(57)【要約】【課題】従来の歯垢検出装置では、光源又は検出器とは歯又は歯垢との距離の影響を受けずに、歯に付着した歯垢の有無を正確に検出することが困難であった。【解決手段】本発明の歯垢検出装置は、光を試料に照射して、試料から発生する異なる波長帯の蛍光による蛍光強度比に基づいて歯垢の有無を検出する歯垢検出装置であって、異なる波長帯のそれぞれの蛍光の強度を検出する検出部と、検出部で得られたそれぞれの蛍光の強度から蛍光強度比を演算し、蛍光強度比の経時的な変化量から歯垢の有無を判定する制御部とを有することを特徴としている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を試料に照射して、前記試料から発生する異なる波長帯の蛍光による蛍光強度比に基づいて歯垢の有無を検出する歯垢検出装置であって、
前記異なる波長帯のそれぞれの前記蛍光の強度を検出する検出部と、
前記検出部で得られたそれぞれの前記蛍光の強度から前記蛍光強度比を演算し、前記蛍光強度比の経時的な変化量から歯垢の有無を判定する制御部と、を有する
ことを特徴とする歯垢検出装置。
【請求項２】
前記異なる波長帯は、歯垢に由来しない第１波長帯と、歯垢に由来する第２波長帯とである
ことを特徴とする請求項１に記載の歯垢検出装置。
【請求項３】
前記第１波長帯は、５００ｎｍから５５０ｎｍを含む波長帯であり、前記第２波長帯は、６２０ｎｍから６５０ｎｍを含む波長帯である
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の歯垢検出装置。
【請求項４】
前記試料に照射する光は３８０ｎｍから４４０ｎｍの波長帯であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一つに記載の歯垢検出装置。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の歯垢検出装置を備えた歯ブラシ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、歯に付着した歯垢から生じる蛍光を測定することにより歯垢を検出する歯垢検出装置及び歯ブラシに関する。
【背景技術】
【０００２】
歯に付着した歯垢を放置すると、歯垢中の細菌が増殖し、虫歯や歯周病の原因となる。よって、虫歯や歯周病の予防には毎日のブラッシングで歯垢を確実に除去する事が重要であり、様々な方法が提案されている。
【０００３】
歯垢の付着量をモニターすることはブラッシングが十分に行われているかを判断する方法として有効であり、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」と記載する）を産生することを利用し、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。
【０００４】
例えば、特許文献１には歯に対し波長４０６ｎｍの励起光を健康なエナメル質と、う蝕されたエナメル質に照射した際、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のピークはう蝕エナメル質に特有の蛍光発光であり、これら蛍光を計測することで健康なエナメル質か、う蝕されているエナメル質かが判断できる。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、う蝕の診断に有効なことが判る。さらに、フィルターを用いて蛍光を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を求めてう蝕を定量的評価に用いる方法が示されている。
【０００５】
特許文献２には、励起光を歯表面に照射し、歯表面から放射された蛍光を集光する歯ブラシヘッドが示されている。励起光と蛍光を同一の導波路で伝播する同軸光学系で構成されており、伝播された蛍光はダイクロイックミラーを介して歯垢に起因する波長成分の光が透過され、光検出器において検出される。検出された光強度により歯垢の有無が使用者へ伝えられ、歯垢の検出を行いながらブラッシングも行うことができる。
【０００６】
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。この特許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。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。補償プラーク値の決定は、事前の計測により式の係数を求めることで補償データを求める。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特公平６−７３５３１号公報（第１頁、図５）
【特許文献２】特表２００２−５２２１０２号公報（第１項、図１７）
【特許文献３】特表２０１３−５３５２３５号公報（第１項、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
歯に付着した歯垢が少量の場合、その部位を励起光で照射した際に得られる蛍光は歯の
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、歯由来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、それを効果的に分離して検出できる方式が求められる。また、歯垢検出装置と歯、あるいは歯垢との距離が変動すると、距離に伴い励起光の照射強度及び検出される蛍光強度も変動するため、距離の変動に関わらず歯と歯垢を分離して判別できる方式が求められる。
【０００９】
以上の観点から従来技術を見ると、特許文献１及び特許文献２の構成では、歯の表面に付着した歯垢が少量の場合、歯垢からの蛍光量が少ないため歯の自家蛍光や環境光の影響を受け、健康な歯の表面に付着したわずかな量の歯垢を検出することが難しい。また、歯、あるいは歯垢と歯垢検出装置の距離によって検出される蛍光量が変化してしまうため、歯垢の検出が難しくなる。
【００１０】
特許文献３の構成の場合、本質的には、プラーク量として歯からの自家蛍光を含めた蛍光量を計測しているため少量の歯垢の検出は難しいと考えられる。距離によるプラーク量の補償は有効であるが、事前の計測により補償式の係数を求めるため、歯ブラシに組み込んだ場合の個体差や、使用環境、歯ブラシと歯の位置関係などで誤差が生じる可能性が残る。また、蛍光材を必要とするため、煩わしさがある。
【００１１】
以上のように、従来の技術では少量の歯垢を、歯垢検出装置と歯、あるいは歯垢の距離に依存せず確実に検出できる方法がない。本発明は、少量の歯垢を確実に検出でき、しかも装置と歯の距離の影響を受けない歯垢検出装置及び歯ブラシを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するため本発明の歯垢検出装置及び歯ブラシは、下記記載の構成を採用する。
【００１３】
本発明の歯垢検出装置は、光を試料に照射して、試料から発生する異なる波長帯の蛍光による蛍光強度比に基づいて歯垢の有無を検出する歯垢検出装置であって、異なる波長帯のそれぞれの蛍光の強度を検出する検出部と、検出部で得られたそれぞれの蛍光の強度から蛍光強度比を演算し、蛍光強度比の経時的な変化量から歯垢の有無を判定する制御部とを有することを特徴としている。
【００１４】
異なる波長帯は、歯垢に由来しない第１波長帯と、歯垢に由来する第２波長帯とであることが好ましい。
【００１５】
第１波長帯は、５００ｎｍから５５０ｎｍを含む波長帯であり、第２波長帯は、６２０ｎｍから６５０ｎｍを含む波長帯であることがより好ましい。
【００１６】
試料に照射する光は３８０ｎｍから４４０ｎｍの波長帯であることが好ましい。
【００１７】
本発明の歯垢検出装置は、歯ブラシに搭載することも可能である。
【発明の効果】
【００１８】
以上のように、本発明によれば、試料からの蛍光を異なる波長帯に分離し、それぞれの蛍光強度の比の経時的な変化量を算出することにより、検出対象以外の蛍光成分が重畳した場合においても正確に試料の検出を行うことができる。
【００１９】
また、歯垢検出装置と試料との距離が測定中に変動しても、距離の影響を受けずに、正
確に試料の判定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態における歯垢検出装置を示す構成図である。
【図２】本発明の実施形態における制御部を示すブロック図である。
【図３】本発明の実施形態における清浄な歯の蛍光スペクトルを示すグラフである。
【図４】本発明の実施形態における清浄な歯から生じる蛍光強度の経時的な減衰量を示すグラフである。
【図５】本発明の実施形態における歯垢が付着した歯の蛍光スペクトルを示すグラフである。
【図６】本発明の実施形態における歯垢が付着した歯から生じる蛍光強度の経時的な減衰量を示すグラフである。
【図７】本発明の実施形態における蛍光強度比の経時的な変化を示すグラフである。
【図８】本発明の実施形態における清浄な歯の蛍光強度及び蛍光強度比の経時的な変化を示すグラフである。
【図９】本発明の実施形態における歯垢の蛍光強度及び蛍光強度比の経時的な変化を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施形態における変形例１を示す構成図である。
【図１１】本発明の変形例１における導光部の構成を示す構成図である。
【図１２】本発明の変形例１における導光部の構成を示す構成図である。
【図１３】本発明の実施形態における変形例２を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を用いて、本発明に係る歯垢検出装置及び歯ブラシについて詳細に説明する。ただし、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ。
【００２２】
本発明の実施形態における歯垢検出装置について、図面を用いて説明する。図１は本実施形態における歯垢検出装置１００の構成を示すブロック図である。歯垢検出装置１００は、歯垢に含まれる蛍光物質を励起するための光を出射する光源部１０と、光源部１０からの光及び検出対象から生じる蛍光を導波するための導光部２０と、光源部１０からの光を検出対象である歯１６又は歯垢に照射したときに発生する蛍光を異なる波長帯の蛍光に分離する分光部３０と、分光部３０で分光したそれぞれの波長帯の蛍光強度を検出するための検出部４０と、検出部４０で計測された蛍光強度の比を演算し、蛍光強度比の経時的な変化量から歯垢の有無を判定して利用者に報知する制御部５０の５つのブロックから構成されている。
【００２３】
光源部１０は、光を出射する光源１１と、光源１１からの光の特定の波長帯のみを通過させる出射光用光学フィルター１２とで構成されている。
【００２４】
光源１１は、歯垢に含まれる蛍光物質であるＰＰＩＸに対する励起効率が高い波長が選択される。波長としては３８０ｎｍから４４０ｎｍの範囲が好ましく、特に４００ｎｍから４２０ｎｍの範囲であることが好ましい。また、光源１１としては小型で安価な発光ダイオード（以下、「ＬＥＤ」と記載する）やレーザダイオードを用いることができる。たとえば、光源１１としてピーク波長が４０５ｎｍの砲弾型の紫色ＬＥＤとすることができる。
【００２５】
出射光用光学フィルター１２は、光源１１の光が、歯垢に含まれる蛍光物質に対する励起効率が高い波長帯となるように、不要な波長帯をカットするために用いられる。カットオフ波長は光源１１からの光が歯垢に含まれる蛍光物質の蛍光波長より十分に短波長とな
るように選択する。本実施形態では５００ｎｍ以上の波長をカットするように設定した。
【００２６】
導光部２０は、光源１１からの光を導波するための出射光用光導波路２１と、出射光用集光レンズ２２と、検出対象である歯１又は歯垢から生じる蛍光を集光するための受光用集光レンズ２３と、受光用集光レンズ２３で集光した蛍光を導波するための受光用導波路２４とで構成されている。
【００２７】
出射光用光導波路２１は、光源１１からの光を測定対象である歯１又は歯垢の付近まで励起光２を減衰させずに運ぶために設けるもので、材質としてはプラスチックやガラスを用いることが出来る。また、形状としては光ファイバーやロッドを用いることができる。なお、出射光用光導波路２１の光入射面の大きさが小さく、出射用光学フィルター１２の厚み分だけ光学距離が開くことにより、光源１１の光が出射光用光導波路２１に十分結合しない場合、光源１１と光学フィルター１２の間にレンズを挿入することにより、光を出射光用光導波路２１に集光させ、光利用効率を高めても良い。
【００２８】
受光用光導波路２４は、検出光３をダイクロイックミラー３１まで光を減衰させずに伝播させるために設けるもので、材質としてはプラスチックやガラスを用いることが出来る。また、形状としては光ファイバーやロッドを用いることができる。
【００２９】
分光部３０は、検出対象である歯１又は歯垢から生じる波長帯のうち清浄な歯に由来する波長帯の蛍光を反射し、歯垢に由来する波長帯の蛍光を透過するダイクロイックミラー３１と、不要な波長帯の蛍光成分をカットする光学フィルター３２と３３とで構成されている。なお、ダイクロイックミラー３１は清浄な歯に由来する波長帯の蛍光は透過し、歯垢に由来する波長帯の蛍光を反射する特性であってもよい。
【００３０】
ダイクロイックミラー３１は歯１又は歯垢から生じる蛍光の歯垢に含まれる蛍光物質ＰＰＩＸに由来する蛍光成分の波長帯である６２０ｎｍから６５０ｎｍの波長帯を含む波長帯（以下、「第２波長帯」と記載する）と、それ以外を含む波長帯（以下、「第１波長帯」と記載する）とに分けられるようにカットオフ周波数が設定されていることが好ましい。ここでは、６００ｎｍ以下の波長帯の光を反射し、６００ｎｍ以上の光を透過するダイクロイックミラー３１を使用する。
【００３１】
光学フィルター３２はダイクロイックミラー３１で反射された第１波長帯の蛍光が５００ｎｍから５５０ｎｍの範囲を含むように特性が選ばれる。ここでは、５００ｎｍにカットオフ周波数をもつロングパスフィルタを使用し、第１波長帯の蛍光が５００ｎｍから６００ｎｍとなるようにする。
【００３２】
光学フィルター３３はダイクロイックミラー３１で透過された第２波長帯の蛍光が６２０ｎｍから６５０ｎｍの範囲を含むように特性が選ばれる。ここでは、７００ｎｍにカットオフ周波数を持つショートパスフィルタを使用し、第２波長帯の蛍光が６００ｎｍから７００ｎｍとなるようにする。
光学フィルター３２、３３は、ダイクロイックミラー３１で異なる波長帯に分光した蛍光の波長帯をさらに限定するために設けるものであるが、ダイクロイックミラー３１で分光した波長帯の蛍光強度で十分に歯垢の有無を判定できる場合には省略してもかまわない。
【００３３】
検出部４０は、光学フィルター３２を透過した蛍光の強度を検出する第１の光検出器４１と、光学フィルター３３を透過した蛍光の強度を検出する第２の光検出器４２から構成される。第１の光検出器４１及び第２の光検出器４２は、分光部３０で分光された異なる波長帯の蛍光の強度を検出するためのものであり、フォトダイオードを用いることができ
る。
【００３４】
制御部５０は、第１の光検出器４１と第２の光検出器４２で検出した蛍光強度の比と、蛍光強度比の経時的な変化量を算出する制御回路５１と、制御回路５１で算出された結果に基づいて歯垢の有無を利用者に知らせるための報知部５２から構成されている。
【００３５】
制御回路５１は、第１の光検出器４１で得られた第１波長帯の蛍光強度をＩ１とし、第２の光検出器４２で得られた第２波長帯の蛍光強度をＩ２として、Ｉ１とＩ２を所定の時間間隔Δｔで測定し、その都度、Ｉ１とＩ２との蛍光強度比Ｒの値が演算される。所定の測定時間、あるいは所定の測定回数の分だけ測定を行うと、Ｉ１とＩ２との蛍光強度比Ｒの経時的な変化率Ａを演算することができる。Ａの値の絶対値が所定の閾値より大きい場合は、光を照射した部分には歯垢が付着していると判断し、小さい場合は歯垢が付着していないと判断する。
【００３６】
上記では、ＲをＩ１／Ｉ２として演算した例を説明したが、ＲをＩ２／Ｉ１としてＡを求めても良い。この場合でも同様に、Ａの値の絶対値が所定の閾値より大きい場合は、光を照射した部分には歯垢が付着していると判断し、小さい場合は歯垢が付着していないと判断する。
【００３７】
歯垢の検知結果を利用者に報知するために報知部５２が設けられている。報知はブザー音や圧電素子を用いた電子音を用いることができる。さらには、音声合成による音声メッセージや、音楽などを用いることもできる。また、報知部５２を特段設ける必要がない場合は省略することもできる。
【００３８】
図２は制御部５０の一例を説明するブロック図である。光源制御回路５３は光源１１の点灯強度を制御する信号に基づいて光源駆動回路５４を制御する。第１の光検出器４１及び第２の光検出器４２に入射した光は、アンプ５５、５６で電気信号に変換され、Ａ／Ｄコンバータ５７、５８でデジタル信号に変換され、データ処理回路５９で第１波長帯の蛍光強度Ｉ１と第２波長帯の蛍光強度Ｉ２との蛍光強度比Ｒを求めるための演算が行われ、記録される。Ｒの算出と記録は所定の時間間隔Δｔの間隔で所定の時間ｔが経過するまで繰り返され、時間ｔの間のＲの変化率Ａが演算される。Ｒの算出と記録は所定の時間間隔Δｔの間隔で所定の回数Ｎまで繰り返し、時間ΔｔをＮ回繰り返した時間でのＲの変化率を演算しても良い。
【００３９】
スイッチ６５は電源スイッチとして機能し、スイッチ６６は報知方法の切り替えや感度設定などに使うことができる。報知部５２には既に説明したブザーや電子音の他に、偏芯モーターを用いた振動報知や、ＬＥＤの点滅や色調を変えて光による報知や、液晶表示による言語や図形、グラフによる報知を行うことも可能である。
【００４０】
さらに、報知部５２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する方法も可能である。
【００４１】
制御部５０は、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することによりノイズを軽減することができ、蛍光灯などの室内光の影響を避けるために光源１１の点灯時間を商用電源の周期と異なる時間に設定することで照明光の影響を軽減することができる。
【００４２】
また、制御部５０は必要に応じて消灯を挟んで光源１１を点滅して照射させることも可能である。光源１１を点灯して取得した光強度から消灯して取得した光強度を減算するこ
とで、環境光の影響を軽減することが可能である。
【００４３】
［測定原理説明］
次に、本発明の歯垢検出装置の測定原理について図３から図９を用いて説明する。図３はピーク波長が４０５ｎｍとなる励起光を照射した際に清浄な歯から検出される蛍光スペクトルを示すグラフである。縦軸は蛍光強度を示し、横軸は波長を示している。検出された蛍光スペクトルのうち、励起光のスペクトル成分を除去するために、検出器の前には５００ｎｍにカットオフ波長をもつロングパスフィルタが挿入され、５００ｎｍ以下のスペクトル成分を除去している。
【００４４】
歯への励起光照射開始から０．１秒後の蛍光スペクトルを実線で示し、１秒後の蛍光スペクトルを点線で示し、２秒後の蛍光スペクトルを一点鎖線で示し、３秒後の蛍光スペクトルを二点鎖線で示した。しかし、清浄な歯へ励起光を照射した場合、照射開始から蛍光強度の減衰はほとんど見られず、どの時間のスペクトルも形状がほぼ一致するため、図３に示すグラフでは各線が重なってしまった。すなわち、清浄な歯から生じる蛍光強度は経時的な変化がほとんどないことを示している。
【００４５】
図４は清浄な歯への励起光照射開始から０．１秒後の光強度を１とした時の、第１波長帯及び第２波長帯における蛍光強度の経時的な減衰量を示すグラフである。
【００４６】
実線で示した第１波長帯の蛍光強度及び点線で示した第２波長帯の蛍光強度は共に経時的な変化がほとんど見られず、清浄な歯から発生する蛍光強度は時間の経過により変化しないことを示している。
【００４７】
図５は、歯垢が付着した歯にピーク波長が４０５ｎｍとなる励起光を照射した際に、歯及び歯垢から検出される蛍光スペクトルを示すグラフである。縦軸は蛍光強度を示し、横軸は波長を示している。検出された蛍光スペクトルのうち、励起光のスペクトル成分を除去するために、検出器の前には５００ｎｍにカットオフ波長をもつロングパスフィルタが挿入されている。各線はそれぞれ、歯垢への励起光照射開始から０．１秒、１秒、２秒、３秒経過したときの蛍光スペクトルを示しており、０．１秒後の蛍光スペクトルを実線で示し、１秒後の蛍光スペクトルを点線で示し、２秒後の蛍光スペクトルを一点鎖線で示し、３秒後の蛍光スペクトルを二点鎖線で示している。ピークＰは歯垢内の細菌の代謝生成物であるＰＰＩＸに由来する蛍光のピークである。
【００４８】
図５に示すグラフから時間の経過により蛍光スペクトルの強度が減衰することがわかる。また、ピークＰにおける経時的な減衰量は１０００程度であるのに対し、他の波長帯、例えば５００ｎｍから６００ｎｍの波長範囲における減衰量が大きい波長でも５００程度となっている。歯垢内の細菌の代謝生成物であるＰＰＩＸに由来する蛍光の経時的な減衰量が他の波長帯の蛍光の経時的な減衰量よりも大きいことがわかる。
【００４９】
図６は、歯垢が付着した歯への励起光照射開始から０．１秒後の光強度を１とした時の、５００ｎｍから５５０ｎｍの波長帯（第１波長帯）及び６２０ｎｍから６５０ｎｍの波長帯（第２波長帯）における蛍光強度の経時変化を示すグラフである。実線は第１波長帯の蛍光強度の経時的な減衰量を示し、点線は第２波長帯の蛍光強度の経時的な減衰量を示している。第１波長帯が歯に由来する蛍光スペクトル範囲となり、第２波長帯が歯垢中のＰＰＩＸに由来する蛍光スペクトルの範囲となる。
【００５０】
第１波長帯の蛍光強度及び第２波長帯の蛍光強度の減衰量は、共に経時的に減衰しているが、第２波長帯における蛍光強度の経時的な減衰量は、第１波長帯における蛍光強度の経時的な減衰量よりも大きいことがわかる。すなわち、ＰＰＩＸに由来する第２波長帯の
蛍光強度の経時的な減衰量がＰＰＩＸに由来しない第１波長帯の蛍光強度の経時的な減衰量よりも大きい。
【００５１】
以上の説明で明らかなように、清浄な歯から生じる蛍光では経時的な蛍光強度の変化はほとんどなく、歯垢から生じる蛍光では経時的な蛍光強度の減衰が生じることから、検出された蛍光強度の減衰量を演算することにより歯垢の有無を判別することができる。歯垢が付着した歯からの蛍光強度を検出した場合、歯からの蛍光成分と歯垢からの蛍光成分が重畳し、歯と歯垢の判定が難しくなるが、この原理においては歯の蛍光成分が重畳した場合でも、歯垢由来の蛍光強度ピーク付近の波長帯の経時的な減衰量が他の波長帯の蛍光強度の経時的な減衰量よりも大きいため、検出された蛍光強度の経時的な減衰の有無によって歯垢の有無を判別することができ、微量の歯垢であっても正確な判別が可能となる。
【００５２】
しかし、測定中に歯垢検出装置の導光部２０における励起光の出射面及び蛍光の受光面と検出対象である歯１又は歯垢との距離が変動すると、歯１又は歯垢に照射される励起光の強度も変動し、それに伴い蛍光強度も変動するため、導光部２０における励起光の出射面及び蛍光の受光面と歯１又は歯垢との距離が変化することに起因する蛍光強度の変化と、歯垢から生じる蛍光強度の減衰を分離することが難しくなる。
【００５３】
そこで、第１波長帯及び第２波長帯の蛍光強度の比を算出することで導光部２０における励起光の出射面及び蛍光の受光面と歯１又は歯垢との距離の影響を受けずに歯垢の有無を検出することが可能となるため、以下にその方法を説明する。
【００５４】
第１波長帯における蛍光強度をＩ１、第２波長帯における蛍光強度をＩ２とし、Ｉ１とＩ２の蛍光強度比Ｒを求める。Ｒは数式１のように表される。ここではＩ１を分母、Ｉ２を分子としているが、逆であっても構わない。
【００５５】
【数１】
2017153841.tif 000003
【００５６】
図７は図４及び図６に示される第１波長帯と第２波長帯との蛍光強度比Ｒの経時的な変化量を示すグラフである。実線は、清浄な歯について第１波長帯及び第２波長帯の蛍光強度Ｉ１とＩ２を測定して算出した蛍光強度比Ｒであり、時間経過による変化がほとんど見られない。これに対し、点線は、歯垢が付着した歯について第１波長帯及び第２波長帯の蛍光強度Ｉ１とＩ２を測定して算出した蛍光強度比Ｒであり、第１波長帯の蛍光強度Ｉ１の減衰量に対し、第２波長帯の蛍光強度Ｉ２の減衰量の方が経時的に大きいため、蛍光強度比Ｒは、ある時間的な変化率Ａをもって減衰する。蛍光強度比Ｒの経時的な変化率Ａは図７におけるプロットの傾きから求め、ある時間ｔ１の時の蛍光強度比ＲをＲ１、ｔ１よりＴだけ経過した時間ｔ２の時の蛍光強度比ＲをＲ２とした場合、数式２のように表される。
【００５７】
【数２】
2017153841.tif 000004
【００５８】
図７に示すように、清浄な歯と歯垢が付着した歯とでは蛍光強度比Ｒの経時的な変化率Ａの値に明確な差が生じるため、Ａを求めることにより、歯と歯垢の判別を行うことができ
る。
【００５９】
このとき、たとえば導光部２０における励起光の出射面及び蛍光の受光面と歯１又は歯垢との距離が離れた時、距離に応じて蛍光強度は全波長領域において同じ比率ａで小さくなるため、第１波長帯の蛍光強度Ｉ１と第２波長帯の蛍光強度Ｉ２はそれぞれａ×Ｉ１とａ×Ｉ２となる。数式１より、蛍光強度比Ｒはａ×Ｉ１とａ×Ｉ２の比となるため、ａの成分は打ち消される。したがって、蛍光強度比Ｒの時間的な変化率であるＡは光源１１又は検出部４０と歯１又は歯垢との距離の影響を受けずに歯垢の有無を判別することが可能となる。
【００６０】
以上、説明した原理により、励起光を歯又は歯垢に照射した際に生じる蛍光を異なる波長帯に分離し、それぞれの波長帯の蛍光強度を検出して、その蛍光強度比の経時的変化を演算することで、清浄な歯から生じる蛍光に重畳した歯垢に由来した蛍光を分離して検出でき、導光部２０における励起光の出射面及び蛍光の受光面と歯１又は歯垢との距離が変動した場合でも正確に歯垢の有無を判別することが可能となる。
【００６１】
本発明の歯垢検出装置の原理を確認するため、実際の歯に対して励起光を照射して清浄な歯と歯より採取した歯垢から得られる蛍光スペクトルの測定を導光部２０における励起光の出射面及び蛍光の受光面と歯又は歯垢との距離を変動させて行った結果について以下に説明する。
【００６２】
図８は清浄な歯を測定した際の第１波長帯の蛍光強度Ｉ１、第２波長帯の蛍光強度Ｉ２、蛍光強度比Ｒの経時変化を示すグラフであり、図９は歯垢を測定した際の第１波長帯の蛍光強度Ｉ１、第２波長帯の蛍光強度Ｉ２、蛍光強度比Ｒの経時変化を示すグラフである。縦軸はＩ１及びＩ２に対しては蛍光強度の減衰量を示し、蛍光強度比Ｒに対しては蛍光強度比Ｒの変化量を示しており、横軸は時間を示している。Ｉ１、Ｉ２、Ｒのいずれについても検出対象である歯又は歯垢に励起光を照射開始してから０．１秒後の蛍光強度を１とし、２秒間測定したときの経時変化を示している。また、第１波長帯として５００ｎｍから５５０ｎｍの蛍光強度の積算値をＩ１として実線で示し、第２波長帯として６２０ｎｍから６５０ｎｍの蛍光強度の積算値をＩ２として点線で示した。
【００６３】
図８及び図９に示すグラフは、導光部２０における励起光の出射面及び蛍光の受光面と歯１又は歯垢との距離を不規則に変動させて測定した結果であり、Ｉ１、Ｉ２は不規則に増減を繰り返す結果となっている。この蛍光強度の変動が、導光部２０における励起光の出射面及び蛍光の受光面と歯１又は歯垢との距離に起因する変動か、歯垢に由来する蛍光強度の変動かを判別することは困難であるが、Ｉ１とＩ２の比である蛍光強度比Ｒでは、前述の通り、距離の変動成分が打ち消されるため清浄な歯と歯垢が付着した歯とでは結果が異なってくることが判る。具体的には、蛍光強度比Ｒを示す実線が、清浄な歯の場合は、ほとんど変動しないが、歯垢が付着した歯の場合は、時間とともに減少しており、蛍光強度比Ｒの時間的な変化率Ａが異なっている。
【００６４】
歯垢が付着した歯を測定した場合は、励起光を照射開始して０．１秒から２秒の間における蛍光強度比Ｒの経時的な変化率Ａの絶対値が０．０４２１となるのに対し、清浄な歯を測定した場合は、Ａの絶対値は０．００３３となり、１桁以上の明確な差が生じている。よって、清浄な歯と歯垢が付着した歯との判別が確実に可能であることがわかる。たとえば歯垢の有無を判定する際の閾値を０．０１と設定した場合、変化率Ａが閾値よりも大きければ歯垢があると判断することができる。
【００６５】
以上の結果から、励起光を検出対象である歯に照射した際に生じる蛍光を異なる波長帯に分光し、それぞれの蛍光強度を所定の時間測定し、異なる波長帯の蛍光強度比について
経時的な変化率を算出することにより、光源１１又は検出部４０と歯１又は歯垢との距離の影響を受けず、高い精度で歯に付着した歯垢の有無を判別することが可能な歯垢検出装置を得ることができる。
【００６６】
［変形例１］
次に、本発明の歯垢検出装置をハンドピースに組み込んだ変形例１について図面を用いて説明する。図１０は変形例１における歯垢検出装置２００を示す構成図である。
【００６７】
図１０に示すハンドピース型歯垢検出装置２００は、センサーヘッド部６１、握り部６２から構成されている。光源１１は、握り部６２に設けた回路基板６３に制御回路４１、報知部５２と共に搭載されている。光源１１からの光は、握り部６２に設けた出射光用光学フィルター１２と、出射光用導波路２１を介して光結合部７０に導かれ、検出用光導波路２５へ光結合され、歯又は歯垢に対し照射される。歯又は歯垢で生じた蛍光は、検出用光導波路２５より光結合部７０に伝播され、受光用光導波路２４へ光結合され、ダイクロイックミラー３１において第１波長帯の蛍光が反射され、第２波長帯の蛍光が透過される。第１波長帯の蛍光は目的の波長帯以外の波長成分をカットする光学フィルター３２を介して第１の光検出器４１で蛍光強度が検出され、第２波長帯の蛍光は目的の波長帯以外の波長成分をカットする光学フィルター３３を介して第２の光検出器４２で光強度が検出される。上記構成のハンドピース型歯垢検出装置２００は、握り部６２内に配置した電池６４を電源として動作させてもよいし、外部電源から電力を供給してもよい。
【００６８】
上述した歯垢検出装置１００と変形例１の歯垢検出装置２００との異なる点は、導光部２０が、出射光用導波路２１及び受光用光導波路２４と検出用光導波路２５とを光結合部７０によって光学的に結合した構成としている点である。光結合部７０は図１１に示すようにダイクロイックミラー７１を用いた構成や、図１２に示すように、ガイド部材７５を用いて出射光用導波路２１及び受光用光導波路２４と検出用光導波路２５とを突き当てる構造としてもよい。
【００６９】
図１１に示す結合部７０の構成は、ダイクロイックミラー７１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が反射し、歯及び歯垢から発生する蛍光の波長帯が透過するように設計される。具体的には、３８０ｎｍから５００ｎｍの波長範囲の光を反射し、５００ｎｍ以上を透過するように設計されていることが好ましい。ここでは５００ｎｍにカットオフ波長をもつダイクロイックミラーを使用する。光源１１から出射され出射光用光導波路２１、レンズ７２を伝播した光のうち５００ｎｍ以下の成分は反射され、レンズ７３で集光され、検出用光導波路２５へ結合される。出射光用光学フィルター１２でカットされる波長領域がダイクロイックミラー７１で透過される波長領域に含まれている場合、出射光用光学フィルター１２は不要となる。また、歯又は歯垢からの蛍光は検出用光導波路２５によって伝播され、レンズ７３を通ってダイクロイックミラー７１に照射される。ダイクロイックミラー７１により、５００ｎｍ以下の波長の光は反射されるのに対して、５００ｎｍ以上の波長の光は透過され、レンズ７４により集光され、受光用光導波路２４へ光結合される。
【００７０】
図１２に示す結合部７０の構成は、出射光用光導波路２１から出射した光の一部が検出用光導波路２５に光結合され、検出用光導波路２５から出射した光は一部が出射光用光導波路２１と受光用光導波路２４に光結合される。この構造では導波路間の光結合損失が大きいため、光の利用効率が低下してしまうが、構成部品の数が少なくなるため、光結合部７０を小さく構成でき、コストも低くなる。
【００７１】
その他の構成については、すでに説明した実施形態と同様であるため省略する。
【００７２】
以上の説明のように導光部２０が、出射光用導波路２１及び受光用光導波路２４と検出用光導波路２５とを光結合部７０によって光学的に結合している構成とすることで、1本の検出用導波路２５で歯に照射する光源１１からの光及び歯から生じる蛍光の光を導波する簡便な構造とすることができる。
【００７３】
［変形例２］
本発明の歯垢検出装置は、歯ブラシに組み込んだ構成とすることもでき、その例として図１３に歯垢検出装置３００の構成図を示す。
【００７４】
変形例１で説明した図１０に示す歯垢検出装置２００と異なる点は、センサーヘッド部６１の構成を、毛束８４が設けられた歯ブラシヘッド８１及び柄部８２の内部に検出用光導波路２５を配置し、歯ブラシヘッド８１の検出用導波路２５が露出する端面に集光部８３を設けた構成としたことである。その他の構成については変形例１の歯垢検出装置２００と同様であるため説明を省略する。
【００７５】
図１３に示す検出用光導波路２５はプラスチック光ファイバーを使用し、励起光が歯面に照射できるように歯ブラシヘッド部で先端を曲げる構造としているが、光ファイバーを曲げるのではなく、ミラー等を使用して光の照射方向を歯面に向ける構造としてもよい。
【００７６】
図１３では歯ブラシヘッド８１の検出用光導波路２５が露出する端面に集光部８３を設ける位置を歯ブラシヘッド８１の中央に配置し、周辺に毛束８４を設ける構造としているが、この配置は限定されるものではなく、必要に応じて適宜決定される。
【００７７】
本形態では、歯垢を検知することと、歯垢を除去することを同時に行うことができるため、使用者に効率的な歯垢除去方法を提供することができる。
【００７８】
以上の結果から、励起光を歯に照射した際に生じる蛍光を異なる波長帯に分光して、それぞれの波長帯の蛍光強度を所定の時間測定し、異なる波長帯の蛍光強度比経時的な変化率を算出することにより、光源又は検出部と歯又は歯垢との距離の影響を受けず、高い精度で歯に付着した歯垢の有無を判別することが可能な歯垢検出装置を得ることができる。
【符号の説明】
【００７９】
２    励起光線  
３    蛍光
１１  光源
１２  光学フィルター
３１  ダイクロイックミラー
３２、３３  光学フィルター
４１  第１の光検出器
４２  第２の光検出部
５１  制御回路
５２  報知部
５３  光源制御回路
５３  光源駆動回路
５７、５８  Ａ／Ｄコンバータ
５９  データ処理回路
６４  電池
６５、６６  スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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