CN102848793A - 针管型弹簧笔头及包括该弹簧笔头的圆珠笔笔芯 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种针管型弹簧笔头，包括：圆柱形球座体，其一端设有球座，另一端设有开口以及邻近开口的锁定部，球座体还包括形成在球座和开口之间的供墨通路，球座具有中心孔和多个油槽；球珠，其布置在球座内并从球座向外凸出；弹簧，其位于供墨通路内，弹簧采用直径为0.08～0.1mm的不锈钢丝制成，弹簧的外径为0.5～0.55mm；球座的边缘向着球珠弯曲变形以包容球珠，使得边缘和球珠之间形成有径向间隙和轴向间隙。本发明还提供一种包括所述针管型弹簧笔头的圆珠笔笔芯。本发明在笔头外形更为纤细、内部空间更小的情况下，可以将整个弹簧放置在笔头内部，并且使之与中黏度的、具有触变性的墨水匹配达到更佳的效果。

Description

针管型弹簧笔头及包括该弹簧笔头的圆珠笔笔芯

技术领域

本发明涉及一种圆珠笔用的针管型弹簧笔头及包括该弹簧笔头的圆珠笔笔芯。

背景技术

现有圆珠笔包括油墨圆珠笔(中油油墨圆珠笔、可擦性油墨圆珠笔)、中性墨水圆珠笔(可擦性中性墨水圆珠笔)、水性墨水圆珠笔等。

其中，中性墨水圆珠笔相对技术含量较高，技术难度也较大，因为，中性墨水圆珠笔采用水基的、中黏度的、具有触变性的墨水。中性墨水圆珠笔又分为固定式和活动式两种结构，固定式在不使用时会将笔套盖住笔头，并且笔套内有一个橡胶珠将笔头前锥部分密封住，使墨水不会挥发干涸。空气不会进入球珠与球座的间隙之中，确保初写性能良好，长期放置不会漏墨或墨水倒流；活动式通过揿头按动内部的活动机构，使笔芯可以上下活动，需要书写时笔头伸出笔杆外，书写完毕笔头缩回笔杆内，但是，无法像固定式那样用一个橡胶珠将笔头前锥部分封住，笔头始终暴露在空气之中。

于是，人们就发明了弹簧笔头，即在笔头内部安装一根很小的弹簧顶住球珠，相当于单向阀，不书写时依靠弹簧力使球珠与球座口边之间的间隙闭合，达到防止墨水挥发、空气进入的目的；书写时依靠书写压力大于弹簧力而使球珠与球座口边之间的间隙打开，墨水可以流出正常书写。

目前，市场上的弹簧笔头主要是外形直径为2.3mm、长度为11.5mm的子弹头形状，内部安装直径为0.12mm的不锈钢丝弹簧，球珠直径为0.5mm。例如，JP 71096/1993(CN 94191080.6)、JP 349185/1995(CN96193173.6)、JP 160441/1996(CN 97114976.3)、KR 8991/99(CN99120346.1)等都公开了类似的弹簧笔头。

笔头内部的空间非常小，弹簧笔头还要增加一个弹簧以及新的功能，无论是在内部结构尺寸设计，还是加工精度方面，以及笔头与墨水的匹配方面要求更高，难度更大，可以说是目前所有笔头中技术难度最大的。

普通的针管型笔头采用外径为0.8mm的不锈钢成型管材加工而成，长度为6.5mm。在已经公开的专利中，最早由一个德国人于1986年提交了针管型笔头的发明专利(DE P3601676，即CN 86105488)，数年后才由日本企业改进完善，形成规模化生产，之后从日本、韩国流传到我国，采用针管型笔头的中性墨水圆珠笔大受消费者欢迎和喜爱，特别是学生。

经过调查发现，学生们喜欢针管型笔头的原因主要是他们普遍喜欢写出来的字迹比较细，其实字迹的粗细取决于球珠的大小，以及出墨量的大小。但是，笔头纤细的外形似乎直观地表达了或者说代表了写出来的字迹会比较细。此外，针管型笔头对于减少对视线的遮挡也是有利的。因此，针管型笔头的中性墨水圆珠笔和笔芯在市场上的份额正在逐年上升，已占全部中性墨水圆珠笔和笔芯的产量约40％左右。

既然针管型笔头这么受欢迎，为何在普通弹簧笔头问世后始终没有能发明针管型弹簧笔头，是因为在内径仅为0.4～0.5mm的针管内是无法再放置任何形式的弹簧。另外，针管型笔头是采用成型的管材通过无切削或者少切削加工而成，成型管材的硬度高于易切削不锈钢线材，在笔头收口时球珠与球座口边之间的间隙控制相对较难，而且间隙会偏大，并不利于制作弹簧笔头。

在现有技术中，例如KR 8991/99(CN 99120346.1)曾提出了一种设想，即采用普通的针管型笔头，以一根直的、头部弯曲的弹簧丝穿过针管型笔头的内孔和油槽，将球珠顶住；例如JP 335317/2001(CN 02148186.5)所述，采用普通的针管型笔头，在塑料连接中安装一个弹簧，以一根直的弹簧丝穿过针管型笔头的内孔，来顶住球珠。总之，上述这些设想均存在一个非常致命的缺陷，那根直的弹簧丝长度必须超过6.5mm，而直径又仅为0.15mm及以下，这很难保持垂直并且始终在中心位置。再加上针管笔头与塑料连接的装配误差，例如两者的不同心度和不垂直度等，因此，根本无法保证那根直的弹簧丝在穿过针管后能顶在球珠的中心。如果那根弹簧丝不能确保顶在球珠中心的话，不仅无法起到单向阀的作用，可能还会使球珠偏向一边，产生书写线迹单边，书写手感不良甚至使球珠无法转动。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于圆珠笔的针管型弹簧笔头，在笔头外形更为纤细、内部空间更小的情况下，可以将整个弹簧放置在笔头内部，并且使之与中黏度的、具有触变性的墨水匹配达到更佳的效果。

为了达到上述目的，本发明提供一种针管型弹簧笔头，包括：

圆柱形球座体，其一端设有球座，另一端设有开口以及邻近所述开口的锁定部，所述球座体还包括形成在所述球座和所述开口之间的供墨通路，所述球座具有中心孔和多个油槽，所述油槽的一端与所述供墨通路连通，另一端与大气连通；

球珠，其布置在所述球座内并从所述球座向外凸出，所述球珠能够在所述球座内转动，且不会脱落；

弹簧，其位于所述供墨通路内，所述弹簧的一端穿过所述中心孔以邻接所述球珠，另一端邻接所述锁定部，所述弹簧采用直径为0.08～0.1mm的不锈钢丝制成，弹簧的外径为0.5～0.55mm；

所述球座的边缘向着所述球珠弯曲变形以包容所述球珠，使得所述边缘和所述球珠之间形成有径向间隙和轴向间隙，以便墨水穿过所述供墨通路流经所述中心孔和所述油槽，并从所述径向间隙和轴向间隙流出，从而进行书写。

其中，所述球座体采用易切削不锈钢线材通过切削加工成型。

其中，所述弹簧具有垂直部、抵接部以及连接所述垂直部和所述抵接部的主体部，所述垂直部穿过所述中心孔以邻接所述球珠，所述抵接部与所述锁定部配合以锁定所述弹簧。

其中，所述弹簧的垂直部的长度为0.6～0.7mm。

其中，所述弹簧采用直径为0.09mm的不锈钢丝制成。

其中，所述球座具有3～5个油槽。

其中，所述供墨通路沿着墨水的流动方向逐渐变窄。

其中，所述弹簧每圈之间的间距不相等。

其中，所述弹簧每圈之间的间距沿着墨水的流动方向逐渐变小，即，从靠近球珠一端至尾部的每圈之间的间距由小逐渐变大。

其中，所述笔头的外部直径为1.0mm，总长度为6.5mm。

其中，所述球珠的直径为0.4～0.5mm。

本发明还提供一种包括所述针管型弹簧笔头的圆珠笔笔芯。本发明的有益效果：

1.由于弹簧采用直径为0.08～0.1mm的不锈钢丝制成，弹簧的外径为0.5～0.55mm，其可以在笔头外形更为纤细、内部空间更小的情况下放置在笔头内部；

2.球座体采用易切削不锈钢线材通过切削加工成型，有利于控制配合尺寸的精度；

3.为了在供墨通路中放置弹簧后不致影响供墨，利用毛细作用原理，经过计算将弹簧设计并制造成每圈之间的间距不相等，并且是弹簧的每圈之间间距沿着墨水的流动方向逐渐变小，使得弹簧每圈之间的间距亦成为供墨通路的一部分。

附图说明

图1为根据本发明的第一实施例的针管型弹簧笔头的剖面图；

图2为笔头内球珠与球座之间的轴向间隙、径向间隙的示意图；

图3为根据本发明的弹簧的透视图；

图4为固定弹簧的示意图；

图5为弹簧推动球珠时的示意图；

图6是弹簧每圈的间隔距离采用非等距离设计的示意图；

图7是弹簧每圈间隔中的墨水静止不流动状态的示意图；

图8是弹簧螺旋角示意图；

图9为笔头在书写时的示意图；

图10是实心线材切削加工的针管型笔头内三条油槽的示意图；

图11是实心线材切削加工的针管型笔头内四条油槽的示意图；

图12是实心线材切削加工的针管型笔头内五条油槽的示意图；

图13是笔头收口加工的示意图；

图14为本发明的第一实施例灌注中性墨水A黑的笔芯出墨量曲线图；

图15为本发明的第一实施例灌注中性墨水A蓝的笔芯出墨量曲线图；

图16为本发明的第二实施例灌注中性墨水A黑的笔芯出墨量曲线图；

图17为本发明的第二实施例灌注中性墨水A蓝的笔芯出墨量曲线图。

具体实施方式

下面参照附图详细描述根据本发明的针管型弹簧笔头的优选实施例。

图1-图5示出了本发明的针管型弹簧笔头100的第一实施例。在该实施例中，笔头100大体上为圆柱形，其直径约为1.0mm，长度约为6.5mm，包括：球座体1、球珠2以及弹簧3。

球座体1为圆柱形，可采用外径为Φ1.0mm的SF20T易切削不锈钢实心线材通过切削加工成型。球座体1的一端设有球座13，另一端设有开口4以及邻近开口4的锁定部5。球座体1还包括形成在球座13和开口4之间的供墨通路(即中孔)11。球座13具有中心孔12和多个油槽6，油槽6的一端与供墨通路11连通，另一端与大气连通。供墨通路11沿着墨水的流动方向逐渐变窄，以促进墨水的流动。由于加工工艺的需要，供墨通路11带有台阶10，供墨通路11在最小处的直径应该大于Φ0.55mm。

球珠2布置在球座13内并从球座13向外凸出，球珠2能够在球座13内转动，且不会脱落。球珠2可采用碳化钨材料加工而成，直径为Φ0.4mm。在球珠2放入球座13内后，通过滚压球座13的口部边缘131，使其紧贴球珠2表面向中心弯曲变形来包围球珠2。此时，球座13的口部边缘131在发生塑性变形的同时，仍会有微量的弹性变形，使得球珠2与球座13的口部边缘131之间保持一定的径向间隙7和轴向间隙8。

弹簧3可采用直径为0.08～0.1mm的不锈钢丝制成，弹簧外径仅为0.5～0.55mm，以确保能顺利放置在笔头内。在本实施例中，弹簧3可采用直径为Φ0.09mm的不锈钢丝加工而成，包括前端垂直部32、中间主体部31和后端抵接部33。中间主体部31绕成外径为Φ0.53mm的圆柱状，其每圈间隔距离从前端至尾部由小逐渐变大。前端垂直部32是一根沿中心轴线延伸出的垂直钢丝，该钢丝穿过中心孔12以邻接球珠2，其长度为0.6～0.7mm，以确保顶住球珠2的中心，并且弹簧力能控制在预想的标准范围内。后端抵接部33绕成外径为Φ0.65mm的圆片状，其与球座体1的供墨通路11的内壁上的锁定部5紧配合，以将弹簧3卡住，使弹簧3不会后退或者脱落。锁定部5可以是这样形成的：在球座体1尾部的外壁上击打多个凹点9，使得供墨通路11的内壁上凸出，形成锁定部5。

如图6-图8所示，之所以要将弹簧每圈的间隔距离设计成为非等距离的，是因为弹簧在每圈间隔距离较小(例如0.15mm以下)的情况下，在弹簧每圈间隔中的中黏度(通常为1000～3000mPa·s)、具有触变性的墨水，因为其黏性力或者说与弹簧丝表面及笔头球座体中孔内壁的黏附力的作用大于或等于重力作用，即使在书写时这部分墨水也不会跟随中间的墨水向球珠方向流动，处于静止不流动状态(见图7)。此时，弹簧相当于一根内径只有0.3～0.35mm的管道，与笔头内的中心孔直径相似。

通常情况下笔头内的中心孔长度仅为0.25～0.3mm左右，现在加入弹簧以后，相当于中心孔的长度由0.25mm增加至6mm以上，增加24倍之多，或者说笔头的供墨通路直径由原来的0.60mm，缩小至0.30mm，供墨通路的面积缩小4倍，对于中黏度的、具有触变性的中性墨水来说，其在笔头内的流动将受到明显影响，也就是说笔头的单位时间供墨量将会减少，或者说供墨速度会降低，直接造成笔头出墨量减少，在快速书写时会出现线迹变淡甚至是断线的状况。

如果将弹簧每圈间隔距离拉大，螺旋角α亦随之加大(见图8)，相当于形成了一条螺旋形通路，重力作用大于墨水黏附力的作用，在弹簧每圈间隔中的墨水会随着中间的墨水，沿着螺旋形通路流向球珠方向，使得供墨通路得到了扩大。但是，由于弹簧每圈间隔距离拉大，使得弹簧力变大，超过标准范围，在受到一定冲击力的情况下容易造成球珠脱落。因此，此种方案也不可取。

此外，为了能够在笔头内部放置弹簧，在消费者对笔头外形尺寸大小的改变的敏感度最低值的前提下，适当放大笔头外形，将笔头外径控制在1.0～1.2mm以内。优选地，笔头外径为1.0mm，总长度为6.5mm。

当弹簧3装入球座体1时，首先将前端垂直钢丝32***球座体1的供墨通路11，并且穿过中心孔12，顶住球珠2的中心。在弹簧3全部装入球座体1的供墨通路11并被固定住后，弹簧3受到一定量的压缩，产生一定的弹力，从而推动球珠2向球座13的口部边缘131的内侧靠紧，使得径向间隙7和轴向间隙8全部闭合，这样笔头内的墨水就不会挥发、干涸，外部的空气也无法进入笔头内部。

如图9所示，当笔头在书写时，球珠2受到书写压力F的作用，相对于书写面会对球珠2有一个反作用力F’。当反作用力F’大于弹簧力F的时候，球珠2会沿轴线方向向球座13的底部132靠拢，使得球珠2与球座13的口部边缘131的内侧之间的径向间隙7和轴向间隙8基本打开。墨水穿过供墨通路11，流经中心孔12和油槽6，并流出径向间隙7和轴向间隙8，从而进行书写。

在本实施例中，球座体1采用易切削不锈钢线材通过切削加工成型。相对于不锈钢成型管材加工而言，通过切削加工成型笔头在其球座内部结构设计及尺寸变化方面的空间会更大，例如油槽数量，成型管材加工通常为3条，至多为4条，而切削加工可以是3条(见图10)、4条(见图11)或者5条(见图12)等。

另外，在配合尺寸的精度控制方面切削加工成型也更为有效，因为不锈钢成型管材的壁厚在0.15mm以下，其刚性相比实心的线材要差，加工时如果受力不平衡会产生变形避让，容易造成偏心和单边。此外，不锈钢成型管材经过多次拉拔加工，材料的硬度高于实心的线材，在笔头收口加工(见图13)时，球座口边的弹性变形量和材料延伸量的一致性控制方面相对要困难，容易造成球珠与球座之间的间隙偏大、间隙偏差较大等问题，而这正是弹簧笔头比较关键的环节所在。

本发明的第一实施例在制造成笔芯后，进行各项性能指标的检测，结果如下：

(一)出墨量

(1)正常书写

中性墨水A黑，黏度1885/597mPa·s，表面张力28.6mN/m；书写速度4.5m/min，书写角度65°±5°，书写压力0.98N。

中性墨水A蓝，黏度1950/556mPa·s，表面张力29mN/m；书写速度4.5m/min，书写角度65°±5°，书写压力0.98N。

(2)快速书写

中性墨水A黑，黏度1885/597mPa·s，表面张力28.6mN/m；书写速度9m/min，书写角度65°±5°，书写压力0.98N。

中性墨水A蓝，黏度1950/556mPa·s，表面张力29mN/m；书写速度9m/min，书写角度65°±5°，书写压力0.98N。

上述数据表明正常书写与快速书写的出墨量波动均在正常范围内，出墨量平均值差异，A黑为2.77％(见图14)，A蓝为3.95％(见图15)。

(二)间歇书写

按标准要求为≥24小时，实际检测为168小时。

(三)耐冲击性

将3cm厚的杉木板平放在地面上，试样笔离杉木板面1米高度，以水平、笔头向下、笔头向上三种状态自由落体各一次，未发生球珠脱落、漏墨、书写不良等异常情况。

(四)书写摩擦力

书写速度4.5m/min，书写角度85°±5°，书写压力0.98N。

灌注中性墨水A黑的书写摩擦力为0.3378N，灌注中性墨水A蓝的书写摩擦力为0.3163N。

在本发明的第二实施例中，针管型弹簧笔头的结构与图1-图5中所示的结构基本相同，所以这里不再详细描述，两个实施例的不同之处在于油槽6的数量为5条以及球珠2的直径为Φ0.5mm。

本发明的第二实施例在制造成笔芯后，进行各项性能指标的检测，结果如下：

(五)出墨量

(1)正常书写

中性墨水A黑，黏度1885/597mPa·s，表面张力28.6mN/m；书写速度4.5m/min，书写角度65°±5°，书写压力0.98N。

中性墨水A蓝，黏度1950/556mPa·s，表面张力29mN/m；书写速度4.5m/min，书写角度65°±5°，书写压力0.98N。

(2)快速书写

中性墨水A黑，黏度1885/597mPa·s，表面张力28.6mN/m；书写速度9m/min，书写角度65°±5°，书写压力0.98N。

中性墨水A蓝，黏度1950/556mPa·s，表面张力29mN/m；书写速度9m/min，书写角度65°±5°，书写压力0.98N。

上述数据表明正常书写与快速书写的出墨量波动均在正常范围内，出墨量平均值差异，A黑为9.2％(见图16)，A蓝为5.67％(见图17)。

(六)间歇书写

按标准要求为≥24小时，实际检测为168小时。

(七)耐冲击性

将3cm厚的杉木板平放在地面上，试样笔离杉木板面1米高度，以水平、笔头向下、笔头向上三种状态自由落体各一次，未发生球珠脱落、漏墨、书写不良等异常情况。

(八)书写摩擦力

书写速度4.5m/min，书写角度85°±5°，书写压力0.98N。

灌注中性墨水A黑的书写摩擦力为0.3112N，灌注中性墨水A蓝的书写摩擦力为0.2969N。

本发明在笔头外形更为纤细、内部空间更小的情况下，可以将整个弹簧放置在笔头内部，并且使之与中黏度的、具有触变性的墨水匹配达到更佳的书写效果。

本发明中所述具体实施案例仅为本发明的较佳实施案例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都属于本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种针管型弹簧笔头，其特征在于，包括：

圆柱形球座体(1)，其一端设有球座(13)，另一端设有开口(4)以及邻近所述开口(4)的锁定部(5)，所述球座体(1)还包括形成在所述球座(13)和所述开口(4)之间的供墨通路(11)，所述球座(13)具有中心孔(12)和多个油槽(6)，所述油槽(6)的一端与所述供墨通路(11)连通，另一端与大气连通；

球珠(2)，其布置在所述球座(13)内并从所述球座(13)向外凸出，所述球珠(2)能够在所述球座(13)内转动，且不会脱落；

弹簧(3)，其位于所述供墨通路(11)内，所述弹簧(3)的一端穿过所述中心孔(12)以邻接所述球珠(2)，另一端邻接所述锁定部(5)，所述弹簧(3)采用直径为0.08～0.1mm的不锈钢丝制成，弹簧的外径为0.5～0.55mm；

所述球座(13)的边缘向着所述球珠(2)弯曲变形以包容所述球珠(2)，使得所述边缘和所述球珠(2)之间形成有径向间隙(7)和轴向间隙(8)，以便墨水穿过所述供墨通路(11)流经所述中心孔(12)和所述油槽(6)，并从所述径向间隙(7)和轴向间隙(8)流出，从而进行书写。

2.根据权利要求1所述的针管型弹簧笔头，其特征在于，所述球座体(1)采用易切削不锈钢线材通过切削加工成型。

3.根据权利要求1或2所述的针管型弹簧笔头，其特征在于，所述弹簧(3)具有垂直部(32)、抵接部(33)以及连接所述垂直部(32)和所述抵接部(33)的主体部(31)，所述垂直部(32)穿过所述中心孔(12)以邻接所述球珠(2)，所述抵接部(33)与所述锁定部(5)配合以锁定所述弹簧(3)。

4.根据权利要求3所述的针管型弹簧笔头，其特征在于，所述弹簧(3)的垂直部(32)的长度为0.6～0.7mm。

5.根据权利要求1或2所述的针管型弹簧笔头，其特征在于，所述弹簧(3)采用直径为0.09mm的不锈钢丝制成。

6.根据权利要求1或2所述的针管型弹簧笔头，其特征在于，所述球座(13)具有3～5个油槽(6)。

7.根据权利要求1或2所述的针管型弹簧笔头，其特征在于，所述供墨通路(11)沿着墨水的流动方向逐渐变窄。

8.根据权利要求1或2所述的针管型弹簧笔头，其特征在于，所述弹簧(3)每圈之间的间距不相等。

9.根据权利要求1或2所述的针管型弹簧笔头，其特征在于，所述弹簧(3)每圈之间的间距沿着墨水的流动方向逐渐变小。

10.根据权利要求1或2所述的针管型弹簧笔头，其特征在于，所述笔头的外部直径为1.0mm，总长度为6.5mm。

11.根据权利要求1或2所述的针管型弹簧笔头，其特征在于，所述球珠(2)的直径为0.4～0.5mm。

12.一种圆珠笔笔芯，其特征在于，所述笔芯包括根据权利要求1到11中任一项所述的针管型弹簧笔头。

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