口腔处理设备

技术领域

本发明涉及口腔清洁设备领域，并且更具体地，涉及利用电磁场的口腔清洁设备领域。

背景技术

口腔清洁和卫生领域正在不断发展，特别是在电动牙刷和其他口腔清洁设备领域，诸如刷牙牙套、刷牙和牙线组合设备或冲洗器。

一种这样的发展是包括在用户的牙齿和牙床附近产生射频(RF)电磁场的装置，在本文称为RF场。

图1示出了现有口腔处理单元10的简化示例的模拟结果，口腔处理单元10包括：非导电介电屏障12；第一RF电极13；以及第二RF电极14。

在使用中，将射频范围内的电信号提供给第一和第二RF电极，从而在两个电极之间产生RF场15。由于RF场线不能穿过非导电屏障12，所以RF场围绕介电屏障整形，并且被重新定向/偏转到用户的牙齿和牙床。

换言之，图1的示例使用三个元件来递送RF场：两个暴露的金属导体和一个绝缘体，以及整形和重定向电磁场以靠近牙齿所需的非导电屏障。

然而，图1所示的示例需要许多分离的动力组件，这增加了制造的复杂性，并且需要暴露的金属电接触部位于用户的口腔内，后者由于口腔中机械锋利和电活动的暴露元件而导致较高的受伤或口腔不适的风险。此外，现有的解决方案仅提供了对RF场限制的粗略控制，并且容易以辐射的形式发生电磁能量泄漏。

因此，需要使用更少数目的组件并且不需要将暴露的金属接触部定位在口腔内而产生改进的RF场的限制和聚焦的装置。

此外，产生靠近用户的牙齿和牙床的射频(RF)电磁场(在本文称为RF场)的装置受到尺寸限制，以便舒适地适应口腔。

因此，还需要使用形状因子减小的组件以定位在口腔内来产生受限RF场的装置。

US 10201701公开了口腔清洁设备，其在手柄部分中具有RF发生器，其将RF能量传递到刷头上紧邻刷毛的电极。

发明内容

本发明由权利要求限定。

根据本发明的一个方面的示例，提供了口腔处理单元，用于限制频率具有在100kHz至300MHz范围内的电磁场并且适于插入用户的口腔中，该口腔处理单元包括：

第一清洁元件，其耦合到或集成在口腔处理单元中；以及

耦合到或集成在口腔处理单元中的材料结构，其适于接收初始电磁场并且输出聚焦电磁场，其中该材料结构具有无源电磁场聚焦功能，其将接收到的初始电磁场限制在材料结构的近场区域中。

口腔处理单元提供将例如具有射频(RF)范围内的频率的电磁场聚焦在材料结构的近场区域内的装置，以通过在用户的牙齿或牙床区域中产生受限电磁场(EM)来帮助清洁用户的口腔。

以这种方式，可以产生聚焦的EM场，而不需要介电屏障或口腔处理单元内接触用户口腔的任何暴露的电导体。

此外，由于聚焦功能是材料结构的属性，因此可以根据口腔处理单元的任何给定实现来调整电磁场的形状和焦点。

在实施例中，材料结构包括多个单元格，并且可选地，其中多个单元格排列成阵列。

以这种方式，如果单元格的尺寸远小于所施加的EM场的波长，则材料结构可以作为单个元件，其总体电磁属性修改EM场，并且由此产生的EM场的限制、分布和整形是由于单元格内各个属性的均质化而产生的。

在实施例中，口腔处理单元还包括第二清洁元件，并且其中材料结构形成第二清洁元件的至少部分或全部。

以这种方式，材料结构可以有助于机械清洁动作和EM场限制或整形，从而执行双功能。

在实施例中，该单元格包括：

平面导电螺旋结构；或者

平面导电环形结构；或者

平面导电曲折线结构；或者

3D导电螺旋结构；或者

3D导电环形结构；或者

3D导电曲折线结构。

通过这种方式，由材料结构接收到的EM场可以转换成消逝波。

在实施例中，材料结构包括：

第一单元格，其适于接收和聚焦具有在第一频率范围内的第一频率的第一电磁场；以及

第二单元格，其适于接收和聚焦具有不同于第一频率范围的第二频率范围内的第二频率的第二电磁场。

以这种方式，可以提供具有不同频率的多个EM场，而不需要激活不同的设备操作模式。

在实施例中，材料结构具有以下一项或多项：

负的或接近于零的有效介电常数；

负的或接近于零的有效渗透率；以及

负的或接近于零的折射率。

在实施例中，口腔处理单元还包括一个或多个发射器线圈，其适于产生将由材料结构接收的初始电磁场。

在实施例中，口腔处理单元还包括多谐发射器线圈，其适于产生第一频率范围内的第一电磁场和第二频率范围内的第二电磁场，第一频率范围内的第一电磁场将由第一单元格接收，并且第二频率范围内的第二电磁场将由第二单元格接收。

在实施例中，口腔处理单元还包括第一发射器线圈和第二发射器线圈，第一发射器线圈适于产生具有在第一频率范围内的第一频率的电磁场，第二发射器线圈适于产生具有在第二频率范围内的第一频率的电磁场。

在实施例中，发射器线圈的线圈环和单元格的螺旋结构平行和/或同轴对准。

以这种方式，改进了发射器线圈与单元格或材料结构之间的耦合。

根据本发明的一个方面的示例，提供了一种与上述口腔处理单元组合使用的基座单元，包括：

电源；

电信号产生单元，其耦合到电源并且适于产生具有在给定频率范围内的频率的电信号；以及

与电信号产生器通信的一个或多个发射器线圈，其适于产生具有在给定频率的范围内的频率的至少一个电磁场并且将其发射到口腔处理单元。

根据本发明的一个方面的示例，提供了一种与上述口腔处理单元组合使用的基座单元，包括：

电源；

电信号产生单元，其耦合到电源并且适于产生具有给定频率范围内的频率的电驱动信号，该电驱动信号馈送到口腔处理单元的发射器线圈。

根据本发明的一个方面的示例，提供了一种口腔清洁设备，包括：

上述口腔处理单元中的一个或多个口腔处理单元；以及

上述基座单元，其中口腔处理单元适于临时耦合到基座单元。

根据本发明的一个方面的示例，提供了一种口腔清洁设备，包括：

如上所述的口腔处理单元中的一个或多个口腔处理单元；

上述基本单位；以及

其中口腔处理单元适于临时耦合到基座单元，并且其中口腔处理单元还包括第一电接触部，并且基座单元还包括第二电接触部，其中当口腔处理单元耦合到基座单元时，第一电接触部和第二电接触部接触。

在实施例中，口腔处理单元是电动牙刷头或电动牙刷头的部分，其中电动牙刷头可选地包括液体喷嘴，并且其中基座单元是电动牙刷柄，或者上述一个或多个口腔处理单元被布置为形成口腔处理牙套的牙弓的至少部分，并且其中基座单元是电动牙套柄。

根据本发明的另一方面的示例，提供了一种口腔处理单元，用于限制和调制具有在1MHz至300GHz的范围内的频率的电磁场，并且适于被插入到用户的口腔中，该口腔处理单元包括：

第一清洁元件，其耦合到或集成在口腔处理单元中；以及

电磁场聚焦元件，其耦合到或集成在所述口腔处理单元中，并且适于接收具有初始频率的电磁场并且输出聚焦电磁场，其中电磁场聚焦元件包括第一材料结构，其中第一材料结构具有第一无源电磁场聚焦功能，第一无源电磁场聚焦功能通过执行以下一项或多项来将接收的电磁场限制在距第一材料结构的给定距离处：

第一材料结构的近场区域中的衰减率控制功能；或者

对电磁场的传播方向修改功能；并且

其中电磁场聚焦元件具有调制受限电磁场的调制功能，从而产生调制电磁场。

包括电磁场聚焦元件的口腔处理单元提供将传入电磁场调制到诸如射频范围的期望频率范围的装置。

具有在射频范围内的频率的电磁场对于口腔处理应用是理想的；然而，例如由于材料结构形状因子或制造成本的原因，具有针对射频调谐的无源电磁场聚焦功能的材料结构可能不适合应用于口腔处理应用。可以使用传统制造技术将具有针对高于射频的频率(诸如GHz频率)调谐的无源电磁场聚焦功能的材料结构制造成更小的形状因子，从而降低制造成本；然而，对于口腔处理应用，具有在GHz范围内的频率的电磁场并不总是最优的。

因此，通过向口腔处理单元提供具有调制功能的电磁场聚焦元件，口腔处理单元可以包括被调谐为将电磁场聚焦并且限制在诸如GHz频率范围的高电磁频率范围内的材料结构，并且调制功能可以调制聚焦的EM场的频率以将频率带入用于口腔处理的射频范围。

在实施例中，调制功能包括频率下移功能，其调制受限电磁场的初始频率，从而产生调制的受限电磁场，其具有低于初始频率的期望频率范围内的调制频率。

以这种方式，受限EM场的初始频率，可以例如在GHz范围内，可以向下移位到期望的频率范围，例如射频范围。

在实施例中，调制功能适于调制以下一项或多项：

受限电磁场的频率；

受限电磁场的幅度；以及

受限电磁场的相位。

以这种方式，可以根据应用以任何期望的方式来调制初始EM场。

在一个实施例中，电磁场聚焦元件包括用于执行调制功能的机械致动器，其中机械致动器适于将机械振荡施加到第一材料结构，并且可选地其中机械致动器包括以下一项或多项：

CMUT；

电活性聚合物；

铁电聚合物致动器；

压电致动器；

压电式弯曲致动器；以及

MEMS倾斜运动设备。

材料结构的无源电磁场聚焦功能由材料结构的内部谐振控制。通过向材料结构提供机械振荡，通过机械致动器，可以基于机械振荡的频率来调制材料结构的内部谐振。机械致动器可以具有非线性性能，例如通过设计或通过包括附加的电子二极管组件。

在实施例中，机械致动器包括柔性组件(335)，并且其中第一材料结构并入机械致动器中。

以这种方式，可以将机械致动单元和材料结构形成单个组件，以执行信号调制和电磁场聚焦功能两者。

在实施例中，第一材料结构具有第二无源电磁场聚焦功能，并且其中第一无源电磁场聚焦功能作用于接收到的电磁场的第一频率分量，并且第二无源电磁场聚焦功能作用于接收到的电磁场的第二频率分量。

以这种方式，第一和第二频率分量两者可以被聚焦并且限制在第一材料结构内，从而使频率混合，也称为外差，从而调制接收到的电磁场的频率。

在实施例中，电磁场聚焦元件包括第二材料结构，其中第二材料结构具有第二无源电磁场聚焦功能，并且其中第一无源电磁场聚焦功能作用于接收到的电磁场的第一频率分量，并且第二无源电磁场聚焦功能作用于接收到的电磁场的第二频率分量，并且可选地其中第一材料结构相对于第二材料结构而被布置，使得聚焦的第一频率分量和聚焦的第二频率分量被限制在第一材料结构和第二材料结构两者内，从而导致在接收到的电磁场的聚焦的第一频率分量与接收到的电磁场的聚焦的第二频率分量之间发生频率混合，从而执行频率调制功能。

以这种方式，第一频率分量和第二频率分量两者都可以被聚焦并且限制在第一和第二材料结构内，从而引起频率混合，也称为外差，从而调制接收到的电磁场的频率。

在实施例中，第一材料结构和/或第二材料结构具有时间延迟功能，其使在聚焦的电磁场上施加时间域波形。

以这种方式，可以将时间域波形施加到电磁场上，例如以传递具有给定占空比的一系列聚焦的电磁脉冲。

在一个实施例中，电磁场聚焦元件包括适于对接收到的电磁场执行频率调制功能的非线性电子组件，并且可选地其中非线性电子组件包括以下一项或多项：

二极管；

多个二极管；

MIM设备；

晶体管；以及

无源晶体管。

在实施例中，口腔处理单元还包括一个或多个发射器线圈，其适于产生将由电磁场聚焦元件接收的电磁场。

根据本发明的一个方面的示例，提供了一种与上述口腔处理单元组合使用的基座单元，包括：

电源；

电信号产生单元，其耦合到电源并且适于产生具有在给定频率范围内的频率的电信号；以及

与电信号产生器通信的一个或多个发射器线圈，其适于产生具有在给定频率范围内的频率的至少一个电磁场并且将其发射到口腔处理单元。

根据本发明的一个方面的示例，提供了一种与上述口腔处理单元组合使用的基座单元，包括：

电源；

电信号产生单元，其耦合到电源并且适于产生具有在给定频率范围内的频率的电驱动信号，该电驱动信号馈送到口腔处理单元的一个或多个发射器线圈。

根据本发明的一个方面的示例，提供了一种口腔处理设备，包括：

一个或多个上述口腔处理单元中的口腔处理单元；以及

上述基座单元，其中口腔处理单元适于临时耦合到基座单元。

根据本发明的一个方面的示例，提供了一种口腔处理设备，包括：

一个或多个如上所述的口腔处理单元；

上述基本单位；以及

其中口腔处理单元适于临时耦合到基座单元，并且其中口腔处理单元还包括第一电接触部，并且基座单元还包括第二电接触部，其中当口腔处理单元耦合到基座单元时，第一电接触部和第二电接触部接触。

根据本发明的一个方面的示例，提供了一种如上所述的口腔清洁设备，其中：

口腔处理单元是电动牙刷头或电动牙刷头的部分，其中电动牙刷头可选地包括液体喷嘴，并且其中基座单元是电动牙刷柄；或者

一个或多个口腔处理单元被设置为形成口腔处理牙套的牙弓的至少一部分，并且其中基座单元是电动牙套柄。

本发明的这些方面和其他方面将从下文描述的(多个)实施例中清楚，并且参考(多个)实施例进行阐明。

附图说明

为了更好地理解本发明，并且更清楚地显示如何实施本发明，现在仅作为示例参考附图，其中：

图1示出了现有口腔处理单元的模拟结果的示例的示意图；

图2示出了根据本发明的一个方面的用于处理用户口腔的口腔处理单元的示意图；

图3a示出了图2所示材料结构的示例单元格的示意图；

图3b示出了图3a的单元格的对应R-L-C等效谐振电路；

图4示出了根据本发明一方面的口腔处理单元的另一示例；

图5示出了根据本发明一方面的口腔处理单元的另一示例；

图6示出了根据本发明一方面的口腔处理单元的另一示例；

图7示出了根据本发明各方面的口腔清洁设备的示例；

图8示出了口腔清洁设备是清洁或处理牙套的示例；

图9示出了根据本发明的一个方面的使用口腔清洁设备的方法；

图10示出了根据本发明一个方面的具有调制功能的口腔处理单元的示例；

图11示出了根据本发明的一个方面的具有调制功能的口腔处理单元的另一个示例；

图12示出了根据本发明的一个方面的具有调制功能的口腔处理单元的另一示例；

图13示出了能够在两个不同频率分量上操作的材料结构的单元格的示例；以及

图14示出了根据本发明的另一方面的使用口腔清洁设备的方法。

具体实施方式

将参考附图描述本发明。

应当理解，尽管指示了装置、系统和方法的示例性实施例，但是详细描述和具体示例仅用于说明的目的，并不旨在限制本发明的范围。通过以下描述、所附权利要求和附图，本发明的装置、系统和方法的这些和其他特征、方面和优点将变得更好地理解。应该理解的是，这些附图只是示意性的，并不是按比例绘制的。还应当理解，在整个附图中使用相同的附图标记来指示相同或相似的部件。

本发明提供了一种口腔处理单元或多个口腔处理单元的配件，用于限制具有在100kHz至300MHz范围内的频率的电磁场并且适于插入口腔中，其可以与基座单元组合形成口腔清洁设备的部分，包括耦合到口腔处理单元的第一清洁元件。该口腔处理单元还包括耦合到口腔处理单元的材料结构，其适于接收初始电磁场并且输出聚焦电磁场，其中该材料结构具有无源电磁场聚焦功能，其将接收到的初始电磁场聚焦在该材料结构的近场区域中。

本发明的另一方面提供了一种口腔处理单元或多个口腔处理单元的配件，用于限制和调制具有在1MHz至300GHz范围内的频率的电磁场并且适于插入口腔中，其可以与基座单元组合形成口腔清洁设备的部分，包括耦合到口腔处理单元的第一清洁元件。口腔处理单元还包括适于接收具有初始频率的电磁场并且输出聚焦电磁场的电磁场聚焦元件。电磁场聚焦元件包括具有第一无源电磁场聚焦功能的第一材料结构，第一无源电磁场聚焦功能通过执行以下一项或多项来将调制的电磁场限制在距第一材料结构的给定距离处：在第一材料结构的近场区域中的衰减率控制功能；或者对电磁场的传播方向修改功能。电磁场聚焦元件具有调制受限电磁场的调制功能，从而产生调制电磁场。

图2示出了根据本发明的一个方面的用于处理用户口腔的口腔处理单元20的示意图。口腔的处理可以包括例如任何清洁用户的牙齿、牙床或舌头。

口腔处理单元20包括压盘22，其被限定为用于容纳各种组件以形成可以根据所需实现整形的设备或设备的子单元的底座件。例如，压盘可以是平的或弯曲的。口腔处理设备包括耦合到口腔处理设备的一个或多个清洁元件24。口腔处理单元可以形成任何适当的口腔处理设备的部分，例如刷牙牙套。在图2所示的示例中，口腔处理单元可以是牙刷(诸如，电动牙刷)头的部分，并且清洁元件是牙刷刷毛。下面将进一步描述备选的口腔处理单元和清洁元件。

口腔处理单元20还包括材料结构26，其包括耦合到口腔处理设备并且适于接收电磁场28并且输出聚焦电磁场30的多个单元格。材料结构具有无源射频聚焦功能，其将接收到的射频信号聚焦在材料结构的近场区域。

材料结构是所谓超材料的示例，并且更具体地，是电磁超材料。使用计算模型和算法设计过程，电磁超材料可以被设计成具有可定制和独特的电磁属性，例如：负的或接近于零的有效介电常数；负的或接近于零的有效磁导率；以及负的或接近于零的折射率。

超材料是新兴技术，并且被限定为由其结构控制的工程材料，即一种或多种材料和单元格的几何排列，而不是它们的组成。超材料可以被设计成能够实现自然发生的材料中没有的特征，例如负折射率。超材料，诸如材料结构26，可以由单元格的阵列组成，其特性尺寸比本文所描述的设备所利用的信号波长小得多，如下文进一步讨论的。下面参考图3讨论关于材料结构的示例单元格的细节。

通过根据期望的电磁场聚焦函数来定制超材料的有效属性，可以通过吸收、阻挡、增强、弯曲或反射电磁波来操纵电磁波和/或场。

电磁超材料可以显示负的或接近于零的有效磁导率，负的或接近于零的有效介电常数，或者负的或接近于零的折射率，这是当材料结构的介电常数和磁导率两者同时为负时发生的情况。

一般来说，EM场聚焦需要负的折射率。在EM场具有在低MHz射频(RF)范围内的频率的情况下，仅需要近场中的超分辨率，其被限定为距离源小于一个波长的位置。此外，只有有效的电磁属性中的一个电磁属性需要是负的，因为这将足以增强逝去波以创建聚焦的RF电磁场。此外，在低频准静态限制内，即对于低MHz范围内的频率，电场和磁场基本上是解耦合的，从而简化了材料要求。

本发明感兴趣的EM场可以具有很宽的频率范围，例如从射频(RF)范围到微波，例如从100kHz-300 GHz，波长通常很长，在米范围内，这对于诸如口腔清洁设备的小型设备特别大。因此，超材料的单元格可以朝着深的亚波长区的尺寸小型化。目前，波长与单元格大小之比可达2000至14400，从而能够实现小型化紧凑型RF超材料结构，适用于口腔护理设备。

图3a示出了图2所示材料结构的平面图和横断面视图41的示例单元格40的示意图。图3b示出了图3a的单元格40的相应R-L-C等效谐振电路50的简化版本。

图3a中所示的单元格40的特性由数个特性维度限定。它们是：导电路径42的宽度、导电路径之间的间隔以及中央电容垫44的边长，其可以通过介电层45的全厚度连接到介电层底部处的第二中央电容垫44(未示出)。在一些示例中，中央电容垫44可能不会延伸通过介电层45的全厚度。超材料的EM场整形和聚焦效应是由于单元格内部谐振引起的负有效电磁参数，例如负磁导率引起的。内部谐振由单元格设计限定，其可以等效地视为图3b所示的谐振R-L-C电路，其中电感和电容是单元格的几何参数以及材料参数(包括电导率、磁导率和介电常数)的函数。影响单元格内部谐振的附加几何参数包括圈数、正方形线圈的边长、单元格大小与单元格不同层之间的距离。

此外，单元格可以包括如横断面视图41所示的介电层45。介电层可以由任何适合的介电材料形成。在一个示例中，介电层可以包括玻璃增强的环氧层压材料。

图3b中所示的R-L-C电路对应于单元格设计的准静态表示。电感L由螺旋的自感给出，电容C对应于平行侧壁(相邻圈)之间的总分布电容与由两个方形导电垫在单元格中间形成的垂直电容器之和所给出的等效电容，而电阻R对应于由集肤效应引起的电阻、涡流引起的邻近损耗、金属迹线的方阻和与介电损耗之和所给出的总电阻。高阶效应，诸如非相邻侧壁之间的电容耦合，可以被认为是可以忽略的。

图3a中所示的单元格是平面螺旋谐振器的示例，其属于表现负的或接近于零的有效磁导率的超材料组；然而，也可以实现负的或接近于零的介电常数，或者负的或接近于零的折射率。用于RF频率范围信号的这种类型的深亚波长超材料设计的示例可以具有a～λ

上述具有负的或接近于零的介电常数ε和/或负的或接近于零的磁导率μ和/或负的或接近于零的折射率的材料结构或超材料被认为是无源元件。通过结构设计，由材料结构接收从而穿过超材料的发射RF场产生消逝波，即不作为电磁波传播但其能量在空间上集中的振荡电场和/或磁场，特别是在材料结构的近场区域内，或者在具有在GHz频率范围内的频率的情况下产生重定向的传播波，如下文进一步讨论的。

如上所述，超材料利用内部谐振的单元格作为构建块。超材料中的底层物理现象是内部谐振与入射电磁波之间相互作用的结果，也是单元格之间以信号干扰的形式相互作用的结果。这两种相互作用结合在一起会产生带隙，这是频带，在该频带内会发生消逝波，从而促进了波衰减。只有一个谐振器(单元格)仅提供局部衰减(仅在特定频率处的模式耦合)。具有谐振器的集体布置会产生全局衰减，从而产生带隙和相应的消逝波。

本文讨论的材料结构内的单元格可以以1D、2D或3D周期排列，以形成规则的单元格阵列。

通常，计算模拟，被称为硅模型，可以用来设计和测量所提出的超材料的有效属性。使用商用的标准制造技术，例如：薄膜制造工艺、添加剂制造和印刷电路板光刻技术，可以直接制造硅设计的材料。

此外，具有某些目标属性的超材料可以使用现有的设计过程来设计，诸如机器学习，这可以用于探索大的参数设计空间，甚至从头开始设计超材料结构。此外，可以使用试错式参数探索方法在给定的约束集合内优化设计，例如具有一些可调整参数的初始超材料重复单元的设计。

包括3D打印在内的新制造技术使快速并且廉价地生产具有复杂内部结构的材料成为可能，包括电磁超材料。

简要地回到图2，包括如上所述的材料结构26的口腔处理单元20提供了通过例如由如上所述的单元格阵列实现的聚焦功能来整形和聚焦接收到的射频信号28的装置。换言之，材料结构26可以将传播的电磁场28变换为消逝波，从而促进无源EM场30，或者操纵/重定向传播的波，例如，促进负折射，并且实现场聚焦30。

图4示出了根据本发明的一个方面的口腔处理单元60的另一示例。与图2共享的附图标记表示相似的特征。

在图4所示的示例中，口腔处理单元60还包括附加清洁元件62，并且其中材料结构26被并入附加清洁元件中，或者其中材料结构26被布置成形成附加清洁元件62本身。

换言之，包括超材料结构的超材料单元格或附加清洁元件62可以执行双重功能：第一功能是与未经修改的清洁元件24(即刷毛)并排的机械清洁；并且第二功能是通过并入附加清洁元件62中的材料结构的EM场聚焦，该材料结构可以包括嵌入在介质基质中的细长的平面外螺旋谐振器，或者大直径(宽)聚合物清洁元件(例如，刷毛)，其具有印刷在顶层和底层上的平面螺旋超材料结构，其可以通过穿过附加清洁元件的长度的导线连接。

材料结构的单元格的基本设计可以与图3a中所示的相同。然而，另外，当超材料直接集成在清洁元件(诸如，刷毛、硅胶柱、橡胶垫或凸杯)中时，清洁功能被添加到材料结构中。

图5示出了根据本发明的一个方面的口腔处理单元70的另一示例。与图2共享的附图标记表示相似的特征。

在图5所示的示例中，口腔处理单元70还包括发射器线圈72，其适于发射如上所述将由材料结构26接收的电磁场28。

在该示例中，发射电磁场的发射器线圈位于口腔处理单元的压盘内，发射器线圈可以包括单环或螺线管。发射器线圈可以集成到口腔处理单元中或临时附接到口腔处理单元。材料结构位于距离发射器线圈的固定距离处，通常为0.5-5mm。可以调整该距离，以优化发射器线圈与材料结构之间的耦合。线圈环和螺旋超材料可以彼此平行和同轴面对，并且在一个平面上同轴对准，以有效地将电磁场耦合到超材料中。

如上所述，超材料的负的或接近于零的有效属性(介电常数、折射率和磁导率)使电磁场和能量泄漏最小化，并且促进朝向牙齿或牙床组织的更好的近场聚焦30。

图6示出了口腔处理单元75的另一示例，其包括多个清洁元件76，适于接收并且将具有第一频率的电磁场限制在第一频率范围内的第一单元格77的阵列，以及适于接收具有第二频率的电磁场并且将其限制在与第一频率范围不同的第二频率范围内的第二单元格78的阵列。

换言之，口腔处理单元或材料结构可以包括多个单元格的一个或多个阵列，各自作为定制于不同操作频率的电磁场透镜工作，从而促进可以在诸如牙刷和牙套的口腔护理设备中实现的多种操作模式。

在该实施例中，可以将一个多谐发射器线圈或以多个频率发射电磁场的多个发射器线圈并入口腔处理单元或基座单元中。

换言之，口腔处理单元可以包括超材料阵列，其被配置为提供针对不同的谐振频率的增强的EM场限制，允许以口腔中的特定区域为目标的多种操作模式的可能性，诸如牙结石、生物膜、污渍、牙床组织、龈袋、牙科植入物、正畸等。通过这种方式，可以按需提供多个EM能级，而无需激活不同的设备操作模式。例如，口腔处理单元可以执行用于去除污渍的清洁模式、结石处理模式、或用于处理牙龈袋的牙床健康模式，所有这些都可能需要不同的设备设置。

上述口腔处理单元可以是电动牙刷头的部分或集成在电动牙刷头中，以便与诸如电动牙刷柄的基座单元结合使用。

图7示出了根据本发明各方面的口腔清洁设备80的示例，其中到口腔处理单元70内部的发射器线圈72的能量和信号发射路径由虚线指示。

口腔清洁设备包括如上所述的口腔处理单元70，其临时耦合到基座单元82，其包括电源84和耦合到电源并且适于产生电驱动信号的电信号产生单元86。基座单元还包括传动系/传动技术或致动器，以产生清洁所需的机械运动(未示出)。

在口腔处理单元包括发射器线圈72的情况下，如虚线所示，口腔处理单元适于临时耦合到基座单元，并且其中口腔处理单元还包括第一电接触部88，并且基座单元还包括第二电接触部90，其中当口腔处理单元耦合到基座单元时，第一电接触部和第二电接触部接触。因此，由电信号产生单元86产生的电信号被提供给口腔处理单元中的发射器线圈72，以产生将被材料结构26接收的电磁场28，以产生输出聚焦EM场30。

备选地，如果口腔处理单元不包括发射器线圈，则基座单元82可以包括发射器线圈，其与适于将电磁信号发射到口腔处理单元的电信号发生器通信。在这种情况下，由于材料结构是无源的，所以口腔处理单元与基座单元之间不需要电接触，并且口腔处理单元内不需要动力组件。

在上述示例中，已经在电动牙刷的上下文中描述了口腔清洁设备。然而，口腔清洁设备可以是任何口腔清洁设备，例如刷牙/清洁或处理牙套。

图8示出了口腔清洁设备是处理牙套100的示例，其中多个口腔处理单元115耦合并且布置为形成牙弓110。如以上参考图2和图4详细描述的，口腔处理单元115中的每个口腔处理单元包括材料结构，其适于从由位于临时耦合到口腔处理单元的基座单元135中的多个发射器线圈130提供的接收到的电磁场120产生受限电磁场。基座单元135还包括电源140和信号发生器145，如以上参考图7描述的。

图9显示了使用上述口腔清洁设备的方法200。

该方法开始于步骤210，将口腔清洁设备的口腔处理单元或多个口腔处理单元提供给用户的口腔。

在步骤220中，口腔处理单元的清洁元件被用于使用机械清洁动作来清洁用户的口腔，并且将电磁信号发射到口腔处理单元的材料结构，从而在用户的口腔牙床或牙齿附近产生聚焦的射频电磁场，以辅助清洁过程。

在上述示例中，口腔清洁单元的材料结构适于仅对接收到的电磁场执行无源电磁聚焦功能。在口腔处理领域中，聚焦的电磁场优选地在射频范围内。因此，上述示例可以适于接收具有在射频范围内的频率的电磁场，并且具体地，材料结构或材料结构的单元格可以适于聚焦和限制具有射频范围内的频率的电磁场。

然而，在射频范围内具有无源电磁场聚焦功能的材料结构或单元格，其具有适当尺寸和形状因子以在口腔处理设备中使用，可能难以制造并且成本高昂。

遵循上述长度分数公式，适于聚焦具有在1MHz至300GHz范围内的频率的电磁场，其中单元格尺寸在0.5μm至150mm之间的超材料可以用传统设计技术设计，或者用先进设计技术设计为小到0.07μm至21mm，这是口腔处理设备的可接受范围，例如放置在牙刷的刷头或牙套的牙弓中。

对于超材料，在高电磁频率范围中而不是在低电磁频率范围中使用电磁场的优势包括形状因子减小和适合口腔处理设备内部的可能的超材料设计的范围更广；然而，在更高频率下操作的EM场可能不适合口腔保健应用。

因此，发明人认识到，除了上述口腔处理单元、基座单元及其组合的特征和功能之外，口腔处理单元还可以包括适于接收具有例如GHz频率范围内的初始频率的电磁场并且输出例如射频范围内的MHz频率范围内的聚焦电磁场的电磁场聚焦元件。电磁场聚焦元件包括第一材料结构，诸如上述那些材料结构，其中第一材料结构具有第一无源电磁场聚焦功能，其限制以初始频率在距第一材料结构的给定距离处接收到的电磁场，执行第一材料结构的近场区域中的衰减率控制功能或对电磁场的传播方向修改功能一项或多项。然后，电磁场聚焦元件通过调制功能来调制电磁场，从而产生调制的受限电磁场。

电磁场聚焦元件和调制功能可以以多种方式实现，下面描述其中的一些示例。应当注意，下面描述的口腔处理单元可以并入上述任何系统中。

调制功能可以适于调制受限电磁场的频率、幅度和相位中的一项或多项。在特定示例中，调制功能包括频率下移功能，其调制受限电磁场的初始频率，从而产生调制的受限电磁场，其具有低于初始频率的期望频率范围内的调制频率。

在一个示例中，电磁场聚焦元件可以包括非线性电子组件，诸如二极管、多个二极管、MIM器件(其是具有背靠背二极管功能的金属-绝缘体-金属器件)、晶体管或无源晶体管，适于对接收到的电磁场执行频率调制功能。

图10示出了根据本发明的一个方面的用于处理用户口腔的口腔处理单元300的示意图。口腔的处理可以包括例如清洁任何用户的牙齿、牙床或舌头。

如在前面的示例中，口腔处理单元300包括耦合到口腔处理单元的压盘22和一个或多个清洁元件24。如上所述，压盘被限定为用于容纳各种组件以形成设备或设备的子单元的底座件，其可以根据所需实现整形。例如，压盘可以是平的或弯曲的。口腔处理单元可以形成任何适当的口腔处理设备的部分，例如刷牙牙套。在图10所示的示例中，口腔处理单元可以是牙刷头的部分，例如电动牙刷，并且清洁元件是牙刷刷毛。下面将进一步描述备选的口腔处理单元和清洁元件。

在图10所示的示例中，口腔处理单元300还包括电磁场聚焦元件302，其适于接收具有初始频率的电磁场304并且输出聚焦的、调制的电磁场306。电磁场聚焦元件302包括材料结构308，其包括多个单元格，适于接收电磁场并且输出聚焦的电磁场306。该材料结构具有无源电磁聚焦功能，其通过场衰减控制，或者备选地，通过重定向传播的电磁波，将接收到的电磁场聚焦在材料结构的近场区域，从而促进负折射和电磁场聚焦。

此外，电磁场聚焦元件302包括机械致动器310，诸如电容式微机械超声换能器(CMUT)、铁电聚合物致动器、电活性聚合物、振动器或数字反射镜设备，用于执行调制功能，其中机械致动器适于向第一材料结构308施加机械振荡。由机械致动器施加在第一材料结构上的机械振荡使材料结构或材料结构的单元格的内部谐振，以根据机械振荡的频率移位。以这种方式，受限电磁场的频率、幅度或相位可以根据机械振荡的频率进行调制。例如，可以通过提供两个机械振荡器来调制受限电磁场的相位，每个机械振荡器在第一材料结构上施加机械振荡。

在实践中，位于如上所述的口腔处理单元或耦合的基座单元中的一个或多个发射器线圈用于产生和辐射高频电磁场，例如在GHz范围内，其中两个频率分量彼此非常接近。该电磁场冲击耦合到机械致动器310或包括集成到机械致动器本身的超材料的混合部件的材料结构308。材料结构的作用是通过控制在产生消逝场的情况下的衰减率或在产生后向波的情况下的焦点距离来修改电磁场。机械致动器可以在MHz范围内操作，并且修改组成材料结构的单元格的内部谐振，从而提供对由材料结构限制的电磁场的调制。

换言之，可以机械地驱动一个或多个超材料单元，以实现例如在MHz范围内的低频、电磁场控制和受控距离处的聚焦。例如通过设计或者通过包括附加的电子二极管组件，机械致动器可以具有非线性性能。

适合的机械致动器可以包括压电元件，因为这些晶体致动器是能够在所需的频率范围，即射频、MHz范围内振动的数个固态(非MEMS)致动器中的一个致动器。例如，可以将压电致动器阵列放置在材料结构下并且以所需的MHz频率致动。

对于标准机械致动器，除非致动器足够大，否则线性致动距离可能比要求的要小。因此，电磁场聚焦元件的形状因子可以大于并入口腔处理单元中的理想形状因子。然而，具有非常紧凑的形状的机械致动器是可用的，例如包括薄衬底上的薄压电层的双层结构的弯曲型致动器。具体地，在弯曲型致动器中，通过垂直于致动器的弯曲来实现大的致动距离，这是由于与固定衬底相比，压电层的线性膨胀小得多。

材料结构308位于距发射器线圈地固定距离处，并且材料结构的线圈环和单元格可以彼此平行并且在一个平面内同轴对准，以有效地将电磁场耦合到材料结构中。材料结构使场泄露最小化，并且提供聚焦于牙齿或牙床组织的可控电磁场，而耦合到电磁超材料的机械致动器提供信号调制以传递可控的调制电磁场。

如以上参考图4描述的示例中，材料结构还可以并入清洁元件中。

备选地，机械致动器310可以包括微电子机械系统(MEMS)倾斜运动设备，诸如数字镜设备(DMD)，其使用由电极产生的静电力来控制小镜子的位置。作为MEMS设备，DMD可以定位在材料结构的下方以形成非常薄的形状因子的电磁场聚焦元件，其可以并入口腔处理单元的压盘中。

材料结构可以由DMD支撑，或者备选地沉积在DMD的顶部，并且通过使镜子快速前后倾斜来实现以MHz频率振动。

图11示出了包括如上所述的电磁场聚焦元件325的口腔处理单元320的示例，其中机械致动器330包括CMUT单元，其具有膜335，其中第一材料结构部分地或完全地并入膜中。

混合meta-CMUT单元包括超材料单元格并且能够用于弯曲型机械致动，其可以适于具有非线性致动，例如通过设计或通过附加的电子二极管组件。将材料结构并入CMUT的膜中的原理可以应用于任何适合类型的基于弯曲的致动器，例如CMUT单元、铁电聚合物或电活性聚合物(EAP)。

如上所述，向材料结构施加的机械振荡通过使单元格的内部谐振的移位来调制电磁场。

图12示出了具有包括第一材料结构350和第二材料结构355的电磁场聚焦元件345的口腔处理单元340的示例。

如上所述，第一材料结构具有第一无源电磁场聚焦功能。类似地，第二材料结构具有第二无源电磁场聚焦功能，并且第一和第二聚焦功能可以被调谐以分别作用于不同的频率，诸如接收到的电磁场的第一和第二频率分量。

例如，可以使用一个或多个发射器线圈来产生和辐射高频电磁场，例如在GHz范围内，其中两个频率分量彼此非常接近。第一和第二材料结构内的这两个频率分量的组合，利用内部非线性，导致外差，也称为频率混合。电磁场聚焦元件内的第一和第二材料结构限制和聚焦混合以形成调制电磁场的两个频率分量中的每个频率分量的电磁输出场306，通过产生具有可控衰减率的消逝场，或者通过例如通过反向波产生来修改电磁波的传播方向，从而提供深度聚焦距离控制。

换言之，口腔处理单元可以包括两个材料结构，每个由一个或多个单元格组成，其被设计成以接收到的电磁场的两个频率分量中的一个频率分量为目标，其彼此相邻地堆叠并且提供例如在射频范围内的低频、电磁场限制和聚焦。

通过第一材料结构将电磁场的第一频率分量限制在电磁场聚焦元件内，并且通过第二材料结构将第二频率分量限制在电磁场聚焦元件内，在两个频率分量之间发生频率混合，从而产生频率低于各个频率分量的调制电磁场。

此外，以不同频率调谐的材料结构的堆叠可以作为延迟线操作，并且被用来产生作用于电磁场的新的时域波形，例如用于传递具有占空比的电磁脉冲的方波。

备选地，不是包括适于对电磁场的第一频率分量操作的第一材料结构和适于对电磁场的第二频率分量操作的第二材料结构的电磁场聚焦元件，而是包括适于对第一和第二频率分量两者操作的单个材料结构的电磁场聚焦元件可以实现相似的结果。

换言之，材料结构可以具有第一无源电磁场聚焦功能和第二无源电磁场聚焦功能，其中第一无源电磁场聚焦功能作用于接收到的电磁场的第一频率分量，并且第二无源电磁场聚焦功能作用于接收到的电磁场的第二频率分量。

图13示出了能够对电磁场的第一频率分量和第二频率分量进行操作的材料结构的单元格360的示例。单元格360包括中心导体365、第一导体370和第二导体375。从图13可以看出，第一和第二导体在自身之间和与中心导体之间具有不同的间距，这意味着单元格将具有两个不同的内部谐振频率，一个用于第一导体(作用于第一频率分量)，并且另一个用于第二导体(作用于第二频率分量)。

在该示例中，由于材料结构将第一频率分量和第二频率分量两者限制在第一材料结构内，因此将在两个频率分量之间发生频率混合，从而产生具有低于各个分量的频率的调制电磁场。

图14示出了使用包括如上所述的电磁场聚焦元件的口腔清洁设备的方法400。

该方法开始于步骤410，通过将口腔清洁设备的口腔处理单元或多个口腔处理单元提供给用户的口腔。

在步骤420中，口腔处理单元的清洁元件被用于使用机械清洁运动来清洁用户的口腔，并且初始电磁场被发送到口腔处理单元的电磁场聚焦元件，从而在用户的口腔的牙床或牙齿附近产生聚焦的调制电磁场，以辅助清洁过程。

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