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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Druckkopf für einen Tintenstrahldrucker
mit einem Gehäuse, das eine Tintenkammer begrenzt und eine
Düse aufweist, die einen mit der Tintenkammer verbundenen
Einlass hat und die einen Auslass aufweist, aus dem Tinte aus dem
Druckkopf austreten kann, und mit einem Piezoelement, das der Tintenkammer
zugeordnet ist und elektrische Anschlüsse aufweist, über
die eine Schwingspannung an das Piezoelement angelegt werden kann
und Druck auf die Tinte in der Tintenkammer ausgeübt wird.
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Derartige
Druckköpfe werden auch Tintenstrahl-Schreibköpfe
genannt, sie sind in vielfältiger Weise bekannt, der Druckkopf
der eingangs genannten Art ist bekannt aus der
US 4,962,391 A . Weiterhin wird
verwiesen auf
US 4,281,333
A . Zum Stand der Technik werden noch genannt
EP 299 939 A1 ,
EP 1 219 423 B1 und
EP 014 693 B1 .
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Der
Tintenstrahl-Schreibkopf nach der Erfindung ist insbesondere für
Vorrichtungen bestimmt, mit denen Waren beliebiger Ausgestaltung,
beispielsweise Zementsäcke, Getränkedosen und
rohe Eier bedruckt werden können, zum Beispiel wird ein
Datum aufgedruckt, insbesondere ein Verfallsdatum. Die Druckvorrichtung
ist stationär, die Produkte laufen auf einem Fließband
an der Druckvorrichtung vorbei. Bei derartigen Druckvorrichtungen
werden unterschiedliche Tinten eingesetzt, so gibt es z. B. für
Lebensmittel zugelassene Tinten. Bei ihnen ist das Lösungsmittel
im Allgemeinen Ethanol. Es gibt spezielle Tinten, die gut auf metallischen
Oberflächen haften, ohne einfach abgekratzt werden zu können,
hierzu enthält die Drucktinte geeignete Klebmittel. Damit
der erfindungsgemäße Druck kopf allgemein für
derartige unterschiedliche Produkte eingesetzt werden kann, muss
er in der Lage sein, die unterschiedlichen, vorkommenden Tinten
zu verarbeiten.
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Nach
einem Druckvorgang verbleibt immer etwas von der Tinte in der Düse.
Die Düse ist die längste Stelle des Tintendurchlaufs.
Sie ist ein kritischer Bereich. Ihr Durchmesser liegt beispielsweise zwischen
40 und 80 Mikrometern. Wenn die Düse auch nur teilweise
verstopft ist, ist ein ordnungsgemäßes Druckbild
nicht mehr gewährleistet. Weiterhin verbleibt Tinte in
der Tintenkammer und kann austrocknen, da die Tintenkammer über
die Düse offen ist.
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Nach
Beendigung eines Druckvorgangs kann die in der Düse un
in der Tintenkammer verbleibende Tinte austrocknen. In welcher Zeit
dies geschieht, ist abhängig von der Art der Tinte, insbesondere
des verwendeten Lösungsmittels. Nun kommt es bei der praktischen
Arbeit, also dem Aufbringen von Information auf Waren, immer wieder
zu Betriebspausen und Unterbrechungen. Trocknet in dieser Zeit die
in der Düse enthaltene Tinte ein, ist ein aufwendiger Reinigungsvorgang
notwendig. Es wird nach dem Stand der Technik zur Reinigung anfänglich
ausschließlich mit Lösungsmittel gearbeitet. Um danach
wieder drucken zu können, muss wieder die ursprüngliche
Zusammensetzung der Drucktinte erreicht werden. Nach Spülen
der Druckkammer mit Lösungsmittel ist es ein aufwendiges
Verfahren, wieder die korrekte Zusammensetzung, insbesondere hinsichtlich
der Viskosität, der Tinte in der Druckkammer zu erreichen.
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Wenn
man auf ein Reinige und Spülen verzichten könnte,
wäre dies ein erheblicher Vorteil.
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Ähnliche
Probleme treten auch auf, wenn man die Tinte wechseln will, Beispielsweise
Tinte in einer anderen Farbe verwenden will. Auch hier muss komplett
gespült werden, die neue Tinte muss in der richtigen Zusammensetzung
an der Düse vorliegen. Zudem treten Probleme auf, wenn
der Tintenstrahldrucker für eine gewisse Zeit abgeschaltet
werden soll, beispielsweise über Nacht oder an Wochenenden,
und wenn der Drucker für den Versand vorbereitet werden
soll. Hier muss sichergestellt sein, dass bei Wiederinbetriebnahme
die Düse ausreichend sauber ist.
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Es
ist bekannt, den Auslass der Düse dadurch zu verschließen,
dass eine ohnehin vorgesehene Fangrinne, auch Gutter genannt, von
außen gegen den Auslass gefahren wird. Ein dichter Abschluss
wird dadurch nicht immer erreicht. Zudem bleibt die Drucktinte in
der Düse und in der Tintenkammer, sie kann dort eintrocknen.
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Hiervon
ausgehend ist es Aufgabe der Erfindung, den Druckkopf der eingangs
genannten Art weiterzuentwickeln und dahingehend auszubilden, dass
ein Eintrocknen von Drucktinte oder deren Bestandteilen innerhalb
der Düsen weitgehend vermieden wird und es möglich
ist, wenn tatsächlich einmal ein Eintrocknen erfolgt ist,
die Düse einfach zu reinigen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch einen Druckkopf für
einen Tintenstrahldrucker mit a) einem Gehäuse, das eine
Tintenkammer begrenzt und eine Düse aufweist, die einen
mit der Tintenkammer verbundenen Einlass hat und einen Auslass aufweist, aus
dem Tinte aus dem Druckkopf austreten kann, und b) mit einem Piezoelement,
das der Tintenkammer zugeordnet ist und elektrische Anschlüsse
aufweist, über die eine Schwingspannung an das Piezoelement
angelegt werden kann und Druck auf die Tinte in der Tintenkammer
ausgeübt wird, dabei ist ein Ventil vorgesehen, das ein
Ventilelement aufweist, welches sich in der Tintenkammer befindet,
dass das Ventil einen passiven Zustand und einen aktiven Zustand
aufweist, im passiven Zustand des Ventils verschließt das
Ventilelement die Verbindung der Tintenkammer zum Einlass, und im
aktiven Zustand des Ventils gibt das Ventilelement die Verbindung
der Tintenkammer zur Düse frei, so dass Tinte aus der Tintenkammer
in die Düse gelangen kann Bei diesem Druckkopf verschließt
das Ventil den Einlass der Düse immer dann, wenn ein Druckvorgang
nicht beabsichtigt ist. Bevor überhaupt ein Druckvorgang stattfindet,
muss zunächst das Ventil betätigt werden. Dabei
wird das Ventilelement vom Einlass der Düse abgehoben,
erst dann ist der Weg für ein Drucken frei. Der Einlass
bleibt solange geöffnet, wie es gewünscht wird,
insbesondere wie der Druckvorgang andauert, einschließlich
Betriebspausen des Druckens in vorgegebener Zeitdauer. Vorzugsweise schließt
das Ventil wieder, wenn eine vorgegebene Zeitdauer des Nichtdruckens überschritten
ist, dies lässt sich elektronisch einfach überwachen
und steuern.
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Sollte
die Netzspannung für den Drucker ausfallen, schließt
das Ventil automatisch. Das Ventil hat vorzugsweise eine Feder,
z. B. eine Druckfeder, die es beständig in die Schließstellung
vorbelastet. Das Ventil muss daher aktiv geöffnet werden,
gegen die Wirkung dieser Feder, damit überhaupt ein Druckvorgang
erfolgen kann.
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Die
Erfindung bringt die folgenden Vorteile:
- a)
Bei einem Stromausfall schließt das Ventil innerhalb einer
sehr kurzen Zeit, beispielsweise von 5 Millisekunden. Der Tintenstrahl
stoppt sofort. Tinte kann im Schreibkopf, also in der Tintenkammer
nicht eintrocknen.
- b) Wenn der Druckvorgang wieder aufgenommen werden soll, ist
die Anlaufphase ausgesprochen kurz, der Drucker ist sofort druckbereit.
Es muss nicht erst Solvent aus dem Druckbereich entfernt werden.
Es muss nicht erst die korrekte Viskosität der Tinte eingestellt
werden.
- c) Die Stabilität des Tintenstrahls wird in der Hochlaufphase
und in der Abschaltphase verbessert. Es werden weniger Reinigungsarbeiten
am Schreibkopf erforderlich.
- d) Bei längerem Stillstand trocknet die Tinte am Piezoelement
bzw. in der Tintenleitung nicht ein, dadurch fällt weniger
Service an.
- e) Bei kürzerem Stillstand ist kein Spülprogramm mit
einem Solvent bzw. Lösungsmittel notwendig. Dadurch ist
der Solventverbrauch geringer und es besteht keine Gefahr einer
Verdünnung der Tinte, so dass diese außerhalb
ihres Viskositätsbereichs ist, wie er für das
normale Arbeiten benötigt wird.
- f) Der Drucker ist nun auch für einen Kurzzeitbetrieb
geeignet. Es können mehrmals pro Tag Arbeitsphasen und
Pausen eingelegt werden.
- g) Es wird ein sicherer Betrieb von Tinten erreicht, die Ethanol
oder Wasser als Lösungsmittel benutzen.
- h) Der Schreibkopf lässt sich komplett aufbauen, Ventil,
Piezoelement und Tintenkammer mit Düse können
zu einer kompakten Einheit zusammengefasst werden. Durch das Ventil
in der Tintenkammer können andere Ventile stromaufwärts
in den Zuleitungen eingespart werden. Dadurch werden Ventile, Kosten
und Platz eingespart.
- i) Eine Düsenverstopfung ist weitestgehend ausgeschlossen,
dadurch ist der praktische Einsatz des Druckers deutlich verbessert.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den übrigen
Ansprüchen sowie der nun folgenden Beschreibung von nicht
einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen
der Erfindung, die unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher
erläutert werden. In dieser Zeichnung zeigen:
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1:
eine schnittbildliche Darstellung in Form einer prinzipiellen Seitenansicht
eines Druckkopfes für einen Tintenstrahldrucker, der Drucker führt
einen Druckvorgang durch,
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2:
die Darstellung wie 1, jedoch ist nunmehr der Druckvorgang
beendet, das Ventil ist in passiven Stellung,
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3:
eine schnittbildliche Darstellung wie 1 für
einen Druckkopf nach einem zweiten Ausführungsbeispiel,
das Ventil ist in der passiven Stellung,
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4:
der Druckkopf wie 3, jedoch ist das Ventil nun
in der aktiven Stellung, und
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5:
ein Diagramm für die Spannung U an der Spule der Betätigung
des Ventils über die Zeit t in Minuten (oberes Teilbild)
und darunter, im gleichen Zeitmaßstab der Tröpfchenstrom
S, der aus der Düse 28 austritt und für
Druckvorgänge verwendet werden kann, er ist entweder an,
siehe 1, oder aus, siehe 0.
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Zunächst
wird auf das erste Ausführungsbeispiel nach den 1 und 2 eingegangen.
Die weiteren Ausführungsbeispiele werden nur insoweit besprochen, als
es sich um Änderungen gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel
handelt. Übereinstimmungen werden nicht besprochen.
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Der
Druckkopf eines Tintenstrahldruckers hat ein Gehäuse 20,
das eine Tintenkammer 22 begrenzt. Diese hat einen Anschluss 24 für
Zufuhr von Tinte entsprechend dem Pfeil 26. Das Gehäuse
hat weiterhin eine Düse 28, sie hat einen Einlass 30 und einen
Auslass 32, beide sind durch einen Düsenkanal
miteinander verbunden. Wie 1 zeigt,
treten aus dem Auslass 32 Tintentröpfchen 34 aus.
Wie sie abgelenkt oder behandelt werden, ist hier nicht wesentlich
für die vorliegende Erfindung. Es ist gezeigt, dass diese
Tintentropfen in eine Rücklaufrinne 36 hineinlaufen,
in dieser ist ein Rücklaufventil 38 angeordnet,
das selbsttätig öffnet und schließt.
Es ist als federbelastete Kugel ausgebildet, die Feder drückt die
Kugel gegen einen Sitz, dadurch ist das Rücklaufventil
verschlossen. Das Rücklaufventil öffnet selbsttätig,
wenn die Flüssigkeitssäule über dem Rücklaufventil
ausreichend groß ist, es wird dann die Kugel nach unten
freigedrückt. Die Kugel schließt wieder, wenn
sich nicht ausreichend viel eingesammelte Drucktinte oberhalb in
der Rücklaufrinne befindet. An die Rücklaufrinne
setzt unten eine Saugkraft an, beispielsweise durch ein Vakuum,
dies wird durch eine Pfeil 40 symbolisiert.
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Der
Druckkopf hat weiterhin ein Piezoelement 42. Es ist außen
an das dünnwandige Gehäuse angesetzt, es kann
aber auch direkten Kontakt mit der Tinte in der Tintenkammer 22 haben.
Dieses Piezoelement 42 hat Anschlüsse 44,
an diesen liegt eine Schwingspannung an, die durch eine Sinuskurve dargestellt
ist. In bekannter Weise führen die Schwingungen des Piezoelements 42 dazu,
dass die Tinte in der Tintenkammer 22 periodisch unter
Druck gesetzt wird, dadurch strömen die Tintentropfen 34 aus
der Düse 28 aus.
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Alles,
was bislang beschrieben wurde, gehört zum Stand der Technik.
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Darüber
hinaus weist der Druckkopf ein Ventil 46 auf. Es hat ein
Ventilelement 48, das am freien Ende einer Ventilstange 50 angeordnet
ist. Diese Ventilstange 50 wird durch eine elektromagnetische Betätigung
in die beiden unterschiedlichen Zustände, wie sie in 1 und 2 gezeigt
sind, bewegt. 2 zeigt den passiven Zustand,
an der Betätigung 52 liegt eine Spannung von 0
V an. Eine hier nicht dargestellte Feder (siehe aber 68 in 3)
belastet die Ventilstange 50 nach rechts, so dass sie selbständig
dann die passive Stellung einnimmt, die in 2 gezeigt
ist. Die aktive Stellung nach 1 wird nur dann
angenommen, wenn die Betätigung 52 stromdurchflossen
ist, also an ihr eine ausreichende Spannung anliegt. Im Fall von 1 liegt
eine Spannung von 12 V an. Die Betätigung übt
eine höhere Zugskraft auf die Ventilstange 50 aus
als die Feder.
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Die
Ventilstange 50 ist gleichachsig zu einer Achse der Düse 28.
Das Ventilelement 48 befindet sich innerhalb der Tintenkammer 22.
In der aktiven Stellung, die 1 zeigt,
hat das Ventilelement 48 eine ausreichende Entfernung vom
Einlass 30, so dass der Zustrom von Drucktinte zum Einlass 30 hin nicht
beeinträchtigt wird. Der Abstand beträgt mindestens
0,5 mm, vorzugsweise mindestens 1 mm.
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In
der passiven Stellung des Ventils nach 2 können
keine Tintentropfen 34 aus der Düse 28 austreten.
Dies ist unabhängig davon, ob das Piezoelement 42 mit
einer Schwingspannung beaufschlagt ist oder nicht.
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Das
Ventilelement 48 hat eine ebene Frontfläche 54.
Der Bereich um den Einlass 30 der Düse 28 ist
ebenfalls eben. Dieser Bereich verläuft im rechten Winkel
zur Längsrichtung und Bewegungsrichtung der Ventilstange 50.
Auch die Frontfläche 54 ist im rechten Winkel
zu dieser Richtung. Dadurch wird die in 2 gezeigte
plane Abdichtung erreicht.
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In
einer Alternative kann die Frontfläche 54 des
Ventilelements 48 auch wie eine Glocke ausgeführt
sein. Dann bewirkt im Wesentlichen der Glockenrand die Abdichtung.
Es ist dann möglich, die Ventilstange 50 so zu
bewegen, dass die Glocke nicht abhebt, wobei der Glockenrand zwar
weiterhin die Abdichtung bewirkt, aber die Glocke deformiert wird.
Dadurch entsteht eine Saugwirkung bzw. eine Druckwirkung im Düsenkanal,
wenn die Ventilstange 50 entsprechend in ihrer Position,
die sie in 2 hat, bewegt wird.
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Die 3 und 4 zeigen
das zweite Ausführungsbeispiel, dieses ist stärker
der Realität angepasst. Die Tintenkammer 22 weist
ein Rohr. 56 auf, das in seinem frontseitigem Bereich durch
eine Muffe 58 übergriffen ist, in dieser ist die
Düse 28 angeordnet. Die Muffe 28 setzt
einen Innenkanal des Rohrs 56 bündig fort. Schließlich
hat das Gehäuse 20 ein Hauptteil 60,
in das das Rohr 56 eingesteckt ist. Am rechten Ende dieses
Rohrs 56 erweitert sich die Tintenkammer 22 erheblich
in ihrem Durchmesser. Im Hauptteil 60 ist auch der Anschluss 24 vorgesehen. Mit
dem Hauptteil 60 ist die Betätigung 52 des
Ventils 46 verbunden. Zu erkennen ist eine Spule 62,
die von Eisen ummantelt ist. Ein rückwärtiges
Teilstück des Hauptteils 60 bildet einen stationären
Anker 64. Im Hauptteil 60 ist eine Bohrung für
einen mobilen Anker 66 vorgesehen, der einstückig
in die Ventilstange 50 übergeht. Zwischen dem
Hauptteil 60 und einem Absatz im mobilen Anker 66 ist
eine Feder 68 vorgesehen, die hier als Druckfeder in Schraubenform
ausgebildet ist. Sie belastet die Ventilstange 50 in die
geschlossene und passive Stellung, wie sie in 3 dargestellt
ist. In ihr ist das Ventilelement 48 in Anlage am Einlass 30 der
Düse 28. Am Hauptteil 60 ist schließlich
das Piezoelement 42 befestigt. Anschlüsse dieses
Piezoelements 42 sind nicht dargestellt.
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Wird
die Spule 62 mit einer ausreichenden Spannung U (siehe 1, 2 und 5)
beaufschlagt, so wird der mobile Anker 66 gegen den stationären
Anker 64 gezogen, es wird die Stellung gemäß 4 erreicht.
In dieser ist das Ventilelement 48 so ausreichend weit
vom Einlass 30 entfernt, dass Tinte durch den Ringkanal
zwischen Ventilstange 50 und Innenwand des Rohrs 56 bzw.
der Muffe 58 strömen und unter Bildung von Tintentropfen 34 nach links
austreten kann.
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Anhand
von 5 soll nun die Arbeitsweise besprochen werden.
Das obere Teilbild von 5 zeigt die Spannung U in Volt
an der Spule 62 der Betätigung 52. Zu
erkennen ist, dass zunächst etwa 10 Minuten lang eine Spannung
im Wert 0 anliegt, dies bedeutet, dass das Ventil 46 sich
im passiven Zustand befindet, die Düse 28 ist
verschlossen. Danach wird eine Spannung von 12 V an die Spule 62 angelegt,
dadurch ist das Ventil geöffnet, siehe 70, und wird
die Düse 28 frei, das Ventilelement 48 befindet sich
nun nicht mehr in Kontakt mit dem Einlass 30, vielmehr
liegt der Zustand nach den 1 und 4 vor.
Nur in diesem Zustand ist es möglich, dass Tintentröpfchen 34 aus
der Düse 28 austreten können, siehe Druckphase 72.
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Im
unteren Teilbild ist der Teilchenstrom S an Tintentropfen 34,
die aus der Düse 28 austreten, dargestellt. Dieser
Strom S ist entweder vorhanden, symbolisiert durch die Ziffer 1
oder er ist aus, symbolisiert durch die Ziffer 0. Das untere Teilbild
zeigt, dass für etwa 15 Minuten ein erster Satz Druckvorgänge
durchgeführt werden können, anschließend erfolgt
eine etwa zwölfminütige erste Ruhepause, siehe
Pause 74. In der Ruhepause 74 ist das Ventil 46 geöffnet.
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Es
schließt sich eine zweite Serie von Druckvorgängen 72 an,
diese finden in den Minuten 40 bis 80 statt. Das
Ventil 46 ist nach wie vor geöffnet. Es folgt
eine kürzere Pause 74 von etwa 16 Minuten in den
Minuten 80 bis 96, es schließt sich eine
weitere Druckaktivität 72 in den Minuten 96 bis 109 an.
Zwei Minuten später wird das Ventil 46 geschlossen,
die Spannung U hat nun den Wert 0. Weitere Druckvorgänge
finden nun nicht statt.
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Ab
Minute 128 findet ein Reinigungsvorgang 78 statt.
Das Ventil 46 wird kurz hintereinander mehrfach geöffnet
oder geschlossen, wie durch die mehreren Striche dargestellt ist.
Dies kann mit einer Frequenz von 50 bis 1000 Hz erfolgen, je nach
Auslegung des Ventils 46. Im Gegensatz zur Darstellung im
oberen Teilbild wird von 5 liegen die Striche, die ein Öffnen
symbolisieren sollen, also deutlich dichter auf der Zeitachse nebeneinander.
Es werden auch viel mehr Öffnungen durchgeführt,
als Striche dargestellt sind. Lediglich zum Zwecke der besseren Erkennbarkeit
ist die tatsächliche Darstellung gewählt worden.
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Während
des Reinigungsvorgangs wird das Ventilelement 48 immer
wieder zum Einlass 30 hinbewegt und wird von diesem weggezogen,
dadurch entsteht im Düsenkanal abwechselnd ein Sog und ein
Druck. Durch die entsprechenden Bewegungen wird der Düsenkanal
gereinigt, es wird Tinte und/oder Solvent hin- und herbewegt, so
dass eine deutliche Reinigung eintritt.
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Wie
weit der Reinigungsvorgang fortgeschritten ist, kann man daran erkennen,
wieviel Flüssigkeit am Auslass der Düse 32 austritt,
während der Reinigungsvorgang 78 durchgeführt
wird. Tritt genügend Flüssigkeit aus, ist dies
ein Signal dafür, dass die Düse 28 gereinigt
ist. Mit einer geeigneten Vorrichtung, die die austretende Flüssigkeit
erfasst, kann somit nachgewiesen werden, ob der Reinigungsvorgang
noch weitergeführt werden muss, oder ob er bereits abgeschlossen
ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 4962391
A [0002]
- - US 4281333 A [0002]
- - EP 299939 A1 [0002]
- - EP 1219423 B1 [0002]
- - EP 014693 B1 [0002]