專利名稱：電動牙刷的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種電動牙刷。
背景技術：
目前，已知有通過使高速運動的刷毛(brush)接觸牙齒來進行刷牙(除去食物殘 渣和牙齒污垢)那樣類型的電動牙刷。在該類型的電動牙刷中，以提高牙垢除去力和提高 治療感為目標提出了各種驅動機構以及驅動方法。例如在專利文獻1、2中公開了通過馬達旋轉方向的切換能夠對旋轉往復運動(旋 轉運動)與直線往復運動(直線運動)進行切換的電動牙刷。另外，在專利文獻3中公開了分四個階段或八個階段檢測牙刷主體在軸周圍的朝 向并根據(jù)檢測結果來推定磨刷部位的構思。具體而言，在主體內(nèi)部沿圓周方向設置有多個 扇狀的分區(qū)，根據(jù)電阻的變化來檢測導電性的球進入到哪個區(qū)劃中，由此來推定牙刷主體 的動作。但是，這樣的機構難以緊湊化，而且通過牙刷的運動使球的位置變得不穩(wěn)定，因而 難以獲得高的檢測精度。此外，在專利文獻3中，針對每個部位記錄磨刷的次數(shù)和時間，并 輸出是否適當進行磨刷的評價。專利文獻1 JP實開平4-15426號公報專利文獻2 JP特開平5-123221號公報專利文獻3 JP特開2005-152217號公報

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明所要解決的問題本發(fā)明的目的在于提供一種進一步提高電動牙刷的齒垢除去力和治療感的技術。用于解決問題的手段為了達到上述目的，本發(fā)明采用了如下的構成。本發(fā)明的電動牙刷具有刷毛；驅動機構，其使所述刷毛運動；姿勢檢測機構，其 檢測所述刷毛的姿勢；部位推定機構，其根據(jù)所檢測出的姿勢來推定磨刷部位；控制機構， 其對應于所推定的磨刷部位來切換所述驅動機構的動作模式。在此，所謂的“磨刷部位”是指，在通過區(qū)分口腔內(nèi)的齒列表面來定義的多個部位 中，由刷毛進行磨刷(刷毛接觸)的部位。根據(jù)牙齒的種類(上顎/下顎、磨牙/切牙等) 或部位(舌側/頰側、齒面/咬合面、齒周凹縫等)的不同，而食物殘渣及牙垢的附著方式也 不同的。因此，針對每個部位有效的磨刷動作，例如刷毛的接觸方法、動作方法、速度等均有 所不同。另外，即使是相同種類的牙齒，刷毛在齒列的右側和左側的接觸方法也是相反的。因此，本發(fā)明的電動牙刷采用了自動推定磨刷部位，并且對應于所推定的磨刷部 位來自動切換動作模式的構成。由此，能夠根據(jù)各磨刷部位來實現(xiàn)適當?shù)哪ニ幼?，能夠?待牙垢除去力及治療感的進一步提高。優(yōu)選所述驅動機構包括旋轉馬達，所述控制機構對應于磨刷部位來切換所述旋轉
3馬達的旋轉方向。由此，能夠與磨刷部位相對應地改變刷毛的運動方向(刷毛毛尖的動作)。例如， 可以實施控制，以使刷毛的毛尖沿著使牙垢從齒周凹縫磨刷出的方向進行運動。優(yōu)選所述控制機構對應于磨刷部位來切換所述刷毛的運動頻率。例如，可以實施以下的控制，在敏感的部位(不優(yōu)選強力磨刷的部位)降低運動頻 率，而在期望良好刷掃效果的部位提高運動頻率等。優(yōu)選所述姿勢檢測機構具有加速度傳感器，所述姿勢檢測機構根據(jù)所述加速度傳 感器的輸出來檢測出所述刷毛的三維姿勢。由此，能夠高精度地判定刷毛的姿勢，能夠比以往更高精度且高分辨率地判定磨 刷部位。另外，由于加速度傳感器較為小型，因此也容易組裝于電動牙刷主體中。也可以使 用單軸加速度傳感器，優(yōu)選可以使用多軸(雙軸、三軸或三軸以上)的加速度傳感器。優(yōu)選所述姿勢檢測機構具有陀螺儀，所述姿勢檢測機構根據(jù)所述加速度傳感器的 輸出和所述陀螺儀的輸出來檢測出所述刷毛的三維姿勢。在加速度傳感器的輸出中，包含有重力加速度成分和動加速度成分。其中表示刷 毛的三維姿勢的是重力加速度成分，動加速度成分成為不需要的信號成分。因此，通過參照 陀螺儀的輸出來去除動加速度成分，能夠更高精度地計算出刷毛的三維姿勢。優(yōu)選還具有刷角推定機構，所述刷角推定機構根據(jù)所檢測出的姿勢來推定刷角， 所述刷角為所述刷毛相對于齒軸的角度，所述控制機構對應于所推定的磨刷部位和刷角來 切換所述驅動機構的動作模式。通過還考慮了刷毛角度，能夠實現(xiàn)更適當?shù)哪ニ幼?。?yōu)選還具有負載檢測機構，所述負載檢測機構檢測作用于所述刷毛的負載，所述 控制機構在負載未作用于所述刷毛的期間禁止所述動作模式的切換。例如將刷毛從齒列的右側向左側移動時，大大改變了刷毛的姿勢，因而有可能在 移動的期間頻繁地切換動作模式。這樣的現(xiàn)象造成控制不穩(wěn)定，并且產(chǎn)生無用的耗電。因 此，如本發(fā)明那樣，通過在負載未作用到刷毛的期間禁止動作模式的切換，能夠抑制在牙刷 移動中發(fā)生上述現(xiàn)象。此外，能夠將所述機構和各處理盡可能相互組合來構成本發(fā)明。發(fā)明的效果本發(fā)明能夠進一步提高電動牙刷的牙垢除去力和治療感。


圖1是第一實施方式的電動牙刷的框圖。圖2是表示第一實施方式的電動牙刷的內(nèi)部結構的剖視圖。圖3是表示電動牙刷的外觀的立體圖。圖4是表示磨刷部位的劃分的圖。圖5是表示第一實施方式的動作模式自動控制的主程序的流程圖。圖6是第一實施方式的姿勢檢測處理的流程圖。圖7是第一實施方式的磨刷部位推定處理(上顎)的流程圖。圖8是第一實施方式的磨刷部位推定處理(下顎)的流程圖。
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圖9是第一實施方式的動作模式切換處理的流程圖。圖10是表示上顎的各磨刷部位的加速度傳感器輸出Ax、Ay、Az的一個例子的圖。圖11是表示下顎的各磨刷部位的各加速度傳感器輸出Ax、Ay、Az的一個例子的 圖。圖12是示意性地表示馬達的旋轉方向和刷毛的動作的圖。圖13是第二實施方式的動作模式切換處理的流程圖。圖14是用于說明刷毛軌跡的圖。圖15是表示刷角與刷毛動作的關系的圖。圖16是表示隨著刷角的變化而發(fā)生傳感器輸出的波形變化的圖。圖17是表示第三實施方式的動作模式自動控制的主程序的流程圖。圖18是第三實施方式的動作模式切換處理的流程圖。圖19是第四實施方式的電動牙刷的框圖。圖20是第五實施方式的電動牙刷的框圖。圖21是表示第五實施方式的動作模式自動控制的主程序的流程圖。圖22是表示刷毛按壓牙齒時的牙刷主體的姿勢變化的圖。圖23是表示隨著圖22中的姿勢變化而發(fā)生傳感器輸出的波形變化的圖。圖24是表示第六實施方式的電動牙刷的刷毛部分的立體圖。圖25是第六實施方式的磨刷部位推定處理(上顎)的流程圖。圖26是第六實施方式的磨刷部位推定處理(下顎)的流程圖。圖27是用于說明加速度傳感器輸出的噪聲下降的圖。圖28是表示電動牙刷的姿勢角度的定義的圖。圖29是用于說明驅動速度的改變控制的圖。圖30是表示第七實施方式的電動牙刷的刷毛部分的立體圖。圖31是用于說明第八實施方式的姿勢檢測的圖。圖32是第九實施方式的姿勢信息更新處理的流程圖。
具體實施例方式下面參照附圖，例示性地詳細說明本發(fā)明的最佳實施方式(第一實施方式)〈電動牙刷的構成〉參照圖1、圖2、圖3，對電動牙刷的構成進行說明。圖1是第一實施方式的電動牙 刷的框圖，圖2是表示第一實施方式的電動牙刷的內(nèi)部結構的剖視圖，圖3是表示電動牙刷 的外觀的立體圖。電動牙刷具有內(nèi)置有作為驅動源的馬達10的電動牙刷主體1 (以下也簡稱為“主 體1”)、和具有刷毛(brush) 210的振動構件2。主體1大致呈圓筒形狀，兼作刷牙時供使用 者手握的把手部。在主體1中設置有用于開閉電源的開關S。另外，在主體1的內(nèi)部設置有作為驅動 源的馬達10、驅動電路12、作為2，4V電源的充電電池13和充電用的線圈14等。在對充電 電池13進行充電時，在充電器100上僅僅載置有主體1，能夠通過電磁感應而以非接觸方式
5來進行充電。驅動電路12具有用于執(zhí)行各種運算和控制的CPU(輸出輸入處理部)120、用 于存儲程序及各種設定值的存儲器121和計時器122等。進而，在主體1內(nèi)部設置有多軸(在此指X、y、z三個軸)加速度傳感器15。如圖 3所示，加速度傳感器15被設置為，使χ軸與刷毛面平行，y軸與主體1的長度方向一致，ζ 軸與刷毛面垂直。也就是說，當將主體1載置在充電器100上時，重力加速度矢量與y軸平 行；當將刷毛面朝上時，重力加速度矢量與ζ軸平行；當將主體1置為水平而使刷毛面朝向 側向時，則重力加速度矢量與χ軸平行。加速度傳感器15的各軸的輸出被輸入至CPU120 中，以用于檢測刷毛的三維姿勢。作為加速度傳感器15，可優(yōu)選利用壓電電阻式、靜電電容式或者熱檢測式的 MEMS(微機電系統(tǒng)，Micro Electro Mechanical Systems)傳感器。這是因為MEMS傳感器 非常小型，容易組裝在主體1的內(nèi)部。但是，加速度傳感器15的型式并不局限于此，也可以 利用電動式、應變儀式、壓電式等的傳感器。另外，雖然沒有特別圖示，但是設置用于補償各 軸的傳感器的敏感度的平衡、敏感度的溫度特性以及溫度變動等的補償電路也可以。另外， 也可以設置用于除去動加速度成分及噪聲的帶通濾波器(低通濾波器)。另外，通過使加速 度傳感器的輸出波形平滑化，也可以降低噪聲。圖27表示通過使前后數(shù)100msec的數(shù)據(jù)平 均化來降低輸出波形的高頻噪聲的例子。振動構件2具有被固定在主體1側的桿(stem)部20和安裝于該桿部20的刷構 件21。刷毛210植毛在刷構件21的前端。刷構件21屬于消耗構件，為了便于更換新物，其 構成為可自由裝卸于桿部20上。桿部20由樹脂材料構成。桿部20借助由彈性體構成的彈性構件202安裝于主 體1上。桿部20是用于封閉前端(刷毛側的端部)的筒狀構件，在筒內(nèi)部的前端具有軸承 203。與馬達10的轉軸11相連接的偏心軸30的前端插入于桿部20的軸承203中。該偏 心軸30在軸承203的附近具有配重300，偏心軸30的重心從其旋轉中心偏移。此外，在偏 心軸30的前端與軸承203之間設置有微小的間隙。〈電動牙刷的驅動原理〉CPU120將對應于動作模式的驅動信號(例如脈沖寬度調(diào)頻信號)供給至馬達10， 使馬達10的旋轉軸11旋轉。隨著旋轉軸11的旋轉而偏心軸30也旋轉，但是，因為偏心 軸30的重心偏移，而進行了圍繞旋轉中心旋轉那樣的運動。因此，偏心軸30的前端與軸承 203的內(nèi)壁反復發(fā)生碰撞，由此使桿部20及安裝于其上的刷構件21高速振動(運動)。也 就是說，馬達10起到了使牙刷振動(運動)的驅動機構的作用，而偏心軸30起到了將馬達 10的輸出(旋轉)轉換為振動構件2的振動的運動傳遞機構(運動轉換機構)的作用。使用者手持主體1，使高速振動的刷毛210接觸牙齒，由此能夠進行磨刷。此外， CPU120使用計時器122監(jiān)控持續(xù)動作時間，經(jīng)過了規(guī)定時間(例如2分鐘)時，即自動停止 刷毛的振動。在本實施方式的電動牙刷中，作為運動傳遞機構的偏心軸30被內(nèi)置于振動構件2 中，特別是配重300被配置于刷毛210的附近。由此，能夠使刷毛210部分有效地進行振動。 另一方面，由于振動構件2 (桿部20)借助彈性構件202安裝于主體1上，因此難以將振動 構件2的振動傳遞到主體1上。因而，能夠降低磨刷牙齒時主體1和手的振動，能夠提高使 用感。
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<電動牙刷的動作>由于牙齒種類(上顎/下顎、磨牙/切牙等)或部位(舌側/頰側、齒面/咬合面 等)的不同，而食物殘渣及牙垢的附著方式也不同。因此，對齒列的每個部位有效的磨刷動 作，例如牙齒的接觸方法(刷角及刷壓)、動作方法、速度、磨刷時間等也有所不同。另外，即 使是相同種類的牙齒，牙齒的接觸方法在齒列的右和左兩側是相反的。因此，本實施方式的電動牙刷，根據(jù)由加速度傳感器15檢測出的刷毛姿勢來推定 磨刷部位，對應于磨刷部位來自動切換馬達10的動作模式(旋轉方向、轉速等)。在本實施方式中，如圖4所示，將上下的齒列劃分為“上顎前頰側”、“上顎前舌側”、 “上顎左頰側”、“上顎左舌側”、“上顎左咬合面”、“上顎右頰側”、“上顎右舌側”、“上顎右咬合 面”、“下顎前頰側”、“下顎前舌側”、“下顎左頰側”、“下顎左舌側”、“下顎左咬合面”、“下顎右 頰側”、“下顎右舌側”和“下顎右咬合面” 16個部位。但是，齒列的劃分并不局限于此，也可 以更粗略地劃分，也可以更細的劃分。參照圖5 圖9的流程圖，具體地說明動作模式的自動控制的流程。圖5是主程 序的流程圖，圖6 圖9是表示主程序的各處理的詳細情況的流程圖。此外，只要不特別作 事先聲明，后述的處理均是由CPU120按照程序來執(zhí)行的處理。當接通電動牙刷的電源時，CPU120根據(jù)加速度傳感器15的輸出來檢測刷毛的姿 勢(傾斜)(SlO)。接著，CPU120根據(jù)在SlO中檢測出的姿勢來推定磨刷部位(S20)。接著， CPU120對應于經(jīng)S20推定的磨刷部位來執(zhí)行切換動作模式的控制(S30)。每隔一定時間重 復執(zhí)行SlO S30的處理，每當磨刷部位變化時，便適當?shù)馗淖儎幼髂Ｊ健．旊娫辞袛?，?持續(xù)動作時間達到規(guī)定時間(例如2分鐘)時，便通過手動進行動作模式切換，結束圖5的 主程序。以下，對SlO S30的處理進行詳細說明。<姿勢的檢測>圖6是姿勢檢測處理(SlO)的流程圖。CPU 120從加速度傳感器15獲取x、y、ζ各自的輸出Ax、Ay、Az (SlOO)。Ax表示χ 方向的加速度成分，Ay表示y方向的加速度成分，Az表示Z方向的加速度成分。當牙刷處 于靜止狀態(tài)時(動加速度未作用于加速度傳感器15時)，Ax、Ay、Az的合成矢量A相當于 重力加速度。在此，將A= (Ax, Ay> Az)稱為姿勢矢量。在此，姿勢矢量A= (Ax、Ay、Az)的大小大于1. 2g(g為重力加速度)的情況下 (S101 ；是)，送回錯誤信息(S102)。這是因為若加速度傳感器輸出中含有較多的動加速度 成分時，則難以正確限定重力加速度的方向(即刷毛的三維姿勢)。此外，也可以不像步驟 S102那樣送回錯誤信息，而重復SlOO和SlOl的處理，直到獲得合成矢量的大小為1. 2g以 下的加速度傳感器輸出Ax、Ay、Az。此外，錯誤判定的閾值不限于1. 2g，也可以是其他值。<磨刷部位的推定>圖7、圖8是磨刷部位推定處理(S20)的流程圖。另外，圖10、圖11是表示每個磨 刷部位的加速度傳感器輸出Ax、Ay、Az的一個例子的圖。首先，CPU120根據(jù)ζ方向的加速度傳感器的輸出Az，判定磨刷部位是上顎還是下 顎(S700)。磨刷上顎的齒列時，刷毛面大多朝上；磨刷下顎的齒列時，刷毛面大多朝下；可 著眼于此進行判定。當Az > 0時判定為下顎(S801)，當Az < 0時判定為上顎(S701)。(1)上顎的情形
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CPU120，基于y方向的加速度傳感器的輸出Ay判定是否是門牙(S702)。磨刷門 牙時牙刷主體1變得比較水平，但磨刷磨牙時會與唇發(fā)生干涉，因而不得不使牙刷主體1傾 斜，著眼于此進行判定。當Ay彡閾值a時，判定為上顎門牙(S703)。當判定為上顎門牙時，CPU120根據(jù)χ方向的加速度傳感器的輸出Ax來判定是在頰 側還是在舌側(S704)。頰側和舌側，著眼于刷毛的朝向是否反轉進行判定。當Ax >0時， 判定為“上顎前頰側” (S705)，當Ax彡0時，判定為“上顎前舌側” (S706)。另一方面，在以S702判定為非上顎門牙的情況下，CPU120根據(jù)χ方向的加速度傳 感器的輸出Ax來判定是否為咬合面(S707)。磨刷咬合面時使刷毛面呈大致水平，著眼于 Ax的輸出非常小來進行判定。當閾值b > Ax >閾值c時，判定為“上顎左咬合面或上顎右 咬合面”(S708)。此外，在第一實施方式中，未對上顎左咬合面與上顎右咬合面進行特別區(qū) 分。這是因為在咬合面的情形下，在左右要改變磨刷動作的必要性很小的緣故。當Ax彡閥值b或Ax彡閾值C時，CPU120根據(jù)Ax是否大于零來判定是在頰側還是 在舌側(S709)。頰側和舌側，著眼于刷毛的朝向是否反轉來判定。當Ax >0時，判定為“上 顎右頰側或上顎左舌側”(S710)；當Ax < 0時，判定為“上顎左頰側或上顎右舌側”(S711)。 此外，在第一實施方式中，未對上顎右頰側與上顎左舌側作特別區(qū)分。這是因為在兩部位的 之間改變磨刷動作的必要性很小的緣故。對于上顎左頰側與上顎右舌側也同樣。(2)下顎的情形CPU120根據(jù)y方向的加速度傳感器的輸出Ay來判定是否為門牙(S802)。磨刷門 牙時，牙刷主體1變得比較水平，但磨刷磨牙時會與唇發(fā)生干涉，因而不得不使牙刷主體1 傾斜，可著眼于此進行判定。當Ay彡閾值d時，判定為下顎門牙(S803)在判定為下顎門牙的情況下，CPU120根據(jù)χ方向的加速度傳感器的輸出Ax來判 定是在頰側還是在舌側(S804)。頰側和舌側，著眼于刷毛的朝向是否反轉來進行判定。當 Ax < 0時，判定為“下顎前頰側” (S805)；當Ax彡0時，判定為“下顎前舌側” (S806)。另一方面，在經(jīng)S802判定不是下顎門牙的情況下，CPU120根據(jù)χ方向的加速度 傳感器的輸出Ax來判定是否為咬合面(S807)。磨刷咬合面時刷毛面呈大致水平，著眼于 Ax的輸出非常小來判定。當閾值e > Ax >閾值f時，判定為“下顎左咬合面或下顎右咬合 面”(S808)。此外，在第一實施方式中，未對下顎左咬合面與下顎右咬合面作特別區(qū)分。這 是因為在咬合面的情形下，在左右要改變磨刷動作的必要性很小的緣故。當Ax彡閾值e或Ax彡閾值f時，CPU120根據(jù)Ax是否大于零，來判定是在頰側 還是在舌側(S809)。頰側和舌側，著眼于刷毛的朝向是否反轉來進行判定。當Ax >0時， 判定為“下顎右頰側或下顎左舌側”(S810)；當Ax < 0時，判定為“下顎左頰側或下顎右舌 側”(S811)。此外，在第一實施方式中，下顎右頰側和下顎左舌側未作特別區(qū)分。這是因為 在兩部位之間改變磨刷動作的必要性很小的緣故。對于下顎左頰側或下顎右舌側也同樣。通過以上的處理，當前的磨刷部位被限定為“上顎前頰側”(S705)、“上顎前舌 側” (S706)、“上顎咬合面” (S708)、“上顎右頰側或上顎左舌側” (S710)、“上顎左頰側或上顎 右舌側”(S711)、“下顎前頰側”(S805)、“下顎前舌側”(S806)、“下顎咬合面”(S808)、“下顎 右頰側或下顎左舌側”(S810)以及“下顎左頰側或下顎右舌側”(S811)中的任一個部位。此外，上述的判定算法到底也僅不過是示出了一個例子而已，只要是能夠根據(jù)加 速度傳感器的輸出Ax、Ay、Az限定磨刷部位的判定算法即可。例如不將Ax、Ay、Az的值原樣用作判定的變量，而在判定中使用將Ax、Ay、Az進行適當組合而得到的二次變量。例如， 二次變量也可以任意設定為Ay/Az、Ax · Ax+Ay · Ay、Az-Ax等?；蛘?，也可以將各軸的加速 度信息Ax、Ay、Az如圖28所示變換為角度信息(姿勢角)α、β、Y后，進行磨刷部位的判 定。在圖28的例子中，將χ軸相對于重力加速度方向的角度定義為滾轉角(roll angle) α，將y軸相對于重力加速度方向的角度定義為俯仰角(pitch angle) β，且將ζ軸相對于 重力加速度方向的角度定義為偏航角(yaw angle) Y。判定中所使用的閾值可以根據(jù)臨床 實驗等結果來決定?！磩幼髂Ｊ降那袚Q〉在本實施方式的電動牙刷中，如上所述，利用偏心軸的旋轉運動而產(chǎn)生刷毛的振 動。在這樣的驅動原理的情形下，刷毛在與馬達的旋轉軸垂直的平面內(nèi)(ZX平面內(nèi))按橢 圓狀軌跡進行振動。并且，牙刷的振動機構在yZ平面上是對稱的，因而當使馬達的旋轉方 向逆轉時，刷毛在yz平面上畫出對稱的軌跡。圖12示意性地表示馬達的旋轉方向和刷毛的動作。在使馬達正轉的情況下，在下 顎右舌側，刷毛的毛尖進行動作，將牙垢從齒周凹縫磨刷出；而在下顎右頰側，刷毛的毛尖 進行動作，將牙垢壓入齒周凹縫。因此，可知在磨刷下顎右舌側時，最好使馬達正轉。另外， 在磨刷下顎右頰側時，可知通過馬達的反轉而使刷毛的毛尖動作，將牙垢磨刷出。根據(jù)這樣 的見解，在本實施方式中，可根據(jù)磨刷部位來切換旋轉馬達的旋轉方向(正轉/反轉)。圖9是動作模式切換處理(S30)的流程圖。CPU120通過將經(jīng)S20限定的磨刷部 位與前次處理(1個定時前的處理)時的磨刷部位作比較，來檢測磨刷部位是否發(fā)生變化 (S900)。此外，將前次處理時的磨刷部位存儲在存儲器中。在磨刷部位發(fā)生了變化的情況下(S900 ；是)，CPU120判定當前的磨刷部位適合于 “下顎左頰側、下顎右舌側、上顎左舌側和上顎右頰側”的第一組，還是“下顎右頰側、下顎左 舌側、上顎右舌側和上顎左頰側”的第二組(S901)。并且，在第一組的情況下，CPU120使馬達 的旋轉方向為正轉(S902)。在第二組的情況下，CPU120使馬達的旋轉方向為反轉(S903)。通過這樣控制馬達的旋轉方向來實現(xiàn)刷毛的毛尖對磨刷部位適當且有效果的動 作，從而能夠實現(xiàn)牙垢除去力的提高。(第二實施方式)接著，對本發(fā)明的第二實施方式的電動牙刷進行說明。在第一實施方式中，是根據(jù)磨刷部位來控制馬達的旋轉方向，但在第二實施方式 中，根據(jù)磨刷部位來控制刷毛的振動頻率(即運動頻率，具體指馬達的轉速)。其他構成與 第一實施方式同樣，因此，以下以本實施方式特有的構成為中心進行說明。圖13是第二實施方式的動作模式切換處理(圖5中的S30)的流程圖。CPU120通 過將經(jīng)S20限定的磨刷部位與上次處理(1個定時前的處理)時的磨刷部位作比較，而檢測 磨刷部位是否發(fā)生了變化(S900)。此外，將上次處理時的磨刷部位存儲在存儲器中。在磨刷部位發(fā)生了變化的情況下(S900 ；是)，CPU120判定當前的磨刷部位是適 合于“下顎前頰側、下顎前舌側、上顎前頰側和上顎前舌側”的第一組、“下顎左頰側、下顎 左舌側、下顎右頰側、下顎右舌側、上顎左頰側、上顎左舌側、上顎右頰側、上顎右舌側，，的第 二組、“下顎左咬合面、下顎右咬合面、上顎左咬合面和上顎右咬合面”的第三組中的哪一組 (S1301)。第一組是牙齦過敏的部位，是最好不要太強力地磨刷的部位。另外，第三組是刷
9毛無需觸到牙齦也可獲得高的磨刷效果的部位。在位于第一組的部位時，CPU120控制馬達的轉速，使得刷毛以比當前設定值低一 個階段的振動頻率進行振動(S1302)。在位于第二組的部位時，CPU120控制馬達的轉速，使 得刷毛以當前設定值的振動頻率進行振動(S1303)。在位于第三組的部位時，CPU120控制 馬達的轉速，使得刷毛以比當前設定值高一個階段的振動頻率進行振動(S1304)。例如，在 能夠將振動頻率切換成5個階段的刷毛中，在當前的設定值為“3”的情況下，第一組的磨刷 使用“2”的振動頻率進行，第二組的磨刷采用“3”的振動頻率進行，第三組的磨刷采用“4” 的振動頻率進行。由此，對于牙齦過敏的部位，可以使磨刷強度變?nèi)酰粗?，對于希望高刷掃效果?部位，可以使磨刷強度變強。因而，能夠實現(xiàn)刷掃效果和施療感的提高。此外，在本實施方式中，著眼于刺激各磨刷部位的牙齦來控制刷毛的振動頻率，但 在其他目的下也可以控制刷毛的振動頻率。例如，也可以著眼于對各磨刷部位使刷毛與牙 齒的接觸面積不同來進行如下的控制，即，在接觸面積大的部位(例如上顎前頰側、咬合面 等)增加振動頻率提高刷掃效果，在接觸面積小的部位(例如下顎左舌側、上顎右頰側等) 減少振動頻率。另外，在本實施方式中，將振動頻率控制成3個階段，但也可以將振動頻率 改變?yōu)?個階段或4階段以上。此外，在改變刷毛的驅動速度(振動頻率或轉速等)時，也可以如圖29上段所示 那樣急劇地改變驅動速度，但在磨刷中對驅動速度進行急劇改變或頻繁改變時，有可能使 使用者造成不適感，或使控制變得不穩(wěn)定。因此，如圖29下段所示，也優(yōu)選進行使驅動速度 平穩(wěn)(或階段性的)變化那樣的控制。例如，只要控制馬達的轉速等以使速度變化率不在 某一設定值以上即可。(第三實施方式)接著針對本發(fā)明的第三實施方式的電動牙刷進行說明。在本實施方式中，CPU120 根據(jù)刷毛姿勢來推定刷角，并根據(jù)磨刷部位和刷角來切換動作模式。其他構成與上述實施 方式同樣，因此，下面以本實施方式特有的構成為中心進行說明?！凑駝犹匦浴翟谠撾妱友浪⒅?，如上所述，利用偏心軸的旋轉運動來產(chǎn)生刷毛的振動，刷毛在與 馬達旋轉軸垂直的平面內(nèi)以橢圓狀軌跡進行振動。本發(fā)明人通過一邊改變振動頻率(馬達 轉速)一邊觀察分析刷毛的振動，發(fā)現(xiàn)該電動牙刷具有如下所示那樣的振動特性。(1)刷毛部分至少具有兩個共振點(共振振動頻率)。(2)各共振點的共振方向不同。具體而言，如圖14所示，在振動頻率低的一側的共 振點(第一共振約12500spm)增大了與刷毛面平行的χ軸方向上的振幅。在振動頻率高 的一側的共振點(第二共振約38000spm)增大了與刷毛面垂直的ζ軸方向上的振幅。在 非共振(例如約26500spm)中，刷毛描繪出相對于χ軸(ζ軸)傾斜(約45度)的軌跡。此 外，“spm”是表示每分鐘擺動次數(shù)的單位。出現(xiàn)方向不同的多個共振的理由很可能是由于電動牙刷的結構或驅動原理造成 的。本發(fā)明人通過改變偏心軸及刷毛的結構并反復實驗，從而得出第一共振點主要與運動 傳遞機構相關聯(lián)的特性，第二共振點主要與刷毛相關聯(lián)的特性的見解。換句話說，可知通過 改變運動傳遞機構的結構或形狀(簡單地說改變偏心軸的配重的位置、大小、重量等)，能
10夠調(diào)整第一共振點的振動頻率和振幅，另外，通過改變刷毛的結構或形狀，能夠調(diào)整第二共 振點的振動頻率和振幅。〈刷角〉所謂刷角是指刷毛與齒軸(沿著牙頂和牙根的軸)的夾角。圖15的上段表示刷 角=45度的狀態(tài)，圖15的下段表示刷角=90度的狀態(tài)。另外，圖15的左側表示馬達正轉 的狀態(tài)，右側表示馬達反轉的狀態(tài)。并且，各箭頭表示刷毛的動作(振幅最大的方向)。概 括起來，在第一共振中刷毛向橫向(χ軸方向)進行動作，在第二共振中刷毛向縱向(ζ軸方 向)進行動作，在非共振的振動中刷毛向斜向進行動作。為了有效地將食物殘渣及牙垢從齒周凹縫或齒間磨刷出，只要以將刷毛毛尖壓入 齒周凹縫或齒間的方式使刷毛進行動作即可。即，優(yōu)選刷毛的動作方向相對于齒軸而傾斜 (例如45度)。因此，從圖15的例子可知，當刷角為45度時，第二共振的動作最適合。另 一方面，當刷角為90度時，在下顎右舌側馬達正轉的非共振動作最適合，在下顎右頰側，馬 達逆轉的非共振動作最適合。此外，按照同樣的思路，可以確定對磨刷部位與刷角的各組合 最適合的動作模式(馬達旋轉方向和刷毛振動頻率)〈刷角的推定〉例如，刷角可以根據(jù)Z方向的加速度成分Az來推定。如圖16所示，當刷角約為90 度時示出Az值幾乎為零，這是因為Az值以刷角越小則Az值越大的方式對應于刷角而有 意識的發(fā)生變化。此外，方向的加速度成分Ax也對應于刷角χ而變化，因此也優(yōu)選代替Az 而根據(jù)Ax來推定刷角，或者可以根據(jù)Ax和Az兩者(Ax和Az的合成矢量方向)來推定刷 角。也可以以連續(xù)量來算出刷角，但在本實施方式的動作模式切換中，以“約45度或約90 度”級別的精度較為充分，因此，在后述的處理中，通過Az與閾值的比較這樣簡易的處理來 確定刷角。圖17是第三實施方式的主程序的流程圖。與第一實施方式的不同點在于增加了 刷角推定處理(S25)。在S25中，當經(jīng)SlO獲得的Az的絕對值小于規(guī)定的閾值時(接近于 0時)，CPU120將刷角視為90度；當Az的絕對值為閾值以上時，則CPU120將刷角視為45 度。CPU120的該功能與本發(fā)明的刷角推定機構相對應?！磩幼髂Ｊ角袚Q處理〉圖18是動作模式切換處理(圖1中的S30)的流程圖。CPU20通過將經(jīng)S20限定的磨刷部位以及經(jīng)S25限定的刷角與上次處理時的磨刷 部位以及刷角進行比較，來確認磨刷部位或刷角是否已發(fā)生了變化(S1800)。此外，將上次 處理時的磨刷部位和刷角存儲在存儲器中。當磨刷部位或刷角發(fā)生了變化時(S1800 ；是)，CPU120判定當前的磨刷部位相當 于“下顎左頰側、下顎右舌側、上顎左舌側、上顎右頰側”的第一組、以及“下顎右頰側、下顎 左舌側、上顎右舌側和上顎左頰側”的第二組中的哪一組(S1801)。并且，在位于第一組的 部分時，CPU120使馬達的旋轉方向正轉(S1802)。在位于第二組的部分時，CPU120使馬達 的旋轉方向反轉(S1803)。進而，在刷角為45度時，CPU120將刷毛的振動頻率控制為第二 共振(高速)(S1804、S1805)，在刷角為90度時，CPU120將刷毛的振動頻率控制為非共振 (中速)(S1806)。根據(jù)上述的本實施方式的控制，可根據(jù)磨刷部位和刷角的信息，實現(xiàn)最適于牙間或齒周凹縫的磨刷的刷毛毛尖的動作，并能夠實現(xiàn)進一步的牙垢除去力的提高。在該情況 下，為了殺滅齒周凹縫內(nèi)的齒周病菌，通過并用超聲波振動元件更有效果。此外，在此以45 度和90度的兩個階段來推定刷角，但也可以以三階段以上或連續(xù)量來推定刷角，并且還可 使刷毛的振動頻率以三個階段以上或連續(xù)地進行變化。(第四實施方式) 圖19是第四實施方式的電動牙刷的框圖。本實施方式的電動牙刷在主體1的內(nèi) 部具有多軸(在此為三軸)的陀螺儀16。將陀螺儀16設置為能夠檢測出圍繞ζ軸的角速度、圍繞χ軸的角速度和圍繞y軸 的角速度。作為陀螺儀16，也可采用振動式、光學式、機械式等那樣的類型，但僅因為小型而 容易組裝于主體1中的理由，可以使用MEMS傳感器。此外，還可以不采用用于輸出角速度 的速率陀螺儀，而可采用用于輸出角度的速率積分陀螺儀或姿勢陀螺儀。另外，為了除去由 刷毛振動而產(chǎn)生的噪聲(例如作為刷毛驅動頻率的IOOHz 300Hz程度的頻率成分)，也可 以對陀螺儀的輸出附加上帶通濾波器。當牙刷主體1處于靜止狀態(tài)時(例如處于刷毛持續(xù)接觸一個磨刷部位的狀態(tài)時)， 加速度傳感器15的輸出實質上只包含有重力加速度成分。在該情況下，由于能夠正確檢測 出刷毛的三維姿勢，因而能夠更高精度地推定磨刷部位和刷角。但是，當牙刷主體1處于移 動狀態(tài)時(例如刷毛從某一磨刷部位向其他磨刷部位移動時)，在加速度傳感器15的輸出 中不僅僅含有重力加速度成分，還含有動加速度成分。動加速度成分成為計算三維姿勢時 不需要的信號成分(噪聲)。另一方面，在牙刷主體1處于靜止狀態(tài)時，不觀測陀螺儀16的 輸出，只在牙刷主體1移動時輸出有意識的信號。利用這樣的傳感器特性的差異，在本實施 方式中，根據(jù)加速度傳感器15和陀螺儀16兩者的輸出，進行牙刷的三維姿勢的檢測。具體而言，在姿勢檢測處理(圖5的S10)中，CPU120首先獲得加速度傳感器15的 輸出和陀螺儀16的輸出。當陀螺儀16的輸出的絕對值小于規(guī)定的閾值時，CPU120將牙刷 主體1視為靜止，并根據(jù)加速度傳感器15的輸出Ax、Ay、Az求出三維姿勢。當其中任一軸 的陀螺儀16的輸出的絕對值成為規(guī)定的閾值以上時，CPU120根據(jù)陀螺儀16的輸出來推定 x、y、ζ各方向的動加速度成分，并補償Ax、Ay、Az的值。由此，能夠消除Ax、Ay、Az中所包 含的動加速度成分，而高精度地計算出刷毛的三維姿勢。此外，也可以不使用陀螺儀的輸出來補償加速度傳感器的輸出，而在獲得陀螺儀 的輸出的情況下進行刷毛的姿勢檢測。也就是說，僅僅在陀螺儀的輸出小于規(guī)定的閾值時， 實施姿勢檢測、磨刷部位推定、刷角推定、動作模式切換等的處理。據(jù)此，僅僅在根據(jù)加速度 傳感器的輸出推定的姿勢具有某種程度的可靠性時，實施動作模式切換。另外，根據(jù)陀螺儀的輸出，計算出圍繞X軸的角度變化量Δ 0yZ、和圍繞y軸的 角度變化量Δ θ ζχ、圍繞ζ軸的角度變化量Δ θ xy，也可以通過將經(jīng)1個定時前的姿勢檢 測處理而得到的姿勢矢量A' = (Ax' ,Ay' >Az')僅僅旋轉一個角度(Δ θ yz、Δ θ ζχ、 Δ θ xy)，從而計算出當前的姿勢矢量A= (Ax、Ay、Az)。另外，也可以不根據(jù)加速度信息Αχ、 Ay、Αζ，而是根據(jù)滾轉角α、俯仰角β和偏航角Υ的角度信息(圖28參照)，計算出電動 牙刷的姿勢并對其進行評價。根據(jù)上述的本實施方式的構成，通過將加速度傳感器與陀螺儀的輸出組合起來 (包括根據(jù)條件選擇加速度傳感器和陀螺儀的輸出中的任一種輸出)，能夠更加高精度地求出電動牙刷的三維姿勢。此外，在并進運動多的直線往復運動方式的電動牙刷的情形下， 加速度傳感器與帶通濾波器的組合也可獲得充分精度的姿勢信息。但是，在滾動方式的情 形下，發(fā)生牙刷主體的三維起伏變動，因而有可能是僅僅以加速度信息則誤差因素變大，而 降低了姿勢檢測的精度。在該情形下，利用了陀螺儀的角速度信息的本實施方式的方法較 為有效。(第五實施方式)圖20是第五實施方式的電動牙刷的框圖。本實施方式的電動牙刷具有檢測作用 于刷毛的負載的負載傳感器(負載檢測機構)17。作為負載傳感器17，可采用應變 儀、測力 傳感器和壓力傳感器等那樣的類型，但僅僅因為小型而容易組裝于主體1中的理由，可以 優(yōu)選采用MEMS傳感器。圖21是第五實施方式的主程序的流程圖。與第一實施方式的不同點是增加了負 載檢測處理(S5)。在步驟S5中，CPU120根據(jù)自負載傳感器17獲得的負載信息，判定負載是否作用于 刷毛上。例如，當負載傳感器17的輸出值超過規(guī)定的閾值時，視為“負載已作用到刷毛上” 即可。在負載作用到刷毛上之前，下個步驟之后的處理處于等待狀態(tài)(S5 ；NO)。據(jù)此，在負 載未作用到刷毛的期間，禁止實施姿勢檢測、磨刷部位推定、刷角推定、動作模式切換等處理。例如使刷毛從齒列的右側向左側進行移動時，刷毛的姿勢發(fā)生了很大的變化，因 而，在移動期間存在頻繁切換動作模式的可能性。這樣的現(xiàn)象會使控制變得不穩(wěn)定，并且發(fā) 生無用的耗電，因此不優(yōu)選。因此，如本實施方式那樣，通過監(jiān)控作用于刷毛上的負載，適當 地禁止實施姿勢檢測、動作模式切換等處理，能夠抑制刷毛移動中上述現(xiàn)象的發(fā)生。此外，也可以將負載信息應用到動作模式的控制上。例如，當作用于刷毛上的負載 改變時，會改變刷毛的振動特性和共振點，第三實施方式中所述的第一共振、第二共振有可 能難以順利地出現(xiàn)。因此，通過根據(jù)作用于刷毛上的負載來適當調(diào)整刷毛的振動頻率(馬 達轉速)，能夠補償共振點的偏移而正確地再現(xiàn)共振現(xiàn)象。通過實驗，能夠求出負載大小與 共振點的對應關系。在此利用了負載傳感器17，但也可以利用其他機構來檢測負載。例如，作用于刷毛 上的負載越大，則馬達的負荷越增大，流通于馬達中的電流值越增大。因此，監(jiān)控流通于馬 達中的電流值，能夠根據(jù)該電流值推定作用于刷毛上的負載?；蛘?，也可以通過監(jiān)控加速度傳感器15的輸出，檢測負載是否已作用到刷毛上。 如圖22所示，當使用者手握牙刷主體1將刷毛的毛尖按壓到牙齒上時，牙刷主體1與振動 構件2之間的彈性構件發(fā)生變形，牙刷主體1的姿勢稍微發(fā)生變化。該姿勢變化例如可以 作為圖23所示那樣的加速度傳感器輸出的波形變化來觀測。即，在姿勢變化的瞬間，至少 一個傳感器輸出的電平(level)發(fā)生若干改變；在刷毛按壓到牙齒的期間，維持改變后的 電平。通過捕捉這樣的波形變化，可判定負載是否作用到刷毛上。當然，在該方法中難以做 到高精度的負載推定，但若如第五實施方式的步驟S5那樣“負載是否發(fā)生作用”這一等級 的判定，則是足以充分實用。若是這樣將加速度傳感器15用作負載檢測機構，則可以通過 減少構件數(shù)目來使牙刷小型化并降低成本，是優(yōu)選的。(第六實施方式)
圖24表示第六實施方式的電動牙刷的刷毛部分。本實施方式的電動牙刷具有用 于檢測刷毛部分溫度的溫度傳感器18。溫度傳感器18設置在刷毛的背面。作為溫度傳感 器18，可采用紅外線傳感器、熱敏電阻等那樣的類型。圖25、圖26分別是磨刷部位推定處理(S20)的流程圖。與第一實施方式的磨刷 部位推定處理(圖7、圖8)的不同點在于，根據(jù)溫度傳感器18的輸出進行頰側和舌側的判 別。在圖25的上顎處理中，如果根據(jù)加速度傳感器15的輸出而確定為“上顎左頰側或 上顎右舌側”(S710)，則CPU120判定溫度傳感器18的輸出值是否在規(guī)定范圍內(nèi)(S2500)。 當刷毛位于頰側時，溫度傳感器18與臉頰的背側接觸或接近，因而獲得接近體溫的輸出 值。相對于此，當刷毛位于舌側時，溫度傳感器18接觸到外部空氣，因而獲得低于體溫的輸 出值。因此，例如，CPU120在溫度傳感器18的輸出值處于36度 38度的范圍內(nèi)時則判定 部位為“上顎右頰側”(S2501)，在除此之外的情況下，判定部位為“上顎左舌側”(S2502)。 同樣，根據(jù)溫度傳感器18的輸出值，“上顎左頰側”和“上顎右舌側”也可判別(S2503 S2505)。在下顎的處理中，也同樣可以根據(jù)溫度傳感器18的輸出值，進行“下顎左舌側”和 “下顎右頰側”的判別(S2600 S2602)，以及可以進行“下顎右舌側” “下顎左頰側”的判別 (S2603 S2605)。如上所述，在本實施方式中，能夠比第一實施方式更詳細地判別磨刷部位，并能夠 實現(xiàn)更靈活的動作模式控制。(第七實施方式)圖30表示第七實施方式的電動牙刷的刷毛部分。在第六實施方式中，為了進行磨 刷部位的判別(頰側與舌側的判別)，利用了溫度傳感器18的溫度信息，但在該第七實施方 式中，則利用了圖像信息。如圖30所示，在刷頭的y軸方向上的前端設置有照相機19。作為照相機19，也可 以采用可視光照相機、紅外線照相機等能夠獲得口腔內(nèi)的圖像信息那樣的照相機。紅外線 照相機用于監(jiān)控放射熱量(也稱為熱紅外錄像儀)。在磨刷中的口腔內(nèi)有可能較暗，因此， 可以說相比于可視光照相機更優(yōu)選采用紅外線照相機。在本實施方式中，只要如下所述那 樣知道小舌(懸雍垂)的輪郭即可，因此，照相機的分辨率不必那么高即可。CPU120，與第6實施方式同樣，根據(jù)加速度傳感器15的輸出而確定為“上顎左頰側 或上顎右舌側”(參照圖25的S710)。接著，CPU120從照相機19獲得圖像，根據(jù)該圖像來 檢測小舌。小舌的檢測可利用公知的圖像分析技術。例如，可考慮通過邊緣提取或霍夫變 換來檢測小舌的輪郭、或通過圖案匹配來檢測小舌等。當刷毛位于舌側時，刷頭的前端朝向 喉側，在圖像中映現(xiàn)出小舌的可能性高。另一方面，當刷毛位于頰側時，在圖像中不映現(xiàn)出 小舌。因此，CPU120在能夠檢測出小舌時判定為“上顎右舌側”，在未能檢測出小舌時判定 為“上顎左頰側”。同樣也可以判別“上顎左頰側”與“上顎右舌側”，“下顎左舌側”與“下顎 右頰側”，“下顎右舌側”與“下顎左頰側”。如上所述，在本實施方式中，能夠比第一實施方式更詳細地判別磨刷部位，并能夠 實現(xiàn)更靈活的動作模式控制。此外，在本實施方式中，僅僅在頰側/舌側的判別中利用了圖像信息，但上顎/下 顎的判別以及前側/右側/左側的判別等也能夠利用圖像信息。進而，還優(yōu)選利用圖像信息來判別所有的磨刷部位。但是，因口腔內(nèi)部狹小，而難以看清整個位置關系，因此與僅僅 利用圖像信息來判別所有磨刷部位的情況相比，最好是并用加速度傳感器(加速度傳感器 以及陀螺儀)的姿勢信息。另外，在本實施方式中，是將小舌作為檢測對象，但也可以通過 識別口腔內(nèi)的其他部位(例如舌、喉、牙和牙齦等)來判定刷毛的位置和姿勢。例如，如果 在圖像中映現(xiàn)出舌或喉，則可判定刷毛位于舌側。也可在刷毛部分設置光傳感器，以代替照相機。頰側非常暗，相對于此在舌側檢測 出光，因此可通過分析光傳感器的輸出來進行兩者的判別。(第八實施方式)第八實施方式采用了由單 軸加速度傳感器來進行姿勢檢測和磨刷部位判別的構 成。圖31上段表示正磨刷頰側或舌側的齒面的狀態(tài)。此時，刷角(偏航角Y)約為90 度，重力加速度的X軸方向成分約為Ig或-Ig (正負與齒列的左右相對應)，重力加速度的 ζ軸方向成分大致為0。另一方面，圖31下段表示正磨刷咬合面的狀態(tài)。此時，刷角(偏航 角Y)大致為0度，重力加速度的χ軸方向成分大致為0，而重力加速度的ζ軸方向成分約 為Ig或-Ig (正負與齒列的上下相對應)。如果利用了這樣的特性，即使僅僅利用χ軸加速度傳感器或ζ軸加速度傳感器，也 能夠判別是“頰側或舌側的齒面”還是“咬合面”，進而還能夠進行左右上下的判別。作為動 作模式的控制可例示出如下的控制等，例如，在磨刷“頰側或舌側的齒面”時，減小了刷毛的 驅動速度，以不對牙齦產(chǎn)生刺激；在磨刷“咬合面”時，提高了刷毛的驅動速度。(第九實施方式)第九實施方式采用了通過將加速度傳感器的輸出和陀螺儀的輸出相互補償，來推 定作為姿勢信息的磨刷部位和刷角的方法。在本實施方式中，首先求出牙刷的基準位置 (也稱為初始位置)的姿勢信息(t = 0時刻的磨刷部位和刷角)后，在每1個定時獲取加 速度傳感器以及陀螺儀的輸出，求出自1個定時前起的相對移動量或相對旋轉并進行累加 計算，由此計算出t = n(n > 0)時刻的磨刷部位和刷角。關于基準位置，也可以將電源接通時刻的姿勢設定為基準位置，或者，也可以設置 使使用者輸入基準位置(磨刷開始位置)那樣的結構(例如將牙刷主體設置為水平，在使 刷毛接觸到上顎前頰側的狀態(tài)下按下開關)。圖32是第九實施方式的姿勢信息更新處理的流程圖。該流程圖表示根據(jù)t = η 的姿勢信息(磨刷部位和刷角)、加速度傳感器和陀螺儀的輸出來計算出t = n+1的姿勢信 息的處理。下面基于流程圖對CPU的處理進行說明。CPU首先獲得加速度傳感器和陀螺儀的輸出(S3200)，使用帶通濾波器，將加速度 傳感器的輸出分離為靜加速度成分和動加速度成分(S3201)。并且，按照動加速度成分的 有無(S3202)陀螺儀輸出的有無(S3203，S3204)，如下所述地使處理各不相同。此外，所謂 “有動加速度成分”是指動加速度成分的絕對值大于規(guī)定閾值，同樣所謂“有陀螺儀的輸出” 是指陀螺儀的輸出的絕對值大于規(guī)定閾值。(1)無動加速度成分，無陀螺儀輸出的情形在該情形下，牙刷的位置和角度無變化，因而CPU將t = η的姿勢信息作為t = n+1的姿勢信息輸出(S205)。此外，也可以不將T = n的姿勢信息原樣輸出，而根據(jù)加速度傳感器的靜加速度成分求出牙刷的三維姿勢，并計算出t = n+1的磨刷部位和刷角。(2)無動加速度成分，有陀螺儀輸出的情形在加速度傳感器中的任一軸與重力加速度方向一致的狀態(tài)下，當牙刷主體以重力 加速度方向作為軸進行旋轉時，加速度傳感器的輸出完全不發(fā)生變化(只觀測靜加速度成 分)。因此，在僅僅根據(jù)加速度傳感器的輸出計算出姿勢信息的情況下，不能檢測出圍繞軸 的旋轉運動，有可能產(chǎn)生誤差。這樣的現(xiàn)象是在例如以彎腰的姿勢進行刷牙等牙刷主體容 易陷入垂直的姿勢(也就是說y軸與重力加速度方向一致的姿勢)的情況下發(fā)生的。因此，在加速度傳感器的輸出沒有變化而陀螺儀的輸出有變化的情況下，CPU只使 用陀螺儀的輸出來更新姿勢信息。在此，在陀螺儀的輸出中出現(xiàn)的有意識的變化僅僅在于， 與重力加速度的方向一致的圍繞軸的旋轉。在實際的磨刷動作中幾乎不產(chǎn)生圍繞X軸的旋 轉運動和圍繞Z軸的旋轉運動，因而在本實施方式中可只考慮圍繞y軸的 旋轉。圍繞y軸 的旋轉運動主要使刷角發(fā)生變化，因此，CPU根據(jù)陀螺儀的輸出計算出圍繞y軸的角度變化 量Δ θ ζχ，并將Δ θ ζχ加上t = η時刻的刷角，而求出t = n+1時刻的刷角(S3206)。通過這樣有效利用陀螺儀的信息，能夠高精度算出因僅以加速度傳感器無法檢測 出的圍繞軸的旋轉運動而導致的刷角變化。此外，也可以不僅僅考慮圍繞y軸的旋轉運動，而且還可考慮圍繞χ軸的旋轉運動 及圍繞ζ軸的旋轉運動。例如圍繞X軸的旋轉運動主要使刷毛位置發(fā)生了移動。因此，根 據(jù)圍繞X軸的角度變化量和從旋轉中心到刷毛的距離算出刷毛自身的移動量，并將該移動 量加上t = η時刻的刷毛位置，由此能夠求出t = n+1時刻的刷毛位置。(3)有動加速度成分，有陀螺儀的輸出的情形在該情況下，CPU使用根據(jù)加速度傳感器輸出得到的χ軸方向、y軸方向、ζ軸方向 上各自的動加速度成分，求出t = n+1時刻的磨刷部位(S3207)。具體而言，CPU通過對動 加速度成分進行二階積分，而算出1個定時的χ軸方向、y軸方向、ζ軸方向上各自的移動 量，將所算出的移動量加上t = η時刻的刷毛位置，由此求出t = n+1時刻的牙刷位置。如 果知道刷毛位置(相對于基準位置的相對位置)，便能夠進行磨刷部位的推定。另外，根據(jù) 加速度傳感器的靜加速度成分來推定磨刷部位，通過將基于靜加速度成分的推定結果與基 于動加速度成分的推定結果作對照，也能夠提高推定精度。進而，也可以將移動量以及移動方向的信息運用到磨刷部位的確定中。例如，首 先，與第一實施方式的磨刷部位推定處理(參照圖7、圖8)同樣，CPU使用了加速度傳感器 的靜加速度成分，將磨刷部位限定為“上顎前頰側”、“上顎前舌側”、“上顎咬合面”、“上顎右 頰側或上顎左舌側”、“上顎左頰側或上顎右舌側”、“下顎前頰側”、“下顎前舌側”、“下顎咬合 面”、“下顎右頰側或下顎左舌側”和“下顎左頰側或下顎右舌側”中的任一部位。在該階段 中，“上顎右頰側”與“上顎左舌側”之間的識別較為困難。同樣，“上顎左頰側”與“上顎右 舌側”、“下顎右頰側”與“下顎左舌側”以及“下顎左頰側”與“下顎右舌側”的識別也較為 困難。因此，CPU將根據(jù)動加速度成分算出的單位時間內(nèi)刷毛的移動量(移動距離)與規(guī) 定的閾值進行比較，由此來評價刷毛的移動量。當移動量超過閾值時，CPU判定在移動的前 后磨刷部位有變化，在除此之外的情形下，判定磨刷部位無變化。并且，當判定磨刷部位有 變化時，CPU根據(jù)移動前(t = η時刻)的磨刷部位、此次的移動量和移動方向來確定移動 后的磨刷部位。例如，如果t = η時刻的磨刷部位為右側的齒列，且移動方向為左方向，則能夠將移動后的磨刷部位確定為左側的齒列。根據(jù)該信息，能夠進行“上顎右頰側”與“上 顎左舌側”的區(qū)分等，因此能夠對磨刷部位進行更具體的確定。另外，對于刷角，可采用根據(jù)加速度傳感器的靜加速度成分算出角度的方法，以及 通過將基于陀螺儀的輸出而求出的圍繞y軸的角度變化量加上1個定時前的刷角來算出角 度的方法這兩種方法。前者的方法具有算出能夠刷毛的絕對角度的優(yōu)點。但是，根據(jù)本發(fā) 明人的研究，當牙刷主體形成水平姿勢時，刷角的計算誤差幾乎不存在，但存在的缺點是， 牙刷主體的傾斜越增大，則刷角的計算誤差越增大。另一方面，后者的方法具有能夠直接算 出圍繞y軸的角度變化量的優(yōu)點，但也具有因為僅能夠算出相對角度而會產(chǎn)生累積誤差的 缺點。因此，優(yōu)選根據(jù)牙刷主體的姿勢，對前者方法和后者方法進行切換，具體而言，使 用y方向的加速度傳感器的靜加速度成分的絕對值Iyl來評價牙刷主體的水平度。當Iy 的值越接近OG時，則將牙刷主體越視為水平。CPU在每個定時監(jiān)控|y I的值，當|y I的值在 規(guī)定閾值以上時(也就是說水平度小時)，輸出基于陀螺儀的輸出算出的刷角(S3208)。例 如，陀螺儀的基準角度(等于1個定時前的刷角)為45度，且基于當前定時的陀螺儀的輸 出算出的圍繞y軸的角度變化量為-15度時，則算出刷角 為30度。另一方面，當|y|的值 小于閾值時(也就是說水平度大時)，則根據(jù)加速度傳感器的輸出算出刷角(S3208)。當牙 刷主體的水平度較高時，則χ方向上的加速度傳感器和Z方向上的加速度傳感器的靜加速 度成分的絕對值大致取如下的值。刷角N 0度|x| NO, ζ N 1刷角N 45 度χ| N |z| N 0. 707刷角N90 度x| N 0，|z| N O因此，通過評價|X|或|z|的值、或該兩者值，能夠算出刷角。在此，例如根據(jù)加速 度傳感器的輸出而算出刷角為30度時，使用該值來將陀螺儀的基準角度校正為30度。由 此，能夠盡可能地減小因累加算法產(chǎn)生的誤差。此外，在此使用|yI的值來評價牙刷主體的 水平度，但也可以考慮使用Ixl或Izl的值來評價牙刷主體的水平度。(4)有動加速度成分，無陀螺儀的輸出的情形適于牙刷主體進行了直進(并進)運動的情況。但是，由于口腔內(nèi)部窄小，在磨刷 中的動作中難以形成⑷的狀態(tài)。此外，在⑷的情形下，與⑶的情形同樣，能夠根據(jù)動 加速度成分來算出磨刷部位(S3209)。根據(jù)上述的本實施方式的方法，通過加速度傳感器的輸出與陀螺儀的輸出的相互 補償，能夠更高精度地算出磨刷部位和刷角。(其他)上述實施方式的構成只不過例示了本發(fā)明的一具體例。本發(fā)明的范圍并不僅限于 上述實施方式，在其技術思想的范圍內(nèi)能夠進行各種變形。例如，也可以將上述各實施方式 的構成相互組合起來。另外，在上述實施方式中，例示了偏心加重的振動方式的電動牙刷， 但本發(fā)明也能夠適用于其他運動方式的電動牙刷。例如，也能夠適用旋轉往復運動、直線往 復運動、刷毛旋轉運動以及對這些運動切換而組合成的電動牙刷中。在該情況下，通過根據(jù) 磨刷部位來切換運動頻率，或對旋轉往復運動與直線往復運動進行切換，能夠切換動作模 式。另外，本發(fā)明也能夠很好地適用于在刷部設有超聲波振動元件并通過刷毛的振動和超聲波兩者進行磨刷那樣類型的電動牙刷。進而，還優(yōu)選利用由磁氣傳感器等得到的方位信息來計算出刷毛的位置。此外， 為了從加速度傳感器的輸出中提取出動加速度成分，可以使用高通濾波器等的帶通濾波 器。此時，為了除去由刷毛的振動產(chǎn)生的噪聲，也優(yōu)選除去相當于刷毛驅動頻率的IOOHz 300Hz左右的頻率成分。進而，關于門牙，通過以左右哪一只手握著牙刷主體來將刷毛姿勢 改變180度，因而也可以記錄使用者慣用的那只手(手持牙刷的那只手)，并根據(jù)所記錄的 慣用手來改變磨刷部位的判定算法，以及改變動作模式(馬達旋轉方向、刷毛動作)。在牙刷主體上設置用于來引導(或規(guī)定)把持位置的凹凸形狀。例如，在牙刷主 體的前端部分(使用者把持牙刷主體時，以大拇指或食指的指尖兒或關節(jié)接觸的位置)存 在凸起或凹部時，使用者有意識或無意識地將手指對準凸起或凹部地把握牙刷。利用此結 構，能夠將使用者引導至規(guī)定的把持狀態(tài)。較為典型的是，在圖3的圍繞y軸的角度中將刷 毛的朝向(ζ軸的負方向)設為0度的情況下，最好在約士45度的位置設置兩個凸起(或 凹部)，且在約士 135度的位置設置兩個凹部(或凸起)。當將手指對 準該凹凸來把持牙刷 時，容易將刷角保持為45度。在上述實施方式中，為了判別磨刷部位(頰側與舌側的判別)，例示了采用溫度傳 感器、照相機和光傳感器的構成，但此外還可以采用超聲波傳感器等的距離傳感器。例如， 與圖24的溫度傳感器同樣，在刷毛的背面設置距離傳感器。在磨刷頰側時，距離傳感器與 頰處接近或接觸，因而距離傳感器的測定值成為非常小的值。另一方面，磨刷舌側時，距離 傳感器朝向口腔內(nèi)部，因而距離傳感器的測定值相對較大。因此，通過將距離傳感器的測定 值與閾值(例如5mm)作比較，能夠判別是頰側還是舌側。附圖標記的說明1電動牙刷主體2振動構件10 馬達11旋旋轉軸12驅動電路13充電電池14 線圈15加速度傳感器16陀螺儀17負載傳感器18溫度傳感器19照相機20 桿部21刷構件30偏心軸100充電器120 CPU121存儲器
122計時器202彈性構件203 軸承210 刷毛300 配重
S 開關
權利要求
一種電動牙刷，其特征在于，具有刷毛；驅動機構，其使所述刷毛運動；姿勢檢測機構，其檢測所述刷毛的姿勢；部位推定機構，其根據(jù)所檢測出的姿勢來推定磨刷部位；控制機構，其對應于所推定的磨刷部位來切換所述驅動機構的動作模式。
2.根據(jù)權利要求1所述的電動牙刷，其特征在于，所述驅動機構包括旋轉馬達，所述控制機構對應于磨刷部位來切換所述旋轉馬達的旋轉方向。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的電動牙刷，其特征在于，所述控制機構對應于磨刷部位來 切換所述刷毛的運動頻率。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的電動牙刷，其特征在于，所述姿勢檢測機構具有加速度傳 感器，所述姿勢檢測機構根據(jù)所述加速度傳感器的輸出來檢測出所述刷毛的三維姿勢。
5.根據(jù)權利要求1或2所述的電動牙刷，其特征在于，所述姿勢檢測機構具有加速度傳 感器和陀螺儀，所述姿勢檢測機構根據(jù)所述加速度傳感器的輸出和所述陀螺儀的輸出來檢 測出所述刷毛的三維姿勢。
6.根據(jù)權利要求1或2所述的電動牙刷，其特征在于，還具有刷角推定機構，所述刷角 推定機構根據(jù)所檢測出的姿勢來推定刷角，所述刷角為所述刷毛相對于齒軸的角度，所述控制機構對應于所推定的磨刷部位和刷角來切換所述驅動機構的動作模式。
7.根據(jù)權利要求1或2所述的電動牙刷，其特征在于，還具有負載檢測機構，所述負載 檢測機構檢測作用于所述刷毛的負載，所述控制機構在負載未作用于所述刷毛的期間禁止所述動作模式的切換。
全文摘要
在電動牙刷的主體(1)上設置有三軸加速度傳感器(5)。CPU(120)根據(jù)加速度傳感器(15)的輸出來檢測牙刷主體(1)的三維姿勢，并根據(jù)刷毛的姿勢來推定磨刷部位。并且，CPU(120)進行控制以對應于所推定的磨刷部位來切換動作模式(例如馬達的旋轉方向、刷毛的振動頻率等)。
文檔編號A61C17/00GK101969878SQ20098010900
公開日2011年2月9日 申請日期2009年3月9日 優(yōu)先權日2008年3月14日
發(fā)明者三木章利, 巖堀敏之 申請人:歐姆龍健康醫(yī)療事業(yè)株式會社