專利名稱：具有空間、時(shí)間和/或頻率變化的超聲潔牙用具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體而言涉及牙具，諸如牙刷(電動(dòng)的和手動(dòng)的)，且還涉及用于潔牙的口腔護(hù)具，且更具體而言，涉及包括使用超聲和微泡來提供或改進(jìn)清潔效果的這樣的用具。
背景技術(shù)：
眾所周知，超聲引起的空氣微泡的氣穴現(xiàn)象(cavitation)清潔牙齒表面的生物膜，并且清潔在牙齦線下方的生物膜。這種超聲技術(shù)的一實(shí)例在Bock的美國專利第 5，138，733號(hào)中示出。其它實(shí)例包括Balamuth的美國專利第3，809，977號(hào)和Brewer等人的美國專利第7，沈9，873號(hào)。另外，還有商業(yè)牙具，其利用超聲/微泡方案來清潔牙齒。但這些用具通常具有一個(gè)或多個(gè)顯著缺點(diǎn)。首先，雖然由微泡氣穴現(xiàn)象所產(chǎn)生的清潔作用能夠大體上在一些泡附近較強(qiáng)，并非所有的泡都有很強(qiáng)的作用，且甚至一些起作用的泡傾向于保留在單個(gè)位置中的時(shí)間比清潔該位置周圍的區(qū)域所需的時(shí)間更長。因此人們認(rèn)為總的清潔作用比利用典型數(shù)量的可用泡且利用相同的超聲激發(fā)的其它情況更弱。另外，在宏觀水平，清潔是星星點(diǎn)點(diǎn)的。在牙齒表面上的某些區(qū)域?qū)⒊尸F(xiàn)較強(qiáng)的清潔效果，而其它區(qū)域則不呈現(xiàn)任何清潔效果。這可能是由于超聲反射離開不同牙齒表面所致的干擾效果造成的超聲強(qiáng)度變化所致。另外，難以在牙齒凹部中維持充分的泡濃度，其中氣穴現(xiàn)象實(shí)際上可具有最有益的效果，這是由于洗擦不能有效地清潔。這種泡濃度的缺乏可能是由于泡被通常產(chǎn)生清潔效果的相同超聲破壞所致。因此，期望具有一種超聲/微泡系統(tǒng)來作為現(xiàn)有手動(dòng)或電動(dòng)牙刷或口腔用具的補(bǔ)助，或者單獨(dú)地使用以在牙齒上，沿著牙齦線和在齒的鄰間區(qū)域中產(chǎn)生顯著的清潔效果。

發(fā)明內(nèi)容
因此，這種用具包括用于產(chǎn)生超聲信號(hào)的系統(tǒng)，超聲信號(hào)頻率在IOOKHz至IMHz范圍，超聲信號(hào)被導(dǎo)向至微泡且致動(dòng)微泡以進(jìn)行清潔，其中用于產(chǎn)生超聲信號(hào)的系統(tǒng)包括下列中的至少一個(gè)(a)換能器元件的陣列，其用于產(chǎn)生超聲信號(hào)；(b)振幅調(diào)制組件，其用于調(diào)制超聲信號(hào)的振幅；以及(c)頻率調(diào)制系統(tǒng)，其用于在預(yù)定范圍改變超聲信號(hào)的頻率。


圖1是包含了本超聲/微泡發(fā)明的牙刷的整體示圖。圖2是包含了本超聲/微泡發(fā)明的口腔用具的整體示圖。圖3是示出超聲/微泡系統(tǒng)的空間分集布置的圖。圖4是示出超聲/微泡系統(tǒng)的時(shí)間分集(振幅調(diào)制)布置的圖。圖5是示出超聲/微泡系統(tǒng)的兩個(gè)頻率分集(頻率調(diào)制)布置的圖。
具體實(shí)施例方式如上文所示，已知的是，牙具，特別是牙刷，包含了超聲/微泡系統(tǒng)以輔助清潔牙齒，如在上文的專利和其它專利和專利申請(qǐng)中所討論的那樣。通常，在這些已知的系統(tǒng)中， 超聲信號(hào)限于具有一致信號(hào)強(qiáng)度的單頻率。但本文所述的系統(tǒng)包含了下列特征中一個(gè)或多個(gè)特征的能力(1)換能器元件的陣列，其用于提供超聲束的多于一個(gè)源位置和/或方向； (2)超聲信號(hào)的振幅調(diào)制以允許新泡重新填入剛剛進(jìn)行清潔的區(qū)域；以及(3)超聲信號(hào)的頻率調(diào)制以產(chǎn)生在規(guī)定范圍的持續(xù)頻率變化。另外，另一特征是使用相位調(diào)制，即，改變超聲信號(hào)的相位，來對(duì)超聲信號(hào)進(jìn)行調(diào)向和聚焦。上述特征中的每一個(gè)在下文中更詳細(xì)地描述。一種操作用具系統(tǒng)可包括上述特征中的一個(gè)或兩個(gè)或所有特征。應(yīng)了解本系統(tǒng)可用于常規(guī)牙刷(帶有或不帶有刷毛)中，以及用于口腔護(hù)具/ 口腔用具(帶有或不帶有刷毛)中。該用具可手動(dòng)操作或電動(dòng)操作。如果包括刷毛，其將提供來自整個(gè)牙刷運(yùn)動(dòng)的傳統(tǒng)洗擦動(dòng)作，超聲/微泡特征產(chǎn)生所得牙具的性能改進(jìn)。但牙具可替代地僅使用本文所述的超聲/微泡特征。簡言之，整體上以10示出的圖1的牙刷包括主體部12和延伸臂/刷頭部14。在圖1中，刷頭部14包括刷毛區(qū)16，但如上文所示，刷毛區(qū)不是至關(guān)重要的。如果牙刷是電動(dòng)牙刷，那么主體部將包括整體上以18示出的動(dòng)力系統(tǒng)，該動(dòng)力系統(tǒng)將包括電機(jī)/驅(qū)動(dòng)器、電源和用于移動(dòng)刷頭的控制單元。圖1還包括用于產(chǎn)生微泡20的系統(tǒng)，微泡20的大小大約為1 μ m至150 μ m，但該大小可改變超過此范圍，其也可由外部裝置產(chǎn)生；以及超聲單元 22和換能器元件，換能器元件呈陣列24的形式，其產(chǎn)生超聲場(chǎng)，作用于微泡上，微泡位于待清潔的牙齒表面附近。圖2整體上以26示出口腔用具，其可具有或可不具有一組刷毛28，用于通過洗擦來清潔上牙和下牙。刷毛28安裝于口腔用具26的朝向牙齒的表面上?？谇挥镁呖捎墒褂谜吆唵蔚匾苿?dòng)牙齒而手動(dòng)操作，或者其可由整體上以30示出的動(dòng)力系統(tǒng)而電動(dòng)操作，動(dòng)力系統(tǒng)包括電機(jī)以按預(yù)定方式移動(dòng)口腔用具和刷毛。在本系統(tǒng)中，口腔用具還將包括用于產(chǎn)生微泡的常規(guī)系統(tǒng)，或者微泡可在外部產(chǎn)生，導(dǎo)向至待清潔的牙齒附近；以及超聲系統(tǒng)，其也是常規(guī)的，用于產(chǎn)生超聲信號(hào)來激活微泡進(jìn)行清潔，分別代表性地以32和34示出。圖3示出可選地為圖1或圖2中的牙具的一部分的系統(tǒng)。圖3有關(guān)于用于超聲信號(hào)束的空間分集布置。作為單個(gè)輻射器/換能器的替代，該系統(tǒng)包括元件陣列，整體上被示為40的組。該陣列可包括少至三個(gè)元件，但六個(gè)至八個(gè)元件是優(yōu)選的，但也可使用更多的元件，例如16個(gè)。超聲陣列40產(chǎn)生多個(gè)超聲束42，超聲束42朝向待清潔牙齒46附近的微泡漿(以44示出)導(dǎo)向。與在方向和時(shí)間上固定相對(duì)比，利用電控制器48，單獨(dú)的超聲束可以以不同角度在選定的時(shí)段隨機(jī)地或循環(huán)地被導(dǎo)向至牙齒表面的不同部分。單獨(dú)的元件可單獨(dú)地受控制，具有使每個(gè)束調(diào)向的能力，或者整個(gè)陣列可作為一個(gè)單元進(jìn)行調(diào) 向，或者其部分可獨(dú)立于其它部分進(jìn)行調(diào)向/控制。由控制單元48通過超聲信號(hào)的相位調(diào)制來實(shí)現(xiàn)調(diào)向。單獨(dú)的元件也可被單獨(dú)地驅(qū)動(dòng)，S卩，提供動(dòng)力，使得它們并不是全部同時(shí)被接通或切斷。通過使用調(diào)向能力，超聲信號(hào)可從不同角度/方向施加到泡。此能以與微泡的壽命相協(xié)調(diào)的特定方式在具體時(shí)間實(shí)現(xiàn)，以使得當(dāng)在一個(gè)單區(qū)域中的泡被耗盡且束被調(diào)向用于處理新區(qū)域時(shí)，新泡可再填入原始區(qū)域。超聲束的位置和方向變化也將導(dǎo)致干擾效果差異的減小，允許強(qiáng)清潔的位置“掃過”整個(gè)牙齒表面，而不是錯(cuò)過一些點(diǎn)。因 此，對(duì)于多個(gè)元件，對(duì)其開/關(guān)狀態(tài)和其方向進(jìn)行單獨(dú)的和/或分組控制，就實(shí)現(xiàn)了清潔的一致性和品質(zhì)的顯著改進(jìn)。另外，關(guān)于束調(diào)向能力，特別地，牙刷無需移動(dòng)以產(chǎn)生該束的有效的、受控制的移動(dòng)。圖4示出整個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間分集能力，S卩，超聲束的振幅調(diào)制。這是設(shè)于控制單元51 中的超聲換能器的激發(fā)振幅的隨時(shí)間改變的變化情況。假定微泡具有有限壽命，則必需不時(shí)地減小特定清潔區(qū)域中的激發(fā)振幅以允許新鮮的泡再填入該區(qū)域。但是在此期間，超聲信號(hào)并未完全由調(diào)制信號(hào)切斷，而是維持一定振幅，該振幅足夠用于牙齒流體浴的流動(dòng)，其有助于將漿中的泡分配到尚未被清潔的新的點(diǎn)。當(dāng)超聲束聚焦于給定點(diǎn)用于清潔時(shí)，相對(duì)于超聲具有適宜的大小以進(jìn)行清潔的泡在一定時(shí)間后被耗盡。利用振幅調(diào)制，束功率重復(fù)地被減小以使得泡補(bǔ)充于該區(qū)域中。振幅調(diào)制的頻率遠(yuǎn)低于超聲頻率本身。舉例而言，對(duì)于IMHz的超聲頻率使用IOKHz的調(diào)制頻率。重要的是，當(dāng)功率由于振幅調(diào)制處在低水平時(shí)，其仍足夠高使得仍存在流動(dòng)效果，以將泡的分布傳遞到新區(qū)和被泡耗盡的區(qū)。對(duì)于更低超聲頻率，例如IOOKHz，調(diào)制信號(hào)可為IOOHz，但I(xiàn)OHz也可能是有用的。振幅調(diào)制應(yīng)降低功率(超聲信號(hào)強(qiáng)度)至少50%，但如上文所示，并不降低到零，以保留流動(dòng)效果。在圖4的系統(tǒng)中，整體上以50示出換能器或換能器陣列，對(duì)所得超聲束信號(hào)52進(jìn)行振幅調(diào)制。當(dāng)信號(hào)在全強(qiáng)度時(shí)，將造成氣穴現(xiàn)象，在區(qū)域54示出，而當(dāng)超聲束信號(hào)處于低點(diǎn)(在區(qū)域56中示出)時(shí)，將不存在氣穴現(xiàn)象，但仍可進(jìn)行流動(dòng)。經(jīng)振幅調(diào)制的束將繼續(xù)與泡漿58相互作用，產(chǎn)生對(duì)牙齒59的清潔。通常，調(diào)制將以矩形波的形式進(jìn)行， 具有非零基線和選定的占空因數(shù)，占空因數(shù)可變化。但是，調(diào)制信號(hào)也可為其它配置，包括三角形波，正弦波或其它任意形狀，且無需為周期性的。圖5示出設(shè)于控制單元61中的被稱作頻率分集的該系統(tǒng)的第三可選方面，頻率分集為超聲束的頻率調(diào)制。換能器或換能器陣列60產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)超聲束，其中頻率隨著時(shí)間變化，以62和64示出。在62中，各個(gè)相繼的猝發(fā)處在不同的頻率，而在64中，頻率在每個(gè)猝發(fā)內(nèi)變化(線性調(diào)頻)。換能器或換能器陣列60是寬帶換能器，其能生成在較廣范圍的頻率，例如，200-400KHZ。這種換能器通常是熟知的，特別是在診斷醫(yī)療超聲領(lǐng)域中?？赡艿膿Q能器包括雙四分之一波匹配的壓電體換能器、壓電微機(jī)械加工的超聲換能器(PMUT)， 電磁聲換能器(eMAT)和電容性微機(jī)械加工的超聲換能器(cMUT)。對(duì)波束進(jìn)行頻率調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)在于，微泡通常具有寬范圍的大小，且每個(gè)大小具有特定的諧振頻率，在該諧振頻率， 其進(jìn)行振蕩且最終打破以對(duì)牙齒進(jìn)行清潔。泡的振蕩響應(yīng)于特定頻率。利用單個(gè)超聲頻率， 僅相對(duì)較少的泡將進(jìn)行振動(dòng)且產(chǎn)生清潔效果。當(dāng)頻率調(diào)制產(chǎn)生一定范圍的頻率時(shí)，可激發(fā)較寬范圍的泡大小，從而利用許多或甚至大部分的可用泡。在操作中，它們的較大的百分比被激發(fā)，產(chǎn)生更有效和可靠的清潔效果。另外，在由頻率調(diào)制所產(chǎn)生的超聲信號(hào)中的頻率變化將造成超聲場(chǎng)的干擾圖案的峰值和空值以掃過牙齒表面，產(chǎn)生與上文關(guān)于空間分集(振幅調(diào)制)相同的覆蓋益處。可利用通過激發(fā)換能器元件的電路所施加的線性鋸齒狀正弦或其它FM線性調(diào)頻函數(shù)在換能器帶寬上改變激發(fā)頻率。如上文所示，一個(gè)頻率范圍可為200-400KHZ，從而給出2:1的大小范圍比例。利用150-450KHZ范圍可實(shí)現(xiàn)甚至更大的比例(3:1)。如上文所示，三個(gè)上述特征中的任一特征可用于任何潔牙用具中(牙刷中或口腔用具中)，且產(chǎn)生顯著的清潔改進(jìn)?？墒褂脙蓚€(gè)特征以及所有三個(gè)特征。在一特定布置中， 可使用在200-400KHZ頻率范圍操作的cMUT換能器的一維(共面)陣列。換能器陣列可包含八個(gè)或更多，優(yōu)選地16個(gè)或更多的元件，其在牙刷的刷毛基部朝向牙齒。位于刷毛附近或刷毛中的是用于生成空氣微泡的裝置或用于從另一位置移動(dòng)預(yù)先充有泡的流體的管道。

如上文所示，可對(duì)于該陣列中的每個(gè)元件或該陣列的部分提供獨(dú)立的電激發(fā)，使得對(duì)于每個(gè)元件而言波束的頻率、振幅和相位可獨(dú)立地控制。因此控制系統(tǒng)提供如上文所述的效果。充有泡的流體提供傳播介質(zhì)且遞送清潔泡到牙齒表面上。利用上述系統(tǒng)，泡的更大部分有效地清潔牙齒表面。而且，泡到達(dá)大體上牙齒表面的所有部分以有效地清潔，以及到達(dá)牙齒之間的鄰間表面和牙齦線下方以有效地清潔。因此，公開了一種系統(tǒng)，其利用微泡改進(jìn)了超聲清潔牙齒表面的作用。該系統(tǒng)包括空間分集、時(shí)間分集和頻率分集以實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的清潔功能，且可為具有洗擦能力的牙刷或口腔用具的部分，或者可單獨(dú)地使用。盡管出于說明目的已公開了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，應(yīng)了解，在不偏離下附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神的情況下，各種變化、修改和替代可包含于實(shí)施例中。
權(quán)利要求
1.一種潔牙用具，包括用具主體(12)用于產(chǎn)生微泡00)漿且將微泡OO)漿導(dǎo)向至待清潔的牙齒區(qū)域的系統(tǒng)；以及，用于產(chǎn)生超聲信號(hào)束02)的系統(tǒng)，所述超聲信號(hào)束02)的頻率在IOOKHz至IMHz的范圍，所述超聲信號(hào)束0 被導(dǎo)向至微泡且致動(dòng)微泡以進(jìn)行清潔，其中用于產(chǎn)生超聲信號(hào)的系統(tǒng)包括下列中的至少一個(gè)(a)換能器元件GO)的陣列，其用于產(chǎn)生超聲信號(hào)；(b)振幅調(diào)制組件(51)，其用于調(diào)制所述超聲信號(hào)的振幅；以及(c)頻率調(diào)制系統(tǒng)(61)，其用于在預(yù)定范圍改變所述超聲信號(hào)的頻率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用具，其特征在于，所述用具包括用于通過對(duì)所述超聲信號(hào)進(jìn)行相位調(diào)制使所述超聲信號(hào)調(diào)向的組件G8)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用具，其特征在于，所述用具包括(a)、(b)和(c)中的至少兩個(gè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用具，其特征在于，所述用具包括全部(a)、(b)和(c)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用具，其特征在于，所述用具呈牙刷(10)的形式。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用具，其特征在于，所述用具呈口腔用具06)的形式。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用具，其特征在于，所述用具包括(a)且所述換能器陣列包括六個(gè)至八個(gè)單獨(dú)的換能器元件且每個(gè)換能器元件被單獨(dú)地電驅(qū)動(dòng)以對(duì)超聲束提供功率控制。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用具，其特征在于，所述用具包括(b)且其中所述振幅調(diào)制將所述超聲束的功率降低至最大功率的50%或更小。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的用具，其特征在于，處于最低功率水平的所述超聲束的功率足夠低以允許重新補(bǔ)充所述微泡，但并不低至中止所述微泡的流動(dòng)效果。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用具，其特征在于，所述用具包括刷毛(16)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的用具，其特征在于，所述用具是手動(dòng)用具。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的用具，其特征在于，所述用具包括用于移動(dòng)刷毛以在牙齒上產(chǎn)生洗擦作用的動(dòng)力系統(tǒng)(18)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用具，其特征在于，所述用具包括(c)且頻率調(diào)制覆蓋 200-400KHz 的范圍。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用具，其特征在于，所述用具包括(b)且所述調(diào)制頻率約為所述超聲頻率的1%_10%。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用具，其特征在于，所述用具包括(a)且為帶有安裝于刷頭上的刷毛的電動(dòng)牙刷，且其中所述換能器元件04)的陣列安裝于所述刷頭上所述刷毛的基部，且其中所述微泡在所述刷頭附近生成。
全文摘要
用具包括用具主體(12)以及用于產(chǎn)生微泡(20)的系統(tǒng)和用于在一定頻率范圍中產(chǎn)生超聲信號(hào)束(22)的系統(tǒng)，該超聲信號(hào)束(22)激活至少一些微泡。該用具包括下列中的至少一個(gè)(a)超聲換能器元件(40)的陣列，其產(chǎn)生多個(gè)超聲信號(hào)束；(b)振幅調(diào)制組件(51)，其用于調(diào)制超聲信號(hào)的振幅；以及(c)頻率調(diào)制系統(tǒng)(61)，其用于在選定范圍改變超聲信號(hào)的頻率以影響微泡大小的范圍。
文檔編號(hào)A61C17/20GK102271616SQ200980153416
公開日2011年12月7日 申請(qǐng)日期2009年12月9日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月30日
發(fā)明者J.D.弗拉塞 申請(qǐng)人:皇家飛利浦電子股份有限公司