常规的牙刷通常包括数簇固定在牙刷柄头上的刷毛。生产牙刷的 一种方法包括安装数簇完成的(末端圆形的)刷毛，将它们的未经抛光 的末端插入到模腔中，通过注射成型围绕未经抛光的簇末端形成牙刷 本体，由此将簇锚入牙刷本体中。通过具有盲孔的模杆将簇插入模腔， 该盲孔与簇在完成的刷子上的理想位置相对应。完成的刷毛的制备方 法包括：从卷筒展开丝束，将丝的自由端卷回，切断临近丝的自由端 的绳段，形成具有理想长度的刷毛，将刷毛放入称作箱子的矩形盒中。 然后通过从箱子中拣取刷毛组形成簇。
但是，当从箱子中拣取刷毛并转移到填充模杆的机器时经常发生 问题。拣取设备尝试着重复地选取合适数量的刷毛来形成簇。但是， 在该任务中固有的困难会导致数簇刷毛相对于模杆中的盲孔太小或太 大。如果簇太小，孔不能被充分地填满，当制柄时塑料会流入孔中。 如果簇太大，一根或多根刷毛不能进入模杆，但是反而卷曲到侧面， 阻碍了将簇完全插入模杆，这又会影响成形。
这些问题可以通过将直接从卷筒供应的连续丝束填入模杆来解 决。用于从连续的丝流填充模杆的方法和设备记载在名称为“植入牙刷 毛”(TUFTING ORAL BRUSHES)的美国专利申请号09/863,193中， 其内容在这里引作参考。通过注射成型法(它包括将连续的丝的自由 端插入到模杆中)可以相对容易和经济地生产出使用这些方法的牙刷。 在丝的自由端已经进入到模杆孔之前，不将丝切成刷毛长度，这样减 少或消除如上所述的在处理切断的簇时会发生的问题。
但是，当使用装有卷筒的植毛机时还会出现问题，因为悬链线问 题是连续丝的卷筒所固有的。问题包括各根丝之间的不统一的张力和 长度，这通常是制丝工艺造成的。当从卷筒拉丝束时，这些张力和长 度的差异会造成各根丝最后成环(如图1A-1D所示)，或者卷绕在卷 筒上(如图2所示)。
当这些问题出现时，进入装有卷筒的植毛机的给料装置的丝束的 尺寸会改变。例如，当丝彼此缠绕时，整束的直径会变大。由于对给 料装置的容限通常是严格的，直径增大的丝束面积不能适合给料装置。 直径增大的面积也不能适合模杆的盲孔。
而且，当各别丝具有较小的张力时，这些丝会相对于其它丝发生 轴向滑动，沿给料时卷筒的方向向后。由于该丝继续朝卷筒向后移动， 增加了松弛，最终会形成环。该环最终会阻碍或断开丝。

发明人已经发现，通过抑制或防止丝彼此相对移动可以减少或甚 至消除这些悬链线。
防止丝彼此相对移动的一种方法是以一定距离的间隔将丝彼此焊 接在一起。该焊接过程可以例如在丝束进入给料装置之前或在预制备 步骤(其中将丝束焊接并重新卷绕到卷筒上，然后将其供给植毛机) 中完成。将丝束中的丝彼此焊接防止丝相对于彼此轴向地或径向地相 互缠绕在一起而移动。通过防止轴向移动，各根丝不能向后朝卷筒移 动，由此防止环的形成。通过防止径向地相互缠绕的移动，各根丝不 能抱合成束，由此防止直径的改变。而且，由于当制作牙刷柄时，可 以切断丝束将焊接点放在模腔中，使焊接点成形(或者在焊接点中形 成孔)来形成锚固。通过使用焊接点形成锚固，人们可以取消如本领 域的公知常识中的通过加热模杆中的丝束和完成末端来形成锚固的单 独步骤。
防止丝彼此相对移动的另一种方法是使用可溶的粘合剂临时将丝 彼此粘结。可以在预生产步骤中或就在丝束进入给料装置之前应用粘 合剂。一旦形成刷柄，就将可溶的粘合剂从暴露的刷毛上除去。
防止丝彼此相对移动的另一种方法是使用冰临时将丝彼此粘结。 将液体涂敷到丝束上，并使丝束穿过冷却液或气，例如液氮。液氮会 迅速将丝束冻结成固体杆，然后它会容易地滑过给料装置。然后可以 将冰融化，例如通过在植毛机中加热或通过在末端磨圆过程中丝的摩 擦热。
在一个方面，本发明的特征在于一种生产丝束的方法，它包括(a) 供给包括多根长的连续的丝经过一粘结装置；和(b)在多根连续的丝之 间形成至少一个粘结点，其中至少一个在多根连续的丝之间的粘结点 的形成防止丝相对于多根连续的丝中的任何其它丝沿轴向移动。
一些方法包括一个或多个下述的特征。该方法还包括沿丝束形成 多个轴向间隔开的粘结点。多个粘结点沿丝束轴向等距离地间隔开。 粘结点通过焊接形成。焊接可以通过超声波焊接完成。超声波焊接是 使用一焊头和砧座完成。砧座包括一金属基座和一穿过金属基座的槽， 丝束从该槽中穿过，所述的槽的侧面衬有非金属壁以防止焊头焊接到 砧座上。焊头和砧座一起形成最终刷子簇的形状。槽的宽度是可调节 的。焊头是一杆状焊头。超声波焊接是通过一超声熔合装置完成的。
在另一方面，本发明包括使粘结点成形为完成的簇的形状。粘结 点可以成形为包括一个凹陷的形状。粘结点可以成形为包括一个贯穿 粘结点的孔的形状。本方法还包括在使粘结点成形之前张紧丝束。
在另一方面，本发明包括形成沿轴向连续的粘结点。在一个方面， 沿轴向连续的粘结点是通过冻结丝而形成的。丝的冻结是这样完成的： (a)将液体涂敷到多根连续的丝上以便润湿丝；和(b)施用使润湿 的丝快速冻结的材料，以冻结液体。使快速冻结的材料是液氮。在另 一方面，沿轴向连续的粘结点是通过向丝束施用粘合剂而形成的。粘 合剂是水溶性的。给丝束施用粘合剂的方法还包括在丝束已经送过植 毛机以后去除粘合剂。
在另一方面，本发明包括这样形成牙刷：(a)供给包括多根长的 连续的丝经过一粘结装置；(b)在多根连续的丝之间形成多个粘结点， 其中所述的多个粘结点沿丝束轴向等距离间隔开；(c)将丝束送进一 植毛机中，其中植毛机使多根连续的丝进入一模杆中；(d)挨着粘结 点切断丝束，使粘结点伸出模杆的表面；(e)将模杆置于一成型机中， 使粘结点伸进一个部分地由模杆限定的模腔中，该模腔成形为形成牙 刷本体的形状；和(f)将树脂输送到模腔中，形成围绕粘结点的牙刷 本体。该方法还包括在每一个粘结点中形成一个孔，使进入模腔的树 脂流过该孔。该方法还包括在每一个粘结点中形成一个凹陷，使进入 模腔的树脂流过该凹陷。挨着粘结点切断丝束，使粘结点伸进在模杆 表面下的模杆中的盲孔中。沿丝束轴向等距离间隔地形成多个粘结点， 该距离小于完成的刷子上的簇的长度。
在另一方面，本发明包括在形成多个粘结点以后，将丝束卷绕到 卷筒上，并将粘结的丝束从卷筒供给植毛机。通过超声波焊接完成粘 结点的成形步骤。
在另一方面，本发明的特征是一种在卷筒给料的植毛机中使用的 连续丝束，它包括：(a)多根长的连续的丝；和(b)至少一个在多根 连续的丝之间的粘结点，其中所述至少一个在多根连续的丝之间的粘 结点用于防止丝相对于多根连续的丝中的任何其它丝沿轴向移动。丝 束包括多个沿丝束轴向间隔开的粘结点。粘结点沿丝束是轴向等距离 间隔的。所述粘结点是焊接点。所述焊接点是超声波焊接点。粘结点 的形状象完成的簇。粘结点包括一个凹陷。粘结点包括一个贯穿粘结 点的孔。粘结点是沿轴向连续的粘结点。轴向连续的粘结点是通过冻 结丝束而形成的。
本发明的另一方面包括一种超声波焊接装置，包括((a)一砧座， 其包括一具有一顶表面的金属基座和一沿着该顶表面在金属基座中的 槽，所述的槽限定了簇形状的至少一部分，丝束从该槽中穿过，该槽 具有两侧壁和一底部；和(b)一相对于砧座移动的焊头，其中所述 的焊头可以移进槽中与丝束接触并且可以移出槽中与丝束脱离接触。 该超声装置包括一个或多个下述特征。焊头用于形成最终簇形状的至 少一部分。槽还包括衬在槽侧壁上的非金属壁。非金属壁的熔点比丝 束的熔点高。非金属壁可以是聚醚-酰亚胺、聚醚-醚-酮、聚砜、氟聚 合物、聚四氟乙烯(特氟隆)、酚醛树脂、橡胶、环氧树脂、陶瓷材 料和硬木。砧座还包括装有弹簧的滑块，其临近槽，用于限制丝束， 并且这些滑块在焊头接触到装有弹簧的滑块且移动到与槽中的丝束接 触时，随着焊头一起移动。装有弹簧的滑块是非金属的。槽的侧壁相 对于彼此是可调节的，从而调节槽的宽度。
另一方面包括具有杆状焊头的装置。焊头用于形成一贯穿粘结点 的孔。焊头用于形成一在粘结点中的凹陷。砧座用于形成一贯穿粘结 点的孔。砧座用于形成一在粘结点中的凹陷。
在下面的附图和说明书阐明了本发明的一个或多个实施方案的详 细情况。从说明书和附图以及权利要求书中可以明白本发明的其它特 征和优点。

图lA-1D其上有一个丝环的丝束的连续侧视图。
图2是有一根丝缠绕着束的丝束的侧视图。
图3是根据本发明的一个实施方案的焊接工艺的示意图。
图4是根据本发明的一个实施方案的焊接的丝束的侧面示意图。
图4A是根据本发明的一个实施方案的模杆中的丝束的横截面图。
图5是根据本发明的一个实施方案的超声波焊接砧座的顶视图。
图6是图5的超声波焊接砧座和它的相关超声波焊头沿着线6-6 的横截面图。
图7是根据本发明的另一个实施方案的超声波焊接砧座和焊头的 主视图。
图8是图7的超声波焊头的侧视图。
图9是根据本发明的一个实施方案完成的簇的侧视图。
图10是根据本发明的另一个实施方案完成的簇的侧视图。
图11是根据本发明的一个实施方案的牙刷柄的横截面图。
图12是根据本发明的一个实施方案的杆状超声波焊接杆状焊头 的侧视图。
图13是根据本发明的一个实施方案的超声熔合装置的侧视图。
图14是根据本发明的另一个实施方案粘结的丝束的示意图。
图15是根据本发明的另一个实施方案粘结的丝束的示意图。

在不同图中的相同附图标记表示相同的元件。
用于超声波焊接丝束的方法通常包括下述步骤，现在只对其进行 简单的讨论，下面会进一步详细解释。大体上参考图3，含有丝束14 的松卷卷筒12供给焊接装置10与在完成的牙刷上的簇的丝数相对应 的丝束。丝束14通过张紧装置16(它通常在本领域和纺织品领域是公 知的)给料。接着，丝束14通过去耦装置18(它由轧辊20和22组成)。 在焊接区域26中，去耦装置18与第二去耦装置24协同将丝束14固 定就位。丝束14被拉过成形装置28(它使丝束变成完成的牙刷上的 簇的形状)。当丝束穿过焊接装置36的砧座32时，第二成形装置30 帮助将丝束保持理想的形状。
焊接装置36优选地是具有常见的砧座32和焊头34的超声波焊接 装置。砧座和焊头的形状(下面将更完整地描述)与完成的牙刷上的 簇的形状对应。而去耦装置18和24固定丝束14并防止它移动，焊接 装置36的焊头34与在砧座32中的丝束接合，并将丝束14中的各根 丝52超声焊接。得到的焊接点50(示出在图4中)将具有完成的牙刷上 的最终簇的横截面形状。
丝束14离开焊接区域26、经过第二去耦装置24，丝束然后经过 推进机构38(它使丝束向前移位，并在实际焊接步骤中锁定)给料。 推进机构只能向一个方向旋转，以使丝束前进，并防止丝束向后朝焊 接区域26滑动。丝束通常以移位距离T的方式前进(见图4)，该距 离可以根据由丝束制成的刷子上的最终簇长度而变化，每一个移位运 动之后形成其它的焊接点(例如焊接点54和56)。最后，完成的丝束 14卷绕到卷筒54上，然后其再供给植毛机(tufting machine)。
参考图4和4A，焊接点50、54、56通常这样隔开，留出焊接点 之间的距离F未被粘结。长度F等于要被推进模杆58的盲孔57中的 簇的工作自由端的长度，如申请号09/863,193所述。焊接点长度W大 体上等于将要伸进模腔并且因此将被植入到完成的牙刷柄中的簇的总 数。簇的总长度T等于焊接点的长度加簇的自由端的长度。根据将要 用丝束生产出的完成的簇，可以对每一根丝束调整这些长度。
张紧装置
张紧装置16用来与松卷卷筒12协同拉紧丝束。松卷卷筒可以向 任一个方向运动来帮助张紧装置对丝束14保持恒定张力。张力会趋向 于将短丝伸长到长度接近于长丝，有助于减少丝束从松卷卷筒释放时 产生的松弛量，由此减少较长的丝打卷的可能性。张力还有助于维持 焊接区域26中的丝束的形状，由于不允许任何丝象图1A或1B所示 的那样脱离丝束。必须的张力根据丝束中的丝的数目和直径而变化。 例如，有37根丝的钉簇(nail tuft)，每一根丝具有0.008英寸直径， 需要约4磅的张力。有139根相同类型的丝的簇则需要约10磅的张力。
焊头和砧座
参考图5和6，砧座32包括槽63，丝束14从中穿过。通过使来自 金属焊头34的高频波穿过热塑性的丝进入金属砧座32，超声波焊接 在热塑性的丝中产生热和塑性流。当在丝束中和各根丝之间需要塑性 流将它们粘结在一起时，焊头和砧座之间必需有精密公差，以防止不 希望的塑性流进入焊头和砧座之间的间隙(这会在熔融区产生焊瘤)。 焊瘤会包括超出理想形状的焊接点的溢流，这将使焊接点不能穿过植 毛机的给料装置。为了避免这样的焊瘤，焊头和砧座之间的间隙必须 非常小，优选地小于0.0005英寸。但是，如果金属焊头接触到金属砧 座，超声波会使焊头焊接到砧座。当只有0.00055英寸的间隙是理想的 时，因为难于将焊头和砧座对准，可以给砧座装配非金属壁64和66(在 图7中为96和98)。非金属壁优选地为塑性材料，例如特氟隆，其具 有比丝(它们通常是尼龙或聚对苯二甲酸丁二酯(PBT))更高的熔点。 其它可以用于非金属壁的材料包括工程聚合物，例如聚醚-酰亚胺和聚 醚-醚-酮(PEEK)，热固性材料例如橡胶和环氧树脂，陶瓷和硬木。任 何理想的材料都可以用于壁64和66，只要该非金属壁的熔点比超声 波焊接的丝的熔点高即可。这些非金属壁在帮助防止焊头意外地焊接 到砧座的同时，产生较小的间隙或没有间隙。
再参考图5和6，砧座还包括装有弹簧的滑块70和72，它们协助 将丝限制在丝束14中，直到焊头34充分地压缩缩丝束14。这些装有 弹簧的滑块70和72由非金属材料制成，以防止焊头焊接到砧座上。 当焊头34朝砧座32向下移动时，它接触到装有弹簧的滑块70和72， 使它们也向下移动，进入腔74和76中，由此压缩弹簧78和80。当 丝束在焊头34和砧座基座82之间被充分地压缩时，焊头停止。然后 发射出超声波。超声波从焊头34发出，穿过丝束14进入砧座32的金 属基座82。
焊头34包括成形区域85，当与砧座82的形状组合时，它使焊接 点成为在完成的牙刷中的簇的横截面形状，在该情况下是圆的。与丝 束平行的所有边缘，例如84(和图7中的边缘92和93)都是尖锐的 而不是圆形的，以防止热塑性的丝流入圆形边缘会产生的空隙而形成 焊瘤。但是，与丝束的方向垂直的边缘，例如85(和图8中的边缘110 和112)，是圆形的。对边缘85、110和112进行倒圆可以在焊接之前 逐渐地压缩丝束，还有助于避免丝束横断面的局部能量集中，这会切 断各丝。
图7示出了焊头90和砧座92的另一个实施方案。该特别的实施 方案用于制作扁头钉簇。砧座92包括槽94，丝束14从中穿过。该槽 内衬特氟隆壁96和98。在该实施方案中，槽94的宽度是可调节的， 所以它可以与各种焊头一起使用。由螺栓106和108固定到砧座基座 104上的壁夹100和102将特氟隆壁96和98夹持住。螺栓106和108 坐于在砧座基座104中加工的T形槽(未图示)中的螺母啮合。要调节 槽的宽度，松动螺栓106和108，壁夹100和102可以沿箭头B标示 的任一方向移动。进行了合适的调整以后，拧紧螺栓106和108。该 调整还可以这样完成，使焊头90进入槽94，使特氟隆壁滑动到与焊 头接触，维持壁和焊头之间的接触，然后拧紧螺栓。
图8示出了焊头90的侧视图。可以看出，边缘110和112已经被 倒圆，以在焊接之前逐渐地压缩丝束，还有助于避免局部能量集中， 这会切断各丝，如上所述。
焊接点的成形
参考图9和10，焊接点可以制成有助于将簇锚固在完成的牙刷中 的形状。常规地，在绕着从模杆中伸长的簇模制牙刷柄之前，可以将 簇熔化使其末端熔合到一起，使末端成为球状或蘑菇状。通过防止簇 从柄中滑出，该形状能将簇锚固在柄中。使用本发明的方法制成的焊 接点可以用于锚固簇，不需要进行该附加的熔合步骤。图9示出的簇 120带有由本发明制成的焊接点122。焊接点122包括贯穿簇120的孔 124。当簇120在模杆中时，焊接点122将在模腔中，随着牙刷柄的形 成，柄材料将会流过孔124，由此将簇锚固就位。可以通过在焊头上 添加一个尖端来制作孔，该尖端会集中超声波，由此在焊接点中产生 一个孔。作为替代，通过另一个超声焊头或机械冲孔，可以在完成的 焊接点中形成一个孔。而且，孔可以是圆形的、方形的或任何其它的 形状，只要柄材料能够流过以锚固簇即可。
图10示出了带有通过本发明制成的焊接点132的簇130的另一个 实施方案。焊接点132包括绕着整个簇130的凹陷134。当簇130在 模杆中时，焊接点132将会在模腔中，随着牙刷柄的形成，柄材料将 会绕着凹陷134流动，由此将簇锚固就位。通过将焊头和砧座加工成 一定的形状，以将丝束的焊接点的中间压缩得更大，由此使最终的焊 接点的中间具有更小的直径，可以形成凹陷。
已经描述了本发明的许多实施方案。然而，应当理解，可以进行 多种改进而不背离本发明的精神和范围。例如，成形装置28和30(图 3)不是必须的。砧座可以设计成砧座自身就完全能使丝束成形。而且， 张紧装置16和推进机构38的位置可以调换，或者二者都位于焊接区 域26的同一侧，在焊接区域26之前或之后。
而且，尽管如上所述焊接点的间隔通常是每个簇的长度T(见图 4)，焊接点的间隔也可以是簇长度的X倍。例如，可以仅仅每隔5个 簇长度(或5T)有一个焊接点。在该实施例中，焊接装置10会为每 一个焊接点使丝束移位一个等于5T的长度。
还可以改变焊接点长度W(见图4)。参考图11，簇140具有焊接 点142，该焊接点142被完全包在牙刷柄144中。焊接点142通常是 最常用的理想长度。但是，在有些情况下，更长或更短的焊接点是理 想的。例如，有时比上面所述的0.008英寸更小的直径的丝是理想的， 因为这些更细的丝能容易地到达牙齿之间。但是，直径小于0.008英 寸的丝处于从牙刷柄达到牙齿之间所必需的长度时，倾向于更容易弯 曲和更快地磨损。通过将焊接点的长度增加到超出牙刷柄144(例如 图11中的簇150所示)可以解决该问题。簇150包括焊接点152，它 从牙刷柄144内几乎伸到簇150的自由端的长度的一半。当必须保持 簇的长度能达到牙齿之间时，仅有总簇长度的一部分实际上进入齿间 隙。因此，簇150的其余部分可以焊接到一起，以产生更小的丝结构 强度。作为替代，焊接点F(图4)之间的距离可以缩小，以便在一个簇 长度中具有一个以上的焊接点。将簇154的中间熔合可以加固簇156， 同时产生与上述的更长焊接点不同的弯曲特征。而且，在簇154的中 间的熔合的长度可以与在柄155内的熔合的长度不同。
参考图12，还可以使用杆状焊头160形成焊接点。杆状焊头160 具有多个焊头端头162、163、164和165，它们之间隔开距离F(也见 图4)。因此，一次可以在多个位置对丝束进行焊接。在示出的实施例 中，每个工作循环会制成四个焊接点。这使系统在每一个焊接循环完 成后，移位的丝束长度是原来四倍，因此能将处理完一卷筒的时间缩 短至使用单个焊头且所有的其它工艺参数保持相同时要花费的时间的 25％。
参考图13，超声熔合也能用来在连续的基础上生成多个焊接点。 丝束14被以恒定的速率抽出，穿过静止的焊头170和旋转的砧座172 之间的空隙。旋转的砧座具有几个凸起点174、175、176和177，它 们在分开的间隔处接触丝束。任意两个凸起点之间的距离等于自由簇 的长度F。超声熔合会使过程连续，且比间歇移位(它需要克服惯性 来移动丝束)更快。
而且，可以用来自多个卷筒的丝制成丝束14。多个卷筒可以含有 的丝束的丝可以更少，或者甚至可以是单根丝的卷筒。组合在束中的 丝可以是相同类型的丝或不同的丝。例如，来自一个卷筒的指示丝可 以与来自其它卷筒的非指示丝混合。还有，来自多个卷筒的各种颜色、 材料和直径的丝也可以组合。
还可以使用其它的将丝束粘结到一起的方法。例如，参考图14， 丝束浸有可溶的粘合剂184，它能将各丝粘结到一起。丝束178从松 卷卷筒180供给，穿过张紧装置182。丝束178然后经过粘合剂184 的池子或喷嘴，在束重新卷回到卷筒40上之前使粘合剂干燥。另外， 可以在粘合剂184的池子或喷嘴的任何一侧使用与图3中的那些(28 和30)类似的成形装置，使丝的横截面成形。然后在植毛机中用丝束 来制作牙刷。已经形成柄以后，使用合适的溶剂将粘合剂溶解。优选 地，粘合剂是水溶性的粘合剂。作为替代，可以在束就要进入给料装 置之前使用粘合剂。还可以在将丝放入模杆中之后、但是形成牙刷柄 之前，再溶解粘合剂。
粘结丝的另一种方法是冻结丝束。参考图15，丝束190从松卷卷 筒192供给，经过张紧装置194。通过喷射水196到丝束上(如图示 的)或者通过将丝束穿过水池(未图示)，将水施用到丝束上。另外， 可以在粘合剂184的池子或喷嘴的任何一侧使用与图3中的那些(28 和30)类似的成形装置，使丝的横截面成形。然后快速地冻结丝束， 这可以通过向束吹一阵液氮198或能快速制冷的任何其它气体或液体 来完成。作为替代，可以将束穿过能冻结水的冷却室(未图示)。冻结 的杆然后穿入给料装置200。冻结的杆一旦穿过给料装置，就可以融 化冰。融化可以通过任何理想的不会损伤丝的方式完成，例如通过加 热植毛机的料道。融化还可以通过在末端卷回的过程中产生的摩擦热 来完成。
尽管本发明已经通过使用牙刷作为实例进行了说明，应当理解带 有刷毛簇的任何类型的刷子或物品都可以使用所述的方法和装置来制 作。
因此，其它实施方案也在本发明的权利要求书的范围内。