KR20060107761A

KR20060107761A - 음파 도파관을 이용한 칫솔

Info

Publication number: KR20060107761A
Application number: KR1020067008632A
Authority: KR
Inventors: 피에르 디. 모라드; 프랜시스 엘. 올슨; 로저 리 톰슨; 제이슨 엘. 시월
Original assignee: 유니버시티 오브 워싱톤
Priority date: 2003-11-04
Filing date: 2004-11-03
Publication date: 2006-10-16
Also published as: WO2005044129A2; US20060191086A1; DE602004020252D1; ATE426345T1; AU2004286865A1; EP1681956B1; CA2542393C; EP1681956A4; KR101124244B1; NZ547313A; WO2005044129A3; EP1681956A2; CN100450393C; JP2007508104A; US20110159461A1; JP4732355B2; US20050091770A1; AU2004286865B2; CN1874703A; CA2542393A1

Abstract

본 발명은 재충전 가능한 배터리(12), 초음파 구동 회로(14), 모터와 같은 음파 구성요소(16) 및 제어 유닛(18)을 포함하는 손잡이(15)를 가진 전동 칫솔(10)을 개시한다. 손잡이는, 바람직하게는 다수의 강모(26) 및 강모에 대체로 인접하여 칫솔 헤드로부터 연장하는 도파관(24)에 작동 가능하게 연결된 초음파 변환기(22)를 가진 칫솔 헤드(20)에 연결되어 있다. 도파관은 초음파를 치과 유체에 전달하는 것을 촉진한다. 도파관은 수동 또는 전동 칫솔에, 그리고 음파 구성요소와 조합하거나, 조합하지 않고, 또는 초음파 변환기에 조합하거나, 조합하지 않고 사용될 수 있는 것으로 고려한다. 본 명세서에 개시된 칫솔은 치아뿐만 아니라, 치간 및 치경 아래 영역으로부터 개선된 플라크 및 얼룩 제거를 달성하는 한편, 사용자 경험을 향상시키고, 치은을 마사지하며, 치과 조직을 자극한다.

초음파, 음파, 칫솔, 전동 칫솔, 변환기, 도파관, 치아, 플라크, 치과, 강모, 치경, 치은

Description

음파 도파관을 이용한 칫솔{TOOTHBRUSH EMPLOYING AN COUSTIC WAVEGUIDE}

관련 출원의 상호 참조

이 출원은 2003년 11월 4일에 출원된 미국 특허 가출원 제60/517,638호의 이익을 항유하고, 그 개시 내용은 본 명세서에서 명백히 참고 인용하며, 35 U.S.C.§119 하에 그 출원일로부터의 우선권을 주장한다.

발명의 분야

일반적으로, 본 발명은 칫솔 분야, 보다 구체적으로는 음향 장치를 이용한 칫솔에 관한 것이다.

기존의 전동 칫솔은, 가장 효율적인 것이더라도, 치아 접촉면, 치경-치아 접촉점, 치경 아래 및 강모 또는 다른 칫솔 구성요소가 직접 닿는 곳 이외에 임상적으로 심각한 플라크를 남긴다. 초음파 치솔을 제조하려는 종래의 시도는 플라크 제거를 촉진하는 목적을 위하여 치과 유체 내 마이크로버블 형성을 개발하는 데 실패하였거나, 또는 강모 팁을 넘어선 초음파 전파에 대한 잠재적인 장애로서 마이크로버블 및 매크로버블을 고려하는 데 실패하였다. 초음파 기술을 이용한 일부 초기의 칫솔은 강모 자체 또는 강모 사이의 공간을 채우는 버블 형성 치과 유체를 통하여 강모의 기재로부터 초음파 전파를 시도하였다. 예를 들면, 미국 특허 제5,138,733 호, 제5,247,716호, 제5,369,831호 및 제5,546,624호(Bock)를 참조할 수 있다. 종래의 칫솔 강모 및 거품이 이는 치과 유체가 초음파 전파를 촉진하기 보다는 감소시킬 수 있기 때문에, 이러한 칫솔은 효율적인 초음파 전파를 달성하기에는 부족하게 느껴졌다. 또한, 종래 기술의 칫솔 내 초음파 시스템은 치과 유체 내에서 특별한 버블 형성 구조의 이점을 취하지 않았다.

분야의 개요

미국 특허 제3,335,443호(Parisi)는 고 음파 및 초음파 주파수로 진동할 수 있는 초음파 진동식 소형 치과 기구에 결합된 브러쉬를 개시한다.

미국 특허 제3,809,977호(Balamuth et al.)는, 미국 특허 제RE 28,752호로 재발행되었는데, 단독 또는 조합하여 사용하기 위한 초음파 키트, 초음파 모터 구조물 및 초음파 컨버터 디자인을 개시하였다. 초음파 모터는 착탈 가능한 팁을 가진 압전 재료일 수 있고, 컨버터에 접속된 어댑터로 플러그 접속하기에 적합한 전기 접촉 수단을 가진 하우징에 포함된다.

미국 특허 제3,828,770호(Kuris et al.)는 음파 주파수에서 반복된, 어플리케이터에서의 연속적인 초음파 기계 진동을 사용하여 사용 중에 초음파와 음파 진동 동작을 생성하는 치아 세정 방법을 개시한다.

미국 특허 제3,840,932호 및 제3,941,424호(Balamuth et al.)는 한 단부로부터 다른 단부에 위치된 강모 요소로 기계 진동을 전달하도록 초음파 진동하는 구조의 초음파 칫솔 어플리케이터를 개시한다.

미국 특허 제4,071,956호(Andress)는 초음파 진동에 의해 치과 플라크를 제 거하기 위한, 칫솔이 아닌 장치를 개시한다.

미국 특허 제4,192,035호(Kuris)는 사람 입에 수용하기에 적합한 브러쉬 부재를 가진 한 쌍의 접촉면을 갖춘 압전 부재로 형성된 가늘고 긴 부재를 포함하는 장치를 개시한다. 손잡이에 적합한 케이스는 압전 부재를 수용하도록 구성되어 있다.

미국 특허 제4,333,197호(Kuris)는 저 전압 코일과 초음파 주파수에서 구동하는 협동 페라이트 코어가 안에 배치된 중공 하우징 형태의 가늘고 긴 손잡이 부재를 포함하는 초음파 칫솔을 개시한다. 브러쉬 부재는 코어에 고정되어 있고, 코어 재료에 접착식으로 고정된 임피던스 전달 장치에 접착식으로 고정되어 있다. 임피던스 전달 장치는 코어 재료로부터 브러쉬로의 초음파 에너지의 최대 전달을 보장한다.

미국 특허 제4,991,249호 및 제5,150,492호(Suroff)는 초음파 전동 부재에 착탈 가능하게 부착된 교환 가능한 칫솔 부재를 가진 초음파 칫솔을 개시한다.

미국 특허 제5,138,733호(Bock)는 손잡이, 배터리 팩, 전자 구동 모듈, 압전 부재 및 착탈 가능한 브러쉬 헤드를 가진 초음파 칫솔을 개시한다. 압전 수정은 공명하고, 부피적으로 팽창 및 수축하므로, 주파수가 전자 구동 모듈에 의해 공급됨으로써 전자 에너지를 음파 에너지로 전환시킨다.

미국 특허 제5,247,716호(Bock)는 다수의 강모 다발, 가요성 재료로 구성된, 실질적으로 관상인 몸체 및 브러쉬 헤드를 초음파 장치에 고정시키는 인장 수단을 갖추어 장치로부터 브러쉬 헤드를 경유하여 초음파 주파수 진동의 효율적인 전달을 제공하는 초음파 칫솔용 착탈 가능한 브러쉬 헤드를 개시한다.

미국 특허 제5,311,632호(Center)는 (1) 편심 장착된 부재의 회전과 전체 장치의 진동을 유발하도록 작동할 수 있는 전기 모터 및 (2) 브러쉬를 따라 고 주파수 음파를 생성하도록 작동할 수 있는 초음파 변환기를 포함하는, 두껍고 원통형인 중공 손잡이를 갖춘 칫솔을 포함하는, 치아에서 플라크를 제거하기 위한 장치를 개시한다.

미국 특허 제5,369,831호(Bock)는 초음파 칫솔용 착탈 가능한 브러쉬 헤드를 개시한다.

미국 특허 제5,546,624호(Bock)는 강성 재료로 구성된 손잡이, 배터리 팩, 전자 구동 모듈, 압전 부재 및 착탈 가능한 브러쉬 헤드를 포함하는 초음파 칫솔을 개시한다. 압전 수정은 공명하고, 부피적으로 팽창 및 수축하므로, 주파수가 전자 구동 모듈에 의해 공급됨으로써 전자 에너지를 음파 에너지로 전환시킨다.

미국 특허 제6,203,320호(Williams et al.)는 전기 작동 칫솔 및 치아 세정 방법을 개시한다. 칫솔은 손잡이, 다수의 중공 필라멘트 강모를 가진 손잡이에 연결된 브러쉬 헤드, 유체를 전달하고, 중공 필라멘트 강모와 통하는, 손잡이 및 브러쉬 헤드를 통하는 통로, 손잡이 내 전기 에너지원 및 펄스를 이송하고자 하는 유체에 부여하기 위한 진동 요소를 포함한다.

미국 특허 공개 공보 제2003/0079305호(Takahata et al.)는 브러쉬 몸체가 동시에 진동하고 왕복 운동하는 전기 칫솔을 개시한다. 전기 칫솔은 케이스 본체, 케이스 본체 위로 연장하는 아암 및 브러쉬 몸체를 구동하기 위한 아암 내부 상단 에 배열된 초음파 모터를 포함한다.

미국 특허 제5,343,883호(Murayama)의 재발행인 미국 특허 제RE 35,712호는 치아간 표면으로부터 플라크 제거를 위한 전기 장치(즉, 치실기)을 개시한다. 이 장치는 음파 에너지와, 전동 손잡이에 착탈 가능하게 부착된 가요성 포크의 두 개의 가지 사이에 고정된 치실을 사용한다. 전기 모터는 음파 주파수로 회전하여 가요성 포크로 전달되는 음파 에너지를 발생한다.

미국 특허 제6,619,957호(Mosch et al.)는 치석 제거기 팁, 액츄에이터 재료, 코일, 핸드피스 하우징 및 공기 구동 전류 발생기를 포함하는 초음파 치석 제거기를 개시한다. 액츄에이터 재료, 코일 및 공기 구동 전류 발생기는 모두 핸드피스 하우징 안에 포함된다.

미국 특허 제6,190,167호(Sharp)는 공명 주파수를 가진 치과용 치석 제거기 인서트로 사용하기 위한 초음파 치과용 치석 제거기를 개시한다. 치과용 치석 제거기 인서트는 치과용 치석 제거기를 진동시키기 위한 진동 주파수를 가진 제어 시그널을 발생하도록 선택적으로 조정 가능한 진동기 회로에 연결된 기전 코일을 가진 핸드피스에 착탈 가능하게 부착되어 있다.

미국 특허 제4,731,019호(Martin)는 초음파 작동에 의한 치석 제거용 치과 기구를 개시한다. 치과 기구의 기구는 원추형의 날카로운 팁을 가진 갈고리형 구조이고, 마모 입자, 통상적으로 다이아몬드 입자를 포함하는 원단을 가진다.

미국 특허 제5,150,492호(Suroff)는 칫솔 손잡이 내에 포함된 초음파 동력 수단에 착탈 가능하게 장착될 수 있는 교환 가능한 초음파 기구를 가진 초음파 칫 솔을 개시한다.

미국 특허 제5,378,153호(Giuliani)는 몸체부 및 연장된 공명기 아암을 가진 치과 위생 장치를 개시한다. 이 장치는 그 몸체 내에 두 개의 영구 자석과 조합하여 작용하는 전자석을 사용하여 토션 핀에 대하여 진동 작용을 달성한다. 아암은 1.5 미터/초의 강모 팁 속도를 생성하는 진폭 및 주파수 범위 내에서 작동하여 강모 팁 너머로 세정을 달성하도록 구동한다.

당업계에는 치아와 치은 사이, 치아 간의 접촉점 및 강모의 직접 작용 범위 밖의 개선된 치과 세정을 달성하는 칫솔 설계에 대한 필요성이 있다.

발명의 개요

본 발명은 음파 도파관 단독, 또는 초음파 변환기 및/또는 음파 구성요소와 함께 사용하여 개선된 플라크 및 얼룩 제거 및 사용자 경험을 달성하는, 전동 및 수동 칫솔을 비롯한 칫솔을 제공함으로써 이들 및 다른 관련 필요성을 구현한다. 따라서, 특정한 구체예 내에서, 본 발명은 초음파 변환기에 의하여 치과 유체로 전달되는 음파를 전파하고, 가능하게는 집속하여 마이크로버블을 유도하고, 추가로 또는 대안으로, 음파 유동을 유발하여 치아 표면과 치아간 영역으로부터 치아 플라크를 나오게 하고 제거하는 것을 결과적으로 개선하는, 하나 이상의 음파 도파관을 가진 전동 칫솔을 제공한다. 음파 구성요소와 조합하여 사용시, 추가로 또는 대안으로, 음파 도파관은 음파 도파관이 구강 내 향상된 유체 유동 및 치과 유체 내, 음파 도파관 및/또는 칫솔 헤드 강모 팁이 도달하는 범위 이외에서 마이크로버블의 형성에 기여하도록 진동하게 한다. 음파 구성요소와 조합하여 사용시, 음파 도파관에 의해 발생되는 향상된 버블 형성 유체 유동은 음파 도파관을 통하여 전달되는 초음파와 상승 작용하여 음파 도파관 및/또는 칫솔 헤드 강모 팁의 도달 범위 이외에서 플라크 및 얼룩 제거를 더 촉진한다.

본 발명의 구체예에서, 초음파 변환기는 칫솔 헤드에서, 음파 도파관의 기부 및 작동 가능한 근접부에 사용되거나, 또는 대안으로 음파가 전달되는 도관(금속, 겔 또는 유체로 이루어짐)을 경유하여 칫솔 손잡이 내에서부터 칫솔 헤드에 기계적으로 커플링된다. 어느 한 구체예에서, 초음파 변환기는 초음파를 음파 도파관으로 전달하고, 순차적으로 이들 초음파를 치과 유체로 전파하여 초음파가 치과 유체 내에서 마이크로버블의 공동화를 유발하고, 대안으로 또는 추가로 음파 스트리밍을 수행한다. 특정 구체예 내에서, 또한 본 발명의 칫솔은 치과 유체 내 마이크로버블의 발생에 기여하는 하나 이상의 칫솔 강모를 포함할 수 있다. 초음파는 이들 마이크로버블의 공동화를 유발하여, 본 명세서에 개시된 칫솔의 플라크 및 얼룩 제거 특성을 개선시킨다.

본 발명의 추가 구체예는 초음파 변환기 및 음파 도파관을 가지며, 강모 및 음파 도파관을 포함하는 브러쉬 헤드를 기계적으로 이동시켜서 마이크로버블 생성에 기여하는 데 요하는 속도 및 강도로 치과 유체의 유동을 증가시키도록 가청 주파수 내에서 작동하는 음파 구성요소와 조합된 전동 칫솔을 제공한다. 음파 도파관과 이것이 전달하는 초음파는 활성화에 유용한 버블의 즉석 공간 분포를 증가시키고, 음파 도파관의 음파 동작에 기인한 초음파 분포를 증가시킴으로써 상승 방식으로 작용하여 치과 유체 내에서 스크러빙 버블 형성 제트를 생성한다. 또한, 음파 도파관과 초음파는 상승적으로 작용하여 각각 버블 형성 유체의 가속화에 기여함으로써 버블 형성 제트를 생성하는데, 음파 도파관은 유체를 직접 밀어내고, 초음파는 음파 스트리밍을 유도한다.

본 발명의 상기 양태와 많은 부수하는 이점은 보다 용이하게 인식될 것이며, 하기 상세한 설명을 참고하여 첨부 도면을 함께 취할 때 보다 더 잘 이해될 것이다.

도 1은 본 발명의 예시적인 전동 칫솔을 도시하는 도면이다.

도 2a는 손잡이, 강모, 초음파 변환기 및 대체로 직사각형 중실체 형상을 갖는 음파 도파관을 보여주는, 도 1에 도시된 구체예와 유사한 예시적인 전동 칫솔 헤드의 단면도를 도시하는 도면이다.

도 2b는 도 2a에 도시된 에시적인 칫솔 헤드의 유한 영역 자극 기하구조를 도시하는 도면이다(본 명세서에서 강모없이 도시됨).

도 2c는 초음파가 주로 음파 도파관에 남아있는, 펄스 후 1.2 ms에서의 자극된 초음파장을 도시하는 도면이다.

도 2d는 초음파가 실질적으로 음파 도파관을 벗어나는, 펄스 후 2.0 ms에서의 자극된 초음파를 도시하는 도면이다.

도 3a는 예시적인 음파 도파관이 테이퍼진 프로필을 갖는, 도 2a에 도시된 바와 같은 칫솔 헤드의 유한 영역 모델 자극 기하구조를 도시하는 도면이다.

도 3b는 도 3a에 도시된 테이퍼진 프로필 도파관의 투시도이다.

도 3c는 음파 도파관 내 전파를 도시하는, 초음파 전달 직후 자극된 파장 플롯의 측면도이다.

도 3d는 유체 에멀션으로 향하는 초음파의 음파 도파관 전파를 도시하는, 초음파 전달 이후의 시간에서의 자극된 파장 플롯의 측면도이다.

도 3e는 도 3c와 동일한 자극 시간에서의 자극된 파장 플롯의 단면도이다.

도 3f는 도 3d와 동일한 자극 시간에서의 자극된 파장 플롯의 단면도이다.

도 4a는 도파관 팁이 굴곡된, 다른 예시적인 음파 도파관의 유한 영역 모델 자극 기하구조이다.

도 4b는 굴곡된 점선 뒷 부분이 제거된, 도 4a에 도시된 도파관의 투시도이다.

도 4c는 음파 도파관 내 전파를 도시하는, 초음파 전달 직후 자극된 파장 플롯이다.

도 4d는 음파 도파관의 팁 너머로 초음파 전방의 집속 및 유체 에멀션으로의 초음파 전방의 전파를 도시하는 초음파 전달 이후의 시간에서의 파장 플롯이다.

도 5a 내지 도 5d는 도파관 유무 하의 초음파 칫솔에 의해 발생되는 유체 유동의 초음파 이미지이다.

도 5a는 음파 도파관 부재 및 강모 팁 동작(강모 저부에서의 강모 팁(BT) 및 강모 판(BP))의 부재 하의 초음파 칫솔에 의해 유도되는 유체 유동을 도시하는 복합 도플러(박스 안쪽) 및 B 모드(박스 바깥쪽) 이미지이다.

도 5b는 음파 도파관은 부재하지만, 강모 팁 동작(BP) 존재 하의 초음파 칫솔에 의해 유도되는 유체 유동을 도시하는 복합 도플러 및 B 모드 이미지이고, 강모를 지나서 임의의 측정 가능한 유체 유동(FF) 부재를 나타낸다.

도 5c는 도파관이 음파 구성요소에 의해 진동하게 되고, 진동하는 음파 도파관이 칫솔 헤드로부터 이격하여 이동하는 버블 형성 유체의 제트를 발생하는 것으로 도시된, 음파 도파관을 가진 초음파 칫솔에 의해 유도되는 유체 유동을 도시하는 B 모드 초음파 이미지이다.

도 5d는 강모 팁을 지나서 유의적인 유체 유동(FF) 및 버블(B) 형성을 더 보여주는, 도 5c에 대해 기재된 바와 동일한 초음파 칫솔의 도플러 및 B 모드 초음파 이미지이다.

도 6은 집속 렌즈 음파 도파관에 대한 플랫의 팁에서 측정된 음파 압력 레벨을 비교한 도면이다.

도 7은 주파수에 대한 치과 유체/버블 에멀션을 통하여 전달된 초음파의 흡수를 도시하는 도면이다.

도 8은 안정하게 진동하는 버블에 관한 음파 마이크로스트리밍에 의해 유도된 전단 응력에 의하여 파괴되는 현탁된 적혈구 세포의 백분율을 도시하는 도면이다. 삽입 도면은 현탁된 적혈구 세포의 바이알 내에 배치된, 중심에 공기를 가진 얇은 중공 와이어를 도시한다.

도 9a 내지 h는 본 발명의 칫솔 헤드에 사용하기 위한 다양한 예시적인 음파 도파관의 기하구조를 도시한다.

도 10은 본 발명에 따른 칫솔의 안전성을 설명하는 데이터의 막대 그래프이다.

바람직한 구체예의 상세한 설명

본 발명은 음파 도파관을 단독으로, 또는 초음파 변환기 및/또는 음파 구성요소와 조합하여 사용하는 칫솔이 기존의 전동 칫솔 기술과 비교하였을 때 개선된 세정 특성을 제공한다는 발견에 기초한 것이다. 본 발명에 따른 칫솔은 후술되는 바와 같이, 다수의 통상적인 강모를 포함하거나, 포함하지 않을 수 있는 것으로 고려된다. 본 명세서에서 상세하게 설명되는 바와 같이, 본 발명에 따른 칫솔은 (1) 음파 도파관의, 음파 동작을 비롯한, 동작에 의해 버블 형성 유체 유동을 증가시키고, 도파관 및/또는 하나 이상의 칫솔 강모에 의해 버블 형성을 증가시키며; (2) 초음파 변환기에 의하여 발생되는 집속 초음파를 전달하고, 음파 도파관을 통하여 이러한 음파를 치과 유체에 전파하여 개선된 플라크 파괴 및 제거를 달성하고; 및/또는 (3) 버블 형성 유체 유동을 촉진하며, 초음파를 전달하여 강모에서 및 그 너머로(예컨대, 치과 유체 내에서 강모 팁으로부터 약 0.5 mm 내지 약 5 mm, 보다 통상적으로는 강모 팁으로부터 약 1 mm 내지 약 3 mm) 최적으로 및 최대한으로 상호작용하는 것을 촉진하는 데 효과적이다.

따라서, 특정 구체예 내에서, 본 발명은 음파 도파관을 포함하는, 수동 칫솔 및 전동 칫솔을 비롯한 칫솔을 제공한다. 본 발명의 특정 구체예에서, 초음파 변환기와 함께 음파 도파관을 포함하여 치과 유체 내에서 현미경적 버블 형성 유체에 함께 작용하고, 강모를 갖춘 치솔 헤드의 브러싱 및/또는 음파 구성요소에 의해 작 용되는 음파 도파관의 동작의 결과로, 치과 유체 내에서 공동화, 마이크로스트리밍 및 음파 스트리밍을 유도하는 칫솔이 제공된다. 그러므로, 본 발명의 또 다른 구체예는 초음파 구성요소와 조합하고, 음파 구성요소와 더 조합된 음파 도파관을 포함하는 칫솔을 제공한다. 적당한 재료로 제조된 음파 도파관 및/또는 하나 이상의 칫솔 강모와 조합한 음파 구성요소는 바람직한 구강 느낌을 발생하고, 치은 및 다른 치과 조직을 자극하고 전달하여, 개선된 치과 세정 경험을 촉진한다.

상기 또는 하기에서 인용되는 모든 미국 및 외국 특허 및 특허 출원과 다른 모든 문헌들은 본 명세서에서 그 전체를 참고 인용한다.

집약적 칫솔 기술의 작동을 결정하는 정의 및 매개변수

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "초음파" 또는 "초음파의"는 사람 귀의 가청 범위보다 높은, 그리고 그 이외, 일반적으로 대략 20 kHz보다 높은 음을 의미한다. 통상적으로, 본 발명의 칫솔에 사용되는 초음파 변환기는 약 20 kHz 내지 약 1000 kHz 범위 이내, 약 20 kHz 내지 약 2000 kHz 범위 이내, 약 20 kHz 내지 약 5000 kHz 범위 이내, 약 20 kHz 내지 약 10 MHz 범위 이내, 약 20 MHz 이하, 보다 통상적으로는 약 100 kHz 내지 약 750 kHz, 보다 더 통상적으로는 약 250 kHz 내지약 750 kHz의 초음파 주파수의 음을 변환시킨다. 용어 "음파"는 사람의 가청 범위 이내, 일반적으로 약 20 kHz 이하, 예를 들면 20 Hz 내지 20 kHz인 주파수의 음을 의미한다.

본 명세서에서 사용되는 용어 "공동화"는 음에 의한 버블의 발생 및/또는 자극을 의미한다. 보다 구체적으로, 용어 "공동화"는 음파 조사된(insonated) 매질 내 액체 및 기체상 함유물(예컨대, 마이크로버블) 내 초음파장 간의 상호작용을 의미하는 것으로 본 명세서에서 사용된다. "발생"은 버블 형성을 의미하고, "자극"은 버블이 동적 활성이 되는, 즉 이동하고, 커지거나 작아지며, 성장하고, 방산하게 되는 작용을 의미하는데, 이들 모두는 버블 주위의 유체 내 및 그 주변과 버블 안쪽의 가스 내 기계적 및/또는 화학적 효과와 관련있다.

기존의 마이크로버블의 공동화는, 제1 접근법으로, 두 가지 일반적인 항목, "안정성 공동화" 및 "관성 공동화"로 세분될 수 있다. "안정성 공동화"는 저 강도 초음파 에너지에 의한 기존의 마이크로버블의 안정한 저 진폭 공명 진동의 유도이며, 마이크로버블 부근 및 인접하여 유체 유동(본 명세서에서는 음파 마이크로스트리밍이라고 함) 내 국소 전단력을 발생한다. 초음파 강도가 증가함에 따라서, 진동의 진폭도 버블이 유입하는 유체의 관성으로 인하여 불안정하고 붕괴되어 "관성 공동화"가 생길 때까지 증가한다.

자발적으로 붕괴하는 버블 내 압력 및 온도의 결과적인 극단(본 발명에 요구되는 것보다 통상적으로 더 활성인 것)은 함유된 수증기의 가수분해에 의한 자유 라디칼 발생을 개시하기에 충분할 수 있다. 버블 붕괴가 유체/고체 계면(예를 들면, 치아 표면)에 근접하여 일어난다면, 중속 및 고속 유체 제트 내 전단력은 고체 구조물, 즉 치아 및 치은으로 향한다. 본 발명의 문맥에서, 공동화 효과는 마이크로스트리밍과 연관된 전단력으로부터 생성된 스크러빙 작용을 통하여 치아 표면과 치간 표면으로부터 플라크 및 다른 찌꺼기를 배출하여 나오게 하는 안정성 공동화로의 강모 작용으로 인하여 치과 유체에 이미 존재하는 마이크로버블의 초음파 유 도 자극을 포함한다. 다른 효과는 음파 스크리밍이라고 하는, 변환기로부터 나오는 간섭성 유체 유동의 발생인데, 그 힘은 초음파와 마이크로버블의 상호작용에 의하여 향상된다. 일반적으로, 본 발명의 초음파 변환기에 의한 공동화를 수행하는 마이크로버블은 직경이 약 1 ㎛ 내지 약 150 ㎛이다.

버블은 버블 반경의 역으로 변하는 1차 공명 주파수를 가지며, 또한 다른 인자, 예컨대 가스 함량 및 표면 장력에 크게 의존한다. 통상적으로, 예를 들면 직경이 약 1 ㎛ 내지 약 150 ㎛인 치과 유체 내 버블은 초음파가 20 kHz 내지 3 MHz 범위에서 작동하는 초음파 변환기로 이들 버블에 적용될 때 공명한다. 보다 통상적으로, 직경이 약 1 ㎛ 내지 약 100 ㎛인 치과 유체 내 버블은 초음파가 30 kHz 내지 3 MHz 밤위에서 작동하는 초음파 변환기로 이들 버블에 적용될 때 공명한다. 더욱 더 통상적으로, 직경이 약 4.3 ㎛ 내지 약 33 ㎛인 치과 유체 내 버블은 초음파가 100 kHz 내지 750 kHz 범위에서 작동하는 초음파 변환기로 이들 버블에 적용될 때 공명한다. 더욱 더 통상적으로, 직경이 약 5 ㎛ 내지 약 30 ㎛인 치과 유체 내 버블은 초음파가 100 kHz 내지 600 kHz 범위에서 작동하는 초음파 변환기로 이들 버블에 적용될 때 공명한다. 더욱 더 통상적으로, 직경이 약 6.5 ㎛ 내지 약 22 ㎛인 치과 유체 내 버블은 초음파가 150 kHz 내지 500 kHz 범위에서 작동하는 초음파 변환기로 이들 버블에 적용될 때 공명한다. 본 명세서에서 제공되는 예시적인 칫솔에서, 직경이 약 12 ㎛ 내지 약 26 ㎛인 치과 유체 내 버블은 250 kHz 내지 500 kHz 범위에서 작동하는 초음파 변환기로 이들 버블에 적용될 때 공명한다. 적용된 초음파 주파수가 버블의 공명 주파수와 상이하건, 상이하지 않건, 저 레벨의 초음파는 음향 사이클 내에서와, 초기에 작고 사인 곡선인 많은 음향 사이클에 걸쳐서 버블 부피의 일시적인 변동을 유도할 것이다. 따라서, "안정성 공동화"는 버블의 단순한 부피 변화를 의미하며, 주변 유체 내 관성 이외 및/또는 그 대신의 인자는 버블 거동을 제어한다. 그리고, 적용된 초음파 주파수가 버블의 공명 주파수와 상이하건, 상이하지 않건, 버블 부피의 이러한 일시적 변동은 버블에 근접하여 유체 내 이동을 발생시킬 것이며, 이 기계적 효과는 플라크를 제거할 수 있다.

기하학적 특성 및 임피던스 부정합으로 인하여, 공동화 버블은 발산되어 음을 발산한다. 안정한 공동화를 수행하는 버블의 압축 및 희박화는 주로 저 레벨의 초음파에 대한 적용된 시그널의 주파수에서 음의 방출을 유도한다. 버블이 공명 주파수로 성장하거나(단지 수 사이클에서 일어날 수 있음), 적용된 음파장이 증가함에 따라서, 버블의 부피 변화는 음향 사이클 내에서 보다 복잡한 시간의 함수로 발달하는데, 이들 변화가 방사상으로 대칭으로 있건, 아니건 음향을 방출한다. 성장하는 버블 진폭의 함수로서, 이들 방출은 먼저 적용된 시그널(F₀)(뿐만 아니라, F₀ 자체의 음향 방출)의 초고조파(2F₀, 3F₀ 등)를 포함한다. 결국, 일단 안정하게 진동하는 버블은, 적용된 시그널의 다중의 부고조파(예컨대, (1/2)F₀)의 궁극적 방출을 포함하여, 더 넓은 범위의 주파수에 걸쳐서 초고조파 방출뿐만 아니라 광대역 음파 방출(즉, F₀의 비적분값)의 연과된 진폭 증가로, 자발적으로 붕괴하고/하거나 비대칭된다. 예를 들면, 수중 청음기에 의하여 이러한 방출을 검출함으로써, 음파 조사된 재료 내 공동화 활성 레벨을 원근적을 평가하고, 본 명세서에 설명된 바와 같 이, 공동화와 연관된 다양한 기계적 및 화학적 효과, 예컨대 플라크 제거와 상관시킬 수 있다. 문헌(Chang et al., IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control 48(1): 161-170 (2001); Poliachik et al., Ultrasound in Medicine and Biology 27(11): 1567-1576 (2001); Leighton, Ultrasonics Sonochemistry 2(2): S123-S136 (1995); and Roy et al., J. Acoust. Soc. Am 87(6): 2451-2458 (1990))을 참조할 수 있다. 예를 들면, 적용된 시그널의 진폭에 의해 분할될 때, 초고조파의 정규화된 진폭이, 버블 활성이 증가함에 따라 증가하며, 플라크 제거 증가와 관련있는 것으로 예상할 수 있다. 또한, 버블 형성 매질의 분광 방출 대역((1/2)F₀ 내지 10F₀이라고 함)에 걸친 적분이, 버블 활성이 증가함에 따라 증가하며, 플라크 제거 증가와 관련이 있는 것으로 예상할 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 용어 "마이크로스트리밍" 및 "음파 마이크로스트리밍"은 마이크로버블에 대한 초음파장 내 기계적 압력 변화의 작용 결과로 일어나는 마이크로버블 부근에 인접한 유체의 이동을 의미한다. 본 발명의 문맥에서, 치은과 치아의 표면을 따라, 뿐만 아니라 치아간 및 치경 아래 공간에 분배된 치과 유체 내 공동화 마이크로버블과 연관된 전단력은 "마이크로스트리밍" 및 "음파 마이크로스크리밍"과 밀접한 관련이 있다. 순차적으로, 이들 전단력은 이들 표면 상의 플라크 및/또는 얼룩을 제거한다.

"음파 마이크로스트리밍"에 대한 초음파 매개변수 제어는 다음을 포함한다: (1) 캐리어 주파수(즉, 개별 초음파의 주파수)는 일반적으로 약 20 kHz 이상이다. 보다 통상적으로, 캐리어 주파수는 약 30 kHz 내지 약 3 MHz이고; 보다 통상적으로, 캐리어 주파수는 약 100 kHz 내지 750 kHz이며; 보다 통상적으로, 캐리어 주파수는 약 100 kHz 내지 약 600 kHz이고; 보다 통상적으로, 캐리어 주파수는 약 150 kHz 내지 약 500 kHz이며; 보다 더 통상적으로, 캐리어 주파수는 약 250 kHz 내지 약 500 kHz인데, 캐리어 주파수에 대한 실제 값은 이용 가능한 버블 개체군 및 사용되는 초음파 변환기의 크기에 의존한다는 것을 이해해야 한다; (2) "펄스 반복 주파수"(PRF), 즉 개별 초음파의 패킷(packet) 또는 버스트(burst)의 주파수는, 독점적이 아닌, 통상적으로, 약 1 Hz 내지 약 10,000 Hz 범위고; 보다 통상적으로, 약 10 Hz 내지 약 1,000 Hz 범위이며, 보다 더 통상적으로 약 50 Hz 내지 약 250 Hz인데, PRF에 대한 실제 값은 소형의 다중(일반적으로, 2 이상, 보다 통상적으로 4 이상)의 음파 주파수(즉, 본 발명의 칫솔의 음파 구성요소에 의해 구동되는 강모 및/또는 음파 도파관 이동의 주파수)임을 이해해야 한다; (3) 초음파의 패킷 또는 버스트 내 개별 초음파의 수는 통상적으로, 약 1 내지 약 5,000이고; 통상적으로 약 5 내지 약 1000이며; 보다 통상적으로 약 5 내지 약 100이다. 음파 마이크로스트리밍에 대하여, 짧은 버스트 및 낮은 PRF가 적당하다. PRF의 생성물 및 버스트 기간은 충격 계수(duty cycle)(즉, 초음파가 온(on) 상태인 시간의 비율)를 제공한다. 통상적으로, 충격 계수는 약 1% 내지 약 10%이다.

본 명세서에서 사용되는 용어 "음파 스트리밍"은 초음파 빔의 감쇠로서 음파로부터 유체로부터의 모멘텀 전달로 인하여 일어나는 유체의 벌크 또는 간섭성 유체를 의미한다. 버블 유무 하에, 유체로의 초음파 전파는 "음파 스트리밍"을 발생 할 수 있으며, 크기 및 정도에서 상당히 유의적을 수 있고, 유체 내 버블이 없는 것보다 있는 것이 더 크다. 일반적으로, 음파 스트리밍은 버블을 자극하는 데 요구되는 것보다 더 높은 주파수를 요한다(주파수가 높을수록, 음파 스트리밍은 더 크다).

음파 스트리밍 속도 ν는, 다음과 같이 유체의 진폭 흡수 계수 α에 비례하고(그 자체는 선형 음파 전파 조건 하에서 초음파의 주파수에 비례하고, 비선형 음파 전파 조건 하에 주파수에 보다 더 크게 의존한다), 그 동력학적 점도 υ에 반비례한다:

ν= (αl²I/cυ)(G)

상기 식에서, I는 초음파 빔의 강도이고, l은 초음파 빔 직경이며, c는 음속이고, G는 음파 빔의 크기에 의존하는 기하학적 인자이다(Zauhar et al., British J. of Radiology 71: 297-302 (1998)).

"음파 스트리밍"에 대한 초음파 매개변수 제어는 다음을 포함한다: (1) 캐리어 주파수는 음파 흡수를 향상시키기 위하여 일반적으로 약 20 kHz 이상이고; 보다 통상적으로, 캐리어 주파수는 약 500 kHz 내지 약 5,000 kHz이다; (2) 펄스 반복 주파수(PRF)는, 독점적이 아닌, 통상적으로, 약 1 Hz 내지 약 10,000 Hz 범위고; 보다 통상적으로, 약 10 Hz 내지 약 10,000 Hz 범위이며; 보다 더 통상적으로 약 100 Hz 내지 약 10,000 Hz이고; 보다 더 통상적으로 약 1,000 Hz 내지 약 10,000 Hz이다; (3) 초음파의 패킷 또는 버스트 내 개별 초음파의 수는 통상적으로, 약 1 내지 약 5,000이고; 보다 통상적으로 약 5 내지 약 100 웨이브이다. "음파 스트리밍"을 향상시키기 위하여, 더 큰 충격 계수가 통상적이며, 예를 들면 약 10% 이상; 보다 통상적으로 약 25% 내지 약 100%; 보다 더 통상적으로 약 50% 또는 약 75% 내지 약 100%이다. 더 큰 버스트, 예를 들면 약 1 MHz의 주파수 및 1000 Hz 이상의 PRF에서 약 100 웨이브 이상인 것이 본 명세서에 예시되어 있다. 그러나, 상이한 버스트 길이, 주파수 및 PRF 값을 본 발명의 칫솔에 적당하게 사용할 수 있다는 것은 명백하다.

본 명세서에서 사용되는 용어 "기계 지수"는 적용된 음압의 한 주기를 받은 기존의 버블의 공동화 개시의 측정치를 의미한다(Holland et al., IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control 36(2): 204-208 (1989); and Apfel et al., Ultrasound Med. Biol. 17(2): 179-185 (1991)). 이 측정치는 피크 부압(MPa) 진폭에 비례하고, 적용된 음파의 주파수(MHz)의 제곱근에 반비례한다. 기계 지수의 값이 1.9를 초과하면, 초음파가 공동화의 가장 기계적으로 활성인 형태인 관성 공동화를, 플라크를 제거하는 데 요하는 양의 과량으로 생성할 수 있다. 제어 가정은 최적으로 크기 설정된 버블의 등온 성장, 버블로의 가스 확산 무시 및 버블 주위의 유체가 압축될 수 없다는 것을 요한다. 이러한 세 가지 가정은 가장 활성인 버블 붕괴를 생성하여 기계 지수가 관성 공동화 개시의 추산 측정치가 되게 한다.

실험적 증거는 플라크 제거가 0.1 정도로 낮은 기계 지수로 달성될 수 있다는 것을 가리킨다. 그러나, 이론적 고찰은 플라크 감소가 0.01 정도로 낮은 기계 지수로 달성될 수 있음을 시사한다(Krasovitski et al., IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control 51(8): 973-979 (2004)). 예를 들면, 물에 현탁된 버블과 연관된 음파 마이크로스트리밍에 의하여 형성되고, 430 kHz의 주파수 및 10,000 Pa의 압력 진폭(예를 들면, 대략 0.01의 기계 지수)에서 초음파 처리된 벽 상의 전단 응력은 대략 5 Pa인 것으로 예측되는데, 이는 플라크에 대한 정류에 의해 플라크를 제거하기에 충분하다(Stoodley et al., J. Industrial Microbiology & Biotechnology 29: 361-367 (2002)). 일반적으로, 본 발명의 칫솔에 의해 전달되는 기계 지수는 약 0.001 내지 약 1000 범위이다. 보다 통상적으로, 기계 지수는 약 0.001 내지 약 100 범위이고, 보다 더 통상적으로 약 0.002 내지 약 20 범위이며, 보다 더 통상적으로 약 0.01 내지 약 5 범위 또는 약 0.01 내지 약 1.9이다.

본 명세서에서 사용되는 용어 "마이크로버블"은 구강, 예를 들면 치과 유체 또는 플라크에 존재하는 현미경적 버블을 의미한다. "마이크로버블"은, 예컨대 적당한 치약의 도입을 통하여 유체에 내생적일 수 있으며; 수동 브러싱을 통하여 칫솔 강모에 의해 발생될 수 있고; 및/또는 특정의 현재 개시된 전동 치솔의 음파 구성 요소와 조합하여 강모에 의해 발생된다. "마이크로버블"은 초음파 변환기에 의해 전달되고, 음파 도파관에 의하여 전파되는 초음파 시그널에 의하여 작용된다. "마이크로버블"은 마이크로버블의 직경에 따라서 특정 주파수 또는 그 근방에서 공명한다.

예시적인 칫솔

도 1은 본 발명에 따른 예시적인 칫솔(10)을 도시한다. 칫솔(10)은 강성 또는 반강성 재료로 구성된 손잡이(15)를 포함하고, 통상적으로, 바람직하게는 유도 충전되는 전기 회로에 적합한 재충전 가능한 배터리(12)를 수용하며, 초음파 모듈 구동 회로(14); 음파 주파수에서 칫솔 헤드(20)를 구동하기 위한 모터, 바람직하게는 DC 모터를 포함하는 음파 구성요소(16); 및 타이머 및 모터 제어 유닛(18)을 포함한다. 적당한 모터, 초음파 구동 회로, 재충전 가능한 배터리 및 타이머 및 모터 제어 유닛은 당업계에 널리 공지되어 있다.

손잡이(15)에는 칫솔 헤드(20)가 부착되어 있는데, 이는 줄기부(21)를 포함하고, 초음파 변환기(22) 및 초음파 변환기에 작동 가능하게 근접한 음파 도파관(24)을 더 포함한다. 도 1에 제공된 칫솔 구체예에서, 발포 요소(28)가 초음파 변환기(22) 뒤에, 그리고 각각의 면 주위에 연장되어 있는 것으로 도시되어 있다. 폼 요소(28)는 적어도 부분적으로 초음파를 음파 도파관(24)을 통하여 치과 유체로 반사한다는 것을 인식해야 한다. 칫솔 헤드(20)는 손잡이(15)에 착탈 가능하게, 또는 고정 부착될 수 있다. 일반적으로, 칫솔 헤드(20)는 음파 도파관(24)에 인접하여 배치된 강모 다발(26)을 포함한다. 임의로, 칫솔 헤드(20)는 임피던스 정합층(29)을 포함한다. 임피던스 정합층(29)은 하기 논의되는 바와 같이, 장치의 효율을 개선한다.

개시된 구체예에서, 초음파 모듈 구동 회로(14)에 의해 공급되는 교류는 초음파 변환기(22)를 구동하여 변환기(22)가 초음파 모듈 구동 회로(14)에 의해 공급되는 주파수를 가진 공명 또는 그 근방에서 주로 한 축을 따라 팽창하고 수축함으 로써 전기 에너지를 초음파 에너지로 변환시킨다. 생성된 초음파는 음파 도파관(24)으로 전도되어 이를 통하여 전파되고, 집속되며, 외부로 방사된다. 집속된 초음파 에너지는 치과 유체(통상적으로, 침 및 치약, 도시하지 않음) 내 마이크로버블에 작용하여 공동화를 유발함으로써 치아 및 치간 영역에 침착된 플라크를 나오게 한다.

초음파 변환기

전술한 바와 같이, 본 발명의 특정 구체예는 초음파 에너지를 치과 유체로 효율적으로 전파하기 위하여 음파 도파관(24)과 조합하여 초음파 에너지를 발생하는 데 초음파 변환기(22)를 사용하는 칫솔(10)을 제공한다. 수동 칫솔을 이용한 통상적인 수동 브러싱 작용을 통하여 치과 유체에 존재하고/하거나, 음파 속도(하기 참조)로 칫솔 강모(26)의 동작 및/또는 음파 도파관(24)을 구동시키는 음파 구성요소(16)의 작용에 의하여 형성되는 마이크로버블은 초음파 에너지 유도 공동화를 통하여 자극되어 칫솔 헤드로부터의 유한 거리에서 치아 표면 및 치간 영역으로부터 플라크를 나오게 하여 제거하는 데 효과적인 "스크러빙 버블"을 달성한다.

본 발명의 초음파 변환기(22) 부재시, 마이크로버블은 치과 유체 내에서 단순히 부동태 간극일 뿐이다. 본 명세서에 개시된 초음파 변환기(22)는 이러한 마이크로버블을 펄스화함으로써 개별 버블 주위에서 국소 유체 동작을 발생한다. 이 효과는 본 명세서에서 "마이크로스트리밍"이라고 하며, 초음파 공동화 효과와 조합하여 플라크를 파괴하는 데 충분한 전단 응력을 달성한다. 통상적으로, 본 발명의 초음파 변환기(22)에 의해 유도되는 마이크로스트리밍에 의해 달성되는 전단 응력은 약 0.1 Pa 내지 약 1000 Pa이다. 보다 통상적으로, 마이크로스트리밍에 의해 달성되는 전단 응력은 약 0.2 Pa 내지 약 500 Pa이다. 보다 더 통상적으로는, 전단 응력은 약 0.3 Pa 내지 약 150 Pa이다. 가장 통상적으로는, 전단 응력은 약 1 Pa 내지 약 30 Pa이다.

초음파 변환기(22)의 다른 효과는 치아 및 치간 및 치경 아래 공간으로 향하는 방향으로 치과 유체 내 모멘텀을 박탈하여 치과 유체의 속도 및 간섭성을 증가시키는 것이다. 이 벌크 유체 유동 과정은 본 명세서에서 음파 스트리밍이라고 한다.

음파 마이크로스트리밍 및/또는 음파 스트리밍의 발생을 통하여, 연관된 전단 및 압력은 어느 정도, 그리고 칫솔 강모(26) 단독에 의해 달성되는 것 이상의 정도로 플라크를 침식시키고 제거하도록 작용한다. 특히, 이러한 초음파 효과는 초음파 변환기(22)로부터 음파 도파관(24)을 통하여 강모 팁(26) 부근 및 그 너머의 치과 유체로 초음파를 전파함으로써 촉진된다.

본 발명의 초음파 칫솔(10)에 적당하게 사용될 수 있는 초음파 변환기(22)는 당업계에서 손쉽게 이용할 수 있으며(예를 들면, 미국 특허 제5,938,612호 및 제6,500,121호, 각각은 본 명세서에서 그 전체를 참고 인용함), 가장 통상적으로는 압전 또는 자기변형 효과에 의해 작동한다. 자기변형 변환기는, 예를 들면 20 내지 40 kHz 범위의 고강도 초음파를 생성한다. 대안으로, 초음파는 전자 진동기의 출력을 압전 재료, 예컨대 납 지르코네이트 티타네이트(PdZrTi 또는 PZT)의 얇은 웨이퍼에 적용함으로써 생성할 수 있다. 본 발명의 칫솔에 사용하기에 적당한 초음파 변환기를 제조하는 데 사용될 수 있는 압전 PZT 세라믹 혼합체는 매우 여러 가지가 있다. 다른 변환기 재료, 예컨대 단층 또는 다층 폴리불화비닐리덴(PVDF)와 같은 피에조폴리머 또는 결정형 압전 재료, 예컨대 니오븀산리튬(LiNbO₃), 석영 및 티타늄산바륨도 사용할 수 있다. 초음파 변환기는 초음파를 집속하기 위하여 편평하거나 또는 굴곡된(예컨대, 원추형 단면) 것일 수 있다.

압전 재료 이외에, 정전용량형 초음파 변환기(capacitive micromachined ultrasonic transducer; cMUT) 재료 또는 정전형 폴리머 폼도 적당하다. 많은 이들 재료는 음파를 발생하기 위하여 방사상, 종방향, 전단 등과 같은 다양한 진동 모드로 사용할 수 있다. 또한, 단결정 압전 재료, 예컨대 Pb(Mg_1/3Nb_1/3)O₃-PbTiO₃(PMN-PT) 등은 전압/전달 레벨 비율을 10 배 정도로 크게 감소시키는 데 사용할 수 있다.

변환기 재료 이외에, 하나 또는 다중 임피던스 정합층(29)(통상적으로, 사분파 정합층으로 설계됨)은 통상적으로 높은 임피던스 변환기 재료로부터 훨씬 더 낮은 임피던스 음파 도파관 재료로 전달할 때 효율 및 대역폭을 개선하는 것을 도울 수 있다. 일반적으로, 정합 재료는 소정의 주파수의 사분파와 정합하고자 하는 두 개의 임피던스 내에서 최적으로 선택되는 음파 임피던스를 지지하는 두께로 선택된다. 적당한 재료는 에폭시 및 금속 미립자 복합체, 흑연 또는 당업자가 손쉽게 이용할 수 있는 것으로 알려진 다수의 다른 후보 재료와 같은 재료를 포함할 수 있다.

음파 도파관

전술한 바와 같이, 본 발명의 한 가지 양태는 초음파 변환기와 작동 가능하게 조합하여 사용되는 음파 도파관이 변환기로부터 치과 유체로 초음파를 전파함으로써 치과 유체 내에 존재하는 현미경적 버블(마이크로버블)의 공동화를 발생 및/또는 유발하는 데 효과적이라는 발견에 기초한다. 통상적으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 초음파 변환기(22)는 음파 도파관(24)에 작동 가능하게 근접하여, 칫솔 헤드(20)의 기재에 위치하여 초음파가 음파 도파관(24)으로, 그리고 이를 통하여 치과 유체(도시하지 않음)로 효율적으로 전파된다.

전술한 바와 같이, 특정한 구체예 내에서, 또한 본 발명은 음파 도파관(24)을 가진 칫솔 헤드(20)를 포함하는 전동 칫솔(10)을 제공하며, 음파 구성요소(16)는 음파 도파관(24)을 진동시켜서 음파 도파관(24)이 함침되는 치과 유체 내 마이크로버블의 유동 및 발생을 증가시킨다.

또 다른 구체예 내에서, 초음파 변환기(22)에 작동 가능하게 근접하고, 초음파 구성요소(16)에 작동 가능하게 접속된 음파 도파관(24)의 조합을 포함하여 유체 유동 및 마이크로버블 형성의 조합된 증가, 뿐만 아니라 공동화 및 음파 마이크로스트리밍 효과로 인하여 더 개선된 치과 세정 특성을 달성하는 전동 칫솔(10)을 제공한다. 여기서, 작동 가능한 접속은 초음파 변환기(22)를 음파 도파관(24)에 직접 접촉시킴으로써 촉진될 수 있거나, 또는 대안으로, 초음파 도전재, 예컨대 임피던스 정합층(29)는 변환기(22)로부터 음파 도파관(24)으로의 초음파 전달 효율을 증가시키거나, 또는 대안으로 또는 추가로 변환기(22)와 음파 도파관(24) 사이의 거 리를 유용하게 증가시켜서, 예를 들면 장치의 제조 공정을 촉진할 수 있다.

강성 음파 도파관, 예컨대 알루미늄 또는 티타늄으로 이루어진 중실 도파관과 탈기된 물로 충전된 중공 도파관은 열 유도에 의한 치료 목적을 위한 생체 조직으로의 고강도 집속 초음파(HIFU)의 전달(예컨대, 약물 전달 및 지혈) 및/또는 관성 공동화의 발생에 대해 기술되어 있다. 예를 들면, 문헌(미국 특허 공개 제2003/0060736호(Martin et al.) 및 Mesiwala et al., Ultrasound in Medicine and Biology 28(1): 389-400 (2002))을 참조할 수 있다.

음파 도파관에 대한 이러한 문헌은 치료 이점을 달성하기 위하여 초음파 변환기의 면을 넘어서 초음파 전파를 촉진하는 물리적 부재의 사용을 설명한다. 이와는 대조적으로, 본 발명은 통상적으로 편평한 프로필을 갖는 가요성 부재를 가진 음파 도파관을 초음파 변환기와 조합 사용하여 구강으로의 초음파 전파를 촉진하여 존재하는 버블을 자극함으로써, 또한 거품이 이는 유체 제트를 최적으로 발생하고(편평한 프로필 양태에 기인함), 바람직한 구강 느낌을 촉진하는 방식으로 플라크를 제거할 수 있다는 관찰에 기초한다.

음파 도파관(24)(도 1)이 함침되는 치과 유체는 개별 강모 다발(26) 내 및 인접 강모 다발(26) 간에 대형 공기 포켓의 존재에 기인하여 매우 음향학적으로 흡수성인 타액 및 치약 에멀션인 것이 통상적이며, 음파 도파관(24)을 사용하지 않으면, 음파 전방이 치아 및 치은 표면에 도달하기 전에 상당량의 초음파가 감쇠된다. 공기 매질은 매우 낮은 음파 임피던스를 갖는데, 초음파 변환기(22)에 통용되는 고 음파 임피던스 재료와 큰 임피던스 부정합을 생성한다. 이 임피던스 부정합은 초음 파 변환기(22)로부터 치아 및 치은 표면으로의 음파 전달에 상당한 장애이다. 음파 도파관(24)은 타액을 치아 표면 부근의 치약 에멀션으로 허용, 함유 및 전달함으로써 이 음파 부정합을 가로지르는 다리 역할을 하여 타액 및 치약 에멀션에 의해 대체로 대면하게 되는 감쇠 효과를 극복한다.

다양한 음파 도파관 설계는 도 2 내지 도 5 및 도 9a 내지 도 9h에 도시된 음파 도파관을 예로 드는 바와 같이 본 발명에서 고려된다. 본 발명의 정확한 구체예에 따르면, 음파 도파관(24)은 단독, 음파 구성요소(16)와 조합, 및/또는 초음파 변환기(22)와 조합하여 사용할 수 있다. 보통, 적당한 음파 도파관은 치과 유체를 물리적으로 이동시키고/시키거나, 초음파 변환기(22)에 의해 전달되는 초음파의 전파 및 가능하게는 집속을 촉진하는 용량을 가져서 유체 동작 및 생성된 공동화와 마이크로스트리밍의 연관된 효과를 향상시킨다.

도 2a는 음파 도파관(124)과 조합하여 초음파 변환기(122)를 포함하는 예시적인 전동 칫솔 헤드(120)의 구체예를 보여준다. 이 측면도는 초음파 도파관(122)으로부터 치아 및 치은(도시하지 않음)으로 초음파 에너지를 전달하는 음파 도파관(124)을 도시한다. 음파 도파관(124)은 초음파 변환기(122)에 작동 가능하게 근접하고, 하나 이상의 측면 강모 다발(126)에 인접하여 측면에 접한다. 이 예시적인 설계에서, 음파 도파관(124)은 그 쾌적한 표면 조직과 초음파를 전달하는 능력으로 알려진 연질의 평탄한 실리콘 고무로 이루어지며, 임피던스 정합층(129)은 음파 도파관(124)과 초음파 변환기(122) 사이에 배치된다.

음파 도파관을 통한 초음파의 전달에 가장 실질적으로 영향을 주는 두 개의 인자는 (1) 도파관이 제조되는 재료 및 (2) 도파관의 기하구조이다. 각각의 이들 매개변수는 본 명세서에 더 상세하게 설명된다. 사용되는 정확한 음파 도파관 재료 및 기하구조와 무관하게, 본 발명은 바람직한 구강 느낌을 달성하기위한 매개변수의 선택을 고려한다. 따라서, 음파 도파관을 제조하거나 성형하는 재료는 구강 안에 배치되고/되거나, 구강과 직접 접촉할 때 정감있기에 충분히 연질인 것이 바람직하다. 당업자라면 인식하는 바와 같이, 정감있는 조직을 가진 음파 도파관은 음파 에너지를 효율적으로 안으로 커플링하고, 전도하며, 간섭적으로 집속하고, 비간섭적으로 압축하며, 밖으로 커플링하도록 이상적으로 설계된다.

본 발명의 칫솔에 사용하기 위한 음파 도파관을 제조하는 데 적당한 재료의 선택은 다음 지침의 고찰로 당업자라면 용이하게 달성할 수 있다. 다양한 유전재, 예컨대 이산화규소(SiO₂), 질화규소(Si₃N₄) 및 많은 폴리머를 도파관 재료로서 사용할 수 있다. 예를 들면, 실리콘 주조 가능한/성형 가능한 RTV, 액체 사출 성형(LIM) 실리콘 및/또는 열 플라스틱 엘라스토머(TPE) 사출 성형 공정을 모두 사용할 수 있다. 폴리머는 비교적 낮은 전단파 속도에 기인하여 다른 도파관 재료에 비하여 이점을 가진다. 그러나, 그 점탄성때문에, 가교 결합이 과잉의 음파 손실을 피하기 위하여 필요할 수 있다. 가교 결합은 음향적으로 손실이 많은 폴리머가 평형 탄성 응력을 나타내게 할 수 있으므로, 안정한 도파관 층을 나타낸다.

본 발명의 음파 도파관에 사용하기에 적당한 재료의 경도는 쇼어(경도계) 테스트 또는 록웰 경도 테스트에 의해 결정될 수 있다. 이러한 경도 테스트 방법은 둘 다 널리 알려져 있으며, 당업계에서 용이하게 이용할 수 있다. 이러한 테스트는 압입에 대한 재료의 내성을 측정하고, 실험 경도치를 제공한다. 쇼어 A 또는 쇼어 D 스케일을 사용하는 쇼어 경도는 고무/엘라스토머에 대한 바람직한 방법이며, 또한 폴리올레핀, 플루오로폴리머 및 비닐과 같은 "연질측" 플라스틱에 통용된다. 쇼어 A 스케일은 "연질측" 고무에 사용되는 반면에, 쇼어 D 스케일은 "경질측"에 사용된다. 쇼어 경도는 경도계로 측정되며, 따라서 경도계 경도로 알려져 있다. 경도 값은 경도계 압입체(indenter) 말단을 샘플에 관통시킴으로써 결정된다. ASTM 테스트법 기호는 ASTM D2240 00이다. 관련 방법으로는 ISO 7619, ISO 868, DIN 53505 및 JIS K 6253이 있다. 이들 경도계 테스트 방법 각각은 본 명세서에서 그 전체를 참고 인용한다.

일반적으로, 탄성 음파 도파관의 경도계 측정은 5 내지 110 쇼어 A, 보다 통상적으로는 10 내지 100 쇼어 A 및 보다 더 통상적으로는 20 내지 80 쇼어 A 범위이다. 더 경질인 재료는 본 발명의 전동 칫솔과 조합하여 사용되는 음파 도파관에 사용될 수 있지만, 더 경질인 재료가 점진적으로 불쾌한 구강 느낌을 제공할 수 있다는 것은 당업자라면 이해할 것이다.

또한, 본 발명은 경도와 구강 느낌의 바람직한 성질을 가진 음파 도파관을 달성하기 위하여 하나 이상의 재료를 조합하여 사용할 수 있다고 고려한다. 예를 들면, 추가 음파 정합 요소를 음파 도파관 구조물 내에 매립하거나 층상으로 하고, 하나 이상의 정합층에 의하여 초음파 변환기와 작동 가능하게 접촉시킬 수 있다. 특정 구체예 내에서, 본 발명의 음파 도파관은 도파관 팁에서 정합층을 더 제공하 여 저 임피던스 치약 에멀션(예컨대, 치과 유체)로 커플링하는 것을 돕는다. 이상적으로, 음파 도파관의 측면과 주변 매질 간에는 유의적인 특정한 음파 임피던스 변화가 있어서, 음파가 음파 도파관의 측면에 의해 주변 매질로 실질적으로 커플링되지 않게 한다.

본 명세서에서, PZT 초음파 변환기와 작동 가능하게 접촉하는 흑연 임피던스 정합층을 가진 원형 변환기 어셈블리를 예를 들 수 있다. 도 9a에 도시된 바와 같이, 도파관 어셈블리(150A)는 사출 몰드로 삽입될 수 있는 흑연 코어부(152A) 또는 유사 재료 및 삽입 성형의 공정에 의하여 그 주위에 성형되는 엘라스토머 외부(154A)를 포함할 수 있다. 대안으로, 멀티샷을 사용하여 상이한 음향 및 탄성중합 특성을 가진 재료의 구배를 형성할 수 있다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "멀티샷"은 한 몰드로 수 샷의 플라스틱을 배치하는 것을 의미한다. 예를 들면, 이 공정은 음파 도파관 구체예에 사용될 수 있는데, 치아에 대한 매우 원만한 느낌을 위하여, 제1의 비교적 경질 재료층(예컨대 약 쇼어 80 경도 이상)은 초음파 변환기 요소에 작동 가능하게 근접하고; 제2의 비교적 연질 재료층(예컨대, 약 쇼어 20 내지 쇼어 80)은 제1 재료층에 밀착 인접하여 접촉하며; 제3의 또한 경질(예컨대, 약 쇼어 20 경도 이하) 재료층을 제2 층에 밀착 인접하여 접촉한다. 이러한 예시적인 음파 도파관 설계는 개별 단편으로서 형성될 수 있거나, 또는 대안으로, 이들을 주 경질 칫솔 재료와 조합하여 성형할 수 있다.

따라서, 특정 구체예에서, 본 발명의 음파 도파관은 2 이상의 플라스틱/엘라스토머 층을 포함할 수 있다. 예를 들면, 3, 4 및/또는 5 개의 플라스틱/엘라스토 머 층을 포함하는 도파관은 특정 분야에 고려된다. 그러한 음파 도파관은 음향 특성을 형상화하고, 음파 특성을 최적화하기 위한 하나 이상의 삽입된 단편을 더 포함할 수 있다. 또 다른 구체예에서, 음파 도파관은 플라스틱/엘라스토머 및 삽입 층과 조합하거나, 또는 성형 공정 후 부착된 하나 이상의 칫솔 강모를 포함할 수 있다. 칫솔 강모 설계 및 재료는 널리 알려져 있으며, 당업자라면 용이하게 이용할 수 있다.

도 9a 내지 도 9h를 참조하면, 음파 도파관은 임의의 다양한 삼차원 형상 또는 기하구조로 형성될 수 있다. 예를 들면, 도 9a는 대체로 굴곡되고, 테이퍼진 기하구조를 가진 도파관(150A)을 도시한다. 도 9b는 수렴형 또는 쐐기형 부분(152B)을 가진 대안의 도파관(150B)을 예시한다. 도 9c는 수렴부가 갭(154C)에 의해 분리될 수 있는 다수의 더 짧은 섹션(152C)으로 구성된 대안의 도파관(150C)을 도시한다. 도 9d는 유체 유동을 촉진하는 소형 돌기(154D)를 가진 총탄형 몸체(152D)를 가진 대안의 도파관(150D)을 도시한다. 도 9e는 굴곡된 단부(154E)를 가진 수렴부(152E)를 갖춘 대안의 도파관(150E)을 도시한다. 간단한 굴곡 단부(154E)가 도시되어 있지만, 일부 환경에서 보다 복잡하게 굴곡된 단부를 제공하는 것이 요망될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 도 9f는 원추 형상의 대안의 도파관(150F)을 도시한다. 도 9g는 쌍원추형인 대안의 도파관(150G)을 도시한다. 도 9h는 다수의 피라미드형 부분(152H)을 가진 대안의 도파관(150H)을 도시한다. 적당한 도파관 기하구조의 선택에 관한 특정 설계 고찰을 이제 논의하기로 한다. 도파관의 형상은, 예를 들면 음파의 특정 압축 및/또는 집속을 달성하도록 선택할 수 있다.

본 발명의 특정 구체예 내에서, 음파 도파관은 초음파 변환기로부터 전달된 초음파를 음파 간섭성 집속할 수 있다. 음파 간섭성 집속은, 예를 들면 도파관 팁을 굴곡시킴으로써 달성될 수 있는데, 팁은 공지된 음속을 가진 전도성 매질을 포함한다. 대안으로, 공지된 파속을 가진 초음파 전도성 폴리머의 섹션은 가변적인 음속의 매질(예컨대, 분산성 버블 매질)에 진입하기 전에 거의 완전하게 집속하는 굴곡된 도파관의 끝에 첨가될 수 있다. 그러한 구체예에서, 단일 곡선을 사용하여 단일 집속을 달성할 수 있는 한편, 가리비형 곡선은 다중 집속을 생성하는 데 유용하다.

대안의 구체예 내에서, 음파 도파관은 초음파 변환기로부터 전달되는 초음파를 음파 비간섭성 집속을 할 수 있다. 음파 비간섭성 집속은, 예를 들면 강도가 증가하도록 반간섭성 방식으로 점진적으로 더 작은 영역으로 음을 전도하는 원추 또는 쐐기 형상에 의하여 달성될 수 있다. 대안으로, 다중 원추형 팁을 사용하여 더 높은 음향 강도의 다중 영역을 제공할 수 있다.

정확한 재료 및/또는 기하구조와는 무관하게, 본 발명의 음파 도파관은 칫솔 헤드 상에 이동할 때 유체 유동을 발생하도록 제조된다. 소정의 유체 동작 및 치과 유체로의 초음파 전달은, 예를 들면 치과 유체로 연장하는 가요성 기계 돌출부를 사용함으로써 달성된다. 그러한 경우, 음파 도파관의 동작은 면 대 면 또는 회전성일 수 있다.

일반적으로, 동작은 도파관의 종축 주변 또는 평행할 수 있고, 쐐기 또는 원추형, 십자 또는 별 패턴의 다중 쐐기 또는 원추형, 핀 톱니바퀴형 및/또는 중심이 없는 별 패턴의 다중 쐐기형으로 달성될 수 있다. 대안으로, 회전 동작은 칫솔 헤드를 따른 축 방향일 수 있는데, 쐐기형 또는 직사각형 음파 도파관으로 달성될 수 있다.

또한, 적당한 음파 도파관은 프로펠러형 기하구조, 예컨대 표준 프로펠러 디자인 또는 나선형 디자인을 채택할 수 있다. 대안으로, 음파 도파관은 힌지 고정된 수중익형 형상을 가질 수 있는데, 이 동작은 유체 리프트 및 결과적으로 유체 유동을 생성한다.

또한, 음파 도파관은 치아 및 치은 표면에 전달되는 음향 에너지의 강도를증가시키도록 설계할 수 있다. 예를 들면, 음파 도파관은 더 작은 물리적 영역으로 전파하는 음향 에너지를 함유하고 압축하도록 설계할 수 있다. 도파관이 저 음향 감쇠의 재료 및 적당한 음속으로 설계되는 경우, 도파관 끝에서 전달되는 에너지의 양은 도파관으로 전달되는 것에 필적할 수 있지만, 더 작은 영역으로 압축될 수 있고, 따라서 고 에너지 밀도 및/또는 음향 강도를 갖는다. 도파관 팁 동작은 음향 에너지를 넓게 분포시키는 "음향 페인팅" 효과를 생성한다.

저 감쇠 이외에, 일반적으로 도파관은 도파관을 따라 음향 에너지를 전하고, 도파관 끝으로 전파하기 전에 주변 매질로 에너지의 최소치를 전달 또는 "누출"시키도록 설계된다. 이것을 달성하기 위한 한 가지 방법은 주변 유체보다 실질적으로 낮은 음속을 가지며, 도파관의 측면 상에서 얕은 기울기를 가진(예컨대, 쐐기형) 재료를 사용하는 것이다. 도파관 벽의 얕은 기울기는 전파하는 음파가 저 지표각에서 도파관과 유체 계면을 접촉하게 한다. 도파관 내 파장이 주변 매질의 것보다 더 짧기 때문에, 음파는 덜 효율적인 부고조파 모드로만 커플링되는데, 입사각은 주변 매질 파장에 대한 다중의 도파관 파장의 비율로 정의된다. 유체로의 전달의 이러한 약하게 커플링된 모드는 도파관으로부터 대량의 에너지를 추출하지 못한다.

음파 에너지를 함유, 전달 및 압축하는 조합은 도파관 팁에서 고 강도 음파장을 발생시킬 수 있고, 음향 에너지 전달의 효율을 개선한다. 그러므로, 더 낮은 전력 수준이 버블 활성화에 대한 적당한 음향 강도를 발생하는 데 요한다. 도 2a 내지 도 2d(직사각형 도파관(124)에 관함), 도 3a 내지 도 3f(쐐기형 도파관(124X)에 관함) 및 도 4a 내지 도 4d(굴곡된 단부를 가진 쐐기형 도파관(124Y)는 음파장을 압축하도록 설계된 도파관을 예시하는 유한 요소 모델 및 자극 결과를 도시한다. 도 2a는 상기 상세하게 논의된 바와 같이, 본 발명에 따른 칫솔 헤드(120)의 일반적이고, 간략화된 모델을 도시한다. 도 2b는 줄기부(121'), 초음파 변환기(122'), 임피던스 정합층(129') 및 도파관(124')을 포함하는 칫솔 헤드(120)를 모델링하는 데 사용된 유한 요소 모델의 해당 부분을 도시한다. 도파관 내 파장을 나타내는 전달 직후의 음파장을 도시하는 도면은 선택된 파장에 대한 도 2c, 도 3c, 도 3e 및 도 4c에 도시되어 있다. 이들 도면은 주변 유체로의 낮은 레벨의 누출을 입증한다. 도 2d, 도 3d, 도 3f 및 도 4d는 초음파 전방이 도파관의 팁으로 압축되고, 유체 에멀션으로의 전달이 주로 도파관 팁으로부터 유래하는 시점에서, 전달 후, 이후의 파장 플롯을 도시한다.

음파장을 압축함으로써 전달되는 음향 강도를 증가시키는 것 이외에, 도파관은 도파관의 팁을 넘어서 주변 매질로 에너지를 간섭성 집속하도록 설계할 수 있 다. 이것은 음파를 도파관으로부터 도파관을 지나 더 높은 강도의 음파로 집속하는 음향 렌즈 효과를 생성하도록 음파 도파관의 끝을 성형함으로써 달성된다. 이 집속 효과는 하나 또는 다중 도파관 재료를 함께 조합하고, 집속된 장을 형성하도록 성형하여 달성된다. 예를 들면, 저 감쇠, 더 높은 음속 재료를 도파관의 끝에 사용하여 음파 전방이 더 높은 감쇠 치약 에멀션으로 나오기 전에 음파 전방을 계속 전파하고 집속할 수 있다. 전술한 음파장 압축으로와 같이, 집속 효과로 달성된 증가된 음향 강도는 장치 효율을 개선한다. 그러므로, 최종 장치에 대하여 크기, 중량, 전력 및 비용이 줄고, 배터리 수명이 연장된다.

음파 도파관이 초음파 구성요소 유무 하에 음파 구성요소(하기 참조)와 조합하여 전동 칫솔 헤드에 사용할 때 개선된 유체 추진 특성을 나타내도록 수성될 수 있는 또 다른 구체예들이 제공된다.

음파 구성요소

특정 구체예 내에서, 본 발명의 칫솔은 전술한 음파 도파관(24) 및/또는 초음파 변환기(22)와 조합하여 음파 구성요소(16)(도 1 참조)를 포함한다. 통상적으로, 음파 구성요소(16)는 칫솔 헤드로 전달되는 음파 진동을 발생하여 음파 도파관(24) 및/또는 강모 다발(26)을 진동시키는 모터 어셈블리를 포함한다. 그러한 음향 진동은 치과 유체 내에서 버블 유동을 발생한다. 예를 들면, 음파 구성요소(16)를 사용함으로써, 음파 도파관(24)은 플라크의 침식을 유발하기에 충분한 압력 및 전단력의 관련 유체 유동으로, 치과 유체를 치아, 뿐만 아니라 치간 및 치경 아래 공간으로 치과 유체를 끌어올려 밀어내게 될 수 있다. 본 발명의 진동 음파 도파 관(24)은 칫솔 헤드(20)의 강모(26)에서 수 밀리미터 뒤의 치아로부터 플라크 제거를 달성하기에 충분한 속도 및 집속으로, 버블 유체를 비롯하여 유체를 이동시킬 수 있다. 본 발명의 칫솔에 적당하게 사용할 수 있는 모터 어셈블리는 잘 알려져 있고, 당업자라면 손쉽게 이용할 수 있으며, 미국 특허 제5,987,681호, 제6,421,865호, 제6,421,866호, 제RE36,669호, 미국 특허 공개 제2002/0095734호, 제2002/0116775호, 제2002/0124333호 및 제2003/0079304호 내에 제공된 칫솔 헤드 구동 메카니즘을 예로 들 수 있다. 이들 각각의 미국 특허 및 특허 출원은 본 명세서에서 그 전체를 참고 인용한다.

본 발명의 칫솔은 칫솔 강모 팁 및/또는 음파 도파관을 지나 약 1 mm 내지 10 mm의 거리에서 약 1 cm/초 내지 약 50 cm/초 범위로 유체 유동을 발생할 수 있다. 보다 통상적으로, 본 발명의 칫솔은 칫솔 강모 팁 및/또는 음파 도파관을 지나 약 1 mm 내지 10 mm의 거리에서 약 2 cm/초 내지 약 30 cm/초 범위로 유체 유동을 발생할 수 있다. 본 명세서에는 칫솔 강모 팁 및/또는 음파 도파관을 지나 약 1 mm 내지 10 mm의 거리에서 약 10 cm/초의 유체 유동을 발생할 수 있는 칫솔이 예시되어 있다.

당업자라면, 음파 도파관(24)에 대한 음파 작용에 의한 버블 유동의 발생이 전술한 초음파 구성요소(16)를 요하지 않는다는 것을 인식할 것이다. 그러나, 손잡이(15)와 착탈 가능하거나 고정된 조합으로 칫솔 헤드(20)를 함께 구성하는 초음파 변환기(22), 음파 도파관(24) 및 음파 구성요소(16)의 조합은 본 발명의 가장 효율적인 전동 칫솔 구체예를 달성하는 것이다. 음파 및 초음파 구성요소의 이러한 조 합은 향상된 공동화 및 음향 마이크로스트리밍과 함께 개선된 현미경적 버블 유동 특성의 가장 놀라울 만한 이점을 제공한다. 이러한 물리적 특성은 본 발명의 이 구체예의 우수한 세정 특성을 제공한다. 즉, 초음파 및 음파 구성요소는, 본 명세서에 개시된 칫솔 설계를 달성하기 위하여 조합 사용되는 경우, 음파와 초음파 구성요소를 분리하여 고려한 추가 효과에 비하여 실질적으로 우수한 상승작용 세정 효과를 제공한다. 예를 들면, 음파 도파관(24)은 버블 유체를 이동시키도록 최적화될 수 있는데, 그 버블은 음파 스트리밍(이에 의하여 도파관 단독에 의하여 발생된 유체 유동을 더 향상시킴)뿐만 아니라, 음파 마이크로스트리밍 및 공동화를 촉진할 수 있다.

치약 설계 및 조성

특정 관련 구체예 내에서, 본 명세서에 기재된 본 발명의 전동 칫솔과 함께 사용하기에 특히 적당한 치약을 제공하는 것을 고려한다. 예를 들면, 그러한 치약은 본 명세서에 개시된 초음파 변환기(22) 및 음파 도파관(24)에 의하여 작용될 수 있는 바람직한 버블 개체군의 형성을 촉진하는 것으로 본 명세서에서 고려한다.

치과 유체 내 천연 버블 개체군은 이를 통하여 전달되는 초음파 에너지를 흡수하는 유체의 경향에 의해 분석할 수 있다. 흡수가 클수록, 더 많은 버블이 해당 크기에서 존재할 수 있지만(37℃의 순수에서 버블에 대해 원래 전개되는, 공명식에 의해 발견적으로 제공되지만, 보다 일반직인 조건 F₀R₀ = 3.26에 대한 근사법으로서 적용할 수 있음, 여기서 주파수 F₀은 MHz 단위이고, 버블의 반경 R₀은 미크론 단위 로 주어진다), 많은 버블의 오프-공명(off-resonance)도 바람직한 플라크 및 얼룩 제거 효과를 생성한다.

통상적으로, 예를 들면, 본 발명에 따른 치약은 초음파가 20 kHz 내지 3 MHz 주파수 범위로 적용될 때 공명하는, 약 1 ㎛ 내지 약 150 ㎛의 직경을 가진 치과 유체 내 버블의 형성을 촉진한다. 보다 통상적으로, 본 발명에 따른 치약은 초음파가 30 kHz 내지 3 MHz 주파수 범위로 적용될 때 공명하는, 약 1 ㎛ 내지 약 100 ㎛의 직경을 가진 치과 유체 내 버블의 형성을 촉진한다. 보다 더 통상적으로, 본 발명에 따른 치약은 초음파가 100 kHz 내지 600 kHz 주파수 범위로 적용될 때 공명하는, 약 5 ㎛ 내지 약 30 ㎛의 직경을 가진 치과 유체 내 버블의 형성을 촉진한다. 본 명세서에서 제공되는 예시적인 치약에서, 버블은 초음파가 250 kHz 내지 500 kHz 범위에서 작동하는 초음파 변환기로 이러한 버블에 적용될 때 공명하는, 약 12 ㎛ 내지 약 26 ㎛의 직경을 가진 치과 유체에 형성된다.

본 명세서에 개시된 칫솔에 사용하기에 적당한 치약은 음파 도파관과 조합하여 초음파 변환기에 의한 자극에 대해 적당한 크기 범위의 버블 생성 및 안정화를 촉진하는 표면 장력 값을 생성하는 계면활성제를 포함한다. 통상적으로, 본 명세서에 개시된 치약에 사용되는 계면활성제는 약 0.1 Pa 내지 약 500 Pa 범위, 보다 통상적으로 약 0.2 Pa 내지 250 Pa 범위, 보다 더 통상적으로 약 0.5 Pa 내지 약 50 Pa 범위의 표면 장력을 생성한다.

하기 실시예는 개시된 본 발명을 예시하고자 제공하는 것이며, 한정하는 것은 아니다.

실시예 1

조합된 음파 및 초음파 칫솔의 설계 및 구성

원형 전동 칫솔은 시중 구입 가능한 전동 칫솔의 내부 강모 다발을 초음파 변환기 및 음파 도파관으로 교체함으로써 생성하였다. 이러한 원형 칫솔에 사용된 초음파 변환기는 초음파 변환기에 의해 방출되는 에너지에 의한 공명 자극에 민감한 음향학적으로 유의적인 버블 개체군의 형성을 자극하기에 충분한, 약 150 내지 약 510 kHz의 주파수 범위 내에서 유의적인 동력 출력을 가졌다. 폴리머 도파관을 초음파 변환기에 작동 가능하게 근접하여 칫솔 헤드 상에 성형하고, 초음파 변환기에 의해 발생된 초음파가 전파되고 집속되도록 위치시켰다.

실시예 2

예시적인 초음파 전동 칫솔에 의한 초음파 조영 및 플라크 제거

이 실시예는 실시예 1에 기재된 원형 전동 칫솔 중 하나에 대해 수집된 초음파 조영 및 플라크 제거를 개시한다.

음파 도파관과 조합하여 초음파 변환기를 사용하는 전동 칫솔의 개선된 성능을 설명하기 위하여, 도플러 및 B 모드 데이터를, 음파 도파관을 도입한 것과 도입하지 않은 원형 초음파 칫솔에 대하여 수집하였다. 도 5a는 음파 도파관이 없는 초음파 칫솔의 초음파 이미지를 제공한다. 도플러 데이터는 유체 유동(박스 안쪽)을 나타내고, B 모드 데이터는 강모 팁(BT) 및 강모 저부의 강모 판(BP)에서의 음파 후방산란(박스 바깥쪽)을 강조한다. 도 5b는 음파 구성요소에 의해 동력이 공급된 강모가 움직이는 동일한 초음파 칫솔을 나타낸다. 이들 데이터는 강모 팁을 넘어선 유체 유동(FF)이, 강모가 음직이는 경우(MB)에도 검출되지 않았음을 보여준다. 도 5c는 음파 도파관과 조합한 원형 초음파 칫솔의 초음파 B 모드 이미지를 나타낸다. 음파 구성요소는 음파 도파관의 진동을 구동하고, 브러쉬로부터 떨어져 이동하는 버블 형성 유체의 제트를 발생한다. 도 5d는 강모를 넘어선 유의적인 유체 유동(FF) 및 버블(B)을 보여주는 동일한 칫솔의 도플러 및 B 모드 초음파 이미지 데이터를 나타낸다.

원형 초음파 전동 치솔을 플라크 코팅된(스트렙토코쿠스 무탄스(Streptococcus mutans)) 인공 치아 모델 시스템에서 플라크 제거에 대하여 테스트하였다. 플라크는 칫솔 헤드 강모 팁에서 수 밀리미터 떨어져 위치된, 초음파없이 음파 도파관에 의해 발생된 유체 유동의 적용 전에 일련의 인공 치아를 염색함으로써 검출하였다. 개별 플라크 콜로니는 음파 도파관과 조합한 초음파 변환기에 의해 발생되는 유체 유동의 적용 후에 감소 또는 제거되었다.

칫솔 헤드 강모 팁의 도달 범위 밖의 치아 영역에 대한 인공 치아 모델도 테스트하였다. 플라크는 강모 팁에서 수 밀리미터 떨어져 초음파를 적용하기 전에 분홍색으로 염색하였다. 개별 플라크 콜로니는 초음파 적용 후에 감소 또는 제거되었다. 또한, 플라크의 백그라운드 막이 감소되어 치아로 걸러진 염료에 주로 기인하는 잔류 분홍색을 남겼다. 또한, 동일 모델 시스템에서 플라크 제거를, 음파 도파관에 의해 발생된 유체 유동의 적용 후 및 강모에서 수 밀리미터 떨어져 초음파 에너지를 적용한 후 테스트하였다. 개별 플라크 콜로니는 처치 후 감소 또는 제거되 었다. 플라크의 백그라운드 막도 감소되어, 치아로 걸러진 염료에 주로 기인하는 잔류 분홍색을 남겼다. 음파 도파관 및 초음파로부터 현미경적 유체 유동을 동시에 사용하는 동안 우수한 결과를 달성하였다.

실시예 3

음파 도파관을 사용하는 예시적인 초음파 전동 칫솔의 물리적 매개변수의 측정

이 실시예는 본 발명의 예시적인 초음파 전동 칫솔의 물리적 매개변수의 측정을 개시한다.

다양한 음파 도파관 기하구조의 효율성을 비교하기 위하여, 편평하고, 미집속된 탄성중합성/실리콘 폴리머 쐐기형 도파관에 대한 전달 압력을 집속된 탄성중합성/실리콘 폴리머 쐐기형 도파관에 대한 전달 압력에 대하여 비교하였다. 도 6에 제공된 각각의 음파 도파관의 팁에서의 음압 레벨의 도면은 미집속된 도파관(∼0.5 MPa 팁 압력)에 대한 집속된 도파관(∼1.5 MPa 팁 압력)에 대한 전달 압력의 대략 3 배 증가를 설명한다.

치과 유체/버블 에멀션을 통하여 전달되는 초음파의 흡수는 30 내지 700 kHz 주파수 범위의 초음파 주파수의 함수로서 측정하였다. 초음파 변환기는 자극된 치과 유체(즉, 치약 및 물의 유화)를 함유하는 페트리 접시의 대향면 상에서 대략 0.3 내지 1 cm 떨어져 대향면 상에 위치시키고, 유체를 통하여 전달되는 음의 강도를 측정하고, 유체로 전될되는 음의 강도에 의해 정규화하였다. 예시적인 테스트의 결과는 도 7에 제공하며, 대략 200 kHz에서 흡음으로 인한 감쇠 피크 및, 초음파의 길이와 유체의 깊이 간의 공명으로 인하여 대략 350 kHz에서 곡선의 가(假) 급강하를 나타낸다. 이러한 데이터는 100 내지 500 kHz의 주파수에서 음향 자극에 이용 가능한 유의적인 버블 개체군의 존재를 설명한다.

실시예 4

예시적인 초음파 전동 칫솔에 의한 플라크 제거

이 실시예는 제트 내 버블의 초음파 자극과 조합하여 음파 도파관의 음파 진동에 의해 발생되는 버블 제트를 이용한 플라크 제거를 개시한다.

치과 플라크에 대한 스트렙토코쿠스 무탄스 모델을 사용하여 본 발명의 예시적인 초음파 칫솔에 의한 플라크 제거를 평가하였다. S. 무탄스(사람 유도 플라크)를 결빙된 유리 슬라이드 상에서 성장시킨 다음, 수조 표면에서 작동하는 원형 칫솔에 노출시키고, 슬라이드 표면에서 수직 방향으로 수 밀리미터 떨어져 유지시켰다. 도파관 단독(WG) 및 도파관 + 초음파(WG/US)를 비롯한 다양한 초음파 프로토콜을 사용하였다. 슬라이드를 플라크 특이적인 염료로 염색하여 완전한 플라크(분홍색) 및 플라크가 없는 영역(백색)을 표시하였다.

예시적인 분석에서, 에스. 무탄스 코팅된 슬라이드의 표면을 원형 칫솔의 최장 강모로부터 4 mm에 배치하였다. 초음파 캐리어 주파수는 250 kHz였고, PRF는 1000 Hz였으며, 버스트 당 24 사이클이었고; 기계 지수는 0.75였다. 음파 도파관에 의해 생성된 버블 형성 유체 제트만으로는 플라크 두께가 약간 감소된 반면에, 초음파와 함께 하면, 상당한 플라크가 제거되었다. 비교를 위하여, 시판되는 전동 칫솔을 결빙된 유리 슬라이드 상에서 성장시킨 플라크로부터 동일한 거리에서 유지시 켰다. 이 대조 칫솔은 의미심장한 플라크를 제거하지 못하였다.

제2 분석 시스템은 에스. 무탄스로 실험하기 전에 48 시간 동안 인큐베이션한 수산화인회석(HA) 디스크를 사용하였다. 초음파 프로토콜은 625 Hz PRF에서 250 kHz 실행, 40 사이클/초, 3 초 노출, 음파 도파관의 팁으로부터 6 mm에서 측정한 기계 지수 0.9로 구성되었다.

음파 도파관 단독의 작용은 약간의 플라크를 제거하였지만, 초음파와 조합하면, 상당히 개선된 플라크가 제거되었다. 비교해보면, 시판 전동 칫솔은 플라크를 제거하지 못한 반면에, 초음파 단독만으로는 디스크의 작은 영역에서 약간의 플라크 얼룩을 제거하였을 뿐이다.

제3 실험 시스템에서, 1,252 Hz PRF에서 510 kHz 실행, 2 사이클/초, 3 초 노출, 도파관의 팁으로부터 6 mm에서 측정한 기계 지수 0.51로 구성된 초음파 프로토콜을 행하였다. 전술한 분석과 일치하여, 음파 도파관 단독의 작용은 약간의 플라크를 제거하였지만, 초음파와 조합하면, 상당히 개선된 플라크가 제거되었다. 비교해 보면, 치아 정면으로부터 1 내지 2 mm 떨어져 유지된 시판 전동 칫솔은 단지 약간의 플라크를 제거한 반면에, 초음파 단독은 디스크의 작은 영역에서 약간의 플라크 얼룩을 제거하였을 뿐이다. 따라서, 음향 진동 음파 도파관에 의해 발생된 버블 유체 제트는 시판 전동 칫솔보다 2 배 이상 큰 인자에 의하여 강모의 도달 범위를 넘어서 보다 신속한 플라크 제거를 달성하기에 충분하다.

플라크 제거는 광범위한 음파 프로토콜에 걸쳐 관찰되었다. 최적 플라크 제거는 PRF가 하나 이상의 다중의 음파 주파수였을 때 달성되었다. 어떤 특정한 작동 이론에 얽매이고 싶지는 않지만, 이 프로토콜은 음파 도파관의 가요성 팁이 HA 디스크의 면, 유리 슬라이드의 관련 부분 및/또는 치아를 가로질러 전후로 진동함에 따라 초음파를 버블 형성 제트 및 플라크와 상호작용시키기 때문에 최적의 플라크 제거를 가져온다고 믿어진다. 또한, 이는 적어도 부분적으로, 버블 형성 유체 제트와 초음파의 조합된 작용으로 관찰되는 상승 작용 효과에 기인하는 것으로 믿어진다.

상승 작용 효과를 설명하기 위하여, 치아/플라크 제거 모델에 대한 초음파 단독의 작용을 음파 도파관 유무 하에 평가하였다. 스스로 의미있는 플라크 제거를 제공하지는 않지만(버블 형성 제트의 생성이 있건 없건), 인공 버블을 함유하는 치과 유체(Optison^TM)의 도입 후에는 제공하는 초음파 프로토콜을 선택하였다. 이 연구의 결과도 초음파 단독은 플라크 제거에 기여하지는 않았지만, 오히려 인공 버블의 초음파 자극을 조합하면 실질적인 플라크 제거를 제공한 것으로 나타났다.

칫솔 강모의 도달 범위를 넘어선 치아 영역에 대한 인공 치아 치과 플라크 모델에서 수행된 추가 연구는 인공 버블의 존재 하에 450 kHz에서 초음파를 동시에 방출하는 음향 진동 음파 도파관이 단지 5 초의 적용 후에 2 내지 3 mm의 거리로부터 플라크를 제거하였지만, 플라크 제거 패턴은 초음파 개시 순간에 실제로 나타났음을 보여준다. 이 플라크 제거는 초음파 단독으로보다 더 큰 영역에 걸쳐 일어났으며, 버블 형성 유체 제트 단독에 의해 생성된 것보다 명백히 더 짧은 시간 내에 일어났다. 그러므로, 초음파 및 음향학적으로 발생된 버블 형성 유체 유동은 함께 상승 작용 방식으로 작용하여 강모 도달 범위를 넘어선 큰 영역에 걸쳐서 플라크를 신속하고 효율적으로 제거하였다.

버블의 부피가 진동하고, 연관된 응력이 초음파 주파수(주파수는 100여 kHz 정도임)에 의해 조절되는 시간 스케일에 작용하기 때문에, 플라크 제거는 원칙적으로 0.00001 초 정도(즉, 대략 10 마이크로초)의 시간 스케일로 일어난다. 그러므로, 본 발명의 초음파 칫솔은 기존의 전동 칫솔에 의한 플라크 제거에 소요되는 시간보다 대략 100 내지 1000 배 더 짧은 시간에서 실질적으로 플라크를 제거할 수 있다.

실시예 5

예시적인 초음파 전동 칫솔에 의한 세포 용해의 부재

이 실시예는 본 발명의 초음파 전동 칫솔이 초음파 공동화를 유도하고, 그 기계적 효과는 세포 용해를 유도하는 데 불충분하지만, 여전히 플라크를 제거할 수 있다는 것을 개시한다. 이러한 발견은 본 명세서에서 제공되는 초음파 전동 칫솔의 안전성을 지지한다.

적혈구 세포 모델 시스템을 사용하여(도 8) 문헌(Rooney, Science 169: 869-871 (1970))에 따른, 안정하게 진동하는 버블과 연관된 음파 마이크로스트리밍에 의해 유도되는 전단 응력에 의해 유발되는 세포 용해를 테스트하였으며, 상기 문헌은 묽은 적혈구 세포의 바이알 내에 배치된 단일 버블이 초음파에 의해 자극되어 "마이크로스트리밍"을 생성함으로써 충분한 음향 파워로, 이들 혈액 세포를 파괴할 수 있다고 설명한다. 특히, 중심에 공기를 가진 얇은 중공 와이어를 현탁된 적혈구 세포의 바이알에 넣었다. 충분한 공기를 와이어로부터 밀어내어 현탁액 내에서 가스(마이크로버블)의 반구를 형성하였다. 약 25 kHz의 주파수에서의 초음파를 용기에 적용하여 버블의 진동을 자극하였으며, 음파 마이크로스트리밍을 발생하기에 충분하였다. 이러한 조건 하에서, 적혈구 세포의 약 70%가, 독립적인 수단에 의해 결정되는 것에 비견될 수 있는 전단 응력에서 파괴되었다. 100% 용혈이 고 삼투 용액의 도입에 의해 달성되었다. 세포를 파괴하는 데 필요한 전단 응력(450 Pa 이상) 대 시험관내 새로운 플라크를 제거하는 데 필요한 응력(1 내지 30 Pa)의 차가 여기서 특히 관심 대상이다. 0.075 및 5.09 Pa의 전단 응력에서 성장한 피. 아에루기노사(P. aeruginosa) 바이오필름의 탈착에 요하는 전단은 각각 5.09 Pa 및 25.3 Pa였다(Stoodley et al., Journal of Industrial Microbiology & Biotechnology 29: 361-367 (2002)).

음파 공동화와 연관된 여러 가지 물리적 과정 중 단 하나인 음파 마이크로스트리밍(음향 에너지에 의한 버블의 형성 및/또는 자극)은 본 명세서에서 논의된 바와 같이, 적혈구 세포와 같은 생물학적 시스템의 파괴를 유발할 수 있다. 버블의 존재는, 예를 들면 버블이 존재하지 않는 경우에 소정의 생물학적 효과를 유발하는 데 필요한 것보다 훨씬 아래의 음향 강도에서 플라크를 제거하기에 충분한 응력을 촉진시킬 수 있다는 것이 특히 관심대상이다. 본 실시예에서, 직경이 약 1 미크론인 마이크로버블 초음파(US) 콘트라스트제인 Optison^TM을 사용하여 이 점을 설명하였다. 또한, 이 실시예는 이것이 플라크를 제거하는, 초음파 공동화 단독이 아닌, 버블의 초음파 자극임을 설명한다.

본 발명의 초음파 칫솔의 안전성에 대한 증거로서, 다음 플라크 제거 분석 시스템을 사용하였다. 예시적인 칫솔에 의한 세포 파괴는 (1) 강모 팁이 세포 위에 배치된 활성화된 시판 전동 칫솔, (2) 세포 위에 유지된 원형 칫솔의 음파 구성요소에 의해 유발되는 버블 유체 제트 및 (3) 세포 위에 유지된 원형 칫솔로부터의 버블 유체 제트 및 초음파의 조합(음파 + 초음파)에 노출시킨 평판 배양된 치경 세포 위 액체 중의 세포 잔해를 분석함으로써 결정하였다. 이들 결과는 강모 팁을 세포 상에 직접 배치한 시판 전동 칫솔로 달성된 결과와 비교하였다.

처치 후, 상청액은 제조자의 지시에 따라 비방사성 락테이트 데히드로게나제(LDH) 분석(Cytotox 96; 프로메가, 미국 위스콘신주 매디슨 소재)에 의하여 용해된 세포에 대하여 평가하였다. 이 분석 시스템은 ⁵¹Cr 방출 세포 독성 분석의 대안인 색도계이고, 화학적 및 물리적 수단에 의하여 세포 용해를 측정하는 데 사용되어 왔다(Singer et al., J. Neurosci. 19: 2455-2463 (1999)). 이 분석은 ⁵¹Cr이 방사성 분석에서 방출되는 것과 대체로 동일한 방식으로 세포 용해에 대해 방출되는 안정한 시토졸 효소인 LDH를 정량적으로 측정한다. 배양 상청액에서 방출된 LDH는 30 분 커플링된 효소 분석으로 측정하며, 테트라졸륨 염(INT)을 적색 포르마잔 생성물로 전환시킨다. 형성된 색의 양은 용해된 세포의 수에 비례한다.

가시 파장 흡광도 데이터는 표준 96 웰 플레이트 판독기를 사용하여 수집하였다. 디아포라제 및 교류 전자 수용체와 함께 테트라졸륨 염을 사용하는 LDH의 측 정 방법은 당업계에 널리 알려져 있다. 이 기술에 대한 변화는 천연 세포 독성 측정에 대하여 보고되었으며, 대비 ⁵¹Cr 방출 분석에서 결정된 값과 동일한(실험 오차 내에서) 것으로 설명되었다.

처치 후 플레이트에 남아있는 세포를 촬영하고, 용해시켰으며, 전술한 바와 같은 LDH 분석을 사용하여 정량화하였다. 음파 칫솔의 강모 효과 범위 이상에 의해 유도된 세포 용해를 본 발명의 원형 조합 음파/초음파 칫솔에 의해 유도된 세포 용해와 비교하였다.

예시적인 분석 결과는 도 10에 제공하며, 음파 도파관을 통하여 전파되는 초음파와 조합하여 칫솔 상에 장착된 음파도파관에 의해 발생된 버블 유체 제트의 세정 작용이 플라크를 안전하게 제거하였음을 설명한다. "대조" 결과는 시판 전동 칫솔의 강모 도달 범위를 넘어서 발생된 유체 작용에 의해 유발되는 세포 용해의 측정치이고; "음파" 결과는 초음파없는 예시적인 칫솔에 의한 그러한 세포 용해의 측정치이며; "음파 + 초음파" 결과는 음파 구성요소와 초음파를 이용한 예시적인 칫솔에 의한 그러한 세포 용해의 측정치이고; "대조 + 대조" 결과는 강모가 세포 표면에 직접 접촉하여 배치된 시판 전동 칫솔에 의한 세포 용해의 측정치였다. 강모가 세포를 접촉하지 않은 시판 칫솔과 원형 칫솔 간에는 차이가 검출되지 않았다. 대조적으로, 세포에 대한 시판 전동 칫솔의 칫솔 강모의 직접 접촉에 의하여 실질적인 세포 용해가 발생되었다.

본 발명의 바람직한 구체예를 예시하고 설명하였지만, 다양한 변경이 본 발 명의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않으면서 그 안에서 이루어질 수 있음을 이해해야 한다.

Claims

바깥쪽으로 연장하는 음파 도파관을 가진 칫솔 헤드; 및

칫솔 헤드에 작동 가능하게 연결되고, 칫솔 헤드를 진동시키는 구성요소를 가진 손잡이

를 포함하는 칫솔.
제1항에 있어서, 구성요소는 약 20 Hz 내지 20 kHz의 주파수로 칫솔 헤드를 진동시키는 음파 구성요소인 것을 특징으로 하는 칫솔.
제2항에 있어서, 칫솔 헤드는 다수의 바깥쪽으로 연장하는 강모를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 칫솔.
제1항에 있어서, 칫솔 헤드는 손잡이에 착탈 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 칫솔.
제1항에 있어서, 음파 도파관은 폴리머로 형성되는 것을 특징으로 하는 칫솔.
제5항에 있어서, 폴리머는 실온 가황 실리콘, 액체 사출 성형 실리콘 및 열 플라스틱 엘라스토머 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 칫솔.
제1항에 있어서, 음파 도파관은 유전재로 형성되는 것을 특징으로 하는 칫솔.
제1항에 있어서, 음파 도파관은 경도가 약 5 내지 약 200 쇼어 A 경도인 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 칫솔.
제8항에 있어서, 음파 도파관은 경도가 약 20 내지 약 80 쇼어 A 경도인 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 칫솔.
제1항에 있어서, 음파 도파관은 다수의 층을 포함하고, 2 이상의 층은 상이한 재료 특성을 가진 것을 특징으로 하는 칫솔.
제10항에 있어서, 음파 도파관은 흑연층 및 폴리머층을 포함하고, 폴리머층은 흑연층 주위에 성형되는 것을 특징으로 하는 칫솔.
제10항에 있어서, 음파 도파관은 80 이상의 쇼어 A 경도를 가진 제1 층, 제1 층과 접촉하고, 약 20 내지 약 80의 쇼어 A 경도를 가진 제2 층 및 제2 층과 접촉하고, 20 이하의 쇼어 A 경도를 가진 제3 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 칫솔.
제1항에 있어서, 음파 도파관은 대체로 쐐기 형상인 것을 특징으로 하는 칫솔.
바깥쪽으로 연장하는 음파 도파관을 가진 칫솔 헤드;

약 20 kHz 이상의 주파수를 가진 음파를 음파 도파관으로 전달하도록 음파 도파관에 작동 가능하게 연결된 음파 변환기; 및

칫솔 헤드에 작동 가능하게 연결된 손잡이

를 포함하는 칫솔.
제14항에 있어서, 칫솔 헤드는 다수의 바깥쪽으로 연장하는 강모를 포함하는 것을 특징으로 하는 칫솔.
제14항에 있어서, 칫솔 헤드는 손잡이에 착탈 가능하게 연결되는 것을 특징으로 하는 칫솔.
제14항에 있어서, 음파 도파관은 폴리머로 형성되는 것을 특징으로 하는 칫솔.
제17항에 있어서, 폴리머는 실온 가황 실리콘, 액체 사출 성형 실리콘 및 열 플라스틱 엘라스토머 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 칫솔.
제14항에 있어서, 음파 도파관은 유전재로 형성되는 것을 특징으로 하는 칫솔.
제14항에 있어서, 음파 도파관은 경도가 약 5 내지 약 200 쇼어 A 경도인 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 칫솔.
제14항에 있어서, 음파 도파관은 경도가 약 20 내지 약 80 쇼어 A 경도인 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 칫솔.
제14항에 있어서, 음파 도파관은 다수의 층을 포함하고, 2 이상의 층은 상이한 재료 특성을 가진 것을 특징으로 하는 칫솔.
제22항에 있어서, 음파 도파관은 흑연층 및 폴리머층을 포함하고, 폴리머층은 흑연층 주위에 성형되는 것을 특징으로 하는 칫솔.
제22항에 있어서, 음파 도파관은 80 이상의 쇼어 A 경도를 가진 제1 층, 제1 층과 접촉하고, 약 20 내지 약 80의 쇼어 A 경도를 가진 제2 층 및 제2 층과 접촉하고, 20 이하의 쇼어 A 경도를 가진 제3 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 칫솔.
제14항에 있어서, 음파 도파관은 쐐기 형상인 것을 특징으로 하는 칫솔.
제14항에 있어서, 음파 도파관은 음파를 간섭적으로 집속하도록 성형되는 것을 특징으로 하는 칫솔.
제14항에 있어서, 음파 도파관은 음파를 압축하도록 성형되는 것을 특징으로 하는 칫솔.
제14항에 있어서, 초음파 변환기는 압전형 변환기, 자기변형 변환기, 정전용량형 초음파 변환기(micromachined capacitive ultrasonic transducer) 및 정전형 폴리머 폼 변환기로 구성된 군 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 칫솔.
제28항에 있어서, 초음파 변환기는 납 지르코네이트 티타네이트, 폴리불화비닐리덴, 니오븀산리튬, 석영 및 티타늄산바륨으로 구성된 군 중에서 선택되는 재료를 포함하는 압전형 변환기인 것을 특징으로 하는 칫솔.
제14항에 있어서, 초음파 변환기와 작동 가능하게 접촉하는 임피던스 정합층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 칫솔.
제14항에 있어서, 칫솔 헤드를 진동시키는 구성요소를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 칫솔.
제31항에 있어서, 구성요소는 약 20 Hz 내지 20 kHz의 주파수에서 칫솔 헤드를 진동시키는 음파 구성요소인 것을 특징으로 하는 칫솔.
제32항에 있어서, 음파 도파관은 폴리머로 형성되는 것을 특징으로 하는 칫솔.
제32항에 있어서, 음파 도파관은 유전재로 형성되는 것을 특징으로 하는 칫솔.
제32항에 있어서, 음파 도파관은 다수의 층을 포함하고, 2 이상의 층은 상이한 재료 특성을 가진 것을 특징으로 하는 칫솔.
제32항에 있어서, 음파 도파관은 음파를 간섭적으로 집속하도록 성형되는 것을 특징으로 하는 칫솔.
제32항에 있어서, 음파 도파관은 음파를 압축하도록 성형되는 것을 특징으로 하는 칫솔.
제32항에 있어서, 초음파 변환기는 압전형 변환기, 자기변형 변환기, 정전용량형 초음파 변환기 및 정전형 폴리머 폼 변환기로 구성된 군 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 칫솔.
기재, 기재로부터 연장하는 다수의 강모 및 기재로부터 연장하는 음파 도파관을 가진 착탈 가능한 칫솔 헤드.
제39항에 있어서, 음파 도파관은 폴리머로 형성되는 것을 특징으로 하는 착탈 가능한 칫솔 헤드.
제39항에 있어서, 폴리머는 실온 가황 실리콘, 액체 사출 성형 실리콘 및 열 플라스틱 엘라스토머 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 착탈 가능한 칫솔 헤드.
제39항에 있어서, 음파 도파관은 유전재로 형성되는 것을 특징으로 하는 착탈 가능한 칫솔 헤드.
제39항에 있어서, 음파 도파관은 경도가 약 5 내지 약 200 쇼어 A 경도인 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 착탈 가능한 칫솔 헤드.
제43항에 있어서, 음파 도파관은 경도가 약 20 내지 약 80 쇼어 A 경도인 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 착탈 가능한 칫솔 헤드.
제39항에 있어서, 음파 도파관은 다수의 층을 포함하고, 2 이상의 층은 상이한 재료 특성을 가진 것을 특징으로 하는 착탈 가능한 칫솔 헤드.
제45항에 있어서, 음파 도파관은 흑연층 및 폴리머층을 포함하고, 폴리머층은 흑연층 주위에 성형되는 것을 특징으로 하는 착탈 가능한 칫솔 헤드.
제45항에 있어서, 음파 도파관은 80 이상의 쇼어 A 경도를 가진 제1 층, 제1 층과 접촉하고, 약 20 내지 약 80의 쇼어 A 경도를 가진 제2 층 및 제2 층과 접촉하고, 20 이하의 쇼어 A 경도를 가진 제3 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 착탈 가능한 칫솔 헤드.
제39항에 있어서, 음파 도파관은 대체로 쐐기 형상인 것을 특징으로 하는 착탈 가능한 칫솔 헤드.
제39항에 있어서, 초음파 변환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 착탈 가능한 칫솔 헤드.
제49항에 있어서, 초음파 변환기는 압전형 변환기, 자기변형 변환기, 정전용량형 초음파 변환기 및 정전형 폴리머 폼 변환기로 구성된 군 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 착탈 가능한 칫솔 헤드.
제50항에 있어서, 초음파 변환기는 납 지르코네이트 티타네이트, 폴리불화비닐리덴, 니오븀산리튬, 석영 및 티타늄산바륨으로 구성된 군 중에서 선택되는 재료를 포함하는 압전형 변환기인 것을 특징으로 하는 착탈 가능한 칫솔 헤드.