JP2012513800A - 空間的な、時間的な及び／又は周波数のバリエーションをもつ超音波ティースクリーニング装置 - Google Patents

Abstract

本器具は、器具本体部１２と、微小気泡を生成するためのシステム２０と、少なくとも幾つかの微小気泡を動作させる周波数範囲の超音波信号ビームを生成するためのシステム２２とを含む。本器具は、（ａ）複数の超音波信号ビームを生成する超音波振動要素のアレイ４０、（ｂ）超音波信号の振幅を変調するための振幅変調アセンブリ５１、（ｃ）微小気泡サイズの範囲に影響を与える、選択された範囲に渡って超音波信号の周波数を変えるための周波数変調システム６１、のうち少なくとも１つを含む。

Description

この発明は、概して、電動及び手動の双方の、歯ブラシ等の歯科用器具に関し、歯をクリーニングするためのマウスガードにも関し、より詳細には、クリーニング効果を与えるか又は向上させるための超音波及び微小気泡の使用を含む斯様な器具に関する。

歯表面及び歯肉線の下のバイオフィルムを除去するためのエア微小気泡の超音波誘発キャビテーションが一般的に知られている。斯様な超音波技術は、ＵＳ特許第５，１３８，７３３号明細書でBockにより示されている。他の例は、Balamuthによる米国特許第３，８０９，９７７号明細書及びBrewerらによる米国特許第７，２６９，８７３号明細書を含む。更に、歯のクリーニングに対する超音波／微小気泡のアプローチを利用する市販の歯科用器具が存在している。しかしながら、斯様な器具は、典型的には、１又はそれ以上の顕著な欠点をもっている。

第一に、微小気泡のキャビテーションにより誘発されたクリーニング動作が一般に幾つかの気泡の近傍で強くなる場合がある一方で、これら気泡の全てが強力に活性化するわけではなく、活性化しているものでさえも、もはやその位置の周りのエリアをクリーニングする必要がない単一位置にとどまる傾向にある。それ故、全体のクリーニング動作は、標準的な数の利用可能な気泡及び同一の超音波励起の場合の別の手法よりも弱くなると考えられる。

更に、クリーニングは、巨視的レベルでばらつきがある。歯の表面上の或る領域が強力なクリーニングを示す一方で、他の領域では、ほとんどクリーニングされていないことを示す。これは、種々の歯表面からの超音波反射に起因した干渉効果によりもたらされる超音波強度の変化によるものと思われる。

更に、スクラビングによる効果のないクリーニングのために、実際にキャビテーションが最も有益な効果をもつような歯の凹部内に適切な気泡濃度を維持することは困難である。気泡濃度のこの不足は、普通にクリーニングを生じさせる同一の超音波による気泡の破壊による可能性が高い。

従って、歯肉線に沿って及び歯の歯間エリア内において歯に対して顕著なクリーニング効果をもたらすために、既存の手動若しくは電動歯ブラシ若しくはマウスピースを補完するか又は単独で用いられる超音波／微小気泡システムが望まれる。

従って、斯様な器具は、クリーニングのための微小気泡に指向されこれらの微小気泡を動作させる、１００ＫＨｚから１ＭＨｚまでの範囲の周波数を伴う超音波信号ビームを生成するためのシステムを有し、超音波信号を生成するためのシステムは、（ａ）超音波信号を生成するための振動要素のアレイ、（ｂ）前記超音波信号の振幅を変調するための振幅変調アセンブリ、（ｃ）予め決められた範囲に渡って前記超音波信号の周波数を変えるための周波数変調システム、のうち少なくとも１つを含む。

本発明の超音波／微小気泡を組み込む歯ブラシの概略図である。 本発明の超音波／微小気泡を組み込むマウスピースの概略図である。 超音波／微小気泡システムのための空間的多様性の構成を示す図である。 超音波／微小気泡システムのための時間的多様性（振幅変調）の構成を示す図である。 超音波／微小気泡システムのための２つの周波数多様性（周波数変調）の構成を示す図である。

前記で示されたように、歯のクリーニングを支援するための超音波／微小気泡システムを組み込む歯科用器具、詳細には歯ブラシは、前記の特許並びに他の特許及び特許公報において述べられたように、既知である。典型的には、これらの既知のシステムにおいて、超音波信号は、一貫した信号強度を伴う信号周波数に制限される。しかしながら、ここで述べられたシステムは、以下の特徴のうちの１又はそれ以上の機能を組み込む。（１）超音波ビームの１よりも多いソースポジション及び／又は方向を与えるための振動要素のアレイ。（２）クリーニングが行われた領域に新たな気泡が再生息（repopulate）することを可能にするための超音波信号の振幅変調。（３）特定の範囲に渡って周波数の連続的な変化を生成するための超音波信号の周波数変調。更に、他の特徴は、位相変調の使用である。即ち、超音波信号を誘導及び収集するために、超音波信号の位相を変えることである。

前記の特徴のそれぞれは、以下でより詳細に述べられる。操作器具システムは、前述した特徴のうち１つ、２つ又は全てを含み得る。

本システムは、毛を備えるか又は備えない既存の歯ブラシ、及び、毛を備えるか又は備えないマウスガード／マウスピースにおいて用いられ得ることが理解されるべきである。本器具は、手動で動作されてもよく、又は、電動で動作されてもよい。

毛が含められ、歯ブラシ動作全体から既存のスクラビング動作を与える場合には、超音波／微小気泡の特徴は、生ずる歯科用器具の性能の改善をもたらす。しかしながら、歯科用器具は、ここで述べられた超音波／微小気泡の複数の特徴により交互に用いられてもよい。

つまり、概して１０で示される図１の歯ブラシは、本体部１２と延在するアーム／ブラシヘッド部１４とを含む。図１におけるブラシヘッド部１４は、毛領域１６を含むが、前述したように、毛領域は必須ではない。歯ブラシが電動歯ブラシである場合には、本体部は、１８で示された電動システムを含み、この電動システムは、モータ／駆動部、電源、及び、ブラシヘッドを移動させるための制御ユニットを含むだろう。また、図１は、典型的には１μｍ〜１５０μｍのサイズのオーダで微小気泡を生成するためのシステム２０を含む。しかしながら、このサイズは、この範囲を超えて変化してもよい。気泡は、外部デバイス、並びに、超音波ユニット２２及びアレイの形式の振動要素２４により生成されてもよく、これは、超音波場を生成し、クリーニングされるべき歯の表面に隣接して配置された気泡に作用する。

図２は、マウスピースを概略的に２６で示し、これは、スクラビングにより上側及び下側の歯をクリーニングするための毛のセット２８を有しても有さなくてもよい。毛２８は、マウスピース２６の歯対向面に取り付けられる。マウスピースは、ユーザが歯を単純に移動させることにより手動で操作され得るか、又は、所定の態様でマウスピース及び毛を移動させるためのモータを含む、概して３０で示された電動システムにより電動操作され得る。本システムにおいて、マウスピースは、微小気泡を生成するための既存のシステムを含んでもよく、又は、微小気泡は、クリーニングされるべき歯の近傍に指向されるように、外部で生成されてもよい。クリーニングのための気泡を活性化するために超音波信号を生成するための既存の超音波システムは、３２及び３４でそれぞれ示される。

図３は、図１又は図２の歯科用器具のオプション的な一部であるシステムを示す。図３は、超音波信号ビームのための空間的多様性の構成に関するものである。単一の放射体／振動体の代わりに、本システムは、グループとして４０で概して示された要素のアレイを含む。アレイは、わずか３つの別個の要素だけを含み得るが、６〜８の要素が好ましく、それ以上、例えば１６の要素が用いられてもよい。超音波アレイ４０は、クリーニングされるべき歯４６の近傍の、４４で示される微小気泡スラリーに向かって指向される複数の超音波ビーム４２を生成する。電気制御部４８により、個々の超音波ビームは、方向及び時間について固定されるのとは対照的に、選択された時間期間に渡って、歯の表面の様々な部分に対して様々な角度でランダムに又は循環的に指向され得る。個々の要素は、各ビームの誘導能力により別個に制御されてもよく、アレイ全体が、１つのユニットとして誘導されてもよく、その部分が、他の部分とは独立して誘導／制御されてもよい。誘導は、制御ユニット４８により、超音波信号の位相変調を介して行われる。

また、個々の要素は、これら全てが同時にオン又はオフにならないように、別個に駆動、即ち給電されてもよい。誘導機能の使用により、超音波信号は、異なる角度／方向からこれらの気泡に付与され得る。これは、微小気泡の寿命に適合する特定の手法で特定の時間に渡って行われ、単一の領域中の気泡が使い果たされた場合に、ビームが新たな領域の処理のために誘導され、新たな気泡が元の領域に再生息することができる。また、超音波ビームの位置及び方向の変化は、干渉効果における分散の低減をもたらし、強力なクリーニングの位置は、失われたスポットよりむしろ、歯の表面全体に渡って"掃除（sweep）"することを可能にする。

それ故、複数の要素によれば、これらのオン／オフ状態及びこれらの方向に渡る個々の及び／又はグループの制御、クリーニングの一貫性及び質の大幅な改善が達成される。更に、ビーム誘導機能に関して、特に、歯ブラシは、ビームの効果的な制御されたムーブメントを生成するために移動されることを必要としない。

図４は、システム全体の時間的多様性の機能、即ち、超音波ビームの振幅変調を示している。これは、制御ユニット５１において与えられた、超音波振動子の励起の振幅における時間依存性変化である。微小気泡の有限寿命が与えられた場合には、新たな気泡がその領域に再生息することを可能にするために、特定のクリーニング領域における励起の振幅を時々減少させることが必要となる。しかしながら、この時間の間、超音波信号は、変調信号によっては完全にはオフに切り替えられないが、むしろ、流体のストリームが歯を洗浄（bathing）するのに十分な振幅を維持する。これは、未だクリーニングされていない新たなスポットに対するスラリー中の気泡の分配を支援する。

超音波ビームがクリーニングのための所与のスポットに収集されたときには、クリーニングのために超音波に対してちょうどいいサイズである気泡は、或る時間の後、劣化する。振幅変調によれば、ビームパワーは、気泡を領域中に補充させるために繰り返して減少される。振幅変調の周波数は、超音波周波数よりも非常に低くなる。例えば、１０ＫＨｚの変調周波数が１ＭＨｚの超音波周波数に対して用いられる。出力が振幅変調に起因して低いレベルにあるときには、ストリーム効果が依然として存在する可能性が高いことが重要である。これは、気泡の分布を新たなエリア及び劣化されたエリアに運ぶ。

より低い超音波周波数、例えば１００ＫＨｚに関して、変調信号は、１００Ｈｚであってもよいが、１０Ｈｚも有益であるだろう。

振幅変調は、出力（超音波信号強度）を少なくとも５０％まで減少させるが、前述したように、ストリーム効果を維持するためにゼロにはならない。図４のシステムにおいて、生ずる超音波ビーム信号５２の振幅変調を伴う、振動子又は振動子アレイが概して５０で示される。前記信号が最大強度であるときには、領域５４で示されるようにキャビテーションが生ずる一方で、領域５６で示されるように超音波ビーム信号が低ポイントにあるときには、キャビテーションは存在しないが、ストリーミングが依然として生ずるだろう。振幅変調されたビームは、気泡スラリー５８との相互作用を開始し、歯５９のクリーニングをもたらす。典型的には、前記変調は、非ゼロのベースラインを伴う矩形波の形式であり、変化し得る選択された負荷因子であるだろう。しかしながら、変調信号は、三角波、正弦波又は他の任意の形状を含む他の構成であってもよく、周期的である必要はない。

図５は、周波数多様性と称される、本システムの第３のオプション的な態様を示しており、これは、制御ユニット６１において与えられる、超音波ビームの周波数変調である。振動子又は振動子アレイ６０は、６２及び６４で示される、周波数が時間とともに変化する超音波ビーム又は複数のビームを生成する。６２においては、続いて起こるバーストが異なる周波数であり、その一方で、６４においては、周波数が各バースト（チャープ）の範囲内で変化される。振動子又は振動子アレイ６０は、広い範囲に渡る周波数、例えば２００〜４００ＫＨｚを生成可能な広帯域振動子である。斯様な振動子は、一般的に、特に診断医療用超音波の分野で良く知られている。これらの可能性は、８分の１波長（double quarter wave）に適合した圧電性バルク振動子、圧電マイクロマシン超音波振動子（pMUT；piezoelectric micro machined ultrasound transducer）、電磁気音響振動子（eMAT；electromagnetic acoustic transducer）及び容量性マイクロマシン超音波振動子（cMUT；capacitive micro machined ultrasound transducer）を含む。ビームを周波数変調する利点は、微小気泡が、典型的には広範囲のサイズをもち、各サイズが特定の共鳴周波数をもち、この共鳴周波数では、微小気泡が振動し、歯のクリーニングをもたらすために最終的には割れることである。気泡の振動は、特定の周波数に応答する。単一の超音波周波数によれば、比較的少ない気泡だけが振動し、クリーニング効果をもたらす。或る範囲の周波数が周波数変調によりもたらされるときには、広範囲の御気泡サイズが励起され、それ故に、多くの又はほとんどの利用可能な気泡を利用する。動作中に、これらのより大きな割合の気泡が励起され、より効果的で強力なクリーニング効果をもたらす。

更に、周波数変調によりもたらされた超音波信号の周波数変化は、歯の表面に渡って掃除するために超音波場の干渉パターンのピーク及び空値をもたらし、空間多様性（振幅変調）に対して前述したのと同一の利点をもたらす。励起周波数は、線形状、のこぎり歯状、正弦波状、又は、振動要素を励起する回路を介して付与される他のＦＭチャープ関数により振動子の帯域幅に渡って変化され得る。前述したように、一の周波数範囲は、２００〜４００ＫＨｚであってもよく、それ故に、２：１のサイズ範囲比を与える。より大きな比（３：１）が１５０〜４５０ＫＨｚの範囲で行われてもよい。

前述したように、３つの前記特徴のうちいずれか１つは、任意の歯科用クリーニング器具、即ち歯ブラシ又はマウスピースで用いられ、クリーニングの顕著な改善をもたらす。２つの特徴は３つ全てと同様に用いられ得る。一の特定の構成において、２００〜４００ＫＨｚの周波数範囲に渡って動作するcMUT振動子の一次元（同一平面上）アレイが用いられ得る。振動子アレイは、歯ブラシの毛のベースで歯に対面する、８又はそれ以上、好ましくは１６又はそれ以上の要素を包含する。毛のすぐ近く又は毛の間に配置されることは、他の位置からの気泡で満たされた流体の移動のための導管又はエア微小気泡を生成することを意味する。

前述したように、独立した電気的励起は、ビームの周波数、振幅及び位相が各要素に対して独立して制御され得るように、前記アレイ又はそのアレイの部分における各要素に対して与えられ得る。それ故、前記制御システムは前述したような効果を与える。気泡で満たされた流体は、伝播媒体を与え、歯の表面に対してクリーニング気泡を供給する。前記システムによれば、気泡の大部分は歯の表面のクリーニングにおいて効果的である。更に、これらの気泡は、効果的なクリーニングのための歯の表面の概ね全ての部分に伝わり、歯の間の歯間表面及び歯肉線の下も同様である。

従って、歯表面のクリーニングのために微小気泡を伴う超音波の動作を改良するシステムが開示された。本システムは、改良されたクリーニング機能を実現するために、空間的、時間的及び周波数多様性を含み、スクラビング機能をもつ歯ブラシ又はマウスガードの部分であり得るか、又は、単独で用いられ得る。

本発明の好ましい実施形態は、例示の目的で開示されたが、種々の変更、修正及び置換が、特許請求の範囲で規定された本発明の精神から逸脱することなく本実施形態に組み込まれ得ることが理解されるべきである。

Claims (15)

1. 歯をクリーニングするための器具であって、
   器具本体部と、
   微小気泡のスラリーを生成し、クリーニングされるべき歯の領域に指向するためのシステムと、
   クリーニングのための前記微小気泡に指向されこれらの微小気泡を動作させる、１００ＫＨｚから１ＭＨｚまでの範囲の周波数を伴う超音波信号ビームを生成するためのシステムとを有し、
   超音波信号を生成するためのシステムは、（ａ）超音波信号を生成するための振動要素のアレイ、（ｂ）前記超音波信号の振幅を変調するための振幅変調アセンブリ、（ｃ）予め決められた範囲に渡って前記超音波信号の周波数を変えるための周波数変調システム、のうち少なくとも１つを含む、器具。
2. 当該器具は、位相変調により前記超音波信号を誘導するためのアセンブリを含む、請求項１に記載の器具。
3. 当該器具は、（ａ），（ｂ）及び（ｃ）のうち少なくとも２つを含む、請求項１に記載の器具。
4. 当該器具は、（ａ），（ｂ）及び（ｃ）の全てを含む、請求項１に記載の器具。
5. 当該器具は、歯ブラシの形式である、請求項１に記載の器具。
6. 当該器具は、マウスピースの形式である、請求項１に記載の器具。
7. 当該器具は、（ａ）を含み、前記振動アレイは、６〜８の個々の振動要素を含み、各振動要素は、超音波ビームに渡って出力制御を与えるために個別に電動駆動される、請求項２に記載の器具。
8. 当該器具は、（ｂ）を含み、前記振幅変調は、超音波ビームの出力を最大出力の５０％又はそれ以下まで減少させる、請求項１に記載の器具。
9. 最も低いレベルにある前記超音波ビームの出力は、前記微小気泡の補充を可能にするのに十分な低さであるが、前記微小気泡のストリーミング効果を遮るほどの低さではない、請求項８に記載の器具。
10. 当該器具は、毛を含む、請求項１に記載の器具。
11. 当該器具は、手動器具である、請求項１０に記載の器具。
12. 当該器具は、歯に作用するスクラビングを生成するために前記毛を移動させるための電動システムを含む、請求項１０に記載の器具。
13. 当該器具は、（ｃ）を含み、前記周波数変調は、２００〜４００ＫＨｚの範囲をカバーする、請求項１に記載の器具。
14. 当該器具は、（ｂ）を含み、変調周波数は、超音波の周波数の約１〜１０％である、請求項１に記載の器具。
15. 当該器具は、（ａ）を含み、ブラシヘッド上に取り付けられた毛をもつ電動歯ブラシであり、前記振動要素のアレイは、前記毛のベースで前記ブラシヘッドに取り付けられ、前記微小気泡は、前記ブラシヘッドの近傍で生成される、請求項１に記載の器具。

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