JP2008539882A - 音響導波路を用いた口腔衛生装置 - Google Patents

Abstract

口腔中で流体への超音波の音響エネルギーの伝達を容易する超音波変換器２２と、音響導波路２４とを有する口腔衛生装置が開示される。水環境およびデンタルスラリー中の作業に好適な超音波動作パラメータが開示される。前記装置は、音響周波数でデバイスヘッド２３、音響導波路２４および１以上のブラシ毛束２６を振動させるために駆動モータ１６を含むことができ、好ましくは、また音の動作パラメータが提供される。多要素圧電振動子組立体３０、４０と、様々の制御および通信の機能とが開示される。ここに明らかにされた口腔衛生装置は、歯間および歯肉縁下の領域からと同様に、歯からの歯垢および汚れの除去について改善を達成すると同時に、ユーザエクスペリエンスを高め、歯茎をマッサージし、歯の組織を刺激し、バイオフィルムを破壊する。

Description

本発明は、広くは、口腔衛生装置の分野に関し、より詳細には、音および／または超音波の音響機構を用いた歯ブラシのような口腔衛生装置に関連する。

本願は、２００５年５月３日に出願された米国特許出願番号６０／６７７，５７７号に基づく優先権を主張する。

既存の最も効果的な電動歯ブラシでさえ、客観的には、歯と歯との接触面、歯茎と歯の接触点、歯肉の下に、あるいはブラシ毛または他の歯ブラシ構成要素が直接届く範囲の外に、かなりの歯垢を残す。音および／または超音波機構を用いた多くの口腔衛生装置が従来技術で知られている。歯ブラシで超音波音響エネルギーを利用する従来の試みは、歯垢の除去を容易にする目的のためにデンタル液で微小な泡を形成することを促進することができず、あるいは、微小な泡および大きな泡がブラシの毛先を越える超音波の伝搬に対してポテンシャル障害になると考えることができなかった。

超音波技術を使用した幾つかの歯ブラシは、ブラシ毛自体を通してあるいはブラシ毛間の空間を満たす泡立ったデンタル液を通して、ブラシ毛の基から超音波が伝搬することを達成しようとした。例えば、ボックの米国特許第５，１３８７３３号および第５，５４６,６２４号は、ハンドル、バッテリパック、電子駆動モジュール、圧電部材および取り外し可能なブラシヘッドを備える超音波歯ブラシを開示する。ボックの米国特許第５，２４７，７１６号および第５，３６９，８３１号は、超音波歯ブラシのための取り外し可能なブラシヘッドを開示し、当該歯ブラシは、多数のブラシ毛束と、可撓性材料で構成された実質的に筒状の本体と、前記ブラシヘッドを前記超音波歯ブラシに固定するための緊張手段とを備え、前記ブラシヘッドを通して前記歯ブラシからの超音波周波数振動の効果的な伝達が提供される。従来の歯ブラシ毛と泡立ったデンタル液が超音波の伝搬を容易にするというよりはむしろ伝搬を低減させるので、これらの参照に開示された歯ブラシでは、超音波の効果的な伝搬が行えない。また、前記した歯ブラシの従来の超音波システムは、デンタル液の特定の泡構造を利用しなかった。

パリシの米国特許第３，３３５，４４３号は、高音および超音波の周波数で振動し得る超音波振動の携帯型歯科用機器に結合されるブラシを開示する。アンドレスの米国特許４，０７１，９５６号は、超音波振動によって歯垢を取り除くための、歯ブラシではない装置を開示する。

米国再発行特許発明第２８，７５２号として再発行されたバラマス他の米国特許第３，８０９，９７７号は、超音波キット、超音波モータ構成および単独あるいは組合せで用いるための超音波変換器構成を開示する。その超音波モータは、取り外し可能な先端が設けられた圧電材料を有し、コンバータに接続されるアダプタへの差し込みに適応した電気接触手段を有するハウジング内に収容されている。バラマスの米国特許第３，８４０，９３２号および第３，９４１，４２４号は、一端から機械振動を他端に配置されるブラシ毛要素まで伝搬するために、超音波で振動する構成の超音波歯ブラシのアプリケータを開示する。

クリス他の米国特許第３，８２８，７７０号は、使用中に超音波および音の両振動運動を生み出すために、音響周波数で反復するアプリケータでの超音波の機械的な振動のバーストを使用して歯をきれいにする方法を開示する。

クリスの米国特許第４，１９２，０３５号は、口中に入るのに適応したブラシ部材への一対の接触面を備え、圧電部材で形成された細長い部材を含む装置を開示する。ハンドルに適合するケーシングは、圧電部材を受け入れるように形成されている。クリスの米国特許第４，３３３，１９７号は、低電圧コイルとこれに共同し超音波周波数で駆動されるフェライトコアとを有する中空ハウジングの形態の細長いハンドル部材を含む超音波歯ブラシを開示する。ブラシ部材は、前記コアに固定され、また該コア材料に接着剤で固定されたインピーダンス転送装置に接着剤で固定されている。前記インピーダンス転送装置は、前記コア材料から前記ブラシまでの超音波エネルギーの最大転送を保証する。

サロフの米国特許第４，９９１，２４９号および第５，１５０，４９２号は、超音波の動力部材に取り外し可能に取り付けられる交換可能な歯ブラシ部材を有する超音波歯ブラシを開示する。

センターの米国特許第５，３１１，６３２号は、厚い円筒状の中空ハンドルを有する歯ブラシを含む、歯から歯垢を除去するための装置を開示し、前記中空ハンドルは、偏心的に取り付けられた部材を回転し装置全体の振動を引き起こすように動作する電気モータと、ブラシに高い周波数の音波を生じるように動作可能の超音波変換器とを取り囲む。

日本出願の特願平８−３５８３５９号（特開平１０−１６５２２８号）は、超音波を利用する歯ブラシを開示し、手動または電気動力の歯ブラシのハンドル中に超音波発生装置が設けられ、また変換器（超音波振動子）が前記ブラシに実装され、前記超音波発生装置に接続される。

日本出願の特願２００２−３５３１１０（特開２００４−１４８０７９）は、
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。

ウィリアムズ他の米国特許第６，２０３，３２０号は、電動歯ブラシと、歯をきれいにする方法とを開示する。前記歯ブラシは、ハンドル、該ハンドルに接続されたブラシヘッドを含み、前記ハンドルは、中空の多数のフィラメントブラシ毛と、前記ハンドルおよび前記ブラシヘッドを通る通路であって流体を前記中空のフィラメントブラシ毛からこれを通して移送するための通路と、前記ハンドル中の電気エネルギー源と、移送される前記流体に脈動を与えるための振動要素とを備える。

高畠他の米国特許出願公開第２００３／００７９３０５号は、ブラシ本体が振動および往復運動を同時的に行う電動歯ブラシを開示する。前記電動歯ブラシは、本体ケースと、該本体ケース上から伸長するアームと、該アームの上端に配置されたブラシ体と、該ブラシ体を駆動するために前記アーム中の上端に配置された超音波モータとを含む。

ムラヤマの米国特許第５，３４３，８８３号の再発行特許である米国再発行特許発明第３５，７１２号は、歯間表面からの歯垢の除去のための電気装置、すなわちフロッサー（flosser）を開示する。前記装置は、音波エネルギーと、動力の供給を受けるハンドルに取り外し可能に取り付けられた柔軟な分岐体の２つの先端間に固定されたデンタルフロスとを使用する。前記柔軟な分岐体に伝えられる音エネルギーを発生するために、電動モータは音響周波数で回転する。

モッシ他の米国特許第６，６１９，９５７号は、歯石除去器先端、アクチュエータ要素、コイル、ハンドピースハウジングおよび圧縮空気を原動力とする電流発生器を含む超音波歯石除去器を開示する。前記アクチュエータ要素材料、コイルおよび圧縮空気を原動力とする電流発生器は、すべて前記ハンドピースハウジングで包囲されている。

シャープの米国特許第６，１９０，１６７号は、共振周波数を有する歯石除去器挿入部（スケーラーインサート）と共に使用する歯石除去器を開示する。前記歯石除去器挿入部は、ハンドピースに取り外し可能に取り付けられており、該ハンドピースには、前記歯石除去器を振動させる振動周波数の制御信号を生成するための選択的に調整可能な発振器回路に結合されたエネルギーコイルが設けられている。

マーティンの米国特許第４，７３１，０１９号は、超音波作用によって歯石を除去するための歯科用機器を開示する。前記機器は、円錐形の鋭端を有するフック状の先端部であって一般にダイヤモンド粒子のような研摩粒子を含む先端部を備える。

ジュリアーニの米国特許第５，３７８，１５３号は、本体と、伸長する共振器アームとを有する歯科用衛生装置を開示する。前記装置は、２つの永久磁石との組み合わせで捩りピンに振動を生じさせるように動作する本体内の永久磁石を使用する。前記アームは、ブラシ毛の先端を越える浄化を達成すべく、１．５ｍ／ｓを越えるブラシ毛先端速度を生じる振幅および周波数の範囲でブラシ毛先端を作動させるように、動作する。

米国特許出願公開第２００５／００９１７７０ A1は、デンタル液への音響エネルギー伝達を容易にする音響導波路を使用した歯ブラシを開示する。前記音響導波路は、音響部品および／または超音波変換器との組み合わせで用いられている。この公報の開示事項は、参照によりそのすべてがここに含まれる。

従来技術の装置には、改善された口腔衛生、特に、歯と歯茎との間、歯間の接触部およびブラシ毛の直接作用を越えた掃除の改善が要望として残っている。

音響の周波数で振動を発生させるために、音響導波路、超音波変換器組立体および／または駆動モータを有する口腔衛生装置がここに提供される。そのデバイスヘッドは、典型的には、支持構造物を含み、該支持構造物は、これに設けられた音響導波路、超音波変換器組立体および１以上のブラシ毛束を備える。ハンドル構造は、典型的には、充電可能な電源、音響周波数で振動を発生させるモータ、超音波衝動回路およびコントローラを収容する。前記デバイスヘッドは、前記ハンドルに取り外し可能に取り付けられ、取り替え可能とすることができる。前記装置は、また、バッテリーを充電するために外部電源に接続可能なバッテリー充電ステーションを含むことができる。少なくともオン／オフコントロールから成るユーザインターフェイスが提供され、該コントローラをユーザが操作することにより、動作サイクルが開始される。適正な超音波動作パラメータおよび音響振動パラメータと、プロトコルとは、以下に詳細に記載される。

本発明は、種々の実施例で、超音波変換器および音響導波路構造を組み込んだ手動（非電動化）歯ブラシ、音響導波路構造を組み込んだ動力（電動化）歯ブラシ、超音波変換器および音響導波路構造の両方を組み込んだ動力（電動化）歯ブラシのような口腔衛生装置を提供する。音響導波路構造は、音響周波数で振動を発生させる超音波変換器および／またはモータとの組み合わせで、またオプションで１以上のブラシ毛束との組み合わせで、流体内でキャビテーション、音響ストリーミングおよび／または音響マイクロストリーミングを誘発するために、動作環境の流体内で微細な泡の流れに作用する。音響周波数でのブラシヘッドの振動は、超音波振動数での音響導波路からの音響エネルギーの照射との組み合わせおよび／または１以上のブラシ毛束の振動との組合せで、さらに好ましい口腔感触を作り出し、歯茎と他の歯組織を刺激し、マッサージし、一般的に、改善された歯のクリーニング体験を提供する。

ここに説明された条件下での音響周波数で振動を発生する超音波変換器および／またはモータとの組み合わせで音響導波路を使用する歯ブラシのような口腔衛生装置は、改善されたクリーニング特性とバイオフィルムの崩壊とを提供する。ここに詳細に説明されるように、本発明による口腔衛生装置は、音響導波路の、音の運動をも含む運動によって、流体の泡を増加させ、また前記導波路および／または１以上のブラシ毛束の動きによって、泡の形成を促進するのに有効である。音響周波数でのブラシヘッドの振動は、ブラシ毛先端が直接的なブラシ毛接触によって歯面を浄化するように、また、超音波振動数で音響エネルギーにさらされるとき、歯垢およびバイオフィルムの改善された除去を提供する導波路を取り囲んでいるデンタル液中に泡を発生させるように、ブラシ毛の先端を動かし、また励起する。

超音波変換器を使用する実施例では、本発明の装置は、超音波変換器によって発生した超音波を効果的に伝送し、バイオフィルムの低減と同様に、改善された歯垢の崩壊および除去を達成するために、それらの波を音響導波路を経て口腔内やデンタル液に効果的に伝える。ここに音響部品との組み合わせで説明されたパラメータに従って動作する超音波変換器を使用している本発明の装置は、また、効果的に泡流体の流れを容易にし、超音波を効果的に伝搬させ、その結果ブラシ毛を越えて、例えばブラシ毛先端の約０．５ｍｍから約７ｍｍの向こう、より一般的にはブラシ毛先端より少なくとも約１ｍｍから最高約５ｍｍの向こうに、クリーニング効果を生じさせる。

ブラシ毛束および音響導波路の音響周波数での振動は、気泡流を発生させ、超音波変換器の作用と音響導波路を通しての超音波振動数の音響エネルギーの伝達がないときでさえクリーニングを改善する。しかしながら、超音波変換器、音響導波路および音響構成部品の組み合わせは、本発明の最も効果的な電動歯ブラシの具体例を実現すると共に、音響および超音波構成部品だけの相加効果よりも大幅に優れた相乗的なクリーニング効果を生じる。

本発明の種々の特徴および利点は、添付の図面を参照しての以下の詳細な説明により、より容易に理解できるであろう。

ここで使われるように、用語「超音波」および「超音波の」は、人の耳で通常聞き取れる範囲より高い周波数、一般的には約２０ｋHzより高い周波数の音響エネルギーを指す。用語「音」は、人の耳で通常聞き取れる範囲内の周波数、一般的には約２０ｋHz未満、例えば２０Hzおよび２０ｋHz間の周波数を有する音響エネルギーまたは音を指す。

ここに使われるように、用語「キャビテーション」は音による泡の発生および／または刺激を指す。「発生」は泡の生成を意味し、「刺激」は泡を動的に活性化する、すなわち、泡内のガスおよび泡を取り巻く周囲の流体への機械的および／または化学的効果のすべてに関連して、泡が動き、より大きくまたはより小さくなり、成長し、消失することを意味する。用語「キャビテーション」は液体およびガス中の超音波の場と、分離された媒体中の気体包有物(例えば微小な泡)との間の相互作用を指す。

微小な泡が存在するキャビテーションは、２つの一般的なカテゴリー、おおざっぱに、「安定なキャビテーション」と「不活発な(inertial)キャビテーション」とに再分類することができる。「安定なキャビテーション」は、低強度の超音波エネルギーによる、既存の微少な泡の安定した、小振幅の共振の誘導であり、次々、微小な泡の近くおよびこれに隣接する流動流体(ここでは、音響マイクロストリーミングと称される)中に局部的なせん断力を生成する。超音波強度の増大に伴い、泡が不安定になり、「不活発なキャビテーション」を起こして、殺到する流体の慣性のため崩壊するまで、振動の振幅は増大する。一般に、本発明の装置で使用される超音波の条件の下でキャビテーションを受ける微小な泡は、直径が約１μｍおよび約１５０μｍ間にある。また、微小な泡の塊がキャビテーションによって引き起こされるかもしれない。

超音波変換器および音響導波路を含む本発明の口腔衛生装置は、一般的に、少なくとも安定なキャビテーションを促進する、すなわち単に泡の容積を変化させそこで、周辺の流体の慣性に加えておよび／またはその代わりに、要因（factors）は泡のふるまいを抑制する。低水準の超音波の音響エネルギーは、泡の容積に一時的な変化を起こし、この容積変化は、一音響サイクル内でおよび複数の音響サイクルにわたっての両方で、泡に近接する流体内での動きを生じさせ、その機械的影響は歯垢の除去およびバイオフィルムの崩壊を促進する。

「微小な泡」は口腔、例えばデンタル液または歯垢内に存在する微視的な泡をいう。微小な泡は流体内に生じるかもしれない。すなわち、それらは微小な泡を含んでいる流体すなわち歯みがき中などにもたらされ、 それらは人手によるブラッシングの間に歯ブラシのブラシ毛の運動によって生成することができ、および／または、それらはブラシ毛および／または音響導波路の音響周波数での振動によって生成することができる。「微小な泡」は、超音波変換器から送られかつ音響導波路によって伝えられた超音波振動数の音響エネルギーの作用を受ける。微小な泡の直径に依存する固有振動数およびその近傍で「微小な泡」は共振する。

「音響ストリーミング」は、音波から超音波ビームの減衰の結果としての流体までの運動量移動によって起こる流体の塊あるいはまとまった（coherent）流れをいう。泡の有無に拘わらず流体中に伝わる超音波は、「音響ストリーミング」を発生させることができ、それは寸法および範囲がきわめて大きくなることがある。音響ストリーミング効果は、流体中の泡がないよりも泡によって一層大きくなるであろう。音響ストリーミングは、一般に、泡を刺激するのに必要とされるよりも高い周波数を必要とし、一般により高い超音波周波数ほどより高い音響ストリーミング効果が得られる。

「微少（マイクロ）ストリーミング」および「音響マイクロストリーミング」は、微小な泡の超音波音場中の機械的な圧力変化の作用のために起こる微小な泡の近くまたはこれに隣接している流体の運動をいう。本発明の明細書中で、剪断力は、歯間および歯肉下の空間でだけでなく歯茎と歯の表面に沿って分布するデンタル液中で微小な泡にキャビテーションを起こすことに関連する。本発明の装置で使われた超音波音響エネルギーによって引き起こされるマイクロストリーミングは、約０．１Ｐａおよび約１０００Ｐａ間の剪断応力を生み出す。本発明の装置は、好ましくは、約０．２Ｐａおよび約５００Ｐａ間の剪断応力、いくつかの実施例中では、約０．３Ｐａから約１５０Ｐａの剪断応力を作り出すための音響動作パラメータで作用する。さらに他の実施例では、本発明の装置によって作り出された剪断応力は約１Ｐａから約３０Ｐａである。これらの剪断応力は、歯の表面および口腔の中の他の構造物上の歯垢および／または汚れを取り除き、バイオフィルムを粉砕する。

本発明の口腔衛生装置は、歯ブラシのブラシ毛先端および／または音響導波路を越える約１ｍｍおよび１０ｍｍ間の距離で約０．５ｃｍ／ｓから約５０ｃｍ／ｓまでの範囲の流体動作環境で、流体の流動を生成することが可能である。より一般的には、本発明の歯ブラシは、歯ブラシのブラシ毛先端および／または音響導波路を越える約１ｍｍおよび１０ｍｍ間の距離で約１ｃｍ／ｓから約３０ｃｍ／ｓまでの範囲の流体動作環境で、流体の流動を生成することが可能である。口腔衛生装置は、好ましくは、歯ブラシブラシ毛先端および／または音響導波路を越える約１ｍｍおよび１０ｍｍの間の距離で、２および１０ｃｍ／ｓの間の流体流動を生成することが可能である。

典型的な装置
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。

歯ブラシヘッド２０はハンドル１５に取り付けられており、ステム部分２１およびブラシヘッド部分２３を含む。超音波駆動命令、パワーおよび音波振動の前記ブラシヘッド部分への伝達を容易にするための溝またはその他の手段をステム部分２１に設けることができる。ブラシヘッド部分２３は、超音波変換器２２と、該超音波変換器に作用的に近接しかつ音響的に結合された音響導波路２４とを含む。図１に概略的に示された歯ブラシの実施例では、オプションの超音波反射素子２８が超音波変換器２２の背面からその両側を取り巻いて拡張して示されており、超音波反射素子２８は、音響導波路２４を通してデンタル流体中に超音波を反射する。歯ブラシヘッド２０は、ハンドル１５に取り外し可能に、あるいは固定的に取り付けることができ、好適な実施例では、ハンドル１５に取り外し可能に装着されている。そのとき、前記ブラシヘッド部分は、また、別個で取り替え可能な構成品として提供することができる。

一般に、歯ブラシヘッド２０は、音響導波路２４の近傍でこれを全体的に取り巻いて配置される多数のブラシ毛束２６を含む。歯ブラシヘッド２０は、オプションで超音波変換器２２および音響導波路２４間に実装されたインピーダンス整合層２９を含むことができる。以下で述べるように、インピーダンス整合層２９は、前記装置の効率を改善する。これらすべての構成要素は、具体的な実施例に関して以下でより詳細に説明される。

(充電可能な電源から)超音波モジュール駆動回路１４によって供給される交流は、超音波変換器２２を該超音波変換器が超音波モジュール駆動回路１４から供給される周波数の主として共振軸に沿って或いはその近傍で、拡大しまた収縮するように駆動し、これにより超音波振動数で、電気エネルギーが音響エネルギーに変換される。結果として生じる超音波は、音響導波路２４に伝導され、その中を通って伝達され、該音響導波路から放射される。伝えられた超音波の音響エネルギーは、口腔内の液体（典型的には唾液、水および歯磨きの混合物）内で微少な泡に作用し、キャビテーションを引き起こし、これにより歯や歯間領域に堆積した歯垢を解放する。

図１の装置は、本発明の典型的な口腔衛生装置を電動歯ブラシという形態で図示する。追加の好適な実施例を含む種々の超音波および／または音の動作パラメータ、装置の構成要素、コントロール機能およびその他が以下でより詳細に記載される。動作パラメータと機能とのある特定の組み合わせは、ある適用および特定の環境における使用に好ましいかもしれないが、装置の構成要素、動作パラメータ、コントロール機能等が本発明の口腔衛生装置内で種々の方法により結合されるかもしれないことが理解できるであろう。

これらの機能が種々のタイプの口腔衛生装置で、まさに他のタイプの装置の中で使えることが理解できるであろうし、ここに説明された発明は口腔衛生および歯ブラシの実施例に制限されない。例えば、他の実施例では、前記装置はハンドルおよび／またはデバイスヘッドなどの支持構造を備え、そこから突き出る少なくとも1つの器具を有することができる。突き出ている前記器具は、音響導波路、ブラシ毛束、突起、取り外し可能な器具または構成要素のためのホルダ等である。好適な実施例では、突き出ている前記器具は超音波変換器に音響学的に結合される。前記装置には、さらに、１つ以上のブラシ毛束と、音響周波数でデバイスヘッドおよび／または突き出ている器具の振動を生み出すための1以上のモータとを組み込むことができる。

超音波動作パラメータ
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。

本発明の口腔衛生装置に組み込まれた超音波変換器組立体は、典型的には約２０ｋHzを越え、典型的には約３０ｋHzおよび３MHzの間であり、典型的には１．５MHz未満であり、より典型的には、多くの超音波歯ブラシの動作周波数より低い１．０MHz未満である搬送周波数(すなわち個々の超音波の周波数)で動作する。多くの実施例では、好ましい超音波搬送周波数は、約１００ｋHzおよび約７５０ｋHzの間であり、ある実施例では、約１００ｋHzおよび約６００ｋHzの間であり、また他の実施例では約１５０ｋHzおよび約５００ｋHzの間であり、さらに他の実施例では、約２５０ｋHzおよび約５００ｋHzの間である。異なる使用（application）毎で搬送周波数の最適な範囲は、利用できる泡群、使用された超音波変換器の寸法およびパワー、および動作環境での一般的な状況、例えば流体の構成等に応じて変化する。

超音波は、連続的に適用されるか、またはオン／オフの規則的あるいは不規則的なパターンでパルス化することができる。多くの適用のために、超音波は、１パケット中で予め決められた波の数を生じるか、予め決められたパルス繰返し周波数（ＰＲＰ）のバースト(サイクル/バースト)を生じるように、パルス化される。デューティサイクル(すなわち、超音波が活性化（activated）されている時間のパーセンテージ)は、ＰＲＰと1サイクル当たりのバースト数と関連している。１００％のデューティサイクルは、連続的な超音波の適用を表している。１００％未満の超音波デューティサイクルは、多くの方法で達成できる。例えば、超音波はバーストの中に「パッケージ化」することができ、パルス当たりのサイクル数およびパルス(バースト)繰り返し周波数あたりのサイクル数が、所望のデューティサイクルを達成するために変わる。１００，０００Hz（１００，０００サイクル／ｓ）の超音波信号の１０％のデューティサイクルは、１０，０００サイクルをもたらす。この１０，０００サイクルは、０．１秒の期間、単一のバーストが与えられ、０．９秒のオフ状態(バースト長さが１０，０００、パルス繰り返し周波数が１Hz)が続く。これに代えて、１０，０００サイクルは、それぞれ合計が０．１秒（すなわち１０×０．０１秒パルス）の超音波と、０．９秒（すなわち１０×０．０９秒パルス）のオフ時間のために、１，０００サイクルで１０バースト（バースト長が１，０００、パルス繰り返し周波数が１０Hz）とすることができる。

一般に、歯垢およびバイオフィルムの除去は、デューティサイクルの増大に伴って増大する。しかしながら、超音波デューティサイクルの実用的なレベルは、変換器動作特性(電力消費量、内部加熱など)、組織の安全性(温熱指数、組織加温など)、ユーザの感触および嗜好等の要因によって制限されるかもしれない。前記装置が典型的なデンタルスラリーの中で動作する口腔衛生への適用では、約１から３０％の超音波デューティサイクルが典型的であり、約４から２０％のデューティサイクルが最も一般的であり、４から１５％のデューティサイクルが好ましい。より高いデューティサイクルは、特定用途に好まれるかもしれない。

所望の超音波ＰＲＦは、超音波振動数と、1バーストあたりのサイクルの数と、超音波エネルギーが伝えられている液媒体の構成および物理的性質を含む歯ブラシが動作している環境とに、依存するかもしれない。典型的には、それに限らないが、本発明の口腔衛生装置では、前記ＰＲＦは、約０．５Hzから約１０，０００Hzの範囲に及び、より典型的には、約０．５Hzおよび約２，５００Hzの間であり、さらに、より典型的には、約１Hzおよび約５００Hzの間である。例えば、ねり歯みがきでは、１０％のデューティサイクルでの好ましいＰＲＦは、一般的に約２０Hz未満であり、また約１０Hzより少ないかもしれない。しかし、水のような環境では、より高いＰＲＦ、典型的には４０Hzを越え、しばしば４０から２００Hzの間の範囲で使われるかもしれない。音響周波数との組み合わせで超音波振動数を使用する本発明の口腔衛生装置のいくつかの実施例では、前記ＰＲＦは、音響周波数(すなわち本発明の歯ブラシの音響構成要素によって駆動されるブラシ毛および／または音響導波路の運動の周波数)の小さな倍数(一般に２またはそれより大きいか、より典型的には４より大きい)である。

パケットまたは超音波のバースト（バースト当たりのサイクル）内の個々の超音波の数は、他の超音波動作変数であり、本発明の口腔衛生装置では、典型的に、約１０および約１０，０００サイクル／バーストであり、多くの実施例のためには、約５００および１０，０００Hzサイクル/バーストの間である。1バースト当たりの所望サイクル数は、例えば、歯ブラシが動作している超音波振動数、前記ＰＲＦおよび環境に依存するかもしれない。本発明の装置の状況下で音響のマイクロストリーミングを促進するためには、比較的長いバーストと比較的低いＰＲＦが適する。

一般に、サイクル数の大きな低周波数のパルスが、サイクル数の小さな高周波数パルスよりも好まれる。歯みがきスラリーの環境下での動作は、１パルス当たりのサイクル数は、一般に、同等のバイオフィルム除去を達成するために、１００％の水溶媒が必要としているより多くを必要とする。デンタルスラリーでは、１パルス当たりに１００から１０，００００サイクル、５００から５０００パルスがより一般的である。パルス繰返し周波数は、所望のデューティサイクルに基づいて計算することができる。例えば、２５０，０００ｋHz超音波信号、１０％デューティサイクルおよび１バースト当たり１０００サイクルの超音波パッケージのために、前記パルス繰り返し周波数は、２５Hz（すなわち、２５０，０００ｋHz×０．１０÷１０００サイクル／バースト＝２５Hz）である。

例えば、最適なクリーニングおよびユーザエクスペリエンスを提供する好ましい超音波動作パラメータは、装置が動作する流体環境の構成と性質とに応じて変わる。歯ブラシは口腔内で動作し、口腔内では、一般に、唾液および水などの流体が歯みがきまたは別の洗浄剤と混じる結果、スラリーが成形される。典型的なデンタルスラリーは、水より粘りがあり、水／唾液の混合より、多少音響学的に伝達するかもしれない。典型的なねり歯みがきのデンタルスラリー環境下で動作する歯ブラシおよび他の口腔衛生装置に対しては、下記の表に記載された動作パラメータの組み合わせが適する。

記

他のタイプの装置は、実質的に水のような(水)環境下で用いられるかもしれず、動作パラメータはそれに応じて調整される。実質的に水のような環境下で動作する口腔衛生装置に対し、下記の表に記載された動作パラメータの組み合わせが適する。

記

また他の実施例では、歯ブラシなどの、超音波変換器を有する本発明の口腔衛生装置は、約２５０よりも大きく約３５０ｋHzより小さな超音波周波数、１バースト当たり約５，０００サイクルを有する約１０％のデューティサイクルで動作する。さらに他の実施例では、歯ブラシなどの、超音波変換器を有する本発明の口腔衛生装置は、約２５０より大きく約３５０ｋHzより小さな超音波振動数、１バースト当たり約５００サイクルを有する約１０％のデューティサイクルで動作する。

また、音響ストリーミングの促進に、超音波動作パラメータの種々の組み合わせを使用することができる。音響ストリーミングを促進することが望まれる口腔衛生装置のために、以下の超音波パラメータの範囲が一般に使用される。（１）搬送周波数は、音響の吸収を高めるために、一般に約２０ｋHzより大きく、より一般には、約５００ｋHzと約５，０００ｋHzあるいはそれ以上との間である。（２）パルス繰返し周波数（ＰＲＦ）は、一般に、それに限らないが、約１Hzおよび約１０，０００Hz間にあり、より典型的には、約１０Hzおよび約１０，０００Hz間、さらに典型的には約１００Hzおよび約１０，０００Hz間であり、さらに、より典型的には約１０００Hzより大きくまた約１０，０００Hzより小さい。また（３）超音波のパケットまたはバースト内の個々の超音波数は、典型的には１および５，０００、より典型的には約５および１００（波）である。音響ストリーミングを促進することが望まれる口腔衛生装置のために、より長いデューティサイクル、例えば少なくとも約１０％が典型的であり、少なくとも約２５％がより典型的であり、少なくとも約５０％または少なくとも約７５％がさらにより典型的であり、いくつかの実施例では最高１００％が典型的である。例えば少なくとも１０００HzのＰＲＦを有する約１MHzの周波数で約１００波よりも長いバーストがここに例示されている。本発明の口腔衛生装置では、種々のバースト長、周波数およびＰＲＦ値を適切に使用できることが明らかであろう。

超音波変換器組立体および音響導波路の音響出力の大きさは、液体媒体の組成と同様に、歯垢バイオフィルムの崩壊に影響する。一般的に、より高い音響出力は、より大きな泡活性化と改善されたクリーニング、歯垢除去およびバイオフィルム崩壊を生じる。超音波変換器からの音響出力の１つの尺度は、動作サイクルの間に測定されたピーク負音圧である。本発明の口腔衛生装置の適正な動作ピーク負音圧パラメータは、典型的には約０．０１から１０ＭＰａの範囲にあり、より典型的には０．１から５ＭＰａの範囲、多くの実施例では０．１から１ＭＰａの範囲にあり、多くの実施例では０．２５から０．６ＭＰａの範囲にあり、さらに他の実施例では０．３から０．５ＭＰａの範囲にある。

「機械的な指標」は、適用された音響圧力の１つのサイクルを受ける既存の泡のキャビテーションの開始の尺度を指す。機械的な指標は、超音波振動数（MHz）に対するピーク負圧（ＭＰａ）の比の平方根と定義され、超音波振動子の音響出力を定量化する方法を提供する。特定のクリーニング効果を生み出すために、実質的に水(例えば１００％の水)である液体媒体中で動作する装置は、唾液／水／歯みがきの流体などの多くの粘性媒体の中で動作している装置より低い機械的な指標を必要とする。典型的なデンタルスラリーの流体環境では、一般的には、少なくとも約０．２５の機械的な指標が、歯垢除去の達成に必要とされる。比較的低い粘性水（水）環境下では、一般的に、少なくとも０．１の機械的指標が歯垢の除去に必要とされている。機械的指標が、これらのしきい値より減少するなら、超音波デューティサイクルが増大しても、一般的には、有効な歯垢バイオフィルムの除去は達成できない。逆に、機械的指標がしきい値を越えて、十分に有効な効果を引き起こすならば、歯垢除去効率の著しいロスを招くことなく超音波デューティサイクルを減少することができる。したがって、例えば１０％のデューティサイクルで、機械的指標を５０％（例えば１．０から０．５)だけ減少させると、バイオフィルム除去に実質的な影響が及ぶ。しかしながら、デューティサイクルを５０％（例えば１０％から５％)減少させるが、機械的な指標を１．０に保持すると、バイオフィルム除去に実質的に小さな影響しか及ばない。

本発明の装置によってもたらされる機械的な指標は、一般に約０．００１から約１０００の範囲にある。より典型的には機械的指標は、約０．０１から約２０の範囲、さらに、より典型的には約０．０２から約１０、さらに典型的には約０．１から約５または約０．１および約１．９間の範囲にある。実質的に水の環境下での動作が意図されている装置は、好ましくは、０．１より大きな機械的指標を示す。口腔中で歯みがきまたは他の比較的粘りのある組成物を使った動作を意図した本発明の装置では、機械的な指標は、好ましくは約０．２５より大きく、１．９より小さく、また他の実施例では、機械的な指標は約０．２５より大きく、１．５より小さい。いくつかの実施例による本発明の装置は、約０．５および１．５の間、また他の実施例では、約０．８および１．４の間の機械的指標で動作する。

音響動作パラメータ
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。

音響の振動波形は、本発明の装置中で生成されるので、一般に正弦曲線であるが、追加的あるいは代替的に他の波形を使用することができる。音響振動は、非正弦曲線の波形、例えば台形、三角形、矩形、純粋な循環形（rotational）および他の波形で駆動することができる。音響振動周波数は、音響および超音波の構成要素の両方で生み出されたクリーニングの有効性に影響を与え、さらにユーザの快適さとユーザのクリーニング有効性の知覚に影響する。

１以上のブラシ毛束を組み込んだ装置では、ブラシヘッドの音響周波数の振動の発生は、ブラシ毛先端の運動を生み出す。ブラシ毛先端の運動は、ブラシ毛先端速度、振幅、周波数、加速度および他のメトリクスによって特徴付けられる。音響周波数で振動を発生させるモータを使用した本発明の装置は、好ましくは、２０Hzより大きくまた２０，０００Hzより小さな周波数のブラシ毛先端周波数を生じるように作用する。高いブラシ毛先端周波数は多くのユーザをいらいらさせ、口腔中で好ましくないくすぐったい感覚を巻き起こすかもしれない。この理由から、ブラシ毛先端周波数は約２，０００Hzより小さいことが好ましい。所望の音響動作周波数は、音階の上の音符であるかもしれず、最も一般に、それらは約５４Hzより大きく、約１６６２Hzより小さな周波数を有する。いくつかの実施例によると、約１５００Hzより小さなブラシ毛先端周波数を生じる動作パラメータが好まれ、約１０００Hzより小さなブラシ毛先端周波数は多くの適用に好まれ、さらに、他の実施例では、約５００Hzより小さなブラシ毛先端周波数が好まれる。さらに、他の実施例では、約２０より大きく約５００Hzより小さなブラシ毛先端周波数が好まれ、さらに他の実施例では、１００および３００Hz間が好まれる。

前記周波数の増大に伴い、ブラシ毛先端速度をほぼ一定値に維持するためには、前記ブラシ毛先端の振幅は減少する。同様に、振幅の増大に伴い、ブラシ毛先端速度をほぼ一定値に維持するためには、前記周波数は減少する。ブラシ毛先端運動の周波数と振幅との両方は、クリーニングおよびユーザ快適感に影響を与えるであろう。一般的な歯みがきスラリーの環境下での使用および正弦曲線の音響運動の使用を意図した本発明の口腔衛生装置は、動作サイクルで、典型的は、０から１０ｍ／ｓの、より典型的には、０．２から５ｍ／ｓの、より典型的には０．４から１．５ｍ／ｓのおよび一般に１．５ｍ／ｓより小さな所望のピークブラシ毛速度を作り出すように動作する。多くの実施例にとって、動作中のブラシ毛先端速度は約１，０ｍ／ｓより小さく、しばしば０．８ｍ／ｓより小さく、いくつかの実施例では、約０．４および０．８ｍ／ｓ間である。これらのブラシ毛先端速度は、一般に、音響周波数でブラシ毛房を振動させることによって動作する多くの電動歯ブラシによって生み出されるブラシ毛先端速度より低い。ブラシ毛先端速度の測定値は、ブラシ毛先端に負荷を加えることなく、空気中で、乾燥しているブラシ毛から得られる。ブラシ毛の歯に対する摩擦接触に関連する負荷およびブラシ毛の運動に関連する流体環境の妨害の結果として、実際のブラシ毛先端速度は一般的に操作の間に低下する。

音響振動によって生み出されたブラシ毛先端の振幅は、また、音および超音波の両構成要素によって与えられるクリーニング効果に影響する。動作サイクルまたはサブサイクルの間のブラシ毛先端運動のピーク振幅は、約０．０１から１０ｍｍの範囲に及ぶ。ブラシ毛先端のピーク振幅(濡らされて、一般に口腔中で負荷を掛けられるような)の好適な範囲は０．１から６ｍｍの範囲にあり、一般的に４．０ｍｍより小さい。さらなる実施例によれば、ブラシ毛先端のピーク振幅は３．０ｍｍより小さく、０．２から３．０ｍｍまたは０．４から２．２ｍｍの範囲にあるかもしれない。これは、ブラシ毛を音響周波数で運動させることによって動作する多くの電動歯ブラシのブラシ毛先端ピーク振幅より小さい。ブラシ毛先端の振幅測定値は、ブラシ毛先端に負荷を加えることなく、空気中で、乾燥しているブラシ毛から得られる。

音響導波路
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。

典型的には、図１に示すように、前記音波導波路は、１以上のブラシ毛束に近接して前記装置のブラシヘッド部の基部分に配置されている。好適な実施例によれば、前記音波導波路は、超音波変換器に動作可能に近接しまた音響学的に結合され、口腔中の前記流体に超音波振動数の音響エネルギーを伝える。前記音波導波路は、先に述べたように、さらに音響周波数で振動しているかもしれない。

本発明の装置への使用のために、種々の音響導波管設計が考えられる。２つのパラメータが、音波導波路を通しての超音波の伝達に大きく影響する。（１）導波路を造る材料および（２）前記導波路の形状である。これらのパラメータのそれぞれはさらに詳細に説明される。さらに、前記音響導波路は、口中で良好な感触を持たなければならず、それが音響周波数で振動して口腔と歯に接触するとき、十分に気に入る柔らかい表面を示さなければならない。気に入った質感および柔らかさを有する音響導波路は、超音波周波数の前記音響エネルギーを効率的に受け取り、伝導し、一貫して集中（coherently focus）させ、粘着性を示すことなく圧縮され（incoherently compress）、送出するように形成される。音響導波路は該導波路に沿って音響エネルギーを導くように設計され、該音響エネルギーが前記導波路管の終端まで伝わる前に、周囲の媒体へ音響のエネルギーを伝導するすなわち「漏れ」を生じる。この音響の漏れを促進する１つの方法は、周囲の流体のそれより大幅に低い音速の材料で導波路部を作りおよび／または側壁にテーパーを付けた導波路部を提供することである。

前記音響導波路は、一般的に、固体の、少なくとも一次元寸法が個々のブラシ毛束のそれより大幅に大きなブロック状の構造を備える。音響導波路の寸法は、超音波変換器の表面積、搭載上の考慮すべき問題、ユーザの口中での導波路部の感触およびブラシ毛束の配置のような設計パラメータによって決定される。音響導波路は、超音波変換器に、動作可能に近接して音響的に結合され、１つ以上の側でブラシ毛束に隣接し該ブラシ毛束を側面に配置している。図１に示された実施例中の音響導波路の基部の寸法および形状は、一般に、超音波変換器および／または関連したインピーダンス整合層の露出面の寸法および形状に整合し、前記基部は超音波変換器の露出面および／または関連した整合層に接触して取り付けられる。前記音響導波路の本体は一般に直方体に成形することができるが、図１に例示するように、１つ以上の曲線形状を有することができる。

いくつかの実施例では、前記超音波変換器から遠い側の音響導波路の先端または端面が、前記超音波変換器に近い側の導波路の前記基部の横断面より小さな横断面を有するように、前記動波路の壁の少なくとも1つにはテーパーが付されている。一般的に、前記音響導波路は、全体にブラシヘッドの長手方向軸線に沿った長さを有し、該長さはブラシ毛束の直径よりも大きく、より好ましくは、少なくとも２つのブラシ毛束の（並んだ）総合直径より大きい。他の実施例では、前記音響導波路の長さは、少なくとも５つのブラシ毛束の(並んだ)総合直径より大きい。他方の寸法に関し、前記音響動波路のその基部における幅は、多くの場合前記ブラシヘッドの前記長手方向を全体に横切る方向であるが、一般的にはブラシ毛束の直径よりも大きく、いくつかの実施例では、一般に少なくとも２つのブラシ毛束の(並んだ)総合直径より大きい。本発明の装置での使用に適している代替的な多くの音響導波路の構造および構成は、米国特許出願公開第２００５／００９１７７０ A１で詳細に説明されており、その全体は引用によってここに含まれる。

一般に、音響導波路は、シリコンゴムのような多少「柔らかく」また「弾性のある」材料、または他のタイプのゴム、熱可塑性エラストマー、および良好な超音波伝達特性と良好な感触および表面質感とを有する独立気泡または開放気泡のような生体適合性のある他のタイプの材料で構成される。材料の硬度は、一般にショアＡ高度が約８０未満であり、たいていはショアＡ高度がほぼ１０から６５である。改善された口腔の快適さを達成するために、約４０ショアＡまたはそれよりも小さい硬度を使用することができる。いくつかの実施例では、音響導波路は、超音波変換器に近接した部分が相対的に硬い材料で形成され、導波路の先端部の端面に近接した部分が相対的に柔らかい材料で形成されるような複合構造を有する。超音波変換器に近接する導波路の硬度を例えば約４０ショアＡより大きく、他方、先端部の端面に近接する導波路の硬度を例えば約４０ショアＡより小さくすることができる。導波路材料の特性は、等方性または異方性とすることができる。

一実施例では、前記導波路が前記ブラシヘッドに取り付けられたときに露出する導波路高さ寸法は、少なくとも１つのブラシ毛束の露出した長さ寸法より小さく、他の実施例では、前記導波路が前記ブラシヘッドに取り付けられたときに露出する導波路高さ寸法は、それぞれのブラシ毛束の露出した長さ寸法よりも小さい。他の実施例では、音響導波路部分の露出した高さ寸法は、前記ブラシヘッドに設けられる少なくとも１つのブラシ毛束よりも大きい。一般に、音響導波路の露出した高さは、ブラシ毛束の露出した高さの約３０％より大きくかつ約９０％より小さい。さらに他の実施例では、音響導波路の露出した高さは、ブラシ毛束の露出した高さの約４０％より大きくかつ約８０％より小さい。

導波路の先端部の端面は湾曲するかあるいは平らである。いくつかの実施例では、前記導波路の先端部の端面での断面積は、ブラシ毛束のそれより少なくとも５倍大きく、他の実施例では、前記導波路の先端部の端面での断面積は、ブラシ毛束のそれより少なくとも１０倍大きく、また他の実施例では、前記導波路の先端部の端面での断面積は、ブラシ毛束のそれより少なくとも２０倍大きい。音響導波路の表面は、多くの実施例で実質的になめらかであり、これに代わる実施例では、規則的なあるいは不規則なパターンでざらつきがあるかもしれない。

適当な超音波伝達特性、所望の硬度および感触を有する材料等は従来技術でよく知られている。シリコンゴム、他のタイプのゴム、成型可能な／鋳造可能なＲＴＶのようなシリコン材料、液体射出形成シリコン、熱可塑性エラストマー、熱可塑性エラストマー（ＴＰＥ）射出成形プロセスおよび独立気泡または開放気泡がすべて使用できる。ポリマーは、それらの比較的低い剪断波速度により、他の導波路材料よりも優れた点を有する。しかしながら、重合材料の架橋は、それらの粘弾性のために、過度な音響損失を避けて、平衡弾性応力を提供する上で必要であり、これにより、より安定した導波路構成物を提供することができる。

前記音響導波路は、オプションで、黒鉛、無機質または金属で満たされたエポキシ樹脂の整合層などの音響インピーダンス整合装置を含むことができる。二酸化ケイ素(SiO₂)、窒化ケイ素(Si₃N₄)のような種々の誘電体材料および他の重合体を音響インピーダンス整合装置として用い、あるいは該整合装置に組み込むことができる。前記整合層は、導波路に埋め込まれるか、これに組み込まれ、超音波変換器の露出面に接触して配置される。他の実施例では、前記整合層および導波路の機能は、波の伝搬の方向へ音響インピーダンスが変わる層化された導波路構成要素を作ることにより、結合されるかもしれない。したがって、ある実施例では、本発明の音響導波路は、異なる音響学的伝達材料から成る２層以上を含むことができる。例えば、３、４および／または５つの音響学的伝達層から成る音響導波路は、ある適応のために考慮される。多層は、対称的な層状構造で提供されるかもしれず、異なる材料から成る規則的あるいは不規則な領域で提供されるかもしれない。音響導波路は、さらに、音響効果を形づくり、音波の伝達を促進し、音の特性を最適化するために、１つ以上の挿入された、あるいは埋め込まれた要素を含むことができる。導波路組立体は、例えば、射出成形金型に挿入されるかもしれない黒鉛コア部または類似した構成要素を含むことができ、また、エラストマーの外方部分がインサート成形プロセスを用いたそれに適合する。これに代えて、マルチショット鋳造方法は、異なる音響および／またはエラストマー特性が材料で勾配を作成するために、使うことができる。

好適な実施例では、本発明の音響導波路は、満たされない部分が実質的になくすなわちガス入りの空隙が実質的にない。複数の材料または要素が導波路を成形するために使われるところまで、それらの材料および要素は、一般的には、表面の間で空気間隙の形成を許すことなく、互いに密接に接触する。しかし、いくつかの実施例では、音響導波路の中で１つ以上の空隙を形成し、ここに説明した超音波操作パラメータの望ましい音響伝達特性を有する材料で空隙を満たすことが望ましい。

前記音響導波路は、また、直接的な接触による歯垢の除去を提供するために、作られあるいは前記デバイスヘッドに取り付けられる。そのような実施例では、導波路の先端部の端面は１以上のブラシ毛束の先端を越えて突き出ることができる。埋設されたブラシ毛フィラメント、ゴム掃除器タイプ形状のブラシ毛に類似している鋳造物あるいは作り上げられた突起等の導波路構造の表面に補助要素を組み込むはことができ、そのような補助要素は規則的または任意のパターンで設けることができる。これらの特徴は、オプションで、歯面と音響導波路の体積表面との間に指定された離隔距離が維持されることを保証するために利用することができる。このオプションは、歯構造の中に超音波が直接透過することを最小化するために望まれ、および／または泡の活性化が音響導波路の端から離れて生じ、そのために装置がこの距離を維持するために必要であるなら、それらの適用に組み入れることができる。

さらなる他の実施例によれば、音響導波路は被覆または外層を備え、該被覆または外層は、連続的または不連続であり、また均一または変化する厚さであり、付加的な機能を提供する材料から成る。一実施例では、例えば、音響導波路は、銀や他の抗菌剤などの金属イオンのようなバイオ互換の抗菌剤または抗真菌性剤で覆われあるいはこれを含浸した材料で形成することができる。他の実施例では、音響導波路および歯ブラシヘッドの寿命が尽きたことを示すために、前記音響導波路を使用によって摩耗する物質で被覆するかまたは上塗りすることができる。適当な指示薬は、例えば、使用期間を超えると、色、風味、質感および／または臭いなどの特性に変化を引き起こす物質を含むことができる。さらに他の実施例では、前記導波路は、動作する圧電トランスデューサによって発生した熱を感じ取る色素など、熱的に活性化されて色を変化させる薬剤を組み込むことができる。この機能は、例えば、超音波発生器が熱を音響導波路に加えることから、またバッテリーが充電中の間に、前記導波路の色を変えることを可能にする充電機能との組見合わせで用いることができる。

前記導波路は、一般的に、図1に示すように歯ブラシヘッドの縦軸に位置を合わせて配置される。この構成では、前記導波路は、口腔のあらゆる部分でほぼ歯面の輪郭に適合するように構成することができる。クリーニング動作の効能は、この縦軸適応の前記導波路によって、ユーザのブラッシング技術／スタイルに依存せず、それは、彼あるいは彼女が導波路の位置について関心を払うことなくユーザがブラッシングすることを可能にする。これに代えて、前記導波管の縦軸が歯ブラシヘッドの縦軸をほぼ横切るように位置合わせすることができる。この方位では、ユーザが1つの歯間スペースから次の歯間スペースまで、運動にインデックスを付けるように、導波路は歯間スペースに落ち込み、ユーザに触覚型のフィードバックを提供するように形成することができ、このように、ブラシ毛を越えた最も必要としているところである、歯間に超音波を誘導できるクリーニングを提供する。これに代えて、臼歯の後面だけでなく、顔側および舌側のいずれの面上でも効果的に使えるように、先端部に位置するブラシ毛束が無いブラシヘッドの先端に前記導波路を、配置することができる。

前記導波路は、これらのいずれの方位にあっても、歯にブラシ毛を適用するときにユーザが強い力を用いることを防止するスタンドオフとして作用し、それによって、ブラッシングの間、過度な力から歯茎が損傷を受ける頻度を低減する。それは、また磨き作用物として働き、したがって、歯面を浄化し、磨き作用を強化するための表面質感を含むことができる。また、それは歯茎のマッサージ物として作用し、したがって、歯の専門職がしばしば推薦するように）歯茎を刺激し、腫れを抑え、組織に輪郭を描かせるのを助けることができる。それは、さらに、唾液の流れを刺激するように機能し、それは特に口内乾燥症を患っている人にとっては興味深い。

前記導波路の構造と組成は、音場を圧縮することによってもたらされる音響の強度を増大させおよび／または前記導波路の先端を越えて周辺の媒体に密着してエネルギーを集中するように、形成することができる。これは、例えば、前記導波路からの波を該導波路外のより高い強度場となる焦点を形成する音響レンズ効果を生み出すように、音響導波路の端を形づくることによって成し遂げることができる。この焦点効果は、焦点が合った場を作成するために形づくられた単一または共に結合された複数の導波管材料によって得られる。例えば、低い減衰、より高い音速の材料は、波面が口腔内のより高い減衰流体に出る前に波面を伝達し焦点を合わせ続けるために、導波路の端に使われる。先に説明した音響場の圧縮と同様に、焦点効果によって達成された増大した音響の強度は、前記装置の効率を改善する。

超音波変換器
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。

前記超音波変換器は、一般的に、本発明の口腔衛生装置のデバイスヘッドすなわちブラシヘッド部分に、口腔中の流体へ超音波を放出する位置の近接で取付けられる。これに代えて、超音波変換器を前記歯ブラシハンドル中に配置し、デバイスヘッドまたはその近傍で超音波を放出すべく前記デバイスヘッドにつなげることができる。デバイスヘッド部分に突出するチタンおよび／またはスチールなどの低損失材料で作られた延長カプラを利用することにより、上記したように、音響エネルギーを歯ブラシヘッド上の前記導波路に結合することができる。前記ハンドルと、前記歯ブラシヘッド中の音響導波路との間の音響結合は、例えば、前記ハンドルおよび歯ブラシプラスチックの縦軸に関して音響エネルギーを９０度回転させる固体または液状の材料を使って達成することができる。そのような結合機構には、好ましくは、歯ブラシのブラッシング部分の取り外しおよび取り替えを可能とする機能的なインタフェースが使用される。

本発明の口腔衛生装置で適切に使用できる超音波変換器は容易に入手可能である。例えば、米国特許第５，９３８，６１２号および６，５００１２１号に開示された超音波変換器を参照されたく、それぞれは、参照により、そのすべてがここに含まれる。本発明の装置での使用に適切な超音波変換器は、一般的に圧電効果または磁気歪効果のいずれかによって動作する。例えば、磁気歪変換器は２０−４０ｋHzの範囲で高強度超音波エネルギーを引き起こす。これに代えて、超音波は、電子発振器の出力をジルコン酸チタン酸鉛(PdZrTiまたはPZT)などの圧電材料のウエハに適用することによって作り出すことができる。多くの圧電PZTセラミック混合物が従来知られており、これを本発明の装置での使用に適切な超音波変換器の製造に使用することができる。また、ピエゾポリマー、単層または多層のフッ化ビニリデン樹脂(PVDF)などの他の圧電材料またはニオブ酸リチウム(LiNbO3)、石英およびバリウムチタン石などの結晶性の圧電材料を使うことができる。

圧電材料に加えて、容量性のマイクロマシン超音波振動子(cMUT)材料または静電ポリマー発泡体をまた本発明の超音波変換器で使うことができる。これらの材料の多くは、音響波を生成するために、放射、軸線および剪断のなどのさまざまな振動モードで使うことができる。さらに、単結晶の圧電材料は、圧電素子の鉛含有量を減少させるために使うことができる。Pb(Mg_1/3Nb_1/3)O₃--PbTiO₃(PMN-PT)、K_1/2Na_1/2NbO₃-LiTa0₃-LiSb0₃ (KNN-LT-LS)およびその他のような材料は、２００６年３月のＵＩＡシンポジウムで、マランディアン ハーグ（Marandian Hagh）、イ アシュバイアン（E. Ashbahian）およびエイ サファリ（A. Safari）によって提示された「K_1/2Na_1/2NbOs固溶体系の無鉛の圧電セラミック」に記載されているように、１桁と同じくらいの電圧／送信のレベル比率を減少させるのに使用することができる。

本発明の装置中に使われた超音波変換組立体は、図１に示すように、一般的なブロック形状および一般的な矩形構造を有するシングル圧電素子で構成することができる。そのような単一要素の変換器組立体は、円筒状、楕円形、多角形、環状などの種々の他の形態で提供することができ、また対称あるいは非対称の構造を有することができる。単一要素の超音波変換器は、その厚さ方向に沿って全体的に均一な横断面形状および寸法を有し、あるいはテーパーが付され、あるいは他の多様な横断面形状を有することができる。

圧電型超音波変換器の材料は、一般的に、圧電素子の厚さに比例する駆動電圧を必要としている。かなりの厚さを有する１つの圧電素子は高い駆動電圧を必要とする。したがって、代替的な実施例では、所定の音響出力のために必要とされる駆動電圧を減少させるために、本発明の装置は、多層超音波変換器素子あるいはマルチ素子変換器を含む。マルチ圧電素子変換器組立体は、好ましくは、機械的に直列に配置されかつ電気的に並列に接続された複数の圧電素子で構成される。この配置は、所望の変換器出力のために必要とされている駆動電圧を減少させる。

図２Ａおよび２Ｂは、本発明の口腔衛生装置への使用に適切な典型的な超音波変換器組立体を示す。図２Ａに示された実施例では、本発明の歯ブラシへの使用に適切な超音波変換器組立体は、積み重ねられるような共同する形態に配置され、互いに接合された２つ以上の圧電素子から成る。超音波変換器組立体３０は、全体的にほぼ矩形あるいは台形の輪郭を有し、１つ以上の表面に関連した電気的導電材料を有する少なくとも２つの圧電素子３２および３４と、前記各圧電素子の導電面に接触しまた前記ブラシヘッドあるいは前記ハンドル内に配置された超音波モジュール駆動回路に電気的に接続される１つ以上の電気接点３６とを含む。本実施例の電気接点３６は、接触点で前記変換器組立体に堅く接触し、さらに、前記変換器組立体構造に機械的な完全性を提供する導電性のフレーム構造として提供される。１つ以上の圧電素子を有する導電性のフレーム構造の接触点は、好ましくは、前記圧電素子の運動の振幅が減少する該圧電素子の節点でまたはその近傍に配置される。伝導性のフレーム構造は、強固な電気的接続のために押圧接続を提供すべく負荷を与えられるばねおよび／またははんだ付け、溶接または伝導性のエポキシ樹脂とすることができる。

図２Ａに示された実施例では、前記圧電素子は、ノッチ領域３３で示されているように、その周辺にそって少なくともその一部にノッチが付けられあるいは溝が形成されている。ノッチ領域３３は、複数の圧電素子が互いに接合する位置またはその近くの電気接点３６に接触点を提供するために導電性である。電気接点３６は、前記超音波駆動回路との接続で電極への電気接点を提供するためのフォーク状の接触伸長部３８を含む。図２Ａに示された実施例では、接触伸長部３８は、前記変換器組立体から伸長し、電極との積極的な接触を提供するために柔軟なすなわちばね負荷を与えることができる。超音波変換器組立体３０は、またインピーダンス整合素子３７を含むことができる。

前記圧電素子と前記超音波駆動回路に接続する前記電極との間の電気接続には種々の方法がある。導電性の表面は、導体材料のメッキ、スパッタリングあるいははんだ付け、伝導性のエポキシ樹脂または他の導体材料の塗布のような様々な技術を使うことにより、提供することができる。図２Ｂは、本発明の口腔衛生装置への使用に適切な代替的なマルチ素子超音波変換器組立体４０の実施例を示す。この組立体では、圧電素子４２および４４と、インピーダンス整合素子４７とは、該整合素子表面の少なくとも一部に設けられた電気導電性の被覆または層によって積み重ね配置で結合されている。導電性の「パッド」４５は超音波駆動回路につながる前記電極との接続のために、前記変換器組立体の外表面の上に設けられる。このタイプの電気接続は、例えば一般的に多層PCBA相互接続に用いられている。また、変換器モジュールの組立の容易さおよびブラシヘッドへの前記モジュールの組み付けの容易さのために、外部リードフレームを使用することができる。

好適な実施例では、複数の圧電素子は機械的に直列に積み重ねられ、電気的に並列に接続される。前記素子の機械的な直列の積み重ねは、個々の圧電素子と関連した置き換えが加法的であることもたらす。前記圧電素子の電気的な並列接続は、個々の圧電素子と関連したキャパシタンスがまた加法的であることをもたらす。この配置は電気駆動のより広い範囲の可能性を提供する。

前記変換器素子に加えて、高インピーダンス変換器素子から低インピーダンス音響導波路材料へ音響エネルギーを送るときに一般に効率および／または帯域幅の改善のために、１つ以上のインピーダンス整合素子を超音波変換器組立体との関係で設けることができる。一般に、適合材料は、所望周波数の４分の一の波長に適合した厚さおよび整合される２つのインピーダンスの中間の音響インピーダンス特性を有するものが選択される。適切なインピーダンス整合素子は、エポキシ樹脂、金属微粒子複合材料、黒鉛のような材料および当業者に知られていて容易に入手得可能な多数の他の候補材料からなる。インピーダンス整合素子の形状および断面積は、一般的に、前記超音波変換器の末端面のそれに整合し、また、インピーダンス整合層は、一般的に、前記変換器の露出した末端面に密接に接触する。

代替的な実施例では、本発明の装置に使われる超音波変換器組立体は、アクティブ圧電駆動素子と機械的殻構造とから成るフレクステンショナル（flextensional)変換器を使用することができる。そのような殻すなわち「シンバル」構造は、機械的トランスフォーマとして使われ、前記圧電駆動素子の高インピーダンスおよび小さな撓み運動を前記殻の低インピーダンスおよび大きな撓み運動に変換する。適当なフレクステンショナル変換器は従来技術で知られている。フレクステンショナル変換器を使えば、整合層が不要となるかもしれない。

本発明の装置のさらに他の実施例は、変換器アレイから成る変換器組立体を使用する。一実施例では、圧電複合材料（piezocomposite）変換器アレイは、多数のポストから成る。これらのポストは、例えば、圧電複合材料のブロックを多数のより小さなサブ素子に切ることによって、あるいはこれらの素子アレイの形状に射出成形することによって形成することができる。熟考された精密な応用により、そのような材料から組み立てられた圧電複合材料およびアレイは、低音響インピーダンスおよび高結合ファクタによって、バルク変換器に比較して改善された超音波変換特性を提供する。多くのタイプの圧電複合材料が知られている。典型的な材料は、ウォレス・アーデン・スミスにより、１９８９年のIEEE超音波シンポジウムの「超音波振動子での圧電複合材料の役割」で述べられている。複合変換器の感度は、主にノーマル方向にあり、従って、横方向の機械的な振動モードとそれらが起こす干渉とを分離する。最終結果は、低駆動電圧での大きな音響出力である。

超音波モジュール
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。

前記音響導波路は、図１に示すように、前記変換器組立体の上部の表面に接触して取り付けられ、あるいは代わりの実施例では、音響導波路５５は、図３に示されているように、前記変換器組立体の上部の表面に取付けられ、また前記変換器組立体および前記支持装置の側壁の少なくとも一部、好ましくは大部分に接触する。前記導波路構造５５は、超音波変換器組立体３０（の少なくとも部分）を覆うように寸法付けられまた該超音波変換器組立体の全体形状に合う形状を有する下部構造５６を含む。下部構造５６は、一般的に、先端導波路部分５８が前記ブラシヘッド構造から外方へ突き出るように、歯ブラシヘッドに取り付けられて、固定されている。導波路構造５５は、好ましくは、全体的にブロック状を有し、三次元の形態を有し、また複数の面を有する単位構造体として提供される。図３の実施例では、下部構造５６の断面積は、一般的に先端部の導波路部分５８の断面積より大きく、対向する両側壁５７および両端壁５９は、先端部の導波面６０で終端する。

図３に示すように、先端部の導波面６０は全体に凸状に湾曲する。代替的な実施例では、先端部の導波面６０は全体に平らであり、あるいは全体に凹状に湾曲し、また、より複雑な曲面形状とすることができる。前記導波路の導波面の１つ以上の角は、図示のとおり、丸めるか、面取りをすることができ、またそれらを角張った角に形成することができる。ここに記載されあるいは米国特許出願公開第２００５／００９１７７０Ａ１に記載された音響導波路材料および構造のいずれも、本発明の装置に組み入れられた超音波モジュールに関連して使用することができる。

前記音響導波路モジュールは、一般的に、歯ブラシヘッドのような口腔衛生装置のヘッドに、前記音響導波路が前記装置ヘッドの前記支持装置から突き出るように、取り付けられる。また、前記変換器モジュールまたはブラシヘッド構造の構造的特徴として、追加の導波路支持装置を設けることができる。導波路支持フランジは、前記導波路下部を支持する剛性構造を提供するために、例えば、前記導波路構造の周辺に近接してブラシヘッド支持下部またはブラシ毛プレートから伸長して設けることができる。

超音波モジュールから成っている個々の素子の精密な形態の如何に拘わらず、前記圧電素子、整合層および／または音響導波路は、一般に、発散面に関する所望位置に音響エネルギーを伝えあるいはオプションで集中させあるいは特定のパターンで音響エネルギーを分散するように、形成される。超音波エネルギーは、例えば、圧電セラミック素子のような発生源から口腔内の流体に、整合層や導波路の介在無しに、直接放射することができる。これに代えて、音響導波路を圧電セラミック上に直接的に配置することができる。さらに代替的な実施例では、音響導波路を含む超音波のモジュール全体を圧電性ポリマーで形成することができる。

デバイスヘッド組立体
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。

歯ブラシヘッド組立体の一実施例が図４に示されている。歯ブラシヘッド組立体８０のハウジング構造は、前記ハンドルの嵌合取付け領域に取り付けるための基部８２と、小断面のステム部分８４と、超音波モジュール５０および／または歯ブラシ束が取り付けられるブラシヘッド支持構造８６とを含む。この実施例では、パワーは、一次コイルと、前記ハンドル（後に記載する）に取り付けられたコアと、二次のトランスフォーマコア８７と、前記ヘッド組立体８０の前記基部８２に取り付けられたトランスフォーマコイル（および関連するボビン）８８とを備えるトランスフォーマを経て前記超音波モジュールに提供される。配線接続を必要とすることなく前記歯ブラシヘッドにパワーを供給するトランスフォーマの動作は、後に記載する。

前記歯ブラシヘッド組立体に取り付けられた前記二次コイル８８と前記超音波モジュール５０の前記超音波変換器組立体との間の電気接続は、前記変換器組立体の接点に接触する（１つ以上の）導電性電極８９と、前記二次コイルに設けられた接点とを介してなされる。１つ以上の導電性電極８９が、前記ブラシヘッド組立体内の溝に保持された導電性金属帯として設けられ、前記ブラシヘッド構造に成形することができる。これに代えて、変換器組立体の接点と前記コイルの接点との間に柔軟な電気接続(例えばジャンパタイプの接続)を使うことができる。
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。

前記ブラシ毛束は、超音波モジュール５０に近接する支持プレート９０上に取り付けられている。前記支持プレートは、矩形、全体的に円形、全体的に長円形または楕円形を含む種々の形態を有することができる。前記支持プレートは、音響整合層として、また機能させることができる。この支持プレートは、前記超音波モジュールのまわりを封止するように前記ブラシネック（ステム部）に超音波で溶接することができ、あるいは前記支持構造８６に一体的に形成することができる。前記ブラシネック組立体は、コイルおよびコアを有する前記ブラシヘッドハウジングに取り付けられている。

ブラシ毛フィラメント、該ブラシ毛フィラメントおよび／またはその束の間隔および方位、ブラシ毛および／またはその束の調整、前記導波路の形態およびその配置を含むデバイスヘッドと、該デバイスヘッドの支持構造は、一般的に、流動体の保持、捕獲さもなければ妨害を促進するようにデザインされる。前記デバイスヘッドは、また、超音波がブラシ毛フィラメントおよび／またはその束を活性的に通過するようにデザインすることができる。これは、前記超音波組立体をブラシ毛フィラメントの１つ以上の個々の束および／またはブラシ毛フィラメントの直下に取付けることにより、従来の歯ブラシでなされているのと同様に、歯ブラシ基部プラスチックを通しての超音波の結合を排除することで実行することができる。

本発明のデバイスヘッド、特に、歯ブラシヘッドは、一般的に、１つ以上のブラシ毛束であり、それぞれが１つ以上のブラシ毛フィラメントの束から成る束の集合体を含む。多くのタイプのブラシ毛フィラメントが入手可能であり、これを本発明のデバイスヘッドに使うことができる。一般的に、ブラシ毛フィラメントと、その束とは、前記フィラメントの材料、各フィラメントおよびその束の直径、横断面形状および露出長さ、および多数のフィラメント及びそれらの束の剛性または柔軟性などによって特徴付けられる。各束のフィラメントは同じ材料から成り、同じ寸法特性を有するが、複数のブラシ毛タイプ、形状または寸法を１つのブラシ毛束に組み込むことができる。同様に、集合体を成形している複数のブラシ毛束は、同じ寸法および／または同じ物理的性質を有するが、寸法特性、長さ、剛性等がそれぞれ異なるブラシ毛束を前記ブラシヘッドに様々な配置で設けることができる。前記束は、クリーニングおよびユーザエクスペリエンスの双方を容易にする上で、特定の形態および／または寸法サイズのブラシ毛フィラメントを含むことができる。特定の形態のブラシ毛は、ブラシヘッドで導波路の存在を補足するために置かれて適応される。例えば、より堅いブラシ毛とその束(一般的により大きなフィラメント横断面および／またはより短いブラシ毛長を有する)は、歯の特定の位置への導波路の適応を容易にするために配置することができ、より柔らかいブラシ毛(一般的により小さなフィラメント横断面および／またはより長いブラシ毛長を有する)は、歯間スペースへの導波路の侵入を容易にするために配置することができる。

ナイロンブラシ毛フィラメントは、本発明の装置への使用に適している。多くの実施例では、各ブラシ毛束は、約２５から４０本のフィラメントから成り、さらなる実施例では、各ブラシ毛束は、約２８から３０本のフィラメントから成る。各フィラメントストランドの直径は、一般的に、約０．００５−０．００９インチ（約0.127−0.229ミリメートル）であり、ある適用に好適な実施例では、各フィラメントストランドの直径は、約０．００５−０．００７インチ（約0.127−0.178ミリメートル）である。各前記束は、約０．０３−０．１２インチ（約0.762−3.048ミリメートル）の直径、好ましくは、約０．０５−０．０８インチ（約1.27−2.032ミリメートル）の直径である。本発明の他のタイプの口腔衛生装置は、より多くのまたはより少ない束および異なる特性を有する束を含むことができる。

個々のブラシ毛フィラメントは、ソリッドとすることができ、これに代えてフィラメントを中空とすることができる。中空のブラシ毛フィラメントは、わなにかけられて、デンタル流体に泡を成形するガスの源として役立つ。ガスは、ブラシ毛を通って受動的に流れあるいはブラシ毛を通して活発にポンプ圧送される。一実施例では、中空フィラメントの中心径は、適用された超音波の周波数で共振する直径を有する泡、すなわち直径がほぼ１３から６５μｍの範囲にある泡の形成を促進するようにデザインされる。これに代えて、超音波を伝導する音響的伝達材料で、中空のブラシ毛フィラメントを満たすことができる。充填する前記材料は、前記フィラメントの恒久的な一部を形成し、または、フィラメントを通って分配可能である。分配可能な充填材料は、歯みがきまたは他の泡促進材料を含むことができる。超音波は、例えば、流体を十分に吸収するスポンジなどの流体吸収素材を通して伝導することができ、該素材が濡らされるとき、超音波を前記変換器から歯面へ効率的に結合することができる。

口腔衛生装置の中で使われるブラシ毛フィラメントは、一般的に円筒形の横断面形状を有し、丸い露出端面を生じさせるために、しばしば調整される。本発明の装置は、一方の軸に沿った長さが他方の軸のそれより長い寸法の非円筒形状を有するブラシ毛フィラメントを使用することができる。ダイヤモンド形、矩形または長円形の横断面形状などの非円形の横断面形状を有するフィラメントは、長軸がブラシ毛先端運動の方向と直角で、従って、所望の方向で流体流動を増大させるための「小型パドル」として作動するように、角度および方位（向き）を調整される。一方の軸が他方よりも長いブラシ毛フィラメントは、また、一般的に、より柔らかい運動と感触を提供するために前記長軸がブラシ毛先端の運動方向と直角なように、または堅い運動と感触を提供するために前記長軸がブラシ毛先端の運動方向と平行するように、それぞれ方向付けることができる。

ここに開示された装置に用いられる適切なブラシ毛フィラメントおよびその束は、歯の表面とのブラシ毛との接触を促進するために、例えば歯間スペースに達することと同様に、歯の顔側および舌側の両面とのブラシ毛接触を促進するために調整される。音響導波路を含む装置では、ブラシ毛フィラメントは、また、歯の表面に沿って優先的に音響導波路を所望位置に順応させるためおよび／または超音波の歯間への侵入を促進する位置に前記導波路を順応させるために、調整することができる。

図５に示された一実施例によれば、ブラシヘッド８６は、長短のブラシ毛束の組合せを含む多数のブラシ毛束９３を含む。一般に、ブラシ毛の調整はブラシ毛の音運動の方位に依存する。一実施例では、長いブラシ毛束の局部的なピーク９４は、一般的に、超音波出力が最大になる音響導波路９５上の位置、一般的に、導波路の長手方向の中間点の位置(ブラシヘッドの側方から見て)に合わせて置かれる。前記音響導波路がピークすなわち頂点を有する先端部の端面を含むとき、長いブラシ毛束の局部的なピーク９４は、全体的に、前記導波路部先端の端面のピークと位置を合わされる。

ブラシヘッド８６上の前記ブラシ毛束の間隔および配置は、一般的に、ブラシ毛束の歯面との接触を促進し、音響振動および超音波の両効果によって、クリーニングが容易になされるように、デザインされる。前記束の間隔は、該束が前記ブラシヘッドの特定の領域でより高い密度となるように、一般的に不規則である。例えば、音響導波路９５の側壁に近接する前記ブラシヘッドの側壁での好ましい前記束間隔は、音響導波路９５（音響導波路９５は全体にブラシヘッド８６の長手方向軸線に沿って配置されている）の端壁に近接する前記ブラシヘッドのいずれかの端９６、９７での好適な束間隔より低密度とすることができる。一実施例では、ブラシ毛束が低密度配置で導波路９５の長手方向の面の両側に配置された状態で、ブラシ毛束の相対的に濃いクラスターは、ブラシヘッド９６の遠心端に設けられ、ブラシ毛束の他の相対的に濃いクラスターは、ブラシヘッド９７の近位端に設けられる。前記ブラシヘッドのどちらかの端部９６、９７のブラシ毛束を前記ブラシヘッドの中央部のブラシ毛束よりも堅くすることができる。さらに、あるいは代替的に、前記束間隔は、前記ブラシヘッドを取り巻く流体が該ブラシヘッドに隣接する領域に入ることを可能にする通路を形成するように配列することができる。多くの実施例では、これらの通路は、前記導波路の隅部近傍および／または前記導波路の長手軸の両端に位置する。１から３ｍｍ幅の通路(隣接した前記束間の間隔)が好ましい。

前記ブラシヘッドに取り付けられた導波路の作用を補足するために前記ブラシ毛束を配置し、適応させることができる。一実施例では、前記束は、流体を前記導波路に結合し、ブラシヘッドの先端へ向けての流体の通過を許すように、前記導波路の長手方向の両側の近接で相対的に密な間隔で配置される。前記束、ブラシ毛フィラメント、導波路および／または歯ブラシヘッド構成要素は、さらに、適用された超音波の周波数によって活性化される所望寸法の泡、すなわち、直径が概ね１３から１６マイクロメートルの範囲にある泡の生成および移送を促進するように、適応させることができる。所望の適用は、周辺流体の表面張力、粘性、密度および／または他の特性およびフィラメント、導波路および／または他のブラシヘッド成分の濡れ性に依存するかもしれず、すなわち高い表面張力を持つ流体や互いに近すぎる束および／またはフィラメントは、泡が導波部先端に生じておよび／または該先端へ向けて移動することを防止するかもしれない。

ブラシ毛束は、前記支持プレートの表面に直角に配置することができる。一実施例では、例えば、１つ以上のブラシ毛束を前記流体の前記導波部への結合を促進して、ユーザ感触と快適さを強化するために、約１−１５°の角度で前記導波部へ向けての内角を与えることができる。他の実施例では、１つ以上の前記束が前記導波路の表面から離れて斜めに向けて方向付けられている。他の実施例では、前記ブラシ毛束の一部は、それらが全体に前記導波部の表面と平行に位置合わせされるように、方向付けられている。前記導波路自体は、その結合を強化するために、隆起、ひれ、溝および／またはブラシ毛と並行する他の構造を含むことができる。本発明の装置は、種々の方向に設けられたブラシ毛束を含むことができる。

前記ブラシ毛束は、前記導波路を歯間位置に向けるように配置し、および／または方向付けすることができる。前記束のより濃い領域は、それが、歯間スペースに、より自然に垂下する傾向がある前記ブラシヘッドの一定のエリア、例えばどちらの端の近傍に設けることができる。前記束のよりまばらな領域は、歯の顔側および／または舌側の面の周りに対応しかつ曲がるように、前記ブラシヘッドの中央エリアのような他の領域に設けることができる。ブラシ毛束の位置および向きは、また、前記導波部が歯の形を損なうことを防止しおよび／または接触することを防止するために利用することができる。

前記ブラシ毛束の間の空間は、前記ブラシヘッド内で前記導波路の存在を補足するための他の材料および／または対象で満たすことができる。この材料は、独立または開放気泡、エラストマーの要素／突起または次の１以上の機能を提供する他の材料とすることができ、他の材料とは効果的に空間を充填する機能、流体および／または泡の特性を増強する機能、流体の貯蔵所として作用する機能またはクリーニングのユーザの快適さおよびその知覚機能を提供する材料である。

ハンドル組立体および構成部品
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。

充電コイル１１０および充電コア１１２は、一般的に、電源(図示せず)にアクセスする分離充電ステーションからの誘導充電のために、ハンドル組立体の基部に設けられる。充電コイル１１０は、前記装置に所要電力を供給する１つ以上の充電式電池１１４に電気的に接続される。適切な充電式電池は、例えばニッケルカドミウム(NiCad)電池およびNiMH(ニッケル金属水素化物)電池である。図６に示された実施例では、電池１１４は、該電池を機械的に支持しまたコントローラまたは回路基板組立体１１８を支持する機械的保持構造１１６に実装される。前記電池は、前記ハンドル組立体に所望の荷重バランスを与えかつ前記ハウジングの頂部および底部が小さな寸法の先細りとなるように、好ましくは、前記ハンドル組立体の中心軸の近傍に位置する。前記ハウジングは、一体的な円筒部品あるいは前記ハンドルの組立時に結合される上部および下部のような１以上の部品で形成することができる。このハウジングデザインは、中央で大きくかつ上下で先細りになる形状を可能にする。前記下部の異なるデザインは、前記ハンドル組立体の異なる種々の変形に用いることができる。

図６に示された実施例では、単一の回路基板が設けられており、超音波駆動回路と同様に、すべての制御および監視機能が前記単一回路基板上で提供されている。これらの機能を前記ハンドル中の別個の位置に置かれた別個の回路基板の上で提供することができ、また追加の機能を提供している追加の回路基板を設けることができることが理解できるであろう。

超音波変換器駆動回路が多くの形態をとり得て、種々の駆動回路が本発明の装置での使用に適していることは当業者によって理解できるであろう。超音波駆動信号は、一般的に、コントローラから信号処理プリアンプ回路に送られ、そこから信号増幅器に導かれる。一般的には、超音波変換器のための整合回路網があり、これは、整合をとられる前記変換器に応じて極めて単純なものから極めて複雑な範囲に及ぶ。前記整合回路網の目的は、変換器駆動回路の共振またはその近くで共振を達成して、全体的に効率的で、一般的に高パワー超音波音響出力を生み出すことである。いくつかの実施例で、後で詳細に述べるが、隙間を作られたフェライトコアトランスフォーマは、整合回路の一部を形成し、圧電式超音波変換器を駆動するために使用される。例えばトランジスタを含む「ソリッドステート」スイッチは、超音波変換器駆動回路で使用され、バッテリー電圧を前記ハンドル中にあるトランスフォーマの一次側に接続するマイクロコントローラによって、制御される。電気的に効率的な回路設計は、頻繁に（例えば、誘導素子および／または容量素子などの）共振リアクタンス素子またはタンク回路トポロジーを利用する。

典型的な超音波電源(USPS)回路は、以下の要素の1つ以上を含むことができる。共振タンク、共振パワー、共振コンバータ、並列共振コンバータ、直列共振コンバータ、直流−交流インバータ、方形波コンバータ、疑似（modified）正弦波コンバータおよびフライバックトランスである。本発明のさらなる実施例では、USPSは、高電圧供給および電気コネクタをここに説明したトランスフォーマアーキテクチャのためにあるいはこれに加えて、代用品として使うことができる。前記超音波電源回路は、電池寿命の増大を図るために、また高容量コンデンサーを含むことができる。このコンデンサーの前記充電器ステーションでの前充電は、その初充電のために電源ラインを使うことにより、初期の電池依存を減らすことができる。

駆動モータ１２０は、前記コントローラに電気的に接続されており、音響周波数で前記歯ブラシヘッド、前記音響導波路および前記ブラシ毛先端を振動させるべく、前記デバイスヘッドにモータ出力、例えば振動をもたらすためのドライブシャフト１２２を含む。ドライブシャフト１２２は、一般的に前記ハンドル組立体から突出しており、前記ハンドルへ前記ブラシヘッドが取り付けられたときに該ブラシヘッドの構造物に機械的に結合される。

本発明の装置で、音響周波数の振動を生み出すために、種々のタイプの駆動モータを使うことができる。一実施例では、ステッピングモータが、前記歯ブラシヘッドに結合される前記モータドライブシャフトの周期振動回転運動を提供するために用いられる。ステッピングモータは、一般的に、振動の振幅および歯ブラシヘッド位置の精密な操作を提供すべく制御可能であり、したがって、振動が動作サイクルの間に変化する装置で使用するのに適している。角度が制限されたトルク(LAT)モータは、約１２度未満、好ましくは１０度未満、さらに追加の実施例では、約３度および７度の間の夾角で振動運動を提供するために、また本発明の駆動モータとして使うことができる。

ウォブル（wobble）ウエイトモータ、従来の回転モータおよび圧電モータまたはアクチュエータは、代替的に、本発明の装置で音響周波数の振動を生み出すために、駆動モータとして使うことができる。一実施例では、前記モータはセンタリングまたはリターンスプリングを前記ハンドルに含むか、あるいは動作中に前記デバイスヘッド組立体中に配置された前記モータシャフトの一部にセンタリングまたはリターンスプリングを含む。前記モータは、好ましくは、全体に円筒形のデバイスハンドル内に都合よく納まるコンパクトで軽量な構造を有する。好ましいモータ寸法は、一般的に、約０．６０インチ（約１．５２センチメートル）と約１．０インチ（約２．５４センチメートル）との間の直径および約１．０インチと約０．５インチ（約１．２７センチメートル）との間の長さにある。パンケーキ型モータを使用することができる。

本発明の装置は、電力を前記デバイスヘッド内で動作する超音波変換器のような構成要素に電力を転送するために、従来の電気的或いは磁気的接触を使うことができる。しかしながら、好適な実施例では、本発明の装置は、誘導結合し、前記ハンドル中の超音波駆動回路および電源から前記デバイスヘッド中の前記変換器組立体に電力を転送するために、トランスフォーマを使用する。前記トランスフォーマ組立体は、前記超音波電源回路から前記超音波変換器への昇圧を提供することができ、望ましくは、前記ヘッド組立体が前記ハンドルから取り外されるときに、トランスフォーマ一次側および二次側構成要素が物理的に分離される。前記トランスフォーマ組立体は、また望ましくは、前記ハンドル中の前記電源回路と前記歯ブラシヘッド組立体中の前記超音波変換器回路との間で、電気的な絶縁を提供する。

適切なトランスフォーマは、一般的に、一次側および二次側の分割に前記ハンドルと前記歯ブラシヘッド組立体との間を用いる。一実施例では、前記超音波電源回路と、前記トランスフォーマの一次側コイルおよびコアとは、前記デバイスハンドルに実装されており、電気接点は前記トランスフォーマの一次コイルから前記超音波電源回路への接続のための主ハンドルコンパートメント内に伸長する。図６に示されているように、トランスフォーマ一次コイル１２８およびコア１２６の構成要素は、一般的に、前記デバイスハンドル内に密封された包囲体内に設けられ、該包囲体は前記ハンドルに設けられた他の構成要素から封止スペーサ１２４および封止プラグ１３０によって分離される。図７で示すように、前記超音波変換器と、前記トランスフォーマの二次側コイル１３２およびコア１３４とは、デバイスヘッド組立体８０に実装され、カバー１３６によって封止される。前記トランスフォーマ組立体は、この実施例では、所望の超音波出力強度を生み出すために、圧電変換器に必要なインピーダンス整合した電圧をもたらす。前記デバイスヘッドに実装された前記二次コイルおよびコアは、前記ハウジングに固定方式で設けることができるが、例えばブラシヘッドステム部のような前記デバイスヘッドの他の部分は自由に振動できる。代替的に、前記二次コイルおよびコアは、前記歯ブラシヘッドの慣性運動が可能なように前記デバイスヘッドの他の部分と共に運動できるように、前記歯ブラシヘッドに設けることができる。

前記トランスフォーマコイル集合体は、一般的に、円形または楕円形の経路でボビン上で巻かれ、封止される。前記モータ駆動シャフトの前記トランスフォーマ組立体への貫通および前記歯ブラシヘッドへの結合を許す開口を有する環状コアは、多くの応用に好ましい。前記ハンドルに実装された前記コアと前記ヘッドとの間の小さなエアギャップ(一般に約０．０１０から０．１５インチ（０．０２５４から０．０３８１センチメートル）、より典型的には０．１０インチ（０．２５４センチメートル）未満、いくつかの実施例では、０．０４０および０．０８０インチ（０．１０１６および０．２０３２センチメートル）間)は、前記トランスフォーマの効率的な動作のために、望ましくは、動作サイクルの間維持される。ある実施例では、コア間の前記エアギャップは、封止されたコイル集合体を使い、またこれらの封止されたコイル集合体の外にコアを実装することにより、達成することができる。代わりの実施例では、トランス効率の改善のために、強誘電性の流体またはフェロフィルド（ferro-filled）エラストマーを前記コア間で充填剤として使用することができる。

代替的なトランスフォーマ構造が、また考えられる。これらは、制限なしで、コアの形成のためにトリッド（torrid）巻き鉄心または積層スタックを含む。採用されたトランスフォーマ組立体の精度の如何に拘わらず、前記ハンドルと前記歯ブラシヘッド組立体との間でのトランスフォーマの一次側および二次側部分の分割が望ましい。

本発明のある実施例では、前記デバイスヘッド組立体と前記ハンドルとの間でパワー結合のために使われた前記トランスフォーマ組立体は、前記デバイスヘッドの中で電力を必要としている他の装置に電力を提供することができ、また前記デバイスヘッドと前記ハンドルとの間でさらに電気的な情報の交換を提供することができる。これは、例えば、コイルまたは追加のコイル巻線をトランスフォーマ組立体の一次側に追加することにより、あるいは前記デバイスヘッド（すなわち前記トランスフォーマの二次側）内の前記コイル（または複数のコイル）に誘導結合するセンタタップコイルを使用することによって、達成することができる。
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。

この追加のトランスフォーマ構成要素は、オプションで、変換性能を監視するためのフィードバック信号を提供するように、使用することができる。そのようなフィードバックは、動作サイクルまたはサブサイクルの初期またはその間中に前記超音波変換器の動作を監視すべく、例えば、前記変換器へ自身の同調発振周波数のための電圧制御発振器（VOC）および／または位相ロックループ（PLL）の制御を可能とする。

１つ以上の追加のコイルすなわち追加のコイル巻線を備えるトランスフォーマを含む本発明の装置は、追加の装置機能を含むことができる。例えば、一実施例では、追加のコイルまたはコイル巻線は、主として、超音波変換器電源回路との相互作用のために使われる。他の実施例では、追加のコイルまたはコイル巻線は、超音波変換器の性能を監視するために使われる。さらに他の実施例では、追加のコイルまたはコイル巻線は、超音波変換器組立体を作動させ、該変換器の性能を監視する。また他の実施例では、追加のコイルまたはコイル巻線は、前記ハンドルおよび／または前記デバイスヘッド組立体に実装された要素のテストおよび／または較正に使われる。さらに他の実施例では、追加のコイルおよび／またはコイル巻線は、ユーザの口の中および／またはユーザの歯の表面の特性のような前記装置が使用される環境を感知し、その情報をコントローラに伝達するために使われる。他の実施例では、追加のコイルおよび／または巻線は、前記超音波変換器の性能が容認できるか、受け入れ不可能であるか、および／またはデバイスヘッドの有効寿命の終端を決定し、および／または信号で伝えるために使われる。
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。

装置の動作と制御機能
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。

追加のユーザインターフェイスを設けることができる。前記バッテリー充電器の充電レベルは、例えば、ＬＥＤを使って、ユーザに見えるディスプレイを明るくすることにより、ユーザに宣言することができる。充電レベルの変化は、例えば信号の種々の量またはパターンを照明することにより、視覚化して伝達することができる。ユーザインターフェイスは、また、デバイスヘッドが適切に機能しているか、デバイスヘッドが機能していないことを示すために、設けることができる。如何なるタイプのユーザインターフェイスでも、１つ以上のＬＥＤ表示を使用した表示の照明、1つ以上の液晶ディスプレイ、音響、前記駆動モータの動作における休止または変化等を含んで実行することができる。そのような表示は、前記装置に様々に含まれ、前記ハンドル上、付属品の充電器上、前記デバイスヘッド上または付属の制御装置上などの、前記装置の異なるそれぞれの位置に設けることができる。

デバイスヘッドとデバイスハンドルは、ヘッドまたはハンドルを他と区別するための識別子を含むことができる。そのような識別子は、色、コード化されたパターンバンド、光または他の識別記の形態をとることができ、あるいは前記ハンドル中に前記デバイスヘッドを取り付けたときに検出可能な、あるいは付属装置を介して、電子識別子として提供することができる。複数のデバイスヘッドおよび／またはデバイスヘッドの複数のタイプが、共通のハンドルで使用可能であり、ユーザによって、および／または前記ハンドルに前記デバイスヘッドを取付けたときに前記コントローラによって区別できる。一実施例では、動作サイクルの開始時に、前記装置が前記デバイスヘッドを識別し、そのデバイスヘッドと関連した動作プロトコルを実行するように、デバイスヘッド識別子は１つ以上の動作プロトコルと関連する。これに代えて、どのようなデバイスヘッドでも複数の動作プロトコルと関連しているならば、前記装置は、動作サイクルの開始時あるいはその前に、ユーザにプロトコルの選択を促すことができる。前記装置は、同様に種々のタイプのデバイスヘッドを検出し、動作するヘッドの検出および識別に応じて、適切な動作サイクルを開始することができる。

前記装置のコントローラは、一般に、デバイス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。あらかじめプログラムされた多数の動作期間は、例えば音響および／または瞬間的な休止またはユーザが知覚可能なサブサイクルの分割を引き起こす動作状態の変化を提供することができる。例えば、一実施例では、本発明の歯ブラシに４つのほぼ等しい動作サブサイクルを提供することができ、口腔の中の４つの四分一円のブラッシング動作が便利になる。他の実施例では、４つのほぼ等しい動作サブサイクルが提供され、当該先の４つのサブサイクルに合わせて等しいかあるいは等しくない第５番目のサブサイクルを続いていて提供することができる。動作サイクルの期間は、歯ブラシへの適用のためには、通常、ほぼ１０秒−４５ｂ秒間のサブサイクルを有する状態で約１分から３分である。サブサイクル、期間および／または決められた動作（routines）の如何なる回数および組合せが可能であり、また前記装置で予めプログラムできるかあるいはユーザによってプログラム化が可能であることは、理解できるであろう。予めプログラムされた複数のサブサイクルルーチンが提供されるならば、ユーザインターフェイスは、ユーザ選択を許すように提供される。

いくつかの装置の実施例では、音および／または超音波の動作パラメータは、動作サイクルの間および／または動作サブサイクルの間、音および／または超音波の出力が実施的に変化しないレベルを提供するようにプログラムされ、制御される。代わりの実施例では、音および／または超音波の動作パラメータは、１つの動作サイクルの間または１つ以上の動作サブサイクルの間、出力レベルを変化させ、あるいはある音および／または超音波のある動作パラメータに変化させるように、プログラムされ、制御される。

いくつかの口腔衛生装置への適用のために、振動運動(ブラシ毛先端速度、振幅および／または周波数)は、望ましくは、動作サイクルおよび／または動作サブサイクル中のいくつかの期間中、他の期間におけるそれよりも大きい。したがって、いくつかの実施例では、振動の運動を生み出しているモータ駆動出力は、前記装置の動作サイクルにわたって可変である。モータ駆動および振動出力は、例えば超音波変換器と同期して動作し、超音波バーストの前、その間あるいは超音波バーストの開始の後または終了の後に、より高い出力(より大きなブラシ毛先端速度、および／または振幅)またはより低い出力(より小さなブラシ毛先端速度、および／または振幅)を提供するように制御することができる。一般に、振動運動が超音波変換器および音響導波路との組合せで使用されるとき、モータ駆動出力および振動が超音波バーストの期間の間に減少し、超音波が動作していない期間に、モータ駆動出力および振動が増大するように、動作サイクルまたはサブサイクルにわたって音の出力を変えることが望ましい。

一実施例では、例えば、前記超音波変換器が動作中に音響周波数での振動(ブラシ毛先端の振幅および／または速度)を減少させ、前記超音波変換器が動作していないとき、音響可聴周波数での振動(ブラシ毛先端の振幅および／または速度)を増大させるように、前記モータ駆動が制御を受ける。したがって、ある実施例では、前記超音波変換器および前記駆動モータのタイミングおよび出力は同期する。モータ駆動出力は、以下のパラメータの１つ以上を制御することによって減少することができる。モータ駆動出力の周波数、モータ駆動出力のデューティサイクル、モータ駆動出力の振幅および駆動モータに供給される電流である。

他の実施例では、駆動モータを使用している本発明の装置は、前記モータの共振動作状態を監視することにより、所望のモータ駆動動作周波数を決定し、制御することが可能である。前記コントローラは、例えば、前記駆動モータに流れる電流と前記モータの駆動周波数との両方を継続的または間欠的に監視することができる。モータが共振周波数で動作するとき、必要とされる電流が低いので、前記モータの共振周波数は、電流を監視することによって検出可能である。前記コントローラは、その後、駆動モータ動作周波数を判定された共振周波数から所望のオフセットに設定し、あるいは異なる使用条件の下で所望の共振周波数を達成するために、駆動モータ動作周波数を変えることができる。

代替的に、前記モータ動作を継続的または間欠的に監視することができ、前記ブラシヘッドを含むモータおよび／またはその駆動系の自然共振周波数を決定するために前記モータから検出された動電力(EMF)を使うことができる。共振周波数は、ブラシヘッドの有無および取り付けられたそれによって異なるので、このシステムは、ブラシヘッドが前記ハンドルに取り付けられているかどうかを決めるために使うことができる。異なる慣性特性を有する複数のブラシヘッドは、また、このシステムを使い、したがって、異なるユーザを識別し、オプションで異なるユーザおよび／またはブラシヘッドに、異なるルーティンまたはプログラムされた機能を合わせることができる。このシステムは、また、ブラシヘッドの取り換えを検出および識別し、したがってリセット作業を引き起こすために、ブラシヘッド取り換え機能と関連して使用することができる。

付属装置は、また、駆動モータ周波数を監視しているコントローラに関連して、周波数ごとの角度振幅を監視するように使うことができる。前記モータの共振周波数は、周波数毎の角度振幅を監視することによって検出することができる。角度振幅の測定値は、コントローラに伝達され、そして、該コントローラは前記のように判定された共振周波数に基づいて駆動モータ動作周波数を設定する。

いくつかの装置の実施例では、前記超音波変換器は、口腔の一定の領域の中で必要であるようにだけ、稼動する。それは、望ましく、例えば歯の舌側あるいは顔側の表面ではなく、歯間位置だけに超音波をパルス化することができ、その逆もまた同様である。したがって、独創的な歯ブラシは、歯間位置を感知し、前記導波路がその歯間位置に関して最適な位置にあるときにのみ超音波をパルス化することができるように、デザインされる。歯間位置の確認を達成するために種々の技術を使用することができる。例えば、検出手段は、機械的、例えば歯の３次元形状を感知するためにスプリング運動を使用することにより、あるいは電気的、例えば歯の導電率の変化を検出することによるかもしれない。検出方法は、優先的に、導波路から歯面に適用された力を感知する手段として、前記超音波変換器を利用することができる。そのような力は、間欠的であるか一定であるかにかかわらず、前記変換器の電気信号出力、前記変換器/前記電子回路に見られるような音響インピーダンスの変化、または従来技術で利用できる他の類似のいかなる技術によっても、感知することができる。代替的に、導波路が歯との直接的な接触にあるとき、超音波を止め、流体インタフェースが歯と導波路先端との間に存在するとき、超音波を出すことができる。

さらなる実施例によれば、超音波駆動周波数は、動作サイクルまたはサブサイクル中で１つの超音波バーストおよび／または複数の超音波バーストにわたって継続的にまたは間欠的に調整することができる。超音波駆動周波数の継続的な周波数掃引は、例えば、予め決められた周波数範囲中で、１以上の予め決められた調整周波数で提供することができる。したがって、中心周波数がFｃであると、周波数はFｃ−ΔFからFｃ＋ΔFへ掃引される。掃引周波数Fmは、使用条件の下で所望の最適動作のために選ばれて、動作サイクル中で変えることができる。前記変換器は、前記共振周波数の1以上の調波で稼動することができる。

超音波変換器の動作は、その共振周波数またはその近くが好ましい。適切な掃引モードを使う変換器の動作は、与えられたどのようなブラッシング条件の下でも、前記超音波モジュールが動作時間の一部の間にその共振周波数で駆動されることを保証する。掃引動作は、前記変換器がその動作サイクルの少なくとも一部の間でその共振周波数にあるであろうことを保証するので、適切な掃引モードを使う前記変換器の動作は、また、様々な共振周波数を有する超音波素子を駆動するのに使用することができる。これはピーク音響出力を結果として生じ、それは一般的に共振で起こる。

上に説明したように掃引モードを使う変換器駆動周波数の調整は、また、感知された環境条件に応じて前記超音波変換器の動作を調整し、改善するために実行することができる。一実施例では、例えば、実時間での超音波駆動周波数の最適化は、駆動回路のような前記超音波駆動回路の１以上の特性を監視し、前記感知電流と標準あるいは所望の電流パターンとの比較に基づいて、前記駆動周波数を調整すなわちチューニングすることにより達成することができ、あるいは変換器パラメータの変化（例えば変換器の動作温度）を補償するように調整される。他の実施例では、動作サイクルの開始での駆動電流またはリセット命令後の駆動電流等の超音波駆動回路の１以上の特性を監視する間に、超音波駆動周波数が掃引される。

ある実施例では、本発明の装置は、動作サイクルあるいはサブサイクルの開始時、またはその間に、例えば前記変換器の動作パラメータの基準値または基準範囲との比較によって超音波変換器の動作および性能の監視を許すフィードバック機能を使用する。この監視機能は、例えば、デバイスヘッドが正しく取り付けられおよび／または超音波変換器素子が動作可能であることを確認するために、使うことができる。前記デバイスヘッドが適切に機能していないことを前記監視機能が表示するとき、前記コントローラは動作サイクルを開始することができないようにすることができる。代替的に、デバイスヘッドの再配置をユーザに促すようにペースメーカ機能を活性化することができる。そのようなペースメーカ機能は、例えば１つ以上のLEDまたはLCDを組み込んだ照明されたユーザインターフェイスによって、1つ以上のビープ音などの発音によって、ブザーを使って、またはモータ駆動動作を休止するかあるいは変更することにより、ユーザに知らせることができる。

さらなる本発明の実施例は、超音波変換器素子および／またはデバイスヘッドの有効寿命および／または機能性を示す監視機能を含む。典型的なフィードバック指標は、例えば以下の１つ以上を示すことができる。超音波システムおよび／またはデバイスヘッドがないとき、 超音波システムおよび／またはデバイスヘッドはあるがそれが動作不能または不定に動作しているとき、超音波システムは動作しているが、動作が所望のモードにない（例えば周波数が外れ、および／または振動が所望外のモード)とき、および超音波システムが正常に動作しているとき、である。一実施例では、例えば、超音波変換器および／またはデバイスヘッドの動作は、動作サイクルの開始で監視され、および／または超音波変換器への動作可能な電気的接続はデバイスヘッドが適切に実装されているかどうかを判定するために確認される。

他の実施例では、超音波変換器の動作は動作サイクルまたはサブサイクルの間に継続的にまたは周期的に監視され、感知された動作パラメータは、超音波変換器および／またはデバイスヘッドが容認できる範囲で動作しているか否かを判定するために、１つ以上の予め決められた基準または基準範囲と比較される。デバイスヘッドおよび／または超音波変換器が容認できる範囲で動作しているとき、通常運転を表示するユーザインターフェイスは活性化されている。動作サイクルの開始時または動作サイクルの間に、容認できない動作を検出すると、ユーザインターフェイスは、ユーザに機能不全を知らせるために、あるいはユーザにデバイスヘッドを取り替えるようにアドバイスするために、活性化される。

変換器またはデバイスヘッドの容認できない動作の検出は、例えば、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ことによって、監視することができる。適切に機能していない超音波変換器またはデバイスヘッドは、適切に機能しているものと異なる電流信号を示す。例えば、「正常の」使用で動作している変換器の電流の信号は、その電流の突然の変化で特徴付けられる。機能しないデバイスヘッド(導波路が例えば剥離したか、あるいは変換器で電気接触がされていない)の電流の信号は、大きな変化を表さない定電流で特徴付けられる。したがって、１つの制御方式では、動作電流「デルタ」(最小−最大)が各動作サイクルまたはサブサイクルの間に取得される。動作サイクルまたはサブサイクルにわたって検出された最小−最大デルタが大きいと、ブラシヘッドは適切に機能している。動作サイクルまたはサブサイクルにわたって検出された最小−最大デルタが小さいと、１つ以上の障害が起こり、適切なユーザインターフェイスが活性化される。

さらなる実施例では、前記コントローラは、装置の動作サイクル数をカウントするように、プログラムすることができる。特定のデバイスヘッドのための動作サイクル数は、ユーザインターフェイスで表示することができる。前記コントローラは、また、動作サイクル数をカウントし、同時にデバイスヘッドの機能性を監視するようにプログラムすることができる。予め決められた使用回数(一般的に２回／日の使用で６ヶ月または１８０回の使用)の直後に、マイクロプロセッサは、前記ハンドルに配置された電流感知素子を通して流れる電流を監視し、上記したように許容不可能なデバイスヘッドの動作を検出するように、設定される。また他の実施例では、前記コントローラは、例えばデバイスヘッドの予め決められた動作あるいは起動の回数直後に、予め決められた間隔でデバイスヘッドの機能を監視するようにプログラムすることができる。例えば、前記コントローラは、２０回の連続的なデバイスヘッドの使用を監視し、そのハンドルでいくつの異なるデバイスヘッドが使われているかの評価をするようにプログラムすることができる。使用パターンと、動作サイクルまたはサブサイクルの間の「不良」応答に対する「良」応答の比率と、あるいは「不良」動作サイクルまたはサブサイクルに対する「良」動作サイクルまたはサブサイクルの比率とに応じて、前記マイクロプロセッサは、ユーザインターフェイスを活性化するようにプログラムすることができる。

一定のリセット機能は、前記コントローラにプログラムされており、ユーザインターフェイスを通してユーザによって起動することができる。欠損したデバイスヘッドの取り換え後、ユーザは、前記装置または付属ユニットにユーザインターフェイスを入力することができ、前記コントローラ、そのデバイスヘッドの検出、カウントおよび／または監視機能を有効にリセットすることができる。前記リセット機能は、前の監視および制御のサイクルと同じかあるいは異なるかもしれない新しい監視および制御のサイクルを開始することを前記コントローラに指示することができる。種々の監視および制御アルゴリズムをコントローラにプログラムすることができることが理解できるであろう。

代替的に、前記装置組立体の性能を監視するために、別個の試験プロトコルを実装することができる。１つのそのような試験プロトコルでは、前記デバイスヘッドおよび超音波変換器は、埋め込まれた変換器感知要素を収容するように容器に浸すことができる。前記容器は、例えば、水と、前記感知素子によって検出された前記歯ブラシヘッドから送られる超音波信号および前記容器内でシステムによって測定された音響出力とで満たすことができる。前記信号強度は、前記超音波素子の性能を示すユーザへの信号に変換することができる。本発明の種々の実施例で、試験用の前記容器は単独ユニットとして提供することができ、付属品である装置充電器またはコントロールユニットに組み入れることができる。

本発明の他の実施例では、歯ブラシは、前記ブラシヘッドの抗菌処理のために殺菌性の超音波ベースの機構を含む１以上の機構を使用することができ、これにより、歯ブラシ要素に残る生細菌のレベルを減少させることができる。

適応可能のフィードバック機構
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。

超音波は効率的に空気中を伝わらない。しかしながら、それは、前記超音波変換器が水のような（水）媒体内で放射すべく設計されている限り、水のような環境下ではまったく効果的に伝搬する。微少な泡、音響ストリーミングおよび音響のマイクロストリーミングについて上に議論したように、泡が比較的小さな泡集団（すなわち１％から２０％）でありかつその寸法が前記超音波変換器の駆動周波数に調和すると、泡は、励起されて振動し、これは、従来の音響動力源の歯ブラシにより与えられるクリーニングに比較してクリーニング効果を増大させる。超音波が音響周波数との結合で用いられる場合、泡寸法および集団が大き過ぎると、超音波は弱まる。この現象は、大きな空隙ド率（例えば、３０％より大きい空隙率すなわちトラップされた気泡)によって特徴付けられている。音響パラメータが一定に保たれるとき、空隙率は、主として流体物性に依存する。さらに、空隙率は、水中より歯みがき媒体の中で、かなり高い。このように、泡特性を制御し、および／または動作（流体）環境を利用するために前記装置の動作を制御する本発明の「利口な」超音波のパワー歯ブラシの能力は、効率的な歯垢の除去効果に著しく有益である。いくつかの異なるプロトコルが、以下に説明されており、本発明の装置の動作中に気泡特性を検出および制御し、動作パラメータを調整するために使うことができる。

プロセスＡ：変換器送信部は、泡立った流体に超音波を放ち、変換器受信部は超音波の散乱および変化を検出する。大きな泡または泡集団の密度は、超音波を反射し散乱させる傾向が強い。
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。

プロセスＢ：超音波送信信号の放出に続き、超音波反射が同じ変換器によってまたは他の、別個の(受信)変換器によって検出される。受信された反射信号はマイクロプロセッサに入力され、該プロセッサは超音波反射に基づいた流体の動作環境の音響特性を検出し、明確にする。次に、コントローラは、音響モータの周波数またはデューティサイクル、または超音波動作パラメータのいずれかを前記装置の動作を流体の動作作環境に「合わせる」ために、調整することができる。

導波路の動作および性能に明白な違いを提供するいくつかの条件があることは注目されるべきである。導波路が水に完全に浸されていると、超音波は低インピーダンス環境に放たれ、簡単に導波路を出る。例えば、動作環境が例えば空気あるいは大きな気泡集団の存在の結果として高いインピーダンスを有するとき、超音波は、高インピーダンス環境に放たれ、違ったように、導波路を出る。この影響は、音響モータまたは超音波プロトコルの制御のために、マイクロプロセッサに検出され、また入力される。

プロセスＣ：超音波送信および超音波受信の両機能に同一変換器を使用することができる。反射超音波データは、泡集団およびその寸法に起因する反射の変化を検出すべく、パルス繰返し周波数(PRF)バースト間で収集され、分析される。モータ速度および／または超音波バースト長および／またはPRFは、この反映信号から取り出された特徴に基づいて、使用の間に調整することができる。

プロセスＤ：正および逆のパワー、インピーダンスまたは変換器にもたらされる分散の他の特性は監視される。泡流体の特性は、超音波の前記流体への結合を変化させる。増大する逆パワーは、これらの条件の下で結合の減少を示し、モータ速度および／または超音波バースト長および／またはPRFは、前記逆パワーを減少させるために調節することができる。整合トランスフォーマの回転の感知は、前記変換器の負荷の変異を表す磁束変化を反映させることができ、それは、次に、前記変換器寿命条件を評価するために、マイクロプロセッサアルゴリズムを通して解読することができる。種々の宣言器（音、光、ブラシ運動、振動、音符など）は、その時、操作者にブラシヘッドまたは変換器素子を取り替える忠告であると決めることができる。

上記で開示した前記プロセスのすべては、歯ブラシ、回路および／またはユーザの口中の条件を監視するステップを含む。監視信号は、電位変化を検出し、それらを制御修正に作用するものへ変換するために、マイクロプロセッサ、差動増幅器および／またはＡ−Ｄコンバータなどの、比較または計算装置に送られるかもしれない。それは、（１）変換器出力を定義する超音波のプロトコル（すなわち電圧、周波数、バースト条件など）および（２）音響ブラッシング特性（すなわちデンタルスラリー中のブラシ毛先端速度、加速度および／またはキャビテーション）を制御するモータ特性を定義する音響プロトコル（すなわちモータ駆動電圧、電流、デューティサイクル、パルス幅など）である。

流体特性は、また、音および／または超音波の動作プロトコル（すなわち粘性、泡寸法、泡密度、色など）を調整することによって、制御することができる。
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。

歯ブラシヘッドが粉末または歯科流体の特性を成形している泡を変更する他の材料を分与するための機構を備えている本発明のそれらの実施例では、先に開示したフィードバックおよび制御を同様に使用することができる。例えば、重曹の分与は、歯科流体のｐH値を変化させることができ、また他の添加物の分与は、表面張力を減少させて、一般的にねり歯みがきで見られる界面活性剤の過度な泡効果を減少させることができる。

局所的な流体または粉末の制御および／または分与は、超音波と組み合わされるときに、クリーニング、しみ抜き、および漂白を強化し、歯科の流体の特性を変更し、結果として歯科クリーニングと一般的な口腔の健康状態（すなわち、歯肉炎の減少、歯茎の強化、キャリー（carries)、歯垢、口臭、口内乾燥症などの減少)とを改善する。

先に開示した歯ブラシセンサーおよび制御は、ステッピングモータ（潜在的には３６０度の回転）の角度位置の制御に使用することができる。前記モータは、新しい位置毎に、振動ブラッシング運動を再開するであろう。歯ブラシヘッド運動のこのタイプの制御は、歯ブラシヘッドが、柔らかな組織および硬い組織(歯茎および歯)の接合部を感知する位置に移動することを可能にする。空気が検出されると、歯ブラシヘッド位置は、歯と歯茎との接合部が再び存在する位置へ向けて再指向される。そのような実施例は、結果的に歯ブラシヘッドが自動的に最適なブラッシング位置を追跡し、歯ブラシヘッドのユーザ制御を減少させる。

本発明の歯ブラシに使用し得る適切なフィードバック機能を達成するために用いることができる代わりの、または追加の技術は、これに限定されないが、光放出ダイオード、光ダイオード、フォトトランジスタおよび／またはビーム減衰を感知する光カプラ含む。光はいくらかのわずかな屈折を伴って気泡を通過することができるので、光伝達は音響伝達と厳密には比例していないかもしれない。
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。

ブラッシングのパワーは、また、どれほど激しくユーザが歯に押し付けているかによって調整することができる。適用された力は、負荷感知変換器を用いおよび／または前記モータの電流を測定することによって、判定することができる。適用された力に応じて、前記モータに適用されたパワーは、過剰な機械的な擦りによる摩耗のリスクを減少させるために、減少することができる。代わりに、またはさらに、前記ブラシは、継続的に、フィードバックに基づいた音響駆動パワーレベルを調整することにより、フィードバック信号を使って最適化されたモードで稼動することができる。

典型的な歯ブラシの構造、形態および特徴
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。

本発明の装置は、中間部に大きな断面を有し、上端および下端の近傍で小さな断面に先細る全体的な構造および輪郭を有することができる。卵形、楕円形または三角形の横断面形状は、一般的に、手の中で、より小さい感じがして、小さな手に把握し易い。卵形に形づくられた歯ブラシハンドルは、感触によって歯ブラシヘッドの方向を判定することが重要であるそれらの装置に有利であろう。

グリップエリアの特徴および形態は、以下の機能の１つ以上を達成するために使用することができる。（ａ）ブラシ毛の適正な方向を決める手助けになること、（ｂ）歯ブラシヘッドとの接合のためのハンドルの形態は、適切な位置合わせに視覚的な手助けを提供すること、（ｃ）全体的な形態は、製品についての機能および／または、音波および／または泡のような技術を知らせること、（ｄ）パワー(オン/オフ)スイッチは、上方グリップエリアより上に配置されること、（ｅ）ディスプレイ（例えば充電器のインジケータ)は、ハンドルの中心の近くに位置していること、である。

流体制御と流体分配
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。

典型的な動作サイクルの間に、流体は、自然に口腔の底に移動し、下(下顎の)歯を取り囲む。流体は、それほど上(上顎の)歯を取り囲まない。上下の両方の歯を磨く間に、流体が前記導波路と前記歯との間での結合に利用可能であるように、ブラシヘッドによって流体を運び、流体を提供することが望ましい。前記歯ブラシヘッドには、さらに、上歯を磨く間、流体を吸収または回収し、流体（同じおよび／または置換流体)を分配または放出する要素を設けることができる。この流体の付加または除去は能動的（例えばポンプ／真空）または受動的（例えば流体の吸収素材）とすることができる。

ある実施例では、本発明の口腔衛生装置は、さらに、流体および／または他の媒体(これに限定されないが、水、予め形成された泡、ペースト、ゲルおよび／または粉末を含む)を分配する機構を使用することができ、これにより前記装置の性能を強化することができる。例えば、口中で流体の音響効果を改善しおよび／または超音波の適用により、化学的または物理的な反応を引き起こすことが有利であろう。典型的には、流体(または他の媒体)のリザーバは、歯ブラシヘッド組立体にあるいは離れたリザーバから流体を前記デバイスヘッドの分配領域に移動させるための通路を備えるハンドル組立体の中に設けられる。前記リザーバから流体を分配するために、ポンプまたは流量調節弁を使うことができる。

流体は、音響導波路を通しておよび／またはブラシ毛エリアのポート、弁またはノズルを通して、歯ブラシヘッドから出ることができる。いくつかの実施例では、流量調節弁のポンピング動作すなわち作動は、歯ブラシヘッド中に収容された前記変換器素子によって引き起こされるかもしれない。代替的に、容易なポンピング動作またはフロー制御のために、前記歯ブラシヘッド中に電気機械装置を設けることができる。前記歯ブラシヘッド組立体中での前記分配装置の電気的接続は、前記トランスフォーマ組立体を通して提供され、前記ハンドル組立体の制御回路によって達成することができる。

本発明の代替的な実施例は、超音波の伝達および／またはブラシ毛の作用を助ける導波路（またはブラシ毛エリア）から小さなフィラメント長を提供する。
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。

本発明の歯ブラシと組合せで使用される流体保留装置のさらなる実施例は、流体を保持すると満たされ、圧搾されたとき流体を解放しこれにより口中の流体量を増大させるスポンジを含む。スポンジへの圧搾力は歯ブラシヘッド中で超音波変換器および／または他の電気機械装置によって達成することができる。前記スポンジは、満たされるとき、超音波の伝送に効果的な媒体であり、したがって、ここで上述したように、音響導波路と同様に機能する。

リザーバ形状の精密さに拘わらず、蓄えられる流体（または他の媒体）の量は意図された特定の機能に依存することが理解できるであろう。多量の流体がブラッシングの間に分配されるなら、リザーバを補給するための機構を使用することができる。したがって、リザーバは各使用に先がけての補充を許すように適応され、これに代えて、リザーバは、数回のブラッシングを可能とするに十分な流体を保持するかもしれない。ブラッシングのために流体の非常に少ない容量しか必要でないなら、歯ブラシヘッド組立体中のリザーバは、歯ブラシヘッド組立体の寿命の終わりまでもつに十分な流体を含むことができる。後者のオプションは、さらに、歯ブラシヘッド組立体の有効寿命の終端を決定するために利用することができる。

歯ブラシハンドル組立体に流体リザーバが取り付けおよび／または収容されている実施例では、流体経路が流体を前記リザーバから前記ブラシヘッドに運ぶ。
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。

したがって、意図した精密な歯ブラシ形態に依存して、流体の分配システムは、これに限定されないが、以下の特定の特徴および／または特質の１つ以上を含む。（ａ）音響導波路を通して分配される流体、（ｂ）超音波変換器からの運動がポンピング動作を提供するために使われること、（ｃ）加圧型リザーバが流量調節弁を作動させるために超音波変換器を使用すること、（ｄ）流体はハンドルからドライブシャフトを通って歯ブラシヘッドに移動すること、（ｅ）流体は歯ブラシヘッド組立体中に収容されていること、（ｆ）流体は、ユーザの口中での流体の音響効果を変えるために使われること、（ｇ）流体は、歯ブラシの効率を改善するために超音波と相互作用すること、（ｈ）流体は、口中の十分な流体量を保証するために、口中の流体に追加するために使われること、（ｉ）流体の供給は、超音波変換器によって測定されるようなユーザの口中の音響特性に基づくこと、（ｊ）歯ブラシヘッド組立体中での流体の供給は、歯ブラシヘッドの寿命の終わりまで続くに十分であり、これにより、補充の必要をなくし、流体の使用が歯ブラシヘッドの有効寿命の終端を示すこと、（ｋ）蓄えられた流体の風味の変化は、歯ブラシヘッドの有効寿命の終端を示すために使用されること、（ｌ）流体に代えてゲル、ペーストまたは粉体を供給すること、（ｍ）フィラメントを分配し、または音響導波路および／または同様な装置として作動する他の動かない材料を分配すること、（ｎ）ブラッシングに先がけて歯を覆うために流体および／または他の媒体を分配すること、（ｏ）ブラッシングした後の保護を強化するためにフッ化物などの流体を分配すること、（ｐ）流体の分配、超音波のバーストおよびブラシ運動／位置を同期化すること、である。

歯みがき剤のデザインおよび組成
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。

デンタル流体中の自然な泡集団は、それを通して伝えられる超音波エネルギーを吸収する流体の傾向によって評価することができる。吸収がより高いほど、より多くの泡は関連した寸法（摂氏３７度で純水中の泡のために独創的に開発され、共振式によって発見的に与えられ、より一般的な状況の近似としてF_０R_０＝３．２６が適応可能である。ここで、周波数Ｆ_０は、MHzで与えられ、泡半径Ｒ_０はミクロンで与えられる。）に存在し、多くの共振から外れた泡は、また望み通りの歯垢としみ抜きの効果を生むであろう。

本発明に係る歯みがきは、例えば、一般に、２０kHzから３MHzの周波数範囲で超音波が適用されたときに共振する約１μｍおよび約１５０μｍの間の直径を有する泡のデンタル流体中での形成を容易にする。より一般には、本発明に係る歯みがきは、３０kHzから３MHzの周波数範囲で超音波が適用されたときに共振する約１μｍおよび約１００μｍの間の直径を有する泡のデンタル流体中での形成を容易にする。よりさらに一般的には、本発明に係る歯みがきは、１００kHzから６００kHzの周波数範囲で超音波が適用されたときに共振する約５μｍおよび約３０μｍの間の直径を有する泡のデンタル流体中での形成を容易にする。ここに示された典型的な歯磨きでは、２５０kHzから５００kHzで動作する超音波変換器により超音波が適用されるときに共振する約１２μｍおよび約２６μｍの間の直径を有する泡がデンタル流体中に形成される。

ここに開示された歯ブラシで使用するのに適切な歯みがきは、音響導波路と組合せた超音波変換器による刺激に適当な寸法範囲で泡の生産と安定化を容易にする表面張力値を生じる界面活性剤を含む。典型的には、ここに開示の歯みがきに使用された界面活性剤は、約０．１Ｐａから約５００Ｐａの範囲、より典型的には約０．２Ｐａから２５０Ｐａの範囲、さらにより典型的には約０．５Ｐａから約５０Ｐａの範囲の表面張力を生じる。

代わりに、あるいは上記したような泡形成を促進する歯みがきを提供することに加えて、所望の寸法範囲を有する泡を歯みがきまたは別の組成に組み入れて、歯ブラシの上のその組成物の適用によって、または口腔への前記組成物の導入によって、直接口腔に導入することができる。約１μｍおよび約１５０μｍ間、より典型的には約１μｍおよび約１００μｍ間、いくつかの実施例では、約５μｍおよびと約３０μｍ間、さらに他の実施例では、約１２μｍおよび約２６μｍ間の直径を有する泡を歯磨き組成に直接的に、あるいはうがい薬または口腔への分配するための液体、ゲル状または半固体キャリアのような一般的な他の組成物に組み入れることができる。

キャリア材中の泡は、その組成自体中の空隙として、またはマイクロスフェアまたはキャリア材中でガス入りの空隙を形成している他のミクロ構造として、存在することができる。例えば、超音波コントラスト強化組成であるOPTISON^TMは、マイクロスフェアがヒト血清アルブミンから形成され、オクタフルオロプロパンガスで満たされ、２．０−４．５μｍの平均直径を有するマイクロスフェアの懸濁液から成る。一般に不活性で人の消費にとって安全なガスで満たされる、一般に不活性で人の消費にとって安全な材料を使って作られた、（上記したような）所望寸法範囲のマイクロスフェアの集団は、適当なキャリア材に組み入れられ、本発明の歯ブラシと連携して、効果的なクリーニングを促進するために使うことができる。

この明細書中に記載されたパラメータ範囲へのすべての言及(references)は、各範囲の上限値以下の範囲への言及と同様に各範囲の下限値以上の範囲への言及を含むと理解される。よって、例えば、この明細書中で約２５０および約５００kHzの間の搬送周波数の記載は、その述べられた範囲の搬送周波数と同様に、２５０kHzおよびそれよりも大きな搬送周波数、５００kHzおよびそれよりも小さい搬送周波数を含むと解釈される。

音響周波数で音響エネルギーを発生させる超音波変換器および／またはモータと音響導波路との組合せを、他のタイプの口腔衛生装置、特に、表面を掃除するための他のタイプの装置に使用することができ、ここに記載された本発明が詳細に説明したように、歯ブラシの実施例に限定されないことが理解できるであろう。

すべての米国およびその他の外国の特許出願および他のすべての参照文献は、参照によってそれらの全体がここに含まれる。

音響導波路、多数のブラシ毛束、超音波変換器および音響周波数で振動を引き起こすためのモータを組み込んだ本発明の模範的な歯ブラシを示す部分断面図である。 本発明の装置の使用に適した模範的な超音波変換器組立体、関連する整合層および電気接点を拡大して概略的に示す斜視図である。 本発明の装置の使用に適した他の模範的な超音波変換器組立体および電気接点を組み込んだ関連する整合層の斜視図である。 本発明の超音波モジュールを部分的に破断して示す拡大斜視図であり、該モジュールでは、音響振動子組立体が該組立体上にその回りに設けられた音響導波路を備える支持構造物に装着された関連する整合層および電気接点と組み合わされている。 本発明のブラシヘッドを拡大して示す側断面図であり、超音波モジュールおよび前記音響振動子組立体にパワーを供給する電極が組み込まれているが、ブラシ毛束は省略されている。 多数のブラシ毛束を有する本発明のブラシヘッドを拡大して示す側面図である。 デバイスハンドルおよび該ハンドルに一般的に取り付けられる構成部品を拡大して示す分解図である。 デバイスヘッドおよび該ヘッドに一般的に取り付けられる構成部品を拡大して示す分解図である。

符号の説明

１０ 歯ブラシ
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)

1. 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。
2. 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。
3. 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。
4. 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。
5. 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。
6. 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。
7. 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。
8. 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。
9. 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。
10. 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。
11. 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。
12. 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。
13. 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。
14. 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。
15. 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。
16. 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。
17. 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。
18. 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。
19. 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。
20. 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。
21. 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。
22. 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。
23. 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。
24. 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。
25. 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。
26. 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。
27. 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。
28. 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。
29. 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。
30. 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。
31. 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。
32. 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。
33. 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。
34. 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。
35. 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。
36. 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。
37. 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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