JP6910175B2 - 光測定装置及びこれを備えた歯ブラシ - Google Patents

Description

本発明は、歯に付着した歯垢から生じる検査光を検出する光測定装置に関する。

歯磨きの際には、歯垢の付着量をモニターしながらその部位を集中して磨くと短い時間で効果的に歯垢を除去できることから、従来、いくつかの光学的な歯垢検出方法が提案されている。代表的なものは、歯垢に含まれる細菌あるいはう蝕部の細菌が口腔内環境で蛍光物質であるプロトポルフィリンＩＸ（以下、ＰＰＩＸという）を産生することを利用するものである。歯に特定の波長の励起光を照射し、蛍光物質が発する蛍光を検出することで歯垢の量あるいはう蝕の程度を定量する蛍光測定法が知られている。

例えば、特許文献１には、波長４０６ｎｍの励起光のみを健康な歯のエナメル質とう蝕された歯のエナメル質に照射して得られるエナメル質からの蛍光スペクトルが示されている。波長６３６ｎｍと６７３ｎｍのピークはう蝕されたエナメル質に特有の蛍光発光であり、これらの蛍光を計測することで、健康な歯のエナメル質かう蝕された歯のエナメル質かを判断することができる。う蝕が進むと明らかに蛍光スペクトルの形状が変化するため、蛍光スペクトルを調べることはう蝕の診断に有効なことがわかる。さらに、特許文献１には、フィルターを用いて６３６ｎｍ又は６７３ｎｍの波長帯域の蛍光量Ｓ１と５５０ｎｍ帯域の蛍光量Ｓ２を計測し、その比Ｓ１／Ｓ２をう蝕の定量的評価に用いる方法が示されている。

特許文献２には、歯垢からの蛍光を直接検出するのではなく、４８０ｎｍの青色光を歯に照射し、ダイクロイックミラーを用いて反射光の中の歯の自己蛍光成分を計測し、歯磨きの際に歯ブラシが歯に沿って移動するときの歯の自己蛍光の強度変化を見ることで、生物学的沈着層の有無を判定する光学システムが記載されている。

特許文献３では、歯ブラシ型のプラーク検出デバイスにおいて、歯と歯ブラシの距離が変わっても検出されるプラーク量が変化しないようにする方法が示されている。特許文献３では、主に、プラークに結合させた蛍光剤からの二次蛍光を定量する方法が説明されている。この方法は、距離によるプラーク量の見かけの変化を、増幅器の信号、すなわち励起光の反射成分と蛍光成分の総量を使って補償するものである。補償プラーク値は、事前の計測により係数が求められた補償式を用いて決定される。

特許文献４には、検査すべき歯に指向させ、その歯において少なくとも波長が６７０ｎｍ〜８００ｎｍの範囲にある第１蛍光性放射光を励起させる、波長が６００ｎｍ〜６７０ｎｍの範囲にある単一波長の励起放射光を発生させる光源と、６７０ｎｍ以上の通過帯域を持ち、第１蛍光性放射光を入力し、第１蛍光性放射光の波長６７０ｎｍ〜８００ｎｍの範囲内の第２蛍光性放射光を出力する、１つのスペクトルフィルタと、１つのスペクトルフィルタから出力される第２蛍光性放射光の強度を検出する検出装置とを具備し、検出装置が、第２蛍光性放射光の強度を評価して、虫歯の存在、歯垢の影響、又はバクテリアによる感染の存在又は不存在を直接検出する歯の状態の認識装置が記載されている。

特許文献５には、第１の波長の光を出射する第１の光源と、第１の波長よりも長波長である第２の波長の光を出射する第２の光源と、第１及び第２の波長の光を同一の試料に照射したときにそれぞれ発生する第１及び第２の蛍光強度を検出する検出部と、第１及び第２の蛍光強度に基づいて測定対象の蛍光物質量を演算する制御部とを有する蛍光測定装置が記載されている。特許文献５の図１４〜図１６には、２相のロックインアンプを用いたこの制御部の回路構成例と、その動作タイミングの例が記載されている。図１５の動作タイミングでは、タイミング信号の１周期内で第１及び第２の光源が同時に点灯する期間がある駆動波形が用いられる。図１６の動作タイミングでは、タイミング信号ＴＩＭの２倍の周波数を有するタイミング信号ＴＩＭ２で第１及び第２の光源が交互に点灯し、それらの駆動電流が、ＴＩＭがＬの区間ではＴＩＭがＨの区間のときのα倍に変調される。

特公平６−７３５３１号公報 特表２００２−５１５２７６号公報 特開２０１１−１３１０５７号公報 特許３７３７５７９号公報 国際公開第２０１６／１４０１９９号

歯に付着した歯垢が少量の場合、その付着部位を励起光で照射した際に得られる蛍光の中では、歯の自家蛍光の強度が強く、歯垢由来の蛍光は微弱である。歯垢からの蛍光の波長帯域（６３０〜６８０ｎｍ）で見ると、歯の強い自家蛍光に歯垢由来の弱い蛍光が重畳している状態であり、それらを効果的に分離して検出できる方式が求められる。さらに、その機構を歯ブラシに組み込むことが容易なシンプルな構成が求められている。

室内の照明などの影響を除去して強度が弱い歯垢由来の蛍光を検出するためには、蛍光強度から蛍光物質量を演算する制御部にロックインアンプを使用することが望ましい。特に、２相のロックインアンプを使用すれば、歯垢量と歯の蛍光物質量を同時に求めることができ、歯と検出部との距離による感度変化を補正することもできる。ただし、ロックインアンプを使用する場合でも、第１及び第２の光源の同時点灯と同時消灯がある駆動波形を用いると、検出部の出力信号の変動が大きくなるため、ダイナミックレンジを減少させることになる。また、第１及び第２の光源の駆動電流を変調する方法では、検出部の出力信号の変動は減少するが、各光源の電流を２値にして交互に切り替える必要があるため回路構成が複雑になり、周波数が異なる２種類の位相信号を使用することで回路の特性差の影響を受けやすい。

本発明の目的は、少量の歯垢を確実に検出でき、しかも歯ブラシに容易に組み込むことができる小型でシンプルな構成の光測定装置を提供することである。

基準信号の１周期内における第１の発光期間に発光して、第１の波長の光を出射する第１の光源と、基準信号の１周期内における第１の発光期間と重複しない第２の発光期間に発光して、第１の波長よりも長波長である第２の波長の光を出射する第２の光源と、試料に第１の波長の光を照射したときに発生する第１の蛍光強度、及び試料に第２の波長の光を照射したときに発生する第２の蛍光強度を検出する検出部と、第１及び第２の発光期間の長さを設定する設定回路と、基準信号に従い位相検波を行って、第１及び第２の蛍光強度に応じた第１の出力信号を生成する第１の位相検波器と、基準信号を遅延させた信号に従い位相検波を行って、第１及び第２の蛍光強度に応じた第２の出力信号を生成する第２の位相検波器と、第１及び第２の出力信号を用いた演算により測定対象の蛍光物質量を算出する制御回路とを有することを特徴とする光測定装置が提供される。

上記の光測定装置では、設定回路は、第１及び第２の発光期間の長さを、基準信号の１周期の１／２未満でありかつ互いに同じ長さに設定することが好ましい。

上記の光測定装置では、第２の位相検波器は、基準信号の位相を９０度遅延させた信号に従い位相検波を行うことが好ましい。

上記の光測定装置では、第１の光源は第１のＬＥＤであり、第２の光源は第２のＬＥＤであり、第１のＬＥＤのカソードは第２のＬＥＤのアノードに接続され、第２のＬＥＤのカソードは第１のＬＥＤのアノードに接続されていることが好ましい。

上記の光測定装置では、第１及び第２のＬＥＤは共通の定電流源によって駆動されることが好ましい。

上記の光測定装置では、第１の波長は３５０ｎｍから４３０ｎｍの範囲内の波長であり、第２の波長は４３５ｎｍから５００ｎｍの範囲内の波長であることが好ましい。

上記の光測定装置は、少量の歯垢を確実に検出でき、しかも歯ブラシに容易に組み込むことができる。

紫色光を清浄な歯及び歯垢が付着した歯に照射した際にそれぞれの歯から得られる光のスペクトルを示すグラフである。 青色光を清浄な歯及び歯垢が付着した歯に照射した際にそれぞれの歯から得られる光のスペクトルを示すグラフである。 蛍光測定装置１の構成図である。 歯ブラシ型の蛍光測定装置４００の構成図である。 混色部４の構成例を示す図である。 歯ブラシヘッド４１の内部を示す構成図である。 制御部３００の回路構成の例を示すブロック図である。 制御部３００の動作タイミングを示すタイミングチャートである。 光源の回路構成とそれに応じた光導入効率の差異を説明する図である。

以下、図面を用いて、光測定装置及び光測定方法について詳細に説明する。ただし、本発明は図面又は以下に記載される実施形態には限定されないことを理解されたい。

最初に光測定方法の原理を図１及び図２を用いて説明する。この光測定方法は、２つの異なる波長を有する励起光を交互に同一の歯に照射し、それぞれの波長の励起光により歯で生じた蛍光を歯垢に由来する蛍光波長領域で検出し、その蛍光強度の比あるいは差を用いることで、歯の自家蛍光に重畳した測定対象である歯垢に由来した蛍光を分離して検出するものである。

図１は、第１の波長として４０５ｎｍのピーク波長を有する紫色光を清浄な歯及び歯垢が付着した歯に照射した際にそれぞれの歯から得られる光のスペクトルを示すグラフである。グラフの横軸は波長λ（ｎｍ）を示し、縦軸は第１の蛍光強度である蛍光強度Ｉを示す。細線は清浄な歯から得られるスペクトルＳ１を示しており、太線は歯垢が付着した歯から得られるスペクトルＳ１’を示している。４０５ｎｍ付近のピークＥ１は、照射された４０５ｎｍの紫色光が歯面で反射あるいは散乱されることにより検出された励起光である。５００ｎｍ付近にピークＰ０をもつブロードな蛍光は歯の自家蛍光である。６３５ｎｍ及び６７５ｎｍ付近のピークＰ１、Ｐ２は、歯垢に含まれる蛍光物質ＰＰＩＸから得られる蛍光スペクトルである。

清浄な歯から得られるスペクトルＳ１では歯垢由来のピークＰ１、Ｐ２は観察されないが、歯垢が付着した歯から得られるスペクトルＳ１’では歯垢由来の蛍光のピークＰ１、Ｐ２が観察される。同時に、スペクトルＳ１’は、スペクトルＳ１に比べて全波長域で一定の減衰を示している。これは、付着した歯垢によって励起光が吸収されるために生じる減衰であり、歯垢量に依存し、波長によらずほぼ一定の減衰を示す。

歯垢由来の蛍光のピークＰ１をより精度よく測定するためには、下記の数式（１）に示すように、その波長におけるスペクトル強度ｐ１’から歯の自家蛍光の成分ｔ１’を引いた歯垢由来の蛍光物質量Δｐを求める必要がある。
Δｐ ＝ ｐ１’ − ｔ１’ ・・・（１）

つまり、歯垢が付着した状態で、かつ歯垢由来の蛍光を生じさせずに、歯の自家蛍光の成分ｔ１’を求める必要がある。このような条件について鋭意検討した結果、第１の波長、ここでは４０５ｎｍよりも長波長の第２の波長の光源を用いた際のスペクトルを取得すればよいことがわかった。

図２は、第２の波長として４６５ｎｍのピーク波長を有する青色光を清浄な歯及び歯垢が付着した歯に照射した際にそれぞれの歯から得られる光のスペクトルを示すグラフである。図１と同様に、グラフの横軸は波長λ（ｎｍ）を示し、縦軸は第２の蛍光強度である蛍光強度Ｉを示す。細線は清浄な歯から得られるスペクトルＳ２を示しており、太線は歯垢が付着した歯から得られるスペクトルＳ２’を示している。

波長４６５ｎｍの青色光を清浄な歯及び歯垢が付着した歯に照射した場合には、歯の自家蛍光のブロードなピークＰ０は波長４０５ｎｍの紫色光を照射した場合と同様に観察されるが、ＰＰＩＸの励起が弱くなるため、歯垢由来のピークＰ１、Ｐ２は観察されない。したがって、第２の波長で励起した際の歯の自家蛍光の成分ｔ２’を第１の波長で励起した際の自家蛍光の成分ｔ１’として代用することが可能であり、歯垢由来の蛍光物質量Δｐは下記の数式（２）で近似できる。
Δｐ ≒ ｐ１’ − ｔ２’ ・・・（２）

近似が成立するためには、第１の波長及び第２の波長の励起光の強度を事前に調整して自家蛍光の成分ｔ１’とｔ２’を揃えておく必要があるが、歯垢量に対して自家蛍光の減衰が比例関係にあることを利用して、清浄な歯で測定された自家蛍光の成分ｔ１とｔ２が一致するように励起光の強度を調整しておけばよい。あるいは、あらかじめ清浄な歯について自家蛍光の成分ｔ１とｔ２の比ｔ１／ｔ２を測定しておけば、下記の数式（３）のように補正することが可能である。
Δｐ ≒ ｐ１’ − ｔ２’×（ｔ１／ｔ２） ・・・（３）

以上説明した原理により、２つの異なる波長を有する励起光を交互に歯に照射し、それぞれの波長の励起光により歯で生じた蛍光を歯垢由来の蛍光波長領域で検出し、それらの蛍光強度である第１の蛍光強度と第２の蛍光強度との比あるいは差を用いることで、歯の自家蛍光に重畳した歯垢に由来した蛍光を分離して検出することが可能となる。

次に、上記の光測定方法を実現するための蛍光測定装置を説明する。図３は、蛍光測定装置１の構成図である。蛍光測定装置１は、検査光として蛍光を利用する光測定装置の一例である。蛍光測定装置１は、歯垢に含まれる蛍光物質を励起するための光源部１００と、歯の表面で生じた蛍光の強度を検出するための検出部２００と、計測された蛍光強度から歯垢の付着量を求めて利用者に報知する制御部３００との３つのブロックから構成されている。

光源部１００は、第１の波長で発光する第１の光源２、第２の波長で発光する第２の光源３、混色部４、出射光用光学フィルター５、出射光用光導波路６及び出射光用集光部７を有している。混色部４、出射光用光学フィルター５、出射光用光導波路６及び出射光用集光部７は、第１の光源２及び第２の光源３からの光を測定対象の歯に照射するための光経路部分を構成する。

第１の光源２及び第２の光源３としては、小型で安価なＬＥＤ（発光ダイオード）や半導体レーザーを用いることができる。第１の光源２又は第２の光源３で発生する光の波長は、次のように選択される。第１の波長は、歯垢に含まれる蛍光物質に対する励起効率が高い波長を含み、第２の波長は第１の波長よりも長波長で、かつ励起効率が第１の波長よりも低いか、あるいはほぼゼロとなる波長に設定される。第１の波長は３５０ｎｍから４３０ｎｍの範囲内の波長であることが好ましく、第２の波長は４３５ｎｍから５００ｎｍの範囲内の波長であることが好ましい。具体例として、第１の光源２をピーク波長が４０５ｎｍの紫色ＬＥＤとし、第２の光源３をピーク波長が４６５ｎｍの青色ＬＥＤとすることができる。

混色部４は、第１の光源２及び第２の光源３で発生した光を測定対象である歯に照射した際に色むらが生じないようにするために、光の照射面内での光強度分布を第１の波長の光と第２の波長の光との間で均一とする機能を有する。光強度分布が第１の波長の光と第２の波長の光とで一致していることが重要であり、光強度分布を持つこと自体は差し支えないため、混色部４の設計の自由度は比較的高くなる。

出射光用光学フィルター５は、第１の光源２と第２の光源３の光を通過させ、歯垢由来の蛍光波長領域をカットするフィルターであり、５００ｎｍ以上の波長をカットする。出射光用光学フィルター５にショートパスフィルターを用いる場合、カットオフ波長は、第２の波長よりも十分長く、かつ歯垢に含まれる蛍光物質の蛍光波長よりも十分短波長に選べばよい。

出射光用光導波路６は、第１の光源２又は第２の光源３の光を測定対象の歯の付近まで減衰させずに運ぶためのものであり、その材質としては、例えばプラスチックやガラスが用いられる。また、出射光用光導波路６の外周をミラーコーティングして光漏れを防止することがより好ましい。また、出射光用光導波路６として、ライトパイプのようなミラーで囲まれた中空の光導波路を用いることもできる。

出射光用集光部７は、出射光用光導波路６中を伝播する光を歯の大きさ程度に集光して照射するためのレンズから構成される。第１の光源２又は第２の光源３からの励起光は、出射光用集光部７から、第１の照射光８又は第２の照射光９として歯１０に照射される。

検出部２００は、受光用集光部２１、受光用光導波路２２、受光用光学フィルター２３及び光検出器２４を有する。

受光用集光部２１は、歯で生じた蛍光を含む検査光２０を集光する。受光用光導波路２２は、受光用集光部２１と共に、集光された光を光検出器２４まで伝播するための光経路部分を構成する。蛍光測定装置１を歯ブラシに組み込む際には、歯ブラシのブラシ部分を受光用光導波路２２として、歯ブラシの先端を受光用集光部２１としてもよい。

受光用光学フィルター２３は、目的の蛍光以外の波長成分をカットするためのフィルターである。受光用光学フィルター２３は、歯垢に含まれる蛍光物質が発する蛍光波長領域である６２０ｎｍから６９０ｎｍの範囲を除く波長領域をカットするように設定することが好ましい。特に短波長側では、直接歯で反射した光源からの光の反射光が強く現れるので、これらをカットできるように、受光用光学フィルター２３にはシャープな減衰特性を持たせることが好ましい。歯垢からの蛍光スペクトルは６３０〜６４０ｎｍ付近と６７０〜６８０ｎｍ付近との２つの強いピークを有するので、受光用光学フィルター２３として、これらの蛍光スペクトルの形状に近づけた透過率特性を有するバンドパスフィルターを使うことで、Ｓ／Ｎ比を向上させることができる。

制御部３００は、制御回路３０と報知部３１とから構成されている。

制御回路３０は、マイクロコンピュータにより構成され、第１の光源２及び第２の光源３の明るさと点灯時間を制御して、歯に対して２つの波長の光を交互に照射させる。このように、第１の光源２の点灯時間と第２の光源３の点灯時間とを分けることによって、それぞれの光が歯に照射されて得られる蛍光物質の蛍光を区別して受光することが可能となる。第１の光源２を点灯して得られた蛍光強度をＰ１とし、第２の光源３を点灯して得られた蛍光強度をＰ２として、制御回路３０は、蛍光強度の比Ｐ１／Ｐ２、あるいは差（Ｐ１−Ｐ２）を求めることで、原理の項で説明したように、歯垢に含まれる蛍光物質量を求める。

報知部３１は、求められた蛍光物質量を歯ブラシの利用者に報知する。この報知には、ブザー音や圧電素子を用いた電子音を用いてもよい。電子音の場合、蛍光物質量に応じて音の高さや大きさ、断続音のピッチを変えることで利用者にフィードバックすることができる。さらには、音声合成による音声メッセージや、音楽などを用いてもよい。あるいは、報知部３１は、偏芯モーターを用いた振動報知や、ＬＥＤ点滅や色調を変えた光による報知、液晶表示による言語や図形、グラフによる報知を行ってもよい。さらに、報知部３１に無線通信を併用し、携帯電話やパーソナルコンピュータなどの外部機器に報知情報や測定に関する情報を送信して、外部機器で使用者に報知してもよい。

制御部３００は、２つの波長の光ごとに、検出した蛍光強度を記録し、それらを任意回数分だけ平均化処理してもよく、これによりノイズを軽減することができる。また、制御部３００は、蛍光灯などの室内光の影響を避けるために、第１の光源２及び第２の光源３の点灯時間を商用電源の周期とは異なる時間に設定して、これにより照明光の影響を軽減することができる。

また、制御部３００は、必要に応じて消灯を挟んで第１の光源２又は第２の光源３の発光を交互に照射してもよい。第１の光源２又は第２の光源３を点灯して取得した蛍光物質量から消灯して取得した蛍光物質量を減算することで、環境光の影響を軽減することが可能である。

図４（Ａ）及び図４（Ｂ）は、歯ブラシ型の蛍光測定装置４００の構成図である。

歯ブラシ型の蛍光測定装置４００は、検査光として蛍光を利用する光測定装置の一例であり、歯ブラシヘッド４１、柄部４２及び握り部４３から構成されている。第１の光源２及び第２の光源３は、握り部４３内に設けられた回路基板４４に制御回路３０（図３を参照）、報知部３１と共に搭載されている。第１の光源２及び第２の光源３からの光は、握り部４３に設けられた混色部４及び出射光用光学フィルター５と、柄部４２に設けられた長いテーパー形状の出射光用光導波路６ａとを介して、歯ブラシヘッド４１に導かれる。導かれた光は、歯ブラシヘッド４１内でミラーなどの手段などを用いて方向が変えられ、歯ブラシヘッド４１上の光照射部５０から、励起光として歯面に対して照射される。歯で生じた蛍光は、歯ブラシヘッド４１の光検出部５１に配置された蛍光を透過する材質の複数のブラシ４０を介して、光検出器２４に導かれる。

蛍光測定装置４００では、図４（Ｂ）に示すように、光照射部５０は歯ブラシヘッドの中央に配置され、光検出部５１は光照射部５０に隣接して設けられている。しかしながら、配置はこの例に限らず、例えば、複数の光照射部５０と複数の光検出部５１とを歯ブラシヘッドに設けてもよいし、それらを直線状に交互に配置してもよい。

光検出器２４で検出された蛍光は光電流に変換され、配線５２を介して回路基板４４に伝えられる。光電流から回路基板４４内に設けられた制御回路３０により蛍光物質量が求められ、その蛍光物質量が報知部３１によりブザーや電子音などで利用者に報知される。

握り部４３には、蛍光測定装置４００を駆動するための電源として電池４５が搭載されている。また、握り部４３には２つのスイッチ４６が設けられている。例えば、一方のスイッチ４６を用いて蛍光測定機能をオン・オフすることができ、他方のスイッチ４６を用いて、報知音を切り替えたり、蛍光の検出感度を調整したりすることができる。

図５（Ａ）〜図５（Ｃ）は、混色部４の構成例を示す図である。歯ブラシ型の蛍光測定装置４００では、第１の光源２又は第２の光源３から歯に照射される光の面内強度分布が変化しないことが重要であり、そのことが検出限界を決定する重要な指標となる。そのため、歯ブラシヘッド４１に設けられた出射光用集光部７に光が達する段階で、照射光の面内強度分布に波長依存性がないことが必要である。混色部４は、照射光の面内強度分布の波長依存性をなくす作用を担う。

図５（Ａ）は、テーパー形状のライトパイプを用いた混色部の構成例を示す図である。歯ブラシ型の蛍光測定装置４００の柄部４２から歯ブラシヘッド４１に渡って出射光用光導波路６ａとしてライトパイプを配置することで、長い光学経路を得ることができる。第１の光源２又は第２の光源３からの光は、ライトパイプ内で複数回の反射を繰り返すことで面内分布が均一化されるので、混色の効果を容易に高めることができる。つまり、出射光用光導波路６ａ自体が混色部として機能する。第１の光源２又は第２の光源３から斜めに出射した光６２は複数回の反射を繰り返す一方、出射光用光導波路６ａの端面に対してほぼ垂直に出射した光６１は反射回数が少なくなるが、長い光学経路のため有効な混色が可能となる。

図５（Ａ）に示すテーパー形状のライトパイプを出射光用光導波路６ａとして用いることで、混色部４を別途設けなくても出射光用光導波路６ａに混色部の機能をもたせることができ、簡便な構成で照射光の面内強度分布を均一に近づけることが可能となる。極端に斜めに出射した光はライトパイプ内での反射回数が多いため反射損失が無視できなくなるが、第１の光源２及び第２の光源３として出射角が狭い砲弾型ＬＥＤを使うことで、反射損失を減らし、同時に光結合効率を上げることができる。

ライトパイプは、ミラーを使った中空タイプでも、プラスチック製でもよい。プラスチック製の場合、外周に金属ミラーをコーティングすることで、光漏れを減少させることが可能である。ライトパイプの形状は、単純な直線形状でもテーパー状でもよいが、規則的なあるいは乱雑な反射面をパイプ内部に設けることで、混色の効果を容易に高めることが可能である。ライトパイプの断面形状は、丸型、楕円型、矩形、多角形などでもよく、そうした様々な形状のうちで、歯ブラシの形状及びデザインに合わせて適した構造を使い分けることも容易である。

図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示す出射光用光導波路６ａに混色部４が追加された形態の説明図である。図５（Ｂ）に示す例では、混色部４として、入射端面にマイクロレンズアレイ６４が配置されたものが用いられている。こうして第１の光源２又は第２の光源３からの光を複数の点光源からの光６７、６９に変換することで、混色の効果がさらに高まる。

また、図５（Ｂ）に示す例では、第１の光源２及び第２の光源３としてＬＥＤチップが、４５度の反射ミラーを持ったミラー付き基板６３に実装されている。この構造により、第１の光源２及び第２の光源３から出射する光が前方に導かれるので、出射角が狭まる。さらに、ＬＥＤチップを使うことで光源の間隔を狭くできるため、照射光の面内強度分布をより均一に近づけることが可能である。

図５（Ｃ）は、図５（Ａ）に示す出射光用光導波路６ａに別の構成の混色部４が追加された形態の説明図である。図５（Ｃ）に示す例では、混色部４として、第１の光源２及び第２の光源３からの出射光を散乱させる散乱体を含むものが用いられている。この混色部４は、光散乱粒子７１を含む透明な樹脂で、ミラー付き基板６３に搭載された第１の光源２及び第２の光源３を封止して形成されている。各光源からの光を多数の光散乱粒子７１で多重に散乱させることで、照射光の面内強度分布を均一に近づけることができる。また、混色部４の出射端面にマイクロレンズアレイ６４を追加してもよく、これにより混色の効果をさらに高めることが可能である。

図６は、歯ブラシヘッド４１の内部を示す構成図である。出射光用光導波路６ａを伝わる光は、歯ブラシヘッド４１内のミラー６ｂで向きを変え、出射光用光導波路６ｃを介して、出射光用集光部７から歯１０に向けて励起光として照射される。歯の表面に付着した歯垢及びその近辺の歯から生じた蛍光は、ブラシ４０と受光用光学フィルター２３を介して、光検出器２４で検出される。ブラシ４０の先端は、曲率を持たせることにより受光用集光部２１として機能し、続くブラシ４０は、受光用光導波路２２として機能する。また、受光用光学フィルター２３を取り囲むように遮光体２３ａが配置されており、遮光体２３ａは、環境光や励起光がブラシ４０を介さずに直接受光用光学フィルター２３に入射することを防ぐ。

受光用光学フィルター２３とブラシ４０の端面とをブラシ４０及び受光用光学フィルター２３の屈折率に近い屈折率を持つ光学接着剤で接着することで、散乱損失を防ぐことができる。また、受光用光学フィルター２３の機能を有する光学接着剤を使って、ブラシ４０の端面と光検出器２４の開口部２４ａとを接着することもできる。さらに、ブラシ４０の素材に光学フィルターとして機能するような素材を用いることも可能である。その際は、ブラシ４０の端面は、光検出器２４の開口部２４ａに配置され、光学接着剤で接着される。

図７は、制御部３００の回路構成の例を示すブロック図である。制御部３００は、制御回路３０及び報知部３１（図３を参照）に加えて、光源駆動回路８２、８３、パルス幅設定回路８２Ａ、８３Ａ、電流電圧変換回路８５、発振回路１００Ａ及びロックインアンプ１０３を有する。これらは、握り部４３内の回路基板４４（図４を参照）上に設けられている。ロックインアンプ１０３は、２位相で動作する２相のロックインアンプであり、位相検波器１０４、１０９、９０度移相器１０８及びＡ／Ｄコンバータ１０６、１１１を有する。

発振回路１００Ａは、周期Ｔの矩形波であるタイミング信号１０１（基準信号の一例）を生成する。

図８は、制御部３００の動作タイミングを示すタイミングチャートである。図８では、タイミング信号１０１をＴＩＭで表し、第１の光源２及び第２の光源３の点灯タイミングをそれぞれＬＥＤ１、ＬＥＤ２で表す。また、光検出器２４で得られる光電流が電流電圧変換回路８５で電圧に変換された後の光信号をＰＤで表す。また、ロックインアンプ１０３の同相検波位相をＰｈ_Ｉ、その検波出力を１０５で表し、９０度検波位相をＰｈ_Ｑ、その検波出力を１１０で表す。

パルス幅設定回路８２Ａ、８３Ａは、設定回路の一例であり、タイミング信号１０１の１周期内における第１の光源２及び第２の光源３の発光期間（第１及び第２の発光期間）の長さをそれぞれ設定する。具体的には、パルス幅設定回路８２Ａは、タイミング信号１０１がＨであるＴ／２の期間内で長さα（ただし０＜α＜Ｔ／２）だけを第１の発光期間とし、その期間内だけ第１の光源２を点灯させるためのＬＥＤ点灯信号８２Ｂを生成して、光源駆動回路８２に出力する。同様に、パルス幅設定回路８３Ａは、タイミング信号１０１がＬであるＴ／２の期間内で長さαだけを第２の発光期間とし、その期間内だけ第２の光源３を点灯させるためのＬＥＤ点灯信号８３Ｂを生成して、光源駆動回路８３に出力する。

すなわち、第１の光源２（ＬＥＤ１）は１周期Ｔの前半で点灯し、第２の光源３（ＬＥＤ２）は１周期Ｔの後半で点灯し、それらのＤｕｔｙは共にαである。第１の光源２と第２の光源３の発光期間は、タイミング信号１０１の周期Ｔの１／２未満であり、互いに重複せず、かつ互いに同じ長さである。図示した例では、第１の光源の発光波長（第１の波長）は４０５ｎｍ、第２の光源の発光波長（第２の波長）は４６５ｎｍであり、図を分かりやすくするために、図８にはこれらの波長の数値を記入している。図８に示すように、第１の光源２と第２の光源３の発光期間は、周期Ｔの中央（位相１８０度の点）を間に挟んで連続している（つまり、両方とも中央詰めになっている）。

光源駆動回路８２、８３は、それぞれ、パルス幅設定回路８２Ａ、８３Ａから出力されたＬＥＤ点灯信号８２Ｂ、８３Ｂに従って、第１の光源２及び第２の光源３を駆動する。第１の光源２は、タイミング信号１０１の１周期内における長さαの第１の発光期間に発光して、第１の波長（図示した例では４０５ｎｍ）の光を出射する。第２の光源３は、タイミング信号１０１の１周期内における長さαの第２の発光期間に発光して、第２の波長（図示した例では４６５ｎｍ）の光を出射する。

第１の光源２又は第２の光源３が点灯し、その光が歯に照射されると、歯から蛍光が発生し、その光は光検出器２４で検出される。電流電圧変換回路８５は、光検出器２４の出力信号を電圧信号に変換して、光信号ＰＤを生成する。歯の蛍光量をＰｔ、歯垢の蛍光量をＰｐとすると、図８に示すように、第１の発光期間（ＬＥＤ１）では、４０５ｎｍの励起光による歯と歯垢の蛍光（Ｐｔ＋Ｐｐ）が検出され、第２の発光期間（ＬＥＤ２）では、４６５ｎｍの励起光による歯の蛍光（Ｐｔ）が検出される。光信号ＰＤの信号強度は、第１の発光期間では歯垢の蛍光が加わるため高くなるが、第２の発光期間では相対的に低くなる。光検出器２４は、歯に第１の波長の光を照射したときに発生する歯と歯垢の蛍光（Ｐｔ＋Ｐｐ）の強度、及び歯に第２の波長の光を照射したときに発生する歯の蛍光（Ｐｔ）の強度を検出する。

ロックインアンプ１０３は、タイミング信号１０１とその位相を遅延させた信号とを用いて光信号ＰＤを位相検波することで、光信号ＰＤの和及び差を測定する。

位相検波器１０４は、第１の位相検波器であり、タイミング信号１０１に従い同相検波位相Ｐｈ_Ｉから位相検波を行って、歯と歯垢の蛍光（Ｐｔ、Ｐｐ）の強度に応じた同相検波出力１０５を生成する。具体的には、同相検波位相Ｐｈ_Ｉが‘＋’のときには、同相検波出力１０５は、α（Ｐｔ＋Ｐｐ）となり、同相検波位相Ｐｈ_Ｉが‘−’のときには、同相検波出力１０５は、−αＰｔとなる。Ａ／Ｄコンバータ１０６は、同相検波出力１０５をデジタルの同相検波出力１０７（第１の出力信号、ＩＯＵＴ）に変換して、制御回路３０に出力する。

９０度移相器１０８は、タイミング信号１０１の位相を９０度遅延させた信号を生成する。位相検波器１０９は、第２の位相検波器であり、その９０度遅延した９０度検波位相Ｐｈ_Ｑから位相検波を行って、歯と歯垢の蛍光（Ｐｔ、Ｐｐ）の強度に応じた９０度検波出力１１０を生成する。具体的には、９０度検波位相Ｐｈ_Ｑが‘＋’のときには、９０度検波出力１１０は、（２Ｐｔ＋Ｐｐ）／４となり、９０度検波位相Ｐｈ_Ｑが‘−’のときには、９０度検波出力１１０は、−（α−１／４）（２Ｐｔ＋Ｐｐ）となる。Ａ／Ｄコンバータ１１１は、９０度検波出力１１０をデジタルの９０度検波出力１１２（第２の出力信号、ＱＯＵＴ）に変換して、制御回路３０に出力する。

第１の出力信号ＩＯＵＴは、波長４０５ｎｍの励起光で生じる蛍光と、波長４６５ｎｍの励起光で生じる蛍光との差成分であり、次の数式で表される。
ＩＯＵＴ ＝ α（Ｐｔ＋Ｐｐ）−αＰｔ＝αＰｐ ・・・（４）
また、第２の出力信号ＱＯＵＴは、次の数式で表される。
ＱＯＵＴ ＝ （２Ｐｔ＋Ｐｐ）／４−（α−１／４）（２Ｐｔ＋Ｐｐ）
＝ （１／２−α）（２Ｐｔ＋Ｐｐ） ・・・（５）
すなわち、同相検波の第１の出力信号ＩＯＵＴには、歯垢の蛍光量ＰｐがＤｕｔｙαで出力され、９０度検波の第２の出力信号ＱＯＵＴには、複合した蛍光量（２Ｐｔ＋Ｐｐ）がＤｕｔｙ（５０％−α）で出力される。

制御回路３０は、発振回路１００Ａ及びパルス幅設定回路８２Ａ、８３Ａの動作を制御すると共に、デジタルの同相検波出力１０７及びデジタルの９０度検波出力１１２を用いて、測定対象の蛍光物質量である歯の蛍光量Ｐｔ及び歯垢の蛍光量Ｐｐを算出する。具体的には、数式（４）、（５）をＰｔ、Ｐｐについて解くと次の数式（６）、（７）が得られるので、制御回路３０は、これらの数式に従ってＰｔ、Ｐｐを算出する。
Ｐｔ ＝ −ＩＯＵＴ／２α＋ＱＯＵＴ／（１−２α） ・・・（６）
Ｐｐ ＝ ＩＯＵＴ／α ・・・（７）

なお、９０度移相器１０８を用いずに、タイミング信号１０１（ＴＩＭ）と、タイミング信号１０１に比べて位相が９０度遅れた第２のタイミング信号（ＴＩＭ２）との２つを基準信号として用いて、位相検波を行ってもよい。この場合、ＴＩＭで位相検波すると数式（４）の同相検波出力１０５と同じ値が得られ、ＴＩＭ２で位相検波すると数式（５）の９０度検波出力１１０と同じ値が得られる。したがって、この場合でも、処理内容は、本質的には図７及び図８を用いて説明した場合と同じである。

数式（４）によると、同相検波出力１０５（ＩＯＵＴ）は歯垢の成分だけであり、αに比例する。このため、例えばαを４０％とすれば、Ｄｕｔｙ４０％の期間が歯垢検出に割り当てられる。この場合、数式（５）で得られる複合した蛍光量（主に歯の蛍光量）は５０−４０＝１０％に減少するが、歯の蛍光は常に強いので、減少させても検出に問題はない。逆に言えば、パルス幅設定回路８２Ａ、８３Ａによりαの値を調整して、検出に問題がない範囲内で歯の成分を削減させれば、歯垢の成分を大きくすることができる。歯垢の蛍光強度は弱いが、制御部３００では、αの値をα＜Ｔ／２（つまりＤｕｔｙ５０％未満）の範囲内でなるべく大きく設定することにより、歯垢の蛍光の検出感度が向上する。

制御部３００では、歯の蛍光量Ｐｔ及び歯垢の蛍光量Ｐｐが同時に測定されるので、歯垢の蛍光量Ｐｐを歯の蛍光量Ｐｔで規格化することで、歯と検出部２００との距離を補正することが可能である。また、制御部３００では、第１の光源２と第２の光源３の同時点灯も同時消灯も起こらない駆動波形を用いることで、光信号ＰＤの強度変化が小さく抑えられ、蛍光物質量の検出のダイナミックレンジを向上させることができる。また、第１の光源２と第２の光源３の同時点灯がないことにより、図８の動作タイミングで制御部３００を動作させれば、光源の回路構成が単純化されると共に、出射光用光導波路６への入射効率が向上する。この点について、以下で詳しく説明する。

図９（Ａ）〜図９（Ｅ）は、光源の回路構成とそれに応じた光導入効率の差異を説明する図である。図９（Ａ）、図９（Ｂ）及び図９（Ｄ）は、光源駆動回路８２、８３の回路構成例を示し、図９（Ｃ）及び図９（Ｅ）は、第１の光源２、第２の光源３及び出射光用光導波路６の位置関係を示す。符号１２０は第１の光源２及び第２の光源３である２つのＬＥＤの実装基板を表し、符号１３１、１３２は、それぞれ電流Ｉｆ１、Ｉｆ２を流す定電流源を表す。なお、図９（Ｃ）及び図９（Ｅ）では、簡単のため、混色部４及び出射光用光学フィルター５（図３を参照）の図示を省略している。図９（Ａ）〜図９（Ｃ）は２つのＬＥＤを同時点灯させない場合（図８の動作タイミングで制御部３００を動作させる場合）に、図９（Ｄ）及び図９（Ｅ）は２つのＬＥＤを同時点灯させる場合に、それぞれ相当する。

２つのＬＥＤの同時点灯がある場合には、それらに同時に電流を流す必要があるので、それらをアノードコモン接続又はカソードコモン接続する必要がある。図９（Ｄ）では、第１の光源２と第２の光源３をアノードコモン接続した場合の例を示している。この場合には、図９（Ｅ）に示すように、ＬＥＤの接続端子（配線パターン）は符号１３３〜１３５で示す３つが必要であり、カソード側の接続端子１３４、１３５を分離する必要があるため、ＬＥＤ同士の間隔ｄ２が比較的広くなり、ＬＥＤ間に隙間ができる。特に、歯垢を検出する蛍光測定装置の場合には、ＬＥＤチップを２つ並べて例えば直径が１ｍｍ以下の細い光導波路に光を導入する必要があるが、ＬＥＤ間に隙間があると、出射光用光導波路６への光結合効率が低下してしまう。

一方、２つのＬＥＤの同時点灯がない場合には、図９（Ａ）及び図９（Ｂ）に示すように、一方のＬＥＤのカソードを他方のＬＥＤのアノードに接続し、他方のＬＥＤのカソードを一方のＬＥＤのアノードに接続することができる（ＢａｃｋＴｏＢａｃｋ接続）。この場合、図９（Ｃ）に示すように、ＬＥＤの接続端子は符号１３３、１３４で示す２つだけで済み、隣接する２つのＬＥＤの接続端子を分離する必要がない。したがって、図８の動作タイミングで制御部３００を動作させる場合には、２つのＬＥＤの同時点灯がある場合と比べて２つのＬＥＤの間隔ｄ１が狭くなり（ｄ１＜ｄ２）、ＬＥＤの実装面積を小さくすることができる。

図９（Ｃ）では、例えば、１．６ｍｍ径の出射光用光導波路６に対して、幅０．８ｍｍの２つのＬＥＤチップを接触させて配置した状態を図示している。図９（Ｃ）の場合には、ＬＥＤチップ内部に実装されている発光素子（半導体素子）自体の幅は０．４ｍｍ程度であり、２つ並んだ状態で全幅は１．２ｍｍと、光導波路の径よりも狭くすることが可能である。したがって、直径が１ｍｍ以下の細い光導波路に対しても、光を効率よく導入することができるため、出射光用光導波路６に取り込まれる光量が多くなる。

また、ロックインアンプを動作させる際に第１及び第２の光源の駆動電流を変調する方法も考えられるが、その場合には、光源駆動回路８２、８３にアナログ変調回路を設けるか、２値の電流に対応させて各光源に２個ずつの定電流源が必要になる。一方、図８の動作タイミングで制御部３００を動作させる場合には、駆動電流の変調がないため、そのようなアナログ変調回路は不要であり、１つのＬＥＤに対して１つの電流源があればよいので、定電流源は高々２つで済む。さらに、図９（Ｂ）に示す回路構成であれば、共通の１つの定電流源１３１で第１の光源２と第２の光源３の両方を駆動することができる。したがって、制御部３００では、回路構成が単純化されるため、コストダウンが可能である。

以上説明したように、波長の異なる２つの光で歯を励起し、蛍光を１波長で計測することにより、自家蛍光から歯垢由来の蛍光を分離して計測することが可能となり、シンプルな構成で精度よく歯垢を検出できる蛍光測定装置が得られる。よって、この蛍光測定装置を搭載した歯ブラシであれば、きちんと磨けているかどうかを確認しながら歯を磨くことができる。

１、４００ 蛍光測定装置
２ 第１の光源
３ 第２の光源
３０ 制御回路
８２Ａ、８３Ａ パルス幅設定回路
１００ 光源部
１０４、１０９ 位相検波器
１３１、１３２ 定電流源
２００ 検出部
３００ 制御部

Claims (6)

1. 基準信号の１周期内における第１の発光期間に発光して、第１の波長の光を出射する第１の光源と、
   前記基準信号の１周期内における前記第１の発光期間と重複しない第２の発光期間に発光して、前記第１の波長よりも長波長である第２の波長の光を出射する第２の光源と、
   試料に前記第１の波長の光を照射したときに発生する第１の蛍光強度、及び試料に前記第２の波長の光を照射したときに発生する第２の蛍光強度を検出する検出部と、
   前記第１及び第２の発光期間の長さを設定する設定回路と、
   前記基準信号に従い位相検波を行って、前記第１及び第２の蛍光強度に応じた第１の出力信号を生成する第１の位相検波器と、
   前記基準信号を遅延させた信号に従い位相検波を行って、前記第１及び第２の蛍光強度に応じた第２の出力信号を生成する第２の位相検波器と、
   前記第１及び第２の出力信号を用いた演算により測定対象の蛍光物質量を算出する制御回路と、
   を有し、
   前記設定回路は、前記第１及び第２の発光期間の長さを、前記基準信号の１周期の１／２未満でありかつ互いに同じ長さに設定し、
   前記第１の発光期間と前記第２の発光期間は、１周期の中央を間に挟んで連続している、
   ことを特徴とする光測定装置。
2. 前記第２の位相検波器は、前記基準信号の位相を９０度遅延させた信号に従い位相検波を行う、請求項１に記載の光測定装置。
3. 前記第１の光源は第１のＬＥＤであり、
   前記第２の光源は第２のＬＥＤであり、
   前記第１のＬＥＤのカソードは前記第２のＬＥＤのアノードに接続され、
   前記第２のＬＥＤのカソードは前記第１のＬＥＤのアノードに接続されている、請求項１または２に記載の光測定装置。
4. 前記第１及び第２のＬＥＤは共通の定電流源によって駆動される、請求項３に記載の光測定装置。
5. 前記第１の波長は３５０ｎｍから４３０ｎｍの範囲内の波長であり、
   前記第２の波長は４３５ｎｍから５００ｎｍの範囲内の波長である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光測定装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の光測定装置を備えた歯ブラシ。

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