CN104010547B - 具有内腔的牙刷 - Google Patents

Abstract

一种牙刷，包括头部、颈部、柄部、柄部末端、头部末端、外表面、内腔和纵向轴线。内腔具有限定横截面积的表面。内腔具有沿着牙刷的纵向轴线邻接两个较小横截面积的较大横截面积或沿着牙刷的纵向轴线邻接两个较大横截面积的较小横截面积中的至少一个。外表面限定外表面横截面积。壁由外腔表面和内腔表面形成。牙刷包括沿着整个长度的单个一体组件。

Description

具有内腔的牙刷

技术领域

本发明涉及具有内腔的牙刷。

背景技术

牙刷通常采用注塑方法制造。这样一种注塑方法特征在于提供呈牙刷形状的模具和通过热通道喷嘴将熔化塑料注射进模具中。牙刷接着被冷却并且从模具中顶出。例如，美国专利申请公布号5,845,358说明了通过注塑制造的这样一种牙刷。常规注塑方法的局限性之一是，由于由所用的材料量增加造成的材料成本增加以及冷却时间延长的缘故，大直径的柄部并且特别是其中横截面积沿着牙刷的长度或长轴增加和减小的横截面积上具有显著变化的大柄部不能以有效率的方式进行生产。

具有增大的柄部直径的牙刷提供基本的优点，例如，它们可为儿童提供增大的抓持区域，提高儿童控制和使用牙刷的能力；同样，由于难以弯曲他们双手的关节的缘故，具有残疾诸如关节炎的人们有时在控制牙刷方面有困难。借助于具有增大的柄部直径的牙刷，此类困难得到显著减轻。另外，对于使用者而言，从人体工程学的观点来看，牙刷上柄部横截面较大比较好。当牙刷必须被快速移动同时也可为湿的或滑的时候，沿着牙刷的长度或长轴横截面积上的变化(包括较大和较小的横截面积在内)帮助使用者在使用期间抓持和控制牙刷。

力图克服与使用注塑来生产具有增大直径的牙刷柄部相关联的困难，已经提出生产具有中空主体的牙刷柄部。例如，EP0668140或EP0721832公开了使用气助或气体辅助技术来制造具有中空的大横截面柄部的牙刷。在所公开的方法中，靠近牙刷柄部的基座注射熔化塑料，其中随后将热针插进熔化塑料中以将气体吹进熔化塑料中，所述熔化塑料接着朝向注射模具的壁膨胀。以一种相似的方式，美国专利公布号6,818,174B2提出，将预定量的熔化塑料注射进腔体中以仅部分地充满模腔，并且随后通过在注射模具中形成的注气口注射气体以迫使熔化塑料与模腔的壁接触。CN102166064公开了具有中空柄部的牙刷和用于生产这样一种牙刷的方法。当熔化塑料材料被注射进牙刷柄部的牙刷柄部模腔中时，在牙刷柄部中形成了气孔，气体通过气孔被吹进牙刷柄部的中心，并且在牙刷柄部成型之后气孔被密封。这里所描述的牙刷具有通过气体辅助注塑方法制造的中空柄部和实心头部。按这种方法制成的中空柄部将所用的材料量减少了10～50％，与实心牙刷柄部相比。采用附加空气注射的此类注塑方法形成基本上均匀的壁厚的中空柄部主体具有实质困难，并且同样，以最小的材料重量优化柄部以便人体工学功能最大的可能性和生产效率受到限制。此类注塑方法的另外的缺点是产生用于气体的通气孔。气孔在熔化塑料和高压气体的界面处(并且不是由模具钢)形成并因此不能被可预见地制造或者具有高精度。采用气体辅助注塑制造的中空柄部牙刷的又一个缺点涉及通过注塑或重叠注塑将第二、第三或后续材料施用或安装到牙刷，其中在密封必需的气孔的过程中，重叠注塑的材料可大量地侵入在第一气体注射步骤中产生的中空空隙中，因为除了摩擦和空隙内的近大气压之外，没什么东西能使它停止。最后，气体辅助注塑基本上不降低注射压力或形成塑料制品所需的熔化能。

生产具有增大横截面的牙刷柄部诸如机电式牙刷柄部的一种常规方法是采用注塑分别地制造离散的柄部部件，然后将这些部件在单独的非注塑步骤中或者在后续的注塑步骤中组装，从而来自第一步骤或其它步骤的离散部件首先被插进注射模具中并且围绕着它们注射一种或多种附加材料，由多个部件形成中空主体。这种制造方法仍然具有下列缺点：要求塑料彻底熔化、高压和与注塑有关的相关设备，并且此外可具有与离散的模塑件的模内和模外组装相关联的人工费用。使用注塑来形成多个离散部件也具有以下缺点，即每个部件必须不包括在模塑后由其形成注塑部件的凹面的型芯不能从部件中抽出的任何实质底切。此外，型芯通常必须包括一些机构来冷却或除去热量，通常体现为冷却水强制通过其的内部通道，并且对于可具有10mm的直径和超过100mm长度的大多数手动牙刷将因此难以或不可能制造内部几何形状。在离散部件中没有底切与制造无底切柄部部件所需芯的长度和直径相组合连同期望在牙刷柄部上多个区域横截面积上的变化将因此要求任何分开组装的柄部具有多个配合表面，其优选地将要求在大量和反复使用情况下密封以保持对水分和碎屑的阻隔。

机电式牙刷尤其易受组装问题的影响，因为它们必须是中空的以便容纳电池、电机和相关的电气连接和驱动组件，它们必须都按某一精度被放置在内部。为避免将塑料部件焊接到一起和密封外部壳体的多个组装步骤的问题和费用，已经提出对于机电式牙刷吹塑柄部。在吹塑机电式牙刷的组装过程中，有必要让柄部的吹塑部分在至少一个末端敞开以容纳电机、电池和驱动系统组件。在这个过程中，吹塑柄部的至少一个开口的最小直径必须超过将被插入的每一个组件的最小线性尺寸。这样一个大开口在非机电式柄部中将是一个缺点，其不需要容纳内部组件入口，并且将需要过大的第二部件或顶盖以防止常规使用的水、牙膏、唾液和其它碎屑的侵入和聚集。这样一个过大的开口如果定位在头部附近将实质上与牙刷的人体工程学用途冲突。对腔体内表面上几何形状的附加约束，例如定位电机、外壳、电池等，它们必须被精确地定位在里面，至于被刚性地固定将也对整个吹塑方法不利，因为吹塑部件的内腔的大部分表面不能被模具表面中的钢直接限定，并且相反被柄部的外表面上的钢连同型坯的壁厚、吹塑压力和最终部件与初始型坯或预成型件厚度的拉伸比间接地限定。这些工艺变量的此类约束将必然限制生产效率。

为通过标准按钮或机械开关调节电气组件的启动，吹塑的机电式牙刷柄部的至少一些部分应当被制成足够薄以在手指或手握挤的压力下大幅挠曲。这样一种薄壁结构或膜壁结构必然需要一些加强机构以确保使用下的耐久性和刚度。如WO2004/077996中所述的一种内部框架或顶盖可被用来在机电式牙刷中提供这种所需的加强机构，但对不需要附加组件来合适运行的手动牙刷来说，在额外费用、复杂性和附加的承载部件方面将是一个缺点。此外，由于机电式牙刷的电机、电源和驱动轴的线性性质的缘故，内腔的横截面积没有或具有很小的变化；使得内腔壁提供机械支撑给内部组件以减少或消除不想要的移动或移位。

由吹塑或注塑制成的机电式牙刷柄部在两端通常加工有开口：在远端，通常具有适应通过驱动机构将动力机械转移到牙刷头部的开口，并且在近端，通常具有适应在制造期间组件插入并且也可能适应使用者插入或移除电池的开口。这样一个第二开口对于手动牙刷将是不需要的，并且将造成需要额外密封和机械紧固件的缺点。在一些吹塑方法中，在模塑件的远端和近端处形成开口对于所述方法是固有的并且将有益于形成双开口端柄部，但对于手动牙刷柄部将不是必需的。

与横截面或尺寸的变化无关，使牙刷柄部整个重量较轻具有几个优点。较轻的柄部可在刷洗期间提供从牙齿通过刷毛传递至头部至柄部至手部的力的更多触觉反馈。较轻的牙刷柄部从制造中心批量运送至它们被使用者购买的零售中心也将具有更大的效率。为减轻重量同时保持刚度，一些牙刷柄部由竹子或软木制成，然而这些材料具有缺点，因为它们不容易形成可被舒适地抓握的复杂三维形状。此外，这些材料是各向异性的，意思是它们具有随着施加载荷的方向而变化的弹性模量和屈服强度或强度极限。碳纤维复合材料和玻璃填充注塑塑料是可被用来制造较轻的和较强劲的牙刷的各向异性材料的其它一般例子。由这些材料制成的制品因此必须这样成形，使它们的最强的轴线或“纹理”与制品的长轴基本上对齐，以便在使用所共有的弯曲力期间抵抗断裂。这在成形或机加工之前材料制备过程中造成额外的必需步骤。对于木材，纹理的这种对齐也可呈现具体的缺点，通常因为在刷洗期间材料分裂的存在最可能发生在与用手施加的典型力对齐的方向上。

为制造牙刷和个人护理制品较轻而不依赖各向异性材料诸如木材，制品可通过使用非均质的但各向同性的材料诸如泡沫塑料来制得较轻。泡沫塑料呈现优点，因为它们可提供比实心塑料高的强度与重量比率而不用考虑材料取向。然而，泡沫塑料可能带来的总体重量减轻可为有限的，因为造成重量减轻的塑料里面的气泡也造成应力集中，其将严重地降低抗拉强度。尽管泡沫塑料可提供实质的压缩强度(并且被恰好用于这种目的的应用诸如其中重量是关键问题的包装材料中)，承受拉力上的弱化严重影响抗弯强度并且妨碍均匀发泡的塑料充当在正常使用期间受弯时必须保持强度和刚度的制品中的承载元件。

使用挤出吹塑来制造轻质手持制品诸如儿童玩具、诸如中空的塑料蝙蝠、高尔夫球杆或得益于重量较轻的任何大的塑料制品为本领域的技术人员所熟悉。尽管这些制品可在受弯时即刚性又强劲，它们一般也包括将限制它们通用于半耐用的I类医疗器械诸如牙刷中的缺点。第一，此类制品沿着分型线或者在其中型坯在横截面积上比吹制它的腔体大的任何位置中通常包含显著的毛边。在这些位置中，甚至在不存在腔体分型线时，型坯在腔体内部折叠并且造成了大量的毛边。第二，大多数制品包含呈孔洞形式的一些明显的吹塑痕迹，它们可被精确地或不精确地成形。这样一种痕迹在必须禁止污染物进入中空内部的裂口或入口的I类医疗器械中将被当做是显著缺陷，所述污染物可能实际上未流出。第三，这些制品的相对尺寸与这些缺陷的尺寸相比很大，并且制品的总体功能未受到这些缺陷的严重影响。在许多情况下，相对于极小的缺陷，制品本身的尺寸使得制造过程较为容易。挤出吹塑处于手动牙刷柄部所共有的尺寸范围中的制品、包装或瓶子没有挑战性-如果塑料壁厚可与总体横截面按比例减小。此类制品以小的、通常可压缩的管或瓶的形式存在，它们实际上受益于具有很薄的可变形壁，其能够分配内部内容物，使它们不能用作牙刷。

用于半耐用消费品诸如羽毛掸帚和胶带座的挤出吹塑和注射吹塑的柄部也是已知的，但再一次这些制品将不满足半耐用的I类医疗器械的标准，具体地在密封必需的吹气孔防止水或其它污染物侵入方面，以及在挤出吹塑的情况下，在制品上将直接接触嘴部或进入嘴部的区域中毛边的外观方面。这些制品一般也非常脆并且当施加了太大的力时常常破裂或折断，产生锐利的边缘，使它们不能用于口腔中。

也已经提出通过吹塑制造手动牙刷，并且实际上它不应当显示出是对按牙刷或牙刷柄部的一般形状和尺寸挤出吹塑、注射吹塑乃至注射-拉伸吹塑这样一种制品的挑战，然而在现有技术中不存在解决下列问题的公开内容：抗弯强度、弯曲刚度、总体刚度、减轻毛边或其它锐利缺陷、横截面积上的变化和堵塞或密封气孔痕迹。吹塑的牙刷或牙刷柄部中这些缺陷中的任何一种将严重地影响制品的实用性，并且同样地，需要改进以使中空制品能够通过均匀的壁厚最大化地节省材料，所述中空制品弯曲时强度和刚性适宜而不会对于使用者在使用时破裂并且不泄漏或者呈现不舒服的缺陷。

鉴于现有技术的这些缺点，本发明的一个目标是，提供避免现有技术缺点的具有内腔的改进牙刷。

发明内容

本发明提供了一种牙刷，所述牙刷包括头部、颈部、柄部、柄部末端、头部末端、外表面、内腔和纵向轴线；内腔具有限定横截面积的表面；其中内腔具有沿着牙刷的纵向轴线邻接两个较小横截面积的较大横截面积或者沿着牙刷的纵向轴线邻接两个较大横截面积的较小横截面积中的至少一个；外表面限定外表面横截面积；壁由外腔表面和内腔表面形成；其中牙刷包括沿着整个长度的单个一体的组件。

本发明提供了一种牙刷，所述牙刷包括头部、颈部、柄部、柄部末端、头部末端、外表面、内腔和纵向轴线；内腔具有限定横截面积的表面；其中内腔具有沿着牙刷的纵向轴线邻接两个较小横截面积的较大横截面积或者沿着牙刷的纵向轴线邻接两个较大横截面积的较小横截面积中的至少一个；外表面限定外表面横截面积；壁由外腔表面和内腔表面形成；牙刷包括单个一体的组件；其中牙刷包括两个或更多个材料层。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的牙刷的透视图；

图1A是根据本发明的一个实施例的沿着剖面线1A的图1的剖面图。

图1B是根据本发明的一个实施例的沿着剖面线1B的图1的剖面图。

图2是根据本发明的一个实施例的牙刷的透视图。

图3是具有内腔的一体牙刷的剖面图的表示。

图4是显示沿着纵向轴线具有内腔的两种一体的牙刷的壁厚上的变化的图表。

图5A是显示沿着具有厚柄部的一个实施例的纵向轴线牙刷的任何2mm部分的平均、最小和最大壁厚变化的图表。

图5B是显示沿着具有厚柄部的一个实施例的纵向轴线牙刷的任何2mm部分的平均壁厚的最小和最大壁厚百分比的图表。

图6A是显示沿着具有薄柄部的另一个实施例的纵向轴线牙刷的任何2mm部分的平均、最小和最大壁厚变化的图表。

图6B是显示沿着具有薄柄部的另一个实施例的纵向轴线牙刷的任何2mm部分的平均壁厚的最小和最大壁厚百分比的图表。

图7是一种分析方法的图解表示。

图8是一种分析方法的图解表示。

图9是示出弯曲挠度对比重的图形。

具体实施方式

本发明涉及具有内腔的个人护理制品诸如中空牙刷，所述中空牙刷在内腔或外表面中的任一个或两个上可具有不同的颜色、材料和表面装饰。内腔沿着牙刷的长度或纵向轴线在横截面积上变化，其中与开孔或闭孔泡沫材料相比，内腔是基本上敞开的。一体牙刷由沿着牙刷的整个纵向轴线延伸的至少一种连续材料制成，使得一体牙刷的头部、颈部和柄部基本上是一个部分。这种一个或多个连续材料提供牙刷的结构强度。一体牙刷可包括单独的非结构元件诸如标签、抓持结构、刷毛等。在某些实施例中内腔是封闭的，牙刷的外表面没有开口。

个人护理制品是用来存储、分配、施用或递送有益效果给消费者的个人健康、美容、修饰或其它身体或人体生物系统护理、保养、增强或改善的物品。个人护理制品的例子包括但不限于牙刷、牙刷柄部、剃刀、剃刀柄部、拖把柄部、真空吸尘器柄部、化妆或美容护理品施用装置、女性卫生施用装置、毛发护理施用装置、毛发着色施用装置或毛发护理制品。

图1显示个人护理制品的一个实施例，牙刷10具有头部20、颈部30、柄部40、柄部末端42和头部末端22。牙刷10可被一体地成形为单件并且包括内腔60和外表面12，其中外表面12在横截面积(OS_CA)上变化，所述横截面积(OS_CA)是沿着牙刷10纵向轴线L由外表面12所限定的横截面的总面积–如图1A所示；在该实施例中，柄部40具有基本上沙漏形形状。内腔60具有内腔表面62，其中内腔表面62沿着牙刷纵向轴线L在横截面积(IC_CA)上变化。如图1所示，在某些实施例中，牙刷10的内腔60具有较大横截面积IC_CAG，其沿着牙刷10的纵向轴线L邻接比较大横截面积IC_CAG小的横截面积IC_CA1、IC_CA2以形成轮廓。牙刷10的内腔60也可具有较小横截面积IC_CAL，其沿着牙刷10的纵向轴线L邻接比较小横截面积IC_CAL大的横截面积IC_CA3、IC_CA4以形成轮廓。在另一个实施例中，在刷柄部末端处的横截面积小于沿着牙刷10的纵向轴线L的至少一个或更多个其它横截面积。此外，如图1、1A和1B所示，在某些实施例中，沿着牙刷10的纵向轴线L，内腔表面62的横截面积(IC_CA)的平方根与外表面12的横截面积(OS_CA)的平方根成比例地变化。在另一个实施例中，牙刷壁(形成牙刷的热塑性材料，其定位在内腔表面和牙刷外表面之间)的横截面积(其是外表面横截面积(OS_CA)和内腔表面横截面积(IC_CA)之间的差值)沿着牙刷的纵向轴线在至少50％、70％、80％、90％的内腔长度上变化小于约25％、20％、15％、10％、5％。当沿着牙刷的纵向轴线L牙刷壁在内腔部分的厚度与外表面和内腔的平均周长成反比变化时，情况就是这样。在另一个实施例中，牙刷壁在内腔部分的厚度沿着牙刷的纵向轴线保持基本上不变。如图1所示，头部20和颈部30的至少一部分沿着牙刷10的纵向轴线L可为基本上实心的，或者如图2所示，在牙刷100中，内腔160可从柄部140延伸到颈部130中，但不通过最接近牙刷100的柄部末端142的第一簇孔132。在某些实施例中，气隙体积与刷柄部和颈部体积的百分比在约50％至约70％；或约55％至约70％的范围内；这意味着与具有相同形状和尺寸的实心牙刷相比节省了相同百分比的材料。在这些实施例中，与用于具有相同形状和尺寸的实心牙刷中的热塑性材料相比，热塑性材料的量可降低了50％至70％。据记录，与相同形状和尺寸的实心冰箱门把手相比，气体辅助注塑的中空的冰箱门把手节省最多27％的材料。实际上，与相同形状和尺寸的实心牙刷相比，任何中空的气体辅助注塑的牙刷可节省最多30％的材料。

具有宽柄部和内腔的中空牙刷实际上具有非常高的抗弯强度与体积比。在任何横截面处壁厚与平均半径相比越薄，结构强度与体积比越大。其中平均半径被定义为中空横截面的平均周长除以2π。中空横截面的平均周长被定义为在该横截面处外表面和内腔的周长的平均值。让我们将具有内腔的牙刷简化成弯曲条件下的中空圆柱梁，如图3所示。可以看出，具有内腔的牙刷的抗弯强度K_B积V的比率正比于平均半径r与厚度t的比率。的比值越大，的比值越大。对于具有轮廓和内腔的非圆柱形牙刷，将符合相似的关系。因此，本发明的具有内腔的一体牙刷沿着纵向轴线在至少约80％的中空部分中具有3至10范围内的平均半径与厚度的比率在牙刷的中空部分到其实心部分的过渡处，壁厚趋于增大并且从壁厚测量中排除。另一方面，实心圆柱梁的均半径与厚度的比率是1/2。然而，存在于现有技术中的牙刷诸如气体辅助注塑牙刷的一些其它中空柄部的比率可为0.7至2。

牙刷应当有足够的刚度以禁得起消费者的握挤力。中空牙刷在握挤力或握挤压力下的径向应变也与成正比。从具有内腔的测试物理中空牙刷试样中发现，只要牙刷足够厚并且小于8或甚至小于10，在消费者正常握挤力下径向变形将不是很明显。

然而，个人护理制品诸如现有技术的牙刷、诸如气体辅助注塑牙刷的其它中空柄部的厚度变化沿着横截面的周向尤其是在横截面的任何尖角处将具有显著的壁厚变化。例如，在一个气体辅助注塑的柄部中，厚度在一个横截面处从1.9mm变化到4.3mm。柄部外表面的横截面具有不规则形状与尖角。柄部的内腔不能符合外表面的形状。在尖角处，厚度从1.9mm突然变化到4.3mm，具有2.4mm的突变。这种厚度突变在本发明的具有内腔的牙刷中将不会发生。横截面平均厚度为约3.1mm。中空横截面的平均半径为2.35mm。平均半径与厚度的比率为0.76，远远小于3。

现在，让我们来看看沿着牙刷的纵向轴线在中空部分中任何横截面的平均壁厚分布。

在前面的具有薄柄部在内的中空牙刷的实施例中，沿着纵向轴线在80％的中空部分中在一体牙刷的任何横截面处平均壁厚具有0.9至1.2mm的范围，其中平均厚度为1.07mm。沿着纵向轴线在80％的中空部分中，与其平均壁厚相比壁厚变化小于15％。沿着纵向轴线在80％的中空部分中，平均半径与厚度的比率具有3.9至8.4的范围。这是具有薄柄部的一体牙刷。具有内腔与薄柄部的一体牙刷的任何横截面的平均壁厚沿着牙刷的纵向轴线也是连续函数。这意味着，从一个横截面到下一个横截面的任何横截面的平均壁厚上的变化小于0.5mm，如图4所示。

在另一个实施例中，沿着纵向轴线在80％的中空部分中一体牙刷的壁厚具有1.55至2.07mm的范围，具有1.76mm的平均厚度。沿着纵向轴线在83％的中空部分中，与其平均壁厚相比壁厚变化小于17％。沿着纵向轴线在80％的中空部分中，平均半径与厚度的比率具有3至4.7的范围。这是具有厚柄部的一体牙刷。从一个横截面到下一个横截面的任何横截面的平均壁厚上的变化小于0.5mm，如图4所示。

在具有内腔的一体牙刷的以上两个实施例中，对于消费者而言，牙刷具有所需的结构和抗弯强度以有效地刷洗他们的牙齿。

壁厚可通过在挤出吹塑过程中控制型坯厚度剖面沿着牙刷的纵向轴线变化。我们将要引出可为理想的三个实施例：

在一个实施例中，沿着牙刷的纵向轴线在80％的中空部分中横截面积保持不变。在这个实施例中，沿着纵向轴线壁厚与牙刷的平均半径成反比变化。

在一个实施例中，希望沿着牙刷的纵向轴线在80％的中空部分中牙刷的平均厚度保持不变。在这个实施例中，沿着纵向轴线牙刷的横截面积将与牙刷的平均半径成比例变化。

在另一个实施例中，希望沿着纵向轴线平均厚度与牙刷的平均半径成比例变化，即，保持不变并且可为从3至10的任何值。在这个实施例中，沿着纵向轴线牙刷的横截面积将与牙刷的平均半径的平方成比例变化。这个实施例的有益效果是，沿着纵向轴线，牙刷的抗弯强度和刚度保持不变。

往回参见图1，柄部40通过颈部30连接到头部20，与柄部40相比，颈部30或头部20具有更小的横截面积。如图1所示，牙刷10的头部20支撑多个清洁元件诸如刷毛或刷毛簇。刷毛或刷毛簇可包含尼龙、PBT和TPE。

除了刷毛或刷毛簇之外，本发明的牙刷可包括可被插进口腔中的任何适宜的清洁元件。一些适用的清洁元件包括弹性体按摩元件、弹性体清洁元件、按摩元件、刮舌器、软组织清洁器、硬表面清洁器、它们的组合等。头部可包括多种清洁元件。例如，头部可包括刷毛、研磨弹性体元件、特定取向或排列的弹性体元件，例如枢转翅片、洁牙杯等。弹性体清洁元件和/或按摩元件的一些合适例子描述于美国专利申请公布号2007/0251040；2004/0154112；2006/0272112；以及美国专利公开号6,553,604；6,151,745。清洁元件可为渐缩的、有凹口的、卷曲的、带凹坑的等。这些清洁元件和/或按摩元件的一些合适例子描述于美国专利公开号6,151,745；6,058,541；5,268,005；5,313,909；4,802,255；6,018,840；5,836,769；5,722,106；6,475,553；以及美国专利申请公布号2006/0080794中。此外，可以任何合适的方式或型式将清洁元件布置在牙刷头部上。

在本发明的某些实施例中，个人护理制品诸如牙刷可由一种以上材料或层制成。在某些实施例中，牙刷可包括形成牙刷大部分的主要组件或层和形成牙刷少部分的次要层，其中在某些实施例中，次要层厚度可小于约0.4mm并且面积大于约1cm²。具体地，可采用多组分挤出方法，其中个人护理制品的不同部分由不同材料形成。例如，在牙刷中，被拇指或手指尖端接触的接触表面部分可由软塑料制成，使得它感觉柔软或易于抓持，而牙刷的剩余部分可由硬塑料制成以给予牙刷足够的刚度。在一个实施例中，软塑料在被润湿时不应当是滑的或者应当具有高摩擦系数，使得当刷洗牙齿并且柄部变湿时，使用者可容易地抓持它而不失去对刷柄的控制。热塑性弹性体(TPE)可用于软塑料。在另一个实施例中，牙刷的头部和颈部部分可具有两个层，其中外层是软塑料用于柔软度并且内层是硬塑料用于刚度和簇绒支撑。在另一个实施例中，牙刷平行于牙刷纵向轴线的一部分或一条可具有两层材料，其中外层具有与牙刷的其余部分不同的材料或不同的颜色。在牙刷的又一个实施例中，牙刷的一个部件例如颈部可具有两层不同的材料，而牙刷的其它部件诸如柄部具有仅仅一层材料；在牙刷的不同部件上形成不同的抓持性、感觉、色彩装饰。这两个层可通过将多层型坯送进模具中来制成。通过在纵向和在周向两者上控制次要层型坯的存在，牙刷上次要层的存在可在纵向上和在周向上得到控制。在某些实施例中，可将单独的部件插进模具的一个位置中并且通过真空吸附或是通过模具的固有尺寸曲率使其在模腔壁的一个侧面上处于适当位置。也可将一个或多个单独的部件插进模具中并且以相同的方式附接到模腔壁。这些模内附接的部件可为具有不同颜色或表面纹理或三维纹理的不同材料的薄层。在某些实施例中，这样一种部件可为不同颜色或厚度的薄TPE膜标签，其提供不同颜色差别以及湿软握持性。在某些实施例中，它可为具有定时器和显示器的小电子器件以指示预定的刷洗时间。在某些实施例中，它可为播放两分钟声音或音乐的小电子器件。在仍然更多的实施例中，它可由随压力、温度、水分或时间变化的变色材料制成。在另一个实施例中，它可为提供附加装饰给牙刷的具有三维纹理的纺织品或者由TPE或乙烯乙酸乙烯酯(EVA)制成的稀松织物。

在某些实施例中，具有内腔的牙刷的重心可比具有常规形状实心刷的正常可能的牙刷外表面的几何中心更接近头部，其在刷洗期间可提供改善的灵巧性和工效，或者重心可(例如通过在柄部的中空部分里面放置永久安装的平衡块)比可能具有实心均质刷的牙刷更远离头部放置，其可提供例如从牙齿传递至头部至柄部的力的改善的触觉响应。此类重心的处理在刷洗或储存期间可提供处理上的附加有益效果，而不危害在柄部的外面呈现的设计元素诸如形状、材料或颜色。另外，在某些实施例中，具有内腔的牙刷可具有低于0.60g/cm³的等效密度，或者在塑料中具有低于0.20g/cm³的等效密度或者在金属中具有0.10g/cm³的等效密度，同时甚至在繁重刷洗期间也保持足以抵抗弯曲的模量或强度而不涉及到任何原材料或承载元件的对齐或具体排列(与具有纹理的材料诸如木材或碳纤维形成形成对比)，其难以在其柄部是基本上实心的并且由常见的各向同性均质材料诸如塑料或金属制成的牙刷中实现。等效密度被定义为由牙刷的外表面所限定的总体质量与总体积的比率。在某些实施例中，具有内腔的牙刷的等效密度为约0.2g/cc至约0.5g/cc。在某些实施例中，两种牙刷的柄部在受手指握挤时不变形。

牙刷的材料可为具有适用于中空牙刷的一种或多种性能诸如允许吹塑的熔态流动性能、耐化学性和足够的冲击强度的任何热塑性树脂。典型材料的例子包括但不限于冲击改性聚丙烯或高密度聚乙烯(HDPE)。用于柔软外层的材料的例子可为具有不同硬度的TPE材料。牙刷也可具有次要的装饰材料诸如在牙刷的小部分诸如拇指停靠部或拇指抓持区域上的薄TPE层。在某些实施例中，当牙刷采用挤出吹塑进行成形时，因为半熔化型坯在压模中的大应变，在刷头部分处从许多小的密排深簇孔，被送进吹塑机中的呈小球形式的主要基料热塑性树脂可具有按标准ASTM D1238测试方法测量的在230℃和2.16kg力下处于约1g/10min至约4g/10min范围内的熔体流动指数(MFI)。MFI不应当太小，例如<1g/10min，因为具有<1g/10min MFI的树脂形成型坯太粘以至于不能自由地流动用大应变充满簇孔之间的窄深间隙。在某种程度上，可提高型坯的温度来降低粘度。挤出吹塑方法的正常温度范围是176～232℃。设定温度太高可导致树脂燃烧和熔化树脂性能上的不一致。例如，为使具有0.37和0.47的MFI的聚丙烯(PP)树脂流动，温度必须被设定在246℃以上以形成具有簇孔的牙刷，但部件质量很差并且很不一致。然而，当MFI太高时，例如当树脂的MFI超过3g/10min时，型坯变得太松软并且不能支撑自身，并且可在它被固定在模具中之前坍塌。降低型坯的温度可降低型坯的粘度来支撑自身，但降低温度可使从一次注射到下一次注射的型坯性能非常不一致。为形成可用来成形一体牙刷的型坯，在某些实施例中，温度为约199℃至约221℃并且MFI为约1.5至约2.5MFI。着色剂的MFI也很重要。尽管着色剂的稀释比(被混合到基料热塑性树脂中的按重量计着色剂的百分比)通常是在2至5％左右，但在30MFI对15MFI下，两种着色树脂的型坯的粘度可表现得显著不同。

具有内腔的本发明的一体牙刷可帮助降低刷洗期间被施加到牙刷上的过大的力量，诸如当采用典型的实心手动牙刷或机电式牙刷时。用标准的成簇状的手动牙刷按大于大约5.0N的力持续反复刷洗可导致齿龈组织随时间的损失是本领域技术人员已知的。例如，存在具有集成的反馈系统的机电式牙刷在使用期间在这个力被超过时警告使用者。这样可以假定，显著部分的牙刷使用者通过牙刷头部施加至多5.0N的力。如图7所示，可建立由实心的均质各向同性材料制成的均匀的矩形横截面的示例性牙刷在抓握状态的模型。在使用过程弯曲期间按这种握持牙刷头部的挠曲可由用来计算处于如图8所示的三点弯曲状态的扁条材料的弯曲模量的公式解析地推断，并且如ASTM D790所公开的那样。

当正交于纵向轴线施加负荷时，用来形成具有内腔的本发明的一体牙刷(中空牙刷)的材料应当提供抗弯能力或刚度。不满足这个标准的牙刷材料在正常使用期间严重地弯曲，并且导致负感体验或者递送不足以适当地清洁牙齿的力。在一个实施例中，为评价用于牙刷构造的尽可能轻质的候选材料，我们在这里将柄部的抗弯强度与其总体比重的比率定义为在图8所描述的具体负荷情况下所测的挠度。图9中的图表显示，这个比率适用于简单矩形梁形状近似于由各向同性均质材料制成的实心柄部；由复合材料或非均质、非各向同性材料制成的柄部；和由其他各向同性均质材料制成的中空柄部。图表中的结果从用于图8装置的弯曲的解析公式或者从以解析形式不可解的材料诸如各向异性材料的有限元分析中预报的弯曲来获得。从这个图表中很显然，由各向同性均质材料制成的实心柄部不能获得可由涉及的各向同性均质中空柄部获得的抗弯强度与重量比。

并非所有的中空制品均具有足够的抗弯强度来承受正交于长轴受弯所施加的5N的力，所述力在拇指支点和刷头之间以典型距离施加到牙刷。当然不是所有的吹塑制品都可承受此类力：很多吹塑的包装诸如水瓶必须在堆放在货盘中之前被充满，因为它们的壁非常薄以至于它们将甚至在它们顶上几个空瓶的重量之下显著地受压变形。有可能通过使用通常较弱的材料或是通过制造极薄的壁以相似的方式制造牙刷使得它们将显得强劲，可能由于使用了不透明材料或其它装饰物的缘故。由这些柄部制成的牙刷在重力或轻微力下将不坍塌，并且在包装中或在非使用展示时可显得稳固，但实际上将是令人讨厌的或不可能根据需要来使用，或者递送足够的刷洗力来保持口腔健康。一般来讲，在通过ASTM D790所测定的5.0N的外力下变形超过20mm的刷在使用时将不令人满意。在某些实施例中，本发明的一体牙刷在通过ASTM D790所测定的5.0N的外力下变形小于约20mm。在某些实施例中，本发明的一体牙刷在通过ASTM D790所测定的5.0N的外力下变形小于约10mm。

各向同性非均质材料从这个图表中显示出也用于轻质牙刷的候选材料。然而，这些材料由于气泡而产生的应力集中本质上是脆的，所述气泡是发泡工艺的结果。如上所述的图表仅显示承受载荷时预测的或理论的挠曲并且未考虑材料的强度极限。在典型刷洗期间在远低于所用的那些负荷的负荷下受弯时，由所示泡沫制成的牙刷在拉力下将在表面断裂。

一般来讲，具有基本上均匀壁厚的中空牙刷通过将所述材料有选择地放置在最外直径处或者距弯曲轴最远的位置使用最少的材料提供期望的抗弯能力，在此处它可用最小的必需强度承受最大的弯矩。与如果柄部是由实心材料制成或者把材料主要放置在中性轴上相比，这种有选择地放置材料自然地降低由弯矩引起的施加到材料元素的正应力，并且导致较小的应变每种材质每单位施加的法向力或弯矩。工字梁是距中性轴尽可能远地有选择性地放置材料的一个常用例子。然而，当围绕不同轴线弯曲时，工字梁抗弯曲完全不同。横截面基本上圆形的中空部件诸如中空牙刷，将在围绕多个轴线受弯时提供足够的强度，其是个人护理制品诸如手持式的牙刷所需要的，所述牙刷是手持的并且有规律地用于很多不同的方向并且必须承受关于几乎任何弯曲轴的负荷。

然而，并非所有的中空牙刷设计都将提供足够的抗弯能力，如以上在挠度对比重比率中所定义的那样。当然，制造具有很薄的柔性壁的挤出吹塑的牙刷比以这样一种方式制造其壁足够厚以提供足够的抗弯能力的牙刷更容易。对于所有的挤出吹塑的制品而言，在可被生产而不在制品的外表面上造成明显的折叠或溢料线的壁厚上具有上限。这个上限取决于制品将要被给予中空的那部分的最小外周长、吹塑之前挤出材料的初始厚度和吹塑部分的初始周长与吹塑部分的最终周长的比率。随着初始材料的壁厚增大，其较大部分被收集在旨在配合的模具表面之间，因此，围绕模塑制品的全部或一部分形成平直部分，通常称作毛边。具有甚至少量毛边的中空牙刷使用起来将是令人不快的，尤其是当它越小时，毛边摸起来变得或感到越尖锐。

材料的弹性和强度也在抗弯能力方面起主因的作用：例如，当以相同的几何形状和壁厚用LDPE或聚丙烯模塑时，刚性足够并且由相对强劲的材料诸如PET-G制成的吹塑牙刷可被认为用起来太弱。甚至在LDPE和聚丙烯之间，聚丙烯牙刷可比LDPE牙刷强劲得多以致显而易见地被使用者认为更硬。

在本发明的某些实施例中，长度介于100mm和2000mm之间并且具有介于7.0g和13.0g之间重量、材料基本上围绕中空部分的壁均匀分布的聚丙烯牙刷具有小于0.5g/cm³的总体比重。

除了抗弯强度、刚度和便于制造之外，中空牙刷具有利用未占用的内部容积来封罩一些有用的或装饰性元件的优点。此类元件可包括为组装的中空刷所共有的元件诸如主要电子系统、机电系统、主要机械系统和装饰元件。

电子元件诸如电池、定时器、警报器、转换器、加速计、灯、扬声器、放大器、电阻器、电容器、电感器、晶体管、电路、电路板、印刷型电子器件、电子墨水和基板、焊料、电线和相似的组件可被预先组装成功能或部分功能系统并且安装到中空牙刷的空隙区域中。此类系统具体地可利用牙刷的中空部分中的底切，例如借助于抵靠或靠近底切的布置或位置来提供运动上的限制。此类系统也可利用多层系统的内层来提供合并到系统的元件或牙刷腔体外面的元件之间的电气绝缘或导电性或半导电性。这样的一个例子将是通过放置或启动定位在柄部里面的线圈从外电场得到能量的感应充电系统。这是在不使用时电动牙刷通过其进行再充电的常用方法。这些系统和元件的具体实施例包括但不限于：在刷洗牙齿期间提供反馈给使用者的定时器、在刷洗期间阻止用力过度的力传感器、当牙刷的预期寿命可能被达到时告知使用者的指示元件、在刷洗期间播放歌曲或玩游戏的灯光或声音、利用中空空隙的几何特性来共鸣或衰减里面所产生的某些声音、使所述系统荷电到高或低电位的静电发生器，产生“电子宠物”或电子鸡，如果保持了很好的刷洗习惯其将茁壮成长并且如果它们未做到就经受痛苦或死亡等等。

机电系统诸如旋转电机、线性电机、永磁铁直流电机、压电式转换器、按钮、拨动开关、临时开关、磁铁、簧片开关也可被独立地使用或者更可能与电子元件和系统结合使用以给使用者提供进一步的有益效果或反馈。例子包括但不限于：使用电机来产生振动触觉反馈、使用压电式转换器或感应电气系统来获得机械能并在刷洗期间转换到电能、使用开关来启动和关闭电气或机电系统、使用磁铁作为感应系统中的元件或者提供对外部电气系统的侦测、使用应变仪测量和反馈或者使用振动感应电机或偏重电机来在刷中的任何点处造成令人愉悦的触感。为使用机械开关，它也可提供在某些区域但不是所有区域中有选择性地减薄牙刷的壁以便产生可变形区域的有利条件，所述可变形区域可允许透过内部安装的开关的实体壁挠曲而没有必须在附加步骤中被密封的孔口。

主要机械系统诸如固体、液体、气体、胶体、磁体、活的或有机元素、相变或化学转变元素、变色元素、热色性元素等可永久地或是打算以后分配用于消耗被安装在中空一体牙刷的内腔内。可消耗的填充元素的实例包括但不限于：牙膏、口服灌洗剂、美白剂、呼吸清新剂。固体的例子包括但不限于：成型和设计成将平衡物和重量添加到装置的制品，诸如铁、锌、或呈固体形式的其它金属；呈单一颜色或多种颜色的二氧化硅或其它颗粒材料。由液体制成的制品可包括但不限于：水、油、凝胶、或它们的组合，包括乳液、混合物、溶液和容易分离的以上的组合诸如油和水。放置在装置中的磁铁可增加储存或连接/相互作用的优点给铁质材料或制品，例如橱柜五金器具或冰箱或家用电器门。磁铁也可被内部布置使得它们与牙刷外部的磁铁相互作用以使牙刷站立在末端上，防止头部接触任何浴室或其它储存区域表面。调整到人体温度偏下的相变或变色元素或系统可被包含进具有例如透明外层的中空牙刷中以产生非电定时器，其将允许牙刷在手中足够时间后改变颜色。

分离已安装的元件，并且具有内腔的一体牙刷的优点是在内表面上装饰半透明的或透明的牙刷的能力，其通过牙刷的主体隔开使用者的接触。在这些实施例中，在将装饰层与人的接触隔开方面具有优点，例如在隔层的温度升高方面造成一些延迟，即，对于热色性油漆而言，其可在大约某个规定时间后改变颜色。同样有利的将是外观磨损的减轻，与在外表面上被油漆或贴印花图案并且经受机械磨损和化学侵蚀的表面形成对比。

实例

实例1：

表1显示，具有内腔的本发明的牙刷的壁沿着牙刷的长度具有最小的厚度偏差：其中(1)一体牙刷中空部分的壁厚由在测量点处牙刷的外表面和内腔表面之间的最短距离确定；(2)平均壁厚是在选择点处沿着横截面的周向所有测量厚度的平均值；(3)在内腔部分处牙刷平均壁厚是每个横截面的厚度的平均值；(4)气隙百分比。

表1

	样本1	样本2	样本3
				平均壁厚(mm)	1.0	1.8	1.4
最大厚度(mm)	2.4	3.4	2.6
				最小壁厚(mm)	0.60	0.9	0.3
壁厚标准偏差(mm)	0.2	0.4	0.2
				标准偏差/平均值(mm)	25.3％	23.9％	13.8％
气隙百分比	66％	44.6％	61.5％

如样本1所示，一体牙刷的中空部分的壁厚可为均匀分布的并且可薄至约0.6mm，其中牙刷的中空部分的平均壁厚是1.0mm并且壁厚上的标准偏差是约0.25mm，其仅为平均厚度的约25.3％–仅仅示出了壁厚上的最小偏差。样本2显示中空部分的壁厚在约1.8至约3.4mm的范围内，其中壁厚的标准偏差为约0.44mm，其仅为1.8mm平均厚度的约23.4％。样本3显示，中空部分的壁厚在0.3mm至2.6mm的范围内，其中标准偏差为0.2mm，其仅为1.4mm平均厚度的约13.8％。以上结果显示，本发明的牙刷壁沿着牙刷的长度具有厚度上的最小偏差。

实例2：

为确定具有内腔的本发明的一体牙刷是否沿着每个横截面的周向具有均匀的壁厚，牙刷样本首先被微扫描，然后沿着微CT扫描的纵向轴线在80％的中空部分中在每一个2mm长部分内获得约1000个壁厚测量值并且计算统计数据。同样沿着牙刷的纵向轴线计算在牙刷的每2mm部分内的平均厚度。具有内腔的牙刷样本具有明显的底切和轮廓。具有内腔的牙刷的横截面不是圆形的但更象浑圆的三角形形状。牙刷沿着纵向或轴向的壁厚更是连续函数。在牙刷的任何横截面处，内腔的曲率和形状可符合外表面的曲率和形状。从一点到紧挨着它的另一点壁厚没有突变。从一点到另一相邻点的壁厚变化小于1mm甚至小于0.5mm。

实例2A：

在具有厚柄部的牙刷的一个实例中，在每2mm长部分中的壁厚在同一2mm部分的平均壁厚的70％至170％内变化，如图5B所示。如图5A所示，牙刷的80％的中空部分中绝对壁厚从0.6mm变化至2.3mm。沿着牙刷的纵向轴线每2mm部分的平均壁厚在0.9mm至1.2mm的范围内。这些在壁厚上真的是很小的变化。壁厚的标准偏差与平均壁厚的比率小于30％。这个牙刷样本的横截面积在牙刷的80％的中空部分中保持不变，为约45mm²。从一点到另一相邻点的壁厚变化小于0.5mm。相比之下，具有相同外表面的实心牙刷的横截面积在相同的柄部部分中从120mm²至210mm²变化很大。具有薄柄部的这种中空牙刷比具有该形状和尺寸的实心牙刷节省66％的材料。

实例2B：

在具有薄柄部的牙刷的另一个实例中，在每2mm部分中壁厚在该2mm部分的平均壁厚的65％至180％内变化，如图6B所示。同时绝对壁厚从1.2mm变化至2.8mm，如图6A所示。沿着牙刷的纵向轴线每个2mm部分的平均壁厚在1.5mm至2mm范围内。壁厚的标准偏差与平均壁厚的比率小于23％。这个牙刷样本的横截面积在牙刷的80％的中空部分中保持不变，为约70mm²，如图6所示。相比之下，具有相同外表面的实心牙刷的横截面积在相同的柄部部分中从120mm²至210mm²变化很大。具有薄柄部的这种中空牙刷比具有该形状和尺寸的实心牙刷节省47％的材料。

本文所公开的量纲和值不旨在被理解为严格地限于所述的精确值。相反，除非另外指明，每个这样的量纲旨在表示所引用的值和围绕该值功能上等同的范围。例如，公开为“40mm”的尺寸旨在表示“约40mm”。

本文引用的每一文件，包括任何交叉引用的或相关的专利或专利申请，均特此以其全文引入本文，除非明文予以排除或以其他方式受限。对任何文献的引用均不是承认其为本文公开的或受权利要求书保护的任何发明的现有技术、或承认其独立地或以与任何其它一个或多个参考文献的任何组合的方式传授、提出建议或公开任何此类发明。此外，当本文献中术语的任何含义或定义与引入本文以供参考的文献中相同术语的任何含义或定义冲突时，将以赋予本文献中那个术语的含义或定义为准。

尽管已用特定实施例举例说明和描述了本发明，但对于本领域的技术人员显而易见的是，在不背离本发明的实质和范围的情况下可做出许多其它改变和变型。因此，随附权利要求书旨在涵盖本发明范围内的所有这些改变和变型。

Claims (10)

1.一种牙刷，包括：

a.头部、颈部、柄部、柄部末端、头部末端、外表面、内腔和纵向轴线；

b.所述内腔具有限定横截面积的表面；其中所述内腔具有沿着所述牙刷的所述纵向轴线邻接两个较小横截面积的较大横截面积或沿着所述牙刷的所述纵向轴线邻接两个较大横截面积的较小横截面积中的至少一个；

c.所述外表面限定外表面横截面积；

d.由外腔表面和内腔表面形成的壁；

其中所述牙刷包括沿着整个长度的单个一体组件，所述内腔是封闭的，牙刷的外表面没有开口，在80％的中空部分中在正交于所述纵向轴线的任何横截面处沿着周向的壁厚在平均壁厚的70％至170％内，在80％的所述中空部分中平均半径与壁厚的比率在3至10的范围内，且所述内腔的总体积为由所述外表面限定的总体积的50％至70％。

2.根据权利要求1所述的牙刷，其中沿着所述牙刷的所述纵向轴线所述外表面横截面积的平方根与所述内腔横截面积的平方根成比例地变化。

3.根据权利要求1所述的牙刷，其中所述牙刷柄部壁的厚度与所述外表面横截面积的平方根成反比变化。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的牙刷，其中横跨80％的所述中空部分的壁厚的标准偏差不超过平均壁厚的30％。

5.根据权利要求1所述的牙刷，其中在80％的所述中空部分中平均半径与壁厚的比率保持不变并且在3至10的范围内。

6.根据权利要求1所述的牙刷，其中沿着所述纵向轴线所述牙刷的至少一个所述末端具有比所述内腔的最大横截面积小的外表面横截面积。

7.根据权利要求1所述的牙刷，其中所述牙刷柄部末端具有比所述内腔的最大横截面积小的外表面横截面积。

8.根据权利要求1所述的牙刷，其中沿着所述纵向轴线所述牙刷的至少一个所述末端具有比所述内腔的最小横截面积小的外表面横截面积。

9.根据权利要求1所述的牙刷，所述牙刷具有低于0.50g/cm³的比重，并且其中所述牙刷在如ASTM D 790所测定的5.0N施加的力下变形小于10mm。

10.根据权利要求1所述的牙刷，其中所述牙刷包括两个或更多个材料层。