INSTRUMENT D'ECRITURE INCORPORANT UN MATERIAU GRANULAIRE

DANS LE RESERVOIR D'ENCRE

La présente invention concerne un instrument d'écriture qui incorpore un matériau granulaire dans son réservoir d'encre.

On connaît du brevet américain US-A-2,528,408 de 1950, une conception de réservoir d'encre de ce type. Ce document divulgue en effet un stylo à plume dont le réservoir d'encre est pourvu d'un matériau granulaire. La structure de ce matériau lui procure une capillarité vis-à-vis de l'encre qui est adaptée pour obtenir une alimentation régulière de la plume en encre. Mais, pour obtenir cette capillarité, le matériau granulaire est fritte ou présente une répartition de grains à l'intérieur du réservoir qui est contrôlée. Or, un matériau fritte qui présente une porosité ouverte déterminée est difficile à réaliser en grande série de façon reproductible. L'étape de frittage engendre alors un surcoût important pour le stylo. En outre, le remplissage du réservoir avec l'encre est rendu difficile, étant donné que la pénétration de l'encre dans les interstices du matériau granulaire fritte est lente. Par ailleurs, lorsque le matériau granulaire doit être réparti de façon contrôlée sous forme de grains séparés dans le réservoir, les grains doivent être disposés dans le réservoir en plusieurs étapes, ce qui représente une étape délicate et longue dans la fabrication du stylo. Ces inconvénients expliquent qu'aucune solution de ce type n'est appliquée industriellement de nos jours. En effet, les solutions retenues, notamment pour les pointes d'écriture poreuses, consistent à disposer un tampon de matière fibreuse synthétique dans le réservoir d'encre, ou plus récemment, à stocker l'encre de manière libre dans le réservoir, c'est-à-dire sans aucun matériau de remplissage, et à connecter fluidiquement ce réservoir à la pointe par l'intermédiaire d'un connecteur de capillarité contrôlée. Par ailleurs, la demande de brevet européen EP 1 510 560 divulgue une composition d'encre qui comprend des particules solides, notamment des particules de silice ayant une dimension inférieure à 200 μm (microns). Dans ce cas, les particules de silice font partie intégrante de l'encre, c'est-à-dire qu'elles sont destinées à être déposées avec les colorants et le solvant de l'encre sur un support d'écriture tel que du papier. Pour éviter une obstruction d'un

instrument d'écriture par les particules de silice, celles-ci doivent représenter moins de 5% en poids de l'encre. Dans ces conditions, la capillarité du réservoir de l'instrument d'écriture par rapport à l'encre n'est pas significativement améliorée. Un but de la présente invention est d'améliorer la capillarité de l'encre dans le réservoir de l'instrument d'écriture pour obtenir une alimentation régulière de la plume en encre, tout en permettant un remplissage rapide du réservoir lors de la fabrication de l'instrument.

Pour cela, l'invention propose un instrument d'écriture qui comprend un réservoir d'encre et une pointe d'écriture connectée fluidiquement à ce réservoir et par laquelle l'encre sort lors d'une utilisation de l'instrument. Le réservoir contient, en plus de l'encre, des grains séparés qui présentent des angles et des arêtes vives de dimensions significatives par rapport a une dimension apparente d desdits grains. La présence d'angles et d'arêtes vives sur les grains doit contribuer à un comportement capillaire de l'encre dans le réservoir qui procure une alimentation régulière de la pointe d'écriture avec l'encre, plus que l'arrangement des grains entre eux. Ces angles et arêtes vives résultent de la forme extérieure des grains. Il s'agit donc de reliefs présentant des dimensions de même ordre de grandeur que la dimension apparente d, ou la granulométrie, d'un grain considéré, c'est-à-dire de quelques dixièmes à plusieurs centièmes de sa dimension apparente d. Le débit de l'encre par la pointe est alors constant. En outre, une proportion importante de l'encre initialement contenue dans le réservoir peut être restituée lors d'une utilisation prolongée de l'instrument d'écriture. Il est supposé que ces angles et arêtes vives significatifs modifient favorablement la dynamique des fluides de l'encre entre les grains, voire les interactions physico-chimiques entre l'encre et les grains, ce qui améliorerait la restitution de l'encre contenue dans les espaces capillaires formés entre les grains. D'autre part, les espaces capillaires entre les grains présentent des formes et des volumes sensiblement variables du fait de la forme irrégulière des grains, ce qui aurait un effet favorable sur la régulation du flux d'encre que délivre le réservoir dans sont ensemble.

La présence d'angles et d'arêtes vives limite aussi un tassement ou une

compaction des grains dans le réservoir, lorsque l'instrument d'écriture est gardé immobile dans une position fixe. Le fonctionnement de l'instrument d'écriture est alors peu affecté par un stockage prolongé de l'instrument sans agitation des grains. La présence des grains séparés dans le réservoir, qui sont immergés dans l'encre, permet aussi d'atténuer des surpressions dans l'encre susceptibles d'être provoquées par des chocs sur l'instrument d'écriture. Des fuites d'encre par la pointe d'écriture que pourraient provoquer de tels chocs sont alors réduites ou évitées. Etant donné que les grains sont séparés, c'est-à-dire qu'ils ne sont pas reliés entre eux, ils peuvent être simplement versés dans le réservoir même si la forme de celui-ci est complexe, et l'encre peut ensuite être injectée dans le réservoir au moyen d'une aiguille creuse. Par exemple, l'aiguille peut être enfoncée dans les grains jusqu'au fond du réservoir, puis l'encre est expulsée de l'aiguille entre les grains lors d'un retrait progressif de l'aiguille. Un remplissage rapide et uniforme du réservoir peut ainsi être obtenu facilement.

Enfin, l'utilisation de grains séparés permet une bonne ventilation du réservoir d'encre. Un dispositif de mise à l'air du réservoir qui est particulièrement simple peut alors être utilisé. En particulier, l'utilisation d'un dispositif simplifié de mise à l'air permet de concevoir et de réaliser des instruments d'écriture qui ont formes complexes ou originales.

Dans divers modes de réalisation de l'invention, on peut éventuellement avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes, qui constituent des perfectionnements de l'invention : - les grains sont essentiellement non poreux ;

- certains au moins des grains peuvent être constitués d'un matériau minéral ;

- le matériau minéral de certains des grains peut comprendre du sable, du carbonate de calcium, du corindon ou du verre pilé ; - les grains peuvent avoir une dimension moyenne, déterminée par granulométrie laser sur l'ensemble des grains contenus dans le réservoir, qui est comprise entre 40 μm et 550 μm ;

- 95% des grains contenus dans le réservoir peuvent avoir au moins une

dimension inférieure à 800 μm ;

- 95% des grains contenus dans le réservoir peuvent avoir au moins une dimension supérieure à 0,5 μm, et notamment supérieure à 150 μm ;

- la dimension individuelle des grains peut varier dans un rapport inférieur à 10 pour 95% des grains contenus dans le réservoir ;

- les grains peuvent avoir une répartition granulométrique en fonction de leur dimension individuelle qui présente un maximum unique ;

- les grains peuvent être au moins partiellement mobiles dans le réservoir ; - une partie du volume du réservoir, qui peut être supérieure à 10% de celui-ci, peut être libre de grains ;

- la partie du volume du réservoir qui est libre de grains peut être inférieure à 30% de celui-ci, et de préférence inférieure à 20% ; et

- l'encre peut être une encre liquide, et de préférence une encre de type aqueuse. Eventuellement le réservoir peut posséder une paroi qui est au moins en partie transparente. Une telle paroi permet à un utilisateur de l'instrument d'écriture de voir la quantité d'encre qui reste dans le réservoir après une certaine durée d'utilisation de l'instrument.

Enfin, l'invention peut être appliquée à des instruments d'écriture de différents types. Notamment, la pointe d'écriture peut être une pointe capillaire poreuse, par exemple pour un marqueur ou un stylo à feutre, une pointe à bille, ou une pointe à rouleau encreur.

D'autres particularités et avantages de la présente invention apparaîtront dans la description ci-après d'un exemple de réalisation non limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :

- la figure 1 est une vue en coupe d'un instrument d'écriture selon la présente invention ;

- la figure 2 illustre schématiquement des grains de sable utilisés pour l'invention ; et - la figure 3 est un diagramme de distribution granulométrique des grains contenus dans un instrument d'écriture selon l'invention.

Il est entendu que les dimensions des différentes parties de l'instrument d'écriture qui sont représentées sur la figure 1 ne correspondent ni à des

dimensions, ni à des rapports de dimensions réels. Notamment, ces dimensions peuvent être adaptées pour obtenir un instrument d'écriture qui possède une contenance supérieure d'encre, ou pour réaliser un instrument d'écriture qui présente un format de poche. A titre d'exemple, l'instrument d'écriture représenté sur la figure 1 est de type «rollerpen». Il comporte un réservoir d'encre 1 qui est limité par une paroi latérale 10, un connecteur 2, et un rouleau encreur 3 qui constitue la pointe d'écriture. Le rouleau encreur 3 est maintenu, tout en restant libre en rotation, par une monture 4 qui est fixée sur une extrémité antérieure du réservoir 1. Le connecteur 2 permet un écoulement de l'encre 11 qui est contenue dans le réservoir 1 vers le rouleau encreur 3. Il peut être constitué d'un ensemble cylindrique de fibres alignées longitudinalement et destinées à être imprégnées par l'encre 11. Eventuellement, une extrémité du connecteur 2 peut saillir dans le réservoir 1 pour obtenir une bonne imprégnation du connecteur 2 sur toute sa longueur. Enfin, un dispositif 5 de mise à l'air libre du réservoir 1 peut être inséré entre la monture 4 et le réservoir 1, pour compenser des variations de pression dans le réservoir 1 , notamment lorsque l'encre 11 sort par la pointe d'écriture de l'instrument. Le dispositif de mise à l'air 5 peut être constitué d'un ensemble de chicanes, mais d'autres dispositifs de compensation de pression peuvent être utilisés alternativement.

Des grains séparés 12 d'un matériau solide sont contenus dans le réservoir 1 , avec l'encre 11. Ces grains 12 peuvent remplir entièrement le volume du réservoir 1. Ils sont alors immobilisés les uns contre les autres. Alternativement, les grains 12 peuvent n'occuper qu'une fraction déterminée du volume du réservoir 1 , comme par exemple 90% de celui-ci. Dans ce cas, 10% du volume du réservoir 1 sont libres de grains. Lorsque les grains ne remplissent pas entièrement le réservoir 1 , ils peuvent se déplacer dans celui-ci lors d'une agitation de l'instrument d'écriture, ou seulement sous l'effet des mouvements appliqués à l'instrument lors d'une utilisation normale. L'encre 11 qui est contenue dans le réservoir 1 se répartit entre les grains 12, dans des interstices formés par des grains voisins. Lors d'une utilisation de l'instrument d'écriture, l'encre 11 s'écoule entre les grains 12 à l'intérieur du réservoir 1 , avec une capillarité apparente qui permet une

alimentation régulière en encre du rouleau encreur 3. Les inventeurs ont découvert que cette capillarité apparente est modifiée par la forme des grains 12, et que des arêtes à la surface de ces grains permettent d'obtenir un écoulement particulièrement régulier de l'encre 1 1 au niveau de la pointe d'écriture 3, et en tout état de cause significativement plus régulier qu'en présence du seul connecteur 2.

Les inventeurs ont en outre constaté que des déplacements possibles des grains 12 les uns par rapport aux autres contribuent aussi à l'obtention d'un écoulement régulier de l'encre 11. En effet, l'encre 11 peut former des bulles ou des agglomérats dans des micro-zones de colmatage à l'intérieur du réservoir 1. Les déplacements des grains permettent alors d'éliminer de telles bulles et de dissoudre des agglomérats. Le déplacement des grains peut aussi être mis à profit pour éviter une sédimentation de l'encre.

Lorsqu'un choc est appliqué à l'instrument d'écriture, les grains 12, parce qu'ils peuvent se déplacer les uns par rapport aux autres, amortissent une éventuelle surpression dans l'encre 11. Cet amortissement résulte des frottements qui se produisent le long des arêtes des grains. De cette façon, aucune fuite d'encre ne se produit par la pointe d'écriture 3 ni par le dispositif 5 de mise à l'air libre du réservoir d'encre. Avantageusement, la paroi 10 du réservoir 1 peut être transparente, ou présenter une fenêtre transparente, pour visualiser le niveau de l'encre 11 restant dans le réservoir.

L'encre 11 présente de préférence une faible viscosité. Autrement dit, l'encre 1 1 est liquide, par opposition aux encres grasses dont la viscosité est élevée. Ce peut être une encre à solvant aqueux, notamment. Dans ce cas, les inventeurs ont constaté que l'encre pouvait être délivrée avec un débit particulièrement régulier à la pointe d'écriture, sur toute la durée de vie de l'instrument d'écriture. En particulier, aucune réduction progressive de l'alimentation en encre de la pointe d'écriture n'intervient avant l'arrêt définitif de cette alimentation.

En outre, un réservoir à grains selon l'invention procure un taux de restitution, sous forme d'écriture, d'une quantité d'encre aqueuse initialement placée dans le réservoir qui est supérieur au taux obtenu avec un réservoir à

tampon de fibres («filler» en anglais). Notamment, un gain de restitution d'au moins 10% a été observé pour certains prototypes selon l'invention.

Mais l'utilisation d'une encre à solvant alcoolique ou autre est parfaitement envisageable. II est par ailleurs connu que l'utilisation d'une encre à pigment peut provoquer une variation de densité de coloration du trait d'écriture, entre une utilisation de l'instrument d'écriture effectuée après un stockage de l'instrument en position de pointe vers le haut, et une utilisation après un stockage avec la pointe vers le bas. L'utilisation de grains mobiles à l'intérieur du réservoir permet de réduire, sinon de supprimer, une telle variation. En effet, la densité de coloration du trait d'écriture peut être recouvrée en agitant l'instrument d'écriture.

Lorsque les grains 12 sont des grains minéraux, un comportement capillaire de l'encre 11 est observé dans le réservoir 1 , qui est encore plus favorable pour obtenir un écoulement régulier de l'encre par la pointe d'écriture. Le matériau des grains peut être de type oxyde ou carbonate. L'alumine, notamment de type corindon, la silice, le verre pilé, ou le carbonate de calcium sont des matériaux de grains pour lesquels des fonctionnements satisfaisants de l'instrument d'écriture ont été observés. En outre, ces matériaux sont inertes chimiquement vis-à-vis des encres utilisées.

Des performances remarquables de fonctionnement de l'instrument d'écriture ont aussi été obtenues avec des grains de sable placés dans le réservoir 1. On entend par sable une poudre essentiellement à base de silice ou de carbonate de calcium d'origine naturelle. Plusieurs origines de sable ont été testées, qui correspondent à des carrières diverses. Des performances améliorées de fonctionnement de l'instrument d'écriture ont été obtenues avec des sables naturels de différentes origines. Il apparaît néanmoins à la suite de nombreux test que pour une encre donnée certaines origines de sable donnent de meilleurs résultats La figure 2 reproduit schématiquement une micrographie de tels grains de sable 12. Cette micrographie a été réalisée par microscopie électronique à balayage, avec un grossissement x100. Les arêtes vives sont très visibles, de même que des angles entre ces arêtes. Il s'agit donc d'angles et d'arêtes vives

de dimensions significatives par rapport à la dimension apparente d du grain. Ces angles et d'arêtes vives macroscopiques sont supposés modifier sensiblement et de manière bénéfique les interactions entre les grains 12 et l'encre 11. Les interstices entre les grains 12 constituent donc des espaces capillaires de volume et de forme très variables du fait de la forme irrégulière de chacun des grains. Il semble que cela améliore la régularité du flux d'encre que délivre l'ensemble du réservoir 1 , même si localement le flux délivré par des interstices différents varie de manière importante. En effet, les dimensions du réservoir 1 font que chaque section de celui-ci comprend un grand nombre de grains 12.

On comprendra que se sont les interstices entre les grains 12, et l'éventuel partie libre de grains, qui constituent le volume utile du réservoir d'encre 1 , étant donné que les grains de sable 12 ont une porosité quasi nulle vis-à-vis de l'encre. Il apparaît fortement préférable que les grains soient essentiellement non poreux vis-à-vis de l'encre, pour obtenir le taux important de restitution d'encre observé.

Il n'est toutefois pas exclus d'utiliser des grains présentant une porosité suffisante pour contenir dans leur pores une quantité non négligeable d'encre, mais au risque de voir cette encre retenue dans les pores à cause des dimensions faibles de ceux-ci par rapport aux grains et aux interstices. On notera que même dans ce cas les grains doivent présenter extérieurement des angles et arêtes vives de dimensions significatives pour que les espaces capillaires entre les grains jouent leur rôle, étant entendu que les ouvertures des pores ne peuvent pas constituer en elle mêmes de tels angles et arêtes vives. De même, des défauts ou reliefs microscopiques à la surface de grains arrondis ou de perles ne permettraient pas d'obtenir les mêmes effets de capillarité des grains et des interstices vis-à-vis de l'encre.

La figure 3 est un diagramme typique de répartition de la dimension des grains de sable. Cette analyse granulométrique a été réalisée au moyen d'un laser, en utilisant un appareil disponible commercialement. L'axe horizontal repère, en microns, la dimension apparente d de chaque grain, et l'axe vertical repère la fraction du volume total de sable analysé dont les grains ont la

dimension indiquée par l'axe horizontal. L'aire de la surface comprise entre la courbe et l'axe horizontal correspond donc à 100%. 95% des grains de l'échantillon de sable correspondant à la figure 3 ont au moins une dimension supérieure à 150 μm. Simultanément, 95% des grains ont au moins une dimension inférieure 750 μm. La courbe présente un maximum pour la dimension de grain de 320 μm, approximativement. Cette dimension, notée d _m , est aussi à peu près égale à la dimension moyenne des grains, calculée sur l'ensemble de l'échantillon de sable analysé. De telles dimensions sont adaptées pour qu'un grand nombre de grains soient simultanément contenus dans le réservoir 1, ce qui assure statistiquement un comportement homogène et reproductible du mélange des grains 12 et de l'encre 11 à l'intérieur du réservoir 1. En outre, ces dimensions de grains sont suffisamment grandes pour éviter que certains grains 12 ne soient entraînés par l'encre 11 dans le connecteur 2, ou éventuellement amenés au contact du rouleur encreur 3. Une éventuelle obstruction du connecteur 2 et/ou un blocage de la rotation du rouleau encreur 3 sont ainsi évités.

Des grains de sable qui présentent des dimensions différentes de celles indiquées par la figure 3 ont aussi donné des caractéristiques satisfaisantes de fonctionnement de l'instrument d'écriture. Néanmoins, les inventeurs ont constaté que des caractéristiques meilleures sont obtenues lorsque la dimension moyenne des grains d _m est comprise entre 40 μm et 550 μm, et/ou lorsque 95% des grains ont une dimension d inférieure à 800 μm, et/ou lorsque 95% des grains ont une dimension d supérieure à 0,5 μm, préférablement supérieure à 150 μm.Par ailleurs, il est préférable que les grains 12 qui sont contenus dans le réservoir 1 présentent des variations limitées de dimension. Notamment, la dimension individuelle des grains d varie préférablement dans un rapport inférieur à 10, pour 95% des grains. Une telle caractéristique granulométrique permet d'éviter qu'un grand nombre d'interstices entre les grains les plus gros soient comblés par des grains plus petits. La contenance en encre du réservoir 1 est alors supérieure. Cela permet aussi d'éviter un tassement ou une ségrégation des grains 12 en fonction de leur dimension, qui se produirait dans le réservoir 1 après une longue durée d'immobilité de l'instrument d'écriture. Le fonctionnement de l'instrument d'écriture est alors

constant, même lors d'une reprise d'utilisation. Enfin, cela réduit aussi le risque de formation d'une voûte par les grains dans le réservoir, qui pourrait perturber la régularité d'alimentation en encre de la pointe d'écriture. De même, une répartition granulométrique des grains en fonction de leurs dimensions respectives qui ne présente qu'un seul maximum constitue un autre critère pour assurer que les interstices entre les grains forment un volume libre suffisant pour l'encre.

On notera que le sable naturel constituant les grains 12 peut subir des lavages, par exemple pour éviter que des particules de poudre ou de poussière à la surface des grains n'altèrent leurs propriétés de capillarité. Mais on exclura de préférences des traitements modifiant la surface des grains, comme par exemple des attaques ou des dépôts chimiques, étant donné les résultats satisfaisant obtenus par la forme des grains et le coût que pourraient entraîner de tels traitements. Dans le mode de réalisation préféré décrit ci-dessus le réservoir 1 contient uniquement des grains de même nature et de préférence en matériau minéral. Néanmoins, il n'est pas exclus que le réservoir contienne une fraction de grains de nature différente, par exemple en matériau polymère ou métallique, ou encore qu'il contienne un élément fibreux notamment pour limiter la mobilité des grains.

Il est entendu que l'instrument d'écriture qui a été décrit en détail ci- dessus peut être modifié tout en conservant certains au moins des avantages de l'invention. En particulier, l'invention n'est pas limitée à son application à un instrument d'écriture de type «rollerpen», et peut être appliquée à tous types d'instruments d'écriture, tels que des stylos, notamment de stylos à plumes, des marqueurs, des instruments de coloriage ou de surlignage.