口腔处理设备的制作方法

1.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：

2.口腔清洁和卫生领域正在不断发展，特别是在电动牙刷和诸如咬嘴(mouthpiece)、组合式刷洗和牙线清洁设备或冲洗器的其它口腔清洁设备的领域正在不断发展。
3.一种这样的发展包括生成接近用户牙齿和牙龈的射频(rf)电磁场(在本文中被称为rf场)的装置。
4.图1示出了现有口腔处理单元10的简化示例的仿真结果，口腔处理单元10包括：非导电的电介质阻挡件12；第一rf电极13；以及第二rf电极14。
5.在使用中，射频范围内的电信号被提供给第一和第二rf电极，从而在两个电极之间生成rf场15。由于rf场线不能通过非导电阻挡件12，所以rf场围绕电介质阻挡件成形，并且被重定向/偏转朝向用户的牙齿和牙龈。
6.换言之，图1的示例使用三个元件来传递rf场：两个暴露的金属导体和一个绝缘体，以及将电磁场成形和重定向为接近牙齿所需的非导电阻挡件。
7.然而，图1所示的实施例需要许多单独的电动部件，从而增加了制造的复杂性，并且需要将暴露的金属电触点定位在用户的口部内，后者由于口腔中机械尖锐和电激活的暴露元件而导致更高的受伤或口部内不适的风险。此外，现有的解决方案仅提供了对rf场限制的粗略控制，并且易于出现辐射形式的电磁能量泄漏。
8.因此，需要如下的装置，在不需要将暴露的金属触点定位在口腔内的情况下，该装置使用减少数量的部件来生成具有改进的限制和聚焦的rf场。
9.此外，在用户的牙齿和牙龈附近生成射频(rf)电磁场(在本文中被称为rf场)的装置受到尺寸限制，以舒适地配合在口腔中。
10.因此，还需要使用具有减小的形状因数的部件来生成经限制的rf场，以定位在口腔内的装置。
11.us 10201701公开了在手柄部分中具有rf发生器的口腔清洁设备，该rf发生器将rf能量传递到刷头上靠近刷毛的电极。


技术实现要素：

12.本发明由权利要求来限定。
13.根据本发明的一个方面的示例，提供了口腔处理单元，该口腔处理单元用于限制具有在100khz至300mhz范围内的频率的电磁场并且适于插入用户的口腔中，该口腔处理单元包括：
14.第一清洁元件，其被耦合到口腔处理单元或集成在口腔处理单元中；以及
15.材料结构，其耦合到口腔处理单元或集成在口腔处理单元中，该材料结构适于接收初始电磁场并输出经聚焦的电磁场，其中材料结构具有无源电磁场聚焦功能，该功能将所接收的初始电磁场限制在材料结构的近场区域中。
16.材料结构具有以下项中的一个或多个：
17.负或接近零的有效介电常数；
18.负或接近零的有效磁导率；以及
19.负或接近零的折射率。
20.口腔处理单元提供了将例如具有射频(rf)范围内的频率的电磁场聚焦在材料结构的近场区域内，从而通过在用户的牙齿或牙龈区域中产生经限制的电磁(em)场，而帮助清洁用户的口部的装置。
21.以这种方式，在在口腔处理单元内不需要接触用户口部的电介质阻挡件或任何暴露的电导体的情况下，可以生成经聚焦的em场。
22.此外，由于聚焦功能是材料结构的性质，因此可以根据口腔处理单元的任何给定实现方式来调整em场的形状和聚焦。
23.在一个实施例中，材料结构包括多个单位单元，并且可选地其中多个单位单元被布置为阵列。
24.以这种方式，如果单位单元的尺寸远小于所施加的em场的波长，则材料结构充当单个元件，该单个元件的整体电磁性质对该em场进行修改，并且所得到的em场的限制、分布和成形由单位单元内的单独性质的均匀化产生。
25.在一个实施例中，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一部分或全部。
26.以这种方式，材料结构可以有助于机械清洁动作和em场限制或成形，从而执行双重功能。
27.在一个实施例中，单位单元包括：
28.平面导电螺旋结构；或者
29.平面导电环形结构；或者
30.平面导电曲折线结构；或者
31.3d导电螺旋结构；或者
32.3d导电环形结构；或者
33.3d导电曲折线结构。
34.以这种方式，由材料结构接收的em场可以被转换为倏逝波。
35.在一个实施例中，材料结构包括：
36.第一单位单元，其适于接收并且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
37.第二单位单元，其适于接收并且聚焦具有在第二频率范围内的第二频率的第二电磁场，第二频率范围不同于第一频率范围。
38.以这种方式，可以在不需要激活不同设备操作模式的情况下，提供具有不同频率的多个em场。
39.在一个实施例中，口腔处理单元还包括一个或多个发射器线圈，其适于生成待由
材料结构接收的初始电磁场。
40.在一个实施例中，口腔处理单元还包括多谐波发射器线圈，其适于生成：待由第一单位单元接收的在第一频率范围内的第一电磁场以及待由第二单位单元接收的在第二频率范围内的第二电磁场。
41.在一个实施例中，口腔处理单元还包括：适于生成具有在第一频率范围内的第一频率的电磁场的第一发射器线圈、和适于生成具有在第二频率范围内的第一频率的电磁场的第二发射器线圈。
42.在一个实施例中，发射器线圈的线圈回路和单位单元的螺旋结构是平行的和/或被同轴地对准。
43.以这种方式，发射器线圈和单位单元或材料结构之间的耦合被改进。
44.根据本发明的一个方面的示例，提供了用于与上述口腔处理单元组合使用的基部单元，基部单元包括：
45.电力源；
46.电信号生成单元，其被耦合到电力源并且适于生成具有给定频率范围内的频率的电信号；以及
47.与电信号发生器通信的一个或多个发射器线圈，其适于生成具有在给定频率范围内的频率的至少一个电磁场并将至少一个电磁场传输到口腔处理单元。
48.根据本发明的一个方面的示例，提供了用于与上述口腔处理单元组合使用的基部单元，基部单元包括：
49.电力源；
50.电信号生成单元，其被耦合到电力源并且适于生成具有给定频率范围内的频率的电驱动信号，电驱动信号被馈送到口腔处理单元的发射器线圈。
51.根据本发明的一个方面的示例，提供了口腔清洁设备，其包括：
52.一个或多个如上所述的口腔处理单元；以及
53.如上所述的基部单元，其中口腔处理单元适于临时耦合到基部单元。
54.根据本发明的一个方面的示例，提供了口腔清洁设备，其包括：
55.一个或多个如上所述的口腔处理单元；
56.如上所述的基部单元；以及
57.其中口腔处理单元适于临时耦合到基部单元，并且其中口腔处理单元进一步包括第一电触点并且基部单元进一步包括第二电触点，其中当口腔处理单元被耦合到基部单元时，第一电触点和第二电触点接触。
58.在一个实施例中，口腔处理单元是电动牙刷头部或者电动牙刷头部的一部分，其中电动牙刷头部可选地包括流体发射喷嘴，并且其中基部单元是电动牙刷手柄，或者上述口腔处理单元中的一个或多个被布置为形成口腔处理咬嘴的刷弓的至少一部分，并且其中基部单元是电动咬嘴手柄。
59.根据本发明的另一方面的示例，提供了口腔处理单元，其用于限制和调制具有在1mhz至300ghz范围内的频率的电磁场，口腔处理单元适于插入用户的口腔中，口腔处理单元包括：
60.第一清洁元件，其被耦合到口腔处理单元或者集成在口腔处理单元中；以及
61.电磁场聚焦元件，其被耦合到口腔处理单元或者集成在口腔处理单元中，该电磁场聚焦元件适于接收具有初始频率的电磁场并且输出经聚焦的电磁场，其中该电磁场聚焦元件包括第一材料结构，其中该第一材料结构具有第一无源电磁场聚焦功能，其通过执行以下各项中的一项或多项来将所接收的电磁场限制在距第一材料结构的给定距离的位置处：
62.第一材料结构的近场区域中的衰减率控制功能；或者
63.对电磁场的传播方向进行修改的功能；以及
64.其中该电磁场聚焦元件具有对经限制的电磁场进行调制由此生成经调制的电磁场的调制功能。
65.包括电磁场聚焦元件的口腔处理单元提供了将入射电磁场调制到期望频率范围(诸如射频范围)的装置。
66.具有在射频范围内的频率的电磁场对于口腔处理应用是期望的；然而，例如，由于材料结构形状因数或制造成本，具有针对射频而调谐的无源电磁场聚焦功能的材料结构可能不适用于口腔处理应用。具有针对大于射频(诸如ghz频率)的频率而调谐的无源电磁场聚焦功能的材料结构可以使用常规制造技术被制造为较小形状因数，从而降低制造成本；然而，频率在ghz范围内的电磁场对于口腔处理应用并不总是最佳的。
67.因此，通过为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材料结构，材料结构被调谐来聚焦和限制高电磁频率范围(诸如ghz频率范围)中的电磁场，并且调制功能可以调制经聚焦的em场的频率来将频率转换到射频范围中，以用于口腔处理。
68.在一个实施例中，调制功能包括降频功能，其对经限制的电磁场的初始频率进行调制，从而生成经调制的、经限制的电磁场，该经调制的、经限制的电磁场具有在低于初始频率的期望频率范围内的调制频率。
69.以此方式，经限制的em场的初始频率(例如可以是在ghz范围内)可以被向下移位到期望的频率范围，诸如射频范围。
70.在一个实施例中，调制功能适于调制以下项中的一个或多个：
71.经限制的电磁场的频率；
72.经限制的电磁场的振幅；以及
73.经限制的电磁场的相位。
74.以这种方式，初始em场可以根据应用、以任何期望的方式调制。
75.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向第一材料结构施加机械振动，并且可选地，其中机械致动器包括以下项中的一个或多个：
76.cmut；
77.电活性聚合物；
78.铁电聚合物致动器；
79.压电致动器；
80.压电弯曲致动器；以及
81.mems倾斜运动设备。
82.材料结构的无源电磁场聚焦功能由材料结构的内部谐振来控制。通过借助机械致动器向材料结构提供机械振荡，可以基于机械振荡的频率来调制材料结构的内部谐振。例如通过设计或通过包括附加的电二极管部件，机械致动器可以具有非线性性能。
83.在一个实施例中，机械致动器包括柔性部件(335)，并且其中第一材料结构被并入机械致动器中。
84.以此方式，机械致动单元和材料结构可以被形成为单个部件，以执行信号调制功能和电磁场聚焦功能两者。
85.在一个实施例中，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所接收的电磁场的第一频率分量，而第二无源电磁场聚焦功能作用于所接收的电磁场的第二频率分量。
86.以此方式，第一和第二频率分量均可以被聚焦和限制在第一材料结构内，从而引起频率混合(也被称为外差)的发生，从而调制所接收的电磁场的频率。
87.在一个实施例中，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所接收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所接收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被布置为：使得经聚焦的第一频率分量和经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内，由此使得在所接收的电磁场的经聚焦的第一频率分量和所接收的电磁场的经聚焦的第二频率分量之间发生频率混合，由此执行频率调制功能。
88.以此方式，第一频率分量和第二频率分量均可以被聚焦和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)发生，从而调制所接收的电磁场的频率。
89.在一个实施例中，第一材料结构和/或第二材料结构具有时间延迟功能，这使得时域波形被赋予在经聚焦的电磁场上。
90.以这种方式，时域波形可以被施加在电磁场上，例如以传递具有给定占空比的一系列经聚焦的电磁脉冲。
91.在一个实施例中，电磁场聚焦元件包括非线性电子部件，非线性电子部件适于对所接收的电磁场执行频率调制功能，并且可选地其中非线性电子部件包括以下各项中的一项或多项：
92.二极管；
93.多个二极管；
94.mim器件；
95.晶体管；以及
96.无源晶体管。
97.在一个实施例中，口腔处理单元还包括一个或多个发射器线圈，其适于生成由电磁场聚焦元件接收的电磁场。
98.根据本发明的一个方面的示例，提供了用于与上述口腔处理单元组合使用的基部单元，基部单元包括：
99.电力源；
100.电信号生成单元，其被耦合到电力源并且适于生成具有给定频率范围内的频率的
电信号；以及
101.与电信号发生器通信的一个或多个发射器线圈，其适于生成具有在给定频率范围内的频率的至少一个电磁场并将至少一个电磁场发射到口腔处理单元。
102.根据本发明的一个方面的示例，提供了用于与上述口腔处理单元组合使用的基部单元，基部单元包括：
103.电力源；
104.电信号生成单元，其被耦合到电力源并且适于生成具有给定频率范围内的频率的电驱动信号，电驱动信号被馈送到口腔处理单元的一个或多个发射器线圈。
105.根据本发明的一个方面的示例，提供了口腔处理设备，其包括：
106.一个或多个如上所述的口腔处理单元；以及
107.如上所述的基部单元，其中口腔处理单元适于临时耦合到基部单元。
108.根据本发明的一个方面的示例，提供了口腔处理设备，其包括：
109.一个或多个如上所述的口腔处理单元；
110.如上所述的基部单元；以及
111.其中口腔处理单元适于临时耦合到基部单元，并且其中口腔处理单元进一步包括第一电触点并且基部单元进一步包括第二电触点，其中当口腔处理单元被耦合到基部单元时，第一电触点和第二电触点接触。
112.根据本发明的一个方面的示例，提供了如上所述的口腔清洁设备，其中：
113.口腔处理单元是电动牙刷头部或者电动牙刷头部的一部分，其中电动牙刷头部可选地包括流体发射喷嘴，并且其中基部单元是电动牙刷手柄，或者
114.口腔处理单元被布置为形成口腔处理咬嘴的刷弓的至少一部分，并且其中基部单元是电动咬嘴手柄。
115.参考下文描述的(多个)实施例，本发明的这些和其它方面将变得显而易见。
附图说明
116.为了更好地理解本发明，并且为了更清楚地示出如何实现本发明，现在将仅通过示例的方式参考附图，其中：
117.图1是现有口腔处理单元的仿真结果的示例的示意图；
118.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；
119.图3a示出了图2所示的材料结构的示例单位单元的示意图；
120.图3b示出了用于图3a的单位单元的对应r－l－c等效谐振电路；
121.图4示出了根据本发明的一个方面的口腔处理单元的另一示例；
122.图5示出了根据本发明的一个方面的口腔处理单元的另一示例；
123.图6示出了根据本发明的一个方面的口腔处理单元的另一示例；
124.图7示出了根据本发明的各方面的口腔清洁设备的示例；
125.图8示出了口腔清洁设备是清洁或处理咬嘴的示例；
126.图9示出了使用根据本发明的一个方面的口腔清洁设备的方法；
127.图10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示例。
128.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示例；
129.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；
130.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位单元的示例；以及
131.图14示出了使用根据本发明的另一方面的口腔清洁设备的方法。
具体实施方式
132.将参考附图来描述本发明。
133.应当理解，详细描述和特定示例虽然指示了装置、系统和方法的示例性实施例，但是仅用于例示的目的，而不旨在限制本发明的范围。本发明的装置、系统和方法的这些和其它特征、方面和优点将从以下描述、所附权利要求和附图中变得更好理解。应当理解，附图仅是示意性的并且没有按比例绘制。还应当理解，在所有附图中使用相同的附图标记来指示相同或相似的部件。
134.本发明提供了口腔处理单元或者多个口腔处理单元的组件，其用于限制具有在100khz到300mhz范围内的频率的电磁场并且适于插入到口腔中，该口腔处理单元或者多个口腔处理单元的组件可以与基部单元组合形成口腔清洁设备的一部分，基部单元包括与口腔处理单元耦合的第一清洁元件。口腔处理单元还包括与口腔处理单元耦合的材料结构，该材料结构适于接收初始电磁场并输出经聚焦的电磁场，其中材料结构具有无源电磁场聚焦功能，该无源电磁场聚焦功能将所接收的初始电磁场聚焦在材料结构的近场区域中。
135.本发明的另一方面提供了口腔处理单元或者多个口腔处理单元的组件，其用于限制和调制具有在1mhz到300ghz范围内的频率的电磁场并且适于插入到口部中，该口腔处理单元或者多个口腔处理单元的组件可以与基部单元组合而形成口腔清洁设备的一部分，该基部单元包括与口腔处理单元耦合的第一清洁元件。口腔处理单元还包括电磁场聚焦元件，其适于接收具有初始频率的电磁场并输出经聚焦的电磁场。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，第一材料结构通过执行以下各项中的一项或多项来将经调制的电磁场限制在距第一材料结构给定距离的位置处：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进行修改的功能。电磁场聚焦元件具有调整功能，其对经限制的电磁场进行调制，从而生成经调制的电磁场。
136.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清洁用户的牙齿、牙龈或舌部中的任一个。
137.口腔处理单元20包括压板22，其被定义为基础件，该基础件用于接收可以根据期望的实现方式成形的各种部件，以形成设备或设备的子单元。例如，压板可以是平的或弯曲的。口腔处理设备包括与口腔处理设备耦合的一个或多个清洁元件24。口腔处理单元可以形成任何合适的口腔处理设备的一部分，诸如咬嘴。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)的头部的一部分，并且清洁元件是牙刷刷毛。以下进一步描述备选的口腔处理单元和清洁元件。
138.口腔处理单元20还包括材料结构26，该材料结构26包括多个单位单元、被耦合到口腔处理设备并且适于接收电磁场28并输出经聚焦的电磁场30。材料结构具有无源射频聚焦功能，该无源射频聚焦功能将所接收的射频信号聚焦在材料结构的近场区域中。
139.材料结构是所谓的超材料(metamateiral)的示例，更具体地，是电磁超材料。使用
计算建模和算法设计过程，可以设计出具有可剪裁和外来电磁性质的电磁超材料，诸如：负或接近零的有效介电常数；负或接近零的有效磁导率；以及负或接近零的折射率。
140.超材料是一种新兴技术并且被定义为受其结构(即，一种或多种材料和单位单元的几何布置)控制而不是受其组成控制的工程材料。超材料可以被设计为使得能够实现在自然存在的材料中不可获得的特征，诸如负折射率。诸如材料结构26的超材料可以由单位单元的阵列组成，单位单元的特征尺寸远小于如以下进一步讨论的本文所述的器件所利用的信号波长。以下参考图3来讨论关于材料结构的示例单位单元的细节。
141.通过根据期望的电磁场聚焦功能来定制超材料有效性质，电磁波和/或场可以通过吸收、阻挡、增强、弯曲或反射电磁波而被操纵。
142.电磁超材料可以表现出负的或接近零的有效磁导率、负的或接近零的有效介电常数、或负的或接近零的折射率，这在材料结构的介电常数和磁导率同时均为负时发生。
143.通常，电磁(em)场聚焦需要负折射率。在em场具有低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，该近场被限定为与源相距的距离小于一个波长的位置。此外，只有一个有效的电磁性质需要是负的，因为这足以增强倏逝波(evanescent wave)来创建经聚焦的rf电磁场。另外，在低频准静态限制中，即，对于低mhz范围内的频率，电场和磁场大部分被去耦，从而简化了材料要求。
144.本发明感兴趣的em场可以具有宽范围的频率，诸如从射频(rf)范围到微波，例如从100khz－300ghz，波长通常是比较长，在米的范围内，该波长对于诸如口腔清洁设备的小型设备特别大。因此，超材料的单位单元可以朝向针对深亚波长区域的尺寸而被小型化。2000至14400的波长与单位单元尺寸比目前是可能的，使得能够实现适合于口腔护理设备的小型化紧凑rf超材料结构。
145.图3a示出了图2所示的材料结构的平面图和截面图41中的示例单位单元40的示意图。图3b示出了针对图3a的单位单元40的对应r－l－c等效谐振电路50的简化版本。
146.图3a所示的单位单元40的特性由若干特性尺寸来限定。这些特性尺寸是：导电路径42的宽度、导电路径之间的间隔以及中心电容焊盘44的边长，中心电容焊盘44可以借助电介质层45的整个厚度而被连接到电介质层的底部处的第二中心电容焊盘44(未示出)。在一些示例中，中心电容焊盘44可以不延伸穿过电介质层45的整个厚度。超材料的em场成形和聚焦效应是由负有效电磁参数(诸如该由单位单元内的内部谐振引起的，负磁导率)导致的。内部谐振由单位单元设计限定，其可等效地视为图3b中所示的谐振r－l－c电路，其中电感和电容是单位单元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。影响单位单元的内部谐振的附加几何参数包括：匝数、矩形线圈的边长、单位单元尺寸和单位单元的不同层之间的距离。
147.此外，如截面视图41所示，单位单元可以包括电介质层45。电介质层可以由任何合适的电介质材料形成。在一个示例中，电介质层可以包括玻璃增强型环氧层压材料。
148.图3b所示的r－l－c电路对应于单位单元设计的准静态表示。电感l由螺旋体的自感给出；电容c对应于由平行侧壁(相邻匝)之间的总分布电容之和给出的等效电容，并且对应于垂直电容器，该垂直电容器由单位单元中的两个方形导电焊盘形成；并且电阻器r对应于如下的总电阻，该总电阻由集肤效应引起的电阻、由涡流引起的邻近损耗、金属迹线的薄层电阻和介电损耗之和给出。诸如非相邻侧壁之间的电容耦合的高阶效应可以被假定为可
忽略。
149.图3a所示的单位单元是平面螺旋谐振器的示例，其属于表现出负的或接近零有效磁导率的超材料组；然而，也可以实现负的或接近零的介电常数，或者负的或接近零的折射率。该类型的针对rf频率范围信号的深亚波长超材料设计的示例可以具有a～λ0/2000量级的单位单元尺寸a，其中λ0是自由空间波长，并且a是单位单元特性尺寸。在3mhz和300ghz之间的范围内的射频的自由空间波长处于1毫米到100米的量级。在对上述长度进行分数化(λ0/2000)之后，可以设计单位单元尺寸在0.5μm－50mm范围内的超材料，这对于口腔清洁设备(例如在牙刷的压板或咬嘴的全拱形内)是可接受的范围。根据λ0/14400的最新制造技术，甚至更小的单位单元尺寸可以设计在0.07μm－7mm的范围内。
150.具有负的或接近零的介电常数ε、和/或负的或接近零的磁导率μ、和/或负的或接近零的折射率的上述材料结构或超材料被认为是无源元件。通过结构设计，所发射rf场(该rf场由材料结构接收、由此穿过超材料)产生倏逝波(即，振荡电场和/或磁场)、或者在如下进一步讨论的频率在ghz范围内的的情况下产生重定向的传播波，该倏逝波不作为电磁波传播，但是其能量在空间上集中，特别是在材料结构的近场区域内集中。
151.如上所述，超材料利用内部谐振单位单元作为构造块。超材料中的潜在物理现象由内部谐振与入射电磁波之间的相互作用、以及单位单元之间的呈信号干射的形式的相互作用引起。这两种相互作用的组合产生了带隙，即，在其中发生倏逝波的频带，促进了波的衰减。仅具有一个谐振器(单位单元)来仅提供局部衰减(仅在特定频率处的模态耦合)。通过谐振器的集合布置生成全局衰减，并且因此带隙和对应的倏逝波被生成。
152.本文所讨论的材料结构内的单位单元可以1d、2d或3d周期性排列来布置，以形成单位单元的规则阵列。
153.通常，被称为计算机模型的计算仿真可以被用于设计和测量所提出的超材料的有效性质。使用诸如薄膜制造工艺、增材制造和印刷电路板光刻的可商购标准制造技术，可以以直接的方式来制造计算机内设计的材料。
154.此外，具有某些目标性质的超材料可以使用诸如机器学习的现有设计过程来设计，现有设计过程可以被用于从头开始探索大的参数化设计空间，并且甚至设计超材料结构。另外，试验和误差参数探测方法可以被用于优化给定约束集内的设计，诸如具有一些可调整参数的初始超材料重复单元的设计。
155.包括3d打印的新制造技术使得能够快速且廉价地生产具有复杂内部结构的材料，该材料包括电磁超材料。
156.简要地返回到图2，通过例如由如上所述的单位单元阵列实现的聚焦功能，包括如上所述的材料结构26的口腔处理单元20提供对所接收的射频信号28进行成形和聚焦的装置。换言之，材料结构26可以将传播的电磁场28转换为倏逝波从而促使形成无源em场30，或者可以操纵/重定向传播的波，例如促使形成负折射并实现场聚焦30。
157.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共享的附图标记指代类似的特征。
158.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，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被布置为形成附加清洁元件62本身。
159.换言之，超材料单位单元或者包括超材料结构的附加清洁元件62可以借助并入附
加清洁元件62中的材料结构来执行如下的双重功能：第一功能是在未修改的清洁元件24(即，刷毛)旁边的机械清洁；并且第二功能是em场聚焦，该附加清洁元件62可以包括嵌入在电介质基质中的平面外细长螺旋谐振器、或者可以包括大直径(宽)聚合物清洁元件，该聚合物清洁元件具有印刷在顶层和底层上的平面螺旋超材料结构(例如刷毛)，其可以通过穿过附加清洁元件的长度的导线而连接。
160.材料结构的单位单元的基本设计可以与图3a所示的相同。然而，另外，由于超材料被直接集成在诸如刷毛、硅树脂柱、橡胶焊盘或预防杯的清洁元件中，因此清洁功能被添加到材料结构。
161.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共享的附图标记指代类似的特征。
162.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，发射器线圈72适于发射电磁场28，电磁场28将被如上所述的材料结构26接收。
163.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板内，发射器线圈可以包括单个回路或螺线管。发射器线圈可以被集成到口腔处理单元中，或者临时附接到口腔处理单元。材料结构位于距发射器线圈固定距离的位置处，固定距离通常为0.5－5mm。距离可以被调整来优化发射器线圈和材料结构之间的耦合。线圈回路和螺旋超材料可以彼此平行且同轴地面对，并且在一个平面中同轴对准，以将电磁场有效地耦合到超材料中。
164.如上所述，超材料的负的或接近零的有效性质(介电常数、折射率和磁导率)使得电磁场和能量损失最小化，并促进朝向牙齿或牙龈组织的更好的近场聚焦30。
165.图6示出了口腔处理单元75的另一示例，口腔处理单元75包括多个清洁元件76、其适于接收和限制具有第一频率范围内的第一频率的电磁场的第一单位单元阵列77、以及适于接收和限制具有第二频率范围内的第二频率的电磁场的第二单位单元阵列78，第二频率范围不同于第一频率范围。
166.换言之，口腔处理单元或材料结构可以包括多个单位单元的一个或多个阵列，每个单位单元作为适合不同操作频率的电磁场透镜来工作，从而促使形成可以在诸如牙刷和咬嘴的口腔护理设备中实现的多个操作模式。
167.在该实施例中，以多个频率发射电磁场的一个多谐波发射器线圈或者多个发射器线圈可以被并入口腔处理单元或基部单元中。
168.换言之，口腔处理单元可以包括超材料阵列，其被配置为：在允许实现针对口腔中的特定区域的多个操作模式的情况下，针对不同的谐振频率提供增强的em场限制，该特定区域诸如为牙结石、生物膜、色斑、牙龈组织、牙周袋、牙齿植入物、牙齿矫正等。以此方式，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需要不同的设备设置的、用于去除污渍的清洁模式、结石处理模式或者用于处理牙龈袋的牙龈保健模式。
169.上述口腔处理单元可以是电动牙刷头部的一部分、或者被集成在电动牙刷头部中，以与基部单元(诸如电动牙刷手柄)组合使用。
170.图7示出了根据本发明的各方面的口腔清洁设备80的示例，其中到口腔处理单元70内的发射器线圈72的能量和信号传输路径由虚线指示。
171.口腔清洁设备包括如上所述与基部单元82临时耦合的口腔处理单元70，该基部单
元82包括电力源84以及与电力源耦合并且适于生成电驱动信号的电信号生成单元86。基部单元还包括传动系/传输技术或致动器，其用于生成清洁所需的机械运动(未示出)。
172.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部单元，并且其中口腔处理单元还包括第一电触点88，并且基部单元还包括第二电触点90，其中当口腔处理单元被耦合到基部单元时，第一电触点和第二电触点接触。因此，由电信号生成单元86生成的电信号被提供给口腔处理单元中的发射器线圈72以生成电磁场28，该电磁场28将被材料结构26接收来产生输出的经聚焦em场30。
173.备选地，如果口腔处理单元不包括发射器线圈，则基部单元82可以包括与电信号发生器通信的发射器线圈，该发射器线圈适于将电磁信号发射到口腔处理单元。在这种情况下，在口腔处理单元和基部单元之间不需要电触点，并且由于材料结构是无源的，所以在口腔处理单元内不需要供电部件。
174.在上述示例中，已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，诸如刷洗/清洁或处理咬嘴。
175.图8示出了口腔清洁设备是处理咬嘴100的示例，其中多个口腔处理单元115被耦合并布置为形成弓形部110。如以上参考图2和图4详细描述的，每个口腔处理单元115包括适于从所接收的电磁场120产生经限制的电磁场的材料结构，该电磁场120由位于与口腔处理单元临时耦合的基部单元135中的多个发射器线圈130提供。基部单元135还包括如上参考图7所述的电源140和信号发生器145。
176.图9示出了使用上述口腔清洁设备的方法200。
177.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部。
178.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运动来清洁用户的口腔，并且电磁信号被传输到口腔处理单元的材料结构，从而在用户口腔的牙龈或牙齿附近生成经聚焦的射频电磁场，以帮助清洁过程。
179.在上述示例中，口腔清洁单元的材料结构适于仅对所接收的电磁场执行无源电磁聚焦功能。在口腔处理领域中，经聚焦的电磁场优选在射频范围内。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位单元可以适于聚焦和限制具有在射频范围内的频率的电磁场。
180.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位单元(该材料结构或单位单元具有用于口腔处理设备的适当尺寸和形状因数)可能难以制造且制造成本高。
181.在对上述长度进行分数化的等式之后，适于聚焦具有在1mhz至300ghz范围内的频率的电磁场、并且具有在0.5μm至150mm之间的单位单元尺寸的超材料可以使用常规设计技术来设计，或者使用高级设计技术来将该超材料设计到小至0.07μm至21mm，这对于口腔处理设备是可接受的范围，例如放置在牙刷的刷头或咬嘴的弓形部中。
182.对于超材料，在高电磁频率范围内而不是在低电磁频率范围内利用电磁场工作的优点包括：使得可能的超材料设计的形状因数减小和范围更宽，从而适于配合在口腔处理设备内部；然而，在较高频率下操作的em场可能不适用于口腔保健应用。
183.因此，本发明人已认识到，除了上述口腔处理单元、基部单元及其组合的特征和功
能之外，口腔处理单元可以包括电磁场聚焦元件，该电磁场聚焦元件适于接收具有例如在ghz频率范围内的初始频率的电磁场、并输出例如在射频范围内的mhz频率范围内的聚焦电磁场。电磁场聚焦元件包括第一材料结构，诸如上述的那些材料结构，其中第一材料结构具有第一无源电磁场聚焦功能，该第一无源电磁场聚焦功能通过以初始频率执行第一材料结构的近场区域中的衰减率控制功能、或电磁场上的传播方向修改功能中的一个或多个，将所接收的电磁场限制在距第一材料结构给定距离的位置处。电磁场聚焦元件然后通过调制功能来调制电磁场，从而生成经调制的、经限制的电磁场。
184.电磁场聚焦元件和调制功能可以以多种方式来实现，以下描述其中的一些示例。应当注意，以下描述的口腔处理单元可以并入上述任何系统中。
185.调制功能可以适于调制经限制的电磁场的频率、振幅和相位中的一个或多个。在特定示例中，调制功能包括降频功能，该降频功能调制经限制的电磁场的初始频率，从而生成经调制的、经限制的电磁场，该经调制的、经限制的电磁场具有在低于初始频率的期望频率范围内的调制频率。
186.在一个示例中，电磁场聚焦元件可以包括非线性电子部件，诸如二极管、多个二极管、mim器件(即具有背对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，该非线性电子部件适于对所接收的电磁场执行频率调制功能。
187.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用户的牙齿、牙龈或舌部中的任一个。
188.如在先前示例中，口腔处理单元300包括压板22以及与口腔处理单元耦合的一个或多个清洁元件24。如上所述，压板被限定为基础件，该基础件用于接收可以根据期望的实现方式而成形的各种部件以形成设备或设备的子单元。例如，压板可以是平的或弯曲的。口腔处理单元可以形成任何合适的口腔处理设备的一部分，诸如咬嘴。在图10所示的示例中，口腔处理单元可以是牙刷(诸如电动牙刷)的头部的一部分，并且清洁元件是牙刷刷毛。以下进一步描述备选的口腔处理单元和清洁元件。
189.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并输出经聚焦的、经调制的电磁场306。电磁场聚焦元件302包括材料结构308，材料结构308包括多个单位单元，该材料结构308适于接收电磁场并输出经聚焦的电磁场306。材料结构具有无源电磁聚焦功能，该无源电磁聚焦功能通过场衰减控制或备选地通过重定向传播的电磁波，而将所接收的电磁场聚焦在材料结构的近场区域中，从而促使形成负折射和电磁场聚焦。
190.此外，电磁场聚焦元件302包括用于执行调制功能的机械致动器310，诸如电容式微机超声换能器(cmut)、铁电聚合物致动器、电活性聚合物、振动器或数字镜设备，其中机械致动器适于向第一材料结构308施加机械振动。由机械致动器施加在第一材料结构上的机械振动引起材料结构或材料结构的单位单元的内部谐振，以根据机械振动的频率而移位。以此方式，经限制的电磁场的频率、振幅或相位可以根据机械振荡的频率而被调制。例如，经限制的电磁场的相位可以通过提供两个机械振荡器而被调制，每个机械振荡器在第一材料结构上施加机械振荡。
191.实际上，位于如上所述的口腔处理单元或耦合的基部单元中的一个或多个发射器线圈，被用于生成和辐射例如在ghz范围内的高频电磁场，其中两个频率分量彼此非常接
近。该电磁场冲击在与机械致动器310或包括集成到机械致动器本身中的超材料的混合部分耦合的材料结构308上。材料结构的作用是通过如下操作来修改电磁场：在生成倏逝场的情况下，通过控制衰减率；或者在生成反向波的情况下，通过控制聚焦距离。机械致动器可以在mhz范围内操作，并且修改构成材料结构的单位单元的内部谐振，从而提供由材料结构限制的电磁场的调制。
192.换言之，一个或多个超材料单位单元可以被机械地致动，以实现例如在mhz范围内的低频、电磁场控制和在受控距离处的聚焦。机械致动器可以例如通过设计或通过包括附加的电二极管部件而具有非线性性能。
193.合适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期望的频率范围(即，射频mhz范围)内振动的少数几种固态(非mems)致动器中的一种。例如，压电致动器阵列可以被放置在材料结构之下，并以所需的mhz频率致动。
194.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以小于所需的距离。因此，电磁场聚焦元件的形状因数可以大于并入口腔处理单元中的理想形状因数。然而，具有非常紧凑形式的机械致动器(例如包括薄衬底顶部上的薄压电层的双层结构的弯曲型致动器)是可用的。具体地，在弯曲型致动器中，大的致动距离通过垂直于致动器的弯曲来实现，弯曲由压电层的与固定衬底相比小得多的线性膨胀而引起。
195.材料结构308被定位在距发射器线圈和线圈回路固定距离的位置处，并且材料结构的单位单元可以彼此平行地面对并且在一个平面中同轴对准，以将电磁场有效地耦合到材料结构中。材料结构使得场泄漏最小化，并提供朝向牙齿或牙龈组织聚焦的可控电磁场，而与电磁超材料耦合的机械致动器提供信号调制来传递可控的、经调制的电磁场。
196.如以上参考图4所述的示例，材料结构可以被进一步并入清洁元件中。
197.备选地，机械致动器310可以包括微机电系统(mems)倾斜运动设备，诸如数字镜设备(dmd)，其使用由电极生成的静电力来控制小反射镜的位置。作为mems设备，dmd可以被定位在材料结构下方来形成非常薄的形状因数电磁场聚焦元件，该电磁场聚焦元件可以被并入口腔处理单元的压板中。
198.材料结构可以由dmd支撑，或者备选地沉积在dmd的顶部上，并且其被致使以mhz频率振动，这通过使得反射镜快速向后和向前倾斜来实现。
199.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包括具有膜335的cmut单元，其中第一材料结构被部分地或完全地并入膜中。
200.包括超材料单位单元并能够用于弯曲型机械致动的、混合元cmut单元可以适于例如通过设计或通过附加的电二极管部件而具有非线性致动。将材料结构并入cmut的膜中的原理可以被应用于任何合适类型的基于弯曲的致动器，诸如cmut单元、铁电聚合物或电活性聚合物(eap)。
201.如上所述，赋予材料结构的机械振动通过引起单位单元的内部谐振的移位来调制电磁场。
202.图12示出了具有电磁场聚焦元件345的口腔处理单元340的示例，电磁场聚焦元件345包括第一材料结构350和第二材料结构355。
203.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，并且第一聚焦功能和第二聚焦功能可以被调谐为分别作用于不同的频率，诸如所接收的电磁场的第一频率分量和第二频率分量。
204.例如，一个或多个发射器线圈可以被用于生成和辐射例如在ghz范围内的高频电磁场，其中两个频率分量彼此非常接近。在内部非线性的情况下，第一和第二材料结构内的这两个频率分量的组合导致外差，该外差也被称为频率混合。通过生成具有可控衰减率的倏逝场、或者通过修改电磁波的传播方向(例如，经由反向波生成)，电磁场聚焦元件内的第一和第二材料结构限制和聚焦针对两个频率分量(这两个频率分量混合以形成经调制的电磁场)中的每一个的电磁输出场306，从而提供深度聚焦距离控制。
205.换言之，口腔处理单元可以包括两个材料结构，由一个或多个单位单元构成的每个材料结构被设计为针对所接收的电磁场的两个频率分量中的一个，两个材料结构彼此相邻地堆叠并提供例如在射频范围内的低频、电磁场限制和聚焦。
206.通过借助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、并且借助第二材料结构将第二频率分量限制在电磁场聚焦元件内，在这两个频率分量之间发生频率混合，由此生成具有低于单独频率分量的频率的调制电磁场。
207.此外，以不同频率调谐的材料结构堆叠可以作为延迟线工作，并用于生成作用在电磁场上的新的时域波形，诸如用于传递具有占空比的电磁脉冲的方波。
208.备选地，与包括适于在电磁场的第一频率分量上操作的第一材料结构和适于在电磁场的第二频率分量上操作的第二材料结构的电磁场聚焦元件不同，包括适于在第一和第二频率分量上操作的单个材料结构的电磁场聚焦元件可以实现类似的结果。
209.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所接收的电磁场的第一频率分量，而第二无源电磁场聚焦功能作用于所接收的电磁场的第二频率分量。
210.图13示出了能够在电磁场的第一频率分量和第二频率分量上操作的材料结构的单位单元360的示例。单位单元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，第一和第二导体在它们自身和中心导体之间具有不同的间隔，这意味着单位单元将具有两个不同的内部谐振频率，一个谐振频率针对第一导体(其作用于第一频率分量)，一个谐振频率针对第二导体(其作用于第二频率分量)。
211.在该示例中，当材料结构将第一频率分量和第二频率分量限制在第一材料结构内时，在两个频率分量之间将发生频率混合，从而生成频率低于单独分量的调制电磁场。
212.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。
213.方法开始于步骤410，向用户的口部提供口腔清洁设备的口腔处理单元或多个口腔处理单元。
214.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射到口腔处理单元的电磁场聚焦元件，从而在用户口腔的牙龈或牙齿附近生成经聚焦的、经调制的电磁场，以帮助清洁过程。
215.通过研究附图、公开内容和所附权利要求，本领域技术人员在实践所要求保护的本发明时可以理解和实现所公开的实施例的变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其他元素或步骤，并且不定冠词“一(a)”或“一个(an)”不排除多个。
216.在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的事实并不表示不能有利地使用这
些措施的组合。
217.如果在权利要求或说明书中使用术语“适于”，则应注意，术语“适于”旨在等同于术语“被配置为”。
218.权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。