專利名稱：使用形狀記憶合金材質(zhì)的圓珠筆的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種圓珠筆(ballpoint pen)，特別涉及一種圓珠筆的筆頭位置的軸承球(ball bearing)，具軸承球以及/或筆頭配件以及/或支撐部位由形狀記憶合金(shape memory alloy，SMA)材質(zhì)所制成。
由于傳統(tǒng)的圓珠筆很容易在不小心的操作下發(fā)生變形，因此使用壽命很短，也就是說(shuō)，在很短的使用時(shí)間內(nèi)，即使筆芯內(nèi)仍儲(chǔ)存有大量的墨水，使用者還是需要更換筆頭配件或是購(gòu)買(mǎi)一枝新的圓珠筆，這對(duì)于使用者而言相當(dāng)不方便且浪費(fèi)金錢(qián)。另外，就環(huán)保觀點(diǎn)而言，無(wú)法繼續(xù)使用的圓珠筆中大都?xì)埩粲羞^(guò)剩的墨水，這不但是一種資源浪費(fèi)，還會(huì)造成環(huán)境污染問(wèn)題。有鑒于此，如何開(kāi)發(fā)一種新的圓珠筆以提高其使用效率并克服上述的問(wèn)題，成為當(dāng)前重要的課題。
本發(fā)明提出一種圓珠筆，其筆芯結(jié)構(gòu)至少包括有一墨水儲(chǔ)存管，用來(lái)儲(chǔ)存一墨水；一筆頭配件，設(shè)置于該墨水儲(chǔ)存管的前端；至少一個(gè)軸承球，設(shè)置于該筆頭配件的前端；以及一支撐部位，與該筆頭配件的前端且該軸承球接觸，用來(lái)支撐該軸承球。其中，軸承球以及/或筆頭配件以及/或支撐部位由一形狀記憶合金(shape memory alloy，SMA)所制成。
根據(jù)上述目的，本發(fā)明的一特征在于，形狀記憶合金材質(zhì)具有超彈性，可以避免軸承球在摔落或不當(dāng)操作時(shí)產(chǎn)生變形。
本發(fā)明的另一特征在于，形狀記憶合金材質(zhì)屬于較軟材質(zhì)，其可提高紙張與軸承球之間的摩擦力。
本發(fā)明的再一特征在于，可以確保順暢的書(shū)寫(xiě)品質(zhì)以及穩(wěn)定的墨水流動(dòng)性，進(jìn)而延長(zhǎng)圓珠筆的使用壽命。
本發(fā)明的再一特征在于，可以確保使用者在書(shū)寫(xiě)時(shí)獲得一一致性與可靠的筆跡，而不需在短時(shí)間內(nèi)一直更換筆芯或購(gòu)買(mǎi)新的圓珠筆。
本發(fā)明的再一特征在于，可以避免使用者丟棄仍存有大量墨水的圓珠筆，進(jìn)而達(dá)到改善資源浪費(fèi)與環(huán)境污染的目的。
請(qǐng)參閱

圖1，其顯示本發(fā)明圓珠筆的筆芯結(jié)構(gòu)10的剖面示意圖。筆芯結(jié)構(gòu)10包括有一墨水儲(chǔ)存管12，用來(lái)儲(chǔ)存墨水13；一筆頭配件14，裝配于墨水儲(chǔ)存管12的前端；至少一個(gè)軸承球16，設(shè)置于筆頭配件14的前端；以及一支撐部位18，位于筆頭配件14的前端且與軸承球16接觸，用來(lái)支撐軸承球16。依據(jù)功能需求，應(yīng)用于本發(fā)明圓珠筆的筆芯結(jié)構(gòu)10也可設(shè)計(jì)成各種可實(shí)施的外型，且可裝配其它功能組件，于此不加以限制也未繪制于附圖中。另外，依據(jù)制作過(guò)程條件的變化與限制，筆頭配件14以及軸承球16的制作方法以及數(shù)量均屬于一種設(shè)計(jì)選擇，于此不加以限制。而且，支撐部位18可制作成各種可實(shí)施的外型，可為筆頭配件14的一體成型的前端區(qū)域，也可為可裝配于筆頭配件14的前端且具有其它功能的組件，于此不加以限制也未繪制于附圖中。
本發(fā)明的特征，是采用形狀記憶合金(shape memory alloy，SMA)材質(zhì)來(lái)制作軸承球16以及/或筆頭配件14以及/或支撐部位18。因此，在第一種較佳實(shí)施例中，圓珠筆的筆芯結(jié)構(gòu)10具有一SMA軸承球16；在第二種較佳實(shí)施例中，圓珠筆的筆芯結(jié)構(gòu)10具有一SMA支撐部位18；在第三種較佳實(shí)施例中，圓珠筆的筆芯結(jié)構(gòu)10具有一SMA軸承球16以及一SMA支撐部位18；在第四種較佳實(shí)施例中，圓珠筆的筆芯結(jié)構(gòu)10具有一SMA軸承球16、一SMA筆頭配件14以及-SMA支撐部位18。
形狀記憶合金的機(jī)械性質(zhì)會(huì)隨著跨越相變態(tài)的溫度范圍不同而產(chǎn)生巨大變化，具代表性的機(jī)械性質(zhì)包括有形狀記憶效應(yīng)(shape memory effect，SME)、超彈性效應(yīng)(super-elastic effect，或稱為擬彈性(pseudoelasticity))以及高緩沖能力(high damping capacity)。請(qǐng)參閱圖2A、2B與2C，以應(yīng)力、應(yīng)變與溫度的函數(shù)來(lái)顯示形狀記憶合金的變形情形。形狀記憶合金可以兩個(gè)不同的相態(tài)結(jié)構(gòu)存在，而這兩個(gè)與溫度相關(guān)的相態(tài)為；在較低溫下的相態(tài)稱為麻田散體相(martensite)，以及在較高溫下的相態(tài)稱為沃斯田體相(austenite)。當(dāng)對(duì)麻田散體相進(jìn)行持續(xù)升溫加熱之后，便會(huì)在某個(gè)溫度開(kāi)始轉(zhuǎn)換成為沃斯田體相，這個(gè)開(kāi)始轉(zhuǎn)換的溫度稱為沃斯田體起始溫度(As)，而完全轉(zhuǎn)換成沃斯田體相的溫度稱為沃斯田體結(jié)束溫度(Af)。當(dāng)對(duì)沃斯田體相進(jìn)行冷卻之后，便會(huì)開(kāi)始轉(zhuǎn)換成為麻田散體相，這個(gè)開(kāi)始轉(zhuǎn)換的溫度稱為麻田散體起始溫度(Ms)，而完全回復(fù)成為麻田散體相的溫度稱為麻田散體結(jié)束溫度(Ml)。
如圖2A所示，當(dāng)形狀記憶合金為麻田散體相(以下稱的為麻田散體SMA)時(shí)，對(duì)其施加一應(yīng)力，在移除麻田散體SMA的載荷應(yīng)力之后，麻田散體SMA中仍然存有變形量。不過(guò)，后續(xù)對(duì)麻田散體SMA加熱至Af溫度，以使麻田散體相轉(zhuǎn)換成沃斯田體相，則殘留的變形量會(huì)減少而回復(fù)到未應(yīng)變的形狀，也就是說(shuō)會(huì)回復(fù)到麻田散體SMA的原始形狀。這就是所謂的形狀記憶效應(yīng)(shapememory effect，SME)。
如圖2B所示，當(dāng)麻田散體SMA的加熱溫度超過(guò)Af時(shí)，外部的應(yīng)力便會(huì)造成麻田散體的變形，稱為應(yīng)力誘導(dǎo)麻田散體變形(stress-induced martensitedeformation)，而且隨后馬上會(huì)顯現(xiàn)應(yīng)變?cè)黾拥默F(xiàn)象。然而，當(dāng)釋放外部應(yīng)力之后，麻田散體相會(huì)轉(zhuǎn)換回沃斯田體相，而且基于應(yīng)力誘導(dǎo)麻田散體變形，此時(shí)會(huì)回復(fù)到SMA的原始形狀。由此可知，在沃斯田體SMA中發(fā)生的形狀回復(fù)現(xiàn)象，并不是通過(guò)溫度改變的方式，而是通過(guò)應(yīng)力改變的方式。這就是所謂的超彈性效應(yīng)(super-elastic effect)或稱為超彈性(pseudoelasticity)。
不過(guò)，上述的超彈性只被發(fā)現(xiàn)在一特定溫度區(qū)域中。如圖2C所示，當(dāng)實(shí)驗(yàn)性地將沃斯田體SMA加熱至Md(最高溫度限制，超過(guò)此溫度便無(wú)法應(yīng)力誘導(dǎo)麻田散體)以上，則會(huì)出現(xiàn)滑移曲線，就如同一般材質(zhì)的變形。
請(qǐng)參閱圖3，其顯示產(chǎn)生形狀記憶效應(yīng)與超彈性的溫度與應(yīng)力范圍，以及形狀記憶效應(yīng)與超彈性與其臨界應(yīng)力的關(guān)系。
形狀記憶合金的超彈性是建立在沃斯田體SMA中的應(yīng)力誘導(dǎo)麻田散體變形的基礎(chǔ)上。當(dāng)應(yīng)力被釋放之后，麻田散體相會(huì)回復(fù)到沃斯田體相，也就是說(shuō)，當(dāng)外加應(yīng)力導(dǎo)致形狀記憶合金產(chǎn)生彈性變形之后，只要將應(yīng)力移除便可使形狀記憶合金回復(fù)到原來(lái)的形狀。
有鑒于此，本發(fā)明使用具有超彈性的沃斯田體SMA材質(zhì)來(lái)制作軸承球16、筆頭配件14或支撐部位18。當(dāng)SMA軸承球16、SMA筆頭配件14或SMA支撐部位18在沃斯田體相態(tài)時(shí)，在承受適當(dāng)?shù)耐饬η闆r下會(huì)使其內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力誘導(dǎo)麻田散體。當(dāng)移除外力之后，可以使應(yīng)力誘導(dǎo)麻田散體回復(fù)成原來(lái)的相態(tài)，則SMA軸承球16、SMA筆頭配件14或SMA支撐部位18便能夠回復(fù)成原來(lái)的形狀，且其彈性應(yīng)變能遠(yuǎn)超過(guò)一般使用的傳統(tǒng)原子筆的筆頭材質(zhì)。
本發(fā)明的圓珠筆的SMA軸承球16、SMA筆頭配件14或SMA支撐部位18具有下列優(yōu)點(diǎn)，可以解決常見(jiàn)技術(shù)的問(wèn)題。第一，由于SMA材質(zhì)具有超彈性，所以即使當(dāng)SMA軸承球16、SMA筆頭配件14或SMA支撐部位18遭受到撞擊、摔落、不當(dāng)操作或其它惡劣的處理，軸承球16也不會(huì)輕易地產(chǎn)生永久變形。第二，相較于傳統(tǒng)原子筆的鋼球的剛性材質(zhì)，本發(fā)明圓珠筆的SMA軸承球16屬于較軟材質(zhì)，其可提高紙張與SMA軸承球16之間的摩擦力。第三，本發(fā)明圓珠筆的SMA軸承球16、SMA筆頭配件14或SMA支撐部位18可以確保順暢的書(shū)寫(xiě)品質(zhì)以及穩(wěn)定的墨水流動(dòng)性，進(jìn)而延長(zhǎng)筆芯結(jié)構(gòu)10的使用壽命。第四，可以確保使用者在書(shū)寫(xiě)時(shí)獲得一致性與可靠的筆跡，而不需在短時(shí)間內(nèi)一直更換筆芯或購(gòu)買(mǎi)新的圓珠筆。第五，可以避免使用者丟棄仍存有大量墨水的圓珠筆，進(jìn)而達(dá)到改善資源浪費(fèi)與環(huán)境污染的目的。第六，同時(shí)采用形狀記憶合金(shape memory alloy，SMA)材質(zhì)來(lái)制作支撐部位18以及軸承球16，如此可提供雙重的超彈性效應(yīng)，可更有效避免軸承球16產(chǎn)生永久變形，且可更加確保順暢的書(shū)寫(xiě)品質(zhì)以及穩(wěn)定的墨水流動(dòng)性，進(jìn)而延長(zhǎng)圓珠筆的使用壽命。
本發(fā)明的SMA軸承球16、SMA筆頭配件14或SMA支撐部位18的材質(zhì)可以選用任一種含有鈦(Ti)與鎳(Ni)元素且具有超彈性的合金。一種較佳的選擇為，使用TiNi介金屬化合物，至于TiNi介金屬化合物的原子百分率的范圍可參閱圖4所示的Ti-Ni二元相圖。另一種較佳的選擇為，使用具有超彈性的TiNi基合金來(lái)，至于TiNi基合金的微量添加物可選用下列的至少一種釩(V)、鉻(Cr)、錳(Mn)、鐵(Fe)、鈷(Co)、銅(Cu)、鉿(Hf)、鋁(Al)、鉑(Pt)、硅(Si)、金(Au)、鈀(Pd)以及鋯(Zr)。
雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例公開(kāi)如上，然其并非用于限定本發(fā)明，任何本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可作一些等效變化和變動(dòng)，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種使用形狀記憶合金材質(zhì)的圓珠筆，其特征在于，該圓珠筆的筆芯結(jié)構(gòu)至少包括有一墨水儲(chǔ)存管，用來(lái)儲(chǔ)存一墨水；一筆頭配件，設(shè)置于該墨水儲(chǔ)存管的前端；至少一個(gè)軸承球，設(shè)置于該筆頭配件的前端；以及一支撐部位，位于該筆頭配件的前端且與該軸承球接觸，用來(lái)支撐該軸承球；其中，該軸承球由一形狀記憶合金(shape memory alloy，SMA)所制成。
2.如權(quán)利要求1所述的使用形狀記憶合金材質(zhì)的圓珠筆，其特征在于，制作成該軸承球的該形狀記憶合金具有超彈性(superelasticity)。
3.如權(quán)利要求1所述的使用形狀記憶合金材質(zhì)的圓珠筆，其特征在于，制作成該軸承球的該形狀記憶合金具有形狀記憶效應(yīng)。
4.如權(quán)利要求1所述的使用形狀記憶合金材質(zhì)的圓珠筆，其特征在于，該軸承球的材質(zhì)為T(mén)iNi介金屬化合物。
5.如權(quán)利要求1所述的使用形狀記憶合金材質(zhì)的圓珠筆，其特征在于，該軸承球?yàn)槲炙固矬w相(austenite phase)。
6.如權(quán)利要求1所述的使用形狀記憶合金材質(zhì)的圓珠筆，其特征在于，該軸承球的材質(zhì)為T(mén)iNi基合金。
7.如權(quán)利要求6所述的使用形狀記憶合金材質(zhì)的圓珠筆，其特征在于，該TiNi基合金的微量添加物可選用下列的至少一種釩(V)、鉻(Cr)、錳(Mn)、鐵(Fe)、鈷(Co)、銅(Cu)、鉿(Hf)、鋁(Al)、鉑(Pt)、硅(Si)、金(Au)、鈀(Pd)以及鋯(Zr)。
8.如權(quán)利要求1所述的使用形狀記憶合金材質(zhì)的圓珠筆，其特征在于，該筆頭配件由一形狀記憶合金(shape memory alloy，SMA)所制成。
9.如權(quán)利要求1所述的使用形狀記憶合金材質(zhì)的圓珠筆，其特征在于，該支撐部位由一形狀記憶合金(shape memory alloy，SMA)所制成。
10.一種使用形狀記憶合金材質(zhì)的圓珠筆，其特征在于，該圓珠筆的筆芯結(jié)構(gòu)至少包括有一墨水儲(chǔ)存管，用來(lái)儲(chǔ)存一墨水；一筆頭配件，設(shè)置于該墨水儲(chǔ)存管的前端；至少一個(gè)軸承球，設(shè)置于該筆頭配件的前端；以及一支撐部位，位于該筆頭配件的前端且與該軸承球接觸，用來(lái)支撐該軸承球；其中，該支撐部位由一形狀記憶合金(shape memory alloy，SMA)所制成。
11.如權(quán)利要求10所述的使用形狀記憶合金材質(zhì)的圓珠筆，其特征在于，制作成該支撐部位的該形狀記憶合金具有超彈性(superelasticity)。
12.如權(quán)利要求10所述的使用形狀記憶合金材質(zhì)的圓珠筆，其特征在于，制作成該支撐部位的該形狀記憶合金具有形狀記憶效應(yīng)。
13.如權(quán)利要求10所述的使用形狀記憶合金材質(zhì)的圓珠筆，其特征在于，該支撐部位的材質(zhì)為T(mén)iNi介金屬化合物。
14.如權(quán)利要求10所述的使用形狀記憶合金材質(zhì)的圓珠筆，其特征在于，該支撐部位為沃斯田體相(austenite phase)。
15.如權(quán)利要求10所述的使用形狀記憶合金材質(zhì)的圓珠筆，具特征在于，該支撐部位的材質(zhì)為T(mén)iNi基合金。
16.如權(quán)利要求15所述的使用形狀記憶合金材質(zhì)的圓珠筆，其特征在于，該TiNi基合金的微量添加物可選用下列的至少一種釩(V)、鉻(Cr)、錳(Mn)、鐵(Fe)、鈷(Co)、銅(Cu)、鉿(Hf)、鋁(Al)、鉑(Pt)、硅(Si)、金(Au)、鈀(Pd)以及鋯(Zr)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種圓珠筆，其筆芯結(jié)構(gòu)至少包括有一墨水儲(chǔ)存管，用來(lái)儲(chǔ)存一墨水；一筆頭配件，設(shè)置于該墨水儲(chǔ)存管的前端；至少一個(gè)軸承球，設(shè)置于該筆頭配件的前端，以及一支撐部位，位于該筆頭配件的前端且與該軸承球接觸，用來(lái)支撐該軸承球。其中，該軸承球以及/或該筆頭配件以及/或該支撐部位由一形狀記憶合金(shape memory alloy，SMA)所制成。
文檔編號(hào)B43K7/10GK1410284SQ0214340
公開(kāi)日2003年4月16日 申請(qǐng)日期2002年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月4日
發(fā)明者趙崇斌 申請(qǐng)人:趙崇斌