專利名稱：采用聲波導的牙刷的制作方法
技術領域：
本發(fā)明大體上涉及牙刷領域，并且更具體地說涉及采用了聲學機構的牙刷。
背景技術：
現(xiàn)有的電動牙刷中，即使是最有效的，也會在牙齦下并且在刷毛或者其他牙刷元件的直接到達范圍之外于牙齒接觸表面處、在牙齦-牙齒接觸點處留下在臨床上明顯的斑點。以前制成超聲波牙刷的嘗試不能成功地在牙齒流體中開發(fā)微泡以便于除去斑點，或者不能成功地將微泡和大泡作為對超過刷毛尖傳播的超聲波的潛在阻礙。某些采用超聲波技術的早期牙刷試圖使超聲波從刷毛的基部通過刷毛自身或者通過填充在刷毛間空隙中的發(fā)泡(bubbly)的牙齒流體傳播。例如Bock的US5138733、5247716、5369831和5546624。因為傳統(tǒng)的牙刷刷毛和發(fā)泡的牙齒流體不能滿足超聲波的有效傳播，而不是便于超聲波的傳播。而且，現(xiàn)有技術牙刷中的超聲系統(tǒng)不能利用牙齒流體中特定發(fā)泡結構的優(yōu)點。
現(xiàn)有技術概要Parisi的US3335443披露了一種連接至能夠以高聲或者超聲頻率震動的超聲振動手持齒科用具的牙刷。
以US專利No.Re28,752再頒的Balamuth等的US3809977披露了一種可以單獨或者結合使用的超聲波套裝、超聲波電機構造和超聲波轉(zhuǎn)換器設計。超聲波電機可以是具有可移動尖端并裝在一個殼體內(nèi)的壓電材料，所述殼體具有電觸點部件，用于插入到與轉(zhuǎn)換器連接的適配器內(nèi)。
Kuris等的US3828770中披露了一種利用在施用器處以聲頻重復的超聲機械振動脈沖群來在使用過程中產(chǎn)生超聲波和聲波振動作而清潔牙齒的方法。
Balamuth等的US3840932和3941424披露了一種超聲波牙刷施用器，其構造用于被超聲波振動以從一端向位于另一端的刷毛元件傳遞機械振動。
Andress的US4071956中披露了一種不是牙刷的設備，用于通過超聲波振動除去牙斑。
Kuris的US4192035披露了一種設備，包括具有一對接觸表面的壓電材料形成的長條形構件，具有用于容納在人嘴中的刷子構件。裝在把手中的殼體用于容納壓電構件。
Kuris的US4333197披露了一種超聲波牙刷，它包括中空殼體狀的長條形把手構件，其中設置低壓線圈和被以超聲頻率驅(qū)動的配套的鐵芯。刷子構件固定在芯上，并粘接在一個阻抗轉(zhuǎn)移裝置上，所述阻抗轉(zhuǎn)移裝置粘接在芯材料上。阻抗轉(zhuǎn)移裝置確保將超聲波能量最大程度地從芯材料轉(zhuǎn)移到刷子上。
Suroff的US4991249和5150492披露了一種超聲波牙刷，具有可更換的牙刷構件，該構件可移動地連接至超聲功率構件。
Bock的US5138733中披露了一種具有把手、電池組、電子驅(qū)動模塊、壓電構件和可移動的刷頭的超聲波牙刷。壓電晶體與電子驅(qū)動模塊所提供的頻率相一致地共振、體積膨脹和收縮，由此將電能轉(zhuǎn)換為聲波能量。
Bock的US5247716披露了一種用于超聲波牙刷的可移動的刷頭，它具有多個刷毛簇、柔軟材料構成的基本管狀的主體、以及將刷頭固定在超聲波設備上的繃緊部件，用于有效地從該設備通過刷頭傳遞超聲波頻率振動。
Center的US5311632披露了一種用于從牙齒上除去斑點的設備，包括具有粗的圓柱狀中空把手的牙刷，所述把手容納(1)電機，可以被促動以使偏心安裝的構件旋轉(zhuǎn)和整個設備振動，以及(2)超聲波換能器，可以被促動以沿著刷子產(chǎn)生高頻聲波。
Bock的US5369831中披露了一種用于超聲波牙刷的可移動的刷頭。
Bock的US5546624中披露了一種超聲波牙刷，包括剛性材料構成的把手、電池組、電子驅(qū)動模塊、壓電構件和可移動的刷頭的超聲波牙刷。壓電晶體與電子驅(qū)動模塊所提供的頻率相一致地共振、體積膨脹和收縮，由此將電能轉(zhuǎn)換為聲波能量。
Williams等的US6203320披露了一種電操作的牙刷和清潔牙齒的方法。該牙刷包括把手、與把手連接并具有多個中空細絲刷毛的刷頭、通過把手和刷頭的用于向中空細絲刷毛內(nèi)并通過它們運送流體的通路、把手中的電源、以及用于向被運送的流體施加脈動的振動元件。
Takahata等的US專利公開No.2003/0079305披露了一種電動牙刷，其中刷體同時振動和往復運動。電動牙刷包括殼體主體、在殼體主體上延伸的臂、設置在臂的頂端中的刷體、以及設置在臂的頂端內(nèi)的用于驅(qū)動刷體的超聲波電機。
對Murayama的US5343883再頒的US專利號RE35712的電子設備(也就是flosser)用于從鄰間表面除去斑點。該設備采用聲音能量和固定在與有動力的把手可移動地連接的柔軟叉的兩個齒之間的牙線。該電子設備以聲頻轉(zhuǎn)動，以產(chǎn)生傳遞給柔軟叉的聲音能量。
Mosch等的US6619957披露了一種超聲波牙刮器，包括牙刮器頂端、促動器材料、線圈、機頭殼體、以及氣動的電流發(fā)生器。促動器材料、線圈和氣動的電流發(fā)生器都容納在機頭殼體中。
Sharp的US6190167中披露了一種超聲波牙刮器，帶有一個具有共振頻率的牙刮器插入物。牙刮器插入物可移動地連接至機頭，所述機頭具有連接至可選擇地可調(diào)振蕩器電路的供能線圈，以產(chǎn)生具有用于振動牙刮器的振蕩頻率的控制信號。
Martin的US4731019披露了一種齒科器具，用于通過超聲波操作刮牙。該齒科器具的器具具有帶圓錐狀尖頭的鉤狀結構的遠端，并包括研磨顆粒，通常是金剛石顆粒。
Suroff的US5150492披露了一種超聲波牙刷，具有可更換的超聲波工具，它可以可移動地安裝至容納在牙刷把手中的超聲波功率部件。
Giuliani的US5378153披露了一種口腔衛(wèi)生設備，具有主體部分和延伸的共振臂。該設備在其主體內(nèi)采用一個電磁體，它與兩個永磁體配合作用以關于扭轉(zhuǎn)銷產(chǎn)生振蕩作用。該臂被驅(qū)動，使得刷毛尖在振幅和頻率范圍內(nèi)操作以產(chǎn)生大于1.5米/秒的刷毛尖速度，來實現(xiàn)超過刷毛尖的清潔。
因此該領域需要一種牙刷設計，它能改進在牙齒和牙床之間、在牙齒之間的接觸點處、以及超過了刷毛的直接作用范圍的牙齒清潔性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了實現(xiàn)這些和其他相關的需求，提供一種牙刷，包括電動和手動的牙刷，它采用聲波導，可以單獨使用或者與超聲波換能器和/或聲元件相結合，以實現(xiàn)更好的除去斑點和污物，以及更好的用戶體驗。因此在一些實施方案中，本發(fā)明提供一種電動牙刷，具有一個或者多個能夠傳播并且可能將超聲波換能器傳遞的聲波會聚到牙齒流體中的聲波導，由此引發(fā)微泡空化，并且另外或者替換地引發(fā)聲流動，因此在從牙齒表面和牙鄰間松動和除去牙斑方面獲得改進。當與聲元件結合使用的時候，可以另外的或者替換地使聲波導振動，從而聲波導有助于在聲波導和/或牙刷頭刷毛尖到達范圍之外增強口腔內(nèi)的流體流，以及在牙齒流體中形成微泡。當與聲元件結合使用的時候，聲波導所產(chǎn)生的增強的發(fā)泡流體流可以另外的或者替換地與聲波導傳遞的超聲波協(xié)同工作，以進一步便于在聲波導和/或牙刷頭刷毛尖到達范圍之外除去斑點和污物。
在本發(fā)明的實施方案中，在牙刷頭處、在聲波導的基部和可操作的近距離處采用超聲波換能器，或者是通過聲音傳遞管道(由金屬、凝膠或流體制成)從牙刷把手內(nèi)與牙刷頭機械連接。在任何一個實施方案中，超聲波換能器向聲波導傳遞超聲波，后者將那些超聲波傳播到牙齒流體中，從而超聲波可以有效導致牙齒流體中的微泡的空化，或者或是另外導致聲流動。在一些實施方案中，本發(fā)明的牙刷也可以包括一個或者多個牙刷刷毛，它們有助于在牙齒流體中產(chǎn)生微泡。超聲波導致這些微泡的空化，從而導致此處披露的牙刷的除牙斑和污物的性能的改進。
本發(fā)明的另外的實施方案提供一種電動牙刷，具有超聲波換能器和聲波導，并進一步與在可聽見的頻率之內(nèi)操作的聲元件結合，以機械地移動刷頭，包括刷毛和聲波導，以增加牙齒流體的流速和強度，從而有助于微泡的產(chǎn)生。聲波導和它所傳遞的超聲波以協(xié)同的方式作用，通過增加可以用于活化的微泡的瞬時空間分布、以及通過增加由于聲波導的聲音動作的超聲波分布，以在牙齒流體中產(chǎn)生洗滌發(fā)泡射流。聲波導和超聲波也協(xié)同作用，以通過分別有助于發(fā)泡流體加速從而產(chǎn)生發(fā)泡射流，其中聲波導是通過直接推動流體，超聲波是通過引發(fā)聲流動。


通過參照一下詳細說明同時結合附圖將更好地理解并且更容易了解本發(fā)明的前面各個方面和許多附屬優(yōu)點，其中圖1為一示意圖，畫出了本發(fā)明的一示例性電動牙刷；圖2A為一示意圖，畫出了與在圖1中所示的實施方案類似的示例性電動牙刷頭的剖視圖，顯示出一把手、刷毛、一超聲波換能器以及其形狀大體上類似于矩形實體的聲波導；圖2B為一示意圖，畫出了在圖2A中所示的示例性牙刷頭的有限元模型模擬幾何形狀(這里沒有顯示出刷毛)；圖2C為一示意圖，畫出了在1.2ms后脈沖處的模擬超聲波場，其中這些超聲波主要保持在聲波導中；圖2D為一示意圖，畫出了在2.0ms后脈沖處的模擬超聲波場，其中這些超聲波已經(jīng)基本上離開聲波導；圖3A為一示意圖，畫出了如在圖2A中所示的牙刷頭的有限元模擬幾何形狀，其中該示例性聲波導器具有一錐形輪廓；圖3B為在圖3A中所示的錐形波導器的透視圖；圖3C為緊接著在超聲波傳輸之后繪制出的模擬波場的側(cè)視圖，顯示出在聲波導內(nèi)的傳播；圖3D為在超聲波傳輸之后的隨后時間處繪制出的模擬波場的側(cè)視圖，顯示出聲波導器超聲波波陣面(wave front)傳播進流體乳液；圖3E為在與圖3C相同的模擬時刻處繪制出的模擬波場的端視圖；圖3F為在與圖3D相同的模擬時刻處繪制出的模擬波場的端視圖；圖4A為另一個示例性聲波導器的有限元模型模擬幾何形狀，其中波導器頂端是彎曲的；圖4B為在圖4A中所示的波導器的透視圖，其中在彎曲虛線之外的部分被去除；圖4C為緊接著在超聲波傳輸之后繪制出的模擬波場，顯示出在聲波導器內(nèi)的傳播；圖4D為在超聲波傳輸之后的隨后時間繪制出的波場，顯示出超聲波波陣面聚集在聲波導器的頂端之外并且那個超聲波波陣面?zhèn)鞑Я黧w乳液中；圖5A-5D為由具有和沒有波導器的超聲波牙刷的超聲波圖像；圖5A為一組合Doppler(在方框內(nèi))和B模式(在方框外)圖像，畫出了在沒有聲波導器并且沒有刷毛頂端(刷毛頂端(BT))和位于刷毛底部處的刷毛板(BP)運動的情況下由超聲波牙刷引起的流體流；圖5B為一組合Doppler和B模式圖像，畫出了在沒有聲波導器但是存在刷毛頂端運動(MB)的情況下由超聲波牙刷引起的流體流，并且闡明了在刷毛之外沒有任何可測量的流體流(FF)；圖5C為一B模式超聲波圖像，畫出了由具有聲波導器的超聲波牙刷引起的流體流，其中通過聲學部件使波導器振動，并且顯示出振動的聲波導器產(chǎn)生出運動離開牙刷頭的起泡流體射流；圖5D為對于圖5C所述的所述超聲波牙刷的Doppler和B模式超聲波圖像，還顯示出明顯的流體流(FF)和形成在刷毛頂端之外的氣泡(B)；圖6為一曲線圖，比較了在一壓板的頂端處相對于在聚焦透鏡聲波導器處的測量出的聲壓水平；圖7為一曲線圖，顯示出傳送穿過牙齒流體/氣泡乳液的超聲波吸收對頻率；圖8為一曲線圖，顯示出通過由與穩(wěn)定振蕩的氣泡相關的聲微流動引起的剪切應力所破壞的懸浮紅細胞百分比。該插圖畫出了設置在懸浮紅細胞的管瓶內(nèi)的在其中央具有空氣的薄中空導線；圖9A-H畫出了用在本發(fā)明的牙刷頭中的各種示例性聲波導器的幾何形狀；并且圖10為數(shù)據(jù)柱狀圖，說明了根據(jù)本發(fā)明的牙刷的安全性。
具體實施例方式
本發(fā)明基于了以下發(fā)現(xiàn)，采用聲波導器的牙刷單獨或者與超聲波換能器和/或聲學部件結合與現(xiàn)有的電動牙刷技術相比產(chǎn)生出改進的清潔性能。認為根據(jù)本發(fā)明的牙刷可能包括下面所述的多根傳統(tǒng)刷毛。如在這里所詳細描述的一樣，根據(jù)本發(fā)明的牙刷能夠(1)通過聲波導的運動包括聲波運動并且通過波導器和/或一個或多個牙刷刷毛形成氣泡而增大發(fā)泡流體流；(2)傳送由超聲波換能器產(chǎn)生出的聚集超聲波并且通過聲波導器將那些波傳播進牙齒流體以實現(xiàn)改善斑點破壞和去除；和/或(3)便于發(fā)泡流體流和傳輸超聲波以在牙齒流體內(nèi)在刷毛處和之外最佳地并且最大地相互作用(例如在離刷毛頂端大約0.5mm和大約5mm之間，更通常在離刷毛頂端大約1mm和大約3mm之間)。
因此，在某些實施方案內(nèi)，本發(fā)明提供了包括手動牙刷和電動牙刷在內(nèi)的牙刷，它包括一聲波導器。在本發(fā)明的某些實施方案中，提供了這樣的牙刷，它包括與超聲波換能器結合的聲波導器，由于用帶刷毛的牙刷頭進行刷洗和/或由聲學部件作用在其上的聲波導器的運動，它們一起作用在牙齒流體內(nèi)的微觀發(fā)泡流上，從而在牙齒流體內(nèi)產(chǎn)生出空穴、微流動和聲流動。因此，本發(fā)明的其它實施方案提供了這樣的牙刷，它包括與超聲波部件結合并且進一步與聲學部件結合的聲波導器。該聲學部件與由合適的材料構成的聲波導器結合和/或與一個或多個牙刷刷毛結合，另外能夠產(chǎn)生出令人滿意的口腔感覺，從而刺激并且作用齒齦和其它牙齒組織，這另外促進提高牙齒清潔感受。
所有美國和外國專利和專利申請以及所有其它參考文獻，不論是在下或在上引用的，其全文在這里被引用作為參考。
控制本發(fā)明牙刷技術的操作的定義和參數(shù)如在這里所使用的一樣，術語“超聲波”或“超聲”指的是其頻率比人耳的聽覺范圍更高以及在其之外的聲音-通常高于大約20kHz。通常，在本發(fā)明牙刷中所采用的超聲波換能器轉(zhuǎn)換其超聲波頻率在以下范圍內(nèi)的聲音在大約20kHz至大約1000kHz范圍內(nèi)、在大約20kHz至大約2000kHz范圍內(nèi)、在大約20kHz至大約5000kHz范圍內(nèi)或者在大約20kHz至大約10MHz范圍內(nèi)但是不大于大約20MHz的；更典型的是，從大約100kHz到大約750kHz，并且仍然更典型的是，從大約250kHz到大約750kHz。術語“聲的”指的是在人耳的聽覺范圍內(nèi)的頻率的聲音，大約為20kHz，例如在20Hz至20kHz。
如在這里所使用的一樣，術語“空化”指的是通過聲音產(chǎn)生和/或激發(fā)氣泡。更具體地說，術語“空化”在這里用來指代在受聲波作用的介質(zhì)中在液體和在氣體夾雜物(例如微泡)內(nèi)超聲波場之間的相互作用?！爱a(chǎn)生”是指形成氣泡；“激發(fā)”是指導致氣泡動態(tài)活化的作用，也就是移動、變大或者變小、生長、消失、圍繞著氣泡的流體中和其周圍以及在氣泡內(nèi)的氣體中的有所相關的機械和/或化學效果。
現(xiàn)有微泡的空化按照第一種近似方法可以分成兩種——“穩(wěn)定空化”和“慣性空化”?！胺€(wěn)定空化”是通過低強度超聲波能量引發(fā)原先存在的微泡的穩(wěn)定低幅度的共振振蕩，它會在微泡附近的流體流內(nèi)產(chǎn)生局部剪切力(以下稱之為聲微流動(acoustic microstreaming))。隨著超聲波強度的提高，振蕩的幅度也加大，直到氣泡變得不穩(wěn)定，并因為大量涌入的流體的慣性而破裂，稱之為“慣性空化”。
在一個劇烈破裂的氣泡(本發(fā)明所需要的更活化的一個)內(nèi)所導致的極端壓力和溫度可足以因為所含有的水汽的水解而引發(fā)自由基的產(chǎn)生。如果在流體/固體界面(例如牙齒表面)附近處發(fā)生氣泡破裂，在介質(zhì)和高速流體射流中的剪切力直接指向固體結構也就是牙齒和牙齦。在本發(fā)明的說明中，空化作用包括由于刷毛在穩(wěn)定空化中的作用而在牙齒流體中早已存在的微泡的超聲波誘導激發(fā)，它通過由與微流動相關的剪切力所導致的洗刷作用，從牙齒表面和鄰間表面移動或者松動斑點和其他碎屑。另一種效果可以是遠離換能器產(chǎn)生相干的流體流，稱之為聲流動，它的強度因為超聲波和微泡的相互作用而增強。通常，因為本發(fā)明的超聲波換能器而發(fā)生空化的微泡的直徑在大約1μm至大約150μm。
氣泡具有與氣泡半徑反比變化的第一共振頻率，并也強烈地依賴于其他因素，例如氣體含量和表面張力。通常例如牙齒流體內(nèi)的直徑在大約1μm至大約150μm的氣泡會在利用在20kHz至3MHz范圍內(nèi)操作的超聲波換能器在那些氣泡上施加超聲波的時候共振。更具體地說，牙齒流體內(nèi)的直徑在大約1μm至大約100μm的氣泡會在利用在30kHz至3MHz范圍內(nèi)操作的超聲波換能器在那些氣泡上施加超聲波的時候共振。更進一步具體的說，牙齒流體內(nèi)的直徑在大約4.3μm至大約33μm的氣泡會在利用在100kHz至750kHz范圍內(nèi)操作的超聲波換能器在那些氣泡上施加超聲波的時候共振。再進一步具體地說，牙齒流體內(nèi)的直徑在大約5μm至大約30μm的氣泡會在利用在100kHz至600kHz范圍內(nèi)操作的超聲波換能器在那些氣泡上施加超聲波的時候共振。再進一步地，牙齒流體內(nèi)的直徑在大約6.5μm至大約22μm的氣泡會在利用在150kHz至500kHz范圍內(nèi)操作的超聲波換能器在那些氣泡上施加超聲波的時候共振。在此處提出的一個示例性實施方案中，牙齒流體內(nèi)的直徑在大約12μm至大約26μm的氣泡會在利用在250kHz至500kHz范圍內(nèi)操作的超聲波換能器在那些氣泡上施加超聲波的時候共振。不論所施加的超聲波頻率是否與氣泡的共振頻率不同，低級的超聲波會誘發(fā)氣泡體積中的暫時變化，可以在一個聲音循環(huán)中也可以經(jīng)過起初小而且是正弦的多個聲音循環(huán)。因此“穩(wěn)定空化”是指那些氣泡中的簡單體積變化，其中周圍流體中的除了慣性之外或者代替慣性的因素支配氣泡的行為。并且不論所施加的超聲波頻率是否與氣泡的共振頻率不同，那些所誘發(fā)的氣泡體積的暫時變化會在氣泡附近的流體內(nèi)產(chǎn)生運動，這種運動的機械效應可以除去斑點。
由于幾何性質(zhì)和阻抗矢配，空化氣泡散開并發(fā)出聲音。發(fā)生穩(wěn)定空化的氣泡的壓縮和變稀疏會主要在用于低級聲音的所施加的信號頻率處導致聲音的發(fā)出。當氣泡朝著它們的共振頻率(可以僅在幾個循環(huán)內(nèi)發(fā)生)生長時或者當所施加的聲場增加時，氣泡內(nèi)的體積變化在一個聲音循環(huán)內(nèi)發(fā)展為更復雜的時間函數(shù)，聲音的發(fā)出也是這樣，而不管那些變化是否保持徑向?qū)ΨQ。作為生長的氣泡幅度的函數(shù)，那些發(fā)聲首先包括所施加的信號(F0)的超諧波(2F0，3F0等)(以及F0自身的發(fā)聲)。最后，一個一次穩(wěn)定振蕩的氣泡可以猛烈的破裂和/或變得不對稱，在更大的頻率范圍中超諧波發(fā)射以及寬帶發(fā)聲(即F0的非積分值)的幅度有相應的增加，包括所施加信號的多個超諧波的最后發(fā)聲(例如(1/2F0))。通過檢測這些發(fā)射，例如通過水聽器，可以遠程訪問在聲穿透材料中的空化活化水平，并且與空化有關的各種機械和化學效應相關，例如此處所示的斑點去除。參見Chang等的IEEETransactions on Ultrasonics，F(xiàn)erroelectrics，and Frequency Control48(1)161-170(2001)；Poliachik等的Ultrasound in Medicine andBiology 27(11)1567-1576(2001)；Leighton，UltrasonicsSonochemistry 2(2)S123-S136(1995)；以及Roy等的J.Acoust.Soc.Am 87(6)2451v-2458(1990)。例如，當根據(jù)所施加信號的幅度劃分時，可以期待超諧波的標準化幅度隨著氣泡活性的增長而增長，并且斑點的去除會相應增長。另外，可以期待在氣泡介質(zhì)的輻射光譜帶(從(1/2)F0至10F0)上的積分隨著氣泡活性的增加而增加，并且斑點的去除會相應增長。
如此處使用的，“微流動”和“聲微流動”是指因為超聲波場內(nèi)的機械壓力變化對微泡的作用而發(fā)生的微泡附近的流體的運動。在本發(fā)明的說明中，與“微流動”和“聲微流動”有密切關系的是與牙齒流體內(nèi)的空化微泡有關的剪切力，它沿著牙齦和牙齒的表面并在牙鄰間和牙齦下分布。這些剪切力會除去在這些表面上的斑點和/或污物。
用于“聲微流動”的控制超聲波參數(shù)包括(1)載體頻率(也就是單個超聲波的頻率)通常在大約20kHz以上。更具體的說，載體頻率在大約30kHz至大約3MHz；更具體的，載體頻率在大約100kHz至大約750kHz；更具體的，載體頻率在大約100kHz至大約600kHzz；更具體的，載體頻率在大約150kHz至大約500kHz；進一步更具體的，載體頻率在大約250kHz至大約500kHz?？梢岳斫猓d體頻率的實際值會依賴于可得到的氣泡總數(shù)和所采用的超聲波換能器的規(guī)模；(2)“脈沖重復頻率”(PRF)，也就是單個的超聲波的包或者脈沖群的頻率，通常但不限于從大約1Hz至大約10000Hz的范圍；更具體的說，在從大約10Hz至大約1000Hz的范圍；更具體的說，從大約50Hz至大約250Hz的范圍；可以理解，PRF的實際值是聲音頻率(也就是本發(fā)明的牙刷的聲元件所驅(qū)動的刷毛和/或聲波導的運動頻率)的小的多倍(通常是兩倍或者更多，更典型的是四倍或者更多)；以及(3)在超聲波的包或者脈沖群內(nèi)的單個超聲波的數(shù)量通常在大約1至大約5000之間；典型的在大約5至大約1000之間；更典型的在大約5至大約100之間。對于聲微流動，短的脈沖群和低的PRF是適合的。PRF和脈沖持續(xù)時間的乘積產(chǎn)生工作循環(huán)(也就是超聲波打開時間的百分比)。通常工作循環(huán)在大約1％至大約10％。
如此處使用的，“聲流動”指因為超聲波束的衰減而使動量從聲波轉(zhuǎn)移至流體所產(chǎn)生的流體的松散(bulk)的或相干的流動。傳播到流體內(nèi)的超聲波不論有沒有氣泡，可以產(chǎn)生“聲流動”，它在尺寸和程度方面可以是非常顯著的，甚至在流體內(nèi)有氣泡時比沒有氣泡更大。與激發(fā)氣泡所需要的頻率相比，聲流動通常需要更高的頻率(頻率越高，聲流動越大)。
聲流動速度v與流體的幅度吸收系數(shù)α(它自身與在線性聲音傳播條件下的超聲波頻率成正比，并更強烈地依賴于在非線性聲音傳播條件下的頻率)成正比，并與其動力學粘度υ成反比v＝(αl2I/cυ)(G)其中I是超聲波束的強度，l是超聲波束的直徑，c是聲音的速度，G是取決于聲音束大小的幾何因子。Zauhar等，British J.Of Radiology71297-302(1998)。
用于“聲流動”的控制超聲波參數(shù)包括(1)載體頻率通常大于20kHz；更具體的說，在大約500kHz至大約5000kHz或更高，以增強聲音吸收；(2)“脈沖重復頻率”(PRF)通常但不限于大約1Hz至大約10000Hz；更具體的說，在大約10Hz至大約10000Hz；更具體的說，再大約100Hz至大約10000Hz；再具體的，在大約1000Hz至大約10000Hz；以及(3)在超聲波的包或者脈沖內(nèi)的單個超聲波的數(shù)量通常在大約1至大約5000之間；典型的在大約5至大約100之間。為了增強“聲流動”，更長的工作循環(huán)(占空度)通常是例如至少大約10％；更典型的是大約25％至大約100％，再典型的是大約50％或者大約75％至大約100％。此處舉出了更長的脈沖群，例如在大約1MHz的頻率處在PRF為至少1000Hz的情況下大于大約100個波。但是很明顯，本發(fā)明的牙刷中可以適當?shù)夭捎貌煌拿}沖長度、頻率和PRF值。
如此處所使用的，“機械指數(shù)”是指經(jīng)過所施加的聲音壓力的一個循環(huán)的預先存在的氣泡的空化的開始的量度。參見Holland等人的IEEE Transactions on Ultrasonics，F(xiàn)erroelectrics，and FrequencyControl 36(2)204-208(1989)；以及Apfel等人的Ultrasound Med.Biol.17(2)179-185(1991)。這種量度與峰值負壓(MPa)幅度成正比，并與所施加的聲音的頻率(MHz)的平方根成反比。當機械指數(shù)值超過1.9的時候，超聲波可以產(chǎn)生慣性空化，是空化的最有機械活性的一種類型，并超出了除去斑點所需要的量?？刂萍俣ㄒ笞顑?yōu)尺寸的氣泡等溫生長，忽略擴散到氣泡中的氣體，并且圍繞氣泡的流體是不可壓縮的。這些假定產(chǎn)生了最具活性的氣泡破裂，使得機械指數(shù)是慣性空化開始的一個保守量度。
經(jīng)驗證據(jù)顯示，利用低至0.1的機械指數(shù)可以實現(xiàn)斑點的去除。但是理論考慮建議，可以利用低至0.01的機械指數(shù)來實現(xiàn)斑點減少。參見Krasovitski等人的IEEE Transactions on Ultrasonics，F(xiàn)erroelectrics，and Frequency Control 51(8)973-979(2004)。例如與懸浮在水中并且受到430kHz頻率的超聲波和10000Pa的壓力幅度(例如機械指數(shù)大致是0.01)的氣泡有關的聲微流動所產(chǎn)生的壁上的剪切應力被預測為大致是5Pa，它足以通過斑點上的穩(wěn)流而除去斑點。參見Stoodley等人的J.Industrial Microbiology & Biotechnology29361-367(2002)。本發(fā)明的牙刷所得出的機械指數(shù)通常是在大約0.001至大約1000的范圍內(nèi)。更典型的是，機械指數(shù)是在大約0.001至大約100的范圍內(nèi)，再典型的是在大約0.002至大約20的范圍內(nèi)，進一步典型的是在大約0.01至大約5的范圍內(nèi)，或者是在大約0.01至大約1.9的范圍內(nèi)。
如此處使用的，“微泡”是指在口腔內(nèi)例如在牙齒流體內(nèi)或者斑點內(nèi)存在的微小氣泡?！拔⑴荨笨梢栽诹黧w內(nèi)生長，例如通過引入適當?shù)难栏?；可以通過牙刷通過手動刷牙而產(chǎn)生；和/或可以通過刷毛結合目前披露的某些電動牙刷的聲元件的來產(chǎn)生。“微泡”通過超聲波換能器所傳遞并由聲波導傳播的超聲波信號而作用。根據(jù)該微泡直徑，“微泡”在特定頻率處或者其附近共振。
示例性牙刷圖1顯示了本發(fā)明的示例性牙刷10。牙刷10包括剛性或者半剛性材料構成的把手15，它通常容納可更換電池12，所述電池優(yōu)選用于給包括超聲波模塊驅(qū)動電路14的電路感應充電；聲元件16，包括電機，優(yōu)選是DC電機，用于以聲頻驅(qū)動牙刷頭20；以及計時器和電機控制單元18。適當?shù)碾姍C、超聲波驅(qū)動電路、可更換電池、以及計時器和電機控制單元如該領域所知。
把手15與牙刷頭20連接，包括桿部21，還包括超聲波換能器22和可在超聲波換能器附近操作的聲波導24。在圖1所示的牙刷實施方案中，顯示了一個在超聲波換能器22后面并且圍繞其每一側(cè)延伸的泡沫元件28。可以理解，泡沫元件28至少將部分超聲波向前反射穿過聲波導24并進入牙齒流體。牙刷頭20可以可移動地或者固定地連接至把手15。通常，牙刷頭20包括靠近聲波導24設置的多個刷毛簇26。牙刷頭20可以任選包括阻抗匹配層29。如下所述，阻抗匹配層29改善了設備的效率。
在所披露的實施方案中，超聲波模塊驅(qū)動電路14提供的交流驅(qū)動超聲波換能器22，從而換能器22主要沿著一個軸在與超聲波模塊驅(qū)動電路14所提供的頻率共振處或者接近共振處而膨脹和收縮，由此將電能轉(zhuǎn)換為超聲波能量。所得到的超聲波被引導至聲波導24內(nèi)，并由其傳播、聚集和輻射出去。聚集的超聲波能量作用在牙齒流體(通常是唾液和牙膏，圖中未顯示)內(nèi)的微泡上，以誘發(fā)空化，由此使沉積在牙齒和牙鄰間區(qū)域上的斑點松動。
超聲波換能器如上所述，本發(fā)明某些實施方案提供一種牙刷10，它采用超聲波換能器22來產(chǎn)生超聲波能量，并與聲波導24結合以有效地將該超聲波能量傳導到牙齒流體中。微泡不論是利用手動牙刷通過傳統(tǒng)手動刷牙動作而存在于牙齒流體內(nèi)和/或通過驅(qū)動牙刷刷毛26的運動的聲元件16和/或在音速的聲波導24來形成(見下文)，它都被通過超聲波能量誘發(fā)空化而被激發(fā)，以實現(xiàn)能有效地在距離牙刷頭的有限距離處從牙齒表面和牙鄰間區(qū)域松動和除去斑點。
如果沒有本發(fā)明的超聲波換能器22，微泡只是牙齒流體內(nèi)的簡單的被動的孔。此處披露的超聲波換能器22導致這些微泡脈動，由此圍繞單個氣泡產(chǎn)生局部流體運動。這種效果在此被稱之為“微流動”，并且與超聲波空化效果相結合，實現(xiàn)了足以分解斑點的剪切應力。通常，本發(fā)明的超聲波換能器22所誘發(fā)的微流動實現(xiàn)的剪切應力在大約0.1Pa至大約1000Pa之間。更通常的是，微流動實現(xiàn)的剪切應力在大約0.2Pa至大約500Pa之間。進一步通常的是，剪切應力在大約0.3Pa至大約150Pa之間。最通常的是，剪切應力在大約1Pa至大約30Pa之間。
超聲波換能器22的另一個效果是在牙齒流體內(nèi)沿著朝向牙齒和牙鄰間和牙齦下空間的方向沉積動量，由此提高牙齒流體的速度和相干性。這種松散的流體流過程被稱之為聲流動(acoustic streaming)。
不論是通過產(chǎn)生聲微流動和/或聲流動，相關的剪切和壓力發(fā)揮作用，按照超過單獨的牙刷毛26所能做到的方式和程度侵蝕和去除斑點。尤其是，通過從超聲波換能器22通過聲波導24將超聲波傳導至刷毛頂端26附近和之外的牙齒流體內(nèi)，便于實現(xiàn)這些超聲波效果。
適合用于本發(fā)明的超聲波牙刷10的超聲波換能器22容易從現(xiàn)有技術中獲得(例如US5938612和US6500121，每一篇專利在此以全文引入作為參考)，并且最通常的是，可以通過壓電或者磁致伸縮效果來操作。磁致伸縮換能器例如可以產(chǎn)生20-40kHz范圍內(nèi)的高強度超聲波?；蛘呖梢酝ㄟ^向例如鋯鈦酸鉛(PdZrTi或者PZT)的壓電材料的薄晶片施加電子振蕩器輸出，可以產(chǎn)生超聲波。有各種壓電PZT陶瓷共混物可以用于制造能夠用于本發(fā)明的牙刷的超聲波換能器。也可以使用其他換能器材料例如壓電聚合物，如單層或者多層聚偏二氟乙烯(PVDF)，或者晶體壓電材料，例如鈮酸鋰(LiNbO3)，石英，以及鈦酸鋇。超聲波換能器可以是平的或者彎曲的(例如圓錐截面)，以聚集超聲波。
除了壓電材料之外，電容性的微加工的超聲波換能器(cMUT)材料或者靜電聚合物發(fā)泡體也是適合的?？梢栽诶鐝较?、縱向、剪切等各種振動模式中使用多種這些材料，以產(chǎn)生聲波。另外，單晶壓電材料，例如Pb(Mg1/3Nb1/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)等，也可以用于減少如振幅數(shù)量級那么多的電壓/傳輸水平比例。
除了換能器材料外，一個或者多個阻抗匹配層29(通常設計為四分之一波長匹配層)可以有助于在從通用的高阻抗換能器材料向較低阻抗的聲音波導材料中傳輸?shù)臅r候改善效率和帶寬。通常，選擇匹配材料，其厚度將能支撐理想頻率的四分之一波，并且在要匹配的兩個阻抗內(nèi)選擇最佳的聲音阻抗。適當?shù)牟牧峡梢园ㄈ缦虏牧?，例如環(huán)氧樹脂和金屬顆粒復合物、石墨、或者本領域技術人員已知并可以獲得的其他候選材料基質(zhì)。
聲波導如上所示，本發(fā)明的一個方面基于這樣一種觀察，即與超聲波換能器可操作地結合使用的聲波導能有效地將超聲波從換能器傳播到牙齒流體中，由此產(chǎn)生和/或?qū)е卵例X流體中存在的微泡的空化。通常，如圖1所示，超聲波換能器22位于牙刷頭20的基部，在聲波導24的可操作附近處，從而超聲波能有效傳播到聲波導24內(nèi)并通過它傳播到牙齒流體(未顯示)內(nèi)。
如上所示，在一些實施方案中，本發(fā)明還提供一種電動牙刷10，包括具有聲波導24的牙刷頭20，其中牙刷頭20可操作地連接至聲元件16，并且其中聲元件16導致聲波導24振動，從而增加了其中浸有聲波導24的牙齒流體內(nèi)的微泡的流動和產(chǎn)生。
在另一些實施方案中，提供一種電動牙刷10，包括在超聲波換能器22的可操作附近處并與聲元件16可操作連接的聲波導24的結合，以通過聯(lián)合增加流體流和微泡的形成，以及空化和聲微流動效果，而進一步改善牙齒清潔性能。此處，通過將超聲波換能器2直接與聲波導24直接連接可以便于可操作的連接，或者將超聲波傳導材料例如阻抗匹配層29設置在超聲波換能器22和聲波導24之間，可以既提高從換能器22至聲波導24的超聲波傳輸效率，或，或者是或另外是有效提高換能器22和聲波導24之間的距離，以例如便于設備的制造過程。
已經(jīng)描述了剛性聲波導，例如鋁或者鈦制成的實心波導或者填充有脫氣水的中空波導，用于將高強度的聚集超聲波(HFU)送入活體組織，用于通過熱誘導進行治療(例如藥物輸送和止血)和/或用于生成慣性空化。例如參見Martin等和Mesiwala等的US專利公開2003/0060736，Ultrasound in Medicine and Biology 28(1)389-400(2002)。
這些用于聲波導的申請說明利用物理構件便于在超聲波換能器面之外傳播超聲波以實現(xiàn)治療效果。本發(fā)明相反，基于這樣一種觀察，聲波導具有柔性構件，通常具有平的輪廓，可以與超聲波換能器結合使用以便于將超聲波傳播到口腔內(nèi)，激發(fā)已有的氣泡以除去斑點，其方式也能最佳的產(chǎn)生發(fā)泡流體射流(由于輪廓的平的方面)并促進令人滿意的口腔感覺。
浸有聲波導24的牙齒流體(圖1)通常是唾液或者牙膏乳劑，由于在每個刷毛簇26內(nèi)和在相鄰的刷毛簇26之間存在大的空氣穴，因此非常容易吸收聲音，并且在不使用聲波導24的情況下，會在波陣面到達牙齒和牙齦之前衰減顯著量的超聲波?？諝饨橘|(zhì)具有非常低的聲音阻抗，它會與通常用于超聲波換能器22內(nèi)的高聲頻阻抗材料具有很大的阻抗失配。這種阻抗失配是從超聲波換能器22向牙齒和牙齦表面?zhèn)鬏斅曇舻囊粋€明顯阻礙。聲波導24通過接收、容納和并向牙齒表面附近的唾液和牙膏乳劑傳送聲音能量，從而作為跨越這種聲頻失配的橋梁，克服了唾液和牙膏乳劑所經(jīng)常會面對的衰減效應。
本發(fā)明以如圖2-5和9A-9H所示的聲波導作為示例提出多種聲波導設計。根據(jù)本發(fā)明的具體實施方案，聲波導24可以單獨使用、與聲元件16結合使用、和/或與超聲波換能器22結合使用。適當?shù)穆暡▽Ф季哂形锢硇砸苿友例X流體和/或有效地便于傳播并可以聚集超聲波換能器22所傳送的超聲波，由此增強流體運動以及所得到的空化和微流動的相關效果。
圖2A顯示了示例性電動牙刷頭120的實施方案，它包括與聲波導124結合的超聲波換能器122。側(cè)視圖顯示了聲波導124，它從超聲波換能器122向牙齒和牙齦(未顯示)運送超聲波能量。聲波導124處于超聲波換能器122的可操作的附近，并靠近和在一個或者多個側(cè)面刷毛簇126的側(cè)面上。在這種示例性設計中，聲波導124由軟的平滑的硅橡膠制成，已經(jīng)知道它具有令人滿意的表面紋理和傳送超聲波的能量，阻抗匹配層129設置在聲波導124和超聲波換能器122之間。
最實質(zhì)性地影響超聲波穿過聲波導的傳送的兩個參數(shù)是(1)制造波導的材料，以及(2)波導的幾何形狀。以下將詳細描述這些參數(shù)。不管所采用的具體的聲波導材料和幾何形狀，本發(fā)明都考慮這種參數(shù)的選擇以實現(xiàn)令人滿意的口腔感覺。因此制造或者模制聲波導的材料優(yōu)選足夠軟，以在放入口內(nèi)和/或直接與口相接觸時討人喜歡。本領域技術人員可以理解，理想地設置具有令人喜歡的紋理的聲波導，以有效地接入、傳導、相干聚集、非相干壓縮以及接出聲能。
對用于制造本發(fā)明的牙刷所使用的聲波導的適當材料的選擇可以由技術人員在考慮以下教導的情況下來實現(xiàn)?？梢允褂酶鞣N絕緣材料，例如二氧化硅(SiO2)，氮化硅(Si3N4)，以及許多聚合物。例如硅樹脂澆鑄/模制的RTV，液體注射模制(LIM)硅樹脂，和/或熱塑性彈性體(TPE)，可以采用注塑模制工藝。聚合物比其他波導材料有優(yōu)勢，因為它們具有相對低的剪切波速度。但是，由于它們的粘彈性，可能必須交聯(lián)以避免過度的聲音損失。交聯(lián)允許引起聲音損耗的聚合物具有平衡的彈性應力，因此代表穩(wěn)定的波導層。
適用于本發(fā)明的聲波導的材料的硬度可以通過肖氏(硬度計)測試或者洛氏硬度測試來確定。這些硬度測試方法是該領域已知和可以獲得的。這些測試測量材料對壓痕的耐受性，并提供經(jīng)驗硬度值。肖氏硬度，可以利用肖氏A或者肖氏D刻度，是用于橡膠/彈性體的優(yōu)選方法，并可以用于“更軟的”塑料，例如聚烯烴、氟代聚合物和乙烯。肖氏A刻度用于“更軟的”橡膠，肖氏D刻度用于“較硬的”材料。肖氏硬度用硬度計測量，因此也被稱之為硬度計硬度。通過將硬度計壓頭穿透到樣品中來確定硬度值。ASTM測試方法名稱是ASTM D2240 00。相關的方法包括ISO 7619，ISO868，DIN53505和JIS K6253。此處每個這種硬度計測試方法的全部內(nèi)容都被引入作為參考。
彈性聲波導的硬度計測量值通常在5-110肖氏A的硬度范圍內(nèi)，更典型的是從10至100肖氏A，進一步典型的是從20至80肖氏A。本領域的技術人員會明白，在與本發(fā)明的電動牙刷結合使用的聲波導中可以采用較硬的材料；但是較硬的材料會提供逐漸不令人滿意的口腔感覺。
本發(fā)明還考慮，可以結合使用一種以上的材料，以形成具有優(yōu)選的硬度和口腔感覺的聲波導。例如，可以在聲波導結構中嵌入或者成層堆積另外的聲音匹配元件，并可以通過一個或者多個匹配層與超聲波換能器可操作地接觸。在一些實施方案中，本發(fā)明的聲波導還在波導頂端設置匹配層，以幫助接入低阻抗牙膏乳劑(例如牙齒流體)。理想的是，在聲波導和周圍的介質(zhì)之間具有明顯的特定聲頻阻抗變化，從而不會因為聲波導的側(cè)面而使波實質(zhì)上接入到周圍的介質(zhì)中。
此處作為示例的是原型換能器組件，具有與PZT超聲波換能器可操作接觸的石墨阻抗匹配層。如圖9A所示，波導組件150A可以包括可以插入到注射模具中石墨芯部分152A或者類似的材料，以及通過注入模制法圍繞著它模制的彈性體外部154A?；蛘?，可以使用多點法(multishot)來產(chǎn)生具有不同聲音和彈性性質(zhì)的材料梯度。如此處所述的，“多點”是指在一個模具中設置幾個塑料點(shot)。例如在如下的聲波導實施方案中可以采用這一工藝，其中第一相對硬的材料層(例如大約肖氏80硬度或更大)在超聲波換能器元件的可操作附近；第二相對軟的材料層(例如在大約肖氏20和肖氏80之間)緊鄰著第一材料層并與其相接觸；以及第三仍然較軟的(例如大約肖氏20硬度或更小)材料層緊鄰著第二材料層并與其相接觸，用于給牙齒非常柔和的感覺。這些示例性聲波導設計可以形成為單獨的工件，或者它們可以與主體硬牙刷材料結合模制。
因此在一些實施方案中，本發(fā)明的聲波導可以包括兩個或者多個塑料/彈性體層。例如可以考慮包括三個、四個、和/或五個塑料/彈性體層的聲波導用于某些應用。這種聲波導還可以包括一個或者多個插入件，用于成型聲音性能和優(yōu)化聲音性質(zhì)。在另一些實施方案中，聲波導可以包括一個或者多個牙刷刷毛，可以與塑料/彈性體和插入層結合模制或者在模制過程之后再連接。牙刷刷毛設計和材料是該領域技術人員已知和可以獲得的。
參考圖9A至9H，技術人員可以理解，聲波導可以形成為多種三維形狀或者幾何形狀的任何一種。例如圖9A顯示了具有彎曲和錐形幾何形狀的波導150A。圖9B顯示了具有會聚和楔性部分152B的替換的波導150B。圖9C顯示了替換的波導150C，其中會聚部分由可以由間隙154C分開的多個較短部分152C構成。圖9D顯示了替換的波導150D，具有子彈形主體152D，帶有小凸起154D用于促進流體流動。圖9E顯示了替換的波導150E，具有帶彎曲端部154E的會聚部分152E?？梢岳斫?，盡管顯示了彎曲端部154E，但是在某些情況下希望更復雜的彎曲端部。圖9F顯示了圓錐狀的替換波導150F。圖9G顯示了雙錐形的替換波導150G。圖9H顯示了具有多個棱錐形部分152H的替換波導150H。以下將討論關于適當選擇波導幾何形狀的設計思考?？梢赃x擇波導的形狀，例如實現(xiàn)聲波的特定壓縮和/或聚集。
在本發(fā)明的一些實施方案中，聲波導能夠?qū)某暡〒Q能器傳送來的超聲波進行聲頻相干聚集。例如可以通過將包括具有已知聲音速度的傳導介質(zhì)的波導頂端彎曲可以實現(xiàn)聲頻相干聚集。或者可以在彎曲的波導的端部中加入具有已知的波速度的超聲波傳導聚合物部分，以在進入可變音速介質(zhì)(例如分散性發(fā)泡介質(zhì))之前接近于完全聚集。在這種實施方案中，可以采用單個曲線來實現(xiàn)單個的聚集，而扇形曲線用于制造多個焦點。
在替換的實施方案中，聲波導能夠?qū)某暡〒Q能器傳送來的超聲波進行聲頻不相干聚集。例如通過傳導的聲音以半相干的方式進入逐漸變小的區(qū)域從而提高強度的圓錐形或楔形，可以實現(xiàn)聲頻不相干聚集。或者可以采用多個圓柱形頂端以提供更高聲強的多個區(qū)域。
不管具體的材料和/或幾何形狀如何，本發(fā)明的聲波導被制造為在牙刷頭上移動的時候產(chǎn)生流體流。例如通過采用延伸進入牙齒流體內(nèi)的柔軟的機械凸起，可以實現(xiàn)所需要的流體運動和超聲波向牙齒流體內(nèi)的傳送。在這種情況下，聲波導的運動可以是并排的或者是旋轉(zhuǎn)的。
當聲波導運動是旋轉(zhuǎn)的時候，該運動通常圍繞著波導的縱軸或者與其相平行，并可以利用楔形或圓錐形、呈十字或者星形圖案的多個楔形或圓錐形、風車狀、和/或呈沒有中心的星形圖案的多個楔形來實現(xiàn)?；蛘呖梢躁P于沿著牙刷頭的軸進行旋轉(zhuǎn)運動，如可以利用楔形或者矩形聲波導來實現(xiàn)。
適當?shù)穆暡▽б部梢圆捎寐菪龢獱顜缀涡螤?，例如標準的螺旋槳設計或者螺旋設計?；蛘呗暡▽Э梢跃哂秀q接的水翼狀，其中它的運動產(chǎn)生流體提升并因此產(chǎn)生流體流。
聲波導也可以被設計為增加傳送至牙齒和牙齦表面的聲能。例如，聲波導可以被設計將傳播的聲能容納和壓縮在一個較小的物理區(qū)域中。如果波導用低聲頻衰減的并且具有適當音速的材料制成，從波導端部送傳送的能量的大小將與傳送到波導內(nèi)的相當，但是可以被壓縮在一個較小的區(qū)域中，并因此具有較高的能量密度和/或聲強。波導頂端運動產(chǎn)生“聲涂料”以廣泛地分配聲能。
除了低衰減之外，波導通常被設計為沿著波導引導聲能，并在其已經(jīng)傳播至波導端部之前將最小量的聲能傳送或“泄漏”到周圍的介質(zhì)中。實現(xiàn)這一目的的一個方法是使用其音速明顯低于周圍流體并在波導的側(cè)面具有緩坡(例如楔形)的材料。波導壁的緩坡使得所傳播的波以低的掠射角接觸波導和流體界面。因為波導中的波長比周圍介質(zhì)的短，因此波將接入低效子諧波模式，其中通過多個波導波長與周圍介質(zhì)波長的比例來確定入射角。這些接入流體性不好的傳送模式不會從波導中抽出大量的能量。
容納、傳送和壓縮聲能的結合能在波導頂端處產(chǎn)生高強度聲場，并改善了聲能傳送的效率。因此，需要較低的電能來產(chǎn)生用于氣泡活化的適當聲強。圖2A-2D(用于矩形波導(124))、圖3A-3F(用于楔形波導124X)、以及圖4A-4D(用于具有彎曲端的楔形波導124Y)顯示了設計用于壓縮聲場的有限的元件模型和模擬結果。圖2A顯示了本發(fā)明的如上所述的牙刷頭120的大體簡化模型。圖2B顯示了用于作為牙刷頭120模型的有限元件模型的對應部分，包括桿部121′、超聲波換能器122′、阻抗匹配層129′和波導124′。圖2C、3C、3E和4C顯示了用于選定波導的在剛剛傳送之后的波場的曲線，顯示了在波導內(nèi)傳播。這些圖證明少量泄漏進入周圍流體中。圖2D、3D、3F和4D顯示了后來在傳送之后的波場曲線，此時超聲波波陣面被壓縮在波導的頂端中，進入流體乳劑的傳送主要來自波導頂端。
除了通過壓縮聲場而增加所傳送的聲強之外，波導可以被設計為將能量相干聚集在波導頂端之外的周圍介質(zhì)中。這是通過對聲波導的端部成型以產(chǎn)生聲透鏡效果來實現(xiàn)的，所述聲透鏡效果會將波從波導聚集在波導之外的更高強度場內(nèi)。可以利用一種或者多種波導材料結合在一起并且成型為產(chǎn)生聚集場來實現(xiàn)這種聚集效果。例如，可以在波導的端部處使用低衰減、較高音速的材料來在波陣面進入較高衰減的牙膏乳劑中之前繼續(xù)傳播和聚集波陣面。通過利用上述的聲場壓縮，利用聚集效果實現(xiàn)的聲強提高改善了設備的效率。因此、最后的設備的尺寸、重量、功率和成本降低，電池壽命延長。
再一些實施方案提供了這樣一種聲波導，它可以被構成為在與聲元件(見下文)結合并且有或者沒有超聲波元件的情況下用于電動牙刷頭的時候具有改善的流體推進性能。
聲元件在某些實施方案中，如上所述，本發(fā)明的牙刷包括與聲波導24和/或超聲波換能器22結合的聲元件16(見圖1)。通常，聲元件16包括電機組件，它產(chǎn)生傳送到牙刷頭內(nèi)的聲音振動，由此導致聲波導24和/或刷毛簇26振動。這種聲音振動在牙齒流體內(nèi)產(chǎn)生發(fā)泡流。例如，通過采用聲元件16，可以使聲波導24利用具有足夠壓力和剪切力的相關流體流朝著牙齒以及牙鄰間和牙齦下空間提升和推動牙齒流體，以侵蝕斑點。本發(fā)明的振動聲波導24能夠以足夠的速度和聚集度移動流體、包括發(fā)泡流體，從而實現(xiàn)在牙刷頭20的刷毛26的幾個毫米之外從牙齒上除去斑點。在本發(fā)明的牙刷中可以適當?shù)夭捎玫碾姍C組件是本領域技術人員已知的并可以獲得的，可以US專利第5978681、6421865、6421866、RE36669號、以及US專利公開2002/0095734、2002/0116775、2002/0124333和2003/0079304中的牙刷頭驅(qū)動機構作為示例。這些美國專利和專利申請的全文在此引入作為參考。
本發(fā)明的牙刷能夠在牙刷刷毛頂端和/或聲波導之外在大約1mm至10mm之間的距離處以大約1cm/秒至大約50cm/秒的范圍產(chǎn)生流體流。更具體的說，本發(fā)明的牙刷能夠在牙刷刷毛頂端和/或聲波導之外在大約1mm至10mm之間的距離處以大約2cm/秒至大約30cm/秒的范圍產(chǎn)生流體流。此處的示例是，牙刷能夠在牙刷刷毛頂端和/或聲波導之外在大約1mm至10mm之間的距離處以大約10cm/秒產(chǎn)生流體流。
本領域技術人員可以認識到，通過在聲波導24上的聲音作用而產(chǎn)生發(fā)泡流體不需要上述的超聲波元件16。但是，超聲波換能器22、聲波導24和聲元件16的結合包括可移動地或者固定的結合的牙刷頭20，并具有把手15，以實現(xiàn)本發(fā)明的最有效的電動牙刷。聲學和超聲波元件的這種結合產(chǎn)生了最令人驚奇的益處，也就是改善了微泡流動性能并且增強了空化和聲微流動。這些物理性質(zhì)提供了本發(fā)明實施方案的優(yōu)異的清潔性。也就是，超聲波和聲元件在結合使用時能實現(xiàn)此處所披露的牙刷設計，產(chǎn)生了明顯由于聲學和超聲波元件單獨的增加效果的協(xié)同清潔效果。例如，聲波導24可以被優(yōu)化以移動發(fā)泡流體，其中的氣泡會便于產(chǎn)生聲流動(由此進一步增強了波導單獨所產(chǎn)生的流體流)以及聲微流動和空化。
潔牙劑的設計和組成在一些相關的實施方案中，提供一種潔牙劑，它特別適用于本發(fā)明的電動印刷。例如，此處提出了這樣一種潔牙劑，它便于產(chǎn)生所需的氣泡總量，此處披露的超聲波換能器22和聲波導24可以作用在其上。
可以分析牙齒流體內(nèi)的天然氣泡總量，分析流體對通過它傳遞的超聲波能量的吸收傾向。吸收性越高，就存在越多相關尺寸的氣泡(由共振公式所啟發(fā)，起初針對純水在37攝氏度進行研究，當然也可以用作對更普遍的條件F0R0＝3.26的近似，其中頻率F0在MHz級，氣泡的半徑R0在微米級)，當然許多偏離共振的氣泡也會產(chǎn)生所需的斑點和污物去除效果。
通常，例如本發(fā)明的潔牙劑便于在牙齒流體內(nèi)形成直徑大約1μm至大約150μm的氣泡，它會在施加20kHz至3MHz的頻率范圍的超聲波的時候共振。更典型的，本發(fā)明的潔牙劑便于在牙齒流體內(nèi)形成直徑大約1μm至大約100μm的氣泡，它會在施加30kHz至3MHz的頻率范圍的超聲波的時候共振。更典型的，本發(fā)明的潔牙劑便于在牙齒流體內(nèi)形成直徑大約5μm至大約30μm的氣泡，它會在施加100kHz至600kHz的頻率范圍的超聲波的時候共振。在此處示例性的潔牙劑中，在牙齒流體內(nèi)形成直徑大約12μm至大約26μm的氣泡，在向這些氣泡利用在250kHz至500kHz的范圍內(nèi)的超聲波換能器施加超聲波的時候共振。
適用于此處所披露的牙刷的潔牙劑包括表面活性劑，所述表面活性劑產(chǎn)生便于產(chǎn)生和穩(wěn)定用于通過超聲波換能器與聲波導相結合進行激發(fā)的適當尺寸的氣泡的表面張力值。通常，在此處披露的潔牙劑中所采用的表面活性劑產(chǎn)生大約0.1Pa至大約500Pa范圍內(nèi)的表面張力，更典型的，在大約0.2Pa至250Pa的范圍內(nèi)，更進一步典型的在大約0.5Pa至大約50Pa。
以下的實施例用于作為此處披露的本發(fā)明的示例，但是不是對本發(fā)明的限制。
實施例實施例1結合的聲波和超聲波牙刷的設計和構成通過用超聲波換能器和聲波導代替市購電動牙刷中的內(nèi)部刷毛簇來形成原型電動牙刷。在這些原型牙刷中采用的超聲波換能器具有在大約150至大約510kHz范圍內(nèi)的顯著功率輸出，它足以激發(fā)形成聲學上顯著的氣泡總量，并且容易因為超聲波換能器所發(fā)出的能量而被共振激發(fā)。在超聲波換能器的可操作附近處在牙刷頭上模制聚合物波導，其位置使超聲波換能器所產(chǎn)生的超聲波被傳播和聚集。
實施例2通過示例性超聲波電動牙刷超聲波成像和去除斑點該實施例披露了對實施例1所述的其中一個原型電動牙刷所收集的超聲波成像和斑點去除。
為了說明采用超聲波換能器與聲波導的結合的電動牙刷的改進性能，對采用和未采用聲波導的原型超聲波牙刷收集Doppler和B模式數(shù)據(jù)。圖5A表示沒有聲波導的超聲波牙刷的超聲波圖像。在刷毛頂端(BT)處和在刷毛底部處的刷毛板(BP)處，Doppler數(shù)據(jù)顯示了流體流(在方框內(nèi))而B模式數(shù)據(jù)顯示了聲音反向散射(在方框外)。圖5B顯示了同樣的超聲波牙刷，其中通過聲元件對移動的刷毛供能。這些數(shù)據(jù)顯示即使刷毛是移動的(MB)，也不能檢測到超過刷毛頂端的流體流(FF)。圖5C顯示了結合有聲波導的原型超聲波牙刷的超聲波B模式圖像。聲元件驅(qū)動聲波導的振動，并產(chǎn)生移動離開牙刷的多泡流體的射流。圖5D顯示了同一個牙刷的Doppler和B模式超聲波圖像數(shù)據(jù)，顯示了超出刷毛的顯著的流體流(FF)和氣泡(B)。
在涂布斑點(鏈球菌突變)的人造牙齒模型系統(tǒng)中測試原型超聲波電動牙刷的斑點去除。通過弄臟一套人造牙齒，然后施加由位于牙刷頭刷毛頂端之外幾毫米的位置處的沒有超聲波的聲波導產(chǎn)生的流體流，測試斑點。在施加了與聲波導相結合的超聲波換能器所產(chǎn)生的流體流之后，減少或者除去了離散的斑點菌落。
也測試在牙刷頭刷毛頂端到達范圍之外的牙齒區(qū)域的人造牙齒模型。在從刷毛頂端之外的幾毫米處施加超聲波能量之前，將斑點染成粉色。在施加超聲波之后減少或者除去了離散的斑點菌落。也減少了斑點的背景膜，留下殘留的粉色，主要是因為染料已經(jīng)溶出到牙齒內(nèi)。在施加由聲波導產(chǎn)生的流體流之后和在從刷毛之外幾毫米處施加超聲波能量之后測試同一個模型系統(tǒng)中的斑點去除。在處理之后減少或者除去了離散的斑點菌落。也減少了斑點的背景膜，留下殘留的粉色，主要是因為染料已經(jīng)溶出到牙齒內(nèi)。同時使用來自聲波導和超聲波的微流體流獲得了更有益的結果。
實施例3采用聲波導的示例性超聲波電動牙刷的物理參數(shù)的測量本實施例披露了本發(fā)明的示例性超聲波電動牙刷的物理參數(shù)的測量。
為了比較各種聲波導幾何形狀的效果，將用于平的未聚集的彈性體/硅樹脂聚合物楔形波導的傳送壓力與用于聚集的彈性體/硅樹脂聚合物楔形波導的傳送壓力相比較。圖6中的每個聲波導的頂端處的聲壓水平的曲線顯示了聚集的波導(～1.5Mpa頂端壓力)與未聚集的波導(～0.5MPa頂端壓力)相比在傳送壓力中大致增加了三倍。
測量通過模型牙齒流體/氣泡乳劑傳送的超聲波的吸收，作為30-700kHz頻率范圍內(nèi)的超聲波頻率的函數(shù)。超聲波換能器位于相對側(cè)上，分開大致0.3至1cm，在包括模擬的牙齒流體(也就是潔牙劑和水的乳劑)的皮氏培養(yǎng)皿的相對側(cè)上，測量通過流體傳送的聲音的強度，并由傳送進入流體的聲音的強度來測量和標準化。圖7顯示了示例性的測試結果，它顯示了由于超聲波長度和流體深度之間的共振，在大致200kHz處由于聲音吸收造成的衰減峰值和在大致350kHz處曲線中的假下降。這些數(shù)據(jù)顯示存在可用于在100-500kHz之間的頻率處的聲音激發(fā)的顯著氣泡總量。
實施例4示例性超聲波電動牙刷的斑點去除本實施例披露了利用與對射流中的氣泡進行的超聲波激發(fā)相結合的聲波導的聲波振動所產(chǎn)生的發(fā)泡射流除去斑點。
采用用于牙齒斑點的鏈球菌突變模型以評估本發(fā)明的示例性超聲波牙刷的斑點去除。允許鏈球菌突變(人產(chǎn)生的斑點)在磨砂載玻片上生長，然后暴露于在水浴表面處并且以垂直方式與載玻片表面保持幾毫米距離處操作的原型牙刷。使用各種超聲波方案，包括僅有波導(WG)，以及波導加超聲波(WG/US)。載玻片用斑點特定的染料著色，以顯示原樣的斑點(粉色)和沒有斑點的區(qū)域(白色)。
在示例性的化驗中，涂布鏈球菌突變的載玻片的表面與原型牙刷的最長的刷毛相距4mm。超聲波載頻是250kHz，PRF是1000Hz，使用24循環(huán)/脈沖串；機械指數(shù)是0.75。當僅使用聲波導產(chǎn)生的發(fā)泡流體射流的時候，斑點的厚度發(fā)生微細減少，在與超聲波結合的時候，去除了明顯的斑點。作為比較，將市購的電動牙刷保持與磨砂載玻片上生長的斑點相距同樣的距離。對照(control)的牙刷不會除去有意義的斑點。
第二化驗系統(tǒng)在利用鏈球菌突變進行試驗之前將羥磷灰石(HA)盤孵化48小時。超聲波方案是在625HzPRF運行的250kHz、40循環(huán)/秒、3秒曝光和在距離聲波導的頂端6mm處測量的機械指數(shù)0.9。
聲波導的單獨作用除去某些斑點；但是與超聲波結合時，明顯改善了斑點去除。通過比較，市購的電動牙刷不會除去任何斑點，而單獨的超聲波僅在盤的小區(qū)域中除去幾個斑點。
在第三個試驗系統(tǒng)中，采用如下超聲波方案在1252HzPRF運行的510kHz、2循環(huán)/秒、曝光3秒和在距離聲波導的頂端6mm處測量的機械指數(shù)0.51。與上述的試驗一致的是，聲波導的單獨作用除去某些斑點；但是與超聲波結合時，明顯改善了斑點去除。通過比較，市購的電動牙刷在距離牙齒前面1-2mm時僅除去一些斑點，而單獨的超聲波僅在盤的小區(qū)域中除去幾個斑點。因此，聲學振動的聲波導所產(chǎn)生的發(fā)泡流體射流足以在刷毛的到達范圍之外以比市購的電動牙刷高至少兩倍的系數(shù)更迅速地除去斑點。
在大范圍的音波方案中觀察斑點去除。當PRF是聲頻的多倍、大于1倍的時候，可以實現(xiàn)最佳的斑點去除。不希望受到操作的任何具體理論的束縛，相信這種方案會導致最佳的斑點去除，因為它允許超聲波的多脈沖與發(fā)泡射流相互作用，作為聲波導柔軟頂端的斑點被在HA盤面、載玻片的相關部分和/或牙齒上前后振蕩。還相信，這至少部分是因為在發(fā)泡流體射流和超聲波的結合作用下所觀察到的協(xié)同效果導致的。
為了說明這種協(xié)同效果，在有和沒有聲波導的運動的情況下評估在牙齒/斑點去除模型上單獨使用超聲波的作用。選擇一種超聲波方案，它自身不會產(chǎn)生有意義的斑點去除(產(chǎn)生或者不產(chǎn)生發(fā)泡射流)，但是在引入含有人造氣泡的牙齒流體(OptisonTM)之后能產(chǎn)生有意義的斑點去除。這種研究結果也說明單獨的超聲波不能負責除去斑點；但是超聲波激發(fā)人造氣泡相結合就能明顯除去斑點。
針對在牙刷刷毛到達范圍之外的牙齒區(qū)域，對人造牙齒牙斑模型的進一步研究表明，在人造氣泡存在的情況下聲學振動聲波導同時發(fā)出450kHz超聲波，在僅施用5秒之后就從2-3mm的距離除去斑點，而且斑點去除圖案實際上呈現(xiàn)在超聲波開始的幾分之一秒內(nèi)。與單獨利用超聲波相比，發(fā)生這種斑點去除的面積更大，并且與單獨的發(fā)泡流體射流相比，在明顯更短的時間內(nèi)發(fā)生。因此超聲波和聲學產(chǎn)生的發(fā)泡流體流以一種協(xié)同方式一起作用，以在刷毛到達范圍之外的較大區(qū)域上快速和有效地去除斑點。
因為氣泡的體積振蕩，以及相關的應力作用在超聲波頻率、多個頻率(100kHz數(shù)量級)控制的時標，在理論上可以在0.00001秒(也就是大致10微秒)的數(shù)量級的時標上發(fā)生斑點去除。因此本發(fā)明的超聲波牙刷可以在比現(xiàn)有的電動牙刷去除斑點所需的時間短大致100至1000倍的時間顯著去除斑點。
實施例5示例性超聲波電動牙刷沒有細胞溶菌作用本實施例披露了本發(fā)明的超聲波電動牙刷，誘發(fā)超聲波空化，其機械效果不足以誘發(fā)細胞溶菌作用，但是能去除斑點。這些發(fā)現(xiàn)支持了此處提供的超聲波電動牙刷的安全性。
Rooney，Science169869-871(1970)披露了利用紅細胞模型系統(tǒng)(圖8)來測試與穩(wěn)定振蕩氣泡有關的聲微流動誘發(fā)的剪切力導致的細胞溶菌作用，說明在一管瓶稀釋的紅細胞中設置的單個氣泡可以被超聲波激發(fā)，以產(chǎn)生“微流動”，從而利用足夠的聲能，可以破壞那些血細胞。特別是，在一管瓶懸浮的紅細胞中設置一個細的中空線，在線的中心有空氣。從線中擠出足夠的空氣，以在懸浮液中形成空氣的半球(微泡)。在大約25kHz的頻率處的超聲波施加在容器上，以激發(fā)氣泡的振蕩，并足以產(chǎn)生聲微流動。在這些條件下，大約70％的紅細胞被可與通過單獨的部件所確定的剪切應力相比的剪切應力所破壞。通過引入高滲透性溶液可以實現(xiàn)百分之一百的溶血。當然，此處感興趣的是要破壞細胞所必須的剪切應力(大于450Pa)和在體外除去新生斑點所需的應力(1-30Pa)之間的差。將在0.075和5.09Pa的剪切應力處生長的P.銅綠菌素生物膜分離所需的剪切力分別是5.09Pa和25.3Pa。參見Stoodley等人的Journal of Industrial Microbiology &Biotechnology 29361-367(2002)。
聲微流動只是與聲頻空化(通過聲能形成和/或激發(fā)氣泡)相關的多個物理過程中的一個，它可以導致生物系統(tǒng)例如紅細胞的破壞，如此處所討論的那樣。當然感興趣的是例如當不存在氣泡的時候，在遠低于導致所需的生物效應所必須的聲強的聲強處，氣泡的存在便于使應力足以去除斑點。在本實施例中，使用OptisonTM，一種微泡超聲波(US)對比劑，來說明這一點。本實施例也顯示，氣泡的超聲波激發(fā)而不是單獨的超聲波空化除去斑點。
關于本發(fā)明的超聲波牙刷的安全性的證明，采用以下的斑點去除試驗系統(tǒng)。通過分析涂覆的(plated)牙齦細胞上的液體中的細胞殘骸而確定示例性牙刷對細胞的破壞，所述涂覆的牙齦細胞暴露在(1)啟動的市購電動牙刷，其刷毛頂端位于細胞之上；(2)保持在細胞之上的原型牙刷的聲元件所導致的發(fā)泡流體射流；以及(3)保持在細胞之上的來自原型牙刷的發(fā)泡流體射流和超聲波(聲波加超聲波)的結合。這些結果與利用市購的電動牙刷獲得的結果進行比較，所述市購電動牙刷的刷毛頂端直接設置在細胞上。
在處理之后，通過根據(jù)制造商說明書的非放射性乳酸脫氫酶(LDH)試驗(Cytotox 96；Promega，Madison，WI)來評估上清液。這種試驗系統(tǒng)是代替51Cr釋放細胞毒性試驗的比色分析，并已經(jīng)用于通過化學和物理方式測量細胞溶菌作用。參見Singer等的J.Neurosci.192455-2463(1999)。試驗定量測量LDH，一種穩(wěn)定的細胞溶質(zhì)酶，它在細胞溶菌時釋放出來，其方式幾乎與在放射性試驗中釋放51Cr一樣。利用30分鐘耦合的酶試驗測量培養(yǎng)物上清液中釋放的LDH，這樣使得四唑鹽(INT)轉(zhuǎn)換為紅甲產(chǎn)物。所形成的顏色量與溶菌的細胞數(shù)量成正比。
利用標準的96井板讀取器收集可視波長吸收數(shù)據(jù)。在該領域中已知利用四唑鹽結合心肌黃酶或替換的電子接收體確定LDH的方法。已經(jīng)報道了對這種技術進行改變來測量天然的細胞毒性，并已經(jīng)說明與并行的51Cr釋放試驗所確定的值是一致的(在試驗誤差之內(nèi))。
保留在板中的細胞在處理之后利用如上所述的LDH試驗進行攝影、溶解和定量。將由于超出了聲波牙刷的刷毛效果而誘發(fā)的細胞溶菌與本發(fā)明的原型結合的聲波/超聲波牙刷所誘發(fā)的細胞溶菌進行比較。
示例性試驗的結果如圖10所示，它說明在與通過聲波導傳播的超聲波結合的情況下，安裝在牙刷上的聲波導所產(chǎn)生的發(fā)泡流體射流的清潔作用安全的去除斑點。“對照”結果是對市購的電動牙刷的刷毛到達范圍之外所產(chǎn)生的流體作用導致的細胞溶菌作用的測量；“聲的”結果是對沒有超聲波的示例性牙刷的這種細胞溶菌的測量；“聲的+超聲的”結果是對具有聲元件和超聲波的示例性牙刷的這種細胞溶菌的測量；“對照+接觸”結果是對市購的電動牙刷在其刷毛被設置成直接與細胞表面相接觸的情況下細胞溶菌的測量。當刷毛沒有接觸細胞的時候，在市購的牙刷和原型牙刷之間沒有檢測到差別。相反，市購電動牙刷的牙刷刷毛直接接觸細胞會產(chǎn)生明顯的細胞溶菌。
盡管已經(jīng)顯示和描述了本發(fā)明的優(yōu)選實施方案，但是可以理解，可以作出各種改進而不會脫離本發(fā)明的精神和范圍。
權利要求
1.一種牙刷，包括牙刷頭，具有向外延伸的聲波導；以及把手，可操作地連接至牙刷頭，把手具有用于振動牙刷頭的元件。
2.如權利要求1所述的牙刷，其中所述元件是聲元件，它以大約20Hz至20kHz之間的頻率振動牙刷頭。
3.如權利要求1所述的牙刷，其中牙刷頭還包括多個向外延伸的刷毛。
4.如權利要求1所述的牙刷，其中牙刷頭可移動地連接至把手。
5.如權利要求1所述的牙刷，其中聲波導由聚合物形成。
6.如權利要求5所述的牙刷，其中聚合物選自室溫硫化的硅樹脂、液體注塑的硅樹脂、以及熱塑性彈性體。
7.如權利要求1所述的牙刷，其中聲波導由絕緣材料形成。
8.如權利要求1所述的牙刷，其中聲波導由硬度在大約5至大約200肖氏A硬度之間的材料形成。
9.如權利要求8所述的牙刷，其中聲波導由硬度在大約20至大約80肖氏A硬度之間的材料形成。
10.如權利要求1所述的牙刷，其中聲波導包括多個層，至少兩個層具有不同的材料性能。
11.如權利要求10所述的牙刷，其中聲波導包括石墨層和聚合物層，其中聚合物層圍繞石墨層模制。
12.如權利要求10所述的牙刷，其中聲波導包括肖氏A硬度為至少80的第一層；與第一層相接觸的第二層，其中第二層的肖氏A硬度在大約20至80之間；以及與第二層相接觸的第三層，其中第三層的肖氏A硬度不大于20。
13.如權利要求1所述的牙刷，其中聲波導大體是楔形。
14.一種牙刷，包括牙刷頭，具有向外延伸的聲波導；超聲波換能器，可操作地連接至聲波導，使得超聲波換能器將頻率大于大約20kHz的聲波傳遞給聲波導；以及把手，可操作地連接至牙刷頭。
15.如權利要求14所述的牙刷，其中牙刷頭還包括多個向外延伸的刷毛。
16.如權利要求14所述的牙刷，其中牙刷頭可移動地連接至把手。
17.如權利要求14所述的牙刷，其中聲波導由聚合物形成。
18.如權利要求17所述的牙刷，其中聚合物選自室溫硫化的硅樹脂、液體注塑的硅樹脂、以及熱塑性彈性體。
19.如權利要求14所述的牙刷，其中聲波導由絕緣材料形成。
20.如權利要求14所述的牙刷，其中聲波導由硬度在大約5至大約200肖氏A硬度之間的材料形成。
21.如權利要求14所述的牙刷，其中聲波導由硬度在大約20至大約80肖氏A硬度之間的材料形成。
22.如權利要求14所述的牙刷，其中聲波導包括多個層，至少兩個層具有不同的材料性能。
23.如權利要求22所述的牙刷，其中聲波導包括石墨層和聚合物層，其中聚合物層圍繞石墨層模制。
24.如權利要求22所述的牙刷，其中聲波導包括肖氏A硬度為至少80的第一層；與第一層相接觸的第二層，其中第二層的肖氏A硬度在大約20至80之間；以及與第二層相接觸的第三層，其中第三層的肖氏A硬度不大于20。
25.如權利要求14所述的牙刷，其中聲波導大體是楔形。
26.如權利要求14所述的牙刷，其中聲波導被成型以相干聚集聲波。
27.如權利要求14所述的牙刷，其中聲波導被成型以壓縮音波。
28.如權利要求14所述的牙刷，其中超聲波換能器選自壓電換能器、磁致伸縮換能器、微加工的容性超聲波換能器、以及靜電聚合物泡沫換能器。
29.如權利要求28所述的牙刷，其中超聲波換能器是壓電換能器，包括選自包括如下各項的組中的材料鋯鈦酸鉛、聚偏二氟乙烯、鈮酸鋰、石英、以及鈦酸鋇。
30.如權利要求14所述的牙刷，還包括與超聲波換能器可操作接觸的阻抗匹配層。
31.如權利要求14所述的牙刷，還包括振動牙刷頭的元件。
32.如權利要求31所述的牙刷，其中所述元件是聲元件，它以大約20Hz至20kHz之間的頻率振動牙刷頭。
33.如權利要求32所述的牙刷，其中聲波導由聚合物形成。
34.如權利要求32所述的牙刷，其中聲波導由絕緣材料形成。
35.如權利要求32所述的牙刷，其中聲波導包括多個層，至少兩個層具有不同的材料性能。
36.如權利要求32所述的牙刷，其中聲波導被成型以相干聚集聲波。
37.如權利要求32所述的牙刷，其中聲波導被成型以壓縮聲波。
38.如權利要求32所述的牙刷，其中超聲波換能器選自壓電換能器、磁致伸縮換能器、微加工的容性超聲波換能器、以及靜電聚合物泡沫換能器。
39.一種可移動的牙刷頭，具有基部、從基部延伸的多個刷毛、以及從基部延伸的聲波導。
40.如權利要求39所述的可移動的牙刷頭，其中聲波導由聚合物形成。
41.如權利要求39所述的可移動的牙刷頭，其中聚合物選自室溫硫化的硅樹脂、液體注塑的硅樹脂、以及熱塑性彈性體。
42.如權利要求39所述的可移動的牙刷頭，其中聲波導由絕緣材料形成。
43.如權利要求39所述的可移動的牙刷頭，其中聲波導由硬度在大約5至大約200肖氏A硬度之間的材料形成。
44.如權利要求43所述的可移動的牙刷頭，其中聲波導由硬度在大約20至大約80肖氏A硬度之間的材料形成。
45.如權利要求39所述的可移動的牙刷頭，其中聲波導包括多個層，至少兩個層具有不同的材料性能。
46.如權利要求45所述的可移動的牙刷頭，其中聲波導包括石墨層和聚合物層，其中聚合物層圍繞石墨層模制。
47.如權利要求45所述的可移動的牙刷頭，其中聲波導包括肖氏A硬度為至少80的第一層；與第一層相接觸的第二層，其中第二層的肖氏A硬度在大約20至80之間；以及與第二層相接觸的第三層，其中第三層的肖氏A硬度不大于20。
48.如權利要求39所述的可移動的牙刷頭，其中聲波導大體是楔形。
49.如權利要求39所述的可移動的牙刷頭，其中還包括超聲波換能器。
50.如權利要求49所述的可移動的牙刷頭，其中超聲波換能器選自壓電換能器、磁致伸縮換能器、微加工的容性超聲波換能器、以及靜電聚合物泡沫換能器。
51.如權利要求50所述的可移動的牙刷頭，其中超聲波換能器是壓電換能器，包括選自包括如下各項的組中的材料鋯鈦酸鉛、聚偏二氟乙烯、鈮酸鋰、石英、以及鈦酸鋇。
全文摘要
一種電動牙刷(10)，具有容納可更換電池(12)的把手(15)、超聲波驅(qū)動電路(14)、聲元件(16)例如電機、以及控制單元(18)。把手連接至牙刷頭(20)，所述牙刷頭(20)優(yōu)選包括多個刷毛(26)以及可操作地連接至波導(24)的超聲波換能器(22)，波導(24)從牙刷頭大體在刷毛附近延伸。波導便于向牙齒流體內(nèi)傳送聲能。可以在手動或者電動牙刷內(nèi)采用波導，并可以不結合聲元件，或者不結合超聲波換能器。此處披露的牙刷能改進從牙齒以及牙鄰間和牙齦下區(qū)域?qū)Π唿c和污物的去除，同時增強了用戶體驗、按摩牙齦和刺激牙齒組織。
文檔編號A61C17/22GK1874703SQ200480031629
公開日2006年12月6日 申請日期2004年11月3日 優(yōu)先權日2003年11月4日
發(fā)明者皮埃爾·D·姆拉德, 弗郎西斯·L·奧爾森, 羅格·李·托姆森, 賈森·L·西沃爾 申請人:華盛頓大學