JP5277580B2 - 電動歯ブラシ - Google Patents

Description

本発明は、電動歯ブラシに関する。

高速に振動するブラシを歯面にあてることによって歯磨き（歯垢除去）を行うタイプの電動歯ブラシが知られている。このタイプの電動歯ブラシでは、歯垢除去力の向上や施療感の向上をねらって様々な駆動機構や駆動方法が提案されている。

特許文献１には、磁気駆動方式の電動歯ブラシにおいて、ブラシが設けられたレバーアームを共振振動数にほぼ等しい振動数で左右に振動させる構成が開示されている。特許文献２には、歯ブラシの共振振動数から０〜５Ｈｚ程度ずれた振動数を中心として駆動振動数を変化させることで、５〜３０％の範囲でブラシヘッドの振幅を周期的に変化させる構成が開示されている。また特許文献３には、歯磨き圧の検知結果に基づいてモータの回転数を変えることでブラシの振動数を制御する構成が開示されている。
特表平６−５１０６７５号公報 特表２００７−５１４３９７号公報 特開平７−１１６０２７号公報

本発明の目的は、電動歯ブラシの歯垢除去力および施療感のさらなる向上を図るための技術を提供することである。

また本発明のさらなる目的は、構成の複雑化、コスト増、消費電力の増大を招くことなく、電動歯ブラシの歯垢除去力および施療感のさらなる向上を図るための技術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は、以下の構成を採用する。

本発明に係る電動歯ブラシは、１つのモータと、ブラシを有する振動部材と、前記モータの回転を前記振動部材の振動に変換する運動伝達機構と、前記モータの回転数を制御することにより前記振動部材の振動数を可変する制御手段と、を備え、前記振動部材は、前記ブラシが第１の方向に共振する第１共振点と、前記ブラシが前記第１の方向と異なる第２の方向に共振する第２共振点と、を有しており、第１の動作モードでは、前記制御手段は、前記第１の方向の共振が生じるように前記モータの回転数を制御し、第２の動作モードでは、前記制御手段は、前記第２の方向の共振が生じるように前記モータの回転数を前記第１の動作モードとは異なる回転数に制御する。

第１の動作モードでは、制御手段は、前記振動部材の振動数が前記第１共振点またはその近傍になるように前記モータの回転数を制御する。同様に、第２の動作モードでは、制御手段は、前記振動部材の振動数が前記第２共振点またはその近傍になるように前記モータの回転数を制御する。

上記第１、第２の動作モードのように共振を利用する動作モード（以下、「共振動作モード」という。）では、共振を利用しない動作モード（以下、「通常動作モード」という。）よりも、ブラシの振幅が大きくなるため、歯垢除去力および施療感の向上を図ることができる。しかも共振方向の異なる複数の共振動作モードを利用できるため、たとえば施
療部位に応じて刷掃方法（刷掃方向）を切り替えるなどすれば、より高い歯垢除去効果が得られる。

また、本発明では複数の共振動作モードをモータの回転数制御だけで実現しているので、駆動系や伝達系に特殊な機構や部品が必要ない。よって、電動歯ブラシの構成の複雑化やコスト増を招くことがない。さらに、共振現象を利用しているので、通常動作モードと同等の消費電力で振幅の増大（歯垢除去力の向上）を図ることができ、効率的である。

ここで、前記制御手段は、前記第１の動作モードと前記第２の動作モードとを繰り返してもよい。刷掃方向が自動的に切り替わるので、単一方向の刷掃に比べて優れた歯垢除去効果を実現できる。

前記第１の方向は、ブラシ面に対して平行な方向であり、前記第２の方向は、前記ブラシ面に対して垂直な方向であることが好ましい。ここで「ブラシ面」とは、ブラシの繊維と直交し、かつ、繊維の先端部分に位置する仮想的な面をいう。第１の方向の共振では、ブラシの毛先が施療部に対し平行な方向に小刻みに動くので、歯周ポケットの刷掃に高い効果が得られ、第２の方向の共振では、ブラシの毛先が施療部に対し垂直な方向に小刻みに動くので、歯間部や歯周ポケットや歯面の刷掃に高い効果が得られると期待できる。

前記第１共振点は、前記運動伝達機構に依存する特性であり、前記第２共振点は、前記ブラシに依存する特性であることが好ましい。

前記制御手段が、前記ブラシに作用する負荷を検知し、検知された負荷に応じて前記モータの回転数を調整することが好ましい。ブラシに作用する負荷に依存して、振動部材の振動特性が変動するからである。

前記運動伝達機構が前記振動部材に内包されており、前記振動部材が弾性部材を介して電動歯ブラシ本体に取り付けられていることが好ましい。この構成によると、運動伝達機構が振動部材に内包されていることからブラシ近傍が効率的に振動する一方で、弾性部材の介在によって振動部材の振動が電動歯ブラシ本体に伝わりにくくなるので使用感の向上を図ることができる。

前記運動伝達機構が前記モータの回転軸に連結された偏心軸であり、前記振動部材が、前記偏心軸の軸受を有するステムを備えることが好ましい。このような駆動原理の電動歯ブラシでは、振動部材（ブラシ）が回転軸に垂直な面内を２次元的に振動する。そして、その振動面内の略直交する２方向においてそれぞれ共振が現れる。この２方向を上記第１、第２の方向として利用できる。

なお、上記手段および処理の各々は可能な限り互いに組み合わせて本発明を構成することができる。

本発明は、電動歯ブラシの歯垢除去力および施療感のさらなる向上を図ることができる。また、本発明は、構成の複雑化、コスト増、消費電力の増大を招かない。

以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。

（第１実施形態）
＜電動歯ブラシの構成＞
図１、図２、図３を参照して、電動歯ブラシの構成を説明する。図１は電動歯ブラシの外観を示す斜視図であり、図２は電動歯ブラシの内部構成を示す断面図であり、図３はブロック図である。

電動歯ブラシは、駆動源であるモータ１０を内蔵する電動歯ブラシ本体１（以下、単に「本体１」という。）と、ブラシ２１０を有する振動部材２とを備えている。本体１は、概ね円筒形状を呈しており、歯を磨く際に使用者が手で握るためのハンドル部を兼ねている。

本体１には、電源のオン／オフおよび動作モードの切り替えを行うためのスイッチＳが設けられている。また本体１の内部には、駆動源であるモータ１０、モータ１０の回転数を制御するための駆動回路１２、２．４Ｖ電源である充電池１３、充電用のコイル１４などが設けられている。充電池１３を充電する際には、充電器（不図示）に本体１を載置するだけで、電磁誘導により非接触で充電可能である。駆動回路１２は、図３に示すように、ＣＰＵ（中央演算処理装置）１２０、プログラムや各種設定値を記憶するメモリ１２１、タイマ１２２などを有している。

振動部材２は、本体１側に固定されているステム部２０と、このステム部２０に装着されるブラシ部品２１とを備える。ブラシ部品２１の先端にはブラシ２１０が植毛されている。ブラシ部品２１は消耗部品ゆえ、新品に交換できるよう、ステム部２０に対して着脱自在な構成となっている。

ステム部２０は、樹脂材からなるステム２００およびホルダ２０１と、エラストマからなる弾性部材２０２とから構成される。この弾性部材２０２は、インサート成形によりステム２００およびホルダ２０１に一体成形されることが好ましい。弾性部材２０２は、ステム２００とホルダ２０１の間に介在しており、ホルダ２０１に設けられた複数の貫通孔からそれぞれ突出する複数（たとえば３個）の突起部２０２Ａを備えている。ステム部２０は、本体１の外ケースに対して、弾性部材２０２の３個の突起部２０２Ａによる３点接触により位置決めされる。このように、本実施形態の振動部材２は、弾性部材２０２を介して本体１に取り付けられている。

ステム２００は、先端（ブラシ側の端部）が閉じた筒状の部材であり、筒の内部の先端に軸受２０３を有している。モータ１０の回転軸１１に連結された偏心軸３０の先端が、ステム２００の軸受２０３に挿入される。この偏心軸３０は、軸受２０３の近傍に重り３００を有しており、偏心軸３０の重心はその回転中心からずれている。なお、偏心軸３０の先端と軸受２０３の間には微小なクリアランスが設けられている。

＜電動歯ブラシの基本動作＞
電動歯ブラシの基本動作について説明する。

電源オンの状態になると、ＣＰＵ１２０がパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）をモータ１０に供給し、モータ１０の回転軸１１を回転させる。回転軸１１の回転に伴って偏心軸３０も回転するが、偏心軸３０は重心がずれているために回転中心の回りに旋回するような運動を行う。よって、偏心軸３０の先端が軸受２０３の内壁に対して衝突を繰り返し、ステム２００とそれに装着されたブラシ部品２１とを高速に振動させることとなる。つまり、偏心軸３０は、モータ１０の出力（回転）を振動部材２の振動に変換する運動伝達機構（運動変換機構）の役割を担っている。本体１を手で持ち、高速に振動するブラシ２１０を歯に当てることで、歯垢を除去することができる。なお、ＣＰＵ１２０はタイマ１２２を用いて継続動作時間を監視しており、所定時間（たとえば２分間）が経過したら自動的にブラシの振動を停止させる。

本実施形態の電動歯ブラシでは、運動伝達機構である偏心軸３０が振動部材２に内包され、特に重り３００がブラシ２１０の近傍に配置されている。よって、ブラシ２１０の部分を効率的に振動させることができる。その一方で、振動部材２（ステム部２０）が弾性部材２０２を介して本体１に取り付けられているので、振動部材２の振動が本体１に伝わり難くなっている。よって、歯を磨く際の本体１および手の振動を低減でき、使用感の向上を図ることができる。

＜振動特性の説明＞
本実施形態の電動歯ブラシでは、上述のように、偏心軸３０の旋回運動を利用してブラシ２１０の振動を発生させている。このような駆動原理の場合、ブラシ２１０はモータの回転軸に垂直な面内を２次元的に振動し得る。図４は、ブラシの振動の軌道を模式的に示している（Ｘ軸：モータ回転軸、Ｙ軸：回転軸に対して垂直で且つブラシ面に対して平行な方向、Ｚ軸：ブラシ面に対して垂直な方向）。図示の例ではブラシ２１０がＹＺ平面を楕円状の軌道４０で振動している。ブラシ面とは、ブラシの繊維と直交し、かつ、繊維の先端部分に位置する仮想的な面のことをいう。

本発明者らは、振動数（モータ回転数）を変化させながらブラシの振動を観察し分析することによって、この電動歯ブラシが図５に示すような振動特性を有することを見出した。なお、図５は、ブラシに対してＺ軸方向に１００ｇの負荷を与えた状態における、振動数と振幅の関係を示している。横軸は振動数［Ｈｚ］であり、縦軸は振幅［ｍｍ］であり、実線のグラフはＹ軸方向（横方向）の振幅を表し、破線のグラフはＺ軸方向（縦方向）の振幅を表している。

図５のグラフから分かるように、本実施形態の電動歯ブラシは少なくとも２つの共振点（共振振動数）を有しており、各共振点における共振方向は異なっている。具体的には、振動数が低い側の共振点（第１共振点：約１００Ｈｚ）ではブラシ面に平行な共振方向であるＹ軸方向の共振が発生し、振動数が高い側の共振点（第２共振点：約２００Ｈｚ）ではブラシ面に垂直な共振方向であるＺ軸方向の共振が発生する。

方向の異なる複数の共振が出現する理由は、電動歯ブラシの構造やその駆動原理に依るところが大きいと考えられる。本発明者らは、偏心軸やブラシの構成を変更しながら実験を繰り返すことで、第１共振点が主に運動伝達機構に依存する特性であり、第２共振点が主にブラシに依存する特性であるとの知見を得ている。言い換えれば、運動伝達機構の構造や形状（簡単には偏心軸の重りの位置、大きさ、重量など）を変更することで第１共振点の振動数や振幅を調整でき、また、ブラシの構造や形状を変更することで第２共振点の振動数や振幅を調整できることが分かった。

＜動作モードの説明＞
本実施形態の電動歯ブラシは駆動振動数の異なる複数の動作モードを有している。電源オフの状態からスイッチＳを押すたびに動作モードが順番に切り替わり、一巡するとオフ状態に戻る。図３に示すようにメモリ１２１には各動作モードに対応した設定値が予め格納されている。この設定値は各動作モードの駆動振動数に対応するパラメータであり、その具体的な数値は図５のような実験結果に基づき決定される。

動作モードが切り替えられると、ＣＰＵ１２０はメモリ１２１から該当する設定値を読み込み、その値に従ってＰＷＭ信号のデューティ比を決定する。デューティ比が大きくなるとモータ１０の回転数が高くなり、結果的にブラシ２１０の振動数も高くなる。このように、本実施形態では、駆動回路１２が、モータ１０の出力（回転数）およびブラシ２１０の振動数を制御する制御手段の役割を担っている。

では、図５および図６Ａ〜図６Ｃを参照しながら、各動作モードの特徴を説明する。図６Ａ〜図６Ｃは各動作モードにおけるＰＷＭ信号の波形の一例を示している。

（１）第１共振動作モード
第１共振動作モードは、第１共振点を利用する動作モードである。駆動振動数は第１共振点（約１００Ｈｚ）またはその近傍に設定される。図６Ａは第１共振動作モードのＰＷＭ信号（デューティ比：約５０％）を示している。第１共振動作モードでは、通常動作モードよりもブラシ２１０のＹ軸方向（横方向）の振幅が増大し、歯垢除去力および施療感を高めることができる。特に、第１共振動作モードでは、ブラシ２１０の毛先が施療部に対し平行な方向に小刻みに動くので、歯周ポケットの刷掃に高い効果が得られるものと思われる。

（２）第２共振動作モード
第２共振動作モードは、第２共振点を利用する動作モードである。駆動振動数は第２共振点（約２００Ｈｚ）またはその近傍に設定される。図６Ｂは第２共振動作モードのＰＷＭ信号（デューティ比：約８０％）を示している。第２共振動作モードでは、通常動作モードよりもブラシ２１０のＺ軸方向（縦方向）の振幅が増大し、歯垢除去力および施療感を高めることができる。特に、第２共振動作モードでは、ブラシ２１０の毛先が施療部に対し垂直な方向に小刻みに動くので、歯間部や歯周ポケットや歯面の刷掃に高い効果が得られるものと思われる。

（３）通常動作モード
通常動作モードは、共振を利用しない動作モードである。駆動振動数は第１共振点と第２共振点の間（たとえば１５０Ｈｚ）に設定される。なお、１２０Ｈｚ、１４０Ｈｚ、１６０Ｈｚ、１８０Ｈｚのように多段階の通常動作モードを設け、スイッチＳで切り替えられるようにしてもよい。また、第１共振点よりも低い振動数や第２共振点よりも高い振動数の通常動作モードを設けることも好ましい。

（４）共振切替動作モード
共振切替動作モードは、第１共振動作モードと第２共振動作モードとを交互に繰り返す動作モードである。具体的には、図６Ｃに示すように、一定の時間間隔（たとえば約０．２秒間隔）で２つの動作モードを切り替える。このように刷掃方向を自動的に切り替えることで、ブラシの毛先が施療部に対して様々な角度から当たるため、単一方向の刷掃に比べてより優れた歯垢除去効果を実現できる。

以上述べたように本実施形態によれば、歯垢除去力および施療感の向上を図ることができる。しかも共振方向の異なる複数の共振動作モードを利用できるため、たとえば施療部位に応じて刷掃方法（刷掃方向）を切り替えるなどすれば、より高い歯垢除去効果が得られる。また、複数の共振動作モードをモータの回転数制御だけで実現しているので、駆動系や伝達系に特殊な機構や部品が必要ない。よって、電動歯ブラシの構成の複雑化やコスト増を招くことがない。さらに、共振現象を利用しているので、通常動作モードと同等の消費電力で振幅の増大（歯垢除去力の向上）を図ることができ、効率的である。

（第２実施形態）
上記第１実施形態では、各動作モードで単一の設定値を用いている。しかし、図７に示すように、ブラシに作用する負荷が変わると、ブラシの振動特性が変動し、共振点の位置が変わってしまう。図７は負荷２５０ｇの場合の振動特性を示しているが、第１共振点は１１０Ｈｚあたりに、第２共振点は２５０Ｈｚあたりに現れており、負荷１００ｇの場合（図５）に比べて、いずれの共振点も大きくなっていることが分かる。そこで、第２実施
形態では、ブラシに作用する負荷を検知し、負荷の大きさに応じてモータの回転数を調整する。

図８は、第２実施形態の電動歯ブラシのブロック図である。第１実施形態と異なる点は、電流検知回路１２３が設けられていることと、メモリ１２１の中に負荷の大きさに対応して複数の設定値が格納されていることである。

電流検知回路１２３は、モータ１０の電流値を検知する回路である。ブラシを歯面に強く押し当てるほどブラシに作用する負荷が大きくなる。そしてブラシに作用する負荷が増大すると、モータ１０の負荷も増大し、モータ１０に流れる電流値が増大する。よって、ＣＰＵ１２０は、電流検知回路１２３の検知結果に基づいてブラシ２１０に作用する負荷の大きさを推定することができる。

メモリ１２１には、動作モード別に、負荷７０ｇ〜２５０ｇの範囲に対応する設定値が格納されている。本実施形態では、負荷７０ｇ、１００ｇ、・・・、２５０ｇのように予め決められた負荷の値（代表値）に対応する設定値が用意されている。ＣＰＵ１２０は、ブラシに作用している負荷の値に基づいて、これらの設定値の中から最適なものを選択するか、あるいは、これらの設定値を補間することにより適切な値を算出する。なお、設定値を負荷の大きさの関数で表現できる場合には、その関数を表すパラメータをメモリに格納することも好ましい。

このような構成により、ブラシに作用する負荷の大きさに応じてモータの回転数を適宜調整することで、負荷に依存する共振点のズレをカバーし、共振現象を正確に再現できるようになる。

（変形例）
上述した実施形態の構成は本発明の一具体例を例示したものにすぎない。本発明の範囲は上記実施形態に限られるものではなく、その技術思想の範囲内で種々の変形が可能である。

たとえば、上記実施形態では第１共振点と第２共振点の２つの共振点のみを利用しているが、３つまたはそれ以上の共振点を利用してもよい。すなわち、振動部材が共振点を複数有しており、制御手段が共振動作モードを複数有していれば、本発明の技術思想に含まれる。

また、上記実施形態の共振切替動作モードでは、第１共振動作モードと第２共振動作モードを交互に切り替えたが、切替態様はこれに限らない。たとえば、２つの共振動作モードの間に通常動作モードを挟んだ切替態様や、それら複数の動作モードをランダムに切り替える切替態様も好ましい。また切替間隔も適宜変更してかまわない。また、切替態様や切替間隔の異なる複数種類の共振切替動作モードが設けられていることも好ましい。また、第１共振動作モードや第２共振動作モードのような１つの共振点のみを利用する動作モードを無くして、共振切替モードのように複数の共振点を利用する動作モードだけにしてもよい。

図１は、電動歯ブラシの外観を示す斜視図である。 図２は、電動歯ブラシの内部構成を示す断面図である。 図３は、第１実施形態のブロック図である。 図４は、ブラシの振動を模式的に示す図である。 図５は、負荷１００ｇの場合の共振点を示すグラフである。 図６Ａ〜図６Ｃは、各動作モードでのＰＷＭ信号の波形を示す図である。 図７は、負荷２５０ｇの場合の共振点を示すグラフである。 図８は、第２実施形態のブロック図である。

符号の説明

１ 電動歯ブラシ本体
１０ モータ
１１ 回転軸
１２ 駆動回路
１２１ メモリ
１２２ タイマ
１２３ 電流検知回路
１３ 充電池
１４ コイル
２ 振動部材
２０ ステム部
２００ ステム
２０１ ホルダ
２０２ 弾性部材
２０２Ａ 突起部
２０３ 軸受
２１ ブラシ部品
２１０ ブラシ
３０ 偏心軸
３００ 重り
４０ 軌道
Ｓ スイッチ

Claims (7)

1. １つのモータと、
   ブラシを有する振動部材と、
   前記モータの回転を前記振動部材の振動に変換する運動伝達機構と、
   前記モータの回転数を制御することにより前記振動部材の振動数を可変する制御手段と、を備え、
   前記振動部材は、前記ブラシが第１の方向に共振する第１共振点と、前記ブラシが前記第１の方向と異なる第２の方向に共振する第２共振点と、を有しており、
   第１の動作モードでは、前記制御手段は、前記第１の方向の共振が生じるように前記モータの回転数を制御し、
   第２の動作モードでは、前記制御手段は、前記第２の方向の共振が生じるように前記モータの回転数を前記第１の動作モードと異なる回転数に制御する
   電動歯ブラシ。
2. 前記制御手段は、前記第１の動作モードと前記第２の動作モードとを繰り返す
   請求項１に記載の電動歯ブラシ。
3. 前記第１の方向は、ブラシ面に対して平行な方向であり、
   前記第２の方向は、前記ブラシ面に対して垂直な方向である
   請求項１または２に記載の電動歯ブラシ。
4. 前記第１共振点は、前記運動伝達機構に依存する特性であり、
   前記第２共振点は、前記ブラシに依存する特性である
   請求項１〜３のうちいずれか１項に記載の電動歯ブラシ。
5. 前記制御手段が、前記ブラシに作用する負荷を検知し、検知された負荷に応じて前記モータの回転数を調整する
   請求項１〜４のうちいずれか１項に記載の電動歯ブラシ。
6. 前記運動伝達機構が前記振動部材に内包されており、
   前記振動部材が弾性部材を介して電動歯ブラシ本体に取り付けられている
   請求項１〜５のうちいずれか１項に記載の電動歯ブラシ。
7. 前記運動伝達機構が前記モータの回転軸に連結された偏心軸であり、
   前記振動部材が、前記偏心軸の軸受を有するステムを備える
   請求項１〜６のうちいずれか１項に記載の電動歯ブラシ。

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