DE10145078A1 - Druckausgleichsvorrichtung für Tintenpatronen - Google Patents

Abstract

Die Tintenpatrone 2 für Tintenstrahldrucker hat zur Aufrechterhaltung eines Unterdrucks im Innenraum 100 zwecks Verhinderung eines ungewollten Ausfließens von Tine 20 einen oberhalb des Tintenraums angeordneten elastischen Speichersack 21, der über einen Deckenkanal 211 entlüftet ist und dessen Boden 213 von der Zugkraft eines elastischen Elements 23 beaufschlagt ist. Zur Begrenzung eines übermäßigen Anstiegs des Unterdrucks ist eine Luftausgleichsvorrichtung 24 vorhanden, die bei Erreichen eines maximal zulässigen Unterdrucks Luft in den Tintenraum einläßt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Tintenpatronen für Tintenstrahldrucker und zwar insbesondere eine in diesen vorgesehene Druckausgleichsvorrichtung, mit der ein ge­ wisser Unterdruck im Innenraum aufrechterhalten wird, um ein ungewolltes Austreten von Tinte zu verhindern und um eine stabile Speisung des den Tintenstrahl erzeugenden Druckkopfs zu gewährleisten.

Von Tintenpatronen dieser Art wird verlangt, daß sie einerseits im Ruhezustand einen unterhalb des Atmosphä­ rendrucks P_o liegenden Innendruck P_i aufweisen, um eine Leckage der Tinte auszuschließen, und andererseits ihnen im Druckbetrieb ein zusätzlicher Druck zugeführt wird, um den Innendruck P_i über den Atmosphärendruck P_o zu he­ ben, sodaß die Tinte aus dem Vorratsraum durch den Druckkopf ausgespritzt werden kann.

Um die erste dieser Forderungen zu erfüllen, wird bei bekannten Tintenpatronen ein Unterdruck erzeugt, der den Innendruck P_i auf einen Unterdruckwert P_b bringt, welcher unterhalb des Atmosphärendrucks P_o liegt, sodaß keine Tinte austreten kann.

Die zweite Forderung wird durch die Verwendung speziel­ ler Druckköpfe erfüllt, nämlich solchen, die die Tinte ausspritzen nach dem Bubble-Jet-Verfahren, bei dem der Druck durch Verdampfen einer kleinen Tintenmenge erzeugt wird, oder nach dem Drop-on-Demand-Verfahren, bei dem mittels eines piezoelektrischen Keramikelements Druck­ wellen erzeugt werden. Mit diesen Druckköpfen wird in der Patrone während eines Druckjobs der hierfür richtige Druck P erzeugt. Dies ist nicht Gegenstand der vorlie­ genden Erfindung.

Der atmosphärische Umgebungsdruck ändert sich mit dem Wettergeschehen und vor allem mit der Höhe; in einem Flugzeug fällt der Druck mit zunehmender Höhe ab und insbesondere hier kann es vorkommen, daß der Innendruck der Patrone P_i größer wird als der atmosphärische Druck P_o. Dann kann es vorkommen, daß auch ohne Druckbetrieb Tinte aus der Patrone austropft.

Hinzu kommt, daß der Unterdruck P_b in der Patrone mit zunehmender Entleerung derselben steigt bzw. der Innen­ druck fällt. Wenn dies so weit geht, daß der Unterdruck P_b größer ist als der vom Druckkopf erzeugte Druck­ betriebsdruck P, so wird keine Tinte mehr ausgespritzt und die Patrone muß ersetzt werden, obwohl noch Tinten­ vorrat in ihr vorhanden ist.

Aus der US-PS 5 409 134 ist eine Tintenpatrone bekannt, in der zur Vermeidung dieser Schwierigkeiten ein druck­ regulierender Speichersack vorgesehen ist, welcher den im Vorratsraum herrschenden Innendruck P_i ständig unter­ halb des Atmosphärendrucks P_o hält, sodaß die vorstehen­ den Probleme nicht auftreten. Diese bekannte Ausbildung ist in Fig. 6A und 6B gezeigt, wobei Fig. 6A die bekann- te Patrone in der Ausgangssituation mit vollem Tinten­ vorrat und Fig. 6B die teilweise entleerte Patrone 1 zeigt.

Die bekannte Patrone 1 hat einen Unterdruckspeicher 10 aus einem Speichersack 14 und einer Plattenfeder 12, welche ein Anschlußstück 121 zu ihrer Befestigung im Innenraum der Patrone an deren Decke aufweist. Darunter sind zwei gegenüberliegende Federschenkel 122 gebildet.

Der Speichersack 14 ist als volumenveränderlicher Sack mit einem in die Atmosphäre mündenden Luftkanal 143 und einer an diesem hängenden symmetrischen Konstruktion aus zwei Sackhälften ausgebildet, wobei jede derselben eine Außenwand 141 und eine Innenwand 142 aufweist, welche an ihren Rändern miteinander verbunden sind. Die Feder­ schenkel 122 der Plattenfeder 12 suchen den unter Atmosphärendruck stehenden entlüfteten Raum zwischen Außenwänden 141 und Innenwänden 142 zu verkleinern, also den Tintenraum der Patrone zu vergrößern, was diesen unter Unterdruck setzt.

Bei der Herstellung der Patrone wird ein gewisser An­ fangsunterdruck im Tintenraum erzeugt, sodaß schon eine gewisse Luftmenge im Sack 14 zwischen dessen Wänden vor­ handen und die Unterdruckerzeugung wirksam ist. Wenn durch den Verbrauch der Tinte im Druckbetrieb der Tin­ tenraum sich verkleinern muß, vergrößert sich der ent­ lüftete Raum zwischen den Wänden 141, 142 des Speicher­ sacks 14, wie in Fig. 6B gezeigt, entgegen der Wirkung der Plattenfeder 12 unter entsprechender Verformung von deren Schenkeln 122, was den Unterdruck P_b ansteigen läßt. Auf diese Weise bleibt der Innendruck P_i im Tinten­ raum immer unterhalb des Atmosphärendrucks P_o.

Der bekannte Unterdruckspeicher hat jedoch auch einige praktische Nachteile. Einer derselben hängt mit den Fe­ derschenkeln 122 zusammen. Deren unterdruckerzeugende Federwirkung wächst mit zunehmender Verformung. Der mit zunehmendem Tintenverbrauch ansteigende Unterdruck kann dann einen Wert erreichen, der vom Druckkopf während des Druckbetriebs nicht mehr überwunden werden kann, sodaß der Tintenzufluß aufhört und der Druckjob ohne Tinte abläuft, obwohl noch ein gewisser Tintenvorrat in der Patrone vorhanden ist. Es ist klar, daß dies die Nut­ zungsdauer und die Ausbeute dieser Art von Tintenpatro­ nen verringert.

Außerdem ist der Unterdruckspeicher der bekannten Patro­ ne von komplizierter Struktur und deshalb auch problema­ tisch zu bauen und zu installieren. Schließlich nimmt der Unterdruckspeicher einen beträchtlichen Teil des Innenraums der Patrone ein, sodaß der nutzbare Tinten­ raum weiter verringert ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Druckausgleichsvorrichtung für Tintenpatronen, die den erzeugten Unterdruck zuverlässig in einem zulässigen Betriebsbereich derart hält, daß Leckagen verhindert sind, ein normaler Druckbetrieb stattfinden kann und der Tintenvorrat vollständig ausgenutzt werden kann.

Weiterhin soll die Konstruktion einfach und kostengün­ stig sein. Der Unterdruckspeicher soll kompakt gebaut sein, sodaß ein großer nutzbarer Raum für den Tinten­ vorrat verbleibt.

Die Lösung der gestellten Aufgaben ergibt sich aus den Patentansprüchen.

Die vorgeschlagene Druckausgleichsvorrichtung hat einen Speichersack, ein mit diesem zusammenwirkendes elasti­ sches Element und eine Luftausgleichsvorrichtung. Der Speichersack ist in der Patrone untergebracht und hat ein unteres oder Bodenende und einen oberen oder Decken­ kanal, der sein inneres mit der Atmosphäre verbindet. Der Tintenvorratsraum befindet sich unterhalb des Spei­ chersacks. Mit zunehmendem Tintenverbrauch kann Luft in den Speichersack einströmen und dieser sich nach unten ausdehnen. Dabei greift das unter Vorspannung stehende elastische Element am Boden des Speichersacks an und wirkt entgegen dessen Ausdehnung, sodaß im Tintenraum ein entsprechender Unterdruck aufrechterhalten wird. Wenn mit zunehmender Ausdehnung die Rückstellkraft des elastischen Elements und damit der Unterdruck im Tinten­ raum größer wird, wird bei Erreichen eines maximal zu­ lässigen Wertes von der Luftausgleichsvorrichtung Luft in den Tintenraum eingelassen, um den Innendruck so zu stabilisieren.

Diese den Unterdruckanstieg automatisch begrenzende und dann auf einem stabilen Niveau haltende Luftausgleichs­ vorrichtung hat eine Luftausgleichskammer mit einer Aus­ senöffnung, die von einer federbeaufschlagten Kugel be­ herrscht ist. Diese Kammer ist an einer geeigneten Stel­ le, etwa im Boden oder an einer Seitenwand der Patrone untergebracht. Wenn der steigende Unterdruck = fallende Innendruck im Tintenraum der Patrone seinen maximalen Wert erreicht, überwindet der auf die Schließkugel wir­ kende Außendruck die Kraft der Feder, sodaß die Kugel abhebt, Luft durch die Außenöffnung in die Luftaus­ gleichskammer eintritt und über eine Innenöffnung der­ selben in den Tintenraum gelangt. Auf diese Weise wird von jetzt an der Innendruck stabil gehalten.

Durch die vorgeschlagene Ausbildung wird Tintenleckage während der gesamten Lebensdauer der Patrone zuverlässig verhindert und die vollständige Nutzung ihres Tinten­ vorrats gewährleistet. Wegen des geringen Volumens der Druckausgleichsvorrichtung in deren Ausgangszustand und der Luftausgleichsvorrichtung bleibt ein großer Tinten­ vorratsraum, sodaß sich eine lange Nutzungsdauer der Patrone ergibt.

Die Erfindung wird nachfolgend durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der beigegebenen Zeich­ nungen weiter erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Tintenpatrone mit erfindungsgemäßer Druckausgleichsvorrichtung im Längsschnitt in der Ausgangslage (gefüllte Patrone);

Fig. 2 die Tintenpatrone gemäß Fig. 1 in einer Zwi­ schenlage (halbentleerte Patrone);

Fig. 3 die Tintenpatrone gemäß Fig. 1 bei wirksam werdender Luftausgleichsvorrichtung;

Fig. 4 eine zweite Ausbildung einer Tintenpatrone im Längsschnitt;

Fig. 5 eine dritte Ausbildung einer Tintenpatrone im Längsschnitt.

Die Tintenpatrone 2 ist ein geschlossener Behälter, des­ sen Innenraum 100 in der in Fig. 1 gezeigten Ausgangs­ lage zum großen Teil vom Tintenvorrat 20 eingenommen ist.

Im oberen Bereich ist ein zur Druckausgleichsvorrichtung gehörender Unterdruckspeicher mit einem Speichersack 21 und einem elastischen Element oder Federelement 23 an­ geordnet und an einer geeigneten Stelle eine Luftaus­ gleichsvorrichtung 24.

Der Speichersack 21 hat ein unteres Bodenende 213 und oben einen Deckenkanal 211, der sein Inneres mit der Atmosphäre verbindet.

Das Federelement 23 ist im Speichersack untergebracht und auf Zug vorgespannt. Sein unteres Ende 231 greift am mit einer Scheibe 212 versehenen Boden 213 des Speicher­ sacks 21 an und wirkt im Sinne der Zusammenziehung des Sacks, sodaß im Tintenraum 20 ein bestimmter Anfangs­ unterdruck herrscht.

Die Luftausgleichsvorrichtung 24 ist in der Art eines Rückschlagventils ausgebildet und hat eine - vorliegend am Boden der Patrone angeordnete - Luftausgleichskammer 241, in der eine federbeaufschlagte Kugel 243 auf eine zur Atmosphäre mündende Außenöffnung 244 gedrückt ist. Die Kammer hat eine in den Tintenraum 100 mündende In­ nenöffnung 245 und die unter einer bestimmten Vorspan­ nung stehende Druckfeder 242 stützt sich mit ihrem ande­ ren Ende an einer Innenwand 2411 ab.

Unterhalb der Patrone ist der Druckkopf 26 angeordnet. Während des Druckbetriebs wird Tinte verbraucht und der geschlossene Tintenraum 100 verkleinert sich, sodaß der Speichersack 21 sich entgegen der Wirkung des Federele­ ments 23 ausdehnt und seine Bodenscheibe 212 mit dem Tintenpegel, wie in Fig. 2 gezeigt, nach unten mitgenom­ men wird. Entsprechend der Längung des Federelements 23 vergrößert sich dessen Rückstellkraft und damit der im Tintenraum herrschende Unterdruck P_b.

Die Luftausgleichsvorrichtung 24 dient zur Stabilisie­ rung des Unterdrucks auf einem maximal zulässigen Wert, der in sicherem Abstand von dem Unterdruck liegt, bei dem die Tintenzufuhr zum Druckkopf 26 aufhören würde und der Druckbetrieb ohne Tinte stattfinden würde. Wird die­ ser maximale Unterdruck erreicht, so hebt, wie in Fig. 3 gezeigt, die Kugel 243 der Luftausgleichsvorrichtung 24 von der Außenöffnung 244 ab und die einströmende Luft gelangt durch die Kammer und die Innenöffnung 245 in den Tintenraum 100, wo sie sich sammelt zwischen Tintenpegel und unterem Ende 231 des Speichersacks 21, welches jetzt nicht weiter absinkt. Dadurch stabilisiert sich der Un­ terdruck und der Druckbetrieb kann bis zur völligen Ent­ leerung der Patrone weitergehen.

Fig. 4 zeigt schematisch eine andersartige Luftaus­ gleichsvorrichtung; hier ist im Boden der Patrone 2 nur eine Eintrittsöffnung 24a ausgeführt, in welcher ein hydrophober Einsatz 25 untergebracht ist. Dieser verhin­ dert ein Austreten von Tintenflüssigkeit, läßt aber bei Erreichen einer bestimmten Druckdifferenz Luft eindif­ fundieren.

Fig. 5 zeigt schematisch eine dritte Ausbildung der Druckausgleichsvorrichtung, die ohne Luftausgleichsvor­ richtung auskommt. Hier wird ein elastisches Element 23a mit einem veränderlichen Elastizitätsmodul in der Weise verwendet, daß mit der zunehmenden Längung des Elements eine Abnahme seines E-Moduls einhergeht, sodaß eine kon­ stante Zugkraft auf den Boden des Speichersacks 21 aus­ geübt wird, unabhängig von dessen Höhenlage.

Bei dieser Ausbildung kann die vom elastischen Element erzeugte Zugkraft und damit der im Tintenraum herrschen­ de Unterdruck ungefähr auf dem niedrigen Anfangswert der vorher betrachteten Ausbildungen und etwa konstant ge­ halten werden.

Die vorgeschlagenen Druckausgleichsvorrichtungen erlau­ ben, den in der Patrone herrschenden Unterdruck inner­ halb einer günstigen Bereichsspanne zu halten, innerhalb welcher einerseits ein ungewolltes Ausfließen von Tinte verhindert ist und andererseits der Tintenvorrat voll­ ständig verbraucht werden kann. Dabei ist der Aufbau einfach und die Kosten für Konstruktion und Zusammenbau entsprechend niedrig. Wegen des geringen Platzbedarfs innerhalb der Patrone bleibt ein großer nutzbarer Tin­ tenraum, sodaß die Patrone auch sehr ergiebig ist.

Claims (12)

1. Druckausgleichsvorrichtung für Tintenpatronen, in denen sich ein Tintenvorrat (20) in einem geschlossenen Innenraum (100) befindet,
mit einem innerhalb der Patrone (2) angeordneten Spei­ chersack (21) mit einem Bodenende (213) und mit einem dessen Innenraum mit der Atmosphäre verbindenden Decken­ kanal (211),
und mit einem zur Aufrechterhaltung eines Unterdrucks im Tintenvorratsraum (100) entgegen der Ausdehnung des Speichersacks (21) wirksamen elastischen Element (23), dessen unteres Ende (231) mit dem Bodenende (213) des Speichersacks (21) verbunden ist.

2. Druckausgleichsvorrichtung für Tintenpatrone nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine im Innenraum (100) der Patrone vorgesehene und zur Begrenzung des Anstiegs des Unterdrucks in diesem zum Einlassen von Luft einge­ richtete Luftausgleichsvorrichtung (24).

3. Druckausgleichsvorrichtung für Tintenpatrone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Element (23) auf eine Zugkraft vorgespannt ist, die den Speichersack (21) im Sinne von dessen Zusammenziehung und entgegen seiner Ausdehnung beaufschlagt.

4. Druckausgleichsvorrichtung für Tintenpatrone nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Element (23) eine Zugfeder ist.

5. Druckausgleichsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Element (23) inner­ halb des Speichersacks (21) untergebracht ist.

6. Druckausgleichsvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Speichersack (21) in seinem Bo­ denende (213) eine mit der Zugfeder (23) verbundene Scheibe (212) aufweist.

7. Druckausgleichsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftausgleichsvorrichtung (24) aus einer Luftausgleichskammer (241) mit einer Außenöff­ nung (244) und einer Innenöffnung (245) besteht, wobei eine durch eine Druckfeder (242) beaufschlagte Kugel (243) die Außenöffnung (244) verschließt und bei Errei­ chen eines maximalen Unterdrucks im Tintenvorratsraum (100) zur Ermöglichung des Eintretens von Luft durch die Öffnungen (244, 245) abhebt.

8. Druckausgleichsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftausgleichsvorrichtung in einer Seitenwand der Patrone angeordnet ist.

9. Druckausgleichsvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftausgleichsvorrichtung am Boden der Patrone (2) angeordnet ist.

10. Druckausgleichsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Luftausgleichsvorrichtung (24a) ausgebildet ist als Eintrittsöffnung mit einem flüssig­ keitsundurchlässigen hydrophoben Einsatz (25), welcher das Eindiffundieren von Luft gestattet.

11. Druckausgleichsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Element (23a) einen veränderlichen Elastizitätsmodul derart aufweist, daß seine der Ausdehnung des Speichersacks (21) entgegen­ wirkende Zugkraft konstant bleibt.

12. Druckausgleichsvorrichtung für Tintenpatronen mit einer Luftausgleichskammer (24), in der eine von einer vorgespannten Druckfeder (242) beaufschlagte Kugel (243) auf eine die Verbindung mit der Atmosphäre herstellende Außenöffnung (244) gedrückt ist und bei Erreichen eines maximalen Unterdrucks in der Patrone abhebt.