限を加えるものではない。
図1は、本発明に係る電動クレンジングの力検出システムを示す正面図である。図2は、本発明に係る電動クレンジングの力検出システムを示す上面図である。同図を参照すると、電動クレンジングは、電動歯ブラシ、電動洗顔器、又はその他の身体部位の洗浄に関連する電動器具であってもよい。以下では、電動歯ブラシを例に挙げて説明し、同一又は類似した動作原理及び技術的手段は、電動洗顔器やその他の身体部位洗浄に関連する電動器具にも適用される。
電動クレンジングの力検出システムは、電動モータ10と、洗浄ヘッド20とを含む。電動モータ10は、ステータ11と、ロータ12とを備える。なお、説明の便宜上、電動モータ10及び洗浄ヘッド20を図示しているが、実際の比率ではなく、本発明の技術的特徴はこれに限定されるものではない。一実施形態では、電動モータ10は、ステッパモータ(stepper motor)又はサーボモータ(servo motor)であってもよいが、本発明はこれらに限定されない。
ステータ11は、電動モータ10内の固定部であり、収容空間を有する鉄心111と、主コイル113と、補助コイル114とを備える。ロータ12は、電動モータ10の可動(例えば、回転や揺動)部であり、収容空間に配置され、ロータ本体121と、磁気素子群122と、ロータ本体121に接続される回転軸13とを備える。ロータ12は、回転軸13を介して洗浄ヘッド20に接続される。即ち、ロータ12が収容空間内で回転又は揺動すると、回転軸13を介して洗浄ヘッド20とロータ12とが結合されているため、洗浄ヘッド20もそれに応じて回転又は揺動する。
磁気素子群122は、2つの磁気素子を有し、2つの磁気素子は互いに逆極性を有する。例えば、一方の磁気素子はN極の永久磁石であり、他方の磁気素子はS極の永久磁石である。従って、2つの磁気素子は、磁場方向に沿って磁力を与える。ここで、磁場方向は、N極からS極への方向、即ち座標のX軸方向(以下、X軸方向という)である。本実施形態では、2つの磁気要素は、ロータ本体121の対向する両側にそれぞれ配置される。
主コイル113は、磁場方向に垂直な第1方向に沿って鉄心111に巻回される。ここで、第1方向が座標のY軸方向(以下、Y軸方向という)である。補助コイル114は、巻線構造であり、主コイル113に隣接して設けられる。主コイル113及び補助コイル114は、エナメルコイルであってもよい。本発明において、補助コイル114は、2つの方式で主コイル113に隣接して設けられる。これについて図3及び図4を参照して後述する。
図3は、本発明に係る電動クレンジングの力検出システムの補助コイルが主コイルに隣接する第1の実施形態を示す概略図である。第1の実施形態では、補助コイル114は、第1方向(即ち、Y軸方向)に沿って主コイル113に直接巻回されている。なお、補助コイル114の巻数を増やすことにより、補助コイル114の誘導効果を高めることができる。好ましくは、補助コイル114と主コイル113との巻数比は0.3以上である。言い換えれば、主コイル113の巻数が一定である場合、補助コイル114の巻数を増やすことにより、発生する誘導電流を増加させることができる。しかし、本発明は、上述した巻数比に限定されず、補助コイル114の巻数が誘導電流を正確に誘導することができればよい。詳細は後述する。
また、主コイル113及び補助コイル114は、絶縁フィルム(絶縁ワニスともいう)を有するエナメルコイルであるので、補助コイル114が主コイル113に直接巻回される場合の絶縁を提供することができる。なお、他の実施形態では、主コイル113と補助コイル114との間に、例えば、絶縁シート、絶縁テープ、絶縁接着剤などの絶縁部材を設けて絶縁効果を高めるようにしてもよい。
図4は、本発明に係る電動クレンジングの力検出システムの補助コイルが主コイルに隣接する第2の実施形態を示す概略図である。同図を参照すると、第2の実施形態では、補助コイル114が第1方向に巻回された後、主コイル113の一方側に配置される。つまり、補助コイル114は、主コイル113に直接巻回されず、主コイル113の一方側に直接隣接して設けられるか、又は絶縁部材を介して、主コイル113の一方側に隣接して設けられる。同様に、補助コイル114の巻数を増やすことにより補助コイル114の誘導効果を高めることで、誘導電流を正確に誘導する目的を達成することができる。
図5は、本発明に係る電動クレンジングの力検出システムの回路ユニットを示すブロック図である。図3及び図4と併せて参照すると、回路ユニット30は、駆動回路31と、整流回路32と、電圧安定化回路33と、コントローラ34とを備える。駆動回路31は、主コイル113に結合され、整流回路32は、補助コイル114に結合される。電圧安定化回路33は、整流回路32に結合される。コントローラ34は、駆動回路31と電圧安定化回路33とに結合される。具体的に、駆動回路31は、供給電源(図示せず)、例えばバッテリ給電のDC電源を受けて、駆動電源、例えば正負半サイクルの交番するAC電源に変換して、主コイル113に給電する。本実施形態では、駆動回路31は、Hブリッジ(H−bridge)回路である。Hブリッジ回路は、DC電源を受けて、その上下アームスイッチを制御することで、DC電源をAC駆動電力に変換する。
鉄心111に巻回された主コイル113は、第1の導体線を巻回して構成され、第1の導体線は、第1の端点と第2の端点との2つのコイル端部(ワイヤ端部ともいう)を有する。主コイル113は、2つのコイル端部が駆動回路31から出力されたAC駆動電に電気的に結合されることで、AC駆動電源によって給電される。主コイル113に隣接して設けられる補助コイル114は、第2の導体線を巻回して構成され、第2の導体線は、第3の端点と第4の端点との2つのコイル端部(ワイヤ端部ともいう)を有する。これら2つのコイル端部は、整流回路32に電気的に結合される。整流回路32を介して2つのコイル端部から出力された誘導電流を整流して、交番誘導電流を単一極性のDC電流にする。ただし、実際の回路動作では、誘導電流は、通常、電圧形態に変換されることが多い。例えば、抵抗素子を介して誘導電流を誘導電圧に変換して、整流回路32により誘導電圧を整流して、単一極性のDC電圧が得られる。
具体的に、磁気素子群122の2つの磁気素子は、磁場方向に沿って磁力を与え、AC駆動電源と協働して主コイル113に給電(通電)することにより、ロータ12が磁場中に力を受けて始動する。また、鉄心111の対向する両側に配置された互いに逆磁性を有する2つの磁気要素と協働して、N極とS極の永久磁石の誘引力及び反発力により、ロータ12が高速で左右に往復揺動する。ロータ12は、回転軸13を介して洗浄ヘッド20に接続されているので、洗浄ヘッド20も高速で左右に往復揺動することになる。これにより、使用者に口腔洗浄を行う効果を提供する。
使用者が電動クレンジング、例えば本実施形態の電動歯ブラシを使用する場合、洗浄ヘッド20は、動作状態で歯との接触による外力Fxを受ける。即ち、外力Fxが洗浄ヘッド20に印加する。外力Fxが回転軸13を介してロータ12に伝達され、ロータ12にトルクが発生して、磁場方向にステータ11の磁場が変化する。具体的には、洗浄ヘッド20に外力Fxが印加されると、外力Fxが回転軸13を介してロータ12に伝達され、その発生したトルクによって電流が変化し、磁場方向にステータ11の磁場が変化する。
本実施形態では、補助コイル114は、単に主コイル113に隣接して設けられ、外部電源によって給電されないため、ステータ11の磁場方向の磁場変化を感知して電気信号を生成する。ここで、この電気信号が誘導電流であってもよい。上述したように、補助コイル114の2つのコイル端部が整流回路32に電気的に結合されているので、補助コイル114から出力された誘導電流が誘導電圧に変換されて、整流回路32により整流されてDC電圧を生成する。また、電圧安定化回路33によってDC電圧が安定化されて、安定した電圧値の電圧が出力される。コントローラ34は、安定した電圧値の電圧を受けて、その電圧値の大きさに基づいて、上述した誘導電流と正の関連を有する外力Fxの大きさが分かる。
例えば、歯磨きに適切な力(受力)が約90〜150グラム(g)であり、150gの外力Fxに対応する補助コイル114によって生じた誘導電流が1ミリアンペア(mA)である場合には、外力Fxが減少すると、誘導電流は1mAより小さくなる一方、外力Fxが増加すると、誘導電流は1mAより大きくなる。また、上述したように、誘導電流が誘導電圧に変換されるので、コントローラ34は、受信した処理(整流、安定化)後の誘導電圧の大きさに基づいて、外力Fxの大きさを知ることができる。コントローラ34は、受信した処理(整流、安定化)後の誘導電圧が1ボルト(V)であり、それに対応する誘導電流が1mAである場合、外力Fxが150gであると判定することができる。従って、コントローラ34が受信した誘導電圧が1V未満の場合は、外力Fxが150g未満であることを示す一方、コントローラ34が受信した誘導電圧が1Vより大きい場合は、外力Fxが150g以上であることを示す。
従って、コントローラ34は、受信した誘導電圧の大きさに基づいて、洗浄ヘッド20が動作状態で歯に接触する外力Fxの大きさを判定することができる。さらに、コントローラ34は、例えば、PWM制御信号を生成して駆動回路31に送信するパルス幅変調(pulse width modulation、PWM)制御方式で駆動回路31を制御することにより、駆動回路31が主コイル113に給電するAC駆動電流の大きさを変更するように制御して、電動モータ10のロータ12が洗浄ヘッド20を駆動する揺動速度を制御する。ただし、本発明はこれに限定されない。具体的には、使用者が歯に洗浄ヘッド20を過度に押し付ける、即ち外力Fxが大きすぎる(例えば、150gを超える)と、コントローラ34が受信した誘導電圧が1Vよりも大きいので、コントローラ34は、主コイル113に給電するAC駆動電源の大きさを減少させるように駆動回路31を制御して、ロータ12の洗浄ヘッド20を駆動する揺動速度を下げることで、使用者の歯や歯茎を保護する効果が得られる。
上述したように、主コイル113と補助コイル114とが隣接して配置されることにより、ロータ12が磁場中に力を受けて高速で往復揺動するように主コイル113に給電する。また、補助コイル114が出力する誘導電流を誘導電圧に処理してコントローラ34に供給することにより、コントローラ34は、誘導電圧の大きさに基づいて外力Fxの大きさを知ることができる。従って、外力Fxが大きすぎると、洗浄ヘッド20の揺動速度を下げることで、使用者の歯や歯茎を保護する効果が得られる。
図6は、本発明に係る電動クレンジングの力検出方法のフローチャートである。電動クレンジングは、洗浄ヘッド20と、ステータ11とロータ12とを備える電動モータ10とを含む。ステータ11及びロータ12の構造は、既に説明したため、ここではその詳細は省略する。電動クレンジングの力検出方法は、以下のステップを含む。まず、洗浄ヘッド20は、動作状態で外力Fxを受ける(S11)。使用者が電動クレンジング、例えば本実施形態の電動歯ブラシを使用する場合、洗浄ヘッド20は、動作状態で歯との接触による外力Fxを受ける。即ち、外力Fxが洗浄ヘッド20に印加する。
そして、外力Fxが回転軸13を介してロータ12に伝達され、ロータ12にトルクが発生して、磁場方向にステータ11の磁場が変化する(S12)。具体的には、洗浄ヘッド20に外力Fxが印加されると、外力Fxが回転軸13を介してロータ12に伝達され、ロータ12にトルクを発生させ、その発生したトルクによって電流が変化し、磁場方向にステータ11の磁場が変化する。
そして、補助コイル114が変化した磁場を感知して電気信号を生成し、電気信号に基づいて外力Fxの大きさを検出する(S13)。補助コイル114は、主コイル113に隣接して設けられ、外部電源によって給電されないため、ステータ11の磁場方向の磁場変化を感知して電気信号を生成する。ここで、この電気信号が誘導電流であってもよい。補助コイル114の2つのコイル端部が整流回路32に電気的に結合されているので、補助コイル114から出力された誘導電流が誘導電圧に変換されて、整流回路32により整流されてDC電圧を生成する。また、電圧安定化回路33によってDC電圧が安定化されて、安定した電圧値の電圧が出力される。コントローラ34は、安定した電圧値の電圧を受けて、その電圧値の大きさに基づいて、上述した誘導電流と正の関連を有する外力Fxの大きさが分かる。
従って、コントローラ34は、受信した誘導電圧の大きさに基づいて、洗浄ヘッド20が動作状態で歯に接触する外力Fxの大きさを判定することができる。さらに、コントローラ34は、駆動回路31が主コイル113に給電するAC駆動電流の大きさを変更するように制御して、電動モータ10のロータ12が洗浄ヘッド20を駆動する揺動速度を制御する。具体的には、使用者が歯に洗浄ヘッド20を過度に押し付ける、即ち外力Fxが大きすぎると、コントローラ34が受信した誘導電圧が設定された基準電圧よりも大きいので、コントローラ34は、主コイル113に給電するAC駆動電源の大きさを減少させるように駆動回路31を制御して、ロータ12の洗浄ヘッド20を駆動する揺動速度を下げることで、使用者の歯や歯茎を保護する効果が得られる。
要約すると、本発明は、以下の特徴及び利点を有する。
1、簡単なコイル構成の構造により、補助コイル114が変化した磁力によって発生する電気信号を感知して外力Fxの大きさを検出することによって、電動クレンジングの構造を単純化及び小型化することができる。
2、外力Fxが大きすぎることを検出すると、ロータ12が洗浄ヘッド20を駆動する揺動速度を下げるように制御することにより、使用者の歯又は歯茎を保護する効果が得られる。
以上、本発明の好適な実施形態を挙げて説明したが、これは本発明の実施形態の一例に過ぎない。説明した実施形態は、本発明の範囲を限定するものではないことが理解されたい。当業者であれば本発明の概念又は技術的思想を含む各種の変動や交換は、本発明の保護を求める範囲内に属するものである。
10 電動モータ
20 洗浄ヘッド
30 回路ユニット
11 ステータ
12 ロータ
13 回転軸
111 鉄心
113 主コイル
114 補助コイル
121 ロータ本体
122 磁気素子群
31 駆動回路
32 整流回路
33 電圧安定化回路
34 コントローラ
Fx 外力

Claims (16)

  1. 洗浄ヘッド(20)と、
    ステータ(11)とロータ(12)とを備える電動モータ(10)とを含み、
    前記ステータ(11)は、収容空間を有する鉄心(111)と、主コイル(113)と、補助コイル(114)とを備え、
    前記ロータ(12)は、前記収容空間内に配置され、ロータ本体(121)と、磁気素子群(122)と、前記ロータ本体(121)に接続される回転軸(13)とを備え、前記回転軸(13)を介して洗浄ヘッド(20)に接続され、
    前記磁気素子群(122)は、前記ロータ本体(121)の対向する両側にそれぞれ配置され、互いに逆極性を有し、磁場方向に沿って磁力を与える2つの磁気素子を備え、
    前記主コイル(113)は、前記磁場方向に垂直な第1方向に沿って前記鉄心(111)に巻回され、
    前記補助コイル(114)は、巻線構造であり、前記主コイル(113)に隣接して設けられ
    洗浄ヘッド(20)が動作状態で外力(Fx)を受け、当該外力(Fx)が前記回転軸(13)を介して前記ロータ(12)に伝達されて、前記ロータ(12)にトルクが発生して、前記磁場方向に前記ステータ(11)の磁場が変化し、
    前記補助コイル(114)は、前記変化した磁場を感知して電気信号を生成し、
    前記電気信号に基づいて、前記外力(Fx)の大きさが検出されることを特徴とする電動クレンジングの力検出システム。
  2. 前記補助コイル(114)は、前記第1方向に沿って前記主コイル(113)に直接巻回されることを特徴とする請求項1に記載の電動クレンジングの力検出システム。
  3. 前記補助コイル(114)は、前記第1方向に沿って巻回された後、前記主コイル(113)の一側に配置されることを特徴とする請求項1に記載の電動クレンジングの力検出システム。
  4. 前記補助コイル(114)と前記主コイル(113)との間に絶縁部材が配置されることを特徴とする請求項2又は請求項3に記載の電動クレンジングの力検出システム。
  5. 前記補助コイル(114)と前記主コイル(113)との巻数比が0.3以上であることを特徴とする請求項1に記載の電動クレンジングの力検出システム。
  6. 前記主コイル(113)は、第1の端点及び第2の端点を有する第1の導体線を巻回して構成され、
    前記補助コイル(114)は、第3の端点及び第4の端点を有する第2の導体線を巻回して構成されることを特徴とする請求項1に記載の電動クレンジングの力検出システム。
  7. 前記洗浄ヘッド(20)が動作状態で外力(Fx)を受けると、前記第3の端点と前記第4の端点との間に電圧差が生じることを特徴とする請求項6に記載の電動クレンジングの力検出システム。
  8. 前記補助コイル(114)に結合され、前記補助コイル(114)によって生成された前記電気信号を受信し、前記電気信号に基づいて前記外力(Fx)の大きさを検出する回路ユニット(30)をさらに含むことを特徴とする請求項1に記載の電動クレンジングの力検出システム。
  9. 電動クレンジングの力検出方法であって、
    前記電動クレンジングは、洗浄ヘッド(20)と、ステータ(11)とロータ(12)とを備える電動モータ(10)とを含み、
    前記ロータ(12)は、磁場方向に沿って磁力を与える磁気素子群(122)と、洗浄ヘッド(20)に接続される回転軸(13)とを備え、
    前記ステータ(11)は、前記磁場方向に垂直な第1方向に沿って前記ステータ(11)の鉄心(111)に巻回される主コイル(113)と、巻線構造であり、前記主コイル(113)に隣接して設けられる補助コイル(114)とを備え、
    前記力検出方法は、
    (a)前記洗浄ヘッド(20)が動作状態で外力(Fx)を受けるステップと、
    (b)前記外力(Fx)が前記回転軸(13)を介して前記ロータ(12)に伝達されて前記ロータ(12)にトルクを発生させることで、前記磁場方向に前記ステータ(11)の磁場を変化させるステップと、
    (c)前記補助コイル(114)が前記変化した磁場を感知して電気信号を生成し、当該電気信号に基づいて前記外力Fxの大きさを検出するステップと、を含むことを特徴とする電動クレンジングの力検出方法。
  10. 前記補助コイル(114)は、前記第1方向に沿って前記主コイル(113)に直接巻回されることを特徴とする請求項9に記載の電動クレンジングの力検出方法。
  11. 前記補助コイル(114)は、前記第1方向に沿って巻回された後、前記主コイル(113)の一側に配置されることを特徴とする請求項に記載の電動クレンジングの力検出方法。
  12. 前記補助コイル(114)と前記主コイル(113)との間に絶縁部材が配置されることを特徴とする請求項10又は請求項11に記載の電動クレンジングの力検出方法。
  13. 前記補助コイル(114)と前記主コイル(113)との巻数比が0.3以上であることを特徴とする請求項9に記載の電動クレンジングの力検出方法。
  14. 前記主コイル(113)は、第1の端点及び第2の端点を有する第1の導体線を巻回して構成され、
    前記補助コイル(114)は、第3の端点及び第4の端点を有する第2の導体線を巻回して構成されることを特徴とする請求項9に記載の電動クレンジングの力検出方法。
  15. 前記洗浄ヘッド(20)が動作状態で外力(Fx)を受けると、前記第3の端点と前記第4の端点との間に電圧差が生じることを特徴とする請求項14に記載の電動クレンジングの力検出方法。
  16. 前記電動クレンジングは、回路ユニット(30)をさらに含み、
    前記ステップ(c)の後に、
    (d)前記回路ユニット(30)は、前記補助コイル(114)によって生成された前記電気信号を受信し、前記電気信号に基づいて前記外力(Fx)の大きさを検出するステップを含むことを特徴とする請求項9に記載の電動クレンジングの力検出方法。
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