JP2008539882A - 音響導波路を用いた口腔衛生装置 - Google Patents
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Abstract
Description
超音波振動がブラシヘッドの中に配置された圧電振動子から放射され、突起ゴム群から歯に伝えられる超音波歯ブラシを開示する。
図1は本発明の典型的な口腔衛生装置である歯ブラシを示し、該歯ブラシは音響周波数の振動を発生させる超音波変換器、音響導波路およびモータを含む。歯ブラシ10は、硬質または半硬質の材料で構成されたハンドル15を含み、該ハンドルは、典型的には、外部の電源(図示せず)によって電力与えられる充電装置を使って好適に充電できる少なくとも1つの充電式電池12と、超音波モジュール駆動回路14を含む電気回路と、音響周波数で振動を発生させるためのモータ16、好ましくは、音響周波数で歯ブラシヘッド(デバイスヘッド)20を駆動するための直流モータと、タイミング、モータ制御および種々の他の制御機能を提供するコントローラ18とを収容する。適切なモータ、超音波駆動回路、充電式電池およびコントローラは、従来技術でよく知られており、本発明の装置で使用することができる。超音波モジュール駆動回路14は、ブラシヘッドに超音波周波数の音響エネルギーを生み出すために、超音波変換器に結合されており、モータ16は前記ブラシヘッドに音響周波数で音響エネルギーを生み出すために前記ブラシヘッドに結合されている。
超音波変換器組立体を組み込んだ本発明の口腔衛生装置のための超音波操作パラメータは、超音波振動数、パルス繰返し周波数(PRF)、1バースト当たりのサイクル数、デューティサイクル、超音波変換器のパワー、超音波変換器によって発生する負のピーク音圧および前記装置が動作する環境を含む。
ある具体例では、本発明の口腔衛生装置は、音波導波路および/または超音波変換器との組み合わせで、音響周波数の振動を発生させる駆動モータを含む。前記装置が作動されるとき、音響周波数で振動を発生させるモータ組立体は一般的にデバイスハンドルに実装され、振動はデバイスヘッドに伝えられ、従って、音響導波路および/またはブラシ毛束に振動が生じる。前記モータは、これに代えて、デバイスヘッドの部分に実装することができる。
上記で示したように、本発明の口腔衛生装置は、超音波変換器および/または音響周波数で振動するモータとの組合せで、デバイスヘッド支持構造物から突出する音響導波路を含む。前記音波導波路は、超音波が生成される超音波変換器からオプションのインピーダンス整合層を通して口腔中の流体にそれらを伝達するための導管を提供し、音波導波路は、ブラシ毛より、口腔中の流体へ超音波エネルギーを伝えることでブラシ毛束よりも、一層、効率的かつ効果的である。従って、本発明の装置は導波構造を通して超音波を導き、それをブラシ毛束から実質的に分離する。口腔中に前記装置が使用される間に前記音波導波路が浸されるデンタル流体は、一般的に、音響吸収性を示す唾液および歯みがき乳液であり、音波導波路が存在しない場合、波面が歯や歯茎の表面に到達する前に、前記流体は前記超音波のかなりの量を弱める。インピーダンス不整合は、また、超音波変換器から歯や歯肉の表面への音の伝搬の強い障害である。前記音波導波路は、歯の表面近くの唾液と歯みがき乳液との中に超音波振動数で音響エネルギーを伝えることにより、音響的不整合を超える橋として役立つ。
上記したように、本発明のある実施例は、デンタル流体中に効率的に超音波エネルギーを伝達するための音響導波路との組合せで、超音波エネルギーを発生させるための超音波変換器を使用した口腔衛生装置を提供する。ブラシ毛束の運動の結果、デンタル流体に存在し、および/またはブラシ毛束および/または音響導波路の音の振動によって形成された微小な泡は、超音波のエネルギーによって引き起こされたキャビテーションを通して刺激され、歯の露出した表面と、歯ブラシヘッドから離れた歯間の領域とで歯垢を緩めて、取り除くことに効果的な「擦る泡(scrubbing bubbles)」を作り出す。ここに開示された超音波変換器は、これらの微小な泡を振動し、これにより、個々の泡のまわり局部的な流体運動を生成し、超音波のキャビテーション効果との組合せで歯垢を崩壊させるに十分な剪断応力を達成するマイクロストリーミングを生成する。
前記超音波変換器組立体は、さらに、変換器支持装置、オプションの整合層および音響導波路を含む超音波モジュールに組み入れることができる。図2Aに示した変換器組立体を含む一模範例な超音波モジュール50が図3に示されている。この超音波モジュールでは、変換器組立体30は、導線38を有する電気接点構造36と共に、圧電素子32および34と、インピーダンス整合素子37とを含み、実質的に剛性の支持装置52に機械的に取り付けられており、該支持装置は、前記変換器組立体に機械的な支持を提供し、またオプションの整合層37および音響導波路構造55を経る超音波伝搬の案内作用をなす。良好な機械的結合および音響特性は、例えば、前記圧電セラミック(複合材料)、整合層および導波路上の最小運動(結節取付け)領域と一致させるべく前記支持装置の結合機構53、54を設けることにより、成し遂げられる。次に、音響導波路55は、前記導波路の内表面と、前記変換器組立体および前記支持装置の外表面との間で密接した接触を提供すべく、前記変換器組立体および前記支持装置に取り付けられあるいは成形される。
デバイスヘッド組立体は、好ましくは、ハンドル組立体から分離可能であり、また取り替え可能である。歯ブラシヘッド組立体は、超音波モジュールと、1つ以上のブラシ毛束と、パワーを前記超音波モジュールに伝え前記超音波導波路およびブラシ毛束に振動運動を結合するための要素成分とを受け入れかつ支持するに適応した実質的に剛性のハウジング構造を含む。電力は、前記ブラシヘッドが前記ハンドルに取り付けられるときに該ハンドルに設けられた相補的な電気接点への確実な接触がなされる電気配線接続によって、超音波変換器に提供することができる。代替的に、トランスフォーマ組立体は、前記デバイスヘッド組立体と前記ハンドルとの間で、結合およびパワー移送を提供するために実施することができる。
代替的な実施例では、電気接触は、該接触が前記ブラシヘッドを中心位置または他の所望位置に復帰させるばね力を提供するように、前記ブラシヘッドハウジングの非移動部分に機械的に接触する。
典型的なハンドルハウジングおよび該ハンドルハウジングに一般的に取り付けられる構成部品の分解図が図6に示されている。ハンドル100は全体的に堅く、図示の構成部品を保持するための内部空洞および関連した内部の機械的構造を持った全体に円筒形の形状を有する。ハンドル100は、また、オン/オフボタン102、バッテリー充電レベルインジケータ104およびブラシヘッド取り替えインジケータ106などの1つ以上のユーザインターフェイスを含むことができる。
したがって、信号は前記ハンドルから前記歯ブラシヘッド組立体に送ることができ、また対応する応答を前記歯ブラシヘッド組立体の構成要素から送ることができる。それに代えて、前記トランスフォーマの一次側および二次側間の信号は、超音波駆動波形の頂部に電圧を誘導するように結合することができる。これは、例えば超音波波形の頂部に載る振幅変調信号を提供する。これに代えて、信号周波数が、周波数変調または周波数変調と振幅変調との組合せの変調を受けるように、変調を受けることができる。
またさらに他の実施例では、追加のコイルおよび/または巻線は、ユニークな信号のために前記変換器を監視し、したがって歯ブラシヘッド組立体を識別するように使うことができる。
本発明の装置は、一般的に、ユーザによって操作可能のパワーオンおよびパワーオフの制御機構を含む。一実施例では、圧力の適用に応じて動作サイクルを開始すべく前記装置を活性化する機械的なアクチュエータが設けられている。動作サイクルの開始は、一般にモータ駆動および/または超音波変換器の活性化を含み、予め決められた期間、動作サイクルの開始を遅らす遅延機能を含むことができる。前記装置の不活性化および動作サイクルの終了に同じ機械的アクチュエータを用いることができ、あるいは前記装置は、動作サイクルの終了後または動作サイクルの終了後の所定の時間遅れの後で、自動的に止まるようにプログラム化することができる。前記装置が活性化されているという表示は、例えばLEDを使用したパワーオンボタンを明るくすることによって、提供することができる。さらに、パワーオンおよび/またはパワーオフ制御に加えて、本発明の装置は、ユーザによって選択可能な1つ以上の予め決められた動作サイクルを有することができる。これに代えて、本発明の装置は、1人以上のユーザによって選択可能な1つ以上の動作サイクルを提供すべく、ユーザによってプログラム化が可能である。本発明の装置は、デバイスヘッドがデバイスハンドルに適切に結合されるとき、またはデバイスヘッドが稼動可能であると判定したときだけ、さらに、例えば動作サイクルの開始を許す検出機能を含むことができる。機能しないデバイスヘッドが実装されるか、デバイスヘッドが不適切に実装された場合、ユーザインターフェイスは、ユーザに適切な是正を行うように合図することができる。
ある実施例では、本発明の歯ブラシは、泡振動を増強して歯垢除去効果を増強すべく、超音波信号の伝送および検出の両方が超音波特性のリアルタイム調整を可能とする電子回路を含むことができる。伝送特性は電子的に監視され、結果として生じるフィードバックは、検出回路および/またはマイクロプロセッサに供給される。超音波プロトコル(例えば、PRF、CPS、デューティサイクル、機械的な指標要因(Mechanical Index factors)等)の個々の特性および/または音響モータ駆動パラメータ(例えば、駆動電圧、周波数、デューティサイクル、パルス幅等)は、改善された歯垢除去のために改善された超音波出力を可能とすべく調整可能である。そのような「利口な(smart)超音波の」パワー歯ブラシは、一定駆動の超音波変換器および音響動力源(sonic motor)に比べて優れた歯垢除去を生じるように、泡寸法および密度を最適化する。
変換器受信部は、検出器および/またはマイクロプロセッサベースのアルゴリズムに入力を提供し、該アルゴリズムは、検出された超音波散乱および変化に基づいて動作環境の流体の音響特性を検出し、明確にすることが可能である。判定された流体の特性に基づいて、音響駆動モータおよび/または超音波プロトコルは、自動的に調整され、動作環境に検出された流体物性のために最適化される。
動作環境中の流体の量および位置は、動作環境への流体の導入およびこれからの引き出しで調整することができる。動作環境、例えば口腔中に流体が過剰にあるとき、その存在する流体をリザーバへ引き出し、流体の量が不十分または流体物性を修正し、従って超音波の作用を強化することになっているとき、付加流体を導入することができる。
超音波の伝達は、泡集団によって反射されるか、吸収され、それは光源というよりもその波長差にある。しかしながら、歯ブラシヘッド、典型的には、前記音響導波路内中に取り付けられる光カプラは、前記導波路の切り込みを横切って光を送り、該切り込みの反対側で受光する。前記流体の密度は、光伝達によれば、導波路の直近での流体の存在と条件を表す。光は、ナイロンブラシ毛の中に、またはこれから送られるかもしれず、検出される伝達での変化は、流体特性に相関的である。これらの変化は、次に、ここに記載された他の方法と同様な、音および超音波プロトコルの制御を援助すべくマイクロプロセッサアルゴリズムに供給することができる。本発明のなお更なる実施例は、特に他の超音波と音響とのプロトコルを組み合わせるとき、有益な細菌学上の効果を促進する。
ハンドルおよびデバイスヘッドを有する本発明の口腔衛生装置の一般的な形態および寸法は、人間工学的な機能性と審美的な外観との両方を考慮する。寸法および位置が異なる2つの別個のグリップエリアを設けることができ、異なる作業のためにデザインされる。一方のグリップ部分は一般的な取り扱い(すなわち充電器への移動とそれからの取り出しおよび歯みがき剤を適用する間のユーザによる保持)のためである。このグリップ部は、通常、手のひら全体で握ることにより、把持される。このエリアは、前記デバイスハンドルの中間および下部に配置され、一般的に長円形または楕円形の横断面形状を有する。第2のグリップエリアは、歯ブラシハンドルの上部に配置され、その操作(例えば歯を磨く)間に、前記装置を保持するのに最適化されている。このグリップエリアは、一般的に、指先で握られて、手の中での滑り防止の助けになる表面組織および/または柔らかい材料を使用することができる。オン/オフスイッチは、一般的に、上方のグリップエリアとデバイスヘッドとの接合部に配置される。前記オン/オフスイッチは、例えばわずかな圧力によって作動する機械的スイッチとして設けることができる。
流体は、前記導波路の先端から出てくる超音波を口腔と歯面に結合するために前記導波路先端に必要とされる。動作サイクルの開始で口腔への有効な流体の付加がない場合、流体の有用性は動作サイクルの最初から最後まで変化する。一般に、唾液は約2ミリリットル/分の割合でユーザによって生成される。一般に動作サイクルの始まりでペーストおよび/またはゲルとして前記装置に適用される歯みがきは、細分化され、デンタルスラリーを成形するために追加された唾液および/または水に融合する。歯みがき剤の性質と流体の有用性の変化の結果として、デンタルスラリーはブラッシングイベントの最初で比較的濃く、終わりで比較的薄いかもしれない。動作サイクルの間での流体の有用性および組成の両変化を減少させるために、前記装置は、(a)動作サイクルの最初に流体を導入し、(b)動作サイクルの終わり向けて流体を回収し、または(c)動作サイクルの間に流体を導入し、回収する要素を含むことができる。流体の付加および/または回収は、能動的(例えば、ポンプおよび/または真空機構を提供することにより)および受動的(例えば、ブラシヘッドおよび口腔環境に近接して流体の吸収素材を提供することにより)のいずれかとすることができる。
前記フィラメントの摩耗に伴い、追加の量(少ない長さ)は、最適な長さの配置を維持するために、前記歯ブラシヘッドから適用される。
この流体経路は、柔軟な可撓性の管であるかもしれず、および/または歯ブラシヘッドのブラシ毛エリアへのネック部の中空ブッシュを通るモータシャフトを経由することができる。ポンプまたは流量調節弁は、例えば歯ブラシヘッド組立体またはハンドルのどちらかに置くことができる。代替的に、前記ポンプまたは流量調節弁は、ユーザによって直接作動させることができ(機械ポンプまたは弁)、ハンドルの電子回路によって(電気的に)制御することができる。
ある関連した実施例では、ここに開示された創意に富んだパワー歯ブラシでの使用に適した歯みがき剤を提供することが意図されている。例えば、そのような歯みがきは、ここに明らかにされた超音波変換器および音響導波路の作用を受けたときに望ましい泡集団の作成を容易にすることを意図する。
12 電池
14 駆動回路
15 ハンドル
16 モータ
18 コントローラ
20 歯ブラシヘッド(デバイスヘッド)
21 ステム部分
22 超音波変換器(超音波変換器組立体)
24 音響導波路
26 ブラシ毛束
Claims (37)
- 動作サイクルの開始がユーザの操作によって可能な口腔衛生装置であって、
音響導波路を有するデバイスヘッド支持構造物および該支持構造物から突出する少なくとも1つのブラシ毛束と、
1500kHz未満の周波数で超音波エネルギーを引き起こすように、動作サイクル中、動作する前記音響導波路に音響学的に結合される超音波変換器と、
1000Hz未満の音響周波数で振動を引き起し、また1.5m/s未満の速度で前記ブラシ毛束を振動させるように、動作サイクル中、動作する前記支持構造物に機械的に結合されるモータとを含む口腔衛生装置。 - 前記超音波変換器は複数の圧電素子を含む、請求項1に記載の装置。
- 前記超音波変換器は、機械的に直列に、また電気的に並列に結合された複数の圧電素子から成る、請求項1に記載の装置。
- さらに、超音波変換器に接触しているインピーダンス整合層を含む、請求項1に記載の装置。
- 多数のブラシ毛束を含み、少なくとも1つのブラシ毛束が、他の少なくとも1つのブラシ毛束の露出長さより大きな露出した長さを有する、請求項1に記載の装置。
- 多数のブラシ毛束を含み、少なくとも1つのブラシ毛束が、他の少なくとも1つのブラシ毛束の剛性より高い剛性を有する、請求項1に記載の装置。
- 少なくとも1つのブラシ毛束が、他の少なくとも1つのブラシ毛束の方位角と異なる方位角を有する、請求項1に記載の装置。
- 前記モータは、動作サイクル中、ブラシ毛先端に2.2mm未満のピーク振幅の振動を引き起こすように動作する、請求項1に記載の装置。
- 前記モータは、角度制限のトルクモータから成る、請求項1に記載の装置。
- 動作サイクルの開始がユーザの操作によって可能な口腔衛生装置であって、
2000Hz未満の音響周波数で振動を引き起こすように、動作サイクル中、動作する支持構造物に機械的に結合されるモータと、
1500kHz未満の周波数で超音波エネルギーを引き起こすように、動作サイクル中、動作する超音波変換器と、
前記動作サイクル中、前記超音波変換器および前記モータの動作を制御する少なくとも1つのコントローラとを含み、
前記超音波変換器および前記モータの出力は、動作サイクル中、可変である口腔衛生装置。 - 前記超音波変換器および前記モータの出力は、動作サイクル中、同期して変化する、請求項10に記載の装置。
- 前記超音波変換器は、動作サイクル中、100%未満のデューティサイクルで動作し、該超音波変換器が動作サイクル中に動作しているとき、前記モータの出力は低減される、請求項10に記載の装置。
- 前記モータの出力は、該駆動モータに供給される電流の調整によって調整される、請求項10に記載の装置。
- 前記駆動モータに流れる電流は監視される、請求項10に記載の装置。
- 前記モータの駆動周波数は監視される、請求項10に記載の装置。
- 超音波駆動周波数は、動作サイクル中、調整される、請求項10に記載の装置。
- さらに、超音波駆動回路と、誘導的に結合して前記超音波駆動回路から前記超音波変換器にパワーを移送するトランスフォーマ組立体とを含む、請求項10に記載の装置。
- 支持構造物であって音響導波路と、前記支持構造物から突出する多数のブラシ毛を含む少なくとも1つのブラシ毛束とを備える支持構造物と、
1500kHz未満の周波数で超音波エネルギーを引き起こすように、動作サイクル中、動作する音響導波路に音響学的に結合される超音波変換器と、
1.5m/s未満のピークブラシ毛先端速度および2.2mm未満のピーク振幅でブラシ毛先端を振動させるように、動作サイクル中、動作する前記支持構造物に機械的に結合されたモータとを含む口腔衛生装置。 - 前記モータはステッピングモータから成る請求項18に記載の口腔衛生装置。
- 前記モータは角度制限のトルクモータから成る、請求項18に記載の口腔衛生装置。
- 前記モータは動作サイクル中に12°未満の夾角で振動運動を生じる請求項18に記載の口腔衛生装置。
- 前記モータは動作サイクル中に約3°および7°間の夾角で振動運動を生じる、請求項18に記載の口腔衛生装置。
- さらに、超音波駆動回路と、誘導的に結合して前記超音波駆動回路から前記超音波変換器にパワーを移送するトランスフォーマ組立体とを含む、請求項18に記載の口腔衛生装置。
- さらに、前記超音波変換器が作動中であると判定したときのみ動作サイクルの開始を可能とする検出機構を含む、請求項18に記載の口腔衛生装置。
- さらに、前記装置の1つの動作サイクルを多数の動作サブサイクルに分けるタイミング機能を提供するコントローラを含む、請求項18に記載の口腔衛生装置。
- さらに、前記モータの共振動作状態を監視するコントローラを含む、請求項18に記載の口腔衛生装置。
- さらに、動作サイクル中に前記超音波の駆動周波数および/または振幅を調整するコントローラを含む、請求項18に記載の口腔衛生装置。
- さらに、予め決められた1つ或いは複数の調整周波数で、所定の周波数範囲内での前記超音波変換器の駆動周波数の周波数走査を提供するコントローラを含む、請求項18に記載の口腔衛生装置。
- さらに、動作サイクル中に前記超音波電源回路および超音波変換器に流れる電流を監視するコントローラを含む、請求項18に記載の口腔衛生装置。
- 装置の動作サイクル数を数えるようにプログラムされたコントローラを含む、請求項18に記載の口腔衛生装置。
- さらに、前記超音波変換器の動作を監視するようにプログラムされたコントローラを含む、請求項18に記載の口腔衛生装置。
- さらに、動作中の流体環境の状態を監視し、流体環境の検出状態に基づいて装置の動作パラメータを修正するようにプログラムされたコントローラを含む、請求項18に記載の口腔衛生装置。
- 支持構造物であってこれから突出する少なくとも1つの器具を有する支持構造物と、
前記器具と超音波駆動回路とに音響学的に結合される超音波変換器組立体、および動作サイクル中に超音波エネルギーを生成すべく前記超音波変換器組立体を駆動するために該超音波変換器組立体に作用的につながる電源と、
誘導的に結合して前記超音波駆動回路から前記超音波変換器にパワーを移送するトランスフォーマ組立体とを含む口腔衛生装置。 - 前記トランスフォーマ組立体は、前記超音波駆動回路に作用的につながる一次コイルおよびコアと、前記超音波変換器組立体に作用的につながる二次コイルおよびコアとを含む、請求項23に記載の装置。
- 前記トランスフォーマ組立体は、前記一次コイルおよびコアと前記二次コイルおよびコアとの間で、電気情報の交換を可能にする追加のトランスフォーマ構成要素を含む、請求項23に記載の装置。
- 電源を有するデバイスハンドルに取り外し可能に適用されるデバイスヘッドであって、デバイスヘッド支持構造体から突出する器具と、該器具に機械的に直列に、また音響的に並列に結合された複数の圧電素子を有する超音波変換器とを含むデバイスヘッド。
- 電源を有するデバイスハンドルに取り外し可能に適応するデバイスヘッドであって、動力が電源によって供給されるように適応され、デバイスヘッド支持構造体から突出する器具と、前記デバイスヘッドに取り付けられ、前記デバイスハンドルから前記デバイスヘッドへパワーを誘導的に結合すべく前記デバイスハンドルに取り付けられたトランスフォーマコイルおよびコアと共同するように適応するトランスフォーマおよびコアとを含むデバイスヘッド。
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