JP4732355B2 - 音波導波管を利用する歯ブラシ - Google Patents

Description

（関連出願の参照）
本発明は、２００３年１１月４日出願の米国特許仮出願第６０／５１７，６３８号について、米国特許法第１１９条の下に主張された優先権を主張し、ここに援用する。

（技術分野）
本発明は、一般的に、歯ブラシの分野に関し、特に、音波機構を使用する歯ブラシに関する。

現存の電動歯ブラシは、最も有効なものでも、歯の表面、歯茎と歯の接触点、歯茎の下、および、歯ブラシの毛または歯ブラシの他の構成要素が直接的に届かない所に、臨床的に重大な歯垢を残す。超音波歯ブラシの作製の以前の試みは、歯垢除去を促進する目的である歯科用液体におけるマイクロバブルの形成を活用していないか、または、マイクロバブルおよびマクロバブルを、歯ブラシの毛先を超える超音波の伝達に対する可能性のある障害物として考慮しなかった。超音波技術を利用した一部の初期の歯ブラシは、歯ブラシの毛の基部から、その歯ブラシの毛そのもの、または、歯ブラシの毛間の空間を埋める泡状の歯科用液体のいずれかを介して超音波の伝達を試みた。例えば、Ｂｏｃｋによる特許文献１、特許文献２、特許文献３、および特許文献４を参照されたい。従来の歯ブラシの毛、および泡状の歯科用液体は、超音波の伝達を促進するのではなく、低減させる故、それらの歯ブラシは、有効な超音波伝達を達成する事に欠けていた。また、従来技術の歯ブラシにおける超音波システムは、歯科用液体内における特定の泡状構造を有用に活用していなかった。

（技術の一覧）
Ｐａｒｉｓｉによる特許文献５は、超音波振動ハンドヘルド歯科用器具（ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ）に結合されるブラシを開示する。その超音波振動ハンドヘルド歯科用器具は、高音周波数および超音波周波数において振動可能である。

特許文献６として再発行されたＢａｌａｍｕｔｈらによる特許文献７は、単一使用のための超音波キット、超音波モータ構造、および超音波変換部設計、またはそれらを組み合わせての使用を開示する。超音波モータは、取り外し可能な先端を有する圧電性材料製であり得、変換部に接続されるアダプターに差し込まれる電気接触手段を有するハウジングに含まれる。

Ｋｕｒｉｓらによる特許文献８は、使用中に超音波振動性運動および音波振動性運動の両方を生成するために音波周波数にて繰り返されるアプリケータにおける超音波機械振動のバーストを利用し、歯を磨くための方法を開示する。

Ｂａｌａｍｕｔｈらによる特許文献９、および特許文献１０は、端からもう一つの端に位置する歯ブラシの毛要素へ機械的な振動を伝えるために超音波振動する構成における超音波歯ブラシアプリケータを開示する。

Ａｎｄｒｅｓｓによる特許文献１１は、超音波振動による歯垢除去用の歯ブラシではない装置を開示する。

Ｋｕｒｉｓによる特許文献１２は、人の口内にて受け取られるように適応されたブラシ部材を有する一組の接触面を有する圧電性部材から形成された細長部材を備える装置を開示する。ハンドルに適応されたケーシングは、圧電性部材を受け取るように構成される。

Ｋｕｒｉｓによる特許文献１３は、中空のハウジングの形をした細長ハンドル部材を含む超音波歯ブラシを開示する。その細長ハンドル部材の中に低電圧コイルおよびそれと協同する超音波周波数にて作動するフェライトコアがある。ブラシ部材は、そのコアに付着され、コア材料に接着的に付着する抵抗移動デバイスに接着的に付着する。インピーダンス移動デバイスは、コア材料からブラシへの超音波エネルギーの最大移動を保証する。

Ｓｕｒｏｆｆによる特許文献１４、および特許文献１５は、超音波出力部材に取り外し可能なように接続された交換可能な歯ブラシ部材を有する超音波歯ブラシを開示する。

Ｂｏｃｋによる特許文献１６は、ハンドル部、電池パック、電子作動モジュール、圧電部材、および取り外し可能ブラシヘッド部を有する超音波歯ブラシを開示する。圧電結晶は、電子作動モジュールから供給される周波と共振し、その体積を膨張、収縮し、それによって、電気エネルギーを音波エネルギーへと変換する。

Ｂｏｃｋによる特許文献１７は、複数の歯ブラシの毛の房、可撓性のある材料から構成される実質的に管状の主部、および張力（ｔｅｎｓｉｏｎｉｎｇ）手段を有する超音波歯ブラシ用の取り外し可能ブラシヘッドを開示する。張力手段は、超音波デバイスにブラシヘッドを固定し、そのデバイスからブラシヘッドを介する超音波周波数振動の効果的な伝達を提供する。

Ｃｅｎｔｅｒによる特許文献１８は、厚く、シリンダー状の中空ハンドルを有する歯ブラシを備える、歯の歯垢を除去するデバイスを開示する。このデバイスは、（１）中心を外れて固定された部材を回転させ、デバイス全体を振動させる電気モータ、および（２）ブラシに沿って高周波数の音波を生成可能な超音波変換部を備える。

Ｂｏｃｋによる特許文献１９は、超音波歯ブラシ用の取り外し可能なブラシヘッドを開示する。

Ｂｏｃｋによる特許文献２０は、硬い材料から構成されるハンドル、電池パック、電子作動モジュール、圧電部材、および取り外し可能なブラシヘッドを含む超音波歯ブラシを開示する。圧電結晶は、電子作動モジュールから供給される周波と共振し、その体積を膨張、収縮し、それによって、電気エネルギーを音波エネルギーへと変換する。

Ｗｉｌｌｉａｍｓらによる特許文献２１は、電気作動する歯ブラシおよび歯を磨く方法を開示する。歯ブラシは、ハンドル、複数の中空フィラメントの歯ブラシの毛を有し、ハンドルと接続されるブラシヘッド、中空フィラメントの歯ブラシの毛を介し、そこに流体を運ぶための、ハンドルおよびブラシヘッドを通る通路、ハンドル内にある電気エネルギー源、および運ばれた流体に振動を伝えるための振動要素を含む。

Ｔａｋａｈａｔａらによる特許文献２２は、ブラシ主部が同時に振動し、往復運動をする電動歯ブラシを開示する。電動歯ブラシは、ケーシング主部、ケーシング主部上へと延びるアーム、アームの上端部に配置されるブラシ主部、およびアーム内の上端部に配置され、ブラシ主部を作動する超音波モータを備える。

Ｍｕｒａｙａｍａによる特許文献２３の再発行である特許文献２４は、隣接歯間表面の歯垢除去用の電気デバイス（つまり、フロス）を開示する。デバイスは、音波エネルギー、および電気ハンドルに取り外し可能に取り付けられた可撓性のあるフォークの２つの先の間に固定されたデンタルフロスを利用する。電気モータは、可撓性のあるフォークに伝達される音波エネルギーを生成するように、音周波数において回転する。

Ｍｏｓｃｈらによる特許文献２５は、歯石除去先端、作動具、コイル、ハンドピースハウジング、および空気作動電流生成器を備える超音波歯石除去器を開示する。作動具、コイル、および空気作動電流生成器の全ては、ハンドピースハウジング内に含まれる。

Ｓｈａｒｐによる特許文献２６は、共振周波数を有するデンタル歯石除去挿入物との使用と合わせた超音波デンタル歯石除去器を開示する。歯石除去挿入物は、エネルギーコイルを有するハンドピースに取り外し可能なように取り付けられる。エネルギーコイルは、デンタル歯石除去器を振動させるために、振動周波数を有する制御信号を生成するための選択的に調整可能な振動回路に接続される。

Ｍａｒｔｉｎによる特許文献２７は、超音波作動による歯石除去のための歯科用器具を開示する。歯科用器具の器具は、通常、ダイアモンド粒子である研磨粒子を備え、円錐形の先のフックのような形をした遠位端を有する。

Ｓｕｒｏｆｆによる特許文献２８は、交換可能な超音波器具を有する超音波歯ブラシを開示する。この交換可能な超音波器具は、歯ブラシのハンドル内に含まれる超音波出力手段に、交換可能なように固定され得る。

Ｇｉｕｌｉａｎｉによる特許文献２９は、主部分および延びた共振子アームを有するデンタル衛生装置を開示する。装置はその主部に電磁石を利用し、その電磁石は、トーションピンに対して振動動作を達成するために、２つの永久磁石と共に作動する。アームは、歯ブラシの毛先が、毛先を越えての歯の磨きを達成するために、一秒間に１．５メートルより速い速さの毛先を生む振幅と周波数範囲にて作動するように動く。

歯と歯茎との間、歯と歯との間の接触点、および歯ブラシの毛の直接の作動を超えた箇所、を磨く改良された歯科的な特性を達成する歯ブラシ設計の必要性がこの技術分野において残る。
米国特許第５，１３８，７３３号 米国特許第５，２４７，７１６号 米国特許第５，３６９，８３１号 米国特許第５，５４６，６２４号 米国特許第３，３３５，４４３号 米国再発行特許発明第２８，７５２号 米国特許第３，８０９，９７７号 米国特許第３，８２８，７７０号 米国特許第３，８４０，９３２号 米国特許第３，９４１，４２４号 米国特許第４，０７１，９５６号 米国特許第４，１９２，０３５号 米国特許第４，３３３，１９７号 米国特許第４，９９１，２４９号 米国特許第５，１５０，４９２号 米国特許第５，１３８，７３３号 米国特許第５，２４７，７１６号 米国特許第５，３３１，６３２号 米国特許第５，３６９，８３１号 米国特許第５，５４６，６２４号 米国特許第６，２０３，３２０号 米国特許出願公開第２００３／００７９３０５号 米国特許第５，３４３，８８３号 米国再発行特許発明第３５，７１２号 米国特許第６，６１９，９５７号 米国特許第６，１９０，１６７号 米国特許第４，７３１，０１９号 米国特許第５，１５０，４９２号 米国特許第５，３７８，１５３号

本発明は、電動歯ブラシを含む歯ブラシを提供する事によってこれら、または他の関連する必要性を満たす。これらの歯ブラシは、改良された歯垢および色素沈着の除去ならびに使用者の良い使い心地を達成するために、超音波変換部、および／または音波構成要素との組み合わせの音波導波管、または音波導波管のみを利用する。従って、特定の実施形態において、本発明は、１つ以上の音波導波管を有する電動歯ブラシを提供する。その音波導波管は、超音波変換部によって伝えられた音波をデンタル流体へ伝導し、可能であれば収束する事ができ、それによって、マイクロバブルのキャビテーションを誘発し、追加的、または代替的に、アコースティックストリーミングを誘発する。結果として、それらにより、デンタル表面および隣接歯間領域からのデンタル歯垢を浮かし、除去する事が改良される。音波構成要素との組み合わせとして使用される場合、音波導波管は、追加的に、または代替的に、音波導波管が口腔内における流体流動の向上、ならびに、音波導波管および／または歯ブラシヘッドの毛先が届かない所におけるデンタル流体内のマイクロバブルの形成、に役立つように、振動するように作られてもよい。音波構成要素との組み合わせとして使用される場合、音波導波管によって生成される向上された泡状流体流動は、追加的に、または代替的に、音波導波管を介して伝わる超音波と相乗的に作用し、それによって音波導波管および／または歯ブラシヘッドの毛先が届かない所の歯垢除去および色素沈着除去を促進する。

本発明の一実施形態において、超音波変換部は、歯ブラシヘッドにおいて、または、音波導波管の基部で操作可能な範囲でそれに近接した所において利用され得、あるいは、代替的に、（金属、ゲル、または流体製の）音波的に伝導する導管を介して歯ブラシのハンドル内部から歯ブラシヘッドへ機械的に接続され得る。いずれの実施形態においても、超音波変換部は、超音波を音波導波管へ伝導し、そして、波がデンタル流体中においてマイクロバブルキャビテーションを効率的に引き起こすか、代替的にまたは追加的にアコースティックストリーミングを効率的に引き起こすように、デンタル流体中に超音波を伝導する。特定の実施形態において、本発明の歯ブラシは、デンタル流体中におけるマイクロバブル生成に役立つ１つ以上の歯ブラシの毛を備えもする。超音波は、それらマイクロバブルのキャビテーションを引き起こし、そして結果的に、改良された歯垢および色素沈着の除去特性を有する本明細書中に開示される歯ブラシの提供に繋がる。

本発明の追加的な実施形態は、音波構成要素とさらに組み合わせた音波導波管および超音波変換部を有する電動歯ブラシを提供する。ここにおいて、音波構成要素は、可聴周波数内で作動し、マイクロバブル生成に役立つために必要とされる速度および密度においてデンタル流体の流動を上昇させるために、毛および音波導波管を含むブラシヘッドを機械的に動かす。音波導波管および伝導される超音波は、磨き泡ジェットを生成するために相乗効果的に共に作用しあう。ここにおいて、音波導波管および超音波は、アクティベーションに使用可能な泡の瞬時の空間的な分布を広め、音波導波管の音波運動に起因する超音波の分布を広める。音波導波管および超音波はまた、泡状ジェットを生成するためにも相乗効果的に共に作用しあう。音波導波管および超音波のそれぞれは泡状流体の加速に役立ち、音波導波管は直接に流体を押し進め、超音波はアコースティックストリーミングを誘発する。

（好ましい実施形態の詳細な説明）
本発明の前記の局面および多数のそれに伴なう利点は、添付の図面および後述の詳細な記載を参照することにより、より理解され、容易に明確になるであろう。

本発明は、超音波変換部および／または音波構成要素と音波導波管との組み合わせ、または音波導波管のみ、を利用する歯ブラシが、現存の電動歯ブラシ技術と比較して改良された歯磨き特性をもたらす発見に基づく。本発明に従う歯ブラシが、以下に討議される多数の従来の歯ブラシの毛を含み得る事、またはそれらを含み得ない事は、予想される。本明細書において記載されるように、本発明に従う歯ブラシは、（１）音波導波管の音波運動を含む運動による泡状流体の流動の増加、ならびに、導波管および／または１つ以上の歯ブラシの毛による泡形成の増加、（２）超音波変換部によって生成された収束された超音波の伝達、および改良された歯垢粉砕および歯垢除去を達成するための音波導波管を介するデンタル流体への超音波の伝達、および／または（３）泡状流体の流動の促進、および歯ブラシの毛を超えて（例えば、デンタル流体中の、歯ブラシの毛先から約０．５ｍｍと約５ｍｍとの間、より典型的には、歯ブラシの毛先から約１ｍｍと約３ｍｍとの間にて）最適且つ最大に相互作用するための超音波の伝達、に効果的である。

従って、特定の実施形態において、本発明は、音波導波管を備える、電動歯ブラシを含む歯ブラシを提供する。本発明の特定の実施形態において、超音波変換部と組み合わされる音波導波管を備える歯ブラシが提供される。音波導波管および超音波変換部は、デンタル流体中にてキャビテーション、マイクロストリーミング、およびアコースティックストリーミングを引き起こすために、毛が並ぶ歯ブラシヘッドでのブラッシング、および／または、音波構成要素によって作動する音波導波管の動き、のいずれかの結果としてデンタル流体中のマイクロスコピックな泡の流動に対して、共に働く。従って、本発明の他の実施形態は、超音波構成要素との組み合わせの音波導波管、および、さらには、音波構成要素との組み合わせの音波導波管を備える歯ブラシを提供する。適切な材料で製作される音波導波管との組み合わせの音波構成要素、および／または１つ以上の歯ブラシの毛との組み合わせのその音波構成要素は、さらに、口内での好感の生成、歯茎および他のデンタル組織の刺激およびマッサージを請け負い、同様に、改良された歯磨き体験を促進する。

上記される、または下記される全ての米国および外国の特許、特許出願、ならびに全ての他の参考文献は、その全体が本明細書中において援用される。

（本発明の歯ブラシ技術の作動に適用される定義およびパラメータ）
本明細書において用いられるように、用語「超音（ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ）」または「超音波（ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ）」は、人の耳に聞こえる範囲外の周波数、通常、約２０ｋＨｚより高い音を表す。一般的に、本発明の歯ブラシ内に利用される超音波変換部は、約２０ｋＨｚから約１０００ｋＨｚの範囲内にて、約２０ｋＨｚから約２０００ｋＨｚの範囲内にて、約２０ｋＨｚから約５０００ｋＨｚの範囲内にて、または、約２０ｋＨｚから約１０ＭＨｚ（約２０ＭＨｚ以上ではない）の範囲内にて、超音周波数の音を変換する。より一般的には、約１００ｋＨｚから約７５０ｋＨｚへ変換し、さらに一般的には、約２５０ｋＨｚから約７５０ｋＨｚへ変換する。用語「音波（ｓｏｎｉｃ）」は、例えば、２０Ｈｚと２０ｋＨｚとの間の約２０ｋＨｚまでの通常の人間の耳に聞こえる範囲内の周波数の音を表す。

本明細書において用いられるように、用語「キャビテーション」は、音による泡の生成および／または刺激を表す。「生成（ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）」は泡を引き起こす事を意味する。「刺激（ｓｔｉｍｕｌａｔｉｏｎ）」は、泡が動的にアクティブになる事（つまり、泡が動いたり、大きくなったり、小さくなったり、拡大したり、消滅したりする事）を引き起こす動作を意味し、それら全ては、泡の周辺の流体中およびその周辺における、ならびに泡中のガス内における機械的効果、および／または化学的効果に関連する。

現存するマイクロバブルのキャビテーションは、第１の近似として２つの一般的なカテゴリである「安定（ｓｔａｂｌｅ）キャビテーション」および「慣性（ｉｎｅｒｔｉａｌ）キャビテーション」に分けられ得る。「安定キャビテーション」は、低強度の超音波エネルギーによる、事前に存在していたマイクロバブルの、安定した低振幅の共振振動の誘発であり、それは、マイクロバブルの近くおよびその近接の流体流動内に局地的なせん断力を生成する（これより以下、アコースティックマイクロストリーミングと表す）。超音波強度が増大する際、振動の振幅も泡が不安定になるまで大きくなり、流入流体の慣性によって崩壊し、「慣性キャビテーション」を引き起こす。

（本発明に必要とされる泡よりも通常、よりアクティブな）激しく崩壊した泡内の結果的な圧力および温度の極端な状態は、水蒸気に含まれる加水分解によるフリーラジカル生成を起こすのに十分であり得る。泡の崩壊が（例えば、デンタル表面のような）流体／固体境界の近隣において起こる場合、媒体内のせん断力および高速流体ジェットは、歯および歯茎のような固体構造に向かって作用する。本発明の文脈において、キャビテーション効果は、デンタル流体中にすでに存在するマイクロバブルの超音波により誘発される刺激を含む。その刺激は、安定キャビテーションの歯ブラシの毛の作用に起因し、その作用は、マイクロストリーミング中のせん断力による結果的な擦りを生じ、デンタル表面および隣接歯間表面の歯垢、および他の残骸物を取り除き、または表面から浮かす。他の効果は、アコースティックストリーミングと呼ばれる変換部から離れるコヒーレントな流体流動の生成であり得る。アコースティックストリーミングの強さは、超音波とマイクロバブルとの相互作用によって向上される。通常、本発明の超音波変換部によるキャビテーションを経るマイクロバブルは、直径約１μｍと約１５０μｍとの間である。

泡は第１の共振周波数を有し、その第１の共振周波数は、泡の半径と反比例的に変化し、また、ガスの中身、および表面張力のような他の要素に大きく依存する。一般的に、超音波が、２０ｋＨｚから３ＭＨｚの範囲にて作動する超音波変換部を用いて泡に与えられ場合、約１μｍと約１５０μｍとの間の直径を有するデンタル流体中にある泡は共振する。より一般的には、超音波が、３０ｋＨｚから３ＭＨｚの範囲にて作動する超音波変換部を用いて泡に与えられ場合、約１μｍと約１００μｍとの間の直径を有するデンタル流体中にある泡は共振する。さらに一般的には、超音波が、１００ｋＨｚから７５０ｋＨｚの範囲にて作動する超音波変換部を用いて泡に与えられ場合、約４．３μｍと約３３μｍとの間の直径を有するデンタル流体中にある泡は共振する。さらに一般的には、超音波が、１００ｋＨｚから６００ｋＨｚの範囲にて作動する超音波変換部を用いて泡に与えられ場合、約５μｍと約３０μｍとの間の直径を有するデンタル流体中にある泡は共振する。さらに一般的には、超音波が、１５０ｋＨｚから５００ＭＨｚの範囲にて作動する超音波変換部を用いて泡に与えられ場合、約６．５μｍと約２２μｍとの間の直径を有するデンタル流体中にある泡は共振する。本明細書中の例示的な歯ブラシにおいて、超音波が、２５０ｋＨｚから５００ＭＨｚの範囲にて作動する超音波変換部を用いて泡に与えられ場合、約１２μｍと約２６μｍとの間の直径を有するデンタル流体中にある泡は共振する。適用される超音波周波数が泡の共振周波数と異なるか否かに関係せず、低レベルの超音波は、音波周期内、および最初は小さく正弦波状であった多数の音波周期の両方に渡り、泡容積の一時的な変化を誘発する。従って、「安定キャビテーション」は、泡のこれら単なる容積変化を表し、周辺流体の慣性に加え、および／またはそれの代わりの要素が泡の作用を決定する。適用される超音波周波数が泡の共振周波数と異なるか否かに関係せず、泡容積のこれら誘発された一時的な変化は、歯垢除去する機械的効果を有する泡に近接する流体中の流体の動きを起こす。

幾何学上の特性およびインピーダンスのミスマッチによって、キャビテーションしている泡は、音波を散乱させ、音を発する。安定キャビテーションを経る泡の圧縮および希薄化は、最初に、低レベルの超音波にて適用された信号の周波数の音波の放射を起こす。泡が共振周波数に近づくように増加するにつれ（ほんの数周期のうちに起こるが）、または、印加する音波フィールドが増大するにつれ、泡の容積の変化が放射線状に対称であるか否かに関らず、泡の容積の変化は、音波放射と同様、音波周期においてより複雑な時間の関数へと発展する。大きくなる泡の振幅の関数として、これらの放射は、先ず、（音波放射のＦ_０自身は勿論）、適用信号（Ｆ_０）の倍音（２Ｆ_０、３Ｆ_０、等）を含む。最終的に、一度は安定した振動をしていた泡は、倍音放射の振幅の関連する増加ならびに、広域周波数に渡る広帯域の音波放射（つまり、Ｆ_０の非整数倍値）とともに、激しく崩壊し得、および／または、非対称になる。その倍音放射は、（例えば、（１／２）Ｆ_０のような）印加信号の分周波の倍数の最終的な放射を含む。例えば、水中聴音器を用いてこれらの放射を検出する事によって、音波を受けた（ｉｎｓｏｎｉｆｉｅｄ）材料内のキャビテーション動作のレベルは、本明細書において示されるように、例えば歯垢除去のようなキャビテーションに関する多様な機械的効果および化学的効果として間接的に評価され、それらと関連付けられ得る。ＣｈａｎｇらによるＩＥＥＥの「Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ， Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ， ａｎｄ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ」４８（１）、１６１〜１７０（２００１）、Ｐｏｌｉａｃｈｉｋらによる「Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｉｎ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ ａｎｄ
Ｂｉｏｌｏｇｙ」２７（１１）、１５６７〜１５７６（２００１）、Ｌｅｉｇｈｔｏｎによる「Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｓｏｎｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ」２（２）、Ｓ１２３〜Ｓ１３６（１９９５）、およびＲｏｙらによる「Ｊ．Ａｃｏｕｓｔ． Ｓｏｃ． Ａｍ」８７（６）、２４５１〜２４５８（１９９０）を参照されたい。例えば、印加信号の振幅で割られる場合、倍音の規格化された振幅が、歯垢除去の増大に伴なう泡の動作が増加するにつれ、増幅する事は予想され得る。さらに、泡媒体のスペクトル放射バンドの範囲（例えば、（１／２）Ｆ_０から１０Ｆ_０）の積分が、歯垢除去の増大を伴なう泡の動作が増加するにつれ、増加する事は予想され得る。

本明細書において用いられるように、用語「マイクロストリーミング」および「アコースティックマイクロストリーミング」は、マイクロバブルに対する超音波フィールド内の機械的圧力の変化の結果として生じるマイクロバブルの近隣する、またはそれらマイクロバブルに隣接する流体の移動を表す。本発明の文脈において、「マイクロストリーミング」および「アコースティックマイクロストリーミング」は、デンタル流体中のマイクロバブルにキャビテーションによって生じるせん断力である。それらのマイクロバブルは、隣接歯間および歯茎の下は勿論、歯茎および歯の表面に沿って分散する。これらのせん断力は、歯垢を除去し、および／またはそれら表面の変色を取り除く。

「アコースティックマイクロストリーミング」の超音波パラメータを決定する事は、以下を含む。（１）搬送波の周波数（つまり、個々の超音波の周波数）は、通常、約２０ｋＨｚ以上である。より一般的には、搬送波の周波数は、約３０ｋＨｚと約３ＭＨｚとの間であり；より一般的には、搬送波の周波数は、約１００ｋＨｚと約７５０ｋＨｚとの間であり；より一般的には、搬送波の周波数は、約１００ｋＨｚと約６００ｋＨｚとの間であり；より一般的には、搬送波の周波数は、約１５０ｋＨｚと約５００ｋＨｚとの間であり；さらに一般的には、搬送波の周波数は、約２５０ｋＨｚと約５００ｋＨｚとの間であり、搬送波の周波数の実際の値が、利用可能な泡の量および利用される超音波変換部のサイズに依存する事は、理解され得る。（２）「パルス繰返し周波数（ｐｕｌｓｅ ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）」（ＰＲＦ）、つまり、個々の超音波のパケットまたはバーストの周波数は、これらに限られはしないが、通常、約１Ｈｚから約１０，０００Ｈｚの範囲である；より一般的には、約１０Ｈｚから約１，０００Ｈｚであり、さらに一般的には、５０Ｈｚから約２５０Ｈｚである。ＰＲＦの実際の値が音波周波数（つまり、本発明の歯ブラシの毛の振動周波数、および／または、本発明の歯ブラシの音波構成要素によって作動する音波導波管の振動周波数）の数倍値（通常、２倍以上、より一般的には４倍以上）であることが理解される。（３）超音波のパケット、または超音波のバースト内の個々の超音波の数は、通常、約１と約５，０００との間であり；より一般的には、約５と約１，０００との間であり；より一般的には、約５と約１００との間である。アコースティックマイクロストリーミングに対し、短いバーストおよび低ＰＲＦは適切である。ＰＲＦとバースト持続時間の積は、デューティーサイクル（つまり、超音波が放出された時間の割合）をもたらす。通常、デューティーサイクルは、約１％と約１０％との間である。

本明細書において用いられるように、用語「アコースティックストリーミング」は、超音波ビームの減衰の結果として生じる音波から流体への運動量移動のため起こる流体のバルク流動またはコヒーレント流動を表す。泡を有する、または泡を有さない流体へ伝達される超音波は、アコースティックストリーミングを生成し得る。アコースティックストリーミングは、そのサイズおよび長さにかなりの大きさがあり、流体中に泡が無い場合と比べて、流体中に泡がある場合の方がアコースティックストリーミングのサイズおよび長さは大きく、長い。「アコースティックストリーミング」は、通常、泡を刺激するために必要とされる周波数よりも高い周波数を必要とする（周波数が高い程、アコースティックストリーミングは大きくなる）。

アコースティックストリーミングの速さ、ｖは、以下に表されるように、流体の振幅吸収係数、αに比例し（線形音波伝達の条件の下においては、超音波の周波数に比例し、非線形音波伝達の条件の下においては、より強く周波数に依存する）、動粘性率、υに反比例する。

ここにおいて、Ｉは超音波のビームの強度であり、ｌは超音波ビームの直径であり、ｃは音速であり、Ｇは音波ビームのサイズに依存する幾何学上の因子である。Ｚａｕｈａｒらによる「Ｂｒｉｔｉｓｈ Ｊ．ｏｆ Ｒａｄｉｏｌｏｇｙ」７１、２９７〜３０２（１９９８）。

「アコースティックストリーミング」の超音波としてのパラメータは、以下が挙げられる。（１）搬送波の周波数は、通常、約２０ｋＨｚより高く；より一般的には、音波吸収を向上するために、約５００ｋＨｚと約５，０００ｋＨｚとの間である。（２）パルス繰返し周波数（ＰＲＦ）は、通常、これらに限定はされないが、約１Ｈｚと約１０，０００Ｈｚとの間であり；より一般的には、約１０Ｈｚと約１０，０００Ｈｚとの間であり；さらに一般的には、約１００Ｈｚと約１０，０００Ｈｚとの間であり；さらに一般的には、約１０００Ｈｚと約１０，０００Ｈｚとの間である。（３）超音波のパケット、または超音波のバースト内の個々の超音波の数は、通常、約１と約５，０００との間であり；より一般的には、約５と約１００との間である。「アコースティックストリーミング」を向上するために、長めのデューティーサイクルが通常であり、例えば、少なくとも約１０％であり；より一般的には、約２５％と約１００％との間であり；さらに一般的には、約５０％または約７５％と約１００％との間である。例えば、少なくとも１０００ＨｚのＰＲＦを有する、約１ＭＨｚの周波数において約１００波より多くの長めのバーストがここにおいて例示される。しかしながら、異なったバースト長、周波数、およびＰＲＦ値が、本発明の歯ブラシに適切に利用され得る事は、明白である。

本明細書において用いられるように、用語「メカニカルインデックス（ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｉｎｄｅｘ）」は、与えられた音波圧の一周期の下にある事前に存在していた泡のキャビテーションの開始の尺度を表す。ＨｏｌｌａｎｄらによるＩＥＥＥの「Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ， Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ， ａｎｄ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ」３６（２）、２０４〜２０８（１９８９）、および、Ａｐｆｅｌらによる「Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｍｅｄ． Ｂｉｏｌ．」１７（２）、１７９〜１８５（１９９１）。この尺度は、ピーク負圧（ＭＰａ）振幅に比例し、与えられた音波の周波数（ＭＨｚ）の平方根に反比例する。メカニカルインデックスが１．９を超える場合、超音波が、慣性キャビテーションを生成する事は可能である。慣性キャビテーションは、最も機械的にアクティブなタイプのキャビテーションであり、歯垢を除去するために必要な量を超える。主たる前提は、最適な大きさである泡の等温における発達、泡へのガス拡散を無視する事、泡周辺の流体を圧縮できない事を要求する。これら３つの前提は、最もアクティブな泡の崩壊を生み出し、メカニカルインデックスを慣性キャビテーションの開始の伝統的な尺度にする。

実験に基づく証拠は、歯垢除去が、０．１の低い数値を有するメカニカルインデックスと共に達成され得る事を示す。しかしながら、論理上における考察は、歯垢の削減が、０．０１という低い数値を有するメカニカルインデックスと共に達成され得る事を示唆する。（ＫｒａｓｏｖｉｔｓｋｉらによるＩＥＥＥの「Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ， Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ， ａｎｄ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ」５１（８）、９７３〜９７９（２００４）より。）例えば、周波数４３０ｋＨｚの超音波、および圧力振幅１０，０００Ｐａ（例えば、約０．０１のメカニカルインデックス）の下にあり、水中にある泡に関するアコースティックマイクロストリーミングによって生成された、壁上のせん断力は、約５Ｐａであると予想される。５Ｐａは、安定した流動を介して歯垢を除去するのに十分である。（Ｓｔｏｏｄｌｅｙらによる、「Ｊ． Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ ＆ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」２９、３６１〜３６７（２００２）より。）本発明の歯ブラシによりもたらされるメカニカルインデックスは、通常、約０．００１から約１０００の範囲である。より一般的には、メカニカルインデックスは、約０．００１から約１００の範囲である。さらに一般的には、約０．００２から約２０の範囲であり、さらに一般的には、約０．０１から約５の範囲であり、または、約０．０１と約１．９との間である。

本明細書において用いられるように、用語「マイクロバブル（ｍｉｃｒｏｂｕｂｂｌｅ）」は、例えば、デンタル流体中または歯垢のような、口腔内に存在するマイクロスコピックな泡を表す。「マイクロバブル」は、例えば、適切な歯磨き剤（ｄｅｎｔｉｆｒｉｃｅ）の導入を介するような、流体に対して内因的なものであり得；手動的なブラッシングを介して、歯ブラシの毛によって生成され得；および／または、本明細書において開示された特定の電動歯ブラシの音波要素と歯ブラシの毛との組み合わせによって生成され得る。「マイクロバブル」は、超音波変換部によって伝達され、音波導波管によって伝わる超音波信号により作動する。「マイクロバブル」は、マイクロバブルの直径に依存して、所定の周波数において、または所定の周波数付近にて共振する。

（歯ブラシの例示）
図１は、本発明に従う例示的な歯ブラシ１０を示す。歯ブラシ１０は、硬い材料、またはやや硬い材料から構成されるハンドル１５を備える。ハンドル１５は、通常、誘導荷電の電気回路に好ましくは適応する充電可能な電池１２を収容する。また、ハンドル１５は、超音波モジュールドライブ回路１４、音波構成要素１６、およびタイマー／モータ制御ユニット１８を含む。音波構成要素１６は、音波周波数においてはブラシのヘッド２０を作動するための好ましくは、ＤＣモータのようなモータを備える。適切なモータ、超音波ドライブ回路、充電可能電池、および、タイマーとモータ制御ユニットは、当業者にとって周知である。

ハンドル１５に歯ブラシヘッド２０が取り付けられる。ヘッド部２０は、茎部分２１を含み、さらに、超音波変換部２２、および超音波変換部に近接して作動する音波導波管２４を備える。図１に提示される歯ブラシの実施形態において、泡要素２８は、背後に示され、超音波変換部２２のそれぞれの側面の周辺に伸びる。泡要素２８は、少なくとも部分的に超音波を、前向きに音波導波管２４を介し、デンタル流体中へ反射する事が理解される。歯ブラシヘッド２０は、ハンドル１５に、取り外し可能なように取り付けられ得るか、または、固定的に取り付けられ得るかのどちらかであり得る。一般的に、歯ブラシヘッド２０は、音波導波管２４に隣接して配置する複数の歯ブラシの毛束２６を含む。歯ブラシヘッド２０は、任意に、インピーダンスマッチング層２９を含み得る。インピーダンスマッチング層２９は、下記されるように、デバイスの効率を改良する。

開示される実施形態において、超音波モジュールドライブ回路１４によって供給される交流電流は、超音波変換部２２が超音波モジュールドライブ回路１４によって供給される周波数での共鳴振動において、またはその共鳴振動付近において、主に１つの軸に沿って膨張および収縮するように、超音波変換部２２を作動し、それによって、電気エネルギーを超音波エネルギーに変換する。最終的な超音波は、音波導波管２４に伝わり、音波導波管２４を介して伝達され、音波導波管２４によって収束され、音波導波管２４から放出される。収束された超音波エネルギーは、キャビテーションを誘発するためにデンタル流体（通常、図示はされないが、唾液と歯磨き剤）中のマイクロバブルに作動し、それによって、歯間および隣接歯間領域にある歯垢を浮かす。

（超音波変換部）
上述されたように、本発明の特定の実施形態は、超音波エネルギーを生成するための、音波導波管２４との組み合わせを伴なう超音波変換部２２を利用する歯ブラシ１０を提供する。音波導波管２４は、デンタル流体へ超音波エネルギーを効率よく伝達する。マイクロバブルは、歯ブラシヘッドから有限の距離にある歯垢を歯の表面から、および隣接歯間から浮かし、除去するのに効果的である「磨き（ｓｃｒｕｂｂｉｎｇ）泡」を得るために超音波エネルギー誘発キャビテーションによって刺激される。ここにおいて、マイクロバブルは、手動の歯ブラシでの手動による従来のブラッシング作動により、デンタル流体中において存在し得、および／または、歯ブラシの毛２６を動かす音波構成要素１６の作動、および／または音速における音波導波管２４の作動によって形成される（以下参照）。

本発明の超音波変換部２２が存在しない場合、マイクロバブルは、デンタル流体中の単なる受動的な空隙である。本明細書中に開示される超音波変換部２２は、マイクロバブルを振動させ、それによって、それぞれの泡の周辺に局地的な流体の動きを起こす。この効果は、本明細書中で「マイクロストリーミング」として表され、超音波キャビテーション効果との組み合わせと共に、歯垢を粉砕するのに十分なせん断応力を達成する。通常、本発明の超音波変換部２２によって誘発されたマイクロストリーミングにより得られたせん断応力は、約０．１Ｐａと約１０００Ｐａとの間である。より一般的には、マイクロストリーミングにより得られるせん断応力は、約０．２Ｐａと約５００Ｐａとの間である。さらに一般的には、せん断応力は、約０．３Ｐａと約１５０Ｐａとの間であり、さらに一般的には、せん断応力は、約１Ｐａと約３０Ｐａとの間である。

超音波変換部２２の他の効果は、デンタル流体中において、歯、隣接歯間および歯茎下の空間に向かう方向の運動量を蓄積する事であり、それによってデンタル流体の速度およびコヒーレンス性を増加する。このバルク流体流動のプロセスは、本明細書中においてアコースティックストリーミングとして表される。

アコースティックマイクロストリーミングの生成、および／またはアコースティックストリーミングの生成のいずれかを介して、それに関連するせん断力および圧力は、歯ブラシの毛２６のみによって達成される以上に、歯垢を侵食し、取り除く。特に、これらの超音波効果は、超音波変換部２２から音波導波管２４を介し、歯ブラシの毛先２６付近の、または毛先２６を超えたデンタル流体へと超音波を伝達する事によって促進される。

本発明の超音波歯ブラシ１０に適切に利用され得る超音波変換部２２は、当該分野において容易に入手可能であり（本明細書全体において援用される、例えば、米国特許第５，９３８，６１２号、および第６，５００，１２１号）、最も一般的には、圧電効果または磁歪効果のいずれかによって作動する。磁歪変換部は、例えば、２０〜４０ｋＨｚの範囲の高強度超音波を生成し得る。代替的に、超音波は、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰｄＺｒＴｉまたはＰＺＴ）のような圧電材料の薄いウエハへ電気発振器の出力を適用する事により生成され得る。本発明の歯ブラシを使用するにあたり、適切な超音波変換部を製作するのに使用され得る圧電ＰＺＴセラミックブレンドは多種多様である。ピエゾポリマーのような他の変換部材料である、単一または複数層のポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、または、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、石英、およびチタン酸バリウムのような結晶質圧電材等も使用され得る。超音波変換部は、超音波を収束するために平坦またはカーブし得る（例えば、円錐の断面において）。

圧電材料に加え、キャパシタンスの微細加工超音波変換部（ｃＭＵＴ）材料、または静電ポリマーフォームも適切である。これらの材料の大半は、音波を生成するために、半径方向、長さ方向、せん断方向等の多数の振動モードにて使用され得る。さらに、Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_１／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３（ＰＭＮ−ＰＴ）等のような単一結晶圧電材料は、１桁の大きさで電圧／伝達レベルの比を縮小し得る。

変換部材料に加え、（通常、１／４波マッチング層として設計される）１つ以上のインピーダンス・マッチング層２９は、一般的な高インピーダンス材料製の変換部から、はるかに低いインピーダンス材料製の音波導波管へと伝達する際、効率およびバンド幅を改良する手助けをし得る。通常、マッチング材料は、その厚さを所望の周波数の１／４波になるように、また、マッチングされる２つのインピーダンス内で最適なように選択された音波インピーダンスとなるように選択される。適切な材料は、エポキシ樹脂と金属粒子複合物、グラファイト、または当業者により入手が容易な公知の他の候補材料等の材料を含み得る。

（音波導波管）
上述されるように、本発明の一局面は、超音波変換部との作動可能な組み合わせとして使用される音声導波管が、変換部からデンタル流体内へ超音波を伝達するのに効果的であり、それによってデンタル流体中にあるマイクロスコピックバブル（マイクロバブル）のキャビテーションを生成し、および／または発生する、という観察に基づく。一般的に、図１に示されるように、超音波変換器２２は、超音波が、効果的に音波導波管２４へ伝達し、また、音波導波管２４を介してデンタル流体（図示せず）へと伝達するように、音波導波管２４に操作可能な範囲にて近接して、歯ブラシヘッド２０の基部に位置する。

上記されたように、所定の実施形態において、本発明は、また、音波導波管２４を有する歯ブラシヘッド２０を備える電動歯ブラシ１０を提供する。歯ブラシヘッド２０は作動可能なように、音波構成要素１６と接続され、音波構成要素１６は、音波導波管２４が浸されているデンタル流体中のマイクロバブルの流動および生成を増加させるために、音波導波管２４を振動させる。

提示されるさらなる実施形態において、電動歯ブラシ１０は、流体流動の増加およびマイクロバブル形成によるキャビテーションおよびアコースティックマイクロストリーミング効果、ならびに、さらに改良されたデンタル歯磨き特性を達成するために、超音波変換部２２に操作可能な範囲にて近接し、音波構成要素１６に操作可能なように接続された音波導波管２４を備える。操作可能なような接続は、例えば、音波導波管２４と直接的に接触する超音波変換器２２を配置する事により促進され得、または代替的に、インピーダンス・マッチング層２９のような超音波伝導材料を、超音波変換部２２と音波導波管２４との間（変換部２２から音波導波管２４への超音波の伝導効率を上げる）に配置しても良く、または代替的（または追加的に）に、デバイスの製造プロセスを促進するために、インピーダンス・マッチング層２９のような超音波伝導材料を、超音波変換部２２と音波導波管２４との間に間隔をあけるように配置しても良い。

アルミニウム製、またはチタン製の中空でない導波管のような硬い音波導波管、および脱気水で満たされた中空導波管が、治療目的のための熱誘導を用いる生体組織への高強度収束超音波（ＨＩＦＵ）の提供用として、および／または、慣性キャビテーションの生成用として記載されてきた。例えば、Ｍａｒｔｉｎらによる米国特許公開第２００３／００６０７３６号、およびＭｅｓｉｗａｌａらによる「Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｉｎ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ ａｎｄ Ｂｉｏｌｏｇｙ」２８（１）、３８９〜４００（２００２）を参照されたい。

音波導波管についてこれらの出願は、治療上の利点を得るために、超音波変換部面を超えた超音波の伝導を促進するために物理的な部材の使用を明示する。反対に、本発明は、可撓性のある部材を有し、通常は平面のプロファイルを有する音波導波管が、口腔への超音波伝導を促進し、存在する泡を刺激して歯垢を除去するために、超音波変換部と組み合わされて利用され得、ここにおいて、泡は、泡状の流体ジェットを生成するように刺激され（プロファイルが平面のため）、また、快適な口内感覚を促進するように刺激されるという観察によるものである。

音波導波管２４（図１）が浸されているデンタル流体は、通常、唾液と歯磨き剤のエマルジョンである。その唾液と歯磨き剤のエマルジョンは、各々の毛束２６の内にある大きなエアーポケット、および隣接する毛束２６間にある大きなエアーポケットのため、非常に音波的に吸収性がある。音波導波管２４を使用しない場合、波面が歯および歯茎の表面に到達する前に、大量の超音波が減衰してしまう。空気媒体は、非常に低い音波インピーダンスを有し、通常、超音波変換部２２に用いられる高音波インピーダンス材料と大きなインピーダンスにおけるミスマッチを生じる。このインピーダンスのミスマッチは、超音波変換部２２から歯の表面、または歯茎の表面への音伝導に対して重大なバリアである。音波導波管２４は、音波エネルギーを、受け入れ、収容し、歯の表面近くの唾液と歯磨き剤のエマルジョンへと伝導する事よって、この音波ミスマッチに渡る橋として働き、それによって、唾液と歯磨き剤のエマルジョンによって通常、生じる減衰の影響を克服する。

多様な音波導波管設計が、図２〜５、および９Ａ〜９Ｈに図示される音波導波管として例示されるように、本発明によって企図された。本発明の特定の実施形態によって、音波導波管２４は、単一で使用され得、音波構成要素１６との組み合わせとして使用され得、および／または音波変換部２２との組み合わせとして使用され得る。適切な音波導波管は、共通して、デンタル流体を物理的に動かす能力、および／または、超音波変換器２２によって伝わった超音波の伝導、および可能であるならばその超音波の収束を効率良く促進するキャパシティを有し、それによって、流体の動き、および最終的なキャビテーションとマイクロストリーミングの関連した効果を向上させる。

図２Ａは、音波導波管１２４との組み合わせの超音波変換部１２２を備える例示的な電動歯ブラシヘッド１２０の実施形態を示す。側面図は、超音波変換器１２２から歯、および歯茎へ（図示せず）超音波エネルギーを運ぶ音波導波管１２４を示す。音波導波管１２４は、超音波変換器１２２に操作可能な範囲にて近接し、１つ以上の側面毛束１２６に隣接し、１つ以上の毛束１２６の側面に位置する。この例示的な設計において、音波導波管１２４は、表面の質感が良く、超音波を伝導するものとして知られている軟らかく、なめらかなシリコーンゴムで作られ、インピーダンス・マッチング層１２９は、音波導波管１２４と超音波変換器１２２との間に位置する。

音波導波管を介する超音波の伝導に実質的に最も影響する２つのパラメータは、（１）導波管が製作される材料、および（２）導波管の形状である。これらのパラメータの各々は、本明細書中において詳細に記載される。音波導波管の正確な材料および利用される形状に関らず、本発明は、口内における快適な感触を得るためにそのようなパラメータの選択を考慮する。従って、音波導波管が製作され、または成形された材料は、口内に置かれた際、および／または口内と直接的な接触があった際、快適であるのに十分である軟らかさを好ましくは有する。当業者に理解されるように、快適な質感を有する音波導波管は、音波エネルギーを、効率よく繋ぎ、伝導し、コヒーレントに収束し、インコヒーレントに圧縮し、その繋ぎを外す、ように理想的には設計される。

本発明の歯ブラシにおいて使用される音波導波管を製作するための適切な材料の選択は、後述のガイドラインの考察と共に、当業者によって容易に達成され得る。二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）および多数のポリマーのような多様な誘電物質が、導波管の材料として使用され得る。例えば、シリコーンキャスタブル／成形可能ＲＴＶ、液体射出成形（ＬＩＭ）シリコーン、および／または、熱可塑性エラストマー（ＴＰＥ）射出成形プロセスの全てが使用され得る。ポリマーは、その比較的遅いせん断波速度に起因して、他の導波管材料よりも有利である。しかしながら、その粘弾性のため、架橋が過度な音波ロスを避けるために必要になり得る。架橋は、音波的なロスを生じるポリマーが平衡弾性応力を出す事を可能にし、従って、安定した導波管層を提示する。

本発明の音波導波管に使用される適切な材料の硬度は、Ｓｈｏｒｅ（デュロメータ）テスト、またはＲｏｃｋｗｅｌｌ硬度テストのいずれかによって決定され得る。これら両方の硬度テストの方法は、周知であり、当該分野において容易に利用できる。これらのテストは、へこみを基に材料の抵抗を測定し、実験に基づく硬度値を提供する。Ｓｈｏｒｅ ＡスケールまたはＳｈｏｒｅ Ｄスケールのいずれかを用いるＳｈｏｒｅ硬度は、ゴム／エラストマーに対して好ましい方法であり、ポリオレフィン、フッ素重合体、およびビニル等の「軟らかい」プラスチックに対して通常用いられる。Ｓｈｏｒｅ Ａスケールは、「軟らかい」ゴムに用いられる一方、Ｓｈｏｒｅ Ｄスケールは、「硬い」ゴムに用いられる。Ｓｈｏｒｅ硬度は、デュロメータを利用して測定されるので、デュロメータ硬度としても知られる。硬度値は、サンプルに対するデュロメータ・インデンター・フットの貫通度によって決定される。ＡＳＴＭテスト方法名称は、ＡＳＴＭ Ｄ２２４０ ００である。関連する方法は、ＩＳＯ ７６１９、ＩＳＯ ８６８、ＤＩＮ ５３５０５、およびＪＩＳ Ｋ ６２５３を含む。これらデュロメータテスト方法の各々は、その全体が本明細書において援用される。

エラストマー製の音波導波管のデュロメータ測定は、通常、５から１１０Ｓｈｏｒｅ Ａの硬度範囲であり、より一般的には、１０から１００Ｓｈｏｒｅ Ａであり、さらに一般的には、２０〜８０Ｓｈｏｒｅ Ａである。硬めの材料が、本発明の電動歯ブラシに用いられる音波導波管において利用され得るが、より硬い材料が口内感触においてより快適でない事は、当業者に理解される。

本発明は、また、１つより多くの材料が、硬度および口内感触に対する好ましい特性を有する音波導波管を達成するために組み合わせて用いられる事も考慮する。例えば、追加的な、音波マッチング要素は、音波導波管構造内に埋み込まれ得、または音波導波管構造内にて層になり得、そして１つ以上のマッチング層を介して超音波変換部と操作可能なように接触し得る。特定の実施形態において、本発明の音波導波管は、低インピーダンス歯磨きペーストエマルジョン（例えば、デンタル流体）への繋ぎを助けるために、導波管の先にマッチング層を提供する。理想的には、波が音波導波管の側面によって周辺の媒体に実質的に繋がらないように、音波導波管の側面と周辺媒体との間に大きな特定の音波インピーダンス変化をある事が望ましい。

ここにおいて例示されるのは、ＰＺＴ超音波変換部に操作可能なように接続されたグラファイトインピーダンス・マッチング層を有するプロトタイプの変換部アセンブリである。図９Ａに示されるように、導波管アセンブリ１５０Ａは、グラファイトコア部分１５２Ａ（または同様の材料）およびエラストマー外部分１５４Ａを含み得る。グラファイトコア部分１５２Ａ（または同様の材料）は射出成形に射出され得、エラストマー外部分１５４Ａは射出成形のプロセスを介してその周辺において成形される。代替的に、マルチショットは、異なった音波特性およびエラストマー特性を有する材料で勾配（ｇｒａｄｉｅｎｔ）を作るために用いられ得る。本明細書において、用語「マルチショット」は、１つの成形鋳型に数ショットのプラスチックを配置する事を表す。このプロセスは、音波導波管の実施形態において利用され得る。その実施形態において、例えば、比較的硬い（例えば、硬度約Ｓｈｏｒｅ ８０、またはそれ以上）第１の材料の層は、超音波変換部要素に操作可能なように近接し；比較的軟らかい（例えば、約Ｓｈｏｒｅ ２０と約Ｓｈｏｒｅ ８０との間）第２の材料の層は、第１の材料の層に接触して直接隣接し；さらに軟らかい（例えば、硬度約Ｓｈｏｒｅ ２０、またはそれ以下）第３の材料の層は、第２の材料の層に接触して直接隣接し、歯に対して非常に穏やかな感触を与える。これら例示的な音波は導管設計は、個々のピースとして形成され得るか、代替的に、主なる固さの歯ブラシ材料との組み合わせとして成形され得るかのいずれかである。

従って、特定の実施形態において、本発明の音波導波管は、２つ以上のプラスチック／エラストマー層を備え得る。例えば、３つ、４つ、および／または５つのプラスチック／エラストマー層を備える音波導波管は、特定の適用に対して考慮される。そのような音波導波管は、さらに、音波特性および最適な音波特性を形成するための１つ以上の挿入されたピースを備え得る。さらなる実施形態において、音波導波管は、１つ以上の歯ブラシの毛を備える。その歯ブラシの毛は、プラスチック／エラストマー層と挿入層との組み合わせとして成形されるか、後述の成形プロセスにおいて取り付けられるかのいずれかである。歯ブラシの毛のデザインおよび材料は、当業者にとって周知であり、容易に利用される。

図９Ａ〜９Ｈを参照し、音波導波管が任意の多様な３次元の形、および形状に形成される事は、当業者によって理解される。例えば、図９Ａは、通常カーブし、先細形状を有する導波管１５０Ａを示す。図９Ｂは、収束する、またはくさび型部分１５２Ｂを有する代替的な導波管１５０Ｂを示す。図９Ｃは代替的な導波管１５０Ｃを示し、収束する部分はギャップ１５４Ｃによって分離され得る複数の短い部分１５２Ｃを備える。図９Ｄは、流体流動を促進するための小さい突起物１５４Ｄ付きの弾丸型主部１５２Ｄを有する代替的な音波導波管１５０Ｄを示す。図９Ｅは、カーブ端１５４Ｅを有する収束部分１５２Ｅを備える代替的な導波管１５０Ｅを示す。単純なカーブ端１５４Ｅが示されるが、一部の状況においては、もっと複雑なカーブをした端部を提供する事を所望とされ得る事は、理解される。図９Ｆは、円錐状の代替的な導波管１５０Ｆを示す。図９Ｇは、２つの円錐状の形（ｂｉｃｏｎｉｃａｌ）をした代替的な導波管１５０Ｇを示す。図９Ｈは、複数のピラミッド部分１５２Ｈを有する代替的な導波管１５０Ｈを示す。適切な導波管の形状の選択に関する特定のデザインの考察がこれより討議される。導波管の形は、例えば、特定の圧縮、および／または音波の収束を得るために選択され得る。

本発明の特定の実施形態において、音波導波管は、超音波変換部から伝達された超音波を音波コヒーレント収束（ａｃｏｕｓｔｉｃ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｆｏｃｕｓｉｎｇ）する事が可能である。音波コヒーレント収束は、例えば、既知の音速を有する伝達媒体を備える導波管先をカーブさせる事によって達成され得る。代替的に、既知の位相速度を有する超音波伝導ポリマーの一部分は、音速可変の媒体（例えば、分散泡状媒体）に入射する以前に、ほぼ収束を完璧にするために、カーブした導波管の端部に加えられ得る。そのような実施形態において、単一のカーブが、単一の収束を得るために利用され得る一方、扇形のカーブは複数の焦点を生成するのに使用される。

代替的な実施形態において、音波導波管は、超音波変換部から伝達された超音波を音波インコヒーレント収束する事が可能である。音波インコヒーレント収束は、例えば、強度が増加するようなセミ・コヒーレントな手法において音波を徐々に小さくなる領域へ伝導する円錐状、またはくさび型によって達成される。代替的に、複数の円錐先は、音波高強度を有する複数の領域を提供するために利用され得る。

正確な材料、および／または形状に関らず、本発明の音波導波管は、歯ブラシヘッドの移動の際、流体流動を生成するように製作される。所望の流体移動、および超音波のデンタル流体への所望な伝導は、例えば、デンタル流体に延びる可撓性のある機械的な突起物を利用する事によって達成され得る。そのような場合において、音波導波管の動きは、横の動き、または回転的な動きであり得る。

音波導波管の動きが回転である場合、通常、その動きは、導波管の長さ方向に対してであったり、または導波管の長さ方向に平行である。その場合、導波管は、くさび型または円錐、十字または星を形作った複数のくさび型、または十字または星を形作った複数の円錐、風車形体、および／または中心の無い星を形作った複数くさび型と共に、達成され得る。代替的に、回転的な動きは、歯ブラシヘッドに沿った軸に対しての回転であり得、それは、くさび型、または四方形の音波導波管で達成され得る。

適切な音波導波管は、基準的なプロペラデザインまたは渦巻状のデザインのようなプロペラ様（ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ−ｌｉｋｅ）の形状にも適応され得る。代替的に、音波導波管は、チョウツガイされた水中翼船のような形状を有し得、その動きは、流体上昇を生じさせ、従って流体流動を生じさせる。

音波導波管は、歯および歯茎の表面へ供給される音波エネルギーの強度を強化するために設計されても良い。例えば、音波導波管は、伝達される音波エネルギーを小さな領域に収容し、圧縮するように設計されても良い。音波導波管が、低音波減衰の材料および適切な音速の材料で設計される場合、導波管の端から供給されるエネルギーの量は、導波管に伝達されたエネルギー量に匹敵するが、小さな領域に圧縮されるので、高エネルギー密度および／または音波強度を有する。導波管先の動きは、広域に渡って分配された音波エネルギーに対して「音波ペインティング（ａｃｏｕｓｔｉｃ ｐａｉｎｔｉｎｇ）」効果をもたらす。

低減衰に加え、導波管は、通常、導波管沿いに音波エネルギーを向けるように設計され、導波管の端に音波エネルギーが伝達される以前に周辺媒体へ最低音波エネルギーを伝達、または、「リーク（ｌｅａｋ）」する。これを達成するための一つの方法は、周辺流体よりも実質的に低い音速を有し、導波管の側面に浅い傾斜を有する（例えば、くさび型）材料を用いる事である。導波管の壁の浅い傾斜は、伝導波の導波管と流体とのインターフェースに対する接触を小さなかすめ角においてさせる。導波管の波長が周辺媒体の波長よりも短いため、波は、効果の低い分周音モードにのみ結合する。その場合、ラウンチ角は、周辺媒体の波長に対する導波管の波長の倍数の比によって規定される。流体への伝導についてのこれらの弱く結合されたモードは、導波管から大量のエネルギーを獲得できない。

音波エネルギーの収容、伝導、および圧縮の組み合わせは、導波管先においての高強度音波フィールドの生成を可能にし、音波エネルギー送達の効率を改良する。従って、低電気出力レベルが、泡の活性化のための適切な音波強度を生成するために必要である。（四方形の導波管（１２４）の）図２Ａ〜２Ｄ、（くさび型の導波管（１２４Ｘ）の）図３Ａから３Ｆ、および（カーブした端を有するくさび型の導波管１２４Ｙの）図４Ａ〜Ｄは、有限の要素のモデル、および音波フィールドを圧縮するために設計された導波管を示すシミュレーション的な結果を示す。図２Ａは、上記に詳細されるような本発明に従う歯ブラシヘッド１２０の一般的な、単純化されたモデルを示す。図２Ｂは、歯ブラシヘッド１２０をモデルするために使用される有限要素モデルの対応する部分を示す。歯ブラシヘッド１２０は、茎部分１２１’、超音波変換器１２２’、インピーダンス・マッチング層１２９’、および導波管１２４’を含む。伝導直後の波フィールド、およびそれぞれ選択された導波管における伝導を示す図が、図２Ｃ、３Ｃ、３Ｅおよび４Ｃにおいて示される。これらの図は、周辺流体への低レベルの漏れを実証する。図２Ｄ、３Ｄ、３Ｆおよび４Ｄは、伝導後であり、超音波の波面が導波管の先に圧縮される時の波フィールド図を示し、流体エマルジョンへの伝導は、主に、導波管先からである。

音波フィールドを圧縮する事によって提供された音波強度の強化に加え、導波管は、導波管の先を超えた周辺媒体へエネルギーをコヒーレントに収束するように設計されても良い。これは、音響レンズ効果をもたらすために音波導波管の端を形作る事により達成される。音響レンズ効果は、導波管からの波を導波管を超えて高強度フィールドへ収束する。この収束効果は、１つまたは複数の導波管の材料を組み合わせ、収束されたフィールドを生成するために導波管を形作る事と共に達成される。例えば、低減衰で高音速の材料が、波面が高減衰の歯磨き剤エマルジョンに混ざる以前に、波面の伝導および収束を継続するために、導波管の端部に用いられ得る。上記された音波フィールド圧縮のように、収束効果と共に達成された強化された音波強度は、デバイスの効率を改善する。従って、サイズ、重さ、電力、およびコストは、削減され、このデバイスに使われる電池の寿命は延びる。

さらなる実施形態において、音波導波管は、電動歯ブラシヘッドに使用される際、改良された流体推進力特性を提供するように構成され得る。その場合、電動歯ブラシヘッドは、超音波構成要素付きまたは無しの音波構成要素（以下に示す）との組み合わせである。

（音波構成要素）
特定の実施形態において、本発明の歯ブラシは、上記された音波導波管２４および／または超音波変換部２２との組み合わせの音波構成要素１６を備える（図１参照）。通常、音波構成要素１６は、モータアセンブリを備える。そのモータアセンブリは、歯ブラシヘッドに伝導される音波振動を生成し、それによって、音波導波管２４および／または毛束２６に振動を生じさせる。そのような音波振動は、デンタル流体中の泡状の流動を起こす。例えば、音波構成要素１６を利用する事により、音波導波管２４は、歯、ならびに、隣接歯間および歯茎の下部の空間に向かってデンタル流体を引き上げ、押すように作られても良い。その場合、付随する流体の流動の圧力、およびせん断力は、歯垢の侵食を引き起こすのに十分である。本発明の振動する音波導波管２４は、泡状の流体を含む流体を動かし得、歯ブラシヘッド２０の毛２６から数ミリメートルはなれた歯の歯垢除去を達成するのに十分な速度と収束度を有する。本発明の歯ブラシに利用されるのに適するモータアセンブリは、周知なものであり、当業者にとって容易に利用できるものである。そのモータアセンブリは、米国特許第５，９８７，６８１号、第６，４２１，８６５号、第６，２４１，８６６号、第ＲＥ３６，６６９号、米国特許出願公開第２００２／００９５７３４号、第２００２／０１１６７７５号、第２００２／０１２４３３３号、および第２００３／００７９３０４号において歯ブラシヘッド作動機構として提示される。上の米国特許および米国特許出願公開は、その全体が本明細書において援用される。

本発明の歯ブラシは、歯ブラシの毛および／または音波導波管から約１ｍｍと１０ｍｍとの間の距離で、約１ｃｍ／秒から約５０ｃｍ／秒の範囲における流体流動を生成する事ができる。さらに一般的に、本発明の歯ブラシは、歯ブラシの毛および／または音波導波管から約１ｍｍと１０ｍｍとの間の距離で、約２ｃｍ／秒から約３０ｃｍ／秒の範囲における流体流動を生成する事ができる。本明細書において例示される歯ブラシは、歯ブラシの毛および／または音波導波管から約１ｍｍと１０ｍｍとの間の距離で、約１０ｃｍ／秒の流体流動を生成する事ができる。

音波導波管２４に対する音波作動による泡状流動の生成は、上記のような超音波構成要素１６を必要としない事が、当業者に理解される。しかしながら、超音波変換部２２、音波導波管２４および音波構成要素１６の組み合わせは、本発明の最も効果的な電動歯ブラシの実施形態を達成するために、ハンドル１５と、取り外し可能なまたは固定されたのいずれかの歯ブラシヘッド２０の組み合わせを備える。この音波構成要素と超音波構成要素との組み合わせが、向上されたキャビテーションおよびアコースティックマイクロストリーミングとの組み合わせである改良されたマイクロスコピック泡状流体に起因する最も驚くべき利点をもたらす。これらの物理的な特性は、本発明のこの実施形態の優れた歯磨き特性を提供する。つまり、超音波および音波構成要素が、本明細書において開示される歯ブラシのデザインを達成するように組み合わせて使用される場合、超音波および音波構成要素は、相乗性の洗浄効果をもたらす。その効果は、音波構成要素の効果と超音波構成要素の効果を足したものよりも実質的に勝る効果である。例えば、音波導波管２４は、泡状の流体を動かすのに適応され、その泡は、アコースティックストリーミング、ならびに、アコースティックマイクロストリーミングおよびキャビテーションをも促進する（従って、導波管のみによって生成された流体流動をさらに向上する）。

（歯磨き剤の設計および構成物）
特定の関連する実施形態において、本明細書において開示される本発明の電動歯ブラシの使用に特に適する歯磨き剤を提供する事が考慮される。例えば、そのような歯磨き剤は、本明細書にて開示される超音波変換部２２および音波導波管２４によって働き得る所望の泡群の形成を促進する事が、ここにおいて熟慮される。

デンタル流体中の自然な泡群は、伝導する超音波エネルギーを吸収する流体の傾向によって評価され得る。多数の共振しない（ｏｆｆ−ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）泡も所望の歯垢および色素沈着除去効果を発揮するが、吸収性が高ければ高いほど、より多数の適切なサイズを有する泡が存在する（この適切なサイズは、本来は、３７℃の純粋な水中の泡用に開発された共振公式によって帰納的に与えられるが、より一般的な状況であるＦ_ｏＲ_ｏ＝３．２６における近似値として適用可能である。ここで、周波数Ｆ_ｏの単位はＭＨｚであり、泡の半径Ｒ_ｏの単位はミクロンである）。

一般的に、例えば、本発明の歯磨き剤は、与えられる超音波の周波数範囲が２０ｋＨｚから３ＭＨｚの際、共振する、約１μｍと約１５０μｍとの間の直径を有するデンタル流体中の泡の生成を促進する。より一般的に、本発明の歯磨き剤は、与えられる超音波の周波数範囲が３０ｋＨｚから３ＭＨｚの際、共振する、約１μｍと約１００μｍとの間の直径を有するデンタル流体中の泡の生成を促進する。さらに一般的には、本発明の歯磨き剤は、与えられる超音波の周波数範囲が１００ｋＨｚから６００ｋＨｚの際、共振する、約５μｍと約３０μｍとの間の直径を有するデンタル流体中の泡の生成を促進する。本明細書中に示される例示的な歯磨き剤において、泡は、２５０ｋＨｚから５００ｋＨｚの範囲で作動する超音波変換部を用いて泡に超音波が与えられる際、約１２μｍと約２６μｍとの間の直径を有し、流体中に生成され、共振する。

本明細書において開示される歯ブラシの使用に適する歯磨き剤は、表面張力値を発生する表面活性剤（ｓｕｒｆａｃｔａｎｔ）を備える。その表面張力値は、音波導波管との組み合わせの超音波変換部による刺激のための適切な範囲のサイズの泡生成および安定を促進する。一般に、本明細書において開示される歯磨き剤に利用される表面活性剤は、約０．１Ｐａから約５００Ｐａの範囲の表面張力を、より一般的には、約０．２Ｐａから約２５０Ｐａの範囲の表面張力を、さらに一般的には、約０．５Ｐａから約５０Ｐａの範囲の表面張力を生成する。

後述の実施例は、限定するものではなく、開示された本発明の例示を提供する。

（実施例）
（実施例１）
（音波と超音波を組み合わせた歯ブラシの設計と構成）
電動歯ブラシのプロトタイプは、一般販売されている電動歯ブラシの内部の毛束を超音波変換部および音波導波管に置換する事によって生成された。このようなプロトタイプの歯ブラシに利用される超音波変換部は、約１５０から約５１０ｋＨｚの周波数範囲内の大きな電力出力を有する。この周波数範囲は、超音波変換部によって放出されたエネルギーによる共振刺激に感受性の音波的に大量の泡群の生成を刺激するのに十分である。ポリマー製の導波管は、超音波変換部に操作可能なように近接して歯ブラシヘッドに成形され、超音波変換部によって生成された超音波が伝導し、収束するような位置に位置付けされる。

（実施例２）
（例示的な超音波電動歯ブラシによる超音波画像化および歯垢除去）
この実施例は、実施例１において記載されたプロトタイプの電動歯ブラシの内の１つから収集された超音波画像および歯垢除去データを開示する。

音波導波管との組み合わせの超音波変換部を利用する電動歯ブラシの改良された働きを明示するために、ドップラーおよびＢモードデータが、音波導波管を有するプロトタイプ超音波歯ブラシ、および音波導波管を有さないプロトタイプ超音波歯ブラシから収集された。図５Ａは、音波導波管を有さない超音波歯ブラシの超音波画像を提示する。ドップラーデータは、毛先（ＢＴ）および毛底にある植毛台（ＢＴ）における、流体流動を示し（四角で囲まれた中）、Ｂモードデータは、それぞれにおける音波後方散乱を示す（四角で囲まれた外）。図５Ｂは、音波構成要素によって電力提供され動いている歯ブラシの毛を伴なう同様の超音波歯ブラシを示す。これらのデータは、毛先を超える流体流動（ＦＦ）が、毛が動いている（ＭＢ）にも関らず検出可能ではない事を明らかにする。図５Ｃは、音波導波管と組み合わされたプロトタイプ超音波歯ブラシの超音波Ｂモード画像を示す。音波構成要素は、音波導波管の振動を駆動し、ブラシから離れる泡状流体のジェットを生成する。図５Ｄは、毛を超える重要な流体流動（ＦＦ）および泡（Ｂ）を示す、同様の歯ブラシのドップラーおよびＢモード超音波画像を示す。

プロトタイプ超音波電動歯ブラシは、歯垢が塗られた（Ｓｔｒｅｐｔｏｃｏｃｃｕｓ ｍｕｔａｎｓ）人工歯モデルシステムにおける歯垢除去について試験された。超音波を有さない音波導波管によって生成される流体流動の適用以前は、歯垢が人口歯セットを着色する事によって検出された。この時、歯垢は、歯ブラシヘッドの毛先を超えて数ミリメートルの所に位置する。別々の歯垢コロニーが、音波導波管と組み合わされた超音波変換部により生成された流体流動の適用後、減少、または除去された。

歯ブラシヘッドの毛先の届かない歯の領域についての人口歯モデルも試験された。毛先から数ミリメートル離れての超音波エネルギーの適用前、歯垢はピンク色に染められた。別々の歯垢コロニーが、超音波適用後、減少、または除去された。歯垢の背景フィルム（ｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ ｆｉｌｍ）もまた、減少し、主に歯垢の染色の際に歯へと浸出した色素によるピンク色は残ったままであった。同様のモデルシステムにおける歯垢除去が、音波導波管によって生成された流体流動の適用後、および毛先から数ミリメートル離れての超音波エネルギーの適用後にもまた、試験された。別々の歯垢コロニーが処理後に減少し、除去された。歯垢の背景フィルムもまた、減少、主に歯垢の染色の際に歯へと浸出した色素によるピンク色は残ったままであった。優れた結果が、音波導波管からのマイクロスコピック流体流動および超音波の同時使用によって達成された。

（実施例３）
（音波導波管を利用する例示的な超音波電動歯ブラシの物理的なパラメータの測定）
この実施例は、本発明の例示的な超音波電動歯ブラシの物理的なパラメータの測定を開示する。

多様な音波導波管形状の効果を比較するために、平面且つ非収束型エラストマー／シリコーンポリマーくさび型導波管における伝導圧が、収束型エラストマー／シリコーンポリマーくさび型導波管における伝導圧と比較された。それぞれの音波導波管の先における音波圧レベルのプロットが図６において示され、非収束型導波管（約０．５ＭＰａの先圧）に対して、約３倍の増加が収束型導波管（約１．５ＭＰａの先圧）における伝導圧に表れる。

モデルデンタル流体／泡エマルジョンを介して伝導された超音波の吸収は、３０から７００ｋＨｚの範囲の超音波周波数の関数として測定された。複数の超音波変換部は、模擬されたデンタル流体（つまり、歯磨き剤と水のエマルジョン）を含むペトリ皿の向かい側に約０．３から１ｃｍ離れて対向して置かれた。流体を介して伝導される音強度は、流体に伝導される音強度によって測定され、規格化される。例示的なテストの結果は図７に示される。図７は、約２００ｋＨｚにおける音吸収による減衰のピークを示し、約３５０ｋＨｚにてカーブにおけるスプリアスな下降を示す。その下降は、超音波の長さと流体の深さとの間の共振に起因する。これらのデータは、１００〜５００ｋＨｚ間の周波数において、音波刺激に利用可能な大量の泡群の存在を示す。

（実施例４）
（例示的な超音波電動歯ブラシによる歯垢除去）
この実施例は、ジェット内の泡の超音波刺激と組み合わされる音波導波管の音波振動によって生成される泡状ジェットを用いる歯垢除去を開示する。

デンタル歯垢用のＳｔｒｅｐｔｏｃｏｃｃｕｓ ｍｕｔａｎｓモデルが、本発明の例示的な超音波歯ブラシによる歯垢除去の評価のために利用された。Ｓ．ｍｕｔａｎｓ（人由来の歯垢）はすりガラスのスライド上に生成され、そしてプロトタイプ歯ブラシに暴露する。その場合、プロトタイプ歯ブラシは、水浴の表面にて作動し、スライドの表面から垂線距離で数ミリメートル離れた所で保持される。導波管のみ（ＷＧ）、および導波管と超音波（ＷＧ／ＵＳ）を含む多様な超音波プロトコルが使用された。スライドは、インタクトな歯垢領域（ピンク色）と無歯垢領域（白色）を示すために、歯垢特異的な染料を用いて染色された。

例示的なアッセイにおいて、Ｓ．ｍｕｔａｎｓが塗られたスライドの表面は、プロトタイプ歯ブラシの最も長い毛から４ｍｍ離れて置かれた。超音波搬送周波数は、１０００ＨｚのＰＲＦおよび１バーストにつき２４周期において、２５０ｋＨｚであり、メカニカルインデックスは、０．７５である。音波導波管によって生成された泡状流体ジェットのみを用いた場合、歯垢の厚さに若干の減少がある一方、超音波の協力があった場合、大量の歯垢が除去された。比較として、一般販売されている電動歯ブラシが、擦りガラスのスライド上に生成された歯垢から同じ距離をあけて保持された。このコントロールの歯ブラシは、有意に歯垢を除去しなかった。

ヒドロキシアパタイト（ＨＡ）ディスクを使用する第２のアッセイシステムは、Ｓ．Ｍｕｔａｎｓを用いての実験前に、４８時間培養された。超音波プロトコルは、６２５Ｈｚ
ＰＲＦ、４０周期／秒、３秒間の暴露、および、０．９のメカニカルインデックスにおける２５０ｋＨｚの作動から構成された。音波導波管の先から６ｍｍ離れた所において測定された。

音波導波管のみの作動により、一部の歯垢が除去されたが、超音波と組み合わされた使用においては、大きく改良された歯垢除去が存在した。比較として、一般販売されている電動歯ブラシは歯垢を一切除去しなかった一方、超音波のみでは、ディスクの小さな領域における数箇所の歯垢のみが除去された。

第３の実験システムにおいて、超音波プロトコルは、１，２５２Ｈｚ ＰＲＦ、２周期／秒、３秒間の暴露、および、０．５１のメカニカルインデックスにおける５１０ｋＨｚの作動から構成された。音波導波管の先から６ｍｍ離れた所において測定された。上記したアッセイと一致し、音波導波管のみの作動により、一部の歯垢が除去されたが、超音波と組み合わされた使用においては、大きく改良された歯垢除去が存在した。比較として、歯の前面から１〜２ｍｍ離れて保持された、一般販売されている電動歯ブラシは一部の歯垢を除去した一方、超音波のみでは、ディスクの小さな領域の数箇所の歯垢のみが除去された。従って、音波的に振動する音波導波管によって生成された泡状流体ジェットは、一般販売されている電動歯ブラシによりも、少なくとも２倍の速さにおいて、歯ブラシの毛が届かない歯垢の除去を達成するのに十分である。

歯垢除去は、音波プロトコルの広範囲に渡って観察された。最適な歯垢除去は、ＰＲＦが音波周波数の１より大きいの倍数の際、達成された。作動に関する特定の論理に束縛することを望まないが、このプロトコルが最適な歯垢除去を最終的にもたらした理由は次のようであると考えられる。音波導波管の可撓性のある先が、ＨＡディスクの表面、ガラススライドの関連のある部分の表面、および／または歯の表面に渡って前後に振動する間、このプロトコルは、超音波の倍数パルスが、泡状のジェットと歯垢とに相互作用する事を可能にしたからである。さらに、これは、少なくとも部分的に、泡状流体ジェットの作用と超音波の作用の組み合わせの観察される相乗効果を説明すると考えられる。

この相乗効果を明示するために、歯／モデルの歯垢除去に対する超音波のみの作用が、音波導波管の動きを有する場合とそれを有さない場合とで評価された。（泡状ジェットの生成が存在するか否かに関らず）超音波プロトコルは、有意義な歯垢除去をもたらさなかったが、人工的な泡を含むデンタル流体（Ｏｐｔｉｓｏｎ^ＴＭ）の導入の後、有意義な歯垢除去をもたらした。この研究の結果は、また、超音波のみが歯垢除去を担うのではなく、超音波との組み合わせの人工泡の超音波刺激が、実質的な歯垢除去をもたらす事を明示する。

歯ブラシの毛が届かない歯の領域の人口歯デンタル歯垢モデルにおいて行われた追加的な研究は、人工泡の存在の中で４５０ｋＨｚの超音波を放出するのと同時に、音波的に振動する音波導波管は、（実際には、歯垢除去パターンは、超音波開始の数分の１秒で現れ出したが、）２〜３ｍｍ離れた歯垢を適用後、ほんの５秒後で除去した。この歯垢除去は、超音波のみが用いられた場合と比べ、広い領域に渡って起こり、泡状流体ジェットのみが用いられた場合と比べ、かなりの短い時間にて起こった。従って、超音波および音波により生成された泡状流体流動は、共に相乗的に作用し、毛先の届かない広領域に渡っての迅速且つ高効率な歯垢除去を行う。

泡の容積が振動し、それに関する応力が超音波周波数（１００ｋＨｚ単位の周波数）によって決定される時間において作用するため、歯垢除去は、基本的には、０．００００１秒（つまり、約１０マイクロセカンド）単位の時間で起こる。従って、本発明の超音波歯ブラシは、現存の電動歯ブラシによる歯垢除去に必要な時間よりも約１００から１０００分の１の時間にて実質的な歯垢除去が可能である。

（実施例５）
（例示的な超音波電動歯ブラシによる細胞溶解の不在）
この実施例は、本発明の超音波電動歯ブラシが、超音波キャビテーションを誘発し、その超音波キャビテーションの機械的効果が歯垢除去を可能にはするが、細胞溶解を誘発するには十分ではなかった事を開示する。これらの発見は、本明細書中において提供される超音波電動歯ブラシの安全性を支持する。

赤血球モデルシステムを、Ｒｏｏｎｅｙ（Ｓｃｉｅｎｃｅ １６９、８６９〜８７１（１９７０）より）によって安定振動泡に関連するアコースティックマイクロストリーミングにより誘発されたせん断応力によって発生した細胞溶解を試験するために利用した（図８）。Ｒｏｏｎｅｙは、希釈された赤血球が入ったバイアル内に置かれた単一の泡が、これらの赤血球を十分な音波の力により破壊するように、「マイクロストリーミング」を生成するように超音波によって刺激され得る事を示した。特に、中心に空気が入った薄い中空のワイヤが、赤血球が懸濁しているバイアルに置かれた。十分な空気が、懸濁液内に半球のガス（マイクロバブル）を形成するためにワイヤから押し出された。周波数、約２５ｋＨｚの超音波を、泡の振動を刺激するために容器に供給し、それは、アコースティックマイクロストリーミングを生成するのに十分である。これらの状況の下、約７０％の赤血球が、独立する手段によって決定された赤血球と比較して、せん断応力によって破壊された。百パーセントの溶血が、高浸透溶液の導入によって達成された。特にここにおいて興味深いのは、細胞を分解するために必要なせん断応力（４５０Ｐａより高い）とインビトロの新鮮な歯垢除去に必要な応力（１〜３０Ｐａ）との差異である。０．０７５Ｐａのせん断応力において増殖するＰ．ａｅｒｕｇｉｎｏｓａバイオフィルムの分離に必要な応力は、５．０９Ｐａであり、５．０９Ｐａのせん断応力において増殖するＰ．ａｅｒｕｇｉｎｏｓａバイオフィルムの分離に必要な応力は、２５．３Ｐａである（Ｓｔｏｏｄｌｅｙらによる Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｍｉｃｒｏｂｉｏｌｏｇｙ ＆ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ２９、３６１〜３６７（２００２）より）。

音波キャビテーションに関する多様な物理的な工程の単に１つであるアコースティックマイクロストリーミング（音波エネルギーによる泡生成および／または泡刺激）は、本明細書中において考案されたように、赤血球のような生物学上のシステムの破壊を招き得る。特に興味深いのは、泡の存在が、例えば、泡が無い状態において所望の生物効果を引き起こすのに必要とされる音波強度よりもはるかに下回る音波強度において、歯垢を除去するのに十分な応力を促進し得る事である。本実施例において、約１ミクロンの直径を有するマイクロバブル超音波（ＵＳ）コントラスト剤であるＯｐｔｉｓｏｎ^ＴＭは、この点を明示するために用いられた。本実施例は、超音波キャビテーションのみではなく、超音波刺激泡が歯垢を除去する事をも示す。

本発明の超音波歯ブラシの安全性の証拠として、次のような歯垢除去アッセイシステムが、用いられた。例示的な歯ブラシによる細胞破壊が、プレートされた歯茎の細胞の上にある液体中の細胞の細片を分析する事により決定される。それらプレートされた歯茎の細胞は、（１）その細胞の上に毛先が置かれた電源の入った一般に販売されている電動歯ブラシ、（２）その細胞の上に保持されたプロトタイプ歯ブラシの音波構成要素によって生成された泡状流体ジェット、（３）その細胞の上に保持されたプロトタイプ歯ブラシからの泡状流体ジェットと超音波（音波と超音波）との組み合わせ、にさらされた。これらの結果を、毛先が直接細胞に触れて置かれた一般に販売されている電動歯ブラシより得られた結果と比較した。

この処理に続いて、上清を、製造側の支持に従い、放射性の無い乳酸デヒドロゲナーゼ（ＬＤＨ）アッセイ（Ｃｙｔｏｔｏｘ ９６；Ｐｒｏｍｅｇａ， Ｍａｄｉｓｏｎ， ＷＩ）によって溶解された細胞に対して評価した。このアッセイシステムは、^５１Ｃｒ放出の細胞毒性アッセイの代替法である比色定量方法であり、化学的および物理的な手段による細胞溶解を測定するために使用されてきた（Ｓｉｎｇｅｒらによる、Ｊ．Ｎｅｕｒｏｓｃｉ．１９、２４５５〜２４６３（１９９９）より）。このアッセイは、放射性アッセイにおいて^５１Ｃｒが放出されたのとほぼ同様の方法において、細胞溶解の際に放出された安定サイトゾルの酵素であるＬＤＨを量的に計測する。培養上清中に放出されたＬＤＨは、３０分間の共役酵素アッセイを利用して測定され、それは、テトラゾリウム塩（ＩＮＴ）をレッド・ホルマザン・プロダクトに変換するという結果になる。形成される色の量は、溶解した細胞の数に比例する。

可視波長吸収度データを、標準９６ウェル・プレート・リーダを使用して収集した。ジアホラーゼと組み合わせたテトラゾリウム塩、または代替的に、電子受容体と組み合わせたテトラゾリウム塩を利用してのＬＤＨ決定の方法は、当該分野において周知である。この技術の変形は、自然の細胞毒性測定に対して報告されており、並行して行われた^５１Ｃｒ放出アッセイにおいて決定された値と（実験誤差内において）同一であると示された。

この処理に続いて、プレートに残る細胞を、写真撮影し、溶解し、上記されたようにＬＤＨアッセイを用いて量を定めた。音波歯ブラシの毛が届かない所の効果により誘発された細胞溶解を、本発明の音波／超音波の組み合わせプロトタイプ歯ブラシによって誘発された細胞溶解と比較した。

例示的なアッセイの結果を、図１０にて示す。図１０は、音波導波管を介して伝導する超音波と組合わさる泡状流体ジェットの歯磨き作用は、安全に歯垢を除去する事を明示する。この場合、泡状流体ジェットは、歯ブラシに取り付けられた音波導波管によって生成される。「コントロール」結果は、一般に販売される電動歯ブラシの毛の届かない所において生成された流体作用によって起こった細胞溶解の測定であり；「音波」結果は、超音波を用いない例示的な歯ブラシによるそのような細胞溶解の測定であり；「音波＋超音波」結果は、音波構成要素および超音波の両方を用いての例示的な歯ブラシによるそのような細胞溶解の測定であり；「コントロール＋接触」結果は、毛が細胞表面に直接接触するように配置された一般に販売される電動歯ブラシによる細胞溶解の測定である。歯ブラシの毛が細胞に接触しない場合、市販の歯ブラシとプロトタイプ歯ブラシとの間の差異は無かった。一方、市販の電動歯ブラシの毛先が直接細胞に接触する事によって生成された細胞溶解は、大量であった。

本発明の好ましい実施形態が描写され、示される間、本発明の精神および範囲から逸脱する事なく多様な変化が行われる事は、理解される。

図１は、本発明の例示的な電動歯ブラシを描写する図である。 図２Ａは、ハンドル、歯ブラシの毛、超音波変換部、および中空でない四角形に一般的に形作られる音波導波管を示す図１において描写された実施形態と類似した例示的な電動歯ブラシヘッドの断面図を描写する図である。 図２Ｂは、図２Ａにおいて示される（歯ブラシの毛を有さずに示される）例示的な歯ブラシの有限要素モデルシミュレート形状を描写する図である。 図２Ｃは、パルス後、１．２ｍｓ経ったシミュレートされた超音波フィールドを描写する図である。超音波は、主に音波導波管内に残る。 図２Ｄは、パルス後、２．０ｍｓ経ったシミュレートされた超音波フィールドを描写する図である。超音波は、音波導波管を実質的に後にした。 図３Ａは、図２Ａにおいて示される歯ブラシの有限要素モデルシミュレート形状を描写する図である。例示的な音波導波管は、先細のプロファイルを有する。 図３Ｂは、図３Ａで示された先細プロファイル導波管の斜視図である。 図３Ｃは、超音波の伝導直後のシミュレートされた波フィールドプロットの側面図であり、音波導波管内の伝導を示す。 図３Ｄは、超音波の伝導からしばらく経ったシミュレートされた波フィールドプロットの側面図であり、超音波面の流体エマルジョンへの音波導波管伝導を示す。 図３Ｅは、図３Ｃと同じシミュレート時間の波フィールドプロットの端面図である。 図３Ｆは、図３Ｄと同じシミュレート時間の波フィールドプロットの端面図である。 図４Ａは、他の例示的な音波導波管の有限要素モデルシミュレート形状を描写する図である。導波管の先は、カーブしている。 図４Ｂは、図４Ａにて示される導波管の斜視図である。導波管の先は、カーブする。 図４Ｃは、超音波の伝導直後のシミュレートされた波フィールドプロットであり、音波導波管内の伝導を示す。 図４Ｄは、超音波の伝導からしばらく経った波フィールドプロットであり、音波導波管の先を超える超音波面の収束、および超音波面の流体エマルジョンへの伝導を示す。 図５Ａは、導波管を有する、および有さない超音波歯ブラシによって生成された流体流動の超音波画像である。ドップラー（四角で囲まれた中）とＢモード（四角で囲まれた外）との組み合わせの画像であり、音波導波管および毛先運動を有さない超音波歯ブラシによって誘発された流体流動を示す（毛先（ＢＴ）および毛底にある植毛台（ＢＰ））。 図５Ｂは、導波管を有する、および有さない超音波歯ブラシによって生成された流体流動の超音波画像である。ドップラーとＢモードとの組み合わせの画像であり、音波導波管を有さないが、毛先運動（ＭＢ）を有する超音波歯ブラシによって誘発された流体流動を示し、測定可能な毛先を超える流体流動（ＦＦ）が存在しない事を示す。 図５Ｃは、導波管を有する、および有さない超音波歯ブラシによって生成された流体流動の超音波画像である。Ｂモード超音波画像であり、音波導波管を有する超音波歯ブラシによって誘発された流体流動を示す。導波管は音波構成要素によって振動するように作られ、振動する音波導波管が歯ブラシヘッドから遠ざかる泡状流体流動のジェットを生成する。 図５Ｄは、導波管を有する、および有さない超音波歯ブラシによって生成された流体流動の超音波画像である。図５Ｃにおいて記載された同様の超音波歯ブラシのドップラーおよびＢモード超音波画像であり、毛を超える有意な流体流動（ＦＦ）および泡（Ｂ）を示す。 図６は、フラットの先の測定された音波圧レベルと、収束されたレンズ音波導波管の測定された音波圧レベルとを比較するプロットである。 図７は、デンタル流体／泡エマルジョンを介して伝達した超音波の吸収と周波数を示すプロットである。 図８は、安定振動泡に関連するアコースティックマイクロストリーミングにより誘発されたせん断応力によって破壊された懸濁した赤血球の比率を示すプロットである。挿入図は、中心に空気が入った薄い中空で、赤血球が懸濁しているバイアルに置かれるワイヤを示す。 図９Ａ〜Ｈは、本発明の歯ブラシヘッドに使用されるための多様な例示的な音波導波管の形状を示す。 図１０は、本発明に従う歯ブラシの安全性を示す棒グラフである。

Claims (30)

1. 外向きに延びる音波導波管を有する歯ブラシヘッドであって、該導波管は平面のプロファイルを有する、歯ブラシヘッドと、
   該歯ブラシヘッドを音波周波数で駆動するように構成されている音波構成要素と、
   超音波変換部であって、該超音波変換部は、約２０ｋＨｚよりも大きい周波数を有する超音波を該音波導波管を通して伝達するように、該音波導波管に作動可能なように接続されている、超音波変換部と、
   該歯ブラシヘッドに作動可能なように接続されたハンドルと
   を備え、
   ここで、該超音波変換部が、ジルコン酸チタン酸鉛、ポリフッ化ビニリデン、ニオブ酸
   リチウム、石英、およびチタン酸バリウムからなる群から選択される材料を備える圧電変
   換部であり、
   さらに、該超音波変換部および音波導波管が、作動の間、使用者のデンタル流体内にマイクロバブルのマイクロストリーミングを生じるように構成されている、
   歯ブラシ。
2. 前記歯ブラシヘッドが複数の外向きに延びる毛をさらに備える、請求項１に記載の歯ブラシ。
3. 前記歯ブラシヘッドが取り外し可能なように前記ハンドルに接続されている、請求項１に記載の歯ブラシ。
4. 前記音波導波管がポリマーから形成されている、請求項１に記載の歯ブラシ。
5. 前記ポリマーが、常温加硫シリコーン、液体射出成形シリコーン、および熱可塑性エラストマーから選択される、請求項４に記載の歯ブラシ。
6. 前記音波導波管が誘電性物質から形成されている、請求項１に記載の歯ブラシ。
7. 前記音波導波管が、約５ＳｈｏｒｅＡと約２００ＳｈｏｒｅＡとの間の硬度を有する材料から形成される、請求項１に記載の歯ブラシ。
8. 前記音波導波管が、約２０ＳｈｏｒｅＡと約８０ＳｈｏｒｅＡとの間の硬度を有する材料から形成される、請求項１に記載の歯ブラシ。
9. 前記音波導波管がグラファイト層およびポリマー層を含み、該ポリマー層が該グラファイト層の周辺にて成形されている、請求項１に記載の歯ブラシ。
10. 前記音波導波管が、少なくとも８０のＳｈｏｒｅＡ硬度を有する第１の層、該第１の層と接触し、約２０と８０との間のＳｈｏｒｅＡ硬度を有する第２の層、および、該第２の層と接触し、２０以下のＳｈｏｒｅＡ硬度を有する第３の層を含む、請求項１に記載の歯ブラシ。
11. 前記音波導波管が、くさび型である、請求項１に記載の歯ブラシ。
12. 前記超音波変換部に作動可能なように接続されたインピーダンス・マッチング層をさらに備える、請求項１に記載の歯ブラシ。
13. 前記歯ブラシが、作動の間、約０．０１〜約１．９の範囲のメカニカルインデックスを生じる、請求項１に記載の歯ブラシ。
14. １パケットにおける個々の超音波の数が、前記超音波変換部の作動の間、約１と約５，０００との間である、請求項１に記載の歯ブラシ。
15. 前記超音波変換部のパルス繰返し周波数が、作動の間、約１Ｈｚと約１０，０００Ｈｚとの間の範囲である、請求項１に記載の歯ブラシ。
16. 前記歯ブラシヘッドが、前記ハンドルに固定して取り付けられている、請求項１に記載の歯ブラシ。
17. 前記超音波変換部が、前記音波導波管に直接的に接触している、請求項１に記載の歯ブラシ。
18. 前記音波導波管が、円錐形部分を備える、請求項１に記載の歯ブラシ。
19. 前記音波導波管が、ピラミッド型部分を備える、請求項１に記載の歯ブラシ。
20. 前記音波導波管が、弾丸型主部を備える、請求項１に記載の歯ブラシ。
21. 前記音波導波管が、矩形である、請求項１に記載の歯ブラシ。
22. 前記音波導波管が、先細の側壁を有する、請求項１に記載の歯ブラシ。
23. 前記歯ブラシが、作動の間、前記音波導波管を越えて約１ｍｍと１０ｍｍとの間の距離で、少なくとも２ｃｍ／秒の流体流動を生じる、請求項１に記載の歯ブラシ。
24. 前記超音波変換部および前記音波導波管が、作動の間、使用者のデンタル流体内にキャビテーションを生じるように構成されている、請求項１に記載の歯ブラシ。
25. 歯ブラシヘッドを音波周波数で駆動するように構成されている音波構成要素を有するハンドルに取り付けるための取り外し可能な歯ブラシヘッドであって、基部、該基部から延びる複数の毛、該基部から延びる平面のプロファイルを有する音波導波管、および該音波導波管の近位で作動可能な超音波変換部を有し、その結果、超音波が、作動の間、該超音波変換部から、該音波導波管内へ、そして該音波導波管を通って伝達し、
    ここで、該超音波変換部が、ジルコン酸チタン酸鉛、ポリフッ化ビニリデン、ニオブ酸リチウム、石英、およびチタン酸バリウムからなる群から選択される材料を備える圧電変換部であり、
    さらに該超音波変換部および音波導波管が、作動の間、使用者のデンタル流体内にマイクロバブルのマイクロストリーミングを生じるように構成されている、
    取り外し可能な歯ブラシヘッド。
26. 前記音波導波管がポリマーから形成されている、請求項２５に記載の取り外し可能な歯ブラシヘッド。
27. 前記ポリマーが、常温加硫シリコーン、液体射出成形シリコーン、および熱可塑性エラストマーから選択される、請求項２５に記載の取り外し可能な歯ブラシヘッド。
28. 前記音波導波管が誘電性物質から形成されている、請求項２７に記載の取り外し可能な歯ブラシヘッド。
29. 前記音波導波管が、約５ＳｈｏｒｅＡと約２００ＳｈｏｒｅＡとの間の硬度を有する材料から形成されている、請求項２７に記載の取り外し可能な歯ブラシヘッド。
30. 前記音波導波管が、約２０ＳｈｏｒｅＡと約８０ＳｈｏｒｅＡとの間の硬度を有する材料から形成されている、請求項２７に記載の取り外し可能な歯ブラシヘッド。

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