ручное маркировочное устройство

Формула изобретения

1. 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, отличающееся тем, что датчик перемещения пишущей головки выполнен с возможностью перемещения в любом направлении в плоскости, параллельной поверхности для письма.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что пишущая головка выполнена с возможностью нанесения множества знаков различных видов и размеров на поверхности для письма и дополнительно включает в себя средство для выбора вида или размера наносимых знаков.

3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что датчиком перемещения является датчик вибрации.

4. Устройство по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что пишущая головка включает в себя струйную пишущую головку с большим количеством выпускных отверстий для создания знаков разной конфигурации, разной плотности и ширины.

5. Устройство по любому из пп.1 - 3, отличающееся тем, что 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.

6. Устройство по любому из пп.1 - 5, отличающееся тем, что включает в себя источник маркировочной среды, содержащийся в съемном картридже, причем в картридж также вмонтирована пишущая головка.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, 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.

8. Устройство по любому из пп.1 - 7, отличающееся тем, что датчиком перемещения является пьезоэлектрический датчик вибрации пишущего штифта.

9. Устройство по любому из пп.1 - 8, отличающееся тем, что включает датчик давления, прилагаемого к пишущему инструменту пользователем для выбора определенной ширины линии письма.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что датчик давления выполнен за одно целое с датчиком перемещения.

Описание изобретения к патенту

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 вставлении ее в корпус картриджа пена сжимается на 5 мм по толщине вблизи основания HP, но совершенно не сжимается по толщине у вентиляционного канала.

Конструкция картриджа показана в разобранном виде на фигурах 7A - 7F и фигуре 7G.

Корпус состоит из двух частей: оболочка картриджа 36 и крышки картриджа 37; фильтр закреплен в корпусе с помощью термоустановки, а не приклеен к основанию клеем. Пенистый элемент 31 вставлен с помощью специальной муфты 38. Это технологически решает проблему, обусловленную высоким трением между пеной 31 и корпусом картриджа 36.

Оболочка картриджа 36 является основным элементом корпуса. Она содержит в себе фильтр 35, пенистый элемент 31 и пенистую муфту 38, и основание 21 соединено с ее передней поверхностью. Прорезь в передней поверхности образует путь для чернил из пенистого элемента 31 через фильтр 35 и к основанию 21. Материалы, из которых может быть выполнена оболочка 36, - это либо AB, либо SAN, которые оба являются недорогими, прочными и устойчивыми к истиранию полимерами, обычно используемыми для корпусов электронных компонентов и бытовых предметов. Конструкция оболочки такова, что ее можно легко производить на простом двухкомпонентном формовочном инструменте.

Крышка 37 закрывает оболочку, к которой она крепится с помощью сварки ультразвуком. Она также содержит вентиляционное отверстие 33 в направлении картриджа, которое кроме своей функции отверстия, уравновешивающего давление, используется для заполнения чернил. Подобно оболочке, крышка выполняется из ABS или SAN и также изготавливается на простом двухкомпонентном формовочном инструменте.

Пенистая муфта 36 является вспомогательным элементом для сборки.

Коэффициент трения пенистого элемента 31 (с пластичными поверхностями) высок, что сильно затрудняет его скольжение в оболочку. Пенистый элемент захватывается в пенистую муфту, которая затем легко скользит в оболочку картриджа. Она штампуется из листа полиэфира толщиной 0,2 мм.

Геометрическое расположение картриджа 30 в корпусе ручки имеет критическое значение не только для достижения правильного вида после установки, но и для обеспечения электрических связей с основанием. Для последнего требуется, чтобы основание было параллельно тисненой (рельефной) области гибкой схемы, причем рельефные контакты должны быть выравнены с контактами основания и пружинящее давление более 300 г должно прилагаться постоянно, чтобы сохранять контактное усилие на каждом рельефном контакте. Усилие величиной 300 г на рельефной области вызывает отклонение около 0,4 мм. В этой ручке перемещение картриджа при сжатии более 0,4 мм предотвращается за счет наличия специального кармана.

Удерживающая пружина 39 (фиг. 15A и 15B), расположенная в корпусе над картриджем, имеет следующие три функции:

- обеспечивает "щелчок", когда картридж полностью вставлен;

- обеспечивает усилие величиной 300 г для прижатия контактов и удерживает оболочку картриджа от остановки движения;

- помогает удерживать вместе половины оболочки. Процедура вставления картриджа должна быть простой операцией, которую могут выполнять даже маленькие дети. Поэтому она не должна требовать от пользователя каких-либо специальных действий, а все требования к выравниванию должны выполняться за счет конструкции корпуса.

Кроме того, когда контактные площадки 32, 92 встречаются друг с другом, нежелательно никакое скользящее движение, которое может повредить их.

Чтобы удовлетворить перечисленные требования, процедура вставления состоит из трех очень простых действий, как показано на фиг. 7A - 7C.

На начальной стадии конец сопловой пластины и картриджа вставляет в конец корпуса; во время второй стадии движения часть картриджа, расположенная вокруг основания, направляется в карман внутри корпуса и соединяется с ним внутри корпуса вращательным движением, обеспечивая таким образом выравнивание. Последняя стадия состоит в проталкивании картриджа полностью на место, при этом сжимается удерживающая пружина 39 (фиг. 15A и 15B), создавая таким образом контактное усилие. Процедура вынимания картриджа осуществляется в обратном порядке.

Основание 21 связано с оболочкой с помощью отверждаемого УФ-излучением клея. Ее размещение и выравнивание относительно оболочки перед соединением имеет критическое значение для обеспечения надежной электрической связи после установки в ручке. Оболочка не имеет вспомогательных средств для достижения этого выравнивания, так как в ней нет для этого места, поэтому выравнивание полностью зависит от механической обработки, используемой для ее установки. При этой обработке необходимо точно расположить картридж и подложку перед приведением их в контакт и во время склеивающего отверждения проследить, чтобы не было никаких смещений,

При изготовлении оснований обычно по углам стеклянного прямоугольника остаются небольшие расширения. Следовательно, во время выравнивания ее необходимо размещать вдали от углов.

Для успешного заполнения чернилами картридж при производстве необходимо прежде всего откачать по двум основным причинам:

чтобы исключить наличие воздуха и возможность того, что в пене после заполнения останутся воздушные пузырьки;

пена обладает гидрофобными свойствами, т.е. она противодействует контакту с жидкостями на основе воды. При заполнении в вакууме чернила прижимаются к пенистым поверхностям, преодолевая их гидрофобность.

При введении чернил они должны пройти через иглу для шприца к точке, расположенной сразу за фильтром, таким образом, чтобы фронт чернил проходил через пенистый элемент снизу вверх. Игла для шприца вставляется через вентиляционный канал 33 в крышке картриджа 37.

Датчик (фигуры 9 - 11B)

Прежде чем перейти к описанию датчика, использованного в третьем примере, целесообразно рассмотреть теорию.

Скорость звука в стали составляет приблизительно 6000 м/сек. При современной максимальной рабочей частоте датчика 20 кГц длина волны составляет 250 мм, что значительно больше, чем датчик (10 мм).

Это значит, что при моделировании поведения устройства мы можем допустить статичное поведение.

Расчетная "камертонная" резонансная частота стального стержня составляет:



где M₁ - масса наконечника;

М₂ - масса стержня и I - момент площади поперечного сечения. Для данного датчика эта резонансная частота составляет f = 68 кГц.

Данную конструкцию нельзя изменять таким образом, чтобы резонансная частота попала в полосу пропускания датчика, поскольку датчик будет очень чувствителен к побочным вибрациям.

Положение нейтральной поверхности относительно линии склеивания в пьезостальном стержне определяется уравнением:



где d_s - толщина пьезоматериала;

d_p - толщина пьезоматериала.

При фиксированном максимальном усилии письма F, энергия, накопленная в пьезоматериале, максимальная, если нейтральная поверхность находится на границе склеивания. Это также уменьшает напряжение на клей (в данном случае на линию склеивания действуют только силы сдвига). При этом y = О, следовательно,

d_p= d_s E_s/E_p

Модуль Юнга для стали составляет 200 ГПа, а для Р Т5 - ГО ГПа. Следовательно, d_p = 1,7 d_s.

Толщина пьезоматериала, таким образом, должна составлять приблизительно 850 микрон при толщине стального стержня 500 микрон.

Максимальное напряжение в стержне находится в точке опоры, так как здесь изгибающий момент G максимальный для силы F, приложенной к наконечнику. Следовательно, пьезоматериал должен покрывать опорный конец стержня.

Существует две причины, по которым можно ожидать, что стержень, обладающий большой гибкостью, будет детектировать большие сигналы. Во-первых, жесткий стержень будет более легко разрушать изменения высоты бумаги (рельеф), а, во-вторых, поскольку работа, выполняемая на пьезоматериале - это пишущее усилие (которое фиксировано снаружи), умноженное на отклонение стержня, передача энергии будет выше для стержня, который дает большие отклонения. Следовательно, стержень должен быть максимально узким. На практике пределом возможности изготовления является стержень толщиной 1 мм.

Стержень не будет выдерживать максимальное давление при письме, если сила сдвига, действующая на линию склеивания, превышает определенный предел. Сдвигающее напряжение для фиксированной нагрузки постоянно по длине стержня и определяется как

сдвигающее напряжение



где d_s - толщина стали, и W - ширина стержня.

Типичное разрушающее напряжение сдвига для большинства клеящих материалов составляет 50 МПа, следовательно, для надежной работы



Максимальная сила F = 3N, ширина W = 1 мм и d_s = 500 микрон, следовательно:



т. е. приложенное сдвигающее напряжение - 1/10 предельного сдвигающего напряжения при максимальной рассчитанной силе письма.

На фиг. 5 показана предлагаемая структура стержня.

Наконечник датчика должен быть выполнен из твердого материала, чтобы избежать чрезмерного износа (наиболее предпочтительные материалы - окись алюминия или спеченная сталь). Придавая этому материалу определенную поверхностную структуру, можно изменять свойства датчика. Существует два критических параметра:

"Ощущение" при работе с ручкой важно как рыночная характеристика. Перемещение датчика по бумаге не должно восприниматься как грубое.

Наконечник должен иметь поверхностную структуру, которая обеспечивает максимальный выходной сигнал.

Поверхность бумаги состоит из слоя связанных волокон. Типичная ширина волокна 10 микрон, и она определяет максимальный рельефный размер. Однако, наконечник обнаруживает зазора между волокнами; следовательно, типичный рельефный размер составляет около 5 диаметров волокна (50 микрон).

Согласно модели Math Cad предполагается, что при гладком наконечнике спектр выходной частоты будет:

P(f) = Af²e^-2f/l,

где l - типичное расстояние между волокнами.

Если типичный рельефный размер наконечника меньше или больше этого рельефного размера, этот спектр не зависит от поверхности наконечника.

Только при использовании наконечника с монодисперсной шероховатостью, подобной размеру волокна, увеличивается высокочастотная составляющая спектра.

Для типичного рельефного размера 30 микрон основная часть спектральной мощности находится в области 1-3 Гц. Полезной спектральной мощности выше 5 кГц нет.

Результаты экспериментов можно резюмировать следующим образом:

Частота сигналов и энергетическая чувствительность оптимальны при типичном рельефном размере поверхности 30 микрон. При этом исходная энергия приблизительно на 16 dBV (децибелы, отсчитываемые относительно уровня 1 В) выше, чем энергия, создаваемая гладким наконечником (выше в 40 раз).

Грубый (30 микрон) наконечник дает более высокочастотные компоненты.

Среднеквадратичная мощность сигнала повышается в 3,2 раза при увеличении скорости в 3,7 раза, т.е. среднеквадратичная мощность приблизительно пропорциональна скорости письма.

Сопротивление остается приблизительно постоянным независимо от скорости письма. Работа, осуществляемая против сопротивления, равна сопротивлению, умноженному на скорость, т.е. можно ожидать, что выходная мощность датчика возрастает линейно от скорости.

Мощность сигнала находится в нелинейной зависимости от приложенной нагрузки. Увеличение нагрузки в 1,3 раза дало увеличение среднеквадратичной выходной мощности датчика в 3,2 раза. Этот экспоненциальный рост может объясняться дальнейшим вдавливанием наконечника в поверхность бумаги (согласно этой модели плотность волокна возрастает экспоненциально с глубиной погружения в бумагу). Это позволяет предположить, что более острый наконечник, создающий более высокое давление при некоторой нагрузке письма, даст более высокую выходную мощность сигнала.

Следовательно, наконечник должен быть максимально острым и грубым (шероховатый) без чрезмерного ухудшения "ощущения". Уменьшение радиуса наконечника до приблизительно 100 микрон (подобно шарику в Pentel) вероятно достижимо, хотя такой наконечник необходимо испытать на повышенный износ в течение его срока службы.

"Ощущение" датчика, когда он движется по бумаге, хотя и не представляет технического интереса, может иметь большое коммерческое значение, так как оно влияет на рыночную характеристику ручки. Это "ощущение" может быть разделено на три субъективных оценки датчика:

Вибрация - чувствуют ли пальцы вибрацию в ручке при ее движении?

Царапание - разрывает ли датчик бумажные волокна?

Шум - производит ли датчик звук, как будто он шероховатый?

Царапание - это наихудший эффект и он возникает, если на наконечнике датчика имеются малые радиусы кривизны. В этих местах приложенное при письме усилие преобразуется в большое давление, которое прокалывает поверхность бумаги и вызывает резкое прокалывающе-скользящее движение, как при движении иглы по бумаге. (Хуже всего, если радиус кривизны меньше или равен типичному расстоянию между поверхностями волокон - обычно 15 микрон, так что наконечник погружается в поверхность). Субъективно этот эффект представляет собой комбинацию прокалывающе-скользящего движения, которое чувствуют пальцы, с цапарающим звуком. Следовательно, во избежание разрыва общие радиусы наконечника должны быть больше 50 микрон.

Предел частоты из-за времени реакции распространенных нервных клеток составляет около 1000 импульсов в секунду, поэтому можно ожидать, что вибрации частотой более 1 кГц не будут восприниматься как вибрации распространенными нервными клетками (конечно, клетки уха имеют совершенно другую частотную чувствительность, поскольку они предназначены специально для этой цели). Опыты, проведенные с двумя "типичными" индивидуумами, показали, что субъективная шероховатость зависит от типичного рельефного размера наконечника. Размеры менее 15 микрон в этом масштабе дают приемлемое "шелковистое" ощущение, тогда как при больших размерах частиц может возникать прокалывающе-скользящее движение.

Зерна диаметром менее 15 микрон должны давать приемлемое "ощущение", но при этом необходим компромисс и, таким образом, используемый наконечник имеет зерна размером приблизительно 30 микрон, а диаметр наконечника составляет приблизительно 500 микрон (фиг. 11A и 11B).

Детально конструкция датчика будет рассмотрена со ссылками на фиг. 9 - 11B.

Датчик 40 обеспечивает естественное управление подачей чернил во время письма, позволяя чернилам вытекать, когда пользователь желает писать. Таким образом, создается приемлемое "ощущение" при письме. Датчик должен быть достаточно прочным, чтобы противостоять повреждению, например при случайном падении инструмента, и должен быть работоспособным в разными сортами бумаги, при разном давлении руки, скорости письма, угла письма и т.д. К коммерческим требованиям относятся также низкая стоимость, малый размер, устойчивость к электрическим и механическим помехам и низкое потребление энергии.

30 - 150 мм/сек - это типичный диапазон скорости письма, который необходимо обеспечить при условии письма 30-300 г. Датчик должен обеспечивать восприятие жесткости, сравнимое с шариковой ручкой.

Важной функцией датчика является выдача сигнала для управляющей электроники ручки, чтобы включить механизм выброса чернил в процессе "письма". Процесс "письма" включает определенные конкретные условия и поэтому выброс чернил должен включаться только, если удовлетворены следующие условия:

- ручка находится в контакте с бумагой и перемещается по ней в любом направлении;

- ручка приходит в контакт с бумагой без перемещения по ней (как при простановке точки).

Если ручка находится в контакте с бумагой, но не движется, выброс чернил должен быть прекращен, иначе чернила будут непрерывно подаваться в одну точку.

Признано, что датчик вибрации оптимально удовлетворяет эти требования в блоке с относительно простой обработкой сигналов.

Если пишущим штифтом ведут по бумаге (которая на микроскопическом уровне представляет собой шероховатую поверхность), возникает вибрация в трех взаимно перпендикулярных направлениях, два из которых расположены параллельно бумаге и под углом 90 градусов друг к другу, а третье направление является вертикальной компонентой, перпендикулярной бумаге. Датчик согласно данному изобретению реагирует на компоненту вибрации в вертикальном направлении, что имеет два конкретных преимущества:

он одинаково реагирует на вибрации, возникающие при перемещении по бумаге в любом направлении;

обеспечивается очень компактная конструкция датчика.

Датчик 40 сконструирован таким образом, чтобы занять неиспользуемое место под подложкой 21 и между контактными участками.

Механизм датчика состоит из металлического стержня 41 (один конец которого закреплен, а второй содержит пишущий штифт или наконечник 42) со связанной с ним пьезоэлектрической полоской 43. Стержень и пьезоэлектрическая полоска изгибаются в ответ на сигналы вибрации от бумаги.

Критерии выбора размера и формы элементов датчика таковы:

- описанное выше свободное пространство в имеющемся объеме;

- необходимость обеспечить сигнал достаточной силы, чтобы его могли обрабатывать электронная система управления, без неоправданной необходимости в очень высокой чувствительности;

- достаточная жесткость, чтобы придать ручке соответствующее "ощущение". Это ощущение не должно быть мягким, затрудняющим процедуру письма. На прилагаемом графике показана измеренная характеристика отношения нагрузки к отклонению для стержня/пьезоматериала;

- достаточная прочность, чтобы выдерживать сильный нажим при письме или случайный удар (в разумных пределах).

При приложении усилия к пишущему штифту 42 в стержне 41 возникает изгибающий момент, который возрастает линейно по его длине. Изгибающий момент создает напряжение в стержне и пьезоэлектрической полоске. Пьезоматериал 43 выполняется с такой характеристикой, чтобы, когда он подвергается действию напряжения подобного типа, электрический сигнал (электрическое напряжение) возникало на его поверхностях. Эти две поверхности содержат на себе электроды, обеспечивающие электрическую связь через соосный кабель для управления электроникой.

Стальной стержень 41 выполнен как одно целое со стальной пластиной 44 большего размера, чтобы облегчить установку в ручке и образование электрических соединений. Пластина 44 снабжена прямоугольным отверстием 45, через которое проходят струи чернил из используемых сопел. Ниже описаны подробно конструкция датчика и электрическая связь.

Штифт или наконечник 42 является частью ручки, которая осуществляет контакт с поверхностью бумаги для письма и которая должна иметь следующие характеристики:

- форма и текстура поверхности должны обеспечивать оптимальную комбинацию электрического сигнала (сила и диапазон частот) и ощущения пользователя (т.е. датчик не должен производить избыточный шум или царапание);

- достаточную прочность, чтобы выдержать движение на очень большое расстояние в течение его срока службы без чрезмерного износа.

Выбор материала для штифта 42 основывается на нахождении материала, обладающего хорошей износостойкостью, без существенного удорожания этого компонента. Окись алюминия была выбрана в качестве материала для изготовления пишущего штифта ввиду ее высокой экономичности.

Опытным путем было обнаружено, что рука человека чувствительная к вибрациям менее 1000 Гц, и поэтому одной из целей при разработке конструкции пишущего штифта было получение максимальной энергии выше 1000 Гц, чтобы ощущение при операции письма было максимально гладким. Преимущество керамических наконечников заключается в том, что они имеют тенденцию давать больше энергии выше 1000 Гц, чем, например, стальной пишущий штифт.

Сборочная пластина 44, на которой располагается датчик, представляет собой небольшую прямоугольную пластину, размещенную между двумя половинками корпуса (см. описание корпуса). Пьезоэлектрический преобразователь представляет собой простое устройство с электродами на обеих поверхностях. Одна поверхность пьезоэлектрической полоски связана со стержнем с помощью эпоксидной смолы, имеющей низкую вязкость, таким образом, что существует электрический контакт через связующий слой за счет шероховатости поверхности пластины и пьезоэлектрического материала. При такой конструкции пластина составляет часть электрической цепи с пьезоэлектрической полоской.

Пишущий штифт или наконечник 42 состоит из наконечника 42", выполненного из окиси алюминия, вставленного в латунный элемент 42"", который заклепан в конец стержня (фиг. 6A и 6B). Пьезоэлектрическая полоска имеет размер и конструкцию, показанную на фиг. 4; и выполнена из марки титанат цирконата свинца, подобной PZT5A. Стержень датчика получают путем штамповки из листового металла, такого как пружинная сталь, плакированная никелем (400-450 VPN). Пишущий штифт или наконечник датчика содержит основной корпус, который представляет собой небольшой точеный элемент и может быть изготовлен из большого числа материалов. Латунь предпочтительна ввиду ее низкой стоимости, простоты обработки а пригодности для клепки. Пишущий штифт или наконечник датчика содержит конец, выполненный из окиси алюминия, чтобы обеспечить необходимую износостойкость, как это было сказано выше. Его можно изготовить путем прессования и обжига таким образом, чтобы получить необходимую форму и шероховатость поверхности.

Электронная подсистема (см. фигуры 12A, 12B, 13 и 14)

Электронная подсистема 50 обеспечивает управление включением и выключением основной энергии, выбором рисунков, изменениями рисунков и внешних возможностей выбора, хранением рисунков, обработкой сигналов датчика, связью с внешними вариантами, расходом энергии и использованием батареек, управляет включением струйной головки. Электроника должна быть компактной и недорогой.

12-сегментный дисплей 51 показывает состояние ручки: индикация одной цифрой от 0 до 9, плюс от 1 до 4 на сегментах установленных рисунков, и один сегмент показывает режим линии. Включение и выключение питания осуществляется ручным переключателем 52, управляющим главной связью с батарейкой. Все электронные средства возвращаются в исходное состояние в случае невыполнимых условий при включенном питании (за исключением последнего используемого рисунка и установки скорости, которые хранятся в энергонезависимой памяти), и режим низкого расхода энергии включается после заданного периода бездействия. Индикация (на жидкокристаллическом дисплее) низкой мощности обеспечивается при 3,3 B, чтобы предупредить о том, что срок службы батарейки заканчивается. Выбор режима с помощью одной кнопки 53, циклически переключающей варианты, позволяет инструменту работать в режиме линии, рисунка или в режиме плотности (закрашивания).

В режиме рисунка кнопкой 53 выбирают одну из четырех групп рисунков; две следующие кнопки 54, 55 осуществляют выбор номера рисунка от 1 до 10 в группе. В режиме линии кнопкой 63 можно выбирать вид линии; кнопки 54, 55 позволяют выбирать один из 10 вариантов ширины. В режиме плотности с помощью кнопок 54, 55 можно выбрать одну из 10 плотностей. Варианты рисунков линии позволяют получать линии разной ширины, прерывистые линии, точечные изображения.

Электроника в данном примере включает микропроцессор 57 - модель Texas Instruments ТМS70C42/81 и интегральную схему специального назначения (ASIC) 58. Драйверы 59 головки предназначены для приведения в действие струйной печатающей головки и имеют вид двух дискретных сильноточных матриц драйвера. Для хранения определенных пользователем рисунков предпочтительно используется энергонезависимая память 60.

Многопозиционные переключатели 53 - 55 состоят из формованных нажимных резиновых кнопок, действующих непосредственно на электроды печатной платы, а выключатель питания 52 представляет собой ручной однополюсный переключатель. Печатная плата 61 используется для взаимосвязи технических компонентов. При сборке электронных компонентов используется совокупность поверхностного монтажа и технологий CBO (монтаж кристаллов на плате) и TAB (автоматизированное присоединение кристаллов к балочным выводам на ленточном носителе).

Энергия подается от подзаряжаемых батареек 62 (NiCad) к преобразователю напряжения 63, который управляется интегральной схемой специального назначения, обеспечивая выходное напряжение 24В (2%) при максимальной выходной мощности 0,6 Вт.

Рабочие функции включают: создание линий разной ширины, создание множества рисунков, единичный выброс чернил и "обратный видеосигнал" (перевернутое изображение), а также печать пиктограмм. Можно использовать инструмент и для печати текста, хотя основное назначение этого устройства - использование для ручного письма, а не в качестве печатающего устройства. Например, можно печатать простые маркировочные знаки или адресную информацию. Эта информация может загружаться из персонального компьютера или электронного организатора. В данной конструкции использован относительно недорогой буфер сообщений емкостью до 72 знаков, причем используется передача данных A9CII и фиксированный текстовый штифт.

Микроконтроллер 57 - это элемент, который управляет, всем рабочим процессом при использовании программного обеспечения, заложенного в микроконтроллере. Установку нового рабочего режима производит пользователь с помощью кнопок ввода, а необходимость выброса чернил определяется датчиком вибрации. Жидкокристаллический дисплей 51 отражает текущие рабочие условия. Когда пользователь выбирает новый рисунок, доступ к данным для образования этого рисунка осуществляют либо из внутренней памяти фиксированных рисунков, либо из внешней памяти в случае рисунка, задаваемого пользователем. Если включается датчик вибрации, в логической схеме включения струи устанавливается 12 разрядов данных (соответствующие 12 струям чернил). Специализированная логическая схема преобразует 12 параллельных разрядов, выдавая правильную последовательность импульсов на основание. Для приведения в действие струй при 24 В используемые драйверы должны выдерживать высокое напряжение и токи, необходимые для выброса капли чернила.

Питание напряжением 24 В обеспечивает обратный преобразователь 63, который преобразует напряжение батарейки (приблизительно 3,0 - 4,8 В) в постоянное напряжение 34 В.

Последовательный порт 64 позволяет пользователям загружать собственные рисунки в ручку, которые затем хранятся в энергонезависимой памяти 60. Это гарантирует, что данные для рисунков не будут утрачены при отключении питания.

Функции интегральной схемы специального назначения включают обработку сигнала датчика вибрации.

На фиг. 12B показано, что схема 70 состоит из входного буфера 71, усилителя 72 с навесными компонентами 73, компаратора 74 и блоком одновибратора 75.

Входной буфер 71 с высоким импедансом необходим, так как сам датчик вибрации представляет собой источник высокого импеданса емкостью порядка 1 нФ. В сочетании с входным импедансом 480 кОм датчик образует высокопропускной фильтр 4 дБ при частоте 330 кГц. Интересующий сигнал, выдаваемый датчиком вибрации, составляет от 1 до 5 кГц при удвоенной амплитуде приблизительно 1,5 В.

Буферизованный и эталонированный сигнал затем усиливают приблизительно в 3 раза. Усилитель 72 содержит также фильтр нижних и верхних частот, чтобы ограничить ширину полосы сигнала интересующими частотами. Нижняя частота для 3 дБ составляет 1 кГц, что подавляет явление "дребезга" в начале и в конце линии или рисунка. Считается, что дребезг вызывается очень высоким смещающим напряжением, возникающим, когда пользователь в первый раз касается бумаги и поднимает ручку в конце. Это напряжение состоит из низкочастотных компонент и может быть ослаблено фильтрацией высоких частот, упомянутой выше. Верхний предел частоты 5 кГц используется для того, чтобы свести к минимуму эффекты любых случайных сигналов или помех за счет электрического шума, которые могут вызвать нечаянный выброс чернил. На фиг. 13 приведены характеристики усилителя 72.

Выходной сигнал от усилителя 72 поступает на компаратор 74 с гистерезисом 100 мВ. Такой относительно высокий гистерезис используется для снижения возможности ложного запуска. Сигнал, теперь уже в цифровой форме, поступает на блок одновибратора 75, где подвергается цифровой обработке. Одновибратор 75 может перезапускаться и сохраняет активный выход в течение 10 мсек для каждого запуска, что предотвращает выходной сигнал от "выпадения", если сигнал датчика вибрации отсутствует в течение коротких периодов времени. Это обычно имеет место, когда пишущий штифт медленно движется по поверхности для письма. Это время не должно быть слишком продолжительным, в противном случае ручка будет продолжать выдавать чернила после того, как пишущий штифт остановился или вышел из контакта с поверхностью. При слишком продолжительном времени задержки одновибратора в конце слов при письме появляются "хвосты". Выход одновибратора связан непосредственно с микроконтроллером 57, который управляет процессом выброса чернил во время использования.

Логическая схема пуска струи чернил

12 параллельных разрядов данных сопла (выпускного отверстия), установленных микроконтроллером 57, должны быть зафиксированы в интегральной схеме специального назначения 58 с помощью адресного фиксатора 77 и декодирующей логической схемы 78, управляющей фиксаторами 65, 66. Затем логическая схема задания последовательности струй 79 запускает соответствующее сопло в соответствии со строго хронированным критерием. Логическая схема специального назначения разработана таким образом, что переход данных струй ко второму фиксатору автоматически включает последовательность запуска. Запуск всех сопел сразу невозможен из-за проблем гидравлики при подаче чернил и очень высоких пиковых токов от источника питания. Следовательно, в каждый момент времени работает только одно сопла в течение указанных 4,5 микросекунд. Каждое сопло запускается по очереди и через 32 микросекунды после предыдущего импульса. Интервал в 32 микросекунды обеспечивает правильную работу гидравлических средств и снижает пиковую нагрузку на источник питания. При этих условиях выполнение последовательности из 12 струй занимает 356 микросекунд.

Для качественной и периодической печати важно, чтобы точно выдерживалась ширина импульса 4,5 микросекунды при всех возможных рабочих условиях. Это достигается за счет использования генератора синхронизирующих импульсов частотой 1,0 МГц 57" в микроконтроллере, который в свою очередь работает от точного керамического резонатора 60. Сигнал частотой 1,0 МГц делится на 9, чтобы получить требуемую ширину импульса 4,5 микросекунды.

Важно, что ширина импульса не превышала 4,5 микросекунды, в противном случае выйдут из строя терморезисторы сопла. Особенно трудно защитить сопло от воздействия продолжительных импульсов в то время, когда прикладывается мощность. Для обеспечения правильной работы предназначена схема 81 сброса питания (POP), которая моментально сбрасывает все выходные сигналы и не включает тактовый генератор в течение приблизительно 5 мсек. Этого времени достаточно для правильной работы интегральной схемы специального назначения.

Выдается 12 цифровых выходных сигналов 82 для сопел, которые передаются на драйверы струй 59. Выходные сигналы интегральной схемы специального назначения способны давать питание 2,4 мА при 2,4 В, при минимальном напряжении источника питания 3,0В. Это необходимо для того, чтобы на драйверы поступал сигнал, достаточный для правильного приведения в действие самих сопел.

Драйвер жидкокристаллического дисплея

Для улучшения интерфейса пользователя было решено разработать маленький заказной жидкокристаллический дисплей 51, обеспечивающий обратную связь выбранного рабочего режима. 12-разрядный драйвер 83 жидкокристаллического дисплея был встроен в интегральную схему специального назначения.

Как и в случае с данными для струй, данные для жидкокристаллического дисплея фиксируются в двух фиксаторах 84, 85. Затем драйвер 83 жидкокристаллического дисплея преобразует эти данные в сигналы для приведения в действие 12-сегментного, дуплексного жидкокристаллического дисплея. Использование двух задних плоскостей (backplanes) и приведение жидкокристаллического дисплея 51 в действие в дуплексном режиме уменьшает количество соединений от интегральной схемы специального назначения к жидкокристаллическому дисплею, что позволяет использовать интегральные схемы меньшего размера и стоимости и повышает технологичность производства этой продукции.

Схема p - преобразователя 63

Используемая струйная головка работает на импульсном напряжении 24,3В. Это напряжение не удобно для устройства, питающегося от небольшой батарейки. Поэтому необходимо использовать батарейку с более низким напряжением (от 5 до минимум 3,0 В) и преобразовать это напряжение в постоянную величину 24,3 В, используя обратный преобразователь.

Схеме p - преобразователя требуется источник абсолютного опорного напряжения 86, с которым компаратор 87 сравнивает выходное напряжение 88 (соответствующим образом разделенное устройством резистора потенциометра). Если желаемое выходное напряжение находится ниже пороговой величины, компаратор разрешает источнику частоты приблизительно 50 кГц включить транзистор MOSFET, который в свою очередь включает индуктор для обеспечения высоких пиков импульсов положительного напряжения. Эти пики разряжаются через диод Шотки в резервуарный конденсатор. Когда выходное напряжение достигает заданного уровня, обратная связь потенциометра выключает источник частоты. Таким образом, выходное напряжение постоянно поддерживается на одном уровне, даже если напряжение батарейки падает от 5,0 до 3,0 В.

Компаратор 87, установленный в схеме p - преобразователя 63, использует гистерезис для исключения шума на источнике питания, постоянно включая и выключая p - преобразователь. Величина гистерезиса выбрана равной 10 мВ. Это - минимальная величина для обеспечения точной подачи струи, причем она практически невосприимчива к шуму источника питания.

Схема обнаружения снижения заряда батарейки

Интегральная схема специального назначения содержит схему 81, которая контролирует напряжение питания от батарейки 62. Когда напряжение батарейки падает в результате того, что кончается имеющийся в ней заряд, это напряжение падает тоже. Как только это напряжение достигает 3,28 В, интегральная схема специального назначения включает выходной сигнал, который запрашивается программой микроконтроллера. Таким, образом, пользователя можно предупредить о том, что заряд батарейки снизился и он может предпринять меры по подзарядке батарейки.

Память рисунков

Данный вариант устройства дает возможность пользователю самому создавать рисунки или фиксировать их во время разработки. В этом варианте используется микроконтроллер 57, способный удерживать до 28 фиксированных рисунков в своей внутренней памяти. Было решено, что для рисунков, задаваемых пользователем, важно, чтобы они сохранились даже в случае прекращения подачи питания. Поэтому необходимо использовать какую-либо энергонезависимую память 60 - либо электрически программируемое ПЗУ, либо ЗУ с произвольным доступом на батарейке. Было выбрано электрически программируемое ПЗУ, так как схема управления для ЗУ с произвольным доступом на батарейке стоит дорого и требует использования микроконтроллера с большим числом линий управления для связи с этим видом памяти. Электрически программируемое ПЗУ было избрано также потому, что оно действительно энергонезависимо и не требует дополнительных технических средств управления. Следует осторожно обращаться с программами, чтобы не повредить данные, если питание находится на стадии от включения. Существует целый рад отвечающих нашим требованиям интегральных схем с электрически программируемыми ПЗУ с прямым двухпроводным последовательным интерфейсом, которые идеально подходят для нашего применения. Эти устройства широко используются в тех устройствах, где данные устанавливаются от случая к случаю, например, информация о настроечной частоте телевизионного приемника. Однако, электрически программируемое ПЗУ значительно дороже ЗУ с произвольным доступом. Мы выбрали в качестве электрически программируемого ПЗУ модель 24LC04 фирмы Microchip Technology, которая может удерживать до 7 задаваемых пользователем рисунков.

При наличии энергонезависимой памяти можно хранить рабочие параметры ручки, чтобы ручка возвращалась к своему последнему рабочему состоянию при ее включении. Преимущество этого состоит в том, что пользователю не надо будет изменять неиспользуемые установки на те, которые он предпочитает, каждый раз при включении ручки.

Если возможности создавать рисунки пользователю не предоставляется, должно быть больше фиксированных рисунков. Следовательно, если в каком-либо варианте нет высшей памяти рисунков, необходимо использовать больший микроконтроллер с достаточной внутренней памятью, вмещающей до 40 фиксированных рисунков. В этом случае можно включить и большее количество рисунков, так как больше не требуется программа для решения задач связи с внешними устройствами, в частности ПК или организатором, и хранения в памяти рисунков, задаваемых пользователем.

Источник питания 62

Ручку необходимо приводить в действие с помощью батарейки. Однако, энергопотребности для приведения в действие струйной головки вместе с микроконтроллером и интегральной схемой специального назначения очень значительны и при этом изделие должно быть максимально малого размера. Источник питания должен быть способен выдавать импульсы 0,9 А в объеме менее 15 куб.см. Минимальное необходимое напряжение составляет 3,0 В, а превышение 7,0 B недопустимо для микроконтроллера или интегральной схемы специального назначения. Хотя рассматривался целый ряд технологий производства батареек и их конфигураций, щелочные марганцево-цинковые элементы не способны обеспечивать адекватную мгновенную подачу энергии, и требуется по меньшей мере 3 элемента, чтобы образовать батарейку с нужным выходным напряжением. Также рассматривались элементы с литиевым анодом, используемые в современных автоматических фотоаппаратах, так как они обеспечивают энергию высокой плотности. Эти элементы работали хорошо, но для достижения необходимого выходного напряжения требовалось два элемента и, следовательно, размер батарейки был слишком велик. Поэтому элементы с литиевым анодом были отвергнуты из-за их размера. Кроме того, элементы такого типа слишком дороги. Поэтому в качестве предпочтительного источника питания была избраны никель-кадмиевые батареи.

Программное обеспечение

Программное обеспечение включает следующие три главных обрабатывающих элемента: модуль интерфейса пользователя, модуль поиска рисунка и алгоритм печати данных для интегральной схемы специального назначения.

Модуль интерфейса пользователя

Продукт такого типа должен работать просто и быть легко понятным. Поэтому были затрачены большие усилия на проектирование интерфейса пользователя, который упрощает сложные внутренние процессы данного продукта. Из соображений экономичности и ограниченности размера невозможно использовать жидкокристаллические дисплеи со сложной графикой и большое число многофункциональных кнопок. Интерфейс пользователя должен содержать минимальное число технических средств, чтобы обеспечить интуитивность работы пользователя. При разработке интерфейса пользователя может возникнуть необходимость принести в жертву какое-либо из менее полезных свойств, таких как возможность обратного видеосигнала, для повышения простоты интерфейса пользователя.

Существует много возможностей, которые может выбирать пользователь при работе с ручкой, причем эти возможности были разбиты на категории в соответствии с тремя основными рабочими режимами:

Режим линии - можно выбрать 4 вида линии (например, непрерывную, пунктирную и т.п.), при этом каждый вид линии может иметь до 10 размеров ширины.

Режим рисунка - до 40 рисунков, сгруппированных в 4 группы по 10 рисунков. Рисунков выбирается сначала за счет выбора группы из 10 рисунков, а затем из этой группы выбирается конкретный номер рисунка.

Режим плотности - для регулирования плотности линии или рисунка по желанию пользователя. Можно выбирать показатель скорости от 1 до 10.

Важно, чтобы использование кнопок и отображение этого на дисплее было согласованным во время работы устройства. Для этого одна кнопка 53 предназначена для циклического переключения режима от режима линии к режиму рисунка и к режиму плотности и назад к режиму рисунка, и т.д. На дисплее отображаются пиктограмм, которые сообщают пользователю о текущем рабочем режиме. Две кнопки 54, 55 (увеличение и уменьшение) предназначены для перехода к большой цифре (от 1 к 10) и для перехода к меньшей цифре (при этом дисплей сообщает либо вид линии, либо группу рисунка). Таким образом, достигается согласованность при использовании.

Кроме легкости обучения, учитывалась также легкость использования с точки зрения работы интерфейса пользователя. Именно по этой причине используется две кнопки для выбора большей цифры: одна для увеличения и одна для уменьшения. Соответственно, кнопки приращения и уменьшения дают возможность перехода через 10 или через 1. Это позволяет пользователю быстро устанавливать рабочие условия, когда он освоит регуляторы интерфейса.

Модуль поиска рисунка

Этот модуль используется для установки данных для рисунка или линии из памяти в готовность для печати. Пиксельные данные рисунка или линии распечатываются программой из той области памяти ЗУ с произвольным доступом, которая является локальной для микроконтроллера. В этой локальной области доступ к данным может осуществляться быстро и удобно. Однако, необходимо, чтобы информация о рисунке или линии копировалась в эту локальную память либо из внутренней постоянной памяти в случае фиксированных рисунков, либо из энергонезависимой памяти в случае рисунков, задаваемых пользователем (если требуются задаваемые пользователем рисунки). Если требуется какой-либо рисунок, дубликат пиксельных данных для выбранного рисунка копируется в локальное ЗУ с произвольным доступом. Для рисунков линий (непрерывных или пунктирных) пиксельный рисунок создается алгоритмически. Ширина линии вместе с кодом вида линии образует требуемый пиксельный рисунок. Для создания линий разных видов и разной ширины используется алгоритм, чтобы сохранить место для будущих рисунков. Пиксельный рисунок создается, когда пользователь выбирает соответствующие установки в интерфейсе пользователя независимо от выбранного режима.

Алгоритм печати

Способ распечатки данных определяется необходимость аккуратно осаждать чернила в заданный момент времени. Если точное время не выдерживается, рисунок будет содержать черточки и несоответствия в напечатанном рисунке или линии. Допускается, чтобы пользователь мог изменять плотность осаждения за счет ускорения или замедления движения ручки по поверхности письма, что может давать привлекательный эффект, но программное обеспечение должно точно сохранять скорость повторения. Поэтому управление печатью осуществляется с помощью синхронизирующего устройства в микроконтроллере 57. При такой конструкции можно поддерживать периодичность в пределах 50 микросек, что является достаточно малой величиной, чтобы ее влияние на качество печати можно было игнорировать.

Алгоритм печати осуществляют поиск следующего рисунка для выброса чернил из локальной памяти ЗУ с произвольным доступом, выбирает необходимые 12 разрядов данных и затем записывает эту пиксельную информацию в струйные фиксаторы 65, 66 интегральной схемы специального назначения. Запись данных во второй струйный фиксатор 66 интегральной схемы специального назначения инициирует выброс чернил из сопел. После проведения широких испытаний на опытном стенде поставщик фиксирует программу в микроконтроллере 57 с помощью процесса, именуемого "маскирование". Так получают специальный вариант микроконтроллера, который изготавливают на стадии обработки кремниевых пластин.

Конструкция электронных технический средств

Требование максимально малого размера и формы, напоминающей ручку, явилось основанием для продолжительной работы над конструкцией технических элементов этого продукта. Для конструкции электронных компонентов эти ограничения означают, что данные компоненты не могут быть все корпусированы серийно. Поэтому понадобилось изучить использование технологии монтажа кристаллов на плате (СОВ). Во время разработки были использованы и другие более широко применяющиеся методы миниатюризации электроники, в частности, технология сборки на поверхности.

Кроме требования малого размера учитывалось также требование экономичности. Поэтому, везде, где это было возможно, использовались готовые компоненты. Были приложены большие усилия, чтобы печатная плата 90, с которой связаны все электронные компоненты, была простого, широко применяющегося типа, что также способствовало снижению стоимости. Для всех компонентов использовали элементы серийного производства.

Технология монтажа кристаллов на плате была выбрана как наиболее подходящий способ соединения интегральных схем с большим числом соединений. Микроконтроллер и интегральная схема специального назначения содержит соответственно 31 и 43 соединения и поэтому подходят для монтажа на плате. Интегральные схемы с числом соединений менее 20 не дают большой экономии пространства на плате из-за потерь площади на края, покрытые эпоксидной смолой. В качестве альтернативы СОВ рассматривалась также технология TAB (автоматизированного присоединения кристаллов к балочным выводам на ленточном носителе) благодаря высокой плотности сборки. Основной причиной того, что была выбрана технология СОВ, является ее более широкое применение, хотя технология TAB имеет преимущества перед СОВ с точки зрения индивидуальной проверки устройства перед сборкой.

Кнопки 53 - 55

Для данной ручки были выбраны резиновые плоские кнопки, использующиеся во многих калькуляторах и камерах, по следующим причинам:

Простая двухкомпонентная система переключателя.

Очень низкая стоимость,

Очень простые требования к сборке,

Очень малое занимаемое пространство,

Качественная работа и хороший вид.

Кнопки состоят из слоя резины с "таблеткой" из проводящей резины в каждом положении переключения. Когда на кнопки нажимают, эта таблетка образует электрический путь между двумя чередующимися группами "пальцев", напечатанных на печатной плате.

Эти переключатели не подходят для тех применений, где необходимо проводить ток достаточно большой величины, а применяются только для низких сигнальных токов. Они не подходят для переключения из одного состояния в другое и поэтому могут использоваться как простые нажимные кнопки.

Жидкокристаллический дисплей 51

В качестве жидкокристаллического дисплея 51 выбран такой дисплей, который образует контакт с печатной платой 90 через "полоску-зебру". Существуют разные способы фиксации этого жидкокристаллического дисплея на печатной плате, но меньше всего места занимает использование в качестве клеящего материала эпоксидной смолы. На стадии сборки для правильного расположения требуются простые инструменты.

Зарядный вывод 91

Функция зарядного вывода 91 не диктует расположения его в каком-либо определенном месте, но, несмотря на это, имеется очень мало мест, где его можно установить из-за его размера и формы. Участок непосредственно сзади картриджа имеет соответствующую ширину, так как он сужается от картриджа к узкому району вокруг печатной платы. Он пригнан к нижнему концу печатной платы 90 и образует часть подузла печатной платы и батареи.

Выключатель 52

Этот выключатель служит для замыкания основной цепи питания от батареи и поэтому должен иметь емкость для пикового тока величиной около 1 А. Желательно, чтобы он был смонтирован на печатной плате и входил в модуль подузла печатной платы и батареи. Расположение включателя 53 показано на фигурах 5A - 5C.

Гибкая схема основания 93 (фиг. 14)

Основание 21 для выброса струи содержит тринадцать контактных площадок 32, на которые может подаваться питание от контактных площадок 92 для приведения их в действие. Имеется 12 сопел (выпускных отверстий), каждое из которых имеет собственную контактную площадку; тринадцатая контактная площадка "общая".

Соединение, используемое в струйном картридже, осуществляется за счет гибкой схемы 92 с профилированными точками, соответствующими каждой контактной площадке, и резинового покрытия 95 для обеспечения контактного давления. Измеренное контактное усилие на каждой контактной площадке составляет около 20 г, что дает суммарное усилие около 300 г. Для обеспечения надежного контакта выравнивание и сжатие контактных площадок имеет явно критическое значение.

Рассматривались и альтернативные контактные системы, но принятая система обеспечивает все качества, необходимые для ручки, а именно: компактный размер, небольшое число деталей, простоту, высокую надежность и относительно небольшую стоимость.

Гибкие печатные схемы можно выполнять из двух основных материалов:

полиамида, который требуется в том случае, когда необходимо обеспечить паяные контакты со схемой, так как он может выдерживать достаточно высокие температуры;

полиэфира, который более экономичен, но не дает возможности обеспечения паяных контактов. Он вдвое дешевле полиамида.

Контактные площадки 92 расположены в две линии относительно основания 21 и соединения от каждой линии контактов проходят к двум ветвям 95 гибкой печатной схемы 93. Соединения формируются в виде "розеточных" матриц 94 на концах каждой ветви. Они прижимаются к печатной плате с помощью винта, проходящего через центральное отверстие. Гибкие прокладки с каждой стороны, выполненные из твердой резины или аналогичного материала, поддерживают контактное давление в течение всего срока службы.

Использование изобретения обеспечивает возможность качественного письма и рисования при обычной операции скольжения пишущим инструментом по поверхности.