CN102008359A - 采用声波导波管的口腔卫生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有超声换能器(22)和声波导波管(24)的口腔卫生装置，其便于将超声波声能传送到口腔流体中。本发明公开了用于在水性环境和牙膏浆中操作的优选的超声操作参数。该装置可包含用于使装置头部(23)，声波导波管(24)和一簇或多簇刷毛(26)在声频下振动的驱动电动机(16)，并且还提供了优选的声音操作参数。本发明公开了多元件压电换能器组件(30，40)，以及各种控制和通信特征。本发明公开的口腔卫生装置改善了从牙齿以及邻间和齿龈下区域去除牙菌斑和去污作用，同时增强了用户体验，按摩了齿龈，刺激了牙齿组织，并破坏了生物膜。
Description
本申请是于2006年5月3日提交的已进入中国国家阶段的PCT专利申请(中国国家申请号为200680024401.4，国际申请号为PCT/US/2006/017019，发明名称为“ORAL HYGIENE DEVICESEMPLOYING AN ACOUSTIC WAVEGUIDE”)的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求享有于2005年5月3日提交的美国专利申请60/677,577的优选权。
发明背景
本发明的技术领域
本发明大致涉及口腔卫生装置的领域，并且更具体而言涉及采用声波和/或超声波声学机构的口腔卫生装置，例如牙刷。
相关技术的简要介绍
即使最有效的现存的电动牙刷在齿-对-齿的接触表面上，在齿龈-齿的接触点上，在牙龈下面和刷毛或其它牙刷构件直接到达的范围之外的地方都会留下临床显著的牙菌斑。许多利用声波和/或超声波机构的口腔卫生装置在本领域中是已知的。之前在牙刷中利用超声波声能的努力都未能利用牙齿流体中形成的微泡，以用于促进除去牙菌斑的目的，或未能考虑微泡和宏泡可能阻碍刷毛顶端范围之外的超声传播。
某些采用超声技术的牙刷试图实现超声波从刷毛底部穿过刷毛本身或穿过发泡的牙齿流体的传播，发泡的牙齿流体填充刷毛之间的空间。例如，Bock的美国专利No.5,138,733和5,546,624公开了一种超声波牙刷，其具有手柄、电池组、电子驱动模块、压电部件和可拆卸的牙刷头。Bock的美国专利No.5,247,716和5,369,831公开了一种用于超声波牙刷的可拆卸的牙刷头，其具有多个刷毛束，由柔性材料构成的基本管状的主体，以及将牙刷头固定在超声波装置上的张紧器件，从而有效地通过牙刷头从装置中传送超声波频率振荡。因为传统的牙刷毛和发泡的牙齿流体可能降低而非促进超声波的传播，所以这些参考专利中所公开的牙刷不能取得有效的超声波的传播。另外，当前技术的牙刷中的超声系统并不利用牙齿流体中的特殊的泡沫结构。
Parisi的美国专利No.3,335,443公开了一种牙刷，其联接在一种能够在较高的声波和超声波频率下振荡的超声波振动手持式牙科器材上。Andress的美国专利No.4,071,956公开了一种不是牙刷的装置，其通过超声波振荡而用于去除牙菌斑。
作为美国专利No.RE 28,752而重新发布的Balamuth等人的美国专利No.3,809,977，其公开了一种超声波成套器具，超声波电动机构造，和超声波变压器设计，以供单独或组合使用。这种超声波电动机可以是具有可拆卸的顶端的压电材料，并可包含在具有电接触器件的外壳中，该电接触器件适合于插入到连接在变压器上的适配器中。Balamuth等人的美国专利No.3,840,932和No.3,941,424公开了一种超声波牙刷器具，其配置成可发生超声波振荡，从而将机械振荡从一端传送到定位在另一端的刷毛元件上。
Kuris等人的美国专利No.3,828,770公开了一种利用在声波频率下重复的超声波机械振荡突发，以便在使用期间产生超声波和声波振动，以用于清洁牙齿的方法。
Kuris的美国专利No.4,192,035公开了一种设备，其包括由带一对接触表面的压电部件形成的伸长部件，牙刷部件适合于容纳在口中。适合装配在手柄中的外壳配置成可接受压电部件。Kuris的美国专利No.4,333,197公开了一种超声波牙刷，其包括一种采用空心外壳形式的伸长的手柄部件，其具有低电压线圈和在超声波频率下驱动的合作的铁氧体芯。牙刷部件固定在芯上，并且黏附地固定在阻抗转移装置上，其则黏附地固定在芯材料上。阻抗转移装置确保将超声能量从芯材料转移到牙刷上。
Suroff的美国专利No.4,991,249和No.5,150,492公开了一种超声波牙刷，其具有可拆卸地连接在超声波功率部件上的可更换的牙刷部件。
Center美国专利No.5,311,632公开了一种用于从牙齿上除去牙菌斑的装置，其包括具有较厚实的圆柱形的空心手柄和超声换能器的牙刷，空心手柄包含电动机，其可促动而造成偏心安装的部件的旋转和整个装置的振动，超声换能器可促动而沿着牙刷产生高频声波。日本申请No.P1996-358359，日本专利特许公开1998-165228公开了一种利用超声波的牙刷，其中超声波发生器设于手动或电动牙刷的手柄中，并且超声波振动器安装在牙刷中，并用导线连接至波形发生器。
日本申请No.P2002-353110，日本专利特许公开2004-148079公开了一种超声波牙刷，其中超声波振动从设置在牙刷头内部的压电振动器中辐射出来，并通过橡胶凸起物群而发送至牙齿。
Williams等人的美国专利No.6,203,320公开了一种用于清洁牙齿的电动操作的牙刷和方法。该牙刷包括手柄，连接在手柄上的牙刷头，其具有多个中空的细丝刷毛，穿过手柄和牙刷头的通道用于将流体输送到并穿过中空的细丝刷毛，还包括手柄中的电能源，以及用于将脉动传送到所输送的流体中的振动元件。
Takahata等人的美国专利出版物No.2003/0079305公开了一种其中牙刷体同时振动和往复运动的电动牙刷。这种电动牙刷包括外壳主体部分，在外壳主体部分上面延伸的臂，设置在臂顶端中的牙刷体，和设置在臂顶端内部的超声波电动机，其用于驱动牙刷体。
作为美国专利No.5,343,883重新发布的Murayama的美国专利No.RE35,712，其公开了一种用于除去邻间表面的牙菌斑的电动装置(即牙缝拉线)。该装置利用声能和固定在柔性叉的两个耙齿之间的牙线，柔性叉可拆卸地连接在电动手柄上。电动机在声波频率下回转，从而产生发送到柔性叉上的声能。
Mosch等人的美国专利No.6,619,957公开了一种超声波密封器，其包括密封器顶部，促动器材料，线圈，手柄外壳以及气动电流发生器。促动器材料，线圈和气动电流发生器都包含在手柄外壳中。
Sharp的美国专利No.6,190,167公开了一种供具有共振频率的牙齿密封器插入物使用的超声波牙齿密封器。这种牙齿密封器插入物可拆卸地连接在手柄上，其具有联接在可选择性地调谐的振荡回路上的励磁线圈，以产生具有振荡频率的控制信号，用于使牙齿密封器振动。
Martin的美国专利No.4,731,019公开了一种用于通过超声波操作进行刮治牙齿的牙科器材。这种牙科器材具有带钩状构造及圆锥形尖头的远端，并包括磨粒，通常为金刚石颗粒。
Giuliani的美国专利No.5,378,153公开了一种牙齿卫生装置，其具有主体部分和扩展的共振器臂。这种装置在其主体内采用了电磁铁，其用于与两个永久磁铁协同以实现围绕扭转销的振动作用。臂被驱动，使得刷毛顶端在一定的振幅和频率的范围内操作，使刷毛顶端产生超过1.5米每秒的速度，从而实现刷毛顶端之外的清洁。美国专利出版物No.2005/0091770A1公开了一种利用声波导波管的牙刷，声波导波管促进了声能至牙齿流体中的传送。声波导波管可结合声波构件和/或超声换能器一起使用。该出版物的发明公开通过引用而完整地结合在本发明中。本领域中仍存在对改进口腔卫生的装置的需求，尤其是改善在牙齿和牙龈之间，在牙齿之间的接触点上，以及刷毛直接作用之外的地方的清洁作用。
发明内容
本发明提供了口腔卫生装置，其具有声波导波管，超声换能器组件和/或用于产生声频振动的驱动电机。该装置的头部通常包括支撑结构，其具有声波导波管，超声换能器组件，和一个或多个安装在那里的刷毛簇。手柄结构通常包含可再充电的电源，产生声频振动的电动机，超声驱动回路，和控制器。装置头部可拆卸地安装在手柄上，并且是可更换的。该装置还可包括电池充电座台，其可连接到外电源上，用于为电池再充电。提供的用户接口包括至少一个接通/断开控制，并且在用户激活装置时，就启动了一个工作循环。以下将详细地描述合适的超声操作参数和声频振动参数以及协议。
在各种实施例中，本发明提供了口腔卫生装置，例如牙刷，其包括包含超声换能器和声波导波管结构的手动(非电动化)牙刷，包含声波导波管结构的电动(电动化)牙刷，以及包含超声换能器和声波导波管结构的电动(电动化)牙刷。声波导波管结构结合超声换能器和/或用于产生声频振动的电动机，并可选地结合一簇或多簇刷毛，其作用在操作环境下的流体中的微泡流上，以便在流体中引起空穴、声流和/或声微流现象。牙刷头的声频振动，结合从声波导波管以超声频率发送声能，和/或结合一簇或多簇刷毛的振动，其还产生了有利的口部触感，刺激和按摩了齿龈和其它牙齿组织，总地说来，改善了牙齿清洁体验。
在这里所述的条件下，利用与超声换能器和/或产生声频振动的电动机相结合的声波导波管的口腔卫生装置例如牙刷，其改善了清洁特性和对生物膜的破坏。如这里详细所述，根据本发明的口腔卫生装置通过声波导波管的运动，包括声波运动而有效地提高了发泡流体的流量，并且通过导波管和/或一簇或多簇刷毛的运动而促进气泡的成形。牙刷头的声频振动使刷毛顶端移动并激励刷毛顶端，使其面通过直接的刷毛接触而清洁牙齿，并且还在包围导波管的牙齿流体中产生泡沫，当暴露于超声频率下的声能中时，这些泡沫改善了牙菌斑和生物膜的除去作用。
在利用超声换能器的实施例中，本发明的装置有效地发送由超声换能器产生的超声波，并将那些波通过声波导波管而传播到口腔和牙齿流体中，以改善牙菌斑的破坏和除去作用，并减少对生物膜的破坏。
根据本发明所述参数进行操作的利用超声换能器的本发明装置在结合声音构件的条件下，有效地促进了发泡流体的流动，并传送超声波，以便在刷毛和超出刷毛处，例如超出刷毛顶端大约0.5mm至大约7mm处，更典型地在超出刷毛顶端至少大约1mm至高达大约5mm处产生清洁效果。刷毛簇和声波导波管在声频下的振动产生了发泡流动，并改善了清洁作用，即使在缺乏超声换能器的作用，以及在超声频率下通过声波导波管传送声能的条件下也是如此。然而，正是超声换能器，声波导波管和声音构件的结合，其共同实现了本发明的最有效的电动牙刷实施例，并且产生了协同的清洁效果，其充分超越了单独使用声音构件和超声波构件的递加效果。
附图说明
通过参考以下结合附图所做的详细说明，将更容易懂得，且可更好地理解本发明的各个方面和其优势，其中：
图1是显示了本发明的一种典型的牙刷的示意性的局部横截面图，其包含声波导波管，多簇刷毛，超声换能器，和用于产生声频振动的电动机；
图2A是一种适合于在本发明装置中使用的典型的超声换能器组件和相关联的匹配层及电触头的放大的示意性的透视图；
图2B是另一种适合于在本发明装置中使用的典型的超声换能器组件和相关联的匹配层及电触头的放大的示意性的透视图；
图3是显示了一种包含超声换能器组件的本发明超声组件的局部剖切的放大的示意性的透视图，其中相关联的匹配层和电触头安装在支撑结构中，声波导波管安装在换能器组件上和其周围；
图4显示了包含超声模块以及为换能器组件提供功率的电极的本发明牙刷头组件的放大的侧横截面图，但省略了刷毛簇；
图5显示了具有多簇刷毛的本发明牙刷头的放大的侧视图；
图6显示了装置手柄和通常安装在手柄中的构件的分解图；和
图7显示了装置头部和通常安装在头部中的构件的放大的分解图。
本发明的详细描述
本发明所用的用语″超声″和″超声波″指具有大于人耳正常可听范围的频率-通常大于大约20kHz的频率的声能。用语″声波″指具有在人耳正常可听范围内的频率-通常小于大约20kHz-例如在20Hz和20kHz之间的声能，或声音。
本发明所用的用语″气蚀″(cavitation)指通过声音产生和/或激励泡沫。″产生″意味着泡沫的产生；″激励″意味着造成泡沫变成动态活动，即移动，变大或变小，生长，耗散的动作，所有都与包围泡沫的流体中和其周围以及泡沫内部的气体的机械和/或化学作用相关联。用语″气蚀″指在液体中的超声波场和受超高频声波作用的介质中的气体包裹体(例如，微泡)之间的相互作用。
目前的微泡的气蚀大致可划分为两类-″稳定气蚀″和″惯性气蚀″。″稳定气蚀″是先前存在的微泡通过低强度的超声能量而引起的稳定的低振幅共振感应，其则在微泡附近和邻近处的流体流量中产生局部的剪切力(这里称为声微流)。随着超声强度的增加，振动的振幅也增加，直到泡沫变成不稳定的，并由于涌入流体的惯性而瓦解，引起″惯性气蚀″。通常，在本发明装置中所使用的超声波条件下受到气蚀作用的微泡，其直径在大约1μm至大约150μm之间。还可促使成簇的微泡发生气蚀作用。
包含超声换能器和声波导波管的本发明的口腔卫生装置，其通常促进了至少稳定的气蚀作用-即简单的泡沫中的容积变化，其中除了和/或替代周围流体的惯性以外的因素控制了泡沫的行为。低水平的超声波声能引起泡沫容积在一个声音循环和在许多声音循环中的暂时变化，其产生了泡沫附近的流体中的运动，其机械作用促进了牙菌斑的除去和生物膜的破坏。
″微泡″指存在于口腔中，例如牙齿流体或牙菌斑中的微观泡沫。微泡对于流体可以是内生的-也就是说，其可引入到例如包含微泡的流体或牙膏中；其可在手动刷牙期间通过牙刷毛的运动而产生；和/或其可通过刷毛和/或声波导波管在声频下的振动而产生。在超声频率下，由超声换能器发送并由通过声波导波管传播的声能，其对″微泡″起作用。″微泡″在与微泡直径相关的特定的频率或附近频率下共振。
″声流″指由于超声波束的衰减而引起的动量从声波转移至流体时发生的流体散开或相干的流动。在有泡沫或没有泡沫的情况下，传播到流体中的超声都可能产生尺寸和程度上相当大的″声流″。声流作用在流体中有泡沫比没有泡沫时可能甚至更大。声流通常需要比刺激泡沫所需要的频率更高的频率，并且总地说来，超声波频率越高，则声流作用越大。
″微流″和″声微流″指微泡附近和邻近的流体的运动，其是由于微泡上的超声波场中的机械压力变化作用而产生的。在本发明的上下文中，剪切力与牙齿流体中的微泡气蚀作用是相关联的，其沿着齿龈和牙齿的表面，以及在邻间和龈下空间进行分布。由用于本发明装置的超声波声能所引起的微流产生了在大约0.1Pa至大约1000Pa之间的剪切应力。本发明的装置优选在声频操作参数下操作，以产生在大约0.2Pa至大约500Pa之间的剪切应力，并且在某些实施例中，产生大约0.3Pa至大约150Pa的剪切应力。在其它实施例中，由本发明装置产生的剪切应力大约为1Pa至30Pa。这些剪切应力去除了口腔中的牙齿和其它结构表面上的牙菌斑和/或瑕疵。
本发明的口腔卫生装置能够在流体操作环境中，在超出牙刷毛顶端和/或声波导波管大约1mm至10mm之间的距离处，产生大约0.5cm/sec至大约50cm/sec范围内的流体流动。更典型的是，本发明的牙刷能够在流体操作环境中，在超出牙刷毛顶端和/或声波导波管大约1mm至10mm之间的距离处，产生大约1cm/sec至大约30cm/sec范围内的流体流动。口腔卫生装置优选能够在超出牙刷毛顶端和/或声波导波管大约1mm至10mm之间的距离处，产生在2至10cm/sec之间的流体流动。
典型的装置
图1示意性地显示了本发明的一种典型的口腔卫生装置，即牙刷，其包括超声换能器，声波导波管和用于在牙刷中产生声频振动的电动机。牙刷10包括由刚性或半刚性的材料构成的手柄15，其通常包含至少一个可充电电池12，该电池优选适合于利用充电装置通过外部电源(未显示)进行充电；电路，其包括超声波模块驱动电路14；用于产生声频振动的电动机16，优选是一种用于在声频下驱动牙刷头20的直流电动机；以及控制器18，其提供同步，电动机控制和各种其它控制功能。合适的电动机，超声波驱动电路，可充电电池，和控制器在本领域中都是众所周知的，并且可用于本发明的装置。超声波模块驱动电路14联接在超声换能器上，用于在牙刷头上产生超声波频率下的声能，并且电动机16联接在牙刷头上，以便在牙刷头上产生声频下的声能。牙刷头20安装在手柄15上，并包括杆部分21和牙刷头部分23。杆部分21可提供通道或其它器件，便于促进超声驱动指令，功率和声音振动传送至牙刷头部分。牙刷头部分23包括超声换能器22和声波导波管24，其可操作地接近，并且听觉地联接在超声换能器上。在图1示意性所示的牙刷实施例中，显示了位于超声换能器22后面，并围绕超声换能器22各边而延伸的可选的超声反射元件28，其将超声反射穿过声波导波管24，并反射到牙齿流体中。牙刷头20可拆卸地或固定地连接在手柄15上，并且在优选的实施例中，其可拆卸地安装在手柄15上。这样可作为分开的，可更换的构件来提供牙刷头部分。
通常，牙刷头20包括设置在声波导波管24附近，并通常包围声波导波管24的多簇刷毛26。牙刷头20可选地包括安装在超声换能器22和声波导波管24之间的阻抗匹配层29。阻抗匹配层29可改善装置的效率，如以下所述。以下将参照特定的实施例更详细地描述所有这些构件。由超声波模块驱动电路14(从可再充电电源)提供的交变电流驱动超声换能器22，使得换能器22主要沿着一个轴线，在由超声波模块驱动电路14所提供的共振频率或接近共振频率下扩张和收缩，从而将电能成超声频率下的声能。所导致的超声波被引入到声波导波管24中，传播穿过声波导波管24，并辐射出声波导波管24。所发送的超声波声能作用于口腔内的流体(通常是唾液、水和牙膏的混合物)中的微泡上，引起气蚀，从而使沉积在牙齿和邻间区域中的牙菌斑松弛。
图1的装置显示了采用电动牙刷形式的本发明的一种典型的口腔卫生装置。以下将更详细地描述其它和优选的实施例，包括各种超声和/或声音操作参数，装置构件，控制特征等等。应该懂得虽然某些操作参数和特征的组合对于在某些应用和特殊环境下的使用可能是优选的，但是在本发明的口腔卫生装置中，装置构件，操作参数，控制特征等等可以许多不同的方式组合起来。
还应该懂得，这些特征可用于各种类型的口腔卫生装置，以及其它类型的装置，并且这里所述的本发明并不局限于口腔卫生装置和牙刷实施例。在备选实施例中，例如，装置可具有支撑结构，例如手柄和/或装置头部，其具有至少一个从支撑结构中突出来的执行机构。突出来的执行机构可以是声波导波管、刷毛簇、叉、用于可拆卸的执行机构的固定器或材料等等。在优选的实施例中，突出来的执行机构传声地联接在超声换能器上。该装置还可包含一簇或多簇刷毛和一个或多个用于产生装置头部和/或突出来的执行机构的声频振动的电动机。
超声操作参数
用于包括超声换能器组件的本发明的口腔卫生装置的超声操作参数，其包括：超声频率；脉冲重复频率(PRP)；每脉冲突发的循环数量；占空因数；超声换能器的功率；由超声换能器产生的峰值负声压；和装置进行操作所在的环境。包含在本发明的口腔卫生装置中的超声换能器组件通常在大于大约20kHz的载波频率(即，单个超声波的频率)下操作；通常在大约30kHz至大约3MHz之间；通常小于1.5MHz；并且更通常小于1.0MHz，其低于许多超声波牙刷的操作频率。在许多实施例中，优选的超声载波频率在大约100KHz至大约750KHz之间；在某些实施例中为大约100kHz至大约600KHz之间；在还有的其它实施例中为大约150kHz至大约500kHz之间；并且在还有的其它实施例中为大约250KHz至大约500KHz之间。应该懂得，用于不同应用的载波频率的最佳范围可根据可得到的泡沫总数、所采用的超声换能器的尺寸和功率、以及盛行于操作环境中的条件-例如流体的成分等等而变化。
超声可持续应用或可以规则或不规则的接通/断开周期模式进行脉冲调制。对于许多应用，超声经脉冲调制成可以预定的脉冲重复频率(PRP)，在分组或突发(循环/突发)中产生预定量的波。占空因数(即，激励超声的时间百分比)与PRP和每循环的突发数量是相关联的。100％的占空因数代表持续的超声应用。小于100％的超声占空因数可通过许多方式获得。例如，超声可″分组″到突发中，其中可改变每脉冲的循环数量和脉冲(突发)重复频率以取得所需的占空因数。100,000Hz(100,000每秒循环数)超声信号的10％的占空因数产生10,000个循环。这些10,000循环可0.1秒持续时间的单个突发中进行传送，随后是0.9秒断开状态(突发长度＝10,000，脉冲重复频率＝1Hz)。或者，对于0.1s的总的超声接通时间(即10*0.01sec脉冲)和0.9sec断开时间(即10*0.09sec脉冲)，10,000个循环可在10个突发进行传送，每个突发1,000个循环(突发长度＝1,000，脉冲重复频率＝10Hz)。通常，牙菌斑和生物膜的去除作用随着占空因数的提高而增加。然而，超声占空因数的实际水平可能受到诸如换能器操作特性(能量消耗、内热等等)、组织的安全性(温度指数、组织加热等等)、用户感觉和嗜好等等因素的限制。对于装置在典型的牙浆中操作的口腔卫生应用，超声占空因数通常为大约1至30％，其中大约4至20％的占空因数最为通用，并且大约4至15％的占空因数是优选的。对于特殊应用可优选较高的占空因数。
所需的超声PRF可依赖于超声频率、每突发的循环数量和牙刷操作所在的环境，其包括超声能量所发送至的流体介质的成分和物理性质。通常，但不排除的是，在本发明的口腔卫生装置中，PRF范围是大约0.5Hz至大约10,000Hz；更通常在大约0.5Hz至大约2,500Hz之间，并且甚至更通常在大约1Hz至大约500Hz之间。在牙膏中，例如，10％占空因数下的优选的PRF通常小于大约20Hz，并且可小于大约10Hz。但是在水性环境中，可使用较高的PRF，通常在40Hz以上，并且通常在40至200Hz之间的范围内。在本发明的口腔卫生装置的某些实施例中，其使用结合声频的超声频率，PRF为多个(通常两个或更多，更通常为四个或更多)小的声音频率(即，由本发明牙刷的声音构件驱动的刷毛和/或声波导波管的运动频率)。
超声分组或突发中的单个超声波的数量(每突发的循环数)是另一超声操作变量，并且在本发明的口腔卫生装置中，通常在大约10至大约10,000个循环/突发之间，并且对于许多实施例，在大约500至10,000个循环/突发之间。所需的每突发的循环数量可依赖于例如，超声频率、PRF和操作牙刷所在的环境。为了促进声微流，在本发明的装置中，相对较长的突发和相对较低的PRF是合适的。
通常，更大循环数量的较少频繁的脉冲比较少循环数量的更频繁的脉冲更为优选。在牙膏浆的环境中操作通常比100％的水介质需要每脉冲更多的循环，以实现可比的生物膜除去作用。在牙膏浆中，每脉冲100至10,000个循环是常用的，其中500至5000个脉冲甚至更为典型。基于所需的占空因数可计算脉冲重复频率。例如，对于250,000kHz的超声信号，10％的占空因数，以及每突发1000个循环的超声分组，脉冲重复频率为25Hz(即250,000kHz x 0.10÷1000循环/突发＝25Hz)。
这种优选可提供最佳的清洁作用和用户体验的超声操作参数可根据例如装置进行操作所在的流体环境的成分和特性而改变。牙刷在口腔中操作，其中流体例如唾液和水通常与牙膏或另一清洁剂混合而形成浆液。典型的牙膏浆比水更具粘性，并且可比水/唾液的混合物具有更多或更少地传声性能。对于在典型的牙膏浆环境中操作的牙刷以及其它口腔卫生装置，下表中所述的操作参数的组合是合适的。
| 超声频率范围 | 占空因数 | 循环/突发 | PRF(Hz) |
| 100-750kHz | 5％ | 500-10,000 | 0.5-75 |
| 100-750kHz | 10％ | 500-10,000 | 1.0-150 |
| 100-750kHz | 15％ | 500-10,000 | 1.5-225 |
| 250-500kHz | 5％ | 500-10,000 | 1.3-50 |
| 250-500kHz | 10％ | 500-10,000 | 2.5-100 |
| 250-500kHz | 15％ | 500-10,000 | 3.8-150 |
| 300kHz | 5％ | 500-10,000 | 1.5-30 |
| 300kHz | 10％ | 500-10,000 | 3.0-60 |
| 300kHz | 15％ | 500-10,000 | 4.5-90 |
其它类型的装置可在基本上水性(水)环境中使用，并可相应地调整操作参数。对于在基本水性的环境中操作的口腔卫生装置，下表中所述的操作参数的组合是合适的。
| 超声频率范围 | 占空因数 | 循环/突发 | PRF(Hz) |
| 100-750kHz | 5％ | 500-1,000 | 5-750 |
| 100-750kHz | 10％ | 500-1,000 | 10-1500 |
| 100-750kHz | 15％ | 500-1,000 | 15-2250 |
| 250-500kHz | 5％ | 500-1,000 | 12.5-500 |
| 250-500kHz | 10％ | 500-1,000 | 25-1000 |
| 250-500kHz | 15％ | 500-1,000 | 37.5-1500 |
| 300kHz | 5％ | 500-1,000 | 15-300 |
| 300kHz | 10％ | 500-1,000 | 30-600 |
| 300kHz | 15％ | 500-1,000 | 45-900 |
在又一实施例中，具有超声换能器的本发明的口腔卫生装置，例如牙刷，可在大于大约250并且小于大约350kHz的超声频率下，在大约10％的占空因数下，以大约6Hz的脉冲重复频率下大约每突发5,000个循环进行操作。在又一实施例中，具有超声换能器的本发明的口腔卫生装置，例如牙刷，可在大于大约250并且小于大约350kHz的超声频率下，在大约10％的占空因数下，以大约60Hz的脉冲重复频率下大约每突发500个循环进行操作。
还可使用各种超声操作参数的组合来促进声流。对于需要促进声流的口腔卫生应用，通常采用以下超声参数的范围：(1)载波频率通常大于大约20kHz；更通常在大约500kHz至大约5,000kHz之间或更大，以增强声音吸收；(2)脉冲重复频率(PRF)通常，但不排除在大约1Hz至大约10,000Hz之间；更通常在大约10Hz至大约10,000Hz之间；甚至更通常在大约100Hz至大约10,000Hz之间；并且更通常为大于大约1000Hz，且小于大约10,000Hz；和(3)超声分组或突发中的单个超声波的数量通常在1至5,000之间；更通常在大约5至大约100个波之间。对于需要促进声流的口腔卫生应用，通常采用更长的占空因数，例如至少大约10％；更通常为至少大约25％；甚至更通常为至少大约50％或至少大约75％，并且在某些实施例中高达100％。这里举例说明了更长的突发，例如在大约1MHz的频率下，对于至少1000Hz的PRF，可以为大于大约100个波。应该懂得，可在本发明的口腔卫生装置中恰当地采用不同的突发长度、频率和PRF值。超声换能器组件和声波导波管的声音输出的大小影响了牙菌斑生物膜的破坏，如同流体介质的成分所做的一样。总地说来，较高的声输出产生较大的泡沫激励作用和改善的清洁作用，牙菌斑除去作用及生物膜破坏作用。超声换能器的声音输出的一个测量值是在操作循环期间测量的峰值负声压。本发明的口腔卫生装置中的合适的操作峰值负声压参数通常在大约0.01至10M Pa的范围内；更通常在0.1至5M Pa的范围内；对于许多实施例，在0.1至1M Pa的范围内；对于许多实施例，在0.25至0.6M Pa的范围内；并且在其它实施例中，在0.3至0.5M Pa的范围内。″机械指数″指先前存在的泡沫在受到所施加的声压的一个循环下发生气蚀的测量值。机械指数被限定为峰值负压(M Pa)对超声频率(MHz)的比值的平方根，并提供了一种对超声换能器的声音输出进行定量的方法。为了产生特定的清洁效果，在基本水性的(例如，100％水)流体介质中操作的装置，其需要比在更粘性的流体介质，例如唾液/水/牙膏流体中操作的装置较低的机械指数。在典型的牙膏浆流体环境中，通常需要至少大约0.25的机械指数，以实现牙菌斑的除去作用。在相对较低的粘性水性(水)环境中，通常需要至少0.1的机械指数以实现牙菌斑的除去作用。如果机械指数减少至这些阀值水平以下时，即使提高超声占空因数，通常也不能实现除去显著的牙菌斑生物膜。相反，一旦机械指数超过阀值水平，并且足以产生显著的效应时，可减少超声占空因数，而没有显著的牙菌斑除去效率的损失。因而，例如，在10％的占空因数下，减少机械指数50％(例如，从1.0至0.5)对生物膜除去作用具有相当大的影响。然而，将机械指数保持在1.0，同时减小占空因数50％(例如，10％至5％)会对生物膜除去作用产生相当小的影响。由本发明装置传送的机械指数通常在大约0.001至大约1000的范围内。更通常，机械指数在大约0.01至大约20的范围内，甚至更通常在大约0.02至大约10的范围内，且甚至更通常在大约0.1至大约5的范围内，或在大约0.1至大约1.9之间。意图用于在基本水性的环境中操作的装置优选呈现大于0.1的机械指数。在意图用于利用牙膏或另一相对较粘性的成分的口腔中进行操作的本发明装置中，机械指数优选大于大约0.25且小于1.9，并且在其它实施例中，机械指数大于大约0.25且小于1.5。根据某些实施例，本发明装置以大约0.5至1.5之间的机械指数进行操作，并且在其它实施例中，在大约0.8至1.4之间。
声音操作参数
在某些实施例中，本发明的口腔卫生装置包含驱动电机，其结合声波导波管和/或超声换能器而产生声频振动。当装置被激励时，产生声频振动的电动机组件，其通常安装在装置手柄中，并且将振动发送至装置头部，从而产生声波导波管和/或刷毛簇的振动。电动机可备选地安装在装置头部的一部分中。
本发明装置中所产生的声音振动的声音波形，其通常是正弦曲线的，但还可或备选地使用其它波形。声音振动可以非正弦的波形，例如梯形、三角形、方形、纯粹旋转以及其它波形来驱动。另外，可以调制频率和/或振幅。声音振动的频率影响由声音和超声波构件产生的清洁作用的效率，并且还可影响用户的舒适感和用户对清洁效率的知觉。
在包含一簇或多簇刷毛的装置中，牙刷头上产生的声频振动产生了刷毛顶端的运动。刷毛顶端的运动可通过刷毛顶端的速度、振幅、频率、加速度以及其它度量来表征特征。采用产生声频振动的电动机的本发明装置优选操作而产生大于20Hz且小于20,000Hz的刷毛顶端频率。高的刷毛顶端频率使许多用户感到不愉快，并且可能在口腔中产生不合适宜的撩痒感觉。出于这个原因，优选小于大约2,000Hz的刷毛顶端频率。所需声音操作频率可记录在音阶上，最典型的那些具有大于大约54Hz且小于大约1662Hz的频率。根据某些实施例，产生小于大约1500Hz的刷毛顶端频率的操作参数是优选的；小于大约1000Hz的刷毛顶端频率对于许多应用是优选的；小于大约500Hz的刷毛顶端频率对于其它实施例是优选的。在还有的其它实施例中，大于大约20且小于大约500Hz的刷毛顶端频率是优选的；还有一些其它实施例在100和300Hz之间。
随着频率的增加，为了保持通常恒定的刷毛顶端速度，可降低刷毛顶端振幅。类似地，随着振幅的增加，为了保持基本恒定的刷毛顶端速度，可降低频率。刷毛顶端运动的频率和振幅可影响清洁作用和用户舒适感。意图用于常用的牙膏浆液环境中，并利用正弦曲线的声音运动的本发明的口腔卫生装置，其通常操作而产生操作循环期间0至10m/s的所需峰值刷毛顶端速度，更通常为0.2至5m/s，更通常为0.4至1.5m/s，并且通常小于1.5m/s。对于许多实施例，在操作期间的刷毛顶端速度小于大约1.0m/s，时常小于0.8m/s，并且在某些实施例中，在大约0.4至0.8m/s之间。这些刷毛顶端速度通常低于由通过刷毛簇以声频振动而操作的许多电动牙刷所产生的刷毛顶端速度。
刷毛顶端速度测量是在刷毛干燥的条件下，在空气中，在没有对刷毛顶端施加载荷的条件下进行的。实际的刷毛顶端速度在操作期间通常由于与刷毛对牙齿的摩擦接触相关联的载荷，以及与刷毛移动穿过流体环境相关联的拖曳而减少。
由声音振动产生的刷毛顶端振幅也影响由声波和超声波构件提供的清洁效率。在操作循环或子循环期间，刷毛顶端运动的峰值振幅可在大约0.01至10mm范围内。优选的峰值刷毛顶端振幅的范围(弄湿的，并且通常装载在口腔中)在0.1至6mm的范围内，并且通常小于4.0mm。根据其它实施例，峰值刷毛顶端振幅小于3.0mm，并且可在0.2至3.0mm或0.4至2.2mm的范围内。这低于通过刷毛簇以声频移动而操作的许多电动牙刷的峰值刷毛顶端振幅。刷毛顶端振幅测量是在刷毛干燥的条件下，在空气中，在没有对刷毛顶端施加载荷的条件下进行的。
声波导波管
如上所述，本发明的口腔卫生装置包含从装置头部支撑结构中突出来的声波导波管，其与超声换能器和/或在声频下振动的电动机协同。声波导波管提供了导管，其用于将从超声换能器产生的超声波经由(可选的)阻抗匹配层而传送到口腔内的流体中，并且在将超声声能传送到口腔内的流体方面基本上比刷毛簇更为有效。因而，本发明的装置引导超声穿过导波管结构，并且将其与刷毛簇基本上隔离开。在口腔中使用装置期间，声波导波管所浸入的牙齿流体通常是唾液和牙膏乳状液，其是吸收声音的，并且在缺乏声波导波管的情况下，流体将使超声在波前达到牙齿和牙龈表面之前显著地衰减。阻抗不匹配对于声音从超声换能器至牙齿和齿龈表面的传送也是一个显著的障碍。声波导波管通过将声能以超声频率传送至唾液和牙齿面附近的牙膏乳状液中而用作声学不匹配的桥接。
如图1中所示，声波导波管通常定位在装置的牙刷头部分的底部上，靠近一簇或多簇刷毛。根据优选的实施例，声波导波管可操作地接近超声换能器，并且传声地联接在超声换能器上，并将声能以超声频率传送到口腔的流体中。如之前所述，声波导波管还可在声频下振动。
各种声波导波管设计可用于在本发明的装置中使用。两个参数极大地影响超声波穿过声波导波管的传送：(1)制造导波管的材料；和(2)导波管的几何形状。这里将进一步详细地描述各个这些参数。另外，声波导波管必须具有令人愉快的口部触感，而且必须提供一种足够软的表面，当其以声频振动，并且接触口腔和牙齿时，其足以吸引人。具有吸引人的纹理和软性的声波导波管设计成可有效地接受、传导、相干聚集、不相干地压缩以及传送超声频率的声能。声波导波管还可设计成可沿着导波管引导声能，并在声能扩散到导波管末端之前将声能传送或″泄漏″至周围介质中。一种促进这种声漏的方式是由具有比周围流体相当低的声速的材料制造导波管，和/或提供一种具有锥形侧壁的导波管。
总地说来，声波导波管具有实心的块状结构，至少一个尺寸比单个刷毛簇大得多。声波导波管的尺寸由设计参数确定，例如超声换能器表面面积、安装因素、导波管在用户口中的触感以及刷毛簇的排列。声波导波管可操作地接近和传声地联接在超声换能器上，并且与刷毛簇的一边或多边相邻且相接。在图1所示的实施例中，声波导波管的底部的尺寸和构造，通常与超声换能器的外露面和/或相关联的阻抗匹配层的尺寸和构造相匹配，并且安装成可与超声换能器和/或相关联的匹配层的外露面相接触。声波导波管的主体可形成通常矩形体，或者可具有一个或多个弯曲的剖面，如图1中所示。
在某些实施例中，至少其中一个导波管壁是锥形的，使得声波导波管离超声换能器的远侧顶端，或远端面具有比超声换能器附近的声波导波管底部更小的横截面积。总地说来，声波导波管具有通常沿着牙刷头的纵轴而定向的长度，其大于刷毛簇的直径，并且更优选具有比至少两簇刷毛(边-至-边)的组合直径更大的长度。在另一实施例中，声波导波管的长度大于至少五簇刷毛(边-至-边)的组合直径。在另一尺寸中，通常横向牙刷头纵轴而定向的声波导波管，其底部的宽度通常大于刷毛簇的直径，并且在某些实施例中，通常大于至少两簇刷毛(边-至-边)的组合直径。在美国专利出版物2005/00917701中详细描述了适合于本发明装置使用的许多备选声波导波管的结构和组成，其通过引用而完整地结合在本发明中。总地说来，声波导波管由稍微″软″和″橡胶状″的材料构成，例如硅橡胶，或其它类型的生物相容性材料，例如其它类型橡胶、热塑性弹性体以及具有良好的超声传送特性以及令人愉悦的触感和表面纹理的闭室或开室泡沫。材料的刚度通常小于大约80肖氏A级刚度，更通常为大约10至65肖氏A级刚度。为了获得改善的口腔舒适感可采用大约40肖氏A级刚度或更小的刚度。在某些实施例中，声波导波管可具有复合结构，其中在超声换能器附近提供相对较硬的材料，并且在导波管的远端面附近提供相对较软的材料。导波管在超声换能器附近的刚度可大于例如大约40肖氏A级刚度，而导波管在远端面附近的刚度可小于例如大约40肖氏A级刚度。导波管材料特性可以是各向同性的或各向异性的。在一个实施例中，当导波管安装在牙刷头中时，暴露的声波导波管的高度小于至少一个刷毛簇的暴露高度，并且在另一实施例中，当导波管安装在牙刷头中时，暴露的声波导波管的高度小于安装在牙刷头中的各刷毛簇的暴露高度。在另一实施例中，暴露的声波导波管部分的高度大于牙刷头中提供的至少一个刷毛簇的高度。总地说来，声波导波管的暴露高度大于刷毛簇的暴露高度的大约30％，且小于大约90％。在另一实施例中，声波导波管的暴露高度大于刷毛簇的暴露高度的大约40％，且小于大约80％。导波管的远端面可以是弯曲的或平的。在某些实施例中，导波管在其远端面上的横截面积比刷毛簇至少大五倍；在另一实施例，导波管在其远端面上的横截面积比刷毛簇至少大十倍；和另一实施例，导波管在其远端面上的横截面积比刷毛簇至少大二十倍。在许多实施例中，声波导波管的表面基本上是平滑的；在备选实施例中，其可具有带规则或不规则图案的纹理。
具有合适的超声传送特性，所需的刚度和触感等的材料，其在本领域中是已知的。硅橡胶和其它类型的橡胶、硅材料例如可浇铸的/可模制的RTV、液体注射模制的(LIM)硅、热塑性弹性体、热塑料弹性体(TPE)注射模制工艺材料，以及闭室或开室泡沫都可使用。聚合物由于其相对较低的切变波速度而具有超越其它导波管材料的优势。然而，因为其粘弹性，可能需要聚合材料的交键联接以避免过量的声音损失，并提供平衡的弹性应力，因而提供一种更稳定的导波管组成。
声波导波管可选地包含声阻抗匹配装置，例如石墨、矿物或金属填充的环氧树脂的匹配层。各种电介质材料，例如二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)和许多其它聚合物也可用作或并入到声阻抗匹配装置中。匹配层可埋置或并入到导波管中，并定位成可与超声换能器的外露面相接触。在另一实施例中，匹配层和导波管的功能可通过制造分层的导波管构件而组合起来，改变波的传播方向上的声阻抗。因而，在某些实施例中，本发明的声波导波管可包括两个或多个层，其包含不同的声音传送材料。例如，对于某些应用可设想包括三个、四个、五个声音传送层的声波导波管。在对称的层压结构中可提供多个层；还可提供由不同材料组成的规则或不规则的区域。声波导波管还可包括一个或多个插入或埋置元件，用于修整声音特性，促进声音传播和优化声音特性。导波管组件可包括，例如可插入到注射模中的石墨芯部分或相似的构件，以及利用夹物模制工艺围绕芯部分而模制的弹性的外部部分。或者，可使用多重注射成型方法来创造材料对不同的声音和/或弹性特性的梯度。
在优选的实施例中，本发明的声波导波管基本上没有未充气或充气的空隙。就使用多种材料或元件来形成导波管的方面来说，那些材料和元件通常彼此紧密地接触，而不容许表面之间形成空气间隙。然而，在某些实施例中，可能需要在声波导波管中形成一个或多个空隙，并且利用材料基本上填充了这些空隙，该材料在这里所述的超声操作参数下具有所需的声音传送特性。
声波导波管还可制造，或安装在装置头部结构中，从而提供牙菌斑的直接接触式去除作用。在这样一个实施例中，导波管的远端面可超出一簇或多簇刷毛的末端。辅助元件可并入到导波管结构的表面上，例如埋置的刷毛细丝、刮板类型的形状物、类似于刷毛的模制或成形的突出物等等，并且这种辅助元件可以有序的或随机的模式来提供。这些特征可选地用来确保在牙齿表面和声波导波管的大块表面之间保持规定的间距。这个可选特征可并入在那些需要最大程度地减小直接传送超声至牙齿结构中，和/或如果泡沫激励发生在离声波导波管末端某一距离处，并且需要间隔装置来保持这段距离的应用中。
根据其它实施例，声波导波管可设有连续或不连续的涂层或外层，其具有均匀或可变的厚度，而且包括提供额外功能的材料。在一个实施例中，例如，声波导波管可由涂覆或利用生物相容性的抗微生物剂或抗菌剂例如金属离子，如银或另一抗微生物剂浸渍过的材料制成。在另一实施例中，声波导波管可涂覆或被覆随着使用而磨损掉的物质，以指示声波导波管和牙刷头已经达到了其有效寿命的终点。合适的指示器可包括，例如在延长使用的周期内，在诸如颜色、味道、纹理、气味等特性方面产生变化的材料。在又一实施例中，导波管可包含热激励的变色剂，例如染料，其感测由功能压电换能器产生的热量。这个特征可结合例如充电功能来使用，其容许超声波发生器为声波导波管加热，并从而在电池充电期间改变其颜色。导波管可定位成通常与牙刷头的纵轴对准，如图1中所示。在这种状态下，导波管可构造成与整个口部中的牙齿面的轮廓大致匹配。在导波管处于这种纵向定向时，清洁操作的功效可较少依赖于用户刷压的技术/方式，其容许用户刷牙而不用关心导波管的位置。或者，导波管的纵轴可通常与牙刷头的纵轴的横向对准。在这种定向上，导波管可设计成落入邻间空间，并为用户提供触觉反馈，使得用户可指引从一个邻间空间至下一邻间空间的运动，从而提供由超声邻间引起的清洁作用，这在超出刷毛的地方是最需要它的。或者，导波管可定位在牙刷头的远端，而不使刷毛簇定位更远，从而其可在面部或舌面上，以及臼齿的后表面声得到有效利用。
在任何这些定向中，导波管都可用作平衡器，以防止用户在对牙齿应用刷毛时，使用过大的力，从而减少在刷牙期间由于过大的力引起齿龈损伤的发生。其还可用作洗涤剂，从而清洁牙齿面，并因而可包含增强擦洗作用的表面纹理。其还可用作齿龈按摩剂，因而刺激齿龈(如时常牙科医生所推荐的那样)，以减少牙龈肿胀，并有助于修整组织轮廓。其还可用于刺激唾液流动，其对于口腔干燥的个人特别有利。
导波管的结构和组成可设计成可通过压缩声场而提高所输送的声强度，和/或将能量相干地聚集到超出导波管顶端的周围介质中。这可通过例如修整声波导波管的末端形状而实现，以产生声透镜效应，这种效应将导波管的波聚集到超出导波管之外的较高的强度场中。这种聚集效应可利用一种或多种导波管材料组合在一起，并经修整以产生聚集场而实现。例如，在导波管的末端可使用一种低衰减的较高声速的材料，以便在波前浸入到较高衰减的口腔流体环境中之前继续传播和聚集波前。如同上述声场压缩，利用聚集效应所获得的增加的声强度提高了装置效率。
超声换能器
如上述，本发明的某些实施例提供了一种口腔卫生装置，其利用超声换能器产生超声能量，在声波导波管的协同下有效地将超声能量扩散到牙齿流体中。由于刷毛簇的运动而存在于牙齿流体中和/或通过刷毛簇和/或声波导波管的而形成的微泡，其通过超声能量引起的气蚀而受到刺激，产生″擦洗泡沫″，其有效地从暴露牙齿面和离牙刷头一定距离的邻间区域中松释并去除牙菌斑。这里公开的超声换能器造成这些微泡脉动，从而产生围绕单个泡沫的局部的流体运动，并产生微流，其在超声波气蚀作用的协同下获得足以破坏牙菌斑的剪应力。
这种超声换能器通常安装在本发明的口腔卫生装置的装置头部或牙刷头部分中，接近超声发射到口腔流体中的位置。或者，可将超声换能器放置在牙刷手柄中，并与装置头部相通，以在装置头部或其附近产生超声发射。如上所述，通过利用由低损耗材料例如钛和/或钢制成的突入到装置头部中的延长的耦合器，可将声能耦合到牙刷头的导波管中。在手柄和牙刷头中的声波导波管之间的声耦合可利用例如固体或液体材料来实现，这些材料使声能相对于手柄和牙刷塑料的纵轴旋转90度。这种耦合机构优选采用一种具有功能接口，其容许牙刷的刷牙部分可被除去和更换。
可适合于在本发明的口腔卫生装置中采用的超声换能器可以轻易地得到。参见例如，美国专利No.5,938,612和6,500,121中所公开的超声换能器，其各通过引用而完整地结合在本发明中。适合于在本发明装置中使用的超声换能器通常通过压电效应或磁致伸缩效应进行操作。磁致伸缩换能器，例如可产生20-40kHz范围内的高强度的超声能量。或者，可通过对压电材料，例如锆钛酸铅(PdZrTi或PZT)的晶片施加电子振荡器的输出而产生超声。许多压电PZT陶瓷混和物在本领域中是已知的，并且可用于制造适合本发明装置使用的超声换能器。还可使用其它压电材料，例如压电聚合物、单层或多层聚偏氟乙烯(PVDF)或晶体压电材料，例如铌酸锂(LiNbO3)、石英和钛、钡。
除了压电材料，电容式微机械加工的超声换能器(cMUT)材料或静电聚合物泡沫也可用于本发明的超声换能器。这些材料许多可用于多种振动模式，例如径向、纵向、切变等等，以产生声波。另外，单晶体压电材料可用于减少压电元件的铅含量。例如，Pb(Mg1/3Nb1/3)O3--PbTiO3(PMN-PT)，K1/2Na1/2NbO3-LiTaO3-LiSbO3(KNN-LT-LS)，以及其它材料可用于以差不多数量级的形式减少电压/传送比，如同N.Marandian Hagh，E.Ashbahian和A.Safari在2006年3月的UIA学术报告会上所讲述的“K1/2Na1/2NbO3固溶体系统中的无铅压电陶瓷”中所述。
用于本发明装置的超声换能器组件可包括单个压电元件，其具有通常块状形式，和通常矩形的构造，如图1中所示。这种单元件换能器组件可以各种其它构造形式来提供，例如圆柱形的、椭圆的、多边形的、环状的等等，并且可具有对称的或非对称的构造。单元件超声换能器沿着其厚度可具有通常均匀的横截面构造和尺寸，或其可成圆锥形或具有另一可变的横截面构造。
压电超声换能器材料通常需要驱动电压，其与压电元件的厚度成比例。具有相当厚度的单个压电元件需要高的驱动电压。因而，在备选实施例中，本发明的装置包含多层超声换能器元件，或多元件换能器，以减少给定的声音输出所需要的驱动电压。多压电元件的换能器组件优选构造成使压电元件设置成机械串联且电并联地连接在一起。这种设置降低了对于给定的换能器输出所需要的驱动电压。
图2A和2B显示了适合于本发明的口腔卫生装置使用的典型的超声换能器组件。在图2A所示的实施例中，适合本发明牙刷使用的超声换能器组件包括以协作形式，例如堆叠形式而设置，并彼此粘接在一起的两个或更多个压电元件。超声换能器组件30具有整体通常矩形或梯形的剖面，并且包括至少两个压电元件32和34，其具有与一个或多个表面相关联的电传导材料以及与各压电元件的传导表面相接触，并且与定位在牙刷头或手柄中的超声波模块驱动电路保持电接触的一个或多个电触头36。电触头36在这个实施例中以电传导构架结构来提供，其在接触点上紧紧地接触换能器组件，并且还提供了换能器组件结构的机械完整性。电传导构架结构与一个或多个压电元件的接触点优选设置在压电元件的结点上或其附近，此处元件运动的振幅会减少。传导的构架结构可以是弹簧装载的，以提供压力连接，和/或提供焊接的，熔接的，或传导的环氧树脂以制作更强壮的电连接。
在图2A所示的实施例中，压电元件沿着至少其周边的一部分是带凹口或带凹槽的，如凹口区域33上所示。凹口区域33是电传导的，以便在多个压电元件彼此粘接在一起的位置上或其附近提供用于电触头36的接触点。电触头36包括叉状触头扩展部分38，其用于提供与超声驱动电路相通的电极的电接触。在图2A所示的实施例中，触头扩展部分38从换能器组件结构延伸出来，并且可以是柔性的或装有弹簧的，以提供与电极的正极接触。超声换能器组件30还可包含阻抗匹配元件37。在压电元件和与超声驱动电路相接触的电极之间有各种构造电连接的方式。举例来说，利用各种技术如喷镀、溅射或焊接传导材料，或敷设传导的环氧树脂或另一传导材料可提供电传导表面。图2B显示了适合于本发明的口腔卫生装置使用的多元件超声换能器组件40的一个备选实施例。在这个组件中，压电元件42和44和阻抗匹配元件47粘接在多层构造中，其中在至少元件表面的一部分上提供了电传导的涂层或层。在换能器组件的外表面上设有电传导″垫片″45，用于连接与超声驱动电路相通的电极。这类电连接通常用于例如，多层PCBA互连器。还可采用外部引线框，以便于构造换能器模块，以及便于将模块装配到牙刷头中。
在优选的实施例中，多个压电元件机械串联地堆叠起来，并且电并联地连接在一起。元件串联的机械堆叠使与单个压电元件相关联的位移是叠加的。压电元件的并联电连接使与单个压电元件相关联的电容也是叠加的。这种设置提供了较大的电子装置驱动可能性范围。
除了换能器元件以外，可提供与超声换能器组件相关联的一个或多个阻抗匹配元件，以提高在将声能从通常较高阻抗的换能器元件传送到较低阻抗的声波导波管材料中时的效率和/或带宽。通常，选择的匹配材料具有支持所需频率的四分之一波长的厚度，并且具有介于有待匹配的两个阻抗之间的声阻抗特性。合适的阻抗匹配元件可包括例如环氧树脂和金属颗粒复合物、石墨以及许多其它技术人员已知且可轻易得到的候选材料。阻抗匹配元件的构造和横截面积通常与超声换能器的远端面的构造及横截面积相匹配，并且阻抗匹配层通常与换能器的暴露的远端面直接接触。在备选实施例中，用于本发明装置的超声换能器组件可采用弯张换能器，其包括活动压电驱动元件和机械的壳结构。这种壳或″钹″结构用作机械转换器，其将压电驱动元件的高阻抗小扩张运动转换成壳的低阻抗大弯曲运动。合适的弯张换能器在本领域中是已知的。利用弯张换能器可消除对匹配层的需求。
本发明装置的其它实施例采用包括换能器阵列的换能器组件。在一个实施例中，压电复合换能器阵列包括多个柱体。这些柱体可通过例如将一块压电复合材料切割成许多较小的子元件或通过将这些元件的阵列注射模制成形而制造出来。根据所设想的精密应用，由这种材料制成的压电复合材料和阵列可由于减少的声阻抗和高的耦合因子而提供同块式换能器相比改善的超声转导特性。许多压电复合材料的类型是已知的；Wallace Arden Smith，1989年IEEE超声学术报告会的″超声换能器中的压电复合材料的作用″中描述了典型的材料。复合换能器的灵敏度在法线方向上是主要的，因而引起横向机械振荡模式解耦和干涉。最终结果是较大的声音输出及较低的驱动电压。
超声模块
超声换能器组件可并入在超声模块中，其还包括换能器支撑结构，可选的匹配层，和声波导波管。图3中显示了包含图2A中所示的换能器组件的一个典型的超声模块50。在这个超声模块中，包括压电元件32和34和阻抗匹配元件37，并带有电触头构造36及电导线38的换能器组件30，其机械地安装在基本刚性的支撑结构52上，支撑结构52为换能器组件提供了机械支撑，并且还用于引导超声波传播穿过可选的匹配层37和声波导波管结构55。良好的机械连接和声音特性可通过例如将支撑结构耦合特征53，54定位成与压电陶瓷，匹配层及导波管上的最小运动区域(节式安装)相重合而实现。之后将声波导波管55安装在或模制在换能器组件和支撑结构之上，从而在导波管的内表面和换能器组件及支撑结构的外表面之间提供直接接触。
声波导波管可安装在换能器组件的上表面上，并与换能器组件的上表面相接触，如图1中所示，或者在备选实施例中，声波导波管55可安装在换能器组件的上表面上，并与换能器组件的上表面以及至少换能器组件的侧壁的一部分，优选相当大的一部分以及支撑结构相接触，如图3中所示。导波管结构55包括底部结构56，其大小适合(至少部分地)盖住超声换能器组件30，并具有通常与超声换能器组件相匹配的构造。底部结构56通常安装且锚定在牙刷头上，使远侧导波管部分58从牙刷头结构向外突出来。导波管结构55优选作为具有通常块状的三维构造，并具有多个面的整体结构而提供。在图3所示的实施例中，底部结构56的横截面积通常大于远侧导波管部分58的横截面积，并且相对的侧壁57和端壁59远侧端接在导波管的远端面60上。
导波管的远端面60可弯曲成通常凸起的构造，如图3中所示。在备选实施例中，导波管的远端面60可以是大致平坦的，弯曲成通常凹入的构造，或弯曲成更复杂的构造。一个或多个导波管面的相交部分可以是圆形的或带倒角的，如图所示，或其可形成角落。这里所述或在美国专利出版物2005/0091770A1中所述的任何声波导波管材料和结构都可结合并入到本发明装置中的超声模块一起使用。
声波导波管组件通常安装在口腔卫生装置的头部，例如牙刷头中，使得声波导波管从装置头部的支撑结构中突出来。补充的导波管支撑结构还可作为换能器模块或牙刷头结构的结构化特征而提供。可提供导波管支撑凸缘，其从牙刷头支撑底部或刷毛板中延伸至例如导波管结构的周边附近，以提供支撑导波管底部的刚性结构。
不管组成超声模块的单个元件的精密的构造如何，压电元件、匹配层和/或声波导波管通常设计成可将声能传送，并可选地聚集在相对于发射表面的预定位置上，或者以特定的模式散布声能。超声能量可例如直接从产生源，如压电陶瓷元件辐射到口腔流体中，而没有中介匹配层或导波管。或者，可将声波导波管直接放置在压电陶瓷上。在其它备选实施例中，整个超声波组件，包括声波导波管可由压电体聚合物构造而成。
装置头部组件
装置头部组件优选可从手柄组件拆卸下来，并且是可更换的。牙刷头组件包括适合于接受并支撑超声模块的基本刚性的外壳结构，一簇或多簇刷毛，以及用于为超声模块传送功率，并用于将振荡运动耦合到声波导波管和刷毛簇上的构件。当将牙刷头连接到手柄上时，可通过由安装在手柄和牙刷头中的互补的电触头的正极接触所建立的硬连线的电连接而将电功率提供给超声换能器。或者，可采用一种变压器组件来提供装置头部组件和手柄之间的联接和功率转移。
图4中显示了牙刷头组件的一个实施例。牙刷头组件80的外壳结构包括用于连接到手柄的配合连接区域上的底部部分82，较小横截面的杆部分84，以及安装有超声模块50和/或牙刷簇的牙刷头支撑结构86。在这个实施例中，通过变压器为超声模块提供功率，变压器具有安装在手柄中的初级线圈和铁芯(如以下所述)，以及安装在头部组件80的底部部分82中的次级变压器铁芯87和变压器次级线圈(和相关联的线轴)88。以下描述变压器的操作，其将功率输送给牙刷头而不需要硬连接。
在安装在牙刷头组件中的次级线圈88和超声模块50中的超声换能器组件之间的电连接，其通过与换能器组件触头相接触的(一个或多个)传导电极89，以及设于次级线圈上的触头而实现。一个或多个传导电极89可以保持在牙刷头组件的通道中的传导金属条形式来提供，并可模制到牙刷头结构中。或者，在换能器组件触头和线圈触头之间可使用柔性的电连接(例如，跨线类型的连接)。在一个备选实施例中，电触头机械地连接在牙刷头外壳的非活动部分上，使得触头提供弹簧弹力，使牙刷头返回至中心位置或另一所需位置。
刷毛簇安装在支撑板90上，位于超声模块50附近。底板可具有各种构造，包括矩形、大致圆形、大致卵形、或椭圆形。支撑板还可用作声音匹配层。该板可超声焊接至牙刷颈部，以在超声模块周围提供密封或可与支撑结构86整体地成形。牙刷颈部组件利用线圈和铁芯而连接在外壳上。
包括刷毛细丝的装置头部，刷毛细丝和/或刷毛簇的间距和定向，刷毛和/或刷毛簇的修整，导波管构造和位置，以及装置头部的支撑结构通常设计成可促进保持、俘获、或以其它方式阻碍流体。装置头部还可设计成可主动地传送超声穿过刷毛细丝和/或刷毛簇。这可通过将超声换能器组件直接安装在一个或多个单个刷毛簇和/或细丝下面，并消除经由牙刷底部塑料的超声耦合而实现，如同当前技术的牙刷。
本发明的装置头部，更具体地说牙刷头，其通常包含一簇或多簇刷毛组件，每簇刷毛包括一束一条或多条刷毛细丝。许多刷毛细丝的类型是可得到的，并且可用于本发明的装置头部。通常，刷毛细丝和刷毛簇可通过细丝的材料、直径、横截面构造和各细丝及刷毛簇的外露长度、细丝和刷毛簇的刚度或柔性等等来表征特征。各簇中的细丝可包括相同的材料，并且具有相同的尺寸特性，或者可将不止一种类型、形状或尺寸的刷毛并入到单个刷毛簇中。类似地，形成该组件的多个刷毛簇可包括相同的尺寸和/或物理特定，或者具有不同尺寸、长度、刚度等等特性的刷毛簇，可以各种排列设于牙刷头上。这些刷毛簇可包括特殊形状和/或尺寸的刷毛细丝，以促进清洁和用户经体验。特殊形状的刷毛可定位并定向成补足牙刷头中的导波管的存在。例如，较硬的刷毛和刷毛簇(具有通常较大的细丝横截面和/或较短的刷毛长度)可定位成便于将导波管定向在相对于牙齿的特殊位置上，并且较软的刷毛(具有通常较小的细丝横截面和/或较长的刷毛长度)可定位成便于导波管在邻间空间的穿透作用。
尼龙刷毛细丝适合于在本发明的装置中使用。在许多实施例中，各刷毛簇包括大约25至40根细丝；在其它实施例中，各刷毛簇包括大约28至30根细丝。各细丝束的直径通常大约为0.005-0.009英寸，并且在对于某些应用的优选实施例中，各细丝束的直径大约为0.005-0.007英寸。各簇直径大约为0.03-0.12″；直径优选大约为0.05-0.08″。本发明的其它类型的口腔卫生装置可包括具有不同特性的或多或少的刷毛簇。
单个的刷毛细丝可以是固体，或者细丝可以是空心的。空心刷毛细丝可用作气体源，该气体被捕获并在牙齿流体中形成泡沫。气体可被动地经引导而穿过刷毛或主动地经抽吸而穿过刷毛。在一个实施例中，可将空心的细丝的中心直径设计成可促进泡沫的成形，这种泡沫具有与所应用的超声频率共振的直径，即泡沫的直径大概在13至65μm的范围内。或者，空心刷毛细丝可填充传导超声的传声材料。填充材料可形成永久的细丝的一部分，或者其可通过细丝分配出来。可分配的填充材料可包含牙膏或其它泡沫促进材料。超声可通过例如流体吸收材料，如海绵进行传导，其在润湿时可充分吸收流体，从而有效地将超声从换能器耦合到牙齿面上。
用于口腔卫生装置的刷毛细丝通常具有圆柱形的横截面构造，并且通常经过修整，以提供钝的外露的端面。本发明装置可利用具有非圆柱形构造的刷毛细丝，其沿着一个轴线具有比其它细丝更长的尺寸。具有非圆形的横截面构造，例如棱形、矩形或椭圆形的横截面构造的细丝，其可在角度上修整并定向成使得较长轴线垂直于刷毛顶端运动的方向，因而用作″微型桨″，以提高所需方向上的流体流量。在一个轴线上比其它细丝更长的刷毛细丝，其还可定向成使得较长的轴线大致垂直于刷毛顶端的运动方向，以提供更软的运动和触感，或使得较长的轴线通常平行于刷毛顶端的运动方向，以提供较硬的运动和触感。
适合本发明所公开的装置使用的刷毛细丝和刷毛簇，其可经过修整而促进刷毛与牙齿表面的接触，例如，促进刷毛与面部和臼齿面的接触，以及达到邻间空间。在包含声波导波管的装置中，刷毛细丝还可修整成可优选将声波导波管定向在沿着牙齿表面的所需位置上，和/或使导波管定向朝向增强超声邻间穿透的位置上。
根据图5中所示的一个实施例，牙刷头86包含多簇刷毛93，包括较长和较短的刷毛簇的组合。刷毛修整通常与刷毛的声音运动方向相关联。在一个实施例中，较长的刷毛簇的局部顶点94定位成通常与声波导波管95上的某个位置对准(从牙刷头的侧面看去)，其中超声输出通常在导波管的纵向中点处最大。当声波导波管包含具有顶点或高点的远端面时，较长刷毛簇的局部顶点94通常与导波管的远端面的顶点对准。在牙刷头86上的簇间距和排列通常设计成可促进刷毛簇和牙齿面的接触，并通过声音振动和超声效应而促进清洁作用。簇间距通常是不规则的，其中刷毛簇以较高的密度设置在牙刷头的特殊区域中。声波导波管95的侧壁附近的牙刷头侧面上的优选簇间距，例如可比声波导波管95的端壁附近的牙刷头任一末端96，97上的优选簇间距较为稀疏(其中导波管95定向通常沿着牙刷头86的纵轴)。在一个实施例中，在牙刷头96的远端提供相对较密的刷毛簇，并且在牙刷头97的近端提供另一相对较密的刷毛簇，其中刷毛簇以较为稀疏的排列设置在导波管95的纵向面的任一侧。牙刷头的任一末端96，97上的刷毛簇还可比牙刷头的中心部分上的刷毛簇更硬。另外或作为备选，可将簇间距设置成可产生通道，其容许包围牙刷头的流体进入牙刷头附近的区域中。在许多实施例中，这些通道定位在导波管的角落附近和/或导波管的长轴的末端处。通道的宽度(相邻簇之间的间距)优选为1至3mm。
刷毛簇可定位并定向成可补充安装在牙刷头上的导波管的作用。在一个实施例中，簇在导波管的纵向面附近相对较密地间隔开，以便将流体联接至导波管上，容许流体通道朝向牙刷头顶端。刷毛簇、刷毛细丝、导波管和/或牙刷头构件还可定向成可促进具有所需尺寸的泡沫的产生和转移，其有待通过所应用的超声频率激励，即泡沫的直径大约在13至65微米的范围内。所需定向可依赖于周围流体的表面张力、粘度、密度和/或其它特性以及细丝、导波管和/或其它牙刷头构件的可润湿性，即带高表面张力的流体和簇和/或细丝彼此过于紧密可能防止泡沫成形和/或朝向导波管顶端的移动。
刷毛簇可定向在某一角度上，以垂直于支撑板的表面。在一个实施例中，例如，一簇或多簇刷毛可向内朝向导波管构成大约1-15°的角度，以促进流体至导波管的联接，并增强用户的触感和舒适感。在另一实施例中，一簇或多簇刷毛定向在远离导波管表面的角度上。在另一实施例中，刷毛簇的一部分定向成使其与导波管的表面大致平行对准。导波管其本身可经过形状加工，以增强这种联接，其包含可与刷毛平行的凸棱、鳍状物、凹槽和/或其它结构。本发明的装置可包括以各种定向提供的刷毛簇。
刷毛簇可设置成和/或定向成可引导导波管朝向邻间位置。刷毛簇较稠密的区域可设于某些区域，例如牙刷头的任一末端附近，其会更自然地掉入到邻间空间中。刷毛簇较稀疏的区域可设于其它区域，例如牙刷头的中心区域，从而符合面部和/或臼齿方面，并在其周围弯曲。刷毛簇的定位和定向还可用于防止导波管变形和/或接触牙齿。
刷毛簇之间的空间可填充另一材料和/或物体，以补充牙刷头中的导波管的存在。这种材料可以是开室或闭室泡沫、弹性元件/凸起物或提供以下一项或多项功能的其它材料：有效地填充空间；增强流体和/或泡沫特性；用作流体的储槽；或增强用户舒适感和清洁感觉。
手柄组件和构件
图6中显示了一种典型的装置手柄外壳和通常安装在手柄外壳中的构件的分解图。手柄100通常是刚性的，并具有通常圆柱形的剖面，其内部空腔和相关联的内部机械结构用于保持所显示的构件。手柄100还可包含一个或多个用户接口，例如接通/断开按钮102，电池充电水平指示器104和牙刷头更换指示器106。
充电线圈110和充电铁芯112通常设于手柄组件的底部，用于从接触电源(未显示)的分开的充电座台中进行感应充电。充电线圈110电连接在一个或多个可充电电池114上，可充电电池114为装置提供功率需求。合适的可充电电池包括，例如镍镉合金(NiCd)电池和NiMH(镍金属氢化物)电池。在图6所显示的实施例中，电池114安装在机械支撑结构116中，其为电池提供机械的支撑，并且还支撑控制器或电路板组件118。电池优选定位在手柄组件的中心轴附近，以便为手柄提供所需的重量平衡，并容许外壳在顶部和底部逐渐缩小至较小的尺寸。外壳可包括整体的圆柱形构件，或者其可成形为在手柄装配期间连接起来的一个或多个器件，例如上面部分和下面部分。这种外壳设计容许中心形状较大，而在顶部和底部逐渐缩小。不同的下面部分的设计可用于不同型式的手柄组件。在图6所示的实施例中，提供了单个电路板，并在单个电路板上提供所有控制和监测功能，以及超声驱动电路。应该懂得，可在定位于手柄中的分开位置上的分开的电路板上提供这些功能，而且还可提供补充的电路板，来提供补充功能。本领域中的技术人员应该懂得，超声换能器驱动电路可采用许多形式，而且有各种适合本发明装置使用的驱动电路。超声驱动信号通常从控制器发送至信号处理和预放大电路，并从此处将其传导至信号放大器。通常有用于超声换能器的匹配网络，其范围根据有待匹配的换能器可从相当简单至相当复杂。匹配网络的目的是在共振换能器驱动电路上或其附近取得共振，产生通常有效的，通常大功率的超声输出。在某些实施例中，如以下详细所述，带间隙的铁氧体芯变压器组成了匹配网络的一部分，并被用于驱动压电超声换能器。″固态″开关包括例如晶体管，其可用于超声换能器驱动电路，并且受到微型控制器的控制，其将电池电压连接至定位在手柄中的变压器的初级线圈上。电效率电路设计经常在共振或振荡电路拓扑中利用电抗构件(例如，电感和/或电容器)。
典型的超声电源(USPS)电路可包括以下一个或多个元件：共振箱；共振功率器件；共振转换器；并联共振转换器；串联共振转换器；直流-交流逆变器；矩形波转换器；改进的正弦波转换器；和回扫变压器。在本发明的其它实施例中，替代或除了这里所述的变压器架构之外，USPS可利用高压电源和电连接器。超声供电电路还可包含高容量的电容器，以提高电池寿命。通过利用线路功率提供其初始电荷，这种电容器在充电器底座上时的预充电可减少初始的电池依赖性。
驱动电机120电连接在控制器上，并包含用于将电动机输出，例如振动传递至装置头部，使牙刷头，声波导波管和刷毛顶端发生声频振动的驱动轴122。驱动轴122通常从手柄组件中突出来，并且当将牙刷头连接到手柄上时，机械地联接在牙刷头结构中。
许多不同类型的驱动电机可用于在本发明的装置中产生声频振动。在一个实施例中，步进式电动机用于提供电动机传动轴的振动式回转运动，电动机传动轴联接在牙刷头上。通常可控制步进式电动机提供对振动振幅和牙刷头位置的精密操纵，并且因而可适合装置使用，其中在操作循环期间，振动会发生变化。有限转角力矩(LAT)电动机也可用作本发明中的驱动电机，以提供小于大约12°的夹角的振动，夹角优选小于大约10°，并且在其它实施例中，夹角在大约3°至7°之间。
摆重电动机，传统旋转式电动机，和压电式电动机或驱动器可备选地用作驱动电动机，用于在本发明装置中产生声频振动。在一个实施例中，电动机包含手柄中的复原弹簧或回动弹簧，或者在操作期间定位于装置头部组件中的电动机轴的部分包含复原弹簧或回动弹簧。电动机优选具有紧凑和轻量设计，其可便利地装配在通常圆柱形的装置手柄中。优选的电动机尺寸通常为直径在大约0.60英寸至大约1.0英寸之间，且长度在大约0.5英寸至大约1.0英寸之间。饼式电动机也可采用。
本发明装置可使用传统的电或磁接触将功率传递至在装置头部中操作的构件，例如超声换能器。然而，在优选的实施例中，本发明的装置采用变压器从超声驱动电路和手柄的电源中将功率感应式地耦合和传递到装置头部的换能器组件中。变压器组件还可从超声供电电路提供升高的电压至超声换能器中，并且当从手柄中拆卸下头部组件时，恰当地提供变压器的初级线圈和次级构件的物理分隔。变压器组件还恰当地在手柄的供电电路和牙刷头组件的超声换能器电路之间提供了电绝缘。
合适的变压器通常在手柄和牙刷头组件之间利用主和辅裂口。在一个实施例中，超声供电电路和变压器的主侧线圈及铁芯安装在装置手柄中，并且电触头从变压器初级线圈延伸到主手柄舱内，用于连接到超声电源上。如图6中所示，变压器初级线圈128和铁芯126构件通常设于装置手柄的密封的外壳中，其通过密封的垫片124和密封的塞子130而与安装在手柄中的其它构件隔离开。超声换能器和变压器的次级线圈132和铁芯134安装在装置头部组件80中，并通过盖子136进行密封，如图7中所示。在这个实施例中，变压器组件传递压电换能器所需要的阻抗-匹配的电压，以产生所需的超声输出强度。安装在装置头部中的次级线圈和铁芯，例如可以固定的方式安装在外壳上，而装置头部的其它部分，例如牙刷头杆仍保持自由振动。或者，次级线圈和铁芯可安装在装置头部中，用于装置头部的其它部分的运动，以获得用于牙刷头的惯性矩。变压器线圈组件通常以圆形或椭圆的路径缠绕在线轴上，并进行密封。具有容许电动机驱动轴穿过变压器组件并联接到牙刷头上的中心孔的环形铁芯，其优选用于许多应用。在操作循环期间为了变压器的有效操作，在安装于手柄和头部中的铁芯之间需要保持小的空隙(通常大约0.010至0.150英寸，更通常小于0.010英寸，并且在某些实施例中，在0.040至0.080英寸之间)。在某些实施例中，通过利用密封的线圈组件，并使铁芯安装在这些密封组件的外部可获得铁芯之间的空隙。在一个备选实施例中，铁电体流体或填充铁的弹性体可用作铁芯之间的填料成分，以提高变压器的效率。
还可设想备选的变压器设计。这些包括但不局限于，使用带热的绕线铁芯或叠片结构，以形成铁芯。不管所采用的精密的变压器组件如何，都需要在手柄和牙刷头组件之间具有主和辅的变压器裂口部分。
在本发明的某些实施例中，用于为装置头部组件和手柄之间的联接供电的变压器组件可为装置头部中的其它需要功率的装置提供功率，并且还可用于在装置头部和手柄之间交换电信息。例如，这可通过增加线圈或额外的线圈绕组于变压器组件的主侧，或通过利用中心带线圈而实现，其将信号感应式地耦合到装置头部的线圈中(即变压器的次级侧)。因而，可将信号从手柄发送到牙刷头组件中，并且由牙刷头组件构件提供相应的响应。或者，可联接变压器的初级和次级侧之间的信号，以引起超声波驱动波形的顶部电压。例如，这可提供驾于超声波形顶部上的振幅调制信号。或者，可调制信号频率，以提供频率调制或频率调制和振幅调制的组合。
这种额外的变压器元件可选地用于提供监测换能器性能的反馈信号。例如，这种反馈可控制电压控制振荡器(VCO)和/或锁相环路(PLL)，用于为换能器自调谐振荡频率，以便在操作循环或子循环开始或期间监测超声换能器的操作。
本发明装置包括带一个或多个额外线圈，或额外的线圈绕组的变压器，其可包含额外的装置功能。在一个实施例中，例如，额外的线圈或线圈绕组主要用于与超声换能器供电电路相互作用。在另一实施例中，采用额外的线圈，或线圈绕组来监测超声换能器的性能。在另一实施例中，额外的线圈或线圈绕组激励超声换能器组件，并监测换能器的性能。在另一实施例中，额外的线圈或线圈绕组用于安装在手柄和/或装置头部组件中的构件测试和/或校准。在另一实施例中，额外的线圈和/或线圈绕组用于感测使用装置所在的环境，例如用户口部中的特性和用户牙齿上的特性，并将该信息传送至控制器。在另一实施例中，额外的线圈和/或绕组用于确定和/或发送可接受或不可接受的超声换能器性能的信号和/或发送装置头部的使用寿命终止的信号。在另一实施例中，额外的线圈和/或绕组可用于监测换能器的唯一识别标志，从而识别牙刷头组件。
装置的操作和控制特征
本发明的装置通常包含可由用户操作的接通电源和断开电源的控制机构。在一个实施例中，提供了一种机械的促动器，当应用压力时，其激励装置，以启动一个操作循环。操作循环的启动通常涉及电动机驱动装置和/或超声换能器的激励，并且可包含延迟特征，其使操作循环的启动延迟预定的周期。相同的机械促动器可用于使装置失活，并且终止操作循环，或者该装置可经过编制程序而自动地在操作循环结束之后关闭或在操作循环结束之后经历预定的延迟周期。通过照亮电源接通按钮可提供装置已经被激励的指示，例如，利用LED。除了电源接通和/或电源断开控制器以外，本发明的装置可具有一个或多个可由用户选择的预定的程序化的操作循环。或者，本发明装置可由用户编制程序，以提供一个或多个可由一个或多个用户选择的操作循环。本发明的装置还可包含检测特征，例如其容许只有当装置头部恰当地联接在装置手柄上时，或只有当装置头部被确定可进行操作时，才启动操作循环。在安装非功能化的装置头部或不恰当地安装装置头部的情况下，用户接口可发送信号给用户，以作出恰当的改正。
可提供额外的用户接口。通过例如利用LED照亮用户可见的显示器，可将电池充电水平指明给用户。例如，通过照亮不同数量或模式的信号可告知和直观显示电荷水平的变化。还可提供用户接口以指示装置头部恰当地起作用，或者装置头部不起作用。可采用任何类型的用户接口，包括利用一个或多个LED显示器，一个或多个LCD显示器，可听得到的声音，驱动电机的操作上的间歇或变化等等而照亮指示器。这种指示器可并入到装置的不同位置中，例如手柄上，辅助充电装置上，装置头部上，或辅助控制装置上。
装置头部和装置手柄可包含将头部或手柄与其它部件区别开的标识符。这种标识符可采用颜色或图案编码的带子、光或其它识别标记的形式，或者可作为在将装置头部安装到手柄中时可检测的电子标识符的形式来提供，或通过辅助装置来提供。多个装置头部和/或多种类型的装置头部可供通用手柄使用，并在将装置头部安装在手柄中时，可由用户和/或由控制器区别开。在一个实施例中，装置头部标识符可与一个或多个操作协议相关联，使得当操作循环启动时，装置可识别装置头部，并运行与装置头部相关联的操作协议。或者，如果有装置头部与不止一个操作协议相关联时，该装置可在启动任何操作循环时或之前提示用户选择协议。该装置可类似地检测不同类型的装置头部，并根据操作头部的检测和识别而启动合适的操作循环。
装置控制器通常提供计时功能，其将装置的操作循环分成多个操作子循环。多个预定程序的操作周期可设有例如，可听得到的声音和/或操作状态上的瞬时的间歇或变化，以产生用户感觉得到的子循环划分。在一个实施例中，例如，可在本发明的牙刷中提供四个大致相等的操作子循环，从而在口腔的四个刷牙象限中提供便利的操作。在另一实施例中，可提供四个通常相等的操作子循环，随后进行第五子循环，其在时间上与四个之前子循环相等或不等。对于牙刷应用，操作循环的持续时间可为大约1m至3m，其中操作子循环通常具有大约10秒-45秒的持续时间。应该认识到可提供任意数量和组合的子循环，周期和/或事务，并可在装置中预编程序或可由用户编制程序。如果提供多个预编程序子循环事务，那么提供用户接口以容许用户进行选择。在某些装置的实施例中，声波和/或超声波操作参数是程序化的并受到控制的，以便在操作循环期间和/或在操作子循环期间提供基本恒定的声波和/或超声波输出水平。在备选实施例中，声波和/或超声波操作参数是程序化的，并受到控制的，以便在操作循环期间，或在一个或多个操作子循环期间提供可变的输出水平或改变某些声波和/或超声波操作参数。对于某些口腔卫生应用，振荡运动(刷毛顶端速度、振幅和/或频率)在某些操作循环和/或操作子循环的周期期间适宜比在其它操作循环和/或操作子循环期间更大。因此，在某些实施例中，产生振荡运动的电动机驱动输出在装置的操作循环上是可变的。例如，电动机驱动和振动输出可与超声换能器同步操作，并且控制成可在超声突发启动或结束之前、期间或之后提供较高的输出(较大的刷毛顶端速度和/或振幅)或较低的输出(较小的刷毛顶端速度和/或振幅)。总地说来，当振荡运动结合超声换能器和声波导波管使用时，优选改变操作循环或子循环上的声音输出，从而在超声突发的周期内减少电动机驱动输出和振动，并且在超声不操作时的周期内提高电动机驱动输出和振动。
在一个实施例中，例如，电动机驱动控制成可在超声换能器操作期间减少声频振动(刷毛顶端振幅和/或速度)，并且在超声换能器不操作时增加声频振动(刷毛顶端振幅和/或速度)。因而，在某些实施例中，超声换能器和驱动电机的计时与输出是同步的。通过控制以下一个或多个参数可减少电动机驱动输出：电动机驱动输出的频率；电动机驱动输出的占空因数；电动机驱动输出的振幅；和供给驱动电机的电流。
在另一实施例中，利用驱动电机的本发明装置，其能够通过监测电动机的共振操作条件而确定和控制所需的电动机驱动操作频率。例如，控制器可基于连续或间歇的基础上而监测由驱动电机吸取的电流和电动机的驱动频率。通过监测电流可检测电动机的共振频率，因为当电动机在其共振频率下操作时，所需要的电流较低。这样控制器可将驱动电机操作频率设置在与所确定的共振频率偏离的所需频率上，或改变驱动电机操作频率，以获得在不同操作条件下的所需共振频率。
或者，基于连续或间歇的基础上可监测电动机操作，并且从电动机检测到的电动势(EMF)可用于确定电动机和/或其从动系统，包括牙刷头的固有的共振频率。因为共振频率在有和没有安装牙刷头的条件下是不同的，所以这个系统可用于确定牙刷头是否连接在手柄上。利用这个系统还可检测和识别具有不同惯性特性的多个牙刷头，从而识别不同的用户，并且可选地对不同的用户和/或牙刷头匹配不同的协议或程序化的特征。这种系统还可用于与牙刷头更换特征协同，以检测和识别更换的牙刷头，并从而触发复位操作。
辅助装置还可与监测驱动电机频率的控制器协同地使用，以监测各频率的角度振幅。通过监测各频率的角度振幅可检测电动机的共振频率。角度振幅测量值可传送给控制器，其则基于上面确定的共振频率而设置驱动电机操作频率。在某些装置的实施例中，超声换能器根据需要只在口腔的某些区域中进行操作。例如，可能需要超声脉冲只进入邻间位置，而非牙齿或舌面牙齿的朝面部表面，或反之。因而，本发明的牙刷设计成使得其可感测邻间位置，并且只有当导波管相对于该邻间位置取得最佳定位时，才发送超声脉冲。可采用各种技术来获得邻间位置。例如，检测装置可以是机械的，例如，通过利用弹簧运动，以感测牙齿的三维轮廓，或者是电的，例如通过检测牙齿导电率的变化。检测方法可优选利用超声换能器作为感测从导波管应用于牙齿面的作用力的方法。这种力，不管是间歇的还是恒定的，都可被换能器的电信号输出，由换能器/电子电路察看到的声阻抗的变化，或本领域中可用的任何其它相似的技术感测到
或者，当导波管与牙齿直接接触时，可关闭超声，并且当在牙齿和导波管顶端之间形成流体界面时可打开超声。
根据其它实施例，在操作循环或子循环中的超声突发和/或在多个超声突发上，可连续地或间歇地调制超声驱动频率。例如，可在预定的频率范围内，并以一个或多个预定的调制频率提供超声驱动频率的连续频率扫描。因而，如果中心频率是Fc，那么可扫描频率为从Fc-ΔF至Fc+ΔF。扫描频率的比率Fm，为在操作条件下达到所需的最佳操作而进行选择，并可在操作循环中变化。换能器可在一个或多个共振频率的谐波下操作。
超声换能器优选在其共振频率下或其附近频率下进行操作。利用合适的扫描模式的换能器的操作确保了在任何给定的刷牙状态下，超声模块在部分操作时间内以其共振频率被驱动。利用合适的扫描模式的换能器的操作还可用于驱动具有可变共振频率的超声元件，因为扫描动作确保换能器将在至少其部分操作循环内保持其共振频率。这导致通常在共振下产生的峰值音频输出。如上所述，还可执行利用扫描模式的换能器驱动频率的调制，以调整和改善超声换能器的操作，以响应所感测到的环境条件。在一个实施例中，例如，通过监测超声驱动电路的一个或多个特征，例如驱动电流，并基于所感测的电流流出与标准或所需的电流流出模式的比较而调整或调节驱动频率，或调整以补偿换能器参数变化(例如换能器操作温度)，从而获得实时超声驱动频率优化。在另一实施例中，在监测超声驱动电路的一个或多个特征，例如操作循环启动时的驱动电流的同时或在复位命令之后扫描超声驱动频率。
在某些实施例中，本发明的装置利用反馈功能，其容许通过，例如与换能器操作参数的标准或标准范围进行比较而在操作循环或子循环的启动，或期间监测超声换能器的操作和性能。例如，这种监测功能可用于确认装置头部得以正确地安装和/或超声换能器元件是可操作的。当监测功能指示装置头部不能恰当地起作用时，控制器可能不能启动操作循环。或者，可激励步测器功能，以提示用户重新定位装置头部。这种步测器功能例如可通过包含一个或多个LED或LCD的照亮的用户接口，通过产生声音，例如一个或多个嘟嘟信号声，通过利用蜂鸣器，或通过电动机驱动操作的间歇或变化而通知给用户。
本发明的其它实施例包括监测功能，其指示超声换能器元件和/或装置头部的使用寿命和/或功能。典型的反馈指示器例如可指示以下一个或多个功能：当超声系统和/或装置头部丢失时；当超声系统和/或装置头部存在，但不工作或操作不规律时；当超声系统操作，但不以所需的操作模式进行操作时(例如，脱离频率和/或不合适宜的振动模式)；以及当超声系统正常操作时。例如，在一个实施例中，在操作循环的启动时，监测超声换能器和/或装置头部的操作，和/或确认至超声换能器的可操作电连接，以确定装置头部得以正确安装。在另一实施例中，在操作循环或子循环期间连续地或间隔地监测超声换能器的操作，并且将所感测的操作参数与一个或多个预定的标准或标准范围进行比较，以确定超声换能器和/或装置头部是否在可接受的范围内操作。当装置头部和/或超声换能器在可接受的范围内操作时可激励指示正常操作的用户接口。在操作循环期间或启动时检测到不可接受的操作时，可激励用户接口以通知用户故障或建议用户更换装置头部。
对不可接受的换能器或装置头部功能的检测可通过例如监测超声供电电路和超声换能器消耗的电流而进行监测。不能正确起作用的超声换能器或装置头部显示不同于正确起作用的电流指示。在″正常″使用的起作用的换能器的电流指示，例如其特征为电流的突然变化。不起作用的装置头部的电流指示(其中例如，导波管分离，或不能与换能器构成电接触)，其特征为基本不变化的恒定电流。因此，在一个控制方案中，在各操作循环或子循环期间获得运行电流″Δ″(最小-最大)。如果在操作循环或子循环上检测到的最小-最大Δ较大，那么牙刷头正确地起作用。如果在操作循环或子循环上检测到的最小-最大Δ较小，那么已经发生了一个或多个故障，并激励合适的用户接口。
在其它实施例中，可对控制器编制程序，以计数装置操作循环的次数。对于特殊装置头部的操作循环的次数可显示在用户接口中。还可对控制器编制程序，以计数操作循环的次数，并同时监测装置头部的功能。在经过预定的使用数量(通常每日2次，6个月或180次)之后，设定微处理器监测流过定位在手柄中的电流感测元件的电流，并如上述检测不可接受的装置头部的操作。在另一实施例中，可对控制器编制程序，以在预定的间隔内监测装置头部的功能，例如，在预定的装置头部操作或激励次数之后。例如，可对控制器编制程序以监测二十次连续的装置头部使用，并对有多少个不同的装置头部供手柄使用进行估算。根据使用模式和在操作循环或子循环期间的″良好″与″坏″响应的比例，或″良好″与″坏″的操作循环或子循环的比例，微处理器可通过编制程序而激励用户接口。
某些复位功能可在通过程序编制控制器中，并由用户通过用户接口启动。例如，在更换损坏的装置头部之后，用户可为装置上的用户接口或辅助单元提供输入，并有效地使控制器和其装置头部检测，计数和/或监测功能复位。复位功能可指示控制器启动新的监测和控制循环，其可与之前的监测和控制循环相同或不同。应该懂得许多不同的监测和控制算法可经程序编制到控制器中。
或者，可执行分开的测试协议来监测装置组件的性能。在这种测试协议中，装置头部和超声换能器可浸入在包含内置换能器感测元件的容器中。该容器例如，可填充水，并且通过牙刷头所发送的超声信号通过感测元件进行检测，并通过容器中系统测量声音输出。信号强度可转换成给用户的信号，其指示超声元件的性能。在本发明的各种实施例中，测试容器可以独立单元的形式提供，或者可并入到辅助装置充电器或控制单元中。
在本发明的其它实施例中，牙刷可利用一个或多个机构，包括杀菌的基于超声机构，以实现牙刷头的抗微生物剂处理，从而减少保持在牙刷元件中的活细菌的水平。
自适应反馈机构
在某些实施例中，本发明的牙刷包括电子电路，其允许超声波信号的传送和检测，用于超声特征的实时调制，以获得增强的气泡振荡，并因而除去牙菌斑。传送特征以电方式进行监测，并将引起的反馈输送到检测电路和/或微处理器中。超声协议的单个特征(例如，PRF、CPS、占空因数、机械指数因子等等)和/或声波电动机驱动参数(例如，驱动电压、频率、占空因数、脉冲宽度等等)可修改成允许改善超声波的输出，用于改善牙菌斑的除去作用。这种″智能超声波″电动牙刷优化气泡尺寸和密度，以产生同固定的驱动超声换能器和声波电动机相比更优越的牙菌斑除去作用。
超声不会有效地穿过空气。然而，其的确相当有效地在水性环境中传送超声，只要超声换能器设计成可发射水性(水)介质即可。如上面参照微泡、声流和声微流所论述，当泡沫在相对较小的泡沫群中遭遇时(即1％至20％)，并且当其尺寸匹配超声换能器驱动频率时，泡沫被激励而振动，并且这同通过传统的声波电动机驱动的牙刷所提供的清洁作用相比提高了清洁效果。当超声结合声频使用时，超声波在气泡尺寸和总量太大时而衰减。这个现象的特征是大的空隙度(例如，不止30％的空隙度或被捕获的气泡)。当声音参数保持恒定时，空隙度主要依赖于流体特性。此外，空隙度在牙膏介质中比水中显著高得多。因而，本发明的″智能″超声波电动牙刷控制泡沫特征和/或控制装置操作以利用操作(流体)环境的能力，其对于牙菌斑除去效应具有显著的好处。以下描述几个不同的协议，其可在本发明装置的操作期间用于检测和控制泡沫调整，并调制操作参数。
过程A-发送换能器将超声发射到发泡的流体中，并且接收换能器检测超声频散和变化。大的泡沫或稠密的泡沫群更具反射性，且倾向于耗散超声。接收换能器基于算法为检测电路和/或微处理器提供输入，其能够基于所检测的超声频散和变化而检测和限定操作环境的流体声学特性。基于所确定的流体特性，声音驱动电机和/或超声协议针对操作环境中所检测到的流体特性进行自动调整和优化。
过程B-在超声发送信号的发射之后，通过相同的换能器，或通过另一分开的(接收)换能器检测超声反射。所接收的反射信号输入到微处理器中，其基于超声反射而检测和限定流体操作环境的声学特性。然后可控制器调整声波电动机频率或占空因数，或超声操作参数，以″调节″装置的操作以适应流体操作环境。
应该注意的是，存在几种状态，其提供了导波管的操作和性能上的显著差异。当导波管完全地浸入到水中时，超声在低阻抗环境中发射，并且轻易地离开导波管。当操作环境由于例如，空气或大的泡沫群的存在而具有较高的阻抗时，超声在较高的阻抗环境中发射，并不同地离开导波管。这种效应可检测并输入给微处理器，用于控制声波电动机或超声协议。
过程C-相同的换能器可用于超声发送和超声接收功能。在脉冲重复频率(PRF)突发之间收集回波超声数据，并进行分析以检测由于泡沫群和尺寸引起的反射变化。在使用期间，基于从这个反射信号中提取的特征可调整电动机速度和/或超声突发长度和/或PRF。
过程D-监测输送至换能器的正反向功率、阻抗或其它变化特征。发泡的流体特征改变了超声至流体的耦合。在这些状态下提高反向功率指示降低耦合，并且可调整电动机速度和/或超声突发长度和/或PRF以降低反向功率。匹配变压器上的感测线圈可反射磁通量变化，其代表换能器负载上的变化，之后其可通过微处理器算法解码，以评估换能器的寿命状态。这样可使各种声明器(声、光、牙刷运动、振动、音乐提示等等)接合，以建议操作员来更换牙刷头或换能器元件。
上面公开的所有过程都包括监测牙刷、电路、用户口中的状态的步骤。监测信号可传送到比较或计算装置中，例如微处理器、差分放大器和/或A-D转换器，以检测电变化，并将其转换成控制变型，其影响：(1)超声波协议(即电压、频率、突发状态等等)，其限定了换能器的输出和(2)声音协议(即电动机驱动电压、电流、占空因数、脉冲宽度等等)，其限定了电动机特征，控制刷牙的声音特征(即刷毛顶端速度、加速度和/或牙膏浆中的气蚀)。
通过调制声音和/或超声操作协议(即粘性、气泡尺寸、气泡密度、颜色等等)还可控制流体特征。通过引入流体或从操作环境中回收流体而可以改变操作环境中的流体数量和位置。当存在于操作环境，例如口腔中的流体过量时可回收到储槽中，并且当流体数量不足或修改流体特性时，可引入补充流体，从而增强超声波效应。
在本发明的那些牙刷头装备有分配粉末或某些其它材料的机构的实施例中，还可采用之前公开的反馈和控制器，这些粉末或材料改变牙齿流体的泡沫成形特性。例如，分配碳酸氢钠将限制牙齿流体的pH值，分配其它添加剂可减少表面张力，并减少牙膏中通常发现的表面活性剂的发泡作用。
局部的流体或粉末的控制和/或分配，当与超声组合时，增强了清洁、去污和增白作用，并改变了牙齿流体的特性，导致在牙齿清洁和普通口腔健康上的改善(即减少牙龈炎、硬质齿龈、减少牙菌斑、难闻的气味、口腔干燥等等。)。
可采用上述牙刷传感器和控制器，以控制步进式电动机的角度位置(可能360度的旋转)。一旦处于新的位置，电动机将继续其振动牙刷运动。这种类型的牙刷头运动的控制容许牙刷头移动至某个位置，在该位置其感测与软和硬的组织(齿龈和牙齿)的接触。当检测空气时，将牙刷头位置重定向到再次存在齿龈接口的位置上。这种实施例减少了用户对牙刷头的控制，使得牙刷头自动地移动到最佳刷牙位置。
为了获得可用于本发明牙刷的合适的反馈功能而可以采用的备选或其它技术，其包括，但不局限于发光二极管、光电二极管、光电晶体管、感测光束衰减的光耦合器。因为光仅仅可在某些折射的条件下穿过气泡，所以光透射率可能不与声音传送直接成比例。超声波传送将被泡沫群反射或被吸收，泡沫群将处于不同于光源的波长下。然而，安装在牙刷头中，通常安装在声波导波管中的光耦合器，其发送光穿过导波管中的凹槽，并且接收于凹槽的另一侧。根据光透射率，流体密度代表直接导波管附近的流体的存在和状态。光可传送到尼龙刷毛中或从尼龙刷毛中传送出来，并且检测透射率的变化，其与流体特性相关联。之后可将这些变化输送至微处理器算法，以有助于控制声音和超声波协议，类似于这里所述的其它方法。本发明的其它实施例利用这种有利的微生物作用，尤其当与其它超声和声音协议结合时。
还可基于用户如何施压于牙齿而调整刷牙功率。通过利用载荷传感器和/或通过测量穿过电动机的电流可确定所施加的力。根据所施加的力，可减少应用于电动机的功率，从而减少由于过多的机械擦洗而引起磨耗的风险。作为备选或附加，利用反馈信号，通过基于反馈而连续地调整声音驱动的功率水平可使牙刷在优化模式下操作。
典型牙刷的设计、形状和特征
具有手柄和装置头部的本发明的口腔卫生装置的通用形式和尺寸，考虑了人机工程功能和审美外观。可提供两个明显的尺寸和定位不同的夹紧区域，其设计用于不同的任务。一个夹紧区域用于总体操控(即传递到充电器中和从充电器中取出，以及在应用牙膏时由用户握住)。这个夹紧区域通常通过完全夹紧在手掌中而被握紧。这个区域定位在装置手柄的中间和下面部分，并且具有通常卵形的或椭圆形的横截面构造。第二夹紧区域定位在牙刷手柄的上面部分，并且经过优化以用于在操作它(例如，刷牙)时保持装置。这个夹紧区域通常利用指尖握紧，并可采用表面纹理和/或软材料以帮助防止在手中滑动。接通/断开开关通常定位在上面夹紧区域和装置头部之间的接口处。接通/断开开关可作为机械开关来提供，其通过例如，适中的压力而被激励。本发明的装置可具有通常的构造和剖面，其在中间具有较大的截面，在顶部和底部附近逐渐缩小至较小的截面。卵形的、椭圆的或三角形的横截面形状通常在手中感觉较小，并且更容易为小手握紧。在那些通过触感确定牙刷头定向非常重要的应用场合，卵形的牙刷手柄可能有利。
夹紧区域的特征和形状可用于获得以下一个或多个功能：(a)有助于确定牙刷刷毛的正确定向；(b)手柄与牙刷头接口处的形状可为正确对准提供可视帮助；(c)通用形状可告知产品功能和/或技术，例如声波和/或泡沫；(d)功率(接通/断开)开关可定位在上面夹紧区域以上；(e)显示器(例如，电池充电指示)可定位在手柄的中心附近。
流体控制和流体分配
在导波管的顶端需要流体将发射自导波管顶端的超声耦合到口腔和牙齿面上。在操作循环的启动时缺乏大量的流体添加到口腔中，流体的可用度在操作循环的启动至结束时可变化。通常，用户以大约2毫升/分钟的速率产生唾液。通常在操作循环启动时作为膏剂和/或凝胶而应用于装置上的牙膏，其分解并结合在唾液和/或水中而形成牙膏浆。由于牙膏的性质和流体可用度的变化，牙膏浆在刷牙启动时可能相对较稠，并且在结束时相对较稀薄。为了在操作循环期间减少流体可用度和成分的变化，装置可包含一种构件，其(a)在操作循环启动时引入流体，(b)在操作循环结束时回收流体，或(c)在操作循环期间引入和回收流体。添加和/或回收流体可以是主动的(例如，通过提供泵和/或真空机构)或被动的(例如，通过在牙刷头和口腔环境附近提供流体吸收材料)。
在典型的操作循环期间，流体自然地迁移到口腔的底部，包围下面(下颚的)牙齿。较少流体包围上面(上颌的)牙齿。因此需要利用牙刷头携带流体并提供流体，使其可用于在导波管和牙齿之间联接起来，同时刷上下牙齿。另外，牙刷头还可提供一种在刷上面牙齿期间吸收或收集流体的构件，其分配或发射流体(相同和/或置换流体)。这种流体的添加和/或消减可以是主动的(例如，泵/真空)或是被动的(例如，流体吸收材料)。在某些实施例中，本发明的口腔卫生装置还可利用一种用于分配流体和/或其它介质(包括，但并不局限于水、预成形的泡沫、膏剂、凝胶和/或粉末)的机构，从而增强装置的性能。例如，其可能有利于改善口中的流体的声学特性和/或通过应用超声而引起化学或物理反应。通常，在牙刷头组件或手柄组件中提供了流体(或其它介质)的储槽，其中通道用于使流体从远程储槽移动至装置头部的分配区域。泵或流量控制阀可用于从储槽中分配出流体。流体可通过声波导波管和/或通过刷毛区域中的端口或阀门或喷嘴而离开牙刷头。在某些实施例中，泵吸作用或流量控制阀的促动可通过包含在牙刷头中的换能器元件而产生。或者，可在牙刷头组件中提供机电装置，以促进泵吸作用或流量控制。牙刷头组件中的分配装置的电连接可利用手柄组件中的控制电路来实现，控制电路通过变压器组件来提供。
本发明的备选实施例提供了来自导波管(或刷毛区域)的小长度细丝，其有助于超声的传送和/或刷毛的作用。当细丝磨损时，从牙刷头中分配出额外数量(小长度)的细丝，以保持最佳长度的位置。
结合本发明牙刷使用的流体存储装置的其它实施例包括海绵，其在充满时存储流体，并且在受到挤压时释放流体，从而增加口中的流体的数量。作用在海绵上的挤压力可通过超声换能器和/或牙刷头中的其它机电装置来实现。当受到填充时，海绵还是一种用于传送超声的有效介质，并从而与声波导波管相似的方式执行操作，如上面所述。不管精密的储槽构造如何，应该懂得存储的流体(或其它介质)的数量可能依赖于所设想的特定功能。如果在刷牙期间要分配大体积的流体，那么可采用用于回填储槽的机构。因而，储槽可适合于允许在每次使用之前进行回填，或备选地储槽可保持足够的流体，以允许若干次刷牙。如果刷牙只需要非常小体积的流体，那么牙刷头组件中的储槽可包含足够的流体持续至牙刷头组件的寿命终结。后一选择还可用于确定牙刷头组件的使用寿命的终结时间。
在那些流体储槽连接在和/或包含在牙刷手柄组件中的实施例中，流体路径将流体从储槽携带至牙刷头。这个流体路径可以是柔性管和/或可通过电动机轴传送到空心的套管颈中，并传送到牙刷头的刷毛区域中。泵或流量控制阀可定位在例如，牙刷头组件或手柄中。或者，泵或流量控制阀可直接由用户促动(机械泵或阀门)，或者可受到手柄电子装置的(电动)控制。
因而根据所设想的精密的牙刷构造，流体分配系统可包括一个或多个特定的特征和/或特性，其包括但并不局限于，(a)通过声波导波管分配流体；(b)超声换能器的可运动用于提供一种泵吸作用；(c)加压的储槽可利用超声换能器来促动流量控制阀；(d)流体可通过驱动轴从手柄移动至牙刷头；(e)流体可包含在牙刷头组件中；(f)流体可用于改变用户口中的流体的声学特性；(g)流体可与超声相互作用，以改善牙刷的效率；(h)流体可用于添加至口中的流体中，以确保口中有足够体积的流体；(i)流体的可分配基于由超声换能器测量的用户口中的声学特性；(j)牙刷头组件中的流体供给可能足以持续至牙刷头的寿命终止，从而消除了重新填充的需求，并可使其用于指示牙刷头的使用寿命的终止；(k)存储流体的味道上的变化可用于指示牙刷头的使用寿命的终止；(l)分配凝胶、膏剂或粉末来替代流体；(m)分配细丝或其它绞线材料，其用作声波导波管和/或相似装置，以发送超声；(n)分配流体和/或其它介质以便在刷牙之前涂覆在牙齿上；(o)分配流体，例如氟化物，以增强刷牙后的保护；和(p)使流体分配、超声突发和牙刷运动/位置同步。
牙膏的设计和成分
在某些相关的实施例中，可设想提供一种牙膏(dentifrice)，其特别适合于这里所述的本发明的电动牙刷使用。例如，在这里可设想这种牙膏将促进所需的泡沫群的产生，其可受到这里公开的超声换能器和声波导波管的作用。
牙齿流体中的自然的泡沫群可通过流体吸收穿过它的超声能量的倾向性进行分析。吸收越高，以相关尺寸存在的泡沫越多(通过最初针对37摄氏度下的纯水中的泡沫而研究出的共振公式而探索性地给出，但是适用于更通常情况F0R0＝3.26，其中频率F0以MHz给出，并且泡沫的半径R0以微米给出)，但是许多非共振泡沫也将产生所需的牙菌斑和去污效果。例如，根据本发明的牙膏通常促进了泡沫在牙齿流体中的成形，其具有在大约1μm至大约150μm之间的直径，当在20kHz至3MHz频率范围内应用超声时，其发生共振。更典型的是，根据本发明的牙膏通常促进了泡沫在牙齿流体中的成形，其具有在大约1μm至大约100μm之间的直径，当在30kHz至3MHz频率范围内应用超声时，其发生共振。更为典型的是，根据本发明的牙膏通常促进了泡沫在牙齿流体中的成形，其具有在大约5μm至大约30μm之间的直径，当在100kHz至600MHz频率范围内应用超声时，其发生共振。在这里推荐的典型的牙膏中，泡沫成形于牙齿流体中，其具有在大约12μm至大约26μm之间的直径，当在超声换能器以250kHz至500kHz的范围内进行操作，从而而对那些泡沫应用超声时，其发生共振。
适合于供这里公开的牙刷使用的牙膏，其包括产生表面张力值的表面活性剂，其促进了合适的尺寸范围内的泡沫的产生和稳定，以便超声换能器结合声波导波管激励这些泡沫。这里公开的牙膏所采用的表面活性剂通常产生在大约0.1Pa至大约500Pa范围内的表面张力，更典型地在大约0.2Pa至250Pa范围内，并且更为典型地在大约0.5Pa至大约50Pa范围内。或者，或除了提供上述促进泡沫形成的牙膏以外，具有所需尺寸范围的泡沫可并入到牙膏或另一成分中，并通过将该成分应用于牙刷上或通过将该成分引入到口腔中而直接引入到口腔中。泡沫具有大约1μm至大约150μm之间的直径，更通常在大约1μm至大约100μm之间，在某些实施例中为大约5μm至大约30μm之间，并且在还一些其它实施例中为大约12μm至大约26μm之间，这些泡沫可直接并入到牙膏成分中或另一成分中，例如嗽口水或另一常用液体，凝胶状或半固体载体，以便输送至口腔中。
载体材料中的泡沫可以成分本身中的空隙形式，或作为微球体或其它在载体材料中形成充气空隙的显微结构形式而存在。OPTISONTM超声对比增强成分，例如，包括具有2.0-4.5μm平均直径的微球体的悬浮液，这些微球体由人的血清白蛋白形成，并且填充有全氟丙烷气体。具有所需尺寸范围(如上述)的微球体群，其利用对于人体消耗安全，并且通常惰性的材料形成，且填充有对于人体消耗安全，且通常惰性的气体，这些微球体群可并入到合适的载体材料中，并可结合本发明的牙刷一起使用，以促进有效的清洁作用。
对本说明书中所描述的参数范围的引用，都应被理解为包括等于和大于每个范围下限值的范围，以及等于和小于每个范围上限值的范围。因而在本说明书中，例如，对大约250至大约500kHz之间的载波频率的陈述应理解为包括250kHz及更大的载波频率；500kHz及更小的载波频率；以及在所陈述的范围内的载波频率。
应该懂得，声波导波管与超声换能器和/或在声频下产生声能的电动机的组合可用于其它类型的口腔卫生装置，以及用于清洁表面的其它类型的装置，并且本发明所述的本发明并不局限于详细描述的牙刷实施例。
所有美国和外国专利和专利申请以及所有其它参考文献都通过引用而完整地结合在本发明中。
Claims (28)
1.一种口腔卫生装置，包括：
支撑结构，其具有从所述支撑结构突出来的至少一个执行机构；
声耦合在所述执行机构上的超声换能器组件，以及与所述超声换能器组件在操作上相关联的超声驱动电路和电源，用以驱动所述超声换能器组件，使其在操作循环期间产生超声能量；和
变压器组件，其将功率从所述超声驱动电路感应式地耦合并传送到所述超声换能器上。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述变压器组件包括在操作上与所述超声驱动电路相关联的初级线圈和铁芯，以及在操作上与所述超声换能器组件相关联的次级线圈和铁芯。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述变压器组件还包括附加的变压器元件，其能够实现在所述初级线圈和铁芯与所述次级线圈和铁芯之间的电信息交换。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述超声换能器包括多个压电元件。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括与所述超声换能器相接触的阻抗匹配层。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括机械地联接在所述支撑结构上的电动机，其在操作循环期间操作，以产生小于1000Hz的声频振动。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述电动机包括有限转角的力矩电动机。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述超声换能器组件在操作循环期间操作，以产生频率小于1500kHz的超声能量。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述执行机构包括多簇刷毛。
10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述执行机构包括声波导波管。
11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述执行机构包括叉。
12.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述执行机构包括用于可拆卸的执行机构的固定器或材料。
13.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括检测特征，所述检测特征仅仅在所述超声换能器被确定为处于操作中时才允许启动操作循环。
14.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括一种控制器，其提供了将所述装置的操作循环分成多个操作子循环的计时功能。
15.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括一种控制器，其在操作循环期间调制超声驱动频率和/或振幅。
16.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括一种控制器，其经过了编制程序的处理，以监测所述超声换能器的功能。
17.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括一种控制器，其经过了编制程序的处理，以监测在操作期间的流体环境的状态，并基于所检测的流体环境的状态而修改所述装置的操作参数。
18.根据权利要求1所述呈牙刷形式的口腔卫生装置。
19.根据权利要求18所述的口腔卫生装置，其特征在于，还包括用于将声波振荡给予所述支撑结构的电机。
20.一种适合于可拆卸地连接在具有电源的装置手柄上的装置头部，其包括：
从装置头部支撑结构中突出来的执行机构，所述执行机构适合于被电源驱动；和
安装在所述装置头部中的变压器线圈和铁芯，其适合于与安装在所述装置手柄中的变压器线圈和铁芯协作，从而将功率从所述装置手柄感应式地耦合至所述装置头部。
21.根据权利要求20所述的装置头部，其特征在于，还包括声耦合至所述执行机构上的超声换能器组件。
22.根据权利要求21所述的装置头部，其特征在于，安装在所述装置头部中的变压器线圈和铁芯在操作上与所述超声换能器组件相关联。
23.根据权利要求21所述的装置头部，其特征在于，所述超声换能器具有多个压电元件，所述多个压电元件机械串联式地且电并联地声耦合地连接在所述执行机构上。
24.根据权利要求20所述的装置头部，其特征在于，还包括附加的变压器元件，其能够实现在安装在所述装置头部中的所述变压器线圈和铁芯与安装在所述装置手柄中的所述变压器线圈和铁芯之间的电信息交换。
25.根据权利要求20所述的装置头部，其特征在于，所述执行机构包括多簇刷毛。
26.根据权利要求20所述的装置头部，其特征在于，所述执行机构包括声波导波管。
27.根据权利要求20所述的装置头部，其特征在于，所述执行机构包括叉。
28.根据权利要求20所述的装置头部，其特征在于，所述执行机构包括用于可拆卸的执行机构的固定器或材料。
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