Ручное маркировочное устройство

Ручное маркировочное устройство

Реферат

 

Изобретение относится к ручным устройствам с электронным управлением для рисования и письма, которые обеспечивают электронное управление шириной и формой знаков, наносимых этими устройствами. Устройство содержит приводимую в действие электричеством пишущую головку для нанесения знаков на поверхность для письма и датчик для обнаружения, когда пишущая головка движется в любом направлении в плоскости параллельной этой поверхности. Устройство также содержит средство для приведения в действие головки, когда датчик обнаруживает относительное движение пишущей головки и поверхности. Пишущая головка может наносить знаки разных видов и размеров на поверхность для письма, для чего она снабжена. средствами для выбора определенного знака, из знаков разных видов и размеров. Изобретение позволяет обеспечить возможность качественного письма и рисования при обычной операции скольжения пишущим инструментом по поверхности. 9 з.п.ф-лы, 15 ил.

Изобретение относится к ручным устройствам с электронным управлением для рисования и письма, которые обеспечивают электронное управление шириной и формой знаков, наносимых этими устройствами. В частности, изобретение касается устройства, в котором используется технология струйного выброса чернил для создания пишущего инструмента.

Известно много различных пишущих инструментов, включая шариковые ручки, ручки с волокнистым наконечником, карандаши, авторучки и т.п., которые позволяют проводить линии, образующие буквы и рисунки. Если требуются линии разной ширины, необходимо использовать разные ручки. Если необходимо изменять плотность линии, надо использовать другую ручку или чернила. Пользователь должен обладать ручными навыками, чтобы создавать рисунки, буквы или текстуры. Кроме того, обычные инструменты зависят от контакта между устройством подачи чернил и основой для нанесения чернил. Ограничение устройства для подачи чернил контактом с основой приносит в жертву целый ряд качеств и уровень работы, которого можно достичь.

В патенте США N 4746936, кл. G 01 D 15/16, 1988 описана ручка, в которой используется струйное сопло для выброса чернил, позволяющая совершенно бесконтактно маркировать поверхности в тех случаях, когда шероховатость или мягкость поверхности делает обычный контакт затруднительным. Подача чернил регулируется включаемым пальцем переключателем, установленным на одной стороне ручки.

Наиболее близким к данному изобретению является ручное маркировочное устройство, включающее в себя корпус, пишущую головку с электроприводом для нанесения знаков на поверхность для письма, средство для приведения головки в действие и выполнения записи, связанное с датчиком перемещения пишущей головки (см. патент США N 4168533, кл. G 06 F 3/12, 1979).

Известное устройство решает проблему письма на неудобных поверхностях, но не обеспечивает возможности качественного письма и рисования при обычной операции скольжения пишущим инструментом по поверхности.

Техническим результатом, на достижение которого направлено данное изобретение, является обеспечение возможности качественного письма и рисования при обычной операции скольжения пишущим инструментом по поверхности.

Данный технический результат достигается за счет того, что в ручном маркировочном устройстве, включающем в себя корпус, пишущую головку с электроприводом для нанесения знаков на поверхность для письма, средство для приведения головки в действие и выполнения записи, связанное с датчиком перемещения пишущей головки, согласно изобретению, датчик перемещения пишущей головки выполнен с возможностью перемещения в любом направлении в плоскости, параллельной поверхности для письма, а также за счет того, что пишущая головка выполнена с возможностью нанесения множества знаков различных видов и размеров на поверхность для письма и дополнительно включает в себя средство для выбора вида или размера наносимых знаков.

Технический результат также достигается за счет того, что датчиком перемещения является датчик вибрации, а также за счет того, что пишущая головка включает в себя струйную пишущую головку с большим количеством выпускных отверстий для создания знаков разной конфигураций, разной плотности и ширины, и, кроме того, что устройство включает в себя струйную пишущую головку с одним выпускным отверстием для обеспечения возможности регулирования размера образующейся капли с помощью селективного средства, например, для изменения ширины линии письма.

Технический результат достигается за счет того, что устройство включает в себя источник маркировочной среды, содержащийся в съемном картридже, причем в картридж также вмонтирована пишущая головка, а также за счет того, что картридж установлен в устройстве с возможностью поворота и фиксации пружиной, причем пишущая головка содержит множество контактов, через которые сигналы передаются к головке от соединителя, и поджимается к соединителю пружиной, а также за счет того, что датчиком перемещения является пьезоэлектрический датчик вибрации пишущего штифта и, кроме того, за счет того, что устройство включает датчик давления прилагаемого к пишущему инструменту пользователем для выбора определенной ширины линии письма, а также за счет того, что датчик давления выполнен за одно целое с датчиком перемещения.

Таким образом, согласно данному изобретению предлагается ручное маркировочное устройство, содержащее приводимую в действие электричеством пишущую головку для нанесения знаков на поверхность для письма; датчик для обнаружения, когда пишущая головка перемещается в любом направлении к плоскости, параллельной упомянутой поверхности; и средство для приведения в действие головки, когда датчик обнаруживает относительное перемещение пишущей головки и поверхности.

Предпочтительно, пишущая головка обладает возможностью наносить знаки разных видов или размеров на поверхность для письма, и устройство также содержат средство для выбора, какой из различных видов или размеров знаков следует нанести/ Предпочтительно, знаки наносятся с помощью струйной пишущей головки с большим количеством выпускных отверстий (далее "многосопловой"), которая может создавать знаки разной конфигурации, плотности, ширины и т.д., но можно также снабдить односопловое устройство селективным средством, например, для регулирования размера капли с целью изменения ширины наносимой линии.

Данное устройство предпочтительно содержит батарейку (которая может быть подзаряжаемой) для подачи электроэнергии к электронной схеме, которая контролирует переключатели и датчик и вырабатывает соответствующие сигналы управления пишущей головкой, а также к электронной схеме витания, которая приводит в действие головку и электронику, обеспечивая им необходимое питание.

Источником маркировочной жидкости может служить сменный картридж.

Предпочтительный вариант изобретения содержит в качестве маркировочного механизма картридж для многосоплового выброса чернил, который управляется микропроцессором, интегральной схемой специального назначения (ASIC), отдельными электронными элементами или их комбинацией, для нанесения линий разной ширины, плотности и конфигурации по выбору пользователя. Предпочтительный датчик, являющийся объектом изобретения согласно совместно поданной заявке, представляет собой пьезоэлектрический датчик вибрации, который обнаруживает вибрации пишущего штифта по мере того, как тот перемещается по поверхности для письма.

Таким образом, пользователь имеет возможность изменять ширину наносимой линии путем выбора разного числа сопел; рисовать и закрашивать с помощью целого ряда создаваемых электрическим путем выборочных рисунков (узоров), и изменять плотность знаков за счет выбора различных скоростей подачи чернил.

Устройство может содержать средство определения давления, с помощью которого определяется давление, приложенное пользователем к пишущему инструменту, при этом сигналы от средства определения давления используются, например, для выбора определенной ширины линии из целого ряда возможных размеров. Средство для определения давления предпочтительно составляет одно целое c датчиком движения, чтобы сократить количество деталей.

Далее будет описан один пример согласно настоящему изобретению со ссылкой на прилагаемые чертежи, где: на фиг. 1 показана схема перспективного вида одного варианта изобретения; на фиг. 2 - блок-схема управляющей электроники для данного варианта; на фиг. 3 - изображение разных рисунков (узоров), которые можно получать с помощью данного устройства; на фиг. 4 - разрядная карта памяти типичного рисунка, который можно наносить данным устройством.

Остальные фигуры касаются второго, модифицированного варианта, при этом: на фиг. 5A показана схема модифицированного варианта в разобранном виде; на фиг. 5B - вид сбоку данного инструмента в собранном виде; на фиг. 5C - вид сечения данного инструмента в собранном виде; на фиг. 6 - вид в D лапе сопловой пластины и соплового основания согласно второму варианту; на фиг. 7A - 7G приведены изображения разных компонентов картриджа с чернилами причем на фиг. 7G показано сечение картриджа в собранном виде; на фиг. 8A - 8C - разные стадии вставления картриджа и пишущий инструмент; на фиг. 9 - вид узла датчика в плане; на фиг. 10 - частичный схематический вид узда датчика сбоку; на фиг. 11A и 11B - схематические изображения части датчика сбоку при контакте с листом бумаги, причем фиг, 11B приводится в значительно увеличенном масштабе; на фиг. 12A и 12B - показаны блок-схемы электронных компонентов; на фиг. 13 - схема формы волны, изображающая фильтрование сигнала датчика; на фиг. 14 - вид в плане гибкой соединительной платы для соединения соплового основания с электронными компонентами в ручке; на фиг. 15A и 15B - детальные изображения установки картриджа с чернилами в ручке.

Первое устройство состоит из корпуса 1, в котором расположен съемный картридж 2 для выброса чернил, фиксатор картриджа 3, датчик вибрации 4, две электронные платы 5, 6, жидкокристаллический дисплей 7, переключатели 8-11, батарейка 12, гнездо 13 для подсоединения внешних источников питания и гнездо 14 для компьютеров или терминалов обработки данных, а также взаимосвязи и контакты 15, 16 для соединения управляющей электроники с картриджем для выброса чернил. В корпусе располагаются и удерживаются рабочие компоненты, причем крышка 17 закрывает датчик и привод выброса чернил или конец картриджа 18, когда устройство не используется.

Привод выброса чернил может быть такого вида, как описано в руководстве Hewlett Packard (HP) Disigner's Guide 5954-8535 (II/86), в HP Journal за май 1985 г. и в спецификациях HP. Для получения размера, подходящего для ручного устройства, желательно использовать привод с пенистым резервуаром для чернил, такой как описанный в документе - патенте США N 4771295, кл. G 06 F 17/00, 1980. В результате получают небольшой пластиковый картридж 2, на котором смонтирован привод 18 и в котором порция чернил хранится в пенистом резервуаре.

Для работы с маркировочным устройством картридж 2 вставляют в секцию фиксатора картриджа 3 в корпусе 1. Свойства картриджа и корпуса таковы, что контакты 16 на приводе располагаются правильно относительно контактов 15 в корпусе. Контакты корпуса предпочтительно формируются как участки на гибкой печатной плате, смонтированной соответственно в ограничителе картриджа. Для закрепления картриджа в ограничителе для хорошего контакта с контактами корпуса может использоваться зажим.

Привод выброса чернил 18 состоит из стеклянного основания, на котором сформирован ряд тонкопленочных резистивных нагревательных элементов, расположенных под сопряженным рядом отверстий, и камер с чернилами, образованных в электроформованной пластине, прикрепленной к поверхности подложки привода выброса чернил. Камеры с чернилами сообщаются через систему трубок в пластине и отверстие в подложке с резервуаром с чернилами, расположенными за подложкой.

Тонкопленочные проводники на подложке привода образуют контакты привода и связаны с нагревательными элементами. Когда электрический импульсный сигнал подается на контакты нагревательного элемента, нагреватель образует пузырек пара в чернило, который выталкивает каплю чернил из соответствующего отверстия.

В ограничителе картриджа 3 сформирован датчик вибрации 4. Он состоит из металлического стержня-кронштейна с пишущим штифтом на свободном конце. К стержню приклеен пьезоэлектрический керамический преобразователь. Когда ручка движется по поверхности, стержень вибрирует и преобразователь вырабатывает электрический сигнал из этих вибраций. Этот сигнал может быть использован для сообщения управляющей электронике, что необходимо привести в действие струйную головку.

На фигуре 2 показана блок-схема управляющей электроники. Для получения компактного размера электронные элементы предпочтительно выполняются на основе двух небольших печатных плат 5, 6. Кроме того, используется специальная интегральная схема, в которой размещается много необходимых функциональных блоков в максимально малом пространстве.

Переключатели 8 - 11 и дисплей 7 позволяют пользователю выбирать желаемые рабочие параметры. Дисплей может отображать целый ряд пиктограмм или сообщений, указывающих, какой режим работы был выбран. Цифровой индикатор, такой как семисегментный знак, показывает, какая из возможностей выбрана.

Пользователь может выбрать один из следующих трех режимов установки параметра: линия, рисунок и плотность. При выборе режима линии пользователь может указать число сопел, которое должно быть приведено в действие. В описанном варианте это число может колебаться от одного до двенадцати сопел. Когда струйная головка осуществляет сканирование над основанием для письма, выбранное число сопел будет регулярно приводиться в действие, пока выдается сигнал датчика, образуя линейные знаки шириной от 0,25 до 3 мм.

Микропроцессор 19 приводит в действие соответствующие сопла путем передачи управляющих импульсов на струйную головку. Для струйной головки нужны импульсы при точном напряжении выше того, которое использует микропроцессор. Импульсы головки должны также иметь точную длительность, и если необходимо, привести в действие много сопел, они должны приводиться в действие в слегка разное время, чтобы избежать нежелательного взаимодействия. Основные логические сигналы микропроцессора преобразуются схемой драйвера в форму, необходимую для струйной головки. Схема датчика отфильтровывает нежелательные шумы и сигналы от выходного сигнала датчика вибрации. В ней используется компаратор для выдачи в случае достаточной вибрации логического сигнала, сообщающего микропроцессору 19, что инструмент движется но поверхности для письма и что необходимо привести в действие струйную головку.

В случае выбора режима рисунка пользователь может использовать нажимные кнопочные переключатели для выбора конкретного пронумерованного рисунка из ряда имеющихся (см. для примера фиг. 3). Рисунок получают за счет селективного приведения в действие сопел во временной последовательности, определенной конкретным рисунком. Эта последовательность может быть обеспечена разными способами. Ее можно получить с помощью уравнения или алгоритма, например, чтобы получить правильный шахматный рисунок или псевдобеспорядочный рисунок. Можно также использовать таблицу преобразования или представление необходимого рисунка в виде разрядной карты памяти.

Длина последовательности рисунка выбирается в зависимости от технического воплощения, в частности, от объема памяти, необходимого для хранения этой последовательности, или из художественных соображений.

В описываемом варианте длина последовательности для рисунков на основе карты памяти выбрана размером 48 пикселов, т.е. точек. Высота рисунка определяется числом сопел - 12. На фиг. 4 показана типичная карта памяти рисунка.

Электронной схеме необходима память для программного обеспечения и для рисунков. В описываемом варианте для компактности и экономии используемый микропроцессор 19 содержит ПЗУ и ЗУ с произвольным доступом на микросхеме, что позволяет хранить всего приблизительно 40 рисунков на основе карт памяти.

Нормально микропроцессор 19 будет регулярно проходить последовательность рисунка на карте памяти, создавая непрерывную узорную линию, пока пользователь перемещает инструмент. Можно обеспечить возможность включать устройство на единичный режим, при котором выполняется только одна последовательность рисунка.

Частота, с которой микропроцессор 19 приводит в действие струйные сопла, определяется в основном тактовой частотой синсистемы. Струйные головки описанного типа могут приводиться в действие при частоте от нуля до 2 кГц. При черчении линий, чем выше скорость приведения в действие сопла, тем больше чернил будет попадать на единицу длины линии и тем темнее или плотнее будет линия. Аналогично, при режиме рисунка, чем выше скорость приведения в действие, тем меньше будет расстояние, в которое сжимается последовательность рисунка, с одновременным повышением его плотности. В режиме установки плотности пользователь может выбрать число, которое относится к скорости, с которой приводится в действие струйная головка.

Пользователь может также пожелать использовать управляющие элементы для ручного регулирования скорости работы в зависимости от разной скорости письма. Для этого датчик вибрации выдает сигналы, которые изменяются с изменением скорости письма. Можно дополнить схему датчика, например, для измерения средней скорости вибраций, чтобы выдать сигнал скорости письма, который микропроцессор 19 может использовать для автоматической регулировки скорости приведения в действие относительно ее номинального значения.

Микропроцессор 19 может устанавливать последовательную связь через имеющееся гнездо 14 с компьютером или каким-либо иным электронным устройством. В одном из вариантов применения этой связи предусматривается управление скоростью с помощью джойстика. В другом варианте применения сигнал скорости письма передается на микропроцессор 19 от графического планшета под средой для письма, по которой пишет данный инструмент. Еще в одном варианте рисунки загружаются в микропроцессор 19 и память из компьютера или другого терминала, в котором они создаются.

Подзаряжаемая батарейка 12 используется для питания данного инструмента. Через гнездо 13 можно подсоединять устройство для зарядки батарейки или внешний источник энергии. Можно использовать и не подзаряжаемые батарейки, но тогда следует обеспечить возможность их замены.

Имеется преобразователь постоянного напряжения (блок питания) 20, который вырабатывает напряжение, необходимое для струйной головки, так как неудобно подавать это напряжение от маленькой батарейки. Схема питания контролирует выход преобразователя и регулирует его до заданного уровня с высокой точностью.

Изобретение было описано с точки зрения конкретных вариантов, применений и технологий. Возможно много вариантов, не выходящих за рамки объема данного изобретения. Например, жидкость может не быть чернилами для визуального отображения; ею может быть клей, или косметика; или проводящая среда для образования дорожек на печатной плате. Датчиком также может служить любое альтернативное всенаправленное средство, например, описанный выше графический планшет. В качестве маркировочного механизма не обязательно использовать головку выброса капли чернил по потребности, а можно, например, использовать печатающий механизм для печати на термочувствительной бумаге.

Теперь будут описаны фигуры 5 - 13 в связи с модифицированным вариантом. Многие компоненты практически идентичны, но этот второй вариант является предпочтительным и показан и описан более детально.

Пишущий инструмент согласно второму примеру в целом похож на первый и основан на многосопловой струйной головке. Его основные признаки: компактность, эргономичность и автономность при возможности держать его рукой; питание от батарейки; - заменяемая головка подачи и выброса чернил; управление с помощью датчика для естественной операции письма: возможность нанесения множества линий и рисунков; возможность подсоединения к другим разным электронным устройствам; выбор и/или программирование пользователем рисунков ; экономичность, возможность широкого производства.

Основные элементы ручки: - корпус, - картридж с чернилами (включающий головку и чернила), - датчик письма, - электронная подсистема.

Функциональные требования к этой ручке определяются теми операциями, которые она должна выполнять. В технических условиях ручка определяется, какими характеристиками она должна обладать, чтобы соответствовать этим требованиям. Для каждой детали ручки существуют специальные требования и технические условия, которые являются важными. В следующих разделах заявки описываются требования и технические условия для основных элементов ручки.

Корпус (фигуры 5A - 5C) Корпус 1 ручки лучше всего показан на фигурах 5A - 5C. Этот корпус состоит из двух основных частей 100, 101, которые вместе заключают в себе и поддерживают другие компоненты пишущего инструмента (или ручки). Имеется карманный зажим 102 и кроме доступа для замены картриджа с чернилами пользователь при обычном применении не имеет доступа вовнутрь ручки. Ручка имеет клинообразное поперечное сечение для удобства и для размещения подзаряжаемой батарейки (которая будет описана ниже). Перемычка 103 отделяет электронные компоненты от пространства для картриджа с чернилами и задняя крышка 104 содержит зажим 102 и помогает удерживать вместе две половинки.

Струйная головка (фигура 6) Головка 20 способна создавать различные рисунки, линии и прерывистые линии достаточно быстро для высокоскоростного письма и требует энергии, достаточной для работы от батарейки при держании ручки рукой, чтобы обеспечить качественное письмо - на различных сортах бытовой и канцелярской бумаги. Головка имеет малый размер, чтобы иметь вид ручки и хорошо смотреться при письме, и представляет собой обычную печатающую головку с выбросом под действием пузырька.

Головка содержит стеклянное основание 21 с 12 соплами на сопловой пластине 23 при шаге, обеспечивающем 38 точек на см (96 точек на дюйм), для линии шириной 0,2-3,2 мм и при максимальной скорости капли 1250 точек в сек.

Картридж с чернилами (фигуры 7A - 7G) Картридж с чернилами 30 должен работать во всех направлениях, не должен протекать при использовании, транспортировке или хранении, и должен вмещать достаточно чернил, чтобы оправдать его стоимость и быть удобным для пользователя. Картридж должен легко сниматься для замены или изменения цвета и обеспечивать электрическую связь с корпусом ручки.

Чернила подаются со скоростью более 2 куб.см/сек при расходе 50 мг на 100 м для проведения линии шириной 0,2 мм. Капиллярный пенистый материал 31 используется в качестве вмещающей среды резервуара 34. Большинство струйных печатающих головок предназначено для печати на почти вертикальной поверхности бумаги, но головка согласно данному изобретению должна работать в положении, направлением вверх, вниз или промежуточном. Это предъявляет более жесткие требования к резервуару 30, чем в обычном случае, так как печать должна быть удовлетворительной, когда резервуар находится на 3 см ниже или выше отверстий для выброса чернил. Следовательно, эта конструкция компенсирует для гравитационных головок 30 мм чернил.

Необходим достаточно вентилируемый резервуар, и также требуется обратное давление нескольких сантиметров чернил, чтобы остановить чернила, вытекающие из картриджа (просачивающиеся) в нормальных условиях, независимо от того, вентилируется картридж или имеет герметичную конструкцию.

Картридж должен легко заменяться и быть так подогнан к корпусу ручки, чтобы его нельзя было вставить неправильно, в то же время он должен быть прочным, чтобы его нельзя было легко сломать или раздавить.

Основание 21 требует 13-ти контактных соединений 32, которые осуществляются при легком пружинящем надавливании. Конструкция пружинного соединителя, необходимого для достижения этого, здесь не описывается.

Во время изготовления большое значение имеют прочистка и продувка. Прочистка - это операция создания непрерывного пути поступления чернил из резервуара к струйным соплам. Она может осуществляться за счет приложения давления к вентиляционному каналу 33 или всасывающего действия к струйной сопловой пластине. Из этих двух способов прей почтителен способ приложения давления к вентиляционному каналу 33, так как при этом исключается возможность откачки воздуха, растворенного в чернилах, и исключается механический контакт о чувствительной сопловой пластиной 21 в струйной головке. Продувка - этот процесс удаления закупорок в соплах 22 или удаления воздушных пузырьков из струйных камер. Аналогично, этого лучше достичь за счет приложения воздуха под давлением к вентиляционному каналу 33. Для продувки и прочистки используется небольшая трубка (непоказанная на чертеже), которая посажена и уплотнена в вентиляционном канале. Для этих операций достаточно слегка подуть в эту трубку. Полезно при этом перевернуть картридж, чтобы можно было видеть сопловую пластину во время продувки. Продувка и прочистка считаются завершенными когда из струйных сопел не выходит больше воздушных пузырьков. Каплю вспененного чернила, образовавшуюся на сопловой пластине при этих операциях, можно сразу же стереть тканью или оставить на пластине для обратного впитывания в картридж на несколько секунд, после чего вытереть сопловую пластину. Чернила, впитавшиеся назад таким путем, не будут содержать воздуха. В качестве альтернативы можно использовать небольшое эластомерное сильфонное устройство в качестве средства, облегчающего прочистку и продувку. На практике было обнаружено, что продувка не требуется для большинства картриджей при их первом использовании до того, как понадобится их повторное заполнение.

Чернила в картридже 30 должны находиться под давлением ниже атмосферного, чтобы исключить утечку (просачивание) из струйных сопел или из вентиляционного канала в картридже. Желаемое отрицательное давление устанавливается при 60-120 мм чернил. Этот уровень дает 100% гарантию против утечки при встряхивании или падении, поддерживает обратное давление ниже уровня, при котором ухудшается качество письма, и обеспечивает достаточно широкий рабочий диапазон, допускающий существенное варьирование материала для хранения чернил (т.е. диапазон размеров пор).

Для обеспечения низкого сопротивления течению, низкой плотности, максимального объема пустот, минимальных загрязнений в материале, инертном к чернилам, используется сетчатый пенистый резервуар 34. Такая структура может поддерживать обратное давление 60-120 мм чернил и имеет гибкую форму, экономична, проста в изготовлении, легко собирается в картридж 30, и ее можно быстро заполнять чернилами.

Примерами таких материалов могут служить полиуретановый полиэфир, полиуретановый полиэстер и меламин формальдегид. Максимально используемое пространство для чернил в пенах с открытыми ячейками достигается за счет низкой плотности пены, степени сетчатости пены, узкого диапазона размеров ячеек и чистоты пены.

Полиуретановым пенам сетчатость придается посредством процесса, при котором тонкие стенки ячеек пены выжигаются, растворяются или разрушаются, чтобы получить структуру с более открытыми порами и низким сопротивлением потоку.

Полиэфирные или полиэстерные полиуретановые пены получают в процессе химического дутья со свободным расширением или химического дутья в закрытом пространстве.

Приводимое ниже уравнение капиллярности может использоваться для определения идеального размера ячеек для полиуретановых пен. Для трубки радиусом r отрицательное давление (h, измеренное в сантиметрах рабочей среды) согласно уравнению капиллярности составляет: где h - отрицательное давление в сантиметрах чернил (h=PXP_LXg); _L - поверхностная энергия жидкости (например, чернил) в контакте с воздухом; - угол смачивания жидкостью материала стенки трубки ( 20^o) для полиуретанов относительно чернил; P - плотность жидкости ( 1000 кг/м³ на 1 г/куб.см); g - гравитационная постоянная (9,81 м/сек² или 981 см/сек²); r - внутренний радиус капиллярной трубки.

Сохраним соответствующие единицы и подставим некоторые типичные величины: _L = 35-40 дин см для чернил на основе воды; Р 1,00 г/куб.см для чернил на основе воды; = 20^o; cos = 0,94; преобразуем для h = 9 см (середина желаемого диапазона 6-12 см); r = 75-85 микрон; идеальный диаметр пор = 150-170 микрон.

Чтобы уменьшить размер ячейки от 250-300 микрон до 150-170 микрон, полиуретановую пену сжимали как минимум в одном направлении на 40-43%. После этого полиэфирная полиуретановая пена должна достичь нужного обратного давления 9 см чернил. К величине, рассчитанной только для капиллярных эффектов, прибавлялось динамическое обратное давление. Рассчитана, что для максимальной скорости потока 3 мм³ сек^-1 (0,18 см³/мин), т.е. при 12 соплах, работающих с частотой 125 Гц, падение динамического давления, вызванное потоком чернил через пену, составляет менее 10 мм чернил, Для заправки пригодными для письма чернилами в объеме 2 см каждого картриджа, при условии, что резервуарным материалом является капиллярная пена 31, можно рассчитать необходимый объем резервуарного материала при учете следующих важных переменных: 1) объема пустот в пене после сжатия для достижения правильного обратного давления; 2) извлечения чернил, содержащихся в резервуаре веред тем, как обратное давление чрезмерно повысится; 3) части объема пустот в пене, которая может быть заполнена без ущерба для обратного давления (в результате переполнения); 4) части внутреннего объема картриджа, не занятой вентиляционным каналом.

Общая волюметрическая эффективность может быть выражена как _общее= _(1)(2)(3)(4), где индексы относятся к перечисленным выше переменным.

В результате расчетов и экспериментальным путем получено: ₁= 80%, ₂= 75%, ₃= 85%, ₄= 95%.

Следовательно, _общее= 0,8 0,75 0,85 0,95.

Волюметрическая эффективность извлечения = 0,485= 48,5%.

Следовательно, если нам требуется 2 см³ чернил, пригодных для письма, внутренний объем картриджа должен составлять: Внутренний объем картриджа = 2 куб.см/0,485=4,12 куб.см как минимум.

Чтобы обеспечить приведенный выше предел погрешности, мы установили, что внутренний объем картриджа должен быть максимум 4,5 куб.см.

Фильтр картриджа Между пенистым резервуаром 34 и сопловым основанием 21 необходимы сетчатый фильтр 35 для защиты камер выброса чернил от загрязнений и воздушных пузырьков. Загрязнения могут закупоривать сопла или вызвать отклонения струй чернила, а воздушные пузырьки, превышающие очень малый размер, останавливают выброс струи чернил, в результате повышения податливости камеры выброса чернил. Для каждого конкретного размера отверстий фильтра и материала существует определенное давление образования пузырьков, ниже которого воздушные пузырьки, превышающие размер отверстия, не могут проходить через фильтр. Важно обеспечить такое давление образования пузырьков, которое было бы выше рабочего уровня обратных давлений, но не было слишком высоким, чтобы воздушные пузырьки не могли смываться через фильтр и из картриджа во время операций прочистки и продувки. Эксперименты и расчеты показали, что допустимым размером отверстия является диаметр до 20 микрон, но что можно использовать фильтр с размером 5 микрон без ущерба для прочистки и продувки.

Важен также физический размер фильтра 35, так как фильтры большей площади оказывают меньшее сопротивление потоку и выдерживают больше воздушных пузырьков на своей поверхности перед тем, как прекращается подача чернил к струйной головке.

Открытая площадь фильтра 35 должна быть, максимальной, чтобы исключить большие динамические обратные давления во время работы чернильных струй. Этот фильтр может также использоваться, чтобы вызвать местное сильное сжатие пенистого резервуара для повышения эффективности извлечения чернил. Оптимальным материалом для фильтра 35 является волокнистый фильтрующий материал из спеченной нержавеющей стали, который производит фирма Bekaert Fibre Technologies (ST 20 BL3).

Мы рассчитали падение динамического давления под действием потока при максимальной скорости (запуск 12 сопел при 1250 Гц) для этого фильтра, которое составляет менее 10 мм чернил на 7 кв.мм площади фильтра. Это - площадь, которую можно считать минимальной. Дальнейшие эксперименты показали, что можно успешно использовать материалы фирмы Bekaert 5 микрон (STGBL3) и 10 микрон (ST10BL3) в качестве фильтров для картриджей с чернилами. Давление образования пузырьков этих фильтров составляет соответственно 70 и 37 мбар.

Вначале эти фильтрующие материалы вклеивались в металлические держатели с помощью быстрозастывающей эпоксидной смолы (эпоксидная смола Devkon, застывающая в течение 5 мин). Небольшие квадраты материала Bekaert легко приклеивались с помощью смолы Devkon к обратной стороне стеклянного основания.

Первые использовавшиеся картриджи были плоскими квадратами размером 5 х 5 мм из материала Bekaert, приклеенного с помощью смолы Devkon, чтобы закрыть отверстие для входа чернил в основании для выброса чернил 21. С помощью ограничительной кромки из смолы Devkon шириной 1 мм эффективную площадь фильтра сокращали до 9 кв.мм. При этом, несмотря на удовлетворительную работу, было обнаружено заметное падение динамического давления при проведении испытаний. Позднее стали применять картриджи с фильтром из материала ST10BL3 размером 5 х 22 мм, причем центральный участок размером 2 х 20 мм делали выше на 2 мм с помощью штамповки. Это увеличивало эффективную площадь фильтра до 40 кв. мм, что обеспечивало более высокую эффективность извлечения чернил за счет большей площади контакта с пенистым резервуаром, а также снижало динамическое сопротивление потоку.

Альтернативный способ прикрепления заключается в том, что фильтр 35 термически устанавливают при 250^oC на перфорированной основе наружной оболочки картриджа 36. Это изменение было внесено для того, чтобы обеспечить более легкое вставление фильтра и пены при производстве и исключить необходимость склеивания. Металлические волокна фильтра обеспечивают хорошую теплопроводность и поток расплавленного материала корпуса в фильтр, что создает герметичное соединение между фильтром и наружным корпусом 36.

Вентиляционный канал 35 (отверстие в наружном корпусе резервуара) необходим для того, чтобы обеспечить ступенчатое вытеснение чернильной струи воздухом для исключения возникновения отрицательного давления по мере того, как чернила выходят из пенистого материала, а также, чтобы создать участок входа чернил для заполнения ими пенистого резервуара и предотвратить утечку чернил при падении или встряхивании картриджа. Это также позволяет прикладывать снаружи давления к резервуару для прочистки или продувки, описанных выше, чтобы вентиляционный канал не заполнился свободными чернилами.

Форма пенистой заготовки такова, что при вставле