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Hintergrund
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Diese
Erfindung bezieht sich allgemein auf die Ausbildung von zweifarbigen
Elementen, welche in einer Gyricon-Anzeige verwendet werden, und
insbesondere stellt dieselbe ein neues Verfahren und eine neue Vorrichtung
bereit, eine härtbare
Flüssigkeit
auf die Oberfläche
einer rotierenden Scheibenkonfiguration zuzuführen, welche verwendet wird,
um zweifarbige Elemente herzustellen.
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Gyricon-Blattmaterial,
ebenso bekannt als elektrisches Papier, ist im Stand der Technik
bekannt. US-Patent Nr. 4,126,854 beschreibt, wie ein Gyricon-Blattmaterial,
welches zweifarbige sphärische Elemente
enthält,
hergestellt und gebraucht wird.
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Im
Stand der Technik sind viele Verfahren zum Ausbilden von zweifarbigen
Elementen bekannt. Beispielsweise können zuerst einfarbige Elemente ausgebildet
werden und von einer Richtung in einer Vakuumverdampfungskammer
beschichtet werden. US-Patent Nr. 5,262,098 beschreibt eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1, welche die Technik mit rotierender Scheibe verwendet.
Im Wesentlichen wird eine härtbare
Flüssigkeit
auf jede der Oberflächen
der rotierenden Scheiben zugeführt.
Die härtbaren
Flüssigkeiten
treffen an dem Rand der Scheibe zusammen und bilden eine zweifarbige
Faser, welche von der Scheibe weggeschleudert wird. Das entfernte
Ende der zweifarbigen Faser zerbricht in Tropfen, welche zweifarbige
Kugeln ausbilden. In einer Abwandlung dieses Verfahrens, welches
in US-Patent Nr. 6,055,091 beschrieben ist, werden härtbare,
hochviskose Flüssigkeiten
verwendet, um zweifarbige Zylinder auszubilden.
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In
beiden Fällen
müssen
zwei unterschiedliche härtbare
Flüssigkeiten
der rotierenden Scheibe, jeweils eine auf jede der gegenüberliegenden
Oberflächen
zugeführt
werden. US-Patent Nr. 5,262,098 beschreibt einen Zuführmechanismus,
welcher eine rotierbare Abgabebaugruppe mit zwei Flüssigkeitsdosierelementen
verwendet, wobei die rotierbare Scheibe zwischen denselben getragen
wird. Das untere Dosierelement schließt einen Spindelabschnitt, welcher
befestigbar auf und drehbar durch einen Motor ist, ein Verbindungsstück, welches
eine mittige Bohrung zur Aufnahme von Flüssigkeit aufweist, eine Anzahl
von radial sich erstreckenden, nach oben angewinkelten Flüssigkeitszuführungen,
einen kreisförmigen
Vorratsbehälter
und eine kreisförmige
Dosierlippe für
die Zuführung
einer dünnen
Flüssigkeitsschicht
zu der unteren Oberfläche
der rotierenden Scheibe ein. Das obere Dosierelement umgibt das Verbindungsstück und wird
durch eine Befestigungsmutter festgehalten. Das obere Dosierelement
enthält
eine innere Auskerbung, welche mit einer Anzahl sich radial erstreckenden
nach unten gewinkelten Flüssigkeitszuführungen
in Verbindung steht, welche wiederum mit einem kreisförmigen Vorratsbehälter und
einer kreisförmigen
Dosierlippe für
die Zuführung einer
dünnen
Flüssigkeitsschicht
auf die obere Oberfläche
der Scheibe in Verbindung steht. Eine stationäre Flüssigkeitszuführungsbaugruppe
ist auf der rotierenden Abgabebaugruppe aufgesetzt, für die Abgabe
von zwei Flüssigkeiten
zu den jeweiligen Oberflächen
der Scheibe.
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Wenngleich
der Zuführmechanismus
recht zufriedenstellend ist für
die Zuführung
von zwei Flüssigkeiten
auf ihre jeweiligen Oberflächen
der Scheibe, tendiert das System während langer Perioden von ausgedehnter
Nutzung, sich zu verstopfen, wodurch die ordnungsgemäße Abgabe
der Flüssigkeiten
auf ihre jeweiligen Oberflächen
verhindert wird. Die vorliegende Erfindung stellt eine verbesserte
Vorrichtung bereit, welche ein vermindertes Verstopfen zeigt, wenn
dieselbe für
ausgedehnte Zeitspannen verwendet wird.
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Weitere
Vorteile der Erfindung werden beim Lesen der folgenden Beschreibung
offenbar.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es
ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Ausbildung
von zweifarbigen Elementen, welche in einer Gyricon-Anzeige verwendet
werden sollen, zu verbessern. Dieses Ziel wird durch Bereitstellen
einer Vorrichtung zur Herstellung von zweifarbigen Elementen gemäß Anspruch
1 erreicht. Ausführungsformen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
niedergelegt.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine Seitenansicht einer Drehscheibe gemäß der vorliegenden Erfindung.
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2 ist
eine Vergrößerung der
einen Hälfte der
in 1 gezeigten Drehscheibe und veranschaulicht die
Zuführung
eines härtbaren
Flüssigkeitsmaterials
zu der Drehscheibe.
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3 ist
eine Vergrößerung der
einen Hälfte der
in 1 gezeigten Drehscheibe und veranschaulicht weiterhin
den Prozess der Verwendung der Drehscheibe.
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4 ist
eine Vergrößerung eines
Randgebietes der in 1 gezeigten Drehscheibe und
veranschaulicht die Bildung von Kugeln.
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5 ist
eine Draufsicht auf die in 1 gezeigte
Drehscheibe und veranschaulicht die Bildung von dünnen zweifarbigen
Zylindern.
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Eingehende
Beschreibung der Erfindung
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Mit
nachfolgendem Bezug auf die 1 wird eine
Seitenansicht einer Drehscheibe 10 gezeigt. Ein Trennelement 14 ist
an einer rotierenden Welle 12 angebracht. Die rotierende
Welle 12 kann durch jeden passenden Motor (nicht gezeigt)
angetrieben werden. Das Trennelement 14 ist symmetrisch
und weist einen dickeren Körperabschnitt 16 auf,
welcher der rotierenden Welle 12 benachbart ist, welcher
sich zu einem dünneren
Nasenabschnitt 16 verengt. Die Dicke des Körpers 16 ist
als eine Körperdicke
t1 gezeigt und die Dicke der Nase als Nasendicke
t2. Das Trennelement 14 weist zwei
gegenüberliegende Oberflächen 34, 36 auf,
die beide in Berührung
mit einem Randabschnitt 38 stehen. In jeder der gegenüberliegenden
Oberfläche 34, 36 befindet
sich ein ringförmiger
Einschnitt 20, welcher eine ringförmige Einschnitttiefe d und
eine ringförmige
Einschnittbreite w aufweist. Es wird Flüssigkeit in den ringförmigen Einschnitt 20 durch
die Flüssigkeitszuführdüsen 28, 30 zugeführt. An
dem Trennelement 14 sind über rotierende Schirmtragelemente 26 zwei
rotierende Schirme 24 angebracht, wobei einer benachbart,
jedoch nicht in Berührung
mit einer der Oberflächen 34, 36 steht.
Zusätzlich
zu den rotierenden Abschirmungen 24 gibt es zwei stationäre Abschirmungen 22, eine
außer halb
von jeder der rotierenden Abschirmungen. Außerhalb von jeder der stationären Abschirmungen 22 befinden
sich zwei Wärmequellen.
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Ausschließlich für veranschaulichende
Zwecke zeigen die 2 und 3 nur eine
Hälfte
der Drehscheibe 10 als Schnitt durch die rotierende Welle
auf der Mittellinie C. Die 2 und 3 veranschaulichen
die Betriebseigenschaften der Drehscheibe 10. Es werden
zwei Ströme
eines härtbaren flüssigen Materials 40, 42 durch
Flüssigkeitszuführdüsen 28, 30 abgegeben,
deren Enden das härtbare flüssige Material 40, 42 in
einen zugehörigen
ringförmigen
Ausschnitt 20 auf jeder der Oberflächen 34, 36,
wie in 2 gezeigt, leiten. Das härtbare flüssige Material 40, 42 breitet
sich innerhalb des Ausschnitts 20 aus und beginnt daraufhin
aus dem Ausschnitt 20 auf die Oberflächen 34 und 36 des
Trennelements 10 auszuströmen. Das härtbare flüssige Material 40, 42 fließt daraufhin
zu den Enden der Oberflächen 34, 36 und über den
Rand 38, wo sie ein außerhalb
liegendes Reservoir von flüssigem
Material bilden. Durch Steuerung der Abgaberate ist es möglich, die
Flussrate, mit welcher die härtbaren
flüssigen
Materialien 40, 42 das Randgebiet 38 erreichen,
anzugleichen, so dass es möglich
ist, dass das Reservoir im Wesentlichen gleiche Mengen von jedem
der härtbaren flüssigen Materialien 40, 42 einschließt. Es ist
anzumerken, dass die härtbaren
flüssigen
Materialen 40, 42 aneinander anhaften, sich aber
nicht vermischen, so dass das Reservoir Seite an Seite anschließende Abschnitte
von jedem aushärtbaren
flüssigen
Material 40, 42 einschließt. Wenn die Flussraten der
härtbaren
flüssigen
Materialien 40, 42 im Wesentlichen nicht gleich
sind, dann wird, obwohl sich ein Reservoir immer noch ausbildet,
dieses nicht im Wesentlichen gleiche Mengen von jedem der härtbaren
flüssigen
Materialien 40, 42 aufweisen. Die resultierenden zweifarbigen
Elemente werden nicht nahezu halbkugelförmige Abschnitte von jedem
der härtbaren
Materialien aufweisen, sondern ein Material wird einen größeren Abschnitt
als die Halbkugel aufweisen, während
das andere Material einen Abschnitt kleiner als die Halbkugel aufweisen
wird. Wenn die Flussrate der Flüssigkeiten
abfliegend von dem Rand 38 in das Umgebungsfluid (Luft
ist gezeigt) groß genug
ist, bilden sich freie Strahlen 44, wie in 3 gezeigt.
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Jeder
Strahl 44 umfasst eine Schicht von Flüssigkeit, welche an dessen
entstehendem Ende durch das Reservoir versorgt wird und in Seite
an Seite liegende im Wesentlichen zweifarbige Kugeln an dessen freien
Ende aufbricht, wie in 4 gezeigt. Wenn die im Wesentlichen
zweifarbigen Kugeln ihren Flug fortsetzen, härten sie aus und fallen unter
dem Einfluss der Schwerkraft und werden schließlich gesammelt.
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Es
wurde herausgefunden, dass ein scheibenförmiges Trennelement 14 mit
einem Durchmesser von 7,62 cm (3 inch) und ungefähr 0,508 mm (20 mils) Dicke,
welches bei ungefähr
2600 bis 3000 rpm rotiert, erfolgreich im Wesentlichen zweifarbige
Kugeln von ungefähr
0,102 mm (4 mils) Durchmesser herstellt. Bei geringeren Rotationsgeschwindigkeiten werden
größere Kugeln
erzeugt, während
bei größeren Rotationsgeschwindigkeiten
kleinere Kugeln erzeugt werden. Es ist anzumerken, dass bei zu hohen Rotationsgeschwindigkeiten
die Flüssigkeiten
ihre jeweilige Oberfläche
an dem eckigen Rand verlassen, ohne zusammenzufließen, was
kleine schwarz und weiße
einfarbige Kugeln zur Folge hat. Es ist selbstverständlich bekannt,
dass geeignete Modifikationen an dem eckigen Rand durchgeführt werden
können, um
den Flüssigkeiten
zu ermöglichen,
bei höheren Geschwindigkeiten
zusammenzufließen,
z. B. durch Abrunden oder Anschrägen
des Randes.
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Die über den
Rand des Trennelements 14 fließende Flüssigkeit neigt dazu, ein außenliegendes Reservoir
in der Form eines Ringes von nicht gleichförmigem Durchmesser auszubilden.
Dieser Ring bewegt sich bei derselben Geschwindigkeit wie das Trennelement 14 und
weist umfängliche
Ausbuchtungen auf, welche als "Taylor-Instabilitäten" bekannt sind, weiche
durch die Zentrifugalkraft, die gegen die Oberflächenspannung wirkt, verursacht
sind. Anfänglich,
wenn die Flüssigkeiten
das Reservoir ausbilden, werden die Ausbuchtungen oder Bänder gebildet.
Wenn mehr Material zu dem Reservoir zugeführt wird, beginnt jedes Band
eine Spitze zu bilden und wird schließlich einen großen Tropfen
der Flüssigkeit
freigeben, welche mit dem Band zusammenhängt. Schließlich bricht der große Tropfen
weg, gefolgt durch kleinere Tropfen. Daraufhin besteht eine relativ
stabile Gleichgewichtsbedingung, wobei Flüssigkeit dem Reservoir und
in den Bändern
zugeführt wird
und es werden im Wesentlichen gleichförmige Tropfen in das umgebende
Fluid von den freien Enden der Bänder
ausgestoßen.
Diese inertiale Struktur von umlaufenden Bändern, welche das Trennelement 14 hinter
sich herzieht, wird durch die Oberflächenspannung zusammengehalten,
welche ebenso verursacht, dass deren freien Enden instabil sind
und in Tropfen aufbrechen. Es ist nicht notwendig, dass der Umfang
des Trennelementes 14 gleichmäßig ist. Tatsächlich wird
eine gezahnte Umfangsstruktur die "Taylor-Instabilitäten" verursachen und verursachen, dass die
re sultierenden Bänder
zusammenfallend mit jedem Zahn angeordnet sind. Dies ermöglicht eine genaue
Beeinflussung der Bänderstruktur
und etwas zusätzliche
Kontrolle über
die Größe der im
Wesentlichen zweifarbigen Kugeln.
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Wie
vorstehend beschrieben, werden die härtbaren Flüssigkeiten 42, 44 zunächst in
dem ringförmigen
Einschnitt 20 zugegeben, welcher jeder der Oberflächen 34, 36 zugeordnet
und in dem Körper 16 des
Trennelements 14 angeordnet ist. Die Körperdicke t1 muss
ausreichend sein, um die ringförmigen Einschnitte 20 aufzunehmen.
Jeder ringförmige
Einschnitt wird eine Breite w und eine Tiefe d des ringförmigen Einschnitts
aufweisen, ausreichend um ein geeignetes Volumen des härtbaren
flüssigen
Materials derart aufzunehmen, dass das härtbare flüssige Material gleichförmig um
den ringförmigen
Einschnitt verteilt werden kann, bevor dasselbe aus dem ringförmigen Einschnitt
auszufließen
beginnt und entlang der Oberfläche
des Trennelements 14 fließt. Wenn jedoch das gesamte
Trennelement 14 eine Körperdicke
t1 aufweist, wäre der Rand 38 für die härtbaren flüssigen Ströme zu dick,
um in einem Reservoir aus Flüssigkeit
zusammenzukommen, welches Seite an Seite liegende Strömungen des
härtbaren
flüssigen Materials 34, 36 enthält. Daher
muss das Trennelement 14 sich in den Nasenabschnitt 18 mit
einer Nasendicke t2 verjüngen, welche klein genug ist,
um sicherzustellen, dass sich die zwei Ströme der härtbaren flüssigen Materialien 34, 36 in
einem Reservoir zusammenfinden. Für ein scheibenförmiges Trennelement 14 mit
3 Inch Durchmesser, welches bei ungefähr 2600 bis 3000 rpm rotiert,
ist eine Nasendicke t2 von ungefähr weniger
als 0,76 mm (30 mils) wünschenswert.
Wenn das Trennelement bei größeren Geschwindigkeiten
rotiert, ist eine geringere Nasendicke t2 wünschenswert,
während,
wenn das Trennelement bei geringeren Geschwindigkeiten rotiert, eine
größere Nasendicke
t2 tolerierbar ist. Die genaue Form und
Größe des dargestellten
Trennelements ist ausschließlich
für veranschaulichende Zwecke.
Es ist anzumerken, dass viele sich sanft verjüngende Kurven verwendet werden
können
und die genaue Größe der Nase
variieren kann, solange die Dicke des Randes des Trennelements ausreichend klein
ist, so dass die zwei härtbaren
fließenden
Flüssigkeiten
sich vereinigen können,
um ein Reservoir auszubilden. Der Körper 16 wird beispielsweise
dargestellt als sich ziemlich schnell in die Nase 18 verjüngend, welche
sich daraufhin radial nach außen
erstreckt. Der Körper
könnte
sich jedoch in die Nase 18 mit einer stark reduzierten
Kurve verjüngen,
welche in eine extrem kurze Nase übergeht.
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Die
härtbaren
Flüssigkeiten
können
dem Trennelement in einem erwärmten,
geschmolzenen Zustand zugeführt
werden. Wenn beispielsweise pigmentierte Camauba-Wachse verwendet
werden, dann sollten die Wachse bei einer Temperatur von ungefähr 120°C zugeführt werden.
Dies ist derart, dass die härtbaren
Flüssigkeiten
frei fließen
können und
nicht vorzeitig aushärten,
d. h. lang genug, um zu verhindern, dass die Bänder einfrieren. Als Schutz gegen
vorzeitiges Abkühlen
ist eine Wärmequelle 32 benachbart
zu dem Trennelement 14 angeordnet. Verschiedene Typen von
Wärmequellen
sind geeignet, beispielsweise, ein Induktionsheizer, ein strahlender
Schirmheizer oder eine Heizstruktur vom zweischaligen Typ, welche
das Trennelement 14 umgibt, können alle verwendet werden.
Wenngleich das Erwärmen
des Trennelements 14 wesentlich ist, um das vorzeitige
Härten
der härtbaren
Flüssigkeiten
zu vermeiden, ist anzumerken, dass das Heizen auf das Gebiet in
unmittelbarer Umgebung des Trennelements 14 beschränkt sein
sollte, sonst könnte
das Aushärten
der Kugeln verzögert
oder verhindert werden.
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Eine
erhebliche Verringerung in der Ausbeute von im Wesentlichen halbkugelförmigen zweifarbigen
Kugeln kann aufgrund von spiralförmigem
Auftreten der Bänder
verursacht werden. Dieses Problem ist Luftturbulenzen und differenzieller
Luftströmung
zuzuschreiben, welche durch die Wirkungen von Windwiderstand an
dem Rand der Scheibe verursacht werden, weil die der Scheibe benachbarte Luft
sich bei einer unterschiedlichen Geschwindigkeit bewegt wie die
Bänder.
Weiterhin kann die Luft in diesem Gebiet turbulent sein. Die stationären Abschirmungen 22 und
die rotierenden Abschirmungen 24 vermeiden dieses Problem
und resultieren in einer stark verbesserten Ausbeute. Die rotierenden
Abschirmungen 24 sind an dem Trennelement 24 durch die
rotierenden Abschirmungsstützelemente 26 angebracht,
so dass dieselben sich in einem engen Abstand von den Oberflächen des
Trennelements 14 befinden und sich radial von dem Trennelement 14 nach
außen
erstrecken. Dies bewirkt, dass sich die Luft zwischen den Abschirmungen
als eine Einheit mit dem umlaufenden Trennelement 14 sich
bewegen, wodurch sie Luft präsentieren,
welche sich relativ ruhig mit den Bändern und den im Wesentlichen zweifarbigen
Kugeln bewegt. Ein Beispiel für
die experimentellen Abmessungen dieser Elemente ist wie folgt: ein
0,25 mm (10 mils) Trennelement 14 mit einem Durchmesser
von 7,62 cm (3 Inch) weist Abschirmscheiben von 12,7 cm (5 Inch)
Durchmesser auf, welche 2,3 mm (90 mils) beabstandet sind, d. h. jede
derselben ist ungefähr
0,89 mm (35 mils) von dessen jeweiliger Oberfläche des Trennelements 14 beabstandet.
Zufriedenstellende Ergebnisse wurden jedoch ebenso erzielt, wenn
die Abschirmscheiben 250 beabstandet sind, d. h. jede derselben
ist ungefähr
3,05 mm (120 mils) von dessen jeweiliger Oberfläche des Trennelements 14 beabstandet.
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Wenngleich
festgestellt wurde, dass das flüssige
Material sich nicht vorzeitig verfestigen soll, ist anzumerken,
dass im Wesentlichen zweifarbige Kugeln sich so früh wie möglich nach
deren Ausbildung festigen sollten. Die Abkühlung kann dadurch beschleunigt
werden, dass man die im Wesentlichen zweifarbigen Kugeln durch eine
Kühlzone
laufen lässt.
Dies wurde experimentell erreicht durch die Anordnung von Schalen,
welche flüssigen
Stickstoff enthalten, unterhalb des umlaufenden Trennelements 14,
so dass die im Wesentlichen zweifarbigen Kugeln sich durch kalte
Dämpfe
von flüssigem
Stickstoff kurz nach deren Ausbildung bewegen. Dies stellt die Aushärtung an
einer geeigneten Stelle sicher.
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Bei
einer alternativen Verwendung werden jedoch härtbare Flüssigkeiten von hoher Viskosität verwendet,
um zweifarbige Zylinder zu schaffen. Wenn hochviskose, härtbare Flüssigkeiten
verwendet werden, wird das in 5 gezeigte
Ergebnis erzielt. Die Bänder 44,
welche durch die härtbaren Flüssigkeiten
von hoher Viskosität
ausgebildet werden, brechen nicht in Tropfen auseinander, sondern härten an
Ort und Stelle aus, um dünne,
im Wesentlichen zylindrische zweifarbige Fasern zu bilden. Diese
Fasern können
daraufhin ausgerichtet und in im Wesentlichen zweifarbige Zylinder
getrennt werden.