设备上的与用户的皮肤或者其他外部组织接触的用于提供低摩擦和提高的舒适度的工程设计的表面

摘要

被结构设计为与用户的诸如皮肤的外部组织接触的装置包括被结构设计为与所述外部组织直接接合的弹性材料接触部分。所述接触部分具有工程设计的表面(64A、64B)，所述工程设计的表面包括多个非随机的、预先设计的表面特征(70、74B、76B、78B)，所述表面特征被设计为降低摩擦以及提高用户舒适度。在一种实施方式中，所述表面特征(70、76B)的每个紧密邻接对之间的间距(P)小于或等于预定最大间距值，所述表面特征(70、76B)中的每个的高度(H)小于或等于预定最大高度值。

说明书

技术领域

本发明涉及具有被结构设计为与用户的皮肤或其他外部组织(例如， 嘴唇)接触的表面的设备。

背景技术

已知各种各样的在使用期间接触皮肤的设备。这样的设备的范例有但 不限于防尘面罩、耳机、奶瓶和抽乳器。这样的设备的使用，尤其是长期 使用可能造成皮肤刺激或者其他种类的不适。

因而，需要这样一种供诸如耳机、奶瓶或抽乳器使用的表面，其被结 构设计为长期接触用户的皮肤或外部组织，并为用户提供减少的摩擦和/或 提高的舒适度。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种装置，其具有被结构设计为与用户 的皮肤或其他外部组织(例如，嘴唇)接触的表面，所述表面能够通过提 供减小的摩擦和/或提高的用户舒适度而克服常规设备的缺点。

本发明的另一目的在于提供一种制作装置的方法，所述装置具有被结 构设计为与皮肤或其他外部组织(例如，嘴唇)接触的表面，皮肤或其他 外部组织将不会受到与常规设计和制造技术相关联的弊端的影响。

在一个实施例中，提供了一种被结构设计为在其使用期间与用户的诸 如皮肤或嘴唇的外部组织接触的装置。所述装置包括被结构设计为与所述 外部组织直接接合的接触部分。所述接触部分的至少一节段具有工程设计 的表面，所述工程设计的表面包括多个非随机的、预先设计的表面特征， 每个表面特征具有类似的几何结构，其中，在所述节段中，所述表面特征 的每个紧密邻接对之间的间距小于或等于预定最大间距值，并且其中，在 所述节段中，所述表面特征中的每个的高度小于或等于预定最大高度值。

在另一实施例中，提供了一种制作被结构设计为在其使用期间与用户 的外部组织接触的装置的方法。所述方法包括：设计工程设计的表面，其 中，所述工程设计的表面的至少一节段包括多个非随机的、预先设计的表 面特征，每个表面特征具有类似的几何结构，其中，在所述节段中，所述 表面特征的每个紧密邻接对之间的间距小于或等于预定最大间距值，并且 其中，在所述节段中，所述表面特征中的每个的高度小于或等于预定最大 高度值；以及按照一种方式形成所述装置的接触部分，其中，所述接触部 分包括所述工程设计的表面，所述接触部分被结构设计为与所述用户的所 述外部组织直接接合。

参考附图考虑以下描述和权利要求书，本发明的这些和其他目的、特 征和特性，以及相关结构元件的操作方法和功能，以及各部分的组合和制 造的经济性，将变得更加显而易见，所有附图都形成本说明书的一部分， 其中，在各幅图中类似的附图标记表示对应部分。然而要明确理解，附图 仅出于说明和描述的目的，并非旨在作为本发明限制的定义。

附图说明

图1A-1J是每个具有工程设计的表面的接触部分的示范性实施例的示 意性等轴视图；

图2是根据一个具体示范性实施例的图1A的接触部分的示意性表示；

图3和图4是一副耳机的两个不同实施例的示意图，一副耳机的每个 均包括具有文中所述的工程设计的表面的接触部分；

图5是具有奶嘴的奶瓶的示意图，所述奶嘴包括具有文中所述的工程 设计的表面的接触部分；

图6是具有乳房凸缘的抽乳器的示意图，所述乳房凸缘包括具有文中 所述的工程设计的表面的接触部分；

图7是具有心率监测功能的腕表的示意图，所述腕表包括具有文中所 述的工程设计的表面的接触部分；

图8-11是根据各种具体的备选实施方式的图2的接触部分的截面图。

具体实施方式

如本文使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括多个指示物， 除非语境明确做出其他说明。如本文使用的，对两个或更多部分或部件进 行“耦合”的表述应当意指所述部分直接或间接地(即，通过一个或多个 中间部分或部件)相连接或一起工作，只要存在链接。如本文使用的，“直 接耦合”意指两个元件直接相互接触。如本文使用的，“固定耦合”或者“固 定”意指将两个部件耦合从而在保持相对于彼此的恒定取向的同时作为一 体移动。

如本文使用的，“单式”意指将部件创建为单件或单元。亦即，包括单 独创建的，并之后耦合到一起作为单元的零件的部件不属于“单式”部件 或主体。如本文采用的，使两个或更多部分或部件相互“接合”的表述应 当意指所述部分直接地或通过一个或多个中间部分或部件彼此施力。如本 文采用的，“数量”一词应当意指一或者大于一的整数(即多个)。

文中使用的方向短语，例如但不限于顶部、底部、左侧、右侧、上、 下、前、后及其派生词涉及附图中所示的元件的取向，但其并不对权利要 求构成限制，除非其中明确记载。

从图1A可以看出，接触部分64A的工程设计的表面包括多个表面特 征70，其中，每个表面特征70是从接触部分64A的底面72向上延伸的穹 顶状结构。从图1B可以看出，接触部分64B的工程设计的表面包括锯齿状 构造，其中，所述表面特征包括多个隆脊74B和通过四个相邻的隆脊74B 相交形成的多个柱状构件76B。此外，从图1B中可以看出，在每组四个紧 密邻接的隆脊74B界定的区域内形成了谷78B。从图1C可以看出，接触部 分64C的工程设计的表面包括多个表面特征70，其中，每个表面特征70 是从接触部分64C的底面72向上延伸的柱状结构。图1G-1J示出了包括另 外的示范性工程设计的表面的另外的示范性接触部分64G-64J。

此外，在本发明的一个示范性实施例中，通过两个具体的设计参数表 征接触部分的工程设计的表面，所述两个具体的设计参数即表面特征的间 距(P)和表面特征的高度(H)。如本文使用的，“间距”一词应当意指类 似表面特征的紧密邻接对的对应部分之间的距离，并且“高度”一词应当 意指表面特征的最高点与表面特征所处的接触部分64的最低表面72之间 的垂直距离。参考图1A，将该实施例的穹顶状表面特征70的间距(P)和 高度(H)分别标为P和H。参考图1B，在那些实施例的锯齿状构造当中， 测量紧密邻接的柱状构件76B之间的间距，并测量从每个柱状构件76B的 顶端(其为最高的表面特征)到谷78B的最深点的高度。或者，可以测量 紧密邻接的隆脊74B的中心之间的间距。

在一个示范性的非限制性实施例中，具体的材料可以是具有40A型邵 氏硬度的硅酮。在另一示范性的非限制性实施例中，具体材料可以是具有5 A型邵氏硬度的液体硅橡胶。此外，通过(利用低摩擦和皮肤舒适度的标 准)对文中描述的接触部分64的各个实施例的测试和建模(例如，使用数 值模拟的FEM建模)，本发明人已经确定了可以通过采用工程设计的表面 优化接触部分64的性能，其中，类似表面特征的每个紧密邻接对之间的间 距小于或等于特定预定最大间距值(P_最大)，并且每个类似表面特征的高度 小于或等于特定预定高度值(H_最大)。

在一个具体实施例中，所述工程设计的表面由间距表征，其中，所述 间距在整个表面上一致相等(如本文使用的，在对工程设计的表面内的邻 接表面特征的间距值进行比较时，“相等”应当意指间距值全部在另一个的 制造容差的10％或更小内)，并小于或等于P_最大。图1A、1B和图2(如下 文所述)示出了间距一致相等的这种表面的范例。

在一个备选的具体实施例中，所述工程设计的表面由间距表征，其中， 所述间距是各向异性的，也就是说其沿不同的方向具有不同的尺寸/特性。 更具体而言，在这一实施例中，所述间距将沿第一方向具有一致相等的第 一间距值P1，并且沿横向于(例如，垂直于)第一方向的第二方向具有一 致相等的第二间距值P2。图1D使用穹顶状表面特征70示出了这种实施例 的一个范例。图1E示出了这种实施例的另一个范例，其中，采用了如文中 别处所述的锯齿状构造。

在另一备选的具体实施例中，所述工程设计的表面由间距表征，其中， 所述间距可以在整个表面上发生变化，但在每种情况中都小于或等于P_最大。 图1F使用穹顶状表面特征70示出了这种实施例的范例(尽管也可以采用 具有其他形状的特征)。在所示出的实施例中，Pi＝P1,P2,...PN，其中，0< Pi≤P_最大或者2R<Pi≤P_最大，其中，R是半球状穹顶的半径。在一个具体 实施例中，间距值中的每个处于另一个的50％内。在另一具体实施例中， 所述间距值的最大变化在某些地方处于另一个的10％和50％之间(以避免 光学拼接和振动噪声效应)。

类似地，在另一具体实施例中，工程设计的表面由高度表征，其中， 高度在整个表面上是一致相等的(即，对于每个类似的表面特征；如文中 使用的，在对工程设计的表面内的表面特征的高度值进行比较时，“相等” 应当意指在另一个的制造容差的30％或更小内)，并且小于或等于H_最大。

此外，在一个具体的非限制性示范性实施例中，P_最大等于100微米，并 且H_最大等于100微米。换言之，在这一示范性实施例中，将间距P和高度 H表征如下：P≤100微米，并且H≤100微米。在另一作为刚刚描述的实 施例的细化的具体非限制性示范性实施例中，将间距P和高度H表征如下： P≤50微米(或者P≤100微米，或者20微米≤P≤50微米)，并且10微米 ≤H≤40微米。在又一也作为刚刚描述的实施例的进一步细化的具体非限 制性示范性实施例中，将间距P和高度H表征如下：20微米≤P≤50微米 (或者10微米≤P≤50微米，P≤50微米，或者P≤100微米)，并且10微 米≤H≤20微米。在又一非限制性示范性实施例中，P_最大大于或等于10微 米且小于或等于100微米，并且H_最大大于或等于10微米且小于或等于100 微米。例如，可以按照如图1A-1C所示并且如文中别处所述的工程设计的 表面构造中的任何构造实施这些示范性实施例。通过测试和建模，本发明 人已经确定，当在诸如接触部分64的皮肤接触表面上实施时，根据这些示 范性实施例的工程设计的表面将不会在使用期间对用户的皮肤产生不利影 响，因而将优化性能。例如，已经确定这样的构造将不会在用户皮肤的更 深层上提供不适当的应力集中。

因而，基于上文，工程设计的表面中的间距和高度的下述示范性非限 制性组合是可能的：

从上文能够看出，在所描述的实施例的每者当中，指定了最大高度H。 指定最大高度H的一个原因在于限制了在接触表面64接合用户的皮肤并向 用户的皮肤施加力时最高表面特征(例如，穹顶状特征70(图1A)以及柱 76和70(图1B和1C))发生不适当的偏转/形变的可能性。最高表面特征 的过多偏转将导致使用期间的额外静摩擦，因而是不期望的。通过测试和 建模，本发明人已经确定，期望响应于4.4kPa的正常压力和摩擦系数1产 生1微米或更小的偏转，以便避免不期望的静摩擦。因而，在一个示范性 实施例中，根据所选择的具体材料，指定最大高度，以得到足够坚硬/刚性 的表面特征以具有1微米或更小的偏转。例如，对于这样的偏转，表面特 征的每个的高度可以小于20微米，小于或等于15微米，或者小于或等于 10微米，每个的间距(例如，各向同性或者各向异性)小于50微米(或者 间距(各向同性或各向异性)小于30微米)。在一个具体范例中，使用纳 秒激光来创建工程设计的表面(具有各向异性间距)，其中，所述表面特征 沿第一方向具有50微米的间距和13微米的高度，并且沿第二方向具有50 微米的间距和5微米的高度。

此外，本发明的发明人已经确定，接触部分64的工程设计的表面避免 用户皮肤过于“凸起”(即，在接触表面64接合皮肤并向其施加力时皮肤 朝向所述接触表面的形变)到使皮肤与接触表面64的处于最高表面特征之 间的部分(例如，底面72(图1A和1C)和谷78B(图1B))接触的程度 将是有利的。这样的过度凸起是不期望的，因为其导致额外的皮肤接触， 因而导致额外的摩擦和潜在的红印形成。因而，在一个示范性实施例中， 指定最高表面特征(例如，穹顶状特征70(图1A)以及柱76和70(图1B 和1C))的最低高度是有利的。上文指定了一个这样的实施例，其中，将 间距P和高度H表征如下：20微米≤P≤50微米，且10微米≤H≤20微米。

图2是具有采用穹顶状特征70的工程设计的表面的接触部分的一个具 体非限制性实施例的示意性表示。在这一具体实施例中，每个穹顶状特征 70具有图2所示的轴对称轮廓，使得穹顶状特征70关于穹顶状特征70的 中心轴80对称。此外，每个穹顶状特征70包括具有半径R的半球状顶端 部分82，顶端部分82连接至截头圆锥状基底部分84(即，基底部分84具 有截锥形状，如文中使用的，其应当意指通过平行于底面的平面截去了顶 端的圆锥)，基底部分84具有相对于中心轴80测量的半顶角Θ。在一个具 体的示范性实施例中，顶端部分82具有处于5微米和10微米之间的半径R。 在另一可以与先前的实施例组合的具体示范性实施例中，底部部分84根据 材料硬度具有等于10-60度的半顶角Θ(在一种具体实施方式中，针对40A 型邵氏硬度的材料而言，半顶角等于30度)。此外，在又一具体的示范性 实施例中，除了刚刚指出的半径R和半顶角Θ参数之外，将图2所示的示 范性接触部分64的间距P和高度H表征如下：20微米≤P≤50微米，并且 10微米≤H≤20微米。

此外，在所述示范性实施例中，使用模制工序形成文中描述的具有工 程设计的表面的接触部分64，其中，形成模型从而将工程设计的表面施予 到模制产品上。例如而非限制，可以通过使用激光技术(例如，毫微微 (femto-)激光、微微(pico-)激光或毫微(nano-)激光)形成模型表面 而构建适当的模型。一旦形成了模型，就将激光工程设计的模型表面转移 到表面上，从而为所述表面赋予其纹理。然而，应当理解，也可以采用其 他适当的技术创建适当的模型，例如但不限于铣削、抛光、喷砂、蚀刻或 放电加工。

如文中别处所述，可以使接触用户皮肤的工程设计的表面由柔软的， 像垫子一样的弹性材料制成，例如但不限于硅酮、适当柔软的热塑性弹性 体(例如，热塑聚亚氨酯(TPU))、胶乳、聚丁二烯、闭孔泡沫或者这些材 料的任何组合。此外，这些材料可以是任何橡胶或弹性聚合物材料，例如， 这样一种材料，其中，有机单体选自包括以下的组：丁二烯、异戊二烯、 二烷基硅氧烷(dialkylsiloxane)、二芳基硅氧烷(diarylsiloxane)、丙烯酸烷 基酯、丙烯腈、氯丁二烯、氟化乙烯、乙烯和乙酸乙烯酯的混合物、乙烯 和一种或多种丙烯酸酯的混合物、以及乙烯与丙烯和二烯的混合物。应当 注意，上文列举的材料与皮肤相容。尽管其是优选的，但是并非是强制性 的，并且也可以使用可能不与皮肤最优相容的其他材料。

此外，在一个或多个具体实施例中，可以使用上文列举的具有下述柔 软和/或弹性特性的材料中的任何材料来制作包括文中描述的工程设计的表 面的元件：2-55的A型邵氏硬度和0.1-3.5MPa(或者0.1-1.5MPa)的弹性 模量，或者2-50的A型邵氏硬度和0.1-3.5MPa(或0.1-1.5MPa)的弹性 模量，或者5-50的A型邵氏硬度和0.1-3.5MPa(或0.1-1.5MPa)的弹性 模量。在具体的范例中，下述具体材料是可能的：(i)具有2A型邵氏硬度 和0.15MPa弹性模量的硅酮，(ii)具有5A型邵氏硬度和0.3MPa弹性模 量的硅酮，以及(iii)具有40A型邵氏硬度和1.4MPa弹性模量的硅酮。

如文中别处所述，采用工程设计的表面的一个优点在于其提供了特定 程度的自清洁。具体而言，已经确定，在使用期间摩擦用户皮肤之后，文 中描述的工程设计的表面比现有技术中的平参考表面保留的皮肤细胞更 少。由于附着到皮肤接触表面的皮肤有机材料是细菌滋生源，而且这样的 细菌滋生能够刺激皮肤发红，因而能够减少粘著的皮肤细胞的数量的构造 将是有利的。

应当理解，文中描述的工程设计的表面可以例如形成为嵌体或贴片(例 如，一次性的)的部分。可以在不同类型的设备的接触部分上使用文中描 述的工程设计的表面，例如而非限制性的。还应当理解文中描述的工程设 计的表面的使用不受任何具体设备的限制。相反，能够使用所述工程设计 的表面在各种各样的设备上形成组织接触部分。例如，从图3(其为具有由 柔软弹性材料(例如但不限于硅酮)形成的听筒102的一副耳机100的一 个实施例的示意图)能够看出，能够使用文中在各个实施例中描述的工程 设计的表面在听筒102上形成皮肤接触部分104。类似地，从图4(其为具 有由柔软弹性材料(例如但不限于硅酮)形成的听筒108的一副耳机106 的另一实施例的示意图)能够看出，能够使用文中在各种实施例中描述的 工程设计的表面在听筒108上形成皮肤接触部分110。作为另一个范例，从 图5(其为具有由柔软弹性材料(例如但不限于硅酮)形成的奶头或奶嘴 114奶瓶112的一个实施例的示意图)看出，能够使文中在各种实施例中描 述的工程设计的表面在奶头或奶嘴114上组织接触部分116。作为另一个范 例，从图6(其为具有容器120、手柄驱动泵送组件122以及由柔软弹性材 料(例如但不限于硅酮)形成的乳房凸缘124的抽乳器118的一个实施例 的示意图的)看出，能够使用文中在各种实施例中描述的工程设计的表面 在乳房凸缘124上形成组织接触部分126。图7示出了又一范例，其为具有 心率监测功能的腕表128的一个实施例的背面示意图。从图7看出，表128 包括中央部分130以及表带132A和132B。中央部分130包括被结构设计 为容纳传感器的传感器区域134以及围绕传感器区域134的组织接触部分 136。组织接触部分136包括文中在各个实施例中描述的工程设计的表面。 所述工程设计的表面的主要功能在于避免在提供于传感器区域134中的传 感器与皮肤之间产生滑动，同时提供皮肤舒适度。在一个示范性实施例中， 组织接触部分136包括附着至表128的背面的硅酮橡胶片。此外，刚刚描 述的传感器应用不限于腕表，而能够是任何类型的针对皮肤的传感器应用。 应当理解，或者，能够视情况仅在听筒102、听筒108、奶头或奶嘴114、 乳房凸缘124或表128的一部分上按照选定的图案或者选定的位置提供接 触部分104、110、116、126、136。

如文中别处所述，图2是具有采用穹顶状特征70的工程设计的表面的 接触部分64A的一个具体非限制性实施例的示意性表示，其中，每个穹顶 状特征70具有轴对称轮廓并且关于穹顶状特征70的中心轴80对称。此外， 每个穹顶状特征70包括具有半径R的半球状顶端部分82，顶端部分82连 接至截头圆锥状基底部分84。

图8是图2的接触部分64A的具体非限制性实施方式的截面图，将其 标为64A-1。在接触部分64A-1中，工程设计的表面具有下述参数/特性：(i) 接触部分64A-1由诸如具有5A型邵氏硬度和0.1-1.5MPa(例如，0.3MPa) 的弹性模量的硅酮的材料制成，(ii)每个穹顶状特征70-1具有等于7.5微 米的基圆半径(BR)，(iii)接触部分64A-1中的穹顶状特征70-1的间距P 为15微米，(iv)每个穹顶状特征70-1的高度为10微米，以及(v)接触 部分64A-1中的穹顶状特征70-1响应于0.01MPa的正常压力和摩擦系数1 具有1微米或更小的偏转(例如，0.869926微米或更小)。

图9是图2的接触部分64A的另一具体的非限制性实施方式的截面图， 将其标为64A-2。在接触部分64A-2中，工程设计的表面具有下述参数/特 性：(i)接触部分64A-2由诸如具有5A型邵氏硬度和0.1-1.5MPa(例如， 0.3MPa)的弹性模量的硅酮的材料制成，(ii)每个穹顶状特征70-2具有等 于7.5微米的基圆半径(BR)，(iii)接触部分64A-2中的穹顶状特征70-2 的间距P为30微米，(iv)每个穹顶状特征70-2的高度为5微米，以及(v) 接触部分64A-2中的穹顶状特征70-2响应于0.01MPa的正常压力和摩擦系 数1具有0.5微米或更小的偏转(例如，0.434963微米或更小)。

图10是图2的接触部分64A的又一具体的非限制性实施方式的截面 图，将其标为64A-3。在接触部分64A-3中，工程设计的表面具有下述参数 /特性：(i)接触部分64A-3由诸如具有5A型邵氏硬度和0.1-1.5MPa(例 如，0.3MPa)的弹性模量的硅酮的材料制成，(ii)每个穹顶状特征70-3 具有等于5微米的基圆半径(BR)，(iii)接触部分64A-3中的穹顶状特征 70-3的间距P为15微米，(iv)每个穹顶状特征70-3的高度为5微米，以 及(v)接触部分64A-3中的穹顶状特征70-3响应于0.01MPa的正常压力 和摩擦系数1具有0.6微米或更小的偏转(例如，0.5505微米或更小)。

图11是图2的接触部分64A的又一具体的非限制性实施方式的截面 图，将其标为64A-4。在接触部分64A-4中，工程设计的表面具有下述参数 /特性：(i)接触部分64A-4由诸如具有5A型邵氏硬度和0.1-1.5MPa(例 如，0.3MPa)的弹性模量的硅酮的材料制成，(ii)每个穹顶状特征70-4 具有等于5微米的基圆半径(BR)，(iii)接触部分64A-4中的穹顶状特征 70-4的间距P为10微米，(iv)每个穹顶状特征70-4的高度为5微米，以 及(v)接触部分64A-4中的穹顶状特征70-4响应于0.01MPa的正常压力 和摩擦系数1具有0.3微米或更小的偏转(例如，0.244667微米或更小)。

在权利要求中，置于括号中的任何附图标记都不得被解释为对权利要 求的限制。词语“包括”或“包含”不排除权利要求中列举的元件或步骤 以外的其他元件或步骤的存在。在列举了若干器件的设备权利要求中，这 些器件中的若干可以由同一件硬件来实现。元件前面的词语“一”或“一 个”不排除存在多个这样的元件。在列举了若干器件的设备权利要求中， 这些器件中的若干可以由同一件硬件来实现。在互不相同的从属权利要求 中记载特定元件并不指示不能组合使用这些元件。

尽管基于当前认为是最实际和优选的实施例出于说明的目的详细描述 了本发明，但要理解，这样的细节仅出于该目的，并且本发明不限于公开 的实施例，而是相反，旨在涵盖在权利要求书的精神和范围之内的修改和 等价布置。例如，要理解，本发明预见到在可能的范围内，能够将任何实 施例的一个或多个特征与任何其他实施例的一个或多个特征相组合。