DE19710681B4

DE19710681B4 - Verfahren und Drucksystem zum Nachladen einer Druckkartusche

Info

Publication number: DE19710681B4
Application number: DE19710681A
Authority: DE
Inventors: Joseph E. San Diego Scheffelin; Elizabeth San Diego Zapata; Winthrop D. San Diego Childers; David S. San Diego Hunt
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 1996-03-14
Filing date: 1997-03-14
Publication date: 2010-04-22
Anticipated expiration: 2017-03-15
Also published as: US5903292A; KR970064939A; DE19710681A1; KR100254763B1

Abstract

Verfahren zum Nachladen einer Druckkartusche (16), die einen negativen Innendruck hat, aus einem Tintenreservoir (150), das über einen oder mehrere Kapillardurchgänge (157) mit der Atmosphäre verbunden ist, mit folgenden Verfahrensschritten:
Verbinden eines Tinteneinlassports der Druckkartusche (16) mit einem Tintenauslassport des Tintenreservoirs (150), um einen luftdichten Fluidpfad zwischen dem Tintenreservoir (150) und der Druckkartusche (16) zu bilden;
Ziehen von Tinte aus dem Tintenreservoir (150) in die Druckkartusche (16) in Folge des negativen Innendrucks in der Druckkartusche (16), während durch den einen oder die mehrere Kapillardurchgänge (157) Luft in das Tintenreservoir (150) nachgeführt wird, wobei der eine oder die mehreren Kapillardurchgänge (157) in einer derartigen Größe bereitgestellt werden, dass der von der Druckkartusche (16) vorgesehene negative Innendruck die Kuppe der Tinte aufbricht, welche den einen oder die mehreren Kapillardurchgänge (157) versperrt, um einen Leerraum zu füllen, welcher von der Tinte zurückgelassen wird, wenn die Tinte in die Druckkartusche (16) gezogen...

Description

Diese Erfindung betrifft Tintenstrahldrucker und spezielle Techniken zum Nachfüllen von Tintenstrahldruckkartuschen mit Tinte.
Ein populärer Typ eines Tintenstrahldruckers enthält einen scannenden Schlitten, welcher eine oder mehrere Wegwerf-Druckkartuschen trägt. Jede Wegwerf-Druckkartusche enthält einen Tintenvorrat in einem Tintenreservoir, einen Druckkopf und Tintenkanäle, welche von dem Tintenreservoir zu Tintenausstoßkammern führen, die an dem Druckkopf ausgebildet sind. Ein Tintenausstoßelement, wie ein Heizwiderstand oder ein piezoelektrisches Element, liegt innerhalb jeder Tintenausstoßkammer. Die Tintenausstoßelemente werden selektiv angesteuert (gezündet), wodurch ein Tintentröpfchen durch eine Düse ausgestoßen wird, welche über jeder aktivierten Tintenausstoßkammer liegt, um ein Punktmuster auf das Medium zu drucken. Wenn auf diese Weise mit 300 Punkten pro Inch (dpi; dots per inch) oder mehr gedruckt wird, können die einzelnen Punkte nicht mehr voneinander unterschieden werden, und es werden Zeichen und Bilder hoher Qualität gedruckt.
Wenn einmal der anfängliche Tintenvorrat in dem Tintenreservoir erschöpft ist, wird die Druckkartusche weggeworfen, und eine neue Druckkartusche wird an ihrer Stelle eingefügt. Der Druckkopf hat jedoch eine nutzbare Lebensdauer, die länger ist als die des Tintenvorrats. Es wurden Verfahren zum Nachfüllen dieser Wegwerf-Druckkartuschen vorgeschlagen, diese Nachfülltechniken erfordern jedoch das Eindringen in den Körper der Druckkartusche auf eine Weise, welche vom Hersteller nicht beabsichtigt war, und bei der der Benutzer üblicherweise manuell Tinte in die Druckkartusche injizieren muß. Zusätzlich ist die Qualität der Nachfülltinte üblicher weise niedriger als die Qualität der ursprünglichen Tinte. Als Resultat führt ein solches Nachfüllen häufig dazu, daß Tinte aus den Düsen trielt, die Übertragung von Tinte aus dem Nachfüllsatz in das Reservoir der Tintenkartusche zu Verschmutzung führt, sich Lufttaschen in den Tintenkanälen bilden, die Druckqualität sich mit der Tinte, welche inkompatibel mit dem Hochgeschwindigkeits-Drucksystem ist, verschlechtert, und die Qualität des gedruckten Bildes insgesamt abnimmt.
Die DE 93 00 133 U1 beschreibt ein Drucksystem mit einem Tintenreservoir, welches zur Atmosphäre offen ist. Die Tinte in dem Vorratsbehälter ist über einen Tintenkanal mit einer Druckkartusche verbunden. Die Tinte in dem Vorratsbehälter wird mithilfe einer Pumpe unter Druck gesetzt, um einen Überdruck in dem Raum über der Tinte zu erzeugen und so die Tinte in eine Verbindungsleitung zu drücken. Anschließend wird der Raum oberhalb der Tinte wieder mit Atmosphärendruck beaufschlagt.
Die DE 23 36 485 A1 beschreibt eine Tintenzuführung für eine Druckkartusche mit einem Tintenreservoir und einem Zwischenbehälter. Am Tintenreservoir und am Zwischenbehälter befinden sich Ventile am Auslauf bzw. Einlauf, die bei ihrer Verbindung geöffnet und bei Trennung geschlossen werden.
DE 195 22 636 A1 ist eine frühere Patentanmeldung (Dokument gemäß § 3(2) PatG) und zeigt ein Drucksystem mit einem Tintenreservoir, das mit der Atmosphäre verbunden ist.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Nachladen einer Druckkartusche und ein Drucksystem anzugeben, die ein zuverlässiges Nachladen von Tinte in eine Tintenstrahl-Druckkartusche erlauben. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 sowie durch ein Drucksystem gemäß Patentanspruch 2 gelöst. Bevorzugte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Tintenreservoir in der Druckkartusche aus einem federbelasteten zusammenlegbaren Tintenbeutel (Ink Bag), wobei die Feder die Seiten des Tintenbeutels auseinanderdrückt und so einen Unterdruck (negativen Druck) im Verhältnis zum Umgebungsdruck in dem Tintenbeutel aufrechterhält. Wenn während des Gebrauchs der Druckkartusche Tinte entnommen wird, fällt der Tintenbeutel zunehmend zusammen und überwindet die Federkraft.
Ein verschiebbares, im wesentlichen zylindrisches Tintenventil (Schieberventil) erstreckt sich durch den Körper der Druckkartusche und in den Tintenbeutel. Das Ventil hat einen männlichen Verbindungsabschnitt an seinem außerhalb des Körpers der Druckkartusche liegenden Ende. Das Ventil ist offen, wenn es in den Körper der Druckkartusche hineingedrückt wird, und es ist geschlossen, wenn es von dem Körper der Druckkartusche weggezogen wird.
Ein Tintennachfüllsystem, welches einen Tintenvorrat enthält, hat ein Schieber-Ventil mit einem weiblichen Verbindungsabschnitt, welches mit dem männlichen Verbindungsabschnitt des Druckkartuschenventils in Eingriff bringbar ist. Das Ventil des Tintennachfüllsystems erstreckt sich durch den Körper des Tintennachfüllsystems und in den Tintenvorrat hinein.
Um das Tintenreservoir der Druckkartusche nachzufüllen, wird das Ende des Druckkartuschenventils in das Ende des Ventils des Tintennachfüllsystems eingefügt, um sowohl eine mechanische Kopplung als auch eine fluiddichte Verbindung zwischen den beiden Ventilen zu erzeugen. Eine weitergehende Kraft, welche die Druckkartusche gegen das Tintennachfüllsystem drückt, bewirkt, daß beide Ventile in ihre jeweiligen Tintenreservoire gedrückt werden. Dieses weitere Einfügen bewirkt, daß sich beide Ventile öffnen, so daß ein luftdichter Fluidpfad zwischen dem Reservoir des Tintennachfüllsystems und dem entleerten Reservoir der Druckkartusche erzeugt wird.
Der Unterdruck innerhalb des Tintenbeutels der Druckkartusche zieht die Tinte aus dem Reservoir des Tintennachfüllsystems in den Tintenbeutel, bis der Tintenbeutel im wesentlichen voll ist. Die Druckkartusche wird dann von dem Tintennachfüllsystem gelöst. Die mechanische Kopplung, welche anfangs zwischen den beiden Ventilen erzeugt wurde, bewirkt, daß die beiden Ventile zugezogen werden, wenn die Druckkartusche von dem Tintennachfüllsystem abgezogen wird. Wenn die beiden Ventile geschlossen sind, löst das weitere Ziehen an der Druckkartusche die mechanische Kopplung, und die Druckkartusche kann nun wiederverwendet werden.
Es werden verschiedene externe Tintenversorgungsstrukturen, mit vielen Arten von Tintenauslaßöffnungen offenbart, die in Verbindung mit der bevorzugten Druckkartusche verwendet werden können. Bei einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Tintennachfüllsystem eine Nachfüllung für die Druckkartusche.
Die Erfindung ist im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert.
1 ist eine perspektivische Darstellung eines Tintenstrahldruckers, welcher die bevorzugte Ausführungsform der Tintenstrahl-Druckkartusche enthält;
2 ist eine perspektivische Ansicht der bevorzugten Ausführungsform der Druckkartusche, welche von einem scannenden Schlitten in dem Drucker von 1 getragen wird;
3 ist eine perspektivische Ansicht der bevorzugten Ausführungsform der Druckkartusche, welche ein Nachfüllventil enthält;
4 ist eine andere perspektivische Ansicht der Druckkartusche von 3;
5 ist eine Nahansicht des Nachfüllventils an der Druckkartusche von 3;
6 ist eine Explosionsdarstellung der Druckkartusche von 3 ohne Seitenabdeckungen;
7 ist eine perspektivische Darstellung der Druckkartusche von 6 nach dem Zusammenbau und vor dem Anbringen der Seitenabdeckungen;
8 ist eine perspektivische Darstellung der Druckkartusche von 7, wobei eine Seitenabdeckung angebracht ist;
9 ist eine Schnittdarstellung der Druckkartusche von 7 längs der Linie 9-9 in 7;
10A und 10B sind perspektivische Darstellungen des Schieber-Ventils, welches in der Druckkartusche von 7 verwendet wird;
11 ist eine Schnittdarstellung der Druckkartusche von 7 längs der Linie 11-11 in 7;
12 ist eine perspektivische Darstellung der Rückseite der Druckkopfanordnung, welche ein Druckkopfsubstrat enthält, das auf einem flexiblen Band montiert ist, sowie Tintenausstoßdüsen, welche in dem Band ausgebildet sind, wobei Elektroden auf dem Substrat mit leitenden Spuren verbunden sind, die auf dem Band ausgebildet sind.
13 ist eine Schnittdarstellung der Struktur von 12 längs der Linie 13-13 in 12;
14 ist eine perspektivische Darstellung des Druckkopfsubstrats, welche die verschiedenen Tintenausstoßkammern und Tintenausstoßelemente zeigt, die auf dem Substrat ausgebildet sind;
15 ist eine Schnittdarstellung der Druckkartusche von 3 längs der Linie 15-15 in 3, welche die Zuführung von Tinte um die äußeren Kanten des Substrats und in die Tintenausstoßkammern zeigt;
16 ist eine geschnittene Teilansicht des Randes des Substrats und des flexiblen Bandes, welche die Abgabe von Tinte um den Rand des Substrats und in eine Tintenausstoßkammer zeigt;
17 ist eine geschnittene Teilansicht der Druckkartusche von 3 längs der Linie 17-17 in 3, welche die anfängliche Füllung des Druckkartuschenreservoirs mit Tinte zeigt;
18 und 19 zeigen das Einfügen einer Stahlkugel in das in 17 gezeigte Füllloch, um das Füllloch permanent zu versiegeln;
20 ist eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform des Tintennachfüllsystems, welches mit der Druckkartusche verbunden ist;
21, 22, 23 und 24 zeigen verschiedene Stellungen der Ventile an der Druckkartusche und dem Tintennachfüllsystem, wenn die Druckkartusche mit dem Tintennachfüllsystem verbunden und dann von diesem wieder gelöst wird;
25 ist eine Schnittdarstellung eines alternativen festen Verbindungsbauteils des Tintennachfüllsystems;
26 und 27 sind Schnittdarstellungen alternativer Rohrverbindungen zu dem Ventil der Druckkartusche;
28 ist eine perspektivische Darstellung einer alternativen Ausführungsform des Tintenstrahldruckers, bei dem Schläuche zwischen den Ventilen der Druckkartuschen und einer getrennten Tintenversorgung angeschlossen sind, um die Druckkartuschen nachzufüllen;
29 ist eine Nahansicht des Ventilabschnitts der Druckkartusche, von der sich ein Schlauch erstreckt;
30 ist eine Schnittdarstellung eines Teils des Tintennachfüllsystems mit einer Nadel und eines Teils der Druckkartusche mit einer Trennwand (Septum) anstelle eines Schieber-Ventils; und
31 ist eine Schnittdarstellung der Druckkartusche, welche mit dem Tintennachfüllsystem von 30 nachgefüllt wird.
1 zeigt einen Tintenstrahldrucker 10, welcher die bevorzugte Ausführungsform der nachladbaren Druckkartusche enthält. Der Tintenstrahldrucker 10 selbst kann ein üblicher Drucker sein. Eine Abdeckung 11 schützt den Druckmechanismus gegen Staub und andere Fremdkörper. Ein Papiereingabetablett 12 trägt einen Stapel Papier 14, um darauf zu drucken. Das Papier wird nach dem Drucken auf einem Ausgabetablett 15 abgelegt.
Beschreibung der Druckkartusche 16
Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform sind vier Druckkartuschen 16 in einem scannenden Schlitten 18 montiert. Die Druckkartuschen 16 enthalten schwarze, Zyan-, Magenta- bzw. gelbe Tinte. Eine selektive Aktivierung der Tintenausstoßelemente in jeder der vier Druckkartuschen 16 kann ein hoch aufgelöstes Bild mit einer großen Vielzahl Farben erzeugen. Bei einer Ausführungsform druckt die schwarze Tintenstrahl-Druckkartusche 16 mit 600 Punkten pro Inch (dpi), und die farbigen Druckkartuschen 16 drucken mit 300 dpi.
Der scannende Schlitten 18 ist verschiebbar auf einer Stange 20 montiert, und der Schlitten 18 überstreicht das Papier mechanisch, unter Verwendung eines allgemein bekannten Riemen/Leitungs- und Riemenscheiben-Systems, während die Druckkartusche 16 Tintentröpfchen ausstößt, um gedruckte Zeichen und andere Bilder herzustellen. Da der Mechanismus und die Elektronik innerhalb des Druckers 10 auf herkömmliche Weise ausgebildet sein können, wird der Drucker 10 nicht mit weiteren Einzelheiten beschrieben.
2 zeigt eine detailliertere Ansicht des scannenden Schlittens 18, welcher die Druckkartuschen 16 aufnimmt. Der Schlitten 18 bewegt sich in der durch den Pfeil 22 angegebenen Richtung, und ein Blatt Papier 14 bewegt sich in der Richtung des Pfeiles 23 senkrecht zu der Bewegungsrichtung des Schlittens 18.
Jede Druckkartusche 16 ist entfernbar und in Kontakt mit festen Elektroden an dem Schlitten 18, um die elektrischen Signale für die Druckköpfe innerhalb jeder der Druckkartuschen 16 vorzusehen.
Jede der Druckkartuschen 16 enthält ein Ventil 24, das geöffnet und geschlossen werden kann. Im geöffneten Zustand kann Tinte von einer externen Tintenversorgung durch das Ventil 24 und in das Tintenreservoir innerhalb der Druckkartusche 16 fließen. Das Ventil 24 ist von einem zylindrischen Kunststoffrohrstück oder einer Muffe 26 umgeben, die üblicherweise Teil eines Griffes 28 bildet, damit der Benutzer die Druckkartusche 16 leicht greifen kann, um sie in den Schlitten 18 einzusetzen und daraus zu entfernen.
3 zeigt eine Perspektivdarstellung der bevorzugten Ausführungsform der Druckkartusche 16. Die mit denselben Bezugszeichen in anderen Figuren bezeichneten Elemente sind identisch. Der Außenrahmen 30 der Druckkartusche 16 ist aus einem gegossenen technischen Kunststoff hergestellt, wie dem unter der Markenbezeich nung ”NORYL” von General Electric Company vertriebenen Material. Seitenabdeckungen 32 können aus Metall oder Kunststoff hergestellt werden. Bezugselemente 34, 35 und 36 beziehen sich auf die Position der Druckkartusche 16, wenn sie in dem Schlitten 18 montiert ist. Die Bezugselemente 34, 35 und 36 werden maschinell bearbeitet, nachdem das Düsenbauteil 40 auf einer Druckkartusche 16 installiert wurde, um zu gewährleisten, daß die jeweiligen Düsen aller vier Druckkartuschen 16 zueinander ausgerichtet sind, wenn sie in die Druckkartusche 18 eingefügt werden.
Bei der bevorzugten Ausführungsform besteht das Düsenbauteil 40 aus einem Streifen eines flexiblen Bandes 42, wobei in dem Band 42 Düsen 44 mittels Laserablation ausgebildet sind. Ein Verfahren zum Herstellen solcher Düsen 40 ist beschrieben in US 5,305,015 A , mit dem Titel ”Laser Ablated Nozzle Member for Inkjet Printhead”, von Christopher Schantz et al., welche auf die vorliegende Anmelderin übertragen wurde, und auf die hier Bezug genommen wird. Die Struktur dieses Düsenbauteils 40 wird später mit weiteren Einzelheiten beschrieben.
Kunststofflaschen 45 werden dazu verwendet, zu verhindern, daß eine bestimmte Druckkartusche 16 in den falschen Einschub in dem Schlitten 18 eingefügt wird. Die Laschen 45 sind für schwarze, Zyan-, Magenta- und gelbe Druckkartuschen unterschiedlich.
Ein Füllloch 46 ist vorgesehen, damit der Hersteller anfangs das Tintenreservoir in der Druckkartusche 16 füllen kann. Dieses Loch 46 wird später mit einer Stahlkugel verschlossen, welche dauerhaft sein soll. Der Füllvorgang wird später beschrieben.
4 ist eine weitere perspektivische Ansicht der Druckkartusche 16, welche die elektrischen Anschlußfelder 48 zeigt, die in dem flexiblen Band 42 ausgebildet sind und über Spuren, die auf der Unterseite des Bandes 42 ausgebildet sind, mit Elektroden an dem Druckkopfsubstrat verbunden sind, das an der Unterseite des Bandes 42 befestigt ist.
Eine Zunge 49 kommt in Eingriff mit einem federbelasteten Hebel 50 (2) an dem Schlitten 18, um die Druckkartuschen 16 auf dem Schlitten 18 in ihrer Position zu verriegeln.
5 ist eine Nahansicht des Druckkartuschenventils 24, welches von der zylindrischen Muffe 26 umgeben ist, die Teil eines Griffs 28 bildet. Stützflansche 52 schaffen einen zusätzlichen Halt für den Griff 28.
6 ist eine Explosionsdarstellung der Druckkartusche 16 von 3 ohne Seitenabdeckungen 32. 6 zeigt die Konstruktion des zusammenlegbaren Tintenbeutels 51, der in 7 zusammengebaut gezeigt ist, durch die ein negativer Innendruck (Unterdruck) im Vergleich zum Umgebungsdruck erreicht wird. Die Konstruktion des Tintenbeutels 51 ist wie folgt.
Ein innerer Kunststoffrahmen 54 ist vorgesehen, welcher im wesentlichen dieselbe Kontur wie der starre Außenrahmen 30 hat. Der Innenrahmen 54 wird vorzugsweise aus einem Kunststoff hergestellt, welcher flexibler ist als der, welcher zum Herstellen des Außenrahmens 30 verwendet wird, und eine niedrigere Schmelztemperatur hat. Ein geeignetes Kunststoffmaterial ist eine weiche Polyolefinlegierung. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird der Außenrahmen 30 als ein Teil der Form verwendet, wenn der Innenrahmen 54 hergestellt wird. Zusätzliche Einzelheiten in Bezug auf die Herstellung des Rahmens 30 und des Rahmens 54 sind bekannt.
Es ist eine Bogenfeder 56 vorgesehen, welche aus einem Metallstreifen geschnitten werden kann, z. B. aus rostfreiem Stahl. Die Scheitelpunkte der gebogenen Teile der Bogenfeder 56 sind mit einem mittleren Teil der starren Metallseitenplatten 58 und 59 durch Punktschweißen oder Laserschweißen verbunden. Es ist ein Paar flexibler Tintenbeutel-Seitenwände 61 und 62 vorgesehen, die aus einem Kunststoff, wie Ethylen-Vinylacetat (EVA) oder Mylar, hergestellt sind und deren Umfangsabschnitte mittels Wärme mit den Kanten des Innenrahmens 54 verschweißt sind, um eine Fluiddichtung oder einen Fluidverschluß vorzusehen, und deren mittlere Abschnitte 63 mittels Wärme mit den Seitenplatten 58 und 59 verschweißt sind. Die bevorzugten Seitenwände 61 und 62 sind aus einem flexiblen Neunschichtmaterial hergestellt.
Die Seitenwände 61 und 62 des Tintenbeutels liegen nun den Seitenplatten 58 und 59 gegenüber und spannen so die Bogenfeder 56 vor. Die Bogenfeder 56 wirkt nun als ein Druckregler, um eine relativ konstante nach außen gerichtete Kraft auf die Seitenwände 61 und 62 des Tintenbeutels vorzusehen, um einen Unterdruck in der Größenordnung von –0,1 psi in dem Tintenbeutel 51 vorzusehen (welcher äquivalent einem relativen Druck von etwa –3 Inch Wasser ist). Ein akzeptabler Unterdruck liegt im Bereich von etwa –1 bis –7 Inch Wasser, wobei der bevorzugte Bereich von –3 bis –5 Inch Wasser geht.
Der tatsächliche Unterdruck, welcher in dem Tintenbeutel 51 herrschen muß, basiert auf verschiedenen Faktoren, einschließlich der Düsenöffnungsarchitektur, der Geometrie der Druckkartusche 16 (einschließlich den äußeren Ausdehnungsgrenzen des Tintenbeutels 51, welche durch die Dicke der Druckkartusche 16 bestimmt werden), und der horizontalen/vertikalen Orientierung der Druckkartusche 16, wenn sie in dem Schlitten 18 in ihrer Druckstellung montiert ist.
Wenn Tinte aus der Druckkartusche 16 abgezogen wird, fällt der Tintenbeutel 51 (7) zusammen.
Optional kann ein Kantenschutz an der Oberfläche der Metallseitenplatten 58 und 59 angebracht werden, um zu verhindern, daß die Metallkanten der Platten 58 und 59 in Kontakt mit den Seitenwänden 61 und 62 des Tintenbeutels kommen und diesen zerreißen. Dieser Kantenschutz kann eine dünne Abdeckschicht aus Kunststoff sein, welche an die Außenseite der Seitenplatten 58 und 59 geklebt wird und die Kanten leicht überdeckt.
An dem Innenrahmen 54 ist ferner ein Siebfilter 64 in dem Tintenbeutel 51 vorgesehen, um Partikel herauszusieben, bevor die Tinte den Haupttintenkanal 66 erreicht, der in dem Schnauzenabschnitt, oder Auslaßabschnitt, des Außenrahmens 30 ausgebildet ist. Später wird eine Druckkopfanordnung an dem Schnauzenabschnitt der Druckkartusche 16 befestigt, und Tintenkanäle in der Druckkopfanordnung führen von dem Haupttintenkanal 66 in Tintenausstoßkammern an dem Druckkopf.
Der Tintenbeutel 51 umfaßt ferner ein Schieber-Ventil 24, welches später im einzelnen erörtert wird. Der Tintenbeutel 51 ist somit vollständig abgedichtet, bis auf die Öffnung für den Haupttintenkanal 66. 7 zeigt die Struktur der 6, bevor die Seitenabdeckungen auf die Druckkartusche 16 aufgesetzt werden.
Bei der bevorzugten Ausführungsform wird die Tintenmenge, welche noch in dem Tintenbeutel 51 ist, mittels eines Tintenpegeldetektors festgestellt, welcher in den 6 und 7 dargestellt und wie folgt ausgebildet ist. Ein erster Papierstreifen 70 mit einer Vollfarbe, wie grün, wird an der Seitenwand 62 des Tintenbeutels mit einem Klebmittel 72 befestigt, das mit einem Bereich 73 an der Seitenwand 62 verbunden ist. Das Ende dieses Streifens 70 wird dann über eine Ausnehmung in dem Rand 74 des Rahmens 30 gebogen und liegt flach gegen eine vertiefte Oberfläche 75 des Rahmens 30 an. Ein Streifen 77 mit einer anderen Farbe, wie schwarz, ist mit einem Fenster 78 versehen. Ein Klebmittel 79 auf dem Streifen 77 wird dann an der Seitenwand 61 bei einem Bereich 80 befestigt. Der Streifen 77 wird über eine Ausnehmung in dem Rand 82 des Rahmens 30 gebogen und liegt nun über dem Vollstreifen 70 auf der vertieften Oberfläche 75. Wenn die Seitenplatten 32 (3) einmal an der Druckkartusche 16 befestigt sind, wird ein Streifen 84 mit einem transparenten Fenster 85, das ein Loch oder ein durchsichtiger Abschnitt sein kann, über der vertieften Oberfläche 75 befestigt, indem die Kanten 86 an den jeweiligen Seitenabdeckungen 32 der Druckkartusche 16 angeklebt werden. Wenn die flexiblen Seitenwände 61 und 62 des Tintenbeutels näher zusammenkommen, während Tinte aus dem Tintenbeutel 51 abgegeben wird, zeigt das Fenster 78 in dem Streifen 77 immer weniger der Farbe des Streifens 70, gesehen durch das Fenster 85, bis die grüne Farbe des Streifens 70 durch das Fenster 85 nicht mehr sichtbar ist und nur noch der schwarze Streifen 77 durch das Fenster 85 erscheint. Die Druckkartusche 16 muß dann über das Ventil 24 mit dem später beschriebenen Verfahren nachgeladen werden.
8 zeigt mit weiteren Einzelheiten eine starre Seitenabdeckung 32 und das Verfahren zum Befestigen dieser an dem Außenrahmen 30 der Druckkartusche. Es sind in dem Außenrahmen 30 ausgebildete Schlitze 87 gezeigt, welche mit den Zungen 88 fluchten, die in den Seitenabdeckungen 32 ausgebildet sind. Wenn die Zungen 88 in die Schlitze 87 eingefügt werden, erhält man eine sichere Anbringung der Seitenabdeckungen 32 an dem Rahmen 30. Die Zungen 88 schneiden vorzugsweise etwas in den Kunststoff ein, welcher die Seiten der Schlitze 87 bildet, um eine kraftschlüssige Verbindung der Seitenabdeckungen 32 an dem Rahmen 30 mit hohem Reibwert zu erzeugen. Optional kann auch ein Klebstoff verwendet werden, um die Seitenabdeckungen 32 an dem Rahmen 30 zu befestigen.
9 ist eine Schnittdarstellung des Teils des Außenrahmens 30 und des Innenrahmens 54 der Druckkartusche 16 längs der Linie 9-9 in 7, welche die Druckkartusche 16 im wesentlichen in zwei Hälften teilt. Das Ventil 24 ist in seiner geschlossenen Position zusammen mit einem Schnitt durch die zylindrische Muffe (oder das Rohrstück) 26 gezeigt. Beim Spritzgießen des Innenrahmens 54, wobei der Außenrahmen 30 als Teilform verwendet wird, wird ein fluiddichter Ventilverschluß 89 gebildet, durch welchen das Schieber-Ventil 24 eingefügt wird. Das Ventil 24 kann aus einem Niederdichte-Polyethylen (LDPE), Teflon^TM oder einem anderen geeigneten Material hergestellt werden. In dem Querschnitt von 9 ist auch eine Tintenfüllöffnung (Füllport) 46 gezeigt. Ebenfalls gezeigt ist ein vereinfachter Abschnitt eines Druckkopfsubstrats 90.
Weitere Einzelheiten des Ventils 24 sind in den 10A und 10B gezeigt. Bei der bevorzugten Ausführungsform besteht das Ventil 24 aus einem hohlen Schaftabschnitt 91, welcher ein Loch 92 aufweist, das in der Seite des Schaftabschnittes 91 ausgebildet ist, sowei eine Öffnung 93 an der Oberseite des Schaftabschnitts 91. Eine erste Rippe 94 begrenzt die Abwärtsbewegung des Ventils 24 in den Körper der Druckkartusche hinein. Eine Klemmschelle (Clip) 95 ist nachgiebig an dem Ende des Schaftabschnitts 91 um eine ringförmige Kerbe herum befestigt, welche in dem Schaftabschnitt 91 ausgebildet ist, um die Aufwärtsbewegung des Ventils 24 aus dem Körper der Druckkartusche heraus zu begrenzen. Die Klemmschelle 95 kann aus einem Hochdichte-Polyethylen (HDPE), Polycarbonat oder einem anderen geeigneten Material hergestellt sein. Eine ringförmige Rippe 96 ist in der Nähe der Oberseite des Ventils 24 ausgebildet, welche in einer Aussparung in einem Ventil (welches später noch beschrieben wird) in einem Hilfs-Tintenreservoir sitzt. Bei der bevorzugten Ausführungsform beträgt die Länge des Ventils 24 0,582 Inch; ein annehmbarer Bereich kann jedoch von etwa 0,25 bis 1,0 Inch sein, abhängig von Gestaltungsfaktoren wie Ergonomik und Zuverlässigkeit. Der Außendurchmesser des Ventils 24 beträgt etwa 0,154 Inch, es kann jedoch praktisch jeden Durchmesser annehmen.
11 zeigt eine Schnittdarstellung der Struktur von 7 längs der Linie 11-11, welche die Bogenfeder 56, die flexiblen Seitenwände 61 und 62 des Tintenbeutels, die metallenen Seitenplatten 58 und 59 und den optionalen Kantenschutz 97 zeigt. Die Feder 56 ist vorgespannt, so daß die Federkraft ziemlich konstant bleibt, wenn der Tintenbeutel 51 zusammenfällt.
Andere geeignete Unterdruck-Tintenreservoire umfassen Kunststoffbalgen, einen Tintenbeutel mit einer externen Feder, ein Reservoir mit einem externen Druckregulator und ein starres Reservoir, dessen Innendruck durch Erzeugung von Blasen geregelt wird.
Im folgenden wird die Druckkopfanordnung beschrieben. 12 zeigt eine Rückseite der Druckkopfanordnung 98, wobei man ein Siliziumsubstrat 90 sieht, das an der Rückseite eines flexiblen Bandes 42 montiert ist. Die Druckkopfanordnung 98 wird letztendlich an dem Körper der Druckkartusche 16, wie in 4 gezeigt, durch Verstemmen unter Anwendung von Wärme angebracht. Das Band 42 kann aus einem Polyimid oder einem anderen Kunststoff bestehen. Für eine Kante einer Grenzschicht 100, die auf dem Substrat 90 ausgebildet ist, ist gezeigt, daß sie Tintenkanäle 102 und Tintenausstoßkammern enthält, welche später noch beschrieben werden. Die Tintenausstoßkammern können auch als Verdampfungskammern angesehen werden, wenn der Druckkopf ein Thermo-Druckkopf ist.
Leitende Spuren 104 werden auf der Rückseite des Bandes 42 mittels eines herkömmlichen fotolitographischen oder Plattierungs-Verfahrens ausgebildet, wobei die Spuren 104 bei Kontaktfeldern 48 enden, welche zuvor mit Bezug auf 4 erwähnt wurden. Die anderen Enden der Spuren 104 sind mit Elektroden 108 (13) auf dem Substrat 90 verbunden. In dem Band 42 werden Fenster 106 und 107 dazu ver wendet, Zugriff auf die Enden der Spuren 104 zu ermöglichen, um diese Enden mit den Elektroden 108 auf dem Substrat 90 zu verbinden.
13 zeigt eine geschnittene Seitenansicht, welche längs der Linie 13-13 in 12 aufgenommen wurde, und welche die Verbindung der Enden der leitenden Spuren 104 zu den Elektroden 108 auf dem Substrat 90 darstellt. Wie in 13 gezeigt, wird ein Teil 110 der Grenzschicht 100 dazu verwendet, die Enden der leitenden Spuren 104 gegenüber dem Substrat 90 zu isolieren. Tintentröpfchen 112 sind dargestellt, welche durch in dem Band 42 ausgebildete Düsen ausgestoßen werden, nachdem Düsenausstoßelementen, welche den Düsen jeweils zugeordnet sind, angeregt wurden. 14 ist eine vereinfachte perspektivische Darstellung des Substrats 90, welches Tintenausstoßkammern 114, Tintenkanäle 102, welche zu den Tintenausstoßkammern 114 führen, und Tintenausstoßelemente 118 aufweist, welche bei der bevorzugten Ausführungsform Heizwiderstände sind. Bei einer alternativen Ausführungsform sind die Tintenausstoßelemente 118 piezoelektrische Elemente. Die Grenzschicht 100 ist bei der bevorzugten Ausführungsform ein Fotoresist, wie Vacrel oder Parad, und wird mittels herkömmlicher fotolithographischer Techniken hergestellt. Eine Klebschicht 120 ist über der Grenzschicht 100 ausgebildet, um das Substrat 94 klebend an der Rückseite des Bandes 42 zu befestigen.
Einschnürungspunkte 122 schaffen eine proportionale Dämpfung während des Nachfüllens der Tintenausstoßkammern 114 nach dem Abfeuern. Die vergrößerten Bereiche 124 am Eingang zu jedem Tintenkanal 102 vergrößern den Stützbereich an den Rändern der Grenzschicht 100, so daß der Teil des Bandes 42, welcher die Düsen enthält, relativ flach auf der Grenzschicht 100 liegt, wenn er an der Grenzschicht 100 befestigt ist. Zwei angrenzende vergrößerte Bereiche 124 wirken ebenfalls als Einschnürung für den Eingang der Tintenkanäle 102, um die Ausfilterung großer Fremdkörperpartikel zu unterstützen.
Es sind Elektroden 108 dargestellt, welche mit Phantomspuren 104 verbunden werden, nachdem das Substrat 90, wie zuvor beschrieben, an dem Band 42 befestigt ist. Grenzabschnitte 110 isolieren die Spuren 104 gegenüber der Oberfläche des Substrats 90. Es können auch andere Ausführungsformen für die Tintenausstoßkammern eingesetzt werden. Bei der bevorzugten Ausführungsform haben die Tintenausstoßkammern 114 einen Abstand, mit der eine Druckauflösung von 600 dpi erreicht wird.
Die Schaltung auf dem Substrat 90 wird durch einen Demultiplexer 128 dargestellt. Der Demultiplexer 128 ist mit den Elektroden 108 verbunden und verteilt die elektri schen Signale, welche an die Elektroden 108 angelegt werden, auf die verschiedenen Tintenausstoßelemente 118 derart, daß weniger Elektroden 108 als Tintenausstoßelemente 118 benötigt werden. Bei der bevorzugten Ausführungsform wiederholen sich Gruppen von Tintenausstoßelementen 118, wobei jede Gruppe als ein Grundelement (Primitive) bezeichnet wird. Adressierleitungen, welche mit den Elektroden 108 verbunden sind, adressieren immer ein Tintenausstoßelement 118 in jedem Grundelement auf einmal. Indem sowohl das Grundelement als auch ein bestimmtes Tintenausstoßelement 118 in einem zu adressierenden Grundelement gleichzeitig adressiert werden müssen, kann die Anzahl der Elektroden 108 auf dem Substrat 90 und die Anzahl der Kontaktfelder 48 (4) auf einer Druckkartusche 16 wesentlich kleiner sein (z. B. 52) als die gesamte Anzahl der Tintenausstoßelemente 118 (z. B. 300).
15 ist eine Schnittdarstellung längs der Linien 15-15 in 3, die zeigt, wie Tinte von dem zusammenfaltbaren Tintenbeutel 51 durch den Haupttintenkanal 66 (der auch in 7 gezeigt ist), um die Außenkanten 129 des Substrats 90 und in die Tintenkanäle 102 (14) und Tintenausstoßkammern 114 abgegeben wird. Der Weg der Tinte wird durch Pfeile 130 dargestellt. Das Band 42, in dem die Düsen 44 ausgebildet sind, ist um den Haupttintenkanal 66 mit einem Klebstoff 132 abgedichtet.
16 zeigt eine teilweise geschnittene Nahansicht der Druckkopfanordnung 98, in der man eine Düse 44, eine vereinfachte Tintenausstoßkammer 114 und verschiedene andere Elemente sieht, welche die Druckkopfanordnung 98 bilden, die mit Bezug auf die 12–14 beschrieben wurde. Wie man sieht, strömt der Tintenpfad 130 um die Außenkante 129 des Substrats 90.
Die 17–19 zeigen das bevorzugte Verfahren, um zu Anfang die Druckkartusche 16 durch das Tintenfüllloch 46 (welches man am besten in 3 sieht) mit Tinte zu füllen. Die 17–19 sind längs der Linie 17-17 in 3 aufgenommen und zeigen den Außenrahmen 30, die Seitenabdeckungen 32, den Innenrahmen 54, die flexiblen Seitenwände 61 und 62 des Tintenbeutels und die Metallseitenplatten 58 und 59. In einem ersten Schritt wird die Luft in dem Tintenbeutel 51 durch CO₂ ersetzt, indem einfach CO₂ durch das Tintenfüllloch 46 eingespritzt wird. Wie später beschrieben, hilft das CO₂ dabei, daß sich keine Luftblasen in dem Tintenbeutel 51 bilden, nachdem er mit Tinte gefüllt wurde. Ein Tintenabgaberohr 134 wird dann durch das Tintenfüllloch 46 eingeführt, und Tinte 136 wird in den leeren Tintenbeutel 51 gepumpt, bis die Tinte das Füllloch 46 erreicht. Bei dem bevorzugten Verfahren wird das Rohr 134 bis in die Nähe des Bodens des Tintenbeutels 51 eingeführt, um ein Spritzen der Tinte und die Erzeugung von Schaum zu minimieren.
Wenn der Tintenbeutel 51 einmal voll ist, wird eine Kugel 138 aus rostfreiem Stahl (18) mit einem Kolben 140 in das Tintenfüllloch 46 gedrückt, bis die Kugel 138 in dem Füllloch 46 sitzt und fest in diesem gehalten wird, wie in 19 gezeigt. Die Kugel 138 soll nun das Tintenfüllloch 46 permanent verschließen, und ein Nachfüllen von Tinte in den Tintenbeutel 51 erfolgt über das Ventil 24 aus 3.
Die Druckkartusche 16 wird dann so positioniert, daß ihre Schnauze bei dem höchsten Punkt liegt, und alle überschüssige Luft wird durch die Düsen 44 mittels einer Vakuumpumpe abgezogen, welche luftdicht auf die Düsen 44 aufgesetzt wird. Dann wird eine ausreichende Menge Tinte durch die Düsen 44 gesaugt, um den anfänglichen Unterdruck in dem Tintenbeutel 51 zu erzeugen, welcher äquivalent zu etwa –3 bis –4 Inch Wasser ist. Aufgrund des geringen Durchmessers der Düsen 44 und der schmalen Breite der verschiedenen Tintenkanäle, gekoppelt mit der Viskosität der Tinte, zieht der Unterdruck in dem Tintenbeutel 51 keine Luft durch die Düsen 44. Bei der bevorzugten Ausführungsform beträgt die Kapazität des Tintenbeutels 51 etwa 50 Milliliter.
Die fertige Druckkartusche 16 wird dann in den Drucker von 1 auf herkömmliche Weise eingesetzt, und der Tintenbeutel 51 wird, ausgehend von einem ausgedehnten Zustand bis zu einem komprimierten Zustand, zunehmend entleert, wobei die ganze Zeit ein Unterdruck in dem Tintenbeutel 51 aufrechterhalten wird.
Beschreibung des Tintennachfüllsystems
Im folgenden werden verschiedene Tintennachfüllsysteme für die Druckkartusche 16 beschrieben. Die Ventile bei jedem der hier beschriebenen Tintennachfüllsysteme können verschiebbare Ventile oder Schieber sein, die noch beschrieben werden, oder ein festes Verbindungselement zum Vorsehen einer Fluiddichtung für den Tintenbeutel 51 in der Druckkartusche 16.
20 ist eine Schnittdarstellung eines verschlossenen Tintenbehälters 150, welcher einen Tintenvorrat 151 enthält.
Der Tintenbehälter 150 wird mit der Tintenkartusche 16 zusammengebracht, so daß das Ventil 156 an dem Behälter 150 mit dem Ventil 24 an der Druckkartusche 16 gekoppelt wird, um einen luftdichten Fluidpfad zwischen der Tinte 151 und dem Tin tenbeutel 51 in der Druckkartusche 16 zu bilden. Bei der in 20 gezeigten Ausführungsform ist das Ventil 156 ein Absperrschieber oder Schieber, welcher mit weiteren Einzelheiten in Bezug auf die 21–24 beschrieben ist. Das Ventil 156 kann statt dessen auch ein festes Verbindungselement sein, wie in 25 beschrieben, oder irgendein anderes Verbindungselement, wie eine hohle Nadel, welches einen Fluidpfad zwischen der Tinte 151 und dem Tintenbeutel 51 vorsieht.
Ein Kunststoffkragen oder eine Muffe 158 umgibt das Ventil 156 und wird dazu verwendet, die Druckkartusche 16 während des Nachfüllens in ihrer bevorzugten Stellung zu halten. Die Muffe 158 wird später noch mit Bezug auf die 21–24 beschrieben.
Der Tintenbehälter 150 ist so abgedichtet oder verschlossen, daß die Tinte 151 nur durch den Unterdruck in dem Tintenbeutel 51 in den Tintenbeutel gezogen wird, wenn Luft durch ein oder mehrere Kapillarrohre 157 gezogen werden kann, um das Tintenvolumen zu ersetzen, welches in den Tintenbeutel 51 gezogen wird. Luftblasen, welche durch die Kapillarrohre 157 eintreten, sind als Blasen 159 dargestellt. Die Kapillarrohre 157 haben eine derartige Größe, daß der von dem Tintenbeutel 51 vorgesehene Unterdruck die Kuppe (Meniskus) der Tinte aufbricht, welche die Kapillarrohre 157 versperrt. Der Durchmesser der Kapillarrohre 157 hängt von dem gewünschten Gegendruck in dem Tintenbeutel 51 und den physischen Eigenschaften der Tinte 151 ab.
Ein Durchmesserbereich für das Rohr 157 von 0,001 bis 0,040 Inch würde einen Gegendruck von 20 bis 0.5 Inch Wasser ergeben. Ein bevorzugter Rohrdurchmesser 157 beträgt etwa 0.010 Inch, um einen Gegendruck von etwa 2 Inch Wasser vorzusehen, wobei ein üblicher Durchmesserbereich voraussichtlich zwischen 0,005 und 0,020 Inch liegt, um einen Gegendruck von 4 bis 1 Inch Wasser vorzusehen.
Solange es ausreichend Gegendruck in dem Tintenbeutel 51 gibt, werden Luftblasen durch die Kapillarrohre 157 gezogen, um das Tintenvolumen zu ersetzen. Dies gewährleistet, daß der Tintenbeutel 51 einen minimalen Gegendruck aufrechterhält. Da der Gegendruck oder Unterdruck in dem Tintenbeutel 51 nicht Null erreicht, wird verhindert, daß Tinte aus den Düsen in dem Druckkopf trielt.
Die Tintenmenge 151 in dem Behälter 150 ist größer als die Kapazität des Tintenbeutels 51, um zu verhindern, daß Luft in den Tintenbeutel 151 gelangt.
Die Tintenströmung von dem Tintenbehälter 150 in den Tintenbeutel 51 wird durch Pfeile 160 dargestellt.
Der Tintenbehälter 150 wird vorzugsweise aus einem starren, durchsichtigen Kunststoff hergestellt. Ein entfernbares Klebeband bedeckt die Kapillarrohre 157, bis der Tintenbehälter 150 für seinen Einsatz bereit ist.
Die Kapillarrohre 157 liegen tief in dem Tintenbehälter 150, um die Kapillarrohre 157 benetzt zu halten, bis der Behälter 150 fast keine Tinte 151 mehr enthält.
Wenn der Tintenpegel in dem Behälter 150 nicht weiter fällt, kann der Benutzer die Druckkartusche 16 von dem Ventil 156 entfernen. Wie später noch beschrieben wird, schließt das Entfernen der Druckkartusche 16 von dem Tintenbehälter 150 automatisch das Ventil 24 in der Druckkartusche 16 und das Ventil 156 in dem Tintenbehälter 150.
Bei der bevorzugten Ausführungsform wird der Tintenbehälter 150 auf einem Sockel vorgesehen, der auch die Tintenkartusche 16 trägt.
Bei einer alternativen Ausführungsform wird ein feines Kapillarsieb in das Ventil 156 gesetzt oder anders zwischen die Tinte 151 und das Ventil 24 der Druckkartusche 16 gebracht. Dies wirkt als ein Rückschlagventil, um zu verhindern, daß Luft in die Druckkartusche 16 eintritt. Auf diese Weise kann der Tintenbehälter 150 fast vollständig von Tinte 151 entleert werden, ohne daß Luft in die Druckkartusche 16 eindringen kann.
Die bevorzugte Tinte 151 ist eine Tinte auf Pigmentbasis, welche Partikel (z. B. Kohleschwarz) suspendiert in einem Fluid enthält. Solche Tinte auf Pigmentbasis wird gegenüber Tinte auf Farbstoffbasis bevorzugt, weil die Tinte auf Pigmentbasis eine höhere optische Dichte und Dauerhaftigkeit hat. Es können jedoch beide Tintenarten verwendet werden. Einige Tintenarten, die hier verwendet werden können, sind in der US-A-5,085,698 und der US-A-5,180,425 beschrieben, auf die hier Bezug genommen wird.
Die Verbindung der Ventile 24 und 156 und das Öffnen und Schließen der Ventile 24 und 156 werden nun mit Bezug auf die 21 bis 24 beschrieben. Die 21 bis 24 sind vereinfachte Schnittdarstellungen der Ventile 24 und 156. In 21 sind die Druckkartusche 16 und der Tintenbehälter 151 noch nicht in Eingriff gebracht, und beide Ventile 24 und 156 sind geschlossen. Genauer gesagt, ist ein Loch 92 in dem Schieber 24, welches zu einer mittleren Bohrung in dem Ventil 24 führt, von einer durch den Innenrahmen 54 gebildeten, es umgebenden Dichtung 89 vollständig versperrt, wie man am besten in 9 sieht. Der obere Teil den Ventils 24 ist in direktem Kontakt mit der Tinte in dem Tintenbeutel 51 (7) in der Druckkartusche 16. Das Ventil 156 in dem Tintenbehälter 150 ist ähnlich in einem geschlossenen Zustand gezeigt. Eine in dem Tintenbehälter 150 ausgebildete Dichtung 189 umgibt das Ventil 156 und versperrt das Loch 166 in dem Ventil 156.
Die Druckkartusche 16 ist in einer Abwärtsbewegung gezeigt, welche durch einen Pfeil 191 angedeutet wird, und die Muffe 26 an der Druckkartusche 16 ist kurz davor, in die Muffe 158 an dem Tintenbehälter 150 zu gleiten.
Wie in 22 gezeigt, kommt bei der weiteren Abwärtsbewegung der Druckkartusche 16 eine Rippe 96 in der Nähe der Spitze des Ventils 24 in Eingriff mit einer Ausnehmung 171 in dem Ventil 156, um die Ventile 24 und 156 in einer fluiddichten Verbindung mechanisch zu koppeln. Die Reibung zwischen dem Ventil 24 und dem Innenrahmen 54 und die Reibung zwischen dem Ventil 156 und der Dichtung 189 ist ausreichend groß, so daß die Rippe 96 in Kontakt mit der Ausnehmung 171 kommt, bevor die Ventile 24 und 156 in ihre geöffneten Stellungen gleiten. Ein gewisses Überschießen der Rippe 96 in der Ausnehmung 171 ist zulässig, um eine zusätzliche taktile Rückkopplung für den Benutzer vorzusehen, welche ihm zeigt, daß die Ventile 24 und 156 nun verbunden sind.
Die zylindrische Muffe 26 an der Druckkartusche 16 ist nun mit der zylindrischen Muffe 128 an dem Tintennachfüllsystem 150 verbunden, um zu gewährleisten, daß die Ventile 24 und 156 relativ zueinander zentriert sind, sowie um die seitliche Bewegung der Druckkartusche 16 zu begrenzen.
In 23 gleitet durch die weitere, abwärts gerichtete Kraft der Druckkartusche 16 auf den Tintenbehälter 150 das Ventil 156 nach unten, so daß das Loch 166 nun in dem Tintenbehälter 150 liegt. Dieselbe Abwärtsbewegung bewirkt auch, daß das Ventil 24 nun in seine offene Stellung gleitet, so daß das Loch 92 nun in dem Tintenbeutel 51 (7) in der Druckkartusche 16 liegt. Es existiert nun eine Fluidkanal zwischen der Tinte 151 in dem Behälter 150 und dem Unterdruck-Tintenbeutel 51 der Druckkartusche 16.
Der Unterdruck in dem Tintenbeutel 51 zieht nun Tinte 151 in den Tintenbeutel 51, um den Tintenbeutel 51 zu füllen und die Tinte 151 in dem Tintenbehälter 150 im wesentlichen vollständig abzuziehen. Dieser Vorgang ist aufgrund des niedrigen Un terdrucks relativ langsam und kann in der Größenordnung von einer bis drei Minuten dauern.
Wenn der Tintenbeutel 51 in der Druckkartusche 16 im wesentlichen gefüllt ist, wird die Druckkartusche 16 von dem Tintenbehälter 150, wie in 24 gezeigt, in der Richtung des Pfeiles 195 entfernt. In 24 schließt das Entfernen der Druckkartusche 16 das Ventil 156 und das Ventil 24, um so den Tintenbeutel 51 in der Druckkartusche 16 zu verschließen. Ferner bewirkt das Anheben, daß die Ventile 24 und 156 sich voneinander lösen. Der Grund hierfür ist, daß die Reibung beim Trennen der Ventile höher ist als die Reibung beim Schließen der Ventile.
Wie in den 21 bis 24 dargestellt, kommen die Ventile 24 und 156 mechanisch in Eingriff, bevor sie sich öffnen, und sie werden beim Entfernen der Druckkartusche 16 von dem Nachfüllsystem 150 zuerst geschlossen und dann mechanisch gelöst. Dies wird dadurch erreicht, daß die Rippe 96 an dem Ventil 24 so ausgebildet wird, daß sie mit weniger Kraft mit der Ausnehmung 171 in Eingriff bringbar ist, als für das Lösen der Rippe 96 von der Ausnehmung 171 notwendig ist. Dies kann dadurch erreicht werden, daß der untere Abschnitt 197 (24) der Rippe 96 mit einem kleinen Winkel (z. B. 30°) relativ zu der Achse des Ventils 24 ausgebildet wird, damit er leichter durch die Öffnung in dem Ventil 156 eintritt und mit der Ausnehmung 171 in Eingriff kommt. Der obere Abschnitt 198 (24) der Rippe 96 wird dann mit einem steileren Winkel (z. B. 60°) relativ zu der Achse des Ventils 24 hergestellt, so daß es schwieriger ist, die Rippe 96 aus der Ausnehmung 171 zu lösen. Zusätzlich kann die Ausnehmung 171 mit einer horizontaleren oberen Lippe 200 (24) ausgebildet werden, so daß es schwieriger ist, die Rippe 96 aus der Ausnehmung 171 zu lösen, als die Rippe 96 und die Ausnehmung 171 zu verbinden. Es können auch andere Methoden zum Vorsehen dieser relativen Kräfte anstelle der beiden hier beschriebenen Techniken verwendet werden.
Bei alternativen Ausführungsformen werden andere Techniken eingesetzt, um sicherzustellen, daß die Ventile 24 und 156 in Kontakt sind, bevor die Ventile geöffnet werden, oder daß sie sich nach dem Nachfüllen geschlossen haben. Solche Techniken umfassen die Verwendung einer Fahne, die über einen Hebel aktiviert wird und hochspringt, sobald die Ventile richtig verbunden sind; die Erhöhung der Reibung der Ventile 24 und 156 beim Hineinschieben; eine Federbelastung der Ventile 24 und 156, um sicherzustellen, daß sie geschlossen sind, nachdem die Druckkartusche 16 von dem Tintenbehälter 150 entfernt wurde; und die Ausbildung einer Nase oder eines Schnapprings in der Nähe der Muffe 158, welcher vorübergehend die Bewegung der Druckkartusche 16 verhindert und dann freigibt, um den Schwung (Mo ment) der Druckkartusche 16 in Richtung auf den Behälter 150 zu erhöhen, bevor die Ventile 24 und 156 im Eingriff sind.
Wenn den Tintenbeutel 51 einmal nachgefüllt wurde, wie entweder durch Überwachen des Tintenpegels in dem Behälter 150 ermittelt wird, oder indem man die Druckkartusche 16 und den Tintenbehälter 150 während einer vorgegebenen Zeitspanne verbunden sein läßt, wird die Druckkartusche 16 wieder in den Schlitten 18 (1) eingefügt.
Bei der bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Tintenstrahldrucker 10 (1) eine automatische Wartungs-Station, welche einen Verschluß über den Düsen 44 (3) erzeugt und den Druckkopf mittels einer Vakuumpumpe ansaugt. Das Herausziehen von Tinte aus dem Tintenbeutel 51 gewährleistet, daß nun Tinte in den Tintenausstoßkammern in dem zum Feuern bereiten Druckkopf ist.
Zum Durchführen der automatischen Öffnungs- und Schließfunktion der bevorzugten Ventile können andere Ventil- und Verschlußarten verwendet werden, und diese alternativen Ausführungsformen gehören zu der vorliegenden Erfindung.
25 zeigt einen festen Verbinder 202, der das Ventil 156 in dem Tintenbehälter 150 ersetzen kann. Der Verbinder 202 umfaßt ein weibliches Aufnahmeelement 204 zum Aufnehmen des Ventils 24 in der Druckkartusche 16 und zum Herstellen einer luftundurchlässige Fluiddichtung um das Ventil 24. Der Tintenstrom 151 aus dem Behälter heraus ist durch den Pfeil 206 angedeutet. Ein geeignetes Absperrelement oder ein Klebeband können über dem Verbinder 202 angebracht werden, bis der Tintenbehälter 150 verwendet wird.
Für die verschiedenen Ausführungsformen, welche Rohrleitungen für die Übertragung von Tinte verwenden, können die in den 26 und 27 gezeigten Verbinder verwendet werden, um eine luftundurchlässige Dichtung zwischen der externen Tintenversorgung und dem Ventil 24 in der Druckkartusche 16 zu erzeugen. In 26 hat ein flexibles Rohr 250, welches beispielsweise aus Gummi hergestellt ist, eine solche Größe, daß es das Ventil 24 aufnimmt und eine reibschlüssige Halterung und einen luftundurchlässigen Verschluß um das Ventil 24 vorsieht.
27 zeigt eine flexible Rohrleitung 252 mit einem schmalen Durchmesser, so daß das Rohr 252 in die zentrale Bohrung des Ventils 24 eingefügt und durch Reibung dort gehalten werden kann.
Alternative Ausführungsformen des Nachfüllsystems
Die 28 und 29 zeigen eine alternative Ausführungsform, welche ein kontinuierliches Nachfüllen des Tintenbeutels 51 in der Druckkartusche 16 oder ein unterbrochenes Füllen jeder Druckkartusche 16 zu verschiedenen Zeiten, zu denen der Drucker 10 aktiviert ist, ermöglicht.
Der Drucker 10 in 28 kann identisch zu dem in 1 gezeigten Drucker sein, er enthält jedoch zusätzlich ein austauschbares Tintenreservoir 260, das gestrichelt gezeichnet ist, welches schwarze, Zyan-, Magenta- und gelbe Tinte für die vier Druckkartuschen 16 enthält, die von dem scannenden Schlitten 18 getragen werden. Bei einer anderen Ausführungsform ist das Reservoir 260 irgendeine der hier beschriebenen externen Tintenversorgungen und kann außerhalb des Druckers 10 liegen. Schläuche 226 enthalten eine geeignete Verbindungsvorrichtung zu dem Ventil 24 in der Druckkartusche 16, wie einen der hier beschriebenen Verbinder.
29 zeigt einen Schlauch 262, der sich von der zylindrischen Muffe 26 in der Druckkartusche 16 erstreckt.
Bei der in 28 gezeigten Ausführungsform zieht die Kapillarwirkung Tinte durch die flexiblen Schläuche 262 in die jeweiligen Druckkartuschen 16, wenn während des Druckens Tinte aus dem Tintenbeutel 51 in den jeweiligen Druckkartuschen 16 abgezogen wird. Alternativ kann zu vorgegebenen Zeitpunkten nachgefüllt werden, wie zum Ende eines Druckzykluses oder zu anderen Zeitpunkten.
Nadel- und Trennwandverbindung
Anstelle der verschiedenen, zuvor beschriebenen Verbinder können eine Nadel und eine Trennwand (Septum) für die Nachfüllung der Druckkartusche mit Tinte in dem Tintennachfüllsystem verwendet werden. Die 30 und 31 zeigen diese alternative Ausführungsform.
Eine Schnittdarstellung des Tintenaustrittsabschnitts eines Tintennachfüllsystems 266 ist in 30 gezeigt. Die Nadel 268 hat ein Loch 270, das in der Nähe ihrer Spitze ausgebildet ist, damit Tinte von dem Tintenreservoir 272 durch die Nadel 268 gehen und aus dem Loch 270 austreten kann, wenn die Druckkartusche mit dem Tintennachfüllsystem 266 verbunden ist. Bei einer Ausführungsform besteht die Nadel 268 aus Metall. Bei anderen Ausführungsformen besteht die Nadel 268 aus Kunststoff oder irgendeinem anderen geeigneten Werkstoff.
Eine ringförmige Hülse (welche zum Feuchthalten der Nadel 268 dient, so daß das Loch 270 nicht eintrocknet) 274 umgibt das Loch 270 und wird von einer Feder 276 nach oben gedrückt. Die Hülse 274 besteht vorzugsweise aus einem relativ weichen Elastomermaterial, wie Gummi. Die Hülse 274 verhindert, daß Tinte durch das Loch 270 leckt und Luft eintritt. Alternativ kann ein einfacher Gummideckel über das Ende der Nadel 268 geschoben werden, um Lecken von Tinte und Eintreten von Luft durch das Loch 270 zu vermeiden.
Ein ringförmiger Kunststoffhalter 278, der an einer Muffe 280 befestigt ist, begrenzt die Aufwärtsbewegung der Hülse 274.
30 zeigt ferner eine geschnittene Nahaufnahme einer Druckkartusche 282, die identisch zu der zuvor beschriebenen Druckkartusche 16 ist, abgesehen davon, daß das Ventil 24 (5) durch eine Gummitrennwand oder -scheidewand (Septum) 284 ersetzt ist. Die Trennwand 284 ist im wesentlichen zylindrisch mit einem eingeformten Schlitz durch ihre Mitte. Viele verschiedene Formen der Trennwand 284 können verwendet werden, um die gewünschte Fluiddichtung zu erreichen. Die Trennwand 284 wird mit Preßsitz in die zylindrische Muffe 26 der Druckkartusche 282 eingebracht, wobei die Kompression aufgrund des Einfügens den eingeformten Schlitz schließt. Dies erzeugt eine Fluiddichtung für die Tinte in dem Unterdruck-Tintenbeutel 51. Bei der bevorzugten Ausführungsform weist die Trennwand 284 eine Fase auf, um die Nadel leichter einführen zu können. Die Spitze der Nadel 268 kann flach oder anders abgestumpft sein, um das Einfügen noch leichter zu machen, um den Tintenströmungswiderstand zu senken und um ein seitliches Loch 270 zu ermöglichen.
31 zeigt die Druckkartusche 282, welche auf das Tintennachfüllsystem 266 gedrückt ist. Die Abwärtsbewegung der Druckkartusche 226 bewirkt, daß die Muffe 26 die Hülse 274 nach unten drückt, während gleichzeitig die Nadel 268 durch die Trennwand 284 gestoßen wird. Das Loch 270 ist nun in Fluidverbindung mit dem Tintenbeutel 51, so daß Tinte aus dem Tintenreservoir 272 durch das Loch 270 in den Tintenbeutel 51 fließen kann. Die Tintenströmung wird durch die Pfeile 286 dargestellt. Die Verbindung der Muffen 280 und 26 trägt die Druckkartusche 226 während des Nachfüllvorgangs.
Wenn die Druckkartusche 282 von dem Tintennachfüllsystem 266 angehoben wird, drückt die Feder 276 die Hülse 274 zurück in seine ursprüngliche Position, wodurch das Loch 270 geschlossen wird.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist die Nadelstruktur des Tintennachfüllsystems 266 bei der Druckkartusche 282 angeordnet, und die Trennwand 284 gehört zu dem Tintennachfüllsystem 266.

Claims

Verfahren zum Nachladen einer Druckkartusche (16), die einen negativen Innendruck hat, aus einem Tintenreservoir (150), das über einen oder mehrere Kapillardurchgänge (157) mit der Atmosphäre verbunden ist, mit folgenden Verfahrensschritten: Verbinden eines Tinteneinlassports der Druckkartusche (16) mit einem Tintenauslassport des Tintenreservoirs (150), um einen luftdichten Fluidpfad zwischen dem Tintenreservoir (150) und der Druckkartusche (16) zu bilden; Ziehen von Tinte aus dem Tintenreservoir (150) in die Druckkartusche (16) in Folge des negativen Innendrucks in der Druckkartusche (16), während durch den einen oder die mehrere Kapillardurchgänge (157) Luft in das Tintenreservoir (150) nachgeführt wird, wobei der eine oder die mehreren Kapillardurchgänge (157) in einer derartigen Größe bereitgestellt werden, dass der von der Druckkartusche (16) vorgesehene negative Innendruck die Kuppe der Tinte aufbricht, welche den einen oder die mehreren Kapillardurchgänge (157) versperrt, um einen Leerraum zu füllen, welcher von der Tinte zurückgelassen wird, wenn die Tinte in die Druckkartusche (16) gezogen wird.
Drucksystem mit einem Tintenreservoir (150), welches Tinte enthält und über einen oder mehrere Kapillardurchgänge (157) mit der Atmosphäre verbunden ist; einem Tintenauslassport in Fluidverbindung mit dem Tintenreservoir (150), der mit einem Tinteneinlassport einer Druckkartusche (16) verbindbar ist, wobei die Druckkartusche (16) einen negativen Innendruck hat; wobei die Kapillardurchgänge (157) so bemessen sind, dass der negative Innendruck innerhalb der Druckkartusche (16) Tinte durch den Tintenauslassport und in die Druckkartusche (16) zieht, während Luft durch die Kapillardurchgänge von der Atmosphäre in das Tintenreservoir (150) gezogen wird, und die Kapillardurchgänge (157) eine derartige Größe haben, dass der von der Druckkartusche (16) vorgesehene negative Innendruck die Kuppe der Tinte aufbricht, welche die Kapillardurchgänge versperrt, um einen Hohlraum zu füllen, der von der Tinte zurückgelassen wird, wenn diese in die Druckkartusche (16) gezogen wird.
Drucksystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillardurchgänge in der Nähe eines Bodens des Tintenreservoirs (150) angeordnet sind.
Drucksystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapillardurchgänge (157) einen Durchmesser im Bereich von 0,0254 bis 1,016 mm (0,001 bis 0,040 Inch) haben, so dass sie einen Gegendruck von ungefähr 50 bis 1,245 Pa (20 bis 0,5 Inch Wasser) innerhalb der Druckkartusche (16) benötigen, um die Tinte durch den Tintenauslassport zu ziehen.
Drucksystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Kapillardurchgänge (157) im Bereich von 0,127 bis 0,508 mm (0,005 bis 0,020 Inch) liegt, so dass ein Gegendruck von 9,96 bis 2,49 Pa (4 bis 1 Inch Wasser) in der Druckkartusche (16) notwendig ist, um die Tinte durch den Tintenauslassport zu ziehen.
Drucksystem nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem der Tintenauslassport (216) ein erstes Ventil (156) aufweist, wobei das Ventil wahlweise in eine geöffnete Stellung oder eine geschlossene Stellung bringbar ist, wobei die geöffnete Stellung eine luftdichte Fluidverbindung zwischen dem Tintenreservoir (150) und der Druckkartusche (16) vorsieht, wenn das erste Ventil mit dem Tinteneinlassport (24) verbunden ist, und die geschlossene Stellung einen Fluidverschluss des Tintenreservoirs vorsieht, und wobei das erste Ventil (156) automatisch in die geöffnete Stellung bringbar ist, wenn das erste Ventil (156) mit dem Tinteneinlassport (24) verbunden wird.
System nach Anspruch 6, bei dem das erste Ventil (156) mit einem verschiebbaren zweiten Ventil (24), das an der Druckkartusche (16) vorgesehen ist, verbindbar ist, so dass eine mechanische Kopplung zwischen dem ersten Ventil (156) und dem zweiten Ventil (24) hergestellt ist, bevor das erste Ventil (156) geöffnet ist.
System nach einem der vorangehenden Ansprüche 2 bis 7, bei dem der Tintenauslassport einen hohlen Schaft (250, 252, 268) aufweist, der eine luftundurchlässige Dichtung mit dem Tinteneinlassport (24, 26) bildet.