CN102271616A - 具有空间、时间和/或频率变化的超声洁牙用具 - Google Patents

Abstract

用具包括用具主体(12)以及用于产生微泡(20)的系统和用于在一定频率范围中产生超声信号束(22)的系统，该超声信号束(22)激活至少一些微泡。该用具包括下列中的至少一个：(a)超声换能器元件(40)的阵列，其产生多个超声信号束；(b)振幅调制组件(51)，其用于调制超声信号的振幅；以及(c)频率调制系统(61)，其用于在选定范围改变超声信号的频率以影响微泡大小的范围。

Description

具有空间、时间和/或频率变化的超声洁牙用具

技术领域

本发明大体而言涉及牙具，诸如牙刷（电动的和手动的），且还涉及用于洁牙的口腔护具，且更具体而言，涉及包括使用超声和微泡来提供或改进清洁效果的这样的用具。

背景技术

众所周知，超声引起的空气微泡的气穴现象（cavitation）清洁牙齿表面的生物膜，并且清洁在牙龈线下方的生物膜。这种超声技术的一实例在Bock的美国专利第5,138,733号中示出。其它实例包括Balamuth的美国专利第3,809,977号和Brewer等人的美国专利第7,269,873号。另外，还有商业牙具，其利用超声/微泡方案来清洁牙齿。但这些用具通常具有一个或多个显著缺点。

首先，虽然由微泡气穴现象所产生的清洁作用能够大体上在一些泡附近较强，并非所有的泡都有很强的作用，且甚至一些起作用的泡倾向于保留在单个位置中的时间比清洁该位置周围的区域所需的时间更长。因此人们认为总的清洁作用比利用典型数量的可用泡且利用相同的超声激发的其它情况更弱。

另外，在宏观水平，清洁是星星点点的。在牙齿表面上的某些区域将呈现较强的清洁效果，而其它区域则不呈现任何清洁效果。这可能是由于超声反射离开不同牙齿表面所致的干扰效果造成的超声强度变化所致。

另外，难以在牙齿凹部中维持充分的泡浓度，其中气穴现象实际上可具有最有益的效果，这是由于洗擦不能有效地清洁。这种泡浓度的缺乏可能是由于泡被通常产生清洁效果的相同超声破坏所致。

因此，期望具有一种超声/微泡系统来作为现有手动或电动牙刷或口腔用具的补助，或者单独地使用以在牙齿上，沿着牙龈线和在齿的邻间区域中产生显著的清洁效果。

发明内容

因此，这种用具包括用于产生超声信号的系统，超声信号频率在100KHz至1MHz范围，超声信号被导向至微泡且致动微泡以进行清洁，其中用于产生超声信号的系统包括下列中的至少一个：(a)换能器元件的阵列，其用于产生超声信号；(b)振幅调制组件，其用于调制超声信号的振幅；以及(c)频率调制系统，其用于在预定范围改变超声信号的频率。

附图说明

图1是包含了本超声/微泡发明的牙刷的整体示图。

图2是包含了本超声/微泡发明的口腔用具的整体示图。

图3是示出超声/微泡系统的空间分集布置的图。

图4是示出超声/微泡系统的时间分集(振幅调制)布置的图。

图5是示出超声/微泡系统的两个频率分集(频率调制)布置的图。

具体实施方式

如上文所示，已知的是，牙具，特别是牙刷，包含了超声/微泡系统以辅助清洁牙齿，如在上文的专利和其它专利和专利申请中所讨论的那样。通常，在这些已知的系统中，超声信号限于具有一致信号强度的单频率。但本文所述的系统包含了下列特征中一个或多个特征的能力：(1)换能器元件的阵列，其用于提供超声束的多于一个源位置和/或方向；(2)超声信号的振幅调制以允许新泡重新填入刚刚进行清洁的区域；以及(3)超声信号的频率调制以产生在规定范围的持续频率变化。另外，另一特征是使用相位调制，即，改变超声信号的相位，来对超声信号进行调向和聚焦。

上述特征中的每一个在下文中更详细地描述。一种操作用具系统可包括上述特征中的一个或两个或所有特征。

应了解本系统可用于常规牙刷（带有或不带有刷毛）中，以及用于口腔护具/口腔用具（带有或不带有刷毛）中。该用具可手动操作或电动操作。

如果包括刷毛，其将提供来自整个牙刷运动的传统洗擦动作，超声/微泡特征产生所得牙具的性能改进。但牙具可替代地仅使用本文所述的超声/微泡特征。

简言之，整体上以10示出的图1的牙刷包括主体部12和延伸臂/刷头部14。在图1中，刷头部14包括刷毛区16，但如上文所示，刷毛区不是至关重要的。如果牙刷是电动牙刷，那么主体部将包括整体上以18示出的动力系统，该动力系统将包括电机/驱动器、电源和用于移动刷头的控制单元。图1还包括:用于产生微泡20的系统，微泡20的大小大约为1μm至150μm，但该大小可改变超过此范围，其也可由外部装置产生；以及超声单元22和换能器元件，换能器元件呈阵列24的形式，其产生超声场，作用于微泡上，微泡位于待清洁的牙齿表面附近。

图2整体上以26示出口腔用具，其可具有或可不具有一组刷毛28，用于通过洗擦来清洁上牙和下牙。刷毛28安装于口腔用具26的朝向牙齿的表面上。口腔用具可由使用者简单地移动牙齿而手动操作，或者其可由整体上以30示出的动力系统而电动操作，动力系统包括电机以按预定方式移动口腔用具和刷毛。在本系统中，口腔用具还将包括：用于产生微泡的常规系统，或者微泡可在外部产生，导向至待清洁的牙齿附近；以及超声系统，其也是常规的，用于产生超声信号来激活微泡进行清洁，分别代表性地以32和34示出。

图3示出可选地为图1或图2中的牙具的一部分的系统。图3有关于用于超声信号束的空间分集布置。作为单个辐射器/换能器的替代，该系统包括元件阵列，整体上被示为40的组。该阵列可包括少至三个元件，但六个至八个元件是优选的，但也可使用更多的元件，例如16个。超声阵列40产生多个超声束42，超声束42朝向待清洁牙齿46附近的微泡浆(以44示出)导向。与在方向和时间上固定相对比，利用电控制器48，单独的超声束可以以不同角度在选定的时段随机地或循环地被导向至牙齿表面的不同部分。单独的元件可单独地受控制，具有使每个束调向的能力，或者整个阵列可作为一个单元进行调向，或者其部分可独立于其它部分进行调向/控制。由控制单元48通过超声信号的相位调制来实现调向。

单独的元件也可被单独地驱动，即，提供动力，使得它们并不是全部同时被接通或切断。通过使用调向能力，超声信号可从不同角度/方向施加到泡。此能以与微泡的寿命相协调的特定方式在具体时间实现，以使得当在一个单区域中的泡被耗尽且束被调向用于处理新区域时，新泡可再填入原始区域。超声束的位置和方向变化也将导致干扰效果差异的减小，允许强清洁的位置“扫过”整个牙齿表面，而不是错过一些点。

因此，对于多个元件，对其开/关状态和其方向进行单独的和/或分组控制，就实现了清洁的一致性和品质的显著改进。另外，关于束调向能力，特别地，牙刷无需移动以产生该束的有效的、受控制的移动。

图4示出整个系统的时间分集能力，即，超声束的振幅调制。这是设于控制单元51中的超声换能器的激发振幅的随时间改变的变化情况。假定微泡具有有限寿命，则必需不时地减小特定清洁区域中的激发振幅以允许新鲜的泡再填入该区域。但是在此期间，超声信号并未完全由调制信号切断，而是维持一定振幅，该振幅足够用于牙齿流体浴的流动，其有助于将浆中的泡分配到尚未被清洁的新的点。

当超声束聚焦于给定点用于清洁时，相对于超声具有适宜的大小以进行清洁的泡在一定时间后被耗尽。利用振幅调制，束功率重复地被减小以使得泡补充于该区域中。振幅调制的频率远低于超声频率本身。举例而言，对于1MHz的超声频率使用10KHz的调制频率。重要的是，当功率由于振幅调制处在低水平时，其仍足够高使得仍存在流动效果，以将泡的分布传递到新区和被泡耗尽的区。

对于更低超声频率，例如100KHz，调制信号可为100Hz，但10Hz也可能是有用的。

振幅调制应降低功率(超声信号强度)至少50%，但如上文所示，并不降低到零，以保留流动效果。在图4的系统中，整体上以50示出换能器或换能器阵列，对所得超声束信号52进行振幅调制。当信号在全强度时，将造成气穴现象，在区域54示出，而当超声束信号处于低点(在区域56中示出)时，将不存在气穴现象，但仍可进行流动。经振幅调制的束将继续与泡浆58相互作用，产生对牙齿59的清洁。通常，调制将以矩形波的形式进行，具有非零基线和选定的占空因数，占空因数可变化。但是，调制信号也可为其它配置，包括三角形波，正弦波或其它任意形状，且无需为周期性的。

图5示出设于控制单元61中的被称作频率分集的该系统的第三可选方面，频率分集为超声束的频率调制。换能器或换能器阵列60产生一个或多个超声束，其中频率随着时间变化，以62和64示出。在62中，各个相继的猝发处在不同的频率，而在64中，频率在每个猝发内变化(线性调频)。换能器或换能器阵列60是宽带换能器，其能生成在较广范围的频率，例如，200-400KHz。这种换能器通常是熟知的，特别是在诊断医疗超声领域中。可能的换能器包括双四分之一波匹配的压电体换能器、压电微机械加工的超声换能器(pMUT)，电磁声换能器(eMAT)和电容性微机械加工的超声换能器(cMUT)。对波束进行频率调制的优点在于，微泡通常具有宽范围的大小，且每个大小具有特定的谐振频率，在该谐振频率，其进行振荡且最终打破以对牙齿进行清洁。泡的振荡响应于特定频率。利用单个超声频率，仅相对较少的泡将进行振动且产生清洁效果。当频率调制产生一定范围的频率时，可激发较宽范围的泡大小，从而利用许多或甚至大部分的可用泡。在操作中，它们的较大的百分比被激发，产生更有效和可靠的清洁效果。

另外，在由频率调制所产生的超声信号中的频率变化将造成超声场的干扰图案的峰值和空值以扫过牙齿表面，产生与上文关于空间分集(振幅调制)相同的覆盖益处。可利用通过激发换能器元件的电路所施加的线性锯齿状正弦或其它FM线性调频函数在换能器带宽上改变激发频率。如上文所示，一个频率范围可为200-400KHz，从而给出2:1的大小范围比例。利用150-450KHz范围可实现甚至更大的比例(3:1)。

如上文所示，三个上述特征中的任一特征可用于任何洁牙用具中（牙刷中或口腔用具中），且产生显著的清洁改进。可使用两个特征以及所有三个特征。在一特定布置中，可使用在200-400KHz频率范围操作的cMUT换能器的一维(共面)阵列。换能器阵列可包含八个或更多，优选地16个或更多的元件，其在牙刷的刷毛基部朝向牙齿。位于刷毛附近或刷毛中的是用于生成空气微泡的装置或用于从另一位置移动预先充有泡的流体的管道。

如上文所示，可对于该阵列中的每个元件或该阵列的部分提供独立的电激发，使得对于每个元件而言波束的频率、振幅和相位可独立地控制。因此控制系统提供如上文所述的效果。充有泡的流体提供传播介质且递送清洁泡到牙齿表面上。利用上述系统，泡的更大部分有效地清洁牙齿表面。而且，泡到达大体上牙齿表面的所有部分以有效地清洁，以及到达牙齿之间的邻间表面和牙龈线下方以有效地清洁。

因此，公开了一种系统，其利用微泡改进了超声清洁牙齿表面的作用。该系统包括空间分集、时间分集和频率分集以实现改进的清洁功能，且可为具有洗擦能力的牙刷或口腔用具的部分，或者可单独地使用。

尽管出于说明目的已公开了本发明的优选实施例，应了解，在不偏离下附权利要求书所限定的本发明的精神的情况下，各种变化、修改和替代可包含于实施例中。

Claims (15)

1.一种洁牙用具，包括：

用具主体(12)

用于产生微泡(20)浆且将微泡(20)浆导向至待清洁的牙齿区域的系统；以及，

用于产生超声信号束(22)的系统，所述超声信号束(22)的频率在100KHz至1MHz的范围，所述超声信号束(22)被导向至微泡且致动微泡以进行清洁，其中用于产生超声信号的系统包括下列中的至少一个：(a)换能器元件(40)的阵列，其用于产生超声信号；(b)振幅调制组件(51)，其用于调制所述超声信号的振幅；以及(c)频率调制系统(61)，其用于在预定范围改变所述超声信号的频率。

2.根据权利要求1所述的用具，其特征在于，所述用具包括用于通过对所述超声信号进行相位调制使所述超声信号调向的组件(48)。

3.根据权利要求1所述的用具，其特征在于，所述用具包括(a)、(b)和(c)中的至少两个。

4.根据权利要求1所述的用具，其特征在于，所述用具包括全部(a)、(b)和(c)。

5.根据权利要求1所述的用具，其特征在于，所述用具呈牙刷(10)的形式。

6.根据权利要求1所述的用具，其特征在于，所述用具呈口腔用具(26)的形式。

7.根据权利要求2所述的用具，其特征在于，所述用具包括(a)且所述换能器阵列包括六个至八个单独的换能器元件且每个换能器元件被单独地电驱动以对超声束提供功率控制。

8.根据权利要求1所述的用具，其特征在于，所述用具包括(b)且其中所述振幅调制将所述超声束的功率降低至最大功率的50%或更小。

9.根据权利要求8所述的用具，其特征在于，处于最低功率水平的所述超声束的功率足够低以允许重新补充所述微泡，但并不低至中止所述微泡的流动效果。

10.根据权利要求1所述的用具，其特征在于，所述用具包括刷毛(16)。

11.根据权利要求10所述的用具，其特征在于，所述用具是手动用具。

12.根据权利要求10所述的用具，其特征在于，所述用具包括用于移动刷毛以在牙齿上产生洗擦作用的动力系统(18)。

13.根据权利要求1所述的用具，其特征在于，所述用具包括(c)且频率调制覆盖200-400KHz的范围。

14.根据权利要求1所述的用具，其特征在于，所述用具包括(b)且所述调制频率约为所述超声频率的1%-10%。

15.根据权利要求1所述的用具，其特征在于，所述用具包括(a)且为带有安装于刷头上的刷毛的电动牙刷，且其中所述换能器元件(24)的阵列安装于所述刷头上所述刷毛的基部，且其中所述微泡在所述刷头附近生成。

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