DE19523882C2 - Toothbrush pressure limiter - Google Patents

Abstract

Bei der Erfindung handelt es sich um ein flexibles Element (2), welches eine scheinbar elastisch verformbare Verbindung zwischen Zahnbürstengriff (1) und Zahnbürstenkopf (3) darstellt. Der Zahnbürsten-Druckkraftbegrenzer besteht aus einer superelastischen (pseudoelastischen) Formgedächtnislegierung, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckkraftbegrenzer (2) bei Auftreten eines bestimmten Grenzwertes der Druckkraft ein ausgeprägtes Plateau der mechanischen Spannung aufweist, wodurch bei Überschreiten des einstellbaren Anpreßdrucks der Zahnbürstenborsten (4) auf das Zahnfleisch oder die Zähne des Benutzers der Druckkraftbegrenzer (2) in Funktion tritt. Er knickt dabei in Druckrichtung aus, so daß die Kraft auf das Zahnfleisch durch den bis zu einem Winkel von 135 DEG ausfedernden Bürstenkopf einen einstellbaren Grenzwert (z. B. 3 N) nicht überschreiten kann.The invention relates to a flexible element (2), which represents an apparently elastically deformable connection between the toothbrush handle (1) and toothbrush head (3). The toothbrush pressure force limiter consists of a superelastic (pseudoelastic) shape memory alloy, characterized in that the pressure force limiter (2) exhibits a pronounced plateau of the mechanical tension when a certain limit value of the pressure force occurs, so that when the adjustable contact pressure of the toothbrush bristles (4) on the Gums or the user's teeth the pressure force limiter (2) comes into operation. It buckles in the pressure direction so that the force on the gums cannot exceed an adjustable limit value (e.g. 3 N) due to the brush head which springs out at an angle of 135 °.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Druckkraft-Begrenzer für Zahnbürsten gemäß Oberbegriff des Hauptanspruchs.The present invention relates to a pressure force limiter for toothbrushes according to the preamble of the main claim.

Um beim Zähneputzen eine Schädigung des Zahnschmelzes im Zahnhalsbereich und des Gingivasaumes zu vermeiden, hat man bislang Zahnbürsten entweder mit nachgiebigeren oder weicheren Borsten versehen, die in ihrer Reinigungswirkung allerdings unzureichend sind. Außerdem hat man zwischen Bürstenkopf und Handgriff der Zahnbürsten bereits elastische Elemente oder Verbindungsteile vorgesehen, die so ausgebildet sind, daß der Bürstenkopf gegenüber dem Handgriff in einer parallel zur Druckrichtung durch die Wirkrichtung der Borsten vorgegebenen Verformungsrichtung elastisch ausfedern kann (US 5.315.732 A, US 5.146.645 A, EP 0 336 641 A2). Diesen Wirkprinzipien gemeinsam ist, daß sie auf der Verwendung von Polymerwerkstoffen beruhen, die spritztechnisch entweder in einem mehr oder weniger kompliziert geformten Bauteil (US 5.146.645 A, EP 0 336 641 A2) oder durch die Montage zahlreicher Einzelteile (US 5.315.732 A) gefertigt werden.To prevent damage to the enamel when brushing your teeth To avoid the neck area and the gingival margin To date, toothbrushes have either been more compliant or softer bristles provided in their cleaning effect however, are insufficient. You also have between Brush head and handle of the toothbrushes are already elastic Elements or connecting parts provided so are designed so that the brush head against the Handle in a direction parallel to the printing direction Direction of action of the bristles predetermined direction of deformation can elastically rebound (US 5,315,732 A, US 5,146,645 A, EP 0 336 641 A2). Common to these principles of action is that they are based on are based on the use of polymer materials spraying either in a more or less complex shaped component (US 5,146,645 A, EP 0 336 641 A2) or by assembling numerous individual parts (US 5,315,732 A) are manufactured.

Die Untersuchung einer Zahnbürste nach diesem Prinzip (EP 0 336 641 A2) weist jedoch auf einen entscheidenden Nachteil hin, der allen genannten Erfindungen gemeinsam ist: sie weisen eine progressive Federkennlinie auf (vgl. US 5.315.732 A, Fig. 7), d. h. bei Überschreiten einer "gesunden" Anpreßkraft der Borsten auf das Zahnfleisch (ca. 2-3 N) wird diese Überlastung zwar signalisiert, der Benutzer kann die gesunde Anpreßkraft jedoch beliebig überschreiten. Durch die Verwendung von spritzgußtechnisch verarbeitbaren Massenwerkstoffen (Polyethylen PE, Polypropylen PP, manche Modelle auch ABS) als strukturelle Komponente der Zahnbürsten können hierbei auch bleibende Schädigungen durch plastische Verformung des thermoplastischen Kunststoffs nicht ausgeschlossen werden. Die folgenden Belastungszyklen weisen dann ein stark verändertes Aussehen der Kraft-Ausbiegungskennlinie der Zahnbürsten auf und die Funktion des Elementes ist gefährdet.However, the examination of a toothbrush according to this principle (EP 0 336 641 A2) indicates a decisive disadvantage that is common to all of the inventions mentioned: they have a progressive spring characteristic (cf. US 5,315,732 A, FIG. 7), ie if a "healthy" contact force of the bristles on the gums (approx. 2-3 N) is exceeded, this overload is signaled, but the user can exceed the healthy contact force as desired. Due to the use of mass-processing materials that can be processed by injection molding (polyethylene PE, polypropylene PP, some models also ABS) as a structural component of the toothbrushes, permanent damage due to plastic deformation of the thermoplastic cannot be excluded. The subsequent load cycles then have a greatly changed appearance of the force-deflection characteristic of the toothbrushes and the function of the element is at risk.

Derartige Zahnbürsten mit einem spritztechnisch realisierten Element zur Begrenzung der Druckkraft sind demnach entweder unwirksam (EP 0 336 641 A2, US 5.315.732 A) oder sie sind für den dauerhaften Einsatz nicht geeignet (US 5.146.645 A). Zudem stellen sie spritztechnisch und hygienisch problematische Bauteile dar. In den Hohlräumen sammeln sich Reste von Zahnpflegemitteln, die bereits nach einwöchigem Gebrauch zu unhygienischen Ablagerungen führen können.Such toothbrushes with an injection molded Elements for limiting the pressure force are accordingly either ineffective (EP 0 336 641 A2, US 5,315,732 A) or them are not suitable for permanent use (US 5,146,645 A). They also provide spraying technology and hygienic problematic components. Collect in the cavities Remains of dentifrices that have been removed after a week  Use can lead to unsanitary deposits.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Zahnbürsten-Druckkraftbegrenzer so auszubilden, daß bei Auslenkung des Bürstenkopfes nach Erreichen eines bestimmten Anpreßdruckes dieser bei weiterer Auslenkung etwa konstant bleibt.The object of the invention is a toothbrush pressure force limiter train that when deflecting the brush head after reaching a certain contact pressure this approximately constant with further deflection remains.

Diese Aufgabe wird durch die Kennzeichenmerkmale des Anspruchs 1 ge­ löst.This task is ge by the characterizing features of claim 1 solves.

Als hauptsächlicher Unterschied zu den zuvor genannten und als bekannt angenommenen Erfindungen ist die Tatsache zu nennen, daß die hier vorliegende Erfindung auf der Verwendung einer sogenannten "superelastischen" (wissenschaftlich korrekt: pseudoelastischen) Formgedächtnislegierung beruht. Die Erfindung weist damit ein extrem elastisches Element aus dieser Formgedächtnis­ legierung auf, das beim Einsatz als Verbindungsstück zwischen Zahnbürstenkopf und -griff als Begrenzer für die auftretenden Druckkräfte auf das Gebiß und das Zahnfleisch des Benutzers dient.As the main difference to the above and as known inventions, the fact is too call that the present invention here on the Use of a so-called "super elastic" (scientifically correct: pseudoelastic) Shape memory alloy is based. The invention thus points an extremely elastic element from this shape memory alloy that, when used as a connector between Toothbrush head and handle as a limiter for those that occur Pressure forces on the user's teeth and gums serves.

Das metallphysikalische Phänomen der Metalle mit Formerinnerungsvermögen, im folgenden als Formgedächtnislegierungen (FGL) bezeichnet, ist seit ca. 40 Jahren bekannt. Damals fand man bestimmte Kupfer- Legierungen, die nach einer scheinbar plastischen Verformung und nachfolgender Erwärmung ihre Ausgangsgestalt wieder einnehmen können. Diesen Effekt nennt man den "Einwegeffekt" (manuelle Verformung mit nachfolgender Formrückkehr bei Erwärmung). Bis heute kennt man eine große Anzahl von Legierungen, die mit dem Formgedächtniseffekt verbundenen Eigenschaften aufweisen. Kommerziell haben sich besonders die Legierungen auf der Basis der intermetallischen Verbindung Nickel-Titan bzw. NiTi-X (z. B. mit X = Pd, Cu, Fe, Nb etc.) etabliert, die die höchsten Effektbeträge, die besten Korrosionseigenschaften und eine hohe Ermüdungsfestigkeit aufweisen.The metal-physical phenomenon of metals with Shape memory, hereinafter referred to as Shape memory alloys (FGL) has been around for about 40 years Years known. At that time, certain copper Alloys that appear after a plastic deformation and subsequent heating to their original shape again can take. This effect is called the "One way effect" (manual deformation with subsequent Form return when heated). A large one is known to this day Number of alloys with the shape memory effect have associated properties. Have commercially especially the alloys based on the intermetallic compound nickel-titanium or NiTi-X (e.g. with X = Pd, Cu, Fe, Nb etc.) established the highest Effect amounts, the best corrosion properties and one have high fatigue strength.

Bei der dem Effekt zugrunde liegenden martensitischen Phasenumwandlung sind die Größen "Temperatur" und "mechanische Spannung" äquivalent, d. h. eine martensitische Umwandlung kann einerseits - wie bei dem beschriebenen Einwegeffekt - durch einen Temperaturreiz hervorgerufen werden, andererseits kann sie aber auch durch eine von außen einwirkende Kraft "spannungsinduziert" werden. Dieser Vorgang ist mit einer hohen scheinbar elastischen Dehnung verbunden, der sog. "Pseudo-" oder "Superelastizität". Ein superelastisches Bauteil weist in einem bestimmten, "program­ mierbaren" Temperaturbereich eine 10 bis 20-fach höhere scheinbare Elastizität auf, als ein konventionelles metallisches Bauteil (Abb. 1).In the martensitic phase transformation on which the effect is based, the variables "temperature" and "mechanical tension" are equivalent, ie a martensitic transformation can - on the one hand - as with the described one-way effect - be caused by a temperature stimulus, but on the other hand it can also be caused by an external effect Force can be "tension-induced". This process is associated with a high apparent elastic stretch, the so-called "pseudo" or "super elasticity". In a certain, "programmable" temperature range, a super-elastic component has an apparent elasticity that is 10 to 20 times higher than that of a conventional metallic component ( Fig. 1).

Die Superelastizität findet vermehrt dort Anwendung, wo hohe Verformungen unmittelbar nach Entlastung wieder zurückgehen sollen. Typische Beispiele sind "hochflexible Antennen" und "superelastische Brillenbügel" (vgl. WO 94/20876 A1). Bei diesen Anwendungen steht jedoch die hohe Elastizität des Werkstoffs im Vordergrund: ein konventioneller Brillenbügelwerkstoff wäre bei vergleichbarer Verformung irreversibel zerstört oder würde zerbrechen.Superelasticity is increasingly used where high Deformations decrease immediately after relief should. Typical examples are "highly flexible antennas" and  "Super elastic eyeglass temple" (cf. WO 94/20876 A1). With these However, applications are the high elasticity of the material in the foreground: a conventional temple material would be with comparable deformation irreversibly destroyed or would break.

Nicht im Vordergrund steht bei der Anwendung superelastischer Formgedächtnislegierungen in hochflexiblen Brillengestellen das ausgeprägte Spannungsplateau, welches im Spannungs-Dehnungsdiagramm (Abb. 1) erkannt werden kann.The use of super-elastic shape memory alloys in highly flexible glasses frames does not focus on the pronounced stress plateau, which can be seen in the stress-strain diagram ( Fig. 1).

Innerhalb dieses Plateaus wirken nahezu konstante Kräfte über einen großen Verformungsbereich (6-8%). Diese Eigenschaft wird in der vorliegenden Erfindung genutzt: Ein Zahnbürstenkopf (3) wird mittels einer superelastischen Biegefeder (2) mit dem Handgriff der Zahnbürste (1) verbunden. Wird beim Anpressen des Bürstenkopfes (3) auf das Gebiß eine bestimmte Druckkraft erreicht, so beginnt die metallkundlich relevante Phasenumwandlung des Austenits (Ausgangsstruktur) in den Martensit (scheinbar elastisch verformte Struktur) und eine elastische Formänderung setzt bei konstant bleibender Druckkraft ein. Der Bürstenkopf federt entgegen der Belastungsrichtung aus und signalisiert dem Benutzer einen zu hohen Krafteinsatz. Bei weiterer Belastung nimmt der Druck auf das Gebiß nicht weiter zu, Ursache hierfür ist das ausgeprägte Spannungsplateau im Spannungs- Dehnungsdiagramm des Druckkraftbegrenzers aus Formgedächtnislegierung. Bei Nachlassen des Drucks des Bürstenkopfes (3) auf das Zahnfleisch des Benutzers tritt das Rückfedern des Bürstenkopfes auf. Dieser Effekt läßt sich nahezu beliebig häufig wiederholen. Man kann davon ausgehen, daß der Benutzer bei der Zahnpflege nicht den zulässigen Winkel der Auslenkung des Bürstenkopfes von 135° überschreiten wird, ab dem auch bei superelastischen Formgedächtnislegierungen in der dargestellten Anordnung plastische und damit irreversible Verformungen auftreten können.Almost constant forces act within this plateau over a large deformation range (6-8%). This property is used in the present invention: a toothbrush head ( 3 ) is connected to the handle of the toothbrush ( 1 ) by means of a superelastic spiral spring ( 2 ). If a certain pressure force is reached when the brush head ( 3 ) is pressed onto the dentition, the phase change of austenite (initial structure) into martensite (apparently elastically deformed structure), which is relevant to the metalworking process, begins and an elastic shape change occurs with a constant pressure force. The brush head rebounds against the load direction and signals to the user that the force is too high. If the load continues, the pressure on the bit does not increase. The reason for this is the pronounced stress plateau in the stress-strain diagram of the pressure force limiter made of shape memory alloy. When the pressure of the brush head ( 3 ) on the gums of the user decreases, the spring back of the brush head occurs. This effect can be repeated almost any number of times. It can be assumed that the user in dental care will not exceed the permissible angle of deflection of the brush head of 135 °, from which plastic and thus irreversible deformations can occur in the arrangement shown, even with superelastic shape memory alloys.

Eine ähnliche bereits auf dem Markt befindliche Anwendung beinhaltet als Verbindungsstück ein Federelement aus Kunststoff. Wird dieses Federelement auf Biegung beansprucht, so nimmt die Biegespannung mit der Auslenkung erheblich zu. Solche Federelemente sind zur Kraftbegrenzung nicht geeignet und bewirken lediglich eine gewisse Dämpfung (vgl. EP 0 336 641 A2).A similar application already on the market includes a spring element as a connector Plastic. This spring element will bend stressed, the bending stress increases with the deflection significantly. Such spring elements are used to limit the force not suitable and only cause a certain damping (see EP 0 336 641 A2).

Claims (4)

1. Zahnbürsten-Druckkraftbegrenzer in Form eines elastischen Verbindungs­ stückes zwischen Bürstenkopf und Handgriff einer Zahnbürste, wobei das Verbindungsstück bei Biegebeanspruchung bis zum Erreichen des Schwel­ lenwertes der mechanischen Spannung im Querschnitt des Verbindungs­ stückes unter Erhöhung der Druckkraft auf Zähne und Zahnfleisch elastisch ausfedert, und wobei die Druckkraft bei weitergehender Biegung oberhalb des Schwellenwertes nicht weiter zunimmt, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsstück (2) aus einer pseudoelastischen Formgedächtnislegie­ rung besteht, wobei bedingt durch das Auftreten der martensitischen Um­ wandlung des Werkstoffs im Bereich zwischen dem Erreichendes Schwellen­ wertes (σ₁) der Spannung und einer Auslenkung des Bürstenkopfes (3) bis ca. 135° das elastische Ausfedern bei annähernd konstanter Druckkraft auf die Zähne erfolgt. 1. Toothbrush pressure force limiter in the form of an elastic connecting piece between the brush head and the handle of a toothbrush, the connecting piece elastically springing out under bending stress until the threshold value of the mechanical tension in the cross section of the connecting piece is increased while increasing the compressive force on teeth and gums, and wherein the compressive force does not increase further with a further bend above the threshold value, characterized in that the connecting piece ( 2 ) consists of a pseudo-elastic shape memory alloy, whereby due to the occurrence of the martensitic transformation of the material in the area between reaching the threshold value (σ ₁ ) the tension and a deflection of the brush head ( 3 ) up to approx. 135 ° the elastic rebound takes place with an approximately constant pressure force on the teeth. 2. Zahnbürsten-Druckkraftbegrenzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsstück (2) aus einem oder einer Vielzahl einzelner pseudoelastischer Formgedächtniselemente, aus einer pseudoelastischen Blattfeder oder einer pseudoelastischen Spiralfeder oder aus Kombinationen pseudoelastischer Drähte, Spiralfedern oder Blattfedern ausgearbeitet ist, wobei die freie Länge des Verbindungsstückes (2), die der Länge des Verbindungsstückes zwischen der Einspannung (4) im Bürstenkopf (3) und der Einspannung (5) im Handgriff (1) entspricht, je nach Ausführung entweder fest vorgegeben oder stufenlos veränderbar ist oder in Stufen arretierbar verändert werden kann.2. Toothbrush pressure force limiter according to claim 1, characterized in that the connecting piece ( 2 ) from one or a plurality of individual pseudo-elastic shape memory elements, from a pseudo-elastic leaf spring or a pseudo-elastic spiral spring or from combinations of pseudo-elastic wires, spiral springs or leaf springs, the free one being worked out Length of the connecting piece ( 2 ), which corresponds to the length of the connecting piece between the clamping ( 4 ) in the brush head ( 3 ) and the clamping ( 5 ) in the handle ( 1 ), depending on the version, either fixed or infinitely variable or lockable in steps can be changed. 3. Zahnbürsten-Druckkraftbegrenzer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsstück (2) mit einer Beschichtung und/oder Ummantelung versehen ist.3. Toothbrush pressure force limiter according to claim 1 and 2, characterized in that the connecting piece ( 2 ) is provided with a coating and / or casing. 4. Zahnbürsten-Druckkraftbegrenzer nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslenkwinkel für das Einsetzen der Schwellspannung σ₁, ab welcher der Druck durch den Bürstenkopf (3) weniger stark zunimmt als bei konventionellen Federn, durch eine sich über die Länge des Verbindungsstückes (2) ändernde Geometrie, z. B. durch eine Einkerbung, nur örtlich begrenzt auftritt.4. Toothbrush pressure force limiter according to claim 1 to 3, characterized in that the deflection angle for the onset of the threshold voltage σ ₁ , from which the pressure through the brush head ( 3 ) increases less than with conventional springs, by a over the length of Connector ( 2 ) changing geometry, for. B. occurs by a notch, only locally.